(57)【要約】【課題】光学フィルターの波長分解能を向上させる。【解決手段】光学フィルター１０は、特定波長の光を透過する光学フィルターであって、基板１と、基板１上に積層された第１導電体膜４、誘電体膜３及び第２導電体膜２を備える。誘電体膜３は、第１導電体膜４と第２導電体膜２の間に設けられる。第１導電体膜４には開口部５が周期的に配置される。開口部５が配置される周期は、特定波長未満の長さである。【選択図】図１
2016061806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定波長の光を透過させる光学フィルターであって、
基板と、
前記基板上に積層された第１導電体膜、誘電体膜及び第２導電体膜を備え、
前記誘電体膜は、前記第１導電体膜と前記第２導電体膜の間に設けられ、
前記第１導電体膜には、開口部が周期的に配置され、
前記開口部が配置される周期は、前記特定波長未満の長さである、光学フィルター。
【請求項２】
前記開口部の前記第１導電体膜の厚み方向に垂直な面における断面は、円形、楕円又は多角形のいずれかの形状である、請求項１に記載の光学フィルター。
【請求項３】
前記第１導電体膜において、前記開口部は、二等辺三角格子、正三角格子又は正方格子に配置される、請求項１又は２に記載の光学フィルター。
【請求項４】
前記第１導電体膜及び前記第２導電体膜のプラズマ周波数は、前記特定波長の周波数より高い、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学フィルター。
【請求項５】
前記第１導電体膜及び前記第２導電体膜は、金属で形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学フィルター。
【請求項６】
前記第１導電体膜の膜厚が、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であり、
前記第２導電体膜の膜厚が、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学フィルター。
【請求項７】
前記第１導電体膜への入射光によって、前記第１導電体膜の表面に表面プラズモンが誘起され、
前記第１導電体膜に周期的に配列された前記開口部によって、前記表面プラズモンと前記入射光とが共振的に相互作用することで、前記第１導電体膜を透過する透過光の波長が前記特定波長を含む領域に制限されるように前記開口部が配置され、
前記透過光または前記入射光によって、前記第１導電体膜と前記第２導電体膜間に、光学的反射および透過および干渉が生じる、請求項１〜６いずれか１項に記載の光学フィルター。
【請求項８】
前記第１導電体膜または前記第２導電体膜が、アルミニウム、銀、銅、金、又はこれらの合金からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含むことを請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学フィルター。
【請求項９】
前記第１導電体膜及び前記第２導電体膜は、アルミニウム、またはアルミニウムを含む混合物もしくは合金であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学フィルター。
【請求項１０】
前記誘電体の材料と、前記第１導電体膜の前記開口部を充填する材料が同一材料であり、当該材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学フィルター。
【請求項１１】
前記第１導電体膜及び前記第２導電体膜との距離は、前記特定波長の０．５倍から４．０倍である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学フィルター。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学フィルターと、前記光学フィルターを透過した光を受光して電気信号に変換する受光素子と、を備えた撮像素子。
【請求項１３】
前記受光素子は、複数の画素を含み、
各画素に対応して前記光学フィルターが設けられ、
前記複数の画素のうち１つの画素に対応して設けられる光学フィルターを透過できる光の特定波長と、他の画素に対応して設けられる光学フィルターを透過できる光の特定波長とが異なる、請求項１２に記載の撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定の波長の光を透過する光学フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の多くは光の照射に対し、特有の吸収波長や蛍光波長を有する。このため、照射装置で物質に光を照射し、物質から光のうち特定の波長を、分光装置を用いて選択的に検知することで、物質の成分の同定を行うことができる。これにより、対象物に関する多くの情報を得ることができる。
【０００３】
汎用的な分光カメラとしては、例えば、ハイパースペクトルカメラがある。分光方式としてはスリットと分光光学系を用いるもの、音響光学素子を用いるもの、液晶リアフィルターを用いるものなどがある。それぞれ分光系を制御することで、１０ｎｍ程度の波長分解能で任意の波長を取り出して画像化することができる。このような分光カメラは、複雑な光学系を用いるために非常に高価であり、業務用用途に限られる。
【０００４】
一方、上記のような分光装置を持たないカメラで、特定用途に絞り、必要な特定の波長のみ画像化する場合には、カメラに多層膜のフィルターを付加することで上記特定の波長を抽出することができる。例えば、下記非特許文献１及び２では、人の血液中に含まれるヘモグロビンの吸収ピークである５６０ｎｍ〜６１０ｎｍに透過特性を持つ多層膜光学フィルターを通常のカメラに取り付けることで、肌に塗ったファンデーションの塗り斑を画像化している。このような多層膜フィルターを用いて固定的に波長を見るものは、目的別にフィルターを代える必要があり、利便性に問題が生じる場合がある。
【０００５】
利便性を向上させた分光機能を持つカメラとして、例えば、下記特許文献１に示す、特定波長を透過する金属膜フィルターを用いたものが候補として挙げられる。この金属膜フィルターは、金属膜と、金属膜に設けられた開口のアレイとを有する。アレイにおける開口同士は、所定の波長の入射光が表面プラズモンエネルギー帯で金属膜を撹乱してアレイの個々の開口を通過する光の透過を高めるようにアレイへの入射光の波長に応じて選択された周期で配列されている。下記非特許文献３及び４においても、表面プラズモン共鳴による金属膜フィルターの例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−７２６０７号公報
【非特許文献１】Ken Nishino et al., “Optical filter for highlighting spectral features Part I” OPTICS EXPRESS, 17 March 2011, Vol.19, No.7, pp.6020-6030 (2011)
【非特許文献２】Ken Nishino et al., “Optical filter for highlighting spectral features Part II” OPTICS EXPRESS, 17 March 2011, Vol.19, No.7, pp.6031-6041 (2011)
【非特許文献３】Naoki Ikeda et al., “Color Filter Based on Surface Plasmon Resonance Utilizing Sub-Micron Periodic Hole Array in Aluminum Thin Film” IEICE TRANSACTIONS on Electronics, Vol.E95-C No.2, pp.251-254 (2012)
【非特許文献４】Ting Xu et al., “Plasmonic nanoresonators for high-resolution color filtering and spectral imaging” Nature Communications, 24 August 2010, Vol.1, 1058 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１、非特許文献３及び４のような金属膜フィルターでは、入射光によって金属膜フィルター表面に、表面プラズモンと呼ばれる電子波が生じ、金属膜フィルターに配置された周期開口によって、存在する電子波の波長が選択されることで、金属膜フィルターの透過波長が決まる。したがって、透過波長スペクトルの半値幅は、主に、開口径と周期の比、膜厚、構成材料の光学特性等により決まる。上記特許文献１、非特許文献３及び４の構造では、半値幅の狭帯域化は難しい。例えば、非特許文献３及び４に記載の金属膜フィルターの透過波長スペクトルの半値幅は、１００ｎｍから２００ｎｍである。一方、特定の物質の吸収ピークを検知するには、上記非特許文献１及び２に示されているように、１０〜５０ｎｍの波長分解能が求められる場合がある。この場合、必要とされる波長分解能を一つの光学フィルターから得ることが難しくなる。そこで、本願は、波長の分解能を向上させた光学フィルターを開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態における光学フィルターは、特定波長の光を透過する光学フィルターであって、基板と、前記基板上に積層された第１導電体膜、誘電体膜及び第２導電体膜を備える。前記誘電体膜は、前記第１導電体膜と前記第２導電体膜の間に設けられる。前記第１導電体膜には開口部が周期的に配置される。前記開口部が配置される周期は、前記特定波長未満の長さである。
【発明の効果】
【０００９】
本願開示によれば、光学フィルターの波長分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態１における光学フィルターの構成例を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す光学フィルターを側面透視図である。
【図３】図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図４は、開口部を正三角格子状に配置する例を示す図である。
【図５】図５は、開口部を正方格子状に配置する例を示す図である。
【図６】図６は、本実施形態の光学フィルターと、比較例としての第２導電体膜を有さない光学フィルターの透過特性の測定結果を示す。
【図７】図７は、光学フィルター１０の誘電体膜３の膜厚を４５０ｎｍ〜６００ｎｍに変えた場合の、透過特性の測定結果を示す。
【図８】図８は、光学フィルター１０の誘電体膜３の膜厚を４５０ｎｍ〜６００ｎｍに変えた場合の最大透過波長における透過率の変化を示す。
【図９】図９は、誘電体膜の膜厚と最大透過波長の関係を示す。
【図１０】図１０は、光学フィルター１０の第１導電体膜４のＡｌ膜厚を２０ｎｍ〜２００ｎｍに変えた場合の透過特性を示す。
【図１１】図１１は、光学フィルター１０の第１導電体膜４のＡｌ膜厚を２０ｎｍ〜２００ｎｍに変えた場合の最大透過波長における透過率の変化を示す。
【図１２】図１２は、第２導電体膜２を設けずに第１導電体膜４のみを用いた光学フィルターの透過特性を示す図である。
【図１３】図１３は、図１２に示す測定結果におけるメインピークの透過率と半値幅をプロットしたものである。
【図１４】図１４は、光学フィルター１０の第２導電体膜２のＡｌ膜厚を５ｎｍ〜１０ｎｍに変えた場合の透過特性を示す。
【図１５】図１５は、実施形態２における光学フィルター１０ａの構成例を示す側面透視図である。
【図１６】図１６は、図１５におけるＡ−Ａ線の断面図である。
【図１７】図１７は、実施形態２の光学フィルター１０ａにおける透過特性と、実施形態１の光学フィルター１０における通過特性の測定結果を示す。
【図１８】図１８は、ＡｇとＡｌの反射率特性を示す図である。
【図１９】図１９は、実施形態４における光学フィルター１０ｂの構成例を示す側面透視図である。
【図２０】図２０は、図１９におけるＡ−Ａ線の断面図である。
【図２１】図２１は、実施形態４の光学フィルター１０ｂの透過特性を説明する図である。
【図２２】図２２は、実施形態５における撮像素子３０の構成例を示す図である。
【図２３】図２３は、受光素子２０と、光学フィルター１０の分解斜視図と、光学フィルター１０の第１導電体膜４の表面を拡大した模式図とを示している。
【図２４】図２４は、撮像素子３０の変形例を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態における光学フィルターは、特定波長の光を透過する光学フィルターであって、基板と、前記基板上に積層された第１導電体膜、誘電体膜及び第２導電体膜を備える。前記誘電体膜は、前記第１導電体膜と前記第２導電体膜の間に設けられる。前記第１導電体膜には開口部が周期的に配置される。前記開口部が配置される周期は、前記特定波長未満の長さである。
【００１２】
上記構成によれば、前記第１導電体膜に光が入射すると、第１導電体膜の表面に表面プラズモンが励起される。表面プラズモンと入射光は共鳴し、開口部の周期に応じた波長の光が出射される。これにより、特定波長付近の光が選択的に光フィルターを透過する。さらに、第１導電体膜と第２導電体膜との間で光の干渉が生じるので、透過する光の波長がさらに狭帯域化する。その結果、光フィルターの波長分解能が向上する。
【００１３】
前記開口部の前記第１導電体膜の厚み方向に垂直な面における断面は、円形、楕円又は多角形のいずれかの形状とすることができる。
【００１４】
前記第１導電体膜において、前記開口部は、二等辺三角格子、正三角格子又は正方格子に配置することができる。これにより、入射偏光依存性を抑え、斜入射特性を改善することができる。
【００１５】
前記第１導電体膜及び前記第２導電体膜のプラズマ周波数は、前記特定波長の周波数より高い態様とすることができる。例えば、前記第１導電体膜及び前記第２導電体膜は、金属で形成することができる。
【００１６】
前記第１導電体膜の膜厚が、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であり、前記第２導電体膜の膜厚が、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲とすることができる。これにより、第１導電体膜の表面に励起される表面プラズモンと入射光の共鳴により選択される波長の光が、第２導電体膜で反射及び透過しやすくなる。その結果、選択される光の波長を狭帯域化しやすくなる。
【００１７】
上記光学フィルターは、前記第１導電体膜への入射光によって、前記第１導電体膜の表面に表面プラズモンが誘起される構成とすることができる。また、前記第１導電体膜に周期的に配列された前記開口部によって、前記表面プラズモンと前記入射光とが共振的に相互作用することで、前記第１導電体膜を透過する透過光の波長が前記特定波長を含む領域に制限されるように前記開口部を配置することができる。前記透過光または前記入射光によって、前記第１導電体膜と前記第２導電体膜間に、光学的反射および透過および干渉が生じる構成とすることができる。
【００１８】
前記第１導電体膜または前記第２導電体膜は、アルミニウム、銀、銅、金、又はこれらの合金からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含むことができる。また、前記第１導電体膜及び前記第２導電体膜は、アルミニウム、またはアルミニウムを含む混合物もしくは合金とすることもできる。
【００１９】
前記誘電体の材料と、前記第１導電体膜の前記開口部を充填する材料が同一材料であり、当該材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１つを含むことができる。
【００２０】
前記第１導電体膜及び前記第２導電体膜との距離は、前記特定波長の０．５倍から４．０倍とすることができる。これにより、第１導電体膜と第２導電体膜との間で光の干渉を生じやすくすることができる。
【００２１】
上記の光学フィルターと、前記光学フィルターを透過した光を受光して電気信号に変換する受光素子とを備えた撮像素子も、本発明の実施形態の一例である。
【００２２】
上記撮像素子において、前記受光素子は、複数の画素を含み、各画素に対応して前記光学フィルターが設けられてもよい。この場合、前記複数の画素のうち１つの画素に対応して設けられる光学フィルターを透過できる光の特定波長と、他の画素に対応して設けられる光学フィルターを透過できる光の特定波長とが異なる構成とすることができる。これにより、例えば、画素ごとに異なる色のカラーフィルターを簡単な構造で形成することができる。
【００２３】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。
【００２４】
＜実施形態１＞
図１は、実施形態１における光学フィルターの構成例を示す斜視図である。図２は、図１に示す光学フィルターを側面透視図である。図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。光学フィルター１０は、特定波長の光を透過させる。特定波長は、光学フィルター１０で透過させたい光の波長帯域に含まれる波長又は波長の帯域とすることができる。特定波長は、例えば、透過光の中で最も透過率の高い光の波長、すなわち、最大透過波長とすることができる。
【００２５】
図１に示す例では、光学フィルター１０は、基板１、第１導電体膜４、第２導電体膜２、及び誘電体膜３を備える。本例では、基板１上に、第２導電体膜２、誘電体膜３及び第１導電体膜４が順に積層される。誘電体膜３は、第１導電体膜４と第２導電体膜２の間に設けられる。すなわち、第１導電体膜４と第２導電体膜２は、誘電体膜３を挟持している。第１導電体膜４には開口部５が周期的に配置される。開口部５が配置される周期Ｐは、前記特定波長未満の長さである。第２導電体膜２は開口部を有さない。また、第２導電体膜２の膜厚は、第１導電体膜４の膜厚より小さい。図２に示すように、第１導電体膜４上に、第１導電体膜４を覆うように誘電体膜６が設けることができる。この誘電体膜６は、図１では、図示を省略している。
【００２６】
本例では、図２において、矢印Ｆで示す方向に光が入射される。第１導電体膜４は、光の入射方向に対して、第２導電体膜２よりも上流に位置する。第１導電体膜４へ入射した光のうち特定波長を含む帯域の光が、第１導電体膜４から第２導電体膜２へ出射される。第２導電体膜２に入射する光のうち一部は、第２導電体膜２を透過し、他の一部は第２導電体膜２で反射する。第１導電体膜から第２導電体膜２の間では、光の干渉が生じて、第２導電体膜２を透過する光の帯域がさらに狭くなる。そのため、特定波長を含む光であって、第１導電体膜４を出射した光よりも、狭帯域化した光が第２導電体膜２を通過することになる。この具体例は後述する。
【００２７】
図１及び図２に示す例では、開口部５は、第１導電体膜４を貫通する貫通口であるが、第１導電体膜を貫通しない穴を開口部とすることもできる。第１導電体膜４に、開口部として、他の部分より光を通しやすい部分（例えば、膜厚が他の部分より薄い部分）を、周期的に設けることができる。一方、第２導電体膜２の膜厚は膜全体にわたって均一にすることができる。すなわち、第２導電体膜２は、光の通りやすさが膜全体にわたって略同じになるように形成することができる。
【００２８】
基板１の材料は、入射光を透過する材料であれば、特に限定されない。例えば、無機材料、有機材料、又は、それらの混合材料のいずれかを基板１の材料とすることができる。基板１の材料として、例えば、ガラス、石英、Ｓｉ、化合物半導体などを用いることができる。また、基板１の大きさ、厚みにも特に限定はない。基板の表面形状も特に限定はなく、平坦でも曲面形状であってもよい。なお、基板１上に形成される層との密着性を考慮し、基板１に適当な表面処理を施してから、基板１上に膜を積層してもよい。また、基板１にエッチングに対する耐性の高い透明材料をストッパー層として積層させてから、膜を積層することもできる。
【００２９】
第１導電体膜４を構成する導電材料は任意に選択できる。例えば、導電材料として、単体で導体であり、任意の波長帯域で７０％以上の反射率を有し、且つ常温では固体である金属元素からなるもの、及びそれらの合金を用いることができる。第１導電体膜４を構成する材料のプラズマ周波数は、利用する光、すなわち光フィルター１０を透過させる光の周波数より高いことが好ましい。例えば、プラズマ周波数が特定波長より低い材料を第１導電体膜４の材料として用いることができる。また、利用する光の波長領域において光の吸収が少ないことが望ましい。このような材料として、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、窒化チタン、窒化ジルコニウム、ニッケル、コバルト及びこれらの合金からなる群から選択される材料を含んでもよい。或いは、ＩＴＯ（Ｓｎ：Ｉｎ２Ｏ３）を含むＩｎ２Ｏ３系、ＡＺＯ(Ａｌ：ＺｎＯ)、ＧＺＯ(Ｇａ：ＺｎＯ)、ＢＺＯ(Ｂ：ＺｎＯ)、又は、ＩＺＯ(Ｉｎ：ＺｎＯ)を含むＺｎＯ系、ＩＧＺＯ系の金属酸化物透明導電材料から選択される材料を、第１導電体膜４に含むことができる。なお、第１導電体膜４の材料は、上記例に限られない。また、熱処理により第１導電体膜４をシンタリングしてもよく、第１導電体膜４に保護膜等を形成してもよい。第１導電体膜４の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
第１導電体膜４には、複数の開口部５が、特定波長の波長未満の周期で配置されている。開口部５は、図４に示すように、正三角形の各頂点（正三角格子状）に各開口部５の中心が位置するよう配置されている。ここでは、正三角形の代わりに二等辺三角形の各頂点に開口部５の中心が位置するよう配置してもよい。すなわち、第１の方向（例えば、ｘ方向）に等間隔で並ぶ開口部５の列が、第１の方向に垂直な第２の方向（例えば、ｙ方向）に複数配置される。１つの第１方向の列における開口部５は、その隣の列の２つの開口部５から等距離に位置するよう、隣り合う列の開口部５は第１方向にずれて配置される。このように、各開口部を正三角格子状又は二等辺三角格子状に配置にすることで入射偏光依存性を抑え、斜入射特性を改善することができる。配置される開口部５が配置される周期Ｐは、例えば、１５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
なお、開口部５の配置の仕方は特に限定はない。例えば、図５に示すように、正方格子状に開口部５を配置してもよい。また、本例では開口部５は円筒形状であるが、その形状はこれに限定されない。例えば、開口部５の貫通方向（第１導電体膜４の厚み方向）に垂直な面における断面形状は、円、楕円、三角形、矩形、その他多角形とすることができる。また、開口部５の側壁（内壁）は、貫通方向に対して傾いていてもよい。例えば、開口部５は、円錐形状、三角錐形状、四角錐形状などであってもよい。開口部５には誘電体膜３と同じ誘電体が充填されている。
【００３２】
誘電体膜３及び誘電体膜６を構成する誘電材料は一種類の材料とすることができる。このような材料として、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムなどが挙げられる。
【００３３】
第２導電体膜２の材料は、第１導電体膜４と同様、利用する光の波長領域において光の吸収が少なく、第２導電体膜２のプラズマ周波数は、利用する光の周波数より高いことが好ましい。第２導電体膜２の材料は、第１導電体膜４と同じ材料でなくてもよい。また、第２導電体膜２の膜厚は、光の反射と透過の機能を持たせる観点から、例えば、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。第１導電体膜４と第２導電体膜２との間の誘電体膜３の膜厚は、第１導電体膜４及び第２導電体膜２間で、光を干渉させる観点から、例えば、１５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下とすることができる。
【００３４】
上記構成の光学フィルター１０では、入射光が第１導電体膜４の表面に表面プラズモンを励起させ、表面プラズモンと入射光とが共鳴的に相互作用する。この際、開口部５の周期Ｐに応じた共鳴により、特定波長を含む帯域の光が第１導電体膜４から出射される。この光は第２導電体膜２と第１導電体膜４との間で干渉する。これにより、第１導電体膜４の開口部５の周期Ｐによる共鳴で出射された光の波長帯域より、第２導電体膜２と第１導電体膜４との間で干渉して第２導電体膜２を透過する光の波長帯域の方がより狭くなる。すなわち、より波長選択された光が第２導電体膜を透過することになる。
【００３５】
本実施形態では、第１導電体膜４と第２導電体膜２との間で干渉が生じることで、透過波長が狭帯域化する。この干渉させるためには第１導電体膜４と第２導電体膜２との間で平面波が形成されることが好ましい。その観点からは、第１導電体膜４及び第２導電体膜２間の距離は、透過させたい特定波長の光が、第１導電体膜４及び第２導電体膜２間で平面波を形成するのに必要な最小距離以上であることが望ましい。そこで、例えば、第１導電体膜４及び第２導電体膜２間の距離は、最大透過波長の０．５倍から４．０倍までの距離とすることができる。
【００３６】
光学フィルター１０の製造には、例えば、フォトリソグラフィー法、電子線リソグラフィー法、ナノインプリント法などの微細加工技術を用いることができる。光学フィルター１０の製造方法としては、例えば、基板１上に第２導電体膜２を形成する。次に、誘電体膜３を第２導電体膜２上に積層する。続いて、誘電体膜３上に第１導電体膜４を形成し、光リソグラフィーとエッチングによって開口部５を第１導電体膜４に形成する。そして、誘電体膜６を開口部５に充填するとともに、第１導電体膜４上に誘電体膜５を積層して光学フィルター１０を得る。なお、第１導電体膜４の開口部６の内壁のサイドエッチングなどの問題を防ぐため、異方性の高いドライエッチング条件により加工することができる。
【００３７】
図６は、本実施形態の光学フィルター１０と、比較例としての第２導電体膜を有さない光学フィルターの透過特性の測定結果を示す。図６に示す例では、第２導電体膜２を設けた光学フィルター１０における最大透過光の半値幅は、第２導電体膜を有さない光学フィルターの最大透過光の半値幅よりも狭くなっている。
【００３８】
なお、図６の測定における光学フィルター１０は、ＳｉＯ２で形成された厚さ３００ｎｍの基板１と、Ａｌで形成された厚さ５ｎｍの第２導電体膜２と、ＳｉＯ２で形成された厚さ５００ｎｍの誘電体膜３と、Ａｌで形成された厚さ７５ｎｍの第１導電体膜４と、ＳｉＯ２で形成された厚さ３００ｎｍの誘電体膜６とを備える。開口部５は三角格子状に配置された円筒形状パターンとし、その周期Ｐは３６０ｎｍ、その径Ｄは１８０ｎｍとしている。
【００３９】
比較例の光学フィルターは、ＳｉＯ２で形成された厚さ８００ｎｍの基板と、Ａｌで形成された厚さ７５ｎｍの第１導電体膜と、ＳｉＯ２で形成された厚さ３００ｎｍの誘電体膜とを備える。開口部は本実施形態と同パターンとし、その周期は３６０ｎｍ、その径は１８０ｎｍとしている。
【００４０】
次に、第１実施形態の光学フィルターの誘電体膜３の膜厚の評価結果を示す。図７は、本実施形態の光学フィルター１０の誘電体膜３の膜厚を４５０ｎｍ〜６００ｎｍに変えた場合の、透過特性の測定結果を示す。図８は、光学フィルター１０の誘電体膜３の膜厚を４５０ｎｍ〜６００ｎｍ変えた場合の最大透過波長における透過率の変化を示す。これらの例では、光学フィルター１０の最大透過波長、最大透過波長の半値幅、及び最大透過波長の透過率は、誘電体膜３の膜厚に依存している。
【００４１】
図９に、誘電体膜の膜厚と最大透過波長の関係を示す。図９に示す例では、誘電体膜の膜厚と最大透過波長は、ほぼ比例関係にある。干渉による透過波長λは、下記の式（１）で表すことができる。下記式（１）によれば、誘電体膜厚と透過波長は比例関係となっている。このことから、図９に示す例において、第１導電体膜と第２導電体膜間で干渉が生じていることがわかる。
λ  ＝  m  ×（2・ n・d）       （１）
上記式（１）において、ｍ＝次数、n＝誘電体の屈折率、ｄ＝誘電体膜厚、λ＝透過波長、である。
【００４２】
また、図９に示す例では、誘電体膜の膜厚は、最大透過波長の約０．９６倍になっている。すなわち、第１導電体膜４と第２導電体膜２の間に設けられる誘電体膜３の膜厚は、最大透過波長の０．５倍〜４．０倍の範囲内となっている。このように、誘電体膜３の膜厚を設定することにより、第１導電膜４と第２導電膜２の間でより確実に平面波が生じるように、第１導電膜４と第２導電膜２の間の距離を確保することができる。なお、図７〜９に示す例では、第１導電膜４と第２導電膜２との距離が約５０ｎｍ以上であれば、第１導電膜４と第２導電膜２の間で平面波が生じることが推察できる。
【００４３】
次に、本実施形態の光学フィルター１０の第１導電体膜４の膜厚の評価結果を示す。図１０は、光学フィルター１０の第１導電体膜４のＡｌ膜厚を２０ｎｍ〜２００ｎｍに変えた場合の透過特性を示す。図１１は、光学フィルター１０の第１導電体膜４のＡｌ膜厚を２０ｎｍ〜２００ｎｍに変えた場合の最大透過波長における透過率の変化を示す。図１０、図１１に示す例では、光学フィルター１０の最大透過波長及び最大透過波長の透過率は、第１導電体膜４の膜厚に依存している。図１１に示す例では、第１導電体膜４の膜厚が２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の場合は、いずれも最大透過波長の透過率は許容できるレベルになっている。特に、膜厚が５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の場合に透過率が高くなっている。
【００４４】
図１２は、第２導電体膜２を設けずに第１導電体膜４のみを用いた光学フィルターの透過特性を示す図である。図１２は、第１導電体膜４の膜厚を２０ｎｍ〜４００ｎｍの間で変化させた場合の透過特性を示す。図１２の測定における光学フィルターは、ＳｉＯ２で形成された厚さ８００ｎｍの基板１の上に、Ａｌで形成された第１導電体膜４と、ＳｉＯ２で形成された厚さ３００ｎｍの誘電体膜３とを備える。第２導電体膜４の開口部５は三角格子状に配置された円筒形状パターンとし、その周期Ｐは３６０ｎｍ、その径Ｄは１８０ｎｍとしている。
【００４５】
図１３は、図１２に示す測定結果におけるメインピーク（最大透過波長におけるピーク）の透過率と半値幅を、各膜厚についてプロットしたものである。図１３における四角のプロットはメインピークの透過率を表し、三角のプロットは半値幅を表す。図１３に示す例では、第１導電体膜４の膜厚が５０ｎｍより小さくなると、メインピークの透過率は下がる傾向にあり、半値幅は急激に大きくなる。膜厚が２００ｎｍより大きくなると、半値幅はほとんど減少しなくなるが、透過率の減少度合いが増している。この例では、第１導電体膜の膜厚が５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲で、半値幅が比較的狭く、透過率が比較的高くなる。
【００４６】
次に、本実施形態の光学フィルター１０の第２導電体膜２の膜厚を評価した結果を示す。図１４は、光学フィルター１０の第２導電体膜２のＡｌ膜厚を５ｎｍ〜１０ｎｍに変えた場合の透過特性を示す。図１４に示す例では、第２導電体膜２の膜厚が厚くなると、透過率は低くなるが、干渉の波長の顕著な変化、すなわち、最大透過波長の顕著な変化は見られない。
【００４７】
＜実施形態２＞
図１５は、実施形態２における光学フィルター１０ａの構成例を示す側面透視図である。図１６は、図１５におけるＡ−Ａ線の断面図である。光学フィルター１０ａでは、基板１上に、第１導電体膜４ａ、誘電体膜３、第２導電体膜２ａ、及び誘電体膜６が、順に積層されている。すなわち、図１５は、図１及び図２に示した層構成において第１導電体膜と第２導電体膜とが入れ替わった構成となっている。ここでは、光の入射方向に対して、第２導電体膜２ａが、第１導電体膜４ａより上流に配置されている。この構成においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。また、第１導電体膜４ａ、誘電体膜３、第２導電体膜２ａ、及び誘電体膜６の材料、形状及び寸法も、実施形態１と同様にすることができる。
【００４８】
図１５及び図１６に示す構成の光学フィルター１０ａでは、入射光が第２導電体膜２ａを半透過し、第２導電体膜２ａと第１導電体膜４ａとの間で干渉された光が、第１導電体膜４ａの表面に表面プラズモンを誘起させる。表面プラズモンと入射光とが共鳴的に相互作用し、開口部５の周期による共鳴で所定の波長が出射される。この例では、開口部５を有する第１導電体膜４ａで反射した光と、第２導電体膜２ａを透過した入射光とで干渉が起こる。
【００４９】
光学フィルター１０ａの製造方法としては、例えば、まず基板１上に第１導電体膜４ａを形成する。続いて、光リソグラフィーとエッチングによって開口部５を形成する。次に、誘電体膜３を、開口部５に充填するとともに第１導電体膜４ａ上に積層し、化学的又は物理的平坦化手法によって平坦化する。続いて、第２導電体膜２ａを誘電体膜３上に積層する。続いて、第２導電体膜２ａ上に誘電体膜６を積層して光学フィルター１０ａを得る。なお、第１導電体膜４ａの開口部５の内壁のサイドエッチングなどの問題を防ぐため、異方性の高いドライエッチング条件により加工することができる。
【００５０】
図１７は、実施形態２の光学フィルター１０ａにおける透過特性と、実施形態１の光学フィルター１０における通過特性の測定結果を示す。図１７に示す例では、実施形態２の光学フィルター１０ａの最大透過波長における半値幅及び透過率は、実施形態１の光学フィルター１０と略同様になっている。この例では、周期的に配置された開口部５を含む導電体層４は、開口部５を含まない導電体層２より、上流又は下流いずれに配置されても同様な効果が得られる。
【００５１】
なお、図１７に示す測定における実施形態２の光学フィルター１０ａは、ＳｉＯ２で形成される厚さ３００ｎｍの基板１と、Ａｌで形成される厚さ７５ｎｍの第１導電体膜４ａと、ＳｉＯ２で形成される厚さ５００ｎｍの誘電体膜３と、Ａｌで形成される厚さ１０ｎｍの第２導電体膜２ａと、ＳｉＯ２で形成される厚さ３００ｎｍの誘電体膜６とを備える。開口部５は三角格子状に配置された円筒形状パターンとし、その周期Ｐは３６０ｎｍ、その径Ｄは１８０ｎｍとしている。図１７に示す測定における実施形態１の光学フィルター１０は、光学フィルター１０ａの第１導電体膜４ａと第２導電体膜２ａの配置を上下入れ替えた構成である。
【００５２】
＜実施形態３＞
実施形態３の光学フィルターは、実施形態２の第２導電体膜２ａの材料をＡｌからＡｇに変えた構造である。Ａｇは、Ａｌよりも、少なくとも可視光領域において反射率が高い（図１８参照）。そのため、Ａｇは、干渉膜の材料として有効である。すなわち、干渉を生じやすくするためには、第１導電体膜４ａ及び第２導電体膜２ａをＡｇで形成することが有効である。一方で、第１導電体膜４ａは、半導体プロセスによる周期的なパターン（開口部５）の微細加工がなされるので、第１導電体膜４ａの材料は、半導体プロセスと親和性がある材料を用いることが好ましい。
【００５３】
そこで、実施形態３では、一例として、ＳｉＯ２で形成された厚さ３００ｎｍの基板１と、Ａｌで形成された厚さ７５ｎｍの第１導電体膜４ａと、ＳｉＯ２で形成された厚さ５００ｎｍの誘電体膜３と、Ａｇで形成された厚さ１０ｎｍの第２導電体膜２ａと、ＳｉＯ２で形成された厚さ３００ｎｍの誘電体膜３とを備える光学フィルターとしている。開口部５は三角格子状に配置された円筒形状パターンとし、その周期Ｐは３６０ｎｍ、その径Ｄは１８０ｎｍとすることができる。これにより、干渉をより生じやすくするとともに、半導体プロセスにおける加工がしやすくなる。なお、実施形態１の第２導電体膜２ａをＡｌからＡｇに変更した構造でも同様の効果を得ることができる。
【００５４】
＜実施形態４＞
図１９は、実施形態４における光学フィルター１０ｂの構成例を示す側面透視図である。図２０は、図１９におけるＡ−Ａ線の断面図である。光学フィルター１０ｂでは、基板１上に、サブピークカットフィルター７がさらに積層される。光学フィルター１０ｂは、図１５に示した光学フィルター１０ａにおいて、誘電体膜６上にサブピークカットフィルター７を設けた構成である。サブピークカットフィルター７は、光学フィルター１０ｄで透過させる特定波長を含む帯域を通過させる付加フィルター膜とすることができる。サブピークカットフィルター７は、例えば、有機膜又は多層膜を含むことができる。
【００５５】
サブピークカットフィルター７は、光学フィルター１０ｂで透過する複数の所定波長のうち１つを透過する有機膜フィルター又は多層膜フィルターとすることができる。サブピークカットフィルター７としては、例えば、顔料色素または染料色素を含有する有機材料などの有機膜フィルター、または、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＺｎＳなどの高屈折率材料とＳｉＯ２，ＭｇＦ２などの低屈折率材料が交互に積層された多層干渉膜フィルターを用いることができる。なお、サブピークカットフィルター７の透過光の波長は適宜設計される。
【００５６】
図２１は、実施形態４の光学フィルター１０ｂの透過特性を説明する図である。実線は、実施形態４の光学フィルター１０ｂにおける実施形態２の光学フィルター１０ａの部分の透過特性を示し、破線が、実施形態４の光学フィルター１０ｂにおけるサブピークカットフィルター７の透過特性を示す。ここでは、一例として、サブピークカットフィルター７として約４６０〜５８０ｎｍの光を透過するフィルターを用いている。このサブピークカットフィルター７により、実施形態２の光学フィルター１０ｂ部分の約５２０ｎｍのピークの光は透過され、約４００ｎｍ以下及び約６００ｎｍ以上のピークの光は透過されない。その結果、本実施形態の光学フィルター１０ｂでは、約５２０ｎｍのピークの光だけが透過されることになる。
【００５７】
このように、本実施形態の光学フィルター１０ｂは、付加フィルター膜としてサブピークカットフィルター７を備えるので、不要な波長を除去して所望の波長のみを透過させることができる。そのため、所望の分解能を有する光学フィルターを得ることができる。
【００５８】
＜実施形態５＞
図２２は、実施形態５における撮像素子３０の構成例を示す図である。撮像素子３０は、光学フィルター１０と、光学フィルター１０を透過した光を受光して電気信号に変換する受光素子２０とを備える。光学フィルター１０は、上記の実施形態１〜４のいずれかの光学フィルターと同じ構成にすることができる。受光素子２０は、複数の画素２０−１〜２０−４を含み、各画素に対応して光学フィルター１０−１〜１０−４が設けられる。ここでは、撮像面に対して垂直な方向に、画素２０−１と、その画素２０−１に対応する光学フィルター１０−１とが並んで配置されている。なお、図示しないが、撮像素子３０は、受光素子からの電気信号を演算する信号処理回路をさらに備えることができる。
【００５９】
ここで、光学フィルター１０−１〜１０−４の透過光の波長帯域は、異なっていてもよい。すなわち、各画素に対応する光学フィルター１０−１〜１０−４の透過波長を必要に応じて設定することができる。例えば、画素ごとに異なる波長の光を検出できるよう、各画素に対応する光学フィルターの透過波長を、それぞれ設定することができる。
【００６０】
例えば、紫外から赤外領域の波長を選択的に透過する金属薄膜を備えた光学フィルター１０を作製し、この光学フィルター１０を受光素子２０の画素上に配設することで、分光器一体型の分光撮像素子を形成することができる。これにより、ワンチップで分光イメージを撮ることができる。可視光域の光学フィルターとして求められる開口部パターンの周期は、現在の半導体加工技術で容易に加工できる１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲である。そのため、半導体製造工程の中でＣＣＤやＣＭＯＳイメージングデバイス上に、光学フィルターを直接形成することができる。さらに、複数の光学フィルターの周期的パターンを一回のリソグラフ工程で形成できるので、イメージングデバイスの画素毎に異なる波長選択性を有する光学フィルターを容易に形成することができる。そのため、マルチスペクトルのカメラの製造を容易にすることができる。
【００６１】
図２３は、受光素子２０と、光学フィルター１０の斜視図と、光学フィルター１０の第１導電体膜４の表面を拡大した模式図とを示している。受光素子２０の受光面に複数の画素が格子状（マトリクス状）に配置される。光学フィルター１０も受光素子２０の各画素に対応するようマトリクス状に配置される。光学フィルター１０と受光素子２０は、光の入射方向Ｆに重なるように配置される。各光学フィルター１０は、上記実施形態１〜４に示したような開口部５を含む第１導電体膜４を含んでいる。開口部５の周期Ｐは、各画素に対応する光学フィルター１０ごとに必要に応じて設定することができる。
【００６２】
図２４は、撮像素子３０の変形例を示す部分断面図である。図２４は、撮像素子３０における１画素の部分を示している。シリコン基板１６上に、受光素子２０ａ、電極１４、遮光膜１３、光学フィルター１０、平坦化層１２、及びマイクロレンズ１１が配設されている。この構成において、光学フィルター１０として、上記実施形態１〜４のいずれかの光学フィルターを設けることで、画素毎に受光波長の異なる分光撮像素子を得ることができる。画素毎に受光波長を設定するには、上述した実施形態１〜４と同様に、第１導電体膜４の開口部５の周期Ｐを調整すればよい。
【００６３】
上記実施形態１〜４の光学フィルターによれば、周期的なパターンを有する導電体膜を用いたフィルターの波長分解能を向上させることができる。そのため、光学フィルターを様々な用途を持つ分光機能を持ったカメラに適用することができる。
【００６４】
例えば、動物、植物、微生物などの生物に起因する物質は近紫外から可視、近赤外の領域に特有の吸収又は発光波長を多く持つ。そのため、人の健康状態、食物の鮮度や汚染状態など様々な生活情報を得ることができ、健康、美容、食品管理などで広く応用することができる。特にカメラに上記光学フィルターを用いた分光光学系を適用して特定波長の情報を画像化すると、より直感的で生活に有用な情報を得ることができる。
【００６５】
なお、上記実施形態における光学フィルターの適用は、上記の分光機能を持つカメラに限られない。例えば、２次元受光センサのカメラ以外に、１次元受光素子にも上記の光学フィルターを適用できる。例えば、保水センサ、体脂肪センサ、CO2センサ、近接センサ、環境光センサ、UVセンサ、又は、ラインスペクトルセンサ（ラマン散乱分光法用、分散型およびフーリエ変換型赤外吸収分光法用）等にも、上記実施形態における光学フィルターを適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１  基板
２、２ａ  第２導電体膜
３、６  誘電体膜
４、４ａ  第１導電体膜
５  開口部
７  サブピークカットフィルター
１０、１０ａ、１０ｂ  光学フィルター
【図１】
2016061806.tif 000003
【図２】
2016061806.tif 000004
【図３】
2016061806.tif 000005
【図４】
2016061806.tif 000006
【図５】
2016061806.tif 000007
【図６】
2016061806.tif 000008
【図７】
2016061806.tif 000009
【図８】
2016061806.tif 000010
【図９】
2016061806.tif 000011
【図１０】
2016061806.tif 000012
【図１１】
2016061806.tif 000013
【図１２】
2016061806.tif 000014
【図１３】
2016061806.tif 000015
【図１４】
2016061806.tif 000016
【図１５】
2016061806.tif 000017
【図１６】
2016061806.tif 000018
【図１７】
2016061806.tif 000019
【図１８】
2016061806.tif 000020
【図１９】
2016061806.tif 000021
【図２０】
2016061806.tif 000022
【図２１】
2016061806.tif 000023
【図２２】
2016061806.tif 000024
【図２３】
2016061806.tif 000025
【図２４】
2016061806.tif 000026