WO2015033611A1 - 光学フィルター及び撮像素子 - Google Patents

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WO2015033611A1
WO2015033611A1 PCT/JP2014/060895 JP2014060895W WO2015033611A1 WO 2015033611 A1 WO2015033611 A1 WO 2015033611A1 JP 2014060895 W JP2014060895 W JP 2014060895W WO 2015033611 A1 WO2015033611 A1 WO 2015033611A1
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optical filter
wavelength
light
film
conductor
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PCT/JP2014/060895
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English (en)
French (fr)
Inventor
信義 粟屋
貴司 中野
数也 石原
満 名倉
夏秋　和弘
瀧本　貴博
雅代 内田
Original Assignee
シャープ株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G02B1/118—Anti-reflection coatings having sub-optical wavelength surface structures designed to provide an enhanced transmittance, e.g. moth-eye structures
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/008—Surface plasmon devices

Definitions

  • the present invention relates to an optical filter that transmits a plurality of light beams having a predetermined wavelength, and an imaging device including the same.
  • substances derived from organisms such as animals, plants, and microorganisms have many absorption or emission wavelengths that are unique in the near-ultraviolet to visible and near-infrared regions, so there are various conditions such as human health, food freshness, and contamination.
  • Life information can be obtained, and can be widely applied in health, beauty, food management, etc.
  • a spectroscopic system is applied to a camera to image specific wavelength information, it is possible to obtain more intuitive and useful information for daily life.
  • hyperspectral camera as a general-purpose spectroscopic camera.
  • a spectroscopic method there are a system comprising a slit and a spectroscopic optical system, a system using an acousto-optic element, a system using a liquid crystal rear filter, and the like. By controlling the spectroscopic system, any wavelength can be extracted and imaged with a wavelength resolution of about 10 nm.
  • the target wavelength can be extracted by using a multilayer film filter in an ordinary camera.
  • a multilayer optical filter having transmission characteristics at 560 nm to 610 nm, which is an absorption peak of hemoglobin contained in human blood to a normal camera, The smear is imaged.
  • a camera using a metal film filter that transmits a specific wavelength according to the metal film pattern shown in Patent Document 1 is listed as a candidate.
  • This is an optical filter using a principle that a periodic hole or slit is opened in a metal film, and light having a wavelength corresponding to the period is selectively transmitted by surface plasmon resonance.
  • Aluminum that is widely used in semiconductors as a metal can be used, and the pattern period required as an optical filter in the visible light range is in the range of 100 nm to 1000 nm that can be easily processed by current semiconductor processing technology. Can be directly formed on a CCD or CMOS imaging device.
  • the wavelength resolution of the metal film filter is insufficient.
  • the half-value width of the transmission wavelength spectrum of the metal film filter is usually 100 nm to 150 nm.
  • a wavelength resolution of 10 to 50 nm is required.
  • the required wavelength resolution cannot be obtained from one optical filter. Therefore, using a plurality of optical filters with different wavelength selectivity, it is possible to calculate the signal of the wavelength of the absorption peak with the desired wavelength resolution by numerical calculation from the transmission light intensity of each optical filter and the wavelength characteristics of the transmittance of each optical filter. Although it is possible, since a plurality of optical filters having different wavelength selectivity are used to obtain an image of one wavelength, many pixels are required, and as a result, the resolution of the image is lowered. Further, since the calculation for spectrum calculation is performed as described above, the image information processing system of the camera becomes complicated, and there is a problem that the cost increases and the response speed decreases.
  • An object of the present invention is to provide an optical filter with improved wavelength selectivity and transparency with a simple configuration. Another object of the present invention is to provide an image pickup device including the optical filter.
  • the present invention provides an optical filter that transmits a plurality of light beams having a predetermined wavelength, wherein a first conductor film, a dielectric film, and a second conductor film are sequentially laminated to form a first conductive film.
  • a first conductor film, a dielectric film, and a second conductor film are sequentially laminated to form a first conductive film.
  • Second openings arranged in a cycle, and the distance between the first and second conductor films is the light having the longest wavelength among the lights having the predetermined wavelength, between the first and second conductor films. It is characterized in that it is longer than the minimum distance required to form a plane wave.
  • a plane wave is formed between the first and second conductor films by designing the distance between the first and second conductor films, and multiple reflection occurs.
  • An optical filter with improved wavelength selectivity and transparency can be provided.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1.
  • FIG. 1 is a typical partial transmission perspective view of the optical filter of a comparative example.
  • FIG. 1 shows the transmission characteristic of the optical filter of 1st Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 shows the transmission characteristic of the optical filter of 1st Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 shows the transmission characteristic of the optical filter of 1st Embodiment of this invention.
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line BB in FIG.
  • FIG. 12 is a sectional view taken along the line CC of FIG. 11. It is the perspective view of the spectral image pick-up element of 4th Embodiment of this invention, and its enlarged view. It is a fragmentary sectional view of the spectrum image sensor of a 4th embodiment of the present invention. It is a figure explaining the permeation
  • FIG. 1 is a schematic partially transparent perspective view of the optical filter of the first embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
  • the optical filter 10 is configured by laminating a first conductor film 12, a first dielectric film 13, a second conductor film 14, and a second dielectric film 15 in this order on a substrate 11.
  • the substrate 11 is not particularly limited as long as it is a material that transmits incident light, and may be an inorganic material, an organic material, or a mixed material thereof.
  • the substrate 11 for example, glass, quartz, Si, a compound semiconductor, or the like can be used. Further, the size and thickness of the substrate 11 are not particularly limited.
  • the surface shape of the substrate 11 is not particularly limited, and may be flat or curved.
  • the substrate 11 may be laminated after performing an appropriate surface treatment.
  • the substrate 11 may be laminated after a transparent material having high resistance to etching is laminated as a stopper layer.
  • the conductive material constituting the first conductor film 12 can be arbitrarily selected.
  • the conductive material refers to a single element, a conductor having a reflectance of 70% or more in an arbitrary wavelength band, and a metal element that is solid at room temperature, and alloys thereof.
  • the plasma frequency of the material constituting the first conductor film 12 is preferably higher than the frequency of the light used.
  • a material for example, a material selected from the group consisting of aluminum, copper, silver, gold, titanium nitride, zirconium nitride, nickel, cobalt, or an alloy thereof, or ITO (Sn: In 2 O 3 ) is used.
  • AZO Al: ZnO
  • GZO Ga: ZnO
  • BZO B: ZnO
  • ZnO-based IGZO-based metal oxide transparent conductive materials
  • IZO In: ZnO
  • the conductive material has a plasma frequency higher than the frequency of light to be used.
  • the first conductor film 12 may be sintered by heat treatment, or a protective film or the like may be formed.
  • the film thickness of the 1st conductor film 12 is 50 nm or more and 200 nm or less.
  • the first conductor film 12 includes holes arranged in a cycle shorter than the shortest wavelength among a plurality of light having a predetermined wavelength that penetrates in the stacking direction (from the substrate 11 side to the first dielectric 13 side) and transmits.
  • a first opening 16 is formed.
  • the predetermined wavelength is less than the wavelength of incident light.
  • the 1st opening part 16 is arrange
  • the period in which the first openings 16 are arranged is 150 nm or more and 1000 nm or less. Note that the arrangement of the first openings 16 is not particularly limited.
  • the first openings 16 may be arranged in a square lattice pattern.
  • the first opening 16 has a cylindrical shape, but the shape is not particularly limited, and may be a conical shape, a triangular pyramid shape, a quadrangular pyramid shape, or the like.
  • the first opening 16 is filled with the first dielectric film 13.
  • the dielectric material constituting the first dielectric film 13 is preferably a single type of material. Examples of such a material include silicon oxide, silicon nitride, titanium oxide, and aluminum oxide.
  • the thickness of the first dielectric film 13 (excluding the portion filled in the first opening 16) is 150 nm or more for the purpose of multiple reflection between the first and second conductor films 12 and 14 described later. It is preferable that it is 5000 nm or less.
  • the second conductor film 14 can have the same configuration as the first conductor film 12.
  • a second opening 17 similar to the first opening 16 of the first conductor film 12 is formed in the second conductor film 14.
  • the second opening 17 is disposed to face the first opening 16.
  • the second opening 17 is filled with the second dielectric film 15.
  • the second dielectric film 15 can have the same configuration as the first dielectric film 13. In particular, by using the same material as the first dielectric film 13 for the second dielectric film 15, reflection at the interface can be suppressed, and the selectivity of the transmission wavelength can be improved.
  • the incident light induces surface plasmons on the surface of the second conductor film 14, and the surface plasmons and the incident light interact in a resonant manner, and the period of the second opening 17.
  • a predetermined wavelength is emitted by resonance by the pattern.
  • This light is multiple-reflected between the second conductor film 14 and the first conductor film 12 (in the first dielectric film 13), induces surface plasmons on the surface of the first conductor film 12, and the surface plasmons And the incident light interact in a resonant manner, and a predetermined wavelength is emitted by resonance by the periodic pattern of the first opening 16.
  • the optical filter 10 transmits light having a plurality of predetermined wavelengths.
  • the distance between the first and second conductor films 12 and 14 is the light having the longest wavelength among the plurality of light having a predetermined wavelength that is transmitted. It is desirable that the distance be equal to or greater than the minimum distance necessary to form a plane wave between the second conductor films 12 and 14.
  • the distance between the first and second conductor films 12 and 14 is a distance from 0.5 times to 4.0 times the longest wavelength among the predetermined wavelengths.
  • a fine processing technique such as a photolithography method, an electron beam lithography method, or a nanoimprint method can be used.
  • the opening process the step of forming the first and second openings 16 and 17
  • desired openings are formed one by one while being aligned.
  • the first conductor film 12 is first formed on the substrate 11.
  • the first opening 16 is formed by photolithography and etching.
  • the first dielectric film 13 is filled in the first opening 16 and is laminated on the first conductor film 12 and flattened by a chemical or physical flattening technique.
  • a second conductor film 14 is formed on the first dielectric film 13, and a second opening 17 is formed by photolithography and etching.
  • the second dielectric film 15 is filled in the second opening 17 and is laminated on the second conductor film 14 to obtain the optical filter 10.
  • the optical filter 10 according to the first embodiment includes a substrate 11 made of SiO 2 with a thickness of 300 nm, a first conductor film 12 made of Al with a thickness of 75 nm, and a first dielectric film made of SiO 2 with a thickness of 500 nm. 13, a second conductor film 14 made of Al and having a thickness of 75 nm, and a second dielectric film 15 made of SiO 2 and having a thickness of 300 nm.
  • the first and second openings 16 and 17 have a circular and congruent pattern as shown in FIG. 1, and the period D1 is 360 nm and the diameter C1 is 180 nm.
  • the optical filter 100 of the comparative example was composed of a substrate 111 made of SiO 2 having a thickness of 300 nm, a conductor film 112 made of Al having a thickness of 150 nm, and a dielectric film 113 made of SiO 2 having a thickness of 300 nm.
  • the opening 114 has the same pattern as the first opening 16, the period D2 is 360 nm, and the diameter C2 is 180 nm.
  • FIG. 4 is a diagram showing the results of measuring the transmission characteristics of the optical filter 10 of the first embodiment
  • FIG. 5 is a diagram showing the results of measuring the transmission characteristics of the optical filter 100 of the comparative example.
  • the transmitted light of the optical filter 10 of the first embodiment includes a wavelength region having a peak at about 520 nm and a half-value width of about 30 nm, and a wavelength region having a peak at about 600 nm and a half-value width of about 60 nm. There are almost no sub-peaks around 400 nm.
  • Such a wavelength selectivity and high transmittance with a narrow half-value width of the optical filter 10 according to the first embodiment are generated by stacking two conductor films (first and second conductor films 12, 14). It can be said that.
  • the transmitted light of the optical filter 100 of the comparative example has a wavelength region with a half width of about 100 nm having a peak at about 550 nm and a large sub-peak in the vicinity of 400 nm. Since the full width at half maximum is about 100 nm, the optical filter 100 of the comparative example cannot be used for a spectroscopic camera that detects an absorption peak of a specific substance.
  • FIG. 6A shows the measurement results of the transmission characteristics of three samples whose thickness of the first dielectric film 13 of the optical filter 10 of the first embodiment is different from 30 nm, 100 nm, and 500 nm
  • FIG. 6B shows the result of the first embodiment
  • FIG. 6C shows the result of measuring the transmission characteristics of two samples whose thickness of the first dielectric film 13 of the optical filter 10 is different from 1000 nm and 2400 nm.
  • FIG. 6C shows the first dielectric film 13 of the optical filter 10 of the first embodiment. The result of having measured the transmission characteristic of the sample whose thickness is 5000 nm is shown. As shown in FIG.
  • the transmission wavelength is increased as the thickness of the first dielectric film 13 is increased to 30 nm, 100 nm, and 500 nm, that is, as the distance between the first and second conductor films 12 and 14 is increased. Has a large peak (high transmittance). Further, as shown in FIGS. 6B and 6C, as the thickness of the first dielectric film 13 increases to 1000 nm, 2400 nm, and 5000 nm, that is, the distance between the first and second conductor films 12 and 14 increases. As a result, the peak of the transmission wavelength increases.
  • the transmittance is improved due to interference.
  • the longest wavelength among the light having a plurality of predetermined wavelengths (about 520 nm and about 600 nm) to be transmitted is about 600 nm. Therefore, the distance between the first and second conductor films 12 and 14 is It is desirable that the light of this wavelength is longer than the minimum distance necessary for forming a plane wave.
  • the distance between the first and second conductive films 12 and 14 is 0.5 times (about 300 nm or more) to 4.0 times (about 300 nm) of the longest wavelength (about 600 nm) among the predetermined wavelengths to be transmitted. 2400 nm).
  • FIG. 7 is a schematic partially transparent perspective view of the optical filter 10 ′ when the positions of the first and second openings 16 and 17 are shifted
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line BB of FIG. . Also with such a configuration, an optical filter having a wavelength selectivity with a narrow half-value width and high transmittance can be realized.
  • the distance between the first and second conductor films 12, 14 is such that the light having the longest wavelength among the predetermined long light to be transmitted is transmitted.
  • Wavelength selectivity and transparency can be improved by being at least the minimum distance necessary to form a plane wave between the first and second conductor films 12 and 14.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the optical filter of the second embodiment.
  • the optical filter 20 of the second embodiment has the same configuration as the optical filter 10 of the first embodiment, except that the filter 21 made of an organic film or a multilayer film is provided on the second dielectric film 15.
  • the filter 21 is an organic film filter or multilayer filter that transmits one of a plurality of predetermined wavelengths that the optical filter 10 portion transmits.
  • an organic film filter such as an organic material containing a pigment pigment or a dye pigment, or a high refractive index material such as SiN, TiO 2 and ZnS and a low refractive index material such as SiO 2 and MgF 2 are alternately used.
  • a laminated multilayer interference film filter can be used. Note that the wavelength of the transmitted light of the filter 21 is appropriately designed.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the transmission characteristics of the optical filter 20 according to the second embodiment.
  • a solid line shows the transmission characteristic of the optical filter 10 portion of the first embodiment in the optical filter 20 of the second embodiment
  • a broken line shows the transmission characteristic of the filter 21 in the optical filter 20 of the second embodiment.
  • a filter that transmits light of about 370 to 570 nm is used as the filter 21.
  • the filter 21 transmits light having a peak of about 520 nm and does not transmit light having a peak of about 600 nm in the optical filter 10 portion of the first embodiment.
  • the optical filter 20 of the second embodiment only light having a peak of about 520 nm is transmitted.
  • the filter 21 since the filter 21 is provided, an unnecessary wavelength can be removed and only a desired wavelength can be transmitted. Therefore, a desired resolution that cannot be achieved by the optical filter 10 alone. Can be obtained.
  • FIG. 11 is a schematic partially transparent perspective view of the optical filter of the third embodiment
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG.
  • the optical filter 30 of the third embodiment has the same configuration as that of the optical filter 10 of the first embodiment, except that the third conductive film 31 that is opposed to the second opening 17 with a gap is provided. .
  • the third conductor film 31 is formed in the second dielectric film 15.
  • the circular third conductor film 31 having the same shape as the second opening 17 in plan view is opposed to each second opening 17 in the same formation pattern as the second opening 17.
  • the cylindrical third conductor film 31 is arranged at the same period as the second opening 17.
  • incident light induces surface plasmons on the surface of the third conductor film 31, and the surface plasmons and the incident light interact in a resonant manner.
  • the peripheral portion and the peripheral portion of the second opening 17 interact with each other, and surface plasmons are induced on the surface of the second conductor film 14, and the surface plasmons and incident light interact in a resonant manner.
  • a predetermined wavelength is emitted by resonance by the periodic pattern of the second opening 17.
  • the third conductor film 31 and the second conductor film 14 are preferably provided with an interlayer distance that exerts near-field interaction.
  • the phrase “at least a part is opposed” includes a case where a part is in contact in plan view.
  • the third conductor film 31 may be slightly shifted from the second opening 17 and may be in contact with the second opening 17 in plan view.
  • the third conductor film 31 does not necessarily have the same shape as the second opening 17, and may have a different shape from the second opening 17 or a different size from the second opening 17. It may be. Thereby, it can be designed so that there is no problem even if the pattern of the second opening 17 and the pattern of the third conductor film 31 are slightly shifted due to process variations due to alignment of photolithography or the like.
  • the conductive material constituting the third conductor film 31 can be arbitrarily selected in the same manner as the first conductor film 12. Note that the first to third conductor films 12, 14, and 31 are not necessarily made of the same material. In addition, the third conductor film 31 may be sintered by heat treatment, or a protective film or the like may be formed. The thickness of the third conductor film 31 is preferably 30 nm or more and 100 nm or less.
  • the peak of the transmission wavelength tends to be broad in the near infrared region, but according to the configuration of the present embodiment, a sharp peak similar to the visible light region can be realized. Therefore, the wavelength selectivity in the near infrared region is improved.
  • FIG. 13 is a perspective view of the spectral imaging device 40 and an enlarged view thereof.
  • FIG. 13 shows a spectral imaging device 40 and a diagram in which a plurality of optical filters 41 that are partially enlarged views are arranged.
  • FIG. 14 is a partial cross-sectional view of the spectral imaging device 40.
  • a light receiving element 43 On the silicon substrate 42, a light receiving element 43, an electrode 44, a light shielding film 45, an optical filter 41, a planarizing layer 46, and a microlens 47 are disposed.
  • the optical filter 41 instead of the conventionally provided color filter, it is possible to obtain a spectral imaging device 40 having a different light receiving wavelength for each pixel. In order to make the light reception wavelength different for each pixel, it can be realized by adjusting the periods of the first and second openings 16 and 17 of the optical filter 41.
  • the measurement object can be detected by making the predetermined wavelength transmitted through the optical filter 41 coincide with the absorption wavelength peculiar to the measurement object.
  • the measurement object can also be detected by making the predetermined wavelength transmitted through the optical filter 41 coincide with the emission (including fluorescence) wavelength peculiar to the measurement object.
  • the spectral imaging device 40 is used for detection of hemoglobin.
  • Hemoglobin has an absorption wavelength between 570 and 610 nm.
  • the optical filter 20 of the second embodiment is used for the pixel G, and normal color filters are used for the pixels R and B.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the transmission characteristics of each optical filter of the spectral imaging device 40 used for detection of hemoglobin.
  • Reference numeral 50 denotes the transmission characteristic of the optical filter 10 portion of the first embodiment of the optical filter 20 of the second embodiment in the pixel G
  • 51 denotes the transmission characteristic of the filter 21 of the optical filter 20 of the second embodiment in the pixel G
  • 52 indicates the transmission characteristics of the color filter in the pixel R
  • 53 indicates the transmission characteristics of the color filter in the pixel B.
  • the optical filter 41 of the pixel G has a peak of transmitted light at about 590 nm included in the absorption wavelength region of hemoglobin, a signal very sensitive to hemoglobin can be obtained. Thereafter, using this signal, an image of hemoglobin absorption intensity may be created by the pixel G alone, or a color image may be created by combining the signals of the pixels R and B. This makes the color space in the color image very sensitive to hemoglobin absorption.
  • the absorption of hemoglobin is reduced by reflection from the foundation, the intensity of the wavelength that passes through the pixel G is increased, and the color space in the formed image is shifted in the G direction.
  • an optical filter that is sensitive to hemoglobin absorption it is possible to detect blood color changes and pulse states with high sensitivity.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the transmission characteristics of each optical filter of the spectral imaging device 40 used for moisture detection.
  • the spectral imaging device 40 includes a pixel using an optical filter having a peak of transmitted light at about 960 nm (transmission characteristics indicated by 60 in FIG. 16), and has no peak at about 960 nm, and transmitted light at about 880 nm. Formed with a pixel using an optical filter having a peak (transmission characteristic indicated by 61 in FIG. 16) and a multilayer filter (transmission characteristic indicated by 62 in FIG. 16) that cuts light of 970 nm or more laminated on both pixels. To do.
  • a signal using an optical filter having a peak of transmitted light at about 960 nm can take a signal very sensitive to moisture.
  • a signal other than moisture can be obtained by a pixel using an optical filter having a peak of transmitted light at about 880 nm.
  • the distribution of the moisture content can be shown by imaging the difference between the signals of both pixels. Thereby, for example, imaging of the water retention distribution of the skin becomes possible.
  • a light emitting element can be obtained by disposing any one of the optical filters of the first to third embodiments on a light source. For example, by disposing the optical filter of any one of the first to third embodiments on a white LED (Light Emitting Diode) or an incandescent light source, it can be selectively used in a narrower wavelength range than the conventional LED element. An optical element that emits light can be realized.
  • a white LED Light Emitting Diode
  • incandescent light source it can be selectively used in a narrower wavelength range than the conventional LED element.
  • An optical filter 10 is an optical filter 10 that transmits light having a plurality of predetermined wavelengths, and includes a first conductor film 12, a dielectric film (first dielectric film 13), and a second conductor.
  • the body film 14 is laminated in order, passes through the first conductor film 12, and includes the first opening 16 and the second conductor film 14 disposed with a period of less than the shortest wavelength among the light of the predetermined wavelength.
  • a second opening 17 disposed with a period shorter than the shortest wavelength of the light having the predetermined wavelength, and the distance between the first and second conductor films 12 and 14 is the predetermined wavelength.
  • the light having the longest wavelength among the above-mentioned lights is not less than the minimum distance necessary for forming a plane wave between the first and second conductor films 12 and 14.
  • a plane wave is formed between the first and second conductor films 12 and 14 by designing in consideration of the distance between the first and second conductor films 12 and 14, and multiple reflections are generated.
  • an optical filter with improved wavelength selectivity and transparency can be provided with a simple configuration.
  • the distance between the first and second conductor films 12 and 14 is 0.5 times to 4.0 times the longest wavelength among the predetermined wavelengths. It is desirable that the distance is.
  • a filter 21 made of an organic film or a multilayer film that transmits one of the plurality of predetermined wavelengths may be stacked.
  • a third conductor film 31 facing the second opening 17 with a gap may be provided.
  • the peak of the transmission wavelength does not become broad in the near infrared region, and a sharp peak similar to the visible light region can be realized. Therefore, the wavelength selectivity in the near infrared region is improved.
  • An imaging device includes any one of the optical filters described above in at least some of the pixels, and makes the predetermined wavelength coincide with an absorption wavelength or emission wavelength specific to a measurement object.
  • the measurement object can be detected with high sensitivity.
  • the present invention can be used as an optical filter for a light receiving element such as an image sensor, a light emitting element such as an LED, or a display element such as a liquid crystal panel, thereby improving the wavelength selectivity and transparency of the optical characteristics.
  • First conductor film First dielectric film (dielectric film) 14 Second conductor film 16 First opening 17 Second opening 21 Filter 31 Third conductor film 40 Spectral imaging device (imaging device)

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Abstract

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

Description

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

Claims (5)

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