(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の樹脂基板の上に薄膜を積層して成る薄膜積層構造体を介して所定の波長領域の光線の透過を制限するエッジフィルタ又はバンドパスフィルタから成る光学フィルタであって、前記樹脂基板の両面に異なる膜厚の前記薄膜積層構造体をそれぞれ設けて凸形状とした後に、該凸形状に沿って凸方向に付与される外力によって入射光の入射角が更に小さくなる凸形状に変形させたことを特徴とする光学フィルタ。
【請求項２】
複数の前記薄膜積層構造体を中心波長がそれぞれ異なる３つの阻止波長領域を持つように前記樹脂基板の両面にそれぞれ設けた後に外力によって入射光の入射角が更に小さくなる凸形状に変形させた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】
複数の前記薄膜積層構造体を可視波長領域から近赤外波長領域に亘って複数の阻止波長領域を持つように前記樹脂基板の両面にそれぞれ設けた後に外力によって入射光の入射角が更に小さくなる凸形状に変形させた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４】
前記薄膜積層構造体は複数の蒸着膜を積層して形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】
湾曲した枠体に周囲を固定することによって前記凸形状を変形させたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタ。
【請求項６】
表面に圧電体又は圧電膜を取り付け、前記圧電体又は前記圧電膜による変位によって前記凸形状を変形させたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタ。
【請求項７】
前記樹脂基板はノルボルネン系材料である合成樹脂から形成されたことを特徴とする請求項１〜６の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタ。
【請求項８】
前記バンドバスフィルタであるＵＶＩＲカットフィルタ、又は前記エッジフィルタであるＩＲカットフィルタとしたことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の光学フィルタ。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１つの請求項に記載の光学フィルタを光学系に組込んだことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の波長領域の透過を制限するエッジフィルタ又はバンドパスフィルタ等の光学フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ビデオカメラ等の撮像装置に使用される固体撮像素子は、人間の眼の感度特性に対応させるために、透過波長を調節する光学フィルタと組み合わせて使用されることが多い。具体的には、ＵＶ（紫外線）カットフィルタやＩＲ（近赤外線）カットフィルタのエッジフィルタ、或るいはこれらを１枚のフィルタで実現したＵＶＩＲカットフィルタ等のバンドパスフィルタがある。
【０００３】
これらのエッジフィルタやバンドパスフィルタ等の光学フィルタは、所望の波長領域の光の透過を制限するために、透過を制限する領域のフィルタ素材に吸収材料を練り込んだり、基材上に塗布する吸収タイプのものが知られている。また、基材上に複数層から成る蒸着膜を積層することにより、蒸着膜の干渉を利用し反射させる反射タイプのものも知られている。
【０００４】
しかしながら、吸収タイプの光学フィルタにおいては、所望の吸収率を得るためには相応の厚さを必要とし、特にコスト的な要素と、光学系の薄型化の観点等からは、近年では反射タイプのものがより好ましいとされている。
【０００５】
図１２は複数層の蒸着膜を積層した反射タイプのＩＲカットフィルタの分光特性グラフ図を示し、図１３は図１２の一部波長を拡大した分光特性グラフ図である。図１２、図１３に示すように、反射タイプのＩＲカットフィルタにおいては、入射光の入射角により、分光特性がシフトしてしまう原理的な問題を有している。なお、シフト量を判断する基準としては、ＩＲ側の半値波長の変化量を用いている。
【０００６】
例えば図１３において、入射角度が０度のときはＩＲ半値波長が約６６２ｎｍであるのに対して、入射角度が１５度になるとＩＲ半値波長は約６５５ｎｍとなり、入射角度０度から１５度で半値波長が約７ｎｍ変化する。このように、入射角度により半値波長が大きく変化すると、入射角によって撮影した画像の色目が変化してしまい、実用可能な入射角度領域が制限されてしまう問題がある。
【０００７】
特に干渉を利用した反射タイプのエッジフィルタやバンドパスフィルタにおいては、原理的に必然的に発生してしまう問題であり、大きな影響を受けることになる。
【０００８】
これに対して、特許文献１、２では反射タイプの光学フィルタにおいても積層膜の構成を工夫することにより、入射角に対する光学特性の変化を低減する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−２７９０７号公報
【特許文献２】特開２００８−０２０５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１、２に示すような構成の場合には、膜構成が複雑化したり、交互層の屈折率差が小さくなったりする。これにより、より多くの積層数が必要となり、製品コストを増大させたり、光学特性の一部を犠牲にしたりする問題を有している。更に、角度依存性の問題を低減することは可能であるが、原理的な観点からは、根本的解決策とはならず、理想的に角度依存性の問題を解消することは困難である。
【００１１】
また、別の方法として、最初から曲面形状を有する基板にＩＲカット膜を成膜することが考えられるが、曲面形状を有する基板上に均一な薄膜を成膜させることは極めて困難である。また、曲面形状を有する基板上に薄膜を成膜する特別な機構を成膜装置に設けることが必要であり、大きく生産性を低減させてしまい、製品コストを増大させてしまうと云う問題を有している。
【００１２】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、簡便に入射角に対する光学特性の依存性を著しく低減できる干渉による反射タイプの光学フィルタを提供することにある。
【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、シート状の樹脂基板の上に薄膜を積層して成る薄膜積層構造体を介して所定の波長領域の光線の透過を制限するエッジフィルタ又はバンドパスフィルタから成る光学フィルタであって、前記樹脂基板の両面に異なる膜厚の前記薄膜積層構造体をそれぞれ設けて凸形状とした後に、該凸形状に沿って凸方向に付与される外力によって入射光の入射角が更に小さくなる凸形状に変形させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る光学フィルタによれば、コストを大きく増大させることなく、入射角に対する光学特性の依存性の問題を低減可能であり、撮像装置に使用した場合に画像等の色目変化等の不具合を著しく低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１の樹脂基板にマスクを重ねた状態の平面図である。
【図２】蒸着膜を成膜した後に、光学フィルタを切り抜いた状態の平面図である。
【図３】ＵＶＩＲカットフィルタの膜構成図である。
【図４】設計上のＵＶＩＲカットフィルタの分光透過率特性グラフ図である。
【図５】光学フィルタを枠体により変形する説明図である。
【図６】枠体と光学フィルタとの配置の説明図である。
【図７】実施例２の圧電体を光学フィルタに取り付けた状態の平面図である。
【図８】圧電体の電極の説明図である。
【図９】圧電体により光学フィルタを変形した状態の斜視図である。
【図１０】光学フィルタを配置した撮像光学系の説明図である。
【図１１】ＵＶＩＲカットフィルタの分光特性グラフ図である。
【図１２】ＩＲカットフィルタの分光特性グラフ図である。
【図１３】図１２の波長を拡大した分光特性グラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を図１〜図１１に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
本実施例の光学フィルタは近赤外光領域及び紫外光領域の所定の波長領域の光線の透過を制限するバンドパスフィルタであるＵＶＩＲカットフィルタであり、或いは近赤外光領域の所定の光線の透過を制限するエッジフィルタであるＩＲカットフィルタである。
【００１８】
図１に示す樹脂基板１には、板厚０．１ｍｍのノルボルネン系材料であるシート状のＡｒｔｏｎ（ＪＳＲ製、製品名）フィルムが用いられている。樹脂基板１上には、縦横共に１０ｍｍの複数個の正方形状の孔部２を穿けたマスク３を重ね、樹脂基板１の孔部２の範囲に複数層から成る蒸着膜を積層している。
【００１９】
図２に示すように、ＵＶＩＲカットフィルタである光学フィルタ１２は、樹脂基板１上に複数層から成る蒸着膜１１を成膜した後に、マスク３を剥し蒸着膜１１を成膜した周囲を、フィルタ形状に切り抜くことにより製造されている。
【００２０】
本実施例においては、樹脂基板１上に蒸着膜１１を成膜した後に、何らかの手段を用いて光学フィルタ１２を変形させる必要があるため、樹脂基板１として板厚が０．１ｍｍのシート状の樹脂製のＡｒｔｏｎフィルムを選択している。このＡｒｔｏｎフィルムはガラス転移温度が１００℃以上あり、曲げ弾性率が約３０００ＭＰａ程度と比較的高く、基板の割れやうねりを低減できる理由から選択している。また、本実施例においてはノルボルネン系材料であるＡｒｔｏｎを使用したが、ポリイミド系の樹脂フィルム等も好適な基材の１つであり、更にはこれらの基材に限らずＰＥＴやＰＥＮ、ＰＣ等を用いてもよい。
【００２１】
本実施例の光学フィルタ１２においては、樹脂基板１上に蒸着により複数層の薄膜である蒸着膜１１を成膜したが、蒸着以外の物理的成膜方法により成膜してもよいし、スピンコータ等を利用した塗装法を用いてもよい。
【００２２】
図３はＵＶＩＲカットフィルタである光学フィルタ１２の膜構成図を示し、高屈折率材料にはＴｉＯ2、低屈折率材料にはＳｉＯ2が使用されている。平面状の樹脂基板１上には、ＳｉＯ2膜１１ａとＴｉＯ2膜１１ｂが交互に積層され、樹脂基板１上の両面にそれぞれ２１層／２９層を積層し、両面で計５０層の膜構成とされている。
【００２３】
ＴｉＯ2は屈折率が高く膜設計上有利な材料であるために用いている。また、ＳｉＯ2は成膜条件によって勿論微妙に異なりはするが、イオンプレーティングによる成膜条件においては、ＴｉＯ2と膜応力の発生方向が反対になり、屈折率も低く膜設計上有利な材料であるために選択されている。
【００２４】
成膜工程においては、先ず縦横１００ｍｍの正方形の樹脂基板１の表面にマスク３を重ねて、２１層から成る蒸着膜１１を積層する。その後に、樹脂基板１の表裏を変え、表面を蒸着する際に用いたものと同様のマスク３を重ねて、裏面に２９層から成る蒸着膜１１を積層する。
【００２５】
また本実施例においては、樹脂基板１にノルボルネン系材料である合成樹脂を用いたことにより、成膜プロセスにおいて、熱に起因した問題が発生する。合成樹脂はガラスと比較して、ガラス転移温度が極端に低く、基板と蒸着膜との線膨張係数の差に起因する基板の不規則な反りや、この反りに伴う蒸着膜表面における皺やクラックの発生を生じさせる虞れを有している。そのため、成膜中に発生する熱の対策を施す必要があり、耐熱温度の高い基板材料を選択したり、低温のプロセスで成膜する方法を考える必要がある。
【００２６】
本実施例においては、成膜装置に吸熱機構を設け、成膜中に樹脂基板１に発生する熱を強制的に除去する手法を採用している。そこで、成膜プロセスで到達する樹脂基板１上の最高温度を予め測定し、その温度に耐えることができる基板材料を選択する必要がある。本実施例においては、成膜プロセスの安定性を考慮し、先に実験した到達最高温度に或る程度の許容値を加味し、ガラス転移温度を適性判断のパラメータとし、概ね７０℃以上のガラス転移温度を有するノルボルネン系材料を選択している。
【００２７】
そして、成膜中は成膜開始から成膜終了までの樹脂基板１の裏面を水温１０℃の冷却水を用いて、冷却しながら蒸着を行い温度制御を行っている。その結果、予め樹脂基板１の表面に設置しておいた真空中専用のサーモラベルにより測定したところ、成膜中の最大温度は両面共に６０℃以下であり、概ね５０℃弱程度であった。
【００２８】
本実施例における成膜方法としては、アシストを付加した他の成膜方法と比べ、比較的膜に起因する応力を小さい値に制御できる理由から、ＤＣパルス重畳型のＲＦのイオンプレーティング法を選択している。
【００２９】
しかし、成膜中の温度が通常成膜に比べて低くなるため、何らかのアシストを付加したり、スパッタ等の比較的高エネルギで成膜され、膜密度が高くなるプロセスを選択することが好ましい。具体的には、スパッタ法、ＩＡＤ法、イオンプレーティング法、ＩＢＳ法、クラスタ蒸着法等が用いられる。成膜方法は膜厚を比較的正確に制御でき、再現性の高い膜を得ることができる成膜方法であればよく、必要とされる膜の性質や、基板を含めた各材料の制約条件等から最適な方法を選択すればよい。
【００３０】
上述の方法により製作したＵＶＩＲカットの光学フィルタ１２を、高温高湿の環境試験を行った結果、１０００時間後では環境試験開始前と比較してＩＲ側の半値波長での透過率変化はシフト量が２ｎｍ以下となった。同様の環境試験を数サンプルに対して行ったが、全てのサンプルにおいて同様な結果が得られた。
【００３１】
また、光学フィルタ１２の外観に関しても良好であり、反りや凹凸、更に皺やクラック等は発生せず、環境試験後も皺やクラック等の発生は確認できなかった。同様に作製された別サンプルにおいて、高温試験を実施したが、１０００時間経過後であっても、皺やクラック等の発生は確認できなかった。更に、熱衝撃試験を実施したが、１０００サイクル経過後であっても、皺やクラック等の発生は確認できなかった。
【００３２】
図４は実施例１における設計上のＵＶＩＲカットの光学フィルタ１２の分光透過率特性グラフ図である。上述の方法により製作されたＵＶＩＲカットフィルタである光学フィルタ１２は、この図４で示した設計値と略同様の分光透過率特性を得ることができた。
【００３３】
一般的なＵＶＩＲカットフィルタである光学フィルタ１２の場合には、図４に示すように可視波長領域から紫外波長領域にかけての所望する波長領域に第１の阻止波長領域を有している。更に、可視波長領域から近赤外波長領域にかけての所望する波長領域に第２の阻止波長領域、第２の阻止波長領域から更に近赤外波長にかけての所望の波長領域に第３の阻止波長領域を有し、３つの阻止波長領域により構成されている。
【００３４】
ここで、１つの阻止波長領域を構成する薄膜積層構造を１つのブロックとして考えると、第１〜第３の阻止波長領域を形成する３つのブロックにより形成される。この３つのブロックはそれぞれは異なる中心波長を有し、その波長をλとした場合に、基本的に高屈折率材料と低屈折率材料を交互にλ／４ずつ積層している。所望の光学特性を得るために、各層の膜厚に概ね０．７〜１．３倍程度の微調を加え、積層された構成等が一般的である。
【００３５】
ＵＶＩＲカットフィルタやＩＲカットフィルタは比較的積層する膜数が多く、膜応力に起因した反りの問題を引き起こし易く、特に樹脂基板１が合成樹脂の場合には顕著な問題となる。そこで、この問題を低減するために、樹脂基板１の両面に同じ材料、同じ膜厚で積層した場合が最も膜応力を低減でき好ましい。
【００３６】
しかし、この場合には蒸着膜１１の構成設計が困難となり、樹脂基板１の片面に設計した場合と同じ積層数となるように膜設計を行った場合に、光学特性が大きく犠牲となる可能性が高い。また、光学特性と膜応力の緩和を同時に満足するために積層数が増え、光学フィルタ１２の製作の工数アップの要因となる。そこで、或る阻止波長領域を有する薄膜積層構造体を樹脂基板１の両面に分割することが最適である。
【００３７】
このように、通常の平板状の樹脂基板１に薄膜積層体を構成するため、成膜の管理がし易く、光学フィルタ１２の平面性を維持でき、また均一な特性とすることができる。なお、ここで云う均一な特性とは、製造時の意図しない要素による透過率の変化であるばらつき等も含んでいる。
【００３８】
本実施例のように、樹脂基板１の表裏両面に成膜する構成の光学フィルタ１２の場合に、樹脂基板１の両面での蒸着膜１１の膜応力を意図して異ならせることにより、光学フィルタ１２を任意形状に変形させることも可能である。
【００３９】
しかし、このような場合に、片面側の膜応力が強くなってしまうことに起因して、成膜プロセス中にうねりを発生しまう虞れがある。また、湿度や熱雰囲気の条件によっては、膜応力が変化して初期形状が変化する可能性を有している。そして、上述の方法により製作した光学フィルタ１２を、光学フィルタ１２への入射光の入射角が、変形前よりも小さくなるように外力によって変形させて固定する。
【００４０】
そのため本実施例１においては、図５に示すようにＵＶＩＲカットフィルタである光学フィルタ１２の周囲を、湾曲した枠体２１に円柱表面状のような凸形状となるように固定する。変形させる方法としては、後述するように圧電体を取り付ける方法等があるが、安定して変形させた形状を維持できれば、特に限定されることはない。
【００４１】
また、本実施例におけるＵＶＩＲカットフィルタのように、両面膜構成の場合に膜応力が両面で完全に一致させることは困難であり、多少なりとも光学フィルタ１２自体も面方向に対して全体的に凹形状、或いは凸形状を有している。
【００４２】
枠体２１に固定時に光学フィルタ１２に掛かるストレスを考慮すると、例えば図６（ａ）よりも（ｂ）に示すように、枠体２１の形状により近い形状で配置し固定することが望ましい。
【００４３】
なお、枠体２１は周囲の温度や湿度が変化した場合であっても、変形しない材質、構造とする必要がある。場合によっては、或る程度の強度も必要とされるが、製品仕様によって最適な材質や形状を決定すればよい。
【実施例２】
【００４４】
実施例２においては、図７に示すように光学フィルタ１２の上辺、下辺に沿って、長方形状の圧電体（ＰＺＴ）３１を取り付け、接着剤で固定する。この際に、図８に示すように圧電体３１には、絶縁層３２を介して予め電極３３ａ、３３ｂが形成されており、電極配線の都合により電極構造を有する素子を選択している。この圧電体３１の電極３３ａ、３３ｂに電圧を印加し、圧電体３１を変位させることにより、光学フィルタ１２を図９に示すように変形させることができる。また、この電圧を調整することにより、任意の曲率形状に光学フィルタ１２を変形させることができる。
【００４５】
更に、これにフィードバック機構を設ければ、形状の経時的変化等に対応して、系全体としてゴースト光の影響を低減できるように自動的に調整する機構を実現することも可能となる。このフィードバック機構に関しては様々な手法が考えられる。
【００４６】
例えば、撮像装置に組込んだ場合に、撮影画像をソフト的に解析し、圧電体３１の印加電圧を調整することにより、光学フィルタ１２の変形量を調整し、自動補正する方法や、撮影画像から撮影者が判断し、外部入力により手動操作で補正する方法等が考えられる。また、光学フィルタ１２に圧電体３１を積層する代りに、光学フィルタ１２の表面に直接に圧電膜を貼り付けてもよい。
【００４７】
図１０は画像読取装置等の撮像装置で使用される撮影手段のＣＩＳ（コンタクトイメージセンサ）４１の前面に、ＵＶＩＲカットフィルタである光学フィルタ１２を配置した場合の説明図である。撮像装置の内部には、光源４２が内蔵され、図１０において図示は省略されているが、光源４２にはＣＩＳ４１の結像面に入射光を結像させる撮像光学系も含まれている。このような画像読取装置においては、光源４２から発生した光線は、光学フィルタ１２に対して斜めに入射することになる。
【００４８】
図１０（ａ）は光学フィルタ１２を変形させず、平面に近い形状のまま、光路上に配置した場合の撮像光学系の概略図を示している。フィルタ面の有効領域内において、光源４２から発した入射光の光学フィルタ１２への入射角度は０度から最大で２５度まで変化し、光学フィルタ１２上の光線の通過領域においてそれぞれで異なる。
【００４９】
図１１の点Ａ、Ｂは図１０（ａ）の状態のＵＶＩＲカットフィルタである光学フィルタ１２の分光特性グラフ図を示し、ＩＲ側半値波長のシフト量を示している。入射光が垂直に入射する光学フィルタ１２の中心部の点ＡではＩＲ半値波長が約６６２ｎｍであるのに対し、最大入射角である点ＢではＩＲ半値波長が約６４２ｎｍとなり、光学フィルタ１２の有効領域で約２０ｎｍのシフトが発生する。
【００５０】
これに対して、図１０（ｂ）で示すように光学フィルタ１２を凸形状に変形させて凸面をＣＩＳ４１に向けた場合には、フィルタ面の有効領域内で比較すると、入射光に対する光学フィルタ１２への入射角度が０度から最大で５度までと大きく低減される。この際のＩＲ側半値波長のシフト量は図１１の点Ｃに示すように、入射光が垂直に入射する光学フィルタ１２の図１０（ｂ）で示す中心部の点Ａでは、ＩＲ半値波長が約６６２ｎｍである。それに対して最大入射角である点ＣではＩＲ半値波長が約６６１ｎｍとなり、光学フィルタ１２の有効領域内で約１ｎｍのシフト量となる。
【００５１】
このように、図１０（ｂ）に示すように凸形状に変形させた光学フィルタ１２は、図１０（ａ）に示す光学フィルタ１２の形状を特に変形させないフラットタイプの場合と比較すると、約１９ｎｍもシフト量を低減させることができる。
【００５２】
また、理想的には、入射角度の差異を０にすることも可能であり、入射角度に対する光学特性の変化を著しく低減することが可能である。このように、上述の方法により光学フィルタ１２を作製することにより、均一な物理膜厚で光学フィルタ１２への光線の入射角に対する光学特性の依存性を低減することができる。
【００５３】
なお、実施例における凸形状は円柱表面状としたが、球形状や楕円球状とすることもできる。
【符号の説明】
【００５４】
１  樹脂基板
２  孔部
３  マスク
１１  蒸着膜
１１ａ  ＳｉＯ2膜
１１ｂ  ＴｉＯ2膜
１２  光学フィルタ
２１  枠体
３１  圧電体
【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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【図１２】
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【図１３】
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