JP2018146937A

JP2018146937A - 光学素子

Info

Publication number: JP2018146937A
Application number: JP2017045077A
Authority: JP
Inventors: 研二河野; Kenji Kono; 浜岡　弘一; Koichi Hamaoka; 弘一浜岡; 上田　篤司; Tokuji Ueda; 上田　　篤司; 松沼　悟; Satoru Matsunuma; 悟松沼
Original assignee: Maxell Holdings Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2018-09-20

Abstract

【課題】屋外使用を前提とする光学レンズなど、水や埃などの異物が付着しやすく、また、表面が擦られるなどの過酷な条件で使用されても、光学的な特性を維持することができる光学素子を得ること。【解決手段】ガラスまたは酸化珪素を主成分とする複数の微細な突起１４ａにより形成され、フッ素化合物またはシリコーン化合物からなる表面層１４ｂで覆われた凹凸構造１３を外表面に有する光学素子１０であって、前記凹凸構造の凸部の先端部分は、曲率半径Ｒが２５ｎｍよりも大きな包絡線に含まれる形状であり、前記凹凸構造の前記凸部同士の頂点間距離の平均値Ｐが４００ｎｍ以下であり、さらに、前記凸部の高さの平均値Ｈと前記頂点間距離の平均値Ｐとの比であるＨ／Ｐの値が０．３〜１．３である。【選択図】図３

Description

本開示は、カメラの撮像レンズなどの光学素子に関し、特に、表面に水滴や微細な塵埃などの異物が付着しやすい環境で使用されても、良好な光学特性を維持することができる光学素子に関する。

ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの撮像素子の技術開発が進み、これらの撮像素子で静止画や動画を撮像する各種カメラが製品化されている。

近年では、撮像素子の小型化、高感度化、低コスト化が進展し、さらに、軽量かつ低コストのプラスチック製レンズ技術、撮像データを圧縮して記録するデータ処理技術、高速で大容量のデータを記録できるメモリ素子の技術も発展したため、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラといった、静止画像、動画像を記録する専用機器を用いるのではなく、携帯電話やスマートフォン、タブレット端末、携帯用ゲーム機などのいわゆるポータブルな電子情報機器を用いて、静止画像、動画像を撮像することが当たり前となっている。また、画像撮影装置の普及に伴って、従来は精密製品であるカメラが持ち込まれなかった環境でも使用する機会が増えて、水中撮影が可能なカメラや、ミラーに代わって自動車の周囲状況を確認するモニタ用カメラや、定点観測が行われる監視カメラなどの用途も増えている。

このような、各種の機器にカメラを搭載するにあたっては、筐体に組み込まれた光学レンズと撮像素子とが一体化されたレンズモジュールが用いられる。レンズモジュールの特に軽量化や低コスト化を実現する上では、プラスチックレンズが有効であるが、プラスチックレンズは、ガラスレンズと比較して耐候性や耐摩耗性の面で劣るという課題がある。ガラスレンズと比較して物理的に傷つきやすいというプラスチックレンズの課題を解決する手法として、レンズの外表面にレンズを保護する表面処理膜を形成することが行われている。

このような表面処理膜を備えた光学レンズとして、レンズ基体側にハードコート層が、また、最外表面に超撥水性層が配置され、これらの中間部分に複数層に分割された高屈折率層を含んで構成される多層膜積層構成の耐擦傷性反射防止膜が形成された光学レンズが提案されている（特許文献１参照）。また、無機化合物粒子と、これに結合するポリマーとを含む無機有機複合体とによって微細な凹部と凸部とを形成した、反射防止膜、かつ、表面保護膜であるコーティングを外表面に備えた光学レンズが提案されている（特許文献２参照）。

特開２０１６−１７３６１３号公報特開２０１５−０９１９８１号公報

上記従来の光学レンズは、表面に反射防止機能とレンズ保護機能とを備えた表面処理膜が形成されていることで、プラスチックレンズの光学的特性を向上させるとともに、傷つきやすいというプラスチックレンズ特有の課題を解決することができる。

しかし、たとえば、自動車の後方確認カメラなどの屋外で使用されることが前提となる撮像装置に用いられる光学レンズの場合、外表面に雨や泥水などの液体が付着することを想定しなくてはならない。また、砂埃などにより、微細の異物がレンズ表面に強く当たる事態も考えられる。さらに、ユーザによるメンテナンス時には、付着した汚れを除去するために、レンズ表面にブラシや布が擦りつけられることになる。

上記従来の光学レンズに用いられている表面処理膜は、このような屋外での利用を前提とすることに伴う過酷な条件下での使用を考慮したものではなく、表面処理膜がはがれてしまったり、表面処理膜の凹凸部分の間に異物が挟まってしまったりという課題が生じていた。

本開示は、上記従来の課題を解決するもので、屋外使用を前提とする光学レンズなど、水や埃などの異物が付着しやすく、また、表面が擦られるなどの過酷な条件で使用されても、光学的な特性を維持することができる光学素子を得ることを目的とする。

上記課題を解決するため本願で開示する光学素子は、ガラスまたは酸化珪素を主成分とする複数の微細な突起により形成され、フッ素化合物またはシリコーン化合物からなる表面層で覆われた凹凸構造を外表面に有する光学素子であって、前記凹凸構造の凸部の先端部分は、曲率半径Ｒが２５ｎｍよりも大きな包絡線に含まれる形状であり、前記凹凸構造の前記凸部同士の頂点間距離の平均値Ｐが４００ｎｍ以下であり、さらに、前記凸部の高さの平均値Ｈと前記頂点間距離の平均値Ｐとの比であるＨ／Ｐの値が０．３〜１．３であることを特徴とする。

本願で開示する光学素子は、ガラスまたは酸化珪素により形成された所定形状の微細な突起をフッ素化合物またはシリコーン化合物の表面層で覆った凹凸構造をレンズ外表面に備えている。このため、過酷な使用条件であっても、凹凸構造により得られる光学特性を長期間維持することができる。

本実施形態にかかる光学レンズを用いたレンズモジュールの概略構成を示す図である。本実施形態にかかる光学レンズの外表面に形成された凹凸構造の外観を説明するための斜視図である。本実施形態にかかる光学レンズの形状を説明するための光学レンズ表面の断面図である。

本開示にかかる光学素子は、ガラスまたは酸化珪素を主成分とする複数の微細な突起により形成され、フッ素化合物またはシリコーン化合物からなる表面層で覆われた凹凸構造を外表面に有する光学素子であって、前記凹凸構造の凸部の先端部分は、曲率半径Ｒが２５ｎｍよりも大きな包絡線に含まれる形状であり、前記凹凸構造の前記凸部同士の頂点間距離の平均値Ｐが４００ｎｍ以下であり、さらに、前記凸部の高さの平均値Ｈと前記頂点間距離の平均値Ｐとの比であるＨ／Ｐの値が０．３〜１．３である。

本開示の光学素子は、外表面に、ガラスまたは酸化珪素を主成分とする突起により形成され、フッ素化合物またはシリコーン化合物の表面層が形成された、所定形状の凹凸構造を備えている。このため、水や埃などの異物が表面接触するような過酷な使用条件下であっても、凹凸構造による高い撥水性と反射防止機能とが長期間維持され、高い光学的性能を発揮し続けることができる光学素子が実現できる。

本開示にかかる光学素子において、前記凹凸構造が光学レンズの外表面に形成されていることが好ましい。このようにすることで、光学素子として普及している光学レンズに対し、長期間維持可能な高い光学特性を付与することができる。

また、前記光学レンズが、少なくとも２枚以上のレンズを用いて構成された静止画像または動画像を撮像する撮像装置に用いられる光学レンズであり、前記凹凸構造が、前記光学レンズを構成する前記レンズの内、最も被写体の近くに位置するレンズの外表面に形成されていることが好ましい。このようにすることで、屋外での使用を前提とする撮像装置を容易に実現することができる。

（実施の形態）
以下、本開示にかかる光学素子として、自動車の後方確認用車載カメラに用いられるレンズユニットの光学レンズを例示し、図面を参照しながら説明する。なお、以下の各図面では、本開示にかかる発明の内容をわかりやすく説明することに主眼を置いているため、各図の縮尺、特に、厚み方向の寸法は必ずしも正確ではない。

図１は、本実施形態にかかる光学レンズが用いられたレンズユニットの概略構成を説明する図である。

図１に示すように、車載カメラに用いられる光学ユニットは、光学レンズ１０と画像を撮像する撮像部２０とから構成されている。

光学レンズ１０は、略円筒形の筒体１１の内部に複数のレンズ１２が配置されて構成される。なお、以下本願明細書においては、単体のレンズを単に「レンズ」と称し、全体として撮像素子への被写体像の照射を行うレンズを「光学レンズ」と称することとする。このため、図１に示したような、レンズ筐体内に複数枚の単体レンズが配置されたものは「光学レンズ」であり、また、「光学レンズ」には１枚のレンズのみから構成される形態も概念として含まれる。

図１に示した光学レンズ１０の例では、図１中に矢印Ａとして示す被写体側（カメラの視野方向）から順に、対物レンズ群を構成する第１レンズ１２ａ、第２レンズ１２ｂ、中間レンズとしての第３レンズ１２ｃ、接眼（撮像素子側）レンズ群を構成する第４レンズ１２ｄ、および、第５レンズ１２ｅという５つのレンズ１２が、所定の間隔を介して、また、各レンズ１２の光軸が一致するように配置されている。

本実施形態にかかる光学レンズ１０では、複数のレンズ１２のうち最も被写体の近くに位置する第１レンズ１２ａの外表面に、撥水性と耐擦傷性とを備えた凹凸構造１３が形成されている。

なお、図１では、３群５枚のレンズ１２により構成された光学レンズ１０を例示した。

一般に、光学レンズを構成するレンズの枚数を増やし、かつ、凸レンズ、凹レンズ、非球面レンズなどの異なる種類のレンズを積層して配置することで、広視野角でありながら画像のひずみが少ない広角レンズや、高倍率の望遠レンズ、中間レンズを前後に移動可能としたズームレンズなど、より高い光学特性を備えた光学レンズを実現することができる。一方で、レンズの枚数が増えれば光学レンズの高コスト化につながるため、実際には、光学レンズが使用されるカメラに求められる光学特性によって、具体的なレンズ構成が定められる。例えば、比較的低い解像度の画像や若干のひずみを残した画像でも問題が無いカメラの場合には、２枚、または多くても３枚のレンズで光学レンズが構成される場合もある。

本実施形態にかかる光学レンズ１０としては、レンズ１２の枚数やレンズ群の配列にかかわらず、図１におけるレンズ１２ａのように、光学レンズ１０の最外層、もしくは、最表層に位置するレンズ１２ａ、すなわち、各レンズ１２の中で最も被写体に近い位置にあるレンズ１２ａの外表面に凹凸構造１３が形成されていればよい。なお、本願で開示する光学レンズ１０に形成される凹凸構造１３は、例えば、図１に示した光学レンズ１０のレンズ構成において、第１レンズ１２ａと第２レンズ１２ｂとの境界面における不所望な散乱・屈折を防止するために配置されるカップリング層とは異なる。

車載カメラに用いられる光学ユニットの撮像部２０は、図１中矢印Ｂとして示す光学レンズ１０の後方側に配置されていて、ＣＭＯＳ、ＣＣＤなどの撮像素子２１が回路基板２２上に配置された構成となっている。回路基板２２には、撮像素子２１を駆動する電源ライン、撮像素子２１を制御して各画素での電気信号を画像データとして取得する駆動制御回路、撮像された画像データを外部へと送出する信号ラインなどが搭載されているが、図示は省略する。

また、図１での図示は省略するが、レンズユニットは、光学レンズ１０と撮像部２０とを保持して光学レンズ１０の焦点位置に正しく撮像素子２１が配置されるように規制するとともに、撮像画像のノイズとなる外部からの迷光を遮蔽するユニット筐体によって一体化されている。ユーザは、レンズユニットに所定の電圧値の電源を供給することで、撮像された画像を信号出力線から取得することができる。

図２は、本実施形態にかかる光学レンズの最も被写体側に配置されているレンズの外表面に形成された凹凸構造の外観を示す斜視図である。

また、図３は、本実施形態にかかる光学レンズの最も被写体側に配置されているレンズの外表面に形成された凹凸構造の形状を説明する断面図である。

図２にその外観を示すように、本実施形態にかかる光学レンズの外表面に形成される凹凸構造１３は、基底部分に対して先端部分の径が狭くなっている略コーン状の微細な凸部１３ａが並んで配置された構成となっている。

より具体的には、凹凸構造１３は、図３に示すように最も被写体側に位置するレンズ１２ａの外表面に形成された凸部１３ａと、凸部１３ａが形成されていない部分である凹部１３ｂとで構成されている。凹部は反射を生じるため、凹部１３ｂは少ない、もしくは、無い方が好ましい。さらに、凸部１３aは、レンズ１２aの外表面に積層して形成された突起１４ａと、突起１４ａの表面を覆う表面層１４ｂとで形成されている。なお、本実施形態の光学レンズ１０では、レンズ１２ａの表面に突起１４ａを形成した後にレンズ１２ａの表面全体に対して表面層１４ｂを形成しているため、レンズ１２ａ表面の凹部１３ｂの表面にも、表面層１４ｂが形成されている。

凸部１４ａは、ガラスまたは酸化珪素で構成されている。なお、ここで、ガラスとは、透明なガラス状態となっている部材であって、一般に光学素子として使用される各種のガラスが含まれる。具体的には、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス、サファイヤガラスなどを用いることができる。また、物理強化ガラスなども使用できる。凸部１４aとして酸化珪素を形成する方法としては、表面に押し当てたシリコーンモールド中で、ＴＥＯＳ（オルトケイ酸テトラエチル）などのアルコキシド（シリカ前駆体）を加水分解・重縮合反応によりアルコールを離脱させて合成するゾルゲル法等が用いられる。

レンズ１２ａの外表面に、所定形状の突起１４ａを形成する方法としては、電子線描画法などを用いてＳｉＣ材料の表面に所定形状を生成したモールドを用い、高温の状態としたガラス表面にモールドを押しつけて形状を転写する高温ガラスインプリント法など、従来用いられているガラス表面への微細形状加工方法を使用することができる。

また、樹脂製のプラスチックレンズの外表面にガラス製の突起１４ａを形成する方法としては、プラスチックレンズの外表面に上記ゾルゲル法を適用するなどの方法を採用することができる。

ガラスにより形成された突起１４aを含め、レンズ１２ａの外表面は、フッ素化合物またはシリコーン化合物の薄膜である表面層１４bで覆われている。

ガラス製の突起１４ａを含めたレンズ１２ａの表面に、フッ素化合物またはシリコーン化合物の表面層を形成する方法としては、突起１４ａを形成した後のレンズ１２ａの表面に、フッ素化合物またはシリコーン化合物を主成分とする溶液を塗布した後、これ所定の温度で加熱焼成する方法や、フッ素化合物またはシリコーン化合物を加熱してレンズ１２ａの表面に蒸着する方法など、各種の薄膜形成法を使用することができる。なお、レンズ１２ａがプラスチックレンズの場合には、レンズが溶けないように低温での薄膜形成が必要となり、スプレーコーティングなどの溶液塗布方法で塗膜を形成した後に、所定の温度で加熱してバインダーの除去と皮膜の硬化を行うなどの方法を使用することができる。

本実施形態にかかる光学レンズ１０の、最も被写体に近い位置にあるレンズ１２ａの外表面に形成された凹凸構造１３の凸部１３ａは、図３にその断面構成を示すように略コーン形状となっている。より具体的には、凸部１３ａはレンズ１２ａの表面に接している基底部分の径に対して先端部分がより径小に形成され、先端部分で頭頂部は、曲率半径Ｒが２５ｎｍよりも大きな包絡線の内側に位置する形状となっている。

また、図２は、一例として、等高線に沿った断面形状、すなわち、水平面における断面形状がすべて円形である凸部を例示しているが、この断面形状は、楕円形、多角形、不定形等、いずれの形状をも採ることができ円形には限定されない。

ここで、凸部１３ａの先端部分は、図３に例示するような略球状である必要は無く、曲率半径が２５ｎｍより大きな包絡線内に収まる形状であれば、先端部に凹凸が形成されていても、また、１つまたは２つ以上の突出部を備えた構造となっていてもよい。なお、上述のように、本実施形態で説明する凹凸構造１３の凸部１３ａは、ガラスなどで形成された突起１４ａの表面をフッ素化合物などの表面層１４ｂで覆って形成されている。このため、突起１４ａの表面に微細な凹凸や先鋭化された部分があった場合でも、表面層１４ｂに覆われることで、凸部１３ａの表面形状としては比較的なだらかな形状が実現されやすい。

また、本実施形態で説明する凹凸構造では、図３に示すように、凸部の配置ピッチである、隣り合う凸部同士の頂点間隔の平均値Ｐが４００ｎｍ以下に形成され、凸部の高さの平均値Ｈと、隣り合う凸部同士の配置間隔の平均値Ｐとの比であるＨ／Ｐの値が、０．３〜１．３となるように形成される。

包絡線が半球形に近い場合、即ち２Ｒが頂点間隔の値に近い場合、Ｈ≒Ｒ、Ｐ≒２Ｒとなるため、Ｈ／Ｐの値は０．５に近くなる。さらにＨが小さくなり、Ｈ／Ｐが０．３になるときのＲはＰの０．５５倍になるため、上記のＲの上限は実質的には０．５５×Ｐである。

本実施形態にかかる光学レンズでは、最も被写体に近い位置に配置されたレンズに上記構成の凹凸構造が形成されていることで、高い撥水性と反射防止機能、さらに、砂や埃などの微細な異物が衝突した場合でも表面に傷がつきにくい耐擦傷性を備えている。

特に、凹凸構造の凸部の配置間隔の平均値Ｐが、可視光線の波長よりも小さくなる４００ｎｍ以下に設定されていることで、可視光線全体にわたって良好な反射防止特性を発揮することができる。また、多数の凸部が表面に形成され、かつ、フッ素化合物やシリコーン化合物による低自由エネルギー表面を有していることで、外表面に付着する水分をいわゆるハスの葉効果によってはじくことで、レンズの表面に水分が付着したままとなって画像に影響を与えたり、汚れの原因となったりすることを効果的に防止できる。

さらに、凹凸構造の凸部の高さＨと配置間隔Ｐとの比であるＨ／Ｐの値が、０．３〜１．３とされることで、凹凸構造の凹部に異物がとどまってしまう事態を回避できる。また、凸部の先端部分である頭頂部が、曲率半径Ｒが２５ｎｍよりも大きな包絡線内に含まれるように構成されているため、凸部の先端が必要以上に先鋭化して、カケや割れが生じやすくなることを防止するとともに、レンズ表面の汚れを拭き取る際に、布やブラシを傷つけてしまうことを回避できる。

また、本実施形態にかかる光学レンズでは、凹凸構造の凸部をガラスまたは酸化珪素を主成分とする突起で構成するため、耐擦傷性に優れ、長期間にわたって所定の光学特性を維持することができる。

本実施形態にかかる光学レンズでは、例示した自動車の後方確認用車載カメラ用の光学レンズとして用いられた場合に、レンズ表面に汚れが付着した際にユーザが布などで擦って異物を除去したり、洗車時に洗車ブラシが車載カメラのレンズ表面を擦ったりすることが想定される。本実施形態にかかる光学レンズの場合には、上述した凹凸構造を備えることで、このようにレンズ表面に布やブラシが強く擦りつけられる状態となっても凹凸構造の形状変化が生じにくく、凹凸構造が備える撥水特性、反射防止特性、耐擦傷性能を長期間維持することができる。さらに、レンズ表面を擦った布やブラシを傷つけてしまう事態も回避することができ、凸部先端で削られた布やブラシが異物として凹部に挟み込まれてしまう事態も回避できる。

次に、本実施形態にかかる光学レンズの外表面に形成された凹凸構造を実際に作成して、凹凸構造の構成の違いによる特性の違いを検証した。

なお、本実施形態にかかる光学レンズを含め、各種のカメラに用いられるレンズにおいて最も被写体に近い位置に配置されるレンズは、一般的に、図１に示したレンズ１２aのように被写体側に凸の凸レンズが使用される。このため、実際に使用する状態では、凹凸構造は中央が周辺部よりも突出した凸面上に形成される場合がほとんどである。しかし、以下の検討では、凹凸構造の撥水性や耐擦傷性などの特性をより正確に評価するために、平坦面上に凹凸構造を形成してその特性を評価した。

＜試料の準備＞
まず試料として、球状のガラス基材に対し、電子線描画法によって所定の凹凸形状を形成したＳｉＣモールドでプレスするインプリント法によって、表面に複数の突起が配列された約１０ｍｍφの平板のガラス製突起パターンを形成した。

その後、形成された突起パターン上に、撥油材（晶立株式会社製ＳＯ−ＩＤ（製品名））を蒸着して、複数のガラス製突起パターンが厚さ約１０ｎｍのフッ素化合物の表面層で覆われた凹凸構造を形成した。

＜装置類＞
凹凸形状の表面構造の観察に当たっては、試料に白金−パラジウムコートを施し、株式会社日立製作所製の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）Ｓ−４８００（製品名）を用いて、加速電圧１０ｋＶで観察した。得られた画像より、５０個の凸部について、隣り合う凸部との頂点間距離と高さとを計測し、頂点間距離の平均値である値Ｐと、高さＨの値、さらに高さＨとピッチＰとの比であるＨ／Ｐの値を求めた。

凹凸構造の撥水性については、株式会社マツボーの接触角計ＰＧ−Ｘ（製品名）を用いて、水に対する前進接触角を測定した。

凹凸構造の耐擦傷性については、新東科学株式会社製の表面測定器ＨＥＩＤＯＮ−１４ＤＲ（製品名）を用いて、治具にて固定した試料の日本スチールウール株式会社製のスチールウール（ボンスターＮｏ．００００（製品名））による摺動試験を行い、その前後で凹凸構造の形状変化と、凹凸構造表面の接触角の変化を調べて評価した。なお、摺動試験は、荷重１ｋｇ、摺動子面積１ｃｍ²の条件で往復１００回の摺動を行った。この厳しい条件の摺動によっても、撥水性の低下が、表面に凹凸構造を有さない、単にフッ素シリコーン化合物表面層のみが形成された平滑面と同じレベル（接触角で１１０〜１２０度）までに抑えられることが望ましい。

＜実施例１＞
まず、本実施形態で説明する凹凸構造の実施例１として、凸部の頭頂部の包絡線が曲率半径約４０ｎｍ、隣り合う凸部の頂点間距離の平均値Ｐが約２００ｎｍ、凸部の高さの平均値Ｈが約１４０ｎｍとなるようにＳｉＣモールドを形成して、ガラス板の表面にインプリントし、さらにフッ素化合物を蒸着することにより、フッ素化合物の表面層で覆われた凹凸構造を形成した。

この実施例の凹凸構造では、凸部の高さＨと配置間隔Ｐとの比であるＨ／Ｐの値が約０．７となり、この凹凸構造の水に対する接触角は１４０度と極めて高い撥水性を示した。

上述の条件での摺動試験を行ったところ、摺動試験後の凹凸形状は摺動試験前とほぼ変わらず、接触角は約１２０度であった。

＜実施例２＞
本実施形態にかかる凹凸構造の実施例２として、ＳｉＣモールドの形状およびインプリント条件を変化させて、ガラス基板表面にガラス製の突起パターンを形成し、実施例１と同様にしてフッ素化合物の表面層で覆われた凹凸構造を形成した。

ＳＥＭによる表面観察の結果、凹凸構造の凸部の頭頂部の包絡線は、曲率半径が約４０ｎｍで、凸部の頂点間距離の平均値Ｐが約２００ｎｍ、凸部の高さの平均値Ｈは約２６０ｎｍであった。凹凸構造における凸部の高さＨとピッチＰとの比であるＨ／Ｐの値は、約１．３となる。

この実施例２の場合も、水に対する接触角は約１５０度と極めて高い撥水性を示した。また、摺動試験後表面形状を観察すると、全体的に摺動試験前の構成を維持していたが、一部の凸部が破損していることが確認できた。摺動試験後の水の接触角は、１２５度と高い撥水性を維持していることが確認できた。

＜実施例３＞
ＳｉＣモールドの形状およびインプリント条件を変化させて、ガラス基板の表面に高さの低い突起を形成した。

フッ素化合物の表面層形成後の凹凸構造は、凸部の頭頂部の曲率半径Ｒは約４０ｎｍ、凸部の頂点間距離の平均値Ｐが約２００ｎｍ、凸部の高さの平均値Ｈが約１００ｎｍで、Ｈ／Ｐの値は約０．５であった。

この凹凸構造の摺動試験前の水の接触角は１３０度で高い撥水特性を示した。また、摺動試験後の凹凸構造の水の接触角は１１５度で、撥水特性は維持されていた。摺動試験後の凹凸構造は、ほぼ摺動試験前の形状と変わらず、摺動試験による大きな形状の変化は認められなかった。

＜比較例１＞
比較例１として、上記実施例１と同様のモールドを用いて同様にインプリント法によって表面に複数の突起が配列された約１０ｍｍφの平板のガラス製突起パターンを形成した。比較例１では、ガラス製の突起パターンの表面にフッ素化合物の表面層を形成しなかった。

実施例１と同様に表面形状を観察したところ、凸部（ガラス製突起）の頭頂部の包絡線が曲率半径約４０ｎｍ、隣り合う凸部の頂点間距離の平均値Ｐが約２００ｎｍ、凸部の高さの平均値Ｈが約１４０ｎｍと、実施例１の凸部の形状と同じ形状が得られていることが確認できた。Ｈ／Ｐの値は、約０．７である。

この比較例１のガラス基板の水に対する接触角は６０度で、実施例１と比較して撥水性が低かった。また、上述の条件での摺動試験を行ったところ、突起形状は摺動試験前とほぼ同じ形状を維持していたが、水に対する接触角は、約４０度と摺動試験前よりもさらに撥水性が低下していることがわかった。

＜比較例２＞
次に、比較例２として、ガラス基板の表面に突起を形成するＳｉＣモールドの形状およびインプリント条件を変化させて、シリコーン化合物の表面層を形成後の凸部の頭頂部が、曲率半径Ｒが約２０ｎｍの包絡線に含まれるよう、実施例１の凸部と比較して少し先鋭化した形状の凹凸構造を形成した。

凸部の頂点間距離の平均値Ｐは約２００ｎｍ、凸部の高さの平均値Ｈは約１４０ｎｍで、凹凸構造における凸部の高さＨとピッチＰとの比であるＨ／Ｐの値は、約０．７と、実施例１と同じ条件とした。

この比較例２の凹凸構造の場合、水の接触角は摺動試験前が１３５度と比較的高い撥水特性を示していたが、摺動試験後は水の接触角が６０度と撥水特性が大幅に低下した。また、ＳＥＭによる表面形状の観察結果では、凸部に摺動試験で用いてスチールウールに由来すると思われる異物が付着していることが確認できた。

＜比較例３＞
比較例３として、ガラス基材表面に樹脂を用いて凹凸構造を形成した。

具体的には、ガラス基板上にＵＶ硬化性樹脂を塗工し、シリコーンモールドを用いて賦形後ＵＶ硬化させることにより、表面に複数の突起を形成した。その後、ＵＶ硬化樹脂の凹凸表面に、ＳｉＯ₂の蒸着下地処理と実施例１の場合と同様の撥油材処理を施して、フッ素化合物の表面層を形成した。

表面層を含んだ凹凸構造の形状は、凸部の頭頂部の曲率半径Ｒが約５０ｎｍ、凸部の頂点間距離の平均値Ｐが約２００ｎｍ、凸部の高さの平均値Ｈがは約１４０ｎｍ、Ｈ／Ｐの比の値が約０．７であった。

この凹凸構造の水の接触角は、摺動試験前は１４０度高い撥水性を示したが、摺動試験後は２０度となり、撥水特性が大幅に低下した。また、摺動試験後のＳＥＭによる観察結果では、ガラス基板の表面が露出している平坦面となっていて、摺動試験によって凹凸構造が削り取られていることが確認できた。

＜比較例４＞
ＳｉＣモールドの形状およびインプリント条件を変化させて、ガラス基板上にフッ素化合物の表面層を含んだ凹凸構造を形成した。凹凸構造の凸部の頭頂部の曲率半径Ｒは約６０ｎｍ、凸部の頂点間距離の平均値Ｐは約２００ｎｍ、凸部の高さの平均値Ｈは約５０ｎｍであり、Ｈ／Ｐの値は約０．２５であった。

この凹凸構造の撥水特性は、水の接触角が１２０度で、これは、表面に凹凸構造を有さない、単にフッ素化合物表面層のみが形成された平滑面と同じレベルであった。

摺動試験後の状態を確認すると、凹凸構造の形状の変化は認められず、水の接触角も１１５度で撥水特性もほとんど変化がなかった。

以上、比較検討した実施例、比較例の測定結果を表１にまとめる。

表１に示すように、凹凸構造の凸部を構成する突起がガラスを主成分として形成されることで、摺動試験後であっても凹凸構造の形状の変化を小さくとどめて、長期間にわたって、凹凸構造による光学特性を維持することができる。

また、凸部の先端部の形状を曲率半径Ｒが２５ｎｍより大きな包絡線内に形成することで、先端部分を先鋭化した比較例２の場合のように、摺動部材に由来する異物の付着を防止することができている。また、比較例３、比較例４の曲率半径Ｒが大きな凸部の場合に付着物が生じていないことから、曲率半径Ｒが大きいものでは付着物が抑制されることが明らかである。さらに、実施例２のように凸部の高さが高い方がより高い撥水性を発現し、また反射防止特性的にも有利である。しかし、摺動後に一部の凸部の破損が認められることから、Ｈ／Ｐの値を１．３以下に抑えることで、高い耐擦傷性を実現できていることがわかる。

また、凸部の高さと配置間隔との比であるＨ／Ｐの値について、Ｈ／Ｐの値が大きい場合、すなわち、凸部の高さが高い場合には、凸部の間隔部分である凹部部分に、砂や埃などの異物が入り込んでしまい凹凸構造の光透過率が低下することが推定できる。一方、凸部の高さが低い場合には、ハスの葉効果が弱まって凹凸構造表面の撥水特性が低下すること、また屈折率の変化が比較的急激になってきて反射防止機能が低下することが考えられる。このため、凹凸構造の凸部の高さＨと配置間隔Ｐとの比Ｈ／Ｐの値としては、実施例２として形成した１．３が上限値と考えられ、比較例４の０．２５では不十分であるため、０．３以上が必要であると考えることができる。さらに、Ｈ／Ｐの値は、０．４以上１．２以下とすることがより好ましいと考えられる。

さらに、実施例１と比較例１との比較から、凹凸構造の表面にフッ素化合物またはシリコーン化合物の表面層を設けることで、凹凸構造の表面における高い撥水性能を発揮することが確認できた。

以上説明したように、本実施形態の光学レンズは、屋外で使用された場合に外部環境にさらされることとなる、最も被写体側に位置するレンズの外表面に凹凸構造を備えることで、長期間にわたって高い光学性能を維持することができる。

なお、上記実施形態では、カメラの光学レンズとして３群５枚構成のレンズを用いた例を説明したが、光学レンズが１枚の単体レンズで構成される場合には、当該レンズの外表側、すなわち、撮像装置が配置されている側とは反対側のレンズ表面に、凹凸構造を形成すれば良い。

また、上記実施形態では、凹凸構造が形成されるレンズが凸レンズである例を示したが、最も外側のレンズが凹レンズの場合にはその凹面の表面に、また、一方の表面が平坦面であるいわゆる平凸レンズ、平凹レンズが最も被写体に近い位置に配置されていて、その平坦面が被写体側に配置されていた場合には、平坦なレンズ表面上に凹凸構造を形成すれば良いことは言うまでも無い。

また、本実施形態では、レンズの外表面に凹凸構造を形成した例を示したが、各種のフィルタや回折格子、光源、表示デバイスなどの幅広い光学素子の表面に凹凸構造を形成することで、高い撥水性と耐擦傷性とを長期間維持できる光学素子を実現することができる。

本開示の光学素子は、高い撥水性と耐擦傷性とを長期間維持できる光学素子として、特に、屋外での使用を前提とするなどの過酷な使用環境で使用される光学素子において、極めて有用である。

１０光学レンズ（光学素子）
１２（１２ａ）レンズ
１３凹凸構造
１３ａ凸部
１３ｂ凹部
１４ａ突起
１４ｂ表面層

Claims

ガラスまたは酸化珪素を主成分とする複数の微細な突起により形成され、フッ素化合物またはシリコーン化合物からなる表面層で覆われた凹凸構造を外表面に有する光学素子であって、
前記凹凸構造の凸部の先端部分は、曲率半径Ｒが２５ｎｍよりも大きな包絡線に含まれる形状であり、
前記凹凸構造の前記凸部同士の頂点間距離の平均値Ｐが４００ｎｍ以下であり、さらに、前記凸部の高さの平均値Ｈと前記頂点間距離の平均値Ｐとの比であるＨ／Ｐの値が０．３〜１．３であることを特徴とする光学素子。
前記凹凸構造が光学レンズの外表面に形成されている、請求項１に記載の光学素子。
前記光学レンズが、少なくとも２枚以上のレンズを用いて構成された静止画像または動画像を撮像する撮像装置に用いられる光学レンズであり、前記凹凸構造が、前記光学レンズを構成する前記レンズの内、最も被写体の近くに位置するレンズの外表面に形成されている請求項２に記載の光学素子。