JP4481720B2 - Ｎｄフィルタ及び光量絞り装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＤフィルタ及び光量絞り装置に関する。ＮＤ（ニュートラル デンシティー）フィルタは、光量絞り用として可視域全般に亘り均一に透過光量を減衰させる目的で使用するものである。本発明は特に透過濃度が連続的に変化している濃度可変型ＮＤフィルタに関する。

従来より撮影系において、被写体輝度が高過ぎる時は絞りを最小径に絞っても（開口径を最小にしても）感光面へ所定量以上の光量が入射してしまう場合がある。この為、撮影系の一部にＮＤフィルタを装着して感光面への入射光量を規制することがしばしば行なわれている。この場合、ＮＤフィルタの分光特性は単に入射光量を減少させるということから、可視領域全般に亘り均一な透過率を有することが基本となっている。

従来からカメラの光量絞り用として、単一の透過濃度のＮＤフィルタが用いられてきた。近年では、その発展形態として、透過濃度が異なる複数の領域に分かれた多濃度ＮＤフィルタが使われている。更に連続撮影が必要なビデオ光学系においては、単濃度ＮＤフィルタあるいは多濃度ＮＤフィルタと比較して広い明るさのレンジで高解像度が得られることから、透過濃度が連続的に変化する濃度可変型ＮＤフィルタの要望がある。この濃度可変型ＮＤフィルタは、以下の特許文献に開示がある。
特開平６−９５２０８号公報 特開平１０−９６９７１号公報 特公平２−４７７２２号公報 特開２００３−０４３２１１公報

特許文献１によると、光量絞り装置の絞り羽根に設けられた時に透過光にフィルタリング作用を与えるＮＤフィルタの濃度分布と所定関係の反射濃度分布を持った原板を作成し、この原板をベースの透過率が８０％以上であって且つハレーション防止層が設けられているフィルムを用いてカメラで撮影し、現像処理してＮＤフィルタとして使用する。特許文献２によると、光量絞り装置の絞り羽根に設けられるＮＤフィルタの製造方法において、有機色素を含有するプラスチックからなるフィルムに、照射量を部分的に変化させながら高エネルギーの光を照射することにより、濃度分布を持ったＮＤフィルタを作成している。特許文献３によると、金属材料を吸収膜に用い、反射防止膜を持つ中心より半径方向に連続的に透過光量の変わるＮＤフィルタにおいて、上記吸収膜を多層に薄く分割し、分割した吸収膜を反射防止膜の境界に挿入している。

特許文献１では、銀粒子の析出量の違いを利用してＮＤフィルタの濃度変化を実現している。しかしながら、銀粒子による光の散乱が解像度劣化の原因となり、近年の高解像化が進む撮像系においては使用が困難な状況である。又特許文献２では、有機色素の経時変化、特に高温高湿下での透過特性の変化が問題となる。又特許文献３では、反射防止膜の層間に、局所的に金属膜の膜厚を変えて挿入することで濃度変化を実現しているが、この手法では可視光全域における透過特性の均一性が得られず、撮像系への適用は困難である。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は光散乱がなく、環境変化に対する耐久性が高く、可視光全域に対してニュートラルな透過特性を持つ、濃度可変型のＮＤフィルタを提供することを目的とする。係る目的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち本発明は、平面を有する透明基板と、光吸収膜と誘電体膜の積層構造を有し且つ調整された透過濃度を有すると共に、該透明基板の平面に形成された光学フィルムとからなるＮＤフィルタであって、該積層構造に含まれる光吸収膜及び誘電体膜の少なくとも一層の膜厚が、基板の面内方向で変化しており、これに伴って光学フィルムの透過濃度が面内方向で変化するように調整されているとともに、膜厚の変化する層は最表層が含まれ、波長４５０〜７５０ｎｍにおいて反射率特性が５％以下であることを特徴とする。

好ましくは、該積層構造に含まれる光吸収膜及び誘電体膜の少なくとも一層の膜厚が、基板の面内方向で連続的に変化しており、これに伴って光学フィルムの透過濃度が面内方向で連続的に変化するように調整されている。また、前記光吸収膜の材料はＴｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅ，ＮｉＴｉ及びこれらの混合物から選択され、前記誘電体膜はＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃又はこれらの複合物から形成される。また、前記誘電体膜及び光吸収膜を所定の膜厚及び所定の順番で積層して反射防止機能を付与することができる。また、前記光学フィルムは、該光吸収膜が金属材料を原料として蒸着により成膜されたものであり、酸素を含む混合ガスを成膜時に導入し、真空度を１×１０^-3Ｐａないし１×１０^-2Ｐａの間で一定に維持した状態で生成した金属材料の酸化物を含有する。この場合、前記光学フィルムは、光吸収膜と誘電体膜を積層した後、酸素を１０％以上含む酸素雰囲気で加熱し、光学特性の変化を飽和させても良い。かかる構成を有するＮＤフィルタは、光量絞り装置の絞り羽根に取り付けることができる。

本発明によれば、ＮＤフィルタは基本的に透明な基板の上に形成された光吸収膜及び誘電体膜の積層構造からなる。この積層構造は光散乱がなく環境変化に対する耐久性が高く可視光全域に対してニュートラルな特性を有している。この積層構造に含まれる光吸収膜及び誘電体膜の膜厚を基板の面内方向で変化させることにより、耐久性及びニュートラルな特性を維持しつつ、透過濃度を基板の面内方向で変化させることが可能となり、結果光散乱がなく環境変化に対する耐久性が高く可視光全域に対してニュートラルな特性を持つ濃度可変型ＮＤフィルタを得ることができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明に係る濃度可変型ＮＤフィルタの構造を示す模式的な側面図（Ａ）と断面図（Ｂ）である。（Ａ）に示す様に、本ＮＤフィルタは平面を有する透明な基板１と、その上に形成された光学フィルム２とからなる。光学フィルム２は、光吸収膜２２，２４，２６と誘電体膜２１，２３，２５，２７の積層構造からなる。光吸収膜と透明な誘電体膜の膜厚を制御することで、調整された透過濃度が得られる。特徴事項として、積層構造に含まれる光吸収膜２２，２４，２６及び誘電体膜２１，２３，２５，２７の少くとも１層の膜厚が、基板１の面内方向で変化しており、これに伴って光学フィルム２の透過濃度が面内方向で変化する様に調整されている。図示の実施形態は、ＮＤフィルタを構成する７層全ての膜厚を同じ比率で変化させている。但し本発明はこの実施形態に限られるものではなく、同じ比率で膜厚を変化させなくともよく、又全ての層の膜厚を変化させなくともよい。又積層構造の膜総数も光学仕様に応じて自由に設定することができる。

本実施形態では、積層構造に含まれる光吸収膜２２，２４，２６と誘電体膜２１，２３，２５，２７の膜厚が、基板１の面内方向（図面上左から右に向かう方向）で連続的に変化しており、これに伴って光学フィルム２の透過濃度が図面上で左から右に向かって連続的に増大変化する様に調整されている。この様な基板面内方向での膜厚変化を実現する為には、例えば蒸着などによる成膜時にマスク３による遮蔽効果を利用することができる。例えば、第１層目の誘電体膜２１を成膜する時、一定の蒸着速度で成膜を行ないつつ、マスク３を定速で矢印で示す様に左から右に移動する。これにより、左側で薄く右側で厚い誘電体膜２１が得られる。この操作を全ての膜形成で繰返し行なうことにより、（Ａ）に示した傾斜構造が得られる。尚、マスク３の定速移動は、モータを用いて行なうことが可能である。

（Ｂ）は、（Ａ）に示したＮＤフィルタのＢ−Ｂ線に沿った断面構造を模式的に表わしている。すなわち、（Ａ）に示したＮＤフィルタの最も厚い部分であり、透過濃度Ｄが１．４の場合の断面構造である。図示する様に、透明基板１は厚みが０．１ｍｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）からなる。但し本発明はこれに限られるものではなくＰＥＴ以外のポリエステルフィルムやポリカーボネート（ＰＣ）フィルムを用いることができる。光量絞り用としてはＰＥＴなどポリエステルフィルムやポリカーボネートフィルムが好ましいが、特に用途を限定しなければ透明基板１として使用波長領域において透明であるガラスやプラスチックを適宜使うことができる。透明基板１の上に形成された１層目の誘電体膜２１はＳｉＯ_２からなり、その物理膜厚は４４ｎｍである。その上に形成された光吸収膜２２は、金属Ｔｉとその酸化物Ｔｉ_ｘＯ_ｙとで構成されており、物理膜厚は５５ｎｍである。その上に成膜された誘電体膜２３はＡｌ_２Ｏ_３からなり、その物理膜厚は２６ｎｍである。その上に成膜された光吸収膜２４は、同じく金属Ｔｉとその酸化物Ｔｉ_ｘＯ_ｙの混合物からなり、物理膜厚は８０ｎｍである。その上に成膜された５層目の誘電体膜２５は、Ａｌ_２Ｏ_３からなりその物理膜厚は２６ｎｍである。更にその上に成膜された光吸収膜２６は、同じく金属Ｔｉとその酸化物Ｔｉ_ｘＯ_ｙの混合物からなり、物理膜厚は２８ｎｍである。最後の７層目に成膜された誘電体膜２７は、ＳｉＯ_２からなりその物理膜厚は７８ｎｍである。尚、係る積層構成は例示であって、本発明の範囲を限定するものではない。光学薄膜の場合、通常使用波長において透明なセラミックス材料を誘電体膜と表現している。光の干渉効果が現われる厚さ（波長の数倍程度）の誘電体膜を積層することで、入射する光線の光学特性（反射量、透過量、偏光、位相）などを自由に調節することができる。本実施形態では（Ｂ）に示す層構成とすることで、光学フィルム２に反射防止機能を付与している。一方光吸収膜では、使用波長領域において文字通り光を吸収する働きがあり、可視域では通常金属を用いる。本発明では、特に金属材料にその酸化物を導入することで、光学特性並びに物理特性を改善している。尚光吸収膜の金属材料はＴｉに代えて、Ｃｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、ＮｉＦｅ、ＮｉＴｉ及びこれらの混合物から選択された金属を用いてもよい。

図２は、図１に示した濃度可変型ＮＤフィルタの透過濃度特性を示すグラフである。縦軸に透過濃度（Ｄ）を示し、横軸に波長（ｎｍ）を取ってある。このグラフは光学フィルム２の膜厚をパラメータに取ってあり、全部で８レベルとしている。膜厚の最も厚い部分（図１（Ｂ）に示した部分）を膜厚比率１．０とし、以下、膜厚比率０．８６、０．７１、０．５７、０．４３、０．２９、０．１４、０．００のレベルを取ってある。グラフから明らかな様に、膜厚比率１．０の部分は濃度Ｄ＝１．４で、以下ほぼ膜厚に比例して透過濃度（Ｄ）が減少していることが分かる。又、どの膜厚においても透過濃度特性は可視波長域でほぼ平坦である。本発明に係るＮＤフィルタは可視域全般に亘り均一に透過光量を減衰させることが可能である。

図３は、図１に示した濃度可変型ＮＤフィルタの作成に使用する真空蒸着装置の一例を示す模式的なブロック図である。尚本ＮＤフィルタの成膜方法は、真空蒸着法以外のイオンプレーティング法、イオンアシスト法、スパッタ法など緻密な膜を形成できる手法を利用してもよい。図示する様に、本蒸着装置は真空チャンバ１１を主体に構成されており、その上には膜厚モニタ１２と膜厚制御器１３が取り付けられている。チャンバ１１内には処理対象となる基板を支持固定する基板ホルダ１４と、膜厚測定用基板１５と、蒸着源１６とが組み込まれている。尚図示しないが、この蒸着源１６と基板ホルダ１４との間には、図１に示した膜厚制御用のマスクも介在している。膜厚モニタ１２は光源と分光器と受光器とを備えている。分光器から出射した光は膜厚測定用基板１５に入射し、これから反射した光が受光器に入射し、その出力が膜厚制御器１３に送られる。この様に、膜厚をリアルタイムでモニタすることにより、基板上に所望の厚みで光吸収膜や誘電体膜を成膜する様にしている。その際、膜厚のリアルタイムモニタリングに連動して前述したマスクの駆動を制御することで、基板の面内方向に沿って厚みが単調変化する光吸収膜及び誘電体膜を成膜することができる。

チャンバ１１には真空計ゲージ部１７、真空計制御部１８、ガス導入ユニット１９及び排気ユニット２０が接続している。本実施例では、チャンバ１１内の真空度を一定に保つ為に、ＡＰＣ方式を採用している。具体的には、真空計ゲージ部１７及び真空計制御部１８を介してフィードバックを掛け、ガス導入ユニット１９を制御して、チャンバ１１内に導入される混合ガスの量を調整している。但し、本発明はこれに限られるものではなく、導入量をニードルバルブにて一定に調整する方式を採用してもよい。

図４は、図３に示した真空蒸着装置を用いて、図１に示した光学フィルムを作成する場合の成膜条件を表わした表図である。図示する様に、基板温度は１００℃としている。又、チャンバの到達真空度は１×１０^−３Ｐａに設定している。ここで、光吸収膜２２，２４，２６を成膜する為に、原料としてＴｉを用い、蒸着速度は１ｎｍ／ｓｅｃに設定している。Ｔｉを蒸着する際に導入するガスとして、本実施例では窒素と酸素を４：１で混合した空気を用いている。但し、本発明はこれに限られるものではなく、一般的には酸素を５０％以下の割合で含有する混合ガスが用いられる。尚、酸素を含有した混合ガスを導入した場合の蒸着真空度は、４×１０^−３Ｐａに設定した。但し、本発明はこれに限られるものでなく、一般に１×１０^−３Ｐａ〜１×１０^−２Ｐａの間で一定に維持すれば、良好な光学特性並びに物理特性を有し且つ金属とその酸化物の混合物よりなる光吸収膜を成膜することができる。次に、誘電体膜２１，２７を成膜する場合には、蒸着源としてＳｉＯ_２を用い、蒸着速度は１ｎｍ／ｓｅｃに設定している。ＳｉＯ_２を成膜する場合には特に反応性のガスを導入していない。又、誘電体膜２３，２５の成膜には、蒸着源としてＡｌ_２Ｏ_３を用い蒸着速度を１ｎｍ／ｓｅｃに設定している。この場合も反応性ガスは特に導入しない。この様に光吸収膜はＴｉによって代表される金属材料を原料として、成膜時に導入するガス中の酸素分圧を調整することで、金属膜単体及び金属膜と酸化物膜との混合膜として、要求特性に合わせた光吸収膜を得ることができる。光吸収膜の不安定な成分を安定化させる為に、成膜後加熱処理などを行なってもよい。例えば光吸収膜と誘電体膜を積層した後、酸素を１０％以上含む酸素雰囲気で加熱し、光学特性の変化を飽和させることができる。

図５は、本発明に係る濃度可変型ＮＤフィルタをカメラ用光量絞り装置の絞り羽根に取り付けた例を示す模式図である。図５は１枚の絞り羽根１００を示しており、０は本発明に係る濃度可変型ＮＤフィルタを示している。図示する様に、絞り羽根１００の凹状切欠部を覆う様にＮＤフィルタ０が接着されている。図示する様に、濃度可変型ＮＤフィルタ０は、透過率が絞り開口の中心から外側に向かって連続的に減少している。すなわち、濃度可変型ＮＤフィルタ０の透過率は撮影光学系の光軸から離れるに従って透過率が連続的且つ直線的に減少している。

光量絞りは銀塩フィルムあるいはＣＣＤなどの固体撮像素子へ入射する光量を制御する為に設けられており、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。従って、快晴時や高輝度の被写体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。この対策として絞り羽根にＮＤフィルタを取り付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、撮像素子の感度が上昇するに従い、ＮＤフィルタの濃度を濃くして、光の透過率を更に低下させ、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、フィルタを通過した光と通過しない光の光量差が大きくなり解像度が低下してしまうという欠点がある。この欠点を解決する為に、図５に示した濃度可変型ＮＤフィルタが使われている。すなわち、ＮＤフィルタの濃度を光軸中心に向かって連続的且つ直線的に透過率が大となる様な構造を採用することで、解像度の低下を防いでいる。

本発明では、ＮＤフィルタを構成する光学フィルムとして、光吸収膜と誘電体膜を重ねた積層構造を採用している。特に光吸収膜としては、金属材料とその酸化物を含んだ組成を用いることで、濃度可変型ＮＤフィルタの長期的な信頼性を確保している。この点につき、以下参考の為に説明を加える。詳細は特許文献４に記載されている。まず初めに、図６は、図４に挙げた条件で成膜した光吸収膜の光学特性を示すグラフである。横軸に波長を取り、縦軸に屈折率、吸収係数を取ってある。グラフから明らかな様に、ＴとＴ_ｘｉＯ_ｙの混合物からなる光吸収膜は、可視域において波長が長くなるに連れ吸収係数が高くなる傾向を有している。

図７は、図４に示した成膜条件で、５層構成の光学フィルムを作成した場合における、その光学特性を示すグラフである。横軸に可視域の波長を取り、左軸の縦軸には反射率及び透過率の尺度を表わす光量（％）を取り、右側の縦軸には透過濃度を取ってある。図７は実際に作成された光学フィルムの特性ではなく、設計段階におけるシミュレーション結果を表わしている。最終的には、可視波長域に亘って透過率は平坦になることが理想である。設計段階では、後工程で行われる熱処理の影響を考慮して、短波長側から長波長側へ行くに従い、次第に透過率が増加する設計としている。これは、熱処理後光学フィルムの特性は、可視域であれば短波長側へ近づくに従い透過率が増加する傾向になることが予想される為である。

図８は、図４に示す成膜条件で光学フィルムを実際に成膜した場合における初期特性を表わしている。尚、理解を容易にする為図７と同様に反射率、透過率及び透過濃度を測定している。グラフから明らかな様に、ほぼ設計通りの光学特性が得られており、短波長側から長波長側へ行くに従い次第に透過率が増加している。

図９は、熱処理後の光学特性を表わしており、理解を容易にする為図７及び図８と同様に透過率、反射率及び透過濃度を測定している。グラフに示す様に、熱処理後では可視域において波長依存性はなく均一に透過光を減衰し、表面での反射を抑えた光学フィルムを得ることができた。前述した様に、あらかじめ熱処理後の光学特性の変化を補償する様に、初期段階では短波長側から長波長側へ行くに従い次第に透過率が増加する様にしている。この様な設計は、積層構造を構成する各誘電体膜及び各光吸収膜の成膜順並びに厚みを最適化することで、自在に得ることができる。熱処理を行うと、長波長側から短波長側へ近づくに従い透過率が増加する傾向が生じる。これにより、初期の片寄りが打ち消され、結果的に可視域で極めて平坦性に優れた透過特性を得ることが可能になる。

本発明に係る濃度可変型ＮＤフィルタの構成を示す模式的な側面図及び断面図である。 本発明に係る濃度可変型ＮＤフィルタの透過濃度特性を示すグラフである。 本発明に係る濃度可変型ＮＤフィルタの作成に用いる真空蒸着装置を示す模式的なブロック図である。 本発明に係る濃度可変型ＮＤフィルタの成膜条件を示す表図である。 本発明に係る濃度可変型ＮＤフィルタをカメラ用光量絞り装置に適用した模式図である。 光学フィルムに含まれる光吸収膜の光学特性を示すグラフである。 光学フィルムの光学特性を示すグラフである。 光学フィルムの光学特性を示すグラフである。 光学フィルムの光学特性を示すグラフである。

符号の説明

０・・・ＮＤフィルタ、１・・・透明基板、２・・・光学フィルム、３・・・マスク、２１，２３，２５，２７・・・誘電体膜、２２，２４，２６・・・光吸収膜

Claims (7)

1. 平面を有する透明基板と、光吸収膜と誘電体膜の積層構造を有し且つ調整された透過濃度を有すると共に、該透明基板の平面に形成された光学フィルムとからなるＮＤフィルタであって、
   該積層構造に含まれる光吸収膜及び誘電体膜の少なくとも一層の膜厚が、基板の面内方向で変化しており、これに伴って光学フィルムの透過濃度が面内方向で変化するように調整されており、
   膜厚の変化する層は最表層が含まれ、波長４５０〜７５０ｎｍにおいて反射率特性が５％以下である
   ことを特徴とするＮＤフィルタ。
2. 該積層構造に含まれる光吸収膜及び誘電体膜の少なくとも一層の膜厚が、基板の面内方向で連続的に変化しており、これに伴って光学フィルムの透過濃度が面内方向で連続的に変化するように調整されていることを特徴とする請求項１記載のＮＤフィルタ。
3. 前記光吸収膜の材料はＴｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅ，ＮｉＴｉ及びこれらの混合物から選択され、前記誘電体膜はＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃又はこれらの複合物から形成されることを特徴とする請求項１記載のＮＤフィルタ。
4. 前記誘電体膜及び光吸収膜を所定の膜厚及び所定の順番で積層して反射防止機能を付与したことを特徴とする請求項１記載のＮＤフィルタ。
5. 前記光学フィルムは、該光吸収膜が金属材料を原料として蒸着により成膜されたものであり、
   酸素を含む混合ガスを成膜時に導入し、真空度を１×１０^-3Ｐａないし１×１０^-2Ｐａの間で一定に維持した状態で生成した金属材料の酸化物を含有することを特徴とする請求項１記載のＮＤフィルタ。
6. 前記光学フィルムは、光吸収膜と誘電体膜を積層した後、酸素を１０％以上含む酸素雰囲気で加熱し、光学特性の変化を飽和させたことを特徴とする請求項５記載のＮＤフィルタ。
7. 請求項１ないし６に記載された前記ＮＤフィルタを絞り羽根に取り付けた光量絞り装置。

Images