JP4005582B2 - 中性濃度フィルタ - Google Patents

Description

この発明は中性濃度フィルタに関し、特に可視、紫外線領域において使用される中性濃度フィルタに関する。

中性濃度フィルタ（ＮＤフィルタ）は入射光を減光するために用いられる光学フィルタであり、従来においては一般に単一の金属膜を支持体となるガラス基板等の透明基板上にスパッタリング等で成膜形成することによって作製されていた。金属膜を構成する金属としては例えばクロム（Ｃｒ）やアルミニウム（Ａｌ）などが用いられている。入射光は金属表面での反射や金属の光吸収によって減光され、例えば金属膜の膜厚を調整することで所望の透過率を得るものとなっていた（例えば、特許文献１参照）。
特許第２６９１９８９号公報

しかしながら、金属の光学定数は波長によって異なるため、広い波長域において分光透過率が極めて平坦な優れた特性を有する中性濃度フィルタは従来のような単一の金属膜を用いる構造では実現困難となっていた。
この発明の目的はこの問題に鑑み、広い波長域において極めて平坦な分光透過特性を有し、さらには所望の分光透過特性を実現できる中性濃度フィルタを提供することにある。

請求項１の発明によれば、透明基板上に減光膜が形成されてなる中性濃度フィルタは、減光膜が３種類以上の金属膜が積層された多層構造とされ、３種類以上の金属膜のうちの１つがアルミニウム膜とされ、さらに他の１つが波長変化に対して透過率がアルミニウム膜と逆に変化する膜とされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、減光膜上に保護膜が形成されているものとされる。

この発明によれば、単層の金属膜を形成しただけでは実現できない、広い波長域において極めて平坦な分光透過特性を有する中性濃度フィルタを実現することができる。

この発明の実施形態を説明する。
まず、各種材料の光学定数について簡単に説明する。図１Ａ，Ｂはアルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）及びシリコン（Ｓｉ）について、入射する光の波長と屈折率及び消衰係数の関係をそれぞれ示したものであり、このような光学定数よりアルミニウムと銀は短波長側で、つまり光の波長が短かくなるにつれて透過率が上昇し、それ以外の材料（ここではクロムとシリコン）は短波長側で透過率が低下する。
図２はアルミニウムとハフニウム（Ｈｆ）の２種類の金属において、単層膜での分光透過率を測定した結果を示したものであり、アルミニウムは膜厚３０ｎｍの膜を合成石英よりなる透明基板上に形成した時の分光透過率であり、ハフニウムは同様に膜厚４３ｎｍの膜を形成した時の分光透過率である。

図２より明らかなように、アルミニウムは短波長になるにつれて透過率が上昇し、ハフニウムは逆に透過率が低下する。波長３００〜６００ｎｍの範囲において、透過率の最大値と最小値の差はアルミニウムでは７％、ハフニウムでは１．９％程度となっている。
この３００〜６００ｎｍの波長域において、透過率の変化が小さく、極めて平坦な分光透過率を実現するためには、この２種類の金属の分光透過特性を掛け合わせればよく、つまり２種類の金属を用いて積層構造とすればよい。
図３はこのように減光膜が２種類の金属膜の積層構造とされた中性濃度フィルタの構成を示したものであり、この例ではガラス等の透明な基板１０上にアルミニウム膜２１及びハフニウム膜２２が積層され、２層構造の減光膜２０が形成されている。これらアルミニウム膜２１及びハフニウム膜２２は例えばイオンビームスパッタによって成膜形成され、この例ではアルミニウム膜２１の膜厚を８ｎｍとし、ハフニウム膜２２の膜厚は２７ｎｍとしている。なお、減光膜２０上には保護膜３０が形成されている。保護膜３０は酸化や傷付き等による減光膜２０の劣化を防止するもので、酸化膜やフッ化膜とされ、この例では酸化アルミニウム膜が形成されている。

図４はこの図３に示した構成の中性濃度フィルタの分光透過特性を示したものである。３００〜６００ｎｍの波長域における透過率の最大値と最小値の差は０．７％を実現しており、極めて平坦な分光透過特性が得られた。なお、アルミニウム膜２１及びハフニウム膜２２の上記膜厚は中性濃度フィルタの透過率（基準透過率）を５％とした時の値である。
上述したように、波長変化に対して透過率が逆に変化する２種類の膜（金属膜）を用い、それらの膜厚比を選定し、最適な比率とすることで、広い波長域において極めて平坦な分光透過特性を実現することができる。なお、これら金属の光学定数は薄膜形成手法や条件によって若干異なることがあるため、所望の中性濃度フィルタを作製する場合には、そのプロセスでの最適比率を求めることが予め必要になる。

上述した例では減光膜２０はアルミニウム膜２１とハフニウム膜２２との２層構造となっているが、例えばアルミニウムの代わりに同様の分光透過特性を示す銀を用いてもよく、またハフニウムの代わりにシリコンやタンタル（Ｔａ）を用いることもできる。
ところで、図３に示したアルミニウム膜２１とハフニウム膜２２との２層構造を有する中性濃度フィルタは耐熱性の点で難があり、熱が加わると特性が変化してしまうという問題がある。図５は図３の中性濃度フィルタに３５０℃の熱が加わった後の分光透過特性を示したものであり、分光透過特性は図４の特性からこの図５に示したような特性に変化し、平坦性が悪化する。この理由は酸化の進行や積層されている膜界面での熱拡散等の影響と考えられているが、はっきりとした原因は判っていない。

しかしながら、長波長側の透過率が上昇していることから、例えば加熱後において平坦な分光透過特性を得るためには加熱前における長波長側の透過率を短波長側の透過率に対して下げておくといったことが考えられ、このためにはアルミニウム膜２１の膜厚を増やし、ハフニウム膜２２に対する比率を大きくすればよいことになる。
このようなことから、アルミニウム膜２１の膜厚を増やし、ハフニウム膜２２の膜厚を減らすことによって加熱後において平坦な分光透過特性を有する中性濃度フィルタの作製を試みた。その結果、アルミニウム膜２１の膜厚が３０ｎｍ程度必要になったが、膜厚が２０ｎｍ以上になるとアルミニウム膜２１にクラックが発生してしまうという問題が発生した。

このような状況から、クラックの発生を抑制し、耐熱性を有し、かつ平坦な分光透過特性を実現すべく考えた中性濃度フィルタの構成を図６に示す。この図６に示した中性濃度フィルタはアルミニウム膜を２分割し、つまりアルミニウム膜２１でハフニウム膜２２を挟んだものであって、減光膜２０はこれらアルミニウム膜２１とハフニウム膜２２との３層構造となっている。１層目のアルミニウム膜２１の膜厚は１５ｎｍ、２層目のハフニウム膜２２の膜厚は８ｎｍ、３層目のアルミニウム膜２１の膜厚は１５ｎｍとした。なお、減光膜２０上には酸化アルミニウム膜を１０ｎｍ積層し、保護膜３０としている。成膜後には大気中において３５０℃で熱処理を施した。

上記のようにして作製した中性濃度フィルタは３００〜６００ｎｍの波長域において透過率の最大値と最小値の差が１％程度となり、予め熱処理を施しているため、熱による特性変化も発生せず、また熱による膜のクラックも発生しないものとなり、よって分光透過特性が平坦で耐熱性を兼ね備え、高温下での使用に耐えうる中性濃度フィルタを得ることができる。
図７は耐熱性を有する中性濃度フィルタの他の構成例を示したものであり、この例ではアルミニウム膜２１とハフニウム膜２２とを交互に積層し、計６層構造としたものである。各アルミニウム膜２１の膜厚は７．８ｎｍであり、各ハフニウム膜２２の膜厚は１．２ｎｍとなっている。

図８はこの図７に示した中性濃度フィルタの分光透過特性を示したものであり、この中性濃度フィルタでは３００〜６００ｎｍの波長域において透過率の最大値と最小値の差が０．７％となり、極めて平坦な分光透過特性を実現できた。
分光透過特性の平坦性はアルミニウム膜２１とハフニウム膜２２の膜厚比によって決まり、また透過率は膜厚によって決まる。図７に示した中性濃度フィルタは透過率を５％としたものであるが、例えば上記のようにアルミニウム膜２１及びハフニウム膜２２の各膜厚を７．８ｎｍ及び１．２ｎｍとした場合、６層構造を４層もしくは２層構造とすることにより、透過率を５％より大きくすることができ、また層数を６層より増やすことにより透過率を５％より小さくすることができる。つまり、所望の透過率を得るためにはアルミニウム膜２１とハフニウム膜２２の膜厚比を保った上で、膜厚や層数を変えればよい。

上述した例においては２種類の金属膜、つまりアルミニウム膜２１とハフニウム膜２２との積層構造によって平坦な分光透過特性を実現し、かつ耐熱性を向上させるべく、アルミニウム膜２１の膜厚が厚くならないように分割・多層化を図ったものであるが、次に３種類の金属膜を用いてこのように分光透過特性が平坦で、かつ耐熱性を有する中性濃度フィルタについて説明する。
まず、最初に２種類の金属膜を用いる構成及びその問題について説明する。
図９は透過率が１％近傍で平坦な分光透過特性を有する中性濃度フィルタの構成を示したものであり、ここでは減光膜２０はアルミニウム膜２１とクロム膜２３との２層構造となっている。アルミニウム膜２１の膜厚は２６．６ｎｍであり、クロム膜２３の膜厚は１８．８ｎｍである。

図１０における実線はこの図９に示した中性濃度フィルタの分光透過特性を示したものであり、透過率はほぼ１％であり、４００〜７００ｎｍの波長域において極めて平坦な分光透過特性を示している。しかしながら、この中性濃度フィルタに熱を印加すると、劣化が生じる。即ち、アルミニウム膜２１の膜厚が２６．６ｎｍであって、２０ｎｍを超えていることから、前述したようにアルミニウム膜２１にクラックが発生する。
そこで、クラックの発生を回避すべく、図９に示した中性濃度フィルタにおいて、仮にアルミニウム膜２１の膜厚を２０ｎｍとすると、分光透過特性は図１０において破線で示したような特性となり、平坦な分光透過特性を実現できなくなってしまう。

このような状況から、ここでは図１１に示したように減光膜２０を３種類の金属膜の３層構造とした。即ち、アルミニウムと似た特性を有する銀を用いることでアルミニウム膜２１の膜厚を２０ｎｍ以下に抑えるようにしたものであり、減光膜２０はアルミニウム膜２１と銀膜２４とクロム膜２３との３層構造とされ、アルミニウム膜２１の膜厚は２０ｎｍ、銀膜の膜厚は１２．４ｎｍ、クロム膜の膜厚は２０ｎｍとなっている。
図１２はこの図１１に示した中性濃度フィルタの分光透過特性を示したものであり、このようにアルミニウム膜２１の膜厚を薄くすることで、つまり２０ｎｍ以下とすることで熱によるクラックの発生を抑制でき、よって耐熱性を有するものとなり、またアルミニウムと似た特性の銀を用い、計３種類の金属膜で減光膜２０を構成することで極めて平坦な分光透過特性を実現できる。

次に、所定の波長域において透過率が一定ではなく、直線的に変化しているような中性濃度フィルタの構成について説明する。
図１３及び１４はこのような分光透過特性を有する中性濃度フィルタの構成をそれぞれ示したものであり、図１３では減光膜２０は２種類の材料の膜よりなる２層構造とされ、図１４では３種類の材料の膜よりなる３層構造とされている。
図１３における減光膜２０はアルミニウム膜２１とシリコン膜２５とよりなり、アルミニウム膜２１の膜厚は２ｎｍとされ、シリコン膜２５の膜厚は２７．４ｎｍとされている。一方、図１４における減光膜２０はアルミニウム膜２１とクロム膜２３とシリコン膜２５とよりなり、アルミニウム膜２１の膜厚は３ｎｍとされ、クロム膜２３の膜厚は７ｎｍとされ、シリコン膜２５の膜厚は１８ｎｍとされている。

図１５はこれら図１３及び図１４に示した中性濃度フィルタの分光透過特性を示したものであり、実線は図１４の中性濃度フィルタの特性、破線は図１３の中性濃度フィルタの特性を示す。また、黒丸を付した細線は透過率が直線的に変化する所望の特性（目標特性）を示す。
図１５から明らかなように、図１４の中性濃度フィルタの方がより目標特性に近い特性を示しており、つまり３種類の材料を使用することで、２種類の材料を使用する場合よりも、より目標特性を実現しやすいものとなる。

Ａは各種材料の屈折率の波長依存性を示すグラフ、Ｂは各種材料の消衰係数の波長依存性を示すグラフ。 アルミニウム単層膜とハフニウム単層膜の分光透過特性の一例を示すグラフ。 中性濃度フィルタの一構成例を示す断面図。 図３に示した中性濃度フィルタの分光透過特性を示すグラフ。 図３に示した中性濃度フィルタの加熱後（熱処理後）の分光透過特性を示すグラフ。 中性濃度フィルタの構成例を示す断面図。 中性濃度フィルタの構成例を示す断面図。 図７に示した中性濃度フィルタの熱処理後の分光透過特性を示すグラフ。 中性濃度フィルタの構成例を示す断面図。 図９に示した中性濃度フィルタの分光透過特性及び図９に示した中性濃度フィルタのアルミニウム膜の膜厚を２０ｎｍとした時の分光透過特性を示すグラフ。 この発明による中性濃度フィルタの一実施例を示す断面図。 図１１に示した中性濃度フィルタの熱処理後の分光透過特性を示すグラフ。 中性濃度フィルタの構成例を示す断面図。 中性濃度フィルタの構成例を示す断面図。 図１３及び図１４に示した中性濃度フィルタの分光透過特性を示すグラフ。

Claims (2)

1. 透明基板上に減光膜が形成されてなる中性濃度フィルタであって、
   上記減光膜は３種類以上の金属膜が積層された多層構造とされ、
   上記３種類以上の金属膜のうちの１つがアルミニウム膜とされ、さらに他の１つが波長変化に対して透過率がアルミニウム膜と逆に変化する膜とされていることを特徴とする中性濃度フィルタ。
2. 請求項１記載の中性濃度フィルタにおいて、
   上記減光膜上に保護膜が形成されていることを特徴とする中性濃度フィルタ。

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