偏振成像滤波器及其制造方法与流程

本发明涉及一种偏振成像滤波器及其制造方法。

背景技术：

偏振成像滤波器用于偏振成像传感器，从向该偏振成像传感器的输入光中，仅使规定方向的偏振光透过。由此，偏振成像传感器能够获得输入光的偏振光信息。因此，在偏振成像滤波器中具备不使输入光中不需要的偏振光透过的偏振片阵列。作为这种偏振片阵列，公开有使用通过自复制法(自己クローニング法)制作出的光子晶体偏振片(例如参照专利文献1)。

上述光子晶体偏振片如专利文献2的图4及非专利文献1的图4(本申请的图17)所示，在特定波长中，虽然能使TM偏振光透过，但显然不能使TE偏振光透过。即，该光子晶体偏振片对于上述特定波长的输入光而言作为偏振片来工作。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4274543号公报

专利文献2：日本专利第4294264号公报

专利文献3：日本专利公开2009-168795号公报

专利文献4：日本专利公开2004-310009号公报

非专利文献

非专利文献1：川上彰二郎等“使用光子晶体偏振片的偏振成像照相机的开发”电子信息通信学会论文志一般社团法人电子信息通信学会(「フォトニック結晶偏光子を用いた偏光イメージングカメラの開発」電子情報通信学会論文誌一般社団法人電子情報通信学会)2007年1月1日J90-C(1)p.17-24

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

然而，换句话说，上述专利文献1、2及非专利文献1中的光子晶体偏振片对除上述特定波长以外的输入光并不作为偏振片来工作。若具体说明，则如图18所示，上述光子晶体偏振片在550nm左右～700nm以下的波长(符号T)中，均可使TE偏振光及TM偏振光透过。

这里，由于可见光的波长为400nm～800nm，因此上述光子晶体偏振片并不是在可见光的整个波长带域内作为偏振片来工作。因此，如在非专利文献1中“由于在550nm以上的光中两个偏振光均透过，因此在偏振片的背面形成多层膜滤波器，对该波长域的光进行拦截”所述的那样，具备上述光子晶体偏振片的偏振成像滤波器，仅在可见光中所限定的波长带域内发挥作用。

另外，上述光子晶体偏振片，即通过自复制法制作出的光子晶体偏振片，若对其结构或材料进行调整，则也能够使作为偏振片来工作的波长带域变化。然而，对于在可见光的整个波长带域内作为偏振片来工作，必须使所述结构或材料最适宜，存在无法简单进行制造的问题。

另一方面，线栅偏振片也可以在可见光的整个波长带域内作为偏振片来工作(例如参照专利文献3)。然而，由于线栅偏振片是由金属(不具有透过性)制作而成，因此存在透过性低的问题。

另外，在专利文献4中公开了一种对玻璃照射飞秒激光而形成的光学用结构体。但是，在该专利文献4中，并未公开所述光学用结构体是否在可见光的整个波长带域内作为偏振片工作的内容。

因此，本发明的目的在于，提供透过性高且能够在可见光的整个波长带域内有效发挥作用的偏振成像滤波器及其制造方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，第一发明的偏振成像滤波器是一种具备偏振片阵列的偏振成像滤波器，

所述偏振片阵列由透过轴方向不同的多个偏振片单元在二维上排列而成，

在所述偏振片阵列中排列的多个偏振片单元的透过轴方向是规则性，

所述偏振片单元具有高折射率部及低折射率部的周期结构，

所述周期结构是在透过激光的基材上通过氧过量及氧欠缺而形成的折射率变化区域。

另外，第二发明的偏振成像滤波器是在第一发明的偏振成像滤波器中，透过激光的基材为偏振成像传感器的玻璃盖片。

进而，第三发明的偏振成像滤波器的制造方法是第一发明或第二发明的偏振成像滤波器的制造方法，

其具备通过对透过激光的基材照射飞秒激光，从而在该飞秒激光的聚光位置形成折射率变化区域的工序。

另外，第四发明的偏振成像滤波器的制造方法是在第三发明的偏振成像滤波器的制造方法中，

在根据偏振成像滤波器中所期望的相位差，对飞秒激光的参数进行调整的同时，层叠偏振片阵列。

(三)有益效果

根据上述偏振成像滤波器及其制造方法，能够实现透过性高且在可见光的整个波长带域内有效发挥作用。

附图说明

图1为表示使用了本发明实施方式的偏振成像滤波器的偏振成像传感器结构的立体示意图。

图2为示意性地表示同上偏振成像滤波器的俯视图，其中，图2A为用双箭头表示透过轴的图，图2B为用线表示高折射率部的图。

图3为示意性地表示同上偏振成像滤波器的偏振片阵列的立体图，其中，图3A为用双箭头表示透过轴的图，图3B为表示圆柱区域的图。

图4为将同上偏振片阵列呈三层层叠的立体图，其中，图4A为与图3A相对应的图，图4B为与图3B相对应的图。

图5为表示同上偏振片阵列中的相位差的加成性的图表。

图6为构成同上偏振片阵列的偏振片单元的缪勒矩阵，其中，左侧是表示其矩阵成分的图表，右侧是表示该图表的行列式。

图7为表示在同上偏振片阵列中输入使四道偏振光并进行摄影的实验的图，其中，图7A为示意性表示偏振片阵列的俯视图，图7B为输入0°方向的偏振光的照片，图7C为输入45°方向的偏振光的照片，图7D为输入90°方向的偏振光的照片，图7E为输入135°方向的偏振光的照片。

图8为表示同上偏振成像滤波器的制造装置的图，其中，图8A为结构示意图，图8B为玻璃盖片及向其照射的飞秒激光的放大图。

图9为表示形成同上圆柱区域的状态的与图8相对应的图。

图10为表示使同上飞秒激光的磁场方向旋转45°的状态的与图8相对应的图。

图11为表示使同上飞秒激光的磁场方向保持旋转45°并形成圆柱区域的状态的与图8相对应的图

图12为示意性表示同上偏振片阵列的俯视图，并且是用于说明透过轴角度的图。

图13为示意性表示其它实施方式的偏振片阵列的俯视图，并且是用于说明透过轴的角度的图。

图14为表示其它实施方式的偏振成像滤波器的制造方法的图。

图15为表示其它实施方式的偏振片阵列的图，图15A为层叠的偏振片阵列的立体图，图15B为每层偏振片阵列的俯视图。

图16为表示其它实施方式的偏振成像滤波器的立体图。

图17为表示对于现有的光子晶体偏振片(通过自复制法制作而成)的输入光的波长与透过率的关系的图表，是非专利文献中的图4。

图18为表示同上偏振成像滤波器的其它实施方式的制造方法的图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的实施方式的偏振成像滤波器进行说明。

首先，对使用上述偏振成像滤波器的偏振成像传感器进行示意性说明。

如图1所示，该偏振成像传感器S具备偏振成像滤波器1、受光模块R及信息处理部I，其中，所述偏振成像滤波器1在输入可见光V的同时，使透过轴方向(在图1中用双箭头4表示)的偏振光透过；所述受光模块R接收透过该偏振成像滤波器1的偏振光；所述信息处理部I对来自接收该偏振光的受光模块R的信息进行处理。该信息处理部I是由进行图像处理及运算并根据需要对所述信息进行存储的公知结构部件构成。此外，上述受光模块R的像素P以二维排列为多行多列，在本实施方式中为了使说明及附图简单，排列为六行六列。另外，下面，在上述偏振成像滤波器1中，将可见光V的行进方向(在图1中的白色空心箭头的方向)作为厚度方向，将与该厚度方向垂直的方向作为宽度方向进行说明。进而，虽对可见光有各种各样的定义，但是本实施方式中的可见光V是指其波长在400nm～800nm的光。

另外，通常的偏振成像传感器除了偏振成像滤波器之外，还具备用于保护受光模块的玻璃盖片。但是，由于本实施方式的偏振成像传感器S中，上述偏振成像滤波器1也兼作玻璃盖片，因此准确地说，是使玻璃盖片具有偏振成像滤波器的功能，从而无需另外的玻璃盖片。

下面，对上述偏振成像滤波器1进行详细说明。

该偏振成像滤波器1如图2A所示，在二维将偏振片单元3以六行六列(现实情况为多行多列)排列组成。每个偏振片单元3都与所述受光模块R的像素P一一对应(参照图1)。如图2A的虚线部所示，通过在二维上呈两行两列的偏振片单元3，构成一个偏振片阵列2。即偏振片阵列2是将偏振片单元3在二维上以两行两列排列而成的。另外，如图2A所示，一个偏振片单元3是以使其透过轴4为一个方向的方式而构成。并且，在一个偏振片阵列2中排列的四个(两行两列)偏振片单元3的透过轴方向4是规则性的。具体而言，如图1所示，在各偏振片阵列2中，行及列相邻的偏振片单元3的透过轴4相互呈45°。这样使透过轴方向4有规则性，是为了将偏振光方向的信息发送给受光模块R。具体而言，若向偏振片阵列2输入偏振光，则靠近所输入的偏振光方向的透过轴方向4的偏振片单元3会使偏振光充分透过，而远离入射的偏振光方向的透过轴方向4的偏振片单元3不会使偏振光充分透过。因此，根据透过偏振片阵列2的偏振光，可以清楚知道所输入的偏振光方向。

图2A为用双箭头示意性表示上述偏振成像滤波器1的透过轴4的图，但是实际的透过轴4是通过形成在玻璃盖片上的折射率变化区域(由高折射率部及低折射率部组成)的作用来决定的。若用线表示高折射率部，则如图2B所示，能够在各偏振片单元3中看到平行线11。即，该平行线11是通过氧过量而使折射率增大的高折射率部。另一方面，上述平行线以外12则是由于氧欠缺而使折射率减小的低折射率部。由于高折射率部11及低折射率部12交替出现，因此由上述高折射率部11及低折射率部12所组成的折射率变化区域可以称为周期结构。另外，由图2A与图2B的比较可知，上述透过轴4的方向是与上述高折射率部11的平行线垂直的方向。

接下来，着眼于一个偏振片阵列2进行说明。

图3A为示意性表示一个偏振片阵列2的立体图，图3B为实际表示图3A的偏振片阵列2的立体图。该偏振片阵列2如图3B所示，是由多个圆柱状的折射率变化区域(以下仅称为圆柱区域5)在同一平面上并列(也就是筏状)形成的。各圆柱区域5为将球状的折射率变化区域呈直线状连接而成。该球状的折射率变化区域是通过向玻璃盖片(透过激光束的基材的一例)照射飞秒激光(脉冲时间为10^-12秒～10^-15秒的脉冲激光)，在该飞秒激光的聚光位置上形成。因此，上述各圆柱区域5是通过在向上述玻璃盖片照射飞秒激光的同时，使所述玻璃盖片和飞秒激光沿同一方向相对移动，从而在该飞秒激光聚光位置的轨迹上形成的。另外，各圆柱区域5中的高折射率部11的平行线在与上述飞秒激光的磁场方向同一方向上形成。

另外，图3中所表示的是在玻璃盖片上形成一层偏振片阵列2的例子，但是如果偏振片阵列2的相位差并不够(如果不满足所希望的相位差)，则可以如图4所示，将该偏振片阵列2设置为多层(图4中所表示的是三层的例子)。通过将偏振片阵列2设置为多层，使具备这些多层偏振片阵列2的偏振成像滤波器1的相位差为用层数乘以各偏振片阵列2的相位差而得到的值。例如，如图5的图表所示，在偏振片阵列2的相位差大致为0.3πrad的情况下，通过实验确认到，若为一层则可获得0.3πrad左右的相位差，若为两层则可获得0.3πrad×2的相位差，若为三层则可获得0.3πrad×3的相位差。即，上述偏振成像滤波器1中，关于层叠的偏振片阵列2的相位差，可以说具有加成性。此外，通过使照射的飞秒激光的参数变化，从而使单层偏振片阵列2的相位差在0～0.367πrad(100nm)范围变化。

下面，对所述偏振成像滤波器1的作用进行说明。

若可见光V输入至偏振成像滤波器1，则与其各偏振片单元3的透过轴方向4在同一方向上的偏振光会透过，所透过的偏振光被受光模块R所对应的各像素P接收。另外，在偏振片阵列2中排列的四个偏振片单元3的透过轴方向4被规则性地设置，由此偏振光方向的信息会发送给受光模块R，因此能够使透过的偏振光精度提高。此外，接收这些偏振光的受光模块R会将偏振光方向、亮度及色彩等信息发送至信息处理部I。

此处，为得知偏振片单元3对于可见光V的整个波长带域的特性，将上述可见光V的波长进行各种各样的变化并入射进试料中，根据从试料输出的光来测定出缪勒矩阵的矩阵成分。在该测定中所使用的装置为分光偏振计Poxi-spectra(东京仪器公司制造(東京インスツルメンツ社製))，上述试料在2mm见方的石英玻璃上形成折射率变化区域。该折射率变化区域是以2.0μm的间距形成直线状且线宽1.5μm的高折射率部，并在这些高折射率部之间形成低折射率部的周期结构。即，所述试料与所述偏振片单元3是相同的结构。另外，上述波长的变化具体而言为400nm～800nm。其原因为，在本实施方式的可见光V中，400nm为最短波长(色彩为紫色)，800nm为最长波长(色彩为红色)，由此可得知偏振片单元3对于可见光V的整个波长范围的的特性。其结果为，上述偏振片单元3的缪勒矩阵的矩阵成分如在图6左侧所表示的16个图表所示。另一方面，将这些用数式表示的理论式如在图6右侧所表示的行列式所示。此处，图6中的θ为上述试料的透过轴方向，δ为所述试料的相位差。另外，图6中的E＝0°(E为电场方向)为与透过轴平行的直线偏振光(称为TM偏振光)，E＝90°为与透过轴垂直的直线偏振光(称为TE偏振光)。如该图6所示，关于M23及M32，在波长400nm～800nm内，E＝0°与E＝90°时矩阵成分有很大不同。具体说明的话，关于M23，在波长400nm～800nm内，E＝0°的矩阵成分为1.0～0.5，E＝90°的矩阵成分为-1.0～-0.5。另外，关于M32，在波长400nm～800nm内，E＝0°的矩阵成分为-1.0～-0.5，E＝90°的矩阵成分为1.0～0.5。因此，根据上述M23的矩阵成分，也就是将圆偏振光变换为45°偏振光的成分，在波长400nm～800nm内，与透过轴方向平行的偏振光(TM偏振光)会维持原状透过，而与透过轴方向垂直的偏振光(TE偏振光)会反转并透过。换句话说，根据M23的矩阵成分，TM偏振光会以45°透过，TE偏振光会以-45°透过。另外，根据上述M32的矩阵成分，也就是将圆偏振光变换45°偏振光的成分，在波长400nm～800nm内，与透过轴方向平行的偏振光(TM偏振光)会反转透过，而与透过轴方向垂直的偏振光(TE偏振光)会维持原状透过。换句话说，根据M32的矩阵成分，TM偏振光以顺时针透过，TE偏振光以逆时针透过。即，在波长400nm～800nm内，TM偏振光与TE偏振光从试料输出的偏振状态有所不同。由此，可以知道所述偏振片单元3是作为波长板而工作的。

此处，通过对TE偏振光(与透过轴方向4垂直的偏振光)从所述偏振片单元3输出的部分进行遮蔽，使所述偏振片单元3作为偏振片来工作。其原因是，由于在TM偏振光与TE偏振光从试料输出的偏振光状态有所不同，因此即使遮蔽了从所述偏振片单元3输出的TE偏振光部分，也并不会对TM偏振光部分进行遮蔽，即，在使TM偏振光(与透过轴方向4平行的偏振光)透过的同时，不会使TE偏振光(与透过轴方向4垂直的偏振光)透过。另外，为了对从偏振片单元3输出的TE偏振光(与透过轴方向4垂直的偏振光)部分进行遮蔽，也就是为了将消光比提高到期望值，需要增加所述偏振片阵列2的层数，或在玻璃盖片30上安装另外的波长板。由此，偏振成像滤波器1会在可见光V的整个波长带域内，使透过轴方向4的偏振光透过的同时，使非透过轴方向4的偏振光无法透过。综上所述，可以说所述偏振成像滤波器1在可见光V的整个波长带域(400nm～800nm)内作为偏振片来工作。

对于将消光比提高至期望值的偏振片单元3是否是作为偏振片工作的问题，实际进行了实验。在该实验中，对使四道偏振光分别输入将上述偏振片单元3在二维以两行两列进行排列所组成的偏振片阵列2，即图7A中所示的偏振片阵列2的情况进行摄影，通过目视对所透过的偏振光强度进行确认。这些拍摄下来的相片分别示于图7B～图7E。如图7B所示，若输入的偏振光为0°方向(E＝0°)，则具有与该偏振光方向同一方向的透过轴4的偏振片单元3，也就是图7B的偏振片阵列2中的左下方的偏振片单元3最为明亮。同样地，如图7C所示，若输入的偏振光为45°方向(E＝45°)，则该偏振片阵列2中左上方的偏振片单元3最为明亮。同样地，如图7D所示，若输入的偏振光为90°方向(E＝90°)，则该偏振片阵列2中右上方的偏振片单元3最为明亮。同样地，如图7E所示，若输入的偏振光为135°方向(E＝135°)，则该偏振片阵列2中右下方的偏振片单元3最为明亮。由这些结果可知，提高了消光比的偏振片单元3使透过轴方向4的偏振光透过，同时使非透过轴方向4的偏振光无法透过。即，可以说将消光比提高至期望值，偏振片单元3作为偏振片而工作。

下面，根据附图对上述偏振成像滤波器1的制造方法进行说明。

首先，对在上述制造方法中所使用的制造装置进行说明。

该制造装置如图8A所示，具备输出器21、直线偏振光板22、反射镜23及透镜24，所述输出器21输出飞秒激光20；所述直线偏振光板22仅使从该输出器21输出的飞秒激光20中所规定的直线偏振光透过；所述反射镜23使透过该直线偏振光板22的飞秒激光20向玻璃盖片30反射；所述透镜24对由该反射镜23反射的飞秒激光20进行聚光。

接着，对使用了该制造装置21～24的上述制造方法进行说明。

如图8A所示，预先在对上述飞秒激光20聚光的位置，即预先在想要形成的偏振片阵列2的位置设置玻璃盖片30。并且，若使输出器21输出飞秒激光20，则如图8A及图8B所示，该飞秒激光20会在玻璃盖片30的内部聚光。这里，飞秒激光20的参数，即波长、脉冲数及能量等根据想要形成的周期结构来变化。若使这些参数变化，则在周期结构中，高折射率部11及低折射率部12的间隔、高折射率部11及低折射率部12的折射率差、所形成的圆柱区域5的横断面直径，以及由这些圆柱区域5构成的偏振片阵列2的相位差(0～100nm)等会发生变化。

在使输出器21输出飞秒激光20后，如图9白色空心的箭头所示，使飞秒激光20和玻璃盖片30在同一方向上进行相对移动。将该相对移动的方向设为想要形成圆柱区域5的方向，也就是玻璃盖片30的宽度方向。并且，在圆柱区域5所形成的高折射率部11的平行线方向如图9B详细所示，与飞秒激光20的磁场方向相同。

若圆柱区域5得到期望的长度，则如图10中的白色空心箭头所示，通过使直线偏振光板22旋转45°，从而使到达玻璃盖片30的飞秒激光20的磁场方向旋转45°。此时，圆柱区域5中的高折射率部11的平行线也会旋转45°。并且，如图11中的白色空心箭头所示，通过在同一方向上继续上述相对移动，从而形成有高折射率部11的平行线旋转了45°状态下的圆柱区域5。若高折射率部11的平行线旋转了45°的状态下的圆柱区域5得到期望的长度，则会形成一根构成偏振片阵列2的圆柱区域5。

通过重复上述工序，如图2B所示，偏振片单元3在二维呈六行六列排列，即，偏振片阵列2在二维呈三行三列排列，从而制造出偏振成像滤波器1。

另外，若所排列的单层偏振片阵列2的相位差不够，则需形成另外的偏振片阵列2，直至满足期望的相位差。此外，新形成的另外的偏振片阵列2设置为已经形成的偏振片阵列2的上侧(飞秒激光20的到达侧)。

这样，根据上述偏振成像滤波器1，由于其根据玻璃盖片30(透过激光束的基材)中的氧过量及氧欠缺来构成，因此透过性高，并且在可见光V的整个波长带域内作为偏振片来工作，从而能够在该整个波长带域内有效发挥作用。

进而，根据在偏振片阵列2中排列的多个偏振片单元3的透过轴方向4是规则性的，从而能够提高所透过的偏振光精度，更加有效地发挥作用。

另外，由于使玻璃盖片30具有偏振成像滤波器1的作用，因此在用于偏振成像传感器S时，无需另外的玻璃盖片30。

另外，根据所述偏振成像滤波器1的制造方法，能够简单地制造实现上述效果的偏振成像滤波器1。尤其是，通过使用于普通成像传感器的现有的玻璃盖片30简单地具有偏振成像滤波器1的功能，能够容易地将上述成像传感器改造成偏振成像传感器S。

另外，通过在调整飞秒激光20的参数的同时，层叠偏振片阵列2这样的简单工序，能够容易地使偏振成像滤波器1的相位差成为所期望的相位差。

实施例

下面，对更加具体地表示上述实施方式的实施例的偏振成像滤波器1进行说明。

首先，从现有的CCD照相机(具备玻璃盖片30、受光模块R及信息处理部I)中卸下玻璃盖片30，将该玻璃盖片30设置在上述实施方式的制造装置21～24中。

并且，调整飞秒激光20的参数，使所形成的圆柱区域5的横截面直径为2μm。另外，在上述制造装置21～24中的反射镜23与透镜24之间配置空间相位调整器(省略图示)，使飞秒激光20分多道到达玻璃盖片30。

然后，使多道飞秒激光20与玻璃盖片30相对移动，同时形成多根圆柱区域5，制造出偏振成像滤波器1。此外，将该相对移动的速度设为2mm/sec。

该偏振片成像滤波器中，使偏振片单元3在二维呈648行488列排列而成，将各偏振片单元3形成为7.4μm见方的正方形。另外，作为一个偏振片单元3，在同一平面上并列邻接形成横截面直径为2μm的圆柱区域5。

这样，根据本实施例的偏振成像滤波器1及其制造方法，可以实现与上述实施方式相同的效果。

进而，根据本实施例的制造方法，由于同时形成多根圆柱区域5，因此能够缩短偏振成像滤波器1的制造时间。

另外，在上述实施方式及实施例中，在各偏振片阵列2中，如图12所示，对行及列相邻的偏振片单元3的透过轴4相互呈45°的例子进行了说明，但如图13所示，也可以呈30°或60°，只要为规则性即可。

另外，在所述实施方式及实施例中，对使玻璃盖片30容易地具有偏振成像滤波器1的功能的例子进行了说明，但是也可以使另外新的玻璃容易地具有偏振成像滤波器1的功能。

进而，在上述实施方式及实施例中，对用于偏振成像传感器S的偏振成像滤波器1进行了说明，但并不限定于偏振成像传感器S，也可以为偏光眼镜等其他的用途。

另外，在上述实施方式及实施例中所说明的形成圆柱区域5的方法仅为一例，也可以如图18所示，在每个具有同一方向的平行线11的部分形成圆柱区域5。

另外，在上述实施方式及实施例中，对在玻璃盖片30的宽度方向上形成圆柱区域5的例子进行了说明，但是也可以如图14所示，形成在玻璃盖片30的厚度方向上。

另外，在上述实施方式的图4中，对层叠相同偏振片阵列2的结构进行了说明，但是也可以如图15所示，做成每层透过轴方向4配列不同的偏振片阵列2。

另外，在上述实施方式及实施例中，未对偏振片阵列2的层叠进行详细的说明，但是可以如图16所示，使在俯视视角下根据位置不同的偏振片阵列2，所层叠的数量不同。