KR20100014893A - 위상차판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20100014893A
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모토시 오노
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아사히 가라스 가부시키가이샤
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Abstract

저가격이면서 또한 고내구성, 광대역성을 구비하고, 용이하게 제조할 수 있는 위상차판 및 그 제조 방법을 제공한다.
두께가 0.1 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하인 유리판으로서, 유리판에 레이저광을 집광 조사하면서, 유리판 또는 레이저광을 주사함으로써 주사 방향을 따른 인장 응력 분포를 형성하고, 1 축성 복굴절을 유기함으로써, 파장 540 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 80 ∼ 450 ㎚ 인 위상차판을 제공한다. 또한, 파장 486 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 100 ∼ 150 ㎚ 이며, 또한 파장 656 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 130 ∼ 200 ㎚ 인 위상차판을 제공한다.
위상차판, 유리판, 레이저광, 집광 조사

Description

위상차판 및 그 제조 방법{PHASE DIFFERENCE PLATE AND ITS MANUFACTURING METHOD}
기술분야
본 발명은 위상차판 및 위상차판의 제조 방법에 관한 것이다.
배경기술
광의 위상이나 편광을 제어하기 위해서, 다양한 광학 기기에 사용되는 위상차판에는 복굴절 결정인 수정이나 운모, 1 축 배향시킨 고분자 (액정 등) 가 널리 이용되고 있다. 복굴절 결정인 수정이나 운모를, 예를 들어 직선 편광을 원편광으로 변환하기 위한 1/4 파장판에 사용하는 경우에는, 이들 결정을 결정축에 대하여 평행하게 잘라내고, 위상차가 1/4 파장이 되는 두께로 경면 (鏡面) 연마하여 제조된다. 1 축 배향 고분자의 경우에는, 전기장 (電場) 이나 연신 등의 외력을 가하여 원하는 위상차가 되도록 배향 처리를 하여 제조한다. 일반적으로 고분자계 위상차판의 경우, 고분자의 파장 분산 때문에, 그 복굴절은 단파장일수록 크고 장파장일수록 작아져 이상적인 위상차판과 반대의 복굴절을 갖게 된다. 그것을 해결하기 위해서, 특허 문헌 1 에는, 셀룰로오스에스테르 필름에 있어서 방향족 고리를 적어도 2 개 갖고, 2 개의 방향족 고리의 입체 배좌를 입체 방해하지 않는 분자 구조를 갖는 화합물을 함유하는 기술이 기재되어 있다. 또, 특허 문헌 2, 3 에는, 폴리머에 대하여 액정을 첨가함으로써, 액정 셀의 굴절률 이방성의 온도 변화에 추종하여, 리타데이션이 온도 변화하는 온도 보상 효과에 의한 복굴절의 변화를 억제하는 기술이 기재되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2001-91743호
특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 평8-278410호
특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 평8-190094호
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
그러나, 수정은 결정 육성에 시간과 비용이 소요되고, 또 운모는 천연 재료이므로 수량에 한계가 있다. 따라서 양쪽 모두 재료비 자체가 매우 고가이다. 또 절삭이나 연마와 같은 후공정도 있어 매우 고가가 된다.
또 배향 고분자계 위상차판은 저가로 제조할 수 있다는 장점이 있지만, 고분자를 1 축에 배향시키기 위한 전기장이나 연신 등의 제어가 곤란하여 면내 위상차 분포가 전술한 결정 타입에 비해 크고, 또 열적, 광학적, 화학적 내구성도 떨어진다.
특허 문헌 1 에 기재된 발명에 사용되는 셀룰로오스에스테르 필름에서는, 그 흡수성 때문에 가수 분해, 치수 변형, 배향 완화 등이 발생하여, 위상차 및 그 위상차 파장 분산을 실용 레벨로 장기간 유지할 수 없어, 광학적 위상차판으로서 내구성에 문제가 있다.
또, 특허 문헌 2, 3 에 개시된 발명에서는, 실사용에 견딜 수 있는 내후성을 갖는 위상차판을 얻고자 한 경우, 유리 전이 온도가 매우 높은 한정된 폴리머가 될 가능성이 높다. 또한, 액정 자체의 가격면에 있어서, 위상차판의 원료가 되는 폴리머에 대해 액정이 일반적으로 고가여서, 매우 고가인 것이 되는 등의 문제가 있었다.
이와 같이 저가격성, 고내구성, 광대역성을 구비하는 위상차판은 존재하지 않는 것이 현상황이다. 본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 저가격이면서 또한 고내구성, 광대역성을 구비하고, 용이하게 제조할 수 있는 위상차판 및 그 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명은 두께가 0.1 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하인 유리판으로서, 상기 유리판은, 상기 유리판 표면에 대략 평행한 띠 형상의 복굴절 영역을 복수 갖고, 상기 띠 형상의 복굴절 영역은 상기 띠 형상의 복굴절 영역의 축 방향이 서로 일치하고, 상기 유리판 표면에 대략 평행하게 형성되어 있으며, 또한 파장 540 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 80 ∼ 450 ㎚ 인 위상차판을 제공한다.
또, 본 발명은 파장 486 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 100 ∼ 150 ㎚ 이며, 또한 파장 656 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 130 ∼ 200 ㎚ 인 상기 위상차판을 제공한다.
또, 본 발명은 파장 486 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 200 ∼ 300 ㎚ 이며, 또한 파장 656 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 260 ∼ 400 ㎚ 인 상기 위상차판을 제공한다.
또, 본 발명은 파장 700 ∼ 1200 ㎚ 인 광의 투과율이 20 ％ 이하인 상기 위 상차판을 제공한다.
또, 본 발명은 파장 400 ㎚ 이하인 광의 투과율이 10 ％ 이하인 상기 위상차판을 제공한다.
또, 본 발명은 상기 위상차판을 구비하는 광학 로우패스 필터를 제공한다.
또, 본 발명은 레이저광을 렌즈, 또는 오목면 경 에 의해 유리판 내부 또는 표면에 초점을 맺도록 집광 조사하고, 유리판 또는 레이저광을 주사함으로써 주사 방향을 따른 인장 응력 분포를 형성하여, 1 축성 복굴절을 유기 (誘起) 하는 것을 특징으로 하는 위상차판의 제조 방법을 제공한다.
또, 본 발명은 상기 레이저광의 주사가, 상기 유리판 표면에 대하여 평행 직선인 위상차판의 제조 방법을 제공한다.
또, 본 발명은 상기 레이저광의 주사를, 유리판 표면으로부터의 초점 깊이 위치를 변화시키지 않고 복수회 반복하는 위상차판의 제조 방법을 제공한다.
또, 본 발명은 상기 레이저광 주사에 있어서의 상기 유리판 표면으로부터의 초점 깊이 위치가, 복수 존재하는 위상차판의 제조 방법을 제공한다.
또, 본 발명은 상기 레이저광이 빔 분지 소자에 의해 복수 빔으로 분지되어, 유리에 조사되는 위상차판의 제조 방법을 제공한다.
또, 본 발명은 상기 레이저광이, 파장이 190 ∼ 1100 ㎚, 펄스 폭이 1 ㎱ 이상 10 ㎳ 이하, 반복 주파수가 f 인 레이저광으로서, 상기 유리판에 대한 조사 플루언스를 F (J/㎠), 레이저 집광 직경을 d (㎝), 주사 속도를 s (㎝/s) 로 하여, 조사 플루언스 F 와 상기 레이저 집광 직경 내의 레이저 조사 횟수 d·f/s 의 곱인 F·d·f/s 가 76000 J/㎠ 이하인 위상차판의 제조 방법을 제공한다.
또, 본 발명은 상기 레이저광이, 연속 발진된 탄산 가스 레이저광으로서, 상기 유리판에 대한 조사 파워 밀도를 PD (W/㎠), 레이저 집광 직경을 d (㎝), 주사 속도를 s (㎝/s) 로 하여, 조사 파워 밀도 PD 와 상기 레이저 집광 직경 통과 시간 d/s 의 곱인 PD·d/s 가 120 ∼ 200 J/㎠ 이하인 위상차판의 제조 방법을 제공한다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 저가격, 고내구성, 광대역성을 구비하는 위상차판 및 위상차판 제조 방법을 실현할 수 있게 된다. 또, 다른 광기능을 갖는 유리 부품에 위상차판 기능을 부여할 수 있게 되어, 광학 부품 점수의 삭감이나 컴팩트화에 공헌한다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 본 발명의 위상차판 제조 방법의 일례를 나타내는 개념도.
도 2 는 본 발명의 위상차판의 일례를 나타내는 개념도.
도 3 은 본 발명의 위상차판 제조 방법의 다른 일례를 나타내는 개념도.
도 4 는 본 발명의 위상차판의 다른 일례를 나타내는 개념도.
도 5 는 본 발명의 실시예 2 및 3 에 있어서의, 조사 파워 밀도 × 조사 직경 통과 시간과 리타데이션의 관계를 나타내는 도면.
도 6 은 본 발명의 위상차판 제조 방법의 다른 일례를 나타내는 개념도.
도 7 은 본 발명의 레이저 조사부 적층수와 리타데이션값의 관계를 나타내는 도면.
도 8 은 본 발명의 실시예 5 에 있어서의, 편광 변환 기능을 나타내는 도면.
도 9 는 본 발명의 레이저 출력과 주사 속도와 리타데이션값의 관계를 나타내는 도면.
부호의 설명
1 : 유리판
2 : 레이저광
3 : 렌즈
4 : 레이저광 주사 영역
5 : 빔 분지 소자
10 : 레이저광 주사 영역 주위의 복굴절 영역
11 : 원통 렌즈 (실린드리컬 렌즈)
12 : 라인 빔
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명의 위상차판은 두께가 0.1 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하인 유리판으로 형성된다. 유리판의 두께가 5 ㎜ 초과이면, 광학 부품의 소형화가 도모되지 않을 우려가 있고, 2 ㎜ 이하의 두께가 광학 부품의 소형화 면에서 바람직하다. 0.1 ㎜ 미만이면 위상차판으로서 충분한 강도를 유지할 수 없을 우려가 있다. 강도 유지의 면에서는, 유리판의 두께는 0.3 ㎜ 이상이 바람직하다.
본 발명은 파장 540 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 80 ∼ 450 ㎚, 바람직하게는 134 ∼ 271 ㎚ 인 위상차판을 제공한다. 파장 540 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 80 ∼ 450 ㎚ 이면, CCD 등의 고체 촬상 소자로의 입사광에 대해서나, 액정 프로젝터나 CD, DVD 의 픽업 소자 등의 광원광에 대하여, 다양한 위상차를 갖는 위상차판을 구성할 수 있게 된다.
또한, 파장 486 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 100 ∼ 150 ㎚ 이며, 또한 파장 656 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 130 ∼ 200 ㎚ 인 상기 위상차판이면, 가시광 전역에서 1/4 파장판으로서의 기능을 가져, CCD 등의 고체 촬상 소자나 액정 프로젝터, CD, DVD 의 픽업 소자에 필요한 광학 부품의 1/4 파장판으로서 사용할 수 있다.
이상적인 1/4 파장판으로는, 파장 486 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 121.5 ㎚ 이며, 또한 파장 656 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 164 ㎚ 인데, 통상적인 물질은 정상 분산성을 갖기 때문에, 굴절률은 단파장일수록 커져 결과적으로 리타데이션값은 단파장일수록 커진다. 유리의 경우, 종래의 고분자 등의 유기물을 사용한 경우와 달리, 굴절률의 파장 분산은 비교적 작다. 따라서, 유리를 사용한 경우, 전술한 파장 486 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 100 ∼ 150 ㎚ 이며, 또한 파장 656 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 130 ∼ 200 ㎚ 인 범위 내로 수렴시킬 수 있게 된다. 그 때문에, 유리를 사용한 경우에는, 고분자 등의 유기물을 사용한 경우와 비교하여, 넓은 대역에서 원하는 리타데이션값이 얻어진다. 이 범위 내의 리타데이션값이면, 가시광 전역을 대상으로 한 CCD 등에 사용되는 1/4 파장판으로서 필요한 기능을 충분히 갖는 다.
또, 파장 486 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 200 ∼ 300 ㎚ 이며, 또한 파장 656 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 260 ∼ 400 ㎚ 인 상기 위상차판이면, 1/2 파장판으로서의 충분한 기능을 가져, 액정 프로젝터, CD, DVD 의 픽업 소자에 불가결한 광학 부품인 1/2 파장판으로서 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 위상차판은 파장 700 ∼ 1200 ㎚ 인 광의 투과율이 20 ％ 이하, 바람직하게는 10 ％ 이하인 근적외선 컷 필터 기능을 가질 수 있다. 이와 같은 파장 특성을 갖는 위상차판을 사용하면, CCD 등의 고체 촬상 소자에 대한 입사광에 대하여 색조 등의 화질 저하의 원인이 되는 근적외선의 영향을 배제할 수 있다. 위상차판에 근적외 컷 필터 기능을 구비하고 있으면, 광학적 로우패스 필터의 부품 점수 삭감, 저가격화가 가능해진다.
파장 700 ∼ 1200 ㎚ 인 광의 투과율이 20 ％ 이하인 근적외선 컷 필터 기능은, 이와 같은 파장의 근적외선을 반사하는 금속막을 형성하거나, 근적외선을 흡수하는 금속 이온을 유리 중에 함유시키는 것 등에 의해 얻어진다.
근적외선을 반사하는 금속막의 조성으로는 은 등을 사용할 수 있다. 금속막을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 물리 증착법이나 화학 증착법 등의 드라이 코팅을 이용할 수 있다. 여기에서 물리 증착법 (PVD) 이란, 증착법 (진공 증착법, 전자 빔 증착법, 이온 빔 증착법), 이온 플레이팅법, 스퍼터링법 등이다. 스퍼터링법으로는, DC 스퍼터링법, RF 스퍼터링법, 마그네트론 스퍼터링법, ECR 스퍼터링법 및 이온 빔 스퍼터링법 (레이저 어블레이션법) 등을 들 수 있 다. 또, 화학 증착법 (CVD) 이란, 열 CVD, 플라스마 CVD, 광 CVD 등이다.
이와 같은 것 중에서도, 증착법에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 또, 스퍼터링법 및 이온 플레이팅법은 고정밀도로 층 두께를 제어할 수 있는 점에서 바람직하다.
유리 중에 함유시키고, 근적외선을 흡수하는 금속 이온으로는, 구리 이온이나 철 이온을 사용할 수 있다. 사용 가능한 유리의 종류로는 특별히 한정되지 않고, 소다라임 유리, 붕규산 유리나 불인산 유리 등을 들 수 있다. 이와 같은 근적외선을 흡수하는 금속 이온 함유 유리로는, 철 이온 함유 소다라임 유리나 구리 이온 함유 불인산 유리 등을 들 수 있다.
이와 같은 조성의 유리판에 레이저광을 주사함으로써, 상기와 같은 근적외선을 컷하는 기능을 일체화한 위상차판을 제조할 수 있다.
또, 본 발명의 위상차판은 파장 400 ㎚ 이하인 광의 투과율이 10 ％ 이하, 바람직하게는 5 ％ 이하인 자외선 컷 필터 기능을 구비하는 것이, 역시 색조 등의 화질 저하의 면에서 바람직하다. 자외선 컷 필터로는 유리 표면에 유전체 다층막 등을 형성한 것 등을 들 수 있다.
이하 도면을 이용하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명의 위상차판 제조 방법의 일례를 나타내는 개념도이다. 유리판 (1) 내부에 초점을 맺을 수 있는 레이저광 (2) 을 렌즈 (3) 에 의해 집광 조사하고, 그 초점 깊이 위치는 변화시키지 않고, 유리판 (1) 을 앞에서 안쪽인 Y 방향으로 직선 주사시킨다. 그 결과, 유리판 (1) 내부에 레이저광 (2) 이 직선 적으로 조사된 띠 형상 부분 (4) 에는, 주사 방향과 동일 방향으로 인장 응력이 발생하여 주축 (이방성축) 을 갖는 띠 형상의 복굴절 영역이 레이저 조사 영역 (4) 의 내부 및 레이저 조사 영역 (4) 의 주위 (10) 에 형성된다.
본 발명의 실시형태에서는, 상기와 같이 유리판 (1) 자체를 주사해도 되지만, 이것과는 반대로, 유리판 (1) 을 고정시키고 레이저광 (2) 을 직선적으로 주사해도 된다.
도 2 는, 유리판 (1) 의 표면으로부터 대략 평행한 위치에, 띠 형상의 복굴절 영역을 복수 갖는 위상차판 형태의 일례를 나타내는 개념도이다. 도 1 에 의한 위상차판의 제조 방법에 있어서, 유리판 (1) 을 Y 방향으로 직선 주사시킨 후, 레이저광의 조사에 의해 형성된 복굴절 영역 (10) 이, 다음의 레이저광의 조사에 의해 형성되는 복굴절 영역 (10) 과 겹치지 않는 거리만큼, 유리판 (1) 을 이동시킨다. 그 후, 다시 Y 방향으로 유리판 (1) 을 직선적으로 주사시킨다. 이 조작을 복수회 반복함으로써, 유리판 (1) 의 표면으로부터 대략 평행한 위치에 복수의 띠 형상의 복굴절 영역을 갖는 위상차판이 얻어진다.
도 3 은 빔 분지 소자 (5) 에 의해 레이저광 (2) 을 복수 빔으로 분지시킨 빔으로 한번에 대면적의 위상차판을 제조하는 방법의 일례를 나타내는 개념도이다. 도 3 에서는, 레이저광 (2) 은 빔 분지 소자 (5) 에 의해 3 개의 레이저광으로 분지되고, 렌즈 (3) 에 의해 집광 조사되어, 그 초점 깊이 위치는 변화시키지 않고, 도 1 과 마찬가지로 유리판 (1) 을 앞에서 안쪽인 Y 방향으로 직선적으로 주사시킨다. 그 때문에, 유리판 (1) 내부에는, 동시에 3 개의 직선적으로 레이저 조사된 띠 형상 부분 (4) 을 형성할 수 있게 된다. 그 결과 유리판 (1) 또는 레이저광의 주사 방향과 동일 방향으로 인장 응력이 발생하여, 주축 (이방성축) 을 갖는 띠 형상의 복굴절 영역이, 레이저 조사 영역 (4) 의 내부 및 주위에 3 개 동시에 형성된다. 도 3 의 위상차판의 제조 방법에 의해 얻어지는 위상차판의 형태는, 기본적으로 도 2 와 동일하다.
도 4 는 유리판 (1) 의 두께 방향 (Z 방향) 에, 보다 큰 리타데이션을 갖는 위상차판을 제조하는 경우의 위상차판 제조 방법의 일례를 나타내는 개념도이다. 유리판 (1) 의 두께 방향 내에 층 형상으로 복수의 복굴절 영역을 형성함으로써 리타데이션값을 증가시켰다.
본 형태는 도 1 ∼ 3 에 의한 제조 방법에 있어서, 레이저광 (2) 의 초점 깊이 위치를 바꾸어, 유리판 (1) 을 앞에서 안쪽인 Y 방향으로 직선적으로 주사시키거나, 또는 유리판 (1) 을 고정시켜 레이저광을 직선적으로 주사시킴으로써 용이하게 실현할 수 있다. 이 경우, 유리판 (1) 의 깊은 층으로부터 복굴절 영역을 형성하는 것이 집광 빔의 수차의 관점에서 바람직하다. 또, 띠 형상의 복수의 복굴절 유기 영역은, 도 4 에 나타낸 유리판의 두께 방향과 겹치지 않는 것이 바람직하다. 복굴절 유기 영역이 유리판의 두께 방향과 겹치면, 토탈 복굴절량이 줄무늬 형상이 되어, 균일화되지 않기 때문이다. 리타데이션이 위상차판으로서 원하는 값이면, 층 형상으로 형성되는 복수의 복굴절 유기 영역은, 유리판의 두께 방향으로 연속하고 있어도 되고, 각각의 복굴절 영역이 유리판의 두께 방향으로 이격되어 존재하고 있어도 된다.
도 6 은 본 발명의 위상차판 제조 방법의 다른 일례를 나타내는 개념도이다. 유리판 (1) 내부에 초점을 맺을 수 있는 레이저광 (2) 을 원통 렌즈 (실린드리컬 렌즈 ; 11) 에 의해 집광 조사하여 유리 내부에 라인 빔 (12) 을 형성한다. 그 라인 빔의 깊이 위치는 변화시키지 않고, 유리판 (1) 을 라인 빔 (12) 의 길이 방향과 수직인 방향으로 직선 주사시킨다. 그 결과, 유리판 (1) 내부에 레이저광 (2) 이 직선적으로 주사된 평판 형상 부분 (4) 에는, 주사 방향과 동일 방향에 인장 응력이 발생하여 주축 (이방성축) 을 갖는 평판 형상의 복굴절 영역이 형성된다.
원통 렌즈를 이용하여, 높은 레이저 빔 출력에 의해 고속으로 주사함으로써, 높은 리타데이션을 갖는 복굴절 영역을 1 회의 주사로 얻을 수 있게 되어, 효율적으로 1/4 파장판 등의 위상차판을 제조할 수 있게 된다.
또, 탄산 가스 레이저와 같이 유리에 의한 흡수가 매우 큰 레이저광은, 유리판에 탄산 가스 레이저를 조사하면, 유리판 표면에서 레이저광이 흡수되어 유리판 표면에 리타데이션이 발생한다. 탄산 가스 레이저를 유리판 일방의 표면으로부터만 조사하여 얻어지는 리타데이션보다 높은 리타데이션을 얻기 위해서는, 추가로 유리판의 일방의 표면과 대향하는 면으로부터 탄산 가스 레이저를 조사하면 된다.
레이저 조사시부터 조사 후에 이르기까지, 유리를 냉각시키면 인장 응력 값이 증대되어, 결과적으로 유기되는 복굴절량이 많아져 더욱 위상차가 큰 위상차판을 제조할 수 있다. 냉각의 방법으로는, 송풍이나 유리 홀더 자체를 펠티에 소자 등으로 냉각시키는 방법을 들 수 있다.
본 발명에서 사용하는 유리판에는, 소다라임 유리나 붕규산 유리, 실리카 유리 등을 사용할 수 있는데, 사용하는 레이저 파장에 있어서의 흡수 계수를 높이기 위해서 천이 금속을 소량 도프한 유리이어도 상관 없다. 또, 유리 자체가 근적외선을 컷하는 등 특유의 기능을 갖는 유리이어도 된다.
본 발명에서 사용하는 레이저로는, 유리판 내부에 초점을 맺을 수 있는 레이저 및 유리의 흡수율이 높은 레이저를 사용할 수 있다.
유리판 내부에 초점을 맺을 수 있는 레이저를 사용하는 경우에는, 파장이 190 ∼ 1100 ㎚, 펄스 폭이 1 ㎱ 이상 10 ㎳ 이하, 반복 주파수가 f 인 레이저광으로서, 유리판에 대한 조사 플루언스를 F (J/㎠), 레이저 집광 직경을 d (㎝), 주사 속도를 s (㎝/s) 로 하여, 조사 플루언스 F 와 레이저 집광 직경 내의 레이저 조사 횟수 d·f/s 의 곱인 F·d·f/s 가 76000 J/㎠ 이하, 바람직하게는 50000 J/㎠ 이하가 될 필요가 있다. 여기에서, 조사 플루언스는 단위 면적당 1 펄스의 조사 에너지이며, 단위 면적의 평균 출력을 반복 주파수로 나눈 수치이다. 또, 레이저 집광 직경 내의 레이저 조사 횟수 d·f/s 는, 레이저가 그 집광 직경만큼의 거리를 이동하는 사이에 몇 회 펄스가 조사되었는지를 나타내고 있다. 이 수치에 상기 서술한 조사 플루언스를 곱함으로써, 주사하면서 레이저광을 조사한 경우의 레이저 집광부의 단위 면적당 조사되는 전체 에너지가 된다.
파장이 190 ㎚ 미만이면 광학 부품의 흡수가 커, 특수한 레이저 조사 광학계가 필요해져 바람직하지 않다. 또, 1100 ㎚ 초과이면 고출력의 단 (短) 펄스 레이저가 존재하지 않기 때문에, 파장이 190 ∼ 1100 ㎚ 인 레이저가 사용된다. 펄스 폭이 1 ㎱ 미만이면 조사 에너지가 열 확산이 일어나기 전에 레이저 조사가 정지하기 때문에, 열가공이 곤란하며 응력 부여가 불가능한 점에서 사용하기 어렵다. 한편, 펄스 폭이 10 ㎳ 이상이면, 펄스의 피크 파워 (첨두값) 가 낮아져, 유리에 대한 충분한 열에너지를 부여할 수 없어 열가공이 곤란하다. 유리판에 대한 조사 플루언스 F 와 조사 직경 내의 조사 횟수 d·f/s 의 곱이 76000 J/㎠ 초과이면 크랙 발생의 면에서 사용하기 어렵다. 조사 플루언스 F 와 조사 직경 내의 조사 횟수 d·f/s 의 곱이 지나치게 작으면 복굴절 영역이 잘 발생하지 않기 때문에, 조사 플루언스 F 와 조사 직경 내의 조사 횟수 d·f/s 의 곱은 바람직하게는 2000 J/㎠ 이상, 특히 5000 J/㎠ 이상이 바람직하다.
상기와 같은 유리판 내부에 초점을 맺을 수 있는 레이저로는 엑시머 레이저 (KrF : 파장 248 ㎚, ArF : 파장 193 ㎚) 가 바람직한데, 유리의 흡수율이 낮은 파장을 갖는 YAG 레이저 기본파 (파장 1064 ㎚) 나 YAG 레이저의 2 배파 (파장 532 ㎚), YAG 레이저의 3 배파 (파장 355 ㎚), 티탄사파이어 레이저 (파장 800 ㎚) 등도 충분히 사용할 수 있다. 상기 레이저는 펄스 발진된 것인 편이 피크 파워가 커 바람직한데, 연속 발진 (CW) 된 것도 사용할 수 있다.
또, 유리의 흡수율이 높은 파장을 갖는 탄산 가스 레이저 (파장 10.6 ㎛) 도 사용할 수 있다. 탄산 가스 레이저광의 유리판에 대한 조사 파워 밀도를 PD (W/㎠), 레이저 집광 직경을 d (㎝), 주사 속도를 s (㎝/s) 로 하여, 조사 파워 밀도 PD 와 레이저 집광 직경 통과 시간 d/s 의 곱은 200 J/㎠ 이하, 바람직하게는 190 J/㎠ 이하이다. 200 J/㎠ 를 초과하면 유리판에 균열 등이 발생하기 때문 이다.
또, 탄산 가스 레이저의 경우, 유리에 의한 흡수가 크기 때문에 복굴절 영역은 유리 표면에 한정된다. 그래서, 도 4 에 나타내는 복굴절 형성 영역의 다층화는 유리판의 일방의 표면과 대향하는 면의 2 층밖에 형성할 수 없다. 따라서, 유리판의 표면과 대향하는 면의 2 층에서 80 ㎚ 의 리타데이션을 얻기 위해서는, 1 층당 40 ㎚ 의 리타데이션을 형성할 필요가 있다. 이를 위해서는, 조사 파워 밀도 × 조사 직경 통과 시간과 리타데이션의 관계를 나타내는 도 5 로부터 조사 파워 밀도 PD 와 레이저 집광 직경 통과 시간 d/s 의 곱으로서 필요한 수치는, 120 J/㎠ 이상이 되는 것을 알 수 있다. 여기에서, 조사 파워 밀도는 단위 면적당 조사 파워로서, 평균 출력을 조사 면적으로 나눈 수치이다. 또, 레이저 집광 직경 통과 시간 d/s 는, 레이저가 그 집광 직경만큼의 거리를 이동하는 시간을 나타내고 있고, 이 값에 상기 서술한 조사 파워 밀도를 곱함으로써, 주사하면서 조사한 경우의 레이저 집광부의 단위 면적당 전체 조사 에너지가 된다.
본 발명의 광학 로우패스 필터는, 위상차판, 복굴절판, 적외선 차단층이나 자외선 차단층으로 이루어지는 것이다. 본 발명의 광학 로우패스 필터는, 위상차판에 의한 직선 편광을 원편광으로 변환하는 기능, 복굴절판에 의한 피사체 이미지를 수직 방향 및 수평 방향으로 분리시키는 기능, 색 무아레의 억제, 적외선 차단층에 의한 적색 흐려짐의 억제 등의 기능 등을 갖고, CCD 등의 촬상 소자의 전면 (前面) 에 구비되는 것이다. 본 발명의 위상차판을 이용하여 광학 로우패스 필터를 제조하기 위해서는, 레이저를 조사하고, 리타데이션값이 1/4 파장이 되도록 제조한 유리판에, 적외선 차단층이나 자외선 차단층을 적층시키고, 추가로 양면에 수정 복굴절판을 적층시킴으로써 제조할 수 있다.
또는, 구리 이온이나 철 이온을 함유시킨 유리에 레이저 조사하고, 리타데이션값이 1/4 파장이 되도록 제조한 것의 양면에 수정 복굴절판을 적층시킴으로써도 제조할 수 있다.
본 발명의 제조법에 의해 위상차판 (1/4 파장판) 을 형성하면, 통상적인 광 학 로우패스 필터 구성에서 사용되는 수정 1/4 파장판, 근적외 컷 필터, 자외선 컷 필터를 1 장으로 구성할 수 있으므로, 광학 로우패스 필터를 박형화할 수 있어 바람직하다.
실시예
이하에 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위해서 실시예를 나타낸다. 예 1, 2, 4 및 5 는 실시예, 예 3 은 비교예이다. 본 발명의 해석은 이들 예에 의해 전혀 제한되지 않는다.
(예 1)
두께 1 ㎜ 의 소다라임 유리판에 펄스 YAG 레이저의 3 배파 (파장 355 ㎚, 펄스 폭 25 ㎱) 를 약 Φ 1 ㎛ 로 집광 조사하고, 주사 속도 5 ㎜/s 로, 집광 렌즈는 NA 0.42 의 대물 렌즈를 사용하여, 유리판 표면으로부터 200 ㎛ 내부에 초점을 맺은 상태에서, 유리판을 직선 형상으로 주사하여 복굴절을 유기 (誘起) 하였다. 그 후에, 조금 전 조사한 부분의 상부 100 ㎛ 에 초점을 맺은 상태에서, 전술한 것과 동일 조건으로 YAG 3 배파 레이저를 조사하였다. 사용한 YAG 레이저는 코 히렌트사 제조 AVIA-X 로 평균 출력 1 W, 반복 주파수 80 KHz 로 사용하였다. 오지 계측 기기사 제조 복굴절계 (KOBRA-CCD) 를 이용하여, 레이저 조사부의 리타데이션을 파장 540 ㎚ 의 입사광으로 측정하면, 레이저 조사부를 따라 폭 약 100 ㎛ 의 영역에 약 100 ㎚ 의 리타데이션이 유기된 것을 확인하였다. 또 크로스 니콜 관찰로부터, 그 주축 (이방성축) 의 방향은 유리판의 주사 방향과 동일 방향인 것이 확인되었다.
(예 2)
두께 3 ㎜ 의 소다라임 유리판 표면에 CW 발진되어 있는 탄산 가스 레이저 (파장 10.6 ㎛) 를 초점 거리 100 ㎜ 의 렌즈에 의해 Φ 300 ㎛ 의 스폿에 집광 조사하고, 주사 속도 8 ㎜/s 로 유리판을 직선 형상으로 주사하여 복굴절을 유기하였다. 레이저의 평균 출력을 2 W 부터 0.5 W 씩 늘려 가 조사부의 리타데이션을 세나르몽법으로 측정하였다. 그 결과, 레이저 출력과 함께 리타데이션값이 증가하여, 3.5 W 로 조사했을 때에 최대 108 ㎚ 의 리타데이션값을 얻었다. 조사 파워 밀도 × 조사 직경 통과 시간과 리타데이션의 관계를 도 5 에 나타낸다.
또, 3.5 W 의 평균 출력으로, 유리판 표면에 레이저 조사한 후, 유리판의 이면에도 표면에 조사한 장소와 겹치도록 3.5 W 로 레이저 조사한 결과, 편측 조사일 때에 비해 약 2 배인 200 ㎚ 의 리타데이션값을 얻을 수 있었다. 이 때의 조사 파워 밀도 × 조사 직경 통과 시간은 185.8 J/㎠ 이었다.
유기되는 복굴절은 레이저광의 평균 출력 및 주사 속도, 주사 방향을 제어 함으로써, 그 주축의 방향이나 리타데이션값을 제어할 수 있다. 그 결과, 임의 의 방향에 임의의 리타데이션값을 갖는 위상차판을 제조할 수 있다. 이와 같이 유리판에 간단히 원하는 주축 방향, 원하는 위상차를 부여할 수 있고, 본 발명의 위상차판은 유리에 레이저 조사만 했을 뿐이므로, 다른 어떠한 위상차판보다 저가격이며 고내구성이다.
(예 3)
예 2 와 마찬가지로, CW 발진되어 있는 탄산 가스 레이저를 평균 출력 4 W 이상으로 조사하면, 유리판에 균열이 발생하였다. 이 때의 조사 파워 밀도 × 조사 직경 통과 시간은 212.3 J/㎠ 이었다.
(예 4)
두께 3 ㎜ 의 소다라임 유리 내부에 펄스 YAG 레이저의 3 배파 (파장 355 ㎚, 펄스 폭 25 ㎱) 를 NA 0.42 의 대물 렌즈에 의해 집광 조사하고, 레이저 출력 2 W, 반복 주파수 80 KHz, 주사 속도 10 ㎜/s 로 직선적으로 주사하여 복굴절을 유기하였다. 레이저광을 두께 방향으로 100 ㎛ 간격으로 조사 (적층) 한 것을 제조하여, 적층수와 리타데이션값의 관계를 측정하였다. 그 결과, 적층수와 리타데이션값 사이에 비례 관계가 있어, 적층수를 증가시킴으로써 리타데이션값을 증가시킬 수 있어 λ/2 판도 제조할 수 있는 것을 알 수 있다. 적층수와 리타데이션값의 관계를 도 7 에 나타낸다.
예 1 에서는 레이저 출력 1 W, 주사 속도 5 ㎜/s 로 복굴절을 유기하였으므로, 여러번 주사를 하지 않으면 약 100 ㎚ 의 리타데이션을 갖는 1/4 파장판을 제조할 수 없었다. 그러나, 레이저 출력 2 W, 주사 속도 10 ㎜/s 라는 조건을 이 용함으로써 주사 횟수를 감소시킬 수 있게 되어, 효율적으로 1/4 파장판 및 1/2 파장판을 제조할 수 있었다. 레이저 출력과 주사 속도를 증가시켜 간 경우의 리타데이션값의 증가의 모습을 도 9 에 나타낸다. 도 9 로부터 레이저 출력과 주사 속도를 높임으로써 리타데이션값을 간단히 증가시킬 수 있어, 예를 들어 출력 4 W 인 레이저광을 집광하여 40 ㎜/s 로 주사하면, 단층 (單層) (1 주사) 으로 약 100 ㎚ 이상의 리타데이션을 유기할 수 있어, 단층으로 1/4 파장판을 제조할 수 있는 것을 알 수 있다.
(예 5)
두께 3 ㎜ 의 소다라임 유리 내부에 펄스 YAG 레이저의 3 배파 (파장 355 ㎚, 펄스 폭 25 ㎱) 를 NA 0.42 의 대물 렌즈에 의해 집광 조사하고, 레이저 출력 2 W, 반복 주파수 80 KHz, 주사 속도 10 ㎜/s 로 직선적으로 주사하여 복굴절을 유기하였다. 레이저광을 동일 깊이 위치 내에서 3 ㎜ 주사하는 것을 40 ㎛ 간격으로 100 회 실시한 것을, 깊이 방향으로 100 ㎛ 간격으로 4 회 실시하였다. 그 결과, 3 ㎜ × 3 ㎜ 영역에 116 ㎚ 의 리타데이션을 균일하게 유기할 수 있었다. 이와 같이 하여 제조된 위상차판에, 그 위상차판의 주축 방향에 대하여 동일 방향과 45 도 기울어진 파장 488 ㎚ 의 직선 편광을 입사시키고, 출사부에 편광자를 배치하여 투과광 강도를, 편광자를 회전시켜 모니터하였다. 그 결과를 도 8 에 나타낸다.
파선이 위상차판의 주축 방향과 동일 방향의 편광을 입사시킨 경우이고, 실선이 위상차판의 주축 방향과 45 도 기울어진 편광을 입사시킨 경우이다. 45 기울인 경우, 도 8 에 나타내는 바와 같이 편광자의 회전각에 의존하지 않고 투과광 강도가 거의 일정하고, 위상차판은 1/4 파장판의 기능을 가져 직선 편광이 원 편광으로 변환된 것을 알 수 있다.
산업상 이용가능성
본 발명은 위상차판 (파장판) 은 물론, 위상 마스크, 액정 프로젝터에 사용되는 편광 변환 소자, 고체 촬상 소자에 사용되는 광학적 로우패스 필터, 광 픽업 소자, 아이솔레이터 등의 광학 부품으로서 이용할 수 있다.
또한, 2007년 4월 9일에 출원된 일본 특허 출원 2007-101982호에 기재된 명세서, 특허 청구의 범위, 도면 및 요약서의 전체 내용을 여기에 인용하여, 본 발명의 명세서의 개시로서 도입한다.

Claims (13)

  1. 두께가 0.1 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하인 유리판으로서, 상기 유리판은, 상기 유리판 표면에 대략 평행한 띠 형상의 복굴절 영역을 복수 갖고, 상기 띠 형상의 복굴절 영역은 상기 띠 형상의 복굴절 영역의 축 방향이 서로 일치하고, 상기 유리판 표면에 대략 평행하게 형성되어 있으며, 또한 파장 540 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 80 ∼ 450 ㎚ 인 것을 특징으로 하는 위상차판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    파장 486 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 100 ∼ 150 ㎚ 이며, 또한 파장 656 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 130 ∼ 200 ㎚ 인, 위상차판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    파장 486 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 200 ∼ 300 ㎚ 이며, 또한 파장 656 ㎚ 의 입사광으로 측정한 리타데이션값이 260 ∼ 400 ㎚ 인, 위상차판.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    파장 700 ∼ 1200 ㎚ 인 광의 투과율이 20 ％ 이하인, 위상차판.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    파장 400 ㎚ 이하인 광의 투과율이 10 ％ 이하인, 위상차판.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 위상차판을 구비하는, 광학 로우패스 필터.
  7. 레이저광을 렌즈, 또는 오목면경에 의해 유리판 내부 또는 표면에 초점을 맺도록 집광 조사하고, 유리판 또는 레이저광을 주사함으로써 복굴절 영역을 형성하여, 1 축성 복굴절을 유기하는 것을 특징으로 하는 위상차판의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저광의 주사가 직선적이고, 상기 유리판 표면에 대하여 평행인, 위상차판의 제조 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 레이저광의 주사를, 유리판 표면으로부터의 초점 깊이 위치를 변화시키지 않고 복수회 반복하는, 위상차판의 제조 방법.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 레이저광의 주사를 복수회 반복함과 함께, 각각의 주사에 있어서, 상기 유리판 표면으로부터의 초점 깊이 위치를 변화시키는 공정을 포함하는, 위상차판의 제조 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광을, 빔 분지 소자에 의해 복수 빔으로 분지하여, 유리에 조사되는, 위상차판의 제조 방법.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광은, 파장이 190 ∼ 1100 ㎚, 펄스 폭이 1 ㎱ 이상 10 ㎳ 이하, 반복 주파수가 f 인 레이저광으로서, 상기 유리판에 대한 조사 플루언스를 F (J/㎠), 레이저 집광 직경을 d (㎝), 주사 속도를 s (㎝/s) 로 하여, 조사 플루언스 F 와 상기 레이저 집광 직경 내의 레이저 조사 횟수 d·f/s 의 곱인 F·d·f/s 가 76000 J/㎠ 이하인, 위상차판의 제조 방법.
  13. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저광은, 연속 발진된 탄산 가스 레이저광으로서, 상기 유리판에 대한 조사 파워 밀도를 PD (W/㎠), 레이저 집광 직경을 d (㎝), 주사 속도를 s (㎝/s) 로 하여, 조사 파워 밀도 PD 와 상기 레이저 집광 직경 통과 시간 d/s 의 곱인 PD·d/s 가 120 ∼ 200 J/㎠ 인, 위상차판의 제조 방법.
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