JP2007212805A

JP2007212805A - 複屈折性の光学素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2007212805A
Application number: JP2006033220A
Authority: JP
Inventors: Takashi Iwano; 隆史岩野; Shuhei Tanaka; 修平田中
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: JP4761992B2

Abstract

【課題】
縞状の繰り返しパターンを撮像したり表示するときに生じるモアレ縞を解消するために、結晶性材料や、水晶を用いるが、小型化や薄板化が困難である。また、複屈折軸が決まっているために位置精度が必要であり、コストも高いという問題点がある。
【解決手段】
屈折率が均一なガラス材料、特に透明ガラス材料に、高電場強度を有するレーザ光を透明ガラス材料に集光照射し、複屈折の特性を有する改質部を、点状あるいは線状に形成して複屈折性の光学素子とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、常光線に対して異常光線を生じさせる複屈折性の光学素子に関し、特に、撮像機や表示器において発生するモアレ縞や偽色を防ぐために用いられる複屈折性の光学素子およびその製造方法に関するものである。

最近の撮像機として多く用いられているデジタルカメラやデジタルビデオカメラは、撮像素子としてＣＣＤ（電荷結合素子）等が利用されている。このようなデジタルカメラやデジタルビデオカメラは、撮像素子が離散的であるため、モアレ縞やモアレ縞の発生に伴う偽色といわれる不具合が画像に現れてしまう。

また、表示素子が離散的な表示器、例えば、液晶表示器やプラズマディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ、液晶やＤｅｇｉｔａｌＬｉｇｈｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（テキサツインストルメント社、登録商標）のようなプロジェクターにおいても、画像にモアレ縞が生じてしまう。

撮像器やプロジェクターなどにおいて、モアレ縞や偽色の発生を防ぐには、複屈折素子が有効であり、特許文献１には液晶でなる複屈折素子が開示されている。また、特許文献２には、水晶板と液晶とによって複屈折させることが記載されている。さらに、特許文献３には水晶板とニオブ酸リチウムとを張り合わせて複屈折させる技術が開示されている。

他方、透明材料中に高電場強度を有するレーザ光を照射して、透明材料中に屈折率の異なる改質部を形成する技術が、レーザの発達に伴って発達し、例えば特許文献４には、屈折率が変化した部分を連続して形成し、光導波路とすることが開示されている。

また、特許文献５には、ＳｉＯ_２、あるいはＳｉＯ_２にＧｅ、Ｐ、Ａｌ、Ｔａ、Ｓｂ等の屈折率制御用ドーパントを少なくとも１種類添加して屈折率を低下させた透明層にレーザビームを集光照射して、光伝送パターンを形成することが開示されている。
特開平６−３１７７６５号公報特開平９−１５５３５号公報特開平１１−２１８６１２号公報特開平９−３１１２３７号公報特開２００４−２９２８５号公報

特許文献１〜３に開示されている、結晶性材料や、水晶は小型化や薄板化が困難である。また、複屈折軸が決まっているために位置精度が必要であり、コストも高いという問題点がある。

本発明は、屈折率が均一なガラス材料、特に透明ガラス材料に、複屈折性を発現させ、モアレ縞や偽色を防ぐことに有効に使用できる複屈折性の光学素子とその製造方法を提供する。

本発明の複屈折性の光学素子は、レーザ光を透明ガラス材料に照射することにより、該透明ガラス材料の屈折率と異なる屈折率を有する部位（改質部）が該透明ガラス中に形成されてなる光学素子において、該改質部が複屈折の特性を有し、該改質部が点状あるいは線状に形成されてなることを特徴とする複屈折性の光学素子である。

また、本発明の複屈折性の光学素子は、前記複屈折性の光学素子において、入射光の光軸に対し、複屈折による異常光が円錐状または扇形状に生じることを特徴とする請求項１に記載の複屈折性の光学素子である。

また、本発明の複屈折性の光学素子は、前記複屈折性の光学素子において、改質部が点状、線状あるいは格子状に形成されてなることを特徴とする複屈折性の光学素子である。

また、本発明の複屈折性の光学素子は、前記複屈折性の光学素子において、点状あるいは線状に形成された改質部の間隔が、屈折率の最大となる位置の間隔で１μｍ〜５００μｍであることを特徴とする複屈折性の光学素子である。

また、本発明の複屈折性の光学素子は、前記複屈折性の光学素子において、点状あるいは線状に形成された改質部が１つ以上の層状に形成されてなることを特徴とする複屈折性の光学素子である。

また、本発明は、０．０５ＧＷ／ｃｍ^２〜１０ＴＷ／ｃｍ^２の高電場強度を有するレーザ光を透明ガラス材料に集光照射することを特徴とする前記複屈折性の光学素子を製造する方法である。

本発明の複屈折性の光学素子とそれを製造する方法は、屈折率が均一なガラス材料、特に透明ガラス材料に、複屈折性を発現させ、モアレ縞や偽色を防ぐことに有効に使用できる複屈折性の光学素子とその製造方法を提供する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は係る実施形態に限定されるものではない。

本発明は、透明なガラス材料に、レーザ光を集光照射して、構造変化を誘起し、該透明ガラス材料の屈折率よりも大きい屈折率を有する部位を生じせしめ、複屈折性を有する光学素子とするものである。

図１は、複屈折性を有する光学素子の複屈折を概念的に示すもので、透明ガラス材料に形成された改質部２によって、入射光１０は、異常光１１と常光１２に分離される。

異常光１１は、改質部の形成によって、円錐状、楕円錘状あるいは扇状に生じせしめることが可能である。

改質部２は、図２に示すように、レーザ光２０を透明ガラス材料１に集光機能素子２１を用いて集光照射し、透明ガラス材料１の中に、透明ガラス材料１の屈折率よりも大きい屈折率を有する部位（改質部）を生じせしめることによって、形成される。レーザ光２０には、超短パルスレーザを用いることが望ましい。

改質部２の屈折率は、透明ガラス材料１の屈折率よりも少なくとも０．１以上であることが望ましい。

集光機能素子２１には、対物レンズを用いることが望ましいが、凹面鏡を用いることもできる。

超短パルスレーザとして好適に用いることができるレーザは、チタンサファイアレーザ、ＹＡＧレーザ、または、Ｎｄドープ、Ｙｂドープ若しくはＥｒドープのファイバレーザ等である。

透明ガラス材料１としては、前述するレーザの光に対してある程度の透過性を有する必要があり、例えば酸化物ガラス（石英ガラス、シリケート系ガラス、ボロシリケート系ガラス、リン酸塩系ガラス、アルミニウムシリケート系ガラス等）、ハロゲン化物ガラス、硫化物ガラスまたはカルコゲナイドガラスが挙げられる。

本発明には、耐久性や透明性の観点からガラス材料を用いるのが望ましいが、透明ガラス材料に限定するものではなく、ＰＭＭＡなどの高分子系材料、セラミックス等を用いてもよい。

透明ガラス材料１の内部に、超短パルスレーザのレーザ光を集光させて改質部を形成するために、パワー密度の高いパルスレーザビームを放出可能であることが好ましく、超短パルスレーザには、レーザ光が０．０５ＧＷ／ｃｍ^２以上の高電場を有するものを用いることが好ましい。また、１０ＴＷ／ｃｍ^２以下とするのは、１０ＴＷ／ｃｍ^２が市販されているレーザの最大値であり、特に限定するものではない。

また、パルス幅が短い超短パルスレーザ、より具体的には集光点でのパルス幅が１０フェムト（１０×１０-15 ）秒以上１０ピコ（１０×１０-12）秒以下となる超短パルスレーザであることが好ましい。特に、改質部を形成させる材料がガラス材料である場合、パルス幅が１０フェムト秒以上５００フェムト秒以下であることがより好ましい。パルス幅が上記範囲であれば、パルスレーザの１パルスあたりのエネルギーを小さくできるため、エネルギー的に有利である。

複屈折性の光学的効果は、改質部の屈折率の大きさを変えることによって制御することが出きる。

改質部の屈折率の大きさや改質部の形成される領域は、透明ガラス材料に集光照射するレーザ光のパワーを調整することや、改質部の形成速度を調整することで、改質部の屈折率の大きさや改質部の形成される領域の大きさを変えることができる。

さらに、レーザ光の集光に対物レンズを用いる場合は、対物レンズのＮＡを選択することによって、改質部の形成される領域の大きさを制御することが出きる。

また、照射するレーザの偏光状態は、楕円偏光でもかまわないが、直線偏光である方が複屈折の方向を制御しやすいために好ましい。

レーザ光の電場方向を制御して改質部を形成することにより、異常光の生じる方向を制御することができる。異常光の方向を制御することにより、例えば、液晶表示器のような入射光が偏光となる場合は、容易にモアレ縞を解消することができる。

レーザ光の電場方向を制御するには、回折格子や偏光素子を用いることが好ましい。

透明ガラス材料にレーザ光を照射して改質部を形成するとき、レーザ光を透明ガラス材料に対して移動させてもよいが、レーザ光を固定して、透明ガラス材料を移動させ、改質部を形成することが好ましい。

改質部を形成するときの透明ガラス材料の移動は、レーザ光の光軸に対し垂直方向あるいはレーザ光の光軸方向に行うことが望ましい。
本発明の複屈折性の光学素子は、複数の点状あるいは線状の改質部を形成して、平面に分布させることが望ましい。

例えば、図３は、平面が円形の、点状に形成した改質部を、図４は、平面が楕円形状に形成した改質部を、それぞれ複数個分布させた例であり、図５は、線状に形成した改質部を、複数本分布させた例である。

図４に示すような、平面が楕円状の改質部は、改質部を形成するレーザ光の光軸に対して、透明ガラス材料１の表面を傾斜することによって、形成することができる。あるいはレーザ光の集光形状を楕円状に調整することによっても形成することができる。

また、図６に示すように、透明ガラス材料をレーザ光の光軸方向に移動して、平面が円形状の改質部を透明ガラス材料の厚み方向に厚く形成してもよい。

また、図７は点状の改質部を２層に形成した例であり、図８は線状の改質部を２層に形成した例であり、図７や図８のように、改質部を３次元的に形成させてもよい。

図３から図８には点状あるいは線状に形成された改質部２が、一定の間隔に分布するような例であるが、本発明の複屈折性を示す光学素子は、これらの例に限定されるものではなく、改質部をランダムの分布させてもよく、改質部の形状や改質部の間隔は使用目的に合わせて、決定することが望ましい。

レーザ光を走査する速度あるいは透明ガラス材料を移動する速度と使用するパルスレーザの繰り返し周波数を選択することによって、点状あるいは線状の改質部を形成することができる。

例えば、１ｋＨｚのパルスレーザの繰り返し周波数を有するレーザは点状の改質部の形成に好適であり、２５０ｋＨｚのパルスレーザの繰り返し周波数を有するレーザは、繰り返し周波数が高いのでライン状の複屈折領域を形成するのに好適である。また、繰り返し周波数の低い１ｋＨｚのパルスレーザは、１パルスあたりの照射エネルギーが高く、大きな複屈折を得るのに好適である。

また、改質部を２箇所以上形成して複屈折性の光学素子として用いる場合、図３、図４に示す改質部の間隔ｘあるいはｙは、複屈折性の光学素子として使用するためには、１μｍ〜１００μｍであることが好ましい。１μｍより小さくすると、改質部の領域が重なって形成されるため、屈折率差が不均一になってしまい、複屈折性の光学素子として用いることが困難となる。

また、１００μｍを越えると改質部の間が広くなって屈折率の差のない、透明ガラス材料の屈折率の範囲が広くなって、複屈折性の光学素子として機能させることが困難となる。

実施例１
透明ガラス材料にソーダライムシリケートガラス（ＳｉＯ_２−Ｎａ_２Ｏ−ＣａＯ）でなる厚み１ｍｍのガラス板を用い、レーザ光には繰り返し周波数２５０ｋＨｚ、パルス幅１５０ｆｓ、平均出力５００ｍＷのフェムト秒超短パルスレーザを用いて、図５に示すような複屈折性の光学素子を作製した。

レーザ光の集光にＮＡ０．５５の対物レンズを用い、透明ガラス材料を移動ステージに載せ、ステージの移動速度を５ｍｍ／ｓｅｃとし、線状の改質部２を形成した。改質部２の表面からの深さＺは１００μｍとした。また、線状の改質部の間隔ｙは５０μｍとした。

図１２の偏光写真から、改質部２は周囲と屈折率の異なり、複屈折性を有することが確認された。

さらに、本実施例で作製した複屈折性の光学素子をデジタルカメラのレンズの前に配置して、ストライブ模様（１ｍｍ周期、約０．３ｍｍライン幅の格子パターン）の被写体を撮影し、図１５に示すように、本実施例で作製した複屈折性の光学素子によってモアレ縞が、画像から消えることが確認できた。

実施例２
レーザ光の平均出力を５０ｍＷ、線状の改質部の間隔ｙを３μｍとした以外は、全て実施例１同様にして、図５に示すような複屈折性の光学素子を作製した。

実施例２で作製した複屈折性の光学素子を用いることにより、実施例１の複屈折性の光学素子と同様に、画像からモアレ縞の消えることが確認された。

実施例３
レーザ光の偏光を偏光板によって直線偏光とした以外は、実施例１と同様にして、図５に示すような複屈折性の光学素子を作製した。

本実施例で作製した複屈折性の光学素子を用いても、実施例１の複屈折性の光学素子と同様に、画像からモアレ縞の消えることが確認された。

実施例４
レーザ光の繰り返し周波数を１ＫＨｚ、移動ステージの移動速度を２５ｍｍ／ｓｅｃとした以外は、実施例１と同様にして、図３に示すような、点状の改質部２が並ぶ、複屈折性の光学素子を作製した。改質部２の間隔ｘは２５μｍで作製された。

偏光写真（図１３）に示すような改質部の形成が確認され、実施例１と同様に、デジタルカメラのレンズの前に本実施例の複屈折性を示す光学素子を配置して、ストライブ模様の被写体を撮影し、モアレ縞が画像から消えることが確認された。

実施例５
レーザ光の繰り返し周波数を１ＫＨｚ、移動ステージの移動速度を５０ｍｍ／ｓｅｃとした以外は、実施例１と同様にして、図３に示すような、点状の改質部２が並ぶ、複屈折性の光学素子を作製した。改質部２の間隔ｘは５０μｍで作製された。

偏光写真（図１４）に示すような改質部の形成が確認され、実施例１と同様に、デジタルカメラのレンズの前に本実施例の複屈折性を示す光学素子を配置して、ストライブ模様の被写体を撮影し、モアレ縞が画像から消えることが確認された。

本発明の複屈折性を示す光学素子の機能を概念的に示す図である。レーザ光を集光照射して改質部を形成するようすを概念的に示す図である。板状の透明ガラス材料に平面が円形状の改質部を点状に形成して得られる、複屈折性を示す光学素子を概念的に示す図。板状の透明ガラス材料に平面が楕円状の改質部を点状に形成して得られる、複屈折性を示す光学素子を概念的に示す図。板状の透明ガラス材料に平面が線状の改質部を形成して得られる、複屈折性を示す光学素子を概念的に示す図。板状の透明ガラス材料に平面が円形状の改質部を厚み方向に厚く形成して得られる、複屈折性を示す光学素子を概念的に示す図。板状の透明ガラス材料に平面が円形状の改質部を２層に形成して得られる、複屈折性を示す光学素子を概念的に示す図。板状の透明ガラス材料に平面が線状の改質部を２層に形成して得られる、複屈折性を示す光学素子を概念的に示す図。比較的弱いエネルギー密度で改質部を形成した場合の、図３のａ−ａ間あるいは図５のｂ−ｂ間に形成された改質部の屈折率の変化を概念的に示す図である。比較的強いエネルギー密度で改質部を形成した場合の、図３のａ−ａ間あるいは図５のｂ−ｂ間に形成された改質部の屈折率の変化を概念的に示すグラフである。改質部を線状に形成した場合の改質部（例えば図５のｃ−ｃ間）の屈折率の変化を概念的に示すグラフである。実施例１の改質部の偏光を用いて撮影した偏光写真である。実施例４の改質部の偏光を用いて撮影した偏光写真である。実施例５の改質部の偏光を用いて撮影した偏光写真である。実施例１の複屈折性の光学素子を用いて撮影した画像（ａ）と用いないで撮影した画像（ｂ）を示す写真である。

符号の説明

１透明ガラス材料
２改質部（屈折率の異なる部位）
１０入射光
１１異常光
１２常光
２０パルスレーザ光
２１対物レンズ
３１改質部とその近傍の屈折率分布
３２改質部とその近傍の屈折率分布
３３改質部とその近傍の屈折率分布

Claims

レーザ光を透明ガラス材料に照射することにより、該透明ガラス材料の屈折率と異なる屈折率を有する部位（改質部）が該透明ガラス中に形成されてなる光学素子において、該改質部が複屈折の特性を有し、該改質部が点状あるいは線状に形成されてなることを特徴とする複屈折性の光学素子。
入射光の光軸に対し、複屈折による異常光が円錐状または扇形状に生じることを特徴とする請求項１に記載の複屈折性の光学素子。
改質部が点状、線状あるいは格子状に形成されてなることを特徴とする請求項１あるいは２のいずれかに記載の複屈折性の光学素子。
点状あるいは線状に形成された改質部の間隔が、屈折率の最大となる位置の間隔で１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の複屈折性の光学素子。
点状あるいは線状に形成された改質部が１つ以上の層状に形成されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の複屈折性の光学素子。
０．０５ＧＷ／ｃｍ^２〜１０ＴＷ／ｃｍ^２の高電場強度を有するレーザ光を透明ガラス材料に集光照射することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の複屈折性の光学素子を製造する方法。