JP2013156619A - Ｉｒカット機能付きｎｄフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】光学装置に組み込まれた時に、適切な過渡的光量調節に貢献することのできるＩＲカット機能付きＮＤフィルタを提供しようとするものである。
【解決手段】本発明に係るＮＤフィルタ１は、光透過性を有する基材１０と、基材１０の表面に形成されて可視光の透過光量を調節するＮＤ膜２０と、ＮＤ膜２０が形成された基材１０における基材１０の表面またはＮＤ膜２０の表面に形成されて赤外線の透過光量を調節するＩＲカット膜２２と、を備え、ＮＤ膜２０は、基材の全面を覆うように形成され、光透過率を漸次変化させるよう透過率に勾配を持たせている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に可視光領域において光量を調節するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタに関し、特に赤外線をカットする機能を備えるＩＲ（ＩｎｆｒａＲｅｄ）カット機能付きＮＤフィルタに関する。

撮像素子は赤外線にも感度を持つため、一般の撮影に使われるカメラなどでは、余分な赤外線情報をカットするために、赤外線カットフィルタが用いられる。
一方、昨今、撮像素子の高感度化に伴い、これまでのレンズ系では光の量が多すぎるため、光の減衰が必要となってきた。
このような背景の下で、本件出願人は、スチルカメラやビデオカメラといった撮像装置における光量調節のためのＮＤフィルタに、不要な赤外線をカットする赤外線カットフィルタを併せて一体に設けたＩＲカット機能付きＮＤフィルタを提案し、これは、特許出願し、登録されている。

この特許出願においては、基材一面の一部，例えば、中央部に部分的に円形のＮＤ膜を設け、その外周部分にはＮＤ膜を設けないＮＤ−ＩＲも提案し、それは、先の出願から分割され特許庁に継続中である（特許文献２）。
このような部分的にＮＤ膜を設けたＩＲカット機能付きＮＤフィルタは、光学装置に組み込まれて使用されるが、その際、昼から夜に変わるときなど、被写体からの光量により、絞り装置などに連動して、ＮＤ膜が存在する部分と、ＮＤ膜が存在しない部分とを使い分け、光量調整をする。すなわち、絞り装置を絞ったとき、ＮＤ膜の光路に介在する比率を相対的に大きくし、絞り装置を開いたとき、ＮＤ膜の光路に介在する比率を相対的に小さくする。この手の装置として、特許第４６７１４１０号記載の装置が存在する（特許文献３）。

特願２０１０−１７５４５７号（未公開） 特願２０１１−１３６９４７号（未公開） 特許第４６７１４１０号公報

しかしながら、上記ＩＲカット機能付きＮＤフィルタでは、ＮＤ膜の径より絞り径を大きくして、光量を多くする際に、ＮＤ膜での光の遮り部分から、いきなりＮＤ膜による光の遮りの無くなる領域が開放されるので、絞りを通過する光量が急激に変化し、撮像素子側での電気信号変換がカバーしきれなくなり、一瞬、画像が暗く、または明るくなってしまうという現象が発生する。

特に近年では、撮像素子の感度が著しく向上していることから、絞りの通過光量の急激な変化は、撮像した画像に敏感に表れ、好ましい状態とは必ずしも言えない。

本発明は、斯かる実情に鑑みなされたもので、光学装置に組み込まれた時に、適切な過渡的光量調節に貢献することのできるＩＲカット機能付きＮＤフィルタを提供しようとするものである。

（１）本発明は、前記課題を解決するため、光透過性を有する基材と、可視光の透過光量を調節するＮＤ膜と、赤外線の透過光量を調節するＩＲカット膜と、を積層してなるＩＲカット機能付きＮＤフィルタを構成するにあたり、前記ＮＤ膜は、フィルタ全面を覆うように形成され、かつ、その光透過率が、ある一点から他の一点に向かって漸次変化するような透過率勾配を有するようにした点に特徴を有する。基材は、光透過性を有する例えばポリエチレンテレフタレートなどの樹脂製で、肉眼において透明である材質が好適である。

ここで、本発明は、基材と、ＮＤ膜と、ＩＲカット膜の積層順は、任意に変更可能であり、光透過性を有する基材の表面の全領域にＮＤ膜を形成し、前記ＮＤ膜が形成された前記基材における前記基材の表面、すなわち、ＮＤ膜とは反対側の基材表面にＩＲカット膜を形成すること、または、ＮＤ膜が形成された前記基材における前記ＮＤ膜の表面にＩＲカット膜を形成することが可能である。光透過性を有する基材の表面の全領域にＮＤ膜を形成することは、フィルタ全面をＮＤ膜で覆うということと同義である。本発明において、前記ＮＤ膜が、前記基材の表面において部分的に形成されることはない。

また、必要に応じ、基材、ＮＤ膜、ＩＲカット膜の各間に、その他の、例えば反射防止膜（ＡＲ膜）等の機能膜を形成することも可能である。要は、ＩＲカット機能付きＮＤフィルタにおいて、最終的に形成されるフィルタの全面にわたって、前記ＮＤ膜が形成されていること、及び、当該ＮＤ膜においてその光透過率が、ある一点から他の一点に向かって漸次変化するような透過率勾配を有することが本発明の特徴である。換言すると、ＮＤ膜に濃度勾配がある、ということである。同じ濃度の材料を使用する場合、濃度勾配のあるＮＤ膜において、濃度が濃い部分は膜厚が厚く、濃度が薄い部分は膜厚が薄い。

ここで、光の透過率が、フィルタ中央部に対応する基材中央部に対応する部分が最も低く、周囲に向かって放射方向に徐々に高くなるような、透過率勾配を有することが好適である。また、基材の一側に対応する一側から基材の他側に対応する他側に向かって一方向に透過率勾配を有するようにしてもよい。いずれにせよ、基材表面の全領域にＮＤ膜を形成してあるので、光透過率が１００％の部分は一切無く、また、光透過率に勾配があるので、ある部分から別の部分に移行するにつれ、明度が徐々に変わる、いわゆるグラデーションが生じる。

（２）本発明はまた、前記基材は、平板状であり、前記ＮＤ膜は、前記基材の両面側に全域に形成され、前記ＩＲカット膜は、前記基材のいずれか一方の面側に形成されることを特徴とし、
前記各ＮＤ膜は、透過率勾配の変化する方向性が一致していることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（３）本発明はまた、上記構成において、光の反射を調節するためのＡＲ膜（反射防止膜）を有することを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（４）本発明はまた、前記基材の厚みは、３．０ｍｍ以下であり、適宜利用形態に従い選択されるが、薄型のフィルタを構成する場合、３００μｍ以下であるように設計することもできる。

（５）本発明はまた、前記ＮＤ膜は、誘電体膜を有する基材側誘電体層と、金属膜からなる金属層と、前記基材側誘電体層よりも可視光領域における消衰係数が高く、かつ誘電体膜を有する反基材側誘電体層と、を前記基材側から順に積層して構成されることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（６）本発明はまた、前記基材側誘電体層は、複数の前記誘電体膜を有し、互いに異なる材質の前記誘電体膜同士が隣接するように積層して構成されることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（７）本発明はまた、前記反基材側誘電体層は、互いに異なる材質の複数の前記誘電体膜を有することを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（８）本発明はまた、前記反基材側誘電体層は、前記基材側誘電体層に含まれる材質よりも可視光領域における消衰係数の高い材質から構成される高消衰膜を含むことを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（９）本発明はまた、前記高消衰膜は、窒化金属または酸化金属から構成されることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（１０）本発明はまた、前記高消衰膜は、前記金属膜を構成する金属の窒化物または酸化物から構成されることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（１１）本発明はまた、前記金属膜を構成する材質は、モル比で５０％以上となるチタン、クロムまたはニッケルのいずれかであることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（１２）本発明はまた、前記基材側誘電体層は、基材側第１誘電体膜、基材側第２誘電体膜、および基材側第３誘電体膜を、前記基材側から順に積層して構成され、前記反基材側誘電体層は、反基材側第１誘電体膜、および反基材側第２誘電体膜を、前記基材側から順に積層して構成されることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（１３）本発明はまた、前記反基材側誘電体層は、前記反基材側第１誘電体膜と前記反基材側第２誘電体膜の間に、前記基材側誘電体層に含まれる材質よりも可視光領域における消衰係数の高い材質から構成される高消衰膜を有することを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（１４）本発明はまた、前記基材側第１誘電体膜、前記基材側第３誘電体膜、および前記反基材側第２誘電体膜は、第１の材質から構成され、前記基材側第２誘電体膜および前記反基材側第１誘電体膜は、前記第１の材質とは異なる第２の材質から構成されることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（１５）先に反射防止膜（ＡＲ膜）等の機能膜を形成することができる旨を述べたが、その例として、本発明では、さらに、前記基材の表面全面に光の反射を調節するＡＲ膜を設け、そのＡＲ膜の上全面に前記可視光の透過光量を調節するＮＤ膜を形成し、前記ＡＲ膜は、可視光領域における屈折率が前記基材よりも低い低屈折率層と、可視光領域における屈折率が前記低屈折率層よりも高い高屈折率層と、を有し、前記高屈折率層は、前記低屈折率層よりも前記基材側に位置することを特徴とする、ＩＲカット機能付きＮＤフィルタとすることができる。

（１６）本発明はまた、光透過性を有する基材と、前記基材の表面に形成されて光の反射を調節するＡＲ膜と、前記ＡＲ膜の上に形成されて可視光の透過光量を調節するＮＤ膜と、を備え、前記ＡＲ膜は、可視光領域における屈折率が前記基材よりも低い低屈折率層の単層から構成されることを特徴とする、ＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（１７）本発明はまた、前記低屈折率層は、前記ＮＤ膜に隣接する位置に設けられることを特徴とする、上記記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（１８）本発明はまた、前記ＮＤ膜は、前記ＡＲ膜に隣接する最下層の可視光領域における屈折率が前記低屈折率層よりも高いことを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（１９）本発明はまた、前記ＮＤ膜は、前記ＡＲ膜に隣接する最下層の波長５５０ｎｍにおける屈折率が、１．４５乃至１．８の範囲内であることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（２０）本発明はまた、前記ＮＤ膜は、前記ＡＲ膜に隣接する最下層の波長５５０ｎｍにおける光学膜厚が、０．２乃至０．４の範囲内であることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（２１）本発明はまた、前記ＮＤ膜は、前記ＡＲ膜に隣接する最下層が、低級酸化物を含む酸化物からなる層であることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（２２）本発明はまた、前記ＮＤ膜は、前記最下層が、低級酸化物を含むシリコン酸化物からなる層であることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（２３）本発明はまた、前記ＮＤ膜は、前記最下層に隣接する層が金属または金属の低級酸化物からなる層であることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（２４）本発明はまた、前記金属は、チタンであることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。

（２５）本発明はまた、前記ＡＲ膜および前記ＮＤ膜の反対側から入射する光の反射率が、波長５５５ｎｍにおいて２％以下であることを特徴とするＩＲカット機能付きＮＤフィルタである。
（２６）なお、以上説明した各構成要素は、適宜組み合わせて利用できる。

本発明に係るＩＲカット機能付きＮＤフィルタは、ＮＤ膜が全面を覆い、その光透過率に勾配を設けているので、透過率の低いところと透過率の高いところとを選択的に使用することができ、しかも、選択的に使用する際に、その両者間の光透過率の変化、ひいては、受光素子が受ける光量の急激な変化を避けることができ、電気信号変換がカバーしきれなくなり、一瞬、画像が暗く、または明るくなってしまうとう現象を抑えることができる。

本発明の実施形態に係るＩＲカット機能付きＮＤフィルタの構成を示した概略図である。 本発明の他の実施形態に係るＩＲカット機能付きＮＤフィルタの構成を示した概略図である。 本発明のＩＲカット機能付きＮＤフィルタの製造方法を示す概略図である。 本実施形態のＩＲカット膜（ＩＲＣ膜）の透過率Ｔを示したグラフである。 本実施形態のＮＤ膜の構成を示した概略図である。 （ａ）Ｔｉの可視光領域における消衰係数ｋおよび屈折率ｎを示したグラフである。（ｂ）ＴｉＮを薄膜に形成した場合の可視光領域における消衰係数ｋおよび屈折率ｎを示したグラフである。（ｃ）ＴｉＮを厚膜に形成した場合の可視光領域における消衰係数ｋおよび屈折率ｎを示したグラフである。 （ａ）ＳｉＯ_２の可視光領域における消衰係数ｋおよび屈折率ｎを示したグラフである。（ｂ）ＳｉＮの可視光領域における消衰係数ｋおよび屈折率ｎを示したグラフである。 屈折率を変化させた場合のＮＤフィルタの透過率Ｔおよび反射率Ｒのシミュレーション結果の例を示したグラフである。 屈折率を変化させた場合のＮＤフィルタの透過率Ｔおよび反射率Ｒのシミュレーション結果の例を示したグラフである。 屈折率を変化させた場合のＮＤフィルタの透過率Ｔおよび反射率Ｒのシミュレーション結果の例を示したグラフである。 屈折率を変化させた場合のＮＤフィルタの透過率Ｔおよび反射率Ｒのシミュレーション結果の例を示したグラフである。 屈折率を変化させた場合のＮＤフィルタの透過率Ｔおよび反射率Ｒのシミュレーション結果の例を示したグラフである。 （ａ）本実施形態のＮＤフィルタの構成を示した表である。（ｂ）本実施形態のＮＤフィルタの透過率Ｔおよび反射率Ｒのシミュレーション結果を示したグラフである。 本発明のさらに他の実施例を示した概略図である。 図１４に示したフィルタに入射する光の反射光を示した概略図である。 （ａ）および（ｂ）ＡＲ膜およびＮＤ膜の構成を示した概略図である。 （ａ）および（ｂ）ＮＤ膜の最下層を酸化物と低級酸化物の混合物から構成するようにした場合の例を示した概略図である。 （ａ）〜（ｃ）ＳＤ膜単体での透過率および反射率のシミュレーション結果の一例を示した図である。 （ａ）〜（ｃ）３層構成のＡＲ膜の上にＳＤ膜を形成した場合の透過率および反射率のシミュレーション結果の一例を示した図である。 （ａ）〜（ｃ）図１９（ａ）に示した構成のＡＲ膜およびＮＤ膜において第４層の厚みを変更した場合の透過率および反射率のシミュレーション結果の一例を示した図である。 （ａ）〜（ｃ）図１９（ａ）に示した構成のＡＲ膜およびＮＤ膜において第４層の屈折率および厚みを変更した場合の透過率および反射率のシミュレーション結果の一例を示した図である。 （ａ）〜（ｃ）図１９（ａ）に示した構成のＡＲ膜およびＮＤ膜において第４層の屈折率および厚みを変更した場合の透過率および反射率のシミュレーション結果の一例を示した図である。 （ａ）〜（ｃ）単層構成のＡＲ膜の上にＳＤ膜を形成した場合の透過率および反射率のシミュレーション結果の一例を示した図である。 さらに他の構成例を示した概略図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の例について詳細に説明する。
図１に示したように、この実施例のＩＲカット機能付きＮＤフィルタは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）からなる板状の基材と、その上面全面に形成したＮＤ膜と、基材下面全面に形成したＩＲカット膜とからなる。

また、必要に応じ、基材、ＮＤ膜、ＩＲカット膜の各間に、その他の、機能膜を形成することも可能である。
要は、ＩＲカット機能付きＮＤフィルタにおいて、最終的に形成されるフィルタの全面にわたって、前記ＮＤ膜が形成されていること、及び、当該ＮＤ膜においてその光透過率が、ある一点から他の一点に向かって漸次変化するような透過率勾配を有することが本発明の特徴である。換言すると、ＮＤ膜に濃度勾配がある、ということである。

なお、さらに必要に応じて、反射防止膜をいずれかの膜間に設けることも可能である。
図２に、他の実施例を示す。ここでは、実施例１と異なり、基材上面に、ＩＲカット膜を形成し、さらにその上にＮＤ膜を形成した例である。他は実施例１と同様である。

これら実施例に共通することであるが、ＮＤ膜とＩＲカット膜とが基板とともに一体となっているので、それぞれを別体のフィルタとして形成した場合に比較して、部品としての厚さを薄くでき、フィルタを設置するスペースを小さくでき、また、全体のコストを低減できる。さらには、反対面に設置されているＩＲカット膜が干渉膜の反射タイプである場合、その強力な反射をＮＤ膜で減衰させることができ、赤いゴースト・フレアを減少させることも期待できる。

さらに、ＮＤ膜が全面に成膜されていない場合、露出している基板の表面反射（４〜５％）が、光学特性に悪影響を及ぼすが、本例では、基板全面をＮＤ膜が覆うので、そのような弊害を防止することが可能である。

次に、本フィルタの製造方法を図３に従い説明する。
スパッタ装置において、赤外線カット機能を有する基板（基材＋ＩＲカット膜）の表面（図３基材側面）に対し、所定間隔をおいて、これを覆うようにマスキング治具を配置する。マスキング治具には所定径の穴が穿設されており、この穴から、基板（基材）表面に向けて、ＮＤ膜原料の粒子が飛ばされる。穴の周辺近くを飛ぶ粒子は、回折現象により、穴の中心から外側に向かって放射状に分散するので、基板には、穴に対応する部分を中心として、放射状に外に向かって積層量に勾配ができる。すなわち、図３に示したように、穴に対応する基板中央部分のＮＤ膜厚が厚く、外に向かって徐々に薄くなっていくので、結果として、光透過率が外に放射状に徐々に高くなるＮＤ膜が形成される。

マスキング治具の穴径は基板径（完成したフィルタの基板径、すなわちフィルタ径）の１／４〜１／２が望ましく、さらに成膜時に基板とマスキング治具を、穴径と同程度の距離を保つことが望ましい。

製造にあたって、図示したように、基板を大きめにしてその表面に、ＮＤ膜を形成した後、その後、基板ごと必要サイズに成型、カットする。これにより、基板全面にＮＤ膜を形成することができる。

次に、上記例で使用する基材、ＮＤ膜、ＩＲ膜についてさらに詳細に説明する。
基材１０を構成する材質は、ＮＤフィルタ１の用途に応じた波長の光を透過する材質であれば特に限定されるものではないが、肉眼で透明であるものがよく、本実施形態では、ＰＥＴ（ＰｏｌｙＥｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）シートを使用している。基材１０の厚みは、特に限定されるものではないが、ＮＤフィルタ１が組み込まれる各種装置のコンパクト化のためには、可能な限り薄く構成することが好ましい。具体的には、基材１０の厚みは、３００μｍ以下であることが好ましく、１７５μｍ以下であればより好ましく、１００μｍ以下であることが最も好ましい。用途によっては、もっと厚く、３．０ｍｍ以下、３００μｍ以上であってもよい。

ＮＤ膜２０は、ＮＤフィルタ１を透過する可視光領域（波長が凡そ４００〜７００ｎｍの範囲）の光を略平坦に消衰させるための薄膜であり、複数の誘電体および金属等からなる膜を積層して構成されている。なお、本実施形態では、ＮＤ膜２０を基材１０の両面に形成することにより、ＮＤ膜２０を反射防止膜としても機能させるようにしている。

なお、ＮＤ膜２０は、真空蒸着、イオンビームアシスト、イオンプレーティング、およびスパッタリング等のドライプロセスによって基材１０の表面に形成されるが、これらの成膜手法は既知の手法であるため、ここでは説明を省略する。また、ＮＤ膜２０の構成の詳細については後述する。

ＩＲＣ膜（ＩＲカット膜）２２は、ＮＤフィルタ１を透過する赤外線（波長が凡そ７００ｎｍ以上）を消衰（吸収）または反射してカットするための薄膜である。ＩＲＣ膜２２の構成は、特に限定されるものではなく、赤外線を消衰または反射する各種材質からなる既知の構成を採用することができる。従って、ＩＲＣ膜２２は、例えば、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、またはＺｒＯ_２等の金属化合物を積層して構成した薄膜であってもよいし、赤外線吸収能力を備える各種無機材料や有機材料のコーティング膜であってもよい。

本実施形態では、光学膜厚が凡そ１／４〜２／４程度（λ＝５５０ｎｍ）のＳｉＯ_２膜とＴｉＯ_２膜を交互に積層した３９層構成の積層膜からＩＲＣ膜２２を構成している。また、ＩＲＣ膜２２は、ＮＤ膜２０と同様に、真空蒸着、イオンビームアシスト、イオンプレーティング、およびスパッタリング等のドライプロセスによって形成される。

図４は、本実施形態のＩＲＣ膜２２の透過率Ｔを示したグラフである。同図に示されるように、本実施形態のＩＲＣ膜２２によれば、可視光を透過させつつ、赤外線を効率的に反射してカットすることが可能となっている。

なお、本実施形態のように厚膜のＩＲＣ膜２２を基材１０に形成する場合、基材１０に反り（カーリング）が生じることとなるが、反りが生じた基材１０にスパッタリング等のドライプロセスによってＮＤ膜２０を形成しようとすると、基材１０表面の各部において成膜距離に差が生じることとなり、膜厚を適切に制御することが困難となる。

このため、本実施形態では、先にＮＤフィルタ２０を基材１０に形成し、その後ＩＲＣ膜２２をＮＤ膜２０の上に形成するようにしている。換言すれば、本実施形態では、ＮＤフィルタ２０が形成された基材１０にＩＲＣ膜２２を形成するようにしている。

ＮＤ膜２０において可視光領域における透過率Ｔを適切に設定すると共に、透過率Ｔの平坦性を高めるためには、積層膜であるＮＤ膜２０を構成する各層が適切な膜厚で形成される必要がある。特に、ＮＤ膜２０を構成する各層の膜厚はＩＲＣ膜２２に比して非常に薄く、膜厚誤差が品質に大きく影響するため、ＮＤ膜２０の形成においては高精度な膜厚制御が要求されることとなる。

従って、本実施形態では、ＮＤ膜２０を先に形成、すなわちカーリング等の変形のない基材１０にＮＤ膜２０を形成することで、ＮＤ膜２０を構成する各層の膜厚を高精度に制御することを可能としている。そしてこれにより、本実施形態のＮＤフィルタ１では、ＩＲカット機能を備えながらも、可視光領域における透過率の平坦性を従来以上に高めることを可能としている。さらに、本実施形態によれば、基材１０の厚みを従来以上に薄膜化することが可能であり、具体的には基材１０の厚みを１００μｍ以下にすることも可能となっている。

なお、ＮＤ膜２０は一般的には１０層程度（本実施形態では、７層）であり、ＩＲＣ膜２２よりも薄膜であることからカーリングの発生は少なく、ＮＤ膜２０の後に形成されるＩＲＣ膜２２の膜厚制御に与える影響は少ないものとなっている。さらに、本実施形態では、基材１０の両面にＮＤ膜２０を形成しているため、カーリングがより生じにくいものとなっている。

次に、ＮＤ膜２０の詳細について説明する。

図５は、本実施形態のＮＤ膜２０の構成を示した概略図である。ＮＤ膜２０は、基材側誘電体層３０と、金属の膜からなる金属層４０と、反基材側誘電体層５０と、を基材１０側から順に積層して構成されている。すなわち、ＮＤ膜２０は、金属層４０を基材側電体層３０および反基材側誘電体層５０で挟んだ構成となっている。

本実施形態では、金属膜からなり光を消衰させる金属層４０を、光を干渉させる基材側誘電体層３０および反基材誘電体層５０によって挟むことにより、光の反射率Ｒを低減しつつ、光の透過率Ｔを可視光領域の略全域にわたって略平坦にすることを可能としている。

特に、基材側誘電体層３０および反基材側誘電体層５０を、異なる材質からなる複数の誘電体膜からそれぞれ構成すると共に、反基材側誘電体層５０の光の消衰係数（光の消衰能力）を基材側誘電体層３０よりも高く設定することで、透過率Ｔを可視光領域において従来以上に平坦化させることを可能としている。

基材側誘電体層３０は、基材１０側から順に、基材側第１誘電体膜３１、基材側第２誘電体膜３２、および基材側第３誘電体膜３３を積層して構成されている。このように、３つの誘電体からなる膜を積層して金属層４０の基材１０側に配置することで、可視光領域における透過率Ｔを従来以上に平坦化することができる。

基材側第１誘電体膜３１、基材側第２誘電体膜３２、および基材側第３誘電体膜３３を構成する材質は、特に限定されるものではなく、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素、シリカ）、ＳｉＮ（窒化ケイ素）、ＡＬ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム、アルミナ）、ＭｇＦ_２（フッ化マグネシウム）、およびＴｉＯ_２（二酸化チタン）等、誘電体膜として従来使用されている材質を使用することができる。

なお、ＮＤ膜２０における光の透過率Ｔおよび反射率Ｒを適宜に調節するためには、基材側誘電体層３０において隣り合う誘電体膜が互いに異なる材質となるように積層することが好ましい。また、可視光領域における透過率Ｔを従来以上に平坦化するためには、互いの屈折率の差が所定の範囲内となる誘電体膜同士を隣り合わせることが好ましい。

従って、本実施形態では、基材側第１誘電体膜３１および基材側第３誘電体膜３３をＳｉＯ_２から構成し、基材側第２誘電体膜３２をＳｉＮから構成している。また、このように、共通の金属（Ｓｉ）に異なる元素（Ｏ、Ｎ）が結合した互いに異なる金属化合物から基材側第１誘電体膜３１、基材側第２誘電体膜３２および基材側第３誘電体膜３３を構成することにより、ドライプロセスによる成膜を効率的に行うことが可能となる。すなわち、例えばスパッタリングにより成膜する場合、ターゲットを変更することなく反応ガスを変更するだけで基材側誘電体層３０を構成する誘電体膜を全て形成することができる。

金属層４０は、金属膜から構成されている。この金属層４０の膜厚を適宜に調節することによって、ＮＤフィルタ１における可視光の透過率Ｔを調節することができる。金属層４０を構成する材質は、特に限定されるものではなく、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、およびＮｉ（ニッケル）等、光吸収膜（光消衰膜）として従来使用されている金属を使用することができる。

なお、光の消衰を安定させるためには、金属層４０を構成する材質は、モル比で５０％以上となるＴｉ、ＣｒまたはＮｉのいずれかであることが好ましい。また、本実施形態では、金属層４０をＴｉからなる１層の金属膜から構成しているが、複数種類の金属膜を積層して金属層４０を構成するようにしてもよい。

反基材側誘電体層５０は、基材１０側から順に、反基材第１誘電体膜５１、高消衰膜５２、および反基材側第２誘電体膜５３を積層して構成されている。このうち、反基材第１誘電体膜５１および反基材側第２誘電体膜５３は、誘電体からなる膜であり、高消衰膜５２は、基材側誘電体層３０に含まれる材質よりも可視光領域における消衰係数ｋが高い材質からなる膜である。なお、高消衰膜５２は、誘電体から構成されるものであってもよいし、金属から構成されるものであってもよい。

本実施形態では、このように高消衰膜５２を２つの誘電体膜５１、５３で挟んだ反基材側誘電体層５０を金属層４０の反基材１０側に配置することにより、金属層４０による可視光の消衰を適宜に補完し、ＮＤフィルタ１における可視光の透過率Ｔを平坦化することを可能としている。すなわち、互いに異なる光特性を有する金属層４０および高消衰膜５２を適宜に組み合わせて併用することにより、可視光領域における透過率Ｔの平坦性を従来以上に高めることを可能としている。

高消衰膜５２を構成する材質は、特に限定されるものではなく、Ｔｉ、Ｃｒ、およびＮｉ等の金属や、これらの金属の酸化物または窒化物等の金属化合物を使用することができる。但し、高消衰膜５２を構成する材質は、透過率Ｔを適宜に調節するためには、上述のように金属層４０を構成する材質とは異なる材質（異なる光特性を有する材質）であることが好ましい。さらに、高消衰膜５２を構成する材質を、金属層４０を構成する金属の窒化物または酸化物とすれば、成膜を効率的に行うことが可能となる。従って、本実施形態では、高消衰膜５２をＴｉＮ（窒化チタン）から構成している。

反基材側第１誘電体膜５１および反基材側第２誘電体膜５３を構成する材質は、特に限定されるものではなく、基材側誘電体層３０と同様に、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＡＬ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、およびＴｉＯ_２等、誘電体膜として従来使用されている材質を使用することができる。但し、可視光領域における透過率Ｔの平坦性を高めるためには、反基材側第１誘電体膜５１および反基材側第２誘電体膜５３を互いに異なる材質から構成することが好ましい。さらに、成膜を効率的に行うためには、反基材側第１誘電体膜５１および反基材側第２誘電体膜５３を、基材側誘電体層３０と共通する材質から構成することが好ましい。従って、本実施形態では、反基材側第１誘電体膜５１をＳｉＮから構成し、反基材側第２誘電体膜５３をＳｉＯ_２から構成している。

図６（ａ）は、Ｔｉの可視光領域における消衰係数ｋおよび屈折率ｎを示したグラフであり、同図（ｂ）は、ＴｉＮを薄膜に形成した場合の可視光領域における消衰係数ｋおよび屈折率ｎを示したグラフであり、同図（ｃ）は、ＴｉＮを厚膜に形成した場合の可視光領域における消衰係数ｋおよび屈折率ｎを示したグラフである。

これらの図に示されるように、ＴｉおよびＴｉＮは、それぞれ異なる光特性（消衰係数ｋ、屈折率ｎ）を有している。また、ＴｉＮについては、膜厚を変化させることによって屈折率の特性が大きく変化するようになっている。本実施形態では、このような特性に基づき、２つの異なる光消衰膜（金属層４０および高消衰膜５２）を併用すると共に、両者の膜厚を適宜に調節することで、可視光領域における透過率Ｔを従来以上に平坦化することを可能としている。

なお、金属層４０および高消衰膜５２の膜厚は、特に限定されるものではなく、要求される平均透過率や、金属層４０および高消衰膜５２を構成する材質の特性に応じて、適宜に設定することができる。また、光特性のマッチングと共に膜厚を適宜に設定すれば、他の材質の組合せによっても同様の効果を得ることが可能である。

図７（ａ）は、ＳｉＯ_２の可視光領域における消衰係数ｋおよび屈折率ｎを示したグラフであり、同図（ｂ）は、ＳｉＮの可視光領域における消衰係数ｋおよび屈折率ｎを示したグラフである。これらの図に示されるように、ＳｉＯ_２およびＳｉＮは、可視光領域における光の消衰係数が略０となっている。

従って、本実施形態では、基材側誘電体層３０全体としての可視光領域消衰係数ｋは略０となっており、基材側誘電体層３０は可視光をほとんど消衰させない（吸収しない）ように構成されている。また、反基材側誘電体層５０全体としての可視光領域における消衰係数ｋは、高消衰膜５２の可視光領域における消衰係数ｋと略同一となっている。

すなわち、本実施形態では、可視光領域における消衰係数ｋの低い（略０の）基材側誘電体層３０、可視光領域における消衰係数ｋの高い金属層４０、および可視光領域（の同一波長）における消衰係数ｋが基材側誘電体層３０より高く、金属層４０よりも低い反基材側誘電体層５０を基材１０側から順に積層してＮＤ膜２０を構成しており、これにより、可視光領域における透過率Ｔの平坦性を高めることが可能となっている。

さらに本実施形態では、ＮＤ膜２０を大きく分けて基材側誘電体層３０、金属層４０および反基材側誘電体層５０の３層構成、詳細には基材側誘電体層３０および反基材側誘電体層５０をさらに３層構成とした７層構成とした場合において、基材側第１誘電体膜３１（１層目）、基材側第２誘電体膜３２（２層目）および基材側第３誘電体膜３３（３層目）、ならびに反基材側第１誘電体膜５１（５層目）および反基材側第２誘電体膜５３（７層目）の屈折率を適宜に設定することによって可視光領域における透過率Ｔの平坦性をさらに高めるようにしている。

図８〜１２は、ＮＤ膜２０の基材側第１誘電体膜３１（１層目）、基材側第３誘電体膜３３（３層目）および反基材側第２誘電体膜５３（７層目）の屈折率、ならびに基材側第２誘電体膜３２（２層目）および反基材側第１誘電体膜５１（５層目）の屈折率をそれぞれ変化させた場合のＮＤフィルタ１の透過率Ｔおよび反射率Ｒのシミュレーション結果の例を示したグラフである。

なお、これらの例では、１、３、７層目の屈折率ｎおよび２、５層目の屈折率ｎを波長によらずそれぞれ一定と仮定している。また、１、３、７層目および２、５層目の消衰係数ｋを全て０と仮定している。そして、金属層（４層目）をＴｉから構成し、および高消衰膜（６層目）をＴｉＮから構成している。

これらのシミュレーション結果より、本実施形態の７層構成のＮＤ膜２０では、１、３、７層目の屈折率ｎを１．３８〜２．０の範囲内のいずれかの値に設定すると共に、２、５層目の屈折率ｎを１．３８〜２．４の範囲内のいずれかの値に設定することにより、可視光領域における透過率Ｔの平坦性を３０％以内にすることが可能であることが分かる。すなわち、可視光領域における透過率Ｔの平坦性Ｔ_ｆｌａｔ＝（Ｔ_ｍａｘ−Ｔ_ｍｉｎ）／Ｔ_ａｖｅ≦０．３とすることが可能であることが分かる。ここで、Ｔ_ｍａｘは可視光領域内における透過率Ｔの最大値、Ｔ_ｍｉｎは可視光領域内における透過率Ｔの最小値、Ｔ_ａｖｅは可視光領域内における透過率Ｔの平均値である。

なお、各層に実際の材質を適用する場合には、可視光領域における代表屈折率（波長５５０ｎｍにおける屈折率）ｎが上記範囲内となる材質を各層に適用すればよいと考えられる。

Claims (9)

1. 光透過性を有する基材と、可視光の透過光量を調節するＮＤ膜と、赤外線の透過光量を調節するＩＲカット膜と、を積層してなるＩＲカット機能付きＮＤフィルタであり、
   前記ＮＤ膜は、フィルタ全面を覆うように形成され、かつ、その光透過率が、ある一点から他の一点に向かって漸次変化するような透過率勾配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。
2. 前記ＮＤ膜の光透過率は、フィルタの中央部となる基材中央部に対応する部分が最も低く、周囲に向かって放射方向に徐々に高くなるような、透過率勾配を有す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ＮＤ膜の光透過率は、基材の一側に対応する一側から基材の他側に対応する他側に向かって一方向に透過率勾配を有す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。
4. 前記基材は、平板状であり、前記ＮＤ膜は、前記基材の両面側に全域に形成され、前記ＩＲカット膜は、前記基材のいずれか一方の面側に形成されることを特徴とし、
   前記各ＮＤ膜は、透過率勾配の変化する方向性が一致し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。
5. 前記ＮＤ膜は、誘電体膜を有する基材側誘電体層と、金属膜からなる金属層と、前記基材側誘電体層よりも可視光領域における消衰係数が高く、かつ誘電体膜を有する反基材側誘電体層と、を前記基材側から順に積層して構成されることを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれかに記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタ。
6. 前記基材の表面に形成されて光の反射を調節するＡＲ膜を有し、
   前記ＮＤ膜は、前記ＡＲ膜の上に形成され、
   前記ＡＲ膜は、可視光領域における屈折率が前記基材よりも低い低屈折率層と、可視光領域における屈折率が前記低屈折率層よりも高い高屈折率層と、を有し、
   前記高屈折率層は、前記低屈折率層よりも前記基材側に位置することを特徴とする、
   請求項１乃至３いずれかに記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタ。
7. 前記基材の表面に形成されて光の反射を調節するＡＲ膜を有し、
   前記ＮＤ膜は、前記ＡＲ膜の上に形成され、
   前記ＡＲ膜は、可視光領域における屈折率が前記基材よりも低い低屈折率層の単層から構成されることを特徴とする、
   請求項１乃至３いずれかに記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタ。
8. 前記低屈折率層は、前記ＮＤ膜に隣接する位置に設けられることを特徴とする、
   請求項６または７に記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタ。
9. 前記ＮＤ膜は、前記ＡＲ膜に隣接する最下層の可視光領域における屈折率が前記低屈折率層よりも高いことを特徴とする、
   請求項６乃至８のいずれかに記載のＩＲカット機能付きＮＤフィルタ。