JP2008276112A

JP2008276112A - Ｎｄフィルタ

Info

Publication number: JP2008276112A
Application number: JP2007122414A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Suzuki; 一雄鈴木
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-13

Abstract

【課題】蒸着回数を増やすことなくクラック等を抑制し、反射防止性能を向上させた安価なＮＤフィルタを提供する。
【解決手段】ＮＤ領域Ａにおいて、第１、３、５、７層に真空蒸着法により反射防止層であるＡｌ₂Ｏ₃膜５３ａと、第２、４、６、８層に光吸収層であるＴｉＯｘ膜５３ｂが交互に成膜し、第８層のＴｉＯｘ膜５３ｂ上に、ＳｉＯ₂膜６１ａとＭｇＦ₂膜６１ｂを順次に成膜し反射防止膜６１を形成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、カメラやビデオカメラ等の撮影装置や光学機器等に使用されるＮＤフィルタに関するものである。

従来から、デジタルスチールカメラやビデオカメラ等の光学機器には、その光量調節のために光量絞り装置が組み込まれている。光量絞り装置は絞り羽根の開閉によりＣＣＤ等の固体撮像素子へ入射する光量を調節するものであり、被写体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際には透過光量を減衰させるために、絞りは小絞りとなる。しかし、絞りが極端に小さくなり過ぎると光は絞りで回折し、画像の劣化を引き起こしてしまう。また、固体撮像素子が高感度化するに伴い、更に光量を減衰させる必要があり、この傾向が顕著になってきている。

この問題の対策として、絞り羽根の一部にフィルム形状のＮＤ（Neutral Density）フィルタを貼り付けることにより、絞り開口が所定の大きさ以上のままでも光量を減衰させることができる。これにより、被写体が高輝度の際にも絞り開口を極端に小さく絞り込む必要がなくなり、絞り開口が所定の大きさより小さくならないように維持することができる。

近年では、デジタルカメラやビデオカメラ等の高画質化に伴い、より適切な調整ができるように、１枚のＮＤフィルタに複数の異なる濃度領域を設けた多濃度ＮＤフィルタや連続的な濃度勾配を設けたグラデーションＮＤフィルタが用いられるようになっている。

また、絞り開口内においてＮＤフィルタの有無による画質の差が生ずることを避けるために、ＮＤフィルタによる減光を行わない場合においても、ＮＤフィルタの透明領域が絞り開口内に挿入されるように、透明領域を有するＮＤフィルタも用いられてきている。

例えば、特許文献１においては、透明樹脂フィルム上にＴｉＯ膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜、ＳｉＯ₂膜を蒸着した透明領域付きグラデーションＮＤフィルタが開示されている。また、特許文献２においてはグラデーションＮＤフィルタの作製方法が開示されている。

ＮＤフィルタの基本的な構成は、透明基板の片面に金属膜、金属酸化物、誘電体膜等の積層膜から成る光吸収膜であるＮＤ膜を成膜したものである。

図１８はＮＤフィルタ１の断面図を示しており、透明基板２の片面にＮＤ膜３を成膜し、裏面には反射防止膜４を成膜している。また、図１９に示すように透明基板２の両面にＮＤ膜３を成膜してもよい。

図２０はＮＤ膜３の膜構成図を示しており、透明基板２上の第１、３、５、７層に反射防止膜であるＡｌ₂Ｏ₃膜１１、第２、４、６、８層に透過率を低下させるための光吸収膜であるＴｉＯｘ膜１２を交互に積層している。そして、最上層の第９層に反射防止膜として低屈折材料のＳｉＯ₂膜１３を成膜している。

透過率は光吸収膜であるＴｉＯｘ膜１２の総膜厚によって変化し、この膜厚が厚くなるほど透過率は低下する。また、４００〜７００ｎｍの範囲の波長に対する透過率の平坦性はＴｉＯｘ膜１２の組成を表すｘによって変化するため、このｘの値を適切に調整することにより、異なる光の波長に対する透過率の変動を少なくすることができる。また、Ａｌ₂Ｏ₃膜１１の蒸着時に反射率をモニタリングすることにより、Ａｌ₂Ｏ₃膜１１の膜厚を制御し、反射率を低くすることができる。

最表層にＳｉＯ₂膜１３を光学膜厚ｎ×ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）でλ₀／４（λ₀；設定波長）蒸着することにより、更に反射防止効果を高めている。また、ＳｉＯ₂膜１３の代りにＭｇＦ₂膜を用いることもできる。

ＣＣＤ等の固体撮像素子は構造上、その表面において光を反射し易いため、ＣＣＤと対向するＮＤフィルタ１の表面の反射が大きいと、ＣＣＤ表面で反射した光がＮＤフィルタ１の表面で再度反射し、ＣＣＤの別の画素に入射してしまい、ゴースト等の原因となる。従って、ＮＤフィルタ１の表面の反射を抑制することは、優れた画質の写真や映像を撮影するためには極めて重要である。

図２１は透明領域付きのグラデーションＮＤフィルタの断面模式図を示している。基板２のＮＤ領域Ａ上にはグラデーション濃度分布を有するＮＤ膜３が成膜されている。そして、ＮＤ膜３が成膜されていない透明領域Ｂの基板２上及びＮＤ膜３上には、単層の反射防止膜４を成膜されている。この反射防止膜４は空気の屈折率（屈折率ｎ＝１）に近い方が反射防止効果が高いため、通常は屈折率が小さいＳｉＯ₂膜（ｎ＝１．４６）やＭｇＦ₂膜（ｎ＝１．３６）が使用される。

通常、基板２上にＮＤ膜３を成膜する場合には、基板２とＮＤ膜３、反射防止膜４との密着性を向上させるために基板２を加熱するが、合成樹脂製の基板２の場合には耐熱性の問題があり、基板温度の上限は１００〜１５０℃程度である。

特開２００４−２０５９５１号公報特許第３７０１９３１公報

固体撮像素子の高感度化や高解像度化に対応し、フィルタ表面の更なる低反射率化の要求に答えるためには、反射防止膜４の反射率をできるだけ小さくする必要がある。特に、図２１に示すような透明領域Ｂを有するフィルタにおいては、ＮＤフィルタと比較して反射率が高い基板２の影響があるため、ＭｇＦ₂等の膜を成膜することが望ましい。

しかし、合成樹脂製の透明領域付きのグラデーションＮＤフィルタにおいては、上述の温度範囲に加熱された基板２において、反射防止膜４としてＭｇＦ₂膜を成膜すると、加熱温度が低いために膜強度が弱くクラックが発生し易い。一方、反射防止膜４としてＳｉＯ₂膜を蒸着すれば、この温度範囲で蒸着しても、膜強度が強いのでクラックの発生を抑制することができる。しかし、ＳｉＯ₂膜はＭｇＦ₂膜と比較すると屈折率が大きいため、反射率が高くなってしまう。

また、このようなフィルタに関しては、成膜層数が成膜工程の回数となり、製造コストにそのまま関係してくるため、できるだけ少ない成膜工程回数で製造することが望ましい。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、クラック等の発生を抑制しつつ、反射防止性能を向上させた安価なＮＤフィルタ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ＮＤフィルタの技術的特徴は、透明樹脂基板上の一部の領域に光吸収膜を成膜したＮＤ領域と前記光吸収膜を成膜しない透明領域を有するＮＤフィルタにおいて、前記ＮＤ領域の表面及び前記透明領域の表面の両領域上にＳｉＯ₂膜、ＭｇＦ₂膜の順に成膜した２つの層から成る反射防止膜を形成したことにある。

本発明に係るＮＤフィルタによれば、クラックの発生を防止すると共に、ＮＤ膜の表面及び透明領域の透明樹脂基板上に反射防止効果の高い反射防止膜を形成することができる。

本発明を図１〜図１７に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は撮影光学系の構成図を示し、レンズ２１、光量調節部材２２、レンズ２３〜２５、ローパスフィルタ２６、ＣＣＤ等から成る固体撮像素子２７が順次に配列されている。光量調節部材２２においては、絞り羽根支持板２８に一対の絞り羽根２９ａ、２９ｂが可動に取り付けられている。絞り羽根２９ａには、絞り羽根２９ａ、２９ｂの駆動により形成される略菱形形状の開口部を通過する光束の透過量を減光するためのＮＤフィルタ３０が接着されている。なお、ＮＤフィルタ３０は絞り羽根２９ａに取り付けず、独立して駆動するようにしてもよい。

図２はＮＤフィルタ３０を製造するための真空蒸着機のチャンバの構成図を示している。チャンバ４１内には、蒸着源４２、回転可能な蒸着傘４３が設けられ、この蒸着傘４３には基板治具４４が配置されている。

図３は基板治具４４の拡大断面図を示しており、この基板治具４４には図示しない基準ピンに貫通させてＮＤフィルタ３０の基板となる透明樹脂基板５１が位置決めして取り付けられている。そして、この透明樹脂基板５１の下面には、所定の間隔を空けて蒸着パターンを形成するための開口部５２ａを有する蒸着パターン形成用マスク５２が設けられている。

ＮＤフィルタ３０に用いられる透明樹脂基板５１としては、透明性及び機械的強度を有するものが好ましく、フィルム状のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）の使用が可能である。更には、ポリカーボネート、ポリイミド系樹脂、ノルボルネン系樹脂、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、アクリル系樹脂等のフィルム状の合成樹脂基板を使用することが可能である。また、透明樹脂基板５１の板厚としては、ＮＤフィルタ３０としての剛性を保持しながら、可能な限り薄いことが好ましい。具体的には、その板厚は３００μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは５０〜１００μｍである。本実施例においては板厚１００μｍのＰＥＴ基板を用いている。

透明樹脂基板５１と蒸着パターン形成用マスク５２をセットした基板治具４４を、図２に示すチャンバ４１の蒸着傘４３に固定してＺ軸を中心に回転し、蒸着パターン形成用マスク５２の開口部５２ａ上の透明樹脂基板５１上にＮＤ膜５３を蒸着する。マスク５２の開口部５２ａの透明樹脂基板５１上に形成されるＮＤ膜５３は最も膜厚が厚く、高い濃度の均一濃度領域になる。マスク５２が遮蔽する部分は膜厚が徐々に薄く低濃度になるため、濃度勾配を有するグラデーション領域となる。また、開口部５２ａから遠い部分はＮＤ膜５３が形成されない透明な領域を形成することができる。

図４はＮＤ膜５３を成膜したＮＤ領域Ａ及び透明領域Ｂの両領域上に同一工程で反射防止膜６１を蒸着するための説明図、図５は反射防止膜６１を蒸着したＮＤフィルタ３０の断面図をそれぞれ示している。ＮＤ膜５３の最上層まで成膜が完了すると、チャンバ４１から基板治具４４を取り出し、蒸着パターン形成用マスク５２を取り外した後に、基板治具４４を再度チャンバ４１に固定し、ＮＤ膜５３上及び透明領域Ｂに同一工程で反射防止膜６１を成膜する。反射防止膜６１は基板５１側からＳｉＯ₂膜６１ａ、ＭｇＦ₂膜６１ｂの順に成膜され、本実施例においては、ＳｉＯ₂膜６１ａの膜厚は物理膜厚で５ｎｍ、ＭｇＦ₂膜６１ｂの膜厚は１００ｎｍである。

反射防止膜６１は基板５１側から、ＳｉＯ₂膜６１ａ、ＭｇＦ₂膜６１ｂが順次に積層された膜である。ＳｉＯ₂膜６１ａの物理膜厚ｔｓは０．８ｎｍ＜ｔｓ≦９５ｎｍ、ＭｇＦ₂膜６１ｂの物理膜厚ｔｍは３０ｎｍ≦ｔｍ≦１４０ｎｍ、総膜厚ｔａは３５ｎｍ≦ｔａであることが、反射率低減に効果があるため好ましい。

ＳｉＯ₂膜６１ａの厚みが薄くなり過ぎると、反射防止膜６１としての欠陥が多くなり、ＭｇＦ₂膜６１ｂを成膜した際にクラックが発生し易い。そのため、基板５１、膜の材質や成膜条件にもよるが、ＳｉＯ₂膜６１ａの物理膜厚は１ｎｍ以上が好ましい。

図６はＮＤフィルタ３０の膜構成図を示している。ＮＤ領域Ａにおいて、第１、３、５、７層に真空蒸着法により反射防止層であるＡｌ₂Ｏ₃膜５３ａ、第２、４、６、８層に光吸収層であるＴｉＯｘ膜５３ｂを交互に成膜している。そして、第８層のＴｉＯｘ膜５３ｂ上にＳｉＯ₂膜６１ａとＭｇＦ₂膜６１ｂとを順次に積層した反射防止膜６１を成膜している。

反射防止層としては光吸収の少ない透明誘電体であればよく、Ａｌ₂Ｏ₃膜５３ａの他に、ＳｉＯ₂、ＳｉＯ、ＭｇＦ₂、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂等から成る薄膜が使用できる。

また、ＴｉＯｘ膜５３ｂのｘの値を制御することにより分光透過率の平坦性を調整することができるが、多層膜の層数や使用材料によっても特性は変化する。光吸収層としては、可視領域の光を吸収する特性を有する材料であればよく、ＴｉＯｘ膜５３ｂの他に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ、ＮｉＦｅ、Ｎｂ等の金属、合金、酸化物から成る薄膜も使用することができる。

本実施例においては、ＮＤ膜５３は真空蒸着法により成膜したが、スパッタ法、イオンプレーティング法等の成膜法により成膜することもできる。そして、図７に示す最終工程で反射防止膜６１の成膜が完了すると、チャンバ４１から基板治具４４を取り出し、成膜が完了した透明樹脂基板５１を取り出し、フィルタ形状に切断することにより、透明領域付きグラデーションＮＤフィルタ３０を得ることができる。上述の均一濃度領域は実際には使用しない場合も考えられ、このような変形例も本発明の範囲に含まれる。

本実施例においては、図６に示したように、第１、３、５、７層にＡｌ₂Ｏ₃膜５３ａ、第２、４、６、８層にＴｉＯｘ膜５３ｂから成る８層のＮＤ膜５３を形成しがたが、材質や層構成、層数等は限定されるものではない。また、このとき必要な透過率は各積層膜の膜厚で調整する。

このように製造されたグラデーションＮＤフィルタ３０は、クラックの発生が見られず、良好な反射防止効果を得ることができた。

表１１は反射防止膜６１の膜構成を変更して成膜し、クラックの発生、反射率の変化を比較した表を示している。ＳｉＯ₂膜６１ａの物理膜厚が１ｎｍより小さいとクラックが発生し、１ｎｍ以上ではクラックの発生は見られなかった。

図８〜図１７はＳｉＯ₂膜６１ａの各物理膜厚における分光反射率の特性グラフ図を示している。

また、比較例１として、上述した反射防止膜６１として光学膜厚でλ₀／４（物理膜厚は９２ｎｍ、設定波長λ₀：５４０ｎｍ）に相当するＳｉＯ₂膜を成膜した以外は同様の手順で、グラデーションＮＤフィルタを作製した。この比較例１においては、クラックの発生はないが、表２に示すように反射率が高くなっている。

比較例２として、上述した反射防止膜６１として、光学膜厚でλ₀／４（物理膜厚は９９ｎｍ、設定波長λ₀：５４０ｎｍ）に相当するＭｇＦ₂膜を成膜した。この比較例２においては、表２に示すように反射率が抑えられるが、透明領域においてクラックの発生が見られた。図８〜図１７には、比較例１、２の分光反射率も併記している。

上述の実施例及び比較例１、２から、反射防止膜６１の膜厚としてはＳｉＯ₂膜６１ａが１ｎｍ以上９５ｎｍ以下で、かつＭｇＦ₂膜６１ｂの膜厚が３０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下で、かつ総膜厚は３５ｎｍ以上とすることが好適であることが分かる。

また、ＳｉＯ₂膜６１ａの膜厚が１ｎｍ以上５５ｎｍ以下で、かつＭｇＦ₂膜６１ｂの膜厚が６０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが、より好適であることも分かる。

更に、ＳｉＯ₂膜６１ａの膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下で、かつＭｇＦ₂膜６１ｂの膜厚が８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが、最も好適であることも分かる。

撮影光学系の概略図である。真空蒸着機の構成図である。基板治具の拡大断面図である。反射防止膜を成膜するための説明図である。ＮＤフィルタの断面図である。ＮＤフィルタの膜構成図である。基板からＮＤフィルタを切断する説明図である。反射率特性のグラフ図である。反射率特性のグラフ図である。反射率特性のグラフ図である。反射率特性のグラフ図である。反射率特性のグラフ図である。反射率特性のグラフ図である。反射率特性のグラフ図である。反射率特性のグラフ図である。反射率特性のグラフ図である。反射率特性のグラフ図である。従来のＮＤフィルタの構成図である。従来のＮＤフィルタの構成図である。従来のＮＤフィルタの膜構成図である。従来のＮＤフィルタの断面模式図である。

符号の説明

２１レンズ群
２２光量調整部材
２３〜２５レンズ
２６ローパスフィルタ
２７固体撮像素子
２８絞り羽根支持板
２９ａ、２９ｂ絞り羽根
３０ＮＤフィルタ
４１チャンバ
４２蒸着源
４３蒸着傘
４４基板治具
５１透明樹脂基板
５２蒸着パターン形成用マスク
５３ＮＤ膜
５３ａＡｌ₂Ｏ₃膜
５３ｂＴｉＯｘ膜
６１反射防止膜
６１ａＳｉＯ₂膜
６１ｂＭｇＦ₂膜

Claims

透明樹脂基板上の一部の領域に光吸収膜を成膜したＮＤ領域と前記光吸収膜を成膜しない透明領域を有するＮＤフィルタにおいて、前記ＮＤ領域の表面及び前記透明領域の表面の両領域上にＳｉＯ₂膜、ＭｇＦ₂膜の順に成膜した２つの層から成る反射防止膜を形成したことを特徴とするＮＤフィルタ。
前記ＳｉＯ₂膜の物理膜厚ｔｓは１ｎｍ≦ｔｓ≦９５ｎｍ、かつ前記ＭｇＦ₂膜の物理膜厚ｔｍは３０ｎｍ≦ｔｍ≦１４０ｎｍとし、総膜厚ｔａは３５ｎｍ≦ｔａであることを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタ。
前記ＳｉＯ₂膜の物理膜厚ｔｓは１ｎｍ≦ｔｓ≦５５ｎｍ、かつ前記ＭｇＦ₂膜の物理膜厚ｔｍは６０ｎｍ≦ｔｍ≦１００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタ。
前記ＳｉＯ₂膜の物理膜厚ｔｓは１ｎｍ≦ｔｓ≦５ｎｍ、かつ前記ＭｇＦ₂膜の物理膜厚ｔｍは８０ｎｍ≦ｔｍ≦１００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタ。
前記ＮＤ領域は濃度が連続的に変化するグラデーション領域を含むことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載のＮＤフィルタ。
請求項１〜５の何れか１つの請求項に記載のＮＤフィルタと、光量調節部材と、該光量調節部材を駆動する駆動手段とを有し、前記光量調節部材の駆動に応じて所定の開口部を透過する光束の透過量を調節することを特徴とする光量絞り装置。