JP2013047780A - 光学素子、それを用いた光学系および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性と、波長帯域および入射角の特性との面で有利な反射防止膜を有する光学素子を提供する。
【解決手段】この光学素子は、基材２上に反射防止膜が形成されている。ここで、反射防止膜は、基材２上に形成される第１層４と、第１層４の上に形成され、第１層４とは異なる材質からなる第２層５と、第２層５の上に形成され、凹凸構造体からなる第３層６とを含む。また、第３層６は、凹凸構造体の空間充填率を連続して変化させることで、それぞれ厚さに対する屈折率が一定の割合で変化する３つの領域を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、反射防止膜を含む光学素子、それを用いた光学系および光学機器に関する。

従来、ビデオカメラ、写真カメラ、またはテレビカメラなどの光学機器に用いられる撮影レンズでは、その結像光学系などに採用される光学素子の表面に、入射光の光量損失を低減させるため反射防止膜が施されている。例えば、可視光用の光学素子における反射防止膜として、一般にマルチコートと呼ばれる誘電体多層膜が広く用いられている。この誘電体多層膜は、屈折率の異なる薄膜をそれぞれ所望の厚さで積層することで、各膜の表面および界面で発生する反射波の振幅と位相とを調整し、これらを干渉させることで反射光を低減させるものである。この誘電体多層膜による反射防止膜は、特定の波長または入射角の光線に対しては優れた反射防止性能を発揮する。しかしながら、それ以外の光線に対しては干渉条件が崩れてしまうため、広い波長帯域や広い入射角範囲に渡り、高い反射防止性能を実現することが難しい。

一方、近年のデジタルカメラでは、銀塩フィルムに比べて反射率が高いＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサーを使用している。したがって、そのセンサー面で反射した光がレンズ（光学素子）面で反射し、再度センサー面に到達することで生じる「デジタルゴースト」と呼ばれる特有のゴーストが発生しやすい。また、このデジタルカメラに採用されるレンズとして、高画質や高スペック（ズーム倍率や明るさなど）と、携帯性（小型化または軽量化）を両立させるために、異常分散ガラスや非球面レンズ、または曲率の大きなレンズなどを多用する傾向にある。特に、曲率の大きなレンズでは、光線がレンズの周辺部に大きな角度で入射する。したがって、上記のような従来の誘電体多層膜による反射防止膜では反射を抑制しきれず、フレアやゴーストなどの撮影画像の品質に影響を及ぼすような不要光が発生する場合がある。

そこで、より波長帯域特性や入射角特性に優れた反射防止膜が求められており、特許文献１は、真空蒸着法を用いて形成した３層の誘電体薄膜上に、ゾル−ゲル法でフッ化マグネシウム層を形成した反射防止膜およびそれを有する光学素子を開示している。

特許第４４３３３９０号公報

ここで、特許文献１に示すような真空蒸着法では、反射防止膜は、蒸着源から飛散した蒸着物質がレンズに到達することで成膜される。この場合、蒸着源に対して垂直に配置された位置での厚さを１とすると、角度θに傾斜した位置での厚さは、理論的にはｃｏｓθの厚さとなる。すなわち、曲率の大きなレンズに対して真空蒸着法を用いて膜を形成すると、そのレンズの周辺部の厚さが中心部に比べて薄くなる。したがって、特許文献１に示す成膜方法を曲率の大きなレンズに適用して反射防止膜を形成すると、特許文献１でいう第１層から第３層の厚さが周辺部で薄くなり、干渉条件が崩れて反射防止性能に影響を及ぼす可能性が高い。

これに対して、例えば、蒸着源とレンズとの間に適切な開口形状を有する遮蔽物を設置し、レンズを回転させながら蒸着する方法を採用することで、レンズの中心部と周辺部との厚さを均一にすることも考えられる。しかしながら、この方法を採用すると、レンズに成膜されるべき蒸着物質が遮蔽物に付着して成膜効率が低下したり、回転機構のスペースを確保するために、蒸着装置内へのレンズの収容枚数が減少したりすることで、生産性が低下する可能性がある。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、生産性と、波長帯域および入射角の特性との面で有利な反射防止膜を有する光学素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、基材上に反射防止膜が形成された光学素子であって、反射防止膜は、基材上に形成される第１層と、第１層に形成され、第１層とは異なる材質からなる第２層と、第２層に形成され、凹凸構造体からなる第３層とを含み、第３層は、凹凸構造体の空間充填率を連続して変化させることで、それぞれ厚さに対する屈折率が一定の割合で変化する３つの領域を有することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、生産性と、波長帯域および入射角の特性との面で有利な反射防止膜を有する光学素子を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。 一実施形態に係る光学素子の屈折率構造を示すグラフである。 第１実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。 第１実施形態に係る光学素子の特性を示すグラフである。 第２実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。 第３実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。 第４実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。 第５実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。 第６実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。 第7実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。 第１比較例に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。 第１比較例に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。 第２比較例に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。 第３比較例に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。 各実施形態および各比較例に関する各種数値を示す表である。 本発明の一実施形態に係る光学系の構成を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面等を参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の一実施形態に係る光学素子について説明する。図１は、本実施形態に係る光学素子１の構成を示す模式断面図である。なお、この図１では、光学素子１の表面部分を拡大して示している。この光学素子１は、光透過性を有する基材２と、この基材２の表面上（基材上）に形成され、基材２の側から順に反射防止膜３を構成する３つの層、第１層４、第２層５および第３層６とを含む。ここで、「反射防止膜」とは、例えばデジタルカメラなどの光学機器に用いられる撮影レンズにて、その結像光学系に採用される光学素子の表面に形成され、不要光によるゴーストやフレアを回避するための膜を示す。なお、以下の説明において例示する屈折率の値は、全て基準波長５５０ｎｍで規定している。

基材２は、例えば、ガラスや樹脂などからなり、屈折率が１．６５〜２．２０の間の値となる透明部材である。また、基材２の形状は、図１では説明の簡単化のために平板（平面）としているが、例えば曲板やフィルム状板でもよく、また、反射防止膜３が形成される表面も、曲面、凹面、または凸面であってもよい。

第１層４は、厚さが３０〜７０ｎｍの範囲にあり、屈折率が１．５２〜１．８２の間の値となる膜である。この第１層４は、例えばポリイミドを含有する有機樹脂層とし得る。また、第１層４の上に形成される第２層５は、第１層４とは異なる材料で形成され、厚さが１０〜５０ｎｍの範囲にあり、屈折率が１．４０〜１．５８の間の値となる膜である。この第２層５は、例えば酸化アルミニウムを主成分とする多孔質層とし得る。さらに、この第２層５の上に形成される第３層６は、厚さが２００〜３００ｎｍの範囲にあり、屈折率が１．４０〜１．５８の間の値から１．０（空気）に向かって実質的に連続して変化する領域を有する凹凸構造体（凹凸構造膜）である。ここで、「実質的に連続して変化する」とは、膜の材料そのものの屈折率が連続して変化することではなく、平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細な凹凸構造体の空間充填率が連続して変化することで有効屈折率が変化することを意味している。これは、光は、自らの波長以下の凹凸形状を認識せず、凹凸構造体を有効屈折率の媒質として認識する性質を有することに起因する。ここで、有効屈折率をｎ_ｅｆｆとして、この有効屈折率ｎ_ｅｆｆは、波長以下の凹凸形状を形成している材質の屈折率をｎ_ｍとし、材質の空間充填率をｆｆとすると、以下の式（１）に示すＬｏｒｅｎｔｚ−Ｌｏｒｅｎｚの式を用いて求めることができる。
（ｎ_ｅｆｆ ^２−１）／（ｎ_ｅｆｆ ^２＋２）＝ｆｆ（ｎ_ｍ ^２−１）／（ｎ_ｍ ^２＋２） （１）
すなわち、波長以下のピッチで、空間充填率ｆｆが連続して変化するような構造体を形成すれば、第３層６は、屈折率が実質的に連続して変化する構造体となる。

図２は、一実施形態に係る光学素子の屈折率構造を概略的に示すグラフである。図２に示すように、第３層６は、基材２、第１層４および第２層５とは異なり、屈折率が一定の割合で変化する３つの領域から形成される。これらの領域のうち、まず、第２層５の直上に位置する第１領域は、１５〜４５ｎｍの厚さに渡り、屈折率が４．４〜１２×１０^−３ｎｍ^−１の割合で変化する。次に、第１領域に隣接する第２領域は、２５〜７５ｎｍの厚さに渡り、屈折率が１．９〜４．３×１０^−３ｎｍ^−１の割合で変化する。そして、第２領域に隣接する最上部の第３領域は、１２０〜２００ｎｍの厚さに渡り、屈折率が０．９〜１．８×１０^−３ｎｍ^−１の割合で変化する。本実施形態では、この第３層６が３つの領域で構成されることにより、後述する波長帯域および入射角の特性との面での利点を、領域形成の際の製造工程数などを考慮し、より少ない領域構成で実現させることができる。なお、反射防止膜３を構成する各膜は、真空蒸着法やスパッタリング法などのドライプロセスではなく、全てスピンコート法などのウェットプロセスを用いて形成することが望ましい。

次に、本実施形態の光学素子１の具体例として、数値、材質、および形成方法を示し、その効果について説明する。図３は、第１実施形態に係る光学素子１の構造および特性を示すグラフである。特に、図３（ａ）は、図２に対応した光学素子１の屈折率構造を具体的に示すグラフである。この図３（ａ）では、横軸である基材２からの厚さ（厚さ：ｎｍ）に対して縦軸である屈折率の変化を示しており、グラフ中、厚さが負の領域は、基材２の部分を示している。本実施形態では、まず、基材２として、屈折率が１．８０８である株式会社オハラ製の硝材Ｓ−ＬＡＨ６５を採用する。また、反射防止膜３を構成する層のうち、第１層４は、厚さを３５ｎｍ、屈折率を１．６２０とする膜とし、第２層５は、厚さを３８ｎｍ、屈折率を１．５２０とする膜とする。さらに、第３層６は、厚さを２４０ｎｍとし、屈折率は、１．５２から１．０に連続して変化する凹凸構造体とする。また、この第３層６は、上記のように第１領域から第３領域までの３つの領域を有する。この場合、第１領域は、厚さ２０ｎｍに渡り、屈折率が８．５×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。第２領域は、厚さ５８ｎｍに渡り、屈折率が２．９３×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。そして、第３領域は、厚さ１６２ｎｍに渡り、屈折率が１．１１×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。

図３（ｂ）は、この場合の反射防止膜３による反射率特性を示すグラフである。この図３（ｂ）では、横軸である光学素子１に対する入射光の波長（ｎｍ）に対して縦軸である反射率（％）の変化を、異なる入射角の場合で示している。図３（ｂ）に示すように、反射率は、可視域全域（波長４００〜７００ｎｍ）に渡り低い値となり、光学素子１は、反射防止膜３により高い反射防止性能を発揮していることが分かる。特に、入射角０°〜４５°では、可視域全域で０．５％以下の反射率を達成しており、入射角６０°という非常に大きな入射角でも、反射率１．８％以下という非常に優れた反射防止性能を発揮する。

このような第１層４〜第３層６は、それぞれ以下のような材質および形成方法にて形成し得る。まず、第１層４は、上記の通り、ウェットプロセスにより上記の厚さおよび屈折率を実現できれば、材質および形成方法は、特に限定するものではないが、例えば、ポリイミドを含有する溶液をスピンコート法により基材２上に塗布することで形成することができる。この場合、屈折率１．６２０との値は、ポリイミド中の屈折率の異なる複数の成分、例えば脂肪族鎖、脂環構造、または芳香環などの構造を有するポリイミド溶液の混合比を適宜調整することで実現可能である。ポリイミド以外の材料として、メラミン樹脂や硫黄、ヨウ素、臭素を含有する樹脂など、屈折率１．６５以上の高い屈折率を実現可能な樹脂を用いてもよい。それ以外にも、酸化チタン（ＴｉＯ_２）などの高い屈折率を有し、粒径が２００ｎｍ以下の無機微粒子を混入させた有機樹脂材料を用いれば、１．８を超えるような高い屈折率も実現可能である。もちろん、樹脂材料単独で屈折率１．８を超えるような材料を用いても良い。

また、厚さは、溶液の濃度や塗工条件（スピン回転数や回転時間）などを考慮して設定することで実現可能である。次に、第２層５も、第１層４と同様に、ウェットプロセスにより上記の厚さおよび屈折率を実現できれば、材質および形成方法は、特に限定しない。例えば、この第２層５は、シリカ（ＳｉＯ_２）を主成分とする溶液や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を含有する溶液を使用し得る。これに対して、凹凸構造体である第３層６は、例えば、酸化アルミニウムを含有する溶液をスピンコート法により第２層５上に塗布し乾燥させた後、形成された膜を温水中に浸漬して表面に板状結晶を析出させることで形成することができる。この場合、３つの領域を含む屈折率構造の設定は、溶液中の酸化アルミニウムの含有量や、安定化剤、触媒などの種類や量を適宜調整することで可能であり、また、その厚さの設定は、塗布条件（塗工条件）を適宜変更することで可能となる。このように、反射防止膜３を構成する各層をウェットプロセスであるスピンコート法により形成することで、形成面が曲率の大きなレンズ面（特に凹面）である場合でも均一な厚さを実現することができる。ここで、例えば、真空蒸着法などのドライプロセスを採用し、蒸着源と被成膜部との間に適切な開口形状を有する遮蔽物を設置して、被成膜部を回転させながら蒸着する方法を採用することで、被成膜部の中心部と周辺部との厚さを均一にすることも考えられる。この場合、被成膜部に成膜されるべき蒸着物質が遮蔽物に付着して成膜効率が低下するなどし、生産性が低下する可能性があるが、ウェットプロセスによれば、光学素子１の生産性の点でも有利となる。

また、本実施形態の光学素子１では、反射防止膜３の厚さにばらつきが生じても、反射率特性が大きく変化することがない、すなわち、厚さのばらつきに対して大きな許容度を有する。図４は、図３（ｂ）に対応した反射防止膜３による反射率特性を示すグラフであり、特に、図４（ａ）は、反射防止膜３を構成する各層の厚さが、図３（ｂ）に示す場合に比べて全て１０％薄い場合の反射率特性を示している。このときの各層の厚さは、第１層４では３１．５ｎｍであり、第２層５では３４．２ｎｍ、であり、また第３層６では２１４ｎｍである。図４（ａ）に示すように、反射率は、長波長域（〜７００ｎｍ）で若干高い値となるが、全体的に抑えられた低い値となり、光学素子１は、この場合も反射防止膜３により十分な反射防止性能を発揮していることが分かる。

一方、図４（ｂ）は、反射防止膜３を構成する各層の厚さが、図３（ｂ）に示す場合に比べて全て１０％厚い場合の反射率特性を示している。このときの各層の厚さは、第１層４では３８．５ｎｍであり、第２層５では４１．８ｎｍ、であり、また第３層６では２６１．８ｎｍである。図４（ｂ）に示すように、反射率は、短波長域（４００ｎｍ〜）で若干高い値となるが、全体的に抑えられた低い値となる。さらに、入射角６０°での反射防止性能は、図３（ｂ）に示す場合よりも向上している。したがって、光学素子１は、この場合も反射防止膜３により十分な反射防止性能を発揮していることが分かる。

以上のように、本実施形態によれば、生産性と、波長帯域および入射角の特性との面で有利な反射防止膜３を有する光学素子１を提供することができる。特に、光学素子１は、可視域全域の広い波長帯域で、かつ、入射角０〜６０°以上の大きな入射角範囲で、優れた反射防止性能を実現することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る光学素子について説明する。本実施形態の光学素子は、第１実施形態に係る光学素子１の構造において、基材２の材質、および反射防止膜３の各層の厚さと屈折率を変更したものである。図５は、本実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。特に、図５（ａ）は、図２に対応した光学素子の屈折率構造を具体的に示すグラフである。なお、説明の簡単化のために、本実施形態における光学素子の構成要素には、第１実施形態の光学素子１のものと同一の符号を付す。本実施形態では、基材２として屈折率が１．８８８である株式会社オハラ製の硝材Ｓ−ＬＡＨ５８を採用する。また、反射防止膜３を構成する層のうち、第１層４は、厚さを５０ｎｍ、屈折率を１．６９５とする膜とし、第２層５は、厚さを２０ｎｍ、屈折率を１．５８０とする膜とする。さらに、第３層６は、厚さを２３２ｎｍとし、屈折率は、１．５８から１．０に連続して変化する凹凸構造体とする。また、第３層６は、上記のように第１領域から第３領域までの３つの領域を有する。この場合、第１領域は、厚さ３５ｎｍに渡り、屈折率が６．５７×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。第２領域は、厚さ７２ｎｍに渡り、屈折率が１．９４×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。そして、第３領域は、厚さ１２５ｎｍに渡り、屈折率が１．６８×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。

図５（ｂ）は、図３（ｂ）に対応した、この場合の反射防止膜３による反射率特性を示すグラフである。図５（ｂ）に示すように、反射率は、可視域全域に渡り低い値となり、本実施形態の光学素子１も、反射防止膜３により高い反射防止性能を発揮していることが分かる。特に、入射角０°〜４５°では、可視域全域で０．７％以下の反射率を達成しており、入射角６０°という非常に大きな入射角でも、反射率１．８％以下という優れた反射防止性能を発揮する。なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様の形成方法や各種調整が適用される。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る光学素子について説明する。本実施形態の光学素子も、第１実施形態に係る光学素子１の構造において、基材２の材質、および反射防止膜３の各層の厚さと屈折率を変更したものである。図６は、本実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。特に、図６（ａ）は、図２に対応した光学素子の屈折率構造を具体的に示すグラフである。ここでも、本実施形態における光学素子の構成要素には、第１実施形態の光学素子１のものと同一の符号を付す。本実施形態では、基材２として屈折率が１．９３４である株式会社オハラ製の硝材Ｓ−ＮＰＨ２を採用する。また、反射防止膜３を構成する層のうち、第１層４は、厚さを３０ｎｍ、屈折率を１．７０とする膜とし、第２層５は、厚さを４５ｎｍ、屈折率を１．５５とする膜とする。さらに、第３層６は、厚さを２３５ｎｍとし、屈折率は、１．５５から１．０に連続して変化する凹凸構造体とする。また、第３層６は、上記のように第１領域から第３領域までの３つの領域を有する。この場合、第１領域は、厚さ１７ｎｍに渡り、屈折率が１１．７６×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。第２領域は、厚さ４８ｎｍに渡り、屈折率が２．９２×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。そして、第３領域は、厚さ１７０ｎｍに渡り、屈折率が１．２４×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。

図６（ｂ）は、図３（ｂ）に対応した、この場合の反射防止膜３による反射率特性を示すグラフである。図６（ｂ）に示すように、反射率は、可視域全域に渡り低い値となり、本実施形態の光学素子１も、反射防止膜３により高い反射防止性能を発揮していることが分かる。特に、入射角０°〜４５°では、可視域全域で０．５％以下の反射率を達成しており、入射角６０°という非常に大きな入射角でも、反射率１．５％以下という優れた反射防止性能を発揮する。なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様の形成方法や各種調整が適用される。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る光学素子について説明する。本実施形態の光学素子も、第１実施形態に係る光学素子１の構造において、基材２の材質、および反射防止膜３の各層の厚さと屈折率を変更したものである。図７は、本実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。特に、図７（ａ）は、図２に対応した光学素子の屈折率構造を具体的に示すグラフである。ここでも、本実施形態における光学素子の構成要素には、第１実施形態の光学素子１のものと同一の符号を付す。本実施形態では、基材２として屈折率が１．７１６である株式会社オハラ製の硝材Ｓ−ＬＡＬ８を採用する。また、反射防止膜３を構成する層のうち、第１層４は、厚さを５０ｎｍ、屈折率を１．５６とする膜とし、第２層５は、厚さを１８ｎｍ、屈折率を１．５１とする膜とする。さらに、第３層６は、厚さを２３０ｎｍとし、屈折率は、１．５１から１．０に連続して変化する凹凸構造体とする。また、第３層６は、上記のように第１領域から第３領域までの３つの領域を有する。この場合、第１領域は、厚さ４２ｎｍに渡り、屈折率が４．５２×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。第２領域は、厚さ２８ｎｍに渡り、屈折率が４．２９×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。そして、第３領域は、厚さ１６０ｎｍに渡り、屈折率が１．２５×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。

図７（ｂ）は、図３（ｂ）に対応した、この場合の反射防止膜３による反射率特性を示すグラフである。図７（ｂ）に示すように、反射率は、可視域全域に渡り低い値となり、本実施形態の光学素子１も、反射防止膜３により高い反射防止性能を発揮していることが分かる。特に、入射角０°〜４５°では、可視域全域で０．５％以下の反射率を達成しており、入射角６０°という非常に大きな入射角でも、反射率２．５％以下という優れた反射防止性能を発揮する。なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様の形成方法や各種調整が適用される。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る光学素子について説明する。本実施形態の光学素子も、第１実施形態に係る光学素子１の構造において、基材２の材質、および反射防止膜３の各層の厚さと屈折率を変更したものである。図８は、本実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。特に、図８（ａ）は、図２に対応した光学素子の屈折率構造を具体的に示すグラフである。ここでも、本実施形態における光学素子の構成要素には、第１実施形態の光学素子１のものと同一の符号を付す。本実施形態では、基材２として屈折率が１．６５８である株式会社オハラ製の硝材Ｓ−ＮＢＨ５を採用する。また、反射防止膜３を構成する層のうち、第１層４は、厚さを６２ｎｍ、屈折率を１．５２とする膜とし、第２層５は、厚さを１０ｎｍ、屈折率を１．４６とする膜とする。さらに、第３層６は、厚さを２４０ｎｍとし、屈折率は、１．４６から１．０に連続して変化する凹凸構造体とする。また、第３層６は、上記のように第１領域から第３領域までの３つの領域を有する。この場合、第１領域は、厚さ１８ｎｍに渡り、屈折率が７．７８×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。第２領域は、厚さ６０ｎｍに渡り、屈折率が２．３３×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。そして、第３領域は、厚さ１６２ｎｍに渡り、屈折率が１．１１×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。

図８（ｂ）は、図３（ｂ）に対応した、この場合の反射防止膜３による反射率特性を示すグラフである。図８（ｂ）に示すように、反射率は、可視域全域に渡り低い値となり、本実施形態の光学素子１も、反射防止膜３により高い反射防止性能を発揮していることが分かる。特に、入射角０°〜４５°では、可視域全域で０．４％以下の反射率を達成しており、入射角６０°という非常に大きな入射角でも、反射率２．０％以下という優れた反射防止性能を発揮する。なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様の形成方法や各種調整が適用される。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る光学素子について説明する。本実施形態の光学素子も、第１実施形態に係る光学素子１の構造において、基材２の材質、および反射防止膜３の各層の厚さと屈折率を変更したものである。図９は、本実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。特に、図９（ａ）は図２に対応した光学素子の屈折率構造を具体的に示すグラフである。ここでも、本実施形態における光学素子の構成要素には、第１実施形態の光学素子１のものと同一の符号を付す。本実施形態では、基材２として屈折率が２．０１１である株式会社オハラ製の硝材Ｓ−ＬＡＨ７９を採用する。また、反射防止膜３を構成する層のうち、第１層４は厚さを５５ｎｍ、屈折率を１．７５とする膜とし、第２層５は厚さを１８ｎｍ、屈折率を１．５４とする膜とする。さらに、第３層６は厚さを２５６ｎｍとし、屈折率は１．５４から１．０に連続して変化する凹凸構造体とする。また、第３層６は、上記のように第１領域から第３領域まで３つの領域を有する。この場合、第１領域は、厚さ３６ｎｍに渡り、屈折率が５．２８×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。第２領域は、厚さ６０ｎｍに渡り、屈折率が２．８３×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。そして、第３領域は、厚さ１６０ｎｍに渡り、屈折率が１．１３×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。

図９（ｂ）は、図３（ｂ）に対応した、この場合の反射防止膜３による反射率特性を示すグラフである。図９（ｂ）に示すように、反射率は可視域全域に渡り低い値となり、本実施形態の光学素子１も反射防止膜３により高い反射防止性能を発揮していることが分かる。特に、入射角０°〜４５°では、可視域全域で０．６％以下の反射率を達成しており、入射角６０°という非常に大きな入射角でも反射率１．５％以下という優れた反射防止性能を発揮する。なお、本実施例においても、第１実施形態と同様の形成方法や膜種調整が適用される。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態に係る光学素子について説明する。本実施形態の光学素子も第１実施形態に係る光学素子１の構造において、基材２の材質、および反射防止膜３の各層の厚さと屈折率を変更したものである。図１０は、本実施形態に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。特に図１０（ａ）は、図２に対応した光学素子の屈折率構造を具体的に示すグラフである。ここでも、本実施形態における光学素子の構成要素には第１実施形態の光学素子１のものと同一の符号を付す。本実施形態では、基材２として屈折率が２．１７０である株式会社住田光学ガラス製の硝材Ｋ−ＰSFｎ２１５を採用する。また、反射防止膜３を構成する層のうち、第１層４は厚さを５０ｎｍ、屈折率を１．８１とする膜とし、第２層５は厚さを１６ｎｍ、屈折率を１．５６とする膜とする。さらに、第３層６は厚さを２４０ｎｍとし、屈折率は、１．５６から１．０に連続して変化する凹凸構造体とする。また、第３層６は、上記のように第１領域から第３領域まで３つの領域を有する。この場合、第１領域は厚さ４０ｎｍに渡り、屈折率が４．５×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。第２領域は、厚さ５５ｎｍに渡り、屈折率が３．６４×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。そして、第３領域は、厚さ１４５ｎｍに渡り、屈折率が１．２４×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。

図１０（ｂ）は、図３（ｂ）に対応した、この場合の反射防止膜３による反射率特性を示すグラフである。図１０（ｂ）に示すように、反射率は、可視域全域に渡り低い値となり、本実施形態の光学素子１も反射防止膜３により高い反射防止性能を発揮していることが分かる。特に、入射角０°〜４５°では、可視域全域で０．５％以下の反射率を達成しており、入射角６０°という非常に大きな入射角でも反射率１．８％以下という優れた反射防止性能を発揮する。なお、本実施例においても、第１実施形態と同様の形成方法や膜種調整が適用される。

（第１比較例）
次に、参考として、上記実施形態に係る光学素子１に対する、第１比較例としての光学素子について説明する。この第１比較例では、特に、従来技術である特許文献１に示す反射防止膜を有する光学素子との比較を行う。まず、図１１および図１２は、特許文献１に記載の構成に基づいて計算した反射防止膜を有する第１比較例に係る光学素子の反射率特性を示すグラフである。これらの図は、図３（ｂ）などの上記実施形態に係る光学素子１の反射率特性を示すグラフに対応している。特に、図１１（ａ）は、基材や反射防止膜の各層の屈折率分散を考慮していないため若干の誤差はあるが、ほぼ特許文献１に記載の結果が現れたグラフである。次に、図１１（ｂ）は、特許文献１に記載の構成において、反射防止膜の各層の厚さがそれぞれ１０％薄い場合の光学素子の反射率特性を示すグラフである。この場合、光学厚さ（光学的膜厚）は、第１層では０．２４３λ、第２層では０．０６３λ、第３層では０．２７λ、さらに第４層では０．２３４λとなる。次に、図１２（ａ）は、特許文献１に記載の構成において、反射防止膜の各層の厚さがそれぞれ１０％厚い場合の光学素子の反射率特性を示すグラフである。この場合、光学厚さは、第１層では０．２９７λ、第２層では０．０７７λ、第３層では０．３３λ、さらに第４層では０．２８６λとなる。これらの結果から明らかなように、上記実施形態の光学素子１の方が、反射防止膜の各層の厚さが±１０％変化した場合の反射率特性の変動が少なく、優れた反射防止性能を有することが分かる。

一方、特許文献１に記載の反射防止膜は、真空蒸着法により形成されるため、曲率の大きなレンズの光学面に形成されると、例えば、開角が４５°の部位での厚さは、第１層から第３層までの蒸着層の厚さが７１％程度となる。この場合を考慮し、図１２（ｂ）として、特許文献１に記載の構成において、反射防止膜の蒸着層の厚さを７１％とし、第４層で１００％の厚さとした場合の光学素子の反射率特性を示すグラフである。図１２（ｂ）に示すように、基材が曲率の大きなレンズである場合では、レンズの周辺部で反射防止性能が大きく劣化することが分かる。

（第２比較例）
また、参考として、上記実施形態に係る光学素子１に対する、第２比較例としての光学素子について説明する。この第２比較例では、特に、上記実施形態における各種数値範囲を逸脱した構成を有する光学素子との比較を行う。図１３は、第２比較例に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。特に、図１３（ａ）は、図２に対応した光学素子の屈折率構造を具体的に示すグラフである。なお、本比較例においても光学素子の構成要素には、第１実施形態の光学素子１のものと同一の符号を付す。本比較例では、基材２として、第１実施形態と同様に、屈折率が１．８０８である株式会社オハラ製の硝材Ｓ−ＬＡＨ６５を採用する。また、反射防止膜３を構成する層のうち、第１層４は、厚さを２８ｎｍ、屈折率を１．６２０とする膜とし、第２層５は、厚さを３０ｎｍ、屈折率を１．５２とする膜とする。さらに、第３層６は、厚さを１９０ｎｍとし、屈折率は、１．５２から１．０に連続して変化する凹凸構造体とする。また、第３層６も、第１実施形態と同様に第１領域から第３領域までの３つの領域を有する。この場合、第１領域は、厚さ１２ｎｍに渡り、屈折率が１４．１７×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。第２領域は、厚さ３０ｎｍに渡り、屈折率が５．６７×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。そして、第３領域は、厚さ１４８ｎｍに渡り、屈折率が１．２２×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。

図１３（ｂ）は、図３（ｂ）に対応した、この場合の反射防止膜３による反射率特性を示すグラフである。図１３（ｂ）に示すように、反射率は、入射角０°では、波長７００ｎｍにおいて０．７％以上となり、さらに入射角が大きくなるに従い、反射率特性が悪化する。特に、入射角６０°、波長７００ｎｍでの反射率は、５％近くにも達する。このように、上記実施形態における各種数値範囲を逸脱した構成を有する光学素子では、優れた反射防止性能を得ることは難しい。特に、第３層６の厚さが２００ｎｍよりも小さくなると、長波長域や大きな入射角での反射率特性の悪化が顕著となり、波長帯域および入射角の特性に優れた光学素子の実現が難しい。

（第３比較例）
さらに、参考として、上記実施形態に係る光学素子１に対する、第３比較例としての光学素子について説明する。この第３比較例でも、第２比較例と同様に、上記実施形態における各種数値範囲を逸脱した構成を有する光学素子との比較を行う。図１４は、第３比較例に係る光学素子の構造および特性を示すグラフである。特に、図１４（ａ）は、図２に対応した光学素子の屈折率構造を具体的に示すグラフである。なお、本比較例においても光学素子の構成要素には、第１実施形態の光学素子１のものと同一の符号を付す。本比較例でも、基材２として、第１実施形態（第２比較例）と同様に、屈折率が１．８０８である株式会社オハラ製の硝材Ｓ−ＬＡＨ６５を採用する。また、反射防止膜３を構成する層のうち、第１層４は、厚さを３５ｎｍ、屈折率を１．６２０とする膜とし、第２層５は、厚さを４８ｎｍ、屈折率を１．５２とする膜とする。さらに、第３層６は、厚さを３２０ｎｍとし、屈折率は、１．５２から１．０に連続して変化する凹凸構造体とする。また、第３層６も、第１実施形態と同様に第１領域から第３領域までの３つの領域を有する。この場合、第１領域は、厚さ４５ｎｍに渡り、屈折率が３．７８×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。第２領域は、厚さ７５ｎｍに渡り、屈折率が２．２７×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。そして、第３領域は、厚さ１４８ｎｍに渡り、屈折率が０．９０×１０^−３ｎｍ^−１の割合で連続して変化する。

図１４（ｂ）は、図３（ｂ）に対応した、この場合の反射防止膜３による反射率特性を示すグラフである。図１４（ｂ）に示すように、特に、入射角６０°での反射率は、可視域全域で１．０％以下となり、優れた反射防止性能を有する。しかしながら、入射角０°〜４５°での反射率は、短波長域で悪化しており、特に、入射角０°、波長４００ｎｍでの反射率は、１．０％近くにも達する。すなわち、このような光学素子でも、優れた反射防止性能を得ることは難しい。特に、第３層６の厚さが３００ｎｍよりも大きくなると、短波長域での反射率特性の悪化が顕著となる。さらに、第３層６の厚さが３００ｎｍよりも大きくになると、ウェットプロセスで成膜し、その後乾燥する際に、第３層６においてクラックなどの事象が生じる可能性も高い。

以上、第１実施形態から第５実施形態まで、また第２比較例および第３比較例に関し、それぞれの場合の屈折率構造における各種数値を図１５に示す表にまとめる。

（光学系および光学機器）
次に、本発明の一実施形態の光学系および光学機器について説明する。本実施形態の光学系は、例えば、デジタルカメラやビデオカメラなどの光学機器が備えるレンズ部またはレンズ鏡筒の内部に構成される結像光学系を含み、この結像光学系の一部として、上記実施形態にて説明した光学素子１を採用し得る。図１６は、本発明の一実施形態に係る光学系１００の構成を示す要部断面図である。この光学系１００は、焦点距離１４ｍｍ（ｆ＝１４．３）のカメラ用広画角レンズであり、このときの画角ωは、５６．５°であり、ＦＮｏ．は、２．８９である。また、（表１）は、光学系１００のレンズ設計値を示す表である。（表１）では、光学系１００の最も左側に位置する被写体像の入射面から撮像面（撮像素子またはフィルム１０１）に対向するまでの各光学面に対応する面番号Ｎｏ．が付されている。そして、この各面番号Ｎｏ．に対して、曲率半径ｒ（ｍｍ）、レンズ面間の厚さｄ（ｍｍ）、基準波長５５０ｎｍにおける屈折率ｎおよびアッベ数νをそれぞれ示している。この光学系１００では、被写体像の入射側に位置する光学素子として、上記実施形態に係る光学素子１が配置され、その像側の面（Ｎｏ．２）に反射防止膜３が形成されている。このように、Ｎｏ．２の面は、大きな曲率（開角）を有するにも関わらず、上記実施形態に示す反射防止膜３が形成されることで、面の中心部から周辺部まで高い反射防止性能を実現することができる。したがって、本実施形態の光学系１００は、フレアやゴーストなどの不要光の発生を抑制する高品質、高品位なものとなる。なお、本実施形態で説明した光学系１００は、一例であり、例えば、焦点距離の長い望遠レンズや、双眼鏡などの観察光学系として、上記実施形態の光学素子１を採用し得る。さらに、光学機器は、このような光学系１００を採用することで、フレアやゴーストなどの不要光の発生を抑制した画像や動画が得られる高品質、高品位なものとなる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１ 光学素子
２ 基材
３ 反射防止膜
４ 第１層
５ 第２層
６ 第３層

Claims (8)

1. 基材上に反射防止膜が形成された光学素子であって、
   前記反射防止膜は、前記基材上に形成される第１層と、
   前記第１層に形成され、前記第１層とは異なる材質からなる第２層と、
   前記第２層に形成され、凹凸構造体からなる第３層と、を含み、
   前記第３層は、前記凹凸構造体の空間充填率を連続して変化させることで、それぞれ厚さに対する屈折率が一定の割合で変化する３つの領域を有する、
   ことを特徴とする光学素子。
2. 屈折率を規定する基準波長を５５０ｎｍとした場合、
   前記基材は、屈折率が１．６５〜２．２０の範囲にあり、
   前記第１層は、厚さが３０〜７０ｎｍで、屈折率が１．５２〜１．８２の範囲にあり、
   前記第２層は、厚さが１０〜５０ｎｍで、屈折率が１．４０〜１．５８の範囲にあり、
   前記第３層は、厚さが２００〜３００ｎｍで、屈折率が１．４０〜１．５８の範囲から１．０に向かって変化し、
   前記領域は、前記第２層から順に、
   厚さが１５〜４５ｎｍに渡り、屈折率が４．４〜１２×１０^−３ｎｍ^−１の割合で変化する第１領域と、
   厚さが２５〜７５ｎｍに渡り、屈折率が１．９〜４．３×１０^−３ｎｍ^−１の割合で変化する第２領域と、
   厚さが１２０〜２００ｎｍに渡り、屈折率が０．９〜１．８×１０^−３ｎｍ^−１の割合で変化する第３領域と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１層、前記第２層、および前記第３層は、ウェットプロセスにて形成され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。
4. 前記第１層は、有機樹脂層であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記第２層は、酸化アルミニウムを主成分とする多孔質層であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子。
6. 前記第３層は、酸化アルミニウムを主成分とする板状結晶から形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子。
7. 少なくとも２つ以上の光学素子を有する光学系であって、
   前記光学素子のうち少なくとも１つは、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光学素子であることを特徴とする光学系。
8. 光学系を有する光学機器であって、
   前記光学系は、請求項７に記載の光学系であることを特徴とする光学機器。

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