WO2014181514A1 - 光学フィルタ - Google Patents

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    • B32B2551/00—Optical elements

Definitions

  • Optical filters using pigment-based materials are widely used in color liquid crystal displays and the like, and there are many optical filters mainly corresponding to the visible light region for RGB.
  • An optical filter in the visible light region using a dye-based material exhibits good characteristics in terms of both transmittance and the half-value width of the peak of the transmitted wavelength.
  • An optical filter using surface plasmon resonance is a structure having a metal layer having a periodic structure, and utilizes surface plasmon resonance generated at the interface between a metal and a dielectric.
  • optical filters using surface plasmon resonance it is possible to obtain a desired transmission range by adjusting the periodic length of the periodic structure or devising the shape of holes and dots, or to improve the transmittance by enhancing plasmons. It has been.
  • An optical filter using a pigment-based material may not have excellent environmental resistance, for example, the characteristics of the filter may be deteriorated by ultraviolet rays or the like. Moreover, there is a possibility that there is no material exhibiting good transmission characteristics in the near infrared region.
  • An optical filter using surface plasmon resonance has the advantages of simple structure and high environmental resistance, but may have poor characteristics such as transmittance and half-width of transmission wavelength peak compared to the above two optical filters. There is.
  • An object of the present disclosure is to provide an optical filter using surface plasmon resonance that realizes a narrow transmission band characteristic.
  • Substrate 10 is composed of SiO 2. In addition to SiO 2 , any material can be used as long as it has a lower refractive index than that of the high refractive index layer 11.
  • the high refractive index layer 11 is made of TiO 2 which is a dielectric having a thickness of 130 nm and a refractive index higher than that of the substrate 10.
  • TiO 2 is a dielectric having a thickness of 130 nm and a refractive index higher than that of the substrate 10.
  • other materials may be used.
  • an oxide such as ZrO 2 or a nitride such as SiN may be used.
  • the periodic structure of the metal layer 13 is not limited to that shown in FIG. 2, and may be any periodic structure that can cause surface plasmon resonance.
  • the metal dots 15 may be formed in an arbitrary periodic pattern such as a triangular lattice shape in addition to the square lattice shape. Moreover, it is good also as a structure which opened the hole which penetrates the metal layer 13 instead of the metal dot 15 periodically. Also in this case, the holes can be arranged in an arbitrary periodic pattern such as a square lattice or a triangular lattice. Moreover, it is good also as a periodic pattern by providing a stripe-shaped groove
  • the transmittance and the half width can be controlled by the thickness of the metal layer 13, the size and shape of the holes and dots.
  • the transmittance of 60% or more can be realized by setting the thickness of the metal layer 13 to 200 nm or less, making the holes and dots circular or polygonal, and setting the diameter to 2/3 or less of the period.
  • the material of the metal layer 13 is not limited to Al, but may be a single metal such as Au, Ag, Cu, Mg, Zr, In, Sn, Fe, Co, Ni, Rh, Ir, or Pt, or an alloy thereof.
  • a conductive oxide such as ITO (indium tin oxide) or zinc oxide can be used. It is desirable to use Al, Au, or an alloy thereof having a high surface plasmon resonance effect.
  • a film that prevents reflection of incident light for example, an AR coating film, may be formed on the protective layer 14.
  • Equation 1 is expressed as Equation 2 below.
  • the light in the propagation mode that satisfies Equation 2 is trapped in the high refractive index layer 11, passes through the high refractive index layer 11, and passes through the substrate 10. It is not incident on. Therefore, the three-layered structure of the substrate 10, the high refractive index layer 11, and the gap layer 12 operates as a wavelength filter that does not transmit a wavelength band that satisfies Equation 2.
  • the short wavelength side of the transmission wavelength peak that has not been sufficiently suppressed by wavelength filtering by surface plasmon resonance can be suppressed by wavelength filtering by introducing the high refractive index layer 11. Further, the half-value width of the transmission wavelength peak can be further narrowed by this.
  • FIG. 6 is a graph showing the wavelength dependency of the transmittance of the optical filter of Example 1. For comparison, the wavelength dependency of the transmittance is also shown for an optical filter in which the high refractive index layer 11 is omitted from the optical filter of Example 1 (hereinafter referred to as an optical filter of a comparative example). FIG. 6 is obtained by simulation.
  • the wavelength dependence of the transmittance of the optical filter of Example 1 is a characteristic having a peak near 860 nm, the transmittance at the peak is 70%, and the half-value width is about 40 nm.
  • the wavelength dependency of the transmittance of the optical filter of the comparative example is a characteristic having a peak near 875 nm, and the transmittance at the peak is 70%.
  • the half-value width is about 60 nm, and the half-value width is larger than that of the optical filter of Example 1.
  • the transmission characteristics of the optical filters of Example 1 and the comparative example are greatly different in the following points.
  • the metal layer 23 has two regions 23A and 23B.
  • the metal dots 25 are arranged in a square lattice pattern with a predetermined period.
  • the metal dots 25 are arranged in a square lattice pattern with a period wider than that of the region 23A.
  • Such a pattern can be produced simply by changing the pattern of the photoresist when the metal layer is etched in the manufacturing process of the optical filter of Example 1.
  • the transmission wavelength peak when light is incident on the region 23A is different from the transmission wavelength peak when light is incident on the region 23B. Therefore, in the optical filter of Example 2, the transmission wavelength peak can be varied depending on the difference in the incident position of the light in one optical filter.
  • the periodic structure of the metal layer 23 is two regions having different periods, but it is naturally possible to have three or more regions having different periods.
  • a first dielectric layer made of a dielectric and a position on the first dielectric layer
  • a second dielectric layer made of a dielectric having a higher refractive index than that of the first dielectric layer, and a second dielectric layer located on the second dielectric layer and made of a dielectric having a lower refractive index than that of the second dielectric layer.
  • the second dielectric layer can be made of any material as long as it has a higher refractive index than the first dielectric layer, and may be an inorganic material or an organic material.
  • the second dielectric layer is preferably an oxide or nitride such as titanium oxide (TiO 2 ) or SiN (silicon nitride).
  • the optical filter according to the present disclosure can be prevented from transmitting a specific propagation mode.
  • the thickness of the second dielectric layer it is possible to suppress the wavelength band that is not desired to be transmitted.
  • any material having a refractive index smaller than that of the second dielectric layer can be used, and it may be an inorganic material or an organic material.
  • the first dielectric layer and the third dielectric layer may be made of different materials. Since the structure is simple and the cost can be reduced, it is preferable to use the same material.
  • SiO 2 , MgF 2 or the like can be used.
  • the thickness of the metal layer is designed in accordance with the transmittance of the optical filter of the present disclosure, the half width of the peak of the transmission wavelength, and the like. That is, the transmittance of the optical filter of the present disclosure, the half-value width of the peak of the transmission wavelength, and the like can be controlled by the thickness of the metal layer.
  • the metal layer may have a structure including a first region having a periodic structure with a predetermined period and a second region having a periodic structure with a period different from the first region. it can.
  • the transmission region can be changed between light transmitted through the first region and light transmitted through the second region.
  • a structure may further include a third region having a different period from the first and second regions, a fourth region having a different period from the first to third regions, and the like.
  • Wavelength filtering can be performed. Therefore, a narrow band optical filter can be realized.
  • a characteristic having a transmission wavelength peak in the near-infrared region, which has been difficult with an optical filter using surface plasmon resonance, can be realized.

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Abstract

　光学フィルタは、ＳｉＯ2からなる基板１０と、基板１０上に位置する高屈折率層１１と、高屈折率層１１上に位置するギャップ層１２と、ギャップ層１２上に位置する金属層１３、２３と、金属層１３、２３上に位置する保護層１４と、によって構成される。高屈折率層１１は、基板１０よりも屈折率の高い誘電体であるＴｉＯ2からなる。ギャップ層１２は、基板１０と同様にＳｉＯ2からなり、高屈折率層１１よりも屈折率が低い。金属層１３、２３は、平面視において、Ａｌからなる正方形の金属ドット１５が正方格子状に配列されたパターンの周期的構造を有している。

Description

光学フィルタ 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１３年５月８日に出願された日本国特許出願２０１３－９８４４２号に基づくものであり、ここにその記載内容を参照により援用する。
　本開示は、表面プラズモン共鳴を用いて特定波長帯域の光を選択的に透過させる光学フィルタに関する。
　特定の波長帯の光を透過させる光学フィルタは、大きく分けて３種類の光学フィルタがある。第1の種類の光学フィルタは色素系の材料を用いる光学フィルタ（たとえば特許文献１）であり、第２の種類の光学フィルタは誘電体多層膜を用いる光学フィルタ（たとえば特許文献２）であり、第３の種類の光学フィルタは表面プラズモン共鳴を用いる光学フィルタ（たとえば特許文献３～８）である。
　色素系の材料を用いた光学フィルタは、カラー液晶ディスプレイなどに広く用いられており、主にＲＧＢ用の可視光領域に対応する光学フィルタが多い。色素系材料を用いた可視光領域の光学フィルタは、透過率、透過波長のピークの半値幅ともに良好な特性を示す。
　誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、屈折率の異なる誘電体膜を交互に所定の膜厚で積層させた構造であり、多くの光学部品に用いられている。誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、透過率、透過波長のピークの半値幅ともに良好な特性であり、耐環境性にも優れている。また、誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、近赤外領域においても良好な特性が得られる。
　表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタは、周期的構造を有する金属層を有した構造であり、金属と誘電体との界面で生じる表面プラズモン共鳴を利用する。表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタにおいては、周期的構造の周期長を調整したり、ホールやドットの形状を工夫することによって、所望の透過域を得たり、プラズモン増強による透過率の向上が試みられている。
　本願発明者は、光学フィルタと、光学フィルタに関する技術に関して下記を見出した。
　色素系の材料を用いた光学フィルタは、紫外線などによってフィルターの特性が劣化してしまうなど耐環境性に優れていない虞がある。また、近赤外線領域において良好な透過特性を示す材料がない虞がある。
　誘電体多層膜を用いた光学フィルタは、良好な特性を得るためには薄膜を１０層以上積層させる必要があり、製造に手間がかかり低コスト化が難しい虞がある。また厚さ方向に波長依存性があるため、同一の工程で複数の波長フィルタを作製することができない虞がある。
　表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタは、構成が簡単であり、耐環境性も高いという利点があるが、上記２つの光学フィルタに比べて透過率や透過波長のピークの半値幅など特性が悪い虞がある。
日本国公開特許公報２０１０－１３４３５３号 日本国公開特許公報２００８－５３８３号 日本国公開特許公報２００８－２７００６１号 日本国公開特許公報２００６－５０９３５８号 日本国公開特許公報２０００－１１１８５１号 日本国公開特許公報２００７－２５８６５７号 日本国公開特許公報２０１０－１６０２１２号 日本国公開特許公報２０１１－１７１５１９号
　本開示の目的は、透過帯域の狭い特性を実現する表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタを提供することである。
　本開示の一例によれば、表面プラズモン共鳴を用いて特定の波長帯域の光を選択的に透過させる光学フィルタにおいて、誘電体からなる第１誘電体層と、第１誘電体層上に位置し、第１誘電体層よりも屈折率の高い誘電体からなる第２誘電体層と、第２誘電体層上に位置し、第２誘電体層よりも屈折率の低い誘電体からなる第３誘電体層と、第３誘電体層上に位置し、周期的構造を有した金属からなり、第３誘電体層との界面で表面プラズモン共鳴を生じさせる金属層と、を有する光学フィルタが提供される。
　本開示によれば、金属層と第３誘電体層との界面に生じる表面プラズモン共鳴による大域的な波長フィルタリングだけでなく、第２誘電体層を設けたことによる伝搬モードの限定により狭帯域な波長フィルタリングを行うことができる。そのため、狭帯域な光学フィルタを実現することができる。特に、表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタでは従来難しかった近赤外領域に透過波長ピークを有する特性が実現されうる。
　本開示についての上記および他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照した下記の詳細な説明から、より明確になる。添付図面において
図１は、実施例１の光学フィルタの構成を示した図であり、 図２は、図１の切断線II-IIにおける、金属ドット１５の配列パターンを示した図であり、 図３は、他の金属層１３の周期的構造を示した図であり、 図４は、他の金属層１３の周期的構造を示した図であり、 図５は、他の金属層１３の周期的構造を示した図であり、 図６は、実施例１の光学フィルタの透過率波長依存性を示したグラフであり、 図７は、実施例２の光学フィルタの構成を示した図であり、 図８は、図７の切断線VIII-VIIIにおける、金属ドット２５の配列パターンを示した図である。
　以下、本開示の具体的な実施例について説明するが、本開示は実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
　図１は、実施例１の光学フィルタの構成を示した図である。実施例１の光学フィルタは、図１のように、ＳｉＯ2からなる基板１０と、基板１０上に位置する高屈折率層１１と、高屈折率層１１上に位置するギャップ層１２と、ギャップ層１２上に位置する金属層１３と、金属層１３上に位置する保護層１４と、によって構成されている。この光学フィルタは、その面に垂直に保護層１４側から光を入射させ、基板側から出射される光を狭帯域とするものである。基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２、保護層１４は、それぞれ本開示の第１誘電体層、第２誘電体層、第３誘電体層、第４誘電体層に相当している。
　基板１０は、ＳｉＯ2からなる。ＳｉＯ2以外にも、高屈折率層１１よりも屈折率の低い誘電体であれば任意の材料を用いることができる。
　高屈折率層１１は、厚さ１３０ｎｍで、基板１０よりも屈折率の高い誘電体であるＴｉＯ2からなる。高屈折率層１１は、基板１０よりも屈折率の高い誘電体材料であれば、他の材料を用いてもよく、たとえば、ＺｒＯ2などの酸化物や、ＳｉＮなどの窒化物でよい。高屈折率層１１を導入することにより、光の伝搬モードを限定し、所望の帯域の透過率を抑制することができる。詳細については後述する。
　ギャップ層１２は、基板１０と同様にＳｉＯ2からなり、高屈折率層１１よりも屈折率が低くなっている。ギャップ層１２の厚さは５０ｎｍである。ギャップ層１２は基板１０と同じ材料である必要はなく、高屈折率層１１よりも屈折率の低い材料であればよい。ただし、基板１０と同一の材料を用いることで、高屈折率層１１の厚さの設計が容易となり、実施例１の光学フィルタの構成が簡易となり、低コスト化を図ることができる。よって、ギャップ層１２は同一材料もしくは誘電率がおよそ等しい材料とすることが望ましい。
　金属層１３は、図２に示すように、平面視において、Ａｌからなる金属ドット１５が正方格子状に配列されたパターンの周期的構造を有している。金属ドット１５の形状は直方体であり、平面視において正方形である。金属層１３の厚さは１００ｎｍである。また、この周期的構造は、周期長（金属ドット１５の中心の間隔）は５００ｎｍ、金属ドット１５の大きさ（正方形の一辺の長さ）は２５０ｎｍである。金属ドット１５間の隙間は、保護層１４によって埋められている。これにより、金属ドット１５が酸化等によって腐食することを防止している。
　なお、金属層１３の周期的構造は、図２に示したものに限るものではなく、表面プラズモン共鳴を生じうる任意の周期的構造であってよい。たとえば、正方格子状以外にも、三角格子状などの任意の周期的パターンに金属ドット１５を形成してもよい。また、金属ドット１５ではなく、金属層１３を貫通する孔を周期的に開けた構造としてもよい。この場合も孔の配列は正方格子状、三角格子状など任意の周期的パターンとすることができる。また、ストライプ状の溝あるいは凸部を設けることで周期的パターンとしてもよい。金属層１３の周期的構造が、ストライプ状の場合は、偏光方向がストライプ方向の光成分については、透過できない点に留意する。ドットあるいは孔の平面視での形状は、円、楕円、正三角形、正方形、正六角形など任意の形状を用いることができ、この形状によっても実施例１の光学フィルタの透過率等を制御することができる。また、ドットあるいは孔の側面は、傾斜を有していてもよい。また、ドット間の隙間や孔は、空洞であってもよいが、実施例１の金属層１３のように誘電体（保護層１４）によって埋められていることが望ましい。これにより、金属層１３の酸化等の腐食を防止するとともに、光学フィルタの物理的な耐久性、安定性を高めることができる。
　金属層１３の周期的構造の一例を図３～５に示す。図３は、金属層１３を貫通する正方形の孔１７を正方格子状に配列したパターンである。図４は、正方形の金属ドット１５を三角格子状に配列したパターンである。図５は、ストライプ状の金属からなる凸部１８を設けたパターンである。
　たとえば、透過波長のピークを４００～２０００ｎｍの間にするには、孔またはドットが三角格子状あるいは正方格子状に配列したパターンとし、その周期（ドット間の距離または孔間の距離）を２００μｍ以下とすることで可能となる。また、透過率や半値幅は、金属層１３の厚さ、孔およびドットの大きさと形状によって制御可能である。透過率を６０％以上とするには、金属層１３の厚さを２００ｎｍ以下とし、孔およびドットを円または多角形とし、その直径を周期の２／３以下とすることで実現できる。
　金属層１３の材料はＡｌに限るものではなく、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔなどの金属単体やそれらの合金でよい。金属層１３の材料は、ＩＴＯ（インジウム酸化スズ）、酸化亜鉛、などの導電性酸化物を用いることもできる。表面プラズモン共鳴の効果が高いＡｌ、Ａｕまたはそれらの合金とすることが望ましい。
　保護層１４は、ＳｉＯ2からなり、金属層１３を封止して酸化等の腐食を防止する。また、保護層１４は、光学フィルタの透過率を高める。この構成により、ギャップ層１２と金属層１３との界面で生じる表面プラズモン共鳴と、金属層１３と保護層１４との界面で生じる表面プラズモン共鳴を利用することができるため、透過率を高めることができる。保護層１４は金属層１３上に位置するとともに、金属層１３の金属ドット１５の隙間を埋めている。保護層１４はギャップ層１２と異なる材料であってもよい。透過波長の半値幅を狭くするためには、ギャップ層１２と保護層１４は同一材料とするか、もしくは誘電率がおよそ等しい材料とすることが望ましい。この保護層１４は必ずしも必要ではないが、上記利点のため設けることが好ましい。また、金属ドット１５の隙間を埋める部材を保護層１４と異なるものとしてもよい。
　なお、金属層１３以外の各構成の材料、つまり基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２は、無機材料であってもよいし、有機材料であってもよい。フレキシブルな有機材料を用いることで、フィルム状の光学フィルタとすることも可能である。
　保護層１４上に、入射光の反射を防ぐ膜、たとえばＡＲコート膜を形成してもよい。
　実施例１の光学フィルタは、以下の製造方法によって作製する。まず、基板１０上に、スパッタや真空蒸着、化学蒸着（ＣＶＤ）などの方法によって誘電体層１１、ギャップ層１２を順に形成する。次に、ギャップ層１２上に、スパッタや真空蒸着などの方法によって金属層を形成し、その上に電子線（ＥＢ）描画、ナノインプリントなどを用いてレジストをパターニングする。そして、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングなどを用いて金属層をエッチングすることで、周期的構造を有する金属層１３を形成する。その後、金属層１３上にスパッタ、真空蒸着、ＣＶＤなどの方法によって保護層１４を形成する。以上によって実施例１の光学フィルタが作製される。
　次に、実施例１の光学フィルタの動作について説明する。
　実施例１の光学フィルタは、その光学フィルタの主面に垂直に保護層１４表面側から光を入射させ、基板１０裏面側から光を透過させて取り出すものである。光を光学フィルタの主面に垂直に、保護層１４側から入射させると、保護層１４と金属層１３の金属ドット１５との界面、および金属ドット１５とギャップ層１２との界面において生じる表面プラズモン共鳴によって、所定の波長帯のみが透過される。つまり、所望の波長に透過率のピークを有した透過特性を有する。
　この表面プラズモン共鳴を利用した波長フィルタリングでは、ピークよりも短波長側において十分に透過率を低減することができない虞がある。
　この短波長側の光は、高屈折率層１１を設けたことで抑制される。高屈折率層１１は、高屈折率層１１よりも屈折率の低い基板１０とギャップ層１２との間に設けた層であり、この高屈折率層１１を設けたことで、下記数式１を満たす伝搬モードのみが高屈折率層１１内を平面方向に伝搬することができる。なお、光学フィルタの主面に垂直に光を入射しているにもかかわらず、高屈折率層１１を平面方向に伝搬する光が存在するのは、金属層１３の周期的構造による回折のためである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　上記数式１において、ｋ０は波数、βは伝搬定数、ｄは高屈折率層１１の厚さ、ε１、ε２、ε３はそれぞれ基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２の誘電率、ｍは整数を示している。
　実施例１の光学フィルタでは、基板１０とギャップ層１２とで同一材料を用いているため、ε１＝ε３であり、数式１は次の数式２のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ギャップ層１２を透過して高屈折率層１１に入射した光のうち、この数式２を満たす伝搬モードの光は高屈折率層１１中にトラップされ、高屈折率層１１を透過して基板１０へと入射することはない。したがって、基板１０、高屈折率層１１、ギャップ層１２の３層の積層構造は、数式２を満たす波長帯を透過させない波長フィルタとして動作する。
　この数式２を満たす伝搬モードにおいて許容される波長帯と、表面プラズモン共鳴による波長フィルタリングでの透過波長ピークより左側の帯域とが重なるようにし、かつ、数式２の伝搬モードにおいて禁止される波長帯域（つまり高屈折率層１１を透過する波長帯域）と、表面プラズモン共鳴による波長フィルタリングでの透過波長ピークとが重なるように、高屈折率層１１の厚さｄを設計する。実施例１の光学フィルタでは、高屈折率層１１の厚さを１３０ｎｍとすることで、７５０～８５０ｎｍの帯域を透過させないように設計している。これにより、表面プラズモン共鳴による波長フィルタリングで十分に抑制されなかった透過波長ピークの短波長側を、高屈折率層１１の導入による波長フィルタリングによって抑制することができる。また、透過波長ピークの半値幅も、これにより一層狭くすることができる。
　図６は、実施例１の光学フィルタについて、透過率の波長依存性を示したグラフである。比較のため、実施例１の光学フィルタから高屈折率層１１を省いた光学フィルタ（以下、比較例の光学フィルタ）についても透過率の波長依存性を示す。なお、図６はシミュレーションにより求めたものである。
　図６のように、実施例１の光学フィルタの透過率の波長依存性は、８６０ｎｍ付近にピークを有した特性であり、そのピークでの透過率は７０％、半値幅はおよそ４０ｎｍである。一方、比較例の光学フィルタの透過率の波長依存性は、８７５ｎｍ付近にピークを有した特性であり、そのピークでの透過率は７０％である。また、半値幅はおよそ６０ｎｍであり、実施例１の光学フィルタに比べて半値幅が大きい特性となっている。実施例１と比較例の光学フィルタでは、その透過特性が次の点で大きく異なっている。７５０～８５０ｎｍの波長帯域では、実施例１の光学フィルタは１０％程度の透過率であるのに対し、比較例の光学フィルタは３０～４０％の透過率である。この波長帯域において実施例１の光学フィルタが比較例の光学フィルタよりも透過を抑制できているのは、高屈折率層１１を導入したことによる波長フィルタリングの効果であることが理解できる。また、半値幅も高屈折率層１１の導入により６０ｎｍから４０ｎｍに狭くなっている。
　以上のように、実施例１の光学フィルタは、表面プラズモン共鳴を利用した大域的な波長フィルタリングと、高屈折率層１１を設けて伝搬モードを限定することを利用した波長フィルタリングとを行うものであり、この２つの波長フィルタリング動作によって透過率が高く、透過波長のピークの半値幅の狭い特性を得ることができる。また、実施例１の光学フィルタは、透過波長ピークが近赤外領域（７００～２５００ｎｍ）にある。従来、近赤外領域に透過波長ピークを有する狭帯域な光学フィルタは、表面プラズモン共鳴を利用したものでは実現が難しかったが、本開示ではこれを実現することができている。
（実施例２）
　図７は、実施例２の光学フィルタの構成を示した図である。実施例２の光学フィルタは、実施例１の光学フィルタの金属層１３を金属層２３に替えたものであり、他の構成は実施例１の光学フィルタと同様である。
　金属層２３は、図８に示すように、２つの領域２３Ａ、２３Ｂがあり、領域２３Ａでは、所定の周期で金属ドット２５が正方格子状に配列されたパターンとなっており、領域２３Ｂでは、領域２３Ａの周期よりも広い周期で、金属ドット２５が正方格子状に配列されたパターンとなっている。このようなパターンは、実施例１の光学フィルタの製造工程において、金属層をエッチングする際のフォトレジストのパターンを替えるだけで作製することができる。
　金属層２３の周期的構造の領域２３Ａ、２３Ｂでの周期の違いから、光が領域２３Ａに入射する場合の透過波長ピークと、領域２３Ｂに入射する場合の透過波長ピークとは異なる。したがって、実施例２の光学フィルタは、１つの光学フィルタにおいて、その光の入射位置の違いによって透過波長ピークを異ならせることができる。
　なお、実施例２では金属層２３の周期的構造を、その周期が異なる２つの領域としたが、周期が互いに異なる３つ以上の領域とすることも当然に可能である。
　本開示の光学フィルタは、フォトダイオードを用いたセンサ装置におけるＳＮ比向上などに利用することができる。
　本開示の一態様によれば、表面プラズモン共鳴を用いて特定の波長帯域の光を選択的に透過させる光学フィルタにおいて、誘電体からなる第１誘電体層と、第１誘電体層上に位置し、第１誘電体層よりも屈折率の高い誘電体からなる第２誘電体層と、第２誘電体層上に位置し、第２誘電体層よりも屈折率の低い誘電体からなる第３誘電体層と、第３誘電体層上に位置し、周期的構造を有した金属からなり、第３誘電体層との界面で表面プラズモン共鳴を生じさせる金属層と、を有する光学フィルタが提供される。
　第２誘電体層は、第１誘電体層よりも屈折率の高い誘電体であれば任意の材料を用いることができ、無機材料であっても有機材料であってもよい。作製の容易さ、低コスト化を考えると、第２誘電体層は酸化チタン（ＴｉＯ2）、ＳｉＮ（窒化ケイ素）、などの酸化物や窒化物であることが好ましい。
　第２誘電体層を設けることにより、本開示に係る光学フィルタは特定の伝搬モードを透過させないようにできる。第２誘電体層の厚さを適切に設計することで、透過させたくない波長帯域を抑制することができる。
　第１、３誘電体層には、第２誘電体層よりも屈折率の小さい任意の材料を用いることができ、無機材料であっても有機材料であってもよい。また、第１誘電体層と第３誘電体層とは異なる材料としてもよい。構造が簡易となり低コスト化を図ることができるので同じ材料とするのがよい。第１誘電体層、第３誘電体層にはＳｉＯ2、ＭｇＦ2などを用いることができる。
　金属層は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔなどの金属単体やそれらの合金を用いることができる。金属層は、ＩＴＯ（インジウム酸化スズ）、酸化亜鉛、などの導電性酸化物を用いることもできる。特に、表面プラズモン共鳴の効果が高いＡｌ、Ａｕまたはそれらの合金とすることが望ましい。
　金属層の周期的構造は、表面プラズモン共鳴を生じうる任意の周期的構造でよく、正方格子状、三角格子状、ストライプ状などの構造とすることができる。また、溝や孔などの凹部によって周期的構造を構成してもよい。ドットなどの凸部によって周期的構造を構成してもよい。ドットや孔の形状は、平面視で、円、楕円、正三角形、正方形、正六角形など任意の形状を用いることができ、その形状によって本開示の光学フィルタの特性を制御することも可能である。また、周期的構造の周期によって、本開示の光学フィルタの透過波長のピークを制御することができる。たとえば、ドットまたは孔を正方格子状あるいは三角格子状に配置して、周期を２μｍ以下とすれば、透過波長のピークを４００～２０００ｎｍの間に制御することができる。
　凹部によって周期的構造を構成する場合、その凹部は空洞としてもよい。その凹部は、金属層の酸化などによる腐食を防止するため、誘電体によって埋めるようにしてもよい。凸部によって周期的構造を構成する場合も同様である。
　また、金属層の厚さは、本開示の光学フィルタの透過率、透過波長のピークの半値幅等に合わせて設計する。つまり、金属層の厚さによって本開示の光学フィルタの透過率や透過波長のピークの半値幅等の制御が可能である。
　金属層上には、第４誘電体層をさらに設けてもよい。金属層の酸化等による腐食を防止し、入射光の反射を防止するとともに、第４誘電体層と金属層との界面に生じる表面プラズモン共鳴を利用して本開示の光学フィルタの透過率、透過波長のピークの半値幅を向上させることができる。第４誘電体層は、第３誘電体層と同一材料としてもよい。
　本開示の他の態様としては、金属層は、所定周期の周期的構造を有する第１領域と、第１領域とは異なる周期の周期的構造を有する第２領域とを有する構造とすることができる。この構造により、第１領域を透過する光と第２領域を透過する光とで、透過領域を変えることができる。もちろん、第１、２領域とは周期の異なる第３領域、第１～３領域とは周期の異なる第４領域などをさらに有する構造としてもよい。
　本開示によれば、金属層と第３誘電体層との界面に生じる表面プラズモン共鳴による大域的な波長フィルタリングだけでなく、第２誘電体層を設けたことによる伝搬モードの限定により狭帯域な波長フィルタリングを行うことができる。そのため、狭帯域な光学フィルタを実現することができる。特に、表面プラズモン共鳴を用いた光学フィルタでは従来難しかった近赤外領域に透過波長ピークを有する特性が実現されうる。
　以上、本開示の実施形態、構成、態様を例示したが、本開示に係わる実施形態、構成、態様は、上述した各実施形態、各構成、各態様に限定されるものではない。例えば、異なる実施形態、構成、態様にそれぞれ開示された技術的部を適宜組み合わせて得られる実施形態、構成、態様についても本開示に係わる実施形態、構成、態様の範囲に含まれる。

Claims (7)

  1. 　表面プラズモン共鳴を用いて特定の波長帯域の光を選択的に透過させる光学フィルタにおいて、
    　誘電体からなる第１誘電体層（１０）と、
    　前記第１誘電体層（１０）上に位置し、前記第１誘電体層（１０）よりも屈折率の高い誘電体からなる第２誘電体層（１１）と、
    　前記第２誘電体層（１１）上に位置し、前記第２誘電体層（１１）よりも屈折率の低い誘電体からなる第３誘電体層（１２）と、
    　前記第３誘電体層（１２）上に位置し、平面方向に周期的構造を有した金属からなり、前記第３誘電体層（１２）との界面で表面プラズモン共鳴を生じさせる金属層（１３、２３）と、
    　を有する光学フィルタ。
  2. 　前記金属層（２３）は、所定周期の周期的構造を有する第１領域（２３Ａ）と、前記第１領域（２３Ａ）とは異なる周期の周期的構造を有する第２領域（２３Ｂ）と、を有する請求項１に記載の光学フィルタ。
  3. 　前記第２誘電体層（１１）は、酸化物または窒化物である請求項１または請求項２に記載の光学フィルタ。
  4. 　前記第２誘電体層（１１）は、酸化チタン、または窒化ケイ素である請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  5. 　前記金属層（１３、２３）は、Ａｕ、Ａｌ、またはそれらの合金である請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  6. 　前記金属層（１３、２３）上に位置する第４誘電体層（１４）をさらに有する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
  7. 　透過帯域が近赤外領域である請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
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