JP6355932B2 - 光学フィルタおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は光学フィルタおよびその製造方法に関し、特に光路長を短く、かつ分光透過率の入射角度依存性を小さくすることができる光学フィルタ等に関する。

デジタルカメラなどのような撮像装置において、ローパスフィルタ及び光学吸収フィルタを有する光学フィルタが使用されている。その場合、撮像素子の前面に、主に紫外線および赤外線カット（ＵＶ−ＩＲカット）のための光学フィルタを配置していることが一般的である。

たとえば特許文献１に記載されているように、その光学フィルタはＩＲ（赤外線）カットガラス上にＴｉＯ２（二酸化チタン）およびＳｉＯ２（二酸化ケイ素）を交互に成膜したＵＶ（紫外線）−ＩＲカットコートを形成し、紫外線と赤外線の両方を反射させる構造としている。かつ、それらのＩＲカットガラスとＵＶ−ＩＲカットコートとを合わせた分光透過率を、人間の視感度に近似したものとしている。

しかしながら、特許文献１に記載のこの技術ではＩＲカットガラスが必要であるので、光路長が長くなる。特に、携帯電話端末などに搭載される撮像装置のように、小型かつ低コストが要求される用途には適さない。

また、特許文献２には、光学多層膜を使用してＩＲカットガラスと同等の分光透過率を有するＩＲカットフィルタが記載されている。この技術を利用すれば、ＩＲカットガラスを省略して小型かつ低コストな簡素な構造の撮像装置を実現することはできる。しかしながら、この光学多層膜を使用した光学フィルタは、多層膜による光の干渉を利用するものであるので、分光透過率の入射角度依存性が大きいという点に課題がある。

特許文献３には、光学多層膜の中に銀薄膜層を成膜することによって、分光透過率の入射角度依存性を抑制したというＩＲカットフィルタが記載されている。従って、特許文献１に記載の撮像装置に、特許文献２および特許文献３のＩＲカットフィルタを適用すれば、小型かつ低コストの簡素な構造で、かつ分光透過率の入射角度依存性を小さくして入射角度による画質の劣化の少ない撮像装置を実現することができると考えられる。

特開２０１３−１３０８８６号公報 特許３６７９２６８号公報 特開２０１０−０３２８６７号公報

前述のように、特許文献１に記載の撮像装置に、特許文献２および特許文献３のＩＲカットフィルタを適用すれば、光路長を低減し、かつ分光透過率の入射角度依存性を小さくして入射角度による画質の劣化の少ない撮像装置を実現することができると考えられる。

しかしながら、デジタルカメラなどに搭載される撮像装置では特に、特許文献１に記載されているような人間の視感度に近似した光学特性を得るためには「ＩＲカット」と「ＵＶカット」の両方の特性を持ち、分光透過率の入射角度依存性が小さく、かつ光路長を低減した光学フィルタが必要となる。

特許文献２の技術では分光透過率の入射角度依存性が大きくなる。また、特許文献３の技術ではＩＲカットガラスを省略することができるというだけであり、光路長を低減するには不十分である。さらに、単に銀薄膜を使用するだけでは、入射角度依存性を小さくする効果を十分に得ることができないことが、実験によって確かめられている。

これについてもう少し説明する。図５は、特許文献３に記載された技術による２層の銀薄膜を使用した光学フィルタの屈折率プロファイルについて示すグラフである。図６は、この図５に示した光学フィルタの入射光の波長に対する透過率を示すグラフである。図６に示されているように、特に波長５００〜７００ｎｍ付近で、入射角０度と３０度との間で、波長−透過率曲線の形状に波長２０〜３０ｎｍ程度の違いが生じている。

本発明の目的は、光路長を低減し、かつ分光透過率の入射角度依存性を小さくすることを可能とする光学フィルタおよびそ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、本発明に係る光学フィルタは、基板と、基板上に複数の層が形成された光学薄膜部とを有する光学フィルタであって、光学薄膜部が、相対的な高屈折率を有する高屈折率材料と相対的な低屈折率を有する低屈折率材料とを交互に積層して構成されて成る全体繰り返し層を構成し、この全体繰り返し層の中に、第１および第２の銀薄膜層と、第１および第２の銀薄膜層の間のギャップ層と、第１および第２の銀薄膜層よりも基板側に位置する部分薄膜繰り返し層とを設けた構成とし、第１および第２の銀薄膜層は、光学薄膜部の空気側端部から３０００［ｎｍ］以上４０００［ｎｍ］以下の間に設けられ、それぞれの厚さが５［ｎｍ］以上１５［ｎｍ］以下であり、ギャップ層は、高屈折率材料および前記低屈折率材料を交互に積層することによって得られ、全体の厚さが１９０［ｎｍ］以上２５０［ｎｍ］以下であり、部分薄膜繰り返し層は、高屈折率材料と低屈折率材料とから成り１層あたりの厚さが１０［ｎｍ］以上５０［ｎｍ］以下で交互に積層して構成され、全体の厚さが１００［ｎｍ］以下であり、第２の銀薄膜層と部分薄膜繰り返し層との間の厚さが２５０［ｎｍ］以上３１０［ｎｍ］以下であること、を特徴とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る光学フィルタの製造方法は、本発明に係る光学フィルタを製造する方法であって、基板上に、相対的な高屈折率を有する高屈折率材料と相対的な低屈折率を有する低屈折率材料とを交互に積層して全体繰り返し層を形成し、この全体繰り返し層の形成途上にあって、部分薄膜繰り返し層と、第１の銀薄膜層と、ギャップ層と、第２の銀薄膜層とを、高屈折率材料および低屈折率材料を介して基板側から順次成膜すること、を特徴とする。

本発明は、上記した通り、２層の銀薄膜層と部分薄膜繰り返し層とを備える構成としたので、薄膜の積層のみでＩＲカットとＵＶカットの両方の特性を持つことができる。これによって、光路長を低減し、かつ分光透過率の入射角度依存性を小さくすることが可能であるという優れた特徴を持つ光学フィルタおよびその製造方法を提供することができる。

本実施形態に係る光学フィルタの概略構成について示す説明図である。 図１で示した光学フィルタの屈折率プロファイルについて示すグラフである。 図２に示した光学フィルタの屈折率プロファイルの、０〜９００ｎｍ付近の横軸スケールを拡大して示すグラフである。 図１〜３に示した光学フィルタの、入射光の波長に対する透過率を示すグラフである。 銀薄膜を２層使用した場合の光学フィルタの屈折率プロファイルについて示すグラフである。 図５に示した光学フィルタの入射光の波長に対する透過率を示すグラフである。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態の構成について添付図１に基づいて説明する。
本実施形態に係る光学フィルタ１０は、基板（ガラス基板１１）と、基板上に複数の層（高屈折率層１２と低屈折率層１３）が形成された光学薄膜部とを備えている。この光学フィルタは、光学薄膜部が、相対的な高屈折率を有する高屈折率材料と相対的な低屈折率を有する低屈折率材料とを交互に積層して構成されて成る全体繰り返し層２１を構成し、この全体繰り返し層２１の中に、第１および第２の銀薄膜層２３ａおよび２３ｂと、第１および第２の銀薄膜層よりも基板側に位置する部分薄膜繰り返し層２２とが設けられている。そして、この部分薄膜繰り返し層が、高屈折率材料と低屈折率材料とから成り1層あたりの厚みが１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下で交互に積層して構成されている。

ここで、第１および第２の銀薄膜層が光学薄膜部の空気側端部から３０００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下の間に設けられ、部分薄膜繰り返し層の厚さが１００ｎｍ以下である。また、第１および第２の銀薄膜層２３ａおよび２３ｂの間に、高屈折率材料および低屈折率材料のうちの一方もしくはそれらを交互に積層することによって得られるギャップ層２４が構成されている。

さらに、第２の銀薄膜層２３ｂと部分薄膜繰り返し層２２との間の厚さは２５０ｎｍ以上３１０ｎｍ以下であり、ギャップ層の厚さは１９０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下である。そして、第１および第２の銀薄膜層２３ａおよび２３ｂの厚さは５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。

以上の構成を備えることにより、この光学フィルタ１０は、光路長を低減し、かつ分光透過率の入射角度依存性を小さくすることが可能なものとなる。
以下、これをより詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る光学フィルタ１０の概略構成について示す説明図である。光学フィルタ１０は、ガラス基板１１上に相対的な高屈折率を有する高屈折率層１２ａ，１２ｂ，…と相対的な低屈折率を有する低屈折率層１３ａ，１３ｂ，…とを交互に積層して構成されている。以後、高屈折率層１２ａ，１２ｂ，…を総称して高屈折率層１２といい、同様に低屈折率層１３ａ，１３ｂ，……を総称して低屈折率層１３という。

典型的には、高屈折率層１２の材料としてはたとえばＴｉＯ２（二酸化チタン、屈折率ｎ＝２．４０）、低屈折率層１３の材料としてはたとえばＳｉＯ２（二酸化ケイ素、屈折率ｎ＝１．４６）を利用することができるが、必ずしもこの例に従う必要はない。

交互に積層される高屈折率層１２と低屈折率層１３により、ガラス基板１１上に全体繰り返し層２１が構成される。この全体繰り返し層２１のうち銀薄膜層２３ａから空気側の高屈折率層１２は１層あたり７０〜１２０ｎｍ程度、ただし1層のみ２０ｎｍ程度、低屈折率層１３は１層あたり６０〜２００ｎｍ程度、高屈折率層１２と低屈折率層１３とを各々１３層前後ずつ積層している。この層数は必要に応じて任意に変更することができる。

全体繰り返し層２１の中に含まれている部分薄膜繰り返し層２２は、高屈折率層１２が２層と低屈折率層１３とを１層、合計３層を積層し、かつ部分薄膜繰り返し層２２全体としての厚さを１００ｎｍ以下としている。部分繰返し層の１層あたりの厚みは１０〜５０ｎｍの間である必要がある。ガラス基板１１と部分薄膜繰り返し層２２との間の間隔は５００〜５５０ｎｍ程度である。ただし、部分薄膜繰り返し層２２は必ず３層である必要は無く、２層以上あればよいことは実験によって確かめられている。

さらに、全体繰り返し層２１の中、かつ部分薄膜繰り返し層２２より空気側に、２つの銀薄膜２３ａおよび２３ｂが含まれている。銀薄膜２３ａおよび２３ｂの間は、高屈折率層１２と低屈折率層１３とを各２層ずつ、合計４層を積層したギャップ層２４となっている。

最適値としては、ギャップ層２４の厚さ（即ち銀薄膜２３ａおよび２３ｂの間隔）は２２０ｎｍ程度であり、銀薄膜２３ｂと部分薄膜繰り返し層２２との間隔は２８０ｎｍ程度である。実験で確かめられた範囲では、ギャップ層２４の厚さを１９０〜２５０ｎｍ程度、銀薄膜２３ｂと部分薄膜繰り返し層２２との間隔を２５０〜３１０ｎｍ程度とすれば効果的である。また、ギャップ層２４は必ず４層である必要はなく、１層以上あればよいことも実験によって確かめられている。

図２は、図１で示した光学フィルタ１０の屈折率プロファイルについて示すグラフである。図２の横軸は、ガラス基板１１側（図２では左端側に相応）を０とした場合の厚さ方向位置（ｎｍ）を示し、縦軸はその位置における材料の屈折率を示す。ガラス基板１１の屈折率は約１．５５、高屈折率層１２の屈折率は約２．４０、低屈折率層１３の屈折率は約１．４６、かつ銀薄膜２３ａおよび２３ｂの屈折率は約０．０３である。図２の右端は空気であり、屈折率は１である。この図２からもわかるように、銀薄膜２３ａおよび２３ｂは各々ガラス基板１１側から１１００および９００ｎｍ付近に存在し、各々の厚さは５〜１５ｎｍ程度である。

図３は、図２に示した光学フィルタ１０の屈折率プロファイルの、０〜９００ｎｍ付近の横軸スケールを拡大して示すグラフである。この図３からもわかるように、部分薄膜繰り返し層２２が、ガラス基板１１側から５２５ｎｍ付近に形成されている。

銀薄膜２３ａおよび２３ｂの材料である銀は、前述の特許文献３（特開２０１０−０３２８６７号公報）にも記載されているように、複素屈折率（ｎ＋ｉｋ）における虚数部分の値（ｋ）が大きく、使用波長が長くなるほど虚数部分の値が増加するような特性を有し、かつ実数部分の値（ｎ）が０に近い値となるという特性を持つ材料である。

従って、これを全体繰り返し層２１の中で使用することによって、赤外線領域において相対的に低い光透過特性（即ち高い光反射特性）を示し、可視光領域において相対的に高い光透過特性を示すという特性、即ちＩＲカットフィルタとしての特性を得ることができる。

そして、これを図１〜３に示した構造とすることによって、ＵＶカットフィルタとしての特性を得ることができる。即ち、ガラス基板１１上に薄膜を形成することだけで、「ＩＲカット」と「ＵＶカット」の両方の特性を持つ光学フィルタ１０を得ることができる。これによって、光路長を短くし、かつ部品点数を減らすことができるので、撮像装置の小型化とコストダウンが可能となる。

図４は、図１〜３に示した光学フィルタ１０の、入射光の波長に対する透過率を示すグラフである。図４の横軸は入射光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸はその波長の入射光に対する透過率（％）を示す。

光学フィルタ１０は、波長４００ｎｍ以下の紫外光では透過率はほぼ０で、かつ可視光の青紫〜緑色に該当する４２０〜５６０ｎｍでは８５〜９０％程度の高い透過率を示すが、可視光の緑〜赤色に該当する５７０〜７００ｎｍの領域で反射率が徐々に低下し、７００〜１１００ｎｍではほぼ０となる。

図４では、入射角度が０°、２０°、３０°の３通りの場合の曲線を示しているが、特に可視光線の領域においては入射角度０〜３０°で似通った特性を示していることがわかる。１１００ｎｍ以上の領域では入射角度０〜３０°で示される特性の違いが比較的大きくなるが、この領域は可視光線ではないので、可視光線を扱う光学デバイスにおいては特に大きな影響はない。これは即ち、たとえば撮像装置においては、入射角度依存性に起因する画質の低下が発生しにくいということを意味する。

このＵＶカットおよびＩＲカットの周波数は、薄膜の材料や膜の構成を事前にシミュレートすることによって調整することができるので、人間の視感度に近似させた特性を得ることも容易にできる。

以上で説明した光学フィルタは、薄膜の積層のみによってＩＲカットとＵＶカットの両方の特性を得ることができる。従って、光学フィルタのみで１個もしくは複数個の光部品とする必要はなく、撮像素子に組み合わせられる非球面レンズ、あるいはその他の光部品の片面にこの薄膜を積層コーティングするのみの構成とすることができる。従って、この光学フィルタは構造光路長の低減や部品点数の削減に大きく貢献することができる。

かつ、この光学フィルタは入射角度依存性を小さくしてその特性を得ている。従って、構造光路長や部品点数を低減および削減しつつ、良好な画質の撮像装置などを得ることが可能となる。

これまで本発明について図面に示した特定の実施形態をもって説明してきたが、本発明は図面に示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができる。

光学フィルタを含む機器一般において幅広く利用することが可能であるが、特に撮像装置、その中でも小型軽量や低コストであることが要求される用途の撮像装置における利用に適している。より具体的には、前述のような携帯電話端末などに搭載される撮像装置などである。

１０ 光学フィルタ
１１ ガラス基板
１２、１２ａ、１２ｂ 高屈折率層
１３、１３ａ、１３ｂ 低屈折率層
２１ 全体繰り返し層
２２ 部分薄膜繰り返し層
２３ａ、２３ｂ 銀薄膜
２４ ギャップ層

Claims (3)

1. 基板と、前記基板上に複数の層が形成された光学薄膜部とを有する光学フィルタであって、
   前記光学薄膜部が、
   相対的な高屈折率を有する高屈折率材料と相対的な低屈折率を有する低屈折率材料とを交互に積層して構成されて成る全体繰り返し層を構成し、
   この全体繰り返し層の中に、第１および第２の銀薄膜層と、前記第１および第２の銀薄膜層の間のギャップ層と、前記第１および第２の銀薄膜層よりも前記基板側に位置する部分薄膜繰り返し層とを設けた構成とし、
   前記第１および第２の銀薄膜層は、前記光学薄膜部の空気側端部から３０００［ｎｍ］以上４０００［ｎｍ］以下の間に設けられ、それぞれの厚さが５［ｎｍ］以上１５［ｎｍ］以下であり、
   前記ギャップ層は、前記高屈折率材料および前記低屈折率材料を交互に積層することによって得られ、全体の厚さが１９０［ｎｍ］以上２５０［ｎｍ］以下であり、
   前記部分薄膜繰り返し層は、前記高屈折率材料と前記低屈折率材料とから成り、１層あたりの厚さが１０［ｎｍ］以上５０［ｎｍ］以下で交互に積層して構成され、全体の厚さが１００［ｎｍ］以下であり、
   前記第２の銀薄膜層と前記部分薄膜繰り返し層との間の厚さが２５０［ｎｍ］以上３１０［ｎｍ］以下であること、を特徴とする光学フィルタ。
2. 前記高屈折材料が二酸化チタンであり、前記低屈折率材料が二酸化ケイ素であること、を特徴とする請求項１記載の光学フィルタ。
3. 請求項１又は２記載の光学フィルタを製造する方法であって、
   前記基板上に、前記高屈折率材料と前記低屈折率材料とを交互に積層して前記全体繰り返し層を形成し、
   この全体繰り返し層の形成途上にあって、
   前記部分薄膜繰り返し層と、前記第１の銀薄膜層と、前記ギャップ層と、前記第２の銀薄膜層とを、前記高屈折率材料および前記低屈折率材料を介して前記基板側から順次成膜すること、を特徴とする光学フィルタの製造方法。

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