JP2008065227A - Ｎｄフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】透明領域を含むＮＤフィルタ表面に光が入射した場合に発生する不要な光の反射を抑制し、ゴーストの発生を低減する。
【解決手段】ＮＤフィルタ１０は透明領域１１と、光を所定の割合で減衰するＮＤ領域１２とから構成されている。このＮＤフィルタ１０を光量絞り装置に装着すると、透明領域１１は開放状態において絞り開口部領域の一部又は全領域に位置する。被写体の光量に応じて開口部を小絞り状態に駆動するに伴い、その駆動に従って絞り開口部内にＮＤ領域１２が進入し、光量は徐々に減少する。透明領域１１には、ＮＤ膜が蒸着されておらず、その表面には可視光波長よりも短いピッチの微細凹凸周期構造が形成され、この微細凹凸周期構造が反射防止構造となっているため、透明領域１１の表面に入射した光は殆ど反射されることがない。
【選択図】図２

Description

本発明は、ビデオカメラ或いはスチルビデオカメラ等の撮影系に使用するのに適した光学絞り用のＮＤフィルタに関するものである。

従来のビデオカメラ等においては、光量を調節するための光量絞り装置を搭載しているものが知られており、通常の光量絞り装置においては、開閉動作する一対の絞り羽根が用いられている。この光量絞り装置は、ＣＣＤ等の固体撮像素子に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ようになっている。従って、快晴時や高輝度の被写体を撮影すると絞りは小絞りとなり、絞りの開口による光の回折の影響を受け易く、像性能の劣化を生ずる。

これに対する対策として、絞り羽根にフィルム状のＮＤ（Neutral Density）フィルタを取り付けることにより、被写界の明るさが同一であっても絞りの開口が大きくなるような工夫がなされている。このＮＤフィルタは、絞りが小さくなった際に光路中に位置して光量を減少させるため、高輝度撮影時においても絞りが極端に小さくなることを防止することができる。

上述の構造を有する光量絞り装置においては、開放から小絞りに至るまでの中間絞り状態において光学特性が劣化することが知られている。その原因の１つとして、ＮＤフィルタの厚み成分に起因する透過波面位相差が大きく影響していることが知られている。中間絞り状態においては、ＮＤフィルタの端縁が絞り開口部内に位置するため、絞り開口部を通過する光の一部はＮＤフィルタを通過する。また、一部はＮＤフィルタの横を通過し、この両者の間でＮＤフィルタの厚さに起因する位相差が生じ、それが収差となって結像性能に悪影響を与えてしまうことになる。

このようなＮＤフィルタの厚みが光学性能に与える影響への回避策として、特許文献１においては、透明な部分と、透過率が連続的又は段階的に変化する部分を有するＮＤフィルタを円形の絞り開口部を全て覆う状態で可動させて透過光量を制御している。

また、特許文献２においては、ＮＤフィルタに均一な透過率の透明領域と、光を所定の割合で減衰するＮＤ領域とを有する構造とし、透過率変化を与えるために生ずる微小厚み変化についても配慮したＮＤフィルタが開示されている。これにより、ＮＤフィルタを通過する部分と、ＮＤフィルタを通過しない素通し部分との大きな位相差を回避することができる。

特許文献１、２に示したような透明領域とＮＤ領域とを有するＮＤフィルタは、蒸着法により光学特性が制御されたＮＤ領域において、空気と接する最終層を含む多層膜の材料、膜厚等の条件を適切に選択することにより、表面反射を防止するための対策を行っている。

それに対して、透明領域の表面反射率に関する問題提起とその対策については何ら示されていない。しかし、何も対策を行わないと、反射防止手段を省略した透明領域の表面で生ずる表面反射光が、他の光学面で反射して最終的に固体撮像素子の意図しない部位に到達し、ゴーストが発生してしまうことになる。

上述の課題に対する対策として、真空蒸着法やスパッタリング等によりＮＤフィルタの透明領域に多層膜の誘電体膜を成膜する方法が挙げられる。このように、複数層から成る薄膜を多層に積層することにより、各層間で反射光が干渉によって打ち消し合い、反射を防止することが可能である。

特開平６−２６５９７１号公報 特開２００４−２０５９５１号公報

しかしながら、上述のように透明領域の反射防止膜に多層膜を用いた場合には、多層膜として最適な屈折率を有する物質が限定されるため、基板の材質、入射波長の条件によっては、最適な物質の組み合わせを得ることが困難な場合もある。また、成膜に際して膜の層数を増加すると、その分だけ工程数が増加し、総じてコストアップとなり易い等の種々の問題点を有している。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、透明領域の表面に規則的な微細凹凸周期構造を形成することにより、反射防止効果を向上させたＮＤフィルタを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るＮＤフィルタの技術的特徴は、合成樹脂から成る透明基板上に光量調整膜を形成して成るＮＤフィルタであって、均一の透過率を有する透明部領域と、所定の割合で光を減衰するＮＤ部領域とから構成し、前記透明部領域には反射防止機能を有する可視光波長よりも短いピッチの微細凹凸周期構造を形成し、前記ＮＤ部領域には蒸着膜を積層して形成したことにある。

本発明に係るＮＤフィルタによれば、その厚み成分に起因する透過波面位相差を防止しながら、透明領域で発生した有害な反射光を低減することが可能である。これにより、ゴースト等の解像度低下を抑制することが可能となり、また微細凹凸周期構造は蒸着層のない透明領域のみに形成するため、基板上に安定して形成することができる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は撮影光学系の構成図を示し、レンズ１、光量絞り装置２、レンズ３〜５、ローパスフィルタ６、ＣＣＤ等から成る固体撮像素子７が順次に配列されている。光量絞り装置２においては、絞り羽根支持板８に一対の絞り羽根９ａ、９ｂが可動に取り付けられている。絞り羽根９ａには、絞り羽根９ａ、９ｂにより形成される略菱形形状の開口部を通過する光量を減光するためのＮＤフィルタ１０が接着されている。

図２はＮＤフィルタ１０の平面図を示し、ＮＤフィルタ１０は透明領域１１と、ＮＤ膜を形成し光を所定の割合で減衰するＮＤ領域１２とから構成されている。そのため、本実施例におけるＮＤフィルタ１０を図１に示す光量絞り装置２に装着した場合には、ＮＤフィルタ１０の透明領域１１は、開放状態において絞り開口部領域の一部、又は全領域に位置する。

そして、被写体の光量に応じて開口部を小絞り状態に駆動するに伴い、その駆動に従ってＮＤ領域１２が絞り開口部内に進入し、この進入量により光量を徐々に減少することができる。

本実施例におけるＮＤフィルタ１０の透明領域１１には、後述するＮＤ膜が蒸着されておらず、その表面には後述する可視光波長よりも短いピッチの微細凹凸周期構造が形成されている。この微細凹凸周期構造は反射防止構造となっているため、透明領域１１の表面に入射した光は殆ど反射されることがない。

図３は蛾目(Moth eye)構造から成る微細凹凸周期構造を有する反射防止素子の模式図を示している。ＮＤフィルタ１０における透明領域１１の基板２１の表面上には、この透明プラスチック材から成る円錐体形状の突起部２２が等間隔で無数に配置された微細凹凸周期構造２３とされている。

各突起部２２間のピッチをａ、突起部２２の底部の直径をｂ、高さをｃとする。突起部２２の断面は高さｃに対し、構造の最頂部から最底部に向かうにつれて体積は徐々に増加し、それに対応した有効屈折率も突起部２２の最頂部から最底部に向かい連続的に分布する。そのため、空気層からＮＤフィルタ１０の基板２１に向かって滑らかな有効屈折率分布を有する円錐体形状の突起部２２に上方から光が入射した場合には、急激な屈折率差がないため、光は殆ど反射されず基板２１に到達することになる。

なお、反射防止効果を得ようとする波長領域における最短波長をλ、突起部２２の材料が有する屈折率をｎｓとすると、ピッチａの値として、次式を満たすことで反射防止効果が得ることが可能となる。
ａ≦λ／ｎｓ

また、直径ｂは突起部２２の底面の大きさを示しており、これにより反射防止素子の充填率が決まり、この値はピッチａの５〜１０割程度とすることが好ましい。

なお、高さｃとピッチａとのアスペクト比は約１．０程度とすることで反射防止効果が得ることが可能である。このように、ピッチａ、直径ｂ、高さｃを最適にすることで、所望の波長λに対しての反射防止効率を向上させることが可能である。

なお、実施例においては、多数の円錐形状の突起部２２から成る微細凹凸周期構造２３を説明したが、角錐形状でもよいし、或いは図４に示すような逆円錐形状の凹部２４から成る微細凹凸周期構造２３とすることもできる。

このような規則的な微細凹凸周期構造２３を形成する方法の１つとしては、例えば予め表面に規則的な微細凹凸パターンを形成してあるスタンパ（原型）を準備し、このスタンパ表面に光重合性樹脂を施したフィルムに押し当てる。そして、光重合性モノマと重合開始剤から成る光重合性樹脂層に微細凹凸パターンを転写した後に、光重合させることにより硬化させ、その後に離型して光学シートを得る所謂フォト・ポリマリゼーション法等が好適である。この光重合性樹脂としては、ポリエステルアクリレート、ウレタンアクリレート等から成り、紫外線や電子線等の活性化エネルギ線により重合する公知の樹脂が好適である。

なお、スタンパ表面の微細凹凸周期構造を形成する方法としては、スタンパの素材となる表面にフォトエッチング、電子線描画、レーザー加工等で直接凹凸を形成する。また、原型となる素材表面にフォトエッチング、電子線描画、レーザー加工等により、直接凹凸を形成し、この形状の反転型を電鋳等により形成してもよい。

ＮＤフィルタ１０の透明領域１１に微細凹凸周期構造２３を形成するために、透明領域１１となる部位に、グラビアコート法により光重合性樹脂として、厚さ約４０μｍのエポキシ系紫外線硬化性樹脂を塗布する。このエポキシ系紫外線硬化性樹脂を塗布した部分の上に、微細凹凸周期パターンと反転形状を有するスタンパを乗せて、基板とスタンパとを密着させ、基板側から高圧水銀灯を照射することによりエポキシ系紫外線硬化性樹脂を光重合させることにより硬化させる。その後に、基板とスタンパとを離間し、ＮＤフィルタ１０の透明領域１１に所望の微細凹凸周期構造２３が形成された反射防止領域を得る。

ＮＤフィルタ１０の透明領域１１となる部位に形成された微細凹凸周期構造２３は、顕微鏡で観察したところ、構造の高さが２７０ｎｍ、周期が２７０ｎｍの突起部２２が縦横に正方格子状に規則的に配列されていることが確認できた。

更に、上述と同様の方法を用いて、表面に微細凹凸周期構造２３を形成した透明領域１１の裏面に対しても微細凹凸周期構造２３を形成する。次に、透明領域１１に微細凹凸周期構造２３を形成した基板のＮＤ領域１２となる部位の両面に対して、真空蒸着法によりＮＤ膜を成膜する。

図５はこのＮＤフィルタ１０のＮＤ領域１２を形成するための真空蒸着機におけるチャンバの構成図を示している。チャンバ３１内には、蒸着源３２、回転可能な蒸着傘３３が設けられ、この蒸着傘３３には成膜部位に開口部を設けたマスクと合成樹脂基板をセットした基板治具３４が設けられている。蒸着傘３３に固定された基板は、この蒸着傘３３と共に回転し成膜が行われる。ＮＤフィルタ１０のＮＤ領域１２を形成する蒸着面は、ＮＤフィルタ１０の表面が蒸着源３２に対向するように蒸着傘３３に備え付けられ、Ｚ軸を中心にこの蒸着傘３３と共に基板治具３４が回転し成膜が行われる。

図６は基板治具３４の斜視図を示しており、例えば図示しない磁石を配置した固定治具４１は上には、蒸着を施す厚さ１００μｍの透明なＰＥＴフィルムから成るプラスチック基板４２及び磁性材料から成るマスクプレート４３の順に載置されている。マスクプレート４３は蒸着膜を施すべきＮＤ領域１２のみに開口部４４を設けたものであり、固定治具４１とマスクプレート４３とを吸着させるなどして密着させることで、透明領域１１に蒸着膜が付着することを防止し、ＮＤ領域１２のみに所定の蒸着膜が付着するようになっている。

図７は本実施例におけるＮＤフィルタ１０におけるＮＤ領域１２の膜構成図を示しており、プラスチック基板４２上に、第１、３、５、７層に反射率を低減させるための反射防止膜であるＡｌ₂Ｏ₃膜５１と、第２、４、６、８層に透過率を低減させるためのＴｉＯｘ膜５２とが交互に積層されている。更に、反射防止効果を高めるために最表層の第９層に低屈折材料であるＭｇＦ₂膜５３を光学膜厚ｎ×ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）でλ／４（λ＝５００〜６００ｎｍ）を蒸着し、９層構成のＮＤ膜５４を成膜している。なお、ＭｇＦ₂膜５３の代りにＳｉＯ₂膜を用いてもよい。

本実施例において使用するプラスチック基板４２としては、通常は透明性及び機械的強度を有するものが好ましく、ＰＥＴやＰＥＮ等のフィルム状から成るプラスチック基板を使用することが可能である。また、このプラスチック基板４２の厚さは、ＮＤフィルタ１０としての剛性を保持しながら、可能な限り薄く形成することが好ましい。具体的には、その厚さとして２００μｍ以下とすることが好ましく、更に好ましくは、５０〜１００μｍの範囲とすることが望ましい。

そして、蒸着時に反射率をモニタリングすることにより、Ａｌ₂Ｏ₃膜５１の膜厚を制御し反射率を小さくすることが可能である。透過率はＴｉＯｘ膜５２の総膜厚によって変化し、総膜厚が厚くなるほど透過率は低下する。

また、λ＝４００〜７００ｎｍの波長範囲内での透過率の平坦性は、上述のＴｉＯｘ膜組成のｘによって変化し、適切に選択することにより透過率分布は平坦となる。ｘの好ましい数値は０．５以上〜２以下の範囲であり、ｘ＝１．２以下のとき、λ＝約５５０ｎｍの波長を境界として低波長の透過率が低くなる。また、ｘ＝１．２以上のときは逆に低波長の透過率が高くなるように傾く。このため、蒸着時に透過率をモニタリングすることにより、透過率を平坦にすることが好ましい。

上述の方法により成膜したＮＤ膜５４は、ＮＤ領域１２となる部位において濃度が均一な単濃度膜であり、具体的にはそれぞれの片面に対して濃度が約０．３５、つまり両面成膜時の濃度が０．７となるようにしている。

また、比較のために、ＮＤフィルタ１０の透明領域１１となる部位に微細凹凸周期構造２３を形成しない基板４２を用意し、同様にＮＤ領域１２となる部位の両面に対してＮＤ膜５４を成膜した。

そして、上述の方法において作製した透明領域１１とＮＤ領域１２とを有するＮＤフィルタ１０を、それぞれ図８に示すような光量絞り装置の絞り羽根９ａに取り付け、従来と同様な図１のような撮像装置に搭載し画像を評価した。

表１に示すように、透明領域１１に微細凹凸周期構造２３を形成したＮＤフィルタ１０については、ゴーストの影響が低減されており、画質の劣化を抑制することが認められた。一方、透明領域１１に微細凹凸周期構造２３を形成していないＮＤフィルタ１０については、ゴーストの影響が十分に低減できず、画質の劣化を十分に抑制することができなかった。

表１
微細凹凸周期構造 画質
あり ○
なし ×

図９は実施例２におけるＮＤフィルタ１０の平面図、図１０は側面図を示しており、ＮＤ領域１２に透過光量の異なる２種類の濃度を有するＮＤ膜５４ａ、５４ｂが成膜されている。実施例１と同様のプラスチック基板４２を用いてＮＤフィルタ１０の透明領域１１の両面に対して、エポキシ系紫外線硬化性樹脂から成る微細凹凸周期構造２３を形成している。

このＮＤ膜５４の蒸着方法としては、先ず一方の片面のＮＤ領域１２の全面に対して、図７に示すような９層構成のＮＤ膜５４ａを濃度が０．３５になるように蒸着し、次に、他方の面においてＮＤ領域１２の領域Ａのみに、開口部４４を設けたマスクプレート４３を用いて、９層構成のＮＤ膜５４ａを濃度が０．３５になるように蒸着する。更に、ＮＤ領域１２の領域Ｂのみに、開口部４４を設けたマスクプレート４３を用いて、９層構成のＮＤ膜５４ｂを濃度が１．０５になるように蒸着する。

成膜されたＮＤフィルタ１０は、ＮＤ領域１２において領域Ａの濃度が約０．７、領域Ｂの濃度が約１．４となるように制御した。

また、比較のためにＮＤフィルタ１０の透明領域１１となる部位に微細凹凸周期構造２３を形成しない基板４２を用意し、同様にＮＤ領域１２に対して２種類の異なる濃度領域を有するＮＤ膜５４ａ、５４ｂを成膜した。

上述の方法において作製した透明領域１１及びＮＤ領域１２を有するＮＤフィルタ１０を、実施例１と同様に図８に示す光量絞り装置の絞り羽根９ａに取り付け、従来と同様な図１のような撮像装置に搭載し画像を評価した。

表２に示すように、透明領域１１に微細凹凸周期構造２３を形成したＮＤフィルタ１０については、ゴーストの影響が低減されており、画質の劣化を抑えることが認められた。一方、透明領域１１に微細凹凸周期構造２３を形成しないＮＤフィルタ１０については、ゴーストの影響が十分低減できず、画質の劣化を十分に抑制することができなかった。

表２
微細凹凸周期構造 画質
あり ○
なし ×

図１１は実施例３におけるＮＤフィルタ１０の平面図、図１２は側面図を示しており、ＮＤ領域１２にはグラデーション濃度を有するＮＤ膜５４ｃが成膜されている。先ず、実施例１、２と同様の方法を用いてＮＤフィルタ１０の透明領域１１の両面にエポキシ系紫外線硬化性樹脂から成る微細凹凸周期構造２３を形成する。

次に、ＮＤフィルタ１０のＮＤ領域１２の両面に対して、濃度が順次に小から大と変化するグラデーション濃度を有するＮＤ膜５４ｃを真空蒸着法により成膜する。このグラデーション濃度を有するＮＤ膜５４ｃは、マスク面と成す角度の調節が可能な遮蔽板を有するマスクを使用する。そして、マスクで蒸着面に対して膜材料の一部を遮蔽することによって、基板４２上にグラデーション濃度分布を成膜する方法を用いることにより形成した。

具体的には、濃度が約０．２〜０．６、つまり透過率が約６３〜２５％へと順次に変化するＮＤ膜５４ｃを基板４２の両面にそれぞれ成膜し、両面成膜後の濃度が約０．４〜１．２、つまり透過率が約４０〜６．３％へと順次に変化するものとした。ただし、最表層のＭｇＦ₂膜は、マスクを使用せずＮＤ領域１２の全域に光学膜厚ｎ×ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）でλ／４（λ＝５００〜６００ｎｍ）蒸着した。

また、比較のために、ＮＤフィルタ１０の透明領域１１となる部位に微細凹凸周期構造２３を形成しない基板４２を用意し、同様にＮＤ領域１２に対してグラデーション濃度を有するＮＤ膜５４ｃを成膜した。

上述の方法において作製した透明領域１１及びＮＤ領域１２を有するＮＤフィルタ１０を、実施例１、２と同様に図８に示す光量絞り装置の絞り羽根９ａに取り付け、従来と同様な図１のような撮像装置に搭載し画像を評価した。

表３に示すように、透明領域１１に微細凹凸周期構造２３を形成したＮＤフィルタ１０については、ゴーストの影響が低減されており、画質の劣化を抑制することができた。一方、透明領域１１に微細凹凸周期構造２３を形成しないＮＤフィルタ１０については、ゴーストの影響が十分低減できず、画質の劣化を十分に抑制することができなかった。

表３
微細凹凸周期構造 画質
あり ○
なし ×

本実施例３で透明領域１１及びＮＤ領域１２において上述の方法により、ＮＤフィルタ部１０の表面で発生する反射光を低減することができ、結果としてゴーストを良好に除去することが可能となる。

このように、微細凹凸周期構造２３をＮＤ膜５４が形成されている面以外の透明領域１１に形成することにより、図１の固体撮像素子７に到達する迷光を抑制でき、ゴーストやフレアといったＮＤフィルタ１０の反射光による不具合を低減することができる。

また、通常はＮＤフィルタ１０に形成された反射防止膜の分光反射率よりも、微細凹凸周期構造２３の分光反射率の方が低いので、従来とは逆に微細凹凸周期構造２３側を固体撮像素子７に向けて取り付けることにより、更に良好な分光反射率特性を得ることもできる。

撮影光学系の構成図である。 実施例１のＮＤフィルタの平面図である。 微細凹凸周期構造の模式図である。 変形例の微細凹凸周期構造の模式図である。 チャンバの構成図である。 基板治具の斜視図である。 ＮＤ膜の膜構成図である。 ＮＤフィルタを使用した光量絞り装置の概略図である。 実施例２の２濃度ＮＤフィルタの平面図である。 側面図である。 実施例３のグラデーションＮＤフィルタの平面図である。 側面図である。

符号の説明

１ レンズ
２ 光量絞り装置
３〜５ レンズ
６ ローパスフィルタ
７ 固体撮像素子
８ 絞り羽根支持板
９ａ、９ｂ 絞り羽根
１０ ＮＤフィルタ
１１ 透明領域
１２ ＮＤ領域
２２ 突起部
２３ 微細凹凸周期構造
２４ 凹部
３１ チャンバ
３２ 蒸着源
３３ 蒸着傘
３４ 基板治具
４１ 固定治具
４２ プラスチック基板
４３ マスクプレート
４４ 開口部
５１ Ａｌ₂Ｏ₃膜
５２ ＴｉＯｘ膜
５３ ＭｇＦ₂膜
５４、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ ＮＤ膜

Claims (8)

1. 合成樹脂から成る透明基板上に光量調整膜を形成して成るＮＤフィルタであって、均一の透過率を有する透明部領域と、所定の割合で光を減衰するＮＤ部領域とから構成し、前記透明部領域には反射防止機能を有する可視光波長よりも短いピッチの微細凹凸周期構造を形成し、前記ＮＤ部領域には蒸着膜を積層して形成したことを特徴とするＮＤフィルタ。
2. 前記微細凹凸周期構造は前記透明部領域の片面又は両面に形成したことを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタ。
3. 前記ＮＤ部領域は単濃度であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＤフィルタ。
4. 前記ＮＤ部領域は透過光量を調節するための段階的に異なる濃度分布を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＤフィルタ。
5. 前記ＮＤ部領域は透過光量を調節するための連続的に異なる濃度分布を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＤフィルタ。
6. 開口を形成するための絞り羽根と、該絞り羽根に取り付け、前記開口を通過する光量を調節する光量絞り装置において、前記光量を調整するために請求項１〜５の何れか１つの請求項に記載のＮＤフィルタを備えたことを特徴とする光量絞り装置。
7. 光学系を通過する光量を調整する請求項６に記載の光量絞り装置と、前記光学系によって形成される像を受像する固体撮像素子とを有することを特徴とする撮像機器。
8. 前記光量絞り装置に用いたＮＤフィルタは前記微細凹凸周期構造を形成した透明部領域を前記固体撮像素子に対向するように配置したことを特徴とする請求項７に記載の撮像機器。