JP2000314808A

JP2000314808A - 赤外線カットフィルタ

Info

Publication number: JP2000314808A
Application number: JP11122058A
Authority: JP
Inventors: Koji Suzuki; 浩二鈴木
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2000-11-14
Anticipated expiration: 2019-04-28
Also published as: JP3679268B2

Abstract

(57)【要約】【課題】波長４００〜５５０ｎｍの透過帯域の透過率
が９０％以上で、透過帯域の長波長側から不透過帯域ま
で透過率が緩やかに減衰する、透過率特性を変化させて
もほとんど厚さが変わらず、光軸方向のスペースを最小
限にできる赤外線カットフィルタを提供する。【解決手段】波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の透
過帯域と波長７５０ｎｍ以上１０５０ｎｍ以下の不透過
帯域を有し、透過帯域と不透過帯域に挟まれた波長領域
の透過率が透過帯域側から不透過帯域側にかけて漸減す
る透過率特性を有するように多層膜４の光学膜厚を設計
し、この光学膜厚になるように透明基板１上に高屈折率
材料２からなる透明薄膜と低屈折率材料３からなる透明
薄膜とを交互に複数積層する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光学的多層膜を
用いた赤外線カットフィルタに関する。

【０００２】

【従来の技術】動画撮影に用いられるビデオムービーカ
メラや静止画撮影に用いられる電子スチルカメラなどの
カラーＣＣＤイメージセンサーを含む撮像装置では、カ
ラーＣＣＤイメージセンサーの前面に赤外線カットフィ
ルタが配置されている。これは、７００ｎｍより長い波
長の光を感じない人間の目の感度と異なり、カラーＣＣ
Ｄイメージセンサーの感度が赤外線領域である波長１１
００ｎｍ付近まであるため、黒色を撮影した場合にはそ
の黒色が赤色を帯びるといったように人が見る世界と異
なって画像化されてしまうのを防止するためである。こ
のような固体撮像素子装置の光学系に用いられる赤外線
カットフィルタには、厚さと成分により透過率特性が変
化するガラスタイプと、層数と光学膜厚により透過率特
性が変化するコーティングタイプとがある。

【０００３】ガラスタイプ赤外線カットフィルタは、可
視光線を透過し赤外線を吸収するガラスからなるフィル
タであり、赤外線を吸収する成分はガラス中に溶け込ん
だ金属イオンである。この金属イオンとしては、例えば
２価の鉄イオンがある。この場合、鉄はガラス中で２価
と３価の状態で存在している。３価の鉄イオンは、紫外
線領域から可視光領域に吸収を持ち、黄色の着色を呈す
る。このため、鉄を用いる場合はベースとなるガラスに
還元作用の大きいリン酸塩ガラスを使用したり、鉄イオ
ンの平衡を保つためガラスに還元剤を添加したりしてい
る。また、ほかにも種々の金属と化合物の粒子（例え
ば、Ｐ₂Ｏ₅，ＡｌＦ₃，Ａｌ₂Ｏ₃，ＢａＦ₂，ＢａＯ，Ｎ
ａＦ，ＣａＯ，ＳｉＯ₂等）を溶解して作製される。一
般に、ガラスタイプ赤外線カットフィルタの透過率は、
図７に示すように透過帯域の短波長側の境界付近で急激
に減衰し、長波長側では緩やかに減衰する。また、透過
帯域の透過率は最大でも９０％程度である。

【０００４】コーティングタイプ赤外線カットフィルタ
は、光学的多層膜により可視光を透過し赤外線を反射さ
せるフィルタである。この赤外線カットフィルタは、水
晶、白板ガラス等の透明基板上に二酸化チタン等の高屈
折率材料からなる透明薄膜と二酸化ケイ素等の低屈折率
材料からなる透明薄膜とを交互に複数積層したものであ
り、透明薄膜による光の干渉を利用して所望する波長域
の光を反射もしくは透過させる。このため、各波長にお
ける光透過率は、交互に積層する各透明薄膜の光学膜厚
（薄膜の屈折率と薄膜の膜厚の積）で決まり、所望する
波長域の光が反射もしくは透過するように、積層する透
明薄膜の屈折率、膜厚及び積層数が設計される。なお、
一般的に光学膜厚は、所望する波長の反射率もしくは透
過率が最大になるように設計波長の１／４に設定され
る。従来のコーティングタイプ赤外線カットフィルタ
は、図８に示すように透過帯域の短波長側及び長波長側
の境界付近で透過率が急激に減衰する透過率特性を有す
る。また、透過帯域の透過率を９０％以上にすることが
可能である。

【０００５】ところで、ビデオムービーカメラでは、従
来よりガラスタイプ赤外線カットフィルタが使用されて
きた。これは、このタイプの透過率特性が人間の目の感
度特性に近いため、光電変換後の赤・緑・青の各信号の
カラーバランス調整が簡素化でき、人が見る世界に近い
ソフトな色再現性が得られるためである。一方、デジタ
ルスチルカメラでは、コーティングタイプ赤外線カット
フィルタが主として使用されてきた。これは、水晶等の
複屈折材料を用いる光学ローパスフィルタに積層して一
体化でき、モアレ縞の発生防止と赤外線カットを同時に
行えるコーティングタイプの方が、それ自体厚みがあ
り、別に光学ローパスフィルタが必要なガラスタイプに
比べて薄くできるため、スペースに制約があるデジタル
スチルカメラに適しているためである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ガラスタイプ赤外線カ
ットフィルタは、透過率特性が人間の目の感度特性に近
く、多くの固体撮像素子装置に使用されているが、厚み
があり光軸方向にスペースを必要とする、透過させたい
４００〜５５０ｎｍ付近の透過率が９０％以下と低い、
透過率特性を変化させる場合、透過率５０％の波長を１
０ｎｍシフトさせるために厚さを０．４ｍｍ変化させる
必要があるので撮像素子光学系の複雑な位置調整が必要
になることがある、という課題がある。

【０００７】また、従来のコーティングタイプ赤外線カ
ットフィルタは、透過率の立ち下がりが急峻で、人間の
目の感度特性と異なるため、光電変換後の赤・緑・青の
各信号のカラーバランス調整が複雑になると共に、人が
見る世界よりも刺々しく感じられる画像になるという課
題がある。この発明の目的は、波長４００〜５５０ｎｍ
の透過帯域の透過率が９０％以上で、透過帯域の長波長
側から不透過帯域まで透過率が緩やかに減衰する、透過
率特性を変化させてもほとんど厚さが変わらず、光軸方
向のスペースを最小限にできる赤外線カットフィルタを
提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願発明者はコーティングタイプ赤外線カットフィ
ルタについて研究した。その結果、コーティングタイプ
赤外線カットフィルタでは多層膜の層数が増えるほど透
過率の立ち下がりが急峻になるため、７５０〜１０５０
ｎｍの赤外線領域を遮光するのに必要な層数では、透過
率を緩やかに減衰させることはできないと思われていた
従来の常識を覆し、光学薄膜の干渉理論を用いたマトリ
クス法によって、７５０〜１０５０ｎｍの赤外線領域を
遮光し、かつ透過領域から不透過領域まで透過率を緩や
かに減衰させる光学膜厚が得られることを見いだした。

【０００９】この発明に係る赤外線カットフィルタは、
透明基板と、この透明基板上に形成された、高屈折率材
料からなる透明薄膜と低屈折率材料からなる透明薄膜と
が交互に複数積層された多層膜とからなり、波長４００
ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の透過帯域と波長７５０ｎｍ以
上１０５０ｎｍ以下の不透過帯域を有し、透過帯域と不
透過帯域に挟まれた波長領域の透過率が透過帯域側から
不透過帯域側にかけて漸減する透過率特性を有するよう
にしたことによって特徴づけられる。この場合、透過率
特性の一構成例は、９０％以上の透過率を有する透過帯
域を備えている。

【００１０】また、前述した多層膜の一構成例は、透明
基板側から、高屈折率材料からなる透明薄膜、低屈折率
材料からなる透明薄膜の順で交互に配置され、最終層が
低屈折率材料からなる透明薄膜であることによって特徴
づけられる。この場合、設計波長をλとするとき、高屈
折率材料からなる透明薄膜の層で光学膜厚がλ／４より
薄い層が透明基板側に配置され、λ／４以上の厚さの層
がλ／４より薄い層と最終層の間に配置され、低屈折率
材料からなる透明薄膜の層で光学膜厚がλ／４より薄い
層が透明基板側と最終層に配置され、λ／４以上の厚さ
の層がλ／４より薄い層と最終層の間に配置された赤外
線カットフィルタが提供される。また、前述した赤外線
カットフィルタの一構成例は、透明基板と多層膜の間に
光学膜厚が０．３×λ／４以上の透明薄膜が設けられて
いる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に図を用いてこの発明の実施
の形態を説明する。はじめに、この発明の第１の実施の
形態について説明する。図１は、この発明の第１の実施
の形態である赤外線カットフィルタの構成を示す模式
図、図２はこの赤外線カットフィルタの光学的多層膜の
組成と光学膜厚を示す表である。

【００１２】この赤外線カットフィルタは、図１に示す
ように、透明基板１上に高屈折率材料２からなる透明薄
膜と低屈折率材料３からなる透明薄膜とを交互に複数積
層したものであり、透明基板１側から数えて奇数層目が
高屈折率材料２で、偶数層目が低屈折率材料３で構成さ
れている。ここで、透明基板１は、外形寸法が横８．８
ｍｍ、縦８．２ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの水晶である。ま
た、透明薄膜は、高屈折率材料２に二酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ ₂）、低屈折率材料３に二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）を用
いている。これらの透明薄膜は、図２に示す光学膜厚と
なるように、透明基板１側から二酸化チタン薄膜２と二
酸化ケイ素薄膜３が交互に３８層まで積層されて多層膜
４を形成している。

【００１３】ここで、各層の光学膜厚は、奇数層である
二酸化チタン薄膜２の層が水晶基板から数えて１層目か
ら９層目までがλ／４より薄い膜で形成され、１１層目
から３７層目までがλ／４以上の厚さで形成されてい
る。また、偶数層である二酸化ケイ素薄膜３の層では同
じく２層目から６層目までと最終層である３８層とがλ
／４より薄い膜厚で形成され、８層目から３６層目まで
がλ／４以上の厚さで形成されている。なお、図２の光
学膜厚欄に記載された値は、設計波長λを７５５ｎｍと
したときのλ／４の値を１とした場合の比で表したもの
であり、この値とλ／４との積が光学膜厚を示す。

【００１４】次に、図２に示す光学膜厚を求める方法に
ついて図３を用いて説明する。図３は、基板上に積層さ
れた多層膜を示す説明図である。ここでは、簡単のため
波長λの光５がいくつかの異なる材料で構成された多層
光学薄膜系に垂直入射し、各層の境界で多重反射が生じ
るものとする。この場合、反射光束は使用する光源の種
類（特に波長）と各層の光学膜厚に依存して位相がそろ
い、可干渉性を示す場合が生じ、互いに干渉し合うよう
になる。これが薄膜設計の基本原理である。波長λの光
が屈折率ｎ_sの透明基板上に蒸着された屈折率ｎ、物理
膜厚ｄの無吸収均質膜に垂直入射をしたとき、その光学
的特性は式（１）のマトリクスで表される。

【００１５】

【数１】

【００１６】ただし、

【００１７】

【数２】

【００１８】これを特性マトリクスという。このとき、
反射率Ｒは式（３）で表される。

【００１９】

【数３】

【００２０】図３のような多層膜の場合、各層の特性マ
トリクスをＭ_k,Ｍ_k-1,…,Ｍ₂,Ｍ₁とすると、多層膜の光
学的特性は、各マトリクスの積

【００２１】

【数４】

【００２２】で表される。式（３）において、Ａ＝ａ、
Ｂ＝ｂ、Ｃ＝ｃ、Ｄ＝ｄとすると、このｋ層膜の反射率
が簡単に求まる。なお、薄膜の屈折率ｎは、実際に使用
する真空蒸着装置を用いて、屈折率の測定実験を行い、
その値をＳｅｌｌｍａｉｅｒ近似することにより屈折率
分散式を得て設計波長に対する値を求めた。このように
して得た、二酸化チタンの屈折率を式（５）で、二酸化
ケイ素の屈折率を式（６）で示す。

【００２３】

【数５】

【００２４】

【数６】

【００２５】この発明の第１の実施の形態に係る赤外線
カットフィルタでは、これらの式を用いて、設計波長λ
を７５５ｎｍ、基板を水晶、式（２）のｎｄを薄膜の光
学膜厚とし、４００〜５５０ｎｍの波長領域で９０％以
上の透過率を有し、５５０〜６５０ｎｍの透過率が５５
０ｎｍの９０％以上から６５０ｎｍの２０％以下まで直
線的に低下し、７５０〜１０５０ｎｍの透過率が１％以
下となるような光学膜厚を設計した。なお、上記透過率
特性が得られる光学膜厚は、図２に記載した光学膜厚に
限られるものでなく、製造のしやすさや製造コストを考
慮して変更することが可能である。

【００２６】次に、この赤外線カットフィルタの製造方
法について説明する。この赤外線カットフィルタは、水
晶基板に二酸化チタンと二酸化ケイ素を交互に真空蒸着
して製造する。その製造方法は次の通りである。まず、
大口径の水晶基板を真空蒸着装置の真空容器内に設けら
れたドーム状の取り付け治具に所定数を取り付けると共
に、ペレット状又は粒状の二酸化チタンと二酸化ケイ素
をこの真空容器内に設けられた２つの電子ビーム蒸発源
に別々に入れ、真空容器を排気する。

【００２７】真空容器内の圧力が１×１０^-3Ｐａ以下に
なったら、電子ビーム蒸発源に電子ビームを照射して二
酸化チタンと二酸化ケイ素をそれぞれ加熱して蒸発させ
る。２つの電子ビーム蒸発源の直上には、それぞれ開閉
可能なシャッターが設けられており、二酸化チタンの蒸
着時は二酸化チタン側のシャッターを開いて二酸化ケイ
素側のシャッターを閉じ、二酸化ケイ素の蒸着時は二酸
化チタン側のシャッターを閉じて二酸化ケイ素側のシャ
ッターを開いて、水晶基板上に二酸化チタンと二酸化ケ
イ素の透明薄膜を交互に積層する。なお、酸素雰囲気で
酸化物の蒸着を行うと蒸着が促進されるため、二酸化チ
タンの成膜時には、真空容器内に酸素ガスを供給しなが
ら蒸着を行う。また、成膜中は、取り付け治具を自転さ
せると共に、常に真空容器を排気し続ける。

【００２８】各透明薄膜の膜厚は、取り付け治具の頭頂
部に設けられた開口部の直上に配置された膜厚モニター
で蒸着の間測定されており、所定の膜厚でシャッターを
閉じるようにして膜厚を制御している。３８層まで蒸着
されたら、電子ビーム蒸発源の動作を停止し、真空容器
の排気をやめて大気圧に戻す。なお、必要により、蒸着
終了後に水晶基板を所定時間加熱して、蒸着された薄膜
の結晶化を促進し、薄膜の膜特性を向上させるアニーリ
ング処理を行う。蒸着が終わった水晶基板は、所定の外
形寸法に切断されて個々の赤外線カットフィルタとな
る。なお、この赤外線カットフィルタの製造方法は、上
記製造方法に限られるものではない。

【００２９】次に、この発明の第１の実施の形態に係る
赤外線カットフィルタの透過率特性を図４に示す。同図
に示すように、４００〜５５０ｎｍで透過率が９０％以
上で、５５０〜６５０ｎｍで透過率が５５０ｎｍの９３
％から６５０ｎｍの１７％までほぼ直線的に低下し、６
５０〜７５０ｎｍで透過率が０％に漸近し、７５０〜１
０５０ｎｍで透過率がほぼ０％となるような透過率特性
が得られた。

【００３０】次に、この発明の第２の実施の形態につい
て説明する。図５は、この発明の赤外線カットフィルタ
の第２の実施の形態を示しており、同図において図１と
同一符号は同一部分を示す。この赤外線カットフィルタ
が図１に示すものと異なる点は、透明基板１と多層膜４
の間に透明薄膜６を１層配置したことである。この透明
薄膜６には二酸化ケイ素あるいは酸化アルミニウム（Ａ
ｌ₂Ｏ₃）が用いられるが、この透明薄膜６を設けても、
透明薄膜６を加えない場合とほとんど変わらない透過率
曲線の形状及び透過率が得られる。この透明薄膜６の光
学膜厚は、透明基板１への付着強度を得るために少なく
とも０．３×λ／４以上必要であるが、厚さの違いによ
る透過率特性の変化はほとんどないため、厚さの上限は
光学特性ではなく、製造のしやすさや製造コストで決め
られる。その製造方法は、第１の実施の形態と同様であ
り、多層膜４を蒸着する前に所定の光学膜厚の二酸化ケ
イ素あるいは酸化アルミニウムを蒸着する工程を加える
だけでよく、新たな製造設備を必要としない。

【００３１】この透明薄膜６を加えた３９層の赤外線カ
ットフィルタと、３８層の赤外線カットフィルタとの透
過率特性の違いを図６に示す。同図において、７が透明
薄膜６に酸化アルミニウムを用いたもの、８が透明薄膜
６を加えない３８層のもの、９が透明薄膜６に二酸化ケ
イ素を用いたものである。なお、二酸化ケイ素と酸化ア
ルミニウムの光学膜厚はそれぞれ０．５×λ／４であ
る。図６から、透明基板１と多層膜２の間に透明薄膜６
を１層配置した場合であっても、必要な透過率特性が得
られることが分かる。この第２の実施の形態に係る赤外
線カットフィルタは、透明基板１と多層膜２の間に二酸
化ケイ素あるいは酸化アルミニウムを配置することによ
り、剥離剤を用いて膜全体を容易に剥離することができ
る。これにより蒸着作業が失敗したときに膜全体を剥離
して再度膜付けできるようになる。このように、この第
２の実施の形態の膜構成は、より量産に適しているとい
う特徴がある。

【００３２】なお、この発明の実施の形態では、光学ロ
ーパスフィルタと一体化させるため、透明基板に水晶を
用いたが、二酸化チタンより屈折率の小さいガラス基板
を用いて赤外線カットフィルタ単体として作製してもよ
いことは言うまでもない。また、所望の透過帯域に吸収
がない材料であれば、高屈折率材料として二酸化チタン
以外の材料、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）や硫
化亜鉛（ＺｎＳ）を用いてもよく、低屈折率材料として
二酸化ケイ素以外の材料、例えばフッ化マグネシウム
（ＭｇＦ₂）を用いてもよい。なお、平板基板に蒸着す
る場合の高屈折率材料と低屈折率材料の組み合わせは、
薄膜に生じる応力が共に小さいか、応力の値が近く方向
が逆向きであることが望ましい。

【００３３】また、赤外線カットフィルタに用いる透明
基板の外形寸法は、使用される機器に合わせて決められ
るものであり、この実施の形態で示した外形寸法に限ら
れるものではない。また、多層膜の層数として、３８層
及び３９層の構成を示したが、この発明によれば、３４
層以上であれば薄膜材料又は蒸着条件を変えることによ
り、透明薄膜の屈折率を変化させて同様の透過率特性を
得られると考えられる。なお、層数の上限は、製造しや
すさや製造コストなど、製造上の理由で決まるが、実用
上は４５層以下が望ましい。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、従来のコーティングタ
イプ赤外線カットフィルタにはなかったガラスタイプ赤
外線カットフィルタと同様の立ち下がりの透過率特性を
有し、かつ従来のガラスタイプ赤外線カットフィルタで
は得られない薄さと透過波長領域での透過率向上とほと
んど厚さによらない透過率特性の変更能力を有する赤外
線カットフィルタが得られる。また、光学ローパスフィ
ルタの表面に赤外線カットフィルタを形成できるので、
光学ローパスフィルタを用いる機器では部品数を削減で
き、省スペース化とコスト低減が可能になる。

【００３５】また、本発明による赤外線カットフィルタ
は、従来のコーティングタイプ赤外線カットフィルタと
同じ製造装置で製造できるので、初期投資コストが不要
で安価にできるという効果が得られる。これにより、ビ
デオムービーカメラでは、従来の色再現性を保ちつつ、
感度向上、省スペース化及びコスト低減が可能となる。
また、電子スチルカメラでは、従来の省スペースと低コ
ストを保ちながら、より見た目に近い色再現性が得られ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る赤外線カッ
トフィルタの一構成例を示す模式図である。

【図２】図１における薄膜材料とその光学膜厚を示す
表である。

【図３】基板上に積層された多層膜を示す説明図であ
る。

【図４】図１の赤外線カットフィルタの透過率特性を
示すグラフである。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る赤外線カッ
トフィルタの一構成例を示す模式図である。

【図６】図１と図５の赤外線カットフィルタの透過率
特性を比較したグラフである。

【図７】従来のガラスタイプ赤外線カットフィルタの
透過率特性を示すグラフである。

【図８】従来のコーティングタイプ赤外線カットフィ
ルタの透過率特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１…透明基板（水晶基板）、２…高屈折率材料（二酸化
チタン薄膜）、３…低屈折率材料（二酸化ケイ素薄
膜）、４…多層膜、５…波長λの光、６…透明薄膜、７
…Ａｌ₂Ｏ₃＋３８層多層膜、８…３８層多層膜、９…Ｓ
ｉＯ₂＋３８層多層膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板と、この透明基板上に形成され
た、高屈折率材料からなる透明薄膜と低屈折率材料から
なる透明薄膜とが交互に複数積層された多層膜とからな
る赤外線カットフィルタであり、波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の透過帯域と波長７
５０ｎｍ以上１０５０ｎｍ以下の不透過帯域を有し、前記透過帯域と前記不透過帯域に挟まれた波長領域の透
過率が前記透過帯域側から前記不透過帯域側にかけて漸
減する透過率特性を有することを特徴とする赤外線カッ
トフィルタ。
【請求項２】前記透過帯域の透過率が９０％以上であ
ることを特徴とする請求項１記載の赤外線カットフィル
タ。
【請求項３】前記多層膜は、前記透明基板側から前記
高屈折率材料からなる透明薄膜、前記低屈折率材料から
なる透明薄膜の順で交互に配置され、最終層が前記低屈
折率材料からなる透明薄膜であることを特徴とする請求
項１又は２記載の赤外線カットフィルタ。
【請求項４】設計波長をλとするとき、前記高屈折率
材料からなる透明薄膜の層は、光学膜厚がλ／４より薄
い層が前記透明基板側に配置され、λ／４以上の厚さの
層が前記λ／４より薄い層と前記最終層の間に配置さ
れ、前記低屈折率材料からなる透明薄膜の層は、光学膜厚が
λ／４より薄い層が前記透明基板側と前記最終層に配置
され、λ／４以上の厚さの層が前記λ／４より薄い層と
前記最終層の間に配置されていることを特徴とする請求
項３記載の赤外線カットフィルタ。
【請求項５】前記透明基板と前記多層膜の間に、光学
膜厚が０．３×λ／４以上の透明薄膜が設けられている
ことを特徴とする請求項４記載の赤外線カットフィル
タ。