CN100470269C

CN100470269C - Nd滤光片和孔径光圈设备

Info

Publication number: CN100470269C
Application number: CNB2005100688972A
Authority: CN
Inventors: 国井弘毅; 迎和俊
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp; Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: US20050254155A1; JP2005326687A; DE102005022812A1; KR20060047909A; KR101111705B1; JP4481720B2; US7230779B2; CN1696813A

Abstract

一种ND滤光片是由具有平面的透明基片所制成。光学薄膜形成在透明基片的平面上。光学薄膜具有一种包括光吸收薄膜和介质薄膜的层叠结构，并且具有可变的传输密度。层叠结构中的光吸收薄膜或介质薄膜中的任一种薄膜厚度可以透明基片的共面方向变化，使得光学薄膜层叠的传输密度可加以控制，以便于在共面方向上变化。光吸收薄膜所包括的材料选自Ti、Cr、Ni、NiCr、NiFe、NiTi、及其混合物，而介质薄膜可以由SiO₂、Al₃O₂或及其化合物所制成。

Description

ND滤光片和孔径光圈设备

发明背景

[发明的技术领域]

本发明涉及一种ND滤光片以及一种孔径光圈设备。ND(中性密度)滤光片常用于光量的光圈中，适用于均匀地衰减在整个可见波长范围内所传输的光量。本发明尤其涉及一种密度可变的ND滤光片，在该ND滤光片中可以连续变化传输的密度。

[背景技术]

在常规的摄影系统中，当物体的亮度过高时，即使将光圈调节到最小的直径(即，孔径直径调节到最小)，但大于预定量的额外的光量仍有可能通过光圈进入到感光面上。因此，实际上，将一个ND滤光片安装在图像拾取系统上，以控制进入到感光面上的光量。在这种情况下，ND滤光片的光谱特性可以设计得平坦些，以便于简单地减少入射的光量，从而可以提供整个可见波长范围内的均匀传输作为ND滤光片的基本光学性能。

一种具有均匀传输密度的ND滤光片已经用作为摄像机的光量光圈。近来，正采用在所划分的区域中可以逐步变化传输密度的ND滤光片作为先进滤光片使用。此外，对于需要连续摄影的视频光学系统来说，就需要传输密度可以连续可变的密度可变ND滤光片，因为与单一密度ND滤光片或者多个密度ND滤光片相比较，通过使用密度可变ND滤光片能够在宽的亮度范围内获得高的精度。密度可变ND滤光片在下列专利文件中进行了披露。

[专利文件1]JP-A-Hei 6-95208

[专利文件2]JP-A-Hei 10-96971

[专利文件3]JP-A-Hei 2-4722

[专利文件4]JP-A-2003-43211

根据专利文件1，制备ND滤光片的母版，当ND滤光片安装在孔径光圈设备的孔径叶片上时，它所具有的反射密度分布与提供传输光的滤光函数的ND滤光片的传输密度分布具有预定的关系。该母版可以通过使用具有通过片基的等于或者大于80％的传输率以及具有晕光防止层的片的摄像机来摄影。随后，该片进行显影并且用作为ND滤光片。根据专利文件2，采用设置在孔径光圈设备的孔径叶片上的ND滤光片的制造方法，以高能量的光线来辐射包含有机染料的塑料薄膜，同时部分改变辐射的光量，从而制备出具有可变密度分布的ND滤光片。根据专利文件3，ND滤光片采用金属材料作为吸收薄膜，并且传输光的光量可以从形成反射防止薄膜处为中心径向连续变化。在这种ND滤光片中，吸收薄膜可以分成为多个薄层，并且所分成的吸收层可以插入在反射防止薄膜的边缘。

根据专利文件1，ND滤光片的密度变化是通过区分出银颗粒的精确数量来提供的。然而，由于银颗粒所引起的光散射使得精度劣化，并且这类ND滤光片的使用难以适用于已经提高精度的最新图像拾取系统。对于专利文件2，有机染料的颜色衰退，特别是，在高温度和高湿度环境中的传输特性的变化是十分严重的缺陷。根据专利文件3，密度的变化是通过在反射防止薄膜之间局部插入具有不同厚度的金属薄膜来实现的。然而，根据这一方法，难以获得在整个可见光波长范围内的均匀传输特性，因此就难以将这类ND滤光片应用于图像拾取系统。

发明内容

在考虑以上所讨论的常规技术的各种问题时，本发明的一个目的是提供一种密度可变的ND滤光片，该ND滤光片能消除光散射，并且对环境的变化具有高的抵御能力，以及适用于整个可见光波长范围的中性传输特性。为了获得这一目的，提供了下列方式。特别是，本发明提供了一种ND滤光片，其特征包括：具有平面的透明基片；和在透明基片平面上形成光学薄膜层叠，所具有的层叠结构包括光吸收薄膜和介质薄膜，以及具有可变的传输密度，其中，层叠结构中的光吸收薄膜或介质薄膜中的任一薄膜的厚度在基片的共面方向上是可变的，并且根据这一变化，光学薄膜层叠的传输密度是可以控制的，以便于在共面方向上变化。

较佳的是，在层叠结构中所包括的光吸收薄膜或介质薄膜中的任一薄膜的厚度都是可以在基片的共面方向上连续变化或逐渐变化的，并且根据这一变化，调节光学薄膜的传输密度使之在共面方向上可连续变化。此外，光吸收薄膜所包括的材料选自Ti、Cr、Ni、NiCr、NiFe、NiTi、及其混合物，而介质薄膜可00以由SiO₂、Al₃O₂或及其化合物所制成。介质薄膜和光吸收薄膜可以预定的厚度和预定的次序层叠起来，以提供反射防止功能。此外，可通过使用金属材料的光吸收薄膜的蒸发沉积来获得光学薄膜的层叠，以及光吸收薄膜包含金属材料的氧化物，这是在光吸收薄膜的蒸发沉积的过程中引入包含氧的混合气体时所产生的，且真空度恒定保持在1×10^-3Pa至1×10^-2Pa。在这种情况下，在光吸收薄膜和介质薄膜层叠之后，光学薄膜的层叠可以在所含有的氧等于或大于10％的氧气气氛下经受老化处理，并且光学特性的变化可以饱和或稳定。于是，将所排列的ND滤光片粘结在孔径光圈设备的光圈叶片上。

根据本发明，ND滤光片基本上具有形成在透明基片上的光吸收薄膜和介质薄膜的层叠结构。该层叠结构不会引起光的散射，并且对环境影响具有高的抵御能力以及在整个可见光波长范围内的中性特性。由于层叠结构的光吸收薄膜和介质薄膜的厚度在基片的共面方向上是可变的，因此在基片的共面方向上的传输密度也是可变的，同时保持耐久和中性的特性。因此，就获得了一种密度可变的ND滤光片，它不会引起光的散射，并且对环境影响具有高的抵御能力以及在整个可见光波长范围内的中性特性。

附图简要说明

图1(A)和1(B)是根据本发明的密度可变ND滤光片结构的侧面示意图和剖面图。

图2图形显示了根据本发明的密度可变ND滤光片的传输密度特性。

图3是显示适用于制备根据本发明的密度可变ND滤光片所采用的真空蒸发设备的方框示意图。

图4是显示适用于根据本发明的密度可变ND滤光片的薄膜沉积条件的图表。

图5是显示适用于采用根据本发明的密度可变ND滤光片的摄像机的孔径光圈设备的方框示意图。

图6图形显示了在光学薄膜层叠中所包括的光吸收薄膜的光学特性。

图7图形显示了光学薄膜层叠的光学特性。

图8图形显示了光学薄膜层叠的光学特性。

图9图形显示了光学薄膜层叠的光学特性。

发明的具体描述

现在参考附图详细讨论本发明实施例。图1是根据本发明的密度可变ND滤光片结构的侧面示意图(A)和剖面图(B)。正如图1(A)所示，ND滤光片包括具有平面的透明基片1和在基片1上所形成的光学薄膜层叠2。光学薄膜所具有的层叠结构包括光吸收薄膜22、24和26和介质薄膜21、23、25和27所构成的层。在控制光吸收薄膜和透明介质薄膜的厚度时，可获得局部调节的传输密度。作为其特征，光吸收薄膜22、24和26和介质薄膜21、23、25和27中至少一种薄膜的厚度可以在基片1的共面方向变化，并且根据这种变化，可调节光学薄膜层叠2的传输密度，使之在共面方向上变化。在图1所示的实施例中，构成ND滤光片的所有七层的厚度都可以相同的比例进行变化。然而，应该注意的是，本发明并不限制于该实施例。并不需要厚度以相同的比例变化，或者并不需要所有薄膜的厚度都变化。此外，层叠结构中的层的总数可以根据光学指标任意确定。

在该实施例中，层叠的光吸收薄膜22、24和26和介质薄膜21、23、25和27的厚度可以基片1的共面方向连续变化(从附图的左边向右边)连续变化，且根据这一变化，光学薄膜2的传输密度可以调节，使之从附图的左边向右边连续增加。为了使得薄膜厚度可以基片的共面方向连续变化或者逐渐变化，在诸如蒸发沉积工艺的薄膜沉积工艺中，可以采用使用掩模3的掩蔽效应。例如，当要沉积第一介质薄膜21时，掩模3可以箭头所指的方向以恒定速度从左往右移动，同时以恒定蒸发速度进行薄膜沉积。其结果是，可以获得左边薄右边厚的介质薄膜21。这一工艺可以重复适用于所有薄膜，并获得如图1(A)所示的倾斜或锥形的结构。应该注意的是，掩模3的恒定移动可以使用电机来进行。

图1(B)显示了图1(A)所示的ND滤光片沿着B—B线所截取的剖面结构。也就是说，该剖面结构适用于图1(A)所示的ND滤光片的最厚部分，其传输密度D为1.4。正如附图所示，透明基片1可由0.1mm厚的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)制成。然而，应该注意的是，本发明并不限制于这一材料，而是也可以采用其它聚酯薄膜或聚碳酸酯(PC)薄膜来取代PET。诸如PET之类的聚酯薄膜或者聚碳酸酯薄膜可较佳地用于孔径光圈；然而，只要该应用没有特别的限制，根据需要，根据透明基片所使用的波长范围，也可以使用透明玻璃或塑料。沉积在透明基片1上的第一介质薄膜21是由SiO₂所制成的，并且其物理厚度为44nm。形成在介质薄膜21上的光吸收薄膜22是由金属Ti和氧化物Ti_xO_y所制成的，且物理厚度为55nm。沉积在光吸收薄膜22上的介质薄膜23是由Al₂O₃所制成的，其物理厚度为26nm。沉积在介质薄膜23上的光吸收薄膜24也是由金属Ti和氧化物Ti_xO_y所制成的，且物理厚度为80nm。介质薄膜25，沉积在光吸收薄膜24上的第五层，是由Al₂O₃所制成的，且物理厚度为26nm。沉积在介质薄膜25上的光吸收薄膜26也是由金属Ti和氧化物Ti_xO_y所制成的，且物理厚度为28nm。介质薄膜27，最后第七层，是由SiO₂所制成的，且其物理厚度为78nm。然而，应该注意的是，所披露的层叠结构只是一个实例，并不限制本发明的范围。一般来说，对于光学薄膜，透明的陶瓷材料也可以作为相对于所要使用波长的介质薄膜。在层叠具有呈现出光干涉效应厚度(大约是波长的几倍)的介质薄膜时，就可以任意调节入射光的光学特性(反射的光量、传输的光量、偏振光和相位)。在该实施例中，通过使用图1(B)所示的层结构，就为光学薄膜2提供了反射防止功能。光吸收薄膜具有真正吸收在所使用的波长范围内的光的功能，并且通常在可见光波长范围内可以使用金属。根据本发明，将金属氧化物引入到金属材料中，可以明显改善光学特性和物理特性。代替Ti，可以选自其它金属Cr、Ni、NiCr、NiFe、NiTi及其它们的混合物作为光吸收薄膜的金属材料。

图2图形显示了图1所示的密度可变ND滤光片的传输密度特性。垂直坐标表示传输密度(D)，而水平坐标表示波长(nm)。在该图中，采用光学薄膜2的厚度作为参数，并指定总数为八层。光学薄膜层叠的最厚部分(如图1(B)所示)可以定义成厚度比率为1.0，并随后指定厚度比率为0.86、0.71、0.57、0.43、0.29、0.14和0.00。正如图所清晰表示的那样，厚度比率为1.0的部分具有密度D＝1.4，此后，传输密度(D)基本与厚度成比例减小。此外，对于所有厚度来说，传输密度特性在可见光波长范围内几乎是平坦的。对于本发明的ND滤光片，所传输的光量在整个可见光波长范围内可以均匀衰减。

图3是显示适用于制备根据本发明的如图1所示的密度可变ND滤光片所采用的真空蒸发设备的方框示意图。除了真空蒸发方法之外，适用于形成良好薄膜的方法，例如，离子镀方法、离子辅助方法或溅射方法，也都可以用作为制造ND滤光片的薄膜沉积方法。正如图3所示，该蒸发沉积设备主要是由真空腔室11，以及附加在真空腔室11上的薄膜厚度监测仪12和薄膜厚度控制器13所构成。基片支架14用于安全地支撑着所要处理的基片，基片15用于测量薄膜的厚度，以及蒸发源16设置在腔室11的内部。尽管没有显示，图1所示的厚度控制掩模放置在蒸发源16和基片支架14之间。薄膜厚度监测仪12包括光源、光谱仪和光子接受器。由光谱仪所发射的光进入到厚度测量基片15，由厚度测量基片15所反射的光传输到光子接收器，并且其输出传输到薄膜厚度控制器13。采用这一方式，由于可以实时检测薄膜的厚度，所以可以在基片上沉积具有所需厚度的光吸收薄膜和介质薄膜。同时，以上所述的掩模可以与薄膜厚度的实时检测同步移动，从而可以沉积出厚度在基片共面方向上单调变化的光吸收薄膜和介质薄膜。

真空规17、真空规控制器18、气体引入单元19以及排气单元20与腔室11相连接。在该实施例中，可以采用APC系统来保持腔室11内部具有恒定的真空度。特别是，通过真空规17和真空控制器18所进行反馈来控制气体引入单元19，并调节引入到腔室11的混合气体的量。然而，应该注意的是，本发明并不限制于该系统，采用针阀来维持引入气体的恒定量的系统也可以使用。

图4是显示采用图3所示的真空蒸发设备进行图1所示光学薄膜制备时的薄膜沉积条件的图表。正如图4所示，基片温度为100℃，并且将腔室11内部所达到的真空度设置为1×10^-3Pa。为了沉积光吸收薄膜22、24和26，可以采用Ti作为源材料，并且将蒸发速率设置为1nm/sec。此外，在该实施例中，采用氮气和氧气以4:1比例混合的气体作为混合气体引入，用于Ti的蒸发。然而，应该注意的是，本发明并不限制于该气体，并且一般来说，可以使用含氧比例为50％或者小于50％的混合气体。此外，引入含氧的混合气体时的真空度可设置为4×10^-3Pa。然而，应该注意的是，本发明并不限制与此。通常，当真空度保持在1×10^-3Pa至1×10^-2Pa之间时，可以沉积具有较佳光学特性和物理特性并且可由金属和金属氧化物所制成的光吸收薄膜。对于介质薄膜21和27的沉积，可以采用SiO₂作为蒸发源，并且蒸发速率设置为1nm/sec。对于SiO₂的蒸发并不需要特别引入反应气体。对于介质薄膜23和25，可以采用Al₂O₃作为蒸发源，并且蒸发速率设置为1nm/sec。同样，在这种情况下，并不采用反应气体。正如以上所讨论的，当采用诸如Ti之类的金属材料时，并且在薄膜沉积过程中所引入混合气体中的氧分压可以调节时，可以采用金属薄膜或者金属薄膜和氧化薄膜的混合物来获得与所需特性相一致的光吸收薄膜。为了稳定在光吸收薄膜中所包含的不稳定元素，在薄膜沉积之后进行加热处理。例如，在层叠光吸收薄膜和介质薄膜之后，可以在含氧量10％或者大于10％的氧气气氛中加热这些薄膜，通过热老化处理可以使得光学特性的变化饱和。

图5是显示将本发明的密度可变ND滤光片安装于适用于摄像机的孔径光圈设备的光圈叶片的一个实例的示意图。图5显示了光圈的叶片100，并且标号0表示根据本发明的密度可变ND滤光片。正如图5所示，密度可变ND滤光片0的传输是从光圈孔径的中心向外连续减小的。也就是说，密度可变ND滤光片0的传输是与偏离图像拾取光学系统的光轴距离成比例连续和线性减小的。

孔径光圈可用于控制进入银卤化物胶片或者诸如CCD之类的固态图像拾取器件的光量，并且当视场明亮时可以减小光量。因此，在良好天气或者在被摄像物体具有高的亮度时可以减小光圈，并且光圈的获取现象或者光衍射会产生不利的影响，从而发生图像性能的劣化。作为对策，ND滤光片可以安装在光圈的叶片上，以增加光圈的孔径，即使视场的亮度相对较高时。最近，随着图像拾取器件的灵敏度的提高，也增加了ND滤光片的密度，并且更多地减小光的传输，从而增加光圈的孔径，即使具有相同的视场亮度时。然而，作为一个问题，当增加ND滤光片的密度时，在通过滤光片的光量和不通过滤光片的光量之间的差别就会增加，并且精度就会降低。为了解决这一问题，可以采用图5所示的密度可变ND滤光片，也就是说，对于ND滤光片的密度来说，当采用ND滤光片的传输是向光轴中心连续和线性增加的结构时，可以防止精度的下降。

在该实施例中，采用交替层叠光吸收薄膜和介质薄膜的层叠结构作为构成ND滤光片的光学薄膜层叠。特别是，对于光吸收薄膜来说，通过采用包括金属材料及其金属氧化物的成分，来确保密度可变ND滤光片的可靠性和耐久性，以延长使用寿命的周期。现解释这点供参考，并且专利文件4中讨论了其细节。首先，图6图形显示了在图4所示条件下沉积的光吸收薄膜的光学特性。水平轴表示波长，而垂直轴表示衍射率和吸收系数，正如该图所清晰显示的那样，在可见光波长范围内的趋势是，由Ti和Ti_xO_y混合物制成的光吸收薄膜的吸收系数随着波长变长而增加。

图7图形显示了在图4所示的薄膜沉积条件下所制备的具有五层光学薄膜的光学特性。水平轴表示在可见光波长范围内的波长，左边的垂直轴表示指示反射和传输大小的光量(％)，而右边的垂直轴表示传输密度。在图7中，显示了在设计阶段所获得的仿真结果，而不是实际制备的光学薄膜的特性。理想的是，传输在整个可见光波长范围内最终呈现出平坦。在设计阶段中，在考虑后期所进行的加热处理的影响的同时，从短波长一侧往长波长一侧逐渐增加传输。这是因为，作为光学薄膜的特性，可以预测存在着这样一种趋势：在进行加热处理之后，会增加向可见光范围内的短波长一侧的传输。

图8图形显示了在图4所示的薄膜沉积条件下所实际制备的光学薄膜的初始特性。为了便于理解这一特性，如同图7所示，可以测量反射、透射和传输密度。正如该图所清晰显示的那样，可以获得与设计基本相同的光学特性，并且从短波长一侧往长波长一侧逐渐增加透射。

加热处理之后所获得的光学特性如图9所示。为了便于理解这一特性，如同图7和图8所示，可以测量透射、反射和传输密度。正如该图所示，在加热处理之后可以获得的光学薄膜是所传输的光在整个可见光波长范围内均匀减小，没有任何波长的衰减，以及抑止了表面上的反射。正如以上所讨论的，在初始阶段，透射被预先设定为从短波长一侧往长波长一侧逐渐增加，然而，在完成加热处理之后，光学特性的变化就得到了补偿。通过优化适用于沉积介质薄膜和光吸收薄膜的次序以及构成层叠结构的这些薄膜的厚度，可以任意获得以上所讨论的设计。当进行加热处理时，产生从长波长一侧往短波长一侧增加透射的趋势。于是，就抵消了初始的偏差，并因此可以在可见光波长范围内获得极其平坦的传输特性。

Claims

1.一种ND滤光片，其特征在于，包括：

具有平面的透明基片；和，

在透明基片平面上形成的光学薄膜，具有层叠结构的光学薄膜包括光吸收薄膜层和介质薄膜层，并且具有可变的传输密度；

其中，层叠结构中的光吸收薄膜或介质薄膜中的至少一层的厚度在透明基片的共面方向上改变，使得光学薄膜层叠的传输密度是可以控制的，以便于在共面方向上变化，且

层叠结构中顶层的厚度在透明基片的共面方向上改变，光学薄膜在450-750nm的光波长范围内反射的光量小于5％。

2.根据权利要求1所述的ND滤光片，其特征在于，所述在层叠结构中所包括的光吸收薄膜或介质薄膜中的任一薄膜厚度都是可以在透明基片的共面方向上连续变化的，使得所述光学薄膜的传输密度是可以控制的，以便于在共面方向上可连续变化。

3.根据权利要求1所述的ND滤光片，其特征在于，所述光吸收薄膜包括选自Ti、Cr、Ni、NiCr、NiFe、NiTi及其混合物的材料，而介质薄膜可以由SiO₂、Al₃O₂或及其化合物所制成。

4.根据权利要求1所述的ND滤光片，其特征在于，所述介质薄膜和光吸收薄膜可以预定的厚度和预定的次序依次层叠起来，以防止光反射入射到所述透明基片平面上。

5.根据权利要求1所述的ND滤光片，其特征在于，所述光吸收薄膜是采用金属材料的蒸发沉积来获得的，并包含金属材料的氧化物，该金属材料的氧化物是在光吸收薄膜的蒸发沉积过程中引入包含氧的混合气体所产生的，以及在蒸发沉积过程中真空度恒定保持在1×10^-3Pa至1×10^-2Pa量级。

6.根据权利要求5所述的ND滤光片，其特征在于，所述光学薄膜可以在所含有的氧等于或大于10％的气体气氛下经受热老化处理，使所述光学薄膜的光学特性得以饱和。

7.一种孔径光圈设备具有附着根据权利要求1、2、3、4、5、或6所述的ND滤光片的光圈叶片。