JP2006330128A - Ｉｒカット膜付きｎｄフィルタ、ｉｒカット膜付きｎｄフィルタの製造方法、及びこれらのｎｄフィルタを有する光量絞り装置及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】基材両側の膜応力による反りやクラックの発生を抑制することができ、小型化あるいは省スペース化を図ることが可能となるＩＲカット膜付きＮＤフィルタ、ＩＲカット膜付きＮＤフィルタの製造方法、及びこれらのＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラを提供する。
【解決手段】薄い透明樹脂からなるシート状基材１３を備え、基材の両面に成膜された赤外線を減衰するＩＲカット膜１と、前記ＩＲカット膜が成膜された基材の少なくとも一方の面のＩＲカット膜上に光の透過率を減衰するＮＤ膜２が成膜された構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＩＲカット膜付きＮＤフィルタ、ＩＲカット膜付きＮＤフィルタの製造方法、及びこれらのＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラに関する。特にビデオカメラあるいはスチルビデオカメラ等の撮影系に使用するに適したＩＲカット膜付きＮＤフィルタ、ＩＲカット膜付きＮＤフィルタの製造方法、及びこれらのＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラに関するものである。

従来のビデオカメラやデジタルカメラでは、撮像素子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、固体撮像素子は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、撮像素子の感度が赤外線領域である波長１１００ｎｍ付近まであるため、不要光により視覚と異なって画像化されてしまうことを防止するためである。

このような撮像装置の光学系に用いられる従来の赤外線カットフィルタには、厚さと吸収剤の量により透過率特性が変化する赤外線吸収ガラスタイプと、屈折率の異なる２種類以上の薄膜を交互にガラス基材上に積層することにより透過率特性を変化させる多層膜コーティングタイプとがある。このように、赤外線吸収ガラスやガラス基材にコーティングする従来のものでは、ガラス自体に厚みがあることから、光学系を小型化することが困難である。

一方、濃度が連続的に変化するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタが、例えば、表示パネルの濃度分布を補正する補正板として、あるいは顕微鏡等に光を供給する光量調整用のフィルタとして使用され、また近年ではマイクロレンズアレイ作製用のフォトマスクに使用される等、多岐の分野で用いられている。

以下に、光量絞りに用いられるＮＤフィルタの例について説明する。
光量絞りは銀塩フィルムあるいはＣＣＤ等への固体撮像素子へ入射する光量を制御するため、撮影光学系の光路中に設けられており、被写界が明るい場合に光量をより小さく絞り込まれるように構成されている。
従って、快晴時や高輝度の被写界を撮影すると絞りは小絞りとなり、絞りのハンチング現象や光の回折の影響も受け易く、像性能の劣化を生じる。
これに対する対策として、絞り羽根にフィルム状のＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタを取り付けて被写界の明るさが同一でも絞りの開口が大きくなる様な工夫がされている。

近年、撮像素子の感度が向上するに従い、前記ＮＤフィルタの濃度を濃くして、光の透過率をさらに低下させ、被写界の明るさが同一でも絞りの開口を大きくする様な工夫がなされてきている。しかしながら、この様にＮＤフィルタの濃度が濃くなると、図６に示す様にフィルムを通過した光ａと通過しない光ｂの光量差が大きく異なり、画面内で明るさが異なる“シェーディング”現象が起きたり、解像度が低下してしまうという欠点がある。この欠点を解決するためにＮＤフィルタの濃度を光軸中心に向かって順次透過率が大となる様な構造を採る必要が出てきている。

因みに図６で２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄは撮影光学系２１を構成するレンズ、２２は固体撮像素子で２３はローパスフィルタである。また２４から２７は絞り装置で、２４がＮＤフィルタ、２５と２６が対向的に移動する絞り羽根で、２枚の絞り羽根は略菱形の開口を形成する。ＮＤフィルタは普通、絞り羽根に接着されている。２７は絞り羽根支持板である。

一般的にＮＤフィルタの作製方法としては、フィルム状をなす材料（セルロースアセテート、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、塩化ビニル等）中に光を吸収する有機色素または顔料を混ぜ、練り込むタイプのものと、前記材料に光を吸収する有機色素または顔料を塗布するタイプのものがある。これらの製造方法では、濃度が均一なフィルタは作製可能であるが、濃度が変化するタイプのフィルタ（グラデーションフィルタ）は作製が著しく困難である。

これらの高画質対応への対策として、単一濃度のＮＤフィルタを複数の絞り羽根に接着して、駆動させることにより、単一濃度フィルタでも複数重なった部分と重ならない部分とから、濃度変化させることは可能である。
また、特許文献１では、日中の可視光下における可視光撮影と夜間における近赤外光撮影とに共用できるようにするため、連続的に濃度が変化するＮＤフィルタを有する部分とＩＲカットフィルタのみを有する部分を兼ね備え、ガラス基材一方側に連続的に濃度が変化するＮＤ膜が成膜され、他方側にＩＲカット膜を成膜した構成が提案されている。
特開平５−１１０９３８号公報

しかしながら、上記した従来例のものでは、いずれも近年の小型化あるいは省スペース化に対応することが困難であるという問題を有している。
すなわち、上記した、単一濃度のＮＤフィルタを複数の絞り羽根に接着して駆動させるものでは、絞り羽根に複数枚ＮＤフィルタが存在するために厚くなり、小型化あるいは省スペース化することは困難である。
また、特許文献１のものにおいても、ガラス基材の一方側に連続的に濃度が変化するＮＤ膜が成膜され、他方側にＩＲカット膜が成膜された構成が採られており、前述したようにガラス自体に厚みがあることから、光学系を小型化することが困難である。また、その際、このようなガラス基材に代え薄い透明樹脂基材等を用いたとしても、特許文献１のように片面にＮＤ膜、他の面にＩＲカット膜を成膜すると、圧倒的にＩＲカット膜の積層数が多いためその膜厚が厚くなり、基材のバランスが崩れ、ソリや膜のクラックが発生してしまうこととなる。

本発明は、上記課題に鑑み、基材両側の膜応力による反りやクラックの発生を抑制することができ、小型化あるいは省スペース化を図ることが可能となるＩＲカット膜付きＮＤフィルタ、ＩＲカット膜付きＮＤフィルタの製造方法、及びこれらのＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラを提供することを目的とするものである。

上記課題を達成するために、以下のように構成したＩＲカット膜付きＮＤフィルタ、ＩＲカット膜付きＮＤフィルタの製造方法、及びこれらのＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラを提供するものである。
すなわち、本発明のＩＲカット膜付きＮＤフィルタは、薄い透明樹脂からなるシート状基材を備え、基材の両面に成膜された赤外線を減衰するＩＲカット膜と、前記ＩＲカット膜が成膜された基材の少なくとも一方の面のＩＲカット膜上に光の透過率を減衰するＮＤ膜が成膜されていることを特徴としている。
また、本発明のＩＲカット機能付きＮＤフィルタの製造方法は、薄い透明樹脂からなるシート状基材の両面に赤外線を減衰するＩＲカット膜を、蒸着法により成膜するＩＲカット膜の成膜工程と、前記ＩＲカット膜が成膜された基材の少なくとも一方の面のＩＲカット膜上に、蒸着法により光の透過率を減衰するＮＤ膜を成膜するＮＤ膜の成膜工程と、を有することを特徴としている。
また、本発明の光量絞り装置は、相対的に駆動されて絞り開口の大きさを可変する複数の絞り羽根と、該絞り羽根により形成された開口内の少なくとも一部に配置される光量調整のためのＮＤフィルタとを備えた光量絞り装置において、前記ＮＤフィルタが、上記したＩＲカット機能付きＮＤフィルタ、または上記した製造方法によって製造されたＩＲカット機能付きＮＤフィルタによって構成されていることを特徴としている。
また、本発明のカメラは、光学系と、該光学系を通過する光量を制限する上記した光量絞り装置と、該光学系によって形成される像を受ける固体撮像素子を有することを特徴としている。

本発明によれば、光学系のスペースをコンパクトにすることができ、基材の反りが少なく、クラックが発生しないＩＲカット機能を有したＮＤフィルタを実現することができる。また、これにより光量絞り装置及びカメラ等に適したＩＲカット膜付きＮＤフィルタを提供することができる。

つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
図１に、本実施の形態におけるＩＲカット膜付きＮＤフィルタの構成を示す。
図１において、１はＩＲカット膜、２はＮＤ膜、１３は基材である。
本発明の実施においては、薄い透明樹脂基材の両面に、蒸着法を用いてＩＲカット膜１を形成し、ＩＲカット膜１上にＮＤ膜２を形成した。
本実施の形態のＩＲカット膜付きＮＤフィルタは、このように、基材１３の両面にＮＤ膜に比して圧倒的に積層数が多いＩＲカット膜が成膜されているから、基材上での膜厚バランスが保たれ、ソリや膜のクラックの発生を防止することが可能となる。
本実施の形態のＩＲカット膜付きＮＤフィルタにおいては、ＮＤ膜は基材の両面だけてなく片面だけに形成してもよい、また、それらは図１（ａ）示されるように基材の全面だけでなく、図１（ｂ）に示されるようにＮＤ膜を形成しない領域を設けるようにしてもよい。
また、本実施の形態のＩＲカット膜付きＮＤフィルタにおいては、連続的に濃度変化するグラデーション濃度勾配を有するもの以外に、多段階に濃度変化するもの、あるいは単一濃度の膜であっても良い。
以上の本発明の実施の形態によれば、同一の薄い透明樹脂基材にＩＲカット膜とＮＤ膜を形成することで、コンパクトでシンプルな光学系を提供することが可能となる。

つぎに、本実施の形態におけるグラデーション濃度勾配を有するＩＲカット膜付きＮＤフィルタの成膜に用いられる真空蒸着機の一例について説明する。
図２は真空蒸着機におけるチャンバー内の簡易図であり、１２は成膜を施す基板、１３は実際に成膜を実施する基材、１４は基材１３を固定する為の基板治具、１５は蒸着傘、１６は蒸着源である。また、本実施の形態として説明する基板１２とは、図２（ｂ）に示すように基板治具１４に基材１３がセットされた状態のものを意味している。

一般的に真空蒸着法においては、図２（ａ）の様にチャンバー内の基板は蒸着傘１５に備え付けられ、この蒸着傘１５と共に基板１２が回転し成膜が行われる。この各基板上の蒸着源側に、基板平面と平行な平面上で基板から任意の距離だけ離した位置に、図３に示すようなマスク１７を設けることにより、グラデーション濃度分布を有する膜が形成される。すなわち、蒸着源１６と基板１２及びマスク１７との幾何学的位置関係から、蒸着する蒸着粒子はマスク１７を通過し基板１２まで到達できたり、マスク１７に遮られ基板１２まで到達できなかったりすることにより、基板１２に膜厚分布を有する膜が得られる。

以上においては、真空蒸着法により基材上に薄膜を形成した場合を説明したが、本発明はこのような真空蒸着法に限らず、スパッタリング法、スプレー法、インクジェットプリンティング法、等にも適用することができるものである。なお、これらの成膜法は一般的に知られているため、ここではその説明を省略する。

つぎに、本発明の実施例について説明する。
本実施例においては、本発明を適用して図１（ａ）に示されるような薄い透明樹脂基材の両面に、ＩＲカット膜とＮＤ膜が形成された構成のＩＲカット機能付きのグラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタを作成した。
まず、透明樹脂基材の材質としては、耐熱性（ガラス転移点Ｔｇ）が高く、可視域の波長域で透明性が高く、また吸水率が低いプラスチック基材（ＰＥＴ基材）を選択した。材質厚は７５μｍとした。基材に関しては、この他にポリカーボネートやノルボルネン系樹脂を用いても良い。

ＩＲカットフィルタは、７００ｎｍ以上の波長光をカットするためのものである。このＩＲカットフィルタによると、図５のように、赤外光がカットされて可視光のみが透過する。
本実施例では、ＩＲカットフィルタは、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＩＴＯ、ＳｉＯ₂などの透明酸化物を用いて、ＰＥＴ基材上に積層成膜した。なお、ＩＲカットフィルタの材料は、特に以上のものに限定されるものではなく、赤外線吸収能がある無機及び有機材料をコーティングしても良い。
各フィルタの物理膜厚に関しては材料、層数により膜厚が異なるが、本実施例では、ＩＲカット膜は６μｍ程度で４０層膜となる構成とし、ＮＤ膜は０．２５μｍ程度で９層膜の構成を採用した。
ＩＲカット膜４０層における成膜時間は４時間以上にもなり、基板温度が１００℃設定時でも実際の基板は１５０℃以上まで上昇するため、ガラス転移点７０℃のＰＥＴへの成膜は難しい。そのため、本実施例では、基材の両面にＩＲカット膜を２０層程度づつ半分に分割して積層成膜した。これにより、１回の成膜時間が短縮でき、電子銃のパワーが同じであれば基板温度の上昇を軽減させることができる。更に基板を冷却するなどの機構を用いれば、透明樹脂基材への成膜は容易なものとなる。

以上のように積層成膜したＩＲカット膜上に、ＮＤ膜をつぎのように成膜した。
まず、各成膜基板上の蒸着源側に、図３に示すようなマスクを２つ設置し、ＩＲカット膜が積層成膜されたＰＥＴ基材上に、真空蒸着法により図４に示す膜構成のうち、第１層から最表層手前までを形成した。
成膜に際して、膜厚を比較的に容易に制御でき、かつ可視域の波長域で散乱が非常に小さいことから、上記の真空蒸着法を選択した。

つぎに、チャンバーから各基板に設けたマスクを取り外し、最表層を光学膜厚ｎ×ｄ（ｎは屈折率、ｄは機械膜厚）でλ／４ λ：５４０ｎｍの条件により成膜した。この最表層の膜の屈折率ｎは、可視域の波長域で１．５以下のものを選んだ。具体的にはＭｇＦ₂を使用した。ここで、第１層から最表層まで、図３で示す様なマスクを用い、全層を膜厚変化させ成膜すると、グラデーション部の反射防止条件が合わなくなり、反射率の上昇が起き、画質上では“ゴースト現象”や“フレア現象”が発生してしまうこととなる。このことを考慮し、最表層ではマスクを外し基板全面の膜厚が等しくなる様に成膜した。

以上のように第１層から最表層まで成膜した後、１２０℃ １時間 空気中で熱処理を行った。１２０℃を選んだのは、１００℃未満では環境安定性向上の効果が不十分であり、１３０℃を超えると基材の熱的劣化を生じて膜にクラックが発生する等問題が生じるためである。本実施例の条件下においては、熱処理の温度は、１１０℃から１３０℃の間が適当である。

環境安定性を調べるため、前記プラスチックＮＤフィルタを ６０℃ ９０％ ２４０時間の放置試験を行い、試験前後での透過率を測定すると、その差が０．２％以下とほとんど差は見られなかった。参考として、熱処理を行わないものを同様な環境試験を行い、試験前後での透過率を測定すると２％前後増加していた。
このような現象が起きる要因としては、真空蒸着時の基板温度が低いことが挙げられる。膜の封止密度は成膜時の基板温度が大きく影響し、温度が低いと封止密度が低くなり、水分・酸素等を透過しやすく、そのため吸収膜であるＴｉ_ＸＯ_Ｙ自体の酸化が促進されること、及びそれを保護するＡｌ₂Ｏ₃膜等の誘電体膜の保護効果が少ないことの両方の影響から透過率が上昇すものと考えられる。熱処理を行うと環境安定性が向上するのは、エージング効果であると考えられる。

ＮＤフィルタは透過率を制御するためのもので、あらゆる連続的濃度変化幅の仕様にすることが可能である。
通常の撮影時は、ＮＤフィルタの連続的に濃度が変化する部分で光の透過率を減少させる機能を持たせ、且つ、ＩＲフィルタによって赤外光が固体撮像素子に入射されるのを防止している部分を使用する。
以上述べたようなＩＲカット機能を有したＮＤフィルタを、例えば図６の撮像装置におけるＮＤフィルタ２４に代えて、絞り羽根の近傍で撮像素子に対して移動可能に配置して用いることができる。
また、開放絞り値を開放で使用する際においても、図１（ｂ）に示すようなＮＤ膜の形成されていない領域を有するものを用い、有害な赤外光を減衰したい場合、絞り口径をカバーできる大きさに合わせ、ＮＤ膜のないＩＲカット膜領域のみを設けた構成を採ることができる。これにより、光量を減少しない時でも赤外線をカットすることが可能となる。
また、入射量が大きい場合、入射光量に合わせてＮＤ膜で入射光量を変えることもでき、細かい光量調整が可能である。
また、連続濃度変化する分光透過率特性を有するＮＤフィルタ膜を用いた場合には、開放絞りから徐々に絞り込んでいく場合でも、濃度変化が急変することがなく、望ましいが、前述したように本発明は必ずしもこのような連続的に濃度変化するグラデーション濃度勾配を有するもの以外に、多段階に濃度変化するもの、あるいは単一濃度の膜であっても良い。
また、夜間や暗所の撮影時には、ＮＤ膜とＩＲカット膜を光路から退避できるように構成すると、夜間や暗所の撮影も可能である。
なお、ＩＲカット機能を有したＮＤフィルタは、絞り羽根支持板に固定する構造でも、固定しない構造のどちらでも良い。
以上、本実施例によれば、光量絞り装置及びカメラ等に適したＩＲカット膜付きＮＤフィルタを提供することができる。

本発明の実施の形態におけるＩＲカット膜付きＮＤフィルタの構成を示す図。 本発明の実施の形態におけるＩＲカット膜付きＮＤフィルタの製造に用いる真空蒸着機のチャンバー内簡易図。 本発明の実施の形態におけるＩＲカット膜付きＮＤフィルタの製造に用いるマスクの構成を示す図。 本発明の実施例の膜構成を示す図。 本発明の実施例におけるＩＲカット膜付きＮＤフィルタによる赤外光カットを説明する図。 従来例におけるビデオカメラに使用される撮影光学系の構成を示す図。

符号の説明

１：ＩＲカット膜
２：ＮＤ膜
１２：基板
１３：基材
１４：基板治具
１５：蒸着傘
１６：蒸着源
１７：マスク

Claims (12)

1. 薄い透明樹脂からなるシート状基材を備え、基材の両面に成膜された赤外線を減衰するＩＲカット膜と、前記ＩＲカット膜が成膜された基材の少なくとも一方の面のＩＲカット膜上に、光の透過率を減衰するＮＤ膜が成膜されていることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタ。
2. 前記ＮＤ膜が、前記ＩＲカット膜面に対して一部成膜されない領域を残して成膜されていることを特徴とする請求項１記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタ。
3. 前記ＩＲカット膜とＮＤ膜は、蒸着法で成膜されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタ。
4. 前記ＩＲカット膜は、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＩＴＯ、ＳｉＯ₂などの透明酸化材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタ。
5. 前記ＮＤ膜は、２種類以上の層からなる膜を積層して複数の濃度分布を形成し、光の透過率を多段階に減衰させるように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタ。
6. ＩＲカット機能付きＮＤフィルタの製造方法であって、
   薄い透明樹脂からなるシート状基材の両面に赤外線を減衰するＩＲカット膜を、蒸着法により成膜するＩＲカット膜の成膜工程と、
   前記ＩＲカット膜が成膜された基材の少なくとも一方の面のＩＲカット膜上に、蒸着法により光の透過率を減衰するＮＤ膜を成膜するＮＤ膜の成膜工程と、
   を有することを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタの製造方法。
7. 前記ＩＲカット膜の成膜工程において、前記シート状基材の両面に前記ＩＲカット膜を分割して成膜することを特徴とする請求項６に記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタの製造方法。
8. 前記ＩＲカット膜の成膜工程において、前記ＩＲカット膜の成膜にＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＩＴＯ、ＳｉＯ₂などの透明酸化材料を用いて成膜することを特徴とする請求項６または請求項７に記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタの製造方法。
9. 前記ＮＤ膜の成膜工程において、少なくとも２種類以上の膜を成膜して段階的な複数の濃度分布を有する膜を成膜することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタの製造方法。
10. 前記ＮＤ膜の成膜工程において、前記ＩＲカット膜面に対して一部成膜されない領域を残して成膜することを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタの製造方法。
11. 相対的に駆動されて絞り開口の大きさを可変する複数の絞り羽根と、該絞り羽根により形成された開口内の少なくとも一部に配置される光量調整のためのＮＤフィルタとを備えた光量絞り装置において、
    前記ＮＤフィルタが、請求項１〜５のいずれか１項に記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタまたは請求項６〜１０のいずれか１項に記載の製造方法によって製造されたＩＲカット機能付きＮＤフィルタによって構成されていることを特徴とする光量絞り装置。
12. 光学系と、該光学系を通過する光量を制限する請求項１１に記載の光量絞り装置と、該光学系によって形成される像を受ける固体撮像素子を有することを特徴とするカメラ。

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