JP2017040909A - 光学フィルタおよびそれを有する光学系、撮像装置、レンズ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作製が容易であり、かつ透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学フィルタを提供する。【解決手段】透過率が第１の方向に変化する領域を有する光学フィルタであって、第１の方向と直交する第２の方向に沿って、基板と第１の層とを有し、第１の層の第２の方向における厚さは第１の方向に変化し、第１の層の消衰係数は所定の条件式を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、光学フィルタに関する。

撮像装置内の光学フィルタとして、透過率を制限するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタが用いられる場合がある。特に、画像の明るさを任意に制御するため、または、焦点外れ像（ボケ像）の輪郭の先鋭度のばらつき（による画像の品位の低下）を改善するために、光学面内の領域に応じて徐々に透過率の異なるグラデーション型のＮＤフィルタが用いられる。

特許文献１には、領域ごとに積層膜の厚さに応じて透過率および反射率を制御するグラデーション型のＮＤフィルタが開示されている。特許文献２には、反射防止構造体を用いて反射率を低減させたＮＤフィルタが開示されている。

特開２００７−１７８８２２号公報 特許第５０６７１３３号

特許文献１のＮＤフィルタでは、光学濃度が０．１から１の範囲において可視光領域の反射率を５％以下に低減している。しかし、ゴーストやフレアのない高品位な画像を得るには、さらに反射率を低減する必要がある。特許文献２のＮＤフィルタでは、ＮＤフィルタの反射率を１％以下に低減している。しかし、特許文献２には、グラデーション型のＮＤフィルタに関する構造および反射防止効果は開示されていない。また一般に、反射防止構造体の作製は容易でなく、反射防止構造体が壊れてしまう可能があるため、反射防止構造体に触れることはできない。

また、不要光を吸収するタイプのＮＤフィルタの場合、その反射率は表面側から入射する場合と基板側から入射する場合とで互いに異なる。しかし、特許文献１、２のいずれにおいても、基板側入射光に対する反射率について開示されていない。

そこで本発明は、作製が容易であり、かつ透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学フィルタ、レンズ装置、および、撮像装置を提供する。

本発明の一側面としての光学フィルタは、透過率が第１の方向に変化する領域を有する光学フィルタであって、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、基板と第１の層とを有し、前記第１の層の前記第２の方向における厚さは、前記第１の方向に変化し、前記第２の層の消衰係数は、所定の条件式を満たす。

本発明の他の側面としての光学フィルタは、透過率が第１の方向に変化する領域を有する光学フィルタであって、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って順に、基板と、位相補償層と、第１の層とを有し、前記第１の層の厚さは前記第１の方向に変化し、前記位相補償層の厚さは、前記第１の層の厚さの増加する方向とは反対の方向に増加し、前記第１の層の消衰係数は、所定の条件式を満たす。

本発明の他の側面としての光学系は、光学素子と、前記光学フィルタとを有する。

本発明の他の側面としての撮像装置は、前記光学系と、前記光学系を介して形成された光学像を光電変換して画像データを出力する撮像素子とを有する。

本発明の他の側面としてのレンズ装置は、撮像装置本体に対して着脱可能であり、前記光学系を有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、作製が容易であり、かつ透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学フィルタ、光学系、撮像装置、および、レンズ装置を提供することができる。

実施例１における光学フィルタの概略図である。 実施例１における光学フィルタの分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例１における光学フィルタのアドミタンス軌道図である。 消衰係数を０．５としたときの光学フィルタのアドミタンス軌道図である。 実施例１における吸収層の消衰係数、吸収層の厚さ、および、平均反射率の関係図である。 実施例２における光学フィルタの概略図である。 実施例２における光学フィルタの分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例２における光学フィルタのアドミタンス軌道図である。 実施例３における光学フィルタの分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例３における光学フィルタのアドミタンス軌道図である。 実施例４における光学フィルタの概略図である。 実施例４における光学フィルタの分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例４における光学フィルタのアドミタンス軌道図である。 各実施例における吸収層の消衰係数の波長特性を示す図である。 各実施例における光学フィルタの透過率分布を示す図である。 実施例５における撮像装置の断面図である。 各実施例において、光吸収性を有する材料により形成された微粒子を分散させた樹脂により吸収層が形成されている場合を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本発明の実施形態（実施例１）における光学フィルタの構成について説明する。図１（ａ）は、本実施形態の光学フィルタ１００の概略図（断面図）である。光学フィルタ１００は、基板１、中間反射防止層（中間層）２、吸収層（第１の層）３、および、表面反射防止層（第２の層）４を有する。すなわち光学フィルタ１００において、基板１の面１ａ（第１の面）の上に、順に、中間反射防止層２、吸収層３、および、表面反射防止層４が形成されている。光学フィルタ１００において、基板１の面１ａとは反対側の面１ｂ（第２の面）には、面１ａと同様の前述の積層構造を設けるか、適宜反射防止膜を設けてもよい（不図示）。ここで、中間反射防止層２と表面反射防止層４はそれぞれ、１層以上からなる膜で構成されている。なお、屈折率の調整、反射防止帯域の拡大、入射角度依存性の低減、または、偏光依存性を低減するため、各反射防止層（中間反射防止層２または表面反射防止層４）の積層数を増やしても構わない。

図１（ａ）に示されるように、光学フィルタ１００の透過率が連続的に変化する領域Ｒ１（面内方向（図１（ａ）の左右方向）における領域）において、吸収層３の厚さＬＴ（図１（ａ）の上下方向における厚さ）は連続的に変化する。吸収層３は、透過率が一定である領域Ｒ２には形成されていない。一方、光学フィルタ１００の全領域ＲＥにおいて、中間反射防止層２および表面反射防止層４は、略均一（均一または実質的に均一）な厚さを有する膜から構成される。ここで、略均一な厚さを有する膜は、積層材料の粒径や積層された層の密度に依存する微小な凹凸による厚さの変化を有する膜や、成膜回転軸を基準とした同一基板上の中心部分と端部分との回転半径の相違により意図せず成形される厚さの変化を有する膜を含む。

図１（ｂ）は、光学フィルタ１００の各領域における透過率分布を示す図であり、縦軸は透過率Ｔ、横軸は光学フィルタ１００の領域（面内方向の位置）をそれぞれ示している。光学フィルタ１００は、吸収層３の厚さに応じて透過率Ｔが変化するように構成され、吸収層３の厚さが連続的に変化することによりグラデーション型のＮＤフィルタを実現している。図１（ｂ）に示されるように、吸収層３が厚くなるほど、透過率Ｔは低くなる。

図１（ｃ）は、光学フィルタ１００の光路長差の分布を示す図であり、縦軸は光路長差ＯＰＤ、横軸は光学フィルタ１００の領域（面内方向の位置）をそれぞれ示している。図１（ｃ）において、光路長差ＯＰＤは、光学フィルタ１００（基板１）の中心位置と周辺位置との間における光路長差である。光学フィルタ１００は、吸収層３が厚さの分布を有するため、図１（ｃ）に示されるように、光路長差ＯＰＤは領域（面内方向の位置）に応じて異なる。

通常、図１（ａ）に示されるように吸収層３の厚さを変化させてグラデーション型のＮＤフィルタ（光学フィルタ）を得る場合、吸収層３の厚さの変化に応じて反射率が大きく変化する。このため、ＮＤフィルタの面内方向における全領域で反射率を低減することは困難である。しかし、本実施形態の光学フィルタ１００では、空気側（表面反射防止層４側）から光を入射した場合、基板側（基板１の面１ｂ側）から入射した場合のいずれでも、面内方向における全領域において反射率を低減することができる。

図２は、光学フィルタ１００に対して垂直に光が入射する場合（垂直入射時）における分光透過率および分光反射率を示す図である。以降、本明細書中にて説明される分光透過率および分光反射率はそれぞれ、垂直入射時の特性である。図２は、波長５５０ｎｍの光に関する光学濃度ＯＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）が、０、０．１、０．３、１、２の領域に関する分光透過率および分光反射率をそれぞれ示している。図２において、縦軸は分光透過率（透過率Ｔ（％））または分光反射率（反射率Ｒ（％））、横軸は波長（ｎｍ）をそれぞれ示している。ここで、光学濃度ＯＤは、透過率Ｔ（０≦Ｔ≦１）を用いて、以下の条件式（１）により定義される値である。

光学濃度ＯＤ＝０の領域は、吸収層３の厚さが０の領域であり、空気側（表面側）から光が入射した場合の反射率Ｒ_ａｉｒと基板側から光が入射した場合の反射率Ｒ_ｓｕｂは互いに等しい。一方、光学濃度ＯＤ≠０の領域（ＯＤ＝０．１、０．３、１、２）、すなわち吸収層３の厚さが０でない領域においては、空気側から光が入射した場合の反射率Ｒ_ａｉｒと基板側から光が入射した場合の反射率Ｒ_ｓｕｂは互いに異なる。これは、吸収層３がある場合、各界面におけるフレネル係数が入射方向に応じて異なるためである。

図２に示されるように、本実施形態の光学フィルタ１００は、光学濃度ＯＤ、光の入射方向に依らず、低い反射率を実現している。以下、その理由について、アドミタンス軌道図を参照して説明する。アドミタンスとは、媒質中の磁場強度と電場強度との比で表される値であり、自由空間のアドミタンスＹ_０を単位とすると、媒質の屈折率は数値的にはアドミタンスと等値となる。以下、本明細書中では、屈折率はアドミタンスと等値であるとして扱う。また、アドミタンス軌道図とは、等価アドミタンスの概念を用いた膜特性を表現する図である。等価アドミタンスは、基板の上に膜を加えた系全体をそれと等価な特性を持つ１つの基板に置き換えた場合の等価基板のアドミタンスを指す。なお、等価アドミタンス、および、アドミタンス軌道図の詳細については、文献「李正中著, 株式会社アルバック訳,“光学薄膜と成膜技術”」に説明されている。

図３は、本実施形態における光学フィルタ１００のアドミタンス軌道図である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、光学濃度ＯＤ＝０、０．１、１の場合における空気側入射時と基板側入射時の等価アドミタンスを示している。まず、図３（ａ）の空気側入射時のアドミタンス軌道図を例として、図の見方を説明する。図３において、横軸はアドミタンスηの実数部Ｒｅ（η）、縦軸はアドミタンスの虚数部Ｉｍ（η）をそれぞれ示し、図中の×印は基板１のアドミタンス、○印は空気のアドミタンスをそれぞれ表している。ここでは、基板１に透明媒質を用いているため、基板１による光の吸収はない。基板１の屈折率をＮ_ｓｕｂとすると、基板１のアドミタンスη_ｓｕｂ ＝ Ｎ_ｓｕｂＹ_０となる。ただし、本実施形態ではアドミタンスにおいては自由空間のアドミタンスＹ_０を単位としているため、数値的にはη_ｓｕｂとＮ_ｓｕｂとは互いに等しい（η_ｓｕｂ ＝ Ｎ_ｓｕｂ）。一方、光の吸収がある場合、複素屈折率はＮ−ｉｋとなり、その際のアドミタンスは、（Ｎ−ｉｋ）Ｙ_０となる。ここで、ｋは消衰係数である。この場合も、アドミタンスにおいて、自由空間のアドミタンスＹ_０を単位とすると、数値的にはアドミタンスと複素屈折率とは互いに等しい。

図３の光学フィルタ１００は、基板１から順に、中間反射防止層２、吸収層３、および、表面反射防止層４を備えて構成されている。本実施形態において、中間反射防止層２は、膜２１、２２を備えて構成されている。吸収層３は、膜３１を備えて構成されている。表面反射防止層４は、膜４１、４２、４３を備えて構成されている。中間反射防止層２は、基板１と吸収層３との界面における反射を低減する機能を有する。表面反射防止層４は、吸収層３と空気との界面における反射を低減する機能を有する。

図３（ａ）の左側に描かれている軌道は、基板１に膜２１、２２、３１、４１、４２、４３を順に成膜した場合における等価アドミタンスの変化を示している。膜４３（最終層）を成膜した場合の軌道の終点が最終的な等価アドミタンスを表しており、この等価アドミタンスと空気のアドミタンス（＝１）により、フレネル係数および反射率を算出することができる。等価アドミタンスが空気のアドミタンスと等しい場合、反射率は０となる。基板側入射の場合、空気から順に、膜４３、４２、４１、３１、２２、２１が成膜された場合の等価アドミタンスを求めればよく、その場合、等価アドミタンスが基板のアドミタンスに等しいときに反射率は０となる。

図３（ａ）は、吸収層３（膜３１）の厚さが０の場合を示しているが（従って、吸収層３による等価アドミタンスの変化はない）、吸収層３（膜３１）の厚さが増加すると、アドミタンス軌道は図３（ｂ）、（ｃ）のように変化する。吸収層３の厚さが十分に厚い場合、図３（ｃ）に示されるように空気側から光が入射したとき、基板１から吸収層３までの等価アドミタンスは、吸収層３の複素屈折率に略等しい。同様に、基板側から光が入射した場合、空気から吸収層３までの等価アドミタンスは、吸収層３の複素屈折率に略等しい。

従って、グラデーション型のＮＤフィルタ（光学フィルタ１００）において、空気側から光が入射した場合、基板１から吸収層３までの等価アドミタンスは、図３（ａ）〜（ｃ）の範囲内で変化する。これは、基板側から光が入射した場合も同様であり、空気から吸収層３までの等価アドミタンスも、図３（ａ）〜（ｃ）の範囲内で変化する。

本実施形態において、光学濃度ＯＤの相違による等価アドミタンスの変化を小さくするため、吸収層３の消衰係数ｋは、以下の条件式（２）を満たす。

０＜ｋ≦０．５ … （２）
これにより、例えば空気側から光が入射した場合、均一な厚さを有する表面反射防止層４を吸収層３（膜３１）の上部に設けるだけの単純な構成でありながら、光学濃度（吸収層３の厚さ）に依らず低い反射率を実現することができる。同様に、基板側から光が入射した場合、均一な厚さを有する中間反射防止層２を吸収層３の下部に設けるだけの単純な構成でありながら、光学濃度に依らず低い反射率を実現することができる。従って、本実施形態の光学フィルタ１００のような簡易な構成でありながら、光の入射方向に依らない優れた反射防止性能を得ることができる。

図４に、吸収層３（膜３１）として消衰係数ｋ＝０．５の材料を用いた場合の光学フィルタのアドミタンス軌道図を示す。このとき、吸収層３が十分に厚い場合（図４（ｃ））、基板１から吸収層３までの等価アドミタンスが吸収層３の複素屈折率に略等しい。吸収層３の厚さが０の場合（図４（ａ））と比較すると、等価アドミタンスは消衰係数ｋ＝０．５に相当する分だけ変化している。このような場合、吸収層３の厚さの変化による基板１から吸収層３までの等価アドミタンスの変化は図３に示す場合よりも大きくなっている。吸収層３の厚さの変化による基板１から吸収層３までの等価アドミタンスの変化は吸収層３の消衰係数が大きいほど大きい。すなわち、消衰係数が０．５よりもさらに大きくなると、吸収層３の厚さの変化による基板１から吸収層３までの等価アドミタンスの変化は、図４に示したものよりもさらに大きくなる。

図５は、光学濃度ＯＤ＝１の場合における、吸収層３の消衰係数ｋ、吸収層３の厚さ、および、平均反射率Ｒａｖｅの関係図である。ここで、平均反射率Ｒａｖｅは、波長４００ｎｍから７００ｎｍの範囲における空気側入射時の反射率と基板側入射時の反射率との平均値である。図５に示されるように、消衰係数ｋが小さいほど平均反射率Ｒａｖｅは小さくなる。従って、式（２）を満たすことで反射率を低減することができる。一方、消衰係数ｋが小さいほど、吸収層３は厚くなる。吸収層３が厚くなると、図１（ｃ）に示される光路長差ＯＰＤが大きくなる。従って、反射率Ｒの低減、および、光路長差ＯＰＤの低減の両方の観点から、消衰係数ｋの範囲は以下の条件式（２ａ）の範囲を満たすことが好ましい。

０．０５≦ｋ≦０．３５ … （２ａ）
なお、反射率の低減と光路長差の低減とを両立させるには、消衰係数ｋは、以下の条件式（３）を満たすことがより好ましい。

０．１５≦ｋ≦０．２５ … （３）
また、吸収層３の厚さの変化により生じる、基板１から吸収層３までの等価アドミタンスの変化、および、空気から吸収層３までの等価アドミタンスの変化を小さくするには、波長５５０ｎｍの光に対して、以下の条件式（４）、（５）を満たすことが好ましい。

｜Ｒｅ（η_ａｉｒ）／Ｙ_０−Ｎ_ａｂｓ｜＜０．２５ … （４）
｜Ｒｅ（η_ｓｕｂ）／Ｙ_０−Ｎ_ａｂｓ｜＜０．２５ … （５）
ここで、η_ａｉｒは空気側から光が入射した場合における基板１から中間反射防止層２までの等価アドミタンス、η_ｓｕｂは基板側から光が入射した場合における空気から表面反射防止層４までの等価アドミタンスである。また、Ｙ_０は自由空間のアドミタンス、Ｎ_ａｂｓは吸収層３の屈折率である。

このように、等価アドミタンスη_ａｉｒ、η_ｓｕｂの実部（屈折率に相当）をＮ_ａｂｓに近づけることで、吸収層３の厚さの変化による基板１から吸収層３までの等価アドミタンス、および、空気から吸収層３までの等価アドミタンスの変化を低減することができる。例えば、条件式（４）の左辺が０の場合、吸収層３の厚さが０の領域と吸収層３の厚さが十分に厚い領域との間の、基板１から吸収層３までの等価アドミタンスの差は、消衰係数ｋの差に相当する量に略等しい。条件式（４）を満たさない場合は、これに加えて、屈折率の不整合の項が増えるため、吸収層３の厚さの変化による等価アドミタンスの変化の差がさらに大きくなる。すなわち、反射率が大きくなる。これは、基板側から光が入射する場合も同様である。なお、反射率をさらに低減させるには、条件式（４）、（５）の左辺の値は、それぞれ、以下の条件式（６）、（７）を満たすことが好ましい。

｜Ｒｅ（η_ａｉｒ）／Ｙ_０−Ｎ_ａｂｓ｜＜０．１５ … （６）
｜Ｒｅ（η_ｓｕｂ）／Ｙ_０−Ｎ_ａｂｓ｜＜０．１５ … （７）
条件式（４）、（６）を満たすには、中間反射防止層２を構成する膜のうち少なくとも１層の屈折率Ｎ_ｍが、波長５５０ｎｍの光に対して、以下の条件式（８）、（９）を満たす膜材料を用いることが好ましい。

Ｎ_ｓｕｂ＜Ｎ_ｍ＜Ｎ_ａｂｓ（Ｎ_ａｂｓ＞Ｎ_ｓｕｂ） … （８）
Ｎ_ｓｕｂ＞Ｎ_ｍ＞Ｎ_ａｂｓ（Ｎ_ａｂｓ＜Ｎ_ｓｕｂ） … （９）
条件式（８）、（９）において、Ｎ_ｓｕｂは基板１の屈折率である。

また、条件式（５）、（７）を満たすには、表面反射防止層４を構成する膜のうち少なくとも１層の屈折率Ｎ_ｔが、波長５５０ｎｍの光に対して、以下の条件式（１０）を満たす膜材料を用いることが好ましい。

１＜Ｎ_ｔ＜Ｎ_ａｂｓ … （１０）
条件式（８）、（９）、（１０）を満たす膜材料を適切な厚さで成膜することにより、条件式（４）、（５）を満たすことができる。

次に、図６を参照して、本実施形態における別の光学フィルタの構成について説明する。図６（ａ）は、本実施形態（実施例２）における光学フィルタ２００の構成図（断面図）である。図６（ｂ）、（ｃ）は、光学フィルタ２００の透過率分布、および、光路長差の分布をそれぞれ示している。光学フィルタ２００は、基板１、位相補償層５、中間反射防止層２、吸収層３、および、表面反射防止層４を有する。すなわち光学フィルタ２００において、基板１の面１ａ（第１の面）の上に、順に、位相補償層５（基板１に隣接する位相補償層）、中間反射防止層２、吸収層３、および、表面反射防止層４が形成されている。光学フィルタ２００は、位相補償層５を有する点で、光学フィルタ１００とは異なる。

光学フィルタ２００は、吸収層３の厚さの変化によりグラデーション型のＮＤフィルタを実現しているため、原理上、光路長差が発生する。そこで光学フィルタ２００は、このような光路長差を補償するように構成されている。位相補償層５は、吸収層３の光路長差を補償するため、吸収層３の厚さの増加方向とは逆方向に厚さが増加する。すなわち、吸収層３が厚くなるにつれて、位相補償層５の厚さは薄くなる。これにより、吸収層３の厚さの変化による光路長差を補償することができる。

また、吸収層３と位相補償層５の複素屈折率は相違するため、吸収層３の厚さに依らず位相補償層５のアドミタンスと吸収層３のアドミタンスを一致させることは困難である。そのため、位相補償層５の厚さの変化によっても反射率は変化する。

位相補償層５を吸収層３よりも基板１に近い側に配置した場合、位相補償層５と吸収層３の厚さの変化による反射率の変化は、空気側から光が入射した場合に比べて基板側から光が入射した場合において大きくなる傾向がある。一方、吸収層３を位相補償層５よりも基板１に近い側に配置した場合、位相補償層５と吸収層３の厚さの変化による反射率の変化は、基板側から光が入射した場合に比べて空気側から光が入射した場合において大きくなる傾向がある。

このように、吸収層３と位相補償層５の厚さの変化による反射率の変化の傾向は、位相補償層５を配置する位置と光の入射方向によって異なる。一般に、基板側入射時の反射率を低減することは、空気側入射時の反射率を低減することに比べて容易である。従って、空気側から光が入射した時の反射率と基板側から光が入射した時の反射率をバランスよく低減するには、位相補償層５を基板１と吸収層３との間に配置することが好ましい。

加えて、図６に示した光学フィルタ２００のように、位相補償層５を基板１に隣接する位置に配置する場合、基板１の屈折率Ｎ_ｓｕｂ、および、位相補償層５の屈折率Ｎ_ｃは、波長５５０ｎｍの光に対して、以下の条件式（１１）を満たすことが好ましい。

｜Ｎ_ｃ−Ｎ_ｓｕｂ｜≦０．１ … （１１）
条件式（１１）を満たす位相補償層５の材料を用いることにより、基板１と位相補償層５との界面における反射を実質的に無視することができる。従って、基板１と位相補償層５との間に余分な反射防止膜を用いることなく、光路長差ＯＰＤを補償することができる。

光学フィルタ２００において、吸収層３の厚さが最も薄い位置と最も厚い位置との間における、光学フィルタ２００の光路長差ＯＰＤが、波長５５０ｎｍの光に対して以下の条件式（１２）を満たすように、位相補償層５の厚さを変化させることが好ましい。

｜ＯＰＤ／λ｜≦０．３ … （１２）
式（１２）において、λは光の波長である。条件式（１２）を満たすことにより、図６（ｂ）、（ｃ）に示されるように、光学フィルタ２００は吸収層３の厚さの変化により生じる透過率の変化を有しながら、光路長差ＯＰＤを十分小さい値に低減することができる。

次に、図１１を参照して、本実施形態における別の光学フィルタの構成について説明する。図１１（ａ）は、本実施形態（実施例４）における光学フィルタ４００の構成図（断面図）である。図１１（ｂ）、（ｃ）は、光学フィルタ４００の透過率分布、および、光路長差の分布をそれぞれ示している。光学フィルタ４００は、基板１、吸収層３、および、表面反射防止層４を有する。すなわち光学フィルタ４００において、基板１の面１ａ（第１の面）の上に、順に、吸収層３、および、表面反射防止層４が形成されている。光学フィルタ４００は、中間反射防止層２を有しない点で、光学フィルタ１００とは異なる。

光学フィルタ１００、２００では、基板１と吸収層３と間のアドミタンスの不整合による界面反射を低減するため、中間反射防止層２を有している。一方、光学フィルタ４００では、基板１と吸収層３との間のアドミタンスの不整合による界面反射を低減するため、基板１の屈折率Ｎ_ｓｕｂ、および、吸収層Ｎ_ａｂｓの屈折率Ｎは、波長５５０ｎｍの光に対して、以下の条件式（１３）を満たす。

｜Ｎ_ｓｕｂ−Ｎ_ａｂｓ｜≦０．２ … （１３）
条件式（１３）を満たすことにより、基板１と吸収層３の屈折率（アドミタンスの実数部に相当）の不整合が低減されるため、基板１と吸収層３との間の界面反射を低減することができる。このような構成により、少ない積層数で高い反射防止性能を有するグラデーションＮＤフィルタを実現することができる。なお、吸収層３および表面反射防止層４は、光学フィルタ１００、２００の場合と同様の役割を有する。従って、光学フィルタ４００の吸収層３および表面反射防止層４は、前述の各条件式を満たすことが好ましい。

本実施形態の光学フィルタにおいて、基板１は、ガラスやプラスチックなど使用波長において透明な材料を用いて作製すればよい。また、基板１は平板だけでなく、凸レンズや凹レンズなどでもよく、面の形状は曲面であってもよい。光学系のレンズ曲面に直接、本実施形態の光学フィルタを形成することにより、光学フィルタを配置するスペースを省くことができ、例えば撮像装置の小型化を実現することができる。

厚さの分布を有する吸収層３は、蒸着やスパッタリングにより形成することができる。蒸着やスパッタリングの際に任意の形状のマスクを用いることにより、任意の透過率分布を有する吸収層３を形成することができる。その他、めっき法やスピンコートなどのウェットプロセス法を用いてもよい。

吸収層３の材料は、条件式（２）で表される消衰係数ｋの条件を満たせばよく、例えば、酸素欠損型のＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５が用いられる。また、ＮＤフィルタの分光透過率の波長平坦性を得るため、使用波長帯域における消衰係数ｋの波長分散が正負で異なる材料を組み合わせてもよい。図１４は、酸素欠損型のＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５の消衰係数ｋの波長特性（波長分散特性）を示す図である。図１４において、縦軸は消衰係数、横軸は波長（ｎｍ）をそれぞれ示している。図１４からわかるように、消衰係数ｋは条件式（２）を満たしている。

また、吸収層３は、蒸着やスパッタリングによって形成される均一な膜に限定されない。図１７に示されるように、光吸収性を有する材料により形成された微粒子１３２を樹脂１３１に分散させて吸収層３を形成することもできる。なお、図１７は吸収層３の一部を拡大して示した図である。この場合、吸収層３の消衰係数は、吸収層３の吸光量と厚さから吸収係数α（λ）を算出し、この吸収係数から、α（λ）＝４πｋ（λ）／λなる関係式を用いて求めることができる。このように得られた消衰係数が、上述の式（２）を満たせばよい。

グラデーション型のＮＤフィルタ（光学フィルタ）の透過率分布については、図１５に示されるように、様々な形状を用いることができる。図１５は、光学フィルタの透過率分布を示す図である。例えば、図１５（ａ）、（ｂ）に示されるように、同心円方向に透過率分布を形成することができる。また、図１５（ｃ）、（ｄ）に示されるように、一方向に透過率が変化するように構成してもよい。これら以外にも、用途に応じて様々な透過率分布形状があるが、本実施形態は任意の透過率分布形状に対して適用可能である。

このように本実施形態の光学フィルタは、透過率Ｔが第１の方向に変化する領域を有する光学フィルタであって、第１の方向と直交する第２の方向に沿って、順に、基板１と、吸収層３と、表面反射防止層４とを有する。吸収層３の第２の方向における厚さＬＴは、第１の方向に変化する。そして吸収層３の消衰係数ｋは、前述の条件式（２）、より好ましくは条件式（２ａ）、さらに好ましくは条件式（３）を満たす。好ましくは、透過率Ｔが変化する領域は、透過率Ｔが第１の方向に連続的に変化する領域であり、吸収層３の厚さＬＴは、第１の方向に連続的に変化する。また好ましくは、第１の方向は、基板１の面内方向であり、第２の方向は、面内方向と直交する方向であり、消衰係数ｋは、５５０ｎｍの波長を有する光が光学フィルタに入射する場合の値である。

好ましくは、吸収層３の厚さＬ_Ｔは、透過率Ｔが変化する領域に対応して変化する。また好ましくは、光学フィルタは、透過率Ｔが変化する第１の領域（領域Ｒ_１）と、透過率Ｔが一定である第２の領域（領域Ｒ_２）を有する。吸収層３は、第１の領域に形成されており、第２の領域には形成されていない。また好ましくは、基板１と吸収層３との間に中間反射防止層２を有する。

以下、本実施形態の各光学フィルタに関し、各実施例において具体的に説明する。

まず、実施例１における光学フィルタ１００について説明する。図１（ｂ）に示されるように、本実施例の光学フィルタ１００は、光学面内（面内方向）において、中心から周辺に向かって透過率が徐々に低下するグラデーション型のＮＤフィルタである。

表１は、光学フィルタ１００を構成する各素子の特性を示す表である。

表１において、ｎ、ｋはそれぞれ、波長５５０ｎｍにおける屈折率および消衰係数である。ｄは膜２１、２２、３１、４１、４２、４３の厚さである。これらは、後述の表２、３、４についても同様である。

光学フィルタ１００は、基板１から順に、中間反射防止層２、吸収層３、および、表面反射防止層４を有する。中間反射防止層２は、膜２１、２２の２層で構成されている。表面反射防止層４は、膜４１、４２、４３の３層で構成されている。吸収層３は、膜３１の１層で構成されており、本実施例では酸素欠損型のＴｉＯ_２が用いられる。波長５５０ｎｍにおける酸素欠損型のＴｉＯ_２の消衰係数ｋは、表１に示されるように、０．２１８０である。

図２は、光学フィルタ１００の分光透過率、および、分光反射率（Ｒ_ａｉｒ：空気側入射時の反射率、Ｒ_ｓｕｂ：基板側入射時の反射率）を示す図である。図２は、波長５５０ｎｍの光に関し、光学濃度ＯＤが０、０．１、０．３、１、２である位置における分光透過率および分光反射率をそれぞれ示している。吸収層３（膜３１）の消衰係数ｋが条件式（２）を満たしているため、光学濃度ＯＤに依らず、反射率Ｒ_ａｉｒ、Ｒ_ｓｕｂともに低くなっている。

図３は、波長５５０ｎｍの光に関し、光学フィルタ１００のアドミタンス軌道図を示している。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、光学濃度ＯＤが０、０．１、１におけるアドミタンス軌道図である。吸収層３の消衰係数ｋが条件式（２）を満たしているため、光学濃度ＯＤの違い（吸収層３の厚さの違い）による基板１から吸収層３までの等価アドミタンスの変化、および、空気から吸収層３までの等価アドミタンスの変化が小さい。

また、膜２１、２２として、条件式（８）を満たす材料を用い、基板１から中間反射防止層２までの等価アドミタンスが条件式（４）を満たすように厚さを調整している。これにより、光学濃度ＯＤの違いによる基板１から吸収層３までの等価アドミタンスの変化の差を小さくすることができる。同様に、膜４１、４３として、条件式（１０）を満たす材料を用い、空気から表面反射防止層４までの等価アドミタンスが条件式（５）を満たすように厚さを調整している。これにより、光学濃度ＯＤの違いによる空気から吸収層３までの等価アドミタンスの変化の差を小さくすることができる。

次に、実施例２における光学フィルタ２００について説明する。図６（ａ）に示されるように、光学フィルタ２００は、基板１から順に、位相補償層５、中間反射防止層２、吸収層３、および、表面反射防止層４を有する。光学フィルタ２００は、位相補償層５を有する点で、実施例１の光学フィルタ１００とは異なる。

表２は、光学フィルタ２００を構成する各素子の特性を示す表である。

本実施例において、位相補償層５は、基板１と同じ材料を用いているため、位相補償層５は反射特性に影響を与えない。このため、表２においては、位相補償層５を省略している。各反射防止層を構成する膜の積層数は、実施例１と同様である。本実施例において、吸収層３は酸素欠損型のＴａ_２Ｏ_５を用いており、波長５５０ｎｍにおける消衰係数ｋは、表２に示されるように、０．２８８０である。

図７は、光学フィルタ２００の分光透過率、および、分光反射率（Ｒ_ａｉｒ：空気側入射時の反射率、Ｒ_ｓｕｂ：基板側入射時の反射率）を示す図である。図７は、波長５５０ｎｍの光に関し、光学濃度ＯＤが０、０．１、０．３、１、２である位置における分光透過率および分光反射率をそれぞれ示している。図８は、光学濃度ＯＤが０．１の場合における、光学フィルタ２００のアドミタンス軌道図を示している。実施例１と同様に、条件式（２）、（４）、（５）、（８）、（１０）を満たしているため、光学濃度ＯＤに依らず、反射率Ｒ_ａｉｒ、Ｒ_ｓｕｂともに低くなっている。

次に、実施例３における光学フィルタについて説明する。表３は、本実施例の光学フィルタを構成する各素子の特性を示す表である。

本実施例の光学フィルタは、実施例１の光学フィルタ１００と同様に、基板１から順に、中間反射防止層２、吸収層３、および、表面反射防止層４を有する。ただし本実施例の光学フィルタにおいて、中間反射防止層２は、膜２１の１層のみで構成され、表面反射防止層４は膜４１、４２の２層で構成されている。基板１は、実施例１、２と異なり、屈折率１．５１８の透明ガラスを用いているが、中間反射防止層２を用いる構成であれば、基板１の屈折率は限定されるものではない。本実施例において、波長５５０ｎｍにおける消衰係数ｋは、表３に示されるように、０．１０９０である。

図９は、本実施例の光学フィルタの分光透過率、および、分光反射率（Ｒ_ａｉｒ：空気側入射時の反射率、Ｒ_ｓｕｂ：基板側入射時の反射率）を示す図である。図９は、波長５５０ｎｍの光に関し、光学濃度ＯＤが０、０．１、０．３、１、２である位置における分光透過率および分光反射率をそれぞれ示している。図１０は、光学濃度ＯＤが０．１の場合における、本実施例の光学フィルタのアドミタンス軌道図を示している。実施例１、２と同様に、条件式（２）、（４）、（５）、（８）、（１０）を満たしているため、光学濃度ＯＤに依らず、反射率Ｒ_ａｉｒ、Ｒ_ｓｕｂともに低くなっている。

次に、実施例４における光学フィルタ４００について説明する。図１１（ａ）に示されるように、光学フィルタ４００は、基板１から順に、吸収層３および表面反射防止層４を有する。光学フィルタ４００は、中間反射防止層２を含まない点で、実施例１〜３のそれぞれの光学フィルタとは異なる。

表４は、本実施例の光学フィルタ４００を構成する各素子の特性を示す表である。

本実施例では、基板１の屈折率を吸収層３の屈折率に近づけることにより、基板１と吸収層３との間の界面反射を低減している。本実施例において、波長５５０ｎｍにおける消衰係数ｋは、表４に示されるように、０．１９４７である。

図１２は、光学フィルタ４００の分光透過率、および、分光反射率（Ｒ_ａｉｒ：空気側入射時の反射率、Ｒ_ｓｕｂ：基板側入射時の反射率）を示す図である。図１２は、波長５５０ｎｍの光に関し、光学濃度ＯＤが０、０．１、０．３、１、２である位置における分光透過率および分光反射率をそれぞれ示している。図１３は、光学濃度ＯＤが０．１の場合における、本実施例の光学フィルタのアドミタンス軌道図を示している。本実施例の光学フィルタ４００は、条件式（２）、（５）、（１０）、（１３）を満たしているため、光学濃度ＯＤに依らず、反射率Ｒ_ａｉｒ、Ｒ_ｓｕｂともに低くなっている。

次に、図１６を参照して、実施例５における撮像装置５００について説明する。図１６は、本実施例における撮像装置５００の断面図である。撮像装置５００は、撮像装置本体５１０と撮像装置本体５１０に着脱可能なレンズ装置５２０を備えて構成される。ただし本実施例は、これに限定されるものではなく、撮像装置本体とレンズ装置とが一体的に構成された撮像装置にも適用可能である。レンズ装置５２０は、複数の光学素子（レンズ群）５２２および絞りＳＰを有し、光学系（撮像光学系）を構成する。撮像装置本体５１０は、ＣＭＯＳセンサなどの撮像素子５１２を有する。撮像素子５１２は、撮像面ＩＰに配置され、光学系を介して形成された被写体像（光学像）を光電変換して画像データを出力する。

被写体像は、光学系を透過して、撮像面ＩＰに結像する。本実施例において、絞りＳＰ、または、絞りＳＰの前後のレンズ面のうち少なくとも１つの面に、実施例１〜４のいずれかの光学フィルタ（グラデーション型ＮＤフィルタ）が設けられる。ただし、本実施例はこれに限定されるものではなく、光学フィルタを光学系の他のレンズ面に設けてもよい。

図１６に示される光学系は、共軸回転対称光学系である。このような光学系では、図１５（ａ）、（ｂ）に示されるような同心円状の透過率分布を有する光学フィルタを用いることが好ましい。また、図１または図６に示されるように、光学フィルタの中心部に吸収層の厚さが０の領域を設けると、光学フィルタによる透過率の減少を抑制することができるため、好ましい。撮像装置５００が位相差検出方式の自動焦点合わせ機構（ＡＦ機構）を有する場合、位相差検出に使用される光束の透過率が変化しないように、中心領域に吸収層の厚さが０の領域を設けることが好ましい。

光学面の中心からの距離ｒ１、ｒ２（ｒ１＜ｒ２）における透過率をＴ（ｒ１）、Ｔ（ｒ２）とするとき、Ｔ（ｒ１）≧Ｔ（ｒ２）となるようなグラデーション型ＮＤフィルタを配置すると、アポダイゼーション効果により品位の高いボケ像を得ることができる。また、絞りＳＰの前後に各実施例のグラデーション型ＮＤフィルタを配置することにより、軸外光束に対しても有効にアポダイゼーション効果を得ることができ、画面全域に対して品位の高い画像が得られる。反対に、Ｔ（ｒ１）≦Ｔ（ｒ２）のような特性を有するグラデーション型ＮＤフィルタを用いると、画像の周辺減光を補正することができる。

このような位置に光学フィルタを設けた場合、通常、反射光が迷光となりゴーストやフレアの原因となる。しかし、各実施例のグラデーション型ＮＤフィルタの場合、透過率分布を有しつつ反射率を低減するため、像側および物体側の双方からの光に対してもゴーストやフレアを低減した高品位な像が得られる。なお、図１６に示される断面図は一例であり、各実施例の光学フィルタは、１つの撮影光学系のレンズに限定されることなく、様々な光学系に適用することができる。

表５は、実施例１〜４における光学フィルタに関し、波長５５０ｎｍ、かつ垂直入射時における各パラメータの値を示している。なお、光学アドミタンスηの欄に記載されているｉは虚数単位である。

各実施例の光学フィルタは、作成が容易であり、基板面内で透過率の異なる領域に対して、表面側および基板側からの入射光に対して高い反射防止効果を有し、ゴーストやフレアなどの発生を低減することができる。このため各実施例によれば、作製が容易であり、かつ透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学フィルタ、光学系（レンズ装置）、および、撮像装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１００、２００、４００ 光学フィルタ
１ 基板
３ 吸収層（第１の層）

Claims (24)

1. 透過率が第１の方向に変化する領域を有する光学フィルタであって、
   前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、基板と第１の層とを有し、
   前記第１の層の前記第２の方向における厚さは、前記第１の方向に変化し、
   前記第１の層の消衰係数ｋは、
   ０．０５≦ｋ≦０．３５
   を満たすことを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記第１の層の消衰係数ｋは、
   ０．１５≦ｋ≦０．２５
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 前記基板に隣接する位相補償層を更に有し、
   前記位相補償層の厚さは、前記第１の層の厚さの増加方向と逆方向に増加し、
   前記基板の屈折率をＮ_ｓｕｂ、前記位相補償層の屈折率をＮ_ｃとするとき、波長５５０ｎｍの光に対して、
   ｜Ｎ_ｃ−Ｎ_ｓｕｂ｜≦０．１
   を満たす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. 透過率が第１の方向に変化する領域を有する光学フィルタであって、
   前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って順に、基板と、位相補償層と、第１の層とを有し、
   前記第１の層の厚さは前記第１の方向に変化し、
   前記位相補償層の厚さは、前記第１の層の厚さの増加する方向とは反対の方向に増加し、
   前記第１の層の消衰係数ｋは、
   ０＜ｋ≦０．５
   を満たすことを特徴とする光学フィルタ。
5. 前記位相補償層は、前記基板に隣接した位置に配置されており、
   前記基板の屈折率をＮ_ｓｕｂ、前記位相補償層の屈折率をＮ_ｃとするとき、波長５５０ｎｍの光に対して、
   ｜Ｎ_ｃ−Ｎ_ｓｕｂ｜≦０．１
   を満たすことを特徴とする請求項４に記載の光学フィルタ。
6. 光の波長をλ、前記第１の層の厚さが最も薄い位置と最も厚い位置との間における光路長の差をＯＰＤとするとき、波長５５０ｎｍの光に対して、
   ｜ＯＰＤ／λ｜≦０．３
   を満たすように、前記位相補償層の厚さが変化していることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
7. 前記第１の層に対して前記基板とは反対側に、第２の層を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
8. 前記第２の層は、少なくとも２つの膜を含み、
   前記第２の層の前記第２の方向における厚さは一定であることを特徴とする請求項７に記載の光学フィルタ。
9. 基板側から光が入射した場合の空気から前記第２の層までの等価アドミタンスをη_ｓｕｂ、自由空間のアドミタンスをＹ_０、前記第１の層の屈折率をＮ_ａｂｓとするとき、波長５５０ｎｍの光に対して、
   ｜Ｒｅ（η_ｓｕｂ）／Ｙ_０−Ｎ_ａｂｓ｜＜０．２５
   を満たすことを特徴とする請求項７または８に記載の光学フィルタ。
10. 前記第１の層の屈折率をＮ_ａｂｓとするとき、前記第２の層を構成する膜のうち少なくとも１つの膜の屈折率Ｎ_ｔは、波長５５０ｎｍの光に対して、
    １＜Ｎ_ｔ＜Ｎ_ａｂｓ
    を満たすことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
11. 前記領域は、前記透過率が前記第１の方向に連続的に変化する領域であり、
    前記第１の層の厚さは、前記第１の方向に連続的に変化することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
12. 前記第１の方向は、前記基板の面内方向であり、
    前記第２の方向は、前記面内方向と直交する方向であり、
    前記消衰係数は、５５０ｎｍの波長を有する光が前記光学フィルタに入射する場合の値である、ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
13. 前記第１の層の厚さは、前記透過率が変化する領域に対応して変化する、ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
14. 前記光学フィルタは、前記透過率が変化している第１の領域と、該透過率が一定である第２の領域とを有し、
    前記第１の層は、前記第１の領域に形成されており、前記第２の領域には形成されていない、ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
15. 前記基板と前記第１の層との間に中間層を更に有する、ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
16. 空気側から光が入射した場合の前記基板から前記中間層までの等価アドミタンスをη_ａｉｒ、自由空間のアドミタンスをＹ_０、前記第１の層の屈折率をＮ_ａｂｓとするとき、波長５５０ｎｍの光に対して、
    ｜Ｒｅ（η_ａｉｒ）／Ｙ_０−Ｎ_ａｂｓ｜＜０．２５
    を満たすことを特徴とする請求項１５に記載の光学フィルタ。
17. 前記基板の屈折率をＮ_ｓｕｂ、前記第１の層の屈折率をＮ_ａｂｓとするとき、前記中間層を構成する膜のうち少なくとも１つの層の屈折率Ｎ_ｍは、波長５５０ｎｍの光に対して、
    Ｎ_ｓｕｂ＜Ｎ_ｍ＜Ｎ_ａｂｓ（Ｎ_ａｂｓ＞Ｎ_ｓｕｂ）、または、
    Ｎ_ｓｕｂ＞Ｎ_ｍ＞Ｎ_ａｂｓ（Ｎ_ａｂｓ＜Ｎ_ｓｕｂ）
    を満たすことを特徴とする請求項１５または１６に記載の光学フィルタ。
18. 前記基板の屈折率をＮ_ｓｕｂ、前記第１の層の屈折率をＮ_ａｂｓとするとき、波長５５０ｎｍの光に対して、
    ｜Ｎ_ｓｕｂ−Ｎ_ａｂｓ｜≦０．２
    を満たすことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
19. 前記第１の層は、同心円状の厚さの分布を有することを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
20. 前記第１の層は、中心から周辺に向かって前記厚さが増加することを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
21. 前記基板は、曲面であることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光学フィルタ。
22. 光学素子と、
    請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の光学フィルタと、を有することを特徴とする光学系。
23. 請求項２２に記載の光学系と、
    前記光学系を介して形成された光学像を光電変換して画像データを出力する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。
24. 撮像装置本体に対して着脱可能であり、請求項２２に記載の光学系を有することを特徴とするレンズ装置。