JP6154200B2

JP6154200B2 - 光学フィルタ部材およびそれを用いた距離画像撮像装置

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Publication number: JP6154200B2
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Inventors: 貴博大蔵
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Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2033-05-31
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Description

本発明は、対象物を撮影するとともに対象物までの距離を測定して各画素の距離情報を取得する距離画像撮像装置で使用される光学フィルタ部材およびそれを用いた距離画像撮像装置に関するものである。

従来、対象物（被写体）を撮影する際に、対象物までの距離を測定することによって距離画像を取得して様々な分野に利用することが提案されている。距離画像とは、２次元撮像素子の各画素が対象物の色や濃淡画像の代わりに、対象物の３次元形状に対応した距離情報を、各画素における電荷の濃淡画像として有している画像のことである。対象物の距離を測定する方法としては、ＴＯＦ（Time Of Flight)方式が知られている。これは、対
象物に光を照射し、その反射光をセンサで受光するまでの時間を測定する事によって対象物までの距離を求める方式であり、例えば、対象物にパルス光を入射して、その反射光を複数の画素を有する撮像素子により受光する。このとき各画素にて受けた受光強度は、対象物までの距離が近いほど大きくなるため、各画素の受光強度から対象物の距離を測定することができる。

この方式を利用したものとして、例えば、特許文献１に開示されているものがあり、対象物に赤外光パルスを照射して、対象物での反射光のある時間での受光量から対象物の距離を測定するようにしたものが知られている。

特開２０００−１２１３５１号公報

しかしながら、距離画像撮像素子は、対象物をカラー撮影する撮像画素と対象物との距離を測定する距離画素とからなり、シリコンからなる距離画像撮像素子は、一般的に赤外線領域で素子感度が最も高くなるために、距離画像の各距離画素の感度に最適化した光量の光が加わるように調整した場合には、カラー撮影用の撮像画素は光量不足となる。したがって、撮像画素は、本来撮像画素が備えている最大電荷量に比べて放出される電荷量が少なくなることで、本来再現できる階調に比べて実際に再現される階調（ダイナミックレンジ）が小さくなってしまうという問題点があった。また、カラー撮影の各撮像画素を本来の諧調（ダイナミックレンジ)が再現できる光量とした場合には、距離画像の各距離画
素に対しては光量がオーバーとなるため、正確な距離が測定できなくなるという問題点があった。これらの問題点を解決するために、例えば、カラー撮影用の撮像画素に比べて距離を測定する距離画素の電荷保持容量を高めて、撮像画素および距離画素の最適な光量がほぼ同じになるようにすればよい。しかしながら、１画素当たりの電荷保持容量は画素の面積にほぼ比例するために、距離画素の電荷保持容量を高めるには距離画素の面積を撮像画素の面積よりも大きくする必要があり、距離画素撮像素子は、一般的な撮像素子と共通化できる設計や製造工程が少なくなり汎用性が低下してしまうという問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、距離画像撮像素子の汎用性を犠牲にすることなく、カラー画像を撮影するとともに距離画像も取得することができる光学フィルタ部材および距離画像撮像装置を提供することにある。

本発明の一つの態様による光学フィルタ部材は、シリコンからなる距離画像撮像素子と赤外光を発光する発光素子とを有する距離画像撮像装置に適用する光学フィルタ部材であって、可視領域の波長の光を透過するとともに赤外領域の光の一部を吸収して透過率を低減する赤外線吸収ガラスからなる基体と、該基体の主面に設けられた光学膜とを備え、該光学膜が、屈折率の異なる複数の誘電体層が積層されている誘電体多層膜を含んでおり、前記光学膜は、前記可視領域の波長の光を透過する第１の波長帯域と、前記赤外領域における前記発光素子の発光波長の中心波長を含む波長領域の波長の光を透過する第２の波長
帯域と、前記第１の波長帯域と前記第２の波長帯域との間に光を透過しない第３の波長帯域とを有しており、前記可視領域の波長の光が透過し、前記発光素子の発光波長の前記中心波長を含む波長領域の波長の光が前記可視領域の透過率よりも低い値の透過率でもって透過するとともに、前記可視領域より大きく前記発光素子の発光波長の前記中心波長より小さい波長領域の光を透過しない領域を有していることを特徴とするものである。

また、本発明の他の態様による距離画像撮像装置は、本発明の光学フィルタ部材と該光学フィルタ部材の下方に設けられたシリコンからなる距離画撮像素子と赤外光を発光する発光素子とを備えていることを特徴とするものである。

本発明の一つの態様による光学フィルタ部材によれば、光学フィルタ部材が入射される光における特定の波長範囲の波長の透過率の制御を行うことによって、距離画素撮像素子がカラー画像を撮影するとともに距離画像も取得することができ、距離画像の測定精度とカラー画像の画質が向上するという効果を奏する。

（ａ）は、本発明の実施形態における距離画像撮像装置の縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す距離画像撮像装置の距離画像撮像素子の画素の配置を説明するために説明図である。図１に示す距離画像撮像装置における光学フィルタ部材を示す縦断面図である。図２に示す光学フィルタ部材において符号Ａによって示された部分の拡大図である。（ａ）は、本発明の実施形態の光学フィルタ部材における基体の透過特性を示すグラフであり、（ｂ）は、光学膜の透過特性を示すグラフであり、（ｃ）は、本発明の実施形態の光学フィルタ部材の透過特性を示すグラフである。

本発明の例示的な実施形態における光学フィルタ部材について図面を参照しながら以下に説明する。

まず、本発明の実施形態における光学フィルタ部材３を有する距離画像撮像装置２Ａの例について図１を参照しながら説明する。距離画像撮像装置２Ａは、素子搭載用部材１と、素子搭載用部材１に搭載された距離画像撮像素子２と、距離画像撮像素子２の上方に設けられた光学フィルタ部材３と、発光素子４とを含んでいる。

本実施形態における距離画像撮像素子２は、図１に示すように、対象物を撮像する撮像画素２ａと対象物との距離を測定する距離画素２ｂとから構成されている。すなわち、カラー画像撮像の撮像画素２ａおよび距離画像の距離画素２ｂは、距離画像撮像素子２の撮像領域内に配置されている。

カラー画像撮像の撮像画素２ａは、カラーフィルタを有しており、図１（ｂ）に示すように、それぞれＲフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタが配置されており、距離画像の距離画素２ｂには、赤外領域のフィルタであるＩＲフィルタが配置されている。Ｒフィルタ、Ｇフィルタ、Ｂフィルタを通過した光が撮像画素２ａに入りカラー画像を形成し、ＩＲフィルタを通過した光が距離画素２ｂに入り距離画像を形成する。撮像画素２ａと距離
画素２ｂとの配置は、図１（ｂ）に示すように、ＲフィルタとＢフィルタを交互に並べた列と、Ｇフィルタを一つおきに並べた間にＩＲフィルタを配置した列とを並べた配置となっている。なお、このようにＲＧＢフィルタとＩＲフィルタを組み合わせる配置はこれに限定されるものではない。

また、距離画像撮像素子２は、例えば、ＣＣＤ固体撮像素子やＣＭＯＳ等によって構成されており、特に限定はされない。また、距離画像撮像素子２に入射した光は、距離画像撮像素子２により光電変換されて、受光した光の強度を示す電気信号に変換される。

また、本実施形態における光学フィルタ部材３は、距離画像撮像素子２に入射される光における特定の波長範囲の波長の透過率の制御を行うものであり、基体３１と光学膜３２とからなる。

発光素子４は、対象物（被写体）までの距離を測定するために用いられるものであり、対象物に対して赤外光のパルス光を発光するものである。また、発光素子４が発光する赤外光の中心波長は、使用する発光素子４によって変わるが、一例を挙げれば中心波長が８５０（ｎｍ）の赤外光を発光する発光素子４が良く知られている。なお、発光素子４は、特定の波長範囲の赤外光を発光できる発光素子であればよく、例えば、赤外線領域を発光の中心波長とする発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザー素子等であり、特に限定はされない。発光素子４は、例えば、中心波長が８５０（ｎｍ）あるいは１１００〜１６００（ｎｍ）である。次に、本実施形態における光学フィルタ部材３の詳細について図２、図３を参照しながら以下に説明する。距離画像撮像装置２Ａにおけるその他の構成については後述する。

光学フィルタ部材３は、可視領域の波長の光を透過するとともに赤外領域の光を吸収する赤外線吸収ガラスからなる基体３１と、基体３１の主面に設けられた光学膜３２とからなる。そして、光学膜３２が、屈折率の異なる複数の誘電体層（３２ａ、３２ｂ）が積層されている誘電体多層膜を含んでおり、光学膜３２は、可視領域の波長の光を透過する第１の波長帯域Ａと、赤外領域の波長の光を透過する第２の波長帯域Ｂと、第１の波長帯域Ａと第２の波長帯域Ｂとの間に光を透過しない第３の波長帯域Ｃとを有している。光学フィルタ部材３は、例えば、赤外光を用いて距離画像を取得する距離画像撮像装置２Ａ等に設けられるものである。

可視領域は、ここでは、４００（ｎｍ）〜７００（ｎｍ）の波長範囲である。また、赤外領域は、ここでは、近赤外領域であって、７００（ｎｍ）よりも大きい波長範囲に含まれるものであり、８５０（ｎｍ）〜１６００（ｎｍ）の波長範囲である。

また、光学膜３２が光を透過しない第３の波長帯域Ｃは、可視領域の波長の光を透過する第１の波長帯域Ａと赤外領域の波長の光を透過する第２の波長帯域Ｂとの間にあり、例えば、使用する発光素子４の発光波長によって変わる。例えば、発光素子４の発光波長の中心波長が８５０（ｎｍ）の赤外光を発光するものであれば、光を透過しない第３の波長帯域Ｃは、７００（ｎｍ）〜８５０（ｎｍ）の範囲に含まれる波長帯域となる。なお、光学膜３２が光を透過するとは、第３の波長帯域Ｃの波長の光の透過率が１０（％）以上であることをいい、光学膜３２が光を透過しないとは、第３の波長帯域Ｃの波長の光の透過率が１０（％）未満であることをいう。

ここで、図４に、基体３１、光学膜３２および光学フィルタ部材３の波長透過率特性を示す。なお、この波長透過率特性は、発光素子４の発光波長の中心波長が８５０（ｎｍ）の場合のものである。

基体３１は、可視光を透過して赤外線を吸収するという特性を有する赤外線吸収ガラスからなる。赤外線吸収ガラスは、図４（ａ）に示すように、７００（ｎｍ）よりも大きい波長範囲に含まれる赤外線の透過率が低減されているものであり、例えば青色透明のものである。基体３１は、図４（ａ）に示すように、赤外領域の８５０（ｎｍ）付近で透過率が低くなっている。また、基体３１の赤外線吸収ガラスは、４００（ｎｍ）〜７００（ｎｍ）の波長範囲に含まれる可視領域の可視光を透過させる。

また、赤外線吸収ガラスは、距離画像撮像装置２Ａで使用される発光素子４の出力によって、あるいは、距離画像撮像素子２のカラー撮像画像の撮像画素２ａまたは距離画像の距離画素２ｂの画素感度の比率または容量の比率によって、発光素子４の中心波長に対して透過率を適宜調整すれば良い。赤外線吸収ガラスの透過率は、例えば、ガラス厚み、ガラス組成中の金属イオンの種類またはガラス組成中の金属イオンの濃度等によって調整することができる。基体３１は、例えば、溶融状態の高純度なガラス原料をガラスの溶融温度よりも高い融点を有する金属から成る容器（好ましくは、不純物の溶け込み量が効果的に低減できるように、例えば白金（Ｐｔ）から成る容器）内に流し込んだ後、数日に渡って徐々に冷却し、ブロック状に形成する。しかる後、所定の厚みおよび外形寸法に切断する。

その後、アルミナ等から成る研磨材を用いてラップ研磨を行ない、さらに、アルミナまたは酸化セリウム等から成る研磨材を用いて光学研磨して、分割することで基体３１とすることができる。このようにして作製することで、距離画像撮像素子に影響を及ぼすα線を発生する不純物が高純度のガラス原料に溶け込む量を低減させることができる。

なお、可視光を透過して赤外線を吸収するという特性を有する赤外線吸収ガラスとして、例えば、酸化銅を含有する燐酸塩ガラスが広く知られている。これは、Ｃｕ^２＋がＰ_２Ｏ_５成分を主とするガラスネットワークフォーマ中に存在した場合、可視光に吸収のある四配位よりも、８００（ｎｍ）の波長付近に吸収帯を有する六配位をとりやすくなるためである。Ｐ_２Ｏ_５成分とＣｕ^２＋のこのような関係により、可視領域の光に対する透過性、赤外領域の光に対する吸収性およびシャープなカット性を併せ持つガラスを得ることが可能になる。

基体３１は、例えば、Ｐ_２Ｏ_５が７０（％）〜８５（％）、Ａｌ_２Ｏ_３が１３（％）〜１８（％）、Ｂ_２Ｏ_３が１（％）〜６（％）、ＳｉＯ_２が０．２（％）〜３（％）、Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏの合計が０．３（％）〜３（％）、ＭｇＯ＋ＢａＯ＋ＳｒＯ＋ＺｎＯの合計が８（％）〜１５（％）、ＣｕＯが０．１（％）〜１（％）からなる組成を有する赤外線吸収ガラスである。

Ｐ_２Ｏ_５は、ガラス網目を構成する主成分であるが、７０（％）未満では４００（ｎｍ）における透過率が低下し、また、８５（％）を越えると化学的耐久性が低下する。

Ａｌ_２Ｏ_３は、ガラスの化学的耐久性を向上させ転移温度・軟化温度を上昇させる効果があるが、１３（％）未満ではその効果が得にくく、また、１８（％）を越えると４００（ｎｍ）付近の透過率が低下するとともにガラスの溶融性が著しく低下する。

Ｂ_２Ｏ_３は、化学的耐久性を向上させ熱膨張係数を小さくする効果があるが、１（％）未満ではその効果が得にくく、６（％）を越えると可視域での透過率が低下する。

ＳｉＯ_２は、化学的耐久性を向上させるとともに熱膨張係数を小さくし、転移温度・軟化温度を上昇させる効果があるが、０．２（％）未満ではその効果が得にくく、３（％）を越えると熱膨張係数が大きくなり、転移温度・軟化温度が低下する。

Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏは、ガラスの安定化に寄与し、溶融性を向上させるが、これらの合計量が０．３（％）未満ではその効果が得にくく、３（％）を越えると熱膨張係数が大きくなり、転移温度・軟化温度が低下する。

ＭｇＯ、ＢａＯ、ＳｒＯおよびＺｎＯは、ガラスの成形性および溶融性を向上させるが、その合計量が８（％）未満では近赤外領域での透過率が急激に低下しすぎてしまい、１５（％）を越えると近赤外領域での透過率が十分に低下せず、また、４００（ｎｍ）付近の透過率が低下する。

ＣｕＯは、着色剤として作用し、近赤外領域の透過率を低下させる特性を得るための必須成分であるが、０．１（％）未満ではその効果が得にくく、１（％）を越えると近赤外領域の透過率が低下しすぎる。

赤外線吸収ガラスは、上記組成を有することにより、本発明の基体３１に要求される分光特性を得ることができる。

基体３１は、例えば０．０３（ｍｍ）〜０．５（ｍｍ）の範囲に含まれる厚みを有することが好ましい。０．０３（ｍｍ）以上であることによって、基体４１による赤外線吸収の効果を十分得ることができる。また、基体４１の強度も十分に得ることができる。基体３１の厚みが０．０５（ｍｍ）以下であることによって、薄型化を図ることができ、距離画像撮像装置２Ａの低背化を実現できる。

なお、基体３１の反射率は、２００（ｎｍ）から１２００（ｎｍ）の波長範囲にわたって数パーセント程度である。光学膜３２は、図２および図３に示すように、基体３１の主面（上面）に高屈折率誘電体層３２ａと低屈折率誘電体層３２ｂとが積層されている誘電体多層膜である。高屈折率誘電体層３２ａは、複数の高屈折率誘電体層で構成されていてもよい。また、低屈折率誘電体層３２ｂは、複数の低屈折率誘電体層で構成されていてもよい。光学膜３２は、高屈折率誘電体層３２ａと低屈折率誘電体層３２ｂとが交互に積層された多層構造となる。なお、光学膜３２は、基体３１の下面（距離画像撮像素子２との対向面）に設けてもよい。

光学膜３２は、図４（ｂ）に示すように、可視領域の波長の光を透過する第１の波長帯域Ａと、中心波長を含む波長領域の波長の光を透過する第２の波長帯域Ｂと、第１の波長帯域Ａと第２の波長帯域Ｂとの間に光を透過しない第３の波長帯域Ｃとを有している。すなわち、光学膜３２は、可視領域の波長の光と発光素子４の発光波長の中心波長を含む波長領域の波長の光は透過する、そして、可視領域より大きく発光素子４の発光波長の中心波長を含む波長領域の波長より小さい波長領域の波長の光は透過しない。

このような光学膜３２のフィルタ特性を得るために、光学膜３２は、屈折率が１．７以上の誘電体材料からなる高屈折率誘電体層３２ａおよび屈折率が１．６以下の誘電体材料からなる低屈折率誘電体層３２ｂを、蒸着法またはスパッタリング法等を用いて、４０〜１００層にわたって順次交互に複数層積層することにより形成される。なお、後述するように、光学膜３２は、イオンビームアシスト蒸着法を用いて形成されることが好ましい。

光学フィルタ部材３のフィルタ特性は、基体３１のフィルタ特性と光学膜３２のフィルタ特性とを組み合わせたものであり、光学フィルタ部材３は、図４（ｃ）に示すようなフィルタ特性を有している。光学フィルタ部材３のフィルタ特性は、図４（ｃ）にしめすように、可視領域の波長の光が透過し、発光素子４の発光波長の中心波長を含む波長領域の波長の光が可視領域の透過率よりも低い値の透過率でもって透過するとともに、可視領域
より大きく発光素子４の発光波長の中心波長より小さい波長領域の光を透過しない領域を有している。

光学フィルタ部材３は、可視領域の波長領域が光学膜３２の波長帯域Ａに対応しており、また、発光波長の中心波長を含む波長領域が光学膜３２の波長帯域Ｂに対応している。光学フィルタ部材３は、可視領域の透過率が光学膜３２の波長帯域Ａの透過率と基体３１の可視領域の透過率とで決定され、また、発光波長の中心波長を含む波長領域の透過率が光学膜３２の波長帯域Ｂの透過率と基体３１の波長帯域Ｂに対応する赤外領域の波長の透過率とで決定される。また、光学フィルタ部材３は、図４（ｃ）に示すように、可視領域より大きく発光波長の中心波長より小さい波長領域の光を透過しない領域を有しているが、この領域は、光学膜３２の波長帯域Ｃの透過率と波長帯域Ｃに対応する基体３１の透過率とで決定される。

光学フィルタ部材３は、基体３１の８５０（ｎｍ）付近の波長領域の透過率が低く、光学膜３２の第２の波長帯域Ｂが基体３１の８５０（ｎｍ）付近の波長領域に対応しており、光学膜３２の第２の波長帯域Ｂの波長の透過率が基体３１の透過率で制御されて、図４（ｃ）に示すようなフィルタ特性となる。すなわち、光学フィルタ部材３は、赤外領域において、光学膜３２の第２の波長帯域Ｂの波長の透過率が基体３１の８５０（ｎｍ）付近の波長領域の透過率で調整されることになる。

このように、光学フィルタ部材３の各波長における透過率は、各波長において基体３１の透過率と光学膜３２の透過率との積となる。すなわち、光学フィルタ部材３は、基体３１のフィルタ特性と光学膜３２のフィルタ特性とを組み合わせたフィルタ特性を備えることになる。また、光学フィルタ部材３は、発光波長の中心波長８５０（ｎｍ）付近の波長領域の幅が光学膜３２よって調整される。

図４（ｃ）に示すように、光学フィルム部材３は、可視領域の波長５５０（ｎｍ）の透過率Ｘと発光波長の中心波長８５０（ｎｍ）の透過率Ｙとの比（Ｘ／Ｙ）が、Ｘ／Ｙ＞１であると、発光波長の中心波長８５０（ｎｍ）の透過率Ｙが可視領域の波長５５０（ｎｍ）の透過率Ｘよりも低くなり、発光波長の中心波長８５０（ｎｍ）付近の波長領域の波長の透過率が調整されることになる。すなわち、発光波長の中心波長８５０（ｎｍ）の透過率Ｙは基体３１の赤外線吸収ガラスの赤外領域の８５０（ｎｍ）付近の透過率によって決定されることになる。

また、光学フィルタ部材３は、可視領域の波長５５０（ｎｍ）の透過率Ｘと発光波長の中心波長８５０（ｎｍ）の透過率Ｙとの比（Ｘ／Ｙ）が、１．５〜３の範囲にあることが好ましい。８５０（ｎｍ）の波長の光に対する距離画素２ｂのシリコン素子の感度は、一般的に、５５０（ｎｍ）の光に対する撮像画素２ａのシリコン素子の感度の２倍程度であるので、このような範囲にすることによって、撮像画素２ａと距離画素２ｂとの波長に対する光の感度の差を制御して、撮像画素２ａおよび距離画像２ｂの各画素の本来の階調でもって撮像画像および距離画像を得ることができる。また、発光素子４の発光波長の中心波長が変わっても、可視領域の波長５５０（ｎｍ）の透過率Ｘと発光波長の中心波長との透過率Ｙの比（Ｘ／Ｙ）は、上記の範囲にあることが好ましい。

距離画像撮像素子２は、光学フィルタ部材３を通して、可視領域の波長の光が撮像画素２ａに入射され、また、光学フィルタ部材３を通して、発光素子４の中心波長を含む波長領域の波長の光が距離画素２ｂに入射される。したがって、距離画像撮像素子２Ａは、光学フィルタ部材３によって、カラー画像に使用される波長帯域の光の透過率に比べて距離画像に使用される波長帯域の光の透過率を小さくすることができる。

このように、光学フィルタ部材３は、入射される光において特定の波長範囲の波長の光の透過率を制御することによって、距離画素と撮像画素との波長に対する光の感度の差を制御することができる。したがって、撮像画像および撮像画像は、共に各画素の本来の諧調を生かした画像を得ることができる。すなわち、距離画素撮像素子２は、光学フィルタ部材３によって、カラー画像を撮影するとともに距離画像も取得することができるとともに、撮像画像および距離画像の画質を両立させることができる。

また、距離画像撮像装置２Ａでは、感度の高い赤外線領域を利用する距離画像素子の画素に加わる光の量を抑制することによって距離画像撮像素子２の距離画像とカラー撮像画像との両方の画像のダイナミックレンジを共に最適化することができる。また、距離測定用の赤外線照射光の強度を高め測定距離を延長する場合にも、距離画像とカラー撮像画像に対する入射光量のバランスを取るために、可視領域の波長５５０（ｎｍ）の透過率Ｘと発光波長の中心波長８５０（ｎｍ）の透過率Ｙの比（Ｘ／Ｙ）は、赤外線吸収ガラスからなる基体３１のガラス厚み、ガラス組成中の金属イオンの種類またはガラス組成中の金属イオンの濃度で容易に調整することができるので、距離画像撮像装置２Ａは汎用性が高められる。

光学膜３２は、好適な屈折率が１．７以上の高屈折率誘電体材料３２ａとしては、例えば、五酸化タンタル（屈折率：２．１６）、酸化チタン（屈折率：２．５２）、五酸化チタン（屈折率：２．３１）、五酸化ニオブ（屈折率：２．３３）、酸化ランタン（屈折率：１．８８）または酸化ジルコニウム（屈折率：２．４０）等があり、好適な屈折率が１．６以下の低屈折率誘電体材料３２ｂとしては、例えば、酸化珪素（屈折率：１．４６）、フッ化ランタン（屈折率：１．５９）またはフッ化マグネシウム（屈折率：１．３８）等がある。

光学膜３２は、可視領域より大きく発光素子４の中心波長を含む波長領域の波長より小さい波長領域の波長の光は透過しないというフィルタ特性を備えており、このようなフィルタ特性を光学膜３２に付与するために、屈折率等の光学的特性としては、高屈折率誘電体層３２ａは、酸化ジルコニウム、五酸化チタン、五酸化タンタルおよびこれらを組み合わせて用いることが好ましく、低屈折率誘電体層３２ｂは、酸化珪素を用いることが好ましい。図４（ｂ）の光学特性を有する光学膜３２の構成の一例を表１に示す。

表１に示すように、この場合には、高屈折率誘電体層３２ａは、酸化ジルコニウム層、五酸化チタン層、五酸化タンタル層、酸化ジルコニウム層と五酸化チタン層と酸化ジルコニウム層とからなる３層、五酸化タンタル層と酸化ジルコニウム層と五酸化タンタル層とのからなる３層および酸化ジルコニウム層と五酸化タンタル層とからなる２層が用いられている。また、低屈折率誘電体層３２ｂは、酸化珪素層が用いられている。

光学膜３２は、表１に示すように、層番号１のＳｉＯ_２から層番号７９のＺｒＯ_２の合計７９層の誘電体層で構成されている。この場合には、光学膜３２は、高屈折率誘電体層３２ａと低屈折率誘電体層３２ｂとを、順次交互に積層して合計７９層の誘電体層で構成されている。表１の層番号１のＳｉＯ_２が光の入射側（最外層）に形成され、層番号７９が基体３１側に形成される。なお、表中のλ０は、設計波長を示している。

また、高屈折率誘電体層３２ａおよび低屈折率誘電体層３２ｂを構成する誘電体層は、表１に示すような光学膜厚となるようにそれぞれ形成される。例えば、層番号６９のＳｉＯ_２の光学膜厚は、０．２４１×６２０ｎｍ（設計波長）＝１４９．４２（ｎｍ）となる。この光学膜厚は、物理膜厚／屈折率を示している。このような光学膜３２の構成によって、光学膜３２は、図４（ｂ）に示すように、可視領域より大きく発光素子４の中心波長を含む波長領域の波長より小さい波長領域の波長の光は透過しないというフィルタ特性を備えることができる。

光学膜３２は、イオンビームアシスト蒸着法を用いて形成されることが好ましい。イオンビームアシスト蒸着法は、成膜プロセスである真空蒸着法に陽イオンの照射を併用する真空蒸着法である。イオンビームアシスト法で使用する陽イオンは、例えばアルゴンからなる不活性ガスと酸素ガスからなる活性ガスとの両方を装置のイオン源に導入してプラズマとしたものから生成されたものが用いられる。

イオンビームアシスト蒸着法では、例えば、基体３１を真空蒸着装置内に設置した蒸着用ドーム内に配置し、光学的に良質な光学膜３２を得るために、酸素欠乏を起こさないように十分に酸素を供給し、そして真空蒸着装置内を１×１０^-３（Ｐａ）程度の真空度に
設定された状態で陽イオンの照射を併用しながら真空蒸着が行なわれる。真空蒸着装置内にて光学膜が形成される際の基体３１の表面温度は、熱電対により基体３１付近の温度を計測することにより管理され、電熱線ヒーター等を用いて温度範囲３０（℃）〜３５０（℃）程度に保持される。

しかる後、基体３１の主面の全面あるいはマスキングをして距離画像撮像素子に対向する所望の領域に、誘電体多層膜３２を形成するために高屈折率誘電体層３２ａと低屈折率誘電体層３２ｂとを、陽イオンの照射を併用しながら順次交互に合計４０〜１００層程度の誘電体層を被着することにより、光学フィルタ部材３が得られる。また、高屈折率誘電体層３２ａが複数の高屈折率誘電体層で構成されている場合には、複数の高屈折率誘電体層をそれぞれ積層した後に低屈折率誘電体層３２ｂが積層される。低屈折率誘電体層３２ｂが複数の低屈折率誘電体層で構成されている場合には、複数の低屈折率誘電体層をそれぞれ積層した後に高屈折率誘電体層３２ａが積層される。

また、生産性を高めるために、光学フィルタ部材３の集合体となるように、複数の光学フィルタ部材３を一体的に形成可能な大きさを有する光学フィルタ部材の基体を光学膜３２の蒸着時に用いて、この光学膜３２が蒸着された基体を切断することで個々の光学フィルタ部材３にしても良い。

陽イオンが真空中を飛来する蒸着物質の気体分子に衝突することによって、蒸着物質の気体分子が励起されて大きな運動エネルギーを得る。そして、この大きな運動エネルギーを得た蒸着物質の気体分子が被着材である基体３１の表面に到達すると、被着材の表面の広い領域を移動するとともに、広い領域の移動に伴って被着材表面のより低いエネルギー状態にある場所を見つけ出す確率が大幅に増大するため、蒸着物質の分子同士が凝集することなく被着材の表面に均一に被着し、周辺に存在する蒸着原子同士が凝集して核を形成することなく緻密に充填した光学膜３２を形成することができる。

なお、基体３１の表面に直接形成される誘電体層は、ガラスとの密着性の高いＳｉ膜であると、基体３１と光学膜３２との密着性が向上するため好ましい。また、光学膜３２の最外層については、アモルファス化されやすく耐候性の良いＳｉ膜を形成しておくと、外部から光学膜内部への水分の侵入を受けにくくなるので、光学膜３２の光学特性が経時変化し難くなるのでより好ましい。

なお、イオンビームアシスト蒸着法を用いて光学膜３２を形成することによって、アモルファス化されやすいＳｉ膜だけでなく、その他の元素を用いた膜においてもアモルファス化しやすくなる。それによって、光学膜３２としての水分透過性がより低下するので、光学膜３２が水分に対してバリア層として働くようになる。これによって、光学フィルタ部材３は、一般的に耐水性の弱い赤外線吸収ガラスからなる基体３１の表面が水分と反応して生じる光の透過性の低下を抑制することが可能ものとなり、耐水信頼性に関して向上する。

以下、上述の距離画像撮像装置２Ａの素子搭載用部材１および撮像素子２についてさらに詳細に説明する。素子搭載用部材１は、基板１１と、リード端子１３を挟むように基板１１に接合された枠体１２とを含んでいる。

基板１１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）、ムライト質焼結体、ステアタイト焼結体または窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックスからなるものである。

基板１１は、以下のようにして作製することができる。例えば、基板１１が酸化アルミ
ニウム質焼結体から成る場合であれば、まず、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ、溶剤および可塑剤、分散剤を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を従来周知のスプレードライ法を用いて顆粒にする。

次いで、この顆粒を所定の形状のプレス金型によりプレス成型して生成型体を作製し、生成型体を約１５００（℃）の高温で焼成することにより基板１１となる。なお、上記原料粉末を用いてグリーンシートを作製して、グリーンシートを金型等により打ち抜くなどして適当な大きさにすることで生成形体が得られる。複数のグリーンシートを積層して所定の厚みにしてもよい。

この基板１１の表面は、ラップ研磨加工等により平坦にして、２０（μｍ）以下の平坦度にしておくと、撮像素子３を搭載した際に傾きやゆがみが発生しにくくなるので好ましい。搭載部の外周部の、枠体が対向する部分も平坦にしておくと、枠体が傾くことなく接合され、その上に接着される光学フィルタ部材３も距離画像撮像素子２に対して傾くことがないので好ましい。

リード端子１３は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金，銅（Ｃｕ）または銅合金等の金属からなるものである。気密信頼性の観点からは、リード端子２３は、基板１１の熱膨張係数との差が小さい熱膨張係数を有するものが好ましく、基板１１が酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、例えば、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金が好ましい。リード端子１３の表面には、腐食防止や導電性の向上のために、ニッケルめっき層および金めっき層を順次被着させておくとよい。

リード端子１３は、上記金属からなる板材を、金型を用いた打ち抜き加工により、枠の内周から内側に延出するように複数のリード端子１３が展開された形状のリードフレームを形成し、リードフレームを搭載基板に接続した後に枠を切り離すことにより複数のリード端子１３となる。リードフレームは、エッチング加工により作製することもできる。金属板の上にリードフレーム形状のレジスト膜を形成して、例えば、リード端子１３が銅からなる場合であれば、塩化第二鉄によりエッチングした後にレジスト膜を剥離することにより作製することができる。

枠体１２は、基板１１と同様に酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス），ムライト質焼結体、ステアタイト焼結体または窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックスからなるものであり、搭載基板と同様の方法で作製することができる。枠体１２と基板１１とを同じ材料にすると、熱膨張係数が同じになるのでこれらの間に発生する熱応力が、その間の接合材１４またはリード端子１３に加わりにくくなるので好ましい。

枠体１２の表面も、ラップ研磨加工等により平坦にして、２０（μｍ）以下の平坦度にしておくと、枠体１２が搭載基板１１に対して、また、光学フィルタ部材３が枠体１２に対して傾くことなく接合され、結果として光学フィルタ部材３が距離画像撮像素子２に対して傾かないように接着されるので好ましい。

リード端子１３を間に挟んで基板１１と枠体１２を接合する接合材１４は、ガラスまたは樹脂を用いることができる。ガラスとしては、ＰｂＯ系ガラス、ＰｂＯ−ＳｉＯ系ガラス、ＢｉＯ−ＳｉＯ系ガラス、ＰＯ−ＳｉＯ系ガラスまたはＢＯ−ＳｉＯ系ガラス等の低融点ガラスがある。樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂またはポリエーテルイミド樹脂等がある。いずれの場合も、熱膨張係数を基板１１や枠体１２と近いものとするために、例えば、シリカのような無機粉末等のフィラーを含有するものであってもよい。

接合材１４が低融点ガラスである場合は、例えば、酸化鉛５６（質量％）〜６６（質量％）、酸化硼素４（質量％）〜１４（質量％）、酸化珪素１（質量％）〜６（質量％）および酸化亜鉛１（質量％）〜１１（質量％）を含むガラス成分に、フィラーとして酸化ジルコニウムシリカ系化合物の粉末を４（質量％）〜１５質量％添加した粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して得たガラスペーストを、スクリーン印刷法等の印刷法を用いて枠体１２の下面に所定厚みに印刷塗布し、これを約４３０（℃）の温度で焼成することによって枠体１２に低融点ガラスを被着させる。

この枠体１２を、基板１２の上に低融点ガラスを下にして載置し、トンネル式の雰囲気炉またはオーブン等の加熱装置で約４７０（℃）に加熱することで接合材１４を再溶融させて基板１１の上面と枠体１２の外周縁部に挟まれた各リード端子１３の周囲を接合材１４で覆い、冷却して低融点ガラスを固化させることにより枠体１２およびリード端子１３を基板１１に強固に接合して撮像素子収納用パッケージを作製する。

接合材１４が樹脂である場合は、例えば、ビスフェノールＡ型の液状エポキシ樹脂からなる主剤に対し、硬化剤としてテトラヒドロメチル無水フタル酸を外添加で１０〜３０0
質量％添加し、フィラーとしてシリカ粉末を外添加で３０〜８０質量％添加し、カーボンブラック等の着色剤、２−メトキシエタノール等の有機溶剤を添加混合して得られたエポキシ樹脂ペーストを、スクリーン印刷法等の印刷法を用いて枠体１２の下面に所定厚みに印刷塗布し、これを約６０（℃）〜８０（℃）の温度で溶剤を乾燥させ枠体に樹脂層を被着させる。

この枠体１２を、基板１１の上に接合材１４を下にして載置し、トンネル式の雰囲気炉またはオーブン等の加熱装置で加熱してピーク温度約１５０（℃）で１時間保持することにより、樹脂層を溶融させて基板１１の上面と枠体１２の外周縁部に挟まれた各リード端子１３の周囲を樹脂で覆った後に硬化させ、枠体１２およびリード端子１３が基板１１に強固に接合されて素子搭載用部材１となる。

以上のようにして作製された素子搭載用部材１と光学フィルタ部材３との接合は、一般的に紫外線硬化型エポキシ樹脂もしくは熱硬化型エポキシ樹脂等から成る接着剤６を介して行なわれる。例えば、接着剤６として熱硬化型エポキシ樹脂を用いる場合、従来周知のスクリーン印刷法またはディスペンス法等を用いて接着剤６を素子搭載用部材２または光学フィルタ部材４に塗布し、互いに重ねあわせた後、９０（℃）〜１５０（℃）の温度で６０（分間）〜９０（分間）加重し加熱することによって行われる。

例えば、銀粉末を含有するエポキシ樹脂からなる導電性接着剤によって距離画像撮像素子２を素子搭載用部材１の上面に接着して固定し、距離画像撮像素子２の電極と素子搭載用部材１の端子とを金などからなるボンディングワイヤ５で接続し、素子搭載用部材１の開口部を塞ぐように光学フィルタ部材３を接着剤６で素子搭載用部材１に接着することで距離画像撮像装置となる。

本発明の他の態様による距離画像撮像装置２Ａは、本発明の光学フィルタ部材３と光学フィルタ部材３の下方に設けられた距離画像撮像素子２とを備えていることによって、距離画像とカラー画像の両方の画像のダイナミックレンジを共に最適化しやすくなり、カラー画像を撮影するとともに距離画像も取得することができるとともに、撮像画像および距離画像の画質を両立させることができる。

本発明は、上述した実施形態に特に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更および改良が可能である。

１素子搭載用部材
２距離画像撮像素子
２Ａ距離画像撮像装置
３光学フィルタ部材
３１基体
３２第１の誘電体多層膜
３２ａ高屈折率誘電体層
３２ｂ低屈折率誘電体層
４発光素子
５ボンディングワイヤ
６接着剤

Claims

シリコンからなる距離画像撮像素子と赤外光を発光する発光素子とを有する距離画像撮像装置に適用する光学フィルタ部材であって、
可視領域の波長の光を透過するとともに赤外領域の光の一部を吸収して透過率を低減する赤外線吸収ガラスからなる基体と、
該基体の主面に設けられた光学膜とを備え、
該光学膜が、屈折率の異なる複数の誘電体層が積層されている誘電体多層膜を含んでおり、
前記光学膜は、前記可視領域の波長の光を透過する第１の波長帯域と、前記赤外領域における前記発光素子の発光波長の中心波長を含む波長領域の波長の光を透過する第２の波長帯域と、前記第１の波長帯域と前記第２の波長帯域との間に光を透過しない第３の波長帯域とを有しており、
前記可視領域の波長の光が透過し、前記発光素子の発光波長の前記中心波長を含む波長領域の波長の光が前記可視領域の透過率よりも低い値の透過率でもって透過するとともに、前記可視領域より大きく前記発光素子の発光波長の前記中心波長より小さい波長領域の光を透過しない領域を有していることを特徴とする光学フィルタ部材。
請求項１に記載の光学フィルタ部材と該光学フィルタ部材の下方に設けられたシリコンからなる距離画像撮像素子と赤外光を発光する発光素子とを備えていることを特徴とする距離画像撮像装置。