JP4963027B2

JP4963027B2 - Ｎｄフィルタおよびその製造方法、それらを用いた光量絞り装置

Info

Publication number: JP4963027B2
Application number: JP2006021927A
Authority: JP
Inventors: 孝幸若林; 真志内山; 宗利吉川; 一雄鈴木
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-01-31
Also published as: JP2007206136A

Description

本発明は、ＮＤフィルタおよびその製造方法、それらを用いた光量絞り装置に関する。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適した光量絞り装置、それに使用されるＮＤフィルタ、ＮＤフィルタの製造方法に関するものである。

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、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より小さく絞り込まれる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（ＮｅｕｔｒａｌＤｅｎｓｉｔｙ）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がされている。

例えば、図８に示すようなビデオカメラ等の撮像装置においては、撮像素子の感度が向上するに従い、小絞りによる回折などの悪影響を避けるため、つぎのような工夫がなされてきた。
すなわち、前記撮像素子の被写体側に配置されるＮＤフィルタの濃度を濃くして光の透過率を低下させ、被写体の明るさが同一でも絞りの開口を大きくできる様に工夫されてきた。
因みに、図８において１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄは撮影光学系１を構成するレンズ、２は固体撮像素子で３はローパスフィルタである。
また、４から７は絞り装置で、４がＮＤフィルタ、５と６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おり、７は絞り羽根支持板である。

近年、撮像素子の感度はさらに向上しつつあり、ＮＤフィルタの濃度は一層濃いものが必要となってきているが、同時にＮＤフィルタ表面の反射率の改善と可視光範囲における透過率の平坦性も必要となってきている。
これらを同時に満足させる製造方法として、プラスチック基材に金属膜を蒸着法を用いて形成する方法が知られている。
しかし、従来のように基材片面に、交互に膜を積層させた構成で高濃度膜を形成すると、金属酸化膜の物理膜厚が厚くなり、つぎのように不都合が生じる。
すなわち、光の干渉を用い透過率、反射率の特性を制御する役割の誘電体膜Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＦ₂と、透過率を減衰する役割のＴｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎｂ等の金属を酸化させた金属酸化膜を交互に積層させると、金属酸化膜の物理膜厚が厚くなる。
そのため、膜応力が大きくなり、膜表面にシワが発生したり、膜に細かな割れ目が入るクラックが発生し、画質低下の原因となる。
また、金属酸化膜の代替として金属膜と誘電体膜を交互に積層させた場合、つぎのような問題が生じる。
すなわち、金属膜固有の屈折率、消衰係数から金属膜の厚さに応じた各透過率特性に傾斜を有し、前記金属膜と誘電体の複数層構成では、更に透過率特性、反射防止特性の両者の特性を各透過率の目標において向上させることが困難となる。更に透過率特性、反射防止特性を得るためには、金属膜の各層の物理膜厚が非常に薄い層になってしまい、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉにおいて形成される各層の厚さは１〜１０ｎｍ、特に数ｎｍのものが多用されねばならない。
この金属膜（Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ）の透過率はその厚さに対して非常に敏感であり、特に上記の厚さで各層の膜厚を制御する場合、厚さが薄いため制御が難しく、再現性よく平坦な透過率特性が得られないという問題を有していた。
因に、ＮＤフィルタの透過率平坦性が求められている要因としては、感光面への入射光量を可視光領域全般にわたり均一に減少させる必要性等が挙げられる。

ところで、従来において、例えば特許文献１では、金属膜Ｔｉと誘電体膜の交互層で、膜の中央付近の誘電体膜をＳｉＯ₂にすることでクラックが生じない光吸収膜について提案されている。
また、特許文献２では、２種類以上の金属酸化物の透過率波長依存性が互いに相殺し合うことで、透過率平坦性の良好なＮＤフィルタが提案されている。
また、特許文献３では、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉなど成膜制御が難しい金属膜層に、Ｎｂを用いることによって成膜制御を容易にし、再現性よく平坦な透過率特性のＮＤフィルタについて提案されている。
特開平０５−０９３８１１号公報特開平０７−０６３９１５号公報特開２００２−３５０６１０号公報

しかしながら、上記従来例のＮＤフィルタにおいては、つぎのような点で必ずしも満足の得られるものではなかった。
例えば、特許文献１においては、全ての光吸収膜にＴｉを用いているため、Ｔｉ成膜時の制御が不安定であり、透過率平坦性が必ずしも良好ではない。
また、特許文献２は、光吸収膜に金属酸化物のみを用いているため、高濃度のＮＤを作製した場合、金属酸化膜の膜厚が厚くなるため、総膜厚も厚くなりクラックが発生する場合が生じる。
また、特許文献３は、濃度１．０以上の高濃度領域において、あるいはＴｉを含めての膜構成において、透過率平坦性につき必ずしも満足の得られるものではなかった。

本発明は、上記課題に鑑み、クラックやシワの発生を抑制することが可能となるＮＤフィルタおよびその製造方法、それらを用いた光量絞り装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を達成するために、以下のように構成したＮＤフィルタおよびその製造方法、それらを用いた光量絞り装置を提供するものである。
本発明の透過光量を調節するＮＤフィルタは、
基体上に積層膜を備え、該積層膜が、誘電体膜と金属酸化膜とで構成される交互層の前記金属酸化膜の層の一部を、前記金属酸化膜を構成する金属元素の金属膜の層に代替した光学多層膜を含むことを特徴としている。
また、本発明のＮＤフィルタは、前記誘電体膜がＡｌ_２Ｏ_３、前記金属酸化膜がＴｉ_ＸＯ_Ｙ、前記金属膜がＴｉであることを特徴としている。
また、本発明のＮＤフィルタは、前記Ｔｉによって形成される金属膜が、膜厚１０ｎｍ以上であることを特徴としている。
また、本発明のＮＤフィルタは、前記光学多層膜の濃度が１．０以上であ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、基体上に上記したいずれかに記載の光学多層膜によって構成された積層膜を備えたＮＤフィルタを製造する方法であって、
前記基体上に前記積層膜を成膜するに際し、真空蒸着法を用いて成膜する工程を有することを特徴としている。
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る開口内の少なくとも一部に配置されたＮＤフィルタを有する光量絞り装置において、
前記ＮＤフィルタが、上記したいずれかに記載のＮＤフィルタ、または上記したＮＤフィルタの製造方法によるＮＤフィルタによって構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、クラックやシワの発生を抑制することが可能となるＮＤフィルタおよびその製造方法、それらを用いた光量絞り装置を実現することができる。

以上のように、積層膜を誘電体膜と金属酸化膜と１層以上の金属膜とを含む本発明の光学多層膜の構成によれば、光学多層膜を薄くすることができる。特に、濃度１．０以上のＮＤフィルタにおいて、クラックやシワの発生を抑制することが可能となる。
また、金属膜の層厚を１０ｎｍ以上にすることで膜厚制御も容易になり、安定した光学特性を実現することができる。
本発明の上記構成は、ステップＮＤフィルタやグラデーションＮＤフィルタにも有効に適用することができる。
従来では、高濃度のＮＤフィルタを作製するに際し、高濃度膜を数回重ねて成膜していたため、隣り合う濃度膜との透過波面位相差が大きくなるという不都合を有していた。
しかしながら、本発明の上記構成によれば、隣り合う濃度膜との透過波面位相差を少なくすることができ、光学特性を向上させることが可能となる。

つぎに、本発明の実施の形態のＮＤフィルタにおける成膜法について説明する。
図４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４において、１２は成膜を施す基板、１３は実際に成膜を実施する基材、１４は基材１３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１２とは、図４（ｂ）に示すように基板治具１４に基材１３がセットされた状態のものを意味している。
一般的に真空蒸着法においては、図４（ａ）の様にチャンバー内の基板１２は蒸着傘１５に備え付けられ、この蒸着傘１５と共に基板１２が回転し成膜が行われる。その際、この各基板１２上の蒸着源１６側に、例えば複数枚の遮蔽板により構成されたマスクが設けられる。
このマスクにより、蒸着源１６と基板１２及びマスクとの位置関係から、蒸着する蒸着粒子はマスクを通過して基板１２まで到達できたり、マスクに遮られ基板１２まで到達できなかったりすることになり、傾斜膜厚分布を有する膜が形成される。

なお、以上の説明では、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について説明したが、本発明はこのような成膜法に限られるものではない。例えば、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、あるいはインクジェットプリンティング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、ここではこれらについての説明は省略する。

以下、本発明の実施例と、比較例について説明する。
［実施例］
まず、本発明を適用した実施例におけるＮＤフィルタについて説明する。
本実施例での基材は、膜厚７５μｍのポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと記す）を使用した。
この基材には、上記ＰＥＴ以外にもポリカーボネートやノルボルネン系樹脂などを用いてもよい。
ここでＰＥＴを使用した理由は、ＰＥＴは材料が安価でありながら、耐熱性（ガラス転移点Ｔｇ）や可視域の波長域で透明性が高いことによる。
基材上に薄膜を形成する方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、インクジェットプリンティング法、等を用いることができる。
本実施例では上記方法のうち、膜厚を比較的に容易に制御でき、かつ可視域の波長域で散乱をきわめて小さくすることが可能となる真空蒸着法で成膜を行った。

本実施例においては、図１に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃層とＴｉ_XＯ_Y層の交互膜のうち、６層と８層の２層をＴｉ層に代替した１１層の膜構成によるＮＤフィルタを構成した。
成膜条件は、基板設定温度１３０℃、成膜圧力８．４０Ｅ−４Ｐａとし、蒸着源から基板までの距離が９５０ｍｍのチャンバーにて成膜を行った。
本実施例の上記１１層によるＮＤフィルタの膜厚構成を表１に示す。また、本実施例の膜構成によるＮＤフィルタの光学特性である透過率と反射率のグラフを図５に示す。

本実施例においては、上記光学特性の目標仕様は、濃度１．５（透過率３．１６％）で透過率の平坦性は６％以下、反射率は３％以下となるように光学設計を行った。
なお、平坦性は波長４００ｎｍから７００ｎｍの範囲における透過率において、透過率Ｍａｘ．値からＭｉｎ．値を引いた差を、波長５５０ｎｍの透過率で割った商で求められ、以下の式（１）で表わされる。
（ＴＭａｘ．−ＴＭｉｎ．）／Ｔ５５０ｎｍ……（１）
次に、透過率と濃度の関係について説明する。
これらの関係については、以下の式（２）で表わされる。
濃度（ＮＤ）＝−Ｌｏｇ（透過率）……（２）
濃度ＯＤ（オプティカルデンシティー）は透過率の対数で導くことができ、透過率の値が低いほど濃度は濃くなる関係である。

成膜されたトータルの物理膜厚は３８６．６ｎｍで、基材や膜にクラックやシワの発生はなかった。
膜の密着度を確認するため、ＪＩＳに基づいた方法でクロスカット試験を実施した結果、膜剥がれも生じなかった。
本実施例では、透明樹脂基材と膜との密着性を向上させるため、公知である１層目のＡｌ₂Ｏ₃をＳｉＯにする処置を施した。
光学特性については反射率３％以内で、透過率も平坦性４％台の優れた特性を導くことができた。

本実施例では表１に示されるように、Ａｌ₂Ｏ₃層とＴｉ_XＯ_Y層の交互膜において、６層目Ｔｉ_XＯ_Yと８層目Ｔｉ_XＯ_Yの層厚の厚い層を、Ｔｉに代替することにより、膜全体の膜厚を薄くすることができる。
また、Ｔｉ層はそれぞれ層厚が１０ｎｍ以上であるので、成膜時の制御、光学特性を安定させることが可能となる。
また、本実施例では、Ａｌ₂Ｏ₃層とＴｉ_XＯ_Y層の交互膜のうち２層をＴｉ層に代替したが、例えば１層のみ、若しくは３層をＴｉ層に代替してもクラックやシワが発生せず、膜密着性、光学特性に優れた膜になることが確認されている。
しかし、４層以上の層をＴｉにした場合には、Ｔｉの成膜制御が厳しくなる層が出てきたり、分光特性も波長４００ｎｍから７００ｎｍの範囲で長波長側の透過率が高くなる傾向となり、ＮＤフィルタ本来のフラットな特性に制御することが難しくなる。

（比較例１）
比較例１においては、図２に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃層とＴｉ_XＯ_Y層の交互膜により、１１層の膜構成によるＮＤフィルタを構成した。
成膜条件は、実施例と同様の基板設定温度１３０℃、成膜圧力８．４０Ｅ−４Ｐａとし、蒸着源から基板までの距離が９５０ｍｍのチャンバーにて成膜を行った。
本比較例の上記１１層によるＮＤフィルタの膜厚構成を表２に示す。また、比較例１の膜構成によるＮＤフィルタの光学特性である透過率と反射率のグラフを図６に示す。
本比較例の光学特性の目標仕様は、濃度１．５（透過率３．１６％）で透過率の平坦性は６％以下、反射率は３％以下となるように光学設計を行った。

成膜されたトータルの物理膜厚は４４６．７ｎｍで、基材や膜にクラックやシワが発生した。
膜の密着度を確認するため、ＪＩＳに基づいた方法でクロスカット試験を実施した結果、膜剥がれが生じた。
光学特性については反射率３％以内となったが、透過率はＴｉ_XＯ_Y膜固有の屈折率、消衰係数から各透過率特性に傾斜を有している影響で、波長７００ｎｍ側の透過率が下がり、また波形の振幅も大きくなり平坦性は１０％以上になる結果となった。

（比較例２）
比較例２においては、図３に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃層とＴｉ層の交互膜により、１１層の膜構成によるＮＤフィルタを構成した。
成膜条件は、実施例と同様の基板設定温度１３０℃、成膜圧力８．４０Ｅ−４Ｐａとし、蒸着源から基板までの距離が９５０ｍｍのチャンバーにて成膜を行った。
本比較例の上記１１層によるＮＤフィルタの膜厚構成を表３に示す。また、比較例２の膜構成によるＮＤフィルタの光学特性である透過率と反射率のグラフを図７に示す。
本比較例の光学特性の目標仕様は、濃度１．５（透過率３．１６％）で透過率の平坦性は６％以下、反射率は３％以下となるように光学設計を行った。

成膜されたトータルの物理膜厚は３７１．４ｎｍで、基材や膜にクラックやシワの発生はなかった。膜の密着度を確認する為ＪＩＳに基づいた方法でクロスカット試験を実施した結果、膜剥がれも生じなかった。光学特性については反射率３％以内となったが、透過率はＴｉ膜固有の屈折率、消衰係数から各透過率特性に傾斜を有している影響で、波長７００ｎｍ側の透過率が上がり、波形のうねりは少ないものの平坦性は１０％以上になる結果となった。

最後に、上記した実施例の環境安定性について述べる。
上記で説明した本実施例のＮＤフィルタの環境安定性を調べるため、この実施例のＮＤフィルタを６０℃ ９０％２４０時間（Ｈ）の放置試験を行った。
この試験前後における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。
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。
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・酸素等を透過し易い。
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。

以上の本実施例の膜は、ステップＮＤフィルタやグラデーションＮＤフィルタにも応用できる。
これらＮＤフィルタの場合、濃度の薄い領域から濃い領域まで異なる濃度が必要である。
これら従来例のＮＤフィルタにおいては、膜の構成として、薄い濃度膜を数回重ねることで濃い濃度膜を作成しているのが現状である。
その際、数回重なって成膜された膜部分は成膜回数分の熱が加わると共に膜厚も厚くなるため、クラックやシワの発生する確率が高くなる。
しかも、膜が重なり合った部分では重ねた膜の濃度の和にならず、所定の濃度よりも濃度が薄くなる。
また、透過率の平坦性も光学特性的に不安定で、重ねた時の条件で不規則に変化するため制御は難しい。
以上のような問題点も、上記した本実施例のように構成することで、解決することが可能となる。

本発明の実施例におけるＮＤフィルタの膜構成を示す図。比較例１におけるＮＤフィルタの膜構成を示す図。比較例２におけるＮＤフィルタの膜構成を示す図。真空蒸着機、チャンバー内簡易図。本発明の実施例のＮＤフィルタの膜構成における光学特性である透過率と反射率を示すグラフ。比較例１のＮＤフィルタの膜構成における光学特性である透過率と反射率を示すグラフ。比較例２のＮＤフィルタの膜構成における光学特性である透過率と反射率を示すグラフ。ビデオカメラに使用される撮影光学系の構成例を説明する図。

符号の説明

１：撮影光学系
２：固体撮像素子
３：ローパスフィルタ
４：ＮＤフィルタ
５：絞り羽根
６：絞り羽根
７：絞り羽根支持板
１２：基板
１３：基材
１４：基板治具
１５：蒸着傘
１６：蒸着源

Claims

透過光量を調節するＮＤフィルタであって、
基体上に積層膜を備え、該積層膜が、誘電体膜と金属酸化膜とで構成される交互層の前記金属酸化膜の層の一部を、前記金属酸化膜を構成する金属元素の金属膜の層に代替した光学多層膜を含むことを特徴とするＮＤフィルタ。
前記誘電体膜がＡｌ_２Ｏ_３、前記金属酸化膜がＴｉ_ＸＯ_Ｙ、前記金属膜がＴｉであることを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタ。
前記Ｔｉによって形成される金属膜が、膜厚１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載のＮＤフィルタ。
前記光学多層膜は、濃度が１．０以上であ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。
基体上に請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学多層膜によって構成された積層膜を備えたＮＤフィルタを製造する方法であって、
前記基体上に前記積層膜を成膜するに際し、真空蒸着法を用いて成膜する工程を有することを特徴とするＮＤフィルタの製造方法。
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る開口内の少なくとも一部に配置されたＮＤフィルタを有する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ＮＤフィルタ、または請求項５に記載のＮＤフィルタ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。