JP2013114235A - 光学素子、光学素子の製造方法、光学系および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型軽量で非光学面の遮光性能に優れた光学素子、光学素子の製造方法、光学系および光学機器を提供する。
【解決手段】透過する有効光束に光学作用を与える複数の光学面と、前記有効光束が透過しない複数の非光学面３１〜３７と、前記複数の非光学面に形成されて可視光を吸収する遮光膜３８と、を有する光学素子において、前記複数の非光学面は、３つ以上の平面部である非光学面３１、３３、３５、３７と、隣り合う２つの平面部を接続する角部にそれぞれ設けられた複数の曲面部である非光学面３２、３４、３６と、を有し、前記平面部に形成された前記遮光膜よりも前記曲面部に形成された前記遮光膜の方が厚い。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子、光学素子の製造方法、光学系および光学機器に関する。

カメラ、顕微鏡、プロジェクタなどの光学機器に使用されるレンズ、プリズム等の光学素子には、有効光束に対して屈折などの光学作用を奏する光学面と、保持面（例えば、コバ面）などの有効光束が入射しない非光学面と、を有する。

特許文献１は、光学面に薄膜を形成すると共に外周部（非光学面）に段差を設けた光学素子を開示している。この段差は、外周部に薄膜が付着することを低減して鏡筒に高精度に保持可能であり、また、光学素子を小型で軽量にしている。

特開２０１０−２８１８７７号公報

しかし、非光学面から非有効光束が入射して迷光にならないようにするために特許文献１に示す段差付き外周部に遮光膜を均一に形成すると、光軸に平行な面と垂直な面の遮光性能の違いにより物体側から見た場合に遮光部がリング状に白く目立ってしまう。

本発明の例示的な目的は、小型軽量で非光学面の遮光性能に優れた光学素子、光学素子の製造方法、光学系および光学機器を提供することである。

本発明の光学素子は、透過する有効光束に光学作用を与える複数の光学面と、前記有効光束が透過しない複数の非光学面と、前記複数の非光学面に形成されて可視光を吸収する遮光膜と、を有する光学素子であって、前記複数の非光学面は、３つ以上の平面部と、隣り合う２つの平面部を接続する角部にそれぞれ設けられた複数の曲面部と、を有し、前記平面部に形成された前記遮光膜よりも前記曲面部に形成された前記遮光膜の方が厚いことを特徴とする。

本発明によれば、小型軽量で非光学面の遮光性能に優れた光学素子、光学素子の製造方法、光学系および光学機器を提供することができる。

本発明の光学素子の断面図である。（実施例１） 図１の部分拡大図である。（実施例１） 本発明の光学素子の断面図である。（実施例２） 図３の部分拡大図である。（実施例１） 図１または図３に示す光学素子を有する結像光学系の断面図である。（実施例３） 図５に示す結像光学系を有する光学機器の斜視図である。（実施例３）

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１の光学素子２０Ａの断面図であり、ＡＸは光軸である。光学素子２０Ａは、透過する有効光束に光学作用を与える光学面２１Ａ、２２Ａと、有効光束が入射しない段差のある非光学部３０と、を有する回転対称な透過型光学素子（レンズ）である。光学面２１Ａは物体側にある光学研磨された光学面、光学面２２Ａは像側にある光学研磨された光学面である。光学面２１Ａ、２２Ａの一方または両方には、反射防止、カラーフィルタ、偏光分離など様々な光学作用を持たせるために、誘電体薄膜や使用波長以下の微細凹凸構造体が形成されてもよい。

光学面２１Ａ、２２Ａを透過した光は光学素子２０Ａを構成する光学ガラスの屈折率に従って屈折する。また、非光学部３０は、光学面２１Ａ、２２Ａの外周に設けられている外周部であり、不図示の外部部材によって保持される保持部（コバ面）として機能することができる。

非光学部３０に入射した非有効光束を遮光するために、２段階の遮光処理が施されている。まず、非光学部３０は算術平均粗さＲａが５μｍ以上２０μｍ以下に加工された粗面である。算術平均粗さＲａは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。また、非光学部３０には実質的に可視域の光を吸収する遮光膜が形成されている。これにより、非光学部３０に入射する可視光は粗面にて散乱し、かつ遮光膜によって吸収される。また、算術平均粗さＲａが２０μｍを越えると散乱効果が低減するため好ましくない。

図２は、図１の非光学部３０の周辺の拡大図である。非光学部３０は、光学面２１Ａと光学面２２Ａの間に設けられ、３つ以上の平面部と、隣り合う２つの平面部を接続する角部にそれぞれ設けられた複数の曲面部と、を有する。より具体的には、非光学部３０は、光学面２１Ａから光学面２２Ａに向かって順に非有効光束が入射する可能性がある複数の非光学面３１〜３７を有すると共に、非光学面３１〜３７の上に形成された遮光膜３８を有する。

非光学面（第１の非光学面）３１は光学面２１Ａに接し、光軸ＡＸに平行な平面部である。非光学面（第２の非光学面）３３は光軸ＡＸに垂直な平面部、非光学面（第１の非光学面）３５は光軸ＡＸに平行な平面部である。非光学面（第２の非光学面）３７は光軸ＡＸに垂直な平面部であり、光学面２２Ａに接する。

非光学面３２、３４、３６は曲面部であり、それぞれの曲率半径は０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。０．１ｍｍよりも小さいと全反射を効率良く防ぐことができない。また、５ｍｍを超えると小型軽量化の効果が得られにくくなる。

なお、非光学面３１、３３、３５、３７は光軸方向に平行または直交する面に限定されない。例えば、非光学面３１は光軸ＡＸに厳密に平行である必要はなく、平行成分が主で有ればよい。平行成分が主というのは、非光学面３１の光軸ＡＸへの正射影の長さが、非光学面３１の長さの８５％以上であることを指す。非光学面３３に関しても同様で、垂直成分が主でかつ光軸ＡＸに垂直な方向への正射影の長さが非光学面３３の長さの８５％以上であればよい。

曲面部と光軸ＡＸに垂直な平面部によって非光学部３０には段差が形成され、非光学面３１は非光学面３５よりも一段高い位置にある。段差によって装置への組み込み時に保持精度、保持力を向上させることができる。また、段差によって小型で軽量となるので、ズーム群、フォーカス群、防振群等の可動群に好適である。

しかし、光学面２１Ａから非光学部３０を見ると、非光学面３２、３４、３６は場所によって入射角の異なる光を観察することになり、リング状に白く見えてしまう場合がある。

一般的に遮光性能は光の入射角度によって変化するため、各曲面部は場所によってムラのあるような形に見えてしまう。また、曲面部の場所や角度によっては、全反射した光が光学面２１Ａ方面に反射することがある。非光学部３０においては、非光学面３４で全反射した光が光学面２１Ａ方面に反射しやすい。

全反射する入射角度の光の遮光性能は遮光膜３８によって影響を受ける。基材の屈折率ｎｄが高い場合、臨界角以上の入射角度で入射された光は全て全反射する。その入射部分に遮光膜３８が形成されていると、入射光は遮光膜３８を通過してから全反射する。遮光膜３８を通過しているときに、入射光を十分に吸収できれば、遮光性能を向上させることができる。

しかし、吸収効率を向上させるために遮光膜３８を厚くし過ぎると遮光膜３８の膜厚を均一に制御することが困難となり、段差を設けても、遮光膜３８のバラツキによって装置への組み込み時に傾きや偏心などが発生しやすくなってしまう。

そこで、本実施例は、非光学面３１、３３、３５、３７に形成された遮光膜３８の膜厚Ｔ１よりも非光学面３２、３４、３６に形成された遮光膜３８の膜厚Ｔ２の方を大きくしている。これにより、遮光性能を維持しつつ曲面部の全反射を防ぐことができる。遮光膜３８は樹脂を主成分とする膜であり、黒色の染料を有する。

材料としては、エポキシ系、アクリル系、イミド系、フェノール系等の樹脂を選択することが好ましい。また、アゾ系染料、キノン系染料等の染料を用いることが望ましい。ただし、材料としてはこれらの記述に限定されることは無い。

遮光膜３８の平面部の膜厚Ｔ１は２μｍ以上８μｍ以下である。下限を下回ると遮光効果が不十分となり、上限を超えると遮光膜３８全体の膜厚を制御することが困難になる。

更に、遮光膜３８の曲面部の膜厚Ｔ２はＴ１よりも厚いという条件内で６μｍ以上２０μｍ以下、もしくは、膜厚Ｔ１の２倍以上５倍以下を有する。このように、場所によって遮光膜３８の膜厚を変更することで、保持精度、保持力を向上させたまま全反射による遮光性能の劣化を抑えることが可能となる。なお、上限（８μｍまたは５倍）を超えると遮光膜３８全体の膜厚を制御することが困難になる。

本実施例は光学素子２０Ａの基材の屈折率ｎｄが高く、遮光膜３８の屈折率が高い場合に特に有効である。例えば、基材の屈折率は１．７５以上２．００以下である。また、遮光膜の屈折率は１．６５以上２．００以下である。

基材の屈折率が高いと入射した光が全反射する確率が高くなり、特に１．７５以上の屈折率だと効果が得られやすい。また、屈折率２．００を超えると材料の入手が困難になる。また、遮光膜３８の屈折率が高いと全反射する光を吸収するための塗膜の光路長が長くなるため、吸収効率を向上させることができる。加えて、非光学面３１、３３、３５、３７に形成される遮光膜３８が薄くても十分な遮光性能を得ることができる。このような効果を得るには、遮光膜３８の屈折率は１．６５以上が好ましく、１．７０以上がより好ましく、１．７５以上がさらに好ましい。また、遮光膜３８の屈折率が２．００を超えると材料の入手が困難になる。

光軸ＡＸに平行な非光学面３１、３５に形成される遮光膜３８の膜厚Ｔ１１よりも、光軸ＡＸに垂直な非光学面３３、３７に形成される遮光膜３８の膜厚Ｔ１２の方が大きい。特に、第１の非光学面に形成される遮光膜３８の膜厚Ｔ１１は２μｍ以上５μｍ以下であり、第２の非光学面に形成される遮光膜３８の膜厚Ｔ１２は膜厚Ｔ１１の１．３倍以上１．６倍以下である。光学面２１Ａから非光学面３１、３５は直接見ることはできないが非光学面３３、３７は直接見ることができるためである。また、非光学面３１、３５は光学素子２０Ａの組み込み精度に影響を与えるため、その遮光膜３８の膜厚は薄いほうがよい。このように、非光学部３０の場所によって厚みを制御することによって遮光性能と組み込み精度を両立することができる。

遮光膜３８の厚みに分布を持たせる方法には幾つかある。通常、遮光膜３８を形成するには、溶液状の塗膜材料を被塗工面に塗工し、焼成・乾燥することで固着させる方法がある。溶液を塗工する手段としてはバーコート法、スプレーコート法、ディップコート法などの溶液を被塗工面に直接付着させる方法、ロールコート法、刷毛・スポンジコート法など溶液を他の媒体を介して被塗工面に塗工する方法がある。

このような方法を用いて厚み分布を持たせる方法としては、一旦、遮光膜を非光学部３０の全面に形成した後で曲面部に遮光膜３８を追加（多層化）する方法がある。これにより、平面部に比べて曲面部の遮光膜３８の膜厚を厚くすることができる。

別の方法として、沸点が１００度以上１５０度以下で沸点の差が２０度以上４０度以下ある少なくとも２つの溶媒を含む溶液を利用して遮光膜３８を形成する方法がある。溶液に沸点の異なる溶媒を含むと揮発速度を調整することが可能となる。１００度以上の沸点の溶媒を利用することで被塗工面に溶液を塗工する際には液状のまま均一に塗工することが可能となる。沸点の上限、沸点の差の上限は材料の選択を確保するためのものである。

沸点が低温の溶媒によって一通り均一な塗工膜が形成された後、沸点が高温の溶媒の揮発が起きる。この時、平面部に比べて曲面部では揮発密度の違いから乾燥が遅くなり、残存溶媒が増える現象が起きる。

一方、一度形成された遮光膜３８の内部では残存溶媒の分布から材料濃度に分布ができる。濃度に分布ができると均一にさせようとする力が働き、平面部に塗工された溶液の材料成分は曲面部に移動する。その状態で高温の溶媒を揮発させることにより、平面部に比べて曲面部の厚みが厚い非光学部３０を作製することができる。

材料の粒子の塗膜内の移動を促進して遮光膜３８をより効率良く製造するために、遮光膜３８を形成する溶液に含まれる材料を全て（０ｎｍよりも大きく）１００ｎｍ以下の粒子で作製している。この溶液を利用すると、光軸ＡＸに対して平行な非光学面３１、３５と垂直な非光学面３３、３７の揮発方向の違いから膜厚を変更することが可能となる。光学面２１Ａを下、光学面２２Ａを上にして設置して溶液を塗工すると、揮発方向の違いから非光学面３１、３５に比べて非光学面３３、３７の膜厚を厚くすることが可能となる。

本実施例では、光学素子２０Ａの基材としてＯＨＡＲＡ社製Ｓ−ＬＡＨ５５（ｎｄ＝１．８３４８１）を利用した。光学素子２０Ａの径はφ３５ｍｍ、光学面２１Ａの曲率半径は７８ｍｍ、光学面２２Ａの曲率半径は１６ｍｍである。非光学面３２、３６の曲率半径は０．８ｍｍ、非光学面３４の曲率半径は１．０ｍｍである。

スプレーコート法により、遮光膜３８の溶液を非光学部３０に塗工し、遮光膜３８を形成した。遮光膜３８を形成する溶液として、沸点１０９度のトルエンを溶媒に利用した。非光学部３０に均一に溶液を塗工した後、２３度の環境で４時間放置した。その後、１４０度の環境で２時間放置した。この方法により遮光膜３８を形成した後、各曲面部に追加で溶液を塗工して遮光膜３８を形成した。各平面部の遮光膜３８の膜厚は５μｍ、各曲面部の遮光膜３８の膜厚は８μｍだった。形成された遮光膜３８の屈折率ｎｄは１．６８だった。

図３は、実施例２の光学素子２０Ｂの断面図であり、ＡＸは光軸である。光学素子２０Ｂは、光学面２１Ｂ、２２Ｂ、段差のある非光学部４０を有する回転対称形の光学素子である。

図４は、図３の非光学部４０の周辺の拡大図である。非光学部４０は、光学面２１Ｂと光学面２２Ｂの間に設けられ、光学面２１Ａから光学面２２Ａに向かって、非有効光束が入射する可能性がある複数の非光学面４１〜４５と、非光学面３１〜３７の上に形成された遮光膜を有する。なお、作図の便宜上遮光膜を省略している。非光学面４１は光学面２１Ｂに接し、光軸ＡＸに平行な平面部、非光学面４２、４４は曲面部、非光学面４３は平面部、非光学面４５は光軸ＡＸに垂直な平面部である。

本実施例では、光学素子２０Ｂの基材としてＯＨＡＲＡ社製Ｓ−ＬＡＨ５８（ｎｄ＝１．８８３００）を利用した。光学素子２０Ｂの径はφ５６ｍｍ、光学面２１Ｂの曲率半径は８０ｍｍ、光学面２２Ｂの曲率半径は４７ｍｍである。非光学面４２の曲率半径は１．３ｍｍ、非光学面４４の曲率半径は０．８ｍｍとした。

刷毛を利用して遮光膜の溶液を非光学部４０に塗工し、遮光膜を形成した。遮光膜を形成するための溶液として、沸点が１２０度のＰＧＭＥ、沸点が１４６度のＰＧＭＥＡを溶媒に利用した。非光学部４０に均一に溶液を塗工した後、２３度の環境で４時間放置した。その後、２００度の環境で２時間放置した。非光学面４１の遮光膜の厚みは３μｍ、非光学面４３の遮光膜の厚みは６μｍ、非光学面４５の遮光膜の厚みは７μｍだった。曲面部４２の遮光膜の厚みは１２μｍ、曲面部４４の遮光膜の厚みは１３μｍだった。形成された遮光膜の屈折率ｎｄは１．７２だった。

図５は、物体からの光束を結像面ＩＰに結像する、本実施形態の結像光学系１０の断面図である。本実施形態の結像光学系１０は、一例として可視光で使用され、複数の光学素子を有する。この結像光学系１０の構成は単なる一例であり、本実施形態は、望遠タイプの光学系に限定されず、広角系、ズーム系など種々の変形及び変更が可能であり、ミラーなどの反射部材を更に有してもよい。

これらの光学素子は、物体側から入射した光の光束径を制限する光学絞り５０、光学素子２０Ａまたは２０Ｂを適用可能な光学素子５２〜５８を有する。光学素子２０Ａまたは２０Ｂは光学絞り５０の物体側に配置されてもよいし像側に配置されてもよいが、物体側に配置される方が遮光膜の遮光膜の遮光ムラが目立ち易い。また、小型軽量化された光学素子２０Ａまたは２０Ｂはズーム群、フォーカス群、防振群等の可動群に好適である。光学素子２０Ａまたは２０Ｂの遮光膜が全反射を防止しつつ非有効光束を遮光するので結像光学系１０の光学性能を維持することができ、また、膜圧分布を有する遮光膜は遮光部分の一部が目立つことはない。

図６は、結像光学系１０を使用可能な光学機器の一例としてのデジタルカメラの斜視図である。６０はカメラ本体、６１は結像光学系１０を有する撮像光学系（またはレンズ鏡筒）である。６２はカメラ本体６０に内蔵され、撮像光学系６１によって形成された光学像を光電変換するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。６３は固体撮像素子６２によって光電変換された情報を記録するメモリ、６４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子６２上に形成された被写体像を観察するための表示素子である。光学素子２０Ａまたは２０Ｂの遮光膜が迷光を防止するのでデジタルカメラは高画質な画像を提供することができる。

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及び変更が可能である。例えば、本実施形態の光学素子はレンズには限定されず、光を透過する部材であれば、波長板、ビームスプリッタなどでもよい。また、光学機器はデジタルカメラに限定されず、顕微鏡、プロジェクタ等の光学機器に広く適用することができる。

光学素子は、カメラ、顕微鏡、プロジェクタ等の光学機器に適用することができる。

２０Ａ、２０Ｂ…光学素子、２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ…光学面、３１〜３７、４１〜４５…非光学面、３８…遮光膜

Claims (16)

1. 透過する有効光束に光学作用を与える複数の光学面と、前記有効光束が透過しない複数の非光学面と、前記複数の非光学面に形成されて可視光を吸収する遮光膜と、を有する光学素子であって、
   前記複数の非光学面は、３つ以上の平面部と、隣り合う２つの平面部を接続する角部にそれぞれ設けられた複数の曲面部と、を有し、
   前記平面部に形成された前記遮光膜よりも前記曲面部に形成された前記遮光膜の方が厚いことを特徴とする光学素子。
2. 前記複数の非光学面は、それぞれが算術平均粗さ５μｍ以上２０μｍ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。
3. 前記曲面部の曲率半径は０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であ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. 前記平面部に形成された遮光膜の膜厚は２μｍ以上８μｍ以下であり、前記曲面部に形成された遮光膜の膜厚は６μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記非光学面の平面部に形成された遮光膜の膜厚は２μｍ以上８μｍ以下であり、前記曲面部に形成された遮光膜の膜厚は前記平面部に形成された遮光膜の２倍以上５倍以下の膜厚を有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光学素子。
6. 前記平面部は、前記光学素子の光軸に平行な第１の非光学面と、前記光学素子の前記光軸に垂直な第２の非光学面と、を有し、
   前記第１の非光学面に形成された遮光膜よりも前記第２の非光学面に形成された遮光膜の方が厚いことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の光学素子。
7. 前記平面部は、前記光学素子の光軸に平行な第１の非光学面と、前記光学素子の前記光軸に垂直な第２の非光学面と、を有し、
   前記第１の非光学面に形成された遮光膜の膜厚は２μｍ以上５μｍ以下であり、前記第２の非光学面に形成された遮光膜の膜厚は前記第１の非光学面に形成された遮光膜の膜厚の１．３倍以上１．６倍以下であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の光学素子。
8. 前記遮光膜は、樹脂を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の光学素子。
9. 前記遮光膜の屈折率は１．６５以上２．００以下であることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の光学素子。
10. 前記光学素子の基材の屈折率は１．７５以上２．００以下であることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の光学素子。
11. 有効光束が透過する複数の光学面と、前記有効光束が透過しない複数の非光学面と、前記複数の非光学面に形成されて可視光を吸収する遮光膜と、を有し、前記複数の非光学面は、３つ以上の平面部と、隣り合う２つの平面部を接続する角部にそれぞれ設けられた複数の曲面部と、を有する光学素子の製造方法であって、
    前記平面部に形成された前記遮光膜よりも前記曲面部に形成された前記遮光膜の方が厚くなるように、前記遮光膜を前記曲面部において多層化したことを特徴とする光学素子の製造方法。
12. 前記遮光膜は、沸点が１００度以上であり、沸点の差が２０度以上ある少なくとも２つの溶媒を含む溶液を前記非光学面に塗工することによって形成されることを特徴とする請求項１１に記載の光学素子の製造方法。
13. 前記遮光膜を形成するための溶液に含まれている材料は全て１００ｎｍ以下の粒子で作製されていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の光学素子の製造方法。
14. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学素子を有することを特徴とする光学系。
15. 請求項１４に記載の光学系を有することを特徴とする光学機器。
16. 前記光学系は可動群であることを特徴とする請求項１５に記載の光学機器。