JP5227506B2

JP5227506B2 - Ｎｄフィルタ

Info

Publication number: JP5227506B2
Application number: JP2006295471A
Authority: JP
Inventors: 孝幸若林; 一雄鈴木; 宗利吉川; 真志内山
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: JP2008112034A

Description

本発明は、ビデオカメラ或いはスチールカメラ等の撮影系に使用するのに適したＮＤフィルタに関するものである。

近年、ビデオカメラ、スチールカメラ等の光学機器において、撮像素子の感度が向上するに伴い、ＮＤフィルタの濃度を濃くすることにより光の透過率をより低下させ、同じ被写界の明るさに対して絞りの開口をより大きくする工夫がなされている。

撮像素子の撮像面とＮＤフィルタとは平行に配置されるため、撮像面とＮＤフィルタの相互反射によってゴーストやフレアが発生してしまうことがある。また、ＮＤフィルタの濃度が濃過ぎると絞り開口を小さくしてゆく過程で、ＮＤフィルタが絞り開口部の全面を覆う直前に小絞りと同様な状態となり、回折現象が発生し解像度が低下する等の不具合が生ずる虞れがある。

特許文献１においては、２枚の絞り羽根にそれぞれ光軸中心から放射方向外側へ透過率が低下するようなＮＤフィルタを取り付けたことにより、解像度の低下を防止する方法が開示されている。

また、特許文献２においては、ＮＤフィルタを逆Ｖ字状、又は円弧状となるように曲げて形成することにより、撮像面からの反射光を拡散させる方法が開示されている。

更に、特許文献３においては、ＮＤフィルタの縁部に光軸に対して傾斜した面を設けることにより、そこを通過する光によって起こるフレアを防止する方法が開示されている。

また、従来のグラデーション領域を有するＮＤフィルタは、蒸着用マスクを用いて濃度勾配を有する蒸着膜を成膜した後に、ゴーストやフレアを防止するためにマスクを取り外し、最表層に均一な厚みを有する反射防止膜を成膜するため、成膜に時間が掛かりコストも高くなっている。

特開平８−４３８７８号公報特開平１１−１６７１４０号公報特開２００４−１３８８６５号公報

しかしながら、特許文献１において開示された技術においては、透過率が段階的又は連続的に変化するＮＤフィルタを使用することが開示されているが、特性に関する具体的な値の開示がなく不明確である。

特許文献２において開示された技術では、ＮＤフィルタの形状が逆Ｖ字状又は円弧状であるため、光学系スペースを占有する体積が大きくなってしまい、近年の小型・省スペース化に対応できない等の欠点を有している。このように、逆Ｖ字状又は円弧状となるように曲げて形成することにより、物理的に撮像面からの反射光を拡散させる方法を採用した単濃度のＮＤフィルタがある。しかし、それとは異なり濃度が段階的又は連続的に変化する領域を有するＮＤフィルタは、民生用ビデオカメラに用いられることが多く、常に絞り開口部を進退しているため、このような場合Ｖ字状や円弧状にすると他の部材と擦れることにより傷等が発生する可能性もあり、好ましい方法ではない。

また、特許文献３において開示された技術においては、使用される基材の厚みは最大でも０．２ｍｍ程度であり、金型による打ち抜き等で縁部に傾斜面を設けるのは、実際には極めて困難であるという問題がある。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、絞り開口部へＮＤフィルタの端部が光路内に進入する際に生ずる回折現象やゴーストやフレア等の画像劣化を防止でき、安価に製造可能なＮＤフィルタ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ＮＤフィルタの技術的特徴は、透明基材上に金属蒸着膜及び酸化金属蒸着膜のうちの少なくとも何れか一方と誘電体蒸着膜を積層してＮＤ膜を成膜し、光量絞り装置の絞り開口部に挿入するＮＤフィルタにおいて、前記透明基材の少なくとも一方の面に成膜したＮＤ膜について、膜厚を連続的に変化することにより濃度が連続的に変化するグラデーション領域を少なくとも１つ形成し、前記光量絞り装置の絞り開口部に進入する側となる前記透明基板の端部に達するまで延設された前記グラデーション領域において前記端部の濃度が最も薄くなるように前記グラデーション領域の濃度を連続的に変化させ、前記グラデーション領域が延設された前記透明基板の端部において前記濃度を０．１５以上とし、かつ波長５５０ｎｍの光の反射率を３％以下としたことにある。

本発明に係るＮＤフィルタによれば、ＮＤフィルタの形状を変形させることなく、ＮＤ膜による対応で解決できるため、製造が容易でかつ占有する体積がコンパクトとなり、低いコストで小型・省スペース化を実現することができる。また、特に緑色のフレアの発生を防止することにより、画質の向上を図ることができる。

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開口部を通過する光量を減光するためのＮＤフィルタ１０が接着されている。

図２はＮＤフィルタ１０を製造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１１内には、蒸着源１２、回転可能な蒸着傘１３が設けられ、この蒸着傘１３には基板治具１４が配置されている。図３は基板治具１４の拡大断面図を示しており、この基板治具１４にはＮＤフィルタ１０の基板となる透明基板１５が取り付けられ、蒸着傘１３と共にＺ軸を中心に回転し成膜が行われる。

本実施例においては、基板１５の温度は１００〜１３０℃の範囲で設定し、真空度は１．０×１０^-3〜８．０×１０^-4Ｐａの範囲の環境下で成膜を行い、チャンバ１１は蒸着源１２から基板１５までの距離が９５０ｍｍのものを使用する。

また、基板１５の基材としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＴＡＣ（トリアセテート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）や光学用フィルムとして知られているＺＥＯＮＯＲ（株式会社オプティス製：商品名）やＡＲＴＯＮ（ＪＳＲ製：商品名）等を使用する。一般に、基板１５の板厚は、通常５０〜１００μｍの範囲のものを使用する。

本実施例では、図４に示すように反射率特性が異なる板厚１００μｍのＰＥＴ、板厚１００μｍのＰＣ、板厚１００μｍのＺＥＯＮＯＲ、板厚１００μｍのＡＲＴＯＮの４種類の基板１５を使用している。

基板１５上に薄膜を成膜する方法に関しては、真空蒸着法、スパッタリング法、ＥＢ法、ＩＡＤ法、ＩＢＳ法、クラスタ蒸着法、インクジェットプリンティング法等の様々な方法がある。本実施例では、膜厚を比較的に容易に制御でき、かつ可視波長域の光の散乱が非常に小さいＮＤ膜を成膜することが可能な真空蒸着法により成膜している。

図５は本実施例におけるＮＤフィルタ１０のＮＤ膜２１の膜構成図を示しており、基板１５に誘電体膜としてＡｌ₂Ｏ₃膜２２と、光を減衰させる金属酸化膜としてＴｉｘＯｙ膜２３を交互に積層し、空気と接する最表層に金属の酸化を防止する効果と反射防止効果とを有するＭｇＦ₂膜２４を積層している。

一般に、ＮＤフィルタ１０のＮＤ膜２１には、光を吸収する金属膜又は金属酸化膜と誘電体膜等との複数層から構成されている。この光を吸収させる金属膜又は金属酸化膜としては、Ｔｉ、Ｔｂ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｙ、Ｚｎ、Ｚｒや、これらを酸化させた材料が用いられ、本実施例においてはＴｉｘＯｙを用いている。また、誘電体膜としては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＦ₂から選択された材料が用いられるが、本実施例においてはＡｌ₂Ｏ₃が用いられている。

このような膜構成とすることにより、透過率の平坦性に優れ反射率が低反射な光学特性を実現できる。なお、透過率の平坦性は波長４００〜７００ｎｍの範囲における透過率の最大値Ｔmaxから最小値Ｔminを引いた差を、波長５５０ｎｍの透過率Ｔ５５０ｎｍで除算した商として求める。

図６（ａ）はＮＤフィルタ１０の平面図、（ｂ）は断面図を示しており、濃度０．１である端部から均一な濃度１．０を有する均一濃度領域に至るまで、徐々に変化するグラデーション領域が４．５ｍｍの長さとなるように成膜している。なお、濃度Ｄは透過率ＴからＤ＝ｌｏｇ₁₀（１／Ｔ）で求めた値である。

図７は濃度０．２の端部から濃度１．０の均一濃度領域に至るまで、徐々に変化する領域を４．５ｍｍの長さとしたグラデーション領域を有するＮＤフィルタ１０の平面図である。図８は濃度０．３の端部から濃度１．０の均一濃度領域に至るまで、徐々に変化するグラデーション領域を４．５ｍｍの長さとしたグラデーションＮＤ１０の平面図である。

この仕様において、端部近傍の濃度勾配は端部から０．５ｍｍ離れるごとに濃度が概ね濃度０．１ずつ増加するようになっている。基板１５に成膜されるＮＤ膜２１の膜厚を連続的に変化させるために、基板１５に対して所定の位置に蒸着用マスクを設置して蒸着を行う公知の手法を用いている。最表層のＭｇＦ₂膜２４もこの蒸着用マスクを設置したまま蒸着を行い、Ａｌ₂Ｏ₃膜２２及びＴｉｘＯｙ膜２３と同様な比率の膜厚分布を有している。ＮＤ膜２１の膜厚勾配が急になるほど、グラデーション領域を有するＮＤフィルタ１０全域での膜厚分布差が大きくなり、絞り開口部に進入する端部のＭｇＦ₂膜２４が薄くなり反射率が高くなる傾向がある。

しかし、図６〜図８に示すようにグラデーション領域の長さが４．５ｍｍ程度あればその影響は殆どない。また、最表層のＭｇＦ₂膜２４の膜厚は厚過ぎてもクラックの発生や、均一濃度領域での反射率の増加等の問題が生ずる。そのため、ＭｇＦ₂膜２４の膜厚をそのような問題を発生しないよう制御可能な範囲で変え、端部の反射率が最小又は所定の値以下になるように制御している。

本実施例においては、ＮＤフィルタ１０の形状そのものには複雑な加工を行うことなく、ＮＤフィルタ１０の反射率特性を低反射にし、その反射率範囲を特定することでフレアの発生を防止する。また、反射防止機能を有する最表層まで同一の蒸着用マスクを用いて蒸着を行うことにより、従来の蒸着用マスクを取り外して別途反射防止膜を蒸着していた場合と比較して大幅に成膜工程を簡素化でき、短時間で製造可能となり、コストを削減することができる。

図９は基板１５の基材にＰＥＴを用いたグラデーション領域を有する４枚の異なる濃度のＮＤフィルタ１０の反射特性図を示している。図６に示す端部が濃度０．１のＮＤフィルタ１０では、透過率７９．４％となる領域が最初に絞り開口部に進入する。最表層の膜厚を上述の問題を発生しない範囲で最も厚くすることにより、ＮＤ膜２１が成膜された側の端部の反射率を波長５５０ｎｍの光で４％、波長７００ｎｍの光で約６％まで低減することができる。しかし、このＮＤフィルタ１０は絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した時に緑色のフレアを発生してしまった。

図７に示す端部が濃度０．２のＮＤフィルタ１０では、透過率６３．１％となる領域が最初に絞り開口部に進入する。最表層の膜厚を調整することにより、ＮＤ膜２１が成膜された側の端部の反射率を、波長５５０ｎｍの光で約２％まで低減することができた。このＮＤフィルタ１０は、絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した時にもフレアを発生しない。

図８に示す濃度を有するＮＤフィルタ１０では、透過率５０．１％となる領域が最初に絞り開口部に進入する。最表層の膜厚を調整することにより、ＮＤ膜２１が成膜された側の端部の反射率を波長５５０ｎｍの光で１．０％まで低減することができた。このＮＤフィルタ１０は、絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した時にもフレアを発生しない。

なお、図６と図７の中間の濃度として、ＰＥＴ基板上に端部が濃度０．１５の濃度のＮＤ膜２１を形成した場合には、最表層の膜厚を調整することにより、端部の反射率は波長５５０ｎｍの光で２．６％に抑えることができた。このＮＤフィルタ１０はフレアを発生しない。この結果から分るように、基板１５の基材にＰＥＴを用いたＮＤフィルタ１０においては、波長５５０ｎｍの反射率が２．６％以下であればフレアは発生することはない。また、概ね３％以下の反射率とすることが必要であることがわかる。

しかし、ＮＤフィルタ１０の端部が濃度０．１のように薄いと、光吸収膜の役割をしている金属膜の膜厚も薄くなり、光の吸収よりも反射により透過率を減衰させるため、基材自身の反射率を蒸着膜の構成を工夫することでは十分に抑制することができなくなり、反射率は必然的に高くなってしまう。

更に、端部の濃度を濃度０のように透明近くまで薄くしてしまうと、基板１５そのものの反射率と同等となり、図４に示す基材そのものの反射率特性図に示すように、可視光全域で１０％弱の高反射率となってしまう。

従って、グラデーション領域を有するＮＤフィルタ１０の端部近傍は、或る程度の濃度が必要である。しかし、逆に反射率を抑制するために端部の濃度を濃くし過ぎてしまうと、絞り羽根の端部にグラデーション領域を有するＮＤフィルタ１０の端部が接近したとき小絞りと同じ状況を起こし、光の回折による画像劣化が発生する。このことから端部の近傍の濃度を濃度０．３以下に抑えることが必要である。また、濃度勾配を急激にし過ぎても同様のことが起こるため、上述したように端部から０．５ｍｍ離れても、濃度の増加が０．１以内であるように濃度勾配を制限する必要がある。

図１０は基板１５の基材にＰＣを用いたグラデーション領域を有する３枚の異なる濃度のＮＤフィルタ１０の端部の反射特性図を示している。図９に示すＰＥＴを用いた場合と同様に、図６に示す端部が濃度０．１のＮＤフィルタ１０では、最表層の膜厚を上述の問題の発生しない範囲で最も厚くして、ＮＤ膜２１が成膜された側の反射率を波長５５０ｎｍの光で３．１％、波長７００ｎｍの光で６％まで低減することができた。しかし、絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した際に、僅かにフレアが発生してしまった。

図７に示す端部が濃度０．２のＮＤフィルタ１０では、ＮＤ膜２１が成膜された側の端部の反射率を波長５５０ｎｍの光で１．５％まで低減することができ、絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した際においてもフレアは発生することはない。

図８に示す端部が濃度０．３のＮＤフィルタ１０では、ＮＤ膜２１が成膜された側の端部の反射率を波長５５０ｎｍの光で１．０％まで低減することができ、絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した際においてもフレアは発生することはない。

図１１は基板１５の基材にＺＥＯＮＯＲを用いたグラデーション領域を有する３枚の異なる濃度のＮＤフィルタ１０の端部の反射特性図を示している。図６に示す端部が濃度０．１のＮＤフィルタ１０では、最表層の膜厚を上述の問題の発生しない範囲で最も厚くして、ＮＤ膜２１が成膜された側の端部の反射率を波長５５０ｎｍの光で４％、波長７００ｎｍの光で６％まで低減することができた。しかし、絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した際に緑色のフレアを発生してしまった。

図７に示す端部が濃度０．２のＮＤフィルタ１０では、ＮＤ膜２１が成膜された側の端部の反射率を波長５５０ｎｍの光で１．５％まで低減することができ、絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した際においてもフレアは発生しない。

図８に示す端部が濃度０．３のＮＤフィルタ１０では、ＮＤ膜２１が成膜された側の端部の反射率を波長５５０ｎｍの光で１．０％まで低減することができ、絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した際においてもフレアは発生しない。

図１２は基板１５の基材にＡＲＴＯＮを用いたグラデーション領域を有する３枚の異なる濃度のＮＤフィルタ１０の反射特性図を示している。図６に示す端部が濃度０．１のＮＤフィルタ１０では、ＮＤ膜２１が成膜された側の端部の反射率を波長５５０ｎｍの光で４．５％、波長７００ｎｍの光で７％まで低減することができるが、絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した際に、緑色のフレアが発生してしまう。

図７に示す端部が濃度０．２のＮＤフィルタ１０では、ＮＤ膜２１が成膜された側の端部の反射率を波長５５０ｎｍの光で２％まで低減することができ、絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した際においてもフレアは発生しない。

図８に示す端部が濃度０．３のＮＤフィルタ１０では、ＮＤ膜２１が成膜された側の端部の反射率を波長５５０ｎｍの光で１．５％まで低減することができ、絞り開口部へＮＤフィルタ１０の端部が進入した際においてもフレアは発生しない。

このような結果から、基板１５の基材の種類によらず、端部の濃度が濃度０．１のグラデーション領域を有するＮＤフィルタ１０においては、最表層のＭｇＦ₂膜２４の膜厚を上述の問題を発生させずに制御できる範囲では、ＮＤ膜２１を成膜した側の端部の反射率を３％以下に抑制することができず最良でも３．１％であり、僅かではあるがフレアが発生してしまう。このことから、反射率を３％に抑制することが目安となる。また、ＮＤ膜２１の蒸着材料や構成によっても反射率と濃度の関係は変化するが、如何なる膜においても、濃度０．１の濃度では反射率を３％以下に抑えることは困難である。

また図９に示すように、端部の濃度が濃度０．１５のグラデーション領域を有するＮＤフィルタ１０においては、波長５５０ｎｍの光での反射率を２．６％に抑制することができ、フレアは発生しない。

このことから、グラデーション領域を有するＮＤフィルタ１０の端部近傍の濃度を濃度０．１５〜０．３として、かつ波長５５０ｎｍの光での反射率を３％以下に抑制するように、最表層のＭｇＦ₂膜２４の膜厚を制御することで、絞り開口部にＮＤフィルタ１０の端部が進入した際のフレア現象を防止できる。また、小絞り状態に類似した回折による画質の劣化も防止することができる。

なお、基板１５の両面にＮＤ膜２１を成膜し、両方のＮＤ膜２１の効果により所望の光減衰特性を得ることもできる。ＮＤ膜２１が基板１５の片面にしか成膜されていない場合でも、撮像素子と対向するＮＤ膜２１の成膜された側の反射率が、フレア等の発生に影響する度合いが非常に大きい。そのため、ＮＤ膜２１が成膜されていない面にも反射防止膜を成膜するか否かに拘わらず、ＮＤ膜２１を成膜した面の反射率を３％以下に抑制するように、ＭｇＦ₂膜２４の膜厚を制御する必要がある。

また、環境安定性を調べるために、上述のグラデーション領域を有するＮＤフィルタ１０に成膜後の熱処理を行った後に、温度６０℃、湿度９０％で２４０時間の条件における放置試験を行い、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。一方、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透過率が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１５の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・酸素等を透過し易く、そのため光吸収膜であるＴｉｘＯｙ膜２３自体の酸化が促進され、これに加えて、保護するＡｌ₂Ｏ₃膜２２等の誘電体膜の保護効果が少ないために、透過率が上昇するものと考えられる。このような熱処理を行うことにより、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。

なお本実施例においては、均一濃度部の濃度を濃度１．０としたこと及びグラデーション領域の長さを４．５ｍｍとしたが、それは１つの例であって、これに限定されるものではない。また、光量絞り装置の絞り開口部に進入する先端部は一直線に形成することが一般的であるが、曲線又は複数の直線で表される形状等に変更してもよい。

撮影光学系の構成図である。チャンバの構成図である。基板治具の拡大断面図である。基材の反射率特性図である。ＮＤフィルタの膜構成である。グラデーション領域を有するＮＤフィルタの平面図と断面図である。グラデーション領域を有するＮＤフィルタの平面図である。グラデーション領域を有するＮＤフィルタの平面図である。ＰＥＴ基板を用いたグラデーション領域を有するＮＤフィルタの端部近傍における反射率特性図である。ＰＣ基板を用いたグラデーション領域を有するＮＤフィルタの端部近傍における反射率特性図である。ＺＥＯＮＯＲ基板を用いたグラデーション領域を有するＮＤフィルタの端部近傍における反射率特性図である。ＡＲＴＯＮ基板を用いたグラデーション領域を有するＮＤフィルタの端部近傍における反射率特性図である。

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
１０ＮＤフィルタ
１１チャンバ
１２蒸着源
１３蒸着傘
１４基板治具
１５基板
２１ＮＤ膜
２２Ａｌ₂Ｏ₃膜
２３ＴｉｘＯｙ膜
２４ＭｇＦ₂膜

Claims

透明基材上に金属蒸着膜及び酸化金属蒸着膜のうちの少なくとも何れか一方と誘電体蒸着膜を積層してＮＤ膜を成膜し、光量絞り装置の絞り開口部に挿入するＮＤフィルタにおいて、前記透明基材の少なくとも一方の面に成膜したＮＤ膜について、膜厚を連続的に変化することにより濃度が連続的に変化するグラデーション領域を少なくとも１つ形成し、前記光量絞り装置の絞り開口部に進入する側となる前記透明基板の端部に達するまで延設された前記グラデーション領域において前記端部の濃度が最も薄くなるように前記グラデーション領域の濃度を連続的に変化させ、前記グラデーション領域が延設された前記透明基板の端部において前記濃度を０．１５以上とし、かつ波長５５０ｎｍの光の反射率を３％以下としたことを特徴とするＮＤフィルタ。
前記端部近傍において前記濃度を０．１５〜０．３とし、波長５５０ｎｍの光の反射率を２．６％以下としたことを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタ。
前記端部から０．５ｍｍの範囲は濃度０．１以下の濃度変化を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＤフィルタ。
絞り羽根を有する光量絞り装置において、請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載のＮＤフィルタを絞り羽根の近傍に配置したことを特徴とする光量絞り装置。