JP2020034899A - 光学フィルタ、光学フィルタシステム、分光器及び光学フィルタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の光透過フィルタの限界を解決する光透過フィルタを提供する。【解決手段】本発明の実施形態によれば、ナノ構造光波長透過フィルタが提供される。光学フィルタは、パターン化基板を備え、その上に高屈折率誘電体導波路が配置されてある。低屈折率誘電体層が高屈折率誘電体導波路上に配置され、その上に金属ナノ構造のアレイが配置される。光学フィルタの層は、基板のパターン化された表面によって画定された共形形状を有する。本発明はまた、光学透過フィルタと基板に固定された検出器アレイとを備える光学フィルタシステムに関する。本発明はまた、少なくとも１つの光学透過フィルタ及び／又は少なくとも１つの光学透過フィルタシステムを備える分光器であって、３００ｎｍから７９０ｎｍの間の波長を有する入射光に対して３０ｎｍ未満のスペクトル分解能を有する分光器に関する。本発明はまた、光学フィルタの製造方法、光学フィルタシステム及び分光器に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、透過型光学フィルタと、光検出器と、そのようなフィルタ及び光検出器を備える分光器の分野に関する。

より正確には、本発明は、高透過性光学フィルタ及び低帯域幅のバンドパスを有するそのようなフィルタアレイに関し、ナノ構造基板及びそのような構造基板上に配置された導波路を備える。本発明はまた、民生用電子機器の市場のために構成された小型分光器に関する。本発明は、低帯域幅を有する光学透過フィルタの製造方法も含む。

本発明はまた、透過型光学フィルタ及び光検出器の製造方法に関する。

光学フィルタ、特に透過フィルタの使用は、光学部品及び光学機器及びシステムにおいて重要である。例えば、組み合わされた光学フィルタは、例えば望遠鏡のような視覚システムにおいて、又は分光器、医療機器又は産業用制御及び検査システムにおいて、しばしば光学検出器と組み合わされる。広いスペクトル範囲内の狭い範囲の周波数においてのみ光を選択的に透過する材料又はデバイスを有することは、実際に有用である。

光学透過フィルタは、異なる方法で実現され得る。例えば、遠赤外線（赤外）スペクトルフィルタは、ワイヤメッシュ又は金属グリッドから製造され得る。紫外線、可視及び近赤外において、従来のフィルタは、一般に非常に広い透過スペクトルを有する吸収フィルタであってもよい。干渉フィルタとして構成された誘電体薄膜の積層を実現することにより、スペクトル帯域幅の小さい透過フィルタを構成してもよい。このようなフィルタは、例えば蒸着技術によって一方を他方の上に蒸着させた多数の層、典型的には３０層以上からなる。干渉型フィルタの問題は、フィルタの傾斜及び／又は層厚の変更によってのみ波長を変更可能であったので、これは複雑で高価な製造工程であるばかりでなく、小さな寸法内で互いに異なるフィルタのアレイを実現することを困難にしている。

光学フィルタはまた、薄いナノ構造の金属層、特にサブ波長開口部のアレイを有する金属層によって作製されてもよい。このようなフィルタは、例えば、Ｔ．Ｗ． Ｅｂｅｓｓｅｎらによる出版物（非特許文献１）に記載されている。

特許文献１及び特許文献２には、ナノ構造光学フィルタアレイに基づくセンサが開示されている。それは金属ナノ構造（主としてアルミニウム）のサブ波長アレイからなり、光スペクトルの一部を透過する。アレイ中のナノ構造のピッチ又は充填率の変化のみが透過色の変化を誘起するので、このアプローチは興味深い。フィルタを一度に生成する、例えばエンボス加工の高速加工を可能にする。しかし、金属構造における損失のため、帯域幅は非常に大きい。

特許文献３には、相補的な金属ナノ構造に基づくバンドパスフィルタが開示されている。このアプローチはプラズモニックフィルタの帯域幅を減少させる可能性があるが、分光学的又はスペクトル画像応用において競合するにはまだ距離がある。

非特許文献２は、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３導波路上のバイナリアルミニウム格子について報告している。格子ピッチの変化はフィルタスペクトル位置の変化につながり、これが探求されている。しかしながら、回折格子は導波路と直接接触していて、これは、透過帯域の拡大及び比較的高いバックグラウンド透過（２０％から３０％）をもたらしている。特許文献４は、２００ｎｍ未満の厚さの副層である格子層を開示している。特許文献４に開示された構造は、格子を生成するためにアルミニウム膜への現像及びエッチング工程を必要とするため、製造が複雑である。

非特許文献３は、アルミニウム格子と窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４からなる導波路の間に低屈折率のフッ化マグネシウムＭｇＦ_２クラッドの付加を提案しているが、構造は膜であり、基板に支持されていないため、製造がさらに複雑になる。さらに、構造体が空気中、又は真空中で懸架されているという事実は、帯域幅を大きく増加させる。特許文献５は、非特許文献３に記載されたフィルタと同様の制限を示している。

米国特許出願公開第２０１２／１２９２６９号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０４６０７７号明細書 国際公開第２０１２／００７１４７号 米国特許第９０８１１５０号 中国特許第１０６８９６４３６号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０７１５３２号

Ｔ．Ｗ． Ｅｂｂｅｓｅｎ ｅｔ ａｌ．， " Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｈｏｌｅ ａｒｒａｙｓ"， Ｎａｔｕｒｅ ３９１， ６６７ （１９９８） Ｄ． Ｂ． Ｍａｚｕｌｑｕｉｍ ｅｔ ａｌ．， Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂａｎｄ−ｐａｓｓ ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒｓ ｅｎａｂｌｅｄ ｂｙ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｍｏｄｅｓ ａｎｄ ｐｌａｓｍｏｎｓ ｎｅａｒ ｔｈｅ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ａｎｏｍａｌｙ， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ３０８４３， ｖｏｌ． ２２， ３０８４３ （２０１４） Ｊ． Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．， Ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ ｐｌａｓｍｏｎｉｃ ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒｓ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ． １１０， ０３１１１０ （２０１７） Ｆ． Ｌuｔｏｌｆ ｅｔ ａｌ．， Ｆａｎｏ−ｒｅｓｏｎａｎｔ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ ｇｏｌｄ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｃｒｅａｔｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｔｕｎａｂｌｅ， ｕｐ−ｓｃａｌａｂｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ， Ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｖｏｌ． ７， １８１７９ （２０１５）

本発明の目的は、従来技術の光透過フィルタの限界を解決する光透過フィルタを提供することである。

金属構造体の表面で光が透過する純粋なプラズモニックフィルタとは対照的に、本発明の光学フィルタは、ナノ構造金属層によって提供される共振を支持する誘電体導波路を備える。これにより、光学フィルタの損失が大幅に低減され、例えば２０ｎｍ未満のように狭い帯域幅を有する光学フィルタの提供も可能となる。

また、従来技術の他のデバイスとは対照的に、光学フィルタは、光学フィルタの導波路内の光の伝搬中にかなりの損失を低減可能な、導波路上の低屈折率クラッド層を備える。低屈折率クラッドを使用しなければ、ナノ構造金属層に基づく光学フィルタの帯域幅の低減は不可能である。

また、複雑なエッチング工程を要する、製造には複雑なバイナリ金属構造を使用する従来技術の光学透過フィルタとは対照的に、本発明のフィルタは製造が容易かつ安価である。

より正確には、本発明は、構造化された第一の基板表面と、第一の基板表面に対向する第二の基板表面とを有する基板と、ナノ構造金属層と、基板とナノ構造金属層との間に配置された導波路とを備え、入射する光線のスペクトルの一部を透過させるように構成された光学透過フィルタによって、達成される。

第一の基板表面は、隣り合う凸部及び凹部からなるナノ構造の一次元又は二次元アレイを備えるパターン化表面である。高屈折率誘電体導波路は、第一の基板表面上に配置され、第一の基板表面によって画定されるパターン形状を有し、誘電体導波路は、１．４５から３．３の間の屈折率ｎ１を有する。

低屈折率誘電体層は、誘電体導波路の上に配置され、誘電体導波路によって画定されるパターン化された形状を有し、パターン化された形状は、隣接する低屈折率誘電体凸部及び凹部を画定し、誘電体層は、１．１５と１．７との間の屈折率ｎ２を有し、ｎ２はｎ１より低い。

金属ナノ構造のアレイが、低屈折率誘電体層の少なくとも一部上に配置され、少なくとも部分的に、誘電体導波路によって画定されるパターン化された形状を有する。導波管の頂部に構造化された金属層を使用する利点は、構造化された金属層からの回折によって増大された光が、ある長さ、典型的には５μｍを超える透過の後に導波管から外に出て結合され、入射光と干渉し、その結果、透過窓が共振で得られることである。

本発明の一実施形態では、金属ナノ構造のアレイは、低屈折率誘電体層の凹部のうちの一つに面する開口部のそれぞれの開口部のアレイを備える。構造化金属層に開口部を使用する利点は、高いピーク透過レベルを維持しながら、フィルタの透過帯域の半値全幅（ＦＷＨＭ）を低減することである。

本発明の一実施形態では、金属ナノ構造のアレイは、不均一な厚さを有し、低屈折率誘電体層の凸部上の金属ナノ構造の厚さが、低屈折率誘電体層の凹部上のその厚さよりも大きい。部分的な光透過性を有する部分を有する構造化された金属層を使用することにより、より安価に製造可能となり、フィルタの追加の設計の柔軟性を提供可能となる光学フィルタを提供できるようになる。

本発明の一実施形態では、アレイは、少なくとも一次元において異なる周期性Ｐ１からＰＮを有するＮ個の複数のサブアレイを備え、Ｎは好ましくは１０より大きい。複数のサブアレイを使用することにより、複数の所定の透過スペクトル帯域を有するフィルタを提供できるようになる。

本発明の一実施形態では、金属ナノ構造体は、低屈折率誘電体層の複数の凸部の少なくとも一部のみを覆う。

本発明の一実施形態では、金属ナノ構造体は、複数の凹部の少なくとも一部のみを覆う。低屈折率誘電体層の凸部及び／又は凹部の一部分のみを覆うことにより、異なる透過特性を有する広範囲の設計代替案を提供可能となる。また、透過特性は、低屈折率誘電体層の覆われていない領域における製造欠陥にもあまり敏感ではない。

本発明の一実施形態では、誘電体導波路の厚さは、２０ｎｍから１５０ｎｍの間、好ましくは３０ｎｍから１００ｎｍの間である。

本発明の一実施形態では、低屈折率誘電体層の厚さは、８０ｎｍから２００ｎｍの間、好ましくは３０ｎｍから２００ｎｍの間である。

本発明の一実施形態において、金属ナノ構造のアレイの周期は、２０ｎｍから５００ｎｍである。

本発明の一実施形態では、金属ナノ構造のアレイは、ナノメートルサイズのラメラの線形アレイである。金属ナノ構造にラメラを使用する利点は、製造が容易な単純な線形光学フィルタを提供することである。線形光学フィルタの透過スペクトルは入射光の偏光に依存する。光の偏光状態の測定は、用途によっては有用であり得る。

本発明の一実施形態では、第一の基板表面は、バイナリパターン化表面である。バイナリ構造は、製造中の開口部の面積のより高い制御を可能にする。

本発明の一実施形態では、第一の基板表面は、正弦波パターン化表面である。正弦波パターン化表面は、レーザ干渉リソグラフィのような標準的な格子製造技術を用いて形成可能という利点を有する。

また、本発明は、前記光学透過フィルタを備える検出器アレイを備え、前記基板に固定された、光学フィルタシステムに関する。ＣＭＯＳ検出器アレイのような検出器アレイを適合させることにより、安価な分光器に適用可能及び／又はマルチスペクトル撮像装置を提供可能な、簡単でコンパクトな光学フィルタシステムの実現を明らかにできる。

本発明はまた、３００ｎｍと７９０ｎｍとの間の波長を有する入射光に対して３０ｎｍより低い、好ましくは２０ｎｍより低いスペクトル分解能を有する、少なくとも一つの光学透過フィルタ及び／又は少なくとも一つの光学透過フィルタシステムを備える分光器に関する。本発明の光学フィルタ及びフィルタシステムに基づく分光器は、非常に低コストで、コンパクトで、信頼性があり、高性能な分光器を提供することを可能にする。光学フィルタはその機能性を損なうことなく検出器アレイ上に直接作製可能である。

また、本発明は、上述したような光学透過フィルタの製造方法によって達成され、以下の工程ａからｇを備える。
ａ）接触面を有する基板を提供する工程、
ｂ）ナノ構造表面を有する成形の型を提供する工程、
ｃ）接触面にゾル−ゲル層を適用する工程
ｄ）ゾル−ゲル層の光照射を用いてゾル−ゲル層のナノインプリント層を実現する工程、
ｅ）ナノインプリント層上への高屈折率薄膜コーティングを堆積する工程、
ｆ）高屈折率薄膜コーティング上への低屈折率薄膜コーティングを堆積する工程、
ｇ）低屈折率薄膜の上に、斜めコーティングにより、金属コーティングを被覆する工程。

本発明の方法は、高価な装備を要しない単純で安価な製造フローの提供を可能にする。この方法はまた、ウェハの製造規模又はロールツーロール生産ラインのような広い領域にわたって、容易かつ正確な再現可能な工程を提供する。

本発明の更なる詳細は、添付図面を参照して以下の説明を読むことにより、より明確になるであろう。

図１は、本発明の光学フィルタアレイの断面図を示す。 図２ａから図２ｄは、本発明の光学フィルタアレイを製造する方法を示す。 図２ａから図２ｄは、本発明の光学フィルタアレイを製造する方法を示す。 図２ａから図２ｄは、本発明の光学フィルタアレイを製造する方法を示す。 図２ａから図２ｄは、本発明の光学フィルタアレイを製造する方法を示す。 図３は、関連する主要パラメータを示す光学フィルタアレイの実施形態の断面図を示す。 図４は、関連する主要パラメータを示す光学フィルタアレイの実施形態の断面図を示す。 図５は、関連する主要パラメータを示す光学フィルタアレイの実施形態の断面図を示す。 図６は、関連する主要パラメータを示す光学フィルタアレイの実施形態の断面図を示す。 図７は、関連する主要パラメータを示す光学フィルタアレイの実施形態の断面図を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図９ａから図９ｂは、各画素が複数の金属ナノ構造に面する検出器を備える、本発明の光学フィルタシステムの実施形態を示す。 図９ａから図９ｂは、各画素が複数の金属ナノ構造に面する検出器を備える、本発明の光学フィルタシステムの実施形態を示す。 図１０は、ナノ構造金属アレイのサブセットに面する複数の検出器素子を有する検出器を備える、本発明の光学フィルタシステムの実施形態を示す。 図１１は、ナノ構造金属アレイのサブセットに面する複数の検出器素子を有する検出器を備える、本発明の光学フィルタシステムの実施形態を示す。 図１２は、少なくとも二つの異なるタイプのナノ構造金属アレイを備える分光器の立体図を示す。 図１３は、少なくとも二つの異なるタイプのナノ構造金属アレイを備える分光器の立体図を示す。 図１４は、従来技術の光学フィルタのシミュレーション結果を示す。 図１５は、従来技術の光学フィルタのシミュレーション結果を示す。 図１６は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図１７は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図１８は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図１９は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図２０は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図２１は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図２２は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図２３は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。

本発明を特定の実施形態及び特定の図面を参照して説明するが、本発明はそれに限定されない。記載される図面は、単に概略的であり、限定するものではない。図面では、いくつかの要素のサイズは誇張されていて、説明のために縮尺通りに描かれていないことがある。寸法及び相対寸法は、本発明の実施に対する実際の縮小に対応しない。

明細書及び特許請求の範囲における「備える」（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）という用語は、その後に列挙される手段に限定されると解釈されるべきではなく、すなわち、他の要素を排除するものではないことに留意されたい。

明細書全体を通して「実施形態」とは、実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造又は特性が、本発明の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。このように、説明中の様々な箇所における「ある実施形態において」又は「変形例において」（ｉｎ ｖａｒｉａｎｔ）という表現は、必ずしも全て同じ実施形態を指しているわけではなく、いくつかを指すものとする。さらに、特定の特徴、構造又は特徴は、本開示から当業者に明らかなように、１つ以上の実施形態において、任意の適切な方法で組み合わせてもよい。同様に、本発明の様々な特徴は、開示を読みやすくし、様々な発明の態様のうちの１つ以上の理解を向上させる目的で、単一の実施形態、図又は説明において一緒にグループ化されることがある。さらに、以下に記載されるいくつかの実施形態は、いくつかの他の実施形態に含まれるが、他の実施形態に含まれない他の特徴、異なる実施形態が本発明の範囲内であることを意味する場合の特徴の組み合わせ、及び異なる実施形態からの特徴の組み合わせを含む。例えば、特許請求の範囲に記載された任意の実施形態を任意の組み合わせで使用してもよい。また、本発明は、記載された多数の特定の詳細の一部なしに実施され得ることも理解される。他の例では、説明及び／又は図面の理解を妨げないように、全ての構造が詳細に示されているわけではない。「光」という用語は、ここでは、可視光のみならず紫外光及び赤外線放射の意味を含み、１００ｎｍ（深紫外）から２０μｍ（赤外）の波長、典型的には２５０ｎｍから１５００ｎｍの波長、より典型的には３５０ｎｍから１１００ｎｍの波長をカバーする。

本発明は、以下の実施形態を含む。

図１は、光学透過フィルタ１の一実施形態を示し、光学透過フィルタ１に入射する光線２０００のスペクトルの一部を透過させるように構成されている。フィルタ１は、ナノ構造の第一の基板表面１１と、第一の基板表面１１に対向する第二の基板表面１２とを有する透明基板２０を備える。フィルタ１は、平面Ｉを画定するナノ構造の金属層４０と、導波管２０と、第一の基板表面１１とナノ構造の金属層４０との間に配置された低屈折率クラッド層３０とを備える。フィルタ１の全ての層２０、３０、４０は、製造工程の違いによる制限の範囲内で、ナノ構造の第一の基板表面１１の形状に対応した（コンフォーマルな）形状を持つ。

ナノ構造の金属層４０の金属は任意の金属でよく、好ましくは、銀Ａｇ、金Ａｕ、クロムＣｒ又はアルミニウムＡｌ、又はそれらの合金であってもよい。「金属」という表現は、ここでは、導電性化合物を少なくとも一部に含む任意の導電性材料として理解されなければならない。例えば、ナノ構造層４０は、少なくとも一種の金属を含む物質として定義される、例えば３０％を超える金属物質を高濃度にドープした合金又はドープしたポリマー層であってもよい。さらに詳しく説明すると、ナノ構造金属層４０の厚さｔ_３、ｔ_４、ｔ_５は、好ましくは、１ｎｍから２００ｎｍ程度の範囲内の値である。

非特許文献１及び２に記載されているフィルタとは対照的に、本発明のフィルタ１は、図に示されているように変調された高屈折率導波路２０を備え、コンフォーマルコーティングを用いたより簡単な製造を可能にする。導波路２０における損失を最小限に抑え、低帯域幅の透過フィルタ１を得るために、導波路２０の構造の変調深さは、低く、典型的には１０ｎｍから１００ｎｍの間であるべきである。

より正確には、第一の基板表面１１は、近隣の凸部１１ａから１１ｎ及び凹部凹部１３ａから１３ｎからなるナノ構造１２ａから１２ｎの少なくとも一つのアレイ１０ａからＮを備えるパターン化された表面であり、Ｎはアレイの数であり、ｎは構造化された基板表面１１の平面内に画定されるナノ構造の総数であり、ｎは論理的に常にＮより大きい。光学透過フィルタ１は、ｎ個の凸部１１ａから１１ｎ及びｎ個の凹部１３ａから１３ｎを備える単一のアレイである。単一のアレイ内の凸部及び凹部の数ｎは、典型的には１０より大きく、より典型的には５００より大きい。高屈折率誘電体の導波路２０は、第一の基板表面１１上に配置され、第一の基板表面１１によって画定されるパターン化された形状を有し、誘電体の導波路２０は、１．４５と３．３との間の屈折率ｎ１を持つ。

低屈折率の誘電体層３０は、誘電体導波路２０の上に配置され、誘電体導波路２０によって画定されるパターン形状を有し、パターン形状は、隣り合う低屈折率誘電体の凸部３１ａから３１ｎ及び凹部３３ａから３３ｎを画定し、低屈折率誘電体層３０は、１．１５と１．７との間の屈折率ｎ２を有し、ｎ２はｎ１より低い。

金属ナノ構造４２ａから４２ｎのアレイ４０は、低屈折率の誘電体層３０の少なくとも一部の上に配置され、少なくとも部分的に、低屈折率誘電体の導波路３０（２０）によって画定されるパターン形状を有する。アレイ４０は、あらかじめ設定される周期Ｐで配置された金属ナノ構造４２ａから４２ｎを備える、少なくとも一つのアレイ４０ａから４０Ｎを備える。Ｎは、任意の数字でよいが、好ましくは最小３で、好ましくは１５より大きく、５０より大きいこともあり、１００より大きいこともある。

単一のフィルタＦが画定され、固定の事前に決定された周期Ｐを有する基板１０のナノ構造部分の積み重ねによって形成され、その上にそれぞれ導波路２０、低屈折率誘電体層３０が堆積され、その結果、全ての層１１、２０、３０が実質的に同じナノ構造形状を有する。ナノ構造層１０、２０、３０は、製造工程の違いの制限内でコンフォーマル形状を有し、積み重ねられた層１０、２０、３０の材料特性を有する。積み重ねられた層１０、１１、２０、３０は、少なくとも一つの光学フィルタＦ_１からＦ_Ｎを備える光学透過フィルタを形成する。

好ましい実施形態では、導波路層２０は、構造化基板層１０上に直接堆積され、低屈折率層３０は、導波路層２０上に直接堆積され、金属層４０は、低屈折率層３０上に直接堆積されることが理解される。変形例において、他の層が、フィルタ積層体の任意の連続する層１０、２０、３０、４０の間に接触して配置されてもよい。そのような他の層は、例えば、１０ｎｍ未満の厚さを有し、構造化された第一表面層１１のような共形形状を有する適合層であってもよい。他の層は、金属部分のような導電性部分を備えてもよい。

通常の使用では、光学透過フィルタ１は、フィルタ１に入射する光線２０００のスペクトルの一部を金属層４０側に透過させるように構成されているが、金属層を入射光線２０００の反対側に位置させて使用されてもよい。本発明の光学フィルタ１は、光が、相対する複数方向からフィルタに光が入射する光学装置、すなわち、金属アレイ４０側に入射する一方の光線２０００と、基板１０側に入射する他方の光線２０００′とに使用されてもよい。

本発明の有利な変形例では、図８ｉの断面図に概略的に示されるように、フィルタ層２０、３０、４０の少なくとも２層の積み重ねが、互いの上に配置されて構成されてもよい。図８ｉの変形例は、構造化層１０、２０、３０、４０の第一の積層体を備える。構造化金属層４０上に、好ましくは１．５未満の屈折率を有する構造化バッファ層Ｂが配置される。バッファ層Ｂは、第一のフィルタ層ＦＡを形成する第一の積層体の層１０、２０、２０、４０の共形構造を有する。第一のフィルタ層Ｆａ（ＦＡ）上に、第二のフィルタ層ＦＢが、第二の導波路層２０′と、第二の低誘電体層２０′と、金属ナノ構造の第二のアレイ４０′とを備えて構成される。図８ｉに示されるように、金属ナノ構造の第二のアレイ４０′は、金属ナノ構造の第一のアレイ４０と異なっていてもよい。

いくつかのフィルタ層Ｆａ、Ｆｂを互いの上に積み重ねることで、全透過率はより低下するが、単一のフィルタ積層部１０、２０、３０、４０によって得られるよりも小さい透過帯域幅を有するフィルタのような、さらなる設計の柔軟性を提供する。図８ｉに示されるように、光学フィルタ１は、反射防止層であり得る保護層Ｐを備えてもよい。

本発明の別の有利な変形例では、二つのフィルタ積層部を基板１０の両側に配置してもよく、異なるフィルタ層としてもよい。

図８ｊは、金属ナノ構造を有さないフィルタ層積層部２０′、３０″を基板１０の一方の側に備えるフィルタＦＤを、フィルタ１の一方の側に備える、本発明のフィルタ１の変形例を示す。

金属層４０は、最終堆積工程、すなわちナノ構造の低屈折率誘電体層３０上に堆積される。金属層４０は、少なくともその周期性に関して下地層１１、２０、３０と同じ共形形状を有するが、さらに詳細に説明するように、その面Ｉにおける金属厚が異なるもののような違いを有してもよい。例えば、方法についての記載でさらに説明するように、好ましい実施形態では、金属層４０は、ナノ構造の低屈折率誘電体層３０の一部のみを金属層４０が覆うように、斜めコーティング（斜め成膜）によって堆積される。

一実施形態では、金属ナノ構造４２ａから４２ｎのアレイ４０ａから４０Ｎは、開口部５０ａから５０ｎのアレイを含み、開口部５０ａから５０ｎのそれぞれは、低屈折率誘電体層２０の凹部３３ａから３３ｎのうちの一つに面している。

一実施形態では、金属ナノ構造４２ａから４２ｎのアレイ４０は、不均一な厚さを有し、低屈折率誘電体層２０の凸部３１ａから３１ｎ上の金属ナノ構造４２ａから４２ｎの厚さｔ３（図３）は、凸部３１ａから３１ｎの側面上のその厚さｔ４よりも大きく、及び／又は低屈折率誘電体層２０の凹部３３ａから３３ｎ上の厚さｔ５（図８ｃ）よりも大きい。変形例では、厚さｔ５は、ｔ４より大きくても、小さくてもよい。

本発明の有利な実施形態では、光学フィルタ１は、上述のように複数のＮ個のフィルタＦ_１からＦ_Ｎを備える。フィルタＦ_１からＦ_Ｎは、隣り合うフィルタであってもよく、又は、実施形態でさらに説明するように、分離構造１０″、１０′″によって少なくとも二つが分離されているフィルタであってもよい。複数のＮ個のフィルタＦ_１からＦ_Ｎは、少なくとも一次元において異なる周期性Ｐ１からＰＮを有するサブアレイ１０ａから１０ｎ、２０ａから２０ｎ、３０ａから３０ｎ、４０ａから４０ｎの複数のＮ個の異なる積み重ねを構成することによって達成される。Ｎは、好ましくは１０より大きく、より好ましくは５０より大きい。このような実施形態では、ｍ番目のフィルタＦｍを構成するナノ構造基板は、所定の周期Ｐ_ｍで変調（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を繰り返すことを特徴とする。ｍは、１からＮまでの任意の数である。ナノ構造化された第一の基板表面１１の周期を、表面１１の平面内で一次元又は二次元に変化させることにより、同一平面内で複数のフィルタを提供できるようになる。分光及びマルチスペクトルイメージング用途の場合、フィルタの数Ｎは、典型的には、５よりも多く、好ましくは１０よりも多く、より好ましくは３０よりも多く、１００よりも多い。選択されるフィルタの数Ｎは、スペクトルが提供される総帯域幅及び各個々のフィルタＦ_ｍの帯域幅に依存する。図１は、互いに隣り合う三つの異なるフィルタＦ_１、Ｆ_２、Ｆ_３（Ｎ＝３）を備える光学フィルタ１の例を示す。フィルタＦ_ｍ当たりの金属ナノ構造４２ａから４２ｎの数は、光学フィルタ１の異なるフィルタＦ１からＦＮについて異なっていてもよい。典型的なフィルタＦ１からＦＮのサイズは、任意のサイズであってよく、少なくとも一次元において、好ましくは１０ｍｍ未満であり、より好ましくは５ｍｍであり、さらに好ましくは２ｍｍであってもよい。典型的なフィルタＦ_１からＦ_Ｎは、典型的には、一次元で１０４個の金属ナノ構造を備え、典型的には、二次元のフィルタ１で１０８個の金属ナノ構造を備える。例えば、図１２に示されるような金属ラメラを備えるリニアフィルタの場合、ラメラを横切って画定されるその幅は、１００μｍ未満、好ましくは１０μｍ未満であり得る。光学フィルタ１の全体の厚さは、面Ｉに垂直に画定され、典型的には１ｍｍであり、好ましくは０．７ｍｍ未満である。

本発明の実施形態において、図３から図６に示すように、金属ナノ構造体４２ａから４２ｎは、低屈折率誘電体層３０の凸部３１ａから３１ｎの少なくとも一部を覆う。基板層１０は、ベースプレート１０′と、方法についての記載の中で一例としてさらに記載されるナノ構造ゾル−ゲル層１５′のようなナノ構造層１５′とを備える。変形例では、基板層１０は、ポリマー層１５′などの追加の層の使用を避けるため、例えば、直接エッチング及び／又はアブレーション技術及び／又はレーザ技術によって生成され得るナノ構造表面を備えるモノリシックの層であることが理解される。

図３は、低屈折率ナノ構造層３０の凸部３１ａから３１ｎ上に存在し、低屈折率層３０の凹部３３ａから３３ｎに面する開口部５０ａから５０ｎを提示するナノ構造金属層４０を備えるバイナリナノ構造フィルタ１の例示的な断面を示す。本発明の実施形態の層及び構造の典型的な幾何学的パラメータは、以下の通りである。
−基板層１０の凸部１１ａから１１ｎの厚さｄは、３０ｎｍから１５０ｎｍの間の値、
−導波路層２０の厚さｔ_１は、２０ｎｍから１５０ｎｍ、好ましくは３０ｎｍから１００ｎｍの間の値、
−低屈折率層３０の厚さｔ_２は、１０ｎｍから３００ｎｍ、好ましくは３０ｎｍから２００ｎｍの間の値、
−低屈折率層３０の凸部３１ａから３１ｎの厚さｄ′は、３０ｎｍから１５０ｎｍの間の値、
−単一フィルタＦａからＦＮ内の凸部の周期Ｐ１からＰＮは、２０ｎｍから２００ｎｍの間、典型的には、可視範囲で動作するように構成された変形例では２００ｎｍから５００ｎｍの間の値、
−低屈折率層３０の凸部３１ａから３１ｎの幅Ｗ３１ａから３１ｎは、ｆ＊Ｐで表され、Ｐは周期であり、ｆは、典型的には０．１から０．９の間、好ましくは０．２から０．８の間である。

図３に示されるように、低屈折率層３０の凸部上の金属層４０の厚さｔ_３は、凸部の頂部において、凸部の側面に対する厚さｔ_４とは異なってもよい。例えば、ｔ_４は２０ｎｍから１００ｎｍの間の値でよく、ｔ_３は１０ｎｍから８０ｎｍの間の値でもよい。変形例では、ｔ_３はｔ_４より大きくてもよい。

一実施形態では、金属ナノ構造４２ａから４２ｎのアレイ４０は、ナノメートルサイズのラメラ４５′のリニアアレイ４５である。このようなリニアアレイ４５がリニアのラメラを備える必要は必ずしもなく、曲線ラメラのリニアアレイであってもよいことが理解される。ラメラは、長手方向に少なくとも２μｍ、典型的には少なくとも２ｍｍ延在し、一方、図３に示されるような横方向の断面を有する。

図７は、フィルタＦ１からＦＮが分離構造１０″，１０’’’によって分離される本発明の変形例を示す。これにより、あるフィルタから別のフィルタへの光のクロスカップリングを低減可能である。分離構造１０″、１０’’’は、さらに説明するように、本発明の光学システム又は分光器４におけるバッフルとして使用されるように構成されてもよい。

図８ａから８ｇは、ナノ構造低屈折率層上に堆積されたナノ構造金属層４０の異なる実施形態を示す。
図８ａは、金属ナノ構造４２ａから４２ｎで完全に覆われた凸部を有するバイナリ構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｂは、金属ナノ構造４２ａから４２ｎで部分的にしか覆われていない凸部を有するバイナリ構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｃは、金属ナノ構造４２ａから４２ｎで非対称的に覆われた凸部を有するバイナリ構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｄは、入射光に対して部分的に透明である薄い部分５０′を備える、不均一なナノ構造層４０が堆積されるバイナリ構造の低屈折率層３０を示す。実施形態では、薄い部分５０′は、凸部上に存在してもよく、低誘電体層３０の凹部内の厚い部分に存在してもよい。
図８ｅは、二つの異なる金属ナノ構造４２ａからｃ、４２′ａからｃで覆われる凸部を有する正弦波構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｆは、凸部上の孔５０’’及び低屈折率誘電体層３０の凹部の他の孔部５０’’’を備えるナノ構造層４０で覆われた正弦波構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｇは、金属ナノ構造で少なくとも部分的に覆われた凹部を有する正弦波構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｉは、フィルタ層ＦＡ、ＦＢの２つの積み重ねられたスタックを備える光学フィルタの一部を示す。
図８ｊは、基板１０の両側に、二つの異なるフィルタＦＣ、ＦＤを形成するフィルタ層スタックを備える光学フィルタの一部を示す。

本発明の全ての実施形態において、ナノ構造金属層４０の少なくとも一部は、関連するフィルタＦｎのあらかじめ定めた透過スペクトルの少なくとも一部に対して少なくとも部分的に透明である。この部分は、図８ａから図８ｃ、図８ｅから図９に示される貫通開口部、あるいは図８ｄに示される部分的に透明な部分であり得ることが理解される。貫通開口部の場合には、開口の形状は、円錐状であっても、実質的に円筒状であっても、その他の形状であってもよい。貫通開口部がない場合には、異なる構成が可能である。例えば、図８ｄは、低屈折率層４の凹部上に堆積された薄い部分を有する金属層４０を備えるフィルタ１の一実施形態の断面を示す。５００ｎｍの中心波長と４０ｎｍの帯域幅とを有する光を透過するように構成された図８ｄの実施形態によるフィルタＦの一例において、５００ｎｍと５２０ｎｍとの間の波長のための薄層の透過率は９０％であり得る一方、５００ｎｍを含まない４８０ｎｍと５００ｎｍとの間の波長のためのその透過率は７０％であり得る。図８ｄの実施形態では、低屈折率誘電体層の凸部上の厚い金属層部分は、可視光に対して透過性ではない。変形例として、低屈折率誘電体層３０の凹部内に厚い金属層部分が存在し、低屈折率誘電体層３０の凹部上に薄い部分的に透明な金属層部分が存在してもよい。変形例として、金属層４０は均一な厚さを有してはならず、単一フィルタＦｎの凹部及び／又は凸部上に異なる厚さを有してもよい。

本発明の一実施形態では、第一の基板表面１１は、バイナリパターン化表面である。

別の実施形態では、第一の基板表面１１は、正弦波パターン化表面である。基板１０は、透明材料、典型的には、１．５から１．７の範囲の屈折率を有するガラス又はポリマーで作られる。基板のパターニングは、例えば、ＵＶナノインプリントリソグラフィーで実施され、追加のゾル−ゲル層を必要とするか、又はホットエンボスを使用する。ゾル−ゲル材料は、１．５から１．７の範囲の屈折率を有するガラスと同様の屈折率を有する。別法として、ゾル−ゲル、熱成形性ポリマー又はＵＶ架橋性ポリマー又はＵＶ架橋性モノマー、又はポリマーマトリックス又はそれらの組み合わせを含む混合物を使用してもよい。クラッド材料は、導波路における損失を最小限にするために、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２のように基板と同様の屈折率を有する薄膜である。

本発明の実施形態では、導波路材料は、硫化亜鉛ＺｎＳ、五酸化タンタルＴａ_２Ｏ_５、二酸化チタンＴｉＯ_２、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３、窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４、結晶ケイ素Ｓｉ、非晶質ケイ素Ｓｉ、微結晶ケイ素Ｓｉ、ケイ素酸化物ＳｉＯ_ｘ、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２、酸化クロム（ＩＩＩ）Ｃｒ_２Ｏ_３、窒化アルミニウムＡｌＮのような高屈折率材料であって、基板１０及び低屈折率層３０の屈折率よりも高い屈折率を提供するためのものである。

本発明の実施形態では、導波路２０における損失を最小化するために、クラッド材料、すなわち低屈折率材料は、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２のように基板１０と同様の屈折率を有する薄膜３０である。

本発明の変形例では、導波路２０は、低屈折率層２０と同じ材料でもよいが、異なるドーピングを有する。

本発明の有利な実施形態では、光学フィルタ１は、図１２及び１３の例示的実施形態に示されるように、異なるフィルタタイプのアレイが単一の光学透過フィルタ１内に構成され得るように、少なくとも二つの異なる構造化表面部分を備える基板１０を備えてもよい。図１２は、異なるタイプのラメラアレイを有する二つのフィルタ部分を備える例示的モノリシックフィルタ１を示し、各フィルタ部分は、少なくとも３つのフィルタ、Ｆ１からＦ３、Ｆ１′からＦ３′を備える。図１３は、２次元構造フィルタ部１Ａ及び線形構造フィルタ部１Ｂを備えるモノリシックフィルタ構成を示す。このような構成は、モノリシック光学フィルタシステム２と、リニア検出器アレイ部及び２次元検出器アレイ部からなる検出器アレイ３を備える分光器４との少なくとも一方において、構成されてもよい。

本発明の実施形態の変形例では、基板層１０は、プレート以外の別の形状を有してもよく、六面を持つ立方体形状のように任意の形状を有するものとしてよい。変形例では、フィルタ層スタック２０、３０、４０は、六面のうちの少なくとも一つ上に配置され得る。これは、例えば、その表面の１つに少なくとも１つのフィルタ１を備えるビームスプリッタにおいて有用となり得る。基板１０の他の形状、例えばプリズム形状も同様に考慮される。基板１０はまた、屈折レンズ又は任意の光学素子であって、例えばガラス又はポリマーで作られた透明基材を備えるミラーなどの少なくとも一つの透明部分を備え、顕微鏡又は望遠鏡のような光学機器で有用となり得る、少なくとも一つの透明開口部を備える。

また、本発明は、図９ａ及び図９ｂに示すように、上述の光学透過フィルタ１を備え、基板１０に固定された検出器アレイ３を備えた光学フィルタシステム２に関する。図９ａは、例えばスペーサによって検出器アレイ３までの距離に配置された光学フィルタシステム２を示す。図９ｂは、ポリマーであっても、又は検出器チップ３の不動態化層であってもよい層１７によって検出器アレイ３に固定された光学フィルタ１を備える光学フィルタシステム２を示す。図９ａ及び図９ｂの実施形態において、光学透過フィルタ１の各フィルタＦ１からＦＮは、検出器アレイ３の単一画素に面する。本発明の変形例において、図１０に示される各フィルタＦ１からＦＮは、複数の検出器素子３_１から３_ｘに面している。これにより、フィルタ間のクロストークの影響を最小限に抑えつつ、アライメント公差を大きくし、より信頼性の高い精密装置を提供する。図１０の実施形態において、検出器ピクセルの数ｘは、典型的には、しかし必ずしも必要ではないが、金属ナノ構造の数ｎよりも小さい。

本発明はまた、少なくとも一つの光学透過フィルタ１及び／又は少なくとも一つの光学透過フィルタシステム２を備える分光器４に関する。分光器４は、３００ｎｍから７９０ｎｍの間の波長を有する入射光に対して、３０ｎｍ未満、好ましくは２０ｎｍ未満のスペクトル分解能を有する。一例では、分光器４は、図１１に示されるようなマイクロレンズのアレイ５を備えてもよい。

例示的な実現化において、分光器は、シリコン検出器の吸収範囲をカバーするように、可視光及び近赤外光用途のために構成され、それぞれが最大３０ｎｍの帯域幅を有する２０から１００のリニア又は二次元フィルタＦ１からＦＮを備えてもよい。

例示的な実現化において、分光器４は、９００ｎｍから３μｍの波長の近赤外光適用のものとして構成され、各フィルタが最大１００ｎｍの帯域幅を持つ２０個から５０個のフィルタを備えるものとしてもよい。

例示的な実現化において、分光器は、３μｍと１０μｍとの間の短波長赤外（ＳＷＩＲ）光のための赤外光適用のものとして構成され、各フィルタは最大１５０ｎｍの帯域幅を持つ２０個から５０個のフィルタを備えるものとしてもよい。

有利な変形例では、分光器４は、各フィルタ１又は光学フィルタシステム２が異なる波長範囲のために構成された、いくつかの光学フィルタ１及び／又は光学フィルタシステム３を備えてもよい。一実施形態では、分光器４は、可視光送信のために構成された第一のフィルタシステムと、ＳＷＩＲ光透過のために構成された第二のフィルタシステムとを備えるものとしてもよい。

本発明はまた、少なくとも１つの光学透過フィルタ１及び／又は少なくとも１つの光学透過フィルタシステム２を備えるマルチスペクトル撮像装置５にも関する。マルチスペクトル撮像装置は、４００ｎｍから７９０ｎｍの間の波長を有する入射光について、３０ｎｍ未満、好ましくは２０ｎｍ未満のスペクトル分解能を持つものとしてもよい。検出器はＮ個の異なる画像を測定可能であり、ここでＮはスペクトルチャネルの数である。１０２４×７６８画素及び少なくとも１６個のスペクトルチャネルの検出器アレイの解像度の条件では、単一チャネル内の画像の最大解像度は、２５６×１９２画素である。Ｎ個の画像生成のため、フィルタの前に配置されたレンズアレイを使用してもよい。

分光器４又はマルチスペクトル撮像装置５の実現において、マイクロレンズ、マイクロミラー及び／又は光ファイバが組み合わせされているような光学素子の組み合わせが組み込まれてもよい。変形例では、分光器４は、静電的にアドレス指定可能なマイクロシャッタのアレイのようにアドレス指定可能なＭＥＭＳ構造のアレイを備えてもよい。これは、分光器を較正するために、及び／又は寄生迷光を補正するために、及び／又は参照強度を規定するために有用であり得る。

光入射角の範囲を縮小するために、開口部のようなマイクロスケール構造のアレイが、光学透過フィルタ１に対して整列され得る。

実施形態では、光学透過フィルタ１及び光学フィルタシステム２は、図１２及び図１３に示すように、それぞれが異なる配向金属ナノ構造を有する部分を備えてもよい。例えば、光学透過フィルタ１は、生成されたスペクトルが第１の方向に配向された可視範囲のＮ個のフィルタを備え、赤外領域のＭ個のフィルタを備える第２部分であって、生成されたスペクトルが、第１の方向に対して９０°のような角度をなす第２の方向に配向された第２部分を備えてもよい。フィルタアレイＦａ−Ｎは、フィルタＦａ−Ｎの平面内の所定の曲線に沿って配置されてもよいことも理解される。変形例では、フィルタアレイは少なくとも２つの交差する仮想線に従って整列されてもよい。

光学フィルタ１は、両方の偏光を独立して透過させるために、互いに垂直であるリニア金属ナノ構造の部分を備えてもよい。

本発明はまた、図２ａから図２ｄに示すように、以下の工程ａからｇを備える光学透過フィルタの製造方法によっても達成される。
ａ）接触面１０′を有する基板１０を用意する工程。
ｂ）微細構造の少なくとも１つのアレイ２００ａから２００ｃを備えるナノ構造表面を備える成形の型２００を用意する工程。
ｃ）接触面上にゾル−ゲル層１５を適用する工程。
ｄ）ゾル−ゲル層のＵＶ光照射を使用することによって、ゾル−ゲル層１５′のナノインプリント層１５′を実現する工程。
ｅ）図２ｂに示すように、ナノインプリント層１５′上に高屈折率薄膜コーティング２０を堆積する工程。
ｆ）図２ｃに示すように、高屈折率薄膜コーティング２０上に低屈折率薄膜コーティング３０を堆積する工程。
ｇ）図２ｄに示すように、斜めにコーティング３００を施すことによって、低屈折率薄膜コーティング３０上に金属コーティング４０を堆積する工程。

代替実施形態では、本発明の方法は以下の工程（ａ′からｆ′）を備える。
ａ′）熱可塑性材料からなる基板１０を用意する工程。
ｂ′）微細構造の少なくとも１つのアレイ２００ａから２００ｃを備えるナノ構造表面を備える成形の型２００を用意する工程。
ｃ′）基板１０の形状を基板１０に転写するために、基板１０の温度上昇と成形の型２００によって提供される圧力を適用する工程。この技術は通常熱エンボス加工と呼ばれる。
ｄ′）エンボス加工された基板１０上に高屈折率薄膜コーティング２０を堆積する工程。
ｅ′）高屈折率薄膜コーティング２０上に低屈折率薄膜コーティング３０を堆積する工程。
ｆ′）コーティング３００を斜めに塗布することによって、高屈折率薄膜コーティング２０上に金属コーティング４０を堆積する工程。

他の代替実施形態では、以下の工程（ａ”からｆ”）が実行される。
ａ”）接触面１０′を有する基板１０を用意する工程。
ｂ”）微細構造の少なくとも１つのアレイ２００ａから２００ｃを備えるナノ構造表面を備える成形の型２００を提供する工程。
ｃ”）接触面上にゾル−ゲル層１５を適用する工程。
ｄ”）ゾル−ゲル層のＵＶ光照射を使用することによって、ゾル−ゲル層１５′のナノインプリント層１５′を実現する工程。
ｅ”）ナノインプリント層１５′上に高屈折率薄膜コーティング２０を堆積する工程。
ｆ”）高屈折率薄膜コーティング２０上に低屈折率薄膜コーティング３０を堆積する工程。
ｇ”）低屈折率薄膜コーティング２０上に金属コーティング４０を堆積する工程。
ｈ”）構造化低屈折率薄膜コーティングの隆起上に存在する金属コーティングの少なくとも一部を機械的又は化学的エッチングにより除去することによって開口部を形成する工程。

本発明の光学フィルタ１は、ナノインプリント及び薄膜コーティングを用いて製造可能であり、これは、ウェハスケール又はロールツーロール製造において低コストで実施可能である。これは特に、フィルム厚が全てのフィルタにわたって同じであることを意味する。

他の重要な態様は、斜め蒸着及びその下の波形からの自己遮蔽によって得られる金属最上層の部分的な被覆である。関与する堆積角度は、基板１０の法線から最大８５°の範囲であり得る。格子の曲線因子が高い場合、自己遮蔽はより効果的である。粒子の実現化において、厚さｔ_３とｔ_４との間の関係は、堆積角度と選択されたコーティング技術（例えば、蒸発又はスパッタリング）に依存する。特に、ｔ_４が増加すると考えられる一方、ｔ_３は、大きな堆積角度に対して減少すると考えられる。

代替的に、金属最上層の部分被覆率は、低屈折率薄膜上にコンフォーマルな金属コーティングを施し、機械的に除去するか、又は構造化低屈折率薄膜コーティングの凸部上に存在する金属コーティングの少なくとも一部を化学エッチングすることによって得られる。代替的に、金属材料は、インクジェット印刷又はスロットダイコーティングのような湿式塗布技術によって構造化低屈折率薄膜コーティングの凹部に配置されてもよい。金属最上層内の導電性を確保するために、被覆後の焼結工程を用いてもよい。

実装した光学フィルタのシミュレーション結果
図１４は、非特許文献１に開示された装置のシミュレーションを示す。結果は、そのような装置で得られる最低帯域幅が３０ｎｍであることを示す。残留透過率もまた重要であり、４００ｎｍ及び７５０ｎｍのスペクトル範囲にわたって少なくとも１８％である。

図１５は、非特許文献２に開示されている装置のシミュレーションを示す。結果は、そのような装置で得られる最低帯域幅が非常に高く、半値全幅５０ｎｍ超であることを示す。

図１６から図２３は、本発明の実施形態を用いて得られたシミュレーション結果を示す。フィルタアレイＦａからＦＮは、明確なピークを有する明確な透過スペクトルを示す。透過光のパワーレベルは、従来の理論から予想されるパワーレベルよりも、又は従来技術のいずれのフィルタよりもはるかに大きい。

シミュレーションは、本発明の光学フィルタのこれまでにない特性がおそらく、ナノ構造導波路２０、低屈折率層３０、及びナノ構造金属層４０の組み合わせによる入射光の共鳴効果によるものであることを示している。アレイの幾何学的形状による干渉のような、そのほかの考えられる効果もまた、波長選択性が高められる透過に寄与する。

全体として、フィルタ１は、共振時に実現され、典型的には５０％超、場合によっては７０％超の透過率を有する透過窓（半値全幅、ＦＷＨＭ、３０ｎｍ未満、好ましくは２０ｎｍ未満）を提供することを可能にする。共振の外側では、フィルタ１の透過レベルは低く、典型的には２０％以下、おそらく１０％以下である。

いくつかの実装例を次に説明する。
例示的な具現化形態では、金属ナノ構造はバイナリ形状を有し、図３の実施形態に示されるように、コーティングを有する。基板及びクラッド材料は二酸化ケイ素ＳｉＯ_２からなる。ゾル−ゲルの屈折率は、標準的なゾル−ゲル材料の典型的な値である二酸化ケイ素ＳｉＯ_２のそれによってモデル化される。導波路３０は、硫化亜鉛ＺｎＳからなる。金属被膜４０は、アルミニウムＡｌからなる。格子変調深さｄは３０ｎｍであり、薄膜コーティング後のプロファイル忠実度の損失を考慮するとｄ′＝２０ｎｍに減少される。ゾル−ゲルの厚さは典型的には３μｍから７０μｍの間の範囲であるが、ゾル−ゲルと基板の屈折率が同じであるため、この例ではそれは透過率に影響を及ぼさない。他の厚さは、ｔ_１＝３０ｎｍ、ｔ_２＝１７０ｎｍ、ｔ_３＝２０ｎｍ、ｔ_４＝２０ｎｍ、Ｆ＝０．７５である。それぞれ２８０、３００、３２０、３４０、３６０、３８０、３００、４００、４２０、４４０、４６０、４８０ｎｍのピッチ値は、格子線を横切って分極された電界での法線入射での厳密結合波解析を使用してシミュレートされたように、それぞれ図１６に示される１１の透過強度プロファイルをもたらす。製造において、構造からの自己遮蔽及び目標値のＦを得るために、表面法線からの金属コーティングの８５°の角度が推定される。

図１７は、同じ構造のシミュレーション結果を示すが、導波路の厚さは４０ｎｍに、スペーサの厚さは１６０ｎｍに増加されている。図１６と比較すると、異なるフィルタからのピーク透過率の相対的寄与が変化している。特に、最低波長でのフィルタの透過率が減少した。

図１８では、図１７と類似しているが４５ｎｍの導波路厚を持つ構造のシミュレーション結果が示されている。異なるフィルタ寄与の間のより高いバランスが観察される。

図１９では、図１８と類似しているがＦ＝０．７の低い曲線因子を持つ構造のシミュレーション結果が示されている。ピーク透過率は増加するが、ピーク外の透過率も１０％を超えて増加し、検出にノイズが発生する可能性がある。

図２０では、クラッディング層の屈折率は、図１６の特性を有するフィルタと比較して１．６に増加している。電界は導波路から金属格子に向かって引っ張られ、その結果として損失も増加し、帯域幅も同様である。

図２１では、クラッドが二酸化ケイ素ＳｉＯ_２であって、基板の屈折率は１．６に増加している。図１４の特性を有するフィルタと比較して、電界が金属層から引き離されるので帯域幅が減少し、プロセス中の損失が減少する。しかしながら、透過ピークを生じる干渉プロセスはもはや最適ではなく、いくつかのフィルタでは低いピーク透過が観察される。

別の例では、深さｄ′は１５０ｎｍで増加し、アルミニウムの厚さはｔ_３＝４０ｎｍ、ｔ_４＝４０ｎｍである。同様の構造が、プラズモニックフィルタを作成するため、例えば非特許文献３に開示されている。結果を図２２に示す。製造において、この場合、表面法線からの金属コーティングの角度４５°が推定される。

図２２に見られるように、金属格子のアスペクト比は、共鳴に対するプラズモンの強い寄与をもたらし、その結果、フィルタ帯域の強い広がりをもたらす。これは、低い変調深さを有する格子が必要であり、斜め蒸着を伴う最先端のプラズモニックフィルタ（ＳＶＧ Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓからの非特許文献３又は特許文献６に記載されたもののような）は、共鳴導波路格子と組み合わせても所望の効果を与えないことを示す。

基本構造に対する別のアプローチは、バイナリの代わりに正弦波プロファイルを使用することである。これは次の例で説明される。正弦波プロファイルは、レーザ干渉リソグラフィを用いることから始められる。フィルタの製造プロセスは、図２ａから図２ｄに示されたものと同一のままであり、すなわちナノインプリントリソグラフィー及び薄膜コーティングを使用する。自己遮蔽効果は、基礎となる構造の波形のために依然として存在する。

図２３は、正弦波プロファイルを持つフィルタの透過率のシミュレーション結果を示す。基板、ゾル−ゲル及びクラッディング材料は、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２の屈折率によってモデル化されている。導波路は窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４でできている。金属コーティングはアルミニウムＡｌでできている。格子変調深さｄは２０ｎｍである。層厚は、ｔ１＝６０ｎｍ、ｔ２＝１２０ｎｍ、ｔ３＝２０ｎｍ、Ｆ＝０．８０である。ピッチ値は、２８０、３００、３２０、３４０、３６０、３８０、４００、４２０、４４０、４６０、４８０ｎｍである。図１６と比較すると、フィルタ帯域幅はわずかに増加し、バックグラウンド透過率は最大２０％増加したが、デバイスの製造性はより容易になると予想される。

１ 光学透過フィルタ
１０ 基板
１１ 第一の基板表面
１１ａから１１ｎ 凸部
１２ａから１２ｎ ナノ構造
１３ａから１３ｎ 凹部
１５ ゾル−ゲル層
２０ 高屈折率導波路
３０ 低屈折率誘電性クラッド層
３１ａから３１ｎ 低屈折率層３０の凸部
３３ａから３３ｎ 低屈折率層３０の凹部
４０ ナノ構造金属層のアレイ
４２ 金属ナノ構造
４５ リニアアレイ
５０ 開口部
２００ 成形の型
３００ 斜めコーティング
２０００ 光線
Ｆ フィルタ
ＦＡ 第一のフィルタ層
ＦＢ 第二のフィルタ層
Ｐ 周期
Ｗ 凸部３１の幅

本発明は、透過型光学フィルタと、光検出器と、そのようなフィルタ及び光検出器を備える分光器の分野に関する。

より正確には、本発明は、高透過性光学フィルタ及び低帯域幅のバンドパスを有するそのようなフィルタアレイに関し、ナノ構造基板及びそのような構造基板上に配置された導波路を備える。本発明はまた、民生用電子機器の市場のために構成された小型分光器に関する。本発明は、低帯域幅を有する光学透過フィルタの製造方法も含む。

本発明はまた、透過型光学フィルタ及び光検出器の製造方法に関する。

光学フィルタ、特に透過フィルタの使用は、光学部品及び光学機器及びシステムにおいて重要である。例えば、組み合わされた光学フィルタは、例えば望遠鏡のような視覚システムにおいて、又は分光器、医療機器又は産業用制御及び検査システムにおいて、しばしば光学検出器と組み合わされる。広いスペクトル範囲内の狭い範囲の周波数においてのみ光を選択的に透過する材料又はデバイスを有することは、実際に有用である。

光学透過フィルタは、異なる方法で実現され得る。例えば、遠赤外線（赤外）スペクトルフィルタは、ワイヤメッシュ又は金属グリッドから製造され得る。紫外線、可視及び近赤外において、従来のフィルタは、一般に非常に広い透過スペクトルを有する吸収フィルタであってもよい。干渉フィルタとして構成された誘電体薄膜の積層を実現することにより、スペクトル帯域幅の小さい透過フィルタを構成してもよい。このようなフィルタは、例えば蒸着技術によって一方を他方の上に蒸着させた多数の層、典型的には３０層以上からなる。干渉型フィルタの問題は、フィルタの傾斜及び／又は層厚の変更によってのみ波長を変更可能であったので、これは複雑で高価な製造工程であるばかりでなく、小さな寸法内で互いに異なるフィルタのアレイを実現することを困難にしている。

光学フィルタはまた、薄いナノ構造の金属層、特にサブ波長開口部のアレイを有する金属層によって作製されてもよい。このようなフィルタは、例えば、Ｔ．Ｗ． Ｅｂｅｓｓｅｎらによる出版物（非特許文献１）に記載されている。

特許文献１及び特許文献２には、ナノ構造光学フィルタアレイに基づくセンサが開示されている。それは金属ナノ構造（主としてアルミニウム）のサブ波長アレイからなり、光スペクトルの一部を透過する。アレイ中のナノ構造のピッチ又は充填率の変化のみが透過色の変化を誘起するので、このアプローチは興味深い。フィルタを一度に生成する、例えばエンボス加工の高速加工を可能にする。しかし、金属構造における損失のため、帯域幅は非常に大きい。

特許文献３には、相補的な金属ナノ構造に基づくバンドパスフィルタが開示されている。このアプローチはプラズモニックフィルタの帯域幅を減少させる可能性があるが、分光学的又はスペクトル画像応用において競合するにはまだ距離がある。

非特許文献２は、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３導波路上のバイナリアルミニウム格子について報告している。格子ピッチの変化はフィルタスペクトル位置の変化につながり、これが探求されている。しかしながら、回折格子は導波路と直接接触していて、これは、透過帯域の拡大及び比較的高いバックグラウンド透過（２０％から３０％）をもたらしている。特許文献４は、２００ｎｍ未満の厚さの副層である格子層を開示している。特許文献４に開示された構造は、格子を生成するためにアルミニウム膜への現像及びエッチング工程を必要とするため、製造が複雑である。

非特許文献３は、アルミニウム格子と窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４からなる導波路の間に低屈折率のフッ化マグネシウムＭｇＦ_２クラッドの付加を提案しているが、構造は膜であり、基板に支持されていないため、製造がさらに複雑になる。さらに、構造体が空気中、又は真空中で懸架されているという事実は、帯域幅を大きく増加させる。特許文献５は、非特許文献３に記載されたフィルタと同様の制限を示している。

米国特許出願公開第２０１２／１２９２６９号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０４６０７７号明細書 国際公開第２０１２／００７１４７号 米国特許第９０８１１５０号 中国特許第１０６８９６４３６号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０７１５３２号

Ｔ．Ｗ． Ｅｂｂｅｓｅｎ ｅｔ ａｌ．， "Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｈｏｌｅ ａｒｒａｙｓ"， Ｎａｔｕｒｅ ３９１， ６６７ （１９９８） Ｄ． Ｂ． Ｍａｚｕｌｑｕｉｍ ｅｔ ａｌ．， Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂａｎｄ−ｐａｓｓ ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒｓ ｅｎａｂｌｅｄ ｂｙ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｍｏｄｅｓ ａｎｄ ｐｌａｓｍｏｎｓ ｎｅａｒ ｔｈｅ Ｒａｙｌｅｉｇｈ ａｎｏｍａｌｙ， Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ３０８４３， ｖｏｌ． ２２， ３０８４３ （２０１４） Ｊ． Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．， Ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ ｐｌａｓｍｏｎｉｃ ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒｓ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ． １１０， ０３１１１０ （２０１７） Ｆ． Ｌｕｅｔｏｌｆ ｅｔ ａｌ．， Ｆａｎｏ−ｒｅｓｏｎａｎｔ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ ｇｏｌｄ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｃｒｅａｔｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｔｕｎａｂｌｅ， ｕｐ−ｓｃａｌａｂｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ， Ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｖｏｌ． ７， １８１７９ （２０１５）

本発明の目的は、従来技術の光透過フィルタの限界を解決する光透過フィルタを提供することである。

金属構造体の表面で光が透過する純粋なプラズモニックフィルタとは対照的に、本発明の光学フィルタは、ナノ構造金属層によって提供される共振を支持する誘電体導波路を備える。これにより、光学フィルタの損失が大幅に低減され、例えば２０ｎｍ未満のように狭い帯域幅を有する光学フィルタの提供も可能となる。

また、従来技術の他のデバイスとは対照的に、光学フィルタは、光学フィルタの導波路内の光の伝搬中にかなりの損失を低減可能な、導波路上の低屈折率クラッド層を備える。低屈折率クラッドを使用しなければ、ナノ構造金属層に基づく光学フィルタの帯域幅の低減は不可能である。

また、複雑なエッチング工程を要する、製造には複雑なバイナリ金属構造を使用する従来技術の光学透過フィルタとは対照的に、本発明のフィルタは製造が容易かつ安価である。

より正確には、本発明は、構造化された第一の基板表面と、第一の基板表面に対向する第二の基板表面とを有する基板と、ナノ構造金属層と、基板とナノ構造金属層との間に配置された導波路とを備え、入射する光線のスペクトルの一部を透過させるように構成された光学透過フィルタによって、達成される。

第一の基板表面は、隣り合う凸部及び凹部からなるナノ構造の一次元又は二次元アレイを備えるパターン化表面である。高屈折率誘電体導波路は、第一の基板表面上に配置され、第一の基板表面によって画定されるパターン形状を有し、誘電体導波路は、１．４５から３．３の間の屈折率ｎ１を有する。

低屈折率誘電体層は、誘電体導波路の上に配置され、誘電体導波路によって画定されるパターン化された形状を有し、パターン化された形状は、隣接する低屈折率誘電体凸部及び凹部を画定し、誘電体層は、１．１５と１．７との間の屈折率ｎ２を有し、ｎ２はｎ１より低い。

金属ナノ構造のアレイが、低屈折率誘電体層の少なくとも一部上に配置され、少なくとも部分的に、誘電体導波路によって画定されるパターン化された形状を有する。導波管の頂部に構造化された金属ペイヤを使用する利点は、構造化された金属層からの回折によって増大された光が、ある長さ、典型的には５μｍを超える透過の後に導波管から外に出て結合され、入射光と干渉し、その結果、透過窓が共振で得られることである。

本発明の一実施形態では、金属ナノ構造のアレイは、低屈折率誘電体層の凹部のうちの一つに面する開口部のそれぞれの開口部のアレイを備える。構造化金属層に開口部を使用する利点は、高いピーク透過レベルを維持しながら、フィルタの透過帯域の半値全幅（ＦＷＨＭ）を低減することである。

本発明の一実施形態では、金属ナノ構造のアレイは、不均一な厚さを有し、低屈折率誘電体層の凸部上の金属ナノ構造の厚さが、低屈折率誘電体層の凹部上のその厚さよりも大きい。部分的な光透過性を有する部分を有する構造化された金属層を使用することにより、より安価に製造可能となり、フィルタの追加の設計の柔軟性を提供可能となる光学フィルタを提供できるようになる。

本発明の一実施形態では、アレイは、少なくとも一次元において異なる周期性Ｐ１からＰＮを有するＮ個の複数のサブアレイを備え、Ｎは好ましくは１０より大きい。複数のサブアレイを使用することにより、複数の所定の透過スペクトル帯域を有するフィルタを提供できるようになる。

本発明の一実施形態では、金属ナノ構造体は、低屈折率誘電体層の複数の凸部の少なくとも一部のみを覆う。

本発明の一実施形態では、金属ナノ構造体は、複数の凹部の少なくとも一部のみを覆う。低屈折率誘電体層の凸部及び／又は凹部の一部分のみを覆うことにより、異なる透過特性を有する広範囲の設計代替案を提供可能となる。また、透過特性は、低屈折率誘電体層の覆われていない領域における製造欠陥にもあまり敏感ではない。

本発明の一実施形態では、誘電体導波路の厚さは、２０ｎｍから１５０ｎｍの間、好ましくは３０ｎｍから１００ｎｍの間である。

本発明の一実施形態では、低屈折率誘電体層の厚さは、８０ｎｍから２００ｎｍの間、好ましくは３０ｎｍから２００ｎｍの間である。

本発明の一実施形態において、金属ナノ構造のアレイの周期は、２０ｎｍから５００ｎｍである。

本発明の一実施形態では、金属ナノ構造のアレイは、ナノメートルサイズのラメラの線形アレイである。金属ナノ構造にラメラを使用する利点は、製造が容易な単純な線形光学フィルタを提供することである。線形光学フィルタの透過スペクトルは入射光の偏光に依存する。光の偏光状態の測定は、用途によっては有用であり得る。

本発明の一実施形態では、第一の基板表面は、バイナリパターン化表面である。バイナリ構造は、製造中の開口部の面積のより高い制御を可能にする。

本発明の一実施形態では、第一の基板表面は、正弦波パターン化表面である。正弦波パターン化表面は、レーザ干渉リソグラフィのような標準的な格子製造技術を用いて形成可能という利点を有する。

また、本発明は、前記光学透過フィルタを備える検出器アレイを備え、前記基板に固定された、光学フィルタシステムに関する。ＣＭＯＳ検出器アレイのような検出器アレイを適合させることにより、安価な分光器に適用可能及び／又はマルチスペクトル撮像装置を提供可能な、簡単でコンパクトな光学フィルタシステムの実現を明らかにできる。

本発明はまた、３００ｎｍと７９０ｎｍとの間の波長を有する入射光に対して３０ｎｍより低い、好ましくは２０ｎｍより低いスペクトル分解能を有する、少なくとも一つの光学透過フィルタ及び／又は少なくとも一つの光学透過フィルタシステムを備える分光器に関する。本発明の光学フィルタ及びフィルタシステムに基づく分光器は、非常に低コストで、コンパクトで、信頼性があり、高性能な分光器を提供することを可能にする。光学フィルタはその機能性を損なうことなく検出器アレイ上に直接作製可能である。

また、本発明は、上述したような光学透過フィルタの製造方法によって達成され、以下の工程ａからｇを備える。
ａ）接触面を有する基板を提供する工程、
ｂ）ナノ構造表面を有する成形の型を提供する工程、
ｃ）接触面にゾル−ゲル層を適用する工程
ｄ）ゾル−ゲル層の光照射を用いてゾル−ゲル層のナノインプリント層を実現する工程、
ｅ）ナノインプリント層上への高屈折率薄膜コーティングを堆積する工程、
ｆ）高屈折率薄膜コーティング上への低屈折率薄膜コーティングを堆積する工程、
ｇ）低屈折率薄膜の上に、斜めコーティングにより、金属コーティングを被覆する工程。

本発明の方法は、高価な装備を要しない単純で安価な製造フローの提供を可能にする。この方法はまた、ウェハの製造規模又はロールツーロール生産ラインのような広い領域にわたって、容易かつ正確な再現可能な工程を提供する。

本発明の更なる詳細は、添付図面を参照して以下の説明を読むことにより、より明確になるであろう。

図１は、本発明の光学フィルタアレイの断面図を示す。 図２ａから図２ｄは、本発明の光学フィルタアレイを製造する方法を示す。 図２ａから図２ｄは、本発明の光学フィルタアレイを製造する方法を示す。 図２ａから図２ｄは、本発明の光学フィルタアレイを製造する方法を示す。 図２ａから図２ｄは、本発明の光学フィルタアレイを製造する方法を示す。 図３は、関連する主要パラメータを示す光学フィルタアレイの実施形態の断面図を示す。 図４は、関連する主要パラメータを示す光学フィルタアレイの実施形態の断面図を示す。 図５は、関連する主要パラメータを示す光学フィルタアレイの実施形態の断面図を示す。 図６は、関連する主要パラメータを示す光学フィルタアレイの実施形態の断面図を示す。 図７は、関連する主要パラメータを示す光学フィルタアレイの実施形態の断面図を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図８ａから図８ｊは、ナノ構造低屈折率誘電体層上に堆積されたナノ構造金属層の実施形態を示す。 図９ａから図９ｂは、各画素が複数の金属ナノ構造に面する検出器を備える、本発明の光学フィルタシステムの実施形態を示す。 図９ａから図９ｂは、各画素が複数の金属ナノ構造に面する検出器を備える、本発明の光学フィルタシステムの実施形態を示す。 図１０は、ナノ構造金属アレイのサブセットに面する複数の検出器素子を有する検出器を備える、本発明の光学フィルタシステムの実施形態を示す。 図１１は、ナノ構造金属アレイのサブセットに面する複数の検出器素子を有する検出器を備える、本発明の光学フィルタシステムの実施形態を示す。 図１２は、少なくとも二つの異なるタイプのナノ構造金属アレイを備える分光器の立体図を示す。 図１３は、少なくとも二つの異なるタイプのナノ構造金属アレイを備える分光器の立体図を示す。 図１４は、従来技術の光学フィルタのシミュレーション結果を示す。 図１５は、従来技術の光学フィルタのシミュレーション結果を示す。 図１６は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図１７は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図１８は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図１９は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図２０は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図２１は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図２２は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。 図２３は、本発明の光学フィルタの実施形態のシミュレーション結果を示す。

本発明を特定の実施形態及び特定の図面を参照して説明するが、本発明はそれに限定されない。記載される図面は、単に概略的であり、限定するものではない。図面では、いくつかの要素のサイズは誇張されていて、説明のために縮尺通りに描かれていないことがある。寸法及び相対寸法は、本発明の実施に対する実際の縮小に対応しない。

明細書及び特許請求の範囲における「備える」（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）という用語は、その後に列挙される手段に限定されると解釈されるべきではなく、すなわち、他の要素を排除するものではないことに留意されたい。

明細書全体を通して「実施形態」とは、実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造又は特性が、本発明の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。このように、説明中の様々な箇所における「ある実施形態において」又は「変形例において」（ｉｎ ｖａｒｉａｎｔ）という表現は、必ずしも全て同じ実施形態を指しているわけではなく、いくつかを指すものとする。さらに、特定の特徴、構造又は特徴は、本開示から当業者に明らかなように、１つ以上の実施形態において、任意の適切な方法で組み合わせてもよい。同様に、本発明の様々な特徴は、開示を読みやすくし、様々な発明の態様のうちの１つ以上の理解を向上させる目的で、単一の実施形態、図又は説明において一緒にグループ化されることがある。さらに、以下に記載されるいくつかの実施形態は、いくつかの他の実施形態に含まれるが、他の実施形態に含まれない他の特徴、異なる実施形態が本発明の範囲内であることを意味する場合の特徴の組み合わせ、及び異なる実施形態からの特徴の組み合わせを含む。例えば、特許請求の範囲に記載された任意の実施形態を任意の組み合わせで使用してもよい。また、本発明は、記載された多数の特定の詳細の一部なしに実施され得ることも理解される。他の例では、説明及び／又は図面の理解を妨げないように、全ての構造が詳細に示されているわけではない。「光」という用語は、ここでは、可視光のみならず紫外光及び赤外線放射の意味を含み、１００ｎｍ（深紫外）から２０μｍ（赤外）の波長、典型的には２５０ｎｍから１５００ｎｍの波長、より典型的には３５０ｎｍから１１００ｎｍの波長をカバーする。

本発明は、以下の実施形態を含む。

図１は、光学透過フィルタ１の一実施形態を示し、光学透過フィルタ１に入射する光線２０００のスペクトルの一部を透過させるように構成されている。フィルタ１は、ナノ構造の第一の基板表面１１と、第一の基板表面１１に対向する第二の基板表面１２とを有する透明基板２０を備える。フィルタ１は、平面Ｉを画定するナノ構造の金属層４０と、導波管２０と、第一の基板表面１１とナノ構造の金属層４０との間に配置された低屈折率クラッド層３０とを備える。フィルタ１の全ての層２０、３０、４０は、製造工程の違いによる制限の範囲内で、ナノ構造の第一の基板表面１１の形状に対応した（コンフォーマルな）形状を持つ。

ナノ構造の金属層４０の金属は任意の金属でよく、好ましくは、銀Ａｇ、金Ａｕ、クロムＣｒ又はアルミニウムＡｌ、又はそれらの合金であってもよい。「金属」という表現は、ここでは、導電性化合物を少なくとも一部に含む任意の導電性材料として理解されなければならない。例えば、ナノ構造層４０は、少なくとも一種の金属を含む物質として定義される、例えば３０％を超える金属物質を高濃度にドープした合金又はドープしたポリマー層であってもよい。さらに詳しく説明すると、ナノ構造金属層４０の厚さｔ_３、ｔ_４、ｔ_５は、好ましくは、１ｎｍから２００ｎｍ程度の範囲内の値である。

非特許文献１及び２に記載されているフィルタとは対照的に、本発明のフィルタ１は、図に示されているように変調された高屈折率導波路２０を備え、コンフォーマルコーティングを用いたより簡単な製造を可能にする。導波路２０における損失を最小限に抑え、低帯域幅の透過フィルタ１を得るために、導波路２０の構造の変調深さは、低く、典型的には１０ｎｍから１００ｎｍの間であるべきである。

より正確には、第一の基板表面１１は、近隣の凸部１１ａから１１ｎ及び凹部凹部１３ａから１３ｎからなるナノ構造１２ａから１２ｎの少なくとも一つのアレイ１０ａからＮを備えるパターン化された表面であり、Ｎはアレイの数であり、ｎは構造化された基板表面１１の平面内に画定されるナノ構造の総数であり、ｎは論理的に常にＮより大きい。光学透過フィルタ１は、ｎ個の凸部１１ａから１１ｎ及びｎ個の凹部１３ａから１３ｎを備える単一のアレイである。単一のアレイ内の凸部及び凹部の数ｎは、典型的には１０より大きく、より典型的には５００より大きい。高屈折率誘電体の導波路２０は、第一の基板表面１１上に配置され、第一の基板表面１１によって画定されるパターン化された形状を有し、誘電体の導波路２０は、１．４５と３．３との間の屈折率ｎ１を持つ。

低屈折率の誘電体層３０は、誘電体導波路２０の上に配置され、誘電体導波路２０によって画定されるパターン形状を有し、パターン形状は、隣り合う低屈折率誘電体の凸部３１ａから３１ｎ及び凹部３３ａから３３ｎを画定し、低屈折率誘電体層３０は、１．１５と１．７との間の屈折率ｎ２を有し、ｎ２はｎ１より低い。

金属ナノ構造４２ａから４２ｎのアレイ４０は、低屈折率の誘電体層３０の少なくとも一部の上に配置され、少なくとも部分的に、低屈折率誘電体の導波路３０（２０）によって画定されるパターン形状を有する。アレイ４０は、あらかじめ設定される周期Ｐで配置された金属ナノ構造４２ａから４２ｎを備える、少なくとも一つのアレイ４０ａから４０Ｎを備える。Ｎは、任意の数字でよいが、好ましくは最小３で、好ましくは１５より大きく、５０より大きいこともあり、１００より大きいこともある。

単一のフィルタＦが画定され、固定の事前に決定された周期Ｐを有する基板１０のナノ構造部分の積み重ねによって形成され、その上にそれぞれ導波路２０、低屈折率誘電体層３０が堆積され、その結果、全ての層１１、２０、３０が実質的に同じナノ構造形状を有する。ナノ構造層１０、２０、３０は、製造工程の違いの制限内でコンフォーマル形状を有し、積み重ねられた層１０、２０、３０の材料特性を有する。積み重ねられた層１０、１１、２０、３０は、少なくとも一つの光学フィルタＦ_１からＦ_Ｎを備える光学透過フィルタを形成する。

好ましい実施形態では、導波路層２０は、構造化基板層１０上に直接堆積され、低屈折率層３０は、導波路層２０上に直接堆積され、金属層４０は、低屈折率層３０上に直接堆積されることが理解される。変形例において、他の層が、フィルタ積層体の任意の連続する層１０、２０、３０、４０の間に接触して配置されてもよい。そのような他の層は、例えば、１０ｎｍ未満の厚さを有し、構造化された第一表面層１１のような共形形状を有する適合層であってもよい。他の層は、金属部分のような導電性部分を備えてもよい。

通常の使用では、光学透過フィルタ１は、フィルタ１に入射する光線２０００のスペクトルの一部を金属層４０側に透過させるように構成されているが、金属層を入射光線２０００の反対側に位置させて使用されてもよい。本発明の光学フィルタ１は、光が、相対する複数方向からフィルタに光が入射する光学装置、すなわち、金属アレイ４０側に入射する一方の光線２０００と、基板１０側に入射する他方の光線２０００′とに使用されてもよい。

本発明の有利な変形例では、図８ｉの断面図に概略的に示されるように、フィルタ層２０、３０、４０の少なくとも２層の積み重ねが、互いの上に配置されて構成されてもよい。図８ｉの変形例は、構造化層１０、２０、３０、４０の第一の積層体を備える。構造化金属層４０上に、好ましくは１．５未満の屈折率を有する構造化バッファ層Ｂが配置される。バッファ層Ｂは、第一のフィルタ層ＦＡを形成する第一の積層体の層１０、２０、２０、４０の共形構造を有する。第一のフィルタ層Ｆａ（ＦＡ）上に、第二のフィルタ層ＦＢが、第二の導波路層２０′と、第二の低誘電体層２０′と、金属ナノ構造の第二のアレイ４０′とを備えて構成される。図８ｉに示されるように、金属ナノ構造の第二のアレイ４０′は、金属ナノ構造の第一のアレイ４０と異なっていてもよい。

いくつかのフィルタ層Ｆａ、Ｆｂを互いの上に積み重ねることで、全透過率はより低下するが、単一のフィルタ積層部１０、２０、３０、４０によって得られるよりも小さい透過帯域幅を有するフィルタのような、さらなる設計の柔軟性を提供する。図８ｉに示されるように、光学フィルタ１は、反射防止層であり得る保護層Ｐを備えてもよい。

本発明の別の有利な変形例では、二つのフィルタ積層部を基板１０の両側に配置してもよく、異なるフィルタ層としてもよい。

図８ｊは、金属ナノ構造を有さないフィルタ層積層部２０′、３０″を基板１０の一方の側に備えるフィルタＦＤを、フィルタ１の一方の側に備える、本発明のフィルタ１の変形例を示す。

金属層４０は、最終堆積工程、すなわちナノ構造の低屈折率誘電体層３０上に堆積される。金属層４０は、少なくともその周期性に関して下地層１１、２０、３０と同じ共形形状を有するが、さらに詳細に説明するように、その面Ｉにおける金属厚が異なるもののような違いを有してもよい。例えば、方法についての記載でさらに説明するように、好ましい実施形態では、金属層４０は、ナノ構造の低屈折率誘電体層３０の一部のみを金属層４０が覆うように、斜めコーティング（斜め成膜）によって堆積される。

一実施形態では、金属ナノ構造４２ａから４２ｎのアレイ４０ａから４０Ｎは、開口部５０ａから５０ｎのアレイを含み、開口部５０ａから５０ｎのそれぞれは、低屈折率誘電体層２０の凹部３３ａから３３ｎのうちの一つに面している。

一実施形態では、金属ナノ構造４２ａから４２ｎのアレイ４０は、不均一な厚さを有し、低屈折率誘電体層２０の凸部３１ａから３１ｎ上の金属ナノ構造４２ａから４２ｎの厚さｔ３（図３）は、凸部３１ａから３１ｎの側面上のその厚さｔ４よりも大きく、及び／又は低屈折率誘電体層２０の凹部３３ａから３３ｎ上の厚さｔ５（図８ｃ）よりも大きい。変形例では、厚さｔ５は、ｔ４より大きくても、小さくてもよい。

本発明の有利な実施形態では、光学フィルタ１は、上述のように複数のＮ個のフィルタＦ_１からＦ_Ｎを備える。フィルタＦ_１からＦ_Ｎは、隣り合うフィルタであってもよく、又は、実施形態でさらに説明するように、分離構造１０″、１０′″によって少なくとも二つが分離されているフィルタであってもよい。複数のＮ個のフィルタＦ_１からＦ_Ｎは、少なくとも一次元において異なる周期性Ｐ１からＰＮを有するサブアレイ１０ａから１０ｎ、２０ａから２０ｎ、３０ａから３０ｎ、４０ａから４０ｎの複数のＮ個の異なる積み重ねを構成することによって達成される。Ｎは、好ましくは１０より大きく、より好ましくは５０より大きい。このような実施形態では、ｍ番目のフィルタＦｍを構成するナノ構造基板は、所定の周期Ｐ_ｍで変調（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を繰り返すことを特徴とする。ｍは、１からＮまでの任意の数である。ナノ構造化された第一の基板表面１１の周期を、表面１１の平面内で一次元又は二次元に変化させることにより、同一平面内で複数のフィルタを提供できるようになる。分光及びマルチスペクトルイメージング用途の場合、フィルタの数Ｎは、典型的には、５よりも多く、好ましくは１０よりも多く、より好ましくは３０よりも多く、１００よりも多い。選択されるフィルタの数Ｎは、スペクトルが提供される総帯域幅及び各個々のフィルタＦ_ｍの帯域幅に依存する。図１は、互いに隣り合う三つの異なるフィルタＦ_１、Ｆ_２、Ｆ_３（Ｎ＝３）を備える光学フィルタ１の例を示す。フィルタＦ_ｍ当たりの金属ナノ構造４２ａから４２ｎの数は、光学フィルタ１の異なるフィルタＦ１からＦＮについて異なっていてもよい。典型的なフィルタＦ１からＦＮのサイズは、任意のサイズであってよく、少なくとも一次元において、好ましくは１０ｍｍ未満であり、より好ましくは５ｍｍであり、さらに好ましくは２ｍｍであってもよい。典型的なフィルタＦ_１からＦ_Ｎは、典型的には、一次元で１０４個の金属ナノ構造を備え、典型的には、二次元のフィルタ１で１０８個の金属ナノ構造を備える。例えば、図１２に示されるような金属ラメラを備えるリニアフィルタの場合、ラメラを横切って画定されるその幅は、１００μｍ未満、好ましくは１０μｍ未満であり得る。光学フィルタ１の全体の厚さは、面Ｉに垂直に画定され、典型的には１ｍｍであり、好ましくは０．７ｍｍ未満である。

本発明の実施形態において、図３から図６に示すように、金属ナノ構造体４２ａから４２ｎは、低屈折率誘電体層３０の凸部３１ａから３１ｎの少なくとも一部を覆う。基板層１０は、ベースプレート１０′と、方法についての記載の中で一例としてさらに記載されるナノ構造ゾル−ゲル層１５′のようなナノ構造層１５′とを備える。変形例では、基板層１０は、ポリマー層１５′などの追加の層の使用を避けるため、例えば、直接エッチング及び／又はアブレーション技術及び／又はレーザ技術によって生成され得るナノ構造表面を備えるモノリシックの層であることが理解される。

図３は、低屈折率ナノ構造層３０の凸部３１ａから３１ｎ上に存在し、低屈折率層３０の凹部３３ａから３３ｎに面する開口部５０ａから５０ｎを提示するナノ構造金属層４０を備えるバイナリナノ構造フィルタ１の例示的な断面を示す。本発明の実施形態の層及び構造の典型的な幾何学的パラメータは、以下の通りである。
−基板層１０の凸部１１ａから１１ｎの厚さｄは、３０ｎｍから１５０ｎｍの間の値、
−導波路層２０の厚さｔ１は、２０ｎｍから１５０ｎｍ、好ましくは３０ｎｍから１００ｎｍの間の値、
−低屈折率層３０の厚さｔ２は、１０ｎｍから３００ｎｍ、好ましくは３０ｎｍから２００ｎｍの間の値、
−低屈折率層３０の凸部３１ａから３１ｎの厚さｄ′は、３０ｎｍから１５０ｎｍの間の値、
−単一フィルタＦａからＦＮ内の凸部の周期Ｐ１からＰＮは、２０ｎｍから２００ｎｍの間、典型的には、可視範囲で動作するように構成された変形例では２００ｎｍから５００ｎｍの間の値、
−低屈折率層３０の凸部３１ａから３１ｎの幅Ｗ３１ａから３１ｎは、ｆ＊Ｐで表され、Ｐは周期であり、ｆは、典型的には０．１から０．９の間、好ましくは０．２から０．８の間である。

図３に示されるように、低屈折率層３０の凸部上の金属層４０の厚さｔ_３は、凸部の頂部において、凸部の側面に対する厚さｔ_４とは異なってもよい。例えば、ｔ_４は２０ｎｍから１００ｎｍの間の値でよく、ｔ_３は１０ｎｍから８０ｎｍの間の値でもよい。変形例では、ｔ_３はｔ_４より大きくてもよい。

一実施形態では、金属ナノ構造４２ａから４２ｎのアレイ４０は、ナノメートルサイズのラメラ４５′のリニアアレイ４５である。このようなリニアアレイ４５がリニアのラメラを備える必要は必ずしもなく、曲線ラメラのリニアアレイであってもよいことが理解される。ラメラは、長手方向に少なくとも２μｍ、典型的には少なくとも２ｍｍ延在し、一方、図３に示されるような横方向の断面を有する。

図７は、フィルタＦ１からＦＮが分離構造１０″，１０’’’によって分離される本発明の変形例を示す。これにより、あるフィルタから別のフィルタへの光のクロスカップリングを低減可能である。分離構造１０″、１０’’’は、さらに説明するように、本発明の光学システム又は分光器４におけるバッフルとして使用されるように構成されてもよい。

図８ａから８ｇは、ナノ構造低屈折率層上に堆積されたナノ構造金属層４０の異なる実施形態を示す。
図８ａは、金属ナノ構造４２ａから４２ｎで完全に覆われた凸部を有するバイナリ構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｂは、金属ナノ構造４２ａから４２ｎで部分的にしか覆われていない凸部を有するバイナリ構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｃは、金属ナノ構造４２ａから４２ｎで非対称的に覆われた凸部を有するバイナリ構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｄは、入射光に対して部分的に透明である薄い部分５０′を備える、不均一なナノ構造層４０が堆積されるバイナリ構造の低屈折率層３０を示す。実施形態では、薄い部分５０′は、凸部上に存在してもよく、低誘電体層３０の凹部内の厚い部分に存在してもよい。
図８ｅは、二つの異なる金属ナノ構造４２ａから４２ｃ、４２′ａから４２′ｃで覆われる凸部を有する正弦波構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｆは、凸部上の孔５０’’及び低屈折率誘電体層３０の凹部の他の孔部５０’’’を備えるナノ構造層４０で覆われた正弦波構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｇは、金属ナノ構造で少なくとも部分的に覆われた凹部を有する正弦波構造の低屈折率層３０を示す。
図８ｉは、フィルタ層ＦＡ、ＦＢの２つの積み重ねられたスタックを備える光学フィルタの一部を示す。
図８ｊは、基板１０の両側に、二つの異なるフィルタＦＣ、ＦＤを形成するフィルタ層スタックを備える光学フィルタの一部を示す。

本発明の全ての実施形態において、ナノ構造金属層４０の少なくとも一部は、関連するフィルタＦｎのあらかじめ定めた透過スペクトルの少なくとも一部に対して少なくとも部分的に透明である。この部分は、図８ａから図８ｃ、図８ｅから図９に示される貫通開口部、あるいは図８ｄに示される部分的に透明な部分であり得ることが理解される。貫通開口部の場合には、開口の形状は、円錐状であっても、実質的に円筒状であっても、その他の形状であってもよい。貫通開口部がない場合には、異なる構成が可能である。例えば、図８ｄは、低屈折率層４の凹部上に堆積された薄い部分を有する金属層４０を備えるフィルタ１の一実施形態の断面を示す。５００ｎｍの中心波長と４０ｎｍの帯域幅とを有する光を透過するように構成された図８ｄの実施形態によるフィルタＦの一例において、５００ｎｍと５２０ｎｍとの間の波長のための薄層の透過率は９０％であり得る一方、５００ｎｍを含まない４８０ｎｍと５００ｎｍとの間の波長のためのその透過率は７０％であり得る。図８ｄの実施形態では、低屈折率誘電体層の凸部上の厚い金属層部分は、可視光に対して透過性ではない。変形例として、低屈折率誘電体層３０の凹部内に厚い金属層部分が存在し、低屈折率誘電体層３０の凹部上に薄い部分的に透明な金属層部分が存在してもよい。変形例として、金属層４０は均一な厚さを有してはならず、単一フィルタＦｎの凹部及び／又は凸部上に異なる厚さを有してもよい。

本発明の一実施形態では、第一の基板表面１１は、バイナリパターン化表面である。

別の実施形態では、第一の基板表面１１は、正弦波パターン化表面である。基板１０は、透明材料、典型的には、１．５から１．７の範囲の屈折率を有するガラス又はポリマーで作られる。基板のパターニングは、例えば、ＵＶナノインプリントリソグラフィーで実施され、追加のゾル−ゲル層を必要とするか、又はホットエンボスを使用する。ゾル−ゲル材料は、１．５から１．７の範囲の屈折率を有するガラスと同様の屈折率を有する。別法として、ゾル−ゲル、熱成形性ポリマー又はＵＶ架橋性ポリマー又はＵＶ架橋性モノマー、又はポリマーマトリックス又はそれらの組み合わせを含む混合物を使用してもよい。クラッド材料は、導波路における損失を最小限にするために、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２のように基板と同様の屈折率を有する薄膜である。

本発明の実施形態では、導波路材料は、硫化亜鉛ＺｎＳ、五酸化タンタルＴａ_２Ｏ_５、二酸化チタンＴｉＯ_２、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３、窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４、結晶ケイ素Ｓｉ、非晶質ケイ素Ｓｉ、微結晶ケイ素Ｓｉ、ケイ素酸化物ＳｉＯ_ｘ、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２、酸化クロム（ＩＩＩ）Ｃｒ_２Ｏ_３、窒化アルミニウムＡｌＮのような高屈折率材料であって、基板１０及び低屈折率層３０の屈折率よりも高い屈折率を提供するためのものである。

本発明の実施形態では、導波路２０における損失をミミマイズするために、クラッド材料、すなわち低屈折率材料は、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２のように基板１０と同様の屈折率を有する薄膜３０である。

本発明の変形例では、導波路２０は、低屈折率層２０と同じ材料でもよいが、異なるドーピングを有する。

本発明の有利な実施形態では、光学フィルタ１は、図１２及び１３の例示的実施形態に示されるように、異なるフィルタタイプのアレイが単一の光学透過フィルタ１内に構成され得るように、少なくとも二つの異なる構造化表面部分を備える基板１０を備えてもよい。図１２は、異なるタイプのラメラアレイを有する二つのフィルタ部分を備える例示的モノリシックフィルタ１を示し、各フィルタ部分は、少なくとも３つのフィルタ、Ｆ１からＦ３、Ｆ１′からＦ３′を備える。図１３は、２次元構造フィルタ部１Ａ及び線形構造フィルタ部１Ｂを備えるモノリシックフィルタ構成を示す。このような構成は、モノリシック光学フィルタシステム２と、リニア検出器アレイ部及び２次元検出器アレイ部からなる検出器アレイ３を備える分光器４との少なくとも一方において、構成されてもよい。

本発明の実施形態の変形例では、基板層１０は、プレート以外の別の形状を有してもよく、六面を持つ立方体形状のように任意の形状を有するものとしてよい。変形例では、フィルタ層スタック２０、３０、４０は、六面のうちの少なくとも一つ上に配置され得る。これは、例えば、その表面の１つに少なくとも１つのフィルタ１を備えるビームスプリッタにおいて有用となり得る。基板１０の他の形状、例えばプリズム形状も同様に考慮される。基板１０はまた、屈折レンズ又は任意の光学素子であって、例えばガラス又はポリマーで作られた透明基材を備えるミラーなどの少なくとも一つの透明部分を備え、顕微鏡又は望遠鏡のような光学機器で有用となり得る、少なくとも一つの透明開口部を備える。

また、本発明は、図９ａ及び図９ｂに示すように、上述の光学透過フィルタ１を備え、基板１０に固定された検出器アレイ３を備えた光学フィルタシステム２に関する。図９ａは、例えばスペーサによって検出器アレイ３までの距離に配置された光学フィルタシステム２を示す。図９ｂは、ポリマーであっても、又は検出器チップ３の不動態化層であってもよい層１７によって検出器アレイ３に固定された光学フィルタ１を備える光学フィルタシステム２を示す。図９ａ及び図９ｂの実施形態において、光学透過フィルタ１の各フィルタＦ１からＦＮは、検出器アレイ３の単一画素に面する。本発明の変形例において、図１０に示される各フィルタＦ１からＦＮは、複数の検出器素子３_１から３_ｘに面している。これにより、フィルタ間のクロストークの影響を最小限に抑えつつ、アライメント公差を大きくし、より信頼性の高い精密装置を提供する。図１０の実施形態において、検出器ピクセルの数ｘは、典型的には、しかし必ずしも必要ではないが、金属ナノ構造の数ｎよりも小さい。

本発明はまた、少なくとも一つの光学透過フィルタ１及び／又は少なくとも一つの光学透過フィルタシステム２を備える分光器４に関する。分光器４は、３００ｎｍから７９０ｎｍの間の波長を有する入射光に対して、３０ｎｍ未満、好ましくは２０ｎｍ未満のスペクトル分解能を有する。一例では、分光器４は、図１１に示されるようなマイクロレンズのアレイ５を備えてもよい。

例示的な実現化において、分光器は、シリコン検出器の吸収範囲をカバーするように、可視光及び近赤外光用途のために構成され、それぞれが最大３０ｎｍの帯域幅を有する２０から１００のリニア又は二次元フィルタＦ１からＦＮを備えてもよい。

例示的な実現化において、分光器４は、９００ｎｍから３μｍの波長の近赤外光適用のものとして構成され、各フィルタが最大１００ｎｍの帯域幅を持つ２０個から５０個のフィルタを備えるものとしてもよい。

例示的な実現化において、分光器は、３μｍと１０μｍとの間の短波長赤外（ＳＷＩＲ）光のための赤外光適用のものとして構成され、各フィルタは最大１５０ｎｍの帯域幅を持つ２０個から５０個のフィルタを備えるものとしてもよい。

有利な変形例では、分光器４は、各フィルタ１又は光学フィルタシステム２が異なる波長範囲のために構成された、いくつかの光学フィルタ１及び／又は光学フィルタシステム３を備えてもよい。一実施形態では、分光器４は、可視光送信のために構成された第一のフィルタシステムと、ＳＷＩＲ光透過のために構成された第二のフィルタシステムとを備えるものとしてもよい。

本発明はまた、少なくとも１つの光学透過フィルタ１及び／又は少なくとも１つの光学透過フィルタシステム２を備えるマルチスペクトル撮像装置５にも関する。マルチスペクトル撮像装置は、４００ｎｍから７９０ｎｍの間の波長を有する入射光について、３０ｎｍ未満、好ましくは２０ｎｍ未満のスペクトル分解能を持つものとしてもよい。検出器はＮ個の異なる画像を測定可能であり、ここでＮはスペクトルチャネルの数である。１０２４×７６８画素及び少なくとも１６個のスペクトルチャネルの検出器アレイの解像度の条件では、単一チャネル内の画像の最大解像度は、２５６×１９２画素である。Ｎ個の画像生成のため、フィルタの前に配置されたレンズアレイを使用してもよい。

分光器４又はマルチスペクトル撮像装置５の実現において、マイクロレンズ、マイクロミラー及び／又は光ファイバが組み合わせされているような光学素子の組み合わせが組み込まれてもよい。変形例では、分光器４は、静電的にアドレス指定可能なマイクロシャッタのアレイのようにアドレス指定可能なＭＥＭＳ構造のアレイを備えてもよい。これは、分光器を較正するために、及び／又は寄生迷光を補正するために、及び／又は参照強度を規定するために有用であり得る。

光入射角の範囲を縮小するために、開口部のようなマイクロスケール構造のアレイが、光学透過フィルタ１に対して整列され得る。

実施形態では、光学透過フィルタ１及び光学フィルタシステム２は、図１２及び図１３に示すように、それぞれが異なる配向金属ナノ構造を有する部分を備えてもよい。例えば、光学透過フィルタ１は、生成されたスペクトルが第１の方向に配向された可視範囲のＮ個のフィルタを備え、赤外領域のＭ個のフィルタを備える第２部分であって、生成されたスペクトルが、第１の方向に対して９０°のような角度をなす第２の方向に配向された第２部分を備えてもよい。フィルタアレイＦａ−Ｎは、フィルタＦａ−Ｎの平面内の所定の曲線に沿って配置されてもよいことも理解される。変形例では、フィルタアレイは少なくとも２つの交差する仮想線に従って整列されてもよい。

光学フィルタ１は、両方の偏光を独立して透過させるために、互いに垂直であるリニア金属ナノ構造の部分を備えてもよい。

本発明はまた、図２ａから図２ｄに示すように、以下の工程ａからｇを備える光学透過フィルタの製造方法によっても達成される。
ａ）接触面１０′を有する基板１０を用意する工程。
ｂ）微細構造の少なくとも１つのアレイ２００ａから２００ｃを備えるナノ構造表面を備える成形の型２００を用意する工程。
ｃ）接触面上にゾル−ゲル層１５を適用する工程。
ｄ）ゾル−ゲル層のＵＶ光照射を使用することによって、ゾル−ゲル層１５′のナノインプリント層１５′を実現する工程。
ｅ）図２ｂに示すように、ナノインプリント層１５′上に高屈折率薄膜コーティング２０を堆積する工程。
ｆ）図２ｃに示すように、高屈折率薄膜コーティング２０上に低屈折率薄膜コーティング３０を堆積する工程。
ｇ）図２ｄに示すように、斜めにコーティング３００を施すことによって、低屈折率薄膜コーティング３０上に金属コーティング４０を堆積する工程。

代替実施形態では、本発明の方法は以下の工程（ａ′からｆ′）を備える。
ａ′）熱可塑性材料からなる基板１０を用意する工程。
ｂ′）微細構造の少なくとも１つのアレイ２００ａから２００ｃを備えるナノ構造表面を備える成形の型２００を用意する工程。
ｃ′）基板１０の形状を基板１０に転写するために、基板１０の温度上昇と成形の型２００によって提供される圧力を適用する工程。この技術は通常熱エンボス加工と呼ばれる。
ｄ′）エンボス加工された基板１０上に高屈折率薄膜コーティング２０を堆積する工程。
ｅ′）高屈折率薄膜コーティング２０上に低屈折率薄膜コーティング３０を堆積する工程。
ｆ′）コーティング３００を斜めに塗布することによって、高屈折率薄膜コーティング２０上に金属コーティング４０を堆積する工程。

他の代替実施形態では、以下の工程（ａ”からｆ”）が実行される。
ａ”）接触面１０′を有する基板１０を用意する工程。
ｂ”）微細構造の少なくとも１つのアレイ２００ａから２００ｃを備えるナノ構造表面を備える成形の型２００を提供する工程。
ｃ”）接触面上にゾル−ゲル層１５を適用する工程。
ｄ”）ゾル−ゲル層のＵＶ光照射を使用することによって、ゾル−ゲル層１５′のナノインプリント層１５′を実現する工程。
ｅ”）ナノインプリント層１５′上に高屈折率薄膜コーティング２０を堆積する工程。
ｆ”）高屈折率薄膜コーティング２０上に低屈折率薄膜コーティング３０を堆積する工程。
ｇ”）低屈折率薄膜コーティング２０上に金属コーティング４０を堆積する工程。
ｈ”）構造化低屈折率薄膜コーティングの隆起上に存在する金属コーティングの少なくとも一部を機械的又は化学的エッチングにより除去することによって開口部を形成する工程。

本発明の光学フィルタ１は、ナノインプリント及び薄膜コーティングを用いて製造可能であり、これは、ウェハスケール又はロールツーロール製造において低コストで実施可能である。これは特に、フィルム厚が全てのフィルタにわたって同じであることを意味する。

他の重要な態様は、斜め蒸着及びその下の波形からの自己遮蔽によって得られる金属最上層の部分的な被覆である。関与する堆積角度は、基板１０の法線から最大８５°の範囲であり得る。格子の曲線因子が高い場合、自己遮蔽はより効果的である。粒子の実現化において、厚さｔ_３とｔ_４との間の関係は、堆積角度と選択されたコーティング技術（例えば、蒸発又はスパッタリング）に依存する。特に、ｔ_４が増加すると考えられる一方、ｔ_３は、大きな堆積角度に対して減少すると考えられる。

代替的に、金属最上層の部分被覆率は、低屈折率薄膜上にコンフォーマルな金属コーティングを施し、機械的に除去するか、又は構造化低屈折率薄膜コーティングの凸部上に存在する金属コーティングの少なくとも一部を化学エッチングすることによって得られる。代替的に、金属材料は、インクジェット印刷又はスロットダイコーティングのような湿式塗布技術によって構造化低屈折率薄膜コーティングの凹部に配置されてもよい。金属最上層内の導電性を確保するために、被覆後の焼結工程を用いてもよい。

実装した光学フィルタのシミュレーション結果
図１４は、非特許文献１に開示された装置のシミュレーションを示す。結果は、そのような装置で得られる最低帯域幅が３０ｎｍであることを示す。残留透過率もまた重要であり、４００ｎｍ及び７５０ｎｍのスペクトル範囲にわたって少なくとも１８％である。

図１５は、非特許文献２に開示されている装置のシミュレーションを示す。結果は、そのような装置で得られる最低帯域幅が非常に高く、半値全幅５０ｎｍ超であることを示す。

図１６から図２３は、本発明の実施形態を用いて得られたシミュレーション結果を示す。フィルタアレイＦａからＦＮは、明確なピークを有する明確な透過スペクトルを示す。透過光のパワーレベルは、従来の理論から予想されるパワーレベルよりも、又は従来技術のいずれのフィルタよりもはるかに大きい。

シミュレーションは、本発明の光学フィルタのこれまでにない特性がおそらく、ナノ構造導波路２０、低屈折率層３０、及びナノ構造金属層４０の組み合わせによる入射光の共鳴効果によるものであることを示している。アレイの幾何学的形状による干渉のような、そのほかの考えられる効果もまた、波長選択性が高められる透過に寄与する。

全体として、フィルタ１は、共振時に実現され、典型的には５０％超、場合によっては７０％超の透過率を有する透過窓（半値全幅、ＦＷＨＭ、３０ｎｍ未満、好ましくは２０ｎｍ未満）を提供することを可能にする。共振の外側では、フィルタ１の透過レベルは低く、典型的には２０％以下、おそらく１０％以下である。

いくつかの実装例を次に説明する。
例示的な具現化形態では、金属ナノ構造はバイナリ形状を有し、図３の実施形態に示されるように、コーティングを有する。基板及びクラッド材料は二酸化ケイ素ＳｉＯ_２からなる。ゾル−ゲルの屈折率は、標準的なゾル−ゲル材料の典型的な値である二酸化ケイ素ＳｉＯ_２のそれによってモデル化される。導波路３０は、硫化亜鉛ＺｎＳからなる。金属被膜４０は、アルミニウムＡｌからなる。格子変調深さｄは３０ｎｍであり、薄膜コーティング後のプロファイル忠実度の損失を考慮するとｄ′＝２０ｎｍに減少される。ゾル−ゲルの厚さは典型的には３μｍから７０μｍの間の範囲であるが、ゾル−ゲルと基板の屈折率が同じであるため、この例ではそれは透過率に影響を及ぼさない。他の厚さは、ｔ_１＝３０ｎｍ、ｔ_２＝１７０ｎｍ、ｔ_３＝２０ｎｍ、ｔ_４＝２０ｎｍ、Ｆ＝０．７５である。それぞれ２８０、３００、３２０、３４０、３６０、３８０、３００、４００、４２０、４４０、４６０、４８０ｎｍのピッチ値は、格子線を横切って分極された電界での法線入射での厳密結合波解析を使用してシミュレートされたように、それぞれ図１６に示される１１の透過強度プロファイルをもたらす。製造において、構造からの自己遮蔽及び目標値のＦを得るために、表面法線からの金属コーティングの８５°の角度が推定される。

図１７は、同じ構造のシミュレーション結果を示すが、導波路の厚さは４０ｎｍに、スペーサの厚さは１６０ｎｍに増加されている。図１６と比較すると、異なるフィルタからのピーク透過率の相対的寄与が変化している。特に、最低波長でのフィルタの透過率が減少した。

図１８では、図１７と類似しているが４５ｎｍの導波路厚を持つ構造のシミュレーション結果が示されている。異なるフィルタ寄与の間のより高いバランスが観察される。

図１９では、図１８と類似しているがＦ＝０．７の低い曲線因子を持つ構造のシミュレーション結果が示されている。ピーク透過率は増加するが、ピーク外の透過率も１０％を超えて増加し、検出にノイズが発生する可能性がある。

図２０では、クラッディング層の屈折率は、図１６の特性を有するフィルタと比較して１．６に増加している。電界は導波路から金属格子に向かって引っ張られ、その結果として損失も増加し、帯域幅も同様である。

図２１では、クラッドが二酸化ケイ素ＳｉＯ_２であって、基板の屈折率は１．６に増加している。図１４の特性を有するフィルタと比較して、電界が金属層から引き離されるので帯域幅が減少し、プロセス中の損失が減少する。しかしながら、透過ピークを生じる干渉プロセスはもはや最適ではなく、いくつかのフィルタでは低いピーク透過が観察される。

別の例では、深さｄ′は１５０ｎｍで増加し、アルミニウムの厚さはｔ_３＝４０ｎｍ、ｔ_４＝４０ｎｍである。同様の構造が、プラズモニックフィルタを作成するため、例えば非特許文献３に開示されている。結果を図２２に示す。製造において、この場合、表面法線からの金属コーティングの角度４５°が推定される。

図２２に見られるように、金属格子のアスペクト比は、共鳴に対するプラズモンの強い寄与をもたらし、その結果、フィルタ帯域の強い広がりをもたらす。これは、低い変調深さを有する格子が必要であり、斜め蒸着を伴う最先端のプラズモニックフィルタ（ＳＶＧ Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓからの非特許文献３又は特許文献６に記載されたもののような）は、共鳴導波路格子と組み合わせても所望の効果を与えないことを示す。

基本構造に対する別のアプローチは、バイナリの代わりに正弦波プロファイルを使用することである。これは次の例で説明される。正弦波プロファイルは、レーザ干渉リソグラフィを用いることから始められる。フィルタの製造プロセスは、図２ａから図２ｄに示されたものと同一のままであり、すなわちナノインプリントリソグラフィー及び薄膜コーティングを使用する。自己遮蔽効果は、基礎となる構造の波形のために依然として存在する。

図２３は、正弦波プロファイルを持つフィルタの透過率のシミュレーション結果を示す。基板、ゾル−ゲル及びクラッディング材料は、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２の屈折率によってモデル化されている。導波路は窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４でできている。金属コーティングはアルミニウムＡｌでできている。格子変調深さｄは２０ｎｍである。層厚は、ｔ１＝６０ｎｍ、ｔ２＝１２０ｎｍ、ｔ３＝２０ｎｍ、Ｆ＝０．８０である。ピッチ値は、２８０、３００、３２０、３４０、３６０、３８０、４００、４２０、４４０、４６０、４８０ｎｍである。図１６と比較すると、フィルタ帯域幅はわずかに増加し、バックグラウンド透過率は最大２０％増加したが、デバイスの製造性はより容易になると予想される。

１ 光学透過フィルタ
１０ 基板
１１ 第一の基板表面
１１ａから１１ｎ 凸部
１２ａから１２ｎ ナノ構造
１３ａから１３ｎ 凹部
１５ ゾル−ゲル層
２０ 高屈折率導波路
３０ 低屈折率誘電性クラッド層
３１ａから３１ｎ 低屈折率層３０の凸部
３３ａから３３ｎ 低屈折率層３０の凹部
４０ ナノ構造金属層のアレイ
４２ 金属ナノ構造
４５ リニアアレイ
５０ 開口部
２００ 成形の型
３００ 斜めコーティング
２０００ 光線
Ｆ フィルタ
ＦＡ 第一のフィルタ層
ＦＢ 第二のフィルタ層
Ｐ 周期
Ｗ 凸部３１の幅

Claims (15)

1. 第１の基板表面と、第１の基板表面と反対側の第２の基板表面とを有する基板と、
   ナノ構造金属層と、
   導波路と、
   を備える、入射する光線のスペクトルの一部を透過するように構成された光学透過フィルタにおいて、
   第１の基板表面は、隣り合う凸部及び凹部からなるナノ構造のアレイを備えるパターン化表面であって、
   高屈折率誘電体導波路は、第１の基板表面上に配置され、第１の基板表面によって画定されたパターン形状を有し、誘電体導波路が１．４５と３．３の間の屈折率ｎ１を有し、
   低誘電率誘電体層は、誘電体導波路の上に配置され、誘電体導波路によって画定されるパターン形状を有し、パターン形状は隣り合う凸部及び凹部を画定し、低誘電率誘電体層は１．１５から１．７の間で、ｎ１より大きい屈折率ｎ２を有し、
   金属ナノ構造のアレイが、低屈折率誘電体層の少なくとも一部の上に配置され、少なくとも部分的に、誘電体導波路によって画定されたパターン形状を有する、光学透過フィルタ。
2. 金属ナノ構造のアレイは、貫通開口部のアレイを備え、貫通開口部のそれぞれは、低屈折率誘電体層の備える複数の凹部の１つに面している、請求項１に記載の光学透過フィルタ。
3. 金属ナノ構造のアレイは、不均一な厚さを有し、低屈折率誘電体層の凸部上の金属ナノ構造の厚さｔ_３を有し、低屈折率誘電体層の凹部上のその厚さｔ_５より大きい、請求項１に記載の光学透過フィルタ。
4. アレイは、少なくとも１つの次元において異なる周期性Ｐ１からＰＮを有する複数のＮ個のサブアレイを備え、Ｎは１０より大きい、請求項１に記載の光学透過フィルタ。
5. 金属ナノ構造は、低屈折率誘電体層の備える複数の凸部の少なくとも一部を覆うだけである、請求項１に記載の光学透過フィルタ。
6. 金属ナノ構造は、複数の凹部の少なくとも一部を覆うだけである、請求項１に記載の光学透過フィルタ。
7. 誘電体導波路の厚さｔ_２は、２０ｎｍから１５０ｎｍの間、又は３０ｎｍから１００ｎｍの間である、請求項１に記載の光学透過フィルタ。
8. 低屈折率誘電体層の厚さｔ_２は、８０ｎｍから２００ｎｍの間、又は３０ｎｍから２００ｎｍの間である、請求項１に記載の光学透過フィルタ。
9. 金属ナノ構造のアレイの周期は、２００ｎｍから５００ｎｍの間である、請求項１に記載の光学透過フィルタ。
10. 金属ナノ構造のアレイは、ナノメートルサイズのラメラの線形アレイである、請求項１に記載の光学透過フィルタ。
11. 第１の基板表面は、バイナリパターン化表面である、請求項１に記載の光学透過フィルタ。
12. 第１の基板表面は、正弦波パターン化表面である、請求項１に記載の光学透過フィルタ。
13. 請求項１に記載の光学透過フィルタを備える光学フィルタシステムであって、検出器アレイが基板に固定されている、光学フィルタシステム。
14. 少なくとも１つの光学透過フィルタと、少なくとも１つの光学透過フィルタシステムとの少なくとも一方を備える分光器であって、３００ｎｍから７９０ｎｍの間の波長を有する入射光に対して、３０ｎｍ未満、又は２０ｎｍ未満のスペクトル分解能を有する分光器。
15. 請求項１に記載の光学透過フィルタの製造方法であって、次の工程ａ）からｇ）の
    ａ）接触面を有する基板を提供する工程、
    ｂ）ナノ構造化表面を備える成形の型を提供する工程、
    ｃ）接触面上にゾル−ゲルの層を適用する工程、
    ｄ）ゾル−ゲル層の紫外光照射を用いることによってゾル−ゲル層のナノインプリント層を実現する工程、
    ｅ）ナノインプリント層上に高屈折率薄膜コーティングを堆積させる工程、
    ｆ）高屈折率薄膜コーティング上に低屈折率薄膜コーティングを堆積する工程、
    ｇ）低屈折率薄膜コーティング上に斜めコーティングにより金属コーティングを堆積する工程
    を備える、光学透過フィルタの製造方法。

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