特表 2021-530752 ３Ｄ識別フィルタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2021-530752(P2021-530752A)

(43)【公表日】2021年11月11日

(54)【発明の名称】３Ｄ識別フィルタ

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/28 20060101AFI20211015BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20211015BHJP

【ＦＩ】

   G02B5/28

   C23C14/34 M

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2021-525342(P2021-525342)

(86)(22)【出願日】2018年9月12日

(85)【翻訳文提出日】2021年3月12日

(86)【国際出願番号】CN2018105142

(87)【国際公開番号】WO2020015103

(87)【国際公開日】20200123

(31)【優先権主張番号】201810790443.3

(32)【優先日】2018年7月18日

(33)【優先権主張国】CN

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT

(71)【出願人】

【識別番号】521023492

【氏名又は名称】福州高意光学有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＦＵＺＨＯＵ ＰＨＯＴＯＰ ＯＰＴＩＣＳ ＣＯ．，ＬＴＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】特許業務法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】リウ，ヂゥー

(72)【発明者】

【氏名】ユ，グアンロン

(72)【発明者】

【氏名】リ，ユ

(72)【発明者】

【氏名】ス，ヤン

(72)【発明者】

【氏名】ウー，リ

(72)【発明者】

【氏名】リン，チーチャン

【テーマコード（参考）】

2H148

4K029

【Ｆターム（参考）】

2H148GA14

2H148GA33

2H148GA61

4K029AA06

4K029AA07

4K029AA08

4K029AA09

4K029AA11

4K029BA35

4K029BA43

4K029BA46

4K029BA48

4K029BA50

4K029BA58

4K029BB02

4K029BC07

4K029CA06

4K029CA08

4K029DC16

4K029DC33

4K029DC37

4K029DC39

4K029EA01

4K029EA04

4K029JA02

(57)【要約】

８００ｎｍ〜１８００ｎｍの波長範囲と部分的に重なる通過帯域と、３８０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲を含むブロッキング帯域とを有し、基板（１０２）及び基板の両面にコーティングされたフィルタ膜層（１０３、１０４）を含む３Ｄ識別フィルタ（１０１）が提供される。一方の面のフィルタ膜層（１０３）は、積層された高屈折率層、中屈折率層、および低屈折率層から成り、他方の面のフィルタ膜層（１０４）は、積層された少なくとも２層の材料で構成されている。３Ｄ識別フィルタ（１０１）は、大きな光入射角で小さな波長シフトを実現しながら、高いブロッキングレベルと狭い遷移帯域を維持する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

８００ｎｍ〜１８００ｎｍの波長範囲と部分的に重なる通過帯域と、３８０ｎｍ〜７５０ｎｍの波長範囲を含むブロッキング帯域とを有し、基板及び前記基板の両面にコーティングされたフィルタ膜層を含む３Ｄ識別フィルタにおいて、
一方の面の前記フィルタ膜層は、積層された高屈折率層、中屈折率層、および低屈折率層から構成され、前記高屈折率層はＳｉ：Ｈであり、８００〜１８００ｎｍでの各高屈折率層の屈折率は３よりも大きく、８００〜１８００ｎｍでの各中屈折率層の屈折率は１．６よりも大きく且つ３未満であり、８００ｎｍ〜１８００ｎｍでの各低屈折率層の屈折率は１．６未満であり、すべての高屈折率層とすべての低屈折率層のトータル物理的厚さの比が１．５：１よりも大きく、
他方の面の前記フィルタ膜層は、少なくとも２層の材料が積層されて構成されており、層の数は１５以上であり、前記フィルタの通過帯域の中心波長は、入射光の角度が０度から３０度に変化するときに２０ｎｍ未満しかシフトせず、３８０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲での前記フィルタのブロッキング帯域のブロッキングレベルがＯＤ４より大きく、前記フィルタの通過帯域のエッジには遷移帯域があり、透過率９０％から透過率１０％までの前記遷移帯域の幅は５ｎｍ未満であることを特徴とする３Ｄ識別フィルタ。

【請求項2】

請求項１に記載の３Ｄ識別フィルタにおいて、前記基板の材質が、シリコン材料、またはシリカ、もしくはプラスチック、もしくはサファイアに基づくガラス材料であることを特徴とする３Ｄ識別フィルタ。

【請求項3】

請求項１に記載の３Ｄ識別フィルタにおいて、前記通過帯域は中心波長を有し、入射光の角度が０度から３０度に変化するとき、前記中心波長のシフトは１２ｎｍ未満であることを特徴とする３Ｄ識別フィルタ。

【請求項4】

請求項１に記載の3D識別フィルタにおいて、
前記中屈折率層は、Ｓｉ：Ｈ、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２、およびＳｉ_ｘＮ_ｙのうちの１つ、またはそれらのうちの少なくとも２つの混合物であり、前記中屈折率層が混合物である場合、前記中屈折率層の屈折率は、プロセスのプロポーショニングを通して、１．６〜３の範囲で連続的に調整できる特性を有し、
又は、前記中屈折率層がＳｉＯ_ｘ：Ｈであり、前記中屈折率層の屈折率は、元素成分の化学量論比のプロセス調整を通して、１．６〜３の範囲で連続的に調整できる特性を有し、
又は、前記中屈折率層はＳｉＮ_ｘ：Ｈであり、前記中屈折率層の屈折率は、元素成分の化学量論比のプロセス調整を通して、１．６〜３の範囲で連続的に調整できる特性を有することを特徴とする３Ｄ識別フィルタ。

【請求項5】

請求項１に記載の３Ｄ識別フィルタにおいて、前記低屈折率層がＳｉＯ_２であることを特徴とする３Ｄ識別フィルタ。

【請求項6】

請求項４に記載のフィルタを製造するための方法において、
前記方法は、スパッタリングシステムに水素を導入することによってＳｉ：Ｈ膜層を形成するための中周波マグネトロンスパッタリング又はイオンビームスパッタリングのモードであることを特徴とする方法。

【請求項7】

請求項６に記載の方法において、水素の流量を調整して、前記Ｓｉ：Ｈ膜層の光学特性を調整し得ることを特徴とする方法。

【請求項8】

請求項６に記載の方法において、水素および酸素の流量を同時に調節して、ＳｉＯ_ｘ：Ｈ膜層の元素成分の化学量論比を調整し、次いで、ＳｉＯ_ｘ：Ｈの屈折率を調整し得ることを特徴とする方法。

【請求項9】

請求項６に記載の方法において、窒素および水素の流量を同時に調節して、ＳｉＮ_ｘ：Ｈ膜層の元素成分の化学量論比を調整し、次いで、ＳｉＮ_ｘ：Ｈの屈折率を調整し得ることを特徴とする方法。

【請求項10】

請求項６に記載の方法において、材料の少なくとも２つの層を共蒸着させることができ、混合膜層の屈折率を、材料の比率を調整することによって調整することを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フィルタの分野、特に３Ｄ識別フィルタに関する。

【背景技術】

【0002】

３次元（３Ｄ）識別技術は、マシンビジョン、バーチャルリアリティ、ＩＤ認識、自動運転などの分野で広く使用されている。３Ｄ識別は、２次元イメージングと比較して、検出対象物の立体情報を取得できる。３Ｄ識別の基本原理は、特定の波長帯の赤外光を放射し、センサを使用して検出対象物から返される波長帯の光を受信し、信号処理により距離情報を取得することで、検出対象物の３次元モデルを確立する。典型的な３Ｄ識別モジュールは、送信側に赤外線光源、変調装置、およびレンズを含み、受信側に赤外線検出器、レンズ、赤外線フィルタなどを含む。

【0003】

３Ｄ識別の場合、受信側の赤外線フィルタは、従来の可視光カメラのフィルタとはかなり異なる。従来の可視光カメラのフィルタは、多くの場合赤外線カットオフタイプであるのに対し、３Ｄ識別フィルタは次のことを行う。（ａ）特定の波長帯の光（送信側の赤外線光源に対応）のみを通過させるものであり、ノイズをフィルタリングし、システムの信号対ノイズ比を改善するという目的を達成するために、他の波長帯の光、特に可視光を高度にブロックする必要がある。（ｂ）３Ｄ識別では、特定の角度内の立体情報を検出する必要があるため、フィルタは（２０〜４０度といった）十分な光の入射角に対応する必要がある。通過帯域の帯域幅とブロッキング帯域幅がノイズをフィルタリングするフィルタの能力を決定するため、３Ｄ識別フィルタは、光の入射角に対して可能な限り鈍感である通過帯域位置を有し、同時に、他の波長帯の光、特に可視光に対して高いブロッキングレベルを有することが望ましい。

【0004】

３Ｄ識別モジュールで使用されるフィルタは、主に干渉の原理に基づいている。真空コーティング技術により、（ガラスといった）透明な基板上に数十から数百の膜が蒸着される。一般に、少なくとも２つの膜材料があり、フィルタの最終性能に影響を与える主な要因は、材料の各層の屈折率と蒸着厚さとなっている。光干渉多層膜理論によれば、入射角０でのバンドパス膜系の中心波長がλ_０である場合、入射角θでの膜系の中心波長λ_θはλ_０と次の関係にある。

ここで、ｎは膜系の等価屈折率であり、膜系のキャビティ層の次数と材料の屈折率によって決まる。二次キャビティが使用されると仮定すると、膜系の等価屈折率は次のようになる（Ｈ．Ａｎｇｕｓ Ｍａｃｌｏｅｄ、薄膜光学フィルタ、第４版、第８章を参照）。

【0005】

膜系は、高屈折率と低屈折率の２層の材料で構成されており、ここで、ｎ_Ｈは高屈折率層の屈折率であり、ｎ_Ｌは低屈折率層の屈折率である。これらの２つの式に基づいて、低角度ドリフトを実現するために必要な材料の屈折率を簡単に見積もることができる。例えば、入射角０度で中心波長８５０ｎｍのフィルタが、入射角３０度で中心波長８３０ｎｍ以上であることが望まれる場合、膜系の等価屈折率ｎは、２．３以上である必要がある。低屈折率層が屈折率１．４８のＳｉＯ_２であると仮定すると、高屈折率層の屈折率が３．１以上である限り、低角度ドリフトを実現できる。屈折率が３を超える材料を調製するための従来の方法の１つは、Ｓｉ：Ｈ材料を使用することである。２００４年に、Ｈｉｄｅｎｈｉｋｏ Ｙｏｄａらは、「ａ−Ｓｉ：Ｈ／ＳｉＯ_２ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｆｉｌｍｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｔｅｒｓ」（米国光学学会、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、２００４年、第４３巻、第１７号）と題する方法を開示し、この方法では、８００〜１８００ｎｍの波長帯範囲で３．５を超える屈折率のＳｉ：Ｈを調製でき、８００〜１８００ｎｍの波長帯範囲でＳｉ：Ｈ材料は透明である。

【0006】

しかしながら、上記のような高屈折率と低屈折率のマルチキャビティバンドパス膜系の方法に基づく既存の３Ｄフィルタにはまだいくつかの問題がある。すなわち、（ａ）Ｓｉ：Ｈ材料は６００ｎｍ未満の波長の光を強く吸収するが、６００〜８００ｎｍの波長範囲の光を完全には吸収しないため、この範囲でフィルタのブロッキングレベルを高くすることは困難である。また、（ｂ）角度ドリフトをさらに低減するには、キャビティ層の次数を増やす必要があり、通過帯域の帯域幅を維持するために、キャビティ層の次数を増やすと、必然的に様々な光共振器間の不一致が増加し、その結果、フィルタのジッタが劣化し、遷移帯域が広がる。（ｃ）上記（ｂ）の影響により、フィルタのジッタを維持するために、キャビティの数を大幅に増やす必要があり、その結果、フィルタの膜層の数が大幅に増加し、準備の難しさが増す。

【発明の概要】

【0007】

本発明の目的は、既存の３Ｄ識別フィルタに対する技術的改良である３Ｄ識別フィルタを提供することである。それは、大きな光入射角で小さな波長シフトを実現しながら、高いブロッキングレベルと狭い遷移帯域を維持する。

【0008】

上記の目的を達成するために、本発明は以下の技術的解決策を採用する。

【0009】

３Ｄ識別フィルタが、８００ｎｍ〜１８００ｎｍの波長範囲と部分的に重なる通過帯域と、３８０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲を含むブロッキング帯域とを有し、基板及び前記基板の両面にコーティングされたフィルタ膜層を含む。

【0010】

一方の面の前記フィルタ膜層は、積層された高屈折率層、中屈折率層、および低屈折率層から構成され、前記高屈折率層はＳｉ：Ｈであり、８００〜１８００ｎｍでの各高屈折率層の屈折率は３よりも大きく、８００〜１８００ｎｍでの各中屈折率層の屈折率は１．６よりも大きく且つ３未満であり、８００ｎｍ〜１８００ｎｍでの各低屈折率層の屈折率は１．６未満であり、すべての高屈折率層とすべての低屈折率層のトータル物理的厚さの比が１．５：１よりも大きい。

【0011】

他方の面の前記フィルタ膜層は、少なくとも２層の材料が積層されて構成されており、層の数は１５以上である。

【0012】

フィルタの通過帯域の中心波長は、入射光の角度が０度から３０度に変化するときに２０ｎｍ未満しかシフトせず、３８０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲での前記フィルタのブロッキング帯域のブロッキングレベルがＯＤ４より大きく、前記フィルタの通過帯域のエッジには遷移帯域があり、透過率９０％から透過率１０％までの前記遷移帯域の幅は５ｎｍ未満である。

【0013】

基板の材質が、シリコン材料、またはシリカ、もしくはプラスチック、もしくはサファイアに基づくガラス材料である。通過帯域は中心波長を有し、入射光の角度が０度から３０度に変化するとき、前記中心波長のシフトは１２ｎｍ未満である。

【0014】

中屈折率層は、Ｓｉ：Ｈ、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２、およびＳｉ_ｘＮ_ｙのうちの１つ、またはそれらのうちの少なくとも２つの混合物であり、前記中屈折率層が混合物である場合、前記中屈折率層の屈折率は、プロセスのプロポーショニングを通して、１．６〜３の範囲で連続的に調整できる特性を有し、
又は、前記中屈折率層がＳｉＯ_ｘ：Ｈであり、前記中屈折率層の屈折率は、元素成分の化学量論比のプロセス調整を通して、１．６〜３の範囲で連続的に調整できる特性を有し、
又は、前記中屈折率層はＳｉＮ_ｘ：Ｈであり、前記中屈折率層の屈折率は、元素成分の化学量論比のプロセス調整を通して、１．６〜３の範囲で連続的に調整できる特性を有する。

【0015】

低屈折率層がＳｉＯ_２である

【0016】

本発明は、上記の技術的解決策を採用して、大きな光入射角で小さな波長シフトを達成しつつ、高いブロッキングレベルおよび狭い遷移帯域を維持する。

【0017】

本発明はさらに、３Ｄ識別フィルタを実施するための製造方法を開示する。この方法は、中周波マグネトロンスパッタリング又はイオンビームスパッタリングのモードを採用して、スパッタリング機器のチャンバに水素を導入することによって、Ｓｉ：Ｈ膜層を形成する。本発明は、技術的解決策を実現するために必要な蒸着膜層の光学特性を調整するための様々な方法を開示する。すなわち、水素の流量を調整して、Ｓｉ：Ｈ膜層の光学特性を調整することができる。水素と酸素の流量を同時に調整して、ＳｉＯ_ｘ：Ｈ膜層の元素成分の化学量論比を調整し、次いで、ＳｉＯ_ｘ：Ｈの屈折率を調整し得る。窒素と水素の流量を同時に調整して、ＳｉＮ_ｘ：Ｈ膜層の元素成分の化学量論比を調整し、次いで、ＳｉＮ_ｘ：Ｈの屈折率を調整し得る。少なくとも２つの材料を共蒸着することができ、混合膜層の屈折率は、材料の比率を調整することによって調整される。

【図面の簡単な説明】

【0018】

本発明は、図面および特定の実施例と併せて、以下でさらに詳細に説明される。

【図1】図１は、本発明の概略図である。

【図2】図２は、０度および３０度の入射角での例示的な従来の３Ｄ識別フィルタの透過スペクトルの図であり、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は透過率（％）である。

【図3】図３は、０度での例示的な従来の３Ｄ識別フィルタの光学密度の図であり、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は光学密度（無次元）である。

【図4】図４は、０度および３０度の入射角での本発明の実施形態による３Ｄ識別フィルタの透過スペクトルの図であり、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は透過率（％）である。

【図5】図５は、本発明の実施形態による０度での３Ｄ識別フィルタの光学密度の図であり、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は光学密度（無次元）である。

【図6a】図６ａは、イオンビームスパッタリングシステムの概略図である。

【図6b】図６ｂは、図６ａの中周波マグネトロンスパッタリングシステムのターゲットにおける電圧の概略的なタイミング図であり、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。

【図7】図７は、水素の流量と屈折率ｎと、蒸着したＳｉ：Ｈ膜層の吸光係数ｋとの関係の概略図である。

【図8】図８は、水素と酸素の流量比と蒸着したＳｉＯ_ｘ：Ｈ膜層の屈折率との関係の概略図である。

【図9】図９は、水素と窒素の流量比と蒸着したＳｉＮ_ｘ：Ｈ膜層の屈折率との関係の概略図である。

【図10】図１０は、２つの材料の同時スパッタリングをサポートして、蒸着された膜層の屈折率を連続的に制御可能にする装置である。

【図11】図１１は、２つの材料の同時スパッタリングをサポートして、蒸着された膜層の屈折率を連続的に制御可能にする別の装置である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１に示すように、本発明の３Ｄ識別フィルタ１０１は、基板１０２と、基板１０２の一方の表面に蒸着されたフィルタ膜層１０３と、基板１０２の他方の表面に蒸着されたフィルタ膜層１０４とを含む。基板１０２は、フィルタの作動波長帯の光を透過し、フィルタを支持する役割を果たす。一般に、フィルタの通過帯域が８００〜１０００ｎｍの範囲にある場合、基板材料は、好ましくは、ＢＫ７、Ｄ２６３Ｔ、およびＢ２７０などの、良好な光透過率を有する光学ガラスである。フィルタの通過帯域が１５５０ｎｍの波長帯域に近い場合、基板１０２をシリコン基板として選択することができる。特に、特定の波長帯に吸収効果を有する着色ガラスを使用して、ブロッキングレベルをさらに高めることもでき、ガラスを焼き戻しすることにより、基板の機械的強度をさらに向上させることができる。

【0020】

基板の片面にコーティングされたフィルタ膜層１０３（以下、単に「バンドパス膜面」という）は、高屈折率層、中屈折率層、低屈折率層を積層して構成されている。高屈折率層はＳｉ：Ｈであり、その８００〜１８００ｎｍでの屈折率は３より大きくなり、８００〜１８００ｎｍでの各中屈折率層の屈折率は１．６より大きく、３未満であり、８００ｎｍから１８００ｎｍでの各低屈折率層の屈折率は、１．６未満である。すべての高屈折率層とすべての低屈折率層の物理的な厚さの比率は１．５：１よりも大きい。一例として図１を見ると、層１０３−１は、高屈折率層Ｓｉ：Ｈであり、層１０３−２は、Ｍ１として示される中低屈折率層であり、層１０３−３は、ＳｉＯ_２などの低屈折率層であり、層１０３−４は、Ｍ２として示される別の中屈折率層である。材料の各層は交互に積層され、膜層の総数はｎ１である。基板のもう一方の表面（以下、単に「ブロッキング膜面」という）にコーティングされたフィルタ膜層１０４は、積層される材料の少なくとも２つの層から構成される。材料の各層は交互に積層され、膜層の総数はｎ２であり、ｎ２＞１５である。図１の膜層の数と材料の積層の順序は、説明のみを目的としている。膜の実際の層数と実際の使用における積層順序は、フィルタの適用要件に従って設計し得る。

【0021】

図２および図３は、０から３０度の入射角にわたって８４８ｎｍから８６１ｎｍまでの光を透過するように設計された従来技術の３Ｄ識別フィルタのスペクトル性能を示している。バンドパス膜面は、高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されて構成されている。高屈折率層はＳｉ：Ｈを使用しており、８６０ｎｍ付近の屈折率は３．６２であり、低屈折率層はＳｉＯ_２を使用しており、８６０ｎｍ付近の屈折率は１．４８である。フィルタ膜面の膜層の総数は４１であり、物理的な総厚は４．４μｍである。基板のもう一方の表面には、反射防止（ＡＲ）膜がコーティングされており、８６０ｎｍ付近の通過帯域の透過率が向上する。ＡＲ膜は、Ｔａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の材料を交互に積層したもので構成され、層数は５である。ＡＲ膜は裏面の反射を低減するだけであるため、遷移帯域のジッタとフィルタのブロッキング帯域の深さは、バンドパス膜面によって決まる。

【0022】

図２は、０度および３０度の入射角での例示的な３Ｄ識別フィルタの透過スペクトルの図であり、縦軸は透過率である。上記のように、光学膜理論に基づき、キャビティ層が３より大きい屈折率を有する材料でできており、等価屈折率が明らかな関係を満たすことができる場合、低い角度シフトを達成することができる。この設計では、キャビティ層の初期次数は２であり、キャビティ層の数は７であり、３０度の入射角での通過帯域中心波長（９０％の透過率での２つの波長点の中心位置として定義）のシフトは１０ｎｍ未満である。

【0023】

このフィルタのシフトは既存の３Ｄ識別フィルタ技術の最高レベルに近づいていることに言及する価値がある。しかしながら、角度シフトを低減するために、高次キャビティを使用して光キャビティ間の不一致を増やし、適用に必要な帯域幅を取得し、これにより、通過帯域とブロッキング帯域の間の遷移帯域のジッタが犠牲になり、４１層の７キャビティ膜系よって達成される９０％透過率から１０％透過率までの波長点での遷移帯域の幅は、短波長帯方向で６．８ｎｍ、長波長帯方向で６．９ｎｍである。ジッタを増加させ続けるには、キャビティの数、すなわち膜系の層の数を増やす必要があり、対応する準備の難易度も大幅に増加する。

【0024】

図５は、０度での例示的な従来の３Ｄ識別フィルタの光学密度の図である。光学密度ＯＤと透過率Ｔ（単位：％）の変換関係は、ＯＤ＝−ｌｏｇ_１０（Ｔ／１００）であり、光学密度はフィルタのブロッキングレベルを視覚的に示す。Ｓｉ：Ｈによる短波長帯光の吸収の恩恵を受けて、フィルタは６００ｎｍ未満の高いブロッキングレベルに達することができる。しかしながら、７００ｎｍから７３０ｎｍの範囲の近くでは、Ｓｉ：Ｈによる吸収が不完全であるため、フィルタのＯＤ４ブロッキング範囲は可視光波長帯全体をカバーできない。

【0025】

図４および図５は、本発明の実施形態による３Ｄ識別フィルタのスペクトル性能を示している。同様に、３Ｄ識別フィルタもまた、０から３０度の入射角で８４８ｎｍから８６１ｎｍの光を透過するように設計されており、これは、図２及び図３の３Ｄフィルタと同等である。この実施形態のバンドパス膜面上のフィルタ膜層は、高屈折率層、中屈折率層、および低屈折率層が積層されて構成され、高屈折率層はＳｉ：Ｈであり、８６０ｎｍ付近の屈折率は３．６２であり、低屈折率層はＳｉＯ_２を使用し、８６０ｎｍ付近の屈折率は１．４８であり、２つの中屈折率層が使用され、第１の中屈折率層Ｍ１は、８６０ｎｍ付近で１．９１の屈折率を有し、第２の中屈折率層Ｍ２は、８６０ｎｍ付近で２．７１の屈折率を有する。バンドパス膜面の膜層数は１９層で、総厚は４．１μｍである。この実施形態のブロッキング膜面上の膜層は、Ｓｉ：ＨおよびＳｉＯ_２の２層の材料で構成され、層の数は３１である。本実施形態のフィルタの遷移帯域のジッタは、バンドパス膜面の膜系によって決定され、ブロッキング帯域の深さは、バンドパス膜面とブロッキング膜面の双方の膜系によって決定される。

【0026】

図４は、０度および３０度の入射角での本実施形態の３Ｄ識別フィルタの透過スペクトルの図であり、縦軸は透過率（％）である。この実施形態における通過帯域中心波長（９０％透過率での２つの波長点の中心位置として定義される）のシフトは、３０度の入射角で１０ｎｍ未満であり、これは、図２および図３の３Ｄフィルタと同等である。違いは、この実施形態のバンドパス膜面の層の数は半分以上減少するが、フィルタの遷移帯域ジッタは減少せず、改善されることである。すなわち、透過率９０％から透過率１０％までの波長点での遷移帯域の幅は、短波長帯域方向で４．３ｎｍ、長波長帯域方向で４．９ｎｍである。

【0027】

図５は、０度での本実施形態の３Ｄ識別フィルタの光学密度の図である。６００〜８００ｎｍの波長帯域のバンドパス膜面のブロッキングが不十分であるという問題を解決するために、フィルタのブロッキング膜面に多層ブロッキング膜をコーティングして、この波長帯域のバンドパス膜面のブロッキングを増加させる。ブロッキング膜が追加された後、フィルタのＯＤ４ブロッキング範囲は可視光波長帯域全体をカバーできる。

【0028】

表１は、図２の例示的な３Ｄ識別フィルタを本発明に係る図３の３Ｄ識別フィルタと比較するリストである。本発明の実施形態による例示的な３Ｄ識別フィルタおよび３Ｄ識別フィルタは、同じ通過帯域範囲および角度ドリフトを有するが、本発明の実施形態のものは、顕著な利点を有することが分かる。すなわち、（ａ）この実施形態では、バンドパス膜面上の膜層の数が半分以上大幅に減少している。（ｂ）遷移帯域のジッタが高い。（ｃ）本発明のＯＤ４ブロッキング帯域は、可視光波長帯全体をカバーすることができる。

【0029】

製造の過程で、バンドパス膜面の準備は、ブロッキング膜面の準備よりもはるかに困難となっている。簡略化されたバンドパス膜面の膜層の数は、膜系の準備の難しさを軽減し、生産効率と歩留まりを向上させる。より高いジッタは、高透過率から高ブロッキングへのフィルタの遷移帯域が狭く、遷移帯域付近のノイズ光の抑制が優れていることを意味する。より深い可視光遮断は、可視光を抑制するのに役立つ。表２および表３はそれぞれ、この実施形態の２つの面上のフィルタ膜層の詳細な設計を示しており、層番号（基板から空気まで）、層の材料、層の屈折率、および物理的厚さを含んでいる。

【0030】

本発明のフィルタのフィルタ膜層の高屈折率層Ｓｉ：Ｈおよび中屈折率層は、真空スパッタリング蒸着によって実現される。図６ａは、中周波マグネトロンスパッタリングシステムである、本発明の３Ｄ識別フィルタを調製するために使用することができる真空スパッタリングシステムを概略的に示している。６０１は、スパッタリングシステムのチャンバである。６０２は、真空ポンプシステムであり、具体的には、機械式ポンプ、拡散ポンプ、凝縮ポンプ、および分子ポンプ、好ましくは機械式ポンプと分子ポンプの組み合わせのうちの１つまたは複数であり得る。６０３は、ｋＷレベルの出力電力および５から１００ｋＨｚの周波数、好ましくは８から１０ｋＷの出力電力および４０ｋＨｚの動作周波数を有する、スパッタリングターゲットへの２つの出力を含む中周波電源である。スパッタリングユニットは、一対の磁石６０４−１、６０４−２と一対のターゲット６０５−１、６０５−２で構成され、６０４の磁石は、電子の軌道を制限するために６０５のターゲットの裏側に配置されている。Ｓｉ：Ｈ材料をスパッタリングすると、ターゲット６０５−１、６０５−２は同じサイズのシリコンターゲットになる。スパッタリング中、基板６０６はターゲットの反対側に配置される。図６ａは、基板がターゲットの下に配置されている構造であるが、実際の選択では、ターゲットが基板の下に配置されている場合もある。デバイスで使用できるプロセスガスは、アルゴン６０７、水素６０８、酸素６０９、および窒素６１０である。これらのプロセスガスは、パイプラインを介してスパッタリングユニットの近くのチャンバに導入される。パイプラインには、ガスの流れを調整および監視するための流量計が装備されている。アルゴン６０７は作動ガスであり、水素６０８、酸素６０９、および窒素６１０は反応ガスである。真空ポンプシステム６０２は、望ましくないガスをポンプで排出し、スパッタリング全体が高真空で実行される。好ましい場合として、スパッタリングシステムは、補助イオン源６１１を備えてもよく、アルゴン、水素、酸素、および窒素は、イオン活性化を増加させ、膜形成品質を改善するために、補助イオン源６１１を通してチャンバに部分的または完全に導入され得る。好ましい場合として、均一性補正プレート６１２が、ターゲット６０５と基板６０６との間に配置でき、基板６０６の異なる位置での蒸着材料の均一性分布は、補正プレート上のシールドの形状を設計することによって補正され得る。

【0031】

図６ｂは、例示的な中周波マグネトロンスパッタリングシステムのターゲットでの電圧の概略タイミング図であり、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。スパッタリングの過程で、２つのターゲット６０５−１、６０５−２が周期的に交互にスパッタリングされるが、これは、従来のＤＣスパッタリングと比較して、アーク現象を抑制し、蒸着速度を上げるのに有利である。

【0032】

図７は、イオンビームスパッタリングシステムである、本発明の３Ｄ識別フィルタを調製するために使用することができる真空スパッタリングシステムを概略的に示している。７０１は、スパッタリングシステムのチャンバである。７０２は、真空ポンプシステムであり、具体的には、機械式ポンプ、拡散ポンプ、凝縮ポンプ、および分子ポンプ、好ましくは機械式ポンプと凝縮ポンプの組み合わせのうちの１つまたは複数であり得る。７０３は、イオンビーム源であり、具体的には、カウフマン型イオン源、マイクロ波型イオン源、または無線周波数型イオン源、好ましくは無線周波数型イオン源であり得る。イオンビーム源７０３は、ガス放電を使用してプラズマを生成し、プラズマは、電場によって加速されて、イオンビームを形成する。イオンビームは、中和剤７０４を通過した直後にターゲット７０５に衝突する。Ｓｉ：Ｈ材料が蒸着されるとき、ターゲット７０５はシリコンターゲットである。スパッタリング材料は、基板７０６上に蒸着される。デバイスで使用され得るプロセスガスは、アルゴン７０７、水素７０８、酸素７０９、および窒素７１０である。これらのプロセスガスは、パイプラインを介してチャンバに導入され、完全にまたは部分的に導入される。パイプラインは、ガス流を調整および監視するための流量計を備えている。アルゴン７０７は作動ガスであり、水素７０８、酸素７０９、および窒素７１０は反応ガスである。真空ポンプシステム７０２は、望ましくないガスをポンプで排出し、スパッタリングプロセスは、高真空で実行される。同様に、好ましい場合として、スパッタリングシステムは、補助イオン源および均一性補正プレートを備えていてもよいが、これらは概略図には示されていない。

【0033】

高屈折率層および低屈折率層に加えて、本発明の３Ｄ識別フィルタは、少なくとも１つの中屈折率層を革新的に使用する。８００〜１８００ｎｍの範囲の中屈折率層の屈折率は、１．６より大きく３未満であり、調製中に連続的に調整可能な屈折率の特性を有し得る。屈折率が連続的に調整可能な少なくとも１つの中屈折率層を使用して、バンドパス膜系のキャビティ層間の良好な位相整合を達成することができ、これにより、フィルタの高いジッタを維持しながら、バンドパス膜系の層数を大幅に減らすことができる。屈折率が１．６から３の範囲で連続的に調整可能な材料を調製する方法を以下に詳細に説明する。

【0034】

方法１：水素の流量を調整してＳｉ：Ｈの光学特性を調整する。
図８は、水素の流量と屈折率ｎと、蒸着したＳｉ：Ｈ膜層の吸光係数ｋとの関係の概略図である。Ｈ_２流量を増やすと、Ｓｉ：Ｈ材料の屈折率ｎと吸光係数ｋを減らすことができるが、Ｈ_２流量を減らすと、Ｓｉ：Ｈ材料の屈折率ｎと吸光係数ｋを増やすことができる。Ｈ_２を調整する方法は簡単であるが、注意すべき２つの問題がある。すなわち、（ａ）Ｈ_２流量を調整するだけでは、材料の屈折率が１．６〜３の範囲で調整可能であり、屈折率調整範囲の経験的限界が２．７〜３であることを理解するのは困難である。（ｂ）材料の屈折率と吸光係数の間には敏感な関係があり、吸光係数は材料による光の吸収を特徴づけ、過剰な吸光係数はフィルタの通過帯域透過率の大幅な低下につながる可能性がある。

【0035】

Ｈ_２流量の選択は、スパッタリングシステムの真空ポンプ速度、ターゲットのスパッタリング出力、および作動ガスの流量に影響される。ターゲットのスパッタリング出力（スパッタリング収率）や作動ガス（Ａｒフロー）などのパラメータを調整して材料の屈折率を調整する基本原理は、Ｈ_２流量を調整する場合、すなわち、Ｓｉ：Ｈ材料中のＨの組成比を調整する場合と同じである。したがって、これらの方法は同じタイプと見なすべきである。

【0036】

方法２：水素と酸素の流量比を調整して、蒸着したＳｉＯ_ｘ：Ｈ膜層の屈折率を調整する。
図９は、水素と酸素の流量比と蒸着したＳｉＯ_ｘ：Ｈ膜層の屈折率との関係の概略図である。水素と酸素の流量比が０の場合、つまり酸素のみが導入される場合、蒸着材料はＳｉＯ_２であり、屈折率は１．６未満である。そして、水素のみが導入される場合、蒸着材料は、３より大きい屈折率を有するＳｉ：Ｈである。水素と酸素の比を調整することにより、ＳｉＯ_ｘ：Ｈ膜層の元素成分の化学量論比（すなわち、ｘの値）を調整して、所望の屈折率を有するＳｉＯ_ｘ：Ｈ膜層を得ることができる。ＳｉＯ_ｘ：Ｈの吸光係数は、水素と酸素の流量比の影響を受けない。

【0037】

方法３：水素と窒素の流量比を調整して、蒸着したＳｉＮ_ｘ：Ｈ膜層の屈折率を調整する。
図１０は、水素と窒素の流量比と蒸着したＳｉＮ_ｘ：Ｈ膜層の屈折率との関係の概略図である。同様に、水素と窒素の流量比が０の場合、つまり窒素のみが導入される場合、蒸着材料は窒化ケイ素であり、屈折率は約２．０である。そして、水素のみが導入される場合、蒸着材料は、３より大きい屈折率を有するＳｉ：Ｈである。水素と窒素の比率を調整することにより、ＳｉＮ_ｘ：Ｈ膜層の元素成分の化学量論比（すなわち、ｘの値）を調整して、所望の屈折率を有するＳｉＮ_ｘ：Ｈ膜層を得ることができる。ＳｉＮ_ｘ：Ｈの吸光係数は、水素と窒素の流量比の影響を受けない。

【0038】

方法４：少なくとも２つの材料のスパッタ混合物を使用し、混合する材料の比率を調整することにより、連続的に制御可能な屈折率を持つ混合材料を取得する。
一つの方法は、異なる屈折率の材料を順番にスパッタリングすることであり、異なる屈折率層の厚さは、“Ｑｕａｓｉ−ｒｕｇａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ”と同様の効果を達成するために特定の理論的関係を満たす。別の典型的な方法は、さまざまな材料と同時スパッタリングすることである。図１１は、２つの材料の同時スパッタリングをサポートして、蒸着された膜層の屈折率を連続的に制御可能にする装置であり、これは、上記のように中周波マグネトロンスパッタリングシステムに追加することができる。図１１は、スパッタリングシステムの上面図であり、１１０１は、スパッタリングシステムのチャンバである。チャンバ１１０１の内部には、高速で回転することができるターンテーブル１１０２が存在する。複数の円形基板１１０３がターンテーブル１１０２上に均等に配置され、ターンテーブル１１０２と共に高速で回転する。２つのスパッタリングユニット１１０４および１１０５がチャンバの上に固定され、ターンテーブル１１０２と共に回転しない。スパッタリングユニットでスパッタリングされる材料とターンテーブルの回転速度は、必要に応じて選択できる。例えば、スパッタリングユニット１１０４はＮｂ_２Ｏ_５をスパッタリングし、スパッタリングユニット１１０５はＳｉＯ_２をスパッタリングし、ターンテーブルの回転速度は１２０ｒｐｍである。システムが共スパッタリング状態にあるとき、２つのスパッタリングユニット１１０４および１１０５は同時に動作し、対応する材料をスパッタリングする。基板１１０３がスパッタリングユニット１１０４に近づくと、少量のＮｂ_２Ｏ_５材料が基板上に蒸着し、基板１１０３がスパッタリングユニット１１０５に近づくと、少量のＳｉＯ_２材料が基板上に蒸着するなど、基板上に比較的均一なＮｂ_２Ｏ_５−ＳｉＯ_２混合膜層が形成されるように、この比は、２つのスパッタリングユニットの対応する材料のそれぞれの蒸着速度の比である。２つのスパッタリングユニットの蒸着速度をプロセス調整することにより、混合膜の組成比を調整して、混合膜層の屈折率を制御することができる。

【0039】

図１２は、２つの材料の同時スパッタリングをサポートして、蒸着された膜層の屈折率を連続的に制御可能にする別の装置であり、これは、上記のようにイオンビームスパッタリングシステムに追加することができる。１２０１はイオンビーム源であり、これは図６の７０３に相当する。ターゲットは、１２０２と１２０３の２つのパーツで構成されており、これらは互いに接合されている。この２つのパーツは２つの異なる材料である。領域１２０４は、イオンビームがターゲットに衝突する領域である。イオンビームはターゲットの２つの材料に同時に衝突するため、スパッタリングによって蒸着される材料は、ターゲットに対応する２つの材料の混合物である。例えば、ターゲットのパーツ１２０２は、Ｓｉ材料であり、ターゲットのパーツ１２０３は、Ｓｉ：ＨおよびＳｉＯ_２材料の混合物が同時スパッタリングによって得られるように、ＳｉＯ_２材料である。ターゲットの固定装置は変位調整機能を有し、イオンビーム衝撃領域１２０４における異なる材料の組成比は、ターゲットを一方向に並進させることによって変更することができ、その結果、蒸着された材料の屈折率は連続的に制御可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【国際調査報告】