JP4945275B2 - 光学フィルタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ビデオカメラ或いはデジタルスチールカメラ等の撮影系の光量調節に使用するのに適した光学フィルタの製造方法に関するものである。

従来、ビデオカメラやデジタルスチールカメラ等に使用される光量調整装置においては、光量を調整するために光量調整用絞り羽根と共に光量調整用の光学フィルタとして、例えばＮＤフィルタ（Neutral Density Filter）が用いられている。このＮＤフィルタは絞り羽根が小絞りの際のハンチングや光学上の回折現象による解像力の低下等の課題を解決するために、絞り羽根と共に絞り開口に挿入するようにされている。

光量調節装置においては、近年の撮像素子の感度向上に伴い、ＮＤフィルタの濃度を濃くすることにより、光の透過率を低下させ、被写界の明るさが同一でも絞りの開口をより大きくする工夫がなされている。通常では、ＮＤフィルタは透明樹脂シート基材の表面に、光学的フィルタ特性及び反射防止特性を有する蒸着膜を成膜した後に、プレス加工等により必要なフィルタ形状に切断加工して製作している。

しかし、この蒸着膜は硬くて脆い材料であるため、蒸着膜を形成させた透明樹脂シート基材をプレス装置等によりフィルタ形状に切断加工を行う際に、その切断面からクラックを生じてしまうことがある。このクラックは光の乱反射の原因となり、レンズ光学系内においてフレアを生じ、光学解像度の低下の原因となる。

また、透明樹脂シート基材は切断加工時のプレス金型の上型で押圧し切断される際に、厚さ方向の変形を生じ蒸着膜が剥離してしまうことがある。蒸着膜の剥離が生ずると、レンズ光学系内での塵埃となり、光学的な不具合が生ずるのみでなく、この塵埃が可動レンズのガイド軸等の可動部分に悪影響を与える虞れがある。

この問題を防止するため、例えば特許文献１においては、フィルタの外周端部である切断加工部には蒸着膜が成膜されないようにする方法が開示されている。また、特許文献２においては、予めフィルタ形状の一部を切断した後に、蒸着膜を成膜し、成膜後に残り部分を切断することにより、上述の問題を解消する方法が開示されている。

特開２００３−２０２６１２号公報 特開２００３−２０２６１３号公報

しかしながら、上述のようにプレス装置等で切断加工を行う際には蒸着膜のクラックや蒸着膜の剥離の虞れがあるため、プレス加工後に、クラックや蒸着膜の剥離検査工程が不可欠であり、この検査工程や歩留まりの悪さによって高価なものとなってしまう。しかし、この検査工程を行っても、レンズ光学系内での蒸着膜の小片脱落を防ぐことは不十分である。

また、特許文献１に示す方法においては、光学フィルタの外周端部は透明樹脂シート基材自体が露出しているため反射率が高くなる。従って、このように製作した光学フィルタを光学系に組み込み、絞り開口部にこの光学フィルタの外周端部が挿入されると、ゴーストやフレア等が発生する可能性が高い。

更に、特許文献２に示す方法においては、切断加工の工程が２回となり、工程が複雑になる。また、予めフィルタ形状の一部を切断しているためフィルタを支持する部分が少なく、蒸着時の熱等により基材が変形を起し易くなり、更にクラックや剥離も少ないとは云え、皆無ではない。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、ゴーストやフレア等の発生を防止すると共に、フィルタ形状に切断加工する際に、切断加工部からクラックが生じたり、蒸着膜が剥離したりすることを防止できる光学フィルタの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る光学フィルタの製造方法の技術的特徴は、透明樹脂基板の上に薄膜を形成すべき領域を囲むように無反射凹凸構造体を形成する工程と、前記無反射凹凸構造体に囲まれた前記領域内に光量を減衰させるために複数の金属膜と誘電体膜とを積層した前記薄膜を成膜する工程と、前記薄膜から離れた位置における前記無反射凹凸構造体を形成した領域において前記薄膜の外周端部に前記無反射凹凸構造体の領域が残るように前記基板から前記薄膜を切り抜く工程とを備えることにある。

本発明に係る光学フィルタの製造方法によれば、光学フィルタの外周に無反射凹凸構造体を設けることにより、ゴーストやフレア等の発生を防止すると共に、切断加工時のクラックの発生及び蒸着膜の剥離を防止することができる。

更に、薄膜の周囲に無反射凹凸構造体を形成し、基板の素地の反射率を低減させることで、フィルタが光量調整装置の絞り開口部に設けた際のゴースト、フレアを防止する効果がある。また、ＡＲ膜（Anti-Reflection Coating）を成膜するよりも、蒸着回数を減少させることにより、ランニングコスト低減を実現することができる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１はカメラの撮影光学系の構成図を示し、レンズ１、光量絞り装置２、レンズ３、４、５、ローパスフィルタ６、ＣＣＤ等から成る固体撮像素子７が順次に配列されている。光量絞り装置２においては、絞り羽根支持板８に一対の絞り羽根９ａ、９ｂが可動に取り付けられている。絞り羽根９ａには、絞り羽根９ａ、９ｂにより形成される略菱形形状の可変の開口部が形成され、この開口部を通過する光量を減衰させるためのＮＤフィルタ１０が接着されている。

被写体像はレンズ１、ＮＤフィルタ１０を備えた光量絞り装置２、レンズ３、４、５、ローパスフィルタ６を経て、固体撮像素子７により受像される。

図２は本実施例において製造するＮＤフィルタ１０の平面図である。ＮＤフィルタ１０は透明樹脂基板から成るＰＥＴ基板１１上に略三角形の輪郭状に無反射凹凸構造体１２が形成され、その内側にフィルタ機能を有するＮＤ膜１３が成膜されている。図２に示す無反射凹凸構造体１２上の一点鎖線に沿ってプレスを用いて打ち抜く。これにより、ＮＤフィルタ１０は基板１１の材質が露出することがない。

図３は本実施例において製造するＮＤフィルタ１０の製造プロセスの工程図を示している。先ずステップＳ１において、板厚１００μｍのシート状のＰＥＴ（ポリエチレンテフレタレート）から成る基板１１上にフィルタ機能を有する薄膜を形成する領域を囲むように無反射凹凸構造体１２を形成する。本実施例においては、所定幅を有する輪郭形状の無反射凹凸構造体１２を形成する。次のステップＳ２において、ステップＳ１において形成した無反射凹凸構造体１２の内側にＮＤ膜１３を成膜する。そしてステップＳ３において、この無反射凹凸構造体１２の領域内を輪郭としてＮＤフィルタ１０をプレスを用いて打ち抜く。

このＮＤフィルタ１０の基板１１に用いる基材は、ガラス板よりも有機無機複合材料から成る合成樹脂フィルム材料の方が成形性、量産性等の点から好ましい。有機無機複合材料は有機成分と無機成分とが分子レベル又はナノスケールレベルで混合複合化されたものである。ＩＰＮ構造の有機無機複合材料での有機成分としては、主に炭素−炭素結合を主鎖骨格に有する所謂有機骨格から成る高分子であり、鎖状又は架橋されたものであり、目的に応じて適宜選択することができる。

例えば、セルロースエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリエーテルケトン等である。

セルロースエステルとしては、例えばトリアセチルセルロース、ジアセチルセルロース、プロピオニルセルロース、ブチリルセルロース、アセチルプロピオニルセルロース、ニトロセルロース等が挙げられる。

ポリエステルとしては、例えばＰＥＴ、ポリエチレンナフタレート、ポリ−１，４−シクロヘキサンジメチレンテレフタレート、ポリエチレン−１，２−ジフェノキシエタン−４，４’−ジカルボキシレート、ポリブチレンテレフタレート等が挙げられる。

ポリスチレンとしては、例えばシンジオタクチックポリスチレン等が挙げられる。

ポリオレフィンとしては、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン等が挙げられる。これらの中でも、トリアセチルセルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート及びポリエチレンナフタレートが特に好ましい。

図４は無反射凹凸構造体１２の拡大斜視図を示し、ＰＥＴ基板１１上には多数個のＮＤフィルタ１０が得られるようになっており、各ＮＤフィルタ１０の輪郭位置に無反射凹凸構造体１２を形成する。この無反射凹凸構造体１２は図５（ａ）に示すように円錐形状の多数の周期的に配置した微細凹凸１２ａから成っている。

反射防止の原理としては、光の反射が異なる屈折率を持つ媒質の界面を光が透過する際に、屈折率差のために全反射が生ずるためである。全反射する臨界角θｃは、θｃ＝ｓｉｎ^-1（ｎ１／ｎ２）で表される（ｎ１、ｎ２はそれぞれの媒質の屈折率）。反射防止面となる無反射凹凸構造体１２は、屈折率が連続的に変化している層と同等の反射防止効果が得られ、無反射凹凸構造体１２は微視的な範囲では、ｎ１≒ｎ２となり、非常に大きな臨界角となる。

このため、光の入射角が大きくなっても、良好な反射防止効果を得ることができることが知られている。表面における無反射凹凸構造体１２の凹凸周期（Λ）は１０〜４００ｎｍが好ましく、また、無反射凹凸構造体１２の屈折率をｎとしたとき、Λ＜４００／ｎ（ｎｍ）がより好ましく、このような条件においては可視光の散乱は生じ難くなる。また、微細凹凸１２ａの高さ（深さ）は５０〜１０００ｎｍが好ましく、２００〜１０００ｎｍがより好ましく、更には３００〜１０００ｎｍが好ましい。

また、微細凹凸１２ａの形状としては、特に制限はないが、目的に応じて適宜に選択することができる。例えば、本実施例においては、図５（ａ）に示す入射角依存性の少ない円錐形状微細凹凸１２ａを用いているが、図５（ｂ）に示す三角錐形状の微細凹凸１２ｂ、図５（ｃ）に示す四角錐形状の錐形体から成る微細凹凸１２ｃを用いることができる。釣り鐘型や空気界面側がすぼまった一軸方向に波打った型等の形状によって、空気界面（屈折率約１）から支持体までの平均屈折率が連続的に変化する構造のものでよい。これらの中でも、円錐形状、三角錐形状、釣り鐘形状のように方向性のないものがより好ましく、図５（ａ）〜（ｃ）に示す円錐形状、三角錐形状、四角錐形状のように、厚み方向の屈折率の連続変化が直線的で一次関数であるものが特に好ましい。

無反射凹凸構造体１２の配列には正方配列や六方細密配列等があるが、本実施例では図４に示すような基板１１の露出面が少なく、良好な反射防止効果が得られる六方細密配列の構成とした。反射率の制御に関しては、無反射凹凸構造体１２のアスペクト比の関係（微細凹凸１２ａの深さ／凹凸周期）により変化させることができる。

本実施例においては、波長４００〜７００ｎｍの可視光域における反射率を０．５％以下とするために、無反射凹凸構造体１２の凹凸周期を２５０ｎｍとし、微細凹凸１２ａの深さを２５０ｎｍ以上のアスペクト比１以上とした。逆に、微細凹凸１２ａの深さを固定し、無反射凹凸構造体１２の凹凸周期を短く、アスペクト比１以上とすることで同様の効果が得られる。

この無反射凹凸構造体１２の作製方法としては、安価で大面積加工の安定製造の観点から、相補的な微細凹凸構造を有するスタンパを圧接して基板１１に微細凹凸１２ａを転写する方法を用いることができる。基板１１へ微細凹凸１２ａを転写する際の転写率は、先端が丸みを帯びてしまうこともあり、通常８０％程度である。また、微細凹凸１２ａの凹凸形状は、凸形状よりも凹形状の方が特性精度は高い。

本実施例においては、無反射凹凸構造体１２は基板１１の片面のフィルタ１０の輪郭形状にのみ形成したが、ＮＤ膜１３を成膜する領域を除く基板１１の表面全体に形成してもよい。

図６はＮＤ膜を蒸着するための真空蒸着機のチャンバの構成図を示している。チャンバ２１内には、蒸着源２２、回転可能な蒸着傘２３が設けられ、この蒸着傘２３には基板治具２４が配置されている。図７は基板治具２４の拡大断面図を示し、この基板治具２４にはＮＤフィルタ１０の基板となるＰＥＴ基板１１が取り付けられ、蒸着傘２３と共にＺ軸を中心に回転し成膜が行われる。

成膜条件は基板設定温度１３０℃、成膜圧力８．４０×１０^-4Ｐａとし、蒸着源２２から基板１１までの距離が９５０ｍｍにおいて成膜を行った。

本実施例では、真空蒸着法により基板１１上に蒸着膜である薄膜を成膜しているが、スパッタリング法、インクジェットプリンティング法等を用いることもできる。

図８は本実施例におけるＮＤフィルタ１０のＮＤ膜１３の構成図を示している。ＮＤ膜１３はＰＥＴ基板１１上に光量を減衰させる金属膜と誘電体膜の交互の複数層から成る薄膜から構成されている。光減衰膜としては、Ｔｉ、Ｔｂ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｙ、Ｚｎ、Ｚｒ等を酸化させた酸化物材料が用いられ、誘電体膜としてはＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＦ₂等が用いられる。本実施例では、第１、３、５、７、９層の誘電体膜にＡｌ₂Ｏ₃膜３１、第２、４、６、８、１０層にＴｉｘＯｙ膜３２を交互に積層し、空気と接する最上層をＭｇＦ₂膜３３とした１１層の膜構成とした。このような膜構成にすることにより、透過率平坦性が６％以下と平坦性に優れ、反射率が低反射な光学特性を実現することができる。

なお、透過率平坦性は４００〜７００ｎｍの波長の範囲において、最大透過率Ｔmaxから最小透過率Ｔminを引いた差を波長５５０ｎｍにおける透過率Ｔ５５０で除した次の式（１）で表される。
（Ｔmax−Ｔmin）／Ｔ５５０ ・・・（１）

図９は無反射凹凸構造体１２及びＮＤ膜１３を設けた基板１１をプレス装置等によりＮＤフィルタ１０の略三角形の外形となる部分を切り抜き加工をする説明図である。基板１１上のＮＤフィルタ１０は、ＮＤ膜１３を成膜した領域と、その外周端部にＮＤ膜１３は成膜せずに、無反射凹凸構造体１２を形成した領域を有している。

ＮＤフィルタ１０は無反射凹凸構造体１２上のＮＤ膜１３から離れた位置において切断することが望ましく、その切断面からＮＤ膜１３へのクラックの発生を防止することができる。また、ＮＤフィルタ１０は輪郭状の無反射凹凸構造体１２を形成することにより、基板１１自体が露出する領域がなく、ゴーストやフレアの発生を低減することができる。更に、切断加工時にＮＤ膜１３からの距離を大きくすることにより、成膜したＮＤ膜１３にストレスを与えることが少なく、ＮＤ膜１３が基板１１から剥離することを防止できる。

上述の方法により製造したＮＤフィルタ１０の環境安定性を調べるために、温度６０℃、湿度９０％において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％以下と殆ど差は見られなかった。

また、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挙げられる。蒸着膜の封止密度は成膜時の基板温度に大きく影響し、蒸着温度が低いと封止密度が低くなり、水分・酸素等を透過し易く、そのため光減衰膜であるＴｉｘＯｙ膜３２の酸化が促進される。また、それを保護するＡｌ₂Ｏ₃膜３１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。

図１０はＮＤ膜１３の外周端部にＰＥＴ基板１１が剥き出しに露出した従来例と、無反射凹凸構造体１２を形成した実施例の反射率を比較したグラフ図である。基板１１を露出した場合には反射率は９％前後、無反射凹凸構造体１２を形成した場合には反射率１％以下となる。

このように、基板１１を露出した場合には、無反射凹凸構造体１２を形成した場合や、ＮＤ膜１３の形成時の反射率３％以下よりも圧倒的に反射率が高いことが分かる。

撮影光学系の構成図である。 ＮＤフィルタの平面図である。 製造プロセスの工程図である。 無反射凹凸構造体の拡大斜視図である。 微細凹凸の斜視図である。 チャンバの構成図である。 基板治具の拡大断面図である。 ＮＤ膜の構成図である。 ＮＤフィルタの切断加工の説明図である。 無反射凹凸構造体の有無による反射率のグラフ図である。

符号の説明

１、３、４、５ レンズ
２ 光量絞り装置
６ ローパスフィルタ
７ 固体撮像素子
８ 絞り羽根支持板
９ 絞り羽根
１０ ＮＤフィルタ
１１ ＰＥＴ基板
１２ 無反射凹凸構造体
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 微細凹凸
１３ ＮＤ膜
２１ チャンバ
２２ 蒸着源
２３ 蒸着傘
２４ 基板治具
３１ Ａｌ₂Ｏ₃膜
３２ ＴｉｘＯｙ膜
３３ ＭｇＦ₂膜

Claims (5)

1. 透明樹脂基板の上に薄膜を形成すべき領域を囲むように無反射凹凸構造体を形成する工程と、前記無反射凹凸構造体に囲まれた前記領域内に光量を減衰させるために複数の金属膜と誘電体膜とを積層した前記薄膜を成膜する工程と、前記薄膜から離れた位置における前記無反射凹凸構造体を形成した領域において前記薄膜の外周端部に前記無反射凹凸構造体の領域が残るように前記基板から前記薄膜を切り抜く工程とを備えることを特徴とする光学フィルタの製造方法。
2. 前記無反射凹凸構造体を形成した領域は略三角形の輪郭状としたことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタの製造方法。
3. 前記無反射凹凸構造体は１０〜４００ｎｍの周期で、多数の高さ５０〜１０００ｎｍの凹形状又は凸形状の錐形体を配列することを特徴とする請求項１又２に記載の光学フィルタの製造方法。
4. 絞り開口部の大きさを可変する複数の可動の絞り羽根と、該絞り羽根により形成される前記開口部の少なくとも一部に配置し光量調整のためのＮＤフィルタとを備えた光量絞り装置において、前記ＮＤフィルタは請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタの製造方法によって製造したことを特徴とする光量絞り装置。
5. 光学系と、該光学系を通過する光量を制限する請求項４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像する固体撮像素子とを有することを特徴とするカメラ。