JP2010008550A

JP2010008550A - 光学素子及び光学ユニット

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Publication number: JP2010008550A
Application number: JP2008165708A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Uzawa; 邦彦鵜澤
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】観察や計測に充分な光量を確保し、かつ、透明導電性膜に安定に電流を供給して表面の曇りを防止する光学素子、及び該光学素子を備えた光学ユニット。
【解決手段】透明基板１１上に透明導電性膜１２が設けられた光学素子であって、前記透明導電性膜上に、Ｃｒ膜とＮｉ膜とＡｕ膜とが順次積層された電極部材と、少なくとも１層以上の高屈折率膜と低屈折率膜とが積層された反射防止部材とが設けられていることを特徴とする光学素子。また、前記光学素子１０と、光学素子１０に電流を供給する給電機構と、光学素子１０と給電機構とを接続するリード線とを備えた光学ユニット。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子表面の曇りを防止できる光学素子、及び該光学素子を備えた光学ユニットに関する。

例えば、口腔内、体内等の高湿度環境下で用いられるカメラ、観察機器、計測機器等では、それらの機器が有する光学素子表面の温度と使用環境における温度の差や、湿度の差によって、光学素子表面に微小水滴が生じて曇りが生じることがある。
光学素子に曇りが生じると、観察画像が不明瞭となったり、正確な計測ができなくなったりする問題がある。そのため、光学素子に生じる曇りを防ぐことが必要である。

光学素子の曇りを防ぐ方法としては、加熱手段により光学素子の温度を高くすることにより、表面に微小水滴が生じたり、付着したりするのを防ぐ方法がある。このような方法においては、光学素子表面に透明導電性膜を形成させ、外部給電機構から給電することにより、透明導電性膜が抵抗熱により発熱することを利用する。透明導電性膜としては、一般的に酸化インジウムと酸化錫との混合物であるＩＴＯ膜が用いられる。

特許文献１では、テレビカメラやビデオカメラ等のカメラのレンズの曇り防止手段として、レンズ面に透明導電性膜を形成させ、給電制御回路より給電手段を介して該透明導電性膜に給電し、レンズ面を加熱して曇りを除去する方法が示されている。また、特許文献１の方法では、レンズ面に温度センサーを設けておき、レンズ面の温度が一定値に達したときに給電を停止することにより、レンズ面の曇りを効率的に除去している。
特開平５−５３０７７号公報

しかし、特許文献１の曇り防止方法では、電流供給が不安定になり、曇り防止機能が低下することがあった。また、一般的に透明導電性膜は膜屈折率が高いため、表面反射率が高い。そのため、透明導電性膜を光学素子として使用する場合、透明導電性膜表面での反射により透過光量が低下し、観察画像の劣化や計測誤差を引き起こすことがあった。
以上のような理由から、本発明では、光の透過率が高く、かつ、透明導電性膜に安定に電流を供給して表面の曇りを防止する光学素子、及び該光学素子を備えた光学ユニットを目的とする。

本発明の光学素子は、透明基板上に透明導電性膜が設けられた光学素子において、前記透明導電性膜上に、Ｃｒ膜とＮｉ膜とＡｕ膜とが順次積層された電極部材と、少なくとも１層以上の高屈折率膜と低屈折率膜とが積層された反射防止部材とが設けられていることを特徴とする。
また、本発明の光学素子は、前記電極部材のＣｒ膜の膜厚が５０〜２００ｎｍであり、Ｎｉ膜の膜厚が１００〜３００ｎｍであり、Ａｕ膜の膜厚が１００〜４００ｎｍであることが好ましい。

また、本発明の光学ユニットは、前記光学素子と、該光学素子に電流を供給する給電機構と、前記光学素子と前記給電機構とを接続するリード線とを備えている。

本発明の光学素子は、光の透過率が高く、また透明導電性膜に安定に電流を供給して表面の曇りを防止することができる。
また、本発明の光学ユニットは、光の透過率が高く、また透明導電性膜に安定に電流を供給して表面の曇りを防止できる光学素子を備えている。

［光学素子］
以下、本発明の光学素子の一実施形態例について図１に基づいて説明する。
この光学素子１０は、図１に示すように、透明基板１１の表面１１ａ側に透明導電性膜１２が設けられ、透明導電性膜１２上に電極部材１３と反射防止部材１４とが設けられている。また、透明基板１１の他方の表面１１ｂ側には反射防止部材１５が設けられている。
ただし、本発明における透明とは、少なくとも波長４２０〜６８０ｎｍの光の透過率が９５％以上であることを意味する。

（透明基板）
透明基板１１は、光が透過する透明なものであればよく、ガラス基板であることが好ましい。
透明基板１１は平板であることが好ましい。
また、透明基板１１は、透明基板１１と透明導電性膜１２との密着性を向上させる点から、表面にアンダーコート層等を有していてもよい。

（透明導電性膜）
透明導電性膜１２は、導電性を有する透明の金属酸化物膜である。
金属酸化物としては、例えば、錫をドープした酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素をドープした酸化錫（ＦＴＯ）、アンチモンをドープした酸化錫（ＡＴＯ）、アルミニウムをドープした酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガリウムをドープした酸化亜鉛（ＧＺＯ）等が挙げられる。これらは１種のみを使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

透明導電性膜１２の膜厚は、５〜３０ｎｍであることが好ましく、８〜１５ｎｍであることがより好ましい。
透明導電性膜１２の膜厚が５ｎｍ以上であれば、充分な導電性が得られ、曇りを防止しやすい。また、透明導電性膜１２の膜厚が３０ｎｍ以下であれば、充分な光の透過率を得やすい。

（電極部材）
電極部材１３は、外部給電機構と接続するリード線２０を接合して、該外部給電機構から透明導電性膜１２に電流を供給する部材である。電極部材１３は、透明導電性膜１２上に、Ｃｒ膜１３ａ、Ｎｉ膜１３ｂ、Ａｕ膜１３ｃが順次積層されて設けられている。

Ｃｒ膜１３ａは、透明導電性膜１２と、Ｎｉ膜１３ｂ及びＡｕ膜１３ｃとの密着性を高める膜である。
Ｃｒ膜１３ａの膜厚は、５０〜２００ｎｍであることが好ましく、８０〜１５０ｎｍであることがより好ましい。Ｃｒ膜１３ａの膜厚が５０ｎｍ以上であれば、透明導電性膜１２との密着性が充分に得られやすい。また、Ｃｒ膜１３ａの膜厚が２００ｎｍ以下であれば、Ｃｒ膜１３ａに生じる膜応力が小さくなるため、透明導電性膜１２から剥離することを防止しやすい。

Ｎｉ膜１３ｂは、ほとんど電気抵抗の無い状態で透明導電性膜１２に電流を供給すると共に、リード線２０をはんだ２１で接合する際のリード線密着性を高めることができる。
Ｎｉ膜１３ｂの膜厚は、１００〜３００ｎｍであることが好ましく、１５０〜２５０ｎｍであることがより好ましい。Ｎｉ膜１３ｂの膜厚が１００ｎｍ以上であれば、リード線２０をはんだ接合する際、熱によるはんだ拡散によって生じる膜剥離を防止しやすい。また、Ｎｉ膜１３ｂの膜厚が３００ｎｍ以下であれば、Ｎｉ膜１３ｂに生じる膜応力が小さくなるため、Ｃｒ膜１３ａから剥離することを防止しやすい。

Ａｕ膜１３ｃは、最表面に形成されており、Ｎｉ膜１３ｂの酸化を防止すると共に、はんだ濡れ性が高く、リード線２０をはんだ２１で接合する際のリード線密着性を高めることができる。
Ａｕ膜１３ｃの膜厚は、１００〜４００ｎｍであることが好ましく、１５０〜２５０ｎｍであることがより好ましい。Ａｕ膜１３ｃの膜厚が１００ｎｍ以上であれば、成膜時にピンホールができて、Ｎｉ膜１３ｂが酸化してしまうことを防止しやすい。また、Ａｕ膜１３ｃの膜厚が４００ｎｍ以下であれば、Ａｕ膜１３ｃに生じる膜応力が小さくなるため、Ｎｉ膜１３ｂから剥離することを防止しやすい。

電極部材１３を形成する位置及び形状は、透明導電性膜１２上の下記反射防止部材１４を設ける部分以外で、観察や計測に悪影響を及ぼさない範囲あれば特に限定されず、例えば、透明基板の外縁部とすることが挙げられる。

（反射防止部材）
反射防止部材１４は、透明導電性膜１２における光の反射率を低くして、透過光量を増大させる役割を果たす。反射防止部材１４は、透明導電性膜１２上に高屈折率膜１４ａと低屈折率膜１４ｂとが順次積層されて設けられている。
高屈折率膜１４ａは、波長５００ｎｍにおける屈折率が１．５５〜２．４０の膜である。高屈折率膜１４ａとしては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３膜（屈折率：１．６３）、ＺｒＯ_２膜（屈折率：２．０５）等が挙げられる。高屈折率膜１４ａは、２種以上の膜が積層されたものであってもよい。
低屈折率膜１４ｂは、波長５００ｎｍにおける屈折率が１．３５〜１．５０の膜である。低屈折率膜１４ｂとしては、例えば、ＭｇＦ_２膜（屈折率：１．３８）、ＳｉＯ_２膜（屈折率：１．４６）等が挙げられる。低屈折率膜１４ｂは、２種以上の膜が積層されたものであってもよい。

高屈折率膜１４ａ、低屈折率膜１４ｂの膜厚は、使用する膜の膜屈折率と層数により、反射率を低くするよう任意に設定してよい。

また、本発明の光学素子１０は、透明基板１１の表面１１ｂ側に反射防止部材１５が設けられている。
反射防止部材１５としては、波長５００ｎｍにおける屈折率が１．３５〜１．５０の膜であり、例えば、ＭｇＦ_２膜等が挙げられる。
反射防止部材１５の膜厚は、８０〜１００ｎｍであることが好ましく、８５〜９５ｎｍであることがより好ましい。

反射防止部材１４を形成する位置及び形状は、観察や計測に悪影響を及ぼさない範囲であれば特に限定されない。例えば、円板状の透明基板１１である場合には、反射防止部材１４を、透明導電性膜１２の中央に円形状に形成することが挙げられる。

本発明の光学素子１０は、以下に示す方法により製造できる。
透明基板１１上に透明導電性膜１２を形成する方法は、ＩＴＯ膜の形成等に通常用いられる方法を用いることができ、例えば、スパッタリング法が挙げられる。
また、透明導電性膜１２上に、電極部材１３と反射防止部材１４とを形成する方法は公知の方法を用いることができ、例えば、スパッタリング法や蒸着法が挙げられる。

［光学ユニット］
以下、本発明の光学ユニットの一実施形態例について、図２に基づいて説明する。
光学ユニット１は、図２に示すように、光学素子１０と、光学素子１０に電流を供給する給電機構（図示せず）と、光学素子１０と給電機構とを接続するリード線２０とを備えている。また、光学ユニット１は、光学レンズ群３０、観察像をセンシングする撮像素子４０の他、ユニット外装、給電制御機構、光源部、外部モニター（図示せず）を備えている。光学ユニット１は前記以外の部材を備えていてもよい。

光学ユニット１の前面部には、光学素子１０の面１０ａ（反射防止部材１５が形成されている面）が外側、面１０ｂ（透明導電性膜１２、電極部材１３、反射防止部材１４が形成されている面）が光学レンズ群３０側を向くように、光学素子１０が配置されている。この光学ユニット１により口腔内等を観察する際には、口腔内の画像を光学素子１０から光学レンズ群３０、撮像素子４０へと伝達し、外部モニターに出力する。
光学ユニット１は、このような観察装置に限定されるものではなく、計測機器として用いられるものであってもよい。

以上説明した本発明の光学素子は、透明導電性膜に安定に電流を供給して表面の曇りを防止することができる。これは、透明導電性膜に電極部材を直接形成し、該電極部材と外部給電機構に接続されたリード線とをはんだで接合しているため、湿気等により電気抵抗の変化が抑えられ、安定的に電流を供給できるためである。
特許文献１等の従来の方法では、押え環や鏡筒の給電手段を光学素子面に形成した透明導電性膜に押し当てて給電していた。そのため、透明導電性膜と給電手段との間に隙間ができてしまい、隙間に入り込んだ湿気により透明導電性膜表面や給電手段表面に酸化皮膜が生じて電流供給が不安定化することがあった。

また、本発明の光学素子は、観察や計測に充分な光量を確保することができる。これは、透明導電性膜上に高屈折率膜と低屈折率膜とが積層された反射防止部材が設けられていることにより、光学素子における反射が低減されて透過率が高くなるためである。

また、本発明の光学ユニットは、前記光学素子を備えているため、観察や計測に充分な光量が得られ、かつ光学素子表面の曇りを安定して防止できる。

なお、本発明の光学素子は、図１に例示したものには限定されず、例えば、表面１１ｂ側の反射防止部材１５が形成されていない構成としてもよい。
また、それぞれ２層以上の高屈折率膜１４ａと低屈折率膜１４ｂとが、この順に交互に積層されていてもよい。

以下、実施例及び比較例を示して本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は以下の記載によっては限定されない。
［実施例１］
透明基板として、円板状のガラス基板（φ１０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を用いた。このガラス基板上に、透明導電性膜であるＩＴＯ膜（膜厚１０ｎｍ）をスパッタリング法により形成した。ついで、形成したＩＴＯ膜上の外縁部（外縁から０．１ｍｍ巾）に、電極部材（長さ１２ｍｍの半円形状）をスパッタリング法により２つ対向させて形成した。前記電極部材は、Ｃｒ膜の膜厚を１００ｎｍ、Ｎｉ膜の膜厚を２００ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を２００ｎｍとした。その後、それら２箇所の電極部材のそれぞれのＡｕ膜上に、外部給電機構に接続されたリード線をはんだ接合により接続した。

ついで、ガラス基板のＩＴＯ膜上の２つの電極部材の間に、高屈折率膜と低屈折率膜とを蒸着法により順次形成させ、反射防止部材（φ９．６ｍｍの円形状）を形成した。前記高屈折率膜はＡｌ_２Ｏ_３膜及びＺｒＯ_２膜であり、ＩＴＯ膜上にＡｌ_２Ｏ_３膜、ＺｒＯ_２膜を順次形成した。Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚は６１ｎｍ、ＺｒＯ_２膜の膜厚は１３０ｎｍであった。前記低屈折率膜はＭｇＦ_２膜であり、膜厚は９０ｎｍであった。この反射防止部材の反射率特性を図３に示す。
また、ガラス基板の電極部材及び反射防止部材を形成した逆側の面にも、反射防止部材としてＭｇＦ_２膜（膜厚９０ｎｍ）を形成した。ついで、得られた光学素子に、光学レンズ群、観察像をセンシングする撮像素子、ユニット外装、給電制御機構、光源部、外部モニターを設置して光学ユニットＡを作製した。

［比較例１］
ＩＴＯ膜上に反射防止部材（Ａｌ_２Ｏ_３膜、ＺｒＯ_２膜及びＭｇＦ_２膜）を形成させないこと以外は、実施例１と同様の方法で光学ユニットＢを作製した。

光学ユニットＡに、給電制御機構により光学素子面（図２の面１０ａ側）の温度が４０℃となるように設定した電流を供給したところ、ＩＴＯ膜が発熱することにより光学素子面の温度が約３０秒で４０℃に到達した。このように、光学素子面の温度が４０℃に設定できれば、口腔内等で使用した場合でも光学素子面における曇りを防ぎ、画像劣化のない観察画像が得られる。

また、光学ユニットＡの光学素子側から光学素子と光学レンズ群を通過した光の透過率を測定した結果、図４に示すように、光学ユニットＡに対する波長４２０〜６８０ｎｍの光の透過率は９７〜９９％であり、観察に充分な透過率を備えていた。

一方、ＩＴＯ膜上に反射防止部材を形成していない比較例１の光学ユニットＢでは、同じく図４に示すように、波長４２０〜６８０ｎｍの光の透過率は８６〜９１％であり、実施例１の光学ユニットＡと比較して８〜１１％低く、観察画像が暗くなっていた。

本発明の光学素子及び該光学素子を備えた光学ユニットは、観察や計測に充分な光量を確保することができ、また透明導電性膜に安定に電流を供給して表面の曇りを防止することができる。そのため、口腔内等を観察するカメラ、観察機器、計測機器等に好適に使用できる。

本発明の光学素子の実施形態の一例を示した断面図である。本発明の光学ユニットの実施形態の一例を示した概略図である。光学ユニットＡの透明導電性膜上の反射防止部材の反射率特性を示した図である。実施例１の光学ユニットＡと比較例１の光学ユニットＢの透過率特性を示した図である。

符号の説明

１光学ユニット１０光学素子１１透明基板１２透明導電性膜１３電極部材１３ａＣｒ膜１３ｂＮｉ膜１３ｃＡｕ膜１４反射防止部材１４ａ高屈折率膜１４ｂ低屈折率膜２０リード線

Claims

透明基板上に透明導電性膜が設けられた光学素子において、
前記透明導電性膜上に、Ｃｒ膜とＮｉ膜とＡｕ膜とが順次積層された電極部材と、少なくとも１層以上の高屈折率膜と低屈折率膜とが積層された反射防止部材とが設けられていることを特徴とする光学素子。
前記電極部材のＣｒ膜の膜厚が５０〜２００ｎｍであり、Ｎｉ膜の膜厚が１００〜３００ｎｍであり、Ａｕ膜の膜厚が１００〜４００ｎｍである、請求項１に記載の光学素子。
請求項１又は２に記載の光学素子と、光学素子に電流を供給する給電機構と、前記光学素子と前記給電機構とを接続するリード線とを備えた光学ユニット。