(57)【要約】【課題】小型でアライメントが容易であり、光の利用効率の向上を図ることが可能となる入射光を色分解する分光装置を提供する。【解決手段】入射光を色分解する分光装置であって、  導波層の上層に形成された、前記入射光における特定の波長の光に対応する第１の回折格子と、  前記導波層の下層における前記第１の回折格子との対向位置と異なる位置に形成された、前記特定の波長の光に対応するプラズモン共鳴を励起する金属微粒子構造を備えた第２の回折格子と、を備え、  前記第１の回折格子に入射し、前記第２の回折格子から取り出される前記入射光における特定の波長の光と、  前記第１の回折格子に入射し、前記導波層で導波光に変換されずにそのまま透過する前記入射光における特定の波長の光以外の波長の光と、  の混色を、前記プラズモン共鳴による選択的な反射によって抑制し、前記入射光を色分解する構成とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を色分解する分光装置であって、
導波層の上層に形成された、前記入射光における特定の波長の光に対応する第１の回折格子と、
前記導波層の下層における前記第１の回折格子との対向位置と異なる位置に形成された、前記特定の波長の光に対応するプラズモン共鳴を励起する金属微粒子構造を備えた第２の回折格子と、を備え、
前記第１の回折格子に入射し、前記第２の回折格子から取り出される前記入射光における特定の波長の光と、
前記第１の回折格子に入射し、前記導波層で導波光に変換されずにそのまま透過する前記入射光における特定の波長の光以外の波長の光と、
の混色を、前記プラズモン共鳴による選択的な反射によって抑制し、前記入射光を色分解することを特徴とする分光装置。
【請求項２】
前記第１の回折格子が、特定の複数の波長の光に対応する回折格子であり、
前記第２の回折格子が、前記特定の複数の波長の光のうちの１つの波長の光に対応する回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項３】
前記第２の回折格子が、前記特定の複数の波長の光のうちの１つの波長の光以外の波長の光を反射させる構造を備えていることを特徴とする請求項２に記載の分光装置。
【請求項４】
前記第１の回折格子が、同心円状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分光装置。
【請求項５】
前記第１の回折格子が、正方格子状に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の分光装置。
【請求項６】
前記第１の回折格子が、三角格子状に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を色分解する分光装置に関する
【背景技術】
【０００２】
従来、イメージセンサやイメージプロジェクタにおいて、可視光を色分解し、あるいは色合成する手段として、ダイクロイックミラーやプリズムが用いられてきた（特許文献１）。
また、イメージセンサにおいて、平面内で色分解を行う手段として、カラーフィルタアレイが用いられてきた（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０８−０８６９９４号公報
【特許文献２】米国特許第３９７１０６５明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した従来例の色分解や色合成する手段はつぎのような課題を有している。
例えば、色分解や色合成に特定の波長の光を選択的に反射するようにしたダイクロイック膜とプリズムを組み合わせたダイクロイックプリズムによる場合には、プリズムの大きさによって装置が大型化することとなる。
また、高い精度が要求されるために、製造コストが高くなる。
また、カラーフィルタアレイを用いた場合には、光の利用効率が低下するという点に問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、小型でアライメントが容易であり、光の利用効率の向上を図ることが可能となる入射光を色分解する分光装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、つぎのように構成した分光装置を提供するものである。
本発明の分光装置は、入射光を色分解する分光装置であって、
導波層の上層に形成された、前記入射光における特定の波長の光に対応する第１の回折格子と、
前記導波層の下層における前記第１の回折格子との対向位置と異なる位置に形成された、前記特定の波長の光に対応するプラズモン共鳴を励起する金属微粒子構造を備えた第２の回折格子と、を備え、
前記第１の回折格子に入射し、前記第２の回折格子から取り出される前記入射光における特定の波長の光と、
前記第１の回折格子に入射し、前記導波層で導波光に変換されずにそのまま透過する前記入射光における特定の波長の光以外の波長の光と、
の混色を、前記プラズモン共鳴による選択的な反射によって抑制し、前記入射光を色分解することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、小型でアライメントが容易であり、光の利用効率の向上を図ることができ、イメージセンサやイメージプロジェクタに適用可能な入射光を色分解する分光装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態における分光装置の構成を説明する図である。
【図２】本発明の実施例１における分光装置の構成を説明する図である。
【図３】本発明の実施例１における分光装置の構成を説明する図である。
【図４】本発明の実施例２における分光装置の構成を説明する図である。
【図５】本発明の実施例２における分光装置の構成を説明する図である。
【図６】本発明の実施例２における分光装置の構成を説明する図である。
【図７】本発明の実施例３における分光装置の構成を説明する図である。
【図８】本発明の実施例３における分光装置の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
導波路に光を入射させる方法として、回折格子を用いる方法が知られている。
入射光は回折格子によって様々な方向に散乱されるが、周期配列のために、ある波長に対して特定の方向へ散乱される光のみが強め合う。
それらの光のうち、導波路内で定在波を形成できる方向を持った光が導波モードに結合される。
これは、１次元の導波路に限らず、２次元の面内導波路に光を入射させることも可能である。
本発明は、このような原理を用いて、入射光を色分解する分光装置を構成したものである。
【００１０】
以下に、本実施形態における分光装置の構成例を、図１を用いて説明する。
図１には光が上面から入射する場合について示されている。入射光１０１が導波層１０５の上層に形成された回折格子１０２、１０３、１０４に入射する。
一例として、例えば入射光１０１が第１の回折格子を構成する回折格子１０３に入射し、Ｇの光を受光する画素の上の構造で説明する。
その際、入射光１０１は、Ｒ、Ｂの光を導波モードに結合する回折格子１０３に入射し、Ｒ、Ｂの光は導波光１０７、１０８となる。
導波層１０５の下層には、プラズモン共鳴体を兼ねる回折格子からなる１０９、１１０、１１１が形成されている。
導波層内の導波光は、第１の回折格子との対向位置と異なる位置に形成された、第２の回折格子を構成するＢを取り出す回折格子１０９によって、Ｂの光１１２として下側に取り出される。
あるいは、第１の回折格子との対向位置と異なる位置に形成された、第２の回折格子を構成するＲを取り出す回折格子１１１によってＲの光１１４として、下側に取り出される。
これに対して、上記のＲ、Ｂの光以外の光であるＧの光１１３は、上面の回折格子で導波光に変換されずにそのまま透過する。
以上ではＧの光を受光する画素上の構造で説明したが、これらはＲの光を受光する場合や、Ｂの光を受光する場合についても同様である。
【００１１】
以上に述べたような動作によって、入射光をモザイク状のカラーフィルタで色分解する際に、隣接する画素へ入射した光の利用効率を高めることが可能となる。
なお、上面の回折格子で、所望の波長の光を高い結合効率で導波モードに結合できない場合もある。その場合、Ｇの光の信号中にＲやＢの光が混じることになり、色分解の精度が低下する恐れがある。
そのため、下面の回折格子１０９、１１０、１１１を、照射される光の波長以下の大きさの金属微粒子（ドット）や細線（グリット）によるプラズモン共鳴を励起する金属微粒子構造を備えた構成とする。
これにより、プラズモン共鳴による選択的な反射が生じ、導波層との結合効率を高めつつ混色を抑制ことが可能となる。
プラズモン共鳴とは、金属中の自由電子のプラズマ振動と光が、金属の界面で結合することで生じる共鳴現象であり、その共鳴は、構造によって決まる特定の波長に対して生じる。
金属ドットに光が入射すると、共鳴波長の光は金属ドットから再放射される結果として、選択的に反射される。
そのため、金属ドットは透過光に対してバンドエリミネーションフィルタとして用いることができる。
【実施例】
【００１２】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した分光装置の構成例を、図２および図３を用いて説明する。
図２および図３には、上面から見て、画素のフォトダイオードの位置に対応してＲ、Ｇ、Ｂの光を分解する構造（２０１、２０２、２０３）がモザイク状に配列された構成が示されている。
中央のＲ−Ｇ−Ｒとなる破線の部分での断面を下に示す。Ｇの画素に対応する構造に入射した、Ｒ、Ｇ、Ｂ全てを含む入射光２０４は、上面の構造２０５に入射する。
上面の構造は図３の３０１に示すように、Ｘ方向とＹ方向が、特定の複数の波長の光であるＲの光とＢの光を導波層２０６の導波モードに結合するピッチをなしている。
例えば、導波層を厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2（ｎ＝１．４６）、導波層の上下を空気（ｎ＝１）とした場合、つぎのような回折格子のピッチもとでの波長の光が、導波光に結合されるものと見積もられる。
すなわち、回折格子のピッチが３１８ｎｍで波長４５０ｎｍの光と、回折格子のピッチが３９３ｎｍで波長５５０ｎｍの光と、回折格子のピッチが４７０ｎｍで波長６５０ｎｍの光が、導波光に結合されるものと見積もられる。
そのため、Ｒの光２０７はＸ方向への導波モードへ結合され、Ｂの光２０８はＹ方向への導波モードに結合される。
このような上面の構造２０５は、正方格子状に配列された回折格子、あるいは三角格子状に配列された回折格子よって構成することができる。
Ｒ、Ｂの光以外の、Ｇの光２０９はそのまま直進する。ＲやＢの光のうち、０次光やＰ偏光成分は導波モードへの結合効率が低い。
そのため、Ｇの光の中にＲとＢの光が混入し、色分解の精度が低下する恐れがある。
【００１３】
図３の３０２に示すように、導波層下面の構造２１０は金属ドットからなるプラズモン共鳴体としての性質を持たせることで、選択的な反射が生じ、導波層への結合効率を高めつつ混色を防ぐことができる。
このような金属ドットは、例えば、２４０×１２０ｎｍの長方形Ａｕドットは長軸、短軸方向にそれぞれ９６０ｎｍ、６８０ｎｍ付近にプラズモン共鳴に起因するピークをもつことが知られている。これらは非特許文献であるプラズモンナノ材料の設計と応用技術  シーエムシー出版（２００６）に、詳細に開示されている。
この共鳴ピーク波長は構造によって変化する。回折格子の形状を工夫することによっても、Ｐ偏光の結合効率を高めることができる。
導波モードと結合したＲの光は導波層内のＸ方向へ伝搬するが、隣接する領域の、下側の構造がＲの光を外部に取り出す構造となる領域において下方に取り出される。
同様に、導波モードと結合したＢの光はＹ方向へ伝播するが、隣接する領域の、下側の回折格子がＢの光を外部に取り出す構造となる領域において、下方に取り出される。
必要に応じて、回折格子よりも入射側にマイクロレンズ２１２を配置してもよい。
本実施例の構成によれば、、アライメントが容易かつ小型で、光を有効利用することができるイメージセンサやイメージプロジェクタの実現が可能となる。
【００１４】
［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の分光装置の構成例を、図４、図５を用いて説明する。
図４、図５には、上面から見て、画素のフォトダイオードの位置に対応してＲ、Ｇ、Ｂの光を分解する構造（４０１、４０２、４０３）がモザイク状に配列された構成が示されている。
中央のＲ−Ｇ−Ｒとなる破線の部分での断面を下に示す。Ｇの画素に対応する構造に入射した、Ｒ、Ｇ、Ｂ全てを含む入射光４０４は、上導波層上面の構造４０６に入射する。
上導波路層上面の構造は図５の５０１に示すように、Ｘ方向とＹ方向が、それぞれＲの光とＢの光を上導波層４０６の導波モードに結合するピッチをなしている。
そのために、主としてＳ偏光のＲの光４０８はＸ方向への導波モードへ結合され、主としてＳ偏光のＢの光４０９はＹ方向への導波モードに結合される。
Ｇの光はＰ偏光のＲ光と、Ｐ偏光のＢ光とは導波モードに結合することなくそのまま直進する。また、各色の０次光も直進する。
【００１５】
図５の５０２に示すように、上導波層下面の構造は、Ｘ、Ｙ方向とも、Ｇの光を取り出す構造となっている。
また、ＲとＢの光を反射させるプラズモン共鳴体となっているために、ＲとＢの光の０次光のうちＹ方向の偏光成分とＳ偏光を導波層内へと反射することで結合効率を高める。
上層の導波層の下には旋光素子４１２があり、上層導波層を抜けた光４１１は偏光方向が９０度変換される。
その後、下導波層４１３上面の構造４１４に入射する。Ｇの画素に対応する構造に入射する光は、Ｇの光、主としてＳ偏光のＲの光および主としてＳ偏光のＢの光である。
下導波路層上面の構造を図６の６０１に示すような、上導波路層上側と同様の構造をもつ。
そのために、下導波路層上側に入射した光は、主としてＳ偏光のＲの光４１５はＸ方向への導波モードへ結合され、主としてＳ偏光のＢの光４１６はＹ方向への導波モードに結合される。ほぼＧの光のみがそのまま直進する。
下導波層下側の構造を図６の６０２に示す。Ｇの光を導波層から取り出す構造となっていることで、隣接するＲやＢの画素に入射したＧの光を取り出すことができる。
この構造が金属ドットからなり、プラズモン共鳴体としての性質を持たせることで、選択的な反射が生じ、混色を防ぐことで正確な色分解ができる。
本実施例の構成によれば、、アライメントが容易かつ小型で、光を有効利用することができるイメージセンサやイメージプロジェクタの実現が可能となる。
【００１６】
［実施例３］
実施例３として、上記各実施例と異なる形態の分光装置の構成例を、図７および図８を用いて説明する。
図７および図８には、上面から見て、画素のフォトダイオードの位置に対応して、Ｒ、Ｂの光を分解する構造（７０１、７０２）がモザイク状に配列された分光装置が示されている。
Ｗの画素は輝度の信号を受光する画素であり、その上部の構造は光学的な相互作用がなく透明である。
中央斜めのＲ−Ｂ−Ｒとなる破線の部分での断面を下に示す。Ｂの画素に対応する構造に入射した、Ｒ、Ｇ、Ｂ全てを含む入射光７０３は、導波層７０４の上面の構造７０５に入射する。
【００１７】
図８の８０１に示すように、上導波路層上面の構造は同心円状の回折格子からなり、そのピッチはＲの光を導波モードに結合させる大きさとなっている。
そのために、Ｒの光７０６は導波モードに結合され導波層内を伝播する。このとき、回折格子が同心円状となっているために、全ての方向の偏光が導波光へと変換することが可能となる。
ＧとＢの光は導波モードに結合することなくそのまま直進する。
導波層下面の構造７０７が、８０２に示すように、画素の色に対応する波長の光を、すなわち、Ｂの画素に対応する導波層下側の構造は、Ｂの光を導波層から取り出す構造となっている。
これにより、Ｒ、Ｂの画素間において、それぞれの画素が利用しない光を隣接する画素に分配し、光の利用効率を向上させることができる。
また、Ｂの導波層下側の構造がプラズモン共鳴体となっていることで、選択的な反射が生じるために、導波層への結合効率を高めつつ混色を防ぐことができる。必要に応じて、回折格子よりも入射側にマイクロレンズ７１１を配置してもよい。
本実施例によれば、アライメントが容易かつ小型で、光を有効利用することができるイメージセンサやイメージプロジェクタの実現が可能となる。
【符号の説明】
【００１８】
１０１：入射光
１０２：Ｒ、Ｇの光を導波モードに結合する回折格子
１０３：Ｒ、Ｂの光を導波モードに結合する回折格子
１０４：Ｇ、Ｂの光を導波モードに結合する回折格子
１０５：導波層
１０７：Ｒ、Ｂの光
１０８：Ｒ、Ｂの光
１０９：Ｒ、Ｇの波長に対応するプラズモン共鳴体からなる、Ｂを取り出す回折格子
１１０：Ｒ、Ｂの波長に対応するプラズモン共鳴体からなる、Ｇを取り出す回折格子
１１１：Ｇ、Ｂの波長に対応するプラズモン共鳴体からなる、Ｒを取り出す回折格子
１１２：Ｂの光
１１３：Ｇの光
１１４：Ｒの光
【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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