JP6336806B2 - Ｎｄフィルタ、光量絞り装置、及び、撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射防止効果に優れた光学機能フィルムに関し、詳しくは、屈折率を連続的に変化させた反射防止フィルムを用いたＮＤフィルタ、光量絞り装置及び撮像機器に関する。

従来から、デジタルカメラやビデオカメラ等の光学機器には、その光量調節のために絞り装置が組み込まれている。この絞り装置は、ＣＣＤ等の固体撮像素子に入射する光量を絞り羽根の開閉により調節するものであり、被写界が明るい場合には、より小さく絞り込まれるようになっている。従って、快晴時や高輝度の被写体を撮影する際には光量を減衰させるために絞りは小絞りとなるが、そのままでは光は絞りで回折し、撮影した画像の劣化を引き起こしてしまうことがある。また、ＣＣＤ等の固体撮像素子が高感度化することにより、更に光量を減衰させる必要があり、この画像劣化の傾向は顕著になっている。

そこで、この問題の対策として、絞り羽根に光量調整部材としてフィルム状のＮＤ（Neutral Density）フィルタを取り付けて、絞り開口が大きい状態で光量を減衰することが行われている。具体的には、絞り羽根の一部に絞り羽根とは異なる別部材から成るＮＤフィルタを接着剤で貼り付け、被写体が高輝度の際には、ＮＤフィルタを光軸上に位置させ、通過光量を制限する。このため、絞り開口が小さくなり過ぎるまで絞り込むことを回避し、絞り開口を一定の大きさに維持することができる。更に、光量調節機能として濃度勾配を有するＮＤフィルタを使用し、このＮＤフィルタを光軸上に移動させることにより、更なる光量調節を行うこともある。また、絞り羽根にＮＤフィルタを接着せずに、ＮＤフィルタを独立して光学的作用を持たせた種々の絞り装置も提案されている。

上述したような絞り装置におけるＮＤフィルタは、一般に真空蒸着等により透明基板上に多層膜を形成したものが用いられている。例えば、特許文献１に示すように、基材上に、該基材側から表層側に向かって屈折率が連続的に変化する屈折率傾斜膜からなる反射防止層を設け、該反射防止層の基材面と接触する部分の屈折率が該基材の屈折率よりも高い膜が用いられている。また、特許文献２においては、透明基板上の微細凹凸周期構造上に、反射率を低減させるための反射防止膜であるＡｌ_２Ｏ_３膜と、透過率を低減させるための光吸収層であるＴｉｘＯｙ膜を交互に積層し、反射防止効果を高めるために最表層に低屈折材料であるＳｉＯ_２膜を光学膜厚ｎ×ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）でλ／４（λ＝５００〜６００ｎｍ）蒸着したＮＤフィルタが開示されている。

特開２００４−０１２６５７号公報 特開２００８−０７６８４４号公報

近年では、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像機器の小型化が進み、光量調整部材として用いられるＮＤフィルタ表面での反射光が、ゴーストの原因となる場合がある。通常はＰＥＴ樹脂等から成る透明基板の片面にＮＤ膜を成膜し、他面に反射防止膜としてＡＲ膜を成膜したり、或いは透明基板の両面にＮＤ膜を成膜している。図５はＮＤ膜の膜構成図を示しており、透明基板上にＡｌ_２Ｏ_３膜と、ＴｉｘＯｙ膜を交互に積層し、最表層にＭｇＦ_２膜を蒸着し、ＮＤ膜を成膜している。図７はＮＤフィルタの界面における反射の説明図であり、その１例として透明基板の片面にＮＤ膜２、他面にＡＲ膜３が成膜されている。反射は屈折率の異なる物質の界面で起こるため、空気とＡＲ膜３の界面ａ、ＡＲ膜３と透明基板１の界面ｂ、透明基板１とＮＤ膜２の界面ｃ、ＮＤ膜２と空気の界面ｄの４つの面において光の反射が生ずる。また、ＮＤ膜２やＡＲ膜３が多層膜であれば、その中の各層の界面でも反射がある。その中でも、特にＡＲ膜３と透明基板１の界面ｂ、透明基板１とＮＤ膜２の界面ｃ、の反射率を低減させるのが最も効果的である。しかし、実際には微細凹凸周期構造を理想的な等ピッチ構成に配列させることは困難であり、実際の製品として理論値の反射率まで反射を低減出来ていない問題がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、従来方法では反射を低減することの困難な透明基板と膜層、もしくは透明基板と空気層の界面における反射防止効果の精度を向上させた光学フィルタを提供することにある。

上記した課題を解決するために、本発明に係るＮＤフィルタの技術的特徴は、
透明基板と、
前記透明基板の一方面上に設けられるＮＤ膜と、
前記透明基板の他面に設けられ、可視光波長以下のピッチと高さの複数の突起部を有する微細凹凸周期構造と、
を備え、
前記複数の突起部の最頂部の屈折率は、前記透明基板の屈折率よりも小さく、前記複数の突起部には前記微細凹凸周期構造を形成する材料の屈折率よりも屈折率の高い粒子が分散しており、前記粒子の配合率が、前記ＮＤ膜側から前記最頂部側に向かって連続的に減少するように変化していることにある。

本発明に係る光学フィルタによれば、光学フィルタの基板上に可視光波長以下のピッチと高さを有する凹凸部から成る微細凹凸周期構造を形成し、基板から膜もしくは空気層へその微細凹凸周期構造内の屈折率を小さくなるように設定することで、透明基板と膜、もしくは透明基板と空気層との界面で発生する反射光を効率的に低減することができる。

ビデオカメラに使用される撮影光学系例 本実施例における微細凹凸周期構造の構成図 微細周期構造の模式図 微細周期構造 形成プロセス ＮＤフィルタ膜の構成図 真空チャンバ構成図 フィルムでの反射率発生箇所 ＮＤフィルタ構成の例

（実施例１）
本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。図１は撮影光学系の構成図を示し、レンズ２１、光量絞り装置２２、レンズ２３〜２５、ローパスフィルタ２６、ＣＣＤ等から成る固体撮像素子２７が順次に配列されている。光量絞り装置２２においては、絞り羽根支持板２８に一対の絞り羽根２９ａ、２９ｂが可動に取り付けられている。絞り羽根２９ａには、絞り羽根２９ａ、２９ｂにより形成される略菱形形状の開口部を通過する光量を減光するためのＮＤフィルタ３０が接着されている。

図３は本実施例で使用する蛾目(Moth eye)構造から成る微細凹凸周期構造の模式図を示している。図１のＮＤフィルタ３０の表面には、図３に示すように厚さ約１００μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）から成る透明基板３１上に円錐形状の突起部３２が等間隔で無数に配置された微細凹凸周期構造３３が設けられている。

本実施例における透明基板３１として、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂フィルムを使用している。しかしＰＥＴ以外にも、透明性及び機械的強度を有するフィルム状の合成樹脂基板を使用することも可能である。例を挙げれば、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、アクリル系樹脂、ポリカーボネート、ポリイミド系樹脂、ノルボルネン系樹脂、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド等である。また、透明基板３１の厚さとしては、ＮＤフィルタ３０としての剛性を保持しながら、可能な限り薄いことが好ましい。具体的には、その厚さとして３００μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは５０〜１００μｍとすることが好ましい。

各突起部３２の高さ方向に対し、突起部３２の最頂部から最底部に向かうにつれて突起部３２の体積は徐々に増加し、それに対応した有効屈折率も突起部３２の最頂部から最底部に向かい連続的に分布する。そのため、空気層から透明基板３１に向かって滑らかな有効屈折率分布を有し、この微細凹凸周期構造３３に光が入射した場合には、急激な屈折率差がないため、光は殆ど反射されずに透明基板３１内に到達する。

なお、良好な反射防止効果を得るために、突起部３２は図３に示すように円錐形状にすることが好ましいが、円錐形状の代りに、四角錐形状の突起部、或いは他の多角錐形状、更には逆円錐形状の凹部とした微細凹凸周期構造３３を用いてもよい。

また、微細凹凸周期構造３３の凹凸パターンのピッチＰは可視光領域の波長（λ＝４００〜７００ｎｍ）よりも小さいことが好ましく、本実施例では３００ｎｍとしている。ピッチＰが大きくなり、可視光領域の波長、例えば５５０ｎｍとなると、光の回折現象が発生し画像劣化の原因となる。ピッチＰを小さくなるほど反射防止効果が得られる波長も低波長側に拡大されてくるが、ピッチＰを小さくするほど微細凹凸周期構造３３の形成が困難になるため、ピッチＰは１００〜３００ｎｍが好ましい。

また、微細凹凸周期構造３３の凸部或いは凹部の高さＤと、微細凹凸周期構造３３のピッチＰとの比（アスペクト比）Ｄ／Ｐが大きい場合に反射防止効果が大きくなり、Ｄ／Ｐが０．２以上であることが好ましく、より好ましくは１以上である。しかし、この高さＤも可視光領域の波長よりも小さくすることが好ましい。

微細凹凸周期構造３３を構成する突起部３２を形成するには、例えば、形成すべき微細凹凸周期構造と逆の形状を有する型を用いて、熱や圧力を加えて基板の表面に微細凹凸周期構造を転写する。或いは、半導体製造技術を用いて基板３１の表面に直接、微細凹凸周期構造を形成することができる。また、基板の表面に光硬化樹脂で膜を形成し、形成すべき微細凹凸周期構造と逆の形状を有する型を密着させて、光硬化樹脂を固化させる方法がある。

本実施例においては図４に示すように、アルミ金型４にアクリルなどのモノマーである光硬化樹脂５を充填し、その上から透明基板１を置いた後に、光照射して離型する方法で透明基板１上に微細凹凸周期溝を転写する方法について説明する。

この方法にて、微細凹凸周期構造内の屈折率を連続的に変化させる構造の製作方法を説明する。

屈折率を連続的に変化させる構造を製作する一例として、酸化金属粒子を光硬化樹脂に添加させる方法を用いる。その酸化金属粒子の粒径は、微細凹凸周期構造が数百ｎｍであるため、それ以下が好ましく、より好ましくは数十ｎｍ、最も好ましくは数ｎｍがより望ましい。その酸化金属粒子を酸化ジルコニウム（粒径１０〜２０ｎｍ）に選定した場合を例に挙げる。

屈折率を変化させる原理としては、光硬化樹脂内に添加する酸化金属粒子の配合率ｗｔ％を調整することにより、光硬化樹脂の屈折率ｎ１よりも屈折率が高い特性ｎ０にコントロールが可能となる。

上述した方法により、屈折率の変化領域は、光硬化樹脂の選択により自由に設定が可能である。

例えば、ウレタンアクリレートに酸化ジルコニウムを０ｗｔ％から７０ｗｔ％に配合した場合、屈折率は１．５２（ｎ１） 〜 １．６６（ｎ０）領域で特性を変化させることが可能となる。

上述した性質を利用し、光硬化樹脂内の酸化金属粒子配合率を変化させることで屈折率を連続的に可変させる。その手段としては、振動や遠心などにより酸化金属粒子を分散させる方法が挙げられる。なお透明基板側の屈折率は、透明基板の屈折率に極力合わせるように光硬化樹脂を選定した方がよい。

このようにして形成した図２のような屈折率が連続的に変化する微細凹凸周期構造の表面形状をＡＦＭで測定したところ、高さ３５０ｎｍ、ピッチ３００ｎｍの凹凸パターンが形成された。

図６は、図３において形成した微細凹凸周期構造の面もしくはその裏面に、金属膜、金属酸化物、誘電体膜等の積層膜から成る無機質膜であるＮＤ膜を形成するための真空蒸着機チャンバの構成図を示している。チャンバ６１内には、蒸着源６２、回転可能な蒸着傘６３が設けられ、この蒸着傘６３には成膜部位に開口部を設けた蒸着パターン形成マスク５２と蒸着治具５１が配置されている。蒸着治具５１は、この蒸着傘６３と共にＺ軸を中心に回転し成膜が行われる。

図５は上述の方法により透明基板もしくは微細凹凸周期構造上に成膜した無機硬質膜であるＮＤ膜構成図を示している。透明基板もしくは微細凹凸周期構造上には、第１、３、５層に反射率を低減させるための反射防止膜であるＡｌ_２Ｏ_３膜７２と、第２、４、６層に透過率を低減させるための光吸収層であるＴｉｘＯｙ膜７３とを交互に積層している。更に、反射防止効果を高めるために最表層の第１１層に低屈折材料であるＭｇＦ_２膜を光学膜厚ｎ×ｄ（ｎ：屈折率、ｄ：物理膜厚）でλ／４（λ＝５００〜６００ｎｍ）蒸着し、１１構成のＮＤ膜とされている。

反射防止膜としては透明誘電体が使用することができ、Ａｌ_２Ｏ_３膜７２の他にＳｉＯ_２、ＳｉＯ、ＭｇＦ_２、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２等が使用することができる。また、光吸収層としては可視領域の波長を吸収する特性を有する材料を使用することができ、ＴｉＯｘ膜７３の他にＴｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ、ＮｉＦｅ、Ｎｂ等の金属、合金、酸化物が使用することができる。

そして、蒸着時に反射率をモニタリングすることにより、Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚を制御することにより反射率を小さくすることが可能である。光透過率はＴｉｘＯｙ膜の総膜厚によって変化し、このＴｉｘＯｙ膜の総膜厚が厚くなるほど光透過率は低下する。また、λ＝４００〜７００ｎｍの波長範囲内での光透過率の平坦性は、上述のＴｉｘＯｙ膜組成のｙによって変化し、適切に選択することにより光透過率分布は平坦となる。なお、積層する層数や使用材料は、目的の特性により変わってくる。

このようなＮＤ膜は真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等の成膜法により成膜することができるが、本実施例においては上述のように真空蒸着法により成膜した。そして、最表層のＭｇＦ_２膜を成膜した後に、透明基板を真空蒸着機から取り出し、必要に応じ、ＮＤ膜が成膜された透明基板を裏面として、再び蒸着治具５１にセットし、真空蒸着機において蒸着する。

そして成膜が完了した後に、透明基板を真空蒸着機から取り出し、透明基板上に形成された複数のＮＤフィルタを個々の形状にプレス抜きを行う。

このようにして製作したＮＤフィルタについて、図８のような複数の構成サンプルを製作し、光量絞り装置の絞り羽根に取り付け撮像画像を評価した。まず、あたり実験として表１に示すように、透明基板上の片面へ微細凹凸周期構造を形成したサンプルを製作して反射率の確認を行った。透明基板の最大反射率は９％であるのに対し、微細凹凸周期構造を片面に形成すると、最大反射率は５％に低減した。改善策として、本実施例のように屈折率を連続的に変化させた微細凹凸周期構造を片面に形成すると、最大反射率は４％以下に低減し効果がみられた。

微細凹凸周期構造がある場合の本発明の実施例における最大反射率（λ＝４００〜７００ｎｍ）と従来との比較結果を表１に示す。

（実施例２）
実施例２においては、図８（ａ）に示す透明基板の片面に微細凹凸周期構造を設け、透明基板の両側にＮＤ膜を成膜したＮＤフィルタを製作する。透明基板１には実施例１と同様に、厚さ１００μｍのＰＥＴ樹脂フィルムを用い、図３に示すような微細凹凸周期構造を用いる。実施例１と同様、アルミ金型４にアクリルなどのモノマーである光硬化樹脂５を充填し、その上から透明基板１を置き光照射して離型する方法で透明基板１上に微細凹凸周期溝を転写する方法で透明基板１の片面に転写する。このようにして、微細凹凸周期構造が転写された透明基板１の表面形状をＡＦＭで測定したところ、高さ３５０ｎｍ、ピッチ３００ｎｍの凹凸が形成されたことが確認できた。

上述の方法により、片面に微細凹凸周期構造を形成した透明基板１を用いて、微細凹凸周期構造上に濃度０．５のＮＤ膜２を両面にそれぞれ成膜することにより、濃度１．０（透過率１０％）のＮＤフィルタを形成した。なお、本実施例２におけるＮＤ膜２の成膜方法は実施例１と同じである。

このようにして作製したＮＤフィルタを光量絞り装置の絞り羽根に取り付け撮像画像を評価した。表２に示すように、透明基板１に微細凹凸周期構造を形成したＮＤフィルタについては、微細凹凸周期構造面での反射率が低減され、ゴーストは見られなかった。さらには、本実施例の屈折率を連続的に変化させた微細凹凸周期構造を採用した場合、反射率は０．５０％以下となり大幅な反射率改善が見られた。

よって、透明基板の両面に本実施例の構成をした微細凹凸周期構造を形成することにより、更なる特性の改善が見込める。またＮＤ濃度は、単濃度以外にも連続的に濃度変化する構成にも有効である。

微細凹凸周期構造がある場合の本発明の実施例におけるゴーストと最大反射率（λ＝４００〜７００ｎｍ）と従来との比較結果を表２に示す。最大反射率の２つの値は、図８に示す方向に進む光の最大反射率である。

実施例３においては、図８（ｂ）に示す透明基板の片面に微細凹凸周期構造を設け、ＡＲ膜の代替とする。その透明基板の反対面にはＮＤ膜を成膜したＮＤフィルタを製作する。透明基板１には実施例１と同様に、厚さ１００μｍのＰＥＴ樹脂フィルムを用い、図３に示すような微細凹凸周期構造を用いる。実施例１と同様、アルミ金型４にアクリルなどのモノマーである光硬化樹脂５を充填し、その上から透明基板１を置き光照射して離型する方法で透明基板１上に微細凹凸周期溝を転写する方法で透明基板１の片面に転写する。このようにして、微細凹凸周期構造が転写された透明基板１の表面形状をＡＦＭで測定したところ、高さ３５０ｎｍ、ピッチ３００ｎｍの凹凸が形成されたことが確認できた。

上述の方法により、片面に微細凹凸周期構造を形成した透明基板１を用いて、微細凹凸周期構造上に濃度０．５のＮＤ膜２を片面に成膜することにより、濃度０．５（透過率３２％）のＮＤフィルタを形成した。なお、本実施例２におけるＮＤ膜２の成膜方法は実施例１と同じである。

このようにして作製したＮＤフィルタを光量絞り装置の絞り羽根に取り付け撮像画像を評価した。表３に示すように、透明基板１に微細凹凸周期構造を形成したＮＤフィルタについては、微細凹凸周期構造面での反射率が低減され、ゴーストは見られなかった。さらには、本実施例の屈折率を連続的に変化させた微細凹凸周期構造を採用した場合、ＮＤ膜面反射率は０．３０％以下、微細凹凸周期構造面反射率は３．００％以下となり大幅な反射率改善が見られた。

よって、透明基板の両面に本実施例の構成をした微細凹凸周期構造を形成することにより、更なる特性の改善が見込める。またＮＤ濃度は、単濃度以外にも連続的に濃度変化する構成にも有効である。

微細凹凸周期構造がある場合の本発明の実施例におけるゴーストと最大反射率（λ＝４００〜７００ｎｍ）と従来のAR膜がある場合との比較結果を表３に示す。最大反射率の２つの値は、図８に示す方向に進む光の最大反射率である。

反射光を効率的に低減した光学フィルタ、光学フィルタを備えた光量絞り装置およびこれを搭載した撮像機器を提供できる。

１：透明基板
２：ＮＤ膜
３：ＡＲ膜
４：アルミ金型
５：光硬化樹脂
２１：レンズ
２２：光量絞り装置
２３：レンズ
２４：レンズ
２５：レンズ
２６：ローパスフィルタ
２７：固体撮像素子
２８：絞り羽根支持板
２９：絞り羽根
３０：ＮＤフィルタ
３１：透明基板
３２：突起部
３３：微細凹凸周期構造
５１：蒸着治具
６１：チャンバ
６２：蒸着源
６３：蒸着傘

Claims (7)

1. 透明基板と、
   前記透明基板の一方面上に設けられるＮＤ膜と、
   前記透明基板の他面に設けられ、可視光波長以下のピッチと高さの複数の突起部を有する微細凹凸周期構造と、
   を備え、
   前記複数の突起部の最頂部の屈折率は、前記透明基板の屈折率よりも小さく、
   前記複数の突起部には前記微細凹凸周期構造を形成する材料の屈折率よりも屈折率の高い粒子が分散しており、前記粒子の配合率が、前記ＮＤ膜側から前記最頂部側に向かって連続的に減少するように変化していることを特徴とするＮＤフィルタ。
2. 前記微細凹凸周期構造の上に、他のＮＤ膜が成膜されていることを特徴とする請求項１に記載のＮＤフィルタ。
3. 前記微細凹凸周期構造を形成する材料は、樹脂材料であることを特徴とする請求項１または２に記載のＮＤフィルタ。
4. 前記透明基板は合成樹脂で形成された基板であることを特徴とする請求項１〜３何れか１つの請求項に記載のＮＤフィルタ。
5. 前記ＮＤ膜は、金属又は金属酸化物から成る光吸収層と誘電体層が積層された構成を有し、該ＮＤ膜の最表層として前記誘電体層よりも屈折率の低い低屈折率材料膜を有している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ＮＤフィルタを備えたことを特徴とする光量絞り装置。
6. 光学系と、前記光学系を通過する光量を制限する請求項５に記載の光量絞り装置と、前記光学系によって形成される像を受像する固体撮像素子と、を有することを特徴とする撮像機器。
7. 請求項１に記載のＮＤフィルタを備えたことを特徴とする撮像機器。

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