JP4937571B2 - 光学部品および光学部品の製造方法 - Google Patents
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すなわち、該加工法は加工波長で透明な材料であれば、多光子吸収過程により材料内部を3次元的に加工可能であるため、従来の加工法では困難であった複雑なパターン設計の場合でも、照射光学系の変更等により容易であり、加工の工程数および加工時間を短縮することで製造段階におけるコストを低減することが可能となる。また、例えば固体撮像素子に組み込まれる際に要求される光学的、機械的、熱的特性を有する材料を適宜選択することが可能であることを見出し、本発明を完成した。
T≧100/M2 (a)
T≧(Ith×2×10−4)/(I0×M2) (b)
M:(π/4)1/2×(透明材料入射時のパルスレーザー光の直径)/(材料の集光体積の三乗根)
Ith:透明材料中のパルスレーザー光を集光させる部位で異なる屈折率を有する領域を形成するのに必要なパルスレーザービームの空間パワー密度[W/cm3]
I0:材料にパルス光が入射する面におけるパルスレーザー光のパワー密度[W/cm2]
T≧100/M2 (a)
T≧(Ith×2×10−4)/(I0×M2) (b)
M:(π/4)1/2×(透明材料入射時のパルスレーザー光の直径)/(材料の集光体積の三乗根)
Ith:透明材料中のパルスレーザー光を集光させる部位で屈折率が異なる領域を形成するのに必要なパルスレーザービームの空間パワー密度[W/cm3]
I0:材料にパルス光が入射する面におけるパルスレーザー光のパワー密度[W/cm2]
本発明は屈折率n0を有する透明材料の内部にn0とは異なる屈折率Nの領域が不連続に形成されることにより光学部品または光学的ローパスフィルターを構成する。ここで、製造工程での効率の観点からは、レーザー光を照射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または光学的ローパスフィルターにおいて最大体積を有することが好ましい。
この光学部品または光学的ローパスフィルターは屈折率Nの領域を通過する光とn0を通過する光の間で位相の変化が起こること、あるいは屈折率Nの領域の形状の変化による光路の変化によって、通過する光の間で位相の変化が起こることを利用している。
さらに本発明は屈折率Nの領域を、その連続した領域における形状を周期的に変化させること、あるいは屈折率Nの領域を透明材料の内部に2次元的あるいは3次元的に周期的に複数形成し、配列することにより光学部品または光学的ローパスフィルターを構成する。
この屈折率Nの領域が配列される周期性は、2次元的あるいは3次元的に周期が一定でも良く、周期が変調するものであっても良い。
また上記MTF値は波長400nmから700nmの光に対して上記範囲に入ることが好ましい。
また、前記周期構造はそれ自体がレンズとして作用し、且つMTFが上記範囲に入るような周期構造であっても良い。
T≧100/M2 (a)
T≧(Ith×2×10−4)/(I0×M2) (b)
ここで、
M:(π/4)1/2×(材料入射時のパルスレーザー光の直径)/(材料の集光体積の三乗根)
Ith:材料中のパルスレーザー光を集光させる部位で異質相を形成するのに必要なパルスレーザービームの空間パワー密度(W/cm3)
I0:材料にパルス光が入射する面におけるパルスレーザー光のパワー密度(W/cm2)
である。
屈折率Nの領域を形成する加工においては、照射するレーザーの波長に対して材料の線形吸収係数が小さいことが好ましい。具体的には上記式(a)及び(b)を満たすことが好ましい。また、上記式(b)に換えて下記(c)式を満たす事がより好ましく、上記式(c)に換えて、下記(d)式を満たすことが最も好ましい。
T≧(Ith×3×10−4)/(I0×M2) (c)
T≧(Ith×5×10−4)/(I0×M2) (d)
上記の範囲であれば集光部位以外の領域のダメージを小さくでき、精度の良い加工が可能となる。
ここで上記線形吸収係数とはレーザービームのパワー密度(レーザーパワー/照射面積)が充分小さいときの吸収係数をいう。
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。
さらに、Be、Pb、Th、Cd、Tl、As、Os、S、Se、Te、Bi、F、Br、Cl、I等の各成分は、近年有害な化学物資として使用を控える傾向にあり、ガラスの製造工程のみならず、加工工程、及び製品化後の処分に至るまで環境対策上の措置が必要とされるため、環境上の影響を重視する場合には実質的に含まないことが好ましい場合が多い。
しかし、本発明の透明材料として色フィルターの機能を有する材料で特に赤外光カットフィルターの機能を有する材料を用いる場合には、本発明の透明材料にCu、Ni、V、Fe、Ce、Pb、Sn等の成分を含むことが好ましい場合が多い。
一つのフィルターの複数の領域において、Nはひとつの値を持つだけでなく、複数の値を持つものであっても良い。また、一つの連続した領域内においてNは複数の値を持つものであってもよく、連続的に変化するものであっても良い。
本発明は透明材料内部にパルスレーザー光を照射または集光照射することにより、該材料内部に異質相を形成し、この異質相の屈折率がレーザー光の照射前の状態から永続的に変化することによって、屈折率が異なる領域を形成することによって構成される。
空間パワー密度(W/cm3)=特定の微小体積に投入されるエネルギー(J)÷照射時間(s)÷前記微小体積(cm3)。
本発明において屈折率変化領域が形成されるときのレーザーパワーは、材料内部の集光される位置における空間パワー密度が0.2×1011〜0.9×1024W/cm3であることが好ましく、特に0.2×1015〜0.9×1020W/cm3であることがより好ましく、0.5×1015〜0.5×1020W/cm3であることが最も好ましい。
また、前記透明材料内部の所望の位置に一括で形成された屈折率変化領域を更に広範囲に形成するために、集光させたパルスレーザー光の集光点を、前記材料に対して相対移動させることも可能である。
また、パルスレーザー光を照射する前の前記透明材料は光学的に等方であることが好ましいが、複屈折を有するもの、或いは屈折率分布型の光部品であっても良い。前記屈折率分布型光部品としてはGRINレンズ、マイクロレンズアレイ、光導波路、回折格子などがあるが必ずしもこれらの例に限られるものではない。
図14に示した光学的ローパスフィルターにおいては、基板11内に断面形状が円である屈折率Nの異質相12が格子状に配列される。
図15に示した光学的ローパスフィルターにおいては、基板11内に断面形状が複数の円を連結したような形状である屈折率Nの異質相12が配列される。
図16に示した光学的ローパスフィルターにおいては、基板11内に断面形状がだ円である屈折率Nの異質相12がほぼ等間隔に配列され、だ円形状が周期的に変化している。
図17に示した光学部品においては、レンズ体である基板11内に断面形状が円である屈折率Nの異質相12がほぼ等間隔に配列される。
図18を参照すると、図17に示された光学部品は、光軸上に他のレンズと共に配置されることによって光学系を構成する。
例えば従来の固体撮像素子の光学的ローパスフィルター材料に用いられている水晶やニオブ酸リチウム単結晶板内部に屈折率変化領域を形成し、これらの材料が本質的に有する複屈折による光線分離方向に対して同じまたは異なる方位に光線分離する効果を加えることにより、従来の単結晶光学的ローパスフィルターの厚みを薄くしたり、枚数を減らすことが可能であり、それにより撮像光学系をコンパクトにすることが可能となる。
2:パルスレーザー光
3:レンズ
4、7、10、12:屈折率変化領域(屈折率Nの異質相)
5、9:光学的ローパスフィルター
13:光学像
14:レンズ系
15、17:本発明の光学部品
16、18:固体撮像素子
19:0次光
20:1次光
21:−1次光
Claims (32)
- 透明材料の内部に、前記透明材料の屈折率と異なる屈折率を有する領域がパルスレーザー光の照射または集光照射により透明材料の内部に形成され、被写体の高空間周波数成分を制限する光学的ローパスフィルタに用いられることを特徴とする光学部品。
- 前記異なる屈折率を有する領域は、連続した同一領域であって、その形状が周期的に変化していることを特徴とする請求項1に記載の光学部品。
- 前記異なる屈折率を有する領域が不連続に複数形成され、それらの複数形成された領域が2次元的または3次元的に周期的に配列されていることを特徴とする請求項1に記載の光学部品。
- 前記異なる屈折率を有する領域は、連続した同一領域であって、その形状が周期的に変化しており、該周期的な形状の変化が、カットオフ周波数以上の高空間周波数領域においてMTF値≦0.5となる周期的な形状の変化であることを特徴とする請求項2に記載の光学部品。
- 前記周期的な形状の変化は、それに入射する光を光線分離し、カットオフ周波数以上の高空間周波数領域においてMTF値≦0.5となる周期的な形状の変化であることを特徴とする請求項4に記載の光学部品。
- 前記異なる屈折率を有する領域が不連続に複数形成され、それらの複数形成された領域が2次元的または3次元的に周期的に配列されており、該周期的な配列がカットオフ周波数以上の高空間周波数領域においてMTF値≦0.5となる周期的な配列であることを特徴とする請求項3に記載の光学部品。
- 前記周期的な配列は、それに入射する光を光線分離し、カットオフ周波数以上の高空間周波数領域においてMTF値≦0.5となる周期的な配列であることを特徴とする請求項6に記載の光学部品。
- 前記透明材料の内部に形成された領域は、最大体積をもつ領域に対して、0.1μm〜2μmの波長における屈折率が0.0001以上異なることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の光学部品。
- 前記透明材料は単結晶、ガラス、ガラスセラミックス、焼結体または有機樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の光学部品。
- 前記透明材料は、パルス幅が10フェムト(10×10−15)秒以上10ピコ(10×10−12)秒以下のパルスレーザー光を該透明材料に照射させた場合において、該パルスレーザー光が入射する面から、前記パルスレーザー光を集光させる部位までの該パルスレーザー光の透過率Tが、集光倍率Mとの関係において、下記式(a)及び(b)を満たすことを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の光学部品。
T≧100/M2(a)
T≧(Ith×2×10−4)/(I0×M2)(b)
M:(π/4)1/2×(透明材料入射時のパルスレーザー光の直径)/(材料の集光体積の三乗根)
Ith:透明材料中のパルスレーザー光を集光させる部位で異なる屈折率を有する領域を形成するのに必要なパルスレーザービームの空間パワー密度[W/cm3]
I0:材料にパルス光が入射する面におけるパルスレーザー光のパワー密度[W/cm2] - 前記透明材料は、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、且つ800nmから1000nmで30%以下である赤外光カットフィルターであることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の光学部品。
- 前記透明材料は、放出するα線量が0.02count/cm2・hr以下であることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の光学部品。
- 前記透明材料は、放出するβ線量が100count/cm2・hr以下であることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の光学部品。
- 前記透明材料は屈折率分布型光学部品であることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の光学部品。
- 表面の一部または全部に凸面部および/または凹面部を有することを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の光学部品。
- 前記光学部品に入射する光を光線分離し、前記分離光の0次光に対する±1次光の相対強度Rが、0.5<R<2であることを特徴とする請求項1から15のいずれかに記載の光学部品。
- 光学像を固体撮像素子の画素面に結像させる光学系に挿入されて前記固体撮像素子に入射される光の高空間周波数成分を制限する光学部品であって、前記画素面において0次光の入射する画素に隣接する画素に+1次光及び−1次光が入射するように、前記2以上の領域が配置されることを特徴とする、請求項1から16のいずれかに記載の光学部品。
- 請求項1から17のいずれか記載の光学部品を有する撮像光学系。
- カットオフ周波数以上の高空間周波数領域においてMTF値≦0.5である請求項18に記載の撮像光学系。
- 透明材料にパルスレーザー光を照射または集光照射することにより、屈折率が異なる領域を内部に形成することを特徴とする請求項1から17のいずれかに記載の光学部品の製造方法。
- 照射するパルスレーザー光は、パルス幅が10フェムト(10×10−15)秒以上10ピコ(10×10−12)秒以下であることを特徴とする請求項20に記載の光学部品の製造方法。
- 照射するパルスレーザー光は、前記透明材料内部の集光される位置における空間パワー密度が0.2×1011〜0.9×1024W/cm3であることを特徴とする請求項20または21に記載の光学部品の製造方法。
- 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を特徴とする請求項20から22のいずれかに記載の光学部品の製造方法。
- 前記透明材料に複数のパルスレーザー光を複数の位置に集光照射することにより、複数の屈折率が異なる領域を一括して形成することを特徴とする請求項20から23のいずれかに記載の光学部品の製造方法。
- 複数のパルスレーザー光を前記透明材料の内部で干渉させ、干渉により形成されるパルスレーザー光の光強度分布に依存した形状の屈折率が異なる領域を内部に形成することを特徴とする請求項20から24のいずれかに記載の光学部品の製造方法。
- 内部に形成される屈折率が異なる領域の形状を、その連続した領域において周期的に変化させることを特徴とする請求項20から25のいずれかに記載の光学部品の製造方法。
- 内部に形成される屈折率が異なる領域を2次元的または3次元的に周期的に配列することを特徴とする請求項20から25のいずれかに記載の光学部品の製造方法。
- 内部に形成される屈折率が異なる領域の形状をその連続した領域において周期的に変化させ、該周期的な形状の変化は、カットオフ周波数以上の高空間周波数領域においてMTF値≦0.5となる周期的な形状の変化であることを特徴とする請求項26に記載の光学部品の製造方法。
- 内部に形成される屈折率が異なる領域を2次元的または3次元的に周期的に配列し、該周期的な配列はカットオフ周波数以上の高空間周波数領域においてMTF値≦0.5となる周期的な配列であることを特徴とする請求項27に記載の光学部品の製造方法。
- 内部に形成される屈折率が異なる領域の0.1μm〜2μmの波長における屈折率は、パルスレーザー光を照射または集光照射する前の透明材料の屈折率に対して、0.0001以上異なることを特徴とする請求項20から29のいずれかに記載の光学部品の製造方法。
- 前記透明材料は、前記パルスレーザー光が入射する面から、前記パルスレーザー光を集光させる部位までの前記パルスレーザー光の透過率Tが、集光倍率Mとの関係において、下記式(a)及び(b)を満たす材料である請求項20から30のいずれかに記載の光学部品の製造方法。
T≧100/M2(a)
T≧(Ith×2×10−4)/(I0×M2)(b)
M:(π/4)1/2×(透明材料入射時のパルスレーザー光の直径)/(材料の集光体積の三乗根)
Ith:透明材料中のパルスレーザー光を集光させる部位で屈折率が異なる領域を形成するのに必要なパルスレーザービームの空間パワー密度[W/cm3]
I0:材料にパルス光が入射する面におけるパルスレーザー光のパワー密度[W/cm2] - 前記透明材料を固体撮像装置の前面に組み込んだ状態で、パルスレーザー光を照射または集光照射する請求項20から31のいずれかに記載の光学部品の製造方法。
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