JP2007264610A - 光透過装置の設計方法、光学素子、撮像素子、光スイッチング素子、及び化学センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光透過装置の設計方法は、金属薄膜と、金属薄膜の面内に形成され、長辺と短辺とを備えた矩形開口であって、光が矩形開口から透過するようにされた矩形開口と、を有する光透過装置の設計方法である。本設計方法は、矩形開口を透過する光の透過率が最大となる透過ピーク波長を定めるステップと、短辺の寸法を、入射する光の波長よりも小さく定めるステップと、長辺の寸法を、透過ピーク波長が得られるように定めるステップと、を有している。
【選択図】図1
Description
ッグ反射を利用する方法が用いられてきた。一方、特許文献1に開示されているように、金属薄膜に円形の開口を開けることで局在プラズモン共鳴による異常透過が生じ、波長選択、集光機能が実現できることが、近年明らかになった。
図7に、本発明を用いて得られる光透過装置の一例である色分解用カラーフィルタを示す。金属薄膜501に形成された矩形開口502の集合である矩形開口アレイ503に光が入射すると、金属の界面で局在プラズモンが励起され、プラズモンの形で開口を透過し、裏面で再び伝搬光と結合して透過する。透過光は局在プラズモン共鳴の性質から、矩形開口502の形状に依存する透過ピーク波長を持つ。矩形開口502は、2次元のアレイ状に配列されているが、1次元のアレイ状に配列されていてもかまわない。矩形開口502は、長辺寸法の異なる複数種類の矩形開口502R,502G,502Bよりなっている。矩形開口アレイ503は、矩形開口アレイ503R,503G,503Bよりなっている。図7の矩形開口アレイはCCD、CMOSセンサなどの2次元撮像素子の色分解用カラーフィルタとして用いることが可能である。色分解用カラーフィルタの特性としては、透過ピークの中心波長は等色関数から得られるR(赤),G(緑),B(青)それぞれの濁りのない波長にし、R,G,Bが適切な重なりを持つようにピーク幅が求められる。矩形開口502R,502G,502Bは、各々、R,G,Bのカラーフィルタとしての機能を有している。本光透過装置によれば、長軸方向寸法によって透過ピーク波長を決定し、短軸方向の長さによってピーク幅を決めることができる。透過光の偏光依存性が問題となる場合は、図8に示すように、矩形開口の半分を、残りの矩形開口に対して金属薄膜の面内で90度傾けて配置してもよい。つまり、長辺の方向が金属薄膜の面内で90度傾いたものと、そうでないものと、を混在して配置してもよい。換言すれば、矩形開口の一部は、長辺の方向Lが、金属薄膜の面内で、他の矩形開口に対して90度傾いて配置されていてもよい。
図9に、本発明を用いて得られる光透過装置の一例である光スイッチング素子の概念図を示す。光源706からの白色光を偏光子702で偏光させた後に、矩形開口アレイ703を透過させる。偏光子702で偏光させることによって、透過光の色みを変化させることができる。なお、本実施形態においては、矩形開口の短辺寸法を照射光波長に比べて小さくしすぎることなく、短軸方向の偏光に対しても必要な透過光強度が得られるようにする。
図12に、本発明を利用して得られた化学センサ装置の一例についての概念図を示す。光透過装置である矩形開口アレイ1003の入射面側に設けられた光源1006からの光を、矩形開口アレイ1003に入射させ、矩形開口アレイ1003の出射面側に設けられた透過光のスペクトル検出器1004で受光する。矩形開口アレイ1003には、被測定物1005が界面に接して設けられている。スペクトル検出器1004によって透過スペクトルを取得し、透過ピーク波長または透過ピーク強度の変化を検出して化学センシングを実現する。矩形開口アレイ1003の入射面に予め被検査物質1005を捕捉する捕捉体物質(図示せず)を吸着させておくことで、被検査物質1005の高感度センシングが可能となる。矩形開口(図示せず)の長辺寸法および短辺寸法は、ともに光の波長より小さく形成されている。
101,501 金属薄膜
102,502 矩形開口
503,703,1003 矩形開口アレイ
1004 スペクトル検出器
1005 被検査物質
706,1006 光源
L 長辺の寸法
S 短辺の寸法
Claims (13)
- 金属薄膜と、
前記金属薄膜の面内に形成され、長辺と短辺とを備えた矩形開口であって、光が該矩形開口から透過するようにされた矩形開口と、
を有する光透過装置の設計方法であって、
前記矩形開口を透過する光の透過率が最大となる透過ピーク波長を定めるステップと、
前記短辺の寸法を、入射する光の波長よりも小さく定めるステップと、
前記長辺の寸法を、前記透過ピーク波長が得られるように定めるステップと、
を有することを特徴とする光透過装置の設計方法。 - 前記矩形開口を透過する光の透過ピーク幅を定めるステップを有し、
前記短辺の寸法を定めるステップは、前記透過ピーク幅が得られるように定めることを含むことを特徴とする請求項1に記載の光透過装置の設計方法。 - 前記金属薄膜の膜厚と、前記短辺の寸法と、を一定の値とし、前記長辺の寸法を定めることを特徴とする請求項1に記載の光透過装置の設計方法。
- 前記入射する光の偏光方向は前記短辺の方向に平行であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光透過装置の設計方法。
- 複数の前記矩形開口を、1次元または2次元のアレイ状に配列させることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光透過装置の設計方法。
- 前記矩形開口は、前記長辺の寸法の異なる複数種類の矩形開口よりなる請求項5に記載の光透過装置の設計方法。
- 前記矩形開口の一部は、前記長辺の方向が、前記金属薄膜の面内で、他の前記矩形開口に対して90度傾いて配置されている、請求項5に記載の光透過装置の設計方法。
- 請求項1から7のいずれか1項に記載の光透過装置の設計方法によって設計された、可視光領域の色に対応する光の透過スペクトルを備える開口からなることを特徴とする光透過装置。
- 請求項1から7のいずれか1項に記載の光透過装置の設計方法によって設計された、可視光領域の色に対応する光の透過スペクトルを備える開口からなり、異なる色に対応する透過スペクトルを備える開口が、同一平面上に配列していることを特徴とする光透過装置。
- 請求項1から7のいずれか1項に記載の光透過装置の設計方法によって設計された、可視光領域の色に対応する光の透過スペクトルを備える開口が、入射光が光検出器に至る経路中に配置されていることを特徴とする光検出器。
- 請求項1から7のいずれか1項に記載の光透過装置の設計方法によって設計された、可視光領域の色に対応する光の透過スペクトルを備える複数の開口が、入射光が光検出器に至る経路中に配置されていることを特徴とする撮像素子。
- 請求項1から7のいずれか1項に記載の光透過装置の設計方法により設計された光透過装置を備え、入射光の前記金属薄膜に対する偏光方向を変化させることによって透過光のスペクトルを変化させることを特徴とする光スイッチング素子。
- 請求項1から7のいずれか1項に記載の光透過装置の設計方法により設計された光透過装置と、
前記光透過装置の入射面側に設けられた光源と、
前記光透過装置の出射面側に設けられた透過光のスペクトル検出器と、
を有することを特徴とする化学センサ装置。
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