JPH0756013A

JPH0756013A - カラーフィルター

Info

Publication number: JPH0756013A
Application number: JP22794193A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ikeda; 浩池田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1995-03-03

Abstract

(57)【要約】【目的】製造が簡単で小型化、高性能化が可能なカラ
ーフィルターとする。【構成】入射する光束に対して異なった複数の角度か
らなる傾斜面を有した基板１と、基板１の傾斜面に設け
た多層膜２とからカラーフィルターを構成し、多層膜の
膜厚および傾斜角に基いて入射光束を分光の制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多層膜フィルターよりな
るカラーフィルターに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤなど固体撮像デバイス用の色分解
フィルター、すなわちカラーフィルターを、ガラス基板
上あるいは撮像デバイス上に直接形成したものとして
は、一般に染料や顔料などを用いて、パータン化するこ
とによりカラーフィルターとしたものが知られている。
一方、放送用ビデオカメラなど高い色再現性および耐熱
性能を要求される機種では、特開平３−４６６１２号公
報のように１枚のカラーフィルターではなく、プリズム
やダイクロイックフィルターを用いて分光し、２もしく
は３個の撮像デバイスを用いるという複雑かつ大型な構
造を有したいわゆる３ＣＣＤタイプが使用されている。

【０００３】ところが、最近では装置の小型化と高性能
化を両立させるため、１個の撮像デバイスと組み合わせ
るだけで、ダイクロイックフィルターを用いたと同等の
性能を有したカラーフィルターの要求が高まってきてい
る。このため基板上に２種類以上の多層膜フィルターか
らなるパターンを形成したカラーフィルターが開発され
ている。そしてこのようなパターンを形成するためリフ
トオフ法や、腐食法などのようにウエットエッチングを
使用する方法や、特開平４−２４８５０２号公報に記載
されるようにドライエッチングによりパターン化する方
法が用いられている。これらはいずれも、基板のパター
ンニングを行って成膜し、成膜したものをまたパターニ
ングし、さらに成膜という工程をくり返し、最終的に３
度の成膜とパターニングを行うことによってカラーフィ
ルターを作成するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、これらのカ
ラーフィルターでは、染料や顔料などの色吸収特性によ
り分光特性が決定するところから、鋭い分光特性の立ち
上がりが得られず、また耐熱性能や経時変化に弱いとい
う問題を有している。また、３ＣＣＤタイプでは、プリ
ズムやダイクロイックフィルターを用いて分光し、２も
しくは３個の撮像デバイスを用いるため、複雑かつ大型
な構造となり、組立てが面倒で、しかもコストも高くな
っている。

【０００５】一方、エッチングを用いてパターンを形成
する場合、エッチングの工程が非常に多くなり、しかも
３種類のフィルターからなるカラーフィルターの場合に
は、３度の成膜工程を経る必要がある。すなわち、十数
層から数十層の成膜を３度、延べにして数十層から百数
十層の成膜を行うものである。したがってその製造工程
は非常に複雑かつ高精度が要求され、製造が煩雑であ
り、製品コストが非常に高くなるという問題点があっ
た。

【０００６】また、カラーフィルターとしては、撮像デ
バイスなどのチップ上に直接形成したオンチップカラー
フィルターとすることが望まれているが、パターニング
を用いた方法では精密かつ高い歩溜まりでカラーフィル
ターを製造することが困難なため、このオンチップ化の
要求には応えられない状態であった。

【０００７】本発明は、このような従来のカラーフィル
ターの問題点を解決しようとするものであり、非常に簡
単に製造でき、しかも小型化および高性能化が可能なカ
ラーフィルターを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するため本発明は、入射する光束に対して複数の角度
からなる傾斜面を有した基板と、この基板の傾斜面上に
設けられた多層膜とによりカラーフィルターを構成する
ものである。

【０００９】ここで、薄膜への光線の入射角度を基板の
垂線方向からの角度θであらわし、基板の垂直方向の光
学的膜厚をｎｄとすると、膜表面で反射する光線と、膜
裏面で反射する光線とのあいだの光路長の差は、２ｎｄ
cos θとなるところから、入射角度θが大きいほど光
路長が垂直入射に比べて短くなる。よく知られているよ
うに反射光あるいは透過光の総和として考慮されるのは
この光路長の差、すなわち位相差である。このため、傾
斜面に設けられた多層膜では、その傾斜角度、すなわち
光束の入射角度が大きくなるにしたがって分光透過特性
が低波長側に変化する。

【００１０】また、真空蒸着法などのドライプロセスに
よって多層膜を成膜する場合、成膜中の基板の傾斜角度
によって成膜される膜厚が変化し、特に真空蒸着法など
成膜物質の指向性の強い手法では、成膜される基板への
成膜物質の入射角度をθ、またはθ＝０すなわち成膜物
質が基板に垂直に入射した場合の物理的膜厚をｄ、任意
の角度θを有する基板に成膜される物理的膜厚をＤとし
た場合、Ｄ＝ｄ×cosθなる関係を満たすことが知られ
ている。

【００１１】本発明はこの２つの原理を組み合わせて、
ひとつの基板の表面を場所によって異なった傾斜とする
ことにより、場所によって光束の入射角が変わること
と、成膜される膜の物理的膜厚Ｄが変わることとが生起
されて、場所により分光透過特性（色特性）が異なるカ
ラーフィルターとするものである。

【００１２】図１は本発明の例示としての３色透過フィ
ルターを示し、基板１における領域Ａは平面であり、基
板１上に形成された多層膜２は入射光束に対し角度θ＝
０（θ０）となっている。領域ＢおよびＣは異なった角
度で傾斜する傾斜面となっており、それぞれ角度θ１お
よびθ２（θ０＜θ１＜θ２）で光束が入射する。この
ようなフィルターに対して光源側から白色光を入射させ
て多層膜２の各領域Ａ，Ｂ，Ｃを透過した場合、光の干
渉の原理により特定の中心波長λ０，λ１，λ２がそれ
ぞれの領域から取り出される。このときの光束の入射角
度θはθ０＜θ１＜θ２のように、領域Ａ，Ｂ，Ｃの順
に大きくなるため、波長λ０，λ１，λ２はλ０＞λ１
＞λ２となり、これにより、例えば、λ０が赤、λ１が
緑、λ２が青となって３色に分光することができる。

【００１３】表１は以上のような本発明のカラーフィル
ターと、上述した各従来技術との特徴を比較したもので
あり、「○」は良好、「△」は中間、「×」は好ましく
ないことを示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【実施例１】本実施例では赤色透過フィルター、緑色透
過フィルター、青色分解フィルターの３色の色分解フィ
ルターパターンを基板上に設けたカラーフィルター１０
を説明する。図２および図３において、１１はガラスか
らなる基板であり、この基板１１の上面には熱プレス成
形によりＶ字形状の溝１３が形成されている。溝１３の
各斜面部１３ａ，１３ｂの角度は基板１１の水平方向に
対して異なっており、図示例においては斜面部１３ａが
３０°、斜面部１３ｂが４３°となっている。また基板
１１には溝１３が形成されていない平面部１４が形成さ
れている。かかる基板１１を熱プレスにより成形する成
形型は１０７°の切削角度を有したバイトにより、その
金属表面を一定間隔で切削することで作製することがで
きる。この場合、溝１３の斜面部１３ａの幅は１２．３
５μｍ、水平部１４の幅は１０μｍであり、溝１３およ
び溝１３と隣接した水平部１４を合わせた幅は３０μｍ
となるように形成されている。

【００１６】図２において、１２は基板１１の上面に形
成された多層膜であり、基板１１の水平部分に対する光
学的膜厚が図４の数値になるように、金属酸化物を真空
蒸着させることにより形成される。図４において、λは
設計波長であり、本実施例においては５２０ｎｍであ
る。また本実施例では合計で５６層の多層膜からなって
いる。この多層膜１２の形成は、基板１１を真空槽中に
セットした後、基板１１を３００℃まで加熱し、真空度
が５×１０^-4Ｐａに達した時点で成膜を開始することに
行われる。ここで、ＴｉＯ₂は高屈折率材料として、Ｓ
ｉＯ₂は低屈折率材料として使用するものである。

【００１７】図５は上述のようにして作製したカラーフ
ィルター１０を撮像素子（ＣＣＤ）１５に貼着させ、ロ
ーパスフィルター１６および対物レンズ１７，１８が形
成する光路内に配置した状態を示す。このカラーフィル
ター１０を貼着する前後でのＣＣＤ１５への入射光量を
測定することにより、同フィルター１０の光透過率特性
を測定することができる。

【００１８】図６はかかる光透過率特性の結果を示し、
特性曲線Ｄが垂直入射光束に対する溝１３の斜面部１３
ａに対応する分光特性を、特性曲線Ｅが斜面部１３ｂに
対応する分光特性を、特性曲線Ｆが平面部１４に対応す
る分光特性を示し、特性曲線Ｆが赤色領域で、特性曲線
Ｅが緑色領域で、特性曲線Ｄが青色領域でそれぞれ透過
率のピークを有し、それぞれ赤色透過フィルター、緑色
透過フィルター、青色透過フィルターとして作用してい
ることが判る。

【００１９】このような本実施例のカラーフィルター１
０とＣＣＤ１５とを組み合わせたものを、３ＣＣＤタイ
プの撮像素子用に設計された光学系に組み込んだとこ
ろ、３ＣＣＤの撮像素子を使用した場合とほぼ同等の良
好な像を得ることができた。

【００２０】

【実施例２】本実施例では、赤色透過フィルター、緑色
透過フィルター、青色透過フィルターの３色の色分解フ
ィルターパターンを、撮像素子を備えたシリコンウエハ
ーからなる基板上に設けたカラーフィルターを説明す
る。

【００２１】図７において、２１は撮像素子（図示省
略）を備えたシリコンウエハーからなる基板であり、こ
の基板２１上には紫外線硬化樹脂からなる凸状の山形の
樹脂層２２が設けられ、この樹脂層２２上に多層膜２３
が形成されている。樹脂層２２の斜面部２２ａおよび２
２ｂは異なった角度となっており、それぞれ基板２１の
水平方向に対して、３２°および４３°となっている。
また樹脂層２２の凸部の間には角度０°となっている水
平部２４が設けられている。ここで斜面部２２ａの幅は
１２μｍ、水平部２４の幅は１０μｍであり、斜面部２
２ａ，２２ｂおよび水平部２４を合わせた幅は３０μｍ
となっている。

【００２２】図８は本実施例の多層膜２３の構成を示
し、合計で５６層からなっている。各層は基板の水平部
分に対する光学的膜厚が図示の数値となるように真空蒸
着により成膜される。同図における設計波長λは５２０
ｎｍである。この多層膜は樹脂層２２を有した基板２１
を真空槽内にセットし、基板を加熱することなく真空度
が５×１０^-4Ｐａに達した時点で成膜を行うことにより
形成できる。本実施例ではＷＯ₃が高屈折率材料、Ｓｉ
Ｏ₂が低屈折率材料となっている。

【００２３】図９は本実施例の垂直入射光束に対する分
光特性を示し、特性曲線Ｇが斜面部２２ｂに、特性曲線
Ｈが斜面部２２ａに、特性曲線Ｉが平面部２４に対応
し、図示のようにそれぞれ青色透過フィルター、緑色透
過フィルター、赤色透過フィルターとして作用してい
る。

【００２４】

【実施例３】図１０は本発明の実施例３を示し、３１は
ゾルゲル法によりＶ字形状の溝３２を上面に形成した基
板である。この基板３１は金属アルコキシドを型に流し
込んで焼成することにより形成される。溝３２における
斜面部３２ａは基板面の水平方向に対して２５°の角度
を有し、斜面部３２ｂは３５°の角度を有しており、溝
３２の間には角度０°の水平部３３が形成されている。
また、図示例における斜面部３２ａの幅は１２．６８μ
ｍ、水平部の幅は１０μｍ、溝３２および水平部３３を
合わせた幅は３０μｍとなっている。

【００２５】この基板３１上に多層膜３４を形成し、多
層膜３４の成膜後、紫外線硬化樹脂からなる樹脂層３５
を積層して、平面化する。図１１は本実施例の多層膜３
４の構成を示し、合計で５７層からなっている。多層は
基板３１の水平部分に対する光学的膜厚が図示の数値と
なるように真空蒸着により成膜される。同図における設
計波長λは５４０ｎｍである。この多層膜３４は基板３
１を真空槽内にセットし、基板３１を加熱することな
く、真空度が５×１０^-4Ｐａに達した時点で成膜するこ
とにより形成できる。本実施例では、ＷＯ₃が高屈折率
材料、ＳｉＯ₂が低屈折率材料となっている。なお本実
施例では、樹脂層３５上に５層の反射防止膜（図示省
略）を形成しても良い。

【００２６】図１２は本実施例の垂直入射光束に対する
分光特性を示し、特性曲線Ｊが斜面部３２ｂに、特性曲
線Ｋが斜面部３２ａに、特性曲線Ｌが平面部３４に対応
し、それぞれ青色透過フィルター、緑色透過フィルタ
ー、赤色透過フィルターとして作用している。なお本実
施例では基板としてガラスやＣＣＤを備えたシリコンウ
エーハを使用することができる。

【００２７】

【実施例４】本実施例では赤色透過フィルター、緑色透
過フィルター、青色透過フィルターの３色の色分解フィ
ルターパターンをＣＣＤを備えたシリコンウエハーから
なる基板に設けたカラーフィルターについて説明する。

【００２８】図１３は本実施例のカラーフィルターの断
面を示し、シリコンウエハーをドライエッチングしてＶ
字形状の溝４２を有した基板４１とし、この基板４１の
表面にＣＣＤからなる受光部４３を形成する。基板４１
のＶ字形状の溝４２における斜面部４２ａは基板面の水
平方向に対して３２°の角度を有し、斜面部４２ｂは４
３°の角度を有しており、溝４２の間は角度０°の水平
部４４となっている。ＣＣＤからなる受光部４３はこれ
らの斜面部４２ａ，４２ｂおよび水平部４４に位置する
ように設けられている。この場合、斜面部４２ａ，４２
ｂおよび平面部４４における各受光部４３の間隔は１０
μｍのピッチとなっている。４５はこの基板４１の上面
に真空蒸着により形成された多層膜である。

【００２９】図１４はこの多層膜４５の構成を示し、合
計で５６層となっている。各層は基板４１の水平部分に
対する光学的膜厚が図示の数値となるように真空蒸着に
より成膜される。同図における設計波長λは５２０ｎｍ
である。この多層膜４５は基板４１を真空槽内にセット
し、基板４１を加熱することなく、真空度が５×１０^-4
Ｐａに達した時点で成膜することにより形成できる。本
実施例では、ＷＯ₃が高屈折率材料、ＳｉＯ₂が低屈折
率材料となっている。

【００３０】図１５は本実施例を用いて測定した垂直入
射光束に対する分光特性を示し、特性曲線Ｍが斜面部４
２ｂに、特性曲線Ｎが斜面部４２ａに、特性曲線Ｐが平
面部４４に対応し、それぞれ青色透過フィルター、緑色
透過フィルター、赤色透過フィルターとして作用してい
る。なお本実施例ではＣＣＤからなる受光部４３は完全
な平面とはならず、曲率を有した面となるが、上述のよ
うにフィルターの特性には影響を及ぼすことがない。

【００３１】

【実施例５】本実施例では赤色透過フィルター、緑色透
過フィルター、青色透過フィルターの３色の色分解フィ
ルターパターンをプラスチックからなる基板に設けたカ
ラーフィルターについて説明する。

【００３２】図１６は本実施例のカラーフィルターの断
面を示し、アモルファスポリオレフィン樹脂を射出成形
することにより、Ｖ字形状の溝５２を有した基板５１を
作成し、この基板５１の上面に多層膜５４を被着させて
ある。基板５１のＶ字形状の溝５２における斜面部５２
ａは基板面の水平方向に対して３２°の角度を有し、斜
面部５２ｂは４３°の角度を有しており、溝５２の間に
は角度０°の水平部５３が形成されている。この場合、
斜面部５２ａの幅は１２０μｍ、水平部５３の幅は１０
０μｍであり、溝５２および水平部５３を合わせた幅は
３００μｍとなっている。

【００３３】図１７は本実施例の多層膜５４の構成を示
し、合計で５６層からなっている。各層は基板５１の水
平部分に対する光学的膜厚が図示の数値となるように真
空蒸着により成膜される。同図における設計波長λは５
２０ｎｍである。この多層膜５４は基板５１を真空槽内
にセットし、基板５１を加熱することなく、真空度が５
×１０^-4Ｐａに達した時点で成膜することにより形成で
きる。本実施例ではＷＯ₃が高屈折率材料、ＳｉＯ₂が
低屈折率材料となっている。

【００３４】図１８はこのような本実施例のカラーフィ
ルター５０を液晶パネル５５に貼着し、これを投影レン
ズ５６およびハロゲンランプ５７の光路内に配置した液
晶プロジェクターの構成を示す。図１９はこの図１８に
おけるｂ部の拡大図を示し、液晶パネル５５には遮光層
５８が印刷されている。同図において、水平部５３およ
び隣接した溝５２の斜面部５２ａ，５２ｂがそれぞれ液
晶のドットに対応し、この３個のドットによりひとつの
カラー画素が形成される。

【００３５】図２０は本実施例の垂直入射光束に対する
分光特性を示し、特性曲線Ｑが斜面部５２ｂに、特性曲
線Ｒが斜面部５２ａに、特性曲線Ｓが平面部５３に対応
し、それぞれ青色透過フィルター、緑色透過フィルタ
ー、赤色透過フィルターとして作用している。なお本実
施例では、ストライプ状のカラーフィルターとしたが、
基板の形状を変えるとによってデルタ状のカラーフィル
ターを作製することも可能である。

【００３６】

【実施例６】本実施例では入射光束の透過波長が５００
ｎｍおよび５５０ｎｍを中心とするバンドパスフィルタ
ーパターンをプラスチックからなる基板に設けて構成さ
れるカラーフィルターについて説明する。図２１は、こ
の実施例のカラーフィルターの断面を示し、アモルファ
スポリオレフィン樹脂を射出成形することにより形成さ
れた基板６１と、この基板６１上に設けられた多層膜６
４とを備えている。基板６１の上面には斜面部６２ａ
と、水平部６２ｂと、斜面部６２ｃとからなる溝６２が
形成されると共に、隣接する溝６２間に水平部６３が設
けられている。ここで各斜面部６２ａ，６２ｃは基板面
の水平方向に対して、いずれも４５°の角度を有してお
り、水平部６２ｂ，６３は角度０°となっている。ま
た、各部６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６３の幅は１０μｍ
となっている。

【００３７】図２２はこの基板６１上にマグネトロンス
パッタリングにより形成された多層膜６４を示し、合計
で５５層となっている。各層は基板６１の水平部分に対
する光学的膜厚が図示の数値となるようにマグネトロン
スタッパリングにより成膜される。同図における設計波
長λは４７０ｎｍである。この多層膜６４は基板６１を
真空槽内にセットし、基板６１を加熱することなく、真
空度５×１０^-4Ｐａに達した時点で成膜することにより
形成できる。本実施例では、Ｚ_nＯ₂が高屈折率材料、
ＳｉＯ₂が低屈折率材料となっている。

【００３８】図２３は本実施例の垂直入射光束に対する
分光特性を示し、特性曲線Ｗが水平部６２ｂ，６３に、
特性曲線Ｖが斜面部６２ａ，６２ｃに対応し、それぞれ
５５０ｎｍの波長を中心とするバンドパスフィルターお
よび５００ｎｍの波長を中心とするバンドパスフィルタ
ーとして作用している。

【００３９】以上、この発明の実施例について説明した
が、これら多層膜の成膜は、実施例１〜５のように真空
蒸着法のみならず、同様に指向性の強いイオンビームス
パッタリング法によっても全く同じ効果が得られる。ま
た、基板の傾斜による膜厚分布の比較的小さいマグネト
ロンスパッタリング法やイオンプレーティング法、ＣＶ
Ｄ法などによる場合も、光学特性の角度依存性だけを利
用した形態での適用が可能である。また、これらの実施
例では、いずれも水平部を有する基板を用いたが、水平
部を有していない基板や完全な曲面の基板に対しても同
様に適用することができる。

【００４０】

【発明の効果】以上のとおり本発明のカラーフィルター
は、プリズムなどの他の部材の必要がないために分光素
子として非常に小型であり、かつその光学性能は多層膜
を使用するため高い性能を有している。しかも従来のレ
ジストパターンニング及びドライエッチングを使用した
手法による多層膜カラーフィルターや、あるいは顔料や
染料を用いたカラーフィルターに比較しても簡単で少な
い工程で製造することが可能であり、製造の簡素化及び
歩留りの向上が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示す断面図。

【図２】実施例１の断面図。

【図３】実施例１の基板の斜視図。

【図４】実施例１の多層膜の構成図。

【図５】実施例１の分光測定の構成図。

【図６】実施例１の分光特性図。

【図７】実施例２の断面図。

【図８】実施例２の多層膜の構成図。

【図９】実施例２の分光特性図。

【図１０】実施例３の断面図。

【図１１】実施例３の多層膜の構成図。

【図１２】実施例３の分光特性図。

【図１３】実施例４の断面図。

【図１４】実施例４の多層膜の構成図。

【図１５】実施例４の分光特性図。

【図１６】実施例５の断面図。

【図１７】実施例５の多層膜の構成図。

【図１８】実施例５を用いた液晶プロジェクターの構成
図。

【図１９】図１８のｂ部拡大断面図。

【図２０】実施例５の分光特性図。

【図２１】実施例６の断面図。

【図２２】実施例６の多層膜の構成図。

【図２３】実施例６の分光特性図。

【符号の説明】

１基板２多層膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光束に対して複数の角度からなる傾斜面
を有した基板と、この基板の傾斜面上に設けられた多層
膜とを備えていることを特徴とするカラーフィルター。