CN103688195A - 光学滤波器和光学设备 - Google Patents

Abstract

在透光基板的表面上布置一种具有倾斜折射率的光吸收性薄膜，该薄膜的折射率以在膜厚度方向上朝向基板侧接近基板的折射率的方式变化，由此提供吸收光的低反射光学滤波器。还提供一种利用光学滤波器的光学设备。

Description

光学滤波器和光学设备

技术领域

本发明涉及在透光基板上设置有光吸收性折射率倾斜薄膜的光学滤波器和具有包括了光学滤波器的摄像光学系统的光学设备。

背景技术

用于各种应用中的许多光学滤波器都具有由滤波器自身的反射引起的问题。例如，在一些情况中，用于摄像光学系统的光学滤波器涉及透过了滤波器的光的一部分被另一构件反射并从光学滤波器的光射出表面重新进入光学滤波器的现象。在这样的情况中，如果光学滤波器在入射光的波长区域内具有反射率，则由另一构件反射并重新进入的光被光学滤波器再次反射。结果，出现了由被光学滤波器反射的光引起的问题。所以，强烈期望进一步提高光学滤波器的防反射功能。

包括了表面反射率被制成尽可能接近零的吸收结构体的光吸收型光学滤波器通过调节光吸收特性也能够提供期望的透过特性。

通常，作为这样的在期望波长区域内具有吸收性的类型的光学滤波器，在光量光圈装置（light diaphragm device）中使用的吸收型ND（中性密度（Neutral Density））滤波器是众所周知的。

光量光圈设置于光学设备以控制入射到诸如卤化银胶片或CCD和COMS传感器等的固态摄像元件上的光的量。一些光量光圈被构造成随着被摄物场景变亮而缩窄以变小。当在高亮度的场景下或在天气好的时候拍摄被摄物时，这样构造的光量光圈进入所谓的小开口状态，这易受诸如光圈猎振现象（diaphragm hunting phenomenon）和光衍射现象等的影响，这可能会引起图像性能的劣化。

作为该状况的对策，设想将ND滤波器沿着通过光圈的光路配置在光圈开口附近或者将ND滤波器直接贴附至光圈叶片。在这样的ND滤波器配置中也可以控制光量，以便即使被摄物场景具有相同的亮度也能够使光圈开口增大。

随着近年来在摄像元件的灵敏度方面的进步，已经取得了通过增加ND滤波器的密度来进一步减小透光率的改进。结果是，即使使用了具有高灵敏度的摄像元件，也能够防止光圈开口变得太小。

玻璃或塑料材料制成的透明基板被用作用于制成ND滤波器的基板。关于近年来的被加工成任何形状的可加工性、尺寸和重量减小方面的需要，各种塑料材料已逐渐被广泛用作基板。用于基板的塑料材料的示例可以包括：PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）、PC（聚碳酸酯）、PO（聚烯烃）。关于这些材料，特别地，从包括耐热性和柔性以及成本相关的角度的综合角度考虑，已优选地使用了由Arton（产品名称，由JSR公司制造）、Zeonex（产品名称，由日本Zeon公司制造）作为代表的降冰片烯基树脂（norbornene-based resin）和聚酰亚胺基树脂。

光吸收型ND滤波器的示例包括：通过捏合（kneading）光吸收性有机染料或颜料的混合物以使染料或颜料混入基板而得到的类型；以及通过将光吸收性有机染料或颜料涂布至基板而得到的类型。存在着以下情况：这些类型可能具有光谱透过率有大的波长依赖性的致命缺陷。所以，作为如今最常见的制造ND滤波器的方法，已经通过用诸如沉积法和溅射法等的真空膜形成方法在由塑料或玻璃制成的透明基板上形成多层膜而制出了ND滤波器。

甚至在诸如光学滤波器等的ND滤波器中，相对于近年来的固态摄像元件的进一步的高灵敏度、高分辨率，存在着如下逐渐增加的可能性：所捕捉的图像具有由如上所述的滤波器自身的反射引起的诸如重影（ghost）和炫光等的问题。在强光源下使用照相机以超过以往地减小可见波长区域内的光谱反射率是一个大的挑战。

已知如下用于减少反射的方法。首先，日本特开平08-075902号公报（专利文献1）提出一种例如通过层叠多种类型的薄膜以形成多层膜型防反射膜来抑制任何波长区域的反射率的方法，其中，多种类型的薄膜各自具有不同的折射率并且由诸如SiO₂、MgF₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅和ZrO₂等的不同材料制成。此外，日本特开2010-277094号公报（专利文献3）提出一种作为示例的改善透过平坦性以在光吸收膜中获得期望的光透过特性的方法。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本特开平8-075902号公报

专利文献2：日本特开2009-122216号公报

专利文献3：日本特开2010-277094号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在专利文献1中公开的使用多层膜的防反射膜的情况中，为了显著地减小宽范围波长区域的反射率，仅有限的材料能够被用作用于制成多层膜的薄膜材料。所以，这样的结构需要相当数量的层或者使设计变得复杂。

当如专利文献2中所公开的那样ND滤波器的防反射结构体具有以亚微米节距形成的微细周期结构体时，与专利文献1中所公开的多层膜结构相比，容易扩大防反射波长区域并进一步容易减小反射率。然而，在专利文献2中公开的在基板上设置微细周期结构体的结构可能引起在其界面处具有光反射的问题。另外，例如，甚至在由多层薄膜制成的光吸收层中，也极难以仅通过干涉效果使ND滤波器的结构体之间出现的所有光反射抵消而将整个ND滤波器的反射减小到尽可能地接近于零。

专利文献3提出一种利用在期望波长区域内具有小的分散特性的吸收性材料来增加透过率平坦性的方法。通过仅增加透过率平坦性相对容易得到期望的透过特性。然而，存在以下问题：在维持预定浓度的状态下，不仅为了将反射率减小至例如大约0.5%而且为了显著地增加平坦性，要求非常多的层数或极其薄的层，或者其设计变得非常复杂。

本发明的目的是提供减小如上所述由光吸收性光学滤波器的反射引起的问题的光学滤波器。本发明的另一目的是提供一种光学滤波器，其不仅能够减轻由其自身的反射率引起的问题而且能够增加透过率平坦性。另外，通过在摄像光学系统中使用具有减少了的反射的光学滤波器能够减少由反射率引起的重影（ghost）。本发明的又一目的是提供一种光学设备，其通过在摄像光学系统中使用具有减少了的反射和增加了的透过率平坦性的光学滤波器能够获得诸如高品质图像等的高精度。

用于解决问题的方案

根据本发明的光学滤波器包括：透光的基板；和光吸收性的折射率倾斜薄膜，所述光吸收性的折射率倾斜薄膜的折射率以在膜厚度方向上朝向所述基板侧接近所述基板的折射率的方式变化。

根据本发明的光学设备包括设置有如上所述的光学滤波器的摄像光学系统。

发明的效果

本发明能够提供具有减少了的反射的吸收型光学滤波器。在摄像光学系统中使用光学滤波器能够显著地减少由滤波器的反射引起的诸如重影等的问题。具有增加了的光谱透过特性的平坦性的滤波器的使用还能够显著地改善由光谱透过引起的例如色彩平衡。另外，特别是在光量光圈装置中利用了这样的光学滤波器的摄像设备能够获得用于提供高品质图像的装置。

附图说明

[图1]示出根据本发明的折射率倾斜薄膜的折射率分布的示例。

[图2]示出根据本发明的光学滤波器的结构示例。

[图3]示出根据本发明的光学滤波器的结构的变型的示例。

[图4]示出根据本发明的折射率倾斜薄膜的折射率曲线的示例。

[图5]示出多层膜和折射率倾斜薄膜的电子显微镜照片。

[图6]示出根据本发明的TiO和Ti₂O₃的光谱透过率特性的示例。

[图7]示出用于执行本发明的溅射设备的示意性平面图。

[图8]示出实施例1中制造的光学滤波器的光谱反射率特性。

[图9]示出作为比较例1的光学滤波器的结构示例。

[图10]示出比较例1中制造的ND滤波器的光谱反射率特性。

[图11]示出实施例1和实施例2之间的光谱透过特性的比较图表。

[图12]示出柱阵列形状的微细周期结构体的示意图。

[图13]示出用于微细周期结构体的阵列的示例。

[图14]示出实施例3中的折射率倾斜薄膜的折射率曲线。基板位于左侧，并且防反射结构体位于右侧。

[图15]示出实施例3中制造的光学滤波器的光谱反射率特性。

[图16]示出实施例4中制造的光学滤波器的结构示例。

[图17]示出根据实施例4的光学滤波器的结构示例。

[图18]示出根据实施例4的折射率倾斜薄膜的折射率曲线。基板位于左侧，并且防反射结构体位于右侧。

[图19]示出实施例4中制造的光学滤波器的光谱反射率特性。

[图20]示出实施例5中的利用了ND滤波器的光量光圈装置的说明图。

[图21]示出实施例5中的利用了ND滤波器的光学摄像装置的光学系统的说明图。

[图22]示出实施例6中的利用了ND滤波器的光学测量装置的说明图。

具体实施方式

根据本发明的光学滤波器包括透光基板、光吸收性折射率倾斜薄膜，并且优选地包括防反射结构体。

用于发明的基板具有作为光学滤波器的基板的强度和光学特性，并且能够起到用于形成折射率倾斜薄膜和防反射结构体的基体的作用。基板可以由玻璃基材料制成，或者由从PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）、PES（聚醚砜）、PC（聚碳酸酯）、PO（聚烯烃）、PI（聚酰亚胺）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）中选出的树脂材料制成。

折射率倾斜薄膜具有以接近基板的折射率的方式在其膜厚度方向上连续或阶梯状变化的折射率。该结构能够减小基板与空气或者与折射率倾斜薄膜相邻的其他结构体（例如，防反射结构体）之间的折射率差。

当膜厚度方向上的折射率变化在膜厚度方向上被分成多个区域时，折射率倾斜薄膜具有：可见波长区域的光谱透过特性随着接近长波长侧而增加的区域；和可见波长区域的光谱透过特性随着接近长波长侧而减小的区域。折射率倾斜薄膜的折射率优选地在膜厚度方向上连续地变化。该连续变化能够发挥增加防反射效果和环境稳定性的效果。另外，当与折射率倾斜薄膜相邻的结构体是防反射结构体时，折射率倾斜薄膜减小了基板与防反射结构体之间的折射率差。折射率可以设定为使得折射率倾斜薄膜的在基板侧的端部的折射率与折射率倾斜薄膜的在防反射结构体侧的端部的折射率之间的差比基板与防反射结构体之间的折射率差小。特别优选的是，以连续地连接基板的折射率与防反射结构体的折射率的方式改变折射率。可选地，可以通过在设置于基板的一侧的折射率倾斜薄膜的相反侧的表面上设置防反射结构体和折射率倾斜薄膜中的至少一方来减小基板的两个表面的反射率。

折射率倾斜薄膜是光吸收性薄膜并且沿其厚度方向被置于基板。防反射结构体优选地设置于折射率倾斜薄膜。折射率倾斜薄膜的光吸收性能根据目标光学滤波器的功能和特性来设定。如果相对于入射光的预定波长吸收了入射光的至少大约1%，则可以说膜相对于该波长具有光吸收性能。

折射率倾斜薄膜在其厚度方向上具有包括了连续且周期性变化的折射率变化。包括了基板、折射率倾斜薄膜和防反射结构体的光学滤波器中的折射率倾斜薄膜的折射率变化优选地包括以下部分：

（1）在基板侧的、折射率以接近基板的折射率的方式变化直到折射率变化的基板侧的终点为止的部分；和

（2）在防反射结构体侧的、折射率以接近防反射结构体的折射率的方式变化直到折射率变化的防反射结构体侧的终点为止的部分。

以上折射率变化的基板侧的终点例如用图1中的点“A”表示，以上防反射微细周期结构体侧的终点用点“B”表示。在图1所示的示例中，在包括了折射率分布变化的基板侧的终点（或起点）“A”在内的终端部分中，折射率倾斜薄膜的折射率以接近基板的折射率的方式变化。同样，在包括了折射率分布变化的防反射结构体侧的终点（或起点）“B”在内的终端部分中，折射率倾斜薄膜的折射率也以接近防反射结构体的折射率的方式变化。点A可以被定位在基板侧的界面上。点B也可以被定位在防反射结构体侧的界面上。如果变化是连续的或者折射率差小，则能够大大地减小反射率。所以，折射率能够从较大的折射率或者从较小的折射率开始以平滑的折射率变化来接近诸如基板或微细周期结构体等的相邻结构体的折射率。折射率倾斜薄膜的在膜厚度方向上的基板侧的端部的折射率与基板的折射率之间的差“a”以及折射率倾斜薄膜的在膜厚度方向上的微细周期结构体侧的端部的折射率与微细周期结构体的折射率之间的差“b”的和（a＋b）可以小于与折射率倾斜薄膜的两个表面相邻的这两个结构体之间的折射率差。

换言之，折射率倾斜薄膜的折射率在膜厚度方向上变化以便减小基板的折射率与微细结构体的构成材料的折射率之间的差，这满足关系|A-B|>a+b，其中，|A-B|表示基板的折射率“A”和微细周期结构体的折射率“B”之间的折射率差。该关系适用于如后所述的图2和图16中的基板、另一折射率倾斜薄膜和防反射结构体。

取决于膜形成方法，形成在基板上的薄膜的初始部分可以具有在厚度方向上有恒定折射率的部分。例如，如后面所述，当在基板上形成折射率倾斜薄膜时，使多种薄膜形成材料的混合比率变化以形成在膜厚度方向上的折射率的连续变化。此时，从以特定膜形成材料浓度开始的膜形成经过特定时间之后，可以改变多种薄膜形成材料的混合比率。在该情况中，可以形成如上所述的在厚度方向上折射率没有变化的部分。

基板侧的折射率变化的终点处的折射率等于基板的折射率，或者可以是相对于基板的折射率在根据目标光学滤波器的特性所允许的折射率差的范围内的折射率。同样，防反射结构体侧的折射率变化的终点处的折射率等于防反射结构体的折射率，或者可以是相对于防反射结构体的折射率在根据透射的光的波长或其波长区域内的目标光学滤波器的特性所允许的折射率差的范围内的折射率。这些折射率差优选地为0.05或更小。因此，当如上所述的在厚度方向上折射率没有变化的部分接触基板侧的界面时，没有折射率变化的部分的折射率优选地具有相对于基板的折射率在0.05以内的折射率差。这也适用于在厚度方向上折射率没有变化的部分接触防反射结构体侧的界面的情况。

折射率倾斜薄膜的在厚度方向上的折射率的变化的宽度可以取决于目标光学滤波器的特性、用于形成折射率倾斜薄膜的材料的类型以及其组合而不同地设定。例如，当利用三种元素的折射率倾斜薄膜的折射率在厚度方向上从由SiO₂制成的区域到由TiO₂制成的区域变化时，折射率可以在大约1.47至2.70的范围内变化。

折射率倾斜薄膜的膜厚度可以根据目标功能适当地选择。折射率倾斜薄膜的膜厚度可以是10nm至4000nm，更优选地是100nm至1000nm。

防反射结构体可以具有获得期望的光学滤波器的光学特性所需的防反射功能。

防反射结构体可以由微细结构体形成，或者可以是呈单层或多层形式的防反射薄膜。

微细结构体可以是：具有以比可见光的波长短的节距配置大量微细突起的表面的微细结构体：或者具有以比可见光的波长短的节距设置重复的凹部和突起的表面的微细结构体。这些微细结构体包括如下的结构体：借助于诸如针状体和柱形体等的随机形成的突起、和以阶梯形状微细形成的凸凹结构的突出部或凹部，来减小结构体与空气或相邻介质之间的折射率差。这些微细结构体可以是根据目的从周知的微细结构体中选择出的微细结构体。例如，微细结构体可以利用光学纳米压印法（optical nanoimprint method）以良好的再现性来制造，只要该结构是由以比透过了基板的可见光的波长短的重复周期配置的大量突起制成的周期结构，或者是具有由重复周期比透过了基板的可见光的波长短的凹凸结构制成的周期结构的微细周期结构体。

在单层或多层的防反射膜的情况中，折射率倾斜薄膜的折射率在膜厚度方向上变化以便减小与折射率倾斜薄膜相邻的层的折射率与基板的折射率之间的折射率差。

通过分别依次相邻地配置了基板、折射率在膜厚度方向上连续变化的折射率倾斜薄膜和在期望的光波长区域内展现了防反射效果的防反射结构体，能够显著地减小光学滤波器中的光反射率。对于具有光吸收性折射率倾斜薄膜的光学滤波器中的诸如色彩平衡等的高图像品质，要求调节并增加光谱透过特性。对于这样的要求，利用具有在膜厚度方向上台阶状或连续变化、优选连续且周期性地变化的折射率的薄膜，如以上（1）和（2）中所述来设定基板、折射率倾斜薄膜和防反射结构体之中的折射率的关系。该优选的结构体能够提供具有显著减少了的反射和增加了的光谱透过特性的平坦性的吸收型光学滤波器。

根据本发明的光学滤波器结构能够应用于诸如ND滤波器和光学滤波器等的各种光学滤波器，只要光学滤波器是吸收型并且具有反射问题。

下文中，将基于使用ND滤波器的实施方式来说明根据本发明的光学滤波器。

（第一实施方式）

将如下地详细说明如图2中所示形成的吸收型ND滤波器。

在以下说明中的实施方式和各实施例中所用的折射率被认为是来自基板、折射率倾斜薄膜和防反射结构体的构成材料的具有540nm的波长的光的折射率。

如图2所示，折射率倾斜薄膜12配置于基板13的一个表面（上表面）侧。当在折射率倾斜薄膜2上配置有防反射结构体111并且在基板13的下表面上配置有防反射结构体112时，能够获得进一步的防反射效果。另外，折射率倾斜薄膜12的至少内部具有吸收性。

在如图2所示的结构的情况中，基板的下表面的反射将增加，因此下表面通常会需要某种防反射结构体112。如图3的（a）至图3的（b）所示，这样的防反射结构体111和112的示例包括具有防反射效果的微细周期结构体151和152以及由单层或多层薄膜形成的防反射膜161和162。此外，如图3的（c）至图3的（d）所示，其示例包括使用微细周期结构体15和防反射膜16的组合的结构。可以适当地选择任何最佳结构。例如，这种结构无论滤波器的哪个表面被朝向摄像元件侧定向都能够抑制由于滤波器反射而引起的重影光的出现，因此滤波器不管滤波器的方向如何都能够被配置在光学系统中。

关于图3的（a）至图3的（d），从减小反射的角度来看，如图3的（a）所示的结构是更优选的。因此，在后述的根据本发明的实施例3中，如图3的（a）所示，微细周期结构体151和152作为防反射结构体形成在基板13的各表面上。

例如可以将提供与形成为如图3的（b）所示的多层膜的防反射膜161和162的效果相同的效果的功能包含到折射率倾斜薄膜12中。在该情况中，折射率曲线需要通过在表面层的界面附近的预定区域内以周期性且连续的方式多次使折射率增加或减小而防止在与外部空气的界面处的反射。因此，该结构可以被认为在折射率倾斜薄膜上单独地提供了防反射结构体。当制造防反射膜时，与用于制造折射率倾斜薄膜的材料不同的材料可以被用于在折射率倾斜薄膜上制造以周期性且连续的方式改变折射率的防反射膜。

<关于折射率倾斜薄膜>

通过用meta模式溅射法调节SiO₂和TiOx的膜形成速率以将这两种材料混合并使折射率在膜厚度方向上连续地变化以获得期望的吸收特性，从而调节并制造出折射率倾斜薄膜12。

具有这样的连续折射率曲线的折射率倾斜薄膜的示例示出在图1和图4中。在图1中，依次地层叠有具有相对高的折射率的基板、折射率倾斜薄膜和微细周期结构体。折射率以如下方式变化：使得在膜厚度方向上从基板侧连续地增加或降低折射率，并且随着接近折射率倾斜薄膜的两端的界面而接近各相邻结构体的折射率。

已经研究出了各种方法用于设计这样的折射率倾斜薄膜。已经发现：即使具有和连续变化不一样的、阶梯状且逐步地变化的折射率的台阶型折射率分布，通过调节折射率分布也能够获得与具有连续变化的折射率的膜大致相同的光学特性。然而，为了减小反射，连续的折射率变化可以提供更理想的特性，这能够进一步消除薄膜中的界面，并且前后的膜组成彼此非常接近，因此展现出了膜粘着强度的增加和环境稳定性的改善。从该角度看，最好选择折射率连续变化的折射率分布。

图1中示出这样的折射率倾斜薄膜的折射率曲线的示例。图1示出如下示例：依次地层叠有具有相对高的折射率的基板、折射率倾斜薄膜和像微细周期结构体一样的防反射结构体。折射率以如下方式变化：使得在膜厚度方向上从基板侧连续地增加或减小折射率，并且随着接近折射率倾斜薄膜的两端的界面而接近各相邻结构体的折射率。在图1示出的结构中，作为结构体部件，基板配置在图1中的左侧并且防反射结构体配置在图1中的右侧。在未形成防反射结构体的情况中，折射率以接近诸如空气、水和有机介质等的相邻介质的方式变化。关于以上结构，折射率变化优选逐渐接近相邻介质。逐渐的折射率变化允许膜厚度方向上的前后组成能够彼此接近，因此进一步增加了环境稳定性。如果环境使得能够容易地在相邻介质附近供给氧气，则环境能够进一步减轻时间变化（temporal change）的影响。因此，在图1中的点“A”和“B”附近，每膜厚度的折射率变化更加平缓，换言之，比具有最大的每膜厚度的折射率变化的部分“C”的折射率变化小，在该部分“C”中折射率变化使“A”与“B”之间的折射率连续地变化。可以出于吸收特性的考虑而在“A”与“B”之间适当地设计具有最大的每膜厚度的折射率变化的部分“C”。

能够提高环境稳定性，并且通过减小每膜厚度的折射率差能够减少折射率倾斜薄膜中的内部反射。

折射率倾斜薄膜是折射率在与膜表面垂直的方向上、即在膜厚度方向上连续地变化、优选地连续且周期性地变化的薄膜。在膜厚度方向上具有连续且周期性的折射率变化的膜可以称作rugate膜或者rugate滤波器。图5示出多层膜和折射率倾斜薄膜的电子显微镜照片的示意图。图5的（a）是多层膜的膜厚度方向上的示意性截面图，图5的（b）是折射率倾斜薄膜的膜厚度方向上的示意性截面图。例如，假设暗色部分是SiO₂部分并且亮色（白色）部分是TiO₂部分，则多层膜使得膜界面被清晰地分开，而折射率倾斜薄膜与多层膜不一样使得膜界面未被清晰地分开。另外，在折射率倾斜薄膜的具有大的折射率变化的部分中对比强烈。

通过利用纵轴上的密度（强度）和横轴上的深度（对应于膜厚度的参数）进行的深度方向分析获得的结果的绘制图被称作深度曲线。

用于研究从试验试样的表面到其内侧的组成分布的深度方向分析通常涉及通过利用微米级或更小的分析用加速离子刮擦表面进行分析的方法。该方法被称作已知的作为X射线光电子分光法（XPS）或俄歇电子分光法（AES或ESCA）的离子溅射法，并且通常用于评价具有形成在基板表面上的层叠结构的光学部件、电子部件和功能性材料。

这些X射线光电子分光法向超高真空中的试样发射X射线以检测释放出的电子（光电子）。所释放的光电子是由待检测的原子的内壳电子形成的，并且对于各元素确定所释放的光电子的能量。因此，可以通过获知能量值来进行定性分析。因此，能够通过评价折射率倾斜薄膜的膜厚度方向上的组成变化以获得深度曲线来确认是否获得了期望的折射率分布。

已经研究出了各种方法用于设计这样的折射率倾斜薄膜。已经发现：即使具有和连续变化不一样的、阶梯状且逐步地变化的折射率的台阶型折射率分布，通过调节折射率分布也能够获得与具有连续变化的折射率的膜大致相同的光学特性。然而，为了减小反射，连续的折射率变化可以提供更理想的特性，这能够进一步消除薄膜中的界面，并且前后的膜组成彼此非常接近，因此展现出了诸如膜粘着强度增加和环境稳定性改善等的效果。从该角度看，最好选择折射率连续变化的折射率分布。

虽然折射率的范围受限，但是近年来在诸如溅射法和沉积法等的膜形成技术方面的改进允许至少在其范围内获得任意折射率。

例如，可以在溅射中同时对两种材料进行放电。可以通过改变各材料的放电功率（即对靶的输入功率）并通过改变这两种材料的混合比率制造出具有在这两种材料的折射率之间的中间折射率的中间折射率材料。可以混合两种或更多种类的材料。

在这样的溅射法的情况中，当材料之一在低功率时，放电可能不稳定。在meta模式溅射法的情况中，出现诸如反应模式等的问题。因此，为了实现这两种材料之间的所有折射率，需要通过调节除了输入功率以外的其他因素、例如通过借助于掩模法控制沉积量来并行地控制膜厚度，然而这使得设备的机构及其控制大大地复杂化。

如上文所述，在meta模式溅射法中，在能够稳定地维持和控制放电的范围内改变折射率。不仅能够使折射率在膜厚度方向上连续地变化，而且能够使TiOx中的“x”在膜厚度方向上变化，还能够进一步改变消光系数（extinctioncoefficient）。因此，根据本实施方式的结构能够通过连续地改变折射率倾斜薄膜的膜厚度方向上的三种元素Ti、Si和O的组成比率来连续地改变折射率和消光系数。甚至在使用其他材料并且增加用于形成折射率倾斜薄膜的材料种类的数量的情况中，也能够进行相同的调节。通过连续地改变薄膜密度能够连续地改变组成。

另外，折射率倾斜薄膜12中的吸收特性不仅通过使折射率在膜厚度方向上连续地变化来调节，而且通过使TiOx中的“x”在膜厚度方向上变化以及改变消光系数来调节。在后述的实施例2至4中，将400nm至700nm的可见波长区域内的光谱透过特性设定为整个膜具有小的分散的平坦特性。

作为示例，在“x”等于1的TiO的情况中，如图6中的线（a）所示，可见波长区域内的光谱透过特性趋向于随着接近长波长侧而逐渐地增加。在“x”等于1.5的Ti₂O₃的情况中，如图6中的线（b）所示，可见波长区域内的光谱透过特性趋向于随着接近长波长侧而逐渐地减小。鉴于此，如上所述，通过在折射率倾斜薄膜12的膜厚度方向上设置具有相反分散形状的配置区域的一个或更多个组合，将光谱透过特性整体调节成平坦状。在传统光学薄膜中使用金属氧化物的情况中，当金属和氧气的比率改变时，观察到了类似的趋势。日本特许第3359114号公报公开了如下概念：因为具有不同的作为透过率相关系数的消光系数的两种或更多种金属氧化物的透过率的波长依赖性与变化的彼此抵消有关，所以多层膜结构提供了平坦的透过率特性。膜设计可以以利用金属氧化物的这样的特性来改善平坦性的方式进行。当“x”的值可变时，折射率也可以改变。鉴于此，需要基于由此预先获得的基本数据来确定与SiO₂的膜形成比率并且控制膜形成。使“x”的值在膜厚度方向上可变的具体手段可以包括：通过调节氧化源的功率或通过取决于膜形成方法调节待导入的气体的量来进行控制。

<溅射设备结构>

图7是示出沿着与用于制造折射率倾斜薄膜的溅射沉积设备的基板传送设备的转动轴垂直的表面截取的平面截面图。

溅射沉积设备包括：可转动的筒状基板传送设备52，其用于对待形成薄膜的基板51进行保持，基板传送设备52设置在真空室53内；两个溅射区域54和55，其设置在基板传送设备52的外周部与基板传送设备外侧的真空室53之间的环形空间内；和反应区域57。基板从区域59载入。

基板51以使得待形成膜的表面被向外定向的方式置于基板传送设备52。溅射区域54和55包括AC双（双重）阴极型靶54a和55a。高频电源56配置于真空室53的外侧。靶材料的形状不限于平坦型的，还可以是圆筒型的。除了以上所述，例如，区域58可以单独地包括由具有栅极的通过高频激发形成的离子枪栅（ion gun grid）或释放低能电子以中和阳离子从而防止阳离子电荷积聚在基板上的中和器。用于本发明的溅射设备可以包括例如三个或更多个溅射区域，并且可以通过除了以上设备以外的任何设备结构来实现。

利用图7所示的溅射设备，以如下形式形成了折射率倾斜薄膜：其中，在溅射区域54内配置Si靶；在溅射区域55内配置Ti靶；并且将氧气导入反应区域57内。使固定至基板传送设备52的基板51以高速转动，在溅射区域54和55中在基板51上形成Si和Ti的超薄膜，并接着使Si和Ti的超薄膜在反应区域57中氧化。因此，形成了Si和Ti的氧化膜。通过重复以上过程制造出Si氧化膜与Ti氧化膜的混合膜。此外，在膜形成期间，通过使各溅射区域中的溅射速率和氧化速率连续地变化来形成在膜厚度方向上具有连续的折射率变化的折射率倾斜薄膜。也可以通过基于独立地用于SiO₂和TiOx的膜形成条件分别控制Si和Ti的溅射速率和氧化速率来制造出等同于SiO₂和TiOx的混合膜。在折射率从单独的SiO₂膜的折射率连续地变化到单独的TiOx膜的折射率的情况中，当输入功率降低时，放电可能不稳定。因此，在氧化速率控制期间对输入功率进行控制并使用掩模系统。

实施例

（实施例1）

将如下地详细说明如图2所示形成的吸收型ND滤波器。在本实施例中，折射率倾斜薄膜12配置于基板13的一侧，该折射率倾斜薄膜的至少一部分具有吸收性。所制成的结构不具有防反射结构体。

具有1.0mm的厚度和1.81的折射率的SFL-6玻璃被用于制造形成这样的ND滤波器14用的基板13。特别地，对于本实施例的单侧膜结构，使用了玻璃材料以使基板的吸水性的影响最小化。

以如下方式制造出折射率倾斜薄膜12：通过用meta模式溅射调节SiO₂膜和TiOx膜的膜形成速率而将两种材料混合。以如下方式进行调节：通过连续地改变膜厚度方向上的组成而使折射率在膜厚度方向上连续地变化以便获得期望的吸收特性。以使得折射率倾斜薄膜12的膜厚度为200nm的方式进行进一步调节。

在本实施例中，折射率倾斜薄膜12的在膜厚度方向上的折射率变化以增减所需的最低限且不复杂的方式进行设计。为了获得如图8所示的吸收性，折射率曲线被设定为从基板13的折射率开始的使折射率上升和下降的一个波峰。如果设定了每膜厚度的折射率变化的最大值，则与具有多个波峰和波谷的复杂曲线相比，具有作为基板13（高折射率）侧的波峰的拐点的简单曲线相对于与折射率倾斜薄膜12相邻的介质（也包括基板13）更易于逐渐地改变折射率。基板13由玻璃制成，并且折射率比空气和常见塑料的折射率高。所以，如下地设定拐点：为了获得预定的吸收性，在折射率倾斜薄膜12中，将折射率的上升和下降的波峰设置基板13附近，即，比折射率倾斜薄膜的膜厚度方向上的中央位置靠近基板13侧。做出如下结构：使得折射率从图1中的点C示出的波峰开始、经过折射率倾斜薄膜内的在膜厚度方向上具有最大的每膜厚度变化率的部分、朝向空气侧逐渐地改变。从防反射和环境稳定性的角度，折射率倾斜薄膜12的终点被形成为SiO₂薄膜。因此，在折射率倾斜薄膜12的终点处的折射率为大约1.47。

图8示出如上所述制造出的ND滤波器的光谱透过特性。使滤波器在干燥氮气气氛下经受高温试验，并且对试验前和试验后经过了1000小时之后的540nm波长处的透过率进行了比较。透过率以大约1%的增长率从17.2%增加至17.4%。

为了使本结构的效果清楚，在本实施例中使用了Ti，因为Ti被理解为相对容易氧化。然而，也可以使用氧化相对困难的诸如Nb和Ni等的其他材料，以使透过率变化较小。

另外，在本实施例中，制造出了单密度的ND滤波器。如果要制造灰度ND滤波器，则使用具有如下遮蔽板的掩模：该遮蔽板能够调节其相对于掩模面的角度。接着，能够通过用掩模部分地遮蔽膜材料的目标表面、以基板上的灰度密度分布利用膜形成方法来形成ND滤波器。

（比较例1）

为了考虑实施例1中的环境稳定性的效果，利用具有200nm的膜厚度的多层膜结构形成和图8中大致相同的光谱透过特性。以下是以使得其他材料和工艺与实施例1中的其他材料和工艺尽可能相同的方式制造出的ND滤波器4的说明。

以与实施例1中相同的方式，如图9所示，在基板3的一侧形成有交替地层叠SiO₂和TiOx以形成七个层的光学多层膜2。膜被如下设计：使得如图10所示，制造出具有和实施例1中制造的ND滤波器14大致相同的光谱透过特性的ND滤波器4。具有1.81的折射率和1.0mm的厚度的SFL-6玻璃被用于制造形成这样的ND滤波器4用的基板3。通过meta模式溅射法形成SiO₂和TiOx。

使如此制造出的ND滤波器在干燥氮气气氛下经受高温试验，并且对经过1000小时之后的540nm波长处的透过率的上升率进行了确认，发现透过率在试验前后以大约4%的变化从16.9%增加至17.6%。特别地，当与实施例1中制造出的ND滤波器进行比较时，结果示出了非常大的变化。

（实施例2）

以与实施例1相同的方式，由具有1.0mm的厚度的SFL-6玻璃制成基板13并且制造出包括基板13和折射率倾斜薄膜12的ND滤波器。如下地调节和制造折射率倾斜薄膜12：为了具有200nm的膜厚度，通过meta模式溅射法，在调节SiO₂膜和TiOx膜的膜形成速率的状态下，将两种材料混合，并且使其组成连续地改变，由此使折射率在膜厚度方向上连续地变化，以获得期望的吸收特性。除此以外，通过改变TiOx中的x，制出如下的结构：使得可见波长区域内的光谱透过率随着接近长波长侧而增加的区域以及可见波长区域内的光谱透过率随着接近长波长侧而减小的区域设置于折射率倾斜薄膜12内。因此，关于特定波长区域内的光谱透过率，通过在同一膜内设置具有相反分散形状的区域，例如ND滤波器能够获得具有较小波长分散的更加平坦的光谱透过特性。

在本实施例中，以与实施例1相同的方式，以使折射率倾斜薄膜12的折射率曲线不复杂且增减所需的最低限的方式进行设计。折射率曲线被设定为具有从基板13的折射率开始的使折射率上升和下降的一个波峰。在具有折射率倾斜薄膜12和基板13的界面中，调节与SiO₂和TiO相当的混合膜的组成比率，以具有接近基板13的折射率1.81。接着，随着在膜厚度方向上远离基板13，使与SiO₂相对于TiO相当的组成比率逐渐增加直到折射率到达2.1为止，接着进行从两种材料的组成比率的连续变化到TiO的氧价的变化、直到连续到达与Ti₂O₃相当为止的变化。接着，当组成变成与SiO₂和Ti₂O₃的混合膜相当时，通过逐渐地增加与SiO₂相对于Ti₂O₃相当的组成比率，进行从氧价的变化到两种材料的组成比率的连续变化，从防反射和环境稳定性的角度出发，在折射率倾斜薄膜12的终点处使结构成为SiO₂。因此，折射率倾斜薄膜12的终点处的折射率为大约1.47。

这样，在折射率倾斜薄膜中构造出展现了光谱透过率受TiO强烈影响的区域和展现了光谱透过率受Ti₂O₃强烈影响的区域。结果，在可见波长区域内混合出如图6所示的具有不同分散特性的区域，由此使得能够获得期望的透过特性。在本实施例中，在可见波长区域调节光谱透过特性以使其比实施例1中平坦。

如上所述制造的ND滤波器的光谱透过特性示出在图11中。从图11可见，当与实施例1中制造的ND滤波器比较时，能够确认可见波长区域内的光谱透过率的平坦性得到了改善。

使该滤波器在干燥氮气气氛下经受高温试验，并且对试验前和试验后经过了1000小时之后的540nm波长处的透过率进行了比较。透过率以大约1%的上升率从15.7%增加至15.9%。

（实施例3）

<关于防反射结构体>

在基板13上形成折射率倾斜薄膜12，并且接着通过使用UV固化性树脂的光学纳米压印法在折射率倾斜薄膜12上形成作为具有防反射效果的亚微米节距防反射结构体的微细周期结构体151和152。

随着近年来在微细加工技术方面的改进，已经制造出微细周期结构体。

作为这样的结构之一的具有防反射效果的微细周期结构体通常可被称作Moth-Eye结构体。该结构体的形状被构造成使得折射率以伪方式（pseudomanner）连续地变化，由此减小由于材料之间的折射率差引起的反射。

图12示出从上方观察到的具有防反射效果的微细周期结构体的示意性示例的立体图，在微细周期结构体上，锥体以柱阵列形状配置在基板上。同样，也可以形成以孔阵列形状配置的微细周期结构体。例如，通常在材料表面上制造出这样的结构体，以作为与通过借助于真空膜形成方法将薄膜层叠为单层或多层而制造出的防反射膜不同的部件。

已经提出各种方法用于制造这样的微细周期结构体，但是本实施例使用了利用UV固化性树脂的光学纳米压印法。

微细周期结构体的形状被设计成具有如图12所示的周期性配置的锥形的柱阵列，考虑到ND滤波器的应用，该形状具有350nm的高度和250nm的周期以成为使得至少可见波长区域的反射率能够减小的结构。此外，关于突出结构体的矩阵形状的阵列，可以考虑由图13的（a）的平面图所示的正方形阵列和由图13的（b）的平面图所示的三维（three-way）（六边形）阵列。三维阵列由于基板材料的较少露出的表面而可以说具有较高的防反射效果。于是，本实施例使用了三维柱阵列。

将适量的UV固化性树脂滴落在作为具有通过使之前的设计形状倒置所获得的孔阵列形状的模具的石英基板上。接着，在将石英模具压在基板上的状态下通过对经受压印的基板发射UV光而使树脂固化，由此制造出如图3的（a）所示的亚微米节距柱阵列形状的微细周期结构体151和152。虽然可以使用各种UV固化性树脂，但是这里使用了由东洋合成制造的PAK-01（商品名），并且在聚合固化之后以使得具有1.50的折射率的方式进行了调节。

这里，为了增加折射率倾斜薄膜和微细周期结构体之间的粘着性，进行了底漆处理（primer treatment）以在折射率倾斜薄膜与微细周期结构体之间设置粘着层。作为底漆溶液，使用由信越化学株式会社制造的表面活性剂KBM-503（商品名）作为基体，该基体中添加了适量的IPA（异丙醇）和硝酸，并接着进行调节以使得涂敷之后固化了的粘着层具有1.45的折射率。经由0.2μm的PTFE（聚四氟乙烯）过滤器将溶液滴落在折射率倾斜薄膜上，并且通过旋涂法进行涂敷以形成超薄膜。如果需要进一步增强粘着性，还可以将TEOS（正硅酸乙酯）添加到前述底漆溶液的组分内。另外，为了更均匀地涂敷底漆溶液，在涂敷底漆溶液之前，更优选地在基板上通过UV臭氧进行亲水性处理。此外，为了涂敷基板的两个表面，可以适当地调节浓度并且通过浸渍涂敷来适当地涂敷，或者可以在通过旋涂法涂敷基板的一侧表面之后，接着将基板的正、反面反转，并接着可以通过旋涂法再次涂敷基板的另一侧表面。在本实施例中，选择了后者。粘着层与相邻结构体之间的折射率差优选地在0.05以内。

在像ND滤波器一样在整个可见波长区域具有吸收性的滤波器的情况中，紫外线区域通常也具有吸收性。所以，取决于所使用的UV光的波长，当从滤波器的基板侧发射光时，ND滤波器吸收光的至少一部分，因此不会有充足的光到达树脂。因此，在该情况中，需要从模具侧发射UV光并选择具有允许UV光的所需波长充分透过的材料的模具。

此外，考虑到光学纳米压印处理、纳米压印平板印刷术，当使基板13的一侧表面经受压印接着使其另一侧表面经受压印时，假定在初始形成的微细周期结构体中导致诸如龟裂或碎裂等的损伤。鉴于此，选择了在基板的各表面上配置压印模具并且在基板的两个表面上同时进行光学纳米压印的方法。在该情况中，能够通过为基板的各表面配置两个UV光源来增加生产率。

0.1mm厚的PET膜被用于形成如上所述的实施例3的ND滤波器14用的基板13以便具有大约1.60的折射率。本实施例使用了PET膜，但是不限于此，可以使用玻璃基材料，或者也可以使用PO基或PI基、PEN基、PES基、PC基或PMMA基的树脂材料。

在图14的（a）的折射率曲线中，从基板侧的界面点P0至点P1，TiOx的x被固定为大约1.5，并且通过改变与SiO₂的组成比率形成连续的折射率变化。

接着，从点P1处开始、经过点P2并接近点P3，使TiO_x中的_x从1.5连续地变化为1.0。同时，改变与SiO₂的组成比率；随着从点P1向点P2接近，增加SiO₂与TiOx的组成比率，进一步地，随着从点P2向点P3接近，减小SiO₂与TiOx的组成比率，由此形成连续的折射率变化。

此外，从点P3到防反射结构体侧的界面点P4，TiOx的x被固定为大约1.0，并且通过改变与SiO₂的组成比率形成连续的折射率变化。

点P1附近表示光谱透过率受Ti₂O₃显著影响，并且点P3附近表示光谱透过率受TiO显著影响。因此，在这样的结构中，在折射率倾斜薄膜中混合了在可见波长区域内的如图6所示的具有不同分散特性的区域，并且通过调节受膜厚度和组成比率影响的程度能够获得期望的透过特性。在本实施例中，这些被调节成使得光谱透过特性在可见波长区域内为平坦的形状。

如上所述，本实施例被构造成使得折射率倾斜薄膜12具有如图14的（a）所示的折射率的曲线。虽然可以形成如图14的（b）所示的具有多个如图14的（a）所示的波峰和波谷的曲线，但是考虑到控制的容易性，本曲线以不复杂并且增减所需的最低限的方式进行设计。折射率差易于出现在基板与防反射结构体之间的界面中。从防反射的角度出发，膜被设计成使得折射率变化在基板和防反射结构体附近的区域内是平缓的。从防反射的角度出发，优选的是以如图1中的示意图所示出的尽可能不引起折射率差的方式进行设计。然而，为了获得期望的吸收性，需要高的折射率区域。因此，折射率倾斜薄膜优选地使得折射率从基板附近逐渐增加，经过拐点，并朝向防反射结构体逐渐接近防反射结构体的折射率。

此外，如果不仅在基板与折射率倾斜薄膜之间的界面中而且在折射率倾斜薄膜和微细周期结构体之间的界面中存在有不同的折射率，则根据折射率差而发生反射。鉴于此，如果在这些界面中有反射问题，则优选地使折射率差尽可能地最小化。在本实施例中，在折射率倾斜薄膜的膜形成刚开始之后并且在膜形成正要结束之前调节SiO₂和TiOx之间的速率比率，由此将两个界面处的各折射率差调节成0.05或更小。另外，将折射率倾斜薄膜12调节成具有200nm的膜厚度。折射率倾斜薄膜的膜厚度越薄，从基板到防反射结构体的折射率的变化率越急剧。因此，从防反射的角度看，优选较厚的膜。如果需要更多地减小反射，可以通过将厚度增加到大约400nm来解决该需要。

<光学滤波器特性>

图15示出如上所述制造出的ND滤波器的光谱反射率特性和光谱透过率特性。密度为大约0.70并且大部分可见波长区域的反射率为0.4%或更小。本结构实现了非常低的反射率。使用日立高新技术株式会社制造的分光光度计（U4100）进行测量。

此外，光谱透过特性在整个可见区域内是平坦的。如果平坦性被定义为作为平坦性的一个指标的、{（400nm至700nm处透过率的最大值）-（400nm至700nm处透过率的最小值）}÷（500nm至600nm处透过率的平均值），则通过本实施例制造出的滤波器的平坦性为大约2.5%。可见光区域的反射率被减小至0.5%或更小的非常低的值，并且获得了平坦性优异的ND滤波器。

通过溅射法能够比通过沉积法或其他方法稳定地形成密度高的薄膜。

在本实施例中，氧化物被用于控制折射率，但是也可使用氮化物，并且可以使用各种化合物，只要折射率倾斜薄膜的折射率连续且周期性地变化即可。

可以通过在基板与折射率倾斜薄膜之间以及/或者在折射率倾斜薄膜与防反射结构体之间设置缓冲层来改善粘着性和耐久性。在该情况中，可以做出考虑了缓冲层的设计。缓冲层的折射率被设定为与相邻基板或防反射结构体的折射率相同，或者将折射率差设定为最小，并且折射率差被优选地设定为0.05或更小。在如图16所示的具有另一折射率倾斜薄膜的结构中也可以使用这样的缓冲层。

当将粘着层设置为缓冲层时，粘着层形成材料的示例不仅包括硅烷偶联剂而且包括诸如Cr、Ti、TiOx、TiNx、SiOx、SiNx、AlOx和SiOxNy等的无机材料和各种有机材料。可以根据用于增加粘着性的层的材料从公知材料中适当地选择和使用任意粘着层形成材料。粘着层的膜厚度可以以获得滤波器的目标光学功能和粘着性的方式设定。例如，粘着层可以形成为10nm或更薄的薄膜。

（实施例4）

以下是对如图16所示的在基板的各表面上形成折射率倾斜薄膜的滤波器的制造的说明。

如图16所示，在本实施例中，折射率倾斜薄膜221配置于基板23的一侧表面（上表面），并且防反射结构体211配置于折射率倾斜薄膜221上。接着，同样地，折射率倾斜薄膜222（另一折射率倾斜薄膜）和防反射结构体212（另一防反射结构体）配置于基板23的下侧表面。两个折射率倾斜薄膜221和222均提供了在ND滤波器24的期望波长区域内具有期望吸收性的功能。在特定情况下，折射率倾斜薄膜221和222中的仅一个可以提供同样的特性。这样的防反射结构体211和212的示例可以包括如图17的（a）和图17的（b）所示的具有防反射效果的微细周期结构体251和252；以及由单层或多层的薄膜形成的防反射膜261和262。此外，其示例可以包括如图17的（c）所示的将微细周期结构体25和防反射膜26组合的结构。可以适当地选择任何最优的结构。

在图17的（a）至图17的（c）中，就减小反射而言更优选如图17的（a）所示的结构。因此，在本实施例中，如图17的（a）所示，微细周期结构体251和252作为防反射结构体形成于基板23的各表面。

具有1.0mm的厚度的SFL-6玻璃被用于形成ND滤波器24用的基板23。以与实施例1中相同的方式，在调节SiO₂膜和TiOx膜的膜形成速率的状态下，通过meta模式溅射法在基板23的一侧制造出第一折射率倾斜薄膜221。在该情况中，以通过混合两种材料并在膜厚度方向上连续地改变折射率从而获得期望的吸收特性的方式进行了调节。此后，使基板的正、反面倒置，接着以相同方式再次制造出作为SiO₂和TiOx的混合膜的折射率倾斜薄膜222。将折射率倾斜薄膜221和222的膜厚度调节为200nm。

如下地进行膜设计：折射率倾斜薄膜221和222的吸收特性不仅通过使折射率在膜厚度方向上连续地变化来调节，而且通过使TiOx中的x在膜厚度方向上变化并且改变消光系数来调节，使得在400nm至700nm的可见波长区域内光谱透过特性设定为整个膜具有较小分散的平坦特性。具体地，折射率倾斜薄膜221和222被构造成具有如图18的（a）所示的折射率的曲线。虽然可以形成如图18的（b）所示的具有图12的（a）中的多个波峰和波谷的曲线，但是考虑到控制的容易性，本曲线以不复杂并且增减所需的最低限的方式进行设计。

在图18的（a）的折射率曲线中，从基板侧的界面点Q0到点Q1，TiOx中的x被固定为大约1.0，并且通过改变与SiO₂的组成比率形成连续的折射率变化。

接着，从点Q1处开始、经过点Q2并接近点Q3，TiOx中的x从1.0连续地变化至1.5。同时，改变与SiO₂的组成比率；随着从点Q1向点Q2接近，增加SiO₂与TiOx的组成比率，进一步地，随着从点Q2向点Q3接近，减小SiO₂与TiOx的组成比率，由此形成连续的折射率变化。

此外，从点Q3到防反射结构体侧的界面点Q4，TiOx中的x被固定为大约1.5，并且通过改变与SiO₂的组成比率形成连续的折射率变化。

点Q1附近表示光谱透过率受TiO显著影响，并且Q3附近表示光谱透过率受Ti₂O₃显著影响。因此，在这样的结构中，在折射率倾斜薄膜中混合了在可见波长区域内的如图6所示的具有不同分散特性的区域，并通过调节受膜厚度和组成比率影响的程度能够获得期望的透过特性。在本实施例中，这些被调节成使得光谱透过特性在可见波长区域内是平坦的形状。

因此，从维持吸收特性和进行防反射的角度，折射率倾斜薄膜优选地使得折射率从基板附近逐渐地增加、经过拐点并且朝向防反射结构体逐渐接近防反射结构体的折射率。另外，甚至在折射率倾斜薄膜中，折射率变化越小越好。在本实施例中，基板23与防反射结构体（微细周期结构体251和252）之间的折射率差大，因此，多个拐点中的具有最大折射率的拐点被设定在最接近基板的一侧。

此后，利用UV固化性树脂通过光学纳米压印法在形成于基板的两个表面的折射率倾斜薄膜上形成具有防反射效果的亚微米节距微细周期结构体251和252。由于和实施例1中相同的原因，在本实施例中，在基板的形成有ND膜的两个表面配置压印模并且对这两个表面同时进行光学纳米压印。以与实施例3中相同的方式，在折射率倾斜薄膜与对应于折射率倾斜薄膜的微细周期结构体之间进行底漆处理，由此设置粘着层。

在图19中示出如上所述制造的ND滤波器的光谱反射率特性和光谱透过率特性。密度为大约0.70并且在可见波长区域内反射率为大约0.2%或更小。本结构获得了非常低的反射率。使用分光光度计进行测量。

此外，光谱透过率特性在整个可见区域内是平坦的，在上述平坦性的指标方面，通过本实施例制造的滤波器的平坦性为大约0.5%，可见光区域的反射率被减小至0.5%或更小的非常低的值，并且获得了平坦性优异的滤波器。

在实施例1至4中，通过meta模式溅射法制造出SiO₂与TiOx的混合膜，并且通过使膜厚度方向上的混合比率变化而形成具有连续的折射率的倾斜薄膜。不限于此，可以使用各种金属或诸如NbOx、TaOx、ZrOx、AlOx、MoSiOx、MoOx和WOx等的类金属氧化物材料。从与形成与前述折射率倾斜薄膜的界面的结构体的折射率的关系看，考虑到工艺上的制约，可以适当地选择任何最优的材料，只要该材料能够实现所需的折射率。可以将包括三种或更多种金属或类金属元素的材料组合起来。通过将三种或更多种材料组合能够使折射率稳定地倾斜，这有助于诸如减小吸收性等的消光系数的调节，由此增加了设计的自由度。此时，不仅氧化物而且氮化物同样能够增加设计的自由度。

此外，当使用反应性沉积时，可以通过控制被导入的气体并控制折射率和消光系数来形成倾斜薄膜。可以构造成使得倾斜薄膜的在膜厚度方向上的一部分具有吸收性，或者使得在整体具有吸收性的状态下连续地改变折射率。膜形成方法不是仅限于meta模式溅射法，而是可以使用其他溅射法和各种沉积法。

根据本实施例形成的折射率倾斜薄膜变成高密度膜并且可能引起具有膜应力的问题。在该情况中，和本实施例一样，使用诸如具有高硬度的玻璃等的基板能够减小由于膜应力引起的诸如翘曲等的问题。可选地，在基板的各表面上使用折射率倾斜薄膜能够消除彼此的膜应力，由此生产出稳定的光学滤波器。

特别地，在本实施例中使用的基板的两个表面上设置折射率倾斜薄膜和微细周期结构体的结构能够提供基板的相对于膜应力的稳定性。另外，可以通过一系列连续或同时的处理使微细周期结构体的两个表面经受光学纳米压印以形成防反射结构体，这在生产率方面是优异的。

（实施例5）

图20示出光量光圈装置。适用于诸如摄像机或数字静态照相机等的摄像光学系统的光量光圈装置的开口被设置为控制入射到诸如CCD或COMS传感器等的固态摄像元件上的光的量。光量光圈装置被构造成随着被摄物场景变得更亮而通过控制光圈叶片31而缩窄以变得更小。此时，作为针对小开口状态下出现的图像品质劣化的对策，在开口附近配置了ND滤波器34，由此即使被摄物场景的亮度相同也允许光圈的开口变大。入射光穿过光量光圈装置33，并且到达固态摄像元件（未示出），在该固态摄像元件中光被转换成电信号以形成图像。

例如，实施例1至实施例4中制造出的ND滤波器配置在光圈装置33内的ND滤波器34的位置处。然而，配置位置不限于此，而是ND滤波器可以以固定于光圈叶片支撑板32的方式配置。

图21示出光学摄像装置的摄像光学系统的结构。摄像光学系统41包括透镜单元41A至41D、诸如CCD等的固态摄像元件42和光学低通滤波器43。固态摄像元件42接收由摄像光学系统41形成的光束a和b的像，并且将像转换成电信号。摄像光学系统41包括ND滤波器44、光圈叶片45和46以及包括光圈叶片支撑板47的光量光圈装置。

适用于诸如摄像机或数字静态照相机等的摄像系统的光量光圈装置的开口被设置为控制入射到诸如CCD或COMS传感器等的固态摄像元件上的光的量。光量光圈装置被构造成随着被摄物场景变得更亮而通过控制光圈叶片45和46而缩窄以变得更小。此时，作为针对小开口状态下出现的图像品质劣化的对策，在开口附近配置了ND滤波器44，由此即使被摄物场景的亮度相同也允许光圈的开口变大。

入射光通过光量光圈装置，并且到达固体摄像元件，在那里光被转换成电信号以形成图像。实施例1至实施例4中制造出的ND滤波器例如配置在光圈装置内的ND滤波器44的位置处。然而，配置位置不限于此，而是ND滤波器可以以固定于光圈叶片支撑板47的方式配置。

上述实施例的结构能够提供安装了如下的ND滤波器的摄像设备：该ND滤波器能减小所捕捉的图像的时间变化的可能性。实施例1至实施例4中制造出的具有折射率倾斜薄膜的ND滤波器被用作ND滤波器44，并且将组装后捕捉的图像与从组装经过一个月之后的图像进行比较。比较的结果是没有辨认出色彩平衡的差别。

此外，安装了通过图9中的比较例1制造出的由光学多层膜构成的ND滤波器23作为ND滤波器44，并且对通过利用ND滤波器44的光学设备捕捉的图像进行了评价。结果，在将光学设备组装之后立即捕捉到的图像与从组装过去一个月之后捕捉到的同一被摄物的图像进行比较时，辨认出了色彩平衡的差别。

本发明的ND滤波器具有增加了的环境稳定性，因此在被携带使用时经受了大的环境变化的诸如照相机和摄像机等的光学摄像装置中通过使用ND滤波器能够保持所捕捉的图像的品质。

以上述方式制造出的光量光圈装置33能够明显地减小由滤波器反射引起的诸如重影等的问题，并且由于透过率特性还能够同时获得例如色彩平衡的改善。

不限于此，甚至利用如通过实施例1至实施例4所制造的具有减小了的反射率的光学滤波器的其他光学设备也能够减小由滤波器反射引起的设备的问题，并且还能够同时减小由透射引起的问题。

特别地，实施例4中说明的在两侧具有微细周期结构体和折射率倾斜薄膜的摄像光学系统能够抑制到CCD的反射以获得良好的捕捉图像并且能够在不考虑ND滤波器的安装方向的状态下进行组装，从而组装性优异。

（实施例6）

图22示出作为光学测量装置的干涉显微镜的功能和结构。光源910输出作为光源的预定波长。仅特定波长成分经由滤波器911被从来自光源910的观察光提取出来。接着，经由选择性地配置在光路上的ND滤波器912、根据对具有不同透过率的ND滤波器912进行保持的滤波器保持件913的转动位置来适当地调节观察光的量。作为光源，可以使用单色波长激光源来作为光源。

滤波器保持件913包括具有不同透过率的多个ND滤波器912，并且通过在未图示的CPU控制下操作的转动驱动器914的转动驱动而将具有不同透过率的ND滤波器912中的任一个选择性地配置在光路上。如果光源的斑点直径与灰度的范围相对应，则可以通过对灰度ND滤波器进行定位来改变透过率。在该情况中，结构也可以使得ND滤波器像实施例5中示出的光圈装置一样地操作。经由也配置在光路上的偏光板915来改变通过ND滤波器912的光的偏光角度。偏光板915被偏光板转动驱动器916可转动地驱动以将透射光的偏光角度变成期望的角度。偏光板转动驱动器916也在CPU的控制下操作。

通过偏光板915的光被半透半反镜917沿采样方向反射，并接着被棱镜918分成沿偏光方向的两个平行的光路。分到两个光路中的光束被一同发射至置于焦点观察机构921上的观察物体920，该焦点观察机构921用于通过物镜919来调节焦点。

从观察物体反射的光通过物镜919和棱镜918，并且此时透过半透半反镜917。接着，通过摄像透镜922使光聚焦于诸如CCD等的摄像元件924。作为可转动的偏光元件的分析器923在介于摄像镜头922和摄像元件924之间的光路上。

摄像元件924的输出被转换成数字信号，数字信号通过CPU进行处理。可以通过分析所观察到的干涉条纹对表面结构、折射率分布进行分析。光学测量装置不限于本实施例，而是本发明的ND滤波器的使用允许以下测量：在作为长时间要求测量精度的可靠性的光学设备的光学测量装置中，减小了由ND滤波器的时间变化引起的不利效果。结果，能够改善诸如干涉条纹等的图像品质稳定性，该干涉条纹是由诸如光学测量装置等的光学设备捕捉到的图像，其中光学设备担心长期使用对测量结果产生不利影响。

（其他实施例）

还可以期望实施例1至实施例4中说明的ND滤波器以外的光学滤波器具有类似的效果，并且这些光学滤波器可以应用于滤色器，只要它们是具有吸收性并且解决了透过的光的平坦性的光学滤波器即可。应用于本发明的这些光学滤波器能够减小反射率并且能够获得期望的透过特性。另外，包括了这些光学滤波器的各种光学设备能够改善上述问题。

附图标记说明

111、112、211、212  防反射结构体

12、221、222  折射率倾斜薄膜

3、13、23、51  基板

15、151、152、251、252  微细周期结构体

16、161、162  防反射膜

31  光圈叶片

32  光圈叶片支撑板

33  光量光圈装置

4、14、24、34、44、912  ND滤波器

41  摄像光学系统

41A、41B、41C、41D  透镜单元

42  固态摄像元件

43  光学低通滤波器

45、46  光圈叶片

52  基板传送设备

53  真空室

54、55  溅射区域

54a、55a  靶

56  高频电源

57  反应区域

Claims (13)

1.一种光学滤波器，其特征在于，所述光学滤波器包括：

透光的基板；和

光吸收性的折射率倾斜薄膜，

其中，所述光吸收性的折射率倾斜薄膜的折射率以在膜厚度方向上朝向所述基板侧接近所述基板的折射率的方式变化。

2.根据权利要求1所述的光学滤波器，其特征在于，所述折射率倾斜薄膜在其膜厚度方向上包括：

可见波长区域的光谱透过特性随着接近长波长侧而增加的区域；和

可见波长区域的光谱透过特性随着接近长波长侧而减小的区域。

3.根据权利要求1或2所述的光学滤波器，其特征在于，所述折射率倾斜薄膜的构成材料的组成在所述膜厚度方向上连续地变化。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学滤波器，其特征在于，所述光学滤波器在所述折射率倾斜薄膜的与所述基板侧相反的一侧的表面上包括防反射结构体，其中，

所述折射率倾斜薄膜的折射率以减小所述基板的折射率与所述防反射结构体的折射率之间的折射率差的方式在所述膜厚度方向上变化。

5.根据权利要求4所述的光学滤波器，其特征在于，所述防反射结构体是具有比可见光的波长短的节距的微细结构体。

6.根据权利要求4或5所述的光学滤波器，其特征在于，所述光学滤波器在所述基板的与所述防反射结构体侧相反的一侧的表面上具有另一防反射结构体。

7.根据权利要求6所述的光学滤波器，其特征在于，所述光学滤波器包括另一折射率倾斜薄膜，该另一折射率倾斜薄膜的折射率以减小所述另一防反射结构体的折射率与所述基板的折射率之间的折射率差的方式在所述基板和所述另一防反射结构体之间在所述膜厚度方向上变化。

8.根据权利要求7所述的光学滤波器，其特征在于，所述另一防反射结构体是单层或多层的防反射膜；并且所述另一折射率倾斜薄膜的折射率以减小所述防反射膜的与所述另一折射率倾斜薄膜相邻的层的折射率与所述基板的折射率之间的折射率差的方式在所述膜厚度方向上变化。

9.根据权利要求7所述的光学滤波器，其特征在于，所述第二防反射结构体是具有比可见光的波长短的节距的微细结构体。

10.根据权利要求1至6中的任一项所述的光学滤波器，其特征在于，所述折射率倾斜薄膜由三种或更多种元素组成。

11.根据权利要求1至6中的任一项所述的光学滤波器，其特征在于，所述折射率倾斜薄膜的在所述基板侧的折射率变化的终点与所述基板之间的折射率差小于0.05。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的光学滤波器，其特征在于，所述微细结构体具有周期结构，该周期结构具有比可见光的波长短的节距。

13.一种光学设备，其特征在于，所述光学设备在摄像光学系统中具有根据权利要求1至12中的任一项所述的光学滤波器。

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