JP2009098545A - 光学部材及びそれを有する光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学系に用いたとき有害光の発生を効果的に抑制することができる光学部材を得ること。
【解決手段】 光学系の光路中に配置され、光束が透過する光学部材ＰＬであって、該光学部材は、光線有効領域１よりも外側の外周領域に無機薄膜によって形成された光線遮光領域を有し、該光学部材の外周部の厚さをＤ、該光学部材の材料のｄ線に対する屈折率をＮ、外周部から該光線有効領域の最外部までの距離をＬとするとき、
【数１】

なる条件を満足すること。
【選択図】 図１

Description

本発明は光学部材及びそれを有する光学系に関し、撮像装置、照明装置、投射装置、そして観察装置等の光学機器に用いる光学系に好適なものである。

一般に、各種の光学機器の光学系に使用されるレンズ、フィルター、プリズム等の光学部材は、表面の反射率を十分に低減させた黒色部材で構成されているレンズ鏡筒内に保持される。

このとき、光学部材は鏡筒内の壁面の位置決め部に突き当てられて、位置決めされ、保持されている。それと同時に、接着剤や固定部材、あるいは鏡筒の一部分を変形して形成される手段等によって鏡筒内に固定保持されている。

このような光学機器に用いられる光学部材には、光学部材の光線有効領域を透過する光線（有用光）が予期したとおりの光学作用をして所定の位置に入射することが要望されている。

しかしながら多くの光学機器では、光線が予期しない部分にまで入射し、その部分からの反射作用等によって所望の光学作用をしないで不要光（有害光）となる場合がある。

この不要光には、例えば鏡筒の壁面反射によるものの他に、透明材で形成される光学部材の透過面の反射作用によるものや、同じく光学部材の外周部の壁面反射によるもの等がある。

鏡筒の壁面反射を抑制するためには、上述のように鏡筒を黒色部材で構成する方法がある。また、黒色部材の面を必要に応じて粗面とすることや、階段状として強い反射光が出現しないように構成する方法がある。この他、塗料や遮光材料を混入した材料を用いる方法等が知られている。

一方、光学部材の透過面の反射作用による不要光を抑制するためには、光学部材の表面に誘電体薄膜による反射防止膜を形成する技術が一般的に知られている。また光学部材の外周部（コバ面）の壁面反射による不要光の抑制のために黒色塗料を塗布する方法が一般に行なわれている。

このように光学機器で生ずる不要光を抑制するためには種々の技術が知られている。このうち鏡筒の内面反射や光学部材の壁面反射を抑制するために、これらの面に黒色塗料を塗布するという技術は、製造工程の作業性が悪いことや塗料からゴミが発生しやすいという問題があった。

一方で、光学部材の表面に蒸着技術で黒色層を有する黒色反射防止膜を形成し、不要光を少なくする技術が知られている（例えば特許文献１〜３）。

特許文献１では、透過光を決定するクロム金属膜上に透明誘電体薄膜と金属薄膜とからなる反射防止膜を形成した中性濃度フィルターを開示している。

特許文献２では、光学部材の表面上に黒色被膜（黒色膜）を形成し、その上に酸化チタンや酸化ケイ素等の誘電体薄膜より成る透明反射防止膜を形成して、干渉作用を利用した黒色反射防止膜を開示している。特に特許文献２では、黒色被膜の反射率を所望の値に低下させる黒色反射防止膜を開示している。

特許文献３では、透明基板の表面上に誘電体薄膜による光吸収層、金属膜による遮光層、そしてさらにその上に誘電体薄膜による光吸収層を配置して遮光部を形成した黒色反射防止膜（光吸収部材）を開示している。この特許文献３に開示されている遮光部は、その表面反射ばかりでなく裏面反射をも低下させることができ、光学部材から生ずる不要光を効果的に抑制している。
特許第２６９１９８９号公報 特開２００１−３５０００３号公報 特開２００６−２０１６９７号公報

黒色反射防止膜は、光学機器に用いる光学部材に適用すると、有害光の発生が少なくなり、大変有効な反射防止手段である。

特に光学部材の表面上に誘電体薄膜による光吸収層、金属膜による遮光層、そしてさらに誘電体薄膜による光吸収層を配置した黒色反射防止膜より成る遮光部を形成する技術は、反射防止に大変有効である。特にこの技術は光学部材の外周部の所定領域の遮光部に対して有効である。

一般に光学系中に配置した光学部材にはさまざまな方向から光が入射する。このとき、光学部材の表面上の光線有効領域に入射し屈折した光の一部が光学部材の外周面(コバ面）に入射する場合がある。そうすると光学部材の外周面で内面反射し、この光が例えば撮像面に到達すると有害光となる。

この黒色反射防止膜を光学系中の光学部材に用いて有害光の発生を効果的に抑制するには、黒色反射防止膜を光学部材の外周領域の適切なる領域に形成することが重要になってくる。

この黒色反射防止膜の適用が不適切であると、光学部材の外周部からの内面反射で有害光が多く発生し、光学性能を低下させる原因となってくる。

本発明は、誘電体薄膜と金属薄膜による遮光技術を有効に活用し、光学部材の所定領域に、誘電体薄膜による反射防止機能を持ち、周辺部の所定領域(外周領域）に遮光機能を持つように構成する。これにより光学系に用いたとき有害光の発生を効果的に抑制することができる光学部材及びそれを有する光学系の提供を目的とする。

本発明の光学部材は、
光学系の光路中に配置され、光束が透過する光学部材であって、
該光学部材は、光線有効領域よりも外側の外周領域に無機薄膜によって形成した光線遮光領域を有し、該光学部材の外周部の厚さをＤ、該光学部材の材料のｄ線に対する屈折率をＮ、外周部から該光線有効領域の最外部までの距離をＬとするとき、

なる条件を満足することを特徴としている。

本発明によれば、光学系に用いたとき有害光の発生を効果的に抑制することができる光学部材が得られる。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の光学部材は各種の光学機器の光学系の光路中に配置され、光束が透過する位置に配置されるレンズ、フィルター、プリズム等の光学部材である。

光学部材は光線有効領域よりも外側の外周領域の一部分に無機薄膜によって形成された光線遮光領域（遮光部）を有する。そしてこの光線遮光領域には黒色反射防止膜が形成されている。

また本発明における無機薄膜は誘電体薄膜、及び金属薄膜で構成されており、光学部材の光線有効領域および光線遮光領域に付加される誘電体薄膜に積層されている。

図１は本発明の実施例１の光学部材の概略図である。

図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は断面図である。図４は本実施例の光学部材の表面に形成された光学薄膜の要部断面図である。本実施例の光学部材ＰＬは両凸形状のレンズである。

図１において、１は光学部材ＰＬの光線有効部（光線有効領域）、２は光学部材ＰＬの光線遮光領域（遮光部）を表している。

図１において、Ｄは光学部材ＰＬの外周部３の厚さ（コバ厚）、Ｌは光学部材ＰＬの外周部３から光線有効領域（非遮光領域）１の最外部までの距離(輪帯幅）を表している。

光学部材ＰＬの材料のｄ線に対する屈折率をＮとする。このとき本実施例では、

なる条件を満足している。

本実施例では無機薄膜で形成された遮光部（光線遮光領域）２を光学部材ＰＬの外周部の適切な領域に配置している。条件式(1)はこのような無機薄膜で形成された遮光部２を光学部材ＰＬの外周部の適切な領域(外周領域）に配置することを規定したものである。

条件式(1)の下限値を超えて外周部から光線有効領域１の最外部までの距離Ｌが小さくなりすぎると光学部材ＰＬの外周部の壁面に光線が到達するようになって不要光の抑制が不十分となる。また、条件式(1)の上限値を超えて外周部から光線有効領域１の最外部までの距離Ｌが大きくなりすぎると光学部材ＰＬの光線有効領域が外形寸法に対して小さくなって鏡筒構造が大型化してくる。

なお、条件式(1)の下限値は光学部材ＰＬに対して入射角４５°の光線が入射したとき、光学部材ＰＬの外周部の壁面に到達しないための条件を示したものである。

本実施例の光学部材ＰＬの表面には図４に示すように誘電体薄膜１１が形成されている。無機薄膜は光学部材ＰＬに形成される誘電体薄膜１１に積層されており、無機薄膜は誘電体薄膜１２１，１２３及び金属薄膜１２２によって構成されている。

本実施例では光学部材ＰＬの基板材料１０上の全面にまず誘電体薄膜１１を形成して光線有効領域１における反射防止作用を実現している。そしてこれに積層するように光線有効領域１の外側の外周部（光線遮光領域）２に誘電体薄膜１２１，１２３、及び金属膜１２２を形成して不要光を遮光する遮光部２を形成している。光線有効領域１には空気層を界面とした反射防止作用を持った誘電体薄膜１１を形成している。金属膜１２２との間の干渉による反射率を低減させるため誘電体薄膜１２１，１２３を用いている。

本実施例の光学部材ＰＬでは以上の構成を用いることにより、光学部材ＰＬの表面反射による不要光の抑制と、光学部材ＰＬの外周部３の壁面反射による不要光の抑制を同時に実現している。

図１に示した本実施例の光学部材ＰＬは、撮像光学系や投射光学系等に使用する直径３０ｍｍの両凸形状のレンズである。光学部材ＰＬの材料はｄ線に対する屈折率Ｎ＝１．５２である。外周部３の厚さＤ＝１ｍｍである。

本実施例では光線有効部１の光線有効径が２７ｍｍ、遮光領域２の輪帯幅Ｌ＝１．５ｍｍである。

遮光領域２に誘電体薄膜と金属薄膜を組み合わせた遮光部を形成している。本実施例の構成では、この光学部材ＰＬを光学系に用いたとき、外周部３に到達する光線はほとんどなく、不要光の抑制のために外周部３に黒色塗料を塗布する必要はない。

なお、本実施例では外周部３の厚さＤと光学部材ＰＬの外周部３から光線有効領域（非遮光領域）１の最外部までの距離Ｌと光学部材ＰＬの材料のｄ線に対する屈折率Ｎの条件式(1)の関係は次の通りである。
Ｌ＝１．５

１０・Ｄ＝１０
これにより条件式(1)を満足している。

図２は本発明の実施例２の光学部材の概略図である。図２は（ａ）は正面図、図２（ｂ）は断面図である。本実施例の光学部材ＰＬは両凹形状のレンズである。

図２において、１は光学部材ＰＬの光線有効領域（非遮光領域）、２は光学部材ＰＬの遮光領域を表している。また図２において、Ｄは光学部材ＰＬの外周部３の厚さ、Ｌは光学部材ＰＬの外周部３から光線有効領域１の最外部までの距離（輪帯幅）を表している。

図２に示した本実施例の光学部材ＰＬは、撮像光学系や投射光学系等の光学系に用いられる直径２０ｍｍの両凹形状のレンズである。光学部材ＰＬの材料はｄ線に対する屈折率Ｎ＝１．５２である。光学部材ＰＬは外周部付近で外周部３の厚さＤを小さくするような形状の面取り部を設けている。この結果、外周部３の厚さＤ＝２．５ｍｍのレンズとなっている。

本実施例では光線有効径１が１７ｍｍのレンズであって、外周部３からの距離Ｌ＝１．５ｍｍの領域より外側の遮光領域２に誘電体薄膜と金属薄膜を組み合わせた遮光部を形成している。

条件式(1)に関する値は次の通りである。
Ｌ＝１．５

１０・Ｄ＝２５
本実施例の構成では遮光部を形成した領域の外側に面取り部を形成しているが、条件式(1)を満足する領域に遮光部を設けたことにより外周部３に到達する光線はほとんどなく、不要光の抑制のために黒色塗料を塗布する必要はない。

図３は本発明の実施例３の光学部材の概略図である。図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は断面図である。本実施例の光学部材ＰＬは各種の光学系に用いられるフィルター部材である。

図３において、１は光学部材の光線有効領域(非遮光領域）、２は光学部材ＰＬの遮光領域を表している。また図３において、Ｄは光学部材ＰＬの外周部３の厚さ、Ｌは光学部材ＰＬの外周部３から光線有効領域（非遮光領域）１の最外部までの距離を表している。

図３に示した本実施例の光学部材ＰＬは、特にカメラの撮像素子近傍に配置して撮像光学系の光学特性をコントロールするのに好適なフィルター部材である。

本実施例のフィルター部材は複数の光学基板を互いに接合した平行平面板より構成されている。そして撮像光学系に用いたときには撮像素子の直前に配置される。光学部材ＰＬの外形寸法は短辺方向が２８ｍｍ、長辺方向が４０ｍｍで厚さＤが１．５ｍｍとなっている。また複数の平行平面板より成るフィルター部材ＰＬの材料の平均屈折率Ｎは約１．５２である。

本実施例のフィルター部材ＰＬの光線有効領域１は撮像素子の有効画素領域に対応するべく、短辺方向が２５ｍｍ、長辺方向が３７ｍｍの長方形形状の領域としている。

本実施例では外周部３から１．５ｍｍの範囲を遮光部（遮光領域）としている。そしてカメラ等の撮像光学系に用いたとき内面反射による有害光が撮像素子に入射するのを防ぐとともにフィルター部材の端面で反射する有害光が撮像素子に入射するのを防いでいる。

条件式(1)に関する値は次の通りである。
Ｌ＝１．５

１０・Ｄ＝１５
本実施例のような形状の光学部材ＰＬに対しても条件式(1)を満足する構成としたとき不要光の抑制に有効となる。
［薄膜の実施例］
本発明の光学部材はレンズ、フィルター部材の他、プリズム、焦点板、保護ガラス等、各種の光学部品に適用できる。

次に図４を用いて本発明の光学部材に形成する誘電体薄膜と金属薄膜等の光学薄膜について説明する。

図４において、１は光学部材ＰＬの光線有効領域、２は光学部材ＰＬの遮光領域を示している。また図４において、１０は光学部材ＰＬの基板材料である。１１は誘電体材料の多層膜で構成した反射防止部で光学部材ＰＬの全面に形成されている。１２は金属薄膜と誘電体薄膜を組み合わせて形成した遮光部である。遮光部１２は誘電体薄膜層１２１、金属薄膜１２２、誘電体薄膜層１２３を積層した構成となっている。遮光部１２の金属層の内側の反射率と外側の反射率の両方を十分に低下させる構成としている。

反射防止部１１は誘電体薄膜を用いて光学部材ＰＬの基板表面と空気層の間の反射率を低下させる周知の誘電体薄膜層である。誘電体薄膜層１２１は反射防止部１１の上に積層した状態で光学部材ＰＬの基板表面と金属層間の反射率を低下させる薄膜層である。また誘電体薄膜層１２３は金属層と空気層の間の反射率を低下させるように構成した薄膜層であって、遮光部１２の外側の反射率を十分に低下させている。

このような機能を持った光学薄膜を形成するための誘電体材料としては、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）のような比較的屈折率の高い材料から例えば酸化ケイ素のような比較的屈折率の低い材料まで種々の屈折率の材料が適用できる。

本実施例の誘電体薄膜層１１、１２１、１２３では、このような誘電体薄膜材料を適切に組み合わせて上記の機能を持つように薄膜層を形成している。また、金属層を形成する材料としては例えばクロムなどが知られており、その光吸収作用と反射作用を適切に制御することによって構成している。

また、特に本実施例の誘電体薄膜層１２１、１２３には誘電体薄膜材料の中でも例えばＴｉＯのような光吸収作用を持った材料を使用すると金属層１２２の光吸収作用を補うことが可能となってより良好な特性が得られる。

なお、本実施例で説明した無機薄膜は略全面に形成可能な保持部材に保持した状態で図４の薄膜層１１を形成している。そして、その後に光学部材ＰＬの有効領域１を遮蔽する保持部材に変更して保持した状態で薄膜層１２を形成することによって実現している。薄膜の形成方法としては周知の真空蒸着法やスパッタ法が適用できる。

上述した実施例においては光学部材を撮像光学系に使用する光学部材の他に観察光学系や照明光学系など種々の光学系に適用することができる。また、光線有効領域における機能として不要光の反射防止作用を例に挙げて説明したが、ダイクロイックコートなどのように波長選択機能を持った薄膜とすることも可能である。

本発明の光学部材によれば、黒色塗料の塗布といった製造工程を必要としない手法で、光学機器の光学系に用いたとき有害光を効果的に抑制することができる。

また本発明によれば、誘電体薄膜と金属薄膜による遮光技術を有効に活用し、光線有効領域には誘電体薄膜による所望の反射防止機能を持ち、光線有効領域の外周部の所定領域には遮光部を持つ光学部材を容易に実現することができる。

本発明の実施例１の光学部材の説明図 本発明の実施例２の光学部材の説明図 本発明の実施例３の光学部材の説明図 本発明に係る光学薄膜の説明図

符号の説明

１ 光学部材の光線有効領域
２ 光学部材の遮光領域
Ｄ 光学部材の外周部の厚さ
Ｌ 光学部材の外周から非遮光領域の最外部までの距離
１０ 基板材料
１１ 誘電体材料の多層膜で構成した反射防止部
１２ 金属薄膜と誘電体薄膜を組み合わせて形成した遮光部
１２１、１２３ 誘電体薄膜層
１２２ 金属薄膜

Claims (3)

1. 光学系の光路中に配置され、光束が透過する光学部材であって、
   該光学部材は、光線有効領域よりも外側の外周領域に無機薄膜によって形成された光線遮光領域を有し、該光学部材の外周部の厚さをＤ、該光学部材の材料のｄ線に対する屈折率をＮ、外周部から該光線有効領域の最外部までの距離をＬとするとき、
   なる条件を満足することを特徴とする光学部材。
2. 前記光学部材の表面には、誘電体薄膜が形成されており、前記無機薄膜は該光学部材に形成される誘電体薄膜に積層されており、該無機薄膜は誘電体薄膜、及び金属薄膜によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学部材。
3. 請求項１又は２の光学部材を光路中に有することを特徴とする光学系。