CN102901996B

CN102901996B - 光学元件、使用该光学元件的光学系统及光学装置

Info

Publication number: CN102901996B
Application number: CN201210255977.9A
Authority: CN
Inventors: 奥野丈晴; 石松理绘
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: CN102901996A; JP5936444B2; US20130027779A1; US9423530B2; US20150369967A1; US9158039B2; JP2013047780A

Abstract

本发明提供一种光学元件、使用该光学元件的光学系统及光学装置，该光学元件具有在基板上形成的防反射膜。这里，防反射膜包括：第一层，形成在基板上；第二层，形成在第一层上并由与第一层不同的材料构成；以及第三层，形成在第二层上并由凹凸结构构成。另外，第三层具有三个区域，通过连续改变凹凸结构的空间填充系数，所述三个区域的针对各自厚度的折射率以恒定比率改变。

Description

光学元件、使用该光学元件的光学系统及光学装置

技术领域

本发明涉及包括防反射膜的光学元件，以及使用该光学元件的光学系统和光学装置。

背景技术

常规地，在成像光学系统中采用的光学元件的表面上涂敷用于防止入射光的光强度的损失的防反射膜，所述成像光学系统被设置在用于光学装置中的拍摄镜头中，所述光学装置是诸如摄影机、照相机、电视摄像机等。例如，多层介质膜（通常称为“多重涂层”）被广泛用作光学元件的针对可见光的防反射膜。多层介质膜由层叠在一起的薄膜形成，每个薄膜具有不同的折射率和适当的厚度，由此在膜的表面和界面上生成的反射波的振幅和相位被调节并使得彼此干涉以便减少反射光。由多层介质膜形成的防反射膜相对于具有特定波长或在特定入射角的光束表现出优异的防反射性能。然而，由于针对其它光束的干涉条件未得到满足，所以对于该防反射膜难以实现在宽的波长带或大入射角范围上的高防反射性能。

另一方面，在近来的数字照相机中，已经使用具有高于银盐膜的反射性的图像传感器，诸如CCD或CMOS等。因此，容易发生这样的情况：由从图像传感器的传感器表面反射的光在从镜片（光学元件）表面反射之后再次到达传感器表面引起的称为“数字重影(ghost)”的特定重影。另外，作为在数字照相机中使用的镜片，可经常使用异常色散玻璃、非球面镜片、具有大曲率的镜片等，以便同时获得高质量图像或高指标（变焦放大或亮度）和便携性（尺寸减小或重量减小）。特别地，在具有大曲率的镜片中，光束以大角度入射到镜片的外周部分。因此，如上所述的由多层介质膜形成的常规防反射膜不能防止光的反射，导致产生不需要的光，诸如闪光或重影，这可能不利地影响拍摄的图像的最终质量。

因此，需要一种防反射膜，其在波长带特性和入射角度特性方面是优异的，日本专利No.4433390公开了一种防反射膜和具有该防反射膜的光学元件，在该防反射膜中通过溶胶-凝胶方法在通过真空沉积方法形成的三层介质薄膜上形成氟化镁层。

这里，在日本专利No.4433390中公开的真空沉积方法中，防反射膜由从沉积源喷射的沉积材料形成，并被沉积在镜片上。在该情况中，假设将位于垂直于沉积源的位置的膜厚度定义为1，则理论上以角度θ倾斜的位置处的膜厚为cosθ。换句话说，当利用真空沉积方法在具有大曲率的镜片上沉积膜时，在镜片的外周部分的厚度比镜片的中心部分的厚度薄。因此，如果通过把在日本专利No.4433390中公开的膜形成方法应用到具有大曲率的镜片来形成防反射膜，则在日本专利No.4433390中公开的第一层至第三层的每层的外周部分处的厚度变薄，因此，干涉条件未得到满足，导致不利地影响防反射性能的高可能性。

相比之下，例如，还想到可以通过如下的方法使得镜片的中心部分和外周部分中每个处的厚度均匀：在该方法中，在沉积源与镜片之间设置具有适当开口的屏蔽物，并且在旋转镜片的同时穿过该屏蔽物将沉积材料沉积在镜片上。然而，如果使用这样的方法，将被沉积到镜片上的沉积材料可能粘附到屏蔽物上，从而降低膜形成效率。另外，在沉积装置中容纳的镜片数目被减少以便确保用于安装旋转机构的空间，从而导致产率降低。

发明内容

在这些情况下做出了本发明，本发明提供一种具有以下防反射膜的光学元件：该防反射膜不仅对于产率、而且对于波长带特性和入射角特性都是有益的。

根据本发明的一方面，提供一种具有形成于基板上的防反射膜的光学元件，其中，该防反射膜包括：第一层，在基板上形成；第二层，在第一层上形成并由与第一层不同的材料构成；以及第三层，在第二层上形成并由凹凸结构构成，并且其中，第三层具有三个区域，通过连续改变凹凸结构的空间填充系数，所述三个区域的针对各自厚度的折射率以恒定比率改变。

根据本发明，可提供一种具有防反射膜的光学元件，该防反射膜不仅对于产率、而且对于波长带特性和入射角特性都是有益的。

通过下面参考附图对示例实施例的描述，本发明的更多特性将变得明显。

附图说明

图1为示出根据本发明的一个实施例的光学元件的配置的截面图；

图2为示出根据一个实施例的光学元件的折射率结构的图；

图3A和3B为示出根据第一实施例的光学元件的结构和特性的图；

图4A和4B是示出根据第一实施例的光学元件的特性的图；

图5A和5B是示出根据第二实施例的光学元件的结构和特性的图；

图6A和6B是示出根据第三实施例的光学元件的结构和特性的图；

图7A和7B是示出根据第四实施例的光学元件的结构和特性的图；

图8A和8B是示出根据第五实施例的光学元件的结构和特性的图；

图9A和9B是示出根据第六实施例的光学元件的结构和特性的图；

图10A和10B是示出根据第七实施例的光学元件的结构和特性的图；

图11A和11B是示出根据第一比较例的光学元件的结构和特性的图；

图12A和12B是示出根据第一比较例的光学元件的结构和特性的图；

图13A和13B是示出根据第二比较例的光学元件的结构和特性的图；

图14A和14B是示出根据第三比较例的光学元件的结构和特性的图；

图15为示出与实施例和比较例相关的各个数值的表格；以及

图16为示出根据本发明一个实施例的光学系统的配置的截面图。

具体实施方式

下文中，将参照附图描述本发明的优选实施例。

（第一实施例）

首先，将描述根据本发明的一个实施例的光学元件。图1为示出根据该实施例的光学元件1的配制的示意性截面图。图1示出光学元件1的放大表面部分。光学元件1包括光传输基板2和三个层，即，第一层4、第二层5和第三层6，所述三个层被形成在基板2的表面上（基板上）并按照从基板2的一侧的顺序构成防反射膜3。这里，术语“防反射膜”是指在用于光学装置（比如数字照相机）中的拍摄镜片的成像光学系统中采用的光学元件的表面上形成的膜，以避免由不必要的光导致的重影和闪光的发生。在下文中示例的全部折射率值都按照550nm的波长定义。

基板2是由玻璃和树脂构成并且具有在1.65至2.20的范围中的折射率的透明部件。为了便于说明，基板2的形状是如图1所示的平板（平面），但是可以是弯曲板或膜状板。另外，在上面形成有防反射膜3的基板2的表面还可以是曲面、凹面或凸面。

第一层4是这样的膜，其厚度在30至70nm的范围内，且其折射率在1.52至1.82的范围内。第一层4可以是有机树脂层，其包含例如聚酰亚胺。形成于第一层4上的第二层5为这样的膜，其由不同于第一层4的材料形成，并且其厚度在10至50nm的范围内，其折射率在1.40至1.58的范围内。第二层5可以是多孔层，其主要成分例如为氧化铝。另外，形成于第二层5上的第三层6为凹凸结构（凹凸结构的膜），其厚度在200至300nm的范围内，并且具有这样的区域：在该区域中，折射率从在1.40至1.58的范围内的值向1.0（空气）基本连续改变。这里，术语“基本连续改变”不是指膜的材料自身的折射率连续改变，而是指通过连续改变具有400nm以下的平均间距的精细凹凸结构的空间填充系数而改变有效折射率。这是因为光具有这样的特性：不识别等于或小于其自身光波长的凹凸形状，但是把凹凸结构识别作为具有有效折射率的介质。当由“n_eff”表示有效折射率，由“n_m”表示具有等于或小于光波长自身的精细凹凸形状的材料的折射率，且由“ff”表示材料的空间填充系数时，可以使用如下面的公式（1）所示的Lorentz-Lorenz公式计算有效折射率“n_eff”：

(n_eff ²－1)/(n_eff ²+2)=ff(n_m ²－1)/(n_m ²+2) (1)

换句话说，如果形成具有等于或短于光波长自身的间距和连续改变的空间填充系数“ff”的结构时，第三层6变为折射率基本连续改变的结构。

图2示出了根据一个实施例的光学元件的折射率结构。如图2所示，第三层6与基板2、第一层4和第二层5不同，并且由折射率以恒定比率改变的三个区域形成。在这三个区域中，首先，位于第二层5的紧邻上方的第一区域具有在15至45nm的范围中的厚度和以在4.4至12×10^-3nm^-1的范围内的比率改变的折射率。另外，位于与第一区域相邻的第二区域具有在25至75nm的范围中的厚度和以在1.9至4.3×10^-3nm^-1的范围内的比率改变的折射率。另外，位于与第二区域相邻的最上面的第三区域具有在120至200nm的范围中的厚度和以在0.9至1.8×10^-3nm^-1的范围内的比率改变的折射率。在该实施例中，第三层6由三个区域构成。因此，在获得将在下文描述的波长带特性和入射角特性的优势，并且考虑区域形成期间的制造处理的数量的同时，可以通过更少数量的区域实现防反射膜。应注意，取代干法（dry process,诸如真空沉积方法、溅射法等），可以优选使用湿法（wet process,诸如旋涂法等）来形成构成防反射膜3的全部膜。

下面将描述用于光学元件1的数值、材料和形成方法及其效果，作为该实施例的光学元件1的具体示例。图3A和3B是示出根据第一实施例的光学元件1的结构和特性的图。特别是，图3A是具体示出对应于图2的光学元件1的折射率结构的图。图3A示出在垂直轴上示出的折射率相对于在水平轴上示出的到基板2的厚度（厚度：nm）的变化。在该图中，具有负厚度的区域表示基板2的部分。在该实施例中，首先，使用具有折射率为1.808的玻璃材料（由OHARA股份有限公司制造的S-LAH65）作为基板2。在构成防反射膜3的层中，第一层4是厚度为35nm、折射率为1.620的膜，第二层5是厚度为38nm、折射率为1.520的膜。另外，第三层6具有厚度为240nm、折射率从1.52至1.0连续改变的凹凸结构。第三层6具有从上述第一区域到第三区域的三个区域。在该情况下，第一区域具有20nm的厚度和以8.5×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，第二区域具有58nm的厚度和以2.93×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，以及第三区域具有162nm的厚度和以1.11×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率。

图3B是示出在该情况中的防反射膜3的反射率特性的图。图3B示出在不同入射角的情况下在垂直轴上示出的反射率（％）相对于在水平轴上示出的光学元件1上的入射光的波长（nm）的改变。如图3B所示，在整个可见波长区域（波长：400至700nm）上，反射率较低，从而，可以看到，光学元件1在防反射膜3的辅助下表现出高的防反射性能。特别是，在0至45度的入射角范围中，光学元件1在整个可见波长区域上表现出0.5％以下的反射率。另外，甚至在非常大的入射角60度，光学元件1仍表现出优异的防反射性能，如1.8%以下的反射率。

第一层4至第三层6的每个以如下材料和形成方法形成。首先，第一层4的材料和用于形成第一层4的方法不特别限定，只要可以如上所述通过湿法实现前述厚度和折射率。例如，可以通过使用旋涂法在基板2上施加含聚酰亚胺的溶液而形成第一层4。在该情况中，第一层4的1.620的折射率值可通过适当地调节聚酰亚胺中的具有不同折射率的多个成分（即，聚酰亚胺溶液中包含的脂肪链结构、脂环结构、芳香环结构等）的混合比率来实现。作为不同于聚酰亚胺的材料，还可以使用三聚氰胺树脂、含硫树脂、含碘树脂、含溴树脂、以及可以实现1.65以上的高折射率的类似物。另外，还可以使用其中具有高折射率的TiO₂与具有200nm以下的颗粒直径的无机精细颗粒混合的有机树脂材料，以实现超过1.8的高折射率。当然，还可以单独使用具有超过1.8的折射率的树脂材料。

另外，设定第一层4的希望厚度可以通过考虑聚酰亚胺溶液的浓度、涂敷条件（旋转数和旋转时间）等而实现。接下来，如同第一层4中那样，第二层5的材料和用于形成第二层5的方法也不特别限定，只要可以通过湿法实现上述厚度和折射率。例如，为了形成第二层5，可以使用主要成分为氧化硅（SiO₂）的溶液或含氧化铝（Al₂O₃）的溶液。相比之下，可以如下形成具有凹凸结构的第三层6。例如，含氧化铝的溶液被利用旋涂法施加到第二层5上并然后干燥以由此形成膜。然后，将形成的膜浸入温水中以从而使得板状晶体沉淀到其表面上。在该情况中，可以通过适当地调节溶液中的氧化铝的含量以及稳定剂、催化剂等的种类和量来设置包括三个区域的折射率结构，并且可通过适当地改变施加条件（涂敷条件）而设置所述折射率结构的厚度。以该方式，通过湿法的旋涂法形成构成防反射膜3的层。因此，即使在其上形成膜的表面是具有大曲率表面（特别是，凹面）的镜片，仍可以实现均匀的膜厚度。这里，例如，还想到，通过使用干法（比如真空沉积方法），并且通过使用以下方法，可以使得要被膜沉积的部件的中心部分的厚度和外周部分的厚度均匀：在该方法中，在沉积源与要被膜沉积的部件之间设置具有适当开口的屏蔽物，并且在旋转要被膜沉积的部件的同时穿过该屏蔽物将沉积材料沉积到所述部件上。在该情况中，要被沉积到待膜沉积的部件上的沉积材料可能粘附到屏蔽物上，导致膜形成效率降低以及产率降低。然而，湿法在光学元件1的产率方面也是有益的。

另外，在该实施例的光学元件1中，即使防反射膜3的厚度波动可能存在，但是防反射膜3的反射率特性没有大量改变。换句话说，该实施例的光学元件1具有相对于防反射膜3的厚度波动的较宽容限。图4A和4B的每个是示出对应于图3B的防反射膜3的反射率特性的图。特别是，图4A示出在构成防反射膜3的每层的厚度比图3B所示的层薄10％的情况中的防反射膜3的反射率特性。在这些层中，第一层4具有31.5nm的厚度，第二层5具有34.2nm的厚度，以及第三层6具有214nm的厚度。如图4A所示，尽管反射率在长波长范围（达到700nm）中具有略高的值，但反射率总体上被抑制到较低水平。因此，也可以看到，借助于防反射膜3，光学元件1表现出足够的防反射性能。

另一方面，图4B示出在构成防反射膜3的每层的厚度比图3B所示的层厚10％的情况中的防反射膜3的反射率特性。在这些层中，第一层4具有38.5nm的厚度，第二层5具有41.8nm的厚度，以及第三层6具有261.8nm的厚度。如图4B所示，尽管反射率在短波长范围（400nm以上）中具有略高的值，但反射率总体被抑制到较低水平。此外，相比于图3B所示，防反射膜3在60度入射角的防反射性能得到更多的改进。因此，可以看到，借助于防反射膜3，光学元件1表现出足够的防反射性能。

如上所述，根据该实施例，可提供具有防反射膜3的光学元件1，所述防反射膜3不仅对于产率、而且对于波长带特性和入射角特性都是有益的。特别地，光学元件1可以在整个可见波长区域上的宽波长带中并在0至60度或更大的范围入射角上的大入射角范围中具有优异的防反射性能。

（第二实施例）

接下来，将描述根据本发明的第二实施例的光学元件。该实施例的光学元件除改变了基板2的材料以及构成防反射膜3的每层的厚度和折射率之外与第一实施例的光学元件1相同。图5A和5B是示出根据该实施例的光学元件的结构和特性的图。特别地，图5A是具体示出对应于图2的光学元件的折射率结构的图。为了方便说明，通过与第一实施例的光学元件1的附图标记相同的附图标记表示该实施例的光学元件的组件。在该实施例中，使用具有1.888的折射率的玻璃材料（由OHARA股份有限公司制造的S-LAH 58）作为基板2。在构成防反射膜3的层中，第一层4是厚度为50nm、折射率为1.695的膜，第二层5是厚度为20nm、折射率为1.580的膜。另外，第三层6具有厚度为232nm、折射率从1.58至1.0连续改变的凹凸结构。如上所述，第三层6具有从第一区域到第三区域的三个区域。在该情况下，第一区域具有35nm的厚度和以6.57×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，第二区域具有72nm的厚度和以1.94×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，以及第三区域具有125nm的厚度和以1.68×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率。

图5B示出在该情况中的对应于图3B的防反射膜3的反射率特性。如图5B所示，在整个可见波长区域上，反射率较低，从而，可以看到该实施例的光学元件1在防反射膜3的辅助下也表现出高的防反射性能。特别地，在0度至45度范围中的入射角，光学元件1在整个可见波长区域上表现出0.7%以下的反射率。另外，甚至在非常大的60度入射角，光学元件1仍表现出优异的防反射性能，比如1.8%以下的反射率。类似地，在该实施例中，应用与第一实施例相同的形成方法和各种调节。

（第三实施例）

接下来，将描述根据本发明的第三实施例的光学元件。该实施例的光学元件除改变了基板2的材料以及构成防反射膜3的每层的厚度和折射率之外也与第一实施例的光学元件1相同。图6A和6B是示出根据该实施例的光学元件的结构和特性的图。特别地，图6A是具体示出对应于图2的光学元件的折射率结构的图。类似地，通过与第一实施例的光学元件1的附图标记相同的附图标记表示该实施例的光学元件的组件。在该实施例中，使用具有1.934的折射率的玻璃材料（由OHARA股份有限公司制造的S-NPH2）作为基板2。在构成防反射膜3的层中，第一层4是厚度为30nm、折射率为1.70的膜，第二层5是厚度为45nm、折射率为1.55的膜。另外，第三层6具有厚度为235nm、折射率从1.55至1.0连续改变的凹凸结构。如上所述，第三层6具有从第一区域到第三区域的三个区域。在该情况下，第一区域具有17nm的厚度和以11.76×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，第二区域具有48nm的厚度和以2.92×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，以及第三区域具有170nm的厚度和以1.24×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率。

图6B是示出在该情况中的对应于图3B的防反射膜3的反射率特性。如图6B所示，在整个可见波长区域上，反射率较低，从而，可以看到该实施例的光学元件1在防反射膜3的辅助下也表现出高的防反射性能。特别地，在0度至45度范围中的入射角，光学元件1在整个可见波长区域上表现出0.5％以下的反射率。另外，甚至在非常大的60度入射角，光学元件1仍表现出优异的防反射性能，比如1.5%以下的反射率。类似地，在该实施例中，应用与第一实施例相同的形成方法和各种调节。

（第四实施例）

接下来，将描述根据本发明的第四实施例的光学元件。该实施例的光学元件除改变了基板2的材料以及构成防反射膜3的每层的厚度和折射率以外也与第一实施例的光学元件1相同。图7A和7B是示出根据该实施例的光学元件的结构和特性的图。特别地，图7A是具体示出对应于图2的光学元件的折射率结构的图。类似地，通过与第一实施例的光学元件1的附图标记相同的附图标记表示该实施例的光学元件的组件。在该实施例中，使用具有1.716的折射率的玻璃材料（由OHARA股份有限公司制造的S-LAL8）作为基板2。在构成防反射膜3的层中，第一层4是厚度为50nm、折射率为1.56的膜，第二层5是厚度为18nm、折射率为1.51的膜。另外，第三层6具有厚度为230nm、折射率从1.51至1.0连续改变的凹凸结构。如上所述，第三层6具有从第一区域到第三区域的三个区域。在该情况下，第一区域具有42nm的厚度和以4.52×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，第二区域具有28nm的厚度和以4.29×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，以及第三区域具有160nm的厚度和以1.25×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率。

图7B是示出在该情况中的对应于图3B的防反射膜3的反射率特性的图。如图7B所示，在整个可见波长区域上，反射率较低，从而，可以看到该实施例的光学元件1在防反射膜3的辅助下也表现出高的防反射性能。特别地，在0度至45度范围中的入射角，光学元件1在整个可见波长区域上表现出0.5％以下的反射率。另外，甚至在非常大的60度入射角，光学元件1仍表现出优异的防反射性能，比如2.5%以下的反射率。类似地，在该实施例中，应用与第一实施例相同的形成方法和各种调节。

（第五实施例）

接下来，将描述根据本发明的第五实施例的光学元件。该实施例的光学元件除改变了基板2的材料以及构成防反射膜3的每层的厚度和折射率之外也与第一实施例的光学元件1相同。图8A和8B是示出根据该实施例的光学元件的结构和特性的图。特别地，图8A是具体示出对应于图2的光学元件的折射率结构的图。类似地，通过与第一实施例的光学元件1的附图标记相同的附图标记表示该实施例的光学元件的组件。在该实施例中，使用具有1.658的折射率的玻璃材料（由OHARA股份有限公司制造的S-NBH5）作为基板2。在构成防反射膜3的层中，第一层4是厚度为62nm、折射率为1.52的膜，第二层5是厚度为10nm、折射率为1.46的膜。另外，第三层6具有厚度为240nm、折射率从1.46至1.0连续改变的凹凸结构。如上所述，第三层6具有从第一区域到第三区域的三个区域。在该情况下，第一区域具有18nm的厚度和以7.78×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，第二区域具有60nm的厚度和以2.33×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，以及第三区域具有162nm的厚度和以1.11×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率。

图8B是示出在对应于图3B的该情况中的防反射膜3的反射率特性的图。如图8B所示，在整个可见波长区域上，反射率较低，从而，可以看到该实施例的光学元件1在防反射膜3的辅助下也表现出高的防反射性能。特别地，在0度至45度范围中的入射角，光学元件1在整个可见波长区域上表现出0.4%以下的反射率。另外，甚至在非常大的60度入射角，光学元件1仍表现出优异的防反射性能，比如2.0%以下的反射率。类似地，在该实施例中，应用与第一实施例相同的形成方法和各种调节。

（第六实施例）

接下来，将描述根据本发明的第六实施例的光学元件。该实施例的光学元件除改变了基板2的材料以及构成防反射膜3的每层的厚度和折射率之外也与第一实施例的光学元件1相同。图9A和9B是示出根据该实施例的光学元件的结构和特性的图。特别地，图9A是具体示出对应于图2的光学元件的折射率结构的图。类似地，通过与第一实施例的光学元件1的附图标记相同的附图标记表示该实施例的光学元件的组件。在该实施例中，使用具有2.011的折射率的玻璃材料（由OHARA股份有限公司制造的S-LAH79）作为基板2。在构成防反射膜3的层中，第一层4是厚度为55nm、折射率为1.75的膜，第二层5是厚度为18nm、折射率为1.54的膜。另外，第三层6具有厚度为256nm、折射率从1.54至1.0连续改变的凹凸结构。如上所述，第三层6具有从第一区域到第三区域的三个区域。在该情况下，第一区域具有36nm的厚度和以5.28×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，第二区域具有60nm的厚度和以2.83×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，以及第三区域具有160nm的厚度和以1.13×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率。

图9B是示出在该情况中的对应于图3B的防反射膜3的反射率特性。如图9B所示，在整个可见波长区域上，反射率较低，从而，可以看到该实施例的光学元件1在防反射膜3的辅助下也表现出高的防反射性能。特别地，在0度至45度范围中的入射角，光学元件1在整个可见波长区域上表现出0.6%以下的反射率。另外，甚至在非常大的60度入射角，光学元件1仍表现出优异的防反射性能，比如1.5%以下的反射率。类似地，在该实施例中，应用与第一实施例相同的形成方法和各种调节。

（第七实施例）

接下来，将描述根据本发明的第七实施例的光学元件。该实施例的光学元件除改变了基板2的材料以及构成防反射膜3的每层的厚度和折射率之外也与第一实施例的光学元件1相同。图10A和10B是示出根据该实施例的光学元件的结构和特性的图。特别地，图10A是具体示出对应于图2的光学元件的折射率结构的图。类似地，通过与第一实施例的光学元件1的附图标记相同的附图标记表示该实施例的光学元件的组件。在该实施例中，使用具有2.170的折射率的玻璃材料（由OHARA股份有限公司制造的K-PSFn215）作为基板2。在构成防反射膜3的层中，第一层4是厚度为50nm、折射率为1.81的膜，第二层5是厚度为16nm、折射率为1.56的膜。另外，第三层6具有厚度为240nm、折射率从1.56至1.0连续改变的凹凸结构。如上所述，第三层6具有从第一区域到第三区域的三个区域。在该情况下，第一区域具有40nm的厚度和以4.5×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，第二区域具有55nm的厚度和以3.64×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，以及第三区域具有145nm的厚度和以1.24×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率。

图10B是示出在该情况中的对应于图3B的防反射膜3的反射率特性的图。如图10B所示，在整个可见波长区域上，反射率较低，从而，可以看到该实施例的光学元件1在防反射膜3的辅助下也表现出高的防反射性能。特别地，在0度至45度范围中的入射角，光学元件1在整个可见波长区域上表现出0.5％以下的反射率。另外，甚至在非常大的60度入射角，光学元件1仍表现出优异的防反射性能，比如1.8%以下的反射率。类似地，在该实施例中，应用与第一实施例相同的形成方法和各种调节。

（第一比较例）

接下来，将相对于上述实施例的光学元件1描述第一比较例的光学元件作为参考。在第一比较例中，特别地，将光学元件与在对应于现有技术的日本专利No.4433390中公开的具有防反射膜的光学元件进行比较。首先，图11A至图12B是示出基于在日本专利No.4433390中公开的结构计算的具有防反射膜的第一比较例的光学元件的反射率特性的图。这些附图对应于示出根据实施例的光学元件1的反射率特性的图，比如图3B所示的图等。特别地，图11A是示出与在日本专利No.4433390中公开的结果基本相同结果的图，尽管由于未考虑基板和构成防反射膜的每层的折射率分布而导致存在少量的误差。接下来，图11B是示出在以下情况中的光学元件的反射率特性的图：其中，构成防反射膜的每层的厚度比在日本专利No.4433390中所公开的层薄10％。在该情况中，第一层的光学厚度（光学膜厚）为0.243λ，第二层的光学厚度为0.063λ，第三层的光学厚度为0.27λ，以及第四层的光学厚度为0.234λ。接下来，图12A是示出在以下情况中的光学元件的反射率特性的图：其中，构成防反射膜的每层的厚度比在日本专利No.4433390中所公开的层厚10％。在该情况中，第一层的光学厚度为0.297λ，第二层的光学厚度为0.077λ，第三层的光学厚度为0.33λ，以及第四层的光学厚度为0.286λ。根据这些结果显然可以看到实施例的光学元件1表现出优异的防反射性能，这是因为实施例的光学元件1在构成防反射膜的每层的厚度改变±10%时具有较小的反射率特性的波动。

另一方面，在日本专利No.4433390中公开的防反射膜是通过真空沉积方法形成的。因此，如果在具有大曲率的镜片的光学表面上形成这样的防反射膜，则由第一层至第三层在对应于45度张角的位置处构成的气相沉积层的厚度是总厚度的71％。考虑该情况，图12B是示出具有在日本专利No.4433390中公开的结构的光学元件在防反射膜的气相沉积层的厚度是包括第四层的总厚度的71％时的反射率特性的图。如图12B所示，可以看到，当基板是具有大曲率的镜片时，防反射性能在镜片的外周部分被显著削弱。

（第二比较例）

另外，将相对于上述实施例的光学元件1描述第二比较例的光学元件作为参考。在第二比较例中，在实施例的光学元件1与具有相对于实施例中的各个数值限定偏离的配置的光学元件之间具体进行了比较。图13A和13B是示出根据第二比较例的光学元件的结构和特性的图。特别地，图13A是具体示出对应于图2的光学元件1的折射率结构的图。类似地，通过与第一实施例的光学元件1的附图标记相同的附图标记表示该比较例的光学元件的组件。如在第一实施例那样，在这个比较例中，使用具有1.808的折射率的玻璃材料（由OHARA股份有限公司制造的S-LAH65）作为基板2。在构成防反射膜3的层中，第一层4是厚度为28nm、折射率为1.620的膜，第二层5是厚度为30nm、折射率为1.52的膜。另外，第三层6具有厚度为190nm、折射率从1.52至1.0连续改变的凹凸结构。如在第一实施例中那样，第三层6也具有从第一区域到第三区域的三个区域。在该情况下，第一区域具有12nm的厚度和以14.17×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，第二区域具有30nm的厚度和以5.67×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，以及第三区域具有148nm的厚度和以1.22×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率。

图13B是示出在该情况中的对应于图3B的防反射膜3的反射率特性的图。如图13B所示，当入射角为0度时，反射率在700nm的波长处变为0.7%以上。另外，当入射角增大时，反射率特性恶化。特别地，当入射角为60度时，反射率在700nm的波长处达到接近5％。以这种方式，具有相对于实施例中的各个数值限定偏离的配置的光学元件难于获得优异的防反射性能。特别地，如果第三层6的厚度薄于200nm，反射率特性在长波长范围或在大入射角度显著恶化，因此，难于实现具有优异的波长带特性和优异的入射角特性的光学元件。

（第三比较例）

另外，作为参考，将相对于上述实施例的光学元件1描述第三比较例的光学元件。如第二比较例中那样，在第三比较例中，也在实施例的光学元件1与具有相对于实施例中的各个数值限定偏离的配置的光学元件之间进行比较。图14A和14B是示出根据第三比较例的光学元件的结构和特性的图。特别地，图14A是具体示出对应于图2的光学元件1的折射率结构的图。类似地，通过与第一实施例的光学元件1的附图标记相同的附图标记表示该比较例的光学元件的组件。如第一实施例（第二比较例）中那样，在这个比较例中，使用具有1.808的折射率的玻璃材料（由OHARA股份有限公司制造的S-LAH65）作为基板2。在构成防反射膜3的层中，第一层4是厚度为35nm、折射率为1.620的膜，第二层5是厚度为48nm、折射率为1.52的膜。另外，第三层6具有厚度为320nm、折射率从1.52至1.0连续改变的凹凸结构。如在第一实施例中那样，第三层6也具有从第一区域到第三区域的三个区域。在该情况下，第一区域具有45nm的厚度和以3.78×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，第二区域具有75nm的厚度和以2.27×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率，以及第三区域具有148nm的厚度和以0.90×10^-3nm^-1的比率连续改变的折射率。

图14B是示出在该情况中的对应于图3B的防反射膜3的反射率特性的图。如图14B所示，特别地，防反射膜3在60度入射角的反射率在整个可见波长区域上为1.0%以下，因此，光学元件表现出优异的防反射性能。然而，当入射角在0度到45度的范围中时，反射率特性在短波长范围中恶化。特别地，当入射角为0度时，反射率在400nm的波长处达到接近1.0%。换句话说，即使这样的光学元件也难于表现出优异的防反射性能。特别地，如果第三层6的厚度大于300nm，反射率特性在短波长范围处显著恶化。另外，如果第三层6的厚度大于300nm，非常可能发生这样的情况：在通过湿法形成后，在干燥时会在第三层6中产生破裂。

如上所述，在图15所示的表格中总结了针对根据第一至第五实施例以及第二和第三比较例的折射率结构中的每一个获得的各个数值。

（光学系统和光学装置）

下面，将描述根据本发明一个实施例的光学系统和光学装置。该实施例的光学系统包括例如成像光学系统，该成像光学系统被构造在设置于光学装置（诸如为数字照相机、摄影机等）中的镜片部或镜片筒内，并且在实施例中描述的光学元件1可以用作成像光学系统的部分。图16为示出根据本发明一个实施例的光学系统100的主要部件的配置的截面图。光学系统100是用于具有14mm的焦距（f＝14.3）的照相机的广角镜头，其中视角ω为56.5°，F数(F No.)为2.89。另外，表1示出用于光学系统100的镜片设计值。在表1中，对从位于光学系统100的最左侧的入射面（对象图像经由该入射面进入）到成像面（成像元件或膜101）的范围内的每个光学表面分配唯一的表面号No.。对于每个表面号No.，示出曲率半径“r”（mm）、镜片表面之间的厚度“d”（mm）、以及在550nm的波长处的折射率“n”和阿贝(Abbe)数“ν”。在光学系统100中，根据实施例的光学元件1被设置为位于对象图像的输入侧的光学元件，并且在光学元件1的图像侧（No.2）上形成防反射膜3。通过这种方式，在编号为No.2的表面上形成如在实施例中描述的防反射膜3，因此，尽管编号为No.2的表面具有大曲率（张角），但编号为No.2的表面从其中心部分到外周部分可以具有高防反射性能。因此，该实施例的光学系统100可以提供高质量和高清晰度图像，同时抑制不必要的光（诸如闪光或重影等）的发生。注意，在这个实施例中描述的光学系统100仅仅为示例。例如，实施例的光学元件1还可以用作观察光学系统，诸如长焦望远镜、双筒望远镜等。另外，光学装置可通过使用这样的光学系统100而提供高质量和高清晰度的静止图像或运动图像，同时抑制不必要的光（诸如闪光或重影等）的发生。

[表1]

在描述了本发明的优选实施例之后，应理解，本发明不限于上面描述的这些实施例，而是可以在不偏离本发明的范围的情况下以各种变化和修改实施。

尽管已参考示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。下文的权利要求的范围要被赋予最宽泛的解释，从而包括所有这样的修改以及等同结构和功能。

该申请要求在2011年7月26日提交的日本专利申请No.2011-163287和在2012年5月30日提交的日本专利申请No.2012-122939的权益，其整体通过引入而合并于此。

Claims

1.一种光学元件，具有在基板上形成的防反射膜，

其中，所述防反射膜包括：

第一层，其被形成在所述基板上；

第二层，其被形成在所述第一层上并由与所述第一层不同的材料构成；以及

第三层，其被形成在所述第二层上并由凹凸结构构成，

其中，当限定折射率的波长为550nm时，所述基板具有在从1.65到2.20的范围中的折射率，所述第一层具有在从30到70nm的范围中的厚度和在从1.52到1.82的范围中的折射率，所述第二层具有在从10到50nm的范围中的厚度和在从1.40到1.58的范围中的折射率，以及所述第三层具有在从200到300nm的范围中的厚度并且所述第三层的折射率从在1.40到1.58的范围中的值向1.0改变，以及

其中，所述第三层从所述第二层起依次包括：

第一区域，其具有在从15至45nm的范围中的厚度和以在从4.4×10^-3nm^-1至12×10^-3nm^-1的范围中的比率改变的折射率；

第二区域，其具有在从25至75nm的范围中的厚度和以在从1.9×10^-3nm^-1至4.3×10^-3nm^-1的范围中的比率改变的折射率；以及

第三区域，其具有在从120至200nm的范围中的厚度和以在从0.9×10^-3nm^-1至1.8×10^-3nm^-1的范围中的比率改变的折射率。

2.根据权利要求1的光学元件，其中，所述第一层、所述第二层、以及所述第三层是通过湿法形成的。

3.根据权利要求1的光学元件，其中，所述第一层是有机树脂层。

4.根据权利要求1的光学元件，其中，所述第二层是主要成分为氧化铝的多孔层。

5.根据权利要求1的光学元件，其中，所述第三层由主要成分为氧化铝的板状晶体形成。

6.一种光学系统，具有至少两个或更多个光学元件，

其中，所述光学元件中的至少一个是根据权利要求1的光学元件。

7.一种具有光学系统的光学装置，

其中，所述光学系统是根据权利要求6的光学系统。