JP2013109004A

JP2013109004A - 光学フィルタおよびその製造方法

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Publication number: JP2013109004A
Application number: JP2011251402A
Authority: JP
Inventors: Manabu Onishi; 学大西; Shintaro Yamagata; 慎太郎山形; Yuichi Kamo; 佑一加茂
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-06-06

Abstract

【課題】分光特性の再現性が良く、さらに帯電抑制を図る。
【解決手段】光学フィルタ１には、透明基板２と、透明基板２上に形成されたフィルタ群３とが備えられている。フィルタ群３は、ＩＡＤ蒸着法により形成された高屈折率材料からなる第１薄膜３１と、ＥＢ蒸着法により形成された低屈折率材料のＳｉＯ₂からなる第２薄膜３２とが交互に複数積層されてなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学フィルタおよびその製造方法に関する。

一般的なカメラや暗視カメラ等に用いられるＩＲフィルタや、ＩＲカットフィルタ、光学ローパスフィルタなどの光学フィルタは、透明基板上に形成される（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１などに記載の光学フィルタは、高屈折率材料からなる第１薄膜と、低屈折率材料からなる第２薄膜とから構成され、複数の第１薄膜と複数の第２薄膜とが電子ビーム蒸着（以下、ＥＢ蒸着とする）によって交互に積層されてなる。高屈折率材料にはＴｉＯ₂などが用いられ、低屈折率材料にはＳｉＯ₂などが用いられている。

特開２００５−２６６５３８号公報

上記の光学フィルタの製造で用いるＥＢ蒸着は、真空状態のチャンバー内で成膜対象物（基板）に薄膜を形成する方法である。このＥＢ蒸着による光学フィルタの製造では、チャンバー内の状態（真空度や水の分圧等）により、薄膜の各層の特性がばらつく可能性がある。ここでいうばらつきは、光学フィルタの分光特性の再現性を悪くする原因になり、ＥＢ蒸着のみによって製造する光学フィルタでは、所望の分光特性を得ることは難しい。

そこで、光学フィルタの分光特性の再現性を良くするために、イオンビームアシスト蒸着（以下、ＩＡＤ蒸着とする）による光学フィルタの製造が挙げられる。しかしながら、このＩＡＤ蒸着による成膜方法では、成膜された薄膜の膜密度が高く、分光特性の再現性が良いが、その一方で、膜密度が高いために薄膜の膜中に水分が入り難くなり、静電気により薄膜の表面が帯電し易くなるといった別の問題が起こる。

そこで、上記課題を解決するために本発明は、分光特性の再現性が良く、さらに帯電し難い光学フィルタおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明にかかる光学フィルタは、透明基板と、前記透明基板上に形成されたフィルタ群とが備えられ、前記フィルタ群は、イオンビームアシスト蒸着法により形成された高屈折率材料からなる第１薄膜と、電子ビーム蒸着法により形成された低屈折率材料のＳｉＯ₂からなる第２薄膜とが交互に複数積層されてなることを特徴とする。

本発明によれば、イオンビームアシスト蒸着法により前記第１薄膜が形成されているため、前記第１薄膜の膜密度が高く前記第１薄膜により分光特性の再現性が良く、さらに、電子ビーム蒸着法により前記第２薄膜が形成されているため、前記第２薄膜の膜密度が粗く、前記第２薄膜の膜中に水分を含ませることが可能となり、その結果、前記第２薄膜により帯電抑制を行うことが可能となる。

前記構成において、前記第１薄膜の少なくとも一部が、アモルファス状態とされ、前記第２薄膜が、アモルファス状態とされてもよい。

この場合、前記第１薄膜の少なくとも一部がアモルファス状態のため、前記第１薄膜の膜内での散乱が抑えられ、透過光の損失を抑えることが可能となる。

前記構成において、前記第１薄膜の膜密度は、第１薄膜のバルクに対して密となり、前記第２薄膜の膜密度は、第２薄膜のバルクに対して粗になってもよい。

この場合、前記第１薄膜により分光特性を安定させることが可能となる。また、前記第２薄膜の膜中に水分を含ませることが可能となり、その結果、前記第２薄膜により帯電抑制を行うことが可能となる。

また、上記の目的を達成するため、本発明にかかる光学フィルタは、透明基板と、前記透明基板上に形成されたフィルタ群とが備えられ、前記フィルタ群は、高屈折率材料からなる第１薄膜と、低屈折率材料のＳｉＯ₂からなる第２薄膜とが交互に複数積層されてなり、前記フィルタ群の最上層が、電子ビーム蒸着法により形成された前記第２薄膜であり、前記最上層を除く前記フィルタ群の少なくとも１層が、イオンビームアシスト蒸着法により形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、前記フィルタ群の最上層が、電子ビーム蒸着法により形成された前記第２薄膜であり、前記最上層を除く前記フィルタ群の少なくとも１層が、イオンビームアシスト蒸着法により形成されているので、前記最上層を除く前記フィルタ群の少なくとも１層の膜密度が高く、前記フィルタ群の分光特性の再現性を良くすることが可能となり、さらに、電子ビーム蒸着法により前記フィルタ群の最上層の前記第２薄膜が形成されているので、前記フィルタ群の最上層の前記第２薄膜の膜密度が粗く、前記フィルタ群の最上層の前記第２薄膜の膜中に水分を含ませることが可能となり、その結果、前記フィルタ群の最上層の前記第２薄膜により前記フィルタ群の帯電抑制を行うことが可能となる。

また、上記の目的を達成するため、本発明にかかる光学フィルタの製造方法は、透明基板に、高屈折率の材料からなる第１薄膜と、低屈折率材料のＳｉＯ₂からなる第２薄膜とが交互に複数積層されてなるフィルタ群を形成する形成工程を有し、前記形成工程は、前記第１薄膜をイオンビームアシスト蒸着法により形成し、前記第２薄膜を電子ビーム蒸着法により形成することを特徴とする。

前記方法において、前記第１薄膜と前記第２薄膜とを交互に連続して形成してもよい。

この場合、前記第１薄膜の形成と前記第２薄膜の形成とにおいて異なる蒸着方法を採用しても同一の装置内部でイオンビームをアシストするか否かの切り替えを行うのみで連続して薄膜形成を行うことが可能となり、薄膜形成時間を短くすることが可能となる。

前記方法において、前記形成工程では、少なくとも一部がアモルファス状態になる前記第１薄膜を形成し、アモルファス状態の前記第２薄膜膜を形成してもよい。

前記方法において、前記第１薄膜の膜密度は、第１薄膜のバルクに対して密となり、前記第２薄膜の膜密度は、第２薄膜のバルクに対して粗になってもよい。

本発明によれば、分光特性の再現性が良く、さらに帯電し難い光学フィルタおよびその製造方法を提供することができる。

図１は、本実施の形態にかかる光学フィルタの構成を示す概略構成図である。図２は、本実施の形態にかかる、フィルタ群の積層状態を示す光学フィルタの拡大図である。図３は、本実施の形態にかかる成膜装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本実施の形態にかかる光学フィルタ１には、図１に示すように、透明基板２と、この透明基板２の一主面２１上に形成されたフィルタ群３と、透明基板２の他主面２２上に形成されたＡＲコート（ＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＣｏａｔｉｎｇ）４とが設けられている。なお、フィルタ群３は、ＩＲカットフィルタ（ＩｎｆｒａｒｅｄＣｕｔｆｉｌｔｅｒ）に対応する。

透明基板２には、大気中における屈折率が１．５４である水晶基板が用いられている。

フィルタ群３は、図１，２に示すように、高屈折率材料からなる第１薄膜３１と、低屈折率材料からなる第２薄膜３２とが交互に複数積層されてなる。そのため、透明基板２の一主面２１側から数えて奇数番目の層が第１薄膜３１により構成され、偶数番目の層が第２薄膜３２により構成されている。

第１薄膜３１には高屈折率材料であるＴｉＯ₂（大気中における屈折率が２．３０）が用いられ、第２薄膜３２には低屈折率材料であるＳｉＯ₂（大気中における屈折率が１．４６）が用いられ、第１薄膜３１の積層合計の光学膜厚と、第２薄膜３２の積層合計の光学膜厚との光学膜厚比が、１：１に設定されている。なお、ここでいう光学膜厚比の１：１は、厳密に１：１に限定されるものではなく、当業者が許容する１：１近傍の割合も含まれる。

また、フィルタ群３は、透明基板２の一主面２１側から順に序数詞で定義される複数層、本実施の形態では１層、２層、３層・・・４０層から構成されている。これら１層、２層、３層・・・４０層それぞれの層は、第１薄膜３１と第２薄膜３２とが積層されて構成されている。また、積層される第１薄膜３１と第２薄膜３２との光学膜厚が異なることにより１層、２層、３層・・・４０層それぞれの厚さが異なる。なお、ここでいう光学膜厚は、下記する数式１により求められる。

［数式１］
Ｎｄ＝λ／４（Ｎｄ：光学膜厚、ｄ：物理膜厚、Ｎ：屈折率、λ：中心波長）

上記構成からなるフィルタ群３は、次に示すフィルタ群３の製造方法により、光の屈折率に基づく第１薄膜３１および第２薄膜３２の厚さや光学特性の最適化が行なわれた状態で透明基板２に形成される。

＜フィルタ群３の製造方法（形成工程）＞
フィルタ群３は、図３に示す成膜装置５を用いて、物理蒸着法により透明基板２上に第１薄膜３１と第２薄膜３２とを交互に蒸着して形成する。

成膜装置５は、図３に示すように、成膜装置５の筺体となるチャンバー５１内に、２つの蒸着材料（Ｔｉ₃Ｏ₅とＳｉＯ₂）を配する蒸着源５２と、蒸着源５２に対向し、透明基板２を内側面に配する半球状体の載置部５９と、成膜対象となる透明基板２を加熱するヒータ部５３と、透明基板２への任意の蒸着材料（Ｔｉ₃Ｏ₅とＳｉＯ₂のいずれか１つ）の蒸着を停止するシャッタ５４と、気化させた蒸着材料の飛散をイオンアシストするイオン銃５５と、チャンバー５１内を真空状態にするための排気口５７と、チャンバー５１内に酸化を促進させるためのＯ₂ガスを注入するガス導入バルブ５８とが設けられている。なお、イオン銃５５には、不活性ガスであるＡｒガスを導入するガス導入バルブ５６が設けられている。

透明基板２へのフィルタ群３の形成では、まず、成膜装置５のチャンバー５１内のヒータ部５３近傍の載置部５９に、透明基板２を配置する。この時、透明基板２の一主面２１が蒸着源５２に向くように配する。透明基板２をチャンバー５１内に配した後に、排気口５７からチャンバー５１内を真空引きしてチャンバー５１内を真空状態にする。なお、ＴｉＯ２膜である第１薄膜３１を形成する際のみ、ガス導入バルブ５８からＯ₂ガス（酸素ガス）を注入する。

チャンバー５１内を真空状態にした後に、イオンビームアシスト蒸着法（以下、ＩＡＤ蒸着法とする）により第１薄膜３１を透明基板２に形成する。このＩＡＤ蒸着による第１薄膜３１の形成では、蒸着源５２に配したＴｉ₃Ｏ₅（蒸着材料）に電子ビームを照射してＴｉ₃Ｏ₅を加熱蒸発させる。加熱蒸発させたＴｉ₃Ｏ₅は、透明基板２に向かって蒸発して行く。このときにＯ₂と結合、もしくは透明基板２上でＯ₂と結合しＴｉＯ₂とした状態で透明基板２に堆積させる（ＴｉＯ₂膜の形成）。さらに、蒸着物質が透明基板２に到達したのちイオンアシストされることにより、酸素との結合が促進される。この蒸着により透明基板２に第１薄膜３１を形成し、この時、透明基板２に形成された第１薄膜３１が１層となる。なお、この時、蒸着源５２のＳｉＯ₂（蒸着材料）の上空にはシャッタ５４が配され、ＳｉＯ₂が透明基板に蒸着しないようになっている。

１層の第１薄膜３１を透明基板２に形成した後に、シャッタ５４を図３に示す矢印方向に移動させて蒸着源５２のＴｉ₃Ｏ₅の上空にシャッタ５４を配し、イオン銃５５によるイオンアシストを停止する。その後、電子ビーム蒸着法（以下、ＥＢ蒸着法とする）により第２薄膜３２を透明基板２に形成した１層の第１薄膜３１上に積層する（形成する）。このＥＢ蒸着による第２薄膜３２の形成では、蒸着源５２に配したＳｉＯ₂（蒸着材料）に電子ビームを照射してＳｉＯ₂を加熱蒸発させる。この蒸発により透明基板２（厳密には透明基板２に形成した１層の第１薄膜３１）に第２薄膜３２を形成する。この時の第２薄膜３２が２層となる。

２層の第２薄膜３２を１層の第１薄膜３１上に形成した後に、シャッタ５４を図３に示す矢印方向に移動させて蒸着源５２のＳｉＯ₂の上空にシャッタ５４を配し、イオン銃５５によるイオンアシストを再開し、３層の第１薄膜３１を１層の第１薄膜３１の形成工程と同工程により形成する。そして、３層の第１薄膜３１を２層の第２薄膜３２上に形成した後に、４層の第２薄膜３２を２層の第２薄膜３２の形成工程と同工程により形成する。以下、同様に、第１薄膜３１と第２薄膜３２とを交互に連続して積層して５層〜４０層を形成して、透明基板２上にフィルタ群３を形成する。

上記のフィルタ群３の製造方法では、第１薄膜３１をＩＡＤ蒸着法により形成し、第２薄膜３２をＥＢ蒸着法により形成している。

そのため、ＩＡＤ蒸着法により形成した第１薄膜３１であるＴｉＯ₂膜では、少なくとも一部が緻密なアモルファス状態になり、ＥＢ蒸着法により形成した第２薄膜３２であるＳｉＯ₂膜は、多孔質性アモルファス状態になる。また、ＩＡＤ蒸着法により形成した第１薄膜３１の膜密度は第１薄膜３１のバルクに対して密となり、ＥＢ蒸着法により形成した第２薄膜３２は第２薄膜３２のバルクに対して粗となる。そのため、ＩＡＤ蒸着法により形成した第１薄膜３１により分光特性を安定させることができる。また、ＥＢ蒸着法により形成した第２薄膜３２の膜密度は第２薄膜３２のバルクに対して粗状態になるので、第２薄膜３２の膜中に水分を含ませることができ、その結果、第２薄膜３２により帯電抑制を行うことができる。ここでいうバルクとは、結晶の内部（外部環境に接していない部分）のことをいい、単結晶バルクのことをいいます。そして、本実施の形態では、第１薄膜３１のバルクの膜密度は、ＴｉＯ₂のバルクの密度である４．２６ｇ／ｃｍ³に近い値をとるため密となり、第２薄膜３２のバルクの膜密度は、ＳｉＯ₂のバルクの密度である２．２１ｇ／ｃｍ³より小さい値をとるため粗となる。なお、本実施の形態では、第１薄膜３１にＴｉＯ₂用い、第２薄膜３２にＳｉＯ₂を用いたバルクの密度となっているが、第１薄膜３１に他の材料を用いた場合、その他の材料のバルクを比較対象とする。

このように、フィルタ群３では、第１薄膜３１により分光特性の安定を図り、第２薄膜３２により帯電抑制を図ることができるので、分光特性の再現性が良く、さらに帯電し難い光学フィルタ１となる。

また、本実施の形態によれば、第１薄膜３１の形成工程と第２薄膜３２の形成工程とにおいて異なる蒸着方法を採用しても連続して薄膜形成を行うことができ、薄膜形成時間を短くすることができる。

なお、上記の本実施の形態では、４０層のフィルタ群３について説明しているが、フィルタ群３の層数はこれに限定されるものではなく、任意に設定可能である。

また、本実施の形態では、奇数層に第１薄膜３１、偶数層に第２薄膜３２を用いているが、これに限定されるものではなく、最終層が第２薄膜３２であれば、奇数層に第２薄膜３２、偶数層に第１薄膜３１を用いてもよい。

また、本実施の形態では、透明基板２を用いているが、これに限定されるものではなく、光線が透過可能な基板であれば、例えばガラス板であってもよい。また、透明基板２も限定されるものではなく、単板の水晶板、例えば複屈折板であってもよく、複数枚からなる複屈折板であってもよい。また、水晶板とガラス板を組合わせて透明基板を構成してもよい。

また、本実施の形態では、第１薄膜３１にＴｉＯ₂を用いているが、これに限定されるものではなく、第１薄膜３１が高屈折率材料からなっていればよく、例えば、Ｎｂ₂Ｏ₅、またはＴａ₂Ｏ₅を用いてもよい。なお、Ｎｂ₂Ｏ₅、またはＴａ₂Ｏ₅は、ＴｉＯ₂と略同じ屈折率を有するので、第１薄膜３１にＮｂ₂Ｏ₅、またはＴａ₂Ｏ₅を用いた場合、上記の実施例と同様の効果を有する。

また、本実施の形態では、ＩＡＤ蒸着法により形成した第１薄膜３１と、ＥＢ蒸着法により形成した第２薄膜３２とからなるフィルタ群３を用いているが、これに限定されるものではなく、フィルタ群３の最上層となる第２薄膜３２以外の少なくとも１つの第２薄膜３２をＩＡＤ蒸着法により形成してもよい。

また、本実施の形態では、ＩＡＤ蒸着法により形成した第１薄膜３１と、ＥＢ蒸着法により形成した第２薄膜３２とからなるフィルタ群３を用いているが、これに限定されるものではなく、フィルタ群３の最上層が、ＥＢ蒸着法により形成された第２薄膜３２であり、最上層を除くフィルタ群３の少なくとも１層が、ＩＡＤ蒸着法により形成されていればよく、例えば、フィルタ群３の最下層がＩＡＤ蒸着法により形成した第１薄膜３１であり、フィルタ群３の最上層がＥＢ蒸着法により形成した第２薄膜３２であってもよい。他の形態として、フィルタ群３の最上層の第２薄膜３２がＥＢ蒸着法により形成され、その他の全ての層がＩＡＤ蒸着法により形成されてもよい。この構成によれば、フィルタ群３の最上層が、ＥＢ蒸着法により形成された第２薄膜３２であり、最上層を除くフィルタ群３の少なくとも１層が、ＩＡＤ蒸着法により形成されているため、ＩＡＤ蒸着法により形成された薄膜の膜密度が高く、ＩＡＤ蒸着法により形成された薄膜によりフィルタ群３の分光特性の再現性を良くすることができ、さらに、ＥＢ蒸着法によりフィルタ群３の最上層の第２薄膜３２が形成されているため、フィルタ群３の最上層の第２薄膜３２の膜密度が粗く、フィルタ群３の最上層の第２薄膜３２の膜中に水分を含ませることができ、その結果、フィルタ群３の最上層の第２薄膜３２によりフィルタ群３の帯電抑制を行うことができる。

また、本実施の形態では、透明基板２上に第１薄膜３１と第２薄膜３２とを交互に蒸着して形成しているが、これに限定されるものではなく、フィルタ群３の一部が、第１薄膜３１を連続して積層されてもよく、または、第２薄膜３２を連続して積層されてもよい。特に、フィルタ群３の最上層の第２薄膜３２が、ＥＢ蒸着法により連続して積層された第２薄膜３２である場合、帯電抑制に好適な第２薄膜３２を連続して積層することができるため、フィルタ群３の帯電抑制に好適な形態となる。

また、本実施の形態では、透明基板２の一主面２１上にフィルタ群３を形成し、透明基板２の他主面２２上にＡＲコート４を形成しているが、これに限定されるものではなく、透明基板２の両主面（一主面２１および他主面２２）にフィルタ群３を分割して形成してもよい。この場合、基板の両主面（一主面２１および他主面２２）に分割して形成されたフィルタ群３の最上層を除く薄膜（例えば第１薄膜３１）をＩＡＤ蒸着法により形成し、フィルタ群３の最上層に配する第２薄膜３２をＥＢ蒸着法により形成することで、分光特性の再現性が良く、さらに帯電抑制を図ることができる。

なお、本発明は、その精神や主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、帯電防止用の光学フィルタに好適である。

１光学フィルタ
２透明基板
２１透明基板の一主面
２２透明基板の他主面
３フィルタ群
３１第１薄膜
３２第２薄膜
４ＡＲコート
５成膜装置
５１チャンバー
５２蒸着源
５３ヒータ部
５４シャッタ
５５イオン銃
５６ガス導入バルブ（イオン銃用）
５７排気口
５８ガス導入バルブ（チャンバー用）

Claims

光学フィルタにおいて、
透明基板と、前記透明基板上に形成されたフィルタ群とが備えられ、
前記フィルタ群は、イオンビームアシスト蒸着法により形成された高屈折率材料からなる第１薄膜と、電子ビーム蒸着法により形成された低屈折率材料のＳｉＯ₂からなる第２薄膜とが交互に複数積層されてなることを特徴とする光学フィルタ。
請求項１に記載の光学フィルタにおいて、
前記第１薄膜の少なくとも一部が、アモルファス状態とされ、
前記第２薄膜が、アモルファス状態とされたことを特徴とする光学フィルタ。
請求項１または２に記載の光学フィルタにおいて、
前記第１薄膜の膜密度は、第１薄膜のバルクに対して密となり、前記第２薄膜の膜密度は、第２薄膜のバルクに対して粗になることを特徴とする光学フィルタ。
光学フィルタにおいて、
透明基板と、前記透明基板上に形成されたフィルタ群とが備えられ、
前記フィルタ群は、高屈折率材料からなる第１薄膜と、低屈折率材料のＳｉＯ₂からなる第２薄膜とが交互に複数積層されてなり、
前記フィルタ群の最上層が、電子ビーム蒸着法により形成された前記第２薄膜であり、
前記最上層を除く前記フィルタ群の少なくとも１層が、イオンビームアシスト蒸着法により形成されたことを特徴とする光学フィルタ。
光学フィルタの製造方法において、
透明基板に、高屈折率の材料からなる第１薄膜と、低屈折率材料のＳｉＯ₂からなる第２薄膜とが交互に複数積層されてなるフィルタ群を形成する形成工程を有し、
前記形成工程は、前記第１薄膜をイオンビームアシスト蒸着法により形成し、前記第２薄膜を電子ビーム蒸着法により形成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に記載の光学フィルタの製造方法において、
前記第１薄膜と前記第２薄膜とを交互に連続して形成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または６に記載の光学フィルタの製造方法において、
前記形成工程では、少なくとも一部がアモルファス状態になる前記第１薄膜を形成し、アモルファス状態の前記第２薄膜を形成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乃至７のうちいずれか１つに記載の光学フィルタの製造方法において、
前記第１薄膜の膜密度は、第１薄膜のバルクに対して密となり、前記第２薄膜の膜密度は、第２薄膜のバルクに対して粗になることを特徴とする光学フィルタの製造方法。