JP2007183444A - 光学素子の反射防止用塗料及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】塗膜のもつ応力で発生する界面剥離を防止することができる光学素子の反射防止用塗料及び光学素子を提供する。
【解決手段】プリズムブロックＰ１の溝部１３の表面に形成される内面反射防止層１４を、弾性接着剤を母材とする黒色塗料の塗膜で構成する。内面反射防止層１４を構成する反射防止用塗料の母材として例えば変成シリコーン系樹脂等の弾性接着剤を用いることによって、剥離の原因となる反射防止用塗料の過大な応力を吸収することを可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、フレアの発生の原因となる迷光を吸収するための光学素子の反射防止用塗料及び当該塗料が塗布された光学素子に関する。

例えばビデオカメラにおいて使用されるダイクロイックプリズムは、撮像光をＲ，Ｇ，Ｂ（赤、緑及び青）の各色に分解する複数の色分解プリズムを組み合わせて構成されている（例えば下記特許文献１参照）。このように光の光学素子を組み合わせて構成される光学部品においては、その主構成部品であるレンズ、プリズムの周辺部、縁、稜線部、及び光線遮断用の溝部等に、散乱や乱反射による迷光を生じるおそれがある。

このような迷光は、ゴーストやフレアが発生する原因となり画像品質を大きく低下させる。そこで、この迷光の発生を抑えるために、レンズ、プリズムの周辺部、縁、稜線部、及び光線遮断用の溝部等に墨やガラス用の黒色塗料を塗布することによって迷光を吸収し内面反射を防止するようにしている。

また、近年においては、レンズやプリズム等の光学素子に光学系の小型化等の要求から高屈折率の光学ガラスが使用されるようになってきた。このため、このような高屈折率の光学素子に対応するため内面反射防止塗料に用いる顔料として、屈折率や光吸収効率の高いコールタールやコールタールピッチを含む塗料が提案されている。例えば下記特許文献２〜５には、アクリロニトリル樹脂、ビニル樹脂、エポキシ樹脂等にコールタール又はコールタールピッチを混ぜた内面反射防止用塗料が記載されている。

図３は、３ＣＣＤ(Charge Coupled Device) 用ダイクロイックプリズムの色分解プリズムを構成するプリズムブロックの斜視図である。このプリズムブロック１は三角柱形状を有し、その一斜面部２の所定位置に形成された溝部３に内面反射防止層４が設けられている。溝部３は断面略Ｖ字形状であり、内面反射防止層４は溝部３の表面に塗布された内面反射防止用塗料の塗膜で形成されている。そして、当該プリズムブロック１に入射した異常光線をこの内面反射防止層４にて吸収することで、ゴーストやフレアの発生を抑制し画質の向上を図るようにしている。

特開２０００−３３８３１３号公報 特公昭５５−３００２９号公報 特公昭５５−３４８３７号公報 特公昭５８−４９４６号公報 特公昭５８−２９９７４号公報

しかしながら、上述したような従来の内面反射防止用塗料は、塗布される光学素子材料とは熱膨張係数が大きく異なる。そして、従来の内面反射防止用塗料は、低温時の硬度が高いため塗布厚が１０μｍ程度と薄い分には問題ないが、塗布厚が１００μｍを超えるような厚さで塗布すると次のような問題が発生する。

塗料の塗られた光学素子が大きな温度変化を受けると、塗料と光学素子材料との熱膨張係数の差から大きな熱応力が発生し、特に低温時には塗料の硬度が上昇するためその応力は極めて大きくなる。この応力により塗料が界面より剥離を起こしたり、材料破壊を伴う剥がれが発生する。従って、このような状態になると内面反射防止の効果はもはや期待できないものとなる。

特に、図３に示したプリズムブロック１の内面反射防止層４を形成する場合、この内面反射防止層４を構成する黒色塗料が図４に示すように溝部３の底部に溜まりやすく、他の部分に比べて塗膜が厚くなる。厚く塗られた塗料は大きな応力を発生する。一つは樹脂が硬化する際に発生する硬化収縮に伴う残留応力で、もう一つは熱膨張係数の差によるものである。

例えば、一般に用いられているエポキシ樹脂を母材として黒色顔料等を配合した反射防止用塗料と、塗布される光学素子を構成する透明基材（硝材：ガラス）の熱膨張係数を比較すると、エポキシ樹脂は４×７×１０^-7であるのに対し、硝材は７×１０^-6であり、一桁も異なる。従って、塗料を塗布した硝材にヒートショック試験のような急激な温度変化を与えると、この熱膨張係数の違いから大きな熱応力が発生する。

また、エポキシ樹脂は硬度が高く前述の反射防止用塗料は室温で硬度４０（ショアＤ実測）であり、低温では更に硬度が上昇し、−３０℃では硬度７５（ショアＤ実測）と硬質プラスチックと同等の硬度となる。つまり、低温で非常に硬いことから、発生した応力が樹脂の変形により吸収することができず、塗布界面あるいは硝材の材料破壊を伴った剥離が発生する。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、塗膜のもつ応力で発生する界面剥離を防止することができる光学素子の反射防止用塗料及び光学素子を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の光学素子の反射防止用塗料は、透明基材の表面に塗布される反射防止用塗料であって、弾性接着剤を母材とする黒色塗料からなることを特徴とする。

また、本発明の光学素子は、透明基材の表面に反射防止層を有する光学素子であって、この内面反射防止層は、弾性接着剤を母材とする黒色塗料の塗膜からなることを特徴とする。

本発明では、反射防止用塗料の母材として弾性接着剤を用いることによって、剥離の原因となる反射防止用塗料の過大な応力を吸収することを可能とする。なお、弾性接着剤は接着層に弾性をもつ接着剤のことをいい、一般的にはシリコーン系、変成シリコーン系、ウレタン系、エポキシ系、ポリサルファイド系、複合変性ポリマー系などの種類がある。中でも、変成シリコーン系弾性接着剤は、硬化物がゴム状弾性体となり、ガラス転移温度が−６０℃付近にある。従って、通常使用される温度領域ではゴム状の弾性領域を呈するため、高い応力吸収効果を得ることができる。

本発明によれば、塗布した塗料の応力による界面剥離を防止して、耐久性の高い反射防止機能を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態による光学素子を用いて構成されたダイクロイックプリズム１０を示している。ダイクロイックプリズム１０は、各々色分解プリズムとして構成される３個のプリズムブロックＰ１，Ｐ２及びＰ３と、緑色、青色及び赤色の光専用の３つの撮像素子Ｇ−ＣＣＤ，Ｂ−ＣＣＤ及びＲ−ＣＣＤとを備えている。

プリズムブロックＰ１〜Ｐ３はガラス（硝材）等の透明基材を各々図示する角柱形状に形成してなる。各プリズムブロック同士と、プリズムブロックと撮像素子とはそれぞれ透明の接着剤によって固着されている。また、本実施の形態において撮像素子はＣＣＤセンサが用いられているが、これに代えてＣＭＯＳセンサ（イメージャ）等の他の固体撮像素子が用いられてもよい。

プリズムブロックＰ１とプリズムブロックＰ２との間の接合面Ｓ１２には、緑色光ＬＧを反射させる特性を有するダイクロイック膜が形成されているとともに、プリズムブロックＰ２とプリズムブロックＰ３との間の接合面Ｓ２３には、青色光ＬＢを反射させる特性を有するダイクロイック膜が形成されている。なお、上記ダイクロイック膜は、蒸着等により各接合面に形成することができる。

図示しない撮像レンズを通過してきたＲＧＢの各３原色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢは、プリズムブロックＰ１の接合面（第２斜面部）Ｓ１２で緑色光ＬＧのみが反射し、当該プリズムブロックＰ１の第１斜面部Ｓ１１で全反射を起こして緑色光専用の撮像素子Ｇ−ＣＣＤに到達する。また、青色光ＬＢ及び赤色光ＬＲは接合面Ｓ１２を透過し、接合面Ｓ２３で青色光ＬＢのみが反射するが、赤色光ＬＲはそのまま透過して、それぞれの色光専用の撮像素子Ｂ−ＣＣＤ及びＲ−ＣＣＤに到達する。なお、上記した色の分解順には特に制約はなく、上記以外の順で色分解が行われてもよい。

ここで、プリズムブロックＰ１の第２斜面部Ｓ１２には、断面略Ｖ字形状の溝部１３が形成されている。溝部１３は、プリズムブロックＰ１とプリズムブロックＰ２及びＰ３の接合部の頂点部位との間の接触（衝突）を回避する機能と、後述するようにプリズムブロックＰ１における異常光線（迷光）の内面反射を防止する機能とを有している。

図２は、プリズムブロックＰ１の第１斜面部Ｓ１１に入射した緑色光ＬＧ及び異常光線Ｌｉの光路をそれぞれ示している。プリズムブロックＰ１は三角柱形状を有している。プリズムブロックＰ１に対して正規の入射角で入射した正常光線（緑色光ＬＧ）は、上述したように第２斜面部Ｓ１２及び第１斜面部Ｓ１１に対する内面反射を経て撮像素子Ｇ−ＣＣＤに到達する。

一方、プリズムブロックＰ１に対して正規の入射角でない角度から入射した異常光線Ｌｉは、第２斜面部Ｓ１２で反射した後、溝部１３によって遮蔽されることで撮像素子Ｇ−ＣＣＤへの到達が阻止される。これにより、ダイクロイックプリズム１０における色分解機能を高めてゴーストやフレアといった画質劣化を抑えることが可能となる。溝部１３の表面には、黒色塗料の塗膜からなる内面反射防止層１４が形成されており、溝部１３に到達した異常光線Ｌｉがこの内面反射防止層１４で吸収されるようになっている。

さて、溝部１３に対する内面反射防止層１４の形成は、内面反射防止用の黒色塗料を溝部１３の表面に塗布することによって行われる。上述したように、断面略Ｖ字状の溝部に塗料を塗布する場合、溝部の底部に塗料が溜まりやすく、他の部分に比べて塗膜が厚くなる（図４参照）。厚く塗られた塗膜は大きな応力を発生し、プリズム基材（硝材）との間で塗膜の界面剥離が生じやすくなる。

そこで本実施の形態では、内面反射防止層１４を構成する内面反射防止用塗料が、弾性接着剤を母材とする黒色塗料で構成されている。反射防止用塗料の母材として弾性接着剤を用いることによって、剥離の原因となる反射防止用塗料の過大な応力を吸収することを可能とする。

ここで、弾性接着剤とは、接着層に弾性をもつ接着剤のことをいい、一般的にはシリコーン系、変成シリコーン系、ウレタン系、エポキシ系、ポリサルファイド系、複合変性ポリマー系などの種類がある。中でも、変成シリコーン系弾性接着剤は、硬化物がゴム状弾性体となり、ガラス転移温度が−６０℃付近にある。従って、通常使用される温度領域ではゴム状の弾性領域を呈するため、高い応力吸収効果を得ることができる。

本実施の形態では、弾性接着剤として変成シリコーン系弾性接着剤が用いられる。変成シリコーン系弾性接着剤は、低温（−６０℃）から高温（１２０℃）まで柔軟性を失わない点にあり、室温と−３０℃の硬度はどちらも６程度（ショアＤ試験実測値）とゴム状の弾性体である。変成シリコーン系弾性接着剤としては、１液型変成シリコーン系、１液型エポキシ変性シリコーン系、２液型エポキシ変性シリコーン系の何れを用いてもよい。

特に、変成シリコーン樹脂としては、下記［化１］で示される加水分解性ケイ素官能基を末端に有するポリエーテル共重合体が好適である。この変成シリコーン樹脂は、硬化触媒の作用によって、末端が加水分解すると共に末端同士が結合し硬化する性質をもつ。

変成シリコーン系弾性接着剤には、例えば、セメダイン社製「スーパーＸＬブラック」が挙げられる。この弾性接着剤に添加される顔料には、コールタールやコールタールピッチといった黒色顔料、又は当該黒色顔料を含む樹脂材料を用いることができる。なお、黒色顔料を含む樹脂材料としては、例えば、キャノン化成社製「ＧＴ−７Ａ（主剤）」が挙げられる。

以上のように、内面反射防止用塗料を弾性接着剤を母材とする黒色塗料で構成することにより、プリズムブロックＰ１の溝部１３の底部に塗料が溜まって塗膜厚が他の部分よりも増大したとしても、これを原因として発生する溝部１３底部における塗膜の内部応力や熱応力を当該塗膜のもつ弾性機能で吸収して界面剥離を効果的に抑制することができる。

従って本実施の形態によれば、溝部１３の表面からの内面反射防止層１４の剥離を抑制できるので、内面反射防止層１４の耐久性を向上させることができる。特に、大きな温度変化を伴う環境下においても内面反射防止用塗料の塗布厚にかかわらず剥離を生じることのない高信頼性の内面反射防止層１４を形成することが可能となる。

本発明の実施例に係る反射防止用塗料として、変成シリコーン系弾性接着剤（セメダイン社製「スーパーＸＬブラック」）を母材とし、これにコールタール８％、染料２％、ケイ素粉末６％を配合した反射防止用塗料を作製し、プリズムブロックＰ１の溝部１３に塗布した。塗布後、硬化促進のため８０℃で１時間の環境下においた。比較例として、市販の反射防止用塗料（キャノン化成社製「ＧＴ−７」）を同構成のプリズムブロックの溝部に塗布した。

実施例及び比較例に係る試料に対し、信頼性試験としてヒートショック試験（−４０℃⇔８０℃、各３０分、１００サイクル）を実施した結果、比較例に係るサンプルでは溝部の底部に材料破壊（プリズムブロックを構成する透明基材の破壊）が認められたのに対して、実施例に係るサンプルでは塗膜の界面剥離等は認められなかった。

また、内面反射率を比較するために、ガラス板の片面をサンドブラストで粗面化し、この面に実施例に係る上記塗料と比較例に係る塗料を塗布したサンプルを作製し、分光光度計にて反射率を測定した。結果、実施例に係る塗料は、入射角５°のときと入射角６０°の何れにおいても比較例に係る塗料と同等の反射率が得られることを確認した。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、本発明に係る反射防止用塗料を、ダイクロイックプリズムの色分解用プリズムブロックＰ１の溝部１３に対して施される内面反射防止用塗膜１４の形成に用いたが、本発明はこれに限らず、例えばガラス基板等の透明基材上に設けられる反射防止層の形成に用いてもよい。

また、以上の実施の形態では、ダイクロイックプリズム１０をビデオカメラ用途で構成した例について説明したが、勿論これに限られず、例えばリアプロジェクタ等のダイクロイックプリズムに用いてもよい。

本発明の実施の形態において説明するダイクロイックプリズム１０の概略構成図である。 ダイクロイックプリズム１０を構成するプリズムブロックＰ１の側面図及び光路図である。 従来のプリズムブロック１の構成を示す全体斜視図である。 プリズムブロック１の溝部３の表面に塗布された内面反射防止用塗料の形態を説明する要部側断面図である。

符号の説明

１０…ダイクロイックプリズム、１３…溝部、１４…内面反射防止層、ＬＧ…緑色光、ＬＢ…青色光、ＬＲ…赤色光、Ｌｉ…異常光線、Ｐ１〜Ｐ３…プリズムブロック、Ｓ１１…第１斜面部、Ｓ１２…第２斜面部

Claims (6)

1. 透明基材の表面に塗布される反射防止用塗料であって、
   弾性接着剤を母材とする黒色塗料からなる
   ことを特徴とする光学素子の反射防止用塗料。
2. 前記弾性接着剤は、変成シリコーン系樹脂である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の反射防止用塗料。
3. 前記黒色塗料は、前記弾性接着剤に黒色顔料又は黒色顔料を含む樹脂を含有してなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の反射防止用塗料。
4. 透明基材の表面に反射防止層を有する光学素子であって、
   前記反射防止層は、弾性接着剤を母材とする黒色塗料の塗膜からなる
   ことを特徴とする光学素子。
5. 前記透明基材はプリズムである
   ことを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
6. 前記透明基材の表面には断面Ｖ字状の溝が形成されており、
   前記反射防止層は、前記溝の表面に形成された内面反射防止層である
   ことを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
   
   

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