JP2019039961A - 反射防止膜を有する光学系および光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 結像面に対し少なくとも一部のレンズが結像面に対して移動する機構を有する光学系において、フレアやゴーストなどの有害光の発生を抑制した高品位な光学系、光学装置を提供すること【解決手段】 光学系（１１）は、複数の光学素子（１〜６）と、該複数の光学素子のうち少なくとも一つを移動させる機構（１４）とを有し、前記複数の光学素子のうち少なくとも一つ（２１）は、反射防止膜（２２）が設けられた光学面を備え、前記反射防止膜は、鎖状シリカを含む第１の層（２４）と、該第１の層と前記光学面との間に設けられた第２の層（２３）とを有し、該第２の層は、互いに異なる材料から成る２層以上の誘電体層を含む、３層以上１８層以下の誘電体層で構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、光学系、光学装置に関する。特に、結像面に対して移動する機構を有する光学系であって、少なくとも一面の光学面に酸化ケイ素微粒子が数個から数十個鎖状に連なった粒子を有する反射防止膜を用いた光学系、光学装置に関する。

近年の光学系は、カメラの高画質化やズーム倍率、明るさなどのスペック向上に伴い、レンズ枚数が増加してきており、その結果として、レンズ表面の反射に起因するフレアやゴーストなどの有害光が発生しやすい。とりわけズーム倍率の大きな光学系では、変倍に伴いレンズが大きく移動するレンズ群を有するため、特定の倍率で有害光が発生しやすい。

有害光を抑制する手段として、従来からレンズ表面には反射防止膜が設けられ、最表面に低屈折率材料を用いることで反射防止性能を向上した反射防止膜が提案されている。

特許文献１には、１〜７層の誘電体薄膜層の上に中空シリカ粒子を含有する低屈折率層を形成することで、高性能を実現した反射防止膜が提案されている。しかし特許文献１の中空シリカ粒子は、平均粒径５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であれば良いと記載されているのみである。

また、特許文献２にも、同じく中空シリカ微粒子を用いた反射防止膜が開示されている。特許文献２では、実施例において具体的に、触媒化成工業（株）製の平均粒子径６０ｎｍの中空シリカ微粒子を用いた旨の記載がある。

特開２０１５−２２２４５０号公報 特開２００４−２５８２６７号公報

しかしながら、中空シリカ微粒子は、シリカ（SiO₂）の外殻に内包された空気からなるカプセル状の粒子であるため、屈折率を維持して粒子径を小さくするためには、外殻も同時に薄くする必要があり、例えば粒径を４０ｎｍ以下とするのは困難である。

また、特許文献１の図２〜４、特許文献２の図２、３には、中空微粒子が規則的かつ最密に積層された図が記載されている。しかしながら、曲率を有するレンズ表面上に規則的に配列することは難しく、また、できたとしても不連続な値となり、任意の膜厚が設定できない、という課題が発生する。粒子をバインダーなどの材料に含有させて用いた場合は、任意の膜厚が設定できる可能性もあるが、粒子が存在しない領域、すなわち屈折率の高い領域が存在することになり、低屈折率膜の効果が低減してしまう。

また、特許文献２の図４に記載されているように、粒径６０ｎｍの粒子が不規則に配列して表面凹凸を形成した場合、入射光が散乱しフレアが増大する、という課題も発生する。

このような状況を鑑みて本発明は、結像面に対し少なくとも一部のレンズが結像面に対して移動する機構を有する光学系において、有害光の発生を抑制した高品位な光学系、光学装置を提供すること、を目的とする。

本発明の一側面としての光学系は、複数の光学素子と、該複数の光学素子のうち少なくとも一つを移動させる機構とを有し、前記複数の光学素子のうち少なくとも一つは、反射防止膜が設けられた光学面を備え、前記反射防止膜は、鎖状シリカを含む第１の層と、該第１の層と前記光学面との間に設けられた第２の層とを有し、該第２の層は、互いに異なる材料から成る２層以上の誘電体層を含む、３層以上１８層以下の誘電体層で構成されることを特徴とする。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、結像面に対し少なくとも一部のレンズが結像面に対して移動する機構を有する光学系において、フレアやゴーストなどの有害光の発生を抑制した高品位な光学系、光学装置を提供することができる。

本発明の光学系（一例）の断面図。 本発明の光学系に適用される反射防止膜の模式断面図。 本発明の反射防止膜に用いられる微粒子の模式図。 本発明実施例１の光学系の断面図。 本発明実施例１の光学系に適用される反射防止膜の分光反射率特性。 本発明実施例２の光学系の断面図。 本発明実施例２の光学系に適用される反射防止膜の分光反射率特性。 本発明実施例３の光学系の断面図。 本発明実施例３の光学系に適用される反射防止膜の分光反射率特性。 本発明実施例１〜３のいずれかの光学系を備える光学装置のブロック図。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の光学系は、合焦、変倍、防振のいずれかあるいはすべての機能を発現するために、少なくとも一つのレンズが結像面に対し移動する機構１４を有している。図１は、本発明の光学系の一例であり、光学系１１は、６個の光学素子（レンズ１〜６）から構成されており、すべてのレンズが像面に対して移動することで、合焦を行うタイプの撮影レンズである。

また、本発明の光学系は、少なくとも１面のレンズ面に反射防止膜が形成されている。図２は、本発明に用いる反射防止膜の模式断面図である。図２において、２１は光学素子基板（レンズ）であり、表面近傍を拡大表示している。模式的に平面としているが、レンズ面（曲面）でも良い。

２２は本発明に用いられる反射防止膜であり、下地層２３（第２の層）と最表面に形成された低屈折率層２４（第１の層）とからなる。

下地層２３は、単層ないし多層の誘電体薄膜層（誘電体層）である。

低屈折率層２４は，直径が５〜４０ｎｍのシリカ（酸化珪素）粒子（もしくは、シリカを主成分とする粒子）が数個から数十個連なり、２０ｎｍ〜３００ｎｍの平均長さを持った鎖状粒子（鎖状シリカ）を有する、膜厚が７０〜２８０ｎｍの薄膜層である。また、低屈折率層２４は、鎖状粒子のみでも良いが、鎖状粒子が樹脂やシリカ系などのバインダーで固められた膜であってもよい。低屈折率層２４は，波長５５０ｎｍにおける屈折率が、１．１０〜１．２８の範囲の値を有している。

図３は、低屈折率層２４が含有する鎖状粒子の模式図である。図３に示した鎖状粒子は、本発明の反射防止膜における低屈折率層２４に用いられる以前の、材料段階の図である。鎖状粒子を構成する粒子は、平均粒径（平均直径）Ｄが５〜４０ｎｍのシリカ粒子であり、それが数個から数十個連結した形状となっている。シリカ粒子の粒径は必ずしも均一である必要はなく、例えば１０〜１５ｎｍの範囲や、１８〜２５ｎｍの範囲といったように、あるばらつき範囲を持っていても差し支えない。また粒子は完全に球状である必要もなく、歪んでいても構わない。

本発明に使用する低屈折率膜は、例えば、このような鎖状粒子を液体（溶媒やバインダー材料）に添加したものを塗布することで形成することができる。塗布方法としては、スピンコート法やディップコート法、スプレーコート法など、あらゆる湿式塗布法が適用可能であるが、曲率を有するレンズ表面に均一な膜厚で形成する観点から、スピンコート法が好ましい。

また通常のシリカは，１．４〜１．５程度の屈折率を有しているが、本発明に使用する鎖状粒子は、粒子自体がナノオーダーのサイズであることや、ポーラスな状態であることから屈折率が低い状態となっている。そのため、樹脂や無機物からなるバインダーで固めた場合でも、膜としての屈折率が１．１０〜１．２８の範囲を実現できる。

さらに平均粒径Ｄが４０ｎｍ以下、すなわち可視光の最短波長の１０分の１程度のオーダーである。そのため、粒子がランダムに積層されていたり、表面に粒子の凹凸が形成された場合でも、散乱や回折などによる不要光はほとんど発生しない。

鎖状粒子の平均粒径Ｄは、４０ｎｍ以下であれば問題ないが、２５ｎｍ以下であることがより望ましく、１５ｎｍ以下であるとさらに良いが、１０ｎｍより小さいとさらに好ましい。

従って、本発明に使用する反射防止膜２２は、散乱によるフレアを発生させることがなく、粒径が４０ｎｍ以上のサイズの粒子を使用する場合に比べ、膜厚も任意の値に調整可能である。

また、低屈折率層２４は、波長５５０ｎｍにおける屈折率が、１．１１以上１．２６以下であることがより好ましく、さらに、反射防止膜２２の膜厚は、１０５ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であることがより好ましい。

図４は、本発明実施例１の光学系の断面図である。

光学系１１は、６個のレンズから構成されており、すべてのレンズが像面に対して移動することで、合焦を行うタイプの光学系である。

１２は開口絞りであり、１３は結像面（撮像素子（イメージセンサ）ないしはフィルム）である。

本実施例の光学系は、入射光の一部が第４レンズ２０ｂの物体側面で反射し、その反射光が第３レンズ２０ａの像側面で再度反射することで、不要光（ゴースト）となって像面に到達する場合がある。レンズの設計段階において、収差性能を維持しつつ、各レンズの硝材、曲率半径、面間隔を見直すことで、不要光を像面から逸らしたり、大きなスポット径に発散させることで、写真として実害のない状態に制御することは、ある程度可能である。

しかしながら、特定の合焦位置では問題なくても、至近から無限まで合焦のためにレンズが移動する過程において、像面に到達する光束の状態が変化し、フレアやゴースト光となってしまう場合がある。とくに近年、従来は静止画像のみを撮影していたデジタル一眼レフカメラなどで、動画（ムービー）撮影する機能が普及してきている。静止画像を撮影する場合は、ファインダーや液晶画面で画像を確認しながら撮影すれば、撮影者がフレアやゴーストを回避することができた。しかし、動画撮影において合焦や変倍、防振機能によって不意にゴーストが現れる場合、瞬時に対処することは困難である。

さらにデジタルカメラの新しい機能として、ＨＤＲ撮影（Ｈｉｇｈ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ撮影）なども普及してきており，露出量が多い、すなわちフレアやゴーストの出やすい画像を撮影する確率が高くなってきている。したがって、近年のカメラ用レンズはフレアやゴーストを防止する対策が従来よりも高度に求められている。

ここで、フレアとは像面に到達する不要光が比較的広く分布して像面に到達した場合に発生し、撮影した写真全体に、もやがかかったような状態を指す。ゴーストとは像面に到達する光束が比較的狭い領域に収束することで発生する不要光であり、反射したレンズ面の反射分光特性に起因する色味が発現している場合が多い。

そこで本実施例の光学系は、第３レンズ２０ａの像側面（図中破線で示す）に，平均粒径Ｄが１８〜２５ｎｍの鎖状シリカ粒子（日産化学工業株式会社製スノーテックス）を用い、屈折率１．２５２、膜厚１１５．０ｎｍの低屈折率層を有する反射防止膜を形成した。

本実施例に使用した反射防止膜の膜設計値を表１に、反射率特性を図５に示す。

表１に示したとおり、第３レンズは株式会社オハラ製のＳ−ＴＩＭ２５からなるレンズであり、下地層は、真空蒸着で形成したアルミナ（Al₂O₃）およびジルコニア（ZrO₂）を交互に６層形成した誘電体薄膜層である。

図５は横軸を波長、縦軸を反射率とした分光反射率特性であるが、（ａ）は縦軸のフルスケールが５％となっており、（ｂ）はフルスケールを１％に拡大したものである。図５を見て分かるとおり、可視域全域で入射角３０°の光線に対してはほぼ０．１％%以下、入射角４５°の光線に対しても０．５％以下という高い反射防止性能を実現している。

また、平均粒径２５ｎｍ以下の鎖状シリカ粒子を用いたことで散乱などの有害光も発生しない。

そのため、本実施例の光学系は合焦時にレンズが像面に対して移動しても、フレアやゴーストの発生を良好に抑制した高品位な光学系を実現している。

本実施例１では、下地層を真空蒸着法で形成したが、本発明はこれに限定されず、スパッタリング法やウェット法を用いても良い。

図６は、本発明実施例２の光学系の断面図である。

光学系１１は、ズームレンズであり、物体側より順に正の屈折力の第１レンズ群（Ｌ１）、負の屈折力の第２レンズ群（Ｌ２）、正の屈折力の第３レンズ群（Ｌ３）そして正の屈折力の第４レンズ群（Ｌ４）の４つのレンズ群を有している。広角端から望遠端へのズーミングにおいては、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が広く、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が狭くなるように、第２レンズ群と第３レンズ群とが光軸上を移動する。

また、前記第１レンズ群は物体側より正の屈折力の単レンズで構成された第１ａレンズ群（Ｌ１ａ）と、全体として正の屈折力の第１ｂレンズ群（Ｌ１ｂ）とで構成されている。そして、無限遠物体から至近距離物体へのフォーカシングに際しては、前記第１ｂレンズ群を物体側に光軸上移動させて行う光学系である。

本実施例の設計値およびズーミングの際のレンズ面間隔を、数値実施例１に示す。

本実施例の光学系では、ズーミングの際に第２レンズ群（Ｌ２）が大きく移動するため、すべての位置でフレアやゴーストを抑制するように光学設計することが困難である。そこで本実施例の光学系においては，第５レンズ２０ａの像側面（図中破線で示す）に平均粒径Ｄが１０〜１５ｎｍの鎖状シリカ粒子（日産化学工業株式会社製スノーテックス）を用い，屈折率１．２０２、膜厚１２２．３ｎｍの低屈折率層を有する反射防止膜を形成した。

本実施例に使用した反射防止膜の膜設計値を表２に、分光反射率特性を図７に示す。

表２に示したように、第５レンズは株式会社オハラ製のＳ−ＬＡＨ６５Ｖからなるレンズであり、下地層は、真空蒸着で形成したアルミナ（Al₂O₃）および５酸化タンタル（Ta₂O₅）を交互に６層形成した誘電体薄膜層である。

図７を見て分かるとおり、可視域全域で入射角０〜３０°の光線に対してはほぼ０．１％以下、入射角４５°の光線に対しては０．５％以下、入射角６０°の光線に対しては２．５％以下という高い反射防止性能を実現している。

また、平均粒径１５ｎｍ以下の鎖状シリカ粒子を用いたことで散乱などの有害光も発生しない。

そのため、本実施例の光学系はズーミングの際にレンズが像面に対して移動しても、フレアやゴーストの発生を良好に抑制した高品位な光学系を実現することができる。

なお、本実施例では、第５レンズ２０ａの像側面に反射防止膜を形成しているが、絞り１２よりも物体側に配置された正の曲率半径を有する３面以上のレンズ面と、絞り１２よりも像側に配置された負の曲率半径を有する３面以上のレンズ面があればよく、これらレンズ面のうちいずれか１面以上に反射防止膜が形成されていればよい。

ここで、あるレンズ面の曲率半径が正とは、その曲率中心が像側にある場合をいい、あるレンズ面の曲率半径が負とは、その曲率中心が物体側にある場合をいう。
［数値実施例１］

図８は、本発明実施例３の光学系の断面図である。

光学系１１は、望遠レンズであり、図中ＩＳで示したレンズ群が光軸垂直方向に偏心することで、防振（手振れ補正）する機構を備えた光学系である。

本実施例の光学設計値を数値実施例２に示す。

本実施例のような光学系では、防振機能が作動した際、ＩＳで示したレンズ群内のレンズ面の反射によって発生するゴーストも撮影画像内で移動することになる。ゴースト光は通常、レンズ中心と光源位置を結んだ２点の延長線上に一列に配列する。

しかし、ＩＳ機構によりレンズが偏心した場合、その延長線上から外れることになるため著しく目立ち、撮影画像の品位を低下させる。また、動画撮影時にＩＳ機能が作動し続けた場合、撮影した映像内でゴーストが動き続けることとなり、この場合も非常に目立つばかりでなく、撮影した映像の品位を低下させてしまう。

そこで本実施例の光学系においては、第１２レンズ２０ａ物体側面（図中破線で示す）に平均粒径Ｄが８〜１２ｎｍの鎖状シリカ粒子を用い、屈折率１．１１２、膜厚１２３．０ｎｍの低屈折率層を有する反射防止膜を形成した。

本実施例に使用した反射防止膜の膜設計値を表３に、分光反射率特性を図９に示す。

表３に示したように、第１２レンズは株式会社オハラ製のＳ−ＬＡＨ６０からなるレンズであり、下地層は，真空蒸着で形成したアルミナ（Al₂O₃）、５酸化タンタル（Ta₂O₅）、シリカ（SiO₂）からなる合計６層の誘電体薄膜層を形成した。

図９を見て分かるとおり、可視域全域で入射角０〜３０°の光線に対してはほぼ０．２％以下、入射角４５°の光線に対してはほぼ０．６％以下、入射角６０°の光線に対してはほぼ３．０％以下という高い反射防止性能を実現している。

また、平均粒径１２ｎｍ以下の鎖状シリカ粒子を用いたことで散乱などの有害光も発生しない。

そのため、本実施例の光学系は防振の際にレンズが像面に対して移動しても、フレアやゴーストの発生を良好に抑制した高品位な光学系を実現することができる。

実施例１〜３では、光学系を示したが，それぞれデジタルカメラなどに用いることで、高品位な画像が取得可能な光学系を備えた光学装置１０（撮像装置）を実現できる（図１０）。

また、実施例１〜３では、下地層として６層からなる誘電体薄膜層を用いたが、本発明はこれに限定されず、３〜１８層の範囲で任意に設定可能である。

さらに、実施例１〜３では、光学系中のそれぞれ１面に低屈折率層を有する反射防止膜を形成したが、本発明はこれに限定されず、複数の面に適用することができる。

本発明に用いた反射防止膜は、平均粒径が４０ｎｍ以下の鎖状シリカ粒子を用いたことで、散乱や回折などの不要光が発生しないため、複数面に用いても光学系、光学装置への悪影響がない。

本発明に用いた低屈折率層は、ポーラス（多孔質）な材料によって低屈折率を実現している。そのため、空隙中に水分や油分が吸着すると、性能悪化の原因となる。そうした懸念がある状況で用いられる場合は、表面ないし膜中にフッ素樹脂を形成、含有させると良い。
[数値実施例２]

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、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、複数の実施例のそれぞれの少なくとも一部を組み合わせもよい。

１１ 光学系
１３ 結像面（撮像素子）
２０ 光学素子
２１ 基板（レンズ）
２２ 反射防止膜
２３ 下地層（第２の層）
２４ 低屈折率層（第１の層）

Claims (21)

1. 複数の光学素子と、
   該複数の光学素子のうち少なくとも一つを移動させる機構とを有し、
   前記複数の光学素子のうち少なくとも一つは、反射防止膜が設けられた光学面を備え、
   前記反射防止膜は、鎖状シリカを含む第１の層と、該第１の層と前記光学面との間に設けられた第２の層とを有し、
   該第２の層は、互いに異なる材料から成る２層以上の誘電体層を含む、３層以上１８層以下の誘電体層で構成されることを特徴とする光学系。
2. 前記機構は、合焦、変倍、防振のうち少なくとも一つを行うための機構であることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記第１の層は、前記反射防止膜の最表層であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
4. 前記鎖状シリカにおけるシリカ粒子の平均粒径は、５ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学系。
5. 前記鎖状シリカの平均長さは、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の光学系。
6. 前記第１の層の膜厚は、７０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学系。
7. 前記第１の層の波長５５０ｎｍにおける屈折率は、１．１０以上１．２８以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学系。
8. 前記第１の層は、前記鎖状シリカのみからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学系。
9. 前記第１の層は、前記鎖状シリカおよびバインダーからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学系。
10. 絞りを有し、
    該絞りよりも物体側に配置された正の曲率半径を有する３面以上の光学面と、
    前記絞りよりも像側に配置された負の曲率半径を有する３面以上の光学面を有し、
    前記絞りよりも物体側に配置された正の曲率半径を有する３面以上の光学面乃至は前記絞りよりも像側に配置された負の曲率半径を有する３面以上の光学面のうちいずれか１面以上の光学面に、前記反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学系。
11. 前記複数の光学素子は、６個以上の光学素子からなることを特徴とする請求項1乃至１０のいずれか一項に記載の光学系。
12. 前記反射防止膜は、変倍の際に移動する光学素子のうちの１面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学系。
13. 前記反射防止膜は、防振の際に移動する光学素子のうちの１面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光学系。
14. 前記機構は、前記反射防止膜が設けられた光学面を備える光学素子を移動させることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光学系。
15. 前記反射防止膜は、波長４３０ｎｍから６７０ｎｍの範囲で、
    入射角０から６０°の光線に対する反射率が５．０％以下であり、
    入射角が０から４５°の光線に対する反射率が１．０％以下、であり、
    入射角が０°の光線に対する反射率が０．２％以下であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学系。
16. 前記反射防止膜において、前記第１の層の波長５５０ｎｍにおける屈折率は、１．１１以上１．２６以下であり、
    前記反射防止膜の膜厚は、１０５ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光学系。
17. 前記鎖状シリカにおけるシリカ粒子の平均粒径は、５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１６のうちいずれか一項に記載の光学系。
18. 前記鎖状シリカにおけるシリカ粒子の平均粒径は、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１７のうちいずれか一項に記載の光学系。
19. 前記鎖状シリカにおけるシリカ粒子の平均粒径は、５ｎｍ以上１０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項1乃至１８のうちいずれか一項に記載の光学系。
20. 前記第１の層は、その表面または層内にフッ素樹脂を形成または含有していることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の光学系。
21. 請求項１乃至２０のうちいずれか一項に記載の光学系と、
    該光学系からの光を受光する撮像素子とを有することを特徴とする光学装置。