JPWO2005047940A1 - Ｎｄフィルタ及びこれを用いた光量絞り装置 - Google Patents

Abstract

安価で且つ耐久性に優れた薄膜型のＮＤフィルタを提供する。 光吸収膜３，５と誘電体膜２，４，６を透明基板１上に積層したＮＤフィルタ０において、光吸収膜３．５の組成が、金属の単体成分１〜３０重量％及び該金属の飽和酸化物成分５０重量％以上で、他の残余成分が該金属の低級酸化物を含む該金属の化合物から構成されている。光吸収膜３，５の金属原料は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅ及びＮｉＴｉから選択される。又、誘電体膜２，４，６はＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３を用いる。光吸収膜３，５及び誘電体膜２，４，６を所定の膜厚及び所定の順番で積層して反射防止機能を付与する。或いは基板１の裏側に反射防止層を形成しても良い。

Description

本発明はＮＤフィルタに関する。ＮＤ（ニュートラルデンシティー）フィルタは、光量絞り用として可視域全般に亘り均一に透過光量を減衰させる目的で使用するものである。

従来よりカメラやビデオなどの撮像系において、被写体輝度が高過ぎる時は絞りを最小径に絞っても（開口径を最小にしても）感光面へ所定量以上の光量が入射してしまう場合がある。この為、撮像系の一部にＮＤフィルタを装着して感光面への入射光量を規制することがしばしば行われている。この場合、ＮＤフィルタの分光特性は単に入射光量を減少させるということから、可視領域全般に亘り均一な透過率を有していることが必要となっている。カメラやビデオなどの撮像系においては、可視域全般に亘り均一に光量を減衰させる目的で以前からプラスチックフィルムベースのＮＤフィルタが用いられてきた。

近年では光学特性及び耐久性に優れた薄膜積層型のＮＤフィルタが利用される様になってきており、特許文献１〜特許文献３に記載されている。
特開昭５２−１１３２３６号公報 特開平０７−０６３９１５号公報 特開２００３−０４３２１１号公報

特許文献１には、金属薄膜（Ｔｉ，Ｎｉなど）と誘電体膜（ＭｇＦ_２）の交互層からなるＮＤフィルタが提案されている。すなわち特許文献１では光吸収膜として金属膜を利用している。この為光吸収膜の消衰係数が大きく、ＮＤフィルタを作成する為の金属膜の膜厚が非常に薄くなり、膜厚制御が困難である。又、光吸収膜の膜厚が薄くなると、光学多層膜の設計上反射防止効果を得ることが困難となる。

特許文献２は、二種類以上のＴｉ金属酸化膜（消衰係数ｋ：１．０〜３．０）と誘電体膜（Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＭｇＦ_２）との交互層からなるＮＤフィルタを提案している。特許文献２においては、二種類以上のＴｉ金属酸化膜からなる吸収膜の出発材料として、Ｔｉの低級酸化物（ＴｉＯ，Ｔｉ_２Ｏ_３，Ｔｉ_３Ｏ_５，Ｔｉ_４Ｏ_７など）を利用している。しかしながらこの原材料自体が不安定であり、吸収膜の中に低級酸化物などの不安定な物質が多く含まれる場合には、光学特性の経時変化が発生する。又１．０〜３．０の範囲の消衰係数ｋを得る為には１５０℃以上の高温で成膜する必要があるが、基材にプラスチックフィルムを用いた場合に基板のダメージが大きいという問題がある。更に、低級酸化物自体の原材料価格が高いという問題もある。

特許文献３は、光吸収膜と誘電体膜を透明基板上に積層した薄膜型ＮＤフィルタを開示している。光吸収膜は、金属材料を原料として蒸着により成膜されたものであり、酸素を含む混合ガスを成膜時に導入し、真空度を一定に維持した状態で生成した金属材料の酸化物を含有している。しかしながら、光吸収膜に含まれる金属材料の酸化物の組成は必ずしも明らかにされていない。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は、安価で且つ耐久性に優れた薄膜型のＮＤフィルタを提供することを目的とする。係る目的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち、光吸収膜と誘電体膜を透明基板上に積層したＮＤフィルタにおいて、前記光吸収膜の組成が、金属の単体成分１〜３０重量％及び該金属の飽和酸化物成分５０重量％以上で、他の残余成分が該金属の低級酸化物を含む該金属の化合物から構成されていることを特徴とする。
好ましくは、前記光吸収膜の金属原料は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅ及びＮｉＴｉから選択される。又、前記誘電体膜はＳｉＯ_２又はＡｌ_２Ｏ_３を用いる。好ましくは、前記光吸収膜及び誘電体膜を所定の膜厚及び所定の順番で積層して反射防止機能を付与する。或いは、前記光吸収膜と誘電体膜を積層した透明基板の面とは異なる面に反射防止層を設けても良い。この場合、前記反射防止層は、光吸収膜もしくは誘電体膜の単層で形成できる。或いは前記反射防止層は、光吸収膜及び誘電体膜の複数層から形成できる。或いは前記反射防止層は、可視光領域において透明な熱硬化性の樹脂或いは光硬化性の樹脂を用いて、単層或いは複数層で形成できる。かかるＮＤフィルタは光量絞り装置に用いられる。

本発明によれば、金属単体を含む飽和酸化物を主成分とした光吸収膜を作成し、この吸収膜と誘電体膜の積層構造によりＮＤフィルタを作成している。すなわち金属の単体成分及びその飽和酸化物成分を主とし、金属の低級酸化物を含む残余成分を極力抑えることで、特性的及び経時的に安定したＮＤフィルタを得ている。例えば出発材料として金属膜を用い、例えば基板温度を１００℃にて反応性ガス（Ｏ_２，Ｏ_２＋Ｎ_２，Ｏ_２＋Ａｒなど）を適当量加えることで、成膜過程において金属の飽和酸化物を導入することができる。成膜条件を適切に設定することで、金属の低級酸化物を含む残余成分の割合を抑えることができる。本ＮＤフィルタは、金属の単体成分に加え飽和酸化物成分を大きな割合で含む為、光吸収膜の厚みが金属単体の光吸収膜に比べると大きくできる。これにより、ＮＤフィルタの光学膜設計が容易になるとともに、製造プロセスの制御も容易となり、更に信頼性も改善できる。
以上の発明により、金属膜のみで構成したＮＤフィルタと比較して、飽和酸化物を含む分吸収膜の膜厚が厚くなることで、膜厚制御が容易となり、光学特性の高い再現性が得られる様になった。又、吸収膜中の低級酸化物など不安定な成分が少ない為、ＮＤフィルタの信頼性が上がるとともに、低温でも成膜条件の調整を行うことで、ＮＤ特性を得る為に最適な光吸収膜を形成することができる。更に出発材料が安価な金属であることから、低コストでＮＤフィルタを作成することが可能である。

［図１］本発明に係るＮＤフィルタの実施形態の層構成を示す模式的な断面図である。
［図２］本発明に係るＮＤフィルタの作成に用いる真空蒸着装置を示す模式的なブロック図である。
［図３］本発明に係るＮＤフィルタの成膜条件を示す表図である。
［図４］本発明に係るＮＤフィルタに含まれる光吸収膜の組成を示すＸＰＳスペクトル図である。
［図５］本発明に係るＮＤフィルタに含まれる光吸収膜の組成を示す表図である。
［図６］本発明に係るＮＤフィルタに含まれる光吸収膜の元素組成を示す表図である。
［図７］本発明に係るＮＤフィルタの光学特性を示すグラフである。
［図８］本発明に係るＮＤフィルタをカメラ用光量絞り装置に適用した例を示す模式図である。
［図９］本発明に係るＮＤフィルタの他の実施形態の層構成を示す模式的な断面図である。
［図１０］本発明に係るＮＤフィルタの別の実施形態の層構成を示す模式的な断面図である。
［図１１］本発明に係るＮＤフィルタをカメラ用光量絞り装置に適用した他の例を示す模式的な分解斜視図である。

符号の説明

０・・・ＮＤフィルタ、１・・・透明基板、２・・・誘電体膜、３・・・光吸収膜、４・・・誘電体膜、５・・・光吸収膜、６・・・誘電体膜、７・・・反射防止層

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る薄膜型ＮＤフィルタの一実施形態の構成を示す模式的な断面図である。図示する様に、本ＮＤフィルタ０は、光吸収膜３，５と誘電体膜２，４，６を透明基板１上に積層した薄膜型となっている。特徴事項として、光吸収膜３，５の組成が、金属の単体成分１〜３０重量％及び該金属の飽和酸化物成分５０重量％以上で、他の残余成分が該金属の低級酸化物を含む該金属の化合物から構成されている。係る光吸収膜３，５は、金属材料を原料とした反応性の物理気相成長（ＰＶＤ）により形成可能である。光吸収膜３，５の金属原料としては、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉなどの他、ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅ及びＮｉＴｉなどの合金から選択できる。一方、誘電体膜２，４，６としてはＳｉＯ_２又はＡｌ_２Ｏ_３を用いることができる。光吸収膜３，５及び誘電体膜２，４，６を所定の膜厚及び所定の順番で積層してＮＤフィルタに反射防止機能を付与することもできる。係る構成を有する薄膜型ＮＤフィルタは光量絞り装置に用いられる。

引続き図１を参照して、ＮＤフィルタ０の具体的な膜構成を説明する。まず、透明基板１は厚みが０．１ｍｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）からなる。但し、本発明はこれに限られるものではなくＰＥＴ以外のポリエステルフィルムやポリカーボネートフィルムを用いることができる。光量絞り用としてはＰＥＴなどポリエステルフィルムやポリカーボネートフィルムが好ましいが、特に用途を限定しなければ透明基板１として使用波長領域において透明であるガラスやプラスチックを適宜使うことができる。透明基板１の上に形成された第一の誘電体膜２はＳｉＯ_２からなり、その物理膜厚は５９ｎｍである。その上に成膜された第一の光吸収膜３は、金属Ｔｉとその飽和酸化物ＴｉＯ_２を主成分とし、その他の残余成分として低級酸化物Ｔｉ_２Ｏ_３，ＴｉＯなどや金属化合物ＴｉＮなどの副生成物を含有している。第一の光吸収膜３の物理膜厚は２８ｎｍである。その上に成膜された第二の誘電体膜４はＳｉＯ_２からなり、その物理膜厚は５１ｎｍである。その上に成膜された第二の光吸収膜５は、同じく金属Ｔｉとその飽和酸化物ＴｉＯ_２を主成分とし、その他の残余成分として低級酸化物Ｔｉ_２Ｏ_３，ＴｉＯや金属化合物ＴｉＮを含んでいる。第二の光吸収膜５の物理膜厚は２５ｎｍである。その上に成膜された第三の誘電体膜６はＳｉＯ_２からなりその物理膜厚は７８ｎｍである。尚、係る積層構成は例示であって本発明の範囲を限定するものではない。光学薄膜の場合、通常使用波長において透明なセラミックス材料を誘電体膜として表現している。光の干渉効果が現われる厚さ（波長の数倍程度）の誘電体膜を積層することで、入射する光線の光学特性（反射量、透過量、偏光、位相など）を自由に調節することができる。本実施形態では、図１に示す層構成とすることで、ＮＤフィルタに反射防止機能を付与している。一方光吸収膜は、使用波長領域において文字通り光を吸収する働きがあり、可視域では通常金属を用いる。本発明では、特に金属にその飽和酸化物を導入することで光学特性及び物理特性を改善している。

図１に示したＮＤフィルタは例えば真空蒸着により形成できる。図２は、図１に示したＮＤフィルタの作成に使用する真空蒸着装置の一例を示す模式的なブロック図である。図示する様に、本装置は真空チャンバ１１を主体に構成されており、その上には膜厚モニタ１２と膜厚制御器１３が取り付けられている。チャンバ１１内には処理対象となる基板を支持固定する基板ホルダ１４と、膜厚測定用基板１５、と蒸着源１６とが組み込まれている。膜厚モニタ１２は光源と分光器と受光器とを備えている。分光器から出射した光は膜厚測定用基板１５に入射し、これから反射した光が受光器に入射し、その出力が膜厚制御器１３に送られる。この様に、膜厚をリアルタイムでモニタすることにより、基板上に所望の厚みの光吸収膜や誘電体膜を成膜する様にしている。

チャンバ１１には真空計ゲージ部１７、真空計制御部１８、ガス導入ユニット１９及び排気ユニット２０が接続している。本実施例では、チャンバ１１内の真空度を一定に保つ為に、ＡＰＣ方式を採用している。具体的には、真空計ゲージ部１７及び真空計制御部１８を介してフィードバックをかけ、ガス導入ユニット１９を制御して、チャンバ１１内に導入される混合ガスの量を調整している。但し、本発明はこれに限られるものではなく、導入量をニードルバルブにて一定に調整する方式を採用してもよい。

図３は、図２に示した真空蒸着装置を用いて、図１に示したＮＤフィルタを作成する場合の成膜条件を表わした表図である。図示する様に、基板温度は１００℃としている。又、チャンバの到達真空度は１×１０^−３Ｐａに設定している。ここで、光吸収膜３，５を成膜する為に、原料としてＴｉを用い、蒸着速度は０．５〜１．０ｎｍ／ｓｅｃに設定している。Ｔｉを蒸着する際に導入する反応性ガスとして、本実施例では窒素と酸素を４：１で混合した空気を用いている。但し、本発明はこれに限られるものではなく、一般には酸素を５０％以下の割合で含有する混合ガスが用いられる。例えば、Ｏ_２とＮ_２の混合ガスに代えてＯ_２とＡｒの混合ガスを用いることができる。尚、酸素を含有した混合ガスを導入した場合の蒸着真空度は、３〜４×１０^−３Ｐａに設定した。但し、本発明はこれに限られるものではなく、一般に１×１０^−３Ｐａ〜１×１０^−２Ｐａの間で一定に維持すれば良好な光学特性並びに物理特性を有し且つ金属とその飽和酸化物を主成分とし残余の低級酸化物の割合を抑制した光吸収膜を成膜することができる。次に、誘電体膜２，４，６を成膜する場合には、蒸着源としてＳｉＯ_２を用い、蒸着速度は０．５〜１．０ｎｍ／ｓｅｃに設定している。ＳｉＯ_２を成膜する場合には特に反応性のガスを導入していない。本実施例では真空蒸着を用いて光吸収膜を形成している。これに代え、他のＰＶＤ成膜方法として、イオンプレーティング法、イオンアシスト法、スパッタ法など緻密な膜が形成できる手法を利用してもよい。

図４は、図３に示した条件で反応性ＰＶＤにより成膜された光吸収膜の組成の分析結果を示すグラフである。この分析はＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ，ＥＳＣＡ）を用いた。高真空中で吸収膜表面に特定エネルギーの軟Ｘ線を照射すると、光電効果により試料から電子が放出される。これをアナライザーに導き、電子の運動エネルギーで分けてスペクトルとして検出する。図４はこのスペクトルを表わしている。光電子は深い領域からも放出されるが、試料表面に到達するまでに非弾性散乱により運動エネルギーを失う為、ピークとしては検出されず、スペクトルのバックグラウンドとなる。非弾性散乱せずに試料表面から脱出した数ｎｍの深さ領域の光電子のみが図示の様にピークとして検出され、分析に用いられる。図４のスペクトルの横軸は電子の結合エネルギーで表示される。結合エネルギーは照射した軟Ｘ線のエネルギーから光電子の運動エネルギーを引いた差として求められる。各種原子の内殻電子は固有の結合エネルギーを持っているので、検出された電子の結合エネルギーから元素の種類、シグナル強度から元素の比率を調べることができる。図４のスペクトルは、原子の２ｐ内殻電子の結合エネルギーを検出した結果である。更に、各種元素の化学結合状態が異なると結合エネルギーが僅かに変化し、区別されて検出される。これにより、金属とその酸化状態の定量が可能となる。図示のスペクトルでは、金属Ｔｉのピークが４５４．１ｅＶに観測され、その飽和酸化物ＴｉＯ_２のピークが４５８．５ｅＶに観測され、低級酸化物Ｔｉ_２Ｏ_３のピークが４５６．３ｅＶに観測され、別の低級酸化物ＴｉＯのピークが４５５．２ｅＶに観測されている。尚、ＴｉＯとＴｉＮのピークはほぼ等しい点に現われる為、４５５．２ｅＶのピークには、ＴｉＯの他ＴｉＮも含まれているものと思われる。

図５は、図４に示した分析結果に基づいて算出した、光吸収膜の組成を表わす表図である。比率を見ると、金属Ｔｉが５％、ＴｉＯ／ＴｉＮが５％、Ｔｉ_２Ｏ_３が１０％、ＴｉＯ_２が８０％であった。図３に示した条件にて成膜した光吸収膜の組成は、図５の表図に示した様に、飽和酸化物ＴｉＯ_２を主成分としてＴｉ金属単体を含み、更に残余成分として低級酸化物が混在したものとなっている。尚、吸収膜内に窒素が検出されたことから、ＴｉＮも存在しているものと思われる。係る組成を有する光吸収膜の消衰係数は０．５〜１．０程度であった。

図６は光吸収膜表面の元素比率の分析結果であり、同じくＸＰＳにより得られたものである。図示の表図によれば、光吸収膜の元素比率は、Ｏが５３．８％、Ｔｉが２７．５％、Ｎが２．８％であった。その他Ｃが１６．５％含まれているが、これは光吸収膜の表面に残された有機溶剤や汚れなど有機物の残差と思われる。

図７は、図３に示した成膜条件で、図１に示した積層構造を作成した場合における、ＮＤフィルタの光学特性を示すグラフである。横軸に可視域の波長を取り、縦軸には反射率及び透過率の尺度を表わす光量（％）を取ってある。グラフから明らかな様に、本ＮＤフィルタは可視域においてニュートラルな透過特性を示し、表面の反射率も低く抑えられたＮＤフィルタを作成することができた。更に本ＮＤフィルタを環境試験に投入したところ、非常に良好な耐久性を示すことが分かった。場合によっては、光吸収膜に含まれる低級酸化物など不安定な成分を安定化させる為、酸素雰囲気中で加熱処理などを行ってもよい。

図８は、本ＮＤフィルタをカメラ用光量絞り装置に適用した一例を示す模式図である。一対に形成された内の一枚を示した絞り羽根１００の凹部には、ＮＤフィルタ１０５が接着剤１０６又は熱溶着などにより固設されている。絞り羽根１００は駆動部１０３により、枢支ピン１０４の周りを回動して、開口部１０１を開閉する様に構成されている。

図９は本発明にかかるＮＤフィルタの他の実施形態の層構成を示す模式的な断面図である。理解を容易にするため、図１に示した先の実施形態と対応する部分には対応する参照番号を付してある。図示するように、ＰＥＴからなる透明基板１の表側となる一面には誘電体膜２，４，６と光吸収膜３，５を交互に重ねた積層が形成されている。この透明基板１の裏側となる他の面には反射防止層７が形成されている。この反射防止層７は、ＮＤフィルタ０が組み込まれる光学系により発生するゴーストやフレアを抑制する目的で、ＮＤフィルタ０の積層面とは異なる基板面上に形成されたものである。この反射防止層７は、光吸収膜もしくは誘電体膜の単層で形成することで、ＮＤフィルタの積層面とは異なる面における光反射低減が可能となる。

図１０は本発明にかかるＮＤフィルタの更に別の実施形態の層構成を示す模式的な断面図である。理解を容易にするため、図９に示した先の実施形態と対応する部分には対応する参照番号を付してある。この実施形態も透明基板１の裏面に反射防止層７が形成されている。特徴事項として、この反射防止層７を光吸収膜７ａ及び誘電体膜７ｂの複数層から形成することで、より大きな反射低減の効果を得ることが可能となる。誘電体膜７ｂの原料は本発明のＮＤフィルタに用いた原料だけでなく、他の原料（例：ＳｉＯ、ＭｇＦ_２）を用いることも可能である。また光吸収膜７ａの原料も本発明のＮＤフィルタに用いた原料だけでなく、他の原料〔例：Ｔａ_２Ｏ_５，ＺｒＯ_２，ＴｉＯ，ＴｉＯ_ｘ（１≦ｘ≦２），Ｎｂ_２Ｏ_５，ＣｅＯ_２、ＺｎＳ〕を用いることも可能である。更には、これらの原料を２種類以上混合することで反射防止層７を形成しても良い。

また反射防止層７は、可視光領域において透明な熱硬化性樹脂或いは光硬化性樹脂を用いて、単層或いは複数層で形成することも可能である。但し、ＮＤフィルタが搭載される光学系によりゴーストやフレアが出にくい場合は反射防止層７を必ずしも設ける必要が無いことは言うまでもない。

図１１は本発明にかかるＮＤフィルタをカメラ用光量絞り装置に適用した他の例を示す模式的な分解斜視図である。図示するように、カメラ用光量絞り装置は、基本的に地板２０１とフィルタ羽根２０２とカバー板２０３とで構成されている。これらの部品はピン２０７を用いて組み立てられる。地板２０１は撮影光の規制をする円形の開口２０４を有している。カバー板２０３は地板２０１より大きな直径の開口２０５を有している。地板２０１とカバー板２０３の間に構成された羽根室にはフィルタ羽根２０２が配置されている。フィルタ羽根２０２は本発明によるＮＤフィルタで作成されていて、外形は通常用いられる絞り羽根と同じ形状をしている。このフィルタ羽根２０２は地板２０３に設けられた図示しない回転軸に回動可能に支持され、駆動部２０６により開口２０４，２０５を覆う位置と退避する位置との間で往復動作するように構成されている。

Claims (9)

1. 光吸収膜と誘電体膜を透明基板上に積層したＮＤフィルタにおいて、
   前記光吸収膜の組成が、金属の単体成分１〜３０重量％及び該金属の飽和酸化物成分５０重量％以上で、他の残余成分が該金属の低級酸化物を含む該金属の化合物から構成されていることを特徴とするＮＤフィルタ。
2. 前記光吸収膜の金属原料は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅ及びＮｉＴｉから選択されることを特徴とする請求項１記載のＮＤフィルタ。
3. 前記誘電体膜はＳｉＯ_２又はＡｌ_２Ｏ_３を用いることを特徴とする請求項１又は２記載のＮＤフィルタ。
4. 前記光吸収膜及び誘電体膜を所定の膜厚及び所定の順番で積層して反射防止機能を付与したことを特徴とする請求項１，２又は３記載のＮＤフィルタ。
5. 前記光吸収膜と誘電体膜を積層した透明基板の面とは異なる面に反射防止層を設けたことを特徴とする請求項１乃至４記載のＮＤフィルタ。
6. 前記反射防止層は、光吸収膜もしくは誘電体膜の単層で形成されていることを特徴とする請求項１乃至５記載のＮＤフィルタ。
7. 前記反射防止層は、光吸収膜及び誘電体膜の複数層から形成されていることを特徴とする請求項１乃至５記載のＮＤフィルタ。
8. 前記反射防止層は、可視光領域において透明な熱硬化性の樹脂或いは光硬化性の樹脂を用いて、単層或いは複数層で形成することを特徴とする請求項１乃至５記載のＮＤフィルタ。
9. 請求項１乃至８記載のＮＤフィルタを用いた光量絞り装置。

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