JP2016061806A - Optical filter and imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an optical filter that transmits light of a specific wavelength.
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。 Many substances have a characteristic absorption wavelength and fluorescence wavelength with respect to light irradiation. For this reason, the component of a substance can be identified by irradiating a substance with light with an irradiation apparatus and selectively detecting a specific wavelength of light from the substance using a spectroscopic apparatus. Thereby, much information regarding the object can be obtained.
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。 An example of a general-purpose spectroscopic camera is a hyperspectral camera. As a spectroscopic method, there are a method using a slit and a spectroscopic optical system, a method using an acousto-optic element, a method using a liquid crystal rear filter, and the like. By controlling the spectroscopic system, any wavelength can be extracted and imaged with a wavelength resolution of about 10 nm. Such a spectroscopic camera is very expensive because it uses a complicated optical system, and is limited to commercial use.
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。
On the other hand, if the camera does not have a spectroscopic device as described above and is focused on a specific application and only a specific wavelength is required, the specific wavelength is extracted by adding a multilayer filter to the camera. be able to. For example, in the following
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。
As a camera having a spectroscopic function with improved convenience, for example, a camera using a metal film filter that transmits a specific wavelength shown in
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。
In the metal film filters as described in
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。 An optical filter according to an embodiment of the present invention is an optical filter that transmits light of a specific wavelength, and includes a substrate and a first conductor film, a dielectric film, and a second conductor film stacked on the substrate. Prepare. The dielectric film is provided between the first conductor film and the second conductor film. Openings are periodically arranged in the first conductor film. The period in which the openings are arranged has a length shorter than the specific wavelength.
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。 According to the present disclosure, the wavelength resolution of the optical filter can be improved.
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。 An optical filter according to an embodiment of the present invention is an optical filter that transmits light of a specific wavelength, and includes a substrate and a first conductor film, a dielectric film, and a second conductor film stacked on the substrate. Prepare. The dielectric film is provided between the first conductor film and the second conductor film. Openings are periodically arranged in the first conductor film. The period in which the openings are arranged has a length shorter than the specific wavelength.
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。 According to the above configuration, when light is incident on the first conductor film, surface plasmons are excited on the surface of the first conductor film. The surface plasmon and incident light resonate, and light having a wavelength corresponding to the period of the opening is emitted. As a result, light near a specific wavelength selectively passes through the optical filter. Further, since light interference occurs between the first conductor film and the second conductor film, the wavelength of the transmitted light is further narrowed. As a result, the wavelength resolution of the optical filter is improved.
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。 A cross section of the opening in a plane perpendicular to the thickness direction of the first conductor film may be any one of a circle, an ellipse, and a polygon.
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。 In the first conductor film, the opening may be arranged in an isosceles triangular lattice, a regular triangular lattice, or a square lattice. Thereby, it is possible to suppress the incident polarization dependence and improve the oblique incidence characteristics.
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。 The plasma frequency of the first conductor film and the second conductor film may be higher than the frequency of the specific wavelength. For example, the first conductor film and the second conductor film can be formed of metal.
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。 The film thickness of the first conductor film may be in the range of 50 nm to 200 nm, and the film thickness of the second conductor film may be in the range of 5 nm to 50 nm. Thereby, the light of the wavelength selected by the resonance of the surface plasmon excited on the surface of the first conductor film and the incident light is easily reflected and transmitted by the second conductor film. As a result, the wavelength of the selected light is easily narrowed.
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。 The optical filter may be configured such that surface plasmons are induced on the surface of the first conductor film by light incident on the first conductor film. The surface plasmon and the incident light resonately interact with each other through the openings periodically arranged in the first conductor film, so that the transmitted light transmitted through the first conductor film is transmitted. The opening may be arranged so that the wavelength is limited to a region including the specific wavelength. The transmission light or the incident light may cause optical reflection, transmission, and interference between the first conductor film and the second conductor film.
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。 The first conductor film or the second conductor film may include at least one material selected from the group consisting of aluminum, silver, copper, gold, or an alloy thereof. The first conductor film and the second conductor film may be aluminum, or a mixture or alloy containing aluminum.
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。 The dielectric material and the material filling the opening of the first conductor film are the same material, and the material is at least selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride, titanium oxide, and aluminum oxide. One can be included.
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。 The distance between the first conductor film and the second conductor film may be 0.5 to 4.0 times the specific wavelength. Thereby, it is possible to easily cause light interference between the first conductor film and the second conductor film.
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。 An imaging device including the optical filter described above and a light receiving element that receives light transmitted through the optical filter and converts the light into an electric signal is also an example of an embodiment of the present invention.
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。 In the imaging element, the light receiving element may include a plurality of pixels, and the optical filter may be provided corresponding to each pixel. In this case, the specific wavelength of light that can pass through an optical filter provided corresponding to one pixel among the plurality of pixels is different from the specific wavelength of light that can pass through an optical filter provided corresponding to another pixel. It can be configured. Thereby, for example, a color filter of a different color for each pixel can be formed with a simple structure.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated. In addition, in order to make the explanation easy to understand, in the drawings referred to below, the configuration is shown in a simplified or schematic manner, or some components are omitted. Further, the dimensional ratio between the constituent members shown in each drawing does not necessarily indicate an actual dimensional ratio.
<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。
<
FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration example of an optical filter according to the first embodiment. FIG. 2 is a side perspective view of the optical filter shown in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. The
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。
In the example shown in FIG. 1, the
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。
In this example, light is incident in the direction indicated by the arrow F in FIG. The
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。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the
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。
The material of the
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。
The conductive material constituting the
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。
A plurality of
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。
Note that the arrangement of the
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。
The dielectric material constituting the
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。
The material of the
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。
In the
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。
In the present embodiment, interference occurs between the
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。
For manufacturing the
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。
FIG. 6 shows the measurement results of the transmission characteristics of the
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。
The
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。 The optical filter of the comparative example includes an 800 nm thick substrate formed of SiO 2 , a 75 nm thick first conductor film formed of Al, and a 300 nm thick dielectric film formed of SiO 2. Is provided. The openings have the same pattern as in this embodiment, the period is 360 nm, and the diameter is 180 nm.
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。
Next, the evaluation result of the film thickness of the
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。
FIG. 9 shows the relationship between the thickness of the dielectric film and the maximum transmission wavelength. In the example shown in FIG. 9, the thickness of the dielectric film and the maximum transmission wavelength are in a substantially proportional relationship. The transmission wavelength λ due to interference can be expressed by the following equation (1). According to the following formula (1), the dielectric film thickness and the transmission wavelength are in a proportional relationship. From this, it can be seen that interference occurs between the first conductor film and the second conductor film in the example shown in FIG.
λ = m × (2 · n · d) (1)
In the above formula (1), m = order, n = refractive index of the dielectric, d = dielectric film thickness, and λ = transmission wavelength.
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。
In the example shown in FIG. 9, the film thickness of the dielectric film is about 0.96 times the maximum transmission wavelength. That is, the film thickness of the
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。
Next, the evaluation result of the film thickness of the
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。
FIG. 12 is a diagram showing the transmission characteristics of an optical filter using only the
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。
FIG. 13 plots the transmittance and half-value width of the main peak (peak at the maximum transmission wavelength) in the measurement results shown in FIG. 12 for each film thickness. The square plot in FIG. 13 represents the transmittance of the main peak, and the triangular plot represents the half width. In the example shown in FIG. 13, when the thickness of the
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。
Next, the result of having evaluated the film thickness of the
<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。
<
FIG. 15 is a side perspective view illustrating a configuration example of the
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。
In the
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。
As a manufacturing method of the
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。
FIG. 17 shows the measurement results of the transmission characteristics of the
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。
Note that the
<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。
<
The optical filter of
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。
Therefore, in the third embodiment, as an example, the
<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。
<
FIG. 19 is a side perspective view illustrating a configuration example of the
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。
The
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。
FIG. 21 is a diagram illustrating the transmission characteristics of the
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。
Thus, since the
<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。
<
FIG. 22 is a diagram illustrating a configuration example of the
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。 Here, the wavelength bands of the transmitted light of the optical filters 10-1 to 10-4 may be different. That is, the transmission wavelength of the optical filters 10-1 to 10-4 corresponding to each pixel can be set as necessary. For example, the transmission wavelength of the optical filter corresponding to each pixel can be set so that light of a different wavelength can be detected for each pixel.
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。
For example, an
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。
FIG. 23 shows a
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。
FIG. 24 is a partial cross-sectional view showing a modification of the
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。
According to the optical filters of
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。 For example, substances originating from organisms such as animals, plants, and microorganisms have many absorption or emission wavelengths specific to the near ultraviolet to visible and near infrared regions. Therefore, it is possible to obtain various life information such as human health, food freshness and contamination, and can be widely applied in health, beauty, food management and the like. In particular, when a spectroscopic optical system using the optical filter is applied to a camera to image information of a specific wavelength, more intuitive and useful information for life can be obtained.
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。 In addition, application of the optical filter in the said embodiment is not restricted to the camera with said spectral function. For example, in addition to the camera of the two-dimensional light receiving sensor, the above optical filter can be applied to a one-dimensional light receiving element. For example, water retention sensors, body fat sensors, CO2 sensors, proximity sensors, ambient light sensors, UV sensors, or line spectrum sensors (for Raman scattering spectroscopy, dispersion type and Fourier transform type infrared absorption spectroscopy), etc. The optical filter in the above embodiment can be applied.
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
DESCRIPTION OF
Claims (13)
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。 An optical filter that transmits light of a specific wavelength,
A substrate,
A first conductor film, a dielectric film and a second conductor film laminated on the substrate;
The dielectric film is provided between the first conductor film and the second conductor film,
Openings are periodically arranged in the first conductor film,
The period in which the openings are arranged is an optical filter having a length shorter than the specific wavelength.
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。 A thickness of the first conductor film is in a range of 50 nm to 200 nm;
The optical filter according to any one of claims 1 to 5, wherein a film thickness of the second conductor film is in a range of 5 nm to 50 nm.
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。 Surface plasmon is induced on the surface of the first conductor film by light incident on the first conductor film,
The surface plasmon and the incident light resonately interact with each other through the openings periodically arranged in the first conductor film, so that the wavelength of the transmitted light transmitted through the first conductor film is reduced. The opening is disposed so as to be limited to a region including the specific wavelength,
The optical filter according to claim 1, wherein the transmitted light or the incident light causes optical reflection, transmission, and interference between the first conductor film and the second conductor film.
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。 The light receiving element includes a plurality of pixels,
The optical filter is provided corresponding to each pixel,
The specific wavelength of light that can pass through an optical filter provided corresponding to one pixel among the plurality of pixels is different from a specific wavelength of light that can pass through an optical filter provided corresponding to another pixel. The imaging device according to 12.
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