JP2015135445A - 反射防止膜、光学素子、光学系および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた反射防止性能および入射角特性を有する反射防止膜を提供する。【解決手段】反射防止膜は、波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮｓｕｂである光学基板１０１上に形成される。光学基板側から順に、波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮ１で膜厚がＤ１である第１層１０３と、波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮ２で膜厚がＤ２である第２層１０２と、波長５５０ｎｍよりも周期または平均周期が小さい凹凸構造体により構成され、波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮ３から１．０に向かって変化し、膜厚がＤ３である第３層１０５とを有する。１．４３≰Ｎｓｕｂ≰１．６５，１．４４≰Ｎ１≰１．５６，２６ｎｍ≰Ｄ１≰７６ｎｍ，１．３０≰Ｎ２≰１．４２，１７ｎｍ≰Ｄ２≰５２ｎｍ，１．４６≰Ｎ３≰１．５２，１８０ｎｍ≰Ｄ３≰３００ｎｍ，Ｎ２＜Ｎｓｕｂ，Ｎ２＜Ｎ１，Ｎ２＜Ｎ３を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ等の光学基板上に形成される反射防止膜に関する。

光学素子の表面に形成する反射防膜として、従来用いられていた誘電体多層膜よりも波長帯域特性や入射角度特性に優れた高性能な反射防止膜の開発が求められている。

特許文献１には、真空蒸着法を用いて形成した３層の誘電体薄膜の上にゾル−ゲル法で４層のフッ化マグネシウム層を形成した反射防止膜を開示している。そして、特許文献１には、第１層から第４層の屈折率と膜厚を適切に設定することで優れた反射防止特性を示すことが述べられている。

特開２００５−２８４０４０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された反射防止膜は、波長５５０ｎｍにおける入射角０°の光線に対する反射率が０．４％程度となっており、十分な反射防止性能を発揮しているとは言えない。また、波長５５０ｎｍにおける入射角６０°の光線に対する反射率は２％程度となっており、これも十分な入射角特性を実現しているとは言えない。

本発明は、従来よりも優れた反射防止性能および入射角特性を有する反射防止膜を提供し、さらにそれを有する光学素子、光学系および光学機器を提供する。

本発明の反射防止膜は、波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮｓｕｂである光学基板上に形成される。該反射防止膜は、光学基板側から順に、波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮ１で膜厚がＤ１である第１層と、波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮ２で膜厚がＤ２である第２層と、波長５５０ｎｍよりも周期または平均周期が小さい凹凸構造体により構成され、波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮ３から１．０に向かって変化し、膜厚がＤ３である第３層とを有する。そして、以下の条件を満足することを特徴とする。

１．４３≦Ｎｓｕｂ≦１．６５
１．４４≦Ｎ１≦１．５６
２６ｎｍ≦Ｄ１≦７６ｎｍ
１．３０≦Ｎ２≦１．４２
１７ｎｍ≦Ｄ２≦５２ｎｍ
１．４６≦Ｎ３≦１．５２
１８０ｎｍ≦Ｄ３≦３００ｎｍ
Ｎ２＜Ｎｓｕｂ
Ｎ２＜Ｎ１
Ｎ２＜Ｎ３
なお、上記反射防止膜を備えた光学素子や、該光学素子を含む光学系、さらに該光学系を有する光学機器も本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、屈折率が１．４３〜１．６５の範囲にある光学基板に対し、波長帯域特性および入射角度特性に優れた反射防止性能を発揮する反射防止膜を実現することができる。そして、この反射防止膜を用いることにより、高い光学性能を有する光学素子、光学系および光学機器を実現することができる。

本発明の代表的な実施例である反射防止膜の屈折率構造を示す図。 上記実施例の反射防止膜の断面図。 本発明の実施例１の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 本発明の実施例２の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 本発明の実施例３の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 比較例１の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 本発明の実施例４の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 本発明の実施例５の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 本発明の実施例６の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 比較例２の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 比較例３の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 本発明の実施例７の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 本発明の実施例８の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 本発明の実施例９の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 比較例４の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 比較例５の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 本発明の実施例１０の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 本発明の実施例１１の反射防止膜の屈折率構造および反射率特性を示す図。 比較例６の反射防止膜の屈折率構造および反射率特を示す図。 本発明の実施例１２の光学系と実施例１３の光学機器を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の代表的な実施例について図１および図２を用いて説明する。図１には、実施例である反射防止膜の屈折率構造を概略的に示している。また、図２には図１の反射防止膜の断面を模式的に示している。以下の説明において、屈折率の値はすべて波長５５０ｎｍに対する値である。ただし、数値例１に記載のレンズデータのみ、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）での値である。

図１において、反射防止膜１０２は、１０１で示すレンズ等の光学基板上に形成される。光学基板１０１の屈折率Ｎｓｕｂは１．４３≦Ｎｓｕｂ≦１．６５である。

反射防止膜１０２は、光学基板側から順に、光学基板１０１上に形成された第１層１０３と、その上に形成された第２層１０４と、さらにその上に形成された第３層１０５の３つの層から構成されている。

第１層１０３は、屈折率Ｎ１が１．４４≦Ｎ１≦１．５６であり、膜厚Ｄ１が２６ｎｍ≦Ｄ１≦７６ｎｍである。第２層１０４は、第１層１０３とは異なる材料で形成されており、屈折率Ｎ２が１．３０≦Ｎ２≦１．４２であり、膜厚Ｄ２が１７ｎｍ≦Ｄ２≦５２ｎｍである。第３層１０５は、４００ｎｍより小さい周期または平均周期を有する微細凹凸構造により構成され、膜厚Ｄ３が１８０ｎｍ≦Ｄ３≦３００ｎｍである。また、第３層１０５は、屈折率Ｎ３が、１．４６≦Ｎ３≦１．５２の範囲の値から１．０（空気）に向かって実質的に連続に変化する領域を有する。

ここで、「実質的に連続に変化する」と表現したのは、膜の材料の屈折率そのものが連続に変化しているのではなく、平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造体の空間充填率が連続に変化することで「有効屈折率」が連続に変化していることを意味する。これは、光は自らの波長以下の微細凹凸構造を詳細に認識することができず、有効屈折率を有する媒質として認識する性質によるものである。

また、図１に示すように、各層の屈折率の関係は、Ｎ２＜Ｎｓｕｂ，Ｎ２＜Ｎ１，Ｎ２＜Ｎ３である。

図２では、微細凹凸構造体が完全な周期構造ではなく、ランダム性を持った構造（ランダム構造）となっている場合を示している。このような場合でも、個々の凸部（または凹部）ピッチが入射光の最短波長に比べて小さければ、回折や散乱等による不要光はほとんど発生しない。

図２では、微細凹凸構造体がランダム構造である場合を示したが、周期構造を有していてもよい。また、有効屈折率Ｎｅｆｆは、入射光の波長以下（より小さい）の周期または平均周期の凹凸構造を形成している材質の屈折率をＮｍとし、その材質の空間充填率をｆｆとしたとき、以下のLorentz-Lorenzの式を用いて計算できる。
（Ｎｅｆｆ^２−１）／（Ｎｅｆｆ^２＋２）＝ｆｆ（Ｎｍ^２−１）／（Ｎｍ^２＋２）
すなわち、波長以下の周期（ピッチともいう）で空間充填率が連続に変化するような構造体を形成することで、実質的に屈折率が連続に変化する膜を形成することが可能となる。

また、図１では、第３層１０５は第２層１０４との界面部分での屈折率Ｎ３から１．０（空気）に向かって直線的に変化している場合を実線で示している。しかし、変化の仕方はこれに限定されず、連続的に変化していればどのような仕方でもよい。例えば、図１中に例として２本の破線で示したように、変化率の異なる複数の領域を持つような変化の仕方や曲線的に変化してもよい。

このような屈折率構造を有する本実施例の反射防止膜は、入射角０°の光線に対する反射率が波長４５０ｎｍで０．２％以下、波長５５０ｎｍで０．１％以下、波長７００ｎｍで０．２％以下という優れた反射防止特性を実現できる。しかも、本実施例の反射防止膜は、入射角６０°の光線に対する波長５５０ｎｍでの反射率が２．０％以下という優れた入射角特性も有する。以下、これらの波長および入射角に対する反射率を、「実施例の条件反射率」という。

そして、この反射防止膜を形成した光学素子をカメラ用レンズ等の光学系に使用することで、フレアやゴーストなどの不要光の発生を抑制した、高品位な光学系を実現することができる。

ここで、実施例として各層の屈折率および膜厚が満足すべき条件をまとめて示す。

１．４３≦Ｎｓｕｂ≦１．６５ （１）
１．４４≦Ｎ１≦１．５６ （２）
２６ｎｍ≦Ｄ１≦７６ｎｍ （３）
１．３０≦Ｎ２≦１．４２ （４）
１７ｎｍ≦Ｄ２≦５２ｎｍ （５）
１．４６≦Ｎ３≦１．５２ （６）
１８０ｎｍ≦Ｄ３≦３００ｎｍ （７）
Ｎ２＜Ｎｓｕｂ （８）
Ｎ２＜Ｎ１ （９）
Ｎ２＜Ｎ３ （１０）

図３（ａ）は、本発明の実施例１である反射防止膜の屈折率構造を示す。本実施例における光学基板１０１の屈折率Ｎｓｕｂは１．５１８である。第１層１０３の屈折率Ｎ１は１．４５０であり、膜厚Ｄ１は４０．０ｎｍである。第２層１０４の屈折率Ｎ２は１．３８４であり、膜厚Ｄ２は３０．５ｎｍである。

第３層１０５の膜厚は２３４．２ｎｍであり、屈折率Ｎ３が１．４８０から１．０に向かって図３（ａ）に示したプロファイルで変化する。すなわち、第３層１０５は、第２層との界面から厚さ２５．８ｎｍにわたって屈折率が１．４８０から１．２９８に変化する領域と、厚さ５６．２ｎｍにわたって屈折率が１．２９８から１．１８２に変化する領域とを有する。さらに、厚さ１５２．３ｎｍにわたって屈折率が１．１８２から１．０に変化する領域を有する。

なお、図３（ａ）は、反射率計算を行うために、第３層１０５を厚さ方向に８０層に分割してモデル化した際の屈折率構造を示しているが、連続的に変化しているとみなして差し支えない。これは、以下の実施例および比較例も同様である。

また、本実施例では、各領域の屈折率が深さに対して直線的に変化している場合を示したが、各領域において、ゆるやかに曲線的に変化するような場合でも同様の効果が得られる。

図３（ｂ），（ｃ）に本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。図３（ｃ）は、図３（ｂ）の縦軸（反射率）のフルスケールを５％から１％に拡大した図である。これらの図を見て分かるように、可視域全域（波長４００〜７００ｎｍ）にわたり、高い反射防止性能を発揮している。入射角０°の光線では、可視域全域で０．２％以下の反射率を達成しており、特に波長４５０〜７００ｎｍの範囲では、０．０６％以下という非常に低い反射率を達成している。また、入射角０〜４５°の範囲にわたって可視域全域でほぼ０．３％以下の反射率を達成している。さらに、６０°という大きな入射角でも可視域全域で２％以下の反射率を達成しており、波長５５０ｎｍにおける反射率は１．０％以下である。

実施例では、上述したような屈折率構造が実現できれば、その製法については特に限定しない。第１層１０３の製法としては、例えば、粒径が１〜４０ｎｍ（膜厚以下）の低屈折率粒子を含有した有機樹脂材料をスピンコート法などで形成する方法を用いることができる。ここで、低屈折率粒子としては、例えば、シリカ（ＳｉＯ_２）やフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）等の多孔質粒子や中空微粒子等が挙げられる。

それ以外にも真空蒸着法やスパッタリング法、プラズマＣＶＤ法等、屈折率が１．４５０で、膜厚が４０．０ｎｍの層が形成できる方法であれば、どのような方法でも構わない。この場合、一般的な薄膜の屈折率と所望の屈折率との間に差異がある場合、所望の屈折率よりも高い屈折率の膜材料を用い、膜の密度（空間充填率）を制御すれば任意の屈折率を実現することができる。

例えば、屈折率が１．４６０のＳｉＯ_２（シリカ）を用いて屈折率１．４５０を実現しようとする場合、先に示したLorentz-Lorenzの式を用いれば、空間充填率ｆｆを０．９８１２とすればよいことが分かる。

第２層１０４および第３層１０５も同様に、上述の屈折率構造が実現できれば製法については特に限定しない。例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を含有する溶液を第１層１０３の上に塗布し、乾燥した後に形成された膜を温水中に浸漬し、表面に板状結晶を析出させる方法を用いれば、第２層１０４、第３層１０５を同時に形成することができる。この場合、酸化アルミニウムを含有する層から析出した板状結晶部分が第３層１０５であり、析出せずにベース部分に残った酸化アルミニウムを含有する多孔質層が第２層１０４となる。

酸化アルミニウムを含有する溶液中に、低屈折率材料や粒径が１〜３０ｎｍ（膜厚以下）の低屈折率粒子などを適量混入させておくことで、第２層１０４の屈折率を制御することができる。これは、温水浸漬による板状結晶の析出は、酸化アルミニウム成分のみで発現する現象であるため、混入した低屈折率微粒子が多孔質層（第２層１０４）部分に集中することを利用したものである。すなわち、低屈折率材料、低屈折率微粒子の屈折率、混入させる量を適宜制御することで所望の屈折率を実現することができる。

例えば、酸化アルミニウム層を上述のような湿式法で形成した場合、真空蒸着法などで形成する場合に比べ膜の密度が低いため、屈折率を１．４８０とすることができる。また、屈折率が１．４６０の材料からなり、空隙率（空気の体積比率）が４０％の中空シリカ微粒子の屈折率は、１．２６１である。屈折率が異なる２つの媒質を混合した場合の屈折率は、同じくLorentz-Lorenzの式から、
（Ｎｅｆｆ^２−１）／（Ｎｅｆｆ^２＋２）
＝ｆｆａ（Ｎａ^２−１）／（Ｎａ^２＋２）＋ｆｆｂ（Ｎｂ^２−１）／（Ｎｂ^２＋２）
によって計算することができる。ただし、この式でのＮｅｆｆは混合後の媒質の有効屈折率、一方の媒質の空間充填率（体積比率）および屈折率をそれぞれｆｆａ，Ｎａとし、他方の媒質の空間充填率および屈折率をそれぞれｆｆｂ，Ｎｂとする。したがって、
ｆｆａ＋ｆｆｂ＝１
である。これらの式から、屈折率が１．４８０の酸化アルミニウム層と屈折率１．２６１の中空シリカ微粒子の体積比率を０．５８：０．４２とすれば、屈折率１．３８４を実現できることになる。

また、低屈折率微粒子として中空微粒子を用いた場合、層内での分布によっては厚さ方向に屈折率分布を持つ可能性があるが、このような場合も層内の屈折率の平均値が上述の値になっていれば屈折率が均一な場合と同等の性能を実現することができる。

第２層は、酸化アルミニウムをベースとし、その中に粒径が１ｎｍ以上５２ｎｍ以下のシリカまたはフッ化マグネシウムを含有する多孔質粒子または中空微粒子を含有するものとしてもよい。

第３層の屈折率構造は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、塗布膜厚を適切に設定することで制御可能であり、膜厚Ｄ３は塗膜の膜厚や温水浸漬の温度や時間などを適切に設定することで制御可能である。

また、この膜の塗工方法については、ディップコート法やスピンコート法等、任意の湿式塗工法を用いることができる。しかし、曲率を有するレンズ等の光学基板においては、面内の膜厚を均一にする観点から、スピンコート法が好適である。この場合、塗工液の濃度やスピン回転数、回転時間を調整することで任意の膜厚を実現することができる。

図４（ａ）は、本発明の実施例２である反射防止膜の屈折率構造を示す。本実施例は実施例１と同じ光学基板１０１、第１層１０３および第２層１０４により構成されており、第３層１０５の膜厚のみ実施例１と異なる１８３．６ｎｍとなっている。すなわち、本実施例の第３層１０５は、第２層との界面から厚さ２０．２ｎｍにわたって屈折率が１．４８０から１．２９８に変化する領域と、厚さ４４．１ｎｍにわたって屈折率が１．２９８から１．１８２に変化する領域とを有する。さらに、厚さ１１９．４ｎｍにわたって屈折率が１．１８２から１．０に変化する領域を有する。

図４（ｂ），（ｃ）に本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。これらの図を見て分かるように、入射角０°の光線では、可視域全域で０．２％以下の反射率を達成しており、波長５５０ｎｍでの反射率は０．１％以下となっている。さらに入射角６０°の光線でも波長５５０ｎｍで２．０％以下の反射率を達成している。

本実施例では、上述のような屈折率構造が実現できれば製法については特に限定しないが、実施例１に記載したのと同様の方法を用いれば形成することが可能である。このとき、第２層１０４および第３層１０５を形成するための酸化アルミニウムを含有する塗膜の膜厚や温水浸漬の条件等を適宜変更することで、本実施例の屈折率構造を実現可能である。

本実施例から、第３層１０５の膜厚を１８０ｎｍ以上にすれば高い反射防止性能が得られることが分かる。

図５（ａ）は、本発明の実施例３である反射防止膜の屈折率構造を示す。本実施例は、実施例１，２と同じ光学基板１０１、第１層１０３および第２層１０４により構成されており、第３層１０５の膜厚のみ実施例１，２と異なり、２９０．５ｎｍとなっている。すなわち本実施例の第３層１０５は、第２層との界面から厚さ３２．０ｎｍにわたって屈折率が１．４８０から１．２９８に変化する領域と、厚さ６９．７ｎｍにわたって屈折率が１．２９８から１．１８２に変化する領域とを有する。さらに、厚さ１８８．８ｎｍにわたって屈折率が１．１８２から１．０に変化する領域を有する。

図５（ｂ），（ｃ）に本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。これらの図を見て分かるように、入射角０°の光線に対する反射率が波長４５０ｎｍで０．２％以下、波長５５０ｎｍで０．１％以下、波長７００ｎｍで０．１％以下である。さらに、６０°という大きな入射角でも可視域全域で１．０％以下、波長５５０ｎｍでは０．５％以下という極めて優れた反射防止特性を達成している。

本実施例では、上述のような屈折率構造が実現できれば製法については特に限定しないが、実施例１に記載したのと同様の方法を用いれば形成することが可能である。このとき、第２層１０４および第３層１０５を形成するための酸化アルミニウムを含有する塗膜の膜厚や温水浸漬の条件などを適宜変更することで、本実施例の屈折率構造を実現可能である。

本実施例から、第３層１０５の膜厚を３００ｎｍ以下とすることで、高い反射防止性能が得られることが分かる。
［比較例１］
図６（ａ）は、比較例１の反射防止膜の屈折率構造を示している。本比較例は、実施例１〜３と同じ光学基板１０１、第１層１０３および第２層１０４により構成されており、第３層１０５の膜厚のみ１８０ｎｍ≦Ｄ３≦３００ｎｍから外れた１７６．２ｎｍとなっている。すなわち、本比較例の第３層１０５は、第２層との界面から厚さ１９．４ｎｍにわたって屈折率が１．４８０から１．２９８に変化する領域と、厚さ４２．３ｎｍにわたって屈折率が１．２９８から１．１８２に変化する領域とを有する。さらに、厚さ１１４．５ｎｍにわたって屈折率が１．１８２から１．０に変化する領域を有する。

図６（ｂ），（ｃ）に本比較例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。本比較例の屈折率構造は実施例２との差がわずかであるため、実施例２の反射率特性に近い値となっている。しかし、入射角０°の光線では、波長７００ｎｍにおける反射率が０．２％を超えてしまっている。また、入射角６０°の光線では、波長５５０ｎｍにおける反射率が２．０％を超えている。つまり、実施例の反射率条件を達成できていない。

したがって、第３層１０５の膜厚は、１８０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲内にすることが好ましい。

図７（ａ）は、本発明の実施例４である反射防止膜の屈折率構造を示している。本実施例における光学基板１０１の屈折率Ｎｓｕｂは１．５８５である。第１層１０３の屈折率Ｎ１は１．５０５であり、膜厚Ｄ１は４８．０ｎｍである。第２層１０４の屈折率Ｎ２は１．３９０であり、膜厚Ｄ２は２９．３ｎｍである。第３層１０５の膜厚は２２４．９ｎｍであり、屈折率Ｎ３が１．４９１から１．０に向かって図７（ａ）に示したプロファイルで変化する。すなわち、第３層１０５は、第２層１０４との界面から厚さ２４．７ｎｍにわたって屈折率が１．４９１から１．３０４に変化する領域と、厚さ５６．２ｎｍにわたって屈折率が１．３０４から１．１７２に変化する領域とを有する。さらに、厚さ１４３．９ｎｍにわたって屈折率が１．１７２から１．０に変化する領域を有する。本実施例では、各領域の屈折率が深さに対して直線的に変化している場合を示したが、各領域において、ゆるやかに曲線的に変化するような場合でも同様の効果が得られる。

図７（ｂ），（ｃ）に本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。これらの図を見て分かるように、可視域全域（波長４００〜７００ｎｍ）にわたり、高い反射防止性能を発揮している。入射角０°の光線では、可視域全域で０．１４％以下の反射率を達成しており、波長４５０〜７００ｎｍの範囲では、０．０３％以下の反射率を達成している。また、入射角０〜４５°の範囲にわたって可視域全域で０．３５％以下の反射率を達成している。さらに、６０°という大きな入射角でも可視域全域で２．２％以下の反射率を達成しており、波長５５０ｎｍにおける反射率は０．９％以下である。

本実施例も、上述のような屈折率構造が実現できれば製法については特に限定しない。例えば、実施例１にて説明したのと同様の方法を応用することで、本実施例の屈折率構造を実現することができる。

図８（ａ）は、本発明の実施例５である反射防止膜の屈折率構造を示している。本実施例は、実施例４と同じ光学基板１０１、第２層１０４および第３層１０５により構成されており、第１層１０３の膜厚のみ実施例４と異なり、２７．０ｎｍとなっている。

図８（ｂ），（ｃ）に本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。これらの図を見て分かるように、入射角０°の光線では、可視域全域で０．１％以下の反射率を達成している。さらに入射角６０°の光線でも波長５５０ｎｍで０．８％以下の反射率を達成している。

図９（ａ）は、本発明の実施例６である反射防止膜の屈折率構造を示している。本実施例は、実施例４，５と同じ光学基板１０１、第２層１０４および第３層１０５により構成されており、第１層１０３の膜厚のみ実施例４，５と異なり、７４．０ｎｍとなっている。

図９（ｂ），（ｃ）に本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。これらの図を見て分かるように、入射角０°の光線では、波長４５０ｎｍで０．２％以下、波長５５０ｎｍで０．０２％以下、波長７００ｎｍで０．０５％以下の反射率を達成している。さらに入射角６０°の光線でも可視域全域で２．３％以下、波長５５０ｎｍでは１．３％以下の反射率を達成している。
［比較例２］
図１０（ａ）は、比較例２の反射防止膜の屈折率構造を示している。本比較例は、実施例４〜６と同じ光学基板１０１、第２層１０４および第３層１０５により構成されており、第１層１０３の膜厚のみ２６ｎｍ≦Ｄ１≦７６ｎｍの範囲から外れて、２４．０ｎｍとなっている。

図１０（ｂ），（ｃ）に本比較例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。本比較例の屈折率構造は実施例５との差がわずかであるため、実施例５の反射率特性に近い値となっている。しかし、入射角０°の光線では、波長５５０ｎｍにおける反射率が０．１％を超えてしまっている。すなわち、第１層１０３の膜厚Ｄ１が２６ｎｍ以下となったことで、実施例の条件反射率を達成できていない。

したがって、第１層１０３の膜厚は、２６ｎｍ以上にすることが好ましい。
［比較例３］
図１１（ａ）には、比較例３の反射防止膜の屈折率構造を示している。たものである。本比較例は、実施例４〜６および比較例２と同じ光学基板１０１、第２層１０４、第３層１０５により構成されており、第１層１０３の膜厚のみ２６ｎｍ≦Ｄ１≦７６ｎｍの範囲から外れて、７８．０ｎｍとなっている。

図１１（ｂ），（ｃ）に本比較例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。本比較例の屈折率構造は実施例６との差がわずかであるため、実施例６の反射率特性に近い値となっている。しかし、入射角０°の光線で、波長４５０ｎｍにおける反射率が０．２％を超えてしまっている。すなわち、第１層１０３の膜厚Ｄ１が７８ｎｍとなったことで、実施例の条件反射率を達成できていない。

したがって、第１層１０３の膜厚は、７６ｎｍ以下にすることが好ましい。

実施例４〜６、比較例２および３の屈折率構造および反射率特性から、第１層１０３の膜厚は２６ｎｍ以上７６ｎｍ以下の範囲内にすることが好ましいことが分かる。

図１２（ａ）は、本発明の実施例７である反射防止膜の屈折率構造を示している。本実施例における光学基板１０１の屈折率Ｎｓｕｂは１．４３５である。第１層１０３の屈折率Ｎ１は１．４６５であり、膜厚Ｄ１は５８．０ｎｍである。第２層１０４の屈折率Ｎ２は１．３２０であり、膜厚Ｄ２は３５．４ｎｍである。第３層１０５の膜厚は２４１．７ｎｍであり、屈折率Ｎ３が１．５０７から１．０に向かって図１２（ａ）に示すプロファイルで変化する。すなわち、第３層１０５は、第２層１０４との界面から厚さ３６．３ｎｍにわたって屈折率が１．５０７から１．３１４に変化する領域と、厚さ５０．８ｎｍにわたって屈折率が１．３１４から１．１９３に変化する領域とを有する。さらに、厚さ１５４．７ｎｍにわたって屈折率が１．１９３から１．０に変化する領域を有する。

本実施例では、各領域の屈折率が深さに対して直線的に変化している場合を示したが、各領域において、ゆるやかに曲線的に変化するような場合でも同様の効果が得られる。

図１２（ｂ），（ｃ）に本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。これらの図を見て分かるように、可視域全域（波長４００〜７００ｎｍ）にわたり、高い反射防止性能を発揮している。入射角０°の光線では、可視域全域で０．１７％以下の反射率を達成しており、波長４５０〜７００ｎｍの範囲では、０．０４％以下の反射率を達成している。また、入射角０〜４５°の範囲にわたって可視域全域で０．５３％以下の反射率を達成している。さらに、６０°という大きな入射角でも可視域全域で２．５％以下の反射率を達成しており、波長５５０ｎｍにおける反射率は１．２％以下である。

本実施例も、上述のような屈折率構造が実現できれば製法については特に限定しない。例えば、実施例１にて説明したのと同様の方法を応用することで、本実施例の屈折率構造を実現することができる。

図１３（ａ）は、本発明の実施例８である反射防止膜の屈折率構造を示す。本実施例は、実施例７と同じ光学基板１０１、第１層１０３および第３層１０５により構成されており、第２層１０４の膜厚のみ実施例７と異なり、１８．５ｎｍとなっている。

図１３（ｂ），（ｃ）に本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。これらの図を見て分かるように、入射角０°の光線では、波長４５０ｎｍで０．２％以下、波長５５０ｎｍで０．１％以下、波長７００ｎｍ以下で０．２％以下の反射率を達成している。さらに入射角６０°の光線でも波長５５０ｎｍで１．２％以下の反射率を達成している。

図１４（ａ）は、本発明の実施例９である反射防止膜の屈折率構造を示す。本実施例は、実施例７，８と同じ光学基板１０１、第１層１０３および第３層１０５により構成されており、第２層１０４の膜厚のみ実施例７，８と異なり、５１．２ｎｍとなっている。

図１４（ｂ），（ｃ）に本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。これらの図を見て分かるように、入射角０°の光線では、波長４５０ｎｍで０．２％以下、波長５５０ｎｍで０．１％以下、波長７００ｎｍ以下で０．１％以下の反射率を達成している。さらに入射角６０°の光線でも可視域全域で２．３％以下、波長５５０ｎｍでは１．４％以下の反射率を達成している。
［比較例４］
図１５（ａ）は、比較例４の反射防止膜の屈折率構造を示す。本比較例は、実施例７〜９と同じ光学基板１０１、第１層１０３および第３層１０５により構成されており、第２層１０４の膜厚のみ１７ｎｍ≦Ｄ２≦５２ｎｍから外れて、１５．９ｎｍとなっている。

図１５（ｂ），（ｃ）に本比較例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。本比較例の屈折率構造は実施例８との差がわずかであるため、実施例８の反射率特性に近い値となっている。しかし、入射角０°の光線では、波長５５０ｎｍにおける反射率が０．１％を超えてしまっている。すなわち、第２層１０４の膜厚Ｄ２が１７ｎｍ以下となったことで、実施例の条件反射率を達成できていない。

したがって、第２層１０４の膜厚は、１７ｎｍ以上にすることが好ましい。
［比較例５］
図１６（ａ）は、比較例５の反射防止膜の屈折率構造を示す。本比較例は、実施例７〜９および比較例４と同じ光学基板１０１、第１層１０３および第３層１０５により構成されており、第２層１０４の膜厚のみ１７ｎｍ≦Ｄ２≦５２ｎｍから外れて、５３．７ｎｍとなっている。

図１６（ｂ），（ｃ）に本比較例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。本比較例の屈折率構造は実施例９との差がわずかであるため、実施例９の反射率特性に近い値となっている。しかし、入射角０°の光線で、波長４５０ｎｍにおける反射率が０．２％を超えてしまっている。すなわち、第２層１０４の膜厚Ｄ２が５２ｎｍとなったことで、実施例の条件反射率を達成できていない。

したがって、第２層１０４の膜厚は、５２ｎｍ以下にすることが好ましい。

実施例７〜９、比較例４および５の屈折率構造および反射率特性から、第２層１０４の膜厚は１７ｎｍ以上５２ｎｍ以下の範囲内にすることが好ましいことが分かる。

図１７（ａ）には、本発明の実施例１０である反射防止膜の屈折率構造を示す。本実施例における光学基板１０１の屈折率Ｎｓｕｂは１．６４４である。第１層１０３の屈折率Ｎ１は１．５５５であり、膜厚Ｄ１は５０．０ｎｍである。第２層１０４の屈折率Ｎ２は１．４０６であり、膜厚Ｄ２は２６．８ｎｍである。第３層１０５の膜厚は２３５．２ｎｍであり、屈折率Ｎ３が１．５１２から１．０に向かって図１７（ａ）に示したプロファイルで変化する。すなわち、第３層１０５は、第２層１０４との界面から厚さ３７．６ｎｍにわたって屈折率が１．５１２から１．３０２に変化する領域と、厚さ５４．１ｎｍにわたって屈折率が１．３０２から１．１７２に変化する領域とを有する。さらに、厚さ１４３．５ｎｍにわたって屈折率が１．１７２から１．０に変化する領域を有する。

本実施例では、各領域の屈折率が深さに対して直線的に変化している場合を示したが、各領域において、ゆるやかに曲線的に変化するような場合でも同様の効果が得られる。

図１７（ｂ），（ｃ）に本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。これらの図を見て分かるように、可視域全域（波長４００〜７００ｎｍ）にわたり、高い反射防止性能を発揮している。入射角０°の光線では、可視域全域で０．２％以下の反射率を達成しており、波長４５０〜７００ｎｍの範囲では、０．０５％以下の反射率を達成している。また、入射角０〜４５°の範囲にわたって可視域全域で０．２８％以下の反射率を達成している。さらに、６０°という大きな入射角でも可視域全域で２．０％以下の反射率を達成しており、波長５５０ｎｍにおける反射率は０．９％以下である。

本実施例も、上述のような屈折率構造が実現できれば製法については特に限定しない。例えば、実施例１にて説明したのと同様の方法を応用することで、本実施例の屈折率構造を実現することができる。

図１８（ａ）は、本発明の実施例１１である反射防止膜の屈折率構造を示す。本実施例は、実施例１０と同じ光学基板１０１、第１層１０３および第３層１０５により構成されており、第２層１０４のみ実施例１０の第２層と異なり、厚さ方向に分布を持っている。これは、第２層に直径が膜厚と同じ２６．８ｎｍの中空シリカ微粒子が配列している場合である。膜厚の中心部分での屈折率が１．３８８、上下両端での屈折率が１．４３６で、２次曲線的に変化しており、膜トータルの平均屈折率は実施例１０と同じ１．４０６である。

なお、図１８（ａ）では、反射率計算を行うために、第２層１０４を厚さ方向に１０層に分割してモデル化した際の屈折率構造を示しているが、滑らかに２次曲線的に変化しているとみなして差し支えない。

図１８（ｂ），（ｃ）に本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。図１８（ｂ），（ｃ）と図１７（ｂ），（ｃ）との比較から、ほぼ同一の反射率特性が得られていることが分かる。すなわち、第２層は厚さ方向に屈折率分布を持っている場合でも平均値が先に説明した実施例の条件（１）〜（１０）を満たせば、同等の優れた反射防止特性を実現することができる。
［比較例６］
図１９（ａ）は、比較例６の反射防止膜の屈折率構造を示す。本比較例は、実施例１０と同じ光学基板１０１、第１層１０３および第２層１０４により構成されており、第３層１０５の屈折率構造がＮ２＜Ｎ３から外れ、低い値（Ｎ２＝Ｎ３）となっている。

図１９（ｂ），（ｃ）に本比較例の反射防止膜の分光反射率特性を示す。実施例の特徴である第３層１０５の根元部分（第２層との界面部分）の屈折率が第２層１０４より高くなっている部分が無くなったことで、反射率特性が悪化し、入射角０°、波長５５０ｎｍでの反射率が０．１％を超えてしまっている。すなわち、実施例の条件反射率を達成できていない。

図２０（ａ）には、上述した実施例１〜１１の反射防止膜を光学系に適用した場合の構成を示す。本光学系のレンズ設計値を数値例１に示す。

図２０（ａ）において、１００１は光学系であり、焦点距離１４ｍｍのカメラ用の広画角レンズである。また、１００２は絞り、１００３は撮像素子またはフィルムである。

この光学系において、レンズ（光学素子本体）１０１の像側の面に実施例の反射防止膜１０２を設けている。実施例の反射防止膜は、入射角０°の光線に対する反射率が波長４５０ｎｍで０．２％以下、波長５５０ｎｍで０．１％以下、波長７００ｎｍで０．２％以下であり、かつ入射角６０°における波長５５０ｎｍでの反射率が２．０％以下の高い性能を実現する。このため、フレアやゴースト等の有害光の発生を低減した高品位な光学系を実現することができる。

また、本実施例では、光学系の例としてカメラ用の広画角用レンズの場合を示したが、焦点距離が長い標準レンズや望遠レンズの光学系でもよく、さらには双眼鏡等の観察光学系に用いてもよい。

図２０（ｂ）には、実施例１〜１１の反射防止膜を備えた光学素子を含む光学系を有するデジタルカメラ（光学機器）を示している。

図２０（ｂ）において、デジタルカメラは、その本体内に上記光学系１００１を撮影光学系として保持している。これにより、フレアやゴースト等の有害光による影響が少ない高品位な画像を生成可能なデジタルカメラを実現できる。

なお、デジタルカメラ以外のビデオカメラ等の撮像装置や双眼鏡等の観察装置にも、実施例１〜１１の反射防止膜を備えた光学素子を含む光学系を用いることができる。

［数値例１］
面番号ｉ（＝１，２，３，…）は物体側から数えてｉ番目の面を示し、ｒｉはｉ番目の面（レンズ面）の曲率半径を示す。ｄｉはｉ番目のレンズ厚または空気間隔を示す。また、ｎｄｉとνｄｉはｉ番目のレンズの材料のｄ線に対する屈折率とアッベ数を示す。
面データ（単位：mm）
面番号 r d nd νd
1 43.611 3.10 1.69680 55.5
2 26.108 11.30
3 58.696 5.83 1.60311 60.7
4 52.318 0.15
5 36.653 1.70 1.69680 55.5
6 17.777 6.39
7 48.633 1.30 1.77250 49.6
8 20.569 8.24
9 260.012 1.50 1.69680 55.5
10 15.580 10.11 1.59551 39.2
11 -50.458 3.24
12 54.936 8.21 1.56732 42.8
13 -10.586 1.50 1.77250 49.6
14 -14.355 0.82
15 -14.991 0.90 1.77250 49.6
16 -42.782 0.50
17 (絞り) 1.40
18 84.663 8.63 1.60311 60.7
19 -69.334 4.00 1.74320 49.3
20 78.755 0.67
21 -180.599 0.80 1.92286 21.3
22 32.151 5.88 1.48749 70.2
23 -18.364 0.15
24 352.989 3.30 1.80400 46.6
25 -38.634
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

優れた反射防止性能を有する反射防止膜および光学機器を提供できる。

１０１ 光学基板
１０２ 反射防止膜
１０３ 第１層
１０４ 第２層
１０５ 第３層

Claims (8)

1. 波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮｓｕｂである光学基板上に形成される反射防止膜であって、
   光学基板側から順に、
   波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮ１で膜厚がＤ１である第１層と、
   波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮ２で膜厚がＤ２である第２層と、
   波長５５０ｎｍよりも周期または平均周期が小さい凹凸構造体により構成され、波長５５０ｎｍに対する屈折率がＮ３から１．０に向かって変化し、膜厚がＤ３である第３層とを有し、
   以下の条件を満足することを特徴とする反射防止膜。
   １．４３≦Ｎｓｕｂ≦１．６５
   １．４４≦Ｎ１≦１．５６
   ２６ｎｍ≦Ｄ１≦７６ｎｍ
   １．３０≦Ｎ２≦１．４２
   １７ｎｍ≦Ｄ２≦５２ｎｍ
   １．４６≦Ｎ３≦１．５２
   １８０ｎｍ≦Ｄ３≦３００ｎｍ
   Ｎ２＜Ｎｓｕｂ
   Ｎ２＜Ｎ１
   Ｎ２＜Ｎ３
2. 前記第２層が、酸化アルミニウムを含有する層であることを特徴とする請求項１に記載の反射防止膜。
3. 前記第２層が、酸化アルミニウムをベースとし、その中に粒径が１ｎｍ以上５２ｎｍ以下のシリカまたはフッ化マグネシウムを含有する多孔質粒子または中空微粒子を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の反射防止膜。
4. 前記第３層が、酸化アルミニウムを含有して構成された凹凸構造体であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の反射防止膜。
5. 前記第３層が、周期構造またはランダム構造である凹凸構造を有しており、
   該凹凸構造の周期または平均周期が４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学素子。
6. 前記光学基板と請求項１から５のいずれか一項に記載の反射防止膜とを有することを特徴とする光学素子。
7. 請求項６に記載の光学素子と絞りとを有することを特徴とする光学系。
8. 請求項７に記載の光学系と、
   該光学系を保持する本体とを有することを特徴とする光学機器。