JP2013536452A - サブ波長スケールでの構造化膜を有するスペクトルフィルタおよびそのようなフィルタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】第１の態様によると、本発明は、少なくともひとつの所与の第１中心周波数λ_０で入射波をフィルタするのに適したスペクトルフィルタに関する。スペクトルフィルタは、貫通オリフィスを伴う基板と、誘電体の膜と、を備える。膜はオリフィスの上に架けられている。膜は、２つの方向（Ｄ_１、Ｄ_２）に繰り返される二次元パターン（３３）の形状に配列された一組のロッドを形成するように構成される。少なくともひとつの方向におけるパターンの繰り返しは周期的または準周期的であって中心周波数λ_０よりも小さな第１周期（Ｔ_１）を伴う。
【選択図】図３

Description

本発明は、サブ波長スケールで構成された膜を伴うスペクトルフィルタの分野に関し、特に赤外線スペクトルバンドの波長の放射のために使用されるスペクトルフィルタの分野に関する。

薄い層を積層してなるスペクトルフィルタが知られている（干渉フィルタ）。しかしながら、そのようなスペクトルフィルタは多数の薄い層を含むので、温度変化のサイクルに曝された場合にこれらのコンポーネントは壊れやすくなる。例えばこれらのコンポーネントがとりわけ赤外線アプリケーションのためにクライオスタットに設けられた場合にそうである。実際、ある材料と別の材料との間、したがってある層と別の層との間で異なる熱膨張係数に起因して、これらのサイクルは構造の脆化を招く。熱膨張係数が異なると、層間に応力が発生し、せん断により層間剥離が生じるリスクが生じる。さらに、赤外線領域で動作するフィルタは可視光領域で動作するフィルタよりも厚い層を必要とするであろう。非常に急速に、この厚さにリンクした技術的困難性が現れるであろう。特に、フィルタの特性（スペクトル幅およびスペクトル位置）は厚さに直接リンクされているので、全く同一のコンポーネント上に異なる複数のフィルタを並置するのは非常に込み入ったものとなる。そのような並置は、例えばマルチスペクトルアプリケーションのために有用でありうる。

今まで十数年の間に、様々な理論的研究が、サブ波長パターンから形成される膜構成についての特異な光学特性を予測してきた。R. Magnusson and S.S. Wang著、「New principle for optical filters」、Appl. Phys. Lett., 61(9):1022-1024, 1992において初めて、理論的な研究により、サポートに付着したサブ波長誘電格子におけるほぼ１００％の選択的反射の可能性が示された。プラズモン的モードがない場合の円柱形ロッドのアレイにおける反射ピークを説明するために、R. Gomez-Medina（「Extraordinary optical reflection from sub-wavelength cylinder arrays」, Optics Express, Vol.14, No.9, May 2006)によって幾何学的共振メカニズムが明らかにされた。Ye et al. (「Rigorous reflectance performance analysis of Si₃N₄ self-suspended subwavelengths gratings」, Optics Communications 270 (2007) 133-237)は、サブ波長スケールで構成され自己懸架膜の構成を有する誘電体から形成された膜の光幾何学的なパラメータの、偏光入射波ＴＭの反射に対する影響をより詳細に研究した。これらの異なる理論的研究が示すことは、波長選択的および波長調整可能な反射を得るためには、膜の面と平行な面についての対称性を有する構成を有することが必要であるということである。この構成は低い屈折率の誘電環境、典型的には空気、におけるものであることが好ましい。これは製造に関して非常に強力な制約を課す。そのような制約により、これらの構成の実験的研究はかなり制限されてきた。

最近、Gregory Vincent et al.著、「Large area dielectric and metallic freestanding gratings for mid-infrared optical filtering applications」 J. Vac. Sci. Technol. B26(6), 3 Nov 2008という論文は、金属的または誘電的自己懸架型ナノ構造化膜を製造する方法を提案し、とりわけ赤外線領域におけるバンドパスフィルタまたはバンドカットフィルタの実現可能性を示し、マルチスペクトル赤外線カメラにおけるアプリケーションを示した。

しかしながら、この方法で製造される懸架膜の製造は特に構成の脆さにリンクして困難であり、特に膜のサイズが制限される。さらに、使用中、光学効率についてのこれらのフィルタの安定性は制限されることが示された。これはとりわけ、たとえわずかな大気擾乱に曝された場合でも膜が振動することに起因する。

本発明のある目的は、可視放射または赤外線放射のフィルタリングのためのサブ波長誘電膜を伴うスペクトルフィルタを提供することである。このフィルタはとりわけ、改善された堅牢性および使用中の光学効率における高められた安定性を示す。

第１の態様によると、本発明は、少なくともひとつの所与の第１中心周波数λ_０を中心とするスペクトルバンドにおける入射光波の反射によって入射光波をフィルタするのに適したスペクトルフィルタに関する。このフィルタは、貫通オリフィスを伴う基板と、誘電体から形成される膜と、を備える。膜はオリフィスの上に架けられており、膜は、２つの方向に繰り返される二次元パターンの形状に配列された一組のロッドを形成するように構成され、少なくともひとつの方向におけるパターンの繰り返しは周期的または準周期的であって中心周波数λ_０よりも小さな第１周期を伴う。このように製造されたフィルタのロッド構成は、とりわけ従来技術に係るフィルタと比べて、かなり高い堅牢性および光学安定性を示した。

例示であって非限定的な態様において、誘電体は、二酸化ケイ素、酸化マンガン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、硫酸亜鉛、三フッ化イットリウムおよびアルミナのなかから選択される。

変形例によると、ロッドの幅はλ_０／２ｎよりも実質的に小さく、ｎは膜を形成する材料の屈折率である。

ロッドの断面は実質的に円形、正方形または矩形であってもよい。この場合、より大きな選択性を有するフィルタを得ることが可能となる。

本発明の第１の態様の第１の実施の形態によると、パターンは平行四辺形タイプの形状を有する。膜は、第１方向と平行な第１ロッドおよび第２方向と平行な第２ロッドを伴う二次元格子を形成するよう構成され、第１ロッドは、前記第１周期にしたがう、少なくともひとつのロッドを含む第１サブパターンの繰り返しによって形成される。

第１サブパターンはひとつまたは複数の互いに平行なロッドを含んでもよい。この場合、フィルタのスペクトル応答を合わせることができる。

変形例によると、第１方向と第２方向とは実質的に直交する。

変形例によると、第２ロッドは、第２周期にしたがう、周期毎に少なくともひとつのロッドを含む第２サブパターンの繰り返しによって形成される。

変形例によると、第２周期は中心周波数λ_０よりも小さい。

第１例によると、第２周期は第１周期と同一であり、第１および第２サブパターンは似ている。この場合、構成は対称的になり、とりわけ入射波の偏光に不感的なフィルタを製造することが可能となる。第２例によると、第２周期は第１周期とは異なる。この場合、例えば、入射波の偏光にしたがってスペクトル選択的なフィルタが可能となる。

変形例によると、隣接する２つの第２ロッドの間の間隔は最小距離となっており、この最小距離は中心周波数λ_０の３倍よりも実質的に大きい。この場合、フィルタは、高められた堅牢性および信頼性を有しつつ、一次元で構造化された膜を伴うフィルタの光学応答と近い光学応答を有する。

他の実施の形態によると、パターンは、少なくとも３つの異なる方向に配列されたロッドを含んでもよい。この場合、入射波の偏光に対する所定の程度の不感性を保持しつつ、角度許容性を改善することができる。

第２の態様によると、本発明は、異なる複数の中心周波数をフィルタするのに適した、第１の態様に係るスペクトルフィルタを複数備えるマルチスペクトルマトリックスに関する。複数のスペクトルフィルタの膜は全く同一の基板の上に架けられている。そのようなマトリックスは、より大きな寸法を有するのにもかかわらず堅牢性および光学安定性を示す。そのようなマトリックスは一定の厚さを有する。各フィルタのフィルタリング波長はその厚さではなく構造化膜のパターンによって決定される。

第３の態様によると、本発明は、第１の態様に係るフィルタまたは第２の態様に係るマルチスペクトルマトリックスと赤外線ディテクタとを備える赤外線イメージングシステムに関する。前記フィルタまたは前記マトリックスは透過モードまたは反射モードで使用される。

変形例によると、イメージングシステムは、フィルタまたはマトリックスを回転させることで前記フィルタへの入射波の入射角を変えることを可能とし、それによってひとつ以上の波長調整可能フィルタを得る手段を備える。

第４の態様によると、本発明は、少なくともひとつの所与の第１中心周波数λ_０を中心とするスペクトルバンドにおける入射波の反射によってフィルタするのに適したスペクトルフィルタを製造する方法に関する。この方法は、基板の一方の面に誘電体の薄い層を設けることと、誘電体の前記薄い層をエッチングすることで膜を得ることであって、膜は、２つの方向に繰り返される二次元パターンの形状に配列された一組のロッドを形成するように構成され、少なくともひとつの方向におけるパターンの繰り返しは周期的または準周期的であって中心周波数λ_０よりも小さな周期を伴うことと、基板の反対の面に基板を貫通するオリフィスをエッチングすることで構造化膜がオリフィスの上に架けられるようにすることと、を含む。

変形例によると、方法は、ロッドの等方的なエッチングを含む。このエッチングは例えば、正しく得られたフィルタを希釈された酸の溶液に浸けることでロッドを形成する材料への制御された侵襲を可能とし、前記ロッドの断面を制御された態様で丸めるおよび／または減らすことである。

図面により図示される以下の説明を読むことにより、本発明の他の特徴や利点が明らかになるであろう。

本発明に係るフィルタの例示的な実施の形態の断面図である。 本発明のある実施の形態に係る自己懸架型膜を製造する方法のステップを模式的に示す図である。 走査型電子顕微鏡により得られた、本発明の変形例に係るフィルタの自己懸架型構造化膜のイメージを示す図である。 図２に示される実施の形態に係る膜を伴うフィルタの透過スペクトル測定を示すグラフである。 図２に示される実施の形態に係る膜を伴うフィルタの透過スペクトル測定を異なる入射角について行った結果を示すグラフである。 走査型電子顕微鏡により得られた、本発明の別の変形例に係るフィルタの自己懸架型構造化膜のイメージを示す図である。 図６のタイプの膜を伴うフィルタの透過スペクトル測定を、ＴＥモードおよびＴＭモードのそれぞれについて示すグラフである。 図８Ａおよび図８Ｂは、本発明に係るフィルタの２つの実施の形態に係る構造化膜の２つの例を示す図である。 図８Ａおよび図８Ｂは、本発明に係るフィルタの２つの実施の形態に係る構造化膜の２つの例を示す図である。 図９Ａおよび図９Ｂは、本発明に係るフィルタの構造化膜の変形例を、六角形パターンを伴うものおよび三角形を示す平行四辺形パターンを伴うもののそれぞれについて示す図である。 図９Ａおよび図９Ｂは、本発明に係るフィルタの構造化膜の変形例を、六角形パターンを伴うものおよび三角形を示す平行四辺形パターンを伴うもののそれぞれについて示す図である。 本発明のある実施の形態における複数のフィルタを組み入れたマルチスペクトルマトリックスを示す図である。

図１は、本発明の例示的な実施の形態に係る自己懸架型膜を備えるフィルタの断面図である。これは説明用の図であり、この図では要素は実際のスケール通りには描かれていない。フィルタは基本的に、基板１０と、基板１０を貫通するオリフィス２０と、オリフィス２０の上に架けられた構造化膜３０と、を備える。

膜は誘電体から形成される。「誘電体」は基本的に、誘電率が正の実数部分およびゼロまたは実数部分と比べて非常に小さい虚数部分を有する材料または積層体を意味するものとして理解されるべきである。

膜は二次元パターンの形状に配列された一組のロッドを形成するよう構成される。パターンは２つの方向に繰り返されている。パターンは２つの方向に配列されたロッドを含んでもよい。それは例えば平行六面体や矩形や正方形形状であってもよい。また、六角形形状のようなロッドが少なくとも３つの方向に配列された他の形状をとってもよいし、輪郭にしたがいこの輪郭内に配列されたロッドを伴う複雑な構成を示してもよい。これらは後述される。図１では、第１ロッド３２のみが断面で示されている。基板１０は例えばケイ素からなる基板であり、その厚さは典型的には数百マイクロメートルのオーダーである。使用中、フィルタは透過モード（バンドカット）または反射モード（バンドパス）で使用されうる。

図２は、例えば図１に示されるタイプの本発明に係るバンドパスフィルタを製造する例示的な方法のステップを単純化して示す。第１ステップＳ１において、誘電体の層４０を基板１０の前面（入射光を受けるよう意図されている面、図１参照）に付着または蒸着させる。蒸着は、プラズマ支援ガス相化学蒸着法（plasma-assisted gaseous phase chemical deposition technique）によって行われてもよい。誘電体の層４０の厚さは一般に０．５ミクロンから数ミクロンの間にある。誘電体は例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの窒化物や、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの炭化物や、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの酸化物や、硫酸亜鉛（ＺｎＳ）などの硫化物や、三フッ化イットリウム（ＹｂＦ_３）などのフッ化物であってもよい。第２ステップＳ２において、例えば所望のパターンを伴う格子を得るためのＵＶまたは電子リソグラフィ法を使用することで、構造化膜３０を形成する。第３ステップＳ３において、所与のパターン（正方形、矩形等、アパーチャ）にしたがうオリフィス２０を基板１０の背面にエッチングする。オリフィス２０は基板１０を貫通する。これにより、膜３０はオリフィス２０のアパーチャ２１０の縁部に架けられる。基板１０のエッチングは、例えば水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）の浴槽における化学エッチングによって行われてもよい。化学浴の前に、基板１０の背面は、ＴＭＡＨのための通路を含む酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の層で覆われてもよい。これにより、基板の背面の選択的なエッチングが可能となる。基板１０の背面に蒸着された酸化ケイ素の層の通路の形状は、エッチングによって得られるオリフィス２０の形状とリンクしている。前面および構成をひとつ以上の保護層で保護することも可能である。典型的には、基板１０の前面におけるオリフィス２０のアパーチャ２１０の表面積は、数平方ミリメートルから数百平方ミリメートルのオーダーである。

上述の方法によると、懸架型の構造化膜３０を得ることが可能となる。この膜の二次元パターンは構成に剛性を授けることを可能とする。特に、異なる複数の方向に配列されたロッドの存在により、使用中に振動が発生した場合でもロッドの横方向の動きを妨げることが可能となる。本出願人はこのようにして光学性能レベルにおいてかなり良好な安定性を発見した。これにより、このように製造したフィルタを使用条件下でテストすることが可能となる。これは、従来技術に係る懸架型膜では今まで可能ではなかったものである。

上述の方法で、実質的に正方形または矩形の断面を有するロッドを得ることができる。方法の好適な変形例によると、断面形状が丸められた形状に近いロッドを得ることが可能である。このため、サンプルはロッドの等方的エッチングを行う。これは例えばロッドを希釈された酸の溶液に浸けることによってなされる。希釈された酸はロッドを形成する材料を化学的に攻撃する。等方的エッチングは、ロッドのエッジにおいてより速い。これにより、制御された態様で、ロッドの断面を丸めてその断面積を減らすことが可能となる。したがって、非常に小さな断面を有するロッドを容易に製造できる。窒化ケイ素のロッドの場合、この化学エッチングは例えば、フッ化水素酸（ＨＦ）の希釈溶液に数分間浸けることでなされうる。

本出願人は、実質的に丸められた断面を有するロッドを用いる場合、特にロッドのサイズおよび粗さが低減されることにより、フィルタ機能においてより良好な選択性を得ることが可能になることを見出した。

図３は、本発明に係るフィルタの製造についての、構造化膜の第１例を示す。これは、走査型電子顕微鏡により得られた、上述の方法にしたがい生成された膜のイメージである。本例では、膜３０は、第１方向Ｄ_１と平行な第１ロッド３２および第２方向Ｄ_２と平行な第２ロッド３４を伴う二次元格子を形成するよう構成される。第１ロッド３２は、第１周期Ｔ_１で周期的に配列される。第２ロッド３４も周期的に配列されるが、その周期Ｔ_２はＴ_１よりも大きい。２つの方向Ｄ_１およびＤ_２は実質的に直交する。ロッドは、各方向に繰り返される実質的に矩形のパターン３３の形状に配列される。本例では、周期Ｔ_１およびＴ_２はそれぞれ約３μｍ、約２０μｍに等しい。ロッドの幅は約５００ｎｍであり、ロッドの断面は実質的に正方形である。

図４は、図３に示されるスペクトルフィルタについて測定された透過スペクトル４１を示す。ここで、入射波の入射面はロッド３２と直交し、膜の面の法線に関して定義される入射波の入射角は５度であり、入射電場の偏光は第１ロッド３２と平行である（ＴＥ偏光）。スペクトル応答４１は一次元構成について計算されたスペクトル４２と比較されている。この一次元構成は、同様な入射波に対して、同じ周期Ｔ_１で配列された同数の第１ロッド３２を有している。本実施の形態にしたがい得られるフィルタは、３．３μｍ付近で非常に選択的な光学共振現象を示す。カットオフ波長において透過係数は０．０３に到達する。本例では、スペクトルは２．９μｍ付近に第２のディップを示す。この第２のディップの存在は、入射角がゼロでないことにより説明される。２つのピーク（２．９μｍおよび３．３μｍ）は、垂直入射で期待される約３μｍ（ロッド３２の配列の周期Ｔ_１の値に近い波長）のカットオフ共振の両側に位置している。

したがって、図５は、図３に示されるスペクトルフィルタの透過スペクトルを、複数の入射角（それぞれ０度、１０度、２０度）について測定した結果を示す。垂直入射では、３．２μｍ波長付近を中心としたメインディップが観測される。入射角が増えると、中心波長の両側に２つのディップが現れるのが観測される。第２共振モードの出現は、入射角がゼロでないことにより説明される。したがって、入射角を変更することによって、かつ、中心波長の片側をフィルタすることによって、フィルタ波長を調整することが可能となる。

図４におけるスペクトル４１とスペクトル４２との比較は、図３のタイプの構成によって同じ周期Ｔ_１および同じ方向Ｄ_１の一次元構成のフィルタリングに近いフィルタリングを得ることが可能であることを明らかにする。本出願人は実際、波長の３倍と実質的に等しい最小値で離間する第２ロッド３４を選択することで、一次元膜の光学的振る舞いと実質的に同等な光学的振る舞いを伴いつつかなり高い堅牢性および安定性を有するバンドパスフィルタを得ることができることを示した。

一次元の構造化膜と同様に、カットオフ波長はサブ波長周期で離間するロッド３２の周期に依存し、得られるフィルタは偏光を行う。すなわち、共振のメカニズムにより、ＴＥ偏光のみが反射される。一方、カットオフ波長で透過した波はＴＭ偏光にしたがい偏光される。そのようなフィルタは、例えばイメージングシステムにおいて、透過モード（バンドカットフィルタ）または反射モード（バンドパスフィルタ）で使用されうる。

本出願人は、理論および実験の両方により明らかにされた共振反射メカニズムは、多重散乱メカニズムによって説明されうることを示した。言い換えると、構成のジオメトリに依存する所与の波長について、構成の各ロッドによって散乱される波の間にコヒーレンスが観測される。これは、図５に示されるように、前記波長における鏡面反射の観測に反映される。前記波長は入射光と膜の面の法線との間の角度に依存する。

例示的なアプリケーションによると、そのようなフィルタはシーンの偏光を解析するために使用されうる。例えば、偏光解析システムは、赤外線スペクトルバンド内の所与のカットオフ波長でのフィルタリングに対して最適化された前記スペクトルフィルタを伴う赤外線イメージングシステムと、フィルタのカットオフ波長を検知するディテクタと、入射波の偏光を回転させるデバイスと、を備えてもよい。入射波が直線偏光成分を含む場合（例えば、（例えば車両タイプや建物タイプの）人工物によって発せられる赤外線放射の場合）、透過モードで測定される信号は偏光回転デバイスの位置によって変化するであろう（そして、例えば入射偏光がＴＥの場合には最小となる）。入射波が純粋に非偏光である場合（典型的には植物タイプの自然物によって発せられる赤外線放射の場合）、透過モードの信号は偏光回転デバイスの位置によらず一定となるであろう。

本発明の別の変形例によると、第２ロッド３４は、第１ロッド３２の周期Ｔ_１のオーダーの周期Ｔ_２で周期的に配列されてもよい。第１ロッド３２の、周期Ｔ_１および方向Ｄ_１の周期的配列は、方向Ｄ_１と平行な入射電場成分について、Ｔ_１の関数である第１カットオフ波長λ_１付近でのフィルタ効果を得ることを可能にする。第２ロッド３４の、Ｔ_１に近い周期Ｔ_２の周期的配列は、方向Ｄ_２と平行な入射電場成分について、λ_１に近い第２カットオフ波長λ_２におけるフィルタ効果を得ることを可能にする。このように構成された膜を伴うスペクトルフィルタは、例えば、入射波の偏光を選択することによって生成される選択的波長フィルタリングを可能とする。

図６は、上述の方法を使用して製造された例示的な構造化膜３０の走査型電子顕微鏡イメージを示す。この膜は、５００ｎｍのサイズを有する実質的に正方形の断面を有する第１および第２ロッド３２、３４を備える。第１および第２ロッドは２つの方向Ｄ_１、Ｄ_２とそれぞれ平行であり、それらの方向Ｄ_１、Ｄ_２は直交する。第１および第２ロッドは３μｍのオーダーの同じ周期Ｔで配列されている。したがって、本例では、ロッドは各方向に繰り返される実質的に正方形のパターン３３の形状に配列される。第１および第２ロッドの周期は同一なので、方向Ｄ_１およびＤ_２についてのＴＥ偏光で偏光された入射波のカットオフ波長λｃは同一である。これによると特に、垂直入射において、入射波の偏光によらずに、透過した放射の波長λｃを消すことが可能となる。本例では、第１ロッドおよび第２ロッドは同じ幅および同じ厚さを有する。したがって、共振の幅は、方向Ｄ_１およびＤ_２の電磁場成分について同等である。したがって、本例では、このように生成されたフィルタの堅牢性および安定性の質に加えて、入射電磁場の偏光によらずに、膜を透過した入射波はスペクトル的にフィルタされる。

図７は、図６に示されるようなフィルタの垂直入射で測定された透過スペクトル７１、７２を示す。透過スペクトル７１、７２はそれぞれ、電場が方向Ｄ_１を向いている入射波についてのものと、電場が方向Ｄ_２を向いている入射波についてのものと、である。これらの曲線は、透過スペクトルが重なり合うことを証明する。

上述の例について、そのようなフィルタは例えばイメージングシステムにおいて透過モードまたは反射モードで使用されうる。

本発明の別の変形例によると、膜は、第１方向と平行な第１ロッド３２および第２方向と平行な第２ロッド３４を伴う二次元格子を形成するよう構成されてもよい。第１ロッドは、第１周期（Ｔ_１）にしたがう、複数のロッドを含む第１サブパターン３２０の繰り返しによって形成される。そのような構成によると、第１ロッドの方向と平行な電場成分についてのマルチ共振フィルタを得ることが可能となる。図８Ａは、そのような構成の例を示す。本例において、構成３０は、第１サブパターン３２０および第２サブパターン３４０の、２つの非平行な方向における繰り返しによって得られる。第１サブパターン３２０は周期毎に２つのロッド３２１、３２２を含む。第２サブパターン３４０は周期毎にひとつのロッド３４を含む。図８Ａの例では、第１サブパターン３２０の２つのロッド３２１、３２２は同一の断面を有し、その断面は例えば円形である。第１サブパターンの周期と第２サブパターンの周期とは実質的に同一であり、ロッドが配列されるメインのパターンは実質的に正方形である。

図８Ｂに示される実施の形態では、サブパターン３２０は周期毎に２つのロッド３２３、３２４を含むが、ロッド３２３の断面はロッド３２４の断面よりも小さい。一般に、構成のロッドの断面を変えることで、カットオフ波長付近の共振の幅を変更することができる。

他の実施の形態では、第１サブパターンおよび／または第２サブパターンは３つ以上のロッドを含んでもよい。第１サブパターンのロッドおよび／または第２サブパターンのロッドは、サブパターン内で規則的に離間していてもよいし、不規則に離間していてもよいし、異なる断面を有してもよい。これらの調整により、ナノ構造化膜のスペクトル応答を特定の光学効果が得られるように適応させることが可能となる。

例えば、構成は、周期当たり同数のサブパターンを有し、かつ、方向Ｄ_１と方向Ｄ_２との二等分線に対して対称であってもよい。この場合、偏光の影響を受けにくいスペクトルフィルタを生成できる。

図９Ａおよび図９Ｂは、膜のロッドが配列されうるパターンの変形例を示す。図９Ａの例では、パターン３３は六角形であり、２つの方向Ｄ_１、Ｄ_２に周期Ｔ_１、Ｔ_２で周期的に繰り返されている。図９Ｂの例では、パターン３３は複雑である。おおまかには平行四辺形であるが、ひとつのロッドはその平行四辺形の対角線に配置されている。このパターンは、２つの方向Ｄ_１、Ｄ_２に周期Ｔ_１、Ｔ_２で周期的に繰り返されている。これらの例のいずれにおいても、二次元パターンによって期待される構成の堅牢さに加えて、偏光に対する不感性を維持しつつフィルタの透過モード応答の角度受容性を高めることが期待される。

変形例によると、ロッドの配列パターンは準周期的に繰り返されてもよい。すなわち、ゆっくり変化する周期で繰り返されてもよい。実際、パターンの繰り返し数が少なくともフィルタのクオリティ数（quality figure）と等しい場合にフィルタ機能が有効に働くようである。クオリティ数は、中心フィルタ波長の、中間高さにおけるスペクトル幅に対する比として定義される。したがって、典型的には、３μｍでのフィルタリングに適し中間高さにおけるスペクトル幅として０．１μｍを有するフィルタについて、（ひとつのロッドからなるシンプルなパターンについては）周期性の方向に少なくとも３０のロッドを並べることが目標となるであろう。本出願人は、周期がゆっくりと変化する場合、すなわちクオリティ数と実質的に等しい数のロッドについて得られる中間高さにおけるスペクトル幅よりも実質的に小さい値で変化する場合、フィルタ波長をスリップさせつつフィルタ機能を維持することが可能であることを示した。例えば、周期の変化は、パターンの周期性の方向において距離の線形関数であってもよい。

この場合、例えばスペクトロイメージャ機能のための、２つの方向で構造化されたフィルタを生成することが可能となる。第１方向における準周期的繰り返しが提供するフィルタ応答は、カットオフ波長λ_０がフィルタの一端から他端へ連続的に変化するものであり、全スペクトル範囲をカバーする。例えば、この第１方向に１０ｍｍの長さを有するフィルタは、大気の透過バンドＩＩの全て（３ミクロンから５ミクロン）をカバーすることが可能である。このフィルタは、Ｑ本のロッドに亘ってΔλ／５のスペクトルオフセットを有する。Ｑはクオリティ数であり、Δλは周期フィルタの中間高さにおける幅である。第２方向において、波長の３倍と実質的に等しい最小周期性は例えばフィルタされない透過を提供する。

図１０は、複数の並置されたスペクトルフィルタ１を備えるマルチスペクトルマトリックス５０を示す。フィルタ１は異なるスペクトル応答を示すよう適応されていてもよい。例えば、フィルタ１はいくつかの並びのスペクトルバンドをフィルタするよう適応されていてもよい。これによると、一連の波長バンドに亘ってイメージを解析することが可能となる。薄い層を積層する従来技術と比べて、本発明に係る構造化膜はその光学特性にほとんどよらない厚さを有する。本発明に係る構造化膜のスペクトル応答は、実際、主として懸架構成のロッドの周期によって、および、構成を形成するために選択された材料によって、決定されうる。さらに、生成される構成は２つの方向に繰り返される二次元パターンの形状を有するロッドの配列のおかげでより高い堅牢性およびより高い光学的安定性を備えるので、一定の厚さを有し複数のフィルタを備えるマルチスペクトルマトリックス５０の製造が可能となる。

所定数の詳細な例示的実施の形態を通じて説明したが、本発明に係るスペクトルフィルタおよびスペクトルフィルタを製造する方法は異なる複数の変形例、変更例および改良例を含む。それらの例は当業者には明らかであろう。これらの異なる変形例、変更例および改良例は、以下の請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲内である。

Claims (18)

1. 少なくともひとつの所与の第１中心周波数λ_０を中心とするスペクトルバンドにおける入射波の反射によって前記入射波をフィルタするのに適したスペクトルフィルタであって、
   （ｉ）貫通オリフィス（２０）を伴う基板（１０）と、
   （ｉｉ）誘電体から形成される膜（３０）と、
   を備え、
   前記膜は前記オリフィス（２０）の上に架けられており、
   前記膜は、２つの方向（Ｄ_１、Ｄ_２）に繰り返される二次元パターン（３３）の形状に配列された一組のロッドを形成するように構成され、
   少なくともひとつの方向における前記パターンの繰り返しは周期的または準周期的であって前記中心周波数λ_０よりも小さな第１周期（Ｔ_１）を伴うスペクトルフィルタ。
2. 前記誘電体は、二酸化ケイ素、酸化マンガン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、硫酸亜鉛、三フッ化イットリウムおよびアルミナのなかから選択される、請求項１に記載のスペクトルフィルタ。
3. ロッドの幅はλ_０／２ｎよりも実質的に小さく、ｎは前記膜を形成する材料の屈折率である、請求項１または２に記載のスペクトルフィルタ。
4. 前記ロッドの断面は実質的に円形、正方形または矩形である、請求項１から３のいずれかに記載のスペクトルフィルタ。
5. 前記パターンは平行四辺形の形状をとり、
   前記膜は、第１方向（Ｄ_１）と平行な第１ロッド（３２）および第２方向（Ｄ_２）と平行な第２ロッド（３４）を伴う二次元格子を形成するよう構成され、
   前記第１ロッド（３２）は、前記中心周波数λ_０よりも小さな前記第１周期（Ｔ_１）にしたがう、少なくともひとつのロッド（３２）を含む第１サブパターン（３２０）の繰り返しによって形成される、請求項１から４のいずれかに記載のスペクトルフィルタ。
6. 前記第１サブパターン（３２０）は複数の互いに平行なロッド（３２１、３２２、３２３、３２４）を含む、請求項５に記載のスペクトルフィルタ。
7. 前記第１方向（Ｄ_１）と前記第２方向（Ｄ_２）とは実質的に直交する、請求項５または６に記載のスペクトルフィルタ。
8. 前記第２ロッド（３４）は、第２周期（Ｔ_２）にしたがう、周期毎に少なくともひとつのロッド（３４）を含む第２サブパターン（３４０）の繰り返しによって形成される、請求項５から７のいずれかに記載のスペクトルフィルタ。
9. 前記第２周期（Ｔ_２）は前記中心周波数λ_０よりも小さい、請求項８に記載のスペクトルフィルタ。
10. 前記第２周期（Ｔ_２）は前記第１周期（Ｔ_１）と同一であり、前記第１および前記第２サブパターン（３２０、３４０）は似ている、請求項９に記載のスペクトルフィルタ。
11. 前記第２周期（Ｔ_２）は前記第１周期（Ｔ_１）とは異なる、請求項９に記載のスペクトルフィルタ。
12. 隣接する２つの第２ロッド（３４）の間の間隔は、前記中心周波数λ_０の３倍よりも実質的に大きい、請求項５から８のいずれかに記載のスペクトルフィルタ。
13. 前記パターンは、少なくとも３つの異なる方向に配列されたロッドを含む、請求項１から４のいずれかに記載のスペクトルフィルタ。
14. 異なる複数の中心周波数をフィルタするのに適した、請求項１から１３のいずれかに記載のスペクトルフィルタを複数備えるマルチスペクトルマトリックス（４０）であって、前記複数のスペクトルフィルタの膜は全く同一の基板の上に架けられているマルチスペクトルマトリックス。
15. 請求項１から１３のいずれかに記載のフィルタまたは請求項１４に記載のマルチスペクトルマトリックスと赤外線ディテクタとを備える赤外線イメージングシステムであって、前記フィルタまたは前記マトリックスは透過モードまたは反射モードで使用される赤外線イメージングシステム。
16. 前記フィルタまたは前記マトリックスを回転させることで前記フィルタへの前記入射波の入射角を変えることを可能とし、それによってひとつ以上の波長調整可能フィルタを得る手段を備える、請求項１５に記載のイメージングシステム。
17. 少なくともひとつの所与の第１中心周波数λ_０を中心とするスペクトルバンドにおける入射光波の反射によって前記入射光波をフィルタするのに適したスペクトルフィルタを製造する方法であって、
    （ｉ）基板（１０）の一方の面に誘電体の薄い層を設けることと、
    （ｉｉ）誘電体の前記薄い層をエッチングすることで膜（３０）を得ることであって、前記膜は、２つの方向に繰り返される二次元パターンの形状に配列された一組のロッドを形成するように構成され、少なくともひとつの方向における前記パターンの繰り返しは周期的であって前記中心周波数λ_０よりも小さな第１周期（Ｔ_１）を伴うことと、
    （ｉｉｉ）前記基板の反対の面に前記基板を貫通するオリフィス（２０）をエッチングすることで前記構造化膜（３０）が前記オリフィス（２０）の上に架けられるようにすることと、を含む方法。
18. （ｉｖ）正しく得られたフィルタを希釈された酸の溶液に浸けることで前記ロッドを形成する材料への制御された侵襲を可能とし、前記ロッドの断面を丸めるおよび／または減らすことをさらに含む、請求項１７に記載の製造方法。

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