JP6053352B2 - 光学フィルタ、光学装置及び光学フィルタの製造方法。 - Google Patents
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Description
光透過性を有する基板と、光吸収特性を有する材料の組成比が膜厚方向に変化することによって光吸収性が膜厚方向に変化する屈折率傾斜薄膜と、反射防止構造体と、を備え、
前記屈折率傾斜薄膜はその膜厚方向に前記基板と反射防止構造体との間に配置され、その膜厚方向において段階的に変化する屈折率変化を有し、
前記屈折率傾斜薄膜の膜厚方向の屈折率の変化は、
(1)前記基板側において、前記屈折率変化の前記基板側の終点まで、前記屈折率が前記基板の屈折率に近づくように段階的に変化する部分と、
(2)前記反射防止構造体側において、前記屈折率変化の前記反射防止構造体側の終点まで、前記屈折率が前記反射防止構造体の屈折率に近づくように段階的に変化する部分と、
(3)前記屈折率変化の前記基板側の終点の屈折率と前記屈折率変化の前記反射防止構造体側の終点の屈折率との間の前記屈折率変化において、前記基板よりも屈折率が高い値で屈折率が最大値を示す部分を有する
ことを特徴とする。
光透過性を有する基板と、光吸収特性を有する材料の組成比が膜厚方向に変化することによって光吸収性が膜厚方向に変化する屈折率傾斜薄膜と、反射防止構造体を有して構成される光学フィルタの製造方法であって、
前記屈折率傾斜薄膜を設ける工程は、
前記屈折率傾斜薄膜の前記基板の側での終点の屈折率を段階的に前記基板の屈折率に近づくように成膜する工程と、
3種以上の元素からなる材料を用いた成膜法によりこれら材料の混合比を変化させ段階的に屈折率の異なる混合膜を隣り合う混合膜間の屈折率差を0.05〜0.1以内で成膜し、かつ、前記基板よりも屈折率が高い値で屈折率が最大値となるように成膜する工程と、
前記屈折率傾斜薄膜の前記反射防止構造体の側での終点の屈折率を段階的に前記反射防止構造体の屈折率に近づけて成膜する工程と
からなることを特徴とする。
斜薄膜と、反射防止構造体とを有する。
屈折率傾斜薄膜は、基板の屈折率に近づくように膜厚方向に段階的に屈折率変化し、基板と屈折率傾斜薄膜に隣接する構造体(例えば反射防止構造体)との屈折率差を低減する。
(1)前記基板側において、前記屈折率変化の前記基板側の終点まで、前記屈折率が前記基板の屈折率に段階的に近づくように変化する部分と、
(2)前記反射防止構造体側において、前記屈折率変化の前記反射防止構造体側の終点まで、前記屈折率が前記反射防止構造体の屈折率に段階的に近づくように変化する部分とを有する。
基板または反射防止構造体の屈折率に、屈折率が大きい方から近づいても、屈折率が小さい方から近づいてもよい。屈折率傾斜薄膜の膜厚方向における基板側の端部の屈折率と基板の屈折率の差aと、屈折率傾斜薄膜の膜厚方向における反射防止構造体側の端部の屈折率と反射防止構造体の屈折率の差bとの和(a+b)が、屈折率傾斜薄膜の両面に隣接する2つの構造体間の屈折率差よりも小さくなっていればよい。
つまり、屈折率傾斜薄膜の屈折率が、基板の屈折率と反射防止構造体を構成する材料の屈折率との屈折率差を低減するように膜厚方向に屈折率変化するとは、基板の屈折率Aと反射防止構造体の屈折率Bとの屈折率差|A−B|と(a+b)の関係が、|A−B|>a+bが成り立つことである。なお、この関係は、後述する図3及び図14における基板、他の屈折率傾斜薄膜及び他の反射防止構造体の場合においても同様である。
すなわち、屈折率傾斜薄膜の屈折率は、基板側の屈折率変化の終点では、基板の屈折率との差を例えば、段階的な屈折率変化の隣合う部分の屈折率差以下として0.05以下とすることで反射を低減することができる。より好ましくは、段階的な屈折率変化の隣合う部分の屈折率差よりも小さく基板側の屈折率変化の終点と基板との屈折率差を0.03以下とする。反射防止構造体側の屈折率変化の終点では、反射防止構造体の屈折率との差を基板側と同様に小さくすることによって反射を低減することができる。従って、屈折率傾斜薄膜の膜厚方向端部の屈折率は、隣接する構造体との屈折率差を少なくする。一方、屈折率傾斜薄膜の膜厚方向中央部の屈折率も、段階的に屈折率変化し、光吸収性の物質単体の割合も変化する。段階的な屈折率変化において、光吸収性の物質の割合が多い部分を形成し、光吸収性の物質単体の屈折率に近づく部分を有するとともに、所望とする吸収特性に必要な膜厚を備えることで反射低減と吸収性を両立させることができる。
屈折率傾斜膜の膜厚は、目的とする機能に応じて適宜選択できる。屈折率傾斜膜の膜厚は、10〜4000nm、より好ましくは100〜1000nmとすることができる。
図3のように構成した、吸収タイプのNDフィルタについて、以下に詳しく記載する。
屈折率傾斜薄膜12は、メタルモードスパッタ法により、SiO2とTiOx膜の成膜レートを調整しながら、この2種類を混合させ、屈折率を膜厚方向で段階的に変化させる事で、所望の吸収特性を得るように調整し作製した。
図6は、屈折率傾斜薄膜の作製に用いたスパッタ成膜装置の基板搬送装置の回転軸に直交する面での平面断面図である。
本実施例においては、屈折率傾斜薄膜12は、図7(a)で示すような屈折率のプロファイルを持つ構成とした。図7(a)中の山谷を複数形成したような図7(b)に示すプロファイルを形成する事も可能であるが、制御の容易性などを考慮して、複雑化しないよう必要最低限の増減となるように設計した。
微細周期構造体は、近年の微細加工技術の向上とともに作製されるようになってきた。
このような構造体の1つである、反射防止効果を持つ微細周期構造体は、モス・アイ構造体などと呼ぶことも可能である。構造体の形状を擬似的に屈折率の変化が連続的となる形状とする事で、物質間の屈折率差に起因した反射の低減を図ったものである。
次に、点P1から点P2を通過し点P3に近づくにつれ、TiOxのxは1.5から1.0に段階的に変化させている。これと同時にSiO2との組成比を変化させ、点P1から点P2に近づくにつれTiOxに対しSiO2の組成比を増やし、更に点P2から点P3に近づくにつれ、TiOxに対しSiO2の組成比を減少させる事で段階的な屈折率変化を形成した。
さらに、点P3から反射防止構造体側の界面点P4にかけては、TiOxのxは約1.0で固定されており、SiO2との組成比を変化させる事で段階的な屈折率変化を形成した。
点P1付近ではTi2O3の影響を大きく受けた分光透過を示し、点P3付近ではTiOの影響を大きく受けた分光透過を示す。従って、このように構成する事で、屈折率傾斜薄膜中に、可視波長領域において図5で例示したような異なる分散特性を持つ領域を混在させ、膜厚や組成比により影響度を調整する事で、所望の透過特性を得る事が可能となる。本実施例においては、可視波長領域において分光透過特性が平坦な形状となるように、これらを調整した。
以上によって作製されたNDフィルタの、分光反射率特性、及び分光透過率特性が図11である。濃度は約0.70程度であり、可視波長領域の殆どにおいて反射率が0.4%以下になっている。本構成により、非常に低い反射率を実現できた。測定には、分光光度計(U4100(株)日立ハイテクノロジーズ社製)を用いた。
バッファ層として密着層を設ける場合における密着層形成用の材料としては、シランカップリング剤の他には、Cr、Ti、TiOx、TiNx、SiOx、SiNx、AlOx、SiOxNyなどの無機材料や各種の有機材料が挙げられる。密着性を高める層の材質に応じて公知の材料から密着層形成用の材料を適宜選択して用いることができる。密着層の膜厚は、目的とするフィルタの光学的機能及び密着性が得られるように設定すればよい。密着層は、例えば10nm以下の薄膜として形成してもよい。
図12のように基板両面に屈折率傾斜薄膜を形成したフィルタの作製について以下に記載する。
次に、点Q1から点Q2を通過し点Q3に近づくにつれ、TiOxのxは1.0から1.5に段階的に変化させている。これと同時にSiO2との組成比を変化させ、点Q1から点Q2に近づくにつれTiOxに対しSiO2の組成比を増やし、更に点Q2から点Q3に近づくにつれ、TiOxに対しSiO2の組成比を減少させる事で段階的な屈折率変化を形成した。
さらに、点Q3から反射防止構造体側の界面点Q4にかけては、TiOxのxは約1.5で固定されており、SiO2との組成比を変化させる事で段階的な屈折率変化を形成した。
点Q1付近ではTiOの影響を大きく受けた分光透過を示し、点Q3付近ではTi2O3の影響を大きく受けた分光透過を示す。従って、このように構成する事で、屈折率傾斜薄膜中に、可視波長領域において図6で例示したような異なる分散特性を持つ領域を混在させ、膜厚や組成比により影響度を調整する事で、所望の透過特性を得る事が可能となる。本実施例においては、可視波長領域において分光透過特性が平坦な形状となるように、これらを調整した。
次に本発明のNDフィルタを備える光量絞り装置を光学装置(ビデオカメラ)に適用した実施例について図17、図18を用いて説明する。
図17に光量絞り装置を示す。ビデオカメラあるいはデジタルスチルカメラ等の撮影光学系に使用するに適した光量絞り装置の絞りは、CCDやCMOSセンサと言った固体撮像素子への入射光量を制御するために設けられているものである。被写界が明るくなるにつれ、絞り羽根31を制御し、より小さく絞り込まれていく構造になっている。このとき、小絞り状態時に発生する像性能の劣化に対する対策として、絞りの近傍にNDフィルタ34を配置し、被写界の明るさが同一であっても、絞りの開口をより大きくできる構造にしている。入射光がこの光量絞り装置33を通過し、固体撮像素子(不図示)に到達する事で電気的な信号に変換され画像が形成される。
図18に光学撮影装置の撮影光学系の構造を示す。この撮影光学系41は、レンズユニット41A〜41D、CCD等の固体撮像素子42、光学ローパスフィルタ43を有する。固体撮像素子42は、撮影光学系41によって形成される光線a、bの像を受光し、電気信号に変換する。撮影光学系41は、NDフィルタ44、絞り羽根45,46、絞り羽根支持板47で構成される光量絞り装置を有している。
図19は光学測定装置である干渉顕微鏡の機能及び構成を示す。光源910は光源として所定の波長を出力する。この光源910から出力された観察光から、フィルタ911にて一定の波長成分のみが抽出される。その後、観察光は、それぞれ異なる透過率を有するNDフィルタ912を保持したフィルタホルダ913の回転位置に応じて選択的に光路上に配置されたNDフィルタ912を介して、適宜光量が調節される。光源としては、単色波長のレーザ光源等も光源として用いることができる。
実施例1、2で記載したNDフィルタ以外の光学フィルタにおいても、同様の効果を期待でき、例えば撮像素子やポスターなど対象物を保護するようなフィルタには、所望とする波長領域の反射を低減する為の反射防止の保護フィルムとして応用可能である。また吸収を持つタイプの光学フィルタであれば例えばカラーフィルタやIRカットフィルタ、蛍光フィルタなど、様々なバンドパスフィルタ、エッジフィルタなどに応用する事が可能である。これらの光学フィルタに本発明を適用する事で、反射率を低減する事が可能となる。また、これらの光学フィルタを搭載する事で、前述の不具合を改善した各種の光学装置を得る事が可能となる。
12、221、222.屈折率傾斜薄膜
13、23、51.基板
15、151、152、251、252.微細周期構造体
16、161、162.反射防止膜
31.絞り羽根
32.絞り羽根支持板
33.光量絞り装置
14、24、34、44、912.NDフィルタ
41.撮影光学系
41A、41B、41C、41D.レンズユニット
42.固体撮像素子
43.光学ローパスフィルタ
45、46.絞り羽根
52.基板搬送装置
53.真空槽
54,55.スパッタ領域
54a、55a.ターゲット
56.高周波電源
57.反応領域
Claims (12)
- 光透過性を有する基板と、光吸収特性を有する材料の組成比が膜厚方向に変化することによって光吸収性が膜厚方向に変化する屈折率傾斜薄膜と、反射防止構造体と、を備え、
前記屈折率傾斜薄膜はその膜厚方向に前記基板と反射防止構造体との間に配置され、その膜厚方向において段階的に変化する屈折率変化を有し、
前記屈折率傾斜薄膜の膜厚方向の屈折率の変化は、
(1)前記基板側において、前記屈折率変化の前記基板側の終点まで、前記屈折率が前記基板の屈折率に近づくように段階的に変化する部分と、
(2)前記反射防止構造体側において、前記屈折率変化の前記反射防止構造体側の終点まで、前記屈折率が前記反射防止構造体の屈折率に近づくように段階的に変化する部分と、
(3)前記屈折率変化の前記基板側の終点の屈折率と前記屈折率変化の前記反射防止構造体側の終点の屈折率との間の前記屈折率変化において、前記基板よりも屈折率が高い値で屈折率が最大値を示す部分を有する
ことを特徴とする光学フィルタ。 - 前記屈折率傾斜薄膜の膜厚方向の段階的な屈折率の変化は、
隣接する部分の屈折率差が0.05〜0.1以内であることを特徴とする請求項1に記載の光学フィルタ。 - 前記屈折率傾斜薄膜の膜厚方向において段階的に変化する屈折率の一定な部分は、屈折率が実質的に一定である5〜100nmの膜厚における屈折率の平均値に対して、±0.01以内であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学フィルタ。
- 前記反射防止構造体は、前記基板を透過する可視光の波長よりも短い周期で構成された凹凸構造を持つ、微細周期構造体により形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに一項に記載の光学フィルタ。
- 前記反射防止構造体と前記屈折率傾斜薄膜とが隣接し、前記反射防止構造体側の前記屈折率傾斜薄膜との界面の屈折率と、前記屈折率傾斜薄膜側の前記反射防止構造体との界面の屈折率が光学フィルタにおいて許容される屈折率差が0.05以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
- 前記基板と前記屈折率傾斜薄膜とが隣接し、前記基板の前記屈折率傾斜薄膜との界面の屈折率と、前記屈折率傾斜薄膜側の前記基板との界面の屈折率が光学フィルタにおいて許容される屈折率差が0.05以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
- 前記屈折率傾斜薄膜が3種類以上の元素から構成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
- 前記基板への入射光に対して、分光透過特性が長波長側になるにつれて高くなる領域と、分光透過特性が長波長側になるにつれて低くなる領域が、前記屈折率傾斜薄膜の膜厚方向に配置されていることにより、前記屈折率傾斜薄膜の分光透過特性の平坦性を得ていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
- 前記光学フィルタは、NDフィルタであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の光学フィルタ。
- 光学フィルタを撮影光学系に用いた光学装置であって、
前記光学フィルタが、請求項1〜9のいずれか一項に記載の光学フィルタであることを特徴とする光学装置。 - 光透過性を有する基板と、光吸収特性を有する材料の組成比が膜厚方向に変化することによって光吸収性が膜厚方向に変化する屈折率傾斜薄膜と、反射防止構造体を有して構成される光学フィルタの製造方法であって、
前記屈折率傾斜薄膜を設ける工程は、
前記屈折率傾斜薄膜の前記基板の側での終点の屈折率を段階的に前記基板の屈折率に近づくように成膜する工程と、
3種以上の元素からなる材料を用いた成膜法によりこれら材料の混合比を変化させ段階的に屈折率の異なる混合膜を隣り合う混合膜間の屈折率差を0.05〜0.1以内で成膜し、かつ、前記基板よりも屈折率が高い値で屈折率が最大値となるように成膜する工程と、
前記屈折率傾斜薄膜の前記反射防止構造体の側での終点の屈折率を段階的に前記反射防止構造体の屈折率に近づけて成膜する工程と
からなることを特徴とする光学フィルタの製造方法。 - 前記屈折率傾斜薄膜の前記基板の側での終点の屈折率を段階的に前記基板の屈折率に近づくように成膜する工程または、
前記屈折率傾斜薄膜の前記反射防止構造体の側での終点の屈折率を段階的に前記反射防止構造体の屈折率に近づけて成膜する工程は、
前記隣り合う混合膜間の屈折率差を屈折率が減少するに従って小さくすることを特徴とする請求項11に記載の光学フィルタの製造方法。
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