JP2006078519A - Ｎｄフィルタ、光量絞り装置、該光量絞り装置を有するカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタの内部応力による基板の変形を抑制することができ、可視波長域での透過を抑え、且つ近赤外波長域での透過光量を低減することが可能となるＮＤフィルタ、光量絞り装置、該光量絞り装置を有するカメラを提供する。
【解決手段】近赤外波長域の光に対し、可視波長域と比較し低透過の特性を持つ基板１上に、可視域の透過を減衰する特性を持つ薄膜２を有する構成とする。その際、上記基板は、赤外カットガラス、樹脂製赤外カットフィルタ等で構成することができ、上記薄膜は、単濃度、多濃度、グラデーションのいずれかの濃度分布を有する薄膜で構成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＮＤフィルタ、光量絞り装置、該光量絞り装置を有するカメラに関するものである。

光量絞りは、銀塩フィルムあるいはＣＣＤ等の固体撮像素子へ入射する光量を制御するために設けられており、被写界が明るい場合には、より小さく絞り込まれる構造になっている。したがって、快晴時や高輝度の被写界を撮影する際、絞りは小絞りとなり、絞りのハンチング現象や光の回折現象などの影響も受け易く、像性能の劣化を生じる原因となる。
これに対する対策として、絞りの近傍にＮＤフィルタを配置し、あるいはＮＤフィルタを絞り羽根に直接貼り付ける等の光量制御によって、被写界の明るさが同一であっても、より絞りの開口が大きくできるような工夫をしている。

また、固体撮像素子は人の目に対応する機能を有しているが、素子そのものの光応答性は必ずしも人間のそれと同じではない。したがって、人とほぼ同じ働きに至るまでには、いくつかの光学的な加工が必要となってくる。
その一つとして、色再現に必要な光波長域のみを固体撮像素子表面に到達させる方法が挙げられる。これは、必要とする波長領域が人間の視感波長領域のみであるにも関わらず、固体撮像素子自体が近赤外領域にまで高い感度を持つために採られる対策である。すなわち、何の加工もせずに固体撮像素子に光を入射させると、近赤外域に高い感度をもったまま信号処理を行うことになり、光量調整、色バランス調整が適切にできなくなる。そのため、光がＮＤフィルタのみを通過して固体撮像素子に入射した場合、前記した絞りのハンチング現象や光の回折現象などによる画像の劣化は改善されるが、赤外光は透過してしまい、実際に人が目で見るときの視感度とは異なる画像を映し出してしまうこととなる。
このようなことから、通常ＮＤフィルタの他に、近赤外波長領域の透過を制御する赤外カットフィルタを設け、近赤外光が固体撮像素子に入射されるのを防止する方法が採られるのが、一般的となっている。

従来においては、可視波長域での透過を抑え、同時に上記した近赤外波長域での透過を制限するために、ＮＤフィルタと赤外光カットフィルタとをそれぞれ独立して持つ構成が必要であった。
これに対して、特許文献１では、透明樹脂基板の両面にＮＤフィルタ膜と赤外カットフィルタ膜とを蒸着して構成することにより、ＮＤフィルタと赤外光カットフィルタとをそれぞれ独立して持つことを必要としないＮＤフィルタが提案されている。
特開２００２−１０７５０９号公報

しかしながら、上記特許文献１では基板の一方の面にＮＤフィルタを他方の面に赤外カットフィルタを形成することで、それぞれのフィルタを独立して持つ必要をなくするものであるが、基板面に形成される両者のフィルタの膜厚の相違により基板自体に変形を生じるという問題を有している。
すなわち、現在の赤外カットフィルタに求められる一般的な仕様を満足する特性を得る為には、３０〜４０程度の層数が必要となる。その反対の面に、例えば１０層前後のＮＤフィルタを生成すると、ＮＤ面と赤外カット面での膜厚の相違により内部応力が生じ、特に透明樹脂基板のように剛性の弱い基板では、基板自体が変形してしまうこととなる。

そのため、近赤外をカットする特性を維持しつつ、内部応力による基板変形を補正するには、ＮＤ面の膜厚を赤外カット面とほぼ近しい厚さにしなければならないが、それにはＮＤフィルタ膜の各層に相当の膜厚が必要となるが、ＮＤフィルタ膜の膜厚を厚くすると、これより膜の密着性の低下や、膜ワレといった別の問題が生じることになる。

本発明は、上記課題に鑑みて、フィルタの内部応力による基板の変形を抑制することができ、可視波長域での透過を抑え、且つ近赤外波長域での透過光量を低減することが可能となるＮＤフィルタ、光量絞り装置、該光量絞り装置を有するカメラを提供することを目的とするものである。

本発明は、以下のように構成したＮＤフィルタ、光量絞り装置、該光量絞り装置を有するカメラを提供するものである。
すなわち、本発明のＮＤフィルタは、近赤外波長域の光に対し、可視波長域と比較し低透過の特性を持つ基板上に、可視域の透過を減衰する特性を持つ薄膜を有することを特徴としている。本発明において、上記基板は、赤外カットガラス、樹脂製赤外カットフィルタ等で構成することができ、また、上記薄膜は、単濃度、多濃度、グラデーションのいずれかの濃度分布を有する薄膜で構成することができる。
また、本発明の光量絞り装置は、相対的に駆動されて絞り開口の大きさを可変する複数の絞り羽根と、該絞り羽根により形成された開口内の少なくとも一部に配置される光量調整のためのＮＤフィルタとを備えた光量絞り装置において、
前記ＮＤフィルタが、上記したＮＤフィルタによって構成されていることを特徴としている。
また、本発明のカメラは、光学系と、該光学系を通過する光量を制限する上記の光量絞り装置と、該光学系によって形成される像を受ける固体撮像素子を有することを特徴としている。

本発明によれば、フィルタの内部応力による基板の変形を抑制することができ、可視波長域での透過を抑え、且つ近赤外波長域での透過光量を低減することが可能となるＮＤフィルタ、光量絞り装置、該光量絞り装置を有するカメラを実現することができる。

つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本実施形態におけるＮＤフィルタの構成例の一つを示す断面図、図２は図１とは別のＮＤフィルタの構成例を示す断面図である。
図１及び図２において、１は基板、２はＮＤフィルタ膜である。
ここで、基板１には近赤外波長領域における光の透過を５％以下程度にカットすることができる赤外カットガラス、若しくはプラスチック製赤外カットフィルタが用いられている。また、ここでの近赤外領域とは、７００ｎｍ〜１１００ｎｍの光波長領域を示している。
ＮＤフィルタとして使用されるため、基板は可視波長領域の透過率に関して、例えば９０％以上といった高透過率を求めるなどの制限はないが、ＮＤフィルタに求められる濃度仕様の最小値よりは、高い値である必要がある。濃度仕様の最小値とは、例えば濃度が０．５から１．０の間を順次高濃度に変わっていくグラデーションＮＤフィルタにおいては、０．５程度の濃度を、また透過率としては約３２％程度を指している。

図１に示すように、前記した赤外カットガラス、若しくはプラスチック製赤外カットフィルタなどの基板上に、真空蒸着法よりＮＤフィルタ膜を生成する。この際、膜の内部応力による基板の変形等が問題になる場合などは、図２に示すように基板の両面にＮＤフィルタ膜を構成することで、改善を図ることが可能となる。また、ここで述べているプラスチック製赤外カットフィルタとは、高濃度の銅イオンなどを含有し生成された樹脂基板であり、十分に近赤外領域の透過を抑える事ができるフィルタを意味している。

図３、図４及び図５に、赤外カットフィルタ基板上にＮＤフィルタ膜を成膜した際の濃度分布例を示す。
赤外カットガラス、若しくはプラスチック製赤外カットフィルタ基板上に成膜するＮＤフィルタ膜は、図３に示すような全面が均一な透過光量である単濃度膜、図４に示すような同一基板上に数種類の異なる濃度をもつ多濃度膜、さらに図５に示すような濃度が順次小から大、若しくは大から小と変化するグラデーション濃度膜など、用途や仕様によって様々とすることができる。
同様にＮＤフィルタの外観なども様々に形成することができる。多濃度やグラデーション濃度においては、濃度パターンもまた、用途や仕様によって様々とすることができる。

以上、本実施の形態について説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。特に、以上の本実施の形態においては、赤外カットガラスにＮＤフィルタ膜を成膜する方法として真空蒸着法を用いた場合を説明したが、スパッタリング法、スプレー法等も適用することができるものである。なお、これらの成膜法は一般的に知られているため、ここではその説明は省略する。

［実施例１］
実施例１として、赤外吸収ガラスにＮＤフィルタ膜を積層し、ＮＤフィルタを作製した。
図６に、本実施例で基板に用いた赤外吸収ガラスの分光透過率特性示す。
図６に示すように、基板には約７００ｎｍから１１００ｎｍの波長域において５％以下の透過率を有する特性であり、近赤外領域における光の透過をほぼカットできる赤外吸収ガラスを使用した。この赤外吸収ガラスは６１０ｎｍ付近で５０％の透過率を持ち、４００ｎｍから６００ｎｍの透過率は８５％以上のものを使用した。

図７に本実施例におけるＮＤフィルタ膜の層構成示す。
上記赤外吸収ガラス基板上に、図１に示すように片面に、図７に示すような１１層膜構成のＮＤフィルタ膜を２００度に加熱しながら真空蒸着法により成膜した。成膜したＮＤフィルタ膜は、図３に示すように全面が均一な透過光量である単濃度膜とした。具体的には可視波長域全域で濃度が約０．５、つまり透過率が約３２％の膜とした。ここで、透過（Ｔ）と濃度（Ｄ）との関係は
Ｄ＝−ｌｏｇ_１０Ｔ である。
真空蒸着法は、膜厚を比較的に容易に制御でき、かつ散乱が非常に小さいことから選択した。

最表層は反射防止を目的として設けた層であり、光学膜厚ｎ×ｄ（ｎは屈折率、ｄは機械膜厚）でλ／４ λ：５４０ｎｍの条件で成膜した。
この最表層の膜の屈折率ｎは可視域の波長域で１．５以下のものを選んだ。具体的にはＭｇＦ_２を使用した。

これにより作成されたＮＤフィルタの分光透過率を図８に示す。
４００ｎｍから６００ｎｍの波長域においては３２％前後の透過率であり、７００ｎｍから１１００ｎｍの近赤外波長域においては透過率が５％以下であり、特に７００ｎｍから１０００ｎｍの領域においては１％以下の透過率特性を有するＮＤフィルタを得ることができた。
以上により、本実施例においては、図１３または図１４に示す膜構成であっても、前記したＮＤフィルタ膜とほぼ同様の透過特性を持つＮＤフィルタを作製することができた。

［実施例２］
実施例２として、プラスチック製赤外カットフィルタにＮＤフィルタ膜を積層し、ＮＤフィルタを作製した。以下に本実施例について説明する。
図６に示す赤外吸収ガラスとほぼ同様の特性をもつプラスチック製の赤外吸収フィルタを基板とし、図２に示すように基板の両面に、図９に示すようなそれぞれ１１層構成のＮＤフィルタ膜を真空蒸着法により成膜した。成膜したＮＤフィルタ膜は、図３に示すような全面が均一な透過光量である単濃度膜とした。具体的には可視波長域全域で片面の濃度が約０．５のＮＤフィルタ膜で、両面で濃度が約１．０つまり透過率が約１０％の膜とした。
真空蒸着法は、膜厚を比較的に容易に制御でき、かつ散乱が非常に小さいことから選択した。

両面共に、最表層は反射防止を目的として設けた層であり、光学膜厚ｎ×ｄ（ｎは屈折率、ｄは機械膜厚）でλ／４ λ：５４０ｎｍの条件で成膜した。この最表層の膜の屈折率ｎは可視域の波長域で１．５以下のものを選んだ。具体的にはＭｇＦ_２を使用した。
以上のように第１層から最表層まで成膜した後、１１０℃ １Ｈ 空気中で熱処理を行った。１１０℃を選んだのは、１００℃未満では環境安定性向上の効果が不十分であり、１３０℃を超えると基材の熱的劣化を生じて膜にクラックが発生する等問題が生じる為である。本実施例２の条件下においては、熱処理の温度は、１１０℃から１３０℃の間が適当である。

環境安定性を調べるため、前記プラスチックＮＤフィルタを ６０℃ ８５％ ２４０時間の放置試験を行い、試験前後での透過率を測定すると、その差が０．２％以下とほとんど差は見られなかった。参考として、熱処理を行わないものを同様な環境試験を行い、試験前後での透過率を測定すると、２％前後増加していた。
通常、ガラス基板を用いる場合、基板温度は２００℃〜２５０℃、望ましくは３００℃前後まで加熱して成膜する。しかし、本実施例のように基板がプラスチックの場合、基板が熱収縮を起こさない温度で成膜する必要があり、その基板温度は１５０℃未満に制約される。

これにより作成されたＮＤフィルタの分光透過率を図１０に示す。
４００ｎｍから６００ｎｍの波長域においては約１０％の透過率であり、７００ｎｍから１１００ｎｍの近赤外波長域においては透過率が５％以下であり、特に７００ｎｍから１０００ｎｍの領域においては１％以下の透過率特性を有するＮＤフィルタを得ることができた。
以上により、本実施例においては、図１５または図１６に示す膜構成であっても、前記したＮＤフィルタ膜とほぼ同様の透過特性を持つＮＤフィルタを作製することができた。

［実施例３］
実施例３として、プラスチック製赤外カットフィルタにグラデーション濃度分布をもつＮＤフィルタ膜を積層し、ＮＤフィルタを作製した。
図６に示す赤外吸収ガラスとほぼ同様の特性をもつプラスチック製の赤外吸収フィルタを基板とし、図２に示すように基板の両面に、図９に示すようなそれぞれ１１層構成のＮＤフィルタ膜を真空蒸着法により成膜した。成膜したＮＤフィルタ膜は、図５に示すような濃度が順次小から大、若しくは大から小と変化するグラデーション濃度膜とした。具体的には濃度が約０．２から約１．０、つまり透過率が約６３％から約１０％へと順次変化する膜とした。
真空蒸着法は、膜厚を比較的に容易に制御でき、かつ散乱が非常に小さいことから選択した。

以上のように第１層から最表層手前まで成膜した後、両面共に最表層は濃度勾配を持たせず一定膜厚、具体的には光学膜厚ｎ×ｄ（ｎは屈折率、ｄは機械膜厚）でλ／４ λ：５４０ｎｍの条件で成膜した。ここで、最表層の膜厚形状は、最表層手前までの濃度傾斜と逆テーパ状など、必要とされる仕様によっては、様々に構成することができる。
両面共に、最表層は反射防止を目的として設けた層であり、屈折率ｎが可視域の波長域で１．５以下のものを選んだ。具体的にはＭｇＦ_２を使用した。以上のように基板両面共に第１層から最表層まで成膜した後、１１０℃ １時間 空気中で熱処理を行った。

これにより作成されたＮＤフィルタの、基板上の位置と透過率の関係を図１１に、分光透過率を図１２に示す。図１１、１２におけるＸ１、Ｘ２、Ｘ３は相互に対応している。
これより、４００ｎｍから６００ｎｍの波長域においては、Ｘ１は約６３％、Ｘ２は約３１％、Ｘ３は約１０％の透過率であり、７００ｎｍから１１００ｎｍの近赤外波長域においては、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３ともに透過率が５％以下であり、特に７００ｎｍから１０００ｎｍの領域においては１％以下の透過率特性を有するＮＤフィルタを得ることができた。
以上により、本実施例においては、図１５または図１６に示す膜構成であっても、前記したＮＤフィルタ膜とほぼ同様の透過特性を持つＮＤフィルタを作製することができた。

本発明の実施の形態におけるＮＤフィルタの構成例の一つを示す断面図。 本発明の実施の形態におけるＮＤフィルタの別の構成例を示す断面図。 本発明の実施の形態における単濃度ＮＤフィルタの濃度分布例を示す図。 本発明の実施の形態における多濃度ＮＤフィルタの濃度分布例を示す図。 本発明の実施の形態におけるグラデーションＮＤフィルタの濃度分布例を示す図。 本発明の実施例１における基板に用いた赤外吸収ガラスの分光透過率特性を示す図。 本発明の実施例１におけるＮＤフィルタ膜の層構成を示す図。 本発明の実施例１におけるＮＤフィルタの分光透過率特性を示す図。 本発明の実施例２におけるＮＤフィルタ膜の層構成を示す図。 本発明の実施例２におけるＮＤフィルタの分光透過率特性を示す図。 本発明の実施例３におけるＮＤフィルタの透過率特性を示す図。 本発明の実施例３におけるＮＤフィルタの分光透過率特性を示す図。 本発明の実施例１におけるＮＤフィルタ膜の層構成を示す図。 本発明の実施例１におけるＮＤフィルタ膜の層構成を示す図。 本発明の実施例２及び実施例３におけるＮＤフィルタ膜の層構成を示す図。 本発明の実施例２及び実施例３におけるＮＤフィルタ膜の層構成を示す図。

符号の説明

１：基板
２：ＮＤフィルタ膜

Claims (11)

1. 近赤外波長域の光に対し、可視波長域と比較し低透過の特性を持つ基板上に、
   可視域の透過を減衰する特性を持つ薄膜を有することを特徴とするＮＤフィルタ。
2. 前記基板は、赤外カットガラス、樹脂製赤外カットフィルタであることを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタ。
3. 前記基板は、前記近赤外波長域の光に対する光の透過率が５％程度以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＮＤフィルタ。
4. 前記薄膜は、単濃度、または多濃度、またはグラデーションのいずれかの濃度分布を有する薄膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＮＤフィルタ。
5. 前記薄膜が、前記基板の片面または両面に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＮＤフィルタ。
6. 前記単濃度の薄膜が、前記基板の片面に形成され、該薄膜の可視波長域での光の透過率が約３２％であることを特徴とする請求項４に記載のＮＤフィルタ。
7. 前記単濃度の薄膜が、前記基板の両面に形成され、該薄膜の可視波長域での光の透過率が約１０％であることを特徴とする請求項４に記載のＮＤフィルタ。
8. 前記グラデーション濃度分布を有する薄膜が、前記基板の両面に形成され、該薄膜の可視波長域での光の透過率がグラデーション濃度分布に応じて約１０％から約６３％へと順次変化することを特徴とする請求項４に記載のＮＤフィルタ。
9. 前記グラデーション濃度分布を有する薄膜は、最表層が一定膜厚、または最表層手前までの濃度傾斜と逆テーパ状とされていることを特徴とする請求項８に記載のＮＤフィルタ。
10. 相対的に駆動されて絞り開口の大きさを可変する複数の絞り羽根と、該絞り羽根により形成された開口内の少なくとも一部に配置される光量調整のためのＮＤフィルタとを備えた光量絞り装置において、
    前記ＮＤフィルタが、請求項１〜９のいずれか１項に記載のＮＤフィルタによって構成されていることを特徴とする光量絞り装置。
11. 光学系と、該光学系を通過する光量を制限する請求項１０に記載の光量絞り装置と、該光学系によって形成される像を受ける固体撮像素子を有することを特徴とするカメラ。

Images