JP2016173447A

JP2016173447A - 支持部材およびこれを用いた光学装置

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Publication number: JP2016173447A
Application number: JP2015052984A
Authority: JP
Inventors: 大介佐野; Daisuke Sano
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2016-09-29

Abstract

【課題】より簡便に高い反射防止効果の得られる支持部材を提供すること。【解決手段】光学素子を支持する部材において、該部材は可視光を吸収する材料を使用しており、該部材のうち少なくとも一面である面Ｍの表面に以下の条件を満たす構造Ａが形成されており、かつ該面Ｍの法線方向に射影した射影面積の２０％以上を構造Ａが占めることを特徴とする。【数１】ただし、ここで支持部材の面のうち不連続となっている面は異なる面とし、連続的な面を一面とする。また、θＰは支持部材の材料のブリュースター角を指し、θは該面Ｍの法線方向と構造Ａの底面の成す角度とする。【選択図】図１

Description

本発明は、可視光に対して不透明な部材、特に光学系に利用される支持部材およびこれを用いた光学装置に関する。

従来、光学装置には多くの光学素子が利用されている。光学素子とは屈折・反射・回折などを利用して、入射光に所望の作用を与えて信号光を形成する素子のことを指す。一方、このような光学素子は、装置として構成するために支持部材で固定されている。

しかし、この支持部材に入射した光が外乱光になって信号光に良くない影響を及ぼすことが問題となっている。支持部材で反射・散乱した光が信号光と合成された場合、それらの光を分離することは非常に難しい。そのため、支持部材には入射した光の影響を低減するために反射防止機能を付与することが一般的である。

特許文献１には、光学系を支持する鏡筒部材であって、反射防止したい部分にはメッキ可能な樹脂を利用し、それ以外にはメッキ不可能な樹脂を利用することが開示されている。メッキ処理によって反射防止機能を付与することで、入射光の余剰な反射を抑えることができる。

また、特許文献２には、反射防止用繊維パイルが植毛されたカメラその他の光学機器を開示している。植毛パイルを利用することで、毛群内で効率良く拡散吸収され、反射防止効率を上げることが可能である。

特開２０１２−６８５１１号公報特公昭６２−１１９０５号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された従来技術では、樹脂の材料を部分的に変更する制御が必要であり、生産性が良くない。また、特許文献２に開示された従来技術では、繊維パイルを鏡筒内壁面に貼りつけるのは手間がかかりすぎる上に、繊維パイルが倒れたり、埋もれたりして、十分な反射防止効果が得られない。

そこで、本発明の目的は、材料を同一のものを利用し、表面の形状を工夫することで、より簡便に高い反射防止機能が得られる支持部材およびこれを用いた光学装を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の支持部材は、光学素子を支持する部材において、該部材は可視光を吸収する材料を使用しており、該部材のうち少なくとも一面である面Ｍに以下の条件を満たす構造Ａが形成されており、かつ該面Ｍの法線方向に射影した射影面積の２０％以上を構造Ａが占めることを特徴とする。

ただし、ここで支持基板の一面とは、面の角度が一意になっている曲面や平面のことを指し、角度が不連続に変化している面は異なる面とする。また、θ_Ｐは支持部材の材料のブリュースター角を指し、θは該面Ｍの法線方向と構造Ａの底面の成す角度とする。

本発明によれば、簡便に高い反射防止機能が得られる支持部材およびこれを用いた光学装置を提供することができる。

本発明に関わる構造Ａの断面図、及び上面図面Ｍの略部断面図面Ｍの略部断面図面Ｍの略部断面図光学機器例の断面図支持部材例本発明に関わる構造Ａの断面図、及び上面図デジタルカメラ実施例１に関わる入射角度に対する偏光反射率実施例２に関わる入射角度に対する偏光反射率面Ｍの略部上面図面Ｍにおける射影面積の概略図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に関わる構造Ａの略部断面図、および上面図である。また、図２は本発明の条件を満たす支持部材の一面である面Ｍの略断面図である。面Ｍは、入射光の反射を防ぐ反射防止機能が付与された面である。

ここで、０１１は構造Ａの断面、０１２は構造Ａの上面である。また、０１４は構造Ａの底面、０１６、０１７、０１８は構造Ａの側面、０１３は構造Ａの側面０１６の断面、０１５は構造Ａの側面０１７、１０８からなる稜線、０１１０は構造Ａへの入射光、０１１１、０１１２は底面０１４による反射光である。また、０２０は本発明の条件を満たす支持部材の面Ｍの略部断面、０２１は面Ｍの表面で有りかつ構造Ａが形成されている構造層、０２２は面Ｍの基板部、０２３は構造Ａである。

支持部材は光学素子を支持するために、複数の面からなっている。本発明では、支持部材の少なくとも一面である面Ｍの表面に構造Ａが形成されていることを特徴としている。本発明では、不連続となっている面は異なる面とし、連続的な面を一面と呼ぶ。一面の例を図５、図６に示す。図５は光学素子と支持部材からなる光学機器の断面図、図６は支持部材である。

ここで０５０は光学機器、０５１、０５２は光学レンズ、０５３、０５４は支持部材、０５５は光軸である。また、０６０は支持部材０５３、０６１〜０６４は支持部材０６０を構成する面である。光学機器０５０は光軸０５５を回転軸とした回転対称であり、光学レンズ０５１、０５２は円形のレンズである。光学レンズ０５１、０５２は支持部材０５３、０５４で支持・固定されている。図６で例示している面０６１〜０６４は、回転対称のため全て連続である。

そのため、本発明では面０６１〜０６４は全て一面と呼ぶ。一方、面０６３と面０６４は図５の断面において角度が変化している。そのため、面０６３と面０６４は別の一面である。本発明の面Ｍは支持部材の少なくとも一面である。そのため、例えば面０６３が本発明の条件を満たせば、支持部材０６０は本発明の条件を満たすことになる。

本発明の構造Ａについて、詳しく説明する。図１において構造Ａ内に光が入射する。構造Ａを構成する材料は可視光を吸収する材料であり、波長５５０ｎｍでの吸収係数が０．０２以上である。この材料の吸収係数は高いほど光の反射防止効率を向上させることができるため、好ましくは０．０５以上、さらに好ましくは０．１０以上が好ましい。
本発明では、構造Ａを持つ面Ｍの法線方向に対し、構造Ａの底面０１４が成す角θが以下の条件式（１）を満たすことを特徴としている。

また、θ_Ｐは支持部材の材料のブリュースター角を指し、θは該面Ｍの法線方向と構造Ａの底面の成す角度とする。構造Ａの稜線０１５が面Ｍの法線と一致する場合、θは図１に図示したように稜線０１５と底面０１４の成す角で表される。もちろん稜線０１５は面Ｍの法線と必ずしも一致する必要は無く、ずれている場合は法線と底面０１４の成す角度で表される。

ブリュースター角θ_Ｐとは以下の式（２）で表される角度のことを言う。

ここで、ｎは構造Ａを構成する材料の屈折率である。この条件を満たすと、面Ａの法線方向から入射する光０１１０は、ブリュースター角θ_Ｐに近い角度で構造Ａの底面０１４に入射する。すると、ブリュースター角の定義から、入射した光０１１０のＰ偏光はほぼ全て透過・吸収される。一方、残ったＳ偏光０１１１は構造Ａの側面０１７、０１８に入射する。Ｓ偏光０１１１は構造Ａ内で複数回反射される。その反射のたびにＳ偏光０１１１は構造Ａに吸収されて減衰するため、光の吸収効率が非常に高くなる。そのため、従来の技術に比べ表面の形状を工夫するだけで効率良く光を吸収させることができる。

また、本発明では構造Ａの幅ｘが以下の条件式（３）を満たすことを特徴としている。

構造Ａの幅は、図１に図示したように構造Ａの底面０１４を面Ｍに射影した長さである。式（３）の条件を満たすと、入射光０１１０は効率良く構造Ａに吸収されるため、反射防止効率を上げることができる。もし式（３）の下限より幅ｘが小さい場合、構造Ａは可視光の波長より細かい構造となってしまう。

入射する光の波長よりも細かい構造は、ＳＷＳ（Ｓｕｂ−ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）と呼ばれ均一な媒質のように振る舞うことが一般的に知られている。光にとって均一な媒質となってしまうと、ブリュースター角での底面０１４への入射といった概念から外れてしまう。そのため、反射防止効率が下がってしまうため、好ましくない。

また、式（３）の上限よりも大きな構造は、構造Ａの開口部が大きいことを指す。開口部が大きいと、もし面Ｍに斜めから光が入射した場合、ブリュースター角θから外れた反射光が構造Ａの外部に放出される割合が大きくなる。また、斜め入射の光に関しては構造Ａの底面０１４の入射位置に対して吸収効率にムラができる。底面０１４の深いところと浅いところで吸収効率にムラができるため、幅ｘが大きいとそのムラが顕著に見えてしまう。そのため、式（３）の条件を満たすと反射防止効率を上げることができる。

本発明では構造Ａの深さｚが以下の条件を満たすことを特徴としている。

深さｚは、図１に図示したように構造Ａの底面０１４の最深部と構造Ａの開口部との深さである。式（４）の条件を満たすと、面Ｍに斜めから入射した光に対しても、効率良く遮光することができる。

構造Ａの底面０１４は、面Ｍの法線方向に平行な入射光０１１０に対しては、入射角がブリュースター角θ_pを満たすために反射防止効率を向上させることができる。しかし、入射角が斜めになると、ブリュースター角θ_Ｐの条件から外れるためにＰ偏光が理想的には吸収されず、遮光性能が劣るという問題が有る。

そこで、図１に示したように構造Ａは底面０１４だけで構成されずに側面０１３、稜線０１５が底面から立っている構成となっている。このような構成にすると、構造Ａの開口部に斜めに入射する光は、側面０１３、稜線０１５によって複数回反射される。一回の反射での光の吸収効率はさほど大きくないが、複数回反射されることによって、光は十分に減衰する。そのため、面Ｍに垂直方向から入ってくる光はブリュースター角を利用し、かつ斜め入射で入ってくる光は複数回の反射を利用して遮光する。これによって、光を十分に減衰して反射防止効率の高い構造Ａを得ることができる。

深さｚが式（４）の下限未満になると、構造Ａの底面０１４が構造Ａの開口部より上部に突き出す形になってしまい、現実的ではない。また、式（４）の上限を超えると深さが非常に深くなる。深くなると斜入射の光に対する反射回数は増えるため反射防止効率は向上するが、構造的に脆くなってしまう。反射防止効率と構造の強度のバランスをとるために、構造Ａは式（４）の条件を満たす必要がある。

本発明では、構造Ａは開口部と底面が非平行な三角柱形状であることを特徴とし、かつ構造Ａの底面の最深部を挟む側面同士の成す角度をαとしたとき、以下の条件式（５）、乃至は（６）のいずれかを満たすことを特徴としている。

式（５）の条件を満たす構造Ａの例を図１に、式（６）の条件を満たす構造Ａの例を図７に示す。ここで０７１は構造Ａの断面、０７２は構造Ａの上面である。また、０７３は構造Ａの垂直面の断面、０７４は構造Ａの底面、０７６、０７７、０７８は構造Ａの側面、０７５は側面０７７、０７８の成す稜線、０７１０は構造Ａへの入射光、０７１１、０７１２は底面０７４による反射光である。

図１では、底面０１４で反射した光０１１１は上面図の０１２では光０１１２となる。光０１１１は底面０１４に対してはＳ偏光だが、側面０１７、０１８に対してはＰ偏光となる。この光０１１２は側面０１７、０１８に角度α／２で入射する。このとき、式（５）を満たしていると、α／２はブリュースター角θ_Ｐに近い値となる。光０１１２は側面０１７、０１８にＰ偏光でかつブリュースター角に近い入射角で入射するため、光０１１２はほぼ全て透過・吸収される。

そのため、入射光０１１０は断面図の０１１で底面０１４に一方の偏光がほぼ全て吸収され、かつ反射して残った光０１１１、０１１２は側面にほぼ全て吸収される。そのため、簡単な構造で反射防止効率を向上させることができる。

また、図７では底面０７４で反射した光０７１２が入射角αで側面０７８に入射する構成となっている。光がメインに入射する側面は０７８の一つだけであること以外は、図１の構成と同じである。このような構造Ａの場合、式（６）を満たすことで反射光０７１２は側面０７８にブリュースター角θ_Ｐに近い入射角で入射する。そのため、光０７１２は光０１１２と同様にＰ偏光のまま側面０７８に入射するため、効率良く吸収される。

本発明では、面Ｍの表面に構造Ａが形成されていることを特徴とする。構造Ａ自体は式（３）の条件を満たすため小さいが、面Ｍは光学素子を保持できる部材の一面である。そのため、面Ｍには無数の構造Ａが形成されている。図２は構造Ａが形成されている面の一部断面図の例である。このように、構造Ａが一定の向きを持って並んでいても良い。

また、図３、図４に、面Ｍの他の表面構造例を示す。ここで図の０３０、０４０は本発明の条件を満たす支持部材の面Ｍの略部断面、０３１、０４１は面Ｍの表面で有りかつ構造Ａが形成されている構造層、０３２、０４２は面Ｍの基板部、０３３、０４３は構造Ａである。図３は構造Ａの向きが図２のように整然としているわけではなく、交互に方向を変える構造である。図４は面Ｍの断面も曲面の例である。

このように、面Ｍの表面に構造Ａが形成されていればよく、その形成方向、形成順などは目的に応じて種々のものが用いられる。また、特に図示しないが、一断面で構造Ａが並んでいる必要は無く、有る程度ランダムに形成されていてもよい。そのため、本発明はこれらの例に限られず、その要旨の範囲内で形状の変更は可能である。

また、面Ｍ内に図１の構造Ａを配置する例を図１１に示す。ここで１１０は面Ｍの上面図、１１１は構造Ａである。構造Ａ１１１はそれぞれが隣接している。例えば屈折率１．５８の材料を用いたときに、θ_Ｐは５８度となる。そこで、式（１）と式（５）を満たすように、θを６０度、αを１２０度として設定した。この設定にすると、細密構造として図１１のような構造ができる。構造Ａ１１１の側面を表す実線は、それぞれ支持部材の材料からなる側面を形成している。このような構成を面Ｍの上に形成すると、構造Ａの内部の反射はほぼ完ぺきに防ぐことが可能なため、細密構造として好ましい。

本発明では、支持部材の一面である面Ｍの法線方向に射影した射影面積のうち、構造Ａが２０％以上を占めることを特徴としている。その概略図を図１２に示す。ここで、図の１２０は面Ｍの射影、１２１は面Ｍの断面、１２２、１２４は構造Ａが形成されている反射防止部、１２３、１２５は基板部である。射影を示す１２０は、面Ｍの断面１２１を法線方向に射影したものであり、もし面Ｍが曲面だった場合は射影の１２０も曲面となる。また、図の反射防止部１２２の射影は反射防止部１２４、基板部１２３の射影は基板部１２５にそれぞれ対応している。

本発明では、反射防止部１２２、１２４が面Ｍの総面積のうち２０％以上を占めている。構造Ａは、光を吸収する反射防止効率が非常に高い構造である。面Ｍは用途に応じて部分的に反射防止機能を付与することができ、必ずしも構造Ａが全面に形成されていなくても良い。反射防止性能を向上させるには構造Ａの占める面積が大きければ大きいほど好ましく、面Ｍの３０％以上が占める方が好ましく、さらには５０％以上を占める方が好ましい。支持部材は光学素子を支持する機能と反射防止性能を両立することが望ましいため、構造Ａの占める割合は種々の目的に合わせて設定される。

このような面Ｍは、様々な手法で作製することができる。例えば型の表面に構造Ａの内側の形状を作成しておき、基板材料に転写する成型方法が有る。このような方法を用いる場合、基板には成型性の良い材料を用いることが望ましく、樹脂などが好ましい。また、基板材料を後に切削して構造Ａを形成する手法や、基板の一部を溶解して構造Ａを形成する手法などが有る。

また、基板材料とは異なる塗料を構造Ａの形で形成することも可能である。例えば基板材料に透明な樹脂基板を利用し、遮光処理を与えたい部分に黒色塗料を塗布する。黒色塗料の表面を構造Ａの形状に加工する。構造Ａの形状は構造Ａを形成する材料に起因するため、塗料の屈折率に合わせて形状を決定する。塗料の加工方法は、上記したような型を利用した成型方法、一部を溶解する方法などを用いることができる。

本発明ではこれらの作製方法例に限られず、構造Ａが形成できる手段を用いることができる。

（実施例１）
構造Ａに、以下の条件を満たす黒色樹脂を利用した。この黒色樹脂は、ポリカーボネートを主材料とし、カーボンブラックを添加した材料である。波長５５０ｎｍでの屈折率、吸収係数は１．５８、０．０５だった。この材料は、本発明の条件を満たしている。その入射角度に対する各偏光の反射率を、図９に示す。ここで、実線はＳ偏光、破線はＰ偏光を表している。この材料のブリュースター角θ_Ｐは５８度である。図９を見ると、５８度でＰ偏光の反射率が非常に小さくなっていることが分かる。

一方、Ｓ偏光の反射率は高いため、構造Ａの底面０１４で反射するＳ偏光の光量は比較的大きい。しかし、Ｓ偏光は側面に対してＰ偏光で入射するため、減衰して光量は小さくなる。

（実施例２）
透明なアクリル材料の表面に、主成分がエポキシからなる黒色塗料を用いた。黒色はコールタールから形成されており、波長５５０ｎｍでの屈折率、吸収係数は１．６８、０．５４だった。この材料は、本発明の条件を満たしている。その入射角度に対する各偏光の反射率を、図１０に示す。ここで、実線はＳ偏光、破線はＰ偏光を表している。この材料のブリュースター角θ_Ｐは５９度である。図１０を見ると、５９度でＰ偏光の反射率が非常に小さくなっていることが分かる。一方、Ｓ偏光の反射率は高いため、構造Ａの底面０１４で反射するＳ偏光の光量は比較的大きい。しかし、Ｓ偏光は側面に対してＰ偏光で入射するため、減衰して光量は小さくなる。

本発明の支持部材は、多くの光学機器で使用することができる。例えば、図８には、本実施例の支持部材を用いた光学機器の例としてデジタルカメラを示している。

８００はカメラ本体、８０１は本実施例の支持部材を一部用いた撮像光学系である。８０２はカメラ本体８００に内蔵され、撮像光学系８０１によって形成された被写体像を受光する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。

８０３は撮像素子８０２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、８０４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８０２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。

このようなデジタルカメラ８００の撮像光学系８０１では、信号光としての撮影光と内部を透過する際に乱反射した迷光が存在する。迷光の発生原因はいくつかあるが、その中でも撮像光学系８０１の周辺を構成する鏡筒部材で散乱・反射した光が迷光の大きな原因の一つとなっている。

このような鏡筒部材に本発明の支持部材を用いると、効率良く反射防止できるため、迷光の発生を抑制することができる。例として撮像光学系を挙げたが、例えば投射型表示装置の投影光学系、照明光学系などその要旨の範囲内で応用が可能である。

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。

０１１，０７１構造Ａの断面、０１２，０７２構造Ａの上面、
０１３，０７３構造Ａの垂直面の断面、０１４，０７４構造Ａの底面、
０１５，０７５構造Ａの稜線、
０１６，０１７，０１８，０７６，０７７，０７８構造Ａの側面の上面、
０１１０，０７１０構造Ａへの入射光、
０１１１，０１１２，０７１１，０７１２底面で反射した入射光、
０２０，０３０，０４０，１２１本発明の条件を満たす支持部材の面Ｍの略部断面、
０２１，０３１，０４１面Ｍの表面で有りかつ構造Ａが形成されている構造層、
０２２，０３２，０４２面Ｍの基板部、
０２３，０３３，０４３，１１１構造Ａ、０５０光学機器、
０５１，０５２光学レンズ、０５３，０５４，０６０支持部材、０５５光軸、
０６１，０６２，０６３，０６４支持部材を構成する面、１１０面Ｍ、
１２０面Ｍの射影、１２２，１２４面Ｍの反射防止部、
１２３，１２５面Ｍの基板部、８００カメラ本体、８０１撮像光学系、
８０２固体撮像素子（光電変換素子）

Claims

光学素子を支持する部材において、
該部材は可視光を吸収する材料を使用しており、
該部材のうち少なくとも一面である面Ｍの表面に以下の条件を満たす構造Ａが形成されており、かつ該面Ｍの法線方向に射影した射影面積の２０％以上を構造Ａが占めることを特徴とする支持部材。
ただし、ここで支持部材の面のうち不連続となっている面は異なる面とし、連続的な面を一面とする。また、θ_Ｐは支持部材の材料のブリュースター角を指し、θは該面Ｍの法線方向と構造Ａの底面の成す角度とする。
前記支持部材の前記面Ｍの射影図における構造Ａの幅xが、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の支持部材。
前記部材の前記面Ｍに形成される構造Ａの深さzが、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の支持部材。
前記構造Ａは開口部と底面が非平行な三角柱形状を成すことを特徴とし、かつ構造Ａの底面の最深部を挟む側面同士の成す角度をαとしたとき、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の支持部材。
または
前記支持部材を構成する材料は主に樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の支持部材。
前記支持部材を構成する材料は波長５５０ｎｍにおける吸収係数が０．０２以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の支持部材。
前記面Ｍに形成されている隣り合う構造Ａの間隔が、ｘ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の支持部材。
請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の支持部材を利用した光学装置。