JP2007171542A - 光学絞り用ｎｄフィルタと該ｎｄフィルタを備えた光学絞り装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＤフィルタ蒸着工程におけるプラスチック基板の伸縮変形を低減し、皺の発生を防止する。
【解決手段】ＮＤフィルタ１０の基材となるプラスチック基板２４は、全光線透過率９０％以上を有し、濁度を示すヘイズ値は０．５％以下であるポリイミド系樹脂から成り、ガラス転移温度が２００℃以上である。この基板２４上に反射率を低下させるためのＡｌ_２Ｏ_３膜４１と、透過率を低下させるためのＴｉＯｘ膜４２を交互に積層し、最表層には低屈折材料であるＭｇＦ_２膜４３を蒸着することにより、反射防止効果を更に高めている。蒸着時の成膜温度が２００℃前後に達しても基板２４の加熱温度よりも、ガラス転移温度が十分に高いので基板２４の表面に生ずる皺の発生を抑制できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ビデオカメラ或いはスチールビデオカメラ等の撮影系の使用に適した光学絞り用ＮＤフィルタと該ＮＤフィルタを備えた光学絞り装置に関するものである。

従来のビデオカメラに搭載されている光学絞り装置は、固体撮像素子に入射する光量を制御するために設けられており、被写界が明るい場合に、より小さく絞り込まれるようになっている。従って、快晴時や高輝度の被写体を撮影すると絞りは小絞りとなり、絞り開口部による光の回折の影響を受け易く、像性能の劣化を生ずる。

この課題の対策として、例えば絞り羽根にフィルム状のＮＤ（Neutral Density）フィルタを取り付けることにより、被写界の明るさが大きくなっても、絞り開口部は所定の大きさのままにする工夫がなされている。つまり、ＮＤフィルタは絞り開口部が小さくなった時に、光路中に位置して光量を減少させることで、高輝度撮影時においても絞り開口が極端に小さくなることを防止している。

例えば、特許文献１に示すようなＮＤフィルタは光軸中心に向かって段階的に透過率が大きくなる構成のもの、或いは特許文献２に示すようなＮＤフィルタは光軸中心に向かって連続的に透過率が大きくなる構造のもの等が知られている。光量調節機能には濃度勾配を有するものを用い、ＮＤフィルタを光軸上で移動させることにより、更なる光量調節を行うこともできる。

このようなＮＤフィルタには、材料の光学特性が良好であり、耐久性も優れているＰＥＴ、ＰＥＮ等のフィルム状から成るプラスチック基板が使用されている。そして、プラスチック基板の表面に対して、蒸着法等により光吸収性を有する材料と、反射率を低下させるための材料とを交互に積層し、蒸着膜を形成している。

しかし、ＮＤフィルタを製造する蒸着工程において、蒸発源から加熱溶融、気化された蒸着粒子がプラスチック基板表面に付着する際に、蒸着時間の経過と共にプラスチック基板の表面温度が上昇する。プラスチック基板と積層される膜材料の熱膨張係数は必ずしも同一ではないため、積層される膜材料がプラスチック基板の自由な熱伸縮を妨げることになる。その結果、作製されたＮＤフィルタの表面に皺等の形状変化が生じ、ＮＤフィルタとして使用する際に支障が生ずる。

そこで、この成膜後に生ずるＮＤフィルタの表面の皺等の形状変化を抑制するための手段として、例えば所望のＮＤフィルタを得るためのパターン形成用マスクをプラスチック基板上に密着させた状態で蒸着を行うことがある。これにより、プラスチック基板が受ける熱伸縮の影響を低減させることができる。

特許文献３〜５においては、蒸着するプラスチック基板として、１２０℃以上のガラス転移温度を有するノルボルネン系樹脂を使用し、蒸着時の加熱温度をプラスチック基板のガラス転移温度よりも低く保ち、伸縮変形を抑制し皺の発生を防止している。

特許第２５９２９４９号公報 特開２００４−１１７４６７号公報 特開２００４−３７５４５号公報 特開２００４−３７５４８号公報 特開２００５−６２９０３号公報

最近においては、撮像素子の感度の向上と共に、光の透過率を更に低下させた高濃度のＮＤフィルタが要求される傾向にあり、所望の光学特性を得ようとする場合には、改めて積層する膜構成を最適化する必要がある。具体的には、積層する蒸着膜について所定の層の膜厚を厚くしたり、或いは層数を増加させる等の手法が採られている。その結果、蒸着中のプラスチック基板に伝熱される温度が更に上昇し、真空中で高温状態に晒される時間が長くなる。パターン形成用マスクをプラスチック基板上に密着させた状態で蒸着を行っても、プラスチック基板の伸縮変形を抑制できない事態が発生する。

また、特許文献３〜５において、ノルボルネン系樹脂のプラスチック基板を用いても、実際には例えば濃度が１．５以上となるような高濃度のＮＤフィルタを作成する際には、作製時の蒸着温度が１２０℃を大きく超え、２００℃近くに達することもある。通常のノルボルネン系樹脂のプラスチック基板のガラス転移温度は１２０〜１７０℃程度なので、そのガラス転移温度よりも高い温度となり、蒸着後のプラスチック基板の皺は著しく増大し、しかもその皺を解消することは極めて困難となる。

本発明の目的は、ガラス転移温度が２００℃以上の耐熱性に優れたプラスチック基板を用いることにより、通常の蒸着によるＮＤフィルタの製作と同様の工程で得られる光学絞り用ＮＤフィルタと該ＮＤフィルタを備えた光学絞り装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る光学絞り用ＮＤフィルタの技術的特徴は、ガラス転移温度が２００℃以上のプラスチック基板上に、光量を調整する蒸着膜を積層したことにある。

また、本発明に係る光学絞り用ＮＤフィルタを備えた光学絞り装置の技術的特徴は、ガラス転移温度が２００℃以上のプラスチック基板上に光量を調整する蒸着膜を積層したＮＤフィルタを、絞り羽根に取り付け、該絞り羽根により形成する絞り開口部を通過する光量を前記ＮＤフィルタにより調節することにある。

本発明に係る光学絞り用ＮＤフィルタと該ＮＤフィルタを備えた光学絞り装置によれば、皺の発生を防止され、解像度の低下を抑制できるので高画質化への対応が可能となる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は本実施例における撮影光学系の構成図を示し、レンズ１、光量絞り装置２、レンズ３〜５、ローパスフィルタ６、ＣＣＤ等から成る固体撮像素子７が順次に配置している。この光量絞り装置２においては、絞り羽根支持板８に一対の絞り羽根９ａ、９ｂが可動に取り付けられており、絞り羽根９ａには、絞り羽根９ａ、９ｂにより形成される開口部を通過する光量を減光するためのＮＤフィルタ１０が接着されている。

ＮＤフィルタ１０の基材となる透明なプラスチック基板は、耐熱性を有するポリイミド（Polyimide）系樹脂から成り、そのガラス転移温度は２００℃以上である。この程度の耐熱性により、蒸着時の成膜温度が２００℃近くに到達しても、プラスチック基板の加熱温度よりもガラス転移温度が十分に高いので、プラスチック基板の表面に生ずる皺の発生を有効に抑制することが可能になる。

ポリイミド系樹脂から成るプラスチック基板は、４価の脂肪族テトラカルボン酸と２価のジアミンを構成成分とする脂肪族ポリイミド、又は上述の脂肪族ポリイミドを含む材料から成る。このプラスチック基板は光学フィルタの用途に適した全光線透過率９０％以上を有し、材料の濁度を示すヘイズ値（haze factor）は０．５％以下となっている。

ポリイミド系樹脂から成るプラスチック基板の厚さは、高倍率の画像を得るために、レンズ２とレンズ３の間隔を狭くすることが必要となってくるため、ＮＤフィルタ１０としての剛性を保持しながら、可能な限り薄く形成することが好ましい。具体的には、ＮＤフィルタ１０の厚みは２００μｍ以下とすることが好適であり、更に好ましくは５０〜１００μｍの範囲とすることが望ましい。

図２はＮＤフィルタ１０を製造するための真空蒸着機におけるチャンバ内の模式図を示している。イオンプレーティング法又はスパッタリング法等においても同様な効果を得ることができるが、これらの成膜法は一般的によく知られているのでここでは記述を省略する。

チャンバ２１内には、蒸着源２２、蒸着傘２３、プラスチック基板２４が設けられ、蒸着に適した温度までプラスチック基板２４を加熱するためのヒータ２５が設けられている。

図３は基板治具の斜視図を示し、例えば図示しない磁石を配置した固定冶具３１上に、蒸着を施すためのプラスチック基板２４及び磁性材料から成るマスクプレート３２の順に密着して載置されている。また、マスクプレート３２の成膜を施す成膜部位には、開口部３２ａが形成されており、固定冶具３１とマスクプレート３２とは磁気作用によって吸着して密着し、蒸着時の熱の影響を軽減できるようにされている。ＮＤフィルタ１０を形成する蒸着面は、ＮＤフィルタ１０の成膜表面が蒸着源２２に対向するように蒸着傘２３に備え付けられ、Ｚ軸を中心にこの蒸着傘２３と共に基板冶具が回転し成膜が行われる。

図４はＮＤフィルタ１０の模式断面図を示している。プラスチック基板２４上に反射率を低下させるための反射防止膜であるＡｌ₂Ｏ₃膜４１と、透過率を低下させるための光吸収膜であるＴｉＯｘ膜４２とが交互に計８層積層されている。更に、最表層の第９層には、低屈折材料であるＭｇＦ₂膜４３を、光学膜厚ｎ×ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）で１／４λ（λ＝５００〜６００ｎｍ）に蒸着することにより、反射防止効果を更に高めることが可能である。また、本実施例においては、最表層にＭｇＦ₂膜４３を用いたが、ＭｇＦ₂膜４３の代りにＳｉＯ₂膜を用いることもできる。

ＮＤフィルタ１０の透過率は、第２、４、６、８層の光吸収膜であるＴｉＯｘ膜４２の総膜厚によって変化し、膜厚が厚くなるほど透過率は低下する。また、４００〜７００ｎｍの波長範囲内での透過率のニュートラル性は上述のＴｉＯｘ膜４２の組成のｘによって変化し、適当に選択することにより透過率分布はニュートラルとなる。ｘの好ましい数値は０．５以上〜２．０以下の範囲であり、ｘ＝１．２以下の際に約５５０ｎｍの波長を境界として、波長の短い光の透過率が低くなるように傾く現象が生ずる。また、ｘ＝１．２以上の場合には、逆に波長の短い光の透過率が高くなるため、蒸着時に透過率をモニタリングすることにより、透過率をニュートラルにすることが好ましい。

また、反射率を蒸着時にモニタリングすることにより、第１、３、５、７層の反射防止膜であるＡｌ₂Ｏ₃膜４１の膜厚を制御して、反射率を低下させることが可能である。

このようにして得られたＮＤフィルタ１０の透過率は、図５に示すようにλ＝４００〜７００ｎｍの波長域において、各波長における透過率のばらつきが少なく、平坦性に優れている。また、反射率は図６に示すように上述の波長域において十分低い値を示しており、ＮＤフィルタ１０として十分に許容できるものである。

試験のために、透明なプラスチック基板２４として、厚さ１００μｍのポリイミド系樹脂（三菱ガス化学株式会社製商品名：ネオプリムＬ）を用いて製作した。また、比較用に同厚のＰＥＴ（東レ株式会社製商品名：ルミラー）、ノルボルネン系樹脂（日本ゼオン株式会社製商品名：ゼオノア）の２種類を用いた。この３種のプラスチック基板２４を、それぞれ磁石を配置した固定冶具３１と磁性材料から成るマスクプレート３２の間に挟持した。

基板冶具を真空蒸着機のチャンバ２１内の蒸着傘２３にセットして排気を行い、真空蒸着法により図４に示すようにプラスチック基板２４上に９層構成のＮＤフィルタ膜を成膜した。成膜したＮＤフィルタは、蒸着面の濃度が均一な単濃度膜となり、具体的には濃度が約１．５、つまり透過率が約３．２％となる膜が得られた。

このようにして製造した３種類のプラスチック基板２４から成るＮＤフィルタについて、蒸着面の皺の発生の有無について○（可）、×（不可）で評価し、表１はその結果を示している。

表１
プラスチック基板の種類 単濃度（濃度１．５）
ポリイミド系樹脂 ○
ＰＥＴ樹脂 ×
ノルボルネン系樹脂 ×

この表１に示すように、ＰＥＴ樹脂、ノルボルネン系樹脂から成るプラスチック基板については、蒸着面に皺の発生が認められたのに対し、ポリイミド系樹脂から成るプラスチック基板については、皺は発生せず、平滑な表面を呈するＮＤフィルタが得られた。

実施例１においては、蒸着面の濃度が均一な単濃度膜としたが、本実施例２におけるＮＤフィルタ１０は透過光量の異なる複数の濃度領域を有している。

図７はこのＮＤフィルタ１０の平面図、図８は断面図を示しており、２種類の異なる濃度を有するＮＤフィルタ膜５１、５２が成膜されている。この場合に、先ず透明なプラスチック基板２４の片面に対して、全面にＮＤフィルタ膜５１を所望の濃度となるように蒸着する。次に、他面の領域Ａに対してマスクを配置することにより蒸着膜が付着しないようにして、領域Ｂに対してＮＤフィルタ膜５２を所望の濃度となるように蒸着する。

プラスチック基板２４としては、実施例１と同じ厚さ１００μｍのポリイミド系樹脂と、比較のためＰＥＴ樹脂、ノルボルネン系樹脂の３種類を用意し、２種類の異なる濃度領域を有するＮＤフィルタ膜５１、５２を真空蒸着法により成膜した。成膜したＮＤフィルタは、領域Ａの濃度が薄く、領域Ｂの濃度が濃くなるようにした。ＮＤフィルタ膜５１は実施例１と同様に９層構成とし、濃度が０．６になるように蒸着し、ＮＤフィルタ膜５２も実施例１と同様な９層構成とし、濃度が０．９になるように蒸着した。

上述の方法において製造した３種類のプラスチック基板２４から成るＮＤフィルタについて、蒸着面の皺の発生の有無について○（可）、×（不可）で評価し、表２はその結果を示している。

表２
プラスチック基板の種類 二濃度（濃度０．６、１．５）
ポリイミド系樹脂 ○
ＰＥＴ ×
ノルボルネン系樹脂 ×

この表２に示すように、ＰＥＴ樹脂、ノルボルネン系樹脂から成るプラスチック基板２４については、蒸着面に皺の発生が認められた。しかし、ポリイミド系樹脂から成るプラスチック基板２４については、皺の発生が認められず、実施例１と同様に平滑な表面を呈するＮＤフィルタを得ることができた。

実施例３のＮＤフィルタ１０は、図９に示すようにプラスチック基板２４上に濃度が順次に小から大に変化するグラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタ膜６１が被膜されている。

特許文献２に開示されているようなマスク面となす角度の調節が可能な遮蔽板を有するマスクを使用して、マスクで蒸着面に対して膜材料の一部を遮蔽することによって、プラスチック基板２４上にグラデーション濃度分布を形成する方法が知られている。

最表層に蒸着する低屈折率材料であるＭｇＦ₂膜は、更に反射防止性を向上させるためのものであり、マスクを使用せず、全面に光学膜厚ｎ×ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）で１／４λ（λ＝５００〜６００ｎｍ）蒸着する。

実施例１、２と同様に、透明なプラスチック基板２４として、厚さ１００μｍのポリイミド系樹脂と、比較のためＰＥＴ樹脂、ノルボルネン系樹脂の３種類を用意し、グラデーション濃度を有するＮＤフィルタ膜６１を真空蒸着法により成膜した。具体的には、ＮＤフィルタ膜６１は濃度が約０．２〜約１．５、つまり透過率が約６３〜約３．２％へと順次に変化させた。また、最表層のＭｇＦ₂膜は、マスクを使用せずに、全面に光学膜厚ｎ×ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）で１／４λ（λ＝５４０ｎｍ）を蒸着した。

上述の方法において製造した３種類のプラスチック基板２４から成るＮＤフィルタについて、蒸着面の皺の発生の有無について○（可）、×（不可）で評価し、表３はその結果を示している。

表３
プラスチック基板の種類 グラデーション（濃度０．２〜１．５）
ポリイミド系樹脂 ○
ＰＥＴ樹脂 ×
ノルボルネン系樹脂 ×

この表３に示すように、ＰＥＴ樹脂、ノルボルネン系樹脂から成るプラスチック基板２４については、蒸着面に皺の発生が認められた。しかし、ポリイミド系樹脂から成るプラスチック基板２４については、皺の発生が認められず、実施例１、２と同様に平滑な表面を呈するＮＤフィルタを得ることができた。

以上の各実施例で説明したＮＤフィルタ１０を有する光量絞り装置２を、ビデオカメラやデジタルスチールカメラ等の固体撮像素子７上に被写体像を形成するタイプの撮影装置に適用することにより、良好な性能の光学絞り装置を実現できる。

なお、本発明は上述の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲の範疇内において適宜に実施することができる。

撮影光学系の構成図である。 真空蒸着機のチャンバ内の構成図である。 基板冶具の斜視図である。 実施例１のＮＤフィルタの模式断面図である。 実施例１のＮＤフィルタの透過率特性のグラフ図である。 実施例１のＮＤフィルタの反射率特性のグラフ図である。 実施例２のＮＤフィルタの平面図である。 実施例２のＮＤフィルタの断面図である。 実施例３のＮＤフィルタの平面図である

符号の説明

１、３〜５ レンズ
２ 光量絞り装置
６ ローパスフィルタ
７ 固体撮像素子
８ 絞り羽根支持板
９ａ、９ｂ 絞り羽根
１０ ＮＤフィルタ
２１ チャンバ
２２ 蒸着源
２３ 蒸着傘
２４ プラスチック基板
２５ ヒータ
３１ 固定治具
３２ マスクプレート
４１ Ａｌ₂Ｏ₃膜
４２ ＴｉＯｘ膜
４３ ＭｇＦ₂膜
５１、５２、６１ ＮＤフィルタ膜

Claims (7)

1. ガラス転移温度が２００℃以上のプラスチック基板上に、光量を調整する蒸着膜を積層したことを特徴とする光学絞り用ＮＤフィルタ。
2. 前記プラスチック基板は全光線透過率が９０％以上、ヘイズ値が０．５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学絞り用ＮＤフィルタ。
3. 前記プラスチック基板はポリイミド系樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の光学絞り用ＮＤフィルタ。
4. 前記蒸着膜は透過光量が異なる段階的な濃度分布を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の光学絞り用ＮＤフィルタ。
5. 前記蒸着膜は透過光量が異なる連続的な濃度分布を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の光学絞り用ＮＤフィルタ。
6. ガラス転移温度が２００℃以上のプラスチック基板上に光量を調整する蒸着膜を積層したＮＤフィルタを、絞り羽根に取り付け、該絞り羽根により形成する絞り開口部を通過する光量を前記ＮＤフィルタにより調節することを特徴とする光学絞り用ＮＤフィルタを備えた光学絞り装置。
7. 光学系を通過する光量を制限する請求項６に記載の光学絞り装置と、前記光学系によって形成する像を撮像する固体撮像素子とを有することを特徴とするカメラ。