(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主面と前記第１主面と反対側に位置する面である第２主面とを備えた基材と、
前記第１主面に設けられた誘電体多層膜と、を有し、
前記第１主面は、
前記第２主面に対して最大でも３０°未満の角度で傾斜した第１斜面と、
前記第２主面に対して最大でも３０°未満の角度で傾斜した第２斜面と、
前記第２主面と平行となるように設けられた水平面と、を備え、
前記第１斜面は、前記第１斜面の法線が前記第２主面の法線に対して第１方向に傾斜した斜面であり、
前記第２斜面は、前記第２斜面の法線が前記第２主面の法線に対して前記第１方向と反対の方向である第２方向に傾斜した斜面であり、
前記誘電体多層膜は、前記第２主面に対して傾斜した方向から積層成膜され、前記第２主面の法線方向から見た平面視において、
前記第１斜面と重なる部分の膜厚が、前記水平面と重なる部分の膜厚よりも薄く、
前記第２斜面と重なる部分の膜厚が、前記水平面と重なる部分の膜厚よりも厚いことを特徴とする分光素子。
【請求項２】
第１主面と前記第１主面と反対側に位置する面である第２主面とを備えた基材と、
前記第１主面に設けられた誘電体多層膜と、を有し、
前記第１主面は、
前記第２主面に対して最大でも３０°未満の角度で傾斜した第１斜面と、
前記第２主面に対して最大でも３０°未満の角度で傾斜した第２斜面と、
前記第２主面に対して前記第２斜面よりも小さい角度で傾斜した第３斜面と、を備え、
前記第１斜面は、前記第１斜面の法線が前記第２主面の法線に対して第１方向に傾斜した斜面であり、
前記第２斜面は、前記第２斜面の法線が前記第２主面の法線に対して前記第１方向と反対の方向である第２方向に傾斜した斜面であり、
前記第３斜面は、前記第３斜面の法線が前記第２主面の法線に対して前記第２方向に傾斜した斜面であり、
前記誘電体多層膜は、前記第２主面に対して傾斜した方向から積層成膜され、前記第２主面の法線方向から見た平面視において、
前記第１斜面と重なる部分の膜厚が、前記第３斜面と重なる部分の膜厚よりも薄く、
前記第２斜面と重なる部分の膜厚が、前記第３斜面と重なる部分の膜厚よりも厚いことを特徴とする分光素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の分光素子において、
前記第１斜面及び前記第２斜面は湾曲斜面であり、
前記第１斜面は、前記第１斜面に接するの接線のうち前記第２主面と最大の角度で交差する接線が前記第２主面に対して２０°以下となるように設けられ、
前記第２斜面は、前記第２斜面に接するの接線のうち前記第２主面と最大の角度で交差する接線が前記第２主面に対して２０°以下となるように設けられていることを特徴とする分光素子。
【請求項４】
第１主面と前記第１主面と反対側に位置する面である第２主面とを備えた湾曲した基材と、
前記第１主面に設けられた誘電体多層膜と、を有し、
前記第２主面の両端を結ぶ面を水平基準面としたとき、
前記第１主面は、
前記水平基準面に対して最大でも３０°未満の角度で傾斜した第１斜面と、
前記水平基準面に対して最大でも３０°未満の角度で傾斜した第２斜面と、を備え、
前記第１斜面は、前記第１斜面の法線が前記水平基準面の法線に対して第１方向に傾斜した斜面であり、
前記第２斜面は、前記第２斜面の法線が前記水平基準面の法線に対して前記第１方向と反対の方向である第２方向に傾斜した斜面であり、
前記誘電体多層膜は、前記水平基準面に対して傾斜した方向から積層成膜され、前記水平基準面の法線方向から見た平面視において、
前記第１斜面と重なる部分の膜厚が、前記第２斜面と重なる部分の膜厚よりも薄いことを特徴とする分光素子。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載の分光素子において、
前記誘電体多層膜は、斜方蒸着膜であることを特徴とする分光素子。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかに記載の分光素子において、
前記基材の前記第１主面が複数の領域を有し、前記各領域にそれぞれ異なる誘電体多層膜が形成されていることを特徴とする分光素子。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載の分光素子において、
前記基材を複数有し、各々が互いに対向するように配置されていることを特徴とする分光素子。
【請求項８】
第１主面と前記第１主面と反対側に位置する面である第２主面とを備えた基材と、誘電体多層膜と、を備えた分光素子の製造方法であって、
前記基材の前記第１主面に、
前記第２主面に対して最大でも３０°未満の角度で傾斜した第１斜面と、
前記第２主面に対して最大でも３０°未満の角度で傾斜した第２斜面と、を設ける工程と、
前記第１斜面及び前記第２斜面が設けられた第１主面に、前記第２主面の法線に対して傾斜した方向から、前記誘電体多層膜を積層成膜する工程と、を有し、
前記第１斜面は、前記第１斜面の法線が前記第２主面の法線に対して第１方向に傾斜した斜面であり、
前記第２斜面は、前記第２斜面の法線が前記第２主面の法線に対して前記第１方向と反対の方向である第２方向に傾斜した斜面であり、
前記誘電体多層膜は、前記第２主面の法線方向から見た平面視において、
前記第１斜面と重なる部分の膜厚が、前記水平面と重なる部分の膜厚よりも薄く、
前記第２斜面と重なる部分の膜厚が、前記水平面と重なる部分の膜厚よりも厚いことを特徴とする分光素子の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の分光素子の製造方法において、
前記基材の前記第１主面は、前記第２主面と平行となるように設けられた水平面を有し、
前記第１斜面の前記第２主面に対する傾斜角度をθ１、前記第１斜面を透過する光のピーク波長をλ１とし、
前記第２斜面の前記第２主面に対する傾斜角度をθ２、前記第２斜面を透過する光のピーク波長をλ２とし、
前記水平面を透過する光のピーク波長をλｓとし、
前記誘電体膜が積層成膜される方向と前記第２主面の法線との角度をφとしたとき、
θ１＝ｃｏｓ−１（λ１／λｓ）−φ
θ２＝ｃｏｓ−１（λ２／λｓ）−φ
を満たすことを特徴とする分光素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の分光素子の製造方法において、
前記基材の前記第１主面は、前記第２主面と平行となるように設けられた水平面を有し、
前記第１斜面及び前記第２斜面は湾曲斜面であり、
前記第１斜面及び前記第２斜面の接線のうち前記第２主面に対する傾斜角度が最大となる接線の傾斜角度を最大傾斜角度θｍａｘとし、
前記最大傾斜角度θｍａｘとなる接線と前記第１斜面及び前記第２斜面との接点を透過する光のピーク波長をλ１とし、
前記第１斜面及び前記第２斜面の接線のうち前記第２主面に対する傾斜角度が最小となる接線の傾斜角度を最小傾斜角度θｍｉｎとし、
前記最小傾斜角度θｍｉｎとなる接線と前記第１斜面及び前記第２斜面との接点を透過する光のピーク波長をλ２とし、
前記水平面を透過する光のピーク波長をλｓとし、
前記誘電体膜が積層成膜される方向と前記第２主面の法線との角度をφとしたとき、
θｍａｘ＝ｃｏｓ−１（λ１／λｓ）−φ
θｍｉｎ＝ｃｏｓ−１（λ２／λｓ）−φ
を満たすことを特徴とする分光素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の分光素子の製造方法において、
前記最大傾斜角度θｍａｘは、２０°以下であることを特徴とする分光素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１乃至７のいずれか記載の分光素子と、前記分光素子の出射面に隣接して配置した受光素子とを備えることを特徴とする分光センサー。
【請求項１３】
光源と、請求項１乃至７のいずれか記載の分光素子と、前記分光素子の出射面に隣接して配置したライトバルブと、投写レンズ系とを光路に沿って配置したことを特徴とする投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の主面に誘電体多層膜を設けたカラーフィルター、干渉フィルター等の分光素子、及びその製造方法、並びにそれらの分光素子を用いた分光センサー、投写型表示装置等の光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＣＣＤ等の固体撮像素子や液晶プロジェクター等の投写型表示装置には、誘電体多層膜からなる光学膜を基板に設け、耐光性に優れたカラーフィルターが使用されている。例えば、イエロー光を反射する第１の誘電体多層膜と、シアン光を反射する第２の誘電体多層膜とを透明基板の両面又は片面に積層し、赤、緑、青の３原色を良好に透過させるカラーフィルターが知られている（特許文献１を参照）。
【０００３】
製造を非常に簡単にするために、光束に対して複数の角度からなる傾斜面を有する基板と、該基板の傾斜面上に設けた多層膜とを備えるカラーフィルターが知られている（特許文献２を参照）。図２６は、特許文献２記載のカラーフィルターの基本的構成を例示している。このカラーフィルター１は、ガラス等の透明な基板２と、その上面に形成された誘電体多層膜３とを備える。基板２の上面には、水平な平面部４と、傾斜角度θ1，θ2（θ1＜θ2）の第１，第２傾斜面５，６とが形成されている。誘電体多層膜３は、基板２の水平面に対して垂直方向に金属酸化物を真空蒸着させて、１度の成膜工程で形成される。
【０００４】
真空蒸着法のように成膜物質の指向性が強い成膜方法では、成膜物質が基板２の水平面に垂直に入射する場合の物理的膜厚をｄとすると、誘電体多層膜３の物理的膜厚は、平面部４においてＤ0＝ｄ、第１傾斜面５においてＤ1＝ｄ×cosθ1，第２傾斜面６においてＤ2＝ｄ×cosθ2となる。また、光が基板２の水平面に垂直に入射したとき、前記第１，第２傾斜面の誘電体多層膜３は、その傾斜角度に応じて光の入射角度が変化し、その大きさによって分光透過特性が低波長側に変化する。これら両作用によって、平面部４、第１及び第２傾斜面５，６の領域Ａ，Ｂ，Ｃを透過する光の中心波長λ0，λ1，λ2は、光の入射角度に応じてλ0＞λ1＞λ2となるので、例えばλ0を赤、λ1を緑、λ2を青の３色に分光することができる。
【０００５】
更に、基板の両面にそれぞれ光束に対して複数の角度からなる傾斜面を設け、該基板の両面に誘電体多層膜を形成したカラーフィルターが知られている（特許文献３を参照）。このカラーフィルターは、基板の一方の面が長波長透過フィルターを、他方の面が短波長透過フィルターを構成するように前記多層膜を設けることによって、緑色透過フィルターを設けることなく、赤、緑、青の３色を分光可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−３２５２１４号公報
【特許文献２】特開平７−５６０１３号公報
【特許文献３】特開平８−９４８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図２６に示す従来のカラーフィルターについて分光透過特性を検証するために、透過率のピーク波長を明確に測定できる誘電体多層膜フィルターを水平な基板の表面に以下の設計条件で形成した場合をシミュレーションした。
設計波長：λ＝８００ｎｍ
層数：１８
膜構成：  Sub／（１Ｈ・１Ｌ）４・２Ｈ・（１Ｌ・１Ｈ）４・２Ｌ／Air
ここで、Subは基板を、Airは多層膜の最外層の媒質である空気を、１ＨはＴiＯ2の１／４λを、１ＬはＳiＯ2の１／４λを表す。尚、λは、光が基板２を水平面から垂直方向に入射する場合のピーク透過波長となる。
【０００８】
基板表面の法線方向に関する光の入射角度θを０°から６０°まで１０°おきに設定して、３５０〜８５０ｎｍの可視光波長域について透過率を算出した。図２７は、各入射角度θについて透過率のピークが現れる波長付近の透過特性を抽出したものである。ここでいう入射角度θは、図２６のカラーフィルター１における第１，第２傾斜面の傾斜角度に置き換えられるから、図２７は、カラーフィルター１の前記傾斜面における誘電体多層膜フィルターの分光透過特性を表しているということができる。
【０００９】
図２７は、光の入射角度が１０°大きくなる毎に透過波長のピークが短波長側へ約１０ｎｍずつシフトする入射角度依存性を示している。これでは、ピーク波長を例えば１００ｎｍシフトさせるためには、入射角度を約６０°に設定しなければならない。これは、図２６のカラーフィルター１の前記傾斜面の傾斜角度を６０°に設定しても、その傾斜面における平面部４からの波長シフト量が１００ｎｍに過ぎないことを意味する。従って、図２６のカラーフィルター１では、可視光全領域のような広い波長範囲をカバーし得るものを実現することが困難である。
【００１０】
更に図２７から、光の入射角度が３０°以上になると、透過光がｐ偏光成分とｓ偏光成分とに分離されかつｓ偏光成分の透過率が低下する偏光分離特性が現れることが分かる。そのため、図２６の従来例は、前記傾斜面の傾斜角度が３０°以上になると、透過光量が大幅に低下するという問題が発生する。十分な透過光量を確保するためには、前記傾斜面の傾斜角度を３０°未満に、好ましくは２０°以下に設定すべきであるが、上述したようにカラーフィルターとして波長選択幅が狭くなるので、実用化は困難である。
【００１１】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、可視光全領域のような広い波長範囲をカバーし得る優れた波長選択性を発揮し、かつ実質的に偏光選択性の無いカラーフィルター、その他の干渉フィルター等の分光素子、及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
更に本発明の目的は、係る分光素子を備えた分光センサー、液晶プロジェクター等の投写型表示装置、その他の光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明者は、傾斜面に誘電体材料を入射させて積層成膜する所謂斜め蒸着法の場合、誘電体材料の回り込みが誘電体多層膜の物理的膜厚を変化させるのではないかと考え、この膜厚変化が透過波長のシフトに与える影響を検討した。図２７の場合と同じ設計条件で基板に形成した誘電体多層膜について、その物理的膜厚に斜め蒸着法による誘電体材料の回り込みを考慮して透過率を算出した。
【００１４】
図１は、基板表面の法線方向に関する光の入射角度θを０°から６０°まで１０°おきに設定し、３５０〜８５０ｎｍの可視光波長域において各入射角度θについて透過率のピークが表れる波長付近の透過特性を抽出したものである。同図から、入射角度θ＝３０°の場合に、ピーク波長が約６７０ｎｍで、θ＝０°の透過波長８００ｎｍからの波長シフト量が約１３０ｎｍとなっており、図２７の場合よりも大幅に大きいことが分かる。従って、誘電体材料の回り込みを考慮すれば、長波長端に対して約１６％の大きい波長変化幅を得ることができる。
【００１５】
このシミュレーション結果から、本願発明者は、基板に傾斜面を設けることと、斜め蒸着法のように基板自体を傾けて行う誘電体積層膜の成膜とを組み合わせることによって、図２６の従来例よりも、異なる傾斜角度の領域間における誘電体積層膜の物理的膜厚比を大きくし、光入射角度の変化に対する波長シフト量をより大きくできるのではないかとの考えに至った。そこで、図２６のように基板の主面に傾斜面を有する基板に誘電体多層膜を設けたカラーフィルターについて、基板を傾けた状態で誘電体多層膜を、図２７と同じ設計条件で成膜した場合の分光透過特性をシミュレーションした。
【００１６】
この場合に基板の傾斜面及び水平面に形成される誘電体多層膜間の物理的膜厚比を、図２を用いて説明する。同図に示すように、カラーフィルター１１は、基板１２を水平方向Ｈに関してチルト角φをもって傾けた状態で、その下側主面に誘電体多層膜１３を形成する。基板１２はその下側主面に、該基板の元々の水平部分からなる水平面１４と、該基板の主面法線方向ｍに対して傾斜角度θ1，θ2をなす直線斜面１５，１６とを有する。誘電体多層膜１３は、例えば真空蒸着により誘電体材料を基板１２の下側主面に対して垂直方向上向きに、該基板の主面法線方向ｍに対して角度φの入射方向Ｋに沿って斜めに入射させて成膜する。
【００１７】
基板１２表面に垂直に誘電体材料を入射させたときの物理的膜厚をｄとすると、水平面１４及び直線斜面１５，１６における誘電体多層膜１３の物理的膜厚Ｄ0，Ｄ1，Ｄ2は、次の関係式で表される。
Ｄ0＝ｄ・cosφ
Ｄ1＝ｄ・cos（φ＋θ1）
Ｄ2＝ｄ・cos（φ＋θ2）
ここで、基板１２のチルト角φ及び傾斜角度θ1，θ2の正負の向きを同じにすると、基板１２の傾きと同じ向きに傾斜する斜面１５は、誘電体材料の入射角度が大きくなるので、誘電体多層膜１３の物理的膜厚が水平面１４よりも薄くなる。基板１２の傾きと逆向きに傾斜する斜面１６は、誘電体材料の入射角度が小さくなるので、前記誘電体多層膜の物理的膜厚が水平面１４よりも厚くなる。
【００１８】
上記関係式から、水平面１４及び直線斜面１５，１６に形成される誘電体多層膜１３の物理的膜厚比Ｄ0：Ｄ1：Ｄ2は、cosφ：cos（φ＋θ1）：cos（φ＋θ2）となる。これに対し、図２６のカラーフィルターのように、誘電体材料を基板２の主面に対して垂直方向に入射させた場合の物理的膜厚比は、図２においてチルト角φ＝０の場合であるから、Ｄ0：Ｄ1：Ｄ2は、１：cosθ1：cosθ2となる。cosφ＜１であるから、図２の場合は、図２６の従来例よりも、水平面１４に対する両斜面１５，１６の物理的膜厚比が大きくなることが確認される。
【００１９】
図２のカラーフィルター１１について、基板１２のチルト角φを０°から５０°まで１０°おきに設定し、３５０〜８５０ｎｍの可視光波長域における前記誘電体多層膜フィルターの透過率をシミュレーションした。図３は、このシミュレーション結果から、各チルト角における透過率のピーク波長λpを抽出し、基板の主面法線方向ｍに関する光Ｌの入射角度θ＝−４０°〜＋４０°の範囲で示している。良好な分光特性を得るには、ピーク波長λpが入射角度θ＝０°の正負両側で線形的に変化する範囲が好ましい。図３から、より広い波長範囲をカバーするためには、波長基板１２のチルト角φが４０°又は５０°の場合が好ましいことが分かる。
【００２０】
しかしながら、図３のシミュレーション結果では、入射角度θに関するピーク波長λpの変化が比較的急峻であり、使用可能な波長範囲が約４００〜７００ｎｍで、全可視光領域（３８０〜８００ｎｍ）をカバーしていない。そこで、次のような調整を試みた。尚、図３のシミュレーションにおいて、基板の傾きによって生じる蒸着源からの距離の差による誘電体多層膜の膜厚分布は、既に補正している。
【００２１】
一般に、透明材料は、透過光の波長が短いほど屈折率が高くなる傾向がある。これは、短波長側において、光学膜厚が大きくなるので、波長シフト量を小さくする方向に影響する。そこで、短波長側での光学膜厚の増加を考慮して、入射角度θ＝−２０°で透過中心波長が８００ｎｍとなるように、水平部１４における誘電体多層膜１３の物理的膜厚を、設計標準の１／４λより大きくなるように調整した。
【００２２】
このように膜厚を調整した図２のカラーフィルターについて、基板１２のチルト角φを０°から５０°まで１０°おきに設定し、３５０〜８５０ｎｍの可視光波長域における前記誘電体多層膜フィルターの透過率をシミュレーションした。図４は、図３と同様に、各チルト角φにおける前記誘電体多層膜フィルターの透過率のピーク波長λpを抽出して、基板の主面法線方向ｍに関する光Ｌの入射角度θ＝−４０°〜＋４０°の範囲で示している。同図から、チルト角φ＝５０°にすると、光の入射角度θ＝−２０°〜＋２０°の範囲において、可視光領域３８０〜８００ｎｍの略全体をカバーし、かつその範囲で良好な線形性を得られることが分かる。
【００２３】
また、図２のカラーフィルター１１において、水平面１４及び直線斜面１５，１６に設けられた誘電体多層膜１３の波長特性、即ち透過ピーク波長は、該誘電体多層膜の物理的膜厚比に概ね等しい。従って、基板１２表面に垂直に誘電体材料を入射させたときに形成される誘電体多層膜の波長特性をλsとすると、水平面１４及び直線斜面１５，１６における誘電体多層膜１３の波長特性λ0，λ1，λ2は、次のように表される。
λ0＝λs・cosφ
λ1＝λs・cos（φ＋θ1）
λ2＝λs・cos（φ＋θ2）
【００２４】
従って、斜面１５，１６における所望の波長特性λ1，λ2が決定すれば、それらの傾斜角度θ1，θ2は、次式から求められる。
θ1＝cos−１（λ1／λs）−φ
θ2＝cos−１（λ2／λs）−φ
これを一般化すると、次のようになる。
【００２５】
基板１２がその主面に互いに傾斜角度の異なるｎ種類（ｎ：自然数）の斜面を有し、該主面に垂直に成膜した誘電体多層膜の波長特性、即ち透過ピーク波長をλs、その物理的膜厚をｄsとし、ｎ種類の各斜面について得たい波長特性をλi（ｉ＝１〜ｎ）、その場合の物理的膜厚をｄi（ｉ＝１〜ｎ）、その傾斜角度をθi（ｉ＝１〜ｎ）とする。前記基板のチルト角φ及び各斜面の傾斜角度θiを図２の紙面において時計回り正とすると、
ｄi＝ｄs・cos（φ＋θi）
λi＝λs・cos（φ＋θi）
となる。従って、各斜面の傾斜角度は、
θi＝cos−１（λi／λs）−φ
により決定される。
【００２６】
これらの関係式から、波長特性比率λi／λsを横軸にかつ傾斜角度θを縦軸に置き換えて図４のシミュレーション結果を表すと、図５に示すようになる。同図から、チルト角φ＝４０°にすると、光の入射角度θ＝−２０°〜＋２０°の範囲において、波長シフト量について良好な線形性を得られることが分かる。本願発明者らは、上記目的を達成するために、かかる知見に基づいて本願発明を想到すると至ったものである。
【００２７】
本発明の分光素子は、少なくとも１つの主面と該主面に設けられた斜面とを有する基材と、該基材の主面に設けられた誘電体多層膜とを備え、主面について予め設定した水平基準面に対する斜面の傾斜角度が３０°未満、より好ましくは２０°以下であり、誘電体多層膜が、基材に対して一定の方向から入射する誘電体材料を、該一定の方向に直交する向きから水平基準面を所定のチルト角φ傾けた基材の主面に積層成膜させたものであることを特徴とする。
【００２８】
これにより、基板の斜面の傾斜角度を小さくして偏光選択性を生じさせないので、十分な透過光量を確保することができ、かつ誘電体多層膜の物理的膜厚比を大きくして、光の入射角度に対する波長シフト量を大幅に大きくし、可視光全領域のような広い波長範囲をカバーしかつ直線的な波長変化特性を得ることができる。
【００２９】
或る実施例では、基材の斜面がｎ個（ｎ：自然数）の直線斜面からなり、かつ該直線斜面に誘電体多層膜を設けることができ、水平基準面に対する直線斜面の傾斜角度θi（ｉ＝１〜ｎ）が、基材の主面に誘電体多層膜を垂直に成膜した場合の波長特性をλs、各斜面における所望の波長特性をλi（ｉ＝１〜ｎ）としたとき、次式θi＝cos−１（λi／λs）−φを満足することによって、広い波長範囲をカバーし得る優れた波長選択性を有しかつ偏光選択性の無い分光素子を実現できる。
【００３０】
別の実施例では、基材の斜面が湾曲斜面であり、かつ該湾曲斜面に誘電体多層膜を設けることができ、水平基準面に対する湾曲斜面の最大傾斜角度θmax及び最小傾斜角度θminが、基材の主面に誘電体多層膜を垂直に成膜した場合の波長特性をλs、最大傾斜角度θmaxとなる湾曲斜面の位置における所望の波長特性をλ1、最小傾斜角度θminとなる湾曲斜面の位置における所望の波長特性をλ2としたとき、次式θmax＝cos−１（λ1／λs）−φ、及び、θmin＝cos−１（λ2／λs）−φを満足することによって、同様に広い波長範囲をカバーし得る優れた波長選択性を有しかつ偏光選択性の無い分光素子を実現できる。
【００３１】
更に別の実施例によれば、基材の主面が複数の領域を有し、各領域にそれぞれ異なる誘電体多層膜が形成されることによって、各領域が異なる波長範囲をカバーし、全体としてより一層広い波長範囲をカバーすることができる。
【００３２】
また別の実施例では、基材として、従来公知の、対向する１対の主面を有する基板を用いることができる。その場合、更に両方の主面にそれぞれ斜面と誘電体多層膜とを設けることができる。
【００３３】
本発明の別の側面によれば、少なくとも１つの主面と、該主面に設けられた斜面とを有し、主面について予め設定した水平基準面に対する斜面の傾斜角度が３０°未満、好ましくは２０°以下である基材を準備する過程と、誘電体材料を基材に対して一定の方向から入射させることにより、該一定の方向に直交する向きから水平基準面を所定のチルト角φ傾けて配置した基材の前記主面に、誘電体多層膜を積層成膜させる過程とを有する分光素子の製造方法が提供される。
【００３４】
これにより、基板の斜面の傾斜角度を小さくして十分な透過光量を確保でき、光の入射角度に対する波長シフト量を大幅に大きくして、可視光全領域のような広い波長範囲をカバーしかつ直線的な波長変化特性を発揮する分光素子を実現することができる。
【００３５】
或る実施例では、基材の斜面がｎ個（ｎ：自然数）の直線斜面からなり、水平基準面に対する直線斜面の傾斜角度θi（ｉ＝１〜ｎ）を、基材の主面に誘電体多層膜を垂直に成膜した場合の波長特性をλs、各斜面における所望の波長特性をλi（ｉ＝１〜ｎ）としたとき、次式θi＝cos−１（λi／λs）−φにより決定することによって、広い波長範囲をカバーし得る優れた波長選択性を有しかつ偏光選択性の無い分光素子が得られる。
【００３６】
別の実施例では、基材の斜面が湾曲斜面であり、水平基準面に対する湾曲斜面の最大傾斜角度θmax及び最小傾斜角度θminを、基材の主面に誘電体多層膜を垂直に成膜した場合の波長特性をλs、最大傾斜角度θmaxとなる湾曲斜面の位置における所望の波長特性をλ1、最小傾斜角度θminとなる湾曲斜面の位置における所望の波長特性をλ2としたとき、次式θmax＝cos−１（λ1／λs）−φ、及び、θmin＝cos−１（λ2／λs）−φにより決定することによって、同様に広い波長範囲をカバーし得る優れた波長選択性を有しかつ偏光選択性の無い分光素子が得られる。
【００３７】
また、本発明の別の側面によれば、上述した本発明の分光素子と、該分光素子の出射面に隣接して配置した受光素子とを備えることにより、より広い波長範囲に適用でき、色分解能に優れた分光センサーが提供される。
【００３８】
本発明の更に別の側面によれば、光源と、上述した本発明の分光素子と、該分光素子の出射面に隣接して配置したライトバルブと、投写レンズ系とを光路に沿って配置することにより、より広い波長範囲で色再現性に優れた、液晶プロジェクター等の投写型表示装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の分光素子の原理を説明するための分光特性図。
【図２】本発明の分光素子を説明するための図。
【図３】図２の分光素子の分光特性図。
【図４】図２の分光素子の膜厚調整後の分光特性図。
【図５】図４の分光特性を波長特性比率と傾斜角との関係で示す線図。
【図６】本発明によるカラーフィルターの第１実施例を示す斜視図。
【図７】図６のカラーフィルターの部分拡大断面図。
【図８】図６のカラーフィルターの分光透過特性図。
【図９】図６のカラーフィルターを適用したデジタルカメラの光学系を示す図。
【図１０】本発明によるカラーフィルターの第２実施例を示す斜視図。
【図１１】図１０のカラーフィルターの部分拡大断面図。
【図１２】図１０のカラーフィルターの分光透過特性図。
【図１３】図１０のカラーフィルターを適用したライトバルブの構成を示す図。
【図１４】図１０のカラーフィルターを適用したプロジェクターの光学系を示す図。
【図１５】本発明による干渉フィルターの第１実施例を示す斜視図。
【図１６】図１５の干渉フィルターの部分拡大断面図。
【図１７】図１５の干渉フィルターの分光透過特性図。
【図１８】本発明による干渉フィルターの第２実施例を示す斜視図。
【図１９】図１８の干渉フィルターの部分拡大断面図。
【図２０】図１８の干渉フィルターを適用した分光センサーの光学系を示す図。
【図２１】本発明によるカラーフィルターの変形例を示す平面図。
【図２２】本発明によるカラーフィルターの別の変形例を示す平面図。
【図２３】本発明による分光フィルターの第３実施例を示す斜視図。
【図２４】図２３の分光フィルターの部分拡大断面図。
【図２５】図２３の分光フィルターを適用した分光センサーの光学系を示す図。
【図２６】従来技術によるカラーフィルターを示す部分拡大断面図。
【図２７】図２６のカラーフィルターの分光透過特性図。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図６は、本発明によるカラーフィルターの第１実施例を概略的に示している。本実施例のカラーフィルター２１は、例えばガラス材料からなる透明な基板２２と、該基板の上側主面に設けられた誘電体多層膜２３とを備える。基板２２の前記上側主面には、互いに傾斜角度の異なる第１斜面２４と第２斜面２５と第３斜面２６とが、それぞれ所定幅のストライプ状に交互に連続して設けられている。第１〜第３斜面２４〜２６は、図７に示すように、基板２２の反対側の平坦な主面を水平基準面として、これに対してそれぞれ傾斜角度θ1〜θ3で傾斜する直線斜面である。傾斜角度θ1〜θ3は３０°未満、好ましくは２０°以下になるように選択する。
【００４１】
誘電体多層膜２３は、例えばＴiＯ2のような高屈折率誘電体材料とＳiＯ2のような低屈折率誘電体材料とを交互に所定の層数積層して形成される。本実施例では、成膜材料の指向性が強い真空蒸着法により１度の成膜工程で、前記誘電体材料を基板２２の前記上側主面に入射させて第１〜第３斜面２４〜２６に成膜する。別の成膜方法として、同様に成膜材料の指向性が強いイオンビームアシスト蒸着法、イオンビームスパッタリング法を用いることができる。この成膜工程において、基板２２は、前記水平基準面を水平方向Ｈに関して所定のチルト角φをなすように、即ち前記水平基準面の法線方向ｍが前記誘電体材料の入射方向Ｋに関して同じ角度φをなすように傾けて配置する。
【００４２】
本実施例では、３種類の直線斜面２４〜２６を基板２２の前記上側主面に設けたが、該基板がその主面に互いに傾斜角度の異なるｎ種類（ｎ：自然数）の斜面を有する一般的な場合を考える。このとき、基板の主面に垂直に成膜した誘電体多層膜の波長特性、即ち透過ピーク波長をλs、その物理的膜厚をｄsとし、ｎ種類の各斜面について得たい波長特性をλi（ｉ＝１〜ｎ）、その場合の物理的膜厚をｄi（ｉ＝１〜ｎ）、その傾斜角度をθi（ｉ＝１〜ｎ）とすると、図７の紙面において時計回りを正として、
ｄi＝ｄs・cos（φ＋θi）
λi＝λs・cos（φ＋θi）
で表される。従って、各斜面の傾斜角度は、
θi＝cos−１（λi／λs）−φ
により決定される。
【００４３】
図６のカラーフィルター２１を以下の条件で設計した。
設計波長：λ＝６５０ｎｍ
層数：５８
膜構成：  Sub／０．４５０Ｈ・０．４３７Ｌ・１．２７０Ｈ・（０．３９６Ｌ・０．７６１Ｈ）６・０．７４４Ｌ・（０．８１５Ｈ・０．７１８Ｌ）６・２．１８５Ｈ・（０．７０６Ｌ・１．７０１Ｈ）６・０．９２６Ｌ・（１．８００Ｈ・１．３１７Ｌ）６・１．５９５Ｈ・１．９３４Ｌ・０．５６５Ｈ・１．２９２Ｌ／Air
チルト角φ＝４２°
傾斜角度θ1＝−１５°
傾斜角度θ2＝３．４°
傾斜角度θ3＝１１．７９°
ここで、１ＨはＴiＯ2の１／４λを、１ＬはＳiＯ2の１／４λを表す。
【００４４】
図８は、このカラーフィルターの分光透過特性を表している。同図に示すように、本実施例のカラーフィルター２１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に分離するように機能する。このように本発明によれば、チルト角φを大きくすることにより、各斜面２４〜２６の傾斜角度を１５°以下の小さい角度範囲に設定して、広い波長範囲で直線的な波長変化特性を得ることができる。
【００４５】
このカラーフィルター２１は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラに適用することができる。図９は、カラーフィルター２１を組み込んだデジタルカメラの入力光学系２７を概略的に示している。カラーフィルター２１は、光路に沿って対物レンズ及び結像レンズからなるレンズ系２８の後方に、かつＣＣＤ等からなる撮像素子２９の手前に配置される。
【００４６】
別の実施例では、基板２２の前記上側主面を複数の領域に分割し、マスク等の適当な手段を用いることによって、各領域に異なる膜構成、成膜条件で誘電体多層膜を形成することができる。これによって、カラーフィルター２１を全体としてより広い波長範囲に用いることができる。
【００４７】
図１０は、本発明によるカラーフィルターの第２実施例を概略的に示している。本実施例のカラーフィルター３１は、図６の第１実施例と同じ基板２２とその上側主面に形成した誘電体多層膜２３とを備える。基板２２の上側主面には、第１実施例と同じ第１〜第３斜面２４〜２６が設けられ、誘電体多層膜２３は、第１実施例と同じ方法で成膜されている。本実施例では、誘電体多層膜２３の上に接着剤３２でカバーガラス板３３が一体に接着されている。前記第１〜第３斜面は、図１１に示すように、基板２２の反対側の平坦な主面を水平基準面として、これに対してそれぞれ傾斜角度θ1〜θ3で傾斜する直線斜面である。
【００４８】
接着剤３２は、基板２２及びカバーガラス板３３と実質的に同じ屈折率を有するものを使用する。この接着剤が誘電体多層膜２３の傾斜による凹凸を埋めて平坦にすることによって、入射光が基板２２の前記各斜面で屈折して曲がることがないようにしている。このような構造のカラーフィルターは、特にプロジェクター用のライトバルブ等に使用するのに適している。
【００４９】
図１０のカラーフィルター３１を以下の条件で設計した。
設計波長：λ＝６５０ｎｍ
層数：５４
膜構成：  Sub／０．６１４３Ｈ・０．６６５２１Ｌ・０．５０１８８Ｈ・０．９９２１７Ｌ・０．６９４９５Ｈ・０．８１５０６Ｌ・０．７９９３２Ｈ・０．６７１９９Ｌ・０．４００６８Ｈ・０．８８５４２Ｌ・０．１６９７８Ｈ・０．６６６６Ｌ・０．６１４４９Ｈ・０．９０６６６Ｌ・０．５９３０１Ｈ・０．８５４７３Ｌ・０．７４４４７Ｈ・０．８４９２１Ｌ・０．８０２５Ｈ・０．８８８０８Ｌ・０．８０４６２Ｈ・０．６２８６４Ｌ・０．６０６９４Ｈ・０．９３００６Ｌ・０．８３３１Ｈ・１．１１２０８Ｌ・１．６８６４１Ｈ・０．５０５３２Ｌ・１．８３９６２Ｈ・１．２６９４Ｌ・１．１２０２２Ｈ・０．９００２１Ｌ・１．４５９０６Ｈ・１．０６０４５Ｌ・１．７９９１５Ｈ・０．９１９２７Ｌ・０．９６７０９Ｈ・１．４１５５３Ｌ・１．０９６２６Ｈ・１．５３３５９Ｌ・１．６４４１７Ｈ・１．０９４３９Ｌ・２．１５０７５Ｈ・１．４５６５９Ｌ・１．１５０８１Ｈ・１．６４６６Ｌ・１．５４７５１Ｈ・１．２０９８４Ｌ・１．９１７Ｈ・１．６７５２６Ｌ・１．１３２７７Ｈ・１．７８５５３Ｌ・１．４３７３３Ｈ・２．０Ｌ／接着剤
チルト角φ＝４２°
傾斜角度θ1＝−１５°
傾斜角度θ2＝３．４°
傾斜角度θ3＝１１．７９°
ここで、１ＨはＴiＯ2の１／４λを、１ＬはＳiＯ2の１／４λを表す。
【００５０】
図１２は、このカラーフィルターの分光透過特性を表している。同図に示すように、本実施例のカラーフィルター３１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に分離するように機能する。このように本発明によれば、チルト角φを大きくすることにより、各斜面２４〜２６の傾斜角度を１５°以下の小さい角度範囲に設定して、ｐ偏光とｓ偏光とで分光特性のずれが少なく、広い波長範囲で直線的な波長変化特性を得ることができる。
【００５１】
図１３は、図１０のカラーフィルターの変形例を示している。本実施例のカラーフィルター３４は、カバーガラス板３３に代えて、ライトバルブ３５が接着剤３２により一体に結合されている。図１３では、光Ｌがライトバルブ３５とは反対側の基板２２側から入射するように示されているが、光をライトバルブ側から入射するように使用することができる。このようにカラーフィルターを一体化したライトバルブ３５は、プロジェクターに使用するのに適している。
【００５２】
図１４は、図１０のカラーフィルター３１を用いた投写型表示装置の光学系３６を概略的に示している。この投写型表示装置は液晶プロジェクターであり、カラーフィルター３１は、カバーガラス板３３側を液晶パネル３７に貼り付けるように配置される。ハロゲンランプからなる光源３８から照射された光線は、フィールドレンズ３９、偏光ビームスプリッター４０を通過し、カラーフィルター３１及び液晶パネルからなるライトバルブを通過して、投写レンズ系４１により拡大してスクリーン等に投射される。
【００５３】
図１５は、例えばパルスオキシメーターに使用するのに適した、本発明による３波長分離の干渉フィルター５１を概略的に示している。干渉フィルター５１は、例えばガラス材料からなる透明な基板５２と、該基板の上側主面に設けられた誘電体多層膜５３とを備える。図１６に示すように、基板５２の上側主面には、該基板の反対側の平坦な主面を水平基準面として、これに平行な元々の水平部分からなる水平面５４と、該水平基準面に対して互いに異なる傾斜角度θ1，θ2で傾斜する直線斜面である第１斜面５５と第２斜面５６とを有する。水平面５４と第１及び第２斜面５５，５６とは、それぞれ所定幅のストライプ状に交互に連続して設けられている。第２斜面５６とそれに隣接する水平面５４との間は、垂直な段差で仕切られている。傾斜角度θ1，θ2は３０°未満、好ましくは２０°以下になるように選択する。
【００５４】
誘電体多層膜５３は、図６のカラーフィルターと同様に、成膜材料の指向性が強い真空蒸着法等により１度の成膜工程で、ＴiＯ2のような高屈折率誘電体材料とＳiＯ2のような低屈折率誘電体材料とを交互に所定の層数積層して形成される。この成膜工程において、基板５２は、前記水平基準面を水平方向Ｈに関して所定のチルト角φをなすように、即ち前記水平基準面の法線方向ｍが前記誘電体材料の入射方向Ｋに関して同じ角度φをなすように傾けて配置する。
【００５５】
図１５の干渉フィルター５１を、６６０ｎｍ、８８０ｎｍ、９１０ｎｍの３波長分離フィルターとして、以下の条件で設計した。２キャビティの干渉フィルターの基本設計に短波長側及び長波長側の阻止域を広げるミラー層を追加した。
設計波長：λ＝９１０ｎｍ
層数：６０
膜構成：  Sub／０．７４７Ｈ・０．５７３Ｌ・（０．７０６Ｈ・０．７４９Ｌ）６・０．６４１Ｈ・０．７２０Ｌ・（１Ｈ・１Ｌ）３・２Ｈ・（１Ｌ・１Ｈ）３・１．０７Ｌ・（１Ｈ・１Ｌ）３・２Ｈ・（１Ｌ  １Ｈ）３・１．７５６Ｌ・１．４２３Ｈ・（１．１９９Ｌ・１．５８５Ｈ）６・１．１９９Ｌ・１．４３３Ｈ・０．０８６Ｌ／Air
チルト角φ＝２０°
傾斜角度θ1＝４．７°
傾斜角度θ2＝２６．３°
ここで、１ＨはＴiＯ2の１／４λを、１ＬはＳiＯ2の１／４λを表す。
【００５６】
図１７は、この干渉フィルターの分光透過特性を表している。同図に示すように、２０°を超える傾斜角度の第２斜面５６においても、目的の波長６６０ｎｍで略１００％の高いピーク透過率を示している。
【００５７】
別の実施例では、傾斜角度を細かく分割して斜面の数を増やすことができる。それによって、分離する波長の数を増やすことができる。
【００５８】
図１８は、例えば分光センサーに使用するのに適した、本発明による干渉フィルターの第２実施例を概略的に示している。本実施例の干渉フィルター６１は、図１５の実施例と同様に、例えばガラス材料からなる透明な基板６２と、該基板の上側主面に設けられた誘電体多層膜６３とを備える。図１９に示すように、基板６２の上側主面には、図１５の実施例の水平面５４及び第１、第２斜面５５，５６を滑らかに連続させるような１つの湾曲斜面６４が所定幅のストライプ状に連続して設けられている。隣接する湾曲斜面６４同士は、基板６２の反対側の平坦な主面を水平基準面として、これに対して比較的急峻に傾斜する直線斜面６５で連結されている。
【００５９】
この場合、湾曲斜面６４の各点における接線が前記水平基準面に対してなす角度が、図１５の実施例における直線斜面の傾斜角度に相当する。この角度は、湾曲斜面６４と直線斜面６５との連結部で最大となるから、それが３０°未満、好ましくは２０°以下になるように、湾曲斜面６４の寸法及び曲率を選択する。
【００６０】
誘電体多層膜６３は、図１５の場合と同様に、成膜材料の指向性が強い真空蒸着法等により１度の成膜工程で、ＴiＯ2のような高屈折率誘電体材料とＳiＯ2のような低屈折率誘電体材料とを交互に所定の層数積層して形成される。この成膜工程において、基板６２は、前記水平基準面を水平方向Ｈに関して所定のチルト角φをなすように、即ち前記水平基準面の法線方向ｍが前記誘電体材料の入射方向Ｋに関して同じ角度φをなすように傾けて配置する。
【００６１】
本実施例の干渉フィルター６１は、湾曲斜面６４に入射する光の入射角度θが連続的に変化するので、図１５の実施例よりも滑らかに、連続的に波長分解可能なフィルターを実現できる。また、干渉フィルター６１は、図１５の実施例のように各斜面の傾斜角度を精密に加工する必要がないので、安価に製造することができる。
【００６２】
図２０は、図１８の干渉フィルター６１を用いた分光センサーの光学系を概略的に示している。この分光センサー６６は、被測定物６７の表面に向けて光を照射する照明光源６８と、該被測定物表面からの反射光を分光する分光部とを備える。干渉フィルター６１は前記分光部内に配置され、集光レンズ６９により集光した被測定物６７からの反射光を連続的に分光して、受光素子としてのフォトダイオードアレイ７０に出力する。
【００６３】
上記各実施例では、前記基板の斜面がストライプ状に形成されているが、別の実施例では、様々な形状や配列に形成することができる。図２１に示すカラーフィルター７１は、基板７２の誘電体多層膜７３を設けた主面に、３つの同じ２等辺三角形の直線斜面７４ａ〜７４ｃからなる多数の三角錐７４が形成されている。また、図２２に示すカラーフィルター７５は、基板７６の誘電体多層膜７７を設けた主面に、４つの同じ２等辺三角形の直線斜面７８ａ〜７８ｃからなる多数の四角錐７８が形成されている。このような角錐状の斜面は、公知の機械的加工技術によって比較的簡単に、比較的微細に形成することができる。
【００６４】
また、上記各実施例の分光素子は、いずれも平坦な主面を有する平板状の基板に斜面を形成し、該斜面を設けた主面に誘電体多層膜を成膜したものである。別の実施例では、湾曲した基板を使用することができる。図２３に示す干渉フィルター８１は、円筒形を軸線方向に分割した円弧状断面を有する湾曲基板８２と、該湾曲基板の凸状主面に設けられた誘電体多層膜８３とを備える。
【００６５】
本実施例では、誘電体多層膜８３を真空蒸着法で成膜する際に、図２４に示すように、湾曲基板８２の凹状主面側で円弧状断面の両端を結ぶ面を水平基準面Ｂとして、これを水平面Ｈに対して所定のチルト角φをなすように、即ち前記水平基準面の法線方向ｍが誘電体材料の入射方向Ｋに関して同じ角度φをなすように傾けて配置する。これによって、湾曲基板８２の前記凸状主面に誘電体多層膜８３を、その物理的膜厚が円弧状断面の一端から他端に向けて連続的に変化するように形成することができる。この場合、前記円弧状断面の各点における接線が水平基準面Ｂに関してなす角度が、上記各実施例の直線斜面の傾斜角度に相当する。この角度は、前記円弧状断面の両端において最大となるから、それが３０°未満、好ましくは２０°以下になるように、湾曲基板８２の寸法及び曲率を選択する。
【００６６】
この干渉フィルター８１は、例えばライン分光器やパルスオキシメーター等に適用することができる。図２５は、干渉フィルター８１を利用したライン分光器の構成を概略的に示している。このライン分光器９１は、フォトダイオードアレイ９２と、その前面に配置した干渉フィルター８１とを備える。干渉フィルター８１は、誘電体多層膜８３を前記フォトダイオードアレイ側に配置し、湾曲基板８２の凹状主面には反射ミラー９３が設けられている。反射ミラー９３は、前記凹状主面の図中右端に所定寸法の窓９４を残して、該凹状主面の略全面に形成される。窓９４から入射した光Ｌは、湾曲基板８２内を誘電体多層膜８３と反射ミラー９３との間で反射しながら、図中右端から左端へ通過しつつ、誘電体多層膜８３により連続的に分光されてフォトダイオードアレイ９２に出射する。
【００６７】
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、上記各実施例では、平坦な又は湾曲した基板の片面にのみ誘電体多層膜を設けたが、両主面に斜面を設けてそれぞれに誘電体多層膜を形成することもできる。また、対向する１対の主面を有する基板だけでなく、少なくとも１つの主面を有する基材であれば、プリズムのような多面体や円柱状又は半円柱状、球体状又は半球体状のものについても、同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１，１１，２１，３１，３４，７１，７５…カラーフィルター、２，１２，２２，５２，６２，７２，７６，８２…基板、３，１３，２３，５３，７３，７７，８３…誘電体多層膜、４…平面部、５，６…傾斜面、１４，５４…水平面、１５，１６，２４〜２６，５５，５６，６４，６５，７４ａ〜７４ｃ，７８ａ〜７８ｃ…斜面、２７…入力光学系、２８…レンズ系、２９…撮像素子、３２…接着剤、３３…カバーガラス板、３５…ライトバルブ、３６…光学系、３７…液晶パネル、３８，６８…光源、３９…フィールドレンズ、４０…偏光ビームスプリッター、４１…投写レンズ系、５１，６１，８１…干渉フィルター、６６…分光センサー、６７…被測定物、６９…集光レンズ、７０，９２…フォトダイオードアレイ、７４…三角錐、７８…四角錐、９１…ライン分光器、９３…反射ミラー、９４…窓。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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