JP7248173B2 - 光学フィルター及び光学フィルターを用いた固体撮像装置 - Google Patents
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Description
(B)空気中における波長735nm~1100nmの範囲における無偏光光線の0°入射のOD値の最小値が2以上である。
本発明に係る光学フィルターは、以下の(A)及び(B)を満たす。
(A)空気中における波長500nmの無偏光光線の入射角度0°~40°の範囲における実測透過率が70%以上である。
(B)空気中における波長735nm~1100nmの範囲における無偏光光線の0°入
射のOD値が2以上である。
(D)少なくとも一方の面から入射した波長500nmの無偏光光線の空気中における実測反射率が、入射角度0°~40°の範囲において少なくとも2回極小値を有する。
(E)少なくとも一方の面から入射した波長500nmの無偏光光線の空気中における実測透過率が、入射角度0°~40°の範囲において少なくとも2回極大値を有する。
(F)緩衝層は、屈折率1.0以上1.8以下の低屈折率層と、屈折率1.9以上2.8以下の高屈折率層とをそれぞれ1層以上有する。
(G)低屈折率層と高屈折率層との物理膜厚は、それぞれ60nm以下である。
(H)緩衝層は、基板から4層以上離れた層であり、かつ最外層以外の層に存在し、交互に積層される前記低屈折率層と前記高屈折率層とが連続して少なくとも2層以上積層される。
(I)光学フィルターの少なくとも一方の面から入射した450nm~630nmの無偏光光線の空気中における0°入射の実測透過率の平均が75%以上である。
基板1は、例えば支持基板としての機能を有する。基板1は、透明性を有しており、少なくとも可視波長領域の波長を有する光の透過性を有する。可視波長領域は、例えば400nm以上700nm未満の波長を含む領域であることが好ましく、可視波長領域の光が可視光である。基板が透明性を有するとは、いずれかの波長の光の透過率が50%を超えることである。
ツリン酸ガラス基板、プラスチック基板、及び樹脂フィルム基板のうち少なくとも一つを用いてもよい。好ましくはガラス転移温度が140℃以上の材料が好ましく、割れにくくするために樹脂フィルム基板を含むことがより好ましい。好ましくは500nmの波長の屈折率が1.4以上~1.7以下であることが好ましい。基板は、近赤外線吸収剤を含むことが好ましく、酸化セシウムタングステンや酸化銅(II)等の無機系近赤外線吸収剤、金ナノロッド等の表面プラズモンを利用した近赤外線吸収剤、シアニン色素やスクアリリウム色素などの有機系近赤外線吸収剤、金属ジチオール錯体、金属フタロシアニン錯体等の金属錯体系の近赤外線吸収剤のなかから選ばれる少なくとも1種を含んでいることが好ましい。これらの近赤外線吸収剤を含むことで、赤色の入射角依存性を低減することができるほか、誘電体多層膜の積層数を低減することができる。これにより波長500nm近傍の可視光透過率の入射角依存性を低減することができる。基板は、近紫外線吸収剤を含むことが好ましく、この場合は青色の入射角依存性を低減することができる。
本発明の光学フィルターは、透明性を有する基板の少なくとも一方の面に、例えば図1に示すように、基板1の入射側の面に設けられた高屈折率層(H)22と、この高屈折率層22に接して積層された低屈折率層(L)23とを交互に積層した多層の誘電体層からなる誘電体多層膜21を有する。
を有することが好ましい。高屈折率層22としては、例えば酸化チタン(TiO2)、酸
化タンタル(Ta2O5)、酸化ニオブ(Nb2O5)、又はこれらの複合酸化物を含む膜を用いてもよい。また、屈折率が2.0以上であれば、添加物を含有していてもよい。なお、nHが高いほうが、斜入射時の波長シフト量抑制、紫外側の光透過阻止帯の拡張等に有
利である。このため、上記3つの物質のなかでも、屈折率のより高い酸化チタン、酸化ニオブが高屈折率層としてより好適である。
長を有する光に対して1.7以下の屈折率を有することが好ましく、透明性を有する基板の最表層の屈折率より低いことがより好ましい。低屈折率層23としては、例えば、酸化シリコン(SiO2)、フッ化マグネシウム(MgF2)、又はこれらの複合酸化物を含む膜を用いてもよい。また、nLが1.7以下あるいは、透明性を有する基板の最表層の屈
折率より低いものであれば、添加物を含有していてもよい。
誘電体多層膜の光学特性は特性マトリクス(又は特性行列)により記述される。
誘電体多層膜中の単層の特性マトリクス(又は特性行列)M1は次の式で表される。
性マトリクスであり、Mjは光が入射する最初の膜を1番目とし、基板側に向かってj番
目に位置する層の特性マトリクスである。またnjは同様にj番目に位置する層の屈折率
であり、djは同様にj番目に位置する層の物理膜厚である。
基板を含めた特性マトリクス(又は特性行列)は以下の式で表される。
ス」とは、誘電体多層膜を1つの層とみなした場合のアドミタンスをいう。
は、電場と磁場との振幅をつなぐ係数(磁場を電場で割った値。次元は屈折率と同じで、√(誘電率/透磁率)×屈折率)をいう。入射媒質が空気である場合、Y0は真空の光学
アドミタンスを用い、真空の屈折率1.0を用いる。ここでYmは基板の屈折率にて近似
される。
過率は入射媒質に大きく依存する。そのため、誘電体多層膜の透過率は入射媒質を厳密に区別して見積もらなければならず、入射媒質が区別されずに混同された透過率結果と比較することはできない。
する層である。光の出射側に設けた誘電体多層膜の等価アドミタンスYE´は以下の式で
表される。
下の式で表される。なお、両面に設けた誘電体多層膜間の多重反射は軽微なため割愛している。
フィルターの理論透過率Ttは入射媒質に大きく依存する。そのため、光学フィルターの
理論透過率Ttは入射媒質を厳密に区別して見積もらなければならず、入射媒質が区別さ
れずに混同された結果と比較することはできない。
理論透過率Ttを実測透過率とみなしてもよい。数式(3)~数式(13)により等価ア
ドミタンスを適切に設計することで、誘電体多層膜の実測透過率を制御可能なことがわかる。
(C)波長500nmにおいて、以下の式で表される空気中の等価アドミタンスYEと、
真空の光学アドミタンスY0との差の絶対値が、入射角度0°~40°の範囲において少
なくとも2回極小値を有する。
体多層膜の反射率Rは入射媒質に大きく依存する。そのため、誘電体多層膜の反射率Rは、入射媒質を厳密に区別して見積もらなければならず、入射媒質が区別されず混同された結果と比較することはできない。
体多層膜の理論反射率R´は出射媒質に大きく依存する。そのため、誘電体多層膜の理論反射率R´は出射媒質を厳密に区別して見積もらなければならず、出射媒質が区別されず混同された結果と比較することはできない。
下の式で表される。なお、両面に設けた誘電体多層膜間の多重反射は軽微なため割愛している。
のRとR´とを入れ替えることにより求められる。
を代入することで、理論反射率Rt´を実測反射率であるとみなしてもよい。また数式(
3)~数式(12)、数式(14)~数式(16)により、等価アドミタンスを適切に設計することで、誘電体多層膜の実測反射率を制御可能なことがわかる。
おける入射角、θmは基板における入射角を表す。
るようにすることは、入射角度0°で最小となる多層膜設計の各膜厚に、入射角度1°~39°の間で極小となるように補正係数Aをかけることで得られる。極小とする入射角度をθとした場合、補正係数Aは一般に以下の式で与えられる。
緩衝層とは、誘電体多層膜に含まれる、基板から外側に向かって3層までの層以外の層(基板から4層以上離れた層)であり、かつ最外層以外の層であって、連続した少なくとも2層の60nm以下の物理膜厚を有する層である。60nm以下の物理膜厚を有する層は、図1では、高屈折率層24及び低屈折率層25に相当する。図示しないが、60nm以下の物理膜厚を有する層は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されている限り、3層以上積層されてもよく、積層される層数は奇数でもよい。
の層以外(基板から4層以上離れた層)に位置する連続した2層の60nm以下の物理膜厚を有する層のセットは、4セット(8層)以下であることが好ましい。同じ層数のQWOTを積層した誘電体多層膜に比較して、60nm以下の層を導入した誘電体多層膜では、60nm以下の層の層数が増加するにつれ、カット領域が狭帯域化する傾向にある。60nm以下の層を8層より多く有する場合、近赤外波長領域をOD値2以上で十分にカットすることが困難となる傾向にある。
47であった場合、QWOTが0.75以上1.25未満である層は、32層より多い場合であれば735nm~1100nmの近赤外波長領域においてOD値2以上の遮蔽性を効果的に有することができることがわかる。
本発明の固体撮像装置は、本発明の光学フィルターを具備する。ここで、固体撮像装置とは、CCDやCMOSイメージセンサーなどといった固体撮像素子を備えたイメージセンサーであり、具体的にはデジタルスチルカメラ、携帯電話用カメラ、デジタルビデオカメラなどの用途に用いるものでもよい。図2は、本発明の固体撮像装置100の断面概略図である。固体撮像装置10は、固体撮像装置のレンズ群L1~L3、光学フィルター10、及び固体撮像素子101を含む。
<光学特性>
光学フィルターの光学特性は紫外可視近赤外分光光度計U4100(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)を用いて、図3(a)(b)に示す光路の評価を行い、空気中、P偏光光源、S偏光光源より得られた光学特性の平均より算出した。得られた透過率を光学フィルターの実測透過率、得られた反射率を光学フィルターの実測反射率とした。図3(a)は、本発明の光学フィルターの透過率を測定する方法を示す概略図である。図3(b)は、本発明の光学フィルターの反射率を測定する方法を示す概略図である。光学フィルターの透過率の測定は、光学フィルター10の入射側の検出器211、出射側の検出器212を用いて、光学フィルター10に対する入射光201の透過光202を測定する方法で行った。また、光学フィルターの反射率の測定は、光学フィルター10の入射側の検出器211、出射側の検出器212を用いて、光学フィルター10に対する入射光201の反射光203、光学フィルター10のもう一方の面からの入射光204の反射光205を測定する方法で行った。
反りはデジタルマイクロスコープVHX―2000(株式会社キーエンス製)を用いて、光学フィルターの曲率半径を測定した。曲率半径50mm以上であるものを○、曲率半径50mm未満であるものを×とした。
エスアイアイ・ナノテクノロジーズ株式会社製の示差走査熱量計(DSC6200)を用いて、昇温速度:毎分20℃、窒素気流下で測定した。
CaOを6重量部、BaOを12重量部、秤量して混合した。これにCuOを加え、白金ルツボに入れ、1000℃の温度で加熱溶融した。十分に撹拌・清澄した後、金型内に鋳込み、徐冷し、切断・研磨して50mm×200mm×2mmの板を作製した。この板を軟化点付近に加熱して延伸加工、さらに研磨することにより、厚さ0.1mmのリン酸銅ガラス(500nmの屈折率1.53、ガラス転移温度480℃)を得た。これの両面に
環状オレフィン系樹脂「JSR株式会社製のARTON G5023 :500nmの屈折率1.52、ガラス転移温度165℃」に、下記構造式(26)であらわされるスクアリリウム化合物(近赤外線吸収剤、吸収極大波長;約698nm~707nm)、Uvitex(登録商標) OB(近紫外線吸収剤、吸収極大波長;396nm)、さらに塩化メチレンを加えて溶解し、固形分が30%の溶液をアプリケーターで塗布した。
ケイ素(SiO2:500nmの屈折率1.47)、表1に示す膜設計1の誘電体多層膜
、もう一方に表2に示す膜設計4の誘電体多層膜をイオンアシスト真空蒸着によって設けることで、本発明の光学フィルターを得た。膜設計1の誘電体多層膜を、透明性を有する基板Aに設けた際の空気中の500nmにおける無偏光光線の入射角度0°~40°の等価アドミタンスを図4に示す。
を有し、波長500nm付近においても入射角度依存性が少なく、反りの少ない固体撮像装置用光学フィルターとして好適であった。
nmとなる重量部とした。得られた透明性を有する基板の両面に実施例1と同様に膜設計2、膜設計5の誘電体多層膜を設けることで、光学フィルターを得た。膜設計2の誘電体多層膜を、透明性を有する基板Cに設けた際の空気中の500nmにおける無偏光光線の入射角度0°~40°の等価アドミタンスを図7に、空気中の500nmにおける無偏光光線の膜設計2の等価アドミタンスと真空の光学アドミタンスとの差の0°~40°までの入射角依存性を図8に示す。膜設計2の等価アドミタンスと真空の光学アドミタンスとの差は12°~20°の間、20°~30°の間、36°~40°の間に3回極小値を有していた。得られた光学フィルターの波長500nmにおける膜設計2から0°~40°に入射される無偏光光線の空気中における実測透過率、実測反射率を図9(a)(b)に示す。得られた光学フィルターは、波長500nmにおける実測透過率において0°~40°の間に2回極大値を有し、波長500nmにおける実測反射率において0°~40°の間に3回極小値を有していた。得られた光学フィルターの膜設計2から入射した際の光学特性、反り評価結果を表3に示す。得られた光学フィルターは、近赤外波長領域のOD値が高く遮蔽性を有し、波長500nm付近においても入射角度依存性が少なく、反りの少ない固体撮像装置用光学フィルターとして好適であった。
平滑な厚み0.12mmのホウケイ酸塩ガラス(ショット日本株式会社製のD263:500nmの屈折率1.53、ガラス転移温度557℃)の両面に実施例2と同様に膜設計3と膜設計5の誘電体多層膜を設けた。膜設計3の誘電体多層膜をホウケイ酸塩ガラスに設けた際の、空気中の500nmにおける無偏光光線の入射角度0°~40°の等価アド
ミタンスを図10に、空気中の500nmにおける無偏光光線の膜設計3の等価アドミタンスと真空の光学アドミタンスとの差の0°~40°までの入射角依存性を図11(a)(b)に示す。基板から外側に向かって3層までの層を除き、少なくとも2層の連続した物理膜厚60nmの緩衝層を有さない膜設計3の等価アドミタンスと真空の光学アドミタンスとの差は7°~11°の間に1回極小値を有していた。得られた光学フィルターの膜設計3から入射した際の光学特性及び反り評価結果を表3に示す。得られた光学フィルターは、近赤外波長領域のOD値が高く遮蔽性を有するものの、波長500nm付近において入射角度依存性が大きく、固体撮像装置用光学フィルターとして不適であった。
実施例2と同様に得た透明性を有する基板Bに、実施例1と同様に膜設計3と膜設計4の誘電体多層膜を設けた。得られた光学フィルターの膜設計3から入射した際の光学特性及び反り評価結果を表3に示す。得られた光学フィルターは、近赤外波長領域のOD値が高く遮蔽性を有すものの、波長500nm付近において入射角度依存性が大きく、固体撮像装置用光学フィルターとして不適であった。
2:光学フィルターからの垂線
3:入射光
4:出射光
10:光学フィルター
11:入射媒質 光学アドミタンスはY0=n0
12:出射媒質 光学アドミタンスはY0=n0
21:一方の面に設けた緩衝層を有する誘電体多層膜
22:高屈折率層 屈折率nH
23:低屈折率層 屈折率nL
24:緩衝層に含まれる高屈折率層
25:緩衝層に含まれる低屈折率層
31:光の出射側に設けた誘電体多層膜
32:高屈折率層 屈折率nH
33:低屈折率層 屈折率nL
100:固体撮像装置
101:固体撮像素子
L1~L3:固体撮像装置のレンズ群
201:入射光
202:透過光
203:反射光
204:光学フィルターのもう一方の面からの入射光
205:光学フィルターのもう一方の面の反射光
211:検出器
212:検出器
Claims (11)
- 透明性を有する基板を有し、前記基板の少なくとも一方の面に誘電体多層膜を有する光学フィルターであって、
前記誘電体多層膜は、前記基板側から、第1の層と、緩衝層部と、第2の層と、複数の反射形成層と、を含み、物理膜厚が60nm以下の層が8層以下であり、
前記第1の層及び前記第2の層は、屈折率1.9以上2.8以下の高屈折率層であり、60nmより厚い物理膜厚を有し、
前記緩衝層部は、緩衝層の第1のセット、緩衝層の第2のセット、及び前記緩衝層の第1のセットと前記緩衝層の第2のセットとの間の第3の層を含み、
前記緩衝層の第1のセットは、第1の低屈折率層及び第1の高屈折率層から成り、
前記緩衝層の第2のセットは、第2の低屈折率層及び第2の高屈折率層から成り、
前記第1の低屈折率層及び前記第2の低屈折率層は、屈折率が1.0以上1.8以下で、物理膜厚が60nm以下であり、
前記第1の高屈折率層及び前記第2の高屈折率層は、屈折率が1.9以上2.8以下で、物理膜厚が60nm以下であり、
前記第3の層は、屈折率が1.0以上1.8以下であり、物理膜厚が60nmより厚く、
前記緩衝層の第1のセットの前記第1の高屈折率層が前記第3の層に隣接し、
前記緩衝層の第2のセットの前記第2の高屈折率層が前記第3の層に隣接し、
前記緩衝層部は、前記基板から4層以上外側の層に設けられ、前記緩衝層の第1のセットが前記緩衝層の第2のセットより前記基板側に配置され、
前記複数の反射形成層の層数をQ、前記緩衝層の層数をSとしたとき、前記Qと前記Sとの関係は、0.15<S/Q<0.40であり、
空気中における波長500nmの無偏光光線の入射角度0°~40°の範囲における実測透過率が70%以上であり、かつ、
空気中における波長735nm~1100nmの範囲における無偏光光線の0°入射のOD値が2以上であることを特徴とする光学フィルター。 - 前記緩衝層部は、緩衝層の第3のセットと、第4の層と、をさらに含み、
前記緩衝層の第3のセットは、第3の低屈折率層及び第3の高屈折率層から成り、
前記第3の低屈折率層は、屈折率が1.0以上1.8以下で、物理膜厚が60nm以下であり、
前記第3の高屈折率層は、屈折率が1.9以上2.8以下で、物理膜厚が60nm以下であり、
前記第4の層は、屈折率が1.9以上2.8以下であり、物理膜厚が60nmより厚く、
前記緩衝層の第2のセットの前記第2の低屈折率層が前記第4の層に隣接し、
前記緩衝層の第3のセットの前記第3の低屈折率層が前記第4の層に隣接する、ことを特徴とする請求項1に記載の光学フィルター。 - 前記緩衝層部は、緩衝層の第4のセットと、第5の層と、をさらに含み、
前記緩衝層の第4のセットは、第4の低屈折率層及び第4の高屈折率層から成り、
前記第4の低屈折率層は、屈折率が1.0以上1.8以下であり、物理膜厚が60nm以下であり、
前記第4の高屈折率層は、屈折率が1.9以上2.8以下であり、物理膜厚が60nm以下であり、
前記第5の層は、屈折率が1.0以上1.8以下であり、物理膜厚が60nmより厚く、
前記緩衝層の第3のセットの前記第3の高屈折率層が前記第5の層に隣接し、
前記緩衝層の第4のセットの前記第4の高屈折率層が前記第5の層に隣接することを特徴とする請求項2に記載の光学フィルター。 - 前記誘電体多層膜の内、前記第1の層、前記緩衝層部、前記第2の層、及び前記複数の反射形成層は、前記基板から3層以上外側にある、請求項1に記載の光学フィルター。
- 前記光学フィルターの前記少なくとも一方の面から入射した波長500nmの無偏光光線の空気中における実測反射率が、入射角度0°~40°の範囲において少なくとも2回極小値を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光学フィルター。
- 前記光学フィルターの前記少なくとも一方の面から入射した波長500nmの無偏光光線の空気中における実測透過率が、入射角度0°~40°の範囲において少なくとも2回極大値を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光学フィルター。
- 前記緩衝層部は、基板から16層以内に存在することを特徴とする請求項6に記載の光学フィルター。
- 前記誘電体多層膜の層数は、16層~60層であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光学フィルター。
- 前記光学フィルターの前記少なくとも一方の面から入射した450nm~630nmの無偏光光線の空気中における0°入射の実測透過率の平均が75%以上であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光学フィルター。
- 前記誘電体多層膜は、L層(Lは1より大きい自然数)からなり、
波長500nmにおいて、以下の式で表される空気中の等価アドミタンスYEと、真空の光学アドミタンスY0との差の絶対値が、入射角度0°~40°の範囲において少なくとも2回極小値を有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光学フィルター。
ここで、上記空気中の等価アドミタンスYEは以下の式で表す。
- 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光学フィルターを具備することを特徴とする固体撮像装置。
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