CN1782750B - 光学部件及光学部件的制造方法 - Google Patents

Abstract

光学部件或光学低通滤镜，具有通过折射率不同区分2个以上的区域，在透明材料的内部形成与这些区域中最大体积即连续区域的折射率具有不同折射率的区域。该光学部件或光学低通滤镜，通过对透明材料照射或会聚照射脉冲激光，在内部形成折射率不同的区域。

Description

光学部件及光学部件的制造方法

本申请要求2004年12月3日申请的日本专利申请号2004-351632号的优先权，其内容结合于此。

技术领域

本发明涉及使用脉冲激光，特别是例如费(10^-15)秒脉冲等时间宽度为10^-12秒以下的脉冲激光制作的光学部件。具体地说涉及摄像机、数码相机、光纤显微镜等的固体摄像元件中合适的光学低通滤镜及其制造方法。另外，也适合用于液晶、等离子、EL、SED显示器等点阵显示元件中的光学低通滤镜。

背景技术

近年，随着数字视频相机和数码相机的普及，光学系统的小型化和像素数量的高密度化也在发展。

数字视频相机、数码相机，具备包含不连续而且规则排列的像素的固体摄像元件，将拍摄对象的像通过光学空间采样，获得与拍摄对象的像各像素对应的摄像输出。

在这样光学采样拍摄对象的像的固体摄像元件中，可处理的图案的细小度与采样频率关联确定，比该采样频率的一半频率，即奈奎斯特频率(以下称为：截止频率)高的空间频率分量如果被上述拍摄对象的像所包含，则因为折返产生伪信号，例如彩色视频相机中，与拍摄对象的颜色无关的颜色通过上述伪信号进入回放图象中。因而，具有上述的固体摄像元件的装置中，在摄像光学系统中设置限制拍摄对象的高空间频率分量的光学低通滤镜，防止折返产生伪信号。

作为上述光学低通滤镜，以前的利用水晶的复折射，针对比截止频率低的空间频率分量，极力维持高对比度的方法广为人知。

另外，以前考虑成像光学系统的瞳函数的自相关函数对该系统的传递函数(以下，将其绝对值记为MTF)影响，提出了对该瞳函数积极地保持像差为目的的光学特性的相位型光学低通滤镜。即，由于MTF是相对于空间频率表示对比度，在光学系统中，通过插入呈现出减低由像素的开口宽度和节距确定的截止频率以上的高空间频率区域的对比度的MTF特性的光学部件，使折返产生的伪信号像不明显。

这样的相位型光学低通滤镜，例如将在玻璃和树脂等的透明基板表面形成条纹状的周期构造的部件插入光学系统，通过上述条纹状的周期构造而改变瞳函数的相位项，以赋予透射光的光学距离的差即相位差，使之具有光学低通滤镜的特性。

针对上述相位型光学低通滤镜的制作方法，已经公开各种各样的手法，例如半导体加工技术中使用的平版印刷。这里，对玻璃等基板上涂敷的感光性树脂膜，使用光刻掩模，进行掩模曝光或干涉曝光及显影，在玻璃上制作感光性膜的图案。然后，从其上进行干燥蚀刻处理，同时蚀刻表面露出的玻璃和感光性膜的图案，结果感光性膜消失的同时，露出的玻璃面通过蚀刻形成凹部，整体形成由玻璃基板组成的衍射光栅。

另外，有使用上述手段在金属和单晶体等上制作图案，将其作为铸型进行热间冲压，通过射出成型进行图案转写的手法，或者将光固化性树脂注入该铸型，通过照射紫外线等，将树脂固化成铸型形状的感光性树脂法(参照特开平6-308430号公报)。

另外，特开平6-242404号公报、特开平7-5395号公报中，公开了使用金刚石砂轮，通过切削加工在基板表面制作周期凹凸的条纹状构造的手法。

特开昭61-149923号公报中，公开了使用离子交换法等，在玻璃表面形成折射率不同的部分，制作相位型衍射光栅的方法。

另一方面，近年伴随激光脉冲压缩技术的提高，使用超短脉冲激光的透明材料的加工的报告很多，特别是脉冲宽度为费秒水平的激光，从该光束功率的强度，可知利用多光子吸收过程的透明材料内部的三维加工是可能的，特开平9-311237号公报中，公开了通过激光照射在玻璃内部形成高折射率区域，立体构成光导波路的方法。另外，特开2000-56112号公报中，公开了通过激光照射，使永久的折射率变化三维分布在玻璃内部，制作衍射光学元件的方法。

另外，针对费秒激光的照射方法，将脉冲光束通过透镜会聚，扫描焦点的加工法(上述的其他，参照特表2003-506731号公报)，和特开2004-196585号公报中，公开了激光光束不使用扫描结构，在玻璃等的透明材料内部，一起形成二维或者三维形状的折射率变化部位的方法。

使用水晶复折射的光学低通滤镜，水晶的原料成本高，特别是，使用固态摄像元件的彩色视频相机中，由于需要多片水晶，厚度增加，限制了光学系统的小型化。另外，在制造上，由于正确的光学轴合配合、粘合时的失真的问题等，其制造上的问题很多，不适合量产。

另一方面，使用通过加工材料的表面获得的传统的相位型衍射光栅的光学低通滤镜，从制造的观点看，有以下的各种问题点。

例如，使用平版印刷的场合，如上所述的工序数多，耗费时间而导致加工成本高。另一方面，从加工的难易度看，例如制作凹凸差高的矩形格子时，在垂直方向加工深沟并不容易，必须根据材料选定干燥蚀刻时的最适环境条件等，控制繁杂，材料选择的自由度低。另外，在加工方法的性质上，限于表面的二维加工，构造设计的自由度也较低。

另一方面，使用通过平版印刷制作的铸型时，与平版印刷加工直接基板的场合相比较，由于量产性提高，有抑制成本的优点，但是在材料选择面会有限制。即，热间铸造的场合，被加工材料限于玻璃和树脂。另外，即使是特开平6-308430号公报公开的感光性树脂法的场合，也限于感光性树脂。而且，热间铸造的场合，模具和被加工材料选择时，对玻璃的软化温度，模具的耐久性也成为课题，反过来，该观点限制了材料。

对于使用金刚石砂轮的切削加工，与使用铸型的玻璃和树脂的成型相比，量产性低，多角和曲线的滤光图案加工困难，所以在设计阶段形状的自由度低，且形状精度也低。另外，材料的机械强度也成为课题，材料选择的自由度低。

使用离子交换法等，在玻璃表面形成折射率不同部分的方法，基本上在材料表面加工，图案设计的自由度低。另外，离子交换法的场合，为了获得所希望的图案，通过上述光刻法形成金属掩模等的图案，并将其浸渍在溶融盐槽进行，工序繁杂。

另一方面，对于上述超短脉冲激光的内部加工，之前的特开2004-196585号公报中，例示了几个通过三维形状的折射率变区域的形成制作的光通信用的光部件的例子。另外，之前的特开2000-56112号公报中，提出了三维体积型衍射光栅的制作法，明确说明了作为使用层状折射率变化区域的布喇格衍射光栅的利用。但是，任意一个公开中，未讨论控制透射的光的相位的光学部件，特别是针对光学低通滤镜的用途。

发明内容

本发明的目的是提供制造容易，从材料选择或构造等观点看，设计自由度高的光学部件或光学低通滤镜。

本发明人着眼于利用通过脉冲激光在透明材料内部二维或三维形成的异质相引起的折射率变化区域，可控制光的相位，发现在控制透射光线的相位的光学部件上的应用，其中，特别是发现作为光学低通滤镜的应用。

即，该加工法如果在加工波长为透明的材料，则由于多光子吸收过程可对材料内部进行三维加工，即使是对于传统的加工法困难复杂的图案设计的场合，通过照射光学系统的变更等变得容易，通过缩短加工的工序数及加工时间，可降低制造阶段中的成本。另外，找到可适当选择具有例如安装到固体摄像元件时所要求的光学、机械、热特性的材料，完成本发明。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，具有由折射率不同所区分的2个以上的区域，在透明材料的内部形成具有与这些区域中最大体积的连续区域的折射率不同折射率的区域。

本说明书中，折射率不同所区分的2个以上的区域是指，将某折射率的值设为阈值时，由该折射率区分的2个以上的区域。因此，在区分的一个区域的内部，折射率不一定取一定的值。照射脉冲激光前的透明材料已经具有折射率分布的场合，折射率的阈值也可根据透明材料的位置设定多个值。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，具有上述不同折射率的区域，在连续的同一区域中，形状也可周期变化。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，不连续形成多个具有上述不同折射率的区域，这些形成多个的区域也可二维或三维周期排列。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，具有上述不同折射率的区域，在连续的同一区域中，形状周期变化，根据该周期形状变化，在截止频率以上的高空间频率区域中，MTF值≤0.5。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，不连续形成多个具有上述不同折射率的区域，这些形成多个的区域以二维或三维周期排列，根据该周期排列，在截止频率以上的高空间频率区域中，MTF值≤0.5。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，具有上述不同折射率的区域在连续的同一区域中，形状周期变化，根据该周期形状变化，在截止频率以上的高空间频率区域中，MTF值≤0.5，具有作为光学低通滤镜的功能。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，上述周期形状变化也可是，对入射其中的光进行光线分离，在截止频率以上的高空间频率区域中，MTF值≤0.5。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，不连续形成多个具有上述不同折射率区域，这些形成的多个区域以二维或三维周期排列，该周期排列也可是，在截止频率以上的高空间频率区域中，MTF值≤0.5，具有光学低通滤镜的功能。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，上述周期排列也可以是对入射其中的光进行光线分离，在截止频率以上的高空间频率区域中，MTF值≤0.5。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，在上述透明材料的内部形成的区域，对于具有最大体积的区域，在0.1μm～2μm的波长中的折射率也可有0.0001以上的差异。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，上述透明材料可以是单晶体、玻璃、玻璃陶瓷、烧结体或有机树脂的任意一种。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，上述透明材料，在脉冲宽度为10费(10×10^-15)秒以上，10皮(10×10^-12)秒以下的脉冲激光照射到该透明材料的场合，上述脉冲激光从入射面到会聚上述脉冲激光的部位的该脉冲激光的透射率T与会聚倍率M的关系，最好满足下记式a及b。

T≥100/M²             …(a)

T≥(I_th×2×10^-4)/(I₀×M²)     …(b)

M：(π/4)^1/2×(透明材料入射时的脉冲激光的直径)/(材料会聚体积的立方根)

I_th：在会聚透明材料中的脉冲激光的部位，形成具有不同折射率的区域所必要的脉冲激光束的空间功率密度[W/cm³]

I₀：脉冲光入射材料面的脉冲激光的功率密度[W/cm²]

本发明的光学部件或光学的低通滤镜，上述透明材料也可以是，在厚度0.5mm中的透射率为400nm到550nm的波长区域为50％以上，且在800nm到1000nm为30％以下的红外光截止滤镜。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，上述透明材料最好是放出的α射线量为0.02count/cm²·hr以下。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，上述透明材料最好是，放出的β射线量为100count/cm²·hr以下。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，上述透明材料也可以是折射率分布型光学部件。

本发明的光学部件或光学低通滤镜中，也可以表面的一部分或全部具有凸面部及/或凹面部。

本发明的摄像光学系统，具有上述任意一个构成的光学部件或光学低通滤镜。

本发明的摄像光学系统，在截止频率以上的高空间频率区域中，最好MTF值≤0.5。

本发明的光学部件或低通滤镜的制造方法，为了制造上述的任意一个构成的光学部件或光学低通滤镜，通过对透明材料照射或会聚照射脉冲激光，在内部形成折射率不同的区域。

本发明的制造方法，照射的脉冲激光最好脉冲宽度为10费(10×10^-15)秒以上10皮(10×10^-12)秒以下。

本发明的制造方法中，照射的脉冲激光在上述透明材料内部的会聚的位置中，空间功率密度最好为0.2×10¹¹～0.9×10²⁴W/cm³。

本发明的制造方法中，最好具有将照射的脉冲激光分割成多个的工序。

本发明的制造方法中，最好在上述透明材料中，通过将多个脉冲激光会聚照射到多个位置，一起形成多个折射率不同的区域。

本发明的制造方法中，也使多个脉冲激光在上述透明材料的内部干涉，在内部形成依赖于干涉形成的脉冲激光的光强度分布的形状的折射率不同的区域。

本发明的制造方法中，也可使内部形成的折射率不同的区域的形状，在该连续的区域中周期变化。

本发明的制造方法中，也可内部形成的折射率不同的区域以二维或三维周期排列。

本发明的制造方法中，使内部形成的折射率不同的区域的形状在该连续的区域中周期变化，上述周期形状变化在截止频率以上的高空间频率区域中，最好是MTF值≤0.5。

本发明的制造方法中，内部形成的折射率不同的区域以二维或三维周期排列，上述周期排列在截止频率以上的高空间频率区域中，最好是MTF值≤0.5。

本发明的制造方法中，内部形成的折射率不同的区域，在0.1μm～2μm的波长中的折射率，对于照射或会聚照射脉冲激光前的透明材料的折射率，最好有0.0001以上的差异。

本发明的制造方法中，上述透明材料是，最好使从上述脉冲激光入射面到会聚上述脉冲激光的部位的上述脉冲激光的透射率T与会聚倍率M的关系满足下记式a及b的材料。

T≥100/M²        …(a)

T≥(I_th×2×10^-4)/(I₀×M²)     …(b)

M：(π/4)^1/2×(透明材料入射时的脉冲激光的直径)/(材料会聚体积的立方根)

I_th：在会聚透明材料中的脉冲激光的部位，形成具有不同折射率的区域所必要的脉冲激光束的空间功率密度[W/cm³]

I₀：脉冲光入射材料面的脉冲激光的功率密度[W/cm²]

针对本发明的光学部件或光学低通滤镜的构成进行说明。

本发明由，在具有折射率n₀的透明材料的内部不连续形成与n₀不同折射率N的区域的光学部件或光学低通滤镜构成。这里，从制造工序的效率的观点来看，照射激光的区域尽量少则效率高，折射率n₀的区域最好在光学部件或光学低通滤镜中具有最大体积。

该光学部件或光学低通滤镜，利用通过折射率N的区域的光和通过n₀的光之间的相位变化，或折射率N的区域的形状变化引起光路的变化，从而引起通过的光之间的相位变化。

而且，本发明中，将折射率N的区域的形状在该连续的区域中周期变化，或在透明材料的内部以二维或三维周期形成多个折射率N的区域，通过排列构成光学部件或光学低通滤镜。

该周期形状变化、或周期排列，将入射其中的光进行光线分离，在由固体摄像元件等的采样理论确定的截止频率r_c以上的高空间频率区域中，(空间频率为0[线/毫米]中的MTF值设为1)最好是MTF值为0.5以下。MTF值为0.3以下更好，MTF值为0.1以下最好。

该折射率N的区域排列的周期性，二维或三维的周期可为一定，也可是可调制的。

另外，对于从波长400nm到700nm的光，上述MTF值最好在上述范围内。

作为上述光线分离，如图19所示，光学像21经由透镜光学系统22和本发明的光学部件23，在固体摄像元件24的像素面成像的光学系统中，例如图20所示，如果考虑在一个方向排列的像素尺寸x’的像素，则0次光25和1次光26及/或-1次光27的间隔可以是相等地在三个方向分离。对于这些分离的光的强度，即0次的光强度I₀，±1次的光强度I_±1(I₁，I_-1)，相对强度(R＝I_±1/I₀)为0.5＜R＜2的范围即可。光线分离的方法并不限于此，像素的排列方法，根据视觉的喜好，可利用高次的分离光，并可适宜选择这些强度比。

上述周期形状变化、或周期排列最好是，由本发明的光学部件或光学低通滤镜，和关联实现功能的其他光学部件构成的光学系统进行组合时，低通滤镜的r_c以上的MTF值在上述范围内。另外，作为与本发明的光学部件或光学低通滤镜组合，构成光学系统的光学部件是，例如，透镜、镜面、棱镜、反射防止部件、分色镜部件、偏光部件、相位板、开口光圈，彩色滤光镜等，并不限于这些例子。

另外，上述周期构造可以是，其本身作为透镜使用，且MTF在上述范围内。

折射率N的区域的形状可以是任意形状。例如圆柱状、三角柱状或四角柱状等的多角柱状、球状、椭圆球状、立方体状、长方体状、圆锥状，三角锥或四角锥等的多角锥，而且也可以是其他多面体。另外，该折射率N的区域的形状也可使该连续的区域中的形状周期变化。形成多个折射率N的区域并排列的场合，这些排列的区域各自的形状也可统一，厚度和尺寸也可周期变化，或者随机变化。

这里，本发明所说的透明材料是指，为了形成折射率N的区域，照射的脉冲激光从入射面到使上述脉冲激光会聚的部位的该脉冲激光的透射率T与会聚倍率M的关系，满足下述式(a)及(b)的材料。

T≥100/M²            …(a)

T≥(I_th×2×10^-4)/(I₀×M²)        …(b)

M：(π/4)^1/2×(透明材料入射时的脉冲激光的直径)/(材料会聚体积的立方根)

I_th：在会聚透明材料中的脉冲激光的部位，形成具有不同折射率的区域所必要的脉冲激光束的空间功率密度[W/cm³]

I₀：脉冲光入射材料面的脉冲激光的功率密度[W/cm²]。

在形成折射率N的区域的加工中，相对于照射的激光的波长，材料线性吸收系数最好较小。具体说，满足上述式(a)及式(b)为好。另外，满足下述式(c)而不是上述式(b)则更好；而满足下述式(d)，而不是上述式(c)则最好。

T≥(I_th×3×10^-4)/(I₀×M²)                …(c)

T≥(I_th×5×10^-4)/(I₀×M²)                …(d)

如果在上述的范围内，可使会聚部位以外的区域的破坏变小，可获得优良的精度加工。

这里上述线性吸收系数是指激光束的功率密度(激光功率/照射面积)足够小的时候的吸收系数。

本发明的透明材料最好是单晶体、玻璃、玻璃陶瓷、烧结体或有机树脂。另外，这些材料的形状不需要是块状，可以是块状基板上的薄膜。而且，这些材料形状不需要限于平行平板，例如透镜那样具有曲率的凹和凸曲面，也可具有高次的曲面。

另外，本发明的透明材料可以是其本身具有某种特性。例如CCD等的固体摄像元件的前面，具备用于截断红外线的红外光截止滤光镜，用于保护固体摄像元件的玻璃盖。本发明的透明材料也可以使用该红外光截止滤光镜及/或玻璃盖功能的材料。该红外光截止滤光镜最好，在厚度0.5mm中的透射率，在400nm到550nm的波长区域为50％以上，且在800nm到1000nm的波长区域为30％以下，在400nm到550nm的波长区域为50％以上，且在800nm到1000nm的波长区域为10％以下更好，最好的是在400nm到550nm的波长区域为50％以上，且在800nm到1000nm的波长区域为5％以下。

CCD等的固体摄像元件前面配置的玻璃盖如果其本身放出的α射线量多，则成为引起噪音的原因，最好α射线的放出量少，该量最好在0.02count/cm²·hr以下，0.01count/cm²·hr以下更好。同样，β射线的放出也是噪音的原因，最好在100count/cm²·hr以下，在50count/cm²·hr以下更好。

另外，针对本发明的透明材料，分别单独或复合并少量含有Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ag及Mo等的各迁移金属成分的场合，材料本身着色，发生吸收可视区域的特定的波长，在可视波长区域中使用本发明的光学部件的场合，希望实际上不含的场合较多。另外，由于单独或复合含有各稀土类成分而着色，发生吸收可视区域的特定的波长的倾向，在可视波长区域中使用本发明的光学部件的场合，希望实际上不含的场合较多。

而且，Be、Pb、Th、Cd、Tl、As、Os、S、Se、Te、Bi、F、Br、Cl、I等的各成分，近年作为有害化学物质有控制使用的倾向，不但是玻璃的制造工序，而且到加工工序及成品化后的处理都需要采用必要的环境对策的措施，所以在重视环境影响的场合，实际上不含的场合较多。

但是，作为本发明的透明材料，在使用具有颜色滤光镜的功能的材料，特别是具有红外光截止滤光镜功能的材料的场合，本发明的透明材料中希望包含Cu、Ni、V、Fe、Ce、Pb、Sn等成分的场合较多。

传统的光学低通滤镜，通过在基板表面形成具有折射率不同的部分和凸凹的图案而获得。本发明通过在内部形成折射率N的部分，将其三维排列成为可能，与传统的加工材料表面而获得的低通滤镜比较，图案形成的自由度变高。

这里，折射率n₀和N，表示波长0.1μm～2μm的任意波长中的折射率，使通过的光产生相位差的目的来看，n₀和N最好有0.0001以上的差异，有0.001以上的差异更好，有0.01以上的差异最好。

一个滤光镜的多个区域中，N不一定只有一个值，也可以有多个值。另外，一个连续的区域内中N也可以有多个值，也可以是连续变化。

针对本发明的光学部件或光学低通滤镜的制造方法进行说明。

本发明通过在透明材料内部照射或会聚照射脉冲激光，在该材料内部形成异质相，该异质相的折射率从激光照射前的状态永久变化，通过形成折射率不同的区域而构成。

本发明所述的异质相是指，广泛包含激光的照射而产生的，光引起的变化而形成的异质相。作为光引起的变化广泛包括，例如，由于光的高电磁场而引起的材料内部的分子构造的变化，和激光的会聚引起的热及光化学反应、物质的氧化还原，非线性效果等的各种光效果引起的晶体生成及/或晶体成长及高密度化、低密度化、分相、气泡产生等，本发明中，利用这些引起的永久折射率变化。

在激光照射后的材料内部产生失真的场合，或产生着色的场合，最好在使材料不软化的程度的适当温度区域，进行热处理，降低或除去这些失真和着色。

照射的脉冲激光，脉冲宽度最好在10费(10×10^-15)秒以上、10皮(10×10^-12)秒以下，特别是材料为玻璃的场合，最好在15费秒以上、500费秒以下，在20费秒以上、300费秒以下最好。

在对材料内部照射激光的场合，材料内部中的会聚点的空间分布，特别是三维形状的会聚形状的空间分布成为问题，最好通过空间功率密度的概念规定照射激光。空间功率密度如下式定义。

空间功率密度(W/cm³)＝特定的微小体积中投入的能量(J)÷照射时间(s)÷上述微小体积(cm³)

本发明中折射率变化区域形成时的激光功率，最好在材料内部的会聚位置中的空间功率密度为0.2×10¹¹～0.9×10²⁴W/cm³，特别是0.2×10¹⁵～0.9×10²⁰W/cm³更好，0.5×1015～0.5×10²⁰W/cm³最好。

在照射多个脉冲光的场合，也可照射或会聚照射这些光使之在透明材料内部干涉，根据干涉形成的光强度分布，形成形状的折射率变化区域。此时，该干涉图案的最高光强度的区域中的空间功率密度最好在上述范围内。另外，激光的脉冲宽度最好是100费秒到10皮秒，300费秒到1皮秒更好，400费秒到900费秒最好。如果在上述范围内，可不损伤材料的表面，在内部的干涉位置进行精度优良的加工。

在本发明的光学部件的制造方法中，也可具有多个分割脉冲激光的工序，另外这些多个脉冲激光分别会聚照射多个位置，可一起在材料内部形成多个折射率不同的区域，可提高加工的产量。上述将光束多个分割的工序是使用光束分裂器、衍射光栅、微透镜阵列等光学部件进行，但不限于这些。

另外，可具有使一道或分割的多道脉冲激光的各自脉冲的相位、振幅、波长、偏光、脉冲时间宽度的任意一个或一个以上变化的工序，通过将这些变化的脉冲激光进行适当组合，可进行不依赖照射材料的折射率、折射率分散、形状的高自由度的加工。

另外，为了使上述透明材料内部所希望的一起形成的折射率变化区域在更广范围形成，会聚脉冲激光的会聚点，也可相对上述材料进行相对移动。

本发明的光学部件或低通滤镜，是利用脉冲激光照射在上述材料内部形成折射率变化区域，该折射率变化区域也可具有使材料的弯曲强度等机械特性提高的作用。

本发明的光学部件或低通滤镜，是利用脉冲激光照射在上述材料内部形成折射率变化区域，激光照射时的材料形状最好在激光入射面是平面，但不一定限于平面，也可具有例如象透镜的曲率的凹和凸曲面、高次的曲面。

另外，照射脉冲激光前的上述透明材料最好是光学各向同性，也可是具有复折射，或者折射率分布型的光部件。作为上述折射率分布型光部件有GRIN透镜、微透镜阵列、光导波路、衍射光栅等，但不一定限于这些例子。

本发明的光学部件或低通滤镜，照射激光对材料内部进行加工，也可是通过例如之后的切削和研磨加工成希望材料形状，例如，其形状可以是具有某曲率的凹和凸状的曲面及高次曲面、多角形的段差及沟。

附图说明

图1是通过本发明在折射率n₀的透明基板内部所希望的位置形成折射率N的异质相的方法一例的示意图。

图2是表示本发明的第1实施例的光学低通滤镜的示意图。

图3是表示本发明的第1实施例的光学低通滤镜中，光学距离的差ΔL(x)的特性曲线图。

图4是表示本发明的第1实施例的光学低通滤镜中，光学距离的差ΔL(x)的特性曲线图。

图5是表示本发明的第1实施例的光学低通滤镜的x-y平面上，折射率N的区域的一例的示意图。

图6是表示本发明的第1实施例的光学低通滤镜中，MTF曲线的一例的曲线图。

图7是表示本发明的第1实施例的光学低通滤镜中，MTF曲线的其他例子的曲线图。

图8是表示本发明的光学低通滤镜中，光学距离差ΔL(x)特性的第1例的曲线图。

图9是表示本发明的光学低通滤镜中，光学距离差ΔL(x)特性的第2例的曲线图。

图10是表示本发明的光学低通滤镜中，光学距离差ΔL(x)特性的第3例的曲线图。

图11是表示本发明的光学的低通滤镜中，光学距离差ΔL(x)特性的第4例的曲线图。

图12是表示本发明的第2实施例的光学低通滤镜的透视图。

图13是表示本发明的第2实施例的光学低通滤镜中，MTF曲线的曲线图。

图14是表示本发明的第3实施例的光学低通滤镜的截面图。

图15是表示本发明的第4实施例的光学低通滤镜的截面图。

图16是表示本发明的第5实施例的光学低通滤镜的截面图。

图17是表示本发明的光学部件的一例的截面图。

图18是表示本发明的光学系统的截面图。

图19是表示本发明中的光线分离的一例的示意图。

图20是表示本发明中的光线分离的一例的截面图。

具体实施方式

下面，针对本发明相关的光学部件或光学低通滤镜的实施例，参考图面进行说明。

图1是表示在透明基板1内部，通过透镜3会聚照射费秒脉冲激光2到折射率n₀的透明基板内部所希望的位置，形成与基板的折射率n₀不同折射率N的区域4的方法示意图。通过针对基板使激光的焦点在x，y，z方向任意扫描或将激光对多个位置一起照射的方法，或者并用这些方法，可形成所希望的形状的折射率变化区域。本发明中，利用这样形成的区域折射率N。

作为光滤镜的第1实施例，图2表示光学低通滤镜5。这里，通过图1所示的手法，在折射率n₀的透明基板内部6，形成与该基板的折射率n₀不同折射率N(x，y)的区域7，其宽度为a，周期为p，作为上述光学低通滤镜作用，只在x方向具有周期性的条纹状的构造，在另一方向，针对具有高空间频率分量的拍摄对象，作为光学低通滤镜作用。

该实施例中，光学低通滤镜5的x-y平面中，若上述区域7的截面形状设为y＝l(x)，则只通过上述折射率n₀的基板的光A和通过座标x的光B的光学距离差ΔL(x)成为

$\mathrm{\ΔL}\left(x\right)={\∫}_{l_{\mathrm{in}}\left(x\right)}^{l_{\mathrm{out}}\left(x\right)}N(x,y)\mathrm{dy}-n_{0}l\left(x\right)$

                                                …(1)

以第(1)式表示，上述光学距离差ΔL(x)的特性，如果将上述区域7的折射率N(x，y)设为一定的n_c，则通过使上述区域7的形状l(x)变化，或者如果上述区域7的形状l(x)设为一定，则通过将折射率分布赋予上述区域7，例如图3和图4所示，可任意确定为三角形状和正弦波形状等。

从而，在获得如图3所示的三角形状的上述光学距离差ΔL(x)的特性的场合，上述区域7根据该折射率分布，可形成例如第5图所示的任意截面形状l(x)。另外，上述光学低通滤镜设定ΔL(x)，在摄像元件的采样理论确定的截止频率r_c以上的高空间频率区域中，使MTF值为0.5以下。如果MTF≤0.5，则伪信号可抑制在视觉容许的范围内。如果MTF≤0.3，则从抑制伪信号的观点看更好，如果MTF≤0.1则最好。这样，为了设定ΔL(x)，可选择周期长p、宽度a、(2)式表示的ΔL_max，即，异质相最厚的位置Xmax的ΔL_max、及形状。

${\mathrm{\ΔL}}_{\max }={\∫}_{l_{\mathrm{in}}\left(x_{\max }\right)}^{l_{\mathrm{out}}\left(x_{\max }\right)}N(x,y)\mathrm{dy}-n_0{l}_{\max }$

                                                …(2)

例如，式(2)表示的ΔL_max设为一定，通过使上述区域7的形状变化，将宽度a对周期长p设为a＝p，当要获得上述图3所示的三角形的光学距离差ΔL(x)的特性的场合，有图6的虚线所示的MTF特性。另外，当要获得上述图4所示的正弦波状的光学距离的差ΔL(x)的特性的场合，有图6实线所示的MTF特性。图6中，横轴的单位(线/毫米)中，线(1根)是指白和黑作为一组线的线数。

本实施例中，一个方向上的像素排列作为对于像素宽度3μm、周期6μm的CCD的低通滤镜，透明材料中使用n₆₃₃＝1.51462的硼硅酸盐玻璃，将脉冲宽度为150费秒，波长为800nm，反复频率为250kHz，激光功率为1000mW的脉冲激光，通过焦点距离为9cm(N.A.＝0.4)的透镜从表面会聚照射到100μm的深处，通过使玻璃以100mm/sec的扫描速度相对移动，制作成线宽度约10μm，线之间的间隔约12μm，如图2所示的条纹状构造的折射率变化区域的构造。另外以633nm测定的折射率差大约为0.0018。对于该低通滤镜波长633nm的MTF曲线如图7，截止频率r_c＝83(线/毫米)的MTF值是0.04，在r_c以上的高空间频率区域中，MTF也在0.3以下。图7中，横轴的单位(线/毫米)中的线(1根)是指白和黑作为一组线的线数。

另外，上述光学距离ΔL(x)的特性设为图8所示矩形状的场合、如图9所示梯形形状的场合、如图10所示圆弧状的场合或者如图11所示梯形的斜边为圆弧的场合，可维持相同的性能，可根据所希望获得的光学距离差ΔL(x)，选择上述(1)式中的折射率N(x，y)、形状l(x)。

另外，上述实施例中，在折射率n₀的基板内部，在上述透明基板6的内部形成X方向具有周期性的条纹状的该折射率N(x，y)的区域7，但是本发明的光学低通滤镜，并不限于上述实施例，也可以，在同一基板内部不同的深度形成与上述实施例1的异质相的构造互异方向上具有周期性的构造。

另外，在第2图中的z方向上也使折射率N(x，y，z)或者形状l(x，y，z)变化，在上述折射率n₀的基板8内部二维排列形成具有周期性上述折射率N(x，y，z)的区域10，可实现对应于2方向以上作用光学的低通滤镜9。图12表示这样的第2实施例的光学低通滤镜。

第2实施例的光学低通滤镜9，上述折射率N(x，y，z)的区域10在x方向和z方向具有周期性，

$\mathrm{\ΔL}\left(x\right)={\∫}_{l_{\mathrm{in}}\left(x\right)}^{l_{\mathrm{out}}\left(x\right)}N(x,y,z)\mathrm{dy}-n_{0}l(x,z)$

                                                   …(3)

成为具有(3)式所示的光学距离的差ΔL(x，z)的特性，对于拍摄对象的像的2方向以上作为光学低通滤镜作用。

本实施例中，针对纵横方向上具有像素宽度为3μm、周期6μm，横方向上具有像素宽度3μm，周期6μm的像素排列的CCD的低通滤镜，透明材料中使用折射率n₆₃₃＝1.51462的硼硅酸盐玻璃，脉冲宽度为150费秒、波长800nm、反复频率为1kHz，激光功率为150mW的脉冲激光，通过焦点距离为9cm(N，A＝0.4)的透镜从表面会聚照射到100μm的深处，使玻璃以12mm/sec的扫描速度相对移动，制成光学低通滤镜。该光学的低通滤镜，点直径约为10到12μm，相邻点的中心间的纵方向的间隔约为12μm，横方向的间隔约为12μm，具有如图12所示的二维格子状的折射率变化区域的构造。另外在633nm测定的折射率差约为0.0015。该低通滤镜在波长633nm的纵方向MTF曲线用图13的虚线表示，横方向MTF曲线以实线表示。图9中，各方向的截止频率r_c＝83(线/毫米)的MTF值在纵方向为0.02，横方向为0.06。即使在任意一个方向，r_c以上的高空间频率区域中MTF在0.3以下。图13中，横轴的单位(线/毫米)中，线(1根)是指白和黑作为一组线的线数。

折射率n₀的基板中的折射率N的异质相的形状及配置不限于上述所述。

图14所示的光学低通滤镜，在基板11中，在格子上排列截面形状为圆的折射率N的异质相12。

图15所示的光学低通滤镜，在基板11中，排列截面形状为多个圆连接的形状的折射率N的异质相13。

图16所示的光学低通滤镜，在基板11中，基本上等间隔排列截面形状为圆的折射率N的异质相14，椭圆形状周期性变化。

图17所示的光学部件中，在基板15中，基本上等间隔排列透镜体即截面形状为圆的折射率N的异质相16。

参考图18，图17所示的光学部件，通过在光轴上配置透镜17、18、19而构成光学系统。

本发明可利用作为例如相位掩模、偏光滤镜、相位板、相位型衍射光栅、衍射透镜、固体摄像元件等的光学低通滤镜等的光学部件。

根据本发明，可提供在具有复折射的材料内部形成异质相，利用一种材料的材料自身具有的复折射和异质相引起的折射率变化的效果的光学低通滤镜。

例如传统的固体摄像元件的光学低通滤镜材料中使用的水晶和铌酸锂单晶体板内部形成折射率变化区域，通过这些材料本质具有的复折射，在相对于光线分离方向相同或不同的方位上追加光线分离效果，可将传统的单晶体光学低通滤镜的厚度变薄，减少片数，从而可使摄像光学系统小型化。

本发明的光学低通滤镜安装到具有固体摄像元件的摄像光学系统，最好作为比防止CCD和CMOS等固体摄像元件的像素宽度和节距确定的截止频率更高的空间频率区域所包含的频率分量的折返引起的伪信号使用。并不是只作为光学低通滤镜使用，根据本发明，通过在CCD和CMOS等固体摄像元件的玻璃盖和红外光截止滤光镜中，形成异质相，可附加作为光学低通滤镜的功能。

另外，在摄像装置等中，将传统的透镜系统的一部分或全部作为本发明的光学部件构成摄像光学系统，可节省传统的光学低通滤镜。

另外，本发明的光学低通滤镜，不只是固体摄像元件低通滤镜，也可安装到图像显示元件，例如液晶、等离子、EL、SED显示器和液晶投影等的点阵显示元件，用于除去由显示元件的点节距和彩色滤镜阵列的节距而发生的莫尔纹和伪色信号。

根据本发明，由于制造工序中加工的自由度高，容易获得传统技术中需要困难复杂的图案设计的光学部件或光学低通滤镜，也可缩短加工工序数、加工时间，所以可降低制造成本。另外，由于材料选择的自由度高，可适当选择具有安装到固体摄像元件时所要求的光学、机械、热特性的材料，可获得这些特性优越的光学低通滤镜。

而且，被加工基板可以安装到固体摄像装置前面进行加工，也可以消除安装误差的问题，可提高产品的成品率。

Claims (23)

1.一种相位型光学低通滤镜用光学部件，具有由不同的折射率区分的2个以上的区域，通过照射或会聚照射脉冲激光，在透明材料的内部形成与这些区域中最大体积的连续区域的折射率具有不同折射率的区域，限制入射到固体摄像元件上的光线的高空间频率分量，其特征在于：

在使入射到所述相位型光学低通滤镜用光学部件的光进行光线分离，并且光学像经由所述相位型光学低通滤镜用光学部件在固体摄像元件的像素面成像的光学系统中，所述相位型光学低通滤镜用光学部件，

使这些分离的光的±1次光相对于0次光的相对强度R满足0.5＜R＜2，并且配置所述2个以上的区域，以在所述像素面上向与入射0次光的像素在一个方向上相邻排列的像素入射+1次光及-1次光时，在包括所述0次光的截面上使这些分离成三个方向的0次光和+1次光及-1次光与所述像素面的交点之间的间隔相等。

2.权利要求1所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

具有所述不同折射率的区域，在连续的同一区域中形状周期变化。

3.权利要求1所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

不连续地形成多个具有所述不同折射率的区域，这些形成的多个区域以二维或三维周期排列。

4.权利要求2所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

具有所述不同折射率的区域，在连续的同一区域中，形状周期变化，根据该周期形状变化，所述相位型光学低通滤镜用光学部件在截止频率以上的高空间频率区域中，MTF值≤0.5。

5.权利要求3所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

不连续形成多个具有所述不同折射率区域，这些形成的多个区域是以二维或三维周期排列，根据该周期排列，所述相位型光学低通滤镜用光学部件在截止频率以上的高空间频率区域中，MTF值≤0.5。

6.权利要求2所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

所述具有不同折射率的区域是具有二维周期性且条纹状排列的多个线状区域，所述线状区域的线宽为约10μm，所述线状区域之间的间隔为约12μm。

7.权利要求3所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

所述具有不同折射率的区域是具有二维周期性且条纹状排列的多个球状区域，所述球状区域的直径为约10μm，相邻所述球状区域之间的间隔为约12μm。

8.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

所述透明材料内部形成的区域，相对于具有最大体积的区域，对0.1μm～2μm的波长的折射率有0.0001以上的差异。

9.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

所述透明材料是单晶体、玻璃、烧结体或有机树脂。

10.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

所述透明材料是玻璃陶瓷。

11.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

所述透明材料，在脉冲宽度为10费(10×10^-15)秒以上10皮(10×10^-12)秒以下的脉冲激光照射到该透明材料的场合，从该脉冲激光的入射面到会聚所述脉冲激光的部位的该脉冲激光的透射率T与会聚倍率M的关系，满足下述式a及b：

T≥100/M²                     …(a)

T≥(I_th×2×10^-4)/(I₀×M²)    …(b)

M：(π/4)^1/2×(透明材料入射时的脉冲激光的直径)/(材料会聚体积的立方根)

I_th：在会聚透明材料中的脉冲激光的部位，形成具有不同折射率的区域所必要的脉冲激光束的空间功率密度，单位是W/cm³，

I₀：脉冲光入射材料面的脉冲激光的功率密度，单位是W/cm²。

12.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

所述透明材料是，在厚度0.5mm时的透射率在400nm到550nm的波长区域为50％以上，而且在800nm到1000nm为30％以下的红外光截止滤镜。

13.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

所述透明材料，放出的α射线量为0.02count/cm²·hr以下。

14.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

所述透明材料，放出的β射线量为100count/cm²·hr以下。

15.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件，其特征在于：

所述透明材料是折射率分布型光学部件。

16.权利要求1～7任意一项所述的光学部件，其特征在于：

在所述透明材料的激光入射面的一部分或全部具有凸面部及/或凹面部。

17.一种具有权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件的摄像光学系统。

18.权利要求17所述的摄像光学系统，其特征在于：

所述摄像光学系统在截止频率以上的高空间频率区域中，MTF值≤0.5。

19.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件的制造方法，其特征在于：

通过对透明材料照射脉冲宽度为10费(10×10^-15)秒以上10皮(10×10^-12)秒以下的所述脉冲激光，在透明材料的内部形成折射率不同的区域。

20.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件的制造方法，其特征在于：

通过对透明材料照射在该透明材料内部的会聚位置中的空间功率密度为0.2×10¹¹～0.9×10²⁴W/cm³的所述脉冲激光，在透明材料的内部形成折射率不同的区域。

21.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件的制造方法，其特征在于：

通过将所述脉冲激光分割成多个并照射透明材料，在透明材料的内部形成折射率不同的区域。

22.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件的制造方法，其特征在于：

通过对透明材料中的多个位置会聚照射多个脉冲激光，在透明材料内部一起形成多个折射率不同的区域。

23.权利要求1～7任意一项所述的相位型光学低通滤镜用光学部件的制造方法，其特征在于：

在透明材料的内部，使多个脉冲激光干涉，在透明材料的内部形成依赖于干涉形成的脉冲激光的光强度分布的形状的折射率不同的区域。

Images