JP2018081209A - 光学フィルタおよび光学素子用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】 光学特性の変化を十分に低減可能な光学フィルタおよびこの光学フィルタを備える光学素子用パッケージを提供する。【解決手段】 光学フィルタ１は、透明基板２と、透明基板２の光入射面２ａに開口する凹部２０に配設された吸収膜３と、凹部を覆って光入射面２ａに配設される第１反射膜４と、を備え、さらに透明基板２の光出射面２ｂに配設される第２反射膜５を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、光学フィルタおよびこの光学フィルタを備える光学素子用パッケージに関する。

撮像素子等を用いた撮像光学系には、光を集光する光学レンズや、所定の波長帯域の光を透過し、その他の波長帯域の光は透過しないバンドパス型の光学フィルタ等各種の光学部材が使用される。

例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）センサから成る撮像素子を用いる場合、撮像素子に入射する光を人間の眼が知覚することができる波長領域（可視波長領域）に限定する光学フィルタが、光学レンズと撮像素子との間に配置される。このような光学フィルタとしては、可視波長領域よりも長い波長を有する近赤外光の透過を阻止するように構成されているもの、可視波長領域よりも短い波長を有する紫外光の透過を阻止するように構成されているもの、近赤外光および紫外光の透過を阻止するように構成されているもの等がある。

特許文献１記載の光学フィルタは、透明基板の表面に光吸収構造体を形成し、この光吸収構造体の上面および側面を覆うように近赤外光反射構造体が設けられている。光吸収構造体として、樹脂中に光吸収特性の色素を分散させたものを用いると、周辺環境からの吸湿等により光学特性が変化してしまうので、上記のように近赤外光反射構造体によって光吸収構造体を覆っている。

特開２０１２−１３７６５０号公報

特許文献１のような構成では、近赤外光反射構造体によって光吸収構造体を十分に覆うことができず、光学特性の変化を十分に低減できないという問題があった。

本開示の光学フィルタは、平行な第１面と第２面とを有する透明基板であって、前記第１面に凹部が設けられている透明基板と、
予め定める波長帯域の少なくとも一部の波長の光を吸収する樹脂材料を含む吸収膜であって、前記凹部内に配設された吸収膜と、
前記予め定める波長帯域の波長の光を反射する第１反射膜であって、前記凹部を覆って前記第１面に配設される第１反射膜と、を備えることを特徴とする。

また、本開示の光学素子用パッケージは、撮像素子、または受光素子が載置される載置部を有する基板と、
光学レンズと、
上記の光学フィルタと、
前記光学レンズおよび前記光学フィルタを保持し、前記載置部を覆うように前記基板に固定されるレンズホルダと、
を含むことを特徴とする。

本開示の光学フィルタによれば、樹脂材料を含む吸収膜が、透明基板に設けられている凹部内に配設されており、凹部を覆う第１反射膜が透明基板に配設されているので、吸収膜の光学特性すなわち光学フィルタの光学特性の変化を十分に低減することができる。

また、本開示の光学素子用パッケージによれば、上記の光学フィルタを備えることにより、光学特性の変化を十分に低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る光学フィルタの構成を示す断面図である。 透明基板および吸収膜の平面図である。 本発明の第２実施形態に係る光学フィルタの構成を示す断面図である。 変形例の透明基板および吸収膜の断面図である。 変形例の透明基板および吸収膜の平面図である。 本発明の第３実施形態である光学素子用パッケージおよび電子装置の外観を示す上面図である。 図６のＡ−Ａ線を切断面線とする縦断面図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光学フィルタの構成を示す断面図であり、図２は、透明基板および吸収膜の平面図である。光学フィルタ１は、透明基板２と、透明基板２の光入射面（第１面）２ａに開口する凹部２０に配設された吸収膜３と、凹部２０を覆って光入射面２ａに配設される第１反射膜４と、を備え、さらに透明基板２の光出射面（第２面）２ｂに配設される第２反射膜５を備える。光入射面２ａと光出射面２ｂとは、透明基板２の互いに平行な２つの主面である。

透明基板２は、少なくとも可視波長領域の光に対して、透過する光の波長選択性がない、光透過性を有する基板である。透明基板２は、可視波長領域の光に対して、８０％以上の透過率を有してもよい。

透明基板２は、ソーダ石灰ガラス、石英ガラス、またはホウケイ酸ガラス等のガラス材料から成るものであってもよい。あるいは、透明基板２は、金属酸化物等の無機材料、またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ポリイミド、ポリカーボネイド、もしくはアクリル等の樹脂材料から成るものであってもよい。

透明基板２には、光入射面２ａに開口する凹部２０が設けられている。凹部２０内の空間形状は、厚さが小さい直方体形状、いわゆる層状または膜状である。凹部２０内には、後述の吸収膜３が配設される。凹部２０内の空間に吸収膜３が充填されるので、凹部２０の空間形状が、すなわち吸収膜３の形状となる。

透明基板２の厚さｔは、光学フィルタ１に求められる機械的強度や総厚みを考慮して適宜設定すればよく、例えば、５０μｍ〜３００μｍである。凹部２０の内部空間形状は、上記のように層状または膜状であり、凹部２０の底面２０ａは、平坦面である。凹部２０の深さをｄとしたとき、透明基板２の厚さｔに対してｄ／ｔ＜０．５となるように凹部２０を設ければよい。ｄ／ｔ＜０．５とすることにより、透明基板２の機械的強度を保持したままで凹部２０を設けることができる。また、０．０５≦ｄ／ｔ≦０．１とすることにより、機械的強度の保持に加え、吸収膜３の吸収特性を向上させ、透明基板２の反りを低減させることができる。

図２に示すように本実施形態では、平面視において、透明基板２の外形形状と凹部２０の開口形状とは、共に矩形状であり、相似形であるが、これに限らず、同じ矩形状であっても相似形である必要はない。透明基板２の外形形状と凹部２０の開口形状とは、同じ形状でなくてもよい。また、透明基板２の外形形状、凹部２０の開口形状は、円形または楕円形であってもよく、五角形以上の多角形などであってもよい。凹部２０は、凹部２０の開口と透明基板２の第１面２ａの外周との距離が１００μｍ以上となるように設けられている。凹部２０の開口と透明基板２の第１面２ａの外周との距離が１００μｍよりも小さくなるような箇所があった場合、その箇所において、外部から凹部２０内に水分などが入り込む可能性が高くなってしまう。

凹部２０は、透明基板２となる板状基材に対して、公知の機械的加工または化学的加工を施すことにより形成することができる。機械的加工としては、例えば、研磨加工、研削加工などを用いることができる。化学的加工としては、例えば、ウェットエッチング加工、ドライエッチング加工などを用いることができる。また、射出成形などにより、凹部２０が予め設けられた形状で透明基板２を作製してもよい。

また、凹部２０の底面２０ａは、表面粗さＲｍｓが２ｎｍ未満とすることができる。表面粗さＲｍｓが２ｎｍ以上となると、透明基板２の透過率が低下してしまう。底面２０ａの表面粗さＲｍｓは、上記のような凹部２０形成時の加工条件を制御したり、加工後に鏡面研磨などを施すことで２ｎｍ未満を実現できる。

吸収膜３は、凹部２０内に配設され、予め定める波長帯域の少なくとも一部の波長の光を吸収する。吸収膜３は、樹脂材料を含み、樹脂材料に分散された光吸収材料によって光が吸収される。

吸収膜３を構成する樹脂材料は、少なくとも可視波長領域で吸収が無いものが好ましく、例えば、ポリエステル樹脂、ポリアクリル樹脂またはポリイミド樹脂等が用いられる。樹脂材料に分散される有機色素は、染料または顔料として使用される化合物を用いることができる。染料または顔料も、可視波長領域で吸収が無いものが好ましく、近赤外帯域で吸収率の高いものが好ましい。

染料としては、例えば、フタロシアニン系化合物、アゾ化合物系化合物、ポリメチン系化合物、ジフェニルメタン系化合物、トリフェニルメタン系化合物、キノン系化合物、ジイモニウム系化合物、チオール金属錯体系化合物等の化合物を用いることができる。吸収すべき波長帯域が狭い場合は、これらの染料のうちの１種を選択して樹脂材料に分散させてもよく、吸収すべき波長帯域が広い場合は、吸収波長の異なる複数種類の染料を選択して樹脂材料に分散させてもよい。

顔料としては、例えば、インジウムとスズの複合酸化物であるＩＴＯを微粒子化したものを用いることができる。ＩＴＯは、可視光帯域において透過率が高く、近赤外波長領域の光を吸収する。顔料は、染料とは異なり粒子状態で樹脂層に分散されるので、粒子による透過光の散乱等を防ぐために、より小さい粒子径とするのが好ましい。

紫外波長領域の光を吸収する化合物としては、酸化チタン、酸化亜鉛等を用いてもよく、有機材料であるベンゾトリアゾール、ベンゾフェノン、トリアジン等を用いてもよい。

吸収膜３は、未硬化の樹脂を分散または可溶化した溶媒に、上記の近赤外光吸収剤、紫外光吸収剤を分散させた塗工液を、スピンコート法、スプレー法、ディッピング法等によって、透明基板２の凹部２０内に塗工して充填し、乾燥、加熱等を経て樹脂を硬化させることによって形成されてもよい。

吸収膜３の膜厚が厚いほど、すなわち透明基板２の凹部２０の深さｄが深いほど光の吸収率は高いが、凹部２０の深さを深くしようとすると、透明基板２の強度などを確保するために、透明基板２の厚さｔを厚くする必要があり、光学フィルタ１の厚みが厚くなってしまうので、吸収膜３の膜厚は、例えば０．５μｍ〜１０μｍである。

また、吸収膜３の屈折率をｎ１とし、透明基板２の屈折率をｎ２としたとき、｜ｎ１−ｎ２｜≦０．２である。吸収膜３と透明基板２の屈折率の差を小さくすることで、凹部２０内面における反射などを抑制し、迷光の発生を低減することができる。

第１反射膜４および第２反射膜５は、透明基板２の光入射面２ａおよび光出射面２ｂにそれぞれ設けられ、予め定める波長領域の光を反射する。光学フィルタ１に要求されるフィルタ特性が、近赤外波長領域の光のカットオフである場合、第１反射膜４および第２反射膜５は、近赤外波長領域の光を反射するように構成される。光学フィルタ１に要求されるフィルタ特性が、可視波長領域の光の透過である場合、透過させるべき可視波長領域以外の波長領域である、近赤外波長領域の光および紫外波長領域の光を反射するように構成される。

第１反射膜４は、吸収膜３が内部に配設された凹部２０を覆って、透明基板２の光入射面２ａに配設される。例えば、平面視で、透明基板２の外形と、第１反射膜４の外形とが同じになるように第１反射膜４を配設してもよい。吸収膜３は、透明基板２と第１反射膜４とに囲まれた凹部２０内空間に、高い気密性および高い水密性で配設される。

従来では、透明基板の平坦な光入射面に配設された吸収膜の上面および側面を、第１反射膜で覆う必要があるが、凸状の吸収膜の側面を第１反射膜によって完全に覆って気密性および水密性を確保することは困難である。本実施形態によれば、吸収膜３が凹部２０内に配設されているので、第１反射膜４で覆うべき光入射面２ａは、ほぼ平坦面であり、凹部２０の開口を塞げば、吸収膜３に対して十分に高い気密性および高い水密性を確保することができる。これにより、樹脂材料で構成される吸収膜３の酸化および吸湿等を防ぎ、吸収膜３の光学特性の変化を十分に低減することで、光学フィルタ１の光学特性の変化を十分に低減することができる。

第１反射膜４および第２反射膜５の各々は、相対的に屈折率が低い低屈折率層と、相対的に屈折率が高い高屈折率層とを交互に積層して構成された複数の群を有し、各群を構成する低屈折率層および高屈折率層の、物理膜厚および／または屈折率を適宜設定することによって、各群の見かけの光学膜厚および見かけの屈折率を調整することができる。透過を阻止したい波長領域の中心波長をλとしたとき、各群の見かけの光学膜厚をλ／２に設定することで、各群の上下の界面による反射光が同位相となり強め合うことになるので、波長λを中心とする波長領域の光の透過を阻止することができ、当該波長領域以外の波長領域の光は、第１反射膜４および第２反射膜５を透過することになる。したがって、λを近赤外波長領域および紫外波長領域とすることで、第１反射膜４および第２反射膜５は、近赤外光および紫外光を反射してその透過を阻止し、近赤外波長領域および紫外波長領域以外の波長領域である可視波長領域の光を透過する。

第１反射膜４および第２反射膜５は、低屈折率層が酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなり、高屈折率層が酸化チタン（ＴｉＯ_２）からなる。酸化ケイ素誘電体層の屈折率はｎ＝１．４５と相対的に低屈折率であり、酸化チタン誘電体層の屈折率はｎ＝２．３０と相対的に高屈折率である。

なお、ＳｉＯ_２およびＴｉＯ_２以外にも、反射によって透過を阻止しようとする波長帯域に応じて、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_３等の無機材料を用いてもよい。

本実施形態では、第２反射膜５の厚さが第１反射膜４の厚さよりも大きい。第１反射膜４と透明基板２とは、光入射面２ａにおいて、凹部２０を除く外周部分においてのみ接合されている。接合面積が小さい第１反射膜４の厚さを小さくすることで、膜形成後の残留応力を小さくしてクラックの発生を抑制している。第１反射膜４および第２反射膜５の厚さは、低屈折率層と高屈折率層の厚さを各反射膜において同じ厚さとすれば、反射膜ごとに積層する層数の違いによって異ならせることができる。本実施形態のように、第２反射膜５の厚さが第１反射膜４の厚さよりも大きい場合は、第２反射膜５の層数を、第１反射膜４の層数よりも多くすればよい。

第１反射膜４および第２反射膜５では、低屈折率層および高屈折率層を、蒸着法、イオンプレーティング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）あるいはスパッタリング法等を用いて成膜することによって、低屈折率層と高屈折率層との、凹凸が小さく、かつ平坦な界面を形成している。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る光学フィルタの構成を示す断面図である。光学フィルタ１Ａは、透明基板２と、凹部２０内に配設される吸収膜３と、透明基板２の光入射面２ａ上に配設される応力緩和層６と、応力緩和層６上に配設される第１反射膜４と、透明基板２の光出射面２ｂ上に配設される第２反射膜５とを備える。

光学フィルタ１Ａは、第１実施形態の光学フィルタ１と比較して、応力緩和層６が設けられる点で異なっており、その他については、同様の構成であるので、同様の構成には光学フィルタ１と同じ参照符号を付して詳細な説明は省略する。

応力緩和層６は、光透過性を有するものであればよく、応力緩和層６の材料としては、例えばＳｉＯ_２を用いてもよい。透明基板２の光入射面２ａ側、すなわち、第１反射膜４と第２反射膜５のうち、厚さが薄い第１反射膜４側に応力緩和層６を設けることにより、透明基板２の光入射面２ａ側に設けられた膜の厚さと、光出射面２ｂ側に設けられた膜の厚さとの差を小さくして光学フィルタ１Ａの変形および反りを効果的に抑制することができる。

（第１実施形態および第２実施形態の変形例）
図４は、変形例の透明基板および吸収膜の断面図であり、図５は、変形例の透明基板および吸収膜の平面図である。以下で説明する各変形例は、透明基板および吸収膜のみが、前述の各実施形態と異なるので、透明基板および吸収膜のみを図示しており、その他の構成は省略している。

図４（ａ）に示す変形例では、透明基板２Ａに設けられた凹部２０Ａにおいて、底面２０Ａａと側面２０Ａｂとが成す角部をＲ面（曲面）としている。角部をＲ面とすることにより、光学フィルタ使用時の温度変化、外力の付加などによって生じる応力が角部に集中することを抑制し、透明基板２Ａにクラックなどが生じることを抑制することができる。なお、Ｒ面の代わりにＣ面（面取り）としてもＲ面と同様の効果が得られる。吸収膜３Ａは、凹部２０Ａ内に配設されるので、凹部２０Ａの形状に合わせて角部がＲ面状またはＣ面状となる。

図４（ｂ）に示す変形例では、透明基板２Ｂに設けられた凹部２０Ｂにおいて、底面２０Ｂａよりも開口２０Ｂｃのほうが大きい。凹部２０Ｂの側面２０Ｂｂは、外方に傾斜して設けられる。言い換えれば、図のように、透明基板２Ｂの光入射面２Ｂａを上側としたとき、凹部２０Ｂの内部空間の形状が、逆四角錐台状となっている。吸収膜３Ｂもこの形状に合わせて逆四角錐台状となる。

樹脂材料で構成される吸収膜３Ｂは、塗工液の状態で、凹部２０Ｂ内に塗工され、充填されたのち硬化される。凹部２０Ｂを、底面２０Ｂａよりも開口２０Ｂｃを大きくすることにより、充填時に気泡が抜け易くなる。気泡が残ると、吸収膜と気泡との界面などで不要な反射が起こり迷光が生じてしまうが、本実施形態では、凹部２０Ｂの形状を上記のものとすることで、気泡残りを低減し、迷光の発生を抑制することができる。

図５に示す変形例では、透明基板２Ｃに設けられた凹部２０Ｃにおいて、開口２０Ｃｃの形状を矩形状ではなく、角丸矩形状としている。すなわち、開口２０Ｃｃの角をＲ状（曲線状）としている。開口２０Ｃｃの角をＲ状とすることにより、光学フィルタ使用時の温度変化、外力の付加などによって生じる応力が開口２０Ｃｃの角に集中することを抑制し、透明基板２Ｃにクラックなどが生じることを抑制することができる。吸収膜３Ｃは、凹部２０Ｃ内に配設されるので、凹部２０Ｃの形状に合わせて開口２０Ｃｃでの角がＲ状となる。

図６は、本発明の第３実施形態である光学素子用パッケージおよび電子装置の外観を示す上面図であり、図７は、図６のＡ−Ａ線を切断面線とする縦断面図である。光学素子用パッケージ１０は、光学素子１１を載置する載置部を有する基板９と、載置部を覆うように基板９に固定されるレンズホルダ８と、レンズホルダ８に保持される光学レンズ７および上記の光学フィルタ１，１Ａと、を備える。レンズホルダ８は、光学レンズ７および光学フィルタ１，１Ａを保持するレンズ保持部８ｂを含む。

基板９は、セラミック材料または有機材料から成る絶縁層に配線導体が形成された配線基板であり、光学素子１１と電気的に接続するとともに外部装置とも電気的に接続する。

基板９は、例えば、板状の第１基板９ａと中央に貫通孔を有する第２基板９ｂとが積層されてなる。第２基板９ｂの貫通孔と第１基板９ａの上面とで凹状の載置部が構成され、光学素子１１が載置される。なお、基板９は、中央部分に載置部が設けられた１つの絶縁層からなるものであってもよく、３つ以上の基板が積層されていてもよい。

電子装置２１は、光学素子用パッケージ１０と、光学素子１１と、を備える。光学素子１１は、撮像素子、または受光素子であり、ボンディングワイヤ１２等の接続部材によって基板９と電気的に接続される。光学素子１１と基板９との電気的接続には、ボンディングワイヤ以外に金バンプまたははんだ等を使用してもよい。

レンズホルダ８のレンズ保持部８ｂは、光学レンズ７の光軸が光学素子１１を通るように光学レンズ７および光学フィルタ１，１Ａを保持する。光学レンズ７としては、凸レンズ、凹レンズまたはフレネルレンズ等の各種形状のレンズを使用するができる。光学レンズ７は、用いられる光学素子１１の種類に応じて各種の光学機能を備えていればよく、例えば外部から入射する外光を撮像素子表面に集束させる。

レンズ保持部８ｂは、概略、立方体形状または直方体形状を有し、下面が開放され、上面８ａに貫通孔が設けられ、この貫通孔に嵌るように光学レンズ７が保持される。光学フィルタ１，１Ａは、光学レンズ７と光学素子１１との間に位置するように、レンズ保持部８ｂの下方に保持される。レンズ保持部８ｂの形状は特に限定されず、例えば、上記のように立方体形状または直方体形状であってもよく、円筒形状であってもよく、半球形状やドーム形状等であってもよい。

レンズ保持部８ｂの側壁の下端が、基板９の上面の外周部分に、接着剤等によって固定される。

光学素子１１が撮像素子の場合、光学レンズ７によって集束される外光が、光学フィルタ１，１Ａを通過し、近赤外波長領域または、近赤外波長領域および紫外帯域の光は、光学フィルタ１，１Ａによって透過が阻止され、近赤外波長領域を除く波長領域の光または、可視光帯域の光が透過されて撮像素子に到達する。

光学フィルタ１，１Ａを備えることにより、光学特性の変化が十分に低減された光学素子用パッケージ１０および電子装置２１を実現することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、実施形態および変形例をそれぞれ互いに組合わせたものも本発明の実施形態である。

１ 光学フィルタ
１Ａ 光学フィルタ
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 透明基板
２ａ，２Ｂａ 光入射面
２ｂ 光出射面
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 吸収膜
４ 第１反射膜
５ 第２反射膜
６ 応力緩和層
７ 光学レンズ
８ レンズホルダ
８ａ 上面
８ｂ レンズ保持部
９ 基板
９ａ 第１基板
９ｂ 第２基板
１０ 光学素子用パッケージ
１１ 光学素子
１２ ボンディングワイヤ
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 凹部
２０ａ，２０Ａａ，２０Ｂａ 底面
２０Ａｂ，２０Ｂｂ 側面
２０Ｂｃ，２０Ｃｃ 開口
２１ 電子装置

Claims (8)

1. 平行な第１面と第２面とを有する透明基板であって、前記第１面に凹部が設けられている透明基板と、
   予め定める波長帯域の少なくとも一部の波長の光を吸収する樹脂材料を含む吸収膜であって、前記凹部内に配設された吸収膜と、
   前記予め定める波長帯域の波長の光を反射する第１反射膜であって、前記凹部を覆って前記第１面に配設される第１反射膜と、を備えることを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記予め定める波長帯域の波長の光を反射する第２反射膜であって、前記第２面に配設される第２反射膜をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光学フィルタ。
3. 前記凹部の底面の表面粗さＲｍｓが、２ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１または２記載の光学フィルタ。
4. 前記凹部の深さをｄ、前記透明基板の厚さをｔとしたとき、ｄ／ｔ＜０．５であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光学フィルタ。
5. 前記凹部の底面よりも前記凹部の開口のほうが大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の光学フィルタ。
6. 前記吸収膜の屈折率をｎ１とし、前記透明基板の屈折率をｎ２としたとき、｜ｎ１−ｎ２｜≦０．２であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の光学フィルタ。
7. 前記第１反射膜は、低屈折率層と高屈折率層が交互に積層されてなり、
   前記第２反射膜は、低屈折率層と高屈折率層が交互に積層されてなり、
   前記第１反射膜の層数よりも前記第２反射膜の層数のほうが多いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の光学フィルタ。
8. 撮像素子、または受光素子が載置される載置部を有する基板と、
   光学レンズと、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学フィルタと、
   前記光学レンズおよび前記光学フィルタを保持し、前記載置部を覆うように前記基板に固定されるレンズホルダと、
   を含むことを特徴とする光学素子用パッケージ。

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