JP2015165265A - 光学フィルタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】層数を抑制しつつ、透過帯域における曇りやリップルの発生を低減して高い透過率を得る光学フィルタ等を提供する。【解決手段】光学フィルタ１０は、基板１１と、基板上に複数の層（高屈折率層１２と低屈折率層１３）が形成された光学薄膜部２０とを有する光学フィルタであって、光学薄膜部が、基板に近い側から順に、相対的な高屈折率を有する高屈折率材料と相対的な低屈折率を有する低屈折率材料とを交互に積層して構成される第１のショートウェーブパスフィルタ２２と、高屈折率材料と低屈折率材料とを第１のショートウェーブパスフィルタよりも厚い膜厚で交互に積層して構成される第２のショートウェーブパスフィルタ２３と、高屈折率材料と低屈折率材料とを第２のショートウェーブパスフィルタよりも厚い膜厚で交互に積層して構成される第３のショートウェーブパスフィルタ２４とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は光学フィルタおよびその製造方法に関し、特に低コストで製造でき、かつ透過率の高い光学フィルタ等に関する。

デジタルカメラなどのような撮像装置において、ローパスフィルタ及び光学吸収フィルタを有する光学フィルタが使用されている。その場合、被写体の空間周波数が撮像素子の画素ピッチに近い場合に干渉が発生し、この干渉が偽色や色モアレなどの原因となる。また、撮像素子の前面での光の反射が、赤ゴーストの原因となる。そのような画質の低下を低減するため、撮像素子の前面に、主に紫外線および赤外線カット（ＵＶ−ＩＲカット）のための光学フィルタを配置していることが一般的である。

たとえば特許文献１に記載されているように、その光学フィルタはＩＲ（赤外線）カットガラス上にＴｉＯ２（二酸化チタン）およびＳｉＯ２（二酸化ケイ素）を交互に成膜したＵＶ（紫外線）−ＩＲ（赤外線）カットコートを形成し、紫外線と赤外線の両方を反射させる構造としている。かつ、それらのＩＲカットガラスとＵＶ−ＩＲカットコートとを合わせた分光透過率を、人間の視感度に近似したものとしている。

また、特許文献２および特許文献３には、ＴｉＯ２およびＳｉＯ２を交互に多層成膜することによって構成されたＩＲカットフィルタが記載されている。特許文献２には合計４０層、特許文献３には合計４８層もしくは６０層を積層した例が記載されている。非特許文献１（ｐ１９９、５．５章）には、ロングウェーブパスフィルタ（ＬＷＰＦ）とショートウェーブパスフィルタ（ＳＷＰＦ）とを用いた４２層のＵＶ−ＩＲカットフィルタの設計例が示されている。

特開２０１３−１３０８８６号公報 特許３９３７８２３号公報 特許５１２６０８９号公報

小檜山光信、「光学薄膜フィルタデザイン」、株式会社オプトロニクス社、２００６年

前述のように、ＴｉＯ２などのような高屈折率材料とＳｉＯ２などのような低屈折率材料とを交互に成膜した構造の光学フィルタは既に公知であるが、そのような光学フィルタにおいては、透過帯域における光透過率の細かい変動（いわゆるリップル）を除去するために、高屈折率材料および低屈折率材料とを交互に成膜する層数を多くすることが一般的に行われている。

特許文献１にはその層数などについては特に規定されていないが、一般的には少なくとも４０層以上を積層しないと実用に耐えるものとはならないとされており、実際特許文献２には４０層、特許文献３には４８層もしくは６０層、非特許文献１には４２層の設計例が各々記載されている。

しかしながら、層数が多くなると、それだけ成膜に多くの時間を要することとなり、また各工程における管理も困難となる。特に、膜層数が多いと膜表面の粗さが粗くなることによる散乱や、高屈折率材料としてＴｉＯ２を使用した場合にＴｉＯ２の結晶粒が大きくなることによる散乱が発生する。これを、光学薄膜の曇り（ヘイズ）という。この光学薄膜の曇りを抑制することが困難となり、これも製造コストに大きく影響する。

本発明の目的は、層数を抑制しつつ、透過帯域における曇りやリップルの発生を低減して高い透過率を得ることを可能とする光学フィルタおよびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る光学フィルタは、基板と、基板上に複数の層が形成された光学薄膜部とを有する光学フィルタであって、光学薄膜部が、基板に近い側から順に、屈折率の異なる２種類の材料である高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層して構成される第１のショートウェーブパスフィルタと、高屈折率材料と低屈折率材料とを第１のショートウェーブパスフィルタよりも厚い膜厚で交互に積層して構成される第２のショートウェーブパスフィルタとを有すること、を特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る光学フィルタの製造方法は、基板上に複数の層による光学薄膜を形成して光学フィルタを製造する方法であって、基板上に、屈折率の異なる２種類の材料である高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層して第１のショートウェーブパスフィルタを形成し、この第１のショートウェーブパスフィルタの上に、高屈折率材料と低屈折率材料とを第１のショートウェーブパスフィルタよりも厚い膜厚で交互に積層して第２のショートウェーブパスフィルタを形成すること、を特徴とする。

本発明は、上記した通り、複数層のショートウェーブパスフィルタを、膜厚を順次厚くしていきながら形成した構成としたことによって、層数を抑制しつつ、透過帯域における曇りやリップルの発生を低減して高い透過率を得ることが可能であるという優れた特徴を持つ光学フィルタおよびその製造方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る光学フィルタの概略構成について示す説明図である。 図１で示した光学フィルタの屈折率プロファイルについて示すグラフである。 図１〜２に示した光学フィルタの、入射光の波長に対する透過率を示すグラフである。 第２の実施形態に係る光学フィルタの概略構成について示す説明図である。 図４で示した光学フィルタの屈折率プロファイルについて示すグラフである。 図４〜５に示した光学フィルタの、入射光の波長に対する透過率を示すグラフである。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態の構成について添付図１に基づいて説明する。
本実施形態に係る光学フィルタ１０は、基板１１と、基板上に複数の層が形成された光学薄膜部２０とを有する光学フィルタであって、光学薄膜部が、基板に近い側から順に、屈折率の異なる２種類の材料である高屈折率層１２と低屈折率層１３とを交互に積層して構成される第１のショートウェーブパスフィルタ２２と、高屈折率材料と低屈折率材料とを第１のショートウェーブパスフィルタよりも厚い膜厚で交互に積層して構成される第２のショートウェーブパスフィルタ２３と、高屈折率材料と低屈折率材料とを第２のショートウェーブパスフィルタよりも厚い膜厚で交互に積層して構成される第３のショートウェーブパスフィルタ２４とを有する。

ここで、Ｌを高屈折率材料の１／４光学厚み、Ｈを低屈折率材料の１／４光学厚み、ｌ，ｍ，ｎを膜の繰り返し回数と各々定義すると、第１のショートウェーブパスフィルタの膜構成が［（０．５±０．０５）Ｌ＋（１±０．０５）Ｈ＋（０．５±０．０５）Ｌ］ｍ、第２のショートウェーブパスフィルタの膜構成が［（０．６±０．１）Ｌ＋（１．２±０．２）Ｈ＋（０．６±０．１）Ｌ］ｎ、第３のショートウェーブパスフィルタの膜構成が［（０．７±０．１）Ｌ＋（１．４±０．２）Ｈ＋（０．７±０．１）Ｌ］ｌである。さらに望ましくは、繰り返し回数であるｌ，ｍ，ｎを、ｍ＝７、ｎ＝４、ｌ＝４としている。

以上の構成を備えることにより、この光学フィルタ１０は、層数を４０層以内に抑制しつつ、透過帯域における曇りやリップルの発生を低減して高い透過率を得ることが可能なものとなる。

また、基板と第１のショートウェーブパスフィルタとの間に、高屈折率材料と低屈折率材料とを第１のショートウェーブパスフィルタよりも薄い膜厚で各々２層ずつ交互に積層して構成される反射防止膜２１を介装している。そして、この反射防止膜の膜構成が［０．１７５Ｈ＋０．３０９Ｌ＋０．２５７Ｈ＋０．８０８Ｌ］である。反射防止膜の膜構成として４層の反射防止膜を示しているが、４層以外の構成であっても反射防止膜の機能を有していればよい。
このような反射防止膜を備えることにより、さらに高い透過率を得ることができる。
以下、これをより詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る光学フィルタ１０の概略構成について示す説明図である。光学フィルタ１０は、結晶あるいはガラス製の基板１１上に相対的な高屈折率を有する高屈折率層１２と相対的な低屈折率を有する低屈折率層１３とを交互に積層して構成されている。

典型的には、高屈折率層１２の材料としてはたとえばＴｉＯ２（二酸化チタン、屈折率ｎ＝２．４０）、低屈折率層１３の材料としてはたとえばＳｉＯ２（二酸化ケイ素、屈折率ｎ＝１．４６）を利用することができるが、必ずしもこの例に従う必要はない。

交互に積層される高屈折率層１２と低屈折率層１３により、基板１１上に光学薄膜部２０が構成される。この光学薄膜部２０は、基板１１側から順に、リップルを抑制するための反射防止膜（ＡＲ: Anti-Reflection）２１、第１のショートウェーブパスフィルタ（ＳＷＰＦ）２２、第２のＳＷＰＦ２３、第３のＳＷＰＦ２４といった各部によって構成されている。

各部の構成は、以下のように表される。ここで、高屈折率層１２および低屈折率層１３の各々の材料の１／４光学厚み（設計波長λの１／４）を各々ＬおよびＨと定義する。

ＡＲ［０．１７５Ｈ＋０．３０９Ｌ＋０．２５７Ｈ＋０．８０８Ｌ］
第１のＳＷＰＦ［（０．５±０．０５）Ｌ＋（１±０．０５）Ｈ＋（０．５±０．０５）Ｌ］ｍ
第２のＳＷＰＦ［（０．６±０．１）Ｌ＋（１．２±０．２）Ｈ＋（０．６±０．１）Ｌ］ｎ
第３のＳＷＰＦ［（０．７±０．１）Ｌ＋（１．４±０．２）Ｈ＋（０．７±０．１）Ｌ］ｌ

ここで、ｌ，ｍ，ｎは［］内の膜の繰り返し回数であり、実験によって確かめられた最善の条件ではｍ＝７、ｎ＝４、ｌ＝４である。以上の構成で、膜の層数は３４層である。即ち、４０層以上を積層している特許文献１〜３に記載の既存技術と比べて、層数を削減することに成功している。なお、図１では本発明の概念を平易に示すことを優先しているため、層数はこの最善の条件と一致していない。

図２は、図１で示した光学フィルタ１０の屈折率プロファイルについて示すグラフである。図２の横軸は、基板１１側（左端側）を０とした場合の厚さ方向位置（ｎｍ）を示し、縦軸はその位置における材料の屈折率を示す。基板１１の屈折率は約１．５５、高屈折率層１２の屈折率は約２．４０、低屈折率層１３の屈折率は約１．４６である。図２の右端は空気であり、屈折率は１である。また、設計波長λ＝８００ｎｍである。

図３は、図１〜２に示した光学フィルタ１０の、入射光の波長に対する透過率を示すグラフである。図３の横軸は入射光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸はその波長の入射光に対する透過率（％）を示す。入射角度は０度、即ち光学フィルタ１０に対して垂直に入射した場合の数値である。

光学フィルタ１０は４２０〜６５０ｎｍではほぼ１００％の高い透過率を示すが、６５０〜７５０ｎｍの領域で透過率が急激に低下し、７５０ｎｍ以上ではほぼ０となる。そして１１００ｎｍ付近で透過率は再び１０％程度に上昇する。そして、４２０〜６５０ｎｍの領域においては、透過率は１００〜９９％の範囲内での変動であり、リップルの発生が少ないことがわかる。また、曇り（ヘイズ）についても、ヘイズメータで測定したところ、０．０８（無単位量）程度の良好な値が得られた。

この光学フィルタ１０の製造工程は、基板１１上に高屈折率層１２と低屈折率層１３とを、膜厚を変えながら交互に成膜していくことによって、基板１１側から順にＡＲ２１、第１のＳＷＰＦ２２、第２のＳＷＰＦ２３、第３のＳＷＰＦ２４を、一層当たりの膜厚を順次厚くしていきながら図２に示したような屈折率プロファイルで形成していくのみでよい。

従って、既存の光フィルタと比べて特別な製造設備は必要とはされない。それでいて、より少ない層数で、曇りやリップルの発生を少なくした光学フィルタを得ることができる。かつ、層数を４０層以下に抑制したので、低コストで製造することが可能となる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態の構成について添付図１に基づいて説明する。
本実施形態に係る光学フィルタ３０は、基板１１と、基板上に複数の層が形成された光学薄膜部４０とを有する光学フィルタであって、光学薄膜部が、基板に近い側から順に、屈折率の異なる２種類の材料である高屈折率層１２と低屈折率層１３とを交互に積層して構成される第１のショートウェーブパスフィルタ４２と、高屈折率材料と低屈折率材料とを第１のショートウェーブパスフィルタよりも厚い膜厚で交互に積層して構成される第２のショートウェーブパスフィルタ４３とを有する。

ここで、Ｌを高屈折率材料の１／４光学厚み、Ｈを低屈折率材料の１／４光学厚み、ｌ，ｍを膜の繰り返し回数と各々定義すると、第１のショートウェーブパスフィルタの膜構成が［（０．５±０．０５）Ｌ＋（１±０．０５）Ｈ＋（０．５±０．０５）Ｌ］ｍ、第２のショートウェーブパスフィルタの膜構成が［（０．７±０．１）Ｌ＋（１．４±０．２）Ｈ＋（０．７±０．１）Ｌ］ｌである。さらに望ましくは、繰り返し回数であるｌ，ｍを、ｍ＝７、ｌ＝８としている。

以上の構成によっても、この光学フィルタ３０は、層数を４０層以内に抑制しつつ、透過帯域における曇りやリップルの発生を低減して高い透過率を得ることが可能なものとなる。

また、基板と第１のショートウェーブパスフィルタとの間に、高屈折率材料と低屈折率材料とを第１のショートウェーブパスフィルタよりも薄い膜厚で各々２層ずつ交互に積層して構成される反射防止膜４１を介装している。そして、この反射防止膜の膜構成が［０．１９１Ｈ＋０．２９３Ｌ＋０．３３１Ｈ＋０．７９５Ｌ］である。反射防止膜の膜構成として４層の反射防止膜を示しているが、４層以外の構成であっても反射防止膜の機能を有していればよい。
このような反射防止膜を備えることにより、さらに高い透過率を得ることができる。
以下、これをより詳細に説明する。

図４は、第２の本実施形態に係る光学フィルタ３０の概略構成について示す説明図である。光学フィルタ３０は、結晶あるいはガラス製の基板１１上に相対的な高屈折率を有する高屈折率層１２と相対的な低屈折率を有する低屈折率層１３とを交互に積層して構成されている。この点は第１の実施形態と同一である。また、高屈折率層１２および低屈折率層１３の材料についても第１の実施形態と同一である。

交互に積層される高屈折率層１２と低屈折率層１３により、基板１１上に光学薄膜部２０が構成される。この光学薄膜部４０は、基板１１側から順に、リップルを抑制するための反射防止膜（ＡＲ: Anti-Reflection）４１、第１のＳＷＰＦ４２、第２のＳＷＰＦ４３といった各部によって構成されている。

即ち、この光学薄膜部４０は、前述した第１の実施形態における光学薄膜部２０の、第２のＳＷＰＦ２３と第３のＳＷＰＦ２４とを統合して第２のＳＷＰＦ４３とした構成である。

各部の構成は、以下のように表される。第１の実施形態と同じく、高屈折率層１２および低屈折率層１３の各々の材料の１／４光学厚み（設計波長λの１／４）を各々ＬおよびＨと定義する。

ＡＲ［０．１９１Ｈ＋０．２９３Ｌ＋０．３３１Ｈ＋０．７９５Ｌ］
第１のＳＷＰＦ［（０．５±０．０５）Ｌ＋（１±０．０５）Ｈ＋（０．５±０．０５）Ｌ］ｍ
第２のＳＷＰＦ［（０．７±０．１）Ｌ＋（１．４±０．２）Ｈ＋（０．７±０．１）Ｌ］ｌ

実験によって確かめられた最善の条件ではｍ＝７、ｌ＝８である。以上の構成で、膜の層数は第１の実施形態と同じ３４層である。即ち、第１の実施形態における第２のＳＷＰＦ２３を使用しない場合は、第３のＳＷＰＦ２４のｌの値を増やすことにより、第１の実施形態と同様の特性を得ることができ、これによっても既存技術と比べて層数を削減できる。なお、図４では本発明の概念を平易に示すことを優先しているため、層数はこの最善の条件と一致していない。

図５は、図４で示した光学フィルタ１０の屈折率プロファイルについて示すグラフである。表示方法は図２と同一である。また設計波長λ＝８００ｎｍである。図６は、図４〜５に示した光学フィルタ１０の、入射光の波長に対する透過率を示すグラフである。表示方法は図３と同一である。

光学フィルタ３０は４２０〜６５０ｎｍではほぼ１００％の高い透過率を示すが、６５０〜７５０ｎｍの領域で透過率が急激に低下し、７５０ｎｍ以上ではほぼ０となる。そして１２００ｎｍ付近で透過率は再び１０％程度に上昇する。そして、４２０〜６５０ｎｍの領域においては、透過率は１００〜９９％の範囲内での変動であり、リップルの発生が少ないことがわかる。また、曇り（ヘイズ）についても、ヘイズメータで測定したところ、０．０８（無単位量）程度の良好な値が得られた。

この光学フィルタ３０の製造工程も、第１の実施形態と同様に、基板１１上に高屈折率層１２と低屈折率層１３とを、膜厚を変えながら交互に成膜していくことによって、基板１１側から順にＡＲ４１、第１のＳＷＰＦ４２、第２のＳＷＰＦ４３を、一層当たりの膜厚を順次厚くしていきながら図５に示したような屈折率プロファイルで形成していくのみである。

これまで本発明について図面に示した特定の実施形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができる。

光学フィルタを含む機器一般において幅広く利用することが可能であるが、特に撮像装置、その中でも小型軽量や低コストであることが要求される用途の撮像装置における利用に適している。より具体的には、前述のような携帯電話端末などに搭載される撮像装置などである。

１０、３０ 光学フィルタ
１１ 基板
１２ 高屈折率層
１３ 低屈折率層
２０、４０ 光学薄膜部
２１、４１ ＡＲ
２２、４２ 第１のＳＷＰＦ
２３、４３ 第２のＳＷＰＦ
２４ 第３のＳＷＰＦ

Claims (11)

1. 基板と、前記基板上に複数の層が形成された光学薄膜部とを有する光学フィルタであって、
   前記光学薄膜部が、前記基板に近い側から順に、
   屈折率の異なる２種類の材料である高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層して構成される第１のショートウェーブパスフィルタと、
   前記高屈折率材料と前記低屈折率材料とを前記第１のショートウェーブパスフィルタよりも厚い膜厚で交互に積層して構成される第２のショートウェーブパスフィルタとを有すること、を特徴とする光学フィルタ。
2. 前記光学薄膜部が、前記第２のショートウェーブパスフィルタの上に、前記高屈折率材料と前記低屈折率材料とを前記第２のショートウェーブパスフィルタよりも厚い膜厚で交互に積層して構成される第３のショートウェーブパスフィルタをさらに有すること、を特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
3. Ｌを前記高屈折率材料の１／４光学厚み、Ｈを前記低屈折率材料の１／４光学厚み、ｌ，ｍ，ｎを膜の繰り返し回数と各々定義すると、前記第１のショートウェーブパスフィルタの膜構成が［（０．５±０．０５）Ｌ＋（１±０．０５）Ｈ＋（０．５±０．０５）Ｌ］ｍ、前記第２のショートウェーブパスフィルタの膜構成が［（０．６±０．１）Ｌ＋（１．２±０．２）Ｈ＋（０．６±０．１）Ｌ］ｎ、前記第３のショートウェーブパスフィルタの膜構成が［（０．７±０．１）Ｌ＋（１．４±０．２）Ｈ＋（０．７±０．１）Ｌ］ｌであること、を特徴とする請求項２に記載の光学フィルタ。
4. 前記繰り返し回数であるｌ，ｍ，ｎを、ｍ＝７、ｎ＝４、ｌ＝４としたことを特徴とする請求項３に記載の光学フィルタ。
5. 前記基板と前記第１のショートウェーブパスフィルタとの間に、前記高屈折率材料と前記低屈折率材料とを前記第１のショートウェーブパスフィルタよりも薄い膜厚で各々２層ずつ交互に積層して構成される反射防止膜を介装すると共に、
   Ｌを前記高屈折率材料の１／４光学厚み、Ｈを前記低屈折率材料の１／４光学厚みと各々定義すると、前記反射防止膜の膜構成が［０．１７５Ｈ＋０．３０９Ｌ＋０．２５７Ｈ＋０．８０８Ｌ］であること、を特徴とする請求項２乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の光学フィルタ。
6. Ｌを前記高屈折率材料の１／４光学厚み、Ｈを前記低屈折率材料の１／４光学厚み、ｌ，ｍを膜の繰り返し回数と各々定義すると、前記第１のショートウェーブパスフィルタの膜構成が［（０．５±０．０５）Ｌ＋（１±０．０５）Ｈ＋（０．５±０．０５）Ｌ］ｍ、前記第２のショートウェーブパスフィルタの膜構成が［（０．７±０．１）Ｌ＋（１．４±０．２）Ｈ＋（０．７±０．１）Ｌ］ｌであること、を特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
7. 前記繰り返し回数であるｌ，ｍを、ｍ＝７、ｌ＝８としたことを特徴とする請求項６に記載の光学フィルタ。
8. 前記基板と前記第１のショートウェーブパスフィルタとの間に、前記高屈折率材料と前記低屈折率材料とを前記第１のショートウェーブパスフィルタよりも薄い膜厚で各々２層ずつ交互に積層して構成される反射防止膜を介装すると共に、
   Ｌを前記高屈折率材料の１／４光学厚み、Ｈを前記低屈折率材料の１／４光学厚みと各々定義すると、前記反射防止膜の膜構成が［０．１９１Ｈ＋０．２９３Ｌ＋０．３３１Ｈ＋０．７９５Ｌ］であること、を特徴とする請求項６または請求項７に記載の光学フィルタ。
9. 基板上に複数の層による光学薄膜を形成して光学フィルタを製造する方法であって、
   前記基板上に、屈折率の異なる２種類の材料である高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層して第１のショートウェーブパスフィルタを形成し、
   この第１のショートウェーブパスフィルタの上に、前記高屈折率材料と前記低屈折率材料とを前記第１のショートウェーブパスフィルタよりも厚い膜厚で交互に積層して第２のショートウェーブパスフィルタを形成すること、を特徴とする光学フィルタの製造方法。
10. 前記第２のショートウェーブパスフィルタの上に、前記高屈折率材料と前記低屈折率材料とを前記第２のショートウェーブパスフィルタよりも厚い膜厚で交互に積層して構成される第３のショートウェーブパスフィルタを形成すること、を特徴とする請求項９に記載の光学フィルタの製造方法。
11. 前記第１のショートウェーブパスフィルタを形成する前に、
    前記基板上に、前記高屈折率材料と前記低屈折率材料とを前記第１のショートウェーブパスフィルタよりも薄い膜厚で各々２層ずつ交互に積層して反射防止膜を形成し、
    この上に前記第１のショートウェーブパスフィルタを形成すること、を特徴とする請求項９または請求項１０に記載の光学フィルタの製造方法。

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