JP2006267853A

JP2006267853A - 光学的構造体

Info

Publication number: JP2006267853A
Application number: JP2005088518A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Inoue; 恭明井上; Hideki Miyazaki; 英樹宮崎
Original assignee: National Institute for Materials Science; Nalux Co Ltd
Current assignee: National Institute for Materials Science; Nalux Co Ltd
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】複屈折性材料と同様の特性を有し、かつ、複屈折性材料のように高価ではない光学的構造体を提供する。
【解決手段】高屈折材料の層（１１１）と低屈折の層（１１３）とを、所定の周期（Ｐ）で、かつ光の入射面に対して一定の角度（θ）で配置した光学的構造体であって、前記所定の周期が入射した光が回折を起こさない程度に小さな周期であり、入射した光を、常光線と異常光線とに分離させる光学的構造体。１実施形態によれば、前記一定の周期は、０．４μｍ以下である。他の実施形態によれば、低屈折率の層（１１３）を中空としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、入射した光を、常光線と異常光線とに分離させる構造性複屈折構造体に関する。特に、光学的ローパスフィルタとして使用される構造性複屈折構造体に関する。

デジタルカメラ、ビデオカメラなどに使用される、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳの固体撮像素子は、２次元的な空間サンプリング素子である。したがって、被写体の画像に固体撮像素子の画素のピッチ以上の高周波成分が含まれていると、モアレと呼ばれる画像劣化が生じる。このモアレを防止するため、固体撮像素子の入射面側に光学的ローパスフィルタが設置される。

光学的ローパスフィルタには、複屈折水晶板を使用したものがある。複屈折水晶板を使用した光学的ローパスフィルタは、入射した光線を複屈折水晶板によって常光線と異常光線とに分離することにより、像の強度分布を同じ型の山が所定量シフトしたものとして高調波の変調度を無くすものである。

図９は、複屈折水晶板などの複屈折性材料を使用した光学的ローパスフィルタの構成を示す図である。光学的ローパスフィルタ９０１に入射した光線は常光線１１と異常光線１３とに分離される。常光線と異常光線とのなす角度αは、分離角という。光学的ローパスフィルタを通過した後の常光線と異常光線との間隔ｄを分離幅という。複屈折性材料の光学軸は、１５で示される。

複屈折水晶板を使用した光学的ローパスフィルタは、たとえば、特許文献１および２などに開示されている。

しかし、複屈折性材料を使用した光学的ローパスフィルタは、以下の欠点を有する。すなわち、一般的に高価であり、また作成に時間がかかる。さらに、１枚では１方向にしか分岐できないので、多方向分岐の場合には複数枚必要となり、厚みが大きくなる。

他方、光学的ローパスフィルタには回折格子を使用したものがある。回折格子を使用した光学的ローパスフィルタは、入射した光線を回折格子によって回折させて、入射した光線の低周波成分を光学的に分離させるものである。

図１０は、回折格子を利用した光学的ローパスフィルタの構成を示す図である。図１０において、凹状のパッケージ２０１内に固定撮像素子２０２が設置されている。さらに、固体撮像素子２０２の入射面側に、回折格子２０３が、スペーサ２０４によって固体撮像素子１０２と所定の間隔を保って設置されている。

回折格子を使用した光学的ローパスフィルタは、たとえば、特許文献３および４などに開示されている。

しかし、回折格子を使用した光学的ローパスフィルタは、以下の欠点を有する。すなわち、回折格子により分岐した回折光は回折角で定めた拡がりをもっているので、光学的ローパスフィルタから固体撮像素子までの距離を任意に選択することができない。さらに、回折格子を使用した光学的ローパスフィルタは、面内に回折格子の周期構造があるので、回折格子の構造が固体撮像素子に映りこんでしまう。

上記のように、複屈折性材料を使用した光学的ローパスフィルタおよび回折格子を使用した光学的ローパスフィルタは、いずれも欠点を有する。しかし、複屈折性材料を使用した光学的ローパスフィルタは、フィルタから固体撮像素子までの距離を任意に選択することができ、またフィルタのカットオフ特性（ＭＴＦ特性）が波長に大きく依存しない点で、回折格子を使用した光学的ローパスフィルタよりも優れているので、価額よりも機能を重視する場合には、複屈折性材料を使用した光学的ローパスフィルタが使用されている。

特開平７−１６８１３１号公報特開平７−１６８１３４号公報特開平７−９２４３０号公報特開平７−１９８９２１号公報

このように、複屈折性材料と同様の特性を有し、かつ、複屈折性材料のように高価ではない光学的構造体に対するニーズがある。また、複屈折性材料から成るフィルタのように、フィルタから、たとえば固体撮像素子までの距離を任意に選択することができ、またフィルタのカットオフ特性（ＭＴＦ特性）が波長に大きく依存しない特性を有し、かつ、高価ではない光学的ローパスフィルタに対するニーズがある。さらに、複屈折方向を２方向としながら、厚みを抑えた光学的ローパスフィルタに対するニーズがある。

本発明による光学的構造体は、高屈折率の層と低屈折率の層とを、一定の周期で、かつ光の入射面に対して一定の角度で配置した光学的構造体であって、前記一定の周期が入射した光が回折を起こさない程度に小さな周期であり、入射した光を、常光線と異常光線とに分離させる。

本発明による光学的構造体においては、高屈折率の層の屈折率、低屈折率の層の屈折率、高屈折率の層と低屈折率の層との体積比率、入射光に対する、高屈折率の層および低屈折率の層の傾斜角度によって常光線と異常光線との分離角が決まる。また、層の厚み（格子深さ）によって常光線と異常光線との分離幅が決まる。本発明による光学的構造体は、複屈折性材料と同様の特性を有する。さらに、工業的に量産することができるので、複屈折性材料のように高価ではない。

本発明の１実施形態によれば、前記一定の周期は、０．４μｍ以下である。

したがって、光学的構造体において可視光線の回折が生じることはない。

本発明の１実施形態によれば、低屈折率の層を中空としている。

したがって、高屈折率の層のみを製造すればよい。

本発明による光学的ローパスフィルタは、本発明による光学的構造体と当該光学的構造体を取り付ける基板とを含む。

したがって、本発明による光学的ローパスフィルタは、複屈折性材料のように、フィルタから、たとえば固体撮像素子までの距離を任意に選択することができ、またフィルタのカットオフ特性（ＭＴＦ特性）が波長に大きく依存しない特性を有する。

本発明の１実施形態によれば、光学的構造体を基板の対向する面に取り付けている。

したがって、光学的構造体の厚みを加えるだけで、２方向の複屈折を実現することができる。

図１は、本発明の１実施形態による光学的ローパスフィルタの構成を示す図である。光学的ローパスフィルタは、基板１０３と、そこに取付けられた構造性複屈折構造体１０１から成る。基板は、ガラスまたはプラスチックから成る。構造性複屈折構造体１０１に入射した光は、常光線（ＴＥ偏光）１１と異常光線（ＴＭ偏光）１３とに、分離角αで分離される。

図２は、構造性複屈折構造体１０１の構成を示す図である。構造性複屈折構造体１０１は、高屈折材料から成る層１１１と低屈折材料から成る層１１３とを、所定の周期Ｐで、かつ光の入射方向に対して所定の角度θで配置した光学的構造体である。所定の角度θは、傾斜角度という。ここで、所定の周期Ｐは、入射した光が回折を起こさない程度に小さな周期である。すなわち、周期Ｐは、０．４μｍ以下である。

一例として、高屈折材料の屈折率は、１．６、低屈折材料の屈折率は、１．０である。また、入射する光の波長を０．６μｍとして、所定の周期Ｐは、０．２μｍである。格子深さｔは、１５μｍである。

このような構造性複屈折構造体１０１による、常光線（ＴＥ偏光）１１と異常光線（ＴＭ偏光）１３との分離角αは、以下の式で表せる。

α = θ - arctan(ε₁/ε₂ × tanθ) (1)

ここで、ε₁は、常光線（ＴＥ偏光）の有効誘電率であり、ε_２は、異常光線（ＴＭ偏光）の有効誘電率である。

常光線（ＴＥ偏光）の有効誘電率
ε₁
および異常光線（ＴＭ偏光）の有効誘電率
ε₂
としては、以下の第１次近似有効誘電率を適用することができる。

ε₂ ＝ｆε_a + (1-f)ε_ｂ(2)

ε₁ = (f/ε_a + (1-f)/ε_b)^-1(3)

ここで、
ε_a
は、高屈折率材料および低屈折率材料の内の一方の材料の誘電率であり、
ε_ｂ
は、他方の材料の誘電率である。

また、ｆは、上記他方の材料の体積占有率である。ある材料の体積占有率とは、構造性複屈折構造体全体の体積に対する、当該材料の体積の比率である。一例として、高屈折率材料の体積および低屈折率材料の体積が等しい場合には、両方の材料の体積占有率は、０．５である。

式（１）によれば、分離角の大きさは、常光線（ＴＥ偏光）の有効誘電率および異常光線（ＴＭ偏光）の有効誘電率ならびに傾斜角度の関数である。さらに、式（２）および（３）によれば、常光線（ＴＥ偏光）の有効誘電率および異常光線（ＴＭ偏光）の有効誘電率は、高屈折率材料および低屈折率材料の誘電率ならびに体積占有率によって表される。

一般に、媒質の屈折率ｎは比誘電率
ε^*
と比透磁率
μ^*
との積の平方根で表される。

n=(ε^* × μ^*)^1/2（4）

非磁性材料の場合は比透磁率
μ^*
は1であるので、媒質の屈折率ｎは

n=(ε^* )^1/2（5）

である。比誘電率は、物質（媒質）の誘電率の、真空の誘電率に対する比であるので、高屈折率材料および低屈折率材料の誘電率
ε_a
および
ε_ｂ
は、それぞれ、高屈折率材料の屈折率および低屈折率材料の屈折率の二乗となる。

したがって、分離角の大きさは、高屈折率材料および低屈折率材料の屈折率、傾斜角度ならびに体積占有率の関数となる。

図３は、低屈折率材料の屈折率と高屈折率材料の屈折率との差（以下、材料屈折率差という）および傾斜角度を変化させた場合に、分離角の大きさがどのように変化するのかを示す図である。図３から明らかなように、傾斜角度が５０度の付近で分離角は最大となる。また、材料屈折率差が大きいほど分離角は大きい。ここで、体積占有率は、０．５としている。

図４は、体積占有率および傾斜角度を変化させた場合に、分離角の大きさがどのように変化するのかを示す図である。図４から明らかなように、傾斜角度が５０度の付近で分離角は最大となる。また、体積占有率ｆが０．５のときに分離角が最大となる。ここで、材料屈折率差は、０．５としている。

図５は、傾斜角度が４５度の場合における、材料屈折率差に対する分離角の関係を示す図である。ここで、体積占有率は、０．５とする。図５から明らかなように、分離角の大きさは、ほぼ、材料屈折率差に比例する。材料屈折率差が、０．４、０．５、０．６および０．７のときに、分離角は、それぞれ、３．１８度、４．５７度、６．０６度および７．６２度である。

図６は、材料屈折率差に対する、常光線の有効屈折率と異常光線の有効屈折率との差（以下、有効屈折率差という）の関係を示す図である。ここで、常光線の有効屈折率とは、式（５）にしたがって、常光線の有効誘電率を１／２乗したものであり、異常光線の有効屈折率とは、式（５）にしたがって、異常光線の有効誘電率を１／２乗したものである。体積占有率は、０．５とする。図６から明らかなように、有効屈折率差は、ほぼ、材料屈折率差に比例する。材料屈折率差が、０．４、０．５、０．６および０．７のときに、有効屈折率差は、０．０７、０．１０、０．１３および０．１８である。

図７は、構造性複屈折構造体１０１を通過させた後の異常光線のピーク光量位置を示す図である。図７の横軸は、光線に垂直な面内の光線と直交する直線上の位置を示し、縦軸は、異常光線の強度を示す。図７は、低屈折率材料の屈折率は１として、高屈折率材料の屈折率は、１．６、１．６と２．０の積層および２．０とした場合を示している。構造性複屈折構造体１０１を通過させない場合には、光線のピーク光量位置は、６μｍの位置である。異常光線のピーク光量位置は、高屈折材料の屈折率を高くするにしたがって、図７の右方向に移動する。高屈折材料の屈折率を２．０とした場合には、異常光線のピーク光量位置は、ほぼ８μｍの位置である。したがって、異常光線のピーク光量位置は、構造性複屈折構造体１０１を通過させない場合と比較して、約２μｍ移動している。

図８は、構造性複屈折構造体１０１を通過させた後の常光線のピーク光量位置を示す図である。図８の横軸は、光線に垂直な面内の光線と直交する直線上の位置を示し、縦軸は、常光線の強度を示す。図８は、低屈折率材料の屈折率は１として、高屈折率材料の屈折率は、１．６および２．０とした場合を示している。構造性複屈折構造体１０１を通過させない場合には、光線のピーク光量位置は、６μｍの位置である。常光線のピーク光量位置は、高屈折材料の屈折率を高くしてもほとんど不変である。

図７および図８から、高屈折材料の屈折率が２．０の場合に、常光線と異常光線との光線分離幅は、約２μｍである。

一方、図９に示した複屈折性材料を使用したローパスフィルタの厚みは、０．６乃至１．２ｍｍである。この場合に、分離幅は、３．５乃至７．０μｍである。

本発明のローパスフィルタの一例として、高屈折材料の屈折率１．６、低屈折材料の屈折率１．０、格子傾斜角度４８．２度を式（１）に代入して計算すると、分離角は、６．１度となる。また、格子深さｔと分離幅ｄの関係は以下のとおりである。

t = d/tanα

したがって、分離幅ｄを７μｍとするには、格子深さｔは、約６６μｍとなる。ただし、図１に示すように、本発明による構造性複屈折構造体１０１は、基板１０３に取付けられて光学的ローパスフィルタを構成する。したがって、光学的ローパスフィルタの厚みは、格子深さにと基板の厚み（１ｍｍ程度）との和である。基板１０３の両面に構造性複屈折構造体１０１を取り付ければ、上記の和の値に格子深さの厚み（約６６μｍ）を加えるだけで、複屈折方向を２方向としながら、厚みを抑えた光学的ローパスフィルタことができる。

本発明による構造性複屈折構造体１０１は、たとえば、多光束干渉露光法により製造することができる。多光束干渉露光法は、複数の光束を重ね合わせて、干渉縞を所望のパターンにし、レジストなどに露光して対象を作成する方法である。通常は、複素振幅が等比級数的に変化する複数の光束を重ね合わせる。２本の光束を重ね合わせるものは、２光束干渉露光法と呼ばれるが、本明細書においては、これも含めて多光束干渉露光法という。材料としては、可視域に透過帯域を持つレジストまたはホログラム記録材料を使用する。レジストなどを除去して、除去した部分を低屈折率の領域、除去していない部分を高屈折率の領域としてもよい。レジストなどを除去せずに、露光領域または未露光領域のいずれかを低屈折率の領域としてもよい。

本発明の１実施形態による光学的ローパスフィルタの構成を示す図である。構造性複屈折構造体１０１の構成を示す図である。材料屈折率差および傾斜角度を変化させた場合に、分離角の大きさがどのように変化するのかを示す図である。体積占有率および傾斜角度を変化させた場合に、分離角の大きさがどのように変化するのかを示す図である。傾斜角度が４５度の場合における、材料屈折率差に対する分離角の関係を示す図である。材料屈折率差に対する有効屈折率差の関係を示す図である。構造性複屈折構造体１０１を通過させた後の異常光線のピーク光量位置を示す図である。構造性複屈折構造体１０１を通過させた後の常光線のピーク光量位置を示す図である。複屈折水晶板などの複屈折性材料を使用した光学的ローパスフィルタの構成を示す図である。回折格子を利用した光学的ローパスフィルタの構成を示す図である。

符号の説明

１１…常光線、１３…異常光線、１０１…構造性複屈折構造体、１０３…基板、１１１…高屈折率材料領域、１１３…低屈折率材料領域

Claims

高屈折率の層と低屈折率の層とを、一定の周期で、かつ光の入射面に対して一定の角度で配置した光学的構造体であって、前記一定の周期が入射した光が回折を起こさない程度に小さな周期であり、入射した光を、常光線と異常光線とに分離させる光学的構造体。
前記一定の周期は、０．４μｍ以下である請求項１に記載の光学的構造体。
低屈折率の層を中空とした請求項１に記載の光学的構造体。
請求項１から３のいずれかに記載された光学的構造体と当該光学的構造体を取り付ける基板とを含む光学的ローパスフィルタ。
請求項１から３のいずれかに記載された光学的構造体を基板の対向する面に取り付けた請求項４に記載の光学的ローパスフィルタ。