本実施例の光学フィルタは、基板の一方の面上の一部の領域に、所定の可視波長領域における光の透過を遮断し、特定波長領域の光を透過する特定波長透過膜を形成し、少なくても同一基板面上の特定波長透過膜を形成した領域とは重なることの無い、異なる別の領域に、可視波長領域における光を透過し、特定波長領域の光を遮蔽する特定波長遮蔽膜を形成し、基板のもう一方の面上に、可視波長から特定波長領域における光の反射を阻止する可視−特定波長反射防止膜を構成することで、特定波長パスフィルタとしての機能と特定波長カットフィルタとしての機能の2つの機能を1枚のフィルタ内に有した光学フィルタである。1枚の基板上に配置された2種類の機能膜の一部が重なるように形成されると、重なった領域にストレスが集中して膜に歪みが生じ、基板と膜との密着性が低下したり、局所的に空隙が発生することで耐環境性に悪影響を与えたりするなどの問題が生じる可能性がある。従って、本実施例の光学フィルタでは、前述のように、特定波長透過膜と特定波長遮蔽膜は重なる領域を有さないように配置構成される。
このような光学フィルタの基板としては、少なくても特定波長透過膜、及び特定波長遮蔽膜のそれぞれの透過帯において光透過性を有する、つまりは可視波長から特定波長において光透過性を有する基板を用いる。このような可視特定波長透明基板はガラスタイプや樹脂タイプ、さらには有機無機のハイブリッドタイプでも良く、光学フィルタの基板として必要とされる強度や光学特性を有する、基体として機能可能であるものが利用される。
基板上に形成される特定波長透過膜と特定波長遮蔽膜、特定波長反射防止膜、可視波長反射防止膜、可視特定波長反射防止膜の機能膜は、基板上に1層以上の薄膜を積層することにより作製され、これらの薄膜は物理的、若しくは化学的成膜方法で形成しても良いし、スピンコートなどの湿式法で形成しても良い。これらの成膜方法の中で、再現性や膜の耐環境性などの観点からは、スパッタ法や、何らかのアシストを付加した成膜方法など、比較的高エネルギーで膜を形成できるプロセスが好ましい。より具体的にはスパッタ法、IAD法、イオンプレーティング法、IBS法、クラスター蒸着法などが適用可能であり、膜厚を比較的正確に制御でき、再現性の高い膜を得ることができる成膜方法であればよく、機能膜に求められる特性や生産性等を考慮し、最適な方法を選択すれば良い。
本実施例における特定波長透過膜は、複数層の薄膜で構成されており、その最表層には透過帯である特定波長領域の光の反射を阻止する、1層または複数層の薄膜で構成される特定波長反射防止膜が形成されている。反射防止膜の最表層に配置される膜は透過帯の中心波長、例えば本実施例に記載されているような700〜1100nmの透過帯を有する近赤外透過膜ならば透過帯の中心波長である波長800〜1000nmの1.0qw程度の膜厚であることが好ましい。屈折率の波長分散が無い仮定であれば、400〜500nmの2.0qwと言い換えることもできる。ここで、qwは膜厚を表す単位であり、1つの波長λを基準として、λ/4を1つの単位としたものであり、例えば 2.0×λ/4 の膜厚の場合は2.0qwと表現する。
基板上に特定波長透過膜を形成することにより構成された光学フィルタの透過帯においては、理想的には全域で100%を透過することが望ましいが、実際にはこれを完璧に満足することは大変困難であり、透過帯の全波長域で可能な限り100%に近い透過率を得られるように調整される。このような透過率を実現する為に、本実施例では特定波長透過膜が形成する透過帯での透過率を最大化すると共に、基板裏面に設けられた特定波長反射防止膜が形成する透過帯での透過率を最大化し、特定波長透過膜と特定波長反射防止膜の2つの透過特性を合成することで、光学フィルタ総体としての透過帯の透過率を最大化している。
ここで、透過帯における透過率は、波長が連続的に変化するにつれ、少なからず波打つように変化しており、これは透過帯のリップル(透過リップル)などと呼ばれ、薄膜の積層数が多く、厚膜化するほど発生し易い。この透過リップルが大きくなると、例えば、カラーバランスが崩れたり、夜間撮影時などでは撮像素子に入射する総合的な光量が低減したりするなど、画質の低下を引き起こすことがある為、リップルは可能な限り小さい方が望ましい。そこで、この透過帯でのリップルを低減する為に、基板と特定波長透過膜との間にリップルを低減する為の透過リップル調整層を挿入しても良い。光学フィルタ総体としての透過リップルは、特定波長透過膜が形成する透過帯での透過リップルと、特定波長反射防止膜または可視特定波長反射防止膜が形成する透過帯での透過リップルとの合成により決定されるが、本発明においては、積層数が多い為に透過リップルが発生し易い特定波長透過膜単体でも透過リップルが少ない平坦な透過特性を有し、さらに特定波長透過膜が形成された基板の裏面側に配置された特定波長反射防止膜単体または可視特定波長反射防止膜単体でも透過リップルが少ない平坦な透過特性を有するように構成されており、これらの平坦な2つの透過帯を合成することで、光学フィルタ総体として透過リップルの少ない平坦な透過特性を形成している。これとは別に、例えば、特定波長透過膜における透過リップルに対し、特定波長反射防止膜または可視特定波長反射防止膜の透過リップルの位相を調整し、両面でリップルを打ち消し合うように構成することでも光学フィルタ総体として透過リップルの少ない平坦な透過特性を得ることが可能ではあるが、特定波長透過膜、及び特定波長反射防止膜または可視特定波長反射防止膜での位相関係に誤差が生じた場合には透過リップルを増大させてしまう虞がある為、高画質化の観点から本実施例では先の構成を選択した。このような透過リップル調整層は特定波長透過膜を形成する複数の薄膜と比較し、膜厚が薄い特徴を有しており、全ての層の中で最も薄い層となる。透過リップル調整層は2層以上であっても良いが、その場合も、全ての透過リップル調整層は特定波長透過膜を形成する層よりも薄くなる。
本実施例における特定波長遮蔽膜は、複数層の薄膜で構成されており、その最表層には透過帯である可視波長領域の光の反射を阻止する、1層または複数層の薄膜で構成された可視反射防止膜が形成されている。この可視反射防止膜の最表層に配置される膜は透過帯の中心波長の1.0qw程度の膜厚であることが好ましい。
基板上に特定波長遮蔽膜を形成することにより構成された光学フィルタの透過帯においては、透過帯の全波長域で可能な限り100%に近い透過率を得られるように調整される。このような透過率を実現する為に本実施例では、特定波長遮蔽膜が形成する透過帯での透過率を最大化すると共に、基板裏面に設けられた可視波長反射防止膜、または可視特定波長反射防止膜が形成する透過帯での透過率を最大化し、特定波長遮蔽膜と、可視波長反射防止膜または可視特定波長反射防止膜の、2つの透過特性を合成することで、光学フィルタ総体としての透過帯の透過率を最大化している。
ここで、特定波長透過膜と同様に、特定波長遮蔽膜においても透過リップルは可能な限り小さい方が望ましい。そこで、この透過帯でのリップルを低減する為に、基板と特定波長透過膜との間にリップルを低減する為の透過リップル調整層を挿入しても良い。光学フィルタ総体としての透過リップルは、特定波長遮蔽膜が形成する透過帯での透過リップルと、可視波長反射防止膜または可視特定波長反射防止膜が形成する透過帯での透過リップルとの合成により決定されるが、特定波長透過膜と同様に、特定波長遮蔽膜においても、積層数が多い為に透過リップルが発生し易い特定波長遮蔽膜単体でも透過リップルが少ない平坦な透過特性を有し、さらに特定波長遮蔽膜が形成された基板の裏面側に配置された可視波長反射防止膜単体または可視特定波長反射防止膜単体でも透過リップルが少ない平坦な透過特性を有するように構成されており、これらの平坦な2つの透過帯を合成することで、光学フィルタ総体として透過リップルの少ない平坦な透過特性を形成している。このような透過リップル調整層は特定波長遮蔽膜を形成する複数の薄膜と比較し、膜厚が薄い特徴を有しており、全ての層の中で最も薄い層となる。透過リップル調整層は2層以上であっても良いが、その場合も、全ての透過リップル調整層は特定波長遮蔽膜を形成する層よりも薄くなる。
以上のような本発明の光学フィルタを監視カメラ等の撮影装置や、紙幣識別センサなどの光学センサに使用することにより、高精度化が可能となる撮像装置、または光学センサとすることができる。
さらに、昼間撮影と夜間撮影など、透過帯と阻止帯の使用波長が相反するような撮影環境下で用いる、異なる2種の機能膜を1枚の基板上に形成したことにより、それぞれの機能膜を別フィルタとして個別に形成し、光学フィルタを複数枚設けた場合の装置構成と比較し、フィルタを駆動する為の駆動機構の点数を削減することでき、装置全体としてのコストの低減を図ることが可能である。
以下、本発明の光学フィルタについて実施例に基づき具体的に説明する。
(実施例1)
多層薄膜により構成された近赤外透過膜と近赤外遮蔽膜を、1枚の可視近赤外波長透明基板上の同一面上の異なる領域に配置し、図1、図2に示した分光透過特性を設計値とする光学フィルタを作製した実施例について、以下に詳しく記載する。
図3に示したような本実施例1の光学フィルタの可視近赤外透明基板10には、少なくても400〜1100nmの波長領域において、基板裏面側での反射成分を除いた入射光の殆どを透過する分光特性を有した厚さ0.4mmのD263Tecoガラスを使用した。
そして、この可視近赤外透明基板10の一方の面上にIAD法により近赤外透過膜11をIAD法により形成し、さらに基板の同一面上の近赤外透過膜11を形成した領域とは異なる領域に近赤外遮蔽膜12をIAD法により形成した。次に可視近赤外透明基板10の表裏を変え、図3のように、近赤外透過膜11に対峙する基板のもう一方の面上の領域に近赤外反射防止膜13をIAD法により形成し、さらに近赤外遮蔽膜12に対峙する基板のもう一方の面上の領域に可視反射防止膜14をIAD法により形成した。
以上のように、図3に示した本実施例1における光学フィルタ15は、近赤外透過膜11と近赤外遮蔽膜12は、基板の同一面上で膜が重なる領域が発生しない配置構成とした。また同様に、可視近赤外波長透明基板10のもう一方の面に設けた近赤外反射防止膜13と可視反射防止膜14は、基板の同一面上で膜が重なる領域を有さない配置構成とした。
可視近赤外透明基板10上に形成された本実施例1の近赤外透過膜11は、図1(b)に示すように、可視波長領域の約400〜650nmの波長領域の光の殆どを遮断する透過阻止帯と、可視波長から近赤外波長領域にかけての約750〜1100nmの波長領域の光を小さいリップルに抑えつつ、基板裏面側での反射成分を除いた殆どの光を透過させた透過帯を有している。また、透過阻止帯と透過帯に挟まれた約650〜750nmの波長領域には、透過阻止帯から透過帯へ透過が連続的に変化する透過−阻止遷移領域を有している。さらには、透過−阻止遷移領域における透過率50%の波長をIR半値波長と定義し、この値を700nmとした。また、本実施例1における近赤外透過膜11は高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した38層膜で構成されており、図3に示すように、この近赤外透過膜11の可視近赤外透明基板10直上の第1層には透過リップル低減機能を有する透過リップル調整層16aが配置されている。さらに、最表層となる第38層には、近赤外波長における透過帯での反射防止機能を有する1層で構成された近赤外反射防止構造17aが配置されている。透過リップル調整層16aは、近赤外透過膜11を構成する全ての膜厚の中で最も薄い膜厚となっており、また近赤外反射防止構造17aは近赤外透過膜11における透過帯、つまりは反射防止帯となる波長域の中心波長である800〜1000nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
可視近赤外透明基板10上に形成された本実施例1の近赤外遮蔽膜12は、図2(b)に示すように、可視波長領域の約400〜600nmの波長領域の光を小さいリップルに抑えつつ、基板裏面側での反射成分を除いた殆どを透過させた透過帯と、可視波長から近赤外波長領域にかけての約700〜1100nmの波長領域の光を遮蔽した透過阻止帯を有している。また、透過帯と透過阻止帯に挟まれた約600〜700nmの波長領域には、透過帯から透過阻止帯へ透過が連続的に変化する透過−阻止遷移領域を有している。さらには、透過−阻止遷移領域における透過率50%の波長をIR半値波長と定義し、この値を670nmとした。また、本実施例1における近赤外遮蔽膜12は高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した38層膜で構成されており、図3に示すように、この近赤外遮蔽膜12の可視近赤外透明基板10直上の第1層には透過リップル低減機能を有する透過リップル調整層16bが配置されている。さらに、最表層となる第38層には、近赤外波長における透過帯での反射防止機能を有する1層で構成された可視反射防止構造17bが配置されている。透過リップル調整層16bは、近赤外遮蔽膜12を構成する全ての膜厚の中で最も薄い膜厚となっており、また可視反射防止構造17bは反射防止帯となる波長域の中心波長である400〜600nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
可視近赤外透明基板10上に形成された本実施例1の近赤外反射防止膜13は、図1(c)に示すように、可視波長領域の約400〜650nmの波長領域の透過の一部を低減し、可視波長から近赤外波長領域にかけての約650〜1100nmの波長領域の光における、基板裏面での反射成分を除いた殆どの反射を阻止した、つまりは殆どの光を透過させた透過帯を有した光学特性となっている。このように、近赤外透過膜11のIR半値波長である700nmにおいて、基板裏面に対峙するように配置された近赤外反射防止膜13は透過帯を形成しており、成膜誤差等により光学特性が例えば10nm程度短波長側や長波長側へシフトとしたとしても、近赤外反射防止膜13はIR半値波長において透過帯を維持できる。従って、以上のような構成設計とすることにより、近赤外反射防止膜13形成時の成膜誤差により近赤外反射防止膜13の光学特性が変化したとしても、可視近赤外透明基板10を含んで形成されるIRパスフィルタ18のIR半値波長に与える影響は極めて小さく、近赤外透過膜11の誤差のみで透過−阻止遷移領域が決まる為、より再現性を高めることができ、光学フィルタ総体としての高精度化を実現することができる。
また、本実施例1における近赤外反射防止膜13は高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した4層膜で構成されており、特に反射防止機能に最も影響を与える最表層となる第4層は、近赤外透過膜11における透過帯、つまりは反射防止帯となる波長域の中心波長である約800〜1000nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
可視近赤外透明基板10上に形成された本実施例1の可視反射防止膜14は、図2(c)に示すように、可視波長から近赤外波長領域にかけての約400〜1100nmの波長領域の光における、基板裏面側での反射成分を除いた殆どの反射を阻止した、つまりは殆どの光を透過させた透過帯を有した光学特性となっている。このように、近赤外遮蔽膜12のIR半値波長である670nmにおいて、基板裏面に対峙するように配置された可視反射防止膜14は透過帯を形成しており、成膜誤差等により光学特性が例えば10nm程度短波長側や長波長側へシフトとしたとしても、可視反射防止膜14はIR半値波長において透過帯を維持できる。従って、以上のような構成設計とすることにより、可視反射防止膜14形成時の成膜誤差により可視反射防止膜14の光学特性が変化したとしても、可視近赤外透明基板10を含んで形成されるIRカットフィルタ19のIR半値波長に与える影響は極めて小さく、近赤外遮蔽膜12の誤差のみで、IRカットフィルタ19の透過−阻止遷移領域が決まる為、より再現性を高めることができ、光学フィルタ総体としての高精度化を実現することができる。
また、本実施例1における可視反射防止膜14は高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した12層膜で構成されており、特に反射防止機能に最も影響を与える最表層となる第12層は、反射防止帯となる波長域の中心波長である600〜900nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
さらには、可視近赤外透明基板10上に構成された近赤外透過膜11単体が作り出す透過帯の透過特性は、図1(b)で示すように、透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。また同様に、可視近赤外透明基板10上に構成された近赤外反射防止膜13単体が作り出す透過帯の透過特性は、図1(c)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。これら2つの機能膜が作り出す透過帯におけるそれぞれの透過特性は図1(b)(c)に示すように、厳密には可視近赤外反射防止膜13の透過率の方が近赤外透過膜11の透過率よりも僅かながら高い値となっているが、実質的に同一とみなせる特性を有している。そして、これら2つの機能膜が作り出す、透過リップルが少なく平坦で、高透過となっているそれぞれの透過特性を合成することで、図1(a)で示すように、IRパスフィルタ18の透過帯における、透過リップルが少なく平坦で、近赤外透過膜11、及び可視近赤外反射防止膜13よりも高透過である特性を作り出している。また、IRパスフィルタ18の阻止帯においても同様に、2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により透過特性が決定される。従って、近赤外透過膜11、及び近赤外反射防止膜13の2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により、IRパスフィルタ18総体としての透過特性が決定される。
同様に、可視近赤外透明基板10上に構成された近赤外遮蔽膜12単体が作り出す透過帯の透過特性は、図2(b)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。また同様に、可視近赤外透明基板10上に構成された可視反射防止膜14単体が作り出す透過帯の透過特性は、図2(c)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。これら2つの機能膜が作り出す透過帯におけるそれぞれの透過特性は図2(b)(c)に示すように、厳密には可視反射防止膜14の透過率の方が近赤外遮蔽膜12の透過率よりも僅かながら高い値となっているが、実質的に同一とみなせる特性を有している。そして、これら2つの機能膜が作り出す、透過リップルが少なく平坦で、高透過となっているそれぞれの透過特性を合成することで、図2(a)で示すように、IRカットフィルタ19の透過帯における、透過リップルが少なく平坦で、近赤外遮蔽膜12、及び近赤外反射防止膜13よりも高透過である特性を作り出している。また、IRカットフィルタ19の阻止帯においても同様に、2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により透過特性が決定される。従って、近赤外遮蔽膜12、及び可視反射防止膜14の2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により、IRカットフィルタ19総体としての透過特性が決定される。
また、本実施例のような監視カメラなどに用いられる撮像装置の場合、ノイズ成分に大変敏感であり、これらは画質に大きな影響を与える。従って、本実施例のフィルタのように、IRパスフィルタ18の阻止帯では透過を平均で1%以下、より好ましくは平均で0.1%以下に抑えつつ、透過帯では平均で80%以上、より好ましくは平均で90%以上の透過特性を有することが望ましい。同様に、IRカットフィルタ19も阻止帯では透過を平均で1%以下、より好ましくは平均で0.1%以下に抑えつつ、透過帯では平均で80%以上、より好ましく平均で90%以上の透過特性を有することが望ましい。
本実施例1における近赤外透過膜11、近赤外遮蔽膜12、及び近赤外反射防止膜13、可視反射防止膜14において、蒸着膜として構成された高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2の他に、高屈折率材料としてはNb2O5やZrO2、Ta2O5などが使用でき、低屈折率材用としてはMgF2などが使用可能である。また、設計上や成膜上の理由から中間屈折率材料であるAl2O3などを一部の層で使用することも可能であり、これらの材料に限らず、NiやW、Mo、Cu、Cr、Fe、Al、Mg、Ti、Si、Nb、Zr、Ta、In、Ag、Auなどの金属化合物でも良く、その時々で最適な材料の組合せを選択すれば良い。
以上のように作製された、IRパスフィルタ18の分光透過特性は図1(a)で示した設計値と、IRカットフィルタ19の分光透過特性は図2(a)で示した設計値と略同じ特性を得ることができた。これにより、入射光量が多い昼間撮影時などにおいてはIRカットフィルタ19の領域を用いることでノイズ成分となる近赤外波長域の透過を遮断することでカラー画像の高画質化を図ることができ、さらに入射光量が少ない夜間撮影時などにおいてはIRパスフィルタ18の領域を用いることでノイズ成分となる可視波長域の透過を遮断することで、暗視画像の高画質化を図ることができる光学フィルタを得ることができる。
また、可視近赤外透過基板10の基板の同一面上に形成された、近赤外透過膜11と近赤外遮蔽膜12が重なる領域を持たないように配置されたことで、基板との密着性や、耐環境性に優れた光学フィルタを得ることができた。同様に基板のもう一方の面上に形成された近赤外反射防止膜13と可視反射防止膜14が重なる領域を持たないように配置されたことで、これらの膜と基板との密着性や、耐環境性に優れた光学フィルタを得ることができた。
以上より、IRパスフィルタ18とIRカットフィルタ19の2つの機能を合わせ持つ、密着性や耐環境性に優れた高画質化を図ることが可能な光学フィルタ15を得ることができる。
(実施例2)
多層薄膜により構成された近赤外透過膜と近赤外遮蔽膜を1枚の可視近赤外波長透明基板上の同一面上の異なる領域に配置し、さらに基板のもう一方の面に近赤外反射防止膜を配置した、図4、図2に示した分光透過特性を設計値とする光学フィルタを作製した実施例について、以下に詳しく記載する。
図5に示したような本実施例2の光学フィルタの可視近赤外透明基板20には、少なくても400〜1100nmの波長領域において、基板裏面側での反射成分を除いた入射光の殆どを透過する分光特性を有した厚さ0.4mmのB270iガラスを使用した。
そして、この可視近赤外透明基板20の一方の面上にIAD法により可視近赤外反射防止膜23を形成した後、可視近赤外透明基板20の表裏を変え、可視近赤外透明基板20のもう一方の面上の所定の領域に近赤外透過膜21をIAD法により形成し、さらに基板の同一面上の近赤外透過膜21を形成した領域とは異なる領域に近赤外遮蔽膜22をIAD法により形成した。先に近赤外反射防止膜23を形成したのは、近赤外透過膜21や近赤外遮蔽膜22よりも膜厚が薄く、膜応力が低い為、基板の反りに起因した成膜時の基板位置により成膜誤差の影響を小さくする理由からである。以上のように、本実施例2における光学フィルタ24は、図5に示すような、可視近赤外透明基板20の片面側に近赤外透過膜21と近赤外遮蔽膜22を、可視近赤外透明基板20のもう一方の面上に可視近赤外反射防止膜23を配置する構成とし、近赤外透過膜21と近赤外遮蔽膜22は、基板の同一面上で膜が重なる領域を有さない配置構成とした。
可視近赤外透明基板20上に形成された本実施例2の近赤外透過膜21は、図4(b)に示すように、可視波長領域の約400〜650nmの波長領域の光の殆どを遮断する透過阻止帯と、可視波長から近赤外波長領域にかけての約750〜1100nmの波長領域の光を小さいリップルに抑えつつ、基板裏面側での反射成分を除いた殆どの光を透過させた透過帯を有している。また、透過阻止帯と透過帯に挟まれた約650〜750nmの波長領域には、透過阻止帯から透過帯へ透過が連続的に変化する透過−阻止遷移領域を有している。さらには、透過−阻止遷移領域における透過率50%の波長をIR半値波長と定義し、この値を700nmとした。また、本実施例2における近赤外透過膜21は高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した38層膜で構成されており、図5に示すように、この近赤外透過膜21の可視近赤外透明基板20直上の第1層には透過リップル低減機能を有する透過リップル調整層25aが配置されている。さらに、最表層となる第38層には、近赤外波長における透過帯での反射防止機能を有する1層で構成された近赤外反射防止構造26aが配置されている。透過リップル調整層25aは、近赤外透過膜21を構成する全ての膜厚の中で最も薄い膜厚となっており、また近赤外反射防止構造26aは反射防止帯となる波長域の中心波長である800〜1000nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
可視近赤外透明基板20上に形成された本実施例2の近赤外遮蔽膜22は、図2(b)に示すように、可視波長領域の約400〜600nmの波長領域の光を小さいリップルに抑えつつ、基板裏面側での反射成分を除いた殆どを透過させた透過帯と、可視波長から近赤外波長領域にかけての約700〜1100nmの波長領域の光を遮蔽した透過阻止帯を有している。また、透過帯と透過阻止帯に挟まれた約600〜700nmの波長領域には、透過帯から透過阻止帯へ透過が連続的に変化する透過−阻止遷移領域を有している。さらには、透過−阻止遷移領域における透過率50%の波長をIR半値波長と定義し、この値を670nmとした。また、本実施例2における近赤外遮蔽膜22は高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した38層膜で構成されており、図5に示すように、この近赤外遮蔽膜22の可視近赤外透明基板20直上の第1層には透過リップル低減機能を有する透過リップル調整層25bが配置されている。さらに、最表層となる第38層には、近赤外波長における透過帯での反射防止機能を有する1層で構成された可視反射防止構造26bが配置されている。透過リップル調整層25bは、近赤外遮蔽膜22を構成する全ての膜厚の中で最も薄い膜厚となっており、また可視反射防止構造26bは反射防止帯となる波長域の中心波長である450〜600nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
可視近赤外透明基板20上に形成された本実施例2の可視近赤外反射防止膜23は、図4(c)または図2(c)に示すように、可視波長から近赤外波長領域にかけての約400〜1100nmの波長領域の光における、基板裏面側での反射成分を除いた殆どの反射を阻止した、つまりは殆どの光を透過させた透過帯を有した光学特性となっている。このように、近赤外透過膜21のIR半値波長である700nm、及び近赤外遮蔽膜22のIR半値波長である670nmにおいて、可視近赤外反射防止膜23は透過帯を形成しており、成膜誤差等により光学特性が例えば10nm程度短波長側や長波長側へシフトとしたとしても、近赤外反射防止膜23はそれぞれのIR半値波長において透過帯を維持できる。従って、以上のような構成設計とすることにより、可視近赤外反射防止膜23形成時の成膜誤差により可視近赤外反射防止膜23の光学特性が変化したとしても、可視近赤外透明基板20を含んで形成されるIRパスフィルタ27またはIRカットフィルタ28の各IR半値波長に与える影響は極めて小さく、近赤外透過膜21または近赤外遮蔽膜22の誤差のみで、IRパスフィルタ27またはIRカットフィルタ28の透過−阻止遷移領域が決まる為、より再現性を高めることができ、光学フィルタ総体としての高精度化を実現することができる。
また、本実施例2における可視近赤外反射防止膜23は高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した12層膜で構成されており、特に反射防止機能に最も影響を与える最表層となる第12層は反射防止帯となる波長域の中心波長である600〜900nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
さらには、可視近赤外透明基板20上に構成された近赤外透過膜21単体が作り出す透過帯の透過特性は、図4(b)で示すように、透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。また同様に、可視近赤外透明基板20上に構成された可視近赤外反射防止膜23単体が作り出す透過帯の透過特性は、図4(c)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。これら2つの機能膜が作り出す透過帯におけるそれぞれの透過特性は図4(b)(c)に示すように、厳密には可視近赤外反射防止膜23の透過率の方が近赤外透過膜21の透過率よりも僅かながら高い値となっているが、実質的に同一とみなせる特性を有している。そして、これら2つの機能膜が作り出す、透過リップルが少なく平坦で、高透過となっているそれぞれの透過特性を合成することで、図4(a)で示すように、IRパスフィルタ27の透過帯における、透過リップルが少なく平坦で、近赤外透過膜21、及び近赤外反射防止膜23よりも高透過である特性を作り出している。また、IRパスフィルタ27の阻止帯においても同様に、2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により透過特性が決定される。従って、近赤外透過膜21、及び可視近赤外反射防止膜23の2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により、IRパスフィルタ27総体としての透過特性が決定される。
同様に、可視近赤外透明基板20上に構成された近赤外遮蔽膜22単体が作り出す透過帯の透過特性は、図2(b)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。また同様に、可視近赤外透明基板20上に構成された可視近赤外反射防止膜23単体が作り出す透過帯の透過特性は、図2(c)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。これら2つの機能膜が作り出す透過帯におけるそれぞれの透過特性は図2(b)(c)に示すように、厳密には可視近赤外反射防止膜23の透過率の方が近赤外遮蔽膜22の透過率よりも僅かながら高い値となっているが、実質的に同一とみなせる特性を有している。そして、これら2つの機能膜が作り出す、透過リップルが少なく平坦で、高透過となっているそれぞれの透過特性を合成することで、図2(a)で示すように、IRカットフィルタ28の透過帯における、透過リップルが少なく平坦で、近赤外遮蔽膜22、及び可視近赤外反射防止膜23よりも高透過である特性を作り出している。また、IRカットフィルタ28の阻止帯においても同様に、2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により透過特性が決定される。従って、近赤外遮蔽膜22、及び可視近赤外反射防止膜23の2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により、IRカットフィルタ28総体としての透過特性が決定される。
本実施例のようにIRパスフィルタ27の阻止帯では透過を平均で1%以下、より好ましくは平均で0.1%以下に抑えつつ、透過帯では平均で80%以上、より好ましくは平均で90%以上の透過特性を有することが望ましい。同様に、IRカットフィルタ28も本実施例のフィルタのように阻止帯では透過を平均で1%以下、より好ましくは平均で0.1%以下に抑えつつ、透過帯では平均で80%以上、より好ましく平均で90%以上の透過特性を有することが望ましい。
本実施例2における近赤外透過膜21、近赤外遮蔽膜22、及び可視近赤外反射防止膜23において、蒸着膜として構成された高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2の他に、高屈折率材料としてはNb2O5やZrO2、Ta2O5などが使用でき、低屈折率材用としてはMgF2などが使用可能である。また、設計上や成膜上の理由から中間屈折率材料であるAl2O3などを一部の層で使用することも可能であり、これらの材料に限らず、NiやW、Mo、Cu、Cr、Fe、Al、Mg、Ti、Si、Nb、Zr、Ta、In、Ag、Auなどの金属化合物でも良く、その時々で最適な材料の組合せを選択すれば良い。
以上のように作製された、IRパスフィルタ27の分光透過特性は図4(a)で示した設計値と、IRカットフィルタ28の分光透過特性は図2(a)で示した設計値と略同じ特性を得ることができた。これにより、入射光量が多い昼間撮影時などにおいてはIRカットフィルタ28の領域を用いることでノイズ成分となる近赤外波長域の透過を遮断することでカラー画像の高画質化を図ることができ、さらに入射光量が少ない夜間撮影時などにおいてはIRパスフィルタ27の領域を用いることでノイズ成分となる可視波長域の透過を遮断することで、暗視画像の高画質化を図ることができる光学フィルタを得ることができる。
また、近赤外透過膜21と近赤外遮蔽膜22の両方の透過帯において、反射防止効果を発現する可視近赤外反射防止膜23を構成することで、近赤外透過膜21と近赤外遮蔽膜22のそれぞれの機能膜に最適化された2種類の異なる反射防止膜を構成する必要がなくなる為、製造工程を簡易化することができフィルタの低コスト化を図ることができる。
さらには、可視近赤外透過基板20の基板の同一面上に形成された、近赤外透過膜21と近赤外遮蔽膜22が重なる領域を持たないように配置されたことで、基板との密着性や、耐環境性に優れた光学フィルタを得ることができる。
以上より、IRパスフィルタ27とIRカットフィルタ28の2つの機能を合わせ持つ、密着性や耐環境性に優れた、高画質化を図ることが可能な光学フィルタ24を得ることができる。
(実施例3)
多層薄膜により構成された近赤外透過膜と近赤外遮蔽膜、及び近赤外反射防止膜に加え、可視波長を含む波長領域の光の透過を減衰するND膜を、1枚の可視近赤外波長透過基板の両面に分割配置し、図4、図6に示した分光透過特性を設計値とする光学フィルタを作製した実施例について、以下に詳しく記載する。
本実施例3の光学フィルタの可視近赤外透明基板30には、少なくても400〜1100nmの波長領域において、基板裏面側での反射成分を除いた入射光の殆どを透過する分光特性を有した厚さ0.4mmのB270iガラスを使用した。
そして、この可視近赤外透明基板30の一方の面上にIAD法により近赤外反射防止膜33を形成した後、可視近赤外透明基板30の表裏を変え、可視近赤外透明基板30のもう一方の面上の所定の領域に近赤外透過膜31をIAD法により形成し、さらに基板の同一面上の近赤外遮蔽膜31を形成した領域とは異なる領域に近赤外遮蔽膜32をIAD法により形成した。これに加えて、近赤外遮蔽膜32上にND膜39を通常のEB蒸着法により形成した。この際、ND膜39膜に局所的な歪みが生じないように、ND膜39と、可視近赤外透明基板30や近赤外透過膜31とが重ならないように、ND膜39の全ての領域が近赤外遮蔽膜32上のみに配置されるように形成した。以上のように、本実施例3における光学フィルタ34は、図7に示すような、可視近赤外透明基板30の片面側に近赤外透過膜31と近赤外遮蔽膜32を、可視近赤外透明基板30のもう一方の面に可視近赤外波長反射防止膜33を配置し、さらに近赤外遮蔽膜32上の一部領域にND膜39を配置する構成とし、近赤外透過膜31と近赤外遮蔽膜32は、基板の同一面上で膜が重なる領域が発生しない配置構成とした。
可視近赤外透明基板30上に形成された本実施例3の近赤外透過膜31は、図4(b)に示すように、可視波長領域の約400〜650nmの波長領域の光の殆どを遮断する透過阻止帯と、可視波長から近赤外波長領域にかけての約750〜1100nmの波長領域の光を小さいリップルに抑えつつ、基板裏面側での反射成分を除いた殆どの光を透過させた透過帯を有している。また、透過阻止帯と透過帯に挟まれた約650〜750nmの波長領域には、透過阻止帯から透過帯へ透過が連続的に変化する透過−阻止遷移領域を有している。さらには、透過−阻止遷移領域における透過率50%の波長をIR半値波長と定義し、この値を700nmとした。また、本実施例3における近赤外透過膜31は高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した38層膜で構成されており、図7に示すように、この近赤外透過膜31の可視近赤外透明基板30直上の第1層には透過リップル低減機能を有する透過リップル調整層35aが配置されている。さらに、最表層となる第38層には、近赤外波長における透過帯での反射防止機能を有する1層で構成された近赤外反射防止膜36aが配置されている。透過リップル調整層35aは、近赤外透過膜31を構成する全ての膜厚の中で最も薄い膜厚となっており、また近赤外反射防止膜36aは反射防止帯となる波長域の中心波長である800〜1000nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
可視近赤外透明基板30上に形成された本実施例3の近赤外遮蔽膜32は、図6(b)に示すように、可視波長領域の約400〜600nmの波長領域の光を小さいリップルに抑えつつ、基板裏面側での反射成分を除いた殆どを透過させた透過帯と、可視波長から近赤外波長領域にかけての約700〜1100nmの波長領域の光を遮蔽した透過阻止帯を有している。また、透過阻止帯と透過帯に挟まれた約600〜700nmの波長領域には、透過帯から透過阻止帯へ透過が連続的に変化する透過−阻止遷移領域を有している。さらには、透過−阻止遷移領域における透過率50%の波長をIR半値波長と定義し、この値を670nmとした。また、本実施例3における近赤外透過膜31は高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した38層膜で構成されており、図7に示すように、この近赤外遮蔽膜32の可視近赤外透明基板30直上の第1層には透過リップル低減機能を有する透過リップル調整層35bが配置されている。さらに、最表層となる第38層には、近赤外波長における透過帯での反射防止機能を有する1層で構成された可視反射防止膜36bが配置されている。透過リップル調整層35bは、近赤外遮蔽膜32を構成する全ての膜厚の中で最も薄い膜厚となっており、また可視反射防止膜36bは反射防止帯となる波長域の中心波長である450〜600nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
次に、近赤外遮蔽膜32上に、近赤外遮蔽膜32との干渉条件を調整する為の干渉条件調整層としてSiO2膜とTiO2膜をこの順に1層ずつ積層した後、誘電体層であるAl2O3と光吸収層であるTiOx(xは約1.0〜2.0)を交互に積層した8層を加え、さらに最表層には反射防止膜となる1層のMgF2膜を配置した全11層で構成されたND膜39を、特にアシストを付加しない通常のEB蒸着法により、図7に示すような配置構成となるように形成した。このように、膜に歪みが生じることでND膜と隣接する物質との密着性が低下したり、ND膜39に局所的に空隙が発生したりすることが無い様に、ND膜39は近赤外遮蔽膜32上のみに配置する構成とした。またND膜39のND濃度は約1.0となるように調整された。
ND膜39の最表層に配置された反射防止膜はMgF2に限らずSiO2膜でも良いし、IAD法により作製された1層のSiO2膜などであっても良い。さらには、例えば複数のSiO2膜とTiO2膜などで形成された多層膜構成であっても良い。ND膜39を構成する薄膜材料としては、本実施例3で形成された材料に限らず、SiO2やAl2O3などの誘電体層やこれらの酸価を変えたもの、NiやW、Mo、Cu、Cr、Fe、Al、Mg、Ti、Si、Nb、Zr、Ta、In、Ag、Auなどの金属単体、またはこれらの合金や金属化合物や、これらを混合させた層など、様々な材料を適宜選択することが可能である。
このように形成された本実施例3におけるND膜39は近赤外遮蔽膜32が形成するIR半値波長の670nmを含む、400〜1100nm、特に400〜700nmの可視波長領域全域の透過を減衰し、略均一な透過特性を有する光学特性となっている。従って、成膜誤差により長波長側、または短波長側に例えば10nm程度ND膜39の分光透過特性がシフトしたとしても、先のIR半値波長に与える影響は極めて小さく、基板の特性を合わせ形成されるNDIRフィルタとしてのNDIR半値波長にも殆ど影響を与えない。このように、ND膜39の光学特性を調整することで、NDIRフィルタ40総体として光学特性における高い再現性を得ることが可能となっている。
可視近赤外透明基板30上に形成された本実施例3の可視近赤外反射防止膜33は、図6(c)または図4(c)に示すように、可視波長から近赤外波長領域にかけての約400〜1100nmの波長領域の光における、基板裏面側での反射成分を除いた殆どの反射を阻止した、つまりは殆どの光を透過させた透過帯を有した光学特性となっている。このように、近赤外透過膜31のIR半値波長である700nm、及び近赤外遮蔽膜32のIR半値波長である670nmにおいて、可視近赤外反射防止膜32は透過帯を形成することにより再現性を高めることができ、光学フィルタ総体としての高精度化を実現することができる。
また、本実施例3における可視近赤外反射防止膜32は高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した12層膜で構成されており、特に反射防止機能に最も影響を与える最表層となる第12層は反射防止帯となる波長域の中心波長である600〜900nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
さらには、可視近赤外透明基板30上に構成された近赤外透過膜31単体が作り出す透過帯の透過特性は、図4(b)で示すように、透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。また同様に、可視近赤外透明基板30上に構成された可視近赤外反射防止膜33単体が作り出す透過帯の透過特性は、図4(c)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。これら2つの機能膜が作り出す透過帯におけるそれぞれの透過特性は図4(b)(c)に示すように、実質的に同一とみなせる特性を有している。そして、これら2つの機能膜が作り出す、透過リップルが少なく平坦で、高透過となっているそれぞれの透過特性を合成することで、図4(a)で示すように、IRパスフィルタ37の透過帯において、透過リップルが少なく平坦で、近赤外透過膜31、及び可視近赤外反射防止膜33よりも高透過である特性を作り出している。また、IRパスフィルタ37の阻止帯においても同様に、2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により透過特性が決定される。従って、近赤外透過膜31、及び可視近赤外反射防止膜33の2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により、IRパスフィルタ37総体としての透過特性が決定される。
同様に、可視近赤外透明基板30上に構成された近赤外遮蔽膜32単体が作り出す透過帯の透過特性は、図6(b)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。また同様に、可視近赤外透明基板30上に構成された可視近赤外反射防止膜33単体が作り出す透過帯の透過特性は、図6(c)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。さらには、近赤外遮蔽膜32上に構成されたND膜39単体が作り出す透過特性は図6(e)で示すように、可視波長から近赤外波長に掛けて透過リップが少ない平坦で実施的に一定である透過特性を有している。これら近赤外遮蔽膜と可視近赤外反射防止膜が作り出す透過帯におけるそれぞれの透過特性は図6(b)(c)に示すように、厳密には可視近赤外反射防止膜33の透過率の方が近赤外遮蔽膜32の透過率よりも僅かながら高い値となっているが、実質的に同一とみなせる特性を有している。そして、これら2つの機能膜が作り出す、透過リップルが少なく平坦で、高透過となっているそれぞれの透過特性を合成することで、図6(a)で示すように、IRカットフィルタ38の透過帯において、透過リップルが少なく平坦で、近赤外遮蔽膜32、及び可視近赤外反射防止膜33よりも高透過である特性を作り出している。また、IRカットフィルタ38の阻止帯においても同様に、2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により透過特性が決定される。従って、近赤外遮蔽膜32、及び可視近赤外反射防止膜33の2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により、IRカットフィルタ38総体としての透過特性が決定される。さらに、近赤外遮蔽膜32と可視近赤外反射防止膜33に加え、ND膜39が作り出す透過帯におけるそれぞれの透過特性は図6(b)(c)(f)に示すように、透過リップルが少なく平坦なそれぞれの透過特性を合成することで、図6(e)で示すように、NDIRフィルタ40の透過帯において、透過リップルが少なく平坦な透過特性を作り出している。
本実施例のようにIRパスフィルタ37の阻止帯では透過を平均で1%以下、より好ましくは平均で0.1%以下に抑えつつ、透過帯では平均で80%以上、より好ましくは平均で90%以上の透過特性を有することが望ましい。同様に、IRカットフィルタ38も本実施例のフィルタのように阻止帯では透過を平均で1%以下、より好ましくは平均で0.1%以下に抑えつつ、透過帯では平均で80%以上、より好ましく平均で90%以上の透過特性を有することが望ましい。さらに同様に、NDIRフィルタ40も本実施例のフィルタのように阻止帯では透過を平均で1%以下、より好ましくは平均で0.1%以下に抑えた特性を有することが望ましい。
ここで、本実施例1で作製された図3で示す近赤外遮蔽膜12上の一部領域に、本実施例3におけるND膜と同様の膜を形成することでも、本実施例3と同様のNDIRフィルタを得ることが可能である。
以上のように作製された、IRパスフィルタ37の分光透過特性は図4(a)で示した設計値と、IRカットフィルタ38の分光透過特性は図6(a)で示した設計値と、NDIRカットフィルタ40の分光透過特性は図6(e)で示した設計値と略同じ特性を得ることができた。
これにより、入射光量が多い昼間撮影時などにおいては、図7におけるIRカットフィルタ38の領域を用い、さらには特に入射光量が多い撮影環境時には図7におけるNDIRフィルタ40の領域を用いることで、ノイズ成分となる近赤外波長域の透過を遮断することでカラー画像の高画質化を図ることができる。これに加え、入射光量が少ない夜間撮影時などにおいてはIRパスフィルタ37の領域を用いることでノイズ成分となる可視波長域の透過を遮断することで、暗視画像の高画質化を図ることができる光学フィルタを得ることができる。
また、近赤外透過膜31と近赤外遮蔽膜32の両方の透過帯において、反射防止効果を発現する可視近赤外反射防止膜33を構成することで、近赤外透過膜31と近赤外遮蔽膜32のそれぞれの機能膜に最適化された2種類の異なる反射防止膜を構成する必要がなくなる為、製造工程を簡易化することができフィルタの低コスト化を図ることができる。
さらには、可視近赤外透過基板30の基板の同一面上に形成された、近赤外透過膜31と近赤外遮蔽膜32が重なる領域を持たないように配置されたことで、基板との密着性や、耐環境性に優れた光学フィルタを得ることができる。また、ND膜39と、可視近赤外透明基板30や近赤外透過膜31とが重ならないように、ND膜39の全ての領域が近赤外遮蔽膜32上のみに配置され、局所的な歪みが生じないように構成したことで、耐環境性に優れた光学フィルタを得ることができる。
以上より、IRパスフィルタ37とIRカットフィルタ38、NDIRフィルタ40の3つの機能を合わせ持つ、密着性や耐環境性に優れた、高画質化を図ることが可能な光学フィルタ34を得ることができる。
(実施例4)
本実施例1〜3で作製されたような、IRパスフィルタとIRカットフィルタの2つの機能を有する光学フィルタの他の構成例について説明する。
本実施例1〜3で説明した、図1、図4で示したような、撮像素子の感度特性や光学系での配置位置などの様々な要素から決定される、調整が必要な近赤外波長領域全域の光を透過させる、エッジフィルタタイプの光学特性とは異なるIRパスフィルタとすることも可能である。
つまりは、調整が必要な近赤外波長領域の特定波長領域のみの光を透過させる、バンドパスタイプのIRパスフィルタとすることでも、本実施例1〜3で作製した光学フィルタと同様の効果を持つフィルタを形成することが可能である。例えば、図1(b)における近赤外透過膜の透過帯の透過特性を、800〜900nmの波長領域のみを100%に近い値で透過させ、950〜1100nmの波長領域の透過を遮断し、その他の波長領域は図1(b)と同様な特性とする。そして、近赤外反射防止膜の光学特性を図1(c)と同様とする。以上より、これら2つの機能膜が作り出す、透過リップルが少なく平坦で、高透過となっているそれぞれの透過特性を合成することで作製される、透過帯において透過リップルが少なく平坦で、非常に高い透過特性を有するIRパスフィルタを、近赤外波長領域における800〜900nmの特定領域のみ光を透過させるバンドパスタイプとして形成することができる。このようなバンドパスタイプの透過特性は、近赤外透過膜を構成している薄膜の膜厚や積層数、薄膜材料などを適宜で調整することで得ることができる。同様に800〜1000nmや750〜850nmなど、意図する様々な波長領域のみを透過させるバンドパスタイプのIRパスフィルタを形成することが可能である。
他の例として、本実施例1〜3では近赤外透過膜や近赤外遮蔽膜、近赤外反射防止膜、可視反射防止膜、ND膜の最表層に配置された反射防止構造を1層の薄膜構成としたが、複数層で構成することも可能である。このような構成を取ることにより、前述の各機能膜がそれぞれで必要としている波長領域における、光の反射をより低減することなどが可能となる場合がある。
さらに別の構成例として、近赤外遮蔽膜のIRカット機能に加え、紫外波長域の光遮蔽機能を付加することで、IRカットフィルタをUVIRカットフィルタとすることも可能である。
以上のような、バンドパスタイプのIRパスフィルタや、各機能膜の最表層に形成された複数層で構成された反射防止膜、UVIRカットフィルタなどを、組み合わせて、IRパスフィルタとIRカットフィルタの2つの機能を有する光学フィルタを構成することも可能である。
(実施例5)
本実施例1〜4で作製した光学フィルタを備えるビデオカメラ等の撮像装置に適用した実施例について図8を用いて説明する。
図8(a)は、ビデオカメラなどの撮像装置で、絞り羽根59などで構成された撮像光学系57を透過した光線を、光学フィルタ挿入位置50に配置された光学フィルタにより固体撮像素子58の特性に合わせて調整し、適正な画像を得るような構成となっている。
例えば、図8の構成において、本実施例1〜4で作製されたIRパスフィルタとIRカットフィルタの2つの機能を有する光学フィルタを撮像装置内の所定の位置に配置しておき、光学フィルタ挿入位置50にIRパスフィルタまたはIRカットフィルタの機能を発現する位置となるように光学フィルタを移動させることで、撮影状況に応じて適切なフィルタを選択し、撮影を行うことが可能である。例えば図8の構成において光学フィルタA54を用いて、撮像光学系57を透過して撮像素子57に結像した光量等を判断して、光学フィルタ挿入位置50にIRパスフィルタ51、またはIRカットフィルタ52のどちらか一方のフィルタ領域を配置させる。入射した光量が通常の撮影に十分な量であるときは、IRカットフィルタ52を光学フィルタ挿入位置50に配置させることでカラー画像を形成し、逆に光量が不十分であるときはIRパスフィルタ51を光学フィルタ挿入位置50に配置させることで暗視画像を形成する。
これにより作製された撮像装置は、入射光量が多い昼間の撮影時にはIRカットフィルタにより近赤外波長のノイズ成分を除去し、入射光量が少ない夜間の撮影時にはIRパスフィルタにより可視波長のノイズ成分を除去することが可能となり、撮影画像の高画質化が図られる。
また、光学フィルタA54に変え、IRパスフィルタ51と、可視波長領域の光量を減衰させるNDフィルタの機能とIRカットフィルタの機能とを合成した光学特性を有するNDIRフィルタ53の機能を有する光学フィルタB55を用いることも可能である。このようなNDIRフィルタ53は、例えば図7(e)で示すように、可視波長領域の光を減衰し、近赤外波長領域の光を遮蔽する透過特性を有している。このような構成とすることで、入射した光量が通常の撮影に十分な量であるときは、NDIRフィルタ53を光学フィルタ挿入位置50に配置させカラー画像を形成し、逆に光量が不十分であるときはIRパスフィルタ51を光学フィルタ挿入位置50に配置させ暗視画像を形成する。
さらには、IRパスフィルタ51とIRカットフィルタ52の機能に加え、NDIRフィルタ53の3種類の機能を有する光学フィルタC56を用いることも可能である。IRカットフィルタ51とIRパスフィルタ52に加え、可視波長領域の光量を減衰させるNDIRフィルタ53の3種の機能を有したフィルタを用いることで、入射光量が特に多いスチエーションではNDIRフィルタ53を光学フィルタ挿入位置50に配置させ、入射光量が通常の撮影に十分な量であるときは、IRカットフィルタ52を光学フィルタ挿入位置50に配置させカラー画像を形成し、逆に光量が不十分であるときはIRパスフィルタ51を光学フィルタ挿入位置50に配置させ暗視画像を形成する。このような構成とすることで、様々な撮影スチエーションにおいて高画質化を図ることが可能な撮像装置を実現することができる。
また、本実施例の光学装置に限らず、他の光学装置であっても、実施例1〜4で作製されたようなIRパスフィルタとIRカットフィルタの機能を1枚の基板上に有する光学フィルタを用いることで、様々な撮影スチエーションにおいて高画質化を図ることが可能な、耐環境性に優れた撮像装置を実現することができる。
以上のように、本実施例5の構成であれば、昼間撮影または夜間撮影の異なる撮影環境下で用いる、IRカットフィルタ51とIRパスフィルタ52を1枚の基板上に形成したことにより、それぞれを別フィルタとして個別に形成し、光学フィルタを複数枚設けた場合の装置構成と比較し、フィルタを駆動する為の駆動機構の点数を削減することでき、装置全体としてのコストの低減を図ることができる。
(実施例6)UVPF
多層薄膜により構成された近紫外透過膜と近紫外遮蔽膜、及び可視近紫外反射防止膜とを、1枚の可視近紫外波長透明基板の両面に分割配置し、図9、図10に示した分光透過特性を設計値とする光学フィルタを作製した実施例について、以下に詳しく記載する。
図11に示したような本実施例6の光学フィルタの可視近紫外透明基板60には、少なくても350〜600nmの波長領域において、基板裏面側での反射成分を除いた入射光の殆どを透過する分光特性を有した厚さ0.4mmのD263Tecoガラスを使用した。
そして、この可視近紫外透明基板60の一方の面上にIAD法により可視近紫外反射防止膜63を形成した後、可視近紫外透明基板60の表裏を変え、可視近紫外透明基板60のもう一方の面上の所定の領域に近紫外透過膜61をIAD法により形成し、さらに基板の同一面上の近紫外透過膜61を形成した領域とは重なることの無い、異なる領域に近紫外遮蔽膜62をIAD法により形成した。以上のように、本実施例6における光学フィルタ64は、図11に示すような、可視近紫外透明基板60の片面側に近紫外透過膜61と近紫外遮蔽膜62を、これと対峙する可視近紫外透明基板60のもう一方の面上に可視近紫外反射防止膜63を配置する構成とした。
可視近紫外透明基板60上に形成された本実施例6の近紫外透過膜61は、図9(b)に示すように、可視波長領域の約400〜500nmの波長領域の光の殆どを遮断する透過阻止帯と、可視波長から近紫外波長領域にかけての約350〜377nmの波長領域の光を小さいリップルに抑えつつ、基板裏面側での反射成分を除いた殆どの光を透過させた透過帯を有している。また、透過阻止帯と透過帯に挟まれた約380〜395nmの波長領域には、透過阻止帯から透過帯へ透過が連続的に変化する透過−阻止遷移領域を有している。さらには、透過−阻止遷移領域における透過率50%の波長をUV半値波長と定義し、この値を382nmとした。また、本実施例6における近紫外透過膜61は高屈折率材料であるLa2Ti2O7と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した38層膜で構成されており、図11に示すように、この近紫外透過膜61の可視近紫外透明基板60直上の第1層には透過リップル低減機能を有する透過リップル調整層65aが配置されている。さらに、最表層となる第38層には、近紫外波長における透過帯での反射防止機能を有する1層で構成された近紫外反射防止構造66aが配置されている。透過リップル調整層65aは、近紫外透過膜61を構成する全ての膜厚の中で最も薄い膜厚となっており、また近紫外反射防止構造66aは反射防止帯となる波長域の中心波長である約330〜380nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
可視近紫外透明基板60上に形成された本実施例6の近紫外遮蔽膜62は、図10(b)に示すように、可視波長領域の約430〜600nmの波長領域の光を小さいリップルに抑えつつ、基板裏面側での反射成分を除いた殆どを透過させた透過帯と、可視波長から近紫外波長領域にかけての約350〜400nmの波長領域の光を遮蔽した透過阻止帯を有している。また、透過帯と透過阻止帯に挟まれた約400〜430nmの波長領域には、透過帯から透過阻止帯へ透過が連続的に変化する透過−阻止遷移領域を有している。さらには、透過−阻止遷移領域における透過率50%の波長をUV半値波長と定義し、この値を415nmとした。また、本実施例6における近紫外遮蔽膜62は高屈折率材料であるTiO2と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した38層膜で構成されており、図11に示すように、この近紫外遮蔽膜62の可視近紫外透明基板60直上の第1層には透過リップル低減機能を有する透過リップル調整層65bが配置されている。さらに、最表層となる第38層には、近紫外波長における透過帯での反射防止機能を有する1層で構成された可視反射防止構造66bが配置されている。透過リップル調整層65bは、近紫外遮蔽膜62を構成する全ての膜厚の中で最も薄い膜厚となっており、また可視反射防止構造66bは反射防止帯となる波長域の中心波長である400〜600nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
可視近紫外透明基板60上に形成された本実施例6の可視近紫外反射防止膜63は、図9(c)または図10(c)に示すように、可視波長から近紫外波長領域にかけての約350〜600nmの波長領域の光における、基板裏面側での反射成分を除いた殆どの反射を阻止した、つまりは殆どの光を透過させた透過帯を有した光学特性となっている。このように、近紫外透過膜61のUV半値波長である382nm、及び近紫外遮蔽膜62のUV半値波長である415nmにおいて、可視近紫外反射防止膜63は透過帯を形成しており、成膜誤差等により光学特性が例えば10nm程度短波長側や長波長側へシフトとしたとしても、可視近紫外反射防止膜63はそれぞれのUV半値波長において透過帯を維持できる。従って、以上のような構成設計とすることにより、可視近紫外反射防止膜63形成時の成膜誤差により可視近紫外反射防止膜63の光学特性が変化したとしても、可視近紫外透明基板60を含んで形成されるUVパスフィルタ67またはUVカットフィルタ68の各UV半値波長に与える影響は極めて小さく、近紫外透過膜61または近紫外遮蔽膜62の誤差のみで、UVパスフィルタ67またはUVカットフィルタ68の透過−阻止遷移領域が決まる為、より再現性を高めることができ、光学フィルタ64総体としての高精度化を実現することができる。
また、本実施例6における可視近紫外反射防止膜63は高屈折率材料であるLa2Ti2O7と低屈折率材料であるSiO2を交互に積層した4層膜で構成されており、特に反射防止機能に最も影響を与える最表層となる第4層は反射防止帯となる波長域の中心波長である350〜600nmの約1.0qw程度の膜厚を有している。
さらには、可視近紫外透明基板60上に構成された近紫外透過膜61単体が作り出す透過帯の透過特性は、図9(b)で示すように、透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。また同様に、可視近紫外透明基板60上に構成された可視近紫外反射防止膜63単体が作り出す透過帯の透過特性は、図9(c)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。これら2つの機能膜が作り出す透過帯におけるそれぞれの透過特性は図9(b)(c)に示すように、厳密には可視近紫外反射防止膜63の透過率の方が近紫外透過膜61の透過率よりも僅かながら高い値となっているが、実質的に同一とみなせる特性を有している。そして、これら2つの機能膜が作り出す、透過リップルが少なく平坦で、高透過となっているそれぞれの透過特性を合成することで、図9(a)で示すように、UVパスフィルタ67の透過帯において、透過リップルが少なく平坦で、近紫外透過膜61、及び可視近紫外反射防止膜63よりも高透過である特性を作り出している。また、UVパスフィルタ67の阻止帯においても同様に、2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により透過特性が決定される。従って、近紫外透過膜61、及び可視近紫外反射防止膜53の2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により、UVパスフィルタ67総体としての透過特性が決定される。
同様に、可視近紫外透明基板60上に構成された近紫外遮蔽膜62単体が作り出す透過帯の透過特性は、図10(b)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。また同様に、可視近紫外透明基板60上に構成された可視近紫外反射防止膜63単体が作り出す透過帯の透過特性は、図10(c)で示すように透過リップルが少ない平坦で、実質的に一定である透過特性を有しており、基板の裏面側の反射成分を除いた殆どの光を透過する特性となっている。これら2つの機能膜が作り出す透過帯におけるそれぞれの透過特性は図10(b)(c)に示すように、厳密には可視近紫外反射防止膜63の透過率の方が近紫外遮蔽膜62の透過率よりも僅かながら高い値となっているが、実質的に同一とみなせる特性を有している。そして、これら2つの機能膜が作り出す、透過リップルが少なく平坦で、高透過となっているそれぞれの透過特性を合成することで、図10(a)で示すように、UVカットフィルタ68の透過帯において、透過リップルが少なく平坦で、近紫外遮蔽膜62、及び可視近紫外反射防止膜63よりも高透過である特性を作り出している。また、UVカットフィルタ68の阻止帯においても同様に、2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により透過特性が決定される。従って、近紫外遮蔽膜62、及び可視近紫外反射防止膜63の2つの機能膜が作り出す透過特性の合成により、UVカットフィルタ68総体としての透過特性が決定される。
また、本実施例のような紙幣識別センサなどに用いられる光学センサの場合、ノイズ成分に大変敏感であり、これらはセンシング精度に大きな影響を与える。従って、UVパスフィルタ67の阻止帯では透過を平均で1%以下、より好ましくは本実施例のフィルタのように平均で0.1%以下に抑えつつ、透過帯では平均で80%以上、より好ましくは平均で90%以上の透過特性を有することが望ましい。同様に、UVカットフィルタ58も阻止帯では透過を平均で1%以下、より好ましくは平均で0.1%以下に抑えつつ、透過帯では平均で80%以上、より好ましく平均で90%以上の透過特性を有することが望ましい。
本実施例6における近紫外透過膜61、近紫外遮蔽膜62、及び可視近紫外反射防止膜63において、蒸着膜として構成された高屈折率材料であるLa2Ti2O7やTiO2と低屈折率材料であるSiO2の他に、高屈折率材料としてはNb2O5やZrO2、Ta2O5などが使用でき、低屈折率材用としてはMgF2などが使用可能である。また、設計上や成膜上の理由から中間屈折率材料であるAl2O3などを一部の層で使用することも可能であり、これらの材料に限らず、NiやW、Mo、Cu、Cr、Fe、Al、Mg、Ti、Si、Nb、Zr、Ta、In、Ag、Auなどの金属化合物でも良く、その時々で最適な材料の組合せを選択すれば良い。
また、本実施例6ではエッジタイプのUVパスフィルタ67とUVカットフィルタ68を作製したが、同様の作成方法により、積層膜の種類や膜厚、層数などを調整することで、バンドパスタイプのUVパスフィルタ67やUVカットフィルタ68を作製することも可能である。
以上のように作製された、UVパスフィルタ67の分光透過特性は図9(a)で示した設計値と、UVカットフィルタ68の分光透過特性は図10(a)で示した設計値と略同じ特性を得ることができた。これにより、紙幣識別センサなどでは、UVパスフィルタ67の領域を用いることでUV光の出射時にノイズ成分となる可視波長域の透過を遮断し、さらに蛍光を受光する際にノイズ成分となる近紫外波長の透過を遮断することで、センシング精度の向上を図ることができる光学フィルタを得ることができる。
また、近紫外透過膜61と近紫外遮蔽膜62の両方の透過帯において、反射防止効果を発現する可視近紫外反射防止膜63を構成することで、近紫外透過膜61と近紫外遮蔽膜62のそれぞれの機能膜に最適化された2種類の異なる反射防止膜を構成する必要がなくなる為、製造工程を簡易化することができ、光学フィルタの低コスト化を図ることができる。
また、可視近紫外透過基板60の基板の同一面上に形成された、近紫外透過膜61と近紫外遮蔽膜62が重なる領域を持たないように配置されたことで、基板との密着性や、耐環境性に優れた光学フィルタを得ることができた。
以上より、ノイズ成分となる波長領域の透過を遮断し、必要とされる波長領域の光を今まで以上に効率良く活用することで高画質化を可能とする、UVパスフィルタ67とUVカットフィルタ68の2つの機能を合わせ持つ、密着性や耐環境性に優れた、光学フィルタ64を得ることができる。
(実施例7)紙幣識別センサ
本実施例6で作製した光学フィルタを備える紙幣識別センサ用の光学センサに適用した実施例について図12を用いて説明する。
図12は紙幣の偽造を防止する為の紙幣識別センサの概略構成図であり、70は投光部、71は受光部、72はUVパスフィルタ、73はUVカットフィルタ、74は紙幣などの被測定物、75はUVパスフィルタ72とUVカットフィルタ73が一体的に構成された光学フィルタである。
LEDライトにより構成された投光部70から照射されたUV光が光学フィルタ75の一部であるUVパスフィルタ72を通過することで可視光のノイズ成分がカットされる。その後、被測定物74に印刷された蛍光塗料に入射した光は、蛍光現象により可視波長に波長変換されて再出射し、蛍光成分のみを受光させる為にノイズ成分となるUV光をカットする為のUVカットフィルタ73を介して、受光部71に到達する。
紙幣識別センサなどの光学センサは、測定光出射時、及び受光時のノイズ成分に大変敏感であり、これらはセンシング精度に大きな影響を与える。従って、UVパスフィルタ72の阻止帯では透過を1%以下、望ましくは0.1%以下に抑えつつ、透過帯では80%以上、望ましくは90%以上の透過特性を必要とする。同様に、UVカットフィルタ73も阻止帯では透過を1%以下、望ましくは0.1%以下に抑えつつ、透過帯では80%以上、望ましくは90%以上の透過特性が必要とされる。
以上より、光学フィルタ75として、本実施例6で作製された光学フィルタを用いることで、密着性や耐環境性に優れた、高精度化が図られた光学センサを得ることができる。また、本実施例の構成に限らず、他の装置や光学センサに本実施例6の光学フィルタを用いることでも、密着性や耐環境性に優れ、高精度化を図ることができる光学センサや光学装置を得ることができる。