JP5667261B2

JP5667261B2 - 光学フィルタ

Info

Publication number: JP5667261B2
Application number: JP2013174613A
Authority: JP
Inventors: 内山　真志; 真志内山
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: JP2014002414A

Description

本発明は、所定の波長領域の光の透過を制限する撮像装置用の光学フィルタに関するものである。

ビデオカメラ等に使用される固体撮像素子は、人の眼の特性に対応させるために、紫外線カットフィルタや近赤外線カットフィルタ等の光学フィルタと組み合わせて使用されることが多い。一般的に、これらの光学フィルタは、ガラス基板上に複数層から成る蒸着膜を成膜することにより形成されている。

しかし、近年の光学装置の小型化・軽量化の要求により、光学系においても更なる省スペース化が求められており、ガラス基板においても現行以上の薄型化が必要とされている。光学フィルタとして使用されるガラス基板は、機械的強度が低いため、作業中に基板であるガラス自体が破損してしまう虞れを有している。また、ガラス基板は概ね板厚が０．３ｍｍ以下になると、機械的強度が極端に低下し、破損の可能性を著しく高くなり、量産性等に大きな課題を有している。

その対策として、ガラス基板の代りに柔軟性の高い樹脂基板を用いることにより、板厚の薄い基板であっても基板自体が破損することを防止できる。樹脂基板はガラス基板よりもガラス転移温度が低いため、紫外線カットフィルタ、近赤外線カットフィルタ、ＵＶＩＲカットフィルタ等の光学フィルタを形成した場合には、熱応力に耐えられずに基板が大きく変形する問題を有している。

しかし、近年の低温成膜技術の進歩により、この問題は特許文献１に示すように回避できるようになってきた。また特許文献２においては、ガラス転移温度が比較的高いノルボルネン系の樹脂基板を使用することにより、この問題を解決する方法が開示されている。

ガラス基板と比較して剛性の低い樹脂基板においては、膜応力による基板の反りに関する問題が顕在化する。また、たとえガラス基板への成膜であっても、基板の薄型化を考慮すると、膜応力は大きな問題となる。これに対して、蒸着物質やプロセス条件等による膜応力の値を反映させ、積層膜の膜応力を相殺するような設計の積層方法や、基板両面に積層膜を成膜する方法も知られている。

また特許文献３に示すように、製造プロセス上で各層の膜応力の少ない膜質に制御する方法も提案されている。

しかし、近年の光学系の更なる高精度化・低コスト化の要求が高まるにつれて薄い基材上への構成であっても、より少ない層数で、より反り量の少ない光学フィルタを製作可能な多層蒸着膜が求められている。

特開平１０−１３３２５３号公報特開２００４−３７５４８号公報特開２０００−２４８３５６号公報

上述した膜応力を相殺するように積層する方法や、各層の膜応力を緩和した方法の場合においては、積層した薄膜のうち少なくとも一部が比較的、膜密度の低い状態になってしまう。これにより、例えば湿度や温度の周囲環境により、光学特性が変化し易い膜質になってしまい、紫外波長領域と近赤外波長領域の両方の透過率を同時に制限する所謂ＵＶＩＲカットフィルタ等の光学フィルタとしての仕様を満足することが極めて困難となる。

また、図１２に示すように基板１の両面に所定の波長領域の透過率を制限する積層膜を分割して構成する場合がある。この場合には、基板１の両面に例えばＳｉＯ₂層、ＴｉＯ₂層を交互に同一の膜厚ｄ１、ｄ２、・・・、ｄｎで、基板１に対して上下対称となるように積層する場合が、最も膜応力を低減できることになる。

しかし、この場合には膜の構成設計が困難であり、基板１の片面に設計した場合と同一の積層数と膜厚になるように膜設計を行うと、光学特性を大きく犠牲にする虞れがある。また、光学特性と膜応力の緩和を同時に満足するようにすると、積層数が増加し、光学フィルタの製作工数の増加の要因となる。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、光学特性を犠牲にすることなく、また過剰な積層数を要することなく、成膜時の基板の膜応力に起因する変形をより低減した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、透明基板に複数の薄膜を積層して、所定の波長領域の光の透過を制限する阻止域を規定するために複数の薄膜積層構造体を形成し、これらの複数の前記薄膜積層構造体の内、少なくとも２つの前記薄膜積層構造体は透過を制限する波長領域が連続しており、前記複数の薄膜積層構造体は少なくとも３つであり、前記透明基板の片面側には、前記透過を制限する波長領域が連続する少なくとも２つの前記薄膜積層構造体の内で物理膜厚が最も厚い一方の前記薄膜積層構造体を分割配置し、前記透明基板の他面側には、前記透過を制限する波長領域が連続する他方の前記薄膜積層構造体を含めて、前記物理膜厚が最も厚い一方の前記薄膜積層構造体よりも薄い少なくとも２つの前記薄膜積層構造体を分割配置し、前記物理膜厚が最も厚い一方の前記薄膜積層構造体は前記透過を制限する波長領域が連続する他方の前記薄膜積層構造体よりも透過を制限する中心波長が長く、前記透過を制限する波長領域が連続する他方の前記薄膜積層構造体は、前記阻止域以外で光を透過する透過帯から長波長側の阻止域に変化する波長領域を規定し、かつ、前記物理膜厚が最も厚い一方の前記薄膜積層構造体の薄膜の積層数よりも薄膜の積層数が多いことを特徴とする。

本発明に係る光学フィルタによれば、光学系の省スペース化・低コスト化に対応すると共に、光学フィルタの反り等の変形が低減でき、所望の波長領域の透過率を制限する光学カットフィルタ等を得ることができる。

撮影光学系の構成図である。冷却機構の断面図である。冷却機構の底面図である。基板上にマスクを配置した状態の平面図である。光学フィルタを切り抜いた状態の平面図である。光学フィルタの断面の構成図である。分光透過率の理論値のグラフ図である。分光透過率の理論値のグラフ図である。分光透過率の理論値のグラフ図である。ＵＶＩＲカットフィルタの膜構成図である。ＵＶＩＲカットフィルタの分光透過率のグラフ図である。従来の光学フィルタの膜構成図である。

本発明を図１〜図１１に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、レンズ１１、光量調節部材１２、レンズ１３〜１５、ローパスフィルタ１６、ＣＣＤ等から成る固体撮像素子１７が順次に配列されている。光量調節部材１２においては、絞り羽根支持板１８に一対の絞り羽根１９ａ、１９ｂが可動に取り付けられている。また、絞り羽根１９ａには、固体撮像素子１７の特性に合わせて所定の波長領域の光の透過を制限し、適正な画像を得るための光学フィルタ２０が接着されている。なお、本実施例における光学フィルタ２０は絞り羽根１９ａ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。

なお以下の説明では、光学フィルタ２０は近赤外波長領域と紫外波長領域の透過率を同時に制限するＵＶＩＲカットフィルタについて述べるが、その他のＮＤフィルタ、ＩＲフィルタ、ＵＶフィルタ等の光学フィルタであってもよい。

樹脂基板をガラス基板と比較すると、ガラス転移温度が低く基板と膜との線膨張係数の差に起因する基板の反りや、反りに伴う膜面のクラックの発生等が考えられるため、成膜中に発生する熱の低温化を図る必要がある。

図２は光学フィルタ２０を製造する場合の蒸着時に用いる冷却機構の底面図、図３は断面図をそれぞれ示している。銅製の円板から成る冷却板２１の裏面には溝が設けられ、この溝内にチラーにより調温された冷媒を流す冷却パイプ２２が渦巻状に配置されている。そして、冷却板２１上には光学フィルタ２０の基材となる図示しない基板を取り付けるための基板治具２３が配置されている。

本実施例における成膜中は、成膜開始から成膜終了までの全層において、基板の裏面を冷却しながら蒸着を行う。また、冷却パイプ２２に流す冷媒には食塩水を使用し、−１０℃で温度制御を行い、冷媒の流量は６リットル／分とする。なお、成膜中の基板の最大温度は両面共に７０℃以下であり、これは基板表面に予め設置しておいた真空中専用のサーモラベルより測定する。

図２に示した冷却パイプ２２の引き回しは１つの例であり、基板治具２３の設置位置や、蒸着傘の形状や大きさ等の諸条件により最適な配置は様々であり、冷媒の流量等により冷却パイプ２２の径等は適宜に変更することができる。

上述した理由により、成膜中の基板温度は通常の成膜に比べて低温となるため、何らかのアシストを付加することが好ましい。成膜方法については、スパッタ法、ＩＡＤ法、イオンプレーティング法、ＩＢＳ法、クラスタ蒸着法等のような、膜厚を比較的正確に制御でき、再現性の高い膜を得ることができればよい。また、必要とされる膜の性質や、基板を含めた各材料の制約条件等から最適な方法を選択すればよい。なお、本実施例においては真空蒸着法を選択し、アシストを付加した他の成膜方法と比べ、比較的に膜に起因する応力を小さい値に制御できる理由からイオンプレーティング法を選択している。

また、基板は光学系の省スペース化を実現するために、板厚が０．１ｍｍ以下であることが好ましい。更に、熱に起因する基板の反りと、基板上の僅かな膜厚分布により発生する微妙な凹凸を低減するために、７０℃以上のガラス転移温度を有し、更に２４００ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有する透明樹脂基板を用いている。

このような特性を併せ持つ透明基板としては、Ａｒｔｏｎ（ＪＳＲ社製、商品名）等のノルボルネン系の樹脂フィルムや、ネオプリム（三菱ガス化学社製、商品名）等のポリイミド系の樹脂フィルム等が最適な材料の１つである。

本実施例においては、ガラス転移温度が１６０℃程度あり、かつ曲げ弾性率が約３０００ＭＰａ程度あることにより、基板に板厚０．１ｍｍのＡｒｔｏｎフィルムを選択した。基板にガラス基板ではなく、樹脂基板を選択した理由としては、上述したように基板自体を薄くした場合であっても、光学フィルタ２０を生成する作業工程中及び製作後の作業中に、破損が生ずることを避けるためである。

図４は縦横共に６０ｍｍの正方形状のＡｒｔｏｎフィルムから成る基板３１にマスク３２を配置した状態の平面図を示している。基板３１に蒸着膜を成膜した後に、マスク３２を取り外して図５に示すように切り抜くことにより、縦横共に１０ｍｍの正方形の複数個の光学フィルタ２０を得ることができる。

図６は上述の方法により製造したＵＶＩＲカットフィルタから成る光学フィルタ２０の断面模式図、図７は分光透過率の理論値のグラフ図をそれぞれ示している。一般的に、ＵＶＩＲカットフィルタは比較的積層膜数が多く、特に反りの問題を引き起こし易い問題を有している。成膜に起因する応力による基板３１の反りに関しては、基板３１の両面に同程度の物理的膜厚を有する膜を積層することにより低減できる。

一般的なＵＶＩＲカットフィルタの場合には、５５０ｎｍ前後の可視波長領域よりも波長の短い紫外波長領域にかけての所望する波長域にＵＶ阻止域と、可視波長領域よりも波長の長い近赤外波長領域にかけての所望する波長域にＩＲ阻止域を有している。しかし、このＩＲ阻止域の分光透過率を十分に満足するような性能の積層膜とすると、膜厚が厚くなり過ぎて反り等の原因となってしまう。

従って、本実施例のＵＶＩＲカットフィルタは図７に示すようにＵＶ阻止域に第１阻止域Ａを有すると共に、ＩＲ阻止域では連続した波長領域の第２阻止域Ｂと第３阻止域Ｃとの２つに分割している。

図８は基板３１に第３阻止域Ｃのみを成膜した場合の分光透過率の理論値のグラフ図、図９は基板３１に第１阻止域Ａ及び第２阻止域Ｂの成膜した場合の分光透過率の理論値のグラフ図をそれぞれ示している。第１阻止域Ａ〜第３阻止域Ｃを同時に設けることにより、図７に示すようにＵＶＩＲカットフィルタとしての十分な分光透過率となる。

ここで、１つの阻止域を構成する薄膜積層構造体を１つのブロックとして考えると、上述した第１阻止域Ａ〜第３阻止域Ｃは、図６に示すような複数の薄膜積層構造体４１〜４３により形成される。一般的に、これらの薄膜積層構造体４１〜４３はそれぞれは異なる中心波長を有している。この中心波長をλとした場合に、ＴｉＯ₂層に代表される高屈折率材料と、ＳｉＯ₂層に代表される低屈折率材料とを、それぞれ交互にλ（波長）／４ずつ積層した構成を基本としている。そして、所望の光学特性を得るために、各層の膜厚に概ね０．７〜１．３倍程度の微量の厚みを加減して積層している。

ＴｉＯ₂層は屈折率が高く膜設計上有利な材料であるために用いている。また、ＳｉＯ₂層は成膜条件によって勿論微妙に異なることはあるが、イオンプレーティングによる成膜において、ＴｉＯ₂層と膜応力の発生方向が反対であり、屈折率も低く、膜設計上有利な材料であるために用いている。なお、本実施例においては、高屈折率材料にＴｉＯ₂を用いたが、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂等を用いてもよい。また、低屈折率材料にはＳｉＯ₂の代りにＭｇＦ₂等を使用することもできる。

ただし、このような構成の場合に、基板３１や空気との界面の層と、中心波長が異なる各薄膜積層構造体同士が隣接している層においては、厚みが微調の範囲を超えることがあり、例えば０．５倍のλ／４程度の膜厚になることがある。更に、全層の中で上述した界面層は別に数層、例えば全層が４０層であれば、１〜３層程度、微調量の範囲を超える層がある場合もある。また、設計によってはＡｌ₂Ｏ₃等の中間屈折率材料を含むこともある。

この中心波長を波長の短い順に図７に示すように、波長λ１、λ２、λ３とした場合に、透過帯から不透過帯へと急峻な変化が必要とされる波長λ２を中心波長に有する第２阻止域Ｂの積層数が最も多くなる。従って、積層数の平衡だけを考えると、基板３１の片面に第２阻止域Ｂ、他面に第１阻止域Ａと第３阻止域Ｃを配置した場合に、基板３１の両面の合計の積層数の差を最も低減することができる。しかし、実際に基板３１の変形等に起因する膜応力を最も低減できる構成は、基板３１の両面の物理膜厚の差を考慮する必要がある。

一般的なＵＶＩＲカットフィルタは、ＩＲ阻止域の波長λ３を中心に有する薄膜積層構造体４３が最も厚い構成となっている。従って、図６に示すように、基板３１の片面に第３阻止域Ｃの薄膜積層構造体４３、他面に第１阻止域Ａ、第２阻止域Ｂの薄膜積層構造体４１、４２とした場合が、最も基板３１の両面の物理膜厚の差を小さくすることができる。

例えば、波長分散がない屈折率が２．０の材料と、屈折率が１．５の材料をλ／４の厚みに成膜した場合を考えると、物理膜厚は次の表１に示すようになる。

λ＝８００ｎｍの場合とλ＝９５０ｎｍの場合には、λ＝９５０ｎｍの方が物理膜厚は厚くなる。

表１
物理膜厚（ｎ＝２．０）物理膜厚（ｎ＝１．５）
λ＝８００ｎｍ１００．００ｎｍ１３３．３３ｎｍ
λ＝９５０ｎｍ１１８．７５ｎｍ１５８．３３ｎｍ

ここで、屈折率２．０と、屈折率１．５の材料をλ／４ずつ交互に複数層を積層した場合を考えると、表１で示した差分に積層数を積算した値が、各材料の総計の物理膜厚となり、積層数が増えるほどその差が大きくなる。

そこで、上述したように３つの薄膜積層構造体４１〜４３を基板３１の両面に配置する場合に、光学特性だけではなく、可能な限り物理的な膜厚が基板３１の両面で均衡するように、予め適切な膜設計を行う必要がある。このような方法により、基板３１の反りを低減しかつ光学特性を満足するために、必要以上に過剰な層数を積層する必要のないＵＶＩＲカットフィルタを作製することができる。

図１０はＵＶＩＲカットフィルタの膜構成図を示しており、基板３１の表面にＳｉＯ₂層とＴｉＯ₂層を交互に１７層、裏面に２７層を積層し、両面で４４層の構成としている。このように、基板３１の両面の膜厚をほぼ同様にすることにより、膜応力に起因する基板３１の反りの発生を低減できるように設計を行っている。なお、成膜においては、表面に１７層を成膜した後に、基板３１の表裏を変え、表面と同様にマスク３２を施して裏面に２７層を成膜したが、逆に２７層を成膜した後に基板の表裏を変え、１７層を成膜しても良い。

成膜条件としては、高屈折率材料ではＤＣパワーは４００Ｖ、ＲＦパワーは５００Ｗ、低屈折率材料ではＤＣパワーは３００Ｖ、ＲＦパワーは４００Ｗに設定している。

図１１は上述の方法により製作したＵＶＩＲカットフィルタの分光透過率特性のグラフ図である。図７の理論値と比較すると、全く同様な光学特性を得ることはできなかったが、ＵＶＩＲカットフィルタの目的を達成できるレベルの特性が得られる。

このように、設計値と作製したＵＶＩＲカットフィルタの特性が異なった理由としては、設計に使用した光学定数と若干の誤差が生じたことによると考えられる。より高精度に理論値に近いＵＶＩＲカットフィルタを製作するためには、各層のそれぞれでの光学定数をより正確に把握することや、成膜温度を一定に制御したり、アシストのパワーを調整したりする必要がある。更に、全ての層でより均一な光学定数を得ることができるように制御すること等が必要であると考えられる。

上述の方法により製作されたサンプルについて、温度６０℃、湿度９０％の環境試験を行った。４８０時間後では環境試験開始前と比較し、近赤外側の半値波長である６８０ｎｍでの透過率変化はシフト量が３ｎｍ以下となった。同様な環境試験を数サンプルで実施したが、全てのサンプルにおいて同様な結果となった。

フィルタの外観に関しても良好であり、反りや凹凸、更に皺やクラック等は発生せず、環境試験後も皺やクラック等の発生は確認されなかった。

また、本実施例の光学フィルタをビデオカメラ等の撮影装置に使用することにより、反り等による画像劣化が少なく、かつ環境特性の優れた撮像装置とすることができる。また、光学フィルタを装置に組み込むときの破損等も、従来のガラスを使用した光学フィルタよりも少なく、装置の組立が容易となる。

なお本実施例においては、第１阻止域Ａ〜第３阻止域Ｃの３つに分割し、３つの薄膜積層構造体を用いたが、４以上に分割してもよい。

１１、１３〜１５レンズ
１２光量調節部材
１６ローパスフィルタ
１７固体撮像素子
１８絞り羽根支持板
１９ａ、１９ｂ絞り羽根
２０光学フィルタ
２１冷却板
２２冷却パイプ
２３基板治具
３１基板
３２マスク
４１〜４３薄膜積層構造体
Ａ第１阻止域
Ｂ第２阻止域
Ｃ第３阻止域

Claims

透明基板に複数の薄膜を積層して、所定の波長領域の光の透過を制限する阻止域を規定するために複数の薄膜積層構造体を形成し、これらの複数の前記薄膜積層構造体の内、少なくとも２つの前記薄膜積層構造体は透過を制限する波長領域が連続しており、
前記複数の薄膜積層構造体は少なくとも３つであり、
前記透明基板の片面側には、前記透過を制限する波長領域が連続する少なくとも２つの前記薄膜積層構造体の内で物理膜厚が最も厚い一方の前記薄膜積層構造体を分割配置し、
前記透明基板の他面側には、前記透過を制限する波長領域が連続する他方の前記薄膜積層構造体を含めて、前記物理膜厚が最も厚い一方の前記薄膜積層構造体よりも薄い少なくとも２つの前記薄膜積層構造体を分割配置し、
前記物理膜厚が最も厚い一方の前記薄膜積層構造体は前記透過を制限する波長領域が連続する他方の前記薄膜積層構造体よりも透過を制限する中心波長が長く、
前記透過を制限する波長領域が連続する他方の前記薄膜積層構造体は、前記阻止域以外で光を透過する透過帯から長波長側の阻止域に変化する波長領域を規定し、かつ、前記物理膜厚が最も厚い一方の前記薄膜積層構造体の薄膜の積層数よりも薄膜の積層数が多いことを特徴とする光学フィルタ。
前記複数の薄膜積層構造体は前記透明基板の両面において同程度の物理膜厚で設けたことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
前記透明基板は樹脂基板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。
前記透明基板のガラス転移温度は７０℃以上であり、曲げ弾性率は２４００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項３に記載の光学フィルタ。
前記透過を制限する波長領域が連続する少なくとも２つの前記薄膜積層構造体は、近赤外波長領域の透過を制限する前記薄膜積層構造体であり、
前記他方の前記薄膜積層構造体は前記一方の前記薄膜積層構造体の透過を制限する中心波長よりも中心波長が短く、
前記他方の前記薄膜積層構造体上には紫外線波長領域の透過を制限する別の前記薄膜積層構造体を設け、
前記別の前記薄膜積層構造体は前記他方の前記薄膜積層構造体の透過を制限する中心波長よりも中心波長が短いことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタ。
前記薄膜は少なくともＴｉＯ₂層とＳｉＯ₂層を含む蒸着膜であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタ。
請求項１〜６の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタを使用した撮像装置。