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JP2007291291A - Composite material and optical component using the same - Google Patents

Composite material and optical component using the same Download PDF

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JP2007291291A
JP2007291291A JP2006123201A JP2006123201A JP2007291291A JP 2007291291 A JP2007291291 A JP 2007291291A JP 2006123201 A JP2006123201 A JP 2006123201A JP 2006123201 A JP2006123201 A JP 2006123201A JP 2007291291 A JP2007291291 A JP 2007291291A
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composite material
inorganic particles
resin
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inorganic
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JP2006123201A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuka Okada
夕佳 岡田
Norihisa Takahara
範久 高原
Tsuguhiro Korenaga
継博 是永
Masaaki Suzuki
正明 鈴木
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

【課題】高屈折率と低波長分散性のバランスに優れ、かつ加工性に優れたコンポジット材料、ならびにこのコンポジット材料を用いて構成される光学部品を提供する。
【解決手段】 酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を含む無機物粒子11を樹脂12に分散させることにより、屈折率nCOMが1.60以上、アッベ数νCOMが20以上であり、かつ

Figure 2007291291

の関係が成立するコンポジット材料10を得る。
【選択図】図1A composite material having an excellent balance between high refractive index and low wavelength dispersion and excellent workability, and an optical component formed using the composite material are provided.
By dispersing inorganic particles 11 containing yttrium oxide and one or more other inorganic substances in a resin 12, the refractive index n COM is 1.60 or more, the Abbe number ν COM is 20 or more, and
Figure 2007291291

A composite material 10 satisfying the following relationship is obtained.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、コンポジット材料、およびこれを用いた光学部品に関するものである。より詳細には、高屈折率かつ低波長分散性を示すコンポジット材料、およびこれを用いた光学部品、例えば、レンズ、回折光学素子、固体撮像素子等に関する。   The present invention relates to a composite material and an optical component using the same. More specifically, the present invention relates to a composite material having a high refractive index and low wavelength dispersion, and an optical component using the composite material, such as a lens, a diffractive optical element, a solid-state imaging element, and the like.

近年、情報通信の高速化、各種電子機器の小型軽量化等を実現するためのキーテクノロジーとしてオプトエレクトロニクスが注目されており、これを実現するための光学材料の開発が急がれている。   In recent years, optoelectronics have attracted attention as a key technology for realizing high-speed information communication and reducing the size and weight of various electronic devices, and the development of optical materials for realizing this is urgently needed.

光学材料としては、従来光学ガラス等の無機系材料が一般的に使用されている。しかし無機系光学材料は、加工が難しく、微細化かつ複雑化が進む光学部品を大量かつ安価に生産することが困難であるという問題を潜在的に有する。   Conventionally, inorganic materials such as optical glass are generally used as the optical material. However, the inorganic optical material has a problem that it is difficult to process, and it is difficult to produce optical components that are becoming finer and more complicated in large quantities and at low cost.

一方、樹脂を中心とした有機系光学材料は、加工性に優れ生産コストの低減が可能であること、さらに軽量であることから、今後のオプトエレクトロニクス技術を支えていく材料として期待されており、近年開発が加速する傾向にある。   On the other hand, organic optical materials centering on resin are expected to be materials that will support future optoelectronics technology because they are excellent in processability and can reduce production costs and are lightweight. In recent years, development tends to accelerate.

有機系光学材料の課題として、単独で光学部品を形成する場合、屈折率が十分に高くない点、あるいは屈折率と波長分散性のバランスが取れている材料が少ない点があげられる。有機系光学材料として最も用いられる樹脂材料については、その屈折率nと波長分散性を示すアッベ数νは、おおむね(数1)に示す範囲内にあることが知られている(非特許文献1)。 A problem with organic optical materials is that when an optical component is formed alone, the refractive index is not sufficiently high, or there are few materials that balance the refractive index and wavelength dispersion. As for the resin material most used as an organic optical material, it is known that the refractive index nm and the Abbe number ν m indicating wavelength dispersion are generally in the range shown in (Equation 1) (non-patent document). Reference 1).

Figure 2007291291
Figure 2007291291

樹脂の屈折率が十分に高くない点、あるいは屈折率と波長分散性のバランスが取れている材料が少ないという点は、例えば光学部品としてレンズを考えた場合、色収差や像面湾曲により十分な特性が得られないといった問題につながる。また光学部品として光導波路を有する固体撮像素子を考えた場合、光導波路とその周辺材料との間で十分な屈折率差が得られず、その結果として集光効率が低下する。   The fact that the refractive index of the resin is not sufficiently high, or that there are few materials that have a good balance between the refractive index and the wavelength dispersibility, for example, when considering a lens as an optical component, sufficient characteristics due to chromatic aberration and curvature of field. Will lead to problems such as Further, when considering a solid-state imaging device having an optical waveguide as an optical component, a sufficient refractive index difference cannot be obtained between the optical waveguide and its peripheral material, resulting in a reduction in light collection efficiency.

これらの課題を解決するため、基材となる樹脂に対し無機系の微粒子を分散させ、高屈折率を有する有機系光学材料を調製し、この材料を用いて光学部品を構成することが検討されている。高屈折率かつ低波長分散性を示す有機系光学材料からなる光学部品を得る方法として、メタクリル樹脂等の透明な基材ポリマーに、アルミナ等の微粒子を分散させた樹脂組成物により光学部品を構成する方法が開示されている(特許文献1)。また、一定以上の光学特性を有する熱可塑性樹脂に、酸化チタンないし酸化亜鉛の微粒子を分散させた熱可塑性樹脂組成物により光学部品を構成する方法が開示されている(特許文献2〜4)。
特開2001−183501号公報 特開2003−073559号公報 特開2003−073563号公報 特開2003−073564号公報 季刊化学総説No.39 透明ポリマーの屈折率制御(日本化学会編、9頁 図2)
In order to solve these problems, it has been studied to disperse inorganic fine particles in the base resin, prepare an organic optical material having a high refractive index, and to construct an optical component using this material. ing. As a method for obtaining an optical component made of an organic optical material exhibiting a high refractive index and low wavelength dispersion, an optical component is composed of a resin composition in which fine particles such as alumina are dispersed in a transparent base polymer such as methacrylic resin. Is disclosed (Patent Document 1). In addition, a method is disclosed in which an optical component is formed from a thermoplastic resin composition in which fine particles of titanium oxide or zinc oxide are dispersed in a thermoplastic resin having a certain level of optical characteristics (Patent Documents 2 to 4).
JP 2001-183501 A JP 2003-073559 A JP 2003-0753563 A JP 2003-073564 A Quarterly Chemical Review No. 39 Controlling the refractive index of transparent polymers

しかしながら、特許文献1に開示されている方法においては、波長587nmにおける屈折率が1.76のアルミナを基材樹脂に分散させるため、高い屈折率の樹脂組成物を得ることは原理的に難しかった。なお、特許文献1には、アルミナ以外の無機微粒子を基材樹脂に分散させる方法も開示されているが、この場合においては、十分高いアッベ数、すなわち低い波長分散性を得るため、赤外線吸収染料等の異常分散物質をさらに分散させるとしている。また、特許文献2に開示されている方法においては、基材樹脂に分散させる無機微粒子として、波長分散性の高い酸化チタン(アッベ数12)または酸化亜鉛(アッベ数12)を使用するため、高屈折率の樹脂組成物を得るために無機微粒子の分散比率を増加すると波長分散性が著しく増大し、高屈折率と低波長分散性のバランスに優れた組成物を得ることは困難であった。   However, in the method disclosed in Patent Document 1, alumina having a refractive index of 1.76 at a wavelength of 587 nm is dispersed in the base resin, so that it was in principle difficult to obtain a resin composition having a high refractive index. . Patent Document 1 also discloses a method of dispersing inorganic fine particles other than alumina in a base resin. In this case, in order to obtain a sufficiently high Abbe number, that is, low wavelength dispersibility, an infrared absorbing dye Anomalous dispersion material such as is further dispersed. In addition, in the method disclosed in Patent Document 2, titanium oxide (Abbe number 12) or zinc oxide (Abbe number 12) having high wavelength dispersion is used as the inorganic fine particles to be dispersed in the base resin. When the dispersion ratio of the inorganic fine particles is increased in order to obtain a resin composition having a refractive index, the wavelength dispersibility is remarkably increased, and it has been difficult to obtain a composition having an excellent balance between high refractive index and low wavelength dispersibility.

このような状況において、本発明は、高屈折率と低波長分散性のバランスに優れ、かつ加工性に優れたコンポジット材料、およびこのコンポジット材料を用いた光学部品を提供することを目的とする。   Under such circumstances, an object of the present invention is to provide a composite material having an excellent balance between high refractive index and low wavelength dispersion and excellent workability, and an optical component using the composite material.

上記の目的を達成するため、本発明のコンポジット材料は、樹脂と、前記樹脂中に分散され、酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を少なくとも含む無機物粒子とを有し、屈折率nCOMが1.60以上、アッベ数νCOMが20以上であり、かつ In order to achieve the above object, the composite material of the present invention comprises a resin and inorganic particles dispersed in the resin and containing at least yttrium oxide and one or more other inorganic substances, and the refractive index n COM is 1.60 or more, Abbe number ν COM is 20 or more, and

Figure 2007291291
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の関係が成立する。   The relationship is established.

なお、この明細書において、「コンポジット材料の屈折率」とは、コンポジット材料を1つの屈折率を有する媒体とみなしたときの、実効的な屈折率を意味する。   In this specification, “refractive index of composite material” means an effective refractive index when the composite material is regarded as a medium having one refractive index.

上記構成において、前記無機物粒子は、酸化イットリウムの複合酸化物であることが好ましい。また前記無機物粒子は、イットリウムアルミニウムガーネットであることが好ましい。   In the above structure, the inorganic particles are preferably a complex oxide of yttrium oxide. The inorganic particles are preferably yttrium aluminum garnet.

また上記構成において、前記樹脂中に分散され、アッベ数νが50以上である第2の無機物粒子をさらに有することが好ましい。また、前記第2の無機物粒子は、シリカまたはアルミナであることが好ましい。 In the above structure, it is preferable to further include second inorganic particles dispersed in the resin and having an Abbe number ν p of 50 or more. The second inorganic particles are preferably silica or alumina.

さらに、前記無機物粒子のコンポジット材料全体に対する体積比が、50体積%以下であることが好ましい。また、前記第1の無機物粒子および前記第2の無機物粒子のコンポジット材料全体に対する体積比の合計が、50体積%以下であることが好ましい。   Furthermore, the volume ratio of the inorganic particles to the entire composite material is preferably 50% by volume or less. Moreover, it is preferable that the sum total of the volume ratio with respect to the whole composite material of the said 1st inorganic particle and the said 2nd inorganic particle is 50 volume% or less.

さらに、前記無機物粒子の実効粒径が、1nm以上100nm以下の範囲内にあることが好ましい。また、前記第1の無機物粒子および前記第2の無機物粒子の実効粒径が、1nm以上100nm以下の範囲内にあることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the effective particle diameter of the inorganic particles is in the range of 1 nm to 100 nm. Moreover, it is preferable that the effective particle diameter of the said 1st inorganic particle and the said 2nd inorganic particle exists in the range of 1 nm or more and 100 nm or less.

本発明の光学部品は、上記したコンポジット材料を用いる。   The above-described composite material is used for the optical component of the present invention.

本発明のレンズは、上記したコンポジット材料からなる。   The lens of the present invention is made of the composite material described above.

本発明の回折光学素子は、第1の材料からなり表面に回折格子形状が形成された基材と、第2の材料からなり前記回折格子形状を覆うように形成された保護膜とを有する回折光学素子であって、前記第1の材料と前記第2の材料はいずれも樹脂を成分として構成されており、前記第1の材料と前記第2の材料の少なくとも一方が上記したコンポジット材料からなる。   The diffractive optical element according to the present invention includes a base material made of a first material and having a diffraction grating shape formed on a surface thereof, and a diffraction film made of a second material and formed to cover the diffraction grating shape. An optical element, the first material and the second material are both composed of a resin, and at least one of the first material and the second material is made of the composite material described above. .

本発明の固体撮像素子は、光電変換部と、前記光電変換部上に配置された光導波路とを有する固体撮像素子であって、前記光導波路は上記したコンポジット材料からなる。   The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device having a photoelectric conversion unit and an optical waveguide disposed on the photoelectric conversion unit, and the optical waveguide is made of the composite material described above.

本発明のコンポジット材料においては、高屈折率と低波長分散性のバランスに優れ、かつ加工性に優れた組成物を得ることができる。また本発明の光学部品においては、前記のように高屈折率と低波長分散性のバランスに優れたコンポジット材料を使用して形成されるため、波長特性が良好でかつ小型とすることが可能となる。   In the composite material of the present invention, a composition having an excellent balance between high refractive index and low wavelength dispersion and excellent workability can be obtained. In addition, the optical component of the present invention is formed by using a composite material having an excellent balance between high refractive index and low wavelength dispersion as described above, so that the wavelength characteristics are good and the size can be reduced. Become.

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下では例を挙げて説明するが、本発明は以下の例に限定されない。   Embodiments of the present invention will be described below. In addition, although an example is given and demonstrated below, this invention is not limited to the following examples.

(実施の形態1)
本発明のコンポジット材料の一実施の形態について、図1を用いて説明する。
(Embodiment 1)
An embodiment of the composite material of the present invention will be described with reference to FIG.

本発明のコンポジット材料10は、酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を少なくとも含む無機物粒子11を、基材である樹脂12中に均一に分散させることにより構成される。このうち無機物粒子11は、一般的には一次粒子である11aと、一次粒子11aが複数個凝集してなる二次粒子11bを含んで構成されている。したがって、無機物粒子11が樹脂12中に均一に分散されているとは、無機物粒子11の一次粒子11aおよび二次粒子11bが、コンポジット材料10内の特定の位置に偏在することなく、実質的に均一に分散していることを意味する。なお、本発明において、コンポジット材料10が良好な粒子の分散性を有するために無機物粒子11は一次粒子11aのみで構成されているのがより好ましい。   The composite material 10 of the present invention is configured by uniformly dispersing inorganic particles 11 containing at least yttrium oxide and one or more other inorganic substances in a resin 12 as a base material. Among these, the inorganic particles 11 are generally configured to include primary particles 11a and secondary particles 11b formed by aggregating a plurality of primary particles 11a. Therefore, that the inorganic particles 11 are uniformly dispersed in the resin 12 means that the primary particles 11 a and the secondary particles 11 b of the inorganic particles 11 are substantially not unevenly distributed at specific positions in the composite material 10. It means that it is uniformly dispersed. In the present invention, in order that the composite material 10 has good particle dispersibility, the inorganic particles 11 are more preferably composed of only the primary particles 11a.

酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を含む無機物粒子11を分散させたコンポジット材料10の透光性を確保するためには、無機物粒子11の粒径が重要となる。無機物粒子11の粒径が光の波長よりも充分に小さいときは、無機物粒子が分散されているコンポジット材料を、屈折率のばらつきがない均質な媒体とみなすことができる。また、無機物粒子11の粒径が光の波長の1/4以下になると、コンポジット材料10中の散乱はレーリー散乱のみとなって透光性が高くなる。そのため、高い透光性を実現するためには、無機物粒子11の粒径は100nm以下であることが好ましい。一方、無機物粒子11の粒径が1nm未満になると、量子的な効果が発現する材質では蛍光を生じる場合がある等、光学部品を形成した場合の特性に影響を及ぼす場合がある。以上の観点から、無機物粒子11の実効粒径は1nm以上100nm以下の範囲内、特に1nm以上50nm以下の範囲内にあれば好ましい。その中でも、1nm以上15nm以下の範囲内にあれば、レーリー散乱の影響が非常に小さくなり、コンポジット材料10の透光性が特に高くなることからさらに好ましい。   In order to ensure the translucency of the composite material 10 in which the inorganic particles 11 containing yttrium oxide and one or more other inorganic materials are dispersed, the particle size of the inorganic particles 11 is important. When the particle size of the inorganic particles 11 is sufficiently smaller than the wavelength of light, the composite material in which the inorganic particles are dispersed can be regarded as a homogeneous medium having no refractive index variation. Further, when the particle size of the inorganic particles 11 is ¼ or less of the wavelength of light, the scattering in the composite material 10 is only Rayleigh scattering and the translucency becomes high. Therefore, in order to realize high translucency, the particle diameter of the inorganic particles 11 is preferably 100 nm or less. On the other hand, if the particle size of the inorganic particles 11 is less than 1 nm, the material having the quantum effect may cause fluorescence, and thus the characteristics when the optical component is formed may be affected. From the above viewpoint, the effective particle diameter of the inorganic particles 11 is preferably in the range of 1 nm to 100 nm, particularly in the range of 1 nm to 50 nm. Among these, if it is in the range of 1 nm or more and 15 nm or less, the influence of Rayleigh scattering becomes very small, and the translucency of the composite material 10 becomes particularly high, which is further preferable.

ここで実効粒径について図2を用いて説明する。図2において、横軸は無機物粒子の粒径を表し、左側の縦軸は横軸の粒径に対する無機物粒子の頻度、右側の縦軸は粒径の累積頻度をそれぞれ表す。実効粒径としては、無機物粒子全体のうち、その粒径頻度分布において累積頻度が50%となる中心粒径(メジアン径:d50)をとることができる。さらに、累積頻度が75%となる粒径Bが上記範囲内にある無機物粒子11を使用すれば、より多くの粒子がレーリー散乱による光損失を誘起せず屈折率の向上に寄与できるためより好ましい。実効粒径の値を精度よく求めるには、例えば、200個以上の無機物粒子を対象とすればよい。   Here, the effective particle diameter will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the horizontal axis represents the particle size of the inorganic particles, the left vertical axis represents the frequency of the inorganic particles relative to the horizontal axis particle size, and the right vertical axis represents the cumulative frequency of the particle size. As the effective particle diameter, the center particle diameter (median diameter: d50) having a cumulative frequency of 50% in the particle diameter frequency distribution of the entire inorganic particles can be taken. Furthermore, it is more preferable to use the inorganic particles 11 having a particle size B having a cumulative frequency of 75% within the above range because more particles can contribute to the improvement of the refractive index without inducing light loss due to Rayleigh scattering. . In order to accurately determine the effective particle size, for example, 200 or more inorganic particles may be targeted.

コンポジット材料10内における無機物粒子11の粒径および実効粒径は、電子顕微鏡やX線小角散乱等により確認することができる。また一次粒子11aの粒径および実効粒径については、溶液中における光散乱法等の粒度分布計による測定、粉末状態でのガス吸着法による測定、電子顕微鏡による観察等により得ることができる。   The particle size and effective particle size of the inorganic particles 11 in the composite material 10 can be confirmed by an electron microscope, X-ray small angle scattering, or the like. The particle size and effective particle size of the primary particles 11a can be obtained by measurement with a particle size distribution meter such as a light scattering method in a solution, measurement with a gas adsorption method in a powder state, observation with an electron microscope, or the like.

本発明のコンポジット材料10において樹脂12に分散させる無機物粒子11について説明する。   The inorganic particles 11 dispersed in the resin 12 in the composite material 10 of the present invention will be described.

無機物粒子11としては、酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を含んで構成される。他の酸化物としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化セリウム、酸化ランタン、チタン酸バリウム、シリカ、アルミナ等より選ばれる酸化物を用いることができる。その無機物の材質としては、それら酸化物と酸化イットリウムとの複合酸化物が挙げられる。特に、酸化イットリウムとアルミナの複合酸化物の一種であるイットリウムアルミニウムガーネット(以下、YAGと表記する)は透明性にも優れており好ましい。また、酸化イットリウムならびに酸化イットリウムを含む複合酸化物に、金属元素をドープさせた酸化物を用いてもよい。また、酸化イットリウムとともに、窒化シリコン(屈折率1.9〜2.0)等の金属窒化物、炭化シリコン(屈折率2.6)等の金属炭化物、ダイヤモンド(屈折率3.0)やダイヤモンド・ライク・カーボン(屈折率3.0)等の透光性を有する炭素化合物等を用いてもよい。また、硫化銅や硫化スズ等の硫化物や、金、白金、パラジウム、銀、銅およびニッケル等の金属材料を併用してもよい。   The inorganic particles 11 include yttrium oxide and one or more other inorganic materials. Examples of other oxides include titanium oxide, zinc oxide, tantalum oxide, niobium oxide, tungsten oxide, indium oxide, tin oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, cerium oxide, lanthanum oxide, barium titanate, silica, and alumina. More selected oxides can be used. Examples of the inorganic material include composite oxides of these oxides and yttrium oxide. In particular, yttrium aluminum garnet (hereinafter referred to as YAG), which is a kind of composite oxide of yttrium oxide and alumina, is preferable because of its excellent transparency. Alternatively, an oxide obtained by doping a metal element with a complex oxide containing yttrium oxide and yttrium oxide may be used. In addition to yttrium oxide, metal nitrides such as silicon nitride (refractive index 1.9 to 2.0), metal carbides such as silicon carbide (refractive index 2.6), diamond (refractive index 3.0), diamond A translucent carbon compound such as like carbon (refractive index of 3.0) may be used. Further, sulfides such as copper sulfide and tin sulfide, and metal materials such as gold, platinum, palladium, silver, copper and nickel may be used in combination.

本発明のコンポジット材料10は、上記のように、酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を少なくとも含む無機物粒子11を分散させることにより構成される。以下の検討に基づき、発明者は、無機物粒子11を樹脂中に分散させたコンポジット材料10において、光学材料としてのアッベ数の低下を抑制しつつ屈折率を向上させるために、酸化イットリウムを含む無機物を用いることが効果的であることを見出した。   As described above, the composite material 10 of the present invention is configured by dispersing inorganic particles 11 containing at least yttrium oxide and one or more other inorganic materials. Based on the following examination, the inventor in the composite material 10 in which the inorganic particles 11 are dispersed in the resin, the inorganic material containing yttrium oxide is used to improve the refractive index while suppressing the decrease in the Abbe number as an optical material. It has been found that it is effective to use.

図3に、各種無機物について、d線(波長587nm)における屈折率nと、波長分散性を示すアッベ数νを測定することによって、両者の関係を示したものである。なお、アッベ数νは、(数3)により定義される数値である。(数3)において、n、nはそれぞれ、F線(波長486nm)ならびにC線(波長656nm)においての屈折率である。 3, various inorganic substances, the refractive index n d at the d-line (wavelength 587 nm), by measuring the Abbe number ν of a wavelength dispersion, shows the relationship between them. The Abbe number ν is a numerical value defined by (Equation 3). In (Equation 3), n F and n C are the refractive indexes of the F line (wavelength 486 nm) and the C line (wavelength 656 nm), respectively.

Figure 2007291291
Figure 2007291291

無機物のアッベ数は従来データが十分に知られていなかったため、図3には、無機物の薄膜をシリコン基板上にスパッタリングないしCVD法により形成し、その屈折率の波長依存性を分光エリプソメトリによって測定して得たアッベ数を示している。図3に示すとおり、酸化イットリウムはd線においての屈折率nが1.88、アッベ数が35、YAGは屈折率が1.83、アッベ数が52と、いずれも屈折率が比較的高く、アッベ数も大きな値が得られた。これらの値は、屈折率nについては高屈折率材料として知られている酸化亜鉛に近いものであった。また、アッベ数については、酸化チタン等と比較すると高い値を示し、波長分散性の低い特性で、高屈折率と低波長分散性のバランスに優れた材料であることがわかった。 Since the Abbe number of inorganic substances has not been sufficiently known in the past, FIG. 3 shows that an inorganic thin film is formed on a silicon substrate by sputtering or CVD, and the wavelength dependence of the refractive index is measured by spectroscopic ellipsometry. The Abbe number obtained is shown. As shown in FIG. 3, yttrium oxide has a refractive index n d of 1.88, an Abbe number of 35, YAG has a refractive index of 1.83 and an Abbe number of 52, both of which have a relatively high refractive index. The Abbe number was also large. These values were close to the zinc oxide is known as a high refractive index material for the refractive index n d. Further, the Abbe number was higher than that of titanium oxide or the like, and it was found that the Abbe number is a material having a low wavelength dispersion property and an excellent balance between high refractive index and low wavelength dispersion property.

図4に各種無機酸化物のバンドギャップとd線(波長587nm)においての屈折率nとの関係、図5に各種無機酸化物のバンドギャップと波長分散性を示すアッベ数νとの関係をそれぞれ示す。これらの結果から、金属酸化物等の半導体における屈折率については、価電子帯と伝導帯の間のエネルギー差であるバンドギャップと関係があることが推察された。 The relationship between the refractive index n d of the band gap and the d-line (wavelength 587 nm) of various inorganic oxides in FIG. 4, the relationship between the Abbe number ν showing a band gap and a wavelength dispersibility of various inorganic oxides in Fig Each is shown. From these results, it was inferred that the refractive index in a semiconductor such as a metal oxide is related to the band gap, which is the energy difference between the valence band and the conduction band.

半導体はそのバンドギャップエネルギーに対応する波長の電磁波を吸収するため、可視光領域から紫外領域にかけて吸収端を有する。このため可視光領域(波長400〜800nm)における光透過性を確保するためには、波長400nmのエネルギーに相当する約3eV以上のバンドギャップが要求される。屈折率の波長分散性とはこの吸収端の裾における屈折率の変化であることから、吸収端が可視光領域から離れて紫外領域に入るほど、すなわちバンドギャップが大きいほど、可視光領域における波長による屈折率変化が小さく波長分散性が少ない材料となる。しかし一方で、バンドギャップがさらに大きくなるとその材料は絶縁性を示し、誘電率、ならびにその平方根である屈折率が低下する。   Since a semiconductor absorbs electromagnetic waves having a wavelength corresponding to its band gap energy, it has an absorption edge from the visible light region to the ultraviolet region. For this reason, in order to ensure optical transparency in the visible light region (wavelength 400 to 800 nm), a band gap of about 3 eV or more corresponding to energy of wavelength 400 nm is required. The wavelength dispersion of the refractive index is the change in the refractive index at the bottom of the absorption edge. Thus, the material has a small refractive index change and a low wavelength dispersion. However, when the band gap is further increased, the material exhibits insulating properties, and the dielectric constant and the refractive index, which is the square root thereof, decrease.

図4に示すとおり、酸化イットリウムはバンドギャップが6.0eVと、高屈折率ではあるが波長分散性の高い酸化チタンや酸化亜鉛等と、絶縁体で屈折率が比較的低いシリカやアルミナ等の中間に位置する。すなわち、バンドギャップの観点からも、酸化イットリウムが屈折率と波長分散性のバランスに優れた材料であることが示唆された。この酸化イットリウムに他の無機物を共存させることにより、屈折率ならびに波長分散性が広範囲にわたる各種の無機物粒子を調製することが可能となる。例えば、酸化イットリウムとアルミナの複合酸化物であるYAGは、酸化イットリウムとアルミナの中間の屈折率ならびに波長分散性を有する。   As shown in FIG. 4, yttrium oxide has a band gap of 6.0 eV, which has a high refractive index but high wavelength dispersion, such as titanium oxide and zinc oxide, and an insulator that has a relatively low refractive index such as silica and alumina. Located in the middle. That is, from the viewpoint of the band gap, it was suggested that yttrium oxide is a material having an excellent balance between refractive index and wavelength dispersion. By allowing other inorganic substances to coexist with this yttrium oxide, it becomes possible to prepare various inorganic particles having a wide range of refractive index and wavelength dispersion. For example, YAG, which is a composite oxide of yttrium oxide and alumina, has an intermediate refractive index and wavelength dispersion between yttrium oxide and alumina.

上記のように、酸化イットリウムは屈折率と波長分散性のバランスに優れ、他の無機物との共存により広範囲の屈折率ならびに波長分散性を有する無機物粒子を得られることから、この酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を含む無機物粒子11をさまざまな屈折率を有する樹脂12と適切に組み合わせてコンポジット材料10を構成することにより、従来樹脂材料では実現が困難であった高屈折率かつ低波長分散性領域の光学特性を有する材料を広範囲で調製することが可能となり、その結果、光学部品設計の自由度を飛躍的に拡大することができる。   As described above, yttrium oxide has an excellent balance between refractive index and wavelength dispersibility, and can obtain inorganic particles having a wide range of refractive index and wavelength dispersibility by coexistence with other inorganic substances. By composing the composite material 10 by appropriately combining the inorganic particles 11 containing other inorganic materials with the resin 12 having various refractive indexes, a high refractive index and low wavelength dispersion which has been difficult to realize with conventional resin materials. It is possible to prepare a wide range of materials having optical characteristics in the optical region, and as a result, the degree of freedom in optical component design can be dramatically expanded.

本発明のコンポジット材料10の基材となる樹脂12は、高い透光性を確保し、高屈折率かつ低波長分散性を示すコンポジット材料を得るために、透光性でありかつ屈折率が1.4〜1.7の範囲にあることが好ましい。紫外線硬化型のアクリル樹脂ないしエポキシ樹脂を用いると、官能基の導入等により各種特性の制御を容易に行うことができるとともに、後述する光学部品の形成プロセスが容易となるため特に好ましい。   The resin 12 serving as a base material of the composite material 10 of the present invention is translucent and has a refractive index of 1 in order to ensure a high translucency and obtain a composite material exhibiting a high refractive index and low wavelength dispersion. It is preferable that it exists in the range of 4-1.7. It is particularly preferable to use an ultraviolet curable acrylic resin or epoxy resin because various properties can be easily controlled by introducing functional groups and the process of forming optical components described later is facilitated.

樹脂12としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂および電子線硬化樹脂といった樹脂の中で、透光性の高い樹脂を用いることができる。例えば、ポリメタクリル酸メチル等のアクリル樹脂;エポキシ樹脂;ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートおよびポリカプロラクトン等のポリエステル樹脂;ポリスチレン等のポリスチレン樹脂;ポリプロピレン等のオレフィン樹脂;ナイロン等のポリアミド樹脂;ポリイミドやポリエーテルイミド等のポリイミド樹脂;ポリビニルアルコール;ブチラール樹脂;酢酸ビニル樹脂;脂環式ポリオレフィン樹脂を用いてもよい。また、ポリカーボネート、液晶ポリマー、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、非晶性ポリオレフィン等のエンジニアリングプラスチックを用いてもよい。また、これらの樹脂(高分子)の混合体や共重合体を用いてもよい。また、これらの樹脂を変性したものを用いてもよい。   As the resin 12, a resin having high translucency can be used among resins such as a thermoplastic resin, a thermosetting resin, a photocurable resin, and an electron beam curable resin. For example, acrylic resins such as polymethyl methacrylate; epoxy resins; polyester resins such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polycaprolactone; polystyrene resins such as polystyrene; olefin resins such as polypropylene; polyamide resins such as nylon; polyimides and polyethers Polyimide resin such as imide; polyvinyl alcohol; butyral resin; vinyl acetate resin; alicyclic polyolefin resin may be used. Further, engineering plastics such as polycarbonate, liquid crystal polymer, polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyarylate, and amorphous polyolefin may be used. Also, a mixture or copolymer of these resins (polymers) may be used. Moreover, you may use what modified | denatured these resin.

これらの中でも、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ブチラール樹脂、ポリオレフィン、およびポリカーボネート樹脂は、透明性が高く、成形性も良好である。これらの樹脂は、所定の分子骨格を選択することによって、屈折率を1.4〜1.7の範囲(好ましくは1.5以上)とすることができる。   Among these, acrylic resin, epoxy resin, polyimide resin, butyral resin, polyolefin, and polycarbonate resin have high transparency and good moldability. These resins can have a refractive index in the range of 1.4 to 1.7 (preferably 1.5 or more) by selecting a predetermined molecular skeleton.

樹脂12のアッベ数νについては特に限定はされないが、基材となる樹脂12のアッベ数νが高いほど、無機物粒子11を分散して得られるコンポジット材料10のアッベ数νCOMも向上することは言うまでもない。特に、樹脂12としてアッベ数νが50以上を示すものを使用することにより、アッベ数νCOMが40以上の、レンズ等の光学部品への応用に際して十分な光学特性を有するコンポジット材料10を得ることが可能となりより好ましい。アッベ数νが50以上を示す樹脂としては、脂環式オレフィン樹脂、ポリシロキサン系樹脂、基本骨格中にフッ素原子を含む樹脂等が挙げられるが、当然これらに限定されるものではない。 The Abbe number ν m of the resin 12 is not particularly limited, but the Abbe number ν COM of the composite material 10 obtained by dispersing the inorganic particles 11 is improved as the Abbe number ν m of the resin 12 serving as the base material is higher. Needless to say. In particular, by using a resin 12 having an Abbe number ν m of 50 or more, a composite material 10 having an Abbe number ν COM of 40 or more and sufficient optical characteristics for application to an optical component such as a lens is obtained. This is more preferable. Examples of the resin having an Abbe number ν m of 50 or more include alicyclic olefin resins, polysiloxane resins, resins containing a fluorine atom in the basic skeleton, and the like, but are not limited thereto.

樹脂12は、上記の光学特性に加えて、コンポジット材料10が使用される光学部品に対応した成形性、成膜性、基材密着性、耐環境性等の特性を考慮して選択される。また樹脂12は、無機物粒子11の分散性も考慮して選択される。   The resin 12 is selected in consideration of characteristics such as moldability, film formability, substrate adhesion, and environment resistance corresponding to the optical component in which the composite material 10 is used in addition to the above optical characteristics. The resin 12 is selected in consideration of the dispersibility of the inorganic particles 11.

コンポジット材料10の屈折率については、例えば(数4)にて表されるマックスウェル−ガーネット理論により推定できる。(数4)によりd線、F線ならびにC線における屈折率を推定することにより、さらにコンポジット材料10のアッベ数を推定することも可能である。この理論に基づく推定から、樹脂12と無機物粒子11との配合の割合を決めてもよい。   The refractive index of the composite material 10 can be estimated by, for example, Maxwell-Garnet theory expressed by (Equation 4). It is also possible to estimate the Abbe number of the composite material 10 by estimating the refractive indexes of the d-line, the F-line, and the C-line by (Equation 4). From the estimation based on this theory, the blending ratio of the resin 12 and the inorganic particles 11 may be determined.

Figure 2007291291
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なお、(数4)において、nCOMはコンポジット材料の平均屈折率であり、n、nはそれぞれ無機物粒子11および樹脂12の屈折率である。Pは、コンポジット材料10全体に占める無機物粒子11の体積比である。無機物粒子11が光を吸収する場合や無機物粒子11が金属を含む場合には、(数4)の屈折率を複素屈折率として計算する。なお、(数4)はn≧nの場合に成立する式であり、n<nの場合は以下の(数5)を用いて屈折率の推定を行う。 In (Equation 4), n COM is the average refractive index of the composite material, and n p and nm are the refractive indexes of the inorganic particles 11 and the resin 12, respectively. P is a volume ratio of the inorganic particles 11 to the entire composite material 10. When the inorganic particles 11 absorb light or when the inorganic particles 11 contain a metal, the refractive index of (Equation 4) is calculated as a complex refractive index. Incidentally, the estimation of the refractive index using equation (4) is an expression that holds when the n p ≧ n m, n p < For n m following equation (5).

Figure 2007291291
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コンポジット材料10の実際の屈折率の評価は、調製したコンポジット材料10を成膜又は成型し、エリプソメトリ法、アベレス法、光導波路法、分光反射率法等の分光測定法や、プリズムカプラ法等で実測することによって求めることができる。   The evaluation of the actual refractive index of the composite material 10 is performed by forming or molding the prepared composite material 10 and performing spectroscopic measurement methods such as ellipsometry, Abeles method, optical waveguide method, spectral reflectance method, prism coupler method, etc. It can be obtained by actually measuring with.

例えば屈折率が1.5の樹脂を用いる場合、屈折率1.83のYAGをその体積比が30%以上となるように混合することによって、屈折率が1.6以上のコンポジット材料が得られると予想される。(数4)または(数5)をd線、F線ならびにC線において同様に用いることにより各波長における屈折率が算出されるので、得られる屈折率を(数3)に代入することによりアッベ数を推定することができる。   For example, when a resin having a refractive index of 1.5 is used, a composite material having a refractive index of 1.6 or more can be obtained by mixing YAG having a refractive index of 1.83 so that the volume ratio is 30% or more. It is expected to be. Since (Equation 4) or (Equation 5) is similarly used for the d-line, F-line, and C-line, the refractive index at each wavelength is calculated. Therefore, by substituting the obtained refractive index into (Equation 3), Abbe The number can be estimated.

一例として、2種類の樹脂(屈折率が1.5、アッベ数が50の樹脂、または、屈折率が1.6、アッベ数が25の樹脂)に、無機物粒子として、YAG(屈折率1.83、アッベ数52)を、コンポジット材料全体に占める体積比が0%、10%、20%、30%となるように混合させて得られるコンポジット材料について、屈折率とアッベ数との関係を(数4)より算出した。結果を図6に示す。図6には比較のため、酸化チタン(屈折率2.61、アッベ数12)、またはアルミナ(屈折率1.76、アッベ数76)を同様に混合させて得られるコンポジット材料についても屈折率とアッベ数の関係を表示している。   As an example, two types of resins (resin having a refractive index of 1.5 and an Abbe number of 50, or a resin having a refractive index of 1.6 and an Abbe number of 25) are used as inorganic particles. 83, the Abbe number 52) is obtained by mixing so that the volume ratio of the entire composite material is 0%, 10%, 20%, and 30%. Calculated from Equation 4). The results are shown in FIG. For comparison, FIG. 6 also shows the refractive index of a composite material obtained by similarly mixing titanium oxide (refractive index 2.61, Abbe number 12) or alumina (refractive index 1.76, Abbe number 76). The Abbe number relationship is displayed.

図6中の一点鎖線は、屈折率nCOM=1.60、アッベ数νCOM=20、ならびに The alternate long and short dash line in FIG. 6 indicates a refractive index n COM = 1.60, an Abbe number ν COM = 20, and

Figure 2007291291
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を示す。図6中において一点鎖線より上部の領域に屈折率ならびにアッベ数を有する材料は、(数1)により示される一般的な樹脂材料と比較して、高屈折率と低波長分散性のバランスに優れた材料と言え、このような材料を使用することにより、小型かつ高性能の光学部品を形成することが可能となる。   Indicates. In FIG. 6, the material having the refractive index and the Abbe number in the region above the one-dot chain line is superior in balance between the high refractive index and the low wavelength dispersion as compared with the general resin material represented by (Equation 1). By using such a material, it is possible to form a small and high-performance optical component.

図6に示したとおり、酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を含む第1の無機物粒子11を樹脂12中に共存させることにより、高屈折率と低波長分散性のバランスに優れたコンポジット材料10を得ることが可能となる。   As shown in FIG. 6, the composite material excellent in the balance between high refractive index and low wavelength dispersibility by coexisting in the resin 12 the first inorganic particles 11 containing yttrium oxide and one or more other inorganic materials. 10 can be obtained.

(実施の形態2)
本発明のコンポジット材料の他の一実施の形態について、図7を用いて説明する。
(Embodiment 2)
Another embodiment of the composite material of the present invention will be described with reference to FIG.

本発明のコンポジット材料70は、酸化イットリウムを少なくとも含む第1の無機物粒子11と、第1の無機物粒子11とは異なる組成を有しアッベ数νが50以上である第2の無機物粒子13を、基材である樹脂12中に均一に分散させることにより構成される。第2の無機物粒子13についても、第1の無機物粒子11と同様、一次粒子である13aと、一次粒子13aが複数個凝集してなる二次粒子13bを含む。したがって、第1の無機物粒子11と第2の無機物粒子13が樹脂12中に均一に分散されているとは、第1の無機物粒子11の一次粒子11aおよび二次粒子11b、ならびに第2の無機物粒子13の一次粒子13aおよび二次粒子13bが、コンポジット材料70内の特定の位置に偏在することなく、実質的に均一に分散していることを意味する。第2の無機物粒子13についても、第1の無機物粒子11と同様の理由により、その実効粒径が1nm以上100nm以下の範囲内、特に1nm以上50nm以下の範囲内にあることが好ましい。 The composite material 70 of the present invention includes first inorganic particles 11 containing at least yttrium oxide, and second inorganic particles 13 having a composition different from that of the first inorganic particles 11 and an Abbe number ν p of 50 or more. , And is uniformly dispersed in the resin 12 as the base material. Similarly to the first inorganic particles 11, the second inorganic particles 13 include primary particles 13 a and secondary particles 13 b formed by aggregating a plurality of primary particles 13 a. Therefore, the fact that the first inorganic particles 11 and the second inorganic particles 13 are uniformly dispersed in the resin 12 means that the primary particles 11a and the secondary particles 11b of the first inorganic particles 11 and the second inorganic particles. It means that the primary particles 13 a and the secondary particles 13 b of the particles 13 are substantially uniformly dispersed without being unevenly distributed at specific positions in the composite material 70. The second inorganic particles 13 also preferably have an effective particle diameter in the range of 1 nm to 100 nm, particularly in the range of 1 nm to 50 nm, for the same reason as the first inorganic particles 11.

また基材となる樹脂12については、実施の形態1にて述べたものと同様の材料を使用することができる。この点については、以下の実施の形態においても同様である。   For the resin 12 serving as the base material, the same materials as those described in Embodiment 1 can be used. This also applies to the following embodiments.

また、(数4)に示したマックスウェル−ガーネット理論は本来2元系について成立するものであるが、2種類の無機物粒子を樹脂中に分散させた3元系のコンポジット材料の屈折率に関しては、(数4)を拡張した(数7)および(数8)により、ある程度推定することができる。   The Maxwell-Garnet theory shown in (Equation 4) is originally valid for a binary system, but regarding the refractive index of a ternary composite material in which two types of inorganic particles are dispersed in a resin. , (Equation 4) can be estimated to some extent by expanding (Equation 7) and (Equation 8).

Figure 2007291291
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Figure 2007291291
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なお、(数7)において、nCBは樹脂12に第2の無機物粒子13を単独で分散させたコンポジット材料の屈折率、npBは第2の無機物粒子13の屈折率である。P、Pはそれぞれ、コンポジット材料10全体に占める樹脂12ならびに第2の無機物粒子13の体積比である。(数7)はnpB≧npmの場合に成立する式であり、npB<npmの場合は(数5)同様に(数7)を修正し屈折率を推定する。 In (Expression 7), n CB is the refractive index of the composite material in which the second inorganic particles 13 are dispersed alone in the resin 12, and n pB is the refractive index of the second inorganic particles 13. P m and P B are volume ratios of the resin 12 and the second inorganic particles 13 in the entire composite material 10, respectively. (Equation 7) is an equation that holds when n pB ≧ n pm , and when n pB <n pm , (Equation 5) is corrected in the same way as (Equation 5) to estimate the refractive index.

また(数8)において、npAは第1の無機物粒子11の屈折率である。Pは、コンポジット材料10全体に占める第1の無機物粒子11の体積比であり、コンポジット材料10が樹脂12、第1の無機物粒子11ならびに第2の無機物粒子13の3成分のみにより構成される場合はP+P+P=1となる。(数8)はnpA≧nCBの場合に成立する式であり、npA<nCBの場合は(数5)同様に(数8)を修正しコンポジット材料10の屈折率を推定する。 In ( Equation 8), n pA is the refractive index of the first inorganic particles 11. P A is configured, the volume ratio of the first inorganic particles 11 in the entire composite material 10, the composite material 10 is a resin 12, only the three components of the first inorganic particles 11 and the second inorganic particles 13 In this case, P A + P B + P m = 1. (Equation 8) is an expression that is established when n pA ≧ n CB . When n pA <n CB , (Equation 5) is corrected in the same manner as in (Equation 5), and the refractive index of the composite material 10 is estimated.

一例として、2種類の樹脂屈折率が1.5、アッベ数が50の樹脂、または、屈折率が1.6、アッベ数が25の樹脂)に、無機物粒子として酸化イットリウム(屈折率1.88、アッベ数35)にアルミナ(屈折率1.76、アッベ数76)またはシリカ(屈折率1.46、アッベ数68)を、コンポジット材料全体に占める無機物粒子の体積比が合計で0%、10%、30%、または50%となるように混合させて得られるコンポジット材料について、屈折率とアッベ数との関係を(数7)および(数8)より算出した。酸化イットリウムと、アルミナまたはシリカの体積比率については、10:0、8:2、6:4、5:5、4:6、2:8、1:9と変化させた。結果を図8に示す。   As an example, two kinds of resins having a refractive index of 1.5 and an Abbe number of 50, or a resin having a refractive index of 1.6 and an Abbe number of 25, and yttrium oxide (refractive index of 1.88) as inorganic particles. , Abbe number 35) and alumina (refractive index 1.76, Abbe number 76) or silica (refractive index 1.46, Abbe number 68), the volume ratio of inorganic particles in the total composite material is 0% in total, 10 The relationship between the refractive index and the Abbe number was calculated from (Equation 7) and (Equation 8) for the composite material obtained by mixing so as to be%, 30%, or 50%. The volume ratio of yttrium oxide to alumina or silica was changed to 10: 0, 8: 2, 6: 4, 5: 5, 4: 6, 2: 8, and 1: 9. The results are shown in FIG.

図7中の一点鎖線は、図5と同様、屈折率nCOM=1.60、アッベ数νCOM=20、ならびに The dashed-dotted line in FIG. 7 is similar to FIG. 5 in refractive index n COM = 1.60, Abbe number ν COM = 20, and

Figure 2007291291
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を示す。図7中において一点鎖線より上部の領域に屈折率ならびにアッベ数を有する材料は、(数1)により示される一般的な樹脂材料と比較して、高屈折率と低波長分散性のバランスに優れた材料と言え、このような材料を使用することにより、小型かつ高性能の光学部品を形成することが可能となる。   Indicates. In FIG. 7, the material having the refractive index and the Abbe number in the region above the alternate long and short dash line has an excellent balance between the high refractive index and the low wavelength dispersion as compared with the general resin material represented by (Equation 1). By using such a material, it is possible to form a small and high-performance optical component.

図8に示したとおり、酸化イットリウムを含む第1の無機物粒子11とともに、第2の無機物粒子13として、酸化イットリウムより波長分散性の低い、例えばアッベ数νが50以上を示す粒子を樹脂12中に共存させることにより、コンポジット材料70のアッベ数の低下をさらに抑制することが可能となる。図5より、バンドギャップがおよそ6〜7eV以上の物質であれば、アッベ数νが50以上を示すと考えられる。これに該当する無機物粒子としては、例えばシリカ(バンドギャップ9.7eV)、アルミナ(7.4〜9eV、結晶系により異なる)、酸化マグネシウム(7.8eV)、酸化カルシウム(7.1eV)等の金属酸化物、窒化アルミニウム(6.2eV)等の金属窒化物、フッ化カルシウム(11.5eV)、塩化カリウム(10.9eV)等の金属ハロゲン化物等があげられる。 As shown in FIG. 8, together with the first inorganic particles 11 containing yttrium oxide, as the second inorganic particles 13, particles having a wavelength dispersibility lower than that of yttrium oxide, for example, an Abbe number ν p of 50 or more are resin 12. By making it coexist, the decrease in the Abbe number of the composite material 70 can be further suppressed. From FIG. 5, it is considered that the Abbe number ν p is 50 or more in the case of a substance having a band gap of approximately 6 to 7 eV or more. Examples of inorganic particles corresponding to this include silica (band gap 9.7 eV), alumina (7.4 to 9 eV, depending on the crystal system), magnesium oxide (7.8 eV), calcium oxide (7.1 eV), and the like. Examples thereof include metal oxides, metal nitrides such as aluminum nitride (6.2 eV), and metal halides such as calcium fluoride (11.5 eV) and potassium chloride (10.9 eV).

また、酸化イットリウムを含む第1の無機物粒子11とともに、シリカまたはアルミナのいずれかを少なくとも含む第2の無機物粒子13を樹脂中に共存させることは、上記したようにコンポジット材料70のアッベ数の低下を抑制できることに加え、基材となる樹脂12の耐久性等に与える影響が比較的小さいこと、無機物粒子の入手ないし調製が容易でコンポジット材料70の生産コストも安価となることからさらに好ましい。   In addition, coexistence in the resin with the first inorganic particles 11 containing yttrium oxide and the second inorganic particles 13 containing at least either silica or alumina in the resin decreases the Abbe number of the composite material 70 as described above. In addition to being able to control, the influence on the durability of the resin 12 serving as a base material is relatively small, the inorganic particles can be easily obtained or prepared, and the production cost of the composite material 70 is further reduced.

上記のように、屈折率と波長分散性のバランスに優れた酸化イットリウムと、低波長分散性の無機微粒子を樹脂中に共存させることにより、波長分散性を増大させることなく屈折率ならびにアッベ数の調整を容易に実施することが可能となり、光学部品設計の自由度がさらに拡大される。   As described above, yttrium oxide having an excellent balance between refractive index and wavelength dispersion and inorganic fine particles having low wavelength dispersion coexist in the resin, so that the refractive index and Abbe number can be increased without increasing wavelength dispersion. Adjustment can be easily performed, and the degree of freedom in optical component design is further expanded.

なお、本発明のコンポジット材料70において、樹脂12に分散させる第1の無機物粒子11としては、本発明の効果が得られる限り、酸化イットリウム以外の無機物成分を含んでもよい。例えば、実施の形態1のコンポジット材料10の場合と同様、酸化イットリウムの複合酸化物や、酸化イットリウムを含む複合酸化物に金属元素をドープさせた酸化物、あるいは酸化イットリウムとともに、金属窒化物、金属炭化物、透光性を有する炭素化合物、金属硫化物、金属等を併用してもよい。第2の無機物粒子13においても、アッベ数νが50以上を示す限り、上記した金属酸化物、金属窒化物、金属ハロゲン化物以外の無機物成分を含んでもよい。また、シリカないしアルミナ以外の無機物成分を含んでもよい。 In the composite material 70 of the present invention, the first inorganic particles 11 dispersed in the resin 12 may include inorganic components other than yttrium oxide as long as the effects of the present invention are obtained. For example, as in the case of the composite material 10 of Embodiment 1, a composite oxide of yttrium oxide, an oxide obtained by doping a composite oxide containing yttrium oxide with a metal element, or yttrium oxide, a metal nitride, a metal Carbides, translucent carbon compounds, metal sulfides, metals, and the like may be used in combination. The second inorganic particles 13 may also contain inorganic components other than the metal oxides, metal nitrides, and metal halides as long as the Abbe number ν p is 50 or more. Further, inorganic components other than silica or alumina may be included.

次に、本発明の実施の形態1および実施の形態2におけるコンポジット材料10、70について説明する。コンポジット材料10、70の全体に占める無機物粒子の好ましい割合(体積比)は、樹脂12および無機物粒子11および13の組み合わせ、ならびに適用する光学部品によって異なる。無機物粒子11および13の割合が大きくなりすぎると透光性が低下するため、コンポジット材料に占める無機物粒子11および13の割合の上限は、通常50体積%〜80体積%程度である。高い屈折率と高い透光性とを実現するためには、コンポジット材料に占める無機物粒子11および13の割合は、全ての種類の無機物粒子を合計して5体積%〜50体積%の範囲にあることが好ましい。   Next, composite materials 10 and 70 according to the first and second embodiments of the present invention will be described. A preferable ratio (volume ratio) of the inorganic particles in the entire composite material 10 or 70 varies depending on the combination of the resin 12 and the inorganic particles 11 and 13 and the applied optical component. When the proportion of the inorganic particles 11 and 13 becomes too large, the translucency is lowered. Therefore, the upper limit of the proportion of the inorganic particles 11 and 13 in the composite material is usually about 50% by volume to 80% by volume. In order to achieve a high refractive index and high translucency, the proportion of the inorganic particles 11 and 13 in the composite material is in the range of 5% by volume to 50% by volume in total for all types of inorganic particles. It is preferable.

コンポジット材料に占める樹脂および無機物粒子の割合は、適用する光学部品に求められる特性や、樹脂および無機物粒子の種類等に応じて選択される。一例では、コンポジット材料に占める樹脂の割合は、50体積%〜95体積%(特に60体積%〜80体積%)の範囲が好ましい。また、コンポジット材料に占める無機物粒子の割合は、5体積%〜50体積%(例えば20体積%〜40体積%)の範囲が好ましい。   The ratio of the resin and inorganic particles in the composite material is selected according to the characteristics required for the applied optical component, the types of the resin and inorganic particles, and the like. In one example, the proportion of the resin in the composite material is preferably in the range of 50 volume% to 95 volume% (particularly 60 volume% to 80 volume%). The proportion of the inorganic particles in the composite material is preferably in the range of 5% to 50% by volume (for example, 20% to 40% by volume).

本発明のコンポジット材料10、70において、屈折率と波長分散性のバランスに優れた酸化イットリウムを含む第1の無機物粒子11および、低波長分散性の第2の無機物粒子13を樹脂12中に分散させる構成をとることにより、樹脂単独では実現が困難であった(数10)を満たす光学部品材料を得ることが可能となる。   In the composite materials 10 and 70 of the present invention, the first inorganic particles 11 containing yttrium oxide excellent in the balance between the refractive index and the wavelength dispersion and the second inorganic particles 13 having a low wavelength dispersion are dispersed in the resin 12. By adopting such a configuration, it is possible to obtain an optical component material that satisfies (Equation 10), which has been difficult to achieve with a resin alone.

Figure 2007291291
Figure 2007291291

本発明のコンポジット材料10、70の屈折率については、(数10)を満たしうるものであれば特に限定はされないが、光学部品として要求される特性を満たし、かつ薄型化・小型化を実現する観点から、1.60以上であることが好ましい。コンポジット材料の屈折率の上限については、(数4)、(数7)および(数8)より、理論上は酸化イットリウムの屈折率である1.88となる。しかし、先に示したとおりコンポジット材料10、70に占める第1の無機物粒子11および第2の無機物粒子13ないし無機物粒子Cの割合は合計で50体積%以下であることが好ましいこと、および、基材となる樹脂12の屈折率がおおむね1.7以下であることから、実際上はコンポジット材料10、70の屈折率の上限は1.8程度となると考えられる。   The refractive indexes of the composite materials 10 and 70 of the present invention are not particularly limited as long as they can satisfy (Equation 10), but satisfy the characteristics required for optical components, and realize a reduction in thickness and size. From the viewpoint, it is preferably 1.60 or more. The upper limit of the refractive index of the composite material is 1.88, which is theoretically the refractive index of yttrium oxide, from (Equation 4), (Equation 7), and (Equation 8). However, as described above, the ratio of the first inorganic particles 11 and the second inorganic particles 13 to the inorganic particles C in the composite materials 10 and 70 is preferably 50% by volume or less in total, Since the refractive index of the resin 12 as the material is generally 1.7 or less, it is considered that the upper limit of the refractive index of the composite materials 10 and 70 is practically about 1.8.

本発明のコンポジット材料10、70のアッベ数については、(数10)を満たしうるものであれば特に限定はされないが、光学部品として要求される特性、特にレンズの色収差等を改善する観点から、20以上であることが好ましい。コンポジット材料のアッベ数の上限については、(数7)および(数8)より、理論上は低波長分散性の第2の無機物粒子13のアッベ数、すなわち最大でアルミナの76となる。しかし、先に示したとおりコンポジット材料10ないし70に占める無機物粒子の割合は50体積%以下であることが好ましいこと、および、基材となる樹脂12のアッベ数がおおむね65以下であることから、実際上はコンポジット材料10、70のアッベ数の上限は70程度となると考えられる。   The Abbe number of the composite materials 10 and 70 of the present invention is not particularly limited as long as it can satisfy (Equation 10), but from the viewpoint of improving characteristics required as an optical component, particularly chromatic aberration of a lens, and the like. It is preferable that it is 20 or more. The upper limit of the Abbe number of the composite material is theoretically the Abbe number of the second inorganic particles 13 having low wavelength dispersion, that is, 76 of alumina at maximum, from (Equation 7) and (Equation 8). However, as described above, the proportion of the inorganic particles in the composite materials 10 to 70 is preferably 50% by volume or less, and the Abbe number of the resin 12 serving as the base material is generally 65 or less. In practice, the upper limit of the Abbe number of the composite materials 10 and 70 is considered to be about 70.

さらに本発明のコンポジット材料10、70は、樹脂12を基材とするため加工性に優れ、かつ樹脂と比べて熱膨張係数が小さい酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を含んだ無機物粒子11が分散しているため温度変化の影響による劣化が少ないという特徴をも有する。   Furthermore, since the composite materials 10 and 70 of the present invention are based on the resin 12, the inorganic particles 11 include yttrium oxide having excellent workability and a smaller thermal expansion coefficient than the resin, and one or more other inorganic materials. In addition, it has a feature that there is little deterioration due to the influence of temperature change.

(コンポジット材料の調製方法)
上に示した無機物粒子11および13を基材である樹脂12に分散させて得られるコンポジット材料10、70の調製方法に限定はなく、物理的な方法で調製してもよいし化学的な方法で調製してもよい。例えば、下記のいずれかの方法でコンポジット材料10を調製することができる。
(Preparation method of composite material)
There is no limitation on the method for preparing the composite materials 10 and 70 obtained by dispersing the inorganic particles 11 and 13 shown above in the resin 12 as the base material, and the material may be prepared by a physical method or a chemical method. May be prepared. For example, the composite material 10 can be prepared by any of the following methods.

(1)樹脂または樹脂を溶解した溶液と無機物粒子とを、機械的・物理的に混合する方法。   (1) A method of mechanically and physically mixing a resin or a resin-dissolved solution and inorganic particles.

(2)樹脂の原料(単量体やオリゴマー等)と無機物粒子とを、機械的・物理的に混合して混合物を得た後、樹脂の原料を重合する方法。   (2) A method of polymerizing a resin raw material after mechanically and physically mixing the resin raw material (monomer, oligomer, etc.) and inorganic particles to obtain a mixture.

(3)樹脂または樹脂を溶解した溶液と無機物粒子の原料とを混合した後に無機物粒子の原料を反応させ、樹脂中で無機物粒子を形成する方法。   (3) A method of forming inorganic particles in the resin by mixing the resin or a solution in which the resin is dissolved and the raw materials of the inorganic particles, and then reacting the raw materials of the inorganic particles.

(4)樹脂の原料(単量体やオリゴマー等)と無機物粒子の原料とを混合した後、無機物粒子の原料を反応させて無機物粒子を合成する工程と、樹脂の原料を重合して樹脂を合成する工程とを行う方法。   (4) After mixing the raw material of the resin (monomer, oligomer, etc.) and the raw material of the inorganic particles, reacting the raw material of the inorganic particles to synthesize the inorganic particles, polymerizing the raw material of the resin, And a process of synthesizing.

なお、本発明のコンポジット材料において、無機物粒子の原料としては、酸化イットリウムであればイットリウムアルコキシド(イットリウムトリエトキシド、イットリウムトリメトキシド、イットリウムトリ−i−プロポキシド、イットリウムトリ−n−プロポキシド、イットリウムトリ−n−ブトキシド、イットリウムトリ−sec−ブトキシド、イットリウムトリ−tert−ブトキシド等)、イットリウムの配位化合物(イットリウムアセチルアセトナート等)、イットリウムのハロゲン化物(塩化イットリウム等)等が挙げられる。また、酸化イットリウムの複合酸化物であれば、アルコキシド(イットリウムアルミニウム−i−プロポキシド等)等より調製が可能である。また、これらの他に、他の無機物粒子の原料、例えばアルコキシドや配位化合物を含む有機金属化合物や、金属ハロゲン物等を併用してもよい。シリカであればアルコキシシラン(テトラエトキシシラン、テトラ−i−プロポキシシラン、テトラ−n−プロポキシシラン、テトラ−n−ブトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン等)、ハロゲン化ケイ素(テトラクロロシラン、メチルトリクロロシラン、エチルトリクロロシラン等)等が挙げられる。アルミナであればアルミニウムアルコキシド(アルミニウムトリエトキシド、アルミニウムトリ−i−プロポキシド、アルミニウムトリブトキシド等)、キレート化合物(アルミニウムアセチルアセトネート等)等を用いることができる。   In the composite material of the present invention, the raw material of the inorganic particles is yttrium alkoxide (yttrium triethoxide, yttrium trimethoxide, yttrium tri-i-propoxide, yttrium tri-n-propoxide, Yttrium tri-n-butoxide, yttrium tri-sec-butoxide, yttrium tri-tert-butoxide, etc.), yttrium coordination compounds (such as yttrium acetylacetonate), yttrium halides (such as yttrium chloride), and the like. In addition, a composite oxide of yttrium oxide can be prepared from an alkoxide (such as yttrium aluminum-i-propoxide). In addition to these, raw materials for other inorganic particles, for example, organometallic compounds including alkoxides and coordination compounds, metal halides, and the like may be used in combination. For silica, alkoxysilane (tetraethoxysilane, tetra-i-propoxysilane, tetra-n-propoxysilane, tetra-n-butoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, vinyltrimethoxy Silane, dimethyldiethoxysilane, etc.), silicon halides (tetrachlorosilane, methyltrichlorosilane, ethyltrichlorosilane, etc.) and the like. In the case of alumina, aluminum alkoxide (aluminum triethoxide, aluminum tri-i-propoxide, aluminum tributoxide, etc.), chelate compound (aluminum acetylacetonate, etc.) and the like can be used.

上記(1)および(2)の方法では、予め形成された様々な無機物粒子を用いることができ、また、汎用の分散装置によってコンポジット材料を調製できるという利点がある。また、上記(3)および(4)の方法では、化学的な反応を行うことが必要であるため、材料に制限がある。しかし、これらの方法は、原料を分子レベルで混合し、無機物粒子の分散性を高めることができるという利点を有する。   In the methods (1) and (2), various inorganic particles formed in advance can be used, and there is an advantage that a composite material can be prepared by a general-purpose dispersion apparatus. In the methods (3) and (4), it is necessary to perform a chemical reaction, and thus there are limitations on materials. However, these methods have the advantage that the raw materials can be mixed at the molecular level to increase the dispersibility of the inorganic particles.

なお、酸化イットリウムを含む第1の無機物粒子11とともに、低波長分散性の第2の無機物粒子13を樹脂12中に共存させる場合、両方の粒子を上記(1)から(4)の同じ方法で調製してもよいし、それぞれ異なる方法で調製してもよい。例えば、一方の粒子を予め形成された無機物粒子として混合し、他方の粒子を原料から形成しても差し支えない。   In addition, when the 1st inorganic particle 11 containing yttrium oxide and the 2nd inorganic particle 13 of low wavelength dispersibility coexist in the resin 12, both particle | grains are carried out by the same method of said (1) to (4). They may be prepared or prepared by different methods. For example, one particle may be mixed as preformed inorganic particles, and the other particle may be formed from a raw material.

上記の方法において、無機物粒子または無機物粒子の原料と、樹脂または樹脂の原料とを混合する順序に特に限定はなく、好ましい順序を適宜選択すればよい。例えば、一次粒径が実質的に1nm〜100nmの範囲のサイズである無機物粒子を分散した溶液に、樹脂、樹脂の原料またはそれらを溶解した溶液を加えて機械的・物理的に混合してもよい。また、酸化イットリウムを含む第1の無機物粒子11とともに、低波長分散性の第2の無機物粒子13を樹脂中に共存させる場合、各々の粒子を調製する順序についても、本発明の効果が得られる限り特に限定されない。例えば(3)および(4)の方法において、無機物粒子の原料としてアルコキシドを使用する場合、比較的反応性の低いアルコキシシランやアルミニウムアルコキシドを先に一定時間反応させた後、この系に反応性の高いイットリウムアルコキシドをさらに混合して反応させる方法をとることができる。   In the above method, the order of mixing the inorganic particles or the raw material of the inorganic particles and the resin or the raw material of the resin is not particularly limited, and a preferable order may be appropriately selected. For example, a resin, a raw material of resin, or a solution in which they are dissolved may be added to a solution in which inorganic particles having a primary particle size substantially in the range of 1 nm to 100 nm are dispersed and mixed mechanically and physically. Good. Further, when the first inorganic particles 11 containing yttrium oxide and the second inorganic particles 13 having low wavelength dispersibility coexist in the resin, the effect of the present invention can be obtained with respect to the order of preparing the respective particles. There is no particular limitation. For example, in the methods (3) and (4), when an alkoxide is used as a raw material for inorganic particles, a relatively low reactivity alkoxysilane or aluminum alkoxide is first reacted for a certain period of time, and then this system is reactive. A method of further mixing and reacting high yttrium alkoxide can be employed.

なお、本発明のコンポジット材料10、70においては、本発明の効果が得られる限り、無機物粒子11および13と基材となる樹脂12以外の成分を含んでもよい。例えば、図示はしていないが、樹脂中における無機物粒子の分散性を向上させる分散剤や界面活性剤、特定範囲の波長の電磁波を吸収する染料や顔料等がコンポジット材料中に共存していても差し支えない。   In addition, in the composite materials 10 and 70 of this invention, as long as the effect of this invention is acquired, components other than the inorganic particle 11 and 13 and resin 12 used as a base material may be included. For example, although not shown, even if a dispersant or surfactant that improves the dispersibility of the inorganic particles in the resin, a dye or pigment that absorbs electromagnetic waves of a specific range of wavelengths coexists in the composite material. There is no problem.

本発明の光学部品を形成するためのコンポジット材料10、70の加工方法は、基材である樹脂12の種類、ならびに形成する光学部品の形状や要求特性等により異なる。例えばレンズ基材やディスク基板、ファイバー等の成形体を得る場合、樹脂が熱可塑性樹脂であれば、コンポジット材料をある温度範囲に加熱することにより軟化ないし溶融させ、各種の成形加工を行うことができる。成形加工方法の例としては、押出成形、射出成形、真空成形、ブロー成形、圧縮成形、カレンダー成形、積層成形、加熱プレス等が挙げられ、多様な形状の成形体を得ることが可能である。樹脂が熱硬化性樹脂および光硬化性ないし電子線硬化性樹脂であれば、樹脂原料である単量体やオリゴマー等に無機物粒子ないし無機物粒子の原料を混合した状態にて注型し、加熱ないし光または電子線照射により樹脂原料を重合する方法(注型重合)等により、本発明のコンポジット材料による成形体を得ることができる。また必要に応じて、これらの成形体に対して切削や研磨による加工を実施したり、ハードコートや反射防止膜等の表面処理加工を実施してもよい。   The processing method of the composite materials 10 and 70 for forming the optical component of the present invention varies depending on the type of the resin 12 as the base material, the shape and required characteristics of the optical component to be formed, and the like. For example, when a molded body such as a lens substrate, a disk substrate, or a fiber is obtained, if the resin is a thermoplastic resin, the composite material can be softened or melted by heating to a certain temperature range, and various molding processes can be performed. it can. Examples of the molding method include extrusion molding, injection molding, vacuum molding, blow molding, compression molding, calender molding, laminate molding, and heat press, and it is possible to obtain molded bodies having various shapes. If the resin is a thermosetting resin and a photocurable or electron beam curable resin, the resin raw material is cast in a state where inorganic particles or inorganic particle raw materials are mixed with monomers or oligomers, and heated or heated. A molded body of the composite material of the present invention can be obtained by a method of polymerizing a resin raw material by light or electron beam irradiation (cast polymerization). Moreover, you may implement processing by cutting and grinding | polishing with respect to these molded objects as needed, or surface treatment processing, such as a hard coat and an antireflection film.

一方、成形体表面への被膜や孔内への光導波路を形成する場合、コンポジット材料を構成するための物質を含む混合物、例えば塗液を使用することができる。この混合物(塗液)は、樹脂または樹脂の原料と、無機物粒子と、溶媒(分散媒)とを含む。また、溶媒を含まない混合物を用いてもよい。この場合、熱可塑性樹脂を用い、昇温によって低粘度化させた混合物を用いるか、あるいは膜状の混合物を用いる。塗液は、例えば以下の方法で調製できる。   On the other hand, when forming a coating on the surface of the molded body or an optical waveguide into the hole, a mixture containing a substance for constituting the composite material, for example, a coating solution can be used. This mixture (coating liquid) contains a resin or a raw material of the resin, inorganic particles, and a solvent (dispersion medium). Moreover, you may use the mixture which does not contain a solvent. In this case, a thermoplastic resin is used and a mixture whose viscosity is lowered by heating is used, or a film-like mixture is used. The coating liquid can be prepared, for example, by the following method.

(1)コンポジット材料を溶剤によって希釈して塗液を調製する方法。この塗液を用いる場合、塗液を塗布した後に溶剤を除去する。   (1) A method of preparing a coating liquid by diluting a composite material with a solvent. When this coating liquid is used, the solvent is removed after the coating liquid is applied.

(2)樹脂の単量体やオリゴマー、低分子量体等と無機物粒子とを混合して塗液を調製する方法。この塗液を用いる場合、単量体やオリゴマー、低分子量体等の原料を反応させて樹脂を合成することが必要となる。この合成を行うタイミングは、後工程に応じて決定される。   (2) A method of preparing a coating liquid by mixing resin monomers, oligomers, low molecular weight substances and the like with inorganic particles. When this coating solution is used, it is necessary to synthesize a resin by reacting raw materials such as monomers, oligomers, and low molecular weight substances. The timing for performing the synthesis is determined according to the subsequent process.

(3)無機物粒子の原料と樹脂と溶媒とを混合して塗液を調製する方法。この塗液を用いる場合、塗液を塗布した後に、無機物粒子の原料をゾル・ゲル法等によって反応させて塗膜中で無機物粒子を合成する。   (3) A method of preparing a coating liquid by mixing a raw material of inorganic particles, a resin, and a solvent. In the case of using this coating liquid, after coating the coating liquid, the inorganic particles are reacted by a sol-gel method or the like to synthesize the inorganic particles in the coating film.

(4)加温して低粘度化した樹脂に無機物粒子を分散させて塗液を調製する方法。この方法では、塗膜の温度が低下することによって塗膜が固化して被膜や光導波路が形成される。   (4) A method of preparing a coating liquid by dispersing inorganic particles in a heated resin having a reduced viscosity. In this method, when the temperature of the coating film is lowered, the coating film is solidified to form a coating film or an optical waveguide.

これらの方法は、樹脂12や無機物粒子11および13の種類や、塗布の方法等に応じて適宜選択すればよい。なお塗液は、必要に応じて、架橋剤、重合開始剤、分散剤等を含んでもよい。   These methods may be appropriately selected according to the types of the resin 12 and the inorganic particles 11 and 13, the coating method, and the like. The coating liquid may contain a crosslinking agent, a polymerization initiator, a dispersing agent, etc. as necessary.

この混合物を成形体表面や孔内に配置する方法に限定はなく、例えば公知の方法を適用できる。具体的には、ディスペンサ等の注液ノズルを用いた塗布、スプレーコーティングやインクジェット法等の噴射塗布、スピンコーティング等回転による塗布、ロールコーティングやダイコーティング、スクリーン印刷等スキージングによる塗布、パッド印刷やインプリント等転写による塗布等を適用してもよい。このような方法は、既存の設備を用いて行うことができる。   There is no limitation on the method of disposing the mixture on the surface of the molded body or in the holes, and for example, a known method can be applied. Specifically, application using an injection nozzle such as a dispenser, spray application such as spray coating or inkjet method, application by rotation such as spin coating, application by squeezing such as roll coating or die coating, screen printing, pad printing, Application by transfer such as imprint may be applied. Such a method can be performed using existing equipment.

塗液を塗布した後、溶媒を除去することによって被膜や光導波路を形成できる。なお、塗液が、樹脂の材料(モノマやオリゴマー等)や無機物粒子の原料を含む場合、必要に応じて塗布後にそれらを反応させて樹脂や無機物粒子を合成してもよい。また、塗液を塗布することによって形成された膜を硬化させて被膜や光導波路を形成してもよい。硬化処理は、光硬化、電子線硬化、熱硬化、乾燥処理等で行うことができる。   After applying the coating liquid, the film or the optical waveguide can be formed by removing the solvent. In addition, when a coating liquid contains the raw material of resin material (monomer, oligomer, etc.) and inorganic particle | grains, you may make them react after application | coating as needed and synthesize | combine resin and inorganic particle | grains. Further, a film formed by applying a coating liquid may be cured to form a coating film or an optical waveguide. The curing treatment can be performed by photocuring, electron beam curing, heat curing, drying treatment or the like.

(実施の形態3)
本発明のコンポジット材料を用いた光学部品の一実施の形態について、図9を用いて説明する。
(Embodiment 3)
One embodiment of an optical component using the composite material of the present invention will be described with reference to FIG.

本発明において、酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を少なくとも含む無機物粒子を樹脂に分散させることにより構成されるコンポジット材料を使用して形成される光学部品としては、レンズ、回折光学素子(回折格子を形成したレンズ、空間ローパスフィルタ、偏光ホログラム等)、光導波路を有する固体撮像素子、光ファイバー、光ディスク基板、光フィルタ、光学用接着剤等が挙げられる。図9においては、このうち回折格子形状を表面に形成したレンズの一例についてその断面図を示し、説明を行う。なお、図9に示したレンズは一例であり、本発明は他の様々な形態にも適用可能である。   In the present invention, an optical component formed using a composite material formed by dispersing inorganic particles containing at least yttrium oxide and one or more other inorganic substances in a resin includes a lens, a diffractive optical element (diffraction A lens having a grating, a spatial low-pass filter, a polarization hologram, and the like), a solid-state imaging device having an optical waveguide, an optical fiber, an optical disk substrate, an optical filter, an optical adhesive, and the like. In FIG. 9, a sectional view of an example of a lens having a diffraction grating shape formed on the surface thereof will be described. The lens shown in FIG. 9 is an example, and the present invention can be applied to various other forms.

レンズ基材91の表面には輪帯状の回折格子形状92aが形成され、その対向面にも輪帯状の回折格子92bが形成されている。これらの回折格子形状92a、92bを覆うように保護膜93a、93bがそれぞれ形成されている。レンズ基材91表面に形成される回折格子形状92は、レンズのいずれか片面に形成されていても、両面に形成されていてもよい。両面に形成される場合において、両面の回折格子形状92a、92bは必ずしも同じ深さ、形状である必要はない。また、回折格子内の輪帯ピッチは同じである必要はない。また、輪帯である必要はなく直線状、曲線状の回折格子やホログラフィック回折格子でも差し支えない。また両面における保護膜93a、93bのそれぞれの材料、およびそれぞれの厚みも同じである必要はない。レンズの形状の両面ともが凸面である必要はなく、凹面と凸面、両面凹面、両面平面、平面と凸面、平面と凹面等でもよい。   An annular diffractive grating shape 92a is formed on the surface of the lens substrate 91, and an annular diffractive grating 92b is also formed on the opposite surface. Protective films 93a and 93b are formed so as to cover these diffraction grating shapes 92a and 92b, respectively. The diffraction grating shape 92 formed on the surface of the lens substrate 91 may be formed on one side or both sides of the lens. When formed on both sides, the diffraction grating shapes 92a and 92b on both sides do not necessarily have the same depth and shape. Also, the annular zone pitch in the diffraction grating need not be the same. Further, it does not have to be an annular zone, and a linear or curved diffraction grating or a holographic diffraction grating may be used. Further, the materials and the thicknesses of the protective films 93a and 93b on both sides need not be the same. Both surfaces of the lens shape need not be convex, and may be concave and convex, double-sided concave, double-sided flat, flat and convex, flat and concave.

本発明のレンズにおいて、コンポジット材料は、レンズ基材91として使用することができる。本発明のコンポジット材料は高屈折率かつ低波長分散性を示すことから、コンポジット材料をレンズ基材91として使用することにより、従来のプラスチックレンズと比較して薄型化が可能となるとともに、像面湾曲や色収差の影響も低減される。特にレンズ表面の少なくとも一方に回折格子形状92を形成することにより、さらに薄型かつ光学特性に優れたレンズを得ることができる。   In the lens of the present invention, the composite material can be used as the lens substrate 91. Since the composite material of the present invention exhibits a high refractive index and low wavelength dispersion, the use of the composite material as the lens substrate 91 enables a reduction in thickness as compared with a conventional plastic lens, and also provides an image surface. The influence of curvature and chromatic aberration is also reduced. In particular, by forming the diffraction grating shape 92 on at least one of the lens surfaces, it is possible to obtain a lens that is thinner and has excellent optical characteristics.

レンズ基材91としての加工方法は、コンポジット材料の基材となる樹脂により異なる。例えば、レンズ形状を形成する金型に、コンポジット材料を軟化ないし溶融させた状態で供給し成形を行う方法や、樹脂原料である単量体やオリゴマー等に無機物粒子ないし無機物粒子の原料を混合した状態にて注型し、加熱ないし光または電子線照射により樹脂原料を重合したりする方法等により、所望のレンズ形状に成形することが考えられる。この際、金型に回折格子形状を形成しておくことにより、得られるレンズの表面に回折格子形状92が形成される。なお、レンズの加工方法はこれらに限定されるものではない。   The processing method as the lens base material 91 differs depending on the resin used as the base material of the composite material. For example, a composite material is supplied in a softened or melted state to a mold that forms a lens shape and molding is performed, or a monomer or oligomer that is a resin raw material is mixed with inorganic particles or inorganic particle raw materials It is conceivable to mold in a desired lens shape by a method such as casting in a state and polymerizing a resin raw material by heating or light or electron beam irradiation. At this time, a diffraction grating shape 92 is formed on the surface of the obtained lens by forming a diffraction grating shape in the mold. In addition, the processing method of a lens is not limited to these.

本発明のコンポジット材料をレンズ基材91として使用する場合、コンポジット材料の基材となる樹脂は本発明の効果が得られる限り、一般にプラスチックレンズ等に使用される透光性の樹脂を使用することができる。例えばメタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン、脂環式ポリオレフィン樹脂等を用いることができるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。その中でも、成型加工が容易で生産性がより高いことから、熱可塑性樹脂を基材として使用することが特に好ましい。   When the composite material of the present invention is used as the lens base material 91, the resin used as the base material of the composite material should be a translucent resin generally used for plastic lenses and the like as long as the effects of the present invention can be obtained. Can do. For example, methacrylic resin, polycarbonate resin, polystyrene, alicyclic polyolefin resin, and the like can be used, but are not necessarily limited thereto. Among them, it is particularly preferable to use a thermoplastic resin as a base material because it is easy to mold and has higher productivity.

なお、本発明のコンポジット材料を使用して形成されるレンズ基材91上に、屈折率、反射率等の光学特性や、耐摩擦性、熱膨張性等の力学特性を調整する作用を有する保護膜を形成してもよい。   In addition, the protection which has the effect | action which adjusts mechanical characteristics, such as optical characteristics, such as refractive index and a reflectance, friction resistance, and thermal expansibility, on the lens base material 91 formed using the composite material of this invention. A film may be formed.

本発明のコンポジット材料を用いたレンズ基材91は、コンポジット材料が樹脂をベースとしているので製造が容易である。回折格子形状92が形成されたレンズ基材91の加工方法はコンポジット材料の基材となる樹脂により異なるが、例えば金型による成形で容易に大量生産できる。金型の加工の一例としては金型表面にメッキ膜を形成し、このメッキ膜にダイヤモンドバイトによる旋削加工を用いて、回折格子形状を形成したレンズ用の成形駒を加工する。上記材料は熱可塑性樹脂であるポリカーボネート、シクロオレフィン系樹脂が配合されているので、射出成形により回折格子形状92が形成されたレンズを容易に作製できる。あるいは、樹脂原料である単量体やオリゴマー等に無機物粒子ないし無機物粒子の原料を混合した状態にて注型し、加熱ないし光または電子線照射により樹脂原料を重合したりする方法等により、所望のレンズ形状に成形することも考えられる。   The lens base 91 using the composite material of the present invention is easy to manufacture because the composite material is based on resin. The processing method of the lens base material 91 on which the diffraction grating shape 92 is formed differs depending on the resin used as the base material of the composite material, but can be easily mass-produced by molding with a mold, for example. As an example of processing of the mold, a plating film is formed on the surface of the mold, and a lens forming piece having a diffraction grating shape is processed on the plating film using a turning process with a diamond tool. Since the above materials are blended with polycarbonate and cycloolefin resin, which are thermoplastic resins, a lens having a diffraction grating shape 92 formed by injection molding can be easily manufactured. Alternatively, the resin raw material monomer or oligomer is cast in a state where inorganic particles or inorganic particle raw materials are mixed, and the resin raw material is polymerized by heating or irradiation with light or electron beam, etc. It is also conceivable to form the lens shape.

また、型材として石英等の紫外線や可視光を透過する材料にドライエッチング等で階段状の回折格子(反転形状)を形成してもよい。このような型材を用いれば、光硬化性樹脂を含むコンポジット材料の混合物を型材に塗布等を行い、紫外線硬化樹脂や可視光硬化樹脂を硬化し離型する方法、いわゆるフォトポリマー成形を用いることにより、コンポジット材料からなり回折格子形状92が形成されたレンズ基材91を容易に作製できる。なお、レンズの加工方法はこれらに限定されるものではない。   Further, a stepped diffraction grating (inverted shape) may be formed by dry etching or the like on a material that transmits ultraviolet light or visible light such as quartz as a mold material. By using such a mold material, a method of applying a mixture of a composite material containing a photo-curable resin to the mold material and curing and releasing an ultraviolet curable resin or a visible light curable resin, so-called photopolymer molding is used. The lens substrate 91 made of a composite material and having the diffraction grating shape 92 formed can be easily manufactured. In addition, the processing method of a lens is not limited to these.

なお、金型加工の容易さと、レンズ性能面での回折格子形状92の寄与、および周辺温度に対する安定性を確保するには回折格子形状92の深さを20μm以下にすることが望ましい。数十μmを越える深さの回折格子形状92に対しては加工精度の高い金型加工が困難である。なぜなら、一般に金型加工はバイトを用いて行うが、回折格子形状92が深いと加工量が増え、バイト先端が磨耗するため、加工精度が劣化する。同時に回折格子形状92が深くなると回折格子形状92のピッチを狭くすることができない。回折格子形状92が深くなると先端の曲率半径の大きなバイトで金型を加工する必要があり、その結果、ある程度回折格子形状92のピッチを広げないと回折格子形状92の加工ができないためである。これにより回折格子形状92が深いほど回折格子形状92の形状設計自由度がなくなり、回折格子形状92による収差低減効果がほとんどなくなっていく。   In order to secure the ease of mold processing, the contribution of the diffraction grating shape 92 in terms of lens performance, and stability with respect to the ambient temperature, it is desirable that the depth of the diffraction grating shape 92 be 20 μm or less. For a diffraction grating shape 92 having a depth exceeding several tens of μm, it is difficult to perform mold processing with high processing accuracy. This is because die machining is generally performed using a cutting tool, but if the diffraction grating shape 92 is deep, the processing amount increases and the tip of the cutting tool wears, so that the processing accuracy deteriorates. At the same time, if the diffraction grating shape 92 becomes deep, the pitch of the diffraction grating shape 92 cannot be reduced. When the diffraction grating shape 92 becomes deeper, it is necessary to process the die with a tool having a large curvature radius at the tip, and as a result, the diffraction grating shape 92 cannot be processed unless the pitch of the diffraction grating shape 92 is increased to some extent. Accordingly, as the diffraction grating shape 92 is deeper, the degree of freedom in shape design of the diffraction grating shape 92 is lost, and the aberration reduction effect by the diffraction grating shape 92 is almost lost.

また、本発明のレンズにおいて、コンポジット材料をレンズ基材91上に形成する保護膜93として使用してもよい。コンポジット材料をレンズ基材91上の保護膜93として形成した場合についても、レンズ基材91に使用した場合と同様、像面湾曲や色収差の影響を低減することが可能である。   In the lens of the present invention, a composite material may be used as the protective film 93 formed on the lens substrate 91. Even when the composite material is formed as the protective film 93 on the lens base material 91, it is possible to reduce the influence of field curvature and chromatic aberration as in the case of using the lens base material 91.

表面の少なくとも一方に回折格子形状92を形成したレンズ基材91に対して、本発明のコンポジット材料により保護膜93を形成する場合、ある波長λにおいてレンズの1次回折効率が100%となる回折格子深さd´は(数11)により与えられる。なお(数11)において、nCOMはコンポジット材料の、nはレンズ基材91の、波長λにおける屈折率である。 When the protective film 93 is formed from the composite material of the present invention on the lens base material 91 having the diffraction grating shape 92 formed on at least one of the surfaces, the first-order diffraction efficiency of the lens is 100% at a certain wavelength λ. The lattice depth d ′ is given by (Equation 11). In (Equation 11), n COM is the refractive index of the composite material, and n L is the refractive index of the lens substrate 91 at the wavelength λ.

Figure 2007291291
Figure 2007291291

(数11)の右辺がある波長領域において一定値になれば、その波長領域における回折効率の波長依存性がなくなることになる。すなわち、レンズ基材91と保護膜93を高屈折率・低波長分散性材料と低屈折率・高波長分散性材料との組み合わせにより構成すればよい。ここで本発明のコンポジット材料を、適切な樹脂、無機物粒子の種類ならびに体積比を選択して調製し保護膜93として使用することにより、回折格子深さd´を深くすることなく、回折効率の波長依存性が少ないレンズを形成することができる。この構成により、回折格子形状92のピッチを細かくすることができ、広い波長領域において色収差がなくMTF特性に優れたレンズを複数のレンズを組み合わせることなく形成することが可能となる。この結果、光学機器の薄型化・小型化を実現できる。   If the right side of (Equation 11) becomes a constant value in a certain wavelength region, the wavelength dependence of the diffraction efficiency in that wavelength region is lost. That is, the lens base material 91 and the protective film 93 may be configured by a combination of a high refractive index / low wavelength dispersion material and a low refractive index / high wavelength dispersion material. Here, the composite material of the present invention is prepared by selecting an appropriate resin, inorganic particle type and volume ratio, and used as the protective film 93, so that the diffraction efficiency can be improved without increasing the diffraction grating depth d '. A lens with less wavelength dependency can be formed. With this configuration, the pitch of the diffraction grating shape 92 can be reduced, and a lens having no chromatic aberration and excellent MTF characteristics in a wide wavelength region can be formed without combining a plurality of lenses. As a result, the optical device can be reduced in thickness and size.

コンポジット材料を使用した保護膜93は、上に述べた塗液を用いてレンズ基材91上に形成することができる。この場合レンズ基材91としては、一般にレンズ基材として使用される透光性の材料の中から、塗液に使用する溶媒(分散媒)に侵されず透光性を保つことのできる材料を選択する必要がある。すなわち、各種の光学ガラス、透光性セラミック、プラスチックレンズ等に使用される透光性の樹脂、例えばメタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン、脂環式ポリオレフィン樹脂等の中から、塗液に使用する溶媒への耐久性に応じて選択すればよい。レンズ基材91として樹脂を使用する場合、これらの樹脂に、屈折率等の光学特性や、熱膨張性等の力学特性を調整するための無機物粒子や、特定の波長領域の電磁波を吸収する染料や顔料等を、必要に応じて共存させてもよい。さらにレンズ基材91としても、上記のように本発明のコンポジット材料を使用してもよい。   The protective film 93 using the composite material can be formed on the lens substrate 91 using the coating liquid described above. In this case, as the lens base material 91, a material that can keep translucency without being affected by a solvent (dispersion medium) used for a coating liquid from among translucent materials generally used as a lens base material. Must be selected. That is, a solvent used for coating liquid from among various translucent resins used for optical glass, translucent ceramics, plastic lenses, etc., such as methacrylic resin, polycarbonate resin, polystyrene, alicyclic polyolefin resin, etc. It may be selected according to durability. When resins are used as the lens substrate 91, inorganic particles for adjusting optical properties such as refractive index and mechanical properties such as thermal expansibility and dyes that absorb electromagnetic waves in a specific wavelength region are used for these resins. Or pigments may coexist if necessary. Further, as the lens base material 91, the composite material of the present invention may be used as described above.

保護膜93に使用するコンポジット材料の基材となる樹脂は、無機物粒子を分散させて得られた保護膜93の屈折率分布が、レンズが使用される波長領域において(数11)を満たしうるための屈折率分布を有するものの中から、成膜性、レンズ基材との密着性、ならびに無機物粒子の分散性等の観点を考慮して選定される。さらに、カバーグラス等を使用しない光学機器に本発明のレンズを使用する場合には、保護膜93の基材となる樹脂自身にある程度の強度(耐摩擦性)が要求されることになる。   The resin used as the base material of the composite material used for the protective film 93 is that the refractive index distribution of the protective film 93 obtained by dispersing inorganic particles can satisfy (Equation 11) in the wavelength region where the lens is used. Are selected in consideration of film forming properties, adhesion to a lens substrate, dispersibility of inorganic particles, and the like. Furthermore, when the lens of the present invention is used in an optical device that does not use a cover glass or the like, a certain degree of strength (friction resistance) is required for the resin itself that is the base material of the protective film 93.

保護膜93中に占める無機物粒子の種類ならびにその体積比率は、保護膜93の屈折率分布が、レンズが使用される波長領域において(数11)を満たすように決定される。レンズ基材91の屈折率分布が決定されると、(数11)を満たしうる保護膜93の屈折率およびその波長分散性(アッベ数)が算出されるので、算出された屈折率およびアッベ数を示す樹脂基材と無機物粒子の組成を、(数4)ないし(数7)および(数8)に示したマックスウェル−ガーネット理論を用いて推定すればよい。   The kind and volume ratio of the inorganic particles in the protective film 93 are determined so that the refractive index distribution of the protective film 93 satisfies (Equation 11) in the wavelength region where the lens is used. When the refractive index distribution of the lens substrate 91 is determined, the refractive index of the protective film 93 that can satisfy (Equation 11) and its wavelength dispersion (Abbe number) are calculated, so the calculated refractive index and Abbe number. The composition of the resin base material and the inorganic particles showing the above may be estimated using the Maxwell-Garnet theory shown in (Equation 4) to (Equation 7) and (Equation 8).

なお、保護膜93の表面に、さらに反射防止膜を形成する構成をとってもよい。反射防止膜の材料としては、保護膜93として使用されるコンポジット材料より屈折率が低いものであれば差し支えない。例えば、樹脂、または樹脂と無機物粒子とのコンポジット材料のいずれか、あるいは真空蒸着等で形成された無機薄膜等が挙げられる。反射防止膜としてのコンポジット材料に使用される無機物粒子としては、屈折率の低いシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム等が挙げられる。反射防止膜にコンポジット材料を用いることにより、製造が容易になるとともに、レンズあるいは保護膜の少なくともいずれかはコンポジット材料であるので、これらと反射防止膜の熱膨張率を近くすることができ、周辺温度に対する特性安定性が向上し、クラックや膜の剥離が起こりにくくなる。また、保護膜の表面にナノ構造の反射防止形状を形成してもよい。例えば型による転写工法(ナノインプリント等)で容易に形成することができる。   Note that an antireflection film may be further formed on the surface of the protective film 93. As a material of the antireflection film, any material having a refractive index lower than that of the composite material used as the protective film 93 may be used. For example, either a resin or a composite material of resin and inorganic particles, an inorganic thin film formed by vacuum deposition, or the like can be given. Examples of the inorganic particles used in the composite material as the antireflection film include silica, alumina, and magnesium oxide having a low refractive index. By using a composite material for the antireflection film, manufacturing becomes easy, and at least one of the lens and the protective film is a composite material. The characteristic stability with respect to temperature is improved, and cracks and film peeling are less likely to occur. Moreover, you may form the antireflection shape of nanostructure on the surface of a protective film. For example, it can be easily formed by a transfer method (nanoimprint or the like) using a mold.

(実施の形態4)
本発明のコンポジット材料を用いた光学部品の他の一実施の形態について、図10を用いて説明する。図10においては、本発明のコンポジット材料を使用して光導波路を形成したCCD型固体撮像素子の一例についてその断面図を示し、説明を行う。なお、本実施の形態で固体撮像素子としてCCD型を用いて説明しているが、MOS型等他の方式の素子でも適用することができるものである。
(Embodiment 4)
Another embodiment of the optical component using the composite material of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 10, an example of a CCD type solid-state imaging device in which an optical waveguide is formed using the composite material of the present invention is shown and described. In the present embodiment, the CCD type is described as the solid-state imaging device, but other types of devices such as a MOS type can also be applied.

図10は、CCDのうち一画素の部分のみを示している。図10のCCD型固体撮像素子1010は、光電変換部(受光センサ)101および電荷転送部102が表面に形成された基板103(ハッチングは省略する)と、基板103上に形成された、絶縁層104、電荷転送電極105、反射防止膜106、遮光膜107、層間絶縁膜108および光導波路109とを備える。   FIG. 10 shows only one pixel portion of the CCD. A CCD solid-state imaging device 1010 shown in FIG. 10 includes a substrate 103 (hatching is omitted) on which a photoelectric conversion unit (light receiving sensor) 101 and a charge transfer unit 102 are formed, and an insulating layer formed on the substrate 103. 104, a charge transfer electrode 105, an antireflection film 106, a light shielding film 107, an interlayer insulating film 108, and an optical waveguide 109.

基板103は、シリコン等の半導体基板である。その表面には、光電変換を行う光電変換部101が複数個形成されている。2つの電荷転送部102は、光電変換部101を挟むように配置されている。光電変換部101および電荷転送部102は、例えば、特定の導電型の半導体基板に、不純物をドーピングすることによって形成できる。   The substrate 103 is a semiconductor substrate such as silicon. A plurality of photoelectric conversion portions 101 that perform photoelectric conversion are formed on the surface. The two charge transfer units 102 are arranged so as to sandwich the photoelectric conversion unit 101 therebetween. The photoelectric conversion unit 101 and the charge transfer unit 102 can be formed, for example, by doping impurities into a specific conductivity type semiconductor substrate.

絶縁層104は、例えば酸化シリコン(SiO2)からなり、熱酸化法やCVD法等で形成できる。電荷転送電極105は、絶縁層104を挟んで電荷転送部102に対向するように配置されている。電荷転送電極105は、例えばポリシリコンからなる。光電変換部101において光電変換されて得られた信号電荷は、電荷転送部102に読み出され、電荷転送電極105によって転送される。   The insulating layer 104 is made of, for example, silicon oxide (SiO 2) and can be formed by a thermal oxidation method, a CVD method, or the like. The charge transfer electrode 105 is disposed so as to face the charge transfer portion 102 with the insulating layer 104 interposed therebetween. The charge transfer electrode 105 is made of, for example, polysilicon. Signal charges obtained by photoelectric conversion in the photoelectric conversion unit 101 are read out to the charge transfer unit 102 and transferred by the charge transfer electrode 105.

反射防止膜106は、光導波路109から入射した光が反射されることを防止するための膜であり、光電変換部101の上方に配置される。反射防止膜106は、エッチングストッパ層を兼ねている。反射防止膜106は、例えば酸化アルミニウムや窒化シリコンで形成できる。   The antireflection film 106 is a film for preventing light incident from the optical waveguide 109 from being reflected, and is disposed above the photoelectric conversion unit 101. The antireflection film 106 also serves as an etching stopper layer. The antireflection film 106 can be formed of, for example, aluminum oxide or silicon nitride.

絶縁層104の表面であって、光電変換部101の上方以外の部分には、遮光膜107が形成されている。遮光膜107は、電荷転送電極105を覆うように形成されている。遮光膜は、例えばアルミニウム(Al)やタングステン(W)といった金属からなる。   A light shielding film 107 is formed on the surface of the insulating layer 104 except for the portion above the photoelectric conversion portion 101. The light shielding film 107 is formed so as to cover the charge transfer electrode 105. The light shielding film is made of a metal such as aluminum (Al) or tungsten (W).

基板103の上方、具体的には、遮光膜107の上方には、層間絶縁膜108が形成されている。層間絶縁膜108は、平坦化膜としての役割を担っている。層間絶縁膜108は、例えばSiO2で形成される。層間絶縁膜108のうち、光電変換部101の上方には、層間絶縁膜108を貫通する孔108hが形成されている。   An interlayer insulating film 108 is formed above the substrate 103, specifically, above the light shielding film 107. The interlayer insulating film 108 plays a role as a planarizing film. The interlayer insulating film 108 is made of, for example, SiO2. In the interlayer insulating film 108, a hole 108 h penetrating the interlayer insulating film 108 is formed above the photoelectric conversion unit 101.

孔108hに、本発明のコンポジット材料からなる光導波路109が形成されている。コンポジット材料(光導波路109)の屈折率は、層間絶縁膜108よりも大きい。孔108hには、孔108hとコンポジット材料との密着性を向上させるための前処理が行われていてもよい。前処理としては、例えば、カップリング剤等を用いた表面処理やプラズマ処理等を用いることができる。   An optical waveguide 109 made of the composite material of the present invention is formed in the hole 108h. The refractive index of the composite material (optical waveguide 109) is larger than that of the interlayer insulating film. The hole 108h may be subjected to pretreatment for improving the adhesion between the hole 108h and the composite material. As the pretreatment, for example, surface treatment using a coupling agent or the like, plasma treatment, or the like can be used.

光導波路109の断面形状(光導波路を上面から見たときの形状)は、円形または矩形等である。光導波路109のサイズ(断面形状の直径または辺の長さ)は、例えば0.5μm〜3μm程度である。光導波路109のアスペクト比、すなわち、長さ(基板103の表面に垂直な方向の長さ)と光導波路の底面(基板103側の面)のサイズとの比である[長さ]/[サイズ]の値は、1〜5程度である。なお、光導波路109の形状は、固体撮像素子の設計によって変わるため、上記した形状に限定されない。   The cross-sectional shape of the optical waveguide 109 (the shape when the optical waveguide is viewed from the upper surface) is circular or rectangular. The size of the optical waveguide 109 (cross-sectional diameter or side length) is, for example, about 0.5 μm to 3 μm. The aspect ratio of the optical waveguide 109, that is, the ratio between the length (length in the direction perpendicular to the surface of the substrate 103) and the size of the bottom surface of the optical waveguide (surface on the substrate 103 side) [length] / [size ] Is about 1 to 5. Note that the shape of the optical waveguide 109 varies depending on the design of the solid-state imaging device, and is not limited to the above-described shape.

なお、図10に示した固体撮像素子は一例であり、本発明は他の様々な形態にも適用可能である。例えば、光導波路109の上方にオンチップレンズが形成されていてもよい。また光導波路109の形状としては、図1には表面側から底面側にかけて断面積が小さくなるテーパ形状のものを示しているが、断面積のサイズが一定である柱状の形状や、絶縁体との界面が階段状である形状でも差し支えない。また、層間絶縁膜の内部に、複数の電極が形成されていてもよい。   Note that the solid-state imaging device shown in FIG. 10 is an example, and the present invention can be applied to various other forms. For example, an on-chip lens may be formed above the optical waveguide 109. Further, as the shape of the optical waveguide 109, FIG. 1 shows a tapered shape in which the cross-sectional area decreases from the front surface side to the bottom surface side, but a columnar shape with a constant cross-sectional area size, The shape of the interface may be stepped. A plurality of electrodes may be formed inside the interlayer insulating film.

また、本発明の光導波路109は、波長フィルタとして機能するものであっても差し支えない。例えば、本発明のコンポジット材料に対し、さらに特定範囲の波長の光を吸収する染料や顔料を混入させ、カラーフィルタとして機能させてもよい。また、赤外線を吸収する材料、例えば銅イオン等の金属イオンの錯塩、近赤外波長に吸収を有する染料、あるいは酸化スズインジウム(ITO)や酸化スズアンチモン(ATO)等の無機物粒子を混入させ、赤外線遮蔽フィルタとして機能させてもよい。同様に、酸化亜鉛や酸化セリウム等の紫外線を吸収する材料を混入させることにより、紫外線遮蔽フィルタとして機能させてもよい。   Further, the optical waveguide 109 of the present invention may function as a wavelength filter. For example, a dye or pigment that absorbs light in a specific range of wavelengths may be further mixed into the composite material of the present invention to function as a color filter. In addition, a material that absorbs infrared rays, for example, a complex salt of metal ions such as copper ions, a dye having absorption in the near infrared wavelength, or inorganic particles such as indium tin oxide (ITO) and tin antimony oxide (ATO) are mixed, It may function as an infrared shielding filter. Similarly, a material that absorbs ultraviolet rays such as zinc oxide or cerium oxide may be mixed to function as an ultraviolet shielding filter.

本発明の光導波路109は、先に述べたように、例えば塗液を塗布した後、溶媒除去ないし硬化を行うことにより形成することができる。アスペクト比の高い孔や階段状等の複雑な形状を有する孔に光導波路を形成する場合は、コンポジット材料を形成するための物質を含む混合物を減圧下にて孔に配置した後、圧力を増大させることによって孔内へ充填させる方法を用いてもよい。また光導波路109の適用用途に応じて、コンポジット材料により形成された膜を平坦化する工程を実施してもよい。平坦化の方法としては、スピンコーティングの回転数を高める方法、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等の研削、プラズマやエッチング液によるエッチング、余分なコンポジット材料のスキージングによる除去等があげられる。   As described above, the optical waveguide 109 of the present invention can be formed, for example, by applying a coating liquid and then removing or curing the solvent. When forming an optical waveguide in a hole having a complicated shape such as a hole with a high aspect ratio or a stepped shape, the pressure is increased after a mixture containing a substance for forming a composite material is placed in the hole under reduced pressure. You may use the method of making it fill with a hole. Further, depending on the application application of the optical waveguide 109, a step of flattening the film formed of the composite material may be performed. Examples of the flattening method include a method of increasing the number of rotations of spin coating, grinding such as CMP (Chemical Mechanical Polishing), etching using plasma or an etching solution, and removal of excess composite material by squeezing.

本発明のコンポジット材料を用いて、光通信用デバイスや固体撮像デバイス等に使用される光導波路を形成することができる。デバイスの微細化の進展に伴い、光導波路を形成する孔部のアスペクト比が増大し、この結果孔部に埋め込まれる材料のカバレッジが悪化し光導波路内部にボイドを生じる事象が発生している。このような問題は特に、窒化シリコン膜やDLC膜等の真空成膜法にて形成される光導波路で顕著である。一方、ポリイミド樹脂等の塗布により形成される光導波路は、カバレッジ性は良好であるが、周辺材料との屈折率差が十分でなく、集光効率が低いという課題があった。   By using the composite material of the present invention, an optical waveguide used for an optical communication device, a solid-state imaging device or the like can be formed. With the progress of device miniaturization, the aspect ratio of the hole forming the optical waveguide is increased, and as a result, the coverage of the material embedded in the hole is deteriorated, resulting in a phenomenon in which a void is generated inside the optical waveguide. Such a problem is particularly remarkable in an optical waveguide formed by a vacuum film forming method such as a silicon nitride film or a DLC film. On the other hand, an optical waveguide formed by application of polyimide resin or the like has good coverage, but there is a problem that the difference in refractive index from the surrounding material is not sufficient and the light collection efficiency is low.

本発明のコンポジット材料は、酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を含む無機物粒子を分散させていることにより屈折率が向上することから、集光効率の高い光導波路の形成が可能である。この結果、本実施の形態に示すように、本発明の光導波路109を固体撮像デバイスに適用することにより、画素を微細化した際の感度低下を抑制することが可能となる。一方、本発明の光導波路109を光通信用デバイスに適用した場合には、光回路の曲げ半径を小さくすることができ、複雑な回路をより小さな面積で形成することが可能となる。また、樹脂が基材であるためカバレッジ性が良好で、かつ塗布法により形成できることから、真空成膜法による光導波路と比較して短時間かつ低エネルギーで光導波路形成が可能である。さらに、本発明のコンポジット材料は、熱膨張係数が樹脂のみの場合と比較して小さくなるため、光導波路の温度変化による剥離を抑制することができる。   Since the composite material of the present invention improves the refractive index by dispersing inorganic particles containing yttrium oxide and one or more other inorganic substances, it is possible to form an optical waveguide with high light collection efficiency. As a result, as shown in the present embodiment, by applying the optical waveguide 109 of the present invention to a solid-state imaging device, it is possible to suppress a decrease in sensitivity when pixels are miniaturized. On the other hand, when the optical waveguide 109 of the present invention is applied to an optical communication device, the bending radius of the optical circuit can be reduced, and a complicated circuit can be formed with a smaller area. In addition, since the resin is a base material, the coverage is good and the resin can be formed by a coating method. Therefore, the optical waveguide can be formed in a shorter time and with lower energy than an optical waveguide formed by a vacuum film forming method. Furthermore, since the composite material of the present invention has a smaller thermal expansion coefficient than that of resin alone, it can suppress delamination due to temperature changes of the optical waveguide.

以下に、本発明のコンポジット材料、ならびにこれを使用して形成した光学部品の具体例について説明する。   Below, the composite material of this invention and the specific example of the optical component formed using this are demonstrated.

(実施例1)
酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物粒子としてYAG粒子を分散させたコンポジット材料を、次の方法により調製した。まず、YAG(一次粒径50nm)粉末と分散剤(共栄社化学製G−820)をプロピレングリコールモノメチルエーテルに投入し、ジルコニアビーズを用いてビーズミル処理を実施することにより、YAGのプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液を得た。エポキシ系のオリゴマー(旭電化製オプトマーKRX、屈折率1.62、アッベ数24)のプロピレングリコールモノメチルエーテル溶液に、上記のYAGのプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液を、固形分中におけるYAGの体積比が30体積%となるように添加し、かくはんして均一な塗液を得た。この塗液を、スピンコートによりそれぞれシリコン基板上に500nmの厚さに塗布し、UV照射によりオリゴマーをエポキシ樹脂((表1)においては樹脂Aと示す)とすることにより、基板上にコンポジット材料からなる被膜を形成した。
Example 1
A composite material in which YAG particles were dispersed as yttrium oxide and one or more other inorganic particles was prepared by the following method. First, YAG (primary particle size 50 nm) powder and a dispersant (G-820, manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) are charged into propylene glycol monomethyl ether, and zirconia beads are used to carry out bead mill treatment, thereby propagating YAG propylene glycol monomethyl ether. A liquid was obtained. A propylene glycol monomethyl ether dispersion of the above YAG is added to a propylene glycol monomethyl ether solution of an epoxy oligomer (Optomer KRX manufactured by Asahi Denka Co., Ltd., refractive index 1.62, Abbe number 24), and the volume ratio of YAG in the solid content is It added so that it might become 30 volume%, and it stirred and obtained the uniform coating liquid. This coating solution is applied by spin coating to a thickness of 500 nm on a silicon substrate, and an oligomer is converted into an epoxy resin (indicated in Table 1 as resin A) by UV irradiation, whereby a composite material is formed on the substrate. A coating consisting of

(実施例2)
酸化イットリウム粒子およびシリカ粒子を分散させたコンポジット材料を、次の方法により調製した。まず、酸化イットリウム(一次粒径15nm)粉末と分散剤(共栄社化学製G−820)をプロピレングリコールモノメチルエーテルに投入し、ジルコニアビーズを用いてビーズミル処理を実施することにより、酸化イットリウムのプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液を得た。実施例1に示したエポキシ系オリゴマーのプロピレングリコールモノメチルエーテル溶液に、上記酸化イットリウムのプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液、およびシリカ(一次粒径16nm)のプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液を、固形分中における酸化イットリウムの体積比が22.5体積%、シリカの体積比が7.5体積%となるように添加し、かくはんして均一な塗液を得た。この塗液を使用して、実施例1と同様の方法により、シリコン基板上にコンポジット材料からなる被膜を形成した。
(Example 2)
A composite material in which yttrium oxide particles and silica particles were dispersed was prepared by the following method. First, yttrium oxide (primary particle size: 15 nm) powder and a dispersant (G-820, manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) are added to propylene glycol monomethyl ether, and bead mill treatment is performed using zirconia beads, thereby propylene glycol monomethyl of yttrium oxide. An ether dispersion was obtained. To the propylene glycol monomethyl ether solution of the epoxy oligomer shown in Example 1, the propylene glycol monomethyl ether dispersion of yttrium oxide and the propylene glycol monomethyl ether dispersion of silica (primary particle size 16 nm) were oxidized in a solid content. The mixture was added so that the volume ratio of yttrium was 22.5% by volume and the volume ratio of silica was 7.5% by volume, and stirred to obtain a uniform coating solution. Using this coating solution, a film made of a composite material was formed on a silicon substrate by the same method as in Example 1.

(実施例3)
酸化イットリウム粒子およびアルミナ粒子を分散させたコンポジット材料を、次の方法により調製した。まず実施例1に示したエポキシ系オリゴマーのプロピレングリコールモノメチルエーテル溶液に、実施例2に示した酸化イットリウムのプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液、およびアルミナ(一次粒径30nm)のメチルイソブチルケトン分散液を、固形分中における酸化イットリウムの体積比が20体積%、アルミナの体積比が10体積%となるように添加し、かくはんして均一な塗液を得た。この塗液を使用して、実施例1と同様の方法により、シリコン基板上にコンポジット材料からなる被膜を形成した。
(Example 3)
A composite material in which yttrium oxide particles and alumina particles were dispersed was prepared by the following method. First, to the propylene glycol monomethyl ether solution of the epoxy oligomer shown in Example 1, the propylene glycol monomethyl ether dispersion of yttrium oxide and the methyl isobutyl ketone dispersion of alumina (primary particle size 30 nm) shown in Example 2, The mixture was added so that the volume ratio of yttrium oxide in the solid content was 20% by volume and the volume ratio of alumina was 10% by volume, and stirred to obtain a uniform coating solution. Using this coating solution, a film made of a composite material was formed on a silicon substrate by the same method as in Example 1.

(比較例1)
アルミナ粒子を分散させたコンポジット材料を、次の方法により調製した。まず実施例1に示したエポキシ系オリゴマーのメチルイソブチルケトン溶液に、実施例3に示したアルミナ(一次粒径30nm)のメチルイソブチルケトン分散液を、固形分中におけるアルミナの体積比が30体積%となるように添加し、かくはんして均一な塗液を得た。この塗液を使用して、実施例1と同様の方法により、シリコン基板上にコンポジット材料からなる被膜を形成した。
(Comparative Example 1)
A composite material in which alumina particles were dispersed was prepared by the following method. First, the methyl isobutyl ketone dispersion of alumina (primary particle size 30 nm) shown in Example 3 is added to the methyl isobutyl ketone solution of the epoxy oligomer shown in Example 1 and the volume ratio of alumina in the solid content is 30% by volume. And stirred to obtain a uniform coating solution. Using this coating solution, a film made of a composite material was formed on a silicon substrate by the same method as in Example 1.

(比較例2)
酸化チタン粒子を分散させたコンポジット材料を、次の方法により調製した。まず実施例1に示したエポキシ系オリゴマーのプロピレングリコールモノメチルエーテル溶液に、酸化チタン(一次粒径15nm)のプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液を、固形分中における酸化チタンの体積比が30体積%となるように添加し、かくはんして均一な塗液を得た。この塗液を使用して、実施例1と同様の方法により、シリコン基板上にコンポジット材料からなる被膜を形成した。
(Comparative Example 2)
A composite material in which titanium oxide particles were dispersed was prepared by the following method. First, the propylene glycol monomethyl ether dispersion of titanium oxide (primary particle size 15 nm) is added to the propylene glycol monomethyl ether solution of the epoxy oligomer shown in Example 1 so that the volume ratio of titanium oxide in the solid content is 30% by volume. And stirred to obtain a uniform coating solution. Using this coating solution, a film made of a composite material was formed on a silicon substrate by the same method as in Example 1.

実施例1から3、ならびに比較例1から2により得られた被膜の屈折率をエリプソメータ(J.A.Woollam社製分光エリプソメータ)により測定した。結果を(表1)に示す。   The refractive indexes of the coatings obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were measured with an ellipsometer (spectral ellipsometer manufactured by JA Woollam). The results are shown in (Table 1).

Figure 2007291291
Figure 2007291291

比較例1のアルミナを分散させたコンポジット材料においては、屈折率が1.63と、アルミナによる屈折率向上効果はそれほど大きくなく、(数2)を満たすことはできない。また、比較例2の酸化チタンを分散させたコンポジット材料においては、屈折率は1.81と向上しているが、アッベ数が16と樹脂の値と比較して大きく低下している。   In the composite material in which the alumina of Comparative Example 1 is dispersed, the refractive index is 1.63, and the refractive index improvement effect by alumina is not so great, and (Equation 2) cannot be satisfied. Moreover, in the composite material in which the titanium oxide of Comparative Example 2 is dispersed, the refractive index is improved to 1.81, but the Abbe number is 16 which is significantly lower than the resin value.

一方、実施例1から3の酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を含むコンポジット材料においては、屈折率が1.68〜1.69、アッベ数27〜30を示し、いずれも(数2)を満たす、高屈折率かつ低波長分散性の材料であるということができる。   On the other hand, in the composite material containing the yttrium oxide of Examples 1 to 3 and one or more other inorganic substances, the refractive index is 1.68 to 1.69, and the Abbe number is 27 to 30, both of which (Equation 2) It can be said that this is a material having a high refractive index and low wavelength dispersion that satisfies the above.

(実施例4)
酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物粒子としてYAG粒子を分散させたコンポジット材料を、次の方法により調製した。まず、アクリル系のオリゴマー(日本合成化学製UV−7000B、屈折率1.51、アッベ数51)のプロピレングリコールモノメチルエーテル溶液に、実施例1に示したYAGのプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液を、固形分中における酸化イットリウムの体積比が30体積%となるように添加し、かくはんして均一な塗液を得た。この塗液を、スピンコートによりそれぞれシリコン基板上に500nmの厚さに塗布し、UV照射によりオリゴマーをアクリル樹脂((表1)においては樹脂Bと示す)とすることにより、基板上にコンポジット材料からなる被膜を形成した。
Example 4
A composite material in which YAG particles were dispersed as yttrium oxide and one or more other inorganic particles was prepared by the following method. First, a propylene glycol monomethyl ether dispersion of YAG shown in Example 1 was added to a propylene glycol monomethyl ether solution of an acrylic oligomer (UV-7000B, refractive index 1.51, Abbe number 51, manufactured by Nippon Synthetic Chemical). It added so that the volume ratio of the yttrium oxide in a part might be 30 volume%, and it stirred and obtained the uniform coating liquid. This coating solution is applied on a silicon substrate to a thickness of 500 nm by spin coating, and an oligomer is converted into an acrylic resin (indicated in Table 1 as resin B) by UV irradiation, whereby a composite material is formed on the substrate. A coating consisting of

(実施例5)
酸化イットリウム粒子およびシリカ粒子を分散させたコンポジット材料を、次の方法により調製した。まず実施例4に示したアクリル系オリゴマーのプロピレングリコールモノメチルエーテル溶液に、実施例1に示した酸化イットリウムのプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液、および実施例2に示したシリカ(一次粒径16nm)のプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液を、固形分中における酸化イットリウムの体積比が27体積%、シリカの体積比が3体積%となるように添加し、かくはんして均一な塗液を得た。この塗液を使用して、実施例4と同様の方法により、シリコン基板上にコンポジット材料からなる被膜を形成した。
(Example 5)
A composite material in which yttrium oxide particles and silica particles were dispersed was prepared by the following method. First, in the propylene glycol monomethyl ether solution of the acrylic oligomer shown in Example 4, the propylene glycol monomethyl ether dispersion of yttrium oxide shown in Example 1 and the propylene of silica (primary particle size 16 nm) shown in Example 2 The glycol monomethyl ether dispersion was added so that the volume ratio of yttrium oxide in the solid content was 27% by volume and the volume ratio of silica was 3% by volume, and stirred to obtain a uniform coating solution. Using this coating solution, a film made of a composite material was formed on a silicon substrate in the same manner as in Example 4.

(実施例6)
酸化イットリウム粒子およびアルミナ粒子を分散させたコンポジット材料を、次の方法により調製した。まず実施例4に示したアクリル系オリゴマーのプロピレングリコールモノメチルエーテル溶液に、実施例1に示した酸化イットリウムのプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液、および実施例3に示したアルミナ(一次粒径30nm)のメチルイソブチルケトン分散液を、固形分中における酸化イットリウムの体積比が20体積%、アルミナの体積比が10体積%となるように添加し、かくはんして均一な塗液を得た。この塗液を使用して、実施例4と同様の方法により、シリコン基板上にコンポジット材料からなる被膜を形成した。
(Example 6)
A composite material in which yttrium oxide particles and alumina particles were dispersed was prepared by the following method. First, the propylene glycol monomethyl ether solution of the acrylic oligomer shown in Example 4 was added to the propylene glycol monomethyl ether dispersion of yttrium oxide shown in Example 1 and the methyl of alumina (primary particle size 30 nm) shown in Example 3. The isobutyl ketone dispersion was added so that the volume ratio of yttrium oxide in the solid content was 20% by volume and the volume ratio of alumina was 10% by volume, and stirred to obtain a uniform coating solution. Using this coating solution, a film made of a composite material was formed on a silicon substrate in the same manner as in Example 4.

(比較例3)
アルミナ粒子を分散させたコンポジット材料を、次の方法により調製した。まず実施例4に示したアクリル系オリゴマーのメチルイソブチルケトン溶液に、実施例3に示したアルミナ(一次粒径30nm)のメチルイソブチルケトン分散液を、固形分中におけるアルミナの体積比が30体積%となるように添加し、かくはんして均一な塗液を得た。この塗液を使用して、実施例4と同様の方法により、シリコン基板上にコンポジット材料からなる被膜を形成した。
(Comparative Example 3)
A composite material in which alumina particles were dispersed was prepared by the following method. First, the methyl isobutyl ketone dispersion of alumina (primary particle size 30 nm) shown in Example 3 was added to the methyl isobutyl ketone solution of the acrylic oligomer shown in Example 4 and the volume ratio of alumina in the solid content was 30% by volume. And stirred to obtain a uniform coating solution. Using this coating solution, a film made of a composite material was formed on a silicon substrate in the same manner as in Example 4.

(比較例4)
酸化チタン粒子を分散させたコンポジット材料を、次の方法により調製した。まず実施例4に示したアクリル系オリゴマーのプロピレングリコールモノメチルエーテル溶液に、比較例2に示した酸化チタン(一次粒径15nm)のプロピレングリコールモノメチルエーテル分散液を、固形分中における酸化チタンの体積比が30体積%となるように添加し、かくはんして均一な塗液を得た。この塗液を使用して、実施例4と同様の方法により、シリコン基板上にコンポジット材料からなる被膜を形成した。
(Comparative Example 4)
A composite material in which titanium oxide particles were dispersed was prepared by the following method. First, the propylene glycol monomethyl ether dispersion of titanium oxide (primary particle size 15 nm) shown in Comparative Example 2 was added to the propylene glycol monomethyl ether solution of the acrylic oligomer shown in Example 4 and the volume ratio of titanium oxide in the solid content. Was added so as to be 30% by volume and stirred to obtain a uniform coating solution. Using this coating solution, a film made of a composite material was formed on a silicon substrate in the same manner as in Example 4.

実施例4から6、ならびに比較例3から4により得られた被膜の屈折率をエリプソメータ(J.A.Woollam社製分光エリプソメータ)により測定した。結果を(表2)に示す。   The refractive indexes of the coatings obtained in Examples 4 to 6 and Comparative Examples 3 to 4 were measured with an ellipsometer (spectral ellipsometer manufactured by JA Woollam). The results are shown in (Table 2).

Figure 2007291291
Figure 2007291291

比較例3のアルミナを分散させたコンポジット材料においては、(数2)は満たしているが、屈折率が1.56と低く、アルミナによる屈折率向上効果は十分ではない。また、比較例4の酸化チタンを分散させたコンポジット材料においては、屈折率は1.72と向上しているが、アッベ数が19と樹脂の値と比較して大きく低下している。   In the composite material in which alumina of Comparative Example 3 is dispersed, (Equation 2) is satisfied, but the refractive index is as low as 1.56, and the refractive index improvement effect by alumina is not sufficient. Moreover, in the composite material in which the titanium oxide of Comparative Example 4 is dispersed, the refractive index is improved to 1.72, but the Abbe number is 19 which is significantly lower than the resin value.

一方、実施例4から6の酸化イットリウムを含むコンポジット材料においては、屈折率が1.60〜1.61、アッベ数44〜51を示し、いずれも(数2)を満たす、高屈折率かつ低波長分散性の材料であるということができる。   On the other hand, in the composite material containing yttrium oxide of Examples 4 to 6, the refractive index is 1.60 to 1.61, the Abbe number is 44 to 51, and both satisfy (Equation 2) and have a high refractive index and low It can be said that it is a wavelength-dispersing material.

(実施例7)
本発明のコンポジット材料を使用したレンズを、次の方法により作成した。レンズ基材91として、ポリカーボネート樹脂に酸化亜鉛粒子(一次粒径20nm)を20体積%混合した材料(d線屈折率1.65、アッベ数21)を用い、これに深さ11.3μmの輪帯状回折格子形状92a、92bを両面にそれぞれ付加した。この回折格子形状92a、92bを覆うように、エポキシ系樹脂(d線屈折率1.62、アッベ数24)に酸化イットリウムを40体積%、アルミナを10体積%で分散、混合したコンポジット材料をスピンコートにより塗布した後紫外線照射により硬化させ、保護膜93a、93bとして両面に形成した。このコンポジット材料はd線屈折率1.70、アッベ数30であった。
(Example 7)
A lens using the composite material of the present invention was produced by the following method. As the lens substrate 91, a material (d-line refractive index 1.65, Abbe number 21) in which 20% by volume of zinc oxide particles (primary particle size 20 nm) are mixed with polycarbonate resin is used, and a ring having a depth of 11.3 μm is used therefor. Band-shaped diffraction grating shapes 92a and 92b were added to both surfaces, respectively. Spin a composite material in which 40% by volume of yttrium oxide and 10% by volume of alumina are dispersed and mixed in an epoxy resin (d-line refractive index 1.62, Abbe number 24) so as to cover the diffraction grating shapes 92a and 92b. After coating by coating, it was cured by ultraviolet irradiation to form protective films 93a and 93b on both sides. This composite material had a d-line refractive index of 1.70 and an Abbe number of 30.

このレンズの1次回折効率の波長依存性を図11に示す。これは片面での特性である。可視光域である、波長400〜700nmの全域に渡って90%以上の回折効率が得られている。なお、レンズ基材と保護膜材料を入れ替え、エポキシ系樹脂に酸化イットリウムを50体積%分散、混合したコンポジット材料をレンズ基材91とし、これに深さ11.3μmの回折格子を付加し、保護膜93の材料としてポリカーボネート樹脂に酸化亜鉛を20体積%混合した材料を用いても図11と同じ特性が得られる。   The wavelength dependence of the first-order diffraction efficiency of this lens is shown in FIG. This is a single-sided characteristic. A diffraction efficiency of 90% or more is obtained over the entire wavelength range of 400 to 700 nm, which is the visible light region. In addition, the lens base material and the protective film material are replaced, and a composite material in which 50% by volume of yttrium oxide is dispersed and mixed in epoxy resin is used as the lens base material 91, and a diffraction grating having a depth of 11.3 μm is added to the composite material. Even if a material in which 20% by volume of zinc oxide is mixed with polycarbonate resin is used as the material of the film 93, the same characteristics as in FIG. 11 can be obtained.

(実施例8)
本発明のコンポジット材料を使用したレンズを、次の方法により作成した。レンズ基材91として、光学ガラスN−SF5(d線屈折率1.67、アッベ数32)を用い、これに深さ21.0μmの輪帯状回折格子形状92a、92bを両面にそれぞれ付加した。この回折格子形状92a、92bを覆うように、シクロオレフィン系樹脂に酸化イットリウムを45体積%、アルミナを5体積%で分散、混合したコンポジット材料をスピンコートにより塗布した後自然硬化させ、保護膜93a、93bとして両面に形成した。このコンポジット材料はd線屈折率1.70、アッベ数43であった。
(Example 8)
A lens using the composite material of the present invention was produced by the following method. As the lens substrate 91, optical glass N-SF5 (d-line refractive index 1.67, Abbe number 32) was used, and ring-shaped diffraction grating shapes 92a and 92b having a depth of 21.0 μm were added to both surfaces, respectively. A composite material, in which 45% by volume of yttrium oxide and 5% by volume of alumina are dispersed and mixed in a cycloolefin-based resin so as to cover the diffraction grating shapes 92a and 92b, is applied by spin coating, and then naturally cured, and the protective film 93a , 93b. This composite material had a d-line refractive index of 1.70 and an Abbe number of 43.

実施例8のレンズの1次回折効率を評価したところ、可視光域である波長400〜700nmの全域に渡って90%以上の回折効率が得られた。   When the first-order diffraction efficiency of the lens of Example 8 was evaluated, a diffraction efficiency of 90% or more was obtained over the entire wavelength range of 400 to 700 nm, which is the visible light region.

(実施例9)
本発明のコンポジット材料を使用して光導波路を形成したCCD型固体撮像素子1010を、次の方法により作成した。
Example 9
A CCD type solid-state imaging device 1010 having an optical waveguide formed using the composite material of the present invention was produced by the following method.

まず、p型シリコン基板103にリン(n型不純物)をイオン注入することによってフォトダイオード(光電変換部)101を形成した。そして、この基板上に、熱酸化によって膜厚20nmのシリコン酸化膜(絶縁層)104を成長させた。その絶縁層104上に、熱CVD法によって、酸化アルミニウム膜(膜厚は60nm)を形成した。酸化アルミニウム膜は、出発原料としてアルミニウムアセチルアセトナートを用いて、Ar/O2混合雰囲気中において450℃で成膜した。その後、レジストパターンの形成と酸化アルミニウム膜のエッチングとをすることによって、光電変換部101の上部に、酸化アルミニウムからなる反射防止膜106を形成した。   First, a photodiode (photoelectric conversion unit) 101 was formed by ion-implanting phosphorus (n-type impurity) into the p-type silicon substrate 103. Then, a 20 nm-thickness silicon oxide film (insulating layer) 104 was grown on the substrate by thermal oxidation. An aluminum oxide film (having a thickness of 60 nm) was formed on the insulating layer 104 by a thermal CVD method. The aluminum oxide film was formed at 450 ° C. in an Ar / O 2 mixed atmosphere using aluminum acetylacetonate as a starting material. Thereafter, an antireflection film 106 made of aluminum oxide was formed on the photoelectric conversion portion 101 by forming a resist pattern and etching the aluminum oxide film.

次に、減圧CVD法によって膜厚300nmのポリシリコン膜を成長させた。このポリシリコン膜の一部を、ドライエッチングによって選択的にエッチングすることにより、電荷転送電極105を形成した。さらに、熱酸化によって、電荷転送電極105上にシリコン酸化膜を形成し、電荷転送電極105の周囲を絶縁層104で覆った。   Next, a 300 nm-thickness polysilicon film was grown by low pressure CVD. The charge transfer electrode 105 was formed by selectively etching a part of this polysilicon film by dry etching. Further, a silicon oxide film was formed on the charge transfer electrode 105 by thermal oxidation, and the periphery of the charge transfer electrode 105 was covered with an insulating layer 104.

次に、遮光膜となるタングステン膜を全面に形成した。このタングステン膜に対して、レジストパターンの形成と異方性ドライエッチングとを行うことによって、電荷転送電極の周辺部を覆う遮光膜107を形成した。   Next, a tungsten film serving as a light shielding film was formed on the entire surface. A light shielding film 107 covering the periphery of the charge transfer electrode was formed by performing resist pattern formation and anisotropic dry etching on the tungsten film.

次に、CVD法によって平坦化膜を兼ねる層間絶縁膜108を形成した。層間絶縁膜108は、屈折率1.45の酸化シリコンで形成した。そして、この層間絶縁膜108上にレジストパターンを形成し、CF4による異方性ドライエッチングを行い、光電変換部の上方に孔108hを(幅1μm×深さ2μm)を形成した。このとき、反射防止膜である酸化アルミニウム層106は、エッチングストッパ層として機能する。   Next, an interlayer insulating film 108 that also serves as a planarizing film was formed by a CVD method. The interlayer insulating film 108 was formed of silicon oxide having a refractive index of 1.45. Then, a resist pattern was formed on the interlayer insulating film 108, and anisotropic dry etching with CF4 was performed to form a hole 108h (width 1 μm × depth 2 μm) above the photoelectric conversion portion. At this time, the aluminum oxide layer 106 which is an antireflection film functions as an etching stopper layer.

このようにして、光導波路形成前の基板を作製した。以下、この基板を「基板(A)」という場合がある。   Thus, the substrate before forming the optical waveguide was produced. Hereinafter, this substrate may be referred to as “substrate (A)”.

次に、基板(A)の層間絶縁膜の孔に、コンポジット材料からなる光導波路109を形成した。コンポジット材料を構成する樹脂には屈折率1.61のエポキシ樹脂を用い、無機物粒子には酸化イットリウム(一次粒径15nm)、ならびにアルミナ(一次粒径30nm)を用いた。コンポジット材料は、酸化イットリウム粒子の割合が35体積%、アルミナの割合が15体積%であり、屈折率が1.73であった。   Next, an optical waveguide 109 made of a composite material was formed in the hole in the interlayer insulating film of the substrate (A). An epoxy resin having a refractive index of 1.61 was used as a resin constituting the composite material, and yttrium oxide (primary particle size: 15 nm) and alumina (primary particle size: 30 nm) were used as inorganic particles. The composite material had a proportion of yttrium oxide particles of 35% by volume, a proportion of alumina of 15% by volume, and a refractive index of 1.73.

以下に、光導波路の形成方法を説明する。まず、減圧容器内の固定ステージに10Paの圧力で基板(A)を固定し、容器の内部の圧力を100Paとした。そして、真空注液ノズルによって塗液を基板(A)の上に塗布し、基板(A)を100rpmで10秒間回転させてスピンコーティングを行った。塗液は、エポキシ系のオリゴマー(旭電化製オプトマーKRX)溶液に、所定の量の酸化イットリウム粒子ならびにアルミナ粒子を分散させることによって調製した。   Below, the formation method of an optical waveguide is demonstrated. First, the substrate (A) was fixed at a pressure of 10 Pa to a fixed stage in the decompression vessel, and the pressure inside the vessel was set to 100 Pa. And the coating liquid was apply | coated on the board | substrate (A) with the vacuum injection nozzle, and spin coating was performed by rotating a board | substrate (A) for 10 second at 100 rpm. The coating solution was prepared by dispersing a predetermined amount of yttrium oxide particles and alumina particles in an epoxy oligomer solution (Optomer KRX manufactured by Asahi Denka).

塗液の塗布後、容器内の減圧を解除し、塗液を孔部108hに十分に埋め込ませた。その後、基板(A)を2000rpmで20秒間回転させて平坦化を行った。最後に、紫外線照射を行ってエポキシ系のオリゴマーをエポキシ樹脂とした。このようにして、コンポジット材料からなる光導波路109を形成し、実施例9のCCD型固体撮像素子1010を得た。   After applying the coating liquid, the reduced pressure in the container was released, and the coating liquid was sufficiently embedded in the hole 108h. Thereafter, the substrate (A) was flattened by rotating at 2000 rpm for 20 seconds. Finally, ultraviolet irradiation was performed to make an epoxy oligomer as an epoxy resin. Thus, an optical waveguide 109 made of a composite material was formed, and a CCD solid-state imaging device 1010 of Example 9 was obtained.

一方、比較例として、層間絶縁膜に孔部108hおよび光導波路109を形成せずに固体撮像素子を形成した。このようにして得られた実施例9および比較例の撮像素子の感度特性を評価した。その結果、実施例9の撮像素子は、比較例の素子に比べて、素子全体における画像の明るさが約1.7倍であり、感度が高かった。これは、実施例9の素子の集光効率が高いためである。   On the other hand, as a comparative example, a solid-state imaging device was formed without forming the hole 108h and the optical waveguide 109 in the interlayer insulating film. The sensitivity characteristics of the image sensors of Example 9 and the comparative example thus obtained were evaluated. As a result, the image pickup device of Example 9 had a sensitivity of about 1.7 times the image brightness of the entire device as compared with the device of the comparative example, and the sensitivity was high. This is because the light collection efficiency of the device of Example 9 is high.

また、実施例9の撮像素子と比較例の撮像素子とについて、入射光の角度と、入射光が光電変換部に入射する効率との関係について測定した。実施例9の撮像素子の場合、垂直に入射した光の効率を100とした時、斜め20°入射光では約65、斜め30°入射光では約45であった。これに対して、比較例の撮像素子の場合、垂直に入射した光の効率を100とした時、斜め20°入射光では約40、斜め30°入射光では約20であった。比較例の素子では、入射角が大きくなると集光効率が大きく低下した。このように、光導波路109の形成によって斜め入射光の検知効率が大きく向上することが確認された。   Further, the relationship between the angle of the incident light and the efficiency with which the incident light enters the photoelectric conversion unit was measured for the image sensor of Example 9 and the image sensor of the comparative example. In the case of the imaging device of Example 9, assuming that the efficiency of vertically incident light is 100, it was about 65 for oblique 20 ° incident light and about 45 for oblique 30 ° incident light. On the other hand, in the case of the imaging device of the comparative example, when the efficiency of vertically incident light is 100, it is about 40 for oblique 20 ° incident light and about 20 for oblique 30 ° incident light. In the device of the comparative example, the light collection efficiency greatly decreased as the incident angle increased. Thus, it was confirmed that the formation of the optical waveguide 109 greatly improves the detection efficiency of obliquely incident light.

本発明のコンポジット材料は、高屈折率と低波長分散性のバランスに優れていることから、波長特性が良好でかつ小型の光学部品に利用することができる。例えばレンズ、回折光学素子(回折格子を形成したレンズ、空間ローパスフィルタ、偏光ホログラム等)、光導波路、光ファイバー、光ディスク基板、光フィルタ、光学用接着剤等、およびこれらを応用した光学機器・システムに展開可能である。   Since the composite material of the present invention is excellent in the balance between high refractive index and low wavelength dispersion, it can be used for small optical components having good wavelength characteristics. For example, for lenses, diffractive optical elements (lenses with diffraction gratings, spatial low-pass filters, polarization holograms, etc.), optical waveguides, optical fibers, optical disk substrates, optical filters, optical adhesives, etc., and optical devices and systems using these It can be deployed.

本発明の実施の形態1に係るコンポジット材料を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically the composite material which concerns on Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1に係るコンポジット材料に添加される無機物粒子の実効粒径を説明するグラフGraph explaining the effective particle size of inorganic particles added to the composite material according to Embodiment 1 of the present invention 本発明のコンポジット材料に使用する無機物、ならびにその他の無機物における、d線(波長587nm)においての屈折率nと、波長分散性を示すアッベ数νの関係を示すグラフInorganic material used for the composite material of the present invention, and graphs showing the other inorganic, refractive index and n d of the d-line (wavelength 587 nm), the relationship between the Abbe number ν of a wavelength dispersion 本発明のコンポジット材料に使用する無機物、ならびにその他の無機物における、バンドギャップとd線(波長587nm)においての屈折率nとの関係を示すグラフInorganic material used for the composite material of the present invention, as well as in other inorganics graph showing the relationship between the refractive index n d of the band gap and the d-line (wavelength 587 nm) 本発明のコンポジット材料に使用する無機物、ならびにその他の無機物における、バンドギャップとアッベ数νとの関係を示すグラフThe graph which shows the relationship between the band gap and Abbe number (nu) in the inorganic substance used for the composite material of this invention, and another inorganic substance 本発明の実施の形態1に係るコンポジット材料において推算される屈折率とアッベ数の関係の一例を示すグラフThe graph which shows an example of the relationship between the refractive index estimated in the composite material which concerns on Embodiment 1 of this invention, and Abbe number 本発明の実施の形態2に係るコンポジット材料を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically the composite material which concerns on Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態2に係るコンポジット材料において推算される屈折率とアッベ数の関係の一例を示すグラフThe graph which shows an example of the relationship between the refractive index estimated in the composite material which concerns on Embodiment 2 of this invention, and Abbe number 本発明の実施の形態3に係るレンズの一例を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically an example of the lens which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4に係る光導波路を形成した固体撮像素子の一例を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows typically an example of the solid-state image sensor in which the optical waveguide which concerns on Embodiment 4 of this invention was formed. 本発明の実施例7に係るレンズの1次回折効率の波長依存性を示すグラフThe graph which shows the wavelength dependence of the 1st diffraction efficiency of the lens which concerns on Example 7 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10,70 コンポジット材料
11 第1の無機物粒子
11a 第1の無機物粒子の一次粒子
11b 第1の無機物粒子の二次粒子
12 樹脂
13 第2の無機物粒子
13a 第2の無機物粒子の一次粒子
13b 第2の無機物粒子の二次粒子
91 レンズ
92a,92b 回折格子形状
93a,93b 保護膜
101 光電変換部
102 電荷転送部
103 基板
104 絶縁層
105 電荷転送電極
106 反射防止膜
107 遮光膜
108 層間絶縁膜
108h 孔
109 光導波路
1010 CCD型固体撮像素子
10, 70 Composite material 11 First inorganic particle 11a Primary particle of first inorganic particle 11b Secondary particle of first inorganic particle 12 Resin 13 Second inorganic particle 13a Primary particle of second inorganic particle 13b Second Secondary particles of inorganic particles 91 Lens 92a, 92b Diffraction grating shape 93a, 93b Protective film 101 Photoelectric conversion unit 102 Charge transfer unit 103 Substrate 104 Insulating layer 105 Charge transfer electrode 106 Antireflection film 107 Light shielding film 108 Interlayer insulating film 108h Hole 109 Optical waveguide 1010 CCD type solid-state imaging device

Claims (13)

樹脂と、前記樹脂中に分散され、酸化イットリウムならびに1種類以上の他の無機物を少なくとも含む無機物粒子とを有し、屈折率nCOMが1.60以上、アッベ数νCOMが20以上であり、かつ
Figure 2007291291
の関係が成立するコンポジット材料。
And the resin is dispersed in the resin, yttrium oxide and one or more other inorganic and at least including inorganic particles, the refractive index n COM 1.60 or more, an Abbe number [nu COM 20 or more, And
Figure 2007291291
A composite material that satisfies this relationship.
前記無機物粒子は、酸化イットリウムの複合酸化物である請求項1に記載のコンポジット材料。 The composite material according to claim 1, wherein the inorganic particles are a composite oxide of yttrium oxide. 前記無機物粒子は、イットリウムアルミニウムガーネットである請求項2に記載のコンポジット材料。 The composite material according to claim 2, wherein the inorganic particles are yttrium aluminum garnet. 前記無機物粒子は、酸化イットリウムを少なくとも含む第1の無機物粒子と、アッベ数νが50以上である第2の無機物粒子である請求項1から3のいずれかに記載のコンポジット材料。 The inorganic particles, a first inorganic particles containing at least yttrium oxide, composite material according to any one of claims 1 to 3, the Abbe number [nu p is the second inorganic particles is 50 or more. 前記第2の無機物粒子は、シリカまたはアルミナである請求項4に記載のコンポジット材料。 The composite material according to claim 4, wherein the second inorganic particles are silica or alumina. 前記無機物粒子のコンポジット材料全体に対する体積比が、50体積%以下である請求項1から3のいずれかに記載のコンポジット材料。 The composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein a volume ratio of the inorganic particles to the entire composite material is 50% by volume or less. 前記第1の無機物粒子および前記第2の無機物粒子のコンポジット材料全体に対する体積比の合計が、50体積%以下である請求項4または5に記載のコンポジット材料。 The composite material according to claim 4 or 5, wherein the total volume ratio of the first inorganic particles and the second inorganic particles to the entire composite material is 50% by volume or less. 前記無機物粒子の実効粒径が、1nm以上100nm以下の範囲内にある請求項1から3のいずれかに記載のコンポジット材料。 The composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein an effective particle diameter of the inorganic particles is in a range of 1 nm to 100 nm. 前記第1の無機物粒子および前記第2の無機物粒子の実効粒径が、1nm以上100nm以下の範囲内にある請求項4または5に記載のコンポジット材料。 The composite material according to claim 4 or 5, wherein an effective particle diameter of the first inorganic particles and the second inorganic particles is in a range of 1 nm to 100 nm. 請求項1から9のいずれかに記載のコンポジット材料を用いた光学部品。 An optical component using the composite material according to claim 1. 請求項1から9のいずれかに記載のコンポジット材料からなるレンズ。 A lens made of the composite material according to claim 1. 第1の材料からなり表面に回折格子形状が形成された基材と、第2の材料からなり前記回折格子形状を覆うように形成された保護膜とを有する回折光学素子であって、前記第1の材料と前記第2の材料はいずれも樹脂を成分として構成されており、前記第1の材料と前記第2の材料の少なくとも一方が請求項1から9のいずれかに記載のコンポジット材料からなる回折光学素子。 A diffractive optical element comprising: a base material made of a first material and having a diffraction grating shape formed on a surface thereof; and a protective film made of a second material and formed to cover the diffraction grating shape. The first material and the second material are both composed of a resin, and at least one of the first material and the second material is made of the composite material according to any one of claims 1 to 9. A diffractive optical element. 光電変換部と、前記光電変換部上に配置された光導波路とを有する固体撮像素子であって、前記光導波路は請求項1から9のいずれかに記載のコンポジット材料からなる固体撮像素子。 A solid-state imaging device comprising a photoelectric conversion unit and an optical waveguide disposed on the photoelectric conversion unit, wherein the optical waveguide is made of a composite material according to any one of claims 1 to 9.
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