WO2016171219A1 - 光学フィルタおよび撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
かかる光学フィルタにおいて、とくに、良好な色調再現性を得るためには、可視光を透過させるとともに、紫外光および近赤外光を遮断する分光透過率曲線を示すことが求められる。
従来、このような光学フィルタとして、近赤外吸収色素を含有する(光)吸収層と、紫外波長領域および赤外波長領域の光を遮断する誘電体多層膜からなる(光)反射層とを備えたものが知られている。これは、誘電体多層膜そのものが、入射する光の角度によって分光透過率曲線が変化(シフト)する。そのため、このような光学フィルタは、その変化を解消するように、透過率の入射角依存性が極めて小さい近赤外吸収色素を含有する吸収層の吸収波長領域を重ねて、光の入射角の依存性を抑制し色再現性に優れる分光透過率曲線を得ようとしたものである(例えば、特許文献1~3等参照)。
(i-1)前記吸収極大を示す波長λ(DA_Tmin)より短波長側で620~670nmの波長領域に透過率が50%となる波長λSh(DA_T50%)を有する。
(ii-1)670~1200nmの波長領域に入射角0°で入射する光に対する透過率が50%以下となる近赤外反射帯域を有し、前記近赤外反射帯域より短波長側で、入射角30°で入射する光のうちs偏光成分の光の透過率が50%となる波長λSh(A2_Ts50%)が、前記波長λSh(DA_T50%)より長波長側にある。
(I-1)前記第1の近赤外吸収剤が吸収極大を示す波長λ(DA_Tmin)より短波長側で620~670nmの波長領域に透過率が50%となる波長λSh(DA_T50%)を有し、前記第2の近赤外吸収剤が吸収極大を示す波長λ(DB_Tmin)より長波長側で900~970nmの波長領域に透過率が50%となる波長λLo(DB_T50%)を有し、λSh(DA_T50%)<λ(DA_Tmin)<λ(DB_Tmin)<λLo(DB_T50%)である。
(II-1)670~1200nmの波長領域に入射角0°で入射する光に対する透過率が50%以下となる近赤外反射帯域を有し、前記近赤外反射帯域の短波長側で透過率が50%となる波長λSh(A1_T50%)と、前記波長λ(DB_Tmin)と、前記波長λLo(DB_T50%)との関係が、
λ(DB_Tmin)<λSh(A1_T50%)<λLo(DB_T50%)
であり、かつ前記近赤外反射帯域の長波長側で、入射角30°で入射する光のうちp偏光成分の光の透過率が15%となる波長λLo(A1_Tp15%)が、波長1150nmより長波長である。
本実施形態の光学フィルタ(以下、第1の実施形態の説明中、「本フィルタ」ともいう)は、吸収層および反射層を有し、該反射層は誘電体多層膜からなる。
図1Bは、吸収層11の一方の主面上に第1の反射層12aおよび第2の反射層12bを備えた光学フィルタ20の構成例である。
なお、「吸収層11の一方の主面上に、第1の反射層12a等の他の層を備える」とは、吸収層11に接触して他の層が備わる場合に限らず、吸収層11と他の層との間に、別の機能層が備わっている場合も含むものとする。以下の構成も同様である。ここで、光学フィルタ10、光学フィルタ20における吸収層11は、この場合、透明基板としての機能を併せ持ってもよい。
図1Cは、透明基板13の両主面上にそれぞれ第1の反射層12aおよび第2の反射層12bを備え、第2の反射層12b上に吸収層11および反射防止層14を順に備えた光学フィルタ30の構成例である。
図1Dは、透明基板13の一方の主面上に第1の反射層12aおよび第2の反射層12bを備え、透明基板13の他方の主面上に吸収層11および反射防止層14を備えた光学フィルタ40の構成例である。
図1A~図1Dは、いずれも2層の構成の異なる反射層が設けられている例である。前述のように、例えば、第1の反射層12aが上述した近赤外域の長波長側領域および近紫外域の光を遮蔽する近赤外・近紫外反射層で、第2の反射層12bが上述した近赤外域の短波長側領域を遮蔽する近赤外反射層であってよい。第1の反射層12aと第2の反射層12bの位置は特に限定されない。
(2)入射角0°の分光透過率曲線において、350~400nmの波長領域の平均透過率が5%以下である。
(3)入射角0°の分光透過率曲線において、700~1150nmの波長領域の平均透過率が5%以下である。
上記(1)において、平均透過率は90%以上が好ましい。また、上記(2)において、平均透過率は3%以下が好ましく、1%以下がより好ましい。さらに、上記(3)において、平均透過率は3%以下が好ましく、1%以下がより好ましい。
吸収層は、NIR吸収剤(DA)と、透明樹脂(B)とを含有する層であり、典型的には、透明樹脂(B)中にNIR吸収剤(DA)が均一に溶解または分散した層である。なお、吸収層は、NIR吸収剤(DA)以外の吸収剤、例えば、UV吸収剤(DU)を含有してもよい。また、第2の実施形態で説明するNIR吸収剤(DB)を含有してもよい(以下、NIR吸収剤(DA)を「第1のNIR吸収剤(DA)」、NIR吸収剤(DB)を「第2のNIR吸収剤(DB)」ともいう)。
NIR吸収剤(DA)を含む吸収層の光学的性質は、屈折率nと消衰係数κを用いた複素屈折率n-iκで表され、吸収剤固有の消衰係数κの波長(λ)依存性に応じた光吸収にともない分光透過率が変化する。吸収剤が透明樹脂中に厚さ方向に均一に分散された吸収層の厚さをdとすると、吸収層の分光透過率T(λ)は、T(λ)=exp(-4πκd/λ)で記述される。ここで、α=4πκ/λは吸収係数であり、常用対数を用いて透過率を表記する場合はT(λ)=10-βdとなり、吸収係数βはαにlog10(e)=0.434を乗じた値に相当する。このとき、吸光度Aは-log10{T(λ)}=βdと記載される。吸収係数αおよびβは吸収層中の吸収剤濃度により変化する。すなわち、吸収層の分光透過率は吸収層中の吸収剤濃度および吸収層の厚さdを変えることにより調整できる。
Xは、独立して1つ以上の水素原子が炭素数1~12のアルキル基またはアルコキシ基で置換されていてもよい下記式(1)または式(2)で示される2価の有機基である。
-(CH2)n1- …(1)
式(1)中n1は、2または3である。
-(CH2)n2-O-(CH2)n3- …(2)
式(2)中、n2とn3はそれぞれ独立して0~2の整数であり、n2+n3は1または2である。
R1は、独立して飽和環構造を含んでもよく、分岐を有してもよい炭素数1~12の飽和もしくは不飽和炭化水素基、炭素数3~12の飽和環状炭化水素基、炭素数6~12のアリール基または炭素数7~13のアルアリール基を示す。
R2およびR3は、独立して水素原子、ハロゲン原子、または、炭素数1~10のアルキル基もしくはアルコキシ基を示す。
R4は、独立して1つ以上の水素原子がハロゲン原子、水酸基、カルボキシ基、スルホ基、またはシアノ基で置換されていてもよく、炭素原子間に不飽和結合、酸素原子、飽和もしくは不飽和の環構造を含んでよい、少なくとも1以上の分岐を有する炭素数5~25の炭化水素基である。
さらに、吸収層は、上記吸収極大波長λ(DU_Tmin)より長波長側で400~420nmの波長領域内に透過率50%となる波長λLo(DU_T50%)を有し、入射角0°の分光透過率曲線、すなわち、UV吸収剤(DU)のみを含む吸収層の主面に垂直に入射する光の分光透過率曲線において、440~620nmの波長帯域の平均透過率が90%以上、好ましくは95%以上となるように、UV吸収剤(DU)の種類、UV吸収剤(DU)の(吸収層中の)濃度、および厚さdを設定することが好ましい。
本実施形態の光学フィルタは、上記NIR吸収剤(DA)、あるいは上記NIR吸収剤(DA)およびUV吸収剤(DU)を含有する吸収層のみが波長選択的な光遮断性を有する構成の場合、RGBカラーフィルタ付き固体撮像素子が感度を有する350~1150nmの波長領域の入射光のうち、略350~390nmの近紫外域、および略800~1150nmの近赤外域の入射光の遮断性が不十分である。したがって、本フィルタは、さらに、低屈折率の誘電体膜と高屈折率の誘電体膜とを交互に積層した誘電体多層膜からなる反射層を備える。本フィルタは、反射層を備えることで、不要な波長の光の遮断性を向上させ、RGBカラーフィルタ付き固体撮像素子は略400~700nmの可視域内の光のみを検知できるようになる。なお、以下、高屈折率の誘電体膜は、「高屈折率膜」ともいい、低高屈折率の誘電体膜は、「低屈折率膜」ともいう。
反射層は、使用する誘電体材料が使用波長領域で透明な場合、反射光以外の入射光は透過するため、波長λ0の透過率T(λ0)=1-R(λ0)が最小透過率となる。
このとき、波長λ0の反射率R(λ0)は次式(1)で記載される。
また、g=λ0/λと定義すると、最大反射波長はgが奇数となるλ=λ0/(2m-1)で、最大反射波長を中心に反射率50%以上の反射帯域幅Δgは式(2)で記載される。なお、反射帯域全幅は2×Δgに相当する。
なお、本明細書において、単に「反射帯域」または「反射帯域幅」というときは、とくに断らない限り、反射率50%以上(つまり、透過率50%以下)の反射帯域または反射帯域幅を意味する。
なお、本明細書において、透明基板や吸収層について屈折率を記載するときは、とくに断らない限り、20℃における波長589nmの光に対する屈折率をいう。
図3Bは、横軸を波長λで表記したグラフで同じ計算結果である。この例では、近赤外域の波長λ0=1100nm周辺の略950~1320nmの波長領域で反射率50%以上の反射帯域が形成され、近紫外域の波長λ=λ0/3=367nm周辺の略340~390nmの波長領域で反射率50%以上の反射帯域が形成される。
上記計算は、波長の変化に対する屈折率を一定と仮定しているが、実際の誘電体材料の屈折率は材料固有の波長依存性(分散)を有し、短波長ほど高屈折率となり光学膜厚がその分増加する。そのため、g=3の波長がλ0/3であるg=3±Δgの反射帯域は、g=1の波長がλ0であるg=1±Δgの反射帯域に近づくよう長波長側にシフトする。
具体的に該設計は、g=1(反射極大波長λ=λ0)の反射帯域を遮断したい近赤外域に、g=3(反射極大波長λ=λ0/3)の反射帯域を遮断したい近紫外域になる誘電体多層膜の構成とすることで、層数を少なく、かつ、総膜厚を薄くできる。このような設計は、後述する第1の反射層(UA1)により実現できる。これにより、吸収剤による材料固有の吸収では十分遮断できない不要な波長領域の光を有効に遮断できる光学フィルタが得られる。
具体的には、近赤外域の短波長側である略750~950nmの反射帯域用の第2の反射層(A2)と、近赤外域の長波長側である略950~1150nmの反射帯域用の第1の反射層(UA1)の2種の誘電体多層膜を用いる。そして、反射帯域が、NIR吸収剤(DA)の波長λLo(DA_T50%)を含むようにして、近赤外域を反射する構成とする。
また、g=3-Δgからg=1+Δgの波長領域は透過帯域であるが、波長λt=λ0/(2m)と異なる波長では各誘電体膜界面で生じるフレネル反射の光干渉強度が波長に応じて変化し、図3Aに示すような周期的な透過率変動(リップル)が表れる。
このような可視透過帯域中のリップルを低減し透過率を向上させるために、誘電体多層膜は、(2p+1)層の誘電体多層膜と透明基板や空気との界面に、光学膜厚がλ0/4より薄い誘電体膜を追加した構成が有効である。また、誘電体多層膜は、前述の高/低屈折率誘電体材料以外に、Al2O3、ZrO2等の中間屈折率の誘電体材料を用いてもよい。さらに、反射層は、光学膜厚λ0/4の設計波長λ0をシフトした誘電体多層膜に分割した構成や、各誘電体膜の光学膜厚をλ0/4から略±10%以下程度変動させた構成とすること等によって、透過率変動の振幅や残留反射を低減できる。
sin(θ)=nH×sin(θH)=nL×sin(θL) …(3)
ηH(p)=nH/cos(θH)、ηH(s)=nH×cos(θH) …(4a)
ηL(p)=nL/cos(θL)、ηL(s)=nL×cos(θL) …(4b)
また、誘電体膜界面で生じるフレネル反射の干渉に影響する高屈折率および低屈折率の各誘電体膜の光路長位相差δH、δLは、斜入射にともない次式のように記載されるため、いずれも減少する。
δH=2π×nH×dH×cos(θH)/λ …(5a)
δL=2π×nL×dL×cos(θL)/λ …(5b)
すなわち、入射角0°の光学膜厚nHdH=nLdL=λ0/4が、入射角θ(≠0°)では(λ0/4)×cos(θH)および(λ0/4)×cos(θL)に変化するため、最大反射率の波長λ0が近似的にλ0×{cos(θH)+cos(θL)}/2の短波長側にシフトする。
なお、δHは、高屈折率膜の光路長位相差、δLは、低屈折率膜の光路長位相差を示す。
したがって、垂直入射(θ=0°)を基準に入射角θの増加にともない、s偏光に対する反射帯域幅Δg(s)は拡大し、p偏光に対する反射帯域幅Δg(p)は縮小する。
また、入射角θに応じて実効屈折率が、式(4a)および式(4b)に記述される偏光依存性を有するため、式(1)に示した最大反射率となる波長λ0の反射率R(λ0)も入射偏光に依存して変化する。そのため反射率R(λ0)は、入射角θの増加にともない、s偏光に対して増加し、p偏光に対して減少する。
一般に、誘電体多層膜からなる反射層において、透過から遮断へ遷移する分光透過率曲線は、入射角θの増加にともない短波長側に変化するシフト量が増すとともに、s偏光成分がp偏光成分に比べより大きくシフトし、そのシフト量の差は反射層の誘電体多層膜構成に依存する。ここで、上記近赤外反射帯域における波長λSh(A2_Tp50%)と波長λSh(A2_Ts50%)との間に次の関係があることが好ましい。
0nm<λSh(A2_Tp50%)-λSh(A2_Ts50%)≦20nm(好ましくは15nm)
すなわち、第2の反射層(A2)において、入射角θ=0°における近赤外反射帯域の短波長側で透過率50%の最短波長λSh(A2_T50%)は、入射角θの増加にともない短波長にシフトし、最大入射角θ=30°におけるs偏光成分、すなわち上記の波長λSh(A2_Ts50%)が最短波長に相当する。そのため、第2の反射層(A2)は、波長λSh(A2_Ts50%)が波長λSh(DA_T50%)より長波長側に位置するような誘電体多層膜構成とする。
一方、遮断から透過へ遷移する分光透過率曲線は、入射角θの増加にともない短波長側に変化するシフト量は増すとともに、p偏光成分がs偏光成分に比べより大きくシフトする。したがって、入射角θ=0°における近赤外反射帯域の長波長側で透過率50%の最短波長λLo(A2_T50%)は、入射角θの増加にともない短波長にシフトし、最大入射角θ=30°におけるp偏光成分、すなわち波長λLo(A2_Tp50%)が最短波長に相当する。そのため、第1の反射層(UA1)は、その反射帯域が入射角θ=0°~30°に対し波長λLo(A2_Tp50%)を含むような誘電体多層膜構成とする。
また、反射帯域のうち長波長領域ほど入射角増加にともなう分光透過率曲線の短波長シフト量が大きい。そのため、入射角θ=0°において、第2の反射層(A2)の波長λLo(A2_T50%)が、第1の反射層(UA1)の波長λSh(A1_T50%)より長波長側に位置するように、それぞれの誘電体多層膜を構成する。すなわち、λSh(A1_T50%)<λLo(A2_T50%)となるように誘電体多層膜を設計すれば、λSh(A1_Tp50%)<λLo(A2_Tp50%)を満たし、所定の広い近赤外反射帯域幅ΔλNIRを確保できる。
すなわち、第1の反射層(UA1)は、入射角θ=0°~30°の入射光に対して近赤外反射帯域の長波長側で透過率15%または透過率5%の最短波長が、入射角θ=30°で入射する光のうちp偏光成分の光の透過率が15%または透過率5%となる波長λLo(A1_Tp15%)または波長λLo(A1_Tp5%)である。そのため第1の反射層(UA1)は、該波長λLo(A1_Tp15%)または該波長λLo(A1_Tp5%)が、波長1150nmより長波長側に位置するように設計する。なお、固体撮像素子の分光感度の最長波長は、1150nmであり、本実施形態の光学フィルタは、波長1150nmまでの分光透過率曲線について、第1の反射層(UA1)における分光透過率曲線の入射角依存性、偏光依存性の影響を抑制できる。
なお、本例の光学フィルタは透明基板を含むが、計算に用いる透明基板はいずれも350~1150nmの波長領域で光吸収および光散乱のない基板を前提としている。実際に用いる透明基板は、後述するように、可視域で光学的に吸収、散乱の少ないものであれば使用可能であり、レンズ等の非平面を有する基板であってもよい。
本例の第1の反射層(UA1)は、略350~400nmの近紫外域と略850~1150nmの近赤外域に反射帯域が生じるように、設計波長λ0=1033nmに対し、nH=2.36のTiO2膜とnL=1.45のSiO2膜を交互に光学膜厚nHdHとnLdLが略λ0/4となる23層構成とした。
また、第1の反射層(UA1)は、可視透過帯域のリップルを低減するため、TiO2とSiO2の23層膜における各層の光学膜厚をλ0/4から±10%程度ずらした構成としている。
さらに、第1の反射層(UA1)は、略400~700nmの可視透過帯域のリップル低減および反射防止効果が生じるように、λ0/4より薄い光学膜厚で、空気と該23層膜との界面にSiO2膜を、透明基板と該23層膜との界面にSiO2膜とTiO2膜の2層を、それぞれ追加し、合計26層とした誘電体多層膜である。
図4に示すように、本設計例の第1の反射層(UA1)は、入射角θ=0°~30°の入射光に対し、略844~1256nmの近赤外域と略350~386nmの近紫外域で透過率50%以下、略862~1222nmの近赤外域と略350~382nmの近紫外域で透過率15%以下となる反射帯域を有し、400~700nmの可視域で平均透過率98%以上を示す。
第1の反射層(UA1)は、光学膜厚が略λ0/4となるように、TiO2とSiO2とを23層の交互多層膜とした構成では、近赤外反射帯域の最小透過率が0.02%レベルだが、層数を増やすことで最小透過率をさらに低下させ0.02%未満を実現できる。
ここで吸収層は、NIR吸収剤(DA)としてNIR775Bと、UV吸収剤(DU)としてSDA3382を含む例を考える。このとき、第2の反射層(A2)は、該吸収層と第1の反射層(UA1)のみでは反射帯域が確保できない波長を含む略800~950nmに反射帯域が与えられるように設計する。
第2の反射層(A2)は、設計波長λ0=940nmに対し、nH=2.37のTiO2膜とnL=1.45のSiO2膜を交互に光学膜厚nHdHとnLdLが略λ0/4となる21層構成とした。
また、第2の反射層(A2)は、可視透過帯域のリップルを低減するため、TiO2とSiO2の21層膜における各層の光学膜厚をλ0/4から±10%程度ずらした構成としている。
さらに、第2の反射層(A2)は、略400~700nmの可視透過帯域のリップル低減および反射防止効果が生じるように、透明基板と該21層膜との界面、および吸収層と該21層膜との界面にそれぞれ、各層がλ0/4より薄い光学膜厚となるSiO2/TiO2/SiO2の3層膜を追加し、合計27層とした誘電体多層膜である。なお、透明基板と吸収層の透明樹脂の波長940nmにおける屈折率は、1.51と設定している。
図5に示すように、本設計例の第2の反射層(A2)は、入射角θ=0°~30°の入射光に対し、略760~1140nmの近赤外域で透過率50%以下、略774~1026nmの近赤外域で透過率15%以下となる反射帯域を有し、400~700nmの可視域は95%以上の透過率を有する。
第2の反射層(A2)は、光学膜厚が略λ0/4となるように、TiO2とSiO2とを21層の交互多層膜とした構成では、近赤外反射帯域の最小透過率が0.1%レベルだが、層数を増やすことで最小透過率をさらに低下させ0.1%未満を実現できる。
光学フィルタを搭載した撮像装置において、被写体から撮像装置に入射する光は可干渉長の短い自然光であるため、光学フィルタが、厚さ略30μm以上の吸収層、透明基板等の両主面に、それぞれ、第1の反射層(UA1)および第2の反射層(A2)を備える場合、分光透過率は干渉を考慮しない計算に対応する。
図6に示すように、本設計例は、入射角θ=0°~30°の入射光に対し、略350~386nmの近紫外域および略756~1272nmの近赤外域で透過率50%以下、略350~382nmの近紫外域および略770~1244nmの近赤外域で透過率15%以下、400~700nmの可視域で平均透過率98%以上を示す反射型フィルタとなる。
光学フィルタに透明基板を用いる場合、透明基板は、略400~700nmの可視光を透過するものであれば、構成する材料はとくに制限されない。近赤外域や近紫外域の光を吸収する基材であってもよい。例えば、ガラスや結晶等の無機材料や、樹脂等の有機材料が挙げられる。また、厚さは、構成する材料にも依存するが、0.03~5mmが好ましく、薄型化の観点からは、0.03~0.5mmがより好ましい。また、透明基板は、光学フィルタとしての光学特性、機械特性等の長期にわたる信頼性に係る形状安定性の観点、フィルタ製造時のハンドリング性等から無機材料が好ましい。加工性の観点から、板厚0.05~0.5mmのガラスが好ましい。
反射防止層は、吸収層の表面に形成される場合、空気と、吸収層との界面で屈折率差に応じて生じる4%程度のフレネル反射損失を、略400~700nm可視域全域で入射角0°~30°の入射光に対し、略1.5%以下の反射率に低減する機能が得られる構成が好ましい。また、反射防止層は、透明基板の一方の面が空気と接する光学フィルタの構成でも、透明基板と空気との間に備えられるとよく、反射層と同様、可視域で透明な誘電体材料を用い、薄膜の光干渉を利用して反射防止効果を得るのが一般的である。とくに、略400~700nmの可視域全域で有効な反射防止効果を得るためには、例えば、屈折率の異なる誘電体膜を3~9層で総膜厚が200~400nm程度となるように積層すればよい。誘電体多層膜からなる反射防止層を吸収層の表面に直接形成する場合、吸収層の透明樹脂の劣化を抑制するため、低膜応力となる成膜条件および総膜厚を薄くする設計が好ましい。
また、吸収層は、構成する透明樹脂材料が金型離型性等で微細金型を用いた成形に適さない場合、吸収層上に、特性の異なる透明樹脂材料を成膜し、この樹脂膜に対しモスアイ構造を形成してもよい。かかる樹脂膜の形成によって、耐久性を向上できる効果もある。モスアイ構造は、薄膜の光干渉を利用した反射防止膜に比べ、真空プロセスが不要なため生産性が向上でき、また、膜応力の影響が軽減できる。
また、本フィルタは、680~750nmの波長領域で、入射角θ=0°と30°との、各偏光(s、p)における透過率差の平均値ΔTp(Avr680-750)、ΔTs(Avr680-750)は、1.3%以下であればよく、1.1%以下が好ましく、1.0%以下がさらに好ましく、0.9%以下がより一層好ましい。なお、上記各偏光(s、p)における透過率差の平均値は、例えば、680~750nmの範囲の10nm毎における各偏光でのθ=0°と30°との差(合計8点)を平均することにより算出できる。
本実施形態の光学フィルタ(以下、第2の実施形態の説明中、「本フィルタ」ともいう)は、吸収層、および誘電体多層膜からなる反射層を有する。
図8Bは、透明基板13の一方の主面上に吸収層11を備え、透明基板13の他方の主面上に第1の反射層12aを備えた構成例である。
図8Cは、透明基板13の一方の主面上に第1の反射層12aを備え、透明基板13の他方の主面上に吸収層11および反射防止層14を備えた構成例である。
なお、本実施形態では、重複する説明を避けるため、第1の実施形態と共通する点については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
吸収層は、第1の実施形態で用いた第1のNIR吸収剤(DA)と、第2のNIR吸収剤(DB)と、透明樹脂(B)とを含有する層であり、典型的には、透明樹脂(B)中に第1のNIR吸収剤(DA)および第2のNIR吸収剤(DB)が均一に溶解または分散した層である。吸収層は、さらに、第1の実施形態で用いたUV吸収剤(DU)を含有してもよい。
第1のNIR吸収剤(DA)は、第1の実施形態と同様に、透明樹脂(B)に溶解または分散して作製した樹脂膜の350~1200nmの吸収スペクトルにおいて、660~785nmの波長領域に吸収極大波長λ(DA_Tmin)を有する。
第2のNIR吸収剤(DB)は、前記吸収スペクトルにおいて、800~920nmの波長領域に吸収極大波長λ(DB_Tmin)を有する。
UV吸収剤(DU)は、第1の実施形態と同様に、前記吸収スペクトルにおいて、370~405nmの波長領域に吸収極大波長λ(DU_Tmin)を有する。
また、吸収層は、UV吸収剤(DU)を含有する場合、UV吸収剤(DU)の吸収極大波長λ(DU_Tmin)より長波長側で400~420nmの波長領域内に透過率が50%となる波長λLo(DU_T50%)を有するように、UV吸収剤(DU)の濃度と厚さdを設定する。
λSh(DA_T50%)<λSh(DB_T50%)≦λLo(DA_T50%)<λLo(DB_T50%)
上記の関係を満たすことにより、第1のNIR吸収剤(DA)の吸収帯域と第2のNIR吸収剤(DB)の吸収帯域との境界領域で吸収層の透過率を25%以下にできる。
また、本フィルタの吸収層は、第1のNIR吸収剤(DA)を含む透明樹脂の透過率が15%以下となる近赤外吸収帯域(波長λSh(DA_T15%)~波長λLo(DA_T15%))と、第2のNIR吸収剤(DB)を含む透明樹脂の透過率が15%以下となる近赤外吸収帯域(波長λSh(DB_T15%)~波長λLo(DB_T15%))との間で、以下の関係を満たすことがより好ましい。
λSh(DB_T15%)≦λLo(DA_T15%)
上記の関係を満たすことにより、第1のNIR吸収剤(DA)の吸収帯域と第2のNIR吸収剤(DB)の吸収帯域との境界領域で吸収層の透過率を3%以下にできる。
第2のNIR吸収剤(DB)としては、例えば、前述の吸収スペクトルにおいて、800~920nmの波長領域に吸収極大を有するものが使用できる。その具体例としては、KODAK社のIRDシリーズの04、79等、Epolin社のEpolightTMシリーズの5547、5588等、QCR Solutions社のNIRシリーズの907B、910C等、H.W.Sands社のSDA8630等、Exciton社のNP800、IRA868等(以上、商品名)が挙げられる。
吸収層中の吸収剤の全量に対するNIR吸収剤(DA)およびNIR吸収剤(DB)の割合は、3~100質量%が好ましい。また、透明樹脂(B)100質量部に対し、NIR吸収剤(DA)とNIR吸収剤(DB)は、合計で0.01~20質量部が好ましく、0.05~15質量部がより好ましく、1~10質量部がより一層好ましい。
上記のように、本実施形態の光学フィルタの吸収層は、近赤外吸収帯域を略700~900nmに拡張できる。このため、本フィルタは、反射層として、670~1150nmの波長領域に入射角0°で入射する光に対する透過率が50%以下となる近赤外反射帯域を有する第1の反射層(UA1)(のみ)を備える構成にできる。
第1の反射層(UA1)は、吸収層における吸収による遮断と反射層における反射による遮断が、それぞれの層の境界波長領域で有効に機能させるようにする。そのため、第1の反射層(UA1)は、第1の実施形態と同様に、入射角、入射偏光依存性による分光透過率曲線の短波長側シフトを考慮して設計する。
図10は、図1Cに示す光学フィルタ30を用いた撮像装置の一例を示す。撮像装置100は、RGBカラーフィルタ付き固体撮像素子21と、その前面に配置された光学フィルタ30および撮像レンズ23と、これらを固定する筐体24とを有する。撮像レンズ23は、筐体24の内側にさらに設けられたレンズユニット22により固定されている。光学フィルタ30は、撮像レンズ23側に第1の反射層(UA1)が位置するように配置されている。固体撮像素子21と、撮像レンズ23とは、光軸Xに沿って配置されている。光学フィルタ30を設置する際の向きや位置は、設計に応じて適宜選択される。
図1Cに示す光学フィルタ30を製造する。
表2に示した構成の誘電体多層膜からなる第1の反射層12aと、表3に示した構成の誘電体多層膜からなる第2の反射層12bを、屈折率1.52で厚さ100μmの透明樹脂(シクロオレフィンポリマー)フィルムからなる透明基板13を挟持するように形成する。
図5に示す分光透過率曲線から明らかなように、第2の反射層12bは、波長λSh(A2_Tp50%)が略734nm、波長λSh(A2_Ts50%)が略720nmであり、したがって、λSh(A2_Tp50%)-λSh(A2_Ts50%)は14nmである。
次いで、NIR吸収剤(DA)としてNIR775Bと、UV吸収剤(DU)としてSDA3382とを含む吸収層11を、第2の反射層12bの表面に形成する。すなわち、NIR775BおよびSDA3382と、屈折率1.49のアクリル樹脂の15質量%シク口ヘキサノン溶液とを、NIR775BおよびSDA3382がアクリル樹脂100質量部に対して合計で0.01~20質量部となる範囲で適宜調整して混合した後、室温にて攪拌・溶解することで塗工液を得る。得られた塗工液を、透明樹脂フィルムからなる透明基板13の第2の反射層12bが成膜された表面にダイコート法により塗布し、150℃で30分間加熱乾燥させ膜厚10μmの近紫外・近赤外吸収層11を形成する。さらに、吸収層11の空気界面に、Al2O3膜、ZrO2膜およびMgF2膜を順に積層して3層からなる反射防止層14を形成し、入射角θ=0°~30°の400~700nmの可視域の入射光に対し残留反射率を1.5%以下とする。
これにより、図11、図13Aおよび図14Aに示す分光透過率曲線(入射角θ=0°、入射角θ=30°のp偏光およびs偏光)を有する光学フィルタ30が得られる。なお、図11は、350~1150nmの波長領域の分光透過率曲線、図13Aは、680~760nmの波長領域の分光透過率曲線、図14Aは、1000~1250nmの波長領域の分光透過率曲線である。
図1Dに示す光学フィルタ40を製造する。
表2に示した構成の誘電体多層膜からなる第1の反射層12aと表3に示した構成の誘電体多層膜からなる第2の反射層12bを一体化した構成の反射層を、厚さ200μmのソーダライムガラスからなる透明基板13の一方の主面に形成する。
図7に示す分光透過率曲線から明らかなように、第1の反射層12aと第2の反射層12bを一体化した構成の反射層は、波長λSh(A2_Tp50%)が略722nm、波長λSh(A2_Ts50%)が略712nmであり、したがってλSh(A2_Tp50%)-λSh(A2_Ts50%)は10nmである。
次いで、透明基板13の他方の主面に、NIR吸収剤(DA)としてNIR775Bと、UV吸収剤(DU)としてSDA3382とを含む吸収層11を形成する。すなわち、NIR775BおよびSDA3382と、屈折率1.59のポリ力一ボネー卜樹脂の10質量%シク口ペンタノン溶液とを、NIR775BおよびSDA3382がポリカーボネート樹脂100質量部に対して合計で0.01~20質量部となる範囲で適宜調整して混合した後、室温にて攪拌・溶解することで塗工液を得る。得られた塗工液を、透明基板13の反射層が成膜されていない表面にダイコート法により塗布し、150℃で30分間加熱乾燥させ膜厚10μmの近紫外・近赤外吸収層11を形成する。さらに、吸収層11の空気界面に、TiO2膜とSiO2膜を交互に積層して4層からなる反射防止層14を形成し、入射角θ=0°~30°の400~700nmの可視域の入射光に対し残留反射率を1.5%以下とする。
これにより、図12に示す分光透過率曲線(入射角θ=0°、入射角θ=30°のp偏光およびs偏光)を有する光学フィルタ40が得られる。
とくに、これらの光学フィルタは、入射光がs偏光またはp偏光に偏った画像光で、斜入射する場合でも、分光透過率曲線の変化は僅かで安定した特性が維持できる。中でも、図13Aにおいて、入射角が0°から30°に変化したときのs偏光成分のシフト量が大きく低減されている(透過率10%で、シフト量が略0nmである)ことからも明らかなように、可視域の長波長側における偏光成分に依存した分光透過率曲線の変化(透過から遮断への遷移)を抑制できる。なお、実施例1の光学フィルタ30および実施例2の光学フィルタ40は、ΔTp(Avr680-750)、ΔTs(Avr680-750)は、いずれも0.9%以下である。
また、第1の反射層12aは、少ない層数および総膜厚の誘電体多層膜構成で、350~400nm近紫外域と950~1150nm近赤外域に反射帯域を生成するとともに、反射帯域の最小透過率が0.1%以下となる高い遮断特性が実現できるため、薄膜化、多層膜応力の低減および生産性向上に有効である。
さらに、実施例1の光学フィルタ30では、透明樹脂フィルム基板11の一方の主面に第1の反射層(UA1)12a、他方の主面に第2の反射層(A2)12bを成膜する。そのため、高密度で多層膜応力の大きい高信頼性の誘電体膜を用いても多層膜応力が両面で均等化されやすく、透明樹脂フィルム基板11の歪みが少なく透過波面収差の劣化が少ない安定した光学性能が実現できる。
その結果、本フィルタは、図10に例示したようなRGBカラーフィルタ付き固体撮像素子を用いた撮像装置の光学フィルタとすることで、色再現性の優れた画像が安定して得られる。
実施例1の第2の反射層12bに代えて、入射角30°のp偏光で、透過率50%の波長(第2の反射層12bのλSh(A2-Tp50%に対応)が略719nmとなるように設計、調整した誘電体多層膜からなる反射層を形成する以外は、実施例1と同様にして光学フィルタを得る。
図13Bは、この比較例1の、680~760nmの波長領域における入射角0°と入射角30°の入射光に対する偏光毎の分光透過率曲線の計算結果を示すグラフである。
実施例1の第1の反射層12aに代えて、入射角30°のs偏光で、透過率15%の波長(第1の反射層12aのλLo(UA1-Ts15%に対応)が略1150nmとなるように設計、調整した誘電体多層膜からなる反射層(入射角30°のp偏光で、透過率15%の波長(第1の反射層12aの波長λLo(UA1-Tp15%)に対応)は略1110nmで、波長1150nmより短波長側になる)を形成する以外は、実施例1と同様にして光学フィルタを得る。
図14Bは、この比較例2の、1000~1250nmの波長領域における入射角0°と入射角30°の入射光に対する偏光毎の分光透過率曲線の計算結果を示すグラフである。
さらに、上記波長領域の入射角0°と入射角30°のp偏光およびs偏光に対する平均透過率TAvr1000-1150(0°)、TpAvr1000-1150(30°)、TsAvr1000-1150(30°)が、比較例2ではTAvr1000-1150(0°)=3.1%、TpAvr1000-1150(30°)=15.3%、TsAvr1000-1150(30°)=4.4%となる。一方、実施例1では、TAvr1000-1150(0°)=0.0%、TpAvr1000-1150(30°)=0.6%、TsAvr1000-1150(30°)=0.0%となり、1.0%以内の平均透過率に収まっている。その結果、比較例2の光学フィルタは、図10に例示したような撮像装置に用いた場合、色再現性に劣る撮像画像となる。
図8Cに示す光学フィルタ70を製造する。
表2に示した構成の誘電体多層膜からなる第1の反射層12aを、厚さ200μmのソーダライムガラスからなる透明基板13の一方の主面に形成する。
次いで、透明基板13の他方の主面に、NIR吸収剤(DA)としてNIR775Bと、UV吸収剤(DU)としてSDA3382と、NIR吸収剤(DB)としてEpolight5588とを含む吸収層11を形成する。すなわち、NIR775B、SDA3382およびEpolight5588と、屈折率1.52のシクロオレフィン樹脂の25質量%トルエン溶液とを、NIR775BおよびSDA3382がポリカーボネート樹脂100質量部に対して合計で0.01~20質量部となる範囲で適宜調整して混合した後、室温にて揖梓・溶解することで塗工液を得る。得られた塗工液を、透明基板13の反射層が成膜されていない表面にダイコート法により塗布し、70℃で10分間加熱後、さらに110℃で10分間加熱して膜厚22μmの近紫外・近赤外吸収層11を形成する。さらに、吸収層11の空気界面に、TiO2膜とSiO2膜を交互に積層して4層からなる反射防止層14を形成し、入射角θ=0°~30°の400~700nmの可視域の入射光に対し残留反射率を1.5%以下とする。
これにより、図15に示す分光透過率曲線(入射角θ=0°、入射角θ=30°のp偏光およびs偏光)を有する光学フィルタが得られる。
なお、ΔTp(Avr680-750)、ΔTs(Avr680-750)は、それぞれ0.1%、0.2%で、いずれも1.3%以下の差(変化)に収まっており、また、ΔTp(Avr1000-1150)、ΔTs(Avr1000-1150))も、それぞれ0.6%、0.0%で、いずれも10%以下の差(変化)に収まっている。
さらに、TAvr1000-1150(0°)=0.0%、TpAvr1000-1150(30°)=0.6%、TsAvr1000-1150(30°)=0.0%となり、1.0%以内の平均透過率に収まっている。
すなわち、実施例3の光学フィル70は、実施例1や実施例2の約半分の総膜厚・層数の誘電体多層膜からなる反射層を用いても、入射角θ=0°~30°の波長領域350~1150nmの入射光に対して安定した分光透過率特性を示す光学フィルタをなっている。
また、実施例3の光学フィルタは、実施例1および実施例2の光学フィルタと同様に、入射光がs偏光またはp偏光に偏った画像光で斜入射する場合でも、分光透過率曲線の変化は僅かで安定した特性が維持できる。
その結果、本フィルタは、図10に例示したような撮像装置の光学フィルタとすることで、色再現性に優れた撮像画像が安定して得られる。
Claims (19)
- 660~785nmの波長領域に吸収極大を有する近赤外吸収剤を含み、下記(i-1)の要件を満たす吸収層と、下記(ii-1)の要件を満たす誘電体多層膜からなる反射層と、を有することを特徴とする光学フィルタ。
(i-1)前記吸収極大を示す波長λ(DA_Tmin)より短波長側で620~670nmの波長領域に透過率が50%となる波長λSh(DA_T50%)を有する。
(ii-1)670~1200nmの波長領域に入射角0°で入射する光に対する透過率が50%以下となる近赤外反射帯域を有し、前記近赤外反射帯域より短波長側で、入射角30°で入射する光のうちs偏光成分の光の透過率が50%となる波長λSh(A2_Ts50%)が、前記波長λSh(DA_T50%)より長波長側にある。 - 前記反射層が、下記(ii-2)の要件を満たす請求項1に記載の光学フィルタ。
(ii-2)前記近赤外反射帯域より短波長側で、入射角30°で入射する光のうちp偏光成分の光の透過率が50%となる波長λSh(A2_Tp50%)と、前記波長λSh(A2_Ts50%)との関係が、0nm<λSh(A2_Tp50%)-λSh(A2_Ts50%)≦20nmである。 - 前記吸収層が、下記(i-2)および(i-3)の要件を満たす請求項1または2記載の光学フィルタ。
(i-2)640~700nmの波長領域に透過率が15%となる波長λSh(DA_T15)を有し、かつλSh(DA_T50%)<λSh(DA_T15%)<λ(DA_Tmin)である。
(i-3)740~840nm波長領域に透過率50%となる波長λLo(DA_T50%)と透過率15%となる波長λLo(DA_T15%)を有し、かつλ(DA_Tmin)<λLo(DA_T15%)<λLo(DA_T50%)である。 - 前記吸収層は、370~405nm波長領域に吸収極大を有する近紫外吸収剤を含むとともに、下記(i-4)の要件を満たし、かつ前記反射層が、下記(ii-3)の要件を満たす請求項1~3のいずれか1項に記載の光学フィルタ。
(i-4)前記吸収極大を示す波長λ(DU_Tmin)より長波長側で400~420nmの波長領域に透過率が50%となる波長λLo(DU_T50%)を有する。
(ii-3)300~420nmの波長領域に入射角0°で入射する光に対する透過率が50%以下となる近紫外反射帯域を有し、前記近紫外反射帯域の長波長側で透過率が50%となる波長λLo(U1_T50%)が、前記λLo(DU_T50%)より短波長側にある。 - 前記吸収層が、下記(i-5)の要件を満たし、前記反射層が、下記(ii-4)の要件を満たす請求項4に記載の光学フィルタ。
(i-5)前記波長λ(DU_Tmin)より短波長側に透過率が50%となる波長λSh(DU_T50%)を有する。
(ii-4)前記近紫外反射帯域の長波長側で、入射角30°で入射する光のうちp偏光成分の光の透過率が50%となる波長λLo(U1_Tp50%)が、前記波長λSh(DU_T50%)より長波長側にある。 - 前記反射層は、700~1200nmの波長領域内の第1の波長領域に入射角0°で入射する光に対する透過率が50%以下となる第1の近赤外反射帯域を有する第1の反射層と、700~1200nmの波長領域内の前記第1の波長領域より短波長側の第2の波長領域に入射角0°で入射する光に対する透過率が50%以下となる第2の近赤外反射帯域を有する第2の反射層を有し、前記第1の近赤外反射帯域と前記第2の近赤外反射帯域で前記近赤外反射帯域が構成される請求項1~5のいずれか1項に記載の光学フィルタ。
- 前記第1の反射層と前記第2の反射層とを離間して備える請求項6に記載の光学フィルタ。
- 前記波長λLo(DA_T15%)が、前記第2の近赤外反射帯域の短波長側で、入射角0°で入射する光の透過率が15%となる波長λSh(A2_T15%)より、長波長側にある請求項6または7に記載の光学フィルタ。
- 前記第1の近赤外反射帯域の長波長側で、入射角30°で入射する光のうちp偏光成分の光の透過率が15%となる波長λLo(A1_Tp15%)が、波長1150nmより長波長である請求項6~8のいずれか1項に記載の光学フィルタ。
- 660~785nmの波長領域に吸収極大を有する第1の近赤外吸収剤と、800~920nmの波長領域に吸収極大を有する第2の近赤外吸収剤とを含み、下記(I-1)の要件を満たす吸収層と、下記(II-1)の要件を満たす誘電体多層膜からなる反射層と、を有することを特徴とする光学フィルタ。
(I-1)前記第1の近赤外吸収剤が吸収極大を示す波長λ(DA_Tmin)より短波長側で620~670nmの波長領域に透過率が50%となる波長λSh(DA_T50%)を有し、前記第2の近赤外吸収剤が吸収極大を示す波長λ(DB_Tmin)より長波長側で900~970nmの波長領域に透過率が50%となる波長λLo(DB_T50%)を有し、λSh(DA_T50%)<λ(DA_Tmin)<λ(DB_Tmin)<λLo(DB_T50%)である。
(II-1)670~1200nmの波長領域に入射角0°で入射する光に対する透過率が50%以下となる近赤外反射帯域を有し、前記近赤外反射帯域の短波長側で透過率が50%となる波長λSh(A1_T50%)と、前記波長λ(DB_Tmin)と、前記波長λLo(DB_T50%)との関係が、
λ(DB_Tmin)<λSh(A1_T50%)<λLo(DB_T50%)
であり、かつ前記近赤外反射帯域の長波長側で、入射角30°で入射する光のうちp偏光成分の光の透過率が15%となる波長λLo(A1_Tp15%)が、波長1150nmより長波長である。 - 前記吸収層は、370~405nm波長領域に吸収極大を有する近紫外吸収剤を含むとともに、下記(I-2)の要件を満たし、かつ前記反射層が、下記(II-2)の要件を満たす請求項10に記載の光学フィルタ。
(I-2)前記吸収極大を示す波長λ(DU_Tmin)より長波長側で400~420nmの波長領域に透過率が50%となる波長λLo(DU_T50%)を有する。
(II-2)300~420nmの波長領域に入射角0°で入射する光に対する透過率が50%以下となる近紫外反射帯域を有し、前記近紫外反射帯域より長波長側で透過率が50%となる波長λLo(U1_T50%)が、前記波長λLo(DU_T50%)より短波長側にある。 - 前記吸収層が、下記(I-3)の要件を満たし、前記反射層が、下記(II-3)の要件を満たす請求項11に記載の光学フィルタ。
(I-3)前記波長λ(DU_Tmin)より短波長側に透過率が50%となる波長λSh(DU_T50%)を有する。
(II-3)前記近紫外反射帯域の長波長側で、入射角30°で入射する光のうちp偏光成分の光の透過率が50%となる波長λLo(U1_Tp50%)が、前記波長λSh(DU_T50%)より長波長側にある。 - 前記反射層において、前記近赤外反射帯域の短波長側で、入射角0°で入射する光の透過率が15%となる波長λSh(A1_T15%)より、前記吸収層において、前記波長λ(DB_Tmin)より長波長側で、透過率が15%となる波長λLo(DB_T15%)が、長波長側にある請求項10~12のいずれか1項に記載の光学フィルタ。
- 680~750nmの波長領域で、入射角0°と30°におけるp偏光における透過率差の平均値ΔTp(Avr680-750)およびs偏光における透過率差の平均値ΔTs(Avr680-750)がいずれも1.3%以下である請求項1~13のいずれか1項に記載の光学フィルタ。
- 1000~1150nmの波長領域で、入射角0°と30°におけるp偏光における透過率差の平均値ΔTp(Avr1000-1150)およびs偏光における透過率差の平均値ΔTs(Avr1000-1150)がいずれも10%以下である請求項1~14のいずれか1項に記載の光学フィルタ。
- 下記要件(1)~(3)の少なくとも1つを満たす請求項1~15のいずれか1項に記載の光学フィルタ。
(1)入射角0°の分光透過率曲線において、440~600nmの波長領域における平均透過率が80%以上である。
(2)入射角0°の分光透過率曲線において、350~400nmの波長領域の平均透過率が5%以下である。
(3)入射角0°の分光透過率曲線において、700~1150nmの波長領域の平均透過率が5%以下である。 - 前記吸収層および前記反射層が、ガラス基板の片面または両面に備えられた請求項1~16のいずれか1項に記載の光学フィルタ。
- 前記ガラス基板が、Cuを含有するフツリン酸塩系ガラスまたはリン酸塩系ガラスからなる請求項17に記載の光学フィルタ。
- 請求項1~18のいずれか1項に記載の光学フィルタを備えたことを特徴とする撮像装置。
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