JP2015219338A - 光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】透明樹脂基板に無機硬質膜を形成するＮＤフィルタでは片面に無機硬質膜、対向面に樹脂製の微細な凹凸周期構造という構成にすると各面での線膨張係数の差から、温度変化により反りが発生してしまう。ＮＤフィルタに反りが発生することを防止したNDフィルタを提供することにある。
【解決手段】透明樹脂基板の第一の面に光吸収層を含む無機硬質膜、第二の面に樹脂材からなる微細凹凸周期構造を設けた光学フィルタであり、前記透明樹脂基板と前期微細凹凸周期構造の間に前記樹脂材より線膨張係数の小さい低線膨張材層を有することにある。
【選択図】図５

Description

本発明は、カメラ等の撮影装置や光学機器等に使用される光学フィルタに関するものである。

従来から、デジタルカメラやビデオカメラ等の光学機器には、その光量調節のために絞り装置が組み込まれている。この絞り装置は、ＣＣＤ等の固体撮像素子に入射する光量を絞り羽根の開閉により調節するものであり、被写界が明るい場合には、より小さく絞り込まれるようになっている。従って、快晴時や高輝度の被写体を撮影する際には光量を減衰させるために絞りは小絞りとなるが、そのままでは光は絞りで回折し、撮影した画像の劣化を引き起こしてしまうことがある。

また、ＣＣＤ等の固体撮像素子が高感度化することにより、更に光量を減衰させる必要があり、この画像劣化の傾向は顕著になっている。そこで、この問題の対策として、絞り羽根に光量調整部材としてフィルム状のＮＤ（Neutral Density）フィルタを取り付けて、絞り開口が大きいまま光量を減衰することが行われている。具体的には、絞り羽根の一部に絞り羽根とは異なる別部材から成るＮＤフィルタを接着剤で貼り付け、被写体が高輝度の際には、ＮＤフィルタを光軸上に位置させ、通過光量を制限する。このため、絞り開口が小さくなり過ぎるまで絞り込むことを回避し、絞り開口を一定の大きさに維持することができる。

近年、光学機器の高画質化に伴い光学部品の反射によるゴースト発生を嫌い、ＮＤフィルタに対しても表面反射を小さくすることが求められている。従来ＮＤフィルタの反射防止方法としては基板上に高屈折材料と低屈折材料の交互層からなる多層反射防止膜を形成したり、低屈折材料を光学膜厚で１λ／４の厚みに形成することが一般的に行われてきた。最近では蛾目(Moth eye)構造と呼ばれる光の波長以下のピッチで微細な凹凸周期構造を設けた反射防止構造が実用化されてきており、従来の反射防止膜よりもより高い反射防止効果を得ることが出来る。ＮＤフィルタにおいても基板に微細な凹凸周期構造を形成することで反射が低減されることが開示されている。例えば、特許文献１では裏面に微細な凹凸周期構造を形成したＮＤフィルタが開示されており、また、特許文献２においては、微細な凹凸周期構造の上に光吸収膜を含む多層膜を形成し表面反射を低減したＮＤフィルタを開示している。

特開２００８−０５８４３８号公報 特開２００８−０７６８４４号公報

前述した微細な凹凸周期構造の作製方法は種々あるが、コストや生産性を考えると樹脂製が好ましい。しかしながら、透明樹脂基板に無機硬質膜を形成するＮＤフィルタでは片面に無機硬質膜、対向面に樹脂製の微細な凹凸周期構造という構成にすると各面での線膨張係数の差から、温度変化により反りが発生してしまう。ＮＤフィルタに反りが発生するとＮＤフィルタやこれを貼り付けた絞り羽根の駆動時に動作不良を起こしたり、ＮＤ面の反射によるゴーストが現れる虞がある。

上述目的を達成するための本発明に係る光学フィルタの技術的特徴は、透明樹脂基板の第一の面に無機硬質膜、第二の面に樹脂材からなる微細凹凸周期構造を設けた光学フィルタであり、前記透明樹脂基板と前期微細凹凸周期構造の間に低線膨張層を有することである。

上記した課題を解決するために、本発明に係る光学フィルタの技術的特徴は、透明基板の表面に可視光波長以下のピッチと高さを有する微細凹凸周期構造を形成し、該微細凹凸周期構造に基材側から表層側に向かって屈折率が連続的に変化する特性を付加したことを特徴とする。

本発明に係る光学フィルタによれば、フィルタ表面の反射を極めて小さくすることが出来、また温度変化による反りが抑えられるので、ゴーストによる画質劣化、光学フィルタを用いた光量調整装置の駆動不良を抑えられる。

ビデオカメラに使用される撮影光学系を表した概略図 本発明のＮＤフィルタに配置された微細凹凸周期構造の模式図 本発明のＮＤフィルタに配置された微細凹凸周期構造の模式図 本発明のＮＤフィルタに配置された微細凹凸周期構造の模式図 本発明のＮＤフィルタ構成の一例を示す図 微細凹凸周期構造を形成する方法を説明する図 ＮＤフィルタの膜構成の一例を示す図 ＮＤフィルタの反り状態を示す図 本発明のＮＤフィルタ構成の一例を示す図 本発明のＮＤフィルタ構成の一例を示す図 本発明のＮＤフィルタを作製する蒸着装置の概略図 本発明のＮＤフィルタを作製する蒸着治具の概略図 本発明のＮＤフィルタの外形切断方法を説明する図 従来のＮＤフィルタ構成の一例を示す図

（実施例１）
本発明を図１〜図１４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。以下、本発明によるＮＤフィルタについて説明する。

まず図１は撮影光学系２０の構成図であり、図中レンズ２３Ａ、光量絞り装置２２、レンズ２３Ｂ〜２３Ｄ、ローパスフィルタ２８、ＣＣＤ等から成る固体撮像素子２７が順次に配列されている。光量絞り装置２２においては、絞り羽根支持板２４に一対の絞り羽根２５、２６が可動に取り付けられている。絞り羽根２５には、絞り羽根２５、２６により形成される略菱形形状の開口部を通過する光量を減光するためのＮＤフィルタ３０が接着されている。

従来、ＮＤフィルタは図１４に示すように透明樹脂基板３１の片面に光吸収層を含むＮＤ膜７０とその対向面に反射防止膜７５あるいは他のＮＤ膜を形成した構成が一般的であり、基板の両面に無機硬質膜が形成されるので線膨張係数の差は小さく、周囲の温度が上昇してもＮＤフィルタの反り量としてはあまり変化は無かった。一方、ＮＤフィルタの反射防止効果を高めるため図８（ａ）に示すように基板の片面に樹脂材からなる微細凹凸周期構造３３を形成すると、片面がＮＤ膜を形成する線膨張係数の小さい無機硬質膜、その対向面が微細凹凸周期構造３３を形成する線膨張係数の大きい樹脂材という構成になり、周囲の温度が上昇すると図８（ｂ）のように線膨張係数の大きい樹脂材側が凸に反りが生じてしまう虞がある。

本実施例においてＮＤフィルタ３０は図５に示すように透明樹脂基板３１の片面（第一の面）に光吸収層を含むＮＤ膜７０、対向面（第二の面）には低線膨張材層として無機誘電体膜７３が形成され、さらに無機誘電体膜７３上には微細凹凸周期構造３３が形成される。

透明樹脂基板３１には約１００μｍの２軸延伸ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂フィルムを使用しているが、ＰＥＴ以外でも透明性及び機械的強度を有するフィルム状の樹脂基板を使用することも可能である。例を挙げれば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、アクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリイミド系樹脂、ノルボルネン系樹脂、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド等である。また、透明樹脂基板３１の厚さとしては、ＮＤフィルタ３０としての剛性を保持しながら、可能な限り薄いことが好ましい。具体的には、その厚さとして３００μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは５０〜１００μｍとすることが好ましい。

ＮＤフィルタ３０を作製するにあたり、透明樹脂基板３１上にまず無機誘電体膜７３としてＳｉＯ₂膜を真空蒸着法にて形成した。無機誘電体膜７３に用いる材料は特に限定されずＳｉＯ₂以外にもＳｉＯ、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＦ₂、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＨｆＯ₂等一般の無機誘電体膜が使用出来、成膜方法も真空蒸着、スパッタリング、ウエットコートなど通常の成膜方法が利用できる。なお低線膨張層の材質としては無機誘電体膜に限定されず、微細凹凸周期構造３３を形成する樹脂材よりも線膨張係数の小さい樹脂などを塗布しても良い。

続いて無機誘電体膜７３の上に微細凹凸周期構造３３を形成する。微細凹凸周期構造は蛾目(Moth eye)構造とも呼ばれ、図２に示すように円錐形状の突起部３２が等間隔で無数に配置されたものである。

各突起部３２の高さ方向に対し、突起部３２の最頂部から最底部に向かうにつれて突起部３２の体積は徐々に増加し、それに対応した有効屈折率も突起部３２の最頂部から最底部に向かい連続的に分布する。そのため、空気層から透明樹脂基板３１に向かって滑らかな有効屈折率分布を有し、この微細凹凸周期構造３３に光が入射した場合には、急激な屈折率差がないため、光は殆ど反射されずに透明樹脂基板３１内に到達する。

なお、良好な反射防止効果を得るために、突起部３２は図２に示すように円錐形状にすることが好ましいが、円錐形状の代りに、図３に示す四角錐形状の突起部３４、或いは他の多角錐形状、更には図４に示す逆円錐形状の凹部３５とした微細凹凸周期構造３３を用いてもよい。また、微細凹凸周期構造３３の凹凸パターンのピッチＰは可視光領域の波長（λ＝４００〜７００ｎｍ）よりも小さいことが好ましく、本実施例では３００ｎｍとしている。ピッチＰが大きくなり、可視光領域の波長、例えば５５０ｎｍとなると、光の回折現象が発生し画像劣化の原因となる。ピッチＰが小さくなるほど反射防止効果が得られる波長も低波長側に拡大されてくるが、ピッチＰを小さくするほど微細凹凸周期構造３３の形成が困難になるため、ピッチＰは１００〜３００ｎｍが好ましい。微細凹凸周期構造３３の凸部或いは凹部の高さＤと、微細凹凸周期構造３３のピッチＰとの比（アスペクト比）Ｄ／Ｐは大きい方が反射防止効果が大きくなり、Ｄ／Ｐが０．２以上であることが好ましく、より好ましくは１以上である。しかし、この高さＤも可視光領域の波長よりも小さくすることが好ましい。

微細凹凸周期構造３３を構成する突起部３２を形成する手段としては各種あり、例えば次のようなものがある。
（１）形成すべき微細凹凸周期構造３３と逆の形状を有する型を用いて、熱や圧力を加えて基板３１の表面に微細凹凸周期構造３３を転写する方法。
（２）半導体製造技術を用いて基板３１の表面に直接、微細凹凸周期構造３３を形成する方法。
（３）基板３１の表面に固化可能材料で膜を形成し、形成すべき微細凹凸周期構造３３と逆の形状を有する型を密着させて、固化可能材料を固化させる方法。

本実施例においては、形状転写性と生産性に優れ、基板に与える熱が少ない（３）の方法を用いて突起部３２を形成した。

固化可能材料としては限定されないが、ＵＶ硬化樹脂が好ましく用いられ、例えば、ウレタン系、アクリル系、エポキシ系、ウレタンアクリレート系などの樹脂が挙げられる。

本実施例においてはＵＶ硬化性のポリメチルメタクリレートを使用し微細凹凸周期構造を形成した。微細凹凸周期構造３３の形成は図６に示すように
（１）転写型４２に形成された微細凹凸周期構造４１上に固化可能材料４３を塗布。
（２）固化可能材料４３を塗布した面に透明樹脂基板３１を密着させる。
（３）基板側からＵＶ光を照射させ固化可能材料４３を固化させる。
（４）透明樹脂基板３１を転写型４２から離型する。
という工程で行われる。

転写型４２の微細凹凸周期構造４１の形成方法は各種あるが、例えば、半導体製造に用いられる電子線描画やレーザー干渉法によるフォトリソグラフィ技術を用いたり、ガラス材に所定の微細凹凸周期構造を形成させた後に、Ｎｉメッキを施し、このメッキ層を剥離して型とする電鋳法等を用いることもできる。

このようにして形成した微細凹凸周期構造３３の表面形状をＡＦＭで測定したところ、高さ３５０ｎｍ、ピッチ３００ｎｍの凹凸パターンが形成された。

続いて前述の微細凹凸周期構造３３を形成した対向面にＮＤ膜７０を形成した。ＮＤ膜７０は図７に示す構造の積層膜で、基板上に誘電体層と光吸収層を交互に積層し、最表層に低屈折材料を形成した構成である。本実施例においては誘電体層としてＡｌ2Ｏ3、光吸収層としてＴｉＯｘ、低屈折材料としてＳｉＯ₂を用いた。それぞれの材料や層数については特に限定されずＮＤフィルタとして通常使われる材料が利用出来る。

ＮＤ膜７０の形成は図１１に示す真空蒸着装置を使った。図中チャンバ６１内には、蒸着源６３、６４、回転可能な蒸着傘６２が設けられ、この蒸着傘６２には成膜部位に開口部を設けた蒸着パターン形成マスク５２と透明樹脂基板３１をセットした図１２に示す蒸着治具５１が配置されている。蒸着治具５１に固定された透明樹脂基板３１は、この蒸着傘６２と共にＺ軸を中心に回転し成膜が行われる。蒸着治具５１にはピン等を介して透明樹脂基板３１が成膜面を図に示した成膜面側に向けて蒸着パターン形成マスク５２とともに固定されている。

そして最後に図１３に示すように成膜された透明樹脂基板３１をプレス抜き等で切断しＮＤフィルタ３０が得られる。

このようにして得られたＮＤフィルタは基板の両面に線膨張係数の小さい層が存在するためそれぞれの面の線膨張係数の差が小さく、周囲の環境に温度変化があっても反りはあまり生じない。

（実施例２）
図９に示すＮＤフィルタ３０は透明樹脂基板３１の一方の面（第一の面）にＮＤ膜７０が形成され、もう一方の面の領域ＢにはＮＤ膜７１が形成された多濃度タイプのＮＤフィルタである。ＮＤ膜７１と同一面の領域Ａは反射防止として微細凹凸周期構造３３が形成されているが、その下地は無機誘電体膜７３が形成されている。これは領域Ｂでは透明樹脂基板３１の両面にＮＤ膜７０および７１が形成されているのに対し、領域ＡにおいてはＮＤ膜が片面のみで、対向面（第二の面）が微細凹凸周期構造３３を形成する樹脂材のみでは線膨張係数の差から温度変化により反りが生じてしまうためである。

本実施例のＮＤフィルタであれば領域Ａにおいても線膨張係数の小さい誘電体膜が形成されるため透明樹脂基板３１の両面で線膨張係数の差が小さくなり温度変化による反りが緩和される。

図１０に示すＮＤフィルタ３０は透明樹脂基板３１の一方の面に透過率が面内で連続的に変化するように厚みを変化させたＮＤ膜７０が形成されたグラデーションＮＤである。ＮＤ膜７０の最表層には反射防止膜７５が形成されている。対向面には微細凹凸周期構造３３が形成されているがその下地は無機誘電体膜７３が形成されている。これは対向面が微細凹凸周期構造３３を形成する樹脂材のみではＮＤ膜７０および反射防止膜７５との線膨張係数の差から温度変化により反りが生じてしまうためである。

（実施例３）
本実施例のＮＤフィルタであればＮＤ膜面の対向面にも線膨張係数の小さい誘電体膜が形成されるため透明樹脂基板３１の両面で線膨張係数の差が小さくなり温度変化による反りが緩和される。

本発明はデジタルカメラやビデオカメラなどの撮像機器に使われる光学フィルタとして広く適用出来る。

本発明はデジタルカメラやビデオカメラなどの撮像機器に使われる光学フィルタとして広く適用出来る。

２０ 撮影光学系
２２ 光量絞り装置
２３Ａ，２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ レンズ
２４ 絞り羽根支持板
２５、２６ 絞り羽根
２７ 固体撮像素子
２８ ローパスフィルタ
３０ ＮＤフィルタ
３１ 透明樹脂基板
３２、３４ 突起部
３３ 微細凹凸周期構造
３５ 凹部
４１ 微細凹凸周期構造
４２ 転写型
４３ 固化可能材料
５１ 蒸着治具
５２ 蒸着パターン形成用マスク
６１ 蒸着装置
６２ 回転ドーム
６３、６４ 蒸着源
７０、７１ ＮＤ膜
７３ 誘電体膜
７５ 反射防止膜

Claims (6)

1. 透明樹脂基板の第一の面に光吸収層を含む無機硬質膜、第二の面に樹脂材からなる微細凹凸周期構造を設けた光学フィルタであり、前記透明樹脂基板と前期微細凹凸周期構造の間に前記樹脂材より線膨張係数の小さい低線膨張材層を有することを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記低線膨張材層は無機誘電体からなることを特徴とする請求項１記載の光学フィルタ。
3. 前記光学フィルタは透過率が異なる複数の領域を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学フィルタ。
4. 前記光学フィルタは透過率が連続的に異なる領域を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
5. 開口を形成するための絞り羽根と開口を通過する光の光量を調節するＮＤフィルタからなる光量絞り装置において、前記ＮＤフィルタが請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学フィルタであることを特徴とする光量調節装置。
6. 光学系と、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学フィルタもしくは光量調節装置と、前記光学系によって形成される像を受ける固体撮像素子を有することを特徴とする撮像機器。

Images