JPH077129B2

JPH077129B2 - 超狭帯域光学多層膜

Info

Publication number: JPH077129B2
Application number: JP62158258A
Authority: JP
Inventors: 正信和久本
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1987-06-25
Filing date: 1987-06-25
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPS642004A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕この発明は、特定波長の光を選択的に透過あるいは反射
する光学多層膜に関するものである。

〔背景技術〕

特定波長の光を選択的に透過あるいは反射する光学多層
膜１は、第７図（ａ）にみるように、目的とする光の波
長（λ）の1/4の厚みを有する高屈折率薄膜Ｈ″と、同
じ厚みを有する低屈折率薄膜Ｌ″とを、基板２上に交互
に積層することで形成されている。

しかし、このような光学多層膜では、帯域幅や反射率等
の特性を自由に制御することが難しい。

また、目的とする波長のピークにおける帯域幅が、第７
図（ｂ）にみるように広く、急峻なピークを得ることが
できない、と言う問題もある。特に、帯域幅（半値幅）
を100nm以下にすることは、従来の光学多層膜では不可
能に近い。

〔発明の目的〕

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、
帯域幅や反射率の設定をより大きな範囲で行うことがで
き、かつ、帯域幅を従来になく狭くすることのできる超
狭帯域光学多層膜を提供することを目的としている。

〔発明の開示〕

上記目的を達成するため、この発明は、基板表面に高屈
折率薄膜と低屈折率薄膜とが交互に積層された光学多層
膜であって、前記高屈折率薄膜の膜厚が低屈折率薄膜の
膜厚よりも厚く、最表層に低屈折率薄膜がくる場合はこ
の低屈折率薄膜は除くこととして他の高屈折率薄膜
（Ｈ）と低屈折率薄膜（Ｌ）は少なくとも全て膜厚比H:
Lが、1.1:1〜2:1の範囲内にあり、かつ、高屈折率薄膜
がTiO₂薄膜であり、低屈折率薄膜がSiO₂薄膜およびMgF₂
薄膜のいずれかであって、全薄膜の平均膜厚の２倍近傍
の波長の光に対する強い選択的光学特性を有することを
特徴とする超狭帯域光学多層膜を要旨としている。

なお、最表層に低屈折率薄膜がくる場合、この低屈折率
薄膜は勿論、高屈折率薄膜よりも薄いことには変わりな
いのであるが、他の低屈折率薄膜のほぼ1/2と、最表層
に低屈折率薄膜のみは上記の膜厚比H:Lが1.1:1〜2:1の
範囲内を外れることがある。

以下に、この発明を、詳しく説明する。

第１図（ａ）にみるように、この発明の超狭帯域光学多
層膜１は、基板２表面に、高屈折率薄膜Ｈと低屈折率薄
膜Ｌとを交互に積層形成してなるものであるが、この点
は、従来のものとかわらない。

各薄膜Ｈ、Ｌの材料としても、従来と同様の化合物を使
用することができる。

たとえば、高屈折率薄膜Ｈとしては、TiO₂、CeO₂、Zr
O₂、ZnS、V₂O₅等の、屈折率ｎが2.0〜2.6程度の物質に
よる薄膜が候補として考えられるが、この発明では屈折
率等などからTiO₂薄膜が使用される。

低屈折率薄膜Ｌとしては、CaF₂、MgF₂、SiO₂、Al₂O₃等
の、屈折率ｎが1.3〜1.6程度の物質による薄膜が候補と
して考えられるが、この発明では低屈折率であるSiO₂薄
膜かMgF₂薄膜が使用される。

そして、以上のような化合物の組み合わせ、および各薄
膜Ｈ、Ｌの膜厚を後述のように選んでやれば、必要とす
る波長の光を反射あるいは透過させることができるよう
になるのである。

以上のような各薄膜Ｈ、Ｌを形成する方法は、この発明
では特に限定されず、通常と同様の方法が採用される。

たとえば、抵抗加熱による真空蒸着法、電子ビーム加熱
による蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティン
グ法等の物理的蒸着法や、CVD法等の化学的蒸着法等を
使用することができるのである。

これらの方法による薄膜の形成にあたっては、基板を室
温以上に加熱するようであってもよい。一般に、基板温
度が高ければ、形成される薄膜の硬度が高くなり、その
耐久性も向上する傾向があるからである。しかしなが
ら、あまり基板温度が高すぎると、作業性や生産性が悪
くなる恐れがある。したがって、基板温度は、形成する
薄膜の種類やその製法にもよるが、室温〜350℃程度で
あることが好ましい。

また、この発明では、焼成により上記物質となる有機金
属化合物の溶液を基板表面に塗布し焼成する方法を採用
することもできる。

この発明の超狭帯域光学多層膜は、上記のような両薄膜
Ｈ、Ｌのうち、高屈折率薄膜Ｈの膜厚が、低屈折率薄膜
Ｌの膜厚よりも厚いことを特徴とする。

このように、高屈折率薄膜Ｈの膜厚が、低屈折率薄膜Ｌ
の膜厚よりも厚くなっていると、第１図（ｂ）に示した
ように、その吸収特性のλ/2の位置に、極めて帯域幅の
狭い、強い選択性を有するピークが得られる。ピークの
形状（帯域幅や強度等）は、両薄膜Ｈ、Ｌを構成する材
料の組み合わせや、その膜厚比、層数等の条件によって
違うが、帯域幅（半値幅）50〜60nm程度、透過率10〜30
％と言う、これまでにない、極めて選択性の強い、急峻
なものとすることができる。

このような急峻なピークは、第７図（ｂ）に示した従来
の吸収特性のうち、波長λのピークよりも波長の短い領
域に存在していた、さざ波状の成分（リップル）のうち
の、一つの成分が大きくなったものである。

この現象は、両膜薄Ｈ、Ｌの膜厚に差をつけると、各界
面で発生する反射波の位相に変化が起こり、干渉によっ
て、このλ/2の成分の反射が強化されるために発生する
と考えられる。

この現象は、両薄膜の膜厚比や材料によって影響される
ため、発生波長を厳密に理論より算出することは困難で
あるが、基本的には全薄膜の平均値の２倍近傍、すなわ
ち、従来で言うところの波長λのピーク（全薄膜の平均
値の４倍の波長の成分）の半分の波長（λ/2）近傍の成
分に発生する。

一方、波長λの従来のピークも、第１図（ｂ）にみるよ
うに、存在しない訳でなく、従来同様に存在するから、
この発明の超狭帯域光学多層膜は、結局、二つのピーク
をあわせ持つものとなる。

波長λ/2におけるピークの形状（帯域幅、強度等）は、
前述したように、両薄膜Ｈ、Ｌを構成する材料の組み合
わせや、その膜厚比、層数等の条件によって種々制御す
ることができる。

たとえば、高屈折率薄膜ＨとしてTiO₂を、低屈折率薄膜
ＬとしてSiO₂を、それぞれ、使用し、合計の層数を10
層、高屈折率薄膜Ｈの膜厚を350nm、低屈折率薄膜Ｌの
膜厚を250nmとすると、透過率25〜30％、帯域幅（半値
幅）50〜60nmのピークを、波長600nm近傍の位置に得る
ことができる。

一例として、第２図に、高屈折率薄膜ＨとしてTiO₂を、
低屈折率薄膜ＬとしてSiO₂を、それぞれ、使用し、合計
の層数を６〜18層に変化させた際の光学特性を示す。図
にみるように、合計の層数を６層から増やして行くと、
波長λ/2（＝600nm近傍）にあるピークの透過率を除々
に小さくする（反射率を増大する）ことができるように
なる。これを、より判り易く、ピーク頂点の超過率のみ
であらわすと、第４図のようになる。

高屈折率薄膜Ｈと低屈折率薄膜Ｌとの膜厚差は、前述し
たように、この発明における重要な因子であり、高屈折
率薄膜Ｈの膜厚は、常に低屈折率薄膜Ｌの膜厚よりも厚
くなっており、しかも、最表層に低屈折率薄膜がくる場
合はこの低屈折率薄膜は除くこととして他の高屈折率薄
膜（Ｈ）と低屈折率薄膜（Ｌ）は少なくとも全て膜厚比
H:Lが、1.1:1〜2:1の範囲内にある必要がある。膜厚比
H:Lが2:1を越えると、両者の膜厚が同じである従来のも
のとの特性が差が少なくなってしまう。

また、膜厚比H:Lは、上記範囲の中でも、1.1:1:1.5〜１
の範囲内であることが、より好ましい。

両薄膜Ｈ、Ｌの膜厚比と、光学特性の関係を第３図に示
す。図にみるように、両薄膜Ｈ、Ｌの膜厚が同じである
もの（1:1）では、波長λ/2（＝500nm近傍）に特徴的な
ピークは見られない。その前後の成分と同じくさざ波の
一つがあるだけである。これに対し、両者の膜厚比をH:
L＝1.1:1にしたこの発明の超狭帯域光学多層膜では、こ
のλ/2の成分が急成長し、急峻なピークを示す。両者の
膜厚比をさらに大きくすると、ピークはさらに大きくな
り、その頂点の透過率は、H:L＝1.5:1のとき20％にもな
るのである。これを、より判り易く、ピーク頂点の透過
率のみであらわすと、第５図のようになる。

なお、この際、ピークの帯域幅も、ピークが大きくなる
につれて拡がるが、第３図にみるように、それでも、半
値幅で100nmを越えるものではない。つまり、急峻なピ
ークが維持されるのである。

高屈折率薄膜Ｈと低屈折率薄膜Ｌの基板上における配列
は、この発明では特に限定されないが、第６図（ａ）に
みるように、最表層を低屈折率薄膜とし、その膜厚を他
の低屈折率薄膜のほぼ1/2とすることが好ましい。この
ように両薄膜Ｈ、Ｌを配置すると、第６図（ｂ）にみる
ように、ピーク以外の、透過帯の分光特性をよりフラッ
トにすることができるようになるからである。

以上のような、この発明の超狭帯域光学多層膜は、必要
外の波長の光を透過し、それ以外の必要とする光を反射
するミラー（いわゆる、ダイクロイックミラー）や、必
要外の波長の光をカットする、照射用色温度変換フィル
タ、光学機器用フィルタ等のフィルタとして用いること
ができる。

つぎに、この発明の実施例について説明する。

（実施例１）高屈折率薄膜Ｈとして厚み350nmのTiO₂膜を、低屈折率
薄膜Ｌとして厚み250nmのSiO₂膜を、それぞれ使用し、
これらを交互に９層積層したあと、最上層に透過帯の分
光特性をフラットにするため厚み125nmのSiO₂膜を積層
して、第６図（ａ）にみる層構成の超狭帯域光学多層膜
を得た。このものは、第６図（ｂ）にみるように、波長
550nmに、帯域幅（半値幅）50nmと言う極めて急峻なピ
ークを有しており、単色ミラーとして使用することがで
きた。

（実施例２）上記実施例１と同じ層構成の超狭帯域光学多層膜をフィ
ルタとして使用したところ、放射成分より緑色光成分の
みを取り除いて色温度を調整でき、明るい赤色光を透過
するものが得られた。

〔発明の効果〕

この発明の超狭帯域光学多層膜は、上記構成上であるが
ために、下記の効果（１），（２）を奏することが出
来、有用性が顕著である。

効果（１）特定の波長の光に対する顕著な選択的光学
特性を有する。

これは、基本的には高屈折率薄膜と同膜より薄い低屈折
率薄膜が交互に積層されている上、最表層の低屈折率薄
膜は別として高屈折率薄膜（Ｈ）と低屈折率薄膜（Ｌ）
が適切な膜厚比範囲たるH:L＝1.1:1〜2:1にあるからで
ある。もうひとつは、高屈折率薄膜がTiO₂薄膜であり、
低屈折率薄膜がSiO₂薄膜およびMgF₂薄膜のいずれかであ
って屈折率の差が顕著だからである。これらの相乗作用
で急峻な選択的光学特性を有するのである。

効果（２）帯域幅や反射率の設定をより大きな範囲で
行える。

これは、反射率は主として積層回数の調整で大きく変え
られ、帯域幅は主として薄膜厚みの調整で大きく変えら
れるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の超狭帯域光学多層膜の層構成
の一例を説明する層構成図、第１図（ｂ）はこの層構成
における光学特性の一例をあらわすグラフ、第２図は多
層膜の層数と光学特性の関係をあらわすグラフ、第３図
は高低両屈折率薄膜の膜厚比と光学特性の関係をあらわ
すグラフ、第４図は多層膜の層数とピーク頂点の超過率
との関係をあらわすグラフ、第５図は膜厚比とピーク頂
点の透過率との関係をあらわすグラフ、第６図（ａ）は
最表層の低屈折率薄膜の膜厚をその他の低屈折率薄膜の
1/2とした実施例の層構成を説明する層構成図、第６図
（ｂ）はこの層構成における光学特性の一例をあらわす
グラフ、第７図（ａ）は従来の光学多層膜の層構成の一
例を説明する層構成図、第７図（ｂ）はこの層構成にお
ける光学特性の一例をあらわすグラフである。２……基板、Ｈ……高屈折率薄膜、Ｌ……低屈折率薄
膜、１……超狭帯域光学多層膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板表面に高屈折率薄膜と低屈折率薄膜と
が交互に積層された光学多層膜であって、前記高屈折率
薄膜の膜厚が低屈折率薄膜の膜厚よりも厚く、最表層に
低屈折率薄膜がくる場合はこの低屈折率薄膜は除くこと
として他の高屈折率薄膜（Ｈ）と低屈折率薄膜（Ｌ）は
少なくとも全て膜厚比H:Lが、1.1:1〜2:1の範囲内にあ
り、かつ、高屈折率薄膜がTiO₂薄膜であり、低屈折率薄
膜がSiO₂薄膜およびMgF₂薄膜のいずれかであって、全薄
膜の平均膜厚の２倍近傍の波長の光に対する強い選択的
光学特性を有することを特徴とする超狭帯域光学多層
膜。
【請求項２】最表層が低屈折率薄膜であり、その膜厚が
他の低屈折率薄膜のほぼ1/2である特許請求の範囲第１
項記載の超狭帯域光学多層膜。
【請求項３】必要外の波長の光を透過し、必要とする波
長の光を反射するミラーに用いられている特許請求の範
囲第１項または第２項記載の超狭帯域光学多層膜。
【請求項４】必要外の波長の光をカットするフィルタに
用いられている特許請求の範囲第１項または第２項記載
の超狭帯域光学多層膜。