(57)【要約】【課題】  マルチバンドの波長帯（例えば赤外線における３-５um帯及び８-１４um帯の赤外線）に対応する光学フィルターにおいて、宇宙のような特殊環境の下でも長期信頼性に優れた光学フィルター及びそれを用いた光学装置を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は狙いとする波長帯よりも充分小さいサブ波長サイズの多重構造となる３次元立体構造体を光学フィルター表面もしくは両面に形成することにより、実効的な屈折率がステップ状に変化することでターゲットであるマルチ波長帯の透過特性を改善するものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学フィルターの基板と、
前記基板の主面とこの主面から所定の距離離れた面とで規定される第一層内に、前記光学フィルターが対象とする光を透過し且つ光の波長よりも小さいブロックであって前記距離をその厚みとするブロックからなるブロック群と、
前記第一層に隣接し、前記主面から所定の第二の距離離れた面と前記第一層の表面とで規定される第二層内に、前記第二層の厚みをその厚みとするブロックからなるブロック群と、から構成され、
前記主面を平面視したときのブロック群の占有面積とそれ以外の面積との比率が前記各層内でそれぞれ所定の比率となるように、前記ブロックがそれぞれの層内で配置されたことを特徴とする光学フィルター。
【請求項２】
第二層に隣接し、基板の主面から第三の距離離れた面と前記第二層の表面とで規定される第三層内に、前記第三層の厚みをその厚みとするブロックからなるブロック群を備え、
前記主面を平面視して、前記各層内でそれぞれ所定の面積比率でブロックがそれぞれの層内で配置されたことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルター。
【請求項３】
第一層、第二層および第三層の厚みは、光学フィルターが対象とする光の波長λの１/４であることを特徴とする請求項２に記載の光学フィルター。
【請求項４】
ブロック群は、基板の主面の凹凸形状であって、円柱、角柱、若しくは不定形の柱又はこれらの組み合わせからなる複数のブロックであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学フィルター。
【請求項５】
ブロックに、所定の深さで光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口の穴を複数備え、複数の前記穴の占有面積と前記穴以外の前記ブロックの残地部分の面積との比率を所定の値に規定した請求項１または２に記載の光学フィルター。
【請求項６】
光学フィルターの基板に、
前記光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口の穴であって、この基板の主面から所定の深さで掘り込んだ複数の穴を所定の深さ毎に複数群備え、
前記主面を平面視して前記所定の深さ毎に、その深さで複数の前記穴が占有する面積と穴以外の基板の残地の面積との比率がそれぞれ所定の比率となるように前記基板に穴が配設されたことを特徴とする光学フィルター。
【請求項７】
一の所定の穴の掘り込み深さと他の所定穴の掘り込み深さとの差が、光学フィルターが対象とする光の波長λの１/４であることを特徴とする請求項６に記載の光学フィルター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を透過、又は光の反射を防止する光学部品、例えば撮影カメラにおいて使用される帯域制限フィルター、入射光線を透過する窓（光学窓）、レンズ等の光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光装置、受光装置、又は撮影装置などにおいて、光学部品（例えば、光学フィルター）は、該光学部品を透過する光に対して高い透過率を示すことが要求される。そのために、光学部品を構成する材料として、一般に、対象とする波長域の光に対して低い吸収率を有するものが選択される。また、光学部品を構成する材料の屈折率と該光学部品に接する媒質（通常は空気）の屈折率との差に基づいて光学部品の表面（入射面と透過面）で発生する透過率の損失を減少するために、光学部品の表面に反射防止膜を設けることもある。
【０００３】
例えば、従来の赤外線用の光学フィルターは、光学フィルターの窓材としてＧｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ及びＳｉなどが良く利用され、また、反射防止膜として、金属フッ化物などが採用されていた（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
また、光学部品の表面に反射防止膜を形成する代わりに、その表面に光の波長よりも小さな間隔をあけて規則的な三次元構造を微細加工することにより、この光学部品の表面に反射防止機能を与える試みがあった（例えば、特許文献１〜２、非特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２８７３７０号公報
【特許文献２】特表２００４−５２１３２９号公報
【特許文献３】特開２００３−１７７２１０号公報
【非特許文献１】OPTICS LETTERS, Vol. 24, No.20, October 15, p1422(Optical Society of America)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、撮影装置の高機能化や高効率化の要求が増してきており、これに答えるべく撮影装置が取扱う光学波長帯をマルチバンド化する必要が出てきた。ところが、上記のような多層の反射防止膜を光学部品に適用する場合には、光学部品が使用される環境（例えば、高温、ヒートサイクル）を考慮して、膜の屈折率や膜の線膨張係数などの材料特性を考慮して膜の材質を選択する必要があった。つまり、設計仕様を越えた環境下で使用されると、反射防止膜の剥離や残留歪み、反射防止膜からの残留ガスの放出といった現象が長期信頼性を阻害するおそれがあった。また、バンドパスフィルターとして急峻な波長選択性を持たせる場合には層数がさらに増加するので、かかる材質選択の問題のために使用環境が制約される課題もあった。
【０００７】
他方、特許文献１に示されたような、光学部品の表面に微細な凹凸を形成して反射防止効果を狙う構造では、所望の波長帯を急峻な波長選択性をもって選択することが要求されるマルチバンドの光学フィルターを得ることは特に難しかった。
【０００８】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、信頼性に優れた波長選択性の良い光学フィルター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】
【０００９】
本発明に係る光学フィルターは、基板と、その基板の主面とこの主面から所定の距離離れた面とで規定される上層内に、光学フィルターが対象とする光を透過し且つ光の波長よりも小さいブロックであって距離をその厚みとするブロックからなるブロック群と、上層に隣接して主面から所定の第二の距離離れた面と上層の表面とで規定される中層内に中層の厚みをその厚みとするブロックからなるブロック群とから構成され、主面を平面視したときのブロック群の占有面積とそれ以外の面積との比率が各層内でそれぞれ所定の比率となるように、ブロックがそれぞれの層内で配置されたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光学フィルターは、光学フィルターの基板に、光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口の穴であって、この基板の主面から所定の深さで掘り込んだ複数の穴を所定の深さ毎に複数群備え、主面を平面視して所定の深さ毎に、その深さで複数の穴が占有する面積と穴以外の基板の残地の面積との比率がそれぞれ所定の比率となるように、基板に穴が配設されたことを特徴とするものでる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、基板表面に多層構造となる３次元構造体であって、各層における構造体の充填率と、各層の厚みを所定の値にすることにより所望の透過率特性を得ることができる。また、多層積層膜に起因する剥離等の問題も無く、信頼性に優れた波長選択性の良い光学フィルターを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る光学フィルター１０の概略構成を示す斜視図である。図２は、斜視図で示した図１を平面視した模式図である。図３は、図２中に示すＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った光学フィルターの断面の模式図である。
【００１３】
以下に、図面を参照しながら、赤外線検出器用の光学フィルターを例にとり、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、３〜５μｍ帯及び８〜１４μｍ帯に対応するマルチバンドの光学フィルターを例に本願発明を説明するが、他の形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。また赤外線の波長帯にとどまることなくそれ以外の波長帯の光に対しても有効である。
【００１４】
まず、光学フィルター１の全体構成について説明する。
図１において、光学フィルター１は、基板２の上に配置された下層小円柱３１と大円柱４、さらに大円柱４の上に配置された上層小円柱１１から構成されている。また、これらの大小の円柱の組合わせを便宜的に表面３次元構造体３と呼ぶことにする。また、基板２、大円柱４等の材質は赤外線を透過するＳｉである。なお、Ｓｉの替わりにＧｅ，ＺｎＳｅあるいはこれらの複合材料も基板として使用できる。
【００１５】
図３を参照して、上述した表面３次元構造体３は、基板２に近いほうから順に、下層構造体３０、中層構造体２０、上層構造体１０の３層構造となっている。また、表面３次元構造体３は、光学特性上は等価的に３層の光学多層膜と考えることができる。以下、この理由を説明する。
【００１６】
まず、表面３次元構造体３が単層の場合、すなわち基板２の上に単に下層小円柱３１のみが配置されている状態（大円柱４は無い状態）を考え、光学フィルターの特性を決める屈折率が表面３次元構造体の形状で決まることを説明する。
光学部品（ここでは光学フィルター）が、ある媒質（通常は空気）に接して配置されるとき、光透過面で入射光線の散乱が発生しないためには、全ての３次元構造体（ここでは下層小円柱３１）の間隔Ｌは入射光線の波長以下になるように設計する。このような３次元構造体において凹部と凸部との面積比率（ここでは、下層小円柱３１の上底面の面積を凸部の面積、基板２の上の下層小円柱３１が占有していない部分を凹部の面積、として考える）によりその層の実効的な屈折率（ｎｘ）を制御することができる。基板２の空気によって満たされている凹部分の面積比率をｆ（全て凹部の場合をｆ＝１とする）とする場合には、この単層の実効的な屈折率（ｎｘ）を式（１）から求めることができる。
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【００１７】
上述のように、（１）式に従い単層の屈折率を計算できるので、三層からなる表面３次元構造体３の場合は、上層〜下層構造体の各層毎にそれぞれ屈折率を計算することができる。図３のような３次元構造に当てはめて考えると、面積比率ｆが上層からｆ１、ｆ２、ｆ３とする３層構造とすることができる。この場合の実効的な屈折率（ｎｘ）は、各層によって異なりそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３となる。このように、面積比率ｆを変えることによって、ステップ状に屈折率が変化する多層膜を積層した場合と同等の効果を得ることができる。また面積比率ｆで実効的な屈折率（ｎｘ）が確定することから、例えば下層小円柱３１をランダムに配置してもよく、特に凹凸部分を周期構造とする必要は無い。
【００１８】
つぎに、上述した単層の波長ピークは、実効的屈折率部分の凸部の高さ（すなわち、凹部の深さ：ｄ）によって式（２）から決定される。
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【００１９】
したがって、目的とする赤外線を透過したい波長帯を計算するには、上記（１）式を用いて各層構造体毎に屈折率（ｎｘ）を算出し、透過したい波長帯に合わせて（２）式を用いて上層〜下層構造体の各層構造体の厚み（ｄｘ）を求めることができる。
【００２０】
３〜５μｍ帯及び８〜１４μｍ帯に対応するマルチバンドの光学フィルターを設計する場合は、（１）式、（２）式を基に適宜、屈折率（ｎｘ）、厚み（ｄｘ）を算出し、これらを組み合わせ、通常の光学多層膜の計算手法によって目的とする透過率特性が得られるか検証する。例えば、図３に示すような三層構造体の場合に、凹部と凸部との面積比率を適宜選定し、実効屈折率ｎ１＝１．５、ｎ２＝２．０、ｎ３＝２．５及び凹部の深さをｄ１＝０．５μm、ｄ２＝０．９μm、ｄ３＝０．２５μmの場合に、図４に示したような設計目標とする二つの波長帯で良好な透過特性を得ることが可能である。
【００２１】
また本実施の形態では凸部の形状を円柱状としたが、特に円柱である必要はなく、角柱等の形状であっても問題はない。また、実効的な屈折率をステップ状とすることにより波長選択性が向上することがわかっており、各ステップの面積比率のばらつきは少ない方が望ましい。
【００２２】
次に、本願発明の光学フィルターの製造方法例について図を基に説明する。なお、ここで述べる製造方法はあくまでも一例であり、他の製造方法によっても上述の構造を実現することは可能である。
【００２３】
基板２に上述の実効屈折率を制御した３次元構造を作製する方法を説明する。図５〜図９は、本実施の形態における製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、断面位置は図３中に示すＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った位置に相当する。以下、工程順に説明する。
【００２４】
図５に示す第１工程では、基板２上にフォトレジスト４１のパターンを形成しマスクとする。
【００２５】
図６に示す第２工程では、ドライエッチング等により所定の深さまで掘り込む。
【００２６】
図７に示す第３工程では、一旦フォトレジスト４１を取り除き、最深部を保護し最上部を掘り込めるようにフォトレジスト４２によりマスクする。つぎにドライエッチング等により表面層部分を所定の深さまで掘り進める。
【００２７】
図８に示す第４工程では、再度フォトレジスト４２を除去し、最表面を保護するようにフォトレジスト４３によりマスクする。その状態で最深部分の凸部をドライエッチング等によりエッチングして所定の深さまで削る。
【００２８】
最後に、図９に示す第５工程で、フォトレジスト４３を除去する。エッチング及び露光工程が繰り返し、期待する表面３次元構造体を基板表面に実現する。
【００２９】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、赤外線用の光学フィルターの実現のために円柱状の突起物による制御例を示したが例を説明したが、表面３次元構造体は必ずしも円柱状の突起物である必要はなく、実効屈折率の制御のために多数の穴を基板に設けることにより面積比率ｆの制御を行ってもよい。図１０はかかる形態を示したもので、図１と同様に光学フィルターの概略構成を示す斜視図である。本実施の形態では、円柱上の突起物と基板に円筒状の穴とを組合わせたものである。この形態によっても同等の効果を得ることができる。
【００３０】
実施の形態３．
上述の実施の形態２では、光学フィルターの実現のために円柱状の突起物による制御例を示したが、本実施の形態では図１１に示すように、穴の深さが３段階に異なるように基盤に穴を開ける加工をして面積比率ｆの制御を行ったものである。この形態によっても同等の効果を得ることができる。
【００３１】
実施の形態４．
上述の実施の形態１では、光学フィルターの実現のために実効屈折率（ｎｘ）が最表面からｎ１<ｎ２<ｎ３となっていく制御例を示したが、本実施の形態４では図１２に示すように、実効的な屈折率の配分がｎ１<ｎ３<ｎ２となるように３次元構造を作製することでも光学フィルター実現することが可能である。図１３を参照して、本形態の構造を説明する。図１３は、断面図１２で示した本形態の光学フィルターの斜視図であり、わかりやすくするために第３層構造体と中層構造体の境界で分離して示している。まず基板２の表面を加工して中円柱を設けて第３層構造体を形成する。その表面に薄いＳｉ基板等を接合して中層構造体を形成する。その後に接合したSi基板等の表面を加工して、上層構造体を形成して、上述の実効屈折率の配分を実現することができる。例えば図１４に示すように、実効屈折率ｎ１＝１．５、ｎ２＝２．５、ｎ３＝２．０（＝面積率から制御）及び凹部の深さ(ｄ１＝２．０μm,ｄ２＝０．６μm,ｄ３＝０．７μm)の場合にターゲットとする二つの波長帯で良好な透過特性が得られる。
【００３２】
上述の形態４において、下層構造体を円柱により形成したが、特に他の形状によって面積率を制御しても問題は無く、角柱、六角形穴、溝でも同様な効果を示す。
【００３３】
上述した実施の形態は例示であって、本発明は例示した実施形態の範囲に限定されない。例えば、上述下形態ではフィルター基板の一方の主面に凹凸形状を付加した例を説明したが、フィルター基板の他方の主面にも形成しても良い。本発明は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態１の光学フィルターの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１の光学フィルターの平面図である。
【図３】本発明の実施形態１の光学フィルターの断面図である。
【図４】本発明の実施形態１の光学フィルターの透過特性例である。
【図５】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図６】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図７】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図８】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図９】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図１０】本発明の実施形態２の光学フィルターの斜視図である。
【図１１】本発明の実施形態３の光学フィルターの斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態４の光学フィルターの断面図である。
【図１３】本発明の実施形態４の光学フィルターの斜視図である。
【図１４】本発明の実施形態４の光学フィルターの透過特性例である。
【符号の説明】
【００３５】
１  光学フィルター、
２  基板、
３  表面３次元構造体、
４  大円柱
１０  上層構造体、
１１  上層小円柱、
１２  エッチング穴
１３  上層基板
２０  中層構造体、
３０  下層構造体、
３１  下層小円柱、
３２  エッチング穴
３３  エッチング溝
４０  フォトレジスト
４１  フォトレジスト
４２  フォトレジスト
４３  フォトレジスト
【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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