JP2012008297A - Optical element and optical apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element which shows required antireflection performance both in the air and water.SOLUTION: An optical element (10) of the present invention which transmits an incident light includes antireflection films (12: 12a, 12b, 12c) formed on an incident surface (11a) of a base material (11), and has a reflectivity of 1% or less with respect to light in a wavelength range of 450 to 650 nm which is vertically incident through air (31) in contact with the antireflection films and also has a reflectivity of 1% or less with respect to light in a wavelength range of 450 to 650 nm which is vertically incident through liquid (32) in contact with the antireflection films.

Description

本発明は、光学素子および光学装置に関し、例えば気体または液体に選択的に接した状態で使用される透過光学素子に関するものである。   The present invention relates to an optical element and an optical device, for example, a transmissive optical element used in a state of being selectively in contact with a gas or a liquid.

大気中（空気中）で使用される通常のカメラなどの光学装置では、レンズ表面に反射防止膜を施し、レンズ表面での反射光の発生を低減させ、ひいてはフレア・ゴーストなどの発生を抑えている。具体的に、光学系と外界との境に配置される境界レンズ（先玉とも呼ばれる）の表面（すなわち空気との界面）に設けられた反射防止膜は、空気（屈折率＝１）を介して入射する光に対して、所要の反射防止性能を発揮するように設計されている。一方、水中で使用される水中カメラや防水ハウジングなどの光学装置では、水（屈折率≒１．３３）を介して入射する光に対する反射防止膜を設けないのが一般的である。   In an optical device such as a normal camera used in the atmosphere (in the air), an anti-reflection film is applied to the lens surface to reduce the generation of reflected light on the lens surface, thereby suppressing the occurrence of flare and ghosting. Yes. Specifically, the antireflection film provided on the surface (that is, the interface with air) of the boundary lens (also referred to as a front lens) disposed at the boundary between the optical system and the outside world is through air (refractive index = 1). It is designed to exhibit the required antireflection performance for incident light. On the other hand, in an optical device such as an underwater camera or a waterproof housing used underwater, it is general that an antireflection film for light incident through water (refractive index≈1.33) is not provided.

上述のように、水中カメラや防水ハウジングなどの光学装置では、水との界面に反射防止膜が施されていない。このため、水中カメラを大気中で使用すると、表面反射の発生が大きく、所要の機能を発揮することができない。   As described above, in an optical device such as an underwater camera or a waterproof housing, an antireflection film is not applied to the interface with water. For this reason, when the underwater camera is used in the atmosphere, the occurrence of surface reflection is large and the required function cannot be exhibited.

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、例えば大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮する光学素子を提供することを目的とする。また、本発明は、例えば大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮する光学素子を備えて、大気中においても水中においても所要の機能を発揮することのできる光学装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems. For example, an object of the present invention is to provide an optical element that exhibits a required antireflection performance both in the air and in water. In addition, the present invention provides an optical device that includes an optical element that exhibits a required antireflection performance, for example, in the air and in water, and that can perform a required function both in the air and in water. With the goal.

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、入射光を透過させる光学素子において、
前記光学素子の基材の入射面には、反射防止膜が形成され、
前記反射防止膜に接する気体を介して垂直入射する４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して１％以下の反射率を有し、且つ前記反射防止膜に接する液体を介して垂直入射する４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して１％以下の反射率を有することを特徴とする光学素子を提供する。 In order to solve the above problems, in the first embodiment of the present invention, in an optical element that transmits incident light,
An antireflection film is formed on the incident surface of the base material of the optical element,
450 nm to 450 nm having a reflectance of 1% or less with respect to light in a wavelength range of 450 nm to 650 nm that is perpendicularly incident through a gas in contact with the antireflection film and perpendicularly incident through a liquid that is in contact with the antireflection film. Provided is an optical element having a reflectance of 1% or less with respect to light having a wavelength range of 650 nm.

本発明の第２形態では、第１形態の光学素子を備えていることを特徴とする光学装置を提供する。   According to a second aspect of the present invention, there is provided an optical apparatus comprising the optical element of the first aspect.

本発明にかかる光学素子は、その基材の入射面に形成された反射防止膜の作用により、気体中においても液体中においても、４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の垂直入射光に対して１％以下の反射率を有する。すなわち、本発明では、例えば大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮する光学素子を実現することができる。その結果、本発明の光学素子を備えた光学装置は、例えば大気中においても水中においても所要の機能を発揮することができる。   The optical element according to the present invention is 1% or less with respect to vertical incident light in a wavelength range of 450 nm to 650 nm in gas or liquid due to the action of the antireflection film formed on the incident surface of the base material. The reflectivity is as follows. That is, in the present invention, for example, an optical element that exhibits the required antireflection performance in the air and water can be realized. As a result, the optical device including the optical element of the present invention can exhibit a required function, for example, in the air or in water.

本発明の第１実施形態にかかる光学素子の要部構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the principal part structure of the optical element concerning 1st Embodiment of this invention. 波長が４５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the admittance diagram of 1st Embodiment with respect to the light whose wavelength is 450 nm. 基準波長である５５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the admittance diagram of 1st Embodiment with respect to the light of 550 nm which is a reference wavelength. 波長が６５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the admittance diagram of 1st Embodiment with respect to the light whose wavelength is 650 nm. 第１実施形態の光学素子の分光反射特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral reflection characteristic of the optical element of 1st Embodiment. 本発明の第２実施形態にかかる光学素子の要部構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the principal part structure of the optical element concerning 2nd Embodiment of this invention. 波長が４５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the admittance diagram of 2nd Embodiment with respect to the light whose wavelength is 450 nm. 基準波長である５５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the admittance diagram of 2nd Embodiment with respect to the light of 550 nm which is a reference wavelength. 波長が６５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the admittance diagram of 2nd Embodiment with respect to the light whose wavelength is 650 nm. 第２実施形態の光学素子の分光反射特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral reflection characteristic of the optical element of 2nd Embodiment. 空気との界面および水との界面での垂直入射光に対する反射率と光学素子の基材の屈折率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the reflectance with respect to normal incidence light in the interface with air and the interface with water, and the refractive index of the base material of an optical element.

以下、本発明の実施形態の具体的な説明に先立ち、水との界面に反射防止膜が施されていない水中カメラを大気中で使用すると表面反射が大きく発生する点について説明する。一般に、互いに異なる屈折率を有する２つの媒質の界面に光が垂直入射するときの反射率Ｒは、次の式（１）で表される。
Ｒ＝｛（ｎ2−ｎ1）／（ｎ2＋ｎ1）｝2 （１） Hereinafter, prior to specific description of the embodiment of the present invention, a description will be given of the fact that a large amount of surface reflection occurs when an underwater camera in which an antireflection film is not applied to the interface with water is used in the atmosphere. In general, the reflectance R when light is perpendicularly incident on the interface between two media having different refractive indexes is expressed by the following equation (1).
R = {(n 2 −n 1 ) / (n 2 + n 1 )} 2 (1)

式（１）において、ｎ1は界面よりも前側（光の入射側）の媒質の屈折率であり、ｎ2は界面よりも後側（光の射出側）の媒質の屈折率である。具体的に、界面が空気に接する場合にはｎ1＝１であり、界面が水に接する場合にはｎ1≒１．３３である。一例として、界面よりも後側の媒質、すなわち光学素子の基材を形成する光学材料の屈折率ｎ2が１．５２である場合、水を介して光学素子に垂直入射する光の反射率は約０．４４％であるが、空気を介して光学素子に垂直入射する光の反射率は約４．２６％である。 In Formula (1), n 1 is the refractive index of the medium on the front side (light incident side) from the interface, and n 2 is the refractive index of the medium on the rear side (light emission side) from the interface. Specifically, n 1 = 1 when the interface is in contact with air, and n 1 ≈1.33 when the interface is in contact with water. As an example, when the refractive index n 2 of the medium behind the interface, that is, the optical material forming the substrate of the optical element is 1.52, the reflectance of light perpendicularly incident on the optical element through water is Although it is approximately 0.44%, the reflectivity of light perpendicularly incident on the optical element via air is approximately 4.26%.

このように、水中カメラでは、水との界面に反射防止膜が施されていなくても、界面での反射率が比較的低く、良好な透過率が得られる。しかしながら、水との界面に反射防止膜が施されていない水中カメラを大気中で使用すると、空気との界面での反射率が４％を超えて比較的大きくなり、所要の機能を発揮することができない。   As described above, in the underwater camera, even if the antireflection film is not provided on the interface with water, the reflectance at the interface is relatively low, and good transmittance can be obtained. However, if an underwater camera that does not have an anti-reflection coating on the interface with water is used in the atmosphere, the reflectivity at the interface with air will be relatively high, exceeding 4%, and the required function will be exhibited. I can't.

図１１に、空気との界面および水との界面での垂直入射光に対する反射率と光学素子の基材の屈折率との関係を示す。図１１において、実線は空気との界面での垂直入射光に対する反射率を示し、破線は水との界面での垂直入射光に対する反射率を示している。図１１を参照すると、界面反射率は光学素子の基材の屈折率の大きさに依存して変化し、基材の屈折率が大きくなるほど界面反射率も大きくなることがわかる。   FIG. 11 shows the relationship between the reflectance with respect to normal incident light at the interface with air and the interface with water and the refractive index of the substrate of the optical element. In FIG. 11, the solid line indicates the reflectivity for the normal incident light at the interface with air, and the broken line indicates the reflectivity for the normal incident light at the interface with water. Referring to FIG. 11, it can be seen that the interface reflectance varies depending on the refractive index of the base material of the optical element, and the interface reflectance increases as the refractive index of the base material increases.

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態にかかる光学素子の要部構成を概略的に示す図である。第１実施形態の光学素子１０は、屈折率ｎ2＝１．５２の光学材料により形成された光学素子の基材１１と、基材１１の入射面１１ａ上に形成された反射防止膜１２とを備えている。反射防止膜１２は、基材１１側から順に、酸化アルミニウムにより形成された第１膜１２ａと、酸化ジルコニウムにより形成された第２膜１２ｂと、酸化シリコンにより形成された第３膜１２ｃとからなる構成された多層膜構造を有する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram schematically showing a main configuration of an optical element according to the first embodiment of the present invention. The optical element 10 according to the first embodiment includes an optical element base 11 formed of an optical material having a refractive index n 2 = 1.52, and an antireflection film 12 formed on the incident surface 11a of the base 11. It has. The antireflection film 12 includes, in order from the substrate 11 side, a first film 12a formed of aluminum oxide, a second film 12b formed of zirconium oxide, and a third film 12c formed of silicon oxide. It has a structured multilayer film structure.

基材１１の入射面１１ａ上に反射防止膜１２を形成する方法として、真空蒸着法、各種スパッタ法、イオンビームアシスト法、イオンプレーティング法のような乾式成膜法を用いても良いし、ゾルゲル法のような湿式成膜法を用いても良い。第１実施形態では、反射防止膜１２に接する（ひいては第３膜１２ｃに接する）空気３１を介して、あるいは反射防止膜１２に接する水３２を介して、光学素子１０に光が入射する。   As a method of forming the antireflection film 12 on the incident surface 11a of the substrate 11, a dry film forming method such as a vacuum deposition method, various sputtering methods, an ion beam assist method, an ion plating method may be used. A wet film formation method such as a sol-gel method may be used. In the first embodiment, light is incident on the optical element 10 through the air 31 in contact with the antireflection film 12 (and hence in contact with the third film 12 c), or through the water 32 in contact with the antireflection film 12.

反射防止膜１２に接する媒質（空気３１または水３２）、第３膜１２ｃ、第２膜１２ｂ、第１膜１２ａ、光学素子１０の基材１１の屈折率および光学的膜厚は、以下の表（１）に示す通りである。表（１）において、屈折率は、基準波長（設計波長）λ＝５５０ｎｍの光に対する値である。光学的膜厚は、物理的膜厚／屈折率で表される値である。表（１）の表記は、以降の表（２）においても同様である。   The refractive index and optical film thickness of the medium (air 31 or water 32) in contact with the antireflection film 12, the third film 12c, the second film 12b, the first film 12a, and the substrate 11 of the optical element 10 are as follows. As shown in (1). In Table (1), the refractive index is a value with respect to light having a reference wavelength (design wavelength) λ = 550 nm. The optical film thickness is a value represented by physical film thickness / refractive index. The notation in Table (1) is the same in the following Table (2).

表（１）
屈折率 光学的膜厚
空気３１ １
水３２ １．３３
第３膜１２ｃ １．４７ ０．２４λ
第２膜１２ｂ ２．０６ ０．４８λ
第１膜１２ａ １．６９ ０．２４λ
基材１１ １．５２ Table (1)
Refractive index Optical film thickness Air 31 1
Water 32 1.33
Third film 12c 1.47 0.24λ
Second film 12b 2.06 0.48λ
First film 12a 1.69 0.24λ
Base material 11 1.52

第１実施形態では、アドミタンスダイアグラムを用いて、空気３１または水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する光に対する光学素子１０の反射率ｒを求めた。反射率ｒは、アドミタンス曲線の終点の座標（Ｒ，Ｉ）と、反射防止膜１２に接する媒質すなわち空気３１または水３２の屈折率ｎとを用いて、次の式（２）で表される。
ｒ＝｛（Ｒ−ｎ）2＋Ｉ2｝／｛（Ｒ＋ｎ）2＋Ｉ2｝ （２） In the first embodiment, the reflectance r of the optical element 10 with respect to light perpendicularly incident on the antireflection film 12 through the air 31 or the water 32 is obtained using an admittance diagram. The reflectance r is expressed by the following equation (2) using the coordinates (R, I) of the end point of the admittance curve and the refractive index n of the medium that is in contact with the antireflection film 12, that is, air 31 or water 32. .
r = {(R−n) 2 + I 2 } / {(R + n) 2 + I 2 } (2)

空気３１の屈折率をｎａ＝１とし、水３２の屈折率をｎｂ＝１．３３とすると、空気３１を介して反射防止膜１２に垂直入射する光の反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する光の反射率ｒｂは、次の式（３ａ）および（３ｂ）で表される。
ｒａ＝｛（Ｒ−ｎａ）2＋Ｉ2｝／｛（Ｒ＋ｎａ）2＋Ｉ2｝ （３ａ）
ｒｂ＝｛（Ｒ−ｎｂ）2＋Ｉ2｝／｛（Ｒ＋ｎｂ）2＋Ｉ2｝ （３ｂ） When the refractive index of the air 31 is na = 1 and the refractive index of the water 32 is nb = 1.33, the reflectance ra of the light that is perpendicularly incident on the antireflection film 12 via the air 31 and the water 32 is reflected. The reflectance rb of light perpendicularly incident on the prevention film 12 is expressed by the following equations (3a) and (3b).
ra = {(R−na) 2 + I 2 } / {(R + na) 2 + I 2 } (3a)
rb = {(R−nb) 2 + I 2 } / {(R + nb) 2 + I 2 } (3b)

空気３１に対する反射率ｒａおよび水３２に対する反射率ｒｂをそれぞれ最小にする条件は、次の式（４ａ）および（４ｂ）で表される。
Ｉ＝０ （４ａ）
Ｒ＝（ｎａ×ｎｂ）1/2
＝（１×１．３３）1/2
≒１．１５３ （４ｂ） The conditions for minimizing the reflectance ra for the air 31 and the reflectance rb for the water 32 are expressed by the following equations (4a) and (4b).
I = 0 (4a)
R = (na × nb) 1/2
= (1 x 1.33) 1/2
≒ 1.153 (4b)

式（４ａ）および（４ｂ）を参照すると、空気３１に対する反射率ｒａおよび水３２に対する反射率ｒｂをそれぞれ小さく抑えるには、アドミタンス曲線の終点の座標として（Ｒ，Ｉ）＝（１．１５３，０）を目指すことが最良であることがわかる。図２は、波長が４５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。図３は、基準波長である５５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。図４は、波長が６５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。   Referring to the equations (4a) and (4b), in order to keep the reflectance ra for the air 31 and the reflectance rb for the water 32 small, respectively, the coordinates of the end point of the admittance curve are (R, I) = (1.153, It turns out that aiming at 0) is the best. FIG. 2 is a diagram illustrating an admittance diagram of the first embodiment with respect to light having a wavelength of 450 nm. FIG. 3 is a diagram illustrating an admittance diagram of the first embodiment with respect to light having a reference wavelength of 550 nm. FIG. 4 is a diagram showing an admittance diagram of the first embodiment for light having a wavelength of 650 nm.

図２乃至図４において、アドミタンス曲線の始点の座標、すなわち第１アドミタンス曲線４１の始点４１ａの座標は、（Ｒ，Ｉ）＝（１．５２，０）である。ここで、１．５２は、５５０ｎｍの光に対する光学素子１０の基材１１の屈折率である。第１アドミタンス曲線４１は、反射防止膜１２の第１膜１２ａの光学的膜厚０．２４λに応じた円弧状の曲線である。   2 to 4, the coordinates of the start point of the admittance curve, that is, the coordinates of the start point 41a of the first admittance curve 41 are (R, I) = (1.52, 0). Here, 1.52 is the refractive index of the substrate 11 of the optical element 10 with respect to 550 nm light. The first admittance curve 41 is an arcuate curve corresponding to the optical film thickness 0.24λ of the first film 12 a of the antireflection film 12.

第２アドミタンス曲線４２は、第１アドミタンス曲線４１の終点４１ｂを始点４２ａとしており、第２膜１２ｂの光学的膜厚０．４８λに応じた円弧状の曲線である。第３アドミタンス曲線４３は、第２アドミタンス曲線４２の終点４２ｂを始点４３ａとしており、第３膜１２ｃの光学的膜厚０．２４λに応じた円弧状の曲線である。こうして、第３アドミタンス曲線４３の終点４３ｂ、すなわちアドミタンス曲線の終点４３ｂの座標（Ｒ，Ｉ）が得られる。   The second admittance curve 42 has an end point 41b of the first admittance curve 41 as a start point 42a, and is an arcuate curve corresponding to the optical film thickness 0.48λ of the second film 12b. The third admittance curve 43 is an arcuate curve corresponding to the optical film thickness 0.24λ of the third film 12c, with the end point 42b of the second admittance curve 42 as the start point 43a. Thus, the end point 43b of the third admittance curve 43, that is, the coordinates (R, I) of the end point 43b of the admittance curve is obtained.

そして、上述したように、図３に示すアドミタンス曲線の終点４３ｂの座標（Ｒ，Ｉ）の値を式（３ａ）および（３ｂ）に代入することにより、空気３１を介して反射防止膜１２に垂直入射する５５０ｎｍの基準波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する５５０ｎｍの基準波長光に対する反射率ｒｂが求められる。また、図２に示すアドミタンス曲線の終点４３ｂの座標（Ｒ，Ｉ）に基づいて、空気３１を介して反射防止膜１２に垂直入射する４５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する４５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒｂが求められる。   Then, as described above, the values of the coordinates (R, I) of the end point 43b of the admittance curve shown in FIG. 3 are substituted into the expressions (3a) and (3b), so that the antireflection film 12 is passed through the air 31. The reflectance ra for the reference wavelength light of 550 nm that is perpendicularly incident and the reflectance rb for the reference wavelength light of 550 nm that is perpendicularly incident on the antireflection film 12 through the water 32 are obtained. Further, based on the coordinates (R, I) of the end point 43 b of the admittance curve shown in FIG. 2, the light is reflected through the reflectance ra and the water 32 with respect to the wavelength light of 450 nm perpendicularly incident on the antireflection film 12 through the air 31. The reflectance rb for 450 nm wavelength light perpendicularly incident on the prevention film 12 is obtained.

さらに、図４に示すアドミタンス曲線の終点４３ｂの座標（Ｒ，Ｉ）に基づいて、空気３１を介して反射防止膜１２に垂直入射する６５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する６５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒｂが求められる。なお、図示を省略したが、同様の手法により、空気３１を介して反射防止膜１２に垂直入射する任意の波長の光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する任意の波長の光に対する反射率ｒｂが求められる。   Further, based on the coordinates (R, I) of the end point 43 b of the admittance curve shown in FIG. 4, the light is reflected through the reflectance ra and the water 32 with respect to the 650 nm wavelength light perpendicularly incident on the antireflection film 12 through the air 31. The reflectance rb with respect to light having a wavelength of 650 nm perpendicularly incident on the prevention film 12 is obtained. Although illustration is omitted, the reflectance ra for light of an arbitrary wavelength that is perpendicularly incident on the antireflection film 12 via the air 31 and an arbitrary incident that is perpendicularly incident on the antireflection film 12 via the water 32 are performed in the same manner. The reflectance rb with respect to the light of the wavelength is obtained.

図２乃至図４を参照すると、アドミタンス曲線の終点４３ｂの座標（Ｒ，Ｉ）が、目標とする座標（Ｒ，Ｉ）＝（１．１５３，０）にかなり近いことがわかる。図５は、第１実施形態の光学素子の分光反射特性を示す図である。図５において、横軸は光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は光学素子の反射率（％）を示している。また、図５において、実線は空気３１を介して垂直入射する光に対する反射率を示し、破線は水３２を介して垂直入射する光に対する反射率を示している。   2 to 4, it can be seen that the coordinates (R, I) of the end point 43b of the admittance curve are very close to the target coordinates (R, I) = (1.153, 0). FIG. 5 is a diagram illustrating the spectral reflection characteristics of the optical element according to the first embodiment. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the wavelength (nm) of light, and the vertical axis indicates the reflectance (%) of the optical element. In FIG. 5, the solid line indicates the reflectance with respect to light that enters perpendicularly through the air 31, and the broken line indicates the reflectance with respect to light that enters perpendicularly through the water 32.

図５を参照すると、第１実施形態の光学素子１０は、可視光領域（約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲）のうちの支配的な中央領域、すなわち４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲において、反射防止膜１２に接する空気３１を介して垂直入射する光に対しても、反射防止膜１２に接する水３２を介して垂直入射する光に対しても、１％以下の反射率を有する。すなわち、第１実施形態の光学素子１０は、大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮することができる。   Referring to FIG. 5, the optical element 10 of the first embodiment includes an antireflection film in a dominant central region in the visible light region (a wavelength range of about 400 nm to about 700 nm), that is, a wavelength range of 450 nm to 650 nm. The reflectance is 1% or less with respect to the light vertically incident through the air 31 in contact with the air 12 and the light vertically incident through the water 32 in contact with the antireflection film 12. That is, the optical element 10 according to the first embodiment can exhibit the required antireflection performance both in the air and in the water.

図６は、本発明の第２実施形態にかかる光学素子の要部構成を概略的に示す図である。第２実施形態の光学素子２０は、屈折率ｎ2＝１．８０の光学材料により形成された光学素子の基材２１と、基材２１の入射面２１ａ上に形成された反射防止膜２２とを備えている。反射防止膜２２は、基材２１側から順に、酸化イットリウムにより形成された第１膜２２ａと、酸化チタニウムにより形成された第２膜２２ｂと、窒化シリコンにより形成された第３膜２２ｃと、酸化シリコンにより形成された第４膜２２ｄとからなる構成された多層膜構造を有する。 FIG. 6 is a diagram schematically showing a main configuration of an optical element according to the second embodiment of the present invention. The optical element 20 of the second embodiment includes an optical element base 21 formed of an optical material having a refractive index n 2 = 1.80, and an antireflection film 22 formed on the incident surface 21a of the base 21. It has. The antireflection film 22 includes, in order from the base material 21 side, a first film 22a formed of yttrium oxide, a second film 22b formed of titanium oxide, a third film 22c formed of silicon nitride, It has a multilayer film structure composed of a fourth film 22d formed of silicon.

基材２１の入射面２１ａ上に反射防止膜２２を形成する方法として、真空蒸着法、各種スパッタ法、イオンビームアシスト法、イオンプレーティング法のような乾式成膜法を用いても良いし、ゾルゲル法のような湿式成膜法を用いても良い。第２実施形態では、反射防止膜２２に接する（ひいては第４膜２２ｃに接する）空気３１を介して、あるいは反射防止膜２２に接する水３２を介して、光学素子２０に光が入射する。反射防止膜２２に接する媒質（空気３１または水３２）、第４膜２２ｄ、第３膜２２ｃ、第２膜２２ｂ、第１膜２２ａ、光学素子２０の基材２１の屈折率および光学的膜厚は、以下の表（２）に示す通りである。   As a method of forming the antireflection film 22 on the incident surface 21a of the base material 21, a dry film forming method such as a vacuum deposition method, various sputtering methods, an ion beam assist method, an ion plating method may be used. A wet film formation method such as a sol-gel method may be used. In the second embodiment, light is incident on the optical element 20 through the air 31 in contact with the antireflection film 22 (and thus in contact with the fourth film 22c) or through the water 32 in contact with the antireflection film 22. The medium (air 31 or water 32) in contact with the antireflection film 22, the fourth film 22d, the third film 22c, the second film 22b, the first film 22a, the refractive index and the optical film thickness of the substrate 21 of the optical element 20 Is as shown in the following Table (2).

表（２）
屈折率 光学的膜厚
空気３１ １
水３２ １．３３
第４膜２２ｄ １．４７ ０．２４λ
第３膜２２ｃ ２．００ ０．３７λ
第２膜２２ｂ ２．４７ ０．０４λ
第１膜２２ａ １．８７ ０．２９λ
基材２１ １．８０ Table (2)
Refractive index Optical film thickness Air 31 1
Water 32 1.33
Fourth film 22d 1.47 0.24λ
Third film 22c 2.00 0.37λ
Second film 22b 2.47 0.04λ
First film 22a 1.87 0.29λ
Base material 21 1.80

第２実施形態においても、アドミタンスダイアグラムを用いて、空気３１または水３２を介して反射防止膜２２に垂直入射する光に対する光学素子２０の反射率ｒを求めた。図７は、波長が４５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。図８は、基準波長である５５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。図９は、波長が６５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。   Also in the second embodiment, the reflectance r of the optical element 20 with respect to the light perpendicularly incident on the antireflection film 22 through the air 31 or the water 32 is obtained using an admittance diagram. FIG. 7 is a diagram showing an admittance diagram of the second embodiment for light having a wavelength of 450 nm. FIG. 8 is a diagram illustrating an admittance diagram of the second embodiment with respect to light having a reference wavelength of 550 nm. FIG. 9 is a diagram showing an admittance diagram of the second embodiment for light having a wavelength of 650 nm.

図７乃至図９において、アドミタンス曲線の始点の座標、すなわち第１アドミタンス曲線４１の始点４１ａの座標は、（Ｒ，Ｉ）＝（１．８０，０）である。ここで、１．８０は、５５０ｎｍの光に対する光学素子２０の基材２１の屈折率である。第１アドミタンス曲線４１は、反射防止膜２２の第１膜２２ａの光学的膜厚０．２４λに応じた円弧状の曲線である。第２アドミタンス曲線４２は、第１アドミタンス曲線４１の終点４１ｂを始点４２ａとしており、第２膜２２ｂの光学的膜厚０．０４λに応じた円弧状の曲線である。   7 to 9, the coordinates of the start point of the admittance curve, that is, the coordinates of the start point 41a of the first admittance curve 41 are (R, I) = (1.80, 0). Here, 1.80 is the refractive index of the substrate 21 of the optical element 20 with respect to 550 nm light. The first admittance curve 41 is an arcuate curve corresponding to the optical film thickness 0.24λ of the first film 22 a of the antireflection film 22. The second admittance curve 42 has an end point 41b of the first admittance curve 41 as a start point 42a, and is an arcuate curve corresponding to the optical film thickness 0.04λ of the second film 22b.

第３アドミタンス曲線４３は、第２アドミタンス曲線４２の終点４２ｂを始点４３ａとしており、第３膜２２ｃの光学的膜厚０．３７λに応じた円弧状の曲線である。第４アドミタンス曲線４４は、第３アドミタンス曲線４３の終点４３ｂを始点４４ａとしており、第４膜２２ｄの光学的膜厚０．２４λに応じた円弧状の曲線である。こうして、第４アドミタンス曲線４４の終点４４ｂ、すなわちアドミタンス曲線の終点４４ｂの座標（Ｒ，Ｉ）が得られる。   The third admittance curve 43 has an end point 42b of the second admittance curve 42 as a start point 43a, and is an arcuate curve corresponding to the optical film thickness 0.37λ of the third film 22c. The fourth admittance curve 44 is an arcuate curve corresponding to the optical film thickness 0.24λ of the fourth film 22d, with the end point 43b of the third admittance curve 43 as the start point 44a. Thus, the end point 44b of the fourth admittance curve 44, that is, the coordinates (R, I) of the end point 44b of the admittance curve is obtained.

そして、図８に示すアドミタンス曲線の終点４４ｂの座標（Ｒ，Ｉ）の値を式（３ａ）および（３ｂ）に代入することにより、空気３１を介して反射防止膜２２に垂直入射する５５０ｎｍの基準波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜２２に垂直入射する５５０ｎｍの基準波長光に対する反射率ｒｂが求められる。また、図７に示すアドミタンス曲線の終点４４ｂの座標（Ｒ，Ｉ）に基づいて、空気３１を介して反射防止膜２２に垂直入射する４５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜２２に垂直入射する４５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒｂが求められる。   Then, by substituting the values of the coordinates (R, I) of the end point 44b of the admittance curve shown in FIG. 8 into the equations (3a) and (3b), the 550 nm incident perpendicularly to the antireflection film 22 via the air 31 The reflectance ra with respect to the reference wavelength light and the reflectance rb with respect to the reference wavelength light of 550 nm perpendicularly incident on the antireflection film 22 through the water 32 are obtained. Further, based on the coordinates (R, I) of the end point 44 b of the admittance curve shown in FIG. 7, the light is reflected through the reflectance ra and the water 32 with respect to the 450 nm wavelength light perpendicularly incident on the antireflection film 22 through the air 31. The reflectance rb for 450 nm wavelength light perpendicularly incident on the prevention film 22 is obtained.

さらに、図９に示すアドミタンス曲線の終点４４ｂの座標（Ｒ，Ｉ）に基づいて、空気３１を介して反射防止膜２２に垂直入射する６５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜２２に垂直入射する６５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒｂが求められる。なお、図示を省略したが、同様の手法により、空気３１を介して反射防止膜２２に垂直入射する任意の波長の光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜２２に垂直入射する任意の波長の光に対する反射率ｒｂが求められる。   Further, based on the coordinates (R, I) of the end point 44 b of the admittance curve shown in FIG. 9, the light is reflected through the reflectance ra and the water 32 with respect to the 650 nm wavelength light perpendicularly incident on the antireflection film 22 through the air 31. The reflectance rb with respect to light having a wavelength of 650 nm perpendicularly incident on the prevention film 22 is obtained. Although not shown in the figure, the reflectance ra for light of an arbitrary wavelength that is perpendicularly incident on the antireflection film 22 via the air 31 and an arbitrary incident that is perpendicularly incident on the antireflection film 22 via the water 32 by the same method. The reflectance rb with respect to the light of the wavelength is obtained.

図７乃至図９を参照すると、アドミタンス曲線の終点４４ｂの座標（Ｒ，Ｉ）が、目標とする座標（Ｒ，Ｉ）＝（１．１５３，０）にかなり近いことがわかる。図１０は、第２実施形態の光学素子の分光反射特性を示す図である。図１０において、横軸は光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は光学素子の反射率（％）を示している。また、図１０において、実線は空気３１を介して垂直入射する光に対する反射率を示し、破線は水３２を介して垂直入射する光に対する反射率を示している。   7 to 9, it can be seen that the coordinates (R, I) of the end point 44b of the admittance curve are very close to the target coordinates (R, I) = (1.153, 0). FIG. 10 is a diagram illustrating the spectral reflection characteristics of the optical element according to the second embodiment. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the wavelength (nm) of light, and the vertical axis indicates the reflectance (%) of the optical element. In FIG. 10, the solid line indicates the reflectance with respect to light that enters vertically through the air 31, and the broken line indicates the reflectance with respect to light that enters perpendicularly through the water 32.

図１０を参照すると、第２実施形態の光学素子２０は、４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲において、反射防止膜２２に接する空気３１を介して垂直入射する光に対しても、反射防止膜２２に接する水３２を介して垂直入射する光に対しても、１％以下の反射率を有する。すなわち、第２実施形態の光学素子２０は、大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮することができる。   Referring to FIG. 10, the optical element 20 of the second embodiment is in contact with the antireflection film 22 even for light that is vertically incident through the air 31 in contact with the antireflection film 22 in the wavelength range of 450 nm to 650 nm. Even for light incident perpendicularly through the water 32, the reflectance is 1% or less. That is, the optical element 20 of the second embodiment can exhibit the required antireflection performance both in the air and in the water.

以上のように、各実施形態にかかる光学素子１０，２０では、空気中および水中のいずれの媒質環境においても媒質界面での反射率が小さいので、ゴーストやフレア等の発生が抑制され、ひいては優れた光学性能を発揮することができる。そして、例えば各実施形態にかかる光学素子１０，２０が最も入射側に配置された光学装置では、大気中においても水中においても所要の機能（良好な性能）を発揮することができる。具体的に、各実施形態にかかる光学素子１０，２０は、カメラ（スチルカメラ、ムービーカメラ）、防水ハウジング、光学顕微鏡のような光学装置に適用可能である。   As described above, in the optical elements 10 and 20 according to each embodiment, since the reflectance at the medium interface is small in both medium environments in air and water, the occurrence of ghosts, flares, and the like is suppressed, which is excellent. Optical performance can be exhibited. For example, in the optical device in which the optical elements 10 and 20 according to the embodiments are arranged on the most incident side, a required function (good performance) can be exhibited both in the air and in the water. Specifically, the optical elements 10 and 20 according to each embodiment can be applied to an optical device such as a camera (still camera or movie camera), a waterproof housing, or an optical microscope.

なお、上述の各実施形態では、大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮する光学素子１０，２０に対して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、空気以外の気体中においても水以外の液体中においても所要の反射防止性能を発揮する光学素子に対して同様に本発明を適用することができる。本発明が適用可能な液体として、例えば、５５０ｎｍの光に対して１．３乃至１．４の屈折率を有する液体が考えられる。具体的には、水（自然界の水、純水、蒸留水など）、有機溶剤、油、水と有機溶剤との混合液、有機溶剤と油との混合液などである。   In each of the above-described embodiments, the present invention is applied to the optical elements 10 and 20 that exhibit the required antireflection performance both in the air and in the water. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be similarly applied to an optical element that exhibits a required antireflection performance in a gas other than air and in a liquid other than water. As a liquid to which the present invention can be applied, for example, a liquid having a refractive index of 1.3 to 1.4 with respect to light of 550 nm can be considered. Specifically, water (natural water, pure water, distilled water, etc.), an organic solvent, oil, a mixed solution of water and an organic solvent, a mixed solution of an organic solvent and oil, and the like.

また、上述の各実施形態では、特定の多層膜構造を有する反射防止膜１２，２２を例にとって本発明を説明している。しかしながら、これに限定されることなく、反射防止膜の具体的な構成については様々な形態が可能である。一例として、反射防止膜は互いに異なる材料により形成された複数の膜を有し、これらの複数の膜のうちの少なくとも１つの膜は、金属酸化物、金属フッ化物、金属窒化物、またはそれらの混合物により形成される。   In each of the above-described embodiments, the present invention has been described by taking the antireflection films 12 and 22 having a specific multilayer film structure as an example. However, the present invention is not limited to this, and various forms are possible for the specific configuration of the antireflection film. As an example, the antireflection film includes a plurality of films formed of different materials, and at least one of the plurality of films includes a metal oxide, a metal fluoride, a metal nitride, or a combination thereof. Formed by the mixture.

１０，２０ 光学素子
１１，２１ 光学素子の基材
１２，２２ 反射防止膜
３１ 空気
３２ 水 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,20 Optical element 11,21 Base material 12,22 of optical element Antireflection film 31 Air 32 Water

Claims (6)

入射光を透過させる光学素子において、
前記光学素子の基材の入射面には、反射防止膜が形成され、
前記反射防止膜に接する気体を介して垂直入射する４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して１％以下の反射率を有し、且つ前記反射防止膜に接する液体を介して垂直入射する４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して１％以下の反射率を有することを特徴とする光学素子。 In an optical element that transmits incident light,
An antireflection film is formed on the incident surface of the base material of the optical element,
450 nm to 450 nm having a reflectance of 1% or less with respect to light in a wavelength range of 450 nm to 650 nm that is perpendicularly incident through a gas in contact with the antireflection film and perpendicularly incident through a liquid that is in contact with the antireflection film. An optical element having a reflectance of 1% or less with respect to light having a wavelength range of 650 nm. 前記液体は、５５０ｎｍの光に対して１．３乃至１．４の屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the liquid has a refractive index of 1.3 to 1.4 with respect to 550 nm light. 前記反射防止膜は、互いに異なる材料により形成された複数の膜を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。 The optical element according to claim 1, wherein the antireflection film has a plurality of films made of different materials. 前記複数の膜のうちの少なくとも１つの膜は、金属酸化物、金属フッ化物、金属窒化物、またはそれらの混合物により形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。 The optical element according to claim 3, wherein at least one of the plurality of films is formed of a metal oxide, a metal fluoride, a metal nitride, or a mixture thereof. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子を備えていることを特徴とする光学装置。 An optical device comprising the optical element according to claim 1. 前記光学素子は、最も入射側に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。 The optical device according to claim 5, wherein the optical element is disposed closest to the incident side.
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