JP4995231B2 - 光学フィルタ - Google Patents

Description

本発明は局在プラズモンを利用した光学フィルタに関する。

近年、金属薄膜に開口を周期的に配列し、表面プラズモンを利用して波長選択を行うホール型の光学フィルタが特許文献１や非特許文献１で提案されている。

従来、膜厚にも依存するが、光の波長以下のサイズの開口径を有する金属薄膜の透過率は概ね１％未満になると考えられていた。

特許文献１に記載があるように、金属薄膜表面の表面プラズモンを利用することである程度透過率を増大させることが可能であることが理解される。

また、非特許文献１には、このような表面プラズモンを利用したホール型の光学フィルタとして、ＲＧＢの透過スペクトルが得られることが記載されている。

米国特許第５９７３３１６号明細書

Ｎａｔｕｒｅ Ｖｏｌ．４２４ １４、Ａｕｇｕｓｔ、２００３、８２４−８３０頁

上述した従来の金属薄膜を用いた光学フィルタにおいては、光の透過率は、典型的には数％程度となる。このように透過率があまり高くないフィルタでは、所望の透過光強度を得るために必要な入射光強度は大きなものになる。その結果、入射光強度を大きくするにつれて例えば金属薄膜に熱が加えられてしまい、金属薄膜に構造変化が生ずる場合がある。その場合には、設計した所望の光学特性が得られない恐れがある。

特許文献１では、金属薄膜に周期的な開口を設けた金属薄膜構造体を用い、この開口の配列周期と金属薄膜表面を伝搬する表面プラズモンの波長と一致させることで透過率を向上させることを開示する。

特許文献１に開示の発明では、開口配列周期をプラズモン波長に一致させねばならず、光学特性の設計自由度が小さいという課題が生ずる。例えば、可視光全域等の広帯域な波長域の中で所望の光学特性をもつ素子の設計は困難となる。

一方、非特許文献１では、ホール型の光学フィルタとして、ＲＧＢの透過スペクトルが得られることを開示するものの、透過率を増大させて安定した特性を発揮するための検討はなされていない。

実際にこれらの文献に開示のフィルタをイメージセンサ等のデバイスに適用することを考えると、透過率、波長帯域などの光学特性に加えて、特性の安定性と耐久性の改善も必要となる。

そこで、本発明は、可視光領域において透過率が高く、安定した特性を発揮し得る光学フィルタを提供することを目的とする。

本発明により提供される光学フィルタは、基板の表面上に開口部を備えた遮光性の導電体層を配して構成され、第一の波長の光を選択的に透過せしめる光学フィルタであって、前記導電体層に接して形成された誘電体層を備え、前記開口は、直交する２つの方向に有限の第一の波長以下の大きさを有すると共に、前記表面上に格子状に複数設けられており、前記基板表面の面積に対する前記導電体層の面積の割合が、３６％以上７４％以下の範囲にあり、前記導電体層に入射する光により前記開口部に誘起される局在プラズモンにより前記第一の波長の透過率を極大値とさせることを特徴とする。

本発明によれば、可視光領域において透過率が高く、且つ安定した特性を長期に亘って発揮し得る耐久性の高い光学フィルタを提供することができる。更に、膜厚が薄く、透過スペクトルが原色特性を有する光学フィルタを提供することができる。

本発明の１例を示す模式図 光透過強度の波長依存性を示すグラフ 本発明の１例を示す模式図 本発明の１例を示す模式図 本発明における界面の形状を示す模式図 本発明における界面の形状を示す模式図 本発明の１例を示す模式図 光透過強度の波長依存性を示すグラフ 本発明の１例を示す模式図 本発明の１例を示す模式図 本発明の１例を示す模式図 本発明の第１の実施例の説明図 光透過強度の波長依存性を示すグラフ 本発明の第２の実施例の説明図 本発明の第３の実施例の説明図 本発明の原理を示す模式図 本発明の１例を示す模式図 実施例４の模式図 実施例４の模式図 実施例４の模式図 実施例５の模式図 実施例５の模式図

本発明者らは、金属／誘電体界面を少なくとも２つ対向させて配置した構造を含む光学フィルタを検討した。

平滑な金属表面と誘電体が接している場合、その界面において表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を生じさせることができる。また、平滑な金属表面でない場合でも、例えば金属微粒子や金属開口などの金属ナノ構造において、特に光の波長程度もしくはそれ以下の大きさの構造では、局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Ｌｏｒｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を生じさせることができる。

ここで、プラズモンとは、光などの外部電場により励起される金属中及び表面の自由電子の集団的な振動のことである。電子は電荷を帯びているため、電子が振動することにより、自由電子の粗密分布による分極が生じる。その分極と電磁界とが結合する現象をプラズモン共鳴という。

特に、金属ナノ構造に発生する自由電子のプラズマ振動と光との共鳴現象を局在プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）という。

すなわち、金属ナノ構造における自由電子の集団的な振動が光などの外部電場により励起され、その振動により電子の密度分布とこれに伴う分極が生じ、金属ナノ構造の近傍に局在するような電磁場が発生する。

この発生したＬＳＰＲは特定の振動数の光を特に強く吸収、散乱するため、透過率や反射率の波長依存性が生じる。

ＬＳＰＲは数ｎｍ以上の厚さの金属構造があれば発現させることが可能である。

以下では本発明の原理を単純な構造を用いて説明する。

図１６に示すように導電体／誘電体界面が平行に対向している金属薄膜構造体１６１１を考える。図中（ａ）は光入射側から見た図、（ｂ）は側面図である。導電体として、これ以後、金属を用いて説明する。この図では金属部材１６０１と、誘電体部材１６０２及び金属部材１６０３でなす界面１６０４と、界面１６０５と、が平行に対向している。そしてこれら両界面が開口１６０６をなしている。

以下の説明では図１６（ａ）に示される形状を利用したフィルタを中心に述べるが、本発明のフィルタは、これに限るものでなく、図１６（ｃ）に示す様に界面が対向して配置される形状であれば基本的に本発明の光学フィルタの光学特性を発現する。

その理由は、詳しくは後述するが、金属部材（導電体層）と誘電体部材（誘電体層）との界面１６０４と、界面１６０５と、に局在するプラズモンが発生するためである。

開口１６０６に対して図中に示す偏光（電界）成分を持つ入射光１６０７が入射するとき、開口１６０６およびその周囲では図に矢印で示すように自由電子が運動・分布し、開口１６０６近傍に電荷密度分布を生じる。この電荷密度分布と電磁場との結合が局在プラズモンである。

局在プラズモンは、開口１６０６の周囲での自由電子の回り込みや界面端部での散乱当により開口辺縁部では電荷の粗密分布を生じる。

例えば、開口形状を持つ光学フィルタの場合には、開口部に励起される局在プラズモンは図１６の開口１６０６の端部１６０８から反射してくる電荷密度波の定在波として生じる。そのため、この部分に励起されるプラズモンの波長はその半波長の整数倍が界面の幅（長さ）１６０９と略一致する。

この界面にプラズモンが励起される場合、対向する界面間の間隔１６１０が可視光を透過させないほど小さい場合でも局在プラズモンによってその光のエネルギーが金属薄膜構造体１６１１の出射側に伝播する。

本発明では、背景技術で述べた光学フィルタのように金属薄膜表面を伝搬する一般的な表面プラズモンを用いるのではなく、ナノサイズの構造体（対向する平滑な界面）に励起される局在プラズモンを用いて所望の光学特性を発現させることが特徴である。

本発明では界面部や界面がなす開口部に局在して誘起される局在プラズモンを用いる。

局在プラズモンは金属薄膜の面内方向にも、膜厚方向にも局在しており、開口部の入射側の端面で局在プラズモンを励起すると、開口部の出射側端面に局在プラズモンのエネルギーが伝搬し自由空間に再放出される。

局在プラズモンが励起される光学フィルタの光学特性は、局在プラズモンを励起するナノ構造の形状、配置等に起因するため、ナノ構造の形状や配置を精密設計することでその透過波長や透過率を制御可能である。

また、本発明の光学フィルタは、対向する界面が１組であってもその機能を発現することができる。それは、前述の通り本発明の光学フィルタの光学特性は、対向する界面の形状により、界面に励起される局在プラズモンの振動数やこれに応じた波長が決まるためである。

図３に、誘電体基板３０１の中に、同じ幅及び長さの金属／誘電体界面３０３を有する金属薄膜構造体３０２が配置されている光学フィルタ３０４の模式図を示す。

図３では金属／誘電体界面３０３を周期的に配列することで光学フィルタを構成している。図（ａ）のＡＡ’断面を図（ｂ）に示す。

同様に図４に、図３とは異なる構成の光学フィルタの例を示す。

図４は、誘電体基板４０１の中に、同じ幅及び長さの金属／誘電体界面４０３を有する金属薄膜構造体４０２が配置されている光学フィルタ４０４の模式図である。

図４では金属／誘電体界面は遮光部材として機能する金属層（導電体層）に開いた窓という意味合いでいう開口の一部をなしている。
そしてこの開口を周期的に配列することで光学フィルタを構成している。図（ａ）のＢＢ’断面を図（ｂ）に示す。

この金属／誘電体界面の幅（長さ）は励起されるプラズモンの波長を決めるため、フィルタの光学特性（特に透過波長）の決定に大きな役割を果たす。

また、対向する金属／誘電体界面を有するフィルタの透過率は、さまざまな要因に影響されるが、一般的には両界面で励起されるプラズモンがカップリングし、電磁界分布が金属側から誘電体側に引き出されるほど伝搬損失が少なくなる。

従って、伝搬損失を少なくするには界面間の距離がある程度小さい方が良い。しかし、界面間の距離が小さ過ぎると、プラズモン導波路として開口部を見た場合の伝搬損失が増大してしまうため好ましくない。

ここで、面積Ｓの光学フィルタ中において、遮光部が占める面積をＳａとするとき、面積占有率（フィリングファクター（Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒ）：以下、単に「ＦＦ」とも記す。）はＳａ／Ｓで表される。即ち、フィリングファクターは、基板表面の面積に対する遮光部（導電体層）の面積の割合を表わす。
さらに開口がアレイ状に配列している場合にも、ＦＦが透過率に影響する。

背景技術で述べた特許文献１においては金属薄膜の開口周期を、金属薄膜表面を長距離伝搬する表面プラズモンの波長に合致させることで表面プラズモンを積極的に励起している。これに対し、本発明の光学フィルタでは開口内部に励起される局在プラズモンを励起することで光学特性を発現させるため、前述のような金属薄膜表面の表面プラズモンを励起する事は好ましくない。

その理由は、特許文献１の様に表面プラズモンを励起し、これが金属薄膜表面上を伝搬する際には必ず損失を伴うためである。
さらに、金属薄膜表面上の表面プラズモンの励起条件と開口内部に存在する局在プラズモンの励起条件は異なるため、金属薄膜表面上の表面プラズモンが開口内部の局在プラズモンと結合する際にも必ず損失が生ずるのである。このこともまた、透過率低下の要因となる。

しかし、本発明の光学フィルタにおいては、入射した光を表面プラズモンに変換するのでは無く、直接局在プラズモンを励起する。そして、この局在プラズモンが再度伝播光に結合することで透過率向上に寄与するため、高い透過率を実現できるのである。

高透過率な光学フィルタの構成として、素子全体に占める金属薄膜のＦＦが小さい構成が挙げられる。

局在プラズモンは金属薄膜内に形成された開口部の縁で主に励起されるため、そのエネルギーの一部は開口部周囲の金属薄膜表面に伝搬し金属薄膜内に熱的エネルギーとして損失してしまう。ＦＦが大きい場合、開口部（光透過部）周囲の金属薄膜部分（遮光部分）は、開口面積に対して非常に広くなり、さらに開口周囲のどの方向にも開口径と比較して大きな距離で存在することになる。

そのため、開口部で励起された局在プラズモンのエネルギーが開口部周囲の金属薄膜部分に電荷密度分布を誘起しやすく、上述のエネルギー損失を起こしやすい。

これは開口の配列周期が上述の米国特許第５９７３３１６号明細書に記載のフィルタのように表面プラズモンの波長と合致している場合に顕著である。

これに対し、ＦＦが小さい場合は、開口周囲の金属薄膜部分の形状が平板状ではなくむしろ細い金属ワイヤ状になる。

ワイヤ状の金属の表面に励起される表面プラズモンのモード数はその構造異方性のために前述の平板状の金属薄膜構造と比較して少なくなる。

そのため、開口部に励起された局在プラズモンポラリトンのエネルギーが開口周囲のワイヤ状の金属薄膜構造の表面プラズモンに変換される割合を低減でき、透過の際のロスが少ない、透過率が高い光学フィルタとすることができる。

一方、ＦＦを下げ過ぎてしまうと、透過率向上とともにスペクトルのコントラストが低下してしまうため、透過率を高めつつコントラストを維持するためにはＦＦに最適値が存在する。

図２は、透過率強度の波長依存性を示すグラフである。
図２において、透過率２０１は、遮光部材としてＡｌを用い、１辺が１８０ｎｍの正方形開口を周期３５０ｎｍで正方格子状に設けた場合（ＦＦ＝約７４％）、
透過率２０２は１辺が２２０ｎｍの正方形開口を同様に設けた場合（ＦＦ＝６０％）、
透過率２０３は１辺が２８０ｎｍの正方形開口を同様に設けた場合（ＦＦ＝３６％）のグラフである。透過率２０４は１辺が３００ｎｍの正方形開口の場合（ＦＦ＝約２６％）、透過率２０５は１辺が１５６ｎｍの正方形開口の場合である（ＦＦ＝８０％）。

図２から理解されるようにＦＦが高く、開口率が低い状態では、共鳴波長の裾部分では透過率は２０５や２０１の通り略ゼロに落ちる。そしてＦＦを下げていくと２０３や２０２の通り徐々に透過率の最大値は上昇する。

しかし、これに伴い共鳴波長の裾の透過率も上昇し始め、最終的にはフラットなスペクトル特性になってしまい、透過率が高いもののスペクトルのコントラストが低下してしまう（２０４）。

光学フィルタを用いる各種デバイスにおける光の利用効率を考慮すると光学フィルタの共鳴波長における透過率の極大値は、大凡５０％以上とするのが好適である。

また、波長選択性の指標となるコントラストを考慮するとスペクトルの裾部分では透過スペクトルの透過率は大凡５０％以下とするのが好適である。

以上の点を考慮すると、共鳴波長での透過率の極大値を大凡５０％以上にするためにはＦＦは７４％程度以下である必要があり、一方透過スペクトルのコントラストを維持するためにはＦＦは３６％程度以上（つまり、共鳴ピークの裾部における透過率が５０％以下となっている）である必要がある。

結局、本発明の光学フィルタは基板表面の面積に対する導電層の面積の割合を３６％以上７４％以下の範囲とするのが好適である。

共鳴波長の光は局在プラズモン共鳴によって透過するため透過率スペクトルは、ある極大値を持つ。

一方、フィルタ（素子）を透過する光の中には金属の遮光部をそのまま透過してくる光や、開口をわずかに通り抜ける散乱・伝播光成分も含まれており、これらの光がもつ波長依存性は、基本的に開口が有するカットオフで決まる。

そのため波長依存性は極大値・極小値を持つことは無い。このことから本発明の光学フィルタの光学特性は、単なる微小開口のカットオフに依存したものではないことが分かる。

また、本発明者らが検討を行ったところ、単に誘電体基板の表面上に金属薄膜構造体を配置し、金属薄膜構造体が空気に露出している構造よりも、誘電体基板中に金属薄膜構造体を埋め込んだ光学フィルタの方が好適であることを見出した。

すなわち、単に誘電体基板の上に金属薄膜構造体を配置しただけでは、空気と金属薄膜構造体との境界部近傍の界面でのプラズモン共鳴の周波数と、金属薄膜構造体と誘電体基板との境界部近傍の界面でのプラズモン共鳴の周波数とが異なってしまう。

この結果、光学スペクトル幅の拡大やピーク***などが生じ、光学フィルタとして好ましくない特性が発現し得る。

また、この光学フィルタを反射フィルタとして用いる場合には、入射光が誘電体基板側から入射するか、あるいは空気側から入射するかにより、反射特性が異なる。そのため、所望の光学特性を発現させるには、ある一方向からの入射しか許さない光学フィルタとなり、このような光学フィルタを使用した光学系の設計自由度を落とす可能性がある。さらに、金属の表面にごみ等が付着すると、ピーク波長の変化を生じてしまうという問題もある。

このような原因による光学特性の変化は金属ナノ構造を用いた環境センサなどのデバイスに適用する場合には、好適な特性であるものの、光学フィルタに求められるのは、安定性や耐久性であり、センサとは要求される特性も異なるものである。

さらに、本発明の光学フィルタは開口内部に局在する局在プラズモンを介してエネルギーを入射側から出射側に伝送するため、開口内部を電磁場のエネルギーが通過する際のエネルギー損失を低減させることが好適である。

そのためには、開口内部に誘電率が高い誘電体（誘電体層）を埋め込むことで、開口内に局在する局在プラズモンの電磁界分布を開口内の金属側から誘電体側へ引き出すことが好適である。このような構成とすることで、金属内部に存在する電磁界からエネルギーが金属内に散逸してしまう割合を低減させることが可能である。

そこで、誘電体中に金属薄膜構造体を埋め込んだ構造を検討したところ、空気と金属との界面のプラズモン共鳴周波数の違いに起因するスペクトルピークの***やピーク幅拡大、透過率低減をこのような構造が、抑制すること見出した。

また、このような構造は、金属の酸化防止、更には金属表面にごみ等が付着することによる光学特性の変化（ピーク波長のシフト等）を抑制し、安定性と耐久性の向上をもたらす。

ところで、一般的な光学フィルタである誘電体多層膜フィルタや色素フィルタなどをデバイスに用いようとすると、光の波長以上の膜厚が必要となり、一般的には、１μｍ程度かそれ以上の膜厚となる。

一方、本発明の光学フィルタでは、遮光部材としての金属（導電性薄膜）の厚さを１００ｎｍ程度かそれ以下の膜厚としてフィルタを構成することが可能である。

金属薄膜構造体の上に保護層を１００ｎｍ程度積層したとしても全層の膜厚が２００ｎｍ程度に抑制できるため、色素等を用いた従来のフィルタと比較して膜厚が薄いフィルタを提供することができる。

これにより、本発明の光学フィルタをＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の受光素子に用いれば、受光素子の小型化が可能となる。また、受光素子の高画素数化に伴う各画素の見込み角の減少による受光光量不足を緩和することも可能となる。

以下、本発明に係る実施形態について、図を用いて説明する。

（第１の実施形態）
図１（ｂ）は本発明に係る第１の実施形態である光学フィルタの上面図であり、図１（ａ）はＡ−Ａ´の断面図である。

透光性の誘電体基板１１０の表面上（誘電体基板表面上）には透光性の誘電体層１３０が設けられ、この誘電体基板１１０と誘電体層１３０との間には遮光性の金属薄膜構造体（導電体層）１２０が選択的に設けられている。つまり、導電体層上には該導電体層に接して誘電体層１３０が設けられている。

金属薄膜構造体（導電体層）１２０は、誘電体基板１１０の表面に平行な第１の方向１４０に沿って、対向すると共に誘電体基板１１０の法線方向に誘電体層１３０との界面１２１及び１２２を構成する第１の部位を有している。

別の表現をすると、金属薄膜構造体１２０には、誘電体層と金属層との界面である界面１２１及び１２２が界面対１２３をなし、この界面対１２３は誘電体基板１１０の面内方向に孤立した状態で２次元的、かつ周期的に設けられている。

また、図中では界面１２１及び１２２は、遮光部として機能する金属薄膜１２０内に形成された光透過性の窓という意味あいを持つ開口部１２５の一部をなしている。このとき、開口部１２５の中にも、誘電体層１３０が埋め込まれている。尚、ここでの説明では開口部１２５は正方格子配列をしているがこれに限定されるものでもない。

開口部１２５は、第１の方向１４０に長さ１４１を有し、かつ、第１の方向１４０と直交する第２の方向１５０に第２の長さ１５１を有している。

ここで、第１の長さ１４１（第１の部位の誘電体基板表面に平行な方向の長さ）と第２の長さ１５１（対向する第１の部位間の距離）は可視光領域における光の波長以下の長さに設定する。

図中に示す偏光成分（電界成分）を有する入射光によって界面に誘起される局在プラズモンの波長は最低次のモードの場合、プラズモンの半波長が界面１２１及び１２２の長さ１４１と略同一になる。可視光で局在プラズモンを励起し得る構造の大きさは可視光の励起波長よりも短くなることから、これらの長さを可視光領域における光の波長以下としている。

ここでは、一例として、開口部１２５は、第１の長さ１４１と第２の長さ１５１が同一であって正方形状とし、１辺２４０ｎｍとしている。光学特性の設計容易性という点からは正方形状は好ましいが、その他多角形形状であってもよい。さらに円形や楕円形でも良い。例えば、正多角形や円形形状ならば偏光依存性を抑制することが可能であり好ましい。円形ならば作製が容易であり作製精度も維持しやすいため好適である。

例えば、正方形形状の開口の場合には図５に示す符号５０１が第１の長さ、符号５０２が第２の長さを示している。

界面対（対向する界面）１２３がなしている開口部の形状が正多角形形状の場合には、図６に示すように、第１の長さ（第１の部位の基板表面に平行な方向の長さ）は、符号６０１、第２の長さ（第１の部位間の距離）は、符号６０２で示された長さとして扱う。

さらに本発明において、第１の部位の基板表面に平行な方向の長さ及び対向する第１の部位間の距離は、円形開口の場合は円の直径を指すものとする。

尚、本願において開口の大きさという場合には、上述した開口の第１もしくは第２の長さ、円形開口の直径、多角形開口の対角線の長さを指すものととらえることができる。

例えば、透過させる光の最大波長を赤色帯域（これを第一の波長として波長６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下）として開口の大きさを第一の波長以下の大きさとすることができる。

本実施形態では、界面対１２３と、誘電体基板または誘電体層に入射する光とが共鳴することにより、界面１２１及び１２２の表面に誘起される局在表面プラズモンによって、可視光領域における所定の波長の透過率が増大する。つまり、所定波長の透過光を優先的に生ずる。

図１に示した開口群（１２５の集まり）において、界面対１２３が設けられている周期１４５および周期１５５は、可視光領域における光の波長以下にすることも好ましい形態である。開口の配列周期が注目している光の波長領域よりも大きい場合には、高次の回折光が発生し、０次回折光の強度が低下する可能性があるからである。

また、界面対１２３が設けられている周期１４５および周期１５５は、開口部に励起されるプラズモンの共鳴波長より小さくすることも好ましい形態である。開口の周期がプラズモン共鳴波長と近くなると、所謂ウッズのアノマリを生じ、プラズモン共鳴によるピーク形状がローレンツ型から大きく変化し所望の光学特性と異なる特性を発現してしまう可能性があるからである。

ここで、ウッズのアノマリとは入射光が周期構造により回折され、回折光が金属周期構造表面の極近傍を表面と平行に伝播するために損失が増大し回折効率が低下する現象のことをいう。

ここでは、一例として、赤色の波長帯域にプラズモン共鳴を生じさせることを想定し、周期１４５および１５５は３５０ｎｍとしている。

また、金属薄膜構造体（導電体層）１２０の厚さ（層厚）１６０を可視光領域における光の波長以下にすることも好ましい。

長さ１４１と界面間隔１５１が可視光領域における光の波長以下の長さであるため、本発明の光学フィルタを作製する際の微細加工プロセスにおいて、金属薄膜構造体の厚さを厚く設定しすぎると構造作製が困難となり作製誤差が大きくなるからである。ここでは、一例として、金属薄膜（導電体層）の厚みをとして６０ｎｍを想定している。

金属薄膜構造体１２０を構成する材料としては、アルミニウム、金、銀、白金などを用いることができる。このうちアルミニウムは、銀と比較してプラズマ周波数が高く、物性的に可視域全体を網羅する光学特性のフィルタの設計が容易である（Ａｇ：〜３．８ｅＶ（〜３２５ｎｍ）、Ａｌ：〜１５ｅＶ（〜８３ｎｍ））。

また、アルミニウムは、銀等と比較して化学的に安定であるため、長期間安定して所定の光学特性を発現できる。

さらに、アルミニウムは、銀と比較して誘電率の虚部が大きいため銀よりも膜厚を薄くしても十分な遮光性を発現させることができ、また微細加工が容易である。

加えて、アルミニウムは、白金のように化学的に極度に不活性であるためにドライエッチングによる微細加工が困難であるなどの不都合も無い。

なお、金属薄膜構造体（導電体層）１２０はアルミニウム、金、銀、白金を含む混合物や、合金、化合物であってもよい。

誘電体基板１１０の材料としては、可視光領域の光を透過する材料である石英（２酸化ケイ素）、２酸化チタンなどの金属酸化物や、窒化シリコンなど可視光の透過率が高い材料から適宜選択することができる。また、ポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートなどの高分子材料も誘電体基板１１０の材料として用いることができる。

ここで基板として誘電体を挙げたが、本発明における基板は、誘電体に限定されるものではない。

本発明の基板とは、開口部を備えた遮光性の導電体層を支持する部材の意味を有する。

例えばシリコンウェハに光電変換部を有するセンサ部（ＣＭＯＳセンサ等）作製後、配線層、絶縁層等を積層した上で、導電層を積層して光学フィルタを作り込むような場合には、シリコンウェハを基板と呼ぶこともできる。また、中間の絶縁層等を基板ととらえることもできる。従って、本発明でいう基板とは、誘電体基板や半導体基板等の比較的厚みのある支持体の他、更には、半導体層、絶縁層等のように比較的薄い層厚の支持体を包含する。

誘電体層１３０の材料としては、誘電体基板１１０と同様に、石英（二酸化ケイ素）、二酸化チタン、窒化シリコン等から適宜選択することができる。ＣＭＯＳセンサ等の半導体デバイスに作り込む場合には、半導体製造プロセスにおいて用いられる一般的な絶縁膜を採用することができる。また、ポリカーボネートやポリエチレンテレフタレートなどの高分子材料も誘電体層１３０の材料として用いることができる。

ここで、基板１１０を誘電体で構成し、基板と誘電体層１３０の誘電体率の差は５％以下であることが好ましい。

誘電体基板１１０の誘電率と誘電体層１３０の誘電率が大きく異なると、界面１２１及び１２２の誘電体１１０側端部におけるプラズモンの励起波長と、界面１２１及び１２２の誘電体層１３０側端部におけるプラズモンの励起波長との差が大きくなるからである。

その場合には、想定外の共鳴波長のピークや、ピーク幅の拡大が生じるおそれがある。

そのため、誘電体基板が有する誘電率と、誘電体層が有する誘電率とを同一とすることが最適である。

また、本発明の光学フィルタは、誘電体層内に金属薄膜構造体を複数層積層した積層型とすることもできる。

この場合、積層型の素子の光学特性特に透過スペクトルは以下のようになる。

まず、積層する際の層間距離が各金属薄膜構造体に誘起される局在プラズモンの近接場分布が及ぶ距離（典型的には１００ｎｍ程度）以上はなれている場合には、金属薄膜構造体の各層が有する透過スペクトルの積のスペクトルが発現する。これは金属薄膜構造体間に近接場相互作用が発生しないため、各々の金属薄膜構造体の光学特性が維持されている結果である。この形態では素子全体の光学特性の設計が比較的容易である。

これに対し、前述の金属薄膜構造体間の距離が１００ｎｍ以下になると、各金属薄膜構造体に誘起される局在プラズモンが互いに相互作用するため光学特性は複雑になる。

前述の相互作用がない場合と比較して透過スペクトルのピークの***や広がり、透過率の増減など様々な変化が生じる。この形態では素子全体の光学特性の設計は難しいものの、単層の場合と比較してより複雑なスペクトル形状を形成できる可能性がある。

図７において、誘電体基板７０１上には第１の金属薄膜構造体７０２が形成され、更に第１の誘電体層７０３に覆われている。そして、第１の誘電体層７０３上には第２の金属薄膜構造体７０４が配置され、更にその上に第２の誘電体層（他の誘電体層）７０５が形成されている。

これにより、例えば、光学フィルタＲを２層積層することで、単層の場合と比較して線幅が細い透過スペクトルを作ることができる。

また第１の金属薄膜構造体７０２と、第２の金属薄膜構造体７０４の構成は開口７０６の配列の周期が同一であるもの、あるいは開口の形状が同一であるものに限るものではない。

なお、本実施形態に係る積層型の光学フィルタにおいては、近接場相互作用が殆ど生じない積層間隔で積層することも設計容易性という観点では好ましい形態である。具体的には、１００ｎｍ以上の積層間隔とすることが好ましい。

（計算結果）
図８は、上記の構造を用いて数値計算を行った結果を示すグラフである。このグラフは、透過強度の波長依存性を示すものである。

ここで用いたフィルタは、金属薄膜構造体としてアルミニウムを用いて、開口径を２４０ｎｍ、周期３５０ｎｍ、厚さ６０ｎｍに設定した光学フィルタである。この光学フィルタの透過スペクトルは透過スペクトル８０１のようになり、波長６５０ｎｍ付近の光を強く透過する光学フィルタとして機能することが理解される。

波長６５０ｎｍは赤色の帯域であるため、Ｒｅｄの頭文字をとって光学フィルタＲとする。この光学フィルタＲは赤色の波長を透過するため、赤色の原色フィルタとして用いることができる。

さらに、開口径や周期を変化させることによって、透過スペクトルの波長、スペクトル幅、透過率を変化させることも可能である。

例えば、開口径を２００ｎｍ、周期を２８０ｎｍ、厚さを６０ｎｍとすることで、可視域の緑（波長５５０ｎｍ）付近に透過率の極大がある透過スペクトル８０２を有する光学フィルタを構成できる。これを光学フィルタＧとする。この光学フィルタＧは緑の原色フィルタとして用いることができる。

同様に、開口径を１６０ｎｍ、周期を２３０ｎｍ、厚さを６０ｎｍにすることで可視域の青（波長４５０ｎｍ）付近に透過率の極大がある透過スペクトル８０３を有する光学フィルタを構成できる。これを光学フィルタＢとする。このフィルタＢは原色の青色フィルタとして用いることができる。

なお、本実施形態に係る光学フィルタの反射スペクトルは、透過率が最大になる波長近傍で反射率が最小になる。本実施形態に係る光学フィルタは、透過フィルタとしてのみならず、反射フィルタとして用いることも可能である。

（設計指針）
以下、金属薄膜構造体を構成するパラメータと光学特性の関係について説明する。

開口に誘起される局在プラズモン共鳴は、界面での自由電子のプラズマ振動に伴う電荷密度分布であり、この電荷密度分布や開口の光学特性は開口の形状に影響される。

例えば、開口に照射される光の偏光方向の開口の長さ、金属層の厚さ、及び開口を配置する周期を一定にしたまま、偏光と直交する方向の開口の長さを長くすると、共鳴波長は長波長側に移行する。さらに共鳴波長が長波長に移行するだけでなく、ピーク幅は広がり、透過ピークでの透過率は増大する。

このため、開口の局在プラズモン共鳴の波長を長波長側に発生させるためには開口の偏光方向と直交する方向の長さを長くすれば良いことが分かる。なお、光学フィルタに入射する光の偏光は厳密に開口の法線方向と平行である必要はない。

また、開口に照射される光の偏光方向と直交する方向の開口の長さ、金属層の厚さ、及び開口を配置する周期を一定にした状況では、偏光方向の開口の長さが長くなるにつれて共鳴波長は短波長側に移行する。そしてピーク幅は広がり、共鳴波長での透過率は増大する。

また、開口に照射される光の偏光方向の開口の長さ、及び偏光と直交する方向の開口の長さ、及び開口の配列周期を一定にした状況では、金属層の厚さを増大させると共鳴波長は殆ど変化せず、共鳴波長での透過率は減少し、共鳴幅は減少する。

また、開口に照射される光の偏光方向の開口の長さ、及び偏光と直交する方向の開口の長さ、及び金属層の厚さを一定にした状況では、開口が設けられた周期を増大させると、共鳴波長は長波長化するとともに、共鳴波長での透過率は減少し、共鳴幅は減少していく傾向にあることが分かる。

このような知見を基にして、開口がなす開口の形状や配列周期のパラメータの最適化を図ることが可能であり、所望の波長に共鳴波長を有する光学フィルタを設計することが可能である。

本発明者らの検討によれば、光学フィルタの共鳴波長を赤色の帯域、即ち、波長６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下、とするためには、開口径を２２０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下の範囲に設定するのが望ましい。そして、金属薄膜構造体の厚さを１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とし、かつ開口の配列周期を３１０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲に設定するのが望ましい。

また、光学フィルタの共鳴波長を緑色の帯域、即ち、波長５００ｎｍ以上６００ｎｍ未満、とするためには、開口径を１８０ｎｍ以上２２０ｎｍ未満の範囲に設定するのが望ましい。

そして、金属薄膜構造体の厚さを１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とし、かつ開口が設けられている周期を２５０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下の範囲に設定するのが望ましい。

また、光学フィルタの共鳴波長を青色の帯域、即ち、波長４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満、とするためには、開口径を１００ｎｍ以上１８０ｎｍ未満の範囲に設定するのが望ましい。

そして、金属薄膜構造体の厚さを１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とし、かつ開口が設けられている周期を１７０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の範囲に設定するのが望ましい。

（第２の実施形態：ベイヤー配列）
本実施形態では、ベイヤー配列となっているＲＧＢフィルタについて説明する。

図９に示すように、領域９０１には、例えば前述の光学フィルタＲ（透過スペクトル８０１）を配置し、領域９０２には、光学フィルタＧ（透過スペクトル８０２）、領域９０３には、光学フィルタＢ（透過スペクトル８０３）を配置する。このような配置にすることで本発明のフィルタを用いて、ベイヤー配列のカラーフィルタを構成することが可能である。本実施形態では、領域ごとに開口の形状が異なり、かつ開口が設けられている周期も異なっているがこの構成に限るものではない。例えば、開口の周期だけが異なる開口群が各領域に配置されていても良い。また、開口の大きさだけが異なる開口群が各領域に配置されていても良い。

つまり、第１の開口群を２つ以上有し、第１の開口が設けられている周期は互いに異なっており、前記第１の開口群は前記誘電体基板表面の相異なる領域に配置されていても良い。

また、第１の開口群を構成する第１の開口とは異なる形状である第２の開口からなる第２の開口群が各領域に配置されていても良い。すなわち、第２の開口は、第１の方向に第１の長さを有し、第２の方向に第２の長さを有し、第２の開口の第１の長さは第１の開口の第１の長さと異なるか、または第２の開口の第２の長さは第１の開口の第２の長さと異なっている。この結果、第２の開口群は、第１の開口群の共鳴波長（第１の波長）とは異なる波長（第２の波長）で光の透過率を増大させることができる。

（第３の実施形態：三角格子）
図１０は、正方形開口の一部をなす開口が三角格子状に配列されている実施形態を示した図である。三角格子配列にした場合には、格子の単位ベクトル成分が直交していないため、正方格子状の配列と比較してフィルタの光学特性の入射光偏光に対する依存性や斜入射によるスペクトル変化を抑制できる。

このような三角格子配列は、直交格子状に配列されている複数の開口からなる複数の開口群が位置をずらせて配置されていると表現することもできる。

すなわち、第１の開口１００１により構成される第１の開口群１００２（図中点線）と第１の開口群１００３（図中１点鎖線）とは、基板の同一平面上に群どうしの位置をずらせて並置されていると表現することが可能である。

（第４の実施形態：２つ以上の開口群の位置をずらせた並置）
本実施形態でも、第３の実施形態と同じく、複数の開口群が位置をずらせて並置されている例について説明する。

図１１（ａ）は、周期が異なる第１の開口群が位置をずらせて並置されている例を示したものである。第１の開口群１１０２（図中実線）を構成する第１の開口１１０１が周期１１０３で設けられており、第１の開口群１１０５を構成する第１の開口１１０４は周期１１０６で設けられている。本実施形態では、開口の配列周期が互いに異なることから、周期の異なる開口群が個々に有する光学特性を共に持つ光学フィルタの構成が可能である。

すなわち、図１１（ａ）の光学フィルタは、前記誘電体基板の同一平面上に、前記第１の開口群を２つ以上有し、この２つ以上の第１の開口群を構成する第１の開口が設けられている周期は互いに異なっている。また、この２つ以上の第１の開口群は位置をずらせて並置されている。

また、図１１（ｂ）は、第１の開口群と第２の開口群とが位置をずらせて並置されている例を示したものである。第１の開口１１０７は第１の開口群１１０８を構成し、第２の開口１１０９は第２の開口群１１１０を構成する。このように開口群を構成する開口の形状が異なることから、２つの開口群が有する個々の光学特性を同時に発現させることが可能となる。

すなわち、図１１（ｂ）の光学フィルタは、第１の開口群とは別に、誘電体基板の同一平面上に、複数の第２の開口を孤立した状態で２次元的、かつ周期的に設けた第２の開口群を並置している。この第２の開口は、第１の方向に第１の長さを有し、かつ第２の方向に第２の長さを有し、前記第１の長さと第２の長さは可視光領域における光の波長以下である。この第２の開口の第１の長さは第１の開口の第１の長さと異なるか、または第２の開口の第２の長さは前記第１の開口の第２の長さと異なっており、第１の開口群と、第２の開口群とは位置をずらせて並置されている。この結果、第１の開口の共鳴波長（第１の波長）と、第２の開口の共鳴波長（第２の波長）が異なっている。

またこのような実施形態として、例えば面内に複数の周期、周期Ａ１７０１と周期Ｂ１７０２を以って開口１７０３が配列されている光学フィルタも含む（図１７）。配列は図１７では正方格子が複数周期を持つ例を示したが、複数周期の数等、実施形態としてはこれに限るものではない。

以下、具体的な実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが本発明は、これら実施例に限定されるものではない。

単層構造
ここでは、ＲＧＢの透過フィルタの作製方法と光学特性について説明する。

図１２（ａ）は、厚さ５２５μｍの石英基板からなる誘電体基板１２０１の表面に、金属薄膜層１２０２として厚さ６０ｎｍのアルミニウムを蒸着し、その上に電子線描画（ＥＢ）用レジスト１２０３を塗布した状態を示す模式図である。なお、金属薄膜層１２０２の成膜方法は蒸着に限るものでなく、スパッタリング等であってもよい。

次に、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト１２０３をパターニングする。レジストパターンの形状は、１辺が約２４０ｎｍの正方形開口であり、周期約３５０ｎｍで正方格子状に配列した形状を作製する。このレジストパターンをエッチングマスクとして、塩素と酸素の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで金属薄膜構造体１２０４を形成することができる。なお、ドライエッチングガスは塩素と酸素に限るものではなく、アルゴンやその他のガスでも良い。

また、エッチングマスクの作製方法はＥＢ描画に限るものではなく、フォトリソグラフィー等でも良い。さらに、金属薄膜層１２０２のパターニング方法は、誘電体基板１２０１上にＥＢ描画やフォトリソグラフィ−等によりレジストパターンを形成し、金属薄膜層１２０２を成膜した後にリフトオフプロセスにより形成しても良い。リフトオフプロセスの場合レジストパターンは前述の工程に対しネガポジ反転させておく必要がある。

また、収束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ加工装置）を用いて、金属薄膜層１２０２を直接加工しても良い。

次に、金属薄膜構造体１２０４の上に、誘電体層１２０５として厚さ３００ｎｍの石英薄膜をスパッタリングにより成膜する。このようにして形成された光学フィルタを図１２（ｂ）に示す。なお、成膜方法は、スパッタリングに限るものではなく、ＣＶＤによる成膜やさらにはＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）などを塗布しても良い。無機ＳＯＧとしてＨＳＧ（水素化シルセスキオキサン）膜、有機ＳＯＧとしてＭＳＱ（メチルシルセスキオサン）膜等が挙げられる。

図１３（ａ）には、このようにして作製した光学フィルタの透過スペクトルを示す。数値計算により透過スペクトルＲは符号１３０１のように求まり、本フィルタは波長６５０ｎｍ付近に透過率の極大値を持つことが分かる。透過ピークを示す波長は可視域の赤色に対応するため、本フィルタは赤を透過する原色フィルタとして機能する。

また、金属薄膜構造体１２０４を開口径約２００ｎｍ、厚さを約６０ｎｍ、周期を約２８０ｎｍの開口配列とすることで符号１３０２で示される透過スペクトルＧが得られる。同様に、開口径を約１６０ｎｍ、厚さを６０ｎｍ、周期を約２３０ｎｍとすることで符号１３０３で示される透過スペクトルＢが得られる。これらはそれぞれＲＧＢを透過する光フィルタであり、原色フィルタとして機能する。

また、本実施例のフィルタの反射スペクトルは、透過率が最大になる波長とほぼ同じ波長で反射率が最小になる。

そのため、図１３（ｂ）に示すように、本実施例の光学フィルタは、反射フィルタとして用いることで、透過スペクトルＲを有するフィルタからは符号１３０４で示される反射スペクトルＲを得ることができる。同様に、透過スペクトルＧを有するフィルタは符号１３０５で示される反射スペクトルＧ、透過スペクトルＢを有するフィルタは符号１３０６で示される反射スペクトルＢを得ることができる。このように、これらの光学フィルタはそれぞれ可視域の赤、緑、青の補色（シアン、マゼンタ、イエロー）を強く反射する光学フィルタとして機能させることが可能である。

なお、本実施例では金属薄膜構造体に正方形開口が正方格子状に配列している例を用いて説明したが、三角格子配列にしてもよい。三角格子配列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出来る。また、開口形状も正方形に限らず、正多角形や円形でも良い。

ベイヤー配列
本実施例ではベイヤー配列のＲＧＢフィルタの作製方法と光学特性について説明する。

図１４（ａ）は厚さ５２５μｍの石英基板からなる誘電体基板１４０１の表面に、金属薄膜層１４０２として厚さ６０ｎｍのアルミニウムを蒸着し、その上にレジスト１４０３を塗布した状態を示す模式図である。

次に、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト１４０３をパターニングする。レジストパターンの形状は、１辺が約２４０ｎｍの正方形開口を周期約３５０ｎｍで正方格子状に配列した形状を約１０μｍ角にパターニングした部分をパターン部Ａ１４０４とする。

また、１辺が約２００ｎｍの正方形開口を周期約２８０ｎｍで正方格子状に配列した形状をパターン部Ｂ１４０５とし、１辺が約１６０ｎｍの正方形開口を周期約２３０ｎｍで正方格子状に配列した形状をパターン部Ｃ１４０６とする。

これらの各パターン部を１０μｍの隙間を空けて図１４（ｂ）のように配置した構造を作製する。このレジストパターンをエッチングマスクとして、塩素と酸素の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで金属薄膜構造体１４０７を作製する。

このとき開口形状は正方形に限らない。正多角形や円形でも構わない。

次に、金属薄膜構造体１４０７の上に、誘電体層１４０８として厚さ５００ｎｍの石英薄膜をスパッタリングにより形成する。このようにして形成された光学フィルタを図１４（ｃ）に示す。図１４（ｃ）は図１４（ｂ）のＡＡ’断面である。

なお、上述のパターン部の間の領域は、混色防止のために遮光層を形成しても良い。また、本実施例のように、各パターン部を構成する金属薄膜構造体の厚みを同一にすれば、各パターン部を同一プロセス内で作製することが可能となり、各パターン部間の境目をなくすことも可能である。

このようにして作製したパターン部Ａ，Ｂ，Ｃ，は、符号１３０１で示された透過スペクトルＲ、符号１３０２で示された透過スペクトルＧ、符号１３０３で示された透過スペクトルＢを有する。これらはそれぞれＲＧＢに対する原色フィルタとして機能することが出来る。

さらに、本実施例のように、全てのパターン部について厚みを同一に作製しておけば、同一バッチにてＲＧＢ原色フィルタを作製することが出来る。

このため、従来の色素を用いたカラーフィルタでベイヤー配列構造を作製するために必要なＲＧＢ三色の塗り分けのプロセスが必要なくなり、作製プロセス時間短縮、作製プロセス簡略化が可能である。尚、ＲＧＢ三色の塗り分けはベイヤー配列に限るものではなく異なる色素を用いてカラーフィルタを構成する場合には必用となるものである。

ホール積層
実施例３では積層フィルタの作製方法と光学特性について説明する。

図１５（ａ）は、厚さ１ｍｍの石英基板からなる誘電体基板１５０１の表面に第１の金属薄膜層１５０２としてアルミニウムを厚さ６０ｎｍで蒸着し、その上に電子線描画（ＥＢ）用のレジスト１５０３を塗布した状態を示す模式図である。

次に、ＥＢ描画装置を用いて、レジスト１５０３をパターニングする。レジストパターンの形状は、１辺が約２４０ｎｍの正方形開口であり、周期約３５０ｎｍで正方格子状に開口が配列している。このレジストパターンをエッチングマスクとして、塩素と酸素の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで第１の金属薄膜構造体１５０４を作製する。

次に、第１の金属薄膜構造体１５０４の上に、第１の誘電体層１５０５として厚さ３００ｎｍの石英薄膜をスパッタリングにより形成する。第１の誘電体層１５０５の厚さは３００ｎｍに限るものではないが、次の工程で作製する第２の金属薄膜構造体と近接場相互作用を及ぼしあわない層間距離を設けることが好ましい。

次に、図１５（ｂ）に示すように、第１の誘電体層１５０５の表面に、第２の金属薄膜層１５０６としてアルミニウムを厚さ６０ｎｍで蒸着する。即ち、誘電体基板上に導電体層を複数配置する。そして、この第２の金属薄膜層１５０６の上にレジスト層として電子線描画（ＥＢ）用レジストを塗布する。次に、ＥＢ描画装置にてレジスト層をパターニングする。レジストパターンの形状は、１辺が約２４０ｎｍの正方形開口であり、周期約３５０ｎｍで正方格子状に開口が配列している。このレジストパターンをエッチングマスクとして、塩素と酸素の混合気体のプラズマでドライエッチングすることで第２の金属薄膜構造体１５０７を作製する。

さらに、図１５（ｃ）に示すように、第２の金属薄膜構造体１５０７の上に、第２の誘電体層１５０８として厚さ４００ｎｍの石英薄膜をスパッタリングにより形成する。

このフィルタの第１の金属薄膜構造体及び第２の金属薄膜構造体の透過スペクトルはピーク波長約６５０ｎｍ付近、第２の金属薄膜構造体の透過スペクトルも同様にピーク波長約６５０ｎｍ付近である。このため、本実施例の積層フィルタの光学特性は透過スペクトル第１の金属薄膜構造体の透過スペクトルと第２の金属薄膜構造体の透過スペクトルとの積の光学特性に近いものになる。したがって、本実施例に係る積層型フィルタは単層の場合としてより狭い帯域で赤を透過する光フィルタとして機能する。

本実施例は、実施例１ないし３で説明したいずれかの光学フィルタを用いた光検出素子、および光検出素子をアレイ状に並べて撮像素子を構成し、この撮像素子をデジタルカメラに組み込んだ例である。

図１８は、本発明の光学フィルタを用いた光検出素子の模式図である。

光検出素子１８０７は、マイクロレンズ１８０１を通して外部から入射した光を光電変換部１８０５に導入する。光電変換部では入射光に応じた電荷を発生させる。光検出素子は光電変換部１８０５のほかに本発明で開示される光学フィルタ１８０２、誘電体層１８０３、電気回路部１８０４、半導体基板１８０６を含んでいる。光学フィルタ１８０２には例えば図１に示す金属構造体１２０のような、光に対してプラズモン共鳴を誘起し得る構造を含んでいる。

また、このような光検出素子を作製する方法としては以下のようなものがある。

まず、半導体基板１８０６に光電変換部１８０５を形成し、この上から電気回路部１８０４をフォトリソ等を用いてパターニングする。更に誘電体層１８０３を成膜していく工程を繰返すことで所望の層数の電気回路層及び誘電体層を形成できる。そしてこの上から金属層を成膜し電子線描画装置などの微細加工装置を用いて開口部をパターニングする事で光学フィルタ１８０２を形成できる。更にこの上から樹脂等を用いてマイクロレンズ１８０１を形成することで本発明の光学フィルタを用いた光検出素子を作製可能である。

また、ここでは光学フィルタをマイクロレンズ直下に配置したが、配置場所はこれに限るものではなく、例えば光電変換層の直上や近傍、さらには電気回路層の間に積層しても構わない。光学フィルタが光電変換層の直上にある場合でも、光学フィルタでプラズモン共鳴を効率よく生じさせるために、光学フィルタと光電変換層の間に薄い絶縁層を設けて電気的に絶縁してある構造とすることが必要である。これにより、プラズモン共鳴のエネルギーが半導体基板や光電変換層に逃げることを抑止することが可能である。このように光学フィルタを光電変換部に接近させることで、光学フィルタによる散乱光成分も効率よく光電変換部で検知できるようになる。

図１９は、本発明の光学フィルタを用いた撮像素子の模式図である。

図１９において、画素エリア１９００は、前述の複数の光検出素子（画素）１９０１を、３行×３列の２次元マトリクス状に配置している。尚、図１９では、画素エリア１９００は、３行×３列の２次元マトリクス状としたが、例えば、７６８０×４３２０列のマトリクスとすることも可能である。

図１９において、垂直走査回路１９０４および水平走査回路１９０５は、画素エリア１９００内に配置されている光検出素子（画素）を選択して読み出すための回路である。１９０２と１９０３は画素を示している。

図１９のように構成した撮像素子をデジタルカメラに組み込んだ模式図を図２０に示す。

図２０において、２００１はカメラ本体、２００７は接眼レンズ、２００８はシャッターであり、２００９は、ミラーである。

本発明に係る撮像素子は２００４であり、レンズ鏡筒２００３内に配された撮影光学系（レンズ）２００２を介し、撮像素子２００４に光が入射する。

これにより被写体像に応じて、撮像素子２００４の各画素に電荷が発生し、発生した電荷に対応して被写体像を再現できる。被写体像は、モニター用ディスプレイ装置２００５で再生できる他、メモリーカード等の記録媒体２００６に記録される。

本発明に係る光学フィルタは、一般的な色素で構成されるカラーフィルタと比較して厚みが薄いため、ここで示した本発明の撮像素子を薄く構成できる。その結果、撮像素子表面から撮像素子光電変換部までの距離が短くなるため、光の利用効率が向上する。これにより、本発明に係る撮像素子の感度向上が可能である。

実施例１ないし３で説明したいずれかの光学フィルタを用いた分光素子の例を図２１を参照して説明する。

光電変換層２１０１が１次元上に配列しているラインセンサ２１０３上に光学フィルタ層２１０２を配置する。光学フィルタ層２１０２は前記ラインセンサ内の各画素に対してそれぞれ異なる大きさ、または形状の開口部２１０４を有する。開口部２１０４の大きさや形状がことなると、開口が有する透過率スペクトルの形状も異なる。このため、例えば開口の大きさが異なれば、結果的に本実施例の素子の各画素において受光効率が最も高い波長が画素ごとに異なることから、前述のような構造をもつ光学フィルタ層をラインセンサ上に設けることで、本実施例の素子は分光機能と光検出機能を併せ持つ分光検出器を構成することが可能である。

本実施例のようにラインセンサ上に直接光学フィルタ層を配置する構造にすることで、分光素子を小型化することが可能である。

更に、ここではラインセンサ上に光学フィルタを配置して１次元構造のセンサを構成したが、図２２に示すように、２次元エリアセンサ上に光学フィルタ層を配置しても良い。

光電変換層２２０１が２次元上に配列しているエリアセンサ２２０３上に光学フィルタ層２２０２を配置する。光学フィルタ層２２０２は前記エリアセンサ内の各画素に対してそれぞれ異なる大きさ、または形状の開口部２２０４を有する。開口部２２０４の大きさや形状がことなると、開口が有する透過率スペクトルのやその偏光依存性も異なる。このため、図２２のように開口を長方形開口とすることで透過スペクトルに対して偏光依存性を持たせることが可能である。この状態で長方形開口の長手方向が入射光偏光となす角度が開口ごとに異なる様にするため、図２２のように、角度が異なる長方形開口を面内に配置することが可能である。さらに、入射光偏光に、さらに開口の大きさが異なれば、結果的に本実施例の素子の各画素において受光効率が最も高い波長及び偏光が画素ごとに異なることから、前述のような構造をもつ光学フィルタ層をエリアセンサ上に設けることで、本実施例の素子は分光機能と偏光検出機能を併せ持つ分光偏光検出器を構成することが可能である。本実施例の素子により光のスペクトル情報と偏光情報を同時に取得できる素子を小型に作製することが可能である。

本発明は、光学フィルタの他、これを用いた各種デバイスに適用可能である。

１１０ 誘電体基板
１２０ 金属薄膜構造体
１２１ 界面
１２２ 界面
１２３ 界面対
１２４ 界面群
１２５ 開口部
１３０ 誘電体層
１４０ 第１の方向
１４１ 長さ
１４５ 周期
１５０ 第２の方向
１５１ 第２の長さ
１５５ 周期
１６０ 厚さ

Claims (22)

1. 基板の表面上に開口部を備えた遮光性の導電体層を配して構成され、第一の波長の光を選択的に透過せしめる光学フィルタであって、
   前記導電体層に接して形成された誘電体層を備え、
   前記開口は、直交する２つの方向に有限の第一の波長以下の大きさを有すると共に、前記表面上に格子状に複数設けられており、前記基板表面の面積に対する前記導電体層の面積の割合が、３６％以上７４％以下の範囲にあり、
   前記導電体層に入射する光により前記開口部に誘起される局在プラズモンにより前記第一の波長の透過率を極大値とさせることを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記局在プラズモンの波長は、前記開口の大きさに起因することを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 前記第一の波長は可視域にあることを特徴とする請求項１または２に記載の光学フィルタ。
4. 前記開口の形状が円形、正多角形のいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光学フィルタ。
5. 前記導電体層の層厚は、可視域の光の波長以下の長さである請求項１から４のいずれかに記載の光学フィルタ。
6. 前記導電体層がＡｌもしくはＡｌを含む合金で構成されたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光学フィルタ。
7. 前記基板は、誘電体からなることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光学フィルタ。
8. 前記誘電体が酸化ケイ素、酸化チタン、窒化シリコンのいずれかで構成されることを特徴とする請求項７に記載の光学フィルタ。
9. 前記開口の径が２２０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下の範囲にあり、厚さは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にあり、配列周期が３１０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲にあって、透過スペクトルの極大値が波長６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲に発現することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光学フィルタ。
10. 前記開口の径が１８０ｎｍ以上２２０ｎｍ未満の範囲にあり、厚さは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にあり、配列周期が２５０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下の範囲にあって、透過スペクトルの極大値が波長５００ｎｍ以上６００ｎｍ未満の範囲に発現することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光学フィルタ。
11. 前記開口の径が１００ｎｍ以上１８０ｎｍ未満の範囲にあり、厚さは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にあり、配列周期が１７０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の範囲にあって、透過スペクトルの極大値が波長４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の範囲に発現することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光学フィルタ。
12. 前記基板の面内方向に、前記複数の開口からなる開口群とは、異なる別の開口群を有し、前記開口群と、前記別の開口群と、はこれら開口群を構成する開口の周期が互いに異なり、これらの開口群が前記基板上の相違した領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
13. 前記複数の開口を第１の開口として構成される第１の開口群とは別に、前記基板の面内方向の相違した領域に複数の第２の開口からなる第２の開口群を有し、前記第２の開口は前記第１の開口とは異なる大きさを有し、前記第２の開口群は、前記第一の波長とは異なる第二の波長の光の透過率を極大値とさせることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
14. 前記複数の開口を第１の開口として構成される第１の開口群の複数が、前記基板の同一平面上に、群どうしの位置をずらせて並置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
15. 前記複数の第１の開口群は、群を構成する開口の周期が互いに異なることを特徴とする請求項１４に記載の光学フィルタ。
16. 前記複数の開口を第１の開口として構成される第１の開口群と、前記第１の開口とは異なる大きさを有する複数の第２の開口からなる第２の開口群と、が前記基板の同一平面上に、群どうしの位置をずらせて並置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
17. 前記導電体層が、前記基板上に複数層配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
18. 半導体基板に形成された光電変換部と、前記光電変換部に光を導くレンズと、電気回路部と、請求項１から１７のいずれかに記載の光学フィルタと、を備えたことを特徴とする光検出素子。
19. 請求項１８に記載の光検出素子をマトリクス状に複数配置したこと特徴とする撮像素子。
20. ＣＭＯＳセンサを構成することを特徴とする請求項１９に記載の撮像素子。
21. 撮影レンズと、撮像素子と、を備えたカメラであって、前記撮像素子が請求項１９または２０に記載の撮像素子であることを特徴とするカメラ。
22. 複数の画素を備えたセンサと、請求項１から１７のいずれかに記載の光学フィルタと、を有することを特徴とする分光素子。