(57)【要約】【課題】  広い阻止帯域や複数の阻止帯域を有する光学フィルタ、及び光学機器を提供する。【解決手段】  屈折率が相対的に低い低屈折率層２２と屈折率が相対的に高い高屈折率層２３とが交互に積層されて構成され、高屈折率層２３の屈折率が基板１８に向かって漸次高く変化する第１の積層部３０と、第１の積層部３０に隣接し、高屈折率層２３の屈折率が第１の積層部３０を構成する高屈折率層２３のうち最も高い屈折率と略同一である第２の積層部３１と、第２の積層部３１に隣接し、高屈折率層２３の屈折率が第２の積層部３１側から漸次低く変化する第３の積層部３２とを備え、基板１８に向かって第１の積層部３０、第２の積層部３１、第３の積層部３２の順に配置された積層パターンが膜厚方向に２回以上繰り返して配置され、各積層パターンが互いに異なる膜厚を有していることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に形成された薄膜とから構成される光学フィルタであって、
前記薄膜が、屈折率が相対的に低い低屈折率層と屈折率が相対的に高い高屈折率層とが前記基板側から交互に積層されて構成され、
前記高屈折率層の屈折率が前記基板に向かって漸次高く変化する第１の積層部と、
該第１の積層部に隣接し、前記高屈折率層の屈折率が第１の積層部を構成する高屈折率層のうち最も高い屈折率と略同一である第２の積層部と、
該第２の積層部に隣接し、前記高屈折率層の屈折率が第２の積層部側から漸次低く変化する第３の積層部とを備え、
前記基板に向かって前記第１の積層部、前記第２の積層部、前記第３の積層部の順に配置された積層パターンが膜厚方向に２回以上繰り返して配置され、各積層パターンが互いに異なる膜厚を有していることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】
前記第１から第３の積層部のうち少なくとも一つに、前記高屈折率層の屈折率が、前記低屈折率層を介して隣接する両側の他の高屈折率層よりも低く設定された高屈折率変動層部が挿入されてい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】
基板と、該基板上に形成された薄膜とから構成される光学フィルタであって、
前記薄膜が、屈折率が相対的に低い低屈折率層と屈折率が相対的に高い高屈折率層とが前記基板側から交互に積層されて構成され、
前記低屈折率層の屈折率が前記基板に向かって漸次低く変化する第１の積層部と、
該第１の積層部に隣接し、前記低屈折率層の屈折率が第１の積層部を構成する低屈折率層のうち最も低い屈折率と略同一である第２の積層部と、
該第２の積層部に隣接し、前記低屈折率層の屈折率が第２の積層部側から漸次高く変化する第３の積層部とを備え、
前記基板に向かって前記第１の積層部、前記第２の積層部、前記第３の積層部の順に配置された積層パターンが膜厚方向に２回以上繰り返して配置され、各積層パターンが異なる膜厚を有していることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項４】
前記各積層パターンにおいて透過を阻止する波長帯域の中心波長（λ）に対して設計波長をλ／ｎ（ｎは整数）とするとき、
前記各積層パターンにおける前記高屈折率層及び前記低屈折率層の光学膜厚が、前記設計波長の略ｎ／４倍に設定されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の光学フィルタ。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一つに記載の光学フィルタを備えていることを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学フィルタ及び光学機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体試料の観察等に用いられる光学機器である蛍光顕微鏡は、染色処理した細胞等の試料へ励起光を当てた際に試料が発する蛍光を観察することにより、試料の構造や性質を解析することができる。
近年のゲノム解析用としては、例えば、５０２ｎｍの波長を有する励起光で５２６ｎｍにピーク波長を有する蛍光を観察するというニーズがある。この場合、励起光と蛍光の波長が近いので、蛍光を効率よく検出するために励起光を阻止帯域でカットし蛍光観察波長の光を透過帯域で透過させる光学フィルタが、蛍光測定の感度と精度を決める非常に重要なキーパーツとして用いられている。
【０００３】
この光学フィルタには、透過帯域と阻止帯域の境界で分光特性の急峻な立ち上がりをもち、かつ、透過帯域で略１００％の光を透過する性能が要求されている。さらに、透過帯域においては波長の増減に対する透過率の周期的な変動（リップル）が無いことが望ましい。
このように、所定の波長帯域の光を遮断し、その他の波長の光を透過する光学フィルタであるマイナスフィルタは、図５（ａ）に示すように、基板上に高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した多層膜で作製される。ここで、横軸は光学膜厚で、縦軸は膜の屈折率を表す。また、この膜構成のときの膜を透過する光の波長と透過率との関係を分光特性として図５（ｂ）に示す。
【０００４】
この光学フィルタは、上述の層数を増やすほど透過帯域と阻止帯域の境界の立ち上がりを急峻にすることができる。しかし、層数を増やすほど透過帯域におけるリップルも増大してしまうという問題があった。また、図６（ａ）に示すように、各層の光学膜厚を変化させてリップルを少なくする膜設計も可能であるが、図６（ｂ）に示すようにリップルを完全になくすことは困難である。さらにこの場合、多層膜の各層の膜厚が全て異なる設計となるため、実際の成膜時の制御性が非常に悪く、安定した光学特性を得ることがきわめて困難であるという課題も有していた。
【０００５】
これに対し、図７（ａ）に示すように、膜の屈折率を膜厚方向に周期的かつ連続的に変化させ、その屈折率分布をWavelet（波束）と呼ばれる形状にすると、図７（ｂ）に示すように、透過帯域におけるリップルを原理的になくすことができる（例えば、非特許文献１参照。）。
ただし、実際の成膜時に膜の屈折率を連続的に変化させるのは非常に困難である。そこで、例えば図８に示すように、連続的な屈折率分布を階段状に分割して近似したものが各種提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献２、及び非特許文献３参照。）。
【特許文献１】特許第３２９０６２９号公報  （第１図）
【非特許文献１】W.H.Southwell, Using Apodization Function to Reduce Sidelobes in Rugate Filters, Appl. Opt., 1989, Vol.28
【非特許文献２】P.G.Very, J.A.Dobrowolski, W.J.Wild, and R.L.Burton, Synthesis of high rejection filters with the Fourier transform method, APPLIED OPTICS, 15 July(1989), Vol.28, No.14, p2867-2874
【非特許文献３】HAND BOOK OF OPTICS, Second Edition, Vol.1, Fundamentals, Techniques, and Design, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, McGRAW-Hill, 1995, p42.50
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の光学フィルタにおいては、屈折率分布を階段状に分割して成膜するが、高屈折率の膜と低屈折率の膜との屈折率差が一定であると、一定幅の阻止帯域を有するマイナスフィルタでしかなく、広い阻止帯域や複数の阻止帯域を有するフィルタ特性とすることができなかった。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、高屈折率の膜と低屈折率の膜との屈折率差が一定であっても広い阻止帯域や複数の阻止帯域を有する光学フィルタ、及び光学機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため以下の手段を採用する。
本発明に係る光学フィルタは、基板と、該基板上に形成された薄膜とから構成される光学フィルタであって、前記薄膜が、屈折率が相対的に低い低屈折率層と屈折率が相対的に高い高屈折率層とが前記基板側から交互に積層されて構成され、前記高屈折率層の屈折率が前記基板に向かって漸次高く変化する第１の積層部と、該第１の積層部に隣接し、前記高屈折率層の屈折率が第１の積層部を構成する高屈折率層のうち最も高い屈折率と略同一である第２の積層部と、該第２の積層部に隣接し、前記高屈折率層の屈折率が第２の積層部側から漸次低く変化する第３の積層部とを備え、前記基板に向かって前記第１の積層部、前記第２の積層部、前記第３の積層部の順に配置された積層パターンが膜厚方向に２回以上繰り返して配置され、各積層パターンが互いに異なる膜厚を有していることを特徴とする。
【０００８】
光を透過させる際、所定の波長近傍の阻止帯域に相当する光を阻止するとともに、それ以外の波長に相当する透過帯域の光を透過させるフィルタ特性において、高屈折率層及び低屈折率層の膜厚を変更することでその阻止帯域の中心波長が変化する。
この発明によれば、同様の屈折率分布を有すると共に膜厚の異なる積層パターンを２回以上繰り返すことによって、各積層パターンによる阻止帯域を合わせたフィルタ特性とすることができる。したがって、各積層パターンの膜厚を適宜異なる値に選択することにより、阻止帯域を広帯域とすることや、阻止帯域を複数有するフィルタ特性とすることができる。
【０００９】
また、本発明に係る光学フィルタは、前記光学フィルタであって前記第１から第３の積層部のうち少なくとも一つに、前記高屈折率層の屈折率が、前記低屈折率層を介して隣接する両側の他の高屈折率層よりも低く設定された高屈折率変動層部が挿入されていることが好ましい。
この発明によれば、透過帯域でのリップルを効果的に抑制することができる。
【００１０】
本発明に係る光学フィルタは、基板と、該基板上に形成された薄膜とから構成される光学フィルタであって、前記薄膜が、屈折率が相対的に低い低屈折率層と屈折率が相対的に高い高屈折率層とが前記基板側から交互に積層されて構成され、前記低屈折率層の屈折率が前記基板に向かって漸次低く変化する第１の積層部と、該第１の積層部に隣接し、前記低屈折率層の屈折率が第１の積層部を構成する低屈折率層のうち最も低い屈折率と略同一である第２の積層部と、該第２の積層部に隣接し、前記低屈折率層の屈折率が第２の積層部側から漸次高く変化する第３の積層部とを備え、前記基板に向かって前記第１の積層部、前記第２の積層部、前記第３の積層部の順に配置された積層パターンが膜厚方向に２回以上繰り返して配置され、各積層パターンが異なる膜厚を有していることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、同様の屈折率分布を有すると共に膜厚の異なる積層パターンを２回以上繰り返すことによって、フィルタ特性を各積層パターンによる阻止帯域を合わせた阻止帯域とすることができる。したがって、各積層パターンの膜厚を適宜異なる値に選択することにより、阻止帯域を広帯域とすることや、阻止帯域を複数備えたフィルタ特性とすることができる。
【００１２】
前記各積層パターンにおいて透過を阻止する波長帯域の中心波長（λ）に対して設計波長をλ／ｎ（ｎは整数）とするとき、前記各積層パターンにおける前記高屈折率層及び前記低屈折率層の光学膜厚が、前記設計波長の略ｎ／４倍に設定されていることが好ましい。
この発明によれば、光学膜厚が各積層パターンの設計波長の略ｎ／４倍なので、実際に成膜する際の膜厚制御性が向上して安定した光学特性を得ることができる。
【００１３】
本発明に係る光学機器は、本発明に係る光学フィルタを備えていることを特徴とする。
この発明によれば、阻止する波長帯域が広い場合や、透過させる波長が複数の阻止する波長の間にある場合でも、広い阻止帯域や複数の阻止帯域を有する光学フィルタにより、透過帯域の波長の効率よく透過させて、分光特性に優れるフィルタ性能を有することができる
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光学フィルタによれば、同様の屈折率分布を有する積層パターンを２回以上繰り返すと共に各積層パターンで異なる膜厚を有しているため、フィルタ特性を各積層パターンの阻止帯域を合わせた帯域とすることができるので、成膜時の制御が容易な膜構成で、広い阻止帯域や、複数の阻止帯域を有する所望のフィルタ特性を得ることができる。
また、本発明の光学機器によれば、本発明に係る光学フィルタを備えているので、所望する入射光の選択性能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
本実施形態に係る図１に示す蛍光顕微鏡（光学機器）１０は、励起フィルタ１１と、ダイクロイックミラー１２と、吸収フィルタ（光学フィルタ）１３と、接眼レンズ１４と、対物レンズ１５とを備える。
【００１６】
励起フィルタ１１は、光源１６から発生した光のうち特定波長のみを選択的に励起光として透過させるように光源１６の光路上に配設されている。
ダイクロイックミラー１２は、半透過鏡であって、励起フィルタ１１を透過した光の光路を載置された、例えば、生体細胞等の標本１７上に照射するように変更するとともに、この照射によって標本１７から発生した蛍光を観察側に透過するように設定されている。
接眼レンズ１４及び対物レンズ１５は、上記蛍光を観察できるように調整するものとして配設されている。
【００１７】
吸収フィルタ１３は、ガラス製の基板１８と、この基板１８上に形成された薄膜１９と、薄膜１９上に設けられた入射媒質１８’とから構成され、上記蛍光のみを選択的に透過させる。この入射媒質１８’は、基板１８と同じ屈折率を有する部材、例えばガラス板からなっている。
薄膜１９は、図２（ａ）に示すように、基板１８に向かって順に、同様の屈折率分布を有する第１の積層パターン２０と、第２の積層パターン２１とから形成されている。
第１の積層パターン２０は、屈折率が相対的に低い低屈折率層２２と屈折率が相対的に高い高屈折率層２３とが交互に積層されて構成され、低屈折率層２２の屈折率が基板１８に向かって漸次低く変化すると共に高屈折率層２３の屈折率が基板１８に向かって漸次高く変化する第１の積層部３０と、第１の積層部３０に隣接し、低屈折率層２２の屈折率が第１の積層部３０のうち最も低い屈折率とほぼ同一であると共に高屈折率層２３の屈折率が第１の積層部３０を構成する高屈折率層２３のうち最も高い屈折率と略同一である第２の積層部３１と、第２の積層部３１に隣接し、低屈折率層２２の屈折率が第２の積層部３１から漸次高く変化すると共に高屈折率層２３の屈折率が第２の積層部３１側から漸次低く変化する第３の積層部３２とを備えている。
第２の積層パターン２１も積層パターン２０と同様に、第１の積層部３０と同様の屈折率分布を有する第４の積層部３３と、第２の積層部３１と同様の屈折率分布を有する第５の積層部３４と、第３の積層部３２と同様の屈折率分布を有する第６の積層部３５とを備えている。
低屈折率層２２は主に酸化シリコンで構成され、高屈折率層２３は主に酸化ニオブで構成されている。
本実施形態では、基板１８の屈折率を１．８とし、高屈折率層２３の屈折率を１．９から２．２まで変化させ、低屈折率層２２の屈折率を１．４から１．７５まで変化させている。
【００１８】
また、この薄膜１９には、高屈折率層２３の屈折率が低屈折率層２２を介して隣接する両側の他の高屈折率層２３よりも低く設定された高屈折率変動層部３６が、第１及び第３の積層部３０、３２内であって第２の積層部３１との境界と、第４及び第６の積層部３３、３５内であって第５の積層部３４との境界とにそれぞれ１層ずつ挿入されている。
本実施形態では、第２の積層部３１における高屈折率層２３の屈折率２．２に対して、高屈折率変動層部３６の屈折率を２．１に設定している。
第１および第２の積層パターン２０、２１は、各パターンにおいて透過を阻止する波長帯域の中心波長をλ１、λ２とし、設計波長をλ１／ｎ、λ２／ｍ（ｎ、ｍは整数）とするとき、例えば、ｎ＝ｍ＝１として、各積層パターンの高屈折率層２３及び低屈折率層２２の光学膜厚が各設計波長の１／４倍に設定されている。
本実施形態ではλ１を６００ｎｍ、λ２を７２０ｎｍと設定しているので、各光学膜厚は、それぞれ１５０ｎｍ、１８０ｎｍとなる。
なお、上記の構成に加え、積層総数を８９層とし、薄膜１９の入射媒質１８’側にも屈折率１．８を有する基板があるものとし、各層の屈折率分散はないものとしてシミュレーションした結果を図２（ｂ）に示す。
【００１９】
次に、本実施形態に係る蛍光顕微鏡１０による観察方法について説明する。
光源１６から出射された光を励起フィルタ１１を通過させて特定波長の励起光としてダイクロイックミラー１２に投射させる。
上記励起光は、ダイクロイックミラー１２によって光路を曲げられ、対物レンズ１５で集光されて標本１７に照射される。このとき、この照射によって標本１７から蛍光が発生する。この蛍光は、対物レンズ１５を介して平行光となってダイクロイックミラー１２に到達し、これを透過して吸収フィルタ１３に至る。
【００２０】
吸収フィルタ１３に至った蛍光は、第１の積層部３０から入射して第２から第６の積層部３１〜３５を透過して基板１８側から再び外部へ射出される。
吸収フィルタ１３には、蛍光以外の波長を有する励起光等も混入されて入射する。しかし、薄膜１９が上述した第１の積層パターン２０及び第２の積層パターン２１を有する構成とされているので、吸収フィルタ１３は、励起光等が属する波長帯域である阻止帯域３８における光を外部へ射出させるのを阻止しながら、蛍光が属する波長帯域である透過帯域３９における光を透過させる。
こうして、吸収フィルタ１３から射出した蛍光は、接眼レンズ１４を透過して集光されて観察側に至る。
【００２１】
この吸収フィルタ１３によれば、例えば図２（ｂ）に示すように、屈折率分布が同じであると共に膜厚が異なる積層パターンを複数配置することにより、阻止帯域３８を広くすることができる。また、第１の積層パターン２０と第２の積層パターン２１とは膜厚がそれぞれ異なるだけで各積層パターンの屈折率分布が同じであるため、成膜時の制御が容易な膜構成となり、光学特性の安定性を向上することができる。
【００２２】
次に、本発明に係る第２の実施形態について、図３（ａ）を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第１の積層パターン２０の中心波長λ１が４８０ｎｍとされ、膜厚を１２０ｎｍとして形成されている点である。
上述と同様に、積層総数を８９層とし、薄膜４０の入射媒質１８’側にも屈折率１．８を有する基板があるものとし、各層の屈折率分散はないものとしてシミュレーションした結果を図３（ｂ）に示す。
【００２３】
この本実施形態に係る吸収フィルタ及び蛍光顕微鏡によれば、例えば図３（ｂ）に示すように、第１の積層パターン２０による阻止帯域３８Ａと、第２の積層パターン２１による阻止帯域３８Ｂとが分離し、間に透過領域を有するフィルタ特性を得ることができる。
【００２４】
次に、本発明に係る第３の実施形態について、図４（ａ）を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
第３の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第３の実施形態にかかる薄膜４１が、第１の積層パターン２０、第２の積層パターン２１を構成する低屈折率層２２の屈折率が基板１８の屈折率と同じ値で一定とされている点である。
【００２５】
すなわち、薄膜４１は、第１から第６の積層部３０〜３５を構成する低屈折率層２２の屈折率が基板１８側の屈折率と同じ値で形成されている。
また、本実施形態では、基板１８の屈折率を１．５とし、高屈折率層２３の屈折率を１．５５から２．４まで変化させ、低屈折率層２２の屈折率を１．５の一定値としている。
上記の構成に加え、積層総数を９３層とし、薄膜４１の入射媒質１８’側にも屈折率１．５を有する基板があるものとし、各層の屈折率分散はないものとしてシミュレーションした結果を図４（ｂ）に示す。
【００２６】
この本実施形態に係る吸収フィルタ及び蛍光顕微鏡によっても、例えば図４（ｂ）に示すように、上述した第１の実施形態と同様に第１の積層パターン２０の阻止帯域及び第２の積層パターン２１の阻止帯域を合わせたフィルタ特性を得ることができる。
【００２７】
なお、上記の実施形態では、ｎ＝ｍ＝１として設計波長を各積層パターンの中心波長と同じとし、高屈折率層２３及び低屈折率層２２の光学膜厚を設計波長の１／４倍に設定しているが、ｎ＝ｍ＝２とし、高屈折率層２３及び低屈折率層２２の光学膜厚を設計波長の１／２倍に設定して薄膜を形成しても、全く同様な分光特性を有する吸収フィルタを得ることができる。
さらに、中心波長６００ｎｍに対して、設計波長を６００／ｎ（ｎは整数）ｎｍとし、高屈折率層２３及び低屈折率層２１の光学膜厚を設計波長のｎ／４倍に設定して薄膜を形成しても、同様な分光特性を有する吸収フィルタを得ることができる。
【００２８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、積層パターンを２回繰り返したが、これに限らず、３回以上繰り返してもよい。このようにすることによって、より広い阻止帯域を有するフィルタ特性とすることや、より多くの透過帯域を有するフィルタ特性とすることができる。
また、中心波長（λ１、λ２）は４８０、６００、７２０ｎｍに限らず、励起光の波長や検出したい蛍光の波長に応じてλ１、λ２の値を適宜変えることで、所望の光学特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の蛍光顕微鏡の概要を示す図である。
【図２】本発明に係る第１の実施形態における吸収フィルタの膜構成及び分光特性を示すグラフである。
【図３】本発明に係る第２の実施形態における吸収フィルタの膜構成及び分光特性を示すグラフである。
【図４】本発明に係る第３の実施形態における吸収フィルタの膜構成及び分光特性を示すグラフである。
【図５】従来の吸収フィルタの膜構成及び分光特性を示すグラフである。
【図６】従来の吸収フィルタの膜構成及び分光特性を示すグラフである。
【図７】非特許文献１に記載されている従来の吸収フィルタの膜構成及び分光特性を示すグラフである。
【図８】従来の吸収フィルタの膜構成及び分光特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１０  蛍光顕微鏡（光学機器）
１３  吸収フィルタ（光学フィルタ）
１８  基板
１９、４０、４１  薄膜
２０  第１の積層パターン
２１  第２の積層パターン
２２  低屈折率層
２３  高屈折率層
３０  第１の積層部
３１  第２の積層部
３２  第３の積層部
３６  高屈折率変動層部
【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】
2005070356.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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