JP2013097288A - 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】フレアやゴーストなどの原因となる有害光の発生を低減する点に加え、光学系に対する適応性の点で有利な光学素子を提供する。
【解決手段】光学素子１は、光の入射面または出射面である光線有効部２ａ、２ｂと、この光線有効部２ａ、２ｂの側端部に位置する非光線有効部３とを有する。ここで、光学素子１は、光線有効部２ａ、２ｂの少なくとも１面に、ウェットプロセスで形成した平均ピッチが４００ｎｍ以下の凹凸構造を有する反射防止構造体４と、非光線有効部３に、無機物からなる顔料を含み、波長５５０ｎｍにおける消衰係数が０．０３以上、０．１５以下の範囲にあり、膜厚が２μｍ以上、１０μｍ以下の範囲にある遮光塗膜５とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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、高品位で高性能なものとするために、その光学系に、フレアやゴーストなどの原因となる有害光の発生を抑制する光学素子が採用されている。このような光学素子は、例えば、レンズ面などの光線有効部にて入射光の透過率を向上させたり、レンズ側端部などの非光線有効部にて光の吸収率を向上させたりすることで反射率を低減させ、有害光の発生を抑止するのが一般的である。特に、光線有効部にて入射光の透過率を向上させる場合には、真空蒸着法やスパッタリング法などにより、レンズ面に単層または多層の誘電体薄膜を設ける方法が広く採用されている。さらに、入射角特性および波長帯域特性に優れる反射防止手段として、ウェットプロセスにより形成された、従来の蒸着法では実現が難しい低屈折率の膜や使用波長以下の微細凹凸形状を有する構造体なども採用されている。このような光学素子として、特許文献１は、光学素子の光線有効部に使用波長以下の微細凹凸構造体（反射防止構造体）が形成され、非光線有効部に遮光塗膜（不透明な塗膜）とそれを保護する保護膜とが形成された光学素子を開示している。

特開２０１０−５４８２７号公報

ここで、特許文献１に記載の光学素子では、光線有効部に酸化アルミニウムを含有する塗膜を形成した後、温水処理を施すことで波長以下の微細凹凸構造体を形成している。そして、この温水処理時に非光線有効部に形成した遮光塗膜から染料などの不透明成分が溶出するのを防ぐために、この光学素子では遮光塗膜上に保護膜を形成している。したがって、保護膜がない遮光塗膜のみを構成した光学素子に比べて、非光線有効部上に形成される塗膜が厚くなる。さらに、この遮光塗膜および保護膜は、特許文献１に記載されているように、光学素子を回転させながら筆などを用いて塗布形成される。したがって、塗膜を塗布面全周で均一な厚さに形成することが難しく、場所によってはムラが生じる可能性がある。このムラは、塗膜の厚さが厚いほど顕著なものとなり、光学系において偏芯に対する光学性能の低下が大きい、いわゆる偏芯敏感度の高い部位への適用が難しい。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、フレアやゴーストなどの原因となる有害光の発生を低減する点に加え、光学系に対する適応性の点で有利な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、光の入射面または出射面である光線有効部と、光線有効部の側端部に位置する非光線有効部とを有する光学素子であって、光線有効部の少なくとも１面に、ウェットプロセスで形成した平均ピッチが４００ｎｍ以下の凹凸構造を有する反射防止構造体と、非光線有効部に、無機物からなる顔料を含み、波長５５０ｎｍにおける消衰係数が０．０３以上、０．１５以下の範囲にあり、膜厚が２μｍ以上、１０μｍ以下の範囲にある遮光塗膜と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、フレアやゴーストなどの原因となる有害光の発生を低減する点に加え、光学系に対する適応性の点で有利な光学素子を提供する。

本発明の一実施形態に係る光学素子の構成を示す図である。 非光線有効部に形成された遮光塗膜における内面反射を説明する図である。 遮光塗膜と光学素子の偏芯との関係を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る光学系の構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（光学素子）
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。この光学素子１は、その本体が石英ガラスなどの透明材料からなる両凹レンズであり、光が透過し得る入射面と出射面との光線有効部２ａ、２ｂと、外周の側端部（側面）に位置する非光線有効部３とを有する。まず、光線有効部２ａ、２ｂは、その少なくとも１面に、反射防止構造体である凹凸構造体４を有する。この凹凸構造体４は、アルミニウム、または酸化アルミニウムを含有する材料からなり、平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細な凹凸構造（例えば突起形状体の集合）を有する。凹凸構造体４は、例えば酸化アルミニウムを含有する塗工液をウェットプロセスで塗布し、乾燥（および焼結）させ、その後、温度が６０゜Ｃ以上、９０゜Ｃ以下の範囲にある温水に５分以上浸漬させることで形成され得る。なお、このときのウェットプロセスとしては、例えばディップコート法やスピンコート法などが適用される。また、凹凸構造体４の高さ（厚さ）は、例えば酸化アルミニウムを含有する塗膜の厚さや、浸漬する温水の温度や時間などを適宜変化させることで調整し得る。例えば、凹凸構造体４の高さは、本実施形態では特に限定しないが、十分な反射防止性能を得るためには、１５０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の範囲にあることが望ましい。一方、非光線有効部３は、その表面に、入射した光線の内面反射を低減する遮光塗膜５を有する。この遮光塗膜５は、波長５５０ｎｍにおける消衰係数が、０．０３以上、０．１５以下の範囲にあり、また膜厚が、２μｍ以上、１０μｍ以下の範囲にある。

ここで、非光線有効部３での内面反射の防止について説明する。図２は、非光線有効部３に形成された遮光塗膜５における内面反射を説明するための遮光塗膜５の拡大断面図である。内面反射とは、光学素子１に入射した入射光６が本体内部を透過して遮光塗膜５に至り、光学素子１の本体と遮光塗膜５との第１界面７と、遮光塗膜５と外界の空気との第２界面８とで発生する反射現象である。具体的には、第１界面７が、光学素子１の内部を透過してきた入射光６に対して第１反射波９を発生させ、第２界面８が、第１界面７を透過した透過光１０に対して第２反射波１１を発生させ、一部の光１２が第２界面８を透過し、遮光塗膜５から外界へ出射する。このとき、第１反射波９の反射率Ｒは、便宜上、入射角０°の場合の反射率として仮定すると、以下の（数１）で現される。

ただし、Ｎ_１は、光学素子１の本体の複素屈折率であり、光学素子１の本体の屈折率ｎ_１と消衰係数ｋ_１とを用いると、以下の（数２）で現される。なお、光学素子１の本体は、透明材料なので、ここでの消衰係数ｋ_１は、無視できる値である。

一方、Ｎ_５は、遮光塗膜５の複素屈折率であり、遮光塗膜５の屈折率ｎ_５と消衰係数ｋ_５とを用いると、以下の（数３）で現される。

すなわち、第１反射波９の反射率Ｒを減少させるためには、上記（数１）〜（数３）により、それぞれの屈折率ｎ_１とｎ_５とを近い値にすればよい。これに対して、消衰係数ｋ_１の値は、実質ゼロであるので、遮光塗膜５の消衰係数ｋ_５が大きくなれば、反射率Ｒも増加することになる。一方、第２反射波１１については、第１界面７を透過した透過光１０を吸収させることで低減させることができる。例えば、遮光塗膜５の消衰係数ｋ_５を大きくするか、遮光塗膜５の膜厚を厚くすればよい。

具体的に、光学素子１に適用する遮光塗膜５について考慮すると、偏芯などの発生を抑制できる１０μｍ以下の膜厚で、かつ十分な内面反射の防止効果を得るためには、遮光塗膜５の消衰係数ｋ_５を、０．０３以上、０．１５以下の範囲に設定することが望ましい。これは、消衰係数ｋ_５が０．０３未満では、１０μｍ以下の膜厚で透過光１０を十分に吸収することができず、第２反射波１１の反射率が大きくなり、一方、消衰係数ｋ_５が０．１５以上では、第１反射波９の反射率が大きくなるからである。このような遮光塗膜５を形成する材料としては、ある染料単体でもよいし、または、温水に不溶で、可視光を吸収し、消衰係数が大きい黒色材料である顔料を染料に少量添加したものとしてもよい。例えば、染料に対し、無機物であるカーボンブラック、銅鉄マンガン複合酸化物、チタンブラック、および酸化銅の４種の顔料を含有し得る。または、これらの顔料全てを染料に含有させるのではなく、４種のうち少なくともいずれか１種を含有させてもよい。さらに、遮光塗膜５に、平均粒径が１００ｎｍ以下のチタニア、またはジルコニアの粒子の少なくとも１種を含有させてもよい。これらの微粒子は、いずれも屈折率が１．９以上の高屈折率材料であるため、その含有量を適宜調整することで、遮光塗膜５の屈折率ｎ_５を調整することができ、結果的に第１反射波９の反射率Ｒを低くすることができる。ここで、平均粒径を１００ｎｍ以下としたのは、それ以上の大きさとなると、遮光塗膜５に入射する入射光６が散乱し、吸収機能を十分に発揮することが難しくなるためである。

次に、本実施形態の光学素子１を他の光学素子と合わせて鏡筒内に組み込んだ場合の遮光塗膜５と光学素子１の偏芯との関係について説明する。図３は、光学素子１と他の光学素子２０とを鏡筒２１に組み込んだ場合の光学系の構成を示す概略断面図である。一般に軸対象の光学系では、コマ収差などの諸収差への影響を低減するために、光学素子１と光学素子２０との光軸２２が揃っている必要がある。すなわち、光学素子１が、図３に示すように側端部の遮光塗膜５を介して鏡筒２１に固定されている場合、遮光塗膜５の膜厚にバラツキがあると、光学素子１が中心からずれた状態で固定されてしまうことになり、平行偏芯や倒れ偏芯などが発生する。これに対して、本実施形態では、遮光塗膜５の消衰係数ｋ_５を上記のように設定することで、非常に薄い膜厚でも十分な内面反射防止性能を発揮することができる。したがって、光学素子１を光学系の構成要素として鏡筒２１に組み込んだ場合でも、光学素子１の偏芯の発生を低減することができる。なお、図３に示すような光学系では、偏芯に対する諸収差の影響量が全ての光学素子（レンズ）で等しいわけではない。これに対して、例えば、平行偏芯量を０．０１ｍｍ、または傾き偏芯を１分としたときに、中心コマが０．００２ｍｍ以上、または７割像高でのメリディオナル像面変動が０．０２ｍｍ以上発生するような部位に光学素子１を用いるのがより効果的である。

このように、光学素子１は、まず、光線有効部２ａ、２ｂにて入射光６の反射を効率的に低減することができる。この光学素子１を光学系の構成要素として用いた場合でも、光線有効部２ａ、２ｂおよび非光線有効部３にて反射が抑制されるため、フレアやゴーストなどの原因となる有害光の発生を低減することができる。さらに、遮光塗膜５は、含有し得る顔料が温水に不溶であるために保護膜を要しないことから、十分な遮光性能を有しつつ膜厚を１０μｍ以下とすることができるため、膜厚のバラツキを小さくすることができる。加えて、光学素子１は、遮光塗膜５の消衰係数ｋ_５を適切に設定することで、光学系に設置される部位が偏芯敏感度の高い部位であっても、偏芯による光学性能の低下を低減することができるため、光学系に対する適応性の点でも有利となり得る。なお、本実施形態の光学素子１は、両凹レンズであるものとして説明したが、例えば両凸レンズやメニスカスレンズとしても同様の効果を奏する。また、本実施形態では、ウェットプロセスを用いて形成した反射防止構造体として平均ピッチが４００ｎｍ以下の凹凸構造体４を採用しているが、本発明は、これに限定するものではない。例えば、反射防止構造体として、ウェットプロセスを用いて形成した屈折率が１．３０以下の反射防止膜を採用してもよい。この反射防止膜は、上記のような凹凸構造体と単層または多層の膜とで構成され得る。

以上のように、本実施形態によれば、例えば、フレアやゴーストなどの原因となる有害光の発生を低減する点に加え、光学系に対する適応性の点で有利な光学素子を提供することができる。

（光学系および光学機器）
次に、本発明の一実施形態に係る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４は、本発明の一実施形態に係る光学系３０の構成を示す要部断面図である。光学系３０は、例えばカメラ用レンズ鏡筒に採用し得るものであり、図４では、最も左側に位置する被写体像の入射面３１から出射面３２までの光学面を構成する各光学素子と、像面（撮像素子など）３３とを記載している。この光学系３０では、絞り３４の後段中間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が配置されているため、フレアやゴーストなどの原因となる有害光の発生が低減される。ここで、この光学系３０における光学素子１は、上記の例示と同様に、平行偏芯量を０．０１ｍｍ、または傾き偏芯を１分としたときに、中心コマが０．００２ｍｍ以上、または７割像高でのメリディオナル像面変動が０．０２ｍｍ以上発生するレンズとする。このとき、光学素子１の非光線有効部３に形成された遮光塗膜５の膜厚は、１０μｍ以下と薄いので、光学素子１は、平行偏芯や倒れ偏芯の発生を抑え、この偏芯に伴う諸収差の発生も低減することができる。したがって、本実施形態の光学系３０は、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３０は、一例であり、例えば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３０を採用することで、フレアやゴーストなどの発生を抑制した画像や動画が得られる高品質、高品位なものとなり得る。

１ 光学素子
２ａ 光線有効部
２ｂ 光線有効部
３ 非光線有効部
４ 凹凸構造体
５ 遮光塗膜

Claims (7)

1. 光の入射面または出射面である光線有効部と、該光線有効部の側端部に位置する非光線有効部とを有する光学素子であって、
   前記光線有効部の少なくとも１面に、ウェットプロセスで形成した平均ピッチが４００ｎｍ以下の凹凸構造を有する反射防止構造体と、
   前記非光線有効部に、無機物からなる顔料を含み、波長５５０ｎｍにおける消衰係数が０．０３以上、０．１５以下の範囲にあり、膜厚が２μｍ以上、１０μｍ以下の範囲にある遮光塗膜と、
   を有することを特徴とする光学素子。
2. 前記反射防止構造体は、アルミニウム、または酸化アルミニウムを含有する塗工液を前記ウェットプロセスで塗布し、乾燥させた後、温度が６０゜Ｃ以上、９０゜Ｃ以下の範囲にある温水に５分以上浸漬させることで形成されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記無機物は、カーボンブラック、銅鉄マンガン複合酸化物、チタンブラック、または酸化銅の少なくともいずれか１種であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
4. 前記遮光塗膜は、チタニア、またはジルコニアの少なくとも１種の粒子を含有し、
   前記粒子の平均粒径は、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
5. 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４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。
6. 前記光学素子は、平行偏芯量を０．０１ｍｍ、または傾き偏芯を１分としたとき、中心コマが０．００２ｍｍ以上、または７割像高でのメリディオナル像面変動が０．０２ｍｍ以上発生する部位に設置されることを特徴とする請求項５に記載の光学系。
7. 光学系を有する光学機器であって、
   前記光学系は、請求項５または６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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