JP2011002546A - 光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】基板に微細加工を施し、透過光に対する屈折率分布を構築することによって、従来の多層膜フィルタに近い光学特性を実現し、高い信頼性を有する光学フィルタを提供する。
【解決手段】所定の波長帯の光を通過させるバンドパス特性を有する光学フィルタであって、基板２と、基板２の少なくとも一方の主面側に設けられた上部ブロック１および下部ブロック３とを備える。上部ブロック１および下部ブロック３は、基板２と同一材料で形成された微細な周期構造を備え、材料の屈折率および空間の屈折率を面積比率で比例配分することにより定まる実効屈折率を有する。微細構造体は、通過波長帯の下限より小さい周期構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を透過、又は光の反射を防止する光学部品、例えば、撮影カメラにおいて使用される帯域制限フィルタ、入射光線を透過する窓（光学窓）、レンズ等の光学部品に関する。

従来の光学フィルタは、屈折率の異なる膜を多層に積層し、主に屈折率、層厚、層数を制御することで透過波長域や減衰率を調節する多層膜フィルタが一般的である（例えば、特許文献１）。また、サブ波長格子（ＳＷＳ: Sub-Wavelength Structure）など、波長以下の周期構造を有する光学素子においては無反射構造に用いており、屈折率変調構造による透過帯域制御を実現するものではない（例えば、特許文献２）。また、同様のＳＷＳにおいては反射低減の用途であり、微細構造による屈折率分布構造を形成し透過帯域制御を行うものではない（例えば、特許文献３）。

特開２００８−１１２０３３号公報 特開２００７−５７６２２号公報 特開２００８−５８４３８号公報

近年、撮影装置の高機能化や高効率化の要求が増えており、例えば、撮影装置が取扱う光学波長帯のマルチバンド化という要求がある。ところが、上記のような多層の反射防止膜を光学部品に適用する場合、光学部品の使用環境（例えば、高温、ヒートサイクル）における膜の屈折率や膜の線膨張係数などの材料特性を考慮して、膜の材質を選択する必要がある。その理由は、設計仕様から外れた環境下で使用した場合、反射防止膜の剥離や残留歪み、反射防止膜からの残留ガスの放出といった現象が生じ、その結果、光学部品の長期信頼性を阻害する可能性があるからである。また、バンドパスフィルタとして急峻な波長選択性を付与する場合は、多層膜の層数がさらに増加する。そのため、材料選択範囲がさらに制限され、使用環境条件はより制約されることになる。

本発明の目的は、基板に高次回折光を発生しない構造パラメータを有する微細加工を施して、透過光に対する屈折率分布を構築することによって、従来の多層膜フィルタに近い光学特性を実現し、高い信頼性を有する光学フィルタを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、所定の波長帯の光を通過させるバンドパス特性を有する光学フィルタであって、
基板と、
基板の少なくとも一方の主面側に設けられた微細構造体であって、基板と同一材料で形成され、材料の屈折率および空間の屈折率を面積比率で比例配分することにより定まる実効屈折率を有する微細構造体とを備え、
微細構造体は、通過波長帯の下限より小さい周期構造を有することを特徴とする。

また本発明は、所定の波長帯の光を通過させるバンドパス特性を有する光学フィルタであって、
基板に多数の貫通孔が形成された微細構造体であって、材料の屈折率および空間の屈折率を面積比率で比例配分することにより定まる実効屈折率を有する微細構造体を備え、
微細構造体は、通過波長帯の下限より小さい周期構造を有することを特徴とする。

本発明によれば、微細構造体の材料および空間の面積比率を調整することによって、材料屈折率と空間屈折率の範囲内で任意の実効屈折率を実現できる。また、微細構造体が通過波長帯の下限より小さい周期構造を有することによって、光が微細構造体を通過する際に回折が生じなくなり、透過光は高次回折光を含まず０次回折光だけになる。その結果、単一材料の使用だけで屈折率分布を構築することが可能になるため、従来の多層膜フィルタに近い光学特性を備え、高い信頼性を有する光学フィルタが実現できる。

本発明の実施の形態１による光学フィルタの構造を示す斜視図である。 微細構造体の構造パラメータＬと、高次回折光を生じない波長との相関を示すグラフである。 Ｌ＝５００ｎｍの場合の透過率スペクトルを示すグラフである。 本発明の実施の形態１による光学フィルタの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による光学フィルタの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による光学フィルタの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による光学フィルタの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による光学フィルタの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による光学フィルタの構造を示す斜視図である。 図９中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態３による光学フィルタの構造を示す斜視図である。 図１１中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態４による光学フィルタの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による光学フィルタの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による光学フィルタの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による光学フィルタの製造方法を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による光学フィルタの構造を示す斜視図である。光学フィルタは、基板２と、基板２の上面に設けられた上部ブロック１と、基板２の下面に設けられた下部ブロック３とを備える。上部ブロック１および下部ブロック３は、基板２と同一材料で形成された微細な周期構造を備え、材料の屈折率および空間の屈折率を面積比率で比例配分することにより定まる実効屈折率を有する。

即ち、波長以下の周期構造では、材料の屈折率は空間の面積比率によりその層の実効的な屈折率（ｎ_ｘ）を制御することができる。例えば、空気で満たされた空間の面積比率をｆとすると、この単層の実効屈折率（ｎ_ｘ）は下記式（１）から求めることができる。

図１では、基板２の両面にブロック１，３をそれぞれ設けた構成を示しているが、基板２の片面だけに上部ブロック１または下部ブロック３を設けた構成でも構わない。また、図１では、周期構造の単位セルが直方体の形状である場合を示しているが、円柱形状など、他の任意の立体形状でも構わない。

以下、赤外線検出器用の光学フィルタとして、３〜５μｍ帯及び８〜１４μｍ帯という２つの通過波長帯に対応するマルチバンドパス特性を有する光学フィルタを設計する場合について説明する。なお、本発明は、任意の波長帯でのバンドパス特性を有する光学フィルタに適用可能である。

まず、理解容易のため、基板２の上面に上部ブロック１を設けた構成について説明する。基板２がＳｉである場合、厳密波結合波解析により、透過光が０次回折成分のみで構成される波長の最小値を求めたものが図２である。図２は、微細構造体の構造パラメータＬ（横軸）と、高次回折光を生じない波長（縦軸）との相関を示すグラフである。ここで、単位セルの構造パラメータとして直方体および空間のｘ寸法、ｙ寸法、ｚ寸法をそれぞれ定義するとともに、図２ではＬｘ１＝Ｌｙ１＝ｓｘ１＝ｓｙ１＝Ｌとし、ｄ１＝１．４μｍに設定している。ｄ１＝１．４μｍ程度にすることで長赤外域に透過率のピークを合わせることができる。また、ｄ以外の各構造パラメータを等しくすることによって、基板法線方向に進行する光に対する偏光依存性を抑制することが可能になる。

図２のグラフから、通過波長帯の下限が３μｍである場合、高次回折光の影響が除外できるのは、Ｌが約５００ｎｍ以下（即ち、１μｍ以下の周期構造）であることが分かる。３μｍより長波長の赤外線を入射光として扱う場合、Ｌが５００ｎｍ程度以下の構造の場合、入射光は表面の凹凸により回折されないため、高次の回折光を生じない。つまり従来の薄膜に相当する層と同じ効果を有するようになる。

このように高次回折光を抑制した微細構造体を基板の片面または両面に形成した場合、基板の屈折率より低い実効屈折率を有する微細構造体が存在することになり、透過光に対して低屈折率の薄膜が基板の片面または両面に成膜されている構造と等価となる。その結果、従来の多層膜フィルタに近い光学特性を有する光学フィルタを実現することが可能になる。

図３は、Ｌ＝５００ｎｍの場合の透過率スペクトルを示すグラフである。縦軸は透過率、横軸は波長である。このグラフを見ると、中赤外域（３〜５μｍ帯）と長赤外域（８〜１４μｍ帯）において、透過率が比較的高い窓が形成されていることが分かる。

一般に、任意の波長帯でのバンドパス特性を有する光学フィルタの場合、微細構造体は、通過波長帯の下限より小さい周期構造、好ましくは、下限の１／２以下の周期構造を有することにより、透過光は高次回折光を含まず０次回折光だけになる。その結果、単一材料の使用だけで屈折率分布を構築することが可能になる。また、こうした微細構造体は基板と同じ単一材料で形成できるため、剥離や脱ガス等の問題が起こりくく、高い信頼性を有する光学フィルタを実現できる。

次に、本実施形態に係る光学フィルタの製造方法について説明する。まず、図４に示すように、基板２の表面にレジスト４のパターンを形成して、これをマスクとする。Ｌ＝５００ｎｍレベルのパターニングでは、ｉ線ステッパや電子線描画などが用いられる。次に、図５に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥ等のドライエッチングを用いて、基板２の露出エリアに対して設計深さまでエッチングを施す。その後、レジスト４をアセトン等の有機溶剤で溶解したり、アッシングによって除去することによって、微細な周期構造を持つ上部ブロック１が形成される。

基板２の裏面側にも微細構造体を形成する場合、図６〜図８に示すように、表面側の処理と同様に、レジスト４のパターニング、ドライエッチングを用いた設計深さまでエッチング、レジスト４の除去を施すことによって、微細な周期構造を持つ下部ブロック３が形成される。こうして基板２の両面に、基板２と同一材料で形成された上部ブロック１および下部ブロック３が得られる。これらのブロック１，３の材料および空間の面積比率を個別に調整することによって、材料屈折率と空間屈折率の範囲内で任意の実効屈折率を実現できるため、全体として、低屈折率／高屈折率／低屈折率の屈折率分布を構築できる。

基板２の表面と裏面とでレジストパターンの露光位置を合わせたい場合、所定の位置にアライメントマーク等を予め形成すればよい。但し、こうした微細構造体は、透過光に対して薄膜として機能するため、表面パターンと裏面パターンとが位置ずれしていても光学特性上の差異は現れない。

また、レジスト４のパターニングにおいて、装置や製造コストが比較的高価であるｉ線ステッパや電子線描画の代わりに、アルミ陽極酸化法が採用できる。この方法は、ナノメートル周期の規則的な孔の配列が蜂の巣状に自然に形成されるアルミナの自己組織化特性を利用してエッチングマスクを形成するものであり、孔の密度を調節することによって、高次回折光が発生しないような周期構造が容易に得られる。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２による光学フィルタの構造を示す斜視図である。図１０は、図９中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。本実施形態では、基板２に多数の貫通孔５を形成することによって、微細な周期構造を形成している。図１０では、周期構造の単位セルが円柱形状である場合を示しているが、多角柱形状など、他の任意の立体形状でも構わない。

多数の貫通孔５からなる微細構造体においても、図１に示した微細構造体と同様な光学特性を実現できる。即ち、波長以下の周期構造では、材料の屈折率は貫通孔５の面積比率によりその層の実効的な屈折率（ｎ_ｘ）を制御することができる。例えば、空気で満たされた貫通孔５の面積比率をｆとすると、この単層の実効屈折率（ｎ_ｘ）は上記式（１）から求めることができる。

多数の貫通孔５が形成された基板２の厚さが波長と比較して非常に大きい場合、例えば、厚さ５００μｍ程度では、基板２の表と裏で干渉を生じず、赤外波長域においてほぼフラットな透過特性を示す。一方、基板２の厚さが表と裏で干渉する程度であれば、厚さを調整することによって、透過波長帯域を制御することが可能である。

例えば、赤外線センサの窓材としては、ＳｉやＧｅなどが使用される。窓材の透過率は、材料自体の屈折率によって完全に決定される。このとき、図２に示すような構造パラメータを有する微細構造体を窓材全面に形成することによって、高次回折光を生じさせることなく屈折率分布を構築できるため、窓材の透過率を改善できる。また、こうした微細構造体は窓材と同じ単一材料で形成できるため、剥離や脱ガス等の問題が起こりくく、高い信頼性を有する光学フィルタを実現できる。

一般に、任意の波長帯でのバンドパス特性を有する光学フィルタの場合、微細構造体は、通過波長帯の下限より小さい周期構造、好ましくは、下限の１／２以下の周期構造を有することにより、透過光は高次回折光を含まず０次回折光だけになる。その結果、単一材料の使用だけで屈折率分布を構築することが可能になる。

本実施形態に係る光学フィルタの製造方法として、実施の形態１で説明した方法と同様な方法が使用できる。レジストのパターニングでは、ｉ線ステッパや電子線描画などが用いられる。その代替として、上述のようなアルミ陽極酸化法を用いてアルミナマスクを形成してもよい。次に、これらのマスクを用いてドライエッチング、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ等によりエッチングを施して貫通孔５を形成する。その際、基板２の裏面には、スパッタなどを用いて、Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属からなるストップ層を予め形成しておいて、エッチングを止める。上部マスクを除去した後、金属ストップ層をＩＢＥ等でエッチングして除去するか、ウエットエッチングで除去してもよい。またこの金属ストップ層の代わりににレジストや保護シール等を用いてもよい。

実施の形態３．
図１１は、本発明の実施の形態３による光学フィルタの構造を示す斜視図である。図１２は、図１１中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。本実施形態では、基板２に多数の貫通孔５を形成するとともに、貫通孔５に所定の屈折率を有する第２の材料６、例えば、合成樹脂などを充填することによって、微細な周期構造を形成している。貫通孔５に材料６を充填する方法として、例えば、直接注入、浸潤、浸漬、メッキ等の処理が利用できる。

多数の貫通孔５を材料６で充填した微細構造体においても、図１に示した微細構造体と同様な光学特性を実現できる。即ち、波長以下の周期構造では、材料の屈折率は貫通孔５の面積比率によりその層の実効的な屈折率（ｎ_ｘ）を制御することができる。例えば、材料６で充填された貫通孔５の面積比率をｆとすると、この単層の実効屈折率（ｎ_ｘ）は上記式（１）から求めることができる。

本実施形態では、実施の形態２に係る微細構造体の貫通孔５を第２の材料６で充填した場合を示したが、実施の形態１に係る微細構造体の空間を第２の材料で充填した構成でも同様な効果が得られる。

実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４による光学フィルタの構造を示す断面図である。光学フィルタは、上述したような微細構造体からなる複数の層７，８，９が積層され、隣接する微細構造体は、互いに異なる実効屈折率を有する。

層７，８，９は、図２に示すような構造パラメータを有する微細構造体を備えており、高次回折光を生じさせることなく、単一材料の使用だけで屈折率分布を構築することが可能になる。こうした構成により、従来の多層膜フィルタと同様な屈折率分布を構築できるため、所望の光学特性かつ高い信頼性を有する光学フィルタを実現できる。

層７，８，９は、実施の形態１〜３で説明した微細構造体のいずれでも構わない。また、積層する層の数は、３つに限られず、４つ以上でも構わない。

次に、本実施形態に係る光学フィルタの製造方法について説明する。まず、図１４に示すように、レジストのパターニングまたはアルミナマスクによるマスク形成、ドライエッチング、マスク除去を順次適用することによって、異なる微細構造体７ａ，８ａを有する複数の基板を形成する。

次に、図１５に示すように、そのうち２枚の基板を貼り合わせて、微細構造体７ａ，８ａ同士を接合する。接合方法は用いる基板材料にもより、真空接着、表面活性化法なども挙げられるが、微細構造であるため、ウエハ融着法が最も接合強度が高く、信頼性が高い。接合温度は材料にもよるが、ＧａＡｓで５５０℃、Ｓｉで１０００℃であり、加熱時間は最大温度で最長１時間程度である。

次に、図１６に示すように、一方の基板を裏面から研磨して、微細構造体を露出させる。基板厚さが比較的薄い場合は、ドライエッチングやウエットエッチングでもよい。こうして微細構造体が露出した面に３枚目の基板を貼り合わせて、微細構造体同士を接合した後、基板の裏面研磨により微細構造体８ａを露出させる。これらの工程を繰り返すことにより、図１３に示す多層構造が同一材料で実現できる。

１ 上部ブロック、 ２ 基板、３ 下部ブロック、 ４ レジスト、 ５ 貫通孔、
６ 第２の材料、 ７，８，９ 層、 ７ａ，８ａ 微細構造体。

Claims (5)

1. 所定の波長帯の光を通過させるバンドパス特性を有する光学フィルタであって、
   基板と、
   基板の少なくとも一方の主面側に設けられた微細構造体であって、基板と同一材料で形成され、材料の屈折率および空間の屈折率を面積比率で比例配分することにより定まる実効屈折率を有する微細構造体とを備え、
   微細構造体は、通過波長帯の下限より小さい周期構造を有することを特徴とする光学フィルタ。
2. 所定の波長帯の光を通過させるバンドパス特性を有する光学フィルタであって、
   基板に多数の貫通孔が形成された微細構造体であって、材料の屈折率および空間の屈折率を面積比率で比例配分することにより定まる実効屈折率を有する微細構造体を備え、
   微細構造体は、通過波長帯の下限より小さい周期構造を有することを特徴とする光学フィルタ。
3. 空間には、所定の屈折率を有する第２の材料が充填されていることを特徴とする請求項１または２記載の光学フィルタ。
4. 通過波長帯の下限が３μｍである場合、微細構造体の周期は１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学フィルタ。
5. 複数の微細構造体が積層され、
   隣接する微細構造体は、互いに異なる実効屈折率を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学フィルタ。