JP6462875B2 - 近赤外線カットフィルタ、および光半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、所定の波長域の光、具体的には近赤外線の透過を抑制する近赤外線カットフィルタ、および近赤外線カットフィルタを用いた光半導体装置に関するものである。
近年、撮像素子または受光素子等の光半導体素子を用いた光半導体装置には、光を集光する光学レンズ、および所定の波長域の光として近赤外線の透過を抑制し、その他の波長域の光を透過させるショートパス型の近赤外線カットフィルタ、または所定の波長域の光の透過を抑制し、その他の波長域の光を透過させるショートパス型およびロングパス型の近赤外線カットフィルタ等の各種の光学部材が使用される。例えば、撮像素子を用いる場合には、撮像素子に入射する光の波長域を人間の眼が知覚することができる波長域（可視光線域）に限定する目的で、近赤外の波長域（近赤外線域）の光の透過を抑制する近赤外線カットフィルタまたは近赤外線カットフィルタが光学レンズと撮像素子との間に配置される。この近赤外線カットフィルタまたは近赤外線カットフィルタは、可視光線の波長域よりも長い波長の光である近赤外線の透過を抑制するように構成される。
例えば特開２０１２−１３７６４９号公報には、透明基板の上に近赤外線の波長域の光を吸収する吸収膜を積層した近赤外線カットフィルタが提案されている。また、例えば特開２０１３−５４３６８号公報には、半導体基板の上に、特定の波長域の光である赤外線を反射する、複数種類の薄膜を積層した多層膜から成る近赤外線カットフィルタが提案されている。
特開２０１２−１３７６４９号公報に開示された近赤外線カットフィルタは、透明基板上に、近赤外線を反射する反射膜、近赤外線を吸収する吸収膜および保護膜を順次積層して得られる。この吸収膜には、近赤外線を吸収する有機色素が含まれる。また、吸収膜にはスチレン構造を含有するアクリル系のものが用いられる。
しかしながら、この構成の近赤外線カットフィルタでは、近赤外線を吸収する吸収膜において、吸収膜を形成する樹脂中に有機色素が多い箇所と少ない箇所とができるので、吸収膜の全ての箇所において有機色素に近赤外線の吸収を均一に行なわせることが難しい場合があった。また、有機色素が少ない箇所をなくすために複数の層を重ねると、有機色素が多過ぎる箇所ができるおそれがあり、また全体に光の透過性が悪くなる場合があった。
本発明の一実施形態にかかる近赤外線カットフィルタは、入射する光のうち近赤外線を吸収する吸収膜と、上面に前記吸収膜が配置された、前記吸収膜を透過した光のうち近赤外線を反射する反射膜と、上面に前記反射膜および前記吸収膜が配置された、前記反射膜を透過した光を透過させる透明基板とを備えており、前記吸収膜は、疎水基を有する繰返し単位および水酸基を有する繰返し単位から成るポリマーと、前記ポリマーに分散した、水酸基を有するとともに近赤外線を吸収する有機色素とから成っており、前記ポリマーにおける水酸基を有する繰返し単位がビニルアルコールである。
また、本発明の一実施形態にかかる光半導体装置は、光が入射するレンズ固定部、前記レンズ固定部を通った光が通るフィルタ固定部および前記フィルタ固定部を通った光が入射する光半導体素子実装部を有する光半導体素子収納用パッケージと、前記レンズ固定部に固定されたレンズと、前記レンズを透過した光が前記吸収膜側から入射するように前記フィルタ固定部に固定された、本発明の一実施形態の近赤外線カットフィルタと、前記近赤外線カットフィルタを透過した光が入射するように前記光半導体素子実装部に実装された光半導体素子とを備えている。
以下、本発明の実施形態にかかる近赤外線カットフィルタについて、図面を参照しながら説明する。
＜近赤外線カットフィルタの構成＞
図１（ａ）は本発明の一実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１の断面図を、図１（ｂ）は吸収膜２の一部を拡大した断面図をそれぞれ示している。これらの図において、近赤外線カットフィルタ１は、吸収膜２、反射膜３および透明基板４を備えている。
図１（ａ）は本発明の一実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１の断面図を、図１（ｂ）は吸収膜２の一部を拡大した断面図をそれぞれ示している。これらの図において、近赤外線カットフィルタ１は、吸収膜２、反射膜３および透明基板４を備えている。
図１（ａ）に示すように、透明基板４の上面には反射膜３が設けられており、反射膜３の上面には、近赤外線を吸収する吸収膜２が設けられている。この吸収膜２は、疎水基を有する繰返し単位および水酸基（−ＯＨ基）を有する繰返し単位から成るポリマー２０と、このポリマー２０に分散した、水酸基を有するとともに近赤外線を吸収する有機色素２１とから成る。ここで近赤外線とは、波長域で７００〜１５００ｎｍの光のことである。この吸収膜２は、平面視した場合の大きさが例えば一辺が７×７ｍｍの四角形状で、厚みが０．５〜１０μｍである。
このポリマー２０のうち疎水基を有する繰返し単位は、水分子となじみにくい原子団を有するポリマー２０を構成する分子構造である。このポリマー２０のうち疎水基を有する繰返し単位は、例えばブチラール基（Ｃ８Ｈ１５Ｏ２：示性式は省略）を有するビニルブチラール（Ｃ８Ｈ１５Ｏ２：示性式は省略）およびアセチル基（Ｃ２Ｈ３Ｏ：ＣＨ３ＣＯ−）を有する酢酸ビニル（Ｃ４Ｈ６Ｏ：ＣＨ２＝ＣＨＯＣＯＣＨ３）、ホルマール基（Ｃ５Ｈ８Ｏ２：示性式は省略）を有するビニロン（Ｃ５Ｈ８Ｏ２：示性式は省略）およびアセチル基を有する酢酸ビニル、アルキル基（ＣｍＨ２ｍ）等を有する炭素と水素から成る炭化水素系モノマー、アクリル基を有するアクリル酸（Ｃ３Ｈ４：ＣＨ２＝ＣＨＣＯＯＨ）モノマーあるいはメタクリル酸メチル（Ｃ５Ｈ５Ｏ２：ＣＨ２＝Ｃ（ＣＨ３）ＣＯＯＣＨ３）モノマーである。
アルキル基を有する炭化水素系モノマーは、例えばエチレン（Ｃ２Ｈ４：ＣＨ２＝ＣＨ２）である。他にも、プロピレン（Ｃ３Ｈ６：ＣＨ３ＣＨ＝ＣＨ２）あるいはブタジエン（Ｃ４Ｈ６：ＣＨ２＝ＣＨＣＨ＝ＣＨ２）等であってもよい。また、疎水基がアルキル基の他にも、フェニル基（Ｃ６Ｈ５−）を有する炭化水素系（ＣｍＨｎ）モノマー（ｎとｍとは自然数であり、モノマー中に二重結合を持つような組合せである。）であってもよく、例えばスチレン（Ｃ８Ｈ８：Ｃ６Ｈ５−ＣＨ＝ＣＨ２）あるいはα−メチルスチレン（Ｃ９Ｈ１０：Ｃ６Ｈ５Ｃ（＝ＣＨ２）ＣＨ３）等であってもよい。
これらの繰返し単位から成るポリマー２０であれば、ポリマー２０と有機色素２１との反応を抑制することができる。このため、吸収膜２は有機色素２１の持つ吸収特性を維持することができる。
ポリマー２０において疎水基を有する繰返し単位が例えばビニルアセタールおよび酢酸ビニルの場合には、ポリマー２０はポリビニルアセタールポリマーである。このポリビニルアセタールがアセタール基を含むことで、吸収膜２の靱性が向上する。このため、透明基板４にガラス等を用いた場合でも、割れおよびクラック等が生じるのを抑制することができる。また、ポリビニルアセタールがアセチル基を有するので、吸収膜２自体が水に溶けにくいものとなる。このようにポリマー２０が有機色素２１と反応しない繰返し単位から成る場合には、有機色素２１がポリマー２０中に溶解するおそれがないので、有機色素２１の機能を維持することができる。
また、ポリマー２０のうち水酸基を有する繰返し単位であるビニルアルコールは、示性式上ではビニルアルコールモノマーであるが、実製品の近赤外線カットフィルタ１の状態においてはビニルアルコールモノマーは存在しない。これは、ビニルアルコール（ＣＨ２＝ＣＨＯＨ）は不安定であり、すぐにより安定なアセトアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）になってしまうためである。
また、ポリビニルアセタールポリマーは、ポリビニルアルコールとアルデヒド（ホルムアルデヒド（ＣＨ２Ｏ：ＨＣＨＯ）あるいはブチルアルデヒド（Ｃ４Ｈ８Ｏ：Ｃ３Ｈ７ＣＨＯ））との縮合反応によって得られる。この際に、縮合反応の触媒として、塩酸または硫酸等の無機酸を用いる。そして、溶媒としては水またはメタノール等を用いる。この場合に、アセタール化反応において、ポリビニルアルコールを完全にアセタール化することができない。このため水酸基が残され、さらに鹸化において少量のアセチル基が残る。このことによって、疎水基としてアセタール基を有する繰返し単位およびアセチル基を有する繰返し単位ならびに水酸基を有するビニルアルコールから成るポリマーを得ることができる。また、炭化水素系モノマーあるいはアクリル酸系モノマーとビニルアルコールとから成るポリマー２０は、炭化水素−酢酸ビニルコポリマーあるいはアクリル酸系−酢酸ビニルコポリマーをメタノール中で鹸化することによって得られる。
以上のように、ビニルアルコールモノマーは安定して存在することができないが、便宜上、ビニルアルコールの部分については、以下、ビニルアルコールモノマーという。
ビニルアルコールモノマーは、酸素等のガスの透過率が低く、ガスバリア性に優れている。これは、以下のような理由による。すなわち、ビニルアルコールモノマーに含まれる水酸基の極性によって電荷に偏りが生じると、プラス−マイナス間で引き合って分子間に働く力が強くなる。このように分子間に働く力が強くなると、分散した酸素分子がこの分子間力を引き離すのに大きなエネルギーが必要になる。このとき、酸素分子が高分子鎖を透過するために、高分子鎖に働く分子間力を弱めるように高分子鎖を押し広げて通り道を作ることは困難である。これはつまり、酸素が吸収膜２の表面から内部へ透過しにくくなるということなので、酸素透過率が小さくなり、ガスバリア性に優れるものとなる。
吸収膜２に好適なポリビニルアセタールポリマーは、ポリビニルブチラールポリマーである。この場合には、ポリビニルブチラールポリマーにおいて、ブチラール基のモル比率が６０〜８０モル％、アセチル基のモル比率が２〜６モル％のものを用いるとよい。ポリビニルブチラールポリマーは、樹脂の中では比較的酸素の透過率が小さい。また、水蒸気透過率も低いので、ポリマー２０が水に溶けることを抑制できる。そして、ポリマー２０に靱性があるので、他の膜を保護することもできる。
また、吸収膜２が炭化水素−ビニルアルコールコポリマーの場合には、例えばエチレン−ビニルアルコールコポリマーを用いる。この場合には、エチレン−ビニルアルコールコポリマーにおいて、エチレンモノマーのモル比率が２０〜６０モル％のものを用いるとよい。エチレン−ビニルアルコールコポリマーは、酸素の透過率が小さいだけではなく、親油性のエチレンが重合されることで、コポリマー自体が水に溶けることを抑制できる。さらに、水蒸気の透過率も低いので、有機色素２１が水に溶けることを抑制することができる。また、特にエチレンモノマーのモル比率が２５〜３５モル％のエチレン−ビニルアルコールコポリマーから成る吸収膜２は、水に溶けにくく、ガスバリア性に優れている。
また、ポリマー２０がアクリル酸ビニルアルコールコポリマーあるいはビニルメタクリル酸メチルであれば、吸収膜２の伸展性が高い。このため、吸収膜２を形成する際の熱履歴によって生じる応力を低減することができる。また、ポリビニルアセタールポリマーおよび炭化水素−ビニルアルコールコポリマーと同様に、酸素の透過率が小さく、水にも溶けにくい。
以上に示したポリマー２０は、水に溶けにくく、ガスバリア性に優れている。このことによって、有機色素２１の酸化分解および水への溶解を抑制することができ、有機色素２１の機能を維持することができる。
吸収膜２は、図１（ｂ）に示すように、ポリマー２０と、このポリマー２０に分散した有機色素２１とから成る。この有機色素２１は、水酸基を有している。有機色素２１の材料は、例えば置換基に水酸基を有する、フタロシアニン系化合物またはシアニン系化合物である。他にも、置換基に水酸基を有するものであれば、スクアリウム系化合物、ジインモニウム化合物、アゾ化合物等を用いることができる。このような有機色素２１は、吸収したい波長域に合わせていくつかを組み合わせてポリマー２０に分散することができる。これらの有機色素２１は、波長域で７００〜１５００ｎｍの光を他の波長の光と比較して強く吸収することができる。
このように、吸収膜２中のビニルアルコールモノマーおよび有機色素２１の双方が水酸基を有していることによって、ビニルアルコールモノマーの水酸基と有機色素２１の水酸基とが水素結合する。水酸基同士の水素結合においては、電気陰性度の値が水素より大きい酸素と水素とが結合すると、その水素はプラスの電荷を帯びる。一方、電子を引き付けた酸素は、逆にマイナスの電荷を帯びる。このような少しプラスの電荷を帯びた水素原子と、別の分子のマイナスの電荷を帯びた酸素との間に静電的引力が作用して水素結合ができる。つまり、ビニルアルコールモノマーの水素と有機色素２１の酸素との間に、またはビニルアルコールモノマーの酸素と有機色素２１の水素との間に電気的な引力が働く。このため、水酸基同士が結合するようになって有機色素２１が分散する。この場合には、ポリマー２０において、連続した構造を持つビニルアルコールモノマーの水酸基に対応して有機色素２１の水酸基が結合するようになって有機色素２１が分散するので、有機色素２１をポリマー２０内に偏りなく分散させることができる。
さらに、この水素結合によって、ポリマー２０と有機色素２１とが強く結合されるので、有機色素２１が雰囲気中の酸素と反応して酸化分解することを抑制することができる。まず、酸素が有機色素２１を酸化分解しようとする際には、最初に水酸基同士の水素結合を切断するためにエネルギーが必要となる。このため、有機色素２１をポリマー２０との結合から切断することができたとしても、酸化分解するほどのエネルギーが残されていない可能性がある。あるいは酸化分解をしたとしても一部のみになるため、吸収膜２における有機色素２１の酸化分解を抑制することができる。
また、ポリマー２０がガスバリア性に優れているため、酸素の透過率が低く、有機色素２１の酸化分解を抑制することができる。また、有機色素２１をポリマー２０内に偏りなく分散させることができる。このため、樹脂中に有機色素２１を単純に混ぜる場合に生じるような有機色素２１が固まって存在する箇所およびほとんど存在しない箇所等の発生を抑えることができる。ひいては、ポリマー２０中の有機色素２１の濃度が不均一になるおそれを抑制することができる。
次に、反射膜３について説明する。この反射膜３は、吸収膜２を透過した光のうち近赤外線を反射する。ここで、近赤外線とは、波長領域で７００〜１５００ｎｍの光である。反射膜３の材料は、例えば低屈折率材料の酸化ケイ素（シリカ）、高屈折率材料の酸化チタン（チタニア）である。他にも、近赤外線を反射するものであれば、ジルコニア、酸化タンタル等であってもよい。この反射膜３は、平面視した場合の大きさが例えば吸収膜２と同じ大きさであって、厚みが０．０１〜１０μｍである。この反射膜３が設けられていることによって、吸収膜２で吸収しきれなかった近赤外線を反射するので、近赤外線が透明基板４から光半導体素子へ透過することを抑制することができる。
そして、上面に反射膜３および吸収膜２が配置された透明基板４は、入射した光を透過させて撮像素子等の光半導体素子に可視光線として入射させる。この透明基板４は、可視光線に対する光透過性を有する基板である。このときの可視光線の波長域は、４００〜６００ｎｍの光である。なお、このときの透明とは、入射した可視光線の８０％以上の可視光線を通すものをいう。
透明基板４の材料としては、例えばガラスを用いることができる。ガラスの種類としてはソーダ石灰ガラス、石英ガラスあるいはホウケイ酸ガラスを挙げることができる。他にも、光透過性を有する基板であれば、金属酸化物等の無機材料またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ポリイミド、ポリカーボネートもしくはアクリル等の樹脂材料から成るものであってもよい。この透明基板４は、平面視した場合の大きさが例えば吸収膜２および反射膜３と同じ大きさであって、厚みが５０〜３００μｍである。
なお、近赤外線カットフィルタ１に入射する光には、可視光線および近赤外線のみでなく、紫外線も含まれている。紫外線とは、波長域で２００〜３８０ｎｍの光線である。紫外線は、近赤外線と比較すると空気中またはレンズ等の透過率が低い。このため、近赤外線のように吸収膜２に有機色素２１のような吸収剤を分散させて吸収しなくても、反射膜３および透明基板４で十分透過を抑制することができる。
以上に示すような近赤外線カットフィルタ１は、光学レンズ等を透過した光（吸収膜２側から入射した光）が、まず吸収膜２に入射して、反射膜３、透明基板４を順次透過する。このとき、吸収膜２において、近赤外線を吸収することによって、反射膜３のみで近赤外線を反射する場合と比較して、反射膜３で反射する近赤外線の量を低減することができる。さらに、近赤外線カットフィルタ１には、吸収膜２および反射膜３の両方が設けられていることによって、２段階で近赤外線をカットすることができる。つまり、吸収膜２の表面から入射した光は、吸収膜２の有機色素２１において近赤外線が吸収される。さらに、吸収膜２で吸収されずに反射膜３まで透過した近赤外線が、反射膜３で反射される。これにより、９９％以上の近赤外線をカットすることができる。
また、以上に示すような近赤外線カットフィルタ１は、吸収膜２がポリマー２０と水酸基を有する有機色素２１とから成ることによって、ポリマー２０の水酸基と有機色素２１の水酸基とが水素結合することができるものになっている。この水素結合によって、有機色素２１の酸化分解を抑制することができるとともに、ポリマー２０内に有機色素２１を偏りなく分散させることができる。これにより、有機色素２１の機能を維持することができ、吸収膜２側から入射した近赤外線の透過を抑制した可視光線を通す近赤外線カットフィルタ１を実現することができる。
次に、本発明の他の実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１について、図面を参照しながら説明する。図２〜図４には、それぞれ本発明の他の実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１の断面図を示している。これらの図において、近赤外線カットフィルタ１は、本発明の一実施形態と同様に、吸収膜２、反射膜３および透明基板４を備えている。
図２に示すように、近赤外線カットフィルタ１は、吸収膜２の上面に、入射した光を透過させる、吸収膜２を保護する保護膜５が配置されている。図２に示す例においては、保護膜５を備えている点が上述した本発明の実施形態と異なる。この図２に示した例の近赤外線カットフィルタ１には、光学レンズ等を透過した、紫外線、可視光および近赤外線等の全ての波長域の光が入射する。
保護膜５の材料には、フッ素樹脂を用いることができる。フッ素樹脂は、耐摩擦性、耐薬品性および硬さに優れているので、吸収膜２を傷付けないように保護することができる。特に、フッ素樹脂が熱によって重合反応を示す材料を選択することで、吸収膜２の表面にコーティングする際に、フッ素樹脂を乾燥する熱で樹脂が重合反応してフッ素樹脂の分子間の結合が大きくなるため、より硬い膜を得ることができる。この理由としては、熱によって重合反応を示すような熱硬化性樹脂は、高分子同士が架橋することによって３次元的な網目構造の分子を作り、複雑、かつ立体的に密に絡み合っているためである。この架橋反応は不可逆的なものであり、重合後の熱硬化性樹脂は、元の原料状態に戻すことも、再び溶融して再成形することもできない。このような３次元網目構造の高分子である熱硬化性樹脂は、耐摩擦性、耐薬品性および硬さに優れているだけでなく、高温にしても分子運動しにくいため耐熱性も高い。
また、フッ素樹脂は光の屈折率が空気に近いので、入射した光を表面で反射することなく透過させる反射防止膜としての役割も持たせることができる。つまり、フッ素樹脂から成る保護膜５は、近赤外線カットフィルタ１の表面の傷を防ぐ効果が大きく、光を反射することなく透過させることができる。この保護膜５は、平面視した場合の大きさが例えば透明基板４、反射膜３および吸収膜２と同じ大きさであって、厚みが０．０５〜５μｍである。
この保護膜５があることによって、吸収膜２の上面が外部に露出している場合と比較して、酸素および水蒸気等の透過を抑制することができる。また、吸収膜２の上面を摩擦等から保護して、傷が付かないようにすることができる。
次に、図３あるいは図４に示す例においては、近赤外線カットフィルタ１は、図１に記載した本発明の一実施形態あるいは図２に記載した本発明の他の実施形態における透明基板４の下面にも、上面側とは透明基板４を挟んで対称になるように、反射膜３および吸収膜２が順次設けられている。あるいは反射膜３、吸収膜２および保護膜５が順次設けられていてもよい。このように透明基板４の上面側および下面側の膜構成が透明基板４を挟んで対称であることによって、それぞれの膜の材料および厚みが異なることによって生じる膜間の応力が透明基板４の上下で同じように生じる。このため、透明基板４が歪むのを低減することができる。これは、近赤外線カットフィルタ１の作製および使用の際に熱が加わることがあっても、透明基板４の上面側および下面側において同様の構成の膜が同じように熱膨張および熱収縮するためである。特に、大きなサイズの多数個取り用の母基板から、最終的にダイシングして複数の近赤外線カットフィルタ１を得る際に、多数個取り用の母基板をダイシングソー等で切断する力を均等に加えることができる。
図５は本発明の一実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１のうち反射膜３および透明基板４を示した断面図であり、図６はその反射膜３を構成する第１群３１の多層構造を示す拡大断面図である。また、図７は図５に示した構成における透過率のグラフを示しており、横軸は波長（ｎｍ）を、縦軸は透過率（％）を表わしている。反射膜３は、屈折率が異なりそれぞれ可視光線および近赤外線を透過させる低屈折率層１１および高屈折率層１２を積層して構成された複数の群を有している。図５に示すように、反射膜３は、光が入射する方（図５においては図の上方）から順に、第１群３１、第２群３２、第３群３３、第４群３４、第５群３５、第６群３６および第７群３７を備えている。この近赤外線カットフィルタ１は、反射膜３に入射した光を透過させることによって、可視光線を近赤外線よりも多く透過させるものとして機能する。
以下に示す構成は、反射を抑制したい可視光線を効果的に透過させるために、中心波長を５００ｎｍとした設計条件に基づいて求めた構成である。また、以下では便宜上、低屈折率層１１の光学膜厚の４分の１をＬとし、高屈折率層１２の光学膜厚の４分の１をＨとして説明する。また、以下に示す実施例においては、低屈折率層１１は二酸化珪素（ＳｉＯ２）で屈折率が１．４７であり、高屈折率層１２は二酸化チタン（ＴｉＯ２）で屈折率が２．４３であるとしている。この第１群３１を平面視したときの大きさは、目的とする近赤外線カットフィルタの仕様に合わせて適宜設定すればよく、例えば７×７ｍｍである。
図６に示すように、第１群３１は、光が入射する側から順に低屈折率層１１、高屈折率層１２および低屈折率層１１から成る。このとき、第１群３１の見かけの光学膜厚は可視光線の波長（ここでは５００ｎｍ）の略４分の１である。上下の低屈折率層１１の厚みは同じであり、高屈折率層１２を中心に対称に設けられている。この第１群３１による反射波は、３層による反射波を合成したものであるが、実際には第１群３１を単層とみなした場合の反射波と同じになり、第１群３１は見かけの屈折率がｎ１である単層として扱うことができる。
ここで、第１群３１は例えば低屈折率層１１がＳｉＯ２、高屈折率層１２がＴｉＯ２および低屈折率層１１がＳｉＯ２から成る組合せであって、各層の光学膜厚が０．３Ｌ、０．２９Ｈおよび０．３Ｌである。この０．３および０．２９は各層の光学膜厚を調整する光学膜厚調整係数としての第１係数である。このとき、各層の光学膜厚は０．３×（５００／４）＝３７．５（ｎｍ）、０．２９×（５００／４）＝３６．２５（ｎｍ）および０．３×（５００／４）＝３７．５（ｎｍ）となり、第１群３１の見かけの光学膜厚はそれらの合計の１１１．２５（ｎｍ）である。また、各層の物理膜厚は各層の光学膜厚をそれぞれ屈折率で除したものに等しくなり、それぞれ３７．５÷１．４７＝２５．５１（ｎｍ）、３６．２５÷２．４３＝１４．９２（ｎｍ）および３７．５÷１．４７＝２５．５１（ｎｍ）である。このとき、この第１群３１の見かけの屈折率ｎ１は１．８５である。
第１群３１は見かけの光学膜厚が可視光線の波長の略４分の１である。本発明の一実施形態は可視光線の波長を５００ｎｍとして設定しているので、その波長の４分の１は１２５ｎｍになる。しかしながら、この５００ｎｍは設計時の中心波長であり、実際の設計においては、この第１群３１および以下のいくつかの群における光学膜厚は厳密に一義的に定められるものではなく、中心波長付近の光の波長の４分の１の大きさであればよい。すなわち、第１群３１の光学膜厚は、可視光線の波長の略４分の１であればよい。ここでの第１群３１の光学膜厚は上記のように１１１．２５ｎｍであり、中心波長である５００ｎｍの４分の１である１２５ｎｍ付近であって、透過させたい波長域の可視光線の４分の１になっている。したがって、中心波長である５００ｎｍ付近の可視光線についてその反射を抑制して、第１群３１を効果的に透過させることができる。
第２群３２は、上面に第１群３１が配置されており、上面側から低屈折率層、高屈折率層および低屈折率層がこの順に積層されている。このとき、第１群３１と同様に低屈折率層同士の厚みは同じである。例えば、ＳｉＯ２から成る低屈折率層およびＴｉＯ２から成る高屈折率層の組合せであって、それぞれの光学膜厚は、低屈折率層が０．３Ｌ、高屈折率層が０．４５Ｈおよび低屈折率層が０．３Ｌである。この０．３および０．４５は、第１群３１と同様に、各層の第１係数である。第２群３２を平面視したときの大きさは第１群３１と同じである。
このとき、第２群３２の各層の光学膜厚は、低屈折率層が０．３×（５００／４）＝３７．５（ｎｍ）、高屈折率層が０．４５×（５００／４）＝５６．２５（ｎｍ）および低屈折率層が０．３×（５００／４）＝３７．５（ｎｍ）となり、第２群３２の見かけの光学膜厚はそれらの合計の１３１．２５（ｎｍ）である。また、各層の物理膜厚は各層の光学膜厚をそれぞれ屈折率で除したものに等しくなり、それぞれ３７．５÷１．４７＝２５．５１（ｎｍ）、５６．２５÷２．４３＝２３．１４８（ｎｍ）および３７．５÷１．４７＝２５．５１（ｎｍ）である。このとき、この第２群３２の見かけの屈折率は２．０６である。ここで、第２群３２の光学膜厚は特に可視光線の波長の略４分の１である必要はないが、中心波長である５００ｎｍの４分の１である１２５ｎｍに近い値になっているため、可視光線を透過させやすくなっている。
ここで、空気の屈折率をｎ０とした場合に、ｎ０＝１なので、第１群３１との間では屈折率の関係としてｎ０＜ｎ１が成り立つ。このとき、光の反射を抑制するためには、第２群３２の見かけの屈折率ｎ２についてｎ１＜ｎ２の関係である必要がある。このため、本発明の一実施形態のような組合せとして、第２群３２について低屈折率層、高屈折率層および低屈折率層の光学膜厚が０．３Ｌ、０．４５Ｈおよび０．３Ｌであり、見かけの屈折率ｎ２が２．０６であると、上記の関係を成り立たせることができる。
このような第１群３１および第２群３２において、可視光線の透過率を大きくするための２つの条件（位相条件および振幅条件）について説明する。
まず、位相条件について説明する。異なる屈折率を有する群を複数積層する場合に、光の透過率を大きくするためには、それぞれの群の界面で起こる反射を抑制する必要がある。本発明の一実施形態においては、空気と第１群３１との界面および第１群３１と第２群３２との界面で光の反射が起こっている。このとき、第１群３１の光学膜厚を可視光線の波長の略４分の１とすることにより、第１群３１の上下の界面で生じる光の反射波が逆位相になり互いに打ち消し合うので、第１群３１による可視光線の反射を抑え、透過率を向上させることができる。なお、第１群３１は可視光線の反射率が小さくなるように設定されているため、第１群３１では、可視光線ではない近赤外線の反射率は可視光線の反射率よりも高くなる。特に、可視光線について設定した中心波長（５００ｎｍ）の２倍の波長（１０００ｎｍ付近）においては、光学膜厚が波長の略２分の１であるので、第１群３１の上下の界面による近赤外線の反射波は同位相になる。このため、近赤外線の反射波は強め合うことになるので、第１群３１における近赤外線の透過は抑制されることになる。
次に、振幅条件について説明する。光の振幅条件とは、上述した位相条件に対して、協同して光学薄膜の表面での反射を抑制するための条件である。空気、第１群３１および第２群３２において、振幅条件の実現のためには、光の入射側から見て、第１群３１の上下の界面における近赤外線の反射率を等しくすればよい。これら反射率を等しくすることにより、第１群３１の上下の界面における近赤外線の反射波の振幅が揃うので、上述した位相条件の効果をさらに高めることができる。
ここで振幅条件が成立するためには、空気、第１群３１および第２群３２の屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２の関係が、ｎ１２＝ｎ０×ｎ２となるようにすればよい。これは空気と第１群３１の上面との界面での反射率は（ｎ１−ｎ０）２／（ｎ１＋ｎ０）２で近似でき、第１群３１の下面と第２群２の上面との境界での反射率は（ｎ２−ｎ１）２／（ｎ２＋ｎ１）２で近似できる。これらの近似値が等しいことから、（ｎ１−ｎ０）２／（ｎ１＋ｎ０）２＝（ｎ２−ｎ１）２／（ｎ２＋ｎ１）２となり、これを解いて、ｎ１２＝ｎ０×ｎ２の関係を導き出すことができる。
なお、位相条件により、第１群３１の上下の界面での反射波が互いに逆位相となっているので、厳密に振幅条件が成立していなくても反射波を抑える効果を得ることができる。さらに、屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２の関係が、ｎ０＜ｎ１＜ｎ２またはｎ０＞ｎ１＞ｎ２の関係が成り立つように、つまりｎ１がそれぞれ第１群３１の上面および下面に設けられた空気および第２群３２の屈折率の間の値をとるように選ぶことで、それぞれの屈折率が振幅条件に反しない範囲で選ばれるので、反射波を抑える効果が高くなる。
具体的には、ｎ１２＝ｎ０×ｎ２の関係から、屈折率ｎ０、ｎ１およびｎ２の大小関係について、ｎ０＞ｎ１が成り立つときにはｎ２についてｎ１＞ｎ２が成り立ち、ｎ０＜ｎ１が成り立つときにはｎ２についてｎ１＜ｎ２が成り立つ。なお、反射波を抑える効果をより高めるためには、ｎ０×ｎ２−ｎ１２の差が絶対値で０．５以下となるように各群の屈折率を選ぶのがよい。ｎ０×ｎ２−ｎ１２の差が絶対値で０．５以下の場合には、空気、第１群３１および第２群３２の間における中心波長５００ｎｍの可視光線の反射率を１．５％以下に抑えることができる。
以下、第３群３３〜透明基板４についても同様に説明する。第３群３３は、上面に第２群３２が配置されており、低屈折率層から成る。この低屈折率層は例えばＳｉＯ２から成り、光学膜厚がＬである。第３群３３の屈折率ｎ３は１．４７である。第３群３３を平面視したときの大きさは、第１群３１および第２群３２と同じである。
この第３群３３の光学膜厚は可視光線の波長の略４分の１であり、中心波長が５００ｎｍの場合には５００／４＝１２５（ｎｍ）である。また、第３群３３の物理膜厚は光学膜厚を屈折率ｎ３で除したものに等しくなり、１２５÷１．４７＝８５．０３（ｎｍ）である。このとき屈折率ｎ３は１．４７である。第３群３３は光学膜厚が可視光線の波長の略４分の１である。第１群３１と同様に、第３群３３の光学膜厚が１２５ｎｍ付近であれば、中心波長５００ｎｍ付近の可視光線の反射を抑制して、効果的に透過させることができる。
第４群３４は、上面に第３群３３が配置されており、上面側から低屈折率層、高屈折率層および低屈折率層がこの順に説明されて成る。このとき、第１群３１および第２群３２と同様に低屈折率層同士の厚みは同じである。例えば、ＳｉＯ２から成る低屈折率層およびＴｉＯ２から成る高屈折率層の組合せであって、それぞれの光学膜厚は、低屈折率層がＬ、高屈折率層が２Ｈおよび低屈折率層がＬである。この２Ｈの２は、第１群３１および第２群３２と同様に、高屈折率層の第１係数である。第４群３４を平面視したときの大きさは、第１群３１、第２群３２および第３群３３と同じである。
このとき、第４群３４の各層の光学膜厚は、低屈折率層が５００／４＝１２５（ｎｍ）、高屈折率層が２×（５００／４）＝５００（ｎｍ）および低屈折率層が５００／４＝１２５（ｎｍ）となり、第４群３４の見かけの光学膜厚はそれらの合計の１０００（ｎｍ）である。この第４群３４は、この見かけの光学膜厚を調整するために、３層の組合せの光学膜厚全体にかかる第２係数を用いて、見かけの光学膜厚の０．８〜１．２倍の光学膜厚を有する３層（低屈折率層、高屈折率層および低屈折率層）の組合せを２０組まで有するものであってもよい。この３層の組合せを２０組有している場合の各組合せにおける各層の物理膜厚は、各層の光学膜厚をそれぞれ屈折率で除したものに等しくなり、低屈折率層が０．８〜１．２×１２５÷１．４７＝６８．０３〜１０２．０４（ｎｍ）、高屈折率層が０．８〜１．２×５００÷２．４３＝８６．４２〜２４６．９１（ｎｍ）および低屈折率層が６８．０３〜１０２．０４（ｎｍ）である。このとき第４群３４の見かけの屈折率ｎ４は、各組合せおよび組合せ全体で共に１．１である。
この第４群３４は、近赤外線の透過を抑制することができる。特に、この第４群３４を構成する３層の組合せを多く有するほど近赤外線の透過を抑制することができ、各組の第２係数の個数が上記範囲内において多いほど、広い波長範囲の近赤外線の透過を抑制することができる。例えば、第４群３４の光学膜厚Ｌ、２ＨおよびＬの組合せ１組に対して第２係数が０．８である場合には、０．８×５００＝４００（ｎｍ）の可視光線の反射を抑制し、その２倍の波長の８００ｎｍの近赤外線の透過を抑制することができる。
この反射の仕組みは、光学膜厚Ｌ、２ＨおよびＬの組合せにある。この光学膜厚Ｌ、２ＨおよびＬの条件で３層の組合せ１組について考えてみると、この１組の光学膜厚は全体として中心波長と同じになる。この値は中心波長の２倍の波長に対して２分の１とみなすことができ、この１組の上面および下面で生じる中心波長の２倍の波長の光の反射波が同位相になるため、中心波長の２倍の波長の光についての反射が強められる。このため、この３層の組合せにおいて中心波長５００（ｎｍ）×第２係数の２倍の波長の光に相当する近赤外線の光の透過を抑制することができる。
第５群３５は、上面に第４群３４が配置されており、上面側から低屈折率層、高屈折率層および低屈折率層がこの順に積層されている。第１群３１、第２群３２、第４群３４および第５群３５と同様に、低屈折率層同士の厚みは同じである。例えば、ＳｉＯ２から成る低屈折率層およびＴｉＯ２から成る高屈折率層の組合せであって、それぞれの光学膜厚は、低屈折率層が０．３Ｌ、高屈折率層が０．３Ｈおよび低屈折率層が０．３Ｌである。この０．３は、第１群３１、第２群３２および第４群３４と同様に、各層の第１係数である。第５群３５を平面視したときの大きさは、第１群３１、第２群３２、第３群３３、第４群３４と同じである。
このとき、第５群３５の各層のそれぞれの光学膜厚は３７．５（ｎｍ）であり、第５群３５の見かけの光学膜厚は１１２．５（ｎｍ）である。また、各層の物理膜厚は各層の光学膜厚をそれぞれ屈折率で除したものに等しくなり、それぞれ３７．５÷１．４７＝２５．５１（ｎｍ）、３７．５÷２．４３＝１５．４３（ｎｍ）および３７．５÷１．４７＝２５．５１（ｎｍ）である。このとき、この第５群３５の見かけの屈折率ｎ５は１．８６である。
第５群３５は見かけの光学膜厚が可視光線の波長の略４分の１である。本発明の一実施形態は可視光線の波長を５００ｎｍとして設定しているので、第１群３１および第３群３３と同様に、第５群３５の光学膜厚が１２５ｎｍ付近であれば、中心波長５００ｎｍ付近の可視光線についてその反射を抑制して、第５群３５を効果的に透過させることができる。
第６群３６は、上面に第５群３５が配置されており、上面側から高屈折率層、低屈折率層および高屈折率層がこの順番に積層されている。このとき、高屈折率層同士の厚みは同じである。例えば、ＴｉＯ２から成る高屈折率層およびＳｉＯ２から成る低屈折率層の組合せであって、それぞれの光学膜厚は、高屈折率層が０．８５〜１．０×１．５Ｈ、低屈折率層が０．８５〜１．０×０．２Ｌおよび高屈折率層が０．８５〜１．０×１．５Ｈである。この１．５および０．２は、第１群３１、第２群３２、第４群３４および第５群３５と同様に、各層の第１係数である。
この光学膜厚１．５Ｈ、０．２Ｌおよび１．５Ｈの組合せであれば、見かけの光学膜厚が４００ｎｍであるので、第４群３４と同様に４００ｎｍの２倍の波長の光についてこの１組の上面および下面で生じる反射波が同位相になるので、その波長に相当する近赤外線の透過が抑制される。このため、上記の第２係数（０．８５〜１．０）を掛けると、４００（ｎｍ）×第２係数の２倍の波長の光に相当する近赤外線の透過を抑制することができる。第６群３６を平面視したときの大きさは、第１群３１、第２群３２、第３群３３、第４群３４および第５群３５と同じである。
このとき、第６群３６の各層の光学膜厚は、高屈折率層が０．８５〜１．０×１．５×（５００／４）＝１５９．３８〜１８７．５（ｎｍ）、低屈折率層が０．８５〜１．０×０．２×（５００／４）＝２１．２５〜２５（ｎｍ）および高屈折率層が１５０〜１８７．５（ｎｍ）となり、この第６群３６の見かけの光学膜厚は３６０（ｎｍ）である。また、第４群３４と同様に第２係数が０．８５〜１．０の場合の各層の物理膜厚は各層の光学膜厚をそれぞれ屈折率で除したものに等しくなり、それぞれ１５９．３８〜１８７．５÷２．４３＝６５．５９〜７７．１６（ｎｍ）、２１．２５〜２５÷１．４７＝１４．４６〜１７．０１（ｎｍ）および６５．５９〜７７．１６（ｎｍ）である。このとき、この第６群３６の見かけの屈折率は、各組合せおよび組合せ全体で共に２．８２である。また、第４群３４と同様に、０．８５〜１．０×（１．５Ｈ、０．２Ｌ、１．５Ｈ）の組合せを５組まで有していてもよい。
第７群３７は、上面に第６群６が配置されており、上面側から低屈折率層、高屈折率層および低屈折率層がこの順に積層されている。このとき、第１群３１、第２群３２、第４群３４および第５群３５と同様に、低屈折率層同士の厚みは同じである。例えば、ＳｉＯ２から成る低屈折率層およびＴｉＯ２高屈折率層から成る組合せであって、それぞれの光学膜厚は、低屈折率層が０．３Ｌ、高屈折率層が０．４５Ｈおよび低屈折率層が０．３Ｌである。この０．３および０．４５は、第１群３１、第２群３２、第４群３４、第５群３５および第６群３６と同様に、各層の第１係数である。第７群３７を平面視したときの大きさは、第１群３１、第２群３２、第３群３３、第４群３４、第５群３５および第６群３６と同じである。
このとき、第７群３７の各層の光学膜厚は第２群３２と同じであり、第７群３７の見かけの光学膜厚は１１２．５（ｎｍ）である。また、各層の物理膜厚は各層の光学膜厚をそれぞれ屈折率で除したものに等しくなり、それぞれ３７．５÷１．４７＝２５．５１（ｎｍ）、５６．２５÷２．４３＝２３．１５（ｎｍ）および３７．５÷１．４７＝２５．５１（ｎｍ）である。このとき、この第７群３７の見かけの屈折率は、２．０６である。
この第７群３７の見かけの光学膜厚は、可視光線の波長の略４分の１である。本発明の一実施形態は可視光線の波長を５００ｎｍとして設定しているので、第１群３１、第３群３３および第５群３５と同様に、第７群３７の光学膜厚が１２５ｎｍ付近であれば中心波長５００ｎｍ付近の可視光線についてその反射を抑制して、第７群３７を効果的に透過させることができる。
上述した透明基板４は、上面に第７群３７が配置されており、広い波長域の光を透過させやすいものである。このとき、透明基板４は、第７群３７を透過した光のうち、近赤外線が抑制された可視光線を透過させる。
透明基板４の屈折率ｎ８は、温度２０℃の場合に、１．３〜１．８である。例えば透明基板４がホウケイ酸ガラスの場合には、屈折率ｎ８は１．５２である。
以上に示した一実施形態の各群の構成について、具体的な材料等を示してまとめた表を表１に示す。表１には、各群の低屈折率層および高屈折率層を組み合せた３層を、上面側から順に第１層、第２層および第３層と示している。また、製品として製造する際の低屈折率層および高屈折率層の層数である製造上層数、各群を構成する層の材料、この材料に対する屈折率、各群の見かけの屈折率、各群を構成する３層の組合せ全体にかかる光学膜厚を調整する係数を第２係数、各群を構成する層の第１係数（各層）、中心波長５００ｎｍの場合の各群を構成する各層の単層の光学膜厚（ｎｍ）、中心波長５００ｎｍの単層の光学膜厚に対する物理膜厚（ｎｍ）、製造上の１層である低屈折率層および高屈折率層に対応した物理膜厚である複数膜厚（ｎｍ）ならびに見かけの光学膜厚を含む光学膜厚（ｎｍ）を順に示している。ここで、製造上層数は、連続する層において同じ材料を用いる場合には１つの層として成膜することができるので、その場合の層数を示している。このように１つの層として設ける場合には、低屈折率層および高屈折率層が交互に設けられている状態になる。
表１に示すように、この例における屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４、ｎ５、ｎ６、ｎ７およびｎ８の関係は、ｎ０＜ｎ１＜ｎ２、ｎ２＞ｎ３＞ｎ４、ｎ４＜ｎ５＜ｎ６かつｎ６＞ｎ７＞ｎ８である。反射膜３においてこの関係が成り立つことによって、図７に示すように、可視光線の透過率が少なくとも８０％以上の近赤外線カットフィルタ１となる。さらに、中心波長５００ｎｍ付近では透過率が９０％以上である。
以上に示すような近赤外線カットフィルタ１は、レンズ等を透過した光が、まず第１群３１に入射して、第２群３２、第３群３３、第４群３４、第５群３５、第６群３６、第７群３７および透明基板４を順次透過する。また、近赤外線カットフィルタ１は、第１群３１、第３群３３、第５群３５および第７群３７の光学膜厚が可視光線の波長の略４分の１であるとともに、屈折率の関係がｎ０＜ｎ１＜ｎ２、ｎ２＞ｎ３＞ｎ４、ｎ４＜ｎ５＜ｎ６かつｎ６＞ｎ７＞ｎ８であることによって、可視光線の透過率を向上させることができる。また、第４群３４において、光学膜厚の比が低屈折率層：高屈折率層：低屈折率層＝１：２：１であることによって、近赤外線の透過を抑制することができる。
次に、本発明の他の実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１について、図面を参照しながら説明する。図８、図１０および図１１には、それぞれ本発明の他の実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１の断面図を示す。図９には、図８に示した近赤外線カットフィルタ１による透過率のグラフを示しており、横軸は波長（ｎｍ）を、縦軸は透過率（％）を表わしている。図８において、反射膜３は、第１群３１、第２群３２、第３群３３、第４群３４、第５群３５、第６群３６、第７群３７および透明基板４を備えている。この図８に示す例においては、吸収膜２の上面に、入射した光を透過させる、吸収膜２を保護する保護膜５が配置されている。
この吸収膜２は、温度が２０℃の場合に、屈折率ｎａは１．４５〜１．５５である。例えば吸収膜２がポリビニルブチラールから成るときには、屈折率は５００ｎｍで１．４７〜１．５５である。
保護膜５は、温度が２０℃の場合に、屈折率ｎｐは１．３５〜１．４５である。例えば、保護膜５がハイドロフルオロエーテルから成るときには、屈折率は５００ｎｍで１．３７〜１．４１である。
また、第２群３２、第１群３１、吸収膜２、保護膜５および空気の屈折率をそれぞれｎ２、ｎ１、ｎａ、ｎｐおよびｎ０とすると、ｎ２＞ｎ１＞ｎａかつｎａ＞ｎｐ＞ｎ０の関係が成り立っている。これらの値は、温度が２０℃の場合である。各膜および各群の屈折率についてこの関係が成り立っている場合には、より多くの可視光線を透過させることができる。このときの透過率を図９のグラフに示している。
この屈折率の評価は、透過率の測定または材料解析等から行なうことができる。このような屈折率の関係を成り立たせるには、材料を適切に選択して組み合わせればよい。例えば、保護膜５として屈折率が１．３５程度のフッ素樹脂を、吸収膜２として屈折率が１．５程度のポリビニルブチラールポリマーあるいはエチレン−ビニルアルコールコポリマーを選択することができる。なお、これらの材料において、屈折率の微調整は材料中の空孔量を調整することで行なうことができる。
次に、図１０に示す例においては、近赤外線カットフィルタ１は、図５に示した反射膜３と透明基板４の構成において、透明基板４の下面にも、上面と透明基板４を挟んで対称な配置になるように、第７群３７、第６群３６、第５群３５、第４群３４、第３群３３、第２群３２および第１群３１が設けられている。また、図１１に示す例においては、近赤外線カットフィルタ１は、図４に記載した本発明の一実施形態における反射膜３詳細に示したものである。つまり、透明基板４の下面にも、第７群３７、第６群３６、第５群３５、第４群３４、第３群３３、第２群３２、第１群３１、吸収膜２および保護膜５が順次設けられている。このように透明基板４の上面側および下面側の構成が透明基板４を挟んで対称な配置であることによって、それぞれの膜および群の材料および厚みが異なることによって生じる応力が透明基板４の上下で同じように生じる。このため、透明基板４が応力で歪むのを低減することができる。
次に、図１２には、本発明の一実施形態における透明基板４の反対側に設けた他の構成の断面図を示している。図１３には、図１２の構成を透明基板４にさらに設けた場合における透過率のグラフを示しており、横軸は波長（ｎｍ）を、縦軸は透過率（％）を表わしている。図１０および図１１の場合と同様に、近赤外線カットフィルタ１は、図５に記載した本発明の一実施形態における透明基板４の反対側にも、図１２に示すような構成を有していてもよい。このとき、図１２に示した上面側から光が入射するとした場合には、第１群０１、第２群０２、第３群０３、第４群０４および第５群０５で構成されている。この第１群０１の上面に、透明基板４の他の面同様に吸収膜２および保護膜５が設けられてもよい。以下に具体的に示す。
第１群０１は、低屈折率層から成る。この低屈折率層は、例えばＳｉＯ２から成り、光学膜厚が０．８４Ｌであり、中心波長が５００ｎｍの場合には光学膜厚は１０５（ｎｍ）である。このときの屈折率は１．４７である。この０．８４は、本発明の一実施形態に示した各群と同様に、低屈折率層の光学膜厚を調整する第１係数である。
第２群０２は、上面に第１群０１が配置されており、上面側から低屈折率層、高屈折率層および低屈折率層がこの順に積層されている。この低屈折率層は例えばＳｉＯ２から成り、高屈折率層はＴｉＯ２からなり、各層の光学膜厚は０．２２Ｌ、０．３３Ｈおよび０．２２Ｌである。この０．２２および０．３３は、第１群０１と同様に、各層の第１係数である。このときの中心波長が５００ｎｍの場合には、第２群０２の光学膜厚は２８８．２５（ｎｍ）であり、見かけの屈折率は１．９５である。
第３群０３は、上面に第２群０２が配置されており、高屈折率層から成る、この高屈折率層は例えばＴｉＯ２からなり、光学膜厚は１．８７Ｈである。この１．８７は、第１群０１および第２群０２と同様に、高屈折率層の第１係数である。中心波長が５００ｎｍの場合には、光学膜厚は２３３．５０（ｎｍ）であり、このときの屈折率は２．４３である。
第４群０４は、上面に第３群０３が配置されており、第２群０２と同様に、上面側から低屈折率層、高屈折率層および低屈折率層がこの順に積層されている。この低屈折率層は例えばＳｉＯ２から成り、高屈折率層はＴｉＯ２からなり、各層の光学膜厚は０．２２Ｌ、０．３３Ｈおよび０．２２Ｌである。この０．２２および０．３３は、第１群０１、第２群０２および第３群０３と同様に、各層の第１係数である。このときの中心波長が５００ｎｍの場合には、第４群０４の光学膜厚は２８８．２５（ｎｍ）であり、見かけの屈折率は１．９５である。
第５群０５は、上面に第４群０４が配置されており、第１群０１と同様に、低屈折率層から成る。この低屈折率層は例えばＳｉＯ２から成り、光学膜厚が０．８４Ｌであり、この０．８４は、第１群０１、第２群０２、第３群０３および第４群０４と同様に、低屈折率層の第１係数である。中心波長が５００ｎｍの場合には光学膜厚は１０５（ｎｍ）である。このときの屈折率は１．４７である。
このとき、第１群０１〜第５群０５が第３群０３を中心として対称な配置の場合には、全体として見かけの屈折率を１．５とすることができる。また、第１群０１〜第５群０５の組合せを１０組まで有していてもよい。このとき、各組合せおよび組合せ全体で共に見かけの屈折率は１．５である。また、中心波長が５００ｎｍの場合に、第１群０１〜第５群０５の全体の光学膜厚は６３６（ｎｍ）であるので、空気との界面および透明基板４との界面で生じる２倍波長の近赤外線の反射波が同位相になるため、近赤外線の透過を抑制することができる。
以上の他の実施形態の片面における各群の構成について、具体的な材料等を示してまとめた表を表２に示す。表２には、表１と同様に、各群に対応した低屈折率層および高屈折率層を組み合せた３層を、上面側から順に第１層、第２層および第３層と示している。また、製品として製造する際の低屈折率層および高屈折率層の層数である製造上層数、各群を構成する層の材料、この材料に対する屈折率、各群の見かけの屈折率、各群を構成する各層の第１係数（各層）、中心波長が５００ｎｍの場合の各群を構成する各層の単層の光学膜厚（ｎｍ）、中心波長が５００ｎｍの単層の光学膜厚に対する物理膜厚（ｎｍ）、製造上の１層である低屈折率層および高屈折率層に対応した物理膜厚である複数膜厚（ｎｍ）ならびに見かけの光学膜厚を含む各群の光学膜厚（ｎｍ）を順に示している。
上述した構成を透明基板４の本発明の一実施形態の反対側の面に設けた場合には、図１３および図１４に示すような透過率を示すグラフを得ることができる。このとき、図１３は反射膜３および透明基板４のみの場合の透過率であり、図１４は第１群３１および第１群０１の上面に吸収膜２が設けられている場合を示している。
＜近赤外線カットフィルタの製造方法＞
次に、以上の実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１の製造方法の一例について説明する。
次に、以上の実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１の製造方法の一例について説明する。
まず、透明基板４として、０．２ｍｍの厚みを有する、直径が３０〜９０ｍｍの円形状のガラス板を準備する。このガラス板の表面を、例えば超音波洗浄法あるいは化学洗浄法等を用いて洗浄する。なお、ここでのガラス板は、多数個取り用の母基板として用いるものなので、一辺が３０〜９０ｍｍの四角形状であってもよい。
次に、洗浄後のガラス板の表面に、シリカまたはチタニアから成る反射膜３を設ける。この反射膜３は、蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法あるいはスパッタリング法等を用いた成膜によって形成することができる。厚さは０．０５μｍである。その後、反射膜３の表面を超音波洗浄法あるいは化学洗浄法等を用いて洗浄する。なお、透明基板４の反対側の表面にも同様に反射膜３を設けてもよい。
反射膜３は、ＳｉＯ２から成る低屈折率層およびＴｉＯ２から成る高屈折率層を交互に積層して、第７群３７、第６群３６、第５群３５、第４群３４、第３群３３、第２群３２および第１群３１を順次設ける。これらの各群に交互に設ける各層は、蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法あるいはスパッタリング法等を用いた成膜法によって形成することができる。各群の厚さは、第７群３７から第１群３１まで順番に、７４．１７（ｎｍ）、７２８．２０（ｎｍ）、６６．４５（ｎｍ）、４．４（μｍ）、８５．０３（ｎｍ）、７４．１７（ｎｍ）および６５．９４（ｎｍ）である。その後、各群の表面を超音波洗浄法あるいは化学洗浄法等を用いて洗浄する。なお、透明基板４の反対側の表面にも同様に、第７群３７、第６群３６、第５群３５、第４群３４、第３群３３、第２群３２、第１群３１を順次設けてもよい。なお、透明基板４の上下の面で各群の層が異なる構成の場合にも、同様の方法で設けることができる。
次に、反射膜３の表面に吸収膜２を設ける。この吸収膜２は、ポリマー２０および有機色素２１を、メチルエチルケトンおよびトルエン等の有機溶媒の混合液に濃度が５〜２０質量％程度になるように溶解させた塗布液を、スピンコート法、ディッピング法、スプレー法、グラビア法あるいはバーコーター法等を用いて、反射膜３の表面に１０〜１００μｍの厚さになるようにコーティングする。その後、加熱炉で乾燥させて、有機溶媒を気化させることにより、厚さ３μｍの吸収膜２を得る。なお、ポリマー２０と有機色素２１とを混ぜた液中では、水酸基同士が互いに水素結合をするため、有機色素２１がポリマー２０の水酸基に引き寄せられる。その状態を保ったまま、有機溶媒が気化して吸収膜２の厚みが薄くなりつつ硬化するので、吸収膜２中に有機色素２１が均一に分散する。
次に、吸収膜２の表面に保護膜５を設ける。この保護膜５としては、フッ素樹脂を用いて、フッ素系有機溶媒の混合液に濃度が５〜２０質量％程度になるように溶解させた塗布液を、スピンコート法、ディッピング法、スプレー法、グラビア法あるいはバーコーター法等を用いて、１０〜１００μｍの厚さになるようにコーティングする。その後、加熱炉で乾燥させて、有機溶媒を気化させるとともに重合させることにより、厚さ３μｍの保護膜５を得る。
最後に、所定の大きさ、例えば７×７ｍｍにダイシングして、洗浄する。このとき、透明基板４の両面に対称に吸収膜２，反射膜３および保護膜５が設けられていると、ダイシングの際に透明基板４の上下に均一に応力が生じるので、透明基板４が歪みにくくなり、透明基板４が割れたり反ったりすることを抑制することができる。
以上のようにして、本発明の実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１を製造することができる。
＜光半導体装置の構成＞
次に、本発明の一実施形態にかかる光半導体装置１００について、図面を参照しながら説明する。図１５および図１６は、本発明の一実施形態にかかる光半導体装置１００の上面視図および断面図をそれぞれ示している。これらの図において、光半導体装置１００は、本発明の実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１（以下、単に「フィルタ１」と総称する場合がある。）、光半導体素子収納用パッケージ１０１、光半導体素子１０５およびレンズ１０６を備えている。
次に、本発明の一実施形態にかかる光半導体装置１００について、図面を参照しながら説明する。図１５および図１６は、本発明の一実施形態にかかる光半導体装置１００の上面視図および断面図をそれぞれ示している。これらの図において、光半導体装置１００は、本発明の実施形態にかかる近赤外線カットフィルタ１（以下、単に「フィルタ１」と総称する場合がある。）、光半導体素子収納用パッケージ１０１、光半導体素子１０５およびレンズ１０６を備えている。
図１５に示すレンズ１０６が設けられている箇所において、このレンズ１０６の上面から入射する光を光半導体素子収納用パッケージ１０１の内部に入射させる。入射した光は、フィルタ１を透過して、近赤外線の透過が抑制された状態で、光半導体素子１０５に照射される。
図１６に示すように、光半導体素子収納用パッケージ１０１は、光が入射するレンズ固定部１０４、レンズ固定部１０４を通った光が通るフィルタ固定部１０３およびフィルタ固定部１０３を通った光が入射する光半導体素子実装部１０２を有している。光半導体素子収納用パッケージ１０１は、セラミック材料あるいは金属材料で形成されている。この光半導体素子収納用パッケージ１０１における光半導体素子実装部１０２に、撮像素子または受光素子等の光半導体素子１０５が実装される。このとき、光半導体素子１０５は、ボンディングワイヤ等の接続部材によって、光半導体素子収納用パッケージ１０１の配線等に電気的に接続される。光半導体素子１０５が撮像素子または受光素子の場合には、光半導体素子１０５が、光半導体素子１０５の表面に入射する光の強さに応じた電荷を生じさせる光電変換の機能を備える。
また、レンズ固定部１０４には、レンズ１０６が固定されている。このレンズ１０６は、外部からの光を屈折させつつ透過させて、フィルタ１に入射させる。レンズ１０６はガラスあるいは透明な樹脂等の材料から成る。レンズ１０６としては、凸レンズ、凹レンズまたはフレネルレンズ等の各種形状のレンズを使用目的に合わせて用いる。
図１５および図１６に示すように、レンズ固定部１０４は、例えば立方体形状または直方体形状を有し、上下面に貫通孔が設けられていて、この貫通孔に嵌めるようにしてレンズ１０６が固定される。
また、フィルタ固定部１０３には、フィルタ１が固定されている。このフィルタ１は、レンズ１０６と光半導体素子１０５との間に位置するように、フィルタ固定部１０３に固定される。フィルタ固定部１０３の形状は特に限定されるものではなく、例えば平面視において四角形状、六角形状、八角形状または円形状等である。
近赤外線カットフィルタ１を備える光半導体装置１００は、近赤外線カットフィルタ１の吸収膜２が近赤外線を吸収する有機色素２１を分散させて有していることによって、レンズ１０６から入射した光が近赤外線カットフィルタ１を透過する際に、近赤外線を効果的に吸収することができる。さらに、近赤外線カットフィルタ１は、吸収膜２の下面に近赤外線を反射する反射膜３が設けられていることによって、吸収膜２を透過した光のうち近赤外線を反射膜３で反射することができる。このため、近赤外線の透過を抑制した光を透過させて光半導体素子１０５に入射させることができる。
また、光半導体装置１００は、反射膜３において第１群３１、第３群３３、第５群３５および第７群３７の光学膜厚あるいは見かけの光学膜厚が可視光線の略４分の１であること、ならびに屈折率の関係が成り立つ。このことによって、レンズ１０６から入射した光が近赤外線カットフィルタ１を透過する際に、近赤外線の透過および可視光線の反射を効果的に抑制することができる。さらに、第１群３１の上面に有機色素２１を含む吸収膜２を備えている場合には、吸収膜２で近赤外線を吸収し、吸収膜２を透過した近赤外線を第１群３１〜第７群３７で反射するので、近赤外線をより効果的に抑制することができる。
以上のような光半導体装置１００は、外部の光がフィルタ１を透過して光半導体素子１０５に入射するので、人間の眼が知覚することができる可視光線に近い光のより多くを光半導体素子１０５に入射させることができる。このように所望の光学特性が得られるフィルタ１を備えていることによって、光学特性に優れた光半導体装置１００を実現することができる。
また、本実施形態における特徴部の種々の組み合わせは上述の実施形態の例に限定されるものではない。
１ 近赤外線カットフィルタ
２ 吸収膜
２０ ポリマー
２１ 有機色素
３ 反射膜
４ 透明基板
５ 保護膜
１１ 低屈折率層
１２ 高屈折率層
３１ 第１群
３２ 第２群
３３ 第３群
３４ 第４群
３５ 第５群
３６ 第６群
３７ 第７群
０１ 他面側における第１群
０２ 他面側における第２群
０３ 他面側における第３群
０４ 他面側における第４群
０５ 他面側における第５群
１００ 光半導体装置
１０１ 光半導体素子収納用パッケージ
１０２ 光半導体素子実装部
１０３ フィルタ固定部
１０４ レンズ固定部
１０５ 光半導体素子
１０６ レンズ
２ 吸収膜
２０ ポリマー
２１ 有機色素
３ 反射膜
４ 透明基板
５ 保護膜
１１ 低屈折率層
１２ 高屈折率層
３１ 第１群
３２ 第２群
３３ 第３群
３４ 第４群
３５ 第５群
３６ 第６群
３７ 第７群
０１ 他面側における第１群
０２ 他面側における第２群
０３ 他面側における第３群
０４ 他面側における第４群
０５ 他面側における第５群
１００ 光半導体装置
１０１ 光半導体素子収納用パッケージ
１０２ 光半導体素子実装部
１０３ フィルタ固定部
１０４ レンズ固定部
１０５ 光半導体素子
１０６ レンズ
Claims (9)
- 入射する光のうち近赤外線を吸収する吸収膜と、
上面に前記吸収膜が配置された、前記吸収膜を透過した光のうち近赤外線を反射する反射膜と、
上面に前記反射膜および前記吸収膜が配置された、前記反射膜を透過した光を透過させる透明基板とを備えており、
前記吸収膜は、疎水基を有する繰返し単位および水酸基を有する繰返し単位から成るポリマーと、前記ポリマーに分散した、水酸基を有するとともに近赤外線を吸収する有機色素とから成っており、前記ポリマーにおける水酸基を有する繰返し単位がビニルアルコールであることを特徴とする近赤外線カットフィルタ。 - 前記吸収膜の前記ポリマーが、ポリビニルブチラールポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の近赤外線カットフィルタ。
- 前記吸収膜の上面に、フッ素樹脂から成る保護膜をさらに備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の近赤外線カットフィルタ。
- 前記反射膜は、屈折率が異なりそれぞれ可視光線および近赤外線を透過させる低屈折率層および高屈折率層を積層して構成された複数の群を有しており、
上面側から前記低屈折率層、前記高屈折率層および前記低屈折率層がこの順に積層され、見かけの屈折率がｎ１であるとともに見かけの光学膜厚が可視光線の波長の略４分の１である第１群と、
上面に前記第１群が配置された、上面側から前記低屈折率層、前記高屈折率層および前記低屈折率層がこの順に積層され、見かけの屈折率がｎ２である第２群と、
上面に前記第２群が配置された、前記低屈折率層から成り、屈折率がｎ３であるとともに光学膜厚が可視光線の波長の略４分の１である第３群と、
上面に前記第３群が配置された、上面側から前記低屈折率層、前記高屈折率層および前記低屈折率層がこの順に積層され、光学膜厚の比が低屈折率層：高屈折率層：低屈折率層＝１：２：１であるとともに見かけの屈折率がｎ４である第４群と、
上面に前記第４群が配置された、上面側から前記低屈折率層、前記高屈折率層および前記低屈折率層がこの順に積層され、見かけの屈折率がｎ５であるとともに見かけの光学膜厚が可視光線の波長の略４分の１である第５群と、
上面に前記第５群が配置された、上面側から前記高屈折率層、前記低屈折率層および前記高屈折率層がこの順に積層され、見かけの屈折率がｎ６である第６群と、
上面に前記第６群が配置された、上面側から前記低屈折率層、前記高屈折率層および前記低屈折率層がこの順に積層され、見かけの屈折率がｎ７であるとともに見かけの光学膜厚が可視光線の波長の略４分の１である第７群とを有しており、
上面に前記第７群が配置された前記透明基板の屈折率をｎ８、空気の屈折率をｎ０としたとき、屈折率ｎ０、ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４、ｎ５、ｎ６、ｎ７およびｎ８の関係が、ｎ０＜ｎ１＜ｎ２、ｎ２＞ｎ３＞ｎ４、ｎ４＜ｎ５＜ｎ６かつｎ６＞ｎ７＞ｎ８であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載した近赤外線カットフィルタ。 - 前記第４群は、前記低屈折率層、前記高屈折率層および前記低屈折率層の組合せを２０組有することを特徴とする請求項４に記載の近赤外線カットフィルタ。
- 前記第６群は、前記高屈折率層、前記低屈折率層および前記高屈折率層の組合せを５組有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の近赤外線カットフィルタ。
- 前記第１群の上面に設けられた前記吸収膜の屈折率がｎａであるとともに、
前記保護膜の屈折率がｎｐであり、
屈折率ｎ０、ｎｐ、ｎａ、ｎ１およびｎ２の関係が、ｎ０＜ｎｐ＜ｎａかつｎａ＜ｎ１＜ｎ２であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つに記載の近赤外線カットフィルタ。 - 前記低屈折率層が二酸化珪素から成り、前記高屈折率層が二酸化チタンから成ることを特徴とする請求項６に記載の近赤外線カットフィルタ。
- 光が入射するレンズ固定部、前記レンズ固定部を通った光が通るフィルタ固定部および前記フィルタ固定部を通った光が入射する光半導体素子実装部を有する光半導体素子収納用パッケージと、
前記レンズ固定部に固定されたレンズと、
前記レンズを透過した光が前記吸収膜側から入射するように前記フィルタ固定部に固定された請求項１〜８のいずれか１つに記載の近赤外線カットフィルタと、
前記近赤外線カットフィルタを透過した光が入射するように前記光半導体素子実装部に実装された光半導体素子とを備えていることを特徴とする光半導体装置。
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