JP2006301487A - 近赤外線カットフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化の可能な近赤外線カットフィルタを提供する。
【解決手段】
基材１の一面には可視光線領域で高透過特性を示すとともに近赤外線領域で低透過特性を示す第１の多層膜２Ａを形成し、同基材１の他面には可視光線領域で高透過特性を示すとともに近赤外線領域で低透過特性を示す第２の多層膜２Ｂを形成する。更に第１又は第２の多層膜２Ａ，２Ｂの少なくとも片方に金属薄膜５を少なくとも一層挿入する。金属薄膜５は、銀の単体又は銀を主成分とする合金からなり、可視光線領域及び近赤外線領域に亘って適当な透過特性を示し、且つ可視光線領域よりも近赤外線領域で高い反射特性を示す。
【選択図】図１

Description

本発明は、カメラやビデオなどのデジタル撮像光学系に使用する近赤外線カットフィルタに関する。

ビデオカメラや電子スチルカメラなどでは、光学的画像データを電気信号に変換する為にカラーＣＣＤ素子が使用されている。ＣＣＤ素子は人間の目の感度（一般に人間の可視領域は４００ｎｍ〜７００ｎｍである）とは異なり、近赤外線領域の１１００ｎｍ付近まで高い感度を有している。したがって人間の目で見た色調バランスを再現する為には不要光となる近赤外線をカットし、可視光線を取り出すフィルタを用いて光のトリミングを行う必要がある。この様な目的で近赤外線カットフィルタが用いられる。

赤外線カットフィルタは様々な構造が開発されているが、大別すると３種類に分けられる。第１に、ガラスまたは樹脂からなる基材に金属錯体を保持し、その吸収を利用した近赤外線カットフィルタが知られており、例えば以下の特許文献１及び２に記載がある。第２に、透明な基材の表面に屈折率の異なる２種以上の誘電体薄膜を交互に積層配置してなる多層膜を形成し、この多層膜による光の干渉効果を利用した近赤外線カットフィルタが知られており、例えば以下の特許文献３及び４に記載がある。第３に、染料あるいは顔料の吸収を利用した近赤外線カットフィルタが知られており、例えば以下の特許文献５及び６に記載がある。
特開平０７‐２８１０２１号公報 特開平１１‐１６０５２９号公報 特開２０００‐３１４８０８公報 特開２００３‐０２９０２７公報 特開２００１‐１３３６２３公報 特開２００３‐２２７９２２公報

近年、携帯用途を中心として、撮像光学系を小型化、薄型化及び軽量化したいという市場での要望が益々強くなり、使用する光学部品の全てにわたって同様の事が求められている。近赤外線カットフィルタでもその薄型化及び軽量化が望まれているが、上述した従来の３つの方式では市場の要求に対する対応が困難となりつつある。

金属錯体の吸収を利用した第１の方式は、基材上に保持できる金属錯体の濃度に限界があり、必要な光学特性を出す為には、０．４ｍｍ程度以上の厚みが必要であり、薄型化の障害となっている。特許文献１及び２はいずれも金属錯体としてリン酸化合物をベースに用いている為、環境上でも問題がある。

透明誘電体薄膜を積層した多層膜を利用する第２の方式は、使用する誘電体材料の屈折率差が最大でも１程度である為、要求される光学特性を実現するには、誘電体薄膜の積層数が４０程度必要になる。このため膜応力の調整が困難であり、基材の反りや膜の剥離などが発生しやすい。基材の反りを防止する為には必然的に基材の厚みを大きくせざるを得ず、薄型化の障害となっている。またガラス基材に代えて樹脂基材を用いた場合、変形、膜剥離、クラックなどが多発する為、軽量化に対する障害となっている。また作成コストも大きなものになる。

染料や顔料の吸収を利用した第３の方式は、比較的低温での形成が可能であり、樹脂基材へも対応可能である。しかしながら、阻止域（近赤外線領域）の透過率を低くすると透過域（可視領域）の透過率も共に低くなる事が問題である。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は薄型化の可能な近赤外線カットフィルタを提供する事を目的とする。かかる目的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち本発明は、透明な基材の表面に屈折率の異なる２種以上の薄膜を交互に積層配置してなる多層膜を形成し、可視光線領域では高透過特性を示すとともに、近赤外線領域では低透過特性を示すように設計した近赤外線カットフィルタにおいて、前記基材の一面には可視光線領域で高透過特性を示すとともに近赤外線領域で低透過特性を示す第１の多層膜を形成し、同基材の他の一面には可視光線領域で高透過特性を示すとともに近赤外線領域で低透過特性を示す第２の多層膜を形成し、更に前記第１又は第２の多層膜の少なくとも片方に金属薄膜を少なくとも一層挿入し、前記金属薄膜は、銀の単体又は銀を主成分とする合金からなり、可視光線領域及び近赤外線領域に亘って適当な透過特性を示し、且つ可視光線領域よりも近赤外線領域で高い反射特性を示すことを特徴とする。

好ましくは、前記第１の多層膜及び第２の多層膜は、近赤外線領域における透過特性が互いに異なる。又前記基材は樹脂フィルムからなる。

本発明によれば、屈折率の異なる誘電体薄膜を交互に積層した多層膜を基本とし、これを透明な基材の表裏両面に形成している。特徴事項として、少なくとも片方の多層膜に、銀の単体または銀を主成分とする合金からなる金属薄膜を１層挿入している。この金属薄膜は近赤外線領域で所望の反射特性を有している為、多層膜と合わせて効果的に近赤外線を阻止できる。優れた赤外線阻止特性を有する銀の金属薄膜を１層挿入する事で、その分多層膜の層数を従来に比べて削減する事が可能である。膜層数を削減する事で膜応力の調整が容易となり、基材の反りや膜の剥離を抑える事ができる。この為、従来に比較し基材を薄型化する事ができる。また、誘電体薄膜の多層膜を基材の表裏両面に形成する事で、膜応力の均衡を保つことが可能となり、薄いガラス基材や樹脂フィルム基材を用いた場合でも、反り、膜剥離及びクラックなどを防ぐ事ができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明にかかる近赤外線カットフィルタの層構成を示す模式的な断面図である。図示するように、本近赤外線カットフィルタは、透明な基材１の表面に、屈折率の異なる２種以上の誘電体薄膜３，４を交互に積層配置してなる多層膜２を形成し、可視光線領域では高透過特性を示すと共に、近赤外線領域では低透過特性を示すように光学設計されている。即ち、基材１の一面Ａには可視光線領域で高透過特性を示すと共に近赤外線領域で低透過特性を示す第１の多層膜２Ａを形成する。また同じ基材１の他の一面Ｂには可視光線領域で高透過特性を示すと共に近赤外線領域で低透過特性を示す第２の多層膜２Ｂを形成する。さらに第１または第２の多層膜２Ａ，２Ｂの少なくとも片方に金属薄膜５を少なくとも一層挿入している。特徴事項としてこの金属薄膜５は、銀の単体または銀を主成分とする合金からなり、可視光線領域及び近赤外線領域にわたって適当な透過特性（吸収特性）を示し、且つ可視光線領域よりも近赤外線領域で高い反射特性を示す。好ましくは、第１の多層膜２Ａと第２の多層膜２Ｂは、近赤外線領域における透過特性が互いに異なっており、両者を合わせる事で所望の近赤外線阻止特性を得るようにしている。好ましくは、基材１は樹脂フィルムからなる。

以下基材１、多層膜２Ａ及び２Ｂ、金属薄膜５などの各構成要素につき、詳細に説明する。まず基材１であるが、本実施形態では厚みが０．１ｍｍのＰＥＴフィルムを用いている。但し本発明はこれに限られるものではなく、ＰＥＴフィルムに代えて、ＰＣ，ＰＥＮ，ポリオレフィン系など他の透明樹脂フィルムを使用してもよい。場合によっては、ガラス基材の使用も可能である。

次に多層膜２Ａであるが、図示するように透明基材１の表面Ａに形成されており、高屈折率材料３からなる透明薄膜と低屈折率材料４からなる透明薄膜とを交互に複数積層したものである。本実施形態では、基材１の表面Ａから数えて奇数層目が低屈折率材料４で、偶数層目が高屈折率材料３からなり、合計で１１層重ねられている。本実施形態では、高屈折率材料３に二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を用い、低屈折率材料４に二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を用いている。これらの透明薄膜は、図１に示す物理膜厚となるように、透明基材１の表面Ａから二酸化ケイ素薄膜と二酸化チタン薄膜が交互に１１層まで重ねられて多層膜２Ａを形成している。

この様に多層膜２Ａは、二酸化チタンなどの高屈折率材料からなる透明薄膜と二酸化ケイ素などの低屈折率材料からなる透明薄膜とを交互に複数積層したものであり、透明薄膜による光の干渉を利用して近赤外線波長域の光を選択的に阻止するものである。各波長における光透過率は、交互に積層する各透明薄膜の光学膜厚（薄膜の屈折率と薄膜の物理膜厚の積）で決まり、近赤外線波長域の光を阻止するように、積層する透明薄膜の屈折率、膜厚及び積層数を設計している。

なお本実施形態では高屈折率材料としてＴｉＯ_２を用い、低屈折率材料としてＳｉＯ_２を用いているが、これに限られるものではない。他の誘電体薄膜材料として、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_３なども適用可能である。

基材１の裏面Ｂ側に形成された多層膜２Ｂも、基本的には多層膜２Ａと同様である。多層膜２Ｂは合計１１層からなり、基本的には高屈折率材料３と低屈折率材料４を交互に１０層積層して、所望の透過特性を得ている。但し、各薄膜の物理膜厚を適宜調整する事で、近赤外線領域における透過特性が多層膜２Ａと異なるように設計されている。多層膜２Ａと多層膜２Ｂを総合する事で近赤外線領域における所望の阻止特性を得ている。

多層膜２Ｂが多層膜２Ａと異なる点は、誘電体薄膜（光学薄膜）の層に加え、金属薄膜５の層を少なくとも１層具備している事である。本実施形態では、この金属薄膜５は銀（Ａｇ）の単体からなりその物理膜厚は１５ｎｍである。膜厚が極めて薄いので、大きな透過率となっているが、近赤外線領域で好ましい反射特性を備えている。なお耐久性を重視する場合、銀の単体に代えて、銀を主成分とする合金を使用する事も可能である。銀合金の組成であるが、例えばＡｇを主成分として、これにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇｅなどの元素を１種類以上混合したものが挙げられる。

引き続き図１を参照して、本近赤外線カットフィルタの製造方法の一例を説明する。本例では、ＰＥＴフィルム基材１に二酸化チタン３と二酸化ケイ素４を交互に真空蒸着して製造する。基材１の温度は例えば１００℃に保持してある。但し本成膜方法は真空蒸着法に限られるものではなく、イオンプレーティング法、イオンアシスト法、スパッタ法などの手法を利用する事が可能である。まずフィルム基材１を真空蒸着装置の真空容器内に装填すると共に、ペレット状または粒状の二酸化チタン、二酸化ケイ素及び銀をこの真空容器内に設けられた３つの電子ビーム蒸着源に別々に入れ、真空容器を排気する。

真空容器内の圧力が１×１０^−３Ｐａ以下になったら、電子ビーム蒸着源に電子ビームを照射して二酸化チタンと二酸化ケイ素をそれぞれ過熱して蒸発させる。２つの電子ビーム蒸着源の直上には、それぞれ開閉可能なシャッターが設けられており、二酸化チタンの蒸着時は二酸化チタン側のシャッターを開いて二酸化ケイ素側のシャッターを閉じ、二酸化ケイ素の蒸着時は二酸化チタン側のシャッターを閉じ二酸化ケイ素側のシャッターを開いて、フィルム基材１上に二酸化チタンと二酸化ケイ素の透明薄膜を交互に積層する。

この様にしてフィルム基材１の表面Ａ側に多層膜２Ａを形成したら、フィルム基材１を裏返しにして再び真空蒸着処理を行い多層膜２Ｂを形成する。その際、途中で金属薄膜５を成膜する段階に到達したら、二酸化チタンや二酸化ケイ素の蒸着に代えて、第３の電子ビーム蒸着源を動作させ、Ａｇの単体を例えば１５ｎｍの厚みで形成する。その後二酸化チタンと二酸化ケイ素の蒸着を所望の層数繰り返して多層膜２Ｂを完成する。

なお各透明薄膜の膜厚は、膜厚モニターで蒸着の間測定されており、所定の膜厚でシャッターを閉じるようにして膜厚を制御している。所定の層数まで蒸着されたら、電子ビーム蒸着源の動作を停止し、真空容器の排気をやめて大気圧に戻す。蒸着が終わったフィルム基材は、所定の外形寸法に切断されて個々の赤外線カットフィルタとなる。

図２は、本発明にかかる近赤外線カットフィルタの光学特性を示すグラフである。縦軸に透過率を取り、横軸に波長を取ってある。□点のプロットは表面Ａのみを多層膜でコートした透明基材の光学特性を示し、△点のプロットは裏面Ｂのみを多層膜でコートした基材の光学特性を示し、◆点のプロットは両面コートされた基材（即ち完成した近赤外線カットフィルタ）の光学特性を表している。グラフから明らかなように、面Ａコート品は７００〜８５０ｎｍ近辺の波長を阻止する光学特性を有する。また銀の金属薄膜を１層含む多層膜をコートした面Ｂコート品は、８００〜１１００ｎｍ近辺の波長を阻止する機能を有する。面Ａコート品及び面Ｂコート品共に４００〜６００ｎｍ付近の可視光線領域を透過するように設計してある。以上の特性を合成した両面コート品は、４００〜６００ｎｍの可視光線を透過し、７００〜１１００ｎｍの近赤外線を阻止する事ができ、薄型の近赤外線カットフィルタが得られた。また、１００℃程度の低温成膜にも関わらず、層数を抑えて必要な近赤外線阻止性能が得られると共に、フィルム基材１の両面Ａ，Ｂへ同じ程度の膜数を積層する事で、基材１の変形を抑える事ができる様になった。なお図１に示した層構成はあくまで代表例であり、要求される近赤外線領域の阻止特性により、光学薄膜や金属薄膜の積層数、膜材料及び膜厚を適宜設定可能である。

図３は、参考例にかかる近赤外線カットフィルタの光学特性を示すグラフである。この参考例は基本的に図１に示した本発明の実施例と同じ層構成を有しているが、多層膜２Ｂ側に挿入された１層の金属薄膜５を通常の透明誘電体薄膜で置き換えたものである。□点のプロットは面Ａコート品の特性を示し、△点のプロットは面Ｂコート品の特性を示し、◆点のプロットは両面コートした後の光学特性を表している。グラフから明らかなように、合計層数は本発明の実施例と同じ２２であるにもかかわらず、７００〜１１００ｎｍの近赤外線領域で阻止性能に劣ることが分かる。具体的に見ると、図３の参考例では波長９００ｎｍのあたりに透過率１０％を超えるピークが生じ、これが画質などに悪影響を与える。これに対し、図２に示した本発明品では、７００〜１１００ｎｍの近赤外線領域に渡って、均一に１０％以下の透過率を維持する事ができる。但し、４００〜６００ｎｍの可視光線領域を見ると、本発明品は銀の金属膜の吸収がある為、透過率は８０％となっている。これに対し、図３の参考例は金属膜の吸収がない為、４００〜６００ｎｍの可視光線領域で透過率が９０％に達している。可視光線領域における透過率がさほど問題とならない用途では、近赤外線領域の均一な阻止性能に優れた本発明品が有力である。なお、本発明品と同等な阻止性能を得る為には、図３の参考例の場合さらに光学薄膜を積層する必要があり、特にフィルム基材を使用した場合には膜応力の増加と共に、反りやクラック及び剥離などが発生するので、実際には対応が困難となる。

図４は、銀の屈折率（ｎ）及び消衰係数（ｋ）の波長依存性を示す表図である。波長は２００〜２０００ｎｍまで表に挙げてある。

図５は、図４に示した表をグラフ化したものであり、横軸に波長（ｎｍ）を取ってある。左側の縦軸に屈折率（ｎ）を取り、右側の縦軸に消衰係数（ｋ）を取ってある。グラフ中では、消衰係数ｋの各プロットを■点で表し、屈折率ｎのプロットを◆点で表してある。グラフから明らかなように、可視光線領域から近赤外線領域に渡って屈折率（ｎ）が略一定であるのに対し、消衰係数（ｋ）は波長と共にその値が増大している。

図６は、銀と空気との間の界面における光反射を表した模式図である。銀の複素屈折率をｎ−ｉｋとし空気の屈折率をｎ０としてある。この場合、反射率Ｒは図６の下部に表したとおりであり、銀の屈折率ｎと消衰係数ｋによって決まる。銀の屈折率ｎと消衰係数ｋは図４及び図５に示したとおり波長依存性を有する為、銀の反射率Ｒは波長依存性を有する。図６の式から明らかなように、ｎが極端に大きいか小さい場合、反射率Ｒが大きくなる。またｋが大きくなるほど高反射率となる。銀の場合可視域から近赤外線域に渡って屈折率ｎは余り変化しないが、消衰係数ｋは近赤外線領域に行くほど大きくなっている。したがって、銀は可視光線領域に比べ近赤外線領域で大きな反射率Ｒを有している。本発明はこの銀の特性を利用して、近赤外線の阻止機能を高めたものである。この分多層膜の積層数を減らす事ができ、基材の薄型化に貢献できる。即ち本発明は、銀Ａｇの近赤外線領域における高反射特性を生かした多層膜設計により、近赤外域の透過率を総合的に抑えるものである。

本発明にかかる近赤外線カットフィルタの層構成を示す模式的な断面図である。 本発明にかかる近赤外線カットフィルタの光学特性を示すグラフである。 参考例にかかる近赤外線カットフィルタの光学特性を示すグラフである。 銀の屈折率及び消衰係数と波長との関係を示す表図である。 同じく銀の屈折率ｎ及び消衰係数ｋと波長（ｎｍ）との関係を示すグラフである。 銀の反射特性を示す模式図である。

符号の説明

１・・・基材、２Ａ・・・多層膜、２Ｂ・・・多層膜、３・・・高屈折率材料、４・・・低屈折率材料、５・・・金属薄膜

Claims (3)

1. 透明な基材の表面に屈折率の異なる２種以上の薄膜を交互に積層配置してなる多層膜を形成し、可視光線領域では高透過特性を示すとともに、近赤外線領域では低透過特性を示すように設計した近赤外線カットフィルタにおいて、
   前記基材の一面には可視光線領域で高透過特性を示すとともに近赤外線領域で低透過特性を示す第１の多層膜を形成し、
   同基材の他の一面には可視光線領域で高透過特性を示すとともに近赤外線領域で低透過特性を示す第２の多層膜を形成し、
   更に前記第１又は第２の多層膜の少なくとも片方に金属薄膜を少なくとも一層挿入し、
   前記金属薄膜は、銀の単体又は銀を主成分とする合金からなり、可視光線領域及び近赤外線領域に亘って適当な透過特性を示し、且つ可視光線領域よりも近赤外線領域で高い反射特性を示すことを特徴とする近赤外線カットフィルタ。
2. 前記第１の多層膜及び第２の多層膜は、近赤外線領域における透過特性が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の近赤外線カットフィルタ。
3. 前記基材は樹脂フィルムからなることを特徴とする請求項１に記載の近赤外線カットフィルタ。

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