JP2006195120A - 光学部材及びそれを用いた撮影レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 成膜性や耐久性の高い誘電体多層膜を有する光学部材と、それを備えた撮影レンズを提供する。
【解決手段】 光学部材ＫＢは、合成樹脂基板Ｓ上に高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌとが積層された構造の誘電体多層膜ＭＣを有し、誘電体多層膜ＭＣにＡｌ₂Ｏ₃とＬａ₂Ｏ₃との混合物から成る下地層Ｍを合成樹脂基板Ｓと接するように有する。下地層ＭにおけるＡｌ₂Ｏ₃に対するＬａ₂Ｏ₃の混合比は、モル比で３０％以上である。
【選択図】 図１

Description

本発明は光学部材及びそれを用いた撮影レンズに関するものであり、更に詳しくは、誘電体多層膜(例えば、反射防止膜，赤外カットフィルター膜等)を有する光学部材(例えば、プラスチックレンズ等)と、それを備えた撮影レンズに関するものである。

デジタルカメラの軽量・小型化には、プラスチックレンズの使用が有効である。しかし、プラスチックレンズにはガラスレンズと比べてコーティングが難しいという問題がある。例えば、ガラス基板に対する成膜では高温加熱が可能であるが、合成樹脂基板に対する成膜では基板自体の耐熱性が低いため高温加熱は不可能である。したがって、プラスチックレンズのコーティングでは、誘電体多層膜と基板との密着性が弱く、誘電体多層膜自身の成膜性や耐久性が低いという問題がある。さらに、合成樹脂はガラスや薄膜形成材料と比較して熱膨張率が大きいため、大きな応力により剥離やクラックが発生するという問題もあり、成膜直後には異常がなくても、大気中に放置しているだけで剥離やクラックが生じることがある。

上記のような問題を解決するため、従来より様々なタイプの誘電体多層膜を有する光学部材が提案されている。例えば特許文献１には、反射防止膜の下地層としてＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃を有するプラスチック製の光学部材が提案されている。また特許文献２には、プラスチック製の光学部材上に形成される反射防止膜として、タンタル及びチタニウムを含む金属酸化物から成る光学薄膜が提案されている。
特開平５−１１１０１号公報 特開平７−３１８７０３号公報

しかし、従来より提案されている光学部材では、その誘電体多層膜の成膜性や耐久性が不十分であり、成膜直後には異常がなくても環境の変化や時間の経過に伴って剥離やクラックが生じることがある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、成膜性や耐久性の高い誘電体多層膜を有する光学部材と、それを備えた撮影レンズを提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の光学部材は、合成樹脂基板上に高屈折率層と低屈折率層とが積層された構造の誘電体多層膜を有する光学部材であって、前記誘電体多層膜にＡｌ₂Ｏ₃とＬａ₂Ｏ₃との混合物から成る下地層を前記合成樹脂基板と接するように有し、前記下地層におけるＡｌ₂Ｏ₃に対するＬａ₂Ｏ₃の混合比がモル比で３０％以上であることを特徴とする。

第２の発明の光学部材は、上記第１の発明において、前記低屈折率層を構成する材料がＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合物であることを特徴とする。

第３の発明の光学部材は、上記第１又は第２の発明において、前記高屈折率層を構成する材料がＴａ₂Ｏ₅とＴｉＯ₂との混合物、又はＴｉＯ₂であることを特徴とする。

第４の発明の光学部材は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記合成樹脂基板が共重合ポリエステル樹脂又はシクロオレフィン樹脂から成ることを特徴とする。

第５の発明の光学部材は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記誘電体多層膜が反射防止膜であることを特徴とする。

第６の発明の撮影レンズは、第１〜第５のいずれか１つの発明に係る光学部材を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、誘電体多層膜にＡｌ₂Ｏ₃とＬａ₂Ｏ₃との混合物から成る下地層を合成樹脂基板と接するように有し、その下地層におけるＡｌ₂Ｏ₃に対するＬａ₂Ｏ₃の混合比がモル比で３０％以上の構成になっているため、応力が緩和されて剥離やクラックの発生が防止される。したがって、成膜性や耐久性の高い誘電体多層膜を有する光学部材と、それを備えた信頼性の高い撮影レンズを実現することができる。

以下、本発明を実施した光学部材，撮影レンズ等を、図面を参照しつつ説明する。図１に、誘電体多層膜を有する光学部材の一実施の形態について、その誘電体多層膜ＭＣの積層構造を光学断面で模式的に示す。図１に示す光学部材ＫＢは、合成樹脂基板Ｓ上に高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌとが積層された構造の誘電体多層膜ＭＣを有するものである。そして、合成樹脂基板Ｓと接するように下地層Ｍが設けられており、下地層Ｍの上には高屈折率層Ｈが設けられており、高屈折率層Ｈの上には低屈折率層Ｌが設けられている。

合成樹脂基板Ｓは、プラスチックレンズ，プラスチック平板等の合成樹脂製光学部材(例えば屈折率が約１．６の合成樹脂製光学部材)に相当する。合成樹脂基板Ｓを構成する材料としては、シクロオレフィン樹脂，共重合ポリエステル樹脂，ＰＭＭＡ(polymethyl methacrylate)，ＰＣ(polycarbonate)，スチレン・メチルメタクリレート共重合樹脂等が挙げられる。シクロオレフィン樹脂としては、ＺＥＯＮＥＸ(日本ゼオン(株)製の合成樹脂の商品名)等のシクロオレフィンポリマー，ＡＰＥＬ(三井化学(株)製の合成樹脂の商品名)等のシクロオレフィンコポリマーが挙げられ、共重合ポリエステル樹脂としては、Ｏ−ＰＥＴ(鐘紡合繊(株)製の合成樹脂の商品名)等のフルオレン系ポリエステル樹脂が挙げられる。

合成樹脂基板Ｓ側から１層目に位置する下地層Ｍは、Ａｌ₂Ｏ₃(酸化アルミニウム)とＬａ₂Ｏ₃(酸化ランタン)との混合物で構成されている。低屈折率層Ｌを構成する材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂(二酸化ケイ素)との混合物が挙げられる。また、高屈折率層Ｈを構成する材料としてはＴｉＯ₂ベースの材料が挙げられる。例えば、酸化チタン(蒸着材料としてＴｉ₂Ｏ₃，Ｔｉ₃Ｏ₅等)、酸化チタンと酸化タンタルとの混合物(ＴｉＯ₂＋Ｔａ₂Ｏ₅等)、酸化チタンと酸化ランタンとの混合物(ＴｉＯ₂＋Ｌａ₂Ｏ₃等)、酸化チタンと酸化ジルコニウムとの混合物(ＴｉＯ₂＋ＺｒＯ₂等)、酸化チタンと酸化ディスプロシウムとの混合物(ＴｉＯ₂＋Ｄｙ₂Ｏ₅等)等である。なお各層の屈折率ｎに関しては、例えば、低屈折率層Ｌの屈折率が１．４≦ｎ＜１．６、下地層Ｍの屈折率が１．６≦ｎ＜１．８、高屈折率層Ｈの屈折率が１．８≦ｎである。

先に述べたように、合成樹脂基板に光学薄膜を積層させて、反射防止膜，フィルター膜等の誘電体多層膜を形成する場合、合成樹脂基板は高温加熱(ガラス基板の場合、通常２００〜３００℃)に耐えられないため、１００℃以下の低温加熱又は無加熱とする必要がある。このため、ガラス基板を用いる場合と同様の膜構成で成膜を行ったのでは、十分な成膜性・耐久性を有する光学薄膜は得られず、基板に対する光学薄膜の密着性も不十分なものとなる。その結果、剥離やクラックが発生しやすくなり、しかも、合成樹脂は熱膨張率が大きいため、温度の影響によっても剥離やクラックが発生しやすくなる。

上記問題を解決するため本実施の形態では、誘電体多層膜ＭＣにＡｌ₂Ｏ₃とＬａ₂Ｏ₃との混合物から成る下地層Ｍを合成樹脂基板Ｓと接するように有し、下地層ＭにおけるＡｌ₂Ｏ₃に対するＬａ₂Ｏ₃の混合比をモル比で３０％以上、好ましくは４０％以上としている。このような構成を有する下地層Ｍを合成樹脂基板Ｓ上に設けると、誘電体多層膜ＭＣに生じる応力を緩和することができるため、誘電体多層膜ＭＣの成膜性・耐久性が向上し、剥離やクラックの発生を防止することができる。したがって、成膜性や耐久性(耐環境性等)の高い誘電体多層膜ＭＣを合成樹脂基板Ｓ上でも得ることが可能となる。そして、成膜性，耐久性等を向上させる上で、合成樹脂基板Ｓは共重合ポリエステル樹脂又はシクロオレフィン樹脂から成ることが更に好ましい。また、反射防止膜としての良好な光学特性を保持しながら成膜性，耐久性等を向上させるには、低屈折率層Ｌを構成する材料がＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合物であることが好ましく、高屈折率層Ｈを構成する材料がＴａ₂Ｏ₅とＴｉＯ₂との混合物、又はＴｉＯ₂であることが好ましい。

例えば、プラスチックレンズの反射防止膜を構成する場合、合成樹脂基板Ｓとしてのプラスチックレンズ上に上記構成を有する下地層Ｍを設ければ、成膜性，耐久性等の高い反射防止膜を得ることができる。そして、そのような反射防止膜を有するプラスチックレンズを撮影レンズに用いれば、それを搭載するデジタルカメラの軽量・小型化が可能になるとともに、高い反射防止効果を安定かつ高い信頼性で得ることが可能となる。反射防止膜を有するプラスチックレンズとして上記光学部材ＢＫが適用された、デジタルカメラ用撮影レンズの実施の形態を以下に説明する。

図２に、撮影レンズの実施の形態を構成するズームレンズ系ＺＬの広角端(Ｗ)でのレンズ配置を光学断面で示す。図２中、ｒｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が付された面は物体側から数えてｉ番目の面(ｒｉに＊印が付された面は非球面)であり、ｄｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が付された軸上面間隔は、物体側から数えてｉ番目の軸上面間隔のうち、ズーミングにおいて変化する可変間隔である。また、実線矢印ｍ１，ｍ２は広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおける第１レンズ群ＧＲ１，第２レンズ群ＧＲ２の移動をそれぞれ模式的に示しており、破線矢印ｍＰは平行平面板ＰＴ(必要に応じて配置される光学的ローパスフィルター，赤外カットフィルター等の光学フィルター；撮像素子のカバーガラス等に相当する。)がズーミングにおいて位置固定であることを示している。なお、第１レンズ群ＧＲ１と第２レンズ群ＧＲ２との間には絞りＳＴが配置されており、絞りＳＴは第２レンズ群ＧＲ２と共にズーム移動する構成(実線矢印ｍ２)になっている。

ズームレンズ系ＺＬは、物体側から順に、負のパワー(パワー：焦点距離の逆数で定義される量)を有する第１レンズ群ＧＲ１と、絞りＳＴと、正のパワーを有する第２レンズ群ＧＲ２と、から成り、レンズ群間隔を変化させることによりズーミングを行う２成分ズームレンズである。そして、広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)までのズーミングにおいて、第１レンズ群ＧＲ１と第２レンズ群ＧＲ２が可動群として移動する構成になっている。広角端(Ｗ)から望遠端(Ｔ)へのズーミングにおいて、第１レンズ群ＧＲ１は徐々に速度を落としながら像側へ移動し、第２レンズ群ＧＲ２は物体側へ単調に移動する。

第１レンズ群ＧＲ１は、物体側から順に、像側面が非球面から成る像側に凹の負メニスカスレンズと、両面が非球面から成る物体側に凸の正メニスカスレンズＬｐと、から成っている。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、物体側に凸の負メニスカスレンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、両面が非球面から成る像側に凸の正メニスカスレンズと、で構成されており、第２レンズ群ＧＲ２の物体側にはズーミングに際して第２レンズ群ＧＲ２と共に移動する絞りＳＴが配置されている。

第１レンズ群ＧＲ１において像側に配置されている正メニスカスレンズＬｐはプラスチックレンズであり、少なくとも一方の面(好ましくは物体側の面)に反射防止膜が設けられている。プラスチックレンズＬｐと接している下地層は、Ａｌ₂Ｏ₃とＬａ₂Ｏ₃との混合物で構成されており、Ａｌ₂Ｏ₃に対するＬａ₂Ｏ₃の混合比がモル比で３０％以上、好ましくは４０％以上になっている。この構成により、反射防止膜に生じる応力が緩和されるため、反射防止膜の成膜性・耐久性が向上し、剥離やクラックの発生を防止することができる。したがって、耐久性(耐環境性等)の高い反射防止膜を有するプラスチックレンズが得られ、信頼性の高い反射防止膜により安定した高い反射防止効果を得ることが可能となる。

以下、本発明を実施した光学部材及びそれを用いた撮影レンズを、反射防止膜の光学構成等を挙げて更に具体的に説明する。表１〜表４に、反射防止膜を有する光学部材のサンプル１〜１２と、その評価結果を示す。表１は、サンプル１〜１２を構成している薄膜材料のデータ{つまり、各薄膜層を構成する混合材料(＃１〜＃７)，薄膜の構成材料(材料Ａ，Ｂ)，材料Ａと材料Ｂとの混合比，ｄ線(波長：587.56ｎｍ)に対する屈折率ｎ，及び材料種類}を示しており、表２及び表３は、サンプル１〜１２の光学構成{ｎ・ｄ／λ：光学的膜厚，λ(＝４９５ｎｍ)：設計主波長}をそれぞれ示している。なお、サンプル８は前述した光学部材ＫＢの実施の形態に対応する数値実施例であり、その積層構造を模式的に示す断面図(図１)はサンプル８の光学構成を示している。

サンプル１〜１２の評価は、平行平面板から成る合成樹脂基板(ＺＥＯＮＥＸとＯ−ＰＥＴの２種類)に反射防止膜を形成した後、その外観を目視で観察してクラックが発生しているか否かで判定される「１次物性評価」と、１次物性評価でクラックが発生していないと判定されたサンプル８〜１０に対し環境試験を行った後、その外観を目視で観察してクラックが発生しているか否かで判定される「２次物性評価」と、により行った。なお、サンプル１〜１２の成膜には真空蒸着法(基板無加熱)を用いたが、スパッタリング法，イオンプレーティング法，イオンアシストデポジション法等の方法を用いても成膜は可能である。

表２及び表３に、サンプル１〜１２の１次物性評価の結果をあわせて示す。１次物性評価の結果、サンプル１〜７にはクラックが発生したのに対し、サンプル８〜１２の外観は良好であった。つまり、下地層Ｍである第１層(層No.1)としては低屈折率材料＃１と中間屈折率材料＃５が有効であり、第１層に中間屈折率材料＃３，＃４，＃６，＃７を用いるとクラックが発生し、Ａｌ₂Ｏ₃の単一材料を用いた場合(サンプル６)でもクラックが発生した。中間屈折率材料＃６，＃７でクラックが発生することから、Ａｌ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂の混合物は下地層Ｍの材料として適当でなく、また、中間屈折率材料＃５(サンプル８)でクラックが発生せず、中間屈折率材料＃４(サンプル２，４)でクラックが発生することから、Ａｌ₂Ｏ₃とＬａ₂Ｏ₃の混合物系ではＬａ₂Ｏ₃のモル比が３０％以上必要であることが分かった。

表４に、サンプル８〜１０の２次物性評価(耐久性・耐環境性)の結果を示す。２次物性評価の環境試験項目は、温湿度試験，紫外線照射試験，高温試験，冷熱衝撃試験(ヒートサイクル)，低温試験，経時変化試験である。温湿度試験では、温度７０℃，湿度８０％の環境に５００時間放置した後の外観検査と、温度３５℃，湿度８５％の環境に５００時間放置した後の外観検査と、温度６０℃，湿度９０％の環境に５００時間放置した後の外観検査と、を行った。紫外線照射試験ではフェードメータを使用して、紫外線を９６時間照射した後の外観検査と、紫外線を１９２時間照射した後の外観検査と、を行った。高温試験では、温度６０℃の環境に５００時間放置した後の外観検査を行った。冷熱衝撃試験では、温度−３０℃に１時間放置した後７０℃に１時間放置する計２時間の処理を１サイクルとする計１０サイクルの処理後の外観検査と、温度−４０℃に１時間放置した後８５℃に１時間放置する計２時間の処理を１サイクルとする計１０サイクルの処理後の外観検査と、温度−４５℃に１時間放置した後９５℃に１時間放置する計２時間の処理を１サイクルとする計１０サイクルの処理後の外観検査と、を行った。低温試験では、温度−３０℃の環境に５００時間放置した後の外観検査を行った。経時変化試験では、５００時間自然放置した後の外観検査を行った。例えば冷熱衝撃試験での良好な結果から分かるように、サンプル８，１０は９５℃の高温下でもクラックが生じない高い耐環境性を実現している。

次に、本発明を実施したズームレンズ系の構成等を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げるズームレンズ系の実施例１は、前述したズームレンズ系ＺＬの実施の形態に対応する数値実施例であり、ズームレンズ系ＺＬの実施の形態を表す光学構成図(図２)は実施例１のレンズ構成を示している。表５，表６にズームレンズ系の実施例１のコンストラクションデータを示す。表５に示す基本的な光学構成(ｉ：面番号)において、ｒｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は物体側から数えてｉ番目の面の曲率半径(ｍｍ)、ｄｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は物体側から数えてｉ番目の面と(ｉ＋１)番目の面との間の軸上面間隔(ｍｍ)を示しており、Ｎｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)，νｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は軸上面間隔ｄｉに位置する光学材料のｄ線に対する屈折率(Ｎｄ)，アッベ数(νｄ)をそれぞれ示している。また、ズーミングにおいて変化する軸上面間隔ｄｉは、広角端(最短焦点距離状態，Ｗ)〜ミドル(中間焦点距離状態，Ｍ)〜望遠端(最長焦点距離状態，Ｔ)での可変空気間隔であり、ｆ，ＦＮＯは各焦点距離状態(Ｗ)，(Ｍ)，(Ｔ)に対応する全系の焦点距離(ｍｍ)，Ｆナンバーをそれぞれ示している。

曲率半径ｒｉのデータに＊印が付された面は、非球面(非球面形状の屈折光学面、非球面と等価な屈折作用を有する面等)であり、非球面の面形状を表わす以下の式(AS)で定義される。表６に、実施例１の非球面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０^-nである。
Ｘ(Ｈ)＝(Ｃ０・Ｈ²)／{１＋√(１−ε・Ｃ０²・Ｈ²)}＋Σ(Ａｊ・Ｈ^j) …(AS)
ただし、式(AS)中、
Ｘ(Ｈ)：高さＨの位置での光軸ＡＸ方向の変位量(面頂点基準)、
Ｈ：光軸ＡＸに対して垂直な方向の高さ、
Ｃ０：近軸曲率(＝１／ｒｉ)、
ε：２次曲面パラメータ、
Ａｊ：ｊ次の非球面係数、
である。

図３はズームレンズ系の実施例１に対応する収差図であり、(Ｗ)は広角端，(Ｍ)はミドル，(Ｔ)は望遠端における無限遠合焦状態での諸収差{左から順に、球面収差等，非点収差，歪曲収差である。ＦＮＯはＦナンバー、Ｙ’(ｍｍ)は撮像素子の受光面上での最大像高(光軸ＡＸからの距離に相当する。)である。}を示している。球面収差図において、実線ｄはｄ線、一点鎖線ｇはｇ線に対する各球面収差量(ｍｍ)を表しており、破線ＳＣは正弦条件不満足量(ｍｍ)を表している。非点収差図において、破線ＤＭはメリディオナル面、実線ＤＳはサジタル面でのｄ線に対する各非点収差(ｍｍ)を表している。また、歪曲収差図において実線はｄ線に対する歪曲(％)を表している。

誘電体多層膜を有する光学部材の実施の形態(サンプル８)を模式的に示す断面図。 撮影レンズの実施の形態(実施例１)を示すレンズ構成図。 実施例１の収差図。

符号の説明

ＭＣ 誘電体多層膜(反射防止膜)
Ｌ 低屈折率層
Ｈ 高屈折率層
Ｍ 下地層
Ｓ 合成樹脂基板
ＫＢ 光学部材
ＺＬ ズームレンズ系(撮影レンズ)
ＧＲ１ 第１レンズ群
ＧＲ２ 第２レンズ群
Ｌｐ プラスチックレンズ(合成樹脂基板)
ＡＸ 光軸

Claims (6)

1. 合成樹脂基板上に高屈折率層と低屈折率層とが積層された構造の誘電体多層膜を有する光学部材であって、前記誘電体多層膜にＡｌ₂Ｏ₃とＬａ₂Ｏ₃との混合物から成る下地層を前記合成樹脂基板と接するように有し、前記下地層におけるＡｌ₂Ｏ₃に対するＬａ₂Ｏ₃の混合比がモル比で３０％以上であることを特徴とする光学部材。
2. 前記低屈折率層を構成する材料がＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合物であることを特徴とする請求項１記載の光学部材。
3. 前記高屈折率層を構成する材料がＴａ₂Ｏ₅とＴｉＯ₂との混合物、又はＴｉＯ₂であることを特徴とする請求項１又は２記載の光学部材。
4. 前記合成樹脂基板が共重合ポリエステル樹脂又はシクロオレフィン樹脂から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学部材。
5. 前記誘電体多層膜が反射防止膜であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学部材。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学部材を備えたことを特徴とする撮影レンズ。

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