JP2004077503A - 特定波長の光を透過させる光フィルター - Google Patents

Abstract

【課題】顔料劣化に起因する透過特性の変化を解消して、厳しい環境で使用して発光特性の変化を少なくする。極めて薄く、また極めて微細な領域で赤色光、青色光、緑色光等のように波長が異なる光を透過できる。
【解決手段】光フィルター１は、光を透過させる光の透過面４に多数の誘電体アンテナ２を配列している。各々の誘電体アンテナ２は、隣接して積層してなる層に対して誘電率が異なる複数の誘電体層３を積層してなる積層構造である。積層している２層以上の誘電体層３の厚さは、少なくとも１層が光フィルター１に透過させる透過光の誘電体内透過中心波長λの１／４としている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定波長の光を透過させる光フィルターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特定波長の光を透過させる光フィルターとして、透明なガラスなどに特定波長の光を吸収させる顔料や染料を添加して屈折率の異なった層をコーティングした光フィルターが使用される。これ等の光フィルターは、透過する特定波長の光を吸収や反射させて特定波長の光のみを透過させる。この種の光フィルターは、種々の波長の光が含まれる光から特定波長の光のみを選別するためのフィルターとして使用される。たとえば、赤色フィルターは赤色光のみを透過させて他波長の光を吸収あるいは反射する。このような光フィルターは、電球の白色発光から、赤、黄、緑等の特定波長の光を透過させる信号機等のフィルターとして使用される。また、レンズで受光した光を、赤、青、緑に分解してカラーセンサーで受光するカラーカメラなどにも内蔵される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光フィルターは、添加している顔料や染料の劣化や変色が原因で、経時的に光の吸収特性が変化する弊害がある。とくに、厳しい環境で使用されると劣化しやすく、劣化すると光の透過特性が変化して、所望の波長選択度が劣下して光を効率よく透過できなくなる。また、ガラスやプラスチック等の透明材に粉末の顔料を添加する光フィルターは、全体を極めて薄くできない欠点がある。また、顔料や染料を添加して光の透過特性を調整するので、局部的に極めて小さい領域で透過光の特性を変化するのが難しい。たとえば、数μｍの領域に、赤色光と青色光と緑色光のように波長が異なる光を透過させる光フィルターを隣接して高密度に設けることができない。
【０００４】
本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、従来の光フィルターのように顔料で吸収して発光特性を調整するのではなく、誘電体アンテナとその積層構造で特定波長を透過できるようにすることで、顔料劣化に起因する透過特性の変化を極減し、厳しい環境で使用されて発光特性の変化を少なくでき、さらに極めて薄くしかも極めて微細な領域に赤色光、青色光、緑色光等のように波長が異なる光を透過できる特定波長の光を透過させる光フィルターを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載する特定波長の光を透過させる光フィルター１は、光を透過させる光の透過面４に複数の誘電体アンテナ２を配列している。各々の誘電体アンテナ２は、複数の誘電体層３の積層構造である。誘電体層３は、隣接して積層している層に対して誘電率が異なる。積層している２層以上の誘電体層３の厚さは、少なくとも１層が光フィルター１に透過させる透過中心波長λ０の誘電体アンテナ２の内部における波長である誘電体内透過中心波長λの１／４としている。ただ、本明細書において、誘電体内透過中心波長λの「１／４」の厚さとは、誤差を考慮しないで演算される誘電体内透過中心波長λから計算される正確な１／４値に対して、＋−３０％の範囲を含む意味に使用する。
【０００６】
さらに、本発明の光フィルター１は、透過面４に導体層５を設け、この導体層５の表面に複数の誘電体アンテナ２を設け、さらに、導体層５を貫通して、誘電体アンテナ２を設けている部分に光透過孔６を設けることができる。この光フィルター１は、導体層５に積層している誘電体層３の厚さを、透過中心波長λ０の誘電体アンテナ２の内部における波長である誘電体内透過中心波長λの１／２としている。ただ、本明細書において、誘電体内透過中心波長λの「１／２」とは、誤差を考慮しないで演算される誘電体内透過中心波長λから計算される正確な１／２値に対して、＋−３０％の範囲を含む意味に使用する。
【０００７】
光透過孔６は、誘電体アンテナ２の外形に等しく、あるいは誘電体アンテナ２の外形よりも小さくする。光透過孔６のカットオフ波長は、光透過孔６の透過波長よりも長波長とする。図示しないが、ひとつの誘電体アンテナには、複数の光透過孔を設けることができる。また、光透過孔はスリットとすることもできる。
【０００８】
本発明の光フィルター１は、３層以上の誘電体層３からなる複数の誘電体アンテナ２を透過面４に設け、再下層の誘電体層３の厚さを、透過中心波長λ０の誘電体アンテナ２の内部における波長である誘電体内透過中心波長λの１／２とする。誘電体アンテナ２は、円柱、楕円柱、角柱、円錐台、角錐台等の柱状とすることができる。誘電体アンテナ２の先端面は、たとえば、平面、凸面、凹面のいずれかにできる。また、誘電体アンテナ２は、平面形状を細長い長方形とする角柱状、あるいは平面形状において両端を円弧状とする細長い形状の柱状とすることもできる。
【０００９】
誘電体アンテナ２の最小幅（Ｄ）は、透過中心波長λ０の誘電体アンテナ２の内部における波長である透過中心波長λ０の１０倍よりも小さくすることができる。誘電体アンテナ２を形成する誘電体層３は、誘電率を好ましくは１よりも大きく１００未満とする。誘電体アンテナ２は着色することもできる。
【００１０】
さらに、本発明の請求項１６の光フィルターは、複数の誘電体層３を積層している多層構造の誘電体アンテナ２を導体層５に積層している。この光フィルターは、導体層５に近い側に積層している誘電体層３のひとつであるベース誘電体層３Ａの厚さを、誘電体内透過中心波長λの１／２としている。ベース誘電体層３Ａに積層している誘電体層３の厚さは、誘電体内透過中心波長λの１／４としている。導体層５は、これを貫通して、カットオフ波長を透過中心波長λ０よりも大きくする光透過孔６を設けて、誘電体アンテナ２と導体層５とで特定波長の光を透過させる。
【００１１】
この光フィルターは、導体層５に複数の光透過孔６を開口することができる。また、光透過孔６を、多角形、円形、楕円形、あるいはスリットとすることができる。ベース誘電体層３Ａには、隣接して積層している層に対して誘電率が異なる複数の誘電体層３を積層することができる。
【００１２】
さらにまた、本発明の請求項１９の光フィルターは、複数の誘電体層３を積層している多層構造の誘電体アンテナ２を高誘電体層７に積層している。この光フィルターは、高誘電体層７に近い側に積層している誘電体層３のひとつであるベース誘電体層３Ａの厚さを、誘電体内透過中心波長λの１／２としている。ベース誘電体層３Ａに積層している誘電体層３の厚さは、誘電体内透過中心波長λの１／４としている。高誘電体層７は、ベース誘電体層３Ａの誘電率に比較して１０倍以上の誘電率を有する。
【００１３】
本発明の光フィルター１は、高誘電体層７の誘電体層３を、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＴｅ、Ａｌ２Ｏ３等の無機質材とすることができ、またプラスチックとすることもできる。
【００１４】
以上の光フィルターは、透過面４に、赤色光、青色光、緑色光を透過させる領域を設けることができる。この光フィルターは、赤色光の透過領域には赤色光を透過させる誘電体アンテナ２を配設して、青色光の透過領域には青色光を透過させる誘電体アンテナ２を配設し、緑色光の透過領域には緑色光を透過させる誘電体アンテナ２を配設する。
【００１５】
さらに、本発明の光フィルターは、好ましくは、ベース誘電体層３Ａに２層以上の誘電体層３を積層し、全体で３層以上の誘電体層３からなる誘電体アンテナ２とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための光フィルターを例示するものであって、本発明は光フィルターを下記のものに特定しない。
【００１７】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１８】
図１に示す、特定波長の光を透過させる光フィルター１は、光を透過させる光の透過面４に多数の誘電体アンテナ２を配列している。各々の誘電体アンテナ２は、光の透過方向に、複数の誘電体層３を積層する積層構造である。誘電体層３は、隣接して積層している層に対して誘電率が異なる。誘電体アンテナ２は、誘電体層３の厚さで、透過させる光の波長、すなわち透過中心波長λ０を特定できる。透過中心波長λ０の光が誘電体層３を透過するとき、誘電体層３の内部では中心波長λ０が変化して、誘電体内透過中心波長λとなる。誘電体内透過中心波長λは、誘電体層３の位相定数βから特定される。位相定数βは以下の式で演算される。
【００１９】
図２に示す誘電体の半径がａで比誘電率がεｒの誘電体アンテナ２がありＨＥ波が伝搬している場合のＺ方向に伝搬する位相定数βは以下のように算出される。
εｏは真空中の誘電率（空気中の誘電率にほぼおなじ）であり、εｒは誘電体アンテナ（線路）の比誘電率であり、μｏは真空中の透磁率である。
ａは誘電体アンテナの半径であり、ｒは誘電体アンテナの中心からのラジアル方向の距離である。
誘電体アンテナで構成される誘電体線路内外におけるマクスウエルの波動方程式は

である。このロッド・モードの特性方程式（分散方程式）は

で示される。ｋｏ　は自由空間の位相定数であり、

である。また、関数　Ｊｍ　（　ｘ　）はｍ次の第一種ベッセル関数、Ｋｍ　（　ｘ　）はｍ次の第二種変形（修正）ベッセル関数であり

である。
この場合は基本モードＨＥ１１について考えればよく、したがってｍ＝１として（１）式を解くと、γが求められる。このγを以下の（６）に代入するとβが計算される。

と計算される。
【００２０】
誘電体アンテナ２の誘電体層３は、以上の式から誘電体層３の位相定数βを演算でき、演算された位相定数βから、次の式で誘電体内透過中心波長λを演算できる。
λ＝２π／β
誘電体アンテナ２は、誘電体層３の厚さ（ｔ）を、以上の式から演算される誘電体内透過中心波長λの１／４とすると、透過中心波長λ０の光を透過させる。すなわち、透過中心波長λ０の光は、誘電体層３の内部で誘電体内透過中心波長λとなって透過する。したがって、誘電体アンテナ２は、誘電体層３の厚さ（ｔ）を誘電体内透過中心波長λの１／４とすれば、透過中心波長λ０の光を透過させる光フィルターとなる。以上のことから、光フィルター１は、透過中心波長λ０が特定されると、誘電体アンテナ２を構成する誘電体層３の位相定数βが特定され、この位相定数βから誘電体内透過中心波長λが特定され、誘電体内透過中心波長λから誘電体層３の厚さ（ｔ）が特定される。
【００２１】
透過中心波長をλ０とする光フィルターは、透過中心波長λ０よりも光の波長が長くなるにしたがって、あるいは反対に短くなるにしたがって、すなわち透過する光の波長が、透過中心波長λ０からずれるにしたがって透過率を低下させる。すなわち、光フィルターを透過する光の波長が、透過中心波長λ０からずれるにしたがって透過しなくなる。誘電体アンテナ２は、誘電率が異なる誘電体層３を積層する層数を多くして、透過中心波長λ０からずれる波長の光の透過率を低くして、光の透過特性を急峻な特性にできる。図３は、２層と３層の誘電体層３を積層している誘電体アンテナ２の光の透過特性を示している。この図において誘電体層３が２層である誘電体アンテナ２の特性を曲線Ａ、誘電体層３が３層である誘電体アンテナ２の特性をＢで示している。この図に示す特性の誘電体アンテナ２は、誘電体層３の厚さ（ｔ）を誘電体内透過中心波長λの１／４としている。この図は横軸を波長、縦軸を光の相対的な透過強度としている。この図に示すように、誘電体アンテナ２は、誘電体層３の積層数を多くして、透過中心波長λ０からずれた波長の光の透過率をより低くする特性、すなわち、透過特性を急峻な特性にできる。透過中心波長λ０の光を効率よく透過させながら、透過中心波長λ０からずれた波長の光を充分に減衰させる急峻な透過特性の光フィルターは、特定の波長の光のみを透過させて、必要でない波長の光を透過させないすぐれた透過特性となる。このような優れた透過特性の光フィルターは、種々の用途に使用される。
【００２２】
さらに、複数の誘電体アンテナ２を配列する光フィルター１は、誘電体アンテナ２の配列で光フィルターとしての指向特性を調整できる。図４は複数の誘電体アンテナ２を透過面４に配列して設けて、誘電体アンテナ２の中心間隔（ｄ）を透過中心波長λ０よりも大きくしている光フィルターの指向特性を示している。この図の指向特性の光フィルターは、全ての方向から入射する光を同じような割合では透過させない。光フィルターに直角に入射する光が最も効率良く透過する。そして、光の入射角度（θ）により光が透過する割合が変化する。この指向特性の光フィルターは、主ローブの両側にグレイティングローブがあるので、グレイティングローブの方向に入射する光も透過させる。したがって、この指向特性の光フィルターは、グレイティングローブの方向や大きさを調整して、光を透過させる方向と強度を調整できる。グレイティングローブの方向は、誘電体アンテナ２の中心間隔（ｄ）で調整できる。誘電体アンテナ２の中心間隔（ｄ）を透過中心波長λ０に等しくすると、グレイティングローブは主ローブに対して直角方向となる。誘電体アンテナ２の中心間隔（ｄ）を広くするにしたがって、グレイティングローブは図の矢印で示すように、主ローブの方向に近付く。そして、誘電体アンテナ２の中心間隔（ｄ）を透過中心波長λ０の２倍にする光フィルターは、その指向特性が図５に示すようになる。すなわち、この光フィルターは、主ローブに対して３０度の方向にグレイティングローブができる。主ローブの幅は、誘電体アンテナ２に積層する誘電体層３の数で調整できる。誘電体層３の積層数が多い誘電体アンテナ２の光フィルターは、主ローブの幅が狭く長くなって、すなわち主ローブが細いビーム状となって、直角からずれた方向の光の透過率を低くする。
【００２３】
したがって、複数の誘電体アンテナ２を透過面４に配列している光フィルターは、誘電体アンテナ２の中心間隔（ｄ）でグレイティングローブの方向を調整できる。グレイティングローブは、誘電体アンテナ２の直径や大きさ等で調整することもできる。さらに、誘電体アンテナ２の光フィルターは、誘電体アンテナ２の積層数で、指向特性を調整することができる。誘電体アンテナ２の光フィルターは、誘電体層３の積層枚数を多くて、主ローブの幅を狭くできる。すなわち、特定の方向の光をより効率よく透過させるように設計できる。
【００２４】
さらに、複数の誘電体アンテナ２を配列している光フィルター１は、図６に示すように、各々の誘電体アンテナ２で周囲の光（電磁波）を集めて透過できる。このため、誘電体アンテナ２は先端の面積よりも広い面積に入射する光を集光して透過させる。したがって、複数の誘電体アンテナ２を配列している光フィルターは、誘電体アンテナ２の間に入射する光を誘電体アンテナ２に集光して透過できる。誘電体アンテナ２は、周囲の光を集めて透過させるので、誘電体アンテナ２を設けていない部分の光を誘電体アンテナ２に集めて透過させる優れたる特性を実現する。したがって、透過面４は、誘電体アンテナ２を設けない部分を、光を透過させない導体層５とすることができ、また、光を透過させない光遮断層とすることもできる。
【００２５】
図１の光フィルター１は、誘電体アンテナ２を、光の透過面４に多数に配列して、各々の誘電体アンテナ２を透過面４から垂直に突出させている。透過面４に複数の誘電体アンテナ２を配列している光フィルター１は、誘電体アンテナ２の最小幅（Ｄ）を透過中心波長λ０の１０倍よりも小さくする。さらに好ましくは、最小幅（Ｄ）は、透過中心波長λ０の０．５〜３倍、好ましくは０．８〜１．５倍とする。誘電体アンテナ２の最小幅（Ｄ）を以上の寸法とするのは、誘電体アンテナ２に入射する光の透過率を高くするためである。さらに、光フィルター１は、図１と図７に示すように、隣接する誘電体アンテナ２間の間隔（Ｌ）を、誘電体アンテナ２の最小幅（Ｄ）の１０倍以下、好ましくは５倍以下、さらに好ましくは２．５倍以下とする。この間隔が広いと、透過面４の全面積に対して誘電体アンテナ２が占める割合が少なくなって、光を有効に透過できなくなるからである。
【００２６】
光フィルターの誘電体アンテナ２は、図１に示すように円柱状とし、あるいは図７に示すように角柱状とし、あるいは図８に示すように多角柱とし、あるいは図９に示すように、平面形状を両端が湾曲している柱状として、あるいはまた、図示しないが、楕円柱状とすることもできる。さらに、以上の図の誘電体アンテナ２は、先端を平面状としているが、図１０の拡大断面図に示すように誘電体アンテナ２の先端を湾曲する凸面とすることもできる。図示しないが、誘電体アンテナの先端は、凹面とすることもできる。
【００２７】
さらに誘電体アンテナ２は、図１１と図１２に示すように、円錐台や角錐台とすることもできる。また、図１３の斜視図に示すように、誘電体アンテナ２の外周表面に縦方向に複数の溝のある形状とすることもできる。
【００２８】
誘電体アンテナ２は、図１４の断面図に示すように、誘電率が異なる無機質材あるいは有機質材からなる誘電体層３を積層して製作される。無機質材の誘電体層３は、たとえば、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＴｅ、Ａｌ２Ｏ３、ガラス等が使用される。有機質材の誘電体層３はエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂等が等が使用される。誘電体層３は、誘電率が１よりも大きくて１００未満のものが使用でき、好ましくは、１．５〜３０とする材質が使用される。誘電率が低すぎると、急峻な透過特性を実現できなくなる。反対に高すぎると反射係数が高くなりすぎるので調整加工が難しくなる。
【００２９】
図１５に示す光フィルター１は、透過面４に導体層５を設けて、導体層５に誘電体アンテナ２を設けている。誘電体アンテナ２は、厚さ（ｔ）を誘電体内透過中心波長λの１／４とする誘電体層３と、厚さ（ｔ）を誘電体内透過中心波長λの１／２とするベース誘電体層３Ａを積層している。図１５の光フィルター１は、矢印で示すように、厚さ（ｔ）をλ／４とするの誘電体層３からλ／２とする方向に光を透過させているが、本発明の光フィルターは光を矢印で示す方向とは反対の方向に透過させることもできる。本発明の光フィルターは、全ての実施例において双方向に光を通過できる。図１５の光フィルターは、厚さ（ｔ）を誘電体内透過中心波長λの１／４とする複数の誘電体層３をベース誘電体層３Ａに積層している。ただ、本発明の光フィルターは、厚さ（ｔ）を誘電体内透過中心波長λの１／４とするひとつの誘電体層３をベース誘電体層３Ａに積層する構造とすることもできる。
【００３０】
図１６と図１７は、面積に制限のない誘電体アンテナ２を備える光フィルター１を示す。この光フィルター１は、ひとつの誘電体アンテナ２で特定波長の光を透過できるフィルター特性にできる。図１６の光フィルター１は、導体層５に誘電体アンテナ２を積層している。図１７の光フィルター１は、高誘電体層７に誘電体アンテナ２を積層している。図１６の光フィルター１は、図１８に示すように、赤と青と緑の各々の光フィルター１を、ひとつの誘電体アンテナ２とすることができる。図１７の光フィルター１も、図１６の光フィルター１と同じように、赤と青と緑の各々の光フィルター１をひとつの誘電体アンテナ２とすることができる。これ等の光フィルター１は、誘電体アンテナ２を構成する誘電体層３の厚さで光の透過特性を調整できる。誘電体アンテナ２は、導体層５または高誘電体層７に積層しているベース誘電体層３Ａの厚さ（ｔ）を誘電体内透過中心波長λの１／２とする。ベース誘電体層３Ａの上に積層している誘電体層３の厚さ（ｔ）は、誘電体内透過中心波長λの１／４とする。ベース誘電体層３Ａと誘電体層３は、隣の誘電体層３とに対して誘電率が異なるようにする。図１７に示すように、誘電体アンテナ２を積層している高誘電体層７は、ベース誘電体層３Ａの誘電率に比較して１０倍以上の誘電率とする。
【００３１】
図１５ないし図１８に示す光フィルターは、誘電体アンテナ２にベース誘電体層３Ａを設けている。このベース誘電体層３Ａは、特定波長の光を内部反射を繰り返させることにより位相を揃える。このため、ベース誘電体層３Ａのある誘電体アンテナ２は、透過面４に垂直な方向に入射する光をより効率よく受光して透過させる。ベース誘電体層３Ａによって、誘電体アンテナ２の主ローブが細いビームに集束されるからである。ベース誘電体層３Ａのある誘電体アンテナ２は、導体層５または高誘電体層７に積層して設けられる。導体層５は、光を透過させるために、光透過孔６を開口している。高誘電体層７は、一部の光を反射して一部の光を透過させるので、導体層５のように光透過孔６を設ける必要がない。導体層５の光透過孔６は、導体層５を貫通するように設けられる。図１５に示すように、導体層５に複数の誘電体アンテナ２を設ける光フィルター１は、図１９に示すように、誘電体アンテナ２を設けている領域に、すなわち誘電体アンテナ２に連結するように光透過孔６を設ける。光透過孔６は、誘電体アンテナ２と同じ大きさに開口され、あるいは、図１５と図１９に示すように、誘電体アンテナ２の外形よりも小さく開口される。光透過孔６は、その大きさで透過できる光の最大波長が特定される。すなわち、光透過孔６は、光を透過できなくするカットオフ波長があって、このカットオフ波長よりも長い光を透過させない。したがって、この光透過孔６の大きさは、透過中心波長λ０の光を透過できる大きさに設計される。透過中心波長λ０が光透過孔６を透過できないと、透過中心波長λ０の透過率が低下するからである。導体層５は、図１５と図１９に示すように、ひとつの誘電体アンテナ２にひとつの光透過孔６を設けている。ただ、図示しないが、光フィルターは、ひとつの誘電体アンテナに複数の光透過孔を設けることができる。さらに、光透過孔は、スリット状とすることにより偏波特性を持たせることもできる。スリット状の光透過孔は、長さでカットオフ波長が特定される。このため、スリットの長さを、透過中心波長λ０が通過できるようにする。
【００３２】
図１６に示す光フィルターは、導体層５に複数の光透過孔６を設けて、光を透過させる。この光フィルターは、導体層５に設ける光透過孔６の数が少ないと、導体層５に効率よく光を透過できなくなる。したがって、導体層５には光を充分に透過できる個数の光透過孔６を設ける。ただ、光透過孔６の個数が多すぎると、導体層５とベース誘電体層３Ａの光の反射効率が低下して、フィルターとしての光の透過特性に悪い影響を与える。このため、導体層５の光透過孔６の個数と大きさは、フィルターとしての光の透過特性と、光の透過率とを考慮して最適値に設定する。光透過孔６で一部を開口している導体層５の最適な開口率は、誘電体層３の積層枚数等により必ずしも一定ではないが、たとえば５〜６０％に設定される。
【００３３】
透過面４に複数の誘電体アンテナ２を設けている光フィルターも、図２０に示すように、導体層５を高誘電体層７とすることができる。図２０の光フィルターは、高誘電体層７に誘電体アンテナ２を積層している。図１７と図２０の光フィルターの高誘電体層７は、ベース誘電体層３Ａの誘電率に比較して１０倍以上の誘電率を有する。高誘電体層７は、ベース誘電体層３Ａに対する誘電率の比率を大きくすると、ベース誘電体層３Ａとの境界で光の反射率が大きくなる。光フィルターは、高誘電体層７とベース誘電体層３Ａとの境界で光を反射させて、光の透過特性を調整する。したがって、高誘電体層７は、ベース誘電体層３Ａに対する誘電率を１０倍以上と充分に高くして、光を反射させる。誘電率の高い高誘電体層７は、ベース誘電体層３Ａとの境界で光を反射させるが、全ての光を反射せず、一部の光を透過させる。このため、高誘電体層７は導体層５のように必ずしも光透過孔６を設ける必要はない。高誘電体層７は、誘電率の高い誘電体であるゲルマニウム、シリコン、テルル等で製作される。ただ、これ等の誘電体に特定することなく、光の領域で誘電率の高い他の誘電体も使用できるのは言うまでもない。
【００３４】
複数の誘電体層３を積層している誘電体アンテナ２を光の透過面４に設けている光フィルター１は、誘電体層３の厚さ（ｔ）と積層枚数でフィルター特性が調整される。図２１は図２２に示すように、ベース誘電体層３Ａに、厚さ（ｔ）を誘電体内透過中心波長λの１／４とする誘電体層３を積層する誘電体アンテナ２の特性を示している。ただし、この図は、光透過孔６のある導体層５に誘電体アンテナ２を積層する構造の特性を示している。光透過孔６は誘電体アンテナ２に透過させる透過中心波長λ０の光を透過できる大きさとしている。厚さ（ｔ）を誘電体内波長の１／２とするベース誘電体層３Ａは、誘電率を１．５４とするＳｉＯ２で製作し、厚さ（ｔ）を１／４とする誘電体層３は誘電率を２．２５とするＴａ２Ｏ５で製作する。誘電体アンテナ２を構成している誘電体層３の厚さ（ｔ）を調整して、透過中心波長λ０が５００ｎｍ、７５０ｎｍ、１０００ｎｍとなるようにする。厚さ（ｔ）を誘電体内透過中心波長λの１／２とする誘電体層３は、５００ｎｍ、７５０ｎｍ、１０００ｎｍの透過中心波長λ０から誘電体内透過中心波長λを演算し、演算された誘電体内透過中心波長λの１／２の厚さとする。厚さ（ｔ）を誘電体内透過中心波長λの１／４とする誘電体層３は、５００ｎｍ、７５０ｎｍ、１０００ｎｍの透過中心波長λ０から誘電体内透過中心波長λを演算し、演算された誘電体内透過中心波長λの１／４の厚さとする。
【００３５】
図２１は、曲線Ａ、Ｂ、Ｃが、順番に透過中心波長λ０を５００ｎｍ、７５０ｎｍ、１０００ｎｍとする誘電体アンテナ２の特性を示している。この誘電体アンテナ２は、透過中心波長λ０で反射率が約０となって、光を反射させることなく透過させる。透過中心波長λ０から離れるにしたがって、光を反射率が大きくなって透過させない。したがって、このフィルター特性の誘電体アンテナ２を多数に設けている光フィルター１は、透過中心波長λ０の光を効率よく透過させて、それ以外の光の透過を制限する。
【００３６】
図１８は、カラーセンサーに使用する光フィルター１を示している。この光フィルター１は、赤色光を透過させる誘電体アンテナ２と、青色光を透過させる誘電体アンテナ２と、緑色光を透過させる誘電体アンテナ２を透過面４に並べている。この図は１組の赤色光と、青色光と、緑色光の誘電体アンテナ２を示しているが、赤色光、青色光、緑色光の誘電体アンテナ２で１ドットのカラー画素を検出するカラー画素センサー２１とすることができる。カラー画素センサー２１は、赤色光、青色光、緑色光の誘電体アンテナ２の透過光を光センサーで検出するために、誘電体アンテナ２の光放出側に光センサー８を設けている。カラー画素センサー２１を縦横に多数に並べて、多数の画素を検出するカラーカメラの画像センサーとして使用できる。たとえば、横方向に１００〜１００００個のカラー画素センサー２１を並べ、縦方向に５０〜８０００個のカラー画素センサー２１を並べて、画像センサーとすることができる。この画像センサー９は、図２３に示すように、レンズ１０で像を結像する位置に配設される。画像センサー９は、デジタルカメラやビデオカメラに使用される。
【００３７】
図１８のカラー画素センサー２１は、ひとつの光センサー８にひとつの誘電体アンテナ２を設けている。この構造は、ひとつのカラー画素センサー２１を小さくできるので、高解像度の画像センサーに適している。また、焦点距離の短い広角レンズを使用して画像の周囲における輝度低下を少なくできる特長もある。誘電体アンテナ２の指向特性を広くできるからである。ただ図示しないが、ひとつの光センサーに複数の誘電体アンテナを設けて、複数の誘電体アンテナを透過した光を光センサーで受光させることもできる。この画像センサーは、複数の誘電体アンテナで指向特性を最適設計して、誘電体アンテナの実質的な利得、いいかえると誘電体アンテナの突出方向に入射する光を効率よく集光できる。
【００３８】
以上の構造の光センサーは、ひとつの面に赤色光、青色光、緑色光のカラー画素センサーを配列できるので、簡単な構造でレンズで結合した画像をカラー画像の電気信号に変換できる。とくに、極めて小さい誘電体アンテナ２で効率よく光を集光して光センサーに伝送できるので、微小なカラー画素センサーで高感度なカラー画像が得られる。また、カラー画素センサーは、図１８に示すように、隣接する画素との間に、光を検出できない不感領域１１ができるが、この不感領域１１に入射する光を誘電体アンテナ２で集光して、効率よく光センサーに伝送できる特長もある。誘電体アンテナ２がその周囲の光を集束して透過させるからである。
【００３９】
カラーカメラは、図２４に示すように、レンズ１０を透過した光を３つに分離して、赤色光、青色光、緑色光を専用の画像センサー９で検出することもできる。この構造のカメラに使用される光フィルター１は、赤色光の画像センサー９Ｒと、青色光の画像センサー９Ｂと、緑色光の画像センサー９Ｇを備えている。赤色光の画像センサー９Ｒは、赤色光を透過させる誘電体アンテナ２を縦横に並べて設けており、この誘電体アンテナ２の光放出側に光センサー８を配置している。青色光の画像センサー９Ｂは、青色光を透過させる誘電体アンテナ２を縦横に並べて設けており、この誘電体アンテナ２の光放出側に光センサー８を配置している。緑色光の画像センサー９Ｇは、緑色光を透過させる誘電体アンテナ２を縦横に並べて設けており、この誘電体アンテナ２の光放出側に光センサー８を配置している。この構造のカメラに使用される光フィルターは、青色光専用、緑色光専用、青色光専用となるので、各々の光フィルター１には同じ構造の誘電体アンテナ２を設けることができ、光フィルターを簡単かつ容易に、しかも安価に多量生産できる。
【００４０】
さらに、図２５は、光フィルター１をプロジェクタに使用する例を示す。この図のプロジェクタは、光源１２の光を３つに分離し、分離された光の通路に赤色光、青色光、緑色光の透過を制御してカラー画像を結像させるカラー画像プレート１３を配置している。カラー画像プレート１３を透過した光は光混合器１４で一緒にされてレンズ１５でスクリーン（図示せず）に投影される。カラー画像プレート１３は、光フィルター１に液晶シャッタ１６を積層したものである。液晶シャッタ１６は、光の透過率を制御する。光フィルター１は、赤色光、青色光、緑色光を透過させる誘電体アンテナ２を設けている。このプロジェクタは、赤色光のカラー画像プレート１３Ｒと、青色光のカラー画像プレート１３Ｂと、緑色光のカラー画像プレート１３Ｇを備える。赤色光のカラー画像プレート１３Ｒは、赤色光を透過させる光フィルター１に液晶シャッタ１６を積層している。青色光のカラー画像プレート１３Ｂは、青色光を透過させる光フィルター１に液晶シャッタ１６を積層している。緑色光のカラー画像プレート１３Ｇは、緑色光を透過させる光フィルター１に液晶シャッタ１６を積層している。このプロジェクタは、光フィルター１の誘電体アンテナ２が光を集光して液晶シャッタに伝送する。カラー画像プレート１３は、液晶シャッタ１６で光の透過率を制御して、赤色光、青色光、緑色光の画像を結像させ、これを集合してスクリーン（図示せず）に表示する。液晶シャッタ１６は、光センサーと同じように、隣接するドットとの境界に光を透過できない光遮断領域がある。このプロジェクタは、誘電体アンテナ２で光遮断領域を透過する光を誘電体アンテナ２で集光して、効率よく透過させる。このため、光フィルター１は、実質的な光の透過率を高くでき、スクリーンに明るい像を結像できる。
【００４１】
図２６は、１枚のカラー画像プレート１３でスクリーン１７に結像するプロジェクタを示す。このプロジェクタのカラー画像プレート１３は、赤色光を透過させる誘電体アンテナ２Ｒと、青色光を透過させる誘電体アンテナ２Ｂと、緑色光を透過させる誘電体アンテナ２Ｇを隣接して並べて１組のカラー画素液晶１８を構成している。カラー画素液晶１８は、赤色光の誘電体アンテナ２と、青色光の誘電体アンテナ２と、緑色光の誘電体アンテナ２の光放出側に光の透過率を制御できるひとつの液晶画素を配置している。図のカラー画素液晶１８は、ひとつの液晶画素にひとつの誘電体アンテナ２を設けているが、ひとつの液晶画素に複数の誘電体アンテナを設けることもできる。このプロジェクタは、各々の液晶画素が光の透過率を制御して、カラー画像プレート１３にカラーの画像を結像し、これをレンズ１９でスクリーン１７に投影する。このプロジェクタは、液晶画素の間にできる光遮断領域に入射する光を誘電体アンテナ２で集光して効率よく液晶画素に伝送する。このため、光フィルター１の実質的な光透過率を高くして、スクリーン１７に明るい像を投影できる。
【００４２】
以上のカメラとプロジェクタに使用される光フィルター１は、導体層５に誘電体アンテナ２を設けている。ただ、これ等の光フィルターは、必ずしも導体層に誘電体アンテナを設ける必要はなく、光センサーや液晶画素に誘電体アンテナのみを設けることでできる。また、透明板に誘電体アンテナを設けて、光センサーや液晶画素に積層する構造とすることもできる。
【００４３】
さらに、光フィルター１は、図２７に示すように、光源２０の表面に接近して、特定の光を透過する状態でも使用できる。この光フィルター１は、たとえば道路や鉄道の信号機に使用できる。信号機の光フィルターは、赤色光、黄色光、緑色光等が透過できるように透過中心波長λ０を設定する。
【００４４】
さらに、光フィルター１は、誘電体アンテナ２に顔料や染料を添加して着色することができる。この光フィルター１は、誘電体アンテナ２と着色の両方でフィルター特性を調整できる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の請求項１と請求項１６の光フィルターは、誘電体アンテナの積層構造で特定波長の光を透過させる。光の透過特性は、複数の誘電体層を積層している誘電体アンテナの誘電体層の誘電率や膜厚、さらに、誘電体アンテナの形状で特定される。とくに、本発明の光フィルターは、誘電体層を積層している積層構造で、光の透過特性を調整できる。誘電体層の積層枚数を多くすると共に、誘電体アンテナの形状により、透過光の減衰を少なくして透過させない光の吸収率、すなわち減衰を大きくできる光フィルターとして極めて大切な特長が実現される。
【００４６】
また、本発明の請求項１と請求項１６の光フィルターは、従来の光フィルターのように、透明材に特定波長の光を吸収する顔料や染料を混合することなく、誘電体を積層して製作される。このため、本発明の光フィルターは、顔料や染料が劣化して起こる光透過特性の変化を極減できる特長がある。とくに、太陽光線に晒されるような極めて厳しい環境で使用されて、発光特性の変化を少なくできる特徴がある。
【００４７】
さらに本発明の請求項１と１６と１９の光フィルターは、全体を極めて薄く、しかも極めて微細な領域に赤色光、青色光、緑色光等のように波長が異なる光を透過できる光透過特性にできる特長がある。光フィルターを薄くできるのは、誘電体アンテナを構成している誘電体層の膜厚を、誘電体内透過中心波長λの１／４と極めて薄くできるからである。従来の顔料粉末を添加する光フィルターは、顔料の粒子よりも薄くできず、顔料粒子の粒径もμｍオーダであるから、薄くするのが極めて難しい。また、透明材に染料を添加している光フィルターは染料で特定波長光を吸収するので、薄いと光の吸収が悪く、透過させない波長の光を充分に吸収して減衰できなくなる。
【００４８】
さらに、本発明の請求項１６と１９の光フィルターは、厚さが誘電体内透過中心波長λの１／２の誘電体層を誘電体アンテナに積層して、この誘電体アンテナを導体層や高誘電体層に積層しているので、光が透過する指向性を制御して効率よく光を集光して透過できる特長がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかる光フィルターの斜視図
【図２】位相定数βを演算する誘電体アンテナを示す斜視図
【図３】２層と３層の誘電体層を積層する誘電体アンテナの透過特性を示すグラフ
【図４】誘電体アンテナの断面図とこの誘電体アンテナの指向特性を示すグラフ
【図５】誘電体アンテナの断面図とこの誘電体アンテナの指向特性を示すグラフ
【図６】誘電体アンテナが周囲の光を集めて透過させる状態を示す側面図
【図７】本発明の他の実施例にかかる光フィルターの誘電体アンテナを示す斜視図
【図８】本発明の他の実施例にかかる光フィルターの誘電体アンテナを示す斜視図
【図９】本発明の他の実施例にかかる光フィルターの誘電体アンテナを示す斜視図
【図１０】本発明の他の実施例にかかる光フィルターの誘電体アンテナを示す断面図
【図１１】本発明の他の実施例にかかる光フィルターの誘電体アンテナを示す斜視図
【図１２】本発明の他の実施例にかかる光フィルターの誘電体アンテナを示す斜視図
【図１３】本発明の他の実施例にかかる光フィルターの誘電体アンテナを示す斜視図
【図１４】本発明の実施例にかかる光フィルターの断面図
【図１５】本発明の他の実施例にかかる光フィルターの断面図
【図１６】本発明の他の実施例にかかる光フィルターの断面図
【図１７】本発明の他の実施例にかかる光フィルターの断面図
【図１８】本発明の光フィルターの使用状態を示す断面図
【図１９】図１５に示す光フィルターの一部を示す斜視図
【図２０】本発明の他の実施例にかかる光フィルターの断面図
【図２１】本発明の実施例にかかる光フィルターの波長に対する反射率を示すグラフ
【図２２】図２１に示す反射特性の光フィルターの断面図
【図２３】本発明の実施例にかかる光フィルターを備えるカラーセンサーを示す概略側面図
【図２４】本発明の実施例にかかる光フィルターを備える画像センサーを示す概略側面図
【図２５】本発明の実施例にかかる光フィルターを備えるプロジェクタの概略側面図
【図２６】本発明の実施例にかかる光フィルターを備えるプロジェクタの概略側面図
【図２７】本発明の光フィルターの使用状態を示す断面図
【符号の説明】
１…光フィルター
２…誘電体アンテナ
３…誘電体層　　　　　　　３Ａ…ベース誘電体層
４…透過面
５…導体層
６…光透過孔
７…高誘電体層
８…光センサー
９…画像センサー　　　　　９Ｒ…赤色光の画像センサー
９Ｂ…青色光の画像センサー
９Ｇ…緑色光の画像センサー
１０…レンズ
１１…不感領域
１２…光源
１３…カラー画像プレート　１３Ｒ…赤色光のカラー画像プレート
１３Ｂ…青色光のカラー画像プレート
１３Ｇ…緑色光のカラー画像プレート
１４…混合器
１５…レンズ
１６…液晶シャッタ
１７…スクリーン
１８…カラー画素液晶
１９…レンズ
２０…光源
２１…カラー画素センサー

Claims (21)

1. 光を透過させる光の透過面（４）に複数の誘電体アンテナ（２）を配列しており、各々の誘電体アンテナ（２）は、隣接して積層してなる層に対して誘電率が異なる複数の誘電体層（３）を積層してなる積層構造であり、積層している２層以上の誘電体層（３）の厚さは、少なくとも１層が、光フィルターに透過させる透過中心波長λ０の誘電体アンテナ（２）の内部における波長である誘電体内透過中心波長λの１／４としてなる特定波長の光を透過させる光フィルター。
2. 透過面（４）に、赤色光、青色光、緑色光を透過させる領域を設けており、赤色光の透過領域には赤色光を透過させる複数の誘電体アンテナ（２）を配設しており、青色光の透過領域には青色光を透過させる複数の誘電体アンテナ（２）を配設しており、緑色光の透過領域には緑色光を透過させる複数の誘電体アンテナ（２）を配設している請求項１に記載される特定波長の光を透過させる光フィルター。
3. 透過面（４）に導体層（５）を設けており、この導体層（５）の表面に複数の誘電体アンテナ（２）を設けると共に、導体層（５）を貫通して、誘電体アンテナ（２）を設けている部分に光透過孔（６）を設けており、導体層（５）に積層しているベース誘電体層（３Ａ）の厚さを誘電体内透過中心波長λの１／２としている請求項１に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
4. 光透過孔（６）が誘電体アンテナ（２）の外形に等しく、あるいは誘電体アンテナ（２）の外形よりも小さい請求項３に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
5. 光透過孔（６）のカットオフ波長が、誘電体アンテナ（２）の透過中心波長λ０よりも長波長である請求項３に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
6. 各々の誘電体アンテナ（２）に複数の光透過孔（６）を設けている請求項３に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
7. 光透過孔（６）がスリットである請求項３に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
8. ３層以上の誘電体層（３）からなる複数の誘電体アンテナ（２）を透過面（４）に設けており、ベース誘電体層（３Ａ）の厚さが誘電体内透過中心波長λの１／２である請求項１に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
9. 誘電体アンテナ（２）が、円柱、楕円柱、角柱、円錐台、角錐台等の柱状である請求項１に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
10. 誘電体アンテナ（２）の先端面が、平面、凸面、凹面のいずれかである請求項１に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
11. 誘電体アンテナ（２）が、平面形状を細長い長方形とする角柱状、あるいは平面形状において両端を円弧状とする細長い形状の柱状である請求項１に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
12. 誘電体アンテナ（２）の表面に縦方向に複数の溝がある請求項１に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
13. 誘電体アンテナ（２）の最小幅（Ｄ）が透過中心波長λ０の１０倍よりも小さい請求項１に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
14. 誘電体アンテナ（２）を構成する誘電体層（３）の誘電率が、１より大きく１００未満である請求項１に記載される特定波長の光を透過させる光フィルター。
15. 誘電体アンテナ（２）に着色している請求項１に記載される特定波長を透過させる光フィルター。
16. 複数の誘電体層（３）を積層している多層構造の誘電体アンテナ（２）を導体層（５）に積層しており、
    導体層（５）に近い側に積層している誘電体層（３）のひとつであるベース誘電体層（３Ａ）の厚さは誘電体内透過中心波長λの１／２としており、このベース誘電体層（３Ａ）に積層している誘電体層（３）の厚さは、誘電体内透過中心波長λの１／４としており、
    導体層（５）は、これを貫通して、カットオフ波長を誘電体内透過中心波長λよりも大きくする光透過孔（６）を設けており、誘電体アンテナ（２）と導体層（５）とで特定波長の光を透過させる光フィルター。
17. 導体層（５）に複数の光透過孔（６）を開口している請求項１６に記載される特定波長の光を透過させる光フィルター。
18. 光透過孔（６）がスリットである請求項１６または１７に記載される特定波長の光を透過させる光フィルター。
19. 複数の誘電体層（３）を積層している多層構造の誘電体アンテナ（２）を高誘電体層（７）に積層しており、
    高誘電体層（７）に近い側に積層している誘電体層（３）のひとつであるベース誘電体層（３Ａ）の厚さは誘電体内透過中心波長λの１／２としており、このベース誘電体層（３Ａ）に積層している誘電体層（３）の厚さは、誘電体内透過中心波長λの１／４としており、
    高誘電体層（７）は、ベース誘電体層（３Ａ）の誘電率に比較して１０倍以上の誘電率を有し、誘電体アンテナ（２）と高誘電体層（７）とで特定波長の光を透過させる光フィルター。
20. ベース誘電体層（３Ａ）に、隣接して積層している層に対して誘電率が異なる複数の誘電体層（３）を積層している請求項１６または１９に記載される特定波長の光を透過させる光フィルター。
21. 透過面（４）に、赤色光、青色光、緑色光を透過させる領域を設けており、赤色光の透過領域には赤色光を透過させる誘電体アンテナ（２）を配設しており、青色光の透過領域には青色光を透過させる誘電体アンテナ（２）を配設しており、緑色光の透過領域には緑色光を透過させる誘電体アンテナ（２）を配設している請求項１６または１９に記載される特定波長の光を透過させる光フィルター。

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