JP2012159815A

JP2012159815A - 光学スタビライザ及び光学薄膜

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Publication number: JP2012159815A
Application number: JP2011032583A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Tanaka; 浩己田中; Tachio Hasegawa; 大刀夫長谷川
Original assignee: TANAKA ENGINEERING Inc
Current assignee: TANAKA ENGINEERING Inc
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-23

Abstract

【課題】光学薄膜の環境特性を安定化させること。
【解決手段】ＳｉＯ２層の少なくとも片面にＳｉＯｘ（ｘは、０以上２未満）を積層した２層または３層の光学薄膜構造を光学スタビライザ（Ｓｔ２、Ｓｔ３）として、最終的に得ようとする光学薄膜の構成要素として組み込むと、最終的に得られた光学薄膜の耐環境特性が安定する。例えば、チタンの低級酸化物による層の間に、この光学スタビライザとして介在させ、ＮＤフィルタとして構成すると、チタンの低級酸化物による層の酸化が防止され、当該フィルタの分光特性の平坦性などの経時変化等が安定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学薄膜の特性を安定化させる光学スタビライザ及びそれを用いた光学薄膜に関する。

従来より、スチルカメラやビデオカメラの光量調整用に、ＮＤ（ＮｅｕｔｒａｌＤｅｎｓｉｔｙ）フィルタをレンズ群で構成される工学系の光路に配置することが行われている。特許文献１、特許文献２を参照。

このようなＮＤフィルタは、光学薄膜と言われる光学部品であるが、近年のスチルカメラでのビデオ撮像機能の追加に伴い、従来のスチルカメラ搭載のＮＤフィルタに比較して、より高性能なＮＤフィルタが要望されるようになってきた。ビデオ撮影では、明るい場所から暗い場所まで明るさのダイナミックレンジの大きい使用環境での撮影が要求されるからである。また、高性能を実現したとしても、その特性が環境変化、経時変化により劣化せず、維持されることが要求される。

特開２００６−９１６９４特開２００７−０５８１８４

本発明は、上記した背景の下になされたもので、光学薄膜の設計にあたり、とくにその特性の安定化を図ることを課題とするものである。

本発明者は、誘電体層（ＳｉＯ２層）の片面側あるいは両面側に酸化防止層（ＳｉＯｘ）をそれぞれ有する光学薄膜構造を光学スタビライザという概念で創作し、これを光学薄膜の構成要素として、最終的に得ようとする光学薄膜中に組み込むと、最終的に得られた光学薄膜の耐環境特性が安定することを見いだした。

ここで、酸化防止層がＳｉＯｘである場合におけるｘは、０以上２未満である。この範囲であれば、酸素を補足できるので、酸化防止層として機能する。換言すると、Ｓｉまたは、ＳｉＯｘ（ｘは、０より大きく２未満の値）ということができる。

そして、誘電体層（ＳｉＯ２層）は、最終的に得ようとする光学薄膜の光学特性を調整する機能を有するが、この誘電体層と酸化防止層とからなる光学スタビライザは、設計上一層の光学薄膜に等価なものとして扱うことができる。光学スタビライザを酸化防止膜のみで構成すると、屈折率が高くなり、設計上扱いにくいので、誘電体層と併用することは、設計を容易なものとする。

また、ＳｉＯ２層（誘電体層）の片面側あるいは両面側にＳｉＯｘ（酸化防止層）をそれぞれ有する、ということの意味は、ＳｉＯ２層（誘電体層）の片面あるいは両面にＳｉＯｘ（酸化防止層）をそれぞれ積層すること（段階的、ステップ的積層）、または、誘電体の表面に当該結合すべき酸素イオン量を徐々に傾斜的に減じて一体的に酸化防止膜を形成すること（連続的積層）の双方を含むものである。

換言すると、ＳｉＯ２層（誘電体層）に境界面がわかるようにＳｉＯ（酸化防止層）を積層する場合と、ＳｉＯ２層（誘電体層）を形成後、その陰イオンの原子数を徐々に減じて（ｘを２から徐々に０へと減じて）、誘電体層（ＳｉＯ２層）から酸化防止層（ＳｉＯｘ層）へ移行する境界面が明瞭でないように形成する場合があるということである。

このように、誘電体が陰イオンとして酸素を有する場合、その陰イオンの原子数を徐々に減じていくことで、酸化防止膜を構成することができる。本発明では、このような光学薄膜構造を光学スタビライザという概念でとらえたものである。

本発明は、ＳｉＯｘ（酸化防止層）：ＳｉＯ２（誘電体層）の２層あるいはＳｉＯｘ（酸化防止層）：ＳｉＯ２（誘電体層）：ＳｉＯｘ（酸化防止層）の３層からなる光学スタビライザという概念を光学薄膜の設計技術として提案するものであり、この概念を光学薄膜として、例えばＮＤフィルタの設計に用いるのである。

光学薄膜として、例えばＮＤフィルタでは、Ｔｉなどの金属材料を用いた薄膜層が光吸収膜として基本的な光学特性を決定するが、経時変化により、金属が酸化してしまい初期の特性が劣化してしまう。そこで前記光学スタビライザを積層するとＳｉＯｘ層がその酸素バリヤ性及び防水性を発揮して、金層の酸化を防止する。

なお、先に述べたが、ＳｉＯ２層（誘電体層）は積層対象である金層薄膜層と同様に光学特性を決定づけるものとして機能する。すなわち、ＳｉＯ２（誘電体層）の存在により、積層対象である金層薄膜層と相まって、最終的に得ようとする光学薄膜の光学特性を調整することができる。誘電体層は、その厚さを調整する事で、入射する光の反射量、透過量、偏光、位相などの光学特性を調節する事ができるので、光吸収膜としての金属薄膜層により決定される光学特性を補完して最適化するように調整できる。ここで、ＳｉＯｘ層のＳｉＯ２層に対する膜厚比率｛（ＳｉＯ／ＳｉＯ２）×１００｝は５〜５０％の範囲が好ましい。

この光学スタビライザの利用法としては、以下の形態を例示することができる。
まず、金属薄膜層を少なくとも一層有し、この金属薄膜層に前記光学特性スタビライザを積層して光学薄膜を構成する場合がある。ここで前記金属薄膜層を２以上設けるならば各金属薄膜層間に前記スタビライザを介在させることができる。

光学薄膜としてはＮＤフィルタとして設計可能であり、その場合、前記金属薄膜層としてチタンやクロム、ニッケル、ニオブなどの低級酸化物を用いることができる。

ＮＤフィルタとして、本発明は、光透過率の分光特性が分光透過率の平坦性（（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）／Ｔａｖｅ）が４３０ｎｍから６５０ｎｍで５％以下であり、その環境特性が恒温恒湿試験（摂氏６０度９０％ＲＨ２４０時間）において、初期値に比べ４３０ｎｍから６５０ｎｍにおける分光透過率変化が２０％以下である、ＮＤフィルタを提供でき、ＮＤフィルタとしてこれまでにない高性能フィルタを提供できる。

なお本発明は、スパッタリングにより製造することが好適である。また、製造すべき光学薄膜としては、ＮＤフィルタに限らず、酸化防止の必要な材料を使用する光学薄膜にも適用可能である。

本発明によれば、誘電体層（ＳｉＯ２層）の少なくとも片面に酸化防止層（ＳｉＯｘ）を有する光学薄膜構造を光学スタビライザという概念でとらえ、この概念をもって、最終的に得ようとする光学薄膜の構成要素に採用することで、適用された光学薄膜の構成要素の劣化を防止することができ、しかも、誘電体層（ＳｉＯ２層）の存在により、得ようとする光学特性を調整することができる。

すなわち、単に酸化防止膜を挿入するという発想ではなく、これを常に誘電体層とともに使用し、この両者をもって膜構造の設計をする、という思考方法を提供して最終的に得ようとする光学薄膜の光学特性を調整しつつ、その特性を酸化防止層で安定化させるという、従来にない効果を得ることができるのである。

本発明の光学スタビライザを示す図ＮＤフィルタとして実施した光学薄膜の具体的構造例を示す図図２で示した実施例の分光特性を示すグラフ図図２で示した実施例の環境特性を示す図他の実施例の環境特性を示す図他の構造のＮＤフィルタとの環境特性の比較例を示すグラフ図

以下、本発明の好的な実施形態を、図面を用いて説明する。
まず、本発明の実施例として、ＳｉＯｘ：ＳｉＯ２：ＳｉＯｘの３層からなる光学スタビライザを、図１に示す。

ＳｉＯ層は、酸素バリア性と防水性を有する。ＳｉＯ２層は、個有の光学特性を有する。このＳｉＯ２層にＳｉＯｘ層を段階的に積層するステップアップ式で光学スタビライザをスパッタリング装置で形成した。そして、この実施例において、ＳｉＯｘにおけるｘは１である。よって、ＳｉＯ：ＳｉＯ２：ＳｉＯという薄膜構造が構成された。なお、ＳｉＯｘにおけるｘを０から２、２から０へ向けて徐々に変化させる方式で、ＳｉＯｘ：ＳｉＯ２：ＳｉＯｘを連続的に形成することも可能である。また、ＳｉＯ層のＳｉＯ２層に対する膜厚比率｛（ＳｉＯｘ／ＳｉＯ２）×１００｝は５〜５０％の範囲が好ましいが、この実施例では、２０％である。

次にこの光学スタビライザを用いたＮＤフィルタの構造を図２に示す。この構造のＮＤフィルタは、所定の大きさに切断された矩形の透明樹脂製フィルム（ここでは、透明なポリエチレンテレフタレート板：ＰＥＴ板）をスパッタリング装置内に配置し、雰囲気ガス中で、ターゲットとしてＴｉやＳｉをフィルムに向けて飛ばし、雰囲気ガス中の酸化量を調整しつつＰＥＴ板上に、図２に示す各層を形成していく。なお、膜設計上、この光学スタビライザは一層のものと等価な層として扱うことができる。

この図２において、１から７に示す層の内、２、４、６の層は光吸収層でありチタンの低級酸化物（ＴｉＯｙ）からなる層である。そして、この３層の間の３、５の層が図１で示した３層の光学スタビライザである。また、１と７の層は、ＴｉＯｙ側をＳｉＯｘとし、外側またはＰＥＴ板側をＳｉＯ２とした２層の光学スタビライザである。ＳｉＯｘにおけるｘは、０以上２未満である。ＴｉＯｙにおけるｙもまた、０以上２未満である。

得られたＮＤフィルタの光学特性を図３に示す。このように、減衰特性が４３０〜６５０ｎｍにわたってほぼ平坦な分光特性を得ることができた。
なお、図３では、環境変化後の特性も併記しているが、図から明らかなように、その平坦性にほとんど影響はない。

そして、この特性が環境変化でどのように変化するかを環境試験で確認したところ、図４に示すような結果が得られた。
図４において、恒温恒湿試験（摂氏６０度、湿度９０％ＲＨ）での光透過率の変化率は、１０００時間経過後で５％程度であり、本実施品について、ほとんど、劣化はみられないと言ってよい。

図５は、他の実施例における環境試験結果である。この例の膜構成は、図２における２、４、６の各層をチタン（Ｔｉ）としたもので、図２における１、３、５、７の各層は図２の実施例と同様である。ここでは、恒温恒湿試験（摂氏６０度、湿度９０％ＲＨ）での光透過率の変化率は、１０００時間経過手前で２５％程度であり、使用場面では、実用に耐えうるものであった。

図６に、比較例である他の構成のＮＤフィルタにおける環境試験結果を示す。
図６のものは、図２における２、４、６の各層をＴｉとし、１、３、５、７の各層をＳｉＯ２単層とした場合である。この場合は、図６から明らかなように、恒温恒湿試験（摂氏６０度、湿度９０％ＲＨ）での光透渦率の変化率は、１０００時間手前で８５％も変化してしまい、全く実用に耐えないことが明らかである。

図４、図５、図６の比較から明らかなように、ＳｉＯ２層とＳｉＯｘ層との組み合わせによる光学スタビライザを使用した本実施例では、これを用いないものに比較して、環境変化が少なく、安定化する。

Ｓｔ２・・・・ＳｉＯ２層の片面にＳｉＯｘ層を積層した２層の光学スタビライザ
Ｓｔ３・・・・ＳｉＯ２層の両面にＳｉＯｘ層を積層した３層の光学スタビライザ

Claims

光学薄膜の構成要素中に組み込まれるべき光学スタビライザであり、
誘電体層の少なくとも片面側に酸化防止層を有する光学薄膜用の光学スタビライザ。
前記酸化防止層は、誘電体層に段階的または連続的に積層形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学薄膜用の光学スタビライザ。
前記誘電体層がＳｉＯ２層であり、前記酸化防止層がＳｉＯｘ層（ｘは、０以上２未満）である請求項１または２記載の光学スタビライザ。
金属薄膜層を少なくとも一層有し、この金属薄膜層に前記請求項１から３いずれかに記載の光学スタビライザを積層した光学薄膜。
前記金属薄膜層が２以上あり、金属薄膜層間に前記請求項１から３いずれかに記載の光学スタビライザを介在させた光学薄膜。
光吸収膜を構成する金属薄膜層を複数有し、各金属薄膜層間には、誘電体層の両面に酸化防止層を積層してなる第１の光学スタビライザを積層し、外側の金属薄膜層には、誘電体の片面に酸化防止膜を積層してなる第２の光学スタビライザを積層し、その積層にあたっては、酸化防止膜が金属薄膜層に接するように積層したことを特徴とするＮＤフィルタとしての光学薄膜。
前記誘電体層がＳｉＯ２層であり、前記酸化防止層がＳｉＯｘ層であり、
前記金属薄膜層がチタンの低級酸化物である請求項６記載のＮＤフィルタとしての光学薄膜。
光透過率の分光特性が分光透過率の平坦性（（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）／Ｔａｖｅ）が４３０ｎｍから６５０ｎｍで５％以下であり、
その環境特性が恒温恒湿試験（６０℃９０％ＲＨ２４０時間）において、初期値に比べ４３０ｎｍから６５０ｎｍにおける分光透過率変化が２０％以下である、請求項６または７記載のＮＤフィルタとしての光学薄膜。