JP5332996B2 - 多層膜光学フィルタ、固体撮像素子、撮像装置、表示装置、通信装置 - Google Patents
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Description
現在主流の固体撮像素子としてはCCD(Charge Coupled Device)型やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型の固体撮像素子がある。
これらの撮像素子は、各々の画素が被写体からの光信号を集めて信号電荷に変換し、その電荷をデジタルデータもしくはアナログデータとして素子外部に取り出して画像化している。
これらの固体撮像素子は、一般に特定の電磁波波長に感度を有する。たとえば、シリコンをベースにした固体撮像素子は近赤外線(〜1.1μm)よりも短い波長に対して感度を有する。
可視波長と比べてエネルギーが高い電磁波であるX線の場合、1つのフォトンにより複数の電荷がカスケード的に生成されるために、シリコンベースの固体撮像素子はエネルギー分解能(波長分解能)がある。
一方で、波長が数100nm〜1.1μm程度の可視波長〜近赤外線域では、シリコンは電磁波波長に対してエネルギー分解能(波長分解能)がなく、蓄積された電荷の数からは、どの波長(どの色)の光が多く蓄積されたのかを判別することができない。
このようにCCD型固体撮像素子やCMOS型固体撮像素子は、可視波長域において、高い感度を有するものの人間の目のように色情報、例えば赤・緑・青の光を区別することは出来ない。
(1)2次元素子の画素ごとに特定の色成分を選択的に透過するオンチップカラーフィルタを備え、2×2画素(縦横2画素)程度の隣接画素グループで複数色(波長)における光強度情報を取得して、後段のデモザイク処理によってカラー画像として復元する。
(2)ダイクロイックプリズムなどの分光素子を通して、光を波長成分に分離したうえで、複数(たとえば3枚)のモノクロセンサーで各色成分の光強度データを取得し、後段の信号処理でカラー画像化する。
すなわち、2×2画素ユニットに対しR(赤),G(緑)、B(青)の3色の透過型色フィルタを千鳥格子状に配置し、それぞれの画素でそれぞれの色成分の光強度を検知し、デモザイク処理によりカラー画像化する手法を取ることが一般的である。
1つの撮像デバイスに対して、複数、例えばRGBの3枚の撮像素子を用いると、システムが大きく複雑になること、高価になること、などの理由から(2)の方式は放送用途の機器や比較的高価なカムコーダに用いられることが多い。
しかしながら、これらの色フィルタの構成元素である炭素や水素を含む分子の結合エネルギーは紫外線エネルギーと同程度であり、高エネルギーの光を長時間照射するとカーボン結合やカーボン・水素間の結合が破壊される場合がある。
そのため、紫外線を含む太陽光に曝される屋外での長時間使用や、紫外線が特に強い環境下(例えば高地、雪原、海上など)での使用、または、高温多湿の環境に長時間さらされると次の不都合が生じることが指摘されている。すなわち、カラーフィルタの透過特性に変化が生じ、撮像画像の色再現の特性劣化が生じることである(非特許文献1参照)。
第1の例は無機物質の吸収係数の波長依存性を利用した薄膜フィルタである。
実施例として、アモルファスシリコン薄膜がある(特許文献1参照)。
アモルファスシリコンの可視波長域での吸収係数は長波長ほど小さくなるため、ある特定の厚さの薄膜を考えた場合、波長=0.5μmの電磁波よりも波長=0.7μmの電磁波のほうが透過しやすい。
そのため、膜厚を制御することで、長波長を優先的に透過するロングパスフィルタを容易に実現できる。
アモルファスシリコンは無機素材であるため、紫外線による劣化など有機カラーフィルタの短所を克服できるが、その一方で短波長のみを透過するショートパスフィルタの実現は難しく、RGB色分離には後段の演算処理が必要になり色再現性の点で問題が残る。
多層膜光学フィルタは、異なる屈折率を持つ光学素材を周期的に積層することで構成されるものである。そして、それら周期的に積層された光学素材の間隔を調整することで特定波長の電磁波に対して選択的に多重反射を起こし、任意の波長・帯域幅の電磁波を取り出すことができる。
したがって、多層膜光学フィルタは、物理的なサイズを調整することによって任意の波長を取り出せる点で非常に優れた光学素子であると言える。
この場合、積層された異なる屈折率を持つ光学素材のそれぞれの膜厚は、透過させたい波長のλ/4n(nは光学素材の屈折率)とする必要がある。言い換えると、積層された異なる屈折率を持つ光学素材のそれぞれの光学膜厚を、透過させたい波長のλ/4とする必要がある。
ここで、光学膜厚とは、光学素材の屈折率nと、光学素材の物理的な膜厚dとの積ndで示される値である。
しかしながら問題もある。多層膜光学フィルタは、固体撮像素子が構成する2次元平面に対して平行な平面に沿って多層膜を積層する。
一方で、固体撮像素子の多くは、集光効率を改善するために、各々の画素にはオンチップマイクロ凸レンズ(特許文献4参照)、またはサブ波長構造体からなる集光素子(オンチップレンズ)を具備した構造を取る(特許文献5、6参照)。
つまり、オンチップレンズに入射した光は、レンズにより各々の画素中央部に集光される。つまり、垂直入射の光を考えたとき、オンチップレンズの中心近傍には垂直に光が入射する一方で、各レンズ周辺領域の光は画素中央部に対して傾いた波面を持つことになる。
そのため斜入射光からみると、多層膜の間隔が厳密に光学素材のλ/4nの膜厚とならず、λ/4nよりも大きな値となる。
その結果、光は効率よく干渉できず、結果として多層膜光学フィルタの透過効率が低くなってしまう不利がある。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、集光効果を確保しつつ、透過効率の向上を図る上で有利な多層膜光学フィルタを提供することにある。
また、本発明の目的は、そのような多層膜光学フィルタを用いた信号表示装置、情報通信装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、そのような多層膜光学フィルタを用いた固体撮像素子およびそのような固体撮像装置を用いた撮像装置を提供することにある。
また、本発明の多層膜光学フィルタは、屈折率が異なる第1誘電体層と第2誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、積層される方向で隣り合う前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の1/4となるように形成され、前記第1誘電体層と前記第2誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成され、前記球面状部は該球面状部を透過する光を発散するパワーを有するレンズとして機能している。
また本発明の固体撮像素子は、多層膜光学フィルタと、前記多層膜光学フィルタを透過した光を光電変換する光電変換部とを備え、前記多層膜光学フィルタは、上述した本発明のいずれかの多層膜光学フィルタを用いて構成されている。
また本発明の撮像装置は、固体撮像素子を有する撮像部と、前記撮像部を制御する制御部と、前記撮像部を操作する操作部とを有し、前記固体撮像素子は、上述した本発明の固体撮像素子を用いて構成されている。
また本発明の表示装置は、画素毎に輝度が変調された輝度画像を生成する輝度画像生成手段と、前記輝度画像を形成する光を画素毎に予め設定された波長毎に選択的に透過させるフィルタアレイとを備え、前記フィルタアレイは、多層膜光学フィルタによって構成され、前記多層膜光学フィルタは、上述した本発明のいずれかの多層膜光学フィルタを用いて構成されている。
また本発明の通信装置は、光信号を送信する光信号送信部および光信号を受信する光信号検出部の少なくとも一方を備え、前記少なくとも一方の前記光信号送信部または前記光信号検出部は、前記光信号に含まれる光のうち特定の波長の光を選択的に透過させるフィルタを有し、前記フィルタは、多層膜光学フィルタで構成され、前記多層膜光学フィルタは、上述した本発明のいずれかの多層膜光学フィルタを用いて構成されている。
そのため、多層膜の中心付近を通過する光と、多層膜の周辺を通過する光との何れの光であっても、多層膜を透過する際の光路差が生じにくく、何れの光に対しても多層膜の間隔がほぼ光学膜厚と一致することになる。
したがって、各光が多層膜において効率よく干渉されるため、多層膜光学フィルタの集光効果を確保しつつ、透過効率を向上させる上で有利となる。
次に、本発明の第1の実施の形態について図面を参照して説明する。
説明の都合上、まず、従来の多層膜光学フィルタの基本構造について図1、図2を参照して説明した後、第1の実施の形態の多層膜光学フィルタについて説明する。
図1に示すように、符号101は上部反射器であり、符号103は下部反射器である。
光は上方から入射し下方に透過する。
符号102はスペーサ層である。
上部反射器101、下部反射器103はそれぞれ4層、計8層からなる多層膜であり、白抜き部分は低屈折率部2、斜線部分は高屈折率部4を示す。
層数は8層に限らず、6層、10層、12層など、任意の数でも構わない。
上部反射器101、下部反射器103のそれぞれに含まれる層2、4の各々の光学膜厚はこの多層膜光学フィルタを透過させようとする入射電磁波波長のλ/4であり、したがって、層2、4の各々の物理的な膜厚は、λ/4n(ただしnは媒質の屈折率)である。
この多層膜光学フィルタを透過させる光が可視波長(550nm)である場合は、各層2、4の物理的な膜厚は、137.5[nm]/nになる。
つまり、低屈折率の媒質の屈折率をn1, 高屈折率の媒質の屈折率をn2とした場合、それぞれの層2、4の物理的な膜厚は、137.5/n1 [nm], 137.5/n2[nm]になる。
また、各層2、4の物理的な膜厚をd1, d2とすると、両者には、d1・n1=d2・n2=光学膜厚の関係が成り立つ。
ここで光学膜厚とは、各層2、4(誘電体層)の膜厚dにその屈折率nを乗じた指数である。
高屈折率層12を窒化シリコン(Si3N4)とすると、同波長域での屈折率は2.05であるので、物理的な膜厚は67.1[nm]程度が好ましい。
また、高屈折率層12を二酸化チタン(TiO2)にした場合は、同波長域での屈折率は2.5であるので、膜厚は55[nm]程度が好ましい。
これら低屈折率の媒質と高屈折率の媒質との屈折率の比率が大きいほど、多層膜光学フィルタの反射・透過特性や帯域幅が広くなるため、両媒質の屈折率差は大きいほど好ましい。
符号102はスペーサ層であり、この層の厚さを調整することで、透過波長を調整することができる。スペーサ層102を構成する媒質は低屈折率の媒質と同じ、もしくは高屈折率の媒質と同じ、もしくは両媒質と異なる屈折率を有する第3の媒質でも構わない。
図2(A)は有機色フィルタ202を備えた画素であり、図2(B)は一般的な多層膜光学フィルタ205を備えた画素である。
符号201,204はオンチップ凸レンズであり、フォトセンサー203,208に効率よく光を集めるための代表的な集光素子である。
符号202は有機素材からなるカラーフィルタであり、たとえばR,G,Bそれぞれの光を透過し、それ以外の光を吸収するナノサイズの顔料を含んだ層であることが一般的である。
符号205は多層膜光学フィルタである。
多層膜光学フィルタ205は斜線で示す高屈折率部分と白ぬきで示す低屈折率部分の周期構造206を1セットとし、それらを積層した構造体である。
ここで、周期構造206の1周期を構成するそれぞれの光学膜厚は入射電磁波波長λの1/4の膜厚であり、つまり1周期は光学膜厚で半波長に相当する。
多層膜光学フィルタ205は、上部反射器と下部反射器とで構成され、両者の間にはスペーサ層207が挿入され、スペーサ層207の厚さを変化させることで、所望の電磁波を透過させ、それ以外の波長を透過させないバンドパスフィルタを実現する。
多層膜光学フィルタ205は透過させたい電磁波帯で透明であれば任意の素材で良く、無機素材で容易に実現可能であるため、紫外線等の外的ストレスに強く化学的に安定した多層膜光学フィルタを実現できる点で優れている。
図3(A)は入射した光A,B,Cがオンチップ集光素子6によって収束される様子を模式的に示している。なお、符号8は固体撮像素子を示す。
多層膜は低屈折率層2と高屈折率層4とがλ/4の光学膜厚に相当する間隔で積層された構造であり、その間隔と多層膜間のスペーサ層207の光学的厚さにより透過する波長が決まる。
図3(A)に示すように、多層膜のそれぞれの層2、4の物理的な膜厚を厳密にλ/4n(nは媒質の屈折率)に作り込んだとしても次の不利がある。
すなわち、オンチップ凸レンズ6の中心近傍を通過する光Aと周辺を通過する光B,Cとでは、光B,Cの光路が斜め入射になる分だけ、光Aと光B,Cとでは、光路差が生じてしまう。
そのため、光Aに対しては多層膜の間隔がほぼ光学膜厚と一致するものの、光B,Cに対しては多層膜の間隔が光学膜厚からずれることになる。
その結果、光A,B,Cが多層膜において効率よく干渉せず、多層膜光学フィルタの透過効率を確保する上で不利がある。
図3(B)に示すように、本発明に係る多層膜光学フィルタ10は、固体撮像素子8の光入射面側に設けられている。
すなわち、固体撮像素子8は、多層膜光学フィルタ10と、この多層膜光学フィルタ10を透過した光を光電変換する図示しない光電変換部とを備えている。
多層膜光学フィルタ10は、屈折率が異なる第1誘電体層12と第2誘電体層14とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成されている。
全ての第1誘電体層12と第2誘電体層14は、積層される方向で隣り合う第1誘電体12および第2誘電体14のそれぞれの光学膜厚が、選択的に透過させる光の波長λの1/4となるように形成されている。
すなわち、第1誘電体12の光学膜厚は、第1誘電体層10の屈折率n1と、第1誘電体層10の物理的な膜厚d1との積で示される値n1・d1である。
また、第2誘電体14の光学膜厚は、第2誘電体層12の屈折率n2と、第2誘電体層12の物理的な膜厚d2との積で示される値n2・d2である。
したがって、積層される方向で隣り合う第1誘電体12および第2誘電体14のそれぞれの光学膜厚と選択的に透過させる光の波長λとは、(1)式の条件を満たす必要がある。
n1・d1=n2・d2=λ/4 (1)
本実施の形態では、多層膜の厚さ方向の全てが球面状部20として形成されている。
また、本実施の形態では、球面状部20において、第1、第2誘電体層12、14が沿う球面は、同一の曲率である。
球面状部20は該球面状部20を透過する光を収束するパワー(正のパワー)を有するレンズ(凸レンズ)として機能する。
スペーサ層16を構成する誘電体は、第1誘電体層12あるいは第2誘電体層14と同じ誘電体材料で構成され、あるいは、第1誘電体層12および第2誘電体層14の何れのとも異なる屈折率を有する誘電体材料で構成されている。
多層膜光学フィルタ20は、スペーサ層16の光学膜厚を変化させることによって、所望の電磁波を透過させ、それ以外の波長を透過させないバンドパスフィルタとして構成される。
すなわち、スペーサ層16は、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる光学膜厚で形成されている。
第1、第2誘電体層12、14が積層される方向において、スペーサ層16よりも上部に位置する多層膜によって上部反射器が構成され、スペーサ層16よりも下部に位置する多層膜によって下部反射器が構成されている。
したがって、上部反射器と下部反射器との間にスペーサ層16が介設されていることになる。
なお、スペーサ層16は省略することもできる。
第1誘電体層12と第2誘電体層14とのうち、一方の誘電体層は低屈折率の媒質で構成され、他方の誘電体層は高屈折率の媒質で構成される。
可視波長帯域における低屈折率の媒質としては、酸化シリコン(SiO2)およびSiO2を主成分とする複合素材が好適である。
そのほかにフッ化マグネシウム(MgF2)や中空構造(Air Gap)などを低屈折率の媒質として用いることができる。
次に、高屈折率の媒質としては、窒化シリコン(Si3N4), 酸化チタン(TiO2), 酸化タンタル(Ta2O5), 酸化ジルコニウム(ZrO2), 酸化ニオブ(Nb2O5), 酸化ハフニウム(HfO2)などの酸化物、窒化物が好ましい。
また、近赤外線波長域を透過させる光学素子として本発明の多層膜光学フィルタ10を用いる場合は、第1、第2誘電体層12、14の材料として、Si, Geなどの半導体材料を用いることができる。
これらの低屈折率素材と高屈折率素材を、基本構造を保ちながら交互に積層させることで、本発明の多層膜光学フィルタは容易に実現することができる。
図3(B)に示すように、図示しない光学系によって収束された光A′,B′,C′が多層膜光学フィルタ10に入射される。
光A′は、固体撮像素子8の画素中央部に対応する多層膜の中心付近を通過し、光B′,C′は、固体撮像素子8の画素周辺部に対応する多層膜の周辺を通過する。
本実施の形態の多層膜光学フィルタ10は、多層膜の少なくとも一部が球面状部20を有しており、したがって、多層膜が曲率を持っている。
したがって、多層膜の中心付近を通過する光A′も、多層膜の周辺を通過する光B′,C′も、多層膜が積層される方向とほぼ平行な方向で多層膜を通過することになる。
すなわち、光A′,B′,C′が、多層膜を透過する際の光路差が生じにくく、光A′,B′,C′の何れの光に対しても多層膜の間隔がほぼ光学膜厚と一致することになる。
その結果、光A′,B′,C′が多層膜において効率よく干渉されるため、多層膜光学フィルタ10の集光効果を確保しつつ、透過効率を向上させる上で有利となり、理想的な透過特性持つ多層膜光学フィルタを実現することができる。
言い換えると、多層膜に曲率を持たせることで、入射する電磁波の入射位置や入射角度に起因する光路差が縮小し、バントパスフィルタとしての特性を改善する上で有利となる。
したがって、本実施の形態の多層膜光学フィルタ10では、図3(A)の比較例におけるオンチップ凸レンズ6を省略することができ、比較例におけるオンチップ凸レンズ6の厚さD分だけ小型化、低背化する上で有利となる。
すなわち、図3(B)において、電磁波の入射側(図中上側)の多層膜を第1層、固体撮像素子8側の多層膜を第N層とする。
n番目の多層膜に着目した場合、n番目の多層膜を球面近似した際の曲率半径をRとすると、(n+1)番目もしくは(n-1)番目の多相膜(第1、第2誘電体層12、14)の曲率半径は、0.9R〜1.1Rの範囲であることが好ましい。なお、nは1〜Nまでの間の任意の整数である。
多層膜に収束するパワーを有するレンズとして機能する球面状部20を設けた。
そのため、斜め入射光における層間隔(第1誘電体層12、第2誘電体層14の間隔)と、垂直入射における層間隔が、ほぼ一定になる。
したがって、画素の中央部を通る電磁波と外周部を通過する電磁波での多層膜間での光路差の差異が小さくなる。
そのため、多層膜の光学膜厚はオンチップ集光素子によって入射波面が傾いても正確にλ/4になる。
つまり入射する電磁波の干渉性が高まり、特性の良い色フィルタを実現できる。もしくは少ない膜数で、平面多層膜光学フィルタと同等の特性を得ることができる。
多層膜光学フィルタはSiO2, TiO2,Si3N4などの無機素材で実現されるので、紫外線や高温・多湿など過酷な環境下にも強い耐性を有する色フィルタを実現することができる。
また、多層膜光学フィルタに曲率を持たせ、オンチップ凸レンズと同様の集光機能を多層膜光学フィルタに実装する。
そのため、カラーフィルタと、オンチップ凸レンズをそれぞれ個別に備えた固体撮像素子と比較すると、オンチップ凸レンズが不要になる分だけ、撮像素子を低背化できる。
この場合、多層膜は、8層の第1誘電体層12と8層の第2誘電体層14と、スペーサ層16とから構成されており、第1誘電体層12はSiO2で構成され、第2誘電体層14はSi3N4で構成されている。
図4は多層膜光学フィルタに400nm〜700nmの可視波長の光をTEモードとして垂直に入射した際の透過特性を示す線図である。
図5は多層膜光学フィルタに400nm〜700nmの可視波長の光をTMモードとして垂直に入射した際の透過特性を示す線図である。
図4、図5において横軸は電磁波波長を示す。
縦軸は、比較例における多層膜光学フィルタでの波長λ=550nmでの透過率を1.0として規格化した透過特性を示す。
図4、図5において、図3(B)に示す本発明の多層膜光学フィルタ10の特性を記号◆(図中Convexに対応)で示し、図3(A)に示す比較例の多層膜光学フィルタを記号□(図中Flatに対応)で示す。
図4、図5に示すように、本発明の多層膜光学フィルタ10は、透過波長である550[nm]近傍で比較例に比べて、1.5〜2.0倍程度の透過特性の向上が有り、多層膜光学フィルタ10の透過効率を向上させる上で有利となっていることがわかった。
次に第2の実施の形態について説明する。
図6(A)は第1の実施の形態の多層膜光学フィルタ10の構造を示す断面図、図6(B)は第2の実施の形態の多層膜光学フィルタ10の構造を示す断面図である。なお、以下の実施の形態においては、第1の実施の形態と同一または対応する部分、部材には同一の符号を付して説明する。
図6(A)に示すように、第1の実施の形態では、多層膜の厚さ方向の全てが球面状部20として形成されていたが、図6(B)に示すように、第2の実施の形態では、多層膜の厚さ方向の一部が球面状部20として形成されている。
すなわち、図6(B)に示すように、球面状部20を除いた多層膜の残りの部分が、第1誘電体層12および第2誘電体層14のそれぞれが平行して積層される平面状部22として形成されている。
球面状部20と平面状部22との間にスペーサ層16が設けられている。
したがって、スペーサ層16の上部に位置する多層膜で構成された上部反射器が球面状部20を構成していることになる。
したがって、第1の実施の形態と同様に、多層膜光学フィルタ10の集光効果を確保しつつ、透過効率を向上させる上で有利となる。
言い換えると、多層膜の一部に曲率を持たせることで、入射する電磁波の入射位置や入射角度に起因する光路差が縮小し、バントパスフィルタとしての特性を改善する上で有利となる。
また、オンチップ凸レンズ6を省略することで、比較例におけるオンチップ凸レンズ6の厚さD分だけ小型化、低背化する上で有利となることも第1の実施の形態と同様である。
次に第3の実施の形態について説明する。
第3の実施の形態の多層膜光学フィルタは、隣接する多層膜において透過する光の波長を互い異ならせたものである。
図7は第3の実施の形態の多層膜光学フィルタ10の構成を示す断面図である。
なお、図7は、多層膜光学フィルタ10の一部分を抜き出した模式図であり、光電変換素子や信号配線などは省略してある。
また、各多層膜501、502、503を構成する第1誘電体層12の数と第2誘電体層14の数は同一である。
言い換えると、球面状部20を有する多層膜501、502、503が3つの画素P1,P2,P3に対応して設けられている。
すなわち、固体撮像素子8の各画素P1,P2,P3の上部には凸レンズ形状をした多層膜が実装されている。
各多層膜501、502、503の厚さ方向の中間部に、第1誘電体層12あるいは第2誘電体層14に置き換えて、同一の誘電体からなるスペーサ層504、505、506がそれぞれ設けられている。
すなわち、スペーサ層16は、各多層膜501、502、503が選択的に透過させる光の特定波長で定められる光学膜厚で形成されている。
したがって、各多層膜501、502、503に設けられるスペーサ層504、505、506の厚さ(物理的な膜厚)は互いに異なっている。
ここで、一例として、選択的に透過させる光が緑(G)の場合、スペーサ層の厚さ(物理的膜厚)は、λ/2n(nは媒質の屈折率)であり、スペーサ層をSiO2で構成する場合は、189.7[nm]程度が好適である。
図7において、画素P3に対応する多層膜503のスペーサ層506が緑フィルタに相当する。
選択的に透過させる光が赤(R)の場合、スペーサ層の厚さは、緑フィルタとしてのスペーサ層506の厚さよりも+30〜50[nm]程度大きい値であることが好ましい。
画素P2に対応する多層膜502のスペーサ層505が赤フィルタに相当する。
したがって、スペーサ層505をSiO2で構成する場合は、上下のSiO2層と合わせて、220〜240[nm]程度が好適である。
選択的に透過させる光が青(B)の場合、スペーサ層の厚さは、緑フィルタとしてのスペーサ層506の厚さよりも+100〜200[nm]程度大きい値であることが好ましい。
画素P1に対応する多層膜501のスペーサ層504が青フィルタに相当する。
したがって、スペーサ層504をSiO2で構成する場合は、上下のSiO2層と合わせて、290〜390[nm]程度が好適である。
以上に示すスペーサ層504、505、506の厚さは一例であり、その他の間隔でも、所望の電磁波波長で所望の透過特性が得られるのであれば、任意の間隔または任意の屈折率を有する部材を用いることができる。
言い換えると、上部反射器では、スペーサ層の膜厚の違いにより各色の画素間で、多層膜の高さにオフセットが生じることになる。
そこで、光学膜厚が異なるスペーサ層を有する隣り合う多層膜の間にギャップ22を設ける。
そして、隣り合う多層膜の第1誘電体層12どうし、および、第2誘電体層14どうしを、ギャップ22内において直線状に接続し、あるいは、曲線状に接続するようにした。
言い換えると、画素間で誘電体層同士の間に顕著な段差部分が形成されないようにした。
これにより、隣接する第1誘電体層12の段差部分、隣接する第2誘電体層14の段差の部分で反射された光が隣の画素に侵入することを抑制できる。そのため、前記の段差部分で反射された光が隣の画素に侵入して混色を生じるといった悪影響を抑制する上で有利となる。
高さ調整層24は可視波長を透過する材料で形成されている。
そして、球面の突出方向における高さが最も大きい多層膜の表面と、多層膜の高さ調整層の表面が同一の高さに設けられるようにした。
すなわち、多層膜光学フィルタの上層にSiO2もしくはSi3N4などの可視波長を透過する材質で形成された高さ調整層24を積層し、その厚さを変化させることで、固体撮像素子全面において個々の画素の高さに顕著な段差ができないようにすることができる。
このように多層膜の表面の高さ位置を一致させることで多層膜光学フィルタ10あるいは固体撮像素子に入射される入射光のばらつきを抑制し、光の入射特性を確保する上で有利となる。
なお、各多層膜に、球面の突出方向の先端に位置する第1誘電体層12あるいは第2誘電体層14の表面に設けられ互いに高さの異なる高さ調整層24を備えるようにし、各多層膜の高さ調整層24の表面が同一の高さに設けられるようにしてもよい。
また、厚さが異なるスペーサ層を有する隣接する多層膜において、多層膜の表面の高さ位置が一致するように、低い方の多層膜を構成する第1、第2誘電体層12、14の一部を省くようにしてもよい。
また、各スペーサ層504、505、506の光学膜厚を異ならせることで選択的に透過する光の波長を異ならせるようにしたので、スペーサ層の材料が単一のもので済み、材料コストの低減を図る上で有利となる。
次に第4の実施の形態について説明する。
第3の実施の形態では、スペーサ層が、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる光学膜厚で形成されている場合について説明した。これに対して、第4の実施の形態では、スペーサ層が、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率を有している場合について説明する。
図8は第4の実施の形態の多層膜光学フィルタ10の構成を示す断面図である。
図8に示すように、球面状部20を有する多層膜601、602、603が3つの画素P1,P2,P3に対応して設けられている。
言い換えると、固体撮像素子8の各画素P1,P2,P3の上部には凸レンズ形状をした多層膜が実装されている。
各多層膜601、602、603の厚さ方向の中間部に、第1誘電体層12あるいは第2誘電体層14に置き換えて、誘電体からなるスペーサ層604、606、606がそれぞれ設けられている。
スペーサ層604、606、606は、各多層膜601、602、603が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率を有している。
そして、隣接する多層膜601、602、603において、各スペーサ層604、606、606はそれらの物理的な膜厚が同一となるように形成されている。
図8において、画素P3に対応する多層膜603のスペーサ層606が緑フィルタに相当する。
選択的に透過させる光が赤(R)の場合、スペーサ層の厚さをSiO2の膜厚に換算すると、緑フィルタとしてのスペーサ層606の厚さよりも+30〜50[nm]程度大きい値であることが好ましい。
画素P2に対応する多層膜602のスペーサ層605が赤フィルタに相当する。
つまり、赤フィルタとしてのスペーサ層606の膜厚を緑フィルタとしてのスペーサ層606と同等の189.7[nm]にする場合は、赤フィルタとしてのスペーサ層606の屈折率を1.6〜1.9程度に設定すると好適である。
屈折率が1.6〜1.9程度の媒質としては、窒化シリコンや有機樹脂などのほか、SiO2とSi3N4とを波長以下のスケールで周期的に重点するサブ波長構造体などで実現することができる。サブ波長構造体については段落0058以降で詳細に説明する。
選択的に透過させる光が青(B)の場合、スペーサ層の厚さをSiO2の膜厚に換算すると緑フィルタとしてのスペーサ層606の厚さよりも+100〜200[nm]程度大きい値であることが好ましい。
画素P1に対応する多層膜601のスペーサ層604が青フィルタに相当する。
つまり、青フィルタとしてのスペーサ層604の膜厚を緑フィルタとしてのスペーサ層606と同等の189.7[nm]にする場合は、青フィルタとしてのスペーサ層604の屈折率を2.2〜3.0程度に設定すると好適である。
屈折率が2.2〜3.0程度の媒質としては、一例として、酸化チタン(TiO2)屈折率=2.5がある。
前記のスペーサ層の膜厚、充填媒質の屈折率は一例であり、その他のスペーサ層間隔や屈折率を有する媒質でも、所望波長で所望の透過特性を得られるのであれば、任意で構わない。
また、スペーサ層は、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率を有するようにしたので、それらスペーサ層の物理的な膜厚が同一となるように形成すれば、隣接する多層膜の表面の高さ位置を一致させることができる。
そのため、第3の実施の形態のように、多層膜光学フィルタの上層に高さ調整層24を積層することなく、多層膜光学フィルタ10あるいは固体撮像素子に入射される光の入射特性を確保することができるので、製造コストの低減を図る上で有利となる。
図9に示すように、屈折率が異なるスペーサ層を有する隣接する多層膜の間にギャップ22を設ける。
そして、このギャップ22に、単一の媒質(たとえば SiO2、Si3N4など)からなる反射部24を形成する。あるいは、ギャップ22にエッチングを施すことによりエアギャップ構造からなる反射部24を形成する。
このような反射部24を形成すると、多層膜に対して斜め方向で入射した光が反射部24と多層膜との界面で反射(全反射)され、隣の画素に侵入することが防止される。そのため、多層膜に対して斜め方向で入射した光が隣の画素に侵入して混色を生じるといった悪影響を抑制する上で有利となる。
次に第5の実施の形態について説明する。
第5の実施の形態は、多層膜の球面状部20の形状が第1乃至第4の実施の形態と相違している。
図10は第5の実施の形態の多層膜光学フィルタ10の構成を示す断面図である。
図10も図7と同様に、多層膜光学フィルタ10の一部分を抜き出した模式図であり、光電変換素子や信号配線などは省略してある。
言い換えると、固体撮像素子8の各画素P1,P2,P3の上部には凸レンズ形状をした多層膜が実装されている。
各多層膜1401、1402、1403の厚さ方向の中間部に、第1誘電体層12あるいは第2誘電体層14に置き換えて、同一の誘電体からなるスペーサ層1404、14014、1406がそれぞれ設けられている。
スペーサ層1404、1405、1406は、各多層膜1401、1402、1403が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率で形成されている。
なお、第4の実施の形態においても、スペーサ層1404、14014、1406を、各多層膜1401、1402、1403が選択的に透過させる光の特定波長で定められる光学膜厚で形成するようにしてもよい。
本実施の形態では、多層膜の厚さ方向の全てが球面状部20として形成されている。
球面状部20は該球面状部20を透過する光を収束するパワーを有するレンズとして機能する。
また、本実施の形態では、球面状部20において、第1誘電体層12および第2誘電体層14が沿う前記球面の中心が同一である点が第1乃至第4の実施の形態と相違している。
言い換えると、それぞれの画素に対応する多層膜は相似形ではなく、上層に行くほど曲率が小さくなる球殻状の形状を有している。
なお、多層膜光学フィルタ10の透過効率を確保する上で多層膜の曲率のばらつきは、例えば、以下に説明するような範囲とすることが好ましい。
すなわち、図10において、電磁波の入射側(図中上側)の多層膜を第1層、固体撮像素子8側の多層膜を第N層とする。
n番目の多層膜に着目した場合、n番目の多層膜を球面近似した際の曲率半径をRとすると、(n+1)番目もしくは(n-1)番目の多相膜(第1、第2誘電体層12、14)の曲率半径は、0.9R〜1.1Rの範囲であることが好ましい。なお、nは1〜Nまでの間の任意の整数である。
また、図11は第5の実施の形態の変形例における多層膜光学フィルタ10の構成を示す断面図である。
図11に示すように、球面状部20を有する多層膜1501、1502、1503が3つの画素P1,P2,P3に対応して設けられている。
各多層膜1501、1502、1503の厚さ方向の中間部に、第1誘電体層12あるいは第2誘電体層14に置き換えて、同一の誘電体からなるスペーサ層1504、15015、1506がそれぞれ設けられている。
スペーサ層1504、1505、1406は、各多層膜1401、1402、1403が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率で形成されている。
この変形例では、球面状部20の曲率が図10の球状面部20よりも大きな値となっている点のみが図10と相違している。
次に第6の実施の形態について説明する。
第6の実施の形態は、第1の実施の形態の図8(A)に示す多層膜光学フィルタ10を、CMOS型固体撮像素子に実装したものである。なお、多層膜光学フィルタ10を実装する固体撮像素子はCOMS型の固体撮像素子に限定されるものではなく、CCD型の固体撮像素子など従来公知のさまざまな固体撮像素子に適用可能であることは無論である。
図12は第6の実施の形態における多層膜光学フィルタ10が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。なお、多層膜光学フィルタ10の多層膜の中間には不図示のスペーサ層が設けられている。
固体撮像素子8の画素701に、本発明に係る多層膜光学フィルタ10が設けられている。
固体撮像素子8は、画素701を有している。
各画素701には、光電変換素子703が設けられている。
光電変換素子703は、画素分離層705により隣接画素と電気的に分離されている。
画素分離層705の上部には信号配線層704が設けられている。
光電変換素子703と信号配線層704とで囲まれた部分は、周囲に比べて高い屈折率を有する媒質(たとえば、周囲をSiO2、導波路部分をSi3N4)を充填した導波路構造部706で構成されている。
導波路構造部706は、周囲に対して高い屈折率の媒質が充填されることでクラッドコア構造を実現し、斜め方向から入射する入射光であっても高い集光効率で光電変換素子703に導くことが可能となっている。
次に第7の実施の形態について説明する。
第7の実施の形態は、第6の実施の形態の変形例であり、第1の実施の形態の図8(B)に示す多層膜光学フィルタ10を、CMOS型固体撮像素子に実装したものである。
図13は、第7の実施の形態における多層膜光学フィルタ10が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
図13に示すように、多層膜の厚さ方向の一部が球面状部20として形成されている。
すなわち、球面状部20を除いた多層膜の残りの部分が、第1誘電体層12および第2誘電体層14のそれぞれが平行して積層される平面状部22として形成されている。
球面状部20と平面状部22との間に不図示のスペーサ層が設けられている。
固体撮像素子8は、画素801を有している。
各画素801には、光電変換素子803が設けられている。
光電変換素子803は、画素分離層805により隣接画素と電気的に分離されている。
画素分離層805の上部には信号配線層804が設けられている。
光電変換素子803と信号配線層804とで囲まれた部分は、周囲に比べて高い屈折率を有する媒質(たとえば、周囲をSiO2、導波路部分をSi3N4)を充填した導波路構造部806で構成されている。
導波路構造部806は、周囲に対して高い屈折率の媒質が充填されることでクラッドコア構造を実現し、斜め方向から入射する入射光であっても高い集光効率で光電変換素子803に導くことが可能となっている。
次に第8の実施の形態について説明する。
図14は、第8の実施の形態における多層膜光学フィルタ10が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
図14に示すように、多層膜の厚さ方向の一部が球面状部20として形成されている。
すなわち、球面状部20を除いた多層膜の残りの部分が、第1誘電体層12および第2誘電体層14のそれぞれが平行して積層される平面状部22として形成されている。
球面状部20と平面状部22との間に不図示のスペーサ層が設けられている。
固体撮像素子8は、画素901を有している。
各画素901には、光電変換素子903が設けられている。
光電変換素子903は、画素分離層905により隣接画素と電気的に分離されている。
画素分離層905の上部には信号配線層904が設けられている。
ここで、信号配線層904は、複数層からなるCu配線層をダマシン技術でSiO2基板912中に形成し、Cu配線層の上部に形成されるストッパー層(拡散防止層)914としてシリコン窒化物(Si3N4)を用いる。
すなわち、これらのCMOSの配線構造に起因するSiO2/Si3N4の層状構造を多層膜光学フィルタの下部反射器として用いることができる。
したがって、第8の実施の形態によれば、第7の実施の形態と同様の効果が奏されることは無論のこと、多層膜の層数を削減することが可能になり、その結果、固体撮像素子全体の低背化を実現する上で有利となる。
次に第9の実施の形態について説明する。
図15は、第9の実施の形態における多層膜光学フィルタ10の断面図である。
図15に示すように、多層膜光学フィルタ10は、球面状部20の球面の突出方向の先端に位置する第1誘電体層12あるいは第2誘電体層14の表面に平滑化層26が設けられている。
平滑化層26の表面には、球面状部20の球面の突出方向と直交する単一の平面上を延在するレンズ取り付け面28が形成されている。
レンズ取り付け面28には、正のパワーを有するレンズ(凸レンズ)として機能するオンチップ集光素子30が取着されている。
ここで、多層膜が第1誘電体層12と第2誘電体層14とが積層される方向に対して交差する方向に並べられて複数設けられ、各多層膜の表面の高さ位置は互いに異なっている。
具体的には、各多層膜に設けられるスペーサ層16の厚さが互いに異なっているか、あるいは、各多層膜を構成する第1誘電体層12の数あるいは第2誘電体層14の数が互いに異なっている。
本実施の形態では、オンチップ集光素子30の表面が同一の高さに設けられるように、各平滑化層26の高さを異ならせる。
次に第10の実施の形態について説明する。
第10の実施の形態は第9の実施の形態の変形例であり、球面状部20が突出する向きが反対向きとなって点が第9の実施の形態と相違している。
図16は、第10の実施の形態における多層膜光学フィルタ10の断面図である。
図16に示すように、第1、第2誘電体層12、14が積層される方向である多層膜の厚さ方向の全てが球面状部20として形成されている。
球面状部20は、第1、第2誘電体層12、14のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成されており、球面状部20が突出する向きは光の透過方向と同一となっている。
すなわち、球面状部20は該球面状部20を透過する光を発散するパワー(負のパワー)を有するレンズ(凹レンズ)として機能する。
また、本実施の形態では、球面状部20において、第1、第2誘電体層12、14が沿う球面は、同一の曲率である。
平滑化層26の表面には、球面状部20の球面の突出方向と直交する単一の平面上を延在するレンズ取り付け面28が形成されている。
レンズ取り付け面28には、正のパワーを有するレンズ(凸レンズ)として機能するオンチップ集光素子1102が取着されている。
ここで、多層膜が第1誘電体層12と第2誘電体層14とが積層される方向に対して交差する方向に並べられて複数設けられ、各多層膜の表面の高さ位置は互いに異なっている。
具体的には、各多層膜に設けられるスペーサ層16の厚さが互いに異なっているか、あるいは、各多層膜を構成する第1誘電体層12の数あるいは第2誘電体層14の数が互いに異なっている。
そして、第9の実施の形態と同様に、オンチップ集光素子30の表面が同一の高さに設けられるように、各平滑化層26の高さを異ならせる。
また、球面状部20は該球面状部20を透過する光を発散するパワーを有するレンズとして機能するため、オンチップ集光素子1102により集光された光を拡散、もしくは平行光線にする上で有利となる。
したがって、固体撮像素子の受光面に対して発散光あるいは平行光を入射させる場合に好適である。
次に第11の実施の形態について説明する。
第11の実施の形態は、多層膜に無機薄膜フィルタ(もしくは有機フィルタ)を組み合わせてハイブリッド型の多層膜光学フィルタ32を構成するものである。
図17(B)は第11の実施の形態の多層膜光学フィルタ10が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
図17(B)に示すように、図17(A)における多層膜のうち固体撮像素子寄りの部分が無機薄膜フィルタ1205(もしくは有機フィルタ1205)に置き換えて実装されたものである。
言い換えると、第11の実施の形態の多層膜光学フィルタ32は、第1、第2誘電体層12、14が積層された多層膜と、無機薄膜フィルタ1205(もしくは有機フィルタ1205)とが組み合わされて構成されている。
すなわち、図17(A)は第6の実施の形態(図12)と同様に構成されたCMOS型固体撮像素子の断面図を示す。
なお、図17(A)には、多層膜光学フィルタ10の多層膜の中間にスペーサ層が、スペーサ層の上部には上部反射器が、スペーサ層の下部には下部反射器がそれぞれ設けられているが、図面の簡略化を図るためそれらの図示は省略している。
図17(C)は無機薄膜フィルタ1205(もしくは有機フィルタ1205)からなる光学フィルタ34が実装されたCMOS型固体撮像素子の断面図である。
また、図17(A)に示す多層膜光学フィルタ10と、(B)に示すハイブリッド型の多層膜光学フィルタ32と、(C)に示す光学フィルタ34とを適宜組み合わせることによって2次元の固体撮像素子を構成できることは無論である。その場合は、固体撮像素子の設計の自由度を確保する上で有利となる。
次に第12の実施の形態について説明する。
第4の実施の形態(図8、図9)で説明したように、各スペーサ層604、605、606を、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる屈折率を有するもので構成する場合においては、スペーサ層の屈折率を調整する必要がある。
この場合、以下に説明するサブ波長構造体を用いて各スペーサ層を構成することによりスペーサ層の屈折率の調整を簡単かつ確実に行うことができる。
図18、図19に示すように、スペーサ層604、605、606は、サブ波長構造体1604乃至1612で構成されている。
言い換えると、スペーサ層604、605、606は、互いに異なる屈折率を有し、かつ、透過する電磁波波長よりも小さい寸法で2種類の媒質を、1次元にあるいは2次元に配置されたサブ波長構造体で構成されている。
図18、図19においては、サブ波長構造体の構造例として、3種類を示しており、第1の種類がサブ波長構造体1604、1605、1606であり、第2の種類がサブ波長構造体1607、1608、1609であり、第3の種類がサブ波長構造体1610、1611、1612である。
サブ波長構造体1604、1605、1606の厚さ方向をZ軸、厚さ方向と直交する平面上で直交する2つの軸をX軸、Y軸とする。
本実施の形態では、サブ波長構造体1604、1605、1606は、X軸およびY軸の2方向に、互いに異なる屈折率を有する2種類の媒質を電磁波波長よりも優位に小さいスケール(寸法)で周期的に配置した構造である。
ここで、電磁波波長よりも優位に小さいスケールとは、典型的には、媒質中の電磁波波長の半分以下の寸法であり、理想的には電磁波波長の1/10程度の寸法まで2種類の媒質を微細構造化できると、尚好適である。
このように構成されたサブ波長構造体1604、1605、1606は、電磁波の広がりよりも優位に小さいスケールで屈折率が変化する。
そのため、サブ波長構造体1604、1605、1606に示すように、サブ波長構造体を構成する2種類の媒質40A,40Bの割合を変えることで、サブ波長構造体の屈折率を調整することができる。
より詳細には、サブ波長構造体1604、1605、1606の場合には、2種類の媒質40A,40BがX軸方向、Y軸方向に沿って分割された立方体形状を呈している。
サブ波長構造体1604、1605、1606は、X軸方向およびY軸方向の2軸方向の周期構造により、屈折率を変化させている。
すなわち、第1の種類のサブ波長構造体1604、1605、1606における媒質40A,40Bの体積の割合は、1:0、1:1、0:1となっており、屈折率もそれら割合に応じて決定されることになる。
図示するように、第2の種類のサブ波長構造体1604、1605、1606における媒質40A,40Bの体積の割合は、3:1、1:1、1:3となっており、屈折率もそれら割合に応じて決定されることになる。
図示するように、2種類の媒質40A,40Bの割合を変化させることで屈折率もそれら割合に応じて決定されることになる。
次に第13の実施の形態について説明する。
第13の実施の形態は、本発明の多層膜光学フィルタ10と、偏光フィルタ50との双方を2次元固体撮像素子に設けた場合について説明する。
図20は第13の実施の形態における多層膜フィルタ10と偏光フィルタ50との双方を設けた2次元固体撮像素子の断面図である。
図20に示すように、固体撮像素子8は2次元平面上に配列された複数の画素P1、P2、……を有している。
そして、各画素には、多層膜光学フィルタ10および偏光フィルタ50の何れかが設けられ、したがって、多層膜光学フィルタ10および偏光フィルタ50は2次元平面上に配置される。
偏光フィルタ50は、多層膜状の偏光素子で構成されている。
各偏光素子は可視波長よりも小さい周期のノコギリ状の溝構造を有する構造体である。
上方から入射した光は、ノコギリの1つの刃に相当する凸部52に入射するが、凸部を構成する平面からみると、入射する光は斜めに照射されることになる。
斜め入射光のTE波とTM波とでは、TE波が効率よく反射されるので、TM波成分に相当する偏光成分が選択的に透過することになる。
このように、2次元平面上に配列された多層膜光学フィルタ10を透過した光が固体撮像素子8の画素によって検出されることで色情報が取得される。これと同時に、2次元平面上に配列された偏光フィルタ50を透過した光が固体撮像素子8の画素によって検出されることで偏光の強度や偏光の方向の情報が取得される。
上記処理としては、例えば、撮像後の画像から画素毎に、偏光を除去する処理、偏光の強調を行う処理、偏光の取り出しを行う処理などが挙げられる。
第14の実施の形態は、本発明の多層膜光学フィルタ10を備えた2次元固体撮像素子におけるフィルタ配列の具体的な構成について説明する。
図21(A)は多層膜光学フィルタ10によって透過光をR,G,Bの3つの波長帯域に分離する一般的なRGBフィルタの配列構造を示す説明図、(B)はこのRGBフィルタにおける波長と透過率との関係を示す線図である。
図21(A)は、多層膜光学フィルタ10を備えた2次元固体撮像素子のうち縦4画素、横4画素で構成された部分を取り出したものである。
この多層膜光学フィルタ10は、R(波長650nm)、G(波長550nm)、B(波長450nm)の波長の光をそれぞれ透過する3種類の多層膜が千鳥格子状に配列されている。
ここで色配列の1ユニットは、縦2画素、横2画素であり、1ユニット(4画素)についてGを透過する多層膜が2画素分設けられている。
すなわち、この多層膜光学フィルタ10では、波長400[nm]〜700[nm]までを50[nm]ステップで7波長に分類した場合の実施例であり、横2画素、縦4画素の合計8画素で1ユニットを構成する。
1ユニットは、G(波長550nm)を透過する多層膜が2画素分、それ以外の6種類の波長を透過する多層膜が6画素分であり、8画素1ユニットで7色の波長情報を取得することができる。
なお、これら色配列の配置は、あくまで一例であり、多層膜の配列構造、言い換えると、フィルタの色配列は任意である。
人間の目は可視波長をRGBの3色程度にしか分光できないが、上記のようにシャープな透過特性を有するバンドパスフィルタを実現できるので、50[nm]〜100[nm]といった狭帯域の色フィルタが容易に実現可能となる。
したがって、より正確な色表現や2次元撮像素子で分光プロファイルを得る上で有利となる。
次に第15の実施の形態について説明する。
第15の実施の形態では、多層膜光学フィルタ10の作製方法について説明する。
本発明の多層膜光学フィルタ10はスパッタデポジションとバイアススパッタリングを組み合わせることで、自己相似的な多層膜構造を積層する。
それにより高精度で多層膜を実現し高い透過特性を示す光学フィルタとして機能する。
自己相似的に複数の薄膜を歪みなく積層するには、バイアス条件を適切に調整する必要があり、そのためには自己クローニング技術が優れた手法として知られている(例えば特許3325825号)。
以下では自己クローニング技術により本光学フィルタを作製する方法を示す。
ただし作製方法は、曲率を持つ多層膜構造を精度よく実現できるのであれば、自己クローニング法には限定はせず、それ以外の製造方法での本光学フィルタの実現を何ら制限するものではない。
エッチングは異方性ドライエッチングが好ましく、エッチングに用いるガスは四フッ化メタン(CF4)系のエッチングガスが好適である。
その他、六フッ化硫黄、トリフルオロメタン、二フッ化キセノンなども好適である。その他、電子ビームリソグラフィにより基本構造のナノスタンパを作製し、ナノインプリント技術により構造を転写しても構わない。
ここで、可視波長帯域における低屈折率の媒質としては、酸化シリコン(SiO2)およびSiO2を主成分とする複合素材が好適である。
その他にフッ化マグネシウム(MgF2)なども低屈折率の媒質として用いることができる。高屈折率の媒質としては、窒化シリコン(Si3N4), 酸化チタン(TiO2), 酸化タンタル(Ta2O5), 酸化ジルコニウム(ZrO2), 酸化ニオブ(Nb2O5), 酸化ハフニウム(HfO2)などの酸化物、窒化物が好ましい。
また、近赤外線波長域を透過させる光学素子として本フィルタを用いる場合は、Si, Geなどを用いることができる。
これらの低屈折率素材と高屈折率素材を、基本構造を保ちながら透過させる光の波長λの1/4の光学膜厚で交互に積層させる。
ここで、バイアススパッタリングとは、スパッタリングによる成膜とスパッタエッチングを同時に進行させるプロセスを示す。
図23は、バイアススパッタリング装置の概略を示す説明図である。
基板1805は、インピーダンス整合器1802を介して高周波電源1801に接続される。またターゲット1806も同様にインピーダンス整合器1804を介して高周波電源1803に接続される。
ここで高周波電源とは、一般に13.56MHzであることが多い。真空デュワー1807中には、不活性ガス(たとえばArガス)を主成分とする混合ガスを充填し、典型的には0.1〜10mTorr程度のガス圧力が好適である。
ターゲット1806および基板1805に高周波電源を供給することでプラズマを生成させる。
ターゲット1806に交流電圧を印加することで、探針特性の非線形性による直流バイアス(自己バイアス効果)がかかりターゲット1806は時間平均で負電位になる。
したがって正電荷を持つ気体イオンは電位差による運動エネルギーを獲得してターゲット1806に衝突する。
この反応によりターゲット物質の表面の原子・分子が飛散し、その物質粒子が基板1805に付着して基板上に薄膜が積層される。
そのため、基板1805に供給する電力、ガスの種類、圧力を調整することで、衝突するイオンの種類、運動エネルギーの大小、スパッタリングの効果を制御することができる。
スパッタリングによる成膜効果を伴わない、単独のスパッタエッチングを行う場合には、基板1805のみに高周波電源を供給すれば良い。
これらのプロセスにより整形された膜を形成し、所望の形状を維持・実現することができる。
なお、ここではスパッタリングとエッチングとを同時進行するバイアススパッタリングによる製造法を示したが、当然ながらスパッタリングにより成膜を行い、その後にドライエッチングやプラズマエッチング工程により整形する手順を踏んでも構わない。
微細構造を有する多層膜を成膜する場合を考える。
成膜に用いられる入射粒子は有限の広がりを持って基板に衝突するので、基板が急峻な凹凸構造を有する場合は、凹部は凸部によって部分的に遮蔽される効果が発生する。
そのため凹部の底には屈曲(キンク)が生じてしまう。
一方、成膜には空間から粒子が直接入射する成分(1次効果)と、膜に一端付着もしくは衝突した粒子がスパッタエッチングや反跳により飛び出し、その膜粒子もしくはエッチングガス粒子が再度入射する成分とがあると考えられている(2次効果)。
これらの2次効果の影響は凸部よりも凹部で顕著であるので、前述の遮蔽効果を打ち消す要因となる。このように上記3つの作用のバランスを最適化することで、定常的な構造を維持しながら多数膜構造を精度よく実現することができる。
Si3N4層の成膜では、ガス圧=0.3[Pa]、ターゲット1806への印加高周波電力は300〜400[W]。
SiO2層の成膜には、ガス圧=0.8[Pa]、ターゲット1806への印加高周波電力は300〜400[W]。
スパッタエッチングはSiO2層の成膜前後に行い、ガス圧0.3[Pa]、基板1805への印加高周波電力は、50〜100[W]程度。
上記の条件はあくまで一例であり、多層膜を構成する媒質、ガス圧、印加電力、ガス流量などによって調整が必要である。
更に詳細な自己クローニング技術を用いたフォトニック結晶の作成方法に関しては、特許第3325825号で開示されている。
ここでは多層膜光学フィルタが3色のバンドパスフィルタを構成する場合、すなわち、多層膜光学フィルタの透過波長帯域がRGBである場合を示す。
まず3色成分に相当するバンドパスフィルタのスペーサ層のなかで、厚さが最大のスペーサ層(1)に相当する膜厚を成膜する。
次に成膜されたスペーサ層を第2の色成分に応じた膜厚(2)にするために、スペーサ層に第1のレジストを塗布し、相当する画素部分のみエッチングで膜厚を整える。
その後、第1のレジストを除去したうえで、第2のレジストを塗布し、第3の色成分に応じた膜厚(3)を得るためにエッチングを行う。
その後、第2のレジストを除去する。スペーサ層のエッチングは異方性ドライエッチングが好適である。
更に、スペーサ層を低屈折率媒質と高屈折率媒質とのサブ波長スケール周期構造で実現する場合は、低屈折率部分のスペーサ層をスパッタリングにより成膜したうえで、サブ波長の周期構造に相当するマスクパターンのレジストを塗布し、エッチングを行う。
その上でレジストを除去し、次に高屈折率媒質をスパッタリングで成膜する。その後、エッチングにより層形状を整えることで、高屈折率媒質と低屈折率媒質のサブ波長構造を有するスペーサ層を実現する。
スペーサ層を実現したあとは、さらに上層にバイアススパッタリングによる多層膜を形成することで多層膜光学フィルタを実現できる。
次に第16の実施の形態について説明する。
第16の実施の形態では、本発明の多層膜光学フィルタ10を設けた固体撮像素子8を、デジタルスチルカメラなどの撮像装置に適用した場合について図24を参照して説明する。
図24に示すように、撮像装置400は、撮像光学系300、撮像部310、システムコントロール部320、駆動制御部330、メモリ媒体340、走査パネル部350、ディスプレイ360などを含んでいる。
撮像光学系300は、システムコントロール部320の指示に基づく駆動制御部330の制御により、各部を機械的に駆動してオートフォーカス等の制御が行われる。
すなわち、撮像部310では、上述したイメージセンサの出力信号に対し、AGC(自動利得制御)、OB(オプティカルブラック)クランプ、CDS(相関二重サンプリング)、A/D変換といった処理を行い、デジタル撮像信号を生成して出力する。
CPU321は、ROM322及びRAM323を用いて本撮像装置の各部に指示を送り、システム全体の制御を行う。
DSP324は、撮像部310からの撮像信号に対して各種の信号処理を行うことにより、所定のフォーマットによる静止画または動画の映像信号(例えばYUV信号等)を生成する。
外部インターフェース325には、各種エンコーダやD/A変換器が設けられ、システムコントロール部320に接続される外部要素(本例では、ディスプレイ360、メモリ媒体340、操作パネル部350)との間で、各種制御信号やデータをやり取りする。
操作パネル部350は、本撮像装置で撮影作業を行うに際し、ユーザが各種の指示を行うための入力キーを設けたものであり、CPU321は、この操作パネル部350からの入力信号を監視し、その入力内容に基づいて各種の動作制御を実行する。
ディスプレイ360は、本撮像装置に組み込まれた例えば液晶パネル等の小型表示器であり、撮像した画像を表示する。
次に第17の実施の形態について説明する。
第17の実施の形態では、本発明の多層膜光学フィルタ10を表示装置に適用した場合について図25を参照して説明する。
図25は、テレビジョン装置などの電子機器70の構成を示すブロック図である。
電子機器70は、表示装置60と、第1画像処理部71と、バッファーメモリ72と、第2画像処理部73と、画像圧縮部74と、ストレージ部75と、マイクロプロセッサ77と、バックライト制御部78と、タイミング制御部79とを含んで構成されている。
第1画像処理部71は入力信号を受け付けて所定の信号処理を行う。
バッファーメモリ72は画像処理部71から供給される画像信号を取り込む。
第2画像処理部73はバッファメモリ72から供給される画像信号を受け付けて所定の信号処理を行う。
画像圧縮部74は、バッファメモリ72から供給される画像信号を所定の圧縮方式で圧縮する。
ストレージ部75は、画像圧縮部74で圧縮された画像信号を記録媒体76に記録する。
バックライト制御部78は表示装置60のバックライト61の輝度を制御する。
タイミング制御部79は表示装置60の液晶パネル62の各画素を画像信号に基づいて変調する。
マイクロプロセッサ77は、ユーザーインターフェイス制御部80を介して供給される制御信号を受け付けて各部72、73、74、75、78、79を制御する。
バックライト61は白色光を液晶パネル62の背面に照射するものである。
液晶パネル62は、バックライト61によって照射される光を画素毎に変調するものである。
すなわち、バックライト61および液晶パネル62によって画素毎に輝度が変調された輝度画像を生成する輝度画像生成手段が構成されている。
フィルタアレイ63は、液晶パネル62によって変調された各画素の光をR,G,Bの各色の光に変換するものであり、本発明の多層膜光学フィルタ10によって構成されている。
すなわち、フィルタアレイ63は、前記輝度画像を形成する光を画素毎に予め設定された波長毎に選択的に透過させるものである。
したがって、バックライト61から照射された白色光が液晶パネル62によって画素毎に変調された輝度画像がフィルタアレイ63によってR,G,Bの各色の光に変換されることによりカラー画像が表示装置60によって表示される。
なお、輝度画像生成手段は、バックライト61および液晶パネル62で構成されるものに限定されるものではなく、画素毎に設けられた発光LEDによって構成されるなど従来公知のさまざまな構成が採用可能である。
次に第18の実施の形態について説明する。
第18の実施の形態では、本発明の多層膜光学フィルタ10を通信装置に適用した場合について図26を参照して説明する。
図26は、通信装置90の構成を示すブロック図である。
通信装置90は光信号を入出力することによって通信を行う装置である。
通信装置90は、光信号検出部91と、画像処理部92と、画像圧縮部93と、ストレージ部94と、マイクロプロセッサ95と、バッファーメモリ96と、ユーザーインターフェース制御部97と、LED光源制御部98と、光信号送信部99とを含んで構成されている。
光信号検出部91は、光信号を受信して電気信号としての画像信号に変換するものであり、光信号に含まれる光のうち特定の波長の光を選択的に透過させるフィルタを有しており、このフィルタとして本発明の多層膜光学フィルタ10が用いられる。
画像処理部92は、光信号検出部91から供給される画像信号を受け付けて所定の信号処理を行う。
画像圧縮部93は、画像処理部92から供給される画像信号を所定の圧縮方式で圧縮する。
ストレージ部94は、画像圧縮部93で圧縮された画像信号を記録媒体100に記録する。
バッファメモリ96は、画像処理部92から供給される画像信号を取り込む。
マイクロプロセッサ95は、ユーザーインターフェイス制御部97を介して供給される制御信号を受け付けて各部91、92、93、94、95、96、98を制御する。
LED光源制御部98は、マイクロプロセッサ95の制御に従って光信号送信部99に制御信号を供給する。
光信号送信部99は、LED光源制御部98から供給される制御信号に基づいて光源としてのLEDに電気信号を供給することでLED駆動し、光信号を送信させる。
光信号送信部99は、送信する光信号のうち特定の波長の光を選択的に透過させるフィルタを有しており、このフィルタとして本発明の多層膜光学フィルタ10が用いられる。
Claims (19)
- 屈折率が異なる第1誘電体層と第2誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の1/4となるように形成され、
前記第1誘電体層と前記第2誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成され、
前記球面状部を除いた前記多層膜の残りの部分は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが平行して積層される平面状部として形成されている
多層膜光学フィルタ。 - 前記球面状部において、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層が沿う前記球面は、同一の曲率である、
請求項1記載の多層膜光学フィルタ。 - 前記多層膜の厚さ方向の中間部に、前記第1誘電体層あるいは前記第2誘電体層に置き換えて、誘電体からなるスペーサ層が設けられている、
請求項1又は2に記載の多層膜光学フィルタ。 - 前記球面状部と前記平面状部との間に誘電体からなるスペーサ層が設けられている、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の多層膜光学フィルタ。 - 前記球面状部は該球面状部を透過する光を収束するパワーを有するレンズとして機能する、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の多層膜光学フィルタ。 - 前記スペーサ層は、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる光学膜厚
で形成されている、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の多層膜光学フィルタ。 - 屈折率が異なる第1誘電体層と第2誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の1/4となるように形成され、
前記第1誘電体層と前記第2誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成され、
前記球面状部は該球面状部を透過する光を発散するパワーを有するレンズとして機能する
多層膜光学フィルタ。 - 前記球面状部において、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層が沿う前記球面は、同一の曲率である、
請求項7記載の多層膜光学フィルタ。 - 前記多層膜の厚さ方向の中間部に、前記第1誘電体層あるいは前記第2誘電体層に置き換えて、誘電体からなるスペーサ層が設けられている、
請求項7又は8に記載の多層膜光学フィルタ。 - 前記スペーサ層は、各多層膜が選択的に透過させる光の特定波長で定められる光学膜厚
で形成されている、
請求項7〜9のいずれか一項に記載の多層膜光学フィルタ。 - 多層膜光学フィルタと、
前記多層膜光学フィルタを透過した光を光電変換する光電変換部とを備え、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第1誘電体層と第2誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の1/4となるように形成され、
前記第1誘電体層と前記第2誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成され、
前記球面状部を除いた前記多層膜の残りの部分は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが平行して積層される平面状部として形成されている
固体撮像素子。 - 前記平面状部は、前記光電変換部上に設けられた配線層を兼ねる
請求項11に記載の固体撮像素子。 - 多層膜光学フィルタと、
前記多層膜光学フィルタを透過した光を光電変換する光電変換部とを備え、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第1誘電体層と第2誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の1/4となるように形成され、
前記第1誘電体層と前記第2誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成され、
前記球面状部は該球面状部を透過する光を発散するパワーを有するレンズとして機能する
固体撮像素子。 - 固体撮像素子を有する撮像部と、前記撮像部を制御する制御部と、前記撮像部を操作する操作部とを有し、
前記固体撮像素子は、
多層膜光学フィルタと、
前記多層膜光学フィルタを透過した光を光電変換する光電変換部とを備え、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第1誘電体層と第2誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の1/4となるように形成され、
前記第1誘電体層と前記第2誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成され、
前記球面状部を除いた前記多層膜の残りの部分は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが平行して積層される平面状部として形成されている
撮像装置。 - 固体撮像素子を有する撮像部と、前記撮像部を制御する制御部と、前記撮像部を操作する操作部とを有し、
前記固体撮像素子は、
多層膜光学フィルタと、
前記多層膜光学フィルタを透過した光を光電変換する光電変換部とを備え、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第1誘電体層と第2誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の1/4となるように形成され、
前記第1誘電体層と前記第2誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成され、
前記球面状部は該球面状部を透過する光を発散するパワーを有するレンズとして機能する
撮像装置。 - 画素毎に輝度が変調された輝度画像を生成する輝度画像生成手段と、
前記輝度画像を形成する光を画素毎に予め設定された波長毎に選択的に透過させるフィルタアレイとを備え、
前記フィルタアレイは、多層膜光学フィルタによって構成され、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第1誘電体層と第2誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の1/4となるように形成され、
前記第1誘電体層と前記第2誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成され、
前記球面状部を除いた前記多層膜の残りの部分は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが平行して積層される平面状部として形成されている
表示装置。 - 画素毎に輝度が変調された輝度画像を生成する輝度画像生成手段と、
前記輝度画像を形成する光を画素毎に予め設定された波長毎に選択的に透過させるフィルタアレイとを備え、
前記フィルタアレイは、多層膜光学フィルタによって構成され、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第1誘電体層と第2誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の1/4となるように形成され、
前記第1誘電体層と前記第2誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成され、
前記球面状部は該球面状部を透過する光を発散するパワーを有するレンズとして機能する
表示装置。 - 光信号を送信する光信号送信部および光信号を受信する光信号検出部の少なくとも一方を備え、
前記少なくとも一方の前記光信号送信部または前記光信号検出部は、前記光信号に含まれる光のうち特定の波長の光を選択的に透過させるフィルタを有し、
前記フィルタは、多層膜光学フィルタで構成され、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第1誘電体層と第2誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の1/4となるように形成され、
前記第1誘電体層と前記第2誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成され、
前記球面状部を除いた前記多層膜の残りの部分は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが平行して積層される平面状部として形成されている
通信装置。 - 光信号を送信する光信号送信部および光信号を受信する光信号検出部の少なくとも一方を備え、
前記少なくとも一方の前記光信号送信部または前記光信号検出部は、前記光信号に含まれる光のうち特定の波長の光を選択的に透過させるフィルタを有し、
前記フィルタは、多層膜光学フィルタで構成され、
前記多層膜光学フィルタは、
屈折率が異なる第1誘電体層と第2誘電体層とが交互に積層されることによって構成され、特定の波長の光を選択的に透過させる多層膜を含んで構成され、
積層される方向で隣り合う前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれの光学膜厚が、前記選択的に透過させる光の波長の1/4となるように形成され、
前記第1誘電体層と前記第2誘電体層とが積層される方向である前記多層膜の厚さ方向の少なくとも一部は、前記第1誘電体層および前記第2誘電体層のそれぞれが、それらの積層される方向において同一方向に凸状を呈する球面に沿って形成された球面状部として形成され、
前記球面状部は該球面状部を透過する光を発散するパワーを有するレンズとして機能する
通信装置。
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