JP4297370B2 - Ｎｄフィルタ、並びにこれらのｎｄフィルタを有する光量絞り装置及びカメラ - Google Patents

Description

本発明は、ＮＤフィルタ、並びにこれらのＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラに関する。
特に、ビデオカメラあるいはスチルビデオカメラ等の撮影系に使用するに適したＮＤフィルタ、並びにこれらのＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラに関するものである。

光量絞り装置は、銀塩フィルムあるいはＣＣＤ等への固体撮像素子へ入射する光量を制御するため、撮影光学系の光路中に設けられており、被写界が明るい場合に光量をより小さく絞り込むように構成されている。
従って、快晴時や高輝度の被写界を撮影すると絞りは小絞りとなり、絞りのハンチング現象や光の回折の影響も受け易く、像性能の劣化を生じる。
これに対する対策として絞り羽根にフィルム状のＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタを取りつけて被写界の明るさが同一でも絞りの開口が大きくなる様な工夫をしている。

近年、撮像素子の感度が向上するに従い、前記ＮＤフィルタの濃度を濃くして、光の透過率をさらに低下させ、被写界の明るさが同一でも絞りの開口を大きくする様になっている。
しかしながら、この様にＮＤフィルタの濃度が濃くなると、図８に示す様な状態でＮＤフィルタを通過した光ａとＮＤフィルタを通過しない光ｂの光量差が大きく異なることとなる。
これにより、画面内で明るさが異なる“シェーディング”現象が起きたり、解像度が低下してしまうという欠点が生じる。
このような欠点を解決するために、ＮＤフィルタの濃度を光軸中心に向かって順次透過率が大となる様な構造を取る必要が生じる。

因みに図８において、８０６Ａ，８０６Ｂ，８０６Ｃ，８０６Ｄは撮影光学系８０６を構成するレンズ、８０７は固体撮像素子で８０８はローパスフィルタである。
また８１１から８１４は絞り装置を構成する部材で、８１１がＮＤフィルタ、８１２と８１３が対向的に移動する絞り羽根で、２枚の絞り羽根は略菱形の開口を形成する。
ＮＤフィルタは普通、絞り羽根に接着されている。８１４は絞り羽根支持板である。

一般的にＮＤフィルタの作製方法としては、つぎのようなタイプのものがある。
すなわち、フィルム状をなす材料（セルロースアセテート、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、塩化ビニル等）中に光を吸収する有機色素又は顔料を混ぜ、練り込むタイプのものと、前記材料に光を吸収する有機色素又は顔料を塗布するタイプのものがある。
また、従来例として、クラックを生じることのない高品質の反射防止の光吸収膜が提案されている（特許文献１参照）。
特開平０５−９３８１１号

しかしながら、上記した一般的なＮＤフィルタの作製方法では、濃度が均一なフィルタは作製可能であるが、同一フィルタ内で濃度が変化するタイプのステップＮＤフィルタは作製が著しく困難である。
また、特許文献１で開示されているものは、単濃度においてのクラック対策であり、１枚のフィルムに多濃度のＮＤを成膜した場合においては、膜厚が厚くなりる。
そのため、クラックが発生してしまうという問題に対する解決策に関して、何も開示されていない。
さらに、近年ＣＣＤの高感度化、小型化等の高画質化に対応するため、分光透過率をフラットにして、低反射に抑える必要がある。
このような問題に対しても、上記特許文献１には、可視光域５５０ｎｍ付近で透過率が低下してしまう分光特性のものが開示されているにすぎない。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、クラックの発生が抑制され、光量の均一性が向上し、高画質化に対応することが可能となり、各濃度において分光特性がフラットで低反射率のＮＤフィルタを提供することを目的とするものである。また、本発明は、上記したＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラを提供することを目的とするものである。

本発明は、つぎのように構成したグラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタ、並びにこれらのＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラを提供するものである。
本発明のＮＤフィルタは、基板と、該基板上に積層された少なくとも２種類以上の層からなる膜とを有し、該膜を前記基板の両面に積層することで段階的な複数の濃度分布を形成したＮＤフィルタであって、
前記基板の一方の面に単濃度の膜を有すると共に、他方の面に積層した複数の単濃度の
膜を有し、前記他方の面に積層された複数の膜は、面積の大きい方から小さい方の順に積層されており、
前記膜は、前記基板に面する第１層目の膜が誘電体膜で形成され、その機械膜厚が５ｎｍ〜９０ｎｍであることを特徴としている。
また、上記本発明のＮＤフィルタを用いて、光量の均一性が向上した光量絞り装置あるいはカメラを構成することができる。

本発明によれば、クラックの発生が抑制され、光量の均一性が向上し、高画質化に対応することが可能となり、各濃度において分光特性がフラットで低反射率のＮＤフィルタ、並びにこれらのＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラを実現することができる。

上記した構成によれば、多濃度膜を作成する際、積層面積が大きい方から順に積層することで、成膜後やプレス等で切断した際にもクラックの発生が起こることなく、高品質に対応したステップＮＤフィルタを得ることができる。
それは、本発明者らが鋭意検討した結果による、つぎのような知見に基づくものである。

３濃度の構成のステップＮＤフィルタを作製する場合、単に２重、３重と層を重ねていくだけでは、成膜後若しくは切り込み後に、その重なった部分にクラックが発生するという問題が生じる。
そこで、本発明者らは次のような成膜手法で、図３に示すような３濃度ステップフィルタを作成した。
先ず、図３に示すプラスチック基板の１面側に、積層面積が最も大きい単濃度の膜を積層し、その次に前記プラスチック基板の２面側に積層面積の小さい２濃度を重ねて成膜し、３濃度ステップフィルタを作成した。
このような積層順を採用したのは、基板温度や蒸着膜の温度により、プラスチック材が熱収縮しない１５０℃未満を設定してはいるものの、やはり多少は収縮してしまう傾向があり、積層面積が大きい程その熱収縮の影響を受けやすくなる。そのため、積層面積の小さい膜から徐々に大きい膜を成膜すると、先に成膜した積層面積の小さい膜は、後に成膜した大きい膜の熱収縮による応力の影響を受けやすくなり、それがクラック発生の大きな要因になるものと考えられる。
このようなことから、上記した積層順を採用し、本発明を完成するに至ったのである。

以下に、本実施の形態について、図を用いて更に詳細に説明するが、本発明はこれらの具体的な形態によって何ら限定されるものではない。
特に、以下においては、ＮＤフィルターに成膜を実施する方法として真空蒸着法を用いた場合を説明している。
しかしながら、スパッタリング法・インクジェットプリンティング法・スプレー法等においても同様な効果を得ることができ、このことは一般的に知られている事と推測される為、記述を省略する。

図５は真空蒸着機におけるチャンバー内の簡易図であり、５０１は蒸着傘、５０２は成膜を施す基板、５０３は蒸着源、５０４は実際に成膜を実施する基材、５０５は基材５０４を固定する為の基板治具である。
また、本実施の形態として説明する基板５０２とは、図５（ｂ）に示すように基板治具５０５に基材５０４がセットされた状態を示しているものとする。

一般的に真空蒸着法においては、図５の様にチャンバー内の基板は蒸着傘５０１に備え付けられ、この蒸着傘５０１と共に基板５０２が回転し成膜が行われ、例えば図４に示すような７層の積層膜が基材上に形成される。
本実施の形態においては、これを単濃度に構成して、２重、３重に重ねていき、１枚のシートに３濃度分布を持ったステップＮＤフィルタを作成する。
例えば、図３に示すようにプラスチック基板の１面側に、積層面積が最も大きいものをまず積層する。
ついで、前記プラスチック基板の２面側に積層面積の小さいものを積層するに際し、面積の大きい方から小さい方の順に重ねて２濃度のものを形成することで、３濃度分布を持ったステップＮＤフィルタを作成する。
このように構成することによって、成膜後やプレス等で切断した際にもクラックの発生が起こることなく、高品質に対応したステップＮＤフィルタを作製することが可能となる。

つぎに、本発明の実施例について説明する。
まず、材質厚７５μｍのポリエチレンテレフタレート（以下ＰＥＴと記す）基材上に、真空蒸着法により膜を成膜する。
基材の材質は耐熱性（ガラス転移点Ｔｇ）が高く、可視域の波長域で透明性が高く、また吸水率が低い、ＰＥＴを選択した。
成膜法として、膜厚を比較的容易に制御でき、かつ可視域の波長域で散乱が非常に小さいことから真空蒸着法を選択した。

膜構成は図４に示すように、Ａｌ_２Ｏ_３とＴｉ_ＸＯ_Ｙを交互に積層していき、最表層にＭｇＦ_２で成膜して７層を重ね、これを単濃度Ｄ＝０．５とした。
本実施例ではこのＤ＝０．５の膜を２重、３重に重ねていき、１枚のシートにＤ＝０．５・１．０・１．５の３濃度分布を持ったステップＮＤフィルタを作製した。
その際、図３に示すようにプラスチック基板の１面側に、積層面積が最も大きいものをまず積層する。
ついで、前記プラスチック基板の２面側に積層面積の小さいものを積層するに当たり、面積の大きい方から小さい方の順に重ねて２濃度のものを形成した。
この２面側の２濃度が重なっている部分に、実際にはクラックが発生しやすい傾向がある。

なお、本実施例のクラック対策として、上記の積層順番を工夫している以外に、次の（１）〜（３）のような条件の変更を行なっている。
（１）第１層Ａｌ_２Ｏ_３の成膜膜厚を５ｎｍ〜９０ｎｍにする。実際好ましいのは、膜厚１０ｎｍ〜６０ｎｍであり、その範囲未満であると膜厚制御が困難であり、以上であると膜厚が厚くなりクラックが生じてしまう。そのため極力膜厚を薄くした方がクラックの発生率は低くなる。
そこで、透過率、反射率の分光特性に影響を受けることの無い第１層Ａｌ_２Ｏ_３を薄くした。
図１５は、第１層の膜厚を振った時のクラック率の関係を表わしたものである。この結果からも分かる様に、第１層膜を薄くするだけでもクラック率を低下させることができる。
この相乗効果として、クロスカット試験（蒸着した膜に縦横１〜２ｍｍ間隔の切り込みを入れニチバンテープにより剥離）により膜の密着性も向上するという結果が得られた。
（２）最も面積の大きい膜の成膜時には、図２（ｂ）に示すような分断マスク２０１を用いて成膜し図１（ａ）に示すような３濃度ステップＮＤフィルタを形成する。
これによると、全面マスクで全面に成膜した図１（ｂ）に示す３濃度ステップＮＤフィルタの場合と比べ、全体のプラスチック基板のソリも抑えることができ、応力が分散し低応力のものが得られる。
（３）面積の小さい２面側の２濃度を重ねる部分は、最表層がＭｇＦ_２であると密着性が下がるため、密着面にはＡｌ_２Ｏ_３を用いる。
なお、片側面に３層重ねる方法も考えられるが、極力重なる部分は少なくした方が良いと考えられる。

以上のような条件で完成した３濃度分布を持ったステップＮＤフィルタを、様々な形状に切り抜いて、例えば図２の（ａ）に示すような形状に切り抜いて、利用することができる。その切断結果を図７に示す。
図７において、左側の（ａ）に示すものはクラック対策を施さない時のクラック率、中央の（ｂ）に示すものは分断マスク２０１を用いた時のクラック率、右側の（ｃ）に示すものは面積の大きい順に成膜した時のクラック率を表わしている。

図７に示された結果から、本実施例の上記積層順及び分断マスク２０１を用いる条件で成膜し切り抜いた場合、このような対策を全く施さない膜から比べると格段の効果があることが分かる。
また、図７に示された結果から、図６（ａ）のように面積の小さい２面側から切り抜く場合に比して、図６（ｂ）のように面積の大きい１面側から切り抜くとクラック率が遥かに低くなることが分かる。

このように、最適なのは面積の大きい１面側から切り抜く場合であるが、その理由として考えられるのは、蒸着の傾向として初め１面側に成膜すると、１面側にフィルムは凸になることが分かっている。逆に２面側を先に成膜すると２面側に凸になる。
例として、最初に１面側を成膜し１面側から切り抜く場合、切断前後の形状は凸⇒凸と変わらないが、２面側から切り抜く場合、切断前後で凹⇒凸に形状が逆転する為、クラック率が高くなると考えられる。

３濃度ステップＮＤフィルタの各濃度における透過率と反射率を図９・図１０・図１１・図１２・図１３・図１４に示す。
Ｄ＝０．５膜（図９・図１０）においては、透過率も可視光線域でフラットになっており、反射率も３％未満であり低反射に抑えられている。
Ｄ＝１．０膜（図１１・図１２）においては、もう１層Ｄ＝０．５を積層する為、最表層が反射率を抑えるＭｇＦ_２ではなく、Ａｌ_２Ｏ_３となっているが、同様に透過率はフラット、反射率も低く抑えられた。
Ｄ＝１．５膜（図１３・図１４）においても、透過率・反射率共に上記と同様な結果を得た。
なお、ＮＤフィルタの透過率をフラットにすることは、近年のＣＣＤの高感度化や小型化等の高画質化への対応として必要不可欠なことである。

（ａ）は本発明の実施例における分断マスクで作製された３濃度ステップＮＤフィルタの図であり、（ｂ）は全面マスクで作製された３濃度ステップＮＤフィルタの図である。 （ａ）は実施例における蒸着後抜き加工したステップＮＤフィルタを示す図、（ｂ）は分断マスクを示す図である。 本発明の実施の形態及び実施例におけるステップＮＤフィルタの３濃度の成膜構造を示す側面図である。 本発明の実施の形態及び実施例におけるステップＮＤフィルタの単濃度Ｄ＝０．５とした薄膜の積層構造を示す図である。 本発明の実施の形態を説明するための真空蒸着機におけるチャンバー内の簡易図である。 （ａ）は２面側から切断した３濃度ステップＮＤフィルタ切り抜き図であり、（ｂ）は１面側から切断した本実施例による３濃度ステップＮＤフィルタ切り抜き図である。 切り抜き試験によるクラック発生率を示す図である。 ビデオカメラに使用される撮影光学系を表した図である。 本発明の実施例におけるＤ＝０．５の分光透過率を表わしたグラフである。 本発明の実施例におけるＤ＝０．５の分光反射率を表わしたグラフである。 本発明の実施例におけるＤ＝１．０の分光透過率を表わしたグラフである。 本発明の実施例におけるＤ＝１．０の分光反射率を表わしたグラフである。 本発明の実施例におけるＤ＝１．５の分光透過率を表わしたグラフである。 本発明の実施例におけるＤ＝１．５の分光反射率を表わしたグラフである。 第１層Ａｌ_２Ｏ_３膜厚とクラック率の関係を記したグラフである。

符号の説明

２０１：分断マスク
５０１：蒸着傘
５０２：基板
５０３：蒸着源
５０４：基材
５０５：基板治具
８０６Ａ，８０６Ｂ，８０６Ｃ，
８０６Ｄ：撮影光学系６を構成するレンズ
８０７：固体撮像素子
８０８：ローパスフィルタ
８０１１：ＮＤフィルタ
８１２，８１３：絞り羽根
８１４：絞り羽根支持板

Claims (3)

1. 基板と、該基板上に積層された少なくとも２種類以上の層からなる膜とを有し、該膜を前記基板の両面に積層することで段階的な複数の濃度分布を形成したＮＤフィルタであって、
   前記基板の一方の面に単濃度の膜を有すると共に、他方の面に積層した複数の単濃度の膜を有し、前記他方の面に積層された複数の膜は、面積の大きい方から小さい方の順に積層されており、
   前記膜は、前記基板に面する第１層目の膜が誘電体膜で形成され、その機械膜厚が５ｎｍ〜９０ｎｍであることを特徴とするＮＤフィルタ。
2. 相対的に駆動されて絞り開口の大きさが変わる複数の絞り羽根と、該絞り羽根により形成された開口内の少なくとも一部に配置されるＮＤフィルタとを備えた絞り装置において、
   前記ＮＤフィルタが、請求項１に記載のＮＤフィルタであることを特徴とする絞り装置。
3. 光学系と、該光学系を通過する光量を制限する請求項２に記載の絞り装置と、該光学系によって形成される像を受ける固体撮像素子とを有することを特徴とするカメラ。

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