光学フィルター
【課題】 マルチバンドの波長帯（例えば赤外線における３-５um帯及び８-１４um帯の赤外線）に対応する光学フィルターにおいて、宇宙のような特殊環境の下でも長期信頼性に優れた光学フィルター及びそれを用いた光学装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は狙いとする波長帯よりも充分小さいサブ波長サイズの多重構造となる３次元立体構造体を光学フィルター表面もしくは両面に形成することにより、実効的な屈折率がステップ状に変化することでターゲットであるマルチ波長帯の透過特性を改善するものである。
【解決手段】 本発明は狙いとする波長帯よりも充分小さいサブ波長サイズの多重構造となる３次元立体構造体を光学フィルター表面もしくは両面に形成することにより、実効的な屈折率がステップ状に変化することでターゲットであるマルチ波長帯の透過特性を改善するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を透過、又は光の反射を防止する光学部品、例えば撮影カメラにおいて使用される帯域制限フィルター、入射光線を透過する窓（光学窓）、レンズ等の光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光装置、受光装置、又は撮影装置などにおいて、光学部品（例えば、光学フィルター）は、該光学部品を透過する光に対して高い透過率を示すことが要求される。そのために、光学部品を構成する材料として、一般に、対象とする波長域の光に対して低い吸収率を有するものが選択される。また、光学部品を構成する材料の屈折率と該光学部品に接する媒質（通常は空気）の屈折率との差に基づいて光学部品の表面（入射面と透過面）で発生する透過率の損失を減少するために、光学部品の表面に反射防止膜を設けることもある。
【０００３】
例えば、従来の赤外線用の光学フィルターは、光学フィルターの窓材としてＧｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ及びＳｉなどが良く利用され、また、反射防止膜として、金属フッ化物などが採用されていた（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
また、光学部品の表面に反射防止膜を形成する代わりに、その表面に光の波長よりも小さな間隔をあけて規則的な三次元構造を微細加工することにより、この光学部品の表面に反射防止機能を与える試みがあった（例えば、特許文献１〜２、非特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２８７３７０号公報
【特許文献２】特表２００４−５２１３２９号公報
【特許文献３】特開２００３−１７７２１０号公報
【非特許文献１】OPTICS ＬETTERS, Vol. 24, No.20, October 15, p1422(Optical Society of America)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、撮影装置の高機能化や高効率化の要求が増してきており、これに答えるべく撮影装置が取扱う光学波長帯をマルチバンド化する必要が出てきた。ところが、上記のような多層の反射防止膜を光学部品に適用する場合には、光学部品が使用される環境（例えば、高温、ヒートサイクル）を考慮して、膜の屈折率や膜の線膨張係数などの材料特性を考慮して膜の材質を選択する必要があった。つまり、設計仕様を越えた環境下で使用されると、反射防止膜の剥離や残留歪み、反射防止膜からの残留ガスの放出といった現象が長期信頼性を阻害するおそれがあった。また、バンドパスフィルターとして急峻な波長選択性を持たせる場合には層数がさらに増加するので、かかる材質選択の問題のために使用環境が制約される課題もあった。
【０００７】
他方、特許文献１に示されたような、光学部品の表面に微細な凹凸を形成して反射防止効果を狙う構造では、所望の波長帯を急峻な波長選択性をもって選択することが要求されるマルチバンドの光学フィルターを得ることは特に難しかった。
【０００８】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、信頼性に優れた波長選択性の良い光学フィルターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る光学フィルターは、基板と、その基板の主面とこの主面から所定の距離離れた面とで規定される上層内に、光学フィルターが対象とする光を透過し且つ光の波長よりも小さいブロックであって距離をその厚みとするブロックからなるブロック群と、上層に隣接して主面から所定の第二の距離離れた面と上層の表面とで規定される中層内に中層の厚みをその厚みとするブロックからなるブロック群とから構成され、主面を平面視したときのブロック群の占有面積とそれ以外の面積との比率が各層内でそれぞれ所定の比率となるように、ブロックがそれぞれの層内で配置されたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光学フィルターは、光学フィルターの基板に、光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口の穴であって、この基板の主面から所定の深さで掘り込んだ複数の穴を所定の深さ毎に複数群備え、主面を平面視して所定の深さ毎に、その深さで複数の穴が占有する面積と穴以外の基板の残地の面積との比率がそれぞれ所定の比率となるように、基板に穴が配設されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、基板表面に多層構造となる３次元構造体であって、各層における構造体の充填率と、各層の厚みを所定の値にすることにより所望の透過率特性を得ることができる。また、多層積層膜に起因する剥離等の問題も無く、信頼性に優れた波長選択性の良い光学フィルターを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る光学フィルターの概略構成を示す斜視図である。図２は、斜視図で示した図１を平面視した模式図である。図３は、図２中に示すＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った光学フィルターの断面の模式図である。
【００１３】
以下に、図面を参照しながら、赤外線検出器用の光学フィルターを例にとり、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、３〜５μｍ帯及び８〜１２μｍ帯に対応するマルチバンドの光学フィルターを例に本願発明を説明するが、他の形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。また赤外線の波長帯にとどまることなくそれ以外の波長帯の光に対しても有効である。
【００１４】
まず、光学フィルター１の全体構成について説明する。
図１において、光学フィルター１は、基板２の上に配置された下層小円柱３１と大円柱４、さらに大円柱４の上に配置された上層小円柱１１から構成されている。また、これらの大小の円柱の組合わせを便宜的に表面３次元構造体３と呼ぶことにする。また、基板２、大円柱４等の材質は赤外線を透過するＳｉである。なお、Ｓｉの替わりにＧｅ，ＺｎＳｅあるいはこれらの複合材料も基板として使用できる。
【００１５】
図３を参照して、上述した表面３次元構造体３は、基板２に近いほうから順に、下層構造体３０、中層構造体２０、上層構造体１０の３層構造となっている。また、表面３次元構造体３は、光学特性上は等価的に３層の光学多層膜と考えることができる。以下、この理由を説明する。
【００１６】
まず、表面３次元構造体３が単層の場合、すなわち基板２の上に単に下層小円柱３１のみが配置されている状態（大円柱４は無い状態）を考え、光学フィルターの特性を決める屈折率が表面３次元構造体の形状で決まることを説明する。
光学部品（ここでは光学フィルター）が、ある媒質（通常は空気）に接して配置されるとき、光透過面で入射光線の散乱が発生しないためには、全ての３次元構造体（ここでは下層小円柱３１）の間隔Ｌは入射光線の波長以下になるように設計する。このような３次元構造体において凹部と凸部との面積比率（ここでは、下層小円柱３１の上底面の面積を凸部の面積、基板２の上の下層小円柱３１が占有していない部分を凹部の面積、として考える）によりその層の実効的な屈折率（ｎｘ）を制御することができる。基板２の空気によって満たされている凹部分の面積比率をｆ（全て凹部の場合をｆ＝１とする）とする場合には、この単層の実効的な屈折率（ｎｘ）を式（１）から求めることができる。
【００１７】
上述のように、（１）式に従い単層の屈折率を計算できるので、三層からなる表面３次元構造体３の場合は、上層〜下層構造体の各層毎にそれぞれ屈折率を計算することができる。図３のような３次元構造に当てはめて考えると、面積比率ｆが上層からｆ１、ｆ２、ｆ３とする３層構造とすることができる。この場合の実効的な屈折率（ｎｘ）は、各層によって異なりそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３となる。このように、面積比率ｆを変えることによって、ステップ状に屈折率が変化する多層膜を積層した場合と同等の効果を得ることができる。また面積比率ｆで実効的な屈折率（ｎｘ）が確定することから、例えば下層小円柱３１をランダムに配置してもよく、特に凹凸部分を周期構造とする必要は無い。
【００１８】
つぎに、上述した単層の波長ピークは、実効的屈折率部分の凸部の高さ（すなわち、凹部の深さ：ｄ）によって式（２）から決定される。
【００１９】
したがって、目的とする赤外線を透過したい波長帯を計算するには、上記（１）式を用いて各層構造体毎に屈折率（ｎｘ）を算出し、透過したい波長帯に合わせて（２）式を用いて上層〜下層構造体の各層構造体の厚み（ｄｘ）を求めることができる。
【００２０】
３〜５μｍ帯及び８〜１４μｍ帯に対応するマルチバンドの光学フィルターを設計する場合は、（１）式、（２）式を基に適宜、屈折率（ｎｘ）、厚み（ｄｘ）を算出し、これらを組み合わせ、通常の光学多層膜の計算手法によって目的とする透過率特性が得られるか検証する。例えば、図３に示すような三層構造体の場合に、凹部と凸部との面積比率を適宜選定し、実効屈折率ｎ１＝１．５、ｎ２＝２．０、ｎ３＝２．５及び凹部の深さをｄ１＝０．５μm、ｄ２＝０．９μm、ｄ３＝０．２５μmの場合に、図４に示したような設計目標とする二つの波長帯で良好な透過特性を得ることが可能である。
【００２１】
また本実施の形態では凸部の形状を円柱状としたが、特に円柱である必要はなく、角柱等の形状であっても問題はない。また、実効的な屈折率をステップ状とすることにより波長選択性が向上することがわかっており、各ステップの面積比率のばらつきは少ない方が望ましい。
【００２２】
次に、本願発明の光学フィルターの製造方法例について図を基に説明する。なお、ここで述べる製造方法はあくまでも一例であり、他の製造方法によっても上述の構造を実現することは可能である。
【００２３】
基板２に上述の実効屈折率を制御した３次元構造を作製する方法を説明する。図５〜図９は、本実施の形態における製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、断面位置は図３中に示すＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った位置に相当する。以下、工程順に説明する。
【００２４】
図５に示す第１工程では、基板２上にフォトレジスト４１のパターンを形成しマスクとする。
【００２５】
図６に示す第２工程では、ドライエッチング等により所定の深さまで掘り込む。
【００２６】
図７に示す第３工程では、一旦フォトレジスト４１を取り除き、最深部を保護し最上部を掘り込めるようにフォトレジスト４２によりマスクする。つぎにドライエッチング等により表面層部分を所定の深さまで掘り進める。
【００２７】
図８に示す第４工程では、再度フォトレジスト４２を除去し、最表面を保護するようにフォトレジスト４３によりマスクする。その状態で最深部分の凸部をドライエッチング等によりエッチングして所定の深さまで削る。
【００２８】
最後に、図９に示す第５工程で、フォトレジスト４３を除去する。エッチング及び露光工程が繰り返し、期待する表面３次元構造体を基板表面に実現する。
【００２９】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、赤外線用の光学フィルターの実現のために円柱状の突起物による制御例を示したが例を説明したが、表面３次元構造体は必ずしも円柱状の突起物である必要はなく、実効屈折率の制御のために多数の穴を基板に設けることにより面積比率ｆの制御を行ってもよい。図１０はかかる形態を示したもので、図１と同様に光学フィルターの概略構成を示す斜視図である。本実施の形態では、円柱状の突起物と基板とに円筒状の穴を開けたものを組合わせた。この形態によっても同等の効果を得ることができる。
【００３０】
実施の形態３．
上述の実施の形態２では、光学フィルターの実現のために円柱状の突起物による制御例を示したが、本実施の形態では図１１に示すように、穴の深さが３段階に異なるように基盤に穴を開ける加工をして面積比率ｆの制御を行ったものである。この形態によっても同等の効果を得ることができる。
【００３１】
実施の形態４．
上述の実施の形態１では、光学フィルターの実現のために実効屈折率（ｎｘ）が最表面からｎ１<ｎ２<ｎ３となっていく制御例を示したが、実効的な屈折率の配分がｎ１<ｎ３<ｎ２となるように３次元構造を作製することでも光学フィルター実現することが可能である。以下、本形態の構造を説明する。図１３は、構造をわかりやすくするために、本形態の光学フィルターを分解した斜視図であり、第３層構造体と中層構造体の境界で分離して示している。また、光学フィルターの断面の模式図を図１２に示す。
【００３２】
本形態の構造について説明する。下層構造体３０は、基板２の表面を加工して中円柱を設けたものである。また、薄いＳｉ基板を中層構造体２０とし、さらにそのＳｉ基板の表面を加工して上層小円柱１１を形成して上層構造体１０としている。中円柱の上面にＳｉ基板（中層構造体２０）の底面を接合して３層構造にしたものが本形態の構造である。
【００３３】
この構造により上述の実効屈折率の配分を実現することができる。例えば、図１４に示すように、実効屈折率ｎ１＝１．５、ｎ２＝２．５、ｎ３＝２．０（＝面積率から制御）及び凹部の深さ(ｄ１＝２．０μm,ｄ２＝０．６μm,ｄ３＝０．７μm)の場合にターゲットとする二つの波長帯で良好な透過特性が得られる。
【００３４】
上述の形態４において、下層構造体を円柱により形成したが、特に他の形状によって面積率を制御しても問題は無く、角柱、六角形穴、溝でも同様な効果を示す。
【００３５】
実施の形態５．
上述の実施の形態１では、等価的に３層の光学多層膜となるように３層構造の例を説明した。本実施の形態５では、光学フィルターとしてブロックを周期的に配置した２層構造を説明する。すなわち、下層構造体、上層構造体の２層構造が等価的に２層の光学多層膜となる例を説明する。
【００３６】
本実施の形態で説明する構造は、第１層内の下層構造体で８〜１２μｍ帯の透過率が大きくなるようにし、第２層内の上層構造体で３〜５μｍ帯の透過率が大きくなるようにした設計例である。基板４４に形成された一層目の下層構造体に相当する大きなブロック４５と二層目の上層構造体に相当するそれより小さなブロック４６により形成されている。以下、赤外線検出器用の光学フィルターの構成について説明する。
【００３７】
図１５は、本実施の形態の光学設計に係る光学フィルターの下層構造体のみの模式図である。図１６は、図１５で示したブロックのサイズをパラメータとし、下層構造体のみの光学フィルターの透過率特性の計算結果のグラフである。図１７は、係る計算結果から最適のブロックサイズ範囲を検討するために、構造パラメータＬと透過率のピーク波長と波長１０μｍとのずれを表したグラフである。図１８は、本実施の形態に係る２層構造の光学フィルターの概略構成を示す斜視図である。図１９は、下層構造体のサイズを固定し、上層構造体である第２層目のブロックのサイズをパラメータとして透過率特性を計算した結果のグラフである。図２０は、係る計算結果から最適のブロックサイズ範囲を検討するために４μｍでの透過率とブロックのサイズの関係を示したグラフである。
【００３８】
まず、下層構造体の光学設計を説明する。図１５に示すような一層目がブロック状のブロック４５のみの構造を考える。ここで、ブロック４５の縦,横,高さ方向のサイズをＬｘ，Ｌｙ，ｄとし、隣接するブロック４５どうしの間隔を縦横それぞれｓｙ，ｓｘとする。また、例えばＬｘのみ長くするとこの方向の光学的な異方性が生じるので、ｓｘ＝ｓｙ＝Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄとして光学異方性がなるべく小さくなるよう光学設計をする。また、構造パラメータＬを、Ｌ＝ｓｘ＝ｓｙ＝Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄと定義する。ここで、ブロック４５は立方体である。
【００３９】
構造パラメータＬを１μｍ付近で変化させて透過率を計算した。なお、解析は厳密結合波解析を用いている。また、材質は屈折率３．４のシリコンとした。解析結果のうち代表的な結果を図１６に示す。図１６を参照すると、８〜１２μｍ付近に透過率の窓（すなわち、透過率の高い領域）が形成され、Ｌが大きくなるに従い透過率のピークが全体的に長波長側にシフトすることがわかる。
【００４０】
下層構造体の光学設計は、８〜１２μｍ帯での吸収率が最大となるように設計することを目的としている。そこで、この帯域に現れるピーク波長と８〜１２μｍ帯の中心波長である波長１０μｍとのずれに着目し、このずれが最小になる範囲が光学設計として最適な範囲と考え、構造パラメータＬを０．９μｍから１．７μｍまで変化させた場合の透過率を計算した。図１７は、構造パラメータＬを変化させた場合において、透過率のピーク波長と波長１０μｍとのずれの変化を表したグラフである。また、このずれ量が小さいほどその構造の透過帯域が８〜１２μｍ帯に入っていることになり、目的とする波長域の赤外光をよく透過させることができる。
【００４１】
図１７を参照して、下層構造体の８〜１２μｍ帯での透過率のピーク値と波長１０μｍとのずれ量が２μｍ以上（図中網掛けの領域）になると設計目標からはずれてしまうので、ずれ量が２μｍ以下となる１．０５μｍから１．６μｍのＬの範囲に設定するのが適当であることがわかる。また、最も効率良く所望の波長域を透過させるのは、Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄ＝１．３μｍであることがわかる。
【００４２】
次に、上層構造体の光学設計を説明する。
上述のように、下層構造体としてｓｘ＝ｓｙ＝Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄ＝１．３μｍの場合が最適であったので、図１５で示した下層構造体のブロック４５の上に、上層構造体として更に小さなブロック４６を２つ配置した。係る形態が図１８である。
【００４３】
上述した下層構造体の光学設計と同様に、ブロック４６の縦,横,高さ方向のサイズをＬｘ２，Ｌｙ２，ｄ２とし、Ｌ２＝Ｌｘ２＝Ｌｙ２＝ｄ２として、上層構造体の構造パラメータＬ２を変化させて計算した。Ｌ２の代表的な数値について透過率特性を図１９に示す。このようにした２層構造では、８〜１２μｍ付近に加えて新たに３〜５μｍ帯付近に透過率のピークが現れる。この３〜５μｍ帯の中心波長である波長４μｍにおける透過率をＬ２に対して表したのが図２０である。
【００４４】
図２０を参照して、Ｌ２＝０．４μｍ以上において透過率が急激に上昇し９０％以上となる。よって、上述した２層構造においてはＬ２＝０．４μｍ以上が望ましいことがわかる。特にＬｘ２＝Ｌｙ２＝ｄ２＝０．６５μｍの場合に、３〜５μｍ帯付近で透過率が最も高くなっている。つまり、ｓｘ＝ｓｙ＝Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄ＝１．３μｍ、Ｌｘ２＝Ｌｙ２＝ｄ２＝０．６５μｍの２層構造がマルチバンド（３〜５μｍ帯および８〜１２μｍ帯）の光学フィルターとして最適な構造となる。
【００４５】
上述したように、３辺が等しいブロックでかつブロックどうしの間隔がこのブロックの一辺と等しい長さを備えた条件下で、適宜、光学設計を行えば、目的とする波長帯に透過率のピークを作ることができ、しかも光学的な異方性が生じ難い。
【００４６】
さらに、３辺が等しいブロックでかつブロックどうしの間隔がこのブロックの一辺と等しい長さを備えた条件の第一層内のブロック群の上に、３辺が等しいブロック群からなる第二層を載せた構成とすることで、２つの波長帯に透過率のピークを持つ光学フィルターを得ることが可能である。
【００４７】
なお、上述した実施の形態においては、上層構造体を構成するブロック群として小さなブロック４６を２つ下層構造体を構成するブロック４５の上に配置した例を示したが、３辺が等しいブロックであってブロック４５の上に配置できるサイズであれば２つ以上配置してもかまわない。この場合でも、適宜、光学設計を行えば目的とする波長帯に透過率のピークを作ることができる。
【００４８】
このように、ミクロン、サブミクロンスケールのブロックの二層構造を形成することで、それぞれのスケールに対応する異なる波長域を選択的に透過させるようなマルチバンドの光学フィルターの形成が可能である。
【００４９】
実施の形態６．
上述の実施の形態５では、光学フィルターとして３辺が等しいブロックを周期的に配置した２層構造の例を説明した。本実施の形態６では、ブロックの配置数あるいは平面形状を適宜選択することによって、その層内に存在するブロック群の占める比率（すなわち、上述の実施の形態１で定義した面積比率）を操作し透過率の制御が出来ることを説明する。
【００５０】
図２１は、本実施の形態に係る２層構造の光学フィルターの概略構成を示す斜視図である。図中の点線Ａで囲んだ部分を上から見た状態の平面図を図２２に示す。図２２において、ブロック（ブロック４５、ブロック４６）の寸法は、上述の実施の形態５で説明した最適の構造であるｓｘ＝ｓｙ＝Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄ＝１．３μｍ、Ｌｘ２＝Ｌｙ２＝ｄ２＝０．６５μｍである。このサイズを例にして説明する。図２２を参照して、第一層目の下層構造体を構成するブロック４５の上に第二層目の上層構造体を構成するブロック４６が載っている。ここで、第一層目の各ブロック４５の上に載っている第二層目のブロック４６の個数は２個である。いま、第一層目のブロック４５に対して第二層目のブロック４６の占有面積を充填率と定義すると、この状態で第一層目のブロック４５に対して第二層目のブロック４６が占める面積は５０％であるので、上記の場合は充填率５０％である。
【００５１】
次に、図２３に示すように第二層目のブロック４６の大きさを図２２のブロック４６の半分にしたとする。このときの充填率は２５％となる。但し、深さ方向（紙面垂直方向）は０．６５μｍを保つ（以下に示す例でも高さは変えない）。同様に、図２４に示すように、図２２の状態の第二層目のブロック４６の数を増して２倍にすると充填率５０％となる。次に、図２５に示すように、図２３の状態から第二層目のブロック４６を変形して占有面積を増やして充填率６５％とする。以上の図２２〜２５のケースのように第二層目のブロック４６の充填率を変化させた場合について、透過率を求めた結果が図２６に示す透過率特性を示すグラフである。図２６を参照すると、充填率に従い特に３〜５μｍ帯の透過率が大きく変化しているのがわかる。
【００５２】
上述の各ケースについての３〜５μｍ帯での極小値（例えば、図２６の充填率５０％の透過率曲線について波長４μｍ近辺に示した矢印部分）と充填率との関係を図２７に示す。図２７から、透過率が約９５％以上の高い透過領域に入るのは、充填率が５５％から７８％の間であることがわかる。
【００５３】
上述したように、光学フィルターの基板の主面を平面視して、第一層内のブロックの面積に対する第二層内のブロックの面積の比率を所定の値とすれば、第一層目のブロック群による所定の透過帯域よりも短波長側に第二の透過帯域を作ることができる。したがって、上述した充填率を所定の値とすることによってマルチバンドの光学フィルターを得ることが可能である。
【００５４】
上述した実施の形態は例示であって、本発明は例示した実施形態の範囲に限定されない。例えば、上述下形態ではフィルター基板の一方の主面に凹凸形状を付加した例を説明したが、フィルター基板の他方の主面にも形成しても良い。本発明は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態１の光学フィルターの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１の光学フィルターの平面図である。
【図３】本発明の実施形態１の光学フィルターの断面図である。
【図４】本発明の実施形態１の光学フィルターの透過特性例である。
【図５】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図６】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図７】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図８】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図９】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図１０】本発明の実施形態２の光学フィルターの斜視図である。
【図１１】本発明の実施形態３の光学フィルターの斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態４の光学フィルターの断面図である。
【図１３】本発明の実施形態４の光学フィルターの斜視図である。
【図１４】本発明の実施形態４の光学フィルターの透過特性例である。
【図１５】本発明の実施形態５の光学フィルターを説明する斜視図である。
【図１６】本発明の実施形態５における透過率特性である。
【図１７】本発明の実施形態５における透過率の変化を説明する図である。
【図１８】本発明の実施形態５の光学フィルターの斜視図である。
【図１９】本発明の実施形態５における透過率特性である。
【図２０】本発明の実施形態５における透過率の変化を説明する図である。
【図２１】本発明の実施形態６の光学フィルターの斜視図である。
【図２２】本発明の実施形態６の光学フィルターの上面図である。
【図２３】本発明の実施形態６における充填率２５%の構造の上面図である。
【図２４】本発明の実施形態６における充填率５０%の構造の上面図である。
【図２５】本発明の実施形態６における充填率６５%の構造の上面図である。
【図２６】本発明の実施形態６における透過率特性である。
【図２７】本発明の実施形態６における透過率の変化を説明する図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 光学フィルター、
２ 基板、
３ 表面３次元構造体、
４ 大円柱
１０ 上層構造体、
１１ 上層小円柱、
１２ エッチング穴
１３ 上層基板
２０ 中層構造体、
３０ 下層構造体、
３１ 下層小円柱、
３２ エッチング穴
３３ エッチング溝
４０ フォトレジスト
４１ フォトレジスト
４２ フォトレジスト
４３ フォトレジスト
４４ 基板
４５ １層目のブロック
４６ ２層目のブロック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を透過、又は光の反射を防止する光学部品、例えば撮影カメラにおいて使用される帯域制限フィルター、入射光線を透過する窓（光学窓）、レンズ等の光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光装置、受光装置、又は撮影装置などにおいて、光学部品（例えば、光学フィルター）は、該光学部品を透過する光に対して高い透過率を示すことが要求される。そのために、光学部品を構成する材料として、一般に、対象とする波長域の光に対して低い吸収率を有するものが選択される。また、光学部品を構成する材料の屈折率と該光学部品に接する媒質（通常は空気）の屈折率との差に基づいて光学部品の表面（入射面と透過面）で発生する透過率の損失を減少するために、光学部品の表面に反射防止膜を設けることもある。
【０００３】
例えば、従来の赤外線用の光学フィルターは、光学フィルターの窓材としてＧｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ及びＳｉなどが良く利用され、また、反射防止膜として、金属フッ化物などが採用されていた（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
また、光学部品の表面に反射防止膜を形成する代わりに、その表面に光の波長よりも小さな間隔をあけて規則的な三次元構造を微細加工することにより、この光学部品の表面に反射防止機能を与える試みがあった（例えば、特許文献１〜２、非特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２８７３７０号公報
【特許文献２】特表２００４−５２１３２９号公報
【特許文献３】特開２００３−１７７２１０号公報
【非特許文献１】OPTICS ＬETTERS, Vol. 24, No.20, October 15, p1422(Optical Society of America)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、撮影装置の高機能化や高効率化の要求が増してきており、これに答えるべく撮影装置が取扱う光学波長帯をマルチバンド化する必要が出てきた。ところが、上記のような多層の反射防止膜を光学部品に適用する場合には、光学部品が使用される環境（例えば、高温、ヒートサイクル）を考慮して、膜の屈折率や膜の線膨張係数などの材料特性を考慮して膜の材質を選択する必要があった。つまり、設計仕様を越えた環境下で使用されると、反射防止膜の剥離や残留歪み、反射防止膜からの残留ガスの放出といった現象が長期信頼性を阻害するおそれがあった。また、バンドパスフィルターとして急峻な波長選択性を持たせる場合には層数がさらに増加するので、かかる材質選択の問題のために使用環境が制約される課題もあった。
【０００７】
他方、特許文献１に示されたような、光学部品の表面に微細な凹凸を形成して反射防止効果を狙う構造では、所望の波長帯を急峻な波長選択性をもって選択することが要求されるマルチバンドの光学フィルターを得ることは特に難しかった。
【０００８】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、信頼性に優れた波長選択性の良い光学フィルターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る光学フィルターは、基板と、その基板の主面とこの主面から所定の距離離れた面とで規定される上層内に、光学フィルターが対象とする光を透過し且つ光の波長よりも小さいブロックであって距離をその厚みとするブロックからなるブロック群と、上層に隣接して主面から所定の第二の距離離れた面と上層の表面とで規定される中層内に中層の厚みをその厚みとするブロックからなるブロック群とから構成され、主面を平面視したときのブロック群の占有面積とそれ以外の面積との比率が各層内でそれぞれ所定の比率となるように、ブロックがそれぞれの層内で配置されたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光学フィルターは、光学フィルターの基板に、光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口の穴であって、この基板の主面から所定の深さで掘り込んだ複数の穴を所定の深さ毎に複数群備え、主面を平面視して所定の深さ毎に、その深さで複数の穴が占有する面積と穴以外の基板の残地の面積との比率がそれぞれ所定の比率となるように、基板に穴が配設されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、基板表面に多層構造となる３次元構造体であって、各層における構造体の充填率と、各層の厚みを所定の値にすることにより所望の透過率特性を得ることができる。また、多層積層膜に起因する剥離等の問題も無く、信頼性に優れた波長選択性の良い光学フィルターを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１に係る光学フィルターの概略構成を示す斜視図である。図２は、斜視図で示した図１を平面視した模式図である。図３は、図２中に示すＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った光学フィルターの断面の模式図である。
【００１３】
以下に、図面を参照しながら、赤外線検出器用の光学フィルターを例にとり、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、３〜５μｍ帯及び８〜１２μｍ帯に対応するマルチバンドの光学フィルターを例に本願発明を説明するが、他の形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。また赤外線の波長帯にとどまることなくそれ以外の波長帯の光に対しても有効である。
【００１４】
まず、光学フィルター１の全体構成について説明する。
図１において、光学フィルター１は、基板２の上に配置された下層小円柱３１と大円柱４、さらに大円柱４の上に配置された上層小円柱１１から構成されている。また、これらの大小の円柱の組合わせを便宜的に表面３次元構造体３と呼ぶことにする。また、基板２、大円柱４等の材質は赤外線を透過するＳｉである。なお、Ｓｉの替わりにＧｅ，ＺｎＳｅあるいはこれらの複合材料も基板として使用できる。
【００１５】
図３を参照して、上述した表面３次元構造体３は、基板２に近いほうから順に、下層構造体３０、中層構造体２０、上層構造体１０の３層構造となっている。また、表面３次元構造体３は、光学特性上は等価的に３層の光学多層膜と考えることができる。以下、この理由を説明する。
【００１６】
まず、表面３次元構造体３が単層の場合、すなわち基板２の上に単に下層小円柱３１のみが配置されている状態（大円柱４は無い状態）を考え、光学フィルターの特性を決める屈折率が表面３次元構造体の形状で決まることを説明する。
光学部品（ここでは光学フィルター）が、ある媒質（通常は空気）に接して配置されるとき、光透過面で入射光線の散乱が発生しないためには、全ての３次元構造体（ここでは下層小円柱３１）の間隔Ｌは入射光線の波長以下になるように設計する。このような３次元構造体において凹部と凸部との面積比率（ここでは、下層小円柱３１の上底面の面積を凸部の面積、基板２の上の下層小円柱３１が占有していない部分を凹部の面積、として考える）によりその層の実効的な屈折率（ｎｘ）を制御することができる。基板２の空気によって満たされている凹部分の面積比率をｆ（全て凹部の場合をｆ＝１とする）とする場合には、この単層の実効的な屈折率（ｎｘ）を式（１）から求めることができる。
【００１７】
上述のように、（１）式に従い単層の屈折率を計算できるので、三層からなる表面３次元構造体３の場合は、上層〜下層構造体の各層毎にそれぞれ屈折率を計算することができる。図３のような３次元構造に当てはめて考えると、面積比率ｆが上層からｆ１、ｆ２、ｆ３とする３層構造とすることができる。この場合の実効的な屈折率（ｎｘ）は、各層によって異なりそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３となる。このように、面積比率ｆを変えることによって、ステップ状に屈折率が変化する多層膜を積層した場合と同等の効果を得ることができる。また面積比率ｆで実効的な屈折率（ｎｘ）が確定することから、例えば下層小円柱３１をランダムに配置してもよく、特に凹凸部分を周期構造とする必要は無い。
【００１８】
つぎに、上述した単層の波長ピークは、実効的屈折率部分の凸部の高さ（すなわち、凹部の深さ：ｄ）によって式（２）から決定される。
【００１９】
したがって、目的とする赤外線を透過したい波長帯を計算するには、上記（１）式を用いて各層構造体毎に屈折率（ｎｘ）を算出し、透過したい波長帯に合わせて（２）式を用いて上層〜下層構造体の各層構造体の厚み（ｄｘ）を求めることができる。
【００２０】
３〜５μｍ帯及び８〜１４μｍ帯に対応するマルチバンドの光学フィルターを設計する場合は、（１）式、（２）式を基に適宜、屈折率（ｎｘ）、厚み（ｄｘ）を算出し、これらを組み合わせ、通常の光学多層膜の計算手法によって目的とする透過率特性が得られるか検証する。例えば、図３に示すような三層構造体の場合に、凹部と凸部との面積比率を適宜選定し、実効屈折率ｎ１＝１．５、ｎ２＝２．０、ｎ３＝２．５及び凹部の深さをｄ１＝０．５μm、ｄ２＝０．９μm、ｄ３＝０．２５μmの場合に、図４に示したような設計目標とする二つの波長帯で良好な透過特性を得ることが可能である。
【００２１】
また本実施の形態では凸部の形状を円柱状としたが、特に円柱である必要はなく、角柱等の形状であっても問題はない。また、実効的な屈折率をステップ状とすることにより波長選択性が向上することがわかっており、各ステップの面積比率のばらつきは少ない方が望ましい。
【００２２】
次に、本願発明の光学フィルターの製造方法例について図を基に説明する。なお、ここで述べる製造方法はあくまでも一例であり、他の製造方法によっても上述の構造を実現することは可能である。
【００２３】
基板２に上述の実効屈折率を制御した３次元構造を作製する方法を説明する。図５〜図９は、本実施の形態における製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、断面位置は図３中に示すＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った位置に相当する。以下、工程順に説明する。
【００２４】
図５に示す第１工程では、基板２上にフォトレジスト４１のパターンを形成しマスクとする。
【００２５】
図６に示す第２工程では、ドライエッチング等により所定の深さまで掘り込む。
【００２６】
図７に示す第３工程では、一旦フォトレジスト４１を取り除き、最深部を保護し最上部を掘り込めるようにフォトレジスト４２によりマスクする。つぎにドライエッチング等により表面層部分を所定の深さまで掘り進める。
【００２７】
図８に示す第４工程では、再度フォトレジスト４２を除去し、最表面を保護するようにフォトレジスト４３によりマスクする。その状態で最深部分の凸部をドライエッチング等によりエッチングして所定の深さまで削る。
【００２８】
最後に、図９に示す第５工程で、フォトレジスト４３を除去する。エッチング及び露光工程が繰り返し、期待する表面３次元構造体を基板表面に実現する。
【００２９】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、赤外線用の光学フィルターの実現のために円柱状の突起物による制御例を示したが例を説明したが、表面３次元構造体は必ずしも円柱状の突起物である必要はなく、実効屈折率の制御のために多数の穴を基板に設けることにより面積比率ｆの制御を行ってもよい。図１０はかかる形態を示したもので、図１と同様に光学フィルターの概略構成を示す斜視図である。本実施の形態では、円柱状の突起物と基板とに円筒状の穴を開けたものを組合わせた。この形態によっても同等の効果を得ることができる。
【００３０】
実施の形態３．
上述の実施の形態２では、光学フィルターの実現のために円柱状の突起物による制御例を示したが、本実施の形態では図１１に示すように、穴の深さが３段階に異なるように基盤に穴を開ける加工をして面積比率ｆの制御を行ったものである。この形態によっても同等の効果を得ることができる。
【００３１】
実施の形態４．
上述の実施の形態１では、光学フィルターの実現のために実効屈折率（ｎｘ）が最表面からｎ１<ｎ２<ｎ３となっていく制御例を示したが、実効的な屈折率の配分がｎ１<ｎ３<ｎ２となるように３次元構造を作製することでも光学フィルター実現することが可能である。以下、本形態の構造を説明する。図１３は、構造をわかりやすくするために、本形態の光学フィルターを分解した斜視図であり、第３層構造体と中層構造体の境界で分離して示している。また、光学フィルターの断面の模式図を図１２に示す。
【００３２】
本形態の構造について説明する。下層構造体３０は、基板２の表面を加工して中円柱を設けたものである。また、薄いＳｉ基板を中層構造体２０とし、さらにそのＳｉ基板の表面を加工して上層小円柱１１を形成して上層構造体１０としている。中円柱の上面にＳｉ基板（中層構造体２０）の底面を接合して３層構造にしたものが本形態の構造である。
【００３３】
この構造により上述の実効屈折率の配分を実現することができる。例えば、図１４に示すように、実効屈折率ｎ１＝１．５、ｎ２＝２．５、ｎ３＝２．０（＝面積率から制御）及び凹部の深さ(ｄ１＝２．０μm,ｄ２＝０．６μm,ｄ３＝０．７μm)の場合にターゲットとする二つの波長帯で良好な透過特性が得られる。
【００３４】
上述の形態４において、下層構造体を円柱により形成したが、特に他の形状によって面積率を制御しても問題は無く、角柱、六角形穴、溝でも同様な効果を示す。
【００３５】
実施の形態５．
上述の実施の形態１では、等価的に３層の光学多層膜となるように３層構造の例を説明した。本実施の形態５では、光学フィルターとしてブロックを周期的に配置した２層構造を説明する。すなわち、下層構造体、上層構造体の２層構造が等価的に２層の光学多層膜となる例を説明する。
【００３６】
本実施の形態で説明する構造は、第１層内の下層構造体で８〜１２μｍ帯の透過率が大きくなるようにし、第２層内の上層構造体で３〜５μｍ帯の透過率が大きくなるようにした設計例である。基板４４に形成された一層目の下層構造体に相当する大きなブロック４５と二層目の上層構造体に相当するそれより小さなブロック４６により形成されている。以下、赤外線検出器用の光学フィルターの構成について説明する。
【００３７】
図１５は、本実施の形態の光学設計に係る光学フィルターの下層構造体のみの模式図である。図１６は、図１５で示したブロックのサイズをパラメータとし、下層構造体のみの光学フィルターの透過率特性の計算結果のグラフである。図１７は、係る計算結果から最適のブロックサイズ範囲を検討するために、構造パラメータＬと透過率のピーク波長と波長１０μｍとのずれを表したグラフである。図１８は、本実施の形態に係る２層構造の光学フィルターの概略構成を示す斜視図である。図１９は、下層構造体のサイズを固定し、上層構造体である第２層目のブロックのサイズをパラメータとして透過率特性を計算した結果のグラフである。図２０は、係る計算結果から最適のブロックサイズ範囲を検討するために４μｍでの透過率とブロックのサイズの関係を示したグラフである。
【００３８】
まず、下層構造体の光学設計を説明する。図１５に示すような一層目がブロック状のブロック４５のみの構造を考える。ここで、ブロック４５の縦,横,高さ方向のサイズをＬｘ，Ｌｙ，ｄとし、隣接するブロック４５どうしの間隔を縦横それぞれｓｙ，ｓｘとする。また、例えばＬｘのみ長くするとこの方向の光学的な異方性が生じるので、ｓｘ＝ｓｙ＝Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄとして光学異方性がなるべく小さくなるよう光学設計をする。また、構造パラメータＬを、Ｌ＝ｓｘ＝ｓｙ＝Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄと定義する。ここで、ブロック４５は立方体である。
【００３９】
構造パラメータＬを１μｍ付近で変化させて透過率を計算した。なお、解析は厳密結合波解析を用いている。また、材質は屈折率３．４のシリコンとした。解析結果のうち代表的な結果を図１６に示す。図１６を参照すると、８〜１２μｍ付近に透過率の窓（すなわち、透過率の高い領域）が形成され、Ｌが大きくなるに従い透過率のピークが全体的に長波長側にシフトすることがわかる。
【００４０】
下層構造体の光学設計は、８〜１２μｍ帯での吸収率が最大となるように設計することを目的としている。そこで、この帯域に現れるピーク波長と８〜１２μｍ帯の中心波長である波長１０μｍとのずれに着目し、このずれが最小になる範囲が光学設計として最適な範囲と考え、構造パラメータＬを０．９μｍから１．７μｍまで変化させた場合の透過率を計算した。図１７は、構造パラメータＬを変化させた場合において、透過率のピーク波長と波長１０μｍとのずれの変化を表したグラフである。また、このずれ量が小さいほどその構造の透過帯域が８〜１２μｍ帯に入っていることになり、目的とする波長域の赤外光をよく透過させることができる。
【００４１】
図１７を参照して、下層構造体の８〜１２μｍ帯での透過率のピーク値と波長１０μｍとのずれ量が２μｍ以上（図中網掛けの領域）になると設計目標からはずれてしまうので、ずれ量が２μｍ以下となる１．０５μｍから１．６μｍのＬの範囲に設定するのが適当であることがわかる。また、最も効率良く所望の波長域を透過させるのは、Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄ＝１．３μｍであることがわかる。
【００４２】
次に、上層構造体の光学設計を説明する。
上述のように、下層構造体としてｓｘ＝ｓｙ＝Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄ＝１．３μｍの場合が最適であったので、図１５で示した下層構造体のブロック４５の上に、上層構造体として更に小さなブロック４６を２つ配置した。係る形態が図１８である。
【００４３】
上述した下層構造体の光学設計と同様に、ブロック４６の縦,横,高さ方向のサイズをＬｘ２，Ｌｙ２，ｄ２とし、Ｌ２＝Ｌｘ２＝Ｌｙ２＝ｄ２として、上層構造体の構造パラメータＬ２を変化させて計算した。Ｌ２の代表的な数値について透過率特性を図１９に示す。このようにした２層構造では、８〜１２μｍ付近に加えて新たに３〜５μｍ帯付近に透過率のピークが現れる。この３〜５μｍ帯の中心波長である波長４μｍにおける透過率をＬ２に対して表したのが図２０である。
【００４４】
図２０を参照して、Ｌ２＝０．４μｍ以上において透過率が急激に上昇し９０％以上となる。よって、上述した２層構造においてはＬ２＝０．４μｍ以上が望ましいことがわかる。特にＬｘ２＝Ｌｙ２＝ｄ２＝０．６５μｍの場合に、３〜５μｍ帯付近で透過率が最も高くなっている。つまり、ｓｘ＝ｓｙ＝Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄ＝１．３μｍ、Ｌｘ２＝Ｌｙ２＝ｄ２＝０．６５μｍの２層構造がマルチバンド（３〜５μｍ帯および８〜１２μｍ帯）の光学フィルターとして最適な構造となる。
【００４５】
上述したように、３辺が等しいブロックでかつブロックどうしの間隔がこのブロックの一辺と等しい長さを備えた条件下で、適宜、光学設計を行えば、目的とする波長帯に透過率のピークを作ることができ、しかも光学的な異方性が生じ難い。
【００４６】
さらに、３辺が等しいブロックでかつブロックどうしの間隔がこのブロックの一辺と等しい長さを備えた条件の第一層内のブロック群の上に、３辺が等しいブロック群からなる第二層を載せた構成とすることで、２つの波長帯に透過率のピークを持つ光学フィルターを得ることが可能である。
【００４７】
なお、上述した実施の形態においては、上層構造体を構成するブロック群として小さなブロック４６を２つ下層構造体を構成するブロック４５の上に配置した例を示したが、３辺が等しいブロックであってブロック４５の上に配置できるサイズであれば２つ以上配置してもかまわない。この場合でも、適宜、光学設計を行えば目的とする波長帯に透過率のピークを作ることができる。
【００４８】
このように、ミクロン、サブミクロンスケールのブロックの二層構造を形成することで、それぞれのスケールに対応する異なる波長域を選択的に透過させるようなマルチバンドの光学フィルターの形成が可能である。
【００４９】
実施の形態６．
上述の実施の形態５では、光学フィルターとして３辺が等しいブロックを周期的に配置した２層構造の例を説明した。本実施の形態６では、ブロックの配置数あるいは平面形状を適宜選択することによって、その層内に存在するブロック群の占める比率（すなわち、上述の実施の形態１で定義した面積比率）を操作し透過率の制御が出来ることを説明する。
【００５０】
図２１は、本実施の形態に係る２層構造の光学フィルターの概略構成を示す斜視図である。図中の点線Ａで囲んだ部分を上から見た状態の平面図を図２２に示す。図２２において、ブロック（ブロック４５、ブロック４６）の寸法は、上述の実施の形態５で説明した最適の構造であるｓｘ＝ｓｙ＝Ｌｘ＝Ｌｙ＝ｄ＝１．３μｍ、Ｌｘ２＝Ｌｙ２＝ｄ２＝０．６５μｍである。このサイズを例にして説明する。図２２を参照して、第一層目の下層構造体を構成するブロック４５の上に第二層目の上層構造体を構成するブロック４６が載っている。ここで、第一層目の各ブロック４５の上に載っている第二層目のブロック４６の個数は２個である。いま、第一層目のブロック４５に対して第二層目のブロック４６の占有面積を充填率と定義すると、この状態で第一層目のブロック４５に対して第二層目のブロック４６が占める面積は５０％であるので、上記の場合は充填率５０％である。
【００５１】
次に、図２３に示すように第二層目のブロック４６の大きさを図２２のブロック４６の半分にしたとする。このときの充填率は２５％となる。但し、深さ方向（紙面垂直方向）は０．６５μｍを保つ（以下に示す例でも高さは変えない）。同様に、図２４に示すように、図２２の状態の第二層目のブロック４６の数を増して２倍にすると充填率５０％となる。次に、図２５に示すように、図２３の状態から第二層目のブロック４６を変形して占有面積を増やして充填率６５％とする。以上の図２２〜２５のケースのように第二層目のブロック４６の充填率を変化させた場合について、透過率を求めた結果が図２６に示す透過率特性を示すグラフである。図２６を参照すると、充填率に従い特に３〜５μｍ帯の透過率が大きく変化しているのがわかる。
【００５２】
上述の各ケースについての３〜５μｍ帯での極小値（例えば、図２６の充填率５０％の透過率曲線について波長４μｍ近辺に示した矢印部分）と充填率との関係を図２７に示す。図２７から、透過率が約９５％以上の高い透過領域に入るのは、充填率が５５％から７８％の間であることがわかる。
【００５３】
上述したように、光学フィルターの基板の主面を平面視して、第一層内のブロックの面積に対する第二層内のブロックの面積の比率を所定の値とすれば、第一層目のブロック群による所定の透過帯域よりも短波長側に第二の透過帯域を作ることができる。したがって、上述した充填率を所定の値とすることによってマルチバンドの光学フィルターを得ることが可能である。
【００５４】
上述した実施の形態は例示であって、本発明は例示した実施形態の範囲に限定されない。例えば、上述下形態ではフィルター基板の一方の主面に凹凸形状を付加した例を説明したが、フィルター基板の他方の主面にも形成しても良い。本発明は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態１の光学フィルターの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１の光学フィルターの平面図である。
【図３】本発明の実施形態１の光学フィルターの断面図である。
【図４】本発明の実施形態１の光学フィルターの透過特性例である。
【図５】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図６】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図７】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図８】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図９】本発明の実施形態１の光学フィルターの製造工程中の断面図である。
【図１０】本発明の実施形態２の光学フィルターの斜視図である。
【図１１】本発明の実施形態３の光学フィルターの斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態４の光学フィルターの断面図である。
【図１３】本発明の実施形態４の光学フィルターの斜視図である。
【図１４】本発明の実施形態４の光学フィルターの透過特性例である。
【図１５】本発明の実施形態５の光学フィルターを説明する斜視図である。
【図１６】本発明の実施形態５における透過率特性である。
【図１７】本発明の実施形態５における透過率の変化を説明する図である。
【図１８】本発明の実施形態５の光学フィルターの斜視図である。
【図１９】本発明の実施形態５における透過率特性である。
【図２０】本発明の実施形態５における透過率の変化を説明する図である。
【図２１】本発明の実施形態６の光学フィルターの斜視図である。
【図２２】本発明の実施形態６の光学フィルターの上面図である。
【図２３】本発明の実施形態６における充填率２５%の構造の上面図である。
【図２４】本発明の実施形態６における充填率５０%の構造の上面図である。
【図２５】本発明の実施形態６における充填率６５%の構造の上面図である。
【図２６】本発明の実施形態６における透過率特性である。
【図２７】本発明の実施形態６における透過率の変化を説明する図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 光学フィルター、
２ 基板、
３ 表面３次元構造体、
４ 大円柱
１０ 上層構造体、
１１ 上層小円柱、
１２ エッチング穴
１３ 上層基板
２０ 中層構造体、
３０ 下層構造体、
３１ 下層小円柱、
３２ エッチング穴
３３ エッチング溝
４０ フォトレジスト
４１ フォトレジスト
４２ フォトレジスト
４３ フォトレジスト
４４ 基板
４５ １層目のブロック
４６ ２層目のブロック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学フィルターの基板と、
前記基板の主面とこの主面から所定の距離離れた面とで規定される第一層内に、前記光学フィルターが対象とする光を透過し且つ光の波長よりも小さいブロックであって前記距離をその厚みとするブロックからなるブロック群と、
前記第一層に隣接し、前記主面から所定の第二の距離離れた面と前記第一層の表面とで規定される第二層内に、前記第二層の厚みをその厚みとするブロックからなるブロック群と、から構成され、
前記主面を平面視したときのブロック群の占有面積とそれ以外の面積との比率が前記各層内でそれぞれ所定の比率となるように、前記ブロックがそれぞれの層内で配置されたことを特徴とする光学フィルター。
【請求項２】
第二層に隣接し、基板の主面から第三の距離離れた面と前記第二層の表面とで規定される第三層内に、前記第三層の厚みをその厚みとするブロックからなるブロック群を備え、
前記主面を平面視して、前記各層内でそれぞれ所定の面積比率でブロックがそれぞれの層内で配置されたことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルター。
【請求項３】
第一層、第二層および第三層の厚みは、光学フィルターが対象とする光の波長λの１/４であることを特徴とする請求項２に記載の光学フィルター。
【請求項４】
ブロック群は、基板の主面の凹凸形状であって、円柱、角柱、若しくは不定形の柱又はこれらの組み合わせからなる複数のブロックで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ー。
【請求項５】
ブロックに、所定の深さで光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口の穴を複数備え、複数の前記穴の占有面積と前記穴以外の前記ブロックの残地部分の面積との比率を所定の値に規定した請求項１または２に記載の光学フィルター。
【請求項６】
光学フィルターの基板に、
前記光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口の穴であって、この基板の主面から所定の深さで掘り込んだ複数の穴を所定の深さ毎に複数群備え、
前記主面を平面視して前記所定の深さ毎に、その深さで複数の前記穴が占有する面積と穴以外の基板の残地の面積との比率がそれぞれ所定の比率となるように前記基板に穴が配設されたことを特徴とする光学フィルター。
【請求項７】
一の所定の穴の掘り込み深さと他の所定穴の掘り込み深さとの差が、光学フィルターが対象とする光の波長λの１/４であることを特徴とする請求項６に記載の光学フィルター。
【請求項８】
第一層内にある立方体のブロックであって隣り合うブロックどうしの間隔が前記立方体の一辺に等しいブロック群と、
前記第一層内のブロックに隣接して配置され、前記第一層内のブロックよりも小さい立方体のブロックからなるブロック群を第二層内に有する請求項１に記載の光学フィルター。
【請求項９】
第一層内にある立方体のブロックであって隣り合うブロックどうしの間隔が前記立方体の一辺に等しくいブロック群と、
前記第一層内のブロックに隣接して配置され、前記第一層内のブロックよりも小さいブロックからなるブロック群を第二層内に有し、
光学フィルターの基板の主面を平面視して、第一層内のブロックの面積に対する第二層内のブロックの面積の比率を所定の値とした請求項１に記載の光学フィルター。
【請求項１】
光学フィルターの基板と、
前記基板の主面とこの主面から所定の距離離れた面とで規定される第一層内に、前記光学フィルターが対象とする光を透過し且つ光の波長よりも小さいブロックであって前記距離をその厚みとするブロックからなるブロック群と、
前記第一層に隣接し、前記主面から所定の第二の距離離れた面と前記第一層の表面とで規定される第二層内に、前記第二層の厚みをその厚みとするブロックからなるブロック群と、から構成され、
前記主面を平面視したときのブロック群の占有面積とそれ以外の面積との比率が前記各層内でそれぞれ所定の比率となるように、前記ブロックがそれぞれの層内で配置されたことを特徴とする光学フィルター。
【請求項２】
第二層に隣接し、基板の主面から第三の距離離れた面と前記第二層の表面とで規定される第三層内に、前記第三層の厚みをその厚みとするブロックからなるブロック群を備え、
前記主面を平面視して、前記各層内でそれぞれ所定の面積比率でブロックがそれぞれの層内で配置されたことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルター。
【請求項３】
第一層、第二層および第三層の厚みは、光学フィルターが対象とする光の波長λの１/４であることを特徴とする請求項２に記載の光学フィルター。
【請求項４】
ブロック群は、基板の主面の凹凸形状であって、円柱、角柱、若しくは不定形の柱又はこれらの組み合わせからなる複数のブロックで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ー。
【請求項５】
ブロックに、所定の深さで光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口の穴を複数備え、複数の前記穴の占有面積と前記穴以外の前記ブロックの残地部分の面積との比率を所定の値に規定した請求項１または２に記載の光学フィルター。
【請求項６】
光学フィルターの基板に、
前記光学フィルターが対象とする光の波長λよりも小さい開口の穴であって、この基板の主面から所定の深さで掘り込んだ複数の穴を所定の深さ毎に複数群備え、
前記主面を平面視して前記所定の深さ毎に、その深さで複数の前記穴が占有する面積と穴以外の基板の残地の面積との比率がそれぞれ所定の比率となるように前記基板に穴が配設されたことを特徴とする光学フィルター。
【請求項７】
一の所定の穴の掘り込み深さと他の所定穴の掘り込み深さとの差が、光学フィルターが対象とする光の波長λの１/４であることを特徴とする請求項６に記載の光学フィルター。
【請求項８】
第一層内にある立方体のブロックであって隣り合うブロックどうしの間隔が前記立方体の一辺に等しいブロック群と、
前記第一層内のブロックに隣接して配置され、前記第一層内のブロックよりも小さい立方体のブロックからなるブロック群を第二層内に有する請求項１に記載の光学フィルター。
【請求項９】
第一層内にある立方体のブロックであって隣り合うブロックどうしの間隔が前記立方体の一辺に等しくいブロック群と、
前記第一層内のブロックに隣接して配置され、前記第一層内のブロックよりも小さいブロックからなるブロック群を第二層内に有し、
光学フィルターの基板の主面を平面視して、第一層内のブロックの面積に対する第二層内のブロックの面積の比率を所定の値とした請求項１に記載の光学フィルター。
【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２６】
【図２７】
【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２６】
【図２７】
【公開番号】特開２０１０−２０１２０（Ｐ２０１０−２０１２０Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８０８９８（Ｐ２００８−１８０８９８）
【出願日】平成２０年７月１１日（２００８．７．１１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１１日（２００８．７．１１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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