(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面研磨により算術平均粗さ（Ｒａ）が０．９ｎｍ以下でかつ二乗平均粗さ（Ｒｍｓ）が１．５ｎｍ以下の表面粗さとされた視感度補正ガラスおよび透明板ガラスから選択される材料から成る画像装置に使用される光学デバイス用基板の少なくとも一面に、光学的機能を有する多層膜が形成されていることを特徴とする、ＣＣＤ撮像装置に組み込んだとき画像に曇りの生じない光透過型光学デバイス。
【請求項２】
前記光学的機能を有する多層膜が、高い屈折率を有する誘電体の薄膜と低い屈折率を有する誘電体の薄膜とを交互に積層した多層膜であることを特徴とする請求項1記載のＣＣＤ撮像装置に組み込んだとき画像に曇りの生じない光透過型光学デバイス。
【請求項３】
前記光学的機能を有する膜が、反射防止膜または選択波長透過膜またはこれらを組み合わせた膜であることを特徴とする請求項１又は２記載のＣＣＤ撮像装置に組み込んだとき画像に曇りの生じない光透過型光学デバイス。
【請求項４】
前記光学的機能膜を有する膜が、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、ニ酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）およびこれらの物質のうちの２種以上からなる混合物、からなる群から選択される２種以上の薄膜が積層された膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項記載のＣＣＤ撮像装置に組み込んだとき画像に曇りの生じない光透過型光学デバイス。
【請求項５】
ガラス素材をガラス基板に成形する成形工程と、前記ガラス基板の表面を研磨する研磨工程と、前記ガラス基板の研磨された面上に、光学的機能を有する多層膜を形成する工程とを有し、前記研磨工程において、単位面積当たりの荷重を３０〜１５０ｇ／ｃｍ２としかつ定盤回転数を３０〜９０ｒｐｍとして研磨加工を行い、前記ガラス基板の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．９ｎｍ以下とし、かつ二乗平均粗さ（Ｒｍｓ）を１．５ｎｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のＣＣＤ撮像装置に組み込んだとき画像に曇りの生じない光透過型光学デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤ撮像装置やプロジェクタ装置などの画像装置に用いられる光学フィルタのような光学デバイスとその製造方法、および光学デバイスに好適する基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＣＤ撮像装置やプロジェクタ装置などの画像装置において、解像度が著しく高められている。従来から、ＣＣＤ撮像装置では、ＣＣＤ素子の感度を人間の目と同じ感度にする目的で、光学系に視感度補正ガラスが使用されているが、さらに視感度を自然に近づけ色再現性を高める目的で、視感度補正ガラスに近赤外線をカットする多層膜が設けられている。また、装置の薄型化のため、視感度補正ガラスを用いず、水晶のローパスフィルターに近赤外線をカットする多層膜を設けることも行われている。
【０００３】
プロジェクタ装置、特に液晶プロジェクタでは、光学多層膜を使用したＲＧＢダイクロイックフィルタやビームスピリッタ、あるいは液晶用防塵ガラスに反射防止膜を有するものなど、種々の光学多層膜を有するデバイスが使用されている。さらに光通信の分野でも、光アイソレータのような種々の光学多層膜を有するデバイスが使用されている。
【０００４】
従来から、光学多層膜を有する製品は、メガネの反射防止膜、照明用のコールドミラー、ハロゲンランプ用のホットミラー、理化学用の干渉フィルタ等として幅広く使用されており、画像装置用の光学多層膜を有するデバイスも、このような製品と同様に製造されている。
【０００５】
すなわち、画像装置用の光学多層膜を有するデバイスは、ガラス等の基板の表面を、酸化セリウムを用いた研磨材で研磨し鏡面に仕上げた後、水洗いをして研磨材を除去し、次いで温風乾燥または蒸気乾燥した後、基板表面に例えば真空蒸着により光学多層膜を成膜することにより製造される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうして製造される光学多層膜を有するデバイスを画像装置の光学系に使用するには、以下に示す問題があった。
【０００７】
ＣＣＤ撮像装置を例に採ると、画素が１０μｍ程度と極めて小さいため、直径が１０μｍ以上の異物があると、画像に欠陥を生じる。
【０００８】
そのような大きさの異物である研磨機からの金属片や研磨キズの除去を目的として、研磨装置内の掃除の頻度を上げたり、洗浄工程でスクラブ洗浄した後、洗剤洗浄→市水リンス→純水リンス→ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）等による蒸気洗浄を行うなどの対策が行われてきた。また、洗浄出口以降を全てクリーンルームとしたり、静電気によるゴミ付着を防止する目的で徐電装置を用いたりと、各種の対策が試みられてきた。
【０００９】
しかしながら、ＣＣＤ素子の解像度が高まるにつれて、画像のコントラスト低下やムラ（以下、総称して曇りと称する。）が生じ、これが製品の歩留まりを著しく低下させていた。
【００１０】
上記原因としては、まず以下の２点が推測された。すなわち、光学多層膜を真空蒸着により成膜する前のガラス等の基板の表面に、▲１▼洗浄不足による研磨材等の汚れが残っていること、▲２▼洗浄の際の乾燥ジミがあること、の２点が原因として考えられた。
【００１１】
▲１▼▲２▼に対する対策として、研磨工程および洗浄工程に高純度の水（超純水）を使用するとともに、乾燥工程でも不純物の少ないＩＰＡを使用することにより、２０万ルクスの照明下でも、研磨材等の汚れや乾燥ジミが観察されないガラス等の基板を得た。そして、得られた基板の表面に、真空蒸着により酸化チタン／酸化ケイ素の多層膜を成膜した後、ＣＣＤ撮像装置内に組込み評価を行った。評価結果は、必ずしも一定せず、画像に曇りが生じるものがあるかと思うと全くクリアなものも見られた。したがって、前記した▲１▼研磨材等の汚れの残留や▲２▼乾燥ジミが、画像の曇りの原因とは考えられない。
【００１２】
次に、真空蒸着前のガラス基板の表面を原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと記す。）で観察すると、極微小の突起や細かなキズが観察された。そして、そのような微小突起等を有するガラス基板の表面に、真空蒸着などにより光学多層膜を成膜すると、突起部より膜が成長して大きな突起となり、その結果画像の曇りが生じると推測される。
【００１３】
また、光学的薄膜は、数ｎｍの単位で干渉しかつ角度特性を有するため、基板表面に極微小の突起があると、薄膜を重ねるごとに干渉の歪みが増加していくことが推測される。
【００１４】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、基板の表面状態に着目し、研磨加工により基板の表面粗さを一定の値以下にすることで、画像装置において画像の曇りが生じない光学デバイスを提供することを目的とする。
【００１５】
本発明の光学デバイスは、請求項１に記載するように、表面研磨により算術平均粗さ（Ｒａ）が０．９ｎｍ以下でかつ二乗平均粗さ（Ｒｍｓ）が１．５ｎｍ以下の表面粗さとされた視感度補正ガラスおよび透明板ガラスから選択される材料から成る画像装置に使用される光学デバイス用基板の少なくとも一面に、光学的機能を有する多層膜が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の光学デバイスは、請求項２に記載するように、前記光学的機能を有する多層膜が、高い屈折率を有する誘電体の薄膜と低い屈折率を有する誘電体の薄膜とを交互に積層した多層膜であることを特徴とする。
【００１９】
この光学デバイスにおいては、請求項３に記載するように、光学的機能を有する膜を、反射防止膜または選択波長透過膜またはこれらを組み合わせた多層膜とすることができる。ここで、選択波長透過膜としては、赤外線カット膜、赤外線透過膜、紫外線カット膜、紫外線透過膜、可視光透過膜、可視光反射膜、あるいはＲＧＢフィルタ膜などを用いることができる。
【００２０】
また、本発明の光学デバイスにおいては、請求項４に記載するように、光学的機能を有する膜を、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化イットリウム、ニ酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化ランタン、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）およびこれらの物質のうちの２種以上からなる混合物からなる群、から選択される２種以上の薄膜が積層された膜とすることができる。
【００２１】
本発明の光学デバイスの製造方法は、請求項５に記載するように、ガラス素材をガラス基板に成形する成形工程と、前記ガラス基板の表面を研磨する研磨工程と、前記ガラス基板の研磨された面上に、光学的機能を有する多層膜を形成する工程とを有し、前記研磨工程において、単位面積当たりの荷重を３０〜１５０ｇ／ｃｍ２としかつ定盤回転数を３０〜９０ｒｐｍとして研磨加工を行い、前記ガラス基板の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．９ｎｍ以下とし、かつ二乗平均粗さ（Ｒｍｓ）を１．５ｎｍ以下とすることを特徴とする。
【００２２】
本発明の光学デバイスにおいては、視感度補正ガラス、色ガラス、石英ガラス、水晶あるいは透明板ガラスから構成され、表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．９ｎｍ以下でかつ二乗平均粗さ（Ｒｍｓ）が１．５ｎｍ以下である基板が用いられる。なお、表面に積層数が少ない（１〜５層）反射防止膜が設けられる基板では、Ｒａが１．１ｎｍ以下でかつＲｍｓが１．８ｎｍ以下としても良い。さらに、赤外カット多層膜やコールドミラー等のダイクロイック膜を被覆・形成する基板では、Ｒａが０．６ｎｍ以下でかつＲｍｓが０．８ｎｍ以下とすることが好ましく、さらにＲａが０．４ｎｍ以下でＲｍｓが０．６ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００２３】
前記した表面粗さを有する基板は、ＡＦＭによる観察でも、表面に微小の突起やキズが存在せず、極めて優れた表面平滑性と平面性を有している。そして、このような表面平滑性と平面性が極めて高い基板の少なくとも一面に、高屈折率の誘電体薄膜と低屈折率の誘電体薄膜とを交互に積層した多層膜のような、光学的機能膜が形成されているので、画像に曇りが生じることがなく、クリアな画像を得ることができる。
【００２４】
ここで、算術平均表面粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳ  Ｂ０６０１に定義されている。また二乗平均粗さ（Ｒｍｓ）は、表面曲線と平均線との差の二乗の平均値の平方根として規定される。算術平均表面粗さ（Ｒａ）による限定だけでは、基板の表面（光学面）に異常突起があっても、Ｒａの値がかえって小さくなる場合があるが、Ｒａの他にＲｍｓの値を算定し、両方の値で限定することにより、異常突起の存在を見逃すことなく、優れた表面平滑性と平面性を有する基板を規定することができる。
【００２５】
そして、本発明においては、ガラス基板の表面を研磨加工する研磨工程において、単位面積当たりの荷重を３０〜１５０ｇ／ｃｍ２とし、かつ定盤回転数を３０〜９０ｒｐｍとして研磨加工を行うことにより、ガラス基板表面のＲａを０．９ｎｍ以下とし、かつＲｍｓを１．５ｎｍ以下とすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２７】
実施例１
視感度補正ガラスであるフツリン酸塩系ガラスを母材として用い、直径７４ｍｍ、厚さ１．４ｍｍに加工した素材を、まず両面研磨機を用いて＃４００のアルミナ砥粒で表裏面のラッピング加工を行った後、側面に所定の面取り加工を行った。
【００２８】
次いで、両面研磨機を使用し、＃１０００のアルミナ砥粒を用いて表面と裏面のラッピング処理を行った。引き続いて、上下定盤にポリッシャ用のポリウレタンパッド（ロデールニッタ社製ＭＨＣ１５Ａ）を用い、研磨材として酸化セリウムを用いて１次ポリッシュを行った。さらに表面の平滑度を得るため、研磨材として粒径１．２μｍの酸化セリウムを用い、ポリッシャにスウェードウレタンパッド（ロデールニッタ社製ポリテックス）を使用して最終ポリッシュを行った。
【００２９】
ここで、最終ポリッシュは、定盤の回転数を１０〜９０ｒｐｍ、単位面積当たりの荷重を３０〜２００ｇ／ｃｍ２、研磨時間を１０〜２０分間として実施した。また、研磨材の温度が２２〜２３℃に保たれるように、冷却しながら研磨を行った。その後、中性洗剤、純水、純水、純水、純水、ＩＰＡ、ＩＰＡ、ＩＰＡ（蒸気乾燥）の各洗浄槽に順次浸漬して洗浄した。
【００３０】
次いで、こうして得られたガラス基板の表面粗さ（ＲａおよびＲｍｓ）を、それぞれＡＦＭ（デジタルインスツルメンツ（株）社製；商品名ＮａｎｏＳｃｏｐｅ）により測定した。測定結果を、最終ポリッシュにおける定盤回転数および単位面積当たりの荷重と関連させ、図１および図２にそれぞれ示す。
【００３１】
これらのグラフから、最終ポリッシュで単位面積当たりの荷重が低いほどかつ定盤回転数が高いほど、ＲａおよびＲｍｓの値が小さく（低く）なり、表面粗さが良くなることがわかる。
【００３２】
次に、最終ポリッシュ後一連の洗浄工程を経て得られたガラス基板の片面に、真空蒸着法により酸化チタンの薄膜と酸化ケイ素の薄膜とを交互に計１５層積層し、近赤外カット多層膜を形成した。
【００３３】
真空蒸着は、到達真空度を１×１０−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０−３Ｐａ）とし、基板加熱温度３００℃として実施した。また、酸化チタンと酸化ケイ素は電子ビーム加熱により蒸着し、膜厚制御は水晶振動を用いて行った。
【００３４】
次いで、こうして得られた近赤外カット多層膜付きガラス基板を、ＣＣＤ撮像装置（カザマエンジニアリング社製ＫＤＸ−９２０Ｐ）内に組込み、基板面に周囲８箇所から光ファイバ投光器により強い光を当て、ＣＣＤカメラで画像の曇りの数を調べた。評価結果を、研磨条件およびガラス基板の表面粗さの測定結果とともに、表１に示す。
【００３５】
【表１】
0004421142.tif 000002
【００３６】
表１から、Ｒａが０．９ｎｍを越え、かつＲｍｓが１．５ｎｍを越えるガラス基板を使用したものは、ほぼ全数が画像に曇りが生じたのに対して、Ｒａが０．９ｎｍ以下でＲｍｓが１．５ｎｍ以下のガラス基板を使用したものは、全数曇りがなく画像がクリアであることがわかる。
【００３７】
実施例２
石英ガラス基板を用い、最終ポリッシュの単位面積当たりの荷重および定盤回転数を、３０〜１５０ｇ／ｃｍ２および３０〜９０ｒｐｍの範囲でそれぞれ変化させ、実施例１と同様にして研磨を実施した。その後、中性洗剤、純水、純水、純水、純水、ＩＰＡ、ＩＰＡ、ＩＰＡ（蒸気乾燥）の各洗浄槽に順次浸漬して洗浄し、石英ガラス基板を得た。
【００３８】
得られた基板の表面粗さを実施例１と同様にして測定したところ、Ｒａ≦０．９ｎｍかつＲｍｓ≦１．５ｎｍであった。
【００３９】
次に、こうして得られた石英ガラス基板の表裏面に、真空蒸着法により酸化アルミニウム／（酸化ランタン＋酸化チタン）／フッ化マグネシウムの３層を積層した多層膜（反射防止膜）を形成した。次いで、得られた反射防止膜付き石英ガラス基板を、ＬＣＤ（液晶表示装置）に組込み、画像の曇りを調べたところ、全数曇りがなくクリアであった。
【００４０】
なお、実施例の反射防止膜を成膜した基板に関しては、ガラス基板のＲａ１．１ｎｍ、Ｒｍｓ１．８ｎｍでも曇りは確認されなかった。この傾向は、基板の材質にかかわらず見られ、形成される光学薄膜の積層数が少ないために、基板の突起に起因する干渉の歪めの程度が小さいためと考えられる。
【００４１】
実施例３
ＢＫ−７ガラス基板を用い、最終ポリッシュの単位面積当たりの荷重を５０ｇ／ｃｍ２、定盤回転数を３０ｒｐｍとして、実施例１と同様にして研磨し次いで洗浄を行った。得られたガラス基板の表面粗さを実施例１と同様にして測定したところ、Ｒａが０．７４ｎｍでありかつＲｍｓが１．０７ｎｍであった。
【００４２】
次に、こうして得られたガラス基板の表裏面に、真空蒸着法により酸化チタンの薄膜と酸化ケイ素の薄膜とを交互に計３８層積層し、３波長タイプの近赤外カット多層膜を形成した。
【００４３】
次いで、得られた近赤外カット多層膜付きガラス基板を、実施例１と同様にＣＣＤ撮像装置内に組込み、画像の曇りを調べたところ、全数曇りがなくクリアな画像が得られた。
【００４４】
実施例４
赤色ガラスであるＲ６２ガラス（波長５９０ｎｍ以下の光を吸収）の基板を用い、最終ポリッシュの単位面積当たりの荷重を５０ｇ／ｃｍ２、定盤回転数を３０ｒｐｍとして実施例１と同様にして研磨した後、洗浄を行った。得られたガラス基板の表面粗さを実施例１と同様にして測定したところ、Ｒａ≦０．９ｎｍかつＲｍｓ≦１．５ｎｍであった。
【００４５】
次に、こうして得られたガラス基板の表裏面に、真空蒸着法により酸化チタンの薄膜と酸化ケイ素の薄膜とを交互に計２２層積層し、赤外カット多層膜を形成した。こうして、波長６２０ｎｍを透過のピークとするバンドパスフィルタが得られた。
【００４６】
次いで、得られたバンドパスフィルタを、実施例１と同様にＣＣＤ撮像装置内に組込み、画像の曇りを調べたところ、全数曇りがなくクリアな画像が得られた。
【００４７】
実施例５
水晶基板を用い、最終ポリッシュの単位面積当たりの荷重を１００ｇ／ｃｍ２、定盤回転数を６０ｒｐｍとして実施例１と同様にして研磨した後、洗浄を行った。得られた基板の表面粗さを実施例１と同様にして測定したところ、Ｒａ≦０．９ｎｍかつＲｍｓ≦１．５ｎｍであった。
【００４８】
次に、こうして得られた水晶基板の表裏面に、真空蒸着法により酸化チタンの薄膜と酸化ケイ素の薄膜とを交互に計４２層積層し、赤外カット多層膜を形成した。
【００４９】
次いで、得られた赤外カット多層膜付き水晶基板を、実施例１と同様にＣＣＤ撮像装置内に組込み、画像の曇りを調べたところ、全数曇りがなくクリアな画像が得られた。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に用いる光デバイス用基板は、ＡＦＭによる観察でも表面に極微小の突起やキズが存在せず、極めて優れた平滑性と平面性を有している。そして、このような表面平滑性と平面性が極めて高い基板の少なくとも一面に、光学的機能を有する多層膜を形成することにより、画像装置に用いる光学多層膜付き光デバイスの品質を著しく向上させることができ、曇りのないクリアな画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１において、得られるガラス基板のＲａの測定結果を示すグラフ。
【図２】実施例１において、得られるガラス基板のＲｍｓの測定結果を示すグラフ。
【図１】
0004421142.tif 000003
【図２】
0004421142.tif 000004