(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ともに無機材料からなる高屈折率層と低屈折率層を交互に積層させた構造であって最初の層と最後の層を前記高屈折率層とする積層構造を有し、光の干渉によって設計波長λの光を透過させるバンドパスフィルタとして機能する光学フィルタにおいて、
前記基板は、前記高屈折率層よりも屈折率が低く、前記設計波長λの光を透過する材料からなり、
前記積層構造の層数は３であり、
前記高屈折率層は、屈折率が３以上で光学膜厚がλ／４であり、
前記低屈折率層は、光学膜厚がλであり、
前記高屈折率層の屈折率が３以上３．７以下の場合には前記低屈折率層の屈折率は１．５６以下、前記高屈折率層の屈折率が３．７より大きい場合には前記低屈折率層の屈折率は１．５７以下であり、
入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅が８５ｎｍ以上となるように前記高屈折率層および前記低屈折率層の屈折率が設定されている、
ことを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】
前記高屈折率層は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、またはＧｅＴｅからなり、前記低屈折率層は、ＭｇＦ2 またはＳｉＯ2 からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
【請求項３】
前記高屈折率層は、アモルファスのＳｉからなる、ことを特徴とする請求項２に記載の光学フィルタ。
【請求項４】
前記設計波長λは８００〜１５００ｎｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
【請求項５】
受光素子によって波長λの光を受光する受光手段と、前記受光手段を内部に納める筐体とを有した光学測定装置において、
前記筐体は、前記筐体外部からの光を前記筐体内部へと透過させる窓部を有し、
前記窓部に、入射角度０°において波長λの光を透過し、他の波長の光の透過を抑制するバンドパスフィルタである光学フィルタを有し、
前記光学フィルタは、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光学フィルタである、
ことを特徴とする光学測定装置。
【請求項６】
前記筐体内部に納められ、前記筐体の前記窓部を介して前記筐体内部から前記筐体外部へと波長λのレーザー光を出射する出射手段をさらに有したレーザーレーダであることを特徴とする請求項５に記載の光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した構造の光学フィルタであって、設計波長の光を透過させるバンドパスフィルタとして機能する光学フィルタに関する。特に、透過スペクトルの透過ピークの入射角依存性に特徴を有するものに関する。また、本発明は設計波長の光を受光する光学測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、赤外線センサがさまざまな用途で用いられている。その赤外線センサのＳＮ比を向上させて高精度にする目的で、赤外線センサに入射する光のうち外乱光をカットする光学フィルタが使用されている。つまり、赤外線を透過させ、他の波長帯域は透過させないバンドパスフィルタとして機能する光学フィルタである。
【０００３】
そのような光学フィルタとして、光学多層膜を用いた光学フィルタが知られている（特許文献１〜４参照）。光学多層膜は、屈折率の異なる２つの層、高屈折率層と低屈折率層（高屈折率層よりも屈折率の低い層）を交互に複数回繰り返し積層させた構造であり、各層の光学膜厚を所定の値とし光の干渉を利用することで、バンドパスフィルタとして機能させることができる。特許文献１、２には、光学多層膜のうち高屈折率層としてＳｉを用いることが記載されており、これにより透過領域が赤外線領域である光学フィルタを実現している。また、特許文献３、４には、高屈折率層、低屈折率層として、ＴｉＯ2 、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＯ2 、ＭｇＦ2 などの材料から２種類を選択して用いることが記載されている。
【０００４】
また、特許文献５〜７に記載のレーザーレーダでは、受光素子に光を集光するための集光レンズの手前にバンドパスフィルタとして機能する光学フィルタを設け、レーザーの波長帯のみを透過させている。これによりＳＮ比の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−５４３６８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１８６１４５号公報
【特許文献３】特開２０１２−２２５９９３号公報
【特許文献４】特開２００６−２３６０２号公報
【特許文献５】特開２０１３−１３０４２２号公報
【特許文献６】特開２０１３−６８５８２号公報
【特許文献７】特開２０１３−１４８４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光学多層膜を用いた光学フィルタは、透過スペクトルの透過ピークの入射角依存性を有し、入射角（光学フィルタ主面に垂直方向に対する角度）が大きくなると透過ピークが短波長側にシフトする。入射角の大きな光を透過させないようにする場合には、そのシフト量を大きくする必要がある。しかし、従来の光学多層膜フィルタではシフト量が十分でない場合があった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、光学多層膜を用いた光学フィルタにおいて、従来に比べて入射角依存性を大きくすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明とは別の発明は、基板上に、ともに無機材料からなる高屈折率層と低屈折率層を交互に積層させた構造であって最初の層と最後の層を高屈折率層とする積層構造を有し、光の干渉によって設計波長λの光を透過させるバンドパスフィルタとして機能する光学フィルタにおいて、積層構造の層数は３であり、高屈折率層は、屈折率が３以上で光学膜厚がλ／４であり、低屈折率層は、光学膜厚がλ／２であり、高屈折率層の屈折率が３以上３．３以下の場合には低屈折率層の屈折率は１．４８以下、高屈折率層の屈折率が３．３より大きい場合には低屈折率層の屈折率は１．４９以下である、ことを特徴とする光学フィルタである。
【０００９】
また、本発明は、基板上に、ともに無機材料からなる高屈折率層と低屈折率層を交互に積層させた構造であって最初の層と最後の層を高屈折率層とする積層構造を有し、光の干渉によって設計波長λの光を透過させるバンドパスフィルタとして機能する光学フィルタにおいて、基板は、高屈折率層よりも屈折率が低く、設計波長λの光を透過する材料からなり、積層構造の層数は３であり、高屈折率層は、屈折率が３以上で光学膜厚がλ／４であり、低屈折率層は、光学膜厚がλであり、高屈折率層の屈折率が３以上３．７以下の場合には低屈折率層の屈折率は１．５６以下、高屈折率層の屈折率が３．７より大きい場合には低屈折率層の屈折率は１．５７以下であり、入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅が８５ｎｍ以上となるように高屈折率層および低屈折率層の屈折率が設定されている、ことを特徴とする光学フィルタである。
【００１０】
本発明において、入射角度は、光の入射面に対して垂直な方向に対する角度とする。以下、本明細書において同様である。また、本発明において屈折率は設計波長λにおける値である。以下、本明細書中において特に断りのない限り同様とする。また、光学膜厚は、物理的な膜厚と屈折率との積である。また、本発明における光学膜厚は、厳密にλ／２やλ／４等に限るものではなく、２０％程度の誤差があってもよく、その範囲で光学膜厚を調整することで、バンドパスフィルタとしての特性を調整することができる。
【００１１】
低屈折率層の光学膜厚はλとすることができる。これにより入射角依存性を大きくするとともに、光学フィルタを薄型として透過率を高めることができ低コスト化も図れる。
【００１２】
高屈折率層および低屈折率層は、酸化物、窒化物、フッ化物などの無機化合物や半導体などである。また、高屈折率層として、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、またはＧｅＴｅ、低屈折率層として、ＭｇＦ2 またはＳｉＯ2 を用いることができる。特に、本発明における高屈折率層としてアモルファスのＳｉが適している。
【００１３】
また、本発明の光学フィルタは、設計波長λを８００〜１５００ｎｍとする場合に好適であり、より望ましくは８００〜１２００ｎｍ、さらに望ましくは８５０〜１１００ｎｍである。
【００１４】
他の本発明は、受光素子によって波長λの光を受光する受光手段と、受光手段を内部に納める筐体とを有した光学測定装置において、筐体は、筐体外部からの光を筐体内部へと透過させる窓部を有し、窓部に、入射角度０°において波長λの光を透過し、他の波長の光の透過を抑制するバンドパスフィルタである光学フィルタを有し、光学フィルタは本発明に記載のものである、ことを特徴とする光学測定装置である。
【００１５】
また、本発明の光学測定装置は、筐体内部に納められ、筐体の窓部を介して筐体内部から筐体外部へと波長λのレーザー光を出射する出射手段をさらに有したレーザーレーダであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来の誘電体多層膜からなる光学フィルタよりも入射角依存性の大きな、光学多層膜を用いた光学フィルタを実現することができる。特に、入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅を８５ｎｍ以上とすることができる。また、本発明の光学フィルタは積層数が少なく、容易かつ低コストに製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１のレーザーレーダの構成を示した図。
【図２】第１光学フィルタ６の構成を示した図。
【図３】第１光学フィルタ６の透過スペクトルを示したグラフ。
【図４】比較例の光学フィルタの透過スペクトルを示したグラフ。
【図５】低屈折率層１２の屈折率と透過ピークの遷移幅との関係を示したグラフ。
【図６】他の第１光学フィルタ６の構成を示した図。
【図７】他の第１光学フィルタ６の透過スペクトルを示したグラフ。
【図８】他の第１光学フィルタ６の構成を示した図。
【図９】他の光学フィルタ６の透過スペクトルを示したグラフ。
【図１０】第２光学フィルタ７の構成を示した図。
【図１１】他の光学フィルタ７の透過スペクトルを示したグラフ。
【図１２】実施例１の変形例であるレーザーレーダの構成を示した図。
【図１３】実施例１の変形例であるレーザーレーダの構成を示した図。
【図１４】第１光学フィルタ６において、高屈折率層と低屈折率層の屈折率を変化させた時の透過ピークの遷移幅をまとめた表。
【図１５】遷移幅４０ｎｍとなる高屈折率層と低屈折率層の屈折率を示したグラフ。
【図１６】第２光学フィルタ７において、高屈折率層と低屈折率層の屈折率を変化させた時の透過ピークの遷移幅をまとめた表。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
図１は、実施例１のレーザーレーダの構成を示した図である。図１のように、実施例１のレーザレーダは、半導体レーザー１と、フォトダイオード２と、レンズ３、４と、ミラー５と、第１光学フィルタ６と、第２光学フィルタ７と、これらを内部に納める筐体８と、を有している。また、筐体８は、その内部と外部との間で光を入出力させるための窓部８ａを有している。
【００２０】
この実施例１のレーザーレーダは、半導体レーザー１から出射される波長λのレーザー光（出射光）を対象物に照射し、対象物からの反射光をフォトダイオード２によって受光することで、対象物までの距離などを測定する装置である。したがって、波長λ以外の帯域の光（たとえば太陽光などの外乱光）はＳＮ比を悪化させ、測定誤差などの要因となる。また、フォトダイオード２に対して入射角度の大きい光もまた、太陽光や筐体８内部での反射光などの外乱光であり、ＳＮ比を悪化させる。実施例１のレーザーレーダでは、第１光学フィルタ６と第２光学フィルタ７によってそれら外乱光を遮断してフォトダイオード２に入射しないようにすることでＳＮ比を改善している。
【００２１】
以下、実施例１のレーザーレーダの各構成について説明する。
【００２２】
半導体レーザー１は、図示しない駆動回路によってレーザー光を出射する。そのレーザー光は、ピーク波長λが９０５ｎｍ、半値幅１０ｎｍである。半導体レーザー１からの出射光は、レンズ３によって平行光とされた後、ミラー５によって反射され、筐体８の窓部８ａへと導かれる。そして、窓部８ａを介して筐体８外部へと出射される。
【００２３】
なお、半導体レーザー１の波長は上記以外の波長でもよい。アイセーフの観点からは赤外領域が望ましく、特に８００〜１５００ｎｍの波長が望ましい。より望ましくは８００〜１２００ｎｍ、さらに望ましくは８５０〜１１００ｎｍである。また、半導体レーザー１以外のレーザー（たとえばファイバーレーザー）を用いてもよいし、スーパールミネッセントダイオードを用いてもよい。
【００２４】
フォトダイオード２は、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサなどである。また、フォトダイオード２以外にも、フォトトランジスタ、光電子増倍管など、各種受光素子を用いることができる。フォトダイオード２は、対象物によって反射された半導体レーザー１からのレーザー光（反射光）を受光し、電気信号に変換している。その電気信号を図示しない解析手段によって解析することにより、対象物までの距離などを算出する。
【００２５】
また、フォトダイオード２は、半導体レーザー１と同軸方向に配置されていて、レーザ光の出射方向に対して半導体レーザー１よりも後段にフォトダイオード２が配置されている。出射光の径は反射光の径よりも小さいため、このような配置でも、半導体レーザー１によって反射光がすべて遮蔽されてしまうことはなく、反射光の一部をフォトダイオード２は受光することができる。このように半導体レーザー１とフォトダイオード２を同軸上に配置することで、出射光と反射光の光軸を一致させるとともに、設置体積を減少させてレーザーレーダの小型化を図っている。また、フォトダイオード２の受光面（反射光を受光する側の面）２ａには、第１光学フィルタ６が配置されている。
【００２６】
なお、半導体レーザー１とフォトダイオード２は必ずしも同軸上に配置する必要はなく、従来知られている種々の配置を採用することができる。たとえば、ハーフミラーなどの出射光と反射光の光軸を一致させる手段を設ければ、半導体レーザー１とフォトダイオード２とを異なる軸上に配置することができ、半導体レーザー１とフォトダイオード２の設置場所の自由度が増す。
【００２７】
レンズ３は、半導体レーザー１のレーザー光出射側に設けられている。レンズ３は、半導体レーザー１からの出射光を平行光に変換するものである。また、レンズ４は、フォトダイオード２と半導体レーザー１との間に設けられている。レンズ４は、対象物からの反射光を集光してフォトダイオード２に受光させるために設けたものである。レンズ３、４には、球面レンズ、フレネルレンズ、回折レンズ、屈折率分布レンズなどを用いることができる。フレネルレンズ、回折レンズを用いると、レンズの厚みを小さくすることができるので、レンズ４の焦点距離を短くすることができ、レンズ４とフォトダイオード２との距離をより近く配置することができるのでレーザーレーダの小型化を図ることができる。
【００２８】
ミラー５は、レンズ３からの出射光を窓部８ａ側に反射し、窓部８ａからの反射光をフォトダイオード２側へ反射させるように配置されている。ミラー５を図示しない駆動装置によって回転させることで、出射光の方向を走査可能である。なお、走査した場合であっても出射光が窓部８ａ、第２光学フィルタ７に対して垂直に入射するように、窓部８ａおよび第２光学フィルタ７を円筒状に構成するとよい。
【００２９】
第１光学フィルタ６は、平板状であり、フォトダイオード２の受光面２ａに配置されている。また、第１光学フィルタ６の主面垂直方向（受光面２ａに垂直な方向）は、ミラー５からの反射光の軸方向と一致させている。また、フォトダイオード２からレンズ４までの距離が、レンズ４の焦点距離近傍となるようにしている。
【００３０】
第１光学フィルタ６は、レンズ４によって集光された反射光のうち、波長λの光を透過させ、他の波長は透過を抑制するバンドパスフィルタとして機能する多層膜フィルタである。つまり、所定厚さの高屈折率層と低屈折率層を交互に繰り返し積層させた構成により、光の干渉を利用してバンドパスフィルタとして機能するようにしている。また、入射角度を０°としたときに波長λの光の透過率が最大（つまり０°のときに透過ピークの位置が波長λ）となるように、高屈折率層と低屈折率層の厚さを設計している。入射角度０°における第１光学フィルタ６の透過スペクトルを見ると、波長λにピークを有した山型の形状となっている。その透過ピークは、入射角度を０°から４５°まで変化させると、４０ｎｍ以下の遷移幅となっている。第１光学フィルタ６の詳細な構成については後述する。
【００３１】
レンズ４によって集光された光は、フォトダイオード２の受光面２ａに対して４５°以下の角度で入射するものが大部分である。受光面２ａに配置された第１光学フィルタ６は、前段に記載のように透過ピークの入射角依存性が小さいため、入射角度４５°以下の光のうち、波長λ近傍の帯域の光のみを効率的に透過させ、他の帯域の光を効率的に遮断することができる。また、入射角度が４５°より大きい光は大部分が反射・吸収される。つまり、入射角度が小さい場合にはバンドパスフィルタとして動作させることができ、入射角度が大きい場合にはカットフィルタとして動作させることができる。したがって、第１光学フィルタ６を透過して受光面２ａに到達する光は、入射角度４５°以下で波長λの成分であり、入射角度が４５°より大きい成分は遮断される。その遮断された光成分である入射角度が４５°より大きい光や波長λ以外の波長帯の光は、反射光ではなく外乱光に起因するものが大半である。この外乱光成分が第１光学フィルタ６によって遮断されるため、レーザーレーダのＳＮ比が向上する。
【００３２】
また、第１光学フィルタ６の平面形状は、フォトダイオード２の受光面２ａの形状に一致させ、あるいは少し広く取り、フォトダイオード２の受光面２ａすべてを第１光学フィルタ６が覆うようにしている。従来のレーザーレーダでは、集光レンズの手前にバンドパスフィルタを設け、集光レンズの全面を覆っていたために、集光レンズと同等の面積であった。誘電体多層膜からなるバンドパスフィルタは、面積が広いと作製が難しく高価であったが、実施例１ではフォトダイオード２の受光面２ａと同等の面積でよいため面積を大幅に小さくすることができ、低コスト化を図ることができる。
【００３３】
なお、第１光学フィルタ６は、フォトダイオード２上に直接積層されて、フォトダイオード２と一体に形成されたものであってもよい。また、第１光学フィルタ６と受光面２ａとは直接接触させてもよいが、間に空間を有していてもよいし、光学的なマッチングを図るための層を設けてもよい。
【００３４】
また、第１光学フィルタ６は、入射角度が０°のときに波長λの光の透過率が最大となるように高屈折率層と低屈折率層の厚さを設計しているが、必ずしも入射角度０°で設計する必要はない。第１光学フィルタ６に対して光が入射角度θで入射するように第１光学フィルタ６を配置する場合には、入射角度θ（°）のときに波長λの光の透過率が最大となるように高屈折率層と低屈折率層の厚さを調整してもよい。その場合、入射角度をθからθ＋４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅が４０ｎｍ以下であればよい。ただし、第１光学フィルタ６は入射角依存性が小さいので、θが変化しても透過率の変化は少ない。そのため、第１光学フィルタ６に入射する半導体レーザー１からの出射光および対象物からの反射光の入射角度がθとなるように配置する場合、第１光学フィルタ６の設計入射角度を０°としても十分である。もちろん一致させることが最も望ましい。
【００３５】
第２光学フィルタ７は、円筒状または平板状であり、筐体８の窓部８ａの筐体８内部側の面に配置されている。第２光学フィルタ７の主面垂直方向と窓部８ａの主面垂直方向は一致している。第２光学フィルタ７の形状は、窓部８ａの形状と一致させ、あるいは少し広く取り、窓部８ａすべてを第２光学フィルタ７が覆うようにしている。この第２光学フィルタ７は、筐体８内部と外部との間を透過する出射光、反射光のうち、波長λの光を透過させ、他の波長は透過を抑制するバンドパスフィルタとして機能する多層膜フィルタである。また、入射角度を０°としたときに波長λの光の透過率が最大となるように（つまり０°のときに透過ピークの位置が波長λとなるように）、高屈折率層と低屈折率層の厚さを設計している。入射角度０°における第２光学フィルタ７の透過スペクトルを見ると、波長λにピークを有した山型の形状となっている。その透過ピークは、入射角度を０°から４５°まで変化させると、８５ｎｍ以上の遷移幅となっている。第２光学フィルタ７の詳細な構成については後述する。
【００３６】
なお、第２光学フィルタ７は、窓部８ａ上に直接積層されて、窓部８ａと一体に構成されていてもよい。また、第２光学フィルタ７は、窓部８ａの外側の面に配置してもよいが、物理的な保護などを考慮して内側の面に配置するのがよい。また、第２光学フィルタ７と窓部８ａは直接接していてもよいが、間に光学的なマッチングを図るための層などを設けてもよい。
【００３７】
また、第２光学フィルタ７は、入射角度が０°のときに波長λの光の透過率が最大となるように高屈折率層と低屈折率層の厚さを設計しているが、必ずしも入射角度０°で設計する必要はない。第２光学フィルタ７に対して入射角度θで入射するように第２光学フィルタ７を配置する場合には、入射角度θのときに波長λの光の透過率が最大となるように高屈折率層と低屈折率層の厚さを調整してもよい。その場合、入射角度をθからθ＋４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅が８５ｎｍ以上であればよい。第２光学フィルタは入射角依存性が大きいため、入射角度が変化すると透過率が大きく変化する。そのため、第２光学フィルタ７に入射する半導体レーザー１からの出射光および対象物からの反射光の入射角度がθとなるように配置する場合、第２光学フィルタ７の設計入射角度はθになるべく近いことが望ましく、θとすることが最も望ましい。特に、実施例１のレーザーレーダのように、出射光および反射光の入射角度が０°となるように第２光学フィルタ７を配置し、第２光学フィルタ７の設計入射角度θを０°とすることが簡易であり望ましい。
【００３８】
筐体８は、内部が空洞の箱状の物体であり、光を透過しない樹脂材料からなる。筐体８内部には、半導体レーザー１、フォトダイオード２、レンズ３、４、ミラー５、第１光学フィルタ６、第２光学フィルタ７が収納されている。これらを筐体８内部に配置して覆うことで、防水、防塵や、衝撃などからの保護を図っている。また、フォトダイオード２を筐体８内部に配置することで、外乱光をフォトダイオード２が受光するのを抑制している。
【００３９】
また、筐体８は、半導体レーザー１からの出射光を筐体８外部へ透過させ、対象物からの反射光を筐体８内部へ透過させる窓部８ａを有する。窓部８ａは、アクリル樹脂などの透光性の樹脂材料やガラスなどの透光性の無機材料からなる。筐体８内部での光の反射を防止するために、筐体８の内壁を光吸収材で覆うようにしてもよい。また、走査された出射光が窓部８ａを垂直に透過するように、窓部８ａを円筒状に構成するとよい。
【００４０】
このように筐体８を設けることで、外乱光がフォトダイオード２へ入射することをある程度抑制することができる。しかしながら、窓部８ａを斜めに透過する外乱光などはフォトダイオード２へ入射してしまう場合があり、ＳＮ比を悪化させてしまう。
【００４１】
そこで、実施例１のレーザーレーダでは、入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅が８５ｎｍ以上である入射角依存性の大きな第２光学フィルタ７を窓部８ａに設けている。この第２光学フィルタ７により、窓部８ａに対して垂直に近い角度で入射する光を筐体８内部へと透過させ、窓部８ａに対して斜めに入射する光は大部分遮断することができる。対象物からの反射光は、窓部８ａに対して垂直に入射するので第２光学フィルタ７を透過し、外乱光の多くは窓部８ａに対して斜めに入射するので第２光学フィルタ７により遮断される。したがって、第２光学フィルタ７を窓部８ａに設けることでＳＮ比を向上させることができる。
【００４２】
なお、実施例１のレーザーレーダでは、第１光学フィルタ６と第２光学フィルタ７の両方を設けているが、第１光学フィルタ６のみを設けてもよいし（図１２参照）、第２光学フィルタ７のみを設けてもよい（図１３参照）。いずれの場合もＳＮ比の向上を図ることができる。ただし、実施例１のように第１光学フィルタ６と第２光学フィルタ７の両方設けることがより望ましく、ＳＮ比をさらに向上させることができる。
【００４３】
［第１光学フィルタ６の詳細な構成］
次に、第１光学フィルタ６の構成について詳しく説明する。
【００４４】
第１光学フィルタ６は、高屈折率層と低屈折率層を交互に繰り返し積層させた構造であって、最初の層と最後の層を高屈折率層とする構造を有する。その積層構造の層数は３、５または９以下であり、中央の低屈折率層または高屈折率層をλ／２とし、中央以外の低屈折率層または高屈折率層をλ／４とした積層構造である。以下に３層とする場合を例示する。
【００４５】
図２は、第１光学フィルタ６の構成を模式的に示した図である。図２のように、第１光学フィルタ６は、基板１０と、基板１０上に位置し、高屈折率層１１、高屈折率層１１よりも屈折率の低い低屈折率層１２、高屈折率層１１の順に積層された計３層からなる積層構造１４と、積層構造１４上に位置するキャップ層１３と、によって構成されている。
【００４６】
この第１光学フィルタ６は、積層構造１４として光の干渉を利用し、バンドパスフィルタとして機能するようにした多層膜フィルタであり、ファブリペロー型の光学フィルタである。入射角度０°において波長９０５ｎｍ（以下、波長λとする）の光を透過させ、他の帯域は透過を抑制するバンドパスフィルタとして機能する。なお、入射角度は基板１０主面に垂直な方向と、光の入射方向との成す角である。この第１光学フィルタ６は、光を基板１０側から入射させても、キャップ層１３側から入射させても同様に機能する双方向性である。
【００４７】
基板１０は、アモルファスのＳｉＯ2 （溶融石英）からなる厚さ１ｍｍの平板状である。平面視での形状は、矩形、円など任意の形状でよい。厚さは１ｍｍに限らず、他の層と干渉しない厚さであれば任意である。また、ＳｉＯ2 以外にも高屈折率層１１よりも屈折率が低く、設計波長λの光を透過する材料であれば任意の材料を用いることができ、たとえば、Ａｌ2 Ｏ3 、ＺｒＯ2 、ＴｉＯ2 、ＭｇＯなどの酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、などの窒化物、ＳｉＯＮなどの酸窒化物、ＭｇＦ2 、ＣａＦ2 、ＬｉＦなどのフッ化物、などを用いることができる。なお、フォトダイオード２上に直接第１光学フィルタ６を形成する場合には、基板１０は必要ない。
【００４８】
高屈折率層１１は、屈折率がおよそ４のアモルファスのＳｉからなり、その光学膜厚はλ／４である。高屈折率層１１は、ファブリペロー構造におけるスペーサを介して対向して設けられる２つのミラーとして作用する層である。
【００４９】
高屈折率層１１の材料には、Ｓｉ以外にも、屈折率が３以上であって、設計波長λの光を透過する無機材料であれば任意の材料を用いることができる。設計波長λで光学膜厚λ／４における内部透過率が９０％以上の材料が好ましく、９５％以上であることがより好ましい。アモルファスＳｉの屈折率はおよそ３．８であり、設計波長λの光を透過するから、上記条件を満たしている。
【００５０】
高屈折率層１１の屈折率を３以上とすると、その高い屈折率によって高屈折率層１１に入射する光は大きく屈折する。そのため、高屈折率層１１中を透過する光の角度は高屈折率層１１の主面に垂直な方向に近づき、高屈折率層１１中を透過する光の光路長は短くなる。光路長が短くなる結果、光学フィルタへの光の入射角度を変化させたときの光路長の変化も小さくなる。したがって、第１光学フィルタ６の透過ピークの入射角依存性も小さくなる。
【００５１】
なお、高屈折率層１１の屈折率は３．５以上がより望ましく、さらに望ましくは３．８以上である。屈折率には上限はなく、大きければ大きいほど望ましい。ただし、屈折率を大きくすると、基板１０またはキャップ層１３と高屈折率層１１の界面での反射が増大するため、間に反射防止層（たとえばＡＲコート）を設けてもよい。
【００５２】
また、設計波長λを９０５ｎｍとしているが、８００〜１５００ｎｍの範囲であれば所望の値を設計波長λとすることができる。設計波長λがこのような範囲内である場合に、Ｓｉ以外に上記条件、すなわち屈折率が３以上で設計波長λの光を透過すること、を満たす材料を挙げると、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＧｅＴｅ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＧａＡｓなどである。これらの材料に不純物をドープして所望の屈折率となるように調整してもよい。
【００５３】
低屈折率層１２は、屈折率がおよそ２．４のアモルファスのＴｉＯ2 からなり、その光学膜厚はλ／２である。低屈折率層１２は、ファブリペロー構造における２つのミラーに挟まれたスペーサとして作用する層である。
【００５４】
なお、高屈折率層１１の光学膜厚をλ／４の奇数倍、低屈折率層１２の光学膜厚をλ／２の整数倍としてもバンドパスフィルタとして機能するが、入射角依存性を低くするためには薄い方がよい。光路長が短くなり入射角度の変化に対する光路長の変化が小さくなるためである。したがって実施例１のように高屈折率層１１の光学膜厚をλ／４、低屈折率層１２の光学膜厚をλ／２とすることが入射角依存性を小さくする上で最も望ましい。
【００５５】
また、高屈折率層１１の光学膜厚は、λ／４から多少ずれた値でもよく、λ／４×０．８〜λ／４×１．２の範囲であってよい。同様に、低屈折率層１２の光学膜厚もλ／２から多少ずれた値でもよく、λ／２×０．８〜λ／２×１．２の範囲であってよい。この範囲で高屈折率層１１および低屈折率層１２の光学膜厚を変化させることで、第１光学フィルタ６の透過特性を調整することができる。たとえば、光学フィルタの透過ピークでの波長と設計波長とが一致するように調整したり、透過ピークの半値幅を調整したりすることができる。
【００５６】
低屈折率層１２の材料にはＴｉＯ2 以外にも用いることができ、屈折率が高屈折率層よりも小さく、低屈折率層１２の屈折率をｙ、高屈折率層１１の屈折率をｘとして、
ｙ≧０．２６２２ｘ4 −３．７７４３ｘ3 ＋２０．３５５ｘ2 −４８．７９ｘ＋４６．００７  ・・・ （１）
を満たし、設計波長λの光を透過する無機材料であれば任意の材料を用いることができる。また、設計波長λで光学膜厚λ／２における内部透過率が９０％以上の材料が好ましく、９５％以上であることがより望ましい。スパッタ成膜したアモルファスのＴｉＯ2 の屈折率は２．４であり、スパッタ成膜したアモルファスＳｉは３．８であるから、上記条件を満たしている。
【００５７】
低屈折率層１２として好適な材料を挙げると、ＺｒＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、Ｎｂ2 Ｏ5 、ＳｉＮ、ＧａＮ、などである。屈折率が上記式（１）を満たすのであれば、高屈折率層１１の材料として例示したもの、つまり、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＧｅＴｅ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＧａＡｓなどを用いてもよい。それらの材料の中から、設計波長λにおいて上記式（１）を満たす材料を選択すればよい。また、これらの材料に不純物をドープして所望の屈折率となるように調整してもよい。
【００５８】
上記式（１）を満たせば高屈折率層１１と低屈折率層１２との屈折率差は小さくなり、光学フィルタ全体としての物理的な厚さを薄くすることができる。厚さが薄くなることで、光学フィルタ内を透過する光の光路長が短くなり、入射角の違いによる光路長の変化も小さくなる。その結果、光学フィルタの透過ピークの入射角依存性は小さくなる。ただし、屈折率差を小さくすると、透過ピークの半値幅が広がり、バンドパスフィルタとしての特性は悪化してしまう。そこで、高屈折率層１１と低屈折率層１２との屈折率差を１以上１．５未満とすることがより望ましい。
【００５９】
また、実施例１では高屈折率層１１および低屈折率層１２はアモルファスであるが、多結晶や結晶であってもよい。通常、結晶性が高くなると屈折率も大きくなるが、反面吸収も大きくなる場合がある。結晶性によって高屈折率層と１１および低屈折率層１２の屈折率を調整してもよい。作製の容易さや低コスト化の点では、高屈折率層と１１および低屈折率層１２をアモルファスとすることが望ましい。
【００６０】
キャップ層１３は、高屈折率層１１と低屈折率層１２からなる積層構造１４上に接して設けられている。キャップ層１３はＳｉＯ2 からなる。キャップ層１３の厚さは他の層と干渉しない厚さであればよい。このキャップ層１３は、高屈折率層１１や低屈折率層１２の酸化を防止するなど耐環境性の向上を目的として設けるものである。したがって、耐環境性をそれほど必要としない場合や他の方法によって耐環境性を高める場合には、キャップ層１３を設けなくともよい。キャップ層１３の材料は、ＳｉＯ2 以外にも、高屈折率層１１よりも屈折率の小さく設計波長λにおいて透明な材料であれば任意の材料を用いることができる。
【００６１】
第１光学フィルタ６は、基板１０上に、蒸着法を用いて高屈折率層１１、低屈折率層１２、高屈折率層１１、キャップ層１３の順に積層することにより製造することができる。蒸着法以外にも、スパッタ、ＣＶＤ法、イオンプレーティングなどを用いることができる。成膜方法や成膜条件（温度など）によって結晶性が変わるため、これにより高屈折率層１１や低屈折率層１２の屈折率を調整してもよい。
【００６２】
次に、第１光学フィルタ６の各種特性について、有限要素法を用いた数値解析により求めた結果を説明する。
【００６３】
図３は、第１光学フィルタ６の透過スペクトルを示したグラフであり、図３（ｂ）は透過スペクトルのピーク近傍を拡大したものである。高屈折率層１１の物理的膜厚は５５ｎｍ、低屈折率層１２の物理的膜厚は１８０ｎｍとした。また、入射角度を０〜７５°の間で５°刻みで変化させてそれぞれの入射角度における透過スペクトルを求めた。
【００６４】
図３のように、第１光学フィルタ６は、波長λ（＝９０５ｎｍ）付近に透過ピークを有し、波長λ近傍以外の波長帯域の透過が抑制された山型の透過特性を有していて、バンドパスフィルタとして機能していることがわかった。入射角度０°で透過ピークにおける透過率はおよそ０．８９、ピークのふもとでの透過率はおよそ０．１〜０．２であり、透過ピークの半値幅はおよそ１４０ｎｍであった。この透過ピークは、入射角度を０°から４５°まで変化させると短波長側にシフトし、およそ３０ｎｍ移動していた。また、透過ピークにおける透過率は入射角度が変化してもほとんど変化が見られず、透過ピークの半値幅についてもあまり変化がなかった。そのため、波長λ（＝９０５ｎｍ）では０〜４５°のいずれの入射角度においても透過率が０．７以上であった。一方、入射角度が４５°より大きいと透過率は０．７以下であり、入射角度６０°以上で透過率０．６以下、入射角度７０°以上で０．５以下であった。これは、レンズ４により集光される波長λの光（入射角度が４５°以下の光）は透過し、それ以外の光（入射角度が４５°より大きい光）は遮断したいという要望に沿うものであった。
【００６５】
図４は、比較例の光学フィルタの透過スペクトルを示したグラフである。透過スペクトルは入射角度を０〜５５°まで５°刻みで変化させてそれぞれの入射角度において求めた。比較例の光学フィルタは、ＴｉＯ2 からなる高屈折率層とＳｉＯ2 からなる低屈折率層を交互に１３層積層させ、中央の高屈折率層の光学膜厚をλ／２、他の光学膜厚をλ／４とした従来型の誘電体多層膜フィルタである。
【００６６】
図４のように、比較例の光学フィルタでは、入射角度が０°から４５°まで変化させると、透過ピークは短波長側におよそ７０ｎｍシフトしていた。図３と図４を比較すると、第１光学フィルタ６は、比較例の光学フィルタに比べて、透過ピークの遷移幅がおよそ４０ｎｍ低減されていることが分かり、入射角依存性が低減されていることがわかった。
【００６７】
図５は、第１光学フィルタ６において、低屈折率層１２の屈折率を変化させた場合の透過ピークの遷移幅を示したグラフである。遷移幅は、入射角度を０°から４５°まで変化させた時の値である。また、高屈折率層１１は屈折率４．０のアモルファスシリコンとした。
【００６８】
図５のように、屈折率が大きくなるほど、すなわち高屈折率層１１と低屈折率層１２の屈折率差を小さくするほど、遷移幅が減少することがわかった。屈折率が２．５以上（遷移幅が４０ｎｍ以下）となると、遷移幅の減少は飽和傾向にあり、したがって入射角依存性の小さな光学フィルタを実現するためには低屈折率層１２の屈折率を２．５以上（高屈折率層１１との屈折率差を１．５以下）とすればよいことがわかった。ただし、屈折率差を０とすると高屈折率層１１と低屈折率層１２との界面での反射がなくなるため、屈折率差は０より大きくする必要がある。
【００６９】
以上、第１光学フィルタ６では、高屈折率層１１の屈折率を３以上とし、高屈折率層１１と低屈折率層１２との屈折率が式（１）を満たすようにしているため、入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅を４０ｎｍ以下とすることができ、従来の誘電体多層膜からなる光学フィルタよりも入射角依存性を小さくすることができる。その結果として、入射角度が４５°より小さい場合には設計波長λの光を透過させるバンドパスフィルタとして動作させることができ、入射角度が４５°より大きい場合には光を遮断するカットフィルタとして動作させることができる。また、第１光学フィルタ６は、積層構造１４の層数が３と少ないため、容易かつ安価に作製することができる。
【００７０】
なお、第１光学フィルタ６は、積層構造１４（高屈折率層１１と低屈折率層１２）の層数が３であるが、高屈折率層１１と低屈折率層１２とを交互に積層させた構造であって、最初の層と最後の層を高屈折率層１１とし、中央の層を光学膜厚をλ／２の低屈折率層１２とし、他の層はλ／４とする積層構造であって、積層数が５または９とすることもできる。ただし、層数が多くなると透過ピークの透過率が低下するなどバンドパスフィルタとしての特性が悪化してしまうため、層数はなるべく少ない方が望ましい。より望ましくは実施例１のように層数を３とすることである。
【００７１】
他の第１光学フィルタ６の構成として、積層構造１４を以下のような積層構造２４に替えた図６の第１光学フィルタとしてもよい。図６のように、他の第１光学フィルタ６は、積層構造１４に替えて、高屈折率層２１ａ、低屈折率層２２、高屈折率層２１ｂ、低屈折率層２２、高屈折率層２１ａの順に積層した計５層からなる積層構造２４としたものである。
【００７２】
高屈折率層２１ａ、ｂ、および低屈折率層２２は、光学膜厚以外は高屈折率層１１、低屈折率層１２と同様の構成である。光学膜厚は、積層構造２４の中央の層である高屈折率層２１ｂのみλ／２であり、他の高屈折率層２１ａ、低屈折率層２２の光学膜厚はλ／４である。このように光学膜厚をλ／４とする多層膜中の高屈折率層２１のうち１層をλ／２とした構造により、波長λに透過ピークを有したバンドパスフィルタとして機能する。
【００７３】
積層数が５である図６の第１光学フィルタ６は、高屈折率層２１の屈折率を３以上とし、高屈折率層２１の屈折率をｘ、低屈折率層２２の屈折率をｙとして、以下の式（２）を満たすようにしている。
ｙ≧０．１４２９ｘ2 −１．４０９５ｘ＋４．７２１２  ・・・ （２）
【００７４】
そのため、積層数を３とした図２の第１光学フィルタ６と同様の理由により、入射角依存性が小さくなる。つまり、入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅が４０ｎｍ以下となっており、従来の誘電体多層膜からなる光学フィルタよりも入射角依存性が小さくなっている。また、積層構造２４の層数が５と少ないため、容易かつ安価に作製することができる。また、図６の第１光学フィルタ６は、積層構造２４の層数が図３の第１光学フィルタ６よりも多いため、透過ピークにおける透過率は低下するが、透過ピークの半値幅や透過ピークの遷移幅、ピークのふもとの透過率は図２の第１光学フィルタ６よりも小さくすることができる。
【００７５】
図７は、図６の第１光学フィルタ６の透過スペクトルを示したグラフであり、図７（ｂ）は透過スペクトルのピーク近傍を拡大したものである。図３と同様に、有限要素法を用いた数値解析により算出したものである。物理的膜厚は、高屈折率層２１ａが５５ｎｍ、高屈折率層２１ｂが１１０ｎｍ、低屈折率層１２が９３．５ｎｍとした。また、入射角度を０〜７５°の間で５°刻みで変化させてそれぞれの入射角度における透過スペクトルを求めた。
【００７６】
図７のように、図６の第１光学フィルタ６は、波長λ付近に透過ピークを有し、波長λ近傍以外の波長帯域の透過が抑制された山型の透過特性を有していて、バンドパスフィルタとして機能していた。また、入射角度０°で透過ピークの透過率はおよそ０．７４、ピークのふもとでの透過率はおよそ０．１であり、透過ピークの半値幅はおよそ８０ｎｍであった。この透過ピークは、入射角度を０°から４５°まで変化させると短波長側に２０ｎｍシフトしていた。また、透過ピークにおける透過率および透過ピークの半値幅は、入射角度が大きくなるにつれて若干小さくなることがわかった。
【００７７】
また、波長λ（＝９０５ｎｍ）では０〜４５°のいずれの入射角度においても透過率が０．５５以上であった。一方、入射角度が４５°より大きいと透過率は０．５５以下であり、入射角度６０°以上で透過率０．４５以下、入射角度７０°以上で０．４２以下であった。これは、レンズ４により集光される波長λの光（入射角度が４５°以下の光）は透過し、それ以外の光（入射角度が４５°より大きい光）は遮断したいという要望に沿うものであった。
【００７８】
図４と図７を比較すると、図６の第１光学フィルタ６は、比較例の光学フィルタに比べて入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅がおよそ５０ｎｍ軽減されており、比較例の光学フィルタよりも入射角依存性が小さくなっていることがわかった。
【００７９】
また、他の第１光学フィルタ６の構成として、積層構造２４を５層から９層に積層数を増やしたものを用いてもよい。すなわち、図８のように、積層構造２４に替えて、高屈折率層３１ａ、低屈折率層３２、高屈折率層３１ａ、低屈折率層３２、高屈折率層３１ｂ、低屈折率層３２、高屈折率層３１ａ、低屈折率層３２、高屈折率層３１ａの順に積層した計９層からなる積層構造３４としたものである。
【００８０】
高屈折率層３１ａ、ｂ、および低屈折率層３２は、光学膜厚以外は高屈折率層１１、低屈折率層１２と同様の構成である。光学膜厚は、高屈折率層３１ｂのみがλ／２で、他の高屈折率層３１ａ、低屈折率層３２はλ／４である。すなわち、図８の第１光学フィルタ６は、図２の第１光学フィルタにおける積層構造２４の積層数を５から９に増やした構造である。
【００８１】
また、積層数が９である図８の第１光学フィルタ６は、高屈折率層３１の屈折率を３以上とし、高屈折率層３１の屈折率をｘ、低屈折率層３２の屈折率をｙとして、以下の式（３）を満たすようにしている。
ｙ≧−０．１５１５ｘ3 ＋１．６８１８ｘ2 −６．６６０６ｘ＋１０．８１７  ・・・ （３）
【００８２】
図９は、図８の第１光学フィルタ６の透過スペクトルを示したグラフであり、図９（ｂ）は透過スペクトルのピーク近傍を拡大したものである。図３と同様に有限要素法を用いた数値解析により算出したものである。物理的膜厚は、高屈折率層３１ａが５６ｎｍ、高屈折率層２１ｂが１１０ｎｍ、低屈折率層３２が９３．５ｎｍとした。また、入射角度を０〜７５°の間で５°刻みで変化させてそれぞれの入射角度における透過スペクトルを求めた。
【００８３】
図９のように、図８の第１光学フィルタ６は、波長λ付近に透過ピークを有し、波長λ近傍以外の波長帯域の透過が抑制された山型の透過特性を有していて、バンドパスフィルタとして機能していた。また、入射角度０°で透過ピークの透過率はおよそ０．５０、ピークのふもとでの透過率はおよそ０．０５であり、透過ピークの半値幅はおよそ２０ｎｍであった。透過ピークは、入射角度を０°から４５°まで変化させると短波長側に１０ｎｍシフトしていた。また、透過ピークでの透過率および透過ピークの半値幅は、入射角度が大きくなるにつれて若干小さくなることがわかった。
【００８４】
また、波長λ（＝９０５ｎｍ）では０〜４５°のいずれの入射角度においても透過率が０．２２以上であった。一方、入射角度が４５°より大きいと透過率は０．２２以下であり、入射角度６０°以上で透過率０．１７以下であった。これは、レンズ４により集光される波長λの光（入射角度が４５°以下の光）は透過し、それ以外の光（入射角度が４５°より大きい光）は遮断したいという要望に沿うものであった。
【００８５】
図４と図９を比較すると、図８の第１光学フィルタ６は、比較例の光学フィルタに比べて入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅が５３ｎｍ軽減されており、比較例の光学フィルタよりも入射角依存性が小さくなっていることがわかった。
【００８６】
積層数が９である図８の第１光学フィルタ６では、高屈折率層３１の屈折率を３以上とし、高屈折率層３１と低屈折率層３２の屈折率が式（３）を満たすようにしているため、入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅が４０ｎｍ以下となっており、従来の誘電体多層膜からなる光学フィルタよりも入射角依存性が小さくなっている。また、積層構造３４の層数が９と少ないため、容易かつ安価に作製することができる。また、図８の第１光学フィルタ６は、積層構造３４の層数が図６の第１光学フィルタ６よりも多いため、透過ピークにおける透過率は低下するが、透過ピークの半値幅や透過ピークの遷移幅、ピークのふもとの透過率は図６の第１光学フィルタ６よりも小さくすることができる。
【００８７】
なお、図６、８の第１光学フィルタ６は、積層構造の層数が５、あるいは９であるが、高屈折率層と低屈折率層を交互に繰り返し積層した構造であって、最初の層と最後の層が高屈折率層であり、中央の層を高屈折率層とする積層構造は、一般に層数を４ｎ＋１（ｎは１以上の整数）とすることができる。ただし、高屈折率層２１、３１の材料であるＳｉは波長λにおいてわずかに吸収があり、層数が多くなるとその吸収のため透過ピークにおける透過率が大きく低下してしまう。そのため、積層構造の層数を５あるいは９とする必要がある。
【００８８】
図１４は、第１光学フィルタ６において、高屈折率層と低屈折率層の屈折率を変化させた時の透過ピークの遷移幅（ｎｍ）をまとめた表である。透過ピークの遷移幅は、入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークのシフト量である。図１４（ａ）が図２に示す３層構造の場合、図１４（ｂ）が図６に示す５層構造の場合、図１４（ｃ）が図８に示す９層構造の場合である。
【００８９】
また、図１５は、図１４の結果をもとにして、透過ピークの遷移幅が４０ｎｍとなる高屈折率層と低屈折率層の屈折率を示したグラフである。図１５（ａ）が図２に示す３層構造の場合、図１５（ｂ）が図６に示す５層構造の場合、図１５（ｃ）が図８に示す９層構造の場合である。
【００９０】
図１４、１５のように、高屈折率層の屈折率を３以上とし、高屈折率層と低屈折率層の屈折率が３層構造の場合については式（１）を満たすように、５層構造の場合については式（２）を満たすように、９層構造については式（３）を満たすようにすれば、透過ピークの遷移幅を４０ｎｍ以下とすることが可能であるとわかった。
【００９１】
［第２光学フィルタ７の詳細な構成］
次に、第２光学フィルタ７の構成について詳しく説明する。
【００９２】
図１０は、第２光学フィルタ７の構成を示した図である。図１０のように、第２光学フィルタ７は、基板１０と、基板１０上に位置し、高屈折率層４１、低屈折率層４２、高屈折率層４１の順に積層された計３層からなる積層構造４４と、積層構造４４上に位置するキャップ層１３と、によって構成されている。なお、第１光学フィルタ６と同一の構成部分については同一の符号を付している。
【００９３】
第２光学フィルタ７は、第１光学フィルタ６と同様のファブリペロー型の多層膜フィルタである。入射角度０°において波長λの光を透過させ、他の帯域は透過を抑制するバンドパスフィルタとして機能する。第２光学フィルタ７は、第１光学フィルタ６とは逆に、入射角依存性を従来の誘電体多層膜からなる光学フィルタよりも大きくしたことを特徴とするものである。
【００９４】
以下、積層構造４４を構成する高屈折率層４１と低屈折率層４２について、より詳細に説明する。
【００９５】
高屈折率層４１は、第１光学フィルタ６の高屈折率層１１と同様の構成である。すなわち、高屈折率層４１はアモルファスのＳｉからなり、光学膜厚がλ／４である。Ｓｉ以外にも、高屈折率層４１の屈折率が３以上の各種材料を用いることができ、たとえば第１光学フィルタ６の構成の説明で述べた各種材料を用いることができる。あるいは、屈折率が３．７以上の各種材料を用いてもよい。より望ましくは３．８以上である。高屈折率層４１は、高屈折率層１１と同様に、ファブリペロー構造におけるスペーサを介して対向して設けられる２つのミラーとして作用する層である。
【００９６】
高屈折率層４１の光学膜厚はλ／４の奇数倍としてもバンドパスフィルタとして機能するが、高屈折率層４１は波長λの光をわずかに吸収するため光学フィルタの透過ピークの透過率を高めるためには薄い方がよい。そこで、第２光学フィルタ７では高屈折率層４１の光学膜厚をλ／４としている。
【００９７】
低屈折率層４２は、屈折率１．３５のＭｇＦ2 からなり、光学膜厚はλである。低屈折率層４２は、ファブリペロー構造における２つのミラーに挟まれたスペーサとして機能する層である。
【００９８】
低屈折率層４２の光学膜厚はλ／２の整数倍としてもバンドパスフィルタとして機能する。入射角依存性を大きくするには低屈折率層４２の光学膜厚は厚いほどよい。光路長が長くなり入射角度の変化に対する光路長の変化が大きくなるためである。しかし、厚くしすぎると入射角依存性が大きくなりすぎ、２次の透過ピークが１次の透過ピークと重なってしまう場合がある。これを避けるために、第２光学フィルタ７では、低屈折率層４２の光学膜厚をλ（λ／２の２倍）としている。もちろん、光学膜厚をλ／２としてもよいが、光学膜厚をλとする場合よりも透過ピークの遷移幅が小さくなる。
【００９９】
なお、高屈折率層４１の光学膜厚は、λ／４から多少ずれた値でもよく、λ／４×０．８〜λ／４×１．２の範囲であってよい。同様に、低屈折率層４２の光学膜厚もλから多少ずれた値でもよく、λ×０．８〜λ×１．２の範囲であってよい。この範囲で高屈折率層４１および低屈折率層４２の光学膜厚を変化させることで、第２光学フィルタ７の透過特性を調整することができる。たとえば、光学フィルタの透過ピークの波長λと設計波長が一致するように調整したり、透過ピークの半値幅を調整したりすることができる。
【０１００】
低屈折率層４２の材料には、ＭｇＦ2 以外にも用いることができる。高屈折率層４１の屈折率が３以上３．７以下の場合には、低屈折率層４２の屈折率が１．５６以下、高屈折率層４１の屈折率が３．７より大きい場合には、低屈折率層４２の屈折率が１．５７以下であって、波長λの光を透過する無機材料であれば、低屈折率層４２として任意の材料を用いることができる。また、波長λで光学膜厚がλである場合における内部透過率が９０％以上の材料が好ましく、９５％以上であることがより望ましい。
【０１０１】
低屈折率層４２として好適なＭｇＦ2 以外の材料を挙げると、ＣａＦ2 、ＬｉＦ、ＳｉＯ2 、などである。それらの材料の中から、波長λにおいて屈折率が上記を満たす材料を選択すればよい。また、これらの材料に不純物をドープして所望の屈折率となるように調整してもよい。
【０１０２】
高屈折率層４１と低屈折率層４２の屈折率を上記範囲とすることで、積層構造４４全体としての厚さを増加させ、積層構造４４を透過する光の光路長を長くしている。光路長が長くなると、入射角度による光路長の変化が大きくなるので、入射角依存性が大きくなり、入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅を８５ｎｍ以上とすることができる。
【０１０３】
なお、バンドパスフィルタとしての特性を十分に確保しつつ、入射角依存性をより大きくするために、低屈折率層４２の屈折率は１．３〜１．５、高屈折率層４１と低屈折率層４２との屈折率差は、２．３〜３．０とすることが望ましい。
【０１０４】
なお、低屈折率層４２の光学膜厚をλ／２とする場合には、低屈折率層４２の屈折率を以下の範囲とすることで入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅を８５ｎｍ以上とすることができる。高屈折率層４１の屈折率が３以上３．３以下の場合には、低屈折率層４２の屈折率が１．４８以下、高屈折率層４１の屈折率が３．３より大きい場合には、低屈折率層４２の屈折率が１．４９以下である。
【０１０５】
図１１は、第２光学フィルタ７の透過スペクトルを示したグラフである。図３と同様に有限要素法を用いた数値解析により算出したものである。物理的膜厚は、高屈折率層４１が５５ｎｍ、低屈折率層４２が６８０ｎｍとした。また、入射角度を０°から７５°まで５°刻みで変化させてそれぞれの入射角度における透過スペクトルを算出した。
【０１０６】
図１１のように、第２光学フィルタ７は、透過ピークを有した山型の透過特性であり、バンドパスフィルタとして機能していることを確認できた。また、入射角度０°で透過ピークの透過率はおよそ０．８９、ピークのふもとでの透過率はおよそ０．１、透過ピークの半値幅はおよそ５０ｎｍであった。透過ピークは、入射角度を０°から４５°まで変化させると短波長側に１５０ｎｍシフトしていた。また、透過ピークでの透過率は入射角度が大きくなるにつれて減少していくことがわかった。
【０１０７】
また、波長λ（＝９０５ｎｍ）では、入射角度が０°で０．８９であった透過率が、入射角度１０°で０．７以下の透過率となり、入射角度が２０°では０．１５以下の透過率、入射角度が３０°以上では０．０５以下の透過率であった。この様な透過特性は、窓部８ａに垂直に入射する波長λの光は透過させ、それ以外の角度で入射する光はなるべく遮断したいという要望に沿うものであった。
【０１０８】
図４と図１１を比較すると、第２光学フィルタ７は、比較例の光学フィルタに比べて入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅がおよそ８０ｎｍ増大しており、比較例の光学フィルタよりも入射角依存性が大きくなっていることがわかった。
【０１０９】
図１６は、第２光学フィルタ７において、高屈折率層４１、低屈折率層４２の屈折率を変化させた時の透過ピークの遷移幅（ｎｍ）をまとめた表である。図１６（ａ）が低屈折率層４２の厚さをλ／２とした構造の場合、図１６（ｂ）が低屈折率層４２の厚さをλとした構造の場合である。
【０１１０】
図１６（ａ）のように、低屈折率層４２の厚さをλ／２とした構造においては、高屈折率層４１の屈折率を３以上３．３以下とする場合には低屈折率層４２の屈折率を１．４８以下とし、高屈折率層４１の屈折率を３．３よりも大きくする場合には低屈折率層４２の屈折率を１．４９以下とすれば、透過ピークの遷移幅を８５ｎｍ以上とすることが可能となっている。
【０１１１】
また、図１６（ｂ）のように、低屈折率層４２の厚さをλとした構造においては、高屈折率層４１の屈折率を３以上３．７以下とする場合には低屈折率層４２の屈折率を１．５６以下とし、高屈折率層４１の屈折率を３．７よりも大きくする場合には低屈折率層４２の屈折率を１．５７以下とすれば、透過ピークの遷移幅を８５ｎｍ以上とすることが可能となっている。
【０１１２】
また、図１６から、透過ピークの遷移幅は、高屈折率層４１と低屈折率層４２との屈折率差の依存性が比較的小さく、低屈折率層４２の屈折率の依存性の方が大きいことがわかった。
【０１１３】
以上、第２光学フィルタ７は、低屈折率層４２の厚さをλ／２とした構造においては、高屈折率層４１の屈折率を３以上３．３以下とする場合には低屈折率層４２の屈折率を１．４８以下とし、高屈折率層４１の屈折率を３．３よりも大きくする場合には低屈折率層４２の屈折率を１．４９以下としている。また、低屈折率層４２の厚さをλとした構造においては、高屈折率層４１の屈折率を３以上３．７以下とする場合には低屈折率層４２の屈折率を１．５６以下とし、高屈折率層４１の屈折率を３．７よりも大きくする場合には低屈折率層４２の屈折率を１．５７以下としている。そのため、従来の誘電体多層膜からなる光学フィルタよりも入射角依存性を大きくすることができ、特に入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅を８５ｎｍ以上とすることができる。その結果、入射角度０°近傍では設計波長λの光を透過させるバンドパスフィルタとして動作させることができ、それ以外の入射角度の光は遮断するカットフィルタとして動作させることができる。また、第２光学フィルタ７は積層構造４４の層数が３と少ないため、容易かつ安価に作製することができる。
【０１１４】
なお、第１光学フィルタ６および第２光学フィルタ７において、基板１０と積層構造の間に、基板１０よりも屈折率が大きく高屈折率層よりも屈折率の小さな材料からなる層を設けてもよい。光学フィルタの特性を調整することができる。同様に、積層構造とキャップ層１３との間に、キャップ層１３よりも屈折率が大きく高屈折率層よりも屈折率の小さな材料からなる層を設けてもよい。また、空気層と光学フィルタとの界面での反射を防止するために、基板１０、キャップ層１３のうち、光を入射させる側の表面に、反射防止層を設けてもよい。
【０１１５】
次に、実施例１のレーザーレーダのＳＮ比について、シミュレーションにより考察した結果を説明する。
【０１１６】
実施例１のレーザーレーダにおいて、第２光学フィルタ７を設けず、第１光学フィルタ６として図２、６、８の構成を採用した場合（以下、実施例１−１、１−２、１−３とする）について、第１光学フィルタ６と第２光学フィルタ７のいずれも設けない場合（比較例１とする）に対するＳＮ比をシミュレーションにより算出した。
【０１１７】
その結果、比較例１に対するＳＮ比向上倍率は、実施例１−１が２．３４、実施例１−２が３．４３、実施例１−３が４．６８であり、実施例１−１〜１−３のいずれの場合も比較例１よりもＳＮ比が大きく向上していた。
【０１１８】
また、第２光学フィルタ７を設け、第１光学フィルタ６として図２、６、８の構成を採用した場合（以下、実施例１−４、１−５、１−６とする）について、比較例１に対するＳＮ比をシミュレーションにより算出した。
【０１１９】
その結果、比較例１に対するＳＮ比向上倍率は、実施例１−４が１１．９６、実施例１−５が１５．６７、実施例１−６が２１．３９であった。このように第１光学フィルタ６と第２光学フィルタ７の両方設けることにより、ＳＮ比を比較例１よりも大幅に向上できることがわかった。
【０１２０】
以上、実施例１のレーザーレーダでは、入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅が４０ｎｍ以下である入射角依存性の小さな第１光学フィルタ６を、フォトダイオード２の受光面２ａに設けることによりＳＮ比の向上が図られている。また、第１光学フィルタ６の面積は小さくすることができるため、低コスト化を図ることができる。また、入射角度を０°から４５°まで変化させたときの透過ピークの遷移幅が８５ｎｍ以上である入射角依存性の大きな第２光学フィルタ７を、筐体８の窓部８ａに設けることにより、筐体８の窓部８ａに斜めに入射して筐体８内部へと透過する外乱光が抑制され、ＳＮ比の向上が図られている。
【０１２１】
［変形例］
実施例１はレーザーレーダであるが、本発明は集光レンズによって光を集光した後、受光素子によって波長λの光を受光する受光手段を有した光学測定装置であればよい。つまり、実施例１において筐体８を設けない場合や、半導体レーザー１などの光を出射する手段を設けていない場合などにおいても、第１光学フィルタ６のみを設けて本発明を適用可能である。あるいは、受光素子によって波長λの光を受光する受光手段と、受光手段を内部に納める筐体とを有した光学測定装置であればよい。つまり、実施例１において集光レンズであるレンズ４を設けない場合や、半導体レーザー１などの光出射手段を設けていない場合などにおいても、筐体８の窓部８ａに第２光学フィルタ７のみを設けて本発明を適用可能である。一例としては、レーザー光などを出射する光出射装置を光学測定装置とは別途設け、その光出射装置からの光の対象物による反射を、実施例１のレーザーレーダから半導体レーザー１を省いた光学測定装置により受光する構成である。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明の光学フィルタは、たとえばレーザーレーダの筐体の窓部に用いることができる。
【符号の説明】
【０１２３】
１：半導体レーザー
２：フォトダイオード
３、４：レンズ
５：ミラー
６：第１光学フィルタ
７：第２光学フィルタ
８：筐体
８ａ：窓部
１０：基板
１１、２１ａ、ｂ、３１ａ、ｂ、４１：高屈折率層
１２、２２、３２、４２：低屈折率層
１３：キャップ層
１４、２４、３４、４４：積層構造
【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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