KR101175455B1 - 광학 필터, 수광 소자, 및 적층형 광학 필터 - Google Patents

광학 필터, 수광 소자, 및 적층형 광학 필터 Download PDF

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Abstract

가시광 영역의 광을 투과시키는 광학 필터는, 유전체 기판; 유전체 기판의 표면에 형성되는 유전체층; 및 유전체 기판과 유전체층 사이에 제공되고, 복수의 제1 금속 구조체가 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되는 제1 금속 구조체 군을 포함하고, 제1 금속 구조체들은, 서로 직교하는 제1 방향과 제2 방향으로 제1 길이와 제2 길이를 가지고, 이 길이들은 가시광 영역의 제1 파장 이하이며; 유전체 기판 또는 유전체층에 대한 광 입사와 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 표면 플라즈몬들에 의해 제1 파장의 투과율이 감소하거나 또는 제1 파장의 반사율이 증가한다.

Description

광학 필터, 수광 소자, 및 적층형 광학 필터{OPTICAL FILTER, LIGHT-RECEIVING ELEMENT, AND LAMINATED OPTICAL FILTER}
본 발명은 국소 표면 플라즈몬(localized surface plasmon)을 이용한 광학 필터에 관한 것이다.
최근, 금속 박막에 개구들을 어레이들로 주기적으로 배열하고, 표면 플라즈몬들(surface plasmons)을 이용해서 파장 선택을 행하는 홀형(hole-type) 광학 필터들이 특허 문헌 1 및 비특허 문헌 1에서 제안되었다.
통상적으로, 막 두께에도 의존하지만, 광의 파장 이하의 크기의 개구 직경을 포함하는 금속 박막의 투과율은 대략 1% 미만이라고 생각된다.
그러나, 특허 문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 플라즈몬들의 파장에 일치하는 주기로 금속 박막에 미리 정해진 크기의 개구들을 배열하면, 표면 플라즈몬을 유도하는 파장의 광의 투과율이 상당히 향상된다.
또한, 비특허 문헌 1에는, 표면 플라즈몬들을 이용하는 이러한 종류의 홀형 광학 필터를 사용하여, RGB의 투과 스펙트럼들을 얻을 수 있다는 것이 기재되어 있다. 구체적으로는, 서브 파장의 개구 어레이들을 갖는 금속 박막을 사용하여, 436nm의 파장(청), 538nm의 파장(녹), 및 627nm의 파장(적)을 갖는 투과 스펙트럼들이 얻어지는 것이 비특허 문헌 1에 개시된다.
특허 문헌 2는 표면 플라즈몬을 이용하는 파장 필터를 개시한다.
(특허문헌1)미국특허제5973316호 (특허문헌2)WO2002/008810
(비특허 문헌 1) Nature Vol. 424, 2003년 8월 14일 (도 4)
상기 특허 문헌 1 및 비특허 문헌 1에서는, 홀들이 주기적으로 배열되는 비교적 큰 표면적을 갖는 금속 박막을 사용함으로써, 금속 표면에 유도된 표면 플라즈몬들의 파장에 의존하는 투과 스펙트럼을 갖는 필터가 실현된다.
그러나, 이러한 종류의 홀형 금속 박막 필터에서는, 금속이 차지하는 공간의 비율이 크기 때문에, 광 흡수량이 크다. 그로 인해, 상기 특허 문헌 1에 기술된 금속 박막 필터에서는, 투과율이 가장 큰 피크에서도, 투과율은 약 5 내지 6%이다.
이렇게 투과율이 그다지 높지 않은 이러한 종류의 필터의 투과 스펙트럼을 이용하고 싶을 경우, 투과 스펙트럼의 강도를 확보하기 위해서, 입사광의 강도를 증가시키는 것이 필요하다. 이로 인해, 홀형 필터를 사용하는 디바이스의 에너지 효율이 낮아질 가능성이 있다.
특히, 금속에 의한 광의 흡수는 마이크로파 영역에서는 그다지 많지 않지만, 가시광 영역에서는 금속의 광의 흡수가 많다. 또한, 가시광 영역용 필터로서 홀형 금속 박막 필터를 사용할 때, 실제 디바이스들에의 적용 범위가 좁아진다.
따라서, 가시광 영역을 포함하는 웨이브밴드(waveband) 영역에 있어서, 홀형 금속 박막 필터보다도 광흡수가 적고 투과율이 높은 광학 필터를 제공하는 것이 바람직하다.
상기 특허 문헌들 1 및 2에 기재된 필터들은 광학 특성들을 제어하기 위해 표면 플라즈몬들의 파장들에 대응하는 피치들로 비교적 큰 표면적을 갖는 금속막에 형성된 개구들 또는 돌기부들을 갖는 주변 구조체들(peripheral structures)을 사용한다. 즉, 주변 구조체들을 따라 전파하는 표면 플라즈몬들 사이의 간섭이 피치들에 대응하는 제각각의 파장들을 갖는 표면 플라즈몬 파들을 선택하고, 선택된 파들은 그 후 서로 강도들을 모아 투과광의 강도 및 반사광의 강도를 증가시킨다.
따라서, 상기 문헌들에 기재된 필터들에서, 주변 구조체들의 피치들은 필터들의 광학적 특성들을 규정하는 주된 요인이 된다. 그리고 특정 광학적 특성들을 얻기 위해 파장이 선택될 때, 주변 영역들의 피치들은 파장에 따른다. 즉, 특정 파장이 선택될 때, 금속막의 개구들 또는 돌기부들의 밀도가 제한될 수 있다. 그리하여 필터들의 투과율 또는 반사율을 증가시키는 것은 어렵다.
또한, 상기 문헌들에 기재된 필터들이 개구들 또는 돌기부들의 주변 정렬(peripheral alignment)을 필요로 하기 때문에, 필터의 크기 및 표면적은 피치의 배수로 설정되어야 한다. 그리하여 특허 문헌들 1 및 2의 필터들은 크기의 선택에 대하여 낮은 자유도를 갖는다.
비교적 큰 표면적을 갖는 금속막의 주변 구조체에 대응하는 표면 플라즈몬을 이용하는 필터들에 비하여 크기의 선택에 대하여 더 큰 자유도를 갖는 광학 필터를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 제1 파장의 광을 투과시키는 광학 필터에 대한 것이며, 광학 필터는,
유전체 기판;
복수의 제1 금속 구조체가 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되고, 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군; 및
제1 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 제1 길이와 제2 길이는 제1 파장 이하이며;
유전체 기판 또는 유전체층에 입사하는 광과 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 제1 파장의 반사율이 최대로 된다.
광학 필터에서, 제1 금속 구조체 군의 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기는 제1 파장 이하일 수 있다.
제1 길이와 제2 길이가 동일할 수 있다.
제1 금속 구조체들은 정사각형 형상일 수 있다.
광학 필터에서, 제1 금속 구조체들의 두께는 제1 파장 이하일 수 있다.
제1 금속 구조체들은 알루미늄, 또는 알루미늄을 포함하는 합금 또는 혼합물로 이루어질 수 있다.
광학 필터에서, 유전체 기판의 유전 상수와 유전체층의 유전 상수가 동일할 수 있다.
유전체 기판과 유전체층은 이산화규소, 이산화티타늄, 및 질화규소로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나로 구성될 수 있다.
광학 필터에서, 유전체층의 표면으로부터 제1 금속 구조체의 표면까지의 거리는 하기 식에 의해 표현되는 d값 이하일 수 있으며,
<수학식 1>
Figure 112010007945853-pct00001
여기서 λres는 제1 금속 구조체들의 플라즈몬 공명 파장(plasmon resonance wavelength)을 나타내고, n은 유전체층의 굴절률을 나타내며, ΔλFW는 제1 금속 구조체의 공명 스펙트럼의 반치전폭(full width at half maximum)을 나타낸다.
광학 필터에서, 유전체층의 표면으로부터 제1 금속 구조체들의 표면까지의 거리는 하기 식에 의해 표현되는 d값 이하일 수 있으며,
<수학식 2>
Figure 112010007945853-pct00002
여기서 λres는 제1 금속 구조체들의 플라즈몬 공명 파장을 나타내고, n은 유전체층의 굴절률을 나타내며, △λHW는 제1 금속 구조체의 공명 스펙트럼의 반치반폭(half width at half maximum)을 나타낼 수 있다.
광학 필터에서, 제1 길이 및 제2 길이는 110nm 이상 160nm 이하의 범위 내이며, 제1 금속 구조체들의 두께는 10nm 이상 200nm 이하의 범위 내이고, 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기는 340nm 이상 450nm 이하의 범위 내이며, 제1 파장은 550nm 이상 650nm 미만의 범위 내일 수 있다.
광학 필터에서, 제1 길이 및 제2 길이는 90nm 이상 130nm 미만의 범위 내이며, 제1 금속 구조체들의 두께는 10nm 이상 200nm 이하의 범위 내이고, 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기는 260nm 이상 340nm 이하의 범위 내이며, 제1 파장은 450nm 이상 550nm 미만의 범위 내일 수 있다.
광학 필터에서, 제1 길이 및 제2 길이는 60nm 이상 100nm 미만의 범위 내이며, 제1 금속 구조체들의 두께는 10nm 이상 200nm 이하의 범위 내이고, 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기는 180nm 이상 280nm 이하의 범위 내이며, 제1 파장은 350nm 이상 450nm 미만의 범위 내일 수 있다.
광학 필터는 유전체 기판의 면내 방향으로 2개 이상의 제1 금속 구조체 군을 포함할 수 있고;
2개 이상의 제1 금속 구조체 군을 구성하는 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기들은 서로 상이하고, 2개 이상의 제1 금속 구조체 군은 유전체 기판 표면의 상이한 영역들에 배열된다.
광학 필터는 제1 금속 구조체 군과는 별도로, 복수의 제2 금속 구조체들이 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열된 제2 금속 구조체 군을 포함할 수 있고,
제2 금속 구조체들은 제1 방향으로 제3 길이를 갖고, 제2 방향으로 제4 길이를 가지며, 제3 길이와 제4 길이는 제1 파장과 상이한 제2 파장 이하이고,
제3 길이가 제1 길이와 상이하거나 또는 제4 길이가 제2 길이와 상이하고;
제1 금속 구조체 군과 제2 금속 구조체 군이 유전체 기판 표면의 상이한 영역들에 배열되고,
유전체 기판 또는 유전체층에 입사하는 광과 제2 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 제2 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 제2 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 제2 파장의 반사율이 최대로 된다.
광학 필터는 유전체 기판의 면내 방향으로 2개 이상의 제1 금속 구조체 군을 포함할 수 있고,
2개 이상의 제1 금속 구조체 군은 중복된 영역들에 배열된다.
광학 필터는 유전체 기판의 면내 방향으로 2개 이상의 제1 금속 구조체 군을 포함할 수 있고;
2개 이상의 제1 금속 구조체 군을 구성하는 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기들은 서로 상이하고;
2개 이상의 제1 금속 구조체 군은 중복된 영역들에 배열된다.
광학 필터는 제1 금속 구조체 군과는 별도로, 복수의 제2 금속 구조체들이 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열된 제2 금속 구조체 군을 포함할 수 있고,
제2 금속 구조체들은 제1 방향으로 제3 길이를 갖고, 제2 방향으로 제4 길이를 가지며, 제3 길이와 제4 길이는 제1 파장과 상이한 제2 파장 이하이고,
제3 길이는 제1 길이와 상이하거나 또는 제4 길이는 제2 길이와 상이하고;
제1 금속 구조체 군과 제2 금속 구조체 군은 중복된 영역들에 배열되고,
유전체 기판 또는 유전체층에 입사하는 광과 제2 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 제2 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 제2 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 제2 파장의 반사율이 최대로 된다.
본 발명은 광을 투과시키거나 또는 반사시키는 광학 필터에 관한 것이며, 광학 필터는,
유전체 기판;
유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 배열된 복수의 금속 구조체를 포함하고, 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군 및 제2 금속 구조체 군; 및
제1 금속 구조체 군 및 제2 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
제1 금속 구조체 군 및 제2 금속 구조체 군이 유전체 기판 표면의 상이한 영역들에 배열되고;
제1 금속 구조체 군을 구성하는 제1 금속 구조체들은 제1 방향으로 배열되고, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고, 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 제1 길이와 제2 길이는 제1 파장 이하의 길이들이며;
제2 금속 구조체 군을 구성하는 제2 금속 구조체들은 제1 방향으로 배열되고, 제1 방향으로 제3 길이를 갖고, 제2 방향으로 제4 길이를 가지며, 제3 길이와 제4 길이는 제1 파장과 상이한 제2 파장 이하의 길이들이며, 제1 길이와 제3 길이가 상이하거나 또는 제2 길이와 제4 길이가 상이하고;
제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 제1 파장의 반사율이 최대로 되고;
제2 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 제2 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 제2 파장의 반사율이 최대로 된다.
광학 필터에서, 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기와 제2 금속 구조체들이 배열되는 주기는 동일할 수 있다.
본 발명은 청구항 제1항에 따른 광학 필터를 구성하는 유전체층의 표면에 다른 유전체층이 형성된 적층형 광학 필터(laminated optical filter)에 관한 것이며:
유전체층의 표면과 다른 유전체층 사이에 제공되며, 복수의 제3 금속 구조체가 유전체층의 표면의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열된 제3 금속 구조체군을 포함하고,
제3 금속 구조체 군을 구성하는 제3 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제5 길이, 및, 제2 방향으로 제6 길이를 가지며, 제5 길이와 제6 길이는 제1 파장과 상이한 제3 파장 이하의 길이들이며,
제1 길이와 제5 길이가 상이하거나 또는 제2 길이와 제6 길이가 상이하거나, 또는 제3 금속 구조체들이 배열되는 주기가 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기와 상이하며;
제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 제1 파장의 반사율이 최대로 되고;
제3 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 제3 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 제3 파장의 반사율이 최대로 된다.
본 발명은 광학 필터를 포함하는 광 검출 장치에 관한 것이다.
본 발명은 광 검출 장치를 포함하는 촬상 장치에 관한 것이다.
본 발명은 촬상 장치를 포함하는 카메라에 관한 것이다.
본 발명은 가시광 영역의 광을 투과시키거나 반사시키는 광학 필터에 관한 것이며, 광학 필터는,
유전체 기판;
유전체 기판의 표면에 형성된 유전체층; 및
유전체 기판과 유전체층 사이에 제공되며, 복수의 제1 금속 구조체가 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 주기적으로 2차원적으로 배열된 제1 금속 구조체 군을 포함하고,
제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고, 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 제1 길이와 제2 길이는 가시광 영역의 광 이하이며,
유전체 기판 또는 유전체층에 입사하는 광과 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 가시광 영역의 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 가시광 영역의 제1 파장의 반사율이 최대로 된다.
본 발명에 따르면, 가시광 영역을 포함하는 웨이브밴드 영역에 있어서, 홀형 금속 박막 필터보다도 광흡수가 적고, 투과율이 높은 광학 필터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 비교적 큰 표면적을 갖는 금속막의 주변 구조체에 대응하는 표면 플라즈몬을 이용하는 필터들에 비하여 크기의 선택에 대하여 더 큰 자유도를 갖는 광학 필터를 제공할 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징들은 첨부 도면들을 참조하여 이하의 예시적인 실시예들의 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1 실시예를 예시하는 모식도들이다.
도 2는 제1 실시예에 의해 얻어지는 투과 스펙트럼을 예시하는 도면이다.
도 3은 제2 실시예를 예시하는 모식도이다.
도 4a 및 도 4b는 제4 실시예를 예시하는 모식도들이다.
도 5는 제5 실시예를 예시하는 모식도이다.
도 6은 제5 실시예를 예시하는 모식도이다.
도 7은 제6 실시예를 예시하는 모식도이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 예 1에 따른 광학 필터의 모식도들이다.
도 9a 및 도 9b는 예 1에 따른 광학 필터에 의해 얻어지는 투과 스펙트럼들을 예시하는 도면들이다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 예 2에 따른 광학 필터의 모식도들이다.
도 11은 예 2에 따른 광학 필터에 의해 얻어지는 투과 스펙트럼들을 예시하는 도면이다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c는 예 3에 따른 광학 필터의 모식도들이다.
도 13은 예 3에 따른 광학 필터에 의해 얻어지는 투과 스펙트럼들을 예시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예를 설명할 때 사용한 모식도이다.
도 15a 및 도 15b는 예 4에 따른 광학 필터 및 투과 스펙트럼들을 예시하는 모식도들이다.
도 16은 제3 실시예를 예시하는 모식도이다.
도 17은 금속 구조체의 길이와 공명 파장 사이의 관계를 예시하는 도면이다.
도 18a, 도 18b 및 도 18c는 금속 구조체들의 길이들을 규정한 모식도들이다.
도 19는 금속 구조체의 길이와 공명 파장 사이의 관계를 예시하는 도면이다.
도 20은 금속 구조체의 두께와 공명 파장 사이의 관계를 예시하는 도면이다.
도 21은 금속 구조체들의 주기와 공명 파장 사이의 관계를 예시하는 도면이다.
도 22는 파장과 투과율 사이의 관계를 도시하는 도면이다.
도 23은 본 발명의 광 검출 장치의 개략도이다.
도 24는 본 발명의 촬상 장치의 개략도이다.
도 25는 본 발명의 디지털 카메라의 개략도이다.
본 발명의 발명자들은, 홀형의 금속 박막에서 광의 투과율이 낮다는 사실에 착안하고, 복수의 금속 구조체를 유전체 기판에 배열한 도트형(dot-type) 광학 필터를 검토했다.
금속 입자, 특히 대략 광의 파장의 크기 또는 그 이하의 크기의 입자는, 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR: localized surface plasmon resonance)을 발생시킬 수 있다.
이 경우에서, "플라즈몬"이라는 용어는, 광 등의 외부 전기장에 의해 여기되는 금속 표면의 자유 전자들의 집단적인 진동을 칭한다. 전자들은 전기적으로 대전되어 있기 때문에, 전자들의 진동에 의해 야기된 자유 전자들의 밀도 분포에 의한 분극이 발생한다. 그 분극과 전자기장이 결합하는 현상을 "플라즈몬 공명"이라고 칭한다.
특히, 금속의 입자 표면이나 금속 미세 구조체에 발생하는 자유 전자들의 플라스마 진동들과 광 사이의 공명 현상을 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)이라고 칭한다.
더욱 구체적으로, 금속 입자 표면의 자유 전자들의 집단적인 진동이 광 등의 외부 전기장에 의해 여기되어, 그 진동에 의해 전자들의 밀도 분포와 그 밀도 분포에 수반하는 분극이 발생되고, 입자의 부근에 국재하는(localize) 전자기장이 발생한다.
동일한 표면적의 필터들을 비교하면, 유전체 기판에 복수의 금속 구조체를 배열한 (예를 들어 주기적으로 배열한) 도트형 광학 필터는, 홀형 광학 필터에 비하여, 금속 부분을 감소시킬 수 있다는 것을 알게 된다. 그로 인해, 도트형 광학 필터는 큰 개구부를 용이하게 하고 금속에 의한 광의 흡수가 억제될 수 있는 구성을 제공하기 때문에 전체적인 투과율이 홀형 광학 필터에 비하여 증가될 수 있다.
도 14는 유전체 기판(1401) 상에 복수의 금속(1402)이 (예를 들어, 특정 주기로) 배치되어 있는 도트형 광학 필터의 모식도이다. 이렇게 구성함으로써, 특정한 파장에서 투과율의 최소값을 갖는 투과 스펙트럼을 얻을 수 있다.
이것은 특정한 파장의 광이 LSPR에 의해 흡수되고 분산되는 것이 발생하여, 투과율 최소값이 투과 스펙트럼에서 생기는 것에 기인한다.
금속 구조체가 수 nm 이상의 재료 두께를 갖는 한, LSPR의 발생은 심지어 미세 금속 구조체를 사용함으로써도 야기될 수 있다.
본 발명의 발명자들은 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용하는 광학 필터를 검토하였다.
그러나, 본 발명의 본 발명자들이 검토하였을 때, 그들은 단순히 유전체 기판(1401) 상에 금속들(1402)을 배열하기만 한 경우에, 광학 필터에 바람직하지 않은 몇몇 현상을 발견했다.
더욱 구체적으로, 단순히 유전체 기판(1401) 상부에 금속들(1402)을 배열하기만 했을 때, 공기와 금속들과의 경계(금속 상면(1403))의 플라즈몬 공명의 주파수와, 금속들(1402)과 유전체 기판(1401) 사이의 경계(금속 하면(1404))의 플라즈몬 공명의 주파수 사이에 차이가 있다. 이 결과, 광학 스펙트럼 폭의 확대나 피크 쪼개짐(peak splitting)이 발생하고, 광학 필터에 바람직하지 않은 특성들이 나타나는 것을 발견하였다.
또한, 이 광학 필터를 반사 필터로서 사용하는 때에는, 입사광이 유전체 기판측으로부터 입사하는지 또는 금속측으로부터 입사하는지에 따라, 반사 특성들이 상이하다. 그로 인해, 원하는 광학적 특성들을 발현시키기 위해서는, 광학 필터는 하나의 주어진 방향으로부터만 광이 입사하도록 허용하여야 하고, 이러한 종류의 광학 필터를 사용하는 광학계의 설계 자유도가 감소될 가능성이 있다.
또한, 금속들의 표면에 먼지가 부착하면, 피크 파장의 시프트가 발생한다는 문제도 있다.
따라서, 본 발명의 발명자들은 유전체 재료에 금속들이 매립되는 구조체들을 검토하였다. 그 결과, 본 발명의 발명자들은 공기와 금속의 사이의 경계의 플라즈몬 공명 주파수들의 차이에 기인하는 스펙트럼 피크들의 쪼개짐 및 피크폭 확대를 억제하는 데 성공하였다.
또한, 본 발명의 발명자들은 금속의 산화 방지, 및 금속 표면들에 먼지가 부착하는 것에 의한 광학 특성들의 변화들(피크 파장들의 시프트들)의 억제도 가능함을 발견하였다.
이와 관련하여, 일반적인 광학 필터인 유전체 다층 필터나 색소 필터(coloring filter) 등의 디바이스를 사용하려고 할 때, 광의 파장 이상의 막 두께가 필요하다. 더욱 구체적으로는, 대략 1μm 이상의 막 두께가 필요하다.
대조적으로, 본 발명의 광학 필터에 따르면, 금속 두께가 대략 100nm 이하의 금속 두께를 포함하는 막 두께의 필터를 구성하는 것이 가능하다. 금속 구조체들의 상부에 대략 100nm의 보호층을 적층하더라도 전체적인 막 두께가 대략 200nm로 유지될 수 있기 때문에, 종래의 필터에 비하여 얇은 막 두께를 갖는 필터를 제공할 수 있다.
이에 의해, 본 발명에 따른 광학 필터를 CCD 센서 또는 CMOS 센서 등의 수광 소자에 사용하면, 수광 소자의 소형화가 가능해진다. 또한, 본 발명에 따른 광학 필터를 수광 소자에 사용하면, 수광 소자의 고화소수화에 수반하는 각 화소의 관찰각(observation angle)의 감소에 의해 야기되는 수광량 부족들을 완화하는 것도 가능해진다.
(제1 실시예: 단층 광학 필터 및 적층형 광학 필터)
이하, 본 발명의 실시예가, 도면들을 사용해서 설명된다.
도 1b는 본 발명의 제1 실시예인 광학 필터의 상면도이다. 도 1a는 도 1b에 도시된 1A-1A선을 따르는 단면도이다.
유전체 기판(110)의 표면에는 유전체층(130)이 제공된다. 이 유전체 기판(110)과 유전체층(130)의 사이에는 복수의 금속 구조체(120)가 배열된다.
금속 구조체들(120)은 유전체 기판(110)의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 주기적으로 배열되어 금속 구조체 군을 구성한다. 이와 관련하여, 설명의 목적상, 제1 금속 구조체 군을 구성하는 2개의 제1 금속 구조체는 참조 번호들(121 및 122)로 나타낸다.
본 발명의 광학 필터는 금속 구조체 자체에 유도되는 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용한다. 본 발명에서, 복수의 금속 구조체(120)의 주기적인 배열은 아래에 설명된 것과 같은 것이 바람직하다.
국소 표면 플라즈몬이 금속 구조체에 유도될 때, 금속 구조체로부터 전기장이 침투한다. 그리하여 복수의 금속 구조체들이 전기장의 침투 길이(penetration length)의 범위에 배열될 때, 각 금속 구조체의 공명 조건은 서로 영향받는다. 그 영향을 감소시키기 위해서는 본 발명에서 금속 구조체와 그 근방의 금속 구조체들 사이의 전자기 관계들이 서로 거의 동등한 위치에 금속 구조체가 배열되는 것이 바람직하고, 이는 금속 구조체들의 주기적인 배열을 의미한다.
금속 구조체들의 주기적인 배열은 금속 구조체들 사이의 플라즈몬 공명 조건의 미스매칭(mismatching)을 억제하고, 동일한 파장 및 동일한 위상을 갖는 국소 표면 플라즈몬이 각각의 구조체에 유도될 수 있다. 그리하여 투과 스펙트럼의 공진 피크의 딥(dip)은 더 깊어질 수 있고 피크폭은 더 좁게 될 수 있다. 회절광의 부여가 제한될 때도, 투과 스펙트럼의 형상에 대한 영향이 감소될 수 있다.
복수의 금속 구조체가 서로 너무 가깝게 배열되는 경우, 금속 구조체들의 공명 조건들은 서로에 의하여 강하게 영향을 받아서 원하는 공명 파장 또는 스펙트럼 폭이 얻어지지 않을 우려가 있으며 투과율이 감소할 우려가 있다. 국소 표면 플라즈몬 공명이 얻어질 때 금속 구조체로부터 금속 구조체 그 자신의 크기와 거의 동일한 길이까지 전기장이 투과한다는 것을 고려하면, 복수의 금속 구조체들이 금속 구조체의 크기와 대략 동등한 거리로 배열되는 것이 바람직하다.
또한 금속 구조체들이 전술된 투과 길이가 중복되지 않을 정도로 서로 이격되어 배열되는 것, 즉 금속 구조체의 크기의 대략 두 배 이상의 거리만큼 이격되어 배열되는 것도 바람직하다.
한편, 각 금속 구조체 사이의 거리가 금속 구조체의 크기의 거의 3배 정도까지 크게 되면, 투과 스펙트럼의 딥은 얕아진다.
따라서, 주기적으로 배열된 각 금속 구조체 사이의 거리에 대해서는, 그 거리가 금속 구조체 그 자신의 크기 이상이고, 금속 구조체의 크기의 3배까지의 범위 사이인 것이 바람직하고, 또한 금속 구조체의 크기의 대략 두 배인 것이 바람직하다.
도 1b에서, 제1 금속 구조체(121)는 제1 방향(140)으로 제1 길이(141)를 포함하고, 제1 방향(140)과 직교하는 제2 방향(150)으로 제2 길이(151)를 포함한다. 이 경우에, 제1 길이(141)와 제2 길이(151)는 예를 들어, 가시광 영역의 광학적 파장 이하의 길이로 설정된다. 금속 구조체에 유도된 플라즈몬들의 파장이 최저 차원인 모드(쌍극자 모드)인 때에도, 플라즈몬들의 반파장은 금속 구조체의 크기와 실질적으로 동일하다. 그로 인해, 예를 들어 가시광에 의해 플라즈몬들이 여기될 수 있는 구조체의 크기는 가시광의 여기 파장보다도 짧아지기 때문에, 이 길이들을 가시광 영역에 있어서의 광학적 파장 이하로 하고 있다.
또한, 제1 길이(141)와 제2 길이(151)를 플라즈몬 공명 파장(제1 파장) 이하로 하는 것이 바람직하다.
이 경우에서는, 일례로서, 제1 금속 구조체(121)는, 제1 길이와 제2 길이가 동일하고 한 변이 120nm인 정사각형 형상이라고 가정된다. 광학적 특성들에 대한 설계 용이성에 대해서는 정사각형 형상이 바람직하지만, 원형 형상, 타원 형상, 또는 또 다른 다각형 형상의 금속도 금속 구조체로서 사용할 수 있다. 예를 들어, 원형 형상을 갖는 금속은 편광 의존성을 억제하는 것이 가능하고 제작 정밀도도 유지하기 쉽기 때문에 적절하다.
정사각형 형상이 아닌 금속 구조체를 사용하는 경우에는, 도 18a 내지 도 18c에 도시한 바와 같이, 제1 길이 및 제2 길이를 각각 참조 번호들(1801 및 1802)로 나타낸 길이들로서 취급한다.
금속 구조체는 위의 형상에 한정되지 않고 다양한 형상들을 가질 수 있다. 한편, 제1 길이 또는 제2 길이는 금속 구조체의 최대폭으로서 간주될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 유전체 기판 또는 유전체층에 입사하는 광과 금속 구조체 사이의 공명에 의해 금속 구조체의 표면에 유도된 국소 표면 플라즈몬들에 의해 가시광 영역의 미리 정해진 파장(제1 파장)의 투과율이 최소값으로 된다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 제1 금속 구조체 군에 대하여, 금속 구조체들(120)이 배열되는 주기(145) 및 주기(155)는 가시광 영역의 광학적 파장 이하일 수 있고 바람직하게는 플라즈몬 공명 파장(제1 파장) 이하인 형태를 채용할 수 있다. 이것은, 금속 구조체들이 배열되는 주기들이 주목하고 있는 광학적 파장 영역을 초과할 때, 높은 차수의 회절광이 발생하여 0차 회절광의 강도가 감소할 가능성이 있기 때문이다.
또한, 금속 구조체들(120)이 배열되는 주기(145) 및 주기(155)가, 제1 금속 구조체 군의 플라즈몬 공명 파장(제1 파장) 미만인 형태도 채용될 수 있다. 이것은, 금속 구조체들이 배열되는 주기가 플라즈몬 공명 파장과 가깝게 될 때, "우드의 어노말리(Wood's anomaly)"를 일으키는 파장의 광이 플라즈몬 공명과 결합하여, 플라즈몬 공명에 의해 야기되는 피크 형상이 첨예화되고 공명 파장에서의 투과율 최소값의 깊이가 얕아지기 때문이다. 이 경우에, "우드의 어노말리"라는 용어는, 입사광이 주기적인 구조체에 의해 회절되고, 회절광이 금속 주기 구조체 표면의 극히 근방에서 표면과 평행하게 전파하는 현상을 칭한다.
이 경우에, 일례로서, 적색 파장 대역에 플라즈몬 공명을 발생시키는 것을 목적으로 하면, 주기들(145 및 155)은 400nm라고 가정된다.
제1 금속 구조체들(121 및 122) 사이의 간격(152)이 제1 길이(141) 및 제2 길이(151)를 초과하는 형태도 채용될 수 있다. 이러한 간격을 설정함으로써, 금속체 구조체들 사이에서 근접장 상호 작용에 의해 야기된 스펙트럼 피크폭들의 확대 또는 피크 파장들의 시프트들을 억제할 수 있다.
또한, 금속 구조체들(120)의 두께(160)가 가시광 영역의 광학적 파장 이하일 수 있고 바람직하게는 플라즈몬 공명 파장(제1 파장) 이하일 수 있는 형태를 채용할 수도 있다. 그 이유는 필터를 제작할 때 미세 가공 프로세스에 있어서 금속 구조체의 두께를 너무 두껍게 설정하면, 제작 오차가 커지기 때문이다. 이 경우에서는, 일례로서, 두께(160)를 30nm로 가정한다.
금속 구조체들(120)의 재료로서 알루미늄, 금, 은, 백금 등이 사용될 수 있다. 이들 중 알루미늄의 플라즈마 주파수는 은에 비하여 높고, 알루미늄을 이용하면 가시 영역 전체를 망라하는 광학적 특성들을 갖는 필터의 설계가 물리적으로 용이하다(Ag: ~3.8eV(~325nm), A1: ~15eV(~83nm)).
또한, 알루미늄은 은 등에 비하여 산화되기 어렵고, 화학적으로 안정하기 때문에, 미리 정해진 광학적 특성들을 장기간 동안 안정되게 나타낼 수 있다.
또한, 알루미늄의 유전 상수의 허수부는 은의 경우보다 크기 때문에, 알루미늄은 막 두께가 얇아도 은에 비하여 충분한 차광 효과를 달성할 수 있고, 미세 가공도 용이하다.
또한, 알루미늄은 백금과 같이 화학적으로 극도로 불활성이기 때문에 건식 에칭에 의한 미세 가공에서의 곤란함 등의 단점도 없다.
이와 관련하여, 금속 구조체들(120)은 알루미늄, 금, 은, 및 백금을 포함하는 혼합물 또는 합금일 수도 있다.
유전체 기판(110)의 재료는, 예를 들면 가시광 영역의 광을 투과하는 재료들인 석영(이산화규소) 또는 이산화티타늄 등의 금속 산화물들이나, 또는 질화규소 등의 높은 투과율을 갖는 재료들로부터 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 폴리카보네이트나 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 고분자 재료도 유전체 기판(110)의 재료로서 사용할 수 있다.
유전체층(130)의 재료는, 유전체 기판(110)과 마찬가지로, 석영(이산화규소), 이산화티타늄, 질화규소 등으로부터 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 폴리카보네이트나 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 고분자 재료도 유전체층(130)의 재료로서 사용할 수 있다.
유전체 기판(110)의 유전 상수와 유전체층(130)의 유전 상수 사이의 차이는 5% 이하일 수 있다. 그 이유는, 유전체 기판(110)의 유전 상수와 유전체층(130)의 유전 상수가 크게 상이하면, 금속 구조체들(120)과 유전체 기판(110)의 경계에서 발생하는 플라즈몬들의 여기 파장과, 금속 구조체들(120)과 유전체층(130)의 경계에서 발생하는 플라즈몬들의 여기 파장이 크게 상이하기 때문이다. 이 결과, 원하는 피크가 아닌 공명 파장의 피크가 발생하거나, 또는 피크폭 확대가 발생할 위험이 있다.
그로 인해, 유전체 기판의 유전 상수와 유전체층의 유전 상수가 동일한 것이 가장 바람직하다.
유전체층의 두께로부터 금속 구조체들(120)의 두께(160)를 뺀 두께(170)가 두꺼울 필요는 없다. 그 이유는, 유전체층의 두께가 너무 두꺼우면, 유전체층(130)이 일종의 패브리-페롯 공진기(Fabry-Perot resonator)를 형성하기 때문에, 투과 스펙트럼에 다수의 미세한 딥이 나타날 우려가 있기 때문이다.
그로 인해, 예를 들어, 금속 구조체들(120)의 플라즈몬 공명의 반치전폭의 파장 범위 내에 패브리-페롯 공진기의 공진기 모드들이 존재하지 않는 것이 적절하다.
이것을 달성하기 위해서, 적어도 공진기 모드들의 범위(FSR)가 플라즈몬 공명의 반치전폭보다도 넓은 것이 필요하다. 이 조건은 이하에서 나타낸다.
<수학식 1>
Figure 112010007945853-pct00003
여기서 λres는 금속 구조체들의 플라즈몬 공명 파장을 나타내고, n은 유전체층의 굴절률을 나타내며, ΔλFW는 금속 구조체들의 공명 스펙트럼의 반치전폭을 나타낸다.
이 경우에서, 식 중의 기호 d는 유전체층의 두께에 상당한다. 따라서, 예를 들어 전형적으로는 플라즈몬 공명의 반치전폭은 100nm이기 때문에, 플라즈몬 공명 파장을 650nm라고 가정하고, 유전체층의 굴절률을 1.46이라고 가정하면, d는 1447nm로 계산된다. 이러한 이유로 인해, 주목 파장 영역이 650nm±50nm일 때, 이 파장 영역에서 FSR이 100nm이상인 것을 보증하기 위해서는, 유전체층의 두께가 이 d값 이하가 될 필요가 있다.
패브리-페롯 공진기의 공진기 모드들이 주목 파장 영역보다도 짧은 파장 영역에서만 나타나도록 확보하는 구성도 바람직한 실시예이다.
패브리-페롯 공진기의 공진기 모드들은, 공진기 길이의 2배와 동등한 파장에서 발생한다. 주목 파장 영역을 금속 구조체들의 공명폭 내의 파장 영역이라고 가정할 때, 주목 파장 영역의 최단 파장은 공명 파장으로부터 공명의 반치반폭을 뺀 값이다. 그로 인해, 패브리-페롯 공진기의 공진기 모드들이 이 파장보다 짧아지기 위해서, 유전체층의 두께를 이하의 식으로 나타내는 d값 이하로 할 필요가 있다.
<수학식 2>
Figure 112010007945853-pct00004
여기서 λres는 금속 구조체들의 플라즈몬 공명 파장을 나타내고, n은 유전체층의 굴절률을 나타내며, △λHW는 금속 구조체들의 공명 스펙트럼의 반치반폭을 나타낸다.
예를 들어, 공명 파장이 450nm, 공명의 반치반폭이 50nm이고 굴절률이 1.46이라고 가정할 때, d는 137nm로 계산된다. 이로 인해, 가시광 영역의 최단파장인 400nm보다도 짧은 파장측에 패브리-페롯 공진기 모드들이 나타나지 않도록 보증하기 위해서, 유전체층의 두께는 이 d값 이하가 될 수 있다.
대조적으로, 유전체층의 두께가 지나치게 얇은 것은 적합하지 않고, 유전체층이 어느 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 유전체층의 두께로부터 금속 구조체들(120)의 두께를 뺀 두께(170)가, 금속 구조체들(120)의 제1 길이(141) 또는 제2 길이(151) 이상인 것이 적절하다. 또한, 두께(170)는 적어도 100nm 정도일 수 있다.
이것은 금속 구조체들(120)이 발생시키는 근접장의 퍼짐이, 전형적으로는 금속 구조체들(120) 자신의 크기 정도 또는 100nm 정도이기 때문이다. 금속 구조체들(120) 표면으로부터 금속 구조체들(120)에 의해 발생하는 근접장 영역 범위 정도의 거리 내의 공간이 유전체층으로 점유되어 있으면, 금속 구조체들(120)이 발생시키는 근접장 영역에 이물질이 혼입되어 금속 구조체들(120)의 광학적 특성들이 변화하는 상태가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
(계산 결과들)
도 2는 상기의 구조체를 사용해서 수치 계산들을 행한 결과들을 예시하는 도면이다. 더욱 구체적으로, 도 2는 120nm의 제1 길이와 제2 길이를 가지고, 400nm의 주기로 배열되고, 30nm의 두께를 갖는 금속 구조체들에 알루미늄을 사용하는 광학 필터를 사용하여 얻은 결과들을 예시한다. 이 광학 필터의 투과 스펙트럼은 투과 스펙트럼(201)에 의해 예시되어, 필터가 파장 650-nm 부근의 광을 강하게 흡수하는 광학 필터로서 기능한다는 것이 확인된다.
파장 650-nm은 적색에 대한 대역이기 때문에, 단어 "Red"의 첫 글자를 사용하여 이 필터를 "광학 필터 R"이라고 칭한다. 이 광학 필터는 적색 파장들을 반사하고 흡수하기 때문에, 적색의 보색인 시안(cyan)색이 투과 스펙트럼으로서 관찰될 수 있다.
금속 구조체들의 직경 또는 주기를 변화시킴으로써 투과 스펙트럼의 파장, 스펙트럼 대역폭, 및 강도를 변화시키는 것도 가능하다.
예를 들어, 길이를 100nm, 주기를 310nm, 그리고 두께를 30nm로 함으로써, 가시 영역의 녹색(파장 550nm) 부근에서 흡수를 갖는 투과 스펙트럼(202)을 갖는 광학 필터를 구성할 수 있다. 이것을 "광학 필터 G"라고 칭한다. 이 광학 필터 G의 투과 스펙트럼을 관찰하면, 녹색의 보색인 마젠타색을 관찰할 수 있다.
마찬가지로, 길이를 70nm, 주기를 250nm, 그리고 두께를 30nm로 함으로써, 가시 영역의 청색(파장 450nm) 부근에서 흡수를 갖는 투과 스펙트럼(203)을 갖는 광학 필터를 구성할 수 있다. 이것을 "광학 필터 B"라고 칭한다. 필터 B의 투과 스펙트럼을 관찰하면, 청색의 보색인 황색을 관찰할 수 있다.
이와 관련하여, 본 실시예에 따른 광학 필터의 반사 스펙트럼에 대하여, 투과율이 최소값이 되는 파장 근방에서 반사율이 최대값이 된다. 그로 인해, 본 실시예에 따른 광학 필터는, 투과 필터로서뿐만 아니라, 반사 필터로서 사용하는 것도 가능하다.
(설계 지침들)
이하, 금속 구조체 군을 구성하는 파라미터들과 광학적 특성들 사이의 관계를 설명한다.
금속 구조체에 유도되는 국소 표면 플라즈몬 공명은, 금속 구조체 내부에서의 자유 전자들의 플라스마 진동들에 수반하는 전하 밀도 분포이다. 전하 밀도 분포 또는 금속 구조체의 광학적 특성들은 구조체의 형상에 의해 영향을 받는다.
예를 들어, 금속 구조체들에 조사되는 광의 편광 방향과 직교하는 방향으로의 금속 구조체들의 길이, 금속 구조체들의 두께 및 금속 구조체들을 배열하는 주기를 일정하게 유지한 채, 편광 방향으로의 금속 구조체들의 길이를 증가시키면, 공명 파장은 장파장 측으로 시프트한다.
이로 인해, 금속 구조체들의 국소 표면 플라즈몬 공명의 파장을 장파장 측에 발생시키기 위해서는 금속 구조체들의 편광 방향으로의 길이를 증가시키면 충분한 것을 알게 된다. 이 경향을 도 17에 예시한다. 아래의 표 1은 도 17에 예시된 관계와 피크폭과 투과율 사이의 상관 관계를 예시한다.
Figure 112010007945853-pct00005
편광과 직교하는 방향으로의 길이는 100nm로 고정, 두께는 50nm로 고정, 주기는 500nm로 고정.
표 1에 따라, 금속 입자들의 편광 방향으로의 길이가 증가함에 따라, 공명 파장이 장파장으로 시프트할 뿐만 아니라, 피크폭이 넓어지고 흡수 피크에서의 투과율이 감소한다는 것을 알게 된다. 이와 관련하여, 광학 필터에 대한 입사광의 편광이 금속 입자의 길이의 방향 또는 폭의 방향을 반드시 엄격하게 따를 필요는 없다.
또한, 도 19에 도시한 바와 같이, 편광과 직교하는 방향으로의 금속 구조체들의 길이가 증가함에 따라서, 공명 파장은 단파장 측으로 시프트한다. 아래의 표 2는 도 19에 예시된 관계와 피크폭과 투과율 사이의 상관 관계를 예시한다.
Figure 112010007945853-pct00006
편광 방향으로의 길이는 300nm로 고정, 두께는 50nm로 고정, 주기는 500nm로 고정.
표 2에 따라, 금속 구조체들의 편광과 직교하는 방향으로의 길이가 증가함에 따라, 공명폭이 넓어지고 공명 파장에서의 투과율이 감소하는 경향이 있는 것을 알게 된다.
도 20은 공명 파장과 두께 사이의 관계를 예시한다. 또한, 아래의 표 3은 도 20에 예시된 관계와 피크폭과 투과율 사이의 상관 관계를 예시한다.
Figure 112010007945853-pct00007
편광 방향으로의 길이는 300nm로 고정, 편광과 직교하는 방향으로의 길이는 100nm로 고정, 주기는 500nm로 고정.
도 20 및 표 3에 도시된 바와 같이, 금속 구조체들의 두께가 증가할 때, 공명 파장이 짧아지고, 공명 파장에서의 투과율이 감소하고, 공명폭이 어느 정도 감소하는 경향이 있는 것을 알게 된다.
이 사실들을 사용하면, 도 22에 도시된 바와 같이, 투과 스펙트럼(2201)에서 투과 스펙트럼(2202)으로 스펙트럼 형상을 개선하는 것이 가능하다.
투과 스펙트럼(2201)에서는, 파장 530nm 부근에서 스펙트럼에 우드의 어노말리에 의한 날카로운 딥이 존재한다. 투과 스펙트럼(2201)은, 길이가 150nm인 변들을 갖는, 알루미늄을 포함하는 90nm의 막 두께의 정사각형 금속 도트들을 정삼각격자(equilateral triangular lattice) 형상으로 400nm의 주기로 배열했을 경우의 광학 스펙트럼이다. 한편, 투과 스펙트럼(2202)은 막 두께를 150nm로 증가시켰을 경우의 광학 스펙트럼이다.
더욱 구체적으로, 막 두께를 증가시킴으로써 도트 어레이의 공명 파장을 단파장 측으로 시프트시켜 우드의 어노말리의 날카로운 딥과 중복시킴으로써, 스펙트럼 형상이 단일 피크를 갖게 될 수 있고 공명폭이 더 좁은 대역을 포함하게 할 수 있다.
이러한 방식으로 금속 막 두께를 미리 정해진 값으로 함으로써, 스펙트럼에 있어서 바람직하지 않은 딥을 숨기는 것도 가능하다.
도 21은 공명 파장과 주기 사이의 관계를 예시한다. 또한, 아래의 표 4는 도 21에 예시된 관계와 피크폭과 투과율 사이의 상관 관계를 예시한다.
Figure 112010007945853-pct00008
편광 방향으로의 길이는 300nm로 고정, 편광과 직교하는 방향으로의 길이는 100nm로 고정, 두께는 50nm로 고정.
도 21 및 표 4에 도시한 바와 같이, 금속 구조체들이 배열되는 주기가 증가할 때, 공명 파장이 길어지고, 공명 파장에서의 투과율이 증가하고, 공명폭이 감소하는 경향이 있는 것을 알게 된다.
이 지식들을 기초로 하여, 금속 구조체들과 금속 구조체 군에 대한 파라미터들의 최적화를 도모하는 것이 가능하고, 원하는 파장에서 공명 파장을 갖는 광학 필터를 설계하는 것도 가능하다.
본 발명의 발명자들의 검토에 따르면, 광학 필터의 공명 파장을 적색의 대역(550nm 이상 내지 650nm 미만)으로 하기 위해서는, 금속 구조체들의 제1 길이와 제2 길이를 110nm 이상에서 160nm 이하까지의 범위로 설정할 필요가 있다. 또한, 금속 구조체들의 두께를 10nm 이상에서 200nm 이하까지의 범위로 설정하고, 주기를 340nm 이상에서 450nm 이하까지의 범위로 설정할 필요가 있다.
또한, 광학 필터의 공명 파장을 녹색의 대역(450nm 이상 내지 550nm 미만)으로 하기 위해서는, 금속 구조체들의 제1 길이와 제2 길이를 90nm 이상에서 130nm 미만까지의 범위로 설정할 필요가 있다. 또한, 금속 구조체들의 두께를 10nm 이상에서 200nm 이하까지의 범위로 설정하고, 금속 구조체들이 배열되는 주기를 260nm에서 340nm까지의 범위로 설정하고, 바람직하게는 270nm에서 330nm까지의 범위로 설정할 필요가 있다.
또한, 광학 필터의 공명 파장을 청색의 대역(350nm 이상 내지 450nm 미만)으로 하기 위해서는, 금속 구조체들의 제1 길이와 제2 길이를 60nm 이상에서 100nm 미만까지의 범위로 설정할 필요가 있다. 또한, 금속 구조체들의 두께를 10nm 이상에서 내지 200nm 이하까지의 범위로 설정하고, 금속 구조체들이 배열되는 주기를 180nm 이상에서 280nm 이하까지의 범위로 설정하고, 바람직하게는 200nm에서 270nm까지의 범위로 설정할 필요가 있다.
본 실시예의 광학 필터는 위에서 설명한 바와 같이, 가시광 영역에서 파장의 흡수 피크 또는 반사 피크를 갖는다. 한편, 금속 구조체 및 주변의 크기를 가시광 영역에 대한 지정값들로부터 감소시키는 것은 근자외선 영역(near-ultraviolet region)용 광학 필터를 실현할 수 있다. 또한, 금속 구조체 및 주변의 크기를 증가시키는 것은 근적외선 영역(near-infrared region)용 광학 필터를 실현할 수 있다.
(제2 실시예: 베이어 어레이(Bayer array))
본 실시예에 따르면, 베이어 어레이로 배열된 RGB 필터를 설명한다.
도 3에서, 영역(301)에는, 예를 들어, 전술한 광학 필터 R(투과 스펙트럼(201))을 배열하고, 영역(302)에는 광학 필터 G(투과 스펙트럼(202))를 배열하고, 영역(303)에는 광학 필터 B(투과 스펙트럼(203))를 배열한다. 이렇게 광학 필터들을 배열함으로써, 본 발명에 따른 필터들을 사용하여, 베이어 어레이로 배열된 컬러 필터를 구성하는 것이 가능하다.
상기 컬러 필터는 촬상 장치용 컬러 필터로서 사용될 수 있다. 컬러 필터의 영역(301) 등은 하나의 화소에 대응하는 영역을 가지며, 그 영역은 광전 변환 장치에 의해 덮이는 영역(광전 변환부)보다 클 수 있다.
본 실시예에 따르면, 각 영역마다 금속 구조체들의 크기들 및 금속 구조체들이 배열되는 주기들이 상이하다. 그러나, 본 실시예는 이 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 금속 구조체들이 배열되는 주기들만이 상이한 금속 구조체 군들이 각 영역에 배열될 수 있다. 또한, 금속 구조체들의 크기들만이 상이한 금속 구조체 군들이 각 영역에 배열될 수 있다.
즉, 2개 이상의 제1 금속 구조체 군을 포함하고, 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기들이 상이하며, 제1 금속 구조체 군들이 유전체 기판 표면의 상이한 영역들에 배열되는 구성이 채용될 수 있다.
또한, 제1 금속 구조체 군을 구성하는 제1 금속 구조체들과는 다른 형상인 제2 금속 구조체들을 포함하는 제2 금속 구조체 군이 각 영역에 배열될 수 있다. 더욱 구체적으로, 제2 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제3 길이를 갖고, 제2 방향으로 제4 길이를 갖고, 제3 길이는 제1 금속 구조체들의 제1 길이와 상이하거나 또는 제4 길이는 제1 금속 구조체들의 제2 길이와 상이하다. 제3 길이 및 제4 길이는 제2 파장 이하인 것이 바람직하다.
이 결과, 제2 금속 구조체군은, 제1 금속 구조체 군의 공명 파장(제1 파장)과는 상이한 파장(제2 파장)에서 광의 투과율을 감소시킬 수 있다.
본 명세서에서, "제1 금속 구조체 군"과 "제2 금속 구조체 군"이라는 용어들은 각각의 구조체 군들을 구성하는 금속 구조체들의 형상이 상이한 것을 가리킨다. 더욱 구체적으로, 금속 구조체들이 배열되는 주기들이 상이하여도, 금속 구조체들의 형상들이 같은 한, "제1 금속 구조체 군"이라고 하는 동일한 용어를 사용한다. 또한, 금속 구조체들의 형상이 상이하면, 주기가 동일하거나 상이한 것에 관계없이, "제2 금속 구조체 군"이라는 용어를 사용한다.
(제3 실시예: 삼각 격자(Triangular lattice))
도 16은 금속 구조체들이 삼각 격자 형상으로 배열되는 실시예를 예시하는 도면이다. 삼각 격자 배열의 경우에는, 격자의 단위 벡터 성분들이 직교하지 않기 때문에, 정방 격자(tetragonal lattice) 형상의 배열에 비하여 필터의 광학적 특성들의 입사광 편광에 대한 의존성을 감소시키는 것이 가능하다.
이러한 종류의 삼각 격자 배열은, 정방 격자 형상으로 배열된 복수의 금속 구조체 군이 중복된 영역들에 배치된다고 표현할 수도 있다.
더욱 구체적으로, 이러한 배열을, 중복된 영역들에 배열되는, 제1 금속 구조체들(1601)을 포함하는 제1 금속 구조체 군(1602)과, 제2 금속 구조체들(1603)을 포함하는 제2 금속 구조체 군(1604)에 의하여 표현하는 것이 가능하다.
(제4 실시예: 2개 이상의 구조체 군의 중복)
본 실시예에 따르면, 제3 실시예와 마찬가지로, 복수의 금속 구조체 군이 중복되어 배열되는 예가 설명된다.
도 4a는, 상이한 주기들을 갖는 제1 금속 구조체 군들이 중복되어 배열되는 경우를 예시하는 도면이다. 제1 금속 구조체 군(402)을 구성하는 제1 금속 구조체들(401)은 주기(405)로 배열되고, 제1 금속 구조체 군(404)을 구성하는 제1 금속 구조체들(403)은 주기(406)로 배열된다. 그리하여, 본 실시예에 따르면, 금속 구조체들의 배열 주기들이 서로 다르기 때문에, 2개의 금속 구조체 군의 개별적인 광학적 특성들을 동시에 발현시키는 것이 가능하다.
즉, 도 4a에 예시된 광학 필터는, 유전체 기판의 면내 방향으로, 2개 이상의 전술한 제1 금속 구조체 군을 포함하고, 이 2개 이상의 제1 금속 구조체 군을 구성하는 제1 구조체들이 배열되는 주기들은 서로 상이하다. 또한, 2개 이상의 제1 금속 구조체 군은 중복된 영역들에 배열된다.
도 4b는, 제1 금속 구조체들과 제2 금속 구조체들이 중복된 영역들에 배열되는 경우를 예시하는 도면이다. 제1 금속 구조체들(407)은 제1 금속 구조체 군을 구성하고, 제2 금속 구조체들(408)은 제2 금속 구조체 군을 구성한다. 그리하여 금속 구조체 군들을 구성하는 금속 구조체들의 형상들이 상이하기 때문에, 2개의 금속 구조체 군의 개별적인 광학적 특성들을 동시에 발현시키는 것이 가능하다.
더욱 구체적으로, 도 4b에 예시된 광학 필터는, 제1 금속 구조체 군과는 별도로, 유전체 기판의 면내 방향으로, 복수의 제2 금속 구조체를 고립 상태로 2차원적으로 주기적으로 배열한 제2 금속 구조체 군을 포함한다. 제2 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제3 길이를 갖고, 제2 방향으로 제4 길이를 갖고, 제3 길이와 제4 길이는 제1 파장과 상이한 제2 파장 이하이다. 제3 길이가 제1 길이와 상이하거나 또는 제4 길이가 제2 길이와 상이하며, 제1 금속 구조체 군과 제2 금속 구조체군은 중복된 영역들에 배열된다. 이 결과, 제1 금속 구조체들의 공명 파장(제1 파장)과, 제2 금속 구조체들의 공명 파장(제2 파장)은 상이하다.
(제5 실시예: 단일 열(Single-row) 필터)
본 실시예는, 단일 열 필터를 설명한다.
도 5에서, 제1 금속 구조체들(509)은 제1 방향(502)으로 제1 길이(504)를 갖고, 제1 방향(502)과 직교하는 방향인 제2 방향(503)으로 제2 길이(505)를 갖는다. 제1 금속 구조체들(509)은 제1 방향(502)으로 주기적으로 배열되어, 이에 의해 제1 금속 구조체 군(501)을 구성한다.
또한, 제2 금속 구조체들(510)은 제1 방향(502)으로 제3 길이(507)를 갖고, 제2 방향(503)으로 제4 길이(508)를 갖는다. 제2 금속 구조체들(510)은 제1 방향(502)으로 주기적으로 배열되어, 이에 의해 제2 금속 구조체 군(506)을 구성한다.
금속 구조체 군들(501 및 506)은 각각 상이한 파장의 광에 대하여 플라즈몬 공명을 발생시킨다. 그 결과, 상이한 파장들의 광의 투과율을 감소시킬 수 있다. 그로 인해, 도 5에 도시한 구조를 갖는 광학 필터에 대하여, 투과율이 감소하는 파장들이 광의 조사 위치에 따라 변화하기 때문에, 필터를 광 분산(light dispersion) 등에 사용하는 것이 가능하다.
이와 관련하여, 도 5에 도시된 구성에서 금속 구조체들(509)의 제1 방향으로의 주기가, 금속 구조체들(510)의 제1 방향으로의 주기와 상이하지만, 도 6에 도시된 바와 같이 주기들은 동일할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 광학 필터는, 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 배열되는 복수의 금속 구조체들을 갖는 제1 금속 구조체 군과 제2 금속 구조체 군을 포함한다. 제1 금속 구조체 군과 제2 금속 구조체 군은 유전체 기판 표면의 상이한 영역들에 배열된다. 제1 금속 구조체들은 제1 방향으로 주기적으로 배열된다. 제1 금속 구조체들의 제1 길이와 제2 길이는 제1 파장 이하의 길이이다. 또한, 제2 금속 구조체 군을 구성하는 제2 금속 구조체들은, 제1 방향으로 주기적으로 배열된다. 제2 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제3 길이를 갖고, 제2 방향으로 제4 길이를 갖는다. 제3 길이와 제4 길이는, 제1 파장과 상이한 제2 파장 이하의 길이들이다. 제1 길이와 제3 길이가 상이하거나, 또는 제2 길이와 제4 길이가 상이하다. 그 결과, 제1 금속 구조체들의 공명 파장(제1 파장)은 제2 금속 구조체들의 공명 파장(제2 파장)과 상이하다.
(제6 실시예: 적층형 광학 필터)
본 실시예는, 적층형 광학 필터를 설명한다.
도 7에서, 유전체 기판(701) 상에 제1 금속 구조체 군(702)이 형성되고, 이것은 제1 유전체층(703)으로 덮인다. 또한, 제1 유전체층(703) 상에 제3 금속 구조체 군(704)이 배열되고, 그 위에 제2 유전체층(다른 유전체층)(705)이 형성된다.
이에 의해, 도 2에 예시된 투과 스펙트럼(201)과 투과 스펙트럼(203)의 곱(product)으로 표현되는 투과 스펙트럼을 갖는 광학 필터를 만드는 것도 가능하다. 예를 들어, 광학 필터 R과 광학 필터 B의 필터들을 적층함으로써, 광학 필터 R의 투과율과 광학 필터 B의 투과율의 곱의 투과 스펙트럼을 갖는 광학 필터를 만들 수 있다. 이 필터에서는, 파장 550-nm 부근에서 투과율의 최대값이 발생한다. 그리하여, 단층에서 보색의 필터들로서 기능하는 필터들을 적층함으로써 원색들의 필터들로서 기능하는 필터들을 만드는 것도 가능하다.
제1 금속 구조체 군(702)과 제3 금속 구조체 군(704)의 구성들은 면내 배열 주기가 상이하거나 또는 금속 구조체들의 형상이 상이하다.
제1 금속 구조체 군(702)의 구성과 제3 금속 구조체 군(704)의 구성이 상이하기 때문에, 이 층들 각각은 서로 상이한 파장들에서 플라즈몬 공명을 발생시킨다. 그 결과, 본 실시예의 광학 필터에서는, 적어도 두 개의 파장에 대하여 투과율이 최소로 된다.
즉, 이 사실은 본 실시예의 광학 필터가 전술한 두 개의 최소 파장(minimal wavelength) 사이의 파장들을 통과시키는 대역통과 필터로서의 기능을 포함한다는 것을 의미한다.
따라서, 단층인 제1 금속 구조체 군(702)과 제3 금속 구조체 군(704)은 각각 보색 필터의 기능을 갖지만, 이들 두 개의 금속 구조체 군이 적층되는 구성을 채용함으로써 두 금속 구조체 군 모두의 특성들을 결합하는 원색 필터의 기능을 발현할 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 실시예에 따른 적층형 광학 필터는, 유전체층 표면 상에 다른 유전체층이 형성된 적층형 광학 필터이다. 또한, 적층형 광학 필터는 유전체층 표면과 다른 유전체층 사이에, 복수의 제3 금속 구조체를 유전체층 표면의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 주기적으로 배열한 제3 금속 구조체 군을 포함한다. 제3 금속 구조체 군을 구성하는 제3 금속 구조체는, 제1 방향으로 제5 길이를 포함하고, 제2 방향으로 제6 길이를 포함하고, 제5 길이와 제6 길이는 제1 파장과 상이한 제3 파장 이하의 길이들이다. 제1 길이와 제5 길이가 상이하거나 또는 제2 길이와 제6 길이가 상이하거나, 또는, 제3 금속 구조체들이 배열되는 주기와 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기가 상이하다. 이에 의해, 제3 금속 구조체 군은, 제1 금속 구조체 군의 공명 파장(제1 파장)과는 상이한 공명 파장(제3 파장)에서의 투과율을 감소시킬 수 있다.
이와 관련하여, 본 실시예의 적층형 광학 필터에 대하여, 근접장 상호 작용이 거의 일어나지 않는 적층 간격으로 유전체층들을 적층하는 형태를 채용할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 적층 간격은 100nm 이상일 수 있다.
(예 1)
예 1에서는, 적, 녹, 청(RGB)의 흡수/반사 필터들의 제작 방법과 그들의 광학적 특성들을 설명한다.
도 8a는 두께 525μm의 석영 기판을 포함하는 유전체 기판(801)의 표면에, 금속 박막층(802)으로서 30nm 두께의 알루미늄을 피착하고, 그 위에 전자선(electron beam: EB) 리소그래피용 레지스트(803)를 코팅함으로써 형성한 구조체를 예시하는 도면이다. 금속 박막층(802)의 형성 방법은 피착에 한정되지 않고, 스퍼터링 등일 수 있다.
다음에, EB 리소그래피 장치를 사용하여, 레지스트(803)를 패터닝한다. 레지스트 패턴은, 대략 120nm인 변들을 갖는 정사각형들이 대략 400nm의 주기로 정방 격자 형상으로 배열되는 형상으로 형성된다. 이 레지스트 패턴을 에칭 마스크로서 사용하여, 염소와 산소의 가스 혼합물을 포함하는 플라즈마로 건식 에칭함으로써 금속 박막 구조체들(804)을 형성할 수 있다. 건식 에칭 가스는 염소와 산소에 한정되지 않고, 아르곤이나 다른 가스일 수 있다.
에칭 마스크의 준비 방법은 EB 리소그래피에 한정되지 않고, 포토리소그래피 등일 수 있다. 또한, 금속 박막층(802)의 패터닝 방법은, 유전체 기판(801)에 EB 리소그래피 또는 포토리소그래피에 의해 레지스트 패턴을 형성하고, 금속 박막층(802)을 형성한 후에 리프트 오프(lift-off) 프로세스를 행하는 방법일 수 있다. 또한, 포커스된 이온 빔 가공 장치(FIB 가공 장치)를 사용하여, 금속 박막층(802)을 직접 형성할 수 있다.
다음에, 금속 박막 구조체들(804) 상에 유전체층(805)으로서 300nm 두께의 석영 박막을 스퍼터링에 의해 형성한다. 이와 같이 하여 형성된 광학 필터를 도 8b에 예시한다. 이와 관련하여, 성막법은 스퍼터링에 한정되지 않고, CVD에 의해 또는 SOG 등을 도포함으로써 성막이 수행될 수 있다.
도 9a는 이러한 방식으로 제작한 광학 필터의 투과 스펙트럼들을 예시한다. 투과 스펙트럼 R은 참조 번호(901)로 나타낸 것과 같이 수치 계산에 의해 결정되고, 본 필터는 파장 650-nm 부근에서 투과율의 최소값(흡수 피크)을 갖는 것을 알게 된다. 흡수 피크를 나타내는 파장이 가시 영역의 적색에 대응하기 때문에, 본 필터는 적색을 흡수하는 보색 필터로서 기능하는 것을 알게 된다.
또한, 금속 박막 구조체들(804)의 직경을 대략 100nm로 하고, 두께를 대략 30nm로 하고, 금속 박막 구조체들(804)이 배열되는 주기를 대략 310nm로 하는 것에 의해, 참조 번호(902)로 나타내는 투과 스펙트럼 G가 얻어진다. 마찬가지로, 금속 박막 구조체들(804)의 직경을 대략 70nm로 하고, 두께를 대략 30nm로 하고, 금속 박막 구조체들(804)이 배열되는 주기를 대략 250nm로 함으로써 참조 번호(903)로 나타내어지는 투과 스펙트럼 B가 얻어진다. 이들은 RGB를 흡수하는 광학 필터들이고, 보색 필터들로서 기능한다.
또한, 본 예의 필터의 반사 스펙트럼에 대하여, 투과율이 최소인 파장과 실질적으로 동일한 파장에서 반사율이 최대이다.
그로 인해, 도 9b에 도시한 바와 같이, 본 예의 광학 필터를 반사 필터로서 사용함으로써, 투과 스펙트럼 R을 갖는 필터로부터 참조 번호(904)로 나타내어지는 반사 스펙트럼 R을 얻을 수 있다. 마찬가지로, 투과 스펙트럼 G를 갖는 필터로부터 참조 번호(905)로 나타내어지는 반사 스펙트럼 G를 얻을 수 있고, 투과 스펙트럼 B를 갖는 필터로부터 참조 번호(906)로 나타내어지는 반사 스펙트럼 B를 얻을 수 있다. 그리하여, 이 광학 필터들은 가시 영역의 적, 녹, 및 청을 각각 강하게 반사하는 광학 필터들로서 기능하게 될 수 있다.
본 실시예는 금속 구조체들이 정방 격자 형상으로 배열되는 예를 사용해서 설명되었지만, 금속 구조체들이 삼각 격자 배열로 배열될 수 있다.
또한, 유전체층(805)의 두께는 300nm로 한정되지 않고, 유전체층(805)은 300nm보다 얇을 수 있다. 금속 구조체들이 발생시키는 근접장 영역의 폭이 유전체층에 의해 덮이도록, 두께가 약 100nm 이상인 것이 적절하다.
(예 2)
예 2에서, 베이어 어레이로 배열된 RGB 필터의 제작 방법과 그 광학적 특성들을 설명한다. 도 10a는 두께 525μm의 석영 기판을 포함하는 유전체 기판(1001)의 표면에, 금속 박막층(1002)으로서 20nm 두께의 알루미늄을 피착하고, 그 위에 레지스트(1003)를 코팅하여 형성된 구조체를 예시하는 도면이다.
다음에, EB 리소그래피 장치를 사용하여 레지스트(1003)를 패터닝한다. 레지스트 패턴의 형상에 대하여는, 대략 130nm의 변들을 갖는 정사각형들을 대략 380nm 주기로 정방 격자 형상으로 배열하여 형성된 형상들이 대략 10μm 간격으로 패터닝되는 부분을 패턴부 A(1004)라고 한다. 또한, 대략 110nm의 변들을 갖는 정사각형들을 대략 280nm 주기로 정방 격자 형상으로 배열하여 형성된 형상을 패턴부 B(lOO5)라고 한다. 또한, 대략 80nm의 변들을 갖는 정사각형들을 대략 200nm 주기로 정방 격자 형상으로 배열하여 형성된 형상을 패턴부 C(lOO6)라고 한다. 이들 각 패턴부를 개별적인 패턴부 사이에 10μm의 간극을 갖는, 도 10b에 도시한 바와 같이 배열한 구조를 준비한다. 이 레지스트 패턴을 에칭 마스크로서 이용하여, 염소와 산소의 가스 혼합물을 포함하는 플라즈마로 건식 에칭함으로써 금속 박막 구조체들(1007)을 준비한다.
다음에, 금속 박막 구조체들(1007) 상에 유전체층(1008)으로서 500nm 두께의 석영 박막을 스퍼터링에 의해 형성한다. 이와 같이 하여 형성된 광학 필터를 도 10c에 도시한다.
이와 관련하여, 상술한 패턴부들의 사이의 영역들에, 혼색을 방지하기 위해서 차광층이 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예와 마찬가지로, 각 패턴부를 구성하는 금속 구조체들의 두께를 동일하게 하면, 각 패턴부를 동일 프로세스 내에서 제작하는 것이 가능하고, 패턴부들 사이의 경계선들을 없애는 것도 가능하다.
도 11에 도시한 바와 같이, 이와 같이 하여 준비된 패턴부들 A, B, 및 C는 참조 번호(1101)로 나타내어진 투과 스펙트럼 R, 참조 번호(1102)로 나타내어진 투과 스펙트럼 G, 참조 번호(1103)로 나타내어진 투과 스펙트럼 B를 갖는다. 이것들은 적, 녹, 및 청에 대한 보색 필터들로서 각각 기능할 수 있다. 또한, 본 예에서와 같이 모든 패턴부들에 대해서 두께를 동일하게 제작함으로써, 동일 배치(batch)에서 적, 녹, 및 청에 대한 보색 필터들을 제작할 수 있다.
본 예의 금속 구조체를 사용하는 광학 필터는 흡수 파장 또는 반사 파장이 상이한 복수의 광학 필터가 두께에 있어서 동일하더라도 단순히 구조체의 크기 또는 배열의 주기를 변화시킴으로써 동시에 제작될 수 있게 하는 구성을 갖는다.
일반적으로 말해서, 개별적인 프로세스들을 통하여 수 종류의 색소를 따로따로 적용하기 위해서 일반적인 광학 필터인, 색소 필터(colorant filter) 어레이를 제작하는 것이 필요하다. 한편, 본 예의 광학 필터의 구성은 파장이 상이한 광학 필터들이 동일한 프로세스를 통해 제작될 수 있게 하여, 제작 비용이 감소될 수 있게 한다. 유전체층(1008)의 두께는 500nm에 한정되지 않는다. 예를 들어, 청색 파장 영역(파장 450-nm)에 있어서 100nm 이상의 FSR을 확보할 수 있는 것을 보증하기 위해서는, 유전체층의 두께는 그 굴절률이 1.46일 때 대략 690nm 이하인 것이 적절하다. 또한, 금속 구조체들이 발생시킨 근접장 영역의 폭이 유전체층으로 덮일 수 있게 하기 위해서, 두께가 약 100nm 이상인 것도 적절하다.
(예 3)
예 3에서는 적층 필터의 제작 방법과 그 광학적 특성들을 설명한다.
도 12a는, 1mm 두께의 석영 기판을 포함하는 유전체 기판(1201)의 표면에 제1 금속 박막층(1202)으로서 알루미늄을 30nm 두께로 피착하고, 그 위에 전자선(EB) 리소그래피용 레지스트(1203)를 코팅함으로써 형성된 구조체를 예시하는 도면이다.
다음에, EB 리소그래피 장치를 사용하여 레지스트(1203)를 패터닝한다. 레지스트 패턴은, 대략 120nm의 변들을 갖는 정사각형들이 대략 400nm 주기로 정방 격자 형상으로 배열되는 형상으로 형성된다. 이 레지스트 패턴을 에칭 마스크로서 사용하여, 염소와 산소의 가스 혼합물을 포함하는 플라즈마로 건식 에칭함으로써 제1 금속 박막 구조체들(1204)을 제작한다.
다음에, 제1 금속 박막 구조체들(1204) 상에 제1 유전체층(1205)으로서 30Onm 두께를 갖는 석영 박막을 스퍼터링에 의해 형성한다. 제1 유전체층(1205)의 두께는 300nm로 한정되지 않지만, 층간 거리는 다음 프로세스에서 제작되는 제2 금속 박막 구조체층과 근접장 상호 작용을 생성하지 않는 층간 거리를 확보할 수 있다.
다음에, 도 12b에 도시한 바와 같이, 제1 유전체층(1205)의 표면에, 제2 금속 박막층(1206)으로서 30nm 두께의 알루미늄을 피착한다. 이 제2 금속 박막층(1206) 상에 레지스트층으로서 전자선(EB) 리소그래피용 레지스트를 코팅한다. 이어서, EB 리소그래피 장치를 이용하여 레지스트층의 패터닝을 수행한다. 레지스트 패턴은 대략 70nm의 변들을 갖는 정사각형들이 대략 250nm 주기로 정방 격자 형상으로 배열되는 형상으로 형성된다. 이 레지스트 패턴을 에칭 마스크로서 사용하여, 염소와 산소의 가스 혼합물을 포함하는 플라즈마로 건식 에칭함으로써 제2 금속 박막 구조체들(1207)을 제작한다.
다음에, 도 12c에 도시한 바와 같이, 제2 금속 구조체들(1207) 상에 제2 유전체층(1208)으로서 400nm 두께의 석영 박막을 스퍼터링에 의해 형성한다.
도 13은 이와 같이 하여 제작한 적층형 광학 필터의 투과 스펙트럼들을 예시한다. 이 필터의 제1 금속 박막 구조체들의 투과 스펙트럼(1301)은 대략 650nm의 파장 부근에서 흡수 피크를 가지고, 제2 금속 박막 구조체들의 투과 스펙트럼(1302)은 대략 450nm의 파장 부근에서 흡수 피크를 갖는다. 이로 인해, 본 예에 따른 필터의 적층형 필터 투과 스펙트럼(1303)은 투과 스펙트럼(1301)과 투과 스펙트럼(1302)의 곱의 형상을 갖는다. 따라서, 본 예에 따른 적층형 필터는 녹색을 투과시키는 광학 필터로서 기능하는 것을 알게 된다. 즉, 단층에서는 보색 필터들로서 기능하는 필터들이 적층되는 구조를 형성함으로써 필터들이 원색 필터들로서 기능할 수 있게 된다.
(예 4)
예 4에서는, 크기가 상이한 금속 구조체들이 교대로 배열됨으로써, 즉 2개의 금속 구조체 군을 중복하여 배열함으로써, 복수의 투과 스펙트럼이 결합된 투과 스펙트럼을 갖는 필터를 단층으로 실현할 수 있는 예를 설명한다.
도 15a는 90nm의 변들을 갖는 정사각형들로 형성되는 알루미늄을 포함하는 금속 구조체들(1501)과 150nm의 변들을 갖는 정사각형들로 형성되는 알루미늄을 포함하는 금속 구조체들(1502)이 배열되는 예를 예시하는 도면이다. 이 금속 구조체들의 두께는 60nm이다. 금속 구조체들(1501 및 1502)은, 주기(1506)로 서로 상이한 정방 격자 형상들로 배열된다. 이 경우에서는, 주기(1506)는 250nm이다.
도 15b는 이와 같이 하여 제작한 광학 필터의 투과 스펙트럼(1503)을 예시하는 도면이다. 한편, 참고로서, 90nm의 변들 및 60nm의 두께를 가지는 알루미늄 정사각형들이 250nm 주기로 정방 격자 형상으로 배열되는 광학 필터의 투과 스펙트럼(1504)도 도시한다. 또한, 150nm의 변들 및 60nm의 두께를 가지는 알루미늄 정사각형들이 400nm 주기로 정방 격자 형상으로 배열되는 광학 필터의 투과 스펙트럼(1505)을 도시한다.
그리하여, 본 예에 따른 광학 필터는 투과 스펙트럼(1503)을 갖기 때문에, 단층 구조를 유지하면서 2층 필터의 특성들 둘 다를 발현하는 스펙트럼을 얻는 것이 가능하다.
또한, 투과 스펙트럼(1503)은 파장 600-nm 부근에서 투과율 최대값을 갖는 필터의 특성을 갖는다고 생각할 수 있다. 그리하여, 보색 필터 2층 분의 기능들을 단층으로 발현시키는 것이 가능하다. 이와 관련하여, 본 예에 따른 광학 필터는, 단층의 금속 구조체들을 갖는 필터들을 적층하는 경우에 비하여 더욱 용이하게 제작될 수 있다.
본 예에 따라 동일 면 내에 두 종류의 형상의 금속 구조체들이 혼재하는 경우가 설명되었지만, 동일 면 내에 존재하는 금속 입자들의 형상들은 3종류 이상일 수 있다. 또한, 변조된 주기들로 구조체 군들을 배열함으로써 원하는 광학적 특성들을 얻도록 구성을 설계할 수 있다.
(예 5)
본 예는 예 1 내지 예 4에서 설명된 광학 필터들을 사용하는 광 검출 장치 및, 광 검출 장치들의 어레이로 이루어진 촬상 장치에 관한 것이며, 촬상 장치는 카메라에 포함된다.
도 23은 본 발명의 광학 필터를 사용하는 광 검출 장치의 개략도이다. 광 검출 장치(2507)는 외부로부터 마이크로렌즈(2501)를 통하여 광전 변환부(2505)로 입사광을 도입한다. 광전 변환부는 입사광에 따라 전하를 생성한다. 광 검출 장치는, 광전 변환부 외에도, 본 출원에서 개시된 광학 필터(2502), 유전체층(2503), 전자 회로들(2504) 및 반도체 기판(2506)을 포함한다. 광학 필터(2502)는 도 1a 및 도 1b의 금속 구조체(120)와 같이 광에 대하여 플라즈몬 공명을 유도할 수 있는 구조체를 포함한다.
도 24는 본 발명의 광학 필터를 사용하는 촬상 장치의 개략도이다. 화소 영역(2600)은 전술된 광검출 장치(; 화소들)의 3x3 2차원 행렬(2601a 내지 2603c)을 갖는다. 대안적으로, 예를 들어 7680x4320 행렬이 도 24의 화소 영역(2600)의 행렬로서 사용될 수도 있다.
도 24의 수직 주사 회로(2605) 및 수평 주사 회로(2604)는 화소 영역(2600)에 위치한 전체 광검출 장치들 중에서 판독할 광검출 장치(; 화소)를 선택하기 위한 회로들이다.
도 25는 도 24에서와 같은 구성을 갖는 촬상 장치가 포함되는 디지털 카메라의 개략도를 예시한다. 도 25에서, 참조 번호(2701)는 카메라 본체를 나타내고, 참조 번호(2709)는 대안렌즈를 나타내고, 참조 번호(2711)는 셔터를 나타내고, 참조 번호(2706)는 거울을 나타낸다.
경동(2705)에 위치한 촬영 광학계(렌즈)(2702)를 통하여 광이 입사하는 본 발명의 촬상 장치는 참조 번호(2706)로 나타낸다. 장치는 촬상 장치들 각각(2706)에 피사체(subject)를 따라 전하를 발생시켜 발생된 전하에 따라 피사체의 재생을 실현한다. 피사체의 화상은 모니터링 디스플레이(2707) 상에 재생될 수 있고 메모리 카드와 같은 기록 매체(2708)에 기억될 수 있다.
본 발명의 광학 필터는 일반적인 색소들로 이루어진 컬러 필터들보다 더 얇아서 본 명세서에서 개시된 것과 같은 본 발명의 촬상 장치는 얇은 두께로 만들어질 수 있다. 그 결과, 촬상 장치의 표면으로부터 촬상 장치의 광전 변환부까지의 거리가 짧아져서 광의 이용 효율이 개선되고, 그리하여 감도가 개선될 수 있다.
본 발명이 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예들에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 이하의 청구항들의 범위는 그러한 모든 변형들 및 동등한 구조들 및 기능들을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.
본 출원은 2007년 7월 13일자로 출원된 일본 특허 출원 제2007-184599호 및 2008년 5월 26일자로 출원된 일본 특허 출원 제2008-136686호의 우선권을 주장하며, 이로써 그 전체가 참조로서 포함된다.
도면들에 참조 번호들로써 나타낸 항목들을 열거한다.
110: 유전체 기판, 120: 금속 구조체, 121: 제1 금속 구조체, 122: 제1 금속 구조체, 130: 유전체층, 140: 제1 방향, 141: 제1 길이, 145: 주기, 150: 제2 방향, 151: 제2 길이, 155: 주기, 160: 금속 구조체의 두께, 170: 유전체층 두께로부터 금속 구조체 두께를 뺀 후의 두께, 201: 투과 스펙트럼 R, 202: 투과 스펙트럼 G, 203: 투과 스펙트럼 B, 301: 영역, 302: 영역, 303: 영역, 401: 제1 금속 구조체, 402: 제1 금속 구조체 군, 403: 제1 금속 구조체, 404: 제1 금속 구조체 군, 405: 주기, 406: 주기, 407: 제1 금속 구조체, 408: 제2 금속 구조체, 501: 제1 금속 구조체 군, 502: 제1 방향, 503: 제2 방향, 504: 제1 길이, 505: 제2 길이, 506: 제2 금속 구조체 군, 507: 제3 길이, 508: 제4 길이, 701: 유전체 기판, 702: 제1 금속 구조체 군, 703: 제1 유전체층, 704: 제3 금속 구조체 군, 705: 제2 유전체층(다른 유전체층), 801: 유전체 기판, 802: 금속 박막층, 803: 레지스트, 804: 금속 박막 구조체, 805: 유전체층, 901: 투과 스펙트럼 R, 902: 투과 스펙트럼 G, 903: 투과 스펙트럼 B, 904: 반사 스펙트럼 R, 905: 반사 스펙트럼 G, 906: 반사 스펙트럼 B, 1001: 유전체 기판, 1002: 금속 박막층, 1003: 전자선 리소그래피용 레지스트, 1004: 패턴부 A, 1005: 패턴부 B, 1006: 패턴부 C, 1007: 금속 박막 구조체, 1008: 유전체층, 1101: 투과 스펙트럼 R, 1102: 투과 스펙트럼 G, 1103: 투과 스펙트럼 B, 1201: 유전체 기판, 1202: 제1 금속 박막층, 1203: 레지스트, 1204: 제1 금속 박막 구조체, 1205: 제1 유전체층, 1206: 제2 금속 박막층, 1207: 제2 금속 박막층, 1208: 제2 유전체층, 1301: 투과 스펙트럼, 1302: 투과 스펙트럼, 1303: 적층형 필터 투과 스펙트럼, 1401: 유전체 기판, 1402: 금속, 1403: 금속 상면, 1404: 금속 하면, 1501: 금속 구조체, 1502: 금속 구조체, 1503: 투과 스펙트럼, 1504: 투과 스펙트럼, 1505: 투과 스펙트럼, 1506: 주기, 1601: 제1 금속 구조체, 1602: 제1 금속 구조체 군, 1603: 제2 금속 구조체, 1604: 제2 금속 구조체 군, 1801: 제1 길이, 1802: 제2 길이, 2201: 투과 스펙트럼, 2202: 투과 스펙트럼.

Claims (34)

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  7. 제1 파장의 광을 투과시키거나 또는 반사하는 광학 필터이며,
    유전체 기판;
    복수의 제1 금속 구조체가 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되어, 상기 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군; 및
    상기 제1 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이와 상기 제2 길이는 상기 제1 파장 이하이며;
    상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들(localized surface plasmons)에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되고,
    상기 유전체 기판의 유전 상수와 상기 유전체층의 유전 상수가 동일한, 광학 필터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유전체 기판과 상기 유전체층은 이산화규소, 이산화티타늄, 및 질화규소로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나로 구성되는, 광학 필터.
  9. 제1 파장의 광을 투과시키거나 또는 반사하는 광학 필터이며,
    유전체 기판;
    복수의 제1 금속 구조체가 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되어, 상기 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군; 및
    상기 제1 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이와 상기 제2 길이는 상기 제1 파장 이하이며;
    상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들(localized surface plasmons)에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되고,
    상기 제1 길이 및 상기 제2 길이는 110nm 이상 160nm 이하의 범위 내이며, 상기 제1 금속 구조체들의 두께는 10nm 이상 100nm 이하의 범위 내이고, 상기 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기는 340nm 이상 450nm 이하의 범위 내이며, 상기 제1 파장은 550nm 이상 650nm 미만의 범위 내인, 광학 필터.
  10. 제1 파장의 광을 투과시키거나 또는 반사하는 광학 필터이며,
    유전체 기판;
    복수의 제1 금속 구조체가 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되어, 상기 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군; 및
    상기 제1 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이와 상기 제2 길이는 상기 제1 파장 이하이며;
    상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들(localized surface plasmons)에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되고,
    상기 제1 길이 및 상기 제2 길이는 90nm 이상 130nm 미만의 범위 내이며, 상기 제1 금속 구조체들의 두께는 10nm 이상 100nm 이하의 범위 내이고, 상기 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기는 260nm 이상 340nm 이하의 범위 내이며, 상기 제1 파장은 450nm 이상 550nm 미만의 범위 내인, 광학 필터.
  11. 제1 파장의 광을 투과시키거나 또는 반사하는 광학 필터이며,
    유전체 기판;
    복수의 제1 금속 구조체가 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되어, 상기 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군; 및
    상기 제1 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이와 상기 제2 길이는 상기 제1 파장 이하이며;
    상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들(localized surface plasmons)에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되고,
    상기 제1 길이 및 상기 제2 길이는 60nm 이상 100nm 미만의 범위 내이며, 상기 제1 금속 구조체들의 두께는 10nm 이상 100nm 이하의 범위 내이고, 상기 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기는 180nm 이상 280nm 이하의 범위 내이며, 상기 제1 파장은 350nm 이상 450nm 미만의 범위 내인, 광학 필터.
  12. 제1 파장의 광을 투과시키거나 또는 반사하는 광학 필터이며,
    유전체 기판;
    복수의 제1 금속 구조체가 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되어, 상기 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군; 및
    상기 제1 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이와 상기 제2 길이는 상기 제1 파장 이하이며;
    상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들(localized surface plasmons)에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되고,
    상기 광학 필터는 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 2개 이상의 상기 제1 금속 구조체 군을 포함하고;
    상기 2개 이상의 제1 금속 구조체 군을 구성하는 상기 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기들은 서로 상이하고, 상기 2개 이상의 제1 금속 구조체 군은 상기 유전체 기판 표면의 상이한 영역들에 배열되는, 광학 필터.
  13. 제1 파장의 광을 투과시키거나 또는 반사하는 광학 필터이며,
    유전체 기판;
    복수의 제1 금속 구조체가 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되어, 상기 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군; 및
    상기 제1 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이와 상기 제2 길이는 상기 제1 파장 이하이며;
    상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들(localized surface plasmons)에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되고,
    상기 제1 금속 구조체 군과는 별도로, 복수의 제2 금속 구조체들이 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열된 제2 금속 구조체 군을 포함하고,
    상기 제2 금속 구조체들은 상기 제1 방향으로 제3 길이를 갖고, 상기 제2 방향으로 제4 길이를 가지며, 상기 제3 길이와 상기 제4 길이는 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장 이하이고,
    상기 제3 길이가 상기 제1 길이와 상이하거나 또는 상기 제4 길이가 상기 제2 길이와 상이하고;
    상기 제1 금속 구조체 군과 상기 제2 금속 구조체 군이 상기 유전체 기판 표면의 상이한 영역들에 배열되고,
    상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제2 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제2 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 상기 제2 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제2 파장의 반사율이 최대로 되는, 광학 필터.
  14. 제1 파장의 광을 투과시키거나 또는 반사하는 광학 필터이며,
    유전체 기판;
    복수의 제1 금속 구조체가 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되어, 상기 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군; 및
    상기 제1 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이와 상기 제2 길이는 상기 제1 파장 이하이며;
    상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들(localized surface plasmons)에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되고,
    상기 유전체 기판의 면내 방향으로 2개 이상의 상기 제1 금속 구조체 군을 포함하고,
    상기 2개 이상의 제1 금속 구조체 군은 중복된 영역들에 배열되는, 광학 필터.
  15. 제1 파장의 광을 투과시키거나 또는 반사하는 광학 필터이며,
    유전체 기판;
    복수의 제1 금속 구조체가 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되어, 상기 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군; 및
    상기 제1 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이와 상기 제2 길이는 상기 제1 파장 이하이며;
    상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들(localized surface plasmons)에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되고,
    상기 유전체 기판의 면내 방향으로 2개 이상의 상기 제1 금속 구조체 군을 포함하고;
    상기 2개 이상의 제1 금속 구조체 군을 구성하는 상기 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기들은 서로 상이하고;
    상기 2개 이상의 제1 금속 구조체 군은 중복된 영역들에 배열되는, 광학 필터.
  16. 제7항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 광학 필터를 포함하는 수광 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 수광 소자는 CCD 센서를 포함하는, 수광 소자.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 수광 소자는 CMOS 센서를 포함하는, 수광 소자.
  19. 제1 파장의 광을 투과시키거나 또는 반사하는 광학 필터이며,
    유전체 기판;
    복수의 제1 금속 구조체가 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되어, 상기 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군; 및
    상기 제1 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이와 상기 제2 길이는 상기 제1 파장 이하이며;
    상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들(localized surface plasmons)에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되고,
    상기 제1 금속 구조체 군과는 별도로, 복수의 제2 금속 구조체들이 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열된 제2 금속 구조체 군을 포함하고,
    상기 제2 금속 구조체들은 상기 제1 방향으로 제3 길이를 갖고, 상기 제2 방향으로 제4 길이를 가지며, 상기 제3 길이와 상기 제4 길이는 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장 이하이고,
    상기 제3 길이는 상기 제1 길이와 상이하거나 또는 상기 제4 길이는 상기 제2 길이와 상이하고;
    상기 제1 금속 구조체 군과 상기 제2 금속 구조체 군은 중복된 영역들에 배열되고,
    상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제2 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제2 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 상기 제2 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제2 파장의 반사율이 최대로 되는, 광학 필터.
  20. 제19항에 따른 광학 필터를 포함하는 수광 소자.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 수광 소자는 CMOS 센서를 포함하는, 수광 소자.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 수광 소자는 CCD 센서를 포함하는, 수광 소자.
  23. 광을 투과시키거나 또는 반사시키는 광학 필터이며,
    유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 배열된 복수의 금속 구조체를 포함하고, 상기 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군 및 제2 금속 구조체 군; 및
    상기 제1 금속 구조체 군 및 상기 제2 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고,
    상기 제1 금속 구조체 군 및 상기 제2 금속 구조체 군이 상기 유전체 기판 표면의 상이한 영역들에 배열되고;
    상기 제1 금속 구조체 군을 구성하는 제1 금속 구조체들은 제1 방향으로 배열되고, 상기 제1 방향으로 제1 길이를 갖고, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이와 상기 제2 길이는 제1 파장 이하의 길이들이며;
    상기 제2 금속 구조체 군을 구성하는 제2 금속 구조체들은 상기 제1 방향으로 배열되고, 상기 제1 방향으로 제3 길이를 갖고, 상기 제2 방향으로 제4 길이를 가지며, 상기 제3 길이와 상기 제4 길이는 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장 이하의 길이들이며, 상기 제1 길이와 상기 제3 길이가 상이하거나 또는 상기 제2 길이와 상기 제4 길이가 상이하고;
    상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되고;
    상기 제2 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 상기 제2 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제2 파장의 반사율이 최대로 되는, 광학 필터.
  24. 제13항 또는 제23항에 있어서,
    상기 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기와 상기 제2 금속 구조체들이 배열되는 주기는 동일한, 광학 필터.
  25. 제1 파장의 광을 투과시키거나 또는 반사하는 광학 필터로서, 유전체 기판; 복수의 제1 금속 구조체가 상기 유전체 기판의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열되어, 상기 유전체 기판의 표면에 제공되는 제1 금속 구조체 군; 및 상기 제1 금속 구조체 군을 덮는 유전체층을 포함하고, 상기 제1 금속 구조체들은, 제1 방향으로 제1 길이를 갖고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 제2 길이를 가지며, 상기 제1 길이와 상기 제2 길이는 상기 제1 파장 이하이며; 상기 유전체 기판 또는 상기 유전체층에 입사하는 광과 상기 제1 금속 구조체들 사이의 공명에 의해 상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들(localized surface plasmons)에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되는 광학 필터를 구성하는 상기 유전체층의 표면에 다른 유전체층이 형성된 적층형 광학 필터(laminated optical filter)이며:
    상기 유전체층의 표면과 상기 다른 유전체층 사이에 제공되며, 복수의 제3 금속 구조체가 상기 유전체층의 표면의 면내 방향으로 고립 상태로 2차원적으로 배열된 제3 금속 구조체 군을 포함하고,
    상기 제3 금속 구조체 군을 구성하는 상기 제3 금속 구조체들은, 상기 제1 방향으로 제5 길이, 및 상기 제2 방향으로 제6 길이를 가지며, 상기 제5 길이와 상기 제6 길이는 제1 파장과 상이한 제3 파장 이하의 길이들이며,
    상기 제1 길이와 상기 제5 길이가 상이하거나 또는 상기 제2 길이와 상기 제6 길이가 상이하거나, 또는 상기 제3 금속 구조체들이 배열되는 주기가 상기 제1 금속 구조체들이 배열되는 주기와 상이하며;
    상기 제1 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 상기 제1 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제1 파장의 반사율이 최대로 되고;
    상기 제3 금속 구조체들의 표면에 유도되는 국소 표면 플라즈몬들에 의해 상기 제3 파장의 투과율이 최소로 되거나 또는 상기 제3 파장의 반사율이 최대로 되는, 적층형 광학 필터.
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