JP2010271533A - 光学素子及びそれを有する光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 入射した光線の一部が全反射することで生じるフレアやゴーストなどの不要光の発生を抑制すること。
【解決手段】 光軸に平行な角度で入射した光線４の一部４４，４５が全反射する部位を有する光学素子１であって、射出面に微細凹凸構造３が形成され、微細凹凸構造３は、光学素子１の使用最短波長をλｍｉｎ、微細凹凸構造３が形成された基板の屈折率をｎｓｕｂ、微細凹凸構造３のピッチをｐ、高さをｈとするとき、
λｍｉｎ／１．７１ｎｓｕｂ＜ｐ＜λｍｉｎ／２
０．６λｍｉｎ＜ｈ＜１．５λｍｉｎ
なる条件を満足する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光学素子に関し、特に入射した光線の一部が射出する際に全反射する部位を有する光学素子に関するものである。

従来、写真撮影などで使用される光学系には、さまざまな形状や屈折率の光学素子（レンズ）が用いられている。

特に、広角レンズの前玉（物体側）に使用される凹メニスカスレンズなどでは、撮影光以外の入射した光線の一部が全反射する部位を有している。そして、全反射した光線がレンズ外端部や鏡筒部品などで再度反射して像面に到達することから、フレアやゴーストなどの不要光が発生する、という問題点があった。

レンズの表面には、一般にマルチコートと呼ばれる誘電体多層膜による反射防止膜が形成されている。しかし、いかなる高性能な反射防止膜を形成しても、全反射は防止することができないため、上記問題点を解決することはできない、という課題があった。

この課題に対する１つの解決策として、特許文献１には、正の屈折力を有する第１レンズに負の屈折力を有する第２レンズを貼り合わせ、第１レンズの第２面で発生する全反射を防いだ構成が開示されている。

特開平１０−３０７２５６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、屈折力の符号の異なる２つのレンズを貼り合わせているため、所望の屈折力を得る上で、１枚のレンズで構成する場合に比べて大きく重くなってしまうことや、製造コストが嵩む、という問題点があった。

本発明は、このような従来技術を鑑み、２枚のレンズを貼り合わせることなく、入射した光線の一部が全反射することで生じるフレアやゴーストなどの不要光を抑制した光学素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、光軸に平行な角度で入射した光線の一部が全反射する部位を有する光学素子であって、射出面に微細凹凸構造が形成され、その微細凹凸構造は、光学素子の使用最短波長をλｍｉｎ、微細凹凸構造が形成された基板の屈折率をｎｓｕｂ、微細凹凸構造のピッチをｐ、高さをｈとするとき、
λｍｉｎ／１．７１ｎｓｕｂ＜ｐ＜λｍｉｎ／２
０．６λｍｉｎ＜ｈ＜１．５λｍｉｎ
なる条件を満足することを特徴としている。

本発明の光学素子によれば、入射した光線の一部が全反射することで生じるフレアやゴーストなどの不要光を抑制することができる。

本発明の概念図である。 本発明の概念を説明するための一部拡大断面図である。 実施例１の光学素子の断面図である。 実施例１の光学素子の一部拡大断面図である。 実施例２の光学素子の断面図である。 実施例３の光学系の断面図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。

図１は、本発明を説明するための概念図である。

図１（ａ）は、従来の光学素子を示している。

光学素子１は、可視域（波長４００〜７００ｎｍ）で使用される平凹レンズであり、使用最短波長である波長４００ｎｍでの屈折率が１．６０のガラスから形成されている。

光軸６に平行な角度で入射した光線４は、入射面２ａを透過する際に屈折することなく誘電体多層膜からなる反射防止膜が形成された射出面２ｂに到達する。射出面２ｂは半開角の最大値が７２°の凹面であるため、入射した光線４のうち、臨界角θｃよりも小さな角度で入射する光線４１，４２，４３は透過する。しかし、θｃ以上の角度で入射する光線４４，４５は全反射してしまい、透過することができない。そればかりか、全反射した光線のうち、とくに凹面の開角が４５°以上の部位に入射した光線４５は、反射した光４５ｒが射出側（右側）に向かって行くため、レンズの非光線有効部７で反射した光も射出側に向かうこととなる。そのため、光学素子１を光学系に使用した場合、反射光４５ｒはゴーストやフレアなどの有害光の原因となり画質の低下を招いてしまう。

図１（ｂ）は、本発明の微細凹凸構造が形成された光学素子を示したものである。形状およびガラスは図１（ａ）に示した従来の光学素子と同じであるが、射出面２ｂには、微細凹凸構造３が形成されている。そして、微細凹凸構造３のピッチｐおよび高さｈは、
λｍｉｎ／１．７１ｎｓｕｂ＜ｐ＜λｍｉｎ／２ （１）
０．６λｍｉｎ＜ｈ＜１．５λｍｉｎ （２）
但し、λｍｉｎ：光学素子の使用最短波長
ｎｓｕｂ：光学素子の基板の屈折率
なる条件を満足する範囲に設定されている。

ついで、ピッチを式（１）のように設定した理由を説明する。

図２は、射出面２ｂに形成された微細凹凸構造３を拡大した図である。

射出面２ｂに、入射角θ１で入射した波長λｍｉｎの光線４で反射回折光が発生するためには、ピッチｐが、
ｐ＞λｍｉｎ／（ｎ１ｓｉｎθ１＋ｎ１）
を満たす必要がある。すなわち、入射角θ１が４５°の場合では、ピッチｐが１４６ｎｍ以上であれば、反射回折光が発生することとなる。

また、臨界角θｃで入射した波長λｍｉｎの光線４に透過回折光が発生しないためには、ピッチｐが、
ｐ＞λｍｉｎ／（ｎ１ｓｉｎθｃ＋ｎ１）
を満たす必要がある。臨界角θｃは、屈折率１．６０のガラスの場合では３８．７°となり、ｎ１ｓｉｎθｃは１．０となるので、ピッチｐが２００ｎｍ以下の場合では、透過光に回折は発生しないことがわかる。したがって、４５°以上で入射した波長４００ｎｍの光に対しては、ピッチを１４６ｎｍから２００ｎｍの範囲内にすれば、反射回折光が発生し、透過回折光は発生しないようにすることができる。また、微細凹凸構造３の高さは、十分な反射防止効果と反射光に回折光を発生させるために、高さを２４０ｎｍから６００ｎｍの範囲に設定することが好ましい。

したがって、図１（ｂ）に示した光学素子において、射出面２ｂに式（１）および式（２）を満たすような微細凹凸構造を形成することで、フレアやゴーストなどの有害光の発生を抑制した光学素子を実現することができる。すなわち、射出面２ｂで全反射し、有害光となる光線４５は、反射した際に正反射光４５ｒと反射回折光４５ｄとに分かれるため、射出側に向かう正反射光のエネルギーを低減することができ、フレアやゴーストの発生を抑制することができる。また、全反射しない光線４１，４２，４３は、透過する際に回折光が発生しないため、光学素子１を光学系に用いた際も不要光による画質の低下を招くことは無い。

図３は、本発明の実施例１の光学素子の断面図である。

図３において、光学素子１は可視域（波長４００〜７００ｎｍ）で使用されるメニスカスレンズであり、使用最短波長である波長４００ｎｍでの屈折率が１．６０のガラスで形成されている。

入射面２ａは曲率半径が３１．８７ｍｍ、有効径が４９．９６ｍｍの球面である。また、射出面２ｂは有効径が３７．２９ｍｍの非球面であり、光軸に垂直な方向に距離Ｒ離れた位置での、光軸方向の面位置をＳａｇ（Ｒ）としたとき、

ここで、
ｒ ＝ １３．５２
Ｋ ＝ −６．０５×１０^-１
Ａ４ ＝ ２．３４×１０^-７
Ａ６ ＝ −５．８５×１０^-８
Ａ８ ＝ ２．３２×１０^-１０
Ａ１０ ＝ −８．２５×１０^-１３
Ａ１２ ＝ ０
の関係を満足する形状である。この面の半開角θｈの最大値は５３．４°である。

入射面２ａには誘電体多層膜からなる反射防止膜が形成されている。

さらに、射出面２ｂには、酸化アルミニウムを含有する膜をゾル−ゲル法で形成し、１００℃の温水に浸漬することによって得た、平均ピッチが１６０ｎｍ、平均高さが２７０ｎｍの微細凹凸構造３が形成されている。ここで、平均ピッチ、平均高さ、と記載したのは、微細凹凸構造３が図２に示したような規則配列とは異なり、図４に示したようにピッチおよび高さがバラツキをもっているためである。このような場合は、ピッチおよび高さの平均値が式（１）および式（２）を満たすようにすれば同様の効果を得ることができる。

光学素子の射出面が図３に示したような非球面形状を有する場合では入射した光線が射出面２ｂで全反射する部位において、全反射後の光線の射出方向が同一の方向に集中しやすくなるため、球面の場合以上にフレアやゴーストなどの有害光が発生しやすくなる。しかし、本実施例では、非球面形状を有する射出面２ｂに、平均ピッチが１６０ｎｍ、平均高さが２７０ｎｍの微細凹凸構造３が形成されている。そのため、射出面２ｂで光線が全反射する際に反射回折光が発生し、有害光の原因となる光線のエネルギーを低減することができるため、光学系に使用した際もフレアやゴーストの発生が抑制され、より高品位な光学系を実現することができる。

本実施例では、メニスカスレンズの場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。光軸に平行な角度で入射した光線の一部が全反射する部位を有する光学素子であれば、両凸レンズ、両凹レンズなど、どんな形状の光学素子でも同様の効果が得られる。

図５は、本発明の実施例２の光学素子の断面図である。

図５において、光学素子１は可視域（波長４００〜７００ｎｍ）で使用されるメニスカスレンズであり、使用最短波長である波長４００ｎｍでの屈折率が１．８９のガラスで形成されている。

入射面２ａは曲率半径が５２．４４ｍｍ、有効径が５０．０９ｍｍの球面である。また、射出面２ｂは有効径が３２．６９ｍｍの非球面であり、光軸に垂直な方向に距離Ｒ離れた位置での、光軸方向の面位置をＳａｇ（Ｒ）としたとき、

ここで、
ｒ ＝ １３．７８
Ｋ ＝ −８．３２×１０^-１
Ａ４ ＝ １．２３×１０^-５
Ａ６ ＝ −１．７９×１０^-８
Ａ８ ＝ ２．３７×１０^-１０
Ａ１０ ＝ −７．２３×１０^-１３
Ａ１２ ＝ ９．９０×１０^-１６
の関係を満足する形状である。この面の半開角θｈの最大値は５９．５°である。

入射面２ａには誘電体多層膜からなる反射防止膜が形成されている。

さらに、射出面２ｂには、ガラスと同一の材料からなり、ピッチが２００ｎｍ、高さが５８０ｎｍの微細凹凸構造３が形成されている。

光学素子の射出面が図５に示したような非球面形状を有する場合では入射した光線が射出面２ｂで全反射する部位において、全反射後の光線の射出方向が同一の方向に集中しやすいため、球面の場合以上にフレアやゴーストなどの有害光が発生しやすくなる。しかし、本実施例では、非球面形状を有する射出面２ｂに、ピッチが２００ｎｍ、高さが５８０ｎｍの微細凹凸構造３が形成されている。そのため、光射出面２ｂで光線が全反射する際に反射回折光が発生し、有害光の原因となる光線のエネルギーを低減することができるため、光学系に使用した際もフレアやゴーストの発生が抑制され、より高品位な光学系を実現することができる。

本実施例では、メニスカスレンズの場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。光軸に平行な角度で入射した光線の一部が全反射する部位を有する光学素子であれば、両凸レンズ、両凹レンズなど、どんな形状の光学素子でも同様の効果が得られる。

図６は、本発明の実施例３の光学系の断面図である。

図６において、１１は光学系であり、焦点距離が１４ｍｍのカメラ用広画角レンズである。設計値は、数値実施例１に示したとおりである。

光学系１１において、光学素子１（第一レンズ）の射出面２ｂには、酸化アルミニウムを含有する膜をゾル−ゲル法で形成し、１００℃の温水に浸漬することによって得た、平均ピッチが１８０ｎｍ、平均高さが３２０ｎｍの微細凹凸構造３が形成されている。

光学素子の射出面２ｂでは、撮影光以外の入射した光線の一部が全反射する。しかし、その際に反射回折光が発生し、有害光の原因となる光線のエネルギーを低減することができるため、フレアやゴーストの発生が抑制され、高品位な光学系を実現している。

以下に本実施例の光学系の数値データを示す。

数値データにおいて、ｆは焦点距離、ＦＮｏはＦナンバー、ωは半画角である。物体側（図中、左方）から第ｉ番目の面（第ｉ面）の曲率半径をｒ０ｉ、第ｉ面と第（ｉ＋１）面の間隔をｄ０ｉで表している。ｎ１，ν１は、物体側から第ｉ番目の部材のｄ線に対する屈折率及びｄ線を基準としたアッベ数νｄである。アッベ数νｄは以下の式によって表される。
νｄ＝（Ｎｄ−１）／（ＮＦ−ＮＣ）
Ｎｄ：ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率
ＮＦ：Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）に対する屈折率
ＮＣ：Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）に対する屈折率
（数値データ）

１ 光学素子
２ｂ 光射出面
３ 微細凹凸構造
４ 光軸に平行な角度で入射する光線

Claims (6)

1. 光軸に平行な角度で入射した光線の一部が全反射する部位を有する光学素子であって、射出面に微細凹凸構造が形成され、該微細凹凸構造は、前記光学素子の使用最短波長をλｍｉｎ、前記微細凹凸構造が形成された基板の屈折率をｎｓｕｂ、前記微細凹凸構造のピッチをｐ、高さをｈとするとき、
   λｍｉｎ／１．７１ｎｓｕｂ＜ｐ＜λｍｉｎ／２
   ０．６λｍｉｎ＜ｈ＜１．５λｍｉｎ
   なる条件を満足することを特徴とする光学素子。
2. 前記光学素子の射出面は、非球面であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記非球面は、半開角が４５°以上の部位を有することを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 前記微細凹凸構造は、アルミニウム又は酸化アルミニウムを含有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
5. 前記微細凹凸構造は、前記基板と同一の材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子を有することを特徴とする光学系。

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