(57)【要約】  プラズモンピクセル構造体は、基材と、それぞれが導電性コンポーネント及び誘電性コンポーネントを含むことによりナノアンテナとして機能するように構成された複数のナノスケール構造体とを備える。このナノスケール構造体５は、導電性コンポーネントとナノスケール構造体のサイズとに依存する共鳴周波数を有する。この導電性コンポーネントとナノスケール構造体のサイズとは、ナノスケール構造体によって反射又は透過されることが望まれる入射光の１又は複数の波長成分に応じて選択される１０。この導電性コンポーネントとナノスケール構造体のサイズとは、ナノスケール構造体がそれぞれ、色スキームに対応する共鳴周波数を有するように選択される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
それぞれが導電性コンポーネント及び誘電性コンポーネントを含むことによりナノアンテナとして機能するように構成された複数のナノスケール構造体とを備え、
前記ナノスケール構造体は、前記導電性コンポーネントと前記ナノスケール構造体のサイズとに依存する共鳴周波数を有し、
前記導電性コンポーネントと前記ナノスケール構造体のサイズとは、前記ナノスケール構造体によって反射又は透過されることが望まれる入射光の１又は複数の波長成分に応じて選択され、
前記導電性コンポーネントと前記ナノスケール構造体のサイズとは、前記ナノスケール構造体が、色スキームに対応する共鳴周波数をそれぞれ有するように選択されるプラズモンピクセル構造体。
【請求項２】
前記色スキームは複数の色を含む、請求項１記載の構造体。
【請求項３】
前記色スキームは前記ＣＭＹ色スキームを含む、請求項２記載の構造体。
【請求項４】
前記ナノスケール構造体はナノスケールダイポールを含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項５】
前記ナノスケール構造体は整列されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のセキュリティ形体。
【請求項６】
ナノスケール構造体を有さない前記ピクセル構造体の少なくとも１部分を含み、前記少なくとも１部分は、白に見えるように、又は彩度を減少させるように適合されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項７】
サイズが異なる前記ナノスケール構造体を含む前記ピクセル構造体の少なくとも１部分を含み、前記少なくとも１部分は、黒に見えるように、又は彩度を増加させるように適合されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項８】
前記ナノスケール構造体すべての前記導電性コンポーネントは、同一材料から形成されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項９】
前記導電性コンポーネントは、金属又は高濃度ドープ半導体を含む、請求項１から８のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１０】
前記導電性コンポーネントは、アルミニウム、銀、金、又は銅を含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１１】
前記導電性コンポーネントはアルミニウムである、請求項１から１０のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１２】
前記ナノスケール構造体はナノ空隙を含む、請求項１から１１のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１３】
前記ナノスケール構造体は、ナノ空隙を含む第１のダイポールと、前記第１のダイポールに対して相補的であり、前記第１のダイポールに対して前記基材の面に垂直な方向に変位されている第２のダイポールとを含むナノスケールダイポールを含む、請求項１から１１のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１４】
前記ナノスケール構造体の前記導電性コンポーネントはアルミニウムであり、前記ナノスケール構造体の少なくとも幾つかの長さは、１００ｎｍ、７０ｎｍ、及び５０ｎｍから実質的になる群から選択され、１００ｎｍはシアンに対応し、７０ｎｍはマゼンタに対応し、５０ｎｍはイエローに対応する、請求項１２又は１３に記載の構造体。
【請求項１５】
前記ナノ空隙の少なくとも幾つかは、異なる長さを有し、黒に対応する、請求項１４に記載の構造体。
【請求項１６】
前記異なる長さは５０ｎｍ及び８０ｎｍを含む、請求項１５に記載の構造体。
【請求項１７】
複数のサブピクセルを備え、前記ナノスケール構造体は、１つ以上のサブピクセル内に配置され、前記サブピクセルは、（ｉ）前記色スキームの１つ又は複数の成分を含む１つの色、（ｉｉ）白、又は（ｉｉｉ）黒にそれぞれ対応する、請求項１から１６のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１８】
４個、９個、１６個、２５個、又は３６個のサブピクセルを含む、請求項１７に記載の構造体。
【請求項１９】
前記サブピクセルの少なくとも１つは、前記色スキームの複数の成分を含む１つの色に対応する、請求項１７に記載の構造体。
【請求項２０】
前記サブピクセルの前記少なくとも１つは、複数の平行なストリップを含み、前記ストリップはそれぞれ、前記色スキームの異なる色に対応する、請求項１９に記載の構造体。
【請求項２１】
前記基材はＰＥＴ又は他のポリマー材料を含む、請求項１から２０のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項２２】
請求項１から２１のいずれか１項に記載のプラズモンピクセル構造体を複数含む画像。
【請求項２３】
請求項２２に記載の画像を含む書類。
【請求項２４】
機密書類のためのセキュリティ形体であって、請求項２３記載の画像を含むセキュリティ形体。
【請求項２５】
前記プラズモンピクセル構造体のそれぞれのナノスケール構造体は、ナノスケールダイポールを含み、整列されている、請求項２４に記載のセキュリティ形体。
【請求項２６】
複数の前記プラズモンピクセル構造体の前記ナノスケール構造体は、ナノスケールダイポールを含み、整列されている、請求項２４に記載のセキュリティ形体。
【請求項２７】
前記プラズモンピクセル構造体すべての前記ナノスケール構造体は、ナノスケールダイポールを含み、整列されている、請求項２４に記載のセキュリティ形体。
【請求項２８】
請求項２４から２７のいずれか１項に記載のセキュリティ形体を含む機密書類。
【請求項２９】
１つ以上のプラズモンピクセル構造体を作製する方法であって、
前記１つ以上のプラズモンピクセル構造体のナノアンテナとして機能する所望のナノスケール構造体であって、複数のナノ空隙及び複数のナノポストの少なくとも一方を含むナノスケール構造体に対応する複数のナノ空隙のパターンを基材にパターン形成することと、
前記基材に導電材料を設けて、前記ナノスケール構造体を形成することとを含み、
前記導電性コンポーネントと前記ナノスケール構造体のサイズとは、前記ナノスケール構造体によって反射又は透過されることが望まれる入射光の１つ以上の所望波長成分に応じて選択され、
前記導電性コンポーネントと前記ナノスケール構造体のサイズとは、前記ナノスケール構造体がそれぞれ、色スキームに対応する共鳴周波数を有するように選択される方法。
【請求項３０】
電子ビームリソグラフィを使用して前記基材にパターン形成することを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
電子ビームリソグラフィを使用して、前記ナノ空隙に対応する突起を有するマスタを形成することと、続いて、前記マスタを使用して、ナノインプリントリソグラフィで、前記ナノ空隙を前記基材にパターン形成することとを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記パターン形成した基材を、金属の形態である前記導電材料でコーティングすることを含む、請求項２９から３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
前記パターン形成した基材を、アルミニウムの形態である前記導電材料でコーティングすることを含む、請求項２９から３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３４】
前記基材に形成された前記ナノ空隙の底部と前記基材に形成された前記ナノ空隙間のランド上とに付着するように、前記パターン形成した基材に前記導電材料を塗布することを含む、請求項２９から３３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３５】
前記導電材料が前記基材に形成された前記ナノ空隙を埋めるように、前記パターン形成した基材に前記導電材料を塗布することを含む、請求項２９から３４いずれか１項に記載の方法。
【請求項３６】
結果として得られる前記ナノスケール構造体の少なくとも幾つかが前記色スキームの１つ以上の色に対応するように前記パターンを生成することを含む、請求項２９から３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
前記色スキームはＣＭＹ色スキームである、請求項２９から３６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３８】
請求項２９から３７のいずれか１項に記載の方法に基づいて複数のプラズモンピクセル構造体を作製することを含む、セキュリティ形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１５年６月２日に出願されたオーストラリア特許出願第２０１５９０２０８６号の出願日及び優先日に基づき、優先権を主張するものであり、この文献の内容の全体は、参照により本出願に援用される。
技術分野
本発明は、プラズモンピクセル形体（plasmonic pixel feature）、およぎプラズモンピクセルを用いて画像を表現するため方法及び装置に関し、特に、その画像をセキュリティ形体（security feature）などとして組み込んだ紙幣又は他の媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ加工が、ナノ光学を使用した画像の作製に用いられてきている。Ｇｕらによる「Ｃｏｌｏｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｖｉａ  ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」Ｎａｎｏｓｃａｌｅ、７（１５）（２０１５）６４０９−６４１９、ｄｏｉ：１０．１０３９／Ｃ５ＮＲ００５７８Ｇには、サブ波長ナノ構造を使用したナノスケールにおけるプラズモンカラーエンジニアリングの分野の開発、並びに高解像度及び高忠実度のカラーレンダリング、スペクトルフィルタリングアプリケーション、ホログラフィ、及び３次元立体画像におけるその可能性が要約されている。
【０００３】
しかしながら、既存の技術は、多くの場合、減色に限定され、広く利用可能なカラーパレットを提供するものではない。フルレンジの色を生成できる形体は、光学的に非常に弱いか、大規模な印刷プロセスとの互換性がないかのどちらかであるため、例えばセキュリティ形体としては有用ではない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の広い局面によれば、プラズモンピクセル構造体が提供され、このプラズモンピクセル構造体は、
基材と、
それぞれが導電性コンポーネント及び誘電性コンポーネントを含むことによってナノアンテナとして機能するように構成された複数のナノスケール構造体とを備え、
当該ナノスケール構造体は、導電性コンポーネントとナノスケール構造体のサイズとに依存する共鳴周波数を有し、
当該導電性コンポーネントと当該ナノスケール構造体のサイズとは、当該ナノスケール構造体に反射又は透過されることが望まれる入射光の１又は複数の波長成分に応じて選択され、
当該導電性コンポーネントと当該ナノスケール構造体のサイズとは、当該ナノスケール構造体がそれぞれ、色スキームに対応する共鳴周波数を有するように選択される。
【０００５】
なお、この色スキームは、必ずしも可視スペクトルに限定されない。色スキームは、例えば、可視光、赤外線及び／又は紫外線電磁放射の１つ又は複数の色又は波長を含むことができる。また、ナノアンテナは、入射放射線と相互作用するものであれば、本質的に如何なるナノ構造体の形態であってもよい。
【０００６】
一実施形態において、当該色スキームは、複数の色を含む。
一実施形態において、当該導電性コンポーネント及び少なくとも幾つかの当該ナノスケール構造体のサイズは、当該ナノスケール構造体がそれぞれ、ＣＭＹ色スキームの色に対応する各共鳴周波数を有するように選択される。
【０００７】
このナノスケール構造体は、ナノスケールダイポールを含んでよい。なお、本明細書におけるナノスケールの「ダイポール」とは、細長い、すなわちアスペクト比が１ではないナノスケール構造体を意味し、したがって、例えば、長方形、横長、三角形、楕円形、又はカム形状のナノスケール構造体を含む。
【０００８】
一実施形態において、当該ナノスケール構造体は、整列されている。
特定の一実施形態において、当該ナノスケール構造は、ナノスケールダイポールを含み、整列されている。これにより、プラズモンピクセル構造体は偏光に対して感度が高くなるため、プラズモンピクセル構造体を機密書類（紙幣やパスポート等）のセキュリティ形体等、セキュリティ用途に使用することになる場合に特に有利である。
【０００９】
当該構造体は、ナノスケール構造体を有さないピクセル構造体の少なくとも１部分を含むことができ、この少なくとも１部分は、白に見えるように、又は彩度を減少させるように適合されている。
【００１０】
この構造体は、複数のサイズが混ざった（例えば２つの異なる長さ）ナノスケール構造体を含むピクセル構造体の少なくとも１部分を含むことができ、この少なくとも１部分は、黒に見えるように、又は彩度を増加させるように適合されている。
【００１１】
なお、このような領域を黒と言うこともできるが、実際には、異なるサイズのナノスケール構造体がいかに有効に擬似広帯域吸収体(pseudo-broadband absorber)となるかによって、ダークグレー又は黒として現れる、すなわちプラズモンピクセル構造体に寄与する。
【００１２】
一実施形態において、当該ナノスケール構造体すべての導電性コンポーネントは、同一の材料から形成されている。
当該導電性コンポーネントは、金属又は高濃度ドープ半導体を含むことができる。当該導電性コンポーネントは、アルミニウム、銀、金、又は銅を含むことができる。
【００１３】
当該ナノスケール構造体は、ナノ空隙を含むことができる。
一実施形態においては、当該ナノスケール構造体は、ナノ空隙を含む第１のダイポールと、第１のダイポールに対して相補的であり、第１のダイポールに対して基材の面に垂直な方向に変位されている第２のダイポールとを含む複数のナノスケールダイポールを備える。
【００１４】
一実施形態において、当該ナノスケール構造体の導電性コンポーネントは、アルミニウムであり、当該ナノスケール構造体の少なくとも幾つかの長さは、１００ｎｍ、７０ｎｍ、及び５０ｎｍから実質的になる群から選択され、１００ｎｍはシアンに対応し、７０ｎｍはマゼンタに対応し、５０ｎｍはイエローに対応する。ナノ空隙の少なくとも幾つかは、異なる長さを有し、黒に対応する。その長さを、５０ｎｍ及び８０ｎｍとすることができる。
【００１５】
当該構造体は、複数のサブピクセルを備えることができ、この場合、ナノスケール構造体は１つ以上のサブピクセル内に配置される。これらのサブピクセルは、（ｉ）色スキームの１つ又は複数の成分を含む１つの色、（ｉｉ）白、又は（ｉｉｉ）黒にそれぞれ対応する。例えば、当該構造体は、４個、９個、１６個、２５個、又は３６個のサブピクセルを含むことができる。ただし言うまでもなく、これを超える完全平方数のサブピクセルも本発明の範囲に含まれ、その具体的な選択は、目的の用途及び製造上の制約に依存する。
【００１６】
当該サブピクセルの少なくとも１つは、色スキームの複数の成分を含む１つの色に対応してもよい。つまり、このサブピクセルの少なくとも１つが、複数の平行なストリップを含み、そのストリップがそれぞれ色スキームの異なる色に対応していてよい。
【００１７】
一実施形態において、当該基材は、ＰＥＴ又は他のポリマー材料を含む。
本発明の第２の広い局面によれば、上述したプラズモンピクセル構造体を複数含む画像が提供される。
【００１８】
本発明の第３の広い局面によれば、第２の局面として記述した画像を含む書類（紙幣又は他の機密書類）がさらに提供される。
本発明の第４の広い局面によれば、書類（機密書類など）用のセキュリティ形体が提供され、このセキュリティ形体は、第２の局面に記載した画像を含む。
【００１９】
一実施形態において、当該プラズモンピクセル構造体のそれぞれのナノスケール構造体は、ナノスケールダイポールを含み、整列されている。すなわち、１つずつのプラズモン画素構造内に整列されているのであり、あるプラズモンピクセル構造体から次のプラズモンピクセル構造体にわたって整列している必要はない。
【００２０】
ある実施形態において、複数の当該プラズモンピクセル構造体のナノスケール構造体は、ナノスケールダイポールを含み、整列されている。
当該プラズモンピクセル構造体すべてのナノスケール構造体がナノスケールダイポールを含み、整列されていてもよい。この実施形態は、最適な偏光感度を提供することが期待される。
【００２１】
本発明のこの局面はさらに、上述したセキュリティ形体を含む機密書類を提供する。
本発明の第５の広い局面によれば、１つ以上のプラズモンピクセル構造体を作製する方法が提供され、この方法は、
当該１つ以上のプラズモンピクセル構造体のナノアンテナとして機能する所望のナノスケール構造体であって、複数のナノ空隙及び複数のナノポストの少なくとも一方を含むナノスケール構造体に対応する複数のナノ空隙のパターンを基材にパターン形成することと、
当該基材に導電材料を設けて、当該ナノスケール構造体を形成することとを含み、
当該導電性コンポーネントと前記ナノスケール構造体のサイズとは、当該ナノスケール構造体によって反射又は透過されることが望まれる入射光の１つ以上の所望波長成分に応じて選択され、
当該導電性コンポーネントと当該ナノスケール構造体のサイズとは、当該ナノスケール構造体がそれぞれ、色スキームに対応する共鳴周波数を有するように選択される方法である。
【００２２】
一実施形態において、当該方法は、電子ビームリソグラフィを使用して基材にパターン形成することを含む。
一実施形態において、当該方法は、電子ビームリソグラフィを使用して、ナノ空隙に対応する突起を有するマスタを形成することと、続いて、そのマスタを使用して、ナノインプリントリソグラフィで、そのナノ空隙のパターンを基材に形成することとを含む。
【００２３】
当該方法は、当該パターン形成した基材を、金属の形態である導電材料でコーティングすることを含むことができる。
当該方法は、当該パターン形成付き基材を、アルミニウムの形態である導電材料でコーティングすることを含むことができる。
【００２４】
当該方法は、当該基材に形成されたナノ空隙の底部と当該基材に形成された当該ナノ空隙間のランド上とに付着するように、当該パターン形成した基材に当該導電材料を塗布することを含むことができる。
【００２５】
当該方法は、当該導電材料が当該基材に形成されたナノ空隙を埋めるように、当該パターン形成した基材に当該導電材料を塗布することを含むことができる。
当該方法は、結果として得られる当該複数のナノアンテナが当該色スキームの１つ以上の色に対応するように、当該パターンを生成することを含むことができる。
【００２６】
当該色スキームは、ＣＭＹ色スキームであってよい。
本発明のこの局面は、（通常は画像を含む）セキュリティ形体を製造する方法も提供し、この方法は、上述の方法に基づいて複数のプラズモンピクセル構造体を作製することを含む。
【００２７】
なお、本発明の上記局面のそれぞれの様々な個別の特徴、並びに特許請求の範囲を含む本明細書に記載する実施形態の様々な個々の特徴のいずれも、適切に且つ要望に応じて組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明をより明瞭に確認できるように、例を用い、添付の図面を参照して実施形態を記述する。
【図１】本発明の一実施形態に基づくプラズモンピクセル、並びに、元のＲＧＢピクセルと本実施形態により生成されるＣＭＹＫ色空間におけるピクセルとの関係を示す概略図である。
【図２】黒ピクセル、白ピクセル、及びＣＭＹカラーピクセルの３×３配列から構成される、プラズモンピクセルの通常のピクセルレイアウトを示す概略図である。
【図３】プラズモンピクセルレイアウトを生成するためのデジタルファイル内のＲＧＢピクセルからＣ：Ｍ：Ｙ比への変換プロセスを示す概略図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態によるプラズモンピクセル形体の概略図である。
【図４Ｂ】本発明の他の実施形態によるプラズモンピクセル形体の概略図である。
【図４Ｃ】ＣＭＹＫ色スキームに基づいて色を生成するためのアンテナ長の反射率スペクトルである。
【図４Ｄ】プラズモンピクセル製造に使用されるＧＤＳＩＩファイルの詳細である。
【図５Ａ−Ｄ】紙幣に使用される場合など、ポリマー基材に一体化したプラズモンピクセル形体を製造するための作製プロセスの概略図である。
【図６Ａ−Ｅ】プロトタイプのプラズモンピクセルに関する概略図であり、図６Ａ及び図６Ｃは、図６Ｂに示す各方向に偏光された入射光を受けた、長さの異なるフローティングダイポールである２つのサンプルの写真であり、図６Ｅは、この２つのサンプルに関するＰ１及びＰ２の反射率スペクトルのプロットであり、図６Ｄは、図６Ａ及び図６Ｃの写真と相関する図６Ｅのデータについて抽出したＣＩＥカラーチャートである。
【図７Ａ−Ｃ】カラーピクセルの彩度及び明度に対する白及び黒ピクセルの効果の、より大きな面積に関する研究を示す図であり、サブピクセル色配合の遠視野イメージング効果を例示し、それぞれが、元のＪＰＥＧ画像、本発明の一実施形態によるプラズモンピクセルで再生した元画像のフォーカス画像、及び本発明の一実施形態によるプラズモンピクセルで再生された元画像のデフォーカス画像を示す図である。
【図８Ａ−Ｃ】初期の紙幣サイズの形体プロトタイプのより広い面積に関する研究を示する図であり、その形体における色の偏光感度を例示し、それぞれが、元のＪＰＥＧ画像、本発明の一実施形態によるプラズモンピクセルにより再生された偏光なしの同画像、及び本発明の一実施形態によるプラズモンピクセルにより再生された偏光ありの同画像を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による、例示的なアルミニウム単一フローティングダイポールプラズモンナノ構造プラズモンピクセルの実験結果及びシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態による例示的な試験構造体及び試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、画像のピクチャ要素としての本発明の一実施形態に基づくプラズモンピクセル１０、並びにプラズモンピクセル１０とＲＧＢ（赤、緑、青）色空間１２（一般的にデジタルディスプレイのピクセルに使用される）及びＣＭＹＫ減法混色スキーム１４（一般的に紙などの白い基材への印刷に使用される）の画像のピクセルとの関係を示している。後述するように、プラズモンピクセル１０は、例えば、本発明に基づくプラズモンセキュリティ形体(plasmonic security feature)の形態など、画像の構成ブロック又は単位セルとして使用可能である。説明用に、図１のプラズモンピクセル１０は、ＣＭＹＫ色スキームによるシアン、マゼンタ、イエロー、及び黒のサブピクセルの組み合わせを含むものとして概略的に示している。
【００３０】
なお、この実施形態では、ＣＭＹ又はＣＭＹＫ色スキームを使用して、プラズモンピクセル１０の、ひいては画像の、すなわちプラズモンピクセル１０を複数含むセキュリティ形体の１又は複数の所望の色を生成する。ただし言うまでもなく、プラズモンピクセル１０の生成においては、既知のスキーム（ＲＧＢやＣＭＹなど）であれこの目的のために作製するスキームであれ、他の色スキームを使用してもよい。この色スキームは、単色スキームであってもよく、この場合、例えば白を使用するスキームであればモノクロ画像を作製することができる。しかしながら、色スキームは通常、少なくとも２つの色を含む。
【００３１】
プラズモンピクセル１０は、ナノアンテナとして機能するナノスケール構造体の配列からなり、これらは、例えば、開口、空隙、又は複数の構造タイプの組み合わせを含むことができる。本実施形態では、ロッド状で、２０ｎｍ〜５０ｎｍの均一幅、特にこの実施形態では３０ｎｍの均一幅を有するナノ空隙を使用する。プラズモンピクセル１０内のナノ空隙長は、特定の色毎に均一であり、通常、この実施形態では、５０ｎｍから１５０ｎｍである。例えば、シアン、マゼンタ及びイエローを提供するために、それぞれ１００ｎｍ、７０ｎｍ、及び５０ｎｍのナノ空隙長を用いる。異なる基本色又は材料を使用する場合、キャビティ長もこれに応じて変更する。そのナノ空隙に適切な長さは、理論又は実験からそのまま特定することができる。各ナノスケール構造体（この例では、ナノ空隙）は、入射光に共鳴する。したがって、その構造体の長さは、目的の動作モード（透過または反射）と、その構造体に透過又は反射させたい光の波長とによって決定する。
入射光は、このスケールの空隙などの構造体と相互作用しないことが予想されるが、プラズモンピクセル１０に入射する光は、（後述するように）その構造体内の金属コンポーネントと誘電性コンポーネントの間との境界において表面電子にカプリングし、表面プラズモンを生成すると考えられる。プラズモンは、本質的に、導電性表面上の電子の導電層内にある定常表面波（standing surface wave）である。プラズモンは、金属等の導体と誘電体との間の界面で生じる。プラズモンの共鳴周波数は、使用する金属とその表面上のナノ構造形体の特徴とに依存する。金属表面のナノ構造体の長さを変化させることによって、その配列の共鳴周波数を変化させられるため、光の様々な波長や色を反射又は透過させることができる。
【００３２】
これも後述するように、画像を色ごとのピクセルに分解することによって、（セキュリティ形体として使用するなどの）画像をプラズモンピクセル１０から作製することができる。したがってナノ空隙の配列は、各ピクセルに必要な色のみを反射するように設計することができる。画像を例えば約３０×３０μｍ〜６０×６０μｍのピクセルに分解することにより、詳細なカラー画像を構成することができる。この実施形態では、プラズモンピクセル１０は、３０×３０μｍである。
【００３３】
更に、この実施形態では、ナノ構造体が整列されたナノスケールダイポールであるために、その画像は偏光に対して感度が高い。
簡潔に説明すると、図１に示すように、またこの実施形態によれば、元の画像は、まずＲＧＢ（赤、緑、青）色空間１２に変換される。このフォーマットはデジタル表示装置で採用されるものであり、黒い背景が使用され、各ピクセルが照射されて所望の色を生成する。次に、このＲＧＢスキームがＣＭＹＫ減法混色スキーム１４に置き換えられる。実際には、これにより、４つのＣＭＹＫ（シアン、マゼンタ、イエロー、キー（黒））の色と、ＣＭＹＫ色の組み合わせから構築できるＲＧＢ色と、白色背景とからなる８つの異なる色で画像を構築することができる。プラズモンピクセル１０の各色は、ＲＧＢピクセル／サブピクセル物理的設計を選択し、ＲＧＢ色空間を減法ＣＭＹＫ色空間に置き換えることによって得られる。セキュリティ形体の場合、プラズモンピクセル１０は、銀、金、銅、又は適切にドーピングされた半導体等の導電性表面、すなわち金属表面の形態である基材を含む。この実施形態において、この基材は、アルミニウム表面の形態であり、上述したように、プラズモンピクセル１０は、ナノ空隙の１つ以上の配列も含む。各配列は、長さ１００ｎｍ、７０ｎｍ、又は５０ｎｍのナノ空隙（ある意味では、それぞれが、シアン、マゼンタ、及びイエローの「インク」として作用する）を含み、Ｋ（黒）は、所与の配列内の内に２つの異なる長さ（この実施形態では、長さ５０及び８０ｎｍ）のナノ空隙／アンテナによって提供できる。２つの異なる長さは反射を最小にするために使用する。というのも、（長さが異なる）ナノ空隙が２組あると、可視スペクトルの異なる波長で共鳴するので、疑似広帯域吸収体、つまり、所謂黒ピクセル（実際には濃い灰色か黒のような色）を生成できるからである。
【００３４】
なお、これらの長さは、特定の表面又は構造に対して正確な色を確保するために変更することができる。例えば、赤色ピクセルなどのＲＧＢカラーを得るためには、プラズモンピクセル１０は、その半分はイエロー配列で、もう半分はマゼンタ配列で埋められる。すなわち、プラズモンピクセル１０の面積の半分は５０ｎｍの空隙の配列で占められ、残りの半分は７０ｎｍの空隙の配列で占められる。
【００３５】
プラズモンピクセル１０は、例えばナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）を使用して、透明薄膜内にナノ空隙を作製し、そのナノ空隙に金属（Ａｌ）を蒸着させることによって生成される。ナノインプリントリソグラフィのためのマスタは、電子ビームリソグラフィを使用して作製される。
【００３６】
より詳しくは、プラズモンピクセル１０は、プラズモンピクセル１０（又はこのようなプラズモンピクセル１０を含む形体）からの入射光反射を利用することに依存した状態で、ＣＭＹＫ色空間を使用して色を生成する。しかしながら、従来の印刷プロセスで用いられている、色の各層を他層に対して回転させてモアレ効果を回避するレイアウト技術は、プラズモンピクセル構造体の作製を用いるナノ製造プロセスと互換性がない。プラズモンピクセルのカラーレイアウトは、ＣＭＹのストリップとＫおよび白のブロックとを使用して、減法三原色の遠視野混合に依存して所望の色を生成する。図２は、例えば、９つの（同一のサイズ、したがってこの実施形態では１０×１０μｍの）正方形のサブピクセル１８からなるプラズモンピクセル１０の例示的なレイアウトを示している。サブピクセル１８それぞれがナノ空隙の１つ又は複数の配列を含み、ナノ空隙の各配列が白、黒、又はＣＭＹベースのブロックを構成する。ここに示す例は、白、黒、又はシアン及びイエローのブロックを含み、プラズモンピクセル１０は、緑色ＲＧＢピクセル２２から変換２０されている。
【００３７】
任意のデジタルＲＧＢベースの画像から３つの減色（ＣＭＹ）、黒（Ｋ）、及び白についての正しい混合を決定する方法を図３に概略的に示す。まず、そのピクセルを１組のＲＧＢ値からＨＳＶ（色相、彩度及び明度）色空間に変換する。これにより、彩度と、この彩度に関連して知覚されるルミネセンスとの抽出が可能になる。これは、ＣＭＹＫベースのプラズモンピクセル設計の用語にすると、その所与ピクセルの色（ＣＭＹ）に対して、明度がＫレベルを決定し、彩度が強度を決定すると言い表すことができる。これらの明度及び彩度レベルを使用することにより、ピクセル内で幾つのサブピクセル１８（図２参照）を白、黒、又はカラーとするかを決定する。ＲＧＢからＨＳＶへの変換によりピクセルの強度及びルミネセンスを計算することが可能になる。色相値は、強度及び明るさとは無関係に明確な色を規定するため、色相値を用いてカラーピクセルのＣＭＹ構成を決定する。
【００３８】
図３に示す例では、赤色ＲＧＢピクセル３０は、３色のそれぞれについて０〜２５５の値を有し、この例では、Ｒ＝１０１、Ｇ＝１０２、及びＢ＝１７４である。図３の上のレジスタマークに示すように、標準の変換アルゴリズムを使用して、これらのＲＧＢ値をＨＳＶ値に変換する。次に、（１−Ｖ（明度））を用いて黒サブピクセルの数を決定する。この例では、Ｖ＝０．８１、したがって、（１−Ｖ＝０．１９）であることから、９つのサブピクセルの１９％（すなわち、０．１９×９＝１．７１サブピクセル）を黒とする。算出された黒サブピクセル１８の数は、最も近い整数に丸められる。この例では、２に丸められるため、９個のサブピクセル１８のうちの２個を黒サブピクセルとする必要がある。
【００３９】
次に、彩度値を使用して、残り７つのサブピクセル１８について、白サブピクセルとカラーサブピクセルの比を決定する。図３の例の所与のＲＧＢ値については、彩度は、０．４９である。本方法によれば、カラーサブピクセルの数は、Ｓ（彩度）に残りの（すなわち、黒でない）サブピクセル１８の数を乗算することによって求められる。この例では、Ｓ×７＝３．４３である。この結果も最も近い整数に丸めることから、３つのサブピクセル１８がカラーということになる。続いて白サブピクセルの数を、黒又はカラーではないサブピクセルとして求める。したがってこの例では、白サブピクセルの数は、９−２−３、すなわち４つである。図３の左下のレジスタマークの符号３２に、プラズモンピクセルを黒サブピクセル、カラーサブピクセル、及び白サブピクセルに分割した結果を示す。
【００４０】
次に、各カラーサブピクセルを複数のストリップに分割する（図２参照）。このストリップそれぞれは、ＣＭＹカラーのいずれでもよい。この実施形態では、カラーサブピクセルあたり１０個のストリップを使用するが、他の実施形態では、必要する色の忠実度及び／又は利用可能な製造設備に応じて、ストリップの数は上下してよい。原理的には、単一のストリップを使用してもよいが、この場合、サブピクセルの色は、Ｃ、Ｍ、又はＹの１つのシェード(shade)に限定される。
【００４１】
この実施形態によれば、ストリップに割り当てる色は、強度の比を計算し、そのＣＭＹの比に基づいて０〜１０個のストリップを割り当てることにより決定される。具体的には、ＨＳＶ演算からの色相値からＣＭＹ値を抽出し、色相値の性質に応じて、１０個のストリップは、１つ又は２つの減法原色（ＣＭＹ）の組み合わせによって構成される。カラー用に指定されたサブピクセルは、１×１０μｍの１０個のストリップに分割され、このとき、所与のＲＧＢピクセルの色相が、対応するＣＭＹ値を決定することになる。次に、これらの計算したＣＭＹ値を使用して、Ｃ：Ｍ：Ｙの比を計算し、この比を１０個の色のストリップに適用する。例えば、１：３：６のＣ：Ｍ：Ｙ比であれば、サブピクセル内のＣＭＹのストリップは、それぞれ１個、３個及び６個となる。
【００４２】
プラズモンピクセルの色生成に必要な減色が１つ又は２つであるという要件は、色相値が強度及び明るさと無関係であることに起因する。図３の例から、最終的なプラズモンピクセル３６の３つのカラーサブピクセル３４のそれぞれは、５つのマゼンタストリップ３８及び５つのイエローストリップ４０とから構成され、これらは、協働して所望の赤色を生成する。この図では、５つのマゼンタのストリップ３８は、互いに隣接するように示されており、５つのイエローのストリップ４０も同様である。このストリップのサイズであれば許容可能な結果が得られることが期待される。すなわち、５つのストリップの合計の幅は、この実施形態では僅かに５μｍであり、人間の目の解像度（１００ｍｍで約３０μｍ）よりも著しく小さいからである。ただし、幾つかの実施形態では、プラズモンピクセルがより大きなサイズであるか、又は使用するストリップが少ない（したがってストリップの幅がより広い）場合等、あるいは最終画像が拡大形態で検査又は再生されることが予想される場合には、上記とは別のストリップが望ましいこともある。
【００４３】
上述したように、本実施形態のプラズモンピクセル１０の物理的サイズは、３０×３０μｍであり、各サブピクセル１８のサイズは１０×１０μｍである。これにより、８４６ｐｐｉ（ピクセル／インチ）の分解能を実現するプラズモンピクセル１０のピクセル密度が可能になり、これは、人間の目が完全な視野で分解できる絶対限界９００ｐｐｉの数値に近く、例えばｉＰｈｏｎｅ６＋（商標）の画面の２倍以上である。また、これにより、紙幣セキュリティ形体に必要とされる例など、比較的小さな領域において高品質の画像を再現することが可能になる。例えば、８４６ｐｐｉの２×２ｃｍの形体であれば、プラズモンピクセル設計の制約条件を満たすために０．４４４メガピクセルの画像を必要となる。
【００４４】
図４Ａ〜図４Ｄは、上述したプラズモンピクセル設計フレームワーク方法に基づく、デジタルＲＧＢ画像から機械可読なＧＤＳＩＩ（グラフィック設計システム）ファイルへの変換を示している。ＧＤＳＩＩファイルフォーマットは、幾何学的形状、ラベル等を階層形式で定義するための業界標準を提供することから、集積回路及び他のナノ／マイクロ加工による技術の設計に使用される。プラズモンピクセル１０の作製に使用するナノ構造体の場合、電子ビームリソグラフィ（ＥＢＬ）等の高解像度リソグラフィシステムが用いられる。プラズモンピクセル１０の製造では、本実施形態の方法は、上述したＲＧＢからＣＭＹＫへの変換を用いて、デジタル画像ファイルを機械可読のＧＤＳＩＩファイルに変換する。この変換、例えば、ｊｐｅｇファイルからＧＤＳＩＩファイルへの変換は、本実施形態では、Ｐｙｔｈｏｎ（商標）プログラミング言語のスクリプトとして開発される一連のルーチンで実行する。これらのルーチンは、各ピクセルのＲＧＢ値を読み込み、全イメージが変換されるまでＧＤＳＩＩファイルを段階的に構築して変換を実行する。このＰｙｔｈｏｎスクリプトが完成したＧＤＳＩＩファイルを最終的に出力する。
【００４５】
このＧＤＳＩＩファイルは、プラズモンピクセル１０の設計用ＣＭＹＫカラーの生成に使用するナノ構造体の幾何学的形状の全詳細を含むものである。このＧＤＳＩＩファイルを、複数のＥＢＬツールに入力する。これらのツールがＧＤＳＩＩファイルを取り込み、その設計を電子ビームに高感度である材料に直接的に書き込む。こうしてＧＤＳＩＩファイルの幾何学的パターンを複製し、これにより基材上にナノ構造パターンを形成する。
【００４６】
図４Ａは、ＣＭＹＫカラーの生成に使用するプラズモンナノ構造体の物理的設計の概略図４２を示している。図４Ａは、第１及び第２のナノスケールダイポールを含むナノ構造体をそれぞれ有する４つの同一の単位セル４３を示している。第１のナノスケールダイポールは、ナノ空隙を含み、第２のナノスケールダイポールは、第１のダイポールに対して相補的であるが、基材の平面に垂直な方向に第１のダイポールに対して変位した「フローティング(floating)」ダイポールを含む。
【００４７】
各単位セル４３、したがってプラズモンピクセル１０のナノ空隙４６は、例えば２つの手法で形成可能である。第１に、この設計は、例えば硬化性インクとすることのできる基材４６に、ナノ構造体をエンボス加工し、続いて、例えば蒸着等によって、その構造体全体にアルミニウムの層を塗布することによって製造できる（図５Ａ〜５Ｄ参照）。これに代えて、ナノ構造体４４、４６を、基材４８に既に塗布されている適切なアルミニウム膜に直接エンボス加工することもできる。このアルミニウム膜は、典型的には、約３０ｎｍの厚さである。
【００４８】
この図示の例では、ナノ空隙は、３０ｎｍ幅であり、単位セルサイズは、２５０×２５０ｎｍである。したがって、この図に示す構成は、５００×５００ｎｍであり、これは、１０×１０μｍのサブピクセルの４００分の１に相当する。
【００４９】
図４Ｂは、ソリッドポストダイポール（solid post dipole）設計を含む、代替的な一構成であるプラズモニックナノ構造体５２の概略図５０を示している。また、図４Ｂは、４つの同一の単位セル５３を示しており、各単位セル５３は、ソリッドポストダイポールを含むナノ構造体５２を有し、各単位セル５３は２５０ｎｍ×２５０ｎｍである。この例では、ナノ構造体５２は、基材（ポリマー又は硬化性インク等）に直接的に、同等の大きさのナノ空隙をインプリントすることによって作製され、これによって、所望のナノアンテナ構造体のインプリントを行う。硬化後、ナノ空隙上にアルミニウム層を蒸着させる。Ａｌの蒸着量は、ソリッドＡｌナノ構造５２及びＡｌ基材５４を残して、インプリントしたナノ空隙を充填する十分な量とする。元のポリマー又は硬化性インク（図示せず）は、（この図では）Ａｌナノ構造体５２及びＡｌ基材５４上に保持され、図に示す構成の下面は、例えば、ポリマー（例えば、ポリマー紙幣基材）の形態である他の誘電体層によってコーティングされる。
【００５０】
図４Ｃは、図４Ａのプラズモンナノアンテナ構造体についてシミュレーションした光反射率スペクトルのプロット６０を示しており、図中の各曲線は、それぞれがＣＭＹＫカラーを提供するように適合させた長さを有するプラズモンナノアンテナ構造体に対応している。すなわち、曲線Ｃは、シアン、及び長さ１００ｎｍのナノアンテナ構造体に対応し、曲線Ｍは、マゼンタ、及び長さ７０ｎｍのナノアンテナ構造体に対応し、曲線Ｙは、イエロー、及び長さ５０ｎｍのナノアンテナ構造体に対応し、曲線Ｋは、黒、及び長さ５０及び８０ｎｍのナノアンテナ構造体に対応する。ＣＭＹＫアンテナの幅は、全て３０ｎｍである。
【００５１】
図４Ａに示すように、この構造体は、フローティングダイポール設計の形態であり、各金属ダイポールアンテナ４４は、有孔フィルム面の上方（この実施形態では７０ｎｍ上）に位置し、これらのアンテナは、全てのサイズについて２５０ｎｍの配列ピッチを有する。このフィルムには、それぞれが上方にある対応フローティングアンテナ４４と同一の形状を有するスロット４８が設けられている。この設計は、金属プラズモン材料として、約１．５の屈折率を有するポリマー材料で包囲／支持されたアルミニウムを使用している。このアルミニウムの光学特性は、標準的な参考資料から知ることができる。ダイポールアンテナ４４及び対応スロット４８の設計の多層性により、ナノ構造体４４、４８を、特定の周波数における強力な吸収体とすることができるため、プラズモンピクセル設計に必要とされる減法原色ＣＭＹＫの生成に適したものとなる。
【００５２】
図４Ｄは、上述したように行うＪＰＥＧ画像７０からＧＤＳＩＩファイルへの変換を概略的に例示しており、連続する詳細部分７２、７４、７６は、その色に対する各ナノ構造体のパターンがダイポールアンテナに対して適切なサイズの矩形として示されるレベルまでズームダウンされている。図からわかるように、個々のナノアンテナは、所与のアンテナサイズに関係なく、２５０×２５０ｎｍの単位セル７８内に位置し、製造プロセスを理由として、セル７８内のナノアンテナの矩形形状のみが、マルチレベル設計の作製に必要となる。
【００５３】
プラズモンピクセル設計に必要なＣＭＹＫカラーを生成するために、プラズモンナノアンテナを製造することが可能なナノインプリントリソグラフィと互換性があるナノ加工プロセスが開発されている。図５Ａ〜図５Ｄは、図４Ａに示す３次元ナノ構造体を製造するための、３つの主要なステップを含むこの実施形態のプロセスを概略的に例示している。この例では、プラズモンピクセルは、ＰＥＴなどのポリマー紙幣上に（偽造防止機構として）製造されることになる。したがって、図５Ａは、ポリマー基材８０の概略的断面図である。一方、前述したように、ＥＢＬを用いてインプリントマスタを製造して、ＧＤＳＩＩファイルに表されているように電子ビーム高感度レジスト内に完全な画像パターンを作製し、このパターンを使用して、（例えば、ＣＤ及びＤＶＤ製造で使用される例などの）既知の電気めっき及び剥離プロセスによってナノインプリントマスタを作製する。そして、図５Ｂでは、このマスタを使ってポリマー紙幣基材８０をインプリントし、フィルム８０に矩形のナノインプリント構造体（すなわち、ナノ空隙）を形成する。次に、ポリマーフィルム８０をインプリントマスタ８２から剥離し、図５Ｃでは、フィルム８０上にアルミニウムを蒸着させ、これにより、各ナノ空隙の基部にナノアンテナ構造体８４を形成し、相補的に対応するスロット付き金属（この実施形態ではＡｌ）フィルム８６をフィルム８０の上面に形成する（このスロットが、ナノインプリント構造体である）。最後に、図５Ｄでは、ＰＥＴ又はポリプロピレン等の適切なポリマーのコーティング８８で基材８０を覆うと、この結果、被包されたマルチレベルプラズモン構造体９０が得られる。
実施例
図５Ａ〜図５Ｄに示したものと同様の製造プロセスを用いて、プラズモンピクセル設計に関する予備実験的研究を行った。このプロトタイプ製造プロセスは、図５Ａ〜５Ｄに概説されたプロセスとは多少相違した。このプロトタイプ製造プロセスでは、ガラス支持体上にポリマー（ＰＭＭＡ）を含む基材を使用した。ガラスは、ＰＭＭＡと同様の屈折率を有するという利点がある。このＰＭＭＡは液状であり、そのガラス表面上にスピンコーティングすることによって、パターン形成用ＥＢＬレジストを作製した。このレジストの厚さは、形成する形体のサイズとほぼ同じ桁数の値である。
【００５４】
この基材のポリマー層に、（ＮＩＬではなく）ＥＢＬを使用して直接的にパターンを形成した。次に、このサンプルをアルミニウムでコーティングした後（図５Ｃ参照）、硬化したＳＵ８のオーバーコート層を用いて物理的な堅牢性を付与した（図５Ｄ参照）。
【００５５】
初期プロトタイプによる実験結果を図６Ａ〜図６Ｅに示す。これらの結果は、特に、達成可能な偏光感度を示しており、これは本実施形態のプラズモンピクセルを含むセキュリティ形体の製造において特別な価値があることと期待される。
【００５６】
図６Ａ及び図６Ｃは、それぞれ、プラズモンピクセルの２つのサンプルの３×３ｍｍの領域を示す写真（元はカラーであるが、ここではグレースケールでレンダリングしている）であり、サンプルのそれぞれが異なるサイズのナノ構造体を含み、いずれの場合も、２つの異なる照明偏光において、色効果の偏光に対する感度を例証している。図６Ｂは、画像撮影時に使用した２つの異なる偏光（Ｐ１及びＰ２）の向き、および反射率データ（図６Ｅに図示）の捕捉を示している。したがって、図６Ａ左側の画像は、偏光Ｐ１すなわち、フローティングダイポールに整列した偏光照明で撮影したプラズモンピクセルの第１のサンプルの写真であり、図６Ａ右側の画像は、偏光Ｐ２すなわち、フローティングダイポールに垂直に整列した偏光照明で撮影した写真である。同様に、図６Ｃ左側の画像は、偏光Ｐ１すなわち、フローティングダイポールに整列した偏光照明で撮影したプラズモンピクセルの第２のサンプルの写真であり、図６Ｃ右側の画像は、偏光Ｐ２すなわち、フローティングダイポールに垂直に整列した偏光照明で撮影した写真である。
【００５７】
次に、反射率データの色応答を算出し、これを、写真に観察された色、及びサンプルから直接測定されたデータを裏付けるための根拠として使用できる。図６Ｄは、図６Ａ及び図６Ｃの写真と相関する図６Ｅの反射率データについて抽出されたＣＩＥカラーチャートを示している。ＣＩＥチャートは、２つの異なるサンプルのＰ１及びＰ２応答を示す点を含み、ここでは、偏光がフローティングダイポールと整列された（すなわち、Ｐ１）のカラー１及びカラー２がそれぞれ１０２及び１０４にプロットされている。偏光Ｐ１は、鮮やかな飽和色を生成することが分かるはずである。オフ偏光（すなわち、Ｐ２）の場合のカラー１及びカラー２は、それぞれ１０６及び１０８にプロットされており、偏光Ｐ２は、鈍く白っぽい青色／緑色を生成することが分かるはずである。
【００５８】
図６Ｅにおいて、反射率曲線は、以下のとおりである。
ｉ）カラー１、偏光Ｐ１：曲線１１０
ｉｉ）カラー１、偏光Ｐ２：曲線１１２
ｉｉｉ）カラー２、偏光Ｐ１：曲線１１４
ｉｖ）カラー２、偏光Ｐ２：曲線１１６
更に、紙幣形体サイズの設計、特に、観察される色に対する白及び黒のピクセルの効果を調べるために、より大面積の例をいくつか作製した。図７Ａ〜図７Ｃ及び図８Ａ〜図８Ｃは、２つの例を示している。図７Ａ〜図７Ｃでは、広範囲の色域を実現するための色、明度、彩度の調整を例示するために、色、明度及び彩度検査を行った。図７Ａ〜図７Ｃはそれぞれ、元のＪＰＥＧ画像、本発明の一実施形態によるラズモンピクセルで一度再生した、その元画像のフォーカス画像、および本発明の一実施形態によるプラズモンピクセルで一度再生した元画像のデフォーカス画像を示している。したがって、これらの図は、サブピクセル色配合の遠視野イメージング効果を示している。
【００５９】
図８Ａ〜図８Ｃは、初期の紙幣サイズ形体プロトタイプへの面積の拡大を検討するものであり、その形体における色の偏光感度を示し、偏光依存の色特性を有する大型形体の製造を例証している。図８Ａ〜図８Ｃは、それぞれ、元のＰＥＧ画像、本発明の一実施形態に基づくプラズモンピクセルおよび偏光なし照明(off-polarization illumination)で再生された同画像、および本発明の一実施形態に基づくプラズモンピクセルおよび偏光あり照明で再生された同画像を示している。
【００６０】
図９は、例示的なアルミニウム単一フローティングダイポールプラズモンナノ構造プラズモンピクセルの実験結果及びシミュレーション結果を示している。図９（ａ）は、本発明の一実施形態に基づくプラズモンピクセルの基本構成ブロックを構成するフローティングダイポールプラズモンナノ構造体を概略的に示している。単一素子を、減色カラーパレットに使用し、フィルム及びアンテナの厚さを３０ｎｍ、有孔フィルムの頂部及びフローティングダイポールアンテナの底部との間のギャップを５０ｎｍに設定し、アンテナ幅は３０ｎｍ、アンテナ長は５０〜１２０ｎｍの範囲、単位格子サイズは２５０×２５０ｎｍとする。このロッド状のナノ構造体は、円形／円板状のアンテナより共鳴が大きく、この結果、色応答がより飽和しやすくなるため、円形／円板状のアンテナに対して明確な利点を有する。しかしながら、この構造体が非対称性の場合には偏光依存となる。アルミニウムは同調可能な完全吸収体として機能するので、この例では、フローティングダイポール設計は、アルミニウムの損失性（lossy nature）を利用して、ロッド及びスロット長を変えることにより、構造体のピーク光吸収の中心波長を変化させる。図９（ｂ）は、フローティングダイポール長を変化させることによるプラズモンピクセルセルの配列の応答を示すＣＩＥカラーチャートである。実験結果及びシミュレーション結果を図９（ｃ）及び図９（ｄ）に示す。図９（ｃ）は、フローティングダイポール長を変化させたプラズモンピクセル設計についてＤ６５光源（すなわち、ＣＩＥ標準光源Ｄ６５）を用いてシミュレートされた反射率スペクトル及び知覚された色を示し、図９（ｄ）は、アンテナ長を５０〜１２０ｎｍ（それぞれのサイズは平方２００×２００μｍ）としたプラズモンピクセル配列のプロット上の実験的反射率スペクトル及び写真を示している。
【００６１】
プラズモンピクセルは、構造体のロッド側から照射され、反射スペクトルに吸収極小範囲があることを用いて、減色パレットを生成する。具体的には、７０ｎｍ、９０ｎｍ、及び１２０ｎｍのフローティングダイポール長のそれぞれによって、イエロー、マゼンタ、及びシアンの色が得られる。フローティングダイポール設計のＦＥＭシミュレーションと実験結果との主な違いは、観察されたデバイスのイエローのカラー応答の飽和である。この傾向は、図９（ｂ）のＣＩＥカラーチャートで顕著に観察できる。図９（ｂ）でのシミュレーション及び実験は、最短のアンテナ長を除いて、グラフのイエロー部分に対応してほぼ同じである。この変化は、主に、比較的大きな粒度によって引き起こされる蒸着されたアルミニウム膜の粗さに起因し、この結果、共鳴が広がり、相対強度が低下する。このため、「イエロー」は、シミュレーションによって予測されたほどの飽和を示さない。強く飽和したイエローを生成する課題は、蒸着速度及び基材温度等の蒸着パラメータを調整して、アルミニウム蒸着プロセスの更なる最適化することによって解決できた。
【００６２】
ＣＭＹＫ印刷プロセスを複製できる完全減色パレットを実現するためには、Ｋ、すなわち黒が必要である。理論的には、ＣＭＹの組み合わせにより黒が生成されるはずであるが、この黒は、実際には、視覚的に不満足な泥茶色と認識されがちである。図９（ｅ）に示すように、黒は、アンテナ長が７０ｎｍ及び１１０ｎｍ、中心間の間隔が１２５ｎｍであるフローティングダイポールの二素子フローティングダイポール設計を使用して、広帯域の略完全な吸収体を作製することによって実現される。この二素子設計は、同一の単位セルサイズ、並びに薄膜とナノアンテナとの間に同間隔が必要であるという点で、単一素子設計ストラテジと互換性を有する。図９（ｆ）は、単一のセル内に２つのナノアンテナを組み合わせることにより、広い吸収応答を実現できることを示している。シミュレートされたスペクトル及び実験スペクトルに対応して観測された色を図９（ｆ）に色付きの四角形として示す。ここではＤ６５光源を照明源として使用した。
【００６３】
試験構造体を製造した。この一例を試験結果と共に図１０に示す。図１０（ａ）は、プラズモンピクセルの性能を示すために用いた試験パターンを表しており、減法原色空間及び加法原色空間の飽和バージョンが完全不飽和から飽和まで変化している。図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）は、作製した試験構造体の拡大写真を示しており、このフォーカス画像（図１０（ｂ）参照）は、そのサブピクセルをそれぞれ、白及び黒のサブピクセルの混合によって、どのように変更して彩度及び明るさの滑らかな勾配を実現するかを示している。図１０（ｃ）は、試験構造体のデフォーカス拡大写真であり、肉眼で観察される色を表するものである。ここでは、サブピクセルを合併して彩度及び明るさを滑らかに変化させている。図１０（ｄ）、図１０（ｅ）及び図１０（ｆ）は、ＲＧＢを生成するためのＣＭＹの減法混色について測定された反射率スペクトルを示しており、ここでは２つの混合された減法色の平均化によって、結果となる加法色が生成されている。すなわち、図１０（ｄ）は、イエロー（Ｙ）＋マゼンタ（Ｍ）により赤色（Ｒ）が得られることを示し、図１０（ｅ）は、イエロー（Ｙ）＋シアン（Ｃ）により緑色（Ｇ）が得られることを示し、図１０（ｆ）は、マゼンタ（Ｍ）＋シアン（Ｃ）により青色（Ｂ）が得られることを示している。図１０（ｅ）から、ここに提案する設計では、緑色が最も実現の難しい色であることがわかる。この難しさは、イエロー及びシアンである混合色の生成に使用される共鳴の広がりに起因する。２つの共鳴間の重なりが大きすぎ、得られる緑色の強度が著しく低下してしまうためである。緑色を生成するという課題は、ナノ構造体の忠実度を高め、アルミニウム膜の粒径を小さくすることによって克服できた。イエロー及びシアンの共鳴が狭くなり、したがって、より飽和した緑色応答が得られたためである。図４には、プラズモンピクセル設計のＳＥＭ画像が含まれており、図４（ｈ）では、フローティングダイポール設計の平面図として、シアン色のサブピクセル及び二重アンテナ黒サブピクセル用のスロットが見られる。図１０（ｉ）は、フローティングダイポール設計の断面ＳＥＭ画像を示しており、ここでは、Ａｌダイポールアンテナは、上位にある穿孔されたＡｌ膜からＰＭＭＡ層によって明確に分離され、フローティングダイポール構造体を形成している。アルミニウム膜の粒子サイズが理想的でないにもかかわらず、パターン形成の忠実度が優れていることは、これらの画像から明らかである。
【００６４】
これらの例から、プラズモンピクセルの色は、偏光に感度が高く、全ての所望の中間色を含めて黒から白に調整する性能は、これらの実施形態によって実現できる色の制御及び範囲を示していることがわかるであろう。更に、これらの実施形態に基づいて、実質的なサイズの形体を製造でき、このサイズは、例えば紙幣や他の機密書類用などのセキュリティ形体として、肉眼で見える形体として使用するのに十分な大きさであることは明らかである。
【００６５】
また、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変更が可能であることは、当業者にとって明らかである。例えば、プラズモン材料は、いくつもの異なる金属（例えば、銀、金、銅又は鉄）又は高濃度ドープ半導体（例えば、薄膜シリコン）であってもよい。プラズモンピクセルは、ロッド状構造体のみを含む必要はない。これに代えて、プラズモンピクセルは、十字形の構造体を含むことができ、この場合、２つの異なる偏光に対して２つの異なる画像が提供される。更に他の形状を使用しても、異なる形状の構造体の組み合わせを用いてもよい。アンテナ構成の変更によって、異なる偏光感度効果がもたらされる。上述した実施形態では、構造体のレイアウトは、ソリッドダイポール及びフローティングダイポールを含み、これらは同様の製造方法を用いて同じ効果を生み出す２つの手法を構成しているが、他の製造技術も当業者には明らかである。
【００６６】
また、本明細書中のあらゆる先行技術への言及も、その先行技術がどの国の一般知識の一部を形成するとの認識やいかなる形態の示唆と解釈されない、かつされるべきではない。
【００６７】
以下の特許請求の範囲及び本発明の前述の説明では、明示的な文言又は必要な含意のために文脈が特別に要求する場合を除き、「含む（comprise）」という語又はその変化形は、包括的な意味で使用されており、すなわち、記述された特徴の存在を特定するが、本発明の様々な実施形態における更なる特徴の存在又は追加を排除するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９（１）】
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【図９（２）】
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【図１０（１）】
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【図１０（２）】
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【国際調査報告】
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