とちぎ光技術研究発表会- 首都圏北部４大学連合 第19回新技術説明会- 光融合技術イノベーションセンター 研究発表会-「イメージセンサ用光学フィルタ」
宇都宮大学 工学部 産学官連携研究員
室 幸市

2013, 11/26
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背景
光学薄膜産業の最量生産物： 光反射防止膜
多種の材料を必要とし、プロセスの煩雑化と装置の大型化→ 単一材料から光反射防止膜の作製法を提案
ローパスフィルターとして水晶が使用されている
偏光分離角の大きさから小型化の制限→ 大きな偏光分離角を持つ光学異方性膜を提案

目次
１．イメージセンサに用いられる光学フィルタ
カラーフィルター
赤外線カットフィルター
光減衰フィルタ
3CCD色分解フィルタ
２．光反射防止膜
２－１．原理、成膜方法
２－２．多元スパッタ装置による光反射防止膜の作製例
３．ローパスフィルター
３－１．原理３－２．斜め蒸着膜

京都産業大 蚊野教授 資料「デジカメ画像処理のしくみ」より

21イメージセンサー
種類（デジタルカメラ）
デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話、ビデオカメラ、放送用カメラ、医療用カメラ、車載カメラ、防犯カメラ、サーモグラフィ、紫外カメラ、Ｘ線カメラ、高速カメラ、高精度カメラ、車用白線検知カメラ、マシンビジョン、など

イメージセンサ付近の図

キヤノン社製CMOSイメージセンサー（24.6×13.8mm）

CCDの構成例

キヤノン社 White Paper「映像撮影用新型CMOSセンサーにおける、RGB解像度についての考察」より

黒田隆男著「イメージセンサの本質と基礎」、
コロナ社より3

デジタルカメラの内部概略

コンパクトデジタルカメラの部品群

京都産業大 蚊野教授 資料「デジカメ画像処理のしくみ」より

デジタル一眼レフ
カメラの概略図
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カラーフィルター

原料：カラｰレジスト（RGB）
製造法
１．ブラックマトリックス製造
２．カラーレジスト塗布
３．フォトマスク、露光４．現像
５．回路作製

泉谷渉＋半導体産業新聞編集部「これがディスプレイの全貌だ！」より

カラーフィルターの作製概略（参考：ディスプレイ作製）

5

赤外線カットフィルター
光のトリミングが必要
CCD素材：シリコンフォトダイオード
近赤外域に高い感度
光量調整難、色バランス調整難近赤外線カット、可視光取り出し

構造・リン酸塩ガラスフィルター
・干渉フィルター（蒸着無機物／ガラス）・無機系化合物入りプラスチック
フィルター

CCD感度、人間の視感度と、近赤外線カットフィルターの波長依存性
株式会社技術情報協会「生産現場における光学薄膜の設計・作製・評価技術」より

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光減衰フィルタ
光量調整が必要
絞りでは限界がある（F値、回折限界に依存）
透過率を変化させる素子
色バランスの為に波長無依存が良い

構造
・色素練い込み型
安価、波長依存性が劣る
・金属膜型
波長依存性に劣る
・誘電体多層膜型
フラットは波長依存性が可能

光減衰フィルターの波長依存性A)色素練り込み型B)誘電体多層膜型
株式会社技術情報協会「生産現場における光学薄膜の設計・作製・評価技術」より

7

3CCD色分解フィルタ

ビデオカメラCCDを各色(RGB)に分けて撮像
高感度、高色再現性

構造
プリズムにダイクロイックミラーがコーティングされている。
ダイクロイックミラー： 色分解(波長)フィルターの一種、誘電体多層膜
・第１プリズムの第２面で、B(青色)が反射
・第２プリズムの第２面で、R(赤色)が反射・２つの面で反射されなかった透過光がG(緑色)となる

RGB３色分解プリズム
京都産業大 蚊野教授 資料「デジカメ画像処理のしくみ」より

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光反射防止膜機能としての目的
・透過光の増加・フレア、ゴーストの低減
・ノイズの低減n0n1

カメラにおけるゴーストとフレア

入射光

原理
・干渉・構造による屈折率変化
・光吸収

反射光

透過光

キヤノン株式会社ホームページ「キヤノンサイエンスラボ」より

レン
ズ断面
交換レンズの断面写真
キヤノン株式会社ホームページ「キヤノンサイエンスラボ」より

9干渉による反射防止機構

干渉による反射防止

基材の屈折率より小さい時
光学膜厚 nd = λ/4 で最小基材の屈折率より大きい時
光学膜厚 nd = λ/4 で最大反射率の膜屈折率及び厚さ依存性（n0=1, n2=1.5）
n=1.2 の透明・安定・無毒の材料が存在しない↓
多層膜を用いる105

多層膜による反射防止

２層
反射率≒0%
１波長

MgF2 単層反射率 1.4%

入射光

MgF 2 （n=1.38）

反射光
MgF 2 （n=1.38）

MgF 2 （n=1.38）

光学膜厚
nd = λ/4

３層
反射率＜1%
波長 460～700nm

Glass （n=1.50）

CeO2 （n=2.0）

SiO （n=1.70）

SiO （n=1.80）

Glass （n=1.50）

Glass （n=1.50）

11

成膜方法
反射防止膜の主な成膜方法の分類

湿式法

乾式法

塗布法

ロールコート、グラビアコート

ゾルゲル法

スピンコート、スプレー

真空蒸着法
スパッタ法
CVD法

サンユー電子株式会社
ホームページより

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多元スパッタ装置による光反射防止膜の作製例
一般的には高周波電源

光融合技術イノベーションセンター所有
多元スパッタ装置
Fraunhofer製DRM-400搭載、富士R&D社製PSOC400

開放装置としては国内唯一
宇都宮大学地域共生研究開発センター、光融合技術イノ
ベーションセンターホームページより

電源： 短形波パルス電源カソード： 丸型ダブルマグネトロン
プロセス制御： 反応性ガス供給制御
基板サイズ： Max φ20cm
膜厚分布： ±3%

加工例
１．光学分野・眼鏡用レンズへの各種コート
・各種光学部品への多層膜
・ルゲートフィルタの開発
・傾斜材料の開発
ルゲートフィルタ断面SEM写真
２．電子部品分野
・Si3N4耐フッ酸膜
・SiO2高耐圧絶縁膜
・AlN膜
・強誘電体膜
３．透明導電膜開発や各種センサー
圧力センサ
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多元スパッタ装置の概略

直流パルススパッタ法はアーキ
ング抑制目的に開発された

多元スパッタ装置の概略図

約φ300
Max 12kW（材料による）ダブルリングターゲット

Fraunhofer研究所Fraunhofer Institute for Electron Beam andPlasma Technology(FEP) ホームページより

147単一材料からの各種コート
一般的な光反射防止膜の構成例） 可視域[波長λ=400～700nm]の反射率R＜1%→ ３～５層（７層）
低屈折率、中間屈折率、高屈折率

ターゲット：Si
反応性スパッタリング
酸素導入 Si + O2 → SiO2
窒素導入 Si + N2 → Si3N4

MgF 2 （n=1.38）
CeO2 （n=2.0）
SiO （n=1.80）
Glass （n=1.50）

ガスの切替のみによる作製可能性→パーティクル抑制、高速プロセス
安全なガスのみ→MgF2スパッタではフッ素ガス（毒性）を使用

SiO x Ny中間屈折率層の形成
期待
SiOxNyAR特性
屈折率 n ＝1.45（SiO2）～2.0（Si3N4） →SiO2/SiOxNyでの計算反射率0%
高密着性、高バリア性
Si系の材料による構成
ガラス成分に近い耐擦傷性膜としても期待

ガス（酸素、水蒸気）バリア材として使用されている
15

反射防止膜の作製
３層：SiO2 / Si3N / SiO xNy
SiOxNy：導入ガス比をO2:N2=10:90
基板：スライドガラス
両面での反射率R＜1%（波長λ=500nm～760nm）

ガラス基板
SiO2Si3N4SiOxNy

両面ARコート

ガラス基板

SiOxNy による反射防止膜の構成図

両面にARコートしたガラスの反射率
（測定値）

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各帯域への反射防止膜の適用
ガラス基板の吸収透明領域
SiO 2 波長 <200nm ～ 8μm
Si3N 4 波長 320nm ～ 7μm

ガラス基板

SiO2Si3N4SiOxNy

計算値
片面ARコート

ガラス基板(a) 紫外域
測定器の限界ガラス基板

計算値と測定値の一致
片面ARコート

SiO2,Si3N4の広透過域
UV – VIS – IR

計算値(b) 近赤外域
片面にARコートしたガラスの反射率（測定値）

17ローパスフィルタ
目的：光像の高周波成分を抑制（低空間周波数成分を透過）
原理：複屈折性を利用
効果：偽信号や色モアレを抑制
設置場所：中間グレードのデジタルカメラ内、レンズと撮像素子(CCD)間

マイクロレンズ

レンズ

京都産業大 蚊野教授 資料「デジカメ画像処理のしくみ」より

撮像素子ローパスフィルタ
赤外カットコーティング

色分解フィルタ

デジタルカメラ受光簡略図

Red, Green, Blue
撮像素子(CCD:chargecoupleddevices)
ベイヤーマトリックス
189空間周波数とローパスフィルタの構成
空間周波数 ：低い場合OK。
高い場合NG。偽信号や偏り（モアレ）が発生

空間周波数 低い

色モアレ

高い
偽信号

ローパスフィルタ：高空間周波数の光を分割し、モアレや偽信号を抑制
入射光を分離させ、隣合う画素にも入射させる（計４箇所）
偏光分離

円偏光

常光
異常光
光学軸
偏光分離素子

光学軸

撮像素子

波長板

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ローパスフィルタ用偏光分離膜の提案
偏光分離素子；光学異方性体
傾いた光学軸が必要

異常光
常光
入射光

現行； 水晶（SiO2結晶バルク）

常光→ 小偏光分離角、小型化の限界
屈折率分布
波長より十分小さい構造

偏光分離膜の提案
光学異方性膜 のメリット
部品の小型化、軽量化、無加工(切断、研磨不要)、低コスト化
要求：高異方性（大偏光分離角）
傾いた光学軸透明（可視光域）
薄膜化技術→ 斜め配向異方性膜

空隙（屈折率n1）基板

膜材（屈折率n2）
分離角 f

異常光
常光

入射光

傾斜角 a

2010

斜め配向膜の作製

基板

電子ビーム蒸着
電子線照射による加熱で材料を蒸発、基板上に堆積・材料の高温加熱が可能
・成膜の大面積化が可能

膜

蒸発
電子ビーム
ガス

材料

射影効果： 影の部分に材料が供給されず、特定の方向に構造が作られる
斜め配向： 基板を傾斜させ射影効果を発生、斜め配向膜を作製

電力
排気蒸着の概略図

基板
影の部分

供給材料
射影効果

異方性膜

特定方向へ堆積

斜め配向膜の作製
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膜材料の選択透明材： 可視域で透明
高屈折率： 高い異方性（大偏光分離角）と小さな素子を期待

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空隙；空気
（ n1 =1）

TiO2(n2=2.35)

12分離角 f偏光分離角 : f[deg.]膜材（屈折率 n2）高屈折率材
波長=500nm

Ta2O5(n2=2.20)

1086Y2O3(n2=1.81)

4SiO2(n2=1.47)

2

水晶 f= 0.33° 000.20.40.60.8

1

充填率(膜材の占める割合) : q2211作製結果：斜め蒸着法によるTa2O5異方性膜の作製
常光

透明10mm

常光

異方性膜

表面写真

常光＋異常光
10mm

偏光子

異常光

異常光

配向→光学軸偏光分離幅 2.3mm
偏光分離角 5.
5±0.5°
1mm
断面S
EM
写真
（SEM:走査型電子顕微鏡）

水晶の約16倍
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お問合せ先

宇都宮大学 地域共生研究開発センター
電話： 028－689－6316, FAX： 028－689－6320
E-mail： chiiki@miya.jm.utsunomiya-u.ac.jp
光融合技術イノベーションセンター
電話： 028－689－6316, FAX： 028－689－6320
E-mail： optic@miya.jm.utsunomiya-u.ac.jp
工学部 産学官連携研究員
室 幸市
電話： 028－689－6331, FAX： 028－689－6320
E-mail： muro@cc.utsunomiya-u.ac.jp2412