カメラ
【課題】可視波長領域全域において分光反射率を低減し、フレアやゴースト等の画像への不具合の発生を低減するカメラを得る。
【解決手段】カメラの撮影光学系内にNDフィルタ10を配置し、このNDフィルタ10は基板11上の撮像素子側に多数の微細凹凸周期構造体21による無反射周期層23を形成し、基板11の他面にND膜15を成膜することにより、反射防止機能を向上させる。撮像素子側での基板11と大気の境界での反射率は無反射周期層23により低減される。NDフィルタ10に入射する光線のうち、大気とND膜15の境界及びND膜15と基板11の境界における分光反射率はND膜15により低く抑制される。これにより、カメラの撮像素子へのフレアやゴースト光の入射が防止される。
【解決手段】カメラの撮影光学系内にNDフィルタ10を配置し、このNDフィルタ10は基板11上の撮像素子側に多数の微細凹凸周期構造体21による無反射周期層23を形成し、基板11の他面にND膜15を成膜することにより、反射防止機能を向上させる。撮像素子側での基板11と大気の境界での反射率は無反射周期層23により低減される。NDフィルタ10に入射する光線のうち、大気とND膜15の境界及びND膜15と基板11の境界における分光反射率はND膜15により低く抑制される。これにより、カメラの撮像素子へのフレアやゴースト光の入射が防止される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、NDフィルタを備えた撮影光学系を使用するビデオカメラやスチルカメラ等のカメラに関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、ビデオカメラ或いはデジタルスチルカメラ等の撮影系には、CCDやCMOSセンサ等から成る固体撮像素子への入射光量を制御するための光量絞り装置が設けられている。この光量絞り装置は被写界が明るくなるに従い、より小さく絞り込まれる構造になっている。
【0003】
従って、快晴時や高輝度の被写体を撮影する際には、絞りは所謂小絞り状態となり、絞りのハンチング現象や光の回折現象等の影響を受け易く、像性能に劣化を生じさせる虞れがある。
【0004】
これに対する対策として、絞りの近傍にND(Neutral Density)フィルタを配置したり、絞り羽根に直接NDフィルタを貼り付けることにより光量の制御を行っている。これにより被写界の明るさが同一であっても、絞りの開口をより大きくできるような工夫をしている。
【0005】
近年では、撮像素子の感度が向上し、NDフィルタの濃度を濃くすることにより、光の透過率を更に低下させ、高感度の撮像素子を使用しても、明るい被写界に対して絞りの開口が小さくなり過ぎないようにする改善がなされている。また、NDフィルタを形成する基板には、ガラス等の透明基板も用いられるが、任意形状への加工性や、小型化・軽量化等の要望に伴い、近年ではプラスチック材料から成る基板も用いられてきている。
【0006】
NDフィルタの一般的な作製方法としては、真空蒸着法やスパッタ法等により、プラスチックやガラス等の透明基板上に多層膜を生成することにより作製している。
【0007】
また、NDフィルタにおいても、様々な理由から高精度化への要求が強まっており、その中でも概ねλ=400〜700nmまでの可視光波長領域全域における分光反射率を低減することが1つの大きな課題となっている。これは、最近の固体撮像素子の更なる高感度化、高精細化等に伴い、従来と同程度の反射率の低減を図ったとしても、撮影画像にゴーストやフレア等の不具合が生ずる可能性が高まってきたからである。
【0008】
NDフィルタの反射を低減させる方法としては、一般に真空蒸着法等によりNDフィルタの基板表面に反射防止膜を成膜している。ただし、基板表面に単層膜から成る反射防止膜を成膜させた場合においては、特定の波長では表面反射を低く抑制することも可能であるが、その波長以外の波長領域においては、反射が大きくなってしまう欠点がある。そこで、例えばSiO2、MgF2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、ZrO2等の屈折率の異なる数種類の薄膜を積層し、特許文献1に示すような多層膜を形成することにより、任意の波長領域の反射を抑制することが広く行われている。
【0009】
【特許文献1】特開平8−075902号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、上述のような多層膜で形成した反射防止膜の場合には、単層膜で形成した反射防止膜よりは広い波長域の反射を低減することができるが、やはり特定の波長領域でしか反射を抑制することができないことには変わりはない。より広い波長領域の反射低減を実現するには、多層膜を構成する薄膜材料が限定されている理由から、相当の層数を必要としたり、任意の光学特性を得るには膜設計値が複雑になってしまう等の問題がある。更には、光の入射角の変化や偏光状態の変化により、光学特性が大きく変化してしまう等の多くの欠点がある。
【0011】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、分光反射率を低減し、フレアやゴースト等の画像への不具合の発生を低減したNDフィルタを備えたカメラを提供することにある。
【0012】
また、所望の波長領域全域での反射を低減することで、反射光に起因した不具合を低減することができるNDフィルタを備えたカメラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記目的を達成するための本発明に係るカメラの技術的特徴は、被写体像を撮像する撮像素子と、該撮像素子に入射する光線が通過するための開口部と、該開口部を通過する前記光線の光量を減光するNDフィルタとを備え、該NDフィルタは、前記開口部内に出入り自在に設けると共に、反射防止の対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列した反射防止構造体を形成した側を前記撮像素子に向けて取り付けたことにある。
【0014】
また、本発明に係るカメラの技術的特徴は、被写体像を撮像する撮像素子と、該撮像素子に入射する光線が通過する開口部の大きさを変えて光量を調整する絞り羽根と、該絞り羽根に取り付け前記開口部を通過する前記光線の光量を減光するNDフィルタとを備え、該NDフィルタは、前記絞り羽根の移動に従って前記開口部内に出入り自在とすると共に、反射防止の対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列した反射防止構造体をを形成した側を前記撮像素子に向けて形成したことにある。
【発明の効果】
【0015】
本発明に係るカメラによれば、可視波長領域全域で分光反射率を低減し、反射光に起因したフレアやゴースト等の画像への悪影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】撮影光学系の構成図である。
【図2】ND膜の膜構成図である。
【図3】微細凹凸周期構造体の斜視図である。
【図4】変形例の微細凹凸周期構造体の斜視図である。
【図5】微細凹凸周期構造体を設けた基板の斜視図である。
【図6】変形例の微細凹凸周期構造体の斜視図である。
【図7】微細凹凸周期構造体を設けた基板の斜視図である。
【図8】微細凹凸周期構造体の配列例の説明図である。
【図9】微細凹凸周期構造体を有するNDフィルタの断面図である。
【図10】他の微細凹凸周期構造体を有するNDフィルタの断面図である。
【図11】NDフィルタの分光反射率のグラフ図である。
【図12】NDフィルタを使用した光量絞り装置の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明を図示の実施例を基に詳細に説明する。
図1はカメラの撮影光学系の構成図を示し、レンズ1、光量絞り装置2、レンズ3〜5、ローパスフィルタ6、CCD等から成る固体撮像素子7が順次に配列されている。光量絞り装置2においては、絞り羽根支持板8に一対の絞り羽根9a、9bが可動に取り付けられている。絞り羽根9aには、絞り羽根9a、9b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10が接着されている。
【0018】
しかし、濃度が薄いNDフィルタ10の場合には、濃度が薄くなるに従い反射率が高くなる傾向が強く、反射光に起因した様々な不具合が発生する可能性が高まる。
【0019】
経験的には、概ね濃度が1.0以下、透過率に換算すると10%以上のNDフィルタ10であると、反射に起因する不具合を発生させてしまうことになる。更には、濃度が0.5以下、透過率換算で約31.6%以上になると、その可能性が著しく高くなる傾向がある。なお、濃度(D)と透過率(T)との相関式は D=Log10(1/T)である。
【0020】
このような理由から、濃度1.0以下の濃度のNDフィルタ10においては、ND膜の他に反射防止膜をND膜の裏面に成膜する等の何らかの反射抑制手段が必要となる場合が多い。
【0021】
図2はNDフィルタ10のND膜の膜構成図を示している。透明プラスチック材から成る基板11上の第1、3、5、7、9層にAl2O3膜12、第2、4、6、8、10層にTixOy膜13が交互に積層され、最表層である第11層にMgF2膜14を成膜した計11層のND膜15が成膜されている。
【0022】
このND膜15は可視光波長領域における分光透過率の直線性や、基板11にプラスチックフィルムを使用していることから懸念される膜応力、成膜工程全体として発生する熱応力の問題等を十分に考慮して設計されている。各層の膜厚等の設計値は異なるが、Al2O3膜12の任意の数層又は全てのAl2O3膜12をSiO2膜に置換してもよい。そして、SiO2膜又はAl2O3膜12とTixOy膜13とを相互に積層する構成であっても、ほぼ同様の光学特性を有するND膜15を作製することが可能である。
【0023】
最表層のMgF2膜14は光学膜厚n×d(n:屈折率、d:物理膜厚)で、λ=540nmとしてλ/4の厚さに成膜する。この最表層のMgF2膜14は、ND膜15面の反射率低減を目的として構成された反射防止膜であり、屈折率nが可視域の波長域で1.5以下のものとして選択されている。本実施例においては、反射防止膜にMgF2膜14を使用しているが、反射率低減を主目的としているため、屈折率の小さい材料であればよく、例えばSiO2膜等を使用した場合であっても、ほぼ同様のND膜15を作製することができる。
【0024】
本実施例における基板11としては、任意形状への加工性等の理由から透明プラスチック材を使用している。具体的には、耐熱性、柔軟性、更にはコスト的に基板材料として優れているノルボルネン系樹脂であるArton(JSR社製)を使用し、後述する無反射周期構造体を含まない部分の厚さが、200μmのフィルムを選択している。
【0025】
なお、本実施例においては基板11にArton(JSR社製)を選択したが、これに限らずZeonex、Zeonor(日本ゼオン社製、商品名)等の他のノルボルネン系樹脂を使用してもよい。更には、ノルボルネン系樹脂以外のPMMA、ポリカーボネート、PET、PEN、PC、POポリイミド系樹脂等の様々なプラスチック基板を使用することも可能である。
【0026】
一般的には、本実施例のようなNDフィルタ10として使用される基板11の材質としては、耐熱性(ガラス転移点Tg)が高く、曲げ弾性が大きく、更には可視光波長域において透明性が高く、吸水率が低い材料がより好ましい。本実施例のNDフィルタ10のように、薄いプラスチックフィルムから成る基板11上に成膜する場合には、上述した耐熱性や曲げ弾性、更にはコスト的な要因等を考慮すると、ノルボルネン系樹脂が最も適している材料の1つである。
【0027】
近年では、光の波長よりも短い周期構造を有する「Moth eye」と呼ばれるSWS(サブ波長格子)が、半導体やMEMS(Micro Electro Mechanical System)等に用いられている微細加工技術の向上と共に作製可能になっている。例えば、蛾の目を肉眼で観察した場合に黒く見える現象は、反射が抑制されていることを示唆しており、SWSにより表面反射が抑制されているためである。このことは、1967年にC.G.Bernhardによって蛾の目の表面に形成された数100nm単位の凹凸構造の反射率を測定することにより発見された。このSWSは入射する光の強度の殆どが0次回折光として物質内に透過し、0次以外の回折光を殆ど生じさせることがなく、任意形状への生成が可能となっている。
【0028】
図3はSWSの1つである円錐型の微細凹凸周期構造体21の斜視図を示し、上述したSWSの特徴を応用しフレネル反射を小さくする目的で表面に生成されている。また、微細凹凸周期構造体21の代りに、図4に示すような角錐型の微細凹凸周期構造体22を用いてもよい。図5は多数の円錐型の微細凹凸周期構造体21から成る無反射周期層23を、基板11の反射を抑制したい面に構成した場合の斜視図を示している。
【0029】
また、図6に示すような多数の逆円錐型の微細凹凸周期構造体24を用い、図7に示すように、基板11の反射を抑制したい面に無反射周期層25を構成してもよい。これにより、光が入射する前の媒質と後の媒質との光屈折率を人工的に滑らかに接続する分布とし反射を低減することもできる。
【0030】
これらの微細凹凸周期構造体21、22、24の作製に関しては、射出成型法や熱硬化樹脂成型法、UV硬化樹脂を使用した2P成型法等の様々な方法が考えられるが、本実施例では射出成型法により作製している。射出成型法は雄型と雌型とから構成される金型のキャビティ部に、溶融したプラスチック材料をスクリュにより高速・高圧で充填し、急冷させ金型から取り出すことにより、所望の形状を有した成型品を得る方法である。
【0031】
本実施例においては、図3に示すような円錐型形状の微細凹凸周期構造体21から成る無反射周期層23を採用している。NDフィルタ10の用途を考慮し、概略λ=400〜700nmまでの可視光波長領域の反射率を低減することを目的とし、高さ250nm、周期220nmで高さと周期の比(アスペクト比)が1以上となるように設計している。
【0032】
図4に示す角錐型の微細凹凸周期構造体22や、図6に示す逆円錐型の微細凹凸周期構造体24においても、設計値は微妙に異なるが、ほぼ同様の反射低減効果を得ることができる。従って、周期やアスペクト比等のターゲット値に対して一定の条件を満足していれば、何らかの拘束条件や、微細凹凸周期構造体の作製の難易度等の様々な要因から最適な形状を選択することが可能である。
【0033】
図3に示す微細凹凸周期構造体21の場合には、その配列は図8(a)で示す正方配列や、図8(b)で示す六方配列等が考えられるが、六方配列の方が基板11の材料の露出面が少ないため、反射防止効果が高いと云われている。しかし、本実施例においては、微細凹凸周期構造体21の作製上の都合から、図8(a)に示す正方配列を使用している。
【0034】
図9は本実施例におけるNDフィルタ10の断面図を示し、基板11上に上述したような無反射周期層23が形成され、基板11の他面には真空蒸着法によりND膜15が成膜されている。そして、成膜区域の何れの領域においても濃度が0.6となる単濃度タイプのND膜15を成膜しても、反射防止機能を向上させることができる。また、図10に示すNDフィルタ10のように、基板11の両面に無反射周期層23を形成することもできる。
【0035】
本実施例においては、面上にND膜15を形成しているが、これに限定されずNDフィルタ10以外の光学フィルタを生成する場合においては、目的とする薄膜を図2に示すND膜15の代りに積層すればよい。
【0036】
本実施例においてND膜15の成膜に使用した真空蒸着法は、膜厚を比較的に容易に制御でき、かつ可視光波長領域において散乱が非常に小さく、分光透過率の波長依存性を小さい値に制御することが可能な利点を有している。しかし、真空蒸着法に限定されず、スパッタリング法、IAD法、IBS法、イオンプレーティング法、クラスタ蒸着法等の成膜方法においても成膜が可能であり、目的や条件等を考慮し、最も適当な成膜方法を選択すればよい。
【0037】
図11は作製したNDフィルタ10のND膜15面の可視光波長領域の分光反射率のグラフ図を示し、可視光波長領域全域において分光反射率が0.5%以下となっている。例えば、本実施例のNDフィルタ10と同様の膜構成で、無反射周期層23を有していないNDフィルタを比較すると、ND膜15面の可視光波長領域における分光反射率は最大で3%程度となる。このように、本実施例による無反射周期層23を備えたNDフィルタ10では反射率が大幅に低減される。
【0038】
これはNDフィルタ10に入射する光線のうち、大気とND膜15の境界、及びND膜15と基板11の境界における分光反射率が、積層されたND膜15のMgF2膜14により低く抑制される。そして、基板11と大気の境界、つまり光線の射出面での反射率は、無反射周期層23により低減されている。
【0039】
なお、本実施例はND膜15の面側を光線の入射側、無反射周期層23が形成されている面を射出側としたが、無反射周期層23を形成した場合に、この面を入射側としても同様の効果が得られる。外観においても、皺やクラック等の発生がなく、良好なNDフィルタ10が得られる。
【0040】
図12はこのような特性を有するNDフィルタ10を使用したカメラの光量絞り装置の斜視図を示し、NDフィルタ10は絞り駆動部31により絞り羽根9a、9bの移動と共に、絞り地板開口部32内に出入り自在とされている。
【0041】
なお、従来の光量を減光するためのNDフィルタを用いた光量調節装置を含めた撮像光学系を通過した光線が、固体撮像素子の表面に結像するとき、一部の光線が素子表面や後群レンズの表面や鏡筒壁面で反射し、光量絞り装置側に戻って来る場合がある。この反射光が従来のNDフィルタで再反射して固体撮像素子に再入射することにより、上述の不具合が発生する。これを防止するために、通常は反射防止膜を施してあるND膜面を固体撮像素子側になるように配置するが、従来のNDフィルタ単体の時のように、ND膜を透過し反対側の基板と大気の境界面での反射は防止できない。
【0042】
また、従来のような反射防止膜は、片面側にのみ形成されたNDフィルタのような光学フィルタの形成時に同時に形成された場合において、反射防止膜を施した面の反射は抑制することができる。しかし、基板を透過して反対側の面での反射を防止することはできない。つまり、光学フィルタ層を透過し更に基板を透過した光は、再度大気中に接する面において反射し、入射側に戻ることになる。これにより、基板の屈折率等によって多少異なるが、大気中で反射を測定した場合には、最適な膜設計であったとしても、概ね4%程度の反射は理論的にも残ってしまう。
【0043】
従って、表面側に設けた反射防止膜だけでは抑制できる反射には限界がある。そこで、基板の両面に反射防止膜を成膜する手段も考えられるが、従来のNDフィルタのような光学フィルタの場合には、本来の目的である機能と並行して反射防止を考慮するための膜構成が複雑になり、層数が増大し膜厚が厚くなる。結果として、成膜工程上で発生する熱の負荷が大きくなったり、積層された膜そのものにより発生する応力が大きくなり、反りやクラックなどの別の不具合が生ずる可能性がある。これらの問題を解決するには、基板の材質や厚さ等を検討する必要があり、使用できる基板が非常に限定されたものになってしまう。
【0044】
そのため、本発明のカメラの光量絞り装置を図1のように適用することにより、ゴーストやフレアといったNDフィルタ10の反射光による不具合を低減することができる。
【0045】
この本実施例に示すように、無反射周期層23をND膜15の反対側の面に形成することにより、全ての面での反射を低減でき、ゴーストやフレアといったNDフィルタ10の反射光による不具合を低減することができるようになる。
【0046】
また、通常はNDフィルタ10に形成された反射防止膜であるMgF2膜14の分光反射率よりも、無反射周期層23の分光反射率の方が低いので、従来とは逆に無反射周期層23側を固体撮像素子7に向けて取り付けることにより、更に良好な分光反射率特性を得ることもできる。
【符号の説明】
【0047】
10 NDフィルタ
11 基板
12 Al2O3膜
13 TixOy膜
14 MgF2膜
15 ND膜
21、22、24 微細凹凸周期構造体
23、25 無反射周期層
【技術分野】
【0001】
本発明は、NDフィルタを備えた撮影光学系を使用するビデオカメラやスチルカメラ等のカメラに関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、ビデオカメラ或いはデジタルスチルカメラ等の撮影系には、CCDやCMOSセンサ等から成る固体撮像素子への入射光量を制御するための光量絞り装置が設けられている。この光量絞り装置は被写界が明るくなるに従い、より小さく絞り込まれる構造になっている。
【0003】
従って、快晴時や高輝度の被写体を撮影する際には、絞りは所謂小絞り状態となり、絞りのハンチング現象や光の回折現象等の影響を受け易く、像性能に劣化を生じさせる虞れがある。
【0004】
これに対する対策として、絞りの近傍にND(Neutral Density)フィルタを配置したり、絞り羽根に直接NDフィルタを貼り付けることにより光量の制御を行っている。これにより被写界の明るさが同一であっても、絞りの開口をより大きくできるような工夫をしている。
【0005】
近年では、撮像素子の感度が向上し、NDフィルタの濃度を濃くすることにより、光の透過率を更に低下させ、高感度の撮像素子を使用しても、明るい被写界に対して絞りの開口が小さくなり過ぎないようにする改善がなされている。また、NDフィルタを形成する基板には、ガラス等の透明基板も用いられるが、任意形状への加工性や、小型化・軽量化等の要望に伴い、近年ではプラスチック材料から成る基板も用いられてきている。
【0006】
NDフィルタの一般的な作製方法としては、真空蒸着法やスパッタ法等により、プラスチックやガラス等の透明基板上に多層膜を生成することにより作製している。
【0007】
また、NDフィルタにおいても、様々な理由から高精度化への要求が強まっており、その中でも概ねλ=400〜700nmまでの可視光波長領域全域における分光反射率を低減することが1つの大きな課題となっている。これは、最近の固体撮像素子の更なる高感度化、高精細化等に伴い、従来と同程度の反射率の低減を図ったとしても、撮影画像にゴーストやフレア等の不具合が生ずる可能性が高まってきたからである。
【0008】
NDフィルタの反射を低減させる方法としては、一般に真空蒸着法等によりNDフィルタの基板表面に反射防止膜を成膜している。ただし、基板表面に単層膜から成る反射防止膜を成膜させた場合においては、特定の波長では表面反射を低く抑制することも可能であるが、その波長以外の波長領域においては、反射が大きくなってしまう欠点がある。そこで、例えばSiO2、MgF2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、ZrO2等の屈折率の異なる数種類の薄膜を積層し、特許文献1に示すような多層膜を形成することにより、任意の波長領域の反射を抑制することが広く行われている。
【0009】
【特許文献1】特開平8−075902号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、上述のような多層膜で形成した反射防止膜の場合には、単層膜で形成した反射防止膜よりは広い波長域の反射を低減することができるが、やはり特定の波長領域でしか反射を抑制することができないことには変わりはない。より広い波長領域の反射低減を実現するには、多層膜を構成する薄膜材料が限定されている理由から、相当の層数を必要としたり、任意の光学特性を得るには膜設計値が複雑になってしまう等の問題がある。更には、光の入射角の変化や偏光状態の変化により、光学特性が大きく変化してしまう等の多くの欠点がある。
【0011】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、分光反射率を低減し、フレアやゴースト等の画像への不具合の発生を低減したNDフィルタを備えたカメラを提供することにある。
【0012】
また、所望の波長領域全域での反射を低減することで、反射光に起因した不具合を低減することができるNDフィルタを備えたカメラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記目的を達成するための本発明に係るカメラの技術的特徴は、被写体像を撮像する撮像素子と、該撮像素子に入射する光線が通過するための開口部と、該開口部を通過する前記光線の光量を減光するNDフィルタとを備え、該NDフィルタは、前記開口部内に出入り自在に設けると共に、反射防止の対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列した反射防止構造体を形成した側を前記撮像素子に向けて取り付けたことにある。
【0014】
また、本発明に係るカメラの技術的特徴は、被写体像を撮像する撮像素子と、該撮像素子に入射する光線が通過する開口部の大きさを変えて光量を調整する絞り羽根と、該絞り羽根に取り付け前記開口部を通過する前記光線の光量を減光するNDフィルタとを備え、該NDフィルタは、前記絞り羽根の移動に従って前記開口部内に出入り自在とすると共に、反射防止の対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列した反射防止構造体をを形成した側を前記撮像素子に向けて形成したことにある。
【発明の効果】
【0015】
本発明に係るカメラによれば、可視波長領域全域で分光反射率を低減し、反射光に起因したフレアやゴースト等の画像への悪影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】撮影光学系の構成図である。
【図2】ND膜の膜構成図である。
【図3】微細凹凸周期構造体の斜視図である。
【図4】変形例の微細凹凸周期構造体の斜視図である。
【図5】微細凹凸周期構造体を設けた基板の斜視図である。
【図6】変形例の微細凹凸周期構造体の斜視図である。
【図7】微細凹凸周期構造体を設けた基板の斜視図である。
【図8】微細凹凸周期構造体の配列例の説明図である。
【図9】微細凹凸周期構造体を有するNDフィルタの断面図である。
【図10】他の微細凹凸周期構造体を有するNDフィルタの断面図である。
【図11】NDフィルタの分光反射率のグラフ図である。
【図12】NDフィルタを使用した光量絞り装置の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明を図示の実施例を基に詳細に説明する。
図1はカメラの撮影光学系の構成図を示し、レンズ1、光量絞り装置2、レンズ3〜5、ローパスフィルタ6、CCD等から成る固体撮像素子7が順次に配列されている。光量絞り装置2においては、絞り羽根支持板8に一対の絞り羽根9a、9bが可動に取り付けられている。絞り羽根9aには、絞り羽根9a、9b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10が接着されている。
【0018】
しかし、濃度が薄いNDフィルタ10の場合には、濃度が薄くなるに従い反射率が高くなる傾向が強く、反射光に起因した様々な不具合が発生する可能性が高まる。
【0019】
経験的には、概ね濃度が1.0以下、透過率に換算すると10%以上のNDフィルタ10であると、反射に起因する不具合を発生させてしまうことになる。更には、濃度が0.5以下、透過率換算で約31.6%以上になると、その可能性が著しく高くなる傾向がある。なお、濃度(D)と透過率(T)との相関式は D=Log10(1/T)である。
【0020】
このような理由から、濃度1.0以下の濃度のNDフィルタ10においては、ND膜の他に反射防止膜をND膜の裏面に成膜する等の何らかの反射抑制手段が必要となる場合が多い。
【0021】
図2はNDフィルタ10のND膜の膜構成図を示している。透明プラスチック材から成る基板11上の第1、3、5、7、9層にAl2O3膜12、第2、4、6、8、10層にTixOy膜13が交互に積層され、最表層である第11層にMgF2膜14を成膜した計11層のND膜15が成膜されている。
【0022】
このND膜15は可視光波長領域における分光透過率の直線性や、基板11にプラスチックフィルムを使用していることから懸念される膜応力、成膜工程全体として発生する熱応力の問題等を十分に考慮して設計されている。各層の膜厚等の設計値は異なるが、Al2O3膜12の任意の数層又は全てのAl2O3膜12をSiO2膜に置換してもよい。そして、SiO2膜又はAl2O3膜12とTixOy膜13とを相互に積層する構成であっても、ほぼ同様の光学特性を有するND膜15を作製することが可能である。
【0023】
最表層のMgF2膜14は光学膜厚n×d(n:屈折率、d:物理膜厚)で、λ=540nmとしてλ/4の厚さに成膜する。この最表層のMgF2膜14は、ND膜15面の反射率低減を目的として構成された反射防止膜であり、屈折率nが可視域の波長域で1.5以下のものとして選択されている。本実施例においては、反射防止膜にMgF2膜14を使用しているが、反射率低減を主目的としているため、屈折率の小さい材料であればよく、例えばSiO2膜等を使用した場合であっても、ほぼ同様のND膜15を作製することができる。
【0024】
本実施例における基板11としては、任意形状への加工性等の理由から透明プラスチック材を使用している。具体的には、耐熱性、柔軟性、更にはコスト的に基板材料として優れているノルボルネン系樹脂であるArton(JSR社製)を使用し、後述する無反射周期構造体を含まない部分の厚さが、200μmのフィルムを選択している。
【0025】
なお、本実施例においては基板11にArton(JSR社製)を選択したが、これに限らずZeonex、Zeonor(日本ゼオン社製、商品名)等の他のノルボルネン系樹脂を使用してもよい。更には、ノルボルネン系樹脂以外のPMMA、ポリカーボネート、PET、PEN、PC、POポリイミド系樹脂等の様々なプラスチック基板を使用することも可能である。
【0026】
一般的には、本実施例のようなNDフィルタ10として使用される基板11の材質としては、耐熱性(ガラス転移点Tg)が高く、曲げ弾性が大きく、更には可視光波長域において透明性が高く、吸水率が低い材料がより好ましい。本実施例のNDフィルタ10のように、薄いプラスチックフィルムから成る基板11上に成膜する場合には、上述した耐熱性や曲げ弾性、更にはコスト的な要因等を考慮すると、ノルボルネン系樹脂が最も適している材料の1つである。
【0027】
近年では、光の波長よりも短い周期構造を有する「Moth eye」と呼ばれるSWS(サブ波長格子)が、半導体やMEMS(Micro Electro Mechanical System)等に用いられている微細加工技術の向上と共に作製可能になっている。例えば、蛾の目を肉眼で観察した場合に黒く見える現象は、反射が抑制されていることを示唆しており、SWSにより表面反射が抑制されているためである。このことは、1967年にC.G.Bernhardによって蛾の目の表面に形成された数100nm単位の凹凸構造の反射率を測定することにより発見された。このSWSは入射する光の強度の殆どが0次回折光として物質内に透過し、0次以外の回折光を殆ど生じさせることがなく、任意形状への生成が可能となっている。
【0028】
図3はSWSの1つである円錐型の微細凹凸周期構造体21の斜視図を示し、上述したSWSの特徴を応用しフレネル反射を小さくする目的で表面に生成されている。また、微細凹凸周期構造体21の代りに、図4に示すような角錐型の微細凹凸周期構造体22を用いてもよい。図5は多数の円錐型の微細凹凸周期構造体21から成る無反射周期層23を、基板11の反射を抑制したい面に構成した場合の斜視図を示している。
【0029】
また、図6に示すような多数の逆円錐型の微細凹凸周期構造体24を用い、図7に示すように、基板11の反射を抑制したい面に無反射周期層25を構成してもよい。これにより、光が入射する前の媒質と後の媒質との光屈折率を人工的に滑らかに接続する分布とし反射を低減することもできる。
【0030】
これらの微細凹凸周期構造体21、22、24の作製に関しては、射出成型法や熱硬化樹脂成型法、UV硬化樹脂を使用した2P成型法等の様々な方法が考えられるが、本実施例では射出成型法により作製している。射出成型法は雄型と雌型とから構成される金型のキャビティ部に、溶融したプラスチック材料をスクリュにより高速・高圧で充填し、急冷させ金型から取り出すことにより、所望の形状を有した成型品を得る方法である。
【0031】
本実施例においては、図3に示すような円錐型形状の微細凹凸周期構造体21から成る無反射周期層23を採用している。NDフィルタ10の用途を考慮し、概略λ=400〜700nmまでの可視光波長領域の反射率を低減することを目的とし、高さ250nm、周期220nmで高さと周期の比(アスペクト比)が1以上となるように設計している。
【0032】
図4に示す角錐型の微細凹凸周期構造体22や、図6に示す逆円錐型の微細凹凸周期構造体24においても、設計値は微妙に異なるが、ほぼ同様の反射低減効果を得ることができる。従って、周期やアスペクト比等のターゲット値に対して一定の条件を満足していれば、何らかの拘束条件や、微細凹凸周期構造体の作製の難易度等の様々な要因から最適な形状を選択することが可能である。
【0033】
図3に示す微細凹凸周期構造体21の場合には、その配列は図8(a)で示す正方配列や、図8(b)で示す六方配列等が考えられるが、六方配列の方が基板11の材料の露出面が少ないため、反射防止効果が高いと云われている。しかし、本実施例においては、微細凹凸周期構造体21の作製上の都合から、図8(a)に示す正方配列を使用している。
【0034】
図9は本実施例におけるNDフィルタ10の断面図を示し、基板11上に上述したような無反射周期層23が形成され、基板11の他面には真空蒸着法によりND膜15が成膜されている。そして、成膜区域の何れの領域においても濃度が0.6となる単濃度タイプのND膜15を成膜しても、反射防止機能を向上させることができる。また、図10に示すNDフィルタ10のように、基板11の両面に無反射周期層23を形成することもできる。
【0035】
本実施例においては、面上にND膜15を形成しているが、これに限定されずNDフィルタ10以外の光学フィルタを生成する場合においては、目的とする薄膜を図2に示すND膜15の代りに積層すればよい。
【0036】
本実施例においてND膜15の成膜に使用した真空蒸着法は、膜厚を比較的に容易に制御でき、かつ可視光波長領域において散乱が非常に小さく、分光透過率の波長依存性を小さい値に制御することが可能な利点を有している。しかし、真空蒸着法に限定されず、スパッタリング法、IAD法、IBS法、イオンプレーティング法、クラスタ蒸着法等の成膜方法においても成膜が可能であり、目的や条件等を考慮し、最も適当な成膜方法を選択すればよい。
【0037】
図11は作製したNDフィルタ10のND膜15面の可視光波長領域の分光反射率のグラフ図を示し、可視光波長領域全域において分光反射率が0.5%以下となっている。例えば、本実施例のNDフィルタ10と同様の膜構成で、無反射周期層23を有していないNDフィルタを比較すると、ND膜15面の可視光波長領域における分光反射率は最大で3%程度となる。このように、本実施例による無反射周期層23を備えたNDフィルタ10では反射率が大幅に低減される。
【0038】
これはNDフィルタ10に入射する光線のうち、大気とND膜15の境界、及びND膜15と基板11の境界における分光反射率が、積層されたND膜15のMgF2膜14により低く抑制される。そして、基板11と大気の境界、つまり光線の射出面での反射率は、無反射周期層23により低減されている。
【0039】
なお、本実施例はND膜15の面側を光線の入射側、無反射周期層23が形成されている面を射出側としたが、無反射周期層23を形成した場合に、この面を入射側としても同様の効果が得られる。外観においても、皺やクラック等の発生がなく、良好なNDフィルタ10が得られる。
【0040】
図12はこのような特性を有するNDフィルタ10を使用したカメラの光量絞り装置の斜視図を示し、NDフィルタ10は絞り駆動部31により絞り羽根9a、9bの移動と共に、絞り地板開口部32内に出入り自在とされている。
【0041】
なお、従来の光量を減光するためのNDフィルタを用いた光量調節装置を含めた撮像光学系を通過した光線が、固体撮像素子の表面に結像するとき、一部の光線が素子表面や後群レンズの表面や鏡筒壁面で反射し、光量絞り装置側に戻って来る場合がある。この反射光が従来のNDフィルタで再反射して固体撮像素子に再入射することにより、上述の不具合が発生する。これを防止するために、通常は反射防止膜を施してあるND膜面を固体撮像素子側になるように配置するが、従来のNDフィルタ単体の時のように、ND膜を透過し反対側の基板と大気の境界面での反射は防止できない。
【0042】
また、従来のような反射防止膜は、片面側にのみ形成されたNDフィルタのような光学フィルタの形成時に同時に形成された場合において、反射防止膜を施した面の反射は抑制することができる。しかし、基板を透過して反対側の面での反射を防止することはできない。つまり、光学フィルタ層を透過し更に基板を透過した光は、再度大気中に接する面において反射し、入射側に戻ることになる。これにより、基板の屈折率等によって多少異なるが、大気中で反射を測定した場合には、最適な膜設計であったとしても、概ね4%程度の反射は理論的にも残ってしまう。
【0043】
従って、表面側に設けた反射防止膜だけでは抑制できる反射には限界がある。そこで、基板の両面に反射防止膜を成膜する手段も考えられるが、従来のNDフィルタのような光学フィルタの場合には、本来の目的である機能と並行して反射防止を考慮するための膜構成が複雑になり、層数が増大し膜厚が厚くなる。結果として、成膜工程上で発生する熱の負荷が大きくなったり、積層された膜そのものにより発生する応力が大きくなり、反りやクラックなどの別の不具合が生ずる可能性がある。これらの問題を解決するには、基板の材質や厚さ等を検討する必要があり、使用できる基板が非常に限定されたものになってしまう。
【0044】
そのため、本発明のカメラの光量絞り装置を図1のように適用することにより、ゴーストやフレアといったNDフィルタ10の反射光による不具合を低減することができる。
【0045】
この本実施例に示すように、無反射周期層23をND膜15の反対側の面に形成することにより、全ての面での反射を低減でき、ゴーストやフレアといったNDフィルタ10の反射光による不具合を低減することができるようになる。
【0046】
また、通常はNDフィルタ10に形成された反射防止膜であるMgF2膜14の分光反射率よりも、無反射周期層23の分光反射率の方が低いので、従来とは逆に無反射周期層23側を固体撮像素子7に向けて取り付けることにより、更に良好な分光反射率特性を得ることもできる。
【符号の説明】
【0047】
10 NDフィルタ
11 基板
12 Al2O3膜
13 TixOy膜
14 MgF2膜
15 ND膜
21、22、24 微細凹凸周期構造体
23、25 無反射周期層
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被写体像を撮像する撮像素子と、
該撮像素子に入射する光線が通過するための開口部と、
該開口部を通過する前記光線の光量を減光するNDフィルタとを備え、
該NDフィルタは、前記開口部内に出入り自在に設けると共に、反射防止の対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列した反射防止構造体を形成した側を前記撮像素子に向けて取り付けたことを特徴とするカメラ。
【請求項2】
前記NDフィルタは透明基板上に屈折率が異なる複数の材料から成るND膜を設けたことを特徴とする請求項1に記載のカメラ。
【請求項3】
前記ND膜は最表層に反射防止膜を備え、該反射防止膜上に前記反射防止構造体を形成したことを特徴とする請求項2に記載のカメラ。
【請求項4】
前記反射防止構造体は円錐型の微細凹凸周期構造体であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のカメラ。
【請求項5】
前記反射防止構造体は逆円錐型の微細凹凸周期構造体であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のカメラ。
【請求項6】
前記反射防止構造体の高さと周期の比が1以上であることを特徴とする請求項4に記載のカメラ。
【請求項7】
前記透明基板はプラスチック基板としたことを特徴とする請求項2又は3に記載のカメラ。
【請求項8】
前記プラスチック基板はノルボルネン系樹脂としたことを特徴とする請求項7に記載のカメラ。
【請求項9】
前記NDフィルタの濃度の最大値は可視波長領域で1.0以下としたことを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載のカメラ。
【請求項10】
前記NDフィルタは前記撮像素子側に前記反射防止構造体を備えると共に、前記撮像素子側の反対側に、反射防止対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列した第2の反射防止構造体を備えたことを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載のカメラ。
【請求項11】
前記NDフィルタは可視光領域全域において分光反射率が0.5%以下としたことを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載のカメラ。
【請求項12】
被写体像を撮像する撮像素子と、
該撮像素子に入射する光線が通過する開口部の大きさを変えて光量を調整する絞り羽根と、該絞り羽根に取り付け前記開口部を通過する前記光線の光量を減光するNDフィルタとを備え、
該NDフィルタは、前記絞り羽根の移動に従って前記開口部内に出入り自在とすると共に、反射防止の対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列した反射防止構造体をを形成した側を前記撮像素子に向けて形成したことを特徴とするカメラ。
【請求項13】
前記NDフィルタの前記撮像素子側の反対側に、屈折率が異なる複数の材料から成るND膜を備え、該ND膜の最表層に反射防止膜を備えたことを特徴とする請求項12に記載のカメラ。
【請求項14】
前記NDフィルタは前記撮像素子側とは反対側に光の波長よりも短い周期の間隔で配列した第2の反射防止構造体を備えたことを特徴とする請求項13に記載のカメラ。
【請求項1】
被写体像を撮像する撮像素子と、
該撮像素子に入射する光線が通過するための開口部と、
該開口部を通過する前記光線の光量を減光するNDフィルタとを備え、
該NDフィルタは、前記開口部内に出入り自在に設けると共に、反射防止の対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列した反射防止構造体を形成した側を前記撮像素子に向けて取り付けたことを特徴とするカメラ。
【請求項2】
前記NDフィルタは透明基板上に屈折率が異なる複数の材料から成るND膜を設けたことを特徴とする請求項1に記載のカメラ。
【請求項3】
前記ND膜は最表層に反射防止膜を備え、該反射防止膜上に前記反射防止構造体を形成したことを特徴とする請求項2に記載のカメラ。
【請求項4】
前記反射防止構造体は円錐型の微細凹凸周期構造体であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のカメラ。
【請求項5】
前記反射防止構造体は逆円錐型の微細凹凸周期構造体であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のカメラ。
【請求項6】
前記反射防止構造体の高さと周期の比が1以上であることを特徴とする請求項4に記載のカメラ。
【請求項7】
前記透明基板はプラスチック基板としたことを特徴とする請求項2又は3に記載のカメラ。
【請求項8】
前記プラスチック基板はノルボルネン系樹脂としたことを特徴とする請求項7に記載のカメラ。
【請求項9】
前記NDフィルタの濃度の最大値は可視波長領域で1.0以下としたことを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載のカメラ。
【請求項10】
前記NDフィルタは前記撮像素子側に前記反射防止構造体を備えると共に、前記撮像素子側の反対側に、反射防止対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列した第2の反射防止構造体を備えたことを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載のカメラ。
【請求項11】
前記NDフィルタは可視光領域全域において分光反射率が0.5%以下としたことを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載のカメラ。
【請求項12】
被写体像を撮像する撮像素子と、
該撮像素子に入射する光線が通過する開口部の大きさを変えて光量を調整する絞り羽根と、該絞り羽根に取り付け前記開口部を通過する前記光線の光量を減光するNDフィルタとを備え、
該NDフィルタは、前記絞り羽根の移動に従って前記開口部内に出入り自在とすると共に、反射防止の対象とする光の波長よりも短い周期の間隔で配列した反射防止構造体をを形成した側を前記撮像素子に向けて形成したことを特徴とするカメラ。
【請求項13】
前記NDフィルタの前記撮像素子側の反対側に、屈折率が異なる複数の材料から成るND膜を備え、該ND膜の最表層に反射防止膜を備えたことを特徴とする請求項12に記載のカメラ。
【請求項14】
前記NDフィルタは前記撮像素子側とは反対側に光の波長よりも短い周期の間隔で配列した第2の反射防止構造体を備えたことを特徴とする請求項13に記載のカメラ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2012−133398(P2012−133398A)
【公開日】平成24年7月12日(2012.7.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−69250(P2012−69250)
【出願日】平成24年3月26日(2012.3.26)
【分割の表示】特願2006−233039(P2006−233039)の分割
【原出願日】平成18年8月30日(2006.8.30)
【出願人】(000104652)キヤノン電子株式会社 (876)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年7月12日(2012.7.12)
【国際特許分類】
【出願日】平成24年3月26日(2012.3.26)
【分割の表示】特願2006−233039(P2006−233039)の分割
【原出願日】平成18年8月30日(2006.8.30)
【出願人】(000104652)キヤノン電子株式会社 (876)
【Fターム(参考)】
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