JP2010152128A

JP2010152128A - 撮像光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2010152128A
Application number: JP2008330756A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hamamura; 寛浜村; Kenji Hori; 健治堀
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】像面湾曲収差を有する結像光学系の像面と撮像素子との間に配置して像面湾曲収差を解消し良好な画像の撮像を可能にする撮像光学素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】透明基板に結像光学系により決まる像面形状に対応する曲面を成型する工程と、前記曲面に接合される透明樹脂部材を形成する工程と、前記透明樹脂部材の平面上にＳｉＯｘ膜と、金属膜を順に形成する工程と、前記金属膜上にホトレジストを塗布する工程と、選択された撮像素子の受光素子配列に対応する光伝達管パターンを露光する工程と、現像工程と、前記ホトレジストをマスクとして前記金属膜と前記ＳｉＯｘ膜をエッチングする工程と、前記金属膜と前記ＳｉＯｘ膜とをマスクとして前記透明樹脂部材をエッチングする工程と、撮像素子の受光素子位置に前記透明樹脂部材それぞれの端面を接着する接着工程と、を含む撮像光学素子の製造方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＣＣＤ等の撮像素子を用いた撮像光学系の画質向上を可能にする撮像光学素子の製造方法に関する。

従来、撮影光学系で発生する像面湾曲収差を補正するための像面変換素子を有する撮像光学素子の製造方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−９４１６８号公報

従来の撮像光学素子の製造方法では、像面変換素子の光伝達管を構成する厚い樹脂層を加工する際のマスク材としてＳｉＯ_２膜が使用されている。しかしながら、ＳｉＯ_２膜は成膜時に生じる内部応力のために膜厚を厚くすると剥離したりクラックが入ったりして、十分な厚さのＳｉＯ_２膜を形成することが難しいと言う課題がある。

上記課題を解決するために、本発明は、透明基板の一方の表面を結像光学系により決まる像面形状に対応する曲面を有する金型で成型する工程と、前記曲面に接合し当該曲面に対向する面が平面の透明樹脂部材を形成する工程と、前記透明樹脂部材の前記平面上にＳｉＯｘ膜を形成する工程と、前記ＳｉＯｘ膜上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜上にホトレジストを塗布する工程と、選択された撮像素子の受光素子配列に対応する光伝達管パターンを露光する工程と、現像工程と、前記ホトレジストをマスクとして前記金属膜と前記ＳｉＯｘ膜をエッチングする工程と、前記金属膜と前記ＳｉＯｘ膜をマスクとして前記透明樹脂部材をエッチングする工程と、前記撮像素子の受光素子位置に前記透明樹脂部材それぞれの端面を接着する接着工程と、を含むことを特徴とする撮像光学素子の製造方法を提供する。

本発明によれば、像面湾曲収差を有する結像光学系の像面と撮像素子との間に配置して像面湾曲収差を解消し良好な画像の撮像を可能にする撮像光学素子の製造方法を提供することができる。

はじめに、本発明の一実施の形態にかかる撮像光学素子の製造方法を使用して製造した撮像光学素子について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、発明の理解の容易化のためのものに過ぎず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な付加・置換等を施すことを排除することは意図していない。

図１は、後述する本実施の形態により製造された撮像光学素子を示している。図２は、図１の撮像光学素子の断面拡大図を示す。

図１、および図２において、本撮像光学素子１００は、結像光学系３からの光線の入射側から順に、像面変換素子１と像面変換素子１に接合された撮像素子５とから構成されている。像面変換素子１は、結像光学系３の像面Ｉにおける像面湾曲収差に対応する面形状（第１面Ｉａ）に形成された透明基板４（例えば、ガラスあるいはプラスチックなど）上に後述する製造方法で形成された複数の光伝達管７が形成されている。そして、複数の光伝達管７は、透明基板４の像面Ｉ（第１面Ｉａ）に対向する面（第２面７ｂ）が撮像素子５（例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ素子等）にそれぞれ接合されている。

像面変換素子１の透明基板４の第１面Ｉａ上に形成された光伝達管７は、円形状あるいは多角形状からなり、第１面Ｉａに対向する光伝達管７のそれぞれの第２面７ｂは撮像素子５のそれぞれの受光素子５ａのマイクロレンズアレイ５ｂにそれぞれ接合されている。なお、マイクロレンズアレイ５ｂが配設されていないタイプの撮像素子では、受光素子のカバーガラスあるいは色フィルタ上に光伝達管７をそれぞれ接合する構成でも良い。このように、本撮像光学素子１００では、像面変換素子１を構成する光伝達管７は受光素子５ａと一対一に接合されている。

光伝達管７は、受光素子５ａの面積に対応する太さと、受光素子５ａのピッチに対応したピッチでそれぞれ形成されている。また、それぞれの光伝達管７は、第１面Ｉａ側から第２面７ｂ側に亘って交差することなく形成されている。この結果、第１面Ｉａに入射した光は、それぞれの光伝達管７中を伝達され、結像光学系３から入射した光の像面Ｉ上における位置が途中で交わること無く第２面７ｂから接合された受光素子５ａにそれぞれ出射される。この結果、撮像素子５で撮像された画像が乱れることがない。また、光伝達管７が受光素子５ａと一対一に対応しているので、従来の光ファイバー束を用いた時のようなモワレを生じることも無い。

このようにして、撮像光学素子１００が形成され、この撮像光学素子１００を有する撮像光学系が構成される。

結像光学系３の像面Ｉにおいて良好な結像性能を得るために、結像光学系３は種々の収差を補正するように構成される。収差の中で像面湾曲収差を最小にするためには、結像光学系３のペッツバール和を零に近づけなければならない。その為には、結像光学系３は全体として所定の正屈折力を有しつつ他に負屈折力を有する面要素が必要となる。像面湾曲収差を最小にするためには多くの光学要素が必要となり、結像光学系３全体が大型化すると供にコスト高となってしまう。特に、全長の短い結像光学系３では、結像光学系３全体の所定パワーを確保しつつペッツバール和を零に近づける為に負屈折力の面の曲率を大きくする必要がある。面の曲率の大きな要素があると種々の収差が発生しやすくなる為、所望の結像性能を得ることが困難になる。

本撮像光学素子１００は、結像光学系３の像面Ｉに像面湾曲収差に対応した曲面に少なくとも一方の面（第１面Ｉａ）が形成された透明基板４が配置されているため、第１面Ｉａに焦点の合った像（像面湾曲収差が最小である像）が形成される。この像からの光は、透明基板４上に形成されたそれぞれの光伝達管７中を第２面７ｂに伝達され、それぞれの光伝達管７に接合されたアレイレンズ５ｂを介してそれぞれの光伝達管７に対向するそれぞれの受光素子５ａで受光される。この後、撮像光学素子１の内部あるいは外部に配置された画像処理部で所定の画像処理を受け、表示や印刷可能な撮像画像が得られる。

なお、第１面Ｉａは、結像光学系３の焦点深度内にあれば合焦した良好な像が得られるので、第１面Ｉａの面精度を高くする必要がなく、面の加工がし易く低コスト化を達成することができる。また、図１及び以降の図において、撮像光学素子の各要素の大きさは説明の都合上拡大して示している。

なお、イメージサイズが小さいほど結像光学系３の負担は小さくなり、撮像素子５は全体サイズが大きいほど画素数（受光素子数５ａ）の多いものが実現できる。これらの要求を同時に満たす方法として撮像光学素子１００を構成する光伝達管７の第２面７ｂ側の面の太さ（面積）を第１面７ａ側の面の太さ（面積）よりも太く（広く）することが好ましい。例えば、光伝達管７は軸に沿った断面が略台形状に形成され、光伝達管７の面７ｂから出る光の広がり角を入射光の広がり角よりも狭くすることで達成することができる。これにより、撮像素子５の表面構造部分による反射の影響を受け難くなる。

また、面７ａから面７ｂに亘って光伝達管７の太さがしだいに太くなる場合、光伝達管７の内部を反射しながら進行する光の光伝達管７の軸に対する角度が小さくなり、面７ｂを出射する光の進行方向に対する広がりがより小さくなり、隣接する光伝達管７への迷光を減らすと供に、受光素子５ａに対してより入射角度のまとまった光束を形成することができる。このように、結像光学系３の負担が軽い小さな像面Ｉ（イメージサイズ）の場合でも、画像数（受光素子数５ａ）の多い撮像素子５を使用することが可能となる。

なお、上述とは逆に、面７ａの太さ（面積）を面７ｂの太さ（面積）より太くして、大きな像面Ｉを小さな撮像素子５で撮像することを可能にすることもできる。

また、撮像光学素子は、像面湾曲収差の小さな部分（ほぼ零の部分）の光伝達管を形成せず平面とし、像面湾曲収差の大きい周辺部分のみに光伝達管を形成した構成でも良い。このように像面湾曲収差の小さな部分の光伝達管を省略することによって撮像光学素子の製造が容易となる。その他の構成、作用、効果は上述の形態と同様であり説明を省略する。

また、撮像光学素子１００は、図２に示す透明基板４の四隅に撮像光学素子１００の第１面Ｉａを結像光学系３の光軸に垂直な方向に移動する移動手段を有する構成も可能である。なお、移動手段は、撮像光学素子１００の第１面Ｉａを光軸に垂直な面内の直交する二つの軸方向にそれぞれ移動可能に構成する。このように構成された像面変換素子１を不図示の手ブレ検出手段を介して検出された光学系のブレに対して、移動手段を介して像面変換素子１の第１面Ｉａを光軸に垂直な方向に移動することで手ブレ補正を行うことができる光学系を構成することができる。撮像光学素子１００は小型、軽量であるため、駆動力が小さくて済み移動手段を小型化、および高速化することができる。

また、撮像光学素子１００は、それぞれの光伝達管７の側面の一部または全部の領域に光を吸収する物質からなる遮光部材を設けることが好ましい。このように光伝達管７の側面に遮光部材を設けることで、光伝達管７相互の光の干渉を抑制することができると供に、撮像光学素子１００外からの迷光が受光素子５ａの受光面に達することを防ぐことができ、高画質の画像を得ることができる。なお、遮光部材に光伝達管７の固定機能を持たせて光伝達管７を一体的に固定しても良い。

また、撮像光学素子１００は、それぞれの光伝達管７の間の空間を透明な樹脂で充填することが好ましい。このように光伝達管７の間の空間を透明樹脂で充填することで、光伝達管７を一体化することができ、機械的に強度を増すことができる。

また、上記実施の形態における光伝達管７の太さのばらつきは±５％以内にすることが望ましい。太さのばらつきが±５％を超えると、光伝達管７の受光面積がそれぞれ変化し受光素子５ａに向かう光量がばらつき、高い画質を得ることが難しくなる。

また、光伝達管７の分離間隔のばらつきは±５％以内にすることが望ましい。分離間隔のばらつきが±５％を超えると、光伝達管７の受光面積がそれぞれ変化し受光素子５ａに向かう光量がばらつき、高い画質を得ることが難しくなる。

また、光伝達管７の軸間距離（ピッチ）のばらつきは±５％以内にすることが望ましい。軸間距離のばらつきが±５％を越えると、光伝達管７と受光素子５ａとがずれてしまい隣接する光伝達管７からの光の干渉が増加するので好ましくない。

次に、上述の撮像光学素子１００の製造方法に関して図面を参照しつつ説明する。

撮像光学素子１００は、撮像素子５の受光素子５ａと同程度の面積を有する細いロッド７に結像光学系の像面湾曲収差に対応する曲面を形成することで製造することが可能である。

この時、選択された撮像素子の受光素子の数に対応した光ファイバーのような光伝達管を束ねた後、均一に引き伸ばして撮像素子の受光素子全体の大きさにした光伝達管群を製造することが考えられる。しかし、このような製法では、光伝達管の面積と受光素子の面積を一致させること、それぞれの受光素子に対向する光伝達管の中心間距離（ピッチ）を受光素子の中心間距離に一致させること、および受光素子間の分離間隔と光伝達管の分離間隔を一致させることが困難である。この結果、光伝達管の位置と受光素子の位置が僅かにずれることによるモアレが発生してしまい画質の劣化を招いてしまう。

以下に説明する撮像光学素子の製造方法では、光伝達管７の面積と受光素子５ａの面積をほぼ一致させ、両者のピッチずれを最小にし、分離間隔をほぼ同一にすることができる像面変換素子１を撮像素子５の各受光素子５ａ位置に接合させた撮像光学素子１００を製造することができる。

（撮像光学素子の製造方法）
次に、本発明の一実施の形態にかかる撮像光学素子の製造方法について図面を参照しつつ説明する。図３（ａ）から（ｉ）は、実施の形態にかかる撮像光学素子の製造方法に関する概略工程図（断面図）である。以下、工程に沿って説明する。

「工程１」（図３（ａ）参照）
工程１は、撮像光学素子１００（図１参照）の結像光学系３側に配置される結像光学系３（図１参照）の像面Ｉにおける像面湾曲面Ｉａが形成された透明基板４（例えば、石英曲面部材、プラスチック部材等）を用意する。透明基板４は、既存の成型方法や研磨方法により作成することができる。

「工程２」（図３（ｂ）参照）
工程２は、工程１で作成された透明基板４の曲面Ｉａ側に密着し、曲面Ｉａに対向する面が平面の樹脂層４０を形成する。この樹脂層４０は、加工後光伝達管７となる。樹脂層４０は、曲面Ｉａとこれに対向する面が平面を有するように樹脂を成型することで得ることができる。成型して得られた樹脂層４０を透明基板４に接着する。接着には、ＵＶ接着剤等を用いることができる。または、工程１で作成された透明基板４に樹脂層４０を成型することで作成することができる。これで、透明基板４の曲面Ｉａ上に樹脂層４０が形成された部材が完成する。

「工程３」（図３（ｃ）参照）
工程３は、樹脂層４０の平面上に後述する金属膜と樹脂層４０との接着性を確保し、かつマスクとなる膜４２（例えば、ＳｉＯ_２膜等の酸化膜、ＳｉＮ_４等の窒化膜等）を蒸着、またはスパッタリングで成膜する。以下、ＳｉＯ_２膜を使用した場合について説明するが、ＳｉＮ_４膜でも同様である。なお、上記ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ_４膜は、化学量論的にＳｉＯｘ（０＜ｘ≦２）、ＳｉＮｘ（０＜ｘ≦２）であれば良い。

「工程４」（図３（ｄ）参照）
工程４は、後述する樹脂層４０をエッチングする際のマスクとなる金属膜４４をＳｉＯ_２膜４２上にスパッタリング等の成膜方法で形成する。成膜する金属膜４４の厚さはエッチングする樹脂層４０の厚さによって決める。なお、金属膜として、アルミ（Ａｌ）膜、チタン（Ｔｉ）膜、あるいはクロム（Ｃｒ）膜等を使用することができる。以下の工程ではＡｌ膜を使用した場合を代表として説明するが、他の膜でも同様である。

「工程５」（図３（ｅ）参照）
工程５は、Ａｌ膜４４上に既存のホトレジスト５２を既存のスピンコート法により塗布する。その後、選択された撮像素子の受光素子の配列、および受光素子分離間隔に対応するように形成された不図示のホトマスクを使って、光伝達管パターンをホトレジストに露光し現像する。

「工程６」（図３（ｆ）参照）
工程６は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などのドライエッチング法を用いて、ホトレジスト５２をマスクにしてＡｌ膜をエッチングする。これで、ホトレジスト５２に代わってホトレジスト５２のエッチング残り層とＡｌ膜４４が次工程のマスクとして残る。

「工程７」（図３（ｇ）参照）
工程７は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などのドライエッチング法を用いてホトレジスト５２およびＡｌ膜４４をマスクにしてＳｉＯ_２膜４２をエッチングする。これで、ホトレジスト５２に代わってホトレジスト５２のエッチング残り層とＡｌ膜４４とＳｉＯ_２膜４２が次工程のマスクとして残る。

「工程８」（図３（ｈ）参照）
工程８は、ホトレジスト５２のエッチング残り層とＡｌ膜４４とＳｉＯ_２層４２をマスクとして樹脂層４０を透明基板４の表面が露出するまで酸素ガスを使った異方性ドライエッチング法（例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥ、ＥＣＲ−ＲＩＥ等）を用い、樹脂層４０をほぼ垂直にエッチングしロッド状の樹脂層４０を形成する。このとき、樹脂層４０のエッチング終了時にはホトレジスト膜５２とＡｌ膜４４が全てエッチングされるようにマスク材料の厚みとエッチング条件を設定することで、加工終了時にホトレジスト膜５２とＡｌ膜４４が除去できるため、そのまま光学素子として供することができる。また、樹脂層４０のエッチング用マスクとして内部応力の小さい金属膜（Ａｌ膜４４）が使用できるので、厚い樹脂層４０を十分にエッチングできる厚さのマスクを形成することができる。そして、このロッド状の樹脂層４０が光伝達管７となる。この際、透明基板４はエッチングのストッパーとして働き、エッチング終了後は光伝達管７を支える支持部材としても機能する。また、ホトレジスト５２、Ａｌ膜４４、およびＳｉＯ_２膜４２も同時にエッチングされ、ＳｉＯ_２膜４２のエッチング残り層４２ａが残る。

「工程９」（図３（ｉ）参照）
工程９は、既存の目合わせ装置を用いて、工程８で完成した像面変換素子１の各光伝達管７を、撮像素子の各受光素子５ａにそれぞれ位置合わせして撮像素子５の表面に接合する。接合には、ＵＶ接着剤等を用いる方法が使用可能である。撮像素子５の表面として、撮像素子５のカバーガラス面、色フィルタ面、あるいはマイクロレンズアレイ５ｂ面がある。光伝達管７それぞれを対応するそれぞれの受光素子５ａに一対一対応に接合することで、前述の撮像光学素子１００（図１参照）が完成する。

なお、露光には、焦点深度の深いＸ線露光方法や、紫外線近接露光方法を用いて一括露光する方法、あるかはスッテパー露光方法を用いて露光する方法、またはレーザーパターンジェネレータ（ＬＰＧ）による直接描画方法で露光する方法などが適宜選択して用いられる。

また、受光素子５ａと光伝達管７との位置合わせの際の作業性および像面変換素子１の強度を得るために、不図示の枠部を像面変換素子１の外周部分に形成しておくことが望ましい。

また、上述した各工程において説明した工程は主要な工程であり、この他にも半導体などの製造で用いられる一般的な洗浄工程、乾燥工程、素子分割工程などの加工工程、および検査工程などがあるがその詳細は本製造方法の主要部分ではないので説明を省略している。

また、上記説明（図面）では、透明基板４の第１面Ｉａが像面湾曲収差に対応する曲面に形成され、第１面Ｉａに対向する面Ｉｂが曲面の場合について説明したが、面Ｉｂは平面に形成しても良い。例えば、ガラスモールド製法、あるいはプラスチックモールド製法等を用いて、第１面Ｉａと平面Ｉｂを成型することができる。面Ｉｂを平面にすることで、フィルタ等の平面素子２２を配置しやすくなる。あるいは、上記製造工程において取り扱いが容易となる。

また、透明基板４は、ガラス基板、石英基板、透明セラミックス基板、あるいはプラスチック（樹脂）基板でも良い。石英やＳｉを成分に持つセラミックやガラスは、酸素プラズマに対して耐性が高く、ロッド部と透明基板との境界にストッパー層を用意しなくてもよいので好ましい。また、石英は、加工精度、光学特性に優れており、本特許の素子用基板材料として適しているので好ましい。また、ガラスは、加工が容易で、低コストなので好ましい。樹脂基板を用いた場合は成型加工が容易であるので好ましい。

また、樹脂層４０は、ＵＶ硬化樹脂、熱可塑性樹脂、またはホトレジスト等の高分子部材を使用することができる。また、高分子部材以外のガラス部材、酸化物部材、または窒化物部材等を使用することができる。

また、撮像素子５の製造工程と像面変換素子１の製造工程とを組み合わせて、撮像素子５の製造工程で形成された受光素子５ａの上に光伝達管７を直接製造して、像面変換素子１を有する撮像光学素子１００とすることも可能である。

また、上記製造方法で作成された撮像光学素子１００に、別工程で製造されたアダプター、平面素子等の部材を既存の目合わせ装置等により撮像光学素子１００の結像光学系３側の面に接合することで、撮像光学素子１００の変形例を製造することができる。なお、透明樹脂部材の平面側に透明基板を接合し、透明樹脂部材の曲面上にＳｉＯｘ膜を形成する工程としても構わない。

以上述べたように、本発明によれば、像面湾曲収差を有するまたは結像面が曲面である結像光学系において、結像光学系の像面と撮像素子との間に配置して高画質の画像を撮像可能にする像面変換素子を有する撮像光学素子を製造する製造方法を提供することが可能になる。また、上記製造方法で製造された撮像光学素子を提供することが可能になる。また、この撮像光学素子を有する光学系（撮像光学系）を提供することが可能になる。

本発明の実施の形態にかかる撮像光学素子の製造方法により製造された撮像光学素子の概略構成図を示す。図１の撮像光学素子の拡大断面図を示す。（ａ）〜（ｉ）は、本発明にかかる撮像光学素子の製造工程を示す図である。

符号の説明

１像面変換素子
３結像光学系
４透明基板
５撮像素子
５ａ受光素子
５ｂマイクロレンズアレイ
７光伝達管
７ｂ光伝達管端面（第２面）
Ｉ像面
Ｉａ第１面
１００撮像光学素子
４０樹脂層
４２ＳｉＯ_２膜
５２ホトレジスト
４４金属膜（Ａｌ膜）

Claims

透明基板の一方の表面を結像光学系により決まる像面形状に対応する曲面を有する金型で成型する工程と、
前記曲面に接合し当該曲面に対向する面が平面の透明樹脂部材を形成する工程と、
前記透明樹脂部材の前記平面上にＳｉＯｘ膜を形成する工程と、
前記ＳｉＯｘ膜上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜上にホトレジストを塗布する工程と、
選択された撮像素子の受光素子配列に対応する光伝達管パターンを露光する工程と、
現像工程と、
前記ホトレジストをマスクとして前記金属膜と前記ＳｉＯｘ膜をエッチングする工程と、
前記金属膜と前記ＳｉＯｘ膜をマスクとして前記透明樹脂部材をエッチングする工程と、
前記撮像素子の受光素子位置に前記透明樹脂部材それぞれの端面を接着する接着工程と、
を含むことを特徴とする撮像光学素子の製造方法。
前記金属膜はＡｌ膜であることを特徴とする請求項１に記載の撮像光学素子の製造方法。
前記金属膜はＴｉ膜であることを特徴とする請求項１に記載の撮像光学素子の製造方法。
前記金属膜はＣｒ膜であることを特徴とする請求項１に記載の撮像光学素子の製造方法。
前記透明基板は石英であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像光学素子の製造方法。
前記透明基板は透明セラミックスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像光学素子の製造方法。
前記透明基板はガラスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像光学素子の製造方法。
前記透明基板は樹脂であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像光学素子の製造方法。
前記透明樹脂部材は高分子部材であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像光学素子の製造方法。
前記高分子部材はＵＶ硬化樹脂であることを特徴とする請求項１０に記載の撮像光学素子の製造方法。
前記高分子部材は熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１０に記載の撮像光学素子の製造方法。
前記高分子部材はホトレジストであることを特徴とする請求項１０に記載の撮像光学素子の製造方法。