JP6224314B2 - 光学フィルタ及び光学機器 - Google Patents
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Description
このような所望の波長領域に吸収を持つタイプの光学フィルタとしては、例えば光量絞り装置などで用いられる、吸収型のND(Neutral Density)フィルタなどが一般的に広く知られている。
また、このような低反射かつ吸収性を備えた光学フィルタを撮像光学系に用いる事で、フィルタの反射率に起因した不具合、例えばゴーストの発生などを低減し、高画質化など高精度化を実現できる光学機器を提供する事にある。
光透過性を有する基板と、
前記基板上に設けられて膜厚方向に屈折率が変化する屈折率傾斜薄膜と、
前記屈折率傾斜薄膜上に設けられる反射防止構造体と
を備え、
前記屈折率傾斜薄膜は、光吸収特性を有し、且つ屈折率の増減を伴った複数の変化点を
持つ屈折率変化が、前記基板側から前記反射防止構造体側に向けて減少傾向となる屈折率
傾斜特性を有するとともに、
前記屈折率傾斜薄膜は、前記屈折率変化における前記複数の変化点として屈折率が増加
後に減少へ変化する複数の極大値を含み、かつ、前記複数の極大値のうち前記基板側に最
も近い極大値が、前記屈折率変化の最大値である屈折率傾斜特性を有し、
前記屈折率傾斜薄膜は、その膜厚方向において、
可視波長領域の分光透過特性が長波長側になるにつれて高くなる領域と、
可視波長領域の分光透過特性が長波長側になるにつれて低くなる領域と、
を有することを特徴とする。
光透過性を有する基板と、
前記基板上に設けられて膜厚方向に屈折率が変化する屈折率傾斜薄膜と、
前記屈折率傾斜薄膜上に設けられる反射防止構造体と
を備え、
前記屈折率傾斜薄膜は、光吸収特性を有し、且つ屈折率の増減を伴った複数の変化点を
持つ屈折率変化が、前記基板側から前記反射防止構造体側に向けて減少傾向となる屈折率
傾斜特性を有するとともに、
前記屈折率傾斜薄膜は、前記屈折率変化における前記複数の変化点として屈折率が増加
後に減少へ変化する複数の極大値を含み、かつ、前記複数の極大値のうち前記基板側に最
も近い極大値が、前記屈折率変化の最大値である屈折率傾斜特性を有し、
前記屈折率傾斜薄膜は、その膜厚方向において、
可視波長領域の分光透過特性が長波長側になるにつれて高くなる領域から可視波長領域
の分光透過特性が長波長側になるにつれて低くなる領域へ変化する領域を有することを特
徴とする。
本発明にかかる光学機器は、光学フィルタを撮影光学系に用いた光学機器であって、前
記光学フィルタが、上記構成の光学フィルタであることを特徴とする。
また、このような光学フィルタを特に光量絞り装置などに用いた撮像装置は、高画質化を可能とした装置を得る事が可能である。
(1)前記基板側において、前記屈折率変化の前記基板側の終点まで、前記屈折率が前記基板の屈折率に近づくように変化する部分と、
(2)前記反射防止構造体側において、前記屈折率変化の前記反射防止構造体側の終点まで、前記屈折率が前記反射防止構造体の屈折率に近づくように変化する部分と
を有する。
図3のように構成した吸収タイプのNDフィルタについて、以下に詳しく記載する。
なお、以下の各実施例における屈折率は、基板、屈折率傾斜薄膜及び反射防止構造体の構成材料から540nmの波長の光での屈折率として特定できるものである。
固体撮像素子の更なる高感度化、高精細化等に伴い、撮影装置の絞りのハンチング現象や光の回折現象の対策には、NDフィルタが用いられている。真空成膜法により多層膜を透明基板に成膜したNDフィルタにおいても、フィルタ自身の反射に起因した、ゴーストやフレア等の撮影画像への不具合が生ずる可能性が高まってきており、可視光波長領域における分光反射率を従来以上に低減することが1つの大きな課題となっている。
図3に示したように、本実施例では、基板13の片面側に屈折率傾斜薄膜12を配置し、屈折率傾斜薄膜12上に反射防止構造体111を配置し、基板13の裏面にも反射防止構造体112を配置した。また、屈折率傾斜薄膜12は膜中の少なくても一部に吸収を持っている。
図3のような構成の場合、基板の反対面での反射が大きくなってしまう為、この面にも何らかの反射防止構造体112が必要となる場合が多い。このような反射防止構造体111、112としては、図4(a)〜(d)中に示したように、反射防止効果を持つ微細周期構造体151、152や、単層、若しくは複数層の薄膜で形成された反射防止膜161、162、更には微細周期構造体15と反射防止膜16を併用した構成などが挙げられるが、適宜最適な構成を選択すれば良い。このような構成であれば、例えば撮像素子側にフィルタのどちらの面を向けても、フィルタの反射に起因したゴースト光の発生を著しく抑制する事ができるなど、フィルタの方向を選ばす光学系内に配置する事も可能となる。
ここで、例えば図4(b)のような多層膜構成の反射防止膜161や162と同様の効果を持つ機能を屈折率傾斜薄膜12中に組み込む事も可能である。その場合は、表層の界面付近における所定の領域内で、屈折率を周期的に、且つ連続的に複数回増減させ、外気との界面反射防止用の屈折率プロファイルが必要となる。そのため、屈折率傾斜薄膜上に別途反射防止構造体を設けた構成とみなすことができる。また、反射防止膜の作成に際して、屈折率傾斜薄膜上に、屈折率傾斜薄膜の作成に使用する材料と異なる材料を使用し、屈折率が周期的かつ連続的に変化する反射防止膜を作成してもよい。
屈折率傾斜薄膜12は、メタモードスパッタ法により、SiO2とTiOx膜の成膜レートを調整しながら、この2種類を混合させ、屈折率を膜厚方向で連続的に変化させる事で、所望の吸収特性を得るように調整し作製した。基板と薄膜との密着性が問題となる場合は界面活性剤などで形成された密着層を挿入しても良い。但し、密着層と隣接する物質との屈折率差等に注意する必要がある。
このような連続的な屈折率プロファイルを持つ屈折率傾斜薄膜の例が図1である。図1では、比較的高屈折率を持つ基板から、屈折率傾斜薄膜、微細周期構造体の順に積層されている。そして、膜厚方向に対し、基板側から連続的に屈折率が増減するような変化を持っており、屈折率傾斜薄膜両端の界面に向かうにつれ、それぞれ隣接する構造体の屈折率に近づくような変化をとっている。
測定試料の表面から内側に向かって組成分布を調べる深さ方向分析において,ミクロンオーダー以下の分析には加速イオンを用いて表面を削り取りながら分析する手法が良く用いられる。この方法はイオンスパッタリング法と呼ばれ、X線光電子分光法(XPS)やオージェ電子分光法(AESまたはESCA)などとして知られている。
このような屈折率傾斜薄膜の設計手法は以前より各種様々な方法が検討されており、連続的な変化とは異なり、階段状に徐々に屈折率が変化するステップ型の屈折率分布であっても、この屈折率分布を調整する事で、連続的なインデックス変化を持たせた膜と、略同様の光学特性を得る事も可能である事が判明している。しかし、反射低減などにおいては、連続的な屈折率変化を持った方が、より理想的な特性を得る事ができ、さらに薄膜中で界面が無くなり前後の膜組成が非常に近くなる事から、膜の密着強度の向上や、環境安定性の改善などの効果が現れる。このような観点からは、屈折率が連続的に変化する屈折率分布を選択する方が良い。
このようなスパッタ法の場合、1つの材料を低パワーとしていくと、放電が不安定になったり、メタモードスパッタの場合は、反応モードになってしまったりするなどの不具合が生じる。従って、2物質間の全ての屈折率を実現する為には、例えばマスク法により成膜量をコントロールするなど、投入パワー以外の要素も並行して調整し、膜厚を制御する必要がある。
図7は、本実施例で示す屈折率傾斜薄膜を作製したスパッタ成膜装置の基板搬送装置の回転軸に直交する面での平面断面図である。
スパッタ成膜装置としては、薄膜が形成される基板51を保持する回転可能な円筒状の基板搬送装置52を真空槽53内に備え、基板搬送装置52の外周部とその外側の真空槽53との間の環状空間に、2箇所のスパッタ領域54、55と、反応領域57が設けられている装置を用いた。領域59から基板を搬入する。
基板51は成膜される面が外側を向くように基板搬送装置52に搭載させた。スパッタ領域54、55には、ACダブル(デュアル)カソードタイプのターゲット54a、55aが装備されている。真空槽53の外側に高周波電源56が配置されている。ターゲット材の形状は平板型に限らず、円筒型のシリンドリカルタイプであっても良い。また、これらの他に、別途領域58には、例えばグリッド電極を有する高周波励起によるイオンガングリッドや、基板への正イオンの電荷蓄積を防ぐために正イオンを中和する低エネルギー電子を放出するニュートラライザ等を設ける事も可能である。本発明に用いるスパッタ装置は、例えばスパッタ領域を3領域以上設けても良く、上記装置以外の構成でも実施可能である。
図8の屈折率プロファイルにおいて、基板側の界面点P0から点P2にかけては、TiOxのxは約1.5で固定されており、SiO2との組成比を変化させる事で連続的な屈折率変化を形成した。
次に、点P2から点P3を通過し点P4に近づくにつれ、TiOxのxは1.5から1.0に連続的に変化させている。これと同時にSiO2との組成比を変化させ、点P2から点P3に近づくにつれにSiO2対しTiOxの組成比を増やし、更に点P3から点P4に近づくにつれ、SiO2に対しTiOxの組成比を減少させる事で連続的な屈折率変化を形成した。また、点P4から点P5に近づくにつれにSiO2対しTiOxの組成比を増やし、更に点P5から点P6に近づくにつれ、SiO2に対しTiOxの組成比を減少させた。
さらに、点P4から反射防止構造体側の界面点P6にかけては、TiOxのxは約1.0で固定されており、SiO2との組成比を変化させる事で連続的な屈折率変化を形成した。
点P1付近ではTi2O3の影響を大きく受けた分光透過を示し、点P5付近ではTiOの影響を大きく受けた分光透過を示す。従って、このように構成する事で、屈折率傾斜薄膜中に、可視波長領域において図6で例示したような異なる分散特性を持つ領域を混在させ、膜厚や組成比により影響度を調整する事で、所望の透過特性を得る事が可能となる。本実施例においては、可視波長領域において分光透過特性が平坦な形状となるように、これらを調整した。
屈折率傾斜薄膜12の形成後、前述したUV硬化樹脂を用いた光ナノインプリント法により、屈折率傾斜薄膜12上に、反射防止効果を持つサブミクロンピッチの反射防止構造体としての微細周期構造体151と152を形成した。
微細周期構造体は、近年の微細加工技術の向上とともに作製されるようになってきた。このような構造体の1つである、反射防止効果を持つ微細周期構造体は、一般的にモス・アイ構造体などと呼ばれ、構造体の形状を擬似的に屈折率の変化が連続的となる形状とする事で、物質間の屈折率差に起因した反射の低減を図ったものである。
このような微細周期構造体の作製に関しては、様々な方法が提案されているが、本実施例ではUV硬化樹脂を用いた光ナノインプリント法を用いた。
先に設計された形状を反転させたホールアレイ形状を持つモールドとしての石英基板に、UV硬化樹脂を適量滴下した。その後、インプリントを施す基板に石英モールドを押し付けた状態でUV光を照射する事で樹脂を硬化させ、サブミクロンピッチのピラーアレイ状の微細周期構造体151、152を作製した。各種のUV硬化樹脂を用いることができるがここでは、東洋合成製PAK−01−CLを用いた。
以上によって作製されたNDフィルタの、分光反射率特性、及び分光透過率特性が図9である。濃度は約0.70程度であり、可視波長領域の殆どにおいて反射率が0.4%以下になっている。本構成により、非常に低い反射率を実現できた。測定には、(株)日立ハイテクノロジーズ社製の分光光度計U4100を用いた。
また、本実施例において、屈折率の制御に酸化物を用いたが窒化物でも良く屈折率傾斜薄膜として、連続的、周期的に屈折率が変化すれば各種の化合物を用いることができる。
また、基板と屈折率傾斜薄膜、屈折率傾斜薄膜と反射防止構造体の間に、基板、反射防止構造体のそれぞれの屈折率に近いバッファ層等を設けて、密着性や耐久性を改善する事なども可能であり、その場合はバッファ層等を考慮した設計を行えば良い。
図10のように基板両面に屈折率傾斜膜を形成したフィルタの作製について以下に記載する。
図10に示したように、本実施例では、基板23の片面側に屈折率傾斜薄膜221を配置し、屈折率傾斜薄膜221上に反射防止構造体211を配置した後、基板23の裏面側にも同様に屈折率傾斜薄膜222と反射防止構造体212を配置した。NDフィルタ24における所望の波長領域に所望の吸収を持つ機能は、屈折率傾斜薄膜221、222の両方に持たせたが、場合によっては屈折率傾斜薄膜221と222のどちらか一方のみであっても同様の特性を得る事は可能である。このような反射防止構造体211、212としては、図11(a)〜(c)中に示したように、反射防止効果を持つ微細周期構造体251、252や、単層、若しくは複数層の薄膜で形成された反射防止膜261、262、更には微細周期構造体25と反射防止膜26を併用した構成などが挙げられるが、適宜最適な構成を選択すれば良い。
NDフィルタ24を形成する基板23には厚さ1.0mmのSFL−6ガラスを使用した。実施例1と同様に、まずは基板23上の片面側に、屈折率傾斜薄膜221を、メタモードスパッタ法により、SiO2とTiOx膜の成膜レートを調整しながら、この2種類を混合させ、屈折率を膜厚方向で連続的に変化させる事で、所望の吸収特性を得るように調整し作製した。その後、基板の表裏を変えて、再度同様にSiO2とTiOxの混合膜である屈折率傾斜薄膜222混合膜を作製した。また屈折率傾斜薄膜221、222の膜厚はそれぞれ約200nmとなるように調節した。
屈折率傾斜薄膜中の3つの屈折率の極大値は図12で示すように配置したが、この配置だけに限定されない。
特に、本実施例に用いた基板の両面に屈折率傾斜薄膜、微細周期構造体を設ける構成は、膜応力に対する基板の安定性を得られる。加えて、微細周期構造体を両面から光ナノインプリントにより反射防止構造体を一連の連続または同時の工程で形成することができるため生産性に優れる。
図14に光量絞り装置を示す。次に、本発明のNDフィルタを備える光量絞り装置を光学機器(ビデオカメラ)に適用した実施例について図14を用いて説明する。
図14において、41はレンズユニット41A〜41Dを有する撮影光学系である。42はCCD等の固体撮像素子であり、撮影光学系41によって形成される光線a、bの像を受光し、電気信号に変換する。43は光学ローパスフィルタである。撮影光学系41は、図14に示したNDフィルタ44、絞り羽根45,46、地板47で構成される光量絞り装置を有している。
以上の実施例の構成によれば、解像度低下の少ないNDフィルタを提供することができる。NDフィルタ44に本実施例1及び2で作成した屈折率傾斜薄膜を用いたNDフィルタを用いたものは、生産性に優れ軽量かつカラーバランスに優れていた。
これにより作製された光量絞り装置は、フィルタの反射に起因したゴーストなどの不具合を著しく低減する事ができる。
実施例1、2で記載したNDフィルタ以外の光学フィルタにおいても、吸収を持つタイプでであれば同様の効果を期待でき、光学フィルタが、吸収を持ってもよい場合には、撮像素子やポスターなど対象物を保護するようなフィルタには、所望とする波長領域の反射を低減する為の反射防止の保護フィルムや保護板として応用可能である。タッチパネル等に設けられる保護板に用いることで、表示部の視認性を向上させた電子機器とすることができる。例えばカラーフィルタなどに応用する事が可能である。これらの光学フィルタに本発明を適用する事で、反射率を低減しつつ、所望の透過特性を得る事が可能となり、平坦性に優れた光学フィルタを得ることも可能である。また、これらの光学フィルタを搭載する事で、前述の不具合を改善した各種の光学機器を得る事が可能となる。
12、221、222.屈折率傾斜薄膜
13、23.基板
15、25、151、152、251、252.微細周期構造体
16、26、161、162.261、262.反射防止膜
41 撮影光学系
42 固体撮像素子
43 光学ローパスフィルタ
44 NDフィルタ
45、46 絞り羽根
47 地板
Claims (4)
- 光透過性を有する基板と、
前記基板上に設けられて膜厚方向に屈折率が変化する屈折率傾斜薄膜と、
前記屈折率傾斜薄膜上に設けられる反射防止構造体と
を備え、
前記屈折率傾斜薄膜は、光吸収特性を有し、且つ屈折率の増減を伴った複数の変化点を
持つ屈折率変化が、前記基板側から前記反射防止構造体側に向けて減少傾向となる屈折率
傾斜特性を有するとともに、
前記屈折率傾斜薄膜は、前記屈折率変化における前記複数の変化点として屈折率が増加
後に減少へ変化する複数の極大値を含み、かつ、前記複数の極大値のうち前記基板側に最
も近い極大値が、前記屈折率変化の最大値である屈折率傾斜特性を有し、
前記屈折率傾斜薄膜は、その膜厚方向において、
可視波長領域の分光透過特性が長波長側になるにつれて高くなる領域と、
可視波長領域の分光透過特性が長波長側になるにつれて低くなる領域と、
を有することを特徴とする光学フィルタ。 - 光透過性を有する基板と、
前記基板上に設けられて膜厚方向に屈折率が変化する屈折率傾斜薄膜と、
前記屈折率傾斜薄膜上に設けられる反射防止構造体と
を備え、
前記屈折率傾斜薄膜は、光吸収特性を有し、且つ屈折率の増減を伴った複数の変化点を
持つ屈折率変化が、前記基板側から前記反射防止構造体側に向けて減少傾向となる屈折率
傾斜特性を有するとともに、
前記屈折率傾斜薄膜は、前記屈折率変化における前記複数の変化点として屈折率が増加
後に減少へ変化する複数の極大値を含み、かつ、前記複数の極大値のうち前記基板側に最
も近い極大値が、前記屈折率変化の最大値である屈折率傾斜特性を有し、
前記屈折率傾斜薄膜は、その膜厚方向において、
可視波長領域の分光透過特性が長波長側になるにつれて高くなる領域から可視波長領域
の分光透過特性が長波長側になるにつれて低くなる領域へ変化する領域を有することを特
徴とする光学フィルタ。 - 前記基板は、光線透過率が89%以上の透明樹脂基板であることを特徴とする請求項1
または2に記載の光学フィルタ。 - 光学フィルタを撮影光学系に用いた光学機器であって、
前記光学フィルタが、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光学フィルタであることを
特徴とする光学機器。
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