JP2006154359A

JP2006154359A - 赤外線カットフィルタ

Info

Publication number: JP2006154359A
Application number: JP2004345514A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Abe; 信博阿部; Toshikimi Kawamorita; 利公川守田; Kazuhiro Fujita; 和宏藤田
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】波長４３０〜６００ｎｍの透過帯域の透過率が９０％以上で、光軸方向のスペースを最小限にでき、基板上に多層膜の成膜を施しても反りがほとんど発生しない赤外線カットフィルタを提供する。
【解決手段】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４３０ｎｍ以上６００ｎｍ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、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し、前記透明基板の主面にアルミナ薄膜層を形成し、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赤外線カットフィルタ。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学的多層膜を用いた赤外線カットフィルタに関する。

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ＣＣＤイメージセンサーの感度が赤外線領域である波長１１００ｎｍ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。

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，ＮａＦ，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３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。

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４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。

ところで、ビデオムービーカメラや電子スチルカメラなどに用いられるカラーＣＣＤイメージセンサーは、従来に比べて解像度の高精度化が進んでいることから、ＣＣＤイメージセンサーの感度の向上化も同時に進んでいる現状にある。
特開２０００−３１４８０８号公報なお、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

上述する背景技術の記載にもあるように、昨今のビデオムービーカメラや電子スチルカメラに用いられるＣＣＤイメージセンサーは、日増しに解像度が高まってきている。一時期では２００万画素であった画像画質が最近では５００画素以上が標準化しつつある現状であり、今後ハイビジョン対応画質など表示装置の高精度化や印刷装置や印刷技術の進歩により更に解像度が高まっていくことが予想される。

ＣＣＤイメージセンサーの解像度の高精度化はＣＣＤイメージセンサーの感度の向上としても当てはまり、ＣＣＤイメージセンサーの感度が高まってくると、従来から問題視されている光電変換後の赤・緑・青の各信号のカラーバランス調整や肉眼で見るえ世界に近いソフトな色再現性、あるい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表面処理成膜も従来に比べて多層膜化することの必要が発生してくる。そのため、母体となる透明基板に対する成膜工程量(多層)により透明基板が反り、所望とする赤外線カットフィルタの効果が出にくい環境を招かないとも限らないという課題がある。

上記の課題を解決するために、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実験と研究をした結果、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、７５０〜１０５０ｎｍ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実験を行いながら確認した。

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る赤外線カットフィルタであり、波長４３０ｎｍ以上６００ｎｍ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、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赤外線カットフィルタにおいて、前記透明基板の主面にアルミナ薄膜層を形成し、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赤外線カットフィルタである。

また、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赤外線カットフィルタである。

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偏光能力を有する赤外線カットフィルタが得られる。

また、本発明による赤外線カットフィルタは、透明基板上に多層成膜するのあたり透明基板が成膜工程で反ってしまうおそれを排除することにより所望のフィルタ特性を十分発揮することができることから品質の向上と工程での良品率の向上も実現できる。

以下、添付図面に従ってこの発明の実施例を説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。
図1は本発明の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。

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上の主面にアルミナ薄膜層を形成し、前記透明基板側に高屈折率材料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８．８ｍｍ、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（ＴｉＯ₂）、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５５層まで積層されて多層膜４を形成している。

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５５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５５０ｎｍ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。

そして、本願発明の最大の特徴が、透明基板1の主面に形成するアルミナ薄膜層５により薄い透明基板1の反りを防止する効果を持たせたものである。なお、アルミナ薄膜層５は２５０オングストロームの膜厚で形成されている。

以上により従来の課題を解決かることができ、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

本発明の赤外線カットフィルタの構成を示す模式図である。本発明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。図１に示す赤外線カットフィルタで、設計波長λを５５０ｎｍとしたときの特性図である。従来のガラスタイプ赤外線カットフィルタの透過率を示す特性図である。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帯域を示す特性図である。

符号の説明

１透明基板
２二酸化チタン薄膜
３二酸化ケイ素薄膜
４多層膜
５アルミナ薄膜層

Claims

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４３０ｎｍ以上６００ｎｍ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、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赤外線カットフィルタにおいて、
前記透明基板の主面にアルミナ薄膜層を形成し、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赤外線カットフィルタ。
設計波長をλを５５０ｎｍ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1記載の赤外線カットフィルタ。