濾光器以及制造濾光器的方法

專利名稱：濾光器以及制造濾光器的方法
技術領域：
本發明涉及利用碳納米管的濾光器以及制造該濾光器的方法。
背景技術：
通常，當利用成像裝置例如照相機或攝像機拍攝光線強烈的場所時 或者當照片和圖像紋理變化時，采用使入射到成像裝置的光強度降低特
定比例的濾光器(ND濾光器；中性密度濾光器(natural density filter))。 這類濾光器包括在樹脂材料中分散有吸收特定波長光的吸收劑的濾光 器或在表面上沉積有無機膜的濾光器。此外，在未審查的日本專利公開 z^報No. 2004-145054中z〉開了在透明襯底上涂布分散有碳納米管的墨 的濾光器。
在未審查的日本專利公開公報No. 2004-145054中公開的濾光器是 通過將分散有碳納米管(碳納米管；下文中稱為CNT)的墨涂布到襯 底例如透明玻璃或塑料的表面上形成的。CNT是導電的。如果應用在 未審查的日本專利公開公報No. 2004-145054中公開的濾光器，則還可 能抑制在滑動操作時在濾光器中靜電的產生。
另一方面，含有CNT時，透光率隨著光波長變長而增加。因此， 在ND濾光器中使用CNT以獲得與光波長無關的基本均勻的透射特性 是困難的。
此外，例如在合成大量的CNT時使用氣相外延法。在這種情況下， 利用鎳顆粒作為催化顆粒來生長CNT。形成末端支撐在鎳顆粒上的 CNT。但是，隨后在生長結束時，鎳顆粒構成相對于CNT的雜質。這 是因為在使用時鎳顆粒可能對CNT有不利的影響。例如，CNT是導電 的，但是這種導電性可能因為鎳顆粒的影響而變得不穩定。為了消除這 種不利因素，優選在CNT生長完成之后去除支撐CNT的鎳顆粒。但是， 這必須提供獨立于CNT生產過程的純化過程以去除鎳顆粒。然后，去 除鎳顆粒的CNT生產工藝變得十分復雜。結果，制造CNT的成本增加， 進而導致所有利用該CNT制造的濾光器的價格上升。
4而且，從CNT中選擇性去除鎳顆粒是極為困難的，并且至今仍沒 有建立從CNT中選擇性去除鎳顆粒的有效方法。
因此，希望以更直接且廉價的方式實現制造濾光器的方法，其中所 述濾光器具有相對于波長的基本均勻的透射特性并且具有優異的光學 特性。

發明內容
本發明解決上述問題。本發明的一個目的是提供廉價并且具有優異 光學特性的濾光器以及制造該濾光器的方法。
為了實現上述目的，本發明第一方面的濾光器由其中混有碳納米管 和金屬顆粒的樹脂制成。至少一些金屬顆粒支撐碳納米管的末端。
所述金屬顆粒優選是鎳。
所述碳納米管的外徑優選為300nm或更小。
所述碳納米管優選以0.01 20wt。/。的比例混合。
所述金屬顆粒的粒徑優選為300nm或更小。
所述金屬顆粒優選以0.01 20wt。/。的比例混合。
為了實現上述目的，本發明第二方面的一種制造濾光器的方法包 括利用金屬顆粒作為催化顆粒來形成碳納米管的碳納米管形成步驟； 通過將所述碳納米管和用作催化顆粒的金屬顆粒分散在熔融且透明的 樹脂中來形成濾光材料的濾光材料形成步驟；將濾光材料注入具有對應
于濾光器形狀的模腔的模具中以利用濾光材料填充模腔的填充步驟；硬 化填充模腔的濾光材料的步驟；和將濾光器從模具中取出的取出步驟。
除了用作催化顆粒的金屬顆粒之外，還可以在濾光材料形成步驟中 分散金屬顆粒。


當閱讀以下詳細"^兌明以及附圖時，本發明的這些目的和其它目的以 及優點將變得更加顯而易見，其中圖1A是本發明一個實施方案的濾光器的示例性結構的圖； 圖1B是沿圖1A所示的I-I的截面圖2是表示安裝有本發明實施方案的濾光器的成像裝置的圖3是表示在透明膜上形成的CNT層的透光率的圖4是表示在透明膜上形成的鎳層的透光率的圖5是表示在透明膜上形成CNT層和鎳層時的透光率的圖6是表示碳納米管末端支撐在微細金屬顆粒上的情況的示意和
圖7是用于制造本發明優選實施方案的濾光器的固定模具和可動模 具的截面圖。
具體實施例方式
現在將利用顯示本發明一個實施方案的濾光器以及制造該濾光器的方 法的圖來進^i兌明。
圖1A和圖1B中示出本發明該實施方案的濾光器IO。圖1A《一表示濾 光器10的示例性結構的平面圖。圖1B是沿圖1A的I-I的截面圖。圖2 是示出采用濾光器10的成像裝置20的示意圖。
如圖1A所示，濾光器10具有平板11、可轉動銷(pin) 12、和致動 銷(actuating pin) 13。平板11的形狀類似平板狀，具有葉片并且具有預 定石itl。可轉動銷12形成在平板11的一端。致動銷13形成在平板11的 一端并且形成為朝向與可轉動銷12相反的表面凸出。然后入射光穿過由圖 1A中點劃線表示的平板ll的部分區域(光衰減區10a)并衰減預定的量。
濾光器10安裝在成像裝置20內，如圖2所示。可轉動銷12裝配到濾 光器支撐基板23上的孔中并用作濾光器10的轉動中心J吏致動銷13通過 致動器(未示出)來^Mt。濾光器10以可轉動銷12為中心轉動。平板ll、 可轉動銷12和致動銷13整M制成型，如下所述。
如圖2所示，當放置濾光器10以i^擋濾光器支撐基tl 23的開口 23a 時，光衰減區10a覆蓋開口 23a，自光圏22的開口 22a入射的光被衰減預定的量。光衰減區10a的表面積等于或大于濾光器支撐基板23的開口 23a 以及光團22的開口 22a。入射到成像裝置20的光僅僅穿過光衰減區10a。 這意味著在至少光衰減區10a處的光衰減比例相對于波長是基本固定的。 在該實施方案中，光主要由^t^平板11中的CNT和鎳顆粒所衰減。因 此，CNT和鎳在至少光衰減區10a具有基本固定的分布是合適的。此夕卜， 由于CNT在平板ll內的a，因此平板ll的表面以不規則的方式形成。 這確保在平板11的表面上發生的反射得到有效抑制。
如圖2所示，成像裝置20具有透鏡21a 21c、光團22、濾光器10、 濾光器支撐^L23、成像元件24和底板25。濾光器10安裝在成像裝置 20內的濾光器支撐基tl 23上。可轉動銷12裝配在濾光器支撐基仗23上 設置的孔中。致動銷13與致動器(未示出)配合。當致動器驅動致動銷 13時，濾光器10以可轉動銷12為中心轉動，并且光衰減區10a遮擋和解 除遮擋濾光器支撐14123的開口 23a。然后光衰減區10a佳入射自透鏡21a 和光圏22的光衰減。光衰減的比例在可見光區g本固定。因此對于到達 安裝在底板25上的CCD (電荷耦合器件)和成像元件24例如CMOS (互 補金屬氧化物半導體)的光的顏色影響不大。
通過將CNT和鎳粉末混合在透明樹脂中來形成平板11,將平板11制 成重量輕至仍可進行轉動操作的程度，因此平板11具有例如30pm ~ 200jim的厚度。
構成平板11的透明樹脂U夠光學透明的。例如，PC(聚碳酸酯)、 PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、PS (聚苯乙烯)PET(IW苯二曱酸乙二醇 酯)、PES(聚醚砜)、脂環族烯烴樹脂、脂環族丙烯酸樹脂、降水片烯耐 熱透明樹脂、和丙烯酸烯烴共聚物等可用作透明樹脂。
^t在平板11中的CNT由碳制成并且是中空圓柱形的。當CNT直 徑過大時，使得可見光色散并產生混濁(cloudiness).例如，對于CNT 而言希望具有10~300nm的外徑和0.1~30f n的長度。此外，有必要固 定濾光器10的光衰減比例。濾光器10的光衰減比例在大量加入CNT時 變高，在少量加入CNT時變低。然后賴^據濾光器10所需的衰減比例來調 整加入CNT的比率。當加入到樹脂中的CNT的比率增加時，濾光材料的 粘度增加。然后這可能M礙濾光材料的印刷和CNT層的成形等。因此 必須根據所要求的光衰減比率、印刷、和模制成型性能等來確定加入的 CNT量。在該實施方案中，加入0.01 20wt。/o的CNT。此外，M在平板11內的CNT具有如圖3所示的光學特性。圖3表 示在與透明樹脂混合的CNT層的表面上形成的透明膜(PET膜)的透光 率。在透明膜(75pm厚)上分別形成下列樹脂并利用波長連續變化的光 來照射厚10fim、加入0 wt% CNT的透明樹脂；厚10jim、加入 0.33wt%CNT的透明樹脂；厚20nm、加入0.66wt% CNT的透明樹脂。然 后測量透光率。從圖3清楚可知，僅由透明樹脂形成的沒有加入任何CNT 的透明膜表現出相對于波長的基本固定的透光率。另一方面，當加入 0.33wt。/。的CNT和當加入0.66wt。/。的CNT時，在兩種情況下透光率都隨 著波長變長而增加。因此，可以說透光率隨波長的變化是源于CNT的。
優選^t在平板11中的鎳顆粒的粒徑是可見光區波長的約十分之一 或更小，以防止散射。具體地，鎳顆粒的粒徑優選為300nm或更小。此外， 當^t的鎳顆粒數量少時，光的衰減不足并JL^于均勻^t。另一方面， 當分散的鎳顆粒數量過多時，^t鎳顆粒的樹脂的粘度增加并且印刷等變 得困難。因此，優選鎳顆粒以相對于透明樹脂約0.01 20wt。/o來混合。
在該實施方案中，鎳顆粒^b^平板11中并且在CNT的合成過程中 用作催化顆粒。如下文所述，從鎳顆粒出發生長CNT，同時管狀CNT的 末端支撐在(固定至)鎳顆粒處。因此，至少一些鎳顆粒以附著于CNT 末端的狀態^t。
此外，^L在平板11中的鎳顆粒具有如圖4所示的光學特性。圖4表 示通過利用濺射在透明膜(PET膜)上形成厚度為15nm、 50nm、和100nm 的鎳層然后利用波長連續變化的光照射所獲得的透光率。透明膜的厚度是 lOOjrni。在該實施方案中，采用鎳顆粒^t在樹脂中的結構，但是實質上， 由于粒徑小，因而對于利用賊射形成鎳層的實驗結果可得到相同的特性。 從圖4清楚可知，當提供100nm厚的鎳層時，幾乎所有波長的光均沒有透 過。甚至對于50nm的厚度，僅僅約2%光透過并且透光率相對于波長基 本上不變化。另一方面，當形成厚度15nm的鎳層時，20~30%的光透過， 同時透光率隨著波長變長而顯著下降。當形成具有大于2%透光率的鎳層 時，鎳層表現出隨波長變長透光率下降的特性。
在透明膜上形成有鎳層和CNT層的情況下，透明膜還具有如圖5所示 的透光率特性。對于該透明膜，通過在100nm厚的透明膜(PET膜)上 氣相沉積鎳來形成15nm厚的鎳層。然后將加入有CNT的透明樹脂印刷到 鎳層上并形成透明樹脂層。如圖5所示的透光率特性是其中加入了 CNT的透明樹脂層的厚度和加入透明樹脂的CNT的量變化的透明膜的透光率 特性。具體地，測量具有lljim的CNT層且加入0.33wt。/。比率的CNT的 透明膜的透光率以及具有22nm的CNT層且加入0.66wt。/。比率的CNT的 透明膜的透光率。比較圖3、 4和5可以清楚看出，由于形成覆蓋的鎳層和 CNT層，因而對于各波長的透光率特性的梯度相對于光波長是基本均勻 的。
由于該實施方案的濾光器10配置為由分^L有CNT和鎳的透明樹脂形 成的平板11構成，因此通過使CNT的透光率特性和鎳顆粒的透光率特性 相互交替互補來為該實施方案的濾光器10提供相對于波長的基本均勻的 透光率特性。
此外，CNT ^t在該實施方案的濾光器10的上表面上。因此，濾光 器10的表面是不規則的。因此可抑制在濾光器10表面處產生的光>^射。 CNT是導電的。這意味著即使轉動如圖2所示的成像裝置20內的濾光器 10，濾光器10也以有效的方式抑制靜電的產生。
在該實施方案中，濾光器10通過注射成型來形成。可轉動銷12和致 動銷13與平板11形成為整體。因此增大了可轉動銷12、致動銷13和平 板ll的復合平面的強度。因此，相對于可轉動銷12、致動銷13和濾光器 10的轉動操作提供優異的強度。
接著，將利用本發明優選實施方案的制造濾光器10的方法的附圖來進 行說明。
首先，合成CNT。利用通常采用的氣相外延法來合成CNT。例如， 首先，在n上負載作為催化顆粒的微細金屬顆粒例如鎳顆粒，并將該基 板安置在腔室內。接著，為腔室供應含碳氣體。然后引發高溫化學反應， 在J4l上的微細金屬顆粒上生長CNT。也可以利用氣相流(vapor flow) 技術來形成CNT。
由此形成的CNT利用該形成條件在微細金屬顆粒上產生向外延伸的 多個或單個CNT并且在該微細金屬顆粒上生長。然后，合成的CNT 31 的末端支撐在微細金屬顆粒32上，如圖6所示。
接下來，將附著有催化顆粒的CNT與粘合劑樹脂混合并攪拌。然后將 該粘合劑樹脂與前述樹脂混合，使得CNT以基本均勻的方式分軟，從而 形成濾光材料。通過合成所產生的CNT的量以及用作催化顆粒的錄:顆粒的量可以預先調整以獲得制造濾光器所需的比例。鎳顆粒不一定都用作濾 光器所需的催化顆粒。也可以使用一些鎳顆粒作為催化顆粒并在形成濾光 材料過程中加入其余的鎳顆粒。
濾光材料可以由例如PC (聚碳酸酯)、PMMA (聚曱基丙烯酸甲酯)、 PS(聚苯乙烯)、PET (IMt苯二甲酸乙二醇酯)、PES(聚醚砜)、脂環族 烯烴樹脂、脂環族丙烯酸樹脂、降冰片烯耐熱透明樹脂和丙烯酸烯烴共聚 物等構成。優選通過將0.01 20wt。/o的CNT加入熔融樹脂，然后混合 0.01 20wt。/。的錄二顆粒來形成濾光材料。
當CNT的直徑過大時，濾光器由于可見光的lt射而導致混濁。例如， 優選4吏用直徑300nm或更小以及長度例如為0.1 ~30fim的CNT。當加入 到樹脂中的CNT不足時，濾光器難以獲得充分的光衰減性能，并且CNT 的均勻^a也變得成問題。另一方面，當樹脂中加入太多的CNT時，含 有CNT的樹脂的粘度增大，并且樹脂的印刷和模制等變得困難。因此優 選將0.01 ~ 20wt%的CNT混合到粘合劑中。
鎳顆粒還防止可見光區波長的^L射。因此優選鎳顆粒的直徑為可見光 區波長的約十分之一或更小。具體地，鎳顆粒的粒徑優選為300nm或更小。 此外，當^:的鎳顆粒數量少時，濾光器難以獲得充分的光衰減并且也難 以均勻^:鎳顆粒。另一方面，當鎳顆粒數量相對于樹脂而言過多時，含 有鎳顆粒的樹脂的粘度增加。這使得樹脂的印刷和模制等變得困難。因此， 優選鎳顆粒以相對于粘合劑樹脂的約0.01 20wt。/。混合。
然后利用注射缸(未示出)將該濾光材料經主流道、分流道95和澆口 94引入到預定溫度和壓力下的模腔93中。經澆口 94、沿著模腔93的表面 方向注射濾光材料。因此，濾光材料中的CNT傾向于與濾光器10的表面 方向排列。類似地，模腔93a、 93b內的CNT傾向于相對于濾光器10的 表面方向垂直排列。因此，濾光材料中的CNT容易在特定方向上排列并 且可轉動銷12和致動銷13的強度因此得到增加。
在該實施方案中，通過注射成型來形成濾光器IO。在該注射成型中4吏 用的模具的橫截面在圖7中示意性示出。如圖7所示，固定模具91和可動 模具92具有對應于濾光器10的模腔93，模腔93a對應于可轉動銷12，模 腔93b對應于致動銷13、澆口 94和分流道95。在固定模具91處形成模 腔93b和在可動模具92處形成模腔93a。考慮到^L有CNT和鎳顆粒的 濾光材料的硬化過程中的收縮來預先在釬料上形成模腔93。也可以在固定模具91和可動模具92處形成多個^，使得可以同時形成多個濾光器10。
在用濾光材料填滿模腔93、 93a和93b之后，使該濾光材料硬化。
在濾光材料硬化之后，移動可動模具92并利用凸銷(未示出)將濾光 器10取出。然后完成濾光器IO。
在該實施方案的制造方法中，將CNT和鎳顆粒^t在粘合劑樹脂中并 形成光衰減層，可利用透射率隨波長變長而下降的鎳層特性和透射率隨波 長變長而增加的CNT層特性來制造具有相對于波長的基本均勻透光率特 性的濾光器10。
在該實施方案中，在合成CNT過程中用作催化顆粒的鎳顆粒以固定于 CNT的狀態混合在樹脂中。但是，在該實施方案的制造方法中，精制CNT 以除去鎳顆粒的工藝決不是必需的。即，根據本發明，可以使用未精制的 CNT來制造濾光器。然而，可利用CNT廉價地制造濾光器。
此夕卜，在該實施方案中，鎳顆粒以CNT末端由鎳顆粒支撐的狀態^t 在樹脂中。因此，可以以基本均勻的方式將CNT和鎳顆粒^bfr樹月旨中。
此外，在該實施方案中，鎳顆粒用作催化顆粒。因此，本發明不同于 現有技術之處在于制M層的工藝簡單，而在現有技術中利用真空沉積等 在膜上形成金屬氧化物膜和鎳膜等。而且，在現有技術的方法中，還存在 在真空沉積等情況下濾光器必須具有預^f度的局限性。但是，在本發明 實施方案中，利用注射成型形成濾光器。因此在濾光器的形狀、尺寸和厚 度方面的自由度增加并且濾光器厚度的控制也簡單。因此，可以通過將濾 光器10模制成所需的尺寸來省略諸如去除步驟等工藝并且還可以減少所 產生的廢物量。還可以同時形成可轉動銷12和致動銷13。進一步可以省 略在濾光器上形成可轉動銷12等的工藝等。
CNT還^t在濾光器10的表面并且濾光器10的表面以不規則的方式 形成。因此，可省略在現有技術中所需的諸如表面精細處理以防止濾光器 表面上的反射的步驟。
如上所述，該實施方案的制造濾光器的方法能夠消除現有技術中所需 的許多工藝。因此可降低制造成本。
本發明決不限于上述實施方案，并且可存在各種變化和應用。例如， 在上述實施方案中， 一個實施例給出了其中鎳顆粒用作金屬顆粒的結構。 但是，在CNT的合成過程中也可使用鎳顆粒以外的其它材料作為催化劑，并且可使用任意的材料，只要該材料的光學性能具有對短波長區的吸收大 于對長波長區的吸收即可。
此外，采用通過致動器驅動致動銷13而由此產生以可轉動銷12為中 心轉動從而使得濾光器IO轉動的結構，但是本發明決不限于此。例如也可 僅僅提供致動銷并利用致動器等使該致動銷轉動。然后，可以對該結構進 行適當的改變以轉動和驅動濾光器10。還可在同一表面上具有可轉動銷12 和致動銷13。還可以為濾光器10提供導向裝置(guide)。
在上述實施方案中，給出了從固定模具91和可動模具92的側向注射 濾光材料的結構的說明，但是本發明不限于該結構。也可以采用從光衰減 區10a以外的位置沿垂直方向注射濾光材料的結構。而且，給出了在固定 模具91處形成對應于致動銷13的模腔93b和在可動模具92處形成對應 于可轉動銷12的模腔93a的情況的描述，但是本發明并不限于此。例如， 也可以在固定模具91處形成對應于可轉動銷12的^。固定模具91和可 動模具92還可以根據濾光器的形狀而適當變化。
本發明的濾光器可用于成1象裝置例如照相機和攝^^中。此外，本發 明的制造濾光器的方法可應用于制造在成像裝置例如照相機和攝像機中 使用的濾光器。
可以做出多種實施方案和變化而不偏離本發明的廣義精神和范圍。上 述實施方案旨在舉例說明本發明，并不P艮制本發明的范圍。本發明的范圍 由所附權利要求而不是實施方案來體現。在本發明權利要求的等價內涵之 內和權利要求之內做出的各種改變被認為是在本發明的范圍內。
權利要求
1. 一種濾光器，包含與碳納米管和金屬顆粒混合在一起的樹脂；其中至少一些所述金屬顆粒支撐所述碳納米管的末端。
2. 根據權利要求l所述的濾光器，其中所述金屬顆粒包括鎳。
3. 根據權利要求1所述的濾光器，其中所述碳納米管的外直徑為 300nm或更小。
4. 根據權利要求1所述的濾光器，其中所述碳納米管以0.01 ~ 20wt% 的比例混合。
5. 根據權利要求1所述的濾光器，其中所述金屬顆粒的粒徑為300nm 或更小。
6. 根據權利要求1所述的濾光器，其中所述金屬顆粒以0.01 ~ 20wt% 的比例混合。
7. —種制造濾光器的方法，包括 將金屬顆粒作為催化顆粒來形成碳納米管的碳納米管形成步驟； 將所述碳納米管和用作催化顆粒的所述金屬顆粒分散在熔融且透明的樹脂中來形成濾光材料的濾光材料形成步驟；將所述濾光材料注入具有對應于所述濾光器形狀的模腔的模具中 以用所述濾光材料填充所述模腔的填充步驟；使填充所述模腔的所述濾光材料硬化的步驟；和將所述濾光器從所述模具中取出的取出步驟。
8. 根據權利要求7所述的制造濾光器的方法，其中所述金屬顆粒包括 鎳。
9. 根據權利要求7所述的制造濾光器的方法，其中在所述濾光材料形 成步驟中分散除了用作催化顆粒的所述金屬顆粒之外的另外金屬顆粒。
10. 根據權利要求7所述的制造濾光器的方法，其中所述碳納米管的外 直徑為300nm或更小。
11. 根據權利要求7所述的制造濾光器的方法，其中所述碳納米管以 0.01 ~ 20 wt。/o的》匕^^昆合。
12. 根據權利要求7所述的制造濾光器的方法，其中所述金屬顆粒的粒 徑為300nm或更小。
13.根據權利要求7所述的制造濾光器的方法，其中所述金屬顆粒以 0.01 ~ 20wt。/o的比例混合。
全文摘要
本發明涉及濾光器以及制造濾光器的方法。一種衰減可見光的濾光器10具有扁平翼形的且具有預定硬度的平板11，并且在平板11的一部分處配置有光衰減區10a。碳納米管和鎳顆粒分散在平板11中，至少一部分鎳顆粒支撐碳納米管的末端。在本發明中，隨后通過在合成碳納米管過程中使用鎳顆粒作為催化劑，然后將鎳顆粒和碳納米管分散在樹脂中來形成濾光器10。
文檔編號C01B31/02GK101546007SQ200810089840
公開日2009年9月30日 申請日期2008年3月28日 優先權日2008年3月28日
發明者小室葉 申請人:精工精密有限公司