JP6337583B2

JP6337583B2 - 構造色フィルターおよびこれを用いた光学機器

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Publication number: JP6337583B2
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Publication date: 2018-06-06
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Description

本発明は、構造色を利用した構造色フィルターおよびこれを用いた光学機器に関する。特に、透明性薄膜材料と金属性薄膜材料からなる回折格子パターンと、透過率調整用の薄膜を持つ構造によって生じる色特性を利用する構造色フィルターに関する。

カラーフィルターは、ディスプレイ、イメージセンサー、各種光学機器、分析機器などで、色を表現または識別する素子として、様々な用途で利用される。その機能の実現には、一般的には色素を添加した高分子材料や、数十層の多層膜がつくる干渉色が使用されている。

他方、光の波長程度のスケール（厚さ、寸法）の薄膜や回折格子構造によって発生する光の干渉や回折の結果として発現する構造色を用いたカラーフィルター（以下、構造色フィルターと記す）が知られている。構造色フィルターは、色素合成プロセスを必要とせず、構造パラメータの最適化により多様な色特性を、同一基板上に一括形成できる、等の特長を有する。

光の波長程度のスケールの構造やパターンを形成する方法としては、従来、電子線描画などの半導体プロセス技術が必要とされ、構造色フィルターの製造コストを高める要因となっていたが、近年、より量産に適したナノインプリント技術が進展しつつあり、構造色フィルターの製造への適用が期待されている。（特許文献１、非特許文献１参照）。

しかしながら、構造色フィルターは、前述のように、回折格子による光の干渉、回折を利用することから、波長帯域（発色要因となる、反射率や透過率のスペクトルのピーク若しくはボトムの半値幅）が狭くなり、彩度の高い色を生じることが多い反面、入射光の入射角や観察方向に依存して色特性が変化する、いわゆる入射角依存性（視野角依存性）が大きいという欠点を有していた。

図１４は、石英基板上１１に、ナノインプリントにより高分子樹脂（以下、適宜ポリマーと略記）の回折格子１２を形成した構造色フィルター３０の断面模式図である。図１４において、ｄ１は形成した回折格子１２の厚さ（深さ）、ｄ２はナノインプリント後の残膜部の厚さであり、Ｐ、ｗはそれぞれ回折格子１２の周期、線幅を表わしている。また、４、５、９はそれぞれ入射光、透過光、反射光であり、θは入射光の入射角を表わしている。

図１４の構造において、ｄ１＝２５０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍ、Ｆ（回折格子の線幅／周期）＝ｗ／Ｐ＝０．４５とし（Ｆは通常ＦｉｌｌｉｎｇＦａｃｔｏｒと呼ばれる）、ＴＥ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｉｃ）偏光を、上面（回折格子側）から垂直入射（入射角θ＝０）したときの分光反射率（反射率スペクトル）を計算すると、図１５の（ａ）のようになる。ここで、ポリマーとしては、波長４００ｎｍから７００ｎｍにおける平均屈折率が１．７０程度のものを用いている。計算には、コンピュータを用いた電磁界解析法の一種である、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）法を使用した（非特許文献２参照）。

ヒトの眼の分光感度特性によると、青色（Ｂ）と感じる光強度のピーク波長は約４５０ｎｍ、同じく緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）と感じる光強度のピーク波長はそれぞれ、約５５０ｎｍ、６１０ｎｍである。図１５の（ａ）によると、回折格子１２の周期：Ｐ＝３００ｎｍ、３７５ｎｍ、４１５ｎｍとしたときに、それぞれ光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近にピークが出来ており、これらの周期で作製することで、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルターとなることが分かる。

図１５の（ｂ）は、構造色フィルター３０に対して、ＴＥ偏光を上面（回折格子側）から入射角θ＝５ｄｅｇ（°）で入射したときの分光反射率を計算したものである。図１５の（ｂ）では、図１５の（ａ）のＢ、Ｇ、Ｒのピークに、Ｂ１、Ｂ２、Ｇ１、Ｇ２、Ｒ１、Ｒ２と分離が発生している。このように、入射角をわずかに変化させただけで、分光反射率は変化し、図１４の構造色フィルター３０の視野角は狭いことが分かる。

また、図１４のような構造の構造色フィルター３０においては、上記のように反射光を利用することはできるが、透過光を利用してＢ、Ｇ、Ｒの色特性をもつ透過型構造色フィルターを作製することは困難であった。

特許第５０２３３２４号公報

金森義明著、「構造色を利用したカラーフィルターの開発」、月刊ディスプレイ、テクノタイムズ社、２００９年、３月号、ｐ．３２渋谷眞人、大木裕史著、「回折と結像の光学（光学ライブラリー）」、初版、朝倉書店、２００５年１２月、ｐ．２０７

構造色フィルターは、前述のように、回折格子による光の干渉、回折を利用することから、波長帯域（発色要因となる、反射率や透過率のスペクトルのピーク若しくはボトムの半値幅）が狭くなり、彩度の高い色を生じることが多い反面、入射光の入射角や観察方向に依存して色特性が変化する、いわゆる入射角依存性（視野角依存性）が大きいという欠点を有していた。本発明は、彩度が高く（色特性が高く）、かつ、入射角依存性、すなわち視野角依存性の低い透過型構造色フィルターおよびこれを用いた光学機器を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するための本発明の一局面は、基板と、基板に積層された透過率調整用の薄膜と、透過率調整用の薄膜に積層された透明性薄膜と、透明性薄膜に形成された回折格子パターンの間隙に埋め込まれた金属性薄膜材料とを含み、透過率調整用の薄膜は、Ｔａ _２Ｏ _５および可視光域より短い波長領域から長い波長領域にかけて、消衰係数が単調に小さくなる方向へ変化するＴａＮを含む化合物膜であって、Ｔａ _２Ｏ _５：ＴａＮの組成比が５０：５０から８５：１５の範囲内で、膜厚が１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であり、回折格子パターンは、格子部膜厚が、１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下で、残膜部膜厚が、５０ｎｍ以下で、回折格子の線幅が、１０４ｎｍ以上２４２ｎｍ以下で、回折格子の周期が、２６０ｎｍ以上６０５ｎｍ以下である、可視光域の所定の波長において透過率のピークを有する、構造色フィルターである。

また、金属性薄膜材料はＡｌであってもよい。

また、本発明の他の局面は、上述の構造色フィルターを含み、構造色フィルターへの入射光として、ＴＥ偏光を用いる、光学機器である。

本発明は、従来作製が困難であった透過型構造色フィルターの彩度等の色特性を向上するとともに、構造色フィルターの課題であった入射角依存性、すなわち視野角依存性が大きいという欠点を抑えることができる。また、金属性膜として安価で入手しやすいＡｌを使用することで他の金属を用いるより製造コストを低減でき、また、インプリント技術を用いることで、半導体プロセス技術を用いるより製造コストを低減できる。

本発明に係る構造色フィルターの断面模式図（回折格子側から入射光を入射する場合の概念図）本発明に係る構造色フィルターの断面模式図（基板側から入射光を入射する場合の概念図）透過率調整膜を持たない構造色フィルターの断面模式図透過率調整膜を持たない構造色フィルターにＴＥ偏光である入射光を回折格子側から垂直入射した場合の分光透過率を計算した結果を示す特性図（ａ）ＴａＮ膜と、（ｂ）Ｔａ_２Ｏ_５膜の波長に対する光学定数（ｎ：屈折率、ｋ：消衰係数）の変化を示す特性図透過率調整膜を持たない構造色フィルターにＴＥ偏光である入射光を基板側から垂直入射した場合の分光透過率を計算した結果を示す特性図実施例１および２の構造色フィルターに、ＴＥ偏光である入射光を回折格子側から垂直入射した場合の分光透過率を計算した結果を示す特性図実施例１の構造色フィルターに、ＴＥ偏光である入射光を回折格子側の斜め方向から入射した場合の分光透過率を計算した結果を示す特性図実施例３および４の構造色フィルターに、ＴＥ偏光である入射光を基板側から垂直入射した場合の分光透過率を計算した結果を示す特性図実施例３の構造色フィルターに、ＴＥ偏光である入射光を基板側の斜め方向から入射した場合の分光透過率を計算した結果を示す特性図実施例５の構造色フィルターに、ＴＥ偏光である入射光を回折格子側の（ａ）垂直方向から、および（ｂ）斜め方向から入射した場合の分光透過率を計算した結果を示す特性図実施例６の構造色フィルターに、ＴＥ偏光である入射光を基板側の（ａ）垂直方向から、および（ｂ）斜め方向から入射した場合の分光透過率を計算した結果の例を示す特性図実施例７の構造色フィルターに、ＴＥ偏光である入射光を回折格子側の（ａ）垂直方向から、および（ｂ）斜め方向から入射した場合の分光透過率を計算した結果を示す特性図従来技術に係る構造色フィルターの断面模式図であり、回折格子側から入射光を入射する場合の概念図従来技術の構造色フィルターに、ＴＥ偏光である入射光を回折格子側の（ａ）垂直方向から、および（ｂ）斜め方向から入射した場合の分光反射率を計算した結果を示す特性図

図１および図２に、本発明に係る構造色フィルター１０の一実施形態を示す。図１および図２に示すように、構造色フィルター１０は、基板１（石英、アルミナなど透明性であることが好ましい）と、回折格子パターンが形成された透明性薄膜２と、回折格子パターンの間隙に埋め込まれた金属性薄膜材料３と、透過率調整用の薄膜である透過率調整膜４とが積層されて構成される。

金属性薄膜材料３は、安価で入手しやすいＡｌ（アルミニウム）が好適である。Ａｌを使用することで他の金属を用いるより製造コストを低減できる。また、インプリント技術を用いることで、半導体プロセス技術を用いるより製造コストを低減できる。

透過率調整膜４は、Ｔａ（タンタル）、窒素および酸素を含んでもよい。

図１および図２に示すように、構造色フィルター１０においては、ＴＥ偏光である入射光（図１では５、図２では７）が回折格子側（図１）、または基板側（図２）から入射し、それらの透過光（図１では６、図２では８）は、加法混色用の３原色である、Ｂ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）として利用することができる。

以下、構造色フィルター１０における、透明性薄膜２と金属性薄膜材料３の組み合わせからなる回折格子による波長選択性の発現と、透過率調整膜４の役割について、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光域におけるＴＥ偏光入射の分光透過率を計算した結果を用いて説明する。計算方法は、図１５と同様、ＲＣＷＡ法であり、基板１の材料には石英、透明性薄膜２の材料には図１５の場合と同じポリマー、金属性薄膜材料３としてはＡｌ、透過率調整膜４の材料にはＴａＮ、またはＴａＮとＴａ_２Ｏ_５との一定組成からなる化合物薄膜を用いた。計算に必要な屈折率は、石英は１．４６で一定とし、Ａｌ、ＴａＮ、Ｔａ_２Ｏ_５については、次の情報から得た数値を用いた。
ＮａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＲｅｓｅａｒｃｈＬａｂｓ、「ＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＴｈｉｎＦｉｌｍｓｆｏｒＤＵＶａｎｄＶＵＶＭｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、［ｏｎｌｉｎｅ］、２０１２年４月２６日、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｉｔ．ｅｄｕ／ｋｇｃｏｅ／ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ／ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ／ｔｈｉｎｆｉｌｍｓ／ｔｈｉｎｆｉｌｍｓ／ｔｈｉｎｆｉｌｍｓ＞
また、ポリマーは光の波長４００ｎｍから７００ｎｍの領域における平均屈折率が約１．７０のポリマーであり、分光エリプソメーターで実際に測定した数値を用いた。

まず、図３に示す、構造色フィルター２０に回折格子側から光が入射する場合について説明する。構造色フィルター２０は、本発明に係る構造色フィルター１０と比較して、透過率調整膜４がない構造である。構造色フィルター２０は、ヒトの目の分光感度特性に即して、Ｂ（青）：４５０ｎｍ、Ｇ（緑）：５５０ｎｍ、Ｒ（赤）：６１０ｎｍの光の波長にピークができるよう、構造パラメータである格子部膜厚：ｄ１、残膜部膜厚：ｄ２、周期：Ｐ、およびＦ＝ｗ／Ｐを調整して設計した。構造色フィルター２０の２つの例について、分光透過率を計算した結果を図４の（ａ）、（ｂ）に示す。それぞれの場合のパラメータの数値は、（ａ）が、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．５、回折格子の周期：Ｐ＝２７０ｎｍ、４３０ｎｍ、５２０ｎｍ、（ｂ）が、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．５、回折格子の周期：Ｐ＝２７０ｎｍ、４３０ｎｍ、５２０ｎｍとした。なお、図４の（ａ）、（ｂ）に示した結果は、後述する実施例において「比較例１」と呼ぶ。

図４の（ａ）、（ｂ）を見ると、どちらの場合においても、透明性薄膜２と金属性薄膜材料３の組み合わせからなる周期：Ｐ＝２７０ｎｍ、４３０ｎｍ、５２０ｎｍの回折格子とすることで、目的とする光の波長（Ｂ（青）：４５０ｎｍ、Ｇ（緑）：５５０ｎｍ、Ｒ（赤）：６１０ｎｍ）付近にピークはできている。しかしながら、特にＧ（緑）、Ｒ（赤）においては、ピーク以外の透過率がまだかなり高く、色特性を反映する波長選択性は不十分であるといえる。

また、図４の（ａ）、（ｂ）に依れば、上記の波長選択性を劣化させている要因は、ピークより短い波長領域における透過率が高いことである。そこで、透過光が透過率調整膜４を通る図１および２のような構造とすることで、ピークより短い波長領域における透過率を低下させることができると考えられる。

ピークより短い波長領域における透過率を、透過率調整膜４を通すことで低下させるためには、ピークよりも短い波長領域からピークよりも長い波長領域にかけて、次第に光吸収が小さくなるような透過率調整膜４を用いればよい。そのためには、ピークより短い波長領域から長い波長領域にかけて、吸収を左右する消衰係数（複素屈折率の虚数部分）が単調に小さくなる方向へ変化する材料を選択することが考えられる。

種々の材料の波長に対する消衰係数ｋおよび屈折率ｎを比較した結果、ＴａＮの変化は上述のアドレスの情報を参照すると図５の（ａ）のようであり、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光域において、消衰係数ｋが直線的に小さくなり、望ましい変化をしていることが分かった。

しかしながら、検討の結果、ＴａＮ膜単独では消衰係数ｋの値が大きすぎ、透過率が低くなりすぎることが分かった。一方、Ｔａ_２Ｏ_５膜の消衰係数ｋおよび屈折率ｎの変化は、上述のアドレスの情報を参照すると、図５の（ｂ）のようであり、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光域において、消衰係数ｋがほぼ０の透明な膜であることが分かる。

そこで、ＴａＮ膜とＴａ_２Ｏ_５膜の好適な組成からなる化合物薄膜（ＴａＯ_ｘＮ_ｙ膜。以下適宜ＴａＯＮ膜と略記）を透過率調整膜４とすれば、目的に叶う分光透過率特性が得られることが分かった。

なお、上記のＴａ_２Ｏ_５膜の役割は、ＴａＮ膜をより透明化し、組成比の調整により好適な光学特性とすることであるので、十分透明な膜であればよく、Ｔａ_２Ｏ_５膜に限らず、ＳｉＮ膜やＳｉＯ_２膜であってもよい。これらの場合のＴａＮ膜との化合物薄膜はそれぞれ、ＴａＳｉＯＮ膜、ＴａＳｉＮ膜となるが、いずれにおいてもＴａ、窒素および酸素を含むことでは共通しており、本発明の透過率調整膜４に用いることができる。

次に、図６の（ａ）、（ｂ）には、構造色フィルター２０の、基板１側から光が入射する場合について、図４の場合と同様、ヒトの目の分光感度特性に即して、Ｂ（青）：４５０ｎｍ、Ｇ（緑）：５５０ｎｍ、Ｒ（赤）：６１０ｎｍの光の波長にピークができるよう、構造色フィルター２０の構造パラメータである格子部膜厚：ｄ１、残膜部膜厚：ｄ２、周期：Ｐ、およびＦ＝ｗ／Ｐを調整して設計した２つの例を示す。それぞれの場合のパラメータの数値は、（ａ）が、ｄ１＝１２０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．４５、回折格子の周期：Ｐ＝３５０ｎｍ、５６０ｎｍ、６９０ｎｍ、（ｂ）が、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．４５、回折格子の周期：Ｐ＝３０５ｎｍ、４８０ｎｍ、５９０ｎｍとした。なお、図６の（ａ）、（ｂ）に示した結果は、後述する実施例において「比較例２」と呼ぶ。

図６の（ａ）、（ｂ）を見ると、図４の（ａ）、（ｂ）の透過率と比較すると高くはないが、やはりＧ（緑）、Ｒ（赤）においては、ピーク以外の透過率がいく分高く、色特性を反映する波長選択性が不十分であるといえる。

図６のように、基板１側から光が入射する場合においても、本発明に係るＴａ、窒素および酸素を含む透過率調整膜４を使用することで、分光透過率特性を改善することができると考えられる。

以下、図７乃至図１３に、本発明に係る構造色フィルター１０について、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光域におけるＴＥ偏光入射時の分光透過率を計算した結果を示す。

（実施例１、２）
実施例１および２の計算結果を図７および８に示す。実施例１（図７の（ａ））では、透明性薄膜２をポリマー、金属性薄膜材料３をＡｌ、透過率調整膜４をＴａＯＮとし、ＴＥ偏光である入射光を回折格子側から入射した場合の分光透過率の計算を行った。詳細には、透過率調整膜４がＴａ_２Ｏ_５：ＴａＮ＝８０：２０の組成比からなる化合物膜で、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝１００ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．４、回折格子の周期：Ｐ＝３５０ｎｍ、４６５ｎｍ、５９５ｎｍとした。この結果、光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例１の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルター１０として望ましい結果になっていることが確認された。

また、実施例２（図７の（ｂ））では、透明性薄膜２と金属性薄膜材料３は実施例１と同じ材料の組み合わせとして、透過率調整膜４をＴａ_２Ｏ_５：ＴａＮ＝７０：３０の組成比からなる化合物膜として分光透過率の計算を行った。また、ｄ１、ｄ２、ｄ３、Ｆも実施例１と同じ数値とし、回折格子の周期をＰ＝３４５ｎｍ、４６５ｎｍ、６００ｎｍとした。この結果、光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例１の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルターとして望ましい結果になっていることが確認された。

図８は、実施例１の構造色フィルターに対して、ＴＥ偏光を回折格子側から入射角θ＝５ｄｅｇおよび２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算したものである。図８から分かるように、実施例１の構造色フィルターは、入射角を２０ｄｅｇ程度まで変化させてもＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状に、大きな変化は見られない。また、図では省略するが、実施例２の構造色フィルターに対しても同様である。このように、本発明に係る構造色フィルター１０は、ＴＥ偏光の回折格子側からの斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。

（実施例３、４）
実施例３および４の計算結果を図９および１０に示す。実施例３（図９の（ａ））では、透明性薄膜２をポリマー、金属性薄膜材料３をＡｌ、透過率調整膜４をＴａＯＮとし、ＴＥ偏光である入射光を基板側から入射した場合の分光透過率の計算を行った。詳細には、透過率調整膜４がＴａ_２Ｏ_５：ＴａＮ＝８５：１５の組成比からなる化合物膜で、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝１００ｎｍとし、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．４、回折格子の周期：Ｐ＝３４５ｎｍ、４６５ｎｍ、５９０ｎｍとした。この結果、光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例２の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルター１０として望ましい結果になっていることが確認された。

また、実施例４（図９の（ｂ））では、透明性薄膜２と金属性薄膜材料３は実施例３と同じ材料の組み合わせで、透過率調整膜４をＴａ_２Ｏ_５：ＴａＮ＝７０：３０の組成比からなる化合物膜として分光透過率の計算を行った。また、ｄ１、ｄ２、ｄ３、Ｆも実施例３と同じ数値とし、回折格子の周期をＰ＝３４０ｎｍ、４６５ｎｍ、６０５ｎｍとした。この結果、光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例２の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルター１０として望ましい結果になっていることが確認された。

図１０は、実施例３の構造色フィルター１０に対して、ＴＥ偏光を基板１側から入射角θ＝５ｄｅｇおよび２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算したものである。図１０から分かるように、実施例３の構造色フィルター１０は、入射角を２０ｄｅｇ程度まで変化させてもＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状に、大きな変化は見られない。また、図では省略するが、実施例４の構造色フィルターに対しても同様である。このように、本発明の構造色フィルターは、ＴＥ偏光の基板１側からの斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。

（実施例５）
実施例５の計算結果を図１１に示す。実施例５では、透明性薄膜２をＳｉＮ膜、金属性薄膜材料３をＡｌ、透過率調整膜４をＴａＯＮとし、ＴＥ偏光である入射光を回折格子側から入射した場合の分光透過率の計算を行った。詳細には、透過率調整膜４がＴａ_２Ｏ_５：ＴａＮ＝５０：５０の組成比からなる化合物膜で、ｄ１＝１００ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝１４０ｎｍとし、Ｂ（青）に対してはＦ＝ｗ／Ｐ＝０．３５、Ｇ（緑）とＲ（赤）に対してはＦ＝ｗ／Ｐ＝０．４０、回折格子の周期：Ｐ＝３１０ｎｍ、４００ｎｍ、６００ｎｍとした。この結果、光の波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜のない比較例１の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルターとして望ましい結果になっていることが確認された（図１１の（ａ））。

図１１の（ｂ）は、実施例５の構造色フィルター１０に対して、ＴＥ偏光を回折格子側から入射角θ＝２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算したものである。図１１の（ｂ）から分かるように、実施例５の構造色フィルター１０は、入射角を２０ｄｅｇ程度まで変化させてもＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状に、色特性に影響するような変化は見られない。このように、本発明に係る構造色フィルター１０は、ＳｉＮ膜を透明性薄膜２とする場合においても、ＴＥ偏光の回折格子側からの斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。

（実施例６）
実施例６の計算結果を図１２に示す。実施例６では、透明性薄膜２をＳｉＮ膜、金属性薄膜材料３をＡｌ、透過率調整膜４をＴａＯＮとし、ＴＥ偏光である入射光を基板１側から入射した場合の分光透過率の計算を行った。詳細には、透過率調整膜４がＴａ_２Ｏ_５：ＴａＮ＝５０：５０の組成比からなる化合物膜で、ｄ１＝１３０ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝１２０ｎｍ、Ｆ＝ｗ／Ｐ＝０．４０、回折格子の周期：Ｐ＝２６０ｎｍ、３７０ｎｍ、４６０ｎｍとした。この結果、それぞれ波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例２の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルター１０として望ましい結果になっていることが確認された（図１２の（ａ））。

図１２の（ｂ）は、実施例６の構造色フィルター１０に対して、ＴＥ偏光を基板側から入射角θ＝２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算したものである。図１２の（ｂ）から分かるように、実施例６の構造色フィルター１０は、入射角を２０ｄｅｇ程度まで変化させてもＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状に、色特性に影響するような変化は見られない。このように、本発明に係る構造色フィルター１０は、ＳｉＮ膜を透明性薄膜とする場合においても、ＴＥ偏光の基板側からの斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。

（実施例７）
実施例７の計算結果を図１３に示す。実施例７では、透明性薄膜２の残膜部がない（ｄ２＝０ｎｍ）構造色フィルター１０を用いた。一般に回折格子のパターンをインプリントで形成する場合には、ポリマーの残膜部が発生するが、半導体プロセスでエッチングにより形成する場合は、残膜部をつくることもできるが、基板表面までエッチングすることで残膜部を無くすこともできる。実施例７では、構造色フィルター１０を、回折格子の透明性薄膜２がＳｉＮ膜、回折格子の金属性薄膜材料３がＡｌ、透過率調整膜４がＴａ_２Ｏ_５：ＴａＮ＝７０：３０の組成比からなる化合物膜で、ｄ１＝１５０ｎｍ、ｄ３＝１５０ｎｍであるが、残膜部は無く（ｄ２＝０ｎｍ）、Ｂ（青）に対してはＦ＝ｗ／Ｐ＝０．４０、Ｇ（緑）とＲ（赤）に対してはＦ＝ｗ／Ｐ＝０．３５の条件で、回折格子の周期：Ｐ＝２６５ｎｍ、４１０ｎｍ、４７０ｎｍとして作製した。この結果、波長＝４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６１０ｎｍ付近に透過率のピークができるとともに、透過率調整膜４のない比較例１の場合と比べ、ピーク以外の透過率が抑えられ、透明性薄膜の残膜部がない場合においても、加法混色用のＢ、Ｇ、Ｒの構造色フィルター１０として望ましい結果になることが確認された（図１３の（ａ））。

図１３の（ｂ）は、実施例７の構造色フィルター１０に対して、ＴＥ偏光を回折格子側から入射角θ＝２０ｄｅｇで斜め入射したときの分光透過率を計算したものである。図１３の（ｂ）から分かるように、実施例７の構造色フィルター１０は、入射角を２０ｄｅｇ程度まで変化させてもＢ、Ｇ、Ｒのピーク形状に、色特性に影響するような変化は見られない。このように、本発明に係る構造色フィルター１０は、ＳｉＮ膜を透明性薄膜とし、その残膜部がない場合においても、ＴＥ偏光の回折格子側からの斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。

図を用いた説明は省略するが、残膜部がない構造においては、ＴＥ偏光の基板側からの入射や、透明性薄膜をポリマーとする場合においても本発明に係る構造色フィルター１０は、ＴＥ偏光の斜め入射に対する依存性が従来構造の構造色フィルターよりも小さく、視野角依存性が改善されることが確認された。

以上の結果から、本発明に係る構造色フィルター１０は、従来作製が困難であった透過型構造色フィルターの色特性を向上するとともに、構造色フィルターの課題であった入射角依存性、すなわち視野角依存性が大きいという欠点を抑えることが確認できた。また金属性膜として安価で入手しやすいＡｌを使用することで他の金属を用いるより製造コストを低減でき、また、インプリント技術を用いることで、半導体プロセス技術を用いるより製造コストを低減できた。

また、本発明に係る構造色フィルターは、入射光としてＴＥ偏光を用いたカラーディスプレイ等の各種光学機器に用いることもできる。

本発明は、色素を添加した高分子材料を使わず、透明性材料と金属性材料からなる回折格子パターンと、透過率調整膜を使い、構造パラメータ（膜厚、周期、線幅）を最適化することにより、多様で、視野角依存性が小さく視野角が広く、彩度等の色特性に優れた透過型カラーフィルターを、同一基板上に一括形成できるので、ディスプレイ、イメージセンサー、分析機器などの各種光学機器への応用が期待される。

１基板
２透明性薄膜
３金属性膜
４透過率調整膜
５、７入射光
６、８透過光
９反射光
１０、２０、３０構造色フィルター
１１石英基板
１２回折格子

Claims

基板と、前記基板に積層された透過率調整用の薄膜と、前記透過率調整用の薄膜に積層された透明性薄膜と、前記透明性薄膜に形成された回折格子パターンの間隙に埋め込まれた金属性薄膜材料とを含み、
前記透過率調整用の薄膜は、
Ｔａ _２Ｏ _５および可視光域より短い波長領域から長い波長領域にかけて、消衰係数が単調に小さくなる方向へ変化するＴａＮを含む化合物膜であって、Ｔａ _２Ｏ _５：ＴａＮの組成比が５０：５０から８５：１５の範囲内で、
膜厚が１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であり、
前記回折格子パターンは、
格子部膜厚が、１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下で、
残膜部膜厚が、５０ｎｍ以下で、
回折格子の線幅が、１０４ｎｍ以上２４２ｎｍ以下で、
回折格子の周期が、２６０ｎｍ以上６０５ｎｍ以下である、
可視光域の所定の波長において透過率のピークを有する、
前記構造色フィルター。
前記金属性薄膜材料はアルミニウムである、請求項１に記載の構造色フィルター。
請求項１または２に記載の構造色フィルターを含み、前記構造色フィルターへの入射光として、ＴＥ偏光を用いる、光学機器。