JP4493410B2

JP4493410B2 - Ｎｄフィルタの製造方法

Info

Publication number: JP4493410B2
Application number: JP2004165087A
Authority: JP
Inventors: 康典斎藤; 道男柳; 真志内山; 孝幸若林
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2024-06-02
Also published as: JP2005345743A

Description

本発明は、ＮＤフィルタの製造方法に関し、特にビデオカメラあるいはスチルビデオカメラ等の撮影系に使用するに適したＮＤフィルタの製造方法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等への固体撮像素子へ入射する光量を制御するため、撮影光学系の光路中に設けられており、被写界が明るい場合により小さく絞り込まれるように構成されている。
従って、快晴時や高輝度の被写界を撮影すると絞りは小絞りとなり、絞りのハンチング現象や光の回折の影響も受け易く、像性能の劣化を生じる。
これに対する対策として、絞り羽根にフィルム状のＮＤ（ＮｅｕｔｒａｌＤｅｎｓｉｔｙ）フィルタを取り付けて被写界の明るさが同一でも絞りの開口が大きくなる様な工夫がされている。

近年、撮像素子の感度が向上するに従い、前記ＮＤフィルタの濃度を濃くして、光の透過率をさらに低下させ、被写界の明るさが同一でも絞りの開口を大きくする様な工夫がなされてきている。しかしながら、この様にＮＤフィルタの濃度が濃くなると、図１３に示す様にフィルムを通過した光ａと通過しない光ｂの光量差が大きく異なり、画面内で明るさが異なる“シェーディング”現象が起きたり、解像度が低下してしまうという欠点がある。この欠点を解決するためにＮＤフィルタの濃度を光軸中心に向かって順次透過率が大となる様な構造を取る必要が出てきている。

因みに図１３で６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄは撮影光学系６を構成するレンズ、７は固体撮像素子で８はローパスフィルタである。また１１から１４は絞り装置で、１１がＮＤフィルタ、１２と１３が対向的に移動する絞り羽根で、２枚の絞り羽根は略菱形の開口を形成する。ＮＤフィルタは普通、絞り羽根に接着されている。１４は絞り羽根支持板である。

一般的にＮＤフィルタの作製方法としては、フィルム状をなす材料（セルロースアセテート、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、塩化ビニル等）中に光を吸収する有機色素または顔料を混ぜ、練り込むタイプのものと、前記材料に光を吸収する有機色素または顔料を塗布するタイプのものがある。これらの製造方法では、濃度が均一なフィルタは作製可能であるが、濃度が変化するタイプのフィルタ（グラデーションフィルタ）は作製が著しく困難である。

また、特許文献１、特許文献２、特許文献３等に開示されているように、マイクロ写真法による濃度が変化するタイプのフィルタの作製が提案されている。
これらが提案された当時のビデオカメラでは、この方法により作製したＮＤフィルタで画質の向上が図られたが、近年のＣＣＤの更なる高感度化、小型化、高画質対応により特に特殊条件での使用（例えば逆光下での小径絞り状態）において、銀塩粒子による光の散乱による影響により画質が劣化してしまうことがある。

また、特許文献４には、真空蒸着法により楕円形グラデーションフィルタの製造方法が開示されている。この方法では、微少領域（例えば３ｍｍの範囲で透過率３％から８０％までの変化等）での濃度変化ができない欠点がある。
さらに、上記高画質対応の対策として、単一濃度のＮＤフィルタを複数の絞り羽根に接着して、駆動させることにより、単一濃度フィルタでも複数重なった部分と重ならない部分とから、濃度変化させることは可能である。
しかしながら、この方法ではＮＤフィルタの枚数が増えることによるコストｕｐになること、及び絞り羽根に複数枚ＮＤフィルタが存在することにより厚くなってしまい、近年の小型・省スペース化に対応できない等の欠点がある。

さらに、近年、段階的な多濃度ＮＤフィルタが使用され始めてきているが、異なる濃度の境界部分で重なったり隙間ができたりして光学特性が変化し、画質の劣化を引き起こすことがわかってきた。
このような現象の解決には、連続的に濃度を変化させたグラディエントなＮＤフィルタが必要である。そのため、特許文献５、特許文献６等では、真空蒸着法等を用い、基板とスリット型マスクとの間隔を一定に保つようにして、基板に対しスリット型マスクを設け、スリット型マスクを該基板と一体的にドーム上を公転させ、成膜蒸着源と基板との位置関係から、該基板に蒸着させる蒸着粒子が該スリット型マスクを通過して基板に到達できたり、スリット型マスクに遮られ基板まで到達できなかったりすることで、グラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタを製造する方法が提案されている。
特許第２７５４５１８号公報特許第２７７１０７８号公報特許第２７７１０８４号公報特開平１１−３８２０６号公報特開２００４−０６１９００号公報特開２００４−０６１９０３号公報

しかしながら、上記特許文献５、特許文献６等によるＮＤフィルタの製造方法においては、スリット型マスクを基板に設けるに際して、マスクと基板との間隔を一定に保つために、フレーム型のスペーサーが配置されることになるが、このマスクと基板の間隔が所定間隔より近くなると、成膜面の前に作られたマスクとスペーサーとによって囲まれた空間部分で圧力上昇が生じると考えられ、成膜した膜の吸収が小さくなり、例えば図６に示すようにシミュレーションで得られた所望の濃度より低い濃度のＮＤフィルタが形成される場合が生じる。これらに対処するためには、所定の濃度になるまで成膜条件を試行錯誤していく手間が必要となり、また積層した膜厚が厚くなり膜応力が大きくなるという問題が生じる。そこで、本発明は上記課題に鑑み、シミュレーションで得られた所望の濃度のグラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタを製造することが可能となるＮＤフィルタの製造方法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フィルタの製造方法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フィルタの製造方法は、基板とスリット型マスクとの間隔をスペーサーによって一定に保ち、前記スリット型マスクを前記基板と一体的に蒸着傘に備え付け公転させて、前記基板の前記スリット型マスク側に設けられた成膜面にグラデーション濃度分布を有する膜を真空蒸着法により形成する成膜工程を有するＮＤフィルタの製造方法であって、
前記成膜工程で成膜に際し、前記スリット型マスクと前記スペーサーとにより囲まれた前記成膜面を含む空間と、該空間の外側とを通気する通気部を、前記スリット型マスクのスリット開口面以外の箇所に設けた状態で成膜する工程を有することを特徴としている。

本発明によれば、所望の濃度のグラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタを製造することが可能となるＮＤフィルタの製造方法を実現することができる。

本発明は、上記のような構成に特徴を有するものであるが、それは本発明者らが鋭意検討したつぎのような知見に基づくものである。以下の本発明の実施の形態の説明により、これらを明らかにする。
図１は真空蒸着機におけるチャンバー内の簡易図であり、図２に真空蒸着機に用いられるスリット型マスク等の構成を示す。
図１及び図２において、１０１は蒸着傘、１０２は成膜を施す基板、１０３は蒸着源、１０４は実際に成膜を実施するプラスチック基材（以下、ＰＥＴ基材と記す）、１０５はＰＥＴ基材１０４を固定するための基板治具である。なお、ここでの基板１０２とは、図１（ｂ）に示すように基板治具１０５に基材１０４がセットされた状態のものを意味している。
また、１０６はスリット型マスク、１０７はフレーム型のスペーサー、１０８はスリットを通過して成膜されるエリア、１０９はマスクと基板との距離である。このスリット型マスク１０６は、ＰＥＴ基材１０４との間隔を一定に保つために、フレーム型のスペーサー１０５によって支持されている。

このような真空蒸着機を用いて、従来どおりの例えば図４（ｂ）に示されるようなフレーム枠状のスペーサーによりＮＤフィルタを製造した場合、スリット型マスクをＰＥＴ基材から浮かせる距離によって、例えば図６に示されるように濃度が薄くなるという現象が生じた。
そこで、本発明者らは、スリット型マスクをＰＥＴ基材から浮かせる距離と、濃度との関係について検討を行った結果、距離と膜厚の関係は図７に示すようにシミュレーションどおりであっても、図８のように、スリット型マスクを基材から浮かせる距離を０から１０ｍｍと増やしていくと濃度は減少していき、更に２０ｍｍと増やしていくと、濃度が回復して行くということが明らかとなった。
これは、スリット型マスクとスペーサーによって成膜面を囲うような状態になったため、スリット型マスクをＰＥＴ基材から浮かせる距離が近いと、成膜治具内部の圧力が上昇し膜の吸収が小さくなるためではないかと考えられる。
以上のことから、本発明者らは、成膜面に対して閉ざされた空間部を形成しないことによって、マスクの有無にかかわらず濃度を一定とするこができるという解決手段を見出したのである。

以下に、これらを更に詳細に説明する。
図３及び図４は本実施の形態で用いるスペーサー及びスリット型マスク等の構成例を示す図である。
図３において、１０７（ａ）、１０７（ｂ）は本実施の形態におけるスペーサーの構成例である。スペーサー１０７（ａ）では、成膜面に対し閉ざされた空間を形成しないように構成するため、スペーサーに貫通穴が形成されている。また、スペーサー１０７（ｂ）ではこのような貫通穴に代えて溝加工が施されている。また、１０４（ａ）、１０４（ｂ）はＰＥＴ基材、１０５（ａ）、１０５（ｂ）は本実施の形態における基板治具の構成例である。成膜面に閉ざされた空間を形成しないように構成するため、１０４（ｂ）、１０５（ｂ）に示すように基材と基板治具に貫通する穴を開け、基板治具側に通気させるように構成されている。また、図４において、１０６、１０６（ａ）、１０６（ｂ）は本実施の形態におけるスリット型マスクの構成例であり、スリットマスク１０６（ａ）のように膜厚分布を持たせる部分以外の場所、あるいはスリットマスク１０６（ｂ）のように一定距離で浮かせる部分以外の場所を、凸状にして立体マスクにすることで、側面に通気孔を設けるように構成されている。
以上の図３及び図４の構成例を用いてＮＤフィルタを製造した場合のＰＥＴ基材からの浮かせ距離と濃度の関係を図１０に示す。これらによれば、図５に示されるようなシミュレーションどおりの濃度のＮＤフィルタを製造することが可能となる。

一般的に真空蒸着法においては、図１のようにチャンバー内の基板は蒸着傘１０１に備え付けられ、この蒸着傘１０１と共に基板１０２が回転し成膜が行われる。この基板１０２の成膜側に例えば図２（ａ）に示すようなスリット型マスクを設けることにより、蒸着源１０３と基板１０２との位置関係から、蒸着する蒸着粒子はスリットを通過し基板１０２に到達できたり、スリット型マスクに遮られ基板１０２まで到達できなかったりすることになり、グラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタを製造することができる。
図９（ａ）は、実際に図２（ａ）に示すスリット型マスクを用いて膜厚分布シミュレーションを実施した結果であり、図９（ｂ）は蒸着傘中の位置の鳥観図、図９（ｃ）は蒸着傘中の位置の断面図をそれぞれ示している。１１０は蒸着傘１０１中の基板位置である。

図６（ａ）で示されている膜厚分布は、当然、蒸着傘中の基板位置１１０や、マスクのスリット間の幅や、基板とマスクとの距離１０９等によっても異なったものになる。
このことは図６（ａ）に示すように、蒸着傘中の基板位置１１０により、膜厚分布が一致しない結果から考慮しても明らかであろう。したがって、反対にマスクのスリット間の幅や基板とマスクとの距離１０９を調整することにより、基板上に成膜される薄膜は任意のグラデーション膜厚分布を得ることになる。
膜厚が増加すると言うことは、膜の濃度が濃くなり透過率が下がることを意味しているため、任意の膜厚分布を得ることとは、言い換えれば本実施形態による任意のグラデーション濃度分布を得ることと言える。

また、このような任意のグラデーション濃度分布を作製するためのスリット型マスクの形状は、本実施の形態では図２（ａ）に示すような短冊状のスリット型マスクを用い、図９（ａ）におけるシミュレーション結果と共に説明してきたが、スリットは、ノコギリ歯型であったり、クシ型であったり、作製したいＮＤフィルタのグラデーション濃度分布によって、様々であっても良い。

つぎに、本発明の実施例について説明する。
本実施例は、上記した本発明の構成及び実施の形態を適用したものである。
以下に、本実施例によるＮＤフィルタの製造方法について説明する。
まず、材質厚７５μｍのＰＥＴ基材上に、真空蒸着法により図１１に示す膜構成に成膜した。
図２（ａ）は基板にスリット型マスクをセットした状態を上から見た図、図２（ｂ）は矢印方向から見た断面図である。
スペーサーとして、スペーサー部に貫通穴が形成されている図３の１０７（ａ）のタイプのスペーサーを用いた。
また、膜生成法として、膜厚を比較的容易に制御でき、かつ可視域の波長域で散乱が非常に小さいことから、真空蒸着法を選択した。
また、基材の材質としては、耐熱性（ガラス転移点Ｔｇ）が高く、可視域の波長域で透明性が高く、また吸水率が低い、ＰＥＴを選択した。

図１１（ａ）のように第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。
１１０℃を選んだのは、１００℃未満では環境安定性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発生する。したがって、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。
このような現象が起きる要因としては、真空蒸着時の基板温度が低いことがあげられる。
膜の封止密度は成膜時の基板温度が大きく影響し、温度が低いと封止密度が低くなり、水分・酸素等を透過しやすく、そのため吸収膜であるＴｉ_ｘＯ_ｙ自体の酸化が促進されること、及びそれを保護するＡｌ_２Ｏ_３膜等の誘電体膜の保護効果が少ないことの両方の影響から透過率が上昇するものと考えられる。熱処理を行うと環境安定性が向上するのは、“エージング効果”であると考えられる。
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、今回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。

ここで、ＮＤフィルタの一例を示すと、図１０（ａ）のようなパターンを作製して、図１０（ｂ）のような略三角形の形状に切り抜き、その後、切りぬいたフィルタを絞り羽根に貼って用いられる。
ここで、略三角形の形状に切り抜いたフィルタ１枚は、図１０（ｂ）のようになっていて、０が端面部でそこからＸ_１Ｘ_２Ｘ_３までが濃度変化領域である。Ｘ_３からＸ_４は最も濃い均一濃度が形成されている。Ｘ_４からＸ_５はフィルターを羽根に接着するための接着領域である。

図１２（ａ）に、ＮＤグラデーションフィルタとそれに対応した各膜厚の状態を示す。
図１２（ａ）において、まず、第１層から最表層手前までについて説明する。
０，Ｘ_１，Ｘ_２，Ｘ_３領域では連続的にそれぞれの膜厚が増加している。この変化の仕方は前記スリット型マスクのスリット幅と基板とスリット間のスペースで所望のパターンに設定できる。Ｘ_３，Ｘ_４領域では一定濃度のため、各膜厚も一定膜厚である。

次に、最表層膜について説明する。
最表層膜は反射防止・環境安定性も兼ねている膜で、光学膜厚ｎ×ｄで１／４λ（λ＝５００ｎｍ〜６００ｎｍ）と０〜Ｘ_４までの領域で一定膜厚であるためスリット型マスクを使わずに成膜されている（図１２（ａ）参照）。
あるいは、上記最表層膜の成膜方法とは異なり、最表層までスリット型マスクを使用して成膜し、その後前記スリット型マスクの位置をズラしたマスクを使用して第１層から最表層までの膜厚傾斜とは、反対方向の膜厚傾斜になる膜を、該最表層上に更に成膜し、該最表層と該最表層と同組成の膜とが合わさって形成された最終形態の最表層の膜厚が、光学膜厚ｎ×ｄで１／４λ（λ＝５００ｎｍ〜６００ｎｍ）成膜することでも０〜Ｘ_４までの領域で一定膜厚にすることが可能となる。
図１２（ｂ）は、第１層から最表層までをスリット型マスク１２−１で成膜した時の膜構成図、図１２（ｃ）は、１２−１のスリット型マスクの位置をズラしたマスク１２−２で最表層と同組成の膜を第１層から最表層までの膜厚傾斜とは、反対方向の膜厚傾斜になる膜を、光学膜厚ｎ×ｄで１／４λ（λ＝５００ｎｍ〜６００ｎｍ）成膜した膜構成図である。
このような膜構成にすることにより、０，Ｘ_１，Ｘ_２，Ｘ_３領域の連続的に濃度が変化することが可能となり、反射率も各領域でほぼ一定にすることが可能となり、“ゴースト”“フレア”現象が抑えられた。

また、本実施例における距離と濃度の関係は、図５に示すようになった。
因みにスリット幅は１０ｍｍ、マスクと基材との浮かせ距離は２ｍｍの結果である。均一濃度部分の幅と濃度傾斜領域の幅と濃度勾配が光学膜シミュレーションの結果と作成したグラデーションフィルムの濃度測定結果がほぼ一致している。また、距離と濃度の関係における変化の仕方は、概ねスリット型マスクのスリット幅を広げると最高濃度の幅は広がり、浮かせ距離を増やしていくと濃度傾斜は緩やかになり幅も広くなる傾向にある。この２つのパラメータにより所望の傾斜状態、均一濃度の領域の制御が可能である。

なお、本実施例では、図３の１０７（ａ）のタイプのスペーサーを用いたが、成膜面に閉ざされた空間を形成しない構成を得るための、前述した図３及び図４に示されている他の構成例のスペーサー、スリット型マスクあるいは基材と基板治具等を用いても、距離と濃度の関係は、本実施例と同様に図５に示す結果を得ることができる。

以上、本実施例によれば、各濃度において分光特性がフラットなグラデーションＮＤフィルタの作製が可能となり、グラデーションの変化に対する様々なニーズに対応することが可能となる。
また、濃度勾配を変える為に基板とスリット型マスクの間隔を調整する場合、シミュレーション通りの結果が得られるため、所望の濃度を得るまでの試行錯誤期間を短縮し素早く量産に移行することが可能となる。
また、吸収の小さな膜では膜厚を厚くしないと必要な濃度が得られないが、本実施例によれば、積層する膜厚が厚くならないため膜応力が大きくならならず、プラスチックフィルムに対しても良好な成膜をすることが可能となる。
また、本実施例を光量絞り装置に適用して、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、前記絞り羽根により形成される開口内の少なくとも一部に配置された本実施例のＮＤフィルタとを有する光量絞り装置を構成することができる。
また、この光量絞り装置をカメラに適用して、光学系と、該光学系を通過する光量を制限する上記した光量絞り装置と、該光学系によって形成される像を受ける固体撮像素子とを有するカメラを構成することができる。

本発明の実施の形態を説明する真空蒸着機におけるチャンバー内の構成を示す簡易図ある。本発明の実施の形態を説明する図であり、（ａ）は成膜時の基板上にセットされたスリット型マスクを上から見た図、（ｂ）は（ａ）を矢印方向から見た図でスリット型マスクと基板にスペースを設けることにより膜の付き方を表した図である。本発明の実施の形態における成膜面に閉ざされた空間を形成しないように通気部を設けた構成例を示す図である。本発明の実施の形態を説明する図であり、（ａ）は成膜面に閉ざされた空間を形成しないように通気部を設けた構成例を示す図、（ｂ）は従来のスリット型マスク斜視図、（ｃ）は成膜面に閉ざされた空間を形成しないようにする立体マスク側面図である。本発明の実施の形態を説明する距離と濃度の関係を表わしたグラフである。本発明の実施の形態を説明する距離と濃度の関係を表わしたグラフである。本発明の実施の形態を説明する距離と膜厚を表したグラフである。本発明の実施の形態を説明するマスク浮かせ距離と濃度の関係を表したグラフである。本発明の実施の形態を説明するスリット型マスクによる膜厚分布シミュレーション例を示す図である。本発明の実施例を説明する図であり、（ａ）は本実施例により作製されたＮＤグラデーションフィルタの図、（ｂ）は略三角形の形状に切り抜いた状態を示す図である。本発明の実施例によって作製される蒸着ＮＤフィルタの膜構成を示す図である。本発明の実施例を説明する図であり、（ａ）はＮＤグラデーションフィルタとそれに対応した各膜厚の状態を表した図（ｂ）は第１層から最表層までを成膜した時の各層の膜厚の状態を表わした図、（ｃ）は第１層から最表層までの膜厚分布と反対方向の膜厚分布を形成する追加層まで成膜した各層の膜厚分布の状態を表わした図である。従来例におけるビデオカメラに使用される撮影光学系を表した図である。

符号の説明

１０１：蒸着傘
１０２：基板
１０３：蒸着源
１０４、１０４（ａ）、１０４（ｂ）：ＰＥＴ基材
１０５、１０５（ａ）、１０５（ｂ）：基板治具
１０６：スリット型マスク
１０６ａ：凹凸を形成したスリット型マスク
１０７、１０７（ａ）、１０７（ｂ）：スペーサー
１０８：スリットを通過して成膜されるエリア
１０９：基板とマスクの距離
１１０：蒸着傘中の基板位置

Claims

基板とスリット型マスクとの間隔をスペーサーによって一定に保ち、前記スリット型マスクを前記基板と一体的に蒸着傘に備え付け公転させて、前記基板の前記スリット型マスク側に設けられた成膜面にグラデーション濃度分布を有する膜を真空蒸着法により形成する成膜工程を有するＮＤフィルタの製造方法であって、
前記成膜工程での成膜に際し、前記スリット型マスクと前記スペーサーとにより囲まれた前記成膜面を含む空間と、該空間の外側とを通気する通気部を、前記スリット型マスクのスリット開口面以外の箇所に設けた状態で成膜する工程を有することを特徴とするＮＤフィルタの製造方法。
前記通気部が、前記スペーサーとして用いられる枠型のスペーサーの枠部に設けられた、前記空間と該空間の外側とを通気する貫通穴によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタの製造方法。
前記通気部が、前記スリット型マスクを凹凸形状とし、該凹凸形状における凸状部の側面に設けられた、前記空間と該空間の外側とを通気する通気孔によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタの製造方法。
前記通気部が、前記基板と前記基板の成膜面とに設けられた、前記空間と該空間の外側とを通気する前記基板と前記基板の成膜面とを貫通する穴によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタの製造方法。
前記ＮＤフィルタの製造に際し、最表層の成膜には前記スリット型マスクを使用せずに成膜する工程を有す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フィルタの製造方法。