(57)【要約】【課題】基材に成膜時の熱による変形の影響を受け難く、反射率が低く複屈折の少ない透明樹脂基板を用いることにより、複屈折と反射率の双方の問題を低減した光学フィルタを得る。【解決手段】光学フィルタの透明樹脂基板２１として、ガラス転位温度が１２０℃以上、屈折率が１．６以上、リタデーション値が３０ｎｍ以下のフルオレン構造を有するポリエステル樹脂を用いる。そして、この基板２１上にＮＤ膜３１と反射防止膜３２を積層することによりＮＤフィルタ１０を形成する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明樹脂基板の上に少なくとも誘電体膜を有する無機硬質膜を成膜することにより透過光量を調節する光学フィルタにおいて、前記透明樹脂基板はフルオレン構造を有するポリエステル樹脂とし、該ポリエステル樹脂はガラス転移温度が１２０℃以上で屈折率が１．６以上であり、リタデーション値が３０ｎｍ以下であることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】
前記光学フィルタは光吸収層が形成された領域と前記誘電体膜だけが形成された領域とを有す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】
前記光学フィルタは前記光吸収層の光透過率が連続的に変化する領域を有することを特徴とする請求項２に記載の光学フィルタ。
【請求項４】
前記誘電体膜は単層であり、前記光学フィルタの最表層に形成されている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】
請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタを用いたことを特徴とする光量調整装置。
【請求項６】
撮影光学系と、該撮影光学系に挿脱され透過光量を調節する光学フィルタと、光学像を電気信号に変換する撮像素子とから成る撮像装置において、前記光学フィルタは、ガラス転移温度が１２０℃以上で屈折率が１．６以上であり、リタデーション値が３０ｎｍ以下のフルオレン構造を有するポリエステル樹脂から成る透明樹脂基板の上に、少なくとも誘電体膜を有する無機硬質膜を成膜したことを特徴とする光学フィルタを用いた撮像装置。
【請求項７】
前記撮影光学系は絞り口径を形成する絞り部材を有し、前記光学フィルタは前記絞り部材に取り付けられることにより前記絞り部材と共に絞り口径を形成することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルビデオカメラ或いはデジタルスチルカメラ等の撮影系の使用に適した光学フィルタ及び該光学フィルタを用いた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、ビデオカメラやデジタルカメラ等の撮像機器には、固体撮像素子に入射する光量を制御するための光量調節装置が設けられており、快晴時や高輝度の被写体を撮影する場合に、その開口が小さく絞り込まれるようになっている。
【０００３】
しかし、絞り開口が小さくなり過ぎると、通過する光の回折の影響により像性能の劣化を生ずる問題を有している。そのため、例えば絞り羽根にフィルム状のＮＤ（Neutral Density）フィルタを取り付け、絞り開口が極端に小さくなり過ぎずに、所定の大きさのままで光量を減衰させるようにしている。
【０００４】
ＮＤフィルタとしては、例えば特許文献１に開示されているような光軸中心に向けて段階的に透過率が大きくなる構成のものや、特許文献２に開示されているような光軸中心に向かって連続的に透過率が大きくなる構造のものが知られている。
【０００５】
一般に、このようなＮＤフィルタの基材には、材料の光透過率や濁度等の光学特性が良好であり、耐久性も優れているＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）等のフィルム状の透明樹脂基板が使用されている。そして、これらの透明樹脂基板上に真空蒸着法等により、光吸収性を有する材料と反射率を低下させるための材料とを交互に積層した光減衰膜を成膜し、更にその最表層に誘電体膜を成膜することにより、更に反射率を低減している。
【０００６】
しかし、ＮＤフィルタを製造する蒸着工程において、蒸着時間の経過と共に、透明樹脂基板の表面温度は上昇し、ＮＤフィルタに皺やうねり等の形状変化が生ずる場合がある。また、ＰＥＴやＰＥＮの基材には複屈折があり、位相差が生ずるため撮像機器の解像度に影響を与える場合もある。
【０００７】
そこで、特許文献３においては、光減衰膜を蒸着する透明樹脂基板として、１２０℃以上のガラス転移温度を有するノルボルネン系樹脂を使用し、透明樹脂基板の伸縮変形を抑制して、皺やうねり等の発生を防止することが開示されている。また特許文献４においては、透明樹脂基板に同じノルボルネン系樹脂を使用することにより、複屈折を低減することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２５９２９４９号公報
【特許文献２】特開２００４−１１７４６７号公報
【特許文献３】特開２００４−３７５４５号公報
【特許文献４】特開２００８−１０２３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年の撮像装置の高画質化に伴い、熱や複屈折の影響を低減しながら、ＮＤフィルタの反射率を低減することが重要な課題となってきている。特に、ＮＤフィルタの反射率が高いと、撮像素子の表面で反射した光線がＮＤフィルタの表面で再度反射して撮像素子に再入射し、ゴーストやフレア等の原因となる。
【００１０】
これを低減するため特許文献１、２においては、ＮＤフィルタの表層に反射防止膜を配置することが記載されているが、十分でない場合がある。
【００１１】
また、特許文献３、４においては、蒸着等の熱の影響による透明樹脂基板の変形等を防止するために、透明度が高くヘイズ値が低く、更に複屈折の少ないノルボルネン系樹脂を使用している。しかし、反射率は後述するように基材の屈折率が高いほど低減させることができるが、ノルボルネン系樹脂を使用した透明樹脂基板の屈折率は１．５１〜１．５３程度であり、この基材の表面に反射防止膜を成膜しただけでは反射率の低減に限界がある。
【００１２】
本発明の目的は、基材に成膜時の熱による変形の影響を受け難く、反射率が低く複屈折の少ない透明樹脂基板を用いることにより、複屈折と反射率の双方の問題を解決した光学フィルタ及び該光学フィルタを用いた撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、透明樹脂基板の上に少なくとも誘電体膜を有する無機硬質膜を成膜することにより透過光量を調節する光学フィルタにおいて、前記透明樹脂基板はフルオレン構造を有するポリエステル樹脂とし、該ポリエステル樹脂はガラス転移温度が１２０℃以上で屈折率が１．６以上であり、リタデーション値が３０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る光学フィルタを用いた撮像装置は、撮影光学系と、該撮影光学系に挿脱され透過光量を調節する光学フィルタと、光学像を電気信号に変換する撮像素子とから成る撮像装置において、前記光学フィルタは、ガラス転移温度が１２０℃以上で屈折率が１．６以上であり、リタデーション値が３０ｎｍ以下のフルオレン構造を有するポリエステル樹脂から成る透明樹脂基板の上に、少なくとも誘電体膜を有する無機硬質膜を成膜したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る光学フィルタ及び該光学フィルタを用いた撮像装置によれば、成膜時の皺やうねり等の発生を防止でき、また複屈折が小さいので高画質化への対応が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】撮影光学系の構成図である。
【図２】フルオレンの化学構造式である。
【図３】フルオレン構造を有するポリエステルの一例の化学構造式である。
【図４】真空蒸着装置の概略図である。
【図５】蒸着治具の側面図及び平面図である。
【図６】蒸着マスクと取り除いた状態の透明樹脂基板の平面図である。
【図７】ＮＤフィルタを切り抜く際の説明図である。
【図８】ＮＤフィルタの断面構成図及び透過率分布図である。
【図９】ＮＤフィルタの膜構成図である。
【図１０】基板の屈折率による単層反射防止膜の反射率のグラフ図である。
【図１１】単層反射防止膜の干渉による反射防止の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は本実施例における撮像装置の撮影光学系の構成図である。光軸上に、レンズ１、光量絞り装置２、レンズ３〜５、赤外カット機能を有するローパスフィルタ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。光量調節のための光量絞り装置２において、絞り羽根支持板８には絞りの口径を形成する一対の絞り部材である絞り羽根９ａ、９ｂが可動に取り付けられ、絞り羽根９ａにはＮＤフィルタ１０が取り付けられている。
【００１８】
光量絞り装置２では、絞り羽根９ａ、９ｂにより形成される略菱形形状の開口部を通過する可視光領域の透過光量を、ＮＤフィルタ１０により略均一に減衰させて減光させることができる。また、ＮＤフィルタ１０は絞り羽根９ａに取り付けずに、単独で開口部に挿脱することも可能である。
【００１９】
このような撮影光学系において、レンズ１を通過した光学像は、光量絞り装置２を介して光量調整がなされ、固体撮像素子７の表面に結像して電気信号に変換される。
【００２０】
近年の撮像機器の高画質化に伴い、ＮＤフィルタ１０の複屈折は小さいことが望まれている。複屈折とは、屈折率が方向により異なる材料を通る光が異常光線と常光線に分離する現象であり、材料固有の複屈折性と成形加工時の剪断力による分子配向や溶融した樹脂が固化するときに生ずる残留応力等に大きく依存する。この複屈折が大きいと、透過光が分離して結像点がずれるため、結像性能が低下するという問題がある。
【００２１】
一般に、複屈折の大きさはリタデーション値（retardation：位相差）で表すことができる。リタデーション値とは上述した屈折率の差から生ずる光の速度の差であり、リタデーション値をＲｅ［ｎｍ］は異常光線の屈折率をＮｅ、常光線の屈折率をＮｏ、複屈折物質の厚さをｄ［ｎｍ］とすると、次の式（１）で計算される。
【００２２】
Ｒｅ＝ｄ・（Ｎｅ−Ｎｏ）                          ・・・（１）
一般に、ＮＤフィルタ１０に用いられる透明樹脂基板であるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムは、通常ではフィルム成形時に延伸加工されるため分子配向による複屈折が大きく、Ｒｅ＞１００ｎｍである。
【００２３】
しかし、近年の撮像機器の高画質化に伴い、複屈折の小さい透明樹脂基板が求められるようになっている。
【００２４】
また、透明樹脂基板のガラス転移温度は、蒸着時の蒸着源から受ける熱を考慮すると１２０℃以上あることが好ましい。
【００２５】
上述したように、透明樹脂基板の屈折及びガラス転位温度が重要となり、上述した条件を満たす樹脂として、図２に示すフルオレン構造を有するポリエステル樹脂が好適であり、図３はその一例を示している。
【００２６】
本実施例においては、透明樹脂基板に図３に示すフルオレン構造を有するポリエステル樹脂を用いることにより、実用的な光学フィルタの板厚である２５〜２００μｍで、リタデーション値Ｒｅを３０ｎｍ以下にすることができる。また、図３に示すフルオレン構造を有するポリエステル樹脂のガラス転移温度は１２０℃以上であるため、皺の発生等の問題を回避する。同時に、後述するように高い屈折率を有することによる反射防止効果により、優れた光学フィルタとしての機能を期待できる。
【００２７】
図４はＮＤフィルタ１０を製造するための真空蒸着装置の概略図を示している。この蒸着チャンバ１１内には回転自在な回転ドーム１２が設けられ、この回転ドーム１２にＮＤフィルタ１０の基材となる透明樹脂基板を保持する蒸着治具１３が配置されている。また、蒸着チャンバ１１内には、蒸着するＮＤ膜の蒸着源としてＡｌ2Ｏ3から成る蒸着源１４及びＴｉＯｘから成る蒸着源１５、反射防止膜の蒸着源としてＭｇＦ2から成る蒸着源１６が設けられている。蒸着源１４〜１６の上方には、特定の蒸着源１４〜１６のみを蒸着させるためのシャッタ１７が設けられ、蒸着チャンバ１１の上部には蒸着膜の膜厚を測定するための光学モニタ１８が配置されている。
【００２８】
図５（ａ）は蒸着治具１３の断面図、（ｂ）は平面図を示し、蒸着治具１３にはＮＤフィルタ１０の基板となるフルオレン構造を有するポリエステル樹脂から成る透明樹脂基板２１が取り付けられ、スペーサ２２を介することにより所定幅の開口部２３を有する蒸着マスク２４が配置されている。
【００２９】
そして、回転ドーム１２に蒸着治具１３を透明樹脂基板２１の成膜面が蒸着源１４〜１６に対向するように配置し、基板温度と膜厚を均一化するために、回転ドーム１２と共に蒸着治具１３を回転させながら成膜を行う。
【００３０】
蒸着工程としては、先ず成膜前に蒸着チャンバ１１内が真空状態に保持され、透明樹脂基板２１がセットされた蒸着治具１３が所定の温度に加熱される。そして、所定の圧力と温度に達すると、ＮＤ膜の１層目として蒸着源１４を加熱し、蒸着材料であるＡｌ2Ｏ3を蒸発させて蒸着治具１３にセットした透明樹脂基板２１上に所定の膜厚のＡｌ2Ｏ3膜を成膜する。以降、必要に応じて蒸着源１４〜１６を切換えて、無機硬質膜であるＮＤ膜及び反射防止膜を成膜する。
【００３１】
ＮＤフィルタ１０は高濃度のものほど必要な膜厚が厚くなり、それだけ蒸着時間が長くなり、蒸着源１４〜１６からの輻射熱を多く受けることになる。
【００３２】
本実施例における最高濃度がＮＤ１．５（透過率３．２％）程度のＮＤフィルタ１０における透明樹脂基板２１の表面温度は、部分的に１２０℃近くまで達するため、従来のＰＥＴ樹脂ではガラス転移温度を越え、皺等が発生してしまう場合がある。
【００３３】
透明樹脂基板２１の板厚は可能な限り薄く形成することが好ましい。これはＮＤフィルタ１０を光量絞り装置２に組み込んで使用する際に、光量絞り装置２を小型化することができるためである。また、ＮＤフィルタ１０を軽量とすることにより、ＮＤフィルタ１０又はＮＤフィルタ１０を取り付けた絞り羽根９ａを駆動するための消費電力を少なくすることができる。ただし、透明樹脂基板２１の板厚が薄くなり過ぎると、ＮＤフィルタ１０を生産する上で取り扱いが困難になり、必要な板厚は２５〜２００μｍであり、好ましくは５０〜１００μｍの範囲である。
【００３４】
図６は蒸着マスク２４を取り除いた状態のフレオレン構造を有するポリエステル樹脂から成る透明樹脂基板２１の平面図を示している。図５（ａ）に示すように透明樹脂基板２１と蒸着マスク２４の間にスペーサ２２を介して間隔を設けることにより、透明樹脂基板２１上に連続的に濃度が変化する濃度分布を有するＮＤ膜３１を成膜することができる。続いて、蒸着マスク２４を取り外し、透明樹脂基板２１を取り付けた蒸着治具１３を再度蒸着チャンバ１１の回転ドーム１２にセットする。そして、蒸着源１６を加熱することにより、透明樹脂基板２１の全面に誘電体膜である反射防止膜として、λ／４（λ＝５５０ｎｍ）の膜厚のＭｇＦ2膜を成膜する。
【００３５】
この後に、必要に応じて透明樹脂基板２１を裏返して蒸着治具１３に取り付けて、透明樹脂基板２１の裏面に反射防止膜を形成してもよい。上述の反射防止膜３２を成膜した後に、図７に示すように、ＮＤフィルタの形状に切断することにより、グラデーション濃度を有するＮＤフィルタ１０を得ることができる。
【００３６】
図８（ａ）は本実施例におけるＮＤフィルタ１０の断面模式図、図８（ｂ）は（ａ）の断面領域における透過率分布図をそれぞれ示している。本実施例においては、低濃度の領域Ａから高濃度の領域Ｄに連続的に光透過率が変化するグラデーションＮＤフィルタについて説明するが、単一濃度から成るＮＤフィルタや、異なる複数の濃度領域から成る多濃度ＮＤフィルタにおいても同様の効果が得られる。
【００３７】
領域Ａ〜ＢにおいてはＮＤ膜３１は成膜されず、領域Ｂ〜Ｄにおいては連続的に透過率が変化するグラデーション濃度のＮＤ膜３１が成膜され、領域Ｃ〜Ｄにおいては、均一な濃度のＮＤ膜３１が成膜されている。また、領域Ａ〜Ｄの透明樹脂基板２１全域の最表層には、均一の膜厚の誘電体膜である反射防止膜３２が成膜されている。
【００３８】
なお、領域Ａ〜Ｂの範囲は、反射防止膜３２のみ成膜した透明領域であり、この透明領域は光減衰効果は殆どないが、ＮＤフィルタ１０の厚みと屈折率に起因する結像面位置ずれを防止するために実際の撮影時にもフィルタとして使用される。本実施例のグラデーション濃度のＮＤフィルタ１０はこのような透明領域を有するが、透明領域を有しないグラデーション濃度のＮＤフィルタでも本実施例と同様の効果が得られる。
【００３９】
通常のデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラに使用される光学フィルタにおいては、波長可視光領域である４００〜７００ｎｍの範囲の反射率は低いほど好ましい。そのため、特に本実施例のＮＤフィルタ１０のように透明領域を有するＮＤフィルタでは、通常ではこの透明領域に反射防止膜３２が必要となる。
【００４０】
図９は本実施例におけるＮＤフィルタ１０の膜構成図を示している。透明樹脂基板２１上には、反射率を低下させるための誘電体膜の反射防止層であるＡｌ2Ｏ3膜と透過率を低下させるための光吸収層であるＴｉＯｘ膜とを交互に８層積層した無機硬質膜であるＮＤ膜３１が積層されている。そして、第８層のＴｉＯｘ膜の上の最表層には、低屈折材料であるＭｇＦ2膜から成る反射防止膜３２が光学膜厚ｎ・ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）、λ／４（λ＝５００〜６００ｎｍ）で成膜されている。
【００４１】
ＮＤフィルタ１０の透過率は、第２、４、６、８層の光吸収層であるＴｉＯｘ膜の総膜厚によって変化し、膜厚が厚くなるほど透過率は低下する。ＴｉＯｘのｘの値は０〜２で、所望の光学特性により調整される。
【００４２】
本実施例においては、図８（ａ）に示すように、各層の膜厚を連続的に変化させることにより領域Ｂ〜Ｃで連続的に透過率を変化させ、図８（ｂ）に示す透過率分布になっている。
【００４３】
また、本実施例においては、最表層の反射防止層にＭｇＦ2膜を用いたが、ＭｇＦ2膜の代りに、ＳｉＯ2膜等の低屈折材料を用いることもできる。一般的に、これらの反射防止膜３２の成膜には真空蒸着法が用いられるが、イオンプレーティング法又はスパッタリング法等においても同様な効果を得ることができる。また、膜の材質、層数、膜厚等はこれに限定されるものではない。
【００４４】
図１０は屈折率の異なる透明樹脂基板に反射防止膜を成膜した場合の反射率のグラフ図を示している。実線は屈折率１．５３のノルボルネン樹脂基板の上に反射防止膜３２として、単層のＭｇＦ2膜をλ／４の膜厚で成膜したときの反射率を示している。点線は屈折率１．６３のフルオレン構造を有するポリエステル樹脂基板の上に、同様の反射防止膜３２を成膜したときの反射率を示している。因みに、図示しないポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の屈折率は約１．５７であり、上述の２つの基板の反射率の間の特性を示す。
【００４５】
本実施例のＮＤフィルタ１０においては、単層の反射防止膜３２を使用しており、図１０に示すように透明樹脂基板２１の屈折率ｎが高い方が反射率が低減できる。図１１に示すようように反射防止膜３２の表層の反射光Ａを、透明樹脂基板２１と反射防止膜３２との界面からの反射光Ｂが干渉により相殺している。従って、透明樹脂基板２１と反射防止膜３２の屈折率差が大きくなり、反射光Ｂが大きくなると干渉効果が高まる。
【００４６】
単層の反射防止膜３２を形成することの利点は、多層の反射防止膜と比較して短時間で成膜が完了し、熱の影響も低減できることである。更に、図８（ａ）に示すように、透明領域から高濃度領域にかけて全面的に反射防止膜３２を成膜する場合には、高濃度領域の総膜厚が極度に厚くなり、膜応力からクラックが発生することを防止することができる。
【００４７】
しかし、単層の反射防止膜３２は多層の反射防止膜と比較して反射率が高くなり易く、上述した透明樹脂基板２１の屈折率が重要となる。
【００４８】
図１０に示すように、従来のＰＥＴやノルボルネン等の樹脂と比較して、屈折率１．６以上のフルオレン構造を有するポリエステル樹脂を使用した場合には、可視光域の中心波長である５５０ｎｍ前後の波長において、１％以下の反射率となる。
【００４９】
このときの板厚ｄを１００μｍとした場合のリタデーション値Ｒｅは２３ｎｍとなり、図１に示す撮像光学系での撮影した結果、良好な撮像性能が得られた。また、このようなフルオレン構造を有するポリエステル樹脂は異なるグレードのもの存在し、それらを使用すると実用的なＮＤフィルタの板厚である２００μｍにおいても、リタデーション値Ｒｅを３０ｎｍ以下にすることができる。
【００５０】
なお、本実施例ではＮＤフィルタについて述べたが、フルオレン構造を有するポリエステル樹脂から成る透明樹脂基板上に無機硬質膜を成膜した光学フィルタであれば、同様の効果が得られる。例えば、積層膜を適宜変更することにより、赤外カットフィルタや紫外カットフィルタ等への応用も可能である。
【符号の説明】
【００５１】
２  光量絞り装置
９ａ、９ｂ  絞り羽根
１０  ＮＤフィルタ
１１  蒸着チャンバ
１２  回転ドーム
１３  蒸着治具
１４〜１６  蒸着源
１７  シャッタ
２１  透明樹脂基板
２４  蒸着マスク
３１  ＮＤ膜
３２  反射防止膜
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図６】
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【図７】
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