JP2010061008A - 光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】皺等の発生が少なく、かつ低濃度の際も光の散乱も少ない光学フィルタを得る。
【解決手段】ポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１上に、反射率を低下させるための反射防止層であるＡｌ₂Ｏ₃層４１ａと、透過率を低下させるための光吸収層であるＴｉＯｘ層４１ｂを交互に積層している。最上層には反射防止膜として低屈折材料のＭｇＦ₂層４１ｃを成膜することによりＮＤ膜４１を形成している。ＮＤフィルタ１０は高濃度化のため必要な膜厚が厚くなり、その分蒸着時間が長くなり、透明樹脂基板３１の温度が部分的に１７０℃にまで達することがある。この場合でも、ポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１はガラス転移温度は２００℃以上であることから、皺やうねりの発生を回避することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、デジタルビデオカメラ或いはデジタルスチールカメラ等の撮影光学系の使用に適する光学フィルタに関するものである。

従来のビデオカメラやデジタルカメラ等の撮像機器に搭載されている光量調節装置は、固体撮像素子に入射する光量を制御するための開口部が設けられている。そして、快晴時や高輝度の被写体を撮影する場合においては、その開口部を小さく絞り込むようになっている。しかし、絞り開口部が小さくなり過ぎると、通過する光の回折の影響で像性能が劣化する問題を有している。

この問題の対策として、例えば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、被写界の明るさが大きくなっても、絞り開口が極端に小さくならず、所定の大きさのままで光量を減衰させるようにしている。

ＮＤフィルタとしては、例えば特許文献１に開示されているように、光軸中心に向かって段階的に透過率が大きくなる構成のもの、或いは特許文献２に開示されているように、光軸中心に向かって連続的に透過率が大きくなる構造のもの等が知られている。このようなＮＤフィルタの基材には、材料の光学特性が良好であり、耐久性も優れているＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）等のフィルム状の透明樹脂基板が使用されている。

一般に、これらのＮＤフィルタの作製方法としては、上述の透明樹脂基板上に、真空蒸着法等により光吸収性を有する材料と、反射率を低下させるための材料とを交互に積層することが採用されている。

しかし、ＮＤフィルタを製造する蒸着工程において、蒸発源から加熱溶融、気化された蒸着粒子が樹脂基板の表面に付着する際に、蒸発源からの輻射熱により蒸着時間の経過と共に、樹脂基板の表面温度が上昇する。樹脂基板と積層される膜材料の熱膨張係数は必ずしも同一ではないため、積層される膜材料が樹脂基板の自由な熱伸縮を妨げることになり、作製されたＮＤフィルタには皺やうねり等の形状変化が生じ、ＮＤフィルタとして使用する際に支障が生ずることになる。

そこで、この成膜後に生ずるＮＤフィルタの皺やうねり等の形状変化を抑制する手段として、例えば樹脂基板上に所望のＮＤフィルタを得るためのパターン形成用マスクを密着させた状態で蒸着を行うことがある。これにより、樹脂基板が受ける熱伸縮の影響を低減させることができる。

また、特許文献３においては、蒸着する樹脂基板として１２０℃以上のガラス転移温度を有するノルボルネン系樹脂を使用し、蒸着時の加熱温度を樹脂基板のガラス転移温度よりも低く保ち、伸縮変形を抑制することにより皺の発生を防止している。

特許第２５９２９４９号公報 特開２００４−１１７４６７号公報 特開２００４−３７５４５号公報

しかし、最近の撮像素子の感度の向上と共に、光の透過率を更に低下させた高濃度のＮＤフィルタが要求される傾向にある。具体的には、積層する蒸着膜について所定の層の膜厚を厚くしたり、或いは層数を増加させる等の手法が用いられている。そのため、蒸着中の樹脂基板の温度は更に上昇し、上述の特許文献の樹脂基板材料や積層方法では、皺やうねり等の変形を防止しきれない場合も生ずる。

また、ビデオカメラやデジタルカメラの高画質化に伴い、皺やうねり等の変形だけでなく、特に低濃度の光学フィルタの場合は、光の散乱による画質の低下を更に低く抑制することが求められている。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、蒸着温度が上昇しても皺やうねりの発生が少なく、かつ低濃度の際も光の散乱も少ない光学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光学フィルタは、ガラス転移温度が２００℃以上、可視光線の透過率が９０％以上、濁度が０．１％以下のポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板上に、無機硬質膜を形成した光学フィルタにおいて、可視光線の透過率が３２％以上の領域を有することを特徴とする。

本発明に係る光学フィルタによれば、膜形成時の皺やうねりの発生を防止することができると共に、透過率の高い領域でも光の散乱を極めて小さくすることが可能となる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１はビデオカメラ等の撮影光学系の構成図を示し、光軸上にレンズ１、光量調節部材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。光量調節部材２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、絞り羽根９ａには、絞り羽根９ａ、９ｂにより形成された開口部を透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。なお、本実施例におけるＮＤフィルタ１０は絞り羽根９ａに貼り付けているが、撮影光学系の光路中に設ければよい。

図２はＮＤフィルタ１０を製造する真空蒸着装置の概略図を示しており、チャンバ２１内には回転ドーム２２が設けられ、この回転ドーム２２にＮＤフィルタ１０の基板を保持する蒸着治具２３が配置されている。またチャンバ２１内には、蒸着するＮＤ膜の蒸着源として、Ａｌ₂Ｏ₃から成る蒸着源２４、ＴｉＯｘから成る蒸着源２５、ＭｇＦ₂から成る蒸着源２６が設けられている。また、蒸着源２４〜２６の上方には、特定の蒸着源２４〜２６のみを蒸着させるためのシャッタ２７が設けられ、チャンバ２１の上部には蒸着膜の膜厚を測定するための光学モニタ２８が配置されている。

図３（ａ）は蒸着治具２３の断面図、（ｂ）は平面図を示し、蒸着治具２３には光学フィルタの基板となるポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１が取り付けられ、スペーサ３２を介することにより所定幅の開口部３３を有する蒸着マスク３４が配置されている。回転ドーム２２に蒸着治具２３を透明樹脂基板３１の成膜面が蒸着源２４に対向するように配置し、基板温度と膜厚を均一化するために、回転ドーム２２と共に蒸着治具２３を回転させながら成膜を行う。

蒸着工程では、先ず蒸着前にチャンバ２１内を真空状態に保持し、透明樹脂基板３１がセットされた蒸着治具２３を所定の温度に加熱する。そして、圧力と温度が所定の値に達した後に、ＮＤ膜の１層目として蒸着源２４を加熱し、蒸着治具２３にセットされた透明樹脂基板３１上に所定の厚みのＡｌ₂Ｏ₃層を成膜する。なお、この際にシャッタ２７により蒸着源２５、２６を覆うことによって、Ａｌ₂Ｏ₃のみを蒸着することができる。続いて、蒸着源２５、シャッタ２７を切換えてＴｉＯｘ層を成膜する。

この工程を繰り返すことにより、所定のＡｌ₂Ｏ₃層とＴｉＯｘ層を交互に積層し、透明樹脂基板３１上には、連続的に濃度が変化する濃度分布を有する蒸着膜を形成することができる。そして、一旦チャンバ２１から蒸着治具２３を取り出し、蒸着マスク３４を外して再度チャンバ２１にセットし、蒸着源２６を加熱し反射防止膜としてＭｇＦ₂を最上層に成膜することにより、無機硬質膜のＮＤ膜を形成することができる。

図４は上述の方法によりＮＤ膜４１を成膜し、蒸着マスク３４を取り外した状態のポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１の平面図を示し、透明樹脂基板３１には濃度分布を有するＮＤ膜４１が形成されている。その後に、必要に応じて透明樹脂基板３１を裏返して、再度、蒸着治具２３にセットして、裏面に反射防止膜を形成してもよい。このようにして、ＮＤ膜４１の成膜が終了した後に、図５に示すようにＮＤフィルタ形状に切断することにより、ＮＤフィルタ１０を得ることができる。

近年、ＮＤフィルタ１０は高濃度化しているため、必要な膜厚が厚くなっており、それだけ蒸着時間が長くなっている。つまり、蒸着源２４〜２６からの輻射熱を多く受ける傾向にあり、透明樹脂基板３１の温度が部分的に１７０℃にまで達することがある。このような場合において、従来のＰＥＴやノルボルネン系樹脂ではガラス転移温度を越え、熱により皺の発生が避けられない。

ポリエーテルサルホンのガラス転移温度は２００℃以上であることから、本実施例ではこの問題を回避することができる。

図６はＮＤフィルタ１０の膜構成図を示しており、板厚が７５μｍの透明樹脂基板３１上に、反射率を低下させる反射防止層であるＡｌ₂Ｏ₃層４１ａと、透過率を低下させる光吸収層であるＴｉＯｘ層４１ｂとが交互に積層されている。更に、最上層には反射防止膜として低屈折材料のＭｇＦ₂層４１ｃを成膜することにより、ＮＤ膜４１が形成されている。

ＴｉＯｘ層４１ｂのｘの値は０〜２で、所望の光学特性により調整され、最上層の反射防止膜のＭｇＦ₂層４１ｃは、光学膜厚ｎ×ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）でλ／４（λ＝５００〜６００ｎｍ）で成膜している。

本実施例においては、最上層にＭｇＦ₂層４１ｃを用いたが、ＭｇＦ₂の代りにＳｉＯ₂等の低屈折材料を用いることもできる。また、これらの膜の成膜には真空蒸着法が一般的に用いられるが、イオンプレーティング法又はスパッタリング法等においても同様な効果を得ることができる。また、膜の材質、層数、膜厚等は実施例に限定されるものではない。

図７（ａ）は上述の方法により製造したＮＤフィルタ１０の断面模式図、図７（ｂ）は透過率の分布図を示している。この場合のＮＤフィルタ１０の高濃度領域（Ｃ−Ｄ）はＮＤ１．６（透過率２．５％）である。

本実施例においては、低濃度領域（Ａ−Ｂ）から高濃度領域（Ｃ−Ｄ）に、連続的に可視光線の透過率が変化するグラデーションＮＤフィルタについて説明したが、単一濃度から成るＮＤフィルタや異なる複数の濃度領域から成る多濃度ＮＤフィルタとすることもできる。

ＮＤフィルタ１０の透過率は、第２、４、６、８層の光吸収層であるＴｉＯｘ層４１ｂの総膜厚によって変化し、この総膜厚が厚くなるほど透過率は低下する。本実施例においては、図７（ａ）に示すように領域（Ｂ−Ｃ）で各層の膜厚を連続的に変化させることで、低濃度領域（Ａ−Ｂ）から高濃度領域（Ｃ−Ｄ）に連続的に透過率を変化させることにより、図７（ｂ）に示すような透過率分布を得ることができる。低濃度領域（Ａ−Ｂ）の範囲はＡｌ₂Ｏ₃層４１ａ、ＴｉＯｘ層４１ｂは成膜せず、反射防止膜であるＭｇＦ₂層４１ｃのみ成膜した透明領域である。この透明領域における光減衰効果は殆どないが、ＮＤフィルタ１０の厚みと屈折率に起因する結像面位置ずれを防止するために、実際の撮影時にもフィルタとして使用される。また、ポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１の可視光線の透過率は、λ＝５５０ｎｍにおいて９０％以上であり、この透明領域の透過率もほぼ９０％である。

本実施例のグラデーションＮＤフィルタでは、上述の透明領域を有しているが、透明領域を持たないグラデーションＮＤフィルタでも本発明の効果を得ることができる。

また、ＮＤフィルタ１０の基材のポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１は可能な限り薄く形成することが好ましい。これはＮＤフィルタ１０を光量絞り装置に組み込んで使用する際に、光量絞り装置を薄型化することができ、また軽量となるためにＮＤフィルタ１０自体或いはＮＤフィルタ１０を取り付けた絞り羽根９ａを駆動するための消費電力を少なくすることができる。ただし薄くなり過ぎると、ＮＤフィルタ１０を製造する上で取り扱いが困難になるため、必要な厚さは２５〜２００μｍであり、好ましくは５０〜１００μｍの範囲である。この際に、基板としての剛性を保持し、またＮＤ膜４１の形成による反りを防止するためにも、透明樹脂基板３１の曲げ弾性率は１０００ＭＰａ以上であることが好ましい。

ポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１のガラス転移温度は、蒸着時の蒸着源２５〜２６から受ける熱を考慮すると、２００℃以上であることが好ましい。この程度のガラス転移温度であれば、蒸着時の基板温度が２００℃近くに到達しても、ポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１のガラス転移温度の方が高く、透明樹脂基板３１に生ずる皺等の発生を抑制できる。

また、近年の撮像機器の高画質化に伴い、透明樹脂基板３１の複屈折は小さいことが望ましい。複屈折は屈折率が方向により異なる材料を通る光が、異常光線と常光線に分離する現象であり、材料固有の複屈折性と成形加工時の剪断力による分子配向や、溶融した樹脂が固化する時に生ずる残留応力等に大きく依存する。この複屈折が大きいと、透過光が分離して結像点がずれるため、結像性能が低下するという懸念がある。

複屈折の大きさは、一般に透過位相差として表すことができる。なお、透過位相差とは上述した屈折率の差から生ずる光の速度の差であり、異常光線の屈折率をＮｅ、常光線の屈折率をＮ０、複屈折物質の厚さをｄ（ｎｍ）とすると、透過位相差Ｒｅ（ｎｍ）＝ｄ×（Ｎｅ−Ｎ０）で表される。

従来のＮＤフィルタの基材として用いられるＰＥＴフィルムは、通常のフィルム成形時に延伸加工されるため、分子配向による複屈折が大きく、７５μｍ程度の厚さの場合に透過位相差Ｒｅは１００ｎｍよりも大きい。近年の撮像機器では高画質化に伴い、複屈折が小さい透明樹脂フィルムが求められている。具体的には、透過位相差Ｒｅは１００ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは２０ｎｍ以下であるが、ＰＥＴフィルムの場合は上述の理由により１００ｎｍ以下とすることは困難である。

このような条件を満たす樹脂材料としてはポリエーテルサルホンが好適であり、ポリエーテルサルホンは一般的には延伸加工ではなく押し出し成形で作られるため、複屈折が小さく、透過位相差Ｒｅは２０ｎｍ以下となる。

比較例として、本実施例のポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１と同じ厚みのＰＥＴ（東レ株式会社製商品名：ルミラー）、ノルボルネン系樹脂（日本ゼオン株式会社製商品名：ゼオノア）を使用し、同様の製造方法によりＮＤフィルタ１０を作製した。

表１はＮＤフィルタ１０の作製後の皺の発生とＮＤフィルタ１０をビデオカメラに組み込んだ状態での画質の差について行った比較結果である。

表１
皺 画質
ポリエーテルサルホン ○（なし） ◎（良好）
ＰＥＴ ×（あり） ○（光の散乱あり）
ノルボルネン系樹脂 ×（あり） ○（光の散乱あり）

この結果から、透明樹脂基板３１としてポリエーテルサルホンを用いたＮＤフィルタ１０は優れた特性を備えていることが分かる。

図８は別のＮＤフィルタ１０の断面図を示し、板厚７５μｍのポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１を使用し、２つの均―濃度部を形成している。

このＮＤフィルタ１０においては、先ずポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１の片面のほぼ全面にＮＤ０．４となるＮＤ膜５１を蒸着し、次に他面の一部を蒸着マスクにより隠して、残りの領域のみに別のＮＤ０．４となるＮＤ膜５２を成膜する。なお、蒸着マスクを取り除いた部分には、透明樹脂基板３１の表面の反射を抑える反射防止膜であるＳｉＯ₂層５３をλ／４（λ＝５５０ｎｍ）成膜している。

かくすることにより、透明樹脂基板３１の両面を通して見ると、ＮＤ０．４の領域とＮＤ０．８の領域を備えた２濃度のＮＤフィルタ１０を得ることができる。また、濃度の組み合わせは任意であり、例えばＮＤ０．３とＮＤ０．６の組み合わせであれば、ＮＤ０．３とＮＤ０．９の２濃度、或いはＮＤ０．６とＮＤ０．９の２濃度のＮＤフィルタ１０を得ることができる。

なお比較例として、ポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１と同じ厚みのＰＥＴ（東レ株式会社製商品名：ルミラー）、ノルボルネン系樹脂（日本ゼオン株式会社製商品名：ゼオノア）を使用し、同様の製造方法により２濃度のＮＤフィルタを作製した。

表２はＮＤフィルタ１０の作製後の皺の発生とＮＤフィルタ１０を、ビデオカメラに組み込んだ状態での画質の差について行った比較結果である。

表２
皺 画質
ポリエーテルサルホン ○（なし） ◎（良好）
ＰＥＴ ○（なし） ○（低濃度部に軽微な光の散乱あり）
ノルボルネン系樹脂 ○（なし） ○（低濃度部に軽微な光の散乱あり）

この結果から、透明樹脂基板３１としてポリエーテルサルホンを用いたＮＤフィルタ１０は優れた特性を備えていることが分かる。

また、表３は別の実験を行って確認したＮＤフィルタ１０の濃度による基板のヘイズ値（濁度）が画質に与える影響の比較結果である。

表３
基板材質 ポリエーテルサルホン ＰＥＴ ノルボルネン系樹脂
ヘイズ値 ０．０４％ １％ ０．５％
ＮＤ 透過率
０ ８７〜９３％ ◎ ○ ○
０．３ ５０％ ◎ ○ ○
０．４ ４０％ ◎ ○ ○
０．５ ３２％ ◎ ○ ○
０．６ ２５％ ◎ ◎ ◎
１．０ １０％ ◎ ◎ ◎

この結果より、透過率２５％以下の高濃度領域では、ヘイズ値の影響はあまり見られず良好であるが、透過光量が多くなる透過率３２％以上の低濃度領域では、ポリエーテルサルホン以外の材料ではヘイズ値による画質差が見られ軽微な光散乱が生じている。

グラデーションＮＤフィルタや、透過率が概ね３２％以上の低濃度部を有するＮＤフィルタ、ＮＤ膜が形成されない透明部を有するＮＤフィルタ等では、基板のヘイズ値の大きさが画質に影響するため、ヘイズ値は０．１％以下であることが好ましい。

このように、本発明によるＮＤフィルタ１０においては、高濃度の場合でも膜形成時の皺発生を防止することができ、また低濃度部においては光の散乱による画質の低下を少なくすることができる。

なお、本実施例２ではＮＤフィルタ１０について述べたが、ポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板３１上に無機硬質膜を形成した光学フィルタであれば、同様の効果が得られることは云うまでもない。

撮影光学系の構成図である。 真空蒸着装置の概略図である。 蒸着治具の断面図及び平面図である。 ＮＤ膜を成膜した透明樹脂基板の平面図である。 ＮＤフィルタを切断する説明図である。 ＮＤフィルタの膜構成図である。 他のＮＤフィルタの断面図及び透過率分布図である。 他のＮＤフィルタの断面図である。

符号の説明

１、３〜５ レンズ
２ 光量調節部材
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
２１ チャンバ
２２ 回転ドーム
２３ 蒸着治具
２４〜２６ 蒸着源
２７ シャッタ
２８ 光学モニタ
３１ 透明樹脂基板
３２ スペーサ
３３ 開口部
３４ 蒸着マスク
４１、５１、５２ ＮＤ膜
４１ａ Ａｌ₂Ｏ₃層
４１ｂ ＴｉＯｘ層
４１ｃ ＭｇＦ₂層

Claims (4)

1. ガラス転移温度が２００℃以上、濁度が０．１％以下のポリエーテルサルホンから成る透明樹脂基板上に、無機硬質膜を形成した光学フィルタにおいて、可視光線の透過率が３２％以上の領域を有することを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記透明樹脂基板の可視光線の透過位相差が２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 前記可視光線の透過率が９０％以上の前記透明樹脂基板を使用し、前記無機硬質膜の形成による透過率が連続的に変化するようにした領域を有するＮＤフィルタであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学フィルタ。
4. 請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタを用いたことを特徴とする光量調節装置。