CN104871060B - 光学元件、光学系统以及摄像装置 - Google Patents

光学元件、光学系统以及摄像装置 Download PDF

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Abstract

本发明通过提供一种光学元件而解决所述课题，所述光学元件为光的透射率自中心部分向周边部分单调地减少的光学元件，其特征在于，具有：光吸收部，其形成于透明基板的一个面，且由吸收可见光的一部分或者全部的材料形成，厚度自中心部分向周边部分单调地增加；光透射部，其由透射可见光的材料形成，层叠于前述光吸收部；透明树脂层，其形成于前述透明基板的另一面，且由透射可见光的材料形成，前述光吸收部、前述光透射部以及前述透明树脂层全部由树脂材料形成。

Description

光学元件、光学系统以及摄像装置
技术领域
本发明涉及光学元件、光学系统以及摄像装置。
背景技术
在摄像机等光学设备中，为了调节向透镜等入射的入射光的光量，使用了光学光阑、减光(ND：Neutral Density)滤光器等。也在便携式电话、便携式终端等中推进了摄像机的安装，也在这种摄像机中使用了光学光阑(例如，专利文献1)。将普通的光学光阑表示在图1中。光阑910是在由遮光材料形成为板状的构件的中心部分形成开口部911而成的，周边部分的光被遮挡，在形成有开口部911的中心部分透射光。图1的(a)是光阑910的俯视图，图1的(b)表示图1的(a)的单点划线1A-1B处的光的透射率。最近，由于便携式电话、便携式终端的小型化、薄型化，摄像机也小型化。因此，所使用的光学光阑也小型化，但是在小型的光学光阑910中，在开口部911的周围无法忽视光的衍射的产生，难以提高分辨率。即，要求一种推进摄像机的高像素化、另一方面不会使分辨率劣化的小型的光学光阑。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-231209号公报
专利文献2：日本特开2011-221120号公报
专利文献3：专利第4428961号公报
发明内容
发明要解决的问题
作为成为这样的光学光阑的光学元件，如图2所示，公开了中心部分的光的透射率较高、且光的透射率自中心部分向周边部分减少的结构的变迹滤光器(ApodizationFilter)。其中，图2的(a)为在中心部分具有开口部921的光阑920的俯视图，图2的(b)表示图2(a)的单点划线2A-2B处的光的透射率。
但是，使用树脂材料制造这样的光学元件时，存在光学元件翘曲为凹状或凸状的情况。
翘曲的光学元件的实质上的厚度增加，因此尤其是在推进小型化、薄型化的便携式电话、便携式终端的方面存在问题。
本发明是鉴于如上所述的问题而成的，其目的在于提供一种光学元件，其为光的透射率自中心部分向周边部分单调地减少的光学元件，其中，即便在由树脂材料形成光学元件的情况下，也没有翘曲或翘曲小。
用于解决问题的方案
根据本实施方式的一个观点，一种光的透射率自中心部分向周边部分单调地减少的光学元件，其特征在于，具有：光吸收部，其形成于透明基板的一个面，且由吸收可见光的一部分或者全部的材料形成，厚度自中心部分向周边部分单调地增加；光透射部，其由透射可见光的材料形成，层叠于前述光吸收部；透明树脂层，其形成于前述透明基板的另一面，且由透射可见光的材料形成，前述光吸收部、前述光透射部以及前述透明树脂层全部由树脂材料形成。
此外，根据本实施方式的另一观点，一种光的透射率自中心部分向周边部分单调地减少的光学元件，其特征在于，具有：光吸收部，其形成于透明基板的一个面，且由吸收可见光的一部分或者全部的材料形成，厚度自中心部分向周边部分单调地增加；光透射部，其由透射可见光的材料形成，层叠于前述光吸收部；透明膜，其形成于前述光透射部之上，且由透射可见光的材料形成，前述光吸收部以及前述光透射部由树脂材料形成，前述透明膜由无机材料形成。
此外，根据本实施方式的另一观点，一种光的透射率自中心部分向周边部分单调地减少的光学元件，其特征在于，具有：透明中间膜，其形成于透明基板一个面，且由透射可见光的材料形成；光吸收部，其形成于前述透明中间膜之上，，且由吸收可见光的一部分或者全部的材料形成，厚度自中心部分向周边部分单调地增加；光透射部，其由透射可见光的材料形成，层叠于前述光吸收部，前述光吸收部以及前述光透射部由树脂材料形成，前述透明中间膜由无机材料形成。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种光学元件，其为光的透射率自中心部分向周边部分单调地减少的光学元件，其由树脂材料形成，没有翘曲或者翘曲小。
附图说明
图1为光阑的说明图。
图2为变迹滤光器(apodized filter)的说明图。
图3为理想的光学元件的结构图。
图4为图3中所示的光学元件的制造方法的工序图(1)。
图5为图3中所示的光学元件的制造方法的工序图(2)。
图6为图3中所示的光学元件的制造方法的工序图(3)。
图7为实际所制作的光学元件的结构图。
图8为第1实施方式中的光学元件的结构图。
图9为第1实施方式中的光学元件的制造方法的工序图(1)。
图10为第1实施方式中的光学元件的制造方法的工序图(2)。
图11为第1实施方式中的光学元件的制造方法的工序图(3)。
图12为第2实施方式中的光学元件的结构图。
图13为第2实施方式中的光学元件的制造方法的工序图(1)。
图14为第2实施方式中的光学元件的制造方法的工序图(2)。
图15为第2实施方式中的光学元件的制造方法的工序图(3)。
图16为第3实施方式中的光学元件的结构图。
图17为第3实施方式中的光学元件的制造方法的工序图(1)。
图18为第3实施方式中的光学元件的制造方法的工序图(2)。
图19为第3实施方式中的光学元件的制造方法的工序图(3)。
图20为安装了第4实施方式中的摄像装置的智能手机的说明图。
图21为第4实施方式中的摄像装置的说明图。
图22为第4实施方式中的摄像装置的光学系统的说明图。
具体实施方式
〔第1实施方式〕
以下说明用于实施的方式。另外，对相同的构件等标注相同的附图标记并省略说明。
(光学元件的翘曲)
首先，对光的透射率自中心部分向周边部分缓慢地减少的光学元件即所谓变迹滤光器进行说明。该光学元件如图3所示，具有形成于透明基板10之上且由吸收可见光的材料形成的光吸收部20、以及由透射可见光的材料形成的光透射部30。需要说明的是，图3所示的光学元件表示没有翘曲等的理想的形状的光学元件。
光吸收部20形成为凹状，以光吸收部20的厚度自中心部分向周边部分缓慢地增加的方式形成。如此，通过以光吸收部20的厚度自中心部分向周边部分缓慢地变厚的方式形成，可以使透过光吸收部20的光的光量自中心部分向周边部分缓慢地减少。即，可以使光的透射率自中心部分向周边部分缓慢地减少。
光透射部30以将光吸收部20中形成为凹状的部分填埋的方式形成。此外，透明基板10由PET(Polyethylene terephthalate)等透射可见光的透明树脂材料形成。将这样的光学元件用作便携式电话等中的照相机部分的光学系统的一部分时，要求使光学元件较薄地形成。因此，对于这样的光学元件，例如，以使透明基板10的厚度约为50μm、光吸收部20中的最厚的部分的厚度约为25μm、光透射部30中的最薄的部分的厚度约为5μm、且光学元件整体的厚度约为80μm的方式形成。需要说明的是，在本实施方式中，可见光意味着波长为420nm～780nm的范围的光。
接着，基于图4～图6，对使用树脂材料制作图3所示的光学元件的一个例子进行说明。
首先，如图4的(a)所示，准备用于形成光吸收部20的模具40。该模具40中，在中央部分形成高度为25μm的凸部41。该凸部41为与所形成的光吸收部20的凹状的形状相对应的形状。需要说明的是，该模具40可以整体由镍、不锈钢、铜、树脂等材料形成，在表面实施镀NiP并将其加工成凹形状。
接着，如图4的(b)所示，滴加用于形成光吸收部20的光吸收性树脂材料20a。该光吸收性树脂材料20a为通过照射紫外线从而固化的光固化性树脂、利用热而固化的热固性树脂、热塑性树脂等，包含作为吸收光的材料的钛黑以及炭黑等黑色材料。在以下以使用光固化性树脂的情况为例进行说明。
接着，如图4的(c)所示，在滴加的光吸收性树脂材料20a之上载置透明基板10。作为透明基板10，从薄型化的观点出发，例如，使用PET、聚碳酸酯、烯烃系树脂、玻璃等，厚度为30μm～200μm左右，从加工性、薄型化的观点出发，优选为约50μm左右。
接着，如图4的(d)所示，从载置有透明基板10的一侧照射紫外线(UV)，使光吸收性树脂材料20a固化，形成光吸收部20。需要说明的是，照射符合树脂的固化条件的紫外线即可。
接着，如图5的(a)所示，使透明基板10以及光吸收部20从模具40进行脱模。由此，在透明基板10之上形成凹状的光吸收部20。需要说明的是，在所形成的光吸收部20中含有钛黑以及炭黑等吸收光的材料。对于如此所形成的部分，虽未图示，但有时透明基板10会以形成有光吸收部20的一侧的表面因光吸收性树脂材料的固化收缩而成为凹状的方式存在些许翘曲。
接着，如图5的(b)所示，在光吸收部20中，对形成为凹状的部分滴加光透射性树脂材料30a。该光透射性树脂材料30a使用透射光的光固化性树脂、热固性树脂、热塑性树脂，在以下以通过照射紫外线而固化的光固化性树脂为例进行说明。
接着，如图5的(c)所示，在所滴加的光透射性树脂材料30a之上载置脱模基板50。脱模基板50例如由石英形成，对表面进行了脱模处理以使得其后容易剥离等。作为脱模处理材料，有将包含氟的有机物、无机物进行表面处理的方法等。
接着，如图5的(d)所示，从脱模基板50照射紫外线。照射紫外线之后，也可以根据需要进行退火等加热处理。如此，通过照射紫外线，如图6的(a)所示，光透射性树脂材料30a固化，形成光透射部30。
然后，如图6的(b)所示，通过对脱模基板50进行脱模而制造光学元件。如此形成的光学元件的整体厚度约为80μm。
对于如此制作的光学元件，光吸收部20以及光透射部30由紫外线固化树脂形成，在进行固化时收缩，因此，如图7所示，光学元件以形成有光吸收部20以及光透射部30的面成为凹状的方式翘曲。如此，光学元件翘曲时，为了设置光学元件而需要较宽的区域，因此不适合用于便携式电话的照相机组件等要求小型化的装置。需要说明的是，在本实施方式中，光吸收性树脂材料20a以及光透射性树脂材料30a均使用收缩率约6％的材料。
通过以上工序，实际上制作光学元件时，结果形成有光透射部30的一侧的表面翘曲为曲率半径R为3.3cm的凹状，由该曲率半径R算出的、在该光学元件的元件外形φ6mm的范围的表面的高低差S为137μm。
需要说明的是，在本实施方式中，由光学元件的翘曲造成的曲率半径R或者高低差S通过使用利用了激光、光的干涉的三维形状测定器(例如、Zygo Corporation制造的NewView6200等)来测定而得到。此外，光学元件的翘曲的形状可以大致近似为球面形状，因此表面的高低差S与曲率半径R的值具有下述的(1)所示的式子的关系。需要说明的是，在此，直径r是成为高低差S的光学元件的直径。
S＝R-{R2-(r/2)2}1/2·····(1)
通常，在便携式电话的照相机组件等情况下，要求光学元件的厚度较薄。然而，在为通过上述的工序而制作的光学元件的情况下，光学元件的厚度与光学元件的表面的高低差S之和为217μm(80μm+137μm)，超过本来应该具有的厚度即80μm，需要通过减小翘曲而减小高低差S。
(光学元件)
接着，对本实施方式中的光学元件进行说明。本实施方式中的光学元件如图8所示，是在透明基板10的一个面上层叠由吸收可见光的材料形成的光吸收部20与由透射可见光的材料形成的光透射部30而形成的。此外，在透明基板10中的与一个面相反一侧的另一面，由透射光的透明树脂材形成有透明树脂层110。
需要说明的是，光吸收部20中心部分成为凹陷的凹状，以光吸收部20的厚度自中心部分向周边部分缓慢地增加的方式形成。如此，通过以光吸收部20的厚度自中心部分向周边部分缓慢地变厚的方式形成，可以使透过光吸收部20的光的光量自中心部分向周边部分缓慢地减少。即，可以使光的透射率自中心部分向周边部分缓慢地减少。
(光吸收部20)
在本实施方式中的光学元件中，光吸收部20是由在透射光的透明树脂材料中添加了吸收光的吸收材料的材料形成的。需要说明的是，为了形成光吸收部20而使用的后述的液体状的光吸收性树脂材料20a中包含在透明树脂材料中添加有吸收材料的材料。
(吸收材料)
作为吸收材料，可以使用蒽醌系、酞菁系、苯并咪唑酮系、喹吖啶酮系、偶氮螯合物系、偶氮系、异吲哚啉酮系、皮蒽酮(pyranthrone)系、阴丹酮系、蒽素嘧啶(anthrapyrimidine)系、二溴蒽缔蒽酮(dibromoanthanthrone)系、黄蒽酮(flavanthrone)系、苝系、芘酮系、喹酞酮系、硫靛(thioindigo)系、二噁嗪系、苯胺黑(Aniline Black)、酸性黑(nigrosine black)等有机色素、有机颜料；使用金、银、铜、锡、镍、钯、它们的合金的金属纳米颗粒；进而，硫酸钡、氧化锌、硫酸铅、铬黄、铁红、群青、普鲁士蓝、氧化铬、铁黑、铅丹、硫化锌、镉黄(cadmium yellow)、镉红、锌、锰紫、钴、磁铁矿颜料(magnetite)、炭黑、碳纳米管、石墨烯、钛黑等无机颜料。尤其，钛黑由于分散性优异、吸收系数高而优选。添加到后述的透明树脂材料中而成型时，可以降低钛黑的添加浓度，因此可以确保较低的粘度。
钛黑为由TiNxOy(0≤x<1.5以及0.16<y<2)、或者(1.0≤x+y<2.0以及2x<y)表示的低价氧化钛的化合物，可以容易地得到其颗粒。用作光学元件时，优选雾度小，因此在本实施方式中所使用的钛黑颗粒的平均粒径优选为100nm以下、进而更优选为30nm以下。在此，被分散体的粒径意味着用透射型电子显微镜(TEM)拍摄有机溶剂中所含的钛黑颗粒的10万倍扩大图像而得到的TEM照片中的100个颗粒的数均粒径。
在本实施方式中，使用颗粒时，也可以使用分散剂，对于钛黑也同样。分散剂用于使颗粒在树脂中分散为均匀分散。作为分散剂，可以列举出高分子分散剂(烷基铵及其盐、具有酸基团的共聚物的烷醇铵盐、含羟基的羧酸酯、含羧酸的共聚物、含酰胺基共聚物、颜料衍生物、硅烷偶联剂)等。此外，在分散剂的分子中也可以存在与树脂相互作用的官能团、聚合性官能团。此外，可以单独地使用它们，也可以组合使用2种以上。
透明树脂材料中所添加的钛黑的比率优选0.3质量％以上且15质量％以下，更优选为0.5质量％～13质量％。需要说明的是，这相当于10μm中的OD值为0.2以上且4.0以下。小于0.3质量％时，为了显示出期望的透射率，需要100μm以上的膜厚，有时成型非常困难。另一方面，大于15质量％时，每单位膜厚的透射率的减少增大，因此在中心部分需要残膜几乎为零，难以制作。
也可以添加除钛黑以外的其它的材料来使用。尤其炭黑的透射率自800nm向380nm单调地减少，显示出与钛黑相反的特性，因此通过组合这两者，可以减小透射率的波长依存性。
(透明树脂材料)
作为透明树脂材料，可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃(COP)等热塑性树脂；聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰胺(PA)、聚酰胺酰亚胺(PAI)等热固性树脂；丙烯酸类树脂、环氧树脂等能量射线固化性树脂。使用热固性树脂、能量射线固化性树脂时，在低聚物、单体等聚合前体化合物(以下称为聚合性化合物)的阶段添加吸收材料，然后进行固化即可。它们之中，优选使用能量射线固化性树脂。作为这样的聚合性化合物，只要为利用聚合反应进行固化而成为固化物的成分，就可以没有特别限制地使用。例如，可以没有特别限制地使用自由基聚合型的固化性树脂、阳离子聚合型的固化性树脂、自由基聚合型的固化性化合物(单体)。在它们之中，从聚合速度、后述的成型性的观点出发，优选为自由基聚合型的固化性化合物(单体)。作为自由基聚合型的固化性树脂，可以列举出具有(甲基)丙烯酰氧基、(甲基)丙烯酰氨基、(甲基)丙烯酰基、烯丙基氧基、烯丙基、乙烯基、乙烯基氧基等具有碳-碳不饱和双键的基团的树脂等。
在本实施方式中，对聚合性化合物没有特别限定，可以列举出：乙氧化邻苯基苯酚丙烯酸酯、甲基丙烯酸-2-(全氟己基)乙酯、(甲基)丙烯酸环己酯、(甲基)丙烯酸异冰片酯、三环癸烷(甲基)丙烯酸酯、三环癸烷甲醇(甲基)丙烯酸酯、三环癸烷乙醇(甲基)丙烯酸酯、1-金刚烷基丙烯酸酯、1-金刚烷基甲醇丙烯酸酯、1-金刚烷基乙醇丙烯酸酯、2-甲基-2-金刚烷基丙烯酸酯、2-乙基-2-金刚烷基丙烯酸酯、2-丙基-2-金刚烷基丙烯酸酯等单官能化合物；9,9-双[4-(2-丙烯酰氧基乙氧基)苯基]芴、二乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、1,3-丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、1,4-丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、新戊二醇二(甲基)丙烯酸酯、二(甲基)丙烯酸异冰片酯、三环癸烷二(甲基)丙烯酸酯、三环癸烷二甲醇二(甲基)丙烯酸酯、三环癸烷二乙醇二(甲基)丙烯酸酯、金刚烷二丙烯酸酯、金刚烷二甲醇二丙烯酸酯等二官能化合物；三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯等三官能化合物；季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯等四官能化合物；二季戊四醇六(甲基)丙烯酸酯等六官能化合物等。此外，聚合性化合物可以含有1种或者2种以上。仅使用单官能化合物时，有时成型后的脱模时发生内聚破坏，因此优选包含二官能以上的多官能化合物。聚合性化合物组中的多官能化合物优选为1质量％以上且90质量％以下，进而优选为10质量％以上且80质量％以下。多官能化合物的量不足1质量％时，能够改善内聚破坏的效果不充分，超过90质量％时，有时聚合后的收缩大而成为问题。
此外，除上述的具有碳-碳不饱和双键的官能团以外，也可以使用发生如环氧基那样的开环反应的聚合性化合物。没有特别地进行例示，但该情况下，仅为单官能化合物时，有时也会在成型后的脱模时引起内聚破坏，因此优选包含二官能以上的多官能化合物。聚合性化合物组中的多官能化合物优选为1质量％以上且90质量％以下，进而优选为10质量％以上且80质量％以下。
(光透射部30)
在本实施方式的光学元件中，光透射部30由上述的透明树脂材料形成。需要说明的是，为了形成光透射部30而使用的后述的液体状的光透射性树脂材料30a中包含上述的透明树脂材料。
(透明树脂层110)
在本实施方式中，透明树脂层110由通过照射紫外线而固化的不饱和聚酯系、氨基甲酸酯-丙烯酸酯系、环氧-丙烯酸酯系、聚酯-丙烯酸酯系的光固化型树脂形成。
在本实施方式的光学元件中，透明树脂层110也可以为用于保护透明基板10的表面不受损伤的硬涂层。此时，形成硬涂层的材料优选由比形成透明基板10的材料硬的材料形成，此外，在铅笔硬度(JIS-K-5600JIS-K-5400)中优选为H以上。作为用于形成硬涂层的材料，优选使无机微粒分散在丙烯酸类UV固化树脂、丙烯酸类树脂中而成的材料等。
此外，透明树脂层110可以为防反射膜(AR涂膜)。具体而言，可以为由折射率低的透明的树脂材料形成的膜，也可以为通过层叠折射率不同的树脂材料而形成的多层膜。
此外，透明树脂层110也可以为抗静电膜(抗静电涂膜)。具体而言，可以为通过涂布具有磺酸盐基的长链烷基化合物、在主链具有被离子化了的氮原子的聚合物等离子导电性的抗静电剂而形成的膜。此外，也可以为通过涂布包含氧化锡颗粒、掺杂有铟、锑的氧化锡颗粒等导电性材料的抗静电剂而形成的膜。
此外，透明树脂层110可以利用喷涂、浸渍、辊涂、模涂、旋转涂布、逆旋式涂布、凹版涂布、线棒涂布等涂布法涂布、或者利用凹版印刷、丝网印刷、胶版印刷、喷墨印刷等印刷法印刷之后，通过紫外线照射、或者加热而形成。
(光学元件的制造方法)
接着，基于图9～图11，对本实施方式的光学元件的制造方法进行说明。
首先，如图9的(a)所示，在透明基板10的另一面形成透明树脂层110。作为透明树脂层110的形成方法，通过在透明基板10的另一面涂布用于形成透明树脂层110的树脂材料并固化等而形成。通过这样使树脂材料固化而产生固化收缩，透明基板10的形成有透明树脂层110的另一面翘曲为凹状。在本实施方式中，作为透明树脂层110，形成2μm的硬涂层，由此，光学元件的形成有透明树脂层110的面的表面翘曲为曲率半径R为9.135cm的凹状。由该曲率半径R算出的φ为6mm的光学元件的表面的高低差S约为49μm。需要说明的是，作为透明基板10，例如，使用厚度约50μm的PET薄膜等。
接着，如图9的(b)所示，准备用于形成光吸收部20的模具40。该模具40中，在中央部分形成高度为25μm的凸部41。该凸部41为与所形成的光吸收部20的凹状的形状相对应的形状。需要说明的是，该模具40可以整体由镍、不锈钢、铜、树脂等材料形成，在表面实施镀NiP并将其加工成凹形状。
接着，如图9的(c)所示，滴加用于形成光吸收部20的光吸收性树脂材料20a。该光吸收性树脂材料20a为通过照射紫外线而固化的光固化性树脂、利用热而固化的热固性树脂、热塑性树脂等，包含作为吸收光的材料的钛黑以及炭黑等黑色材料。在以下以使用光固化性树脂的情况为例进行说明。
接着，如图9的(d)所示，在所滴加的光吸收性树脂材料20a之上载置透明基板10。此时，透明基板10以使与形成有透明树脂层110的另一面相反一侧的一个面为所滴加的光吸收性树脂材料20a侧的方式载置。作为透明基板10，从薄型化的观点出发，例如，使用PET、聚碳酸酯、烯烃系树脂、玻璃等，厚度为30μm～200μm左右，从加工性、薄型化的观点出发，优选约50μm左右。
接着，如图10的(a)所示，从载置有透明基板10的一侧照射紫外线(UV)，使光吸收性树脂材料20a固化，形成光吸收部20。需要说明的是，适宜地照射符合树脂的固化条件的紫外线即可。
接着，如图10的(b)所示，将透明基板10以及光吸收部20从模具40脱模。由此，在透明基板10之上形成凹状的光吸收部20。需要说明的是，在所形成的光吸收部20中含有钛黑以及炭黑等吸收光的材料。如此形成的部分虽未图示，但有时透明基板10会以形成有光吸收部20的一侧的表面因光吸收性树脂材料的固化收缩而成为凸状的方式存在些许翘曲。
接着，如图10的(c)所示，在光吸收部20中，对形成凹状的部分滴加光透射性树脂材料30a。该光透射性树脂材料30a使用透射光的光固化性树脂、热固性树脂、热塑性树脂，在以下以通过照射紫外线而固化的光固化性树脂为例进行说明。
接着，如图10的(d)所示，在所滴加的光透射性树脂材料30a之上载置脱模基板50。对于脱模基板50，例如，由石英形成，对表面进行了脱模处理使得其后容易剥离等。作为脱模处理材料，有将包含氟的有机物、无机物进行表面处理的方法等。
接着，如图11的(a)所示，从脱模基板50照射紫外线。照射紫外线之后，也可以根据需要进行退火等加热处理。
如此，通过照射紫外线，如图11的(b)所示，光透射性树脂材料30a固化，形成光透射部30。
然后，如图11的(c)所示，通过对脱模基板50进行脱模而制造光学元件。如此所形成的光学元件的整体厚度约为82μm。
在本实施方式的光学元件中，在光学元件一个面利用紫外线固化树脂形成光吸收部20以及光透射部30，在固化时收缩，因此产生使形成有光吸收部20以及光透射部30的面成为凹状的应力，但在另一面利用紫外线固化树脂形成了透明树脂层110，因此被由此而产生的应力所抵消，可以得到如图8所示的没有翘曲的光学元件、或者翘曲小的光学元件。需要说明的是，从光学元件的保护、防反射、抗静电的观点出发，有时也在光透射部30之上以同样的方式形成与透明树脂层110同样的透明树脂层，但从翘曲的观点出发会使光学元件的翘曲増大，因此不优选。
因此，在本实施方式中，与图7所示的不形成透明树脂层110的情况相比，可以减小光学元件的表面的翘曲，可以减小光学元件的表面的高低差S。因此，本实施方式的光学元件适宜用于便携式电话的照相机组件等。需要说明的是，在本实施方式中，光吸收性树脂材料20a以及光透射性树脂材料30a均使用收缩率为6％的材料。
(本实施方式的光学元件的高低差S)
接着，对于本实施方式的光学元件的高低差S进行说明。其中，光学元件的翘曲是如下而产生的：在使由树脂材料形成的层固化时，产生固化收缩，由于收缩应力而产生作为残留应力的拉伸应力，由此产生翘曲。由此，在光学元件中，会产生使形成有由树脂材料形成的层的面为凹状的翘曲。应力与翘曲(曲率半径R)的关系由数学式1示出的Stoney式表示。需要说明的是，在数学式1表示的式子中，R为曲率半径、E为基板的杨氏模量、γ为基板的泊松比、ts为基板的厚度、tf为形成于基板的膜的厚度、σ为应力。
[数学式1]
数学式1所示的式子在tf<<ts的情况下成立，应力σ为由树脂材料形成的膜的膜厚较薄的情况下的应力。由树脂材料形成的膜整体的收缩应力可认为与树脂材料的收缩率成比例、且与由树脂材料形成的膜的膜厚成比例。因此，它们与曲率半径R的关系有R∝1/(树脂材料的收缩率)、R∝1/(由树脂材料形成的膜的膜厚)的关系。因此，在基板的双面由树脂材料形成膜的情况下，由各个膜产生的应力被抵消，因此翘曲也被抵消。
基板采用透明基板10，在透明基板10的一面形成光吸收部20以及光透射部30，在另一面形成透明树脂层110时，将由于在透明基板10的一个面形成光吸收部20以及光透射部30而产生的翘曲导致的曲率半径设为R1，将由于在透明基板10的另一面形成透明树脂层110而产生的翘曲导致的曲率半径设为R2时，由透明基板10的翘曲导致的曲率半径R为数学式2所示的式子。
[数学式2]
在本实施方式的光学元件中，如上所述，曲率半径R1为3.3cm、曲率半径R2为9.135的情况下，根据数学式2所示的式子，曲率半径R为5.166cm。基于该曲率半径R，利用上述的(1)所示的式子，计算由φ6mm的光学元件的表面的翘曲导致的高低差S时，高低差S为87.1μm。因此，在该光学元件中，光学元件的厚度与光学元件的表面的高低差S之和为169.1μm，可以使光学元件的厚度与光学元件的表面的高低差S之和减小约20％。
例如，相对于不形成透明树脂层110的光学元件，将翘曲减小10％以上的情况下，将由光吸收部20以及光透射部30导致的残留应力的绝对值设为Z1、将由透明树脂层110导致的残留应力的绝对值设为Z2时，要求满足下述的(2)以及(3)所示的式子。
0.1×Z1<Z2·············(2)
Z2<1.9×Z1·············(3)
在此，
Z1<Z2<1.9×Z1··········(4)
在满足上述的(4)所示的式子的范围内，本实施方式的光学元件产生使形成透明树脂层110的面为凹状的翘曲，成为与未形成透明树脂层110时的光学元件的翘曲的方向相反的翘曲。从翘曲减小的观点出发，光学元件的翘曲方向即使相反也没有任何问题，但由于优选以较小的残留应力减小翘曲、接近于没有翘曲的平坦的状态，因此优选满足上述的(2)和下述的(5)所示的式子的范围。
Z2≤Z1·················(5)
在此，将光吸收部20与光透射部30的膜厚之和设为t1，将透明树脂层110的膜厚设为t2，将形成光吸收部20以及光透射部30的树脂材料的收缩率设为S1，将形成透明树脂层110的树脂材料的收缩率设为S2时，如前所述，认为由树脂材料所形成的膜整体的收缩应力与树脂材料的收缩率成比例、与由树脂材料形成的膜的膜厚成比例，因此由上述的(2)所示的式子可以导出下述的(6)所示的式子，由上述的(5)所示的式子可以导出下述的(7)所示的式子。
0.1×S1×t1<S2×t2·······(6)
S2×t2≤S1×t1···········(7)
此外，为了形成光吸收部20、光透射部30、透明树脂层110而使用的树脂材料为丙烯酸类树脂时，通常，丙烯酸类树脂的收缩率为2～10％。因此，认为S1以及S2为2～10％的值。
在上述的(6)中示出的式子中，S1最低且S2最高的情况以及S1最高且S2最低的情况、即S1为2％、S2为10％的情况下成为下述的(8)所示的式子，S1为10％、S2为2％的情况下成为下述的(9)所示的式子。需要说明的是，S1与S2相等的情况下，成为下述的(10)所示的式子。
0.1×2％×t1<10％×t2
0.02×t1<t2···········(8)
0.1×10％×t1<2％×t2
0.5×t1<t2············(9)
0.1×t1<t2············(10)
此外，在上述的(7)中示出的式子中，S1最低且S2最高的情况以及S1最高且S2最低的情况、即S1为2％、S2为10％的情况下成为下述的(11)所示的式子，S1为10％、S2为2％的情况下成为下述的(12)所示的式子。需要说明的是，S1与S2相等的情况下，成为下述的(13)所示的式子。
10％×t2≤2％×t1
t2≤0.2×t1············(11)
2％×t2≤10％×t1
t2≤5×t1··············(12)
t2≤t1················(13)
因此，对于为了形成光吸收部20、光透射部30、透明树脂层110而使用的树脂材料为丙烯酸类树脂时的t1与t2的关系，在最广泛的情况下为下述的(14)所示的式子。
0.02×t1<t2≤5×t1······(14)
接着，基于表1对本实施方式的实施例进行说明。需要说明的是，对于翘曲量的栏中的符号，符号为正的情况是形成有光吸收部20以及光透射部30的面为凹的翘曲。
[表1]
(例1)
例1的光学元件相当于比较例，为在透明基板10的一个面形成有光吸收部20以及光透射部30，但在另一面未形成透明树脂层110的光学元件。具体而言，为如下的光学元件：在由厚度50μm的PET形成的透明基板10的一个面形成有厚度t1为30μm的光吸收部20以及光透射部30，但在另一面未形成透明树脂层。这样的例1的光学元件的φ6mm的翘曲量为137μm。需要说明的是，在例1的光学元件中，作为透明基板10的基板使用Lumirror U32(TorayIndustries,Inc.制造)。
(例2)
例2的光学元件相当于本实施方式的实施例，为在透明基板10的一个面形成有光吸收部20以及光透射部30，在另一面形成有透明树脂层110的光学元件。具体而言，为如下的光学元件：在由厚度50μm的PET形成的透明基板10的一个面形成有厚度t1为30μm的光吸收部20以及光透射部30，在另一面形成有厚度t2为5μm的透明树脂层110。因此，t2/t1的值为0.17。这样的例2的光学元件的φ6mm的翘曲量为41μm，相对于例1的光学元件的翘曲减小量为70％。需要说明的是，在例2的光学元件中，使用KB薄膜50G1SBF(KIMOTO CO.,LTD.制造)，在透明基板10的另一面形成有作为硬涂层发挥作用的透明树脂层110。该基板单体的φ6mm的翘曲量为-97μm、曲率半径为4.7cm。
(例3)
例3的光学元件相当于本实施方式的实施例，为在透明基板10的一个面形成有光吸收部20以及光透射部30，在另一面形成有透明树脂层110的光学元件。具体而言，为如下的光学元件：在由厚度50μm的PET形成的透明基板10的一个面形成有厚度t1为30μm的光吸收部20以及光透射部30，在另一面形成有厚度t2为1μm的透明树脂层110。因此，t2/t1的值为0.03。这样的例3的光学元件的φ6mm的翘曲量为44μm，相对于例1的光学元件的翘曲减小量为68％。需要说明的是，在例3的光学元件中，使用LR50-WC(尾池工业株式会社制造)，在透明基板10的另一面形成有作为防反射膜发挥作用的透明树脂层110。该基板单体的φ6mm的翘曲量为-93μm、曲率半径为4.8cm。
(例4)
例4的光学元件相当于本实施方式的实施例，为在透明基板10的一个面形成有光吸收部20以及光透射部30，在另一面形成有透明树脂层110的光学元件。具体而言，为如下的光学元件：在由厚度50μm的PET形成的透明基板10的一个面形成有厚度t1为30μm的光吸收部20以及光透射部30，在另一面形成有厚度t2为2μm的透明树脂层110。因此，t2/t1的值为0.07。这样的例4的光学元件的φ6mm的翘曲量为88μm，相对于例1的光学元件的翘曲减小量为36％。需要说明的是，在例4的光学元件中，使用东洋包材株式会社制造的薄膜，在透明基板10的另一面形成有作为硬涂层发挥作用的透明树脂层110。该基板单体的φ6mm的翘曲量为-49μm、曲率半径为9.135cm。
如上所述，作为本实施方式的光学元件的例2～例4的光学元件的任一者均满足上述的(14)所示的式子的条件，可以减小光学元件的翘曲量。
〔第2实施方式〕
(光学元件)
接着，对第2实施方式的光学元件进行说明。本实施的光学元件如图12所示，为如下的结构：在透明基板10的一个面层叠形成有由吸收可见光的材料形成的光吸收部20和由透射可见光的材料形成的光透射部30，在光透射部30之上形成了具有压缩应力的透明膜120。透明膜120例如具有单独或者多个如下功能：防反射膜、用于保护表面不受损伤的硬涂层功能、抗静电功能，通过真空蒸镀、溅射而成膜而形成。透明膜120由透射可见光的材料形成，由SiO2(二氧化硅)、Ta2O5(五氧化钽)、TiO2(氧化钛)、ZrO2(氧化锆)、HfO2(氧化铪)、MgF2(氟化镁)等无机材料形成。尤其，透明膜120由SiO2或者包含SiO2的膜形成的情况下，容易在透明膜120中产生压缩应力。需要说明的是，透明膜120为防反射膜时，上述材料之中，将折射率不同的2种材料相互层叠而形成。此外，为了表现出抗静电功能，可以由氧化锡、掺杂有铟、锑的氧化锡等导电性材料形成。
在本实施方式的光学元件中，根据真空蒸镀、溅射的成膜条件、形成透明膜120的材料，可以形成具有压缩应力的透明膜120。如此，由于透明膜120具有压缩应力，因此与光吸收部20以及光透射部30的拉伸应力相抵消，可以形成没有翘曲的光学元件、或者翘曲小的光学元件。
(光学元件的制造方法)
接着，基于图13～图15对本实施方式的光学元件的制造方法进行说明。
首先，如图13的(a)所示，准备用于形成光吸收部20的模具40。该模具40中，在中央部分形成高度为25μm的凸部41。该凸部41为与所形成的光吸收部20的凹状的形状相对应的形状。需要说明的是，该模具40可以整体由镍、不锈钢、铜、树脂等材料形成，在表面实施镀NiP并将其加工为凹形状。
接着，如图13的(b)所示，滴加用于形成光吸收部20的光吸收性树脂材料20a。该光吸收性树脂材料20a为通过照射紫外线而固化的光固化性树脂、利用热而固化的热固性树脂、热塑性树脂等，包含作为吸收光的材料的钛黑以及炭黑等黑色材料。在以下以使用光固化性树脂的情况为例进行说明。
接着，如图13的(c)所示，在所滴加的光吸收性树脂材料20a之上载置透明基板10。作为透明基板10，从薄型化的观点出发，例如，使用PET、聚碳酸酯、烯烃系树脂、玻璃等、厚度为30μm～200μm左右，从加工性、薄型化的观点出发，优选为约50μm左右。
接着，如图13的(d)所示，从载置有透明基板10的一侧照射紫外线(UV)，使光吸收性树脂材料20a固化，形成光吸收部20。需要说明的是，适当照射符合树脂的固化条件的紫外线即可。
接着，如图14的(a)所示，从模具40将透明基板10以及光吸收部20脱模。由此，在透明基板10之上形成凹状的光吸收部20。需要说明的是，在所形成的光吸收部20中含有钛黑以及炭黑等吸收光的材料。如此所形成的部分虽未图示，但有时透明基板10会以形成有光吸收部20的一侧的表面因光吸收性树脂材料的固化收缩而成为凹状的方式存在些许翘曲。
接着，如图14的(b)所示，在光吸收部20中，对形成凹状的部分滴加光透射性树脂材料30a。该光透射性树脂材料30a使用透射光的光固化性树脂、热固性树脂、热塑性树脂，在以下以通过照射紫外线而固化的光固化性树脂为例进行说明。
接着，如图14的(c)所示，在所滴加的光透射性树脂材料30a之上载置脱模基板50。脱模基板50例如由石英形成，对表面进行了脱模处理以使得其后容易剥离等。作为脱模处理材料，有将包含氟的有机物、无机物进行表面处理的方法等。
接着，如图14的(d)所示，从脱模基板50照射紫外线。照射紫外线之后，也可以根据需要进行退火等加热处理。
如此，通过照射紫外线，如图15的(a)所示，光透射性树脂材料30a固化，形成光透射部30。
接着，如图15的(b)所示，通过对脱模基板50进行脱模而制作光学元件。在该状态中，透明基板10以形成有光透射部30的表面为凹状的方式翘曲。
接着，如图15的(c)所示，在光透射部30之上利用溅射等将二氧化硅和氧化钛以每层规定的膜厚相互层叠形成，由此形成透明膜120即防反射膜。这样形成的透明膜120即防反射膜中产生压缩应力，因此与光吸收部20以及光透射部30的拉伸应力相抵消，成为没有翘曲的光学元件、或者翘曲小的光学元件。
需要说明的是，对于上述以外的内容，与第1实施方式相同。
〔第3实施方式〕
(光学元件)
接着，对第3实施方式的光学元件进行说明。本实施的光学元件如图16所示，为如下的结构：在透明基板10的一个面形成有由透射可见光的材料形成的透明中间膜130，在该透明中间膜130之上层叠形成有由吸收可见光的材料形成的光吸收部20和由透射可见光的材料形成的光透射部30。透明中间膜130具有压缩应力，例如，由通过利用真空蒸镀、溅射的成膜而形成的SiO2(氧化硅)等而形成。透明中间膜130也可以由形成第2实施方式的透明膜120的材料形成。
在本实施方式的光学元件中，由于透明中间膜130具有压缩应力，因此与光吸收部20以及光透射部30的拉伸应力相抵消，可以形成没有翘曲的光学元件或者翘曲小的光学元件。
(光学元件的制造方法)
接着，基于图17～图19对本实施方式的光学元件的制造方法进行说明。
首先，如图17的(a)所示，在透明基板10的一个面形成透明中间膜130。作为透明中间膜130的形成方法，通过在透明基板10的一个面利用溅射等使二氧化硅成膜而形成。如此形成的透明中间膜130具有压缩应力，因此透明基板10以形成有透明中间膜130的面成为凸状的方式翘曲。需要说明的是，作为透明基板10，从薄型化的观点出发，例如使用PET、聚碳酸酯、烯烃系树脂、玻璃等，厚度为30μm～200μm左右，从加工性、薄型化的观点出发，优选约为50μm左右。
接着，如图17的(b)所示，准备用于形成光吸收部20的模具40。该模具40中，在中央部分形成高度为25μm的凸部41。该凸部41为与所形成的光吸收部20的凹状的形状相对应的形状。需要说明的是，该模具40可以整体由镍、不锈钢、铜、树脂等材料形成，在表面实施镀NiP并将其加工为凹形状。
接着，如图17的(c)所示，滴加用于形成光吸收部20的光吸收性树脂材料20a。该光吸收性树脂材料20a为通过照射紫外线而固化的光固化性树脂、利用热而固化的热固性树脂、热塑性树脂等，包含作为吸收光的材料的钛黑以及炭黑等黑色材料。在以下以使用光固化性树脂的情况为例进行说明。
接着，如图17的(d)所示，在所滴加的光吸收性树脂材料20a之上，以使形成有透明中间膜130的一侧的面为所滴加的光吸收性树脂材料20a侧的方式载置透明基板10。
接着，如图18的(a)所示，从载置有透明基板10的一侧照射紫外线(UV)，使光吸收性树脂材料20a固化，形成光吸收部20。需要说明的是，适当照射符合树脂的固化条件的紫外线即可。
接着，如图18的(b)所示，从模具40将透明基板10以及光吸收部20脱模。由此，在透明基板10之上形成凹状的光吸收部20。需要说明的是，在所形成的光吸收部20中含有钛黑以及炭黑等吸收光的材料。如此所形成的部分虽未图示，但有时透明基板10会以形成有光吸收部20的一侧的表面因光吸收性树脂材料的固化收缩而成为凸状的方式存在些许翘曲。
接着，如图18的(c)所示，在光吸收部20中，对形成凹状的部分滴加光透射性树脂材料30a。该光透射性树脂材料30a使用透射光的光固化性树脂、热固性树脂、热塑性树脂，在以下以通过照射紫外线而固化的光固化性树脂为例进行说明。
接着，如图18的(d)所示，在所滴加的光透射性树脂材料30a之上载置脱模基板50。脱模基板50例如由石英形成，对表面进行了脱模处理以使得其后容易剥离等。作为脱模处理材料，有将包含氟的有机物、无机物进行表面处理的方法等。
接着，如图19的(a)所示，从脱模基板50照射紫外线。照射紫外线之后，也可以根据需要进行退火等加热处理。
如此，通过照射紫外线，如图19的(b)所示，光透射性树脂材料30a固化，形成光透射部30。
接着，如图19的(c)所示，通过对脱模基板50进行脱模而制作本实施方式的光学元件。如此制作的光学元件中，在透明基板10的一个面所形成的透明中间膜130中产生压缩应力，因此与光吸收部20以及光透射部30的拉伸应力相抵消，形成没有翘曲的光学元件或者翘曲小的光学元件。
需要说明的是，对于上述以外的内容，与第1实施方式相同。
〔第4实施方式〕
接着，对第4实施方式进行说明。本实施方式为使用第1～第3的实施方式的光学元件的摄像装置。本实施方式的摄像装置为安装在智能手机、便携式电话等可便携的具有通信功能的电子设备中的摄像装置。
具体而言，如图20所示，本实施方式的摄像装置为在智能手机210中作为主照相机211、副照相机212而安装的摄像装置。本实施方式中，在智能手机210中的与设置显示画面213的面相反的一侧的面安装主照相机211、在设置显示画面213的面安装副照相机212。需要说明的是，图20的(a)为智能手机210的背面侧的立体图，图20的(b)为智能手机210的显示画面213侧的立体图。
作为本实施方式的摄像装置的主照相机211、副照相机212，如图21所示，具有光学系统220、自动对焦单元231、作为摄像元件的图像传感器232、基板233、柔性基板234等。光学系统220安装于自动对焦单元231中，通过自动对焦单元231控制光学系统220的动作，进行自动对焦动作。作为摄像元件的图像传感器232由CMOS传感器等形成，在图像传感器232中，通过光学系统220检测由入射的光产生的图像。
光学系统220如图22所示，具有第1实施方式的光学元件200、第1透镜221、第2透镜222、第3透镜223、第4透镜224、红外线截止滤光器225。
该光学系统220中，由光学元件200入射的光通过第1透镜221、第2透镜222、第3透镜223、第4透镜224、红外线截止滤光器225，入射到图像传感器232。
以上，对实施方式进行了详细说明，但并不限定于特定的实施方式，在权利要求书所记载的范围内可以进行各种变形和变更。
本国际申请要求基于2012年12月17日提出的日本专利申请2012-274956号要求优先权，将日本专利申请2012-274956号的全部内容引用到本国际申请中。
附图标记说明
10 透明基板
20 光吸收部
20a 光吸收性树脂材料
30 光透射部
30a 光透射性树脂材料
110 透明树脂层
120 透明膜
130 透明中间膜
200 光学元件
210 智能手机
211 主照相机
212 副照相机
213 显示画面
220 光学系统
221 第1透镜
222 第2透镜
223 第3透镜
224 第4透镜
225 红外线截止滤光器
231 自动对焦单元
232 图像传感器
233 基板
234 柔性基板

Claims (14)

1.一种光学元件，其为光的透射率自中心部分向周边部分单调地减少的光学元件，其特征在于，具有：
光吸收部，其形成于透明基板的一个面，且由吸收可见光的一部分或者全部的材料形成，厚度自中心部分向周边部分单调地增加；
光透射部，其由透射可见光的材料形成，层叠于所述光吸收部；和
透明树脂层，其形成于所述透明基板的另一面，且由透射可见光的材料形成，
所述光吸收部、所述光透射部以及所述透明树脂层全部由树脂材料形成。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，将所述光吸收部与所述光透射部的膜厚之和设为t1，将所述透明树脂层的膜厚设为t2时，
0.02×t1<t2≤5×t1。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，所述透明树脂层包括硬涂层、防反射膜、抗静电膜之中的至少任一种。
4.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，所述光吸收部、所述光透射部以及所述透明树脂层全部具有拉伸应力。
5.一种光学元件，其为光的透射率自中心部分向周边部分单调地减少的光学元件，其特征在于，具有：
光吸收部，其形成于透明基板的一个面，且由吸收可见光的一部分或者全部的材料形成，厚度自中心部分向周边部分单调地增加；
光透射部，其由透射可见光的材料形成，层叠于所述光吸收部；和
透明膜，其形成于所述光透射部之上，且由透射可见光的材料形成，
所述光吸收部以及所述光透射部由树脂材料形成，
所述透明膜由无机材料形成，具有压缩应力。
6.根据权利要求5所述的光学元件，其特征在于，所述光吸收部以及所述光透射部具有拉伸应力。
7.根据权利要求5或6所述的光学元件，其特征在于，所述透明膜为单层的防反射膜、或者为由折射率不同的材料交替层叠而形成的防反射膜。
8.根据权利要求5或6所述的光学元件，其特征在于，所述透明膜由真空蒸镀或者溅射形成。
9.一种光学元件，其为光的透射率自中心部分向周边部分单调地减少的光学元件，其特征在于，具有：
透明中间膜，其形成于透明基板的一个面，且由透射可见光的材料形成；
光吸收部，其形成于所述透明中间膜之上，且由吸收可见光的一部分或者全部的材料形成，厚度自中心部分向周边部分单调地增加；和
光透射部，其由透射可见光的材料形成，层叠于所述光吸收部，
所述光吸收部以及所述光透射部由树脂材料形成，
所述透明中间膜由无机材料形成，具有压缩应力。
10.根据权利要求9所述的光学元件，其特征在于，所述光吸收部以及所述光透射部具有拉伸应力。
11.根据权利要求9或10所述的光学元件，其特征在于，所述透明中间膜由真空蒸镀或者溅射形成。
12.一种光学系统，其特征在于，具有权利要求1～11中任一项所述的光学元件和透镜。
13.一种摄像装置，其特征在于，具有权利要求1～11中任一项所述的光学元件、透镜和摄像元件。
14.根据权利要求13所述的摄像装置，其特征在于，安装于便携式的具有通信功能的电子设备中。
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