波長選択性鏡
【課題】安価に提供でき、かつ、広い帯域で高反射／透過の選択性を得ることができる波長選択性鏡を実現する。
【解決手段】波長選択性鏡１０は、高屈折材料からなる膜の第１の面１１が入射面、第２の面１２が反射／透過面となっている。第１の面１１は、回折格子の機能を有し、外部から入射される光のうち、ある特定波長よりも大きい波長を有する長波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０，ｑ＝整数）回折成分の光をカットして０次回折成分（ｑ＝０：非回折に相当）の光のみを透過させ、上記特定波長よりも小さい波長を有する短波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０，ｑ＝整数）回折成分の光も透過させる。第２の面１２は、上記第１の面を透過した長波長域の０次回折成分の光と短波長域のｑ次（ｑ≠０，ｑ＝整数）回折成分の光とのうちの一方を全反射し、他方を透過させる。
【解決手段】波長選択性鏡１０は、高屈折材料からなる膜の第１の面１１が入射面、第２の面１２が反射／透過面となっている。第１の面１１は、回折格子の機能を有し、外部から入射される光のうち、ある特定波長よりも大きい波長を有する長波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０，ｑ＝整数）回折成分の光をカットして０次回折成分（ｑ＝０：非回折に相当）の光のみを透過させ、上記特定波長よりも小さい波長を有する短波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０，ｑ＝整数）回折成分の光も透過させる。第２の面１２は、上記第１の面を透過した長波長域の０次回折成分の光と短波長域のｑ次（ｑ≠０，ｑ＝整数）回折成分の光とのうちの一方を全反射し、他方を透過させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定波長域の光を選択的に反射する波長選択性鏡に関するものであり、特に広帯域化された波長選択性鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、屈折率の異なる膜を厚さ制御して多層に重ねた波長選択性鏡（もしくは波長選択性フィルタ）が広く使われている。このような多層膜構造の波長選択性鏡（以下、多層膜反射鏡と称する）は、例えば、非特許文献１などにおいて開示がある。
【０００３】
上記多層膜反射鏡は、膜の層数を増やし、より多層の構造とすることで広帯域化を図ることも可能である。
【非特許文献１】S.G. Lipson, H. Lipson, and D.S. Tannhauser、「Optical Physics(Third Edition)」、Cambridge University Press、1995、pp.285-289
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の多層膜反射鏡は、多重反射および干渉効果を利用することで、反射する光の波長を選択するものであり、基本的には狭帯域対応のものである（狭帯域であれば波長選択性を得るのが容易）。
【０００５】
すなわち、上記多層膜反射鏡では、より多層構造とすることで広帯域化は可能であるものの、多くの層数（数十層以上）と精緻な厚さ制御が必要となり、（特にオクターブ以上の帯域は）技術的にも難しく、極めて高価なものとなる。
【０００６】
また、広い帯域で１００％に近い反射率を得ることも難しく、これを実現しようとすれば、技術的およびコスト的なハードルはさらに高くなる。
【０００７】
また、反射だけでなく吸収も併用して遮断域を広げた赤外カットフィルタなども実現されているが、このような赤外カットフィルタでは、全域の光を有効に使えない、膜の発熱が生じるといった問題がある。さらに、上記赤外カットフィルタでも、１００％に近い遮断率を得ることは難しい。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価に提供でき、かつ、広い帯域で高反射／透過の選択性を得ることができる波長選択性鏡を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る波長選択性鏡は、上記課題を解決するために、回折格子の機能を有し、外部から入射される光のうち、ある特定波長よりも大きい波長を有する長波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０，ｑ：整数）回折成分の光（以後、ｑ次（ｑ≠０）回折光と呼ぶ）は遮断させ、０次回折成分（ｑ＝０：非回折に相当）の光（以後、０次回折光と呼ぶ）のみを透過させ、上記特定波長よりも小さい波長を有する短波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０）回折光も透過させる第１の面と、上記第１の面の対向面であり、上記第１の面を透過した長波長域の０次回折光と短波長域のｑ次（ｑ≠０）回折光とのうちの一方を全反射し、他方を透過させる第２の面とを有していることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、上記第１の面および第２の面は、単一材料からなる膜の両面に形成することで、従来の多層膜反射鏡のように、多数の膜を積層する必要がなく、また、膜の厚さ制御も不要である。このため、上記波長選択性鏡は、従来の多層膜反射鏡に比べ、材料および製造コストを大幅に低減することができる。
【００１１】
さらに、上記特定波長を境界として、反射／透過の選択性が生じるため、容易に広帯域での反射／透過の波長選択性を得ることができる。
【００１２】
また、上記波長選択性鏡では、上記第１の面における回折格子は、該面に形成された凹凸形状によって構成されていてもよい。ここで、上記凹凸形状とは、方形、三角波、鋸歯、正弦波状などを含む一般的なものである。
【００１３】
上記の構成によれば、第１の面に形成される回折格子は、凹凸形状によって構成されるため、回折格子の周期的構造の形状を工夫することで特定波長域の回折効率を大きくし、回折しない成分（０次回折光）を非常に小さくすることができる。例えば、第１の面における光学的構造の変調の振幅（具体的には、凹凸の深さ）の寸法設定や鋸歯状格子構造では傾斜角設定などによって、例えば、短波長域での希望する波長で０次回折光をなくし（±１次回折光のみとし）、その周りのかなり広い範囲の短波長域で０次回折光を小さく抑えることも可能である。これにより、第２の面における短波長域の光の透過率（または反射率）を向上させることができる。
【００１４】
さらに、第１の面に形成される回折格子を凹凸形状によって構成する場合、プレス加工や押し出し加工などで回折格子を形成することができ、製造工程の簡素化を図ることができる。
【００１５】
また、上記波長選択性鏡では、上記第２の面は、傾斜面を交互に配置してなる三角波断面形状である構成とすることができる。ここで、上記傾斜面は、波長選択性鏡が取り扱う波長に比べて十分に長い周期で交互に配置されるものとする。
【００１６】
上記の構成によれば、第１の面を透過した長波長域の０次回折光を第２の面によって全反射させることができ、上記第１の面を透過した短波長域のｑ次（ｑ≠０）回折光を透過させることができる。これにより、長波長域の光を反射、短波長域の光を透過させる波長選択性鏡が得られる。この場合、特定波長よりも大きい波長を有する長波長域の光を全反射によって１００％反射でき、透過を１００％カットするとともに、吸収を使っていないので反射光として１００％再利用することができる。
【００１７】
また、上記波長選択性鏡では、上記第２の面は、平坦面である構成とすることができる。
【００１８】
上記の構成によれば、第１の面を透過した長波長域の０次回折光を第２の面において透過させることができ、上記第１の面を透過した短波長域のｑ次（ｑ≠０）回折光を全反射させることができる。これにより、長波長域の光を透過、短波長域の光を反射させる波長選択性鏡が得られる。
【００１９】
また、上記波長選択性鏡では、上記第１の面における回折格子が、複数周期の合成、あるいは特定の周期より短い幅での変化を持つ非周期的回折格子である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の波長選択性鏡は、以上のように、回折格子の機能を有し、外部から入射される光のうち、ある特定波長よりも大きい波長を有する長波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０）回折光は遮断させ、０次回折光のみを透過させ、上記特定波長よりも小さい波長を有する短波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０）回折光も透過させる第１の面と、上記第１の面の対向面であり、上記第１の面を透過した長波長域の０次回折光と短波長域のｑ次（ｑ≠０）回折光とのうちの一方を全反射し、他方を透過させる第２の面とを有している。
【００２１】
それゆえ、上記波長選択性鏡は、従来の多層膜反射鏡に比べ、多数の膜を積層する必要がなく、また、膜の厚さの精密制御も不要であるため、材料および製造コストを大幅に低減することができる。さらに、容易に広帯域での反射／透過の波長選択性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の一実施形態について図１ないし図１０に基づいて説明すると以下の通りである。先ず、本実施の形態に係る波長選択性鏡の概略構成を図１を参照して説明する。図１に示す波長選択性鏡１０は、基本的に単一の層からなるものであり、一方の面である第１の面１１が入射面、他方の面である第２の面１２が反射／透過面となっている。ここで、上記単一の層の材料の屈折率をｎとする。
【００２３】
第１の面１１は、周期的な光学的構造を有している。ここで、周期的な光学的構造が入射光の半波長より短い周期で面的に分布している場合、この光学的構造によって散乱された光同士が同位相で強めあうことはない。すなわち、特定の方向に強く光が散乱されることはなく、多くの光は上記光学的構造を有する面をそのまま透過するか、あるいは反射されてしまう。入射光が面に対してほぼ垂直に入射される場合は１波長よりも短い周期でも同様のことが起こる。なお、ここで波長とは屈折率を考慮した実効波長をさし、屈折率ｎの媒質中では真空中の波長の１／ｎである。
【００２４】
一方、上記光学的構造の周期が入射光の半波長（垂直入射に近い場合に限定すれば１波長）よりも長い場合、散乱回折光が特定の方向で同位相となり強めあい、この方向に多くの光が集中して進行する。この場合は、いわゆる回折格子による回折が生じる。本実施の形態に係る波長選択性鏡１０の第１の面１１は、このように回折格子として機能する光学的構造を有している。
【００２５】
また、第１の面１１における光学的構造は、その周期的構造の形状を工夫すれば特定波長域の回折効率を大きくし、回折しない成分（０次回折成分）を非常に小さくできる。この結果、長波長域は回折されずに進む（０次回折として進む）か、遮断で反射される一方、短波長域は回折されない成分（０次回折の成分）が小さく抑えられて、大部分の光が回折されて向きを変えて進むようにできる。これを図示すれば、図２に示すようなものとなる。
【００２６】
図２において実線で示しているのは長波長域の光Ａである。第１の面１１を通過する長波長域の光Ａは、第１の面１１で回折されずに進む０次回折光のみが存在する。また、図２において破線で示しているのは短波長域の光Ｂである。第１の面１１を通過する短波長域の光Ｂでは、第１の面１１で回折されるｑ次（ｑ≠０）回折光が存在する。
【００２７】
尚、本実施の形態において、長波長域と短波長域との境界となる波長は、第１の面１１における光学的構造のピッチＰ（図２参照）の寸法設定によって調整可能である。例えば、ピッチＰの選び方で、短波長域を可視全域、長波長域を赤外域とし、かつ、可視全域で０次および±１次回折のみが発生するようにし、赤外域で０次回折のみが発生するようにできる。
【００２８】
また、第１の面１１における光学的構造の変調の振幅Ｈ（すなわち、凹凸の深さ）の寸法設定によって、例えば、可視域の希望する波長で０次回折光をなくし（±１次回折光のみとし）、その周りのかなり広い範囲の可視波長域で０次回折光を小さく抑えることも可能である。
【００２９】
波長選択性鏡１０の第２の面１２は、第１の面１１を通過した光を選択的に透過／反射させるための面である。図１では、第２の面１２は、基準面の法線に対して４５°傾斜した面を交互に配置した三角波断面形状の光学的構造となっている。
【００３０】
上記形状の第２の面１２に対して、長波長域の光は、図３（ａ）に示すように、第１の面１１を回折せずに進んだ０次回折光のみが入射する。この０次回折光は、第２の面１２に対して４５°の入射角で入射されることになる。この時、波長選択性鏡１０が高屈折率材料で形成され、その臨界角が４５°以下に設定されていれば、全反射が生じる。すなわち、長波長の光を第２の面を通過させることなく、第１の面１１側に戻すことができる。これにより、波長選択性鏡１０は、長波長の光に対して１００％の反射率を得ることができる。
【００３１】
また、第２の面１２に対して、短波長域の光としては、図３（ｂ）に示すように、第１の面１１によって回折された±１次回折光が入射する。この±１次回折光は、第２の面１２を構成する傾斜面に対して臨界角よりも小さい角度で入射するため、第２の面１２を透過する光が生じる。
【００３２】
但し、短波長域の光に関しては、第２の面１２を透過する光の透過率を１００％とすることはできない。これは以下の理由による。
・第１の面１１を通過する短波長域の光には、±１次回折光のみでなく０次回折光も存在する。この０次回折光は、長波長域の光と同様に第２の面１２での全反射を受けるため、第２の面１２を透過しない。
・短波長域の光が第１の面１１に照射された場合、０次回折および、通過できる回折成分以外の成分も存在する（遮断域の高次回折成分など）。これらは第１の面で反射される。
・第２の面１２を構成する傾斜面に対して臨界角よりも小さい角度で入射する±１次回折光においても、一部の光は反射される。
【００３３】
また、短波長域の光における第２の面１２の透過率は波長によって異なり、所望の波長での透過率が大きくなるように波長選択性鏡１０を設計することは可能である。
【００３４】
例えば、上述したように第１の面１１における光学的構造の変調の振幅Ｈの寸法設定によって、可視域の希望する波長で０次回折光をなくし、±１次回折光のみとすることができる。このように０次回折光をなくした波長では、第２の面１２で全反射される０次回折光がなくなるため、透過率は増加する。
【００３５】
また、第１の面１１を通過する±１次回折光の角度はその波長に応じて異なり、第２の面１２を構成する傾斜面に対して、より垂直に近い角度で入射する波長の光ほど、透過率は増加する。
【００３６】
このため、図１に示す波長選択性鏡１０において、入射される光の波長と透過／反射率との関係は、図４に示すようなものとなる。すなわち、ある境界波長よりも波長が大きい長波長域では１００％の反射率を得ることができ、その境界波長よりも波長が小さい短波長域ではある波長をピークとする透過率が得られる。
【００３７】
このように図１に示す波長選択性鏡１０は、広い帯域で１００％の反射率を得ることができ、かつ、安価に提供できるといった利点を有する。
【００３８】
すなわち、ある境界波長よりも波長が大きい長波長域の光は、第１の面１１において０次回折光のみが透過され、この０次回折光は第２の面１２において全反射される。全反射は、波長選択性がなく１００％の反射率とすることができるので、上記長波長域の光に関しては１００％の反射率を得ることができる。
【００３９】
また、波長選択性鏡１０は、例えばガラスや樹脂等の材料を単一で用いて作成することができる。ガラス等の硬質材料を用いる場合には、第１の面１１および第２の面１２は、切削加工によって作成することができる。また、樹脂を用いる場合には、押し出し加工やプレス加工によって波長選択性鏡１０を作成することができる。ガラスでも、高温で溶融状態とすれば同様に押し出し加工やプレス加工によって作成できる。何れの方法も、従来の多層膜反射鏡の製造方法に比べて大幅に低コストであり、また、波長選択性鏡１０の大面積化や量産化を図ることも容易である。
【００４０】
図１に示す波長選択性鏡１０は、本発明の一実施形態を例示しているに過ぎず、本発明の波長選択性鏡は、種々の変形例が考えられる。以下に本発明の変形例の幾つかを説明する。
【００４１】
先ず、図１では、第１の面の形状を方形波形状としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、三角波、鋸歯、正弦波状等の他の周期的形状であっても良い。すなわち、第１の面の形状は、長波長域の光のｑ次（ｑ≠０）回折成分をカットして０次回折光のみとするカットオフ機能を有する回折格子として機能する形状であれば特に限定されるものではない。
【００４２】
例えば、図５に示すように、第１の面の形状を鋸歯形状とした場合を考える。図５に示す構成例では、スネルの法則に則って屈折する方向（θ＝ｓｉｎ−１｛（ｓｉｎθｉｎ）／ｎ｝）が特定波長の−１次回折の方向と一致する場合、この特定波長付近の光は殆ど−１次回折光に（逆向きの鋸歯の場合は１次回折光に）変換される。勿論、スネルの法則に則って屈折する方向を特定波長の±２次回折の方向と一致させて、±２次回折を利用するものでもよい。この例では、後述する図７の構成において、短波長側を全反射させることも可能となる。
【００４３】
なお、回折格子は一般に、幾何学構造、屈折率、反射率など光学的特性を空間的に周期的に変化させて構成している。上記例は幾何学的構造が周期を持つものであるが、本発明においては、屈折率の周期変化による回折格子も勿論含めている。
【００４４】
また、光学特性の分布が周期的でない場合もフーリエ変換の原理から異なる周期の周期関数の合成と見なせるので、本発明では１つの周期的構造をもつ回折格子に限定されるものではない。例えば、複数の周期関数の合成で表される回折格子を持つものや、周期に幅を持つような非周期的回折格子（特定の周期より短い幅での変化を持つ非周期的回折格子）も含めるものとする。第１の面において、１つの周期的構造をもつ回折格子ではなく、このような回折格子を用いた場合では、境界波長や透過、反射の中心波長が曖昧になるが、用途によってはその方がよいこともある。
【００４５】
また、波長選択性鏡における第１の面は、表面に凹凸を設けて回折格子機能をもたせる構成以外に、図６に示すように、別種光材料や遮光材料による格子パターン１３を形成してもよい。この構成は、例えば、波長選択性鏡の材質としてガラス等の硬質材料が用いられる場合に、第１の面における回折格子の形成を容易にできる利点がある。なお、遮光材料の場合は透過／反射に損失を伴う。
【００４６】
また、波長選択性鏡における第２の面は、図１に示すような三角波形状に限定されるものではなく、図７に示すような平坦面からなる第２の面１４であっても良い。図１に示される第２の面１２を有する波長選択鏡１０では、長波長域の光を全反射し、短波長域の光（の大部分）を透過する。これに対して、図８に示すように、平坦面からなる第２の面１４を有する波長選択鏡では、長波長域の光の大部分を透過し、短波長域の光のｑ次（ｑ≠０）回折光を全反射することができる。尚、第２の面を図７に示すような平坦面とし、第１の面を図５に示すような鋸歯形状とした場合には、短波長側を全反射させることも可能となる。
【００４７】
また、波長選択性鏡における第１の面および第２の面の凹凸は、図９（ａ）に示すような上記凹凸が１次元方向に形成されるストライプ形状であってもよいが、図９（ｂ）に示すような２次元方向に形成される形状であっても良い。図９（ｂ）に示すように、第１の面および第２の面の凹凸が２次元方向に形成される構造では、図９（ａ）に示すようなストライプ形状に比べて反射特性が低下する可能性はあるものの、反射光に対して再帰性反射（光が入ってきた方向に戻すように反射する）を行なうことができる。
【００４８】
また、上記説明における各波長選択性鏡は、高屈折材料からなる膜の両面に第１の面および第２の面を形成しており、基本的には単一材料にて製造できるものであるが、図１０に示すように、第１の面および／または第２の面の表面に平坦化膜１５および／または１６を形成しても良い。
【００４９】
平坦化膜１５，１６が形成される場合、波長選択性鏡における第１の面および第２の面の凹凸形状を欠けや変形などから保護できるといった効果がある。また、平坦化膜１５，１６は、第１の面または第２の面における上述した光学的機能を妨げることがないように、低屈折率材料にて形成される。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
ある特定波長を境界とする広帯域な反射／透過を制御を行なうことができ、波長選択性カットフィルタなどの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態を示すものであり、波長選択性鏡の概略構成を示す断面図である。
【図２】上記波長選択性鏡の第１の面における回折格子機能を示す図である。
【図３】上記波長選択性鏡の第２の面における透過／反射機能を示す図であり、（ａ）は長波長域の光に対する透過／反射機能、（ｂ）は短波長域の光に対する透過／反射機能を示す図である。
【図４】上記波長選択性鏡における波長と透過／反射率との関係を示すグラフの一例である。
【図５】上記波長選択性鏡の第１の面を鋸歯形状とした場合を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示すものであり、波長選択性鏡の概略構成を示す断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態を示すものであり、波長選択性鏡の概略構成を示す断面図である。
【図８】図７に示す波長選択性鏡の透過／反射機能を示す図である。
【図９】（ａ），（ｂ）は、上記波長選択性鏡の斜視図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態を示すものであり、波長選択性鏡の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 波長選択性鏡
１１ 第１の面
１２，１４ 第２の面
１３ 格子パターン
１５，１６ 平坦化膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定波長域の光を選択的に反射する波長選択性鏡に関するものであり、特に広帯域化された波長選択性鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、屈折率の異なる膜を厚さ制御して多層に重ねた波長選択性鏡（もしくは波長選択性フィルタ）が広く使われている。このような多層膜構造の波長選択性鏡（以下、多層膜反射鏡と称する）は、例えば、非特許文献１などにおいて開示がある。
【０００３】
上記多層膜反射鏡は、膜の層数を増やし、より多層の構造とすることで広帯域化を図ることも可能である。
【非特許文献１】S.G. Lipson, H. Lipson, and D.S. Tannhauser、「Optical Physics(Third Edition)」、Cambridge University Press、1995、pp.285-289
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の多層膜反射鏡は、多重反射および干渉効果を利用することで、反射する光の波長を選択するものであり、基本的には狭帯域対応のものである（狭帯域であれば波長選択性を得るのが容易）。
【０００５】
すなわち、上記多層膜反射鏡では、より多層構造とすることで広帯域化は可能であるものの、多くの層数（数十層以上）と精緻な厚さ制御が必要となり、（特にオクターブ以上の帯域は）技術的にも難しく、極めて高価なものとなる。
【０００６】
また、広い帯域で１００％に近い反射率を得ることも難しく、これを実現しようとすれば、技術的およびコスト的なハードルはさらに高くなる。
【０００７】
また、反射だけでなく吸収も併用して遮断域を広げた赤外カットフィルタなども実現されているが、このような赤外カットフィルタでは、全域の光を有効に使えない、膜の発熱が生じるといった問題がある。さらに、上記赤外カットフィルタでも、１００％に近い遮断率を得ることは難しい。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価に提供でき、かつ、広い帯域で高反射／透過の選択性を得ることができる波長選択性鏡を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る波長選択性鏡は、上記課題を解決するために、回折格子の機能を有し、外部から入射される光のうち、ある特定波長よりも大きい波長を有する長波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０，ｑ：整数）回折成分の光（以後、ｑ次（ｑ≠０）回折光と呼ぶ）は遮断させ、０次回折成分（ｑ＝０：非回折に相当）の光（以後、０次回折光と呼ぶ）のみを透過させ、上記特定波長よりも小さい波長を有する短波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０）回折光も透過させる第１の面と、上記第１の面の対向面であり、上記第１の面を透過した長波長域の０次回折光と短波長域のｑ次（ｑ≠０）回折光とのうちの一方を全反射し、他方を透過させる第２の面とを有していることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成によれば、上記第１の面および第２の面は、単一材料からなる膜の両面に形成することで、従来の多層膜反射鏡のように、多数の膜を積層する必要がなく、また、膜の厚さ制御も不要である。このため、上記波長選択性鏡は、従来の多層膜反射鏡に比べ、材料および製造コストを大幅に低減することができる。
【００１１】
さらに、上記特定波長を境界として、反射／透過の選択性が生じるため、容易に広帯域での反射／透過の波長選択性を得ることができる。
【００１２】
また、上記波長選択性鏡では、上記第１の面における回折格子は、該面に形成された凹凸形状によって構成されていてもよい。ここで、上記凹凸形状とは、方形、三角波、鋸歯、正弦波状などを含む一般的なものである。
【００１３】
上記の構成によれば、第１の面に形成される回折格子は、凹凸形状によって構成されるため、回折格子の周期的構造の形状を工夫することで特定波長域の回折効率を大きくし、回折しない成分（０次回折光）を非常に小さくすることができる。例えば、第１の面における光学的構造の変調の振幅（具体的には、凹凸の深さ）の寸法設定や鋸歯状格子構造では傾斜角設定などによって、例えば、短波長域での希望する波長で０次回折光をなくし（±１次回折光のみとし）、その周りのかなり広い範囲の短波長域で０次回折光を小さく抑えることも可能である。これにより、第２の面における短波長域の光の透過率（または反射率）を向上させることができる。
【００１４】
さらに、第１の面に形成される回折格子を凹凸形状によって構成する場合、プレス加工や押し出し加工などで回折格子を形成することができ、製造工程の簡素化を図ることができる。
【００１５】
また、上記波長選択性鏡では、上記第２の面は、傾斜面を交互に配置してなる三角波断面形状である構成とすることができる。ここで、上記傾斜面は、波長選択性鏡が取り扱う波長に比べて十分に長い周期で交互に配置されるものとする。
【００１６】
上記の構成によれば、第１の面を透過した長波長域の０次回折光を第２の面によって全反射させることができ、上記第１の面を透過した短波長域のｑ次（ｑ≠０）回折光を透過させることができる。これにより、長波長域の光を反射、短波長域の光を透過させる波長選択性鏡が得られる。この場合、特定波長よりも大きい波長を有する長波長域の光を全反射によって１００％反射でき、透過を１００％カットするとともに、吸収を使っていないので反射光として１００％再利用することができる。
【００１７】
また、上記波長選択性鏡では、上記第２の面は、平坦面である構成とすることができる。
【００１８】
上記の構成によれば、第１の面を透過した長波長域の０次回折光を第２の面において透過させることができ、上記第１の面を透過した短波長域のｑ次（ｑ≠０）回折光を全反射させることができる。これにより、長波長域の光を透過、短波長域の光を反射させる波長選択性鏡が得られる。
【００１９】
また、上記波長選択性鏡では、上記第１の面における回折格子が、複数周期の合成、あるいは特定の周期より短い幅での変化を持つ非周期的回折格子である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の波長選択性鏡は、以上のように、回折格子の機能を有し、外部から入射される光のうち、ある特定波長よりも大きい波長を有する長波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０）回折光は遮断させ、０次回折光のみを透過させ、上記特定波長よりも小さい波長を有する短波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０）回折光も透過させる第１の面と、上記第１の面の対向面であり、上記第１の面を透過した長波長域の０次回折光と短波長域のｑ次（ｑ≠０）回折光とのうちの一方を全反射し、他方を透過させる第２の面とを有している。
【００２１】
それゆえ、上記波長選択性鏡は、従来の多層膜反射鏡に比べ、多数の膜を積層する必要がなく、また、膜の厚さの精密制御も不要であるため、材料および製造コストを大幅に低減することができる。さらに、容易に広帯域での反射／透過の波長選択性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の一実施形態について図１ないし図１０に基づいて説明すると以下の通りである。先ず、本実施の形態に係る波長選択性鏡の概略構成を図１を参照して説明する。図１に示す波長選択性鏡１０は、基本的に単一の層からなるものであり、一方の面である第１の面１１が入射面、他方の面である第２の面１２が反射／透過面となっている。ここで、上記単一の層の材料の屈折率をｎとする。
【００２３】
第１の面１１は、周期的な光学的構造を有している。ここで、周期的な光学的構造が入射光の半波長より短い周期で面的に分布している場合、この光学的構造によって散乱された光同士が同位相で強めあうことはない。すなわち、特定の方向に強く光が散乱されることはなく、多くの光は上記光学的構造を有する面をそのまま透過するか、あるいは反射されてしまう。入射光が面に対してほぼ垂直に入射される場合は１波長よりも短い周期でも同様のことが起こる。なお、ここで波長とは屈折率を考慮した実効波長をさし、屈折率ｎの媒質中では真空中の波長の１／ｎである。
【００２４】
一方、上記光学的構造の周期が入射光の半波長（垂直入射に近い場合に限定すれば１波長）よりも長い場合、散乱回折光が特定の方向で同位相となり強めあい、この方向に多くの光が集中して進行する。この場合は、いわゆる回折格子による回折が生じる。本実施の形態に係る波長選択性鏡１０の第１の面１１は、このように回折格子として機能する光学的構造を有している。
【００２５】
また、第１の面１１における光学的構造は、その周期的構造の形状を工夫すれば特定波長域の回折効率を大きくし、回折しない成分（０次回折成分）を非常に小さくできる。この結果、長波長域は回折されずに進む（０次回折として進む）か、遮断で反射される一方、短波長域は回折されない成分（０次回折の成分）が小さく抑えられて、大部分の光が回折されて向きを変えて進むようにできる。これを図示すれば、図２に示すようなものとなる。
【００２６】
図２において実線で示しているのは長波長域の光Ａである。第１の面１１を通過する長波長域の光Ａは、第１の面１１で回折されずに進む０次回折光のみが存在する。また、図２において破線で示しているのは短波長域の光Ｂである。第１の面１１を通過する短波長域の光Ｂでは、第１の面１１で回折されるｑ次（ｑ≠０）回折光が存在する。
【００２７】
尚、本実施の形態において、長波長域と短波長域との境界となる波長は、第１の面１１における光学的構造のピッチＰ（図２参照）の寸法設定によって調整可能である。例えば、ピッチＰの選び方で、短波長域を可視全域、長波長域を赤外域とし、かつ、可視全域で０次および±１次回折のみが発生するようにし、赤外域で０次回折のみが発生するようにできる。
【００２８】
また、第１の面１１における光学的構造の変調の振幅Ｈ（すなわち、凹凸の深さ）の寸法設定によって、例えば、可視域の希望する波長で０次回折光をなくし（±１次回折光のみとし）、その周りのかなり広い範囲の可視波長域で０次回折光を小さく抑えることも可能である。
【００２９】
波長選択性鏡１０の第２の面１２は、第１の面１１を通過した光を選択的に透過／反射させるための面である。図１では、第２の面１２は、基準面の法線に対して４５°傾斜した面を交互に配置した三角波断面形状の光学的構造となっている。
【００３０】
上記形状の第２の面１２に対して、長波長域の光は、図３（ａ）に示すように、第１の面１１を回折せずに進んだ０次回折光のみが入射する。この０次回折光は、第２の面１２に対して４５°の入射角で入射されることになる。この時、波長選択性鏡１０が高屈折率材料で形成され、その臨界角が４５°以下に設定されていれば、全反射が生じる。すなわち、長波長の光を第２の面を通過させることなく、第１の面１１側に戻すことができる。これにより、波長選択性鏡１０は、長波長の光に対して１００％の反射率を得ることができる。
【００３１】
また、第２の面１２に対して、短波長域の光としては、図３（ｂ）に示すように、第１の面１１によって回折された±１次回折光が入射する。この±１次回折光は、第２の面１２を構成する傾斜面に対して臨界角よりも小さい角度で入射するため、第２の面１２を透過する光が生じる。
【００３２】
但し、短波長域の光に関しては、第２の面１２を透過する光の透過率を１００％とすることはできない。これは以下の理由による。
・第１の面１１を通過する短波長域の光には、±１次回折光のみでなく０次回折光も存在する。この０次回折光は、長波長域の光と同様に第２の面１２での全反射を受けるため、第２の面１２を透過しない。
・短波長域の光が第１の面１１に照射された場合、０次回折および、通過できる回折成分以外の成分も存在する（遮断域の高次回折成分など）。これらは第１の面で反射される。
・第２の面１２を構成する傾斜面に対して臨界角よりも小さい角度で入射する±１次回折光においても、一部の光は反射される。
【００３３】
また、短波長域の光における第２の面１２の透過率は波長によって異なり、所望の波長での透過率が大きくなるように波長選択性鏡１０を設計することは可能である。
【００３４】
例えば、上述したように第１の面１１における光学的構造の変調の振幅Ｈの寸法設定によって、可視域の希望する波長で０次回折光をなくし、±１次回折光のみとすることができる。このように０次回折光をなくした波長では、第２の面１２で全反射される０次回折光がなくなるため、透過率は増加する。
【００３５】
また、第１の面１１を通過する±１次回折光の角度はその波長に応じて異なり、第２の面１２を構成する傾斜面に対して、より垂直に近い角度で入射する波長の光ほど、透過率は増加する。
【００３６】
このため、図１に示す波長選択性鏡１０において、入射される光の波長と透過／反射率との関係は、図４に示すようなものとなる。すなわち、ある境界波長よりも波長が大きい長波長域では１００％の反射率を得ることができ、その境界波長よりも波長が小さい短波長域ではある波長をピークとする透過率が得られる。
【００３７】
このように図１に示す波長選択性鏡１０は、広い帯域で１００％の反射率を得ることができ、かつ、安価に提供できるといった利点を有する。
【００３８】
すなわち、ある境界波長よりも波長が大きい長波長域の光は、第１の面１１において０次回折光のみが透過され、この０次回折光は第２の面１２において全反射される。全反射は、波長選択性がなく１００％の反射率とすることができるので、上記長波長域の光に関しては１００％の反射率を得ることができる。
【００３９】
また、波長選択性鏡１０は、例えばガラスや樹脂等の材料を単一で用いて作成することができる。ガラス等の硬質材料を用いる場合には、第１の面１１および第２の面１２は、切削加工によって作成することができる。また、樹脂を用いる場合には、押し出し加工やプレス加工によって波長選択性鏡１０を作成することができる。ガラスでも、高温で溶融状態とすれば同様に押し出し加工やプレス加工によって作成できる。何れの方法も、従来の多層膜反射鏡の製造方法に比べて大幅に低コストであり、また、波長選択性鏡１０の大面積化や量産化を図ることも容易である。
【００４０】
図１に示す波長選択性鏡１０は、本発明の一実施形態を例示しているに過ぎず、本発明の波長選択性鏡は、種々の変形例が考えられる。以下に本発明の変形例の幾つかを説明する。
【００４１】
先ず、図１では、第１の面の形状を方形波形状としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、三角波、鋸歯、正弦波状等の他の周期的形状であっても良い。すなわち、第１の面の形状は、長波長域の光のｑ次（ｑ≠０）回折成分をカットして０次回折光のみとするカットオフ機能を有する回折格子として機能する形状であれば特に限定されるものではない。
【００４２】
例えば、図５に示すように、第１の面の形状を鋸歯形状とした場合を考える。図５に示す構成例では、スネルの法則に則って屈折する方向（θ＝ｓｉｎ−１｛（ｓｉｎθｉｎ）／ｎ｝）が特定波長の−１次回折の方向と一致する場合、この特定波長付近の光は殆ど−１次回折光に（逆向きの鋸歯の場合は１次回折光に）変換される。勿論、スネルの法則に則って屈折する方向を特定波長の±２次回折の方向と一致させて、±２次回折を利用するものでもよい。この例では、後述する図７の構成において、短波長側を全反射させることも可能となる。
【００４３】
なお、回折格子は一般に、幾何学構造、屈折率、反射率など光学的特性を空間的に周期的に変化させて構成している。上記例は幾何学的構造が周期を持つものであるが、本発明においては、屈折率の周期変化による回折格子も勿論含めている。
【００４４】
また、光学特性の分布が周期的でない場合もフーリエ変換の原理から異なる周期の周期関数の合成と見なせるので、本発明では１つの周期的構造をもつ回折格子に限定されるものではない。例えば、複数の周期関数の合成で表される回折格子を持つものや、周期に幅を持つような非周期的回折格子（特定の周期より短い幅での変化を持つ非周期的回折格子）も含めるものとする。第１の面において、１つの周期的構造をもつ回折格子ではなく、このような回折格子を用いた場合では、境界波長や透過、反射の中心波長が曖昧になるが、用途によってはその方がよいこともある。
【００４５】
また、波長選択性鏡における第１の面は、表面に凹凸を設けて回折格子機能をもたせる構成以外に、図６に示すように、別種光材料や遮光材料による格子パターン１３を形成してもよい。この構成は、例えば、波長選択性鏡の材質としてガラス等の硬質材料が用いられる場合に、第１の面における回折格子の形成を容易にできる利点がある。なお、遮光材料の場合は透過／反射に損失を伴う。
【００４６】
また、波長選択性鏡における第２の面は、図１に示すような三角波形状に限定されるものではなく、図７に示すような平坦面からなる第２の面１４であっても良い。図１に示される第２の面１２を有する波長選択鏡１０では、長波長域の光を全反射し、短波長域の光（の大部分）を透過する。これに対して、図８に示すように、平坦面からなる第２の面１４を有する波長選択鏡では、長波長域の光の大部分を透過し、短波長域の光のｑ次（ｑ≠０）回折光を全反射することができる。尚、第２の面を図７に示すような平坦面とし、第１の面を図５に示すような鋸歯形状とした場合には、短波長側を全反射させることも可能となる。
【００４７】
また、波長選択性鏡における第１の面および第２の面の凹凸は、図９（ａ）に示すような上記凹凸が１次元方向に形成されるストライプ形状であってもよいが、図９（ｂ）に示すような２次元方向に形成される形状であっても良い。図９（ｂ）に示すように、第１の面および第２の面の凹凸が２次元方向に形成される構造では、図９（ａ）に示すようなストライプ形状に比べて反射特性が低下する可能性はあるものの、反射光に対して再帰性反射（光が入ってきた方向に戻すように反射する）を行なうことができる。
【００４８】
また、上記説明における各波長選択性鏡は、高屈折材料からなる膜の両面に第１の面および第２の面を形成しており、基本的には単一材料にて製造できるものであるが、図１０に示すように、第１の面および／または第２の面の表面に平坦化膜１５および／または１６を形成しても良い。
【００４９】
平坦化膜１５，１６が形成される場合、波長選択性鏡における第１の面および第２の面の凹凸形状を欠けや変形などから保護できるといった効果がある。また、平坦化膜１５，１６は、第１の面または第２の面における上述した光学的機能を妨げることがないように、低屈折率材料にて形成される。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
ある特定波長を境界とする広帯域な反射／透過を制御を行なうことができ、波長選択性カットフィルタなどの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態を示すものであり、波長選択性鏡の概略構成を示す断面図である。
【図２】上記波長選択性鏡の第１の面における回折格子機能を示す図である。
【図３】上記波長選択性鏡の第２の面における透過／反射機能を示す図であり、（ａ）は長波長域の光に対する透過／反射機能、（ｂ）は短波長域の光に対する透過／反射機能を示す図である。
【図４】上記波長選択性鏡における波長と透過／反射率との関係を示すグラフの一例である。
【図５】上記波長選択性鏡の第１の面を鋸歯形状とした場合を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示すものであり、波長選択性鏡の概略構成を示す断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態を示すものであり、波長選択性鏡の概略構成を示す断面図である。
【図８】図７に示す波長選択性鏡の透過／反射機能を示す図である。
【図９】（ａ），（ｂ）は、上記波長選択性鏡の斜視図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態を示すものであり、波長選択性鏡の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 波長選択性鏡
１１ 第１の面
１２，１４ 第２の面
１３ 格子パターン
１５，１６ 平坦化膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子の機能を有し、外部から入射される光のうち、ある特定波長よりも大きい波長を有する長波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０，ｑ：整数）回折成分の光は遮断させ、０次回折成分（ｑ＝０：非回折に相当）の光のみを透過させ、上記特定波長よりも小さい波長を有する短波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０）回折成分の光も透過させる第１の面と、
上記第１の面の対向面であり、上記第１の面を透過した長波長域の０次回折成分の光と短波長域のｑ次（ｑ≠０）回折成分の光とのうちの一方を全反射し、他方を透過させる第２の面とを有していることを特徴とする波長選択性鏡。
【請求項２】
上記第１の面における回折格子は、該面に形成された凹凸形状によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長選択性鏡。
【請求項３】
上記第２の面は、傾斜面を交互に配置してなる三角波断面形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択性鏡。
【請求項４】
上記第２の面は、平坦面であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択性鏡。
【請求項５】
上記第１の面における回折格子が、複数周期の合成、あるいは特定の周期より短い幅での変化を持つ非周期的回折格子であることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の波長選択性鏡。
【請求項１】
回折格子の機能を有し、外部から入射される光のうち、ある特定波長よりも大きい波長を有する長波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０，ｑ：整数）回折成分の光は遮断させ、０次回折成分（ｑ＝０：非回折に相当）の光のみを透過させ、上記特定波長よりも小さい波長を有する短波長域の光に対してはｑ次（ｑ≠０）回折成分の光も透過させる第１の面と、
上記第１の面の対向面であり、上記第１の面を透過した長波長域の０次回折成分の光と短波長域のｑ次（ｑ≠０）回折成分の光とのうちの一方を全反射し、他方を透過させる第２の面とを有していることを特徴とする波長選択性鏡。
【請求項２】
上記第１の面における回折格子は、該面に形成された凹凸形状によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長選択性鏡。
【請求項３】
上記第２の面は、傾斜面を交互に配置してなる三角波断面形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択性鏡。
【請求項４】
上記第２の面は、平坦面であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択性鏡。
【請求項５】
上記第１の面における回折格子が、複数周期の合成、あるいは特定の周期より短い幅での変化を持つ非周期的回折格子であることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の波長選択性鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１３９９４９（Ｐ２０１０−１３９９４９Ａ）
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１８２６１（Ｐ２００８−３１８２６１）
【出願日】平成２０年１２月１５日（２００８．１２．１５）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１５日（２００８．１２．１５）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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