JP2015094861A - 光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】入射角依存性の小さな光学フィルタを実現すること。
【解決手段】光学フィルタは、ＳｉＯ₂ からなる基板１０と、基板１０上に位置する周期構造体１１と、周期構造体１１上に位置するキャップ層１２によって構成されている。周期構造体１１は、Ｓｉからなる複数のドット１１ａが、基板１０上に正方格子状に配列された構造である。ドット１１ａは正四角柱であり、平面視での形状は正方形である。キャップ層１２はＳｉＯ₂ からなり、周期構造体１１上に位置するとともにドット１１ａ間の領域１１ｂを埋めるように形成されている。設計波長をλ、設計入射角をθ、基板１０の屈折率をｎ１、ドット１１ａの屈折率をｎ２として、周期構造体１１の周期長Ｌはλ／ｎ１、ドット１１ａの幅Ｗは周期長Ｌの１／２、ドット１１ａの高さｈは（λ／ｎ２）・ｃｏｓθである。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定波長の光を透過させる光学フィルタに関する。特に、波長透過特性の入射角依存性が小さなものに関する。

近年、赤外線センサがさまざまな用途で用いられている。その赤外線センサのＳＮ比を向上させて高精度にする目的で、赤外線センサに入射する光のうち外乱光をカットする光学フィルタが使用されている。

そのような光学フィルタ、すなわち、所望の波長帯域を透過させ、他の波長帯域は透過させないバンドパスフィルタとして動作する光学フィルタとして、以下の４つのものが挙げられる。

１つは、色素系材料を用いた光学フィルタである（特許文献１参照）。色素系のレジストをカラーＣＣＤなどの画素上に塗布してカラーフィルタとする方法が、液晶ディスプレイに広く用いられている。このような光学フィルタは、主として可視光領域を透過させるものである。

他の１つは、誘電体多層膜を用いた光学フィルタである（特許文献２〜４参照）。誘電体多層膜は、屈折率の異なる２つの誘電体を交互に複数回繰り返し積層させた構造であり、各層の厚さを所定の値とすることで、所望の波長の光を反射あるいは透過させることができる。特許文献３、４には、一方の誘電体としてＳｉを用いることが記載されており、これにより透過領域が赤外線領域である光学フィルタを実現している。

他の１つは、表面プラズモン共鳴を利用した光学フィルタである（特許文献５〜１０参照）。この光学フィルタは、周期的構造を有する金属層を有した構造であり、金属と誘電体との界面で生じる表面プラズモン共鳴を利用する。周期的構造の周期長を調整したり、ホールやドットの形状を工夫することによって、所望の透過域を得たり、プラズモン増強による透過率の向上が試みられている。

他の１つは、ＳｉＯ₂ などの基板上にＳｉからなるドットを２次元周期的に配列した光学フィルタである（特許文献１１〜１３参照）。この光学フィルタは、ドットの大きさや周期長に依存する特定波長のみがドット部分を導波路として透過できるので、バンドパスフィルタとして動作する。

特開２０１０−１３４３５３ 特開２００８−５３８３ 特開２０１３−５４３６８ 特開２０１０−１８６１４５ 特開２００８−２７００６１ 特開２００６−５０９３５８ 特開２０００−１１１８５１ 特開２００７−２５８６５７ 特開２０１０−１６０２１２ 特開２０１１−１７１５１９ 特開２０１１−１３３３０ 特開２００７−４１５５５ 特開２０１０−２８６７０６

しかし、特許文献１のような色素系材料を用いた光学フィルタは、紫外線により特性が劣化してしまうなど耐環境性が悪いという欠点がある。また、赤外線領域において特性のよい材料がない。

また、特許文献２〜４のような誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、透過スペクトルの入射角依存性が大きく、入射角が大きくなると透過波長のピークが短波長側にシフトしてしまう問題がある。また、透過帯域を狭くするためには１０層以上積層させる必要があり、作製が容易でなく高コストである。

また、特許文献５〜１０のような表面プラズモン共鳴を利用した光学フィルタは、透過率を高くしたり透過帯域を狭くしたりすることが難しい。また、入射角度によって透過波長が変化する問題もある。

また、特許文献１１〜１３のような周期構造を用いた光学フィルタは、光を垂直入射させる場合を前提としており、斜めに入射させる場合が考慮されていない。そのため、入射角依存性が特許文献１１〜１３の記載からは不明である。また、特許文献１１、１２では光の波長として可視光領域のみが考慮されており、赤外領域での動作が不明である。また、特許文献１３では近赤外領域での動作が不明である。

このように従来の光学フィルタでは、透過スペクトルの入射角依存性が小さく、耐環境性に優れ、安価に製造できるものを実現することが困難であった。

そこで本発明の目的は、透過スペクトルの入射角依存性が小さい光学フィルタおよびその製造方法を提供することである。

本発明は、主面に対して設計入射角θで入射する光のうち、設計波長λの光を透過させる光学フィルタにおいて、設計波長λに対して透光性を有した材料からなる透過層と、透過層よりも屈折率が高く、設計波長λ近傍のある波長よりも短波長側、あるいは長波長側は吸収する材料からなり、透過層上にドットを２次元周期的に配列した周期構造体と、を有し、周期構造体の周期長Ｌは、ｍ１・（λ／ｎ１）、ここでｎ１は透過層の屈折率、ｍ１は１以上の整数、ドットの高さｈは、ｍ２・（λ／ｎ２）、ここでｎ２はドットの屈折率、ｍ２は１以上の整数、ドットの幅Ｗは、周期長Ｌの１／２、であることを特徴とする光学フィルタである。

本発明における屈折率は、設計波長λにおける複素屈折率の実部の値を意味する。また、設計入射角θは、光学フィルタの主面に対する角度であり、入射面に対して垂直方向に入射する角度を０°として定義する。

基板は、設計波長λにおいて透光性を有し、ドットよりも屈折率の低い任意の材料を用いることができる。たとえば、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ 、ＬｉＦ、ＺｎＳなどを用いることができる。基板の屈折率とドットの屈折率の差は、２以上とすることが望ましい。屈折率差が大きいほど光学フィルタの特性が向上するためである。

周期構造体における２次元周期的なドットの配列とは、平面を周期的に単位構造で充填する場合に各単位構造中にドットを配置した構成である。たとえば、三角格子状、正方格子状、あるいは六方格子などである。また、周期構造体の周期長Ｌとは、あるドットから隣接する最も距離の近いドットへ向かう方向における周期長を意味する。

ドットの平面視での形状は任意の形状でよいが、対称性の高い形状とすることが光学フィルタの特性向上のため望ましい。たとえば、正三角形、正方形、正六角形、円などである。それらの角の一部ないし全部が丸まった図形であってもよいし、それらの辺の一部ないし全部がゆるやかに湾曲している図形であってもよい。また、ドットの立体形状は、角柱、角錐、角錐台、円柱、円錐、円錐台などの形状であってもよい。

ドットの材料は、設計波長λ近傍のある波長よりも短波長側、あるいは長波長側は吸収する材料であれば任意の材料を用いることができる。設計波長λ近傍のある波長とは、たとえば０．７５λから１．２５λの範囲の波長である。具体的には半導体材料を用いることができ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＳ、Ｓｂ₂ Ｓ₃ 、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅなどを用いることができる。半導体には不純物をドープとして吸収端を制御してもよい。

周期長Ｌは、λ／ｎ１の整数倍とする。特に周期長Ｌをλ／ｎ１とすることが簡易で光学フィルタの特性上も望ましい。ドットの幅Ｗは、周期長Ｌの１／２とする。このようにすることで設計波長λの設定が容易となる。ドットの高さｈは、λ／ｎ２の整数倍とする。特にλ／ｎ２とすることが簡易で光学フィルタの特性上も望ましい。ドットの高さｈは、設計入射角θに応じて設定してもよく、（λ／ｎ２）・ｃｏｓθの整数倍とすることができる。これにより、設計入射角θにおける設計波長λの光の透過率を向上させることができる。特に（λ／ｎ２）・ｃｏｓθとするのが簡易で望ましい。

なお、周期長Ｌ、ドットの幅Ｗ、高さｈは、上記の値に限るものではなく、本発明の光学フィルタの特性を発揮させることができる範囲で上記値からずれた値であってよい。たとえば１０％程度の誤差は許容される。

設計波長λは、可視光から赤外領域までの任意の波長でよいが、０．７〜２μｍの範囲内とするのが望ましく、設計入射角θは４０〜６０°の範囲内とすることが望ましい。このような範囲では、簡易かつ入射角度依存性の小さな光学フィルタが従来実現されていなかったためである。また、本発明では、設計波長λ０．７〜２μｍにおいて、入射角度を４０°〜６０°に変化させたときに透過ピークのシフトが１０ｎｍ以下の非常に入射角依存性が小さな光学フィルタを実現することができる。

本発明の光学フィルタは、基板裏面側と周期構造体表面側のどちら側から光を入射させても動作させることができる。

周期構造体を覆うようにして基板と同一の屈折率からなるキャップ層を設けることが望ましい。周期構造体を物理的・化学的なダメージなどから保護して耐環境性を高めることができる。また、周期構造体とキャップ層との間の伝搬モードが効率的に結合して透過率を向上させることができる。特にキャップ層の材料を基板と同一とすることが簡便で望ましい。

本発明によれば、簡単な構成により入射角依存性の小さなバンドパスフィルタを構成することができる。本発明は特に近赤外光のバンドパスフィルタとして有用であり、赤外線センサーの窓に本発明の光学フィルタを用いることでセンサのＳＮ比を向上させることができる。また、本発明の光学フィルタはドットの高さで設計入射角θを容易に設定することができ、設計入射角θにおける透過率を最適化することができる。

実施例１の光学フィルタの構成を示した断面図。 実施例１の光学フィルタを情報から見た平面図。 実施例１の光学フィルタの製造工程を示した図。 シミュレーションにより算出した透過スペクトルを示したグラフ。 光学フィルタ中の電界分布を示した図。 実施例１の光学フィルタの透過スペクトルを示したグラフ。 シミュレーションにより算出した透過スペクトルを示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の光学フィルタの構成を示した断面図であり、図２はその平面図である。図１のように、実施例１の光学フィルタは、基板１０と、基板１０上に位置する周期構造体１１と、周期構造体１１上に位置し、前記周期構造体１１を封止するキャップ層１２と、を有している。実施例１の光学フィルタは、設計入射角θ（＝４０°）で入射する光のうち設計波長λ（＝９００ｎｍ）の波長成分を透過させ、他の波長帯は透過させないバンドパスフィルタとして動作する。なお、入射角度は、基板１０主面に垂直な方向と光の入射方向との成す角であり、入射面に対して垂直方向に入射する角度を０°として定義する。

基板１０は、厚さ２μｍのＳｉＯ₂ からなる。他にも光学フィルタの設計波長λにおいて透光性（たとえば８０％以上の透過率）を有した任意の材料を用いることができる。たとえば、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ 、ＬｉＦ、ＺｎＳなどを設計波長λに応じて用いることができる。

周期構造体１１は、Ｓｉからなる複数のドット１１ａが、基板１０上に正方格子状に配列された構造である。ドット１１ａ間の領域１１ｂは、キャップ層１２によって埋められている。キャップ層１２に替えて、ドット１１ａよりも屈折率の低い材料によって埋めてもよい。

ドット１１ａは、アモルファスのＳｉからなる。Ｓｉ以外にも、基板１０よりも屈折率が高く、かつ、設計波長λ近傍のある波長より短波長側あるいは長波長側において吸収（望ましくは透過率が２０％以下、さらに望ましくは１０％以下）する材料であれば任意の材料を用いることができる。吸収する帯域以外の帯域ではなるべく透過率が高い材料が好ましい。設計波長λ近傍とは、たとえば０．７５λから１．２５λの範囲である。Ｓｉは１．１μｍ以下の波長帯域の光を吸収し透過率０％であるから、確かに設計波長λ（＝９００ｎｍ）の近傍の１．１μｍより短波長側を吸収する材料であり、この条件を満たしている。Ｓｉ以外の具体的な材料を挙げると、Ｇｅ、ＣｄＳ、Ｓｂ₂ Ｓ₃ 、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、などの半導体材料であり、設計波長λに応じて用いることができる。不純物をドープすることにより吸収端を制御してもよい。

ドット１１ａは、アモルファスに限らず、多結晶あるいは結晶の材料であってもよい。また、基板１０とドット１１ａの屈折率差はなるべく大きいことが望ましく、たとえば２以上の屈折率差が望ましい。屈折率差が大きいほど光学フィルタの透過スペクトルの入射角依存性が低減されるためである。

ドット１１ａは正四角柱であり、平面視での形状は正方形である。その正方形の一辺の長さ（ドット１１ａの幅、正方格子の一辺の長さ）は３１０ｎｍである。また、隣接するドット１１ａの中心間の距離（周期長Ｌ）は６２０ｎｍであり、λ／ｎ１、ここでｎ１は基板１０の屈折率（ｎ１＝１．４５）、となっている。また、ドット１１ａの幅Ｗは周期長Ｌの１／２である。また、ドット１１ａの高さｈは１７０ｎｍであり、およそ（λ／ｎ２）・ｃｏｓθ、ここでｎ２はドット１１ａの屈折率（ｎ２＝３．４５）、となっている。周期長Ｌはλ／ｎ１の整数倍でもよく、ドット１１ａの高さｈは（λ／ｎ２）・ｃｏｓθの整数倍でもよい。

なお、実施例１ではドット１１ａの平面視での形状は正方形であるが、それ以外にも正三角形、正六角形、円などの図形であってよく、それらの角の一部、または全部が丸まった図形であってもよい。また、実施例１ではドット１１ａの立体形状は正四角柱であるが、角柱、角錐、角錐台、円柱、円錐、円錐台などの形状であってもよい。

また、実施例１では、ドット１１ａは正方格子状に配列されているが、他の２次元周期的な配列であってもよい。ただし、偏光依存性を低減するためには三角格子、正方格子、六方格子などの回転対称性の高い配列とすることが望ましい。

キャップ層１２はＳｉＯ₂ からなり、周期構造体１１上に位置するとともにドット１１ａ間の領域１１ｂを埋めるように形成されている。各ドット１１ａは、キャップ層１２によって封止された格好となっている。キャップ層１２の厚さ（周期構造体１１上の領域）は、２．５μｍである。このようにキャップ層１２によって周期構造体１１を封止することで、周期構造体１１に対する物理的、化学的な影響を低減して耐環境性を高めている。また、キャップ層１２を基板１０と同一材料とすることで、設計波長λにおいてドット１１ａとキャップ層１２との間の伝搬モードが効率的に結合するため、実施例１の光学フィルタの透過率を向上させることができる。

なお、キャップ層１２はなくてもよいが、ドット１１ａが物理的、化学的にダメージを受ける可能性があるなど耐環境性が悪くなり、光学フィルタとしての特性が経時的に劣化してしまう可能性がある。また、キャップ層１２を設けないと周期構造体１１と空間との屈折率の違いによって光が反射してしまい透過率が悪化してしまう。それらの問題のため、基板１０と同一材料のキャップ層１２を設けることが望ましい。また、キャップ層１２がドット１１ａ間の領域１１ｂを埋めないようにし、領域１１ｂに透光性でドット１１ａよりも屈折率の低い他の材料で埋めるようにしてもよい。あるいは、領域１１ｂを空間領域としてもよい。

次に、実施例１の光学フィルタの製造方法について、図３を参照に説明する。

まず、基板１０上にスパッタによってアモルファスシリコンからなるＳｉ膜１３を形成する（図３（ａ）参照）。次に、Ｓｉ膜１３上にポジ型のレジスト１４を塗布し、ＥＢ描画によってドットが正方格子状に配列されたパターンのマスクパターンを形成する（図３( ｂ））。レジスト１４のパターニングは、ナノインプリントなどの方法を用いることもできる。次に、レジスト１４をマスクとしてＳｉ膜１３をＩＣＰエッチングし、その後レジスト１４を除去することでＳｉ膜１３のパターニングを行う。これにより、基板１０上にＳｉからなるドット１１ａが正方格子状に配列された周期構造体１１が形成される（図３（ｃ））。Ｓｉ膜１３はウェットエッチングなどによってもパターニングすることができる。次に、周期構造体１１を覆うようにしてスパッタによりキャップ層１２を形成する。以上によって図１に示す実施例１の光学フィルタが作製される。なお、Ｓｉ膜１３やキャップ層１２の成膜はスパッタ法に限らず、真空蒸着法、ＣＶＤ法など、従来ＳｉやＳｉＯ₂ の成膜方法として知られている任意の方法によって成膜してよい。

このように、実施例１の光学フィルタは半導体プロセスをそのまま流用して作製することができるため、容易かつ低コストに製造することができる。

次に、実施例１の光学フィルタの動作原理および効果について説明する。

実施例１の光学フィルタは、設計波長λに透過ピークを有するバンドパスフィルタ、すなわち設計波長帯では光を透過し、他の帯域では光を透過しないフィルタとして動作する。これは、設計波長λにおいて基板１０と周期構造体１１との間で伝搬モードが効率的に結合し、他の波長帯域では結合しないためである。設計波長λは、周期構造体１１の周期長Ｌと、ドット１１ａの幅Ｗの値によって決定することができる。実施例１の光学フィルタでは、ドット１１ａの幅Ｗを周期長Ｌの１／２としているため、周期長Ｌをλ／ｎ１に設定するのみで簡易に設計波長を設計することができる。なお、実施例１の光学フィルタは、光を基板１０裏面側から入射させてもよいし、キャップ層１２表面側から光を入射させてもよい。どちらから入射させた場合も同様の特性のバンドパスフィルタとして動作する。

また、実施例１の光学フィルタは入射角依存性が小さい。これは、ドット１１ａの材料として、波長１．１μｍ以下では吸収し、それより大きな波長では透過する材料であるＳｉを用いているためである。Ｓｉによる光の吸収には入射角依存性がなく、入射角度の増加に伴う透過ピークの短波長側へのシフトが、Ｓｉによる波長１．１μｍ以下の光の吸収によって抑制されるため、結果的に入射角依存性が低減される。

また、実施例１の光学フィルタは、設計入射角θにおいて他の入射角度よりも透過率が高くなるように、ドット１１ａの高さｈを（λ／ｎ２）・ｃｏｓθに設定している。つまり、ドット１１ａ中の光学的距離が設計波長λｃｏｓθとなるように設定している。実施例１の光学フィルタの入射角依存性が小さいのは、Ｓｉによる短波長側の吸収によって入射角依存性を低減するものであるため、入射角度が大きくなるほど透過ピークにおける透過率が減少する。そこで上記のように設計入射角θに応じてドット１１ａの高さｈを設定することで、このような透過率の減少を抑制している。

なお、周期長Ｌをλ／ｎ１の整数倍、ドット１１ａの高さｈを（λ／ｎ２）・ｃｏｓθの整数倍としても、上記と同様の効果を得ることができる。

また、実施例１の光学フィルタは、入射角依存性が小さいため、使用する入射角度に応じた設計をする必要性は従来の光学フィルタに比べて小さい。そこで、設計入射角θを０°、ドット１１ａの高さｈをλ／ｎ２の整数倍、特にλ／ｎ２として設定してもよい。

以上のように、実施例１の光学フィルタによれば、設計波長λに透過ピークを有し、設計入射角θにおける透過率が高く、入射角度依存性の小さなバンドパスフィルタを簡易に実現することができる。また、ドット１１ａの高さｈ、幅Ｗ、周期長Ｌによって容易に設計することができ、半導体プロセスを流用して容易に作製することができる。

次に、各種シミュレーション結果、実験結果を説明する。

図４は、シミュレーションによって実施例１の光学フィルタの透過スペクトルを算出した結果を示したグラフである。光は基板１０裏面側から入射させ、周期長Ｌは６００ｎｍ、ドット１１ａの幅Ｗは３００ｎｍ、高さｈは１８０ｎｍとした。また、入射角度は０°、４０°、５０°、６０°とした。設計波長λは８７０ｎｍ、設計入射角θは４４°である。

図４のように、実施例１の光学フィルタは、設計波長λである８７０ｎｍ付近に透過ピークを有したバンドパスフィルタとして動作していることがわかる。すなわち、８７０ｎｍにおいては基板１０とドット１１ａとの間、およびドット１１ａとキャップ層１２との間で伝搬モードが効率的に結合していて光を透過するのに対し、他の波長帯域では結合が生じず、光が反射・吸収されて透過しないため、８７０ｎｍ付近に透過ピークを有し、半値幅が２０〜６０ｎｍ程度のバンドパスフィルタとして動作している。

また、図４から、入射角度を４０°から６０°に変化させた場合に、透過ピークは短波長側へシフトし、そのシフト量はおよそ１０ｎｍであった。入射角依存性が非常に小さいことがわかる。また、透過ピークの半値幅も入射角度が大きくなるにつれて６０ｎｍから２０ｎｍに減少していることがわかる。また、透過ピークにおける透過率も、入射角度が大きくなるにつれて減少することがわかる。

図５は、実施例１の光学フィルタに光が入射している場合における電界分布を示した図である。この電界分布は、入射角度が０°、５０°で波長が７８０ｎｍ、９００ｎｍの場合であって、周期長Ｌ、ドット１１ａの幅Ｗ、高さｈは図４の場合と同様の場合をシミュレーションによって算出した。図５中、ｚ軸方向は基板１０主面に垂直な方向、ｘ軸方向はドット１１ａの平面形状である正方形の一辺に平行な方向である。また、図中では周期構造体１１の単位構造部分のみを示している。

図５（ａ）のように、波長７８０ｎｍ、入射角度０°の場合、ドット１１ａ中の電界強度は低く、基板１０とドット１１ａとの間で電界強度が連続しておらず、基板１０からドット１１ａへ伝搬モードの結合が生じていないことがわかる。そのため、波長７８０ｎｍの光は反射・吸収され、ほとんど透過しない。

また、図５（ｃ）のように、波長７８０ｎｍ、入射角度４０°の場合も、伝搬モードの結合が生じておらず、７８０ｎｍの光は実施例１の光学フィルタをほとんど透過しない。

一方、図５（ｂ）のように、波長９００ｎｍ、入射角度０°の場合、基板１０とドット１１ａとの間で電界強度が連続して分布し、ドット１１ａとキャップ層１２との間でも電界強度が連続して分布していることがわかる。つまり、基板１０とドット１１ａとの間、およびドット１１ａとキャップ層１２との間で伝搬モードが効率的に結合していることがわかる。その結果、波長９００ｎｍの光は実施例１の光学フィルタをほとんど透過することができる。

また、図５（ｄ）のように、波長９００ｎｍ、入射角度４０°の場合も、基板１０とドット１１ａとの間、およびドット１１ａとキャップ層１２との間で伝搬モードが効率的に結合しており、９００ｎｍの光は実施例１の光学フィルタをおよそ透過することができている。

このように、図５（ａ）〜（ｄ）から、実施例１の光学フィルタは、所定の周期長Ｌ、ドット１１ａの幅Ｗ、高さｈにおいて、基板１０と周期構造体１１との間の伝搬モードが効率的に結合することで、バンドパスフィルタとして動作していることがわかる。

図６は、ドット１１ａの数が１０×１０の実施例１の光学フィルタを実際に作製し、透過率を測定した場合の透過スペクトルを示したグラフである。周期長Ｌ、ドット１１ａの幅Ｗ、高さｈ、入射角度は図４と同様である。

図６のように、測定結果は図４のシミュレーションとおよそ一致していることがわかる。すなわち、設計波長λである８７０ｎｍ付近に透過ピークを有したバンドパスフィルタとして動作していることがわかる。透過ピークの半値幅は、４０°で１００ｎｍ、５０°で９０ｎｍ、６０°で７０ｎｍである。また、図４と同様に、入射角度を４０°から６０°に変化させた場合に、透過ピークは短波長側へシフトしていた。そのシフト量はおよそ５ｎｍであった。入射角依存性が非常に小さいことがわかる。また、透過ピークの半値幅も入射角度が大きくなるにつれて１００ｎｍから６０ｎｍに減少していることがわかる。また、透過ピークにおける透過率も、入射角度が大きくなるにつれて減少していることがわかる。

図７は、実施例１の光学フィルタについて、入射角度を４０°に固定してドット１１ａの高さｈを変化させた場合の透過スペクトルをシミュレーションにより算出した結果を示した図である。高さｈは１５０ｎｍから２１０ｎｍまで１０ｎｍ刻みで変化させた。他の条件は図４の場合と同様である。

図７のように、高さｈが小さくなるにつれて透過スペクトルのピークは短波長側へとシフトしていることがわかる。また、透過ピークでの透過率は高さｈが１８０ｎｍのときが最も高かった。高さｈが１５０ｎｍから１８０ｎｍまでは、その透過ピークでの透過率は、５２％から７９％まで単調に増加し、１８０ｎｍから２１０ｎｍまでは７９％から５３％まで単調に減少していた。

この図７の結果から、ドット１１ａの高さｈを制御することによって、透過ピークでの透過率が最も高くなるように透過スペクトルを最適化することが可能であるとわかった。すなわち、設計入射角度θを決めた場合に、その設計入射角度θにおいて透過ピークでの透過率が最大となるように設計するには、ドット１１ａの高さｈの設計により可能であることがわかった。

なお、実施例１では、基板１０上に１つの周期構造体１１を設けているが、基板上の別々の領域に、互いにドットの幅Ｗ、高さｈや周期長Ｌの異なる２つの周期構造体１１を設けてもよい。これにより、異なる設計波長λ、設計入射角θのバンドパスフィルタが同一面上に形成された光学フィルタを実現することができる。もちろん、基板上の３以上の領域に、異なる構造の３以上の周期構造体１１をそれぞれ設けてもよい。

また、実施例１では基板１０の一方の表面に周期構造体１１を設けているが、両面に周期構造体１１を設けてもよい。

本発明の光学フィルタは、光学センサのＳＮ比向上などに利用することができる。

１０：基板
１１：周期構造体
１１ａ：ドット
１２：キャップ層

Claims (11)

1. 主面に対して設計入射角θで入射する光のうち、設計波長λの光を透過させる光学フィルタにおいて、
   前記設計波長λに対して透光性を有した材料からなる透過層と、
   前記透過層よりも屈折率が高く、前記設計波長λ近傍のある波長よりも短波長側、あるいは長波長側は吸収する材料からなり、前記透過層上にドットを２次元周期的に配列した周期構造体と、を有し、
   前記周期構造体の周期長Ｌは、ｍ１・（λ／ｎ１）、ここでｎ１は透過層の屈折率、ｍ１は１以上の整数、
   前記ドットの高さｈは、ｍ２・（λ／ｎ２）、ここでｎ２はドットの屈折率、ｍ２は１以上の整数、
   前記ドットの幅Ｗは、前記周期長Ｌの１／２、である、
   ことを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記ドットの高さｈは、ｍ２・（λ／ｎ２）・ｃｏｓθ、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. ｍ１＝１であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学フィルタ。
4. ｍ２＝１であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
5. 前記設計波長λは、０．７〜２μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
6. 前記設計入射角θは、４０〜６０°の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
7. 前記設計波長λは０．７〜２μｍであり、入射角度を４０°から６０°まで変化させたときの透過ピークのシフトが１０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
8. 前記ドットは、正方格子状に配列されている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
9. 前記ドットは、平面視が正方形の正四角柱である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
10. 前記基板の材料は、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ 、ＬｉＦ、またはＺｎＳのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
11. 前記ドットの材料はＳｉ、Ｇｅ、ＣｄＳ、Ｓｂ₂ Ｓ₃ 、ＺｎＳｅ、またはＣｄＴｅのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光学フィルタ。