JP4768995B2 - 光学フィルタおよび撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学フィルタおよび撮像装置に関する。

近年、撮像素子としてＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等を有する電子撮像光学系が備えられたデジタルビデオカメラやデジタルカメラ、内視鏡等が注目されている。

上述のＣＣＤやＣＭＯＳからなる電子撮像素子は可視域（一般的に、波長が約３８０ｎｍから約７５０ｎｍ程度の帯域をいう。）より長波長側の領域、いわゆる赤外線領域においても高い感度を有しているため、受光した赤外線により解像度の低下や画像の劣化が生じることが知られている。そのため、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を用いた電子撮像光学系に用いられる赤外線を除去する赤外線カットフィルタ等が提案されている（例えば、特許文献１および２参照。）。
特開２００４−２５４５９号公報 特公昭６２−１８８８１号公報

上述の特許文献１においては、基板の両面に多層膜を形成した近赤外線カットフィルタや、複数枚の基板を有しその基板の間に多層膜を配置した近赤外線カットフィルタなどが開示されている。この近赤外線カットフィルタによれば、複数の多層膜により赤外線をカットすることにより、人間の視感度に近い波長特性の光を得ることができるなど、設計の自由度を向上させることができる。
しかしながら、複数の基板、複数の多層膜を備える上述の近赤外線カットフィルタでは、近年の電子撮像光学系の光軸方向への小型化・薄型化の要望に応えることは困難であった。
また、基板と多層膜等との温度・湿度による膨張率の差により、基板の形状に歪み（反り）が発生する問題があった。特に、基板に樹脂を用いた場合には、基板形状の歪みが顕著になるという問題があった。

上述の電子撮像光学系の小型化・薄型化の要望に応えるために、光学フィルタ等では、その基板の厚さが薄くなっている。しかし、基板の厚さが約０．５ｍｍ以下に薄くなると、上述の基板形状の歪み（反り）の発生が顕著となる問題があった。
上述の特許文献２においては、透明な基板の一方の面に所定の特性を有する多層膜または単層膜を蒸着し、他方の面に基板の歪みを補正する別種類の蒸着膜が形成された透過型光学部材が開示されている。この他方の面に形成された蒸着膜は反射防止膜でもある。
しかしながら、上述の透過型光学部材では、基板の歪みの補正を重視すると一方の面または他方の面に形成された多層膜等の特性（透過特性等）を確保することが困難となるという問題があった。逆に、上記多層膜等の特性を確保すると基板の歪みの補正が不十分になるという問題があった。
基板の歪みが残存すると、光を透過型光学部材に略垂直に入射させることが困難となり、透過型光学部材の透過特性等に影響が現れるという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、赤外線を良好にカットするとともに、透過率特性（波長特性）を損なうことなく小型化・薄型化を図ることができる光学フィルタおよび光学フィルタを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、赤外線を吸収する厚さ０．５ｍｍ以下の基板と、該基板の一方の面に形成された赤外線を反射する赤外線カット層と、前記基板の他方の面に形成された反射防止層と、を有し、前記赤外線カット層および前記反射防止層が、屈折率の異なる複数の薄膜層を積層した多層構造からなり、前記反射防止層の層数と、前記赤外線カット層の層数とが、以下の条件式を満足する光学フィルタを提供する。
１＜（層数ＩＲ）／（層数ＡＲ）≦２．５ ・・・（３）
ただし、（層数ＩＲ）は赤外線カット層の層数、（層数ＡＲ）は反射防止層の層数である。

本発明によれば、赤外線を吸収する基板を用いることにより、光学フィルタにおいてカットする赤外線の一部を基板に吸収させ、残りを赤外線カット層で反射させることができる。そのため、光学フィルタとして赤外線を良好にカットするとともに、赤外線カット層に求められる赤外線反射特性を緩和させ、赤外線カット層の層数を減少させることができる。

また、赤外線カット層の層数を減少させて、光学フィルタに作用する応力を減少させることができ、反射防止層により基板の歪みを補正することができる。そのため、光を光学フィルタに略垂直に入射させることができ、光学フィルタの透過率特性等が損なわれることを防止できる。
なお、赤外線カット層および反射防止層は、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した多層構造を有するものであることが好ましい。
この場合に、赤外線カット層の層数と反射防止層の層数とが条件式（３）を満たすため、赤外線カット層により基板に働く応力と、反射防止層により基板に働く応力とがより均衡し、基板の歪みを所定のより狭い範囲内に納めることができる。そのため、光の光学フィルタへの入射角をより狭い角度範囲内に納めることができ、光学フィルタの透過率特性等が損なわれることをより確実に防止できる。

また、上記発明においては、前記基板が樹脂から形成されていることが望ましい。
本発明によれば、基材が赤外線を吸収する樹脂から形成されているため、光学フィルタの軽量化を図ることができると共に、安価に製造することができる。

さらに、上記発明においては、前記反射防止層の層厚と、前記赤外線カット層の層厚とが、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
０．０５ ≦（層厚AR）／（層厚ＩＲ）≦ １ ・・・（１）
ただし、（層厚AR）は反射防止層の層厚、（層厚ＩＲ）は赤外線カット層の層厚である。

本発明によれば、赤外線カット層の層厚と反射防止層の層厚とが条件式（１）を満たすため、赤外線カット層により基板に働く応力と、反射防止層により基板に働く応力とが打ち消しあい、基板の歪みを所定の範囲内に収めることができる。そのため、光の光学フィルタへの入射角を所定の角度範囲内に収めることができ、光学フィルタの透過率特性等が損なわれることを防止できる。

上記発明においては、７５０ｎｍから８５０ｎｍの波長帯域における光の透過率が、５００ｎｍから５５０ｎｍの波長帯域における光の透過率の平均値を基準として、１０％以下であることが好ましい。

本発明によれば、例えば、ＣＣＤ等の電子撮像素子に入射する光の赤外線カットに本発明の光学フィルタを用いる場合、７５０ｎｍから８５０ｎｍの波長帯域における光の透過率が、５００ｎｍから５５０ｎｍの波長帯域における光の透過率の平均値を基準として、１０％以下であるため、電子撮像素子における解像度の低下や画質の劣化が生じることを防止できる。

本発明は、屈折率を有する光学素子を備える光学系と、上記本発明の光学フィルタ、または上記本発明の光学フィルタの製造方法により製造された光学フィルタと、前記光学系の像側に配置され、前記光学フィルタを透過した光が入射される電子撮像素子と、を備える撮像装置を提供する。
本発明の光学フィルタを撮像装置に用いることにより、電子撮像素子に入射される光の赤外線を良好にカットすることができる。また、光学フィルタの小型化・薄型化を図ることができるため、撮像装置の小型化・薄型化を図ることができる。
さらに、光学フィルタの透過率特性等が損なわれることを防止できるため、電子撮像素子により撮像された画像において、透過した赤外線による色ムラが発生することを防止できる。

本発明の光学フィルタおよび撮像装置によれば、光学フィルタとして赤外線を良好にカットするとともに、透過率特性（波長特性）を損なうことなく光学フィルタの小型化・薄型化を図ることができるという効果を奏する。

[赤外線カットフィルタ]
〔第１の実施形態〕
以下、本発明に係る赤外線カットフィルタにおける第１の実施形態について図１から図３を参照して説明する。
図１は、本実施形態における赤外線カットフィルタの構成を説明する図である。
赤外線カットフィルタ（光学フィルタ）１Ａは、図１に示すように、赤外線を吸収する基板である赤外線吸収フィルタ（基板）３ａと、赤外線を反射する赤外線カットコート（赤外線カット層）５ａと、光の反射を抑える反射防止コート（反射防止層）７と、から概略構成されている。
赤外線吸収フィルタ３ａはプラスチック等の樹脂から形成された板状の部材であり、例えば、呉羽化学工業株式会社製のルミクル（登録商標）を例示することができる。赤外線吸収フィルタ３ａを樹脂から形成することにより、赤外線カットフィルタ１Ａの軽量化を図ることができると共に、安価に製造することができる。

赤外線カットコート５ａは、蒸着により屈折率の異なる酸化チタン（ＴｉＯ_２）の層（薄膜層）と酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の層（薄膜層）とが交互に積層された多層膜として形成され、本実施形態においては酸化チタン層と酸化シリコン層が１４層積層されたものであって、赤外線カットコート５ａ全体のコート膜厚が１．４９μｍのものに適用して説明する。赤外線カットコート５ａの膜厚などの詳細なデータを以下の表に示す。

反射防止コート７も、蒸着により屈折率の異なる酸化チタン（ＴｉＯ_２）の層（薄膜層）と酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の層（薄膜層）とを交互に積層したものであり、本実施形態においては酸化チタン層と酸化シリコン層が５層積層されたものであって、反射防止コート７全体の膜厚が０．３４μｍのものに適用して説明する。反射防止コート７の膜厚などの詳細なデータを以下の表に示す。

反射防止コート７の膜厚７と、赤外線カットコート５ａの膜厚との比は、（０．３４μｍ）／（１．４９μｍ）＝０．２２８であり、条件式（１）を満たしている。
そのため、赤外線カットコート５ａにより赤外線吸収フィルタ３ａに働く応力と、反射防止コート７により赤外線吸収フィルタ３ａに働く応力とが打ち消しあい、赤外線吸収フィルタ３ａの歪みを所定の範囲内に収めることができる。そのため、光の赤外線カットフィルタ１Ａへの入射角を所定の角度範囲内に収めることができ、赤外線カットフィルタ１Ａの透過率特性等が損なわれることを防止できる。

また、赤外線カットコート５ａの層数と、反射防止コート７の層数との比は、（１４層）／（５層）＝２．８であり、条件式（２）を満たしている。
そのため、赤外線カットコート５ａにより赤外線吸収フィルタ３ａに働く応力と、反射防止コート７により赤外線吸収フィルタ３ａに働く応力とが打ち消しあい、赤外線吸収フィルタ３ａの歪みを所定の範囲内に収めることができる。そのため、光の赤外線カットフィルタ１Ａへの入射角を所定の角度範囲内に収めることができ、赤外線カットフィルタ１Ａの透過率特性等が損なわれることを防止できる。

次に、基板である赤外線吸収フィルタ３ａに働く応力について説明する。
図２は、一方の面に薄膜が形成された薄板基板に働く応力を計算する際に用いる計算モデルを説明する図である。図２（ａ）は、薄板基板を斜め上方から見た斜視図であり、図２（ｂ）は、薄板基板を側面から見た側面図である。
ここでは、説明を簡単にするため、図２に示すように、赤外線吸収フィルタ３ａを厚さがＤの短冊状の薄板基板ＢＰとし、この薄板基板ＢＰの一方の面に膜厚がｄの薄膜ＴＦを形成した場合に、薄板基板ＢＰの長軸方向に発生する応力σについて説明する。
応力σと、基板厚Ｄと、膜厚ｄなどとの関係は、以下に示す式（４）で表すことができる。また、式（４）中の１／Ｒは、式（５）により薄膜ＴＦ成膜前の基板ＢＰの曲率半径Ｒ１と、薄膜ＴＦ形成後の基板ＢＰの曲率半径Ｒ２とにより求めることができる。

ただし、ｄは薄膜ＴＦの膜厚、νｓはポアソン比、Ｅｓはヤング率、Ｄは基板ＢＰの厚さ、Ｒは式（５）により求められる曲率半径である。

ただし、Ｒ１は薄膜ＴＦ形成前の基板ＢＰの曲率半径、Ｒ２は薄膜ＴＦ形成後の基板ＢＰの曲率半径である。
薄膜ＴＦ形成前の基板ＢＰが平らな場合には、Ｒ１は無限大となり、（１／Ｒ１）≒０となる。また、Ｒ２は基板の反り量から求められる。

薄膜ＴＦにより発生する応力が圧縮応力の場合には、図２（ｂ）に示すように、薄膜ＴＦが形成された面が凸状に湾曲する反りが発生し、逆に引っ張り応力が発生する場合には、薄膜ＴＦが形成された面が凹状に湾曲する反りが発生する。

上述の薄膜に発生する膜応力は成膜方法に依存するため、膜応力と成膜方法との関係について説明する。
蒸着法により薄膜を成膜する場合には、成膜種により膜応力が異なる。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層を成膜した場合には圧縮応力が発生するが、酸素を導入して酸化チタン（ＴｉＯ_２）層を成膜した場合には引っ張り応力が発生する。したがって、酸化シリコン層と、酸化チタン層とを積層して形成する本実施形態の赤外線カットコート５ａや反射防止コート７は、圧縮応力と引っ張り応力とが相殺され、全体としての膜応力が小さくなる。

イオンプレーティング法や、イオンアシスト蒸着法や、スパッタ法など、高密度の膜を形成する方法により成膜する場合には、酸化シリコン層、酸化チタン層ともに大きな圧縮応力が発生する。したがって、本実施形態の赤外線カットコート５ａや反射防止コート７全体としても発生する圧縮応力が大きくなる。

次に、上述の赤外線カットフィルタ１Ａによる作用について説明する。
例えば、反射防止コート７側（図１中の右側）から赤外線カットフィルタ１Ａに入射する光は、まず、反射防止コート７を透過して赤外線吸収フィルタ３ａに入射する。反射防止コート７が光の入射面に形成されていることにより、赤外線吸収フィルタ３ａにおいて入射する光の反射が防止されている。
入射した光の赤外線の一部は赤外線吸収フィルタ３ａに吸収され、残りの光は赤外線吸収フィルタ３ａを透過し、赤外線カットコート５ａに入射する。赤外線吸収フィルタ３ａを透過した赤外線の一部は、赤外線カットコート５ａにおいて反射され、残りの赤外線を含む光は赤外線カットフィルタ１Ａから出射される。

図３は、本実施形態における赤外線カットフィルタ１Ａにおける各波長に対する透過率（Ｔ％）を示すグラフである。
このようにして赤外線を吸収および反射する赤外線カットフィルタ１Ａの各波長に対する透過率は、図３に示す通りであり、７５０ｎｍから８５０ｎｍの波長帯域における光の透過率は、５００ｎｍから５５０ｎｍの波長帯域における光の透過量の平均値を基準として、約１０％以下となっている。

上記の構成によれば、赤外線を吸収する赤外線吸収フィルタ３ａを用いることにより、赤外線カットフィルタ１Ａにおいてカットする赤外線の一部を赤外線吸収フィルタ３ａに吸収させ、残りを赤外線カットコート５ａで反射させることができる。そのため、赤外線カットフィルタ１Ａとして赤外線を良好にカットするとともに、赤外線カットコート５ａに求められる赤外線反射特性を緩和させ、赤外線カットコート５ａの層数を減少させることができ、赤外線カットフィルタ１Ａの小型化・薄型化を図ることができる。

また、赤外線カットコート５ａの層数を減少させることができるため、赤外線カットフィルタ１Ａに作用する応力を減少することができ、反射防止コート７により赤外線吸収フィルタ３ａの歪みを補正することができる。そのため、光を赤外線カットフィルタ１Ａに略垂直に入射させることができ、赤外線カットフィルタ１Ａの透過率特性等が損なわれることを防止できる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明に係る赤外線カットフィルタにおける第２の実施形態について図４および図５を参照して説明する。
図４は、本実施形態における赤外線カットフィルタの構成を説明する図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

赤外線カットフィルタ（光学フィルタ）１Ｂは、図４に示すように、赤外線を吸収する基板である赤外線吸収フィルタ３ａと、赤外線を反射する赤外線カットコート（赤外線カット層）５ｂと、光の反射を抑える反射防止コート７と、から概略構成されている。
赤外線カットコート５ｂは、屈折率の異なる酸化チタン（ＴｉＯ_２）の層（薄膜層）と酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の層（薄膜層）とが交互に積層された多層膜として形成され、本実施形態においては酸化チタン層と酸化シリコン層が１２層積層されたものであって、赤外線カットコート５ｂ全体のコート膜厚が１．１９μｍのものに適用して説明する。赤外線カットコート５ｂの膜厚などの詳細なデータを以下の表に示す。

反射防止コート７の膜厚７と、赤外線カットコート５ｂの膜厚との比は、（０．３４μｍ）／（１．１９μｍ）＝０．２８６であり、条件式（１）を満たしている。
そのため、赤外線カットコート５ｂにより赤外線吸収フィルタ３ａに働く応力と、反射防止コート７により赤外線吸収フィルタ３ａに働く応力とが打ち消しあい、赤外線吸収フィルタ３ａの歪みを所定の範囲内に収めることができる。そのため、光の赤外線カットフィルタ１Ｂへの入射角を所定の角度範囲内に収めることができ、赤外線カットフィルタ１Ｂの透過率特性等が損なわれることを防止できる。

また、赤外線カットコート５ｂの層数と、反射防止コート７の層数との比は、（１２層）／（５層）＝２．４であり、条件式（３）を満たしている。
そのため、赤外線カットコート５ｂにより赤外線吸収フィルタ３ａに働く応力と、反射防止コート７により赤外線吸収フィルタ３ａに働く応力とがより均衡し、赤外線吸収フィルタ３ａの歪みを所定のより狭い範囲内に収めることができる。そのため、光の赤外線カットフィルタ１Ｂへの入射角を所定の角度範囲内に収めることができ、赤外線カットフィルタ１Ｂの透過率特性等が損なわれることをより確実に防止できる。

赤外線カットフィルタ１Ｂの作用は、１４層の多層膜構造を有する赤外線カットコート５ａが１２層の多層膜構造を有する赤外線カットコート５ｂに変更されている点を除けば、第１の実施形態と同様であるので、図５に本実施形態における赤外線カットフィルタ１Ｂにおける各波長に対する透過率（Ｔ％）を示すグラフを示して、その説明を省略する。

上記の構成によれば、第１の実施形態に係る赤外線カットコート５ａよりも薄い赤外線カットコート５ｂを用いることにより、赤外線カットフィルタ１Ｂをより小型化・薄型化することができる。また、赤外線カットフィルタ１Ｂの歪の発生をより防止できるため、赤外線カットフィルタ１Ｂの透過率特性等が損なわれることをより確実に防止できる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明に係る赤外線カットフィルタにおける第３の実施形態について図６および図７を参照して説明する。
図６は、本実施形態における赤外線カットフィルタの構成を説明する図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
赤外線カットフィルタ（光学フィルタ）１Ｃは、図６に示すように、赤外線を吸収する基板である赤外線吸収フィルタ３ａと、赤外線を反射する赤外線カットコート（赤外線カット層）５ｃと、光の反射を抑える反射防止コート７と、から概略構成されている。

赤外線カットコート５ｃは、蒸着により屈折率の異なる酸化チタン（ＴｉＯ_２）の層（薄膜層）と酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の層（薄膜層）とが交互に積層された多層膜として形成され、本実施形態においては酸化チタン層と酸化シリコン層が２２層積層されたものであって、赤外線カットコート５ｃ全体のコート膜厚が２．４９μｍのものに適用して説明する。赤外線カットコート５ｃの膜厚などの詳細なデータを以下の表に示す。

反射防止コート７の膜厚７と、赤外線カットコート５ｃの膜厚との比は、（０．３４μｍ）／（２．４９μｍ）＝０．１３７であり、条件式（１）を満たしている。
そのため、赤外線カットコート５ｃにより赤外線吸収フィルタ３ａに働く応力と、反射防止コート７により赤外線吸収フィルタ３ａに働く応力とが打ち消しあい、赤外線吸収フィルタ３ａの歪みを所定の範囲内に収めることができる。そのため、光の赤外線カットフィルタ１Ｃへの入射角を所定の角度範囲内に収めることができ、赤外線カットフィルタ１Ｃの透過率特性等が損なわれることを防止できる。
また、赤外線カットコート５ｃの層数と、反射防止コート７の層数との比は、（１４層）／（５層）＝４．４である。

赤外線カットフィルタ１Ｃの作用は、１４層の多層膜構造を有する赤外線カットコート５ａが２２層の多層膜構造を有する赤外線カットコート５ｃに変更されている点を除けば、第１の実施形態と同様であるので、図７に本実施形態における赤外線カットフィルタ１Ｂにおける各波長に対する透過率（Ｔ％）を示すグラフを示して、その説明を省略する。

上記の構成によれば、２２層の多層膜構造を有する赤外線カットコート５ｃを用いることにより赤外線の反射特性を向上させ、赤外線カットフィルタ１Ｃにより赤外線を良好にカットすることができる。

[光学系]
〔単焦点光学系〕
次に、本発明の赤外線カットフィルタを用いた単焦点光学系の一実施形態について図８から図１０を参照しながら説明する。
図８は、本発明の赤外線カットフィルタを用いた単焦点光学系の無限遠物点合焦時のレンズ断面図である。
単焦点光学系（撮像装置）５０は、図８に示すように、結像レンズ系（光学系）Ｌと、像を撮像する電子撮像素子５１と、電子撮像素子５１のカバーガラスを兼用する赤外線カットフィルタ（光学フィルタ）５３と、から概略構成されている。
赤外線カットフィルタ５３は、上述の第１の実施形態から第６の実施形態に係る赤外線カットフィルタのいずれかを用いたものである。また、電子撮像素子５１としては、ＣＣＤやＣＭＯＳなどを用いることができる。

結像レンズ系Ｌは、絞り５４と、物体側（図８中において左側）に凸面を向けた物体側面非球面の第１正メニスカスレンズＬ１と、両凸の像面側面非球面の第２正レンズＬ２と、両凹の両面非球面の第３負レンズＬ３と、から構成されている。
本実施形態では、第１レンズＬ１から第３レンズＬ３は全てプラスチックから構成されたものに適用して説明する。
なお、本実施形態における結像レンズ系Ｌの仕様は、焦点距離ｆ＝３．８３ｍｍ、像高２．３０ｍｍであり、Ｆナンバー＝２．９８、全画角２ω＝６３．０°である。

以下に、本実施形態の結像レンズ系Ｌのデータを示す。
ｆは全系焦点距離、Ｆ_NOはＦナンバー、２ωは画角、ｒ ₁ 、ｒ₂ …は各レンズ面の曲率半径、ｄ₁ 、ｄ₂ …は各レンズ面間の間隔、ｎ_d1、ｎ_d2…は各レンズのｄ線の屈折率、ν_d1、ν_d2…は各レンズのアッベ数である。
また、非球面形状は、ｘを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向にとると、下記の式にて表される。

ｘ＝（ｙ² ／ｒ）／［１＋｛１−（Ｋ＋１）（ｙ／ｒ）² ｝^1/2 ］
＋Ａ₄ｙ⁴ ＋Ａ₆ ｙ⁶ ＋Ａ₈ ｙ⁸
ただし、ｒは光軸上の曲率半径、Ｋは円錐係数、Ａ₄ 、Ａ₆ 、Ａ₈ はそれぞれ４次、６次、８次の非球面係数である。

上記の構成によれば、本発明の赤外線カットフィルタ５３を単焦点光学系５０に用いることにより、電子撮像素子５１に入射される光の赤外線を良好にカットすることができる。また、赤外線カットフィルタ５３の小型化・薄型化を図ることができるため、単焦点光学系５０の小型化・薄型化を図ることができる。
さらに、赤外線カットフィルタ５３の透過率特性等が損なわれることを防止できるため、電子撮像素子５１により撮像された画像において、透過した赤外線による色ムラが発生することを防止できる。

なお、上述のように、赤外線カットフィルタ５３が電子撮像素子５１のカバーガラスを兼用してもよいし、図９に示すように、赤外線カットフィルタ５３とカバーガラス５５とを別々に設けて、赤外線カットフィルタ５３がローパスフィルタを兼用してもよい。
また、図１０に示すように、赤外線カットフィルタ５３とカバーガラス５５とローパスフィルタ５７とを別々に設けてもよい。

〔自由曲面光学系〕
次に、本発明の赤外線カットフィルタを用いた自由曲面光学系について図１１から図１３を参照しながら説明する。
図１１は、本発明の赤外線カットフィルタを用いた自由曲面光学系の一実施形態を説明する断面図である。
まず、本実施例の説明に用いる構成パラメータについて、図１１を用いながら説明する。
本実施形態の構成パラメータは、図１１に示すように、順光線追跡で、軸上主光線ＭＬ１を、物体中心から光学系の絞り６１の中心を垂直に通り、電子撮像素子５１中心に至る光線で定義されている。そして、光学系の最も物体側の第１面（図１１の場合は、第１１面１１）の軸上主光線ＭＬ１と交差する位置を偏心光学系の偏心光学面の原点として、軸上主光線ＭＬ１に沿う方向をＺ軸方向とし、物体から第１面に向かう方向をＺ軸正方向とし、光軸が折り曲げられる平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交する方向をＸ軸方向とし、図１１の紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
本実施形態においては、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。

偏心面については、光学系の原点の中心からその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、後記の引用文献の（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。
なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。

本実施形態の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば米国特許第６，１２４，９８９号（特開２０００−６６１０５号）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。

したがって、図１１は、本実施形態の自由曲面光学系における軸上主光線を含むＹ−Ｚ断面図となる。
自由曲面光学系（撮像装置）６０は、図１１に示すように、プリズムを有するプリズム光学系（光学系）Ｐと、像を撮像する電子撮像素子５１と、電子撮像素子５１のカバーガラスを兼用する赤外線カットフィルタ５３と、から概略構成されている。から概略構成されている。
プリズム光学系Ｐは、物体側から光の通る順に、前群を構成する第１プリズム１０と、絞り６１と、後群を構成する第２プリズム２０と、から構成されている。

第１プリズム１０は、図１１に示すように、第１１面１１から第１３面１３により構成され、その第１１面１１は第１透過面、第１２面１２は第１反射面、第１３面１３は第２透過面である。
これらの面は、物体からの光線が第１透過面である第１１面１１を透過し、第１反射面である第１２面１２で内面反射され、第２透過面である第１３面１３を透過し、第２プリズム２０に向けて出射するように配置されている。

第２プリズム２０は第２１面２１から第２４面２４により構成され、その第２１面２１は第１透過面、第２２面２２は第１反射面、第２３面２３は第２反射面、第２４面２４は第２透過面である。
これらの面は、第１プリズム１０からの光線が第１透過面である第２１面２１を透過し、第１反射面である第２２面２２で内面反射され、第２反射面である第２３面２３で内面反射され、第２透過面である第２４面２４を透過し、撮像ユニット３０に向けて出射するように配置されている。

また、第２プリズム２０の第２１面２１と第２２面２２とは、プリズム媒質を挟んで対向配置され、第２３面２３と第２４面２４とがプリズム媒質を挟んで対向配置されている。さらに、これらの面は、第２１面２１と第２２面２２とを結ぶ光路が、第２３面２３と第２４面２４とを結ぶ光路とプリズム内で交差するように配置されている。
なお、上述の第１プリズム１０および第２プリズム２０からなる結像光学系においては、中間像を形成していない。

また、第１プリズム１０の第１１面１１および第１２面１２は自由曲面から構成され、第１３面１３は平面から構成されている。第２プリズム２０の第２１面２１は平面から構成され、第２２面２２から第２４面２４は自由曲面から構成されている。

上述の実施形態は、例えば、撮像面のサイズが４．８ｍｍ×３．６ｍｍであり、撮影画角が水平画角５１．３°、垂直画角が３９．６°、入射瞳径がφ１．７７ｍｍであり、Ｆナンバーは２．８相当の実施形態に適用することができる。
なお、上述の実施形態はその他のサイズ等の実施形態へ適用しても構わず、特に限定するものではない。

以下に、第１プリズム１０および第２プリズム２０の数値データを示す。表中の“ＦＦＳ”は自由曲面を示し、“ＲＥ”は反射面を示している。

上記の構成によれば、本発明の赤外線カットフィルタ５３を自由曲面光学系６０に用いることにより、電子撮像素子５１に入射される光の赤外線を良好にカットすることができる。また、赤外線カットフィルタ５３の小型化・薄型化を図ることができるため、自由曲面光学系６０の小型化・薄型化を図ることができる。
さらに、赤外線カットフィルタ５３の透過率特性等が損なわれることを防止できるため、電子撮像素子５１により撮像された画像において、透過した赤外線による色ムラが発生することを防止できる。

なお、上述のように、赤外線カットフィルタ５３が電子撮像素子５１のカバーガラスを兼用してもよいし、図１２に示すように、赤外線カットフィルタ５３とカバーガラス５５とを別々に設けて、赤外線カットフィルタ５３がローパスフィルタを兼用してもよい。
また、図１３に示すように、赤外線カットフィルタ５３とカバーガラス５５とローパスフィルタ５７とを別々に設けてもよい。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、本発明の赤外線カットフィルタを単焦点光学系に適応して説明したが、本発明は単焦点光学系に限られることなく、ズーム光学系など、その他各種の光学系に適応できるものである。
また、上記実施の形態では、高屈折率層（ＴｉＯ_２）と低屈折率層（ＳｉＯ_２）とを交互に積層した赤外線カットコートおよび反射防止コートについて例示したが、本発明はこれに限らず、高屈折率層、中間屈折率層、低屈折率層を交互に積層させてもよい。

本発明に係る第１の実施形態における赤外線カットフィルタの構成を説明する図である。 一方の面に薄膜が形成された薄板基板に働く応力を計算する際に用いる計算モデルを説明する図である。 図１の赤外線カットフィルタにおける各波長に対する透過率（Ｔ％）を示すグラフである。 本発明に係る第２の実施形態における赤外線カットフィルタの構成を説明する図である。 図４の赤外線カットフィルタにおける各波長に対する透過率（Ｔ％）を示すグラフである。 本発明に係る第３の実施形態における赤外線カットフィルタの構成を説明する図である。 図６の赤外線カットフィルタにおける各波長に対する透過率（Ｔ％）を示すグラフである。 本発明の赤外線カットフィルタを用いた単焦点光学系の無限遠物点合焦時のレンズ断面図である。 図８の単焦点光学系の別の実施形態の構成を説明する図である。 図８の単焦点光学系の更に別の実施形態の構成を説明する図である。 本発明の赤外線カットフィルタを用いた自由曲面光学系の一実施形態を説明する断面図である。 図１１の自由曲面光学系の別の実施形態の構成を説明する図である。 図１１の自由曲面光学系の更に別の実施形態の構成を説明する図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 赤外線カットフィルタ（光学フィルタ）
３ａ 赤外線吸収フィルタ（基板）
５ａ，５ｂ，５ｃ 赤外線カットコート（赤外線カット層）
７ 反射防止コート（反射防止層）
５０ 単焦点光学系（撮像装置）
５１ 電子撮像素子
５３ 赤外線カットフィルタ（光学フィルタ）
６０ 自由曲面光学系（撮像装置）
Ｌ 結像レンズ系（光学系）
Ｐ プリズム光学系（光学系）

Claims (5)

1. 赤外線を吸収する厚さ０．５ｍｍ以下の基板と、
   該基板の一方の面に形成された赤外線を反射する赤外線カット層と、
   前記基板の他方の面に形成された反射防止層と、を有し、
   前記赤外線カット層および前記反射防止層が、屈折率の異なる複数の薄膜層を積層した多層構造からなり、
   前記反射防止層の層数と、前記赤外線カット層の層数とが、以下の条件式を満足する光学フィルタ。
   １＜（層数ＩＲ）／（層数ＡＲ）≦２．５ ・・・（３）
   ただし、（層数ＩＲ）は赤外線カット層の層数、（層数ＡＲ）は反射防止層の層数である。
2. 前記基板が樹脂から形成されている請求項１記載の光学フィルタ。
3. 前記反射防止層の層厚と、前記赤外線カット層の層厚とが、以下の条件式を満足する請求項１または請求項２に記載の光学フィルタ。
   ０．０５≦（層厚ＡＲ）／（層厚ＩＲ）≦１ ・・・（１）
   ただし、（層厚ＡＲ）は反射防止層の層厚、（層厚ＩＲ）は赤外線カット層の層厚である。
4. ７５０ｎｍから８５０ｎｍの波長帯域における光の透過率が、５００ｎｍから５５０ｎｍの波長帯域における光の透過量の平均値を基準として、１０％以下である請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学フィルタ。
5. 屈折率を有する光学素子を備える光学系と、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学フィルタと、
   前記光学系の像側に配置され、前記光学フィルタを透過した光が入射される電子撮像素子と、を備える撮像装置。

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