JP2012237832A

JP2012237832A - 光学装置

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Publication number: JP2012237832A
Application number: JP2011105766A
Authority: JP
Inventors: Shohei Abe; 昇平阿部
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2012-12-06

Abstract

【課題】色分解または色合成の精度向上を実現可能な光学装置を提供する。
【解決手段】光学装置は、３つのプリズムを備え、２つあるプリズムとプリズムの接合面のそれぞれにダイクロイックコートを備える。光学装置は、前面より入射する光Ｌ１をＲＧＢの３原色に分解してＲＧＢの各色に対応する撮像素子に入射させる。それぞれのダイクロイックコートは、光学薄膜を積層した光学多層膜であり、誘電体を材料とする誘電体多層膜である。ダイクロイックコートの１つは、光Ｌ１を入射するプリズムに蒸着等によって成膜され、機能別に、反射防止機能層、全反射機能層および青色反射赤緑透過機能層から構成される。全反射機能層は、プリズムの屈折率に比較して小さな屈折率であり、所定角度で入射する光（赤成分）Ｌ４を全反射する。
【選択図】図１

Description

本技術は、光学装置に関する。

入射光を赤色、青色、緑色の成分に分解して出射する色分解プリズムがある。色分解プリズムは、たとえば、ビデオカメラに備えられ、レンズから入射する入射光を赤色、青色、緑色の成分に分解して、それぞれの色に対応する撮像素子に出射する。

こうした色分解プリズムには、エアギャッププリズムとギャップレスプリズムとが知られている。エアギャッププリズムは、すべての分光が２回反射光または透過光であるため、すべての撮像素子に正像を出射すること、また、ダイクロイックコートに対する光線入射角が小さいことから半値シフトが小さくなるという特長を有している。しかしながら、エアギャッププリズムは、エアギャップを精度よく保持する構造を要するために高コストとなる短所を有する。そのため、エアギャッププリズムは、高画質を求める業務用としての需要が大きい。

一方、ギャップレスプリズムは、エアギャップを保持する構造が不要のため低コストに製造可能であるという特長を有している。しかしながら、ギャップレスプリズムは、分光の１つが１回反射光となるため、１つの撮像素子に鏡像を出力すること、構造上、入射角が大きくダイクロイックコートの性能が出しにくいという短所を有する。特に、ギャップレスプリズムは、Ｆ値を大きくとろうとすると、入射角がより大きくなり、一層性能が出しにくくなる。そのため、ギャップレスプリズムは、低コストに製造可能な民生用としての需要がある。

こうしたことから、微細スペーサにより簡単に組み立て可能とするエアギャッププリズムの提案がある（たとえば、特許文献１参照）。

なお、エアギャッププリズムは、ビデオカメラに用いられる色分解プリズムのほかに、プロジェクタなどに用いられる色合成プリズムがある。

特開平６−２０１９０５号公報

しかしながら、提案の色分解プリズム（エアギャッププリズム）は、エアギャップの存在によりプリズム間の構造が非連続となるため、強度において不安定な問題を有する。そのため、提案の色分解プリズムは、エアギャップを保持するために側板（サイドウォール）とプリズムを接着している。また、提案の色分解プリズムは、エアギャップを保持するための側板とプリズムの接着において接着面の荒さや形状精度により接着剤の厚みがばらつき、温度変化や吸湿変化による体積変化が大きくなり耐環境性において不利である。

また、ＨＤ（High Definition：高精細度）の映像を取り扱う場合など、光学装置は、色分解または色合成について、より一層の精度向上が求められているが、提案の色分解プリズムは、光軸に斜めのエアギャップの存在により非点収差が発生する。提案の色分解プリズムは、この非点収差を抑制するためにエアギャップを薄くする必要があり、その作成が困難となっている。

本技術は、このような点に鑑みてなされたものであり、色分解または色合成に使用するエアギャッププリズムにおける非点収差の抑制と、環境変化による色分解の画のズレの精度（レジストレション）の低下を軽減可能である光学装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、光学装置は、第１プリズムと、第２プリズムと、光学多層膜とを備える。第２プリズムは、第１プリズムに接合される。光学多層膜は、第１プリズムと第２プリズムの接合面に形成され、第２プリズムの屈折率より小さな屈折率の低屈折率層を有する。

上記の光学装置によれば、色分解または色合成の精度向上を図ることができる。

第１の実施形態の光学装置の構成例を示す図である。第１の実施形態のダイクロイックコートの構成例を示す図である。第１の実施形態の光学装置の具体的構成例を示す図である。第１の実施形態のＢ反射膜面への入射角が５０度のときの反射透過特性を示す図である。第１の実施形態のＢ反射膜面への入射角が３０度のときの反射透過特性を示す図である。第２の実施形態の光学装置の構成例を示す図である。

以下、本技術の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施形態］
まず、第１の実施形態の光学装置について図１、図２を用いて説明する。図１は、第１の実施形態の光学装置の構成例を示す図である。図２は、第１の実施形態のダイクロイックコートの構成例を示す図である。

光学装置１は、プリズム２、３、４と、プリズム２とプリズム３の接合面にダイクロイックコート８、プリズム３とプリズム４の接合面にダイクロイックコート９を備える色分解プリズムである。

光学装置１は、光学装置１の前面より入射する光Ｌ１をＲＧＢの３原色に分解して各色に対応する撮像素子５、６、７に入射させる。プリズム２に入射した光Ｌ１は、ダイクロイックコート８によって光（青成分）Ｌ２と光（赤成分、緑成分）Ｌ３に分離される。光（青成分）Ｌ２は、ダイクロイックコート８に反射した後、プリズム２の前面（光Ｌ１の入射面）で全反射され、プリズム２から出射して撮像素子５に届く。

ダイクロイックコート８を透過した光（赤成分、緑成分）Ｌ３は、プリズム３に入射した後、ダイクロイックコート９によって光（赤成分）Ｌ４と光（緑成分）Ｌ５に分離される。光（赤成分）Ｌ４は、ダイクロイックコート９に反射した後、プリズム３の前面（光Ｌ３の入射面）で全反射され、プリズム３から出射して撮像素子６に届く。

ダイクロイックコート９を透過した光（緑成分）Ｌ５は、プリズム４に入射した後、プリズム４から出射して撮像素子７に届く。

このような光学装置１は、ビデオカメラ等の撮像装置に用いられる。この場合、撮像素子５、６、７は、たとえば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどである。

プリズム２は、三角柱状のガラスブロックである。プリズム２の三角柱の側面の１つ（プリズム２の第１の側面）は、光Ｌ１が垂直に入射する入射面であり、光（青成分）Ｌ２が全反射する反射面である。また、プリズム２の三角柱の側面の１つ（プリズム２の第２の側面）は、光（青成分）Ｌ２が撮像素子５に向けて出射する出射面である。また、プリズム２の三角柱の側面の１つ（プリズム２の第３の側面）は、ダイクロイックコート８が成膜された面であり、光（青成分）Ｌ２が全反射する反射面であり、光（赤成分、緑成分）Ｌ３がプリズム３に向けて出射する出射面である。

角度θ₁は、プリズム２の第１の側面とプリズム２の第３の側面とがなす角度であり、光（青成分）Ｌ２が全反射する大きさに設定される。言い換えれば、角度θ₁は、柱状をなす三角形の頂角の１つであり、光（青成分）Ｌ２をプリズム２から出射させるための角度である。

プリズム３は、四角柱状のガラスブロックである。プリズム３の四角柱の側面の１つ（プリズム３の第１の側面）は、光（赤成分、緑成分）Ｌ３が入射する入射面であり、光（赤成分）Ｌ４が全反射する反射面である。また、プリズム３の四角柱の側面の１つ（プリズム３の第２の側面）は、光（赤成分）Ｌ４が撮像素子６に向けて出射する出射面である。また、プリズム３の四角柱の側面の１つ（プリズム３の第３の側面）は、ダイクロイックコート９が成膜された面であり、光（赤成分）Ｌ４が全反射する反射面であり、光（緑成分）Ｌ５がプリズム４に向けて出射する出射面である。

角度θ₂は、プリズム３の第１の側面とプリズム３の第３の側面とがなす角度であり、光（赤成分）Ｌ４が全反射する大きさに設定される。言い換えれば、角度θ₂は、柱状をなす四角形の頂角の１つであり、光（赤成分）Ｌ４をプリズム３から出射させるための角度である。

プリズム４は、四角柱状のガラスブロックである。プリズム４の四角柱の側面の１つ（プリズム４の第１の側面）は、光（緑成分）Ｌ５が入射する入射面である。また、プリズム４の四角柱の側面の１つ（プリズム４の第２の側面）は、光（緑成分）Ｌ５が撮像素子７に向けて出射する出射面である。

プリズム２とプリズム３は、プリズム２の第３の側面とプリズム３の第１の側面とが接着剤１７により接合される。また、プリズム３とプリズム４は、プリズム３の第３の側面とプリズム４の第１の側面とが接着剤１７により接合される。接着剤１７は、硬化後において光学接着剤（たとえば、ＵＶ（Ultra Violet）硬化型接着剤）であり、プリズム２、３、４と同等の屈折率である。たとえば、プリズム２、３、４は、屈折率が約１．８の光学ガラスであり、接着剤１７は、屈折率が約１．８の光学接着剤である。

また、接着剤１７は、プリズム２の第３の側面とプリズム３の第１の側面とを面接着するため、従来のエアギャッププリズムのような強固な支持部材を必要としない。そのため、光学装置１は、エアギャップを精度よく保持する構造を要しないために低コストに製造可能であるとともに、エアギャップの精度の調整や測定にかかるコストを低減可能である。

また、接着剤１７は、プリズム２の第３の側面とプリズム３の第１の側面が光学研磨された光学面であることから、精度の高いフラット面を接着することとなる。そのため、接着剤１７は、接着剤１７の厚さを低減することができ、温度変化や吸湿変化等の環境変化による接着剤１７の体積変化を抑制可能である。そのため、光学装置１は、環境変化による色分解の画のズレの精度の低下を軽減可能である。

ダイクロイックコート８、９は、光学薄膜を積層した光学多層膜であり、誘電体を材料とする誘電体多層膜である。ダイクロイックコート８は、プリズム２に蒸着等によって成膜される。ダイクロイックコート８は、機能別に、反射防止機能層（第１機能層）１４、全反射機能層１５および青色反射赤緑透過機能層（第２機能層）１６から構成される（図２参照）。

反射防止機能層１４は、光Ｌ２の反射を防止し、光透過率の低下を防止する。反射防止機能層１４は、異なる屈折率の光学薄膜を複数積層する。反射防止機能層１４は、たとえば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を多層にして積層する。より具体的には、反射防止機能層１４は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素の３層をそれぞれ所定の厚さで積層する。

全反射機能層１５は、プリズム３の屈折率に比較して小さな屈折率であり、所定角度で入射する光（赤成分）Ｌ４を全反射する。全反射機能層１５は、たとえば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）を積層する。フッ化マグネシウムの屈折率は、約１．３４程度であり、プリズム３の屈折率（約１．８）より小さい。

全反射機能層１５は、所定の膜厚を有する。全反射機能層１５は、フッ化マグネシウムで構成された場合、膜厚を２０００ｎｍ以上とすることができる。望ましくは、全反射機能層１５は、フッ化マグネシウムで構成された場合、膜厚を２０００ｎｍとする。全反射機能層１５の薄膜化は、非点収差の抑制に貢献する。

なお、全反射機能層１５は、プリズム３の屈折率より小さければよく、たとえば、チオライト（Ｎａ₅Ａｌ₃Ｆ₁₄）やヘキサフルオロアルミン酸ナトリウム（Ｎａ₃ＡｌＦ₆）などを用いることもできる。

青色反射赤緑透過機能層１６は、青色の波長の光を選択的に反射し、赤色および緑色の波長の光を透過する。青色反射赤緑透過機能層１６は、異なる屈折率の光学薄膜を複数積層する。青色反射赤緑透過機能層１６は、たとえば、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を多層にして積層する。より具体的には、青色反射赤緑透過機能層１６は、酸化アルミニウム、二酸化チタン、酸化アルミニウム、・・・、二酸化チタン、酸化アルミニウムの２５層をそれぞれ所定の厚さで積層する。

ダイクロイックコート９は、プリズム３に蒸着等によって成膜される。ダイクロイックコート９は、赤色反射緑透過機能層から構成される（図示省略）。

なお、光学装置１において全反射機能層１５がエアギャップに置き換えて機能するためには、以下の（１）式から（３）式を満足する必要がある。

ただし、
角度θ₁：プリズム２の第１の側面とプリズム２の第３の側面とがなす角度
角度θ₂：プリズム３の第１の側面とプリズム３の第３の側面とがなす角度
屈折率ｎ₀：全反射機能層１５の屈折率
屈折率ｎ₁：プリズム３、４、５の屈折率
Ｆ：光学装置１のＦ値

光学装置１において全反射機能層１５は、（１）式から（３）式を満足することにより、光（赤成分）Ｌ４を全反射し、エアギャップに置き換えて機能する。

次に、（１）式から（３）式を満足する光学装置１の具体的構成例を図３を用いて説明する。図３は、第１の実施形態の光学装置の具体的構成例を示す図である。

光学装置１は、プリズム２、３、４および接着剤１７の屈折率を約１．８（屈折率ｎ₀）とすると、全反射機能層１５を屈折率が約１．３４（屈折率ｎ₁）のフッ化マグネシウムとすることができる（屈折率ｎ₀＞屈折率ｎ₁）。

また、光学装置１は、プリズム２の第１の側面とプリズム２の第３の側面とがなす角度θ₁を３２°とし、プリズム３の第１の側面とプリズム３の第３の側面とがなす角度θ₂を４５°とする。なお、プリズム４の第１の側面とプリズム４の第２の側面とがなす角度は、１３°である。

また、Ｆ値は、１．８である。このとき、プリズム２の第１の側面への光束の最大入射角は、３２．３°／２である。

このとき、（１）式から（３）式は、満足され、光学装置１において全反射機能層１５は、エアギャップに置き換えて機能する。このような光学装置１におけるダイクロイックコート８の反射透過特性を図４、図５に示す。図４は、第１の実施形態のＢ反射膜面への入射角が５０度のときの反射透過特性を示す図である。図５は、第１の実施形態のＢ反射膜面への入射角が３０度のときの反射透過特性を示す図である。

反射透過特性を示す図（図４、図５）は、入射光の波長を横軸、反射率を左縦軸、透過率を右縦軸とし、反射率特性を実線、透過率特性を破線で表す。これによれば、ダイクロイックコート（Ｂ反射膜面）８への入射角が５０°のときは、ＲＧＢの全帯域にわたってほぼ１００％の反射率と、ほぼ０％の透過率となっている。透過率は、波長６００ｎｍから波長７００ｎｍにかけて低下傾向がみられるが、波長７００ｎｍにおいても０．０００００００３にすぎない。このように、ダイクロイックコート８は、入射角が５０°のとき、ＲＧＢの全帯域にわたって良好な反射透過特性を示す。

また、ダイクロイックコート８への入射角が３０°のときは、波長４００ｎｍから波長５００ｎｍにかけて反射率が高く（４３０ｎｍ付近で９０％以上）、波長５００ｎｍから波長７００ｎｍにかけてほぼ１００％の透過率となっている。このように、ダイクロイックコート８は、入射角が３０°のとき、Ｂ反射膜面として良好な反射透過特性を示す。

このように、光学装置１は、エアギャップに置き換えて機能する全反射機能層１５を備えるダイクロイックコート８により、色分解を実現する。

このような全反射機能層１５は、精度よく薄く作ることが容易であり、光学装置１は、エアギャッププリズムに比較して非点収差の発生を抑制することができる。また、光学装置１は、エアギャッププリズムに比較して接着剤１７の使用量を低減するため、体積変化による色分解した画の位置精度の低下を抑制可能である。そのため、光学装置１は、高温あるいは多湿などの環境下に曝される用途にも適用可能である。たとえば、光学装置１は、オートクレーブ（高圧蒸気滅菌機、高圧蒸気滅菌処理）にかけられる医療用の撮像装置に備えることが可能である。

また、光学装置１は、ギャップレスプリズムに比較してダイクロイックコート８への入射角度を小さくすることができ、ダイクロイックコート８の性能を発揮するうえで有利であり、より大きなＦ値をとることを可能にする。

なお、第１の実施形態では、光学装置１は、プリズム２の第３の側面にダイクロイックコート８を成膜する場合を示したが、プリズム３の第１の側面にダイクロイックコート８を成膜するものであってもよい。プリズム２の第３の側面にダイクロイックコート８を成膜する場合、光学装置１は、接着剤１７を透過させることなく光（青成分）Ｌ２をダイクロイックコート８で反射させることができ、光（青成分）Ｌ２の解像度向上に有利である。

なお、光学装置１は、ダイクロイックコート８に青色反射赤緑透過機能層１６を備えるようにしたが、第１の波長を選択する反射透過特性を有するものであればよく、赤色反射緑青透過機能層であってもよい。この場合、ダイクロイックコート９は、第２の波長を選択する反射透過特性を有するものであればよく、反射防止機能層、青色反射緑透過機能層から構成される。

［第２の実施形態］
次に、本技術の第２の実施形態を図６を用いて説明する。図６は、第２の実施形態の光学装置の構成例を示す図である。第１の実施形態の光学装置１が入射光を色分解していたところ、第２の実施形態の光学装置１０は、色合成して出射光を得る点で異なる。

光学装置１０は、プリズム２、３、４と、プリズム２とプリズム３の接合面にダイクロイックコート８、プリズム３とプリズム４の接合面にダイクロイックコート９を備える色分解プリズムである点で光学装置１と同じである。

光学装置１０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display：液晶ディスプレイ）１１、１２、１３から入射される光Ｌ１２、Ｌ１４、Ｌ１５を合成して光Ｌ１１にして出射する。たとえば、光Ｌ１２、Ｌ１４、Ｌ１５は、それぞれ青色光、赤色光、緑色光であり、光Ｌ１１は白色光である。

ＬＣＤ１２から出射した光Ｌ１４は、プリズム３とプリズム２の接合面で全反射され、ダイクロイックコート９に反射した後、ＬＣＤ１３から出射してダイクロイックコート９を透過した光Ｌ１５と合成され光Ｌ１３となる。ＬＣＤ１１から出射した光Ｌ１２は、プリズム２の前面（光Ｌ１１の出射面）で全反射され、ダイクロイックコート８に反射した後、ダイクロイックコート８を透過した光Ｌ１３と合成され光Ｌ１１となる。

このような光学装置１０は、映像を投影する投影装置（たとえば、プロジェクタ等）に用いられる。なお、ＬＣＤ１１、１２、１３は、ＬＣＤに限らず、その他の表示装置であってもよい。

なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）第１プリズムと、
前記第１プリズムに接合された第２プリズムと、
前記第１プリズムと前記第２プリズムの接合面に形成され、前記第２プリズムの屈折率より小さな屈折率の低屈折率層を有する光学多層膜と、
を備える光学装置。
（２）前記光学多層膜は、
反射を防止して光透過率を向上させる第１機能層と、
前記低屈折率層と、
特定波長を選択的に反射および透過させる第２機能層と、
を備える（１）記載の光学装置。
（３）第１の波長成分を入射または出射させるための前記第１プリズムの頂角をθ₁、
第２の波長成分を入射または出射させるための前記第２プリズムの頂角をθ₂、
前記低屈折率層の屈折率をｎ₀、
前記第２プリズムの屈折率をｎ₁、
プリズムのＦ値をＦ、
としたとき、（１）式、（２）式、（３）式を満足する（１）または（２）記載の光学装置。
（４）前記低屈折率層は、フッ化マグネシウムからなる（１）乃至（３）記載の光学装置。
（５）前記光学多層膜は、前記第１プリズムまたは前記第２プリズムのいずれか一方の接合面に成膜され、他方の接合面と接着剤により接着される（１）乃至（４）記載の光学装置。
（６）前記光学多層膜は、前記第１プリズムの接合面に成膜され、前記第２プリズムの接合面と接着剤により接着される（１）乃至（５）記載の光学装置。
（７）色分解プリズムである（１）乃至（６）記載の光学装置。
（８）色合成プリズムである（１）乃至（６）記載の光学装置。
（９）（１）乃至（６）記載の光学装置を備える撮像装置。
（１０）（１）乃至（６）記載の光学装置を備える投影装置。

なお、上述の実施の形態は、実施の形態の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。

さらに、上述の実施の形態は、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではない。

１，１０……光学装置、２，３，４……プリズム、５，６，７……撮像素子、８，９……ダイクロイックコート、１１，１２，１３……ＬＣＤ、１４……反射防止機能層、１５……全反射機能層、１６……青色反射赤緑透過機能層、１７……接着剤

Claims

第１プリズムと、
前記第１プリズムに接合された第２プリズムと、
前記第１プリズムと前記第２プリズムの接合面に形成され、前記第２プリズムの屈折率より小さな屈折率の低屈折率層を有する光学多層膜と、
を備える光学装置。
前記光学多層膜は、
反射を防止して光透過率を向上させる第１機能層と、
前記低屈折率層と、
特定波長を選択的に反射および透過させる第２機能層と、
を備える請求項１記載の光学装置。
第１の波長成分を入射または出射させるための前記第１プリズムの頂角をθ₁、
第２の波長成分を入射または出射させるための前記第２プリズムの頂角をθ₂、
前記低屈折率層の屈折率をｎ₀、
前記第２プリズムの屈折率をｎ₁、
プリズムのＦ値をＦ、
としたとき、以下の条件を満足する請求項１記載の光学装置。
前記低屈折率層は、フッ化マグネシウムからなる請求項１記載の光学装置。
前記光学多層膜は、前記第１プリズムまたは前記第２プリズムのいずれか一方の接合面に成膜され、他方の接合面と接着剤により接着される請求項１記載の光学装置。
前記光学多層膜は、前記第１プリズムの接合面に成膜され、前記第２プリズムの接合面と接着剤により接着される請求項１記載の光学装置。
色分解プリズムである請求項１記載の光学装置。
色合成プリズムである請求項１記載の光学装置。