(57)【要約】【課題】反射防止膜の成膜に起因するＮＤフィルタのバッチ毎の濃度のばらつきを低減する。【解決手段】透明基板２５上に、誘電体膜であるＡｌ2Ｏ3膜３１ａと光吸収膜であるＴｉXＯY膜３１ｂとを交互に成膜することにより薄膜積層体３１を形成している。この薄膜積層体３１の最上層はＴｉXＯY膜３１ｂとし、そのＴｉXＯY膜３１ｂ上に酸化防止膜として膜厚６．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3膜３２を成膜している。このＡｌ2Ｏ3膜３２上に、反射防止膜であるＭｇＦ2膜３３を成膜することにより、１２層のＮＤ膜から成るＮＤフィルタ１０を構成している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板の上に複数の光吸収膜と誘電体膜を交互に積層し前記光吸収膜が最上層とした薄膜積層体の上に酸化防止膜を成膜し、該酸化防止膜の上に反射防止膜を成膜することを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】
前記酸化防止膜は透明性を有する誘電体膜から成り、３．０〜１０．０ｎｍの物理膜厚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。
【請求項３】
前記酸化防止膜はＡｌ2Ｏ3又はＳｉＯ2から成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。
【請求項４】
前記光吸収膜及び前記誘電体膜の膜数は前記透明基板の面内方向で異なる複数の領域を有することにより、透過率の濃度が段階的に変化するように構成したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタ。
【請求項５】
前記光吸収膜及び前記誘電体膜の少なくとも１層の膜厚は前記透明基板の面内方向に連続的に変化し、透過率の濃度が連続的に変化するように構成したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタ。
【請求項６】
透明基板の上に物理蒸着法により薄膜を成膜する光学フィルタの製造方法において、光吸収膜が最上層となるように前記光吸収膜と誘電体膜とを交互に積層して薄膜積層体を成膜する工程と、前記薄膜積層体の上に酸化防止膜を成膜する工程と、該酸化防止膜の上に反射防止膜を成膜する工程とを備えることを特徴とする光学フィルタの製造方法。
【請求項７】
前記酸化防止膜は透明性を有する誘電体膜から成り、３．０〜１０．０ｎｍの物理膜厚であることを特徴とする請求項６に記載の光学フィルタの製造方法。
【請求項８】
前記酸化防止膜はＡｌ2Ｏ3であることを特徴とする請求項６又は７に記載の光学フィルタの製造方法。
【請求項９】
固体撮像素子と撮影光学系と絞り羽根を有する光量絞り装置において、請求項１〜８の何れか１つの請求項による光学フィルタを前記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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビデオカメラ或いはスチルビデオカメラ等の撮影系に使用するに適した例えばＮＤフィルタ等の光学フィルタ及び光学フィルタの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光量絞りは銀塩フィルム或いはＣＣＤ等への固体撮像素子へ入射する光量を制御するため、撮影光学系の光路中に設けられており、快晴時や高輝度の被写界が明るい場合にはより小さく絞り込まれるように構成されている。
【０００３】
従って、快晴時や高輝度の被写界を撮影すると絞りは小絞りとなり、絞りのハンチング現象や光の回折の影響も受け易く像性能の劣化を生ずる。この対策として、絞り羽根にＮＤフィルタを取り付けることにより、被写界の明るさが同じでも、絞りの開口部が大きくなるような工夫がなされている。
【０００４】
また、ＮＤフィルタは通常では撮像光学系中に配置されるため、ＮＤフィルタの表面で光束が反射するとゴーストやフレア等の悪影響が発生するため、ＮＤフィルタの表面の反射防止は重要な課題となってきている。
【０００５】
特許文献１においては、これらの問題を解決するために、基板上に金属膜のＴｉ膜と、誘電体膜のＭｇＦ2膜とＳｉＯ2膜を交互に複数層積層することにより、光量を減衰させて反射防止効果が得られるＮＤフィルタが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２においては、２種類以上のチタン酸化物と、誘電体膜としてＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2から選択された材料を用い、これらを複数層積層することによりＮＤ膜としている。そして、最上層のチタン酸化物上に、更に反射防止膜としてＭｇＦ2膜を成膜することにより、反射防止効果を有するＮＤフィルタが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−９３８１１号公報
【特許文献２】特開平７−６３９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし反射防止膜であるＭｇＦ2は、フッ素が解離し易い材料であるため、蒸着の直前にプレヒートの時間が必要となる。また、材料の光学定数を安定させるためにプレヒートの時間を長くする必要がある。しかし、このプレヒート中の数分間で蒸着機内に堆積した不純物を含む膜等から水分や酸素が放出され、既に成膜された金属膜であるチタンやチタン酸化物と反応することにより、ＮＤフィルタの濃度が低下する虞れがある。なお、この度合いはＮＤフィルタの製造バッチ毎にばらつきを生ずるため、透過率も製造バッチ毎にばらついてしまう。
【０００９】
即ち、ＮＤフィルタとして薄膜積層体の透過率を正しく制御しても、最上層に反射防止膜であるＭｇＦ2を成膜すると、ＮＤフィルタとしての光学特性にばらつきが生ずる虞れがある。
【００１０】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、真空蒸着機を繰り返し使用する際に、反射防止膜の成膜に起因するバッチ毎の濃度のばらつきを低減する光学フィルタを提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、バッチ毎の濃度のばらつきを低減する光学フィルタの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明に係る光学フィルタは、透明基板の上に複数の光吸収膜と誘電体膜を交互に積層し前記光吸収膜が最上層とした薄膜積層体の上に酸化防止膜を成膜し、該酸化防止膜の上に反射防止膜を成膜することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光学フィルタの製造方法は、透明基板の上に物理蒸着法により薄膜を成膜する光学フィルタの製造方法において、光吸収膜が最上層となるように前記光吸収膜と誘電体膜とを交互に積層して薄膜積層体を成膜する工程と、前記薄膜積層体の上に酸化防止膜を成膜する工程と、該酸化防止膜の上に反射防止膜を成膜する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る光学フィルタ及び光学フィルタの製造方法によれば、連続して成膜する際に、プレヒート等の影響でバッチ回数を重ねることで、濃度がばらついてしまう問題を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００１６】
図１は撮影光学系の構成図を示し、光軸上にレンズ１、可変の開口部を有する光量絞り装置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おり、絞り羽根９ａには開口部を通過する光量を減光するための光学フィルタであるＮＤフィルタ１０が接着されている。また、本実施例においては絞り羽根９ａにＮＤフィルタ１０を貼り付けたが、絞り羽根９ａの近傍に設けてもよい。
【００１７】
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２１内には、蒸着源２２、回転可能な蒸着傘２３が設けられ、この蒸着傘２３には基板治具２４が配置されている。
【００１８】
図３は基板治具２４の拡大断面図を示しており、この基板治具２４にはＮＤフィルタ１０の基板となる透明基板２５が取り付けられ、蒸着傘２３と共にＺ軸を中心に回転し成膜が行われる。
【００１９】
本実施例における透明基板２５は、膜厚７５μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を使用している。ＮＤフィルタ１０に用いるＰＥＴの板厚は５０μｍ〜１００μｍが好ましく、更には６０μｍ〜８０μｍが好ましい。
【００２０】
なお、この透明基板２５の材質に関しては、ＰＥＴ以外にもポリカーボネートやノルボルネン系樹脂、芳香族ポリアミド樹脂等を用いてもよい。ＰＥＴを使用する理由は、材料が安価でありながら、可視域の波長域で透明性が高いためである。
【００２１】
図４はＮＤフィルタ１０の膜構成図を示し、透明基板２５上に、真空蒸着法により複数の誘電体膜であるＡｌ2Ｏ3膜３１ａと光吸収膜であるＴｉXＯY膜３１ｂとを交互に成膜することにより、薄膜積層体３１を形成している。そして、この薄膜積層体３１の最上層はＴｉXＯY膜３１ｂとし、そのＴｉXＯY膜３１ｂ上に、酸化防止膜として膜厚６．５ｎｍのＡｌ2Ｏ3膜３２を成膜している。更に、このＡｌ2Ｏ3膜３２上に、反射防止膜であるＭｇＦ2膜３３を成膜することにより、１２層のＮＤ膜から成るＮＤフィルタ１０が構成されている。
【００２２】
表１は図４に示すＮＤ膜の膜材料と膜厚の関係を示している。
【００２３】
表１
層数    材料          膜厚（ｎｍ）
１２    ＭｇＦ2     １２５．０
１１    Ａｌ2Ｏ3        ６．５
１０    ＴｉXＯY      １０．０
９    Ａｌ2Ｏ3      ２９．７
８    ＴｉXＯY        ９．３
７    Ａｌ2Ｏ3      １９．８
６    ＴｉXＯY      １２．４
５    Ａｌ2Ｏ3      ３９．２
４    ＴｉXＯY      １３．３
３    Ａｌ2Ｏ3      １３．０
２    ＴｉXＯY        ２．６
１    Ａｌ2Ｏ3      ３１．２
【００２４】
なお、成膜条件は基板設定温度１３０℃、成膜圧力８．４０×１０-4Ｐａとし、蒸着源２２から透明基板２５までの距離が９５０ｍｍのチャンバ２１を用いている。
【００２５】
本実施例においては薄膜積層体３１の最上層である第１０層のＴｉXＯY膜３１ｂと、第１２層のＭｇＦ2膜３３の間にＡｌ2Ｏ3膜３２が設けることにより、光吸収膜であるＴｉXＯY膜３１ｂの酸化を防止することができ、透過率の上昇を防止できる。
【００２６】
本実施例においては、膜厚を比較的に容易に制御でき、かつ可視域の波長域で散乱が非常に小さいことから、真空蒸着法により光吸収膜と誘電体膜を複数積層した薄膜積層体３１を形成し、この薄膜積層体３１の上に反射防止膜を成膜する。
【００２７】
透明基板２５上に薄膜積層体３１を形成する方法に関しては、真空蒸着法以外にも、スパッタリング法等の物理蒸着法及びインクジェットプリンティング法等を用いることができる。勿論、反射防止膜であるＭｇＦ2膜３３も薄膜積層体３１と同様に、真空蒸着法以外の方法で形成することもできる。
【００２８】
図４に示すＮＤフィルタ１０の各層は、透明基板２５の全面に形成されている。また、酸化防止膜であるＡｌ2Ｏ3膜３２は透明性を有する誘電体膜であり、下層の金属膜である光吸収膜の酸化を防止できるものであれば、ＳｉＯ2等を用いてもよい。
【００２９】
本実施例におけるＮＤフィルタ１０の光学特性の目標値は、濃度０．６（透過率２５．１％）で、透過率の平坦性は６％以下、反射率は３％以下となるように光学設計を行っている。一般的に、ＮＤフィルタ１０として使用される場合の濃度は、±０．０５のばらつきが許容範囲とされている。
【００３０】
なお、透過率の平坦性は波長λ＝４００〜７００ｎｍの範囲における透過率において、透過率の最大値ＴＭａｘから最小値ＴＭｉｎを引いた差を波長λ＝５５０ｎｍの透過率で徐した商で求められ、次の式（１）で表される。
透過率の平坦性＝（ＴＭａｘ−ＴＭｉｎ）／５５０ｎｍ・・・（１）
【００３１】
透過率と濃度の関係については、次の式（２）式で表される。
濃度（ＯＤ）＝−Ｌｏｇ（透過率）・・・（２）
【００３２】
濃度ＯＤ（オプティカル  デンシティ）は透過率の対数で導くことができ、透過率の値が低いほど濃度は濃くなる関係となっている。成膜したＮＤ膜の物理膜厚の合計は３１２．０ｎｍであり、バッチ毎の濃度ばらつきは０．００１６であった。
【００３３】
先の表１に示す膜構成によりＮＤ膜を成膜すると、図５に示すようにバッチ回数を重ねても、ＮＤ０．６±０．０５の許容範囲内で十分に条件を満たすことができる。なお、成膜したＮＤ膜の密着度を確認するために、ＪＩＳに基づいた方法でクロスカット試験を実施したが、膜の剥離は生じなかった。光学特性については反射率３％以内で、透過率も平坦性４％台の優れた特性を得ることができた。
【００３４】
図６は比較例１として、第１０層のＴｉXＯY膜３１ｂ上に、酸化防止膜であるＡｌ2Ｏ3膜３２を成膜せずに、直接に反射防止膜であるＭｇＦ2膜３３を積層した１１層のＮＤ膜から成るＮＤフィルタ１０である。
【００３５】
表２はこの比較例１のＮＤ膜の膜材料と膜厚の関係を示している。
【００３６】
表２
層数    材料          層厚（ｎｍ）
１１    ＭｇＦ2     １２５．０
１０    ＴｉXＯY      １０．０
９    Ａｌ2Ｏ3      ２９．７
８    ＴｉXＯY        ９．３
７    Ａｌ2Ｏ3      １９．８
６    ＴｉXＯY      １２．４
５    Ａｌ2Ｏ3      ３９．２
４    ＴｉXＯY      １３．３
３    Ａｌ2Ｏ3      １３．０
２    ＴｉXＯY        ２．６
１    Ａｌ2Ｏ3      ３１．２
【００３７】
成膜条件は実施例と同様に、基板設定温度１３０℃、成膜圧力８．４０×-4Ｐａとし、蒸着源２２から透明基板２５までの距離が９５０ｍｍのチャンバ２１を用いて成膜した。
【００３８】
本比較例１においても、実施例と同様に光学特性の目標使用は、濃度０．６（透過率２５．１％）で、透過率の平坦性は６％以下、反射率は３％以下となるような光学設計を行っている。成膜したＮＤ膜の物理膜厚の合計は３０５．５ｎｍであり、バッチ毎の濃度のばらつきは０．０２８８であった。
【００３９】
表２の膜構成により成膜すると、図７に示すようにバッチ回数を重ねると透過率は上昇する傾向にあり、ＮＤ０．６±０．０５の許容範囲を外れてしまう。
【００４０】
これは上述したように、真空蒸着機内に堆積した不純物を含む膜等から水分や酸素が放出され、既に成膜された光吸収膜であるＴｉXＯY膜３１ｂと反応し、ＮＤフィルタ１０の濃度が低下するためである。
【００４１】
なお、実施例と同様に、比較例１について膜の密着度を確認するために、クロスカット試験を実施したが、膜の剥離は生じなかった。また、光学特性については反射率３％以内で、透過率も平坦性４％台で問題は生じなかった。
【００４２】
表３は比較例２として、実施例１の第１１層のＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚を９．０、１０．０、１１．０、１２．０ｎｍと変化させ、反射率の変化を比較した。
【００４３】
表３
第１１層のＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚（ｎｍ）      反射率の評価
９．０                      ○  反射率３％以下
１０．０                      △  反射率３％を多少上回る
１１．０                      ×  反射率３％以上
１２．０                      ×  反射率３％以上
【００４４】
図８は実施例における第１１層のＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚の違いによる反射率特性のグラフ図を示している。λ＝５５０ｎｍの透過率のバッチ間のばらつきは、実施例と同等以上の結果が得られたが、光学特性は透過率の平坦性が６％に近い特性となり、反射率は酸化防止膜であるＡｌ2Ｏ3膜３２の厚さが１１．０ｍｍ以上となると、３％を超過してしまう。
【００４５】
これは第１１層の酸化防止膜であるＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚の変化により、透過率、反射率の波長シフトが生じ、透過率では波形の上限、下限の差が大きくなるためである。また、反射率では波形の最小値をλ＝５５０ｎｍで設定するのが一般的であるが、波長シフトにより、短波長側又は長波長側の反射率が高くなってしまった。
【００４６】
このことから、酸化防止膜であるＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚は、１０．０ｎｍ以下が好適である。
【００４７】
なお、透明基板２５やＮＤ膜について、第１１層のＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚が９．０、１０．０、１１．０、１２．０ｎｍの何れでもクラックや皺は生じなかった。また、実施例と同様に、膜の密着度を確認するために、クロスカット試験を実施したが、膜の剥離は生じなかった。
【００４８】
更に、比較例３として、実施例の第１１層のＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚を１．０、２．０、３．０、４．０ｎｍと変化させて、バッチ回数を重ねることによる濃度の変化を比較した。
【００４９】
図９は比較例３における第１１層のＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚とバッチ回数によるＮＤ膜の濃度変化を示したグラフ図である。同じ濃度で繰り返し成膜を行った結果、何れもバッチ回数を重ねることにより、徐々に透過率が上昇してしまう傾向にある。しかし、酸化防止膜であるＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚を３．０ｎｍ以上にすることによって、バッチ回数に対する透過率の上昇をＮＤ０．６±０．０５の許容範囲内に収めることができる。
【００５０】
また、比較例３の何れの場合も透明基板２５や膜にクラックや皺の発生はなかった。なお、実施例と同様に膜の密着度を確認するために、クロスカット試験を実施したが、何れも膜の剥離は生じなかった。光学特性については反射率３％以内で、透過率も平坦性４％台の優れた特性を得ることができた。
【００５１】
上述の実施例及び比較例から酸化防止膜であるＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚を３．０〜１０．０ｎｍにすることによって酸化防止効果が得られ、バッチ回数を重ねることで濃度がばらついてしまう問題を低減することができる。また、酸化防止膜であるＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚を４．５〜８．５ｎｍの範囲が、より酸化防止効果に好ましい条件である。更に、最良の形態は酸化防止膜であるＡｌ2Ｏ3膜３２の膜厚は６．５ｎｍである。
【００５２】
バッチ回数が増加することにより、真空蒸着機内の蒸着板に膜が堆積し、真空時に水分や酸素を放出することにより、ＮＤフィルタ１０の濃度が断続的に薄くなる傾向があり、濃度ばらつきが生じてしまう。従って、定期的に真空蒸着機内の清掃は必要であるが、本発明を実施することにより、真空蒸着機内の定期的な清掃まで規定濃度の許容範囲を外れないようにすることができる。
【００５３】
最後に、上述の方法により製造したＮＤフィルタ１０の環境安定性を調べるため、ＮＤフィルタ１０を温度６０℃、湿度９０％、２４０Ｈの放置試験を行った。この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。
【００５４】
また、本実施例のＮＤ膜は単濃度のＮＤフィルタだけでなく、図１０に示すような面内方向において、光吸収膜及び誘電体膜の膜数の異なる領域を有することにより、透過率の濃度が段階的に変化する段階的ＮＤフィルタに応用することもできる。
【００５５】
更には、図１１に示すように光吸収膜及び誘電体膜の少なくとも１層の膜厚は基板の面内方向に連続的に変化させることにより、透過率の濃度が連続的に変化するグラデーションＮＤフィルタにも応用できる。
【００５６】
これらのＮＤフィルタは、通常では酸化防止膜を挿入せずに膜を成膜している。その際に、昇華型の材料を使用する際に成膜まで時間が掛ってしまうことにより、ＴｉXＯY膜が酸化され透過率が徐々に上昇してしまう影響は、単一濃度のＮＤフィルタを製造するときよりも大きい。
【００５７】
これは図１０に示す段階的ＮＤフィルタや、図１１に示すグラデーションＮＤフィルタの濃度の薄い部分の光吸収膜であるＴｉXＯY層が、膜厚も薄いため酸化の影響が濃度に現れ易いためである。
【００５８】
このように、図１０、図１１に示すＮＤフィルタを形成する場合に、本発明を適用することは特に好適である。
【００５９】
なお、本実施例においてはＮＤフィルタについて説明したが、ＮＤフィルタ以外の光学フィルタにおいても実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】撮影光学系の構成図である。
【図２】チャンバの構成図である。
【図３】基板治具の拡大断面図である。
【図４】実施例のＮＤフィルタの膜構成図である。
【図５】酸化防止膜を成膜した場合の透過率のグラフ図である。
【図６】比較例１のＮＤフィルタの膜構成図である。
【図７】酸化防止膜を成膜しない場合の透過率のグラフ図である。
【図８】酸化防止膜の膜厚別の反射率のグラフ図である。
【図９】酸化防止膜の膜厚別のバッチ回数による濃度変化のグラフ図である。
【図１０】段階的ＮＤフィルタの断面図である。
【図１１】グラデーションＮＤフィルタの断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１、３〜５  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
９ａ、９ｂ  絞り羽根
１０  ＮＤフィルタ
２１  チャンバ
２２  蒸着源
２３  蒸着傘
２４  基板治具
２５  透明基板
３１  薄膜積層体
３１ａ、３２  Ａｌ2Ｏ3膜
３１ｂ  ＴｉXＯY膜
３３  ＭｇＦ2膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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