JP2021005843A - 光学デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
なお、こうした課題は、カラーの画像データを生成する撮像素子に限らず、入射光から取り出した光を検出する装置に備えられるフィルタにおいて共通する。
上記構成のように、フィルタ領域が最表面に低屈折率層を備える形態であれば、表面反射を低減することが可能であるとともに、低屈折率層の屈折率や厚さの調整によって、導波モード共鳴現象により強められた反射光とは異なる波長域の光が、フィルタ領域の内部での反射や干渉に起因して当該反射光とともに射出されることを抑えることもできる。
上記構成によれば、格子構造の配列方向に依存した特定の方向へ偏光した光を反射光として射出するフィルタ領域が実現される。したがって、フィルタ領域の有する格子構造の配列方向が揃っている形態であれば、偏光方向の揃った入射光を対象とする場合に好適に用いられ、フィルタ領域が配列方向の互いに異なるサブ波長格子を含む形態であれば、様々な方向への偏光成分を含む入射光を対象とする場合に好適に用いられる。
上記構成によれば、格子構造の配列方向ごとに異なる方向へ偏光した光を反射光として射出するフィルタ領域が実現される。したがって、様々な方向への偏光成分を含む入射光を対象とする場合に好適に用いられる。
上記構成において、前記格子構造は、一次元格子状の配列を有し、前記複数の格子対には、前記格子構造の配列方向が互いに異なる複数の前記格子対が含まれてもよい。
図1が示すように、光学デバイス100は、フィルタ層110と、受光層120とを備えている。フィルタ層110は、互いに異なる波長域の光を透過する複数のフィルタ領域111を備えている。フィルタ領域111は、導波モード共鳴現象を生じさせる構造を有している。フィルタ領域111は、導波モード共鳴現象によって、入射光のうちの特定の波長域の光を選択的に反射し、当該反射光の波長域を除く波長域の光を透過する。
以下、フィルタ領域111の詳細な構成を説明する。
<第1形態>
(フィルタ領域の構造)
図4(a)が示すように、フィルタ領域111は、基材11、第1低屈折率領域12、第1格子領域13、中間領域14、第2格子領域15、および、第2低屈折率領域16を備えている。これらの各領域は、層状に広がっており、基材11に近い位置から、第1低屈折率領域12、第1格子領域13、中間領域14、第2格子領域15、および、第2低屈折率領域16がこの順に並んでいる。各領域の並ぶ方向が第1方向であり、第1方向は、すなわち、フィルタ領域111の厚さ方向である。また、基材11に対して第2低屈折率領域16の位置する側がフィルタ領域111の表面側、すなわち、光の入射側であり、第2低屈折率領域16に対して基材11の位置する側が、フィルタ領域111の裏面側である。図4(b)は、第1格子領域13における第1方向と直交する断面を示し、図4(c)は、中間領域14における第1方向と直交する断面を示し、図4(d)は、第2格子領域15における第1方向と直交する断面を示す。
フィルタ領域111を構成する上記の各領域において、第1方向に沿って互いに隣接する領域は、その一部において互いに連続している。具体的には、第1低屈折率領域12と第1格子低屈折率部13bとは互いに連続し、さらに、第1格子低屈折率部13bと第1中間低屈折率部14bとは互いに連続しており、これらは互いに同一の材料から構成される。また、第1格子高屈折率部13aと中間高屈折率部14aとは互いに連続し、さらに、中間高屈折率部14aと第2格子高屈折率部15aとは互いに連続しており、これらは互いに同一の材料から構成される。また、第2中間低屈折率部14cと第2格子低屈折率部15bとは互いに連続し、さらに、第2格子低屈折率部15bと第2低屈折率領域16とは互いに連続し、これらは互いに同一の材料から構成される。
第1格子領域13における格子構造の周期、すなわち、第1格子高屈折率部13aの配列の周期が、第1周期P1であり、第1周期P1は、検出対象の入射光の波長よりも小さい。同様に、第2格子領域15における格子構造の周期、すなわち、第2格子高屈折率部15aの配列の周期が、第2周期P2であり、第2周期P2は、検出対象の入射光の波長よりも小さい。すなわち、第1周期P1および第2周期P2はサブ波長周期であり、第1格子領域13および第2格子領域15の各々は、高屈折率材料からなるサブ波長周期の格子構造であるサブ波長格子を含む。
結果として、フィルタ領域111の表面側には、第2格子領域15で強められた波長域の光と、第1格子領域13で強められた波長域の光とが反射光として射出される。そして、入射光に含まれる波長域のなかで、上記反射光として射出された波長域を除く波長域の光が、透過光としてフィルタ領域111の裏面側に射出される。
上述のフィルタ領域111において、第1格子領域13で共鳴を起こす光の波長域と、第2格子領域15で共鳴を起こす光の波長域とは、所望の反射光および透過光の波長域に応じて設定されればよい。波長選択性をより高めるためには、第1格子領域13で共鳴を起こす光の波長域と、第2格子領域15で共鳴を起こす光の波長域とが近いほど好ましい。
高屈折率層22の材料の屈折率をn1、凹凸構造層21の材料の屈折率をn2とするとき(n1>n2)、第1格子領域13の平均屈折率NA1は、下記式(1)によって表される。
NA1=n1×R1+n2×(1−R1) ・・・(1)
OT1=T1×NA1
=T1×{n1×R1+n2×(1−R1)} ・・・(2)
高屈折率層22の材料の屈折率をn1、埋込層23の材料の屈折率をn3とするとき(n1>n3)、第2格子領域15の平均屈折率NA2は、下記式(3)によって表される。
NA2=n1×R2+n3×(1−R2) ・・・(3)
OT2=T2×NA2
=T2×{n1×R2+n3×(1−R2)} ・・・(4)
R3≦R2−(1−R1)=R1+R2−1 ・・・(5)
図6〜図8を参照して、フィルタ領域111の製造方法について説明する。
図6が示すように、まず、基材11の表面に、低屈折率材料からなる層を形成し、この層の表面に凹凸構造を形成することによって、凹凸構造層21を形成する。凹凸構造層21は、基材11に沿って広がる平坦部21cと、平坦部21cから突き出た複数の凸部21aとを有するとともに、凸部21a間に位置する部分である複数の凹部21bを有する。凸部21aおよび凹部21bは、第2方向に沿って帯状に延びる。
第1形態のフィルタ領域111は以下のように変更してもよい。
図9が示すように、フィルタ領域111は、基材11を備えていなくてもよい。この場合、低屈折率材料からなる板状体の表面に凹凸構造を形成することによって、凹凸構造層21を形成する。例えば、熱可塑性樹脂からなるシートを用いて、当該シートの表面に凹凸構造を形成してもよいし、合成石英からなる基板を用いて、当該基板の表面に凹凸構造を形成してもよい。合成石英基板に対する凹凸構造の形成には、ドライエッチング法等の公知の技術が用いられればよい。
第2形態のフィルタ領域111は、第1形態と比較して、サブ波長格子の配列が異なる。図12(a)〜(d)が示すように、第2形態のフィルタ領域111において、サブ波長格子は、二次元格子状の配列を有する。
また、第2形態のフィルタ領域111には、第1形態のフィルタ領域111の各変形例の構成が適用できる。
図13が示すように、第3形態のフィルタ領域111において、サブ波長格子は、一次元格子状の配列を有する。そして、フィルタ領域111は、第1低屈折率領域12、第1格子領域13、中間領域14、第2格子領域15、および、第2低屈折率領域16からなる構造体である共鳴構造部31を、2つ備えている。
第1共鳴構造部31Aにおける凸部21aの配列の周期である構造周期Pkと、第2共鳴構造部31Bにおける凸部21aの配列の周期である構造周期Pkとは、図14が示すように同一であってもよいし、あるいは、互いに異なっていてもよい。
(1)光学デバイス100が、導波モード共鳴現象を利用したフィルタ領域111を有するフィルタ層110を備えるため、光学デバイス100における光の選別の精度を高めることができる。
Claims (8)
- 選択的に光を反射する複数のフィルタ領域を有するフィルタ層と、
各フィルタ領域に対して1つずつ配置された光電変換素子であって、前記フィルタ領域の透過光を受ける複数の前記光電変換素子を有する受光層と、を備え、
前記フィルタ領域は、高屈折率材料からなるサブ波長周期の格子構造が低屈折率材料に囲まれた構造を有し、
前記複数のフィルタ領域は、互いに異なる波長域の光を反射する複数の前記フィルタ領域、および、前記格子構造の配列方向が互いに異なる複数の前記フィルタ領域の少なくとも一方を含む
光学デバイス。 - 前記フィルタ領域は、
凸部または凹部である凹凸要素であって、サブ波長周期で並ぶ複数の前記凹凸要素が構成する凹凸構造を表面に有する凹凸構造層と、
前記凹凸構造上に位置して当該凹凸構造に追従した表面形状を有する高屈折率層であって、前記凹凸構造の底部に位置して前記格子構造を形成する第1格子高屈折率部、および、前記凹凸構造の頂部に位置して前記格子構造を形成する第2格子高屈折率部を含む前記高屈折率層と、を備える
請求項1に記載の光学デバイス。 - 前記フィルタ領域は、
前記高屈折率層上に位置して当該高屈折率層の表面の凹凸に追従した表面形状を有する低屈折率層を備える
請求項2に記載の光学デバイス。 - 前記格子構造は、一次元格子状の配列を有する
請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学デバイス。 - 前記格子構造は、二次元格子状の配列を有する
請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学デバイス。 - 互いに同一の周期および配列方向を有する二層の前記格子構造が格子対であり、
前記フィルタ領域は、前記フィルタ層の厚さ方向に沿って並ぶ複数の前記格子対を備える
請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学デバイス。 - 前記格子構造は、一次元格子状の配列を有し、
前記複数の格子対には、前記格子構造の配列方向が互いに異なる複数の前記格子対が含まれる
請求項6に記載の光学デバイス。 - 前記複数のフィルタ領域は、赤色光を反射する前記フィルタ領域と、緑色光を反射する前記フィルタ領域と、青色光を反射する前記フィルタ領域とを含む
請求項1〜7のいずれか一項に記載の光学デバイス。
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