KR20060041960A - 유전체 다층막 필터와 그 제조 방법 및 고체 촬상 디바이스 - Google Patents

유전체 다층막 필터와 그 제조 방법 및 고체 촬상 디바이스 Download PDF

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KR20060041960A
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transmissive substrate
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히로유키 무카이야마
아키라 고마츠
마사미 히라야마
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세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

적외선 등의 소정의 파장을 반사하는 유전체 다층막에 대한 광선의 입사각을 가능한 한 작게 유지하여, 유전체 다층막의 강도 의존성을 가급적 적게 할 수 있는 유전체 다층막 필터를 제공한다.
적어도 일면측에 평탄면을 갖는 광 투과성 기판(2)과, 광 투과성 기판(2)의 평탄면에 형성된 특정한 파장의 광을 반사하는 유전체 다층막(3)과, 광 투과성 기판(2)의 적어도 일면측에 접합된 수지제 집속 렌즈(4)를 갖는 유전체 다층막 필터(1)로 한다. 이 유전체 다층막 필터(1)를 고체 촬상 소자 디바이스(100)의 방진 커버로서 사용한다.

Description

유전체 다층막 필터와 그 제조 방법 및 고체 촬상 디바이스{DIELECTRIC MULTILAYER FILTER AND ITS MANUFACTURING METHOD, AND SOLID-STATE IMAGING DEVICE}
도 1(a)∼(c)는 본 발명의 유전체 다층막 필터의 여러가지 형태를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 고체 촬상 소자 디바이스의 일 실시형태의 구조를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 유전체 다층막 필터에서의 입사각을 저감할 수 있는 기능을 설명하는 광로도,
도 4(a)∼(d)는 본 발명의 유전체 다층막 필터의 제조 방법의 공정을 설명하는 흐름도,
도 5는 비교예 (a)와 실시예 (b)의 렌즈 단면도,
도 6은 종래의 방진 커버에서의 입사각을 설명하는 광로도,
도 7은 유전체 다층막의 분광 투과율의 일례를 나타낸 그래프,
도 8은 유전체 다층막의 각도 의존성을 나타낸 그래프이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1, 1b, 1c, 1d…유전체 다층막 필터 2, 2a…광 투과성 기판
3…유전체 다층막 4…수지제 집속 렌즈
21…제1 복굴절판 22…제2 복굴절판
23…고분자 필름(1/4 파장판) 100…고체 촬상 디바이스
110…패키지 120…개구부
130…고체 촬상 소자 140…외부 접속 배선
본 발명은, 디지털 카메라 등에 사용되고 있는 적외 커트 필터 등으로서 사용되는 유전체 다층막 필터와 그 제조 방법 및 그 필터를 사용한 고체 촬상 디바이스에 관한 것이다.
비디오 카메라나 디지털 카메라 등의 고체 촬상 소자로서, CCD(Charge Coupled Device, 전하 결합 소자)가 많이 사용되고 있다. CCD는 비교적 넓은 파장의 광에 감도가 있어, 가시광 영역 뿐만 아니라 근적외 영역(750∼2500nm)의 광에도 감도가 양호하다. 그러나, 통상의 카메라의 용도에서는, 사람의 눈에 보이지 않는 적외 영역은 불필요하고, 근적외선이 고체 촬상 소자에 입사하면 해상도의 저하나 화상의 얼룩 등의 문제를 초래한다. 그래서, 비디오 카메라 등의 광학계에는 색유리 등의 적외 커트 필터가 삽입되어, 입사하는 광 중의 근적외선을 커트하게 되어 있다.
최근의 비디오 카메라나 디지털 카메라의 소형화의 요청으로부터, 예를 들면 특허 문헌 1에서는, 광학계를 구성하는 렌즈에 적외 커트 필터로서의 기능을 부가하는 것이 제안되어 있다. 또, 특허 문헌 2에서는, 적외 커트 필터를 렌즈 형상으로 해서 고체 촬상 소자로의 입사 광선의 입사각을 작게 하는 것이 제안되어 있다.
적외 커트 필터에는, 적외선을 흡수하는 물질을 기재 중에 이겨 넣은 흡수형 필터와 유전체 다층막의 간섭을 이용하여 적외선을 반사하는 간섭형 필터가 있다. 간섭형 필터는, 유전체 다층막을 막형성함으로써 형성되므로, 다양한 기재 표면에 형성이 가능하고, 광학계의 소형화에 유리하다. 또, 필요한 파장의 투과율을 올릴 수 있는데다, 저 비용, 분광 특성의 자유도가 높다는 특징이 있다.
그래서, 특허 문헌 3에서는, 적외선을 반사하는 유전체 다층막으로 구성되는 적외 커트 필터를 렌즈나 로우패스 필터와 일체화하여, 부품으로서의 적외선 커트 필터를 없애 광학계의 소형화를 도모하는 것이 제안되어 있다.
한편, 고체 촬상 소자는, 먼지가 부착하는 것을 방지하기 위해서, 패키지 내에 봉입되어 고체 촬상 디바이스로서 사용되는 경우가 많다. 고체 촬상 디바이스의 패키지에는 고체 촬상 소자에 광을 통과시키는 동시에, 패키지를 밀봉하는 방진 커버가 장착되어 있다.
그 때문에, 도 6에 모식적으로 나타낸 고체 촬상 소자 디바이스(600)처럼, 고체 촬상 소자(130)를 패키지(110) 내에 봉입하는 방진 커버(620)에 적외선을 커트하는 유전체 다층막(621)을 형성하는 것으로부터, 부품으로서의 적외선 커트 필터를 없애 광학계의 소형화를 도모하는 것을 생각할 수 있다.
(특허 문헌 1) 일본국 특개 2002-40234
(특허 문헌 2) 일본국 특개 2002-341241
(특허 문헌 3) 일본국 특개평 5-207350호 공보
그러나, 유전체 다층막(621)은, 입사각에 따라 특성이 변화하는 각도 의존성을 갖는다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 광학계(610)를 통과한 광은 유전체 다층막(621)을 형성한 방진 유리(620)를 통과해 고체 촬상 소자(130)에 집광된다. 광학계(610)의 광축을 통과한 광(LO)은 고체 촬상 소자(130)의 중심에 입사하여, 유전체 다층막(621)으로의 입사각은 제로인데, 고체 촬상 소자(130)의 단부측으로 입사하는 광선(L1)은 유전체 다층막(621)에 대해 θ1의 입사각으로 입사하게 된다.
도 7에 적외선을 커트하기 위한 유전체 다층막의 분광 특성을 나타낸다. 입사각이 커짐에 따라 주로 650nm 부근의 하강하는 파장이 단파장측으로 크게 이동한다. 도 8은, 입사각이 제로일 때의 하강하는 투과율이 50%가 되는 파장을 기준으로 하여, 입사각에 대한 하강하는 투과율이 50%가 되는 파장의 변동을 나타낸 그래프이다. 입사각이 커짐에 따라 하강하는 파장이 단파장측으로 어긋나, 적색이 커트되게 된다. 고체 촬상 소자(130)의 단부측으로 감에 따라 입사각이 커지기 때문에, 고체 촬상 소자(130)에 의해 광학상이 전기 신호로 변환된 화상은, 중심부에서 주변부로 감에 따라 청색이 강해지는 경향을 나타내, 화면의 색 얼룩이 된다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 적외선 등의 소정의 파장을 반사하는 유전체 다층막에 대한 광선의 입사각을 가능한한 작게 유지하여, 유 전체 다층막의 각도 의존성을 가급적 적게 할 수 있는 유전체 다층막 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 본 발명은, 이러한 유전체 다층막 필터를 저 비용으로 제조할 수 있는 유전체 다층막 필터의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 이러한 유전체 다층막 필터를 방진 커버로서 사용한 고체 촬상 소자 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 첫째로, 적어도 일면측에 평탄면을 갖는 광 투과성 기판과, 상기 광 투과성 기판의 상기 평탄면에 형성된 특정한 파장의 광을 반사하는 유전체 다층막과, 상기 광 투과성 기판의 적어도 일면측에 접합된 수지제 집속 렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터를 제공한다.
유전체 다층막은 곡면 상에 대한 막형성이 곤란하므로, 광 투과성 기판의 막 형성면은 평탄할 필요가 있다. 광 투과성 기판의 표면에 접합된 수지제 집속 렌즈가, 유전체 다층막으로 경사각을 갖고 입사하는 광선을 광축측으로 집속하도록 굴절시키므로, 유전체 다층막에 대한 광선의 입사각을 가능한한 작게 유지하여, 유전체 다층막의 각도 의존성을 가급적 적게 할 수 있다.
본 발명은, 둘째로, 상기 제1 유전체 다층막 필터에 있어서, 상기 광 투과성 기판이, 적어도 1장의 복굴절판을 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터를 제공한다.
1장의 복굴절판 또는 복수장의 복굴절판은 광학 로우패스 필터를 구성하므로, 광 투과성 기판을 로우패스 필터로 하여, 광학 로우패스 필터를 겸용한 유전체 다층막 필터로 할 수 있다.
본 발명은, 셋째로, 상기 제1 유전체 다층막 필터에 있어서, 상기 광 투과성 기판이, 제1 복굴절판과, 제2 복굴절판과, 이들 제1 복굴절판과 제2 복굴절판 사이에 끼워진 1/4 파장판으로서의 고분자 필름을 갖는 광학 로우패스 필터인 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터를 제공한다.
이 광학 로우패스 필터는, 4점 분리형으로 고성능인데다, 복굴절판이 3장 구성인 종래의 광학 로우패스 필터와 비교하여 얇으므로, 필터를 얇게 할 수 있다.
본 발명은, 넷째로, 상기 제1 유전체 다층막 필터에 있어서, 상기 광 투과성 기판이, 특정한 파장의 광을 흡수하는 흡수형 필터인 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터를 제공한다.
특정한 파장의 광을 흡수하는 흡수형 필터와 특정한 파장의 광을 반사하는 유전체 다층막을 조합함으로써, 유전체 다층막에서 반사된 반사광이 다른 부재에서 반사되어 다시 입사하는 미광(迷光, stray light)을 흡수형 필터로 흡수하여, 고체 촬상 소자에 입사하는 것을 완전히 방지하는 것이 가능하다.
본 발명은, 다섯째로, 상기 제1∼4 중 어느 한 유전체 다층막 필터에 있어서, 상기 수지제 집속 렌즈의 외면이 비구면인 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터를 제공한다.
집속 렌즈의 광학면을 비구면으로 함으로써, 각종 수차를 양호하게 보정한 집속 렌즈로 할 수 있어, 양호한 화상을 얻을 수 있다.
본 발명은, 여섯째로, 상기 제1∼5 중 어느 한 유전체 다층막 필터에 있어서, 상기 유전체 다층막에서의 최대 투과율의 반의 투과율을 나타내는 파장인 반치(半値)가, 650±30nm의 범위인 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터를 제공한다.
반치를 650±30nm로 설정함으로써, 고체 촬상 소자에 유해한 근적외선을 커트할 수 있어, 적외 커트 필터로서 기능할 수 있다.
본 발명은, 일곱째로, 일면측 또는 양면에 특정한 파장의 광을 반사하는 유전체 다층막이 형성된 판형상의 광 투과성 기판과, 표면에 집속 렌즈의 형상을 전사하는 복수개의 오목형 캐비티부가 형성된 성형면을 갖는 볼록면 성형틀의 상기 성형면을 조합한 하이브리드 렌즈 성형틀의 상기 오목형 캐비티부에 충전된 경화성 조성물을 경화시키는 성형 공정과, 상기 볼록면 성형틀을 떼어낸 후, 상기 광 투과성 기판의 표면에 형성된 상기 경화성 조성물을 경화하여 형성된 수지제 집속 렌즈마다 상기 광 투과성 기판을 절단하는 절단 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터의 제조 방법을 제공한다.
이러한 성형 공정에서, 광 투과성 기판의 표면에 다수의 수지제 집속 렌즈를 1회의 성형으로 형성할 수 있다. 또, 절단 공정에서 이들 집속 렌즈마다 잘라냄으로써, 다수의 유전체 다층막 필터를 간편하게 제조하는 것이 가능하다. 그래서, 유전체 다층막 필터를 저 비용으로 제조할 수 있다.
본 발명은, 여덟째로, 개구부를 갖는 패키지와, 상기 패키지 내에 상기 개 구부와 대향하여 고정되어 있는 고체 촬상 소자와, 상기 개구부를 폐색하고 있는 판형상의 투명한 방진 커버를 구비하는 고체 촬상 디바이스에 있어서, 상기 방진 커버가, 판형상의 광 투과성 기판과, 상기 광 투과성 기판의 적어도 일면측에 형성된 특정한 파장의 광을 반사하는 유전체 다층막과, 상기 광 투과성 기판의 입사측의 면에 접합된 수지제 집속 렌즈를 갖는 유전체 다층막 필터인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 디바이스를 제공한다.
고체 촬상 디바이스의 방진 커버를 본 발명의 유전체 다층막 필터로 함으로써, 방진 커버에 각도 의존성이 가급적 적은 적외 커트 필터로서의 기능을 부가할 수 있다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
이하, 본 발명의 유전체 다층막 필터와 그 제조 방법 및 고체 촬상 디바이스의 실시형태에 관해 설명하는데, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1에, 본 발명의 유전체 다층막 필터의 일 실시형태의 단면 구조를 나타낸다. 도 1(a)에 나타낸 유전체 다층막 필터(1)는, 양면이 평탄면인 판형상의 광 투과성 기판(2)의 일면측에 유전체 다층막(3)이 형성되고, 유전체 다층막(3)의 위에 수지제 집속 렌즈(4)로서 수지제의 평볼록 렌즈의 평탄면이 접합된 하이브리드 렌즈의 구조를 갖는다.
도 1(b)에 나타낸 유전체 다층막 필터(1b)는, 양면이 평탄면인 판형상의 광 투과성 기판(2)의 일면측에 유전체 다층막(3)이 형성되고, 유전체 다층막(3)이 형 성된 면과 반대측의 면에 수지제 집속 렌즈(4)로서 수지제의 평볼록 렌즈의 평탄면이 접합된 하이브리드 렌즈의 구조를 갖는다.
이들 유전체 다층막 필터(1, 1b)는, 판형상의 광 투과성 기판(2)의 일면측에만 유전체 다층막(3)이 형성되고, 광 투과성 기판(2)의 일면측에만 수지제 집속 렌즈(4)를 갖는데, 유전체 다층막(3) 및 수지제 집속 렌즈(4)는 광 투과성 기판(2)의 양면에 형성해도 된다.
도 2에, 도 1(a)에 나타낸 유전체 다층막 필터(1)를 방진 커버로서 사용한 고체 촬상 디바이스의 일례의 단면 구조를 나타낸다.
이 고체 촬상 디바이스(100)는, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등에 사용되며, 광학상을 전기 신호로 변환하는 고체 이미지 센서이다. 고체 촬상 디바이스(100)는, 세라믹이나 수지 등의 절연성 소재로 구성되는 오목형의 패키지(110)를 갖고, 이 패키지(110)는 도시 생략한 광학계에서 집광된 광이 입사하는 개구부(120)를 구비한다. 패키지(110)의 내부의 바닥면 중앙에는, CCD나 CMOS 등의 고체 촬상 소자(130)가 개구부(120)와 대향하여 접착제로 고정되어 있다. 고체 촬상 소자(130)는, 복수의 화소가 이차원형상으로 배열되어 있다. 패키지(110)의 내부와 외부를 접속하는 외부 접속 배선(140)이 패키지(110)의 측벽을 관통하여 설치되고, 고체 촬상 소자(130)와 외부 접속 배선은 본딩 와이어(141)를 통해 전기적으로 접속되어 있다. 패키지(110)의 개구부(120)의 내주벽에는 단차부(111)가 형성되고, 이 단차부(111)에 대해 본 발명의 유전체 다층막 필터(1)가 수지제 집속 렌즈(4)를 외측의 입사측에 배치하여 장착되어 있다. 유전체 다층막 필터(1)와 단차 부(111)의 사이에 개재하는 봉지제(150)에 의해 유전체 다층막 필터(1)가 방진 커버로서 개구부(120)를 폐색하여, 패키지(110)는 밀봉되어, 먼지의 진입이 방지되어 있다.
도 3에, 본 발명의 유전체 다층막 필터가 유전체 다층막으로의 입사각을 작게 할 수 있는 것을 설명하는 광로도를 나타낸다. 모식적으로 볼록 렌즈로 표시하고 있는 광학계(610)를 통과한 외광은, 간략화되어 도시되어 있는 고체 촬상 디바이스(100)의 고체 촬상 소자(130)를 향해 입사한다. 광학계(610)의 광축을 통과하는 광선(LO)은 수지제 집속 렌즈(4)를 통과해 유전체 다층막(3)에 수직으로 입사하고, 고체 촬상 소자(130)의 중심에 입사한다. 유전체 다층막(3)에 대한 입사각은 0°이다. 한편, 고체 촬상 소자(130)의 단부에 입사하는 광선(L2)은, 유전체 다층막(3)의 입사측에 존재하는 수지제 집속 렌즈(4)에서 광축측으로 집속하도록 굴절되어, 수지제 집속 렌즈(4)가 없는 경우의 도 6에 나타낸 입사각 θ1보다 작은 입사각 θ2로 유전체 다층막(3)에 입사하고, 유전체 다층막(3)을 통과한 광이 고체 촬상 소자(130)에 입사한다. 이렇게 수지제 집속 렌즈(4)는 입사각 저감 렌즈로서 기능한다. 그 때문에, 수지제 집속 렌즈(4)는 볼록 렌즈처럼 양의 굴절력을 갖는 렌즈일 필요가 있고, 또한 유전체 다층막(3)의 입사측에 배치될 필요가 있다. 수지제 집속 렌즈(4)는 유전체 다층막(3)에 대한 입사각을 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 고체 촬상 소자(130)에 대한 입사각도 저감할 수 있다. 이상의 설명은, 유전체 다층막(3)이 수지제 집속 렌즈(4)와 광 투과성 기판(2)의 사이에 개재한 구조의 유전 체 다층막 필터(1)에 관해 설명했으나, 유전체 다층막(3)이 형성된 면과 반대측의 면에 수지제 집속 렌즈(4)로서 수지제의 평볼록 렌즈의 평탄면이 접합된 유전체 다층막 필터(1b)여도 완전히 동일하다.
본 발명의 유전체 다층막 필터(1, 1b)는, 고체 촬상 소자(130)의 단부측으로 감에 따라 커지는 유전체 다층막(3)에 대한 입사각을 저감할 수 있으므로, 유전체 다층막(3)의 각도 의존성을 저감하여, 고체 촬상 소자(130)에 의해 변환되는 화상의 중심과 주변과의 색조의 차를 저감하여, 화상의 색조를 균일화할 수 있다. 또, 입사각을 광학계에서 저감하고자 하면, 광학계의 설계에 무리가 생기지만, 해당 방법에서는 광학계로의 부담을 경감하여, 광학계의 설계의 자유도를 높이는 것이 가능해진다. 또한, 수지제 집속 렌즈(4)는 주형(注型) 중합에 의해 형성할 수 있으므로, 볼록면의 광학면을 비구면화하는 것이 용이하고, 비구면화함으로써, 각종 수차를 양호하게 보정한 집속 렌즈로 할 수 있어, 양호한 화상을 얻을 수 있다. 게다가, 본 발명의 유전체 다층막 필터(1)는, 후술하는 저 비용의 제조 방법으로 제조할 수 있으므로, 비용적으로 유리하다.
유전체 다층막 필터(1, 1b)를 구성하는 광 투과성 기판(2)으로서는, 소정의 파장을 반사하는 수십층의 유전체 다층막(3)의 막형성 프로세스에서는 양질의 박막을 형성하기 위해서 200℃ 정도의 온도로 기판을 가열하는 경우가 있으므로, 이 막형성 프로세스에 견딜 수 있는 내열성을 갖는 것이 바람직하다. 또, 소정의 파장을 반사하는 수십층의 유전체 다층막(3)을 곡면 상에 균일하게 막형성하는 것은 곤란하다. 그 때문에, 광 투과성 기판(2)의 유전체 다층막이 형성되는 면은 평탄할 필요가 있고, 그 밖의 면은 렌즈형상 같은 곡면으로 되어 있어도 된다. 일반적으로는, 광 투과성 기판(2)으로서, 적어도 외표면이 내열성의 무기 재료로 구성되고, 양면이 평탄한 판형상인 것이 바람직하다.
광 투과성 기판(2)의 구체예로서는, 백판, 붕규산 유리, 광학 유리 등의 투명한 비정질의 무기 유리판, 이들 무기 유리판 내에 특정한 파장의 광선을 흡수하는 물질을 이겨 넣은 흡수형 필터판, 수정, 니오브산 리튬 등의 복굴절판 1장으로 구성한 광학 로우패스 필터, 복굴절판을 복수장 사용한 광학 로우패스 필터, 2장의 복굴절판 사이에 1/4 파장판으로서의 고분자 필름이 끼워진 구조의 광학 로우패스 필터를 예시할 수 있다. 광학 로우패스 필터는, 고체 촬상 소자의 입사측에 배치되고, 고체 촬상 소자에 입사하는 광선을 2점 또는 4점 분리하여 높은 공간 주파수 성분을 제거함으로써 유사 신호를 제거하여, 수평선이 들쭉날쭉하게 보이거나, 흑백의 격자줄무늬로 색이 들어가는 현상을 억제하는 기능을 갖는다.
도 1(c)에 나타낸 유전체 다층막 필터(1c)는, 광 투과성 기판(2)으로서, 제1 복굴절판(21)과, 제2 복굴절판(22)과, 이들 제1 복굴절판(21)과 제2 복굴절판(22) 사이에 끼워진 1/4 파장판으로서의 고분자 필름(23)을 갖는 광학 로우패스 필터를 사용한 예를 나타내고 있다.
제1 복굴절판(21)과 제2 복굴절판(22)은, 수정, 니오브산 리튬 등의 복굴절성을 갖는 결정판이고, 수정판만을 양쪽에 사용하는 경우나, 수정과 니오브산 리튬의 조합, 또는 다른 복굴절판 등의 상이한 재료종을 조합하여 사용해도 된다. 복굴절이란, 입사한 광이, 서로 수직의 진동 방향을 갖는 2개의 광으로 분리하는 현 상을 말한다. 고분자 필름(23)은, 일축연신법에 의해 형성된 플라스틱 필름으로 구성되며, 복굴절성을 고려하여 필름 두께를 적절하게 선정함으로써 1/4 파장판으로서 기능한다. 1/4 파장판은, 통과한 광의 상(常)광선 성분과 이상(異常)광선 성분 사이의 위상이 4분의 1 사이클 어긋나는 두께로 한 시트이고, 평면 편광을 원 편광으로 변환하는 기능을 갖는다. 이 광학 로우패스 필터는, 4점 분리로 고성능이고, 복굴절판이 3장 구성인 종래의 광학 로우패스 필터와 비교하여 얇으므로, 필터를 얇게 할 수 있다. 또한, 그다지 성능이 요구되지 않는 경우는, 복굴절판을 1장만 사용하여 2점 분리형의 광학 로우패스 필터를 구성할 수 있다.
광 투과성 기판(2)을 광학 로우패스 필터로 구성함으로써, 유전체 다층막 필터(1)에 광학 로우패스 필터로서의 기능을 부가할 수 있다. 그 결과, 부품 수를 삭감하여 소형화를 도모할 수 있다.
또, 광 투과성 기판(2)으로서 흡수형 필터판을 사용하여, 특정한 파장의 광을 흡수하는 흡수형 필터와 특정한 파장의 광을 반사하는 유전체 다층막(3)을 조합한 유전체 다층막 필터로 함으로써, 유전체 다층막(3)에서 반사된 반사광이 다른 부재에서 반사되어 다시 입사하는 미광을 흡수형 필터로 흡수하여, 고체 촬상 소자에 입사하는 것을 완전히 방지하는 것이 가능하다.
본 발명의 유전체 다층막 필터(1)를 구성하는 유전체 다층막(3)은, 광 투과성 기판(2) 상에 고굴절률층과 저굴절률층이 번갈아 적층된 구조를 갖는다.
유전체 다층막(3)을 구성하는 고굴절률층의 재료로서, TiO2(n=2.4), Ta2O5 (n=2.1), Nb2O5(n=2.2), ZrO2(n=2.05), Ta2O5(n=2.1) 등이 사용되고, 저굴절률층의 재료로서, SiO2(n=1.46), Al2O3(n=1.63), MgF2(n=1.38) 등이 사용된다. 굴절률은, 파장에 따라 다르고, 상기 굴절률 n은 500nm의 값이다.
막두께의 기본적인 설계는, 일반적으로, 고굴절률층과 저굴절률층이 번갈아 각각 같은 광학적 막두께로 반복하여 적층된 반복 교대층으로서, (0.5H, 1L, 0.5H)S와 같이 표시된다. 여기서, 커트하고자 하는 파장의 중심 근처의 파장을 설계 파장 λ로 하고, 광학적 막두께 nd=1/4λ를 1단위로 하여 고굴절률층(H)의 막두께를 1H로 표기하고, 저굴절률층(L)을 마찬가지로 1L로 한다. S는 스택 수라 불리는 반복 회수이고, 괄호 내의 구성을 주기적으로 반복하는 것을 표시하고 있다. 실제로 적층되는 층 수는 2S+1층이 되고, S의 값을 크게 하면 반사-투과로 변화하는 상승 특성(급준함)을 급하게 할 수 있다. S의 값으로서는 3 내지 20정도의 범위로부터 선정된다. 이 반복 교대층에 의해, 커트되는 특정한 파장이 결정된다.
투과 대역의 투과율을 높게 하고, 니플이라 불리는 광 투과율의 요철을 플랫한 특성으로 하기 위해서는, 반복 교대층의 기판 근처와, 매질 근처의 수 층씩의 막두께를 변화시켜 최적 설계를 행한다. 그 때문에, 기판 0.5LH … HL(HL)SHL … H, 0.5L과 같이 표기된다. 또, 고굴절률층에 TiO2 등을 사용하는 경우, 최외층(最外層)을 고굴절률층으로 끝나게 하는 것보다도, 보다 내환경 특성이 뛰어난 SiO2를 최외층에 추가하여 설계를 행하는 경우가 많다. 기판에 접하는 층도 TiO2가 기 판과 반응하여 특성이 열화하는 경우가 있으므로, 화학적으로 안정된 SiO2를 제1층에 추가하는 경우도 있다. 이러한 다층막 커트 필터의 설계는 시판하는 소프트웨어를 사용하여 이론적으로 행할 수 있다(참고 문헌 : OPTRONICS지 1999 No. 5 p. 175-190).
고굴절률층과 저굴절률층을 번갈아 광 투과성 기판 상에 막형성하기 위해서는, 물리적 막형성법이 일반적이고, 통상의 진공 증착법으로도 가능하지만, 막의 굴절률의 안정된 제어가 가능하고, 보관·사양 환경 변화에 따른 분광 특성의 시간 경과에 따른 변화가 적은 막을 작성할 수 있는 이온 어시스트 증착이나 이온 플레이팅법, 스퍼터법이 바람직하다. 진공 증착법은, 고 진공중에서 박막 재료를 가열 증발시켜, 이 증발 입자를 기판 상에 퇴적시켜 박막을 형성하는 방법이다. 이온 플레이팅법은, 증착 입자를 이온화하여, 전계에 의해 가속하여 기판에 부착시키는 방법이고, APS(Advanced Plasma Source), EBEP(Electron Beam Excited Plasma)법, RF(Radio Frequency) 직접 기판 인가법(막형성실 내에 고주파 가스 플라즈마를 발생시킨 상태로 반응성의 진공 증착을 행하는 방법) 등의 방식이 있다. 스퍼터법은, 전계에 의해 가속한 이온을 박막 재료에 충돌시켜 박막 재료를 내보내는 스퍼터링에 의해 박막 재료를 증발시켜, 증발 입자를 기판 상에 퇴적시키는 박막 형성 방법이다. 막형성되는 층의 굴절률 등의 광학정수는, 막형성 방법, 막형성 조건 등에 따라 다르므로, 제조 전에 막형성 되는 층의 광학정수를 정확하게 측정할 필요가 있다.
유전체 다층막(3)을 예를 들면 적외 커트 필터로 하기 위해서는, 최대 투과율의 반의 투과율을 나타내는 파장인 반치가 650±30nm의 범위인 것이 바람직하다. 이러한 반치로 함으로써, 고체 촬상 소자로의 근적외선의 입사를 유효하게 차단할 수 있다.
도 7에 나타낸 분광 투과율을 갖는 유전체 다층막은, 구체적으로는 다음과 같이 하여 막형성되었다. 광 투과성 기판 재료는 BK7(굴절률 nd=1.52의 백판 유리)을 사용했다. 사용하는 막의 재료는, 고굴절률층(H)이 Ta2O5, 저굴절률층(L)이 SiO2, 막형성 방법은 RF 이온 플레이팅 장치(쇼와진공(주)제)를 사용했다.
막두께 구성은, λ=755nm, 기판측으로부터 1.141H, 1.088L, 1.03H, 1.01L, (0.994H, 0.994L)6, 1.024H, 1.077L, 1.309H, 0.175L, 1.368H, 1.241L, 1.273H, 1.277L, (1.275H, 1.276L)6, 1.257H, 1.278L, 1.254H, 0.626L의 40층이다.
또, 광 투과성 기판(2)의 유전체 다층막(3)을 형성하고 있지 않은 면, 또한 수지제 집속 렌즈(4)의 외면에 반사 방지막을 형성하는 것이 바람직하다. 반사 방지막은, 무기 피막, 유기 피막의 단층 또는 다층으로 구성된다. 무기 피막과 유기 피막의 다층 구조여도 된다. 무기 피막의 재질로서는, SiO2, SiO, ZrO2, TiO2, TiO, Ti2O3, Ti2O5, Al2O3, Ta2O5, CeO2, MgO, Y2O3, SnO2, MgF2, WO3 등의 무기물을 들 수 있고, 이들을 단독으로 또는 2종 이상을 병용하여 사용할 수 있다. 또, 다층막 구성으로 한 경우는, 최외층은 SiO2로 하는 것이 바람직하다.
무기 피막의 다층막으로서는, 광 투과성 기판측으로부터 ZrO2층과 SiO2층의 합계 광학 막두께가 λ/4, ZrO2층의 광학적 막두께가 λ/4, 최상층인 SiO2층의 광학적 막두께가 λ/4인 4층 구조를 예시할 수 있다. 여기서, λ는 설계 파장이고, 통상 520nm이 사용된다.
무기 피막의 막형성 방법은, 예를 들면 진공 증착법, 이온 플레이팅법, 스퍼터링법, CVD법, 포화 용액중에서의 화학 반응에 의해 석출시키는 방법 등을 채용할 수 있다.
유기 피막의 재질은, 예를 들면 FFP(테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체), PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), ETFE(에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체) 등을 들 수 있다. 막형성 방법은, 진공 증착법 외에, 스핀코트법, 딥코트법 등의 양산성이 뛰어난 도장 방법으로 형성할 수 있다.
또, 유전체 다층막(3)을 통해 또는 직접 광 투과성 기판(2) 상에 형성되는 수지제 집속 렌즈(4)의 형상은, 유전체 다층막(3)으로의 입사각을 감소시키도록 설계된다. 수지제 집속 렌즈(4)는, 일반적인 하이브리드 렌즈의 제조 방법에 의해 광 투과성 기판(2) 상에 형성할 수 있다. 예를 들면, 광 투과성 기판(2)을 한쪽의 성형틀로 하고, 수지제 집속 렌즈(4)의 볼록면을 전사하는 오목형 캐비티부를 갖는 볼록면 성형틀의 오목형 캐비티부를 갖는 평탄한 성형면과 광 투과성 기판(2)의 수지제 집속 렌즈(4)를 형성하는 평탄면을 조합하여 하이브리드 렌즈 성형틀을 제작한다. 하이브리드 렌즈 성형틀의 오목형 캐비티부에 열경화성 또는 자외선 경화성 수지 조성물을 충전하고, 수지 조성물을 열 또는 자외선으로 경화시켜, 볼록면 성형틀을 광 투과성기판으로부터 탈리시킴으로써, 광 투과성 기판(2)의 위에 수지제 집속 렌즈(4)가 접합한 하이브리드 렌즈를 제조할 수 있다. 수지제 집속 렌즈(4)의 광학면의 형상은, 오목형 캐비티부의 면형상이 전사됨으로써 형성된다. 수지제 집속 렌즈(4)는 광 투과성 기판(2)의 일면측 또는 양면에 형성해도 된다. 양면에 형성한 경우는, 한쪽의 수지제 집속 렌즈는 유전체 다층막(3)을 출사한 광을 굴절하게 되므로, 예를 들면 고체 촬상 소자(130)로의 입사각을 저감하는 기능을 갖는다.
다음에, 도 4를 참조하면서 본 발명의 유전체 다층막 필터를 저 비용으로 제조할 수 있는 유전체 다층막 필터의 제조 방법에 관해 설명한다. 이 유전체 다층막 필터의 제조 방법은, 주로 성형 공정과 절단 공정을 갖는다.
먼저 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 하이브리드 렌즈 성형틀을 구성하는 대면적의 광 투과성 기판(2a)과 볼록면 성형틀(5)을 준비한다. 광 투과성 기판(2a)에는, 미리 특정한 파장의 광을 반사하는 유전체 다층막(3)을 일면측 또는 양면에 형성한다. 수지제 집속 렌즈(4)를 접합한 후에는, 수지제 집속 렌즈(4)를 구성하는 수지의 내열성이 낮으므로, 유전체 다층막(3)을 형성하는 것은 곤란하다. 또, 광 투과성 기판(2a)의 일면측에 반사 방지막을 형성해 두어도 된다. 광 투과성 기판(2a)의 수지제 집속 렌즈(4)를 형성하는 면을 미리 실란 커플링제로 처리하여, 광 투과성 기판(2a)과 수지제 집속 렌즈(4)의 밀착성을 양호하게 하는 것이 바람직하다.
볼록면 성형틀(5)은, 수지제 집속 렌즈(4)의 볼록면을 전사하는 오목형 캐비티부(51)가 도 4(c)에 나타낸 것 같은 매트릭스형상으로 다수 배치된 평탄한 성형면(52)을 갖는다. 오목형 캐비티부(51)는 수지제 집속 렌즈(4)의 볼록면의 소정의 광학면을 전사할 수 있는 형상으로 거울면 연마되어 있다. 볼록면 성형틀(5)은, 금속 또는 무기 유리로 제작할 수 있다. 볼록면 성형틀(5)의 오목형 캐비티부(51)는, 그 오목면의 형상이나 직경을 하나하나 바꾸도록 하여, 복수의 종류의 수지제 집속 렌즈(4)를 형성하도록 해도 된다. 볼록면 성형틀(5)과 광 투과성 기판(2a)의 형상, 크기는 공통적이며, 서로 조합했을 때, 겹쳐지도록 되어 있다.
다음에, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 볼록면 성형틀(5)의 평탄한 성형면(52)과 광 투과성 기판(2)의 수지제 집속 렌즈(4)를 형성하는 평탄면을 겹쳐, 미리 볼록면 성형틀(5)의 오목형 캐비티부(51)에 광 경화성 수지 조성물(6)을 충전하여 볼록면 성형틀(5)과 광 투과성 기판(2a)을 겹치거나, 볼록면 성형틀(5)과 광 투과성 기판(2a)을 겹친 후에, 오목형 캐비티부(51)에 광 경화성 수지 조성물(6)을 충전한다. 그리고, 광 투과성 기판(2a)측 또는 볼록면 성형틀(5)이 유리제이면 볼록면 성형틀(5)측, 또는 이들 양측으로부터 자외선을 조사하여 오목형 캐비티부(51) 내의 광 경화성 수지 조성물(6)을 경화시킨다.
다음에, 도 4(c)에 나타낸 바와 같이, 광 투과성 기판(2a)으로부터 볼록면 성형틀(5)을 분리하여, 광 투과성 기판(2a)의 일면측에 광 경화성 수지 조성물이 경화하여 형성된 다수의 섬형상의 수지제 집속 렌즈(4)가 매트릭스형상으로 배치되어 각각이 광 투과성 기판(2a)에 접합한 다수개 따기 성형판(7)을 얻을 수 있다.
다음에, 이 다수개 따기 성형체(7)의 수지제 집속 렌즈(4)가 형성되어 있는 면이나 그 반대측의 면에 대해 반사 방지막을 형성하도록 해도 된다. 다수개 따기 성형체(7)에 반사 방지막을 형성함으로써, 다수의 유전체 다층막 필터에 대해 동시에 막형성할 수 있게 되어, 막형성 비용을 저감할 수 있다.
다음에, 절단 공정에서, 도 4(c)의 파선으로 나타낸 것 같은 절단선(8)을 따라, 다이싱으로 개개의 수지제 집속 렌즈(4)마다 광 투과성 기판(2a)을 절단함으로써, 다수의 유전체 다층막 필터(1d)를 잘라내어 제작할 수 있다. 이렇게 하여 제조된 유전체 다층막 필터(1d)는, 사변 형상의 광 투과성 기판(2)의 일면측에 원형의 수지제 집속 렌즈(4)가 접합되어 있는 구조를 갖는다.
이러한 유전체 다층막 필터의 제조 방법에 의하면, 유전체 다층막(3)을 대면적의 광 투과성 기판(2a)에 1회의 막형성 공정으로 형성함으로써, 다수의 유전체 다층막 필터에 대해 1회의 막형성 공정으로 형성할 수 있게 되어, 유전체 다층막의 막형성 비용을 저감할 수 있다. 또, 성형 공정에서, 광 투과성 기판(2a)의 표면에 다수의 수지제 집속 렌즈(4)를 1회의 성형으로 형성할 수 있다. 또한, 반사 방지막의 형성도, 대면적의 광 투과성 기판(2a)에 1회의 막형성 공정으로 형성함으로써, 다수의 유전체 다층막 필터에 대해 1회의 막형성 공정으로 형성할 수 있게 되어, 반사 방지막의 막형성 비용을 저감할 수 있다. 또, 절단 공정에서 이들 수지제 집속 렌즈(4)마다 잘라냄으로써, 다수의 유전체 다층막 필터(1)를 간편하게 제조하는 것이 가능하다. 그 때문에, 유전체 다층막 필터(1)를 저 비용으로 제조할 수 있다.
(실시예)
사이즈 1/3.6인치(대각 5mm)의 고체 촬상 소자의 중심에서 2.5mm 떨어진 점에 입사하는 광선에 대해, 거의 같은 양 각을 갖는 유전체 다층막 필터의 비교예의 설계 데이터를 표 1에, 실시예의 설계 데이터를 표 2에 나타낸다. 또, 도 5(a)에 비교예의 렌즈 단면도, 도 5(b)에 실시예의 렌즈 단면도를 나타낸다. 렌즈 단면도에 있어서, Ri(i는 1부터의 정수)로 표시되는 부호는, 입사측으로부터 고체 촬상 소자를 향해 순서대로 렌즈면 번호를 나타내고, di(i는 1부터의 정수)로 표시되는 부호는, 입사측으로부터 고체 촬상 소자를 향해 순서대로 주 광선축에서의 렌즈의 중심 두께 및 렌즈간의 공기 간격(mm)을 나타낸다. 표 1 및 표 2에는, 도 5에 나타낸 렌즈 단면도에서의 각 렌즈면 Ri의 곡률반경 R(mm), 각 렌즈의 중심 두께 및 각 렌즈간의 공기 간격 di(mm), 입사측으로부터 고체 촬상 소자를 향해 순서대로 i번째의 광학 재료의 d선에 대한 굴절률 Nd와 아베수 Vd가 나타내어져 있다. 또, 표 1 및 표 2의 하단에 하기 비구면식에서의 비구면 계수의 k, A4, A6, A8, A10을 나타낸다.
Figure 112005007892016-PAT00001
단, z는 곡면의 좌표값, r은 광축과 직교하는 방향에서의 광축으로부터의 거 리, c는 렌즈 정점에서의 곡률, k, A4, A6, A8, A10은 각각 비구면 계수이다.
Figure 112005007892016-PAT00002
Figure 112005007892016-PAT00003
비교예의 설계에서는, 고체 촬상 소자의 중심으로부터 2.5mm 떨어진 점에 입사하는 광선의 방진 커버 표면에서의 입사각은 19.9°였으나, 실시예의 설계에서는 16.9°여서, 3°입사각을 작게 할 수 있었다. 그 결과, 화상의 색 얼룩을 개선할 수 있었다.
본 발명의 유전체 다층막 필터, 디지털 카메라 등의 고체 촬상 소자에 적외 선이 입사하지 않도록 커트하는 용도에 이용할 수 있다.
본 발명의 유전체 다층막 필터의 제조 방법은, 이러한 유전체 다층막 필터를 저 비용으로 제조하는 용도에 이용할 수 있다.
본 발명의 고체 촬상 소자 디바이스는, 디지털 카메라 등의 광학 기기에서의 광학상을 전기 신호로 변환하는 용도에 이용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 적어도 일면측에 평탄면을 갖는 광 투과성 기판과, 상기 광 투과성 기판의 상기 평탄면에 형성된 특정한 파장의 광을 반사하는 유전체 다층막과, 상기 광 투과성 기판의 적어도 일면측에 접합된 수지제 집속 렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 투과성 기판이, 적어도 1장의 복굴절판을 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 투과성 기판이, 제1 복굴절판과, 제2 복굴절판과, 이들 제1 복굴절판과 제2 복굴절판 사이에 끼워진 1/4 파장판으로서의 고분자 필름을 갖는 광학 로우패스 필터인 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 투과성 기판이, 특정한 파장의 광을 흡수하는 흡수형 필터인 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지제 집속 렌즈의 외면이 비구면인 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 다층막에서의 최대 투과율의 반의 투과율을 나타내는 파장인 반치(半値)가, 650±30nm의 범위인 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수지제 집속 렌즈의 외면이 비구면이고, 또한 상기 유전체 다층막에서의 최대 투과율의 반의 투과율을 나타내는 파장인 반치가, 650±30nm의 범위인 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터.
  8. 일면측 또는 양면에 특정한 파장의 광을 반사하는 유전체 다층막이 형성된 판형상의 광 투과성 기판과, 집속 렌즈의 형상을 전사(轉寫)하는 복수개의 오목형 캐비티부가 형성된 성형면을 갖는 볼록면 성형틀의 상기 성형면을 조합한 하이브리드 렌즈 성형틀의 상기 오목형 캐비티부에 충전된 경화성 조성물을 경화시키는 성형 공정과,
    상기 볼록면 성형틀을 떼어낸 후, 상기 광 투과성 기판의 표면에 형성된 상기 경화성 조성물을 경화하여 형성된 수지제 집속 렌즈마다 상기 광 투과성 기판을 절단하는 절단 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 다층막 필터의 제조 방법.
  9. 개구부를 갖는 패키지와, 상기 패키지 내에 상기 개구부와 대향하여 고정되어 있는 고체 촬상 소자와, 상기 개구부를 폐색하고 있는 광 투과성의 방진 커버를 구비하는 고체 촬상 디바이스에 있어서,
    상기 방진 커버가, 판형상의 광 투과성 기판과, 상기 광 투과성 기판의 적어도 일면측에 형성된 특정한 파장의 광을 반사하는 유전체 다층막과, 상기 광 투과성 기판의 입사측의 면에 접합된 수지제 집속 렌즈를 갖는 유전체 다층막 필터인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 디바이스.
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