光センサー
【課題】信号対雑音比が改善され構造が単純な光センサーを提供する。
【解決手段】光熱変換体と焦電体とが熱結合される。光熱変換体には周期構造が形成される。周期構造においては、単位構造が周期的に配列される。単位構造の一部のみが負の誘電率を持つ物質で占められる。焦電体の電気的性質は、熱より変化する。
【解決手段】光熱変換体と焦電体とが熱結合される。光熱変換体には周期構造が形成される。周期構造においては、単位構造が周期的に配列される。単位構造の一部のみが負の誘電率を持つ物質で占められる。焦電体の電気的性質は、熱より変化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱型の光センサーにおいては、光が吸収され、吸収された光が熱へ変換される。発生した熱は、熱感応体の電気抵抗、自発分極量等を変化させる。電気抵抗、自発分極量等の変化により、受光した光の有無、受光した光の光量等が測定される。
【０００３】
熱型の光センサーの感度を向上するためには、光を効率よく吸収することが望まれる。
【０００４】
特許文献１及び２は、光を効率よく吸収する熱型の光センサーに関する。
【０００５】
特許文献１の熱型の光センサーにおいては、受光面に凹凸が形成され、赤外線の反射が抑制され、赤外線が効率よく吸収される。凹凸が形成される構造物を構成する物質としてＳｉＣＯ，ＳｉＯ，ＳｉＮ，ＳｉＯＮ及びＳｉＮが列挙される。列挙された物質は、正の誘電率を有すると考えられる。
【０００６】
特許文献２の熱型の光センサーにおいては、キャビティーが形成される。キャビティーにより、特定の波長の光が吸収される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２１０２９３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の熱型の光センサーによれば、赤外線が効率よく吸収されるが、特定の波長以外の光が吸収される。このため、信号対雑音比が良好ではない。
【０００９】
特許文献２の熱型の光センサーによれば、特定の波長の光が選択的に吸収される。しかし、構造が複雑になる。このため、作製が困難であり、信頼性が良好ではない。
【００１０】
本発明は、これらの問題を解決するためになされる。本発明の目的は、信号対雑音比が改善され構造が単純な光センサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、光センサーに向けられる。
【００１２】
本発明の第１の局面においては、光熱変換体と熱感応体とが熱結合される。光熱変換体には周期構造が形成される。周期構造においては、単位構造が周期的に配列される。単位構造の各々の一部のみが負の誘電率を持つ物質で占められる。熱感応体の電気的性質は、熱より変化する。
【００１３】
本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面にさらなる事項を付加する。本発明の第２の局面においては、光熱変換体が電極を兼ねる。
【００１４】
本発明の第３の局面は、本発明の第１又は第２の局面にさらなる事項を付加する。本発明の第３の局面においては、熱感応体が焦電体、サーミスタ又は熱電変換体である。
【００１５】
本発明の第４から第６までの局面は、本発明の第１から第３までのいずれかの局面にさらなる事項を付加する。本発明の第４の局面においては、周期構造が１次元周期構造である。本発明の第５の局面においては、周期構造が２次元周期構造である。本発明の第６の局面においては、周期構造が３次元周期構造である。
【００１６】
本発明の第７の局面は、本発明の第１から第６までのいずれかの局面にさらなる事項を付加する。本発明の第７の局面においては、光熱変換体の周期構造形成面に周期構造が形成される。目標とする吸収ピーク波長の光の周期構造形成面における実効的な波長より周期構造の構造周期が小さい。単位構造において負の誘電率を持つ物質が占める幅が表皮厚より大きい。
【００１７】
本発明の第８の局面は、本発明の第１から第６までのいずれかの局面にさらなる事項を付加する。本発明の第８の局面においては、光熱変換体の周期構造形成面に周期構造が形成される。目標とする吸収ピーク波長の光の周期構造形成面における実効的な波長の自然数倍に周期構造の構造周期が一致する。単位構造において負の誘電率を持つ物質が占める幅が表皮厚より大きい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の局面によれば、特定の波長の光が光熱変換体に吸収され、特定の波長以外の光が光熱変換体に反射される。光センサーの波長選択性が向上し、光センサーの信号対雑音比が改善される。光センサーに蓄積される熱が減少し、光センサーの時間応答性が改善される。光センサーの構造が単純になる。
【００１９】
本発明の第２の局面によれば、光センサーの構造がさらに単純になる。
【００２０】
本発明の第３の局面によれば、光センサーに好適な熱感応体が得られる。
【００２１】
本発明の第４の局面によれば、光熱変換体が特定の偏光方向の光を吸収し、特定の偏光方向の検出する光センサーが得られる。
【００２２】
本発明の第５の局面によれば、光熱変換体が吸収する光の偏光方向依存性が抑制され、光センサーが検出する光の偏光方向依存性が抑制される。
【００２３】
本発明の第６の局面によれば、多重反射により光の吸収の効率が向上する。また、吸収率の３次元角度依存性が抑制される。
【００２４】
本発明の第７の局面によれば、周期構造形成面において回折が生じにくくなり、隣接する負の誘電率を持つ物質が占める部分の間隙への共鳴が利用しやすくなる。
【００２５】
本発明の第８の局面によれば、周期構造形成面に沿う方向の共鳴が発生し、吸収ピーク線幅が狭くなる。
【００２６】
これらの及びこれら以外の本発明の目的、特徴、局面及び利点は、添付図面とともに考慮されたときに下記の本発明の詳細な説明によってより明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態の光センサーの断面図である。
【図２】第１実施形態の光熱変換体の斜視図である。
【図３】第１実施形態の光熱変換体の断面図である。
【図４】上部電極に１次元周期構造が形成された状態を示す断面図である。
【図５】第１実施形態の光熱変換体の変形例の断面図である。
【図６】第１実施形態の光熱変換体の変形例の断面図である。
【図７】第１実施形態の光熱変換体の変形例の断面図である。
【図８】第１実施形態の光熱変換体の変形例の断面図である。
【図９】周期構造形成面が被覆物で被覆された状態を示す断面図である。
【図１０】光熱変換体と光の偏光方向との関係を示す断面図である。
【図１１】設計例１の吸収スペクトルを示すグラフである。
【図１２】第２実施形態の光熱変換体の斜視図である。
【図１３】第２実施形態の単位構造の斜視図である。
【図１４】第２実施形態の構造パラメーターを示す斜視図である。
【図１５】第２実施形態の負誘電率部の配列の変形例を示す平面図である。
【図１６】第２実施形態の負誘電率部の配列の変形例を示す平面図である。
【図１７】第２実施形態の負誘電率部の配列の変形例を示す平面図である。
【図１８】設計例２の吸収スペクトルを示すグラフである。
【図１９】第３実施形態の光熱変換体の斜視図である。
【図２０】第３実施形態の単位構造の斜視図である。
【図２１】第３実施形態の構造パラメーターを示す斜視図である。
【図２２】設計例３の吸収スペクトルを示すグラフである。
【図２３】第３実施形態の光熱変換体の変形例の斜視図である。
【図２４】第３実施形態の負誘電率部の配列の変形例を示す斜視図である。
【図２５】第３実施形態の負誘電率部の配列の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
｛第１実施形態｝
（概略）
第１実施形態は、光センサーに関する。第１実施形態の光センサーは、特定の波長の光を選択的に検出する。
【００２９】
図１の模式図は、第１実施形態の光センサーの断面図である。図２の模式図は、第１実施形態の光熱変換体の斜視図である。図３の模式図は、第１実施形態の光熱変換体の断面図である。
【００３０】
図１に示すように、光センサー１０００は、光電変換部１００２、保持基板１００４、配線１００６、梁１００８、貫通電極１０１０、パッケージ１０１２及び窓板１０１４を備える。光電変換部１００２は、光熱変換体１０２０、上部電極１０２２、焦電体１０２４及び下部電極１０２６を備える。光電変換部１００２が自重に耐える場合は、光電変換部１００２のみによって光センサーが構成されてもよい。
【００３１】
図２及び図３に示すように、光熱変換体１０２０の周期構造形成面１０３０には、１次元周期構造１０４０が形成される。１次元周期構造１０４０は、光熱変換体１０２０の光吸収能に波長選択性を付与する。１次元周期構造１０４０の構造パラメーターによっては、１次元周期構造１０４０が光熱変換体１０２０の光吸収能に偏光方向選択性を付与する場合もある。
【００３２】
光熱変換体１０２０に光が照射された場合は、特定の波長の光が光熱変換体１０２０に吸収され、特定の波長以外の光は光熱変換体１０２０に反射される。吸収された光は熱に変換される。発生した熱は焦電体１０２４に伝えられる。焦電体１０２４に熱が伝えられた場合は、焦電体１０２４の自発分極量が変化し、自発分極量の変化に応じた電荷が上部電極１０２２及び下部電極１０２６に誘起される。上部電極１０２２と下部電極１０２６との間には、電圧が発生する。発生した電圧は、貫通電極１０１０及び配線１００６を経由して外部の回路に伝えられ、受光した光の有無、受光した光の光量等の測定に利用される。
【００３３】
光センサー１０００においては、波長選択性が向上し、信号対雑音比が改善される。また、蓄積される熱が少なくなり、時間応答性が改善される。さらに、構造が単純になる。
【００３４】
（光熱変換体と焦電体との熱結合）
光熱変換体１０２０と上部電極１０２２とは直接的に接触し、上部電極１０２２と焦電体１０２４とは直接的に接触する。光熱変換体１０２０と上部電極１０２２とは熱結合され、上部電極１０２２と焦電体１０２４とは熱結合される。光熱変換体１０２０と焦電体１０２４とは上部電極１０２２を介して熱結合される。これにより、光熱変換体１０２０において発生した熱が焦電体１０２４へ伝えられる。
【００３５】
図４の模式図（断面図）に示すように、光熱変換体１０２０及び上部電極１０２２に代えて、１次元周期構造１０４０ａが形成された上部電極１０２０ａが採用され、上部電極１０２０ａが光熱変換体を兼ねてもよい。上部電極１０２０ａは焦電体１０２４に直接的に接触し、上部電極１０２０ａと焦電体１０２４とは直接的に熱結合される。上部電極１０２０ａに１次元周期構造１０４０ａが形成される場合は、構造がさらに単純になる。また、上部電極１０２０ａの放熱性能が向上する。
【００３６】
光熱変換体１０２０と焦電体１０２４とが上部電極１０２２を介さずに直接的に接触し、光熱変換体１０２０と焦電体１０２４とが直接的に熱結合されてもよい。光熱変換体１０２０と上部電極１０２２との間に放熱グリス、放熱シート等の熱伝達媒体が挟まれ、光熱変換体１０２０と焦電体１０２４とが熱伝達媒体及び上部電極１０２２を介して熱結合されてもよい。
【００３７】
（熱感応体）
焦電体１０２４は、Ｐｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3（ＰＺＴ）系圧電セラミックス、Ｓｒ0.5Ｂａ0.5Ｎｂ2Ｏ6等からなる。
【００３８】
焦電体１０２４が他の種類の熱感応体に置き換えられてもよい。熱感応体は、熱により電気的性質が変化する物体である。
【００３９】
熱感応体は、例えば、サーミスタである。サーミスタは、温度によって電気抵抗が変化する抵抗体である。熱感応体がサーミスタである場合は、サーミスタに熱が伝えられたときにサーミスタの電気抵抗が変化する。電気抵抗の変化は、外部の回路へ伝えられ、受光した光の有無、受光した光の光量等の測定に利用される。
【００４０】
サーミスタは、望ましくは、温度抵抗係数が大きい材料からなる。サーミスタは、例えば、酸化バナジウム、ＮｉＭｏＣｏ酸化物、Ｔｉ金属薄膜、多結晶シリコン薄膜、非晶質シリコン薄膜、非晶質シリコンゲルマニウム薄膜、ＭｎＯ3薄膜、ＹＢａＣｕＯ薄膜等からなる。
【００４１】
熱感応体が熱電変換体であってもよい。熱電変換体は、ゼーベック効果により熱エネルギーを電気エネルギーへ変換する。熱電変換体は、例えば、熱電対である。熱電対においては、熱電能を有する２種類の材料が用いられる。熱電能を有する２種類の材料の対には、ビスマスとアンチモンとの対、Ｐ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンとの対等が知られている。熱電変換体がサーモパイルであってもよい。サーモパイルにおいては、２個以上の熱電対が直列に接続される。熱感応体が熱電変換体である場合は、熱電変換体に熱が伝えられたときに熱電変換体に熱起電力が発生する。熱起電力は、外部の回路へ伝えられ、受光した光の有無、受光した光の光量等の測定に利用される。
【００４２】
熱感応体がダイオードであってもよい。熱感応体がダイオードである場合は、ダイオードに熱が伝えられたときにダイオードのシリコンのＰＮ接合の特性が変化する。シリコンのＰＮ接合の特性の変化は、外部の回路に伝えられ、受光した光の有無、受光した光の光量等の測定に利用される。
【００４３】
熱感応体が導電体からなる場合は、熱感応体の材質と光熱変換体の材質とが一致させられ、熱感応体と光熱変換体とが一体化され、熱感応体と光熱変換体とが明確な境界を持たない連続物であってもよい。
【００４４】
（光センサーの構造）
図１に示すように、保持基板１００４の保持面１０５０には配線１００６が形成される。配線１００６は、膜体であり、導電体からなる。
【００４５】
梁１００８には貫通電極１０１０が埋設される。貫通電極１０１０は、導電体からなる。貫通電極１０１０は、梁１００８の上面１０６０と下面１０６２とを貫通する。
【００４６】
上部電極１０２２及び下部電極１０２６は、焦電体１０２４を挟んで対向する。
【００４７】
パッケージ１０１２には開口１０７０が形成される。開口１０７０には窓板１０１４がはめられる。
【００４８】
配線１００６が形成された保持基板１００４の保持面１０５０には、貫通電極１０１０が埋設された梁１００８が保持される。配線１００６と梁１００８の下面１０６２に露出する貫通電極１０１０とは接触し、配線１００６と貫通電極１０１０とは導通する。
【００４９】
梁１００８の上面１０６０には光電変換部１００２が固定される。光電変換部１００２の主要部は、梁１００８の薄肉部１０７２に固定される。これにより、光電変換部１００２が保持基板１００４から熱的に分離される。
【００５０】
梁１００８の上面１０６０には窓板１０１４がはめられたパッケージ１０１２がさらに固定される。パッケージ１０１２の内部には、光電変換部１００２が収容される。これにより、光電変換部１００２が保護される。
【００５１】
周期構造形成面１０３０は、窓板１０１４を透過した光が照射される受光面になる。
【００５２】
（光熱変換体）
図２及び図３に示すように、１次元周期構造１０４０においては、単位構造１０７０が周期方向ｘの１方向に周期的に配列され、１次元格子が形成される。
【００５３】
周期構造形成面１０３０に光が照射された場合は、周期構造形成面１０３０に沿う方向に当該光が回折又は散乱され、当該光の多重吸収が生じる。その結果、特定の波長の光に対しては強い吸収が生じるが、特定の波長以外の光に対しては吸収が生じず、特定の波長以外の光は反射される。
【００５４】
単位構造１０７０の各々は、負誘電率部１０８０及び正誘電率部１０８２を備える。負誘電率部１０８０は負の誘電率を持つ。正誘電率部１０８２は正の誘電率を持つ。負誘電率部１０８０の各々の内部における誘電率は、典型的には均一であるが、不均一であってもよい。正誘電率部１０８２の各々の内部における誘電率は、典型的には均一であるが、不均一であってもよい。
【００５５】
負誘電率部１０８０は、基体部１０９０から突出し周期方向ｘに垂直な方向ｙに延在する線状突起である。正誘電率部１０８２は、方向ｙに延在する線状溝である。基体部１０９０は、負の誘電率を持つ。負誘電率部１０８０の材質及び基体部１０９０の材質は、典型的には同じであるが、異なってもよい。基体部１０９０は、周期方向ｘ及び方向ｙに平行に面状に広がる。
【００５６】
負誘電率部１０８０及び正誘電率部１０８２は、周期方向ｘに交互に配列される。正誘電率部１０８２は、隣接する２個の負誘電率部１０８０の間隙１１００である。間隙１１００は、真空であってもよい。間隙１１００が誘電体で満たされ、誘電体で満たされた間隙１１００が正誘電率部１０８２とされてもよい。誘電体は、気体、液体及び固体のいずれでもよい。間隙１１００が開放され、空気又は空気以外の気体で満たされた間隙１１００が正誘電率部１０８２とされてもよい。共通して言えることは、単位構造１０７０の一部のみが負の誘電率を持つ物質で占められ、単位構造１０７０の少なくとも一部は負の誘電率を持つ物質で占められないことである。２個以上の負誘電率部１０８０が単位構造１０７０の各々に設けられてもよい。２個以上の正誘電率部１０８２が単位構造１０７０の各々に設けられてもよい。周期構造形成面１０３０が露出する場合は、光熱変換体１０２０の表面の凹凸が増え、光熱変換体１０２０の放熱性能が向上する。
【００５７】
負誘電率部１０８０の断面形状は矩形である。ただし、断面形状が矩形である負誘電率部１０８０に代えて、図５の模式図（断面図）に示す断面形状が先細り形である負誘電率部１０８０ａ、図６の模式図（断面図）に示す断面形状が円形である負誘電率部１０８０ｂ、図７の模式図（断面図）に示す断面形状が三角形である負誘電率部１０８０ｃ、図８の模式図（断面図）に示す断面形状が台形である負誘電率部１０８０ｄ等が用いられてもよい。
【００５８】
（負の誘電率及び正の誘電率）
複素比誘電率εcは、屈折率ｎ及び消衰定数κを用いて、式（１）であらわされる。
【００５９】
【数１】
【００６０】
物質が負の誘電率を持つとは、その物質の複素比誘電率εcの実部ｎ2−κ2が負であることを意味する。消衰係数κが屈折率ｎより大きい場合に複素比誘電率εcの実部は負になる。
【００６１】
負の誘電率を持つ物質は、金属、合金等の導電体である。望ましくは、負の誘電率を持つ金属として金（Ａｕ）が用いられる。金には、酸化されにくいという利点がある。
【００６２】
金に代えて、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は銀（Ａｇ）が用いられてもよい。これらの金属には、導電性が良好であり、理想金属に近いという利点がある。
【００６３】
金に代えて、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）又はオスミウム（Ｏｓ）が用いられてもよい。これらの金属には、熱的性質及び化学的性質が良好であり、高温でも酸化されにくく、接触する物と反応しにくいという利点がある。
【００６４】
不純物がドープされｎ型半導体となったＧａＡｓ等は、可視光領域においては半導体であるが、遠赤外光領域からテラヘルツ光領域までにおいては導電体である。したがって、遠赤外光領域からテラヘルツ光領域までの光を検出する光センサー１０００においては、当該ＧａＡｓ等も負の誘電率を持つ物質である。
【００６５】
負の誘電率を持つ物質からなる物体に光を吸収するための構造が形成されない場合は、当該物体は光を吸収せずに反射する。光熱変換体１０２０を構成する負の誘電率を持つ物質の望ましい特性は、光を吸収するための構造が形成されない場合に目標とする吸収波長における反射率が高いことである。
【００６６】
物質が正の誘電率を持つとは、その物質の複素比誘電率εcの実部ｎ2−κ2が正であることを意味する。消衰係数κが屈折率ｎより小さい場合に複素比誘電率εcの実部は正になる。
【００６７】
正の誘電率を持つ物質は、空気等の透明な誘電体である。真空の誘電率は１であり、真空は正の誘電率を持つ。空気の誘電率は１とみなしてよい。空気及び真空は、すべての波長領域において、正の誘電率を持つ望ましい物質である。望ましくは、正の誘電率を持つ物質として、赤外光領域においてはＳｉ（屈折率３．４８）、ＳｉＯx（屈折率１．４〜３．４８）又はＡｌ2Ｏ3（屈折率１．８）が用いられ、波長４００〜８００ｎｍの可視光領域においてはＧａＡｓ（屈折率３．３）、Ｓｉ（屈折率３．７）、Ｔａ2Ｏ5（屈折率２．５）又はＳｉＯx（屈折率１．４〜３．７）が用いられる。これらに代えて、ダイヤモンド（Ｃ）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体、炭化シリコン（ＳｉＣ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）又は酸化チタン（ＴｉＯ2）が用いられてもよい。ダイヤモンドは、可視光領域の全体において用いられる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体には、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ等がある。ＡｌＧａＡｓは、近赤外光領域及び赤色光領域において用いられる。ＧａＮは、緑色光領域及び青色光領域において用いられる。ＧａＡｓＰは、赤色光領域、橙色光領域及び青色光領域において用いられる。ＧａＰは、赤色光領域、黄色光領域及び緑色光領域において用いられる。ＩｎＧａＮは、青緑色光領域及び青色光領域において用いられる。ＡｌＧａＩｎＰは、橙色光領域、黄緑色光領域、黄色光領域及び緑色光領域において用いられる。ＩＩ−ＶＩ族半導体には、ＺｎＳｅ等がある。ＺｎＳｅは、青色光領域において用いられる。屈折率の選択の範囲を広げるために、ＴｉＯ2、ＳｉＮ、ＺｎＳ等の複数の物質が組み合わされて用いられてもよく、フォトニック結晶構造を持つ材料が用いられてもよい。
【００６８】
（実効的な波長）
光の実効的な波長λeは、光が存在する場所の屈折率により決まる。また、光が間隙１１００又は１次元周期構造１０４０に共鳴する場合は、共鳴する電磁波の大部分が正誘電率部１０８２及び周期構造形成面１０３０の近傍に存在する。このため、実効的な波長λeは、正誘電率部１０８２の屈折率、周期構造形成面１０３０の近傍の屈折率及び正誘電率部１０８２が１次元周期構造１０４０に占める割合に依存する。
【００６９】
例えば、光熱変換体１０２０が真空中に設置され、正誘電率部１０８２が真空の間隙１１００であり、周期構造形成面１０３０の近傍が真空である場合は、実効的な波長λeは、真空中の波長λ0に一致する。
【００７０】
光熱変換体１０２０が空気中に設置され、正誘電率部１０８２が空気で満たされた間隙１１００であり、周期構造形成面１０３０の近傍が空気で満たされる場合は、実効的な波長λeは、真空中の波長λ0に一致するとみなしてよい。
【００７１】
図９の模式図（断面図）に示すように周期構造形成面１０３０が屈折率ｎの被覆物１１５０で被覆され、正誘電率部１０８２が屈折率ｎの被覆物１１５０で満たされた間隙１１００であり、周期構造形成面１０３０の近傍が屈折率ｎの被覆物１１５０で満たされる場合は、実効的な波長λeは、真空中の波長λ0を屈折率ｎで除する（λ0／ｎ）ことにより得られる。
【００７２】
フォトニック結晶構造等の微細構造が周期構造形成面１０３０に設けられ、実効的な波長λeが真空中の波長λ0からずれる場合もある。この場合は、周期構造形成面１０３０における実効的な屈折率ｎが数値計算等により求められる。実効的な波長λeは、真空中の波長λ0を実効的な屈折率ｎで除する（λ0／ｎ）ことにより得られる。
【００７３】
（構造パラメーター）
図３に示すように、第１実施形態においては、周期方向ｘの単位構造１０７０の寸法である構造周期Λ、周期方向ｘの負誘電率部１０８０の寸法である負誘電率部１０８０の幅Ｔ及び基体部１０９０から負誘電率部１０８０が突出する寸法である負誘電率部１０８０の高さＤが構造パラメーターとして採用される。ただし、他の構造パラメーターが採用されてもよい。
【００７４】
（間隙への共鳴の利用）
間隙１１００への共鳴が利用される場合は、目標とする吸収ピーク波長の光を光熱変換体１０２０に選択的に吸収させるために、間隙１１００が導波路として用いられる。また、目標とする吸収ピーク波長の光が間隙１１００を伝播するように１次元周期構造１０４０の構造パラメーターが選択される。
【００７５】
（間隙への共鳴が利用される場合の構造パラメーター）
間隙１１００への共鳴が利用される場合は、構造周期Λ及び負誘電率部１０８０の幅Ｔは、光熱変換体１０２０に吸収させる光の偏光方向によって変化する。
【００７６】
図１０の模式図は、光熱変換体と光の偏光方向との関係を示す断面図である。
【００７７】
間隙１１００を伝播する光の導波モードには、伝播方向に電界成分が存在しないＴＥモード及び伝播方向に磁界成分が存在しないＴＭモードがある。ＴＥモード及びＴＭモードは、それぞれ、図１０に示す空間中のＴＥ波及びＴＭ波に結合する。
【００７８】
目標とする吸収ピーク波長のＴＥ波が効率よく吸収されるためには、目標とする吸収ピーク波長のＴＥ波の周期構造形成面１０３０における実効的な波長λeにおいて間隙１１００を伝播するＴＥモードの光が存在するように構造パラメーターが決定される。この場合は、間隙１１００の幅（Λ−Ｔ）は、式（２）を満たさなければならない。
【００７９】
【数２】
【００８０】
目標とする吸収ピーク波長のＴＭ波が効率よく吸収されるためには、目標とする吸収ピーク波長のＴＭ波の実効的な波長λeにおいて間隙１１００を伝播するＴＭモードの光が存在するように構造パラメーターが決定される。この場合は、間隙１１００の幅（Λ−Ｔ）は、式（３）を満たさなければならない。
【００８１】
【数３】
【００８２】
ＴＭモードにはプラズモンモードと呼ばれる導波モードが存在するため、式（３）に示すように間隙１１００の幅（Λ−Ｔ）が狭くなることも許される。すなわち、間隙１１００の幅（Λ−Ｔ）が式（４）を満たすことも許される。
【００８３】
【数４】
【００８４】
これらのことから、目標とする吸収ピーク波長のＴＥ波及びＴＭ波の両方を吸収させるためには、構造周期Λ及び負誘電率部１０８０の幅Ｔは、式（５）を満たさなければならない。
【００８５】
【数５】
【００８６】
また、目標とする吸収ピーク波長のＴＭ波を吸収させ目標とする吸収ピーク波長のＴＥ波を反射させるためには、構造周期Λ及び負誘電率部１０８０の幅Ｔは、式（６）を満たさなければならない。
【００８７】
【数６】
【００８８】
構造周期Λは、望ましくは、目標とする吸収ピーク波長の光の実効的な波長λeより短く、式（７）を満たす。これにより、周期構造形成面１０３０において回折が生じにくくなり、間隙１１００への共鳴を利用しやすくなる。
【００８９】
【数７】
【００９０】
単位構造１０７０の一部のみが負の誘電率を持つ物質に占められることから、構造周期Λ及び負誘電率部１０８０の幅Ｔは、式（８）を満たさなければならない。
【００９１】
【数８】
【００９２】
多重吸収を十分に生じさせるためには、負誘電率部１０８０の内部において電子が十分に振動しなければならない。このため、負誘電率部１０８０の幅Ｔは、式（９）を満たさなければならない。
【００９３】
【数９】
【００９４】
表皮厚Δは、光学分野において慣用されているように、光の電界成分の法線方向振動成分の強度が負誘電率部１０８０の表面の１／１０に低下するまでの厚さと定義される。表皮厚Δは、負誘電率部１０８０の消衰係数κを用いて、式（１０）であらわされる。
【００９５】
【数１０】
【００９６】
式（８）及び式（９）から、構造周期Λは、式（１１）を満たさなければならない。
【００９７】
【数１１】
【００９８】
負誘電率部１０８０の高さＤは、望ましくは、間隙１１００の開口１１６０が開放端となり間隙１１００の底１１６２が閉鎖端となる共鳴が生じるように選択される。負誘電率部１０８０の高さＤは、望ましくは、式（１２）を満たす。
【００９９】
【数１２】
【０１００】
開放端の補正項φ0は、光熱変換体１０２０の構造に依存する。開放端の補正項φ0は、開口１１６０からの電界の腹の実効的なずれを反映する。伝播定数β及び開放端の補正項φ0は、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）法、厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ）法等の数値計算法により求められる。
【０１０１】
（１次元周期構造への共鳴）
間隙１１００への共鳴に代えて、又は、間隙１１００への共鳴に加えて、１次元周期構造１０３０への共鳴が利用されてもよい。
【０１０２】
（１次元周期構造への共鳴が利用される場合の構造パラメーター）
１次元周期構造１０３０への共鳴が利用される場合は、構造周期Λが、目標とする吸収ピーク波長の光の周期構造形成面１０３０における実効的な波長λeの自然数倍に一致しなければならず、式（１３）を満たさなければならない。
【０１０３】
【数１３】
【０１０４】
これにより、周期構造形成面１０３０において回折が生じ、周期構造形成面１０３０に沿う方向の共鳴が発生し、吸収ピーク線幅が狭くなる。
【０１０５】
負誘電率部１０８０の幅Ｔは、隣接する間隙１１００の間の相互作用を生じさせる必要があるため、目標とする吸収ピーク波長の光の実効的な波長λeより短くなければならず、式（１４）を満たさなければならない。
【０１０６】
【数１４】
【０１０７】
周期構造１０３０への共鳴が利用される場合と同じく、負誘電率部１０８０の幅Ｔは、式（１５）を満たさなければならない。
【０１０８】
【数１５】
【０１０９】
（設計の手順）
上述したように、構造周期Λ、負誘電率部１０８０の幅Ｔ及び負誘電率部１０８０の高さＤの間には、目標とする吸収ピーク波長の光を効率よく吸収するのに適した望ましい関係が存在する。したがって、光熱変換体１０２０の材質及び基本構造が決定された後は、当該望ましい関係が満たされるように構造周期Λ、負誘電率部１０８０の幅Ｔ及び負誘電率部１０８０の高さＤが概算され、目標とする吸収ピーク波長の光が効率よく吸収されるように構造周期Λ、負誘電率部１０８０の幅Ｔ及び負誘電率部１０８０の高さＤが数値計算により最適化される。
【０１１０】
（設計例１）
設計例１は、第１実施形態の光熱変換体１０２０の設計に関する。
【０１１１】
設計例１においては、目標とする吸収ピーク波長が４μｍに設定される。目標とする吸収ピーク波長は真空中の波長であらわされる。設計例１においては、負誘電率部１０８０及び基体部１０９０がイリジウムからなり、光熱変換体１０２０が空気中に設置され、間隙１１００が空気で満たされ、周期構造形成面１０３０の近傍が空気で満たされる場合が検討される。
【０１１２】
イリジウムは、可視光領域から赤外光領域を経てテラヘルツ光領域までの波長にわたって負の誘電率を持つ。真空中の波長が４μｍである光に対して、イリジウムの複素比誘電率は−５２９．３９７＋ｉ２３１．１０５７であり、イリジウムは負の誘電率を持つ。間隙１１００及び周期構造形成面１０３０の近傍は空気で満たされるので、周期構造形成面１０３０における実効的な波長λeは、真空中の波長の４μｍに一致するとみなしてよい。
【０１１３】
設計例１においては、構造周期Λが１．６μｍに決定され、負誘電率部１０８０の幅Ｔが１．５μｍに決定され、負誘電率部１０８０の高さＤが０．７μｍに決定される。これらは、式(６)から(８)までの関係を満たす。
【０１１４】
周期構造形成面１０３０に垂直に入射する光について、ＴＥ波及びＴＭ波の吸収スペクトルをＲＣＷＡ法により計算した結果が図１１に示される。図１１に示すように、ＴＭ波の吸収スペクトルには４μｍにピークがあらわれるが、ＴＥ波の吸収スペクトルにはピークがあらわれない。したがって、設計例１の光熱変換体１０２０は、真空中の波長が４μｍのＴＭ波を選択的に吸収する。また、１から吸収率を減ずることにより反射率が得られるので、設計例１の光熱変換体１０２０は、真空中の波長が４μｍのＴＭ波以外を反射する。より一般的には、第１実施形態の光熱変換体１０２０は、特定の波長の光を吸収し、それ以外の光を反射する。構造パラメーターによっては、第１実施形態の光熱変換体１０２０は、特定の波長及び偏光方向の光を吸収し、それ以外の光を反射する。これにより、特定の波長の光の吸収を維持したまま光熱変換体１０２０に発生する熱を減少させることができ、光センサー１０００の熱特性が向上する。また、構造パラメーターによっては、特定の偏光方向の光を検出する光センサーが得られる。
【０１１５】
｛第２実施形態｝
第２実施形態は、第１実施形態の光熱変換体を置き換える光熱変換体に関する。以下では、第１実施形態の光熱変換体と第２実施形態の光熱変換体との重要な共通点及び相違点が説明される。説明されない事項については、第１実施形態の光熱変換体の構成が、そのまま又は変形されてから、第２実施形態の光熱変換体において採用される。第２実施形態の光熱変換体の構成物には、第１実施形態の光熱変換体の対応する構成物と同じ名称が付与される。
【０１１６】
図１２の模式図は、第２実施形態の光熱変換体の斜視図である。図１３の模式図は、第２実施形態の単位構造の斜視図である。
【０１１７】
図１２に示すように、光熱変換体２０２０の周期構造形成面２０３０には、２次元周期構造２０４０が形成される。２次元周期構造２０４０においては、周期方向ｘ及びｙの２方向に単位構造２０７０が周期的に配列され、２次元格子が形成される。側方から見た場合は２次元周期構造２０４０は１次元周期構造でもあり、その構造パラメーターも第１実施形態と同様に求められる。
【０１１８】
単位構造２０７０の各々は、負誘電率部２０８０及び正誘電率部２０８２を備える。負誘電率部２０８０は負の誘電率を持つ。正誘電率部２０８２は正の誘電率を持つ。
【０１１９】
負誘電率部２０８０は、基体部２０９０から突出する四角柱突起である。四角柱突起に代えて円柱突起、円錐突起等が採用されてもよい。負誘電率部２０８０となる場所に凸構造を形成することに代えて正誘電率部２０８２となる場所に凹構造を形成することにより２次元周期構造２０４０が形成されてもよい。正誘電率部２０８２の集合は、格子形状を有する。
【０１２０】
（構造パラメーター）
図１４の模式図（斜視図）に示すように、第２実施形態においては、周期方向ｘの単位構造２０７０の寸法である構造周期Λｘ、周期方向ｙの単位構造２０７０の寸法である構造周期Λｙ、周期方向ｘの負誘電率部２０８０の寸法である負誘電率部２０８０の幅Ｌｘ、周期方向ｙの負誘電率部２０８０の寸法である負誘電率部２０８０の幅Ｌｙ、基体部２０９０から負誘電率部２０８０が突出する寸法である負誘電率部２０８０の高さＬｚが構造パラメーターとして採用される。ただし、他の構造パラメーターが採用されてもよい。
【０１２１】
周期方向ｘ及びｙは垂直をなし、周期方向ｘの構造周期Λｘと周期方向ｙの構造周期Λｙとは一致する。したがって、負誘電率部２０８０の配列は、図１５の模式図（平面図）に示すように、正方格子配列となっている。ただし、周期方向ｘ及びｙが垂直をなしていなくてもよく、周期方向ｘの構造周期Λｘと周期方向ｙの構造周期Λｙとが異なってもよい。したがって、図１６の模式図（平面図）に示すように負誘電率部２０８０の配列が三角格子配列であってもよいし、図１７の模式図（平面図）に示すように負誘電率部２０８０の配列が六角格子配列であってもよい。正誘電率部２０８２となる場所に凹構造を形成することにより２次元周期構造２０４０が形成される場合は、当該凹部の配列も、正方格子配列、三角格子配列及び六角格子配列のいずれであってもよい。
【０１２２】
（設計例２）
設計例２は、第２実施形態の光熱変換体２０２０の設計に関する。
【０１２３】
設計例２においては、目標とする吸収ピーク波長が４μｍに設定される。目標とする吸収ピーク波長は真空中の波長であらわされる。設計例２においては、負誘電率部２０８０及び基体部２０９０がイリジウムからなり、光熱変換体２０２０が空気中に設置され、間隙２１００が空気で満たされ、周期構造形成面２０３０の近傍が空気で満たされる場合が検討される。
【０１２４】
設計例２においては、周期方向ｘの構造周期Λｘ及び周期方向ｙの構造周期Λｙが１．６μｍに決定され、周期方向ｘの負誘電率部２０８０の幅Ｌｘ及び周期方向ｙの負誘電率部２０８０の幅Ｌｙが１．５μｍに決定され、負誘電率部２０８０の高さＬｚが０．７μｍに決定される。
【０１２５】
周期構造形成面２０３０に垂直に入射する光について、ＴＥ波及びＴＭ波の吸収スペクトルをＲＣＷＡ法により計算した結果が図１８に示される。図１８に示すように、ＴＭ波及びＴＥ波の吸収スペクトルには４μｍにピークがあらわれる。したがって、設計例２の光熱変換体２０２０は、真空中の波長が４μｍのＴＭ波及びＴＥ波を選択的に吸収する。より一般的には、第２実施形態の光熱変換体２０２０は、特定の波長の光を吸収し、それ以外の光を反射する。これにより、特定の波長の光の吸収を維持したまま光熱変換体２０２０に発生する熱を減少させることができ、光センサーの熱特性が向上する。また、光熱変換体が吸収する光の偏光方向依存性が抑制され、光センサーが検出する光の偏光方向依存性が抑制される。
【０１２６】
｛第３実施形態｝
第３実施形態は、第１実施形態の光熱変換体を置き換える光熱変換体に関する。以下では、第１実施形態の光熱変換体と第３実施形態の光熱変換体との重要な共通点及び相違点が説明される。説明されない事項については、第１実施形態の光熱変換体の構成が、そのまま又は変形されてから、第３実施形態の光熱変換体において採用される。第３実施形態の光熱変換体の構成物には、第１実施形態の光熱変換体の対応する構成物と同じ名称が付与される。
【０１２７】
図１９の模式図は、第３実施形態の光熱変換体の斜視図である。図２０の模式図は、第３実施形態の単位構造の斜視図である。
【０１２８】
図１９に示すように、光熱変換体３０２０には、３次元周期構造３０４０が形成される。３次元周期構造３０４０においては、周期方向ｘ、ｙ及びｚの３方向に単位構造３０７０が周期的に配列され、３次元格子が形成される。３次元周期構造３０４０は、第１の層３３００と第２の層３３０２とを交互に積み重ねた構造を有する。第１の層３３００においては、四角柱が間隔を置いて周期方向ｙに平面配列される。第２の層３３０２においては、四角柱が間隔を置いて周期方向ｘに平面配列される。受光面においては、周期方向ｙに四角柱が延在する。
【０１２９】
単位構造３０７０の各々は、負誘電率部３０８０及び正誘電率部３０８２を備える。負誘電率部３０８０の集合は、光熱変換体３０２０を貫通する。これにより、光熱変換体３０２０の表面のみでなく光熱変換体３０２０の内部も含めた光熱変換体３０２０の全体への共鳴が生じ、吸収ピーク線幅がさらに狭くなる。また、多重反射により光の吸収の効率が向上する。
【０１３０】
図２４は、第３実施形態の光熱変換体の変形例の斜視図である。
【０１３１】
図２４に示すように、光熱変換体３０２０ａには、３次元周期構造３０４０ａが形成される。３次元周期構造３０４０ａにおいては、金属からなる球体の負誘電率部３０８０ａが周期方向ｘ、ｙ及びｚの３方向に重ねられる。図２５に示すように負誘電率部３０８０ａの配列は立方格子であるが、図２６に示すように負誘電率部３０８０ａの配列がダイヤモンド型の正四面体格子であってもよい。正四面体格子には、球体の負誘電率部３０８０ａを配列させやすいという利点がある。
【０１３２】
３次元周期構造は、２次元周期構造と比較して３次元角度方向に対称性を持つ。このため、３次元周期構造によれば、吸収率の角度依存性が抑制される。また、立方格子の角度周期が９０°であるのに対して、正四面体格子の面内角度周期は６０°であるので、正四面体格子によれば、吸収率の角度依存性がさらに抑制される。
【０１３３】
（構造パラメーター）
図２１に示すように、第３実施形態においては、周期方向ｘの単位構造３０７０の寸法である構造周期Λｘ、周期方向ｙの単位構造３０７０の寸法である構造周期Λｙ、周期方向ｚの単位構造３０７０の寸法である構造周期Λｚ、周期方向ｘの負誘電率部３０８０の寸法である負誘電率部３０８０の幅Ｌｘ、周期方向ｙの負誘電率部３０８０の寸法である負誘電率部３０８０の幅Ｌｙ及び周期方向ｚの負誘電率部３０８０の寸法である負誘電率部３０８０の幅Ｌｚが構造パラメーターとして採用される。ただし、他の構造パラメーターが採用されてもよい。
【０１３４】
（設計例３）
設計例３は、第３実施形態の光熱変換体３０２０の設計に関する。
【０１３５】
設計例３においては、目標とする吸収ピーク波長が４μｍに設定される。目標とする吸収ピーク波長は真空中の波長であらわされる。設計例３においては、負誘電率部３０８０がイリジウムからなり、光熱変換体３０２０が空気中に設置され、間隙３１００が空気で満たされ、受光面の近傍が空気で満たされる場合が検討される。
【０１３６】
設計例３においては、周期方向ｘの構造周期Λｘ、周期方向ｙの構造周期Λｙ及び周期方向ｚの構造周期Λｚが４μｍに決定され、周期方向ｘの負誘電率部３０８０の幅Ｌｘ、周期方向ｙの負誘電率部３０８０の幅Ｌｙ及び周期方向ｚの負誘電率部３０８０の幅Ｌｚが２μｍに決定される。
【０１３７】
受光面に垂直に入射するＴＥ波及びＴＭ波の吸収スペクトルをＲＣＷＡ法により計算した結果が図２２に示される。図２２に示すように、ＴＭ波の吸収スペクトルには４μｍにピークがあらわれ、ＴＥ波の吸収スペクトルにはＴＭ波のよりも短波長側にピークがあらわれる。ＴＭ波の吸収ピークが鋭いのは、構造周期Λｘ、Λｙ及びΛｚが目標ピーク波長の光の実効的な波長λeに一致するからである。ＴＥ波の吸収ピークがずれるのは、ＴＭ波とＴＥ波とでは、光熱変換体３０２０に反射されるときの位相特性がずれていることの影響である。より一般的には、第３実施形態の光熱変換体３０２０は、特定の波長を持つ光を吸収し、それ以外の光を反射するが、偏光方向によって吸収する光の波長が異なり、偏光分離型の２波長センサーに好適である。これにより、光熱変換体３０２０に発生する熱が減少し、光センサーの熱特性が向上する。
【０１３８】
この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において例示であり、この発明は上記の説明に限定されない。例示されない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定されうる。
【符号の説明】
【０１３９】
１０００ 光センサー
１０２０，２０２０，３０２０ 光熱変換体
１０２４ 焦電体
１０７０，２０７０，３０７０ 単位構造
１０８０，２０８０，３０８０ 負誘電率部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱型の光センサーにおいては、光が吸収され、吸収された光が熱へ変換される。発生した熱は、熱感応体の電気抵抗、自発分極量等を変化させる。電気抵抗、自発分極量等の変化により、受光した光の有無、受光した光の光量等が測定される。
【０００３】
熱型の光センサーの感度を向上するためには、光を効率よく吸収することが望まれる。
【０００４】
特許文献１及び２は、光を効率よく吸収する熱型の光センサーに関する。
【０００５】
特許文献１の熱型の光センサーにおいては、受光面に凹凸が形成され、赤外線の反射が抑制され、赤外線が効率よく吸収される。凹凸が形成される構造物を構成する物質としてＳｉＣＯ，ＳｉＯ，ＳｉＮ，ＳｉＯＮ及びＳｉＮが列挙される。列挙された物質は、正の誘電率を有すると考えられる。
【０００６】
特許文献２の熱型の光センサーにおいては、キャビティーが形成される。キャビティーにより、特定の波長の光が吸収される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２１０２９３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の熱型の光センサーによれば、赤外線が効率よく吸収されるが、特定の波長以外の光が吸収される。このため、信号対雑音比が良好ではない。
【０００９】
特許文献２の熱型の光センサーによれば、特定の波長の光が選択的に吸収される。しかし、構造が複雑になる。このため、作製が困難であり、信頼性が良好ではない。
【００１０】
本発明は、これらの問題を解決するためになされる。本発明の目的は、信号対雑音比が改善され構造が単純な光センサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、光センサーに向けられる。
【００１２】
本発明の第１の局面においては、光熱変換体と熱感応体とが熱結合される。光熱変換体には周期構造が形成される。周期構造においては、単位構造が周期的に配列される。単位構造の各々の一部のみが負の誘電率を持つ物質で占められる。熱感応体の電気的性質は、熱より変化する。
【００１３】
本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面にさらなる事項を付加する。本発明の第２の局面においては、光熱変換体が電極を兼ねる。
【００１４】
本発明の第３の局面は、本発明の第１又は第２の局面にさらなる事項を付加する。本発明の第３の局面においては、熱感応体が焦電体、サーミスタ又は熱電変換体である。
【００１５】
本発明の第４から第６までの局面は、本発明の第１から第３までのいずれかの局面にさらなる事項を付加する。本発明の第４の局面においては、周期構造が１次元周期構造である。本発明の第５の局面においては、周期構造が２次元周期構造である。本発明の第６の局面においては、周期構造が３次元周期構造である。
【００１６】
本発明の第７の局面は、本発明の第１から第６までのいずれかの局面にさらなる事項を付加する。本発明の第７の局面においては、光熱変換体の周期構造形成面に周期構造が形成される。目標とする吸収ピーク波長の光の周期構造形成面における実効的な波長より周期構造の構造周期が小さい。単位構造において負の誘電率を持つ物質が占める幅が表皮厚より大きい。
【００１７】
本発明の第８の局面は、本発明の第１から第６までのいずれかの局面にさらなる事項を付加する。本発明の第８の局面においては、光熱変換体の周期構造形成面に周期構造が形成される。目標とする吸収ピーク波長の光の周期構造形成面における実効的な波長の自然数倍に周期構造の構造周期が一致する。単位構造において負の誘電率を持つ物質が占める幅が表皮厚より大きい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の局面によれば、特定の波長の光が光熱変換体に吸収され、特定の波長以外の光が光熱変換体に反射される。光センサーの波長選択性が向上し、光センサーの信号対雑音比が改善される。光センサーに蓄積される熱が減少し、光センサーの時間応答性が改善される。光センサーの構造が単純になる。
【００１９】
本発明の第２の局面によれば、光センサーの構造がさらに単純になる。
【００２０】
本発明の第３の局面によれば、光センサーに好適な熱感応体が得られる。
【００２１】
本発明の第４の局面によれば、光熱変換体が特定の偏光方向の光を吸収し、特定の偏光方向の検出する光センサーが得られる。
【００２２】
本発明の第５の局面によれば、光熱変換体が吸収する光の偏光方向依存性が抑制され、光センサーが検出する光の偏光方向依存性が抑制される。
【００２３】
本発明の第６の局面によれば、多重反射により光の吸収の効率が向上する。また、吸収率の３次元角度依存性が抑制される。
【００２４】
本発明の第７の局面によれば、周期構造形成面において回折が生じにくくなり、隣接する負の誘電率を持つ物質が占める部分の間隙への共鳴が利用しやすくなる。
【００２５】
本発明の第８の局面によれば、周期構造形成面に沿う方向の共鳴が発生し、吸収ピーク線幅が狭くなる。
【００２６】
これらの及びこれら以外の本発明の目的、特徴、局面及び利点は、添付図面とともに考慮されたときに下記の本発明の詳細な説明によってより明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態の光センサーの断面図である。
【図２】第１実施形態の光熱変換体の斜視図である。
【図３】第１実施形態の光熱変換体の断面図である。
【図４】上部電極に１次元周期構造が形成された状態を示す断面図である。
【図５】第１実施形態の光熱変換体の変形例の断面図である。
【図６】第１実施形態の光熱変換体の変形例の断面図である。
【図７】第１実施形態の光熱変換体の変形例の断面図である。
【図８】第１実施形態の光熱変換体の変形例の断面図である。
【図９】周期構造形成面が被覆物で被覆された状態を示す断面図である。
【図１０】光熱変換体と光の偏光方向との関係を示す断面図である。
【図１１】設計例１の吸収スペクトルを示すグラフである。
【図１２】第２実施形態の光熱変換体の斜視図である。
【図１３】第２実施形態の単位構造の斜視図である。
【図１４】第２実施形態の構造パラメーターを示す斜視図である。
【図１５】第２実施形態の負誘電率部の配列の変形例を示す平面図である。
【図１６】第２実施形態の負誘電率部の配列の変形例を示す平面図である。
【図１７】第２実施形態の負誘電率部の配列の変形例を示す平面図である。
【図１８】設計例２の吸収スペクトルを示すグラフである。
【図１９】第３実施形態の光熱変換体の斜視図である。
【図２０】第３実施形態の単位構造の斜視図である。
【図２１】第３実施形態の構造パラメーターを示す斜視図である。
【図２２】設計例３の吸収スペクトルを示すグラフである。
【図２３】第３実施形態の光熱変換体の変形例の斜視図である。
【図２４】第３実施形態の負誘電率部の配列の変形例を示す斜視図である。
【図２５】第３実施形態の負誘電率部の配列の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
｛第１実施形態｝
（概略）
第１実施形態は、光センサーに関する。第１実施形態の光センサーは、特定の波長の光を選択的に検出する。
【００２９】
図１の模式図は、第１実施形態の光センサーの断面図である。図２の模式図は、第１実施形態の光熱変換体の斜視図である。図３の模式図は、第１実施形態の光熱変換体の断面図である。
【００３０】
図１に示すように、光センサー１０００は、光電変換部１００２、保持基板１００４、配線１００６、梁１００８、貫通電極１０１０、パッケージ１０１２及び窓板１０１４を備える。光電変換部１００２は、光熱変換体１０２０、上部電極１０２２、焦電体１０２４及び下部電極１０２６を備える。光電変換部１００２が自重に耐える場合は、光電変換部１００２のみによって光センサーが構成されてもよい。
【００３１】
図２及び図３に示すように、光熱変換体１０２０の周期構造形成面１０３０には、１次元周期構造１０４０が形成される。１次元周期構造１０４０は、光熱変換体１０２０の光吸収能に波長選択性を付与する。１次元周期構造１０４０の構造パラメーターによっては、１次元周期構造１０４０が光熱変換体１０２０の光吸収能に偏光方向選択性を付与する場合もある。
【００３２】
光熱変換体１０２０に光が照射された場合は、特定の波長の光が光熱変換体１０２０に吸収され、特定の波長以外の光は光熱変換体１０２０に反射される。吸収された光は熱に変換される。発生した熱は焦電体１０２４に伝えられる。焦電体１０２４に熱が伝えられた場合は、焦電体１０２４の自発分極量が変化し、自発分極量の変化に応じた電荷が上部電極１０２２及び下部電極１０２６に誘起される。上部電極１０２２と下部電極１０２６との間には、電圧が発生する。発生した電圧は、貫通電極１０１０及び配線１００６を経由して外部の回路に伝えられ、受光した光の有無、受光した光の光量等の測定に利用される。
【００３３】
光センサー１０００においては、波長選択性が向上し、信号対雑音比が改善される。また、蓄積される熱が少なくなり、時間応答性が改善される。さらに、構造が単純になる。
【００３４】
（光熱変換体と焦電体との熱結合）
光熱変換体１０２０と上部電極１０２２とは直接的に接触し、上部電極１０２２と焦電体１０２４とは直接的に接触する。光熱変換体１０２０と上部電極１０２２とは熱結合され、上部電極１０２２と焦電体１０２４とは熱結合される。光熱変換体１０２０と焦電体１０２４とは上部電極１０２２を介して熱結合される。これにより、光熱変換体１０２０において発生した熱が焦電体１０２４へ伝えられる。
【００３５】
図４の模式図（断面図）に示すように、光熱変換体１０２０及び上部電極１０２２に代えて、１次元周期構造１０４０ａが形成された上部電極１０２０ａが採用され、上部電極１０２０ａが光熱変換体を兼ねてもよい。上部電極１０２０ａは焦電体１０２４に直接的に接触し、上部電極１０２０ａと焦電体１０２４とは直接的に熱結合される。上部電極１０２０ａに１次元周期構造１０４０ａが形成される場合は、構造がさらに単純になる。また、上部電極１０２０ａの放熱性能が向上する。
【００３６】
光熱変換体１０２０と焦電体１０２４とが上部電極１０２２を介さずに直接的に接触し、光熱変換体１０２０と焦電体１０２４とが直接的に熱結合されてもよい。光熱変換体１０２０と上部電極１０２２との間に放熱グリス、放熱シート等の熱伝達媒体が挟まれ、光熱変換体１０２０と焦電体１０２４とが熱伝達媒体及び上部電極１０２２を介して熱結合されてもよい。
【００３７】
（熱感応体）
焦電体１０２４は、Ｐｂ（Ｚｒ1-xＴｉx）Ｏ3（ＰＺＴ）系圧電セラミックス、Ｓｒ0.5Ｂａ0.5Ｎｂ2Ｏ6等からなる。
【００３８】
焦電体１０２４が他の種類の熱感応体に置き換えられてもよい。熱感応体は、熱により電気的性質が変化する物体である。
【００３９】
熱感応体は、例えば、サーミスタである。サーミスタは、温度によって電気抵抗が変化する抵抗体である。熱感応体がサーミスタである場合は、サーミスタに熱が伝えられたときにサーミスタの電気抵抗が変化する。電気抵抗の変化は、外部の回路へ伝えられ、受光した光の有無、受光した光の光量等の測定に利用される。
【００４０】
サーミスタは、望ましくは、温度抵抗係数が大きい材料からなる。サーミスタは、例えば、酸化バナジウム、ＮｉＭｏＣｏ酸化物、Ｔｉ金属薄膜、多結晶シリコン薄膜、非晶質シリコン薄膜、非晶質シリコンゲルマニウム薄膜、ＭｎＯ3薄膜、ＹＢａＣｕＯ薄膜等からなる。
【００４１】
熱感応体が熱電変換体であってもよい。熱電変換体は、ゼーベック効果により熱エネルギーを電気エネルギーへ変換する。熱電変換体は、例えば、熱電対である。熱電対においては、熱電能を有する２種類の材料が用いられる。熱電能を有する２種類の材料の対には、ビスマスとアンチモンとの対、Ｐ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンとの対等が知られている。熱電変換体がサーモパイルであってもよい。サーモパイルにおいては、２個以上の熱電対が直列に接続される。熱感応体が熱電変換体である場合は、熱電変換体に熱が伝えられたときに熱電変換体に熱起電力が発生する。熱起電力は、外部の回路へ伝えられ、受光した光の有無、受光した光の光量等の測定に利用される。
【００４２】
熱感応体がダイオードであってもよい。熱感応体がダイオードである場合は、ダイオードに熱が伝えられたときにダイオードのシリコンのＰＮ接合の特性が変化する。シリコンのＰＮ接合の特性の変化は、外部の回路に伝えられ、受光した光の有無、受光した光の光量等の測定に利用される。
【００４３】
熱感応体が導電体からなる場合は、熱感応体の材質と光熱変換体の材質とが一致させられ、熱感応体と光熱変換体とが一体化され、熱感応体と光熱変換体とが明確な境界を持たない連続物であってもよい。
【００４４】
（光センサーの構造）
図１に示すように、保持基板１００４の保持面１０５０には配線１００６が形成される。配線１００６は、膜体であり、導電体からなる。
【００４５】
梁１００８には貫通電極１０１０が埋設される。貫通電極１０１０は、導電体からなる。貫通電極１０１０は、梁１００８の上面１０６０と下面１０６２とを貫通する。
【００４６】
上部電極１０２２及び下部電極１０２６は、焦電体１０２４を挟んで対向する。
【００４７】
パッケージ１０１２には開口１０７０が形成される。開口１０７０には窓板１０１４がはめられる。
【００４８】
配線１００６が形成された保持基板１００４の保持面１０５０には、貫通電極１０１０が埋設された梁１００８が保持される。配線１００６と梁１００８の下面１０６２に露出する貫通電極１０１０とは接触し、配線１００６と貫通電極１０１０とは導通する。
【００４９】
梁１００８の上面１０６０には光電変換部１００２が固定される。光電変換部１００２の主要部は、梁１００８の薄肉部１０７２に固定される。これにより、光電変換部１００２が保持基板１００４から熱的に分離される。
【００５０】
梁１００８の上面１０６０には窓板１０１４がはめられたパッケージ１０１２がさらに固定される。パッケージ１０１２の内部には、光電変換部１００２が収容される。これにより、光電変換部１００２が保護される。
【００５１】
周期構造形成面１０３０は、窓板１０１４を透過した光が照射される受光面になる。
【００５２】
（光熱変換体）
図２及び図３に示すように、１次元周期構造１０４０においては、単位構造１０７０が周期方向ｘの１方向に周期的に配列され、１次元格子が形成される。
【００５３】
周期構造形成面１０３０に光が照射された場合は、周期構造形成面１０３０に沿う方向に当該光が回折又は散乱され、当該光の多重吸収が生じる。その結果、特定の波長の光に対しては強い吸収が生じるが、特定の波長以外の光に対しては吸収が生じず、特定の波長以外の光は反射される。
【００５４】
単位構造１０７０の各々は、負誘電率部１０８０及び正誘電率部１０８２を備える。負誘電率部１０８０は負の誘電率を持つ。正誘電率部１０８２は正の誘電率を持つ。負誘電率部１０８０の各々の内部における誘電率は、典型的には均一であるが、不均一であってもよい。正誘電率部１０８２の各々の内部における誘電率は、典型的には均一であるが、不均一であってもよい。
【００５５】
負誘電率部１０８０は、基体部１０９０から突出し周期方向ｘに垂直な方向ｙに延在する線状突起である。正誘電率部１０８２は、方向ｙに延在する線状溝である。基体部１０９０は、負の誘電率を持つ。負誘電率部１０８０の材質及び基体部１０９０の材質は、典型的には同じであるが、異なってもよい。基体部１０９０は、周期方向ｘ及び方向ｙに平行に面状に広がる。
【００５６】
負誘電率部１０８０及び正誘電率部１０８２は、周期方向ｘに交互に配列される。正誘電率部１０８２は、隣接する２個の負誘電率部１０８０の間隙１１００である。間隙１１００は、真空であってもよい。間隙１１００が誘電体で満たされ、誘電体で満たされた間隙１１００が正誘電率部１０８２とされてもよい。誘電体は、気体、液体及び固体のいずれでもよい。間隙１１００が開放され、空気又は空気以外の気体で満たされた間隙１１００が正誘電率部１０８２とされてもよい。共通して言えることは、単位構造１０７０の一部のみが負の誘電率を持つ物質で占められ、単位構造１０７０の少なくとも一部は負の誘電率を持つ物質で占められないことである。２個以上の負誘電率部１０８０が単位構造１０７０の各々に設けられてもよい。２個以上の正誘電率部１０８２が単位構造１０７０の各々に設けられてもよい。周期構造形成面１０３０が露出する場合は、光熱変換体１０２０の表面の凹凸が増え、光熱変換体１０２０の放熱性能が向上する。
【００５７】
負誘電率部１０８０の断面形状は矩形である。ただし、断面形状が矩形である負誘電率部１０８０に代えて、図５の模式図（断面図）に示す断面形状が先細り形である負誘電率部１０８０ａ、図６の模式図（断面図）に示す断面形状が円形である負誘電率部１０８０ｂ、図７の模式図（断面図）に示す断面形状が三角形である負誘電率部１０８０ｃ、図８の模式図（断面図）に示す断面形状が台形である負誘電率部１０８０ｄ等が用いられてもよい。
【００５８】
（負の誘電率及び正の誘電率）
複素比誘電率εcは、屈折率ｎ及び消衰定数κを用いて、式（１）であらわされる。
【００５９】
【数１】
【００６０】
物質が負の誘電率を持つとは、その物質の複素比誘電率εcの実部ｎ2−κ2が負であることを意味する。消衰係数κが屈折率ｎより大きい場合に複素比誘電率εcの実部は負になる。
【００６１】
負の誘電率を持つ物質は、金属、合金等の導電体である。望ましくは、負の誘電率を持つ金属として金（Ａｕ）が用いられる。金には、酸化されにくいという利点がある。
【００６２】
金に代えて、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は銀（Ａｇ）が用いられてもよい。これらの金属には、導電性が良好であり、理想金属に近いという利点がある。
【００６３】
金に代えて、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）又はオスミウム（Ｏｓ）が用いられてもよい。これらの金属には、熱的性質及び化学的性質が良好であり、高温でも酸化されにくく、接触する物と反応しにくいという利点がある。
【００６４】
不純物がドープされｎ型半導体となったＧａＡｓ等は、可視光領域においては半導体であるが、遠赤外光領域からテラヘルツ光領域までにおいては導電体である。したがって、遠赤外光領域からテラヘルツ光領域までの光を検出する光センサー１０００においては、当該ＧａＡｓ等も負の誘電率を持つ物質である。
【００６５】
負の誘電率を持つ物質からなる物体に光を吸収するための構造が形成されない場合は、当該物体は光を吸収せずに反射する。光熱変換体１０２０を構成する負の誘電率を持つ物質の望ましい特性は、光を吸収するための構造が形成されない場合に目標とする吸収波長における反射率が高いことである。
【００６６】
物質が正の誘電率を持つとは、その物質の複素比誘電率εcの実部ｎ2−κ2が正であることを意味する。消衰係数κが屈折率ｎより小さい場合に複素比誘電率εcの実部は正になる。
【００６７】
正の誘電率を持つ物質は、空気等の透明な誘電体である。真空の誘電率は１であり、真空は正の誘電率を持つ。空気の誘電率は１とみなしてよい。空気及び真空は、すべての波長領域において、正の誘電率を持つ望ましい物質である。望ましくは、正の誘電率を持つ物質として、赤外光領域においてはＳｉ（屈折率３．４８）、ＳｉＯx（屈折率１．４〜３．４８）又はＡｌ2Ｏ3（屈折率１．８）が用いられ、波長４００〜８００ｎｍの可視光領域においてはＧａＡｓ（屈折率３．３）、Ｓｉ（屈折率３．７）、Ｔａ2Ｏ5（屈折率２．５）又はＳｉＯx（屈折率１．４〜３．７）が用いられる。これらに代えて、ダイヤモンド（Ｃ）、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体、炭化シリコン（ＳｉＣ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）又は酸化チタン（ＴｉＯ2）が用いられてもよい。ダイヤモンドは、可視光領域の全体において用いられる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体には、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ等がある。ＡｌＧａＡｓは、近赤外光領域及び赤色光領域において用いられる。ＧａＮは、緑色光領域及び青色光領域において用いられる。ＧａＡｓＰは、赤色光領域、橙色光領域及び青色光領域において用いられる。ＧａＰは、赤色光領域、黄色光領域及び緑色光領域において用いられる。ＩｎＧａＮは、青緑色光領域及び青色光領域において用いられる。ＡｌＧａＩｎＰは、橙色光領域、黄緑色光領域、黄色光領域及び緑色光領域において用いられる。ＩＩ−ＶＩ族半導体には、ＺｎＳｅ等がある。ＺｎＳｅは、青色光領域において用いられる。屈折率の選択の範囲を広げるために、ＴｉＯ2、ＳｉＮ、ＺｎＳ等の複数の物質が組み合わされて用いられてもよく、フォトニック結晶構造を持つ材料が用いられてもよい。
【００６８】
（実効的な波長）
光の実効的な波長λeは、光が存在する場所の屈折率により決まる。また、光が間隙１１００又は１次元周期構造１０４０に共鳴する場合は、共鳴する電磁波の大部分が正誘電率部１０８２及び周期構造形成面１０３０の近傍に存在する。このため、実効的な波長λeは、正誘電率部１０８２の屈折率、周期構造形成面１０３０の近傍の屈折率及び正誘電率部１０８２が１次元周期構造１０４０に占める割合に依存する。
【００６９】
例えば、光熱変換体１０２０が真空中に設置され、正誘電率部１０８２が真空の間隙１１００であり、周期構造形成面１０３０の近傍が真空である場合は、実効的な波長λeは、真空中の波長λ0に一致する。
【００７０】
光熱変換体１０２０が空気中に設置され、正誘電率部１０８２が空気で満たされた間隙１１００であり、周期構造形成面１０３０の近傍が空気で満たされる場合は、実効的な波長λeは、真空中の波長λ0に一致するとみなしてよい。
【００７１】
図９の模式図（断面図）に示すように周期構造形成面１０３０が屈折率ｎの被覆物１１５０で被覆され、正誘電率部１０８２が屈折率ｎの被覆物１１５０で満たされた間隙１１００であり、周期構造形成面１０３０の近傍が屈折率ｎの被覆物１１５０で満たされる場合は、実効的な波長λeは、真空中の波長λ0を屈折率ｎで除する（λ0／ｎ）ことにより得られる。
【００７２】
フォトニック結晶構造等の微細構造が周期構造形成面１０３０に設けられ、実効的な波長λeが真空中の波長λ0からずれる場合もある。この場合は、周期構造形成面１０３０における実効的な屈折率ｎが数値計算等により求められる。実効的な波長λeは、真空中の波長λ0を実効的な屈折率ｎで除する（λ0／ｎ）ことにより得られる。
【００７３】
（構造パラメーター）
図３に示すように、第１実施形態においては、周期方向ｘの単位構造１０７０の寸法である構造周期Λ、周期方向ｘの負誘電率部１０８０の寸法である負誘電率部１０８０の幅Ｔ及び基体部１０９０から負誘電率部１０８０が突出する寸法である負誘電率部１０８０の高さＤが構造パラメーターとして採用される。ただし、他の構造パラメーターが採用されてもよい。
【００７４】
（間隙への共鳴の利用）
間隙１１００への共鳴が利用される場合は、目標とする吸収ピーク波長の光を光熱変換体１０２０に選択的に吸収させるために、間隙１１００が導波路として用いられる。また、目標とする吸収ピーク波長の光が間隙１１００を伝播するように１次元周期構造１０４０の構造パラメーターが選択される。
【００７５】
（間隙への共鳴が利用される場合の構造パラメーター）
間隙１１００への共鳴が利用される場合は、構造周期Λ及び負誘電率部１０８０の幅Ｔは、光熱変換体１０２０に吸収させる光の偏光方向によって変化する。
【００７６】
図１０の模式図は、光熱変換体と光の偏光方向との関係を示す断面図である。
【００７７】
間隙１１００を伝播する光の導波モードには、伝播方向に電界成分が存在しないＴＥモード及び伝播方向に磁界成分が存在しないＴＭモードがある。ＴＥモード及びＴＭモードは、それぞれ、図１０に示す空間中のＴＥ波及びＴＭ波に結合する。
【００７８】
目標とする吸収ピーク波長のＴＥ波が効率よく吸収されるためには、目標とする吸収ピーク波長のＴＥ波の周期構造形成面１０３０における実効的な波長λeにおいて間隙１１００を伝播するＴＥモードの光が存在するように構造パラメーターが決定される。この場合は、間隙１１００の幅（Λ−Ｔ）は、式（２）を満たさなければならない。
【００７９】
【数２】
【００８０】
目標とする吸収ピーク波長のＴＭ波が効率よく吸収されるためには、目標とする吸収ピーク波長のＴＭ波の実効的な波長λeにおいて間隙１１００を伝播するＴＭモードの光が存在するように構造パラメーターが決定される。この場合は、間隙１１００の幅（Λ−Ｔ）は、式（３）を満たさなければならない。
【００８１】
【数３】
【００８２】
ＴＭモードにはプラズモンモードと呼ばれる導波モードが存在するため、式（３）に示すように間隙１１００の幅（Λ−Ｔ）が狭くなることも許される。すなわち、間隙１１００の幅（Λ−Ｔ）が式（４）を満たすことも許される。
【００８３】
【数４】
【００８４】
これらのことから、目標とする吸収ピーク波長のＴＥ波及びＴＭ波の両方を吸収させるためには、構造周期Λ及び負誘電率部１０８０の幅Ｔは、式（５）を満たさなければならない。
【００８５】
【数５】
【００８６】
また、目標とする吸収ピーク波長のＴＭ波を吸収させ目標とする吸収ピーク波長のＴＥ波を反射させるためには、構造周期Λ及び負誘電率部１０８０の幅Ｔは、式（６）を満たさなければならない。
【００８７】
【数６】
【００８８】
構造周期Λは、望ましくは、目標とする吸収ピーク波長の光の実効的な波長λeより短く、式（７）を満たす。これにより、周期構造形成面１０３０において回折が生じにくくなり、間隙１１００への共鳴を利用しやすくなる。
【００８９】
【数７】
【００９０】
単位構造１０７０の一部のみが負の誘電率を持つ物質に占められることから、構造周期Λ及び負誘電率部１０８０の幅Ｔは、式（８）を満たさなければならない。
【００９１】
【数８】
【００９２】
多重吸収を十分に生じさせるためには、負誘電率部１０８０の内部において電子が十分に振動しなければならない。このため、負誘電率部１０８０の幅Ｔは、式（９）を満たさなければならない。
【００９３】
【数９】
【００９４】
表皮厚Δは、光学分野において慣用されているように、光の電界成分の法線方向振動成分の強度が負誘電率部１０８０の表面の１／１０に低下するまでの厚さと定義される。表皮厚Δは、負誘電率部１０８０の消衰係数κを用いて、式（１０）であらわされる。
【００９５】
【数１０】
【００９６】
式（８）及び式（９）から、構造周期Λは、式（１１）を満たさなければならない。
【００９７】
【数１１】
【００９８】
負誘電率部１０８０の高さＤは、望ましくは、間隙１１００の開口１１６０が開放端となり間隙１１００の底１１６２が閉鎖端となる共鳴が生じるように選択される。負誘電率部１０８０の高さＤは、望ましくは、式（１２）を満たす。
【００９９】
【数１２】
【０１００】
開放端の補正項φ0は、光熱変換体１０２０の構造に依存する。開放端の補正項φ0は、開口１１６０からの電界の腹の実効的なずれを反映する。伝播定数β及び開放端の補正項φ0は、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）法、厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ）法等の数値計算法により求められる。
【０１０１】
（１次元周期構造への共鳴）
間隙１１００への共鳴に代えて、又は、間隙１１００への共鳴に加えて、１次元周期構造１０３０への共鳴が利用されてもよい。
【０１０２】
（１次元周期構造への共鳴が利用される場合の構造パラメーター）
１次元周期構造１０３０への共鳴が利用される場合は、構造周期Λが、目標とする吸収ピーク波長の光の周期構造形成面１０３０における実効的な波長λeの自然数倍に一致しなければならず、式（１３）を満たさなければならない。
【０１０３】
【数１３】
【０１０４】
これにより、周期構造形成面１０３０において回折が生じ、周期構造形成面１０３０に沿う方向の共鳴が発生し、吸収ピーク線幅が狭くなる。
【０１０５】
負誘電率部１０８０の幅Ｔは、隣接する間隙１１００の間の相互作用を生じさせる必要があるため、目標とする吸収ピーク波長の光の実効的な波長λeより短くなければならず、式（１４）を満たさなければならない。
【０１０６】
【数１４】
【０１０７】
周期構造１０３０への共鳴が利用される場合と同じく、負誘電率部１０８０の幅Ｔは、式（１５）を満たさなければならない。
【０１０８】
【数１５】
【０１０９】
（設計の手順）
上述したように、構造周期Λ、負誘電率部１０８０の幅Ｔ及び負誘電率部１０８０の高さＤの間には、目標とする吸収ピーク波長の光を効率よく吸収するのに適した望ましい関係が存在する。したがって、光熱変換体１０２０の材質及び基本構造が決定された後は、当該望ましい関係が満たされるように構造周期Λ、負誘電率部１０８０の幅Ｔ及び負誘電率部１０８０の高さＤが概算され、目標とする吸収ピーク波長の光が効率よく吸収されるように構造周期Λ、負誘電率部１０８０の幅Ｔ及び負誘電率部１０８０の高さＤが数値計算により最適化される。
【０１１０】
（設計例１）
設計例１は、第１実施形態の光熱変換体１０２０の設計に関する。
【０１１１】
設計例１においては、目標とする吸収ピーク波長が４μｍに設定される。目標とする吸収ピーク波長は真空中の波長であらわされる。設計例１においては、負誘電率部１０８０及び基体部１０９０がイリジウムからなり、光熱変換体１０２０が空気中に設置され、間隙１１００が空気で満たされ、周期構造形成面１０３０の近傍が空気で満たされる場合が検討される。
【０１１２】
イリジウムは、可視光領域から赤外光領域を経てテラヘルツ光領域までの波長にわたって負の誘電率を持つ。真空中の波長が４μｍである光に対して、イリジウムの複素比誘電率は−５２９．３９７＋ｉ２３１．１０５７であり、イリジウムは負の誘電率を持つ。間隙１１００及び周期構造形成面１０３０の近傍は空気で満たされるので、周期構造形成面１０３０における実効的な波長λeは、真空中の波長の４μｍに一致するとみなしてよい。
【０１１３】
設計例１においては、構造周期Λが１．６μｍに決定され、負誘電率部１０８０の幅Ｔが１．５μｍに決定され、負誘電率部１０８０の高さＤが０．７μｍに決定される。これらは、式(６)から(８)までの関係を満たす。
【０１１４】
周期構造形成面１０３０に垂直に入射する光について、ＴＥ波及びＴＭ波の吸収スペクトルをＲＣＷＡ法により計算した結果が図１１に示される。図１１に示すように、ＴＭ波の吸収スペクトルには４μｍにピークがあらわれるが、ＴＥ波の吸収スペクトルにはピークがあらわれない。したがって、設計例１の光熱変換体１０２０は、真空中の波長が４μｍのＴＭ波を選択的に吸収する。また、１から吸収率を減ずることにより反射率が得られるので、設計例１の光熱変換体１０２０は、真空中の波長が４μｍのＴＭ波以外を反射する。より一般的には、第１実施形態の光熱変換体１０２０は、特定の波長の光を吸収し、それ以外の光を反射する。構造パラメーターによっては、第１実施形態の光熱変換体１０２０は、特定の波長及び偏光方向の光を吸収し、それ以外の光を反射する。これにより、特定の波長の光の吸収を維持したまま光熱変換体１０２０に発生する熱を減少させることができ、光センサー１０００の熱特性が向上する。また、構造パラメーターによっては、特定の偏光方向の光を検出する光センサーが得られる。
【０１１５】
｛第２実施形態｝
第２実施形態は、第１実施形態の光熱変換体を置き換える光熱変換体に関する。以下では、第１実施形態の光熱変換体と第２実施形態の光熱変換体との重要な共通点及び相違点が説明される。説明されない事項については、第１実施形態の光熱変換体の構成が、そのまま又は変形されてから、第２実施形態の光熱変換体において採用される。第２実施形態の光熱変換体の構成物には、第１実施形態の光熱変換体の対応する構成物と同じ名称が付与される。
【０１１６】
図１２の模式図は、第２実施形態の光熱変換体の斜視図である。図１３の模式図は、第２実施形態の単位構造の斜視図である。
【０１１７】
図１２に示すように、光熱変換体２０２０の周期構造形成面２０３０には、２次元周期構造２０４０が形成される。２次元周期構造２０４０においては、周期方向ｘ及びｙの２方向に単位構造２０７０が周期的に配列され、２次元格子が形成される。側方から見た場合は２次元周期構造２０４０は１次元周期構造でもあり、その構造パラメーターも第１実施形態と同様に求められる。
【０１１８】
単位構造２０７０の各々は、負誘電率部２０８０及び正誘電率部２０８２を備える。負誘電率部２０８０は負の誘電率を持つ。正誘電率部２０８２は正の誘電率を持つ。
【０１１９】
負誘電率部２０８０は、基体部２０９０から突出する四角柱突起である。四角柱突起に代えて円柱突起、円錐突起等が採用されてもよい。負誘電率部２０８０となる場所に凸構造を形成することに代えて正誘電率部２０８２となる場所に凹構造を形成することにより２次元周期構造２０４０が形成されてもよい。正誘電率部２０８２の集合は、格子形状を有する。
【０１２０】
（構造パラメーター）
図１４の模式図（斜視図）に示すように、第２実施形態においては、周期方向ｘの単位構造２０７０の寸法である構造周期Λｘ、周期方向ｙの単位構造２０７０の寸法である構造周期Λｙ、周期方向ｘの負誘電率部２０８０の寸法である負誘電率部２０８０の幅Ｌｘ、周期方向ｙの負誘電率部２０８０の寸法である負誘電率部２０８０の幅Ｌｙ、基体部２０９０から負誘電率部２０８０が突出する寸法である負誘電率部２０８０の高さＬｚが構造パラメーターとして採用される。ただし、他の構造パラメーターが採用されてもよい。
【０１２１】
周期方向ｘ及びｙは垂直をなし、周期方向ｘの構造周期Λｘと周期方向ｙの構造周期Λｙとは一致する。したがって、負誘電率部２０８０の配列は、図１５の模式図（平面図）に示すように、正方格子配列となっている。ただし、周期方向ｘ及びｙが垂直をなしていなくてもよく、周期方向ｘの構造周期Λｘと周期方向ｙの構造周期Λｙとが異なってもよい。したがって、図１６の模式図（平面図）に示すように負誘電率部２０８０の配列が三角格子配列であってもよいし、図１７の模式図（平面図）に示すように負誘電率部２０８０の配列が六角格子配列であってもよい。正誘電率部２０８２となる場所に凹構造を形成することにより２次元周期構造２０４０が形成される場合は、当該凹部の配列も、正方格子配列、三角格子配列及び六角格子配列のいずれであってもよい。
【０１２２】
（設計例２）
設計例２は、第２実施形態の光熱変換体２０２０の設計に関する。
【０１２３】
設計例２においては、目標とする吸収ピーク波長が４μｍに設定される。目標とする吸収ピーク波長は真空中の波長であらわされる。設計例２においては、負誘電率部２０８０及び基体部２０９０がイリジウムからなり、光熱変換体２０２０が空気中に設置され、間隙２１００が空気で満たされ、周期構造形成面２０３０の近傍が空気で満たされる場合が検討される。
【０１２４】
設計例２においては、周期方向ｘの構造周期Λｘ及び周期方向ｙの構造周期Λｙが１．６μｍに決定され、周期方向ｘの負誘電率部２０８０の幅Ｌｘ及び周期方向ｙの負誘電率部２０８０の幅Ｌｙが１．５μｍに決定され、負誘電率部２０８０の高さＬｚが０．７μｍに決定される。
【０１２５】
周期構造形成面２０３０に垂直に入射する光について、ＴＥ波及びＴＭ波の吸収スペクトルをＲＣＷＡ法により計算した結果が図１８に示される。図１８に示すように、ＴＭ波及びＴＥ波の吸収スペクトルには４μｍにピークがあらわれる。したがって、設計例２の光熱変換体２０２０は、真空中の波長が４μｍのＴＭ波及びＴＥ波を選択的に吸収する。より一般的には、第２実施形態の光熱変換体２０２０は、特定の波長の光を吸収し、それ以外の光を反射する。これにより、特定の波長の光の吸収を維持したまま光熱変換体２０２０に発生する熱を減少させることができ、光センサーの熱特性が向上する。また、光熱変換体が吸収する光の偏光方向依存性が抑制され、光センサーが検出する光の偏光方向依存性が抑制される。
【０１２６】
｛第３実施形態｝
第３実施形態は、第１実施形態の光熱変換体を置き換える光熱変換体に関する。以下では、第１実施形態の光熱変換体と第３実施形態の光熱変換体との重要な共通点及び相違点が説明される。説明されない事項については、第１実施形態の光熱変換体の構成が、そのまま又は変形されてから、第３実施形態の光熱変換体において採用される。第３実施形態の光熱変換体の構成物には、第１実施形態の光熱変換体の対応する構成物と同じ名称が付与される。
【０１２７】
図１９の模式図は、第３実施形態の光熱変換体の斜視図である。図２０の模式図は、第３実施形態の単位構造の斜視図である。
【０１２８】
図１９に示すように、光熱変換体３０２０には、３次元周期構造３０４０が形成される。３次元周期構造３０４０においては、周期方向ｘ、ｙ及びｚの３方向に単位構造３０７０が周期的に配列され、３次元格子が形成される。３次元周期構造３０４０は、第１の層３３００と第２の層３３０２とを交互に積み重ねた構造を有する。第１の層３３００においては、四角柱が間隔を置いて周期方向ｙに平面配列される。第２の層３３０２においては、四角柱が間隔を置いて周期方向ｘに平面配列される。受光面においては、周期方向ｙに四角柱が延在する。
【０１２９】
単位構造３０７０の各々は、負誘電率部３０８０及び正誘電率部３０８２を備える。負誘電率部３０８０の集合は、光熱変換体３０２０を貫通する。これにより、光熱変換体３０２０の表面のみでなく光熱変換体３０２０の内部も含めた光熱変換体３０２０の全体への共鳴が生じ、吸収ピーク線幅がさらに狭くなる。また、多重反射により光の吸収の効率が向上する。
【０１３０】
図２４は、第３実施形態の光熱変換体の変形例の斜視図である。
【０１３１】
図２４に示すように、光熱変換体３０２０ａには、３次元周期構造３０４０ａが形成される。３次元周期構造３０４０ａにおいては、金属からなる球体の負誘電率部３０８０ａが周期方向ｘ、ｙ及びｚの３方向に重ねられる。図２５に示すように負誘電率部３０８０ａの配列は立方格子であるが、図２６に示すように負誘電率部３０８０ａの配列がダイヤモンド型の正四面体格子であってもよい。正四面体格子には、球体の負誘電率部３０８０ａを配列させやすいという利点がある。
【０１３２】
３次元周期構造は、２次元周期構造と比較して３次元角度方向に対称性を持つ。このため、３次元周期構造によれば、吸収率の角度依存性が抑制される。また、立方格子の角度周期が９０°であるのに対して、正四面体格子の面内角度周期は６０°であるので、正四面体格子によれば、吸収率の角度依存性がさらに抑制される。
【０１３３】
（構造パラメーター）
図２１に示すように、第３実施形態においては、周期方向ｘの単位構造３０７０の寸法である構造周期Λｘ、周期方向ｙの単位構造３０７０の寸法である構造周期Λｙ、周期方向ｚの単位構造３０７０の寸法である構造周期Λｚ、周期方向ｘの負誘電率部３０８０の寸法である負誘電率部３０８０の幅Ｌｘ、周期方向ｙの負誘電率部３０８０の寸法である負誘電率部３０８０の幅Ｌｙ及び周期方向ｚの負誘電率部３０８０の寸法である負誘電率部３０８０の幅Ｌｚが構造パラメーターとして採用される。ただし、他の構造パラメーターが採用されてもよい。
【０１３４】
（設計例３）
設計例３は、第３実施形態の光熱変換体３０２０の設計に関する。
【０１３５】
設計例３においては、目標とする吸収ピーク波長が４μｍに設定される。目標とする吸収ピーク波長は真空中の波長であらわされる。設計例３においては、負誘電率部３０８０がイリジウムからなり、光熱変換体３０２０が空気中に設置され、間隙３１００が空気で満たされ、受光面の近傍が空気で満たされる場合が検討される。
【０１３６】
設計例３においては、周期方向ｘの構造周期Λｘ、周期方向ｙの構造周期Λｙ及び周期方向ｚの構造周期Λｚが４μｍに決定され、周期方向ｘの負誘電率部３０８０の幅Ｌｘ、周期方向ｙの負誘電率部３０８０の幅Ｌｙ及び周期方向ｚの負誘電率部３０８０の幅Ｌｚが２μｍに決定される。
【０１３７】
受光面に垂直に入射するＴＥ波及びＴＭ波の吸収スペクトルをＲＣＷＡ法により計算した結果が図２２に示される。図２２に示すように、ＴＭ波の吸収スペクトルには４μｍにピークがあらわれ、ＴＥ波の吸収スペクトルにはＴＭ波のよりも短波長側にピークがあらわれる。ＴＭ波の吸収ピークが鋭いのは、構造周期Λｘ、Λｙ及びΛｚが目標ピーク波長の光の実効的な波長λeに一致するからである。ＴＥ波の吸収ピークがずれるのは、ＴＭ波とＴＥ波とでは、光熱変換体３０２０に反射されるときの位相特性がずれていることの影響である。より一般的には、第３実施形態の光熱変換体３０２０は、特定の波長を持つ光を吸収し、それ以外の光を反射するが、偏光方向によって吸収する光の波長が異なり、偏光分離型の２波長センサーに好適である。これにより、光熱変換体３０２０に発生する熱が減少し、光センサーの熱特性が向上する。
【０１３８】
この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において例示であり、この発明は上記の説明に限定されない。例示されない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定されうる。
【符号の説明】
【０１３９】
１０００ 光センサー
１０２０，２０２０，３０２０ 光熱変換体
１０２４ 焦電体
１０７０，２０７０，３０７０ 単位構造
１０８０，２０８０，３０８０ 負誘電率部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光センサーであって、
周期構造が形成され、前記周期構造において単位構造が周期的に配列され、前記単位構造の各々の一部のみが負の誘電率を持つ物質で占められる光熱変換体と、
前記光熱変換体に熱結合され、熱により電気的性質が変化する熱感応体と、
を備える光センサー。
【請求項２】
請求項１の光センサーにおいて、
前記光熱変換体が電極を兼ねる
光センサー。
【請求項３】
請求項１又は請求項２の光センサーにおいて、
前記熱感応体が焦電体、サーミスタ又は熱電変換体である
光センサー。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれかの光センサーにおいて、
前記周期構造が１次元周期構造である
光センサー。
【請求項５】
請求項１から請求項３までのいずれかの光センサーにおいて、
前記周期構造が２次元周期構造である
光センサー。
【請求項６】
請求項１から請求項３までのいずれかの光センサーにおいて、
前記周期構造が３次元周期構造である
光センサー。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれかの光センサーにおいて、
前記光熱変換体は、前記周期構造が形成される周期構造形成面を備え、
目標とする吸収ピーク波長の光の前記周期構造形成面における実効的な波長より前記周期構造の構造周期が小さく、前記単位構造において前記負の誘電率を持つ物質が占める幅が表皮厚より大きい
光センサー。
【請求項８】
請求項１から請求項６までのいずれかの光センサーにおいて、
前記光熱変換体は、前記周期構造が形成される周期構造形成面を備え、
目標とする吸収ピーク波長の光の前記周期構造形成面における実効的な波長の自然数倍に前記周期構造の構造周期が一致し、前記単位構造において前記負の誘電率を持つ物質が占める幅が表皮厚より大きい
光センサー。
【請求項１】
光センサーであって、
周期構造が形成され、前記周期構造において単位構造が周期的に配列され、前記単位構造の各々の一部のみが負の誘電率を持つ物質で占められる光熱変換体と、
前記光熱変換体に熱結合され、熱により電気的性質が変化する熱感応体と、
を備える光センサー。
【請求項２】
請求項１の光センサーにおいて、
前記光熱変換体が電極を兼ねる
光センサー。
【請求項３】
請求項１又は請求項２の光センサーにおいて、
前記熱感応体が焦電体、サーミスタ又は熱電変換体である
光センサー。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれかの光センサーにおいて、
前記周期構造が１次元周期構造である
光センサー。
【請求項５】
請求項１から請求項３までのいずれかの光センサーにおいて、
前記周期構造が２次元周期構造である
光センサー。
【請求項６】
請求項１から請求項３までのいずれかの光センサーにおいて、
前記周期構造が３次元周期構造である
光センサー。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれかの光センサーにおいて、
前記光熱変換体は、前記周期構造が形成される周期構造形成面を備え、
目標とする吸収ピーク波長の光の前記周期構造形成面における実効的な波長より前記周期構造の構造周期が小さく、前記単位構造において前記負の誘電率を持つ物質が占める幅が表皮厚より大きい
光センサー。
【請求項８】
請求項１から請求項６までのいずれかの光センサーにおいて、
前記光熱変換体は、前記周期構造が形成される周期構造形成面を備え、
目標とする吸収ピーク波長の光の前記周期構造形成面における実効的な波長の自然数倍に前記周期構造の構造周期が一致し、前記単位構造において前記負の誘電率を持つ物質が占める幅が表皮厚より大きい
光センサー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１３−４４７０３（Ｐ２０１３−４４７０３Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８４６４５（Ｐ２０１１−１８４６４５）
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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