JP2020064258A - 光学フィルタ、及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度化を可能とした、新しい構成の光学フィルタを提供する。【解決手段】本発明の光学フィルタは、所定の波長領域の光を透過する透過波長領域と、他の所定の波長領域の光の透過を阻止する不透過波長領域と、前記透過波長領域から前記不透過波長領域に亘り透過が連続的に減少する遷移波長領域とを有した機能膜と、金属微粒子を分散配置することで構成された遷移波長吸収構造体とを、前記所定の波長領域において光透過性を有する基板上に備え、前記遷移波長領域に前記遷移波長吸収構造体の吸収ピークが重なることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明はデジタルカメラやビデオカメラ、監視カメラなどの固体撮像素子を搭載した撮像装置等で使用される光学フィルタに関するものであり、透過波長領域と不透過波長領域に亘り、透過が連続的に変化する透過―不透過遷移波長領域を有する光学フィルタ、及びこれを搭載した撮像装置に関する。

ビデオカメラなどの撮像装置に使用される固体撮像素子は、人間の目の感度特性に対応させるために、分光透過率など光学特性を調節するフィルタと組み合わせて使用されることが多い。具体的には、紫外線カットフィルタ（ＵＶカットフィルタ）や近赤外線カットフィルタ（ＩＲカットフィルタ）、若しくはこれらを一枚のフィルタで実現した、ＵＶＩＲカットフィルタなどがある。

このようなエッジフィルタタイプやバンドパスフィルタタイプの光学フィルタは、光を透過させる透過波長領域と、透過を制限または阻止する不透過波長領域と、透過波長領域から不透過波長領域へと透過が連続的に変化する透過―不透過遷移波長領域とを備えている。このようなフィルタにおいて、例えば蒸着法等により複数の薄膜を積層させて構成された反射タイプのＩＲカットフィルタなどでは、ビデオカメラ等の撮像光学系において使用すると、入射した入射光のうち、遷移波長領域に該当する波長の一部がフィルタを透過した後に撮像素子等で反射し、その一部が再度撮像素子側から光学フィルタ面に入射してしまう。そして、この再入射光の一部が再度光学フィルタで反射され、その反射光が撮像素子に再び到達することにより、画像を劣化させてしまうことがある。

特開２０１４−１９１３４６号公報 特開２００８−５１９８５号公報

特許文献１では近赤外波長の光を吸収する吸収基材上にＩＲカットコートを施したＩＲカットフィルタが提案されており、このような構成ならば、基材の吸収を利用することで、透過―不透過遷移波長領域における不要光の強度を低減することができる。しかしながら、このような構成の場合、基材の吸収の影響が透過帯まで及び、透過帯の透過光量までも減衰させてしまう問題がある。

また、特許文献２で提案されているような光学フィルタでは、可視波長領域の透過率を高くすると、概ね可視波長領域の一部と重なる遷移波長領域、特に無機薄膜で形成された近赤外側の透過率５０％となる波長である半値波長において、大きな吸収を得ることができない。そのため、この波長領域の反射を大きく低減することはできず、上述のような不要光の強度を低減することが困難である。

以上より、本発明の目的は上述の課題を解消し、高精度化を可能とした、新しい構成の光学フィルタを提供することにある。さらには、このような光学フィルタを用いることで高精度化を実現した撮像装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の光学フィルタは、所定の波長領域の光を透過する透過波長領域と、他の所定の波長領域の光の透過を阻止する不透過波長領域と、前記透過波長領域から前記不透過波長領域に亘り透過が連続的に減少する遷移波長領域とを有した機能膜と、金属微粒子を分散配置することで構成された遷移波長吸収構造体とを、前記所定の波長領域において光透過性を有する基板上に備え、前記遷移波長領域に前記遷移波長吸収構造体の吸収ピークが重なることを特徴とする。

本発明に係る透過―不透過遷移波長領域を有する光学フィルタによれば、積層薄膜により形成される反射機能に加えて、金属微粒子によるプラズモンの吸収効果を併用し、これに加えて積層薄膜が作る透過―不透過遷移波長領域に、プラズモンによる吸収波長領域を合わせた構成としたことで、光学フィルタ総体として遷移波長領域での反射に起因した不要光の発生を低減することができる。さらに、プラズモン効果による比較的急峻な吸収特性を利用したことで、遷移領域のみの光を選択的に吸収できることから、吸収層による透過波長領域の透過光量の減衰を低減でき、高画質化に対応することが可能である。

また、このような光学フィルタを撮像装置に利用することで、高精度化を可能とした撮像装置を得ることができる。

本実施例１における光学フィルタの構成図 本実施例１における遷移波長吸収構造体における金属微粒子の配置図 本実施例１における光学フィルタの光学特性図 本実施例２における光学フィルタの構成図 本実施例２における光学フィルタの光学特性図 本実施例３における光学フィルタの構成例図 本実施例４における撮像装置の説明図

本実施例の光学フィルタは、基板上に、所定の波長領域における光の透過を遮断し、隣接する他の所定の波長領域の光を透過させるエッジフィルタタイプ、またはバンドパスフィルタタイプの機能膜を備え、さらには、金属微粒子を分散させ、機能膜が作る透過―不透過遷移波長領域に、プラズモン効果による吸収を有した遷移波長吸収層を備えた光学フィルタである。

このような光学フィルタの基板としては、少なくても光学フィルタの透過波長領域において光透過性を有することが必要であり、例えばＩＲカットフィルタやＵＶカットフィルタ、ＵＶＩＲカットフィルタならば、少なくても可視波長領域に光透過性を有したものを用い、ＩＲパスフィルタならば近赤外線波長領域に光透過性を有したものを用いる。また、基板はガラスタイプや樹脂タイプ、さらには有機無機のハイブリッドタイプでも良く、光学フィルタの基板としての必要とされる強度や光学特性を有する、基体として機能可能であるものが利用される。

基板上に形成されるＩＲカット膜やＵＶＩＲカット膜などのエッジフィルタタイプやバンドパスフィルタタイプの機能膜は、１層以上の薄膜を積層することにより作製され、これらの薄膜は物理的、若しくは化学的成膜方法で形成しても良いし、スピンコートなどの塗装法で形成しても良い。これらの成膜方法の中で、再現性や膜の耐環境性などの観点からは、スパッタ法や、何らかのアシストを付加した成膜方法など、比較的高エネルギーで膜を形成できるプロセスが好ましい。より具体的にはスパッタ法、ＩＡＤ法、イオンプレーティング法、ＩＢＳ法、クラスター蒸着法などが適用可能であり、膜厚を比較的正確に制御でき、再現性の高い膜を得ることができる成膜方法であればよく、機能膜に求められる特性や生産性等を考慮し、最適な方法を選択すれば良い。

これらの機能膜の最表層に配置される薄膜は透過帯の中心波長、例えば４００〜６００ｎｍの透過帯を有する機能膜ならば透過帯の中心波長である波長５００ｎｍの１．０ｑｗ程度の膜厚であることが好ましい。ここで、ｑｗは膜厚を表す単位であり、１つの波長λを基準として、λ／４を１つの単位としたものであり、例えば ２．０×λ／４ の膜厚の場合は２．０ｑｗと表現する。

このような機能膜の透過帯においては、理想的には全域で１００％を透過することが望ましいが、実際にはこれを完璧に満足することは大変困難であり、透過帯の全波長域で可能な限り１００％に近い透過率を得られるように調整される。このような透過率を実現する為に本実施例では、透過帯での透過率を最大化すると共に、基板裏面に反射防止膜などの他の機能膜を設けた場合には、この他の機能膜が形成する透過帯での透過率も最大化し、これらの２つの透過特性を合成することで、光学フィルタ総体としての透過帯の透過率を最大化する構成とした。

ここで、透過帯における透過率は、波長が連続的に変化するにつれ、少なからず波打つように変化しており、これは透過帯のリップル（透過リップル）などと呼ばれ、薄膜の積層数が多く、厚膜化するほど発生し易い。この透過リップルが大きくなると、例えばカラー画像のカラーバランスが崩れたり、監視カメラなどにおいては、夜間撮影時などに撮像素子に入射する総合的な光量が低減し、暗視画像の画質低下を引き起こす虞がある為、リップルは可能な限り小さい方が望ましい。そこで、この透過帯でのリップルを低減する為に、基板側に配置された機能膜の初期層にリップルを低減する為の透過リップル調整層を挿入した。バンドパスなどの機能膜に加え、反射防止膜などの他の機能膜を構成した場合、光学フィルタ総体としての透過リップルは、機能膜の透過帯での透過リップルと、他の機能膜での透過リップルとの合成により決定されるが、本発明においては、機能膜での透過リップルが少ない平坦な透過特性を有し、さらに他の機能膜においても透過リップルが少ない平坦な透過特性を有するように構成されており、これらの平坦な２つの透過特性を合成することで、光学フィルタ総体として透過リップルの少ない平坦な透過特性を形成している。これとは別に、例えば、機能膜における透過リップルに対し、他の機能膜の透過リップルの位相を調整し、両面でリップルを打ち消し合うように構成することでも、光学フィルタ総体として透過リップルの少ない平坦な透過特性を得ることが可能ではあるが、それぞれの位相関係に誤差が生じた場合には逆に透過リップルを増大させてしまう虞がある為、高画質化の観点から本実施例では先の構成を選択した。

また、透過リップル調整層の挿入位置が、機能膜の最表層の位置であると、最表層における透過帯での反射防止機能への影響が大きくなる為、透過帯の反射の最小化、つまりは透過帯の透過の最大化と、リップル低減とを同時に満足することが難しくなってしまう。また、機能膜内の途中層に挿入した場合、機能膜を分割してしまうような配置となり、不透過帯での反射の最大化を阻害してしまい、これと同時にリップルを低減することが難しくなってしまう。以上の理由から、透過リップル調整層は、基板と隣接する機能膜の第１層目に配置し、透過帯の透過の最大化と、不透過帯の透過の最小化を優先し、次に透過リップルの低減を優先するコンセプトで最適化された。このような透過リップル調整層は機能膜を形成する複数の薄膜の中で最も膜厚が薄い特徴を有している。透過リップル調整層は２層以上であっても良いが、その場合も、全ての透過リップル調整層は機能膜を形成する複数の薄膜よりも膜厚が薄くなる。

本実施例の光学フィルタにおける遷移波長領域吸収構造体は、数ｎｍから〜数百ｎｍサイズの多数の金属微粒子が分散配置された構造体である。ここで、分散された金属微粒子の金属材料やサイズ、形状、粒子間距離、周期性、微粒子配列などの様々な要因から、プラズモンの共鳴波長が決定される。この共鳴波長ではプラズモン効果による光の吸収作用が発現され、例えば１００ｎｍ以下程度のＡｕパーティクルの場合、５００〜７００ｎｍ付近の波長に局所的な吸収ピークを得ることができる。このように、先のパラメータを適切に設定することで、所望の波長領域に選択的に吸収を得ることが可能である。また、粒子間距離を小さくし過ぎて微粒子濃度を高めてしまうと、反射成分が高くなり、必要な透過まで減少させてしまう虞がある為、微粒子のサイズに対し、適切な微粒子間距離を保つことが必要である。

遷移波長領域吸収構造体の厚さは、最小でも金属微粒子のサイズ以上となるが、塗工方法によって厚膜化にも対応することができる。また、形成手法によっては複層化も可能である。さらに、基板の一方の面上のみに配置構成することもできるし、基板の両面上に配置構成することも可能である。

このような金属微粒子の金属材料としてはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどに加え、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａなど、金属単体やこれらの合金など、特に制限はなく、様々な材料を使うことができる。さらには、金属微粒子の外形形状は球体や円柱形状、ロッド形状、三角錐形状、四角形状など、多種多様な形状から適切な形状を選択すれば良い。この中で、ＩＲカットフィルタやＵＶＩＲカットフィルタ、ＩＲパスフィルタなど、可視波長から近赤外波長において遷移波長領域を有する光学フィルタの場合、要な波長領域に共鳴波長を有し、比較的入手し易いなど理由から、球体や円柱形状、ロッド形状のＡｕが特に望ましい。

本実施例の光学フィルタでは、光学フィルタの透過帯での透過を損ねることなければ、サイズや金属材料などが異なる２つの遷移波長領域吸収構造体を配置しても良いし、サイズや金属材料などが異なる２種類の金属微粒子を混合させ１つの遷移波長領域吸収構造体を形成しても良い。さらには、例えば長軸側と短軸側に２つのプラズモン共鳴波長が存在するロッド形状や長方形状を有する金属微粒子を用いることで、１つの遷移波長領域吸収構造体で２つの異なる吸収ピークを有する構成としても良い。

遷移波長領域吸収構造体の形成方法としては、主にフォトリソグラフィー法を用いた方法や、陽極酸化やナノインプリントを用いた手法、バインダや溶剤を介したディッピング法やスピンコート法に加え、スクリーン印刷やグラビア印刷などの印刷法など、様々な手法を用いることが可能であり、構造体に求められる特性や生産性等を考慮し、最適な作製方法を適宜で選択すれば良い。

所定の波長領域を吸収する吸収構造体として色素を利用したものなどがあるが、色素は紫外線等に大変弱い為、著しく耐環境性に劣る問題がある。これらの構造体と比較し、本発明の金属微粒子のプラズモン効果による吸収を利用した構造体であれば、優れた環境性を得ることができ、例えば監視カメラなど、特に厳しい耐環境性が必要とされる光学機器に使用される光学フィルタでも好適に利用することが可能である。

本実施例のエッジフィルタタイプ、またはバンドパスフィルタタイプの光学フィルタを構成する機能膜は、透過帯から不透過帯へ亘り、透過が連続的に減少する透過―不透過遷移波長領域を有しており、この透過―不透過遷移波長領域における透過率５０％の波長を半値波長と呼ぶ。例えばＩＲカットフィルタやＵＶＩＲカットフィルタでは可視波長領域と近赤外波長領域の間の透過―不透過遷移波長領域に半値波長を有する。

入射光のうち、光学フィルタを透過した後に撮像素子等で反射し、その一部が再度撮像素子側から光学フィルタ面に入射し、この再入射光の一部が再度光学フィルタで反射され、撮像素子に再到達し発生するような不要光の強度は、簡易的には（機能膜の分光透過率）×（機能膜の分光反射率）で計算された値が目安となる。従って、透過または反射のどちらか一方が極めて小さい値をとる透過帯と不透過帯では不要光の強度は極めて小さい値となる。一方で、機能膜において吸収が発生しない理想的な状態を仮定した場合、前記した半値波長における不要光の強度は、透過率５０％、反射率５０％から２５％となり、最大となる。また、機能膜に吸収がある場合は、透過帯の透過率の平均値の半分程度の波長を半値波長と仮定することで、同様に半値波長付近での不要光強度が最大値となる。以上のように、機能膜のおける不要光の強度は半値波長で最大となるので、遷移波長領域吸収構造体のプラズモン効果による吸収ピークを半値波長前後に調整することで、前述の不要光強度を大幅に低減することが可能となる。逆に、半値波長付近で十分な吸収を得ることができない構成の場合には、不要光の強度を十分に低減することは極めて難しい。

また、遷移波長領域吸収構造体の吸収スペクトルがブロードな特性を有していると、本来必要とする透過波長領域の光も大きく吸収してしまうため、吸収構造体の吸収スペクトルは、半値波長付近に吸収ピークを有した、吸収波長領域が小さい急峻なスペクトルが好ましい。さらには、同様の理由から、透過波長領域側よりは不透過波長領域側に吸収量が多くなるように配置される方が好ましい場合がある。以上より、遷移波長領域吸収構造体ではプラズモンによる共鳴波長でのＱ値を高める為、金属微粒子のサイズが一定であり、さらには周期性が高い構造とすることがより望ましい。

以上のような理由から、透過―不透過遷移波長領域における遷移波長領域吸収構造体の吸収スペクトルは、透過―不透過遷移波長領域よりも狭い波長域で吸収帯を有することが望ましい。また、透過―不透過遷移波長領域における遷移波長領域吸収構造体の吸収スペクトルが、透過―不透過遷移波長領域よりも広い場合は、吸収ピーク波長を不透過領域側に寄せて、透過帯の透過を最大化できる構成とすることが望ましい。このように、吸収層による透過波長領域の透過光量の減衰を低減することで、高画質化を図ることが可能である。

以上のような本発明の光学フィルタを監視カメラ等の撮影装置に使用することにより、高精度化を図ることが可能となる。

以下、本発明の光学フィルタ、及び撮像装置について実施例に基づき詳細を具体的に説明する。

（実施例１）
透明基板の一方の面上に、金属微粒子を分散配置した遷移波長領域吸収構造体と、多層薄膜により構成された近赤外遮蔽膜を形成し、もう一方の面に多層薄膜により構成された反射防止膜を形成した、図１に示した光学フィルタを作製した実施例について、以下に詳しく記載する。

図１は、少なくとも近赤外波長領域の光の透過を制限するＩＲカットフィルタとして機能する実施例１の光学フィルタ１４の構成図を示している。このような本実施例１の光学フィルタ１４の基板１０には、少なくても４００〜７００ｎｍの可視波長領域において透明性を有した厚さ０．４ｍｍのＢ２７０ｉガラスを使用した。ここで、本実施例１においてはＢ２７０ｉガラスを使用したが、光学フィルタとしての透過波長領域において透明性を有するものであれば特に制限は無く、この他のガラス材料を使用することも可能であるし、樹脂系の基板や、無機有機ハイブリッド基板を用いることも可能である。樹脂系基板の場合、オレフィン系やポリイミド系、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリエステル系、アクリル系、アラミド系、ＰＣ（ポリカーボネート）、アセテート、ポリ塩化ビニル、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等も好適な材料の１つである。更には、１００μｍ以下の厚さの各種の樹脂フィルムを用いることも可能である。

最初に、十分な洗浄と乾燥を行った基板１０の一方の面上に、金属微粒子を分散させた遷移波長領域吸収構造体１１を形成した。金属微粒子には直径１００ｎｍの円柱形状のＡｕ微粒子を用い、この微粒子を吸収構造体内に分散配置した構成とした。この遷移波長領域吸収構造体の作製方法としては、フォトリソグラフィー法を用いた。

まず、基板１０上に、約１００ｎｍの一定膜厚でＡｕ薄膜を蒸着した。その後、リソグラフィー用のレジスト溶液をスピンコート法で塗工した後、一度ベーキングを施すことでレジスト内の溶剤を取り除いた。次に、先に塗布したレジスト膜に露光処理を施し、直径１００ｎｍの円形状アレイと逆形状となるようにパターニングを行った。そして、イオンミリング処理を行うことで、剥き出しとなっているＡｕ薄膜を除去した後、レジスト膜を取り除く為に薬剤によるエッチング処理を施し、図２で例示したように金属微粒子１５を周期的に分散配置させた遷移波長領域吸収構造体１１を形成した。図２のように本実施例１ではあらゆる方向に対し等方的な効果を得ることができるように、金属微粒子１５を三方（六方）配列となるように配置したが、正方配列や他の配列であっても良い。

本実施例１では、このようなプロセスにより遷移波長領域吸収構造体１１を形成したが、例えば以下のような、所謂リフトオフのプロセスでも略同様の構造体を得ることが可能である。最初に、十分な洗浄と乾燥を行った基板１０上にリソグラフィー用のレジスト溶液をスピンコート法で塗工しベーキング処理を施す。次に、塗布したレジスト膜に露光処理を行い、先のプロセスとは真逆となる、直径１００ｎｍの円形状のアレイとなるようにパターニングを行い、レジスト膜の一部を取り除く。そしてその上に、蒸着やスパッタにより約１００ｎｍの一定膜厚でＡｕ薄膜を成膜した後、薬剤によるエッチング処理を行い、レジスト膜を除去する。以上のようなリフトオフプロセスでも、略同様の遷移波長領域吸収構造体１１を形成することが可能である。

さらに別の方法として、ナノインプリント法を併用することも可能である。例えば、前述した本実施例１での遷移波長領域吸収構造体１１の作製プロセスにおいて、先のレジスト膜を光ナノインプリントにより形成した後、アッシング処理を行い、でナノインプリントにおける残膜を処理することで金属薄膜を露出させる。その後、イオンミリングにより剥き出しになっている金属薄膜部を除去し、最後に薬液等によりレジストを除去する。このようにナノインプリントを併用することで、工程は増えるものの、パターニングプロセスの大幅な効率化が可能となることから、生産性を高めることができる。

また、本実施例１では、遷移波長領域吸収構造体１１における吸収ピークのＱ値を重視した為、微粒子の形状と配置周期性の再現性が高い、フォトリソグラフィー法を用いたが、作製方法はこれらに限らず、ウェットプロセスを選択することも可能である。一例としては、Ａｕナノ微粒子を有機溶媒やバインダ材料に分散させた混合液を作製し、これを基板１０上にスピンコートする方法や、スクリーン印刷やグラビア印刷などの印刷法で塗工する方法などが挙げられる。

次に、この遷移波長領域吸収構造体１１上にＩＡＤ法により近赤外遮蔽膜１２を形成した。その後、基板１０の表裏を変え、同様にＩＡＤ法により反射防止膜１３を形成した。

基板１０上に形成された本実施例１の近赤外遮蔽膜１２は、図３（ａ）に示すように、可視波長領域の約４００〜５５０ｎｍの波長領域の光を小さいリップルに抑えつつ、基板裏面側での反射成分を除いた殆どを透過させた透過帯と、可視波長から近赤外波長領域にかけての約７００〜１０５０ｎｍの波長領域の光を遮蔽した不透過帯を有している。また、透過帯と不透過帯に挟まれた約５５０〜６５０ｎｍの波長領域には、透過帯から不透過帯へ透過が連続的に変化する透過―不透過遷移波長領域を有している。さらには、透過―不透過遷移波長領域における透過率５０％の波長をＩＲ半値波長と定義し、この値を５８０ｎｍとした。また、本実施例１における近赤外遮蔽膜１２は高屈折率材料であるＴｉＯ２と低屈折率材料であるＳｉＯ２を交互に積層し構成されており、この近赤外遮蔽膜１２の基板１０側の第１層には透過リップル低減機能を有する透過リップル調整層が配置されており、近赤外遮蔽膜１２を構成する全ての膜厚の中で最も薄い膜厚となっている。さらに、最表層のＳｉＯ２層は反射防止波長領域の中心波長である４００〜６００ｎｍの約１．０ｑｗ程度の膜厚を有している。

基板１０上のもう一方の面上に形成された本実施例１の反射防止膜１３は可視波長から近赤外波長領域にかけての約４００〜７００ｎｍの波長領域の光における、基板裏面側での反射成分を除いた殆どの反射を阻止した、つまりは殆どの光を透過させた透過帯を有した光学特性となっている（不図示）。このように、近赤外遮蔽膜１２のＩＲ半値波長である５８０ｎｍにおいて、基板裏面に対峙するように配置された反射防止膜１３は透過帯を形成しており、成膜誤差等により近赤外遮蔽膜１２の光学特性が例えば１０ｎｍ短波長側や長波長側へシフトとしたとしても、反射防止膜１３はＩＲ半値波長において透過帯を維持できる。従って、以上のような構成設計とすることにより、反射防止膜１３形成時の成膜誤差により反射防止膜１３の光学特性が変化したとしても、基板１０を含んで形成される光学フィルタ１４のＩＲ半値波長に与える影響は極めて小さく、近赤外遮蔽膜１２の誤差のみで光学フィルタ１４の透過―不透過遷移波長領域が決まる為、より再現性を高めることができ、光学フィルタ総体としての高精度化を実現することができる。

また、本実施例１における反射防止膜１３は高屈折率材料であるＴｉＯ２と低屈折率材料であるＳｉＯ２を交互に積層し構成されており、特に反射防止機能に最も影響を与える最表層のＳｉＯ２層は反射防止帯となる波長域の中心波長である５００〜６００ｎｍの約１．０ｑｗ程度の膜厚を有している。

基板１０上に構成された近赤外遮蔽膜１２単体が作り出す透過帯の透過特性は、透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。また同様に、基板１０上に構成された反射防止膜１３単体が作り出す透過帯の透過特性は透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。これら２つの機能膜が作り出す透過帯におけるそれぞれの透過特性は実質的に同一とみなせる特性を有している。そして、これら２つの機能膜が作り出す、透過リップルが少なく平坦で、高透過となっているそれぞれの透過特性を合成することで、図３（ｃ）で示すように、光学フィルタ１４の透過帯における、透過リップルが少なく平坦で高透過である特性を作り出している。また、光学フィルタ１４の不透過帯においても同様に、２つの機能膜が作り出す透過特性の合成により透過特性が決定される。従って、近赤外遮蔽膜１２、及び反射防止膜１３の２つの機能膜が作り出す透過特性の合成により、光学フィルタ１４総体としての透過特性が決定される。

本実施例１における近赤外遮蔽膜１２、反射防止膜１３において、蒸着膜として構成された高屈折率材料であるＴｉＯ２と低屈折率材料であるＳｉＯ２の他に、高屈折率材料としてはＮｂ２Ｏ５やＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５などが使用でき、低屈折率材用としてはＭｇＦ２などが使用可能である。また、設計上や成膜上の理由から中間屈折率材料であるＡｌ２Ｏ３などを一部の層で使用することも可能であり、これらの材料に限らず、ＮｉやＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの金属化合物でも良く、その時々で最適な材料の組合せを選択すれば良い。

以上のように作製された遷移波長領域吸収構造体１１における局所的な吸収ピーク波長、つまりは遷移波長領域吸収構造体１１におけるプラズモンの共鳴波長は、図３（ｂ）で示したように、近赤外遮蔽膜１２が形成する透過―不透過遷移波長領域における半値波長前後の波長に重なるように調整されている。さらには、図３（ａ）（ｂ）に示したように、遷移波長領域吸収構造体１１の吸収スペクトルは、近赤外遮蔽膜１２の透過―不透過遷移波長領域よりも狭い波長域を吸収波長領域とする構成とした。ここで、実際に吸収による効果が発揮される条件を考慮して、本実施例における吸収波長領域とは、連続して吸収率が５％以上となる波長領域と定義する。これにより、不要光の強度が原理的に最大となる、透過―不透過遷移波長領域における半値波長付近での不要光のみを選択的に大きく低減することができ、一方で透過帯での吸収ロスを抑えることができる。より具体的には、（機能膜の分光透過率）×（機能膜の分光反射率）で計算される簡易的な不要光強度の目安値で比較すると、近赤外遮蔽膜１２のみでは理論上最大で２５％の強度となるのに対し、本こと例では透過が約２８％、反射が約２８％の時に最大値を取り、その値は８％弱と、３分の１以上低減することできた。

また、色素などの有機成分から吸収を得る構造体などと比較し、紫外線による劣化にも強く、このような無機の金属材料により得た吸収特性と、無機の積層薄膜により得た反射特性の、主に２つの特性から光学フィルタ総体としての光学特性を得ている為、温度や湿度、紫外線などの周囲環境による吸収特性の変化が著しく小さく、耐環境性に優れた光学フィルタを得ることができる。

以上のように作製された、光学フィルタ１４の分光透過特性は図３（ｃ）で示した設計値に近い特性を得ることができた。これにより、透過帯での高透過を維持しつつ、不要光の強度を低減する、高精度化を実現した、耐環境性に優れた光学フィルタを得ることができた。

（実施例２）
透明基板の一方の面上に、金属微粒子を分散配置した遷移波長領域吸収構造体と、多層薄膜により構成された近赤外遮蔽膜を形成し、もう一方の面上にも、金属微粒子を分散配置した遷移波長領域吸収構造体と、多層薄膜により構成された反射防止膜を形成した、図４に示した光学フィルタを作製した実施例について、以下に詳しく記載する。

図４は、少なくとも近赤外波長領域の光の透過を制限するＩＲカットフィルタとして機能する実施例２の光学フィルタ２４の構成図を示している。このような本実施例２の光学フィルタ２４の基板２０には、少なくても４００〜７００ｎｍの可視波長領域において透明性を有した厚さ０．４ｍｍのＢ２７０ｉガラスを使用した。ここで、本実施例２においてはＢ２７０ｉガラスを使用したが、光学フィルタの透過波長領域において透明性を有するものであれば特に制限は無い。

最初に、十分な洗浄と乾燥を行った基板２０の一方の面上に、金属微粒子を分散させた遷移波長領域吸収構造体２１を形成した。金属微粒子には直径１００ｎｍの球体のＡｕ微粒子を用い、この微粒子を遷移波長吸収構造体内に分散配置した構成とした。この遷移波長領域吸収構造体２１の作製方法としては、ディッピング法を用いた。遷移波長領域吸収構造体２１の膜厚は金属微粒子の直径サイズに相当となるように、分散液や形成プロセスを調整した。

まず、１００ｎｍサイズの球体形状をした無数のＡｕ金属微粒子を含有させた分散液を作製した。次にこの分散液中に基板２０全体を浸漬させた後、所定の条件で液中から引き上げた状態で一定時間保持し、乾燥工程を経て遷移波長領域吸収構造体２１を作製した。このようなディッピングプロセスであれば、基板２０の両面に同時に遷移波長領域吸収構造体２１を作製することができる。ここで、混合するバインダや溶剤によって、極薄膜も作製可能であるし、厚膜化に対応することも可能であり、金属微粒子を比較的規則正しく、周期的に配置させることもできる。さらに、このようなディッピングプロセスによる作製方法以外でも、金属微粒子の形状やサイズに応じて、本実施例１に記載したフォトリソグラフィー法やリフトオフプロセス、ナノインプリント法を併用したプロセスなどの作製方法を選択することが可能である。また、これらに限らず、スピンコートや印刷法などの他のウェットプロセスを選択することも可能である。

次に、この遷移波長領域吸収構造体２１上にＩＡＤ法により近赤外遮蔽膜２２を形成した。その後、基板２０の表裏を変え、同様に遷移波長領域吸収構造体２１上にＩＡＤ法により反射防止膜２３を形成した。

基板２０上に形成された本実施例２の近赤外遮蔽膜２２は、図５（ａ）に示すように、可視波長領域の約４００〜５００ｎｍの波長領域の光を小さいリップルに抑えつつ、基板裏面側での反射成分を除いた殆どを透過させた透過帯と、可視波長から近赤外波長領域にかけての約７００〜１０５０ｎｍの波長領域の光を遮蔽した不透過帯を有している。また、透過帯と不透過帯に挟まれた約５５０〜６５０ｎｍの波長領域には、透過帯から不透過帯へ透過が連続的に変化する透過―不透過遷移波長領域を有している。さらには、ＩＲ半値波長を５８０ｎｍとした。また、本実施例２における近赤外遮蔽膜２２は高屈折率材料であるＴｉＯ２と低屈折率材料であるＳｉＯ２を交互に積層し構成されており、この近赤外遮蔽膜２２の基板２０側の第１層には透過リップル低減機能を有する透過リップル調整層が配置されており、近赤外遮蔽膜２２を構成する全ての膜厚の中で最も薄い膜厚となっている。さらに、最表層のＳｉＯ２層は反射防止帯となる波長域の中心波長である４００〜６００ｎｍの約１．０ｑｗ程度の膜厚を有している。

基板２０上のもう一方の面上に形成された本実施例２の反射防止膜２３は、可視波長から近赤外波長領域にかけての約４００〜７００ｎｍの波長領域の光における、基板裏面側での反射成分を除いた殆どの反射を阻止した、つまりは殆どの光を透過させた透過帯を有した光学特性となっている（不図示）。このように、近赤外遮蔽膜２２のＩＲ半値波長である５８０ｎｍにおいて、基板裏面に対峙するように配置された反射防止膜２３は透過帯を形成している。従って成膜誤差により反射防止膜２３の光学特性が変化したとしても、基板２０を含んで形成される光学フィルタ２４のＩＲ半値波長に与える影響は極めて小さく、近赤外遮蔽膜２２の誤差のみで光学フィルタ２４の透過―不透過遷移波長領域が決まる為、より再現性を高めることができ、光学フィルタ総体としての高精度化を実現することができる。

また、本実施例２における反射防止膜２３は高屈折率材料であるＴｉＯ２と低屈折率材料であるＳｉＯ２を交互に積層し構成されており、特に反射防止機能に最も影響を与える最表層のＳｉＯ２層は反射防止帯となる波長域の中心波長である５００〜６００ｎｍの約１．０ｑｗ程度の膜厚を有している。

基板２０上に構成された近赤外遮蔽膜２２単体が作り出す透過帯の透過特性は、透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。また同様に、基板２０上に構成された反射防止膜２３単体が作り出す透過帯の透過特性は透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。これら２つの機能膜が作り出す透過帯におけるそれぞれの透過特性は実質的に同一とみなせる特性を有している。そして、これら２つの機能膜が作り出す、透過リップルが少なく平坦で、高透過となっているそれぞれの透過特性を合成することで、図５（ｃ）で示すように、光学フィルタ２４の透過帯における、透過リップルが少なく平坦で高透過である特性を作り出している。また、光学フィルタ２４の不透過帯においても同様に、２つの機能膜が作り出す透過特性の合成により透過特性が決定される。従って、近赤外遮蔽膜２２、及び反射防止膜２３の２つの機能膜が作り出す透過特性の合成により、光学フィルタ２４総体としての透過特性が決定される。

本実施例２における近赤外遮蔽膜２２、反射防止膜２３において、蒸着膜として構成された高屈折率材料であるＴｉＯ２と低屈折率材料であるＳｉＯ２に材料に限らず、その時々で最適な材料の組合せを選択すれば良い。

ここで、前述した遷移波長領域吸収構造体２１における局所的な吸収ピーク波長、つまりは遷移波長領域吸収構造体２１におけるプラズモンの共鳴波長は、図５（ｂ）で示したように、近赤外遮蔽膜２２が形成する透過―不透過遷移波長領域における半値波長前後の波長に重なるように調整されている。さらには、図５（ａ）（ｂ）に示したように、遷移波長領域吸収構造体２１の吸収スペクトルは、近赤外遮蔽膜２２の透過―不透過遷移波長領域よりも狭い波長領域を吸収波長領域とする構成とした。これにより、（機能膜の分光透過率）×（機能膜の分光反射率）で計算される簡易的な不要光強度の目安値で比較すると、近赤外遮蔽膜２２のみでは理論上最大で２５％の強度となるのに対し、本こと例では透過が約１９％、反射が約１９％の時に最大値を取り、その値は４％弱と、５分の１以上低減することできた。

以上のように作製された、光学フィルタ２４の分光透過特性は図５（ｃ）で示した設計値に近い特性を得ることができた。これにより、透過帯での高透過を維持しつつ、不要光の強度を低減する、高精度化を実現した、耐環境性に優れた光学フィルタを得ることができた。

（実施例３）
本実施例１、２で作製されたような、透過―不透過遷移波長領域を有するエッジフィルタタイプ、またはバンドパスフィルタタイプの光学フィルタの他の構成例について説明する。

本発明の光学フィルタを図６（ａ）〜（ｄ）で示したような構成とすることも可能である。また、以下の説明おける各光学フィルタは透過―不透過遷移波長領域における半値波長付近に、金属微粒子を分散配置させ構成された遷移波長領域吸収構造体のプラズモン効果による吸収ピークを有していることを前提としている。また、以下の機能膜３２、及び第２の機能膜３３は、近赤外線遮蔽膜や紫外線遮蔽膜、紫外近赤外線遮蔽膜、近赤外線透過膜、場合によっては反射防止膜などから適宜で選択することが可能である。

図６（ａ）は基板３０の両面に遷移波長領域吸収構造体３１するか、または遷移波長領域吸収構造体３１と第２の遷移波長領域吸収構造体３５を配置構成した後、遷移波長領域吸収構造体３１上に機能膜３２を形成し、もう一方の遷移波長領域吸収構造体３１または遷移波長領域吸収構造体３５上に第２の機能膜３３を形成した、本実施例２に属する構成例である。本実施例２では機能膜３２と第２の機能膜３３として近赤外線遮蔽膜と反射防止膜を用いたが、例えば近赤外線遮蔽膜と紫外線遮蔽膜を配置することも可能であるし、紫外近赤外線遮蔽膜と近赤外線遮蔽膜を配置するや、阻止帯の異なる２種類の近赤外線遮蔽膜を配置することなどが可能である。また、プラズモン共鳴による異なる吸収ピークを有する、異なる２種類以上の金属微粒子を１つの遷移波長領域吸収構造体３１層内に分散配置させることも可能である。

図６（ｂ）は基板３０の一方の面上に機能膜３２と遷移波長領域吸収構造体３１を配置し、基板３０のもう一方の面上に第２の機能膜３３と第２の遷移波長領域吸収構造体３５を配置した例である。また、図示しないが、２つの遷移波長領域吸収構造体３１の一方を、吸収波長領域の異なる第２の遷移波長領域吸収構造体３５に変えて配置させることもできる。

図６（ｃ）は図６（ｂ）における一方の遷移波長領域吸収構造体４１を取り除いた構成である。また、図示しないが、遷移波長領域吸収構造体３１上に更に反射防止膜などの他の機能膜を形成することも可能である。

図６（ｄ）は基板３０上の一方面上に形成された機能膜３２上に遷移波長領域吸収構造体３１を配置し、基板３０のもう一方の面上には第２の遷移波長領域吸収構造体３６を配置し、その上側に第２の機能膜３３を配置した例である。ここで、図示しないが、機能膜３２を第２の機能膜３３に変えて配置構成することも可能であるし、第２の遷移波長領域吸収構造体３５を遷移波長領域吸収構造体３１に変えて配置構成することも可能である。また、遷移波長領域吸収構造体３１上に更に反射防止膜などの他の機能膜を形成することも可能である。

以上のような構成配置とすることで、エッジフィルタタイプやバンドパスフィルタタイプの透過―不透過遷移波長領域を有する、ＩＲカットフィルタやＵＶカットフィルタ、ＵＶＩＲカットフィルタ、ＩＲパスフィルタ、カラーフィルタ、蛍光フィルタなどの、高精度化が実現された、耐環境性に優れる、多種多様な光学フィルタを形成することが可能である。

（実施例４）
本実施例１〜３で作製した光学フィルタを備えるビデオカメラ等の撮像装置に適用した実施例について図７を用いて説明する。

図７は、ビデオカメラなどの撮像装置で、絞り羽根４５などで構成された撮像光学系４３を透過した光線を、光学フィルタ挿入位置４０に配置された光学フィルタにより固体撮像素子４４の特性に合わせて調整し、適正な画像を得るような構成となっている。

例えば、図７の構成において、本実施例１〜３で作製されたＩＲカットフィルタの機能を有する光学フィルタ４１を撮像装置内の所定の位置に配置しておき、光学フィルタ挿入位置４０に光学フィルタ４１を移動させることで、撮影状況に応じて適切なフィルタを選択し、撮影を行うことが可能である。図７の構成において光学フィルタ４１を用いて、撮像光学系４３を透過して固体撮像素子４４に結像した光量等を判断して、光学フィルタ挿入位置４０に光学フィルタ４１、または位相差を調整する為のダミーフィルタとなるＡＲフィルタ４２のどちらか一方のフィルタ領域を配置させる。入射した光量が通常の撮影に十分な量であるときは、光学フィルタ４１を光学フィルタ挿入位置４０に配置させることでカラー画像を形成し、逆に光量が不十分であるときはＡＲフィルタ４２を光学フィルタ挿入位置４０に配置させる。このような構成とすることで、例えば夜間での撮影の場合は暗視画像を形成することも可能である。このように作製された撮像装置は、光学フィルタ４１の反射成分、特には透過―不透過遷移波長領域による不要光強度が低減されている為、例えば本実施例のようなＩＲカットフィルタならば、赤色ゴーストの発生を抑制することが可能となり、撮影画像の更なる高画質化が図られる。また、このような光学フィルタの吸収成分は無機の金属材料によって発現される為、周囲環境による光学特性の変化が少ない、耐環境性に優れた撮像装置を得ることができる。

また、図７における光学フィルタ４１が２つの透過―不透過遷移波長領域に、金属微粒子によるプラズモン効果による吸収を有した、所定の近赤外波長領域を透過する、例えば８００〜９００ｎｍを透過し、４００〜７００ｎｍ及び１０００〜１２００ｎｍの透過を阻止したＩＲパスフィルタの場合、ＡＲフィルタ５２をＩＲカットフィルタに変えることで、入射した光量が通常の撮影に十分な量であるときは、ＩＲカットフィルタを光学フィルタ挿入位置５０に配置させることでカラー画像を形成し、逆に光量が不十分であるときはＩＲパスフィルタを光学フィルタ挿入位置５０に配置させることができる。このようなＩＲパスフィルタを配置することで、透過―不透過遷移波長領域による不要光強度が低減される為に暗視画像のさらなる高画質化が図られ、さらには耐環境性に優れた撮像装置を得ることができる。

ここで、光学フィルタ４１を構成している遷移波長吸収構造体が基板の一方の面のみに配置されている場合、基板上の２つの面における反射が異なる。そこで、不要光となる波長領域における反射が低い面を撮像素子側に配置することがより望ましい。これは、このような配置とした方が、多重反射を繰り替えした後、撮像素子に入射される不要光の強度をより低減させることができる理由からである。従って、本実施例においては、機能膜が形成する透過―不透過遷移波長領域における光学フィルタ４１の反射が小さい面を撮像素子側に配置した。

また、本実施例の光学装置に限らず、他の光学装置であっても、実施例１〜３で作製されたようなＩＲカットフィルタなどの透過―不透過遷移波長領域を有するエッジフィルタタイプやバンドパスフィルタタイプの光学フィルタを用いることで、高画質化を図ることが可能な、耐環境性に優れた撮像装置を実現することができる。

１０，２０，３０．基板
１１，２１，３１．遷移波長領域吸収層
１２，２２．近赤外遮蔽膜
１３，２３．反射防止膜
１４，２４，３４．光学フィルタ
１５．金属微粒子
３２．機能膜
３３．第２の機能膜
３５．第２の遷移波長領域吸収構造体

４０．光学フィルタ挿入位置
４１．光学フィルタ
４２．ＡＲフィルタ
４３．撮像光学系
４４．固体撮像素子
４５．絞り羽根

Claims (8)

1. 所定の波長領域の光を透過する透過波長領域と、
   他の所定の波長領域の光の透過を阻止する不透過波長領域と、
   前記透過波長領域から前記不透過波長領域に亘り透過が連続的に減少する遷移波長領域とを有した機能膜と、
   金属微粒子を分散配置することで構成された遷移波長吸収構造体とを、
   前記所定の波長領域において光透過性を有する基板上に備え、
   前記遷移波長領域に前記遷移波長吸収構造体の吸収ピークが重なることを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記吸収ピークを有した５％以上の吸収率が連続している吸収波長領域は
   前記透過―不透過遷移波長領域よりも、波長領域が狭いことを特徴とする
   請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 前記金属微粒子が周期的に分散配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学フィルタ。
4. 前記遷移波長吸収構造体が形成された面とは異なる前記基板のもう一方の面上にも、
   前記遷移波長吸収構造体が形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学フィルタ
5. 前記機能膜が形成されたとは異なる前記基板のもう一方の面上に、他の機能膜が形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
6. 前記機能膜、または前記他の機能膜が、
   近赤外線遮蔽機能、または紫外線遮蔽機能の少なくてもどちらかを有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
7. 前記機能膜、または前記他の機能膜が、
   可視光線遮蔽機能と近赤外線透過機能を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学フィルタと、前記光学フィルタを透過した光を撮像する撮像素子と、を搭載したことを特徴とする、撮像装置。
   
   

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