JP2013200519A

JP2013200519A - 光学フィルタおよび撮像デバイス

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Publication number: JP2013200519A
Application number: JP2012070146A
Authority: JP
Inventors: Manabu Onishi; 学大西
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-10-03

Abstract

【課題】可視域から近赤外域に至るまでの帯域（特に４００ｎｍから１０００ｎｍ超までの帯域）を透過帯域とする。
【解決手段】光学フィルタ４には、水晶板６と、水晶板６上に形成され、可視域および近赤外域の２つの波長帯域において透過特性を有するフィルタ群８とが備えられている。フィルタ群８には、可視域から近赤外域の予め設定した波長まで連続して透過する透過特性を有する広帯域透過フィルタ群８７が含まれ、近赤外域の予め設定した波長は、１０００ｎｍ超である。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学フィルタおよび撮像デバイスに関する。

一般的なビデオカメラやデジタルスチルカメラ等に代表される電子カメラの光学系では、光軸に沿って被写体側から、結合光学系、光学フィルタ、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）やＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の撮像素子が順に配設されている（例えば、特許文献１参照）。なお、ここでいう撮像素子は、人の目が視認可能な波長帯域の光線（可視光線）よりも広い波長帯域の光線に応答する感度特性を有している。そのため、撮像素子は、可視光線に加えて、赤外域や紫外域の光線にも応答する。

人の目は、暗所において４００ｎｍ〜６２０ｎｍ程度の範囲の波長の光線に応答し、明所において４２０ｎｍ〜７００ｎｍ程度の範囲の波長の光線に応答する。これに対し、例えば、ＣＣＤでは、４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の波長の光線に高感度で応答し、さらに４００ｎｍ未満の波長の光線や７００ｎｍを越える波長の光線にも応答する。

このような光学系で用いる光学フィルタとして、４００〜９００ｎｍを透過帯域とするものがあり（下記の特許文献１参照）、この光学フィルタに赤外線カットフィルタ（以下、ＩＲカットフィルタとする）を設けて、撮像素子に赤外域の光線を到達させないようにし、人の目に近い撮像画像が得られるようにしている。

特許４７０５３４２号公報

ところで、特許文献１に示すような従来の光学フィルタとして、可視域（例えば、４００〜７００ｎｍ）のみや、４００〜９００ｎｍを透過する透過特性を有するものがあるが、透過率を下げずに透過帯域幅を、可視域から１０００ｎｍ超の近赤外域まで（例えば４００〜１２００ｎｍ）広げることができない。特に、１０００ｎｍ超の波長まで透過帯域幅を広げることは、特許文献１の技術ではできない。

現在、可視域だけでなく、可視域から近赤外域に至るまでの帯域を透過帯域として用いる光学フィルタが求められており（例えば、監視カメラや車載カメラなど）、従来の可視域のみを透過帯域とする光学フィルタでは、このような要求に応じることができない。

そこで、上記課題を解決するために本発明は、可視域から近赤外域に至るまでの帯域（特に４００ｎｍから１０００ｎｍ超までの帯域）を透過帯域とすることができる光学フィルタを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明にかかる光学フィルタは、透明基板と、前記透明基板上に形成され、可視域および近赤外域の２つの波長帯域において透過特性を有するフィルタ群とが備えられ、前記フィルタ群には、可視域から近赤外域の予め設定した波長まで連続して透過する透過特性を有する広帯域透過フィルタ群が含まれ、前記近赤外域の予め設定した波長は、１０００ｎｍ超であることを特徴とする。具体的な構成として、前記フィルタ群は、低屈折率材料からなる第１薄膜と、高屈折率材料からなる第２薄膜とが交互に複数積層されてなり、さらに、前記透明基板に対して屈折率が低い第１フィルタ部と、前記透明基板に対して屈折率が高い第２フィルタ部と、前記第１フィルタ部の屈折率より高く前記第２フィルタ部の屈折率より低い屈折率を有する第３フィルタ部とに区分され、前記広帯域透過フィルタ群は、前記第１フィルタ部、前記第３フィルタ部、前記第２フィルタ部、前記第３フィルタ部、および前記第１フィルタ部が順に積層されて構成されてもよい。

本発明によれば、可視域から近赤外域に至るまでの帯域（特に４００ｎｍから１０００ｎｍ超までの帯域）を透過帯域とすることが可能となる。特に、本発明にかかる光学フィルタを用いることで、１つの光学フィルタで可視域と近赤外域での撮影に対応でき、また監視カメラや車載カメラなどに用いることができる。

前記構成において、前記フィルタ群には、複数の前記広帯域透過フィルタ群が含まれてもよい。

この場合、前記フィルタ群には、複数の前記広帯域透過フィルタ群が含まれているので、透過帯域の波形特性を急峻なものとすることが可能となる。

前記構成において、前記フィルタ群には、屈折率が変化する位置に調整部が含まれてもよい。

この場合、前記フィルタ群には、屈折率が変化する位置に調整部が含まれているので、透過帯域におけるリップルの発生を抑制することが可能となる。

前記構成において、前記フィルタ群は、前記透明基板に対して屈折率が低い低屈折率材料からなる第１薄膜と、前記透明基板に対して屈折率が高い高屈折率材料からなる第２薄膜とが交互に複数積層されてなり、前記低屈折率材料には、ＳｉＯ₂、またはＭｇＦ₂が用いられ、前記高屈折率材料には、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、またはＴａ₂Ｏ₅が用いられてもよい。

前記構成において、前記フィルタ群による透過特性を有する帯域は、４００〜１２００ｎｍであってもよい。

現在、夜間撮影に用いる赤外線照明用の赤外発光ダイオードは９００〜１１００ｎｍぐらいが主流であり、このように、本構成によれば、夜間や暗所などで用いるのに好ましい。

上記の目的を達成するため、本発明にかかる撮像デバイスは、本発明にかかる光学フィルタが設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、本発明にかかる光学フィルタが設けられているので、本発明にかかる光学フィルタによる作用効果を有することが可能となり、可視域から近赤外域に至るまでの帯域（特に４００ｎｍから１０００ｎｍ超までの帯域）を透過帯域とすることが可能となる。

本発明によれば、可視域から近赤外域に至るまでの帯域（特に４００ｎｍから１０００ｎｍ超までの帯域）を透過帯域とすることが可能となる。

図１は、本実施の形態にかかる撮像デバイスの概略構成図である。図２は、本実施の形態にかかる光学フィルタの構成を示す概略構成図である。図３は、本実施の形態にかかる光学フィルタの透過特性を示す概略図である。図４は、従来の光学フィルタの透過特性を示す概略図である。図５は、本実施例にかかる光学フィルタの透過特性を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本実施の形態にかかる撮像デバイス１には、図１に示すように、光軸２に沿って外部の被写体側から、少なくとも、外部から光を入射する結合光学系であるレンズ３、光学フィルタ４、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子５が順に配設されている。

光学フィルタ４には、図２に示すように、透明基板である水晶板６と、この水晶板６の一主面６１上に形成され、可視域から近赤外域に至るまでの波長帯域において透過特性を有するフィルタ群８と、水晶板６の他主面６２上に形成された一層のＡＲコート７（ＭｇＦ₂など）とが設けられている。なお、フィルタ群８は、従来のＩＲカットフィルタに対応するものであるが、可視域から近赤外域に至るまでの波長帯域に透過特性を有するので、ＩＲカットフィルタとは異なるフィルタである。ここでいう近赤外域とは、可視域に近い赤外域のことをいい、本実施の形態では、７００ｎｍから２５００ｎｍまでの波長領域をいう。なお、本実施の形態では、７００ｎｍから２５００ｎｍまでの波長領域を近赤外域としているが、これは、本発明の出願時において当業者が認識している近赤外域の定義であり、今後近赤外域の定義が長波長側に広がる場合（例えば３０００ｎｍ）、広がった範囲までの領域が近赤外域となる。なお、本明細書において定義する波長の数字は、厳密に限定されるものではなく、当業者が許容する範囲であればその数値近傍も含まれる。

フィルタ群８は、図２に示すように、水晶板６に対して屈折率が低い低屈折率材料からなる第１薄膜８１と、水晶板６に対して屈折率が高い高屈折率材料からなる第２薄膜８２とが交互に複数積層されてなる。具体的には、水晶板６の一主面６１側から数えて奇数番目の層が第１薄膜８１により構成され、偶数番目の層が第２薄膜８２により構成されている。なお、本実施の形態では、第１薄膜８１にＳｉＯ₂を用い、第２薄膜８２にＴｉＯ₂を用いている。フィルタ群８は、水晶板６の一主面６１側から順に序数詞で定義される複数層、本実施の形態では１層〜６１層で構成され、第１薄膜８１と第２薄膜８２とが交互に積層されている。また、第１薄膜８１と第２薄膜８２との光学膜厚が異なることにより１層〜６１層それぞれの物理膜厚が個別に設定されている。ここでいう光学膜厚は、下記する数式１により求められる。

［数式１］
Ｎｄ＝λ／４（Ｎｄ：光学膜厚、ｄ：物理膜厚、Ｎ：屈折率、λ：中心波長）
このフィルタ群８の製造方法として、水晶板６の一主面６１に対して、周知の真空蒸着装置（図示省略）によってＴｉＯ₂とＳｉＯ₂とが交互に真空蒸着され、図２に示すようなフィルタ群８が形成される。なお、第１薄膜８１および第２薄膜８２の膜厚調整は、膜厚をモニタしながら蒸着動作を行い、所定の膜厚に達したところで蒸着源（図示省略）近傍に設けられたシャッター（図示省略）を閉じるなどして蒸着物質（ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂）の蒸着を停止することにより行われる。

また、上記のフィルタ群８は、図３に示すように、可視域（４００〜７００ｎｍ）および、可視域に隣接する近赤外域の予め設定した波長（１２００ｎｍ）に至るまで連続して透過する透過特性を有する。すなわち、フィルタ群８は、図３に示すように、４００ｎｍ〜１２００ｎｍにおいて透過特性を有し、４００ｎｍ未満と１２００ｎｍ超において遮断特性を有する。また、フィルタ群８には、屈折率が変化する位置に配した調整部８３が含まれている。ここでいう透過特性とは、透過率９０％以上を有する波長のことをいう。また、本実施の形態における調整部８３は、フィルタ群８と水晶板６との界面層となる１層目（図２参照）に設定されている。

上記のフィルタ群８の具体的な構成は、次の通りである。フィルタ群８は、水晶板６に対して屈折率が低い低屈折率からなる第１フィルタ部８４と、水晶板６に対して屈折率が高い高屈折率からなる第２フィルタ部８５と、第１フィルタ部８４の屈折率より高く第２フィルタ部８５の屈折率より低い屈折率を有する第３フィルタ部８６とに区分され、第１フィルタ部８４と第２フィルタ部８５と第３フィルタ部８６との屈折率の関係は、第２フィルタ部８５＞第３フィルタ部８６＞第１フィルタ部８４とされる。

第１フィルタ部８４は、低屈折率材料からなる第１薄膜８１からなる。第２フィルタ部８５は、高屈折率材料からなる第２薄膜８２からなる。第３フィルタ部８６は、低屈折率材料からなる第１薄膜８１と、高屈折率材料からなる第２薄膜８２との組み合わせからなる。

本実施の形態では、第１フィルタ部８４の第１薄膜８１の光学膜厚は０．４とされ、第２フィルタ部８５の第２薄膜８２の光学膜厚は０．４とされる。また、第３フィルタ部８６の第１薄膜８１の光学膜厚は０．１とされ、第２薄膜８２の光学膜厚は０．１４とされる。そして、フィルタ群８では、水晶板６の一主面６１側から順に、第１フィルタ部８４の第１薄膜８１、第３フィルタ部８６の第２薄膜８２、第３フィルタ部８６の第１薄膜８１、第２フィルタ部８５の第２薄膜８２、第３フィルタ部８６の第１薄膜８１、第３フィルタ部８６の第２薄膜８２、および第１フィルタ部８４の第１薄膜８１を積層して１つの広帯域透過フィルタ群８７が構成され、この広帯域透過フィルタ群８７が複数積層されている。また、フィルタ群８と水晶板６との界面層となる１層目は、調整部８３と、広帯域透過フィルタ群８７の第１フィルタ部８４の第１薄膜８１とを積層して構成される。また、複数の広帯域透過フィルタ群８７の積層間に関して、それぞれの第１フィルタ部８４の第１薄膜８１が積層されて１つの層として設定されている。そのため、本実施の形態では、複数の広帯域透過フィルタ群８７の積層間は、１つの層として示しているが、技術思想としてはそれぞれの第１フィルタ部８４の第１薄膜８１が積層されたものである。

上記の複数の広帯域透過フィルタ群８７および調整部８３によりフィルタ群８を構成することで、従来の図４に示す波長に対する透過率の透過特性が、図３に示す波長に対する透過率の透過特性に変更される。図３に示す透過特性では、図４に示す透過特性に対して、９００〜１２００ｎｍで透過率が０となる遮断領域を、透過可能な透過領域に可変させることができる。この可変の原因は、合計７つの薄膜の積層体による広帯域透過フィルタ群８７によるものであることは各種実験から明らかとなっているが、出願時において発明の原理の究明には至っていない。なお、ここでいう各種実験のデータは多量であるため、ここでの列挙は省略する。

上記の通り、本実施の形態にかかる光学フィルタ４では、図３に示すような可視域から近赤外域に至るまでの帯域（４００ｎｍから１２００ｎｍ超までの帯域）を透過帯域とする透過特性が得られる。

次に、本実施の形態にかかる光学フィルタ４の波長特性を実際に測定し、その測定結果や構成を実施例として図５や表１に示す。

本実施例では、透明基板として、大気中における屈折率が１．５４である水晶板６を用いる。第１薄膜８１として、大気中における屈折率が１．４６であるＳｉＯ₂を用いる。第２薄膜８２として、大気中における屈折率が２．３０であるＴｉＯ₂を用いる。

また、フィルタ群８は６１層からなっており、上記のフィルタ群８の製造方法により、第１薄膜８１および第２薄膜８２が水晶板６上に形成されてフィルタ群８が構成され、図５に示すような透過特性が得られる。本実施例では、光線の入射角を０度、すなわち光線を垂直入射させている。

表１は、光学フィルタ４のフィルタ群８の組成及び各薄膜（第１薄膜８１、第２薄膜８２）の光学膜厚を示している。本実施例の設計波長は１６００ｎｍである。

また、本実施例では、表１に示すように、フィルタ群８は、低屈折率材料からなる第１薄膜８１と、高屈折率材料からなる第２薄膜８２と、が交互に６１層積層されてなる。このフィルタ群８の６１層のうち１層目が調整部８３としても機能し、７，１３，１９，２５，３１，３７，４３，４９，５５層目が、複数の広帯域透過フィルタ群８７の積層間の層となる。

図５に示すように、本実施例にかかる光学フィルタ４では、可視域である４００ｎｍから１２００ｎｍまでの波長の光線を透過し（透過率９０％以上）、かつ、４００ｎｍ未満および１２００ｎｍ超の波長を遮断している（透過率１０％以下）。

上記の本実施の形態、本実施例にかかる光学フィルタ４および光学フィルタ４が設けられた撮像デバイス１によれば、可視域から近赤外域までの帯域（特に１０００ｎｍ超の波長までの帯域）を透過帯域とすることができる。本実施の形態では、４００〜１２００ｎｍを透過帯域とすることができる。特に、本実施の形態にかかる光学フィルタ４によれば、１つ用いることで可視域と近赤外域での撮影に対応でき、監視カメラや車載カメラなどに用いることができる。

また、フィルタ群８には、複数の広帯域透過フィルタ群８７（本実施の形態では、１０個の広帯域透過フィルタ群８７）が含まれているので、透過帯域の波形特性を急峻なものとすることができる。

また、フィルタ群８には、屈折率が変化する位置となる１層目に調整部８３が含まれているので、透過帯域におけるリップルの発生を抑制することができる。

また、現在、夜間撮影に用いる赤外線照明用の赤外発光ダイオードは９００〜１１００ｎｍぐらいが主流であり、本実施の形態によれば、フィルタ群８による透過特性を有する帯域は、４００〜１２００ｎｍであるので、夜間や暗所などで用いるのに好ましい。

なお、上記した本実施の形態では、６１層のフィルタ群８について説明しているが、フィルタ群８の層数はこれに限定されるものではなく、任意に設定可能である。

また、本実施の形態では、１０個の広帯域透過フィルタ群８７が用いられている、その数は、限定されるものでなく、数が増えれば増えるほど、安定した透過率を得ることが可能となり、任意に設定可能である。

また、本実施の形態では、透明基板に水晶板６を用いているが、これに限定されるものではなく、光線が透過可能な基板であれば、例えばガラス板であってもよい。また、水晶板６も限定されるものではなく、単板の水晶板、例えば複屈折板であってもよく、複数枚からなる複屈折板であってもよい。また、水晶板とガラス板を組合わせて透明基板を構成してもよい。

また、本実施の形態では、第１薄膜８１にＳｉＯ₂を用いているが、これに限定されるものではなく、第１薄膜８１が低屈折率材料からなっていればよく、例えば、ＭｇＦ₂を用いてもよい。

また、本実施の形態では、第２薄膜８２にＴｉＯ₂を用いているが、これに限定されるものではなく、第２薄膜８２が高屈折率材料からなっていればよく、例えば、Ｎｂ₂Ｏ₅、またはＴａ₂Ｏ₅を用いてもよい。なお、Ｎｂ₂Ｏ₅、またはＴａ₂Ｏ₅は、ＴｉＯ₂と略同じ屈折率を有するので、第２薄膜８２にＮｂ₂Ｏ₅、またはＴａ₂Ｏ₅を用いた場合、上記した実施例と同様の効果を有する。

また、本実施の形態では、第１フィルタ部８４と第２フィルタ部８５とは夫々単層で構成されているが、複数層で構成されてもよい。

また、本実施の形態では、第３フィルタ部８６は複数層で構成されているが、これに限定されるものではなく、単層で構成されてもよい。

また、本実施の形態では、フィルタ群８を真空蒸着法により水晶板６に形成しているが、これに限定されるものではなく、これらフィルタ群８をイオンアシスト蒸着法やスパッタリング法などの他の手法により水晶板６に形成してもよい。

また、本実施の形態では、水晶板６の一主面６１（片面）上にフィルタ群８を設けているが、これに限定されるものではなく、水晶板６の両主面（一主面６１，他主面６２）上にフィルタ群８を設けてもよい。

また、本実施の形態では、水晶板６の他主面６２に一層からなるＡＲコート７を形成しているが、これに限定されるものではなく、多層からなるＡＲコートを形成してもよい。なお、一層のＡＲコート７は、多層からなるＡＲコートに比べて４００〜１２００ｎｍの帯域において全体として反射防止率が高いので、１０００ｎｍ超までも透過帯域とする本発明では、一層のＡＲコート７が好ましい。

なお、本発明は、その精神や主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、監視カメラや車載カメラなどに用いる撮像デバイスや光学フィルタに好適である。

１撮像デバイス
２光軸
３レンズ
４光学フィルタ
５撮像素子
６水晶板
６１一主面
６２他主面
７ＡＲコート
８フィルタ群
８１第１薄膜
８２第２薄膜
８３調整部
８４第１フィルタ部
８５第２フィルタ部
８６第３フィルタ部
８７広帯域透過フィルタ群

Claims

透明基板と、前記透明基板上に形成され、可視域および近赤外域の２つの波長帯域において透過特性を有するフィルタ群とが備えられ、
前記フィルタ群には、可視域から近赤外域の予め設定した波長まで連続して透過する透過特性を有する広帯域透過フィルタ群が含まれ、
前記近赤外域の予め設定した波長は、１０００ｎｍ超であることを特徴とする光学フィルタ。
請求項１に記載の光学フィルタにおいて、
前記フィルタ群は、低屈折率材料からなる第１薄膜と、高屈折率材料からなる第２薄膜とが交互に複数積層されてなり、さらに、前記透明基板に対して屈折率が低い第１フィルタ部と、前記透明基板に対して屈折率が高い第２フィルタ部と、前記第１フィルタ部の屈折率より高く前記第２フィルタ部の屈折率より低い屈折率を有する第３フィルタ部とに区分され、
前記広帯域透過フィルタ群は、前記第１フィルタ部、前記第３フィルタ部、前記第２フィルタ部、前記第３フィルタ部、および前記第１フィルタ部が順に積層されて構成されたことを特徴とする光学フィルタ。
請求項１または２に記載の光学フィルタにおいて、
前記フィルタ群には、複数の前記広帯域透過フィルタ群が含まれたことを特徴とする光学フィルタ。
請求項１乃至３のうちいずれか１つに記載の光学フィルタにおいて、
前記フィルタ群には、屈折率が変化する位置に調整部が含まれたことを特徴とする光学フィルタ。
請求項１乃至４のうちいずれか１つに記載の光学フィルタにおいて、
前記フィルタ群は、前記透明基板に対して屈折率が低い低屈折率材料からなる第１薄膜と、前記透明基板に対して屈折率が高い高屈折率材料からなる第２薄膜とが交互に複数積層されてなり、
前記低屈折率材料には、ＳｉＯ₂、またはＭｇＦ₂が用いられ、
前記高屈折率材料には、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、またはＴａ₂Ｏ₅が用いられることを特徴とする光学フィルタ。
請求項１乃至５のうちいずれか１つに記載の光学フィルタにおいて、
前記フィルタ群による透過特性を有する帯域は、４００〜１２００ｎｍであることを特徴とする光学フィルタ。
請求項１乃至６のうちいずれか１つに記載の光学フィルタが設けられたことを特徴とする撮像デバイス。