JP2010008990A - 光学フィルタ - Google Patents

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Abstract

【課題】 可視光領域を含む波長帯域において、ホール型の金属薄膜フィルタよりも光吸収が少なく、透過率および反射率の高い光学フィルタを提供する。
【解決手段】 誘電体基板と誘電体層との間に、複数の第１の金属構造体を孤立した状態で２次元的に設けられている。この第１の金属構造体は、第１の方向に第１の長さを有し、かつ、第１の方向と直交する第２の方向に第２の長さを有している。また、第１の長さと第２の長さは、可視光領域における光の波長以下の長さである。第１の金属構造体と、入射する光とが共鳴することにより、第１の金属構造体の表面に誘起される局在プラズモンによって、可視光領域における所定の波長の透過率を減少または反射率を増加させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は局在プラズモンを利用した光学フィルタに関する。
近年、金属薄膜に開口を周期的に配列し、表面プラズモンを利用して波長選択を行なうホール型の光学フィルタが特許文献１や非特許文献１で提案されている。
従来、膜厚にも依存するが、光の波長以下のサイズの開口径を有する金属薄膜の透過率は概ね１％未満になると考えられていた。
しかし、特許文献１に記載されているように、プラズモンの波長に合わせた周期で金属薄膜に所定の大きさの開口を配列すると、表面プラズモンを誘起する波長の光の透過率は大幅に向上することが分かった。
また、非特許文献１には、このような表面プラズモンを利用したホール型の光学フィルタを用いて、ＲＧＢの透過スペクトルが得られることが記載されている。具体的には、サブ波長のアレイ開口を有した金属薄膜を用いて、４３６ｎｍ（青色）、５３８ｎｍ（緑色）、６２７ｎｍ（赤色）の波長を有する透過スペクトルが得られたことが開示されている。
また、特許文献２には、表面プラズモンを利用した波長フィルタについて開示されている。
米国特許５９７３３１６号明細書 国際公開第２００２／００８８１０号パンフレット Ｎａｔｕｒｅ Ｖｏｌ．４２４ １４、Ａｕｇｕｓｔ、２００３（第４図）
上記特許文献１や非特許文献１では、比較的大きな面積を有する金属薄膜にホールを周期的に形成することによって、金属表面に誘起される表面プラズモンの波長に依存した透過スペクトルを持つフィルタを実現している。
しかしながら、このようなホール型の金属薄膜フィルタは、金属が占める割合が大きいことから、光吸収が大きい。そのため、上記特許文献１に記載されている金属薄膜フィルタでは、透過率が一番大きいピークであっても、透過率は５〜６％程度である。
このように透過率があまり高くないフィルタでは、透過スペクトルを利用したい場合、透過スペクトルの強度を確保するために、入射光の強度を大きくする必要がある。このため、ホール型のフィルタを用いたデバイスのエネルギー効率は低いものになってしまう可能性がある。
特に、金属による光の吸収はマイクロ波領域ではさほど多くないものの、可視光領域では光の吸収が多く、可視光領域の透過フィルタとしてホール型の金属薄膜フィルタを用いると、実デバイスへの適用範囲が狭くなってしまう。
また同様に、ホール型のフィルタを可視光領域の反射フィルタとして用いたとしても、光の吸収によりエネルギー効率は低いものとなる。
そこで、可視光領域を含む波長帯域においてホール型の金属薄膜フィルタよりも光吸収が少なく、透過率または反射率の高い光学フィルタの提供が望まれる。
ところで、上記特許文献１や特許文献２に記載のフィルタでは、表面プラズモンの波長に対応するピッチを有する開口や突起を比較的大きな面積を有する金属膜に周期的に形成して光学的特性を制御している。すなわち、この周期構造に沿って伝搬する表面プラズモン波同士の干渉によって、ピッチに対応する波長の表面プラズモン波が選択され、強め合って透過光の強度の増大、反射光の強度の増大が図られる。
したがって、上記特許文献１や特許文献２に記載のフィルタにおいては、周期構造のピッチがフィルタの光学特性の支配的な要因となる。そして、所望の光学特性を発現させるために波長を決めると、これに応じて周期構造のピッチが決定される。つまり、所望の波長を選択すると、開口や突起の密度は制約されることとなり、透過率や反射率を高めるのは難しい。
また、上記の文献に記載されたフィルタでは、周期的な開口や突起の並びを必用とすることから、フィルタの大きさや面積はピッチの何倍かの大きさ等としなければならない。すなわち、特許文献１や特許文献２のフィルタでは、サイズ選択に関する自由度が必ずしも高くない。
そこで、比較的大きな表面積を有する金属膜の周期構造に依拠した表面プラズモンを利用するフィルタに比べ、サイズ選択の自由度が高い光学フィルタの提供が望まれる。
本発明に係る光学フィルタは、第１の波長の光を透過または反射する光学フィルタであって、誘電体基板と、前記誘電体基板の表面上に、複数の第１の金属構造体を面内方向に孤立した状態で２次元的に設けた第１の金属構造体群と、前記第１の金属構造体群を覆う誘電体層と、を有し、前記第１の金属構造体は、第１の方向に第１の長さを有し、かつ、第１の方向と直交する第２の方向に第２の長さを有し、該第１の長さと該第２の長さは、前記第１の波長以下の長さであり、前記第１の金属構造体と、前記誘電体基板または前記誘電体層に入射する光とが共鳴することにより前記第１の金属構造体の表面に誘起される局在プラズモンによって、前記第１の波長の透過率を極小値または反射率を極大値とさせることを特徴とする。
本発明によれば、可視光領域を含む波長帯域において、ホール型の金属薄膜フィルタよりも光吸収が少なく、透過率または反射率の高い光学フィルタを提供することができる。
また、本発明によれば、比較的大きな表面積を有する金属膜の周期構造に依拠した表面プラズモンを利用するフィルタに比べ、サイズ選択の自由度が高い光学フィルタを提供することができる。
本発明者らは、ホール型の金属薄膜では光吸収が大きく、透過率および反射率が低いことに着目し、金属構造体を誘電体基板上に周期的に配置したドット型の光学フィルタを検討した。
金属微粒子、特に光の波長程度もしくはそれ以下の大きさの粒子は、局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Ｌｏｒｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を生じさせることができる。
ここで、プラズモンとは、光などの外部電場により励起される金属表面の自由電子の集団的な振動のことである。電子は電荷を帯びているため、電子が振動することにより、自由電子の粗密分布による分極が生じる。その分極と電磁界とが結合する現象をプラズモン共鳴という。
特に、金属の微粒子表面や金属微細構造に発生する自由電子のプラズマ振動と光との共鳴現象を局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）という。
すなわち、金属微粒子表面の自由電子の集団的な振動が光などの外部電場により励起され、その振動により電子の密度分布とこれに伴う分極が生じ、粒子の近傍に局在するような電磁場が発生する。
同一の面積のフィルタ同士を比較した場合、誘電体基板上に金属構造体の複数を（例えば、周期的に）配置したドット型の光学フィルタは、ホール型の光学フィルタに比べて、金属部分を少なくすることができる。そのため、実質的な開口部を大きく取り易い構成であり且つ金属による光の吸収を抑制することができることから、全体的な透過率をホール型よりも高くすることができる。
図１４に、誘電体基板１４０１の上に金属１４０２の複数が（例えば、ある周期で）配置されているドット型の光学フィルタの模式図を示す。このように構成することにより、特定の波長で透過率の極小値を有する透過スペクトルを得ることができる。これは、局在プラズモン共鳴によって、特定の波長の光が吸収、散乱されるためである。ＬＳＰＲは数ｎｍ以上の厚みの金属構造体であれば、微小なものでも発現させることが可能である。
ところが、本発明者らが検討を進めたところ、単に誘電体基板１４０１の上に金属１４０２を配置しただけでは、光学フィルタとしては好ましくない現象が発現することを見出した。
すなわち、単に誘電体基板１４０１の上に金属１４０２を配置しただけでは、空気と金属との界面（金属上面１４０３）のプラズモン共鳴の周波数と、金属１４０２と誘電体基板１４０１との界面（金属下面１４０４）のプラズモン共鳴の周波数とが異なってしまう。この結果、光学スペクトル幅の拡大やピーク分裂などが生じ、光学フィルタとして好ましくない特性が発現してしまうことが分かった。
また、この光学フィルタを反射フィルタとして用いる場合には、入射光が誘電体基板側から入射するか、あるいは金属側から入射するかにより、反射特性が異なる。そのため、所望の光学特性を発現させるには、ある一方向からの入射しか許さない光学フィルタとなり、このような光学フィルタを使用した光学系の設計自由度を落とす可能性がある。
さらに、金属の表面にごみ等が付着すると、ピーク波長のシフト等を生じてしまうという問題もある。
そこで、誘電体中に金属が埋め込まれている構造を検討したところ、空気と金属との界面のプラズモン共鳴周波数の違いに起因するスペクトルピークの分裂やピーク幅拡大を抑制することができた。
また、金属の酸化防止、更には金属表面にごみ等が付着することによる光学特性の変化（ピーク波長のシフト等）を抑制することも可能になった。
ところで、一般的な光学フィルタである誘電体多層膜フィルタや色素フィルタなどをデバイスに用いようとすると、光の波長以上の膜厚が必要となり、具体的には、１μｍ程度かそれ以上の膜厚になってしまう。
一方、本発明に係る光学フィルタでは、金属厚さが１００ｎｍ程度かそれ以下の膜厚のフィルタを構成することが可能である。金属構造体の上に保護層を１００ｎｍ程度積層したとしても全層の膜厚が２００ｎｍ程度に抑制できるため、従来のフィルタに比して膜厚が薄いフィルタを提供することができる。
これにより、本発明に係る光学フィルタをＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の受光素子に用いれば、受光素子の小型化が可能となる。また、本発明に係る光学フィルタを受光素子に用いれば、受光素子の高画素数化に伴う各画素の見込み角の減少による受光光量不足を緩和することも可能となる。
（第１の実施形態：単層光学フィルタおよび積層光学フィルタ）
以下、本発明に係る実施形態について、図を用いて説明をおこなう。
図１（ｂ）は本発明に係る第１の実施形態である光学フィルタの上面図であり、図１（ａ）はＡ−Ａ´の断面図である。
誘電体基板１１０の表面上には誘電体層１３０が設けられ、この誘電体基板１１０と誘電体層１３０との間には複数の金属構造体１２０が設けられている。
この金属構造体１２０は誘電体基板１１０の面内方向に孤立した状態で２次元的、かつ周期的に設けられており、金属構造体群として構成されている。なお、説明のため、第１の金属構造体群を構成する２つの第１の金属構造体について符号１２１と１２２を付している。
本発明に係る光学フィルタは、金属構造体単体により発現する局在プラズモン共鳴によるものであるが、金属構造体１２０を周期的に設けることは以下の点から好ましい。
すなわち、プラズモン共鳴が生じる際に、各金属構造体には電界が染み出すため、電界が染み出す範囲内に各金属構造体同士を配置すると、各金属構造体の共鳴条件は互いに影響を受けることになる。この影響を減少させるためには、金属構造体と該金属構造体に隣接する金属構造体とを電磁的に同等な関係となる位置、つまり周期的に配置することが好ましい。
このように各金属構造体を周期的に配置すれば、各金属構造体における共鳴条件のずれが抑制され、各構造体において同じ共鳴波長で同位相の局在プラズモン共鳴を誘起可能となる。この結果、共鳴ピークのディップが深く、ピーク幅が狭い透過スペクトルを得ることができる。また、回折光の発生を抑制できるために、透過スペクトル形状への影響も低減できる。
ところで、各金属構造体を近接しすぎると、各金属構造体の共鳴条件は互いに強く影響を受ける結果、所望の共鳴波長やスペクトル幅が得られず、透過率も低下する可能性がある。そのため、局在プラズモン共鳴の際に金属構造体の電界はその構造体自身の大きさ程度の距離まで染み出すことを考慮すると、金属構造体同士の間隔はその構造体の大きさ程度に離れていることが好ましい。
また、より好ましくは、金属構造体同士の間隔は前述の電界の染み出しが重なり合わない程度に離れていること、つまり金属構造体同士の間隔が金属構造体自身の大きさの２倍程度以上離れていることが好適である。
一方、金属構造体同士の間隔が構造体自身の大きさの３倍程度に離れると、透過スペクトルのディップが浅くなってしまう。
したがって、周期的に設けられている金属構造体同士の間隔として好適なのは、構造体自身の大きさの１倍以上であり、より好ましくは１倍以上３倍以下であり、より好ましくは２倍程度である。
図１において、第１の金属構造体１２１は、第１の方向１４０に第１の長さ１４１を有し、かつ、第１の方向１４０と直交する第２の方向１５０に第２の長さ１５１を有している。ここで、第１の長さ１４１と第２の長さ１５１は例えば可視光領域における光の波長以下の長さに設定する。金属構造体に誘起されるプラズモンの波長は最低次のモード（双極子モード）の場合であっても、プラズモンの半波長が金属構造体の大きさと略同一になる。そのため、例えば可視光でプラズモンを励起され得る構造の大きさは可視光の励起波長よりも短くなることから、これらの長さを可視光領域における光の波長以下としている。
また、第１の長さ１４１と第２の長さ１５１をプラズモン共鳴波長以下（第１の波長以下）とすることも好ましい形態である。
ここでは、一例として、第１の金属構造体１２１は、第１の長さと第２の長さが同一である正方形状とし、一辺を１２０ｎｍとしている。光学特性の設計容易性という点からは正方形状は好ましいが、円形状や楕円形状、その他多角形形状の金属も金属構造体として用いることができる。例えば、円形状ならば偏光依存性を抑制することが可能となり且つ作製精度も維持しやすいため好適である。
正方形状でない金属構造体を用いた場合には、図１８に示すように、第１の長さは符号１８０１、第２の長さは符号１８０２で示された長さとして取り扱う。
金属構造体の形状は、これに限定されるものではなく種々のものを取り得るが、第１の長さ、または第２の長さは、金属構造体の最大幅ととらえることもできる。
本実施形態では、金属構造体と、誘電体基板または誘電体層に入射する光とが共鳴することにより、金属構造体の表面に誘起される局在プラズモンによって、可視光領域における所定の波長（第１の波長）の透過率が極小値を示す。
図１に示した第１の金属構造体群において、金属構造体１２０が設けられている周期１４５および周期１５５は、可視光領域における光の波長以下、より好ましくはプラズモン共鳴波長以下（第１の波長以下）にすることも好適な形態である。注目している光の波長領域よりも金属構造体の周期が大きい場合には、高次の回折光が発生し、０次回折光の強度が低下する可能性があるからである。
また、金属構造体１２０が設けられている周期１４５および周期１５５は、第１の金属構造体群のプラズモン共鳴波長（第１の波長）より小さくすることも好ましい形態である。金属構造体の周期がプラズモン共鳴波長と近くなると、ウッズのアノマリを起こす波長の光がプラズモン共鳴と結合し、プラズモン共鳴によるピーク形状が先鋭化すると共に共鳴波長での透過率極小値の深さが浅くなってしまうからである。ここで、ウッズのアノマリとは、入射光が周期構造により回折され、回折光が金属周期構造表面の極近傍を表面と平行に伝播する現象のことをいう。
ここでは、一例として、赤色の波長帯域にプラズモン共鳴を生じさせることを目的として、周期１４５および１５５は４００ｎｍとしている。
また、第１の金属構造体１２１と１２２との間隔１５２は、第１の長さ１４１及び第２の長さ１５１よりも大きくすることも好ましい形態である。このような間隔に設定すれば、金属体構造体同士の間で近接場相互作用が強く生じることによるスペクトルピーク幅の拡大やピーク波長のシフト等を抑制することができる。
また、金属構造体１２０の厚さ１６０を可視光領域における光の波長以下、好ましくはプラズモン共鳴波長以下（第１の波長以下）にすることも好適な形態である。フィルタを作製する際の微細加工プロセスにおいて、金属構造体の厚さを厚く設定しすぎると作製誤差が大きくなるからである。ここでは、一例として、厚さ１６０は３０ｎｍとしている。
金属構造体１２０の材料としては、アルミニウム、金、銀、白金などを用いることができる。このうちアルミニウムは、銀と比較してプラズマ周波数が高く、物性的に可視域全体を網羅する光学特性のフィルタの設計が容易である（Ａｇ：〜３．８ｅＶ（〜３２５ｎｍ）、Ａｌ：〜１５ｅＶ（〜８３ｎｍ））。
また、アルミニウムは、銀等と比較して酸化されにくく、化学的に安定であるため、長期間安定して所定の光学特性を発現できる。
さらに、アルミニウムは、銀と比較して誘電率の虚部が大きいため銀と比較して膜厚を薄くしても十分な遮光性を発現させることができ、また微細加工が容易である。
加えて、アルミニウムは、白金のように化学的に極度に不活性であるためにドライエッチングによる微細加工が困難であるなどの難点も無い。
なお、金属構造体１２０はアルミニウム、金、銀、白金を含む混合物や、合金であってもよい。
誘電体基板１１０の材料としては、例えば可視光領域の光を透過する材料である石英（二酸化ケイ素）、二酸化チタンなどの金属酸化物や、窒化シリコンなどの透過率が高い材料から適宜選択することができる。また、ポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートなどの高分子材料も誘電体基板１１０の材料として用いることができる。
誘電体層１３０の材料としては、誘電体基板１１０と同様に、石英（二酸化ケイ素）、二酸化チタン、窒化シリコン等から適宜選択することができる。また、ポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートなどの高分子材料も誘電体層１３０の材料として用いることができる。
ここで、誘電体基板１１０と誘電体層１３０の誘電体率の差は５％以下であることが好ましい。誘電体基板１１０の誘電率と誘電体層１３０の誘電率が大きく異なると、金属構造体１２０と誘電体基板１１０の界面に生じるプラズモンの励起波長と、金属構造体１２０と誘電体層１３０の界面に生じるプラズモンの励起波長とが大きく異なるからである。この結果、所望以外の共鳴波長のピークや、ピーク幅の拡大が生じるおそれがある。
そのため、誘電体基板が有する誘電率と、誘電体層が有する誘電率とが同一であることがもっとも好ましい。
また誘電体層の厚みから金属構造体１２０の厚さ１６０を減じた厚さ１７０が厚すぎないことが好ましい。誘電体層の厚みが厚すぎると、誘電体層１３０が一種のファブリペロ−共振器を構成するため、透過スペクトルに微細なディップが多数あらわれてしまう懸念があるためである。
そのため、例えば金属構造体１２０のプラズモン共鳴の半値全幅の波長範囲内にファブリペロー共振器の共振器モードが存在しないことが好適である。
このためには少なくとも共振器モードの間隔（ＦＳＲ）がプラズモン共鳴の半値全幅よりも広いことが必要であり、その条件は以下であらわされる。
Figure 2010008990
ただし、λｒｅｓは金属構造体のプラズモン共鳴波長、ｎは誘電体層の屈折率、ΔλＦＷは金属構造体の共鳴スペクトルの半値全幅である。
ここで、式中のｄは誘電体層の厚さに相当している。したがって、たとえば典型的にはプラズモン共鳴の半値全幅は１００ｎｍであるから、プラズモン共鳴の波長を６５０ｎｍ、誘電体層の屈折率を１．４６とすると、ｄは１４４７ｎｍと算出される。このため、注目波長領域が６５０ｎｍ±５０ｎｍである場合、この波長域でＦＳＲを１００ｎｍ以上確保するためには、誘電体層の厚みはこのｄ以下である必要がある。
また、ファブリペロー共振器の共振器モードが注目波長域よりも短い波長域にしか現れないようにすることも好ましい形態である。
ファブリペロー共振器の共振器モードは、共振器長の２倍と等しい波長において出現する。注目波長域を金属構造体の共鳴幅内の波長域とする場合、注目波長域の最短波長は共鳴波長から共鳴の半値半幅を減じた値である。そのため、この波長よりもファブリペロー共振器の共振器モードが短くなるために、誘電体層の厚さは以下の式で示す値ｄ以下にする必要がある。
Figure 2010008990
ただし、λｒｅｓは金属構造体のプラズモン共鳴波長、ｎは誘電体層の屈折率、ΔλＨＷは金属構造体の共鳴スペクトルの半値半幅である。
例えば、共鳴波長が４５０ｎｍ、共鳴の半値半幅が５０ｎｍの場合、屈折率を１．４６とするとｄは１３７ｎｍと算出される。このため、可視光域最短波長である４００ｎｍよりも短波長側にファブリペロー共振器モードが現れないようにするためには、誘電体層の厚みはこのｄ以下にすることが好ましい。
一方、誘電体層の厚みが薄すぎることは余り好適ではなく、ある程度の厚みを有することが好適である。つまり誘電体層の厚みから金属構造体１２０の厚みを減じた厚さ１７０が、金属構造体１２０が有する第１の長さ１４１や第２の長さ１５１以上であることが好適である。また少なくとも厚さ１７０は１００ｎｍ程度はあることが好ましい。
これは金属構造体１２０が発生する近接場の広がりが、典型的には金属構造体１２０自身の大きさ程度もしくは１００ｎｍ程度であるためである。金属構造体１２０の表面から金属構造体１２０が発生する近接場領域程度の距離内の空間が誘電体層で占められていれば、金属構造体１２０が発生する近接場領域内に異物等が混入し、金属構造体１２０の光学特性が変化することを抑制できる。
（計算結果）
図２は、上記の構造を用いて数値計算を行なった結果を示したものである。すなわち、金属構造体としてアルミニウムを用いて、第１の長さと第２の長さを１２０ｎｍ、周期４００ｎｍ、厚さ３０ｎｍとした光学フィルタである。この光学フィルタの透過スペクトルは透過スペクトル２０１のようになり、波長６５０ｎｍ付近の光を強く吸収する光学フィルタとして機能していることがわかる。
波長６５０ｎｍは赤色の帯域であるため、Ｒｅｄの頭文字をとって光学フィルタＲとする。この光学フィルタは赤色の波長を反射、吸収するため、透過スペクトルとしては、赤色の補色である青緑色が観察される。
さらに、金属構造体の径や周期を変化させることによって、透過スペクトルの波長、スペクトル幅、強度を変化させることも可能である。
例えば、長さを１００ｎｍ、周期を３１０ｎｍ、厚さを３０ｎｍとすることで、可視域の緑（波長５５０ｎｍ）付近に吸収がある透過スペクトル２０２を有する光学フィルタを構成できる。これを光学フィルタＧとする。この光学フィルタＧの透過スペクトルを観察すると、緑色の補色である赤紫色を観察することができる。
同様に、長さを７０ｎｍ、周期を２５０ｎｍ、厚さを３０ｎｍにすることで可視域の青（波長４５０ｎｍ）付近に吸収がある透過スペクトル２０３を有する光学フィルタを構成できる。これを光学フィルタＢとする。このフィルタＢの透過スペクトルを観察すると、青色の補色である黄色を観察することができる。
なお、本実施形態に係る光学フィルタの反射スペクトルは、透過率が極小値を示す波長近傍で反射率が極大値となる。そのため、本実施形態に係る光学フィルタは、透過フィルタとしてのみならず、所望の波長で反射率を増加する反射フィルタとして用いることも可能である。
（設計指針）
以下、金属構造体群を構成するパラメータと光学特性の関係について説明する。
金属構造体に誘起される局在プラズモン共鳴は、金属構造体内での自由電子のプラズマ振動に伴う電荷密度分布であり、この電荷密度分布や金属構造体の光学特性は構造体の形状に影響される。
例えば、金属構造体に照射される光の偏光方向と直交する方向の金属構造体の長さ、金属構造体の厚さ、及び金属構造体を配置する周期を一定にしたまま、偏光方向の金属構造体の長さを長くすると、共鳴波長は長波長側に移行する。
このため、金属構造体の局在プラズモン共鳴の波長を長波長側に発生させるためには金属構造体の偏光方向の長さを長くすれば良いことが分かる。この傾向を図１７に示す。図１７（ｂ）に示した表により、金属微粒子の偏光方向の長さが長くなるにつれて、共鳴波長が長波長に移行するだけでなく、ピーク幅は広がり、吸収ピークでの透過率は低下することが分かる。なお、光学フィルタに入射する光の偏光は厳密に金属微粒子の長手方向もしくは短手方向に沿っていることは必ずしも必要ない。
また、図１９（ａ）に示すように、偏光と直交方向の金属構造体の長さが長くなるにつれて、共鳴波長は短波長側に移行する。また、図１９（ｂ）により、偏光と直交方向の金属構造体の長さが長くなるにつれて共鳴幅は広がり、共鳴波長での透過率は減少する傾向にあることが分かる。
また、図２０（ａ）および（ｂ）に示すように、金属構造体の厚さが増大すると共鳴波長は短波長化するともに、共鳴波長での透過率は減少し、共鳴幅は若干減少する傾向にあることが分かる。
このことを用い、図２２に示すように、スペクトル形状を透過スペクトル２２０１から透過スペクトル２２０２に改善することが可能である。
透過スペクトル２２０１では波長５３０ｎｍ近傍にウッズのアノマリによる鋭いディップがスペクトルに存在している。透過スペクトル２２０１は、一辺１５０ｎｍの正方形、膜厚９０ｎｍのアルミニウムからなる金属ドットを周期４００ｎｍで正三角格子状に配列した場合の光学スペクトルである。一方、透過スペクトル２２０２は膜厚を１５０ｎｍに増大した場合のものである。
すなわち、膜厚を増大させることによりドットアレイの共鳴波長を短波長側にシフトさせ、ウッズのアノマリの鋭いディップと重複させることで、スペクトル形状を単峰化させると共に共鳴幅を狭帯化させることもできる。
このように金属膜厚を所定の値にすることで、スペクトル上から好ましく無いディップを隠すことも可能である。
また、図２１（ａ）および（ｂ）に示すように、金属構造体が設けられた周期が増大すると、共鳴波長は長波長化するとともに、共鳴波長での透過率は増大し、共鳴幅は減少していく傾向にあることが分かる。
このような知見を基にして、金属構造体と金属構造体群のパラメータの最適化を図ることも可能であり、所望の波長に共鳴波長を有する光学フィルタを設計することが可能である。
本発明者らの検討によれば、光学フィルタの共鳴波長を赤色の帯域（５５０ｎｍ以上から６５０ｎｍ未満）とするためには、金属構造体の第１の長さと第２の長さを１１０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲に設定する必要がある。また、金属構造体の厚さを１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とし、かつ周期を３４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲に設定する必要がある。
また、光学フィルタの共鳴波長を緑色の帯域（４５０ｎｍ以上から５５０ｎｍ未満）とするためには、金属構造体の第１の長さと第２の長さを９０ｎｍ以上１３０ｎｍ未満の範囲に設定する必要がある。また、金属構造体の厚さを１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とし、かつ金属構造体が設けられている周期を２６０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下、好ましくは２７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下の範囲に設定する必要がある。
また、光学フィルタの共鳴波長を青色の帯域（３５０ｎｍ以上から４５０ｎｍ未満）とするためには、金属構造体の第１の長さと第２の長さを６０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲に設定する必要がある。また、金属構造体の厚さを１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とし、かつ金属構造体が設けられている周期を１８０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以上２７０ｎｍ以下の範囲に設定する必要がある。
本実施形態の光学フィルタは、可視光領域に吸収または反射のピーク波長を有するものとして説明した。一方、可視光領域の設計値に比べて金属構造体の大きさを小さく、周期を小さくすることで近紫外領域の光学フィルタとすることができる。同様に、金属構造体の大きさを大きく、周期を大きくすることで近赤外領域の光学フィルタとすることも可能である。
（第２の実施形態：ベイヤー配列）
本実施形態では、ベイヤー配列となっているＲＧＢフィルタについて説明する。
図３において、領域３０１には例えば前述の光学フィルタＲ（透過スペクトル２０１）を配置し、領域３０２には光学フィルタＧ（透過スペクトル２０２）、領域３０３には光学フィルタＢ（透過スペクトル２０３）を配置する。このような配置にすることで本発明に係るフィルタを用いて、ベイヤー配列のカラーフィルタを構成することが可能である。
なお、このカラーフィルタは、撮像素子用のカラーフィルタとして用いることができる。この場合、領域３０１等は１画素に対応した面積となるが、領域３０１等は光電変換素子（光電変換部）が占める領域よりも大きい面積を有していても良い。
本実施形態では、領域ごとに金属構造体の大きさが異なり、かつ金属構造体が設けられている周期も異なっているがこの構成に限るものではない。例えば、金属構造体の周期だけが異なる金属構造体群が各領域に配置されていても良い。また、金属構造体の大きさだけが異なる金属構造体群が各領域に配置されていても良い。
つまり、第１の金属構造体群を２つ以上有し、第１の金属構造体が設けられている周期は互いに異なっており、前記第１の金属構造体群は前記誘電体基板表面の相異なる領域に配置されていても良い。
また、第１の金属構造体群を構成する第１の金属構造体とは異なる形状である第２の金属構造体からなる第２の金属構造体群が各領域に配置されていても良い。すなわち、第２の金属構造体は、第１の方向に第３の長さを有し、第２の方向に第４の長さを有し、第３の長さは第１の金属構造体が有する第１の長さと異なるか、または第４の長さは第１の金属構造体が有する第２の長さと異なっている。なお、第３の長さと第４の長さは第２の波長以下であることが好ましい形態である。
この結果、第２の金属構造体群は、第１の構造体群の共鳴波長（第１の波長）とは異なる波長（第２の波長）で光の透過率を減少させることができる。
なお、本明細書において、第１の金属構造体群と第２の金属構造体群とは、構造体群を構成する金属構造体の形状が異なることを意味する。すなわち、金属構造体の周期が異なっていても、形状が同じであれば、第１の金属構造体群という用語を用いる。また、金属構造体の形状が異なっていれば、周期が同一であっても異なっていても、第２の金属構造体群という用語を用いる。
（第３の実施形態：三角格子）
図１６は金属構造体が三角格子状に配列されている実施形態を示した図である。三角格子配列にした場合には、格子の単位ベクトル成分が直交していないため、正方格子状の配列と比較してフィルタの光学特性の入射光偏光に対する依存性を軽減することが可能となる。
このような三角格子配列は、正方格子状に配列されている複数の金属構造体群が重複した領域に配置されていると表現することもできる。
すなわち、第１の金属構造体１６０１により構成される第１の金属構造体群１６０２と、第２の金属構造体１６０３により構成される第２の金属構造体群１６０４とは、重複した領域に配置していると表現することが可能である。
（第４の実施形態：２つ以上の構造体群の重複）
本実施形態でも、第３の実施形態と同じく、複数の金属構造体群が重複して配置されている例について説明する。
図４（ａ）は、周期が異なる第１の金属構造体群が重複して配置されている例を示したものである。第１の金属構造体群４０２を構成する第１の金属構造体４０１が周期４０５で設けられており、第１の金属構造体群４０４を構成する第１の金属構造体４０３は周期４０６で設けられている。このように、本実施形態では、金属構造体の配列周期が互いに異なることから、２つの金属構造体群が個々に有する光学特性を同時に発現させることが可能となる。
すなわち、図４（ａ）の光学フィルタは、前記誘電体基板の面内方向に、前記第１の金属構造体群を２つ以上有し、この２つ以上の第１の金属構造体群を構成する第１の構造体が設けられている周期は互いに異なっている。また、この２つ以上の第１の金属構造体群は重複した領域に配置されている。
また、図４（ｂ）は、第１の金属構造体と第２の金属構造体とが重複した領域に配置されている例を示したものである。第１の金属構造体４０７は第１の金属構造体群を構成し、第２の金属構造体４０８は第２の金属構造体群を構成する。このように金属構造体群を構成する金属構造体の形状が異なることから、２つの金属構造体群が有する個々の光学特性を同時に発現させることが可能となる。
すなわち、図４（ｂ）の光学フィルタは、第１の金属構造体群とは別に、誘電体基板の面内方向に、複数の第２の金属構造体を孤立した状態で２次元的、かつ周期的に設けた第２の金属構造体群を有している。この第２の金属構造体は、第１の方向に第３の長さを有し、かつ第２の方向に第４の長さを有し、第３の長さと第４の長さは前記第１の波長とは異なる第２の波長以下である。この第３の長さは第１の長さと異なるか、または第４の長さは前記第２の長さと異なっており、第１の金属構造体群と、第２の金属構造体群とは重複した領域に配置されている。この結果、第１の金属構造体の共鳴波長（第１の波長）と、第２の金属構造体の共鳴波長（第２の波長）が異なっている。
（第５の実施形態：単列フィルタ）
本実施形態では、単列フィルタについて説明する。
図５において、第１の金属構造体５０９は第１の方向５０２に第１の長さ５０４を有し、かつ第１の方向５０２と直交する方向に第２の方向５０３に第２の長さ５０５を有する。そして、第１の金属構造体５０９は第１の方向５０２に周期的に配列されており、これにより第１の金属構造体群５０１を構成している。
また、第２の金属構造体５１０は第１の方向５０２に第３の長さ５０７を有し、かつ第２の方向５０３に第４の長さ５０８を有する。そして、第２の金属構造体５１０は第１の方向５０２に周期的に配列されており、これにより第２の金属構造体群５０６を構成している。
これらの金属構造体群５０１と５０６はそれぞれ異なる波長の光に対してプラズモン共鳴を生じ、その結果異なる波長の光の透過率を減少させることができる。そのため、図５に示した構造を有する光学フィルタは、光の照射位置によって透過率が低下する波長が変化するため、このフィルタを分光などに用いることが可能である。
なお、図５に示した金属構造体５０９は第１の方向に有する周期と、金属構造体５１０が第１の方向に有する周期とが異なっているが、図６に示すように周期を同一にしても良い。
すなわち、本実施形態に係る光学フィルタは、複数の金属構造体を前記誘電体基板の面内方向に孤立した状態で設けて構成された第１の金属構造体群と第２の金属構造体群とを有している。また、第１の金属構造体群と、第２の金属構造体群とは誘電体基板表面の相異なる領域に配置され、第１の金属構造体は、第１の方向に周期的に配置されている。また、この第１の金属構造体の第１の長さと第２の長さは、第１の波長以下の長さである。また、第２の金属構造体群を構成する第２の金属構造体は、前記第１の方向に周期的に配置されている。また、この第２の金属構造体は、第１の方向に第３の長さを有し、かつ第２の方向に第４の長さを有し、第３の長さと第４の長さは、第１の波長とは異なる第２の波長以下の長さである。そして、この第１の長さと第３の長さが異なるか、または、第２の長さと第４の長さが異なっている結果、第１の金属構造体の共鳴波長（第１の波長）と、第２の金属構造体の共鳴波長（第２の波長）が異なっている。
（第６の実施形態：積層型の光学フィルタ）
本実施形態では、積層された光学フィルタについて説明する。
図７において、誘電体基板７０１上には第１の金属構造体群７０２が形成され、更に第１の誘電体層７０３に覆われている。そして、第１の誘電体層７０３上には第３の金属構造体群７０４が配置され、更にその上に第２の誘電体層（他の誘電体層）７０５が形成されている。
これにより、図２で示した透過スペクトル２０１と透過スペクトル２０３の積で表現される透過スペクトルの光学フィルタとすることも可能である。例えば、光学フィルタＲと光学フィルタＢのフィルタを積層することで、光学フィルタＲの透過率と光学フィルタＢの積の透過スペクトルを有する光学フィルタとすることができる。このフィルタは波長５５０ｎｍ付近に透過率の最大値が生じる。このように単層では補色のフィルタとして機能するフィルタを、積層することで原色のフィルタとして機能させることも可能になる。
第１の金属構造体群７０２と、第３の金属構造体群７０４の構成は面内の配列の周期が異なるか、あるいは金属構造体の形状が異なっている。
第１の金属構造体群７０２と、第３の金属構造体群７０４の構成が異なることにより、これら各層は互いに異なる波長に対してプラズモン共鳴を生じる。その結果、本実施形態の光学フィルタは少なくとも二つの波長に対して透過率が極小になる。
このことはつまり前述の二つの極小となる波長の間の波長を通すバンドパスフィルタとしての機能を有していることを意味する。
したがって、単層である第１の金属構造体群７０２、と第３の金属構造体群７０４は補色フィルタの機能を有しているが、これらを積層構成することで両者の特性を併せもつ原色フィルタ機能を発現することができる。
すなわち、本実施形態に係る積層型の光学フィルタは、誘電体層表面の上に、更に他の誘電体層が形成された積層型の光学フィルタである。そして、誘電体層表面と他の誘電体層との間に、複数の第３の金属構造体を前記誘電体層表面の面内方向に孤立した状態で２次元的、かつ周期的に設けた第３の金属構造体群を有している。第３の金属構造体群を構成する第３の金属構造体は、第１の方向に第５の長さを有し、かつ第２の方向に第６の長さを有し、第５の長さと第６の長さは、第１の波長とは異なる第３の波長以下の長さである。第１の長さと第５の長さが異なるか若しくは第２の長さと第６の長さが異なるか、又は、第３の金属構造体が設けられている周期と第１の金属構造体が設けられている周期とが異なっている。これにより、第３の金属構造体群は、第１の構造体群の共鳴波長（第１の波長）とは異なる共鳴波長（第３の波長）における透過率を減少させることができる。
なお、本実施形態に係る積層型の光学フィルタにおいては、近接場相互作用が殆ど生じない積層間隔で積層することも好ましい形態である。具体的には、１００ｎｍ以上の積層間隔とすることが好ましい。
実施例１では、ＲＧＢの吸収・反射フィルタの作製方法と光学特性について説明する。
図８（ａ）は厚さ５２５μｍの石英基板からなる誘電体基板８０１の表面に、金属薄膜層８０２として厚さ３０ｎｍのアルミニウムを蒸着し、その上に電子線描画（ＥＢ）用レジスト８０３を塗布により形成したものである。なお、金属薄膜層８０２の成膜方法は蒸着に限るものでなく、スパッタリング等であってもよい。
次に、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト８０３をパターニングする。レジストパターンの形状は、一辺が約１２０ｎｍの正方形であり、周期約４００ｎｍで正方格子状に配列した形状を作製する。このレジストパターンをエッチングマスクとして、塩素と酸素の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで金属薄膜構造体８０４を形成することができる。なお、ドライエッチングガスは塩素と酸素に限るものではなく、アルゴンやその他のガスでも良い。
また、エッチングマスクの作製方法はＥＢ描画に限るものではなく、フォトリソグラフィー等でも良い。さらに、金属薄膜層８０２のパターニング方法は、誘電体基板８０１上にＥＢ描画やフォトリソグラフィ−等によりレジストパターンを形成し、金属薄膜層８０２を成膜した後にリフトオフプロセスにより形成しても良い。加えて、収束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ加工装置）を用いて、金属薄膜層８０２を直接加工しても良い。
次に、金属薄膜構造体８０４の上に、誘電体層８０５として厚さ３００ｎｍの石英薄膜をスパッタリングにより成膜する。このようにして形成された光学フィルタを図８（ｂ）に示す。なお、成膜方法は、スパッタリングに限るものではなく、ＣＶＤによる成膜やさらにはＳＯＧなどを塗布しても良い。
図９（ａ）には、このようにして作製した光学フィルタの透過スペクトルを示す。数値計算により透過スペクトルＲは符号９０１のように求まり、本フィルタは波長６５０ｎｍ付近に透過率の最小値（吸収ピーク）を持つことが分かる。吸収ピークを示す波長は可視域の赤色に対応するため、本フィルタは赤を吸収する補色フィルタとして機能することがわかる。
また、金属薄膜構造体８０４の径を約１００ｎｍ、厚さを約３０ｎｍ、周期を約３１０ｎｍで配列することで符号９０２で示される透過スペクトルＧが得られる。同様に、径を約７０ｎｍ、厚さを３０ｎｍ、周期を約２５０ｎｍとすることで符号９０３で示される透過スペクトルＢが得られる。これらはそれぞれＲＧＢを吸収する光フィルタであり、補色フィルタとして機能する。
また、本実施例のフィルタの反射スペクトルは、透過率が最小になる波長とほぼ同じ波長で反射率が最大になる。
そのため、図９（ｂ）に示すように、本実施例の光学フィルタは、反射フィルタとして用いることで、透過スペクトルＲを有するフィルタからは符号９０４で示される反射スペクトルＲを得ることができる。同様に、透過スペクトルＧを有するフィルタは符号９０５で示される反射スペクトルＧ、透過スペクトルＢを有するフィルタは符号９０６で示される反射スペクトルＢを得ることができる。このように、これらの光学フィルタはそれぞれ可視域の赤、緑、青の反射率を増加させる光学フィルタとして機能させることが可能である。
なお、本実施例では金属構造体が正方格子状に配列している例を用いて説明したが、三角格子配列にしてもよい。
また、誘電体層８０５の厚みは３００ｎｍに限るものではない。より薄く作製しても構わない。金属構造体が生成する近接場領域の広さを誘電体層でカバーできるように、１００ｎｍ程度もしくはそれ以上であることが好適である。
実施例２ではベイヤー配列のＲＧＢフィルタの作製方法と光学特性について説明する。図１０（ａ）は厚さ５２５μｍの石英基板からなる誘電体基板１００１の表面に、金属薄膜層１００２として厚さ２０ｎｍのアルミニウムを蒸着し、その上にレジスト１００３を塗布したものである。
次に、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト１００３をパターニングする。レジストパターンの形状は、一辺が約１３０ｎｍの正方形を周期約３８０ｎｍで正方格子状に配列した形状を約１０μｍ角にパターニングした部分をパターン部Ａ１００４とする。また、一辺が約１１０ｎｍの正方形を周期約２８０ｎｍで正方格子状に配列した形状をパターン部Ｂ１００５とし、一辺が約８０ｎｍの正方形を周期約２００ｎｍで正方格子状に配列した形状をパターン部Ｃ１００６とする。これらの各パターン部を１０μｍの隙間を空けて図１０（ｂ）のように配置した構造を作製する。このレジストパターンをエッチングマスクとして、塩素と酸素の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで金属薄膜構造体１００７を作製する。
次に、金属薄膜構造体１００７の上に、誘電体層１００８として厚さ５００ｎｍの石英薄膜をスパッタリングにより形成する。このようにして形成された光学フィルタを図１０（ｃ）に示す。
なお、上述のパターン部の間の領域は、混色防止のために遮光層を形成しても良い。また、本実施例のように、各パターン部を構成する金属構造体の厚みを同一にすれば、各パターン部を同一プロセス内で作製することが可能となり、各パターン部間の境目をなくすことも可能である。
図１１に示すように、このようにして作製したパターン部Ａ、Ｂ、Ｃは、符号１１０１で示された透過スペクトルＲ、符号１１０２で示された透過スペクトルＧ、符号１１０３で示された透過スペクトルＢを有する。これらはそれぞれＲＧＢに対する補色フィルタとして機能することが出来る。さらに、本実施例のように、全てのパターン部について厚みを同一に作製しておけば、同一バッチにてＲＧＢ補色フィルタを作製することが出来る。
本実施例に係る金属構造体を用いた光学フィルタは、同一膜厚であっても構造体のサイズや配列周期を変えるだけで、吸収波長や反射波長の異なる光学フィルタを同時に作製することが出来る。
一般的な光学フィルタである色素フィルタのアレイを作製する場合、異なる種類の色素ごとに異なるプロセスで塗り分ける必要がある。しかし、本実施例に係る光学フィルタでは、異なる波長の光学フィルタを同一プロセスで作製することが可能であるため、作製コストを低減することができる。
また、誘電体層１００８の厚みは５００ｎｍに限るものではない。例えば、青の波長域（波長４５０ｎｍ）においてＦＳＲが１００ｎｍ以上確保できるためには、誘電体層の厚みはその屈折率を１．４６とするときに約６９０ｎｍ以下であることが好適である。また一方で、金属構造体が生成する近接場領域の広さを誘電体層でカバーできるように、１００ｎｍ程度もしくはそれ以上であることも好適である。
実施例３では積層フィルタの作製方法と光学特性について説明する。
図１２（ａ）は、厚さ１ｍｍの石英基板からなる誘電体基板１２０１の表面に第一の金属薄膜層１２０２としてアルミニウムを厚さ３０ｎｍで蒸着し、その上に電子線描画（ＥＢ）用のレジスト１２０３を塗布により形成したものである。
次に、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト１２０３をパターニングする。レジストパターンの形状は、一辺が約１２０ｎｍの正方形であり、周期約４００ｎｍで正方格子状に配列した形状を作製する。このレジストパターンをエッチングマスクとして、塩素と酸素の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで第一の金属薄膜構造体１２０４を作製する。
次に、第一の金属薄膜構造体１２０４の上に、第一の誘電体層１２０５として厚さ３００ｎｍの石英薄膜をスパッタリングにより形成する。第一の誘電体層１２０５の厚さは３００ｎｍに限るものではないが、次の工程で作製する第二の金属薄膜構造体層と近接場相互作用を及ぼしあわない層間距離を確保することが好ましい。
次に、図１２（ｂ）に示すように、第一の誘電体層１２０５の表面に、第二の金属薄膜層１２０６としてアルミニウムを厚さ３０ｎｍで蒸着する。そして、この第二の金属薄膜層１２０６の上にレジスト層として電子線描画（ＥＢ）用レジストを塗布する。そして、ＥＢ描画装置にてレジスト層をパターニングする。レジストパターンの形状は、一辺が約７０ｎｍの正方形であり、周期約２５０ｎｍで正方格子状に配列した形状を作製する。このレジストパターンをエッチングマスクとして、塩素と酸素の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで第二の金属薄膜構造体１２０７を作製する。
次に、図１２（ｃ）に示すように、第二の金属構造体１２０７の上に、第二の誘電体層１２０８として厚さ４００ｎｍの石英薄膜をスパッタリングにより形成する。
図１３には、このようにして作製した積層型の光学フィルタの透過スペクトルを示した。このフィルタの第一の金属薄膜構造体の透過スペクトル１３０１は吸収ピーク波長約６５０ｎｍ付近、第二の金属薄膜構造体の透過スペクトル１３０２は吸収ピーク波長約４５０ｎｍ付近である。このため、本実施例のフィルタの積層フィルタ透過スペクトル１３０３はこれらの積の形になる。したがって、本実施例に係る積層型フィルタは緑を透過する光フィルタとして機能することがわかる。つまり、各層単層では補色フィルタとして機能するフィルタを、積層構造としたことで原色フィルタとして機能させることが出来るようになる。
実施例４では、大きさの異なる金属構造体が交互に配列することにより、すなわち２つの金属構造体群が重複して配置することにより、複数の透過スペクトルを複合させた透過スペクトルを有するフィルタを単層で実現できる例について説明する。
図１５（ａ）は、一辺が９０ｎｍの正方形のアルミニウムからなる金属構造体１５０１と、一辺が１５０ｎｍの正方形のアルミニウムからなる金属構造体１５０２が配列されている例を示したものである。これらの金属構造体の厚さは６０ｎｍであり、金属構造体１５０１と１５０２は、周期１５０６で互い違いに正方格子状に配列されている。ここでは周期１５０６は２５０ｎｍとしている。
図１５（ｂ）には、このようにして作製した光学フィルタの透過スペクトル１５０３を示した。一方、リファレンスとして、一辺９０ｎｍの正方形のアルミニウムを厚さ６０ｎｍ、周期２５０ｎｍで正方格子状に配列した光学フィルタの透過スペクトル１５０４を示した。また、一辺１５０ｎｍの正方形のアルミニウムを厚さ６０ｎｍ、周期４００ｎｍで正方格子状に配列した光学フィルタの透過スペクトル１５０５を示した。
このように、本実施例に係る光学フィルタは、透過スペクトル１５０３を有するため、単層構造ながら２層のフィルタが有する両方の特性を発現するスペクトルを得ることができる。
また、透過スペクトル１５０３は波長６００ｎｍ付近に透過率最大値を持つフィルタの特性を有すると考えることもでき、補色フィルタ２層分の機能を一層で発現させることが可能となる。なお、本実施例に係る光学フィルタは、単層の金属構造体のフィルタを積層する場合と比較して更に簡易に作製することが可能となる。
本実施例では、面内に２種類の金属構造体の形状が混在する例を挙げたが、面内に存在する金属微粒子形状は３種類以上であってもよく、また周期を変調させた構造体群を配置して所望の光学特性を得るように設計しても良い。
本実施例は、実施例１ないし４で説明したいずれかの光学フィルタを用いた光検出素子、および光検出素子をアレイ状に並べて撮像素子を構成し、この撮像素子をデジタルカメラに組み込んだ例である。
図２３は、本発明の光学フィルタを用いた光検出素子の模式図である。
光検出素子２５０７は、マイクロレンズ２５０１を通して外部から入射した光を光電変換部２５０５に導入する。光電変換部では入射光に応じた電荷を発生させる。光検出素子は光電変換部２５０５のほかに本発明で開示される光学フィルタ２５０２、誘電体層２５０３、電気回路部２５０４、半導体基板２５０６を含んでいる。光学フィルタ２５０２には例えば図１に示す金属構造体１２０のような、光に対してプラズモン共鳴を誘起し得る構造を含んでいる。
図２４は、本発明の光学フィルタを用いた撮像素子の模式図である。
図２４において、画素エリア２６００は、前述の複数の光検出素子（画素）２６０１ａ〜２６０３ｃを、３行×３列の２次元マトリクス状に配置している。尚、図２４では、画素エリア２６００は、３行×３列の２次元マトリクス状としたが、例えば、７６８０×４３２０列のマトリクスとすることも可能である。
図２４において、垂直走査回路２６０５および水平走査回路２６０４は、画素エリア２６００内に配置されている光検出素子（画素）を選択して読み出すための回路である。
図２４のように構成した撮像素子をデジタルカメラに組み込んだ模式図を図２５に示す。
図２５において、２７０１はカメラ本体、２７０９は接眼レンズ、２７１１はシャッターであり、２７１６は、ミラーである。
本発明に係る撮像素子は２７０６であり、レンズ鏡筒２７０５内に配された撮影光学系（レンズ）２７０２を介し、撮像素子２７０６に光が入射する。これにより被写体像に応じて、撮像素子２７０６の各画素に電荷が発生し、発生した電荷に対応して被写体像を再現できる。被写体像は、モニター用ディスプレイ装置２７０７で再生できる他、メモリーカード等の記録媒体２７０８に記録される。
本発明に係る光学フィルタは、一般的な色素で構成されるカラーフィルタと比較して厚みが薄いため、ここで示した本発明の撮像素子を薄く構成できる。その結果、撮像素子表面から撮像素子光電変換部までの距離が短くなるため、光の利用効率が向上する。これにより、本発明に係る撮像素子の感度向上が可能である。
第１の実施形態を示す模式図 第１の実施形態により得られる透過スペクトル 第２の実施形態を示す模式図 第４の実施形態を示す模式図 第５の実施形態を示す模式図 第５の実施形態を示す模式図 第６の実施形態を示す模式図 実施例１に係る光学フィルタの模式図 実施例１に係る光学フィルタにより得られる透過スペクトル 実施例２に係る光学フィルタの模式図 実施例２に係る光学フィルタにより得られる透過スペクトル 実施例３に係る光学フィルタの模式図 実施例３に係る光学フィルタにより得られる透過スペクトル 本発明の実施形態を説明するときに用いた模式図 実施例４に係る光学フィルタの模式図と透過スペクトル 第３の実施形態を示す模式図 金属構造体の長さと共鳴波長の関係を示す図 金属構造体の長さを規定した模式図 金属構造体の長さと共鳴波長の関係を示す図 金属構造体の厚さと共鳴波長の関係を示す図 金属構造体の周期と共鳴波長の関係を示す図 波長と透過率の関係を示す図 光検出素子の模式図 撮像素子の模式図 デジタルカメラの模式図
符号の説明
１１０ 誘電体基板
１２０ 金属構造体
１２１ 第１の金属構造体
１２２ 第１の金属構造体
１３０ 誘電体層
１４０ 第一の方向
１４１ 第一の長さ
１４５ 周期
１５０ 第二の方向
１５１ 第二の長さ
１５５ 周期
１６０ 金属構造体の厚さ
１７０ 誘電体層の厚さから金属構造体の厚さを減じた厚さ
２０１ 透過スペクトルＲ
２０２ 透過スペクトルＧ
２０３ 透過スペクトルＢ
３０１ 領域
３０２ 領域
３０３ 領域
４０１ 第１の金属構造体
４０２ 第１の金属構造体群
４０３ 第１の金属構造体
４０４ 第１の金属構造体群
４０５ 周期
４０６ 周期
４０７ 第１の金属構造体
４０８ 第２の金属構造体
５０１ 第１の金属構造体群
５０２ 第１の方向
５０３ 第２の方向
５０４ 第１の長さ
５０５ 第２の長さ
５０６ 第２の金属構造体群
５０７ 第３の長さ
５０８ 第４の長さ
７０１ 誘電体基板
７０２ 第１の金属構造体群
７０３ 第１の誘電体層
７０４ 第３の金属構造体群
７０５ 第２の誘電体層（他の誘電体層）
８０１ 誘電体基板
８０２ 金属薄膜層
８０３ レジスト
８０４ 金属薄膜構造体
８０５ 誘電体層
９０１ 透過スペクトルＲ
９０２ 透過スペクトルＧ
９０３ 透過スペクトルＢ
９０４ 反射スペクトルＲ
９０５ 反射スペクトルＧ
９０６ 反射スペクトルＢ
１００１ 誘電体基板
１００２ 金属薄膜層
１００３ 電子線描画用レジスト
１００４ パターン部Ａ
１００５ パターン部Ｂ
１００６ パターン部Ｃ
１００７ 金属薄膜構造体
１００８ 誘電体層
１１０１ 透過スペクトルＲ
１１０２ 透過スペクトルＧ
１１０３ 透過スペクトルＢ
１２０１ 誘電体基板
１２０２ 第一の金属薄膜層
１２０３ レジスト
１２０４ 第一の金属薄膜構造体
１２０５ 第一の誘電体層
１２０６ 第二の金属薄膜層
１２０７ 第二の金属薄膜層
１２０８ 第二の誘電体層
１３０１ 透過スペクトル
１３０２ 透過スペクトル
１３０３ 積層フィルタ透過スペクトル
１４０１ 誘電体基板
１４０２ 金属
１４０３ 金属上面
１４０４ 金属下面
１５０１ 金属構造体
１５０２ 金属構造体
１５０３ 透過スペクトル
１５０４ 透過スペクトル
１５０５ 透過スペクトル
１５０６ 周期
１６０１ 第１の金属構造体
１６０２ 第１の金属構造体群
１６０３ 第２の金属構造体
１６０４ 第２の金属構造体群
１８０１ 第１の長さ
１８０２ 第２の長さ
２２０１ 透過スペクトル
２２０２ 透過スペクトル

Claims (25)

  1. 第１の波長の光を透過または反射する光学フィルタであって、
    誘電体基板と、
    前記誘電体基板の表面上に、複数の第１の金属構造体を面内方向に孤立した状態で２次元的に設けた第１の金属構造体群と、
    前記第１の金属構造体群を覆う誘電体層と、を有し、
    前記第１の金属構造体は、第１の方向に第１の長さを有し、かつ、第１の方向と直交する第２の方向に第２の長さを有し、該第１の長さと該第２の長さは、前記第１の波長以下の長さであり、
    前記第１の金属構造体と、前記誘電体基板または前記誘電体層に入射する光とが共鳴することにより前記第１の金属構造体の表面に誘起される局在プラズモンによって、前記第１の波長の透過率を極小値または反射率を極大値とさせることを特徴とする光学フィルタ。
  2. 前記第１の金属構造体群において、第１の金属構造体が設けられている周期は、前記第１の波長以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  3. 前記第１の長さと、前記第２の長さとが同一であることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  4. 前記第１の金属構造体の形状が正方形状であることを特徴とする請求項３に記載の光学フィルタ。
  5. 前記第１の金属構造体の厚さは、前記第１の波長以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  6. 前記第１の金属構造体がアルミニウム、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に記載の光学フィルタ。
  7. 前記誘電体基板が有する誘電率と、前記誘電体層が有する誘電率とが同一であることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  8. 前記誘電体基板と、前記誘電体層は二酸化ケイ素、二酸化チタン、窒化シリコンのいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項７に記載の光学フィルタ。
  9. 前記誘電体層の表面から前記第１の金属構造体の表面までの距離が、以下の式で示す値ｄ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
    Figure 2010008990
     ただし、λｒｅｓは前記第１の金属構造体のプラズモン共鳴波長、ｎは前記誘電体層の屈折率、ΔλＦＷは前記第１の金属構造体の共鳴スペクトルの半値全幅である。
  10. 前記誘電体層の表面から前記第１の金属構造体の表面までの距離が、以下の式で示す値ｄ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
    Figure 2010008990
     ただし、λｒｅｓは前記第１の金属構造体のプラズモン共鳴波長、ｎは前記誘電体層の屈折率、ΔλＨＷは前記第１の金属構造体の共鳴スペクトルの半値半幅である。
  11. 前記第１の長さおよび第２の長さが１１０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の範囲であり、かつ前記第１の金属構造体の厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であり、かつ前記第１の金属構造体が設けられている周期が３４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲であり、前記第１の波長が５５０ｎｍ以上から６５０ｎｍ未満の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  12. 前記第１の長さおよび第２の長さが９０ｎｍ以上１３０ｎｍ未満の範囲であり、かつ前記第１の金属構造体の厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であり、かつ前記第１の金属構造体が設けられている周期が２６０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下の範囲であり、前記第１の波長が４５０ｎｍ以上から５５０ｎｍ未満の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  13. 前記第１の長さおよび第２の長さが６０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲であり、かつ前記第１の金属構造体の厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲であり、かつ前記第１の金属構造体が設けられている周期が１８０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下の範囲であり、前記第１の波長が３５０ｎｍ以上から４５０ｎｍ未満の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  14. 前記誘電体基板の面内方向に、前記第１の金属構造体群を２つ以上有し、
    該２つ以上の第１の金属構造体群を構成する前記第１の金属構造体が設けられている周期は互いに異なっており、該２つ以上の前記第１の金属構造体群は前記誘電体基板表面の相異なる領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  15. 前記第１の金属構造体群とは別に、前記誘電体基板の面内方向に、複数の第２の金属構造体を孤立した状態で２次元的に設けた第２の金属構造体群を有し、
    該第２の金属構造体は、前記第１の方向に第３の長さを有し、かつ前記第２の方向に第４の長さを有し、該第３の長さと該第４の長さは前記第１の波長とは異なる第２の波長以下であり、
    該第３の長さは前記第１の長さと異なるか、または該第４の長さは前記第２の長さと異なっており、
    前記第１の金属構造体群と、前記第２の金属構造体群とは前記誘電体基板表面の相異なる領域に配置され、
    前記第２の金属構造体と、前記誘電体基板または前記誘電体層に入射する光とが共鳴することにより前記第２の金属構造体の表面に誘起される局在プラズモンによって、前記第２の波長の透過率を極小値または反射率を極大値とさせることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  16. 前記誘電体基板の面内方向に、前記第１の金属構造体群を２つ以上有し、
    該２つ以上の前記第１の金属構造体群は重複した領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  17. 前記誘電体基板の面内方向に、前記第１の金属構造体群を２つ以上有し、
    該２つ以上の第１の金属構造体群を構成する前記第１の構造体が設けられている周期は互いに異なっており、
    該２つ以上の前記第１の金属構造体群は重複した領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  18. 前記第１の金属構造体群とは別に、前記誘電体基板の面内方向に、複数の第２の金属構造体を孤立した状態で２次元的に設けた第２の金属構造体群を有し、
    該第２の金属構造体は、前記第１の方向に第３の長さを有し、かつ前記第２の方向に第４の長さを有し、該第３の長さと該第４の長さは前記第１の波長とは異なる第２の波長以下であり、
    該第３の長さは前記第１の長さと異なるか、または該第４の長さは前記第２の長さと異なっており、
    前記第１の金属構造体群と、前記第２の金属構造体群とは重複した領域に配置され、
    前記第２の金属構造体と、前記誘電体基板または前記誘電体層に入射する光とが共鳴することにより前記第２の金属構造体の表面に誘起される局在プラズモンによって、前記第２の波長の透過率を極小値または反射率を極大値とさせることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
  19. 光を透過または反射する光学フィルタであって、
    誘電体基板と、
    該誘電体基板の表面上に、複数の金属構造体を前記誘電体基板の面内方向に孤立した状態で設けて構成された第１の金属構造体群と第２の金属構造体群と、
    前記第１の金属構造体群と前記第２の金属構造体群とを覆う誘電体層と、を有し、
    前記第１の金属構造体群と、前記第２の金属構造体群は前記誘電体基板表面の相異なる領域に配置され、
    前記第１の金属構造体群を構成する第１の金属構造体は、第１の方向に配置されると共に、該第１の方向に第１の長さを有し、かつ、該第１の方向と直交する第２の方向に第２の長さを有し、該第１の長さと第２の長さは、第１の波長以下の長さであり、
    前記第２の金属構造体群を構成する第２の金属構造体は、前記第１の方向に配置されると共に、該第１の方向に第３の長さを有し、かつ前記第２の方向に第４の長さを有し、該第３の長さと該第４の長さは、前記第１の波長とは異なる第２の波長以下の長さであり、前記第１の長さと前記第３の長さが異なるか、または、前記第２の長さと前記第４の長さが異なり、
    前記第１の金属構造体の表面に誘起される局在プラズモンにより、前記第１の波長の透過率を極小値または反射率を極大値にさせ、かつ、
    前記第２の金属構造体の表面に誘起される局在プラズモンにより、前記第２の波長の透過率を極小値または反射率を極大値にさせることを特徴とする光学フィルタ。
  20. 前記第１の金属構造体が設けられている周期と、前記第２の金属構造体が設けられている周期とが同一であることを特徴とする請求項１９に記載の光学フィルタ。
  21. 請求項１に記載の光学フィルタを構成する前記誘電体層表面の上に、更に他の誘電体層が形成された積層型の光学フィルタであって、
    前記誘電体層表面と前記他の誘電体層との間に、複数の第３の金属構造体を前記誘電体層表面の面内方向に孤立した状態で２次元的に設けた第３の金属構造体群を有し、
    該第３の金属構造体群を構成する第３の金属構造体は、前記第１の方向に第５の長さを有し、かつ前記第２の方向に第６の長さを有し、該第５の長さと該第６の長さは、前記第１の波長とは異なる第３の波長以下の長さであり、
    前記第１の長さと前記第５の長さが異なるか若しくは前記第２の長さと前記第６の長さが異なるか、又は、第３の金属構造体が設けられている周期と第１の金属構造体が設けられている周期とが異なり、
    第１の金属構造体の表面に誘起される局在プラズモンにより、第１の波長の透過率を極小値または反射率を極大値とさせ、かつ、
    第３の金属構造体の表面に誘起される局在プラズモンにより、前記第３の波長の透過率を極小値または反射率を極大値とさせることを特徴とする積層型の光学フィルタ。
  22. 請求項１から２１のいずれかに記載の光学フィルタを有することを特徴とする光検出素子。
  23. 請求項２２に記載の光検出素子を有することを特徴とする撮像素子。
  24. 請求項２３に記載の撮像素子を有することを特徴とするカメラ。
  25. 可視光領域の光を透過または反射する光学フィルタであって、
    誘電体基板と、
    該誘電体基板の表面上に形成されている誘電体層と、
    前記誘電体基板と前記誘電体層との間に、複数の第１の金属構造体を前記誘電体基板の面内方向に孤立した状態で２次元的に設けた第１の金属構造体群とを有し、
    前記第１の金属構造体は、第１の方向に第１の長さを有し、かつ、第１の方向と直交する第２の方向に第２の長さを有し、該第１の長さと該第２の長さは、可視光領域における光の波長以下の長さであり、
    前記第１の金属構造体と、前記誘電体基板または前記誘電体層に入射する光とが共鳴することにより前記第１の金属構造体の表面に誘起される局在プラズモンによって、可視光領域における第１の波長の透過率を極小値または反射率を極大値とさせることを特徴とする光学フィルタ。
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