JP2018036371A - 光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂基板にコーティングされる誘電体多層膜による反りを抑制できる光学フィルタを提供する。【解決手段】光学フィルタ１０は、樹脂基板１１と、樹脂基板１１のＡ面側にコーティングされた第１コート１２と、Ｂ面側にコーティングされた第２コート１３とを含む。第１コート１２および第２コート１３は、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層してなる誘電体多層膜であり、高屈折率膜および低屈折率膜の物理膜厚は、０．５×ｒ（ａ−ｂ）＜（β−α）＜１．５×ｒ（ａ−ｂ）の式を満たす。ａは第１コートにおける低屈折率膜の物理膜厚合計である。ｂは第２コートにおける低屈折率膜の物理膜厚合計である。αは第１コートにおける高屈折率膜の物理膜厚合計である。βは第２コートにおける高屈折率膜の物理膜厚合計である。ｒは物理膜厚が同じ場合の低屈折率膜の内部応力と高屈折率膜の内部応力との比である。【選択図】図４

Description

本発明は、基板の両面に誘電体多層膜を形成した光学フィルタに関する。

撮像デバイスの光学系では、さまざまな光学フィルタが用いられている。例えば、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等では、赤外線カットフィルタを設けて、撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）に赤外光域の光線を到達させないようにし、人の目に近い撮像画像が得られるようにしている。また、監視カメラでは、昼間の撮影は可視光線を用いて行い、夜間などの暗視下における撮影は近赤外光域の光線を用いて行うように、可視光域と近赤外光域とに透過帯域を有する２波長バンドパスフィルタが用いられている。これらの光学フィルタは、その用途に応じて特定の波長の光線を選択的に透過させたり、遮断したりする。

これらの光学フィルタの多くは、水晶やガラスからなる透光性基板に誘電体多層膜をコーティングすることで所望の透過特性を持たせている。しかしながら、誘電体多層膜による光の遮断は反射特性によるものであり、ゴーストやフレアが生じやすい。また、誘電体多層膜は、光線が斜めに入射したときに透過特性が変化しやすいといった問題もある。

このため、例えば特許文献１では、誘電体多層膜をコーティングする基板として、近赤外光域に対して吸収特性を有する赤外光吸収基板を用いた光学フィルタが提案されている。また、特許文献１における赤外光吸収基板は、透明樹脂に赤外線を吸収する化合物を含有させてなる樹脂基板とされている。

特許第５８８４９５３号明細書

光学フィルタに用いられる誘電体多層膜は、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを多層に積層し、各膜における光学膜厚を適切に設計することで所望の透過特性を得ている。基板に対して誘電体多層膜の各薄膜のコーティングには、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）やイオンアシスト蒸着法（ＩＡＤ法）が用いられるが、これらの蒸着法で形成される薄膜には内部応力が生じる。この内部応力により、基板には曲げ応力が作用する。

誘電体多層膜をコーティングする基板が水晶やガラス基板である場合には、基板自体の剛性が高いため、基板に上記曲げ応力が作用しても反りが生じることは殆どなく、特に問題となることはない。しかしながら、特許文献１のように樹脂基板を用いる場合には、基板自体の剛性が低いため、上記曲げ応力によって基板に生じる反りは無視できないものとなる。

特許文献１には、樹脂基板に生じる反りについては考慮されておらず、その解決方法も開示されていない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、樹脂基板にコーティングされる誘電体多層膜による反りを抑制できる光学フィルタを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、樹脂基板と該樹脂基板の両面にコーティングされる誘電体多層膜とを有する光学フィルタであって、前記誘電体多層膜は、前記樹脂基板の一方の面にコーティングされた第１コートと、他方の面にコーティングされた第２コートとを含み、前記第１コートおよび前記第２コートは、高屈折率材料からなる高屈折率膜と低屈折率材料からなる低屈折率膜とを交互に積層してなり、前記第１コートおよび前記第２コートにおける高屈折率膜および低屈折率膜の物理膜厚が、０．５×ｒ（ａ−ｂ）＜（β−α）＜１．５×ｒ（ａ−ｂ）の式を満たすことを特徴としている。

ａ：第１コートにおける低屈折率膜の物理膜厚合計
ｂ：第２コートにおける低屈折率膜の物理膜厚合計
α：第１コートにおける高屈折率膜の物理膜厚合計
β：第２コートにおける高屈折率膜の物理膜厚合計
ｒ：物理膜厚が同じ場合の低屈折率膜の内部応力と高屈折率膜の内部応力との比

あるいは、本発明は、樹脂基板と該樹脂基板の両面にコーティングされる誘電体多層膜とを有する光学フィルタであって、前記誘電体多層膜は、前記樹脂基板の一方の面にコーティングされた第１コートと、他方の面にコーティングされた第２コートとを含み、前記第１コートおよび前記第２コートは、高屈折率材料からなる高屈折率膜と低屈折率材料からなる低屈折率膜とを交互に積層してなり、前記第１コートおよび前記第２コートにおける高屈折率膜および低屈折率膜の物理膜厚が、２（ａ−ｂ）＜（β−α）＜６（ａ−ｂ）
の式を満たすことを特徴としている。

ａ：第１コートにおける低屈折率膜の物理膜厚合計
ｂ：第２コートにおける低屈折率膜の物理膜厚合計
α：第１コートにおける高屈折率膜の物理膜厚合計
β：第２コートにおける高屈折率膜の物理膜厚合計

上記の構成によれば、低屈折率膜の膜厚差によって生じる反り量を、高屈折率膜の膜厚差によって生じる反り量にて相殺することができ、基板に発生する反りを抑制することができる。これにより、反りの発生しやすい樹脂基板を用いる場合であっても、基板反りの問題を解消することができる。

また、上記光学フィルタでは、前記第１コートおよび前記第２コートにおける低屈折率膜の物理膜厚が、ｂ≦ａ≦１．０５ｂ、または、ａ≦ｂ≦１．０５ａの式を満たすことが好ましい。

上記の構成によれば、低屈折率膜の膜厚差が大きすぎて反りの緩和が困難となることを回避できる。

また、上記光学フィルタは、前記高屈折率材料がＴｉＯ₂からなり、前記低屈折率材料がＳｉＯ₂からなる構成とすることができる。

本発明の光学フィルタは、低屈折率膜の膜厚差によって生じる反り量を、高屈折率膜の膜厚差によって生じる反り量にて相殺することができ、反りの発生しやすい樹脂基板を用いる場合であっても、基板反りの問題を解消することができるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態を示す図であり、光学フィルタの概略構成を示す断面図である。 （ａ）は樹脂基板の透過特性を示すグラフであり、（ｂ）は第１コートの透過特性を示すグラフであり、（ｃ）は第２コートの透過特性を示すグラフである。 図２（ａ）〜（ｃ）に示す樹脂基板、第１コートおよび第２コートを組み合わせてなる光学フィルタの透過特性を示すグラフである。 図１に示す光学フィルタのより詳細な構成を示す断面図である。 低屈折率膜の物理膜厚に対する高屈折率膜の物理膜厚の膜厚比と、反り量との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る光学フィルタ１０の構成例を示すものであり、ここでは、可視光域と近赤外光域の一部とに透過帯域を有する２波長バンドパスフィルタを例示する。但し、本発明の光学フィルタの種類は特に限定されるものではなく、樹脂基板と該樹脂基板の両面にコーティングされる誘電体多層膜とを有するものであればよい。

図１に示す光学フィルタ１０は、樹脂基板１１と、樹脂基板１１の一方の面（Ａ面）にコーティングされた第１コート１２と、他方の面（Ｂ面）にコーティングされた第２コート１３とを有している。第１コート１２および第２コート１３は共に、高屈折率材料からなる薄膜（以下、高屈折率膜）と低屈折率材料からなる薄膜（以下、低屈折率膜）とを交互に多層に積層してなる誘電体多層膜である。本実施形態では、高屈折率膜として二酸化チタン（ＴｉＯ₂）が、低屈折率膜として二酸化珪素（ＳｉＯ₂）がそれぞれ使用されている。なお高屈折率材料としてはＴｉＯ₂以外に、例えば、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ₅を使用してもよい。また、低屈折率材料としてはＳｉＯ₂以外に、例えばＭｇＦ₂を使用してもよい。

樹脂基板１１は、透明樹脂に赤外線を吸収する化合物を含有させてなる赤外光吸収基板である。本実施形態では樹脂基板１１としてシクロオレフィン樹脂（ＣＯＰ）が使用されており、その平面視形状は正方形となっている（一辺が８０ｍｍ）。なおシクロオレフィン樹脂以外にも、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂やエポキシ樹脂なども使用可能である。さらにこれらの樹脂からなる基板上に赤外吸収機能を有するインクを滴下した後、これを硬化させた赤外吸収機能を有する樹脂基板であってもよい。樹脂基板１１は、図２（ａ）に示すように、可視光域と近赤外光域との境界付近で吸収極大を有し、可視光域の長波長側でなだらかに透過率が減少する透過特性を有する。

なお、光学フィルタ１０における近赤外光域では、短波長側から順に第１帯域、第２帯域、第３帯域が存在する（図３参照）とする。第１コート１２は、図２（ｂ）に示すように、可視光域に透過特性を有し、第１帯域のほぼ全体に遮断特性を有し、第１帯域より長波長側では少なくとも第２帯域に透過特性を有する。第２コート１３は、図２（ｃ）に示すように、少なくとも可視光域から第２帯域の長波長側にかけて透過特性を有し、第３帯域に遮断特性を有する。樹脂基板１１、第１コート１２および第２コート１３を組み合わせてなる光学フィルタ１０の透過特性は図３に示すものとなる。

第１コート１２および第２コート１３は、図４に示すように、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に多層に積層してなる誘電体多層膜である。高屈折率膜は、例えば、ＴｉＯ₂をＩＡＤ法で成膜して形成される。また、低屈折率膜は、例えば、ＳｉＯ₂をＥＢ蒸着法で成膜して形成される。通常、樹脂基板へ成膜する場合は、基板を加熱する温度が比較的低い（例えば１００℃以下）低温成膜を用いる。低屈折率膜のＳｉＯ₂は前記低温成膜でも問題は無いが、高屈折率膜のＴｉＯ₂は低温成膜だと透過率が下がってしまい、可視光域において高い透過率を維持することができなくなる。そこで、本実施形態ではＴｉＯ₂は、イオン化した酸素が供給されることによって低温状態でも反応が促進されるＩＡＤ法を用いている。これにより透過率の低下を防止し、可視光域において高い透過率を維持することができる。ここで、ＳｉＯ₂もＩＡＤ法を用いた場合は、成膜中の基板温度の上昇が大きくなって樹脂基板が変形してしまうため、ＥＢ蒸着法を用いている。

この場合、高屈折率膜および低屈折率膜の物理膜厚が同じであるとすると、低屈折率膜が樹脂基板１１に対して与える反り量（すなわち、低屈折率膜の内部応力）は、高屈折率膜が樹脂基板１１に対して与える反り量（すなわち、高屈折率膜の内部応力）の約２〜６倍となる。また、高屈折率膜および低屈折率膜に生じる内部応力は、いずれも圧縮応力である。

図５は、基板の一方の面に低屈折率膜を成膜し、他方の面に高屈折率膜を成膜した場合に、低屈折率膜の物理膜厚に対する高屈折率膜の物理膜厚の膜厚比と、基板に発生した反り量との関係を示すグラフである。ここでは、低屈折率膜の物理膜厚を１とした場合に高屈折率膜の物理膜厚を０，３，５，１０倍とした場合の反り量について測定した。尚、高屈折率膜の物理膜厚が０倍の場合とは、一方の面に低屈折率膜のみを成膜し、他方の面には何も成膜しなかった場合を示す。

図５のグラフでは、膜厚比を０，３，５，１０倍として測定した４点のプロットと、これらのプロットから得られる近似直線を記載している。この近似直線において、反り量が０となるのは、膜厚比が約３．９倍のときである。これより、図５のグラフの例では、低屈折率膜が基板に対して与える反り量は、高屈折率膜が基板に対して与える反り量の約３．９倍であることがわかる。言い換えれば、物理膜厚が同じ場合の低屈折率膜の内部応力と高屈折率膜の内部応力との比は３．９である。尚、物理膜厚が同じ場合の低屈折率膜の内部応力と高屈折率膜の内部応力との比は、使用する低屈折率材料および高屈折率材料の種類や、成膜方法や成膜条件によって変化する。本実施形態においては、実用上の反り量の規格が±２０００μｍとなっており、このときの前記膜厚比は約２〜６であり、好ましくは約３〜５となっている。

第１コート１２および第２コート１３においては、高屈折率膜および低屈折率膜の光学膜厚は、光学フィルタ１０が所望の透過特性を持つように公知のアルゴリズムを用いて計算される。また、高屈折率膜および低屈折率膜の物理膜厚は、樹脂基板１１の反りを低減するため、以下の（１）式の条件を満たすように設定される。すなわち、Ａ面側に形成される第１コート１２によって生じる反り量と、Ｂ面側に形成される第２コート１３によって生じる反り量とを相殺させるように高屈折率膜および低屈折率膜の物理膜厚が設定される。

０．５×ｒ（ａ−ｂ）＜（β−α）＜１．５×ｒ（ａ−ｂ） ・・・（１）
ここで、
ａ：第１コート（Ａ面側）における低屈折率膜の物理膜厚合計
ｂ：第２コート（Ｂ面側）における低屈折率膜の物理膜厚合計
α：第１コート（Ａ面側）における高屈折率膜の物理膜厚合計
β：第２コート（Ｂ面側）における高屈折率膜の物理膜厚合計
ｒ：物理膜厚が同じ場合の低屈折率膜の内部応力と高屈折率膜の内部応力との比
（ｒ＝（低屈折率膜の内部応力）／（高屈折率膜の内部応力））
である。

また、上述したように、高屈折率膜および低屈折率膜の物理膜厚が同じであるとすると、低屈折率膜が樹脂基板１１に対して与える反り量は、高屈折率膜が樹脂基板１１に対して与える反り量の約２〜６倍となる。これより、
２（ａ−ｂ）＜（β−α）＜６（ａ−ｂ）
の関係が与えられる。

Ａ面側の第１コート１２の低屈折率膜とＢ面側の第２コート１３の低屈折率膜との間に物理膜厚の差（ａ−ｂ）がある場合（ここでは、ａ＞ｂとする）、この低屈折率膜の膜厚差に応じた反り力が樹脂基板１１に作用する。本実施の形態に係る光学フィルタ１０では、低屈折率膜の膜厚差によって生じる反り量を、高屈折率膜の膜厚差によって生じる反り量にて相殺する。このため、Ａ面側の低屈折率膜の物理膜厚合計がＢ面側の低屈折率膜の物理膜厚合計よりも大きい場合（ａ＞ｂ）には、Ｂ面側の高屈折率膜の物理膜厚合計をＡ面側の物理膜厚合計よりも大きくする（β＞α）。また、物理膜厚が同じ場合には、低屈折率膜の内部応力は高屈折率膜の内部応力よりも大きく、その比はｒであるため、高屈折率膜の膜厚差（β−α）は低屈折率膜の膜厚差（ａ−ｂ）の略ｒ倍とする必要がある。これより、上記（１）式が得られる。

尚、樹脂基板１１の反りを抑制するにあたって、低屈折率膜の膜厚差によって生じる反り量と高屈折率膜の膜厚差によって生じる反り量とを完全に一致させる必要はなく、ある程度のマージンが認められる。上記（１）式では、５０％のマージンを設定している。

また、本実施の形態に係る光学フィルタ１０では、低屈折率膜の膜厚差（ａ−ｂ）が大きすぎると反りの緩和が困難となる傾向がある。このため、Ａ面側およびＢ面側の一方における低屈折率膜の膜厚は、他方の低屈折率膜の膜厚に比べて５％以内の膜厚差とすることが好ましい。すなわち、以下の（２）または（３）式が満たされることが好ましい。

ｂ≦ａ≦１．０５ｂ ・・・（２）
ａ≦ｂ≦１．０５ａ ・・・（３）

続いて、第１コート１２および第２コート１３のそれぞれにおいて、各低屈折率膜および各高屈折率膜の光学膜厚および物理膜厚の設計手順を説明する。

まず、第１コート１２および第２コート１３の各々について、光学フィルタ１０が所望の透過特性が得られるように光学膜厚での設計が行われる。ここで光学膜厚は屈折率と物理膜厚との積である。当該光学膜厚の設計には公知のアルゴリズムが使用可能である。

しかし、当該光学膜厚の設計だけでは物理膜厚が（１）式を満足しないため、第２コート１３に関して光学フィルタ１０の透過特性を考慮した上で物理膜厚を調整し、光学フィルタ１０の物理膜厚が（１）式を満足するようにする。例えば、第２コート１３における高屈折率膜と低屈折率膜の積層回数を増減させることで、設計された透過特性に影響を及ぼすことなく物理膜厚を調整することが可能となる。

このような設計方法で光学フィルタ１０の物理膜厚が（１）式を満足しない場合は、第１コート１２または／および第２コート１３において、樹脂基板の上層に低屈折率材料からなる調整層を設けて、光学フィルタ１０の物理膜厚が（１）式を満足するように調整する。ここで前記調整層は物理膜厚を合わせるためのものであり、光学フィルタ１０の透過特性には何ら影響を及ぼさないものとなっている。

今回開示した実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

１０ 光学フィルタ
１１ 樹脂基板
１２ 第１コート
１３ 第２コート

Claims (4)

1. 樹脂基板と該樹脂基板の両面にコーティングされる誘電体多層膜とを有する光学フィルタであって、
   前記誘電体多層膜は、前記樹脂基板の一方の面にコーティングされた第１コートと、他方の面にコーティングされた第２コートとを含み、
   前記第１コートおよび前記第２コートは、高屈折率材料からなる高屈折率膜と低屈折率材料からなる低屈折率膜とを交互に積層してなり、
   前記第１コートおよび前記第２コートにおける高屈折率膜および低屈折率膜の物理膜厚が、
   ０．５×ｒ（ａ−ｂ）＜（β−α）＜１．５×ｒ（ａ−ｂ）
   の式を満たすことを特徴とする光学フィルタ。
   ａ：第１コートにおける低屈折率膜の物理膜厚合計
   ｂ：第２コートにおける低屈折率膜の物理膜厚合計
   α：第１コートにおける高屈折率膜の物理膜厚合計
   β：第２コートにおける高屈折率膜の物理膜厚合計
   ｒ：物理膜厚が同じ場合の低屈折率膜の内部応力と高屈折率膜の内部応力との比
2. 樹脂基板と該樹脂基板の両面にコーティングされる誘電体多層膜とを有する光学フィルタであって、
   前記誘電体多層膜は、前記樹脂基板の一方の面にコーティングされた第１コートと、他方の面にコーティングされた第２コートとを含み、
   前記第１コートおよび前記第２コートは、高屈折率材料からなる高屈折率膜と低屈折率材料からなる低屈折率膜とを交互に積層してなり、
   前記第１コートおよび前記第２コートにおける高屈折率膜および低屈折率膜の物理膜厚が、
   ２（ａ−ｂ）＜（β−α）＜６（ａ−ｂ）
   の式を満たすことを特徴とする光学フィルタ。
   ａ：第１コートにおける低屈折率膜の物理膜厚合計
   ｂ：第２コートにおける低屈折率膜の物理膜厚合計
   α：第１コートにおける高屈折率膜の物理膜厚合計
   β：第２コートにおける高屈折率膜の物理膜厚合計
3. 請求項１または２に記載の光学フィルタであって、
   前記第１コートおよび前記第２コートにおける低屈折率膜の物理膜厚が、
   ｂ≦ａ≦１．０５ｂ、または、ａ≦ｂ≦１．０５ａ
   の式を満たすことを特徴とする光学フィルタ。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の光学フィルタであって、
   前記高屈折率材料がＴｉＯ₂からなり、前記低屈折率材料がＳｉＯ₂からなることを特徴とする光学フィルタ。

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