JP2014167651A - Ｎｄフィルタ、光量絞り装置、及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属酸化物の酸化による光減衰膜の分光特性の変化を抑制することにより、分光特性を安定させたＮＤフィルタを提供する。
【解決手段】透明基板２１上に、誘電体層のＡｌ₂Ｏ₃膜２２、光吸収層のＴｉ_xＯ_y膜２３とを交互に積層した光減衰膜を設け、Ｔｉ_xＯ_y膜２３を挟むように、水蒸気バリア層として機能するＳｉ₃Ｎ₄膜２４を積層し、更に最表層に反射防止膜であるＭｇＦ₂膜２５を成膜しＮＤ膜を形成する。Ｓｉ₃Ｎ₄膜２４により水蒸気等の浸入を防止し、光吸収層のＴｉ_xＯ_y膜２３の劣化を防止する。
【選択図】図７

Description

本発明は、特にカメラ等に用いられるＮＤフィルタ、光量絞り装置、及び光量絞り装置を使用した撮像装置に関するものである。

ビデオカメラ或いはデジタルスチールカメラ等の光量絞り装置には、小絞り状態でのハンチング現象や回折現象等の影響を低減するために、ＮＤ（Neutral Density）フィルタが用いられている場合がある。

近年では、撮像素子の感度が向上し、ＮＤフィルタの濃度を濃くすることにより、更に光の透過率を低下させ、高感度の撮像素子を使用しても、明るい被写界に対して絞りの開口が小さくなり過ぎないようにする工夫が施されている。

また、ＮＤフィルタの基材となる基板には、ガラス等の透明基板も用いられるが、近年では任意形状への加工性や、小型化・軽量化等の要望に伴い、合成樹脂製の基板も用いられてきている。一般的なＮＤフィルタの作製方法としては、合成樹脂やガラスから成る透明基板上に、真空蒸着法やスパッタ法等により、多層膜を成膜することにより作製している。

また、ＮＤフィルタの分光特性においては、ＣＣＤの光感度向上等の理由から高精度化への要求が高まっており、その中でも概略λ＝４００〜７００ｎｍまでの可視光波長領域全域における分光特性が均一であることが求められている。これらのＮＤフィルタは、最適設計することにより、可視光波長全域において分光特性が均一な特性を得ることができる。しかしながら、ＮＤフィルタは大気や基板から光減衰膜に浸入する水分等により、光減衰膜として用いられる金属・金属酸化物が酸化され、分光特性を変化させる問題を有している。

この問題の対策として、特許文献１に記載のＮＤフィルタにおいては、光減衰膜としてＴｉＮ_x、ＮｂＮ_x、ＴａＮ_x、ＡｌＮ_x等の低級金属窒化物を用いている。これにより、隣接する誘電体である酸化物が外部環境に影響され光減衰膜が酸化することを防止し、安定した分光特性を有するＮＤフィルタを得ることが開示されている。

図１０は従来のＮＤフィルタ１の膜構成図を示している。透明基板２上には第１、３、５、７、９層にＡｌ₂Ｏ₃膜３、第２、４、６、８、１０層にＴｉ_xＯ_y膜４が交互に積層され、最表層である第１１層にＭｇＦ₂膜５を成膜した計１１層から成るＮＤ膜６が成膜されている。

このＮＤ膜６は可視光波長領域における分光透過率が均一になるように十分に考慮して設計されている。また、各層の膜厚等の設計値は異なるが、Ａｌ₂Ｏ₃膜３の任意の数層又は全てのＡｌ₂Ｏ₃膜３をＳｉＯ₂膜に置換してもよい。そして、Ａｌ₂Ｏ₃膜３をＳｉＯ₂膜に置換し、Ｔｉ_xＯ_y膜４とを相互に積層する構成であっても、ほぼ同様の光学特性を有するＮＤ膜６を作製することが可能である。

最表層のＭｇＦ₂膜５はＮＤ膜６の面の反射率の低減を目的として構成された反射防止膜であり、屈折率ｎが可視光波長領域で１．５以下のものとして選択されている。反射防止膜は反射率の低減を主目的としているため、屈折率の小さい材料であればよく、例えばＳｉＯ₂膜等を使用した場合であっても、ほぼ同様のＮＤ膜６を作製することができる。

図１１は図１０に示したＮＤフィルタ１に環境負荷（６０℃、９０％、１０００ｈ）を与えた環境試験前後の可視光波長領域における透過率の変化を示しており、環境試験後の方が透過率が概略１％程度上昇している。

特開２００３−３２２７０９号公報

しかしながら、光減衰膜としてＴｉＮ_x、ＮｂＮ_x、ＴａＮ_x、ＡｌＮ_x等の低級金属窒化物を使用した場合には、消衰係数が比較的大きいため、設計膜厚を薄くする必要がある。ＮＤフィルタの光量減衰率は光減衰膜の膜厚に大きく依存するため、設計膜厚が薄いと成膜誤差が発生し易く、再現性の低下を招く要因となる。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、成膜誤差が少なく、光減衰膜として用いられる金属・金属酸化物の酸化による分光特性の変化を抑制することにより、長期間に渡り分光特性を安定させたＮＤフィルタ、光量絞り装置、及び撮像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ＮＤフィルタは、透明基板上に誘電体層と光吸収層とを積層して設けた光減衰膜を備えたＮＤフィルタであって、前記光減衰膜のうち、前記光吸収層を含む部分を水蒸気バリア層により挟んだことを特徴とする。

本発明に係るＮＤフィルタによれば、光減衰膜に浸入する水分や酸素の影響を受ける光減衰膜の光吸収層を複数の水蒸気バリア層の間に設けて、分光特性の変化を抑制することができる。

参考例の撮影光学系の構成図である。 参考例のＮＤフィルタの膜構成図である。 参考例の環境試験前後の透過率変化のグラフ図である。 実施例１のＮＤフィルタの膜構成図である。 実施例１のＮＤフィルタの膜構成図である。 実施例１の環境試験前後の透過率変化のグラフ図である。 実施例２のＮＤフィルタの膜構成図である。 実施例２のＮＤフィルタの膜構成図である。 実施例２の環境試験前後の透過率変化のグラフ図である。 従来のＮＤフィルタの膜構成図である。 従来のＮＤフィルタの環境試験前後の透過率変化のグラフ図である。

図１は撮影光学系の構成図を示し、レンズ１１、光量絞り装置１２、レンズ１３〜１５、ローパスフィルタ１６、ＣＣＤ等から成る固体撮影素子１７が順次に配列されている。光量絞り装置１２においては、絞り羽根支持板１８に一対の絞り羽根１９ａ、１９ｂが可動に取り付けられている。絞り羽根１９ａには、絞り羽根１９ａ、１９ｂにより形成される開口部を通過する光量を減光することを目的としたＮＤフィルタ２０が接着されている。

図２は参考例におけるＮＤフィルタ２０の膜構成図を示している。ＮＤフィルタ２０の透明合成樹脂材から成る透明基板２１には、耐熱性、柔軟性、更にはコスト的に基板材料として優れているノルボルネン系樹脂である板厚２００μｍのＡｒｔｏｎ（ＪＳＲ社製、商品名）のフィルムを選択している。

なお、本参考例においては透明基板２１の材質としてＡｒｔｏｎ（ＪＳＲ社製、商品名）を選択したが、これに限らずＺｅｏｎｅｘ、Ｚｅｏｎｏｒ（日本ゼオン社製、商品名）等の他のノルボルネン系樹脂を使用してもよい。また、ノルボルネン系樹脂以外のＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＣ、ポリイミド系樹脂等の様々な透明合成樹脂基板を使用することも可能である。

一般的には、本参考例のようなＮＤフィルタ２０として使用される透明基板２１の材質としては、耐熱性（ガラス転移点Ｔｇ）が高く、曲げ弾性が大きく、更には可視光波長領域において透明性が高く、吸水率が低い材料がより好ましい。

本参考例のように、薄いフィルム状の透明基板２１上にＮＤ膜を成膜する場合には、上述した耐熱性や曲げ弾性、更にはコスト的な要因等を考慮すると、ノルボルネン系樹脂、ポリイミド系樹脂が最も適している材料の１つである。

本参考例においては、真空蒸着法により透明基板２１上の第１、３、５、７、９層に誘電体層であるＡｌ₂Ｏ₃膜２２、第２、４、６、８、１０層に光吸収層であるＴｉ_xＯ_y膜２３が交互に積層して光減衰膜とされている。そして、光減衰膜の最上層である第１０層のＴｉ_xＯ_y膜２３上に、第１１層として水蒸気バリア層として機能するＳｉ₃Ｎ₄膜２４を積層し、更に最表層に反射防止膜であるＭｇＦ₂膜２５を成膜し、計１２層から成るＮＤ膜２６を成膜している。

このように、ＮＤ膜２６の最表層であるＭｇＦ₂膜２５と、光減衰膜のうち最上層の第１０層のＴｉ_xＯ_y膜２３の間に、Ｓｉ₃Ｎ₄膜２４を成膜することにより、大気からの水蒸気等の浸入を防止することができる。これにより、光吸収層であるＴｉ_xＯ_y膜２３の劣化を防止でき、分光特性の変化を抑制することができる。

なお、ＭｇＦ₂膜２５は反射防止膜であるため、ＮＤ膜２６の最表層に位置することが好ましいが、水蒸気バリア層であるＳｉ₃Ｎ₄膜２４を最表層としてＭｇＦ₂膜２５の上に形成してもよい。

図３は本参考例のＮＤフィルタ２０に対する環境試験前後（６０℃、９０％、１０００ｈ）の可視光波長領域における透過率の変化の実験結果を示している。環境試験前後での透過率の変化は概略０．６％程度であり、水蒸気バリア層を設けない図１１に示す従来のＮＤフィルタ１の透過率と比較して大幅に改善される。

本参考例においてはＮＤ膜２６の成膜に真空蒸着法を使用したが、スパッタリング法、ＩＡＤ法（イオンアシスト成膜）、ＩＢＳ法、イオンプレーティング法、クラスタ蒸着法等の成膜方法においても成膜が可能である。また、蒸着方法は目的や条件等を考慮し、最も適当な成膜方法を選択すればよい。

図４は参考例のＮＤ膜２６の膜構成に加えて、透明基板２１の光減衰膜を成膜する面の表面である第１層に水蒸気バリア層であるＳｉ₃Ｎ₄膜２４を成膜することにより、計１３層の膜構成としている。つまり、透明基板２１に最も近いＡｌ₂Ｏ₃膜２２との間に水蒸気バリア層であるＳｉ₃Ｎ₄膜２４を成膜している。

特に、透明基板２１に合成樹脂材を使用すると、任意形状への加工性や、小型化・軽量化等の利点があるが、ガラス基板と比較して含水率が大きく、合成樹脂基板が有する水分により光減衰膜の分光特性が変化することが懸念される。しかし、このような構成とすることで、透明基板２１の有する水分がＳｉ₃Ｎ₄膜２４の上層に浸入することを防止し、透明基板２１からの水分による光減衰膜の分光特性の変化を低減することができる。

この場合に、Ｓｉ₃Ｎ₄膜２４と透明基板２１との密着性が問題となる場合がある。そのときは、図５に示すように比較的密着力が強く吸水率の小さいＳｉＯ₂膜３１やＳｉＯ膜等を第１層目に成膜し、その上層に水蒸気バリア層としてＳｉ₃Ｎ₄膜２４を成膜し、計１４層の膜構成とすることで改善することができる。

図６は本実施例１におけるＮＤフィルタ２０に対する環境試験前後（６０℃、９０％、１０００ｈ）の可視光波長領域における透過率の変化の実験結果を示している。環境試験前後で透過率の変化は概略０．４％程度であった。

図７は実施例２における膜構成図を示している。本実施例２においては、全てのＡｌ₂Ｏ₃膜２２とＴｉ_xＯ_y膜２３との間に水蒸気バリア層であるＳｉ₃Ｎ₄膜２４が成膜されている。同時に、最表層のＭｇＦ₂膜２５と光減衰膜の最上層の第２０層のＴｉ_xＯ_y膜２３との間にＳｉ₃Ｎ₄膜２４を成膜することにより、計２２層の膜構成としている。Ａｌ₂Ｏ₃膜２２とＴｉ_xＯ_y膜２３の間に挿入されたＳｉ₃Ｎ₄膜２４は、Ａｌ₂Ｏ₃膜２２によるＴｉ_xＯ_y膜２３の酸化を防止し光減衰膜の透過率の変化を更に低減する。

なお、全てのＡｌ₂Ｏ₃膜２２とＴｉ_xＯ_y膜２３との間に水蒸気バリア層であるＳｉ₃Ｎ₄膜２４を成膜する必要はなく、図８に示すように適宜の積層間に水蒸気バリア層を介在してもよい。特に、酸素や水分の影響を最も受け易く最も薄いＴｉ_xＯ_y膜２３の上下の面を水蒸気バリア層で成膜することが好ましい。

図９は本実施例２におけるＮＤフィルタ２０に対する環境試験前後（６０℃、９０％、１０００ｈ）の可視光波長領域における透過率の変化の実験結果を示したものである。環境試験前後で透過率の変化は概略０．３％程度であった。

水蒸気バリア層であるＳｉ₃Ｎ₄膜２４の膜厚は、ＮＤフィルタ２０の使用帯域、例えばλ＝４００〜７００ｎｍ程度の通常可視光波長領域で所定の光量減衰率、即ち所定の透過率を有する。このＳｉ₃Ｎ₄膜２４の膜厚はＡｌ₂Ｏ₃膜２２、Ｔｉ_xＯ_y膜２３の各層の膜厚と共に調整して予め決められる。

上述の実施例においては、水蒸気バリア層としてＳｉ₃Ｎ₄膜２４を使用しているが、ＳｉＯ_xＮ_yを使用してもほぼ同様の効果が得られる。Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_xＮ_yは消衰係数が比較的小さいため、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_xＮ_yによる光の吸収の影響が少なく、設計の自由度を広げることができる。つまり、水蒸気バリア層はＳｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_xＮ_yの何れか１種類以上を用い、膜厚は希望する光学特性を満たすよう任意の厚さに設定すればよい。

Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_xＮ_yの成膜はＳｉを蒸発源として、それぞれＡｒ・Ｎ₂雰囲気下、Ａｒ・Ｎ₂・Ｏ₂雰囲気下で反応させて成膜することができる。Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_xＮ_yはＡｌ₂Ｏ₃やＴｉ_xＯ_yに比較して、密着性が良くないため、ＩＡＤ法やイオンプレーティング法等によるアシストを用いて成膜するとより緻密な膜となり、水蒸気バリアの効果が向上させることができる。

このようにして製造したＮＤフィルタ２０は、ビデオカメラやデジタルスチールカメラ等の撮像装置に適用することで、長期に渡り良好な性能の光量絞り装置が得られる。

２０ ＮＤフィルタ
２１ 透明基板
２２ Ａｌ₂Ｏ₃膜
２３ Ｔｉ_xＯ_y膜
２４ Ｓｉ₃Ｎ₄膜
２５ ＭｇＦ₂膜
２６ ＮＤ膜
３１ ＳｉＯ₂膜

Claims (8)

1. 透明基板上に誘電体層と光吸収層とを積層して設けた光減衰膜を備えたＮＤフィルタであって、前記光減衰膜のうち、前記光吸収層を含む部分を水蒸気バリア層により挟んだことを特徴とするＮＤフィルタ。
2. 前記透明基板は透明な合成樹脂材であって、前記水蒸気バリア層は前記透明基板と前記光減衰膜との間にも形成したことを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタ。
3. 前記水蒸気バリア層は最表面を形成する反射防止膜と前記光減衰膜の最上層となる光吸収層との間に形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＤフィルタ。
4. 前記水蒸気バリア層は前記光減衰層の上下面に形成したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＮＤフィルタ。
5. 前記光吸収膜は酸化によって分光透過特性の変化する金属酸化物であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＮＤフィルタ。
6. 前記水蒸気バリア層はＳｉ₃Ｎ₄又はＳｉＯ_xＮ_yであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のＮＤフィルタ。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載のＮＤフィルタを有することを特徴とする光量絞り装置。
8. 請求項７に記載の光量絞り装置を使用した撮像装置。

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