JP2012008297A - Optical element and optical apparatus - Google Patents
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Abstract
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (6)
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.
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