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サブ波長カラーフィルター
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概要
高解像度化・コンパクト化ニーズに対応するため、カメラの小型化が進んでいます。この小型化に伴い、画素の小型化と従来のカラーフィルターの再設計が求められています。多くのカラーフィルターは、従来の吸収性色素をベースにしており、画素サイズが小さくなるとクロストークの影響を受けやすくなり、経年劣化で色あせてしまいます。
このアプリケーション事例では、金属薄膜を用いたプラズモニックカラーフィルターと誘電体材料を用いた誘電体カラーフィルターの2種類のカラーフィルターについて説明します。
カラーフィルターアレイ
カメラでは、色を正確に検出するためにカラーフィルターアレイを使用します。
カラーフィルターの配列にはさまざまなものがありますが、ベイヤーモザイクを以下に示します。
このカラーフィルターでは、1画素あたり4つのセンサーを使用します。青1個、赤1個、緑2個のセンサーを使い、後処理でカラー画像が生成されます。
カラーフィルターの種類
その他の種類のカラーフィルターとしては以下のようなものがあります。
特徴
- 顔料／染料フィルター(Pigment/Dye Filters)はよく知られており、広く使用されていますが、小さな画素はクロストークに弱く、紫外線照射により徐々に退色していきます。
- プラズモンフィルター(Plasmonic Filters)は非常に感度が高く、作製が容易で劣化しにくいが、透過率が低いという長所と短所があります。
- 誘電体フィルター(Dielectric Filters)は、プラズモニックフィルターに比べ、作製が容易で劣化がなく、透過率が高いという特徴があります。
プラズモニックカラーフィルター
この例では、すべてのグレーティングは、SiO2を背景材料として、150nm厚のAlプレート内に六方格子状にナノホールを配列した構成になっています。ここでは、赤、緑、青の透過型グレーティングを個別に調整したものを示しています。
FullWAVE FDTDで計算した結果は、クロストークに寄与する短波長での追加共振を除いて、参考文献とよく一致しています。ただし、参考文献では正確な形状情報が明記されていないことと、共振が形状に敏感であることに注意する必要があります。
誘電体カラーフィルター
この例では、すべてのグレーティングは115nm厚のSiO2スペーサー上に配置された80nm厚のポリシリコンスラブに設けられたエアホールであり、透過型グレーティングは赤、緑、青に対して個別に調整されています。
DiffractMODで計算した結果は、参考文献と非常によく一致しています。
また、角度感度の結果も参考文献の結果と一致しています。
青の特性の改善
赤と緑は約75%の透過率ですが、青は約60%に留まっています。これは、ポリシリコンが短波長側でより吸収されやすいことと、短波長ではより小さな構造が必要となり、製造上の困難が生じる可能性があることに起因している可能性があります。MOSTを使用してパラメータ空間を探索し、青に対する性能を向上させることができるかどうかを確認することができます。
MOSTでは青の特性を改善するために、次のような取り組みを行っています。
- Period_customとFactorをスキャンし、450nm以下の透過率を測定
- 最適なポイント(Period_custom = 150nm, Factor = 0.9)でのスペクトルを計算
この場合、角度に対する低感度は維持されますが、クロストークが大きくなります。クロストークは、やや長波長側の「青色」の波長（約480nm）を使用することで低減できます。
有限ピクセルの研究
これまでは、青の構成のみが無限に広がっている構造を前提として検討してきましたが、現実にはピクセルサイズは有限です。FullWAVE FDTDを使用して、新たに「最適化」された青いサブピクセルを使って、1つのピクセルを検討することができます。サブピクセルピッチを1.05μmとして、各サブピクセルを通る透過率を評価します。周期境界条件を使用して、RGBサブピクセルの2x2の無限アレイを効果的に評価します。
正規化された結果は理想的な(サブピクセルのみの)無限シミュレーションと似通っていますが、予想された違いも存在します。
- エッジ効果や画素の有限サイズに起因すると思われるピーク透過率の低下が起きている。
- 青のピークが低く、クロストークも大きい。青のピクセルは無限ではなく、有限のサイズで最適化する必要がある。
まとめ
カメラの小型化に伴い、画素の小型化とカラーフィルターの再設計が求められています。従来の吸収性色素を用いたカラーフィルターは、画素サイズが小さくなるとクロストークの影響を受けやすくなり、時間の経過とともに色あせすることがあります。プラズモニックカラーフィルターは有望ですが、損失が大きいという問題があります。誘電体カラーフィルターは、既存のプロセスに適合させることができる優れた代替手段だと考えられます。
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