JP2014021213A - Optical component and method for manufacturing optical component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、材料に、当該材料とは異なる屈折率を有する領域が存在する光学部品に関し、特に屈折率変化領域において屈折率の分布が存在する光学部品、回折光学素子、光学的ローパスフィルタ、およびその製造方法に関する。このような光学部品は、屈折率変化領域に含まれる屈折率の分布状況によって、部品を通過する光を所望の態様に制御することができるため、撮像装置、光情報処理、および光通信システム等の光学機器に使用される光学部品として好適に利用できる。 The present invention relates to an optical component in which a material has a region having a refractive index different from that of the material, and in particular, an optical component having a refractive index distribution in a refractive index changing region, a diffractive optical element, an optical low-pass filter, and It relates to the manufacturing method. Such an optical component can control light passing through the component to a desired mode according to the distribution of refractive index included in the refractive index change region, so that an imaging device, an optical information processing, an optical communication system, etc. It can be suitably used as an optical component used in the optical apparatus.
近年、非常に小さなサイズの部品に複合的な光学機能を収めた光学素子や、従来の光学素子では実現できなかった光の進行方向を得られる光学素子等の光学部品が増えている。これらの光学素子は、光処理分野、光通信分野等に応用されており、処理する光データの量が幾何級数的に増加している現在において、より微小化、集積化することが望まれ、そのための技術開発が盛んに行われている。 In recent years, there are an increasing number of optical components such as an optical element that has a composite optical function in a very small size component, and an optical element that can obtain a traveling direction of light that cannot be realized by a conventional optical element. These optical elements are applied to the optical processing field, the optical communication field, etc., and at the present time when the amount of optical data to be processed is increasing geometrically, it is desired to further miniaturize and integrate, Technological development for this purpose has been actively conducted.
これらの素子にはマイクロオーダーまたはナノオーダーのレンズ、フィルタ、プリズム、光回路など様々なものがあり、材料を微小加工することで得ることができる。 These elements include various elements such as micro-order or nano-order lenses, filters, prisms, optical circuits, and the like, and can be obtained by microfabrication of materials.
前述した光学素子を微小加工する方法として、部材の表面を感光性レジスト材で被覆した後、選択的に加工領域を露光し、素子機能に応じた起伏面を作製するフォトリソグラフィーなどの半導体製造技術がある。（例えば、特許文献１）リソグラフィー法は、正確かつ微細な加工を得意とする技術であるが、被覆やエッチングを繰り返す工程数が多く、加工コストが高くなる。また、その加工原理上、表面の設計可能な構造が２次元加工に限定される。 As a method for microfabrication of the optical element described above, a semiconductor manufacturing technique such as photolithography, in which the surface of a member is coated with a photosensitive resist material, and then a processing area is selectively exposed to produce a relief surface corresponding to the element function. There is. (For example, Patent Document 1) Lithography is a technique that excels at accurate and fine processing, but has a large number of steps for repeating coating and etching, and increases processing costs. Moreover, the structure which can design the surface is limited to two-dimensional processing on the processing principle.
また、紫外線や可視光を当てると硬化する樹脂を用いて三次元構造を形成し、マイクロレンズアレイや回折格子などを製造する技術がある。（例えば、特許文献２）この方法は、材料が感光性樹脂に限られるため、材料選択の自由度が低く、屈折率などの光学的性質、強度、耐光性などの諸条件を満たす材料はさらに限られる。 In addition, there is a technique for forming a microlens array, a diffraction grating, or the like by forming a three-dimensional structure using a resin that is cured when irradiated with ultraviolet rays or visible light. (For example, Patent Document 2) In this method, since the material is limited to a photosensitive resin, the degree of freedom of material selection is low, and materials satisfying various conditions such as optical properties such as refractive index, strength, and light resistance are further included. Limited.
また、金型に刻まれた微細な凹凸を、基板上に塗布した樹脂材料に押しつけることで、微細な形状を転写した部品を製造する技術がある。（例えば、特許文献３）。これは、リソグラフィーとエッチングを使う従来のパターン形成技術に比べて低コストで作れるメリットがある一方、パターンの加工寸法や精度などがリソグラフィー技術に劣るという問題がある。 In addition, there is a technique for manufacturing a component having a fine shape transferred by pressing fine irregularities carved in a mold against a resin material applied on a substrate. (For example, patent document 3). This is advantageous in that it can be produced at a lower cost than the conventional pattern forming technique using lithography and etching, but has a problem that the processing size and accuracy of the pattern are inferior to the lithography technique.
一方、近年レーザーパルス圧縮技術や超短パルスレーザーを利用した材料の加工技術が向上するに伴い、超短パルスレーザー光を利用した材料の加工が盛んに報告されており、特にパルス幅がフェムト秒以下のレーザー光は多光子吸収という過程を利用して、通常は光が通り抜けてしまう透明材料の内部を３次元的に加工できることが知られている。（例えば、特許文献４） On the other hand, in recent years, with the improvement of laser pulse compression technology and material processing technology using ultra-short pulse lasers, processing of materials using ultra-short pulse laser light has been actively reported, especially with a pulse width of femtosecond. The following laser light is known to be capable of three-dimensionally processing the inside of a transparent material through which light normally passes, utilizing a process called multiphoton absorption. (For example, Patent Document 4)
パルスレーザー、特にパルス幅がフェムト秒レベルのレーザーを照射することで得られる材料の内部変化としては、光エネルギーが分子結合を切断することによる照射部分の密度・屈折率の変化、空洞形成等があり、このような照射部位における材料の特性変化を光学部品に用いることができる。例えば、超短パルスレーザーの照射によって高屈折率領域を形成して材料中に光導波路を作製したり、また、材料中に周期的に存在する屈折率変化領域を形成することで回折格子を作製することができる。 Internal changes in the material obtained by irradiating a pulse laser, especially a laser with a pulse width of femtosecond level, include changes in the density and refractive index of the irradiated part due to light energy breaking the molecular bond, cavity formation, etc. There is a change in the characteristics of the material at the irradiated part, which can be used for an optical component. For example, a high refractive index region is formed by irradiation with an ultrashort pulse laser to produce an optical waveguide in the material, or a diffraction grating is produced by forming a refractive index changing region that periodically exists in the material. can do.
超短パルスレーザーの多光子吸収過程を利用して作られた光学部品は、加工の自由度、加工工程数、加工時間等の面で利点が多く、特に、材料内部の空間的に材料の表面と独立した空間にも所望の屈折率変化領域を形成することができる。特に、ガラス材料に屈折率が異なる異質相を形成した光学素子は、ガラスの組成および製造方法を工夫することで、光学的、機械的、熱的特性を設計することができ、諸特性に優れるものを得る事ができる。 Optical components made using the multi-photon absorption process of ultrashort pulse lasers have many advantages in terms of freedom of processing, the number of processing steps, processing time, etc. It is possible to form a desired refractive index change region in a space independent from the other. In particular, an optical element in which a heterogeneous phase having a different refractive index is formed on a glass material can be designed with optical, mechanical, and thermal characteristics by devising the composition and manufacturing method of the glass, and is excellent in various characteristics. You can get things.
本発明者らは、時間幅が１０−１２秒以下の超短パルスレーザーを用いて材料内部に母材料とは屈折率が異なる領域を形成した回折格子およびそれを利用した光学的ローパスフィルタを発明している。（例えば、特許文献５） The inventors have invented a diffraction grating in which a region having a refractive index different from that of a base material is formed inside the material using an ultrashort pulse laser having a time width of 10 −12 seconds or less, and an optical low-pass filter using the same. doing. (For example, Patent Document 5)
本発明者らは、パルスレーザーを用いて材料に微細加工を施した光学素子において、透過光を制御するための手段として、加工材料、並びに加工領域の形状およびパターンについて鋭意研究を行い、有効な加工態様を見出してきた。しかし、好ましい加工パターンが見出され、所望の光制御を実現していく一方で、同時に意図せぬ透過光の振る舞いが現れる場合があった。例えば、材料内部に回折格子を加工することで得た位相型光学的ローパスフィルタにおいて、回折光を所望の分布に制御することに成功したが、回折光の分布とは別に、回折格子の格子模様が、光学像に写り込むという問題があった。 The present inventors have conducted intensive research on the processing material and the shape and pattern of the processing region as a means for controlling the transmitted light in an optical element obtained by performing microfabrication on the material using a pulse laser. We have found a processing mode. However, while a desirable processing pattern has been found and desired light control has been realized, an unintended transmitted light behavior may appear at the same time. For example, in a phase-type optical low-pass filter obtained by processing a diffraction grating inside the material, we succeeded in controlling the diffracted light to a desired distribution, but apart from the diffracted light distribution, the grating pattern of the diffraction grating However, there was a problem of being reflected in an optical image.
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、光の進行方向、位相分布、および強度分布等、通過した光をより正確に制御することができる光学部品を得ることである。特に、材料中に形成した屈折率領域変化領域の形状に起因する光のムラおよび加工パターンの写り込みなど、意図しない現象が生じない光学部品、回折光学素子、および光学的ローパスフィルタを得ることを目的とする。また、当該光学部品を容易に作製するための製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to obtain an optical component that can more accurately control the light passing therethrough, such as the light traveling direction, phase distribution, and intensity distribution. is there. In particular, to obtain optical components, diffractive optical elements, and optical low-pass filters that do not cause unintended phenomena such as unevenness of light due to the shape of the refractive index region changing region formed in the material and reflection of processed patterns. Objective. Moreover, it aims at providing the manufacturing method for manufacturing the said optical component easily.
本発明者らは、前述した意図しない光の振る舞いが生じる原因について鋭意研究した結果、母材料と屈折率変化領域との界面部分で起こる光の反射および屈折がその原因であることを見出した。そして前記界面部分における屈折率の変化にゆるやか又は漸次的な勾配を付与することにより、上述の意図しない光の振る舞いが低減することを見出し、本発明を完成するに至った。本発明においては、次のような手段を提供する。
（１）材料に屈折率変化領域を有する光学部品であって、前記屈折率変化領域は、漸次的に屈折率が変化する屈折率勾配部を含むことを特徴とする、光学部品。
（２）前記屈折率勾配部において、光軸と垂直な方向に対する１μｍあたりの屈折率変化の絶対値（｜Δｎ｜／Δｘ）が０．０１μｍ−１以下であることを特徴とする、（１）記載の光学部品。（ただし、Δｎは光学部品の利用光線における屈折率変化量を、ｘは光軸に垂直な方向への距離を意味する）
（３）前記屈折率勾配部が、屈折率が連続的に変化する領域を含むことを特徴とする、（１）または（２）いずれか記載の光学部品。
（４）前記屈折率が連続的に変化する領域における、光軸と垂直な方向への距離（ｘ）に対する屈折率変化率（ｄ｜Δｎ｜／ｄｘ）が０μｍ−１＜ｄ｜Δｎ｜／ｄｘ≦０．０１μｍ−１であることを特徴とする（３）に記載の光学部品。
（５）前記屈折率勾配部が、光軸と垂直な方向に対する幅が１μｍ以上の、互いに隣接した複数の領域によって、屈折率が段階的に変化する領域を含むことを特徴とする（１）または（２）いずれか記載の光学部品。
（６）前記複数の領域において、隣接した領域同士の屈折率変化量（｜Δｎ｜）が０＜｜Δｎ｜≦０．０１であることを特徴とする（５）に記載の光学部品。
（７）前記屈折率変化領域および屈折率勾配部が、レーザーの照射によって得られたことを特徴とする、（１）から（６）のいずれかに記載の光学部品。
（８）前記屈折率変化領域が、二次元又は三次元的に、周期的及び／又はランダムに形成されている（１）から（７）のいずれかに記載の光学部品
（９）前記屈折率変化領域により、透過波面の面内位相差分布を周期的に変化させることを特徴とする（１）から（８）のいずれかに記載の光学部品。
（１０）屈折率の最大値と最小値との差が０．０００１以上であることを特徴とする（１）から（９）のいずれかに記載の光学部品。
（１１）前記材料がガラスであることを特徴とする（１）から（１０）いずれかに記載の光学部品。
（１２）（１）から（１１）いずれかに記載の光学部品を用いた回折光学素子。
（１３）（１）から（１１）いずれかに記載の光学部品を用いた光学的ローパスフィルタ。
（１４）前記光学的ローパスフィルタに起因して撮影像に生じる像面コントラスト値が０．１以下である（１３）に記載の光学的ローパスフィルタ。
（１５）（１）から（１１）いずれかに記載の光学部品を用いた屈折率分布型レンズ、光拡散素子、またはレンズアレイ。
（１６）材料にパルスレーザーを集光照射し、レーザー照射部位に漸次的に屈折率が変化する屈折率勾配部を形成する、（１）から（１１）いずれか記載の光学部品を製造する方法。
（１７）パルスレーザーのパワー密度、パルス幅、繰り返し周波数、スキャンスピード、レーザー照射時の温度、またはレーザー照射時の雰囲気、のうちいずれかひとつ以上を制御することによって、レーザー照射部位の屈折率勾配を制御することを特徴とする、（１６）に記載の光学部品を製造する方法。
（１８）ホログラムを通過したパルスレーザー光を用いることによって、レーザー照射部位の屈折率勾配を制御することを特徴とする、（１６）または（１７）のいずれかに記載の光学部品を製造する方法。
As a result of intensive studies on the cause of the unintended light behavior described above, the present inventors have found that the reflection and refraction of light occurring at the interface portion between the base material and the refractive index change region are the cause. The inventors have found that the above-described unintended light behavior is reduced by giving a gradual or gradual gradient to the change in refractive index at the interface portion, and the present invention has been completed. In the present invention, the following means are provided.
(1) An optical component having a refractive index change region in a material, wherein the refractive index change region includes a refractive index gradient portion in which a refractive index gradually changes.
(2) In the refractive index gradient portion, an absolute value (| Δn | / Δx) of a refractive index change per 1 μm with respect to a direction perpendicular to the optical axis is 0.01 μm −1 or less. ) Optical components described. (However, Δn represents the amount of change in the refractive index of the light used by the optical component, and x represents the distance in the direction perpendicular to the optical axis)
(3) The optical component according to any one of (1) and (2), wherein the refractive index gradient portion includes a region where the refractive index continuously changes.
(4) In the region where the refractive index continuously changes, the refractive index change rate (d | Δn | / dx) with respect to the distance (x) in the direction perpendicular to the optical axis is 0 μm −1 <d | Δn | / The optical component according to (3), wherein dx ≦ 0.01 μm −1 .
(5) The refractive index gradient portion includes a region where the refractive index changes stepwise by a plurality of adjacent regions having a width of 1 μm or more in a direction perpendicular to the optical axis (1). Or (2) Optical component in any one.
(6) The optical component according to (5), wherein in the plurality of regions, a refractive index change amount (| Δn |) between adjacent regions is 0 <| Δn | ≦ 0.01.
(7) The optical component according to any one of (1) to (6), wherein the refractive index changing region and the refractive index gradient portion are obtained by laser irradiation.
(8) The optical component (9) according to any one of (1) to (7), wherein the refractive index changing region is formed two-dimensionally or three-dimensionally periodically and / or randomly. The optical component according to any one of (1) to (8), wherein the in-plane retardation distribution of the transmitted wavefront is periodically changed by the change region.
(10) The optical component according to any one of (1) to (9), wherein a difference between the maximum value and the minimum value of the refractive index is 0.0001 or more.
(11) The optical component according to any one of (1) to (10), wherein the material is glass.
(12) A diffractive optical element using the optical component according to any one of (1) to (11).
(13) An optical low-pass filter using the optical component according to any one of (1) to (11).
(14) The optical low-pass filter according to (13), wherein an image plane contrast value generated in a photographed image due to the optical low-pass filter is 0.1 or less.
(15) A gradient index lens, a light diffusing element, or a lens array using the optical component according to any one of (1) to (11).
(16) A method for producing an optical component according to any one of (1) to (11), wherein the material is irradiated with a focused laser beam to form a refractive index gradient portion in which the refractive index gradually changes at the laser irradiation site. .
(17) The refractive index gradient of the laser irradiation part is controlled by controlling at least one of the power density, pulse width, repetition frequency, scan speed, temperature during laser irradiation, or atmosphere during laser irradiation. The method of manufacturing an optical component according to (16), wherein the optical component is controlled.
(18) The method for producing an optical component according to any one of (16) and (17), wherein the refractive index gradient of a laser irradiation site is controlled by using pulsed laser light that has passed through a hologram. .
本発明によると、材料中に形成した屈折率領域変化領域の形状に起因した、好ましくない光のムラおよびパターンの写り込みなどの意図しない現象が生じない光学部品、回折光学素子、および光学的ローパスフィルタ、および光学部品の製造方法が提供される。 According to the present invention, an optical component, a diffractive optical element, and an optical low-pass that do not cause an unintended phenomenon such as undesirable light unevenness and pattern reflection due to the shape of the refractive index region changing region formed in the material. A filter and a method for manufacturing an optical component are provided.
以下に本発明の光学部品、光学部品、回折格子、光学的ローパスフィルタ、およびその製造方法について、添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明の光学部品、回折光学素子、光学的ローパスフィルタ、およびその製造方法は、以下に示す実施の形態および実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び後述する実施例では参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, an optical component, an optical component, a diffraction grating, an optical low-pass filter, and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The optical component, the diffractive optical element, the optical low-pass filter, and the manufacturing method thereof according to the present invention are not construed as being limited to the description of the embodiments and examples shown below. Note that in the drawings referred to in this embodiment mode and examples described later, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals, and repetitive description thereof is omitted.
（光学部品の材料）
本実施形態に係る光学部品において、材料としては、ガラス、ガラスセラミックス、焼結体、アクリル樹脂、ＰＥＴ樹脂、塩化ビニル樹脂等の有機材料、単結晶など、光学部品に用いる公知の材料を用いることができる。また、これらの材料はバルクである必要はなく、基板上の膜であっても良い。
(Material for optical components)
In the optical component according to the present embodiment, as a material, a known material used for an optical component such as glass, glass ceramics, a sintered body, an organic material such as an acrylic resin, a PET resin, or a vinyl chloride resin, or a single crystal is used. Can do. Moreover, these materials do not need to be bulk, and may be a film on a substrate.
また、光学特性発現の観点から透明な材料を用いることが好ましい。ここで透明とは光学部品の利用光が材料を透過できることを意味する。光学部品材料の利用光における透過率は出射光に結合する光学装置全体に影響するため、高いほうが好ましく最も透過率の高い波長に対して３０％以上、好ましくは４０％以上、より好ましくは５０％以上、最も好ましくは８０％以上とすることができる。 Moreover, it is preferable to use a transparent material from a viewpoint of optical characteristic expression. Here, “transparent” means that the light used by the optical component can pass through the material. Since the transmittance of the utilized light of the optical component material affects the entire optical device coupled to the emitted light, it is preferable that the transmittance is higher, and it is preferably 30% or more, preferably 40% or more, more preferably 50% with respect to the wavelength having the highest transmittance. Thus, most preferably, it can be 80% or more.
特に可視光を利用する撮像装置に用いる光学部品を作製する場合、材料の可視光に対する透過率は、前述した加工効率や光学特性への影響を考慮し、可視光の最も透過率の高い波長に対し透過率が７０％以上であることが良く、８０％以上であるとより好ましく、９０％以上あると最も好ましい。例えばガラス材料を利用する場合ではλ８０が４７０以下であると好ましく、４５０以下であるとより好ましく、４２０以下であると最も好ましい。 Especially when manufacturing optical components used in imaging devices that use visible light, the transmittance of the material to visible light is set to the wavelength with the highest visible light transmittance, taking into account the effects on the processing efficiency and optical characteristics described above. On the other hand, the transmittance is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and most preferably 90% or more. For example, when a glass material is used, λ80 is preferably 470 or less, more preferably 450 or less, and most preferably 420 or less.
一方、本発明の光学部品における屈折率変化領域を後述するパルスレーザーによって加工する場合、材料におけるパルスレーザー波長に対する透過率は、加工効率および加工品質に影響を及ぼすため、使用する波長に対する吸収または反射がなく、高い透過性を有することが好ましい。パルスレーザー加工では集光位置付近の光強度の高い部位のみで多光子過程による非線形吸収が生じることで屈折率の変化が起きるが、集光位置以外の部位での吸収は加工効率を低下させてしまうためである。 On the other hand, when the refractive index changing region in the optical component of the present invention is processed by a pulse laser, which will be described later, the transmittance with respect to the pulse laser wavelength in the material affects the processing efficiency and processing quality. It is preferable to have high permeability. In pulsed laser processing, the refractive index changes due to nonlinear absorption due to the multiphoton process only in the high light intensity region near the condensing position, but the absorption in the region other than the condensing position decreases the processing efficiency. It is because it ends.
また、本実施形態に係る材料は屈折率が高い材料を用いると良い。母材料および母材料に存在する屈折率変化領域との屈折率差が等しくても、高屈折材料を用いると屈折角および反射率が低減し、透過光のムラおよびパターンの写り込みなどが抑制される効果がある。具体的には、光学部品に用いる材料の屈折率は１．５以上であることが好ましく、１．６以上であるとより好ましく、１．７以上であると最も好ましい。 The material according to the present embodiment is preferably a material having a high refractive index. Even if the refractive index difference between the base material and the refractive index change region existing in the base material is the same, the use of a high refractive material reduces the refraction angle and reflectivity, and suppresses unevenness in transmitted light and pattern reflection. There is an effect. Specifically, the refractive index of the material used for the optical component is preferably 1.5 or more, more preferably 1.6 or more, and most preferably 1.7 or more.
このような材料としては、例えばＳｉＯ２系ガラス、Ｂ２Ｏ３系ガラス、Ｐ２Ｏ５系ガラス等が挙げられる。無機ガラス材料は有機樹脂材料と比較して、一般的に高屈折率であり、また、耐熱性、耐水性、耐薬品性が高いので光学部品として使用制限が広く、好ましい。また、単結晶材料と比較して一般的に製造コストが安価であり好ましい。 Examples of such a material include SiO 2 glass, B 2 O 3 glass, P 2 O 5 glass, and the like. Inorganic glass materials generally have a high refractive index as compared with organic resin materials, and also have high heat resistance, water resistance, and chemical resistance, so that the use restrictions are wide as optical components, which is preferable. In addition, the manufacturing cost is generally low compared with a single crystal material, which is preferable.
特に、Ｐ２Ｏ５を必須成分として含有し、さらにＮｂ２Ｏ５またはＴｉＯ２の少なくともいずれかを含有する無機ガラスは一般的に屈折率が高く、パルスレーザー加工によって与えられる屈折率変化領域の屈折率の変化も大きいため、光学設計の自由度が高く、また、省エネルギーの観点からも好ましい。 In particular, an inorganic glass containing P 2 O 5 as an essential component and further containing at least one of Nb 2 O 5 or TiO 2 generally has a high refractive index, and has a refractive index changing region given by pulse laser processing. Since the change in refractive index is large, the degree of freedom in optical design is high, and it is also preferable from the viewpoint of energy saving.
また、本発明の材料はそれ自体がある特性を有するものであっても良い。例えばＣＣＤ等の固体撮像素子の前面には、赤外線をカットするために赤外光カットフィルタ、固体撮像素子の保護のためにカバーガラスが備えられている。本発明の透明材料はこの赤外光カットフィルタおよび／またはカバーガラスの機能を有する材料を用いても良い。機能を複合化することで、部品数を軽減し、装置をコンパクトできるからである。この赤外光カットフィルタは好ましくは、厚さ０．５ｍｍにおける透過率が４００ｎｍから５５０ｎｍの波長域で５０％以上であり、かつ８００ｎｍから１０００ｎｍの波長域で３０％以下であり、より好ましくは４００ｎｍから５５０ｎｍの波長域で５０％以上であり、かつ８００ｎｍから１０００ｎｍの波長域で１０％以下であり、最も好ましくは４００ｎｍから５５０ｎｍの波長域で５０％以上でかつ８００ｎｍから１０００ｎｍの波長域で５％以下である。ＣＣＤ等の固体撮像素子前面に配置されるカバーガラスはそれ自体が放出するα線量が多いとノイズの原因となるため、α線の放出量は少ない事が好ましく、その量は０．０２ｃｏｕｎｔ／ｃｍ２・ｈｒ以下が好ましく、０．０１ｃｏｕｎｔ／ｃｍ２・ｈｒ以下がより好ましい。同様にβ線の放出もノイズの原因となるため、１００ｃｏｕｎｔ／ｃｍ２・ｈｒ以下が好ましく、５０ｃｏｕｎｔ／ｃｍ２・ｈｒ以下がより好ましい。 In addition, the material of the present invention may itself have certain characteristics. For example, an infrared light cut filter for cutting infrared rays and a cover glass for protecting the solid-state imaging device are provided on the front surface of a solid-state imaging device such as a CCD. The transparent material of the present invention may use a material having the function of this infrared light cut filter and / or cover glass. This is because by combining functions, the number of parts can be reduced and the apparatus can be made compact. This infrared light cut filter preferably has a transmittance at a thickness of 0.5 mm of 50% or more in the wavelength region of 400 nm to 550 nm and 30% or less in the wavelength region of 800 nm to 1000 nm, more preferably 400 nm. To 50% or more in the wavelength region from 550 nm to 10% or less in the wavelength region from 800 nm to 1000 nm, most preferably 50% or more in the wavelength region from 400 nm to 550 nm and 5% in the wavelength region from 800 nm to 1000 nm. It is as follows. A cover glass disposed in front of a solid-state imaging device such as a CCD causes noise if the α dose emitted by itself is large. Therefore, it is preferable that the amount of α rays emitted is small, and the amount is 0.02 count / cm. 2 · hr or less is preferable, and 0.01 count / cm 2 · hr or less is more preferable. Since it is also responsible for noise emission equally β rays is preferably not more than 100count / cm 2 · hr, more preferably at most 50count / cm 2 · hr.
本実施形態に係る材料には、表面を研磨したガラスや、表面が平坦に加工された有機材料を用いる。本実施形態においては、材料にパルスレーザーを照射するため、表面でレーザーが乱反射するのを防ぐ必要があり、表面は可能な限り平坦であることが好ましい。近年の撮像素子の高画素化に伴い、画素サイズが小さくなっており、回折光の入射位置のズレを低減する観点から、平坦度は１０μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以下であることがより好ましい。また、表面粗さは、点平均粗さＲｚで１５０Å以下であることが好ましい。一方、材料表面形状は、平面に限られる必要はなく、例えばレンズのようにある曲率の凹面や凸面、高次の曲面、を有していても良い。 As the material according to this embodiment, glass whose surface is polished or an organic material whose surface is processed flat is used. In this embodiment, since the material is irradiated with a pulse laser, it is necessary to prevent the laser from irregularly reflecting on the surface, and the surface is preferably as flat as possible. With the recent increase in the number of pixels in an image sensor, the pixel size is reduced, and from the viewpoint of reducing the deviation of the incident position of diffracted light, the flatness is preferably 10 μm or less, and more preferably 2 μm or less. preferable. The surface roughness is preferably 150 mm or less in terms of the point average roughness Rz. On the other hand, the material surface shape need not be limited to a flat surface, and may have, for example, a concave surface or a convex surface with a certain curvature, or a high-order curved surface like a lens.
（屈折率変化領域）
本発明において、屈折率変化領域とは、母材料と屈折率の違いで区別できる、母材料中の空間領域を意味する。屈折率変化領域の外縁は、材料が本来有する屈折率において変化が始まる地点の集合ということができる。屈折率変化領域は、材料の表面とは隔離した内部に存在しても良く、また材料の表面に露出していても良い。
(Refractive index change region)
In the present invention, the refractive index changing region means a spatial region in the base material that can be distinguished by the difference in refractive index from the base material. It can be said that the outer edge of the refractive index changing region is a set of points where a change starts in the refractive index inherent to the material. The refractive index changing region may exist in an interior isolated from the surface of the material, or may be exposed on the surface of the material.
母材に対する屈折率の変化量（Δｎ０）は負の値でも正の値でも良い。例えば、材料内部に空孔が生成される場合、一般的に当該空孔は周りより屈折率が低下した部分になる。また、多成分ガラスの場合、パルスレーザーの照射によって生じる屈折率変化は、周りのガラスより高くなることもあれば低くなることもある。 The amount of change in refractive index (Δn 0 ) relative to the base material may be a negative value or a positive value. For example, when a hole is generated inside the material, the hole is generally a portion having a lower refractive index than the surroundings. In the case of multi-component glass, the refractive index change caused by pulse laser irradiation may be higher or lower than the surrounding glass.
本発明の光学部品は、前述した屈折率変化領域を材料に有することで、母材料との屈折率差に起因する光学性質、特に位相差を制御することができるものである。一般に、位相（Φ；ｒａｄ．）は、Φ＝（ΔＬ×２π）／λで表される。ここで、屈折率変化領域の光路長差はΔＬ＝Δｎ０×Ｄであり、Δｎ０は屈折率変化領域における母材との屈折率差、Ｄは屈折率変化領域の厚みである。従って、位相差はΔｎ０あるいはＤを変えることで変化する。透過波面方向においては、位相差の変化量は透過してきた光路のΔｎ０の変化とＤの積算で決まる。 The optical component of the present invention has the above-described refractive index change region in the material, so that the optical property, particularly the phase difference, caused by the refractive index difference from the base material can be controlled. In general, the phase (Φ; rad.) Is represented by Φ = (ΔL × 2π) / λ. Here, the optical path length difference in the refractive index change region is ΔL = Δn 0 × D, Δn 0 is the refractive index difference from the base material in the refractive index change region, and D is the thickness of the refractive index change region. Therefore, the phase difference changes by changing Δn 0 or D. In the transmitted wavefront direction, the amount of change in phase difference is determined by the change in Δn 0 of the transmitted light path and the integration of D.
光学機器の小型化に伴い、光学デバイスも小型化・薄型化が望まれる。位相型回折素子の光学特性は前述の位相差により得られるため、薄型化のためには屈折率変化領域の厚さＤを薄くし、Δｎ０を大きくすれば良い。本発明の光学部品においては、所望の特性を得るための屈折率変化領域を含む材料内の、光学部品の利用光における屈折率の最大値と最小値の差は０．０００１以上、好ましくは０．００１以上、最も好ましくは０．０１以上である。 With the miniaturization of optical equipment, optical devices are also desired to be miniaturized and thinned. Since the optical characteristics of the phase-type diffractive element can be obtained by the above-described phase difference, the thickness D of the refractive index change region can be reduced and Δn 0 can be increased in order to reduce the thickness. In the optical component of the present invention, the difference between the maximum value and the minimum value of the refractive index in the utilization light of the optical component in the material including the refractive index change region for obtaining desired characteristics is 0.0001 or more, preferably 0. 0.001 or more, most preferably 0.01 or more.
（屈折率勾配部）
また、本発明において、屈折率勾配部とは、屈折率が異なる２以上の領域の境界部分において、一つの屈折率から別の屈折率まで、その屈折率が緩やかまたは漸次的に増加または減少するよう、屈折率に勾配を付与した部分を意味する。本発明において屈折率勾配部は、隣接した領域に対する屈折率変化率（ｄ｜Δｎ｜／ｄｘ）が０より大きい領域であり、その外縁は、屈折率の変化率（ｄ｜Δｎ｜／ｄｘ）が０になる地点の集合ということができる（ここで、ｘは光軸と垂直な方向に対する距離を意味する）。例えば、図１に模式的に示すように、屈折率勾配部は、母材料と屈折率変化領域の最も屈折率が高い部分（図中屈折率変化上限部と示した部分）との間における、屈折率が漸次的に変化する部分である。母材料との境界のみならず、屈折率変化領域中に異なる屈折率を有する複数の部分があるときは、当該部分間における屈折率が漸次的に変化する部分も、屈折率勾配部に含まれる。また、屈折率変化領域が母材料より屈折率が低くなる場合は、母材料と屈折率変化領域中の最も屈折率が低い部分との間で、屈折率が漸次的に変化する部分が屈折率勾配部となる。なお、本発明において屈折率勾配部は、少なくとも光軸と垂直な方向に対して勾配を有するように形成することが必要である。
(Refractive index gradient part)
In the present invention, the refractive index gradient portion means that the refractive index gradually or gradually increases or decreases from one refractive index to another refractive index at the boundary between two or more regions having different refractive indexes. As such, it means a portion where a gradient is given to the refractive index. In the present invention, the refractive index gradient portion is a region where the refractive index change rate (d | Δn | / dx) with respect to an adjacent region is larger than 0, and the outer edge thereof has a refractive index change rate (d | Δn | / dx). Can be said to be a set of points where 0 becomes 0 (here, x means a distance in a direction perpendicular to the optical axis). For example, as schematically shown in FIG. 1, the refractive index gradient portion is between the base material and the portion with the highest refractive index in the refractive index change region (the portion indicated as the refractive index change upper limit portion in the drawing). This is a portion where the refractive index gradually changes. When there are a plurality of portions having different refractive indexes in the refractive index changing region as well as the boundary with the base material, a portion where the refractive index gradually changes between the relevant portions is also included in the refractive index gradient portion. . If the refractive index change region has a lower refractive index than the base material, the portion where the refractive index gradually changes between the base material and the lowest refractive index portion in the refractive index change region. It becomes a gradient part. In the present invention, the refractive index gradient portion needs to be formed so as to have a gradient at least in the direction perpendicular to the optical axis.
光学部品、特に回折光学素子における望ましくない現象、例えば、位相型光学的ローパスフィルタにおける屈折率変化領域の撮影像への映り込みは、母材料と屈折率変化領域の屈折率差による透過光の屈折や屈折率変化領域界面での反射に起因する。また、光学部品の性能および薄型化のためには屈折率の差が大きい方が良いが、屈折率が異なる領域の界面における屈折率差が急激に大きく変化すると、望ましくない屈折や反射が生じやすくなる。従って、屈折率変化領域の界面において、前記のような漸次的に屈折率が変化する構造を設けると、界面が不明瞭となるため、屈折や反射が生じ難くなる。 Undesirable phenomena in optical components, particularly diffractive optical elements, for example, reflection of a refractive index change region in a photographic image in a phase-type optical low-pass filter is caused by refraction of transmitted light due to a difference in refractive index between the base material and the refractive index change region. Or due to reflection at the interface of the refractive index change region. In addition, the difference in refractive index is better for the performance and thinning of optical components, but if the difference in refractive index at the interface between regions with different refractive indexes changes drastically, undesired refraction or reflection is likely to occur. Become. Accordingly, when the structure in which the refractive index gradually changes as described above is provided at the interface of the refractive index changing region, the interface becomes unclear, and refraction and reflection are difficult to occur.
屈折率勾配部によって望ましくない光の屈折や反射を抑えるには、光軸と垂直な方向に対する屈折率変化は緩やかなほど好ましい。具体的には、屈折率勾配部内における、光軸と垂直な方向に対する１μｍあたりの屈折率変化の絶対値（｜Δｎ｜／Δｘ）は、０．０１μｍ−１以下が好ましく、より好ましくは０．００１μｍ−１以下、最も好ましくは０．０００１μｍ−１以下であると良い。屈折率勾配部内における屈折率の変化は、急な個所も緩慢な個所も存在しうるが、どの部分をとっても光軸と垂直な方向に対する１μｍあたりの屈折率変化量は上記条件を満たすことが好ましい。特に、可視光を利用光とする光学部品においても、光軸と垂直な方向に対する１μｍあたりの屈折率変化の絶対値（｜Δｎｖ｜／Δｘ）は、０．０１μｍ−１以下が好ましく、より好ましくは０．００１μｍ−１以下、最も好ましくは０．０００１μｍ−１以下であると良い。（Δｎｖは可視光に対する屈折率を意味する。）なお、前記した屈折率変化は４００〜７６０ｎｍの波長に対して満たされることが好ましく、３８０〜８００ｎｍの波長に対して満たされることがより好ましく、３６０〜８３０ｎｍの波長に対して満たされることが最も好ましい。 In order to suppress undesired light refraction and reflection by the refractive index gradient portion, it is preferable that the refractive index change with respect to the direction perpendicular to the optical axis is moderate. Specifically, the absolute value (| Δn | / Δx) of the refractive index change per 1 μm with respect to the direction perpendicular to the optical axis in the refractive index gradient portion is preferably 0.01 μm −1 or less, more preferably 0.8. 001Myuemu -1 or less, may most preferably at 0.0001micrometer -1 or less. The change of the refractive index in the refractive index gradient portion may be steep or slow, but it is preferable that the refractive index change amount per 1 μm in the direction perpendicular to the optical axis satisfies the above condition. . In particular, in an optical component using visible light as well, the absolute value (| Δn v | / Δx) of the refractive index change per 1 μm in the direction perpendicular to the optical axis is preferably 0.01 μm −1 or less. Preferably it is 0.001 μm −1 or less, and most preferably 0.0001 μm −1 or less. (Δn v means a refractive index with respect to visible light.) The above-described change in refractive index is preferably satisfied for a wavelength of 400 to 760 nm, and more preferably satisfied for a wavelength of 380 to 800 nm. Most preferably, for wavelengths between 360 and 830 nm.
屈折率勾配部の光軸と垂直な方向に対する屈折率変化量は微小であるほど屈折・反射抑制効果は高く、理想的には、屈折率が異なる領域の界面における屈折率は連続的に変化していると良い。また、屈折率が連続的に変化する場合における、光軸と垂直な方向への距離（ｘ）に対する屈折率変化率（ｄ｜Δｎ｜／ｄｘ）は０．０１μｍ−１以下であると好ましく、０．００１μｍ−１以下であるとより好ましい、最も好ましくは０．０００１μｍ−１以下である。特に、可視光を利用光とする光学部品においても、光軸と垂直な方向への距離（ｘ）に対する屈折率変化率（ｄ｜Δｎｖ｜／ｄｘ）は０．０１μｍ−１以下であると好ましく、０．００１μｍ−１以下であるとより好ましい、最も好ましくは０．０００１μｍ−１以下である。なお、前記した屈折率変化率は４００〜７６０ｎｍの波長に対して満たされることが好ましく、３８０〜８００ｎｍの波長に対して満たされることがより好ましく、３６０〜８３０ｎｍの波長に対して満たされることが最も好ましい。 The smaller the amount of change in the refractive index in the direction perpendicular to the optical axis of the refractive index gradient, the higher the effect of suppressing refraction and reflection. Ideally, the refractive index at the interface of regions with different refractive indexes changes continuously. Good to be. Further, when the refractive index continuously changes, the refractive index change rate (d | Δn | / dx) with respect to the distance (x) in the direction perpendicular to the optical axis is preferably 0.01 μm −1 or less, More preferably, it is 0.001 μm −1 or less, and most preferably 0.0001 μm −1 or less. In particular, also in an optical component using visible light, the refractive index change rate (d | Δn v | / dx) with respect to the distance (x) in the direction perpendicular to the optical axis is 0.01 μm −1 or less. Preferably, it is 0.001 μm −1 or less, and most preferably 0.0001 μm −1 or less. The refractive index change rate described above is preferably satisfied for wavelengths of 400 to 760 nm, more preferably satisfied for wavelengths of 380 to 800 nm, and satisfied for wavelengths of 360 to 830 nm. Most preferred.
以下に、上述の実施形態で説明した屈折率勾配部の変形例について説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態に係わる光学部品の光軸と垂直な方向への距離（ｘ）に対する屈折率差の勾配例を表すグラフであり、実線部分が屈折率勾配部である。 Below, the modification of the refractive index gradient part demonstrated by the above-mentioned embodiment is demonstrated. 2A to 2D are graphs showing gradient examples of the refractive index difference with respect to the distance (x) in the direction perpendicular to the optical axis of the optical component according to the embodiment of the present invention, and the solid line portion is refracted. It is a rate gradient part.
勾配部の屈折率は図２（ａ）に示したように距離（ｘ）に対して直線状に一定の割合で変化しても良く、図２（ｂ）に示したように円弧状で変化しも良く、図２の（ｃ）および（ｄ）に示したようにシグモイド曲線状に変化しても良い。なお、屈折率勾配部の形状はこれらに限定されるものではなく、光軸と垂直な方向への距離（ｘ）に対する屈折率変化率（ｄ｜Δｎ｜／ｄｘ）が、好ましくは０．０１μｍ−１、より好ましくは０．００１μｍ−１以下、最も好ましくは０．０００１μｍ−１以下の範囲で、漸次的に変化していればいかなる形状をとっても良い。 The refractive index of the gradient portion may change linearly at a constant rate with respect to the distance (x) as shown in FIG. 2 (a), or change in an arc shape as shown in FIG. 2 (b). Alternatively, it may be changed to a sigmoid curve as shown in FIGS. The shape of the refractive index gradient portion is not limited to these, and the refractive index change rate (d | Δn | / dx) with respect to the distance (x) in the direction perpendicular to the optical axis is preferably 0.01 μm. −1 , more preferably 0.001 μm −1 or less, and most preferably 0.0001 μm −1 or less, and any shape may be adopted as long as it gradually changes.
また、屈折率勾配部は加工の簡易化のため、屈折率が同一かつ光軸と垂直な方向に対する幅が１μｍ以上５０μｍ以下の、複数の領域によって、段階的に屈折率が変化しても良い。ただし、屈折率勾配部の段差数は多いほうが良く、また、一段あたりの屈折率変化量は小さいほど良い。屈折率勾配部内の複数の領域において、隣接した領域同士の屈折率変化量（｜Δｎ｜／段）は０．０１以下であると好ましく、０．００１以下であるとより好ましい、最も好ましくは０．０００１以下である。なお、一段あたりの幅は好ましくは４０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下、最も好ましくは２０μｍ以下とする。 In order to simplify processing, the refractive index gradient portion may change the refractive index stepwise depending on a plurality of regions having the same refractive index and a width in the direction perpendicular to the optical axis of 1 μm or more and 50 μm or less. . However, it is better that the number of steps in the refractive index gradient portion is larger, and it is better that the refractive index change amount per step is smaller. In a plurality of regions in the refractive index gradient portion, the refractive index variation (| Δn | / stage) between adjacent regions is preferably 0.01 or less, more preferably 0.001 or less, and most preferably 0. .0001 or less. The width per step is preferably 40 μm or less, more preferably 30 μm or less, and most preferably 20 μm or less.
以下に、上述の実施形態で説明した屈折率勾配部について説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の他の実施形態に係わる光学部品の光軸と垂直な方向への距離（ｘ）に対する屈折率差の勾配例を表すグラフであり、実線部分が屈折率勾配部である。 Hereinafter, the refractive index gradient portion described in the above embodiment will be described. FIGS. 3A to 3D are graphs showing an example of the gradient of the refractive index difference with respect to the distance (x) in the direction perpendicular to the optical axis of the optical component according to another embodiment of the present invention. Is a refractive index gradient portion.
勾配部の屈折率は図３（ａ）に示したように距離（ｘ）に対して段階的に直線状に変化しても良く、図３（ｂ）に示したように段階的な円弧状でも良く、図３の（ｃ）および（ｄ）に示したように段階的なシグモイド曲線状に変化しても良い。なお、屈折率勾配部の形状はこれらに限定されるものではなく、隣合う部分との屈折率差が｜Δｎ｜＞０であり、１段当たりの屈折率の変化量（｜Δｎ｜）が０．０１以下、より好ましくは０．００１以下、最も好ましくは０．０００１以下の範囲で漸次的に変化していればいかなる形状をとっても良い。また、段数もこれに限定されるものではなく任意の数で良いが、段数は多いほど良い。 The refractive index of the gradient portion may change linearly in a stepwise manner with respect to the distance (x) as shown in FIG. 3A, or in a stepped arc shape as shown in FIG. However, it may be changed to a stepped sigmoid curve as shown in FIGS. 3 (c) and 3 (d). The shape of the refractive index gradient portion is not limited to these, and the difference in refractive index between adjacent portions is | Δn |> 0, and the amount of change in refractive index per step (| Δn |) is Any shape may be adopted as long as it gradually changes within a range of 0.01 or less, more preferably 0.001 or less, and most preferably 0.0001 or less. Also, the number of stages is not limited to this and may be an arbitrary number, but the larger the number of stages, the better.
（パルスレーザーによる加工）
本実施形態に係る屈折率変化領域は、材料の一部にパルスレーザーを照射することにより形成することができる。また、パルスレーザーの照射出力を調整する、パルスレーザーのスキャンスピードを調整する、パルスレーザーの照射を同じ個所に重複しておこなう、パルスレーザーのパルス幅を調整する、パルスレーザーの繰り返し周波数を調整する、パルスレーザーの照射時における材料の温度を調整することにより、材料と屈折率変化領域の屈折率の差を制御が可能である。同様に、屈折率を制御することで屈折率勾配部を得ることができる。
(Processing by pulse laser)
The refractive index changing region according to this embodiment can be formed by irradiating a part of the material with a pulse laser. Also, adjust the pulse laser irradiation output, adjust the pulse laser scanning speed, overlap the pulse laser irradiation at the same location, adjust the pulse width of the pulse laser, adjust the repetition frequency of the pulse laser By adjusting the temperature of the material at the time of pulse laser irradiation, the difference in refractive index between the material and the refractive index changing region can be controlled. Similarly, the refractive index gradient portion can be obtained by controlling the refractive index.
（光学部品）
本発明は屈折率ｎ０を有する材料にｎ０とは異なる屈折率を有する領域が連続または不連続に形成されることにより光学部品を構成する。ここで、製造工程での効率の観点からは、屈折率変化を与えるために加工する領域はなるべく少ない方が効率が良く、屈折率ｎ０である領域は光学部品において最大体積を有することが好ましい。さらに本発明は屈折率変化領域を、その連続した領域における形状を二次元または三次元的に、周期的またはランダムに、一つまたは複数形成し、配列することにより光学部品を構成する。
(Optical parts)
The present invention constitutes an optical component by regions having a different refractive index than the n 0 in the material having a refractive index n 0 is continuously or discontinuously formed. Here, from the viewpoint of efficiency in the manufacturing process, it is more efficient that the number of regions processed to give a change in refractive index is as small as possible, and the region having the refractive index n 0 preferably has the maximum volume in the optical component. . Furthermore, in the present invention, an optical component is configured by forming and arranging one or a plurality of refractive index changing regions in two or three dimensions, periodically or randomly, in a continuous region.
本発明の光学部品は、材料を透過した光の透過破面の面内位相差分布を周期的に変化させることで、干渉および回折現象を発現することができる。前記のとおり、位相差を決定する光路長ΔＬは屈折率変化領域の厚みＤと母材との屈折率差Δｎ０の積算による。従って、部分的に厚さＤや屈折率差Δｎ０が異なっていたり、ランダムに設置されていたとしても、透過破面の光路長ΔＬが周期的に配列されれば、干渉および回折現象をもつ光学部品として機能する。 The optical component of the present invention can exhibit interference and diffraction phenomena by periodically changing the in-plane phase difference distribution of the transmission fracture surface of the light transmitted through the material. As described above, the optical path length ΔL that determines the phase difference is based on the integration of the refractive index difference Δn 0 between the thickness D of the refractive index change region and the base material. Therefore, even if the thickness D and the refractive index difference Δn 0 are partially different or are randomly installed, if the optical path length ΔL of the transmission fracture surface is periodically arranged, interference and diffraction phenomena are caused. Functions as an optical component.
上述した本発明に係る光学部品として、屈折率変化領域によって構成される回折光学素子を形成することができる。回折光学素子は材料内部に２次元的または３次元的に周期配列された複数の屈折率変化領域からなる回折格子を備える。このような回折格子として機能する光学部品に光を入射して得られる出射光は回折光を含む。従来は、母材の屈折率と屈折率変化領域の界面の存在により、斜めの入射光によって界面反射が生じ、回折光のロスが生じていた。本発明では屈折率勾配部により反射が抑制され、斜め入射に対しても回折光のロスのない回折格子の提供が可能となる。 As the above-described optical component according to the present invention, a diffractive optical element including a refractive index changing region can be formed. The diffractive optical element includes a diffraction grating including a plurality of refractive index changing regions periodically arranged two-dimensionally or three-dimensionally inside the material. Outgoing light obtained by making light incident on such an optical component functioning as a diffraction grating includes diffracted light. Conventionally, due to the presence of the interface between the refractive index of the base material and the refractive index changing region, the interface reflection is caused by the oblique incident light, resulting in a loss of diffracted light. In the present invention, it is possible to provide a diffraction grating in which reflection is suppressed by the refractive index gradient portion and there is no loss of diffracted light even for oblique incidence.
（光学的ローパスフィルタ）
このような回折格子を備える光学部品としては、例えば、空間周波数フィルタの一つである光学的ローパスフィルタがある。光学的ローパスフィルタとは、規則正しく画素が配列された固体撮像素子を備えたデジタルカメラ等において、画像サンプリングで起こるモアレを防ぐために、入射光のカットオフ周波数より高い空間周波数をカットする（細かな画像をぼかす）撮像光学系に設置される光学部品である。光学的ローパスフィルタに入射した入射光は、光学的ローパスフィルタの内部に配置された回折格子により、回折光を含む出射光として、例えば、４つの撮像素子の中心部に入射する。このように入射光を多点の光に分離することで、高い空間周波数成分をカットし、モアレ発生を抑制する。光学的ローパスフィルタを形成するには、屈折率変化領域の光の入射方向に垂直な方向に対する周期配列は、０次光（入射光）に対して１次光の分離角度から予め設定されることが好ましい。一軸に対し周期配列を与えることで光線は２点に分離させることができ、また、直交する二軸に周期配列を与えることで光線は４点に分離させることができる。
(Optical low-pass filter)
As an optical component including such a diffraction grating, for example, there is an optical low-pass filter that is one of spatial frequency filters. An optical low-pass filter cuts a spatial frequency higher than the cut-off frequency of incident light (a fine image) in order to prevent moiré that occurs in image sampling in a digital camera equipped with a solid-state imaging device in which pixels are regularly arranged. It is an optical component installed in the imaging optical system. Incident light that has entered the optical low-pass filter is incident on, for example, the center of four image sensors as outgoing light that includes diffracted light by a diffraction grating disposed inside the optical low-pass filter. By separating incident light into multi-point light in this way, high spatial frequency components are cut and moiré generation is suppressed. In order to form an optical low-pass filter, the periodic array with respect to the direction perpendicular to the incident direction of light in the refractive index changing region is set in advance from the separation angle of the primary light with respect to the zero-order light (incident light). Is preferred. By giving a periodic array to one axis, the light beam can be separated into two points, and by giving a periodic array to two orthogonal axes, the light beam can be separated into four points.
２行２列に並んだ４つの撮像素子に入射した０次光を除いた回折光の回折効率は高いほどモアレ抑制効果が高く、好ましくは２０％以上、より好ましくは４０％以上、最も好ましくは６０％以上であると良い。また、前記４つの撮像素子の外側に入射する高次光は撮影像上にゴースト像として写りこむため少ないほど良く、高次光の回折効率合計値は６０％以下であると好ましく、５０％以下であるとより好ましく、４０％以下であると最も好ましい。 The higher the diffraction efficiency of the diffracted light excluding the zero order light incident on the four image sensors arranged in 2 rows and 2 columns, the higher the moire suppression effect, preferably 20% or more, more preferably 40% or more, and most preferably. It should be 60% or more. Further, it is better that the high-order light incident on the outside of the four image pickup devices is reflected as a ghost image on the photographed image, so that the total diffraction efficiency of the high-order light is preferably 60% or less, more preferably 50% or less. Preferably, it is most preferable that it is 40% or less.
従来の水晶を用いたローパスフィルタは、複屈折を利用するため光の分離幅が水晶の厚みに依存し、且つ縦横４点に分離するには複数枚の基板を必要とする。また、微細化が進む画素に対応するには、非常に薄い水晶板に加工する必要があり、ハンドリングが悪いなどの問題があった。しかし、回折型のローパスフィルタでは光線の分離は１枚の基板で満たされる。また、上述のとおり、光線の分離角度は周期に依存するため、基板厚みに依存せず、撮像光学系の小型化が可能である。また、表面レリーフ型のローパスフィルタは、表面の２次元加工に限定されるが、本発明に係わるローパスフィルタは材料内部に屈折率変化領域を３次元加工することが可能であり、位相レベルを多値化することはもちろん、３次元的な積層も容易にできるため加工の自由度、パターンの自由度が高い。 A conventional low-pass filter using a crystal uses birefringence, so that the light separation width depends on the thickness of the crystal and requires a plurality of substrates to separate the light into four vertical and horizontal points. In addition, in order to cope with pixels that are becoming finer, it is necessary to process into a very thin quartz plate, which causes problems such as poor handling. However, in a diffractive low-pass filter, the separation of light rays is satisfied by a single substrate. Further, as described above, since the light separation angle depends on the period, the imaging optical system can be downsized without depending on the substrate thickness. Further, the surface relief type low-pass filter is limited to two-dimensional processing of the surface, but the low-pass filter according to the present invention can three-dimensionally process the refractive index change region inside the material, and has a large phase level. Needless to say, it is easy to perform three-dimensional stacking, so the degree of freedom in processing and pattern is high.
図４〜６の（Ｂ）は、４点分離が可能ないくつかの位相レベル（図４〜６の（Ａ））をさらに多値化した例を示したものである。屈折率の違いが色の違いで表されている。なお、本発明においては異なる屈折率領域の界面における屈折率変化が緩やかであるため、実際には図４〜６の（Ｃ）のような位相レベルになる。 (B) in FIGS. 4 to 6 show an example in which several phase levels capable of four-point separation ((A) in FIGS. 4 to 6) are further multi-valued. The difference in refractive index is represented by the difference in color. In the present invention, since the refractive index change at the interface between different refractive index regions is gradual, the phase level is actually as shown in FIGS.
本発明は撮像装置に用いる光学的ローパスフィルタとして利用する際に最も効果を発揮する。通常の位相型光学的ローパスフィルタは位相取得のために周期的な屈折率分布を必要とするが、屈折率が異なる領域間の界面で屈折や反射等の意図しない光の振る舞いが生じることによって、撮影像にはムラや周期的な格子等のパターンが現れてしまう。表面レリーフ型の光学的ローパスフィルタでは位相分布にどのような形状を与えても、材料と空気の界面の屈折率差には変化がないため解決にはならず、また、材料内部に屈折率の異なる領域を加工した光学的ローパスフィルタであっても屈折率差の異なりによって界面は生じてしまう。本発明に係わる光学的ローパスフィルタは屈折率勾配部の存在により屈折率差の界面が不明瞭になることによって、界面での屈折や反射等の意図しない光の振る舞いが抑制され、撮影像に光ムラや不要なパターンが現れない明瞭な写真を撮影することが可能になる。 The present invention is most effective when used as an optical low-pass filter used in an imaging apparatus. Ordinary phase-type optical low-pass filters require a periodic refractive index distribution for phase acquisition, but unintentional light behavior such as refraction and reflection occurs at the interface between regions with different refractive indices. Patterns such as unevenness and periodic lattice appear in the photographed image. In the surface relief type optical low-pass filter, no matter what shape is given to the phase distribution, there is no change in the refractive index difference at the interface between the material and air. Even in an optical low-pass filter in which different regions are processed, an interface is generated due to a difference in refractive index. The optical low-pass filter according to the present invention makes the interface of the refractive index difference unclear due to the presence of the refractive index gradient portion, so that unintended light behavior such as refraction and reflection at the interface is suppressed, and the photographed image is lightened. It becomes possible to take a clear photograph in which unevenness and unnecessary patterns do not appear.
（評価方法）
撮影像にムラや周期的な格子等のパターンが写り込む程度を評価するには、無地白バ背景を撮影し、写り込み模様のコントラストを評価すると良い。最もレンズの絞りを絞った状態で撮影すると、写り込みが明確になる。撮影写真の写り込みを０から２５６階調のグレースケールとしてプロットし、そのなかで最も強度の高いピクセルの値をＩｍａｘと、低いピクセルの値をＩｍｉｎとして、（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）を光学的ローパスフィルタ起因の像面コントラストとする。グレースケールのプロットはＩｍａｇｅＪのような画像処理ソフトウェアで利用できる。評価によって得られた光学的ローパスフィルタ起因の像面コントラストは小さいほど写り込みが目立たない。像面コントラストは０．１以下が好ましく、さらに好ましくは０．０５以下であり、もっとも好ましくは０．００１以下になると良い。
(Evaluation method)
In order to evaluate the extent to which a pattern such as unevenness or a periodic lattice is reflected in the photographed image, it is preferable to photograph a plain white background and evaluate the contrast of the reflected pattern. If you take the picture with the lens aperture turned down the most, the image becomes clear. The captured photograph is plotted as a gray scale of 0 to 256 gradations, and the value of the highest intensity pixel is I max and the value of the lower pixel is I min , and (I max −I min ) / Let (I max + I min ) be the image plane contrast caused by the optical low-pass filter. Grayscale plots can be used with image processing software such as ImageJ. As the image plane contrast caused by the optical low-pass filter obtained by the evaluation is smaller, the reflection is less conspicuous. The image plane contrast is preferably 0.1 or less, more preferably 0.05 or less, and most preferably 0.001 or less.
（屈折率勾配部の占有割合）
本発明に係わる光学部品、回折光学素子、および光学的ローパスフィルタの屈折率勾配部は回折格子自身の写り込み低減に効果を発揮するが、その割合が大きいと回折格子の位相設計のずれが大きくなり回折効率が低下してしまう。従って、回折格子に対し屈折率勾配部の占有する割合は写り込み低減のためには広いほうが好ましいが、十分な回折効率を確保するには狭いほうが良い。図７に本発明に係る光学的ローパスフィルタの１周期分の回折格子に対して屈折率勾配部が占める割合を表している。位相設計のずれが少なく十分な回折効率を得るためには、屈折率勾配部の光軸に対し垂直な面の、回折格子に対する占有割合（（ＳＡ＋ＳＣ）／（ＳＡ＋ＳＢ＋ＳＣ＋ＳＤ））は６０％以下が好ましく、５０％以下であるとさらに好ましく、４０％以下が最も好ましい。
(Occupation ratio of refractive index gradient part)
The refractive index gradient part of the optical component, the diffractive optical element, and the optical low-pass filter according to the present invention is effective in reducing the reflection of the diffraction grating itself, but if the ratio is large, the phase design shift of the diffraction grating is large. That is, the diffraction efficiency is lowered. Therefore, the ratio occupied by the refractive index gradient portion with respect to the diffraction grating is preferably wide to reduce the reflection, but narrow to secure sufficient diffraction efficiency. FIG. 7 shows the ratio of the refractive index gradient portion to the diffraction grating for one period of the optical low-pass filter according to the present invention. In order to obtain a sufficient diffraction efficiency with a small phase design shift, the occupancy ratio ((S A + S C ) / (S A + S B + S C ) of the plane perpendicular to the optical axis of the refractive index gradient portion to the diffraction grating + S D )) is preferably 60% or less, more preferably 50% or less, and most preferably 40% or less.
（その他の光学部品）
屈折率勾配部はその屈折率勾配によって結果的に光学部品の位相を多値化することになるため、透過光の屈折や反射の抑制のために用いるだけでなく、バイナリー光学素子やブレーズ型回折素子にも利用できる。バイナリー光学素子は階段状の回折素子であるが、通常は最大位相差まで均等なＮ２の階段を作製し、位相の多値化を実現する。屈折率勾配部においては、均等幅の段差でＮ２の段差数を作製すれば、バイナリー光学素子としても応用が可能である。また、屈折率が連続的に変化した屈折率勾配部を利用することにより、ブレーズ型回折素子にも利用可能である。
(Other optical components)
Since the refractive index gradient part results in multi-level phase of the optical component due to the refractive index gradient, it is not only used for suppressing refraction and reflection of transmitted light, but also for binary optical elements and blazed diffraction. It can also be used for devices. The binary optical element is a step-like diffractive element, but normally, a uniform N 2 step up to the maximum phase difference is produced to realize multi-level phase. In the refractive index gradient portion, be manufactured the step number of N 2 at the step of equally wide, it is possible also applied as a binary optical element. Further, by using a refractive index gradient portion in which the refractive index continuously changes, it can also be used for a blazed diffraction element.
本発明は材料内部で屈折する作用をもつ屈折率分布型レンズにも用いることができる。屈折率勾配の制御により凸レンズや凹レンズのどちらも作製でき、また、材料内部で１点に集光し、再び平行光とすれば像反転が生じないレンズも作製できる。さらに、材料内部のレンズ構造を複数設置することにより、レンズアレイにも応用が可能である。このような屈折率変化領域および屈折率勾配による内部レンズ構造や前記の回折格子の作用、さらに、屈折率変化領域による反射作用を制御することによって光拡散素子としても利用が可能である。 The present invention can also be used for a gradient index lens having an action of refracting inside a material. By controlling the refractive index gradient, either a convex lens or a concave lens can be manufactured. Further, a lens that does not cause image inversion can be manufactured by condensing at one point inside the material and using parallel light again. Furthermore, it can be applied to a lens array by installing a plurality of lens structures inside the material. It can also be used as a light diffusing element by controlling the action of the internal lens structure and the diffraction grating by the refractive index change region and the refractive index gradient, and the reflection action by the refractive index change region.
また、本発明に係る光学部品は、これに限定されるものではなく、材料内部に屈折率変化領域および屈折率勾配部を形成することにより、光学的な機能を得られる部品として利用することができ、例えば、位相マスク、偏光フィルタ、ビームスプリッターとしても用いることもできる。 The optical component according to the present invention is not limited to this, and can be used as a component that can obtain an optical function by forming a refractive index changing region and a refractive index gradient portion inside the material. For example, it can also be used as a phase mask, a polarizing filter, and a beam splitter.
本発明の光学部品、回折格子、光学的ローパスフィルタは、材料をパルスレーザーで加工したものを、研削や研磨加工によって所望の形状に変化させたもの、例えば凹状や凸状の曲面であったり、高次曲面、や多段の溝構造を持っていてもよく、必ずしも平面に限ったものではない。 The optical component, diffraction grating, and optical low-pass filter of the present invention are obtained by processing a material with a pulse laser and changing it into a desired shape by grinding or polishing, for example, a concave or convex curved surface, It may have a higher-order curved surface or a multistage groove structure, and is not necessarily limited to a flat surface.
（パルスレーザー）
本実施形態において、パルスレーザーは、パルス幅がピコ秒（１０−１２ｓ）以下のレーザーを好適に用いることができる。材料がガラスである場合には、中心波長約８００ｎｍ、［パルス幅１０ｆｓ（１０−１５ｓ）〜１ｐｓ（１０−１２ｓ）］、繰り返し周波数１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚ、０．１〜４．０μＪ程度のパルスエネルギーのフェムト秒パルスレーザーが好ましい。このようなパルスレーザー光を、例えば、倍率２０倍（開口率０．４５）の対物レンズ等を介して、１０〜５０００μｍのスキャン深さ、０．００５〜１００ｍｍ／秒程度のスキャン速度の条件で材料の内部に集光照射することにより、材料と分子構造や組成分布が異なることにより屈折率差の異なる屈折率変化領域を生成できる。
(Pulse laser)
In the present embodiment, a laser having a pulse width of picoseconds (10 −12 s) or less can be suitably used as the pulse laser. When the material is glass, a pulse having a center wavelength of about 800 nm, a [pulse width of 10 fs (10 −15 s) to 1 ps (10 −12 s)], a repetition frequency of 10 Hz to 100 MHz, and about 0.1 to 4.0 μJ. An energy femtosecond pulsed laser is preferred. Such a pulse laser beam is passed through an objective lens having a magnification of 20 times (aperture ratio of 0.45), for example, under conditions of a scanning depth of 10 to 5000 μm and a scanning speed of about 0.005 to 100 mm / second. By focusing and irradiating the inside of the material, it is possible to generate a refractive index change region having a different refractive index difference due to a difference in molecular structure and composition distribution from the material.
レーザー照射条件は、所望する屈折率変化量又は屈折率変化領域の厚さ等によって変えることができる。例えば、１本のレーザービームをレンズで集光し、ステージの走査などを併用して屈折率変化領域を形成する場合、パルスエネルギーは１０ｎＪ以上、好ましくは１μＪ以上の、イオン移動が起こせるパルスエネルギーを確保できれば特に上限はないが、繰り返し周波数は、上限が１００ＭＨｚ以下であると、加工時の熱の蓄積による熱歪みや望ましくないクラックの発生も抑制でき、また、ステージの速度を制御し易く、より精度の高い加工が可能となるので好ましい。繰り返し周波数の下限は、パルス間の加工の影響や加工時間を考慮して１０Ｈｚ以上が好ましく、１ｋＨｚ以上が最も好ましい。 The laser irradiation conditions can be changed depending on the desired amount of change in refractive index or the thickness of the refractive index change region. For example, when a refractive index change region is formed by condensing a single laser beam with a lens and using stage scanning or the like, the pulse energy is 10 nJ or more, preferably 1 μJ or more. There is no particular upper limit if it can be ensured, but if the upper limit is 100 MHz or less, the repetition frequency can suppress the occurrence of thermal distortion and undesirable cracks due to heat accumulation during processing, and the stage speed can be controlled more easily. This is preferable because highly accurate processing is possible. The lower limit of the repetition frequency is preferably 10 Hz or more, and most preferably 1 kHz or more in consideration of the influence of machining between pulses and the machining time.
一方、パルス幅はレーザー照射により圧力波（衝撃波）が発生できる程度に短い必要があり、１ｐｓ以下が好ましく、５００ｆｓ以下がより好ましく、３００ｆｓ以下が最も好ましい。しかしパルス幅が短すぎると、レンズや各種光学部品の分散材料を透過あるいは反射する過程で、パルス幅が容易に広がるため取り扱いが難しくなるという問題が生じるので、１０ｆｓ以上が好ましく、５０ｆｓ以上がより好ましく、１００ｆｓ以上が最も好ましい。 On the other hand, the pulse width needs to be short enough to generate a pressure wave (shock wave) by laser irradiation, preferably 1 ps or less, more preferably 500 fs or less, and most preferably 300 fs or less. However, if the pulse width is too short, there is a problem that the pulse width easily spreads in the process of transmitting or reflecting the dispersion material of the lens and various optical components, so that handling becomes difficult. Preferably, 100 fs or more is most preferable.
照射するレーザーの波長は、材料に吸収がなく透明な波長領域であることが好ましい。照射する材料の透過率や特定波長の吸収の有無にも依るが、好ましくは、約２００ｎｍ〜２１００ｎｍ、より好ましくは、４００〜１１００ｎｍ、最も好ましくは、５００〜９００ｎｍである。この範囲であれば、集光位置付近の光強度の高い部位のみで多光子吸収を起こし精密な加工ができるので好ましい。 The wavelength of the laser to be irradiated is preferably a transparent wavelength region where the material does not absorb. Although depending on the transmittance of the material to be irradiated and the presence or absence of absorption at a specific wavelength, it is preferably about 200 nm to 2100 nm, more preferably 400 to 1100 nm, and most preferably 500 to 900 nm. Within this range, it is preferable because multiphoton absorption is caused only at a portion with high light intensity near the condensing position and precise processing can be performed.
このようなパルスレーザーは、レーザー光を集光照射することにより、材料の内部または表面に材料の屈折率とは異なる屈折率を有する屈折率変化領域を形成することができる。屈折率変化を大きくするには、レーザー照射量を多くすれば良い。つまり、レーザー照射出力を強くする、ステージのスキャン速度を遅くする、繰り返し周波数を高くする、パルス幅を狭くする、同じ部分に重複してレーザーを照射する等、照射部分にあたるレーザーの総量を増やすことで屈折率変化量を大きくすることができる。これらの制御により屈折率勾配部を得ることができる。図８に母材料と加工部の屈折率の差が、加工レーザーの出力によって変化していく一例を示した。 Such a pulsed laser can form a refractive index changing region having a refractive index different from the refractive index of the material inside or on the surface of the material by condensing and irradiating laser light. In order to increase the refractive index change, the amount of laser irradiation should be increased. In other words, increase the total amount of laser that hits the irradiated part, such as increasing the laser irradiation output, slowing the scanning speed of the stage, increasing the repetition frequency, narrowing the pulse width, irradiating the laser overlapping the same part, etc. The refractive index change amount can be increased. A refractive index gradient portion can be obtained by these controls. FIG. 8 shows an example in which the difference in refractive index between the base material and the processed portion changes depending on the output of the processing laser.
（好ましい照射方法）
また、本実施形態に係るパルスレーザー照射において、照射するパルスレーザー光を複数に分割する工程を有することが好ましい。パルスレーザー光を複数に分割する工程は、例えば、パルスレーザー光を、光スプリッタ、空間光変調器、ホログラム等の光素子を仲介して材料に照射することで行う。これらの光素子を通過したパルスレーザー光は光照射によって加工される部位が所望の屈折率変化領域および屈折率勾配部の形状になるよう、分離および拡散することができる。従来は屈折率が漸次的に変化する領域を形成する場合は、少量ずつ加工する必要があり、加工時間が長く、部分的に精度のばらつきが生じた。一方、前述した光を分割するホログラムなどの素子を利用してパルスレーザー光を複数に分割する本実施形態においては、屈折率勾配部を含む屈折率変化領域のパターンを一括形成することが可能であるため、加工時間を短くし、且つ、高精度のパターンを形成することができる。
(Preferred irradiation method)
In the pulse laser irradiation according to the present embodiment, it is preferable to have a step of dividing the pulse laser light to be irradiated into a plurality of parts. The step of dividing the pulse laser beam into a plurality of parts is performed, for example, by irradiating the material with the pulse laser beam through an optical element such as an optical splitter, a spatial light modulator, or a hologram. The pulsed laser light that has passed through these optical elements can be separated and diffused so that the region processed by light irradiation has the desired refractive index change region and refractive index gradient portion. Conventionally, when a region where the refractive index gradually changes is formed, it is necessary to process a small amount little by little, the processing time is long, and the accuracy varies partially. On the other hand, in the present embodiment in which the pulse laser beam is divided into a plurality of parts by using an element such as a hologram that divides the light described above, it is possible to collectively form a pattern of a refractive index change region including a refractive index gradient portion. Therefore, the processing time can be shortened and a highly accurate pattern can be formed.
（ホログラム加工）
この中でも、パルスレーザーに対する耐久性や照射光の正確性、安定性の観点からホログラムを利用することが最も好ましい。ホログラムを用いた加工では、屈折率変化領域の形状、場所毎の屈折率の変化量などの所望の状態になるような回折パターンが得られるようにホログラムを設計し、そのホログラムを介してレーザー照射することで実現される。ホログラムを用いると、投入する光パワーの調整のみで一定サイズの屈折率変化領域をステージの走査を使わずに一括で形成できる。また、前記のように設計されたホログラムを利用してステージ走査を併用する場合、ステージの解像度やその送り精度に依らない、精度の高い加工を実現することができる。また、走査回数は大幅に減らすことが可能になり効率の良い加工が実現できる。なおホログラムの材料としてはガラス、ガラスセラミックス、焼結体、アクリル樹脂、ＰＥＴ樹脂、塩化ビニル樹脂等の有機材料、単結晶など、光学部品に用いる公知の材料を用いることができ、透過率、耐久性の観点から石英ガラスを用いることが好ましい。
(Hologram processing)
Among these, it is most preferable to use a hologram from the viewpoint of durability against a pulse laser, accuracy of irradiation light, and stability. In processing using a hologram, the hologram is designed so that a diffraction pattern that achieves the desired state, such as the shape of the refractive index change region and the amount of change in refractive index at each location, is obtained, and laser irradiation is performed via the hologram. It is realized by doing. If a hologram is used, it is possible to form a refractive index change region of a certain size in a batch without using stage scanning only by adjusting the optical power to be input. When stage scanning is used in combination with the hologram designed as described above, high-precision processing can be realized regardless of the resolution of the stage and its feed accuracy. In addition, the number of scans can be greatly reduced, and efficient processing can be realized. As the hologram material, known materials used for optical parts such as glass, glass ceramics, sintered bodies, organic materials such as acrylic resin, PET resin, vinyl chloride resin, and single crystals can be used. From the viewpoint of safety, quartz glass is preferably used.
また、ホログラム等の光素子によって加工されたレーザー光を用いて材料を加工することは、屈折率勾配部の屈折率変化が連続的に変化するものを加工する場合に特に適している。レーザー光源および加工ステージの操作を伴わず、ホログラムから加工エネルギーに濃淡が付与されたレーザー光を照射することが可能であるからである。 In addition, processing a material using laser light processed by an optical element such as a hologram is particularly suitable for processing a material in which the refractive index change of the refractive index gradient portion changes continuously. This is because it is possible to irradiate a laser beam with a density of processing energy from the hologram without operating the laser light source and the processing stage.
以下、本発明に係わる光学部品または光学的ローパスフィルタの実施例について説明する。 Examples of optical components or optical low-pass filters according to the present invention will be described below.
なお、Ｎ．Ｄ．フィルタを用いてレーザー出力を調整することにより、屈折率変化領域および屈折率勾配部の屈折率変化量を調整し、本発明による屈折率勾配部を有するローパスフィルタと屈折率勾配部を有さないローパスフィルタの撮影像への写り込みの比較を以下で説明する。 Note that N. D. By adjusting the laser output using a filter, the refractive index change amount of the refractive index change region and the refractive index gradient portion is adjusted, and the low-pass filter having the refractive index gradient portion and the refractive index gradient portion according to the present invention are not provided. A comparison of the reflection of the low-pass filter on the photographed image will be described below.
本実施例では、点光源からの光線が２点に分離するタイプの光学的ローパスフィルタを一方向の画素配列が画素周期４．８μｍのＣＭＯＳのレンズ側に３．２ｍｍ離した位置に設置し、ローパスフィルタ自身の撮影像への写り込みをコントラストにて評価する。 In this embodiment, an optical low-pass filter of a type in which a light beam from a point light source is separated into two points is installed at a position separated by 3.2 mm on the side of a CMOS lens having a pixel array of 4.8 μm in one direction. The reflection of the low-pass filter itself on the photographed image is evaluated by contrast.
本実施例では、材料に屈折率ｎｄ＝１．８００のリン酸成分を含む０．５５ｍｍの厚さのガラスを用い、パルス幅が３００ｆｓ、波長８００ｎｍ，繰り返し周波数２５０ｋＨｚ、倍率４０倍（Ｎ．Ａ．＝０．５５）のレンズで材料表面から１５０μｍの深さに集光照射し、ガラスを透過光に垂直な方向に５ｍｍ／ｓｅｃの走査速度で相対移動させることにより、８００μｍ周期の縞状の回折格子を加工し、２点分離型光学的ローパスフィルタとした。なお、設計波長はλ＝５３２ｎｍで［０， π］設計となるようにした。 In this embodiment, a glass having a thickness of 0.55 mm containing a phosphoric acid component having a refractive index nd = 1.800 is used as a material, a pulse width is 300 fs, a wavelength is 800 nm, a repetition frequency is 250 kHz, and a magnification is 40 times (NA). . = 0.55) is focused and irradiated from the surface of the material to a depth of 150 μm, and the glass is moved in a direction perpendicular to the transmitted light at a scanning speed of 5 mm / sec, thereby forming stripes with a period of 800 μm. The diffraction grating was processed to obtain a two-point separation type optical low-pass filter. The design wavelength was set to [0, π] at λ = 532 nm.
回折格子の周期８００μｍのうち５６０μｍの屈折率変化領域をもち、屈折率変化領域の両端１６０μｍずつは段階的な屈折率勾配部となるように加工した。照射したレーザー出力は最大で５０ｍＷであり、段階的に５ｍＷずつ制御して、４５ｍＷ、４０ｍＷ、３５ｍＷ、３０ｍＷ、２５ｍＷ、２０ｍＷ，１５ｍＷ、１０ｍＷの計８段でそれぞれ２０μｍの幅をもつ段階的な屈折率勾配部を作製した。屈折率勾配部の屈折率差と距離のイメージを図９に示した。最も屈折率差が高い部分がΔｎ＝０．０２であり、また、屈折率変化領域の加工厚さは一定であり、Ｄ＝１３．３μｍであった。 The diffraction grating has a refractive index change region of 560 μm out of a period of 800 μm, and the both ends of the refractive index change region are processed so as to be stepped refractive index gradient portions. The laser output is 50mW at maximum, and it is controlled step by step 5mW, and stepwise refraction with a width of 20μm in 8 steps of 45mW, 40mW, 35mW, 30mW, 25mW, 20mW, 15mW, 10mW respectively. A rate gradient part was produced. An image of the refractive index difference and distance of the refractive index gradient portion is shown in FIG. The portion with the highest refractive index difference was Δn = 0.02, and the processed thickness of the refractive index change region was constant, and D = 13.3 μm.
上記ローパスフィルタの加工面側をデジタル一眼レフカメラのレンズ側に向けて実装し、写真の撮影をおこなった。一眼レフカメラの撮像素子はＡＰＳ−Ｃサイズの約１６００万画素のものを用いた。撮影条件として、約５００ｌｘの明るさの屋内で被写体は回折格子の写り込みが明確になるように白紙とした。カメラ設定は、ＡＷＢ、ｉｓｏ感度２００、シャッタースピードは絞り優先ＡＥ、絞り値は最も写り込みが明確になるＦ３２に設定し、レンズはズームレンズを用い、焦点距離は３５ｍｍとした。撮影写真はＪＰＥＧ形式で保存した。写り込み像の拡大写真（２周期分）を図１０に示した。 The low-pass filter was mounted with the processed surface side facing the lens side of a digital single-lens reflex camera, and photographs were taken. The image sensor of the single-lens reflex camera used an APS-C size of about 16 million pixels. As a photographing condition, the subject was a blank sheet so that the reflection of the diffraction grating was clear indoors at a brightness of about 500 lx. The camera settings were AWB, iso sensitivity 200, the shutter speed was set to aperture priority AE, the aperture value was set to F32 where the image was most clearly reflected, the lens was a zoom lens, and the focal length was 35 mm. The photograph was saved in JPEG format. An enlarged photograph of the reflected image (for two cycles) is shown in FIG.
上記ローパスフィルタの加工面側を実施例と同じデジタル一眼レフカメラのレンズ側に向けて実装し、同じ条件ｊで写真の撮影をおこなった撮影写真はＪＰＥＧ形式で保存した。写り込み像の拡大写真（２周期分）を図１２に示した。 The processed surface of the low-pass filter was mounted toward the lens side of the same digital single-lens reflex camera as in the example, and the photograph taken with the same condition j was stored in JPEG format. An enlarged photograph of the reflected image (for two cycles) is shown in FIG.
撮影写真をオープンソース画像処理ソフトウェアＩｍａｇｅＪで開き、写真上に写り込んだ回折格子の模様を１周期以上を横断するように直線選択し、ｐｌｏｔ ｐｒｏｆｉｌｅを得ることで、回折格子の明暗強度をグレースケールで取得する。取得したグレースケールのうち最も強度の高いピクセルの値をＩｍａｘとし、低いピクセルの値をＩｍｉｎとして、（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）をローパスフィルタ起因の像面コントラストとする。 The photographed photograph is opened with the open source image processing software ImageJ, and the diffraction grating pattern reflected on the photograph is linearly selected so as to cross one period or more, and the plot profile is obtained, so that the brightness intensity of the diffraction grating is grayscale. Get in. Of the acquired gray scales, the value of the pixel with the highest intensity is I max , the value of the low pixel is I min , and (I max −I min ) / (I max + I min ) is the image plane contrast due to the low-pass filter. To do.
実施例と比較例の距離に対するグレースケールプロット（２周期分）を図１３に示した。比較例では屈折率変化領域界面で明暗のピークが観察されるが、実施例ではピークが低減されている。また、ローパスフィルタ起因の像面コントラストを比較すると、実施例のコントラストは０．０６１、比較例のコントラストは０．５１３であり、実施例は比較例の１／８．４倍に低減させることができた。 FIG. 13 shows a gray scale plot (for two cycles) with respect to the distance between the example and the comparative example. In the comparative example, a bright and dark peak is observed at the refractive index change region interface, but in the example, the peak is reduced. Further, comparing the image plane contrast caused by the low-pass filter, the contrast of the example is 0.061, and the contrast of the comparative example is 0.513, and the example can be reduced to 1 / 8.4 times that of the comparative example. did it.
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