JPWO2015033611A1 - 光学フィルター及び撮像素子 - Google Patents

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Abstract

簡易な構成で波長選択性及び透過性を向上させた光学フィルターを提供することを目的とする。そのため、光学フィルターは、複数の所定波長の光を透過する光学フィルターであって、第１導電体膜と第１誘電体膜と第２導電体膜とが順に積層され、第１導電体膜を貫通し、所定波長の光のうち最も短い波長未満の周期で配置された第１開口部と、第２導電体膜を貫通し、所定波長の光のうち最も短い波長未満の周期で配置された第２開口部と、を有し、第１及び第２導電体膜間の距離が、所定波長の光のうち最も長い波長の光が第１及び第２導電体膜間で平面波を形成するのに必要な最小距離以上である構成とする。

Description

本発明は、複数の所定波長の光を透過する光学フィルターと、それを備えた撮像素子に関する。
物質の多くは光の照射に対し、特有の吸収波長や蛍光波長を有する。このため、光の照射装置と特定の波長を選択的に検知する分光装置で、物質の成分の同定を行うことで、対象物に関する多くの情報を得ることができる。
特に動物、植物、微生物などの生物に起因する物質は近紫外から可視、近赤外の領域に特有の吸収又は発光波長を多く持つため、人の健康状態、食物の鮮度や汚染状態など様々な生活情報を得ることができ、健康、美容、食品管理などで広く応用することができる。特にカメラにこのような分光光学系を適用して特定波長の情報を画像化すると、より直感的で生活に有用な情報を得ることができる。
汎用的な分光カメラとしては、ハイパースペクトルカメラがある。分光方式としてはスリットと分光光学系からなるもの、音響光学素子を用いるもの、液晶リアフィルターを用いるものなどがある。それぞれ分光系を制御することで、１０ｎｍ程度の波長分解能で任意の波長を取り出して画像化することができる。
一方、特定用途に絞り、目的に必要な特定の波長のみ画像化する場合には、通常のカメラに多層膜のフィルターを用いることで目的の波長を抽出することができる。例えば、非特許文献１及び２では、人の血液中に含まれるヘモグロビンの吸収ピークである５６０ｎｍ〜６１０ｎｍに透過特性を持つ多層膜光学フィルターを通常のカメラに取り付けることで、肌に塗ったファンデーションの塗り斑を画像化している。
上述したような分光カメラの課題は以下の通りである。汎用の分光カメラは複雑な光学系を用いるために非常に高価であり、業務用用途に限られる。また多層膜フィルターにより固定的に波長を見るものは目的別にフィルターを代える必要があり、一般の使用に使うには利便性に問題がある。
そこで、一般消費者が使える安価な分光カメラとして、特許文献１に示す金属膜のパターンによって特定波長を透過する金属膜フィルターを用いたものが候補として挙げられる。これは金属膜に周期的な穴またはスリットを開口したもので、周期に対応する波長の光が表面プラズモン共鳴により選択的に透過する原理を用いた光学フィルターである。金属として半導体で広く用いられているアルミニウムを使用できること、可視光域の光学フィルターとして必要なパターン周期が、現在の半導体加工技術で容易に加工できる１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲であることから、半導体製造工程の中でＣＣＤやＣＭＯＳイメージングデバイス上に直接形成することができる。
さらに、複数の周期のパターンを一回のリソグラフ工程で形成できるので、イメージングデバイスの画素毎に異なる波長選択性を有する光学フィルターを同時に形成することができるため、マルチスペクトルのカメラが容易にできる可能性があると注目されている。
特許第３４０５４００号公報
Ken Nishino et al., OPTICS EXPRESS, Vol.19, No.7, pp.6020-6030 (2011) Ken Nishino et al., OPTICS EXPRESS, Vol.19, No.7, pp.6031-6041 (2011) Naoki Ikeda et al., IEICE TRANSACTIONS on Electronics, Vol.E95-C No.2, pp.251-254 (2012) Ting Xu et al., Nature Communications, Vol.1, 1058 (2010)
表面プラズモン共鳴による金属膜フィルターを用いた場合の課題としては、金属膜フィルターの波長分解能が不十分なことが上げられる。非特許文献３及び４に示されているように、金属膜フィルターの透過波長スペクトルの半値幅は通常１００ｎｍから１５０ｎｍである。一方、特定の物質の吸収ピークを検知するには、非特許文献１及び２に示されているように、１０〜５０ｎｍの波長分解能が求められる。
このため、必要とされる波長分解能を一つの光学フィルターから得ることができない。したがって、波長選択性の異なる複数の光学フィルター使用し、各光学フィルターの透過強度と各光学フィルターの透過度の波長特性から数値演算で所望の波長分解能で吸収ピークの波長の信号を算出することは可能だが、一つの波長の画像を得るために波長選択性の異なる複数の光学フィルターを使うため、多くの画素を必要とし、結果として画像の解像度が低下することになる。また、上述したようにスペクトル算出のための計算をするので、カメラの画像情報処理システムは複雑になり、コストの上昇や応答速度の低下を招くという問題がある。
本発明は、簡易な構成で波長選択性及び透過性を向上させた光学フィルターを提供することを目的とする。また、その光学フィルターを備えた撮像素子を提供することも目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、複数の所定波長の光を透過する光学フィルターであって、第１導電体膜と誘電体膜と第２導電体膜とが順に積層され、第１導電体膜を貫通し、前記所定波長の光のうち最も短い波長未満の周期で配置された第１開口部と、第２導電体膜を貫通し、前記所定波長の光のうち最も短い波長未満の周期で配置された第２開口部と、を有し、第１及び第２導電体膜間の距離が、前記所定波長の光のうち最も長い波長の光が第１及び第２導電体膜間で平面波を形成するのに必要な最小距離以上であることを特徴とする。
本発明によると、第１及び第２導電体膜間の距離を考慮して設計することで、第１及び第２導電体膜間で平面波が形成され、多重反射が生じるので、簡易な構成で波長選択性及び透過性を向上させた光学フィルターを提供することができる。
本発明の第１実施形態の光学フィルターの模式的な部分透過斜視図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 比較例の光学フィルターの模式的な部分透過斜視図である。 本発明の第１実施形態の光学フィルターの透過特性を測定した結果を示す図である。 比較例の光学フィルターの透過特性を測定した結果を示す図である。 本発明の第１実施形態の光学フィルターの第１誘電体膜の厚みが３０ｎｍ、１００ｎｍ、５００ｎｍと異なる３つのサンプルの透過特性を測定した結果を示す図である。 本発明の第１実施形態の光学フィルターの第１誘電体膜の厚みが１０００ｎｍ、２０００ｎｍと異なる２つのサンプルの透過特性を測定した結果を示す図である。 本発明の第１実施形態の光学フィルターの第１誘電体膜の厚みが５０００ｎｍのサンプルの透過特性を測定した結果を示す図である。 第１及び第２開口部の位置がずれている場合の本発明の第１実施形態の光学フィルターの模式的な部分透過斜視図である。 図７のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第２実施形態の光学フィルターの模式的な断面図である。 本発明の第２実施形態の光学フィルターの透過特性を説明する図である。 本発明の第３実施形態の光学フィルターの模式的な部分透過斜視図である。 図１１のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の第４実施形態の分光撮像素子の斜視図とその拡大図である。 本発明の第４実施形態の分光撮像素子の部分断面図である。 本発明の第４実施形態におけるヘモグロビンの検知に用いる分光撮像素子の各光学フィルターの透過特性を説明する図である。 本発明の第４実施形態における水分の検知に用いる分光撮像素子の各光学フィルターの透過特性を説明する図である。
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。各実施形態で共通する部材には同符号を付し、重複する説明を省略する。また、各実施形態の構成は可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の光学フィルターの模式的な部分透過斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。光学フィルター１０は、基板１１上に、第１導電体膜１２、第１誘電体膜１３、第２導電体膜１４、第２誘電体膜１５が順に積層されて構成される。
基板１１は、入射光を透過する材料であれば特に限定はなく、無機材料、有機材料、それらの混合材料の何れであってもよい。基板１１としては、例えば、ガラス、石英、Ｓｉ、化合物半導体などを用いることができる。また、基板１１の大きさ、厚みにも特に限定はない。また、基板１１の表面形状にも特に限定はなく、平坦でも曲面形状であってもよい。
なお、基板１１上に形成される層との密着性を考慮し、基板１１に適当な表面処理を施してから積層してもよい。また、基板１１にエッチングに対する耐性の高い透明材料をストッパー層として積層させてから積層してもよい。
第１導電体膜１２を構成する導電材料は任意に選択できる。ここでいう導電材料とは、単体で導体であり、任意の波長帯域で７０％以上の反射率を有し、常温では固体である金属元素からなるもの、及びそれらの合金を指す。第１導電体膜１２を構成する材料のプラズマ周波数は利用する光の周波数より高いことが好ましい。また、利用する光の波長領域において光の吸収が少ないことが望ましい。このような材料として、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、窒化チタン、窒化ジルコニウム、ニッケル、コバルト又はこれらの合金からなる群から選択される材料、または、ＩＴＯ（Ｓｎ：Ｉｎ２Ｏ３）を含むＩｎ２Ｏ３系、ＡＺＯ(Ａｌ：ＺｎＯ)、ＧＺＯ(Ｇａ：ＺｎＯ)、ＢＺＯ(Ｂ：ＺｎＯ)、ＩＺＯ(Ｉｎ：ＺｎＯ)を含むＺｎＯ系、ＩＧＺＯ系の金属酸化物透明導電材料から選択される材料を含むことが好ましい。
しかしながら、利用する光の周波数より高いプラズマ周波数を有する導電材料であれば、これらの限りではない。また、熱処理により第１導電体膜１２をシンタリングしてもよく、保護膜等を形成してもよい。また、第１導電体膜１２の膜厚は５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。
第１導電体膜１２には、積層方向（基板１１側から第１誘電体１３側）に貫通し、透過する複数の所定波長の光のうち最も短い波長未満の周期で配置された穴からなる第１開口部１６が形成されている。所定波長は入射光の波長未満である。図１において第１開口部１６は、正三角形の各頂点（三角格子状）に配置されている。三角格子状に配置にすることで入射偏光依存性を抑え、斜入射特性を改善することができる。例えば、第１開口部１６が配置される周期は、１５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。なお、第１開口部１６の配置の仕方には特に限定はなく、例えば、正方格子状に配置にしてもよい。
また、図１において第１開口部１６は円筒形状であるが、その形状は特に限定されるものではなく、円錐形状、三角錐形状、四角錐形状などであってもよい。また、第１開口部１６には第１誘電体膜１３が充填されている。
第１誘電体膜１３を構成する誘電材料は一種類の材料であることが好ましい。このような材料として、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムなどが挙げられる。また、第１誘電体膜１３の膜厚（第１開口部１６に充填される部分を除く）は、後述する第１及び第２導電体膜１２、１４間で多重反射させる目的から、１５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることが好ましい。
第２導電体膜１４は第１導電体膜１２と同じ構成とすることができる。第２導電体膜１４には第１導電体膜１２の第１開口部１６と同様の第２開口部１７が形成されている。図１において、第２開口部１７は第１開口部１６に対向して配置されている。第２開口部１７には第２誘電体膜１５が充填されている。
第２誘電体膜１５は第１誘電体膜１３と同じ構成とすることができる。特に、第２誘電体膜１５に第１誘電体膜１３と同じ材料を用いることで界面での反射を抑えることができ、透過波長の選択性を向上させることができる。
このような構成の光学フィルター１０によると、入射光が第２導電体膜１４の表面に表面プラズモンを誘起させ、表面プラズモンと入射光とが共鳴的に相互作用し、第２開口部１７の周期パターンによる共鳴で所定の波長が出射される。この光は第２導電体膜１４と第１導電体膜１２との間（第１誘電体膜１３中）で多重反射し、第１導電体膜１２の表面に表面プラズモンを誘起させ、表面プラズモンと入射光とが共鳴的に相互作用し、第１開口部１６の周期パターンによる共鳴で所定の波長が出射される。これにより、光学フィルター１０は複数の所定波長の光を透過する。
ここで重要となるのは、第２導電体膜１４と第１導電体膜１２との間で多重反射することで干渉が生じ、透過率が向上する点である。多重反射するには平面波が形成される必要があるため、第１及び第２導電体膜１２、１４間の距離が、透過する複数の所定波長の光のうち最も長い波長の光が第１及び第２導電体膜１２、１４間で平面波を形成するのに必要な最小距離以上であることが望ましい。そして好ましくは、第１及び第２導電体膜１２、１４間の距離が、所定波長のうち最も長い波長の０．５倍から４．０倍までの距離とすることである。
上記の光学フィルター１０の製造には、フォトリソグラフィー法、電子線リソグラフィー法、ナノインプリント法などの微細加工技術を用いることができる。開口プロセス（第１及び第２開口部１６、１７の形成工程）は、位置合わせをしながら一層ずつ所望の開口を形成する。
光学フィルター１０の製造方法としては、例えば、まず基板１１上に第１導電体膜１２を形成する。続いて、光リソグラフィーとエッチングによって第１開口部１６を形成する。次に、第１誘電体膜１３を第１開口部１６に充填するとともに、第１導電体膜１２上に積層し、化学的又は物理的平坦化手法によって平坦化する。続いて、第１誘電体膜１３上に第２導電体膜１４を形成し、光リソグラフィーとエッチングによって第２開口部１７を形成する。そして、第２誘電体膜１５を第２開口部１７に充填するとともに、第２導電体膜１４上に積層して光学フィルター１０を得る。なお、第１及び第２開口部１６、１７の内壁のサイドエッチングなどの問題を防ぐため、異方性の高いドライエッチング条件により加工することが好ましい。
次に、第１実施形態の光学フィルター１０のサンプルと、比較例として図３に示すような第２導電体膜１４及び第２誘電体膜１５を有さない光学フィルター１００のサンプルとを作製し、物性を評価した。第１実施形態の光学フィルター１０は、ＳｉＯ２からなる厚さ３００ｎｍの基板１１と、Ａｌからなる厚さ７５ｎｍの第１導電体膜１２と、ＳｉＯ２からなる厚さ５００ｎｍの第１誘電体膜１３と、Ａｌからなる厚さ７５ｎｍの第２導電体膜１４と、ＳｉＯ２からなる厚さ３００ｎｍの第２誘電体膜１５とで構成した。第１及び第２開口部１６、１７は図１に示すような平面視円形で合同なパターンとし、その周期Ｄ１は３６０ｎｍ、その径Ｃ１は１８０ｎｍとした。
比較例の光学フィルター１００は、ＳｉＯ２からなる厚さ３００ｎｍの基板１１１と、Ａｌからなる厚さ１５０ｎｍの導電体膜１１２と、ＳｉＯ２からなる厚さ３００ｎｍの誘電体膜１１３とで構成した。開口部１１４は第１開口部１６と同パターンとし、その周期Ｄ２は３６０ｎｍ、その径Ｃ２は１８０ｎｍとした。
図４は第１実施形態の光学フィルター１０の透過特性を測定した結果を示す図であり、図５は比較例の光学フィルター１００の透過特性を測定した結果を示す図である。
図４に示すように、第１実施形態の光学フィルター１０の透過光は、約５２０ｎｍにピークを有する半値幅が約３０ｎｍの波長域と、約６００ｎｍにピークを有する半値幅が約６０ｎｍの波長域とを有し、４００ｎｍ付近のサブピークはほとんど見られない。このような第１実施形態の光学フィルター１０の半値幅の狭い波長選択性及び高い透過性は、２つの導電体膜（第１及び第２導電体膜１２、１４）を積層したことによって生じているものといえる。
一方、図５に示すように、比較例の光学フィルター１００の透過光は、約５５０ｎｍにピークを有する半値幅が約１００ｎｍの波長域と、４００ｎｍ付近に大きなサブピークが見られる。半値幅が約１００ｎｍと広いので比較例の光学フィルター１００は特定の物質の吸収ピークを検知するような分光カメラに用いることはできない。
次に、第１実施形態の光学フィルター１０のサンプルとして、第１誘電体膜１３の厚みが３０ｎｍ、１００ｎｍ、１０００ｎｍ、２４００ｎｍ、５０００ｎｍと異なる５つのサンプルを作製し、上述のサンプルとともに物性を評価した。他の構成は上述した図４の測定結果を示すサンプルと同様とした。
図６Ａに、第１実施形態の光学フィルター１０の第１誘電体膜１３の厚みが３０ｎｍ、１００ｎｍ、５００ｎｍと異なる３つのサンプルの透過特性を測定した結果を、図６Ｂに、第１実施形態の光学フィルター１０の第１誘電体膜１３の厚みが１０００ｎｍ、２４００ｎｍと異なる２つのサンプルの透過特性を測定した結果を、図６Ｃに、第１実施形態の光学フィルター１０の第１誘電体膜１３の厚みが５０００ｎｍのサンプルの透過特性を測定した結果を示す。図６Ａに示すように、第１誘電体膜１３の厚みが３０ｎｍ、１００ｎｍ、５００ｎｍと厚くなるにしたがって、つまり第１及び第２導電体膜１２、１４間の距離が長くなるにしたがって、透過波長のピークが大きく（透過率が高く）なっている。さらに、図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、第１誘電体膜１３の厚みが１０００ｎｍ、２４００ｎｍ、５０００ｎｍと厚くなるにしたがって、つまり第１及び第２導電体膜１２、１４間の距離が長くなるにしたがって、透過波長のピークが増えるようになる。
これは、上述したように、第１及び第２導電体膜１２、１４間の距離が長くなると、第２導電体膜１４と第１導電体膜１２との間で平面波が形成されて多重反射するため、干渉が生じて透過率が向上したといえる。図６Ａ〜図６Ｃの場合、透過する複数の所定波長（約５２０ｎｍと約６００ｎｍ）の光のうち最も長い波長が約６００ｎｍであるので、第１及び第２導電体膜１２、１４間の距離は、この波長の光が平面波を形成するのに必要な最小距離以上であることが望ましい。そして好ましくは、第１及び第２導電体膜１２、１４間の距離が、透過する所定波長のうち最も長い波長（約６００ｎｍ）の０．５倍（約３００ｎｍ以上）から４．０倍（約２４００ｎｍ）までの距離とすることである。
本実施形態の光学フィルター１０として、図１では第１及び第２開口部１６、１７が重なっている場合を挙げたが、本実施形態において第１及び第２開口部１６、１７の位置は特に合わせる必要はない。図７に、第１及び第２開口部１６、１７の位置がずれている場合の光学フィルター１０’の模式的な部分透過斜視図、図８に、図７のＢ−Ｂ線断面図を示す。このような構成によっても、同様に半値幅の狭い波長選択性及び高い透過性を有する光学フィルターが実現される。
このように、第１実施形態の光学フィルター１０、１０’によれば、第１及び第２導電体膜１２、１４間の距離が、透過する所定は長の光のうち最も長い波長の光が第１及び第２導電体膜１２、１４間で平面波を形成するのに必要な最小距離以上であることにより、波長選択性及び透過性を向上させることができる。
＜第２実施形態＞
図９は、第２実施形態の光学フィルターの模式的な断面図である。第２実施形態の光学フィルター２０は、第２誘電体膜１５上に有機膜又は多層膜からなるフィルター２１を備えたこと以外は、第１実施形態の光学フィルター１０と同様の構成である。
フィルター２１は、光学フィルター１０部分が透過する複数の所定波長の１つを透過する有機膜フィルター又は多層膜フィルターである。フィルター２１としては、顔料色素または染料色素を含有する有機材料などの有機膜フィルター、または、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＺｎＳなどの高屈折率材料とＳｉＯ２，ＭｇＦ２などの低屈折率材料が交互に積層された多層干渉膜フィルターを用いることができる。なお、フィルター２１の透過光の波長は適宜設計される。
図１０は、第２実施形態の光学フィルター２０の透過特性を説明する図である。実線が第２実施形態の光学フィルター２０における第１実施形態の光学フィルター１０部分の透過特性を示し、破線が第２実施形態の光学フィルター２０におけるフィルター２１の透過特性を示す。ここでは、フィルター２１として約３７０〜５７０ｎｍの光を透過するフィルターを用いている。このフィルター２１により、第１実施形態の光学フィルター１０部分の約５２０ｎｍのピークの光は透過され、約６００ｎｍのピークの光は透過されない。その結果、第２実施形態の光学フィルター２０によれば、約５２０ｎｍのピークの光だけが透過されることになる。
よって、第２実施形態の光学フィルター２０によれば、フィルター２１を備えることにより、不要な波長を除去して所望の波長のみを透過させることができるので、光学フィルター１０だけでは達成できない所望の分解能を有する光学フィルターを得ることができる。
＜第３実施形態＞
図１１は、第３実施形態の光学フィルターの模式的な部分透過斜視図であり、図１２は、図１１のＣ−Ｃ線断面図である。第３実施形態の光学フィルター３０は、第２開口部１７に間隔を有して対向する第３導電体膜３１を備えたこと以外は、第１実施形態の光学フィルター１０と同様の構成である。
第３導電体膜３１は、第２誘電体膜１５中に形成される。図１１及び図１２では、平面視で第２開口部１７と合同な形状である円形の第３導電体膜３１が、第２開口部１７と同じ形成パターンで各第２開口部１７に対向して配置されている。つまり、円筒形状の第３導電体膜３１が第２開口部１７と同じ周期で配置されている。
このような構成の光学フィルター３０によると、入射光が第３導電体膜３１の表面に表面プラズモンを誘起させ、表面プラズモンと入射光とが共鳴的に相互作用し、第３導電体膜３１の周辺部と第２開口部１７の周辺部とが近接場相互作用を及ぼし合い、第２導電体膜１４の表面に表面プラズモンが誘起され、表面プラズモンと入射光とが共鳴的に相互作用し、第２開口部１７の周期パターンによる共鳴で所定の波長が出射される。この光は第２導電体膜１４と第１導電体膜１２との間（第１誘電体膜１３中）で多重反射し、第１導電体膜１２の表面に表面プラズモンを誘起させ、表面プラズモンと入射光とが共鳴的に相互作用し、第１開口部１６の周期パターンによる共鳴で所定の波長が出射される。したがって、第３導電体膜３１と第２導電体膜１４は、近接場相互作用を及ぼし合う層間距離を設けることが好ましい。
なお、第３導電体膜３１は、少なくとも一部が第２開口部１７に間隔を有して対向していればよい。ここでいう少なくとも一部が対向するとは、平面視で一部が接している場合も含むものとする。例えば、第３導電体膜３１が第２開口部１７とややずれて対向していてもよく、第２開口部１７と平面視で接していてもよい。このとき、第３導電体膜３１は必ずしも第２開口部１７と合同な形状である必要はなく、第２開口部１７と異なる形状であってもよいし、第２開口部１７と異なる大きさであってもよい。これにより、光リソグラフィーのアライメントなどによるプロセスバラつきによって第２開口部１７のパターンと第３導電体膜３１のパターンとが多少ずれても問題ないように設計できる。
第３導電体膜３１を構成する導電材料は第１導電体膜１２と同様に任意に選択できる。なお、第１〜第３導電体膜１２、１４、３１は必ずしも同じ材料を用いる必要はない。また、熱処理により第３導電体膜３１をシンタリングしてもよく、保護膜等を形成してもよい。また、第３導電体膜３１の膜厚は３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
第１実施形態の光学フィルター１０では近赤外領域になると透過波長のピークがブロードになる傾向があるが、本実施形態の構成によれば、可視光領域と同様のシャープなピークを実現できる。よって、近赤外領域での波長選択性が向上する。
＜第４実施形態＞
第１〜第３実施形態の何れかの光学フィルターを撮像素子の少なくとも一部の画素上に配設することで、分光器一体型の分光撮像素子を得ることができる。図１３は、分光撮像素子４０の斜視図とその拡大図である。図１３では、分光撮像素子４０と、その部分拡大図である複数の光学フィルター４１が配設された図とを示している。
図１４は、分光撮像素子４０の部分断面図である。シリコン基板４２上に、受光素子４３、電極４４、遮光膜４５、光学フィルター４１、平坦化層４６、マイクロレンズ４７が配設されている。従来備えられていたカラーフィルターに代えて光学フィルター４１を設けることで、画素毎に受光波長の異なる分光撮像素子４０を得ることができる。画素毎に受光波長が異なるようにするには、光学フィルター４１の第１及び第２開口部１６、１７の周期を調整することにより実現できる。
そして、測定対象物に特有の吸収波長に、光学フィルター４１が透過する所定波長を一致させることにより、測定対象物を検知することができる。なお、測定対象物に特有の発光（蛍光を含む）波長に、光学フィルター４１が透過する所定波長を一致させることによっても測定対象物を検知することができる。
例えば、分光撮像素子４０をヘモグロビンの検知に用いる場合について説明する。ヘモグロビンは５７０〜６１０ｎｍに吸収波長を有する。分光撮像素子４０としては、ＲＧＢ画素のうち、画素Ｇに第２実施形態の光学フィルター２０を用い、画素Ｒ及びＢに通常のカラーフィルターを用いる。
図１５は、ヘモグロビンの検知に用いる分光撮像素子４０の各光学フィルターの透過特性を説明する図である。５０が画素Ｇにおける第２実施形態の光学フィルター２０の第１実施形態の光学フィルター１０部分の透過特性を示し、５１が画素Ｇにおける第２実施形態の光学フィルター２０のフィルター２１の透過特性を示し、５２が画素Ｒにおけるカラーフィルターの透過特性を示し、５３が画素Ｂにおけるカラーフィルターの透過特性を示す。
これにより、画素Ｇの光学フィルター４１はヘモグロビンの吸収波長域に含まれる約５９０ｎｍに透過光のピークを有しているので、ヘモグロビンに対して非常に敏感な信号をとることができる。その後は、この信号を用いて画素Ｇ単独でヘモグロビンの吸収強度の画像を作成してもよいし、画素Ｒ及びＢの信号と合わせてカラー画像を作成してもよい。これにより、カラー画像における色空間はヘモグロビンの吸収に対して非常に敏感になる。
肌にヘファンデーションを塗った場合、ヘモグロビンの吸収はファンデーションでの反射によって低減され、画素Ｇを透過する波長の強度は高くなり、形成される画像における色空間はＧ方向にシフトする。他にも、ヘモグロビンの吸収に敏感な光学フィルターを用いることで、血色の変化や脈拍の状態を感度良く検知することが可能である。
他の例として、分光撮像素子４０を水分の検知に用いる場合について説明する。水はいくつかの吸収波長を有するが、Ｓｉの感度域の中では約９６０ｎｍに吸収波長を有する。図１６は、水分の検知に用いる分光撮像素子４０の各光学フィルターの透過特性を説明する図である。分光撮像素子４０としては、約９６０ｎｍに透過光のピークを有する光学フィルター（図１６で６０で示す透過特性）を用いた画素と、約９６０ｎｍにはピークを有さず、約８８０ｎｍに透過光のピークを有する光学フィルター（図１６で６１で示す透過特性）を用いた画素と、両画素上に積層した９７０ｎｍ以上の光をカットする多層膜フィルター（図１６で６２で示す透過特性）とで形成する。
これにより、多層膜フィルターで９７０ｎｍ以上のサブピークがカットされる。そして、約９６０ｎｍに透過光のピークを有する光学フィルターを用いた画素によって、水分に対して非常に敏感な信号をとることができる。また、約８８０ｎｍに透過光のピークを有する光学フィルターを用いた画素によって、水分以外の信号をとることができる。その後は、両画素の信号の差分を画像化することで水分量の分布などを示すことができる。これにより、例えば、肌の保水分布の画像化が可能となる。
＜第５実施形態＞
第１〜第３実施形態の何れかの光学フィルターを光源上に配設することで、発光素子を得ることができる。例えば、白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）又は白熱球の光源上に、第１〜第３実施形態の何れかの光学フィルターを配設することで、従来のＬＥＤ素子よりも狭い波長域で選択的に発光する光学素子を実現することができる。
以下に本発明の実施形態についてまとめる。本発明の一実施形態の光学フィルター１０は、複数の所定波長の光を透過する光学フィルター１０であって、第１導電体膜１２と誘電体膜（第１誘電体膜１３）と第２導電体膜１４とが順に積層され、第１導電体膜１２を貫通し、前記所定波長の光のうち最も短い波長未満の周期で配置された第１開口部１６と、第２導電体膜１４を貫通し、前記所定波長の光のうち最も短い波長未満の周期で配置された第２開口部１７と、を有し、第１及び第２導電体膜１２、１４間の距離が、前記所定波長の光のうち最も長い波長の光が第１及び第２導電体膜１２、１４間で平面波を形成するのに必要な最小距離以上であることを特徴とする。
この構成によれば、第１及び第２導電体膜１２、１４間の距離を考慮して設計することで、第１及び第２導電体膜１２、１４間で平面波が形成され、多重反射が生じるので、簡易な構成で波長選択性及び透過性を向上させた光学フィルターを提供することができる。
上記の光学フィルター１０において、多重反射を生じさせる観点から、第１及び第２導電体膜１２、１４間の距離が、前記所定波長のうち最も長い波長の０．５倍から４．０倍までの距離であることが望ましい。
また上記の光学フィルター１０において、前記複数の所定波長の１つを透過する有機膜又は多層膜からなるフィルター２１を積層してもよい。
この構成によれば、フィルター２１を備えることにより、不要な波長を除去して所望の波長のみを透過させることができるので、光学フィルター１０だけでは達成できない所望の分解能を有する光学フィルター２０を得ることができる。
また上記の光学フィルター１０において、第２開口部１７に間隔を有して対向する第３導電体膜３１を備えてもよい。
この構成によれば、近赤外領域で透過波長のピークがブロードにならず、可視光領域と同様のシャープなピークを実現できる。よって、近赤外領域での波長選択性が向上する。
本発明の一実施形態の撮像素子は、上記の何れかに記載の光学フィルターを少なくとも一部の画素に備え、測定対象物に特有の吸収波長又は発光波長に前記所定波長を一致させることを特徴とする。
この構成によれば、測定対象物を感度良く検知することができる。
本発明は、イメージセンサーなどの受光素子、ＬＥＤなどの発光素子、液晶パネルなどの表示素子の光学フィルターとして用いることで、光学特性の波長選択性及び透過性を向上させることができる。
１０、２０、３０、４１ 光学フィルター
１２ 第１導電体膜
１３ 第１誘電体膜（誘電体膜）
１４ 第２導電体膜
１６ 第１開口部
１７ 第２開口部
２１ フィルター
３１ 第３導電体膜
４０ 分光撮像素子（撮像素子）

Claims (5)

  1. 複数の所定波長の光を透過する光学フィルターであって、
    第１導電体膜と誘電体膜と第２導電体膜とが順に積層され、
    第１導電体膜を貫通し、前記所定波長の光のうち最も短い波長未満の周期で配置された第１開口部と、
    第２導電体膜を貫通し、前記所定波長の光のうち最も短い波長未満の周期で配置された第２開口部と、を有し、
    第１及び第２導電体膜間の距離が、前記所定波長の光のうち最も長い波長の光が第１及び第２導電体膜間で平面波を形成するのに必要な最小距離以上であることを特徴とする光学フィルター。
  2. 第１及び第２導電体膜間の距離が、前記所定波長のうち最も長い波長の０．５倍から４．０倍までの距離であることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルター。
  3. 前記複数の所定波長の１つを透過する有機膜又は多層膜からなるフィルターを積層したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学フィルター。
  4. 第２開口部に間隔を有して対向する第３導電体膜を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光学フィルター。
  5. 請求項１〜４の何れかに記載の光学フィルターを少なくとも一部の画素に備え、
    測定対象物に特有の吸収波長又は発光波長に前記所定波長を一致させることを特徴とする撮像素子。
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