CN107923999B - 光学滤光器和包括光学滤光器的光学系统、图像拾取装置和透镜装置 - Google Patents

Abstract

一种光学滤光器，其具有透射率在第一方向上改变的区域，并且沿着与第一方向正交的第二方向依次包括基板和第一层，第一层在第二方向上的厚度在第一方向上改变，并且第一层的消光系数满足预定的条件表达式。

Description

光学滤光器和包括光学滤光器的光学系统、图像拾取装置和 透镜装置

技术领域

本发明涉及光学滤光器(filter)。

背景技术

作为图像拾取装置中的光学滤光器，可以使用限制透射率的ND(中性密度)滤光器。具体地，为了任意地控制图像的亮度或者提高离焦图像(模糊图像)的边缘的锐度的变化(由此引起的图像质量的降低)，使用具有依赖于光学平面中的区域逐渐变化的透射率的渐变(gradation)ND滤光器。

PTL1公开了针对每个区域根据层叠的膜的膜厚度来控制透射率和反射率的渐变ND滤光器。PTL2公开了通过使用防反射结构来减小反射率的ND滤光器。

引文列表

专利文献

[PTL1]日本专利特开No.2007-178822

[PTL2]日本专利No.5067133

发明内容

技术问题

在PTL1中公开的ND滤光器中，可见光区域的反射率在从0.1至1的光学密度范围内减小至不大于5％。但是，为了获得没有重影(ghost)和眩光(flare)的高质量图像，有必要进一步减小反射率。在PTL2中公开的ND滤光器中，ND滤光器的反射率减小至不大于1％。但是，PTL2没有公开与渐变ND滤光器相关的结构和防反射效果。通常，不容易制造防反射结构，并且存在防反射结构塌陷的可能性，因此不能触摸防反射结构。

当ND滤光器被配置为吸收不必要的光时，其反射率依赖于光从表面侧或从基板侧的入射方向而变化。然而，PLT1和PLT2都没有公开来自基板侧的入射光的反射率。

本发明提供了容易制造并且对于具有不同透射率的区域具有高的防反射性能的光学滤光器、光学系统、图像拾取装置和透镜装置。

问题的解决方案

作为本发明的一个方面的光学滤光器具有透射率在第一方向上改变的区域，并且沿着与第一方向正交的第二方向依次包括基板和第一层，所述第一层在第二方向上的厚度在所述第一方向上改变，并且第二层的消光系数满足预定的条件表达式。

作为本发明的另一方面的光学系统包括多个光学元件，所述多个光学元件包括光学滤光器。

作为本发明的另一方面的图像拾取装置包括光学系统和图像传感器，图像传感器被配置为对经由光学系统形成的光学图像进行光电转换以输出图像数据。

作为本发明的另一方面的透镜装置能移除地附接到图像拾取装置主体并且包括光学系统。

从以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。

本发明的有益效果

根据本发明，可以提供容易制造且对于具有不同透射率的区域具有高的防反射性能的光学滤光器、光学系统、图像拾取装置和透镜装置。

附图说明

[图1A]图1A是实施例1中的光学滤光器的示意图(截面图)。

[图1B]图1B是图示出实施例1中的光学滤光器的各区域中的透射率分布的图。

[图1C]图1C是图示出实施例1中的光学滤光器的光程差的分布的图。

[图2]图2是图示出实施例1中的光学滤光器的光谱透射率和光谱反射率的图。

[图3A]图3A是实施例1中的光学滤光器的导纳轨迹图。

[图3B]图3B是实施例1中的光学滤光器的导纳轨迹图。

[图3C]图3C是实施例1中的光学滤光器的导纳轨迹图。

[图4A]图4A是当消光系数为0.5时的光学滤光器的导纳轨迹图。

[图4B]图4B是当消光系数为0.5时的光学滤光器的导纳轨迹图。

[图4C]图4C是当消光系数为0.5时的光学滤光器的导纳轨迹图。

[图5]图5是实施例1中的吸收层的消光系数与吸收层的厚度之间的关系以及吸收层的消光系数与平均反射率之间的关系的图。

[图6A]图6A是实施例2中的光学滤光器的示意图(截面图)。

[图6B]图6B是图示出实施例2中的光学滤光器的各区域中的透射率分布的图。

[图6C]图6C是图示出实施例2中的光学滤光器的光程差的分布的图。

[图7]图7是图示出实施例2中的光学滤光器的光谱透射率和光谱反射率的图。

[图8]图8是实施例2中的光学滤光器的导纳轨迹图。

[图9]图9是图示出实施例3中的光学滤光器的光谱透射率和光谱反射率的图。

[图10]图10是实施例3中的光学滤光器的导纳轨迹图。

[图11A]图11A是实施例4中的光学滤光器的示意图(截面图)。

[图11B]图11B是图示出实施例4中的光学滤光器的各区域中的透射率分布的图。

[图11C]图11C是图示出实施例4中的光学滤光器的光程差的分布的图。

[图12]图12是图示出实施例4中的光学滤光器的光谱透射率和光谱反射率的图。

[图13]图13是实施例4中的光学滤光器的导纳轨迹图。

[图14]图14是图示出各实施例中的吸收层的消光系数的波长特性的图。

[图15A]图15A是图示出各实施例中的光学滤光器的透射率分布的图。

[图15B]图15B是图示出各实施例中的光学滤光器的透射率分布的图。

[图15C]图15C是图示出各实施例中的光学滤光器的透射率分布的图。

[图15D]图15D是图示出各实施例中的光学滤光器的透射率分布的图。

[图16]图16是实施例5中的图像拾取装置的截面图。

[图17]图17是图示出吸收层由树脂形成的情况的示意图，在该树脂中，分散(disperse)由具有光吸收特性的材料形成的微粒。

具体实施方式

以下将参考附图描述本发明的示例性实施例。在每个附图中，相同的元件将由相同的附图标记指代，并且将省略其重复的描述。

首先，参考图1A至图1C，将描述本发明的实施例(实施例1)中的光学滤光器的配置。图1A是该实施例中的光学滤光器100的示意图(截面图)。光学滤光器100包括基板1、中间防反射层(中间层)2、吸收层(第一层)3和表面防反射层(第二层)4。换句话说，在光学滤光器100中，中间防反射层2、吸收层3和表面防反射层4被依次形成在基板1的表面(第一表面)1a上。在光学滤光器100中，在基板1的与表面1a相对的表面(第二表面)1b上，可以设置与上述表面1a的层叠结构类似的层叠结构，或者可以适当地设置防反射膜(未示出)。在该实施例中，中间防反射层2和表面防反射层4中的每一个由包括至少一层的膜构成。为了调整折射率、增大防反射带、减小入射角依赖性或减小偏振依赖性，可以增大每个防反射层(中间防反射层2或表面防反射层4)的层叠的层的数量。

如图1A所示，在光学滤光器100的透射率连续改变的区域R₁(面内方向(图1A的水平方向)上的区域)中，吸收层3的厚度L_T(图1A的垂直方向上的厚度)连续变化。在透射率恒定的区域R₂中不形成吸收层3。另一方面，在光学滤光器100的整个区域R_E中，中间防反射层2和表面防反射层4中的每一个由具有大致均匀(即，均匀或基本均匀)厚度的膜构成。具有大致均匀厚度(大致恒定的厚度)的膜包括具有由依赖于层叠的层的材料的颗粒尺寸或层叠的层的密度的微小凹凸引起的厚度改变的膜，或者具有由相对于形成膜的旋转轴的同一基板上的中心和边缘的转动半径的差引起的非故意形成的厚度改变的膜。

图1B是图示出光学滤光器100的各区域中的透射率分布的图，并且纵轴和横轴分别指示透射率T和光学滤光器100的区域(面内方向上的位置)。光学滤光器100被配置为依赖于吸收层3的厚度改变透射率T，并且吸收层3的厚度连续改变以实现渐变ND滤光器。如图1B所示，透射率T随着吸收层3的厚度的增大而降低。

图1C是图示了光学滤光器100的光程差的分布的图，并且纵轴和横轴分别指示光程差OPD和光学滤光器100的区域(面内方向上的位置)。在图1C中，光程差OPD是光学滤光器100(基板1)的中心位置和周边位置之间的光程差。由于光学滤光器100的吸收层3具有厚度分布，因此如图1C所示，光程差OPD依赖于区域(面内方向上的位置)而变化。

通常，当吸收层3的厚度如图1A所示地改变以获得渐变ND滤光器(光学滤光器)时，反射率依赖于吸收层3的厚度的变化而显著改变。因此，难以减小光学滤光器的整个区域在面内方向上的反射率。另一方面，根据本实施例的光学滤光器100，可以在光从空气侧(即，从表面防反射层4)入射和光从基板侧(即，从基板1的表面1a)入射的每种情况下减小整个区域在面内方向上的反射率。

图2是图示出当光垂直地入射在光学滤光器100上(法向入射)时的光谱透射率和光谱反射率的图。在下文中，说明书中描述的光谱透射率和光谱反射率中的每一个是法向入射的特性。图2图示出了与具有550nm波长的光有关的光学密度OD为0、0.1、0.3、1或2的区域有关的光谱透射率和光谱反射率中的每一个。在图2中，纵轴指示光谱透射率(透射率T(％))或光谱反射率(反射率R(％))，并且横轴指示波长(nm)。光学密度OD是通过使用透射率T(0≤T≤1)被定义为下面的条件表达式(1)的值。

[数学式1]

OD＝LOG₁₀(1/T)…(1)

光学密度OD等于0(OD＝0)的区域是吸收层3的厚度为0，并且从空气侧(表面侧)入射的光的反射率R_air和从基板侧入射的光的反射率R_sub彼此相等的区域。另一方面，在光学密度OD不等于0(OD＝0.1、0.3、1或2)的区域中，即吸收层3的厚度不为0的区域中，从空气侧入射的光的反射率R_air和从基板侧入射的光的反射率R_sub彼此不同。这是因为当存在吸收层3时，每个界面上的菲涅耳系数依赖于入射方向而变化。

如图2所示，本实施例的光学滤光器100与光学密度OD和光的入射方向无关地实现了低反射率。在下文中，将参考导纳轨迹图描述上述原因。导纳是指由介质中的磁场强度与电场强度之比表示的值，并且当以自由空间中的导纳Y₀(真空导纳)为单位时，介质的折射率在数值上等于导纳。在下文中，在说明书中，折射率被认为等效于导纳。导纳轨迹图是指使用等效导纳的概念表示膜特性的图。等效导纳是当将基板和设置在基板上的膜的整个系统替换为具有与整个系统等效的特性的单个基板时的等效基板的导纳。等效导纳和导纳轨迹图的细节在文献“Cheng-Chung Lee的由ULVAC公司翻译的OPTICAL THIN FILM AND FILMDEPOSITION TECHNOLOGY”中有描述。

图3A至图3C是本实施例中的光学滤光器100的导纳轨迹图。图3A至图3C分别示出了当光学密度OD分别等于0、0.1和1时从空气侧入射和从基板侧入射的等效导纳。首先，作为示例，参考示出了从空气侧入射的导纳轨迹图的图3A，将描述该图。在图3A中，横轴和纵轴分别指示导纳η的实部Re(η)和导纳η的虚部Im(η)，并且图中的符号“x”和符号“o”分别表示基板1的导纳和空气的导纳。在本实施例中，由于使用透明介质作为基板1，因此光不被基板1吸收。基板1的导纳η_sub等于N_subY₀(η_sub＝N_subY₀)，其中N_sub是基板1的折射率。然而，由于自由空间中的导纳Y₀是本实施例的导纳的单位，因此导纳η_sub和折射率N_sub在数值上彼此相等(η_sub＝N_sub)。另一方面，如果光被吸收，则复折射率是N-ik，并且在这种情况下的导纳是(N-ik)Y₀。符号k是消光系数。同样在这种情况下，自由空间中的导纳Y₀是导纳的单位，导纳和复折射率在数值上彼此相等。

图3A至图3C的光学滤光器100从基板1依次包括中间防反射层2、吸收层3和表面防反射层4。在该实施例中，中间防反射层2包括膜21和22。吸收层3包括膜31。表面防反射层4包括膜41、42和43。中间防反射层2具有减小基板1与吸收层3之间的界面上的反射的功能。表面防反射层4具有减小吸收层3与空气之间的界面上的反射的功能。

在图3A的左侧描绘的轨迹示出了当在基板1上依次形成膜21、22、31、41、42和43时等效导纳的改变。当膜43(终止层)被形成时的轨迹的终点表示最终等效导纳，并且可以根据等效导纳和空气的导纳(＝1)来计算菲涅耳系数和反射率。当等效导纳等于空气的导纳时，反射率等于0。当光从基板侧入射时，可以获得从空气依次形成膜43、42、41、31、22和21的等效导纳，并且在这种情况下，如果等效导纳等于基板的导纳，则反射率等于0。

虽然图3A示出了吸收层3(膜31)的厚度为0(并因此等效导纳不被吸收层3改变)的情况，但是导纳轨迹如图3B和图3C所示的随着吸收层3(膜31)的厚度增大而改变。如果吸收层3足够厚，则从基板1到吸收层3的等效导纳大致等于当光从空气侧入射时的吸收层3的复折射率，如图3C所示。类似地，从空气到吸收层3的等效导纳大致等于当光从基板侧入射时的吸收层3的复折射率。

因此，在渐变ND滤光器(光学滤光器100)中，当光从空气侧入射时，从基板1到吸收层3的等效导纳在图3A至图3C的范围内改变。这也同样适用于光从基板侧入射的情况，并且从空气到吸收层3的等效导纳也在图3A至图3C的范围内改变。

在本实施例中，为了减小由光学密度OD的差引起的等效导纳的改变，吸收层3的消光系数k满足下面的条件表达式(2)。

0<k≤0.5...(2)

结果，例如当光从空气侧入射时，在具有均匀(恒定)厚度的表面防反射层4被设置在吸收层3(膜31)的上侧的简单配置中，可以实现低反射率，而不管光学密度(吸收层3的厚度)如何。类似地，当光从基板侧入射时，在具有均匀厚度的中间防反射层2被设置在吸收层3的下侧的简单配置中，可以实现低反射率，而不管光学密度如何。因此，可以在如本实施例的光学滤光器100的简单配置中获得不依赖于光的入射方向的优异的防反射性能。

图4A至图4C是当使用消光系数k＝0.5的材料作为吸收层3(膜31)时光学滤光器100的导纳轨迹图。在这种情况下，当吸收层3足够厚时(图4C)，从基板1到吸收层3的等效导纳大致等于吸收层3的复折射率。与吸收层3的厚度为0的情况(图4A)相比，等效导纳改变了与消光系数k＝0.5对应的值。在这种情况下，由吸收层3的厚度的改变引起的从基板1到吸收层3的等效导纳的改变与图3A至图3C所示的情况相比增大。由吸收层3的厚度改变引起的从基板1到吸收层3的等效导纳的改变随着吸收层3的消光系数k的增大而增大。换句话说，如果消光系数k大于0.5，则与图4A至图4C所示的情况相比，由吸收层3的厚度的改变引起的从基板1到吸收层3的等效导纳的改变增大。

图5是当光学密度OD等于1(OD＝1)时吸收层3的消光系数k与吸收层3的厚度之间的关系以及吸收层3的消光系数k与平均反射率R_ave之间的关系的图。平均反射率R_ave是在从400nm至700nm的波长范围内从空气侧入射的反射率和从基板侧入射的反射率的平均。如图5所示，平均反射率R_ave随着消光系数k的降低而降低。因此，通过满足条件表达式(2)，可以减小反射率。另一方面，吸收层3的厚度随着消光系数k的降低而增大。当吸收层3的厚度增大时，图1C中所示的光程差OPD增大。因此，鉴于反射率R的减小和光程差OPD的减小二者，优选地，消光系数k的范围满足以下条件表达式(2a)的范围。

0.05≤k≤0.35...(2a)

为了实现反射率的减小和光程差的减小二者，更优选的是消光系数k满足以下条件表达式(3)。

0.15≤k≤0.25...(3)

为了减小由吸收层3的厚度改变引起的从基板1到吸收层3的等效导纳的改变和从空气到吸收层3的等效导纳的改变，优选地，对于具有550nm波长的光，满足条件表达式(4)和(5)。

|Re(η_air)/Y₀-N_abs|<0.25...(4)

|Re(η_sub)/Y₀-N_abs|<0.25...(5)

在条件表达式(4)和(5)中，η_air是当光从空气侧入射时从基板1到中间防反射层2的等效导纳，η_sub是当光从基板侧入射时从空气到表面防反射层4的等效导纳。在条件表达式(4)和(5)中，Y₀是自由空间的导纳，并且N_abs是吸收层3的折射率。

如上所述，通过将等效导纳η_air和η_sub的实部(对应于折射率)设置为与折射率N_abs接近，可以降低由吸收层3的厚度改变引起的从基板1到吸收层3的等效导纳，以及从空气到吸收层3的等效导纳的改变。例如，当条件表达式(4)的左侧为0时，在吸收层3的厚度为0的区域和吸收层3足够厚的区域之间从基板1到吸收层3的等效导纳的差大致等于对应于消光系数k的量。如果不满足条件表达式(4)，则除此之外的折射率的失配项增大，并因此由吸收层3的厚度的改变引起的等效导纳的改变的差进一步增大。换句话说，反射率增大。对于光从基板侧入射的情况也是如此。为了进一步减小反射率，优选地，条件表达式(4)和(5)的左侧的值分别满足条件表达式(6)和(7)。

|Re(η_air)/Y₀-N_abs|<0.15...(6)

|Re(η_sub)/Y₀-N_abs|<0.15...(7)

为了满足条件表达式(4)和(6)，优选地，使用对于具有550nm波长的光，构成中间防反射层2的膜的至少一层的折射率N_m满足以下条件表达式(8)和(9)的膜材料。

N_sub<N_m<N_abs(N_abs>N_sub)...(8)

N_sub>N_m>N_abs(N_abs<N_sub)...(9)

在条件表达式(8)和(9)中，N_sub是基板1的折射率。

为了满足条件表达式(5)和(7)，优选地，使用对于具有550nm波长的光，构成表面防反射层4的膜的至少一层的折射率N_t满足以下条件表达式(10)的膜材料。

1<N_t<N_abs...(10)

通过形成满足条件表达式(8)、(9)和(10)的膜材料，可以满足条件表达式(4)和(5)。

接下来，参考图6A至图6C，将描述本实施例中的另一光学滤光器的配置。图6A是本实施例(实施例2)中的光学滤光器200的配置图(截面图)。图6B和图6C分别示出了光学滤光器200的透射率分布和光程差的分布。光学滤光器200包括基板1、相位补偿层5、中间防反射层2、吸收层3和表面防反射层4。换句话说，在光学滤光器200中，相位补偿层5(与基板1相邻的相位补偿层)、中间防反射层2、吸收层3和表面防反射层4被依次形成在基板1的表面1a(第一表面)上。光学滤光器200与光学滤光器100的不同之处在于光学滤光器200包括相位补偿层5。

由于光学滤光器200改变吸收层3的厚度以实现渐变ND滤光器，因此原则上发生光程差。因此，光学滤光器200被配置为补偿光程差。由于相位补偿层5补偿吸收层3的光程差，因此相位补偿层5的厚度在与吸收层3的厚度增大的方向相反的方向上增大。换句话说，相位补偿层5的厚度随着吸收层3的厚度的增大而减小。结果，可以补偿由吸收层3的厚度改变引起的光程差。

由于吸收层3和相位补偿层5的复折射率彼此不同，因此难以与吸收层3的厚度无关地匹配相位补偿层5的导纳与吸收层3的导纳。因此，反射率也由于相位补偿层5的厚度的改变而改变。

如果相位补偿层5被设置为比吸收层3更靠近基板1，则与光从空气侧入射的情况相比，在光从基板侧入射的情况下，由相位补偿层5和吸收层3的厚度的改变引起的反射率的改变倾向于增大。另一方面，如果将吸收层3设置为比相位补偿层5更靠近基板1，则与光从基板侧入射的情况相比，在光从空气侧入射的情况下，由相位补偿层5和吸收层3的厚度的改变引起的反射率的改变倾向于增大。

如上所述，由吸收层3和相位补偿层5的厚度引起的反射率的改变趋势依赖于相位补偿层5的位置和光的入射方向而变化。通常，与来自空气侧的入射的反射率相比，容易减小来自基板侧的入射的反射率。因此，为了以平衡的方式减小来自空气侧的光的入射的反射率和来自基板侧的光的入射的反射率，优选地，相位补偿层5被设置在基板1和吸收层3之间。

此外，如图6A至图6C所示的光学滤光器200那样，如果相位补偿层5被设置在与基板1相邻的位置处，则优选地，对于具有550nm波长的光，基板1的折射率N_sub和相位补偿层5的折射率N_c满足以下的条件表达式(11)。

|N_c-N_sub|≤0.1...(11)

通过使用满足条件表达式(11)的相位补偿层5的材料，基板1和相位补偿层5之间的界面上的反射可以基本上被忽略。因此，可以在基板1和相位补偿层5之间不使用额外的防反射膜的情况下补偿光程差OPD。

在光学滤光器200中，优选地，相位补偿层5的厚度被改变，使得对于具有550nm波长的光，光学滤光器200在吸收层3的厚度最小的位置和吸收层3的厚度最大的位置之间的光程差OPD满足下面的条件表达式(12)。

|OPD/λ|≤0.3...(12)

在条件表达式(12)中，λ是光的波长。通过满足条件表达式(12)，如图6B和图6C所示，光程差OPD可以被减小到足够小的值，同时光学滤光器200由于吸收层3的厚度的改变而发生透射率的改变。

接下来，参考图11A至图11C，将描述本实施例中的另一光学滤光器的配置。图11A是本实施例(实施例4)中的光学滤光器400的配置图(截面图)。图11B和图11C分别示出了光学滤光器400的透射率分布和光程差的分布。光学滤光器400包括基板1、吸收层3和表面防反射层4。换句话说，在光学滤光器400中，吸收层3和表面防反射层4被依次形成在基板1的表面1a(第一表面)上。光学滤光器400与光学滤光器100的不同之处在于光学滤光器400不包括中间防反射层2。

光学滤光器100和200中的每一个包括中间防反射层2，以减小由基板1和吸收层3之间的导纳失配引起的界面反射。另一方面，在光学滤光器400中，为了减小由基板1和吸收层3之间的导纳失配引起的界面反射，基板1的折射率N_sub和吸收层N_abs的折射率N对于具有550nm波长的光满足以下条件表达式(13)。

|N_sub-N_abs|≤0.2...(13)

由于通过满足条件表达式(13)减小了基板1和吸收层3的折射率(对应于导纳的实部)的失配，因此可以减小基板1和吸收层3之间的界面反射。在这种配置中，可以实现具有少的层叠的层的数量的、防反射性能高的渐变ND滤光器。吸收层3和表面防反射层4具有与光学滤光器100和200中的每个的吸收层3和表面防反射层4相似的作用。因此，优选地，光学滤光器400的吸收层3和表面防反射层4满足上述各条件表达式。

在本实施例的光学滤光器中，对于使用波长，基板1可以使用诸如玻璃和塑料之类的透明材料制造。基板1可以是凸透镜或凹透镜而不是平板，并且其表面的形状可以是曲面。通过将本实施例的光学滤光器直接形成在光学系统的透镜曲面上，不需要提供设置光学滤光器的空间，结果，例如可以实现小型的图像拾取装置。

具有厚度分布的吸收层3可以通过气相沉积或溅射形成。通过在气相沉积或者溅射中使用具有任意形状的掩模，可以形成具有任意透射率分布的吸收层3。替代地，可以使用诸如电镀和旋涂之类的湿处理方法。

吸收层3的材料只需要满足由条件表达式(2)表示的消光系数k的条件即可，并且例如使用缺氧TiO₂、Nb₂O₅或Ta₂O₅。为了获得ND滤光器的光谱透射率的波长平坦性，可以组合在使用波带中具有正值和负值之间的消光系数k的不同波长分散的材料。图14是示出了缺氧TiO₂和Ta₂O₅各自的消光系数k的波长特性(波长分散特性)的图。在图14中，纵轴和横轴分别指示消光系数和波长(nm)。从图14中可以看出，消光系数k满足条件表达式(2)。

吸收层3不限于通过气相沉积或溅射形成的均匀膜。如图17所示，吸收层3可以通过将由光吸收材料形成的微粒132分散到树脂131中而形成。图17是吸收层3的一部分的放大图。

在这种情况下，吸收层3的消光系数可以通过基于吸收层3的吸收量和厚度来计算吸收系数α(λ)，并且然后基于吸收系数使用关系表达式α(λ)＝4πk(λ)/λ来获得。如上所述获得的消光系数仅需要满足上述条件表达式(2)。

如图15A至图15D所示，可以使用各种形状作为渐变ND滤光器(光学滤光器)的透射率分布。图15A至图15D是示出了光学滤光器的图。例如，如图15A和图15B所示，透射率分布可以在同心方向上形成。可替代地，如图15C和图15D所示，光学滤光器可以被配置为使得透射率在单个方向上改变。另外，对于预期用途存在各种透射率分布形状，并且本实施例可以应用于任意透射率分布形状。

如上所述，本实施例的光学滤光器是具有透射率T在第一方向上改变的区域的光学滤光器，并且沿着与第一方向正交的第二方向依次包括基板1、吸收层3和表面防反射层4。吸收层3在第二方向上的厚度L_T在第一方向上改变。吸收层3的消光系数k满足条件表达式(2)，优选满足条件表达式(2a)，更优选满足上述条件表达式(3)。优选地，透射率T改变的区域是透射率T在第一方向上连续改变的区域，并且吸收层3的厚度L_T在第一方向上连续改变。优选地，第一方向是基板1的面内方向，第二方向是与面内方向正交的方向，并且消光系数k是当具有550nm波长的光入射在光学滤光器上时获得的值。

优选地，吸收层3的厚度L_T与透射率T改变的区域相应地改变。优选地，光学滤光器包括透射率T改变的第一区域(区域R₁)和透射率T恒定的第二区域(区域R₂)。吸收层3被形成在第一区域中，而不形成在第二区域中。优选地，中间防反射层2被设置在基板1和吸收层3之间。

以下，将在各实施例中具体描述本发明的光学滤光器。

实施例1

首先，将描述实施例1中的光学滤光器100。如图1B所示，本实施例的光学滤光器100是在光学平面中(在面内方向上)从中心朝向周边透射率逐渐减小的渐变ND滤光器。

表1指示出构成光学滤光器100的各元件的特性。

[表1]

在表1中，符号n和k分别是具有550nm波长的光的折射率和消光系数。符号d是膜21、22、31、41、42和43中的每一个的厚度。下面的表2、表3和表4也是如此。

光学滤光器100从基板1依次包括中间防反射层2、吸收层3和表面防反射层4。中间防反射层2由两层膜21和22组成。表面防反射层4由三层膜41、42和43组成。在本实施例中，吸收层3由单层膜31组成，并且缺氧TiO₂被用作吸收层3。如表1所示，对于具有550nm波长的光，缺氧TiO₂的消光系数k为0.2180。

图2是示出光学滤光器100的光谱透射率和光谱反射率(R_air：从空气侧入射的反射率，R_sub：从基板侧入射的反射率)的图。图2示出了对于具有550nm波长的光，光学密度OD分别为0、0.1、0.3、1和2的位置处的光谱透射率和光谱反射率。由于吸收层3(膜31)的消光系数k满足条件表达式(2)，因此无论光学密度OD如何，反射率R_air和R_sub二者均为低。

图3A至图3C示出了对于具有550nm波长的光，光学滤光器100的导纳轨迹图。图3A至图3C分别是光学密度OD为0、0.1和1的条件下的导纳轨迹图。由于吸收层3的消光系数k满足条件表达式(2)，因此由光学密度OD差(吸收层3的厚度差)引起的从基板1到吸收层3的等效导纳的改变以及从空气到吸收层3的等效导纳的改变是小的。

另外，使用满足条件表达式(8)的材料作为膜21和22，并且调整厚度以使得从基板1到中间防反射层2的等效导纳满足条件表达式(4)。结果，可以减小由光学密度OD引起的从基板1到吸收层3的等效导纳的改变的差。类似地，使用满足条件表达式(10)的材料作为膜41和43，并且调整厚度以使得从空气到表面防反射层4的等效导纳满足条件表达式(5)。结果，可以减小由光学密度OD引起的从空气到吸收层3的等效导纳的改变的差。

实施例2

接下来，将描述实施例2中的光学滤光器200。如图6A所示，光学滤光器200从基板1依次包括相位补偿层5、中间防反射层2、吸收层3和表面防反射层4。光学滤光器200与实施例1的光学滤光器100的不同之处在于光学滤光器200包括相位补偿层5。

表2指示出构成光学滤光器200的各元件的特性。

[表2]

在该实施例中，相位补偿层5使用与基板1的材料相同的材料，因此相位补偿层5不对反射特性提供任何影响。因此，在表2中，省略了相位补偿层5。构成各防反射层的膜的层叠的层的数量与实施例1中相同。在本实施例中，吸收层3使用缺氧Ta₂O₅，并且如表2所示，对于具有550nm波长的光的消光系数k为0.2880。

图7是示出了光学滤光器200的光谱透射率和光谱反射率(R_air：从空气侧入射的反射率，R_sub：从基板侧入射的反射率)的图。图7示出了对于具有550nm波长的光，在光学密度OD分别为0、0.1、0.3、1和2的位置处的光谱透射率和光谱反射率。图8示出了光学密度OD为0.1的条件下的光学滤光器200的导纳轨迹图。与实施例1类似，由于满足条件表达式(2)、(4)、(5)、(8)和(10)，因此无论光学密度OD如何，反射率R_air和R_sub二者均为低。

实施例3

接下来，将描述实施例3中的光学滤光器。表3指示出构成本实施例的光学滤光器的各元件的特性。

[表3]

与实施例1的光学滤光器100类似，本实施例的光学滤光器从基板1依次包括中间防反射层2、吸收层3和表面防反射层4。但是，在本实施例的光学滤光器中，中间防反射层2仅由单层膜21组成，并且表面防反射层4由两层膜41和42组成。与实施例1和2中的每一个不同，基板1使用折射率为1.518的透明玻璃，并且基板1的折射率不受限制，只要使用中间防反射层2即可。在本实施例中，如表3所示，对于具有550nm波长的光的消光系数k为0.1090。

图9是示出了本实施例中的光学滤光器的光谱透射率和光谱反射率(R_air：从空气侧入射的反射率，R_sub：从基板侧入射的反射率)的图。图9示出了对于具有550nm波长的光，在光学密度OD分别为0、0.1、0.3、1和2的位置处的光谱透射率和光谱反射率。图10示出了在光学密度OD为0.1的条件下，本实施例中的光学滤光器的导纳轨迹图。与实施例1和2中的每一个类似，由于满足条件表达式(2)、(4)、(5)、(8)和(10)，因此无论光学密度OD如何，反射率R_air和R_sub二者均为低。

实施例4

接下来，将描述实施例4中的光学滤光器400。如图11A所示，光学滤光器400从基板1依次包括吸收层3和表面防反射层4。光学滤光器400与实施例1至3中的每一个的光学滤光器的不同之处在于光学滤光器400不包括中间防反射层2。

表4指示出构成光学滤光器400的各元件的特性。

[表4]

在本实施例中，基板1的折射率被设置为接近吸收层3的折射率，并因此基板1和吸收层3之间的界面反射减小。在本实施例中，如表4所示，对于具有550nm波长的光的消光系数k为0.1947。

图12是示出了光学滤光器400的光谱透射率和光谱反射率(R_air：从空气侧入射的反射率，R_sub：从基板侧入射的反射率)的图。图12示出了对于具有550nm波长的光，在光学密度OD分别为0、0.1、0.3、1和2的位置处的光谱透射率和光谱反射率。图13示出了在光学密度OD为0.1的条件下，本实施例中的光学滤光器的导纳轨迹图。由于光学滤光器400满足条件表达式(2)、(5)、(10)和(13)，因此无论光学密度OD如何，反射率R_air和R_sub二者均为低。

实施例5

接下来，参考图16，将描述实施例5中的图像拾取装置500。图16是本实施例中的图像拾取装置500的截面图。图像拾取装置500包括图像拾取装置主体510和能移除地附接到图像拾取装置主体510的透镜装置520。然而，本实施例不限于此，其也可应用于包括彼此集成的图像拾取装置主体和透镜装置的图像拾取装置。透镜装置520包括孔径光阑SP和多个光学元件(透镜单元)522，并且构成光学系统(图像拾取光学系统)。图像拾取装置主体510包括诸如CMOS传感器之类的图像传感器512。图像传感器512被设置在成像面IP上，并且其对经由光学系统形成的被摄体图像(光学图像)进行光电转换以输出图像数据。

被摄体图像通过光学系统，并在成像面IP上成像。在本实施例中，实施例1至4中的任一个中的光学滤光器(渐变ND滤光器)被设置在孔径光阑SP上或设置在孔径光阑SP的前方或后方的至少一个面上。然而，本实施例不限于此，并且光学滤光器可以被设置在光学系统的其它透镜表面上。

图16中所示的光学系统是同轴旋转对称的光学系统。优选地，在该光学系统中使用如图15A和图15B所示的具有同心透射率分布的光学滤光器。如图1A至图1C或图6A至图6C所示，当吸收层的厚度为0的区域被设置在光学滤光器的中心时，可以抑制由光学滤光器引起的透射率的降低，并因此这是优选的。当图像拾取装置500包括通过相位差检测方法的自动聚焦机构(AF机构)时，优选地，吸收层的厚度为0的区域被设置在中心区域，使得用于相位差检测的光束的透射率不变。

当设置满足T(r1)≥T(r2)的渐变ND滤光器时，其中T(r1)和T(r2)分别是在距离光学表面的中心的距离为r1和r2的区域处的透射率，可以通过变迹效果(apodizationeffect)来获得高质量的模糊图像。另外，通过在孔径光阑SP的前方和后方设置各实施例的渐变ND滤光器，对于离轴光束也可以有效地获得变迹效果，并因此可以对于图像的整个区域获得高质量图像。相反，如果使用具有满足T(r1)≤T(r2)的特性的渐变ND滤光器，则可以校正周边照明。

当在该位置处设置光学滤光器时，反射光通常变成杂散光(stray light)，这引起重影或眩光。然而，在各实施例的渐变ND滤光器中，在保持透射率分布的同时反射率降低，结果，可以获得对于来自像侧的光和来自物侧的光已经减少了重影或眩光的高质量图像。图16中所示的截面图是示例，并且各实施例的光学滤光器不仅能应用于图像拾取光学系统的透镜，而且也可以应用于各种光学系统。

表5示出了相对于实施例1至4中的每一个中的光学滤光器，对于550nm的波长和垂直入射的参数的数值。在光学导纳η中描述的符号i是虚数单位。

[表5]

各实施例中的光学滤光器容易制造，并且相对于在基板面内具有不同透射率的区域，对于来自表面侧和基板侧的入射光具有高的防反射效果，并因此可以减少重影、眩光等的产生。根据各实施例，可以提供容易制造且对于透射率不同的区域具有高的防反射性能的光学滤光器、光学系统、图像拾取装置以及透镜装置。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以便涵盖所有这些修改以及等同的结构和功能。

参考符号列表

100、200、400 光学滤光器

1 基板

3 吸收层(第一层)

Claims (21)

1.一种光学滤光器，所述光学滤光器具有透射率在第一方向上改变的区域，所述光学滤光器包括：

基板；

第一层；和

第二层，

所述基板、第一层和第二层沿着与所述第一方向正交的第二方向依次布置，

其中，所述第一层在所述第二方向上的厚度在第一方向上改变，以及

其中，以下条件表达式被满足：

0.05≤k≤0.35，和

|Re(η_sub)/Y₀-N_abs|＜0.25，

其中k是第一层的消光系数，η_sub是对于具有550nm波长的光从空气到第二层的等效导纳，Y₀是自由空间中的导纳，并且N_abs是对于具有550nm波长的光第一层的折射率。

2.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中，对于具有550nm波长的光，以下条件表达式被满足：

0.15≤k≤0.25。

3.根据权利要求1所述的光学滤光器，还包括与所述基板相邻设置的相位补偿层，其中：

所述相位补偿层的厚度在与所述第一层的厚度增大的方向相反的方向上增大，以及

对于具有550nm波长的光，以下条件表达式被满足：

|N_c-N_sub|≤0.1，

其中N_sub是基板的折射率，并且N_c是相位补偿层的折射率。

4.根据权利要求3所述的光学滤光器，其中，对于具有550nm波长的光，所述相位补偿层的厚度改变以满足以下条件表达式：

|OPD/λ|≤0.3

其中，λ是光的波长，并且OPD是第一层的厚度最小和最大的位置之间的光程差。

5.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中所述第二层相对于所述第一层与所述基板相对设置。

6.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中：

所述第二层至少包括两个膜，并且

所述第二层在所述第二方向上的厚度是恒定的。

7.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中，对于具有550nm波长的光，以下条件表达式被满足：

1＜N_t＜N_abs，

其中N_t是构成所述第二层的膜中的至少一个膜的折射率。

8.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中：

所述区域是所述透射率在所述第一方向上连续改变的区域，并且

所述第一层的厚度在所述第一方向上连续改变。

9.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中：

所述第一方向是所述基板的面内方向，

所述第二方向是与所述面内方向正交的方向，并且

所述消光系数是当具有550nm波长的光入射在所述光学滤光器上时获得的值。

10.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中，所述第一层的厚度与透射率改变的区域对应地改变。

11.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中：

所述光学滤光器包括透射率改变的第一区域和透射率恒定的第二区域，并且所述第一层形成于所述第一区域中，而不形成于所述第二区域中。

12.根据权利要求1所述的光学滤光器，还包括设置在所述基板和所述第一层之间的中间层。

13.根据权利要求12所述的光学滤光器，其中，对于具有550nm波长的光，以下条件表达式被满足：

|Re(η_air)/Y₀-N_abs|＜0.25，

其中η_air是从基板到中间层的等效导纳。

14.根据权利要求12所述的光学滤光器，其中，对于具有550nm波长的光，以下条件表达式被满足：

N_sub＜N_m＜N_abs或

N_sub＞N_m＞N_abs，

其中N_sub是基板的折射率，并且N_m是构成中间层的膜中的至少一个膜的折射率。

15.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中，对于具有550nm波长的光，以下条件表达式被满足：

|N_sub-N_abs|≤0.2，

其中N_sub是基板的折射率。

16.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中，所述第一层具有同心的厚度分布。

17.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中，所述第一层的厚度从所述光学滤光器的中心朝向周边增大。

18.根据权利要求1所述的光学滤光器，其中，所述基板是弯曲的。

19.一种光学系统，包括多个光学元件，所述多个光学元件包括根据权利要求1至18中任一项所述的光学滤光器。

20.一种图像拾取装置，包括：

根据权利要求19所述的光学系统；以及

图像传感器，被配置为对经由所述光学系统形成的光学图像进行光电转换以输出图像数据。

21.一种透镜装置，能移除地附接至图像拾取装置主体，所述透镜装置包括根据权利要求19所述的光学系统。

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