CN105122090A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种即使放置于高温高湿环境下也能够有效地防止白雾现象产生的光学装置。其解决手段如下：在红外线吸收玻璃2的表面上具备防止可见光反射的抗反射膜3，抗反射膜是由折射率不同的至少2层以上的折射率层3a～3c层压而构成，并且上述至少2层以上的折射率层之中，在除折射率低的折射率层之外的至少1层以上的折射率层中，至少含有Al₂O₃或ZrO₂或它们的混合物，并且抗反射膜的上表面中的粒子平均粒径小于25nm。

Description

光学装置

技术领域

本发明涉及一种在红外线吸收玻璃等可见光穿透性基板的表面上形成有抗反射膜(AR膜：AntiReflection)的光学装置。此外，本说明书中所说的折射率为大气中的折射率。

背景技术

数码相机等中所使用的CCD、CMOS等成像元件的光谱灵敏度从可见光的区域跨越至红外光的区域。在成像元件的正前方的光学系统中，若是使用有例如红外线吸收玻璃作为上述可见光穿透性基板的光学系统，则在入射至成像元件的光中，红外光会被红外线吸收玻璃吸收，使得成像元件可以对可见光受光，以使成像图像接近于人类的视觉灵敏度。然后，通过在该红外线吸收玻璃等可见光穿透性基板的表面形成抗反射膜，从而减少了可见光的反射损失，提高了穿透率。

在这种于可见光穿透性基板的表面形成有抗反射膜的光学装置中，若上述的抗反射膜为单层，则任意波长以外抗反射效果不充分。专利文献1中也提出了一种由折射率不同的3层构成的抗反射膜的技术，能够防止可见光区域整体即400nm～700nm区域的反射。

专利文献1：日本特开平5-2101号公报。

然而，摄影机的使用环境也有高温高湿的环境，因而希望被组装入这种摄影机光学系统中的光学装置在高温高湿的环境下其光学特性也不会被损害。本发明人对于光学装置实施了长时间放置在高温高湿环境下的试验，结果，试验前可见光穿透率良好的光学装置在试验后，水分侵入到基板内部，使基板溶解而造成光散射，因而发生整体看起来呈白雾状的现象，可见光的穿透率极度降低。因此，本发明人针对上述白雾(白い曇り)现象的产生原因进行了悉心研究，其结果，完成了本发明。

发明内容

即，本发明是鉴于上述情况而完成的，目的在于提供一种光学装置，其是在红外线吸收玻璃等可见光穿透性基板的面上设置有由折射率不同的多个层压膜所构成的抗反射膜而成的光学装置，即使在高温高湿环境下长时间放置，也能够防止上述白雾现象的产生，维持穿透性与试验前相同，且抗气候性优异。

(1)为了达成上述目的，本发明的光学装置为在可见光穿透性基板的至少1个面上具备防止可见光反射的抗反射膜的光学装置，其特征在于，所述抗反射膜是通过层压折射率不同的至少2层以上的折射率层而构成，并且所述至少2层以上的折射率层之中，在除了折射率低的折射率层之外的至少1层以上的折射率层中，至少含有Al₂O₃或ZrO₂或它们的混合物来作为其材料，并且所述抗反射膜的上表面中的粒子平均粒径小于25nm。

所述抗反射膜可设置于所述可见光穿透性基板的单面，也可设置于双面，任一种情况皆包含于本发明中。所述抗反射膜的成膜方法并未被限定，优选为利用真空蒸镀法等物理蒸镀法来形成。只要在所述抗反射膜的上表面中的粒子平均粒径小于25nm，则可为任何平均粒径，因此可以适当地选择平均粒径。

在本发明中，所述抗反射膜的上表面中的粒子平均粒径小于25nm，据此，即使在高温高湿的环境下长时间放置，也能够防止水分容易地浸入到抗反射膜中，其结果，能够防止产生白雾，维持可见光的穿透性。在将本发明的光学装置配置于摄影机成像元件的正前方的情况下，能够提供一种可长期维持良好的成像图像且抗气候性优异的摄影机。

再者，可见光穿透性基板只要是可以使可见光穿透的基板即可，并未特别限定。

(2)本发明的上述(1)中优选的实施方式如下：所述折射率不同的至少2层以上的折射率层是通过层压于所述可见光穿透性基板的面上而构成，并且至少在从可见光穿透性基板起算第1层的折射率层中，至少含有Al₂O₃或ZrO₂或它们的混合物作为其材料。

在这种情况下，通过至少从可见光穿透性基板起算第1层的折射率层的材料以至少含有Al₂O₃或ZrO₂或它们的混合物的材料来构成，而折射率位于1.6～1.7的范围的Al₂O₃会形成为中折射率层、或者折射率位于2.0～2.4的范围的ZrO₂会形成为高折射率层，因此具有易于进行由多数层构成的抗反射膜的设计这种优点。作为结果，能够获得在可见光区域整体具有抗反射效果的光谱特性。然而，至少从可见光穿透性基板起算第1层的折射率层的材料如果至少含有Al₂O₃或ZrO₂或它们的混合物，则当水分浸入时，会有易于使基板溶解的作用，以往的问题点将更容易显著地产生。对此，通过与上述结构相组合，能够防止水分容易地浸入到抗反射膜中，从而能够防止产生白雾，维持可见光的穿透性。

(3)本发明的上述(1)中优选的实施方式如下：所述可见光穿透性基板的材料为含有铜离子的氟磷酸盐系玻璃或者是磷酸盐系玻璃。

在这种情况下，若可见光穿透性基板的材料为含有铜离子的氟磷酸盐系玻璃或者是磷酸盐系玻璃，则可在红外线吸收效果高的状态下使成像元件对可见光受光，从而能够使成像图像接近于人类的视觉灵敏度。而且，能够降低重影(ゴースト)、光斑(フレア)的产生原因。然而，可见光穿透性基板的材料如果为含有铜离子的氟磷酸盐系玻璃或者是磷酸盐系玻璃，则当水分浸入时会发生溶解，以往的问题点将更容易显著地发生。对此，通过与上述结构相组合，能够防止水分容易地浸入到抗反射膜中，从而能够防止产生白雾，维持可见光的穿透性。

本发明的光学装置是即使在高温高湿的环境下长时间放置也能够防止白雾现象的产生，因而能够长期维持初期的光学特性且抗气候性优异的光学装置。

附图说明

图1是本发明实施方式所涉及的光学装置的截面图。

图2是上述光学装置的波长对反射率的特性图。

图3的(a)是比较例的表面中的粒子状态的示意图、图3的(b)是实施方式的表面中的粒子状态的示意图。

图4是本发明的另一实施方式的光学装置的截面图。

图5是本发明的又一实施方式的光学装置的截面图。

图6是本发明的再一实施方式的光学装置的截面图。

图7的(a)是表示在适当温度下制作的光学装置中的抗反射膜的上表面中的粒子状态的SEM像(扫描型电子显微镜照片图像)、图7的(b)是表示在过量温度下制作的光学装置中的抗反射膜的上表面中的粒子状态的SEM像。

图8的(a)是比较例中高温高湿试验前后的从与光照射面相反的侧拍摄的摄影照片、图8的(b)是实施方式中高温高湿试验前后的从与光照射面相反的侧拍摄的摄影照片。

具体实施方式

以下参照附图详细地对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的实施方式所涉及的光学装置的截面图。参照图1，光学装置1具备：红外线吸收玻璃2、以及在该红外线吸收玻璃2的面上设置的抗反射膜3。

红外线吸收玻璃2作为可见光穿透性基板的一例而言，只要能够使可见光穿透并且吸收红外光，就不会对其玻璃坯料进行特别限制，但可例示出含有铜离子的氟磷酸盐系玻璃或者含有铜离子的磷酸盐系玻璃等。

抗反射膜3由层压膜构成，该层压膜是通过在红外线吸收玻璃2的面上将第1层、第2层及第3层依次层压成3层而成。

在抗反射膜3中，从红外线吸收玻璃2起算第1层是折射率为上述3层中的中间的层即中折射率层3a，从红外线吸收玻璃2起算第2层是折射率为上述3层中的最高的层即高折射率层3b，从红外线吸收玻璃2起算第3层是折射率为上述3层中的最低的层即低折射率层3c。

第1层的中折射率层3a是折射率为1.6～1.7的范围且光学膜厚约1/4λ(其中，λ为光波长520nm左右，以下亦同。)的折射率层，含有Al₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃与ZrO₂的混合物中的至少任一种作为材料。

第2层的高折射率层3b是折射率为2.0～2.4的范围且光学膜厚约1/2λ的折射率层，含有Al₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃与ZrO₂的混合物中的至少任一种作为材料。

第3层的低折射率层3c是折射率为1.5以下且光学膜厚约1/4λ的折射率层，由MgF₂、其他材料构成。

在这种结构的光学装置1中，如图2所例示，在可见光的波长区域400～700nm内的反射率为1％以下。但是该波长区域的范围会因人而异，因此作为一例示出。即，人的眼睛在暗处会对400～620nm左右范围的波长的光线产生反应，在亮处会对420～700nm左右范围的波长的光线产生反应。另一方面，普通的摄影机成像元件(CCD)会以高灵敏度响应400～700nm范围的波长的光线，进而也会响应小于400nm的波长的光线或者超过700nm的波长(红外区域)的光线。因此，如果如图2般将可见光波长区域400～700nm内的反射率设为1％以下，并将该光学装置1配置在成像元件正前方的光学系统内，则红外光会被该光学装置1吸收而不会到达成像元件。另一方面，由于可见光能够以高穿透率到达成像元件，因此可以获得接近人眼的良好的成像图像。

在实施方式中，特征在于抗反射膜3的上表面中的粒子平均粒径小于25nm。粒子的平均粒径若如此成为极小，则抗反射膜3的上表面的粒子间的间隙面积会变小，因此即使在高温高湿环境下长时间放置，水分也难以浸入到抗反射膜3的内部，从而有效防止了白雾现象的产生。

如果上述抗反射膜3的上表面的粒子平均粒径为24nm，则雾度(ヘイズ)值成为0.3，所以平均粒径优选为24nm以下，如果平均粒径为21nm，则雾度值小于0.2，所以平均粒径更优选为21nm以下。

再者，所谓粒径，是对每一粒子以算术双轴平均径((长边+短边)/2)所测得的值，所谓平均粒径是将针对50个以上的粒子测定出的粒径平均化后得到的粒径。

粒径的测定方法是针对根据上述抗反射膜3的上表面中的SEM像而获得的特定区域，计测50个以上的粒子的长边及短边的长度来进行的。

此外，所谓抗反射膜3的上表面是指抗反射膜3中与大气相接的面。

对此，参照图3对以往的以及实施方式的各自的抗反射膜的上表面的状态进行说明，图3的(a)示出以往的抗反射膜的上表面的状态，图3的(b)示出实施方式的抗反射膜的上表面的状态。以往的情况，在抗反射膜的上表面中的各粒子4a的直径虽有各种大小，但因为粒子4a的平均粒径为25nm以上，所以如图3的(a)示意性所示，各粒子4a间的间隙5a的面积变大，为此，若在高温高湿下经过长时间放置，则水分容易从形成抗反射膜的上表面的各粒子4a间的间隙5a浸入到抗反射膜3的内部，从而产生白雾现象。

相对于此，在实施方式中，形成抗反射膜3的上表面的各粒子4b的直径虽有各种大小，但因为粒子4b的平均粒径小于25nm，所以如图3的(b)示意性所示，在抗反射膜3的上表面中的各粒子4b间的间隙的面积变小，即使在高温高湿下经过长时间放置，水分也不会容易地从抗反射膜3的上表面浸入到抗反射膜3的内部。因此，水分也难以浸入到构成抗反射膜3的各折射率层3a～3c的边界、或者抗反射膜3与红外线吸收玻璃2的边界，从而可以长期有效地防止白雾现象的产生。

图4是另一实施方式的光学装置的截面图。在该实施方式中，抗反射膜3由从红外线吸收玻璃2起算第1层的高折射率层3d、与从红外线吸收玻璃2起算第2层的低折射率层3e的合计2层构成。

第1层的高折射率层3d是折射率为2.0～2.4的范围且光学膜厚约1/2λ的折射率层，含有Al₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃与ZrO₂的混合物中的至少任一种作为材料。

第2层的低折射率层3e是折射率为1.5以下且光学膜厚约1/4λ的折射率层，由MgF₂、其他材料所构成。

在该实施方式的情况下，抗反射膜3的表面的粒子平均粒径也小于25nm，抗反射膜的膜表面中的各粒子间的面积变小，即使在高温高湿环境下，水分也难以浸入到抗反射膜3的内部，从而防止了白雾现象的产生。

图5是又一实施方式的光学装置的截面图。在该实施方式中，抗反射膜3是由从红外线吸收玻璃2起算第1层的中折射率层3f、与从红外线吸收玻璃2起算第2层的低折射率层3g的合计2层构成。

第1层的中折射率层3f是折射率为1.6～1.7的范围且光学膜厚为1/4λ～1/2λ的范围的折射率层，含有Al₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃与ZrO₂的混合物中的至少任一种。

第2层的低折射率层3g是折射率为1.5以下且光学膜厚为约1/4λ的折射率层，由MgF₂、其他材料所构成。

在该实施方式的情况下，抗反射膜3的表面的粒子平均粒径也小于25nm，抗反射膜3的上表面中的各粒子间间隙的面积变小，即使在高温高湿环境下，水分也难以浸入到抗反射膜3的内部，从而防止了白雾现象的产生。

图6是再一实施方式的光学装置1c的截面图。在该实施方式中，作为抗反射膜3是以从红外线吸收玻璃2起算奇数层为高折射率层、偶数层为低折射率层的方式交替层压而由n(n＝1，2，3，4，…)层构成的抗反射膜的一个例子，由从红外线吸收玻璃2起算第1层的高折射率层3h、第2层的低折射率层3i、第3层的高折射率层3j、以及第4层的低折射率层3k的合计4层构成。

第1层的高折射率层3h是折射率为2.0～2.4的范围且光学膜厚为约0.13λ的折射率层，含有Al₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃与ZrO₂的混合物中的至少任一种作为材料。

第2层的低折射率层3i是折射率为1.5以下且光学膜厚为约0.08λ的折射率层，由MgF₂、SiO₂、其他材料构成。

第3层的高折射率层3j是折射率为2.0～2.4的范围且光学膜厚为约0.16λ的折射率层，由ZrO₂、TiO₂、其他材料作为材料来构成。

第4层的低折射率层3k是折射率为1.5以下且光学膜厚为约0.25λ的折射率层，由MgF₂、SiO₂、其他材料构成。

在该实施方式的情况下，抗反射膜3的表面的粒子的平均粒径也小于25nm，抗反射膜3的上表面中的各粒子间间隙的面积变小，即使在高温高湿环境下，水分也难以浸入到抗反射膜3的内部，从而防止了白雾现象的产生。

(实施例)

＜光学装置的制造方法＞

实施例的光学装置由红外线吸收玻璃与抗反射膜构成，抗反射膜与图1同样地由3层的层压膜(折射率层)构成。对于红外线吸收玻璃，使用了俯视尺寸为纵横20mm×30mm左右、厚度0.30mm左右、折射率1.56且含有铜离子的氟磷酸玻璃。

构成抗反射膜的第1层至第3层的俯视尺寸与红外线吸收玻璃相同，第1层的中折射率层由折射率1.70且光学膜厚为1/4λ的Al₂O₃与ZrO₂的混合物构成。第2层的高折射率层由折射率2.10且光学膜厚1/2λ的ZrO₂构成。第3层的低折射率层由折射率1.38且光学膜厚1/4λ的MgF₂构成。

对各层的形成方法进行说明，即，将洗净后的红外线吸收玻璃设置于真空蒸镀装置，在进行真空排气后开始进行用于形成各层的真空蒸镀。对真空蒸镀时的红外线吸收玻璃的温度任意地进行了变更。各层的光学膜厚是根据光学式膜厚监测法，并通过对监视器玻璃(モニターガラス)上的反射率进行控制来进行的。再者，雾度值(混浊度)是遵循JIS7136而于高温高湿试验前后测定的。

[表1]

表1所示的温度是对抗反射膜的各层进行成膜时的上述真空蒸镀时的红外线吸收玻璃的温度，在表1中「低←温度→高」的中，「低←」表示温度朝向箭头方向降低，「→高」表式温度朝向箭头方向升高。同样地，表1所示的雾度值是遵循JIS7136而测得的值，是将高温高湿试验后的光学装置的白雾现象数值化后得到的值。一般而言，雾度值0.3以下的模糊程度被视为相机的成像图像中可容许的范围，雾度值0.2以下的模糊程度被视为相机的成像图像中无影响的范围。此外，在表1中，根据抗反射膜的上表面中的粒径以及雾度值来看，(1)－(3)表示适当温度，(4)、(5)表示允许温度，(6)、(7)表示过量温度，例如300℃以上。

在任意一个适当温度(1)、(2)、(3)下，抗反射膜的上表面中的粒子平均粒径分别为16nm、17nm、21nm，各粒子间的间隙面积皆变小。而且，各自的雾度值为0.11、0.09、0.16，未见到白雾现象的产生。

此外，在允许温度(4)、(5)下，抗反射膜的上表面中的粒子平均粒径分别为22nm、24nm，各粒子间的间隙面积皆大于上述适当温度(1)、(2)、(3)的情况。而且，各自的雾度值为0.20、0.30，白雾现象勉强可被确认，但是可以被允许。

此外，在过量温度(6)、(7)下，抗反射膜的上表面中的粒子平均粒径分别为25nm、30nm，各粒子间的间隙面积皆变大。而且，各自的雾度值为0.37、0.66，可清楚确认到白雾现象。

即，粒子的平均粒径小于25nm时，各粒子间的间隙面积变小，因此高温高湿试验后的雾度值较小。也就是说，几乎没有光学装置的白雾现象产生。

制造出的光学装置的抗反射膜的上表面的粒子平均粒径为17nm与30nm，在图7中示出其各自的SEM像。图7的(a)示出以适当温度在红外线吸收玻璃上形成有抗反射膜的情况下的光学装置的表面状态。图7的(b)示出以过量温度在红外线吸收玻璃上形成有抗反射膜的情况下的光学装置的表面状态。

将这些SEM像加以比较则能够明了：在如图的7(a)那样以适当温度形成抗反射膜的情况下，抗反射膜的上表面中的粒子平均粒径变小为17nm，抗反射膜的上表面中的各粒子间的间隙面积变小。另一方面，在如图7的(b)那样以过量温度形成抗反射膜的情况下，抗反射膜的上表面中的粒子平均粒径变大为30nm，抗反射膜的上表面中的各粒子间的间隙面积变大。

图8的(a)、(b)是示出比较例与实施例的高温高湿试验前后的白雾现象的产生状态的照片。图8的(a)是在过量温度下制作且粒子的平均粒径为30nm的比较例的光学装置，图8的(b)是在适当温度下制作且粒子的平均粒径为17nm的实施例的光学装置。图8的(a)、(b)中分别是左侧为高温高湿试验后、右侧为高温高湿试验前。在光学装置中，使光从背面穿透。

针对图8的(a)所示的比较例进行说明，高温高湿试验前如图8的(a)的右侧照片所示，光大致穿透并且没有在光学装置的表面散射，因此呈现较暗。然而，高温高湿试验后如图的8(a)的左侧照片所示，水分浸透至光学装置的内部，基板的一部分溶解，其结果，了解到因形成空间而造成光散射从而整体呈白雾状。

相对于此，针对图8的(b)所示的实施例进行说明，高温高湿试验前如图8的(b)右侧照片所示，光大致穿透并且没有在光学装置的表面反射，因此呈现较暗。而且，了解到即时在高温高湿试验后也如图8的(b)左侧照片所示，水分未浸透至光学装置的内部，因而未呈白雾状，而是透明的。也就是，明显地，在高温高湿试验前后光学装置中的光穿透性并未发生变化。

如上所述，实施例的光学装置是抗反射膜的上表面中的粒子平均粒径小于25nm，因而即使在高温高湿的环境下，也不会产生白雾现象，能够长期维持作为光学装置的性能的抗气候性优异的光学装置。

再者，在上述的实施方式中，虽然例举出使用有低折射率层、中折射率层及高折射率层的3层的抗反射膜、使用有高折射率层及低折射率层的2层的抗反射膜、使用有中折射率层及低折射率层的2层的抗反射膜、以及使用有高折射率层及低折射率层的n层的抗反射膜(实施方式中n＝4)，但抗反射膜的设计并不限定于这些实施方式，也可以由能够获得所期望的抗反射特性的各折射率层与层数的组合来构成。

本发明能够在不脱离其精神或主要特征的情况下以其他各种形式实施。因此，上述实施方式及实施例在各方面来说只不过为一例示，不可限定解释。本发明的范围以专利权利要求来表示，不受说明书正文任何限制。进而，属于专利权利要求的均等范围的变形或变更全部含在本发明的范围内。

符号说明

1,1a,1b,1c：光学装置

2：红外线吸收玻璃

3：抗反射膜

3a：第1层的中折射率层

3b：第2层的高折射率层

3c：第3层的低折射率层

3d：第1层的高折射率层

3e：第2层的低折射率层

3f：第1层的中折射率层

3g：第2层的低折射率层

3h：第1层的高折射率层

3i：第2层的低折射率层

3j：第3层的高折射率层

3k：第4层的低折射率层

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种光学装置，在可见光穿透性基板的至少1个面上具备防止可见光反射的抗反射膜，其特征在于，

所述抗反射膜是由折射率不同的至少2层以上的折射率层层压而构成，并且所述至少2层以上的折射率层之中，在除折射率低的折射率层之外的至少1层以上的折射率层中，至少含有Al₂O₃或ZrO₂或它们的混合物来作为其材料，并且所述抗反射膜的上表面由所述折射率低的折射率层的上表面所构成，并且该上表面中的粒子平均粒径小于25nm。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，

所述折射率不同的至少2层以上的折射率层是通过层压于所述可见光穿透性基板的表面上而构成，并且至少在从可见光穿透性基板起算第1层的折射率层中，至少含有Al₂O₃或ZrO₂或它们的混合物来作为其材料。

3.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于，

所述可见光穿透性基板的材料是含有铜离子的氟磷酸盐系玻璃或者是磷酸盐系玻璃。

Claims (3)

1.一种光学装置，在可见光穿透性基板的至少1个面上具备防止可见光反射的抗反射膜，其特征在于，

所述抗反射膜是由折射率不同的至少2层以上的折射率层层压而构成，并且所述至少2层以上的折射率层之中，在除折射率低的折射率层之外的至少1层以上的折射率层中，至少含有Al₂O₃或ZrO₂或它们的混合物来作为其材料，并且所述抗反射膜的上表面中的粒子平均粒径小于25nm。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，

所述折射率不同的至少2层以上的折射率层是通过层压于所述可见光穿透性基板的表面上而构成，并且至少在从可见光穿透性基板起算第1层的折射率层中，至少含有Al₂O₃或ZrO₂或它们的混合物来作为其材料。

3.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于，

所述可见光穿透性基板的材料是含有铜离子的氟磷酸盐系玻璃或者是磷酸盐系玻璃。