CN101114107B - 成像设备 - Google Patents
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Abstract
一种成像装置，具有在从镜头到成像设备的光路中的光学构件，该光学构件包括从所述镜头一侧依次如下排列的防水或防水/油膜、第一抗反射膜、红外截止玻璃、低通滤光片和红外截止膜。
Description
技术领域
本发明涉及成像装置，该成像装置包括在光路上具有防水或防水/油膜的光学部件。
背景技术
将光学图像转换成电学信号的成像装置，例如数码相机，和图像输入设备例如传真机、扫描仪等，最近被广泛地应用。包括诸如电荷耦合器件(CCD)等成像装置的电子成像设备具有更广泛的应用，存在于光路中成像设备的受光面的例如灰尘等外来物造成的问题变得严重，因为它可能出现在最终图像中。
例如，对具有可替换拍摄镜头的单镜头数码单反相机，在分离拍摄镜头时灰尘等会进入反光镜箱。而且，由于在反光镜箱里操作用于控制反光镜运动和关闭光圈快门的机械装置，在反光镜箱中也容易产生灰尘。对于例如传真机、扫描仪等图像输入设备，在原稿进入或其在原稿读取单元上移动时，容易产生例如灰尘等外来物，导致外来物附着在CCD的受光面或放置原稿的稿台玻璃上等。附着在成像设备表面的外来物等通常被气流等吹走。然而吹走的外来物会残留在成像装置内。
数码相机在成像设备附近具有控制空间频率特性的光学滤光片，并且双折射石英片通常用作光学滤光片。然而，由于石英具有压电特性，容易因振动等而充电，并且产生的电荷不容易消失。因此当外来物因通过操作相机引起的振动、气流等漂浮在相机中时，它容易附着在有电荷的光学滤光片上。附着的外来物应当通过吹向光学滤光片的气流、擦拭、或振动光学滤光片来去除。然而，机械除尘价格昂贵，使设备更重，并消耗更多电能。
JP2006-163275揭示了一种由石英的光学低通滤光片和红外截止滤光片构成的光学部件，其表面具有防止外来物附着在表面的膜。当该光学构件放置在成像装置的光路中时，光穿过阻挡外来物的膜、红外截止滤光片、光学低通滤光片，并进入成像设备。由于光学构件表面具有阻挡外来物的膜，可以认为外来物更不容易出现在最终图像中。然而，还是会有一些外来物出现在图像中。通过详细研究的结果，发现它主要是光学低通滤光片上的刮痕造成的。随着对清晰图像的要求的增长，越来越需要不会在图像上产生不利影响的成像装置。
发明内容
因此，本发明的目的是提供包括防止外来物附着的光学构件的成像装置。
考虑上述目标，作为详细研究的结果，发明者发现，在包括光学构件的成像装置中，该光学构件在从镜头到成像设备的光路中包括抗反射膜、红外截止玻璃(infrared-cutting glass)和低通滤光片，至少在抗反射膜的镜头一侧表面上形成的防水或防水/油膜使光学构件防止附着外来物。根据这个发现完成本发明。
这样，本发明的成像装置包括从镜头到成像设备的光路中的光学构件，上述光学构件包括防水或防水/油膜、抗反射膜、红外截止玻璃、低通滤光片，从上述镜头一侧按所提到的顺序依次排列。
上述光学构件在上述低通滤光片的表面上可具有另一抗反射膜。在成像设备一侧的上述低通滤光片表面可提供有红外截止膜。
优选地，上述光学构件在上述成像设备一侧的表面上进一步包括防水或防水/油膜。
上述防水或防水/油膜优选地含有氟。上述防水或防水/油膜的优选厚度为0.4到100nm。并且接触上述防水或防水/油膜的上述抗反射膜的最外层优选的由二氧化硅制成。
在本发明的一个实施例中，上述光学构件包括位于上述防水或防水/油膜和上述红外截止玻璃之间的由导体或半导体金属氧化物构成的低表面电阻率膜(low-surface-resistivity coating)。在本发明的另一个实施例中，上述光学构件包括位于上述防水或防水/油膜和上述红外截止玻璃之间的由导体或半导体金属氧化物构成的第一低表面电阻率膜，以及位于上述低通滤光片和光学构件的成像设备一侧表面之间的由导体或半导体金属氧化物构成的第二低表面电阻率膜。无论如何，具有低表面电阻率膜的表面的表面电阻率(surface resistivity)优选地为1x104到1x1013Ω/square之间。
上述金属氧化物优选的是由氧化锑(antimony oxide)、氧化铟锡(indium tin oxide)和氧化锑锡(antimony tin oxide)构成的组中的至少一个。
附图说明
图1是显示本发明的第一成像设备的一个示例的截面图。
图2是显示使用在本发明的成像设备上的光学构件的一个示例的截面图。
图3是显示使用在本发明的成像设备上的光学构件的另一个示例的截面图。
图4是显示使用在本发明的成像设备上的光学构件的再一个示例的截面图。
具体实施方式
图1示意性的显示了本发明的成像装置的一个示例。图1所示的成像设备包括从光线入射一侧依次排列的镜片3a、3b、…3n组成的镜头单元3，还包括透光光学构件4和成像设备5，它们在相机体2的光路20中按此顺序排列。光从镜头单元3一侧入射，穿过光学构件4进入成像装置5。
如图2所示，光学构件4包括胶合在一起的红外截止玻璃41和低通滤光片42，红外截止玻璃41具有第一抗反射膜43和防水或防水/油膜44(除非特别指出，此后简称为防水防油膜)，按提到的顺序形成于外表面上，还包括具有在外表面形成的第二抗反射膜45的低通滤光片42。在红外截止玻璃43和低通滤光片44之间有胶合层46。如图1所示，光学构件4的放置使红外截止玻璃41位于镜头单元3一侧，而低通滤光片42位于成像装置5一侧。这样，光学构件4包括防水防油膜44、第一抗反射膜43、红外截止玻璃41、胶合层46、低通滤光片42和第二抗反射膜45，从镜头单元3一侧按提到的顺序排列(图2)。
红外截止玻璃41可以是普通的，优选的是红外吸收玻璃(IR玻璃)。它同样可以是氧化钛层和二氧化硅层交替形成的薄膜。当红外截止玻璃41是薄膜时，它直接形成于低通滤光片42上，则不需要胶合层46。
低通滤光片42可以是具有厚度形成低通滤光片功能的双折射片。低通滤光片42优选的材料是石英、铌酸锂等。低通滤光片42可以是衍射晶格(diffraction-lattice)类型的光学低通滤光片。
第一抗反射膜43和第二抗反射膜45可以由相同或不同的材料制成，这并没有严格限制。抗反射膜43、45的材料的详细举例包括氧化硅、氧化钛、氟化镁、氮化硅、氧化铈、氧化铝、五氧化钽和氧化锆。每一个抗反射膜43、45都可以是单层膜或多层膜。然而，抗反射膜中接触防水防油膜44的一层优选的用二氧化硅制成。这样，当抗反射膜43是单层膜时，第一抗反射膜43优选的用二氧化硅制成，当其为多层膜时，最外层优选的由二氧化硅制成。二氧化硅层紧密的粘合到含氟的防水防油膜44。
防水防油膜44的材料没有限制，只要是无色、高度透明的就行。这样的材料包括含氟的有机化合物和含氟的有机无机混合聚合物。
含氟有机化合物包括氟树脂和氟化树脂(fluorinated pitch)(例如，CFn，其中n为1.1到1.6)。氟树脂的示例包括含氟烯烃化合物的聚合物和含氟烯烃化合物的共聚合物和共聚合单体。这样的(共)聚合物的示例包括聚四氟乙烯(PTFE)、四乙烯六氟丙烯共聚物(PFEP)、乙烯-全氟乙烯共聚物(PETFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯-氯三氟乙烯共聚物(PECTFE)、四氟乙烯-六氟丙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PEPE)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚偏二乙烯氟化物(PVDF)、和聚乙烯基氟化物(PVF)。可用作氟树脂的有商业可用的含氟合成物，可以是JSR公司的Opstar和Asahi玻璃有限公司的CYTOP。
含氟有机无机混合聚合物包括具有炭氟化合物基的有机硅聚合物，其可以通过含有炭氟化合物基的含氟硅烷的水解得到的。含氟硅烷可以用如下分子式(1)表达：
CF3(CF2)a(CH2)2SiRbXc…(1)，
其中R为烷基，X是烷氧基或卤素原子，a是0至7的整数，b是0至2的整数，c是1至3的整数，并满足b+c＝3。分子式(1)表示的硅烷的详细的示例包括CF3(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CH2)2SiCl3、CF3(CF2)5(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)5(CH2)2SiCl3、CF3(CF2)7(CH2)2Si(OCH3)3、CF3(CF2)7(CH2)2SiCl3、CF3(CF2)7(CH2)3SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)7(CH2)2SiCH3Cl2，等等。可以得到的商用的有机硅聚合体包括Sumitomo 3M有限公司的NovecEGC-1720和GE Toshiba Silicones公司的XC98-B2472。
防水防油膜44的优选厚度为0.4至100nm，更优选的是10至80nm。当防水防油膜比0.4nm薄时，对水的抵抗性和对油的抵抗性不够。当防水防油膜比100nm厚时，透明度和导电性太低以致于改变了抗反射膜的光学特性。防水防油膜的优选的折射率优选为1.5或更低，更优选的是1.45或更低。虽然防水、防油膜可以通过气相沉积制造，但优选的是用诸如溶胶—凝胶方法等湿法制造。
胶合层46可以使用通常的胶，包括热固化树脂胶、紫外固化树脂胶和室温固化胶，优选紫外固化树脂胶。下面说明，当光学部件4具有紫外截止功能时，紫外固化树脂胶层应当在紫外截止滤光片等被切片(laminate)之前固化。
由于图3所示的示例除第一防水防油膜44和第二防水防油膜47形成在两个最外层以外，其它与图1和2所示相同，所以下面仅解释不同之处。第二防水防油膜47的材料和厚度可以与第一防水防油膜44的相同或者不同，虽然优选相同。在图3所示的示例中，由于第二抗反射膜45接触第二防水防油膜47，从胶合的方面来讲，第二抗反射膜45优选地具有二氧化硅构成的最外层。
图4显示了本发明中的成像装置中使用的光学构件的另一个示例。由于光学构件4除了从镜头单元3一侧依次包括防水防油膜44、抗反射膜43、红外截止玻璃41、胶合层46、低通滤光片42、红外截止膜48以外，其它与图1和2相同，下面仅解释不同的地方。
红外截止膜48优选的是氧化钛层和二氧化硅层交替形成的薄膜。具备这样的薄膜结构，在可见光波段，红外截止膜48同样可以作为抗反射膜。防水防油膜(未显示)同样可以形成于红外截止膜48上。
光学构件4可具备紫外截止功能。为了给光学构件4提供紫外截止功能，可以加上紫外截止滤光片，或者防水防油膜44和47可以含有紫外截止材料。除非影响光学构件4的透明度和透光性，否则可以使用通常的紫外截止滤光片。例如可以是具有通常玻璃成分并加入CeO2、FeO、TiO2等的紫外截止玻璃，或包括Ti、Ce等的紫外吸收涂料，或紫外吸收材料的溅射或气相沉积薄膜。
上述光学构件优选的包括导体或半导体金属氧化物制成的低表面电阻率膜，(a)在上述防水防油膜和上述红外截止玻璃之间，或者(b)在上述防水防油膜和上述红外截止玻璃之间，以及在上述低通滤光片和成像设备一侧表面之间。导体或半导体金属氧化物没有限制，只要是透明的导体氧化物即可，但其优选的是包括氧化锑(Sb2O5)、氧化铟锡(ITO)和氧化锑锡(ATO)的组中的至少一种。
虽然低表面电阻率膜的厚度根据所使用的金属氧化物的种类变化，但优选的是1至5000nm，更优选的是10至3000nm。当低表面电阻率膜厚度小于1nm时，就不能完全实现电荷预防功能。在另一方面，当厚度大于5000nm时，低表面电阻率膜的厚度不均匀，并且低表面电阻率膜的透明度低。
低表面电阻率膜的表面电阻率优选的是1x104到1x1013Ω/square之间。当低表面电阻率膜表面电阻率小于1x104Ω/square则透明度低。另一方面，当低表面电阻率膜表面电阻率大于1x1013Ω/square，低表面电阻率膜不能充分实现防静电功能以防止吸收灰尘。
低表面电阻率膜优选的是用诸如溶胶-凝胶方法等湿法制造。由于溶胶-凝胶方法在空气中形成低表面电阻率膜而无需采用真空过程，因此可以低成本制造镀膜。溶胶-凝胶方法可以通过浸涂法、喷涂法、旋涂法、棒涂(bar-coating)法、滚涂法等实施。当然低表面电阻率膜可以用物理沉积方法形成，例如溅射法、离子镀膜(ion-plating)法等，或者化学沉积方法。
优选的光学构件的层结构包括(a)防水防油膜、第一抗反射膜、红外截止玻璃、低通滤光片、和可选的第二抗反射膜，(b)防水防油膜、第一低表面电阻率膜、第一抗反射膜、红外截止玻璃、低通滤光片、第二抗反射膜、和可选的第二低表面电阻率膜，(c)防水、防油膜、抗反射膜、红外截止玻璃、低通滤光片、红外截止膜，(d)第一防水、防油膜、第一低表面电阻率膜、第一抗反射膜、红外截止玻璃、低通滤光片、第二抗反射膜、第二低表面电阻率膜、和第二防水、防油膜，等等。
光学构件4优选的受到振动机构的作用。可以使用通常的振动机构，例如超声波振动器、压电元件等。振动机构带来的振动特别减少了附着在光学构件4的外来物的量。
参考下述示例更详细的解释本发明，但解释没有额外限制本发明的目的。
示例1
(a)抗反射膜和红外截止膜的形成
使用Kyocera Kinseki公司的CD-5000作为基片，该基片具有通过热固定树脂胶合在一起的石英低通滤光片和IR玻璃的红外截止玻璃。通过气相沉积连续形成厚度为67nm的氟化镁层和厚度为17nm的二氧化硅层，以提供基片上红外截止滤光片一侧表面的抗反射膜。通过气相沉积交替形成八个五氧化二钽层和八个二氧化硅层，以提供基片上低通滤光片一侧表面上的红外截止膜。
(b)防水防油膜的形成
在通过步骤(a)得到的抗反射膜上气相沉积0.01μm的含氟防水制剂(Canon Optron公司的-OF110)。
示例2
(a)抗反射膜的形成
在与示例1相同的基片上，用气相沉积在两个表面上连续形成Ta2O5层(厚度：16nm)、MgF2层(厚度：32nm)、Ta2O5层(厚度：55nm)、MgF2层(厚度：15nm)、Ta2O5层(厚度：45nm)、MgF2层(厚度：76nm)、和SiO2层(厚度：17nm)。
(b)防水防油膜的形成
通过向步骤(a)得到的两个抗反射膜浸涂含氟表面处理制剂(Sumitomo 3M有限公司的Novec IGC-1720)，形成厚度为0.03μm、折射率1.34的防水防油膜。
(c)成像装置的制造
步骤(b)得到的光学构件置于相机体内的光路中，红外截止玻璃位于镜头一侧，低通滤光片位于成像装置一侧，这样形成本发明的成像装置。
示例3
50克γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷通过0.01-N盐酸水解，并与50g Sb2O5溶胶(Nissan Chemical Industries公司的AMT130)混合，且进一步与10克乙醇混合，以制备低表面电阻涂层溶液。使用KyoceraKinseki公司的CD-5000作为基片，该基片具有通过热固定树脂互相胶合的石英低通滤光片和IR玻璃的红外截止玻璃，将该基片浸入所述低表面电阻涂层溶液，以在基片两面涂上1μm厚的低表面电阻涂层溶液。加热到140℃维持1小时，以形成低表面电阻率膜。
通过气相沉积连续形成厚度为67nm的氟化镁层和厚度为17nm的二氧化硅层，以提供低表面电阻率膜上红外截止玻璃一侧的抗反射膜。通过气相沉积含氟防水制剂(Canon Optron公司的OF-110)，在抗反射膜上形成0.01μm厚的防水防油膜。通过气相沉积交替形成八个五氧化二钽层和八个二氧化硅层，以提供低表面电阻率膜上低通滤光片一侧的红外截止膜。
示例4
用和示例3中相同的方式制造光学构件，除了使用透明的包含氧化铟锡(ITO)作为低表面电阻率膜制剂的导电膜制剂。
示例5
通过气相沉积连续形成厚度为67nm的氟化镁层和厚度为17nm的二氧化硅层，以提供基片上红外截止玻璃一侧的抗反射膜，所述基片为Kyocera Kinseki公司的CD-5000，具有通过热固定树脂互相胶合的石英低通滤光片和IR玻璃的红外截止玻璃。通过气相沉积在抗反射膜上形成氧化铟锡(ITO)制成的低表面电阻率膜。在此低表面电阻率膜上气相沉积0.01μm厚的含氟防水制剂(Canon Optron公司的OF-110)。通过气相沉积交替形成八个五氧化二钽层和八个二氧化硅层，以提供基片上低通滤光片一侧的红外截止膜。
比较性示例1
通过气相沉积在与示例1相同的基片两面形成厚度为67nm的MgF2层。
评估1
光学构件在红外截止玻璃一侧的表面防尘效果评估如下：颗粒尺寸为5至75μm的硅沙和颗粒尺寸为15μm的丙烯酸树脂颗粒的混合物作为灰尘均匀应用在示例1至5的光学构件的红外截止滤光片一侧的表面以及比较性示例1的光学构件的红外截止滤光片一侧的表面，通过压电元件在每一个光学构件的光轴方向施加45000G的加速度振动。通过裸眼观测每一个光学构件的表面，发现示例1至5的光学构件的表面上没有灰尘残余，而比较性示例1的表面有灰尘残留。
评估2
考虑示例2中的成像装置备和成像装置(比较性示例2)，其中包括低通滤光片和红外截止玻璃的光学构件的布置使低通滤光片在镜头一侧，而红外截止玻璃在成像装置一侧，操作快门10000次。通过移除镜头从成像装置中拿出每个光学构件，并用充满甲醇的棉棒擦拭低通滤光片一侧表面30次。结果示例2的光学构件没有刮痕，而比较性示例2的光学构件的低通滤光片有两个线型刮痕。可以认为，由于示例2的光学构件具有防止外来物附着的防水防油膜，并且具有高润滑性和防刮痕性，才没有刮痕。也可以认为，由于比较性示例2没有防水防油膜，在操作快门时灰尘附着在防刮痕性能低的石英制成的低通滤波片上，棉棒擦拭形成刮痕。
评估3
示例3中制造的形成低表面电阻率膜的光学构件的表面的表面电阻率为8x1012Ω/square。示例4和5中制造的形成低表面电阻率膜的光学构件的表面的表面电阻率为1x105Ω/square。
由于置于本发明的成像装置中的光路中的光学构件在表面上具有防水防油膜，因此能防止外来物的附着。此外由于光学构件中的低通滤光片位于成像设备一侧，更不容易有刮痕。
Claims (10)
1.一种成像装置，具有在从镜头到成像设备的光路中的光学构件，该光学构件包括从所述镜头一侧按提到顺序依次排列的防水或防水/油膜、抗反射膜、红外截止玻璃和低通滤光片。
2.如权利要求1所述的成像装置，其中所述光学构件在所述低通滤光片成像设备一侧的表面上包括另一个抗反射膜。
3.如权利要求1或2所述的成像装置，其中所述光学构件在所述成像设备一侧的表面上进一步包括防水或防水/油膜。
4.如权利要求1所述的成像装置，其中所述光学构件在所述低通滤光片成像设备一侧的表面上进一步包括红外截止膜。
5.如权利要求1所述的成像装置，其中所述防水或防水/油膜含氟。
6.如权利要求1所述的成像装置，其中所述防水或防水/油膜厚度为0.4至100nm。
7.如权利要求1所述的成像装置，其中与所述防水或防水/油膜接触的所述抗反射膜的最外层由二氧化硅制成。
8.如权利要求1所述的成像装置，其中所述光学构件包括位于所述防水或防水/油膜和所述红外截止玻璃之间的由导体或半导体金属氧化物制成的膜，该由导体或半导体金属氧化物制成的膜的表面电阻率为1x104到1x1013Ω/□。
9.如权利要求1所述的成像装置，其中所述光学构件包括位于所述防水或防水/油膜和所述红外截止玻璃之间的由导体或半导体金属氧化物制成的第一膜，和位于所述低通滤光片和成像设备一侧的表面之间的由导体或半导体金属氧化物制成的第二膜，所述第一膜和第二膜的表面电阻率均为1x104到1x1013Ω/□。
10.如权利要求8或9所述的成像装置，其中所述金属氧化物是由氧化锑、氧化铟锡、氧化锑锡构成的组中的至少一个。
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