JP4493413B2

JP4493413B2 - Ｎｄフィルタの製造方法

Info

Publication number: JP4493413B2
Application number: JP2004165103A
Authority: JP
Inventors: 真志内山; 康典斎藤; 孝幸若林; 道男柳
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2024-06-02
Also published as: JP2005345747A

Description

本発明は、ＮＤフィルタの製造方法に関し、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ＮＤフィルタの製造方法に関するものである。

濃度が連続的に変化するＮＤ（ＮｅｕｔｒａｌＤｅｎｓｉｔｙ）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事ができる。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。また、ＮＤフィルタに限らず、濃度が連続的に変化する各種薄膜を作製することも同様に困難であった。

以下に、従来例における光量絞りに用いられているＮＤフィルタについて説明する。
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。
従来においては、これに対する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なされてきた。

近年においては、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ような工夫がなされている。しかしながら、このようにＮＤフィルタの濃度が濃くなると、図１１に示すような従来例のビデオカメラ等に使用される撮影光学系では、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、解像度が低下してしまうという欠点が生じる。
因みに図１１で６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄは撮影光学系６を構成するレンズ、７は固体撮像素子で８はローパスフィルタである。また１１から１４は絞り装置で、１１がＮＤフィルタ、１２と１３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。１４は絞り羽根支持板である。
以上のような“シェーディング”現象に基づく解像度の低下を解決するため、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ような構造を取る必要があるが、従来においては、そのために以下に述べるような様々な工夫がなされてきている。
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、濃度が順次淡、若しくは順次濃と変化するタイプのフィルタ（グラデーションフィルタ）を作製する事は著しく困難である。

また、本発明者らは、特許文献１〜特許文献３等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を提案している。当時のビデオカメラではこ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、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、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。この方法では、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欠点がある。
また、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、濃度変化させることは可能である。しかしながら、この方法ではＮＤフィルタの枚数が増えることによるコスト高になること、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。

さらに、近年、段階的な多濃度ＮＤフィルタが使用され始めてきているが、異なる濃度の境界部分で重なったり隙間ができたりして光学特性が変化し、画質の劣化を引き起こすことがわかってきた。
このような現象の解決には、連続的に濃度を変化させたグラディエントなＮＤフィルタが必要である。そのため、本発明者らは特許文献５、特許文献６等において、真空蒸着法等を用い、基板に対し様々な形状のスリット型マスクを設け、基板とマスクとの距離、及びスリット幅を制御するようにし、スリット型マスクを該基板と一体的にドーム上を公転させ、成膜蒸着源と基板との位置関係から、該基板に蒸着させる蒸着粒子が該スリット型マスクを通過して基板に到達できたり、スリット型マスクに遮られ基板まで到達できなかったりすることで、グラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタを製造する方法を提案している。
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号公報特開２００４−０６１９００号公報特開２００４−０６１９０３号公報

しかしながら、上記特許文献５、特許文献６等によるＮＤフィルタの製造方法によれば、連続的に濃度を変化させたグラディエントなＮＤフィルタの作製が可能となるが、これらの方法において、更なる高精度化に対応するため、濃度勾配部をより直線に近づけること等に関して、より一層の改善が望まれる。

本発明はこのような課題に鑑み、グラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタの製造において、更なる精度の向上を図ることが可能となるＮＤフィルタの製造方法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を有する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、基板と蒸着源のうちの一方を回転機構により回転させ、前記基板に所定間隔を置いて設けられたスリット型マスクを介して前記蒸着源から到達した成膜材を付着させ、少なくとも２種類以上の層からなる膜を積層してグラデーション濃度分布を有する膜を形成する成膜工程を有するＮＤフィルタの製造方法であって、
前記成膜工程において、前記成膜材を通過させるための成膜材通過領域を有し、前記スリット型マスクと前記蒸着源との間に設けられたマスク機構を、前記蒸着源に対して固定した位置関係で、前記回転機構により前記基板と前記蒸着源の一方を回転させ、前記スリット型マスクに対して固定された位置関係の前記基板上に前記グラデーション濃度分布を有する膜を成膜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有するＮＤフィルタの製造において、更なる精度の向上を図ることが可能となるＮＤフィルタの製造方法を有するカメラを実現することができる。

つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本実施の形態に用いる真空蒸着機の構成を説明する図であり、（ａ）は真空蒸着機におけるチャンバー内の構成を示す簡易図、（ｂ）は基板の拡大図である。
図１において１０１は蒸着傘であり、また、１０２は成膜を施す基板、１０３は蒸着源、１０４は実際に成膜を実施する基材、１０５は基材１０４を固定するための基板治具、１０６はマスク、１０７はマスク機構である。真空蒸着機においては蒸着傘１０１によって回転機構が構成され、蒸着傘１０１に成膜するための基板が取り付けられている。なお、本実施の形態において説明する基板１０２とは、図１（ｂ）に示すように基板治具１０５に基材１０４がセットされた状態のものを意味している。
図２は図１（ａ）で示すマスク機構を鳥観から垂直に見下ろした際のマスク機構の鳥観図であり、図３、図４はマスク機構の別の形態の構成例を示す鳥観図である。
ここでは、説明の簡略化の為、マスク機構１０７の鳥観図的外形は蒸着傘１０１と全く同様で、断面図的には同一平面上に存在する平板であり、図２で示すように蒸着粒子を通過させる或る一定の蒸着粒子通過領域１１０を持っており、成膜装置内でのマスク機構１０７の位置は、各成膜基板に設けたマスク１０６の全てよりも蒸着源１０３側で、蒸着源１０３から最も距離を持ち、図１のように蒸着傘からＺ軸方向に平行移動した位置に配置されている事として説明する。しかしながら、実際は、マスク機構の形態は、図３に示すような蒸着粒子通過領域１１０’、あるいは図４に示すような蒸着粒子通過領域１１０”を有する様に、作製したい濃度分布によっては様々な形態を採ることが考えられる。同様に、成膜装置内でマスク機構が配置される位置も様々の形態が考えられる。

つぎに、本実施の形態における成膜について説明する。
まず、従来例の真空蒸着法による成膜について説明すると、従来例においては、図１（ａ）の様にチャンバー内の基板は蒸着傘１０１に備え付けられ、この蒸着傘１０１と共に基板１０２が回転し成膜が行われる。その際、基板に所定間隔を置いて設けたマスクを取りつけ、このマスクを前記基板と一体的に蒸着傘１０１と共に回転させることにより、蒸着する蒸着粒子がマスクを通過し基板に到達できたり、マスク１０６に遮られ基板１０２まで到達できなかったりすることで、成膜する構成が採られていた。

これに対して、本実施の形態では、図１に示すように、チャンバー内の蒸着傘１０１に基板を取り付け、この基板１０２の成膜側において、基板と蒸着源との間の任意の位置に、さらに蒸着粒子通過領域（成膜材通過領域）１１０、１１０’、１１０”等が形成されたマスク機構１０７が設けられている。このような構成のもとで、上記従来例と同様に上記蒸着傘１０１と共に基板１０２を回転させると、蒸着源１０３と基板１０２に設けたマスク１０６及びマスク機構１０７の位置関係から、蒸着する蒸着粒子はマスク機構１０７の蒸着粒子通過領域１１０、１１０’、１１０”及びマスク１０６を通過することにより、基板１０２に到達できたり、マスク機構１０７、若しくはマスク１０６に遮られ基板１０２まで到達できなかったりすることになり、より高精度に制御されたグラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタの製造が可能となる。
図６に、本実施の形態によるマスク機構１０７を用いてシミュレーションした結果の膜厚分布の一例を示す。なお、図７は図６のパラメータとなっている基板上の位置Δｘにおける、成膜側の位置関係を示す図である。

ここで、本実施の形態で目指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に関する用途を考慮すると、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で示すような理想的グラデーション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９で示すような理想的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９で示すような膜厚分布を得る必要があると言える。

このような要請に応えるため、本実施の形態のマスク機構１０７を用いるに際しては、図５で示した、マスク１０６に設けられたスリットの幅１０８と、蒸着傘とマスク１０６との距離１０９、マスク機構１０７の外形、等を任意に制御することで、任意の膜厚分布、すなわち、更なる高精度化に対応し得るグラデーション濃度分布を有するＮＤフィルタの製造が可能となる。

また、成膜される膜の膜厚は基板の位置と蒸着源、及びマスク機構の幾何学的位置関係により決定されるため、蒸着源１０３とマスク機構１０７を固定し蒸着傘１０１とマスク１０６を回転させ成膜を実施することと、蒸着傘１０１とマスク１０６を固定し蒸着源１０３とマスク機構１０７を回転させ成膜を実施することとは同様のことである。従って、蒸着傘１０１とマスク１０６を固定し蒸着源１０３とマスク機構１０７を回転させる事によって同様の結果を得ることも可能である。

以上、本実施の形態について説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。特に、本実施の形態においては、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たが、本発明は真空蒸着法に限らずターゲットから基板に到達した遮光材を該基板に付着させるようにするスパッタリング法、あるいはスプレー法等も適用することができるものである。なお、これらの成膜法は一般的に知られているため、ここではその説明は省略する。

つぎに、本発明の実施例について説明する。
本実施例は、上記した本発明の構成及び実施の形態を、光量絞り用ＮＤフィルタの作製方法に適用したものであり、これらを図を用いて説明する。
まず、材質厚７５μｍのプラスチック基材（以下、ＰＥＴ基材と記す）上に、真空蒸着法により図１０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。
マスク機構１０７は図２に示す形態のものを使用し、図１（ａ）に示す様に、各成膜基板に設けたマスクの全てよりも蒸着源側で、蒸着源から最も距離を持ち、蒸着傘からＺ軸方向に平行移動した位置に配置した。
マスク機構の外形は、蒸着傘と同じものを使用し、マスクのスリット形状は図５で示す直線形を使用した。

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、また吸水性が低いＰＥＴを選択した。

次にチャンバーからマスク機構を取り外し、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ＭｇＦ_２を使用した。ここで、本実施例ではチャンバー内からマスク機構を取り外す方法を採用したが、その目的はマスク機構及びマスクによって蒸着粒子が遮蔽されるのを防ぐ事であるため、マスク機構及びマスクにより蒸着粒子が成膜基板に到達するのを遮蔽しない位置に移動させる事などによっても同様の効果を得る事が可能である。

以上のように第１層から最表層まで成膜した後、１１０℃ 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向上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Ａｌ_２Ｏ_３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。

ここで、膜厚分布は図６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。
但しこれは第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。
このように成膜されたＮＤフィルタが所定の形状に切り抜かれて羽根に接着されるまでの一例を示すと、図１８（ａ）のようなパターンを作製して、略三角形の形状に切り抜き、その後、この略三角形状に切り抜かれたＮＤフィルタ１を絞り羽根２に貼って図１９の状態になる。フィルタ１枚は図１８（ｂ）のようになっていて、０が端面部でそこからＸ_１Ｘ_２Ｘ_３までが濃度変化領域である。Ｘ_３からＸ_４は最も濃い均一濃度が形成されている。Ｘ_４からＸ_５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、第１層から最表層手前までの８層の構成においては図１２、第１層から第９層までの構成においては図１３に示すようになった。またこの時の距離と透過率は図１４、距離と反射率の関係は図１５に示すようになった。
さらに分光透過率は１６図、分光反射率は図１７に示すようになった。

本発明の実施の形態に用いる真空蒸着機の構成を説明する図であり、（ａ）は真空蒸着機におけるチャンバー内の簡易図、（ｂ）は基板の拡大図である。図１（ａ）で示すマスク機構の鳥観図である。図１（ａ）で示すマスク機構の別の形態の鳥観図である。図１（ａ）で示すマスク機構の別の形態の鳥観図である。本発明の実施の形態を説明する図であり、基板とマスク機構との距離、及びスリット幅を示す図である。本実施の形態によるマスク機構を用いてシミュレーションした結果の膜厚分布の一例を示す図である。本発明の実施の形態を説明する図であり、図６のパラメータとなっている基板上の位置Δｘにおける、成膜側の位置関係を示す図である。本発明の実施の形態を説明するための理想的グラデーション透過特性を持つ分布を示す図である。本発明の実施の形態を説明するための理想的グラデーション濃度分布を示す図である。本発明の実施例によって作製される蒸着ＮＤフィルタの膜構成を示す図である。従来例におけ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距離と膜厚の関係（第１層から最表層手前までの８層の構成）を表わしたグラフである。本発明の実施例における距離と膜厚の関係（第１層から第９層までの構成）を表わしたグラフである。本発明の実施例における距離と透過率の関係を表わしたグラフである。本発明の実施例における距離と反射率の関係を表わしたグラフである。本発明の実施例にける分光透過率を表わしたグラフ。本発明の実施例における分光反射率を表わしたグラフである。本発明の実施例のＮＤグラデーションフィルタを説明する図であり、（ａ）は蒸着後から抜き加工する状態の説明図、（ｂ）は本発明の実施例により作製されたＮＤグラデーションフィルタの構成を示す図である。本発明の実施例におけるＮＤフィルターが羽根に接着された状態を示す図である。

符号の説明

１０１：蒸着傘
１０２：基板
１０３：蒸着源
１０４：基材
１０５：基板治具
１０６：マスク
１０７：マスク機構
１０８：マスク機構に設けたスリットの幅
１０９：蒸着傘とマスク機構との距離
１１０、１１０’、１１０”：蒸着粒子通過領域

Claims

基板と蒸着源のうちの一方を回転機構により回転させ、前記基板に所定間隔を置いて設けられたスリット型マスクを介して前記蒸着源から到達した成膜材を付着させ、少なくとも２種類以上の層からなる膜を積層してグラデーション濃度分布を有する膜を形成する成膜工程を有するＮＤフィルタの製造方法であって、
前記成膜工程において、前記成膜材を通過させるための成膜材通過領域を有し、前記スリット型マスクと前記蒸着源との間に設けられたマスク機構を、前記蒸着源に対して固定した位置関係で、前記回転機構により前記基板と前記蒸着源の一方を回転させ、前記スリット型マスクに対して固定された位置関係の前記基板上に前記グラデーション濃度分布を有する膜を成膜することを特徴とするＮＤフィルタの製造方法。
前記成膜工程において、前記スリット型マスクのスリット幅、または前記スリット型マスクと基板上からの距離、または前記マスク機構の成膜材通過領域の形状の少なくとも１つを設定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。
前記基板上に成膜した後、１００℃から１３０℃の温度で空気中で熱処理する工程を有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。
前記成膜する工程は、前記マスク機構を用いて成膜する工程と、前記マスク機構を用いずに成膜する工程とを含み、前記マスク機構を用いて成膜する工程によって最表層以外のグラデーション濃度分布を有する膜を成膜し、前記マスク機構を用いずに成膜する工程によって最表層の膜を成膜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。