(57)【要約】【課題】分光透過率が可視域において均一で、ゴースト等の画像に対する悪影響を低減することが可能となるＮＤフィルタの膜構成並びにこのようなＮＤフィルタを有する光量絞り装置や該光量絞り装置を有するカメラを提供する。【解決手段】透明基板上の１面に光の吸収膜と誘電体膜を交互に積層することによって透過光量を変えるようにした多層膜に、屈折率の異なる２種類以上の膜からなる多層反射防止層を積層し、２面に屈折率の異なる２種類以上の膜からなる多層反射防止層を積層し、総体としての応力によって、１面側を凸にすることで、画像に対する悪影響を低減することが可能となり、分光特性がフラットで低反射率のＮＤフィルタ、並びにこれらのＮＤフィルタを有する光量絞り装置及びカメラを実現することができる。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明樹脂基板の一方の面に、光吸収膜と誘電体膜を交互に積層した透過率調整層と、屈折率の異なる２種類以上の膜から構成される多層反射防止層を有し、
前記透明樹脂基板の他方の面に屈折率の異なる２種類以上の膜から構成される多層反射防止層を有する光学フィルタにおいて、
前記両面の積層膜応力を調節することにより透過率調整層と多層反射防止層を積層した前記一方の面側が凸となっていることを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】
前記多層反射防止層は、前記透過率調整層の上に積層されてい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】
前記多層反射防止層は３層以上の層数で構成され、最表に配置される膜が、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、二酸化けい素（ＳｉＯ２）のいずれかであ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】
透明樹脂基板の両方の面に、光吸収膜と誘電体膜を交互に積層した透過率調整層及び、屈折率の異なる２種類以上の膜を積層した多層反射防止層の少なくとも一方を積層し、
前記積層する両方の面の積層膜応力を調節して、所定の一方の面側が凸とすることを特徴とする光学フィルタの製造方法。
【請求項５】
透明樹脂基板の一方の面に、光吸収膜と誘電体膜を交互に積層した透過率調整層と、屈折率の異なる２種類以上の膜から構成される多層反射防止層を積層し、
前記透明樹脂基板の他方の面に屈折率の異なる２種類以上の膜から構成される多層反射防止層を積層する光学フィルタの製造方法において、
前記両面の積層膜を積層するとき、積層膜応力を調節することにより透過率調整層と多層反射防止層を積層した前記一方の面側が凸とすることを特徴とする、光学フィルタの製造方法。
【請求項６】
撮像光学系と、前記撮像光学系を透過する光を調節する光学フィルタと、前記通過した光を電気信号に変換する固体撮像素子を有する撮像装置において、
前記光学フィルタは、前記固体撮像素子と対向する面側に凸となるように取付けられていることを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
前記光学フィルタは、前記請求項１から５に記載のいずれか、またはその製造方法により作られてい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、ＮＤフィルタなどの光学フィルタおよび光学フィルタの製造方法、並びにこれらの光学フィルタを有するビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像素子を有する撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラやデジテルスチルカメラなどの撮像装置は、例えば被写体が明るい場合ＣＣＤ等の固体撮像素子へ入射する光を制限するため、絞り羽根などの絞り装置で絞り開口を小さく絞る（開口部を小さくする）構成となっている。
【０００３】
しかし、快晴時や輝度が高すぎる被写体の場合、絞りを最小にしても受光面に光が入射しすぎてしまうという問題があり、像性能が劣化してしまう。この対策として、光の絞り部分にＮＤフィルタを取り付け、開口径は同じでも、光の入射量を抑えることがしばしば行われている。
この場合、フィルタの表面の反射はゴーストやフレアの原因となるため、反射防止処理を行う必要がある。
【０００４】
このような要求を満たすために、金属酸化物を積層したＮＤフィルタが特許文献１に示されている。ここでは透明樹脂基板に誘電体Ａｌ２Ｏ３と金属酸化物ＴｉＸＯＹを交互に６層積層していき、最表層にＡｌ２Ｏ３もしくはＭｇＦ２を成膜して、合計７層を重ねることで、分光透過率を均一にし、反射防止効果を有するＮＤフィルタを作製する方法が開示されている。
【０００５】
また、基材の裏面反射を低減させるために、基材の裏面に単層の反射防止膜より反射防止効果の高い、多層反射防止膜を積層したＮＤフィルタが特許文献２に示されている。ここでは、基材の裏面側にも、誘電体と金属酸化物の交互層を積層し、基材の裏面反射を低減している。
【０００６】
また、ＮＤフィルタを実際に製品に組み込む際、ＮＤとレンズやＣＣＤとの距離が近いような製品においては、ＮＤフィルタの反りがゴーストの発生原因になってしまうという問題があった。このようなフィルタの反りによる問題に対し、特許文献３ではフィルタの固定方法として、取り付け面に凸状部等の突当部を設置し、フィルタ取り付け部の爪部によってフィルタを押さえ付け、撓曲させて固定する方法でゴーストを低減するという方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２７６１６７号公報
【特許文献２】特開平７−６３９１５号公報
【特許文献３】特開平８−２４０８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような積層膜を薄い樹脂基板に積層すると、膜の内部応力によって基材が変形しやすい。特に多層反射防止膜を積層する場合、積層数がさらに増加するため、さらに変形しやすい。また、フィルタ表面を反射防止処理しても、反射を完全に無くすことは難しいため、基材の変形の方向によってはＮＤフィルタの表面の反射光が意図しない場所に向かい、画像形成上不都合を起こす場合があった。
【０００８】
例えば、図１に示すような装置構成おいて、ＮＤフィルタの基材の変形方向によって、ゴーストが発生してしまう。図１（ａ）のように、ＮＤ面が凹に変形した場合は、レンズを通った光が一度ＣＣＤ面に反射し再びＮＤフィルタに反射してＣＣＤに集光することにより、ゴーストとなる。
【０００９】
このような現象を防ぐために特許文献３のような固定方法を採用すると、固定するための機構や組み込むための新たな作業が必要となり、部品点数や組立工数の増加を招く可能性がある。
【００１０】
本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、透過率調整膜と反射防止膜を多層積層しても、基材の変形方向を調整することにより、新たな機構を追加することなくゴーストやフレアのような画質への悪影響を低減可能な光学フィルタまたは光学フィルタの製造方法、並びにこのような光学フィルタを有する撮像装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
透明樹脂基板の一方の面に、光吸収膜と誘電体膜を交互に積層した透過率調整層と、
屈折率の異なる２種類以上の膜から構成される多層反射防止層を有し、透明樹脂基板の他方の面に、屈折率の異なる２種類以上の膜から構成される多層反射防止層を有する光学フィルタにおいて、両面の積層膜応力を調節することにより、透過率調整層と多層反射防止層を積層した面側を凸とすることである。
【００１２】
他の発明として、撮像光学系と、撮像光学系を通過する光を調節する光学ＮＤフィルタと、通過した光を電気信号に変換する固体撮像素子を有する撮像装置において、光学フィルタを、固体撮像素子と対向する面側に凸となるように取付けることである。また、このとき使用される光学フィルタは、前記の光学フィルタであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、積層膜応力を調整することにより、特に部品を追加することなしに光学フィルタ表面の反射を低減しつつ基材のそりの方向を規制し、撮影画像に対する悪影響を低減した光学フィルタ及び撮像装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る光学フィルタの１つである、ＮＤフィルタの実施の一形態について、図面を用いながら詳細に説明する。尚、本発明は透明基板上に形成された積層膜の応力とそりの関係に係るものなので、ＮＤフィルタ以外にも、例えば赤外線カットフィルタや紫外線カットフィルタなど、ＮＤフィルタと同様の膜構成を取る光学フィルタにも当然利用できる。
【００１５】
例えば、濃度１．２のＮＤフィルタを作製する場合、特許文献１のように誘電体と金属酸化物から構成される膜構成を用いると、まず図２に示すように透明基板上に誘電体膜Ａｌ２Ｏ３と光吸収膜ＴｉｘＯｙを交互に、合計１０層積層し、透過率を調整し反射率を下げる。さらに最表層に最も空気に屈折率の近い誘電体であるＭｇＦ２を積層することによってさらなる反射防止効果を達成できる。
また、裏面反射を低減するために、特許文献２のように裏面に多層反射防止層を設けることにより、基材の裏面に対しても反射防止効果を高めることが出来る。
【００１６】
しかし、このような膜構成において、各層の膜応力を考慮しない場合、膜応力が均衡せず、総体として応力が発生してしまう。総体としての応力がＮＤ面を凹とするような応力であった場合、図１（ａ）に示したような光の集光が発生し、ゴーストの原因となってしまう。
【００１７】
逆にＮＤ面が凸になるように構成すると、ＮＤ面が撮像素子と対向するように撮像装置に組み込んだ場合、図１（ｂ）に示したように反射光が散乱するため、画像に対する悪影響を低減することが可能となる。ＣＣＤなどの固体撮像素子を使用したカメラなどの撮像装置においては、撮像素子表面で反射した光が、ＮＤフィルタなどの光学フィルタ表面で再度反射し、再び撮像素子に入光する場合がもっとも画像に悪影響を与える。この為、反射率の低いＮＤ膜等の積層面側を撮像素子と対向する面側とするため、通常上述のような撮像素子とＮＤ面の構成となる。
【００１８】
そこで本発明者らは次のような膜構成にすることにより、基材の変形方向を調整し、ＮＤ面が凸となり、反射防止効果の高いＮＤフィルタを作製可能とした。
【００１９】
図３に本発明におけるＮＤフィルタの膜構成を示す。濃度１．２のＮＤフィルタを目標に、透明基材上の一方の面である１面に、Ａｌ２Ｏ３とＴｉｘＯｙの膜を交互に合計１０層積層した透過光量調整層３０６を積層し、その上に屈折率の異なる膜を交互に積層した多層反射防止層３０８を積層した。他方の面となる２面には屈折率の異なる膜を交互に積層した多層反射防止層３０９を積層した。このような膜構成にした理由は、総体としての膜応力を調整可能とし、さらに基材表面及び裏面の反射防止効果を向上させるためである。
【００２０】
積層薄膜の内部応力は引っ張り応力と圧縮応力があり、薄膜の材質や薄膜の積層方法、例えば蒸着法で積層した場合とスパッタ法で積層した場合などで異なる。また応力の大きさは、基材の厚みや積層膜厚の厚さなどによって決まる。例えば蒸着法を用いて積層すると、Ａｌ２Ｏ３とＴｉｘＯｙ及びＭｇＦ２は引っ張り応力となり、ＳｉＯ２は圧縮応力となる。これらを元に積層数や膜厚を調節することにより、それぞれの層の総体としての膜応力を調節することができる。
【００２１】
本発明のプロセスにおいては透過光調整層が引張り方向の応力となったので、１面の多層反射防止層を圧縮応力、２面の多層反射防止層を引張応力とし、膜厚を最適化することで、総体としての応力を発生させ、その応力によって１面側が凸となるようにした。
本来であれば、基材の変形が全く無いことがより好ましいが、膜応力は成膜プロセスに依存し、総体としての膜応力をゼロにすることは非常に難しい。そこで、本発明においては、ある方向に応力が発生するような条件で成膜し、ＮＤ面が凸となるような構成にしたのである。
【００２２】
また、最表層に積層される膜の屈折率が、空気の屈折率に近ければ近いほど、反射防止効果が高くなるため、反射防止膜の最表層はできるだけ空気との屈折率差が小さい膜材である必要がある。一般に成膜材料は成膜プロセスに依存し、プロセスによって屈折率が変化してしまうが、空気に近い屈折率を持つ成膜材料として屈折率が１．５以下の材料であるＳｉＯ２（１．４６）やフッ化物の多く（１．２〜１．４）が挙げられる。ただし、蒸着で使用でき、コスト、入手し易さ等を考えると、反射防止膜の最表層としては、ＭｇＦ２またはＳｉＯ２が好ましい。
例えば、Ａｌ２Ｏ３とＴｉｘＯｙを交互に６層積層し、その上に屈折率の異なる膜を交互に積層した多層反射防止層を積層し、ＭｇＦ２（屈折率１．３８）またはＳｉＯ２（屈折率１．４６）を空気側の最表層に積層した場合の反射率と、空気側の最表層にＡｌ２Ｏ３（屈折率１．６３）を積層した場合の反射率を比較した場合、最表層がＡｌ２Ｏ３である方が１．５％程度高くなってしまう。一方、ＭｇＦ２とＳｉＯ２を比較した場合、ＭｇＦ２の方がより低反射にすることが出来るが、ＳｉＯ２においてもほぼ同等の低反射化を達成できる。透過率の平坦性に関しては、ＭｇＦ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のどの基材を用いても達成することが出来るが、反射防止効果の点から屈折率が１．５以下の誘電体膜であるＭｇＦ２、ＳｉＯ２を採用した。
【００２３】
また、図４に示すように、基材の１面にグラデーション濃度分布を持つ透過率調整層を配置し、その上に多層反射防止層を積層し、２面に多層反射防止膜を積層することによって構成されるグラデーションＮＤフィルタにおいても、１面側が凸となるように基材を変形させることができ、且つ、基材の裏面反射を低減させ、反射率を更に低減することができる。
また、図５には両面に同じ膜構成の透過率調整層を配置し、１面側には圧縮応力である多層反射防止層を積層し、２面側には引張り応力である多層反射防止層を積層したＮＤフィルタを示した。このような構成においても、総体としての応力によって、１面側を凸とすることができ、且つ反射防止効果を高めることができる。
また、図６には両面に同じ膜構成のグラデーション濃度分布を持つ透過率調整層を配置し、その上に多層反射防止層を積層し、１面には圧縮応力である多層反射防止層を積層し、２面側には引張り応力である多層反射防止層を積層したＮＤフィルタを示した。このような構成においても、総体としての応力によって、１面側を凸とすることができ、且つ反射防止効果を高めることができる。
【００２４】
以下、本実施の形態について、図を用いて詳細に説明していくが、本発明は具体的な形態によって何ら限定されるものではない。本発明は真空蒸着法を用いてＮＤフィルタを成膜する方法を説明しているが、ＮＤフィルタの成膜方法としては、スパッタリング法、インクジェットプリンティング法、スプレー法を用いても同様な効果を得ることができ、これらの方法は一般的に知られていると推測されるため、説明は省略する。
【００２５】
本実施例において使用した真空蒸着機のチャンバー内簡易図を図７に示す。図７において、７０１は蒸着傘、７０２は蒸着源、７０３は成膜を施す基板、７０４は実際に蒸着を行う基材、７０５は７０４を固定する基板冶具を示している。成膜を施す基板とは、実際に薄膜を積層する基材７０４が基板冶具７０５にセットされた状態を示している。真空蒸着法においては、基板を蒸着傘にセットし、蒸着傘ごと基板を回転させて成膜を行う。成膜法に真空蒸着を選択した理由は、膜厚制御が比較的容易にでき、可視光領域での散乱が非常に小さいためである。
【００２６】
真空蒸着法によって、例えば図８に示されるようなＮＤフィルタが形成される。基材の１面において、Ａｌ２Ｏ３とＴｉｘＯｙを交互に積層した透過光調整層上に、多層反射防止層を積層し、２面側には多層反射防止層を積層することによって、１面側を凸に変形させつつ、平坦な透過率特性を持ち、且つ反射防止効果の高いＮＤフィルタが作製できる。
【実施例１】
【００２７】
図８は本発明の実施の形態に関わるＮＤフィルタの膜構成を示しており、基材は材質厚７５μｍのポリエチレンテレフタレート（以下ＰＥＴと略す）基材を用い、ＰＥＴ基材上の奇数番目の層に誘電体膜のＡｌ２Ｏ３を積層し、偶数番目の層に光吸収膜のＴｉｘＯｙを積層した透過率調整層を積層している。この多層膜上に、ＳｉＯ２とＴｉＯ２を交互に積層し、最表層にＳｉＯ２を積層した多層反射防止膜を積層した。
【００２８】
多層反射防止膜は、２種類以上の膜を３層以上構成することが望ましい。本実施例においては合計１４層積層したが、積層数は目標の反射率に合わせて任意に決めることができる。また、他方の側にはＴｉＯ２とＳｉＯ２を交互に積層し、最表層にＭｇＦ２を積層した多層反射防止層を積層した。こちらの積層数においても任意に決めることができる。
本実施例において、基材にＰＥＴを選択した理由は、耐熱性（ガラス転移点Ｔｇ）が高く、可視光領域で透明性が高く、吸水性が低い為である。
【００２９】
次に図３に示した各層の膜厚を決定した。本実施の形態では、膜厚を最適化することで、膜全体の応力を調整し、基材１面側を凸に変形させ、均一な透過率、且つ低反射率を達成することができる。しかし、膜応力、光学特性を満足させるためには、積層される誘電体層が以下のような条件を満たして積層される必要がある。
１）可視光領域で均一な透過率を持ち、反射率を低減させる。
２）膜全体としての応力を低減させる。
３）長時間の使用に耐えるため、対環境性が安定している。
上記全ての条件を満たすような膜構成を設けるには、各層の材料、層数、膜厚、成膜方法を最適化する必要がある。これらの条件は以下のようにして規定されている。
【００３０】
（誘電体層の構成）
ＮＤフィルタにおける膜構成には上述したように、
（ａ）光の吸収層に金属を用い、光の干渉層に誘電体を用いる方法
（ｂ）光の吸収層に金属酸化物、光の干渉層に誘電体を用いる方法
がある。（ａ）のような膜構成では金属層が光吸収の役割を担っており、誘電体層は金属層との干渉によって反射率を抑える働きと、金属層の酸化を防止し、環境安定性を高める役割を担っている。ただし、（ａ）の膜構成では、金属層の膜厚を１０ｎｍ、場合によっては１ｎｍ程度にする必要があり、膜厚の制御が困難であるという問題があった。
【００３１】
そこで、本実施の形態では、（ｂ）の膜構成のように、光吸収層としてＴｉＸＯＹ、干渉層及び酸化防止層として、Ａｌ２Ｏ３を用い、膜厚の最適化を行うことにより、ＮＤフィルタとしての機能を備えるようにした。
【００３２】
また、本実施の形態においては、透過率調整層の膜厚を固定し、多層反射防止層の膜厚を最適化することによって、総体としての応力を調整した。本実施の形態において、透過光調整層をＡｌ２Ｏ３とＴｉＸＯＹの交互層とする構成では、膜全体として引張り応力になったため、透過光調整層上の多層反射防止膜としては、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２の膜厚を最適化することによって、圧縮応力を持たせ、１面側が凸となるように膜全体の応力を調整し、且つＮＤフィルタの反射率を低減させるようにしている。
また、裏面側の多層反射防止層としては、１面側が凸となるように、ＭｇＦ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２の膜厚を最適化し、膜全体の応力を引張り応力とすることで、１面側を凸形状とし、且つＮＤフィルタの反射率を低減させるようにしている。
ただし、実際に基材の変形に影響するのは、膜応力ではなく、膜応力と膜厚との積で表される全応力が基材の変形に影響を及ぼすため、全応力の調整を行った。
【００３３】
次に、応力の値が大きく変化しない範囲で、分光特性を満たすような膜設計を行う。上記で記載した誘電体単層膜における透過率、反射率から、光学定数（ｎ、ｋ）を求めた。これらの光学定数を用いて、平坦な透過率で反射率を低減させる条件を満たすように誘電体層の膜厚を設計した。設計結果を表１に示す。膜応力がプラスの層は総体として引っ張り応力であることを示し、マイナスは圧縮応力であることを示す。
表１  本発明における膜構成
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【００３４】
以上の実施例より、透明基板上に積層した誘電体層を透過率・反射率および応力の観点から最適化できることが判明した。
このような条件で成膜した場合、理論的には総体としての応力によって、１面側が凸にすることができる。実際に真空蒸着によって成膜した結果においても、１面側が凸になっていた。同じ条件・同じプロセスで薄膜を作成しても、成膜時の装置の状態等によって、膜厚・応力値が所定の値からずれる可能性があるが、総体としての応力の符号が変わるほど大きく影響せず、基材の変形量は多少変化するものの、方向が反転することはないと考えられる。
【実施例２】
【００３５】
本実施例の構成を図４に示す。本実施例は基材の１面にグラデーション濃度分布を持つ透過光調整層を配置し、その上に多層反射防止層を積層し、２面に多層反射防止膜を積層している。このような構成においても、実施例１と同様に多層反射防止層の応力を調整することで、１面側が凸となるように基材を変形させることができ、且つ、基材の裏面反射を低減させ、反射率を更に低減することができる。
【実施例３】
【００３６】
本実施例の構成を図５に示す。本実施例は基材の両面に同じ膜構成の透過光調整層を配置し、その上に多層反射防止膜を配置している。このような構成においても、実施例１、２と同様にして多層反射防止層の応力を調整することによって、１面側を凸とすることができ、且つ反射防止効果を高めることができる。
【実施例４】
【００３７】
本実施例の構成を図６に示す。本実施例は基材の両面に同じ膜構成のグラデーション濃度分布を有する透過光調整層を配置し、その上に多層反射防止膜を配置している。このような構成においても、実施例１〜３と同様に多層反射防止層の応力を調整することで、１面側を凸とすることができ、且つ反射防止効果を高めることができる。
【実施例５】
【００３８】
撮像装置に応用した実施例を図９に示す。９０１は撮像光学系である撮影レンズで、９０３は光を電気信号に変換する固体撮像素子であり、ＣＣＤやＣＭＯＳで構成される。９０２はＮＤフィルタなどの光学フィルタであり、地板９０４に固定されている。本実施例においては光学フィルタ９０２は地板に固定されているが、絞り羽根等の可動部材に固定されて、光路上に挿脱可能と成っていても同様である。
光学フィルタ９０２は蒸着法で透過光量調整層と多層反射防止膜が積層されている。膜構成は前述の構成と同様であり、固体撮像素子９０３と対向する面にＮＤフィルタである透過光量調整層が形成されている。この理由は、前述したとおり、撮像素子表面で反射した光が、ＮＤフィルタなどの光学フィルタ表面で再度反射し、再び撮像素子に入光する場合がもっとも画像に悪影響を与える為、より反射率の低いＮＤ膜等の積層面側を撮像素子と対向する面側とするためである。
このような構成において、光学フィルタ９０２は前述のように積層膜応力を調節することにより、透過光量調整層側が凸、すなわち固体撮像素子９０３側に凸となるように配置する。これにより図１（ｂ）のごとく、光学フィルタ９０２に反りが発生しても、固体撮像素子９０３上に有害な反射光が向かないようにできる。
これにより、高品位な撮像画像が得られる撮像装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】光学フィルタの反り方向による反射光の影響を説明する図
【図２】従来のＮＤフィルタ膜と反射防止膜の構成
【図３】本発明の実施例の積層膜の構成
【図４】第２の実施例の構成
【図５】第３の実施例の構成
【図６】第４の実施例の構成
【図７】蒸着法による光学フィルタの製造方法を説明する図
【図８】本発明の実施例の積層膜の具体的な構成
【図９】第５の実施例である撮像装置への応用例を説明する図
【符号の説明】
【００４０】
２０１，３０６，４０１，５０１，５０３，６０１，６０３，８０１  透過光量調整層
２０２  単層反射防止膜
２０３，３０８，３０９，４０２，４０３，５０２，５０４，６０２，６０４，８０２，８０３  多層反射防止膜
７０１  蒸着傘
７０２  蒸着源
７０３  蒸着基板
７０４  基材
７０５  基板冶具
【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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