JP2018005230A - Optical filter, display device, image pickup device, and method for manufacturing optical filter - Google Patents
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Abstract
【課題】フィルタ要素が透過する光の波長領域の分布をフィルタ要素内において調整する自由度を高めることを可能とした光学フィルタ、表示装置、撮像素子、および、光学フィルタを提供する。【解決手段】周期構造体が備える周期要素は、基準面に一端部を有して基準面から突出する突部11Tと、基準面に一端部を有して基準面から窪む孔とのいずれか一方である。金属層は、基準面のなかで各周期要素の一端部を囲む網目状を有した第1金属層23と、各周期要素の他端部に位置する第2金属層42とを備える。周期要素の構造周期はサブ波長周期であり、構造周期に対する周期要素の幅の比が、0.30以上0.65以下である。金属層は、可視領域の光に対する複素誘電率の実部が負の値であり、金属層の厚さが、各周期要素における一端部と他端部との距離の10分の1以下である。【選択図】図3PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical filter, a display device, an image pickup device, and an optical filter capable of increasing the degree of freedom of adjusting the distribution of the wavelength region of light transmitted through the filter element in the filter element. A periodic element included in a periodic structure is either a protrusion 11T having one end on a reference surface and projecting from the reference surface, or a hole having one end on the reference surface and being recessed from the reference surface. On the other hand. The metal layer includes a first metal layer 23 having a mesh shape surrounding one end of each periodic element in the reference plane, and a second metal layer 42 located at the other end of each periodic element. The structural period of the periodic element is a sub-wavelength period, and the ratio of the width of the periodic element to the structural period is 0.30 or more and 0.65 or less. In the metal layer, the real part of the complex permittivity with respect to light in the visible region is a negative value, and the thickness of the metal layer is 1/10 or less of the distance between one end and the other end in each periodic element. .. [Selection diagram] Fig. 3
Description
本発明は、光学フィルタ、表示装置、撮像素子、および、光学フィルタの製造方法に関する。 The present invention relates to an optical filter, a display device, an imaging device, and a method for manufacturing an optical filter.
液晶表示装置や有機EL(Electro Luminescence)表示装置などの表示装置は、光学フィルタの一例であるカラーフィルタを備える。カラーフィルタは、光源から出射される白色光を各副画素に1つずつの色に変換する、あるいは、光源から出射される有色光を各副画素に1つずつの色に補正する。カラーフィルタは、例えば、各副画素を1つずつ区画するブラックマトリクスと、ブラックマトリックスによって区画された領域に位置する色変換部とを備える(例えば、特許文献1を参照)。 A display device such as a liquid crystal display device or an organic EL (Electro Luminescence) display device includes a color filter which is an example of an optical filter. The color filter converts white light emitted from the light source into one color for each sub-pixel, or corrects colored light emitted from the light source into one color for each sub-pixel. The color filter includes, for example, a black matrix that partitions each sub-pixel one by one, and a color conversion unit that is located in a region partitioned by the black matrix (see, for example, Patent Document 1).
ところで、上述した色変換部とは、所定の波長領域の光を吸収する単一の薄膜層であり、色変換部による色変換後の色味は、薄膜層の厚さが厚いほど濃い。一方で、薄膜層の有する厚さは、薄膜層内において区々であり、薄膜層の縁で厚い場合もあれば、薄膜層の中央で厚い場合もある。薄膜層の厚さを副画素内において所望の分布に調整することは困難であり、上述したカラーフィルタは、副画素が選択的に透過する波長領域の分布を副画素内で調整する自由度を備えていない。 By the way, the color conversion part mentioned above is a single thin film layer that absorbs light in a predetermined wavelength region, and the color after color conversion by the color conversion part is darker as the thickness of the thin film layer is thicker. On the other hand, the thickness of the thin film layer varies in the thin film layer, and may be thick at the edge of the thin film layer or thick at the center of the thin film layer. It is difficult to adjust the thickness of the thin film layer to a desired distribution in the sub-pixel, and the color filter described above has a degree of freedom to adjust the distribution of the wavelength region that the sub-pixel selectively transmits in the sub-pixel. I do not have.
なお、こうした課題は、表示装置に用いられるカラーフィルタに限らず、光源から出射された光のうち特定の波長領域の光を透過するフィルタ要素を備える光学フィルタにおいて共通する。 Such a problem is not limited to the color filter used in the display device, but is common in an optical filter including a filter element that transmits light in a specific wavelength region among light emitted from a light source.
本発明は、フィルタ要素が透過する光の波長領域の分布をフィルタ要素内において調整する自由度を高めることを可能とした光学フィルタ、表示装置、撮像素子、および、光学フィルタの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention provides an optical filter, a display device, an imaging element, and an optical filter manufacturing method capable of increasing the degree of freedom in adjusting the distribution of the wavelength region of light transmitted through the filter element within the filter element. For the purpose.
上記課題を解決する光学フィルタは、特定の波長領域の光を選択的に透過する複数のフィルタ要素を備え、前記フィルタ要素は、誘電体から構成される周期構造体であって、二次元格子状に並ぶ複数の周期要素を備えた前記周期構造体と、前記周期構造体の表面に位置する金属層と、を備え、前記周期構造体において前記複数の周期要素の並ぶ平面が基準面であり、前記周期要素は、前記基準面に一端部を有して前記基準面から突出する突部と、前記基準面に一端部を有して前記基準面から窪む孔とのいずれか一方であり、前記金属層は、前記基準面のなかで各周期要素の前記一端部を囲む網目状を有した第1金属層と、各周期要素の他端部に位置する第2金属層とを備え、前記周期要素の構造周期が、前記フィルタ要素が透過する前記波長領域以下のサブ波長周期であり、前記二次元格子に沿った各方向での前記構造周期に対する前記周期要素の幅の比が、0.30以上0.65以下であり、前記金属層は、可視領域の光に対する複素誘電率の実部が負の値であり、前記金属層の厚さが、前記周期要素における前記一端部と前記他端部との距離の10分の1以下である。 An optical filter that solves the above problem includes a plurality of filter elements that selectively transmit light in a specific wavelength region, and the filter element is a periodic structure made of a dielectric, and is a two-dimensional lattice shape. The periodic structure having a plurality of periodic elements arranged in a row, and a metal layer located on the surface of the periodic structure, wherein a plane in which the plurality of periodic elements are arranged in the periodic structure is a reference plane, The periodic element is either one of a protrusion having one end on the reference surface and projecting from the reference surface, and a hole having one end on the reference surface and recessed from the reference surface, The metal layer includes a first metal layer having a mesh shape surrounding the one end of each periodic element in the reference plane, and a second metal layer located at the other end of each periodic element, The wavelength at which the structural period of the periodic element is transmitted by the filter element A sub-wavelength period below a region, a ratio of the width of the periodic element to the structural period in each direction along the two-dimensional grating is 0.30 or more and 0.65 or less, and the metal layer is visible The real part of the complex permittivity for light in the region is a negative value, and the thickness of the metal layer is equal to or less than one-tenth of the distance between the one end and the other end of the periodic element.
上記光学フィルタにおいて、基準面に沿う仮想的な層であって第1金属層を含む層は、第1格子層であり、第1格子層では、金属層と誘電体との界面が、サブ波長周期で繰り返される。また、基準面に沿う仮想的な層であって複数の第2金属層を含む層は、第2格子層であり、第2格子層でも、金属層と誘電体との界面が、サブ波長周期で繰り返される。これら第1格子層や第2格子層では、その層に入射した光の一部が電子の集団的な振動と結合する、すなわちプラズモン共鳴が生じる。第1格子層では、第1格子層に入射した光の一部が、プラズモン共鳴により表面プラズモンに変換され、表面プラズモンは第1格子層を透過する。第2格子層でもまた、第2格子層に入射した光の一部が、プラズモン共鳴により表面プラズモンに変換され、第2格子層を透過する。第1格子層、あるいは第2格子層を透過した表面プラズモンは、光に再変換されて射出される。 In the optical filter, a virtual layer along the reference plane and including the first metal layer is a first lattice layer, and the interface between the metal layer and the dielectric is a sub-wavelength in the first lattice layer. Repeated in a cycle. Further, the virtual layer along the reference plane and including the plurality of second metal layers is the second lattice layer, and even in the second lattice layer, the interface between the metal layer and the dielectric has a sub-wavelength period. Is repeated. In the first lattice layer and the second lattice layer, a part of light incident on the layer is coupled with collective vibration of electrons, that is, plasmon resonance occurs. In the first lattice layer, part of the light incident on the first lattice layer is converted into surface plasmons by plasmon resonance, and the surface plasmons are transmitted through the first lattice layer. Also in the second lattice layer, a part of the light incident on the second lattice layer is converted into surface plasmon by plasmon resonance and is transmitted through the second lattice layer. The surface plasmon transmitted through the first lattice layer or the second lattice layer is reconverted into light and emitted.
この際、構造周期に対する周期要素の幅の比が、0.30以上0.65以下であり、また、金属層の厚さが、各周期要素における一端部と他端部との距離の10分の1以下であるため、第1金属層と第2金属層との両方において、光の透過性が確保される。また、第1格子層で透過される光の波長領域や、第2格子層で透過される光の波長領域は、構造周期の大きさや、周期要素の厚さに応じて変わる。結果として、フィルタ要素からは、黒色や白色以外の有色の光が射出される。そして、各周期要素の位置や大きさと、各周期要素によって位置が定まる金属層とによって、フィルタ要素が透過する光の波長領域が定まるため、フィルタ要素が透過する光の波長領域の分布をフィルタ要素内において調整する自由度を高めることができる。
上記構成において、前記周期要素における前記一端部と前記他端部との距離が、100nm以上200nm以下であってもよい。
At this time, the ratio of the width of the periodic element to the structural period is 0.30 or more and 0.65 or less, and the thickness of the metal layer is 10 minutes of the distance between one end and the other end of each periodic element. Therefore, light transmission is ensured in both the first metal layer and the second metal layer. Further, the wavelength region of light transmitted through the first lattice layer and the wavelength region of light transmitted through the second lattice layer vary depending on the size of the structural period and the thickness of the periodic element. As a result, colored light other than black or white is emitted from the filter element. Since the wavelength region of light transmitted through the filter element is determined by the position and size of each periodic element and the metal layer whose position is determined by each periodic element, the distribution of the wavelength region of light transmitted through the filter element is determined by the filter element. The degree of freedom of adjustment can be increased.
The said structure WHEREIN: 100 nm or more and 200 nm or less may be sufficient as the distance of the said one end part in the said periodic element, and the said other end part.
上記構成によれば、周期要素の一端部と他端部との距離と、それに応じて定まる金属層の厚みとが、フィルタ要素へ入射する光を十分に透過する大きさである。それゆえに、フィルタ要素が透過する光の強度や色味の鮮明さを、さらに高めることが可能である。
上記構成において、前記金属層の厚さは、15nm以下であってもよい。
上記構成によれば、金属層の厚さが十分に薄いため、フィルタ要素が透過する光の強度を、十分に確保することが可能である。
According to the said structure, the distance of the one end part and other end part of a periodic element, and the thickness of the metal layer determined according to it are the magnitude | sizes which permeate | transmit the light which injects into a filter element fully. Therefore, it is possible to further increase the intensity of light transmitted through the filter element and the vividness of the color.
In the above configuration, the thickness of the metal layer may be 15 nm or less.
According to the said structure, since the thickness of a metal layer is thin enough, it is possible to fully ensure the intensity | strength of the light which a filter element permeate | transmits.
上記構成において、前記周期要素は、前記突部であり、前記二次元格子に沿った各方向での前記構造周期に対する前記周期要素の幅の比は、0.5以下であってもよい。
上記構成によれば、フィルタ要素の透過する光の強度が高められる。
上記構成において、前記金属層を構成する材料が、アルミニウム、タンタル、銀、金からなる群から選択されるいずれか1つの金属材料を含んでもよい。
In the above configuration, the periodic element may be the protrusion, and a ratio of the width of the periodic element to the structural period in each direction along the two-dimensional lattice may be 0.5 or less.
According to the said structure, the intensity | strength of the light which a filter element permeate | transmits is raised.
In the above configuration, the material forming the metal layer may include any one metal material selected from the group consisting of aluminum, tantalum, silver, and gold.
上記構成によれば、金属層を構成する材料が、プラズモン共鳴を生じやすい材料であるため、第1格子層や第2格子層における波長の選択性を高めることができる。したがって、フィルタ要素が透過する光の波長の選択性を高めることができる。 According to the above configuration, since the material constituting the metal layer is a material that easily causes plasmon resonance, the wavelength selectivity in the first lattice layer and the second lattice layer can be increased. Therefore, the selectivity of the wavelength of light transmitted through the filter element can be increased.
上記構成において、前記金属層の表面に位置し、前記金属層の表面形状に追従する形状を有した誘電体層を備え、前記誘電体層の厚さは、前記周期要素における前記一端部と前記他端部との距離以下であってもよい。 In the above configuration, the dielectric layer is located on the surface of the metal layer and has a shape that follows the surface shape of the metal layer, and the thickness of the dielectric layer is different from the one end of the periodic element and the one of the periodic elements. It may be less than or equal to the distance from the other end.
上記構成によれば、誘電体層を構成する材料の変更によって、フィルタ要素が透過する光の波長領域を調整することができる。したがって、フィルタ要素が透過する光の波長領域を調整する自由度がさらに高められる。
上記構成において、前記誘電体層の厚さは、200nm以下であってもよい。
上記構成によれば、フィルタ要素の透過する光の強度が高められる。
According to the said structure, the wavelength range of the light which a filter element permeate | transmits can be adjusted with the change of the material which comprises a dielectric material layer. Therefore, the degree of freedom for adjusting the wavelength region of light transmitted through the filter element is further increased.
In the above configuration, the dielectric layer may have a thickness of 200 nm or less.
According to the said structure, the intensity | strength of the light which a filter element permeate | transmits is raised.
上記構成において、前記誘電体層を構成する材料が、チタン、ニオブ、アルミニウム、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、珪素、マグネシウムからなる群から選択されるいずれか1つの材料の酸化物を含んでもよい。 In the above configuration, the material constituting the dielectric layer may include an oxide of any one material selected from the group consisting of titanium, niobium, aluminum, tantalum, hafnium, zirconium, silicon, and magnesium.
上記構成によれば、誘電体層が樹脂から構成される場合と比較して、誘電体層の屈折率を広い範囲から選択可能である。したがって、フィルタ要素が透過する光の波長領域を調整する自由度がさらに高められる。 According to the above configuration, the refractive index of the dielectric layer can be selected from a wide range as compared with the case where the dielectric layer is made of resin. Therefore, the degree of freedom for adjusting the wavelength region of light transmitted through the filter element is further increased.
上記構成において、前記光学フィルタは、表示装置に備えられるフィルタであり、前記光学フィルタが備える複数の前記フィルタ要素には、各種類に固有の波長領域の光を選択的に透過する複数種類の前記フィルタ要素が含まれてもよい。 In the above-described configuration, the optical filter is a filter provided in a display device, and the plurality of filter elements provided in the optical filter selectively transmit a plurality of types of light in a wavelength region specific to each type. A filter element may be included.
上記構成によれば、表示装置に備えられるカラーフィルタにおいて、副画素として機能するフィルタ要素が透過する光の波長領域の分布を調整する自由度が高められる。
上記構成において、前記光学フィルタは、撮像素子に備えられるフィルタであってもよい。
上記構成によれば、撮像素子に備えられるフィルタにおいて、フィルタ要素が透過する光の波長領域の分布を調整する自由度が高められる。
上記課題を解決する表示装置は、上記光学フィルタと、前記フィルタ要素に可視領域の光を入射させる光源装置と、を備える。
According to the above configuration, in the color filter provided in the display device, the degree of freedom for adjusting the distribution of the wavelength region of the light transmitted by the filter element that functions as a subpixel is increased.
In the above configuration, the optical filter may be a filter provided in an image sensor.
According to the above configuration, in the filter provided in the image sensor, the degree of freedom for adjusting the distribution of the wavelength region of the light transmitted by the filter element is increased.
A display device that solves the above problem includes the optical filter and a light source device that causes light in a visible region to enter the filter element.
上記構成によれば、光学フィルタのフィルタ要素は副画素として機能し、こうしたフィルタ要素が透過する光の波長領域の分布を調整する自由度が高められた光学フィルタを備える表示装置が実現される。
上記課題を解決する撮像素子は、上記光学フィルタと、前記フィルタ要素を透過した光を受光して電気信号に変換する受光素子と、を備える。
上記構成によれば、フィルタ要素が透過する光の波長領域の分布を調整する自由度が高められた光学フィルタを備える撮像素子が実現される。
According to the above configuration, a display device including an optical filter in which the filter element of the optical filter functions as a sub-pixel and the degree of freedom for adjusting the distribution of the wavelength region of light transmitted by such a filter element is increased is realized.
An image pickup device that solves the above problem includes the optical filter and a light receiving element that receives light transmitted through the filter element and converts the light into an electric signal.
According to the above configuration, an imaging element including an optical filter with an increased degree of freedom for adjusting the distribution of the wavelength region of light transmitted through the filter element is realized.
上記課題を解決する光学フィルタの製造方法は、特定の波長領域の光を選択的に透過する複数のフィルタ要素を備える光学フィルタの製造方法であって、前記フィルタ要素を形成する工程が、基材の表面に塗工された樹脂に凹版の有する凹凸を転写することにより、前記基材の表面と対向する方向から見て、突部または有底の孔である周期要素が、前記フィルタ要素が透過する前記波長領域以下のサブ波長周期を有した二次元格子状に位置する周期構造体であって、前記二次元格子に沿った各方向での前記周期要素の構造周期に対する前記周期要素の幅の比が、0.30以上0.65以下である前記周期構造体を形成する第1工程と、前記周期構造体の上に、前記周期構造体の表面形状に追従する形状を有した金属層であって、可視領域の光に対する複素誘電率の実部が負の値の前記金属層を、前記周期構造体において前記複数の周期要素の並ぶ平面に位置する前記周期要素の一端部と前記周期要素の他端部との距離の10分の1以下の厚さに形成する第2工程と、を含む。 An optical filter manufacturing method that solves the above-described problem is an optical filter manufacturing method including a plurality of filter elements that selectively transmit light in a specific wavelength region, and the step of forming the filter element includes a base material By transferring the unevenness of the intaglio to the resin coated on the surface of the substrate, the periodic element that is a protrusion or a hole with a bottom as viewed from the direction facing the surface of the substrate is transmitted through the filter element. A periodic structure located in a two-dimensional lattice having a sub-wavelength period equal to or less than the wavelength region, the width of the periodic element with respect to the structural period of the periodic element in each direction along the two-dimensional grating A first step of forming the periodic structure having a ratio of 0.30 or more and 0.65 or less; and a metal layer having a shape following the surface shape of the periodic structure on the periodic structure. And light in the visible region A distance between one end of the periodic element and the other end of the periodic element that is located on a plane in which the plurality of periodic elements are arranged in the periodic structure, the metal layer having a negative real part of the complex permittivity And a second step of forming to a thickness of 1/10 or less.
上記製法によれば、光学フィルタにおいて、フィルタ要素が透過する光の波長領域の分布をフィルタ要素内において調整する自由度が高く得られる。また、微細な凹凸を有する周期構造体を、容易にかつ好適に形成することができる。 According to the said manufacturing method, in the optical filter, the freedom degree which adjusts distribution of the wavelength range of the light which a filter element permeate | transmits within a filter element is acquired highly. In addition, a periodic structure having fine irregularities can be easily and suitably formed.
上記製法において、前記金属層の上に、前記金属層の表面形状に追従する形状を有した誘電体層を、前記周期要素における前記一端部と前記他端部との距離以下の厚さに形成する第3工程を含んでもよい。 In the above manufacturing method, a dielectric layer having a shape following the surface shape of the metal layer is formed on the metal layer so as to have a thickness equal to or less than a distance between the one end and the other end of the periodic element. A third step may be included.
上記製法によれば、誘電体層を構成する材料の変更によって、フィルタ要素が透過する光の波長領域を調整することができる。したがって、フィルタ要素が透過する光の波長領域を調整する自由度がさらに高く得られる。 According to the said manufacturing method, the wavelength range of the light which a filter element permeate | transmits can be adjusted with the change of the material which comprises a dielectric material layer. Therefore, the degree of freedom for adjusting the wavelength region of light transmitted through the filter element can be further increased.
本発明によれば、フィルタ要素が透過する光の波長領域の分布をフィルタ要素内において調整する自由度を高めることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the freedom degree which adjusts distribution of the wavelength range of the light which a filter element permeate | transmits within a filter element can be raised.
(第1実施形態)
図1から図8を参照して光学フィルタ、表示装置、撮像素子、および、光学フィルタの製造方法の第1実施形態を説明する。
(First embodiment)
1st Embodiment of an optical filter, a display apparatus, an image pick-up element, and the manufacturing method of an optical filter is described with reference to FIGS.
図1が示すように、表示装置は、光学フィルタの一例であるカラーフィルタ1と、光源装置2とを備える。カラーフィルタ1は、光源装置2から入射する光の色を変換する。光源装置2は、カラーフィルタ1に入射するための光を出射する。光源装置2は、例えば、バックライトを備える液晶装置、複数の自発光素子を備えるEL装置、複数のLED(Light Emitting Diode)素子を備えるLED装置である。光源装置2は、マトリックス状に並ぶ複数の単位領域を備え、光源装置2の出射する光の強度を単位領域ごとに変える。
As shown in FIG. 1, the display device includes a color filter 1 that is an example of an optical filter, and a
カラーフィルタ1は、各単位領域に1つずつの画素10を備え、各画素10に3種類の副画素10Aを備える。副画素10Aは、フィルタ要素の一例である。副画素10Aの種類は、副画素10Aの出射する光の色によって定められる。3種類の副画素10Aは、赤色用副画素10R、緑色用副画素10G、青色用副画素10Bである。赤色用副画素10Rは、赤色用副画素10Rに入射した光を赤色の光に変換して出射する。緑色用副画素10Gは、緑色用副画素10Gに入射した光を緑色の光に変換して出射する。青色用副画素10Bは、青色用副画素10Bに入射した光を青色の光に変換して出射する。
The color filter 1 includes one
[副画素の構造]
図2が示すように、副画素10Aは、副画素10Aと対向する方向から見て、複数の孤立領域A2と、各孤立領域A2を囲む単一の周辺領域A3とを含む。図2では、孤立領域A2を説明する便宜上、各孤立領域A2にドットを付して示す。
[Sub-pixel structure]
As shown in FIG. 2, the
各孤立領域A2は、副画素10Aの表面10Sに沿って正方配列に並ぶ。正方配列は、一辺が構造周期PTを有する正方形LTの各頂点に孤立領域A2が位置する配列である。なお、各孤立領域A2は、六方配列に並ぶことも可能である。すなわち、孤立領域A2は、正方配列と六方配列とのいずれか一方である島状配列に並ぶ。なお、六方配列は、正三角形の各頂点に孤立領域A2が位置する配列である。
The isolated regions A2 are arranged in a square array along the
図3が示すように、カラーフィルタは、可視領域の光を透過する透明な支持部11を備える。可視領域の光が有する波長は、400nm以上800nm以下である。支持部11の有する断面構造は、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。
As shown in FIG. 3, the color filter includes a
支持部11を構成する材料は、誘電体であり、例えば、光硬化性樹脂などの樹脂や、石英などの無機材料である。支持部11を構成する材料は、樹脂であることが好ましい。支持部11の屈折率は、空気層よりも高く、例えば1.2以上1.7以下であることが好ましい。
The material which comprises the
副画素10Aは、支持部11に近い層から順に、第1格子層21と、中間格子層31と、第2格子層41とを備える。中間格子層31は、第1格子層21と第2格子層41とに挟まれている。なお、支持部11において第1格子層21の位置する面が、支持部11の表面であり、支持部11に対して第1格子層21の位置する側が、構造体における表面側である。反対に、第1格子層21に対して支持部11の位置する側が、構造体における裏面側である。
The
[第1格子層21]
支持部11の表面には、第1格子層21が位置する。第1格子層21は、複数の第1誘電体層22と、単一の第1金属層23とを備える。各第1誘電体層22は、副画素10Aの表面10Sと対向する方向から見て、孤立領域A2に位置する。単一の第1金属層23は、表面10Sと対向する方向から見て、周辺領域A3に位置する。複数の第1誘電体層22は、表面10Sに沿って、正方配列と六方配列とのいずれか一方である島状配列に並ぶ。
[First lattice layer 21]
The
各第1誘電体層22は、支持部11の表面から突き出た構造体である。各第1誘電体層22は、例えば、支持部11と一体である。あるいは、各第1誘電体層22は、例えば、支持部11の表面との間に境界を有し、支持部11とは別体である。
Each
第1金属層23は、表面10Sと対向する方向から見て、各第1誘電体層22を1つずつ囲う網目状を有する。第1格子層21において、単一の第1金属層23は、自由電子が行きわたる光学的な海成分であり、各第1誘電体層22は、海成分のなかに分布する島成分である。
The
表面10Sと対向する方向から見て、第1誘電体層22の位置する周期である構造周期PTは、相互に隣り合う第1誘電体層22の最短幅WPと、第1誘電体層22の幅WTとの合計である。構造周期PTは、可視領域の波長以下であるサブ波長周期である。また、副画素10Aの出射する光の色味が鮮明となることや、第1格子層21の加工の精度が得られることなどの観点において、構造周期PTは、200nm以上400nm以下であることが好ましい。
When viewed from the direction facing the
構造周期PTに対する第1誘電体層22の幅WTの比は、0.30以上0.65以下である。第1格子層21の加工の精度が得られること、第1格子層21においてプラズモン共鳴が生じやすいことなどの観点において、構造周期PTに対する第1誘電体層22の幅WTの比は、好ましくは、0.40以上0.60以下である。
The ratio of the width WT of the
第1格子層21の厚さは、200nm以下であることが好ましい。第1格子層21の加工の精度が得られること、第1格子層21においてプラズモン共鳴が生じやすいこと、第1格子層21における光の透過性が高まること、各観察による像の色彩が鮮明となることなどの観点において、第1格子層21の厚さは、15nm以下であることが好ましい。
The thickness of the
[中間格子層31]
第1格子層21の上には、中間格子層31が位置する。中間格子層31の厚さは、第1格子層21の厚さよりも厚い。中間格子層31の加工の精度が得られる観点において、中間格子層31の厚さは、第1格子層21との合計として、100nm以上200nm以下であることが好ましい。
[Intermediate lattice layer 31]
An
中間格子層31は、複数の第1中間誘電体層32と、単一の第2中間誘電体層33とを備える。各第1中間誘電体層32は、表面10Sと対向する方向から見て、孤立領域A2に位置する。単一の第2中間誘電体層33は、表面10Sと対向する方向から見て、周辺領域A3に位置する。複数の第1中間誘電体層32は、表面10Sに沿って、正方配列と六方配列とのいずれか一方である島状配列に並ぶ。
The
各第1中間誘電体層32は、第1誘電体層22から突き出た構造体である。各第1中間誘電体層32は、例えば、第1誘電体層22と一体である。あるいは、各第1中間誘電体層32は、例えば、第1誘電体層22との間に境界を有し、第1誘電体層22とは別体である。表面10Sと対向する方向から見て、第1中間誘電体層32の位置する周期は、第1誘電体層22と同じく、最短幅WPと幅WTとの合計であり、上記構造周期PTである。構造周期PTに対する第1中間誘電体層32の幅WTの比は、0.30以上0.65以下である。また、構造周期PTに対する第1中間誘電体層32の幅WTの比は、好ましくは、0.4以上0.6以下である。
Each first
第2中間誘電体層33は、表面10Sと対向する方向から見て、各第1中間誘電体層32を1つずつ囲う網目状を有する。中間格子層31において、単一の第2中間誘電体層33は、構造的および光学的に海成分であり、各第1中間誘電体層32は、構造的および光学的に島成分である。第2中間誘電体層33は、空気層、あるいは、樹脂層である。
The second
[第2格子層41]
中間格子層31の上には、第2格子層41が位置する。第2格子層41の厚さは、200nm以下であることが好ましく、また、第2格子層41の厚さは、中間格子層31の厚さよりも薄い。第2格子層41の加工の精度が得られること、第2格子層41においてプラズモン共鳴が生じやすいこと、第2格子層41における光の透過性が高まること、各観察による像の色彩が鮮明になることなどの観点において、第2格子層41の厚さは、15nm以下であることが好ましい。
[Second lattice layer 41]
A
第2格子層41は、複数の第2金属層42と、単一の第2誘電体層43とを備える。各第2金属層42の位置は、表面10Sと対向する方向から見て、孤立領域A2を含む。単一の第2誘電体層43の位置は、表面10Sと対向する方向から見て、周辺領域A3に含まれる。複数の第2金属層42は、表面10Sに沿って、正方配列と六方配列とのいずれか一方である島状配列に並ぶ。
The
各第2金属層42は、第1中間誘電体層32の頂面に重なる構造体である。各第2金属層42は、第1中間誘電体層32との間に境界を有し、第1中間誘電体層32とは別体である。表面10Sと対向する方向から見て、第2金属層42の位置する周期は、第1誘電体層22と同じく、最短幅WPと幅WTとの合計であり、上記構造周期PTである。構造周期PTに対する第2金属層42の幅の比は、0.30以上0.65以下である。また、構造周期PTに対する第2金属層42の幅の比は、好ましくは、0.4以上0.6以下である。
Each
第2誘電体層43は、表面10Sと対向する方向から見て、各第2金属層42を1つずつ囲う網目状を有する。第2格子層41において、単一の第2誘電体層43は、第2金属層42と比べて自由電子が少ない光学的な海成分であり、各第2金属層42は、海成分のなかに分布する島成分である。第2誘電体層43は、空気層、あるいは、樹脂層である。
The
第1格子層21における海成分である第1金属層23の体積比率は、第2格子層41における島成分である第2金属層42の体積比率よりも大きい。また、第2格子層41における島成分である第2金属層42の体積比率は、中間格子層31における金属材料の体積比率よりも大きい。
The volume ratio of the
なお、第1誘電体層22と第1中間誘電体層32とから構成される構造体は、周期要素の一例であり、支持部11の表面を基準面として、基準面から突出する突部11Tでもある。第1誘電体層22の裏面は、周期要素における一端部の一例であり、第1中間誘電体層32の表面は、周期要素における他端部の一例である。そして、支持部11、第1誘電体層22、および、第1中間誘電体層32とから構成される構造体は、周期構造体の一例である。また、第1金属層23と第2金属層42とから構成される層は、層全体としての形状が周期構造体の表面形状に追従する形状を有した金属層として捉えられる。周期構造体の表面は、基準面のうち各周期要素を囲む領域と各周期要素の表面とを含む面である。
The structure constituted by the
図4が示すように、周辺領域A3においては、支持部11に近い層から順に、第1格子層21の第1金属層23と、中間格子層31の第2中間誘電体層33と、第2格子層41の第2誘電体層43とが位置する。第2中間誘電体層33は、第1金属層23と第2誘電体層43とに挟まれている。
As shown in FIG. 4, in the peripheral region A3, in order from the layer close to the
なお、上述のように、支持部11の有する断面構造は、多層構造であってもよいし、各第1誘電体層22は支持部11との間に境界を有していなくてもよい。図5は、支持部11が2つの層から構成され、これらの層のうち支持部11の表面側の層が各第1誘電体層22と一体である構造を示す。すなわち、支持部11は、基材11aと中間層11bとを備え、中間層11bは、基材11aに対して表面側に位置する。各第1誘電体層22は、中間層11bから突き出ており、各第1誘電体層22と中間層11bとは一体である。
As described above, the cross-sectional structure of the
[カラーフィルタの光学的な構成]
次に、カラーフィルタが備える光学的な構成を説明する。
ここでは、副画素10Aの表面10S、および、副画素10Aの裏面10Tが、それぞれ空気層と接し、第2中間誘電体層33と第2誘電体層43との各々が、空気層である構成、あるいは、空気層に近い屈折率を有した樹脂層である構成を例として説明する。
図6が示すように、支持部11の屈折率は、誘電体に支配された大きさであって、空気層の屈折率よりも大きい。
[Optical configuration of color filter]
Next, an optical configuration provided in the color filter will be described.
Here, the
As FIG. 6 shows, the refractive index of the
第1誘電体層22の屈折率は、空気層の屈折率よりも高く、第1金属層23の屈折率は、空気層の屈折率よりも低い。第1格子層21の屈折率は、これら第1金属層23の屈折率と、第1誘電体層22の屈折率とによって、平均化された大きさに近似される。構造周期PTに対する第1誘電体層22の幅WTの比は、0.30以上0.65以下であるため、第1格子層21の屈折率は、結局のところ、海成分である第1金属層23に支配された大きさであり、空気層の屈折率よりも十分に低い。
The refractive index of the
第1中間誘電体層32の屈折率は、空気層の屈折率よりも高く、第2中間誘電体層33の屈折率は、空気層の屈折率と等しい、もしくは、空気層の屈折率よりも高い。中間格子層31の屈折率は、これら第2中間誘電体層33の屈折率と、第1中間誘電体層32の屈折率とによって、平均化された大きさに近似される。構造周期PTに対する第1中間誘電体層32の幅WTの比は、0.30以上0.65以下であるため、中間格子層31の屈折率は、結局のところ、海成分である第2中間誘電体層33に支配された大きさであり、空気層の屈折率よりも高く、かつ、空気層の屈折率に近い値である。
The refractive index of the first
第2金属層42の屈折率は、空気層の屈折率よりも低く、第2誘電体層43の屈折率は、空気層の屈折率と等しい、もしくは、空気層の屈折率よりも高い。第2格子層41の屈折率は、これら第2誘電体層43の屈折率と、第2金属層42の屈折率とによって、平均化された大きさに近似される。構造周期PTに対する第2金属層42の幅WTの比は、0.30以上0.65以下であるため、第2格子層41の屈折率は、結局のところ、海成分である第2誘電体層43に支配された大きさであり、空気層の屈折率よりも低く、かつ、空気層に近い値である。
The refractive index of the
[非点灯時観察]
光源装置2が非点灯状態であるとき、カラーフィルタに入射する主な光は、カラーフィルタの表面側から入射する外光L1である。ここで、副画素10Aの表面10Sから第2格子層41に入射する外光L1は、空気層から第2格子層41に入り、第2格子層41から中間格子層31に入る。第2格子層41に入射する外光L1は、空気層に近い屈折率を有した第2格子層41に空気層から入るため、また、第2金属層42の厚さが十分に薄いため、空気層と第2格子層41との界面においては、フレネル反射を生じ難い。また、中間格子層31に入射する光は、空気層に近い屈折率を有した第2格子層41から、空気層に近い屈折率を有した中間格子層31に入るため、ここでも、第2格子層41と中間格子層31との界面においては、フレネル反射を生じ難い。
[Observation when not lit]
When the
一方で、第2金属層42の構造周期PTが、可視領域の波長以下のサブ波長周期であるため、第2格子層41に入射した外光L1の一部は、第2格子層41でのプラズモン共鳴によって表面プラズモンに変換され、表面プラズモンは第2格子層41を透過する。第2格子層41を透過した表面プラズモンは、光に再変換されて出射される。プラズモン共鳴は、第2格子層41に入射した外光L1の一部を、第2格子層41での電子の集団的な振動と結合する現象である。プラズモン共鳴に起因して第2格子層41が出射する光EP2の波長領域は、第2金属層42の構造周期PTを含む格子構造および材料に依存した特定の波長領域である。結果として、第2格子層41は、第2格子層41に入射した外光L1の波長領域の一部の光を、中間格子層31へ透過する。
On the other hand, since the structural period PT of the
また、第1誘電体層22の構造周期PTも、可視領域の波長以下のサブ波長周期であるため、第1格子層21に入射する光の一部もまた、第1格子層21でのプラズモン共鳴によって表面プラズモンに変換され、表面プラズモンは第1格子層21を透過する。第1格子層21を透過した表面プラズモンは、光に再変換されて出射される。プラズモン共鳴に起因して第1格子層21が出射する光EP1の波長領域は、第1誘電体層22の構造周期PTを含む格子構造および材料に依存した特定の波長領域である。結果として、第1格子層21は、第1格子層21に入射した光の波長領域の一部の光LP1を、支持部11へ透過する。
Further, since the structural period PT of the
以上により、カラーフィルタの外側から第2格子層41へ外光L1を入射させて、カラーフィルタの表面側から表面10Sを観察する非点灯時観察によれば、上記各界面でのフレネル反射を生じ難いこと、上記各格子層でのプラズモン共鳴を生じること、これらが相まって、黒色、もしくは、黒色に近い色彩が、副画素10Aで視認される。
As described above, according to the non-lighting observation in which the external light L1 is incident on the second
[点灯時観察]
図7が示すように、副画素10Aの裏面10Tから支持部11に入射する光源装置2からの白色の光LAは、空気層から支持部11に入り、支持部11から第1格子層21に入る。支持部11に入射した光LAは、空気層よりも高い屈折率を有した支持部11から、空気層よりも低い屈折率を有した第1格子層21に入るため、支持部11と第1格子層21との界面では、フレネル反射を生じやすい。ただし、第1金属層23の厚さが十分に薄いため、フレネル反射による反射光LRの強度は、十分に抑えられる。
[Observation when lighting]
As shown in FIG. 7, white light LA from the
一方で、支持部11と第1格子層21との界面を透過した光の一部は、第1格子層21でのプラズモン共鳴によって消費される。ここでも、プラズモン共鳴に起因して第1格子層21が出射する光EP1の波長領域は、第1金属層23の構造周期PTを含む格子構造および材料に依存した特定の波長領域である。結果として、第1格子層21は、第1格子層21に入射した光における特定の波長領域の光を、中間格子層31へ透過する。
On the other hand, a part of the light transmitted through the interface between the
また、中間格子層31を透過して第2格子層41に入射した光の一部も、第2格子層41でのプラズモン共鳴によって消費される。ここでも、プラズモン共鳴に起因して第2格子層41が出射する光EP2の波長領域は、第2誘電体層43の構造周期PTを含む格子構造および材料に依存した特定の波長領域である。結果として、第2格子層41は、第2格子層41に入射した光における特定の波長領域の光を、空気層へ透過する。
In addition, part of the light transmitted through the intermediate
以上により、光源装置2からカラーフィルタへ光LAを入射させて、カラーフィルタの表面側から表面10Sを観察する点灯時観察では、上記各格子層でのプラズモン共鳴を経た有色の光、すなわち、副画素10Aの種類に応じた色変換後の光LP2が、副画素10Aで視認される。
As described above, in lighting observation in which the light LA is incident from the
[カラーフィルタの製造方法]
次に、カラーフィルタを製造する方法の一例を説明する。
まず、支持部11の表面に、第1誘電体層22と第1中間誘電体層32とを形成する。第1誘電体層22と第1中間誘電体層32とは、支持部11の表面から突き出た突部11Tとして一体に形成される。突部11Tを形成する方法は、例えば、光、あるいは、荷電粒子線を用いたフォトリソグラフィー法や、ナノインプリント法、あるいは、プラズマエッチング法などを採用できる。特に、樹脂からなる支持部11の表面に突部11Tを形成する方法として、例えばナノインプリント法を活用できる。また、硬い材質の基材などを加工することにより突部11Tを形成する場合には、光、あるいは、荷電粒子線を用いたフォトリソグラフィー法とプラズマエッチング法を組み合わせた方法を用いればよい。
[Color filter manufacturing method]
Next, an example of a method for manufacturing a color filter will be described.
First, the
例えば、図5に示したように基材11aと中間層11bとから構成される支持部11を有する副画素10Aを製造する場合、まず、基材11aとして、ポリエチレンテレフタラートシートを用い、基材11aの表面に、紫外線硬化性樹脂を塗工する。次いで、紫外線硬化性樹脂からなる塗工膜の表面に、凹版である合成石英モールドの表面を押し当て、これらに紫外線を照射する。続いて、硬化した紫外線硬化性樹脂から合成石英モールドを離型する。これによって、基材11aの表面の樹脂に凹版の有する凹凸が転写され、第1誘電体層22と第1中間誘電体層32とからなる突部11Tおよび中間層11bが形成される。なお、紫外線硬化性樹脂は、熱硬化性樹脂に変更することも可能であり、紫外線の照射は、加熱に変更することも可能である。また、紫外線硬化性樹脂は、熱可塑性樹脂に変更することも可能であり、紫外線の照射は、加熱および冷却に変更することも可能である。
For example, as shown in FIG. 5, when manufacturing the
次いで、突部11Tを備える支持部11の表面に、第1金属層23、および、第2金属層42を形成する。第1金属層23、および、第2金属層42を形成する方法は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法である。これによって、第1金属層23の頂面によって区画される第1格子層21が形成され、第2金属層42の頂面によって区画される第2格子層41が形成され、これら第1格子層21と第2格子層41とに挟まれた中間格子層31が形成される。
Next, the
[副画素の構成例]
図8が示すように、第1金属層23の厚さT2が薄いほど、第1格子層21における透過光の強度が大きく、点灯時観察での像の明度が高まる。構造周期PTに対する第1誘電体層22の幅WTの比が大きいほど、これもまた、点灯時観察での像の明度が高まる。
[Sub-pixel configuration example]
As shown in FIG. 8, the thinner the thickness T2 of the
なお、第1金属層23の領域が過剰に少ない、また、第2金属層42の領域が過剰に少ないと、第1金属層23の連続性や、第2金属層42の連続性に欠陥が生じ、上述したプラズモン共鳴による波長の選択性が得られ難い。
この点、第1金属層23の厚さT2や、第2金属層42の厚さT4が、第1格子層21の厚さT2と、中間格子層31の厚さT3との合計の10分の1以下であり、かつ、構造周期PTに対する第1誘電体層22の幅WTの比が0.30以上であれば、点灯時観察における像の色味が十分に得られる。
If the area of the
In this respect, the thickness T2 of the
また、第1金属層23の厚さT2や、第2金属層42の厚さT4が、第1格子層21の厚さT2と、中間格子層31の厚さT3との合計の10分の1以下であり、かつ、構造周期PTに対する第1誘電体層22の幅WTの比が0.65以下であれば、上記点灯時観察における像の明度が十分に得られる。さらに、構造周期PTに対する第1誘電体層22の幅WTの比は、0.6以下であることが好ましく、0.5以下であることがより好ましい。
Further, the thickness T2 of the
第1誘電体層22の厚さT2と、第1中間誘電体層32の厚さT3との合計は、第1誘電体層22の幅WTと、最短幅WPとの合計である構造周期PTよりも小さいことが好ましい。また、第1誘電体層22の厚さT2と第1中間誘電体層32の厚さT3との合計は、構造周期PTの半分よりも小さいことが、より好ましい。
The sum of the thickness T2 of the
こうした構成であれば、第1誘電体層22と第1中間誘電体層32とが一体となる突部11Tにおいて、その形状の精度を高めることが可能であり、また、突部11Tが支持部11の表面で倒れることが抑えられる。
With such a configuration, it is possible to increase the accuracy of the shape of the
可視領域の波長における複素誘電率の実部が負の値である金属材料は、それを用いた第1格子層21や第2格子層41において、プラズモン共鳴を生じやすい。そこで、第1金属層23を構成する材料は、上記複素誘電率の実部が負の値の材料である。第2金属層42を構成する材料もまた、上記複素誘電率の実部が負の値の材料である。
これら第1金属層23や第2金属層42を構成する材料は、例えば、アルミニウム、銀、金、インジウム、タンタルなどである。
A metal material having a negative real part of the complex dielectric constant at a wavelength in the visible region tends to cause plasmon resonance in the
Examples of the material constituting the
なお、上記製造方法において説明したように、第1金属層23と第2金属層42とは、第1誘電体層22と第1中間誘電体層32とを有した支持部11に対する金属層の成膜によって、単一の工程で形成することができる。
As described in the above manufacturing method, the
この場合、成膜源から飛行する金属粒子は、支持部11の表面に対して、所定の角度分布を有して付着する。結果として、第2金属層42の幅W4は、第1中間誘電体層32の幅WTよりも若干大きくなり、相互に隣り合う第2金属層42の最短幅WP4は、最短幅WPよりも若干小さくなる。この際、構造周期PTに対する第2金属層42の幅W4の比は、0.30以上0.65以下である。ちなみに、第1金属層23における第1中間誘電体層32の周囲は、第2金属層42によるシャドウ効果の影響を受け、第1中間誘電体層32に近い部位ほど薄い。
In this case, the metal particles flying from the film forming source adhere to the surface of the
また、上記成膜方法によって形成される構造体においては、第1中間誘電体層32の側面にも、第2金属層42に連続する金属層である中間金属層32Aが形成される。
In the structure formed by the film forming method, an
中間金属層32Aは、第1中間誘電体層32と第2中間誘電体層33とに挟まれる。中間金属層32Aは、第2金属層42と一体の構造体であり、第1中間誘電体層32の側面上での厚さが、第1金属層23に近い部位ほど薄い。
The
こうした中間金属層32Aは、構造周期PTがサブ波長周期であるため、第2格子層41や中間格子層31の厚さ方向での屈折率の変化を連続的とする。そして、中間金属層32Aは、副画素10Aの表面10Sから第2格子層41に入射した光を反射し難く、中間格子層31や第1格子層21へ透過しやすい。それゆえに、上述した非点灯時観察においては、より黒色に近い色が、副画素10Aで視認される。
In such an
なお、副画素10Aの特に表面側においてフレネル反射を抑えるためには、以下の条件が満たされていることが好ましい。すなわち、第2誘電体層43に対して中間格子層31とは反対側で第2誘電体層43に接する層である表面層と、第2誘電体層43との間の屈折率差は、第1金属層23と支持部11との間の屈折率差よりも小さいことが好ましい。表面層は、例えば空気層である。そして、第2誘電体層43の屈折率は、表面層の屈折率と等しいことがさらに好ましい。
In order to suppress Fresnel reflection particularly on the surface side of the sub-pixel 10A, it is preferable that the following conditions are satisfied. That is, the refractive index difference between the
以上、第1実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
(1)表面10Sと対向する方向からカラーフィルタを観る点灯時観察によれば、黒色や白色以外の色彩を帯びた像が、副画素10Aで視認される。この際、各周期要素である突部11Tの位置や大きさと、各突部11Tによって位置が定まる各金属層23,42とによって、各副画素10Aでの色味が定まる。そのため、各副画素10Aにおける色味の分布、すなわち、各副画素10Aが透過する光の波長領域の分布を各副画素10A内において調整する自由度を高めることが可能である。
As described above, according to the first embodiment, the effects listed below can be obtained.
(1) According to the observation at the time of lighting in which the color filter is viewed from the direction facing the
例えば、副画素10Aの縁で色味が薄い場合に、副画素10Aの縁に位置する各突部11Tの位置や大きさ、また、副画素10Aの縁に位置する各金属層23,42の厚さを、その色味が濃くなるように、副画素10Aにおける他の部位と異ならせることが可能である。
For example, when the color is light at the edge of the
例えば、副画素10Aの中央で色味が濃い場合に、副画素10Aの中央に位置する各突部11Tの位置や大きさ、また、副画素10Aの中央に位置する各金属層23,42の厚さを、その色味が薄くなるように、副画素10Aにおける他の部位と異ならせることが可能である。
For example, when the color is dark at the center of the
(2)構造周期PTが200nm以上400nm以下であるため、突部11Tの繰り返しによる回折が、可視領域の光に対して抑えられる。結果として、点灯時観察による像の色彩に虹色が混ざることが抑えられ、像の有する色彩を副画素10Aごとに鮮明とすることが可能となる。
(2) Since the structural period PT is not less than 200 nm and not more than 400 nm, diffraction due to the repetition of the
(3)第1格子層21の厚さT2と中間格子層31の厚さT3との合計が、100nm以上200nm以下であるため、これら第1格子層21や中間格子層31を、可視領域の光が十分に透過できる。それゆえに、各副画素10Aにおける色味の鮮明さや、各副画素10Aにおける光の輝度を、さらに高めることが可能ともなる。
(3) Since the sum of the thickness T2 of the
(4)さらに、第1金属層23の厚さT2や、第2金属層42の厚さT4が、15nm以下であるため、各副画素10Aにおける色味の鮮明さや、各副画素10Aにおける光の輝度を、より一層に高めることが可能ともなる。
(4) Furthermore, since the thickness T2 of the
(5)第1格子層21の厚さT2と、中間格子層31の厚さT3との合計が、ナノインプリントなどの凹版を適用できる程度の大きさであるため、第1誘電体層22と第1中間誘電体層32との機能を兼ね備える突部11Tを、単一の構造体として成形することが可能ともなる。
(5) Since the total of the thickness T2 of the
(6)非点灯時観察においては、空気層と第2格子層41との界面や、第2格子層41と中間格子層31との界面でのフレネル反射が生じ難いため、また、第1格子層21や第2格子層41でのプラズモン共鳴が生じるため、黒色、もしくは、黒色に近い色彩が、副画素10Aで視認される。それゆえに、非点灯時に適した表示を表示装置に付与することが可能ともなる。
(7)中間金属層32Aが反射防止機能を備えるため、非点灯時観察によって視認される像の色彩を、さらに黒色に近い色彩とすることが可能ともなる。
(6) In non-lighting observation, Fresnel reflection hardly occurs at the interface between the air layer and the second
(7) Since the
(8)突部11Tの形成にナノインプリント法を用いる製造方法、すなわち、基材11aの表面に塗工された樹脂に凹版の有する凹凸を転写することにより、支持部11と複数の突部11Tとから構成される周期構造体を形成する製造方法であれば、微細な凹凸を有する周期構造体を、容易にかつ好適に形成することができる。
(8) A manufacturing method using the nanoimprint method for forming the
例えば、平坦な金属層にサブ波長周期で並ぶ複数の孔を形成して、この孔の内部に誘電体を充填することでも、プラズモン共鳴の生じる格子構造の形成は可能である。しかしながら、金属層に微小な孔を形成するためには、フォトリソグラフィー法やナノインプリント法を用いたエッチングマスクの形成、および、プラズマエッチング法による金属層のエッチングが必要であるため、カラーフィルタの製造工程が複雑になる。結果として、カラーフィルタの歩留まりの低下が生じやすい。これに対し、本実施形態のように、ナノインプリント法を用いて形成した凹凸に金属層を積層することによってプラズモン共鳴の生じる格子構造を形成する方法であれば、歩留まりの低下を抑えることができる。 For example, it is possible to form a lattice structure in which plasmon resonance occurs by forming a plurality of holes arranged in a sub-wavelength period in a flat metal layer and filling the holes with a dielectric. However, in order to form minute holes in the metal layer, it is necessary to form an etching mask using a photolithography method or a nanoimprint method, and to etch the metal layer by a plasma etching method. Becomes complicated. As a result, the yield of the color filter tends to decrease. On the other hand, a yield reduction can be suppressed by a method of forming a lattice structure in which plasmon resonance occurs by laminating a metal layer on the unevenness formed using the nanoimprint method as in this embodiment.
<第1実施形態の変形例>
上記第1実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
[中間格子層31]
・第1中間誘電体層32と第2中間誘電体層33とは、各別の構造体に具体化できる。この際、第2中間誘電体層33は、第1中間誘電体層32の屈折率よりも空気層の屈折率に近い屈折率を有した樹脂層であることが好ましい。
<Modification of First Embodiment>
The first embodiment can be implemented with the following modifications.
[Intermediate lattice layer 31]
The first
・第2中間誘電体層33と第2誘電体層43とは、各別の構造体に具体化できる。この際、第2中間誘電体層33は、第2誘電体層43の屈折率よりも空気層の屈折率に近い屈折率を有した樹脂層であることが好ましい。
The second
[第1格子層21]
・図9が示すように、第1誘電体層22と第1中間誘電体層32とから構成される突部11Tの形状は、支持部11の表面から突き出る錐体状に具体化できる。こうした構造であれば、第1誘電体層22や第1中間誘電体層32の形成に際して、それを形成するための凹版の離型を円滑に進めることが可能である。
[First lattice layer 21]
As shown in FIG. 9, the shape of the
[周期要素]
・基準面に並ぶ周期要素は、支持部11の表面が備える有底の孔に具体化できる。この際、基準面は、支持部11の表面である。また、周期要素の一端部は、各孔の備える開口部であり、周期要素の他端部は、各孔の備える底面である。そして、各孔の開口部を囲う網目状に第1金属層23が位置し、各孔の底面に、第2金属層42が位置する。各孔の内部は、第2金属層42と、その上方に位置する第1中間誘電体層32とに区画される。また、第1金属層23の囲う空間が、第1誘電体層22として機能する。このような構成であっても、上記(1)から(4)、(6)〜(8)に準じた効果を得ることは可能である。
[Periodic element]
The periodic elements arranged on the reference surface can be embodied as a bottomed hole provided on the surface of the
[保護層]
・カラーフィルタは、第2金属層42の上に保護層をさらに備える。この際、保護層と第2金属層42との界面におけるフレネル反射の強度、および、それに伴うカラーフィルタでの波長の選択性が、保護層の屈折率によって変わる。そこで、保護層を構成する材料は、カラーフィルタに選択させる波長領域に基づき、適宜選択される。
[Protective layer]
The color filter further includes a protective layer on the
なお、図10が示すように、保護層45は、第2誘電体層43、および、第2中間誘電体層33と一体の構造体に具体化できる。この際、保護層45は、低屈折率の樹脂層であることが好ましい。低屈折率の樹脂層は、第1誘電体層22の屈折率や第1中間誘電体層32の屈折率よりも空気層の屈折率に近い屈折率を有する。
As shown in FIG. 10, the
[その他の形態]
・副画素10Aの表面10Sと対向する方向から見た孤立領域A2の配置は、正方配列および六方配列に限らず、二次元格子状の配列であればよい。すなわち、複数の第1誘電体層22は二次元格子状に並んでいればよく、また、複数の第1中間誘電体層32も二次元格子状に並んでいればよく、また、複数の第2金属層42も二次元格子状に並んでいればよい。換言すれば、周期構造体の周期要素は、サブ波長周期を有した二次元格子状に並んでいればよい。二次元格子状の配列は、二次元平面内において交差する2つの方向の各々に沿って要素が並ぶ配列である。この際、構造周期PTに対する幅WTの比は、1つの方向での構造周期PTに対する幅WTの比であり、当該比が所定の範囲内であるとは、周期要素が並ぶ上記2つの方向の各々について、構造周期PTに対する幅WTの比が所定の範囲内であることを示す。また、カラーフィルタが有する各層の厚さが構造周期PTに対して所定の範囲内であるとは、周期要素が並ぶ上記2つの方向の各々における構造周期PTに対して、各層の厚さが所定の範囲内であることを示す。
[Other forms]
The arrangement of the isolated regions A2 viewed from the direction facing the
また、副画素10Aの表面10Sと対向する方向から見た孤立領域A2の形状、すなわち、周期要素の平面形状は、正方形に限らず、長方形や他の多角形であってもよいし、円形であってもよい。
Further, the shape of the isolated region A2 viewed from the direction facing the
・第1実施形態の光学フィルタの構成は、撮像素子に用いられるフィルタに適用されてもよい。撮像素子は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)型やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型のイメージセンサなどである。図11が示すように、撮像素子140は、複数のフィルタ要素121を有する光学フィルタ120と、複数の受光素子131を有する受光素子群130とを備える。フィルタ要素121は、上記第1実施形態の副画素10Aと同様の積層構造、すなわち、周期構造体と金属層とからなる構造を有し、フィルタ要素121に入射した光のうち特定の波長領域の光を透過する。受光素子131は、受光素子131に入射した光を電荷に変換する素子である。
-The structure of the optical filter of 1st Embodiment may be applied to the filter used for an image pick-up element. The imaging element is, for example, a CCD (Charge Coupled Device) type or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type image sensor. As shown in FIG. 11, the
光学フィルタ120と受光素子群130とは対向し、1つのフィルタ要素121を透過した光が、1つの受光素子131に入射するように配置される。換言すれば、光学フィルタ120のなかで、1つの受光素子131に対して透過光を射出する部分が、1つのフィルタ要素121である。受光素子131が、フィルタ要素121を透過した光を受光して電気信号に変換し、受光素子131からの電気信号が信号処理回路にて演算に供されることに基づき、光学フィルタ120に対し受光素子群130とは反対側に位置する物品等の像が記録される。
The
光学フィルタ120は、例えば、オンチップカラーフィルタであって、複数のフィルタ要素121には、透過する波長領域の異なる複数種類のフィルタ要素121が含まれる。例えば、複数のフィルタ要素121には、赤色の光を透過するフィルタ要素121と、緑色の光を透過するフィルタ要素121と、青色の光を透過するフィルタ要素121との3種類のフィルタ要素121が含まれる。あるいは、複数のフィルタ要素121には、黄色(イエロー)の光を透過するフィルタ要素121と、水色(シアン)の光を透過するフィルタ要素121と、赤紫(マゼンタ)の光を透過するフィルタ要素121と、緑色(グリーン)の光を透過するフィルタ要素121との4種類のフィルタ要素121が含まれる。
The
あるいは、撮像素子140が、赤外線カメラに用いられる撮像素子のように、1色での像の記録のために利用される撮像素子である場合、複数のフィルタ要素121の各々が透過する波長領域は一致していてもよい。
Alternatively, when the
フィルタ要素121が備える周期構造体の周期要素の構造周期PTは、フィルタ要素121が透過する波長領域以下であればよい。すなわち、第1実施形態および第2実施形態において、サブ波長周期とは、フィルタ要素121が透過する波長領域以下の周期として定義される。
The structural period PT of the periodic element of the periodic structure provided in the
フィルタ要素121が透過する光の波長領域は、構造周期PTや周期要素の幅WT、周期要素における一端部と他端部との距離、金属層23,42の膜厚等、複数の因子によって調整することが可能である。それゆえ、光学フィルタ120がいずれのデバイスに用いられる場合であれ、フィルタ要素121が透過する光の波長領域の分布をフィルタ要素121内において調整する自由度を高めることができる。
The wavelength region of light transmitted through the
(第2実施形態)
図12から図15を参照して光学フィルタ、表示装置、撮像素子、および、光学フィルタの製造方法の第2実施形態を説明する。第2実施形態も、光学フィルタを表示装置に備えられるカラーフィルタに具体化した形態である。以下では、第2実施形態と第1実施形態との相違点を中心に説明し、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the optical filter, the display device, the image sensor, and the method for manufacturing the optical filter will be described with reference to FIGS. The second embodiment is also a form in which the optical filter is embodied as a color filter provided in the display device. Below, it demonstrates centering around the difference between 2nd Embodiment and 1st Embodiment, about the structure similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
[副画素の構造]
図12が示すように、副画素10Aは、支持部11、第1格子層21、中間格子層31、および、第2格子層41に加えて、上部格子層51を備えている。第1格子層21、中間格子層31、第2格子層41、および、上部格子層51は、支持部11の表面からこの順に並んでいる。すなわち、第2格子層41は、中間格子層31と上部格子層51とに挟まれている。
[Sub-pixel structure]
As shown in FIG. 12, the
支持部11は、第1実施形態と同様の構成を有する。図12は、支持部11が基材11aと中間層11bとから構成された形態を示している。なお、支持部11が、基材11aと中間層11bとから構成される場合、基材11aを構成する材料の屈折率と、中間層11bを構成する材料の屈折率とは近いほど好ましい。基材11aおよび中間層11bの各々の屈折率は、空気層よりも高く、例えば、1.2以上1.7以下である。
The
[第1格子層21]
第1格子層21は、第1実施形態と同様の構成を有し、各々が孤立領域A2に位置する複数の第1誘電体層22と、周辺領域A3に位置する単一の第1金属層23とを備える。構造周期PTに対する第1誘電体層22の幅WTの比は、0.30以上0.65以下であり、好ましくは、0.40以上0.60以下である。さらに、上記比は、0.5以下であることが好ましい。また、第1格子層21の厚さは、200nm以下であることが好ましく、15nm以下であることが特に好ましい。
[First lattice layer 21]
The
[中間格子層31]
中間格子層31は、各々が孤立領域A2に位置する複数の第1中間誘電体層32と、周辺領域A3に位置する単一の第2中間誘電体層34とを備える。第2中間誘電体層34の材料が、第1実施形態の第2中間誘電体層33と異なることを除いては、中間格子層31は、第1実施形態と同様の構成を有する。
[Intermediate lattice layer 31]
The
すなわち、中間格子層31の厚さは、第1格子層21の厚さよりも厚く、第1格子層21と中間格子層31との厚さの合計は、100nm以上200nm以下であることが好ましい。構造周期PTに対する第1中間誘電体層32の幅WTの比は、0.30以上0.65以下であり、好ましくは、0.4以上0.6以下である。さらに、上記比は、0.5以下であることが好ましい。
That is, the thickness of the
[第2格子層41]
第2格子層41は、各々が孤立領域A2を含む領域に位置する複数の第2金属層42と、周辺領域A3に含まれる単一の第2誘電体層44とを備える。第2誘電体層44の材料が、第1実施形態の第2誘電体層43と異なることを除いては、第2格子層41は、第1実施形態と同様の構成を有する。
[Second lattice layer 41]
The
第2格子層41の厚さは、中間格子層31の厚さよりも薄い。第2格子層41の厚さは、200nm以下であることが好ましく、15nm以下であることが特に好ましい。構造周期PTに対する第2金属層42の幅の比は、0.30以上0.65以下であり、好ましくは、0.4以上0.6以下である。さらに、上記比は、0.5以下であることが好ましい。
The thickness of the
[上部格子層51]
上部格子層51は、複数の第1上部誘電体層52と、単一の第2上部誘電体層53とを備える。各第1上部誘電体層52の位置は、表面10Sと対向する方向から見て、孤立領域A2を含む。単一の第2上部誘電体層53の位置は、表面10Sと対向する方向から見て、周辺領域A3に含まれる。上部格子層51の厚さは、200nm以下であることが好ましい。
[Upper lattice layer 51]
The
各第1上部誘電体層52は、第2金属層42の頂面に重なる構造体である。各第1上部誘電体層52は、第2金属層42とは別体である。表面10Sと対向する方向から見て、第1上部誘電体層52の位置する周期は、構造周期PTである。構造周期PTに対する第1上部誘電体層52の幅の比は、0.30以上0.65以下であり、好ましくは、0.4以上0.6以下である。さらに、上記比は、0.5以下であることが好ましい。
Each first
第2上部誘電体層53は、表面10Sと対向する方向から見て、各第1上部誘電体層52を1つずつ囲う網目状を有する。第2上部誘電体層53は、第2誘電体層44とは別体である。上部格子層51において、第2上部誘電体層53は、構造的および光学的に海成分であり、各第1上部誘電体層52は、構造的および光学的に島成分である。
The second
図13が示すように、周辺領域A3においては、支持部11に近い層から順に、第1格子層21の第1金属層23と、中間格子層31の第2中間誘電体層34と、第2格子層41の第2誘電体層44と、上部格子層51の第2上部誘電体層53とが位置する。
As shown in FIG. 13, in the peripheral region A3, in order from the layer close to the
[各格子層の材料]
第1誘電体層22および第1中間誘電体層32は、誘電体であり、第1実施形態と同様、例えば、光硬化性樹脂などの樹脂や、石英などの無機材料から構成される。第1誘電体層22および第1中間誘電体層32の各々の屈折率は、空気層よりも高く、例えば、1.2以上1.7以下である。例えば、基材11aの中間層11b、第1誘電体層22、および、第1中間誘電体層32は一体の構造物であり、これらは同一の材料から構成される。
[Material of each lattice layer]
The
第1金属層23および第2金属層42は、金属材料から構成されている。第1金属層23および第2金属層42を構成する材料は、第1実施形態と同様、可視領域の波長における複素誘電率の実部が負の値の材料であり、例えば、アルミニウム、銀、金、インジウム、タンタルなどであることが好ましい。第1金属層23と第2金属層42とは、例えば、同一の材料から構成される。
The
第2中間誘電体層34、第2誘電体層44、および、第1上部誘電体層52は、可視領域の光を透過する透明な誘電体である。第2中間誘電体層34、第2誘電体層44、および、第1上部誘電体層52は、二酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化ニオブ(Nb2O5)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、二酸化チタン(TiO2)、弗化マグネシウム(MgF2)、弗化カルシウム(CaF2)などの無機化合物から構成されることが好ましい。なかでも、第2中間誘電体層34、第2誘電体層44、および、第1上部誘電体層52を構成する材料は、チタン、ニオブ、アルミニウム、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、珪素、マグネシウムからなる群から選択されるいずれか1つの材料の酸化物を含むことが好ましい。
The second
ただし、第2中間誘電体層34、第2誘電体層44、および、第1上部誘電体層52は、有機化合物から構成されてもよい。第2中間誘電体層34、第2誘電体層44、および、第1上部誘電体層52の各々の屈折率は、空気層よりも高く、例えば、1.3以上3.0以下である。
However, the second
例えば、第2中間誘電体層34と第2誘電体層44とは一体の構造物であり、第2中間誘電体層34、第2誘電体層44、および、第1上部誘電体層52は、同一の材料から構成される。
For example, the second
第2上部誘電体層53は、可視領域の光を透過する透明な誘電体であり、空気層、もしくは、空気層に近い屈折率を有した樹脂層である。第2上部誘電体層53の屈折率は、第1上部誘電体層52および第2誘電体層44の各々の屈折率よりも低い。
The second
上記構成において、第1誘電体層22と第1中間誘電体層32とから構成される構造体は、周期要素の一例であり、支持部11の表面を基準面として、基準面から突出する突部11Tでもある。そして、支持部11、第1誘電体層22、および、第1中間誘電体層32から構成される構造体は、周期構造体の一例である。また、第1金属層23と第2金属層42とから構成される層は、周期構造体の表面に位置し、層全体としての形状が周期構造体の表面形状に追従する形状を有した金属層61として捉えられる。また、第2中間誘電体層34、第2誘電体層44、および、第1上部誘電体層52から構成される層は、金属層61における周期構造体と接する面とは反対側の面に位置し、層全体としての形状が金属層61の表面形状に追従する形状を有した誘電体層62として捉えられる。
In the above configuration, the structure configured by the
この際、上述の各格子層21,31,41,51の構成の実現のためには、突部11Tの高さである厚さT5は、100nm以上200nm以下であることが好ましい。また、金属層61の厚さT6は、200nm以下であることが好ましく、15nm以下であることが特に好ましい。そして、誘電体層62の厚さT7は、突部11Tの高さである厚さT5以下であり、200nm以下であることが好ましい。なお、隣り合う突部11Tの間の領域に位置する誘電体層62が突部11T上の金属層61よりも窪んでいるとき、第2格子層41の第2誘電体層44の一部もしくは全部は、上部格子層51の第2上部誘電体層53と同一の材料から構成される。すなわち、この場合、第2誘電体層44の一部もしくは全部は、空気層もしくは樹脂層である。ただし、第2誘電体層44は、上述のように、第2中間誘電体層34から連続する構造体であることが好ましい。
At this time, in order to realize the configuration of each of the lattice layers 21, 31, 41, 51 described above, the thickness T5 that is the height of the
さらに、第1実施形態と同様、金属層61の厚さT6は、突部11Tの高さである厚さT5の10分の1以下であることが好ましい。また、突部11Tの高さである厚さT5は、構造周期PTよりも小さいことが好ましく、構造周期PTの半分よりも小さいことが、より好ましい。
Furthermore, as in the first embodiment, the thickness T6 of the
なお、金属層61の製法によっては、金属層61の厚さは、突部11T上の領域、すなわち第2金属層42と、隣り合う突部11Tの間の領域、すなわち第1金属層23とで異なる場合がある。本実施形態において金属層61の厚さT6とは、周辺領域A3における帯状に延びる領域、すなわち、1つの方向に沿って突部11Tが存在しない領域の幅方向の中央部に位置する金属層61の厚さとして定義される。なお、第1実施形態も同様である。
Note that, depending on the manufacturing method of the
同様に、誘電体層62の製法によっては、誘電体層62の厚さは、突部11T上の領域、すなわち第1上部誘電体層52と、隣り合う突部11Tの間の領域、すなわち第2中間誘電体層34および第2誘電体層44とで異なる場合がある。本実施形態において誘電体層62の厚さT7とは、周辺領域A3における帯状に延びる領域、すなわち、1つの方向に沿って突部11Tが存在しない領域の幅方向の中央部に位置する誘電体層62の厚さとして定義される。なお、第1実施形態も同様である。
Similarly, depending on the manufacturing method of the
[カラーフィルタの製造方法]
次に、第2実施形態のカラーフィルタを製造する方法の一例を説明する。
支持部11、第1誘電体層22、第1中間誘電体層32、第1金属層23、および、第2金属層42は、第1実施形態と同様に形成される。すなわち、第1誘電体層22と第1中間誘電体層32とは、支持部11の表面から突き出た突部11Tとして一体に形成される。突部11Tの形成には、例えば、光、あるいは、荷電粒子線を用いたフォトリソグラフィー法や、ナノインプリント法、あるいは、プラズマエッチング法などを採用できる。特に、樹脂からなる支持部11の表面に突部11Tを形成する方法として、例えばナノインプリント法を活用できる。また、硬い材質の基材などを加工することにより突部11Tを形成する場合には、光、あるいは、荷電粒子線を用いたフォトリソグラフィー法とプラズマエッチング法を組み合わせた方法を用いればよい。
[Color filter manufacturing method]
Next, an example of a method for manufacturing the color filter of the second embodiment will be described.
The
次いで、突部11Tが形成された支持部11の表面に、真空蒸着法やスパッタリング法などを用いて、金属層61が形成される。金属層61は、支持部11と突部11Tとからなる周期構造体の表面形状に追従する形状に形成される。これにより、第1金属層23、および、第2金属層42が形成される。
Next, the
次いで、金属層61が形成された構造体の表面に、誘電体層62が形成される。誘電体層62の形成には、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法が用いられる。誘電体層62は、金属層61の表面形状に追従する形状に形成される。これにより、第2中間誘電体層34、第2誘電体層44、および、第1上部誘電体層52が形成される。
Next, a
こうした製造方法によって、第1金属層23の頂面によって区画される第1格子層21が形成され、第1中間誘電体層32の頂面、すなわち、突部11Tの頂面によって区画される中間格子層31が区画される。さらに、第2金属層42の頂面によって区画される第2格子層41が形成され、第1上部誘電体層52の頂面によって区画される上部格子層51が形成される。
By such a manufacturing method, the
[カラーフィルタの光学的な作用]
図14および図15を参照して、第2実施形態のカラーフィルタにおける光学的な構成および作用を説明する。
図14が示すように、光源装置2が非点灯状態であるとき、カラーフィルタの表面側から入射する外光L1は、空気層から上部格子層51に入る。上部格子層51の屈折率は、第1上部誘電体層52の屈折率と第2上部誘電体層53の屈折率とによって平均化された大きさに近似される。すなわち、上部格子層51の屈折率は、海成分である第2上部誘電体層53に支配された大きさであり、空気層に近い値である。このとき、外光L1は、空気層に近い屈折率を有した上部格子層51に空気層から入るため、空気層と上部格子層51との界面においては、フレネル反射を生じ難い。したがって、空気層と上部格子層51との界面での反射が抑えられ、上部格子層51に入射した光は上部格子層51を透過して第2格子層41に到達する。
[Optical action of color filter]
With reference to FIG. 14 and FIG. 15, the optical configuration and operation of the color filter of the second embodiment will be described.
As shown in FIG. 14, when the
第2格子層41の屈折率は、第2金属層42の屈折率と第2誘電体層44の屈折率とによって平均化された大きさに近似される。すなわち、第2格子層41の屈折率は、海成分である第2誘電体層44に支配された大きさであり、空気層の屈折率よりも高い値である。また、第2格子層41は金属と誘電体とからなる格子構造を有し、第2金属層42の構造周期PTはサブ波長周期であるため、第2格子層41ではプラズモン共鳴が生じる。したがって、第2格子層41に到達した光の一部は、上部格子層51と第2格子層41との界面で反射し、第2格子層41に到達した光の一部は、表面プラズモンに変換されて第2格子層41を透過する。プラズモン共鳴によって消費される波長領域の光EP2は、上部格子層51と第2格子層41との界面で反射されない。
The refractive index of the second
中間格子層31の屈折率は、第1中間誘電体層32の屈折率と第2中間誘電体層34の屈折率とによって平均化された大きさに近似される。すなわち、中間格子層31の屈折率は、海成分である第2中間誘電体層34に支配された大きさである。第1中間誘電体層32と第2中間誘電体層34とは、可視領域の光を透過する透明な誘電体であるため、中間格子層31は、可視領域の光の透過性が高い。第2格子層41の屈折率と中間格子層31の屈折率との差によっては、中間格子層31に到達した光の一部は、第2格子層41と中間格子層31との界面で反射する。
The refractive index of the intermediate
第1格子層21の屈折率は、第1誘電体層22の屈折率と第1金属層23の屈折率とによって平均化された大きさに近似される。すなわち、第1格子層21の屈折率は、海成分である第1金属層23に支配された大きさである。また、第1格子層21は金属と誘電体とからなる格子構造を有し、第1誘電体層22の構造周期PTはサブ波長周期であるため、第1格子層21ではプラズモン共鳴が生じる。したがって、第1格子層21に到達した光の一部は、中間格子層31と第1格子層21との界面で反射し、第1格子層21に到達した光の一部は、表面プラズモンに変換されて第1格子層21を透過する。プラズモン共鳴によって消費される波長領域の光EP1は、中間格子層31と第1格子層21との界面で反射されない。
The refractive index of the
第1格子層21を透過した光の一部は、第1格子層21と支持部11との界面や、中間層11bと基材11aとの界面や、支持部11と空気層との界面で反射され得る。そして、第1格子層21を透過した光の波長領域の一部の光LP1は、支持部11を透過してカラーフィルタの裏面側に射出される。
A part of the light transmitted through the first
各層の界面で反射した光は、カラーフィルタの表面側に射出され、これらの光の光路差に起因して干渉を起こす。結果として、カラーフィルタの外側から外光L1を入射させたとき、カラーフィルタの表面側には、プラズモン共鳴および光の干渉が作用した特定の波長領域の光LR1が射出される。ただし、第1金属層23および第2金属層42の厚さが十分に薄いため、反射光である光LR1の強度は抑えられる。結果として、カラーフィルタの外側から上部格子層51へ外光L1を入射させて、カラーフィルタの表面側から表面10Sを観察する非点灯時観察によれば、黒色および白色とは異なる有色の色彩であって、かつ、暗色の色彩が、副画素10Aで視認される。
The light reflected at the interface of each layer is emitted to the surface side of the color filter and causes interference due to the optical path difference between these lights. As a result, when external light L1 is incident from the outside of the color filter, light LR1 in a specific wavelength region in which plasmon resonance and light interference act is emitted on the surface side of the color filter. However, since the
図15が示すように、光源装置2から副画素10Aの裏面10Tに白色の光LAを入射させたとき、同様に、第1格子層21および第2格子層41の各々ではプラズモン共鳴が生じる。そして、カラーフィルタの表面側には、第1格子層21および第2格子層41の各々を透過した表面プラズモンが再変換された光と、すべての層を透過した光とを含む特定の波長領域の光LP2が射出される。したがって、光源装置2からカラーフィルタへ光LAを入射させて、カラーフィルタの表面側から表面10Sを観察する点灯時観察では、副画素10Aの種類に応じた色変換後の光LP2、すなわち、黒色および白色とは異なる有色の色彩が、副画素10Aで視認される。
As shown in FIG. 15, when white light LA is incident from the
一方、光源装置2から副画素10Aの裏面10Tに白色の光LAを入射させたとき、カラーフィルタの裏面側には、各層の界面で反射した光として、フレネル反射に加えてプラズモン共鳴や光の干渉が作用した特定の波長領域の光LR2が射出されるが、光LR2の強度は低く抑えられる。
On the other hand, when the white light LA is incident on the
なお、上述のように、第1格子層21および第2格子層41の各々において特定の波長領域の光に対しプラズモン共鳴が生じるため、格子層21,41ごとに、プラズモン共鳴によって消費されて格子層21,41を透過する波長領域と、プラズモン共鳴によって消費されずに格子層21,41と他の層との界面で反射される波長領域とは異なる波長領域となる。したがって、反射光である光LR1,LR2と、透過光である光LP1,LP2との波長領域は互いに異なる。
As described above, since plasmon resonance occurs with respect to light in a specific wavelength region in each of the first
また、構造周期PTに対する幅WTの比が0.30以上0.65以下であるため、プラズモン共鳴が生じる第1格子層21と第2格子層41のうち、第1格子層21は、第1金属層23が支配的に位置する層となり、第2格子層41は、第2誘電体層44が支配的に位置する層となる。こうした構造の違いに起因して、第1格子層21と第2格子層41とで、プラズモン共鳴により消費される波長領域は異なり、また、第1格子層21と他の層との界面と、第2格子層41と他の層との界面とで、光の反射率は異なる。カラーフィルタの表面側から副画素10Aに入射する光は、第1格子層21よりも第2格子層41に先に到達し、第2格子層41による光学的作用を大きく受ける。一方、カラーフィルタの裏面側から副画素10Aに入射する光は、第2格子層41よりも第1格子層21に先に到達し、第1格子層21による光学的作用を大きく受ける。結果として、表面側から副画素10Aに光が入射する場合と、裏面側から副画素10Aに光が入射する場合とで、特に反射光の色彩が大きく異なる。
Further, since the ratio of the width WT to the structural period PT is not less than 0.30 and not more than 0.65, the
さらに、各格子層21,41においてプラズモン共鳴によって消費される波長領域は、各格子層21,41の格子構造、すなわち、構造周期PTや各格子層21,41の厚さや第1誘電体層22および第2金属層42の幅WTによって変わり、また、各格子層21,41の材料、すなわち、金属層61の材料や突部11Tの材料の屈折率や誘電体層62の材料の屈折率によって変わる。したがって、例えば、第1格子層21における第1誘電体層22の材料の選択や、第2格子層41における第2誘電体層44の材料の選択によって、反射光や透過光の波長領域を調整することができる。すなわち、副画素10Aによる変換後の光の色の調整が可能である。
Furthermore, the wavelength region consumed by plasmon resonance in each of the lattice layers 21 and 41 is the lattice structure of each of the lattice layers 21 and 41, that is, the structural period PT, the thickness of each of the lattice layers 21 and 41, and the
例えば、同一の構造周期PTを有する2つの副画素10Aであって、突部11Tおよび金属層61の各々の材料が2つの副画素10Aで同一であり、誘電体層62の材料が2つの副画素10Aで異なる副画素10Aを比較する。すなわち、2つの副画素10Aにおいて、第1格子層21の構成は同一であり、中間格子層31における第1中間誘電体層32の材料も同一であり、第2格子層41における第2金属層42の材料も同一である。一方、2つの副画素10Aにおいて、中間格子層31における第2中間誘電体層34の材料は互いに異なり、第2格子層41における第2誘電体層44の材料は互いに異なり、上部格子層51における第1上部誘電体層52の材料も互いに異なっている。このように、2つの副画素10Aにおいて、中間格子層31、第2格子層41、および、上部格子層51の各々の構成が互いに異なっていることにより、これらの層を透過する光の波長領域は、2つの副画素10Aで互いに異なる。したがって、2つの副画素10Aが出射する色変換後の光の波長領域は互いに異なる。
For example, in the two
以上、第2実施形態によれば、第1実施形態の(1)〜(5),(8)の効果に加えて、以下に列挙する効果が得られる。
(9)副画素10Aが誘電体層62を備えているため、誘電体層62を構成する材料の変更によって、副画素10Aが透過する波長領域を調整することができる。したがって、副画素10Aが透過する光の波長領域の分布を副画素10A内において調整する自由度がさらに高められる。
As described above, according to the second embodiment, in addition to the effects (1) to (5) and (8) of the first embodiment, the effects listed below can be obtained.
(9) Since the sub-pixel 10 </ b> A includes the
(10)誘電体層62が、チタン、ニオブ、アルミニウム、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム、珪素、マグネシウムからなる群から選択されるいずれか1つの材料の酸化物を含む材料から構成される形態であれば、誘電体層62の屈折率を広い範囲から選択可能である。したがって、副画素10Aが透過する波長領域の調整の自由度が高められる。
(10) If the
(11)誘電体層62の厚さT7が、突部11Tの高さである厚さT5以下である構成であれば、副画素10Aにおける光の透過性が高められるため、副画素10Aの透過する光の強度が高められる。したがって、各副画素10Aにおける色味の鮮明さや各副画素10Aにおける光の輝度を高めることが可能ともなる。また、誘電体層62の厚さT7が、200nm以下である構成であれば、副画素10Aにおける光の透過性が十分に高められる。
(11) If the thickness T7 of the
<第2実施形態の変形例>
上記第2実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・孤立領域A2と周辺領域A3とからなる平面において、孤立領域A2が占める面積比率、すなわち、基準面と突部11Tとを含む平面において、単位面積あたりにおいて突部11Tが占める面積の割合は、0.1より大きいことが好ましい。上記面積比率が0.1より大きい構成であれば、突部11Tの幅に対する高さの比であるアスペクト比が過度に大きくなることが抑えられるため、支持部11と突部11Tとからなる構造体の耐久性が高められ、また、突部11Tの加工の精度が得られやすい。
<Modification of Second Embodiment>
The second embodiment can be implemented with the following modifications.
The area ratio occupied by the isolated area A2 in the plane composed of the isolated area A2 and the peripheral area A3, that is, the ratio of the area occupied by the
一方、上記面積比率が0.5より小さい構成であれば、上部格子層51とその上層との界面においてフレネル反射が生じることが好適に抑えられる。なお、金属層61や誘電体層62の製法によっては、これらの層の形成の際に突部11Tの側面にも材料が付着する。上記面積比率が0.5より小さい構成であれば、互いに隣り合う突部11T間の領域の大きさが十分に確保され、突部11T間の領域が、金属層61や誘電体層62の形成の際に突部11Tの側面に付着した材料によって埋まることが抑えられる。したがって、金属層61および誘電体層62が下層の表面形状に追従した形状に形成されやすい。その結果、第1上部誘電体層52が点在する上部格子層51が好適に形成され、上部格子層51の界面でフレネル反射を抑える効果が好適に得られる。
On the other hand, if the area ratio is smaller than 0.5, occurrence of Fresnel reflection at the interface between the
副画素10Aの特に表面側でフレネル反射を抑えるためには、第2上部誘電体層53に対して第2格子層41とは反対側で第2上部誘電体層53に接する層である表面層と、第2上部誘電体層53との間の屈折率差は、第1金属層23と支持部11との間の屈折率差よりも小さいことが好ましい。表面層は、例えば空気層である。そして、第2上部誘電体層53の屈折率は、表面層の屈折率と等しいことがさらに好ましい。
In order to suppress Fresnel reflection particularly on the surface side of the sub-pixel 10A, a surface layer that is a layer in contact with the second
・第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、第1金属層23と第2金属層42とは、図8に示した形状的特徴を有し得る。そして、金属層61は、第1中間誘電体層32の側面に位置して第2金属層42に連続する金属層である中間金属層32Aを含み得る。中間金属層32Aは、第1中間誘電体層32と第2中間誘電体層34とに挟まれ、第1中間誘電体層32の側面上での厚さが、第1金属層23に近い部位ほど薄い。なお、中間金属層32Aの存在によって、中間格子層31でもプラズモン共鳴が生じ得る。
・第2実施形態においても、第1実施形態の図9で示した構造と同様に、突部11Tの形状は、支持部11の表面から突き出る錐体状であってもよい。
In the second embodiment, as in the first embodiment, the
In the second embodiment, similarly to the structure shown in FIG. 9 of the first embodiment, the shape of the
・図16が示すように、カラーフィルタは、誘電体層62の上に保護層45をさらに備えてもよい。こうした構成によれば、支持部11および突部11Tと、金属層61と、誘電体層62とから構成される構造体を保護することができる。保護層45は、第2上部誘電体層53と一体の構造体に具体化できる。この際、保護層45は、低屈折率の樹脂層であることが好ましい。低屈折率の樹脂層は、第1誘電体層22の屈折率や第1中間誘電体層32の屈折率よりも空気層の屈折率に近い屈折率を有する。
As shown in FIG. 16, the color filter may further include a
また、カラーフィルタの表面を構成する保護層45がフッ素を含む樹脂から構成される形態であれば、カラーフィルタの表面に汚れが付着することが抑えられる。
なお、保護層45は、図16が示すように平坦な表面を有していてもよいし、誘電体層62の表面形状に追従した形状を有していてもよい。
Further, if the
The
・副画素10Aの表面10Sと対向する方向から見た孤立領域A2の配置は、正方配列および六方配列に限らず、二次元格子状であればよい。すなわち、複数の第1誘電体層22は二次元格子状に並んでいればよく、また、複数の第1中間誘電体層32も二次元格子状に並んでいればよく、また、複数の第2金属層42も二次元格子状に並んでいればよく、また、複数の第1上部誘電体層52も二次元格子状に並んでいればよい。換言すれば、周期構造体の周期要素は、サブ波長周期を有した二次元格子状に並んでいればよい。二次元格子状の配列は、二次元平面内において交差する2つの方向の各々に沿って要素が並ぶ配列である。この際、構造周期PTに対する幅WTの比は、1つの方向での構造周期PTに対する幅WTの比であり、当該比が所定の範囲内であるとは、周期要素が並ぶ上記2つの方向の各々について、構造周期PTに対する幅WTの比が所定の範囲内であることを示す。また、カラーフィルタが有する各層の厚さが構造周期PTに対して所定の範囲内であるとは、周期要素が並ぶ上記2つの方向の各々における構造周期PTに対して、各層の厚さが所定の範囲内であることを示す。
The arrangement of the isolated regions A2 viewed from the direction facing the
また、副画素10Aの表面10Sと対向する方向から見た孤立領域A2の形状、すなわち、周期要素の平面形状は、正方形に限らず、長方形や他の多角形であってもよいし、円形であってもよい。
Further, the shape of the isolated region A2 viewed from the direction facing the
・第2実施形態においても、基準面に並ぶ周期要素は、支持部11の表面が備える有底の孔であってもよい。具体的には、図17が示すように、孤立領域A2には、支持部11の表面から窪む孔である凹部11Hが位置する。副画素10Aの表面10Sと対向する方向から見て、複数の凹部11Hは、サブ波長周期を有した二次元格子状に並ぶ。こうした構成においては、支持部11が周期構造体である。そして、周期構造体が有する周期要素は、支持部11の表面を基準面として、基準面から窪む凹部11Hである。また、周期要素の一端部は、各凹部11Hの備える開口部であり、周期要素の他端部は、各凹部11Hの備える底面である。
-Also in 2nd Embodiment, the bottomed hole with which the periodic element arranged in a reference plane is equipped with the surface of the
この場合も、金属層61は、周期構造体の表面形状に追従する形状を有し、誘電体層62は、金属層61の表面形状に追従する形状を有する。そして、各凹部11Hの開口部を囲う網目状に第1金属層23が位置し、各凹部11Hの底面に、第2金属層42が位置する。第1金属層23の上に網目状の誘電体層71が位置し、第2金属層42の上に、二次元格子状に並ぶ誘電体層72が位置する。この際、各第2金属層42と、支持部11のなかで各第2金属層42を囲う網目状の部分とによって、金属と誘電体とからなる格子構造が形成される。また、第2金属層42上に位置する誘電体層72と、第1金属層23とによっても、金属と誘電体とからなる格子構造が形成される。カラーフィルタに光が照射されると、これらの格子構造を有する層にて、プラズモン共鳴が生じることに起因して、副画素10Aは、特定の波長領域の光を透過する。こうした構成によっても、上記(9)から(11)に準じた効果が得られる。
・第2実施形態の光学フィルタの構成は、第1実施形態と同様に、撮像素子に用いられるフィルタに適用されてもよい。
Also in this case, the
-The structure of the optical filter of 2nd Embodiment may be applied to the filter used for an image pick-up element similarly to 1st Embodiment.
A2…孤立領域、A3…周辺領域、L1…外光、EP1,EP2,LA,LP1,LP2,LR,LR1,LR2…光、LT…正方形、PT…構造周期、T2,T3,T4,T5,T6,T7…厚さ、W4,WT…幅、WP…最短幅、1…カラーフィルタ、2…光源装置、10A…副画素、10S…表面、10T…裏面、11…支持部、11T…突部、11H…凹部、21…第1格子層、22…第1誘電体層、23…第1金属層、31…中間格子層、32…第1中間誘電体層、32A…中間金属層、33,34…第2中間誘電体層、41…第2格子層、42…第2金属層、43,44…第2誘電体層、45…保護層、51…上部格子層、52…第1上部誘電体層、53…第2上部誘電体層、61…金属層、62…誘電体層、120…光学フィルタ、121…フィルタ要素、130…受光素子群、131…受光素子、140…撮像素子。
A2 ... isolated region, A3 ... peripheral region, L1 ... external light, EP1, EP2, LA, LP1, LP2, LR, LR1, LR2 ... light, LT ... square, PT ... structural period, T2, T3, T4, T5 T6, T7 ... thickness, W4, WT ... width, WP ... shortest width, 1 ... color filter, 2 ... light source device, 10A ... subpixel, 10S ... front surface, 10T ... back surface, 11 ... support portion, 11T ...
Claims (14)
前記フィルタ要素は、誘電体から構成される周期構造体であって、二次元格子状に並ぶ複数の周期要素を備えた前記周期構造体と、前記周期構造体の表面に位置する金属層と、を備え、
前記周期構造体において前記複数の周期要素の並ぶ平面が基準面であり、
前記周期要素は、前記基準面に一端部を有して前記基準面から突出する突部と、前記基準面に一端部を有して前記基準面から窪む孔とのいずれか一方であり、
前記金属層は、前記基準面のなかで各周期要素の前記一端部を囲む網目状を有した第1金属層と、各周期要素の他端部に位置する第2金属層とを備え、
前記周期要素の構造周期が、前記フィルタ要素が透過する前記波長領域以下のサブ波長周期であり、
前記二次元格子に沿った各方向での前記構造周期に対する前記周期要素の幅の比が、0.30以上0.65以下であり、
前記金属層は、可視領域の光に対する複素誘電率の実部が負の値であり、
前記金属層の厚さが、前記周期要素における前記一端部と前記他端部との距離の10分の1以下である
光学フィルタ。 A plurality of filter elements that selectively transmit light in a specific wavelength region;
The filter element is a periodic structure composed of a dielectric, the periodic structure including a plurality of periodic elements arranged in a two-dimensional lattice, a metal layer located on the surface of the periodic structure, With
In the periodic structure, a plane in which the plurality of periodic elements are arranged is a reference plane,
The periodic element is either one of a protrusion having one end on the reference surface and projecting from the reference surface, and a hole having one end on the reference surface and recessed from the reference surface,
The metal layer includes a first metal layer having a mesh shape surrounding the one end of each periodic element in the reference plane, and a second metal layer located at the other end of each periodic element,
The structural period of the periodic element is a sub-wavelength period below the wavelength region that the filter element transmits,
A ratio of the width of the periodic element to the structural period in each direction along the two-dimensional lattice is 0.30 or more and 0.65 or less;
The metal layer has a negative real part of the complex dielectric constant for light in the visible region,
The thickness of the said metal layer is 1/10 or less of the distance of the said one end part in the said periodic element, and the said other end part. Optical filter.
請求項1に記載の光学フィルタ。 The optical filter according to claim 1, wherein a distance between the one end and the other end of the periodic element is 100 nm or more and 200 nm or less.
請求項1または2に記載の光学フィルタ。 The optical filter according to claim 1, wherein a thickness of the metal layer is 15 nm or less.
前記二次元格子に沿った各方向での前記構造周期に対する前記周期要素の幅の比は、0.5以下である
請求項1から3のいずれか一項に記載の光学フィルタ。 The periodic element is the protrusion;
The optical filter according to any one of claims 1 to 3, wherein a ratio of a width of the periodic element to the structural period in each direction along the two-dimensional grating is 0.5 or less.
請求項1から4のいずれか一項に記載の光学フィルタ。 The optical filter according to any one of claims 1 to 4, wherein the material constituting the metal layer includes any one metal material selected from the group consisting of aluminum, tantalum, silver, and gold.
前記誘電体層の厚さは、前記周期要素における前記一端部と前記他端部との距離以下である
請求項1から5のいずれか一項に記載の光学フィルタ。 A dielectric layer located on the surface of the metal layer and having a shape following the surface shape of the metal layer;
The optical filter according to any one of claims 1 to 5, wherein a thickness of the dielectric layer is equal to or less than a distance between the one end and the other end of the periodic element.
請求項6に記載の光学フィルタ。 The optical filter according to claim 6, wherein the dielectric layer has a thickness of 200 nm or less.
請求項6または7に記載の光学フィルタ。 The material constituting the dielectric layer includes an oxide of any one material selected from the group consisting of titanium, niobium, aluminum, tantalum, hafnium, zirconium, silicon, and magnesium. Optical filter.
前記光学フィルタが備える複数の前記フィルタ要素には、各種類に固有の波長領域の光を選択的に透過する複数種類の前記フィルタ要素が含まれる
請求項1から8のいずれか一項に記載の光学フィルタ。 The optical filter is a filter provided in a display device,
9. The plurality of filter elements included in the optical filter include a plurality of types of the filter elements that selectively transmit light in a wavelength region specific to each type. 10. Optical filter.
請求項1から8のいずれか一項に記載の光学フィルタ。 The optical filter according to claim 1, wherein the optical filter is a filter provided in an imaging device.
前記フィルタ要素に可視領域の光を入射させる光源装置と、を備える
表示装置。 An optical filter according to any one of claims 1 to 9,
A light source device that causes light in a visible region to enter the filter element.
前記フィルタ要素を透過した光を受光して電気信号に変換する受光素子と、を備える
撮像素子。 An optical filter according to any one of claims 1 to 8, 10;
A light receiving element that receives light transmitted through the filter element and converts the light into an electrical signal.
前記フィルタ要素を形成する工程が、
基材の表面に塗工された樹脂に凹版の有する凹凸を転写することにより、前記基材の表面と対向する方向から見て、突部または有底の孔である周期要素が、前記フィルタ要素が透過する前記波長領域以下のサブ波長周期を有した二次元格子状に位置する周期構造体であって、前記二次元格子に沿った各方向での前記周期要素の構造周期に対する前記周期要素の幅の比が、0.30以上0.65以下である前記周期構造体を形成する第1工程と、
前記周期構造体の上に、前記周期構造体の表面形状に追従する形状を有した金属層であって、可視領域の光に対する複素誘電率の実部が負の値の前記金属層を、前記周期構造体において前記複数の周期要素の並ぶ平面に位置する前記周期要素の一端部と前記周期要素の他端部との距離の10分の1以下の厚さに形成する第2工程と、を含む
光学フィルタの製造方法。 A method of manufacturing an optical filter comprising a plurality of filter elements that selectively transmit light in a specific wavelength region,
Forming the filter element comprises:
By transferring the unevenness of the intaglio to the resin coated on the surface of the base material, the periodic element that is a protrusion or a bottomed hole when viewed from the direction facing the surface of the base material is the filter element A periodic structure located in a two-dimensional lattice having a sub-wavelength period equal to or less than the wavelength region through which the periodic element is transmitted, wherein the periodic element has a structure period of the periodic element in each direction along the two-dimensional grating. A first step of forming the periodic structure having a width ratio of 0.30 or more and 0.65 or less;
A metal layer having a shape that follows the surface shape of the periodic structure on the periodic structure, wherein the real part of the complex dielectric constant for light in the visible region is negative. A second step of forming a thickness of 1/10 or less of a distance between one end of the periodic element and the other end of the periodic element located on a plane in which the plurality of periodic elements are arranged in the periodic structure; A method for manufacturing an optical filter.
請求項13に記載の光学フィルタの製造方法。 A third step of forming a dielectric layer having a shape following the surface shape of the metal layer on the metal layer to a thickness equal to or less than the distance between the one end and the other end of the periodic element. The method for producing an optical filter according to claim 13.
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