JP4407898B2 - Ｎｄフィルタの製造方法、該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フィルタの製造方法、該ＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラに関し、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のに適したグラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタの製造方法、該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。

濃度が連続的に変化するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタの用途としては、例えば、表示パネルの濃度分布を補正する補正板として使用されたり、顕微鏡等に光を供給する光量調整用のフィルタとして使用されたり、近年マイクロレンズアレイ作製用のフォトマスクに使用されたり等、多岐の分野におよんだ様々な用途を挙げることができる。しかし、従来の作製方法では、これらの仕様を満足する濃度特性をもつＮＤフィルタを作製することは著しく困難であった。

このような光量絞りに用いられているＮＤフィルタの一例を、以下に説明する。光量絞りは、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に設けられており、被写界が明るい場合により小さく絞り込まれる様になっている。したがって、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。そのための対策として、絞り羽根にフィルム状のＮＤ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がされている。

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１７に示すような従来例におけるビデオカメラに使用される撮影光学系ではつぎのような欠点を生じる。例えば、図１７に示すような状態で光がフィルムを通過した際、フィルムを通過した光ａと通過しない光ｂの光量差が大きく異なり、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ったりという欠点が生じる。この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出てくる。因みに、図１７で１７６Ａ、１７６Ｂ、１７６Ｃ、１７６Ｄは撮影光学系１７６を構成するレンズ、１７７は固体撮像素子で１７８はローパスフィルタである。また、１７１はＮＤフィルタ、１７２と１７３は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。１７４は絞り羽根支持板である。絞り装置はこれらの１７１〜１７４の構成部材によって形成されている。

一般的にＮＤフィルタの作製方法としては、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または顔料を混ぜ、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または顔料を塗布するタイプのものがある。これらの製造方法では、濃度が均一なフィルタは作製可能であるが、濃度が変化するタイプのフィルタ（グラデーションフィルタ）は作製が著しく困難である。
また、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されているようにマイクロ写真法による濃度が変化するタイプのフィルタの作製が提案されている。また、特許文献４には、真空蒸着法により楕円形グラデーションフィルタの製造方法が開示されている。
さらに、上記高画質対応の対策として、単一濃度のＮＤフィルタを複数の絞り羽根に接着して、駆動させることにより、単一濃度フィルタでも複数重なった部分と重ならない部分とから、濃度変化させる方法も考えられる。
特許第２７５４５１８号公報 特許第２７７１０７８号公報 特許第２７７１０８４号公報 特開平１１−３８２０６号公報

しかしながら、上記の特許文献１〜特許文献３のものが提案された当時のビデオカメラでは、これらの方法により作製したＮＤフィルタで画質の向上が図られたが、近年のＣＣＤの更なる高感度化、小型化、高画質対応により特に特殊条件での使用（例えば逆光下での小径絞り状態）においては、銀塩粒子による光の散乱による影響により画質が劣化してしまうことがある。
また、上記の特許文献４のものにおいては、微少領域（例えば３ｍｍの範囲で透過率３％から８０％までの変化等）での濃度変化ができないという欠点がある。さらに、単一濃度のＮＤフィルタを複数の絞り羽根に接着して、駆動させる方法では、ＮＤフィルタの枚数が増えることによるコストｕｐになること、及び絞り羽根に複数枚ＮＤフィルタが存在することにより厚くなってしまい、近年の小型・省スペース化に対応できない等の欠点がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、グラデーション濃度分布を形成するに際し、各濃度において透過率の分光特性がフラットなＮＤフィルタの製造方法、該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、以下のように構成したＮＤフィルタの製造方法、該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。
すなわち、本発明のＮＤフィルタの製造方法は、回転機構により、基板に固定されたスリットマスクと蒸着源とのうちの一方を公転させ、他方を固定して、該基板上にグラデーション濃度分布を形成するＮＤフィルタの製造方法であって、
前記グラデーション濃度分布を形成する際、前記回転機構の単位時間当たりの角速度を変化させて、固定された前記他方を含む平面内であって前記回転機構の回転軸に直交する方向の速度成分が等速となるように、前記回転機構を制御する工程を有し、各濃度において透過率の分光特性がフラットとなる濃度分布を得ることを特徴としている。
また、本発明のＮＤフィルタの製造方法は、前記基板上に、少なくとも２種類以上の膜を成膜する構成を採ることができる。
また、本発明のＮＤフィルタの製造方法は、前記マスクを、最表層以外の膜の成膜時に用い、最表層の成膜時には該マスクを用いずに成膜する構成を採ることができる。
また、本発明のＮＤフィルタの製造方法は、前記基板に最表層まで成膜された後に、１００℃から１３０℃の温度で、空気中で熱処理する構成を採ることができる。
また、本発明の光量絞り装置は、相対的に駆動されて絞り開口の大きさを可変す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光量調整のためのＮＤフィルタとを備えた光量絞り装置において、前記ＮＤフィルタに、上記したいずれかに記載の製造方法によって製造されたＮＤフィルタを用いて構成されていることを特徴としている。
また、本発明のカメラは、光学系と、該光学系を通過する光量を制限する光量絞り装置を上記した光量絞り装置によって形成した構成と、該光学系によって形成される像を受ける固体撮像素子を有することを特徴としている。

本発明によれば、グラデーション濃度分布を形成するに際し、各濃度において透過率の分光特性がフラットなＮＤフィルタの作製が可能となり、グラデーションの変化に対する様々なニーズに対応できる。さらに、蒸着後に熱処理を行うことにより、環境安定性を向上できる。
また、部分的に膜厚が変化する時に発生する、反射防止条件の変化による反射率増大も抑えられ、これにより光量の均一性の向上した光量絞り装置及びそれによるカメラが得られ、高画質化への対応が可能となる。

以下、本発明における具体的な実施の形態について説明するが、本発明はこれらの具体的な形態に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が、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ため、記述を省略する。

図１４（ａ）は真空蒸着機におけるチャンバー内の簡易図であり、３は成膜を施す基板、４は実際に成膜を実施する基材、５は基材４を固定する為の基板治具、１５は蒸着傘、１６は蒸着源である。また、本実施の形態として説明する基板３とは、図１４（ｂ）に示すように基板治具５に基材４がセットされた状態を示しているものとする。
本実施の形態で目的としている濃度分布は、透過率が順次小、若しくは大になるようなグラデーション濃度分布である。この様な濃度分布は、グラデーション濃度分布を必要とする各種フィルタ等の用途を考慮すると、一般的な仕様であると考えられる。具体的には、例えば図８（ａ）で示すような理想型グラデーションの透過特性を持つ分布である。この仕様を満足するフィルタを作成するためには、図８（ｂ）で示すような濃度分布を得る必要がある。濃度と膜厚はリニアの関係にあるため、言い換えれば、図５で示すような理想型グラデーションの膜厚分布を得る必要があると言える。
また、成膜される膜の膜厚は基板の位置と蒸着源、及び基板に設けたスリットマスクの幾何学的位置関係により決定される。よって、蒸着傘を固定し蒸着源を回転させるのと、蒸着源を固定し蒸着傘を回転させるのとは、膜厚分布を考えた場合においては同様の事である。従ってここでは説明の簡略化の為、蒸着傘を固定し、蒸着源を回転させる事として以下に説明を続ける。

一般的に真空蒸着法においては、図１４（ａ）に示すようにチャンバー内の基板は蒸着傘１５に備え付けられ、この蒸着傘１５と共に基板３が回転し成膜が行われる。この基板２の成膜側に、図１５に示すような直線型のスリットマスク１７を設けることにより、蒸着源１６と基板３との位置関係から、蒸着する蒸着粒子はスリットマスクを通過し基板３に到達できたり、スリットマスク１７に遮られ基板３まで到達できなかったりすることになる。その際、蒸着傘１５の回転制御を、図３に示す様に回転角を等速で、つまり角速度を一定で制御するのが一般的であり、それによると図６に示すような膜厚分布を得ることとなる。この図６は実際に図１５に示す形状のスリットマスクを用いて、角速度を一定にし、膜厚分布シミュレーションを実施した例を示す図である。図７は、図５及び図６のパラメータである基板上の位置Δｘの説明図である。

図３はチャンバー内を鳥観から見た際（Ｘ−Ｙ平面）の蒸着源の軌跡を表した図であり、図４はチャンバー内を断面から見た際（Ｘ−Ｚ平面）のＸ軸上を移動する蒸着源の軌跡を表した模式図である。
蒸着源の回転角θを等速で制御した場合、図４で示す様なＸ−Ｚ平面上で考えると、蒸着源はＸ軸上を図４に示す様に移動することになる。つまり、原点付近と、原点から最も離れた場所とでは、Ｘ軸上では単位時間Δｔ秒あたりに移動する距離が異なると言う事である。
この場合、原点付近での移動スピードが最も速くなる。言い換えれば、蒸着源が１周する間にＸ軸上の原点付近に留まっている時間が、割合的に最も短くなると言う事になる。従って、図２のように基板位置を配置し、基板上成膜側にマスクを設けた成膜方法で成膜を実施すると、膜厚分布に関して、蒸着源が原点から離れ±Ｓ０地点に近づくにつれ、成膜基板はマスクを設けた事による回り込みの影響を、より大きく受ける事になる。このことから、図６で示したシミュレーション結果のように角速度が一定であると、スリットマスクを用いた成膜の場合、膜厚分布の裾部分、つまり低濃度部が膨らんで立ち上がることになる。

以上のことを考慮し、本実施の形態では図１で示す様に回転角θを、Ｘ軸上を等速で移動するように制御する。このことにより、Ｘ軸上のどの位置においても、蒸着源が単位時間あたりにＸ軸上を移動する距離を等しくし、つまり、移動スピードをＸ軸上で均一にすることで、膜厚分布に関して、蒸着源がどの位置にあっても、成膜基板はマスクを設けたことによる回り込みの影響を均一に受けることになり、図６で示したような裾部分が膨らんで立ち上がるような膜厚分布ではなく、図８（ａ）で示すような理想型のグラデーション膜厚分布を得る事が可能となる。すなわち、これにより膜厚分布の裾部分、つまり低濃度部を、より直線に近づけることが可能となる。図５は角速度をＸ軸上のどの位置においても単位時間あたりに移動する距離を等しく制御した場合のシミュレーション結果であり、回転角制御以外の条件は全て図６と同様である。

このように、この回転角と、スリットマスクの幅１８、基板とスリットマスクとの距離１９とを制御することで、所望の膜厚分布、つまり所望の濃度分布を作製することが可能となる。
また、前記したとおり、成膜される膜の膜厚は、基板の位置と蒸着源、及び基板に設けたスリットマスクの幾何学的位置関係により決定されるため、ここでは簡略化のため、蒸着傘を固定し、蒸着源を制御したことと仮定して説明してきたが、実際の実施形態として、蒸着傘を固定し蒸着源を制御する構成を採ることも可能である。

グラデーション濃度勾配を持つフィルタに関する実施例及び比較例を、光量絞り用ＮＤフィルタの作製において以下に説明する。
まず、材質厚７５μｍのＰＥＴ基材上に、真空蒸着法により図１６に示す膜構成のうち第１層から最表層手前までを形成した。
マスクの形状は、図１５で示す様な直線のスリットマスクを使用した。
成膜基板は図２の位置から成膜を開始させた。
また、図１で示した蒸着源の角速度制御と同様に、蒸着傘の角速度は単位時間毎でＸ軸上を等速で移動するように制御した。
また、膜生成法として、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。
また、基材の材質としては、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。

次にスリットマスクを外し、最表層を光学膜厚ｎ×ｄ（ｎは屈折率、ｄは機械膜厚）で１／４λ λ：５４０ｎｍ成膜した。この最表層の膜の屈折率ｎは可視域の波長域で１．５以下のものを選んだ。具体的にはＭｇＦ₂を使用した
ここで、第１層から最表層まで、図１５で示す様な直線のスリットマスクを用い、全層を膜厚変化させ成膜すると、反射防止条件が合わなくなり、反射率の上昇が起き、画質上では“ゴースト現象”や“フレア現象”が発生してしまう。この事を考慮し、最表層ではスリットマスクを外し基板全面の膜厚が等しくなる様に成膜した。

以上の様に、第１層から最表層まで成膜した後、１１０℃の温度で１時間、空気中で熱処理を行った。１１０℃を選んだのは、１００℃未満では環境安定性の効果が不十分であり、１３０℃を超えると基材の熱的劣化を生じて膜にクラックが発生する等問題が発生する。したがって、熱処理の温度は、１１０℃から１３０℃の間が適当である。

環境安定性を調べるため、前記プラスチックＮＤフィルタを６０℃８５％２４０時間の放置試験を行い、試験前後での透過率を測定すると、その差が０．２％以下とほとんど差は見られなかった。参考として、熱処理を行わないものを同様な環境試験を行い、試験前後での透過率を測定すると２％前後増加していた。
このような現象が起きる要因としては、真空蒸着時の基板温度が低いことがあげられる。
膜の封止密度は成膜時の基板温度が大きく影響し、温度が低いと封止密度が低くなり、水分・酸素等を透過しやすく、そのため吸収膜であるＴｉ_xＯ_y自体の酸化が促進されること、及びそれを保護するＡｌ₂Ｏ₃膜等の誘電体膜の保護効果が少ないことの両方の影響から透過率が上昇するものと考えられる。熱処理を行うと環境安定性が向上するのは、“エージング効果”であると考えられる。

通常、ガラス基板を用いる場合、基板温度は２００℃〜２５０℃、望ましくは３００℃前後まで加熱して成膜する。
しかし、今回のように基板がプラスチックの場合、基板が熱収縮を起こさない温度で成膜する必要があり、その基板温度は１５０℃未満に制約される。
膜厚分布は図５に示す様にシミュレーションの結果とほぼ同等な結果が得られた。
但し第１層から第８層までの分布である。最表層は一定膜厚である。

一例を示すと、図１２（ａ）のようなパターンを作製して、図１２（ｂ）に示す略三角形の形状に切りぬき、その後羽根に貼って図１３の状態になる。フィルタ１枚は図１２（ｂ）のようになっていて、０が端面部でそこからＸ₁Ｘ₂Ｘ₃までが濃度変化領域である。Ｘ₃からＸ₄は最も濃い均一濃度が形成されている。Ｘ₄からＸ₅はフィルタを羽根に接着するための接着領域である。
この時の距離と膜厚の構成は、図９、図１０に示すようになった。

（比較例）
実施例１と同様に、まず材質厚７５μｍのＰＥＴ基材上に、真空蒸着法により図１６に示す膜構成のうち第１層から最表層手前までを形成した。
最表層は光学膜厚ｎ×ｄ（ｎは、屈折率ｄは機械膜厚）で１／４λ λ：５４０ｎｍ成膜した。この最表層の膜の屈折率ｎは可視域の波長域で１．５以下のものを選んだ。具体的にはＭｇＦ₂を使用した。
マスクの形状は、図１５で示す様な直線のスリットマスクを使用した。
成膜基板は図２の位置から成膜を開始させた。
また、図３および図４で示した蒸着源の角速度制御と同様に、蒸着傘の角速度は等速で制御した。

また、膜生成法として、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。
また、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。

次にスリットマスクを外し、最表層を光学膜厚ｎ×ｄ（ｎは屈折率、ｄは機械膜厚）で１／４λ λ：５４０ｎｍ成膜した。この最表層の膜の屈折率ｎは可視域の波長域で１．５以下のものを選んだ。具体的にはＭｇＦ₂を使用した。
ここで、第１層から最表層まで、図１５で示す様な直線のスリットマスクを用い、全層を膜厚変化させ成膜すると、反射防止条件が合わなくなり、反射率の上昇が起き、画質上では“ゴースト現象”や“フレア現象”が発生してしまう。この事を考慮し、最表層ではスリットマスクを外し基板全面の膜厚が等しくなる様に成膜した。

以上の様に、第１層から最表層まで成膜した後、１１０℃の温度で１時間、空気中で熱処理を行った。１１０℃を選んだ理由は実施例と同様である。
また、環境安定性を調べるため、上記実施例と同様に、前記プラスチックＮＤフィルタを６０℃８５％２４０時間の放置試験を行ったところ、上記実施例と同様の結果が得られた。
膜厚分布は図６示すシミュレーションの結果とほぼ同等な結果が得られた。但し第１層から第８層までの分布である。最表層は一定膜厚である。

一例を示すと、図１２（ａ）のようなパターンを作製して、図１２（ｂ）に示す略三角形の形状に切りぬき、その後羽根に貼って図１３の状態になる。フィルタ１枚は図１２（ｂ）のようになっていて、０が端面部でそこからＸ₁Ｘ₂Ｘ₃までが濃度変化領域である。Ｘ₃からＸ₄は最も濃い均一濃度が形成されている。Ｘ₄からＸ₅はフィルタを羽根に接着するための接着領域である。
この時の距離と膜厚の構成は、図１０、図１１に示すようになった。
このように、角速度を等速で制御すると、実施例および比較例で示した条件で成膜した場合、膜厚分布、つまり濃度分布の低濃度部が膨らんで立ち上がってしまい、図８（ｂ）で示すような、一般的に理想とされるグラデーション濃度分布を得る事はできない。

本発明の実施の形態における蒸発源をＸ軸上で等速に制御した場合の蒸発源の軌跡（Ｘ−Ｚ平面）を示す図。 本発明の実施の形態を説明するための図５、６におけるシミュレーション上でのＸ−Ｙ平面上の基板位置。 角速度を一定で制御した場合の蒸発源の軌跡（Ｘ−Ｙ平面）を説明する図。 角速度を一定で制御した場合の蒸発源の軌跡（Ｘ−Ｚ平面）を説明する図。 Ｘ軸座標の移動速度を一定にした時の膜厚分布シミュレーション例。 角速度を一定にした時の膜厚分布シミュレーション例。 本発明の実施の形態を説明するための基板上の位置Δｘの説明図。 （ａ）は理想型グラデーションの透過特性例を示す図であり、（ｂ）は理想型グラデーションの濃度分布例を示す図。 本発明の実施例の第１層から最表層手前までにおける距離と膜厚の関係を表わしたグラフ。 本発明の実施例と比較例の第９層における距離と膜厚の関係を表わしたグラフ。 比較例における第１層から最表層手前までにおける距離と膜厚の関係を表わしたグラフ。 本発明の実施例におけるフィルタ製造の際のプレス抜き状態を説明する図であり、（ａ）は略三角形状の切りぬきパターンを示す図、（ｂ）は切りぬかれた略三角形状のＮＤフィルタの構成を示す図。 本発明の実施の形態により作製されたグラデーションＮＤフィルタを絞り羽根に取り付けた状態を示す斜視図。 本発明の実施の形態における真空蒸着法によるＮＤフィルタの製造方法を説明するための図であり、（ａ）は真空蒸着機におけるチャンバー内の構成図、（ｂ）は基板の拡大図。 本発明の実施の形態及び実施例においてＮＤグラデーションフィルタを作製する際に用いるスリットマスクの構成を示す図。 本発明の実施例におけるＮＤグラデーションフィルタの薄膜の積層構成を示す図。 従来例におけるビデオカメラに使用される撮影光学系の構成を示す図。

符号の説明

１：ＮＤフィルタ
２：絞り羽根
３：基板
４：基材
５：基板治具
１７６Ａ、１７６Ｂ、１７６Ｃ、１７６Ｄ：撮影光学系を構成するレンズ
１７７：固体撮像素子
１７８：ローパスフィルタ
１７１：ＮＤフィルタ
１７２、１７３：絞り羽根
１７４：絞り羽根支持板
１５：蒸着傘
１６：蒸着源
１７：スリットマスク
１８：スリットマスクの幅
１９：基板とスリットマスクとの距離
２０：蒸着源の軌跡

Claims (6)

1. 回転機構により、基板に固定されたスリットマスクと蒸着源とのうちの一方を公転させ、他方を固定して、該基板上にグラデーション濃度分布を形成するＮＤフィルタの製造方法であって、
   前記グラデーション濃度分布を形成する際、前記回転機構の単位時間当たりの角速度を変化させて、固定された前記他方を含む平面内であって前記回転機構の回転軸に直交する方向の速度成分が等速となるように、前記回転機構を制御する工程を有し、各濃度において透過率の分光特性がフラットとなる濃度分布を得ることを特徴とするＮＤフィルタの製造方法。
2. 前記基板上に、少なくとも２種類以上の膜を成膜することを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタの製造方法。
3. 前記マスクは、最表層以外の膜の成膜時に用いられ、最表層の成膜時には該マスクを用いずに成膜することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＮＤフィルタの製造方法。
4. 前記基板に最表層まで成膜された後に、１００℃から１３０℃の温度で、空気中で熱処理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ＮＤフィルタの製造方法。
5. 相対的に駆動されて絞り開口の大きさを可変す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光量調整のためのＮＤフィルタとを備えた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項に記載の製造方法によって製造されたＮＤフィルタによって構成されていることを特徴とする光量絞り装置。
6. 光学系と、該光学系を通過する光量を制限する請求項５に記載の光量絞り装置と、該光学系によって形成される像を受ける固体撮像素子を有することを特徴とするカメラ。

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