专利名称:中灰滤光片及具有中灰滤光片的可变光阑装置和光学设备的制作方法
技术领域:
本发明涉及ND滤光片(中灰滤光片,中性滤光片)以及具有ND滤光片的可变光阑装置(iris device)和光学设备。
背景技术:
传统上,在诸如摄像机这样的图像拾取设备中,ND(NeutralDensity,中灰)滤光片已被用在其可变光阑装置中,以防止光圈(孔径)对于亮物场变得极小,从而避免不期望出现的现象,例如光的猎振(hunting)和衍射。
具体地说,已知有使用ND滤光片的可变光阑装置。例如,在日本专利申请公开No.2002-277612中公开了一种可变光阑装置,它使用具有阶跃变化的多灰度ND膜的阶跃变化ND滤光片,在日本专利No.03621941中公开了一种可变光阑装置,它使用灰度在大的灰度变化范围内以无级方式变化的渐变ND滤光片。
当在可变光阑装置中使用传统的ND滤光片时,需要相当复杂的控制。
具体地说,要计算在某一时间透过可变光阑装置的光量的测光值和适当的透射光量之间的差值,然后基于该差值,根据预定的算法来操作光圈叶片或ND滤光片,从而可以获得适当的曝光量。此外,为了获得最优曝光或者为了执行最优曝光校正,可以根据物体亮度来改变控制算法,或者在某些设备中,有关变焦镜头的设定焦距的信息以及有关镜头的对焦位置(长度)的信息也被用作控制参数。
按照以上描述,控制过程涉及非常复杂的控制因素。
此外,当通过移动ND滤光片以及改变ND滤光片的灰度(密度,density)来改变透射光量时,光圈的直径通常都很小。因而,ND滤光片灰度的微小差异都会导致透射光量的较大变化。
因此,特别是当灰度根据其操作量在任意位置都连续改变的灰度ND滤光片被用来控制光量时,很难确定操作量和透射光量之间的关系。
另一方面,在阶跃变化ND滤光片的情形中,只考虑灰度改变的位置就足够了。换言之,只考虑低灰度部分的面积和高灰度部分的面积之比就足够了。因此,由于可以基于与使用传统的均匀灰度ND滤光片的情形相类似的原理来执行控制过程,所以该控制过程相对简单。
然而,在阶跃变化ND滤光片的情形中,由于光被视为波,所以在滤光片有光通过的各区域中的ND膜的光学厚度的差异会引起相差,这会影响图像质量。具体地说,如在日本专利申请公开No.2004-253892(参见第22页和图24)中公开的,透射波前相差影响图像质量。
这是因为在以下这种阶跃变化ND滤光片中,通过改变具有相同恒定折射率的ND膜的厚度来改变灰度,在这种情况下,穿过因不同的ND膜厚度而具有不同灰度的各区域的光束的相位变得彼此不同,引起了使光减弱的干涉,因而使分辨率下降。当具有不同灰度的区域的面积彼此相等时,图像质量的恶化达到最大。如果这些区域之间的ND膜厚度的差异或者透射波前相差在此状态下发生改变,则MTF(调制传递函数)值(代表轴向光学特性)将随着周期λ改变。
MTF值按照以下方式改变。MTF值随着区域之间的相差从零开始增加而下降,并且MTF值在2λ/4的相差下达到极值并开始增大,随后在4λ/4的相差下达到极值并再次开始下降,然后在6λ/4的相差下达到极值并开始增大,在8λ/4的相差下再次达到极值。
与渐变ND滤光片相比,阶跃变化ND滤光片将遭受图像质量的下降,这是由于在不同灰度的区域之间的边界处的灰度不连续性而发生的衍射所引起的,特别是在灰度差较大的情况下。
根据上述,阶跃变化ND滤光片遭受衍射和透射波前相差的问题,使用阶跃变化ND滤光片的情况与使用渐变ND滤光片的情况相比,图像质量有时更差一些。
然而,使用阶跃变化ND滤光片的情况与使用渐变ND滤光片的情况相比,可变光阑装置的控制更加容易,并且可以在更短的时间内开发出控制程序。
发明内容
本发明是为了解决上述问题,目的是提供一种ND滤光片,使用它的可变光阑装置就象使用阶跃变化ND滤光片一样可以比较容易地控制。并且可以减小光学性能的下降。
根据本发明的典型ND滤光片设有具有均匀灰度的ND膜的第一区、具有与第一区的灰度不同的均匀灰度的ND膜的第二区和设在第一区和第二区之间的灰度过渡区。灰度过渡区具有灰度从第一区的灰度连续变到第二区的灰度的ND膜。
结合附图从以下对典型实施方案的描述中将会清楚本发明的其他特征。
图1A、1B和1C图示了根据本实施方案的ND滤光片的结构。
图2A和2B示意性地图示了真空气相沉积装置的腔室的内部。
图3图示了在产生灰度过渡区的过程中的衬底12和掩模17的布置。
图4是示出灰度过渡宽度和间隔距离之间的关系的曲线图。
图5是示出ND滤光片的结构的横截面图。
图6图示了可变光阑装置的结构。
图7A、7B和7C图示了可变光阑装置中的ND滤光片的操作。
图8示意性地图示了根据一个实施方案的光学设备的相关部分。
具体实施例方式
下面参考图1A、1B和1C来描述根据一个实施方案的用于调节光量的ND滤光片。
在图1A到1C中,标号10代表透明基件,标号11a到11d分别代表每一个都是多层膜的ND膜。根据该实施方案的ND滤光片具有灰度过渡区,该过渡区设在具有均匀灰度的ND膜的第一区和具有灰度不同于第一区的均匀灰度的ND膜的第二区之间,该过渡区具有灰度连续变化的ND膜。图1A图示了仅在透明基件10的一个表面上形成ND膜11a来实现上述结构的情形。图1B图示了在透明基件10的两个表面上形成ND膜11b、11c来实现上述结构的情形。图1C图示了图1A中示出的结构的修改方案,在该方案中,灰度过渡区设在第二区和一个具有100%透射率的区域(即,不形成ND膜的区域)之间。
应当注意,在图1A到图1C中,夸大地图示了ND膜和基件的厚度。
在布置具有不同灰度的ND膜时,允许提供三个或更多的均匀灰度区。然而,考虑到在基件和ND膜中的应力,均匀灰度区的数量的上限可以考虑为四个或五个。
因为每个区域可以被设计为具有任意需要的灰度,所以在根据下述实施方案的结构中,第一区的灰度D为1.0,膜厚度为500nm,第二区的灰度D为0.5,膜厚度为250nm。这里,灰度D被表示为D=-log10(透射率),即,当透射率是10%时,D=1.0,当透射率是32%时,D=0.5。
根据上述,在第一区的灰度D被设置为1.0,第二区的灰度D被设置为0.5时,第一区和第二区之间的透射波前相差近似为λ/2。
当谈及透射波前相差时,这种灰度上的关系并不是所需要的,但是从灰度设计的角度看,这些灰度值已经在传统的阶跃变化ND滤光片中采用,对于实际的阶跃变化ND滤光片而言需要这种关系。
利用气相沉积两次形成灰度D为0.5的均匀灰度膜,就可以完成ND膜的层积。如上所述,图1A图示了在透明树脂基件10的一个表面上,以一层压在另一层之上的方式形成两层这样的均匀灰度ND膜的情形。图1B图示了在透明基件10的一个表面上形成均匀灰度ND膜,在透明基件10的另一个表面上形成另一层均匀灰度ND膜的情形。图1C图示了在ND滤光片可以被半途插入光圈中的情形中最适合的结构。通过如图1C所示的结构的情形那样也在第二区的截止端部分连续地改变灰度,可以抑制图像质量的下降。
在上述结构中,如果在两个不同灰度区的边界处的灰度过渡是不连续的,那么由于大的灰度差将发生衍射。此外,取决于两个区的面积之比,透射波前相差的影响变大,并引起图像质量的下降(即,分辨率的降低)。
透射波前相差的产生取决于两个区的膜厚度的关系,即使灰度在两个区的边界处并非特别不连续也是如此。尤其是,当两个灰度区的面积的比例分别是50%时,图像质量的下降最为显著。
在该实施方案中,通过在两个灰度区之间提供一个具有一定宽度并且在该宽度上灰度连续改变的区域,就可以减小因透射波前相差引起的图像质量的下降。例如,如果两个均匀灰度区的面积比例分别是40%,则提供一个比例为20%的灰度过渡区。
如上所述,根据该实施方案的ND滤光片,即使在两个均匀灰度区之间的灰度差较大的情况下,也可以减小衍射的影响。此外,即使在透射波前相差的值使分辨率下降的情况下,也就是说,例如当透射波前相差是2λ/4或6λ/4时,也可以减小分辨率的下降。此外,通过将灰度过渡区设计为具有不超过预定上限的宽度,就可以采用与使用传统阶跃变化ND滤光片的可变光阑装置的控制系统相同或类似的控制系统,因而可以减少开发控制系统的工作。
这意味着在要开发配备传统的阶跃变化ND滤光片的产品的情况下以及在要开发配备根据本发明的ND滤光片的产品的情况下,用于可变光阑装置的控制电路可以是相同的。因此,可以节省开发和制造控制电路的工作。
下面将描述制造上述具有灰度过渡区的ND滤光片的方法。在该实施方案中,使用真空气相沉积方法来制造ND滤光片。
图2A和2B是图示了真空气相沉积装置的腔室的内部的示意图。在图2A中,标号12表示将在上面形成膜的衬底,标号15表示气相沉积伞(vapor deposition umbrella),标号16表示气相沉积源,标号17表示掩模。图2A中的衬底12包括衬底夹具14和设在其上的基件13(即,透明基件10),如图2B详细示出的。
根据典型的真空气相沉积法,如图2A所示,腔室中的衬底12被设置在气相沉积伞15上,在连同衬底12旋转气相沉积伞15的同时完成膜形成过程。在该实施方案中,图3中所示的掩模17与每个衬底12平行地被置于衬底12的气相沉积源16一侧,放在与衬底12相隔一段期望距离的位置上。利用该布置,所要沉积的沉积粒子有时可以穿过掩模17并到达衬底12,有时会被掩模17阻挡,无法到达衬底12,这取决于气相沉积源16、衬底12和掩模17之间的几何位置关系。这样就可以获得灰度过渡区中的ND膜厚度分布,在该灰度过渡区中,灰度在两个均匀灰度区之间连续变化。
在以上布置中,如果掩模17在沉积时紧密接触衬底12,则在沉积ND膜的区域和未沉积ND膜的区域之间产生陡的(即,不连续的)边界。相反,掩模17和衬底12之间的距离越宽,边界就越模糊。
图4示出了灰度过渡区的宽度(灰度过渡宽度)与衬底12和掩模17间的空间距离(间隔距离)之间的关系。从图4中可以看出,当如本实施方案一样要在0.1mm到0.3mm的宽度上改变灰度时,理想的是将间隔距离设置在0.2mm到0.6mm的范围内。
我们使用上述方法生产具有灰度过渡区的ND滤光片,该灰度过渡区设在分别具有图1A到1C所示的均匀灰度的两个灰度区(第一灰度区和第二灰度区)之间的边界部分中,在该灰度过渡区中灰度连续地变化。
虽然以上描述涉及使用真空气相沉积法在基件上形成薄膜的情形,但是根据本发明的ND滤光片不仅可以使用气相沉积法来生产,还可以利用溅射、喷墨打印以及其他方法来生产。这些形成膜的方法是公知的,这里省略对它们的描述。
下面将描述在生产该实施方案的ND滤光片的过程中的不同条件。
首先,象图3所示那样的两个掩模被设置在将进行沉积的每个衬底的气相沉积源一侧,并且在图5所示的各层中,第一层和除最外层以外的所有后续层都是通过真空气相沉积形成的。所使用的基件13是厚度为75μm的PET基件。
之所以采用真空气相沉积法是因为利用该方法,可以相对容易地控制膜厚度,并且用该方法生产的ND滤光片具有在可见波长范围内几乎没有衍射的优点。
所选择的基件的材料是PET,它具有高的耐热性(高的玻璃化转变点Tg)、在可见波长范围中的高透明度以及低的吸水系数。基件可以由聚碳酸酯或降冰片烯树脂制成。
接着,从腔室中除去设在每个衬底上的掩模,形成最外层,以满足光学膜厚度n×d(n折射率,d机械膜厚度)等于λ/4(λ540nm)的条件。
选择最外层的材料,使其在可见波长范围内具有小于或等于1.5的折射率n。具体地,所使用的材料是MgF2。与上述相关,如果第一层到最外层中的所有层都是使用图3中所示的掩模,以不同的膜厚度形成的,则不会满足抗反射条件。结果,反射率将会提高,产生使图像质量下降的现象,例如“鬼影(重影)”或“晕光(flare)”。考虑到这种因素,我们在去除掩模后形成最外层,以使最外层的膜厚度在整个衬底上均匀。
下面将描述使用这样生产出来的ND滤光片的可变光阑装置。
配备有该可变光阑装置的图像拍摄装置的光接收元件的尺寸为1/2英寸,这是摄像机的固态图像拾取元件的典型尺寸。在全打开状态下的光圈直径假定为5mm。通过改变由多个光圈叶片组成的光圈的直径来调节光量的可变光阑装置一般被用在诸如摄像机这样的图像拍摄装置的拍摄光学系统中。
在这样的图像拍摄装置中,使用一种光量调节装置,该光量调节装置组合使用光圈叶片和用来减少穿过光圈的光量的ND滤光片,以防止光圈直径变得过小,如图6所示。在图6中,标号4代表ND滤光片,标号5和6代表光圈叶片。
在使用图6中所示的光圈叶片5、6和ND滤光片4来调节光量时,在用于驱动光圈叶片的马达(未示出)和用于驱动ND滤光片的马达(未示出)附近配备例如霍尔元件和检测电路,用于控制对所述马达的驱动。在这样做时,预先获得霍尔元件的对应于各个马达中的转子的旋转的输出电压与光圈叶片或ND滤光片的位置的关系,并且在监视霍尔元件的输出电压的同时驱动和控制马达。
使用具有不连续灰度边界的阶跃变化ND滤光片的情形和使用渐变滤光片的情形之间进行的比较表明在某些ND滤光片位置上,在霍尔元件的输出电压在两种情形下相同的位置上,存在大于0.5EV的光量差。这是因为如前面结合现有技术的问题所述,在因渐变ND滤光片的连续灰度变化引起的透射光量的变化和因阶跃变化ND滤光片引起的透射光量变化之间存在固有的差。
另一方面,在使用在灰度边界处具有不连续的灰度变化的阶跃变化ND滤光片的情形和使用根据本实施方案的、具有宽度在0.2mm到0.3mm范围内的灰度过渡区的ND滤光片的情形之间进行的比较表明光量差最大约为0.09EV,这不会产生很大影响。这是因为即使因灰度过渡区的位置或其他因素的改变而产生透射光量的差,由于其面积与光圈面积相比较小,所以这种差也是小到不会产生什么实质影响。
在以上试验中使用的控制系统中,当F数从全光圈(F/2.0)变为F/3.0时,光圈叶片使光圈直径变小(图7A)。当F数从F/3.0变为F/10(由对应于光量减少量的等效F数来表示)时,光圈叶片保持在固定的位置上(即,光圈叶片处于达到F/3.0的位置上),并通过将具有两个灰度区的ND滤光片插入光圈中(图7B)来减少光量。在大约F/10处,灰度过渡区离开光圈区域,更高灰度区覆盖了整个光圈区域(图7C)。此后,ND滤光片保持静止,只有光圈叶片被驱动(这样的驱动系统例如公开在日本专利申请公开No.2000-106649中)。
在进行有关ND滤光片的操作和光量之间的关系的试验的大约F/3.0处,由光圈叶片形成的光圈的面积为7.1mm2,正方形光圈的对角线长度为3.77mm。
在此状态下,ND滤光片的移动方向基本上平行于对角线。灰度边界部分(或者灰度过渡区)具有沿ND滤光片的移动方向的灰度梯度,并且沿着与移动方向垂直的方向没有灰度变化。
如果灰度过渡区的宽度为0.1mm,则该过渡区的面积与光圈面积之间的比例为5.26%,如果该过渡区的宽度为0.2mm,则面积比例为10.4%,如果该过渡区的宽度为0.3mm,则面积比例为15.5%。
当灰度过渡区相对于光圈移动时,灰度过渡区与光圈重叠的部分的面积以及这一面积相对于光圈面积的比例都发生改变。灰度过渡区的面积相对于上述光圈面积的上述比例是当灰度过渡区大致处于透射波前相差的影响占据最主导地位的中心位置时测量出的值。
当灰度连续改变的灰度过渡区的宽度小于0.1mm,并且灰度过渡区位于正方形光圈的角部附近时,一个光圈叶片和高灰度均匀灰度区形成与光圈处于小光圈状态时类似的形状,类似地,在灰度变化在灰度边界处不连续时,它们形成与光圈类似的形状。这样,在衍射和透射波前相差的影响下,图像质量的下降就变得比较明显了。为了避免所述影响,宽度至少为0.1mm的灰度过渡区是必需的。
关于上限,宽度为0.4mm的灰度过渡区减少透射波前相差和衍射的影响。然而,由于它的结构类似于渐变ND滤光片,所以在上述同样的试验条件下将遭受显著的曝光误差。
这里用下式来表示因足够大的光圈面积和实际光圈面积之间的差在相同的控制条件下所引起的光量调节装置的透射光的量的差(即,曝光量误差EV)Log(S2/S1)/Log2=曝光量误差EVS2实际光圈面积S1足够大的(或目标)光圈面积该式表达了这样一个事实当光圈面积加倍或减半时,透射光量(曝光量)改变1EV。
通常说,在使用诸如CCD等固态图像拾取元件的摄像机、数码相机等中,与足够大光圈之间的可允许误差(偏差)最大为±0.15EV,优选的是误差为±0.1EV或更小。
用±0.15EV取代上式的右侧Log(S2/S1)/Log2=±0.15EV,我们发现S2/S1的以下值S2/S1=1.11,0.90。
这意味着允许实际光圈面积在光圈直径变大的一侧偏离正确的光圈位置多达11%,在光圈直径变小的一侧偏离多达10%。
这些可允许的曝光量误差值可适用于可变光阑仅由具有0%透射率的部分和具有100%透射率的部分组成的情形,就像可变光阑由普通的光圈叶片组成的情形一样。如果在这些部分的边界上设有灰度连续变化的区域,考虑曝光量的可允许的11%的增长,那么该区域可允许的最大面积为22%。然而,考虑曝光量的可允许的10%的减少,该区域可允许的最大面积为20%。
实际当中,可变光阑配备有ND滤光片,该ND滤光片不会完全阻挡光。然而,如前所述,在普通的光量调节装置中使用并且遭受上述问题的高灰度ND滤光片的透射率落在大约10%到30%的范围内,从上式中导出的结果近似地适用于它们。另一方面,由于相对低灰度的ND滤光片不太可能引起诸如衍射这样的问题,所以本发明不是必需的。
此外,从理论上说,通过将灰度连续改变的区域的中心布置为达到光圈的中心,就可以将曝光误差减小到零。然而,考虑到生产灰度连续改变的区域的方法,这在技术上是很难的,而且为了防止曝光控制方法变难,优选的是将灰度连续改变的区域的宽度限制在上述范围内,为最坏情况做准备。
当在光圈内,相邻的均匀灰度区的面积基本上彼此相等时,灰度过渡区的存在对曝光量的影响变得最大。因此,灰度连续改变的区域(灰度过渡区)的面积此时应被保持为小于光圈面积的20%。换言之,如果灰度过渡区的宽度被设计为存在于光圈内的灰度过渡区的面积小于光圈面积的20%,那么曝光量的误差可以保持在±0.15EV以内。因此,可以利用与控制包含传统阶跃变化ND滤光片的可变光阑装置相同的控制电路来令人满意地控制包含具有这样的灰度过渡区的滤光片的可变光阑装置。
与包含具有上述这样的灰度过渡区的滤光片的可变光阑装置相关,当在该实施方案中可允许的曝光量误差是0.09EV时,通过计算获得的没有ND滤光片的面积的可允许误差是6.44%,即,在ND滤光片的该实施方案中,灰度连续改变的区域的可允许最大面积是光圈面积的12.9%,它的可允许的最大宽度约为0.25mm。这基本上与以上计算的结果是一致的。因此,当在该实施方案中可允许的曝光量误差是0.15EV时,灰度连续改变的区域的可允许最大面积是光圈面积的20%,其可允许的最大宽度约为0.4mm。
根据上述,在灰度边界上灰度连续改变的区域的可允许宽度是0.1mm或更宽,当在光圈内的相邻的均匀灰度区的面积大致彼此相等时,灰度过渡区的可允许最大面积是光圈面积的20%。更优选的是,灰度过渡区的面积在光圈面积的15%以内。
虽然以上对实施方案的描述讨论的是具有两种灰度的ND滤光片,但是以上描述同样适用于具有三种或更多种灰度的ND滤光片。
下面参考图8来描述另一个实施方案,在该实施方案中,具有根据本发明的ND滤光片的可变光阑装置被应用于一个光学设备(摄像机)。
在图8中,标号1指的是包括透镜单元1A到1D的拍摄光学系统。标号2代表固态图像拾取元件,例如CCD,它接收由拍摄光学系统1形成的光学图像,并将它转换成电信号。标号3代表低通滤光片。拍摄光学系统1具有包括图6中所示的ND滤光片4和光圈叶片5、6的可变光阑装置。
根据具有以上结构的实施方案,可以提供一种预计可以提高分辨率的ND滤光片。此外,当使用该ND滤光片的可变光阑装置被用于具有固态图像拾取元件和拍摄光学系统的光学设备时,可以节省开发和生产其控制电路的工作。
更具体地说,在开发一系列产品,包括配备有传统的阶跃变化ND滤光片的产品和配备有根据本发明的ND滤光片的产品时,共用的可变光阑装置的控制电路可被用在两种类型的产品中。这方便了控制电路的开发和生产。
虽然已结合典型实施方案描述了本发明,但是应当理解本发明不限于所公开的典型实施方案。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释,以便将所有的修改以及等同结构和功能包括进来。
本申请要求2005年8月30日递交的日本专利申请No.2005-248717的优先权,以引用的方式将该申请的全部内容包含进来。
权利要求
1.一种中灰滤光片,包括具有均匀灰度的中灰膜的第一区;具有与第一区的灰度不同的均匀灰度的中灰膜的第二区;和设在第一区和第二区之间的灰度过渡区,该灰度过渡区具有灰度从第一区的灰度连续变到第二区的灰度的中灰膜。
2.根据权利要求1的中灰滤光片,其中,所述第一区具有的所述中灰膜和所述第二区具有的所述中灰膜被形成在基件的同一表面上。
3.根据权利要求1的中灰滤光片,其中,所述第一区具有的所述中灰膜和所述第二区具有的所述中灰膜中的至少一个被形成在基件的两个表面上。
4.根据权利要求1的中灰滤光片,其中,所述灰度过渡区的宽度等于或大于0.1mm,并且等于或小于0.4mm。
5.一种可变光阑装置,包括形成光圈的光圈叶片;和用于减少穿过所述光圈的光量的中灰滤光片,所述中灰滤光片包括具有均匀灰度的中灰膜的第一区;具有与第一区的灰度不同的均匀灰度的中灰膜的第二区;和设在第一区和第二区之间的灰度过渡区,该灰度过渡区具有灰度从第一区的灰度连续变到第二区的灰度的中灰膜。
6.根据权利要求5的可变光阑装置,其中,所述灰度过渡区的宽度等于或大于0.1mm,并且等于或小于0.4mm。
7.根据权利要求5的可变光阑装置,其中,将所述灰度过渡区的宽度设计为当在所述光圈内,所述第一区的面积和所述第二区的面积彼此相等时,在所述光圈内的所述灰度过渡区的面积等于或小于所述光圈的面积的20%。
8.一种光学设备,包括包括根据权利要求5的可变光阑装置的光学系统;和接收由所述光学系统形成的图像的固态图像拾取元件。
全文摘要
本发明公开了一种中灰滤光片及具有中灰滤光片的可变光阑装置和光学设备。当将该中灰滤光片用在可变光阑装置中时,使得对光量的控制变得相对容易,并且实现很好的光学性能。该中灰滤光片具有具有均匀灰度的中灰膜的第一区,具有与第一区的灰度不同的均匀灰度的中灰膜的第二区,和设在第一区和第二区之间的灰度过渡区。该灰度过渡区具有灰度从第一区的灰度连续变到第二区的灰度的中灰膜。
文档编号G03B9/02GK1924623SQ20061012660
公开日2007年3月7日 申请日期2006年8月30日 优先权日2005年8月30日
发明者若林孝幸, 内山真志, 斋藤康典, 柳道男 申请人:佳能电子株式会社