(57)【要約】【課題】集光効果を確保しつつ、透過効率の向上を図る上で有利な多層膜光学フィルタを提供する。【解決手段】多層膜光学フィルタ１０は、屈折率が異なる第１誘電体層１２と第２誘電体層１４とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成されている。全ての第１誘電体層１２と第２誘電体層１４は、積層される方向で隣り合う第１誘電体１２および第２誘電体１４のそれぞれの光学膜厚が、選択的に透過させる光の波長λの１／４となるように形成されている。第１、第２誘電体層１２、１４が積層される方向である多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、第１、第２誘電体層１２、１４のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部２０として形成されている。【選択図】図３
2011022432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が異なる第１誘電体層と第２誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第１誘電体および前記第２誘電体のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の１／４となるように形成され、
前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成されている、
多層膜光学フィルタ。
【請求項２】
前記球面状部において、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層が沿う前記球面は、同一の曲率である、
請求項１記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項３】
前記球面状部において、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層が沿う前記球面の中心は同一である、
請求項１記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項４】
前記多層膜の厚さ方向の中間部に、前記第１誘電体層あるいは前記第２誘電体層に置き換えて、誘電体からなるスペーサ層が設けられている、
請求項１記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項５】
前記球面状部を除いた前記多層膜の残りの部分は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが平行して積層される平面状部として形成されている、
請求項１記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項６】
前記球面状部を除いた前記多層膜の残りの部分は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが平行して積層される平面状部として形成され、
前記球面状部と平面上部との間に誘電体からなるスペーサ層が設けられている、
請求項１記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項７】
前記球面状部は該球面状部を透過する光を収束するパワーを有するレンズとして機能する、
請求項１記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項８】
前記球面状部は該球面状部を透過する光を発散するパワーを有するレンズとして機能する、
請求項１記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項９】
前記多層膜は、前記第１誘電体層と第２誘電体層とが積層される方向に対して交差する方向に並べられて複数設けられ、
前記複数の多層膜の厚さ方向の中間部に、前記第１誘電体層あるいは前記第２誘電体層に置き換えて、誘電体からなるスペーサ層が設けられ、
前記スペーサ層は、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる光学膜厚で形成されている、
請求項１記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項１０】
前記各多層膜を構成する前記第１誘電体層の数と前記第２誘電体層の数は同一であり、
隣り合う多層膜の間にギャップが設けられ、
前記各多層膜に設けられる前記スペーサ層の厚さは互いに異なっており、
隣り合う多層膜の前記第１誘電体層どうし、および、前記第２誘電体層どうしは、前記ギャップ内において直線状に接続され、あるいは、曲線状に接続されている、
請求項９記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項１１】
前記各多層膜に設けられる前記スペーサ層の厚さは互いに異なっており、
前記各多層膜は、前記球面の突出方向の先端に位置する前記第１誘電体層あるいは第２誘電体層の表面に設けられ互いに高さの異なる高さ調整層を備え、
前記各多層膜の前記高さ調整層の表面は同一の高さに設けられている、
請求項９記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項１２】
前記各多層膜に設けられる前記スペーサ層の厚さは互いに異なっており、
前記球面の突出方向における高さが最も大きい前記多層膜を除いた残りの多層膜に、前記球面の突出方向の先端に位置する前記第１誘電体層あるいは第２誘電体層の表面に設けられ互いに高さの異なる高さ調整層が設けられ、
前記球面の突出方向における高さが最も大きい前記多層膜の表面と、前記多層膜の前記高さ調整層の表面は同一の高さに設けられている、
請求項９記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項１３】
前記多層膜の厚さ方向の中間部に、前記第１誘電体層あるいは前記第２誘電体層に置き換えて、誘電体からなるスペーサ層が設けられ、
前記スペーサ層は、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率を有している、
請求項１記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項１４】
前記多層膜は、前記第１誘電体層と第２誘電体層とが積層される方向に対して交差する方向に並べられて複数設けられ、
前記各多層膜の厚さ方向の中間部に、前記第１誘電体層あるいは前記第２誘電体層に置き換えて、誘電体からなるスペーサ層が設けられ、
前記スペーサ層は、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率を有し、
隣接する前記多層膜において、前記各スペーサ層は、それらスペーサ層の物理的な膜厚が同一となるように形成されている、
請求項１３記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項１５】
前記スペーサ層は、互いに異なる屈折率を有し、かつ、透過する電磁波波長よりも小さい寸法で２種類の媒質を、１次元にあるいは２次元に配置したサブ波長構造体で構成されている、
請求項４記載の多層膜光学フィルタ。
【請求項１６】
多層膜光学フィルタと、
前記多層膜光学フィルタを透過した光を光電変換する光電変換部とを備え、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第１誘電体層と第２誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第１誘電体および前記第２誘電体のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の１／４となるように形成され、
前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成されている、
固体撮像素子。
【請求項１７】
固体撮像素子を有する撮像部と、前記撮像部を制御する制御部と、前記撮像部を操作する操作部とを有し、
前記固体撮像素子は、
多層膜光学フィルタと、
前記多層膜光学フィルタを透過した光を光電変換する光電変換部とを備え、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第１誘電体層と第２誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第１誘電体および前記第２誘電体のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の１／４となるように形成され、
前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成されている、
撮像装置。
【請求項１８】
画素毎に輝度が変調された輝度画像を生成する輝度画像生成手段と、
前記輝度画像を形成する光を画素毎に予め設定された波長毎に選択的に透過させるフィルタアレイとを備え、
前記フィルタアレイは、多層膜光学フィルタによって構成され、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第１誘電体層と第２誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第１誘電体および前記第２誘電体のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の１／４となるように形成され、
前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成されている、
表示装置。
【請求項１９】
光信号を送信する光信号送信部および光信号を受信する光信号検出部の少なくとも一方を備え、
前記少なくとも一方の前記光信号送信部または前記光信号検出部は、前記光信号に含まれる光のうち特定の波長の光を選択的に透過させるフィルタを有し、
前記フィルタは、多層膜光学フィルタで構成され、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第１誘電体層と第２誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第１誘電体および前記第２誘電体のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の１／４となるように形成され、
前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成されている、
通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層膜光学フィルタ、固体撮像素子、撮像装置、表示装置、通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやビデオレコーダなど、被写体を２次元固体撮像素子で撮影して画像化する撮像装置を使う機会が増えている。
現在主流の固体撮像素子としてはCCD(Charge Coupled Device)型やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型の固体撮像素子がある。
これらの撮像素子は、各々の画素が被写体からの光信号を集めて信号電荷に変換し、その電荷をデジタルデータもしくはアナログデータとして素子外部に取り出して画像化している。
これらの固体撮像素子は、一般に特定の電磁波波長に感度を有する。たとえば、シリコンをベースにした固体撮像素子は近赤外線（〜1.1μｍ）よりも短い波長に対して感度を有する。
可視波長と比べてエネルギーが高い電磁波であるＸ線の場合、１つのフォトンにより複数の電荷がカスケード的に生成されるために、シリコンベースの固体撮像素子はエネルギー分解能（波長分解能）がある。
一方で、波長が数100nm〜1.1μｍ程度の可視波長〜近赤外線域では、シリコンは電磁波波長に対してエネルギー分解能（波長分解能）がなく、蓄積された電荷の数からは、どの波長（どの色）の光が多く蓄積されたのかを判別することができない。
このようにCCD型固体撮像素子やCMOS型固体撮像素子は、可視波長域において、高い感度を有するものの人間の目のように色情報、例えば赤・緑・青の光を区別することは出来ない。
【０００３】
そこで、一般的なカラー撮像デバイスでは、カラー画像を取得するために、次のような手法を採ることが多い。
（１）２次元素子の画素ごとに特定の色成分を選択的に透過するオンチップカラーフィルタを備え、２×２画素（縦横２画素）程度の隣接画素グループで複数色（波長）における光強度情報を取得して、後段のデモザイク処理によってカラー画像として復元する。
（２）ダイクロイックプリズムなどの分光素子を通して、光を波長成分に分離したうえで、複数（たとえば３枚）のモノクロセンサーで各色成分の光強度データを取得し、後段の信号処理でカラー画像化する。
【０００４】
特に民生用のデジタルスチルカメラや携帯電話用カメラモジュールなどでは、（１）の方式を採ることが一般的である。
すなわち、２×２画素ユニットに対しＲ（赤），Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の透過型色フィルタを千鳥格子状に配置し、それぞれの画素でそれぞれの色成分の光強度を検知し、デモザイク処理によりカラー画像化する手法を取ることが一般的である。
１つの撮像デバイスに対して、複数、例えばＲＧＢの３枚の撮像素子を用いると、システムが大きく複雑になること、高価になること、などの理由から（２）の方式は放送用途の機器や比較的高価なカムコーダに用いられることが多い。
【０００５】
色フィルタの組み合わせとしては、ＲＧＢの色フィルタのほかには次のようなフィルタを用いる場合もある。例えば、ホワイトフィルタ（フィルタなし）、補色系（シアン、マジェンダ、イエロー）、近赤外線フィルタ、紫外線フィルタ、あるいは可視波長域を更に細かく分類してそれぞれの波長成分を取得するフィルタなどが挙げられる。
【０００６】
このような固体撮像素子に用いられる色フィルタでは、顔料や染料などの有機素材を用いることが多い。
しかしながら、これらの色フィルタの構成元素である炭素や水素を含む分子の結合エネルギーは紫外線エネルギーと同程度であり、高エネルギーの光を長時間照射するとカーボン結合やカーボン・水素間の結合が破壊される場合がある。
そのため、紫外線を含む太陽光に曝される屋外での長時間使用や、紫外線が特に強い環境下（例えば高地、雪原、海上など）での使用、または、高温多湿の環境に長時間さらされると次の不都合が生じることが指摘されている。すなわち、カラーフィルタの透過特性に変化が生じ、撮像画像の色再現の特性劣化が生じることである（非特許文献１参照）。
【０００７】
一方、有機素材以外の素材からなるカラーフィルタには以下のようなものがある。
第１の例は無機物質の吸収係数の波長依存性を利用した薄膜フィルタである。
実施例として、アモルファスシリコン薄膜がある（特許文献１参照）。
アモルファスシリコンの可視波長域での吸収係数は長波長ほど小さくなるため、ある特定の厚さの薄膜を考えた場合、波長=0.5μｍの電磁波よりも波長=0.7μｍの電磁波のほうが透過しやすい。
そのため、膜厚を制御することで、長波長を優先的に透過するロングパスフィルタを容易に実現できる。
アモルファスシリコンは無機素材であるため、紫外線による劣化など有機カラーフィルタの短所を克服できるが、その一方で短波長のみを透過するショートパスフィルタの実現は難しく、ＲＧＢ色分離には後段の演算処理が必要になり色再現性の点で問題が残る。
【０００８】
第２の例はフォトニック結晶を使った多層膜光学フィルタ（フォトニックフィルタ）である（特許文献２、３参照）。
多層膜光学フィルタは、異なる屈折率を持つ光学素材を周期的に積層することで構成されるものである。そして、それら周期的に積層された光学素材の間隔を調整することで特定波長の電磁波に対して選択的に多重反射を起こし、任意の波長・帯域幅の電磁波を取り出すことができる。
したがって、多層膜光学フィルタは、物理的なサイズを調整することによって任意の波長を取り出せる点で非常に優れた光学素子であると言える。
この場合、積層された異なる屈折率を持つ光学素材のそれぞれの膜厚は、透過させたい波長のλ／４ｎ(ｎは光学素材の屈折率)とする必要がある。言い換えると、積層された異なる屈折率を持つ光学素材のそれぞれの光学膜厚を、透過させたい波長のλ／４とする必要がある。
ここで、光学膜厚とは、光学素材の屈折率ｎと、光学素材の物理的な膜厚ｄとの積ｎｄで示される値である。
【０００９】
多層膜光学フィルタは設計自由度が高く化学的にも安定した構造であるため、有機フィルタに比べて優れた特性を有する。
しかしながら問題もある。多層膜光学フィルタは、固体撮像素子が構成する２次元平面に対して平行な平面に沿って多層膜を積層する。
一方で、固体撮像素子の多くは、集光効率を改善するために、各々の画素にはオンチップマイクロ凸レンズ（特許文献４参照）、またはサブ波長構造体からなる集光素子（オンチップレンズ）を具備した構造を取る（特許文献５、６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特再WO06/028128
【特許文献２】特再WO05/013369
【特許文献３】特開2007-103401号公報
【特許文献４】特許第02600250号
【特許文献５】特許第3547665号
【特許文献６】特開2006-351972号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】IEEE Electron Device Letters, Vol.27, No.6, June 2006, p457-459
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記従来の多層膜光学フィルタにおいては、オンチップレンズによる集光が問題になる。
つまり、オンチップレンズに入射した光は、レンズにより各々の画素中央部に集光される。つまり、垂直入射の光を考えたとき、オンチップレンズの中心近傍には垂直に光が入射する一方で、各レンズ周辺領域の光は画素中央部に対して傾いた波面を持つことになる。
そのため斜入射光からみると、多層膜の間隔が厳密に光学素材のλ／４ｎの膜厚とならず、λ／４ｎよりも大きな値となる。
その結果、光は効率よく干渉できず、結果として多層膜光学フィルタの透過効率が低くなってしまう不利がある。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、集光効果を確保しつつ、透過効率の向上を図る上で有利な多層膜光学フィルタを提供することにある。
また、本発明の目的は、そのような多層膜光学フィルタを用いた信号表示装置、情報通信装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、そのような多層膜光学フィルタを用いた固体撮像素子およびそのような固体撮像装置を用いた撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の多層膜光学フィルタは、屈折率が異なる第１誘電体層と第２誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、積層される方向で隣り合う前記第１誘電体および前記第２誘電体のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の１／４となるように形成され、前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成されている。
また本発明の固体撮像素子は、多層膜光学フィルタと、前記多層膜光学フィルタを透過した光を光電変換する光電変換部とを備え、前記多層膜光学フィルタは、屈折率が異なる第１誘電体層と第２誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、積層される方向で隣り合う前記第１誘電体および前記第２誘電体のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の１／４となるように形成され、前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成されている。
また本発明の撮像装置は、固体撮像素子を有する撮像部と、前記撮像部を制御する制御部と、前記撮像部を操作する操作部とを有し、前記固体撮像素子は、多層膜光学フィルタと、前記多層膜光学フィルタを透過した光を光電変換する光電変換部とを備え、前記多層膜光学フィルタは、屈折率が異なる第１誘電体層と第２誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、積層される方向で隣り合う前記第１誘電体および前記第２誘電体のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の１／４となるように形成され、前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成されている。
また本発明の表示装置は、画素毎に輝度が変調された輝度画像を生成する輝度画像生成手段と、前記輝度画像を形成する光を画素毎に予め設定された波長毎に選択的に透過させるフィルタアレイとを備え、前記フィルタアレイは、多層膜光学フィルタによって構成され、前記多層膜光学フィルタは、屈折率が異なる第１誘電体層と第２誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、積層される方向で隣り合う前記第１誘電体および前記第２誘電体のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の１／４となるように形成され、前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成されている。
また本発明の通信装置は、光信号を送信する光信号送信部および光信号を受信する光信号検出部の少なくとも一方を備え、前記少なくとも一方の前記光信号送信部または前記光信号検出部は、前記光信号に含まれる光のうち特定の波長の光を選択的に透過させるフィルタを有し、前記フィルタは、多層膜光学フィルタで構成され、前記多層膜光学フィルタは、屈折率が異なる第１誘電体層と第２誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、積層される方向で隣り合う前記第１誘電体および前記第２誘電体のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の１／４となるように形成され、前記第１誘電体層と前記第２誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、第１誘電体層および第２誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成されている。
そのため、多層膜の中心付近を通過する光と、多層膜の周辺を通過する光との何れの光であっても、多層膜を透過する際の光路差が生じにくく、何れの光に対しても多層膜の間隔がほぼ光学膜厚と一致することになる。
したがって、各光が多層膜において効率よく干渉されるため、多層膜光学フィルタの集光効果を確保しつつ、透過効率を向上させる上で有利となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の多層膜光学フィルタの基本構造を示す断面図である。
【図２】（Ａ）は有機色フィルタ202を備えた固体撮像素子の1画素の断面模式図、図２（Ｂ）は一般的な多層膜光学フィルタ205を備えた固体撮像素子の1画素の断面模式図である。
【図３】（Ａ）は、比較例としての従来の多層膜光学フィルタを備えた固体撮像素子1画素の断面模式図、（Ｂ）は第１の実施の形態の多層膜光学フィルタを備えた固体撮像素子1画素の断面模式図である。
【図４】多層膜光学フィルタに400nm〜700nmの可視波長の光をＴＥモードとして垂直に入射した際の透過特性を示す線図である。
【図５】多層膜光学フィルタに400nm〜700nmの可視波長の光をＴＭモードとして垂直に入射した際の透過特性を示す線図である。
【図６】（Ａ）は第１の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構造を示す断面図、図６（Ｂ）は第２の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構造を示す断面図である。
【図７】第３の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図である。
【図８】第４の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図である。
【図９】第４の実施の形態の変形例における多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図である。
【図１０】第５の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図である。
【図１１】図１１は第５の実施の形態の変形例における多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図である。
【図１２】第６の実施の形態における多層膜光学フィルタ１０が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
【図１３】第７の実施の形態における多層膜光学フィルタ１０が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
【図１４】第８の実施の形態における多層膜光学フィルタ１０が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
【図１５】第９の実施の形態における多層膜光学フィルタ１０の断面図である。
【図１６】第１０の実施の形態における多層膜光学フィルタ１０の断面図である。
【図１７】（Ａ）は第６の実施の形態（図１２）と同様に構成されたCMOS型固体撮像素子を示す断面図、（Ｂ）は第１１の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図、（Ｃ）は無機薄膜フィルタ１２０５（もしくは有機フィルタ１２０５）からなる光学フィルタ３４が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
【図１８】第１２の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図である。
【図１９】図１８における各サブ波長構造体の構造を示す斜視図である。
【図２０】第１３の実施の形態における多層膜フィルタ１０と偏光フィルタ５０との双方を設けた２次元固体撮像素子の断面図である。
【図２１】図２１（Ａ）は多層膜光学フィルタ１０によって透過光をＲ，Ｇ，Ｂの３つの波長帯域に分離する一般的なＲＧＢフィルタの配列構造を示す説明図、（Ｂ）はこのＲＧＢフィルタにおける波長と透過率との関係を示す線図である。
【図２２】（Ａ）は多層膜光学フィルタ１０によって透過光を７つの波長帯域に分離するフィルタの配列構造を示す説明図、（Ｂ）はこのフィルタにおける波長と透過率との関係を示す線図である。
【図２３】バイアススパッタリング装置の概略を示す説明図である。
【図２４】第１６の実施の形態における撮像装置４００の構成を示すブロック図である。
【図２５】第１７の実施の形態における表示装置６０を有する電子機器７０の構成を示すブロック図である。
【図２６】第１８の実施の形態における通信装置９０の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１の実施の形態）
次に、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
説明の都合上、まず、従来の多層膜光学フィルタの基本構造について図１、図２を参照して説明した後、第１の実施の形態の多層膜光学フィルタについて説明する。
図１に示すように、符号101は上部反射器であり、符号103は下部反射器である。
光は上方から入射し下方に透過する。
符号102はスペーサ層である。
上部反射器101、下部反射器103はそれぞれ4層、計8層からなる多層膜であり、白抜き部分は低屈折率部２、斜線部分は高屈折率部４を示す。
層数は8層に限らず、6層、10層、12層など、任意の数でも構わない。
上部反射器101、下部反射器103のそれぞれに含まれる層２、４の各々の光学膜厚はこの多層膜光学フィルタを透過させようとする入射電磁波波長のλ/4であり、したがって、層２、４の各々の物理的な膜厚は、λ/4ｎ（ただしｎは媒質の屈折率）である。
この多層膜光学フィルタを透過させる光が可視波長(550nm)である場合は、各層２、４の物理的な膜厚は、137.5[nm]/ｎになる。
つまり、低屈折率の媒質の屈折率をn1, 高屈折率の媒質の屈折率をn2とした場合、それぞれの層２、４の物理的な膜厚は、137.5/n1 [nm], 137.5/n2[nm]になる。
また、各層２、４の物理的な膜厚をd1, d2とすると、両者には、d1・n1=d2・n2=光学膜厚の関係が成り立つ。
ここで光学膜厚とは、各層２、４（誘電体層）の膜厚dにその屈折率nを乗じた指数である。
【００１７】
一例として、低屈折率層１０をSiO2とすると、可視波長域での屈折率は1.45であるので、物理的な膜厚は94.8[nm]程度が好ましい。
高屈折率層１２を窒化シリコン（Si3N4）とすると、同波長域での屈折率は2.05であるので、物理的な膜厚は67.1[nm]程度が好ましい。
また、高屈折率層１２を二酸化チタン（TiO2）にした場合は、同波長域での屈折率は2.5であるので、膜厚は55[nm]程度が好ましい。
これら低屈折率の媒質と高屈折率の媒質との屈折率の比率が大きいほど、多層膜光学フィルタの反射・透過特性や帯域幅が広くなるため、両媒質の屈折率差は大きいほど好ましい。
符号102はスペーサ層であり、この層の厚さを調整することで、透過波長を調整することができる。スペーサ層１０２を構成する媒質は低屈折率の媒質と同じ、もしくは高屈折率の媒質と同じ、もしくは両媒質と異なる屈折率を有する第３の媒質でも構わない。
【００１８】
図２は、固体撮像素子の1画素の断面模式図である。
図２（Ａ）は有機色フィルタ202を備えた画素であり、図２（Ｂ）は一般的な多層膜光学フィルタ205を備えた画素である。
符号201,204はオンチップ凸レンズであり、フォトセンサー203,208に効率よく光を集めるための代表的な集光素子である。
符号202は有機素材からなるカラーフィルタであり、たとえばＲ，Ｇ，Ｂそれぞれの光を透過し、それ以外の光を吸収するナノサイズの顔料を含んだ層であることが一般的である。
符号205は多層膜光学フィルタである。
多層膜光学フィルタ205は斜線で示す高屈折率部分と白ぬきで示す低屈折率部分の周期構造206を１セットとし、それらを積層した構造体である。
ここで、周期構造206の１周期を構成するそれぞれの光学膜厚は入射電磁波波長λの1/4の膜厚であり、つまり１周期は光学膜厚で半波長に相当する。
多層膜光学フィルタ205は、上部反射器と下部反射器とで構成され、両者の間にはスペーサ層207が挿入され、スペーサ層207の厚さを変化させることで、所望の電磁波を透過させ、それ以外の波長を透過させないバンドパスフィルタを実現する。
多層膜光学フィルタ205は透過させたい電磁波帯で透明であれば任意の素材で良く、無機素材で容易に実現可能であるため、紫外線等の外的ストレスに強く化学的に安定した多層膜光学フィルタを実現できる点で優れている。
【００１９】
図３（Ａ）は、比較例としての従来の多層膜光学フィルタを備えた固体撮像素子1画素の断面模式図である。
図３（Ａ）は入射した光Ａ，Ｂ，Ｃがオンチップ集光素子６によって収束される様子を模式的に示している。なお、符号８は固体撮像素子を示す。
多層膜は低屈折率層２と高屈折率層４とがλ/4の光学膜厚に相当する間隔で積層された構造であり、その間隔と多層膜間のスペーサ層２０７の光学的厚さにより透過する波長が決まる。
図３（Ａ）に示すように、多層膜のそれぞれの層２、４の物理的な膜厚を厳密にλ/４ｎ（ｎは媒質の屈折率)に作り込んだとしても次の不利がある。
すなわち、オンチップ凸レンズ６の中心近傍を通過する光Ａと周辺を通過する光Ｂ，Ｃとでは、光Ｂ，Ｃの光路が斜め入射になる分だけ、光Ａと光Ｂ，Ｃとでは、光路差が生じてしまう。
そのため、光Ａに対しては多層膜の間隔がほぼ光学膜厚と一致するものの、光Ｂ，Ｃに対しては多層膜の間隔が光学膜厚からずれることになる。
その結果、光Ａ，Ｂ，Ｃが多層膜において効率よく干渉せず、多層膜光学フィルタの透過効率を確保する上で不利がある。
【００２０】
図３（Ｂ）は第１の実施の形態の多層膜光学フィルタを備えた固体撮像素子1画素の断面模式図である。
図３（Ｂ）に示すように、本発明に係る多層膜光学フィルタ１０は、固体撮像素子８の光入射面側に設けられている。
すなわち、固体撮像素子８は、多層膜光学フィルタ１０と、この多層膜光学フィルタ１０を透過した光を光電変換する図示しない光電変換部とを備えている。
多層膜光学フィルタ１０は、屈折率が異なる第１誘電体層１２と第２誘電体層１４とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成されている。
全ての第１誘電体層１２と第２誘電体層１４は、積層される方向で隣り合う第１誘電体１２および第２誘電体１４のそれぞれの光学膜厚が、選択的に透過させる光の波長λの１／４となるように形成されている。
すなわち、第１誘電体１２の光学膜厚は、第１誘電体層１０の屈折率ｎ１と、第１誘電体層１０の物理的な膜厚ｄ１との積で示される値ｎ１・ｄ１である。
また、第２誘電体１４の光学膜厚は、第２誘電体層１２の屈折率ｎ２と、第２誘電体層１２の物理的な膜厚ｄ２との積で示される値ｎ２・ｄ２である。
したがって、積層される方向で隣り合う第１誘電体１２および第２誘電体１４のそれぞれの光学膜厚と選択的に透過させる光の波長λとは、（１）式の条件を満たす必要がある。
ｎ１・ｄ１＝ｎ２・ｄ２＝λ／４      （１）
【００２１】
第１、第２誘電体層１２、１４が積層される方向である多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、第１、第２誘電体層１２、１４のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部２０として形成されている。
本実施の形態では、多層膜の厚さ方向の全てが球面状部２０として形成されている。
また、本実施の形態では、球面状部２０において、第１、第２誘電体層１２、１４が沿う球面は、同一の曲率である。
球面状部２０は該球面状部２０を透過する光を収束するパワー（正のパワー）を有するレンズ（凸レンズ）として機能する。
【００２２】
多層膜の厚さ方向の中間部に、第１誘電体層１２あるいは第２誘電体層１４に置き換えて、誘電体からなるスペーサ層１６が設けられている。
スペーサ層１６を構成する誘電体は、第１誘電体層１２あるいは第２誘電体層１４と同じ誘電体材料で構成され、あるいは、第１誘電体層１２および第２誘電体層１４の何れのとも異なる屈折率を有する誘電体材料で構成されている。
多層膜光学フィルタ２０は、スペーサ層１６の光学膜厚を変化させることによって、所望の電磁波を透過させ、それ以外の波長を透過させないバンドパスフィルタとして構成される。
すなわち、スペーサ層１６は、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる光学膜厚で形成されている。
第１、第２誘電体層１２、１４が積層される方向において、スペーサ層１６よりも上部に位置する多層膜によって上部反射器が構成され、スペーサ層１６よりも下部に位置する多層膜によって下部反射器が構成されている。
したがって、上部反射器と下部反射器との間にスペーサ層１６が介設されていることになる。
なお、スペーサ層１６は省略することもできる。
【００２３】
第１、第２誘電体層１２、１４の材料について説明する。
第１誘電体層１２と第２誘電体層１４とのうち、一方の誘電体層は低屈折率の媒質で構成され、他方の誘電体層は高屈折率の媒質で構成される。
可視波長帯域における低屈折率の媒質としては、酸化シリコン（SiO2）およびSiO2を主成分とする複合素材が好適である。
そのほかにフッ化マグネシウム（MgF2）や中空構造（Air Gap）などを低屈折率の媒質として用いることができる。
次に、高屈折率の媒質としては、窒化シリコン（Si3N4）, 酸化チタン（TiO2）, 酸化タンタル（Ta2O5）, 酸化ジルコニウム（ZrO2）, 酸化ニオブ(Nb2O5), 酸化ハフニウム（HfO2）などの酸化物、窒化物が好ましい。
また、近赤外線波長域を透過させる光学素子として本発明の多層膜光学フィルタ１０を用いる場合は、第１、第２誘電体層１２、１４の材料として、Si, Geなどの半導体材料を用いることができる。
これらの低屈折率素材と高屈折率素材を、基本構造を保ちながら交互に積層させることで、本発明の多層膜光学フィルタは容易に実現することができる。
【００２４】
次に、本実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の作用効果について説明する。
図３（Ｂ）に示すように、図示しない光学系によって収束された光Ａ′，Ｂ′，Ｃ′が多層膜光学フィルタ１０に入射される。
光Ａ′は、固体撮像素子８の画素中央部に対応する多層膜の中心付近を通過し、光Ｂ′，Ｃ′は、固体撮像素子８の画素周辺部に対応する多層膜の周辺を通過する。
本実施の形態の多層膜光学フィルタ１０は、多層膜の少なくとも一部が球面状部２０を有しており、したがって、多層膜が曲率を持っている。
したがって、多層膜の中心付近を通過する光Ａ′も、多層膜の周辺を通過する光Ｂ′，Ｃ′も、多層膜が積層される方向とほぼ平行な方向で多層膜を通過することになる。
すなわち、光Ａ′，Ｂ′，Ｃ′が、多層膜を透過する際の光路差が生じにくく、光Ａ′，Ｂ′，Ｃ′の何れの光に対しても多層膜の間隔がほぼ光学膜厚と一致することになる。
その結果、光Ａ′，Ｂ′，Ｃ′が多層膜において効率よく干渉されるため、多層膜光学フィルタ１０の集光効果を確保しつつ、透過効率を向上させる上で有利となり、理想的な透過特性持つ多層膜光学フィルタを実現することができる。
言い換えると、多層膜に曲率を持たせることで、入射する電磁波の入射位置や入射角度に起因する光路差が縮小し、バントパスフィルタとしての特性を改善する上で有利となる。
【００２５】
また、図３（Ｂ）に示すように、多層膜の少なくとも一部が球面状部２０を構成していることから、多層膜光学フィルタ１０の形状そのものが凸レンズ形状であり集光素子としての機能も有することになる。
したがって、本実施の形態の多層膜光学フィルタ１０では、図３（Ａ）の比較例におけるオンチップ凸レンズ６を省略することができ、比較例におけるオンチップ凸レンズ６の厚さＤ分だけ小型化、低背化する上で有利となる。
【００２６】
なお、多層膜光学フィルタ１０の透過効率を確保する上で多層膜の曲率のばらつきは、例えば、以下に説明するような範囲とすることが好ましい。
すなわち、図３（Ｂ）において、電磁波の入射側（図中上側）の多層膜を第1層、固体撮像素子８側の多層膜を第N層とする。
n番目の多層膜に着目した場合、n番目の多層膜を球面近似した際の曲率半径をRとすると、(n+1)番目もしくは(n-1)番目の多相膜（第１、第２誘電体層１２、１４）の曲率半径は、0.9R〜1.1Rの範囲であることが好ましい。なお、nは1〜Nまでの間の任意の整数である。
【００２７】
言い換えると、本実施の形態の多層膜光学フィルタ１０によれば次の効果が奏される。
多層膜に収束するパワーを有するレンズとして機能する球面状部２０を設けた。
そのため、斜め入射光における層間隔（第１誘電体層１２、第２誘電体層１４の間隔）と、垂直入射における層間隔が、ほぼ一定になる。
したがって、画素の中央部を通る電磁波と外周部を通過する電磁波での多層膜間での光路差の差異が小さくなる。
そのため、多層膜の光学膜厚はオンチップ集光素子によって入射波面が傾いても正確にλ/4になる。
つまり入射する電磁波の干渉性が高まり、特性の良い色フィルタを実現できる。もしくは少ない膜数で、平面多層膜光学フィルタと同等の特性を得ることができる。
多層膜光学フィルタはSiO2, TiO2,Si3N4などの無機素材で実現されるので、紫外線や高温・多湿など過酷な環境下にも強い耐性を有する色フィルタを実現することができる。
また、多層膜光学フィルタに曲率を持たせ、オンチップ凸レンズと同様の集光機能を多層膜光学フィルタに実装する。
そのため、カラーフィルタと、オンチップ凸レンズをそれぞれ個別に備えた固体撮像素子と比較すると、オンチップ凸レンズが不要になる分だけ、撮像素子を低背化できる。
【００２８】
次に、図３（Ｂ）に示す本発明の多層膜光学フィルタ１０と、図３（Ａ）に示す比較例の多層膜光学フィルタとの光透過率のシミュレーション結果について説明する。
この場合、多層膜は、８層の第１誘電体層１２と８層の第２誘電体層１４と、スペーサ層１６とから構成されており、第１誘電体層１２はSiO2で構成され、第２誘電体層１４はSi3N4で構成されている。
図４は多層膜光学フィルタに400nm〜700nmの可視波長の光をＴＥモードとして垂直に入射した際の透過特性を示す線図である。
図５は多層膜光学フィルタに400nm〜700nmの可視波長の光をＴＭモードとして垂直に入射した際の透過特性を示す線図である。
図４、図５において横軸は電磁波波長を示す。
縦軸は、比較例における多層膜光学フィルタでの波長λ＝550nmでの透過率を1.0として規格化した透過特性を示す。
図４、図５において、図３（Ｂ）に示す本発明の多層膜光学フィルタ１０の特性を記号◆（図中Ｃｏｎｖｅｘに対応）で示し、図３（Ａ）に示す比較例の多層膜光学フィルタを記号□（図中Ｆｌａｔに対応）で示す。
図４、図５に示すように、本発明の多層膜光学フィルタ１０は、透過波長である550[nm]近傍で比較例に比べて、1.5〜2.0倍程度の透過特性の向上が有り、多層膜光学フィルタ１０の透過効率を向上させる上で有利となっていることがわかった。
【００２９】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。
図６（Ａ）は第１の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構造を示す断面図、図６（Ｂ）は第２の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構造を示す断面図である。なお、以下の実施の形態においては、第１の実施の形態と同一または対応する部分、部材には同一の符号を付して説明する。
図６（Ａ）に示すように、第１の実施の形態では、多層膜の厚さ方向の全てが球面状部２０として形成されていたが、図６（Ｂ）に示すように、第２の実施の形態では、多層膜の厚さ方向の一部が球面状部２０として形成されている。
すなわち、図６（Ｂ）に示すように、球面状部２０を除いた多層膜の残りの部分が、第１誘電体層１２および第２誘電体層１４のそれぞれが平行して積層される平面状部２２として形成されている。
球面状部２０と平面状部２２との間にスペーサ層１６が設けられている。
したがって、スペーサ層１６の上部に位置する多層膜で構成された上部反射器が球面状部２０を構成していることになる。
【００３０】
第２の実施の形態においても、球面状部２０の作用によって、光が多層膜を透過する際の光路差が生じにくくなり、多層膜を透過する光から見て多層膜の間隔がほぼ光学膜厚と一致することになる。
したがって、第１の実施の形態と同様に、多層膜光学フィルタ１０の集光効果を確保しつつ、透過効率を向上させる上で有利となる。
言い換えると、多層膜の一部に曲率を持たせることで、入射する電磁波の入射位置や入射角度に起因する光路差が縮小し、バントパスフィルタとしての特性を改善する上で有利となる。
また、オンチップ凸レンズ６を省略することで、比較例におけるオンチップ凸レンズ６の厚さＤ分だけ小型化、低背化する上で有利となることも第１の実施の形態と同様である。
【００３１】
（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態について説明する。
第３の実施の形態の多層膜光学フィルタは、隣接する多層膜において透過する光の波長を互い異ならせたものである。
図７は第３の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図である。
なお、図７は、多層膜光学フィルタ１０の一部分を抜き出した模式図であり、光電変換素子や信号配線などは省略してある。
【００３２】
図７に示すように、多層膜５０１、５０２、５０３が、第１誘電体層１２と第２誘電体層１４とが積層される方向に対して交差する方向に（直交する方向に）並べられて複数設けられている。
また、各多層膜５０１、５０２、５０３を構成する第１誘電体層１２の数と第２誘電体層１４の数は同一である。
言い換えると、球面状部２０を有する多層膜５０１、５０２、５０３が３つの画素Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に対応して設けられている。
すなわち、固体撮像素子８の各画素Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の上部には凸レンズ形状をした多層膜が実装されている。
各多層膜５０１、５０２、５０３の厚さ方向の中間部に、第１誘電体層１２あるいは第２誘電体層１４に置き換えて、同一の誘電体からなるスペーサ層５０４、５０５、５０６がそれぞれ設けられている。
すなわち、スペーサ層１６は、各多層膜５０１、５０２、５０３が選択的に透過させる光の特定波長で定められる光学膜厚で形成されている。
したがって、各多層膜５０１、５０２、５０３に設けられるスペーサ層５０４、５０５、５０６の厚さ（物理的な膜厚）は互いに異なっている。
【００３３】
スペーサ層の媒質は、多層膜の低屈折率部分もしくは高屈折率部分を構成する媒質と共通で構わない。スペーサ層の厚さを変化させることで、透過する電磁波波長を調整し、さまざまな色フィルタを実現できる。
ここで、一例として、選択的に透過させる光が緑（G）の場合、スペーサ層の厚さ（物理的膜厚）は、λ/2ｎ（ｎは媒質の屈折率）であり、スペーサ層をSiO2で構成する場合は、189.7[nm]程度が好適である。
図７において、画素Ｐ３に対応する多層膜503のスペーサ層506が緑フィルタに相当する。
選択的に透過させる光が赤(R)の場合、スペーサ層の厚さは、緑フィルタとしてのスペーサ層５０６の厚さよりも＋30〜50[nm]程度大きい値であることが好ましい。
画素Ｐ２に対応する多層膜５０２のスペーサ層505が赤フィルタに相当する。
したがって、スペーサ層505をSiO2で構成する場合は、上下のSiO2層と合わせて、220〜240[nm]程度が好適である。
選択的に透過させる光が青(B)の場合、スペーサ層の厚さは、緑フィルタとしてのスペーサ層５０６の厚さよりも＋100〜200[nm]程度大きい値であることが好ましい。
画素Ｐ１に対応する多層膜５０１のスペーサ層504が青フィルタに相当する。
したがって、スペーサ層５０４をSiO2で構成する場合は、上下のSiO2層と合わせて、290〜390[nm]程度が好適である。
以上に示すスペーサ層５０４、５０５、５０６の厚さは一例であり、その他の間隔でも、所望の電磁波波長で所望の透過特性が得られるのであれば、任意の間隔または任意の屈折率を有する部材を用いることができる。
【００３４】
図７に示すように、厚さが異なるスペーサ層を有する隣り合う多層膜の第１誘電体層１２どうし、および、第２誘電体層１４どうしは高さ位置が異なっている。
言い換えると、上部反射器では、スペーサ層の膜厚の違いにより各色の画素間で、多層膜の高さにオフセットが生じることになる。
そこで、光学膜厚が異なるスペーサ層を有する隣り合う多層膜の間にギャップ２２を設ける。
そして、隣り合う多層膜の第１誘電体層１２どうし、および、第２誘電体層１４どうしを、ギャップ２２内において直線状に接続し、あるいは、曲線状に接続するようにした。
言い換えると、画素間で誘電体層同士の間に顕著な段差部分が形成されないようにした。
これにより、隣接する第１誘電体層１２の段差部分、隣接する第２誘電体層１４の段差の部分で反射された光が隣の画素に侵入することを抑制できる。そのため、前記の段差部分で反射された光が隣の画素に侵入して混色を生じるといった悪影響を抑制する上で有利となる。
【００３５】
また、図７に示すように、球面状部２０の球面の突出方向における高さが最も大きい多層膜を除いた残りの多層膜に、球面の突出方向の先端に位置する第１誘電体層１２あるいは第２誘電体層１４の表面に設けられ互いに高さの異なる高さ調整層２４を設けた。
高さ調整層２４は可視波長を透過する材料で形成されている。
そして、球面の突出方向における高さが最も大きい多層膜の表面と、多層膜の高さ調整層の表面が同一の高さに設けられるようにした。
すなわち、多層膜光学フィルタの上層にSiO2もしくはSi3N4などの可視波長を透過する材質で形成された高さ調整層２４を積層し、その厚さを変化させることで、固体撮像素子全面において個々の画素の高さに顕著な段差ができないようにすることができる。
このように多層膜の表面の高さ位置を一致させることで多層膜光学フィルタ１０あるいは固体撮像素子に入射される入射光のばらつきを抑制し、光の入射特性を確保する上で有利となる。
なお、各多層膜に、球面の突出方向の先端に位置する第１誘電体層１２あるいは第２誘電体層１４の表面に設けられ互いに高さの異なる高さ調整層２４を備えるようにし、各多層膜の高さ調整層２４の表面が同一の高さに設けられるようにしてもよい。
また、厚さが異なるスペーサ層を有する隣接する多層膜において、多層膜の表面の高さ位置が一致するように、低い方の多層膜を構成する第１、第２誘電体層１２、１４の一部を省くようにしてもよい。
【００３６】
第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が奏されることは無論である。
また、各スペーサ層５０４、５０５、５０６の光学膜厚を異ならせることで選択的に透過する光の波長を異ならせるようにしたので、スペーサ層の材料が単一のもので済み、材料コストの低減を図る上で有利となる。
【００３７】
（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態について説明する。
第３の実施の形態では、スペーサ層が、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる光学膜厚で形成されている場合について説明した。これに対して、第４の実施の形態では、スペーサ層が、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率を有している場合について説明する。
図８は第４の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図である。
図８に示すように、球面状部２０を有する多層膜６０１、６０２、６０３が３つの画素Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に対応して設けられている。
言い換えると、固体撮像素子８の各画素Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の上部には凸レンズ形状をした多層膜が実装されている。
各多層膜６０１、６０２、６０３の厚さ方向の中間部に、第１誘電体層１２あるいは第２誘電体層１４に置き換えて、誘電体からなるスペーサ層６０４、６０６、６０６がそれぞれ設けられている。
スペーサ層６０４、６０６、６０６は、各多層膜６０１、６０２、６０３が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率を有している。
そして、隣接する多層膜６０１、６０２、６０３において、各スペーサ層６０４、６０６、６０６はそれらの物理的な膜厚が同一となるように形成されている。
【００３８】
ここで、一例として、選択的に透過させる光が緑（G）の場合、スペーサ層の厚さ（物理的膜厚）はλ/2ｎ（ｎは媒質の屈折率）であり、スペーサ層をSiO2（屈折率ｎ=1.45）で構成する場合、スペーサ層の物理的膜厚は、189.7[nm]程度になる。
図８において、画素Ｐ３に対応する多層膜603のスペーサ層606が緑フィルタに相当する。
選択的に透過させる光が赤(R)の場合、スペーサ層の厚さをSiO2の膜厚に換算すると、緑フィルタとしてのスペーサ層６０６の厚さよりも＋30〜50[nm]程度大きい値であることが好ましい。
画素Ｐ２に対応する多層膜６０２のスペーサ層６０５が赤フィルタに相当する。
つまり、赤フィルタとしてのスペーサ層６０６の膜厚を緑フィルタとしてのスペーサ層６０６と同等の189.7[nm]にする場合は、赤フィルタとしてのスペーサ層６０６の屈折率を1.6〜1.9程度に設定すると好適である。
屈折率が1.6〜1.9程度の媒質としては、窒化シリコンや有機樹脂などのほか、SiO2とSi3N4とを波長以下のスケールで周期的に重点するサブ波長構造体などで実現することができる。サブ波長構造体については段落００５８以降で詳細に説明する。
選択的に透過させる光が青(B)の場合、スペーサ層の厚さをSiO2の膜厚に換算すると緑フィルタとしてのスペーサ層６０６の厚さよりも＋100〜200[nm]程度大きい値であることが好ましい。
画素Ｐ１に対応する多層膜６０１のスペーサ層604が青フィルタに相当する。
つまり、青フィルタとしてのスペーサ層６０４の膜厚を緑フィルタとしてのスペーサ層６０６と同等の189.7[nm]にする場合は、青フィルタとしてのスペーサ層６０４の屈折率を2.2〜3.0程度に設定すると好適である。
屈折率が2.2〜3.0程度の媒質としては、一例として、酸化チタン（TiO2）屈折率=2.5がある。
前記のスペーサ層の膜厚、充填媒質の屈折率は一例であり、その他のスペーサ層間隔や屈折率を有する媒質でも、所望波長で所望の透過特性を得られるのであれば、任意で構わない。
【００３９】
第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が奏されることは無論である。
また、スペーサ層は、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率を有するようにしたので、それらスペーサ層の物理的な膜厚が同一となるように形成すれば、隣接する多層膜の表面の高さ位置を一致させることができる。
そのため、第３の実施の形態のように、多層膜光学フィルタの上層に高さ調整層２４を積層することなく、多層膜光学フィルタ１０あるいは固体撮像素子に入射される光の入射特性を確保することができるので、製造コストの低減を図る上で有利となる。
【００４０】
図９は第４の実施の形態の変形例における多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図である。
図９に示すように、屈折率が異なるスペーサ層を有する隣接する多層膜の間にギャップ２２を設ける。
そして、このギャップ２２に、単一の媒質（たとえば SiO2、Si3N4など）からなる反射部２４を形成する。あるいは、ギャップ２２にエッチングを施すことによりエアギャップ構造からなる反射部２４を形成する。
このような反射部２４を形成すると、多層膜に対して斜め方向で入射した光が反射部２４と多層膜との界面で反射（全反射）され、隣の画素に侵入することが防止される。そのため、多層膜に対して斜め方向で入射した光が隣の画素に侵入して混色を生じるといった悪影響を抑制する上で有利となる。
【００４１】
（第５の実施の形態）
次に第５の実施の形態について説明する。
第５の実施の形態は、多層膜の球面状部２０の形状が第１乃至第４の実施の形態と相違している。
図１０は第５の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図である。
図１０も図７と同様に、多層膜光学フィルタ１０の一部分を抜き出した模式図であり、光電変換素子や信号配線などは省略してある。
【００４２】
図１０に示すように、球面状部２０を有する多層膜１４０１、１４０２、１４０３が３つの画素Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に対応して設けられている。
言い換えると、固体撮像素子８の各画素Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の上部には凸レンズ形状をした多層膜が実装されている。
各多層膜１４０１、１４０２、１４０３の厚さ方向の中間部に、第１誘電体層１２あるいは第２誘電体層１４に置き換えて、同一の誘電体からなるスペーサ層１４０４、１４０１４、１４０６がそれぞれ設けられている。
スペーサ層１４０４、１４０５、１４０６は、各多層膜１４０１、１４０２、１４０３が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率で形成されている。
なお、第４の実施の形態においても、スペーサ層１４０４、１４０１４、１４０６を、各多層膜１４０１、１４０２、１４０３が選択的に透過させる光の特定波長で定められる光学膜厚で形成するようにしてもよい。
【００４３】
第１、第２誘電体層１２、１４が積層される方向である多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、第１、第２誘電体層１２、１４のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部２０として形成されている。
本実施の形態では、多層膜の厚さ方向の全てが球面状部２０として形成されている。
球面状部２０は該球面状部２０を透過する光を収束するパワーを有するレンズとして機能する。
また、本実施の形態では、球面状部２０において、第１誘電体層１２および第２誘電体層１４が沿う前記球面の中心が同一である点が第１乃至第４の実施の形態と相違している。
言い換えると、それぞれの画素に対応する多層膜は相似形ではなく、上層に行くほど曲率が小さくなる球殻状の形状を有している。
なお、多層膜光学フィルタ１０の透過効率を確保する上で多層膜の曲率のばらつきは、例えば、以下に説明するような範囲とすることが好ましい。
すなわち、図１０において、電磁波の入射側（図中上側）の多層膜を第1層、固体撮像素子８側の多層膜を第N層とする。
n番目の多層膜に着目した場合、n番目の多層膜を球面近似した際の曲率半径をRとすると、(n+1)番目もしくは(n-1)番目の多相膜（第１、第２誘電体層１２、１４）の曲率半径は、0.9R〜1.1Rの範囲であることが好ましい。なお、nは1〜Nまでの間の任意の整数である。
【００４４】
第５の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果が奏されることは無論である。
また、図１１は第５の実施の形態の変形例における多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図である。
図１１に示すように、球面状部２０を有する多層膜１５０１、１５０２、１５０３が３つの画素Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に対応して設けられている。
各多層膜１５０１、１５０２、１５０３の厚さ方向の中間部に、第１誘電体層１２あるいは第２誘電体層１４に置き換えて、同一の誘電体からなるスペーサ層１５０４、１５０１５、１５０６がそれぞれ設けられている。
スペーサ層１５０４、１５０５、１４０６は、各多層膜１４０１、１４０２、１４０３が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率で形成されている。
この変形例では、球面状部２０の曲率が図１０の球状面部２０よりも大きな値となっている点のみが図１０と相違している。
【００４５】
（第６の実施の形態）
次に第６の実施の形態について説明する。
第６の実施の形態は、第１の実施の形態の図８（Ａ）に示す多層膜光学フィルタ１０を、CMOS型固体撮像素子に実装したものである。なお、多層膜光学フィルタ１０を実装する固体撮像素子はＣＯＭＳ型の固体撮像素子に限定されるものではなく、ＣＣＤ型の固体撮像素子など従来公知のさまざまな固体撮像素子に適用可能であることは無論である。
図１２は第６の実施の形態における多層膜光学フィルタ１０が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。なお、多層膜光学フィルタ１０の多層膜の中間には不図示のスペーサ層が設けられている。
固体撮像素子８の画素701に、本発明に係る多層膜光学フィルタ１０が設けられている。
固体撮像素子８は、画素７０１を有している。
各画素７０１には、光電変換素子７０３が設けられている。
光電変換素子７０３は、画素分離層７０５により隣接画素と電気的に分離されている。
画素分離層７０５の上部には信号配線層704が設けられている。
光電変換素子７０３と信号配線層７０４とで囲まれた部分は、周囲に比べて高い屈折率を有する媒質（たとえば、周囲をSiO2、導波路部分をSi3N4）を充填した導波路構造部７０６で構成されている。
導波路構造部７０６は、周囲に対して高い屈折率の媒質が充填されることでクラッドコア構造を実現し、斜め方向から入射する入射光であっても高い集光効率で光電変換素子703に導くことが可能となっている。
【００４６】
このようなCMOS型固体撮像素子によれば、多層膜光学フィルタ１０の集光効果を確保しつつ、透過効率の向上が図られているため、撮像した画像信号の品質を確保する上で有利となる。
【００４７】
（第７の実施の形態）
次に第７の実施の形態について説明する。
第７の実施の形態は、第６の実施の形態の変形例であり、第１の実施の形態の図８（Ｂ）に示す多層膜光学フィルタ１０を、CMOS型固体撮像素子に実装したものである。
図１３は、第７の実施の形態における多層膜光学フィルタ１０が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
図１３に示すように、多層膜の厚さ方向の一部が球面状部２０として形成されている。
すなわち、球面状部２０を除いた多層膜の残りの部分が、第１誘電体層１２および第２誘電体層１４のそれぞれが平行して積層される平面状部２２として形成されている。
球面状部２０と平面状部２２との間に不図示のスペーサ層が設けられている。
固体撮像素子８は、画素８０１を有している。
各画素８０１には、光電変換素子８０３が設けられている。
光電変換素子８０３は、画素分離層８０５により隣接画素と電気的に分離されている。
画素分離層８０５の上部には信号配線層８04が設けられている。
光電変換素子８０３と信号配線層８０４とで囲まれた部分は、周囲に比べて高い屈折率を有する媒質（たとえば、周囲をSiO2、導波路部分をSi3N4）を充填した導波路構造部８０６で構成されている。
導波路構造部８０６は、周囲に対して高い屈折率の媒質が充填されることでクラッドコア構造を実現し、斜め方向から入射する入射光であっても高い集光効率で光電変換素子８03に導くことが可能となっている。
【００４８】
このようなCMOS型固体撮像素子においても、多層膜光学フィルタ１０の集光効果を確保しつつ、透過効率の向上が図られているため、撮像した画像信号の品質を確保する上で有利となる。
【００４９】
（第８の実施の形態）
次に第８の実施の形態について説明する。
図１４は、第８の実施の形態における多層膜光学フィルタ１０が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
図１４に示すように、多層膜の厚さ方向の一部が球面状部２０として形成されている。
すなわち、球面状部２０を除いた多層膜の残りの部分が、第１誘電体層１２および第２誘電体層１４のそれぞれが平行して積層される平面状部２２として形成されている。
球面状部２０と平面状部２２との間に不図示のスペーサ層が設けられている。
固体撮像素子８は、画素９０１を有している。
各画素９０１には、光電変換素子９０３が設けられている。
光電変換素子９０３は、画素分離層９０５により隣接画素と電気的に分離されている。
画素分離層９０５の上部には信号配線層９04が設けられている。
ここで、信号配線層９04は、複数層からなるCu配線層をダマシン技術でSiO2基板９１２中に形成し、Cu配線層の上部に形成されるストッパー層（拡散防止層）９１４としてシリコン窒化物(Si3N4)を用いる。
【００５０】
したがって、SiO2基板９１２は低屈折率の媒質であることから第１誘電体層１２として機能することになり、シリコン窒化物(Si3N4)は高屈折率の媒質であることからストッパー層（拡散防止層）９１４は第２誘電体層１４として機能することになる。
すなわち、これらのCMOSの配線構造に起因するSiO2/Si3N4の層状構造を多層膜光学フィルタの下部反射器として用いることができる。
したがって、第８の実施の形態によれば、第７の実施の形態と同様の効果が奏されることは無論のこと、多層膜の層数を削減することが可能になり、その結果、固体撮像素子全体の低背化を実現する上で有利となる。
【００５１】
（第９の実施の形態）
次に第９の実施の形態について説明する。
図１５は、第９の実施の形態における多層膜光学フィルタ１０の断面図である。
図１５に示すように、多層膜光学フィルタ１０は、球面状部２０の球面の突出方向の先端に位置する第１誘電体層１２あるいは第２誘電体層１４の表面に平滑化層２６が設けられている。
平滑化層２６の表面には、球面状部２０の球面の突出方向と直交する単一の平面上を延在するレンズ取り付け面２８が形成されている。
レンズ取り付け面２８には、正のパワーを有するレンズ（凸レンズ）として機能するオンチップ集光素子３０が取着されている。
ここで、多層膜が第１誘電体層１２と第２誘電体層１４とが積層される方向に対して交差する方向に並べられて複数設けられ、各多層膜の表面の高さ位置は互いに異なっている。
具体的には、各多層膜に設けられるスペーサ層１６の厚さが互いに異なっているか、あるいは、各多層膜を構成する第１誘電体層１２の数あるいは第２誘電体層１４の数が互いに異なっている。
本実施の形態では、オンチップ集光素子３０の表面が同一の高さに設けられるように、各平滑化層２６の高さを異ならせる。
【００５２】
第９の実施の形態によれば、固体撮像素子全面で各々の色成分の画素の高さをそろえることができ、それにより色ごとのシェーディング特性のバラツキを低減することができる。
【００５３】
（第１０の実施の形態）
次に第１０の実施の形態について説明する。
第１０の実施の形態は第９の実施の形態の変形例であり、球面状部２０が突出する向きが反対向きとなって点が第９の実施の形態と相違している。
図１６は、第１０の実施の形態における多層膜光学フィルタ１０の断面図である。
図１６に示すように、第１、第２誘電体層１２、１４が積層される方向である多層膜の厚さ方向の全てが球面状部２０として形成されている。
球面状部２０は、第１、第２誘電体層１２、１４のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成されており、球面状部２０が突出する向きは光の透過方向と同一となっている。
すなわち、球面状部２０は該球面状部２０を透過する光を発散するパワー（負のパワー）を有するレンズ（凹レンズ）として機能する。
また、本実施の形態では、球面状部２０において、第１、第２誘電体層１２、１４が沿う球面は、同一の曲率である。
【００５４】
図１６に示すように、多層膜光学フィルタ１０は、球面状部２０の球面の突出方向と反対方向の先端に位置する第１誘電体層１２あるいは第２誘電体層１４の表面に平滑化層２６が設けられている。
平滑化層２６の表面には、球面状部２０の球面の突出方向と直交する単一の平面上を延在するレンズ取り付け面２８が形成されている。
レンズ取り付け面２８には、正のパワーを有するレンズ（凸レンズ）として機能するオンチップ集光素子１１０２が取着されている。
ここで、多層膜が第１誘電体層１２と第２誘電体層１４とが積層される方向に対して交差する方向に並べられて複数設けられ、各多層膜の表面の高さ位置は互いに異なっている。
具体的には、各多層膜に設けられるスペーサ層１６の厚さが互いに異なっているか、あるいは、各多層膜を構成する第１誘電体層１２の数あるいは第２誘電体層１４の数が互いに異なっている。
そして、第９の実施の形態と同様に、オンチップ集光素子３０の表面が同一の高さに設けられるように、各平滑化層２６の高さを異ならせる。
【００５５】
第１０の実施の形態によれば、第９の実施の形態と同様の効果が奏される。
また、球面状部２０は該球面状部２０を透過する光を発散するパワーを有するレンズとして機能するため、オンチップ集光素子１１０２により集光された光を拡散、もしくは平行光線にする上で有利となる。
したがって、固体撮像素子の受光面に対して発散光あるいは平行光を入射させる場合に好適である。
【００５６】
（第１１の実施の形態）
次に第１１の実施の形態について説明する。
第１１の実施の形態は、多層膜に無機薄膜フィルタ（もしくは有機フィルタ）を組み合わせてハイブリッド型の多層膜光学フィルタ３２を構成するものである。
図１７（Ｂ）は第１１の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
図１７（Ｂ）に示すように、図１７（Ａ）における多層膜のうち固体撮像素子寄りの部分が無機薄膜フィルタ１２０５（もしくは有機フィルタ１２０５）に置き換えて実装されたものである。
言い換えると、第１１の実施の形態の多層膜光学フィルタ３２は、第１、第２誘電体層１２、１４が積層された多層膜と、無機薄膜フィルタ１２０５（もしくは有機フィルタ１２０５）とが組み合わされて構成されている。
【００５７】
図１７（Ａ）は多層膜光学フィルタ１０が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
すなわち、図１７（Ａ）は第６の実施の形態（図１２）と同様に構成されたCMOS型固体撮像素子の断面図を示す。
なお、図１７（Ａ）には、多層膜光学フィルタ１０の多層膜の中間にスペーサ層が、スペーサ層の上部には上部反射器が、スペーサ層の下部には下部反射器がそれぞれ設けられているが、図面の簡略化を図るためそれらの図示は省略している。
図１７（Ｃ）は無機薄膜フィルタ１２０５（もしくは有機フィルタ１２０５）からなる光学フィルタ３４が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
【００５８】
第１１の実施の形態によれば、多層膜と無機薄膜フィルタ１２０５（もしくは有機フィルタ１２０５）とを組み合わせて多層膜光学フィルタ３２を構成するので、多層膜光学フィルタ３２の設計の自由度を確保する上で有利となる。したがって、所望の透過特性を有するバンドパスフィルタを簡単かつ確実に実現する上で有利となる。
また、図１７（Ａ）に示す多層膜光学フィルタ１０と、（Ｂ）に示すハイブリッド型の多層膜光学フィルタ３２と、（Ｃ）に示す光学フィルタ３４とを適宜組み合わせることによって２次元の固体撮像素子を構成できることは無論である。その場合は、固体撮像素子の設計の自由度を確保する上で有利となる。
【００５９】
（第１２の実施の形態）
次に第１２の実施の形態について説明する。
第４の実施の形態（図８、図９）で説明したように、各スペーサ層６０４、６０５、６０６を、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率を有するもので構成する場合においては、スペーサ層の屈折率を調整する必要がある。
この場合、以下に説明するサブ波長構造体を用いて各スペーサ層を構成することによりスペーサ層の屈折率の調整を簡単かつ確実に行うことができる。
【００６０】
図１８は、第１２の実施の形態の多層膜光学フィルタ１０の構成を示す断面図、図１９は各サブ波長構造体の構造を示す斜視図である。なお、図面の簡略化を図るために各サブ波長構造体１６０４乃至１６１２が平面状に延在しているものとして示したが、実際には、各サブ波長構造体は多層膜と同様に球面状を呈している。
図１８、図１９に示すように、スペーサ層６０４、６０５、６０６は、サブ波長構造体１６０４乃至１６１２で構成されている。
言い換えると、スペーサ層６０４、６０５、６０６は、互いに異なる屈折率を有し、かつ、透過する電磁波波長よりも小さい寸法で２種類の媒質を、１次元にあるいは２次元に配置されたサブ波長構造体で構成されている。
図１８、図１９においては、サブ波長構造体の構造例として、３種類を示しており、第１の種類がサブ波長構造体1604、1605、1606であり、第２の種類がサブ波長構造体1607、1608、1609であり、第３の種類がサブ波長構造体1610、1611、1612である。
【００６１】
まず、スペーサ層６０４、６０５、６０６として、第１の種類のサブ波長構造体1604、1605、1606を用いる場合について説明する。
サブ波長構造体1604、1605、1606の厚さ方向をＺ軸、厚さ方向と直交する平面上で直交する２つの軸をＸ軸、Ｙ軸とする。
本実施の形態では、サブ波長構造体1604、1605、1606は、Ｘ軸およびＹ軸の２方向に、互いに異なる屈折率を有する２種類の媒質を電磁波波長よりも優位に小さいスケール（寸法）で周期的に配置した構造である。
【００６２】
図１８において、白抜きで示す部分と、細かい点を付して示した部分とが互いに屈折率が異なる２種類の媒質を示す。以下説明の便宜上、白抜きで示す媒質を第１媒質４０Ａと、細かい点を付して示した媒質を第２媒質４０Ｂとして説明する。
ここで、電磁波波長よりも優位に小さいスケールとは、典型的には、媒質中の電磁波波長の半分以下の寸法であり、理想的には電磁波波長の1/10程度の寸法まで２種類の媒質を微細構造化できると、尚好適である。
このように構成されたサブ波長構造体1604、1605、1606は、電磁波の広がりよりも優位に小さいスケールで屈折率が変化する。
【００６３】
したがって、サブ波長構造体1604、1605、1606を透過する電磁波が感じる実効的な屈折率は、２種類の媒質の体積密度の割合によって決まる平均的な屈折率と等しくなる。
そのため、サブ波長構造体1604、1605、1606に示すように、サブ波長構造体を構成する２種類の媒質４０Ａ，４０Ｂの割合を変えることで、サブ波長構造体の屈折率を調整することができる。
より詳細には、サブ波長構造体1604、1605、1606の場合には、２種類の媒質４０Ａ，４０ＢがＸ軸方向、Ｙ軸方向に沿って分割された立方体形状を呈している。
サブ波長構造体1604、1605、1606は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸方向の周期構造により、屈折率を変化させている。
すなわち、第１の種類のサブ波長構造体1604、1605、1606における媒質４０Ａ，４０Ｂの体積の割合は、１：０、１：１、０：１となっており、屈折率もそれら割合に応じて決定されることになる。
【００６４】
第２の種類のサブ波長構造体1607、1608、1609の場合は、２種類の媒質４０Ａ，４０ＢがＸ軸方向、Ｙ軸方向に沿って分割された立方体形状を呈している点は第１の種類のサブ波長構造体と同様である。しかしながら、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向のいずれか１軸方向の周期構造により、屈折率を変化させている点が第１の種類のサブ波長構造体と異なっている。
図示するように、第２の種類のサブ波長構造体1604、1605、1606における媒質４０Ａ，４０Ｂの体積の割合は、３：１、１：１、１：３となっており、屈折率もそれら割合に応じて決定されることになる。
【００６５】
また、第３の種類のサブ波長構造体1610、1611、1612の場合は、２種類の媒質４０Ａ，４０Ｂが同心円状に交互に配置されており、したがって、同心円状の屈折率周期構造で、屈折率を変化させている。
図示するように、２種類の媒質４０Ａ，４０Ｂの割合を変化させることで屈折率もそれら割合に応じて決定されることになる。
【００６６】
（第１３の実施の形態）
次に第１３の実施の形態について説明する。
第１３の実施の形態は、本発明の多層膜光学フィルタ１０と、偏光フィルタ５０との双方を２次元固体撮像素子に設けた場合について説明する。
図２０は第１３の実施の形態における多層膜フィルタ１０と偏光フィルタ５０との双方を設けた２次元固体撮像素子の断面図である。
図２０に示すように、固体撮像素子８は２次元平面上に配列された複数の画素Ｐ１、Ｐ２、……を有している。
そして、各画素には、多層膜光学フィルタ１０および偏光フィルタ５０の何れかが設けられ、したがって、多層膜光学フィルタ１０および偏光フィルタ５０は２次元平面上に配置される。
【００６７】
多層膜光学フィルタ１０および偏光フィルタ５０は、例えば、千鳥状に１画素毎に配置されるなど、多層膜光学フィルタ１０および偏光フィルタ５０の配置パターンは限定されない。
偏光フィルタ５０は、多層膜状の偏光素子で構成されている。
各偏光素子は可視波長よりも小さい周期のノコギリ状の溝構造を有する構造体である。
上方から入射した光は、ノコギリの１つの刃に相当する凸部５２に入射するが、凸部を構成する平面からみると、入射する光は斜めに照射されることになる。
斜め入射光のTE波とTM波とでは、TE波が効率よく反射されるので、TM波成分に相当する偏光成分が選択的に透過することになる。
このように、２次元平面上に配列された多層膜光学フィルタ１０を透過した光が固体撮像素子８の画素によって検出されることで色情報が取得される。これと同時に、２次元平面上に配列された偏光フィルタ５０を透過した光が固体撮像素子８の画素によって検出されることで偏光の強度や偏光の方向の情報が取得される。
【００６８】
したがって、第１３の実施の形態によれば、色情報と偏光の強度や偏光の方向の情報とを得ることができ、それら色情報と偏光の強度や偏光の方向の情報とを利用することにより撮像した画像情報に対してさまざまな処理を行う上で有利となる。
上記処理としては、例えば、撮像後の画像から画素毎に、偏光を除去する処理、偏光の強調を行う処理、偏光の取り出しを行う処理などが挙げられる。
【００６９】
（第１４の実施の形態）
【００７０】
次に第１４の実施の形態について説明する。
第１４の実施の形態は、本発明の多層膜光学フィルタ１０を備えた２次元固体撮像素子におけるフィルタ配列の具体的な構成について説明する。
図２１（Ａ）は多層膜光学フィルタ１０によって透過光をＲ，Ｇ，Ｂの３つの波長帯域に分離する一般的なＲＧＢフィルタの配列構造を示す説明図、（Ｂ）はこのＲＧＢフィルタにおける波長と透過率との関係を示す線図である。
図２１（Ａ）は、多層膜光学フィルタ１０を備えた２次元固体撮像素子のうち縦４画素、横４画素で構成された部分を取り出したものである。
この多層膜光学フィルタ１０は、Ｒ（波長650nm)、Ｇ（波長550nm)、Ｂ（波長450nm)の波長の光をそれぞれ透過する３種類の多層膜が千鳥格子状に配列されている。
ここで色配列の１ユニットは、縦２画素、横２画素であり、１ユニット（４画素）についてＧを透過する多層膜が２画素分設けられている。
【００７１】
図２２（Ａ）は多層膜光学フィルタ１０によって透過光を７つの波長帯域に分離するフィルタの配列構造を示す説明図、（Ｂ）はこのフィルタにおける波長と透過率との関係を示す線図である。
すなわち、この多層膜光学フィルタ１０では、波長400[nm]〜700[nm]までを50[nm]ステップで7波長に分類した場合の実施例であり、横２画素、縦４画素の合計８画素で１ユニットを構成する。
１ユニットは、G(波長550nm)を透過する多層膜が２画素分、それ以外の６種類の波長を透過する多層膜が６画素分であり、８画素１ユニットで７色の波長情報を取得することができる。
なお、これら色配列の配置は、あくまで一例であり、多層膜の配列構造、言い換えると、フィルタの色配列は任意である。
【００７２】
すなわち、本発明の多層膜光学フィルタによれば、多層膜に球面状部２０を設けることで、垂直入射光でも斜め入射光でも多層膜の光学膜厚を正確にλ/4にそろえることが可能となる。そのため、結果としてシャープな透過特性を有するバンドパスフィルタを実現することができる。
人間の目は可視波長をＲＧＢの3色程度にしか分光できないが、上記のようにシャープな透過特性を有するバンドパスフィルタを実現できるので、50[nm]〜100[nm]といった狭帯域の色フィルタが容易に実現可能となる。
したがって、より正確な色表現や2次元撮像素子で分光プロファイルを得る上で有利となる。
【００７３】
（第１５の実施の形態）
次に第１５の実施の形態について説明する。
第１５の実施の形態では、多層膜光学フィルタ１０の作製方法について説明する。
本発明の多層膜光学フィルタ１０はスパッタデポジションとバイアススパッタリングを組み合わせることで、自己相似的な多層膜構造を積層する。
それにより高精度で多層膜を実現し高い透過特性を示す光学フィルタとして機能する。
自己相似的に複数の薄膜を歪みなく積層するには、バイアス条件を適切に調整する必要があり、そのためには自己クローニング技術が優れた手法として知られている（例えば特許3325825号）。
以下では自己クローニング技術により本光学フィルタを作製する方法を示す。
ただし作製方法は、曲率を持つ多層膜構造を精度よく実現できるのであれば、自己クローニング法には限定はせず、それ以外の製造方法での本光学フィルタの実現を何ら制限するものではない。
【００７４】
まず多層膜のベースとなる構造を、基板上に電子ビームリソグラフィ、フォトリソグラフィ、干渉露光法、エッチングなどの技術により作製する。
エッチングは異方性ドライエッチングが好ましく、エッチングに用いるガスは四フッ化メタン(CF4)系のエッチングガスが好適である。
その他、六フッ化硫黄、トリフルオロメタン、二フッ化キセノンなども好適である。その他、電子ビームリソグラフィにより基本構造のナノスタンパを作製し、ナノインプリント技術により構造を転写しても構わない。
【００７５】
次にフォトニック結晶（第１、第２誘電体層）を実現するために、低屈折率の媒質と高屈折率の媒質による積層構造をバイアススパッタリングとスパッタデポジションを組み合わせて交互に積層する。
ここで、可視波長帯域における低屈折率の媒質としては、酸化シリコン（SiO2）およびSiO2を主成分とする複合素材が好適である。
その他にフッ化マグネシウム（MgF2）なども低屈折率の媒質として用いることができる。高屈折率の媒質としては、窒化シリコン（Si3N4）, 酸化チタン（TiO2）, 酸化タンタル（Ta2O5）, 酸化ジルコニウム（ZrO2）, 酸化ニオブ(Nb2O5), 酸化ハフニウム（HfO2）などの酸化物、窒化物が好ましい。
また、近赤外線波長域を透過させる光学素子として本フィルタを用いる場合は、Si, Geなどを用いることができる。
これらの低屈折率素材と高屈折率素材を、基本構造を保ちながら透過させる光の波長λの１／４の光学膜厚で交互に積層させる。
【００７６】
バイアススパッタリングにより自己相似的な構造を実装する方法を示す。
ここで、バイアススパッタリングとは、スパッタリングによる成膜とスパッタエッチングを同時に進行させるプロセスを示す。
図２３は、バイアススパッタリング装置の概略を示す説明図である。
基板1805は、インピーダンス整合器1802を介して高周波電源1801に接続される。またターゲット1806も同様にインピーダンス整合器1804を介して高周波電源1803に接続される。
ここで高周波電源とは、一般に13.56MHzであることが多い。真空デュワー1807中には、不活性ガス（たとえばArガス）を主成分とする混合ガスを充填し、典型的には0.1〜10mTorr程度のガス圧力が好適である。
ターゲット1806および基板1805に高周波電源を供給することでプラズマを生成させる。
ターゲット1806に交流電圧を印加することで、探針特性の非線形性による直流バイアス（自己バイアス効果）がかかりターゲット1806は時間平均で負電位になる。
したがって正電荷を持つ気体イオンは電位差による運動エネルギーを獲得してターゲット1806に衝突する。
この反応によりターゲット物質の表面の原子・分子が飛散し、その物質粒子が基板1805に付着して基板上に薄膜が積層される。
【００７７】
一方で、基板1805にも高周波電源1801とインピーダンス整合器1802が接続されている。
そのため、基板1805に供給する電力、ガスの種類、圧力を調整することで、衝突するイオンの種類、運動エネルギーの大小、スパッタリングの効果を制御することができる。
スパッタリングによる成膜効果を伴わない、単独のスパッタエッチングを行う場合には、基板1805のみに高周波電源を供給すれば良い。
これらのプロセスにより整形された膜を形成し、所望の形状を維持・実現することができる。
なお、ここではスパッタリングとエッチングとを同時進行するバイアススパッタリングによる製造法を示したが、当然ながらスパッタリングにより成膜を行い、その後にドライエッチングやプラズマエッチング工程により整形する手順を踏んでも構わない。
【００７８】
自己クローニング法により自己相似的な形状を３次元的に高精度で整形できる理由は、（１）ターゲットからの中性粒子の分散入射による堆積、（２）Arイオンの垂直入射によるスパッタエッチング、（３）堆積粒子の再付着の３つの作用で説明できる。
微細構造を有する多層膜を成膜する場合を考える。
成膜に用いられる入射粒子は有限の広がりを持って基板に衝突するので、基板が急峻な凹凸構造を有する場合は、凹部は凸部によって部分的に遮蔽される効果が発生する。
そのため凹部の底には屈曲（キンク）が生じてしまう。
一方、成膜には空間から粒子が直接入射する成分（１次効果）と、膜に一端付着もしくは衝突した粒子がスパッタエッチングや反跳により飛び出し、その膜粒子もしくはエッチングガス粒子が再度入射する成分とがあると考えられている（2次効果）。
これらの２次効果の影響は凸部よりも凹部で顕著であるので、前述の遮蔽効果を打ち消す要因となる。このように上記３つの作用のバランスを最適化することで、定常的な構造を維持しながら多数膜構造を精度よく実現することができる。
【００７９】
ここで、多層膜の作製条件の一例は、たとえば以下のようなパラメータが好適である。
Si3N4層の成膜では、ガス圧=0.3[Pa]、ターゲット1806への印加高周波電力は300〜400[W]。
SiO2層の成膜には、ガス圧=0.8[Pa]、ターゲット1806への印加高周波電力は300〜400[W]。
スパッタエッチングはSiO2層の成膜前後に行い、ガス圧0.3[Pa]、基板1805への印加高周波電力は、50〜100[W]程度。
上記の条件はあくまで一例であり、多層膜を構成する媒質、ガス圧、印加電力、ガス流量などによって調整が必要である。
【００８０】
なお、本発明の多層膜光学フィルタ１０の球面状部２０を構成する多層膜は、急峻な凹凸変化は少ない構造であるので、自己クローニング法に限らずとも、通常のスパッタリングによる成膜と、エッチングによる加工を交互に繰り返すことでも作成可能である。
更に詳細な自己クローニング技術を用いたフォトニック結晶の作成方法に関しては、特許第3325825号で開示されている。
【００８１】
次に多層膜の間のスペーサ層の作製方法について概説する。
ここでは多層膜光学フィルタが3色のバンドパスフィルタを構成する場合、すなわち、多層膜光学フィルタの透過波長帯域がＲＧＢである場合を示す。
まず３色成分に相当するバンドパスフィルタのスペーサ層のなかで、厚さが最大のスペーサ層（１）に相当する膜厚を成膜する。
次に成膜されたスペーサ層を第２の色成分に応じた膜厚（２）にするために、スペーサ層に第１のレジストを塗布し、相当する画素部分のみエッチングで膜厚を整える。
その後、第１のレジストを除去したうえで、第２のレジストを塗布し、第３の色成分に応じた膜厚（３）を得るためにエッチングを行う。
その後、第２のレジストを除去する。スペーサ層のエッチングは異方性ドライエッチングが好適である。
【００８２】
スペーサ層を異なる屈折率を有する媒質で実現する場合は、例えばSiO2, Si3N4, TiO2など異なる複数種類のスペーサ層をスパッタリングにより成膜し、エッチングにより膜厚を整えることで実現できる。
更に、スペーサ層を低屈折率媒質と高屈折率媒質とのサブ波長スケール周期構造で実現する場合は、低屈折率部分のスペーサ層をスパッタリングにより成膜したうえで、サブ波長の周期構造に相当するマスクパターンのレジストを塗布し、エッチングを行う。
その上でレジストを除去し、次に高屈折率媒質をスパッタリングで成膜する。その後、エッチングにより層形状を整えることで、高屈折率媒質と低屈折率媒質のサブ波長構造を有するスペーサ層を実現する。
スペーサ層を実現したあとは、さらに上層にバイアススパッタリングによる多層膜を形成することで多層膜光学フィルタを実現できる。
【００８３】
（第１６の実施の形態）
次に第１６の実施の形態について説明する。
第１６の実施の形態では、本発明の多層膜光学フィルタ１０を設けた固体撮像素子８を、デジタルスチルカメラなどの撮像装置に適用した場合について図２４を参照して説明する。
図２４に示すように、撮像装置４００は、撮像光学系３００、撮像部３１０、システムコントロール部３２０、駆動制御部３３０、メモリ媒体３４０、走査パネル部３５０、ディスプレイ３６０などを含んでいる。
【００８４】
撮像光学系３００は、鏡筒内に配置されたズームレンズ３０１や絞り機構３０２等を含み、イメージセンサの受光部に被写体像を結像させるものである。
撮像光学系３００は、システムコントロール部３２０の指示に基づく駆動制御部３３０の制御により、各部を機械的に駆動してオートフォーカス等の制御が行われる。
【００８５】
撮像部３１０は、本発明の多層膜光学フィルタ１０を備える固体撮像素子８を用いて被写体の撮像を行うものであり、撮像信号（画像信号）をメイン基板に搭載されたシステムコントロール部３２０に出力する。
すなわち、撮像部３１０では、上述したイメージセンサの出力信号に対し、ＡＧＣ（自動利得制御）、ＯＢ（オプティカルブラック）クランプ、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）、Ａ／Ｄ変換といった処理を行い、デジタル撮像信号を生成して出力する。
【００８６】
システムコントロール部３２０には、ＣＰＵ３２１、ＲＯＭ３２２、ＲＡＭ３２３、ＤＳＰ３２４、外部インターフェース３２５等が設けられている。
ＣＰＵ３２１は、ＲＯＭ３２２及びＲＡＭ３２３を用いて本撮像装置の各部に指示を送り、システム全体の制御を行う。
ＤＳＰ３２４は、撮像部３１０からの撮像信号に対して各種の信号処理を行うことにより、所定のフォーマットによる静止画または動画の映像信号（例えばＹＵＶ信号等）を生成する。
外部インターフェース３２５には、各種エンコーダやＤ／Ａ変換器が設けられ、システムコントロール部３２０に接続される外部要素（本例では、ディスプレイ３６０、メモリ媒体３４０、操作パネル部３５０）との間で、各種制御信号やデータをやり取りする。
【００８７】
メモリ媒体３４０は、例えば各種メモリカード等に撮影された画像を適宜保存しておけるものであり、例えばメモリ媒体コントローラ３４１に対してメモリ媒体を交換可能なものとなっている。メモリ媒体３４０としては、各種メモリカードの他に、磁気や光を用いたディスク媒体等を用いることができる。
操作パネル部３５０は、本撮像装置で撮影作業を行うに際し、ユーザが各種の指示を行うための入力キーを設けたものであり、ＣＰＵ３２１は、この操作パネル部３５０からの入力信号を監視し、その入力内容に基づいて各種の動作制御を実行する。
ディスプレイ３６０は、本撮像装置に組み込まれた例えば液晶パネル等の小型表示器であり、撮像した画像を表示する。
【００８８】
（第１７の実施の形態）
次に第１７の実施の形態について説明する。
第１７の実施の形態では、本発明の多層膜光学フィルタ１０を表示装置に適用した場合について図２５を参照して説明する。
図２５は、テレビジョン装置などの電子機器７０の構成を示すブロック図である。
電子機器７０は、表示装置６０と、第１画像処理部７１と、バッファーメモリ７２と、第２画像処理部７３と、画像圧縮部７４と、ストレージ部７５と、マイクロプロセッサ７７と、バックライト制御部７８と、タイミング制御部７９とを含んで構成されている。
第１画像処理部７１は入力信号を受け付けて所定の信号処理を行う。
バッファーメモリ７２は画像処理部７１から供給される画像信号を取り込む。
第２画像処理部７３はバッファメモリ７２から供給される画像信号を受け付けて所定の信号処理を行う。
画像圧縮部７４は、バッファメモリ７２から供給される画像信号を所定の圧縮方式で圧縮する。
ストレージ部７５は、画像圧縮部７４で圧縮された画像信号を記録媒体７６に記録する。
バックライト制御部７８は表示装置６０のバックライト６１の輝度を制御する。
タイミング制御部７９は表示装置６０の液晶パネル６２の各画素を画像信号に基づいて変調する。
マイクロプロセッサ７７は、ユーザーインターフェイス制御部８０を介して供給される制御信号を受け付けて各部７２、７３、７４、７５、７８、７９を制御する。
【００８９】
表示装置６０は、バックライト６１、液晶パネル６２、フィルタアレイ６３を含んで構成されている。
バックライト６１は白色光を液晶パネル６２の背面に照射するものである。
液晶パネル６２は、バックライト６１によって照射される光を画素毎に変調するものである。
すなわち、バックライト６１および液晶パネル６２によって画素毎に輝度が変調された輝度画像を生成する輝度画像生成手段が構成されている。
フィルタアレイ６３は、液晶パネル６２によって変調された各画素の光をＲ，Ｇ，Ｂの各色の光に変換するものであり、本発明の多層膜光学フィルタ１０によって構成されている。
すなわち、フィルタアレイ６３は、前記輝度画像を形成する光を画素毎に予め設定された波長毎に選択的に透過させるものである。
したがって、バックライト６１から照射された白色光が液晶パネル６２によって画素毎に変調された輝度画像がフィルタアレイ６３によってＲ，Ｇ，Ｂの各色の光に変換されることによりカラー画像が表示装置６０によって表示される。
なお、輝度画像生成手段は、バックライト６１および液晶パネル６２で構成されるものに限定されるものではなく、画素毎に設けられた発光ＬＥＤによって構成されるなど従来公知のさまざまな構成が採用可能である。
【００９０】
（第１８の実施の形態）
次に第１８の実施の形態について説明する。
第１８の実施の形態では、本発明の多層膜光学フィルタ１０を通信装置に適用した場合について図２６を参照して説明する。
図２６は、通信装置９０の構成を示すブロック図である。
通信装置９０は光信号を入出力することによって通信を行う装置である。
通信装置９０は、光信号検出部９１と、画像処理部９２と、画像圧縮部９３と、ストレージ部９４と、マイクロプロセッサ９５と、バッファーメモリ９６と、ユーザーインターフェース制御部９７と、ＬＥＤ光源制御部９８と、光信号送信部９９とを含んで構成されている。
光信号検出部９１は、光信号を受信して電気信号としての画像信号に変換するものであり、光信号に含まれる光のうち特定の波長の光を選択的に透過させるフィルタを有しており、このフィルタとして本発明の多層膜光学フィルタ１０が用いられる。
画像処理部９２は、光信号検出部９１から供給される画像信号を受け付けて所定の信号処理を行う。
画像圧縮部９３は、画像処理部９２から供給される画像信号を所定の圧縮方式で圧縮する。
ストレージ部９４は、画像圧縮部９３で圧縮された画像信号を記録媒体１００に記録する。
バッファメモリ９６は、画像処理部９２から供給される画像信号を取り込む。
マイクロプロセッサ９５は、ユーザーインターフェイス制御部９７を介して供給される制御信号を受け付けて各部９１、９２、９３、９４、９５、９６、９８を制御する。
ＬＥＤ光源制御部９８は、マイクロプロセッサ９５の制御に従って光信号送信部９９に制御信号を供給する。
光信号送信部９９は、ＬＥＤ光源制御部９８から供給される制御信号に基づいて光源としてのＬＥＤに電気信号を供給することでＬＥＤ駆動し、光信号を送信させる。
光信号送信部９９は、送信する光信号のうち特定の波長の光を選択的に透過させるフィルタを有しており、このフィルタとして本発明の多層膜光学フィルタ１０が用いられる。
【符号の説明】
【００９１】
８……固体撮像素子、１０……多層膜光学フィルタ、１２……第１誘電体層、１４……第２誘電体層、２０……球面状部、６０……表示装置、９０……通信装置、４００……撮像装置。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2011022432.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2011022432.tif 000022
【図２１】
2011022432.tif 000023
【図２２】
2011022432.tif 000024
【図２３】
2011022432.tif 000025
【図２４】
2011022432.tif 000026
【図２５】
2011022432.tif 000027
【図２６】
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