JP2017009703A - 多層膜を用いた光学素子および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】薄い総膜厚の多層膜を用いてマイナスフィルタと同様な光学性能が得られる光学素子を提供する。
【解決手段】光学素子１００は、互いに屈折率が異なる材料によりそれぞれ形成された２種類の膜が３層以上積層された膜スタックとして互いに膜構成が異なる第１の膜スタック１１０および第２の膜スタック１２０が複数回繰り返し積層された多層膜を有する。第１および第２の膜スタックのそれぞれにおいて、２種類の膜のうち屈折率が高い方の材料により形成された膜をＨ膜とし、屈折率が低い方の材料により形成された膜をＭ膜とする。第１の膜スタックでは、Ｈ膜およびＭ膜がＨ膜−Ｍ膜−Ｈ膜の順で積層され、第２の膜スタックでは、Ｈ膜およびＭ膜がＭ膜−Ｈ膜−Ｍ膜の順で積層されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層膜を用いた光学フィルタ等の光学素子に関する。

多層膜は、カメラの撮影光学系において入射光量を増やすための反射防止膜や、入射する偏光の偏光方向によって反射と透過を選択的に行う偏光分離膜等として様々な光学機器に利用されている。

そして、このような多層膜を用いた光学フィルタの１つとして、基本波長帯域の光を透過して、それ以外の波長帯域の一部の波長の光を反射するマイナスフィルタがある。このようなマイナスフィルタは、例えば蛍光顕微鏡においてサンプルへの照射光の光路と該照射光とは波長が異なる読み出し光の光路とを切り替えるために利用されている。特許文献１には、マイナスフィルタとして、高屈折率層と低屈折率層との光学膜厚の平均和を入射光の波長と同程度にすることで、一部の波長帯域での反射率を下げることが可能なマイナスフィルタが開示されている。

特開２００６−２３４７１号公報

しかしながら、特許文献１にて開示されたマイナスフィルタは、多層膜を構成する薄膜ごとの膜厚が非常に厚く、かつ膜の総積層数も１００層を超えているため、多層膜の総膜厚が２０μｍ程度と非常に厚い。このため、多層膜を実際の光学機器等において使用する際に、応力集中による膜割れが発生する等の問題がある。

本発明では、比較的薄い総膜厚の多層膜を用いてマイナスフィルタと同様な光学性能が得られる光学素子を提供する。

本発明の一側面としての光学素子は、互いに屈折率が異なる材料によりそれぞれ形成された２種類の膜が３層以上積層された膜スタックとして互いに膜構成が異なる第１膜スタックおよび第２の膜スタックがそれぞれ複数回繰り返し積層された多層膜を有する。第１および第２の膜スタックのそれぞれにおいて、２種類の膜のうち屈折率が高い方の材料により形成された膜をＨ膜とし、屈折率が低い方の材料により形成された膜をＭ膜とするとき、第１の膜スタックではＨ膜およびＭ膜がＨ膜−Ｍ膜−Ｈ膜の順で積層され、第２の膜スタックではＨ膜およびＭ膜がＭ膜−Ｈ膜−Ｍ膜の順で積層されていることを特徴とする。

なお、上記光学素子を有する光学機器も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、多層膜の総膜厚を抑えつつ、マイナスフィルタと同様な良好な光学性能が得られる光学素子を実現することができる。

本発明の実施例である光学素子の膜構成を示す図。 実施例の光学素子の等価屈折率を示す図。 実施例の光学素子の等価物理膜厚を示す図。 ＳｉＯ_２の式（６）,(７)の値を示す図。 Ｔａ_２Ｏ_５の屈折率分散を示す図。 実施例１の光学素子の等価屈折率を示す図。 実施例１の光学素子の等価物理膜厚を示す図。 実施例１における式（６），（７）の値を示す図。 実施例１におけるＨ膜およびＭ膜の物理膜厚に対する波長５５０ｎｍの等価屈折率を示す図。 実施例の光学素子を用いた蛍光顕微鏡を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、後述する具体的な実施例１，２に共通する事項について説明する。実施例の光学素子は、互いに屈折率が異なる材料によりそれぞれ形成された２種類の膜（薄膜）が３層以上積層された膜スタックとして互いに膜構成が異なる第１の膜スタックおよび第２の膜スタックが複数回繰り返し積層された多層膜を有する。

図１には、実施例の光学素子に共通する構成を示している。光学素子１００は、基板１０１と、積層された複数の薄膜１０２〜１０７により形成された多層膜とにより構成されている。薄膜１０２〜１０７のうち、薄膜１０２〜１０４は第１の膜スタックとしての薄膜スタック１１０を構成し、薄膜１０５〜１０７は第２の膜スタックとしての薄膜スタック１２０を構成する。

また、１８０は多層膜に対して入射媒質を伝搬して入射する入射光である。実施例において、薄膜とは、光学干渉を利用した膜を意味し、さらに言えば、入射する波長（使用波長）に対して数倍以下の光学膜厚を有する膜を意味する。また、実施例では、使用波長として可視域の波長を用いるが、他の帯域の波長を使用波長としてもよい。

また、図１では、図示を簡単にするために、薄膜スタック１１０，１２０を１回のみ繰り返し積層した構成を示しているが、実施例は薄膜スタック１１０，１２０が複数回繰り返し積層されることを特徴とする。繰り返し回数は、例えば５回以上２００回以下であり、薄膜スタック１１０，１２０の構成によって異なる。

上述したように、各薄膜スタックは互いに屈折率が異なる材料によりそれぞれ形成された２種類の薄膜が３層以上積層されて構成されているが、各薄膜スタックにおいて、上記２種類の薄膜以外の薄膜が外挿される形で含まれていてもよい。

２つの薄膜スタック１１０，１２０のそれぞれにおいて、上記２種類の薄膜のうち屈折率が高い方の材料により形成された膜をＨ膜とし、屈折率が低い方の材料により形成された膜をＭ膜とする。このとき、薄膜スタック（第１の膜スタック）１１０は、Ｈ膜１０２，Ｍ膜１０３およびＨ膜１０４がこの順で、すなわちＨ膜−Ｍ膜−Ｈ膜の順で積層されている。また、薄膜スタック（第２の膜スタック）１２０は、Ｍ膜１０５，Ｈ膜１０６およびＭ膜１０７がこの順で、すなわちＭ膜−Ｈ膜−Ｍ膜の順で積層されている。

２つの薄膜スタック（第１および第２の膜スタック）１１０，１２０のそれぞれ、つまりは同じ薄膜スタック内の２つのＨ膜または２つのＭ膜の材料は互いに同じであることが望ましい。ただし、異なる薄膜スタック間ではＨ膜の材料とＭ膜の材料とのうち少なくとも一方が互いに異なっていてもよい。つまり、Ｈ膜１０２とＨ膜１０４の材料は同じであることが望ましいが、Ｈ膜１０２，１０４の材料とＨ膜１０６の材料は互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。同様に、Ｍ膜１０５とＭ膜１０７の材料は同じであることが望ましいが、Ｍ膜１０３の材料とＭ膜１０５，１０７の材料は互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。

また、実施例では、薄膜スタック１１０，１２０のそれぞれにおいて、同種類の２つの薄膜（Ｈ膜１０２，１０４間やＭ膜１０５，１０７間）の物理膜厚の差が１０ｎｍ以下であることが望ましい。このような２つの薄膜は等価膜と呼ばれる１つの膜として扱うことができる。等価膜の屈折率ｎ_Ｔと物理膜厚ｄ_Ｔは、以下の式（１）〜（５）により求めることができる。

上記式（１）〜（５）において、ｎは屈折率、ｄは物理膜厚、θは光が膜内を伝搬する角度（伝搬角度）であり、スネルの法則と光の入射角度から求めることができる。入射角は光学素子１００の多層膜のうち最表面の薄膜１０７に入射する際の角度であり、入射光の中心入射角である。式（５）はそれぞれの薄膜の位相膜厚と呼ばれる量である。

式（１）〜（５）中の変数の下部に記された数字は薄膜を表し、「１」は薄膜スタック１１０ではＨ膜１０２，１０４を、薄膜スタック１２０ではＭ膜１０５，１０７を示す。「２」は各薄膜スタックの中間に位置する薄膜であり、薄膜スタック１１０ではＭ膜１０３を、薄膜スタック１２０ではＨ膜１０６を示す。式（４），（５）によって、それぞれの薄膜の屈折率ｎ_１，ｎ_２、物理膜厚ｄ_１，ｄ_２をＵ_１，２，Δ_１，２に変換して式（１）〜（３）に代入することでＵ_ＴおよびΔ_Ｔを求め、それらから等価屈折率ｎ_Ｔと等価物理膜厚ｄ_Ｔとを求めることができる。

実施例１の光学素子１００について説明する。表１には、薄膜スタック１１０，１２０の具体的な膜構成を示す。本実施例では、Ｈ膜であるｊ（ｊは材料を示す）１０２，ｊ１０４，ｊ１０６をＴａ_２Ｏ_５により形成し、またＭ膜であるｊ１０３，ｊ１０５，ｊ１０７をＭｇＦ_２により形成している。そして、薄膜スタック１１０，１２０を３０回繰り返し積層している。

図２および図３にはそれぞれ、本実施例における薄膜スタック１１０，１２０の入射角０度で入射した入射光の波長ごとの等価屈折率ｎ_Ｔおよび等価物理膜厚ｄ_Ｔを示す。図２および図３では、薄膜スタック１１０を構成するｊ１０２〜ｊ１０４の等価屈折率と等価物理膜厚を実線で示し、薄膜スタック１２０を構成するｊ１０５〜ｊ１０７の等価屈折率と等価物理膜厚を破線で示している。

なお、本実施例において、Ｈ膜であるｊ１０２，ｊ１０４とｊ１０６は同じ材料（Ｔａ_２Ｏ_５）により形成されているが、互いに異なる材料により形成されてもよい。同様にＭ膜であるｊ１０３とｊ１０５，ｊ１０７は同じ材料（ＭｇＦ_２）により形成されているが、互いに異なる材料により形成されてもよい。

ここで、薄膜スタック１１０のＨ膜（ｊ１０２，ｊ１０４）の屈折率をｎ_１Ｈ、物理膜厚をｄ_１Ｈとし、該Ｈ膜内の光の伝搬角度をθ_１Ｈとし、薄膜スタック１１０のＭ膜（ｊ１０３）の屈折率をｎ_１Ｍ、物理膜厚をｄ_１Ｍとし、該Ｍ膜内の光の伝搬角度をθ_１Ｍとする。また、薄膜スタック１２０のＨ膜（ｊ１０６）の屈折率をｎ_２Ｈ、物理膜厚をｄ_２Ｈとし、該Ｈ膜内の光の伝搬角度をθ_２Ｈとし、薄膜スタック１２０のＭ膜（ｊ１０５，ｊ１０７）の屈折率をｎ_２Ｍ、物理膜厚をｄ_２Ｍとし、該Ｍ膜内の光の伝搬角度をθ_２Ｍとする。さらに、多層膜に入射する光の波長域を使用波長域λiとする。このとき、本実施例の多層膜は、以下の式（６），（７）に示される条件を満足している。

使用波長域λｉを波長４００〜１０００ｎｍとして、薄膜スタック１１０に関する式（６）の波長ごとの値と、薄膜スタック１２０に関する式（７）の波長ごとの値とを図４に示す。図４において、式（６）の値は実線で示し、式（７）の値は一点鎖線で示している。薄膜スタック１１０，１２０はそれぞれ、式（６），（７）に示した条件を満足している。これらの式（６），（７）に示した条件を満足しない場合には、式（１）から分かるように、薄膜スタック１１０，１２０を等価膜に近似することができなくなる。このような薄膜は、波長ごとに全く異なる性質を持つので、好ましくない。

また、本実施例では、光学素子１００の使用波長域λｉにおけるいずれかの波長λ_１で、以下の式（１０）に示す条件を満足している。

式（１０）の条件は、波長λ_１での薄膜スタック１１０，１２０の式（１）の値の差を定義している。つまり、薄膜スタック１１０のＵ_Ｔと薄膜スタック１２０のＵ_Ｔが互いに近いことを示している。これは、図２で求められた屈折率から求めることができ、本実施例における式（１０）の値は、波長λ_１＝７００ｎｍにて０である。

このように薄膜スタック１１０，１２０のそれぞれにより構成される等価膜間の屈折率差を小さくすることが式（１０）の意味である。等価膜に換算したときに、屈折率が同じ領域は膜間の界面での反射が生じない。このため、本実施例の薄膜スタック１１０，１２０間の界面では、波長７００ｎｍでの反射が生じない。一方、波長５００ｎｍでは屈折率差が大きくなっており、薄膜スタック１１０，１２０間の界面での反射が大きく発生する。このように、式（１０）の条件を満足することで、使用波長域内で反射の有無を、屈折率差から調整することができる。

表１に示した光学素子の透過率を図５に示す。前述したように、波長７００ｎｍでは反射が少ないために透過率が高く、屈折率差（つまりは反射）が大きい波長５００ｎｍ付近で透過率が大きく低下する。このように、広い波長帯域で透過率が高く、一部の波長帯域の光を反射する膜（フィルタ）はマイナスフィルタと呼ばれている。

また、実施例１では、使用波長域λｉにおける波長λ_１とは異なる波長λ_２において、以下の式（１２），（１３）で示す条件を双方とも満足している。

本実施例では、式（１２），（１３）の値はともに波長５００ｎｍで０となっている。

前述したように、波長λ_１＝７００ｎｍでは屈折率が近いために薄膜間の界面での反射は発生しない。しかし、反射を生じさせたい波長λ_２＝５００ｎｍでは、反射を増強させるために、薄膜スタック１１０，１２０の等価屈折率ｎ_Ｔと等価物理膜厚ｄ_Ｔの積である光学膜厚（ｎ_Ｔ×ｄ_Ｔ）はλ／４とするのが、効率が良い。

式（１２），（１３）は薄膜スタック１１０、１２０の光学膜厚がλ／４、つまりは位相膜厚が９０度の奇数倍となる領域を表している。これを満足することで、波長５００ｎｍでの反射を効率的に増やすことができる。

さらに、本実施例の多層膜の総膜厚は５μｍ程度と非常に薄い。また、本実施例の多層膜は、同じ薄膜ｊ１０１〜ｊ１０７を繰り返し積層しているため、非常に製造しやすい。

実施例２の光学素子１００について説明する。表２には、薄膜スタック１１０，１２０の具体的な膜構成を示す。本実施例においても、Ｈ膜であるｊ１０２，ｊ１０４，ｊ１０６をＴａ_２Ｏ_５により形成し、Ｍ膜であるｊ１０３，ｊ１０５，ｊ１０７をＭｇＦ_２により形成している。そして、薄膜スタック１１０，１２０を４０回繰り返し積層している。

図６および図７にはそれぞれ、本実施例における薄膜スタック１１０，１２０の入射角０度で入射した入射光の波長ごとの等価屈折率ｎ_Ｔおよび等価物理膜厚ｄ_Ｔを示す。図６および図７では、薄膜スタック１１０を構成するｊ１０２〜ｊ１０４の等価屈折率と等価物理膜厚を実線で示し、薄膜スタック１２０を構成するｊ１０５〜ｊ１０７の等価屈折率と等価物理膜厚を破線で示している。

なお、本実施例でも、Ｈ膜であるｊ１０２，ｊ１０４とｊ１０６は同じ材料（Ｔａ_２Ｏ_５）により形成されているが、互いに異なる材料により形成されてもよい。同様にＭ膜であるｊ１０３とｊ１０５，ｊ１０７は同じ材料（ＭｇＦ_２）により形成されているが、互いに異なる材料により形成されてもよい。

使用波長域λｉを波長４００〜１０００ｎｍとして、薄膜スタック１１０に関する式（６）の波長ごとの値と、薄膜スタック１２０に関する式（７）の波長ごとの値とを図８に示す。図８において、式（６）の値は実線で示し、式（７）の値は一点鎖線で示している。薄膜スタック１１０，１２０はそれぞれ、式（６），（７）に示した条件を満足している。

また、図６に示すように、薄膜スタック１１０（ｊ１０２〜ｊ１０４）と薄膜スタック１２０（ｊ１０５〜ｊ１０７）の等価屈折率ｎ_Ｔは波長５００ｎｍで交差している。このため、式（１０）の値は波長λ_１＝５００ｎｍで０となり、式（１０）の条件を満足している。図６において、薄膜スタック１１０（ｊ１０２〜ｊ１０４）の等価屈折率ｎ_Ｔは波長４００ｎｍ近傍で１以下となっている。波長帯域は狭いが、等価膜では実現し得ない特性を実現することができる。

本実施例の透過率特性を図９に示す。本実施例は、波長７００ｎｍで反射率が高く、それ以外の波長帯域では透過率が高いマイナスフィルタとしての特性を有することが分かる。また、本実施例では、式（１２），（１３）の値がともに波長λ_２＝７００ｎｍで０となっており、式（１２），（１３）の条件を双方とも満足している。

本実施例の多層膜の総膜厚は８μｍ程度と非常に薄い。また、本実施例の多層膜は、同じ薄膜ｊ１０１〜ｊ１０７を繰り返し積層しているため、非常に製造しやすい。

なお、複数の薄膜を用いる場合には、該複数の薄膜の光学膜厚や屈折率は完全に一致しなくてもよく、等価な干渉特性を有すればある程度の許容範囲内で差を有していてもよい。具体的には、使用中心波長において、屈折率では±０．０２程度、光学膜厚では１／２０以下の範囲が許容範囲である。

図１０には、実施例１，２で説明した光学素子１００を用いた光学機器の例として、蛍光顕微鏡の構成を示している。１７０１は被検物（サンプル）であり、１７０２は対物レンズである。１７０４，１７０６は集光レンズであり、１７０５は光検出素子である。１７０７は発光素子である。そして、１７０３は実施例１，２のいずれかで説明したマイナスフィルタ機能を有する光学素子である。

発光素子１７０７から出射した光は、集光レンズ１７０６により平行光に変換され、光学素子１７０３に入射する。光学素子１７０３は発光素子１７０７から入射した光を反射する機能を有しており、光学素子１７０３からの反射光は対物レンズ１７０２を介してサンプル１７０１に照射される。

サンプル１７０１に照射された光によって発生した蛍光は、対物レンズ１７０２を介して平行光に変換され、光学素子１７０３に入射する。蛍光は、発光素子１７０７からの入射光とは波長が異なる光である。ここでは、蛍光の波長が光学素子１７０３の透過波長帯域となるように光学素子１７０３の多層膜の膜構成が設定されている。光学素子１７０３を透過した蛍光は、集光レンズ１７０４を通して光検出素子１７０５に向けて集光され、該光検出素子１７０５により検出される。

本実施例では、例として光学素子１７０３を入射光に対して４５度傾けて配置する場合について説明したが、この場合は各薄膜の光学膜厚を４５度用に設定すればよく、当然ながら他の角度用に用いる場合でもその角度用に光学膜厚を設定すればよい。

また、各実施例の光学素子の用途は、蛍光顕微鏡に限らず、入射光の波長によって反射と透過を選択的に行うフィルタ機能が必要な様々な光学機器に用いることができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１００ 光学素子
１０１ 基板
１０２〜１０７ 薄膜
１１０，１２０ 薄膜スタック
１８０ 入射光

Claims (7)

1. 互いに屈折率が異なる材料からなる２種類の膜が３層以上積層された膜スタックとして、互いに膜構成が異なる第１の膜スタックおよび第２の膜スタックがそれぞれ複数積層された多層膜を有する光学素子であって、
   前記第１および第２の膜スタックのそれぞれにおいて、前記２種類の膜のうち前記屈折率が高い方の材料により形成された膜をＨ膜とし、前記屈折率が低い方の材料により形成された膜をＭ膜とするとき、
   前記第１の膜スタックでは、前記Ｈ膜および前記Ｍ膜が、Ｈ膜−Ｍ膜−Ｈ膜の順で積層され、
   前記第２の膜スタックでは、前記Ｈ膜および前記Ｍ膜が、Ｍ膜−Ｈ膜−Ｍ膜の順で積層されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記第１および第２の膜スタックのそれぞれの前記Ｈ膜の材料とそれぞれの前記Ｍ膜の材料とのうち少なくとも一方が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１の膜スタックにおける前記Ｈ膜の屈折率をｎ_１Ｈ、物理膜厚をｄ_１Ｈとし、該Ｈ膜内の光の伝搬角度をθ_１Ｈとし、前記第１の膜スタックにおける前記Ｍ膜の屈折率をｎ_１Ｍ、物理膜厚をｄ_１Ｍとし、該Ｍ膜内の光の伝搬角度をθ_１Ｍとし、
   前記第２の膜スタックにおける前記Ｈ膜の屈折率をｎ_２Ｈ、物理膜厚をｄ_２Ｈとし、該Ｈ膜内の光の伝搬角度をθ_２Ｈとし、前記第２の膜スタックにおける前記Ｍ膜の屈折率をｎ_２Ｍ、物理膜厚をｄ_２Ｍとし、該Ｍ膜内の光の伝搬角度をθ_２Ｍとし、
   前記多層膜に入射する光の波長域を使用波長域λiとするとき、
   
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
4. 前記使用波長域λｉにおける波長λ_１に対して、
   
   なる条件を満足することを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
5. 前記第１および第２の膜スタックのそれぞれにおいて、同種類の２つの膜の物理膜厚の差が１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学素子。
6. 前記使用波長域λｉにおける前記波長λ_１とは異なる波長λ_２に対して、
   
   なる条件の双方を満足することを特徴とする請求項３または４に記載の光学素子。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の光学素子を有することを特徴とする光学機器。