JP4988282B2 - 光学フィルタ - Google Patents

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、その光量調節のために絞り装置が組み込まれている。この絞り装置は、ＣＣＤ等の固体撮像素子に入射する光量を絞り羽根の開閉により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に絞りは小絞りとなるが、そのままでは光は絞りで回折し、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ことにより、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っている。

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て、絞り開口が大きいまま光量を減衰することが行われている。具体的には、絞り羽根の一部に絞り羽根とは異なる別部材から成るＮＤフィルタを接着剤で貼り付け、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、通過光量を制限する。このため、絞り開口が小さくなり過ぎるまで絞り込むことを回避し、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フィルタを光軸上に移動させることにより、更なる光量調節を行うこともある。また、絞り羽根にＮＤフィルタを接着せずに、ＮＤフィルタを独立して光学的作用を持たせた種々の絞り装置も提案されている。

上述したような絞り装置におけるＮＤフィルタは、一般に真空蒸着等により透明基板上に多層膜を形成したものが用いられている。例えば、特許文献１に示すように、真空蒸着法によりＰＥＴ等の透明樹脂フィルム上に、金属膜、金属酸化物、誘電体膜から成る多層膜を成膜したものが用いられている。また、特許文献２においては、光吸収性を有する１種類の金属酸化物による光吸収膜と、透明な誘電体膜の交互に層を設けることにより、平坦な透過率特性と表面反射防止特性と裏面反射防止特性を満たすＮＤフィルタが開示されている。

特開平１０−１３３２５３号公報 特開２００３−３４４６１２号公報

しかし近年では、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像機器の小型化が進み、光量調整部材として用いられるＮＤフィルタの表面での反射光が、ゴーストの原因となる場合がある。通常は図１５（ａ）に示すように、ＰＥＴ樹脂等から成る透明基板１の片面にＮＤ膜２を成膜し、他面に反射防止膜としてＡＲコート３を成膜したり、或いは図１５（ｂ）に示すように透明基板１の両面にＮＤ膜２を成膜している。

図１６はＮＤ膜２の膜構成図を示しており、透明基板１上にＡｌ₂Ｏ₃膜１１と、ＴｉＯｘ膜１２を交互に積層し、最表層の第７層にＭｇＦ₂膜１３を蒸着し、７層構成のＮＤ膜２を成膜している。

図１７はＮＤフィルタの界面における反射の説明図であり、図１５（ａ）のように片面にＮＤ膜２、他面にＡＲコート３が成膜されている。反射は屈折率の異なる物質の界面で起こるため、空気とＡＲコート３の界面ａ、ＡＲコート３と透明基板１の界面ｂ、透明基板１とＮＤ膜２の界面ｃ、ＮＤ膜２と空気の界面ｄの４つの面において光の反射が生ずる。また、ＮＤ膜２やＡＲコート３が多層膜であれば、その中の各層の界面でも反射がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、従来方法では反射を低減することの困難な透明基板と蒸着層の界面における反射防止効果を向上させた光学フィルタを提供することにある。

上述の目的を達成するための本発明に係る光学フィルタの技術的特徴は、透明基板の表面に可視光波長以下のピッチと高さを有し反射防止機能を有する微細凹凸周期構造を形成し、該微細凹凸周期構造の上に金属又は金属酸化物から成る光吸収層と誘電体層とを交互に積層したＮＤ膜を成膜し、該ＮＤ膜の最表層に反射防止膜を成膜したことにある。

また、本発明に係る光学フィルタの技術的特徴は、透明基板の両面に可視光波長以下のピッチと高さを有し反射防止機能を有する微細凹凸周期構造を形成し、少なくとも前記透明基板の片面の前記微細凹凸周期構造上に金属又は金属酸化物から成る光吸収層と、誘電体層とを交互に積層したＮＤ膜を成膜し、該ＮＤ膜の最表層に反射防止膜を成膜したことにある。

本発明に係る光学フィルタによれば、光学フィルタの基板上に可視光波長以下のピッチと高さを有する凹凸部から成る微細凹凸周期構造を形成することで、基板とその上に形成される無機硬質膜との界面で発生する反射光を低減することができる。

本発明を図１〜図１４に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２１、光量絞り装置２２、レンズ２３〜２５、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。光量絞り装置２２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３０が接着されている。

図２は本実施例で使用する蛾目(Moth eye)構造から成る微細凹凸周期構造の模式図を示している。図１のＮＤフィルタ３０の表面には、図２に示すように厚さ約１００μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）から成る透明基板３１上に円錐形状の突起部３２が等間隔で無数に配置された微細凹凸周期構造３３が設けられている。

本実施例における透明基板３１として、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂フィルムを使用している。しかしＰＥＴ以外にも、透明性及び機械的強度を有するフィルム状の合成樹脂基板を使用することも可能である。例を挙げれば、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である。また、透明基板３１の厚さとしては、ＮＤフィルタ３０としての剛性を保持しながら、可能な限り薄いことが好ましい。具体的には、その厚さとして３００μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは５０〜１００μｍとすることが好ましい。

各突起部３２の高さ方向に対し、突起部３２の最頂部から最底部に向かうにつれて突起部３２の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３２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、空気層から透明基板３１に向かって滑らかな有効屈折率分布を有し、この微細凹凸周期構造３３に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に透明基板３１内に到達する。

なお、良好な反射防止効果を得るために、突起部３２は図２に示すように円錐形状にすることが好ましいが、円錐形状の代りに、図３に示す四角錐形状の突起部３４、或いは他の多角錐形状、更には図４に示す逆円錐形状の凹部３５とした微細凹凸周期構造３３を用いてもよい。

また、微細凹凸周期構造３３の凹凸パターンのピッチＰは可視光領域の波長（λ＝４００〜７００ｎｍ）よりも小さいことが好ましく、本実施例では３００ｎｍとしている。ピッチＰが大きくなり、可視光領域の波長、例えば５５０ｎｍとなると、光の回折現象が発生し画像劣化の原因となる。ピッチＰが小さくなるほど反射防止効果が得られる波長も低波長側に拡大されてくるが、ピッチＰを小さくするほど微細凹凸周期構造３３の形成が困難になるため、ピッチＰは１００〜３００ｎｍが好ましい。

また、微細凹凸周期構造３３の凸部或いは凹部の高さＤと、微細凹凸周期構造３３のピッチＰとの比（アスペクト比）Ｄ／Ｐが大きい方が反射防止効果が大きくなり、Ｄ／Ｐが０．２以上であることが好ましく、より好ましくは１以上である。しかし、この高さＤも可視光領域の波長よりも小さくすることが好ましい。

微細凹凸周期構造３３を構成する突起部３２を形成するには、例えば形成すべき微細凹凸周期構造３３と逆の形状を有する型を用いて、熱や圧力を加えて基板３１の表面に微細凹凸周期構造３３を転写する。或いは、半導体製造技術を用いて基板３１の表面に直接、微細凹凸周期構造３３を形成することができる。また、基板３１の表面に固化可能材料で膜を形成し、形成すべき微細凹凸周期構造３３と逆の形状を有する型を密着させて、固化可能材料を固化させる方法もある。

本実施例においては、図５に示すように微細凹凸周期構造３３と逆形状である微細凹凸周期溝４１が形成された上型４２と、平坦な面を有する下型４３を用いて、ホットプレスにより透明基板３１上に微細凹凸周期溝４１を転写する。この上型４２の微細凹凸周期溝４１は、例えば型基材に電子線描画でレジストパターンを形成し、これを反応性イオンエッチングで基材をエッチングして形成することができる。

本実施例におけるホットプレスにおいては、図示しないヒータによりＰＥＴのガラス転移点よりも稍々高い約１１０℃に保たれている。そして、透明基板３１を上型４２と下型４３の間に挟み、図中矢印の方向に圧力をかけることで、熱により軟化した透明基板３１に圧力によって上型４２の内面に形成された微細凹凸周期溝４１が転写される。

このようにして形成した微細凹凸周期構造３３の表面形状をＡＦＭで測定したところ、高さ３５０ｎｍ、ピッチ３００ｎｍの凹凸パターンが形成された。

また、上型４２の微細凹凸周期溝４１は他の方法で作製したものが使用できる。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用いたり、ガラス材に所定の微細凹凸周期構造３３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用いることもできる。

図６は蒸着治具５１の断面図を示し、この蒸着治具５１にはピン等を介して透明基板３１と蒸着パターン形成マスク５２が固定されている。

図７は図２において形成した微細凹凸周期構造３３上に、金属膜、金属酸化物、誘電体膜等の積層膜から成る無機質膜であるＮＤ膜を形成するための真空蒸着機のチャンバの構成図を示している。チャンバ６１内には、蒸着源６２、回転可能な蒸着傘６３が設けられ、この蒸着傘６３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に固定された透明基板３１は、この蒸着傘６３と共にＺ軸を中心に回転し成膜が行われる。

図８は上述の方法により微細凹凸周期構造３３上に成膜した濃度１．０（透過率１０％）の無機硬質膜であるＮＤ膜７１の膜構成図を示している。透明基板３１上の微細凹凸周期構造３３上には、第１、３、５層に反射率を低減させるための反射防止膜であるＡｌ₂Ｏ₃膜７２と、第２、４、６層に透過率を低減させるための光吸収層であるＴｉＯｘ膜７３とを交互に積層している。更に、反射防止効果を高めるために最表層の第７層に低屈折材料であるＳｉＯ₂膜７４を光学膜厚ｎ×ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）でλ／４（λ＝５００〜６００ｎｍ）蒸着し、７層構成のＮＤ膜７１とされている。なお、ＳｉＯ₂膜７４の代りにはＭｇＦ₂膜を用いてもよい。

反射防止膜としては透明誘電体が使用することができ、Ａｌ₂Ｏ₃膜７２の他にＳｉＯ₂、ＳｉＯ、ＭｇＦ₂、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂等が使用することができる。また、光吸収層としては可視領域の波長を吸収する特性を有する材料を使用することができ、ＴｉＯｘ膜７３の他にＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ、ＮｉＦｅ、Ｎｂ等の金属、合金、酸化物が使用することができる。

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７２の膜厚を制御することにより反射率を小さくすることが可能である。光透過率はＴｉＯｘ膜７３の総膜厚によって変化し、このＴｉＯｘ膜７３の総膜厚が厚くなるほど光透過率は低下する。また、λ＝４００〜７００ｎｍの波長範囲内での光透過率の平坦性は、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光透過率分布は平坦となる。なお、積層する層数や使用材料は、目的の特性により変わってくる。

このようなＮＤ膜７１は真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等の成膜法により成膜することができるが、本実施例においては上述のように真空蒸着法により成膜した。そして、最表層のＳｉＯ₂膜７４を成膜した後に、透明基板３１を真空蒸着機から取り出し、必要に応じ、ＮＤ膜７１が成膜された透明基板３１を裏面として、再び蒸着治具５１にセットし、真空蒸着機において蒸着する。

このＮＤ膜７１における蒸着膜には２〜３層目程度まで微細凹凸周期構造３３の凹凸が転写されるが、その後においては徐々に平滑されてくる。従って、微細凹凸周期構造３３に近い何層かは境界面で、微細凹凸周期構造３３と同様の反射防止効果が期待できる。また、これによってＮＤ膜７１としての特性には特別の影響は与えない。

更に、図９（ａ）に示すように、裏面に反射防止膜７５としてＳｉＯ₂の単層膜をλ／４（λ＝５４０ｎｍ）成膜したり、図９（ｂ）に示すように、裏面にもＮＤ膜７１を蒸着する。そして、裏面に成膜が完了した後に、透明基板３１を真空蒸着機から取り出し、透明基板３１上に形成された複数のＮＤフィルタ３０を個々の形状にプレス抜きを行う。

このようにして製作したＮＤフィルタ３０を光量絞り装置の絞り羽根に取り付け撮像画像を評価した。表１に示すように、透明基板３１上に微細凹凸周期構造３３を形成したＮＤフィルタ３０については、反射率も小さくなり、ゴーストは見られなかったが、微細凹凸周期構造３３を形成していないＮＤフィルタについてはゴーストが認められた。

表１
微細凹凸周期構造 ゴースト 最大反射率（λ＝４００〜７００ｎｍ）
あり なし ２％
なし あり ６％

実施例２においては、図１０に示す透明基板３１の両面に設けた微細凹凸周期構造３３上に、ＮＤ膜７１を成膜したＮＤフィルタ３０を製作する。透明基板３１には実施例１と同様に、厚さ１００μｍのＰＥＴ樹脂フィルムを用い、図１１に示すような微細凹凸周期溝４１が共に形成された上型４２、下型４３’を用いる。実施例１と同様の温度、圧力の条件のホットプレスにより、上型４２、下型４３’の微細凹凸周期溝４１を透明基板３１の両面に転写する。このようにして、微細凹凸周期構造３３が転写された透明基板３１の表面形状をＡＦＭで測定したところ、高さ３５０ｎｍ、ピッチ３００ｎｍの凹凸が形成されたことが確認できた。

上述の方法により、両面に微細凹凸周期構造３３を形成した透明基板３１を用いて、微細凹凸周期構造３３上に濃度０．３のＮＤ膜７１を両面にそれぞれ成膜することにより、濃度０．６（透過率２５％）のＮＤフィルタ３０を形成した。なお、本実施例２におけるＮＤ膜７１の成膜方法は実施例１と同じである。

このようにして作製したＮＤフィルタ３０を光量絞り装置の絞り羽根に取り付け撮像画像を評価した。表２に示すように、透明基板３１に微細凹凸周期構造３３を形成したＮＤフィルタ３０については、反射率も小さくなり、ゴーストは見られなかったが、微細凹凸周期構造３３を形成していないＮＤフィルタについては軽微なゴーストが見られた。

表２
微細凹凸周期構造 ゴースト 最大反射率（λ＝４００〜７００ｎｍ）
あり なし １％
なし あり（軽微） ４％

実施例３においては、透明基板３１に実施例１と同様の手順で微細凹凸周期構造３３を形成した後に、この微細凹凸周期構造３３上に図１２に示すように、濃度１．０（透過率１０％）の均一濃度部８１と、グラデーション濃度部８２とを有する無機硬質膜であるＮＤ膜８３を成膜する。

図１３に示すように、蒸着治具５１に透明基板３１と所定の間隔をあけて蒸着パターン形成マスク５２をセットして、真空蒸着機において蒸着すると、蒸着治具５１は図７に示すチャンバ６１内で、矢印のようにＺ軸を中心に回転しながら成膜され、図１４に示すようにグラデーション濃度分布を持つＮＤ膜８３を成膜することができる。

このＮＤ膜８３は膜厚が徐々に薄くなるグラデーション濃度部８２を有し、このグラデーション濃度部８２では各層の膜厚が位置により異なっている。通常では、このようなグラデーション濃度部８２を有するＮＤフィルタ３０は、均一濃度部８１で反射を抑えた膜構成になっていても、グラデーション濃度部８２では膜厚が変化しまうために、反射が大きくなってしまう位置が発生する。これは各層の反射光の干渉を利用して、総合的に反射を抑えているからであり、本実施例３においては、透明基板３１の表面に形成した微細凹凸周期構造３３により各層の界面の屈折率に傾斜性を持たせて反射を抑えるので、位置による反射率の増加を抑えることができる。

また、ＮＤ膜８３が積層された透明基板３１の裏面には、反射防止膜７５としてＳｉＯ₂の単層膜をλ／４（λ＝５４０ｎｍ）を蒸着し成膜する。裏面の反射防止膜７５を成膜した後に、真空蒸着機から透明基板３１を取り出し、透明基板３１上に形成された複数のＮＤフィルタ３０を個々の形状に外形プレス抜きを行う。

このようにして作製したＮＤフィルタ３０を、光量絞り装置の絞り羽根に取り付け撮像画像を評価した。表３はその評価を示し、透明基板３１に微細凹凸周期構造３３を形成したＮＤフィルタ３０については、反射率も小さくなり、ゴーストは見られなかったが、微細凹凸周期構造３３を形成していないＮＤフィルタについてはゴーストが見られた。

表３
微細凹凸周期構造 ゴースト 最大反射率（λ＝４００〜７００ｎｍ）
あり なし ４％
なし あり １５％

実施例１の撮影光学系の構成図である。 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。 他の変形例の微細凹凸周期構造の模式図である。 ホットプレスにより微細凹凸周期構造を形成する説明図である。 蒸着治具の断面図である。 チャンバの構成図である。 ＮＤ膜の膜構成図である。 ＮＤフィルタの断面模式図である。 実施例２のＮＤフィルタの断面模式図である。 ホットプレスにより微細凹凸周期構造を形成する説明図である。 実施例３のＮＤフィルタの断面模式図である。 蒸着治具の断面図である。 ＮＤ膜を成膜した透明基板の平面図である。 従来例のＮＤフィルタの断面模式図である。 ＮＤ膜の膜構成図である。 ＮＤフィルタの界面における光反射の説明図である。

符号の説明

２１ レンズ
２２ 光量絞り装置
２７ 固体撮像素子
２８ 絞り羽根支持板
２９ａ、２９ｂ 絞り羽根
３０ ＮＤフィルタ
３１ 透明基板
３２、３４ 突起部
３３ 微細凹凸周期構造
３５ 凹部
４１ 微細凹凸周期溝
４２ 上型
４３、４３’ 下型
５１ 蒸着治具
５２ 蒸着パターン形成マスク
６１ チャンバ
６２ 蒸着源
６３ 蒸着傘
７１、８３ ＮＤ膜
７２ Ａｌ₂Ｏ₃膜
７３ ＴｉＯｘ膜
７４ ＳｉＯ₂膜
７５ 反射防止膜
８１ 均一濃度部
８２ グラデーション濃度部

Claims (6)

1. 透明基板の表面に可視光波長以下のピッチと高さを有し反射防止機能を有する微細凹凸周期構造を形成し、該微細凹凸周期構造の上に金属又は金属酸化物から成る光吸収層と誘電体層とを交互に積層したＮＤ膜を成膜し、該ＮＤ膜の最表層に反射防止膜を成膜したことを特徴とする光学フィルタ。
2. 透明基板の両面に可視光波長以下のピッチと高さを有し反射防止機能を有する微細凹凸周期構造を形成し、少なくとも前記透明基板の片面の前記微細凹凸周期構造上に金属又は金属酸化物から成る光吸収層と、誘電体層とを交互に積層したＮＤ膜を成膜し、該ＮＤ膜の最表層に反射防止膜を成膜したことを特徴とする光学フィルタ。
3. 前記透明基板は合成樹脂から成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ＮＤ膜の可視光透過濃度は連続的に濃度が変化する領域を有する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. 開口を形成するための絞り羽根と、前記開口を通過する光の光量を調節するための請求項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絞り装置。
6. 光学系と、該光学系を通過する光量を制限する請求項５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。