JP2008058438A - 光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】可視波長領域全域において分光反射率を低減し、フレアやゴースト等の画像への不具合の発生を低減する。
【解決手段】基板１１上に多数の微細凹凸周期構造体２１による無反射周期層２３を形成し、基板１１の他面に真空蒸着法によりＮＤ膜１５を成膜することにより、反射防止機能を向上させる。ＮＤフィルタに入射する光線のうち、大気とＮＤ膜１５の境界及びＮＤ膜１５と基板１１の境界における分光反射率は積層されたＮＤ膜１５のＭｇＦ₂膜により低く抑制される。基板１１と大気の境界での反射率は無反射周期層２３により低減される。
【選択図】図９

Description

本発明は、ビデオカメラ或いはスチルカメラ等の撮影光学系に使用する光学フィルタに関するものである。

従来から、ビデオカメラ或いはデジタルスチルカメラ等の撮影系には、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等から成る固体撮像素子への入射光量を制御するための光量絞り装置が設けられている。この光量絞り装置は被写界が明るくなるに従い、より小さく絞り込まれる構造になっている。

従って、快晴時や高輝度の被写体を撮影する際には、絞りは所謂小絞り状態となり、絞りのハンチング現象や光の回折現象等の影響を受け易く、像性能に劣化を生じさせる虞れがある。

これに対する対策として、絞りの近傍にＮＤ（Neutral Density）フィルタを配置したり、絞り羽根に直接ＮＤフィルタを貼り付けることにより光量の制御を行っている。これにより被写界の明るさが同一であっても、絞りの開口をより大きくできるような工夫をしている。

近年では、撮像素子の感度が向上し、ＮＤフィルタの濃度を濃くすることにより、光の透過率を更に低下させ、高感度の撮像素子を使用しても、明るい被写界に対して絞りの開口が小さくなり過ぎないようにする改善がなされている。また、ＮＤフィルタを形成する基板には、ガラス等の透明基板も用いられるが、任意形状への加工性や、小型化・軽量化等の要望に伴い、近年ではプラスチック材料から成る基板も用いられてきている。

ＮＤフィルタの一般的な作製方法としては、真空蒸着法やスパッタ法等により、プラスチックやガラス等の透明基板上に多層膜を生成することにより作製している。

また、ＮＤフィルタにおいても様々な理由から高精度化への要求が強まっており、その中でも概ねλ＝４００〜７００ｎｍまでの可視光波長領域全域における分光反射率を低減することが１つの大きな課題となっている。これは、最近の固体撮像素子の更なる高感度化、高精細化等に伴い、従来と同程度の反射率の低減を図ったとしても、撮影画像にゴーストやフレア等の不具合が生ずる可能性が高まってきたからである。

ＮＤフィルタの反射を低減させる方法としては、一般に真空蒸着法等によりＮＤフィルタの基板表面に反射防止膜を成膜している。ただし、基板表面に単層膜から成る反射防止膜を成膜させた場合においては、特定の波長では表面反射を低く抑制することも可能であるが、その波長以外の波長領域においては、反射が大きくなってしまう欠点がある。そこで、例えばＳｉＯ₂、ＭｇＦ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂等の屈折率の異なる数種類の薄膜を積層し、特許文献１に示すような多層膜を形成することにより、任意の波長領域の反射を抑制することが広く行われている。

特開平８−０７５９０２号公報

しかしながら、上述のような多層膜で形成した反射防止膜の場合には、単層膜で形成した反射防止膜よりは広い波長域の反射を低減することができるが、やはり特定の波長領域でしか反射を抑制することができないことには変わりはない。より広い波長領域の反射低減を実現するには、多層膜を構成する薄膜材料が限定されている理由から、相当の層数を必要としたり、任意の光学特性を得るには膜設計値が複雑になってしまう等の問題がある。更には、光の入射角の変化や偏光状態の変化により、光学特性が大きく変化してしまう等の多くの欠点がある。

カメラの光量調節装置を含めた撮像光学系を通過した光線が、固体撮像素子の表面に結像するとき、一部の光線が素子表面や後群レンズの表面や鏡筒壁面で反射し、光量絞り装置側に戻って来る場合がある。この反射光がＮＤフィルタで再反射して固体撮像素子に再入射することにより、上述の不具合が発生する。これを防止するために、通常は反射防止膜を施してあるＮＤ膜面を固体撮像素子側になるように配置するが、上述したＮＤフィルタ単体の時のように、ＮＤ膜を透過し反対側の基板と大気の境界面での反射は防止できない。

また、上述したような反射防止膜は、片面側にのみ形成されたＮＤフィルタのような光学フィルタの形成時に同時に形成された場合において、反射防止膜を施した面の反射は抑制することができる。しかし、基板を透過して反対側の面での反射を防止することはできない。つまり、光学フィルタ層を透過し更に基板を透過した光は、再度大気中に接する面において反射し、入射側に戻ることになる。これにより、基板の屈折率等によって多少異なるが、大気中で反射を測定した場合には、最適な膜設計であったとしても、概ね４％程度の反射は理論的にも残ってしまう。

従って、表面側に設けた反射防止膜だけでは抑制できる反射には限界がある。そこで、基板の両面に反射防止膜を成膜する手段も考えられるが、ＮＤフィルタのような光学フィルタの場合には、本来の目的である機能と並行して反射防止を考慮するための膜構成が複雑になり、層数が増大し膜厚が厚くなる。結果として、成膜工程上で発生する熱の負荷が大きくなったり、積層された膜そのものにより発生する応力が大きくなり、反りやクラックなどの別の不具合が生ずる可能性がある。

これらの問題を解決するには、基板の材質や厚さ等を検討する必要があり、使用できる基板が非常に限定されたものになってしまう。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、分光反射率を低減し、フレアやゴースト等の画像への不具合の発生を低減した光学フィルタを提供することにある。

また、所望の波長領域全域での反射を低減することで、反射光に起因した不具合を低減することができる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の技術的特徴は、透明基板上に薄膜を積層したフィルタであって、少なくとも前記薄膜を形成した面の反対側の面に光の反射を防止する反射防止構造体を配列した無反射周期層を形成し、前記反射防止構造体は反射防止の対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列したことにある。

本発明に係る光学フィルタによれば、可視波長領域全域で分光反射率を低減し、反射光に起因したフレアやゴースト等の画像への悪影響を低減することができる。

本発明を図示の実施例を基に詳細に説明する。
図１は撮影光学系の構成図を示し、レンズ１、光量絞り装置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。光量絞り装置２においては、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ている。絞り羽根９ａには、絞り羽根９ａ、９ｂ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１０が接着されている。

しかし、濃度が薄いＮＤフィルタ１０の場合には、濃度が薄くなるに従い反射率が高くなる傾向が強く、反射光に起因した様々な不具合が発生する可能性が高まる。

経験的には、概ね濃度が１．０以下、透過率に換算すると１０％以上のＮＤフィルタ１０であると、反射に起因する不具合を発生させてしまうことになる。更には、濃度が０．５以下、透過率換算で約３１．６％以上になると、その可能性が著しく高くなる傾向がある。なお、濃度（Ｄ）と透過率（Ｔ）との相関式は Ｄ＝Ｌｏｇ₁₀（１／Ｔ）である。

このような理由から、濃度１．０以下の濃度のＮＤフィルタ１０においては、ＮＤ膜の他に反射防止膜をＮＤ膜の裏面に成膜する等の何らかの反射抑制手段が必要となる場合が多い。

図２はＮＤフィルタ１０のＮＤ膜の膜構成図を示している。透明プラスチック材から成る基板１１上の第１、３、５、７、９層にＡｌ₂Ｏ₃膜１２、第２、４、６、８、１０層にＴｉｘＯｙ膜１３が交互に積層され、最表層である第１１層にＭｇＦ₂膜１４を成膜した計１１層のＮＤ膜１５が成膜されている。

このＮＤ膜１５は可視光波長領域における分光透過率の直線性や、基板１１にプラスチックフィルムを使用していることから懸念される膜応力、成膜工程全体として発生する熱応力の問題等を十分に考慮して設計されている。各層の膜厚等の設計値は異なるが、Ａｌ₂Ｏ₃膜１２の任意の数層又は全てのＡｌ₂Ｏ₃膜１２をＳｉＯ₂膜に置換してもよい。そして、ＳｉＯ₂膜又はＡｌ₂Ｏ₃膜１２とＴｉｘＯｙ膜１３とを相互に積層する構成であっても、ほぼ同様の光学特性を有するＮＤ膜１５を作製することが可能である。

最表層のＭｇＦ₂膜１４は光学膜厚ｎ×ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）で、λ＝５４０ｎｍとしてλ／４の厚さに成膜する。この最表層のＭｇＦ₂膜１４は、ＮＤ膜１５面の反射率低減を目的として構成された反射防止膜であり、屈折率ｎが可視域の波長域で１．５以下のものとして選択されている。本実施例においては、反射防止膜にＭｇＦ₂膜１４を使用しているが、反射率低減を主目的としているため、屈折率の小さい材料であれば良く、例えばＳｉＯ₂膜等を使用した場合であっても、ほぼ同様のＮＤ膜１５を作製することができる。

本実施例における基板１１としては、任意形状への加工性等の理由から透明プラスチック材を使用している。具体的には、耐熱性、柔軟性、更にはコスト的に基板材料として優れているノルボルネン系樹脂であるＡｒｔｏｎ（ＪＳＲ社製）を使用し、後述する無反射周期構造体を含まない部分の厚さが、２００μｍのフィルムを選択している。

なお、本実施例においては基板１１にＡｒｔｏｎ（ＪＳＲ社製）を選択したが、これに限らずＺｅｏｎｅｘ、Ｚｅｏｎｏｒ（日本ゼオン社製、商品名）等の他のノルボルネン系樹脂を使用してもよい。更には、ノルボルネン系樹脂以外のＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＣ、ＰＯポリイミド系樹脂等の様々なプラスチック基板を使用することも可能である。

一般的には、本実施例のようなＮＤフィルタ１０として使用される基板１１の材質としては、耐熱性（ガラス転移点Ｔｇ）が高く、曲げ弾性が大きく、更には可視光波長域において透明性が高く、吸水率が低い材料がより好ましい。本実施例のＮＤフィルタ１０のように、薄いプラスチックフィルムから成る基板１１上に成膜する場合には、上述した耐熱性や曲げ弾性、更にはコスト的な要因等を考慮すると、ノルボルネン系樹脂が最も適している材料の１つである。

近年では、光の波長よりも短い周期構造を有する「Most eye」と呼ばれるＳＷＳ（サブ波長格子）が、半導体やＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)等に用いられている微細加工技術の向上と共に作製可能になっている。例えば、蛾の目を肉眼で観察した場合に黒く見える現象は、反射が抑制されていることを示唆しており、ＳＷＳにより表面反射が抑制されているためである。このことは、１９６７年にC.G．Bernhardによって蛾の目の表面に形成された数１００ｎｍ単位の凹凸構造の反射率を測定することにより発見された。このＳＷＳは入射する光の強度の殆どが０次回折光として物質内に透過し、０次以外の回折光を殆ど生じさせることがなく、任意形状への生成が可能となっている。

図３はＳＷＳの１つである円錐型の微細凹凸周期構造体２１の斜視図を示し、上述したＳＷＳの特徴を応用しフレネル反射を小さくする目的で表面に生成されている。また、微細凹凸周期構造体２１の代りに、図４に示すような角錐型の微細凹凸周期構造体２２を用いてもよい。図５は多数の円錐型の微細凹凸周期構造体２１から成る無反射周期層２３を、基板１１の反射を抑制したい面に構成した場合の斜視図を示している。

また、図６に示すような多数の逆円錐型の微細凹凸周期構造体２４を用い、図７に示すように、基板１１の反射を抑制したい面に無反射周期層２５を構成してもよい。これにより、光が入射する前の媒質と後の媒質との光屈折率を人工的に滑らかに接続する分布とし反射を低減することもできる。

これらの微細凹凸周期構造体２１、２２、２４の作製に関しては、射出成型法や熱硬化樹脂成型法、ＵＶ硬化樹脂を使用した２Ｐ成型法等の様々な方法が考えられるが、本実施例では射出成型法により作製している。射出成型法は雄型と雌型とから構成される金型のキャビティ部に、溶融したプラスチック材料をスクリュにより高速・高圧で充填し、急冷させ金型から取り出すことにより、所望の形状を有した成型品を得る方法である。

本実施例においては、図３に示すような円錐型形状の微細凹凸周期構造体２１から成る無反射周期層２３を採用している。ＮＤフィルタ１０の用途を考慮し、概略λ＝４００〜７００ｎｍまでの可視光波長領域の反射率を低減することを目的とし、高さ２５０ｎｍ、周期２２０ｎｍで高さと周期の比（アスペクト比）が１以上となるように設計している。

図４に示す角錐型の微細凹凸周期構造体２２や、図６に示す逆円錐型の微細凹凸周期構造体２４においても、設計値は微妙に異なるが、ほぼ同様の反射低減効果を得ることができる。従って、周期やアスペクト比等のターゲット値に対して一定の条件を満足していれば、何らかの拘束条件や、微細凹凸周期構造体の作製の難易度等の様々な要因から最適な形状を選択することが可能である。

図３に示す微細凹凸周期構造体２１の場合には、その配列は図８（ａ）で示す正方配列や、図８（ｂ）で示す六方配列等が考えられるが、六方配列の方が基板１１の材料の露出面が少ないため、反射防止効果が高いと云われている。しかし、本実施例においては、微細凹凸周期構造体２１の作製上の都合から、図８（ａ）に示す正方配列を使用している。

図９は本実施例におけるＮＤフィルタ１０の断面図を示し、基板１１上に上述したような無反射周期層２３が形成され、基板１１の他面には真空蒸着法によりＮＤ膜１５が成膜されている。そして、成膜区域の何れの領域においても濃度が０．６となる単濃度タイプのＮＤ膜１５を成膜しても、反射防止機能を向上させることができる。また、図１０に示すＮＤフィルタ１０のように、基板１１の両面に無反射周期層２３を形成することもできる。

本実施例においては、面上にＮＤ膜１５を形成しているが、これに限定されずＮＤフィルタ１０以外の光学フィルタを生成する場合においては、目的とする薄膜を図２に示すＮＤ膜１５の代りに積層すればよい。

本実施例においてＮＤ膜１５の成膜に使用した真空蒸着法は、膜厚を比較的に容易に制御でき、かつ可視光波長領域において散乱が非常に小さく、分光透過率の波長依存性を小さい値に制御することが可能な利点を有している。しかし、真空蒸着法に限定されず、スパッタリング法、ＩＡＤ法、ＩＢＳ法、イオンプレーティング法、クラスタ蒸着法等の成膜方法においても成膜が可能であり、目的や条件等を考慮し、最も適当な成膜方法を選択すればよい。

図１１は作製したＮＤフィルタ１０のＮＤ膜１５面の可視光波長領域の分光反射率のグラフ図を示し、可視光波長領域全域において分光反射率が０．５％以下となっている。例えば、本実施例のＮＤフィルタ１０と同様の膜構成で、無反射周期層２３を有していないＮＤフィルタを比較すると、ＮＤ膜１５面の可視光波長領域における分光反射率は最大で３％程度となる。このように、本実施例による無反射周期層２３を備えたＮＤフィルタ１０では反射率が大幅に低減される。

これはＮＤフィルタ１０に入射する光線のうち、大気とＮＤ膜１５の境界、及びＮＤ膜１５と基板１１の境界における分光反射率が、積層されたＮＤ膜１５のＭｇＦ₂膜１４により低く抑制される。そして、基板１１と大気の境界、つまり光線の射出面での反射率は、無反射周期層２３により低減されている。

なお、本実施例はＮＤ膜１５の面側を光線の入射側、無反射周期層２３が形成されている面を射出側としたが、無反射周期層２３を形成した場合に、この面を入射側としても同様の効果が得られる。外観においても、皺やクラック等の発生がなく、良好なＮＤフィルタ１０が得られる。

図１２はこのような特性を有するＮＤフィルタ１０を使用した光量絞り装置の斜視図を示し、ＮＤフィルタ１０は絞り駆動部３１により絞り羽根９ａ、９ｂの移動と共に、絞り地板開口部３２内に出入り自在とされている。

この光量絞り装置をビデオカメラ又はデジタルスチルカメラに、図１のように適用することにより、ゴーストやフレアといったＮＤフィルタ１０の反射光による不具合を低減することができる。

この本実施例に示すように、無反射周期層２３をＮＤ膜１５の反対側の面に形成することにより、全ての面での反射を低減でき、ゴーストやフレアといったＮＤフィルタ１０の反射光による不具合を低減することができるようになる。

また、通常はＮＤフィルタ１０に形成された反射防止膜であるＭｇＦ₂膜１４の分光反射率よりも、無反射周期層２３の分光反射率の方が低いので、従来とは逆に無反射周期層２３側を固体撮像素子７に向けて取り付けることにより、更に良好な分光反射率特性を得ることもできる。

撮影光学系の構成図である。 ＮＤ膜の膜構成図である。 微細凹凸周期構造体の斜視図である。 変形例の微細凹凸周期構造体の斜視図である。 微細凹凸周期構造体を設けた基板の斜視図である。 変形例の微細凹凸周期構造体の斜視図である。 微細凹凸周期構造体を設けた基板の斜視図である。 微細凹凸周期構造体の配列例の説明図である。 微細凹凸周期構造体を有するＮＤフィルタの断面図である。 他の微細凹凸周期構造体を有するＮＤフィルタの断面図である。 ＮＤフィルタの分光反射率のグラフ図である。 ＮＤフィルタを使用した光量絞り装置の分解斜視図である。

符号の説明

１０ ＮＤフィルタ
１１ 基板
１２ Ａｌ₂Ｏ₃膜
１３ ＴｉｘＯｙ膜
１４ ＭｇＦ₂膜
１５ ＮＤ膜
２１、２２、２４ 微細凹凸周期構造体
２３、２５ 無反射周期層

Claims (7)

1. 透明基板上に薄膜を積層したフィルタであって、少なくとも前記薄膜を形成した面の反対側の面に光の反射を防止する反射防止構造体を配列した無反射周期層を形成し、前記反射防止構造体は反射防止の対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列したことを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記透明基板は透明プラスチック基板としたことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 前記透明プラスチック基板はノルボルネン系樹脂としたことを特徴とする請求項２に記載の光学フィルタ。
4. 前記フィルタはＮＤフィルタとした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. 前記ＮＤフィルタの濃度の最大値は可視波長領域で１．０以下としたことを特徴とする請求項４に記載の光学フィルタ。
6. 請求項４又は５に記載の光学フィルタを搭載したことを特徴とする光量絞り装置。
7. 撮像光学系を通過する光量を制限する請求項６に記載の光量絞り装置と、撮像光学系により形成される像を撮像する固体撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。

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