JP2013041027A - 光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】簡便に生産可能で、光学特性の優れたグラデーションタイプを含む多濃度ＮＤフィルタから成る光学フィルタを得る。
【解決手段】透明樹脂基板３１上に高さ又はピッチが変化する微細凹凸構造３２を連続的に形成し、その上に多層膜から成るＮＤ膜３３を形成することで、微細凹凸構造３２の高さ又はピッチに応じて透過率が変化する。これにより、微細凹凸構造３２の高さ又はピッチを連続的に変化させた透明樹脂基板３１上に形成することで、濃度変化を有するＮＤフィルタを作製する。
【選択図】図２

Description

本発明は、カメラ等の撮影装置や光学機器等に使用される光学フィルタに関するものである。

従来から、デジタルカメラやビデオカメラ等の光学機器には、光量を調節するための絞り装置が組み込まれている。この絞り装置は、絞り羽根の開閉によりＣＣＤ等の固体撮像素子に入射する光量を調節するものであり、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際には、光量を減衰させるための絞りは小絞りとなるが、絞りを小さくし過ぎると、光は絞りにより回折し、撮影した画像の劣化を引き起こしてしまうことがある。また、ＣＣＤ等の固体撮像素子が高感度化するにつれ、更に光量を減衰させる必要があり、この画像劣化の傾向は顕著になる。

そこで、この問題の対策として、絞り羽根に光量調整部材としてフィルム状のＮＤ（Neutral Density）フィルタを取り付けることにより、絞り開口が大きいまま光量を減衰させている。具体的には、絞り羽根の一部に、接着剤を介して絞り羽根とは異なる別部材から成るＮＤフィルタを貼り付け、被写体が高輝度の際には、ＮＤフィルタを光軸上に位置させることにより通過光量を制限する。これにより、絞り開口が小さくなり過ぎるまで絞り込むことを回避でき、絞り開口を一定の大きさに維持することができる。

更に、光量調節機能として濃度勾配を有するＮＤフィルタを使用し、このＮＤフィルタを移動させることにより、更なる光量調節を行うこともできる。この濃度勾配を有するＮＤフィルタは、グラデーションＮＤフィルタと呼ばれ、例えば特許文献１に示すように、濃度分布を形成した原版から銀塩フィルムに写し込んで作製する。また、特許文献２に示すように、スリットマスクを使用して成膜して濃度分布を形成したり、特許文献３に示すようなインクジェット法でインクを吐出することにより濃度分布を形成する方法等により作製することができる。

図１７は従来のグラデーションタイプのＮＤフィルタ１の模式断面図を示し、透明樹脂基板２上に膜厚を変化させた誘電体層３ａ及び光吸収層３ｂを交互に積層し、最表層に膜厚を均一とした誘電体層から成る最表層３ｃから成るＮＤ膜３を成膜している。更に、この透明樹脂基板２の裏面には均一な膜厚の反射防止膜４が成膜されている。

特開平６−９５２０８号公報 特開２００４−６１９００号公報 特開２００４−２４６３０５号公報

近年、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像機器に使用される固体撮像素子から成る画像センサは高感度化が進み、それに合わせてＮＤフィルタの高濃度化も進んでいる。

しかし、ＮＤフィルタの濃度が高濃度化すると、開口内におけるフィルタ先端部でのフィルタの有無による光量のむらが大きくなり、画質を劣化させてしまうことがある。そのため、フィルタの先端部に向けて濃度が連続的に減少するグラデーションＮＤフィルタを使用することが一般的になってきている。

しかしながら、特許文献１に示す方法によると、銀塩フィルムに含まれる銀塩粒子が散乱を引き起こし画質劣化を起こす場合がある。また、特許文献２に示す方法では、ＮＤフィルタの表面反射を低減するために、先ずスリットマスクを使用して成膜し、更にスリットマスクを使用せずに再表層に均一な厚みの反射防止膜を成膜するため生産工程に時間が掛かってしまう。また、特許文献３に示す方法においては、現状ではインクの分光特性が蒸着膜に劣るという問題を有している。

図１７に示すグラデーションＮＤフィルタ１は、グラデーション部においても反射を低減するためには、最表層３ｃはグラデーション部まで均一の膜厚とすることが好ましい。そのためには、蒸着時に図１８（ａ）に示すように、治具１１に取り付けた透明樹脂基板２と蒸着マスク１２の間に、所定の間隔を設けて最表層３ｃの手前の層まで成膜する。続いて、（ｂ）に示すように、蒸着マスク１２を外し最表層３ｃを一定の厚さに成膜する。

しかし、この方法では蒸着マスク１２を外すために、一旦蒸着チャンバから取り出さなくてはならず作業時間が長く掛かってしまう。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、簡便に生産可能で光学特性の優れたグラデーションタイプを含む多濃度の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、透明基板の表面に微小な凹凸形状を連続的に形成し、該凹凸形状の上に複数層の無機硬質膜から成るＮＤ膜を成膜し、前記凹凸形状はピッチと高さの少なくとも一方を変化させたことを特徴とする。

本発明に係る光学フィルタによれば、透明樹脂基板上に予めピッチ、高さの少なくとも一方が異なる凹凸形状を連続的に形成し、その上に光吸収層を含むＮＤ膜を形成することにより、凹凸形状に応じて透過率の異なる領域を形成することができる。

実施例１の撮像装置の構成図である。 ＮＤフィルタの模式断面図である。 微細凹凸構造の斜視図である。 微細凹凸構造を作製方法の説明図である。 微細凹凸構造の模式断面図である。 ＮＤフィルタの蒸着治具の断面図である。 チャンバの模式図である。 ＮＤフィルタの膜構成図である。 変形例のＮＤフィルタの膜模式図である。 微細凹凸構造上に蒸着膜が積層される様子の説明図である。 微細凹凸構造上に蒸着膜が形成され、膜厚の偏りにより透過率が変化することを説明するモデル図である。 実施例２のＮＤフィルタの模式断面図及び濃度分布図である。 光吸収層にＴｉを使用したＮＤフィルタの濃度分布図である。 ＮＤフィルタをプレス抜きで切断した説明図である。 実施例３のＮＤフィルタの模式断面図及び濃度分布図である。 実施例４のＮＤフィルタの模式断面図及び濃度分布図である。 従来のグラデーションＮＤフィルタの模式断面図である。 従来のグラデーションＮＤフィルタの作製方法の説明図である。

本発明を図１〜図１６に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例１における撮像装置の構成図を示し、撮像光学系としてのレンズ２１〜２４中に、光量調節装置２５が設けられ、その後方にローパスフィルタ２６、ＣＣＤ等から成る固体撮像素子２７が順次に配列されている。光量調節装置２５においては、絞り羽根支持板２８に一対の絞り羽根２９ａ、２９ｂが可動に取り付けられている。絞り羽根２９ａには、絞り羽根２９ａ、２９ｂにより形成される略菱形状の開口部を通過する光量を減光することを目的としてＮＤフィルタ３０が接着されている。

撮像装置には、この他に光量調節装置２５の駆動や、固体撮像素子２７の撮像出力信号を処理する図示しない制御回路が設けられている。

なお、ＮＤフィルタ３０は絞り羽根２９ａ、２９ｂとは別途に、単独で絞り開口部内に進退するようにしてもよい。

図２はＮＤフィルタ３０の模式断面図である。板厚１００μｍの２軸延伸ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂フィルムから成る透明樹脂基板３１上に、微細凹凸構造３２が形成されている。更に、透明樹脂基板３１上及び微細凹凸構造３２の隙間と上部に、誘電体層３３ａ、光吸収層３３ｂ、誘電体層３３ｃから成るＮＤ膜３３が成膜されている。また、透明樹脂基板３１の裏面には反射防止膜３４が成膜されている。

なお、実施例１においては、透明樹脂基板３１に２軸延伸ＰＥＴを使用しているが、ＰＥＴ以外でも透明性及び機械的強度を有するフィルム状の樹脂基板を使用することも可能である。例えば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、アクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリイミド系樹脂、ノルボルネン系樹脂、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド等を使用することもできる。

また、透明樹脂基板３１の板厚としては、ＮＤフィルタ３０としての剛性を保持しながら、可能な限り薄くすることが望ましい。具体的には、その板厚は３００μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは５０〜１００μｍとすることがよい。

図３（ａ）は微細凹凸構造３２の斜視図を示し、透明樹脂基板３１上には円錐形状の突起部３５が等間隔で連続的に無数に配置された蛾目(Moth eye)構造とも呼ばれている。突起部３５の形状は（ａ）に示す円錐形状の他に、（ｂ）に示す四角錐形状の突起部３６、或いは他の多角錐形状、更には（ｃ）に示す逆円錐形状の凹部３７としてもよい。

また、微細凹凸構造３２の凹凸パターンのピッチＰは、１０〜２０００ｎｍ程度が好ましく、実施例１においては３００ｎｍとしている。

微細凹凸構造３２を構成する突起部３５、３６、凹部３７を形成する手段としては、例えば次のような方法がある。

（１）微細凹凸構造３２と逆の形状を有する微細凹凸構造型を用いて、熱や圧力を加えて透明樹脂基板３１の表面に微細凹凸構造３２を転写する方法。

（２）半導体製造技術を用いて透明樹脂基板３１の表面に、直接、微細凹凸構造３２を形成する方法。

（３）透明樹脂基板３１の表面に固化可能材料で膜を形成し、微細凹凸構造３２と逆の形状を有する微細凹凸構造型を密着させて、固化可能材料を固化させる方法。

実施例１においては、形状転写性と生産性に優れ、透明樹脂基板３１に与える熱が少ない（３）の方法を用いて、微細凹凸構造３２を形成している。

固化可能材料は特に限定されないが、ＵＶ硬化樹脂が好ましく、例えばウレタン系、アクリル系、エポキシ系、ウレタンアクリレート系等の樹脂が挙げられる。実施例１においては、ＵＶ硬化性のポリメチルメタクリレートを使用し、微細凹凸構造３２を形成している。

図４は微細凹凸構造３２の作製方法の説明図であり、先ず転写型４１に形成された微細凹凸構造型４２上に、固化可能材料４３を塗布する。続いて、固化可能材料４３を塗布した面に透明樹脂基板３１を密着させた後に、透明樹脂基板３１側からＵＶ光を照射させることにより、固化可能材料４３を固化させ、最後に透明樹脂基板３１を転写型４１から離型する。

転写型４１の微細凹凸構造型４２の形成方法は種々の方法が知られている。例えば、半導体製造に用いられる電子線描画やレーザー干渉法によるフォトリソグラフィ技術を使用したり、ガラス材に所定の微細凹凸構造を形成させた後に、Ｎｉメッキを施し、このメッキ層を剥離して型とする電鋳法等を使用することもできる。

図５は微細凹凸構造３２の模式断面図を示し、透明樹脂基板３１上に形成された微細凹凸構造３２の突起の高さは、Ａ、Ｂ、Ｃと紙面右側にゆくほど高くなるように変化する構造となっている。このとき、微細凹凸構造型４２としては微細凹凸構造３２の高さが高い部分ほど深い穴が形成されている。

実施例１において形成する微細凹凸構造型４２は、形状や高さ、ピッチ、パターン等が限定されるものではない。また、透明樹脂基板３１上に形成された微細凹凸構造３２の表面形状を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定したところ、高さｈは５０〜５００ｎｍで連続的に変化し、３００ｎｍのピッチの凹凸パターンが形成されていた。また、突起部３５の裾部はφ３００ｎｍであるため、ピッチが３００ｎｍであれば突起部３５の裾部は離れずに隣接している。

このようにして作製された透明樹脂基板３１を用い、真空蒸着法を用いて図２に示すように、誘電体層３３ａ、光吸収層３３ｂ、誘電体層３３ｃから成る無機硬質膜のＮＤ膜３３を成膜する。誘電体層３３ａ、光吸収層３３ｂ、誘電体層３３ｃの材質は特に限定されず、誘電体層３３ａ、３３ｃとしてはＡｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂、ＭｇＦ₂、Ｎｂ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＨｆＯ₂、ＺｒＯ₂等の単体、或いは混合物が使用可能である。しかし、最表層となる誘電体層３３ｃは屈折率が小さいＳｉＯ₂やＭｇＦ₂が望ましい。また、光吸収層３３ｂとしては、ＣｅＯ₂、ＨｆＯ₂、Ｐｒ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃、Ｔｂ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｙ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＺｒＯ₂等を酸素ガスを導入せずに高真空状態で成膜した不飽和酸化物、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ等の金属やこれらの酸化物及び合金、更にこれらの吸収材料と上述した誘電体材料との混合物が使用可能である。

図６は透明樹脂基板３１上にＮＤ膜３３を成膜するための蒸着治具５１の断面図である。この蒸着治具５１は図示しないピン等を介して、透明樹脂基板３１に微細凹凸構造３２が形成された面を成膜面側に向けて、蒸着パターン形成マスク５２と共に固定されている。

図７は透明樹脂基板３１上にＮＤ膜３３を成膜するための真空蒸着機のチャンバの構成図である。チャンバ５３内には蒸着源５４が設けられていると共に、回転可能な回転ドーム５５が設けられている。この回転ドーム５５には、成膜部位に開口部を設けた蒸着パターン形成マスク５２と透明樹脂基板３１をセットした図６に示す蒸着治具５１が配置されている。蒸着治具５１に固定された透明樹脂基板３１は、回転ドーム５５と共にチャンバ５３のＺ軸を中心に回転し成膜が行われる。

実施例１においては、誘電体層３３ａとしてＡｌ₂Ｏ₃、光吸収層３３ｂとしてＴｉＯｘ、誘電体層３３ｃとしてＳｉＯ₂を使用し、図８に示す膜構成図から成るＮＤフィルタ３０を作製した。

透明樹脂基板３１上に形成された微細凹凸構造３２の高さは図５に示すように連続的に変化しているため、図８に示すように微細凹凸構造３２上にＮＤ膜３３を形成すると、微細凹凸構造３２の高さに応じてその透過率も変化する。

また、図８に示すように透明樹脂基板３１の裏面側にはＴｉＯ₂とＳｉＯ₂から成る反射防止膜３４を成膜したが、その代りにＮＤ膜３３を形成してもよい。

なお、図９に示すように、透明樹脂基板３１の両面のそれぞれに微細凹凸構造３２を設け、これらの上にＮＤ膜３３を形成してもよい。

図１０は微細凹凸構造３２上にＮＤ膜３３を形成する際の説明図である。（ａ）に示すように、透明樹脂基板３１上に複数の突起部３５が形成されており、蒸着材料３３’は或る運動エネルギを有して飛翔してくる。そのため、上方から進んできた蒸着材料３３’は、突起部３５の斜面に到着しても移動を続け、突起部３５間の谷部に定着する確率が高い。つまり、（ｂ）に示すように、蒸着膜であるＮＤ膜３３の厚みとしては谷部が厚く（ｔ２）、突起部３５の頂上部ほど薄く（ｔ１）なることになる。

図１１は微細領域で膜厚分布ができることで、透過率が変化することの説明図である。（ａ）は膜厚分布がない、即ち平面上に蒸着膜が形成された状態を示し、（ｂ）は膜厚分布がある、即ち微細凹凸構造３２上に蒸着膜が形成され、微細凹凸構造３２の谷部の膜厚が厚く、頂上部の膜厚が薄い状態を示している。

先ず、図１１（ａ）に示す蒸着膜の微小単位をＭとし、その幅をｄ、厚みをＬ、厚みＬの蒸着膜の透過率をＴとする。幅ｄの微小領域Ａ及びＢを考えると、入射光Ｉ₀は微小領域Ａ及びＢでそれぞれＩ₀／２であり、それぞれの透過光量はＩ₁及びＩ₂となり、微小領域Ａ及びＢの全透過光量はＩ₁₂となる。それぞれの領域での蒸着膜の総厚はＬ・ｘとし、平面上に蒸着膜が形成された(ａ)では、微小領域Ａ及びＢは均等の膜厚であるので、全透過光量Ｉ₁₂は次式となる。
Ｉ₁₂＝（Ｉ₀／２）・Ｔ^x・２

それに対して、図１１（ｂ）では微小領域ＡとＢの全域に付着する蒸着膜体積としては（ａ）と同じであるが、上述したように凹凸により膜厚に偏りが生じ、微小領域ＡとＢで膜厚が異なる。従って、微小領域ＡとＢのそれぞれの領域での透過光量Ｉ₃及びＩ₄は異なり、結果として全透過光量Ｉ₃₄は透過光量Ｉ₃及びＩ₄の合計となる。図１１に示すように微小領域ＡとＢにおいて、微小領域Ｂの膜厚ｙ分の蒸着膜が微小領域Ａに偏って付着したとすると、その全透過光量Ｉ₃₄は次式となる。
Ｉ₃₄＝（Ｉ₀／２）・{Ｔ^(x+y)＋Ｔ^(x-y)}

透過光量Ｉ₁₂とＩ₃₄を比較すると、全透過光量Ｉ₃₄の方が大きな値となり、つまり微小領域Ａ及びＢで膜厚の偏りがあると、均一な膜厚よりも透過率が高くなることが分かる。

図１２（ａ）に示すように作製した実施例２のＮＤフィルタ３０は、高さを５０〜５００ｎｍに幾つかのグループに段階的に変化させた微細凹凸構造３２を透明樹脂基板３１上に形成し、その上にＮＤ膜３３を成膜している。（ｂ）は位置と微細凹凸構造３２の高さを示し、（ｃ）はそれぞれの位置と光学濃度の関係を示している。光学濃度ＯＤはＯＤ＝−ｌｏｇＴ（Ｔは透過率）で計算される。（ｃ）によれば、位置により光学濃度が連続的に変化しており、グラデーションＮＤフィルタとなっていることが分かる。

また、光吸収層３３ｂに消衰係数が異なる材料を使用すると、濃度変化幅の異なるグラデーションＮＤフィルタを製作ことができる。例えば、Ｔｉを使用すると図１３に示すように、図１２（ｃ）と異なる濃度変化のグラデーションＮＤフィルタを作製することもできる。

最後に、図１４に示すようにＮＤ膜３３が成膜された透明樹脂基板３１に対してプレス抜きすることにより、ＮＤフィルタ３０を得ることができる。

実施例１によれば、透明樹脂基板３１上に形成する微細凹凸構造３２のパターンを変化させることにより、その上に均一な厚みのＮＤ膜３３を形成しても光学濃度を形成することができるため、従来２回に分けていた成膜工程を１回で済ませることができる。

図１５（ａ）は実施例３のＮＤフィルタ３０’の模式断面図である。微細凹凸構造３２のピッチを３００〜８００ｎｍの間で変化させた透明樹脂基板３１を使用し、実施例１と同様の方法でＮＤフィルタ３０’を作製している。（ｂ）は位置と微細凹凸構造３２のピッチを示し、（ｃ）はそれぞれの位置と光学濃度ＯＤの関係を示している。

この結果から分かるように、微細凹凸構造３２のピッチを変化させることでも濃度が変化するグラデーションＮＤフィルタ３０’を作製することができる。

図１６（ａ）は実施例４のＮＤフィルタ３０”の模式断面図である。微細凹凸構造３２の高さが一率に５０ｎｍの領域と、高さが一率に５００ｎｍの領域を形成した透明樹脂基板３１を使用し、実施例１と同様の方法でＮＤフィルタ３０”を作製している。（ｂ）は位置と微細凹凸構造３２の高さを示し、（ｃ）はそれぞれの位置と光学濃度ＯＤの関係を示している。

この結果から分かるように、複数の均一濃度部から成る多濃度ＮＤフィルタを作製することができる。

なお、実施例１〜３においては微細凹凸構造３２の高さを変化させ、実施例４においては微細凹凸構造３２の高さを一定としてピッチを変化させた。この他に、微細凹凸構造３２の高さとピッチの双方を変化させることもでき、つまりピッチと高さの少なくとも一方が変化するようにすればよい。

本発明はデジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に使われるＮＤフィルタとして広く適用できる。

２１〜２４ レンズ
２５ 光量調節装置
２７ 固体撮像素子
２８ 絞り羽根支持板
２９ａ、２９ｂ 絞り羽根
３０、３０’、３０” ＮＤフィルタ
３１ 透明樹脂基板
３２ 微細凹凸構造
３３ ＮＤ膜
３３ａ、３３ｃ 誘電体層
３３ｂ 光吸収層
３３’、３３” 蒸着材料
３４ 反射防止膜
３５、３６ 突起部
３７ 凹部
４１ 転写型
４２ 微細凹凸構造型
４３ 固化可能材料
５１ 蒸着治具
５２ 蒸着パターン形成用マスク
５３ チャンバ
５４ 蒸着源
５５ 回転ドーム

Claims (6)

1. 透明基板の表面に微小な凹凸形状を連続的に形成し、該凹凸形状の上に複数層の無機硬質膜から成るＮＤ膜を成膜し、前記凹凸形状はピッチと高さの少なくとも一方を変化させたことを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記凹凸形状のピッチと高さの少なくとも一方は連続的に変化することを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 前記凹凸形状のピッチと高さの少なくとも一方は可視光波長以下の微細凹凸構造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. 前記無機硬質膜は光吸収層を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタ。
5. 開口部を有する絞り羽根と、前記開口部内に進退して通過する光の光量を調節するフィルタを有する光量調節装置において、前記フィルタとして請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタを備えたことを特徴とする光量調節装置。
6. 撮像光学系と、固体撮像素子と、請求項５に記載の光量調節装置とを有することを特徴とする撮像装置。

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