JP7336335B2 - 光学ローパスフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、透過波面精度に優れた光学部品に関する。

放送用カメラ等の撮影機器では、光量を減衰させたり赤外線又は紫外線などの波長を除去したり、高周波を取り除くローパスフィルタなどをイメージセンサーの手前に配置することが多い。近年、撮像機器は、４Ｋ、８Ｋ等の高画素化が進んでおり、ますます撮像機器に使用される光学部品にも高精度が要求されている。

例えば、特許文献１では、水晶、プラスチック及びガラス等の材料を接着剤で接着した後、加工時に生じる加工歪みを小さくすることで、光学部品の外周領域での透過波面精度を良好にする光学部品が示されている。

特開２００５－１８３９３１号公報

しかし、特許文献１に示される水晶、ガラス等の材料を接着剤で接着する際に、接着剤の厚みや接着剤の収縮等の影響により、要求される透過波面精度が得られないことがあった。

本発明は、透過波面精度の優れた光学部品を提供することを目的とする。

第１観点の光学部品は、第１主面と該第１主面の反対側である第２主面とを有する第１基板と、第３主面と該第３主面の反対側である第４主面とを有する第２基板と、第２主面と第３主面とを接着する接着剤と、を備える。この光学部品は、第１主面及び第４主面の一方側から他方側に光を通して使用される。そして第１主面から第４主面の少なくとも一主面に凹み量ｄを有する凹み形状が形成される。

また別の観点の光学部品は、第１基板の第１主面又は第２主面に凹み形状が形成され、第２基板の第３主面又は第４主面に凹み形状が形成される。
さらに別の観点の光学部品は、さらに第１主面に接着剤で接着される第３基板と、第４主面に接着剤で接着される第４基板と、を備えてもよい。第３基板及び第４基板のそれぞれの厚さは、第１基板又は第２基板のそれぞれの厚さよりも厚いことが好ましい。

別の観点の光学部品は、第１基板及び第２基板はそれぞれ所定直径Ｄを有し、少なくとも一主面に設ける凹み量ｄとの関係は、ｄ／Ｄ＝２×１０－０６から７×１０－０６である。
第１基板又は第２基板は、水晶板又は白板ガラスであることが好ましい。そして光学部品は、光学ローパスフィルタを含むことが好ましい。

本発明の光学部品は、透過波面精度が優れている。

本実施形態の光学部品である光学ローパスフィルタ１０が、撮像装置に使用された概念図である。 光学ローパスフィルタ１０の正面図とその断面図である。 光学ローパスフィルタ１０の製造工程を示したフローチャートである。 （ａ）は、接着剤ＡＢで光学基板が接着された光学ローパスフィルタ１０の概念図であり、この光学ローパスフィルタ１０にレーザ光が入射した状態の模式図である。（ｂ）は、光学ローパスフィルタ１０の透過波面測定の結果を示している。 （ａ）は、接着剤ＡＢで光学基板が接着された従来の光学ローパスフィルタ１１０の概念図であり、この光学ローパスフィルタ１１０にレーザ光が入射した状態の模式図である。（ｂ）は、光学ローパスフィルタ１１０の透過波面測定の結果を示している。 透過波面測定器６０の原理図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあり、大きさ、角度又は厚み等は誇張して描いている。また説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。

＜光学ローパスフィルタの適用事例＞
本実施形態の光学部品は、例えば光学ローパスフィルタであり、デジタルカメラ等の撮像装置内で、固体撮像素子ＩＳの前に配置されるものである。

図１は、本実施形態に係る光学ローパスフィルタ１０が採用されたデジタルカメラの要部が、概略断面図として示されている。図１において、光学ローパスフィルタ１０は、入射光を結像させる受光レンズ５０と、結像した光学像を電気信号に変換して取り込む固体撮像素子ＩＳとの間に配置されている。受光レンズ５０は一枚でもよいし、複数のレンズ群であってもよい。また、固体撮像素子ＩＳには、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary MOS）を使用することができる。また光学ローパスフィルタ１０の入射側又は射出側には赤外線カットフィルタが配置される。特に図示しないが、位相差板と別の光学ローパスフィルタ１０をさらに配置したりすることがある。

＜光学ローパスフィルタ１０の構成＞
図２は、光学ローパスフィルタ１０の正面図とその断面図である。光学ローパスフィルタ１０は、例えば、正面から見て円形で、その上下方向にオリエンテーションフラット１９が形成されている。光学ローパスフィルタ１０の直径Ｄ１１は例えば４０ｍｍから５０ｍｍであり、オリエンテーションフラット１９間の直径Ｄ１２は例えば３５ｍｍから４５ｍｍである。光学ローパスフィルタ１０は矩形形状であってもよいし、その大きさには特に制限はない。

光学ローパスフィルタ１０は、例えば水晶波長板１１、水晶複屈折板１２、水晶複屈折板１３、水晶複屈折板１４、水晶複屈折板１５、及び白色ガラス板１６を有する。また光学ローパスフィルタ１０の外側となる水晶波長板１１の一方の主面１１ａには反射防止膜ＡＲもしくは赤外線カット膜がスパッタリング又は真空蒸着で形成され、光学ローパスフィルタ１０の外側となる白色ガラス板１６の一方の主面１６ａにも反射防止膜ＡＲもしくは赤外線カット膜が形成されてもよい。水晶波長板１１及び白色ガラス板１６は、水晶複屈折板１２から水晶複屈折板１５のそれぞれよりも厚みが厚く、例えば１．０ｍｍから２．０ｍｍである。また水晶複屈折板１２から水晶複屈折板１５のそれぞれの厚みは０．１ｍｍから０．３ｍｍ程度である。透過波面精度を上げるためには、厚みが厚い光学基板（水晶波長板１１及び白色ガラス板１６）は、光学ローパスフィルタ１０の両側に配置されることが好ましい。なお、水晶波長板１１、水晶複屈折板１２、水晶複屈折板１３、水晶複屈折板１４、水晶複屈折板１５、及び白色ガラス板１６は、それぞれ接着剤で接着される。それぞれの光学基板が接着された光学ローパスフィルタ１０の厚さＷ１１は、例えば３ｍｍから５ｍｍである。

＜光学ローパスフィルタ１０の製造方法＞
図３は、光学ローパスフィルタ１０の製造工程を示したフローチャートである。このフローチャートを使って光学ローパスフィルタ１０の製造工程の概略を説明する。
まずステップＳ３１にて、使用する水晶板もしくはガラス板等の光学基板（ブランク材料）が受け入れされる。これら光学基板は一般にポリッシュ研磨品である。なお、本実施形態では、水晶複屈折板１２、水晶複屈折板１３、水晶複屈折板１４及び水晶複屈折板１５は、それら光学基板の中央領域が凹むように、研磨加工されている。

ステップＳ３２にて、水晶波長板１１及び白色ガラス板１６が洗浄され、水晶波長板１１及び白色ガラス板１６に付着している異物が除去される。次にステップＳ３３にて、真空蒸着もしくはスパッタリングにより、水晶波長板１１及び白色ガラス板１６のそれぞれ一方の主面に反射防止膜ＡＲもしくは赤外線カット膜が形成される。

ステップＳ３４にて、水晶波長板１１、水晶複屈折板１２、水晶複屈折板１３、水晶複屈折板１４、水晶複屈折板１５、及び白色ガラス板１６が洗浄され、これら光学基板に付着している異物が除去される。次にステップＳ３５にて、紫外線により硬化する接着剤ＡＢ（図４，図５を参照。）が、水晶波長板１１、水晶複屈折板１２、水晶複屈折板１３、水晶複屈折板１４、水晶複屈折板１５及び白色ガラス板１６に塗布される。そしてこれら光学基板が貼り合わせられる。貼り合わせられた光学基板は、プレス装置にセットするためのキャリアに載置される。

ステップＳ３６にて、キャリアに載置された光学基板が所定のプレス圧力で所定時間だけ加圧される。次にステップＳ３７にて、加圧された光学基板に対して紫外線が照射され、接着剤が硬化される。そしてステップＳ３８にて、完成した光学ローパスフィルタ１０が検査される。例えば検査の一つとして透過波面精度があり、透過波面精度は透過波面測定器６０（図６を参照）で測定される。

＜接着剤による影響の透過波面精度＞
次に図４及び図５を使って、接着剤ＡＢによる透過波面精度の影響について説明する。図４（ａ）は、接着剤ＡＢで各光学基板が接着された光学ローパスフィルタ１０の概念図であり、この光学ローパスフィルタ１０にレーザ光が入射した状態の模式図である。図４（ｂ）は、光学ローパスフィルタ１０の透過波面測定の結果を示している。図５（ａ）は、接着剤ＡＢで各光学基板が接着された従来の光学ローパスフィルタ１１０の概念図であり、この光学ローパスフィルタ１１０にレーザ光が入射した状態の模式図である。図５（ｂ）は、光学ローパスフィルタ１１０の透過波面測定の結果を示している。

図４（ａ）の光学ローパスフィルタ１０及び図５（ａ）の光学ローパスフィルタ１１０は、各光学基板と接着剤ＡＢとが概念的に分離して描かれている。図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示された光学ローパスフィルタの透過波面測定の結果は、透過波面測定器６０で測定される。図６は、透過波面測定器６０の原理図である。まず、図６を使って、透過波面測定器６０の原理を説明する。

図６に示されるように、透過波面測定器６０は、ヘリウムネオンレーザ光源６１と、ハーフミラー６３と、２つの参照平面ミラー６５と、干渉縞を観察する撮像素子６７と、撮像素子６７で観察された干渉縞及び透過波面を表示するコンピュータ６９とを有している。そして、ハーフミラー６３と２つの参照平面ミラー６５の一方との間に、被験物である実施形態の光学ローパスフィルタ１０又は従来の光学ローパスフィルタ１１０が配置される。なお、接着剤ＡＢで接着される前の個々の水晶波長板１１、水晶複屈折板１２、水晶複屈折板１３、水晶複屈折板１４、水晶複屈折板１５、及び白色ガラス板１６も被験物として配置されてもよい。

次に透過波面測定器６０による測定について説明する。ヘリウムネオンレーザ光源６１から波長λ＝６３２．８ｎｍのレーザ光Ｌ１が照射され、そのレーザ光Ｌ１がハーフミラー６３でレーザ光Ｌ２とレーザ光Ｌ１２とに分離される。そして、レーザ光Ｌ２は参照平面ミラー６５に向かい参照平面ミラー６５で反射される。反射されたレーザ光Ｌ３はハーフミラー６３を通過してレーザ光Ｌ４として撮像素子６７に入射する。一方、ハーフミラー６３で分離されたレーザ光Ｌ１２は、被験物を通過して参照平面ミラー６５に向かい参照平面ミラー６５で反射される。その反射されたレーザ光Ｌ１３は再び被験物を通過してハーフミラー６３に戻る。このハーフミラー６３で反射されたレーザ光Ｌ１４が撮像素子６７に入射する。撮像素子６７は、レーザ光Ｌ４とレーザ光Ｌ１４との干渉縞を撮影するとともに、コンピュータ６９がその干渉縞を計算することで、コンピュータ６９はそのモニターに干渉縞や透過波面精度を表示する。

図５（ａ）に示される、従来の光学ローパスフィルタ１１０は、水晶波長板１１１、水晶複屈折板１１２、水晶複屈折板１１３、水晶複屈折板１１４、水晶複屈折板１１５、及び白色ガラス板１１６を有している。この従来の光学ローパスフィルタ１１０も図３で示された製造工程で製造される。そのステップＳ３１で説明したように、水晶波長板１１１、水晶複屈折板１１２、水晶複屈折板１１３、水晶複屈折板１１４、水晶複屈折板１１５、及び白色ガラス板１１６は、平面にポリッシュ研磨されたものではあるが、透過波面測定器６０で測定すると、それらの主面の中央領域が凹状であったり凸状であったりすることが観察された。これらの複数枚の光学基板を重ねれば、中央領域の凹状と凸状とが相殺されていると考えられるが、従来の光学ローパスフィルタ１１０は、中央領域が凸状を示す透過波面精度が観測される。このため、発明者はその原因を突き止めるため鋭意努力し、硬化した接着剤ＡＢの中央領域が凸状になることを突き止めた。図３のステップＳ３５からＳ３７で説明したように、光学基板に塗布された接着剤ＡＢは所定のプレス圧力で所定時間加圧されているが、接着剤ＡＢが硬化されるまでに接着剤ＡＢの中央領域が凸状になっていると考えられる。

図５（ａ）に示される従来の光学ローパスフィルタ１１０は、図５（ｂ）で表示された透過波面のＰＶ値（Peak to Valley）が、－１．７４０λであった。ここで、－１．７４０でのマイナスは波面が凹状、逆に言うと基板は凸状を意味する。従って、この数値１．７４を光学ローパスフィルタ１１０の両面凹凸寸法に換算した形状で見ると、透過波面測定器６０の光源波長が０．６３２８μｍ、基板１１２等の屈折率が１．５２、空気の屈折率が１であるので、１．７４０＊０．６３２８／（１．５２－１）＝２．１１７と見ることができるから、＋２．１１７μｍ膨らんだ形状であることになる。この光学ローパスフィルタのＰＶ値は、４Ｋもしくは８Ｋで要求されるデジタルカメラには不十分な規格である。一般に４Ｋもしくは８Ｋで要求されるデジタルカメラは、光学ローパスフィルタの透過波面のＰＶ値が、±１．５０λ以下であることが求められる。

図４（ａ）に示される、本実施形態の光学ローパスフィルタ１０は、２つの実施例を用意した。２つの実施例とも、水晶複屈折板１２、水晶複屈折板１３、水晶複屈折板１４及び水晶複屈折板１５の少なくとも一方を中央領域が凹むように、研磨してある。また水晶波長板１１及び白色ガラス板１６は、平面にポリッシュ研磨されたものではあるが、透過波面測定器６０で測定された結果では、厳密には中央領域が凸状に膨らんだ光学基板であった。本実施形態では、この２つの実施例の光学ローパスフィルタ１０のＰＶ値が、透過波面測定器６０によって測定された。水晶波長板１１及び白色ガラス板１６は、他の光学基板と比べて厚い。そして水晶波長板１１及び白色ガラス板１６は、それぞれ一番外側に配置されている。透過波面精度を悪化させる要因として、光学基板の厚みムラが原因となる。光学基板の厚みムラは厚くなればなるほど、厚みムラが生じやすい。そこで、本実施形態では厚い基板を外側に配置させている。水晶波長板１１、水晶複屈折板１２、水晶複屈折板１３、水晶複屈折板１４、水晶複屈折板１５、及び白色ガラス板１６を貼り合わせる際、これらを両側から加圧して貼り合わせるため、外側の基板を厚いものにした方が、加圧が良好に行われる。また、厚い部材は薄い部材に比べて反りにくい。従って、厚い基板を外側に配置させた方が、貼り合わせ後の光学部品の厚みむらを防止し易いからである。

実施例１では、単純に水晶波長板１１、水晶複屈折板１２、水晶複屈折板１３、水晶複屈折板１４、水晶複屈折板１５、及び白色ガラス板１６の両面凹凸を合計すると、実施例１の光学ローパスフィルタ１０は－０．６２３μｍ凹んだ形状であることになる。しかしながら、実施例１の光学ローパスフィルタ１０では、図４（ｂ）で表示された透過波面のＰＶ値が、透過波面測定器６０による測定で－０．９５３λであり、この数値を光学ローパスフィルタ１０の両面凹凸寸法に換算した形状で見ると、透過波面測定器６０の光源波長が０．６３２８μｍ、基板１２等の屈折率が１．５２、空気の屈折率が１であるので、０．９５３＊０．６３２８／（１．５２－１）＝１．１６と見ることができる。つまり、中央領域が凸状に＋１．１６０μｍ膨らんだ形状である。すなわち、個々に光学基板の両面凹凸を合計した量と、光学ローパスフィルタ１０としての両面凹凸量とに、１．７８３μｍ（すなわち、１．１６０－（－０．６２３）＝１．７８３）の違いがある。

光学ローパスフィルタ１０は、各光学基板以外に、接着剤ＡＢの５層がある。つまり、接着剤ＡＢは、水晶波長板１１と水晶複屈折板１２との間、水晶複屈折板１２と水晶複屈折板１３との間、水晶複屈折板１３と水晶複屈折板１４との間、水晶複屈折板１４と水晶複屈折板１５との間、水晶複屈折板１５と白色ガラス板１６との間にある。これら５層の接着剤ＡＢが凸状に硬化して、１．７８３μｍの凸の状態を作り出していると仮定できる。

光学ローパスフィルタ１０の透過波面のＰＶ値を０λ、すなわち両面凹凸量を０μｍにするためには、１．７８３μｍ分を水晶波長板１１、水晶複屈折板１２、水晶複屈折板１３、水晶複屈折板１４、水晶複屈折板１５、及び白色ガラス板１６の両面が凹んだ状態にすればよい。１枚の光学基板で０．２９７μｍ凹ませればよい。別の言い方をすれば１枚の光学基板には２主面あるため、１主面当たりの凹み量ｄは、０．１４９μｍがよいことになる。また各光学基板をさらに凹ませて、例えば光学ローパスフィルタの透過波面のＰＶ値が－１．０λであっても４Ｋもしくは８Ｋのデジタルカメラの要求を十分に満たすことができる。この場合にはＰＶ値１λは、光学部品の凹面形状で見ると、１＊０．６３２８／（１．５２－１）＝１．２１７μｍになる。凹凸面形状で見た値、３．００μｍ（１．７８３μｍ＋１．２１７μｍ）を６枚の光学基板の両面が凹んだ状態にすればよいので、１枚の光学基板で０．５０μｍ凹ませればよい。１主面当たりの凹み量ｄは、０．２５μｍがよいことになる。

実施例２では、単純に水晶波長板１１、水晶複屈折板１２、水晶複屈折板１３、水晶複屈折板１４、水晶複屈折板１５、及び白色ガラス板１６の両面凹凸を合計すると、実施例２の光学ローパスフィルタ１０は－０．６５８μｍ凹んだ形状であることになる。しかしながら、実施例２の光学ローパスフィルタ１０では、図４（ｂ）で表示された透過波面のＰＶ値が、－１．３０２λであり、この数値を光学ローパスフィルタ１０の両面凹凸寸法に換算した形状で見ると、透過波面測定器６０の光源波長が０．６３２８μｍ、基板１２等の屈折率が１．５２、空気の屈折率が１であるので、１．３０２＊０．６３２８／（１．５２－１）＝１．５８４と見ることができる。つまり中央領域が凸状に＋１．５８４μｍに膨らんだ形状である。すなわち、個々に光学基板の両面凹凸を合計した量と、光学ローパスフィルタ１０としての両面凹凸量とに、２．２４３μｍの違いがある。

上述したように光学ローパスフィルタ１０は、層の接着剤ＡＢが凸状に硬化していると考えられ、２．２４３μｍの凸の状態を作り出していると仮定できる。

光学ローパスフィルタ１０の透過波面のＰＶ値を０λ、すなわち両面凹凸量を０μｍにするためには、２．２４３μｍ分を各光学基板の両面が凹んだ状態にすればよい。１枚の光学基板で０．３７４μｍ凹ませればよい。別言すれば１主面当たりの凹み量ｄは、０．１８７μｍが好ましいことになる。また各光学基板をさらに凹ませて、例えば光学ローパスフィルタの透過波面のＰＶ値が－１．０λであっても４Ｋもしくは８Ｋのデジタルカメラの要求を十分に満たすことができる。この場合には、上記同様、１λは方面形状でみると、１．２１７μｍなので、凹面形状３．４６μｍ（２．２４３μｍ＋１．２１７μｍ）を６枚の光学基板の両面が凹んだ状態にすればよいので、１枚の光学基板で０．５７６μｍ凹ませればよい。つまり、１主面当たりの凹み量ｄ、０．２８８μｍが好ましいことになる。

図２を使って説明した通り、光学ローパスフィルタ１０の直径Ｄ１１は例えば４０ｍｍから５０ｍｍである。また、実施例１又は実施例２で示した通り、１主面当たりの凹み量ｄは、０．１４９μｍから０．２８８μｍであることが好ましい。このため一主面に凹み量ｄを直径との比率で計算すると、以下の範囲が好ましい。
ｄ／Ｄ１１＝２×１０^－０６から７×１０^－０６

以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば実施例では６枚の光学基板を使用したが、４枚でもよく８枚でもよい。光学基板の枚数が少なくなるほど接着剤ＡＢの層は減ることになる。光学基板の枚数が増えるほど接着剤ＡＢの層も増えることになる。そのため、１主面当たりの凹み量は、光学基板の枚数に大きく影響を受けないと考えられる。

１０ … 光学ローパスフィルタ（光学部品）
１１ … 水晶波長板、 １２～１５ … 水晶複屈折板
１６ … 白色ガラス板
５０ … 受光レンズ
６０ … 透過波面測定器、 ６１ … ヘリウムネオンレーザ光源
６３ … ハーフミラー、 ６５ … 参照平面ミラー、 ６７ … 撮像素子
ＡＢ … 接着剤
ＩＳ … 固体撮像素子

Claims (3)

1. 第１主面と該第１主面の反対側である第２主面とを有する第１基板と、
   第３主面と該第３主面の反対側である第４主面とを有する第２基板と、
   前記第２主面と前記第３主面とを接着する接着剤と、を備え、
   前記第１主面及び第４主面の一方側から他方側に光を通して使用され、
   透過波面のＰＶ値が±１．５０λ以下の光学ローパスフィルタであって、
   前記第１主面から前記第４主面の少なくとも一主面に凹み量ｄを有し、
   前記第１基板及び前記第２基板はそれぞれ所定直径Ｄを有し、
   前記凹み量ｄは、前記所定直径Ｄに対し、前記一主面当たり、
   ｄ／Ｄ＝２×１０^－０６から７×１０^－０６である
   光学ローパスフィルタ。
   なお、λは、透過波面測定器の光源の波長６３２．８ｎｍである。
2. 前記第１基板の前記第１主面又は前記第２主面に凹み形状が形成され、
   前記第２基板の前記第３主面又は前記第４主面に凹み形状が形成される請求項１に記載の光学ローパスフィルタ。
3. さらに前記第１主面に接着剤で接着される第３基板と、
   前記第４主面に接着剤で接着される第４基板と、を備え、
   前記第３基板及び前記第４基板のそれぞれの厚さは、前記第１基板又は前記第２基板のそれぞれの厚さよりも厚い請求項１又は請求項２に記載の光学ローパスフィルタ。