JP2014515839A - 最小角度依存性を有する表示装置及びイメージング用のスペクトルフィルタリング - Google Patents

Abstract

ファブリ−ペロー系共振器構造のような、高屈折率の誘電材料を含む干渉フィルタアセンブリを含む、低減された角度依存性を有する、光スペクトルフィルタリングデバイス、例えば、カラーフィルタが供される。フィルタアセンブリは、ノーマル（０度）から９０度の範囲にある入射角の範囲から見られるとき、最小角度依存性を表示する、所定の範囲の波長を備えたフィルタをかけられた出力を生み出すために、電磁スペクトルの一部を誘電材料内に透過できる。最小角度依存性の光スペクトルフィルタを作る方法、及びそのようなデバイスのために角度依存性を低減する方法も供される。

Description

関連出願への相互参照

この出願は、２０１２年４月２０日に出願された米国特許出願第１３／４５２、３１３号、及び２０１１年４月２０日に出願された米国仮出願第６１／４７７、５５４号の優先権を主張する。上記出願の全開示が、本明細書に参照することにより取り込まれている。

本開示は、見る方向からの最小角度依存性を有するファブリ−ペロー系光スペクトルフィルタのような表示装置用の光スペクトルフィルタに関する。本開示はまた、最小角度依存性を有するそのような光スペクトルフィルタを作る方法にも関する。

このセクションでは、必ずしも従来技術ではない本開示に関する背景情報が供される。

カラーフィルタのような電磁スペクトルフィルタは、平面パネルディスプレイ、液晶ディスプレイ、プロジェクションディスプレイ、眼に装着するディスプレイ、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像センサ、発光ダイオードなどを含んでいる種々のディスプレイ技術に対して重要な部品である。例えば、透過性光スペクトルフィルタは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルのような用途において広く利用される。従来のカラーフィルタは、補色を吸収することによって赤−緑−青（ＲＧＢ）色を生み出すために、顔料分散を使用する。

しかしながら、そのような従来の顔料ベースのカラーフィルタは四つの別個のプロセスによって製造されるので、製造プロセスを複雑にして、コストを上昇させるのみならず、プロセス中において著しい化学的材料の浪費もする。ファブリ−ペロー系エタロンカラーフィルタが提案されてきた一方、従来のファブリ−ペロー系フィルタは、望ましくない角度依存性に関する課題を未だ呈し、それはフィルタデバイスから出るフィルタをかけられた光の波長が、見る角度に依存して、波長の著しいシフト、従って色シフトの問題を抱えることを意味する。そのような角度依存性は、種々のイメージング及びディスプレイ用途において望ましくない。

従って、例えば、高い透過効率を有し、そして最小角度依存性並びに低減された製造の複雑さを有する、可視光又は近赤外範囲におけるカラーフィルタを生み出すことができる、カラーフィルタのような、新しいスペクトルフィルタ技術に対するニーズがある。

このセクションではまた、本開示の一般的概要も供されるが、その全範囲又はその機能の全ての網羅的開示ではない。本教唆の原理によれば、最小化された角度依存性を有する光スペクトルフィルタリングデバイスが供される。本技術によって、透過及び反射タイプの両者に対してスペクトルフィルタリング機能を実現する金属−誘電体−金属共振器構造が供される。誘電体層の厚みを同調することによって、透過又は反射ピークが、可視又は近赤外（近ＩＲ）範囲のような、所定の範囲の波長をカバーする。或る態様において、異なるカラーピクセルは、種々の変えられるパターン深さを有する金型を使用する印刷技術によって製作され得る。それは厚みコントラストを如何なる望まれる誘電体層にも移動するためのエッチング技術と組み合わすことができる。

或る態様において、本開示は、干渉フィルタアセンブリを含む光スペクトルフィルタリングデバイスを供する。干渉フィルタアセンブリは、平行な反射面の対の間に配列された、約１．５より大きな屈折率を有する誘電材料を含む。各反射面は場合により金属を含む。フィルタアセンブリは、望ましくは最小角度依存性を表示する、所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力を生み出すために、電磁スペクトルの一部を透過できる。

他の態様において、本開示は、干渉フィルタアセンブリを含んでなる光スペクトルフィルタリングデバイスを供する。干渉フィルタアセンブリは、平行な反射面の対の間に配列された、約１．５より大きな屈折率を有する誘電材料を含む。各反射面は金属を含む。フィルタアセンブリは、フィルタアセンブリを出ていく、所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力を生み出すために、電磁スペクトルの一部を誘電材料内に透過でき、ここで、フィルタをかけられた出力は、所定の範囲の波長を有し、そして最小角度依存性を示し、その結果、所定の範囲の波長が、０度の入射角から９０度の入射角に、約５０ナノメータ以下だけ変わる。

更に他の態様において、本開示は、平行な反射面の対の間に配列された、高屈折率の誘電材料を含んでなる干渉フィルタアセンブリを含む光スペクトルフィルタリングデバイスを供する。各反射面は、場合により、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）又は一次元のフォトニック結晶を含む。そのようなフィルタアセンブリは、フィルタアセンブリを出ていく所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力を生み出すために、電磁スペクトルの一部を誘電材料内に透過できる。フィルタアセンブリからのフィルタをかけられた出力は、所定の範囲の波長を有し、そして最小角度依存性を表示する。

他の態様において、本教唆は、最小角度依存性を有する光スペクトルフィルタリングデバイスを作る方法を供する。本法は、約１．５より大きい、そして或る変形例において、約２より大きい屈折率を有する誘電材料にポリマー状レジスト材料を塗布することを含む。ポリマー状レジストは次いで、所定の高さを有する金型と接触させられる。ポリマー状レジスト及び誘電材料は次いでエッチングされる。平行な反射面の対の間に配列される誘電材料を含んでなる干渉フィルタアセンブリを形成するために、残りの誘電材料に亘って金属が適用される。或る変形例において誘電材料は約２以上の有効屈折率を有する。干渉フィルタアセンブリからのフィルタをかけられた出力は、最小角度依存性を表示する、所定の範囲の波長を生み出す。

他の態様において、本教唆によって、光スペクトルフィルタリングデバイスの角度依存性を低減する方法が供される。一つの変形例において、本方法は、一対の平行な反射面を含んでなる干渉フィルタアセンブリ内に、約１．５より大きい屈折率を有する誘電材料を組み込むことを含む。各反射面は金属を含む。このように、フィルタアセンブリは、フィルタアセンブリが０度から９０度の範囲にある入射角から観察されるとき、約５０ナノメータ以下で外れる所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力を生み出す。

他の態様において、本開示は光スペクトルフィルタリングデバイスも供する。光スペクトルフィルタリングデバイスは、最小角度依存性を表示する共鳴フィルタアセンブリを含む。或る変形例において、最小角度依存性を表示する共鳴フィルタアセンブリは、光学メタマテリアルを形成する導電性の金属格子構造を含んでなる共振器構造を含む。導電性の金属格子構造は少なくとも二つの開口部を含む。或る態様において、少なくとも二つの開口部はサブ波長である。或る変形例において、共振器構造は、場合により、開口部中に埋め込まれた誘電材料を含む。光スペクトルフィルタリングデバイスは、光学共鳴を介して、所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられたそして偏光出力を生み出すために、電磁スペクトルの一部を透過できる。

適用範囲の更なる領域は、本明細書において供される記述から明らかになるであろう。この概要における本記述及び特定の例は説明目的のみを意図されたものであり、本開示の範囲を制限することを意図されたものではない。

本明細書において述べられる図面は、全ての可能な実行例ではなく、選択された実施態様のみの例証目的のためであり、本開示の範囲を制限することが意図されたものではない。
本教唆のある態様に従って調製された例示的カラーフィルタアセンブリの斜視図である。 例示的カラーフィルタアセンブリの図１の線２−２に沿って取られた断面図である。 ファブリ−ペロー系エタロン干渉フィルタの操作原理の模式図を示す。 Ａ〜Ｄは、ファブリ−ペロー系フィルタにおける、フィルタをかけられた波長シフトの入射角（Θ）及び誘電体屈折率（ｎ）への依存性を示すグラフであり、ここで、Ａは、１．０の屈折率を持つ誘電材料を有し、Ｂは１．５の屈折率を持つ誘電材料を有し、Ｃは２．０の屈折率を持つ誘電材料を有し、そしてＤは２．５の屈折率を持つ誘電材料を有する。 本教唆のある態様に従って調製された、対称的な層構造を有する例示的カラーフィルタアセンブリの断面図を示す。 Ａ〜Ｂは、低屈折率の誘電材料（ＳｉＯ_２）（Ｂ）及び高屈折率の誘電材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）（Ａ）の両者に対する波長対透過を比較するシミュレーションを示す。 Ａ〜Ｂは、本教唆のある態様に従って調製された、例示的光透過フィルタアセンブリの断面図を示し、ここで、Ａは非対称的な層構造を有し、そしてＢは対称的な層構造を有する。 Ａ〜Ｃは、フィルタをかけられた緑光出力の角度依存性を実証するために、透過型カラーフィルタアセンブリに対する波長対透過を比較するシミュレーションを示すグラフである。Ａは、フィルタをかけられた緑光出力を供するための、約１３０ナノメータの厚みでの低屈折率の誘電材料（ＳｉＯ_２）を有し、Ｂは、緑光を供するための、約５０ナノメータの厚みで約２．５の屈折率を有する、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含んでなる誘電材料を有し、そしてＣは、緑光を供するための、約８０ナノメータの厚みで高屈折率の誘電材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む。 二つの透過型フィルタに対する波長対透過の比較を示し、ここで、第一のフィルタは対称的な層構造を有し、そして第二のフィルタは非対称的な層構造を有する。 Ａ〜Ｄは、例示的な赤−緑−青透過フィルタを比較し、ここで、図Ａ〜Ｃは、透過型カラーフィルタアセンブリに対する波長対透過を比較する。図Ｄは、青、緑及び赤のカラーフィルタを達成するための、フィルタアセンブリ中の各誘電材料に対する各々の厚みを示す。Ａは、低屈折率の誘電材料（ＳｉＯ_２）に対する赤、緑、及び青のフィルタを示す。Ｂは、ＺｎＳｅ誘電材料に対する、赤、緑、及び青のフィルタを示し、一方、Ｃは、誘電材料が高屈折率材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）である、赤、緑、及び青フィルタを示す。 Ａ〜Ｃは、フィルタをかけられたマゼンタ光出力の角度依存性を実証するために、反射型カラーフィルタアセンブリに対する波長対反射を比較するシミュレーションを示すグラフである。Ａは、（０から８０度の範囲にある入射角を有する）フィルタをかけられたマゼンタ光出力を供するための、約１３０ナノメータの厚みでの低屈折率の誘電材料（ＳｉＯ_２）を有する。Ｂは、（０から８０度の範囲にある入射角を有する）フィルタをかけられたマゼンタ光の出力を供するための、約５０ナノメータの厚みでのＺｎＳｅ（屈折率、ｎ＝２．５）を含んでなる、高屈折率を有する誘電材料を有する。Ｃは、（入射角が０から８０度の範囲にある）フィルタをかけられたマゼンタ光の出力を供するための、約８０ナノメータの厚みで高屈折率の誘電材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）（屈折率、ｎ＝２．０）を含む。 Ａ〜Ｄは、非対称的な層構造を有する例示的な黄−マゼンタ−シアンの反射フィルタを比較し、ここで、Ａ〜Ｃは、反射型カラーフィルタアセンブリに対する波長対反射を比較する（ここで、両方の反射層は銀を含む）。Ｄは、黄、マゼンタ、及びシアンのカラーフィルタリングを達成するための、フィルタアセンブリ中の各誘電材料の各々の厚みを示す。Ａは低屈折率の誘電材料（ＳｉＯ_２）に対する黄、マゼンタ、及びシアンのフィルタリングを示す。Ｂは、高屈折率のＺｎＳｅ誘電材料に対する黄、マゼンタ、及びシアンのフィルタリングを示し、一方、Ｃは、誘電材料が高屈折率材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）である場合の黄、マゼンタ、及びシアンのカラーフィルタリングを示す。 Ａ〜Ｄは、非対称的な層構造を有する例示的な黄−マゼンタ−シアンの反射フィルタを比較し、ここで、Ａ〜Ｃは、反射型のカラーフィルタアセンブリに対する波長対反射を比較する（ここで、第一の反射層は銀を含み、そして第二の反射層はアルミニウムを含む）。Ｄは、黄、マゼンタ、及びシアンのカラーフィルタリングを達成するための、フィルタアセンブリ中の各誘電材料の各々の厚みを示す。Ａは、低屈折率の誘電材料（ＳｉＯ_２）に対する黄、マゼンタ、及びシアンのフィルタリングを示す。Ｂは、高屈折率の誘電材料ＺｎＳｅに対する黄、マゼンタ、及びシアンのフィルタリングを示し、一方、Ｃは、誘電材料が高屈折率材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）である場合の黄、マゼンタ、及びシアンのカラーフィルタリングを示す。 Ａ〜Ｂは、非対称的な層構造を有する、本開示の或る態様による透過及び反射フィルタアセンブリを示し、ここで、誘電材料は高屈折率材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）であり、そして反射層は銀を含む。Ａは、赤−青−緑の透過性フィルタリングを示し、そしてＢは、黄−マゼンタ−シアンの反射フィルタリングを示す。 本教唆の或る態様に従う表示装置に対して異なるカラーピクセルを用いてフィルタアセンブリを作成するプロセスを示す。 本教唆の或る態様によって調製された液晶誘電体を含んでなる透過型の同調型ファブリ−ペロー系スペクトルフィルタに対する波長対透過を示す。 本教唆の或る態様による同調型ファブリ−ペロー系スペクトルフィルタにおいて誘電材料として使用するための液晶屈折率対負荷電圧を示す。 格子開口部中に埋め込まれた誘電材料を有し、高屈折率の格子構造を有する、本教唆の或る代替実施態様によって調製された、最小角度依存性を有する例示的カラーフィルタアセンブリの断面図を示す。 Ａ〜Ｂは、本教唆のある変形例によって調製された、比較的に最小角度独立性を有する反射色カラーフィルタを示す。Ａは、２２０ナノメータ（スケールバーは４００ナノメータ）の周期を有するスリット開口部機能を有する基板上の銀から製作された例示的な高屈折率の導電性メッシュ格子ナノ構造の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。Ｂは、４５°、５５°、６５°、及び７５°の別個の入射角での横磁気（ＴＭ）偏光の波長対反射のプロットを示す。 Ａ〜Ｂは、本教唆のある変形例によって調製された、最小角度独立性を有する別の反射色カラーフィルタを示す。Ａは、１８０ナノメータ（スケールバーは３００ナノメータ）の周期を有するスリット開口部機能を有する基板上の銀から製作された例示的な高屈折率の導電性メッシュ格子ナノ構造の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。Ｂは４５°、５５°、６５°、及び７５°の別個の入射角での横磁気（ＴＭ）偏光の波長対反射のプロットを示す。 図１９において示されたものと類似の構造を有し、最小角度依存性を有する光フィルタアセンブリに対する波長対透過を比較するシミュレーションを示す。 少なくとも約６０度までの入射角での強い角度許容誤差を示す（入射角が変えられるとき、比較的小さなシフトを示す）赤のカラーフィルタであるように設計された、角度に独立性の色濾過を有する図２１におけるもののようなカラーフィルタアセンブリに対する反射の計算されたマップである。 光フィルタアセンブリの導電性格子構造に対する設計原理の模式図を示し、ここで、導電性格子構造はサブ波長であり、大きな有効屈折率を示し、そして一方で、横電気（ＴＥ）偏光波を反射しながら、横磁気（ＴＭ）偏光を透過できる。

対応する参照数字は、図面の幾つかを通して全て対応する部材を示す。

この開示が完璧であり、そしてその範囲を当業者に完全に伝えるように、例示的実施態様が供される。本開示の実施態様の完璧な理解を供するために、特定の部材、デバイス及び方法の例のような多くの特定の詳細事項が明らかにされる。特定の詳細事項が採用される必要がないこと、例示的実施態様が多くの異なる形態において具現化され得ること、そして本開示の範囲を制限すると考えられるべきではないことは当業者に明らかであろう。幾つかの例示的実施態様において、周知のプロセス、周知のデバイス構造及び周知の技術は詳細には述べられない。

本明細書において使用される用語は、特別な例示的実施態様のみを述べる目的のものであり、制限的であることを意図されていない。本明細書において使用される単数形態、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明確にそうではないと示さない限り、複数形態も同様に含むことを意図され得る。用語「含む」、「含んでなる」、「含んでいる」、及び［有する］は包括的であり、従って、述べられた機能、整数、工程、操作、エレメント及び／又は部材の存在を特定するが、一つ又はそれより多くの他の機能、整数、工程、操作、エレメント、部材それらのグループの存在又は追加を排除しない。本明細書において述べられる方法の工程、プロセス及び操作は、性能の順序として特定的に確認されない限り、議論された又は説明された特定の順序において必ずしもそれらの性能を要求していると考えられるべきでない。追加の又は代替の工程が採用され得ることも理解されるべきである。

エレメント又は層が、別のエレメント又は層「の上」にある、「に係合される」、「に連結される」、又は「に繋がれる」として言及されるとき、それは直接的に、他のエレメント又は層の上にある、に係合される、に連結される、若しくは繋がれるか、または介在するエレメント又は層が存在し得る。対照的に、エレメントが別のエレメント又は層「の上に直接」にある、「に直接係合される」、「に直接連結される」、又は「に直接繋がれる」として言及されるときとき、介在するエレメント又は層は全く存在し得ない。エレメントの間の関係を述べるために使用される他の用語は同様に解釈されるべきである（例えば、「間」と「直接、間に」、「隣接して」と「直接、隣接して」など）。本明細書において使用される用語「及び／又は」は、関連付けられるリストアップされた項目の一つ又はそれより多くの如何なるそして全ての組合せをも含む。

用語、第一の、第二の、第三のなどは本明細書において、種々のエレメント、部材、領域、層及び／又はセクションを述べるために使用されるが、これらのエレメント、部材、領域、層及び／又はセクションはこれらの用語によって制限されるべきではない。これらの用語は、或るエレメント、部材、領域、層又はセクションを別の領域、層又はセクションから区別するためにのみ使用され得る。「第一の」、「第二の」及び他の数字用語などの用語は、本明細書において使用されるとき、文脈によって明確に示されない限り、シーケンス又は順序を示唆しない。このように、以下に論じられる第一のエレメント、部材、領域、層又はセクションは、例示的実施態様の教唆から逸脱することなく、第二のエレメント、部材、領域、層又はセクションと名付けられ得るであろう。

「内の」、「外の」、「下方の」、「下の」、「より下の」、「上の」、「上方の」などのような空間的な相対用語は、図において図示される通り、或るエレメント又は機能の、別の一つ又は複数のエレメント又は機能に対する関連を述べるための記述の容易さために、本明細書において使用され得る。空間的な相対用語は、図において描かれた向きに加えて、使用又は操作におけるデバイスの異なる向きを包含することを意図され得る。例えば、もし、図中のデバイスがひっくり返されると、他のエレメント又は機能の「下の」又は「下方の」として述べられたエレメントは、次いで、他のエレメント又は機能の「上の」に向けられるであろう。このように、例示的用語「下方の」は「上の」及び「下方の」向きの両方を包含できる。デバイスは他に向けられ得て（９０度又は他の向きで回転され）、そして本明細書において使用される空間的に相対的記述子はそれに応じて解釈され得る。

この開示全体を通して、数値は、与えられた値、及び述べられた概略数値を有する実施態様、並びに述べられた正確にその数値を有する実施態様からの少しばかりの逸脱を包含する範囲に対する概略の寸法又は制限を表す。詳細な記述の目的で供される作業例における以外で、添付された請求の範囲を含むこの明細書におけるパラメータ（例えば、量又は条件の）の全ての数値は、「約」が数値の前に実際に現れるか否かに関わらず、用語「約」によって全ての場合において修正されるとして理解されるべきである。「約」は述べられた数値が、（値における正確さへのいくらかの接近を有して；値に略又はかなり近い；ほとんど）幾分少しばかりの不正確さを許すことを示す。もし、「約」によって供される不正確さが、この通常の意味でほかに当業技術によって理解されない場合、次いで本明細書において使用される「約」は、そのようなパラメータの測定及び使用の通常の方法から生じ得る少なくとも変化を示す。

また、範囲の開示は、その範囲に対して与えられたエンドポイントを含む、全ての値、及び全体の範囲内で更に分割された範囲の開示を含む。例示的実施態様がここで、添付図面を参照してより完全に述べられるであろう。

着色料材料による光吸収よりもむしろ光干渉効果に基づく、カラーフィルタのようなスペクトルフィルタリングを生み出す新しい構造が、開示される。或る態様において、本教唆は、最小角度依存性を有するフィルタをかけられた電磁エネルギ出力を生み出す干渉フィルタアセンブリを含む光スペクトルフィルタリングデバイスを供する。非制限例として、そのような干渉フィルタデバイスは、本教唆によってフィルタをかけられた光の角度依存性を最小化するために高屈折率の誘電体層を更に有しながら、光をフィルタするファブリ−ペローエタロンデバイスであり得る。

透過及び反射のカラーフィルタの両者は、本教唆によって調製されたフィルタデバイスによって達成できる。このように、或る変形例において、光スペクトルフィルタリングデバイスは透過型フィルタであり得て、一方、他の変形例において、光スペクトルフィルタリングデバイスは反射型フィルタであり得る。更に別の変形例において、光スペクトルフィルタリングデバイスは透過型フィルタ及び反射型フィルタの両者を同時に示す。

干渉フィルタアセンブリは誘電材料を含む。或る変形例において、そのような誘電材料は、比較的高い、例えば、約１．４より大きい屈折率を有する。或る態様において、誘電材料は、比較的高い、好ましくは、約１．５より大きい、場合により２以上の、場合により約３以上の、そして或る変形例において、約４以上の屈折率を有する。或る変形例において、干渉フィルタアセンブリは平行な反射面の対も含み、ここで、各反射面は金属を含む。誘電材料は平行な反射面の対の間に配列される。

或る態様において、フィルタアセンブリは、フィルタアセンブリを出ていく、所定の範囲の波長を有する、フィルタをかけられた出力を生み出すために、電磁スペクトルの一部分を誘電材料内に透過することができる。（金属によって吸収された光の非常に小さな部分と共に）如何なる透過されない光も主として反射され、従って再使用できる。フィルタをかけられた光は、望ましくは最小角度依存性を示し、非限定例として、ディスプレイデバイスにおけるピクセルとしての使用に対してそれを特に有利にする。スペクトルフィルタ又はカラーフィルタは偏光無依存にできる。そのような光スペクトルフィルタリングデバイスは伝統的な着色剤系フィルタよりもエネルギ効率がよく、そして高い入力光パワーに更に耐えることができる。

図１及び２を参照して、光スペクトルフィルタリングデバイス２０の一つの実施態様はフィルタアセンブリ３０を含む。フィルタアセンブリ３０は第一の側３２及び第二の反対側３４を画成する。フィルタアセンブリ３０は第一の透過性基板又は層４０、透過性層４０に隣接して配列される第一の反射面４２を含む。フィルタアセンブリ３０は第一の反射面４２に隣接する少なくとも一つの誘電材料層４４も含む。第二の反射面４６は第一の反射面４２の反対の側上の誘電材料層４４に隣接して配列される。第一の反射面４２及び第一の反射面４６は一緒に誘電材料層４４を挟む平行な反射面の対を形成する。図１及び２において示される通り、オプションの第二の透過性層４８は第一の反射面４６に隣接して配列される。光学的第二の透過性層４８は、例えば、金属をかぶせられる。そのようなフィルタアセンブリ３０は「対称的な構造」を有し、ここで、第一の透過性層４０は、誘電材料層４４の側面に並べられる平行な反射面の対４２、４６の他の側３４上に適合する第二の透過性層４８を有する。図１において示されていないが、もし第二の透過性層４８が省略された場合、第一の反射面４６が第二の透過性層４８の代わりに空気５６又は別の外部媒体とインターフェースで繋がれるであろう（そしてそのためにアセンブリ構造が非対称的になるであろう）故に、フィルタアセンブリ３０は非対称的な構造を有するであろう。

図１において、第二の透過性層４８は、見ることができる面５０を画成する。電磁照射の源５２は第一の側３２に沿って光スペクトルフィルタリングデバイス２０のフィルタアセンブリ３０に向かって向けられる。フィルタアセンブリ３０は、電磁照射のスペクトルの一部を源５２からアセンブリ３０内に透過できる。このように、電磁照射の一部は第一の透過性層４０を通り、そして第一の反射層４２を通って誘電材料層４４内に入る。干渉フィルタ内部の電磁照射の経路は、光スペクトルフィルタリングデバイス２０が透過型フィルタ、反射型フィルタ又は透過型かつ反射型フィルタであるように設計されるか否かに依存する。図１の透過型ファブリ−ペロー系フィルタにおいて示される通り、誘電材料４４に入る電磁エネルギの部分は（ファブリ−ペロー系エタロン干渉フィルタのように）平行な反射面の対の間で共鳴する。電磁エネルギの一部は第一の反射面４６及び第二の透過性層４８を通して透過され、フィルタアセンブリ３０を出る所定に波長範囲を有するフィルタをかけられた出力６０を生み出す。

背景として、ファブリ−ペロー系フィルタの一般的な操作原理が図３において示され、そしてここで論じられるであろう。電磁波１００は、入射角Θ_１で第一の反射面１０２に近づく。誘電材料１０４は第一の反射面１０２に隣接して配列される。実質的に平行な第二の反射面１０６は誘電材料１０４の反対側上に配列される。（第一と第二の平行な反射面１０２、１０６の間の距離でもある）誘電材料１０４の厚みは、ｄによって表され、そして誘電材料の屈折率は、ｎによって表される。尚、ファブリ−ペロー系エタロンのような干渉フィルタに対して、ｄがサブ波長であるように、ｄは構造中でフィルタされるべき目標波長より小さい。反射される電磁波１００の各部分はＲ_ｎで表され、ここでｎは整数であり、そして電磁波１００の各透過された部分はＴ_ｎで表され、ここでｎは整数である。各連続して透過されるビーム（例えば、Ｔ_１、Ｔ_２など）の間の相の違いは：

である。

透過最大値は

で生じ、その結果

となり、ここでλは波長である。Θ_２は、Ｓｎｅｌｌの法則：

によって求めらることができる。Θ_１は外部媒体（例えば、空気）中の入射角である。フィルタをかけられた出力の波長シフトは入射角（Θ_１）及び誘電体の屈折率（ｎ）に依存する。これらの結果は上の数式によって計算され、そして第一及び第二の反射層中の金属の厚みは計算に含まれない。

種々の態様において、本開示は低減された角度依存性を有するフィルタを供し、それは、見る角度が、見る面（ほぼ９０度）に対してノーマル（０度）から平行に外れる際、フィルタをかけられた光の波長は著しくはシフトされないことを意味する。上述の通り、角度依存性は、従来のファブリ−ペロー（Ｆ−Ｐ）系フィルタにおいてさえ、ディスプレイデバイスにおいて使用される従来のカラーフィルタでしばしば問題になる事柄である。しかしながら、増加する入射角（Θ_１）に対する透過波長のシフトは、本教唆によって調製されたアセンブリにおける高屈折率の誘電材料を使用することによって低減される。これはＳｎｅｌｌの法則によるΘ_１からΘ_２への移行がある故であり、そしてＦ−Ｐ共振器の大きな屈折率の中間層は角度Θ_２を劇的に低減する。従って、本発明技術の原理によれば、望ましく高い屈折率を有する特定の誘電材料を含むことによって、フィルタデバイスの角度依存性は著しく低減／最小化できる。本明細書において述べられた高い屈折率の材料は伝統的な誘電材料を含み得るが、光学メタマテリアル、液晶、及び以下に述べる他の高い屈折率の材料も含み得る。この原理はカラーフィルタのように透過及び反射スペクトルフィルタの両者に適用される。

このように、種々の態様において、光スペクトルフィルタリングデバイスは、平行な反射面の対の間に配列された、約１．５より大きな屈折率を有する誘電材料を含む干渉フィルタアセンブリを含む。或る態様において、角反射面は、非制限例として銀又はアルミニウムなどの金属のような反射材料を含む。フィルタアセンブリは、フィルタアセンブリを出ていく、所定の範囲の波長を有する、フィルタをかけられた出力を生み出すために、電磁スペクトルの一部分を誘電材料内に透過することができ、ここで、フィルタをかけられた出力は所定の範囲の波長を有し、そして最小角度依存性を表示する。

特に適切な可視及び赤外の電磁照射は、約３９０から約７５０ナノメータの範囲にある波長を有する可視光、及び（約０．７５から約１．４ミクロンの範囲にある近赤外（ＮＩＲ）を含む）赤外照射（ＩＲ）を含む。フィルタをかけられた電磁照射は、赤に対する約６２５から約７４０ナノメータの範囲にある波長を有することができ；橙色は約５９０から約６２５ナノメータにあり；黄色は約５６５から約５９０ナノメータにあり；緑色は約５２０から約５６５ナノメータにあり；青又はシアンは約５００から約５２０ナノメータにあり；青又はインジゴは約４３５から約５００ナノメータにあり；そして紫は約３８０から約４３５ナノメータにある。更に、或る態様において、フィルタをかけられた光はエクストラスペクトル（extra-spectral）又は幾つかの異なる波長の混合物であり得る。例えば、マゼンタは赤（６２５から７４０ナノメータ）及び青（４３５から５００ナノメータ）の波長のエクストラスペクトルの混合物である。

或る態様において、光スペクトルフィルタリングデバイスは透過型フィルタである。そのような場合、フィルタアセンブリは、電磁スペクトルの一部分を平行な反射面の対の第一の面を通して誘電材料内に透過することができる。電磁スペクトルの透過された部分は、このように平行な反射面の対の他の第二の面に透過され、そこで、それはそれを通して透過される。このように、電磁スペクトルの部分（例えば、図１及び２の５２）は、フィルタアセンブリ３０の第一の側（図１及び２の側３２）上に入り、そしてフィルタをかけられた出力６０は第一の側（３２）に反対側の第二の側（図１及び２の側３４）上に出る。

或る変形例において、光スペクトルフィルタリングデバイスの透過型フィルタは、可視光範囲において、フィルタアセンブリを出ていく、所定の範囲の波長を有する、フィルタをかけられた出力を生み出す。そのような所定の範囲の波長は、赤、緑、青及びそれらの組合せから成るグループから選択された色を含み得る。

他の態様において、光スペクトルフィルタリングデバイスは反射型フィルタであり、その結果、フィルタアセンブリは、平行な反射面の対の一方を通して、誘電材料内に、平行な反射面の対の他方に電磁スペクトルの一部を透過できる。しかしながら、フィルタアセンブリの第一の側上に入る電磁スペクトルの一部は、フィルタをかけられた出力がフィルタアセンブリのそれが入った側と同じ第一の側上に出るように、アセンブリ内で反射される。

或る変形例において、光スペクトルフィルタリングデバイスは、可視光範囲において、フィルタアセンブリを出ていく、所定の範囲の波長を有する、フィルタをかけられた出力を生み出す。そのような所定の範囲の波長は、シアン、マゼンタ、黄及びそれらの組合せから成るグループから選択された色を含み得る。

或る他の変形例において、光スペクトルフィルタリングデバイスは同時に透過型フィルタ及び反射型フィルタの両者であり得て、その結果、電磁スペクトルがフィルタアセンブリに入った後、光の透過された部分及び光の反射された部分の両者が生み出される。このように、或る実施態様において、光スペクトルフィルタリングデバイスによって生み出された、透過された所定の範囲の波長は可視光範囲にあり、そして赤、緑、青及びそれらの組合せから成るグループから選択された色を含み得て、一方、反射された所定の範囲の波長はシアン、マゼンタ、黄及びそれらの組合せから成るグループから選択された色を含み得る。

図４Ａ〜４Ｄは本発明の原理によるフィルタをかけられた出力の低減された角度依存性を説明し、フィルタをかけられた波長シフトの、ファブリ−ペロー系フィルタにおける入射角（Θ）及び屈折率（ｎ）への依存性を示す。図４Ａにおいて、フィルタアセンブリ中の誘電材料は１．０の屈折率を有し、そして波長における顕著な望ましくないシフトを示す（０度よりほんのわずか大きい入射角での約１．０から、入射角が８０度に増えた際の０．２未満への範囲にある正規化された値）。図４Ｂは、フィルタアセンブリ中で１．５の屈折率を有する誘電材料を有し、そしてフィルタをかけられた波長シフトにおいて著しい改善を示し、ここで、正規化された値は、０度よりほんのわずか大きい入射角での約１．０から、入射角が８０度に増えた際の０．７５未満への範囲にある。図４Ｃは、フィルタアセンブリ中で２．９の屈折率を有する誘電材料を有し、そして波長シフト低減において更にもっとよい改善を示し、ここで、正規化された値は、０度よりほんのわずか大きい入射角での約１．０から、入射角が８０度に増えた際の０．８８未満への範囲にある。図４Ｄは、フィルタアセンブリ中で２．５の屈折率を有する誘電材料を有し、そしてフィルタをかけられた光の波長シフト低減において最もよい改善を示し、ここで、正規化された値は、０度よりほんのわずか大きい入射角での約１．０から、入射角が８０度に増えた際の０．９２未満への範囲にある。従って、フィルタアセンブリ構造中において誘電材料の屈折率が高いほど、生み出されたフィルタをかけられた出力の角度依存性の最小化が大きくなる。

図５は、本教唆の或る態様による対称的な層構造を有する例示的カラーフィルタアセンブリの断面図を示す。第一の透過性層２００は、反射材料を含む第一の反射層２０２に隣接する。第二の反射層２１２は第一の反射層２０２に対して実質的に平行であり、そして同様に、（第一の反射層２０２中の一つ又は複数の反射材料と同じであるか又はそれから区別され得る）反射材料を含む。このように、第一及び第二の反射層２０２、２１２は誘電材料２１０の横に並べられる一対の平行な反射基板を形成する。

一つの実施態様において、第一の透過性層２００は（二酸化珪素、ＳｉＯ_２を含む）ガラス基板であり得る。第一の反射層２０２は、場合により、銀を含み、そして約２０ナノメータの厚みを有する。第二の反射層２１２は、同様に、銀を含み、そして約２０ナノメータの厚みを有する。本教唆の或る態様による一つの実施態様において、誘電材料２１０は場合により、窒化珪素（約２である屈折率を有するＳｉ_３Ｎ_４）のような高屈折率材料を含み、それは場合により、約１００ナノメータの厚みを有する。２０ナノメータの厚みを有する銀を含む二つの反射層２０２及び２１２は、ガラス基板２００に隣接した誘電材料２１０、及び約１００ナノメータの厚みを有するシリカクラッディング２２０を囲むことができる。本教唆の或る態様による別の実施態様において、誘電材料２１０は場合により、窒化珪素（約２である屈折率を有するＳｉ_３Ｎ_４）のような高屈折率材料を含み、それは場合により、約４０ナノメータの厚みを有し、そして２０ナノメータの厚みを有する銀を含む二つの反射層２０２及び２１２、ガラス基板２００及び約１００ナノメータの厚みを有するシリカクラッディング２２０を有する。第一の比較例において、反射層、基板及びクラッディングは上述のそれらの実施態様と同じであり得るが、誘電材料２１０は、約１５０ナノメータでのシリカ（二酸化珪素、ＳｉＯ_２、ここで、屈折率は１．５である）を含む比較的に低い屈折率材料であり得る。第二の比較例において、反射層、基板及びクラッディングは上述のそれらの実施態様と同じであり得るが、誘電材料２１０は再び、約１２０ナノメータでのシリカ（二酸化珪素、ＳｉＯ_２、ここで、屈折率は１．５である）を含む比較的に低い屈折率材料であり得る。

図５におけるものに類似した構造に対して、波長対透過の比較シミュレーション結果が図６Ａ〜６Ｂにおいて示される。第一の比較フィルタアセンブリは、その結果が図６Ｂにおいて示される、約１２０ナノメータでのシリカ（ＳｉＯ_２）を含む比較的に低い屈折率の誘電材料材料（ｎ＝１．５）を含み、そして本開示の或る態様によって調製された第二のアセンブリは、図６Ａにおいて示された高屈折率（ｎ＝２．０）の誘電材料として、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む高屈折率の誘電材料層を含む。Ｓｉ_３Ｎ_４誘電体を含む誘電体層は約４０ナノメータの厚みを有する。

図６Ｂにおいて見られるように、カラーフィルタアセンブリに対して低屈折率シリカの誘電材料を使用すると、入射角が０から６０度に増える際に、波長が望ましくなく約１２０ナノメータシフトする。本教唆の或る態様によるカラーフィルタアセンブリを反射する図６Ａにおいて、入射角が０から６０に増えるとき、約４０ナノメータ未満の最小波長シフトが生じ、そのようにして本発明技術が光スペクトルフィルタリングデバイスに対する角度依存性が著しく低減することが示される。

図７Ａ〜７Ｂは本教唆の或る態様によって調製された例示的光透過フィルタアセンブリを示し、ここで、図７Ａにおいては、干渉フィルタアセンブリに対する比較非対称的な層構造が、そして図７Ｂにおいては干渉フィルタアセンブリに対する対称的な層構造が示される。図７Ａは、（二酸化珪素−ＳｉＯ_２を含む）ガラス基板のようなカラーフィルタデバイスに入る電磁波長に対して透過性の材料を場合により含む第一の透過性層３００を含む透過型カラーフィルタアセンブリを示す。第一の反射層３０２は銀のような第一の反射材料を含む。そのような第一の反射層３０２は、非制限例として、約２０ナノメータの厚みを有し得る。第二の反射層３１２は第一の反射層３０２に対して実質的に平行であり、そして第一及び第二の反射層３０２、３１２は一緒に、誘電材料３１０の横に並ぶ一対の平行な反射基板を形成する。第二の反射層３１２は銀のような第二の反射材料を含み、そして非制限例として約２０ナノメータの厚みを有する。誘電体層３１０は、場合により、非制限例として約１００ナノメータの厚みでの窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む。尚、第二の反射層３１２は、空気のような周囲環境３１６とインターフェースで繋がる見ることができる面３１４を有する。このように、図７Ａにおける透過性フィルタアセンブリは、以下の材料の間にインターフェースを含む非対称的な層構造を有する：空気（外部環境又は大気３１６）、２０ナノメータの銀層（第二の反射層３１２）、２０ナノメータの銀層（第一の反射層３０２）、及びガラス基板（第一の透過性層／基板３００）。

図７Ｂは、図７Ａの実施態様に対して上で述べられたものと同じ透過性フィルタアセンブリ部材を含むが、第二の反射層３１２に亘って配列される透過性クラッディング層３２０を更に含む。透過性クラッディング層３２０は、ガラス（二酸化珪素、ＳｉＯ_２）のようなカラーフィルタデバイスに入ってくる波長に対して実質的に透過性である材料を含む。このように第二の透過性クラッディング層３２０は、対称的な構造を形成するために、第一の透過性層３００と調和する。このように、図７Ｂにおいて、カラーフィルタアセンブリは、以下の材料の間にインターフェースを含む対称的な層構造を有する：空気（外部環境又は大気３１６）、第二の透過性ガラス上部クラッディング層（３２０）、２０ナノメータの銀層（第二の反射層３１２）、誘電体層（３１０）、２０ナノメータの銀層（第一の反射層３０２）、及びガラス基板（第一の透過性層／基板３００）。

図８Ａ〜８Ｃは、フィルタをかけられた緑光出力の角度依存性を実証するために、透過型対称的なカラーフィルタアセンブリに対する波長対透過を比較するシミュレーションを示すグラフである。図８Ａは、０度の入射角でのフィルタをかけられた緑光出力を供するための、約１３０ナノメータの厚みでの低屈折率（ｎ＝１）の誘電材料（ＳｉＯ_２）を有し；図８Ｂは、０度の入射角でのフィルタをかけられた緑光を供するための、約５０ナノメータの厚みで高屈折率（ｎ＝２．５）の材料ＺｎＳｅを有する。最後に図８Ｃは、０度の入射角でのフィルタをかけられた緑光を供するための、約８０ナノメータの厚みで高屈折率（ｎ＝２．０）の誘電材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む。見られ得る通り、最も低い屈折率の誘電材料（図８Ａにおける二酸化珪素）は、入射角が０から８０度に増えるとき、三つの誘電材料のすべての最大波長シフトを示し、ここで、波長シフトは約１００ナノメータである。図８Ｃにおける高屈折率の誘電材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）は、入射角が０から８０度に増えるとき、約５０ナノメータの波長シフトを有し、一方、図８Ｂにおける最高屈折率の誘電材料（ＺｎＳｅ）は、入射角が０から８０度に増えるとき、約３０ナノメータのみの波長シフトを有する。

図９は、二つの透過型カラーフィルタに対する波長対透過の比較を示す。第一のフィルタは対称的な層構造を有し、そして第二のフィルタは非対称的な層構造を有する。見られ得る通り、（図７Ｂにおいて示されたフィルタアセンブリのような）対称的な構造におけるフィルタアセンブリの対称性によって、（図７Ａのような）非対称的なフィルタアセンブリと比較して、フィルタをかけられた電磁照射の透過の大きさが増大される。しかしながら、対称的な及び非対称的なフィルタアセンブリの両者はカラーフィルタとして低減された角度依存性を示し、従って両者は本教唆の変形例と考えられる。

図１０Ａ〜１０Ｄは、本開示の或る変形例によって作られた、比較多数色（赤−緑−青）透過干渉フィルタの結果を示す。図１０Ａ〜１０Ｃは、透過型カラーフィルタアセンブリに対する波長対透過を比較する。図１０Ｄは、透過性フィルタにおける青、緑及び赤のカラーフィルタを達成するための、フィルタアセンブリ中の各誘電材料に対する各々の厚みを示す。例えば、比較カラーフィルタは、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を含む比較的に低屈折率の誘電材料を含み、そして青色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１００ナノメータの厚み、緑色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１３０ナノメータの厚み、そして赤色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１７０ナノメータの厚みを有する。本開示の或る態様によって調製された光透過型フィルタは、青色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約６０ナノメータの厚み、緑色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約８０ナノメータの厚み、そして赤色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１１０ナノメータの厚みを有する窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む高屈折率の誘電材料を含む。最後に、本開示の他の態様によって調製された別の光透過型フィルタは、高セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含む屈折率の誘電材料を含む。本誘電材料は、青色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約３０ナノメータの厚み、緑色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約５０ナノメータの厚み、そして赤色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約８０ナノメータの厚みを有する。

図１０Ａ〜１０Ｃは、同時の赤、緑、及び青のフィルタに対するノーマル入射（０度の入射角）を示す。図１０Ａは、低屈折率の誘電材料（ＳｉＯ_２）の比較例を有する。図１０Ｂは、本発明技術の或る態様によって調製された高屈折率のＺｎＳｅ誘電材料に対する赤、緑、及び青光の同時フィルタを示し、一方、図１０Ｃは、高屈折率の誘電材料が本発明技術の或る態様によって調製されたフィルタデバイスのＳｉ_３Ｎ_４である、赤、緑、及び青のカラーフィルタを示す。赤、緑、及び青のフィルタをかけられた光出力に対する全体的な透過レベルは、高い屈折率のＳｉ_３Ｎ_４誘電材料及び低い屈折率の二酸化珪素（ＳｉＯ_２）誘電材料に対して最大である。しかしながら、上で論じられた通り、低屈折率の二酸化珪素の誘電材料は、入射視野角に依存する（例えば、角度依存性の）高いレベルの波長シフト問題を抱える。

反射型カラーフィルタアセンブリのシミュレーションが図１１Ａ〜１１Ｃにおいて示され、ここで、波長対反射はフィルタをかけられたマゼンタ光出力の角度依存性を説明する。これらのカラーフィルタは銀反射層及びシリカ基板を有する上述のもののような構造を有する。図１１Ａは、（０から８０度の範囲にある入射角を有する）フィルタをかけられたマゼンタ反射光出力を供するための、約１３０ナノメータの厚みでの低屈折率の誘電材料（ＳｉＯ_２）を有する。図１１Ｂは、（０から８０度の範囲にある入射角を有する）フィルタをかけられたマゼンタ光出力を供するための、約５０ナノメータの厚みでのＺｎＳｅに対してｎ＝２．５の高屈折率を有する誘電材料を有する。最後に、図１１Ｃは、（入射角が０から８０度の範囲にある）フィルタをかけられたマゼンタ光出力を供するための、約８０ナノメータの厚みで高屈折率の誘電材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）（ｎ＝２．０）を含む。

見られ得る通り、最も低い屈折率の誘電材料（図１１Ａにおける二酸化珪素）は、入射角が０から８０度に増えるとき、反射型のフィルタに対して最大波長シフトを示し、ここで、波長シフトは約１３０ナノメータである。図１１Ｃにおける高屈折率の誘電材料（Ｓｉ_３Ｎ_４）は、入射角が０から８０度に増えるとき、約８０ナノメータの波長シフトを有し、一方、図１１Ｂにおける最高屈折率の誘電材料（ＺｎＳｅ）は、入射角が０から８０度に増えるとき、約５０ナノメータのみの波長シフトを有する。

図１２Ａ〜１２Ｄは、本開示の或る変形例によって作られた、比較多数色（黄−マゼンタ−シアン）反射干渉フィルタを示す。図１２Ａ〜１２Ｃは、非対称的な層構造を有する反射型カラーフィルタアセンブリに対する波長対反射を比較する。図１２Ｄは、反射フィルタにおける黄−マゼンタ−シアンのカラーフィルタを達成するための、フィルタアセンブリ中の各誘電材料に対する各々の厚みを示す。例えば二酸化珪素を含む比較的に低屈折率の誘電材料は、黄色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１００ナノメータの厚み、マゼンタ色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１３０ナノメータの厚み、そしてシアン色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１７０ナノメータの厚みを有する。本開示の或る態様によって調製された窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む高屈折率の誘電材料は、黄色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約６０ナノメータの厚み、マゼンタ色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約８０ナノメータの厚み、そしてシアン色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１１０ナノメータの厚みを有する。最後に、本開示の或る態様によって調製された別のカラーフィルタは、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含む高屈折率の誘電材料は、黄色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約３０ナノメータの厚み、マゼンタ色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約５０ナノメータの厚み、そしてシアン色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約８０ナノメータの厚みを有する。

図１２Ａ〜１２Ｃは、黄、マゼンタ、及びシアンの同時フィルタに対するノーマル入射（０度の入射角）を示す。図１２Ａは、低屈折率の誘電材料（ＳｉＯ_２）の比較例を有する。図１２Ｂは、高屈折率のＺｎＳｅ誘電材料に対する黄、マゼンタ、及びシアンの同時フィルタを示し、一方、図１２Ｃは、高屈折率の誘電材料がＳｉ_３Ｎ_４である、黄、マゼンタ、及びシアンのカラーフィルタを示す。黄、マゼンタ、及びシアンのフィルタをかけられた光出力に対する全体的な反射レベルは、高い屈折率のＳｉ_３Ｎ_４誘電材料及び低い屈折率の二酸化珪素（ＳｉＯ_２）誘電材料に対して最大である。しかしながら、上で論じられた通り、低屈折率の二酸化珪素の誘電材料は、入射視野角に依存する（例えば、角度依存性の）高いレベルの波長シフト問題を抱える。

図１３Ａ〜１３Ｄは、低減された角度依存性を有すべく、本開示の或る変形例によって作られた、比較多数色（黄−マゼンタ−シアン）反射干渉フィルタを示す。図１３Ａ〜１３Ｃは、非対称的な層構造を有する反射型カラーフィルタアセンブリに対する波長対反射を比較する。図１３Ｄは、反射フィルタにおける黄−マゼンタ−シアンのカラーフィルタを達成するための、フィルタアセンブリ中の各誘電材料に対する各々の厚みを示す。例えば二酸化珪素を含む比較的に低屈折率の誘電材料は、黄色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１１０ナノメータの厚み、マゼンタ色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１４０ナノメータの厚み、そしてシアン色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１８０ナノメータの厚みを有する。本発明技術の或る態様によって調製された窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含む高屈折率の誘電材料は、黄色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約７０ナノメータの厚み、マゼンタ色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約９０ナノメータの厚み、そしてシアン色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約１２０ナノメータの厚みを有する。最後に、高屈折率の誘電材料は、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を含み、そして黄色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約４５ナノメータの厚み、マゼンタ色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約６０ナノメータの厚み、そしてシアン色のフィルタをかけられた出力を生み出すために約８５ナノメータの厚みを有する。

二つの反射器（反射層）は異なる構造又は材料で作ることができる。例えば、コスト効果のために、反射カラーフィルタにおける底部反射器は、より厚いアルミニウム（Ａｌ）金属によって置換できて、そしてデバイスの性能は著しく変わることはない。図１３Ａ〜１３Ｃは、黄、マゼンタ、及びシアンの同時フィルタに対するノーマル入射（０度の入射角）を示す。図１３Ａは、低屈折率の誘電材料（ＳｉＯ_２）を有する。図１３Ｂは、高屈折率のＺｎＳｅ誘電材料に対する黄、マゼンタ、及びシアンの同時フィルタを示し、一方、図１３Ｃは、高屈折率の誘電材料がＳｉ_３Ｎ_４である、黄、マゼンタ、及びシアンのカラーフィルタを示す。黄、マゼンタ、及びシアンのフィルタをかけられた光出力に対する全体的な反射レベルは、高い屈折率のＳｉ_３Ｎ_４誘電材料及び低い屈折率の二酸化珪素（ＳｉＯ_２）誘電材料に対して最大である。しかしながら、上で論じられた通り、低屈折率の二酸化珪素の誘電材料は、入射視野角に依存する（例えば、角度依存性の）高いレベルの波長シフト問題を抱える。

本教唆の或る実施態様は、透過及び反射のカラーフィルタの両者を同時に達成できる。図１４Ａ〜１４Ｂは、非限定例として、空気、約２０ナノメータの厚みを有する銀を含む第一の反射層、高屈折率の誘電材料（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４）、約２０ナノメータの厚みを有する銀を含む第二の反射層、及びガラス基板を含む非対称的な層構造有する、本開示による透過及び反射フィルタアセンブリを示す。フィルタアセンブリは、図１４Ａにおける赤―青―緑の透過性フィルタ、及び図１４Ｂにおける黄―マゼンタ−シアンの反射フィルタを示す。

今まで述べられてきた実施態様において、干渉フィルタアセンブリは最小角度依存性を示し、そして平行な反射面の対の間に配列された、約１．５より大きな屈折率を有する誘電材料を含み得る。反射面の各々は、場合により金属を含む。そのようなフィルタアセンブリは、フィルタアセンブリを出ていく、所定の範囲の波長を有する、フィルタをかけられた出力を生み出すために、電磁スペクトルの一部分を透過することができる。

干渉フィルタアセンブリは誘電材料を含む。或る変形例において、そのような誘電材料は、例えば、約１．５より大きい比較的に高い屈折率を有する。或る態様において、誘電材料は、好ましくは、２以上、場合により３以上、そして或る変形例において、４以上の比較的高い屈折率を有する。干渉フィルタアセンブリは、各反射面が金属を含む一対の反射面も含む。誘電材料は、平行な反射面の対の間に配列される。

種々の態様において、本開示は、上述の又はここで述べられる如何なる実施態様にもよる、低減された角度依存性を有する干渉フィルタアセンブリの製造方法も供する。図１５は、表示装置用の、本教唆の或る態様による異なるカラーピクセルを有するフィルタアセンブリを製作するために使用され得るあるプロセスを示す。第一に、レジスト材料４００が、透過性基板４０６に亘って、（例えば銀又はアルミニウムのような金属を含む）第一の反射面層４０４の上に配列される高屈折率の誘電材料４０２の表面に塗布される。工程１において、第一の深さを有する第一の領域４１２、第二の深さを有する第二の領域４１４、及び第三の深さを有する第三の領域４１６を有する金型４００に圧力が、レジスト材料４００内にかけられる。適するポリマー状レジスト材料は、当業技術において周知である、加熱によって変形され得る広い範囲の熱可塑性ポリマー；又はプレス後にＵＶ又は熱で硬化され得る前駆体材料を含む。これらの構造を形成するための材料は、その各々の全文を本明細書に参照することによりその各々が取り込まれているものとする、「ナノ−及びマイクロ−リソグラフィ用の材料組成」（ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮ ＦＯＲ ＮＡＮＯ−ＡＮＤ ＭＩＣＲＯ−ＬＩＴＨＯＧＲＡＰＨＹ）という名称の、Ｆｕらへの米国特許第７，６４８，７６７号、及び「ナノプリント・リソグラフィ用のＵＶ硬化シルセスキオキサン樹脂」（ＵＶ Ｃｕｒａｂｌｅ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ Ｒｅｓｉｎｓ Ｆｏｒ Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）という名称の、Ｆｕらへの米国特許公告第２００９／０２５６２８７号（２００９年４月９日に出願された、出願番号第１２／４２１，３３３号）において述べられている。金型４１０が取り除かれた後、レジスト材料４００は、第一の領域４１２の第一の高さ、第二の領域４１４の第二の高さ、第三の領域４１６の第三の高さに対応して異なる高さを有する。レジスト材料は更に硬化され又は処理され得る。

工程２において、深さコントラストパターンを下の高屈折率の誘電体層４０２に移すために、レジスト材料４００の表面上で反応性イオンエッチングのようなエッチングプロセスが行われ得る。これによって高屈折率の誘電材料４０２に、異なるスペクトルフィルタに対応する明確な厚みが付与され、それによってフィルタは多色又は多スペクトルのフィルタになることが可能になるであろう。更に、エッチングプロセスによって、場合により、レジスト材料４００が高屈折率の誘電材料４０２から除かれるか又はそれは、当業技術において周知である通り、現像液又は溶媒によって除かれ得る。

工程３において、第二の反射面を形成するために、薄い金属層４２０が高屈折率の誘電体の各々、段を付けられた部分の上面に適用される。そのように、多カラーフィルタアセンブリが生み出され、ここで、フィルタアセンブリの第一の領域４３０は高屈折率の誘電体層４０２を、青のような第一のフィルタ色に対応する第一の厚みで有し、一方、第二の領域４４０は高屈折率の誘電体層４０２を、緑のような第二のフィルタ色に対応する、第一の領域４３０よりも厚い第二の厚みで有する。最後に、フィルタアセンブリの第三の領域４５０は高屈折率の誘電体層４０２を、赤のような第三のフィルタ色に対応する第三の厚みで有する。当業者によって理解される通り、そのような製作技術は、複数の明確なカラーフィルタを作るために使用され得るか又は単一色又はスペクトル波長範囲用のカラーフィルタアセンブリを作るために使用され得る。

図１及び２を新たに参照して、例示的光スペクトルフィルタリングデバイス２０はフィルタアセンブリ３０を含む。そのような変形例において、フィルタアセンブリ３０は少なくとも一つの誘電材料層４４を挟む平行な反射面の対４２、４６を含む。或る変形例において、反射面は、銀、アルミニウム、又はそれらの組合せのような金属などの反射材料を含み得る（例えば、一方の反射面が銀を含み得て、そして対の他方の反射面がアルミニウムを含む）。或る変形例において、両方の反射器面に対して銀のような金属の選択が好まれ得て、代替態様において、反射器の一方（例えば、反射カラーフィルタの底部反射器）がより厚いアルミニウム（Ａｌ）金属によって置き換えられ得て、一方他の反射面は、如何なる著しく低減された性能も示すことなく、銀を含む。或る実施態様において、平行な反射面の対を囲んでいる一つ又は複数の透過性基板は、二酸化珪素を含む。他の変形例において、以下にもっと詳細に論じられるように、平行な反射面の一つ又は両者は、屈折率コントラストを有する積み重ねた誘電体層を含み得る。

種々の態様において、誘電材料は高屈折率の一つ又は複数の材料を含み、それは本発明の原理によれば、スペクトルフィルタリングデバイスの角度依存性を最小化する。例えば、適する誘電材料は約１．５以上；場合により約１．６以上；場合により約１．７以上；場合により約１．８以上；場合により約２．０以上；場合により約２．２以上；場合により約２．５以上；場合により約３以上；場合により約３．５以上；場合により約５以上；そしてある態様においては、場合により約５以上の屈折率を有し得る。

本開示による使用に対する適する高い屈折率の材料には、非制限例として、２．０の屈折率を有する窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、約２．５の屈折率を有するセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、約２．０の屈折率を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）、約２．２の屈折率を有する酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、及び約２．２の屈折率を有する酸化チタン（ＴｉＯ_２）が含まれる。そのような高屈折率材料は個別に又は組み合されたものとして使用され得る。

他の考えられる高屈折率材料は光学メタマテリアルである。これらのメタマテリアルは、一般的に非等方性で不均一性である効果的な巨視的挙動を創出するために、小さい不均一性を使用することによって、材料自身の組成よりむしろ、それらの構造に基づく性質を有するように工作された合成材料である。そのような光学メタマテリアルの多くは、目標のスペクトル範囲において最小の吸収を未だ有しつつ、高い屈折率を有するか又は高い屈折率を有するように設計され得て、例えば、メタマテリアルは、約２以上；場合により約３以上、場合により約３．５以上、場合により約４以上の屈折率、そしてある態様においては、場合により５までの又はそれを超える屈折率を有し得る。以下に述べる或る追加の実施態様において、そのようなメタマテリアルは最小角度依存性を有するカラーフィルタを供するために、代替カラーフィルタデバイス実施態様おいて使用され得る。

高屈折率の誘電材料型材料に対する他の適する選択肢には、約１．６の屈折率を有するポリスチレンのような高い屈折率を有するポリマー；又は約２．０の屈折率を有する液晶材料又は強誘電性ポリマー又はポリマーマトリックスが含まれる。他の変形例において、誘電材料はポリマー及び高い屈折率を有する複数のナノ粒子を含むポリマーマトリックスであり得る。非制限例として、誘電材料用のポリマーマトリックスはポリマーとしてポリスチレンを含み得て、そして均一に分配された複数のナノ粒子はジルコニアＺｒＯ_２又は上述の粒子形態をした如何なる他の高屈折率材料も含み得る。

或る態様において、特に、スペクトルフィルタリングが可視光範囲にある場合（カラーフィルタ）、誘電材料は窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、及び酸化チタン（ＴｉＯ_２）から成るグループから選択され得る。他の変形例において、例えば、フィルタアセンブリを出ていくフィルタをかけられた出力の所定の範囲の波長が赤外スペクトル範囲にある場合、誘電材料は珪素（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）及びそれらの組合せから成る半導体のグループから選択され得る。

或る態様において、誘電材料は単一材料を含み得て、一方、他の態様において、誘電材料は異なる組成を有する複数の明確な層を含み得る。上述の通り、誘電体層（又は複数の層）の厚みは、好ましくは、目標スペクトルの波長に対してサブ波長であり、そして当業者に周知の他の変数と組み合わせて、ファブリ−ペロー系光干渉フィルタからフィルタをかけられた光の波長を決定する。

更に、或る代替変形例において、ファブリ−ペロー系カラーフィルタデバイスは同調型フィルタを有することができる。このように、一対の反射面（例えば二つの反射鏡）の間の高屈折率の誘電材料は、外場に対応して同調できる。例えば、高屈折率の誘電材料は、（やはり典型的により大きい屈折率を有する）液晶、及び誘電材料の物性を変えるためにかけられた電場に応じる或るタイプの圧電材料（例えば、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）及びそのコポリマー）のような、電場同調型特性を有し得る。

本開示の更に他の変形例において、光スペクトルフィルタリングデバイスの代替実施態様は、最小角度依存性を有する、フィルタをかけられた電磁エネルギ出力を生み出す干渉フィルタアセンブリを含む。非制限例として、そのようなフィルタデバイスは、本教唆によるフィルタをかけられた光の角度依存性を最小化するために誘電体層を更に有しつつ、光をフィルタするファブリ−ペローエタロンであり得る。

図１８は、最小の視野角依存性を有する、そして高い有効屈折率の光学メタマテリアルを含む共振器フィルタアセンブリを使用するカラーフィルタアセンブリ５００の例示的代替実施態様の断面図を示す。カラーフィルタアセンブリは透明な誘電体層５０４に隣接する基板５０２を含む。基板５０２及び透明な誘電体層５０４は、上述のもっと前の実施態様の文脈において前に論じられたシリカ（ＳｉＯ_２）又は如何なる他の透過性材料も含み得る。導電性ナノスケール又はマイクロスケールの導電性／金属製ワイアーグリッド又は格子構造５０６は誘電体層５０４に亘って配列される。導電性材料は、非制限例としてアルミニウム又は銀のような上述の材料の如何なるものでもあり得る。

「格子構造」とは、それを通して光の或る一つ又は複数の波長が通過することを可能にするために、それを通る一つ又はそれより多くの開口部を含む構造を形成するために、金属又はグラフェンのような高導電材料が使用されることを意味する。例えば、或る好ましい態様において、格子構造は、空間的に離れているが互いに対して実質的に平行な複数の導電材料の列又は明確な領域を含み得る。隣接する列の間の空間によって、それを通って光の或る波長が通過し得る複数の開口部が画成される。格子は、同様に空間的に離されるが実質的に互いに対して平行である第一の複数の列からの明確な向きを有する第二の複数の導電性列も含み得る。第一及び第二の複数の列は、グリッド又はメッシュ構造を形成するために、一つ又はそれより多くの場所で互いに交叉するか接触し得る。尚、好ましい態様において、格子は、少なくとも二つの開口部を形成するために、少なくとも二つの列を含むが、明確な格子構造の列及び層の数は二つにのみ限定されず、むしろ多数の異なる設計及び層を含み得る。更に、以下に述べるように、隣接する複数の導電列又は他の複数の領域は、好ましくは、互いからサブ波長距離（目標波長又は波長範囲未満の距離）で離され、列の各対の各々によって、その間の各開口部に対する明確な距離（又はスリット直径）が画成され得て、このようにして異なる波長の光がそれを通して走行することが可能になるであろう。このように、導電列が、場合により導電金属又はグラフェンを含む格子構造は、非制限例として、光学偏光子における共振器構造として採用され得る。

そのような格子構造は、最終用途に対して適合された種々の異なる形状を有することができる；例として、適するワイアーグリッド偏光子は、可視（約４００ナノメータから約８００ナノメータの範囲にある波長）からＩＲ（約１ミクロンから約１０ミクロンでの近赤外を含む、約０．７５ミクロンから約１ミクロンの範囲にある波長）における電磁エネルギ波を偏光する及び／又はフィルタすることに対して適する、約１ミクロン未満の周期（例えば、第一の機能と第二の機能の間のインターバル／距離、例えば、図１８における周期「ｄ」を参照）を有する。サブ波長の格子構造は、プラズモン共振器デバイスに対して、特に、望ましく、それは格子寸法の一つ又はそれより多くが、デバイスによってフィルタされる波長又は波長の範囲よりも小さいことを意味する（例えば、サブ波長格子は、０．７ミクロンの波長よりも短い、好ましくは約２００ミクロンよりも短い一つ又はそれより多くの寸法を有する可視光に対する格子構造を意味する）。サブ波長金属格子の形態における、サブ波長の金属格子の形態をした、本教唆によるワイアーグリッド又は格子構造は、それらが広い波長範囲に亘って、透過された横磁性（ＴＭ）偏光と反射された横電気（ＴＥ）偏光の間の高い消光比を供する故に、従来の偏光子フィルタに対する魅力的な代替である。

或る態様において、フィルタは光学共鳴プロセスを介して、少なくとも一部で生じる。ディスプレイデバイスは、光学共鳴を介したカラーフィルタのためのプラズモン共振器構造を含むディスプレイピクセルを含み得る。プラズモン共振器構造は、二つの平行な反射面を当然画成する導電性格子構造を含む。導電性格子構造は、ディスプレイデバイスによって生み出された電磁スペクトルの一部を透過できる少なくとも二つの開口部を含む。電磁波は、光共振器を介して、所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられたそして偏光出力を生み出すために、二つ又はそれより多くの開口部を通して透過され得る。或る変形例において、そのようなディスプレイデバイスは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）デバイスである。共振器構造は透明導電性電極及びそのようなＬＣＤディスプレイ用のピクセル中の偏光子として役立つ。

誘電体層５０４上に形成された金属列５０６のグリッド又は格子パターンによって、周期「ｄ」（複数の金属列５０６の第一の列５１５の第一の側５１４から金属列５０６の第二の隣接列５１７の第一の側５１６までと画成された距離）が画成される。各列５０６は厚み「Ｌ」を有する。隣接列５１５、５１７の間の距離［ａ］は、開口部（隙間又はスリット）又は間隙５１２と考えられる。尚、距離［ｄ］は金属列５０６を通して変わり得る。金属列５０６は高さ「Ｌ」を有し、そして各金属列５０６の幅は「ｗ」である。デューティサイクルはｆ＝ｗ／ｄによって画成される。周期性は、格子パターンにおける一対の列の間の少なくとも一つの期間（ｄ）のことであるが、二つより多い開口部がある場合、格子パターンにおける繰り返し期間（ｄ）のことを典型的に指す。このように、高透明共振器構造は、開口部５１２（ａ）を通して異なる波長の光が透過できるように、例えば、金属列５０６の幅（ｗ）及び期間（ｄ）を調節することによって設計され得る。同様に高いコンダクタンスは、列５０６を形成している金属材料のフィルムの厚み（Ｌ）を調節することによって達成できる。そのような格子パターン５００は、異なる性能基準に対して容易に調節され得る高度に柔軟な設計を供する。

或る態様において、反射型カラーフィルタデバイスはそのような導電性金属格子パターンを含み得る。或る態様において、厚い導電性金属層が基板（又は場合により、誘電体層）に適用できる。基板は、金属を適用される前にパターン化され得て、又は実質的に平らであり得る。複数の開口部、例えば、スリットは厚い金属層中に穴開けされ、エッチングされ又は他の方法で形成され得る。或る態様において、二酸化珪素のような誘電材料フィルムは、高いアスペクト比を有する複数の列又はフィンを画成するナノ格子の形態でパターン化できる。次いで、ナノ格子は導電性金属を用いるスパッタリングによって埋め戻される。例えば、本明細書において更に述べられる図１９Ａ及び１９Ｂを参照。

一つの例示的実施態様において、列５０６の間の隙間５１２（ａ）は約４０ナノメータであり、列５０６の間の周期（ｄ）は約１７０ナノメータ以上であり、（例えば、アルミニウムを含む）各金属列の５０６の高さ（Ｌ）又は厚みは約１７０ナノメータである。別の実施態様において、列５０６の間の隙間５１２（ａ）は約４０ナノメータであり、列５０６の間の周期（ｄ）は約１９０ナノメータ以上であり、（例えば、アルミニウムを含む）各金属列の５０６の高さ（Ｌ）又は厚みは約８０ナノメータである。更に別の実施態様において、列５０６の間の隙間５１２（ａ）は約４０ナノメータであり、列５０６の間の周期（ｄ）は約１９０ナノメータ以上であり、（例えば、アルミニウムを含む）各金属列の５０６の高さ（Ｌ）又は厚みは約１１０ナノメータである。

更なる背景として、図２３は、サブ波長電磁共鳴を有するカラーフィルタアセンブリの光学メタマテリアルとして使用される導電性格子構造ための設計原理の模式図を示し、ここで、導電性格子構造はサブ波長であり、大きな有効屈折率を示し、そして横電気（ＴＥ）偏光を反射しつつ、横磁気（ＴＭ）偏光を透過する能力を有する。高屈折率のメタマテリアルは、金属システムにおけるサブ波長伝播モードの存在故に、そのような格子構造を用いて創出できる。開口部又は隙間の周期的配置を有する金属フィルムで形成される導電性格子構造は、周波数に依存しない有効屈折率を有する誘電体層として見なさすことができる。このシステムにおける有効屈折率は幾何形状によって制御され、従って任意に高い屈折率が創出できて、それは、低い角度依存性カラーフィルタの或る変形例において、特に、有用である。このように、そのような格子構造設計をメタマテリアルとして採用する際に、有効屈折率は金属フィルムの幾何形状によって制御され、そしてポジティブで周波数に依存されず、そして任意に大きく設計できる。

図２３を参照して、厚い金属フィルム６００は一次元の周期的切り開きスリット又は開口部６０２を有する。開口部において、幅（「ａ」）が如何に小さいかに無関係に、電場がｘ方向を指している伝播ＴＥＭモードが存在する。このモードの存在によって、サブ波長スリット列を通る光の完全な透過が可能になる。示される通り、「ａ」は開口部又は各金属列６０４の間の隙間の幅であり、「ｄ」は周期であり、そして「Ｌ」は金属フィルムの厚みである。有効屈折率は

であり、一方、厚みは

であると思われる。ＴＭ偏光のための金属フィルム６００の性質は、独特に画成された屈折率「ｎ」及び幅又は厚み

を有する誘電体層のそれらに漸近的に近づくと思われる。大きな

比はこのように高い有効屈折率ｎに達する。このようにスリット又は開口部６０２を有する金属フィルム６００の透過性は、屈折率

及び厚み

を有する誘電体スラブのそれらと漸近的に等しいと思われる。誘電体スラブに対する格子構造のこの対応は、望ましくは全ての斜め入射角に対しても同様に有効に留まる。この点に関して、金属フィルム６００の厚みＬ、各開口部６０２の周期ｄ及び隙間幅ａは、カラーフィルタのとき、角度依存性を最小化する、望ましくは高い屈折率の材料を設計するために採用され得る。

望まれる屈折率を有するそのような導電性格子構造の設計は、本明細書に参照することにより全開示が取り込まれているものとする、Shenらの、「高屈折率を有する金属製メタマテリアルを設計するための機構」（Mechanism for Designing Metallic Metamaterials with a High Index of Refraction)、Physical Review Letters、94(19)、pp.197401-1:4（２００５年５月２０日）に述べられている。本発明技術の或る態様によるスペクトルフィルタは、一組の誘電体層の頂部上にサブ波長金属格子を作成することによって得られることができ、それはある態様において、本明細書に参照することにより取り込まれているものとする、Kaplanらの「ナノインプリントリソグラフィを使用して製作された同調型透過バンド幅を有する高効率共鳴系カラーフィルタ」（High Efficiency Resonance-Based Color Filters with Tunable Transmission Bandwidth Fabricated Using Nanoimprint Lithography)Appl.Phys. Lett.99、143111、2011に述べられている。図１９Ａ及び１９Ｂは、基板（スケールバーは各々４００ナノメータ及び３００ナノメータ）上に制作された高屈折率の導電性メッシュ格子ナノ構造（光学メタマテリアル）の二つの明確な実施態様の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。

図１９Ａにおいて、ナノ格子構造は約２２０ナノメータの周期を有し、そして図２０Ａにおいて、ナノ格子構造は約１８０ナノメータの周期を有する。図１９Ｂ及び２０Ｂは、４５°、５５°、６５°、及び７５°の各々の入射視野角でのこれらの構造の各々に対する横磁性（ＴＭ）偏光の波長対反射を示す。見られ得る通り、図２０Ａにおける１８０ナノメータの周期構造は、図１９Ａにおける構造よりも、より少ない角度依存性（各視野角でのより少ない波長シフト）を示す。しかしながら、そのようなナノ格子構造は、フィルタ（反射又は透過）されるべき光の望まれる波長に基づいて角度依存性を低減するために設計されそして最適化され得て、そのようにして最小視野角依存性を有する優れたカラーフィルタデバイスを形成する能力を供する。

更に、本開示の或る態様において、フィルタアセンブリ５００は、隙間５１２（又は開口部又はスリット）を満たし、そしてその中に埋め込まれ、そして図１８において金属格子構造５０６を覆う材料５２０を含むことができる。そのような材料５２０は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、又は当業技術において周知である誘電性を有する種々のポリマーのような、上で論じられた如何なる材料のような第二の誘電材料であり得る。このように、図１８において示される通り、格子中のナノスリット又は開口部を通して電磁照射又は光が共鳴的に通過するサブ波長金属格子の大きな有効屈折率を採用する角度許容ファブリ−ペローカラーフィルタの別の設計が供される。（ナノ格子の下方の随意の層に加えて第二の誘電材料であり得る）誘電材料は、金属製格子構造の開口部又はスリット中に埋め込むことができる。更に、そのような実施態様は有利なことに、偏光された入りフィルタを供し、それは横磁気（ＴＭ）偏光を透過し、一方、横電気（ＴＥ）偏光波を反射する。或る変形例において、ＴＥの透過は１パーセント未満である。

このように、或る態様において、最小角度依存性を表示する共鳴フィルタアセ
ンブリを含む光スペクトルフィルタリングデバイスが供される。フィルタアセンブリは、導電性金属格子構造を含む誘電材料及び共振器構造を含む。導電性金属格子構造は、所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられたそして偏光出力を、光共振器を介して生み出すために、電磁スペクトルの一部を透過できる少なくとも二つの開口部を含む。偏光出力は、好ましくは、透過された横磁気（ＴＭ）偏光であり、一方、横電気（ＴＥ）偏光は実質的に反射される。そのような偏光子カラーフィルタデバイスの使用によって、偏光子構造に対する必要性を排除することにより、単純化されたＬＣＤ構造が供され得る。それは、一つの偏光子シートが排除され得る故に、ＬＣＤパネル用途に対して有利である、偏光された透過も生み出す。

或る態様において、本教唆によって、光スペクトルフィルタリングデバイスの角度依存性を低減する方法が供される。一つの変形例において、本方法は、誘電材料及び導電性金属格子構造を含む共振器構造を含む共振器フィルタアセンブリ組み込むことを含む。導電性金属格子構造は、所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられたそして偏光出力を、光共振器を介して生み出すために、電磁スペクトルの一部を透過できる少なくとも二つの開口部を含む。このように、フィルタアセンブリは最小角度依存性を有し、そしてフィルタアセンブリが０度から９０度の範囲にある入射角から観察されるとき、５０ナノメータ以下で外れる所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力を生み出すことができる。

格子構造（格子構造の寸法）の一つ又はそれより多くの開口部又はスリット中に埋め込まれた二酸化珪素（ＳｉＯ_２）の誘電材料を有する図１８におけるそれに類似した構造に対する波長対透過の比較シミュレーション結果が図２１において示される。埋め込まれた誘電材料は如何なる従来の誘電材料でもあり得る。誘電材料を埋め込まれた導電性格子構造によって形成された光学メタマテリアルはこのように、約１．５より大きい；場合により、約１．７５より大きい；場合により、約２より大きい；場合により、約３より大きい；場合により、約４より大きい；全体的な有効屈折率を有し得る。

青のカラーフィルタは、約４０ナノメータの隙間ａ、約１７０ナノメータの間の周期（ｄ）、及び約７０ナノメータの厚み又は高さ（Ｌ）を有するアルミニウムを含む光学メタマテリアル格子構造を有するように設計され、ここで、誘電体層及び基板は二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を含み、そして格子開口部の間を満たす頂部誘電体層はＡｌ_２Ｏ_３である。Ｓｉ_３Ｎ_４のような高屈折率を有する他の誘電材料も、導電性格子構造中の開口部を満たす材料として採用できる。緑カラーフィルタは約４０ナノメータの隙間ａ、約１９０ナノメータの間の周期（ｄ）、及び約８０ナノメータの厚み又は高さ（Ｌ）を有するアルミニウムを含む格子構造を有するように設計され、ここで、誘電体層及び基板は二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を含み、そして格子開口部の間を満たす頂部誘電体層は、約１．７６の有効屈折率を有するＡｌ_２Ｏ_３である。最後に、赤カラーフィルタは、約４０ナノメータの隙間ａ、約１９０ナノメータの間の周期（ｄ）、及び約１１０ナノメータの厚み又は高さ（Ｌ）を有するアルミニウムを含む格子構造を有するように設計され、ここで、誘電体層及び基板は二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を含み、そして格子開口部の間を満たす頂部誘電体層は、約１．４５の有効屈折率を有するＡｌ_２Ｏ_３である。図２１から見られ得る通り、青、緑、及び赤フィルタの各々は、対象となる異なる波長で少なくとも７５パーセントの透過率を有する。

図２２は、反射の計算されたマップを有し、そして６０度の入射視野角まで強い角度許容誤差を示す、上で丁度論じられた、赤カラーフィルタ設計の例を示す。これらのフィルタの角度非依存性は、理想的金属に対して、（ｄ／ａ）の因子だけ増大させられる、金属スリット構造の有効屈折率故であると思われる（つまり、逆デューティサイクル）。層の有効屈折率がｄ／ａの因子だけ向上される故に（ここで、ｄは格子の周期であり、そしてａはスリット幅である）、光が斜めに入射されても、光は直角方向に近く、有効ファブリ−ペロー空洞内部に屈折される。例えば、図１８において示されたもののような設計を有するこの構造において、金属製格子の二つの面は、当然、反射面を供する。種々の態様において、本教唆によって、上述の又はここで述べられる如何なる実施態様にもよる、低減された角度依存性を有する干渉フィルタアセンブリを含む光スペクトルフィルタリングデバイスが供される。

更に、或る変形例において、光スペクトルフィルタリングデバイスは、ファブリ−ペロー系カラーフィルタであり得て、それは本教唆による最小角度依存性を有しそして更に場合により同調性を有して作ることができる。例えば、所定の波長範囲（カラースペクトル）を有するフィルタをかけられた色出力は、その屈折率が電場をかけることによって修正できる、高屈折率材料の使用によって電気的に同調可能である。更に、各々が金属を含む平行な反射面の対は電圧をかけるための電極として便利に機能できる。図１６は、そのようなフィルタデバイスから電場をかけることによって、青から緑に同調された透過性カラースペクトル（液晶誘電体を含む透過型同調型ファブリ−ペロー系スペクトルフィルタに対する波長対透過）の例を示す。図１７は、本教唆の或る態様による同調型ファブリ−ペロー系スペクトルフィルタにおける誘電材料としての使用に対する、液晶の屈折率対かけられた電圧の模式図を示す。適切な材料は、本明細書に参照することにより全開示が取り込まれているものとする、Zhangらの、「光ファイバシステム用の新規同調型液晶ファブリ−ペローフィルタ」(Novel Tunable Liquid Crystal Fabry-Perot Filters For Fiber-Optical Systems)、Prog.SPIE.0277(2001)において教唆される。そのような性質は、バックライトユニット（光源）が、例えば、特定の発光スペクトルを有する発光ダイオードによって作られる場合の、カラーピクセルの透過強度を制御するためにも使用できる。

上で論じられた通り、或る実施態様において、光スペクトルフィルタリングデバイスは対称的であるフィルタアセンブリ構造を有することができる。フィルタアセンブリにおける層のそのような対称性は、カラーフィルタデバイスを通してフィルタをかけられた波長の全体的反射又は透過を増大させると思われる。

種々の態様において、本開示は光スペクトルフィルタリングデバイスの角度依存性を低減する方法も供する。フィルタアセンブリにおいて使用されるために選択される、特に好ましい誘電材料は、約１．６以上；場合により約１．７以上；場合により約１．８以上；場合により約２．０以上；場合により約２．２以上；場合により約２．５以上；場合により約３以上；場合により約３．５以上；場合により約４以上；そしてある態様においては、場合により約５以上の屈折率を有し得る。

そのようなフィルタアセンブリは、フィルタアセンブリが０度から９０度の範囲にある入射角から観察されるとき、最小のはずれを有する、所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力を生み出し、従ってフィルタアセンブリの角度依存性は低減される。例えば、フィルタをかけられた出力の最小偏差は最小角度依存性として表すことができる。

ある変形例において、カラーフィルタデバイスの最小角度依存性は、９０度の入射角での第二の波長と較べて、０度の入射角での第一の波長の間の違いを比較したとき、８０ナノメータ以下だけ；場合により７０ナノメータ以下だけ；場合により６０ナノメータ以下だけ；変わる所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力に対応する。或る特別に有利な変形例において、カラーフィルタデバイスの最小角度依存性は、（９０度の入射角で観察された第二の波長と較べて、０度の入射角で観察された関心のある第一の波長の間の違いを比較したとき）、入射可能角の範囲に基づいて、５０ナノメータ以下だけ；場合により約４５ナノメータ以下だけ；場合により約４０ナノメータ以下だけ；場合により約３５ナノメータ以下だけ；場合により約３０ナノメータ以下だけ；変わる（例えば、波長シフトを有する）所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力に対応する。

ある他の変形例において、ファブリ−ペロー系カラーフィルタの反射面の平行な対を形成する第一及び第二の反射面は、代わりに他の材料からも同様に作られ得る。例えば、他の態様において、スペクトルフィルタリングデバイスは、或る波長範囲内の反射性を所有する分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）又は一次元のフォトニック結晶を含む二つの反射器によって挟まれた高屈折率欠陥空洞層を使用することによって、最小角度依存変化を有し得る。ＤＢＲは、異なる屈折率を有する、又は（高さのような）特定の性質の周期的変化を有する代替材料の多層で典型的に形成され、その結果、ＤＢＲの有効屈折率における周期的変化が生じる。各層の境界によって、光波の部分的反射が生じることになる。典型的には、フォトニック結晶は、高いそして低い誘電率の規則的に繰り返す内部領域を有する周期的な誘電又はメタロ誘電体ナノ構造から構成される。一次元のフォトニック結晶は、ブラッグ格子のような、一つの方向にバンドギャップを形成するために、蒸着された又は一緒に接着された異なる誘電率の層を有する。

種々の態様において、本教唆による光スペクトルフィルタリングデバイスは、ディスプレイデバイス用のカラーフィルタ、例えば、ピクセルとしての使用に対して特に適している。このように、最小角度依存性を有する光スペクトルフィルタリングデバイスは、平面パネルディスプレイ、液晶ディスプレイ、プロジェクションディスプレイ、眼に装着するディスプレイ、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像センサ、発光ダイオードなどのような用途において、特に、有用である。

従って、本技術によって、視野角依存性示すことなくスペクトルフィルタリング機能を供することができる、透過型及び反射型の両者を含む、金属−誘電体−金属共振器構造、又は金属格子−誘電体共振器構造が供される。上述の本技術は、透過型又は反射型のどちらかの、特に、三次元（３−Ｄ）プロジェクションディスプレイのような、高入力パワー用途に対する、如何なる平面パネルディスプレイにも一般的に適用可能である。薄いフィルムルムフィルタ構造の設計によって、カラーフィルタ製作及び全体的なより高い透過効率のための、反射された光の再利用が簡略化できる。

実施態様の上記記述は説明及び記述の目的で供されてきた。それは網羅的であること又は開示を制限することを意図されていない。特別な実施態様の個々のエレメント又は機能は、一般的にその特別な実施態様に制限されず、適切な場合、特定的に示されて又は述べられていなくても、相互交換可能でありそして選択された実施態様において使用され得る。同じことは多くの方法においても変更され得る。そのような変更例は本開示から逸脱するものとして見なされるべきではなく、そして全てのそのような修正は本開示の範囲内に含まれると意図される。

Claims (24)

1. 光スペクトルフィルタリングデバイスであって：
   平行な反射面の対の間に配列された、約１．５より大きな屈折率を有する誘電材料を含む干渉フィルタアセンブリを含んでなり；ここで、フィルタアセンブリは、電磁スペクトルの一部を透過でき、最小角度依存性を表示する所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力を生み出す、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
2. 請求項１に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、平行な反射面の各々が、銀、アルミニウム及びそれらの組合せから成るグループから選択される金属を含む、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
3. 請求項１に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、平行な反射面の各々が、屈折率コントラストを有する大量の誘電体層を含む、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
4. 請求項１に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、誘電材料が、約２以上の有効屈折率を有する光学メタマテリアルの部分を形成する、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
5. 請求項４に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、光学メタマテリアルが、複数のサブ波長のスリットを含む金属製格子構造を含み、ここで、誘電材料がサブ波長のスリット中に埋め込まれる、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
6. 透過フィルタである、請求項１に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、その結果、フィルタアセンブリが、誘電材料内への平行な反射面の対の一方を通して、平行な反射面の対の他方に電磁スペクトルの一部を透過でき、電磁スペクトルの一部がフィルタアセンブリの第一の側で入り、そしてフィルタをかけられた出力が第一の側の反対の第二の側で出ていくように、それが透過される上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
7. 請求項６に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、フィルタアセンブリを出ていくフィルタをかけられた出力の所定の範囲の波長が可視光の範囲にあり、そして赤、緑及び青から成るグループから選択される色を有する、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
8. 反射フィルタである、請求項１に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、その結果、フィルタアセンブリが、該誘電材料内への平行な反射面の対の一方を通して、平行な反射面の対の他方に電磁スペクトルの一部を透過でき、ここで、電磁スペクトルの一部がフィルタアセンブリの第一の側で入り、そしてフィルタをかけられた出力が第一の側の第一の側で出ていくように、それが反射される、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
9. 請求項８に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、フィルタアセンブリを出ていくフィルタをかけられた出力の所定の範囲の波長が可視光の範囲にあり、そしてシアン、マゼンタ及び黄色から成るグループから選択される色を有する、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
10. 請求項１に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、誘電材料が、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、及び酸化チタン（ＴｉＯ_２）から成るグループから選択される、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
11. 請求項１に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、フィルタアセンブリを出ていくフィルタをかけられた出力の所定の範囲の波長が赤外スペクトルの範囲にあり、そして誘電材料が、珪素（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）から成る半導体のグループから選択される、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
12. 請求項１に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、平行な反射面の対が第一の反射面を含み、そしてフィルタアセンブリが更に、誘電材料に隣接する第一の側を画成する透過性基板を含み、第一の反射面が透過性基板の第一の側上に配列される、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
13. 請求項１２に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、フィルタアセンブリのアーキテクチャが、フィルタをかけられた出力の透過又は反射を向上させるために、対称的である、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
14. 請求項１２に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、平行な反射面の対が、誘電材料を挟んでいる第一の反射面及び第二の反射面を含み、ここで、第一の反射面に隣接する側から、第二の反射面に隣接する反対側へと測定された誘電材料の厚みが、フィルタアセンブリを通って透過される所定の範囲の波長を決定する、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
15. 請求項１に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、フィルタアセンブリが、ディスプレイデバイス又はイメージングデバイス用のカラーフィルタとして使用され、そして最小角度依存性が、フィルタアセンブリの０から９０度の範囲にある入射角から５０ナノメータ以下だけ変わる所定の範囲の波長に対応する、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
16. 請求項１に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、フィルタアセンブリが同調型構造であり、そして電場同調型特性を有する誘電材料を含む、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
17. 請求項１に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、誘電材料が、約３以上の有効屈折率を有する、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
18. 光スペクトルフィルタリングデバイスであって：
    一対の平行な反射面の間に配列された、約１．５より大きな屈折率を有する誘電材料を含む干渉フィルタアセンブリを含んでなり、ここで、各反射面は、金属を含み；そして
    ここで、フィルタアセンブリは、フィルタアセンブリを出ていく所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力を生み出すために、電磁スペクトルの一部を誘電材料内に透過でき、ここで、所定の範囲の波長が、０度の入射角から９０度の入射角で約５０ナノメータ以下変わるように、フィルタをかけられた出力が所定の範囲の波長を有し、そして最小角度依存性を表示する、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
19. 光スペクトルフィルタリングデバイスであって：
    一対の平行な反射面の間に配列された、高い屈折率の誘電材料を含む干渉フィルタアセンブリ、ここで、各反射面は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）又は一次元のフォトニック結晶を含む、を含んでなり；そして
    ここで、フィルタアセンブリは、フィルタアセンブリを出ていく所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力を生み出すために、電磁スペクトルの一部を誘電材料内に透過できる、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
20. 請求項１９に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、所定の範囲の波長が、０度の入射角から９０度の入射角で約５０ナノメータ以下変わる、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
21. 最小角度依存性を有する光スペクトルフィルタリングデバイスを作る方法であって：
    ポリマー状レジスト材料を約２より大きい屈折率を有する誘電材料に塗布し、そしてポリマー状レジストを所定の高さを有する金型と接触させること；
    ポリマー状レジスト及び誘電材料をエッチングすること；及び
    一対の平行な反射面を含む、約２より大きい屈折率を有する干渉フィルタアセンブリを形成するために、残りの誘電材料に亘って金属を適用すること、ここで、干渉フィルタアセンブリからのフィルタをかけられた出力は、最小角度依存性を表示する、所定の範囲の波長を生み出す；を含んでなる、上記方法。
22. 光スペクトルフィルタリングデバイスの角度依存性を低減する方法であって、方法は：
    一対の平行な反射面を含む干渉フィルタアセンブリに、約１．５より大きい屈折率を有する誘電材料を組み込むこと、ここで、各反射面は金属を含み、その結果、フィルタアセンブリが０度から９０度の範囲にある入射角から観察されるとき、フィルタアセンブリが、５０ナノメータ以下で外れる所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられた出力を生み出す；を含んでなる、上記方法。
23. 光スペクトルフィルタリングデバイスであって：
    光学メタマテリアルを形成する導電性の金属格子構造を含む共振器構造を含む最小角度依存性を表示する共鳴フィルタアセンブリ、ここで、導電性の金属格子構造は、光学共鳴を介して、所定の範囲の波長を有するフィルタをかけられたそして偏光出力を生み出すために、電磁スペクトルの一部を透過できる少なくとも二つの開口部を含む、を含んでなる、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。
24. 請求項２３に記載の光スペクトルフィルタリングデバイスであって、少なくとも二つの開口部がサブ波長であり、そして導電性の金属格子構造を含む共振器構造が更に、少なくとも二つの開口部中に埋め込まれた誘電材料を含む、上記光スペクトルフィルタリングデバイス。

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