JP2015200816A - Structural color filter and optical instrument using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、構造色を利用した構造色フィルターおよびこれを用いた光学機器に関する。特に、透明性薄膜材料と金属性薄膜材料からなる回折格子パターンと、透過率調整用の薄膜を持つ構造によって生じる色特性を利用する構造色フィルターに関する。 The present invention relates to a structural color filter using a structural color and an optical apparatus using the same. In particular, the present invention relates to a structural color filter that utilizes color characteristics generated by a structure having a diffraction grating pattern made of a transparent thin film material and a metallic thin film material and a thin film for adjusting transmittance.
カラーフィルターは、ディスプレイ、イメージセンサー、各種光学機器、分析機器などで、色を表現または識別する素子として、様々な用途で利用される。その機能の実現には、一般的には色素を添加した高分子材料や、数十層の多層膜がつくる干渉色が使用されている。 A color filter is used in various applications as an element for expressing or identifying a color in a display, an image sensor, various optical devices, an analysis device, or the like. In order to realize this function, generally, a polymer material to which a dye is added or an interference color formed by a multilayer film of several tens of layers is used.
他方、光の波長程度のスケール（厚さ、寸法）の薄膜や回折格子構造によって発生する光の干渉や回折の結果として発現する構造色を用いたカラーフィルター（以下、構造色フィルターと記す）が知られている。構造色フィルターは、色素合成プロセスを必要とせず、構造パラメータの最適化により多様な色特性を、同一基板上に一括形成できる、等の特長を有する。 On the other hand, there is a color filter (hereinafter referred to as a structural color filter) using a structural color that appears as a result of interference or diffraction of light generated by a thin film or diffraction grating structure having a scale (thickness, size) of the order of the wavelength of light. Are known. The structural color filter does not require a dye synthesis process, and has a feature that various color characteristics can be collectively formed on the same substrate by optimizing structural parameters.
光の波長程度のスケールの構造やパターンを形成する方法としては、従来、電子線描画などの半導体プロセス技術が必要とされ、構造色フィルターの製造コストを高める要因となっていたが、近年、より量産に適したナノインプリント技術が進展しつつあり、構造色フィルターの製造への適用が期待されている。（特許文献１、非特許文献１参照）。
As a method of forming a scale structure or pattern of the order of the wavelength of light, conventionally, semiconductor process technology such as electron beam drawing has been required, which has been a factor in increasing the manufacturing cost of structural color filters. Nanoimprint technology suitable for mass production is advancing, and application to the production of structural color filters is expected. (See
しかしながら、構造色フィルターは、前述のように、回折格子による光の干渉、回折を利用することから、波長帯域（発色要因となる、反射率や透過率のスペクトルのピーク若しくはボトムの半値幅）が狭くなり、彩度の高い色を生じることが多い反面、入射光の入射角や観察方向に依存して色特性が変化する、いわゆる入射角依存性（視野角依存性）が大きいという欠点を有していた。 However, the structural color filter uses the interference and diffraction of light by the diffraction grating as described above, so that the wavelength band (the peak or bottom half-value width of the reflectance or transmittance spectrum, which becomes a color development factor), is used. While narrowing and often producing highly saturated colors, the color characteristics change depending on the incident angle of the incident light and the viewing direction, so-called incident angle dependency (viewing angle dependency) is large. Was.
図１４は、石英基板上１１に、ナノインプリントにより高分子樹脂（以下、適宜ポリマーと略記）の回折格子１２を形成した構造色フィルター３０の断面模式図である。図１４において、ｄ１は形成した回折格子１２の厚さ（深さ）、ｄ２はナノインプリント後の残膜部の厚さであり、Ｐ、ｗはそれぞれ回折格子１２の周期、線幅を表わしている。また、４、５、９はそれぞれ入射光、透過光、反射光であり、θは入射光の入射角を表わしている。
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a
図１４の構造において、ｄ１＝２５０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍ、Ｆ（回折格子の線幅／周期）＝ｗ／Ｐ＝０．４５とし（Ｆは通常Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒと呼ばれる）、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏光を、上面（回折格子側）から垂直入射（入射角θ＝０）したときの分光反射率（反射率スペクトル）を計算すると、図１５の（ａ）のようになる。ここで、ポリマーとしては、波長４００ｎｍから７００ｎｍにおける平均屈折率が１．７０程度のものを用いている。計算には、コンピュータを用いた電磁界解析法の一種である、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）法を使用した（非特許文献２参照）。 In the structure shown in FIG. 14, d1 = 250 nm, d2 = 100 nm, F (line width / period of diffraction grating) = w / P = 0.45 (F is usually called Filling Factor), and TE (Transverse Electric) polarization is used. When the spectral reflectance (reflectance spectrum) when perpendicularly incident (incidence angle θ = 0) from the upper surface (diffraction grating side) is calculated, it is as shown in FIG. Here, a polymer having an average refractive index of about 1.70 at a wavelength of 400 nm to 700 nm is used. For the calculation, a strict coupled wave analysis (RCWA) method, which is a kind of electromagnetic field analysis method using a computer, was used (see Non-Patent Document 2).
ヒトの眼の分光感度特性によると、青色（Ｂ）と感じる光強度のピーク波長は約４５０ｎｍ、同じく緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）と感じる光強度のピーク波長はそれぞれ、約５５０ｎｍ、６１０ｎｍである。図１５の（ａ）によると、回折格子１２の周期：Ｐ＝３００ｎｍ、３７５ｎｍ、４１５ｎｍとしたときに、それぞれ光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にピークが出来ており、これらの周期で作製することで、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルターとなることが分かる。 According to the spectral sensitivity characteristics of the human eye, the peak wavelength of the light intensity felt as blue (B) is about 450 nm, and the peak wavelengths of the light intensity felt as green (G) and red (R) are about 550 nm and 610 nm, respectively. is there. According to (a) of FIG. 15, when the period of the diffraction grating 12 is set to P = 300 nm, 375 nm, and 415 nm, peaks are formed in the vicinity of the wavelengths of light = 450 nm, 550 nm, and 610 nm, respectively. By doing so, it can be seen that a structural color filter of B, G, R for additive color mixing is obtained.
図１５の（ｂ）は、構造色フィルター３０に対して、ＴＥ偏光を上面（回折格子側）から入射角θ＝５ｄｅｇ（°）で入射したときの分光反射率を計算したものである。図１５の（ｂ）では、図１５の（ａ）のＢ、Ｇ、Ｒのピークに、Ｂ１、Ｂ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｒ１、Ｒ２と分離が発生している。このように、入射角をわずかに変化させただけで、分光反射率は変化し、図１４の構造色フィルター３０の視野角は狭いことが分かる。
FIG. 15B shows the calculated spectral reflectance when TE polarized light is incident on the
また、図１４のような構造の構造色フィルター３０においては、上記のように反射光を利用することはできるが、透過光を利用してＢ、Ｇ、Ｒの色特性をもつ透過型構造色フィルターを作製することは困難であった。
In the
構造色フィルターは、前述のように、回折格子による光の干渉、回折を利用することから、波長帯域（発色要因となる、反射率や透過率のスペクトルのピーク若しくはボトムの半値幅）が狭くなり、彩度の高い色を生じることが多い反面、入射光の入射角や観察方向に依存して色特性が変化する、いわゆる入射角依存性（視野角依存性）が大きいという欠点を有していた。本発明は、彩度が高く（色特性が高く）、かつ、入射角依存性、すなわち視野角依存性の低い透過型構造色フィルターおよびこれを用いた光学機器を提供することを目的とする。 As described above, the structural color filter uses the interference and diffraction of light by the diffraction grating, so the wavelength band (the peak value or bottom half-value width of the reflectance or transmittance spectrum, which causes color development) is narrowed. However, the color characteristics change depending on the incident angle of the incident light and the observation direction, and so-called incident angle dependency (viewing angle dependency) is large. It was. An object of the present invention is to provide a transmission type structural color filter having high saturation (high color characteristics) and having a low incident angle dependency, that is, a low viewing angle dependency, and an optical apparatus using the same.
上述の課題を解決するための本発明の一局面は、基板と、基板に積層された透過率調整用の薄膜と、透過率調整用の薄膜に積層された透明性薄膜と、透明性薄膜に形成された回折格子パターンの間隙に埋め込まれた金属性薄膜材料とを含む、構造色フィルターである。 One aspect of the present invention for solving the above-described problems is a substrate, a thin film for transmittance adjustment stacked on the substrate, a transparent thin film stacked on the thin film for transmittance adjustment, and a transparent thin film. A structural color filter including a metallic thin film material embedded in a gap of a formed diffraction grating pattern.
また、金属性薄膜材料はＡｌであってもよい。 The metallic thin film material may be Al.
また、透過率調整用の薄膜はＴａ、窒素および酸素を含んでもよい。 The thin film for adjusting the transmittance may contain Ta, nitrogen, and oxygen.
また、本発明の他の局面は、上述の構造色フィルターを含み、構造色フィルターへの入射光として、ＴＥ偏光を用いる、光学機器である。 Another aspect of the present invention is an optical apparatus that includes the above-described structural color filter and uses TE polarized light as incident light to the structural color filter.
本発明は、従来作製が困難であった透過型構造色フィルターの彩度等の色特性を向上するとともに、構造色フィルターの課題であった入射角依存性、すなわち視野角依存性が大きいという欠点を抑えることができる。また、金属性膜として安価で入手しやすいＡｌを使用することで他の金属を用いるより製造コストを低減でき、また、インプリント技術を用いることで、半導体プロセス技術を用いるより製造コストを低減できる。 The present invention improves the color characteristics such as the saturation of a transmission type structural color filter, which has been difficult to produce in the past, and has the disadvantage that the incident angle dependency, that is, the viewing angle dependency, which is a problem of the structural color filter is large. Can be suppressed. In addition, it is possible to reduce the manufacturing cost by using cheap and easily available Al as the metallic film, compared to using other metals, and it is possible to reduce the manufacturing cost by using the imprint technology than by using the semiconductor process technology. .
図１および図２に、本発明に係る構造色フィルター１０の一実施形態を示す。図１および図２に示すように、構造色フィルター１０は、基板１（石英、アルミナなど透明性であることが好ましい）と、回折格子パターンが形成された透明性薄膜２と、回折格子パターンの間隙に埋め込まれた金属性薄膜材料３と、透過率調整用の薄膜である透過率調整膜４とが積層されて構成される。
1 and 2 show an embodiment of a
金属性薄膜材料３は、安価で入手しやすいＡｌ（アルミニウム）が好適である。Ａｌを使用することで他の金属を用いるより製造コストを低減できる。また、インプリント技術を用いることで、半導体プロセス技術を用いるより製造コストを低減できる。
The metallic
透過率調整膜４は、Ｔａ（タンタル）、窒素および酸素を含んでもよい。
The transmittance adjusting
図１および図２に示すように、構造色フィルター１０においては、ＴＥ偏光である入射光（図１では５、図２では７）が回折格子側（図１）、または基板側（図２）から入射し、それらの透過光（図１では６、図２では８）は、加法混色用の３原色である、Ｂ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）として利用することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
以下、構造色フィルター１０における、透明性薄膜２と金属性薄膜材料３の組み合わせからなる回折格子による波長選択性の発現と、透過率調整膜４の役割について、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光域におけるＴＥ偏光入射の分光透過率を計算した結果を用いて説明する。計算方法は、図１５と同様、ＲＣＷＡ法であり、基板１の材料には石英、透明性薄膜２の材料には図１５の場合と同じポリマー、金属性薄膜材料３としてはＡｌ、透過率調整膜４の材料にはＴａＮ、またはＴａＮとＴａ２Ｏ５との一定組成からなる化合物薄膜を用いた。計算に必要な屈折率は、石英は１．４６で一定とし、Ａｌ、ＴａＮ、Ｔａ２Ｏ５については、次の情報から得た数値を用いた。
Ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｓ、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ｆｏｒ ＤＵＶ ａｎｄ ＶＵＶ Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、［ｏｎｌｉｎｅ］、２０１２年４月２６日、インターネット＜ＵＲＬ： ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｉｔ．ｅｄｕ／ｋｇｃｏｅ／ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ／ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ／ｔｈｉｎｆｉｌｍｓ／ｔｈｉｎｆｉｌｍｓ／ｔｈｉｎｆｉｌｍｓ＞
また、ポリマーは光の波長４００ｎｍから７００ｎｍの領域における平均屈折率が約１．７０のポリマーであり、分光エリプソメーターで実際に測定した数値を用いた。
Hereinafter, in the
Nanolithography Research Labs, “Optical Properties of Thin Films for DUV and VUV Microlithography”, [online], April 26, 2012, Internet <URL: http: // www. rit. edu / kgcoe / microsystems / lithography / thinfilms / thinfilms / thinfilms>
Further, the polymer is a polymer having an average refractive index of about 1.70 in a light wavelength region of 400 nm to 700 nm, and a value actually measured with a spectroscopic ellipsometer was used.
まず、図３に示す、構造色フィルター２０に回折格子側から光が入射する場合について説明する。構造色フィルター２０は、本発明に係る構造色フィルター１０と比較して、透過率調整膜４がない構造である。構造色フィルター２０は、ヒトの目の分光感度特性に即して、Ｂ（青）：４５０ｎｍ、Ｇ（緑）：５５０ｎｍ、Ｒ（赤）：６１０ｎｍの光の波長にピークができるよう、構造パラメータである格子部膜厚：ｄ１、残膜部膜厚：ｄ２、周期：Ｐ、およびＦ＝ｗ／Ｐを調整して設計した。構造色フィルター２０の２つの例について、分光透過率を計算した結果を図４の（ａ）、（ｂ）に示す。それぞれの場合のパラメータの数値は、（ａ）が、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．５、回折格子の周期：Ｐ＝２７０ｎｍ、４３０ｎｍ、５２０ｎｍ、（ｂ）が、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．５、回折格子の周期：Ｐ＝２７０ｎｍ、４３０ｎｍ、５２０ｎｍとした。なお、図４の（ａ）、（ｂ）に示した結果は、後述する実施例において「比較例１」と呼ぶ。
First, the case where light enters the
図４の（ａ）、（ｂ）を見ると、どちらの場合においても、透明性薄膜２と金属性薄膜材料３の組み合わせからなる周期：Ｐ＝２７０ｎｍ、４３０ｎｍ、５２０ｎｍの回折格子とすることで、目的とする光の波長（Ｂ（青）：４５０ｎｍ、Ｇ（緑）：５５０ｎｍ、Ｒ（赤）：６１０ｎｍ）付近にピークはできている。しかしながら、特にＧ（緑）、Ｒ（赤）においては、ピーク以外の透過率がまだかなり高く、色特性を反映する波長選択性は不十分であるといえる。
When (a) and (b) of FIG. 4 are seen, in either case, a period composed of a combination of the transparent
また、図４の（ａ）、（ｂ）に依れば、上記の波長選択性を劣化させている要因は、ピークより短い波長領域における透過率が高いことである。そこで、透過光が透過率調整膜４を通る図１および２のような構造とすることで、ピークより短い波長領域における透過率を低下させることができると考えられる。
Further, according to FIGS. 4A and 4B, the factor that deteriorates the wavelength selectivity is a high transmittance in a wavelength region shorter than the peak. Therefore, it is considered that the transmittance in the wavelength region shorter than the peak can be reduced by adopting the structure as shown in FIGS. 1 and 2 where the transmitted light passes through the
ピークより短い波長領域における透過率を、透過率調整膜４を通すことで低下させるためには、ピークよりも短い波長領域からピークよりも長い波長領域にかけて、次第に光吸収が小さくなるような透過率調整膜４を用いればよい。そのためには、ピークより短い波長領域から長い波長領域にかけて、吸収を左右する消衰係数（複素屈折率の虚数部分）が単調に小さくなる方向へ変化する材料を選択することが考えられる。
In order to reduce the transmittance in the wavelength region shorter than the peak by passing through the
種々の材料の波長に対する消衰係数ｋおよび屈折率ｎを比較した結果、ＴａＮの変化は上述のアドレスの情報を参照すると図５の（ａ）のようであり、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光域において、消衰係数ｋが直線的に小さくなり、望ましい変化をしていることが分かった。 As a result of comparing the extinction coefficient k and the refractive index n with respect to the wavelengths of various materials, the change in TaN is as shown in FIG. 5A with reference to the information of the above address, and the visible light range from 400 nm to 700 nm is shown. , The extinction coefficient k was linearly decreased, and it was found that a desirable change was made.
しかしながら、検討の結果、ＴａＮ膜単独では消衰係数ｋの値が大きすぎ、透過率が低くなりすぎることが分かった。一方、Ｔａ２Ｏ５膜の消衰係数ｋおよび屈折率ｎの変化は、上述のアドレスの情報を参照すると、図５の（ｂ）のようであり、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光域において、消衰係数ｋがほぼ０の透明な膜であることが分かる。 However, as a result of examination, it has been found that the TaN film alone has a too large extinction coefficient k and the transmittance becomes too low. On the other hand, changes in the extinction coefficient k and the refractive index n of the Ta 2 O 5 film are as shown in FIG. 5B when referring to the address information described above, and in the visible light region having a wavelength of 400 nm to 700 nm, It can be seen that the film is a transparent film having an extinction coefficient k of almost zero.
そこで、ＴａＮ膜とＴａ２Ｏ５膜の好適な組成からなる化合物薄膜（ＴａＯｘＮｙ膜。以下適宜ＴａＯＮ膜と略記）を透過率調整膜４とすれば、目的に叶う分光透過率特性が得られることが分かった。
Therefore, if a compound thin film (TaO x N y film; hereinafter abbreviated as TaON film as appropriate) having a suitable composition of a TaN film and a Ta 2 O 5 film is used as the
なお、上記のＴａ２Ｏ５膜の役割は、ＴａＮ膜をより透明化し、組成比の調整により好適な光学特性とすることであるので、十分透明な膜であればよく、Ｔａ２Ｏ５膜に限らず、ＳｉＮ膜やＳｉＯ２膜であってもよい。これらの場合のＴａＮ膜との化合物薄膜はそれぞれ、ＴａＳｉＯＮ膜、ＴａＳｉＮ膜となるが、いずれにおいてもＴａ、窒素および酸素を含むことでは共通しており、本発明の透過率調整膜４に用いることができる。
The role of the Ta 2 O 5 film is to make the TaN film more transparent and to have suitable optical characteristics by adjusting the composition ratio. Therefore, the Ta 2 O 5 film may be a sufficiently transparent film. It is not limited to SiN film or SiO 2 film. The compound thin film with the TaN film in these cases is a TaSiON film and a TaSiN film, respectively, but it is common to contain Ta, nitrogen and oxygen, and is used for the
次に、図６の（ａ）、（ｂ）には、構造色フィルター２０の、基板１側から光が入射する場合について、図４の場合と同様、ヒトの目の分光感度特性に即して、Ｂ（青）：４５０ｎｍ、Ｇ（緑）：５５０ｎｍ、Ｒ（赤）：６１０ｎｍの光の波長にピークができるよう、構造色フィルター２０の構造パラメータである格子部膜厚：ｄ１、残膜部膜厚：ｄ２、周期：Ｐ、およびＦ＝ｗ／Ｐを調整して設計した２つの例を示す。それぞれの場合のパラメータの数値は、（ａ）が、ｄ１＝１２０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．４５、回折格子の周期：Ｐ＝３５０ｎｍ、５６０ｎｍ、６９０ｎｍ、（ｂ）が、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．４５、回折格子の周期：Ｐ＝３０５ｎｍ、４８０ｎｍ、５９０ｎｍとした。なお、図６の（ａ）、（ｂ）に示した結果は、後述する実施例において「比較例２」と呼ぶ。
Next, FIGS. 6A and 6B show the case where light is incident from the
図６の（ａ）、（ｂ）を見ると、図４の（ａ）、（ｂ）の透過率と比較すると高くはないが、やはりＧ（緑）、Ｒ（赤）においては、ピーク以外の透過率がいく分高く、色特性を反映する波長選択性が不十分であるといえる。 Looking at (a) and (b) in FIG. 6, it is not as high as the transmittance of (a) and (b) in FIG. 4, but G (green) and R (red) are not peaks. Therefore, it can be said that the wavelength selectivity reflecting the color characteristics is insufficient.
図６のように、基板１側から光が入射する場合においても、本発明に係るＴａ、窒素および酸素を含む透過率調整膜４を使用することで、分光透過率特性を改善することができると考えられる。
As shown in FIG. 6, even when light is incident from the
以下、図７乃至図１３に、本発明に係る構造色フィルター１０について、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光域におけるＴＥ偏光入射時の分光透過率を計算した結果を示す。
7 to 13 show the results of calculating the spectral transmittance when TE polarized light is incident in the visible light wavelength range of 400 nm to 700 nm for the
（実施例１、２）
実施例１および２の計算結果を図７および８に示す。実施例１（図７の（ａ））では、透明性薄膜２をポリマー、金属性薄膜材料３をＡｌ、透過率調整膜４をＴａＯＮとし、ＴＥ偏光である入射光を回折格子側から入射した場合の分光透過率の計算を行った。詳細には、透過率調整膜４がＴａ２Ｏ５：ＴａＮ＝８０：２０の組成比からなる化合物膜で、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝１００ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．４、回折格子の周期：Ｐ＝３５０ｎｍ、４６５ｎｍ、５９５ｎｍとした。この結果、光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例１の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルター１０として望ましい結果になっていることが確認された。
(Examples 1 and 2)
The calculation results of Examples 1 and 2 are shown in FIGS. In Example 1 (FIG. 7A), the transparent
また、実施例２（図７の（ｂ））では、透明性薄膜２と金属性薄膜材料３は実施例１と同じ材料の組み合わせとして、透過率調整膜４をＴａ２Ｏ５：ＴａＮ＝７０：３０の組成比からなる化合物膜として分光透過率の計算を行った。また、ｄ１、ｄ２、ｄ３、Ｆも実施例１と同じ数値とし、回折格子の周期をＰ＝３４５ｎｍ、４６５ｎｍ、６００ｎｍとした。この結果、光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例１の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルターとして望ましい結果になっていることが確認された。
In Example 2 (FIG. 7B), the transparent
図８は、実施例１の構造色フィルターに対して、ＴＥ偏光を回折格子側から入射角θ＝５ｄｅｇおよび２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算したものである。図８から分かるように、実施例１の構造色フィルターは、入射角を２０ｄｅｇ程度まで変化させてもＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状に、大きな変化は見られない。また、図では省略するが、実施例２の構造色フィルターに対しても同様である。このように、本発明に係る構造色フィルター１０は、ＴＥ偏光の回折格子側からの斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。
FIG. 8 shows the calculated spectral transmittance when TE polarized light is obliquely incident at the incident angles θ = 5 deg and 20 deg from the diffraction grating side with respect to the structural color filter of the first embodiment. As can be seen from FIG. 8, the structural color filter of Example 1 shows no significant change in the peak shapes of B, G, and R even when the incident angle is changed to about 20 deg. Although not shown in the figure, the same applies to the structural color filter of the second embodiment. As described above, it is confirmed that the
（実施例３、４）
実施例３および４の計算結果を図９および１０に示す。実施例３（図９の（ａ））では、透明性薄膜２をポリマー、金属性薄膜材料３をＡｌ、透過率調整膜４をＴａＯＮとし、ＴＥ偏光である入射光を基板側から入射した場合の分光透過率の計算を行った。詳細には、透過率調整膜４がＴａ２Ｏ５：ＴａＮ＝８５：１５の組成比からなる化合物膜で、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝１００ｎｍとし、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．４、回折格子の周期：Ｐ＝３４５ｎｍ、４６５ｎｍ、５９０ｎｍとした。この結果、光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例２の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルター１０として望ましい結果になっていることが確認された。
(Examples 3 and 4)
The calculation results of Examples 3 and 4 are shown in FIGS. In Example 3 (FIG. 9A), the transparent
また、実施例４（図９の（ｂ））では、透明性薄膜２と金属性薄膜材料３は実施例３と同じ材料の組み合わせで、透過率調整膜４をＴａ２Ｏ５：ＴａＮ＝７０：３０の組成比からなる化合物膜として分光透過率の計算を行った。また、ｄ１、ｄ２、ｄ３、Ｆも実施例３と同じ数値とし、回折格子の周期をＰ＝３４０ｎｍ、４６５ｎｍ、６０５ｎｍとした。この結果、光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例２の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルター１０として望ましい結果になっていることが確認された。
In Example 4 (FIG. 9B), the transparent
図１０は、実施例３の構造色フィルター１０に対して、ＴＥ偏光を基板１側から入射角θ＝５ｄｅｇおよび２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算したものである。図１０から分かるように、実施例３の構造色フィルター１０は、入射角を２０ｄｅｇ程度まで変化させてもＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状に、大きな変化は見られない。また、図では省略するが、実施例４の構造色フィルターに対しても同様である。このように、本発明の構造色フィルターは、ＴＥ偏光の基板１側からの斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。
FIG. 10 shows the spectral transmittance when TE polarized light is obliquely incident at the incident angles θ = 5 deg and 20 deg from the
（実施例５）
実施例５の計算結果を図１１に示す。実施例５では、透明性薄膜２をＳｉＮ膜、金属性薄膜材料３をＡｌ、透過率調整膜４をＴａＯＮとし、ＴＥ偏光である入射光を回折格子側から入射した場合の分光透過率の計算を行った。詳細には、透過率調整膜４がＴａ２Ｏ５：ＴａＮ＝５０：５０の組成比からなる化合物膜で、ｄ１＝１００ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝１４０ｎｍとし、Ｂ（青）に対してはＦ＝ｗ／Ｐ＝０．３５、Ｇ（緑）とＲ（赤）に対してはＦ＝ｗ／Ｐ＝０．４０、回折格子の周期：Ｐ＝３１０ｎｍ、４００ｎｍ、６００ｎｍとした。この結果、光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜のない比較例１の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルターとして望ましい結果になっていることが確認された（図１１の（ａ））。
(Example 5)
The calculation result of Example 5 is shown in FIG. In Example 5, the transparent
図１１の（ｂ）は、実施例５の構造色フィルター１０に対して、ＴＥ偏光を回折格子側から入射角θ＝２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算したものである。図１１の（ｂ）から分かるように、実施例５の構造色フィルター１０は、入射角を２０ｄｅｇ程度まで変化させてもＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状に、色特性に影響するような変化は見られない。このように、本発明に係る構造色フィルター１０は、ＳｉＮ膜を透明性薄膜２とする場合においても、ＴＥ偏光の回折格子側からの斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。
FIG. 11B shows the calculated spectral transmittance when TE polarized light is obliquely incident on the
（実施例６）
実施例６の計算結果を図１２に示す。実施例６では、透明性薄膜２をＳｉＮ膜、金属性薄膜材料３をＡｌ、透過率調整膜４をＴａＯＮとし、ＴＥ偏光である入射光を基板１側から入射した場合の分光透過率の計算を行った。詳細には、透過率調整膜４がＴａ２Ｏ５：ＴａＮ＝５０：５０の組成比からなる化合物膜で、ｄ１＝１３０ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝１２０ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．４０、回折格子の周期：Ｐ＝２６０ｎｍ、３７０ｎｍ、４６０ｎｍとした。この結果、それぞれ波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例２の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルター１０として望ましい結果になっていることが確認された（図１２の（ａ））。
(Example 6)
The calculation result of Example 6 is shown in FIG. In Example 6, the transparent
図１２の（ｂ）は、実施例６の構造色フィルター１０に対して、ＴＥ偏光を基板側から入射角θ＝２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算したものである。図１２の（ｂ）から分かるように、実施例６の構造色フィルター１０は、入射角を２０ｄｅｇ程度まで変化させてもＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状に、色特性に影響するような変化は見られない。このように、本発明に係る構造色フィルター１０は、ＳｉＮ膜を透明性薄膜とする場合においても、ＴＥ偏光の基板側からの斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。
FIG. 12B shows the calculated spectral transmittance when TE polarized light is obliquely incident on the
（実施例７）
実施例７の計算結果を図１３に示す。実施例７では、透明性薄膜２の残膜部がない（ｄ２＝０ｎｍ）構造色フィルター１０を用いた。一般に回折格子のパターンをインプリントで形成する場合には、ポリマーの残膜部が発生するが、半導体プロセスでエッチングにより形成する場合は、残膜部をつくることもできるが、基板表面までエッチングすることで残膜部を無くすこともできる。実施例７では、構造色フィルター１０を、回折格子の透明性薄膜２がＳｉＮ膜、回折格子の金属性薄膜材料３がＡｌ、透過率調整膜４がＴａ２Ｏ５：ＴａＮ＝７０：３０の組成比からなる化合物膜で、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ３＝１５０ｎｍであるが、残膜部は無く（ｄ２＝０ｎｍ）、Ｂ（青）に対してはＦ＝ｗ／Ｐ＝０．４０、Ｇ（緑）とＲ（赤）に対してはＦ＝ｗ／Ｐ＝０．３５の条件で、回折格子の周期：Ｐ＝２６５ｎｍ、４１０ｎｍ、４７０ｎｍとして作製した。この結果、波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例１の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、透明性薄膜の残膜部がない場合においても、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルター１０として望ましい結果になることが確認された（図１３の（ａ））。
(Example 7)
The calculation result of Example 7 is shown in FIG. In Example 7, the
図１３の（ｂ）は、実施例７の構造色フィルター１０に対して、ＴＥ偏光を回折格子側から入射角θ＝２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算したものである。図１３の（ｂ）から分かるように、実施例７の構造色フィルター１０は、入射角を２０ｄｅｇ程度まで変化させてもＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状に、色特性に影響するような変化は見られない。このように、本発明に係る構造色フィルター１０は、ＳｉＮ膜を透明性薄膜とし、その残膜部がない場合においても、ＴＥ偏光の回折格子側からの斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。
FIG. 13B shows the calculated spectral transmittance when TE polarized light is obliquely incident on the
図を用いた説明は省略するが、残膜部がない構造においては、ＴＥ偏光の基板側からの入射や、透明性薄膜をポリマーとする場合においても本発明に係る構造色フィルター１０は、ＴＥ偏光の斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。
Although the description with reference to the drawings is omitted, in the structure having no remaining film portion, the
以上の結果から、本発明に係る構造色フィルター１０は、従来作製が困難であった透過型構造色フィルターの色特性を向上するとともに、構造色フィルターの課題であった入射角依存性、すなわち視野角依存性が大きいという欠点を抑えることが確認できた。また金属性膜として安価で入手しやすいＡｌを使用することで他の金属を用いるより製造コストを低減でき、また、インプリント技術を用いることで、半導体プロセス技術を用いるより製造コストを低減できた。
From the above results, the
また、本発明に係る構造色フィルターは、入射光としてＴＥ偏光を用いたカラーディスプレイ等の各種光学機器に用いることもできる。 The structural color filter according to the present invention can also be used in various optical devices such as a color display using TE polarized light as incident light.
本発明は、色素を添加した高分子材料を使わず、透明性材料と金属性材料からなる回折格子パターンと、透過率調整膜を使い、構造パラメータ（膜厚、周期、線幅）を最適化することにより、多様で、視野角依存性が小さく視野角が広く、彩度等の色特性に優れた透過型カラーフィルターを、同一基板上に一括形成できるので、ディスプレイ、イメージセンサー、分析機器などの各種光学機器への応用が期待される。 The present invention optimizes structural parameters (film thickness, period, line width) by using a diffraction grating pattern made of a transparent material and a metallic material and a transmittance adjusting film without using a polymer material added with a dye. As a result, a variety of transmission type color filters with a small viewing angle dependency, a wide viewing angle, and excellent color characteristics such as saturation can be formed on the same substrate, so that displays, image sensors, analytical instruments, etc. Application to various optical equipment is expected.
１ 基板
２ 透明性薄膜
３ 金属性膜
４ 透過率調整膜
５、７ 入射光
６、８ 透過光
９ 反射光
１０、２０、３０ 構造色フィルター
１１ 石英基板
１２ 回折格子
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