JP2020079853A - 光学素子、光学系、および、光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学素子を提供する。【解決手段】透過率が変化する領域を含む光学素子であって、第１及び第２の反射防止層（２）と、第１及び第２の反射防止層の間に配置された吸収層（３）とを有し、吸収層において第１の反射防止層に隣接する第１の膜（３１）の屈折率をｎＡ、吸収層において第２の反射防止層に隣接する第２の膜（３１、３２）の屈折率をｎＢ、第１の反射防止層において吸収層に隣接する第３の膜（２３、２４）の屈折率をｎ１、第２の反射防止層において吸収層に隣接する第４の膜（４１）の屈折率をｎ２とするとき、所定の条件式を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子に関する。

撮像装置内の光学素子（光学フィルタ）として、透過率を制限するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタが用いられる場合がある。特に、画像の明るさを制御するため、または、焦点外れ像（ボケ像）の輪郭の先鋭度のばらつき（それによる画像の品位の低下）を改善するためには、領域ごとに透過率が異なるグラデーション型のＮＤフィルタが用いられる。

特許文献１には、領域ごとに膜厚及び光学濃度が異なるグラデーション型のＮＤフィルタが開示されている。特許文献２には、反射防止構造体を用いて反射率を低減させたＮＤフィルタが開示されている。

特開２００７−１７８８２２号公報 特許第５０６７１３３号公報

李正中著、株式会社アルバック訳、"光学薄膜と成膜技術"

しかしながら、特許文献１のＮＤフィルタでは、ゴーストやフレアを低減した高品位な画像を得るには、反射率の低減が不十分である。また、特許文献２には、グラデーション型のＮＤフィルタに関する構造および反射防止効果が開示されていない。

そこで本発明は、透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学素子、光学系、および、光学機器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素子は、透過率が変化する領域を含む光学素子であって、第１及び第２の反射防止層と、該第１及び第２の反射防止層の間に配置された吸収層とを有し、前記吸収層において前記第１の反射防止層に隣接する第１の膜の屈折率をｎ_Ａ、前記吸収層において前記第２の反射防止層に隣接する第２の膜の屈折率をｎ_Ｂ、前記第１の反射防止層において前記吸収層に隣接する第３の膜の屈折率をｎ_１、前記第２の反射防止層において前記吸収層に隣接する第４の膜の屈折率をｎ_２とするとき、所定の条件式を満足する。

本発明の他の側面としての光学系は、複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子は前記光学素子を含む。

本発明の他の側面としての光学機器は、撮像素子と前記光学素子とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学素子、光学系、および、光学機器を提供することができる。

本実施形態（実施例１乃至３）における光学素子の説明図である。 本実施形態（実施例１乃至３）における光学素子のある位置における膜構成を示す概略断面図である。 本実施形態（実施例１）における光学素子の分光透過率および分光反射率である。 本実施形態における光学素子の等価アドミタンス軌道図である。 実施例１、４における光学素子を構成する各材料の屈折率を示す図である。 実施例１における光学素子の吸収層の屈折率および消衰係数を示す図である。 実施例２、５における光学素子を構成する各材料の屈折率を示す図である。 実施例２における光学素子の吸収層の屈折率および消衰係数を示す図である。 実施例２における光学素子の分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例３における光学素子を構成する各材料の屈折率を示す図である。 実施例３における光学素子の吸収層の屈折率および消衰係数を示す図である。 実施例３における光学素子の分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例４乃至６における光学素子のある位置における膜構成を示す概略断面図である。 実施例４における光学素子の吸収層の屈折率および消衰係数である。 実施例４における光学素子の分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例５における光学素子の吸収層の屈折率および消衰係数を示す図である。 実施例５における光学素子の分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例６における光学素子を構成する各材料の屈折率を示す図である。 実施例６における光学素子の分光透過率および分光反射率を示す図である。 本実施形態における透過率分布の例である。 実施例７における撮像装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態における光学素子１０の概略構成について説明する。図１は光学素子１０の説明図であり、図１（ａ）は光学素子１０の断面図、図１（ｂ）は光学素子１０の透過率分布をそれぞれ示す。図１（ｂ）において、横軸は位置、縦軸は透過率Ｔをそれぞれ示す。

図１（ａ）に示されるように、光学素子１０は、透光部材（第１の透光部材）１、光学フィルタ１００、および、透光部材（第２の透光部材）５を有する。光学フィルタ１００は、透光部材１側（図１（ａ）中の下側）から順に、反射防止層（第１の反射防止層）２、吸収層３、および、反射防止層（第２の反射防止層）４を有する。すなわち光学素子１０は、透光部材１、透光部材１の上に配置された反射防止層２、反射防止層２の上に配置された吸収層３、および、吸収層３の上に配置された反射防止層４を有する。反射防止層４の上には、透光部材５が配置されている。また、反射防止層２と反射防止層４はそれぞれ１層以上からなる薄膜で構成されている。なお、反射防止層２と反射防止層４はそれぞれ、屈折率の調整、反射防止帯域の拡大、入射角度依存性の低減、偏光依存性の低減を図るため、その層数を増やしても構わない。また、吸収層３は、１層以上の膜（吸収膜）で構成されている。反射防止層２、４は入射光の反射率を低減させる機能を有し、吸収層３は入射光を効率的に吸収する機構を有する。

図１（ｂ）に示されるように、光学フィルタ１００は、吸収層３の膜厚に応じて透過率が変化する領域を有する。ここで透過率が変化するとは、透過率が位置ごとに異なる、または、径方向に（中心から周辺部に向かって）変化することを意味するが、これらに限定されるものではない。好ましくは、光学フィルタ１００は、透過率が連続的に変化する領域を有する。吸収層３の膜厚を連続的に変化させることにより、グラデーション型のＮＤフィルタを実現することができる。通常、図１（ｂ）のように吸収層の膜厚を変化させてグラデーション型のＮＤフィルタを得る場合、吸収層３の膜厚変化に応じて反射率が大きく変化するため、全領域で反射率を低減することが困難である。しかし、本実施形態の光学フィルタ１００は、全領域において、透光部材５（図１（ａ）中の上側）から光を入射した場合、透光部材１（図１（ａ）中の下側）から入射した場合のいずれの場合でも、反射率を低く抑えることができる。

次に、図２を参照して、光学素子１０の各層における膜構成について説明する。図２は、光学素子１０のある位置における膜構成を示す概略断面図である。なお図２において、説明の便宜上、吸収層３の膜厚を一定として示している。

図２に示されるように、反射防止層２は、透光部材１側から順に、薄膜２１、２２、２３を有する。吸収層３は、薄膜（第１の膜（第１の領域）、第２の膜（第２の領域））３１を有する。反射防止層４は、吸収層３側から順に、薄膜４１、４２、４３を有する。本実施形態では、一例として、反射防止層２は３膜構成、吸収層３は１膜構成、反射防止層４は３膜構成であるが、これに限定されるものではない。本実施形態において、反射防止層２、吸収層３、および、反射防止層４のそれぞれを構成する膜の数は１層以上であればよい。例えば、反射防止層２と反射防止層４はそれぞれ２膜構成であってもよい。

次に、図３を参照して、光学素子１０の分光透過率および分光反射率について説明する。図３は、光学濃度ＯＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）が０、０．１、０．３、１、２の領域における４００ｎｍから７００ｎｍでの分光透過率および分光反射率である。分光透過率の各グラフにおいて、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は透過率（％）をそれぞれ示す。分光反射率の各グラフにおいて、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は反射率（％）をそれぞれ示す。以降の説明において、分光透過率および分光反射率はそれぞれ、光の垂直入射時の特性である。光学濃度ＯＤは、透過率Ｔ（０≦Ｔ≦１）を用いて、ＯＤ＝ＬＯＧ_１０（１／Ｔ）のように定義される。

光学濃度ＯＤ＝０の領域は、吸収層３の膜厚が０の領域であり、光が透光部材５側から入射した場合の反射率Ｒ＿Ｓ５と、透光部材１側から入射した場合の反射率Ｒ＿Ｓ１は同じ値である。一方、光学濃度ＯＤ≠０の吸収層３の膜厚が０でない領域では、光が透光部材５側から入射した場合の反射率Ｒ＿Ｓ５と透光部材１側から入射した場合の反射率Ｒ＿Ｓ１は異なる。これは、吸収層３が存在する場合、各界面におけるフレネル係数が入射方向により異なるためである。

図３に示されるように、本実施形態の光学フィルタ１００は、光学濃度、光の入射方向に依らず、可視光領域である４２０から６８０ｎｍまで、低い反射率を実現している。以下、その理由についてアドミタンス軌道図を用いて説明する。アドミタンスとは、媒質中の磁場強度と電場強度の比で表される値で、自由空間のアドミタンスＹ_０を単位とすると、媒質の屈折率は数値的にはアドミタンスと等値となる。以下、本明細書中では屈折率はアドミタンスと等値として扱う。また、アドミタンス軌道図とは、等価アドミタンスの概念を用いた膜特性を表現する図である。等価アドミタンスは、基板の上に薄膜を加えた系全体をそれと等価な特性を持つ１つの基板に置き換えた場合の等価基板のアドミタンスを指す。なお、等価アドミタンス、アドミタンス軌道図の詳細は、非特許文献１に開示されている。

図４は、縦軸に光学濃度ＯＤ＝０、０．１、１．０、横軸に可視領域の波長である４２０ｎｍ、５５０ｎｍ、６８０ｎｍとするときの光学フィルタ１００のアドミタンス軌道図である。図４（ａ）は透光部材５側からの光入射時の等価アドミタンス、図４（ｂ）は透光部材１側からの光入射時の等価アドミタンスをそれぞれ示している。

まず、図４（ａ）の透光部材５側からの光入射時のアドミタンス軌道図を例として、図の見方を説明する。図４（ａ）、（ｂ）中の各グラフにおいて、横軸はアドミタンスηの実数部Ｒｅ（η）、縦軸はアドミタンスの虚数部Ｉｍ（η）をそれぞれ示す。図中の□印は透光部材１のアドミタンス、○印は透光部材５のアドミタンス、×印は薄膜３１のアドミタンスを表している。ここで、透光部材１および透光部材５に吸収はない。透光部材１の屈折率をｎ_Ｓ１とすると、透光部材１のアドミタンスη_ｓ１＝ｎ_Ｓ１Ｙ_０となるが、本明細書中ではアドミタンスにおいては自由空間のアドミタンスＹ_０を単位としているため、数値的にはη_ｓ１とｎ_Ｓ１は等しい。一方、薄膜３１は吸収がある吸収膜である。吸収がある場合、複素屈折率はｎ−ｉｋなり、その際のアドミタンスは、（ｎ−ｉｋ）Ｙ_０となる。ここで、ｋは消衰係数である。この場合も、アドミタンスにおいて、自由空間のアドミタンスＹ_０を単位とすると、数値的にはアドミタンスと複素屈折率は等しい。

本実施形態の光学フィルタ１００は、図２に示されるように、透光部材１側から順に、反射防止層２、吸収層３、反射防止層４、および、透光部材Ｓ５で構成されている。また図２に示されるように、反射防止層２は薄膜２１、２２、２３から構成され、吸収層３は薄膜３１から構成され、反射防止層４は薄膜４１、４２、４３から構成されている。反射防止層２は、透光部材１と吸収層３との界面での反射を低減する機能を果たす。反射防止層４は、吸収層３と透光部材５との界面での反射を低減する機能を果たす。

図４（ａ）は、透光部材１から薄膜２１、２２、２３、３１、４１、４２、４３までの等価アドミタンス軌道を表す。透光部材１から薄膜４３までの等価アドミタンスと透光部材５のアドミタンスによりフレネル係数および反射率を計算することができる。透光部材１から薄膜４３までの等価アドミタンスが透光部材５のアドミタンスと等しい場合、反射率は０となる。一方、図４（ｂ）は、透光部材５から薄膜４３、４２、４１、３１、２３、２２、２１までの等価アドミタンス軌道を表す。この場合も、透光部材５から薄膜２１までの等価アドミタンスが透光部材１のアドミタンスに等しいときに反射率は０となる。

図４（ａ）、（ｂ）の１列目は、波長λ＝４２０ｎｍの場合、２列目は波長λ＝５５０ｎｍの場合、３列目は波長λ＝６８０ｎｍの場合の等価アドミタンスを示す。等価アドミタンスは、波長λの関数であるため、光学濃度ＯＤが同じであっても、使用波長が異なると変化する。

また、図４（ａ）、（ｂ）の１段目は、光学濃度ＯＤ＝０の場合、２段目は光学濃度ＯＤ＝０．１の場合、３段目は光学濃度ＯＤ＝１の場合の等価アドミタンスを示す。図４（ａ）の場合、それぞれの波長において、光学濃度が異なっても、透光部材１から薄膜２３までの光学アドミタンスの軌道は同じである。光学濃度ＯＤによって、吸収層３の膜厚が異なるため、吸収層３以降の等価アドミタンス軌道が変化する。これは、図４（ｂ）においても同様である。図４の１段目であるＯＤ＝０は、吸収層３の膜厚が０の場合であり、吸収層３による等価アドミタンスの変化はない。図４の２段目はＯＤ＝０．１、３段目はＯＤ＝１．０であり、吸収層３の膜厚が増加していくため、アドミタンス軌道は図のように変化していく。吸収層３の膜厚が十分に厚い場合は図４の３段目に示すように、透光部材５側から光が入射した場合、透光部材１から薄膜３１までの等価アドミタンスは、薄膜３１のアドミタンスである×印に近づいており、ほぼ薄膜３１のアドミタンスに等しくなるといえる。同様に、透光部材１側から光が入射した場合、透光部材５から吸収層３までの等価アドミタンスはほぼ薄膜３１のアドミタンスに等しくなるといえる。

以上のように、グラデーション型のＮＤフィルタの等価アドミタンスは、使用波長および光学濃度により変化するといえる。しかしながら、反射率を０に近づけるには、波長や光学ＯＤに関わらず、透光部材１から薄膜４３までの等価アドミタンスは透光部材５のアドミタンスに、透光部材５から薄膜２１までの等価アドミタンスは透光部材１のアドミタンスに近づける必要がある。このため、光学フィルタ１００において、波長や光学ＯＤが変化しても等価アドミタンスの変化が少ない膜構成にすればよい。

まず、光学ＯＤが変化しても等価アドミタンスの変化が少ない膜構成にするには、透光部材１から薄膜２３までの等価アドミタンス、および透光部材５から薄膜４１までの等価アドミタンスを、薄膜３１のアドミタンスに近づければよい。これは、吸収層３の膜厚変化による等価アドミタンスの変化をなるべく小さくするためである。

アドミタンス軌道図によると、吸収のない基板および膜材料を用いると、基板（屈折率：Ｎ_ｓｕｂ）上のｍ層多層膜（ｍ層目の屈折率：Ｎ_ｍ）において、ｍ層目のアドミタンスの軌道は、中心がＯ_ｍ（（Ｎ_ｍ ^２＋Ｙ_ｍ−１ ^２）／２Ｙ_ｍ−１、０）である円軌道を通る。すなわち、基板の屈折率（Ｎ_ｓｕｂ、０）を出発点とし、その後は中心Ｏ_ｍとなる円の弧をつなぎ合わせたような軌道となる。前述のように、光学アドミタンスは波長の関数であるため、波長により円弧の長さは異なる。波長による円弧の長さ変化を抑えるには、円の径が小さくなるような軌道をとればよい。

図４（ａ）からわかるように、透光部材５から光が入射した場合、透光部材１から薄膜２３までの等価アドミタンスにおける薄膜２３での円軌道の中心が薄膜３１のアドミタンスに近ければ、円の径を小さくすることができる。すなわち、透光部材１から薄膜２２までの等価アドミタンスをＹ_２２、薄膜２３のアドミタンス（屈折率）をＮ_２３、薄膜３１のアドミタンス（複素屈折率の実部）Ｎ_３１とすると、（（Ｎ_２３ ^２＋Ｙ_２２ ^２）／２Ｙ_２２、０） が（Ｎ_３１、ｋ_３１）に近ければよい。この条件を満たすには、吸収層３に隣接する薄膜（第３の膜または第３の領域）２３の屈折率をｎ_１、薄膜２３に隣接する吸収層３を構成する薄膜（第１の膜または第１の領域）３１の屈折率をｎ_Ａとするとき、以下の条件式（１）を満足する必要がある。

好ましくは、以下の条件式（１ａ）を満足する。

より好ましくは、以下の条件式（１ｂ）を満足する。

同様に、図４（ｂ）からわかるように、透光部材１から光が入射した場合、透光部材５から薄膜４１までの等価アドミタンスにおける薄膜４１での円軌道の中心が薄膜４１のアドミタンスに近ければ、円の径を小さくすることができる。このため、吸収層３に隣接する薄膜（第４の膜または第４の領域）４１の屈折率をｎ_２、薄膜４１に隣接する吸収層３を構成する薄膜（第２の膜または第２の領域）３１の屈折率をｎ_Ｂとするとき、以下の条件式（２）を満足する必要がある。

好ましくは、以下の条件式（２ａ）を満足する。

より好ましくは、以下の条件式（２ｂ）を満足する。

以上のように、透光部材５から光が入射した場合および透光部材１から光が入射した場合のいずれにおいても、波長や光学ＯＤが変化しても等価アドミタンスの変化が少ない膜構成にするには、条件式（１）および条件式（２）を満足することが必要である。

前述の説明では、吸収層３が１層構成であるため、ｎ_Ａ＝ｎ_Ｂである（第１の膜（第１の領域）と第２の膜（第２の領域）は共通の膜である）。吸収層３が２層以上の場合、吸収層３において反射防止層２に隣接する膜（第１の膜、第１の領域）の屈折率をｎ_Ａ、吸収層３において反射防止層４に隣接する膜（第２の膜、第２の領域）の屈折率をｎ_Ｂとするとき、条件式（１）、（２）を満足する必要がある。

本実施形態において、透光部材１の屈折率をＮ_Ｓ、透光部材５の屈折率をＮ_ｇとするとき、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。条件式（３）を満足しない場合、光学素子１０の設計が困難になる

より好ましくは、以下の条件式（３ａ）を満足する。

また本実施形態において、Ｎ_ｓ＞１．４０かつＮ_ｇ＞１．４０なる条件式を満足することが好ましい。

好ましくは、反射防止層２を構成する膜の数と反射防止層４を構成する膜の数は互いに等しい。これは、透光部材５から光が入射した場合と、透光部材１から光が入射した場合の反射防止効果を同程度にすることで、各反射防止層を構成する膜の数が互いに等しいほうがバランスをとりやすいためである。また好ましくは、反射防止層２を構成する膜の数と反射防止層４を構成する膜の数はそれぞれ２層以上である。各反射防止層を構成する膜の数が少ないと、反射防止効果が低くなるためである。

本実施形態の光学フィルタ１００を作製する際に、透光部材１および透光部材５は、可視領域において透明な材料であればよい。このとき、透光部材１および透光部材５のいずれか一方は、ガラスやプラスチックなどの透光部材である。他方は、空気、または、接合レンズを形成する場合に使用する接着剤であってもよい。透光部材がガラスやプラスチックである場合、面の形状は、平面、凸面（凸レンズ）、凹面（凹レンズ）、または、曲面であってもよい。また、透光部材が接着剤である場合、エポキシ系、ポリエンポリチオール系、または、アクリル系の接着剤を用いることが好ましい。特に、ＵＶ硬化型であるポリエンポリチオール系の接着剤は、段階反応であることや、加工タクトが短いため、より好ましい。

膜厚分布を有する吸収層３を形成する方法としては、蒸着やスパッタリングがある。蒸着やスパッタリングの際に任意の形状のマスクを用いることで、任意の透過率分布を有する吸収層３を形成することができる。その他、めっき法やスピンコート等のウェットプロセス法を用いてもよい。

吸収層３の材料の消衰係数ｋは、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。

０．０５≦ｋ≦０．３５ ・・・（４）
条件式（４）を満足しない場合、光学濃度（吸収層３の厚さ）に依らず低い反射率を実現することが難しい。条件式（４）を満足する材料としては、例えば、酸素欠損型のＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５などが挙げられる。また、ＮＤフィルタの分光透過率の波長平坦性を得るため、使用波長帯域における消衰係数ｋの波長分散が正負異なる材料を組み合わせてもよい。

より好ましくは、消衰係数ｋは、以下の条件式（４ａ）を満足する。

０．０５≦ｋ≦０．３０ ・・・（４ａ）
更に好ましくは、消衰係数ｋは、以下の条件式（４ｂ）を満足する。

０．１０≦ｋ≦０．２５ ・・・（４ｂ）
グラデーション型のＮＤフィルタの透過率分布については、様々な形状を用いることができる。図２０は、透過率分布の例である。例えば、図２０（ａ）、（ｂ）に示されるように、同心円方向に透過率分布を形成することができる。または、図２０（ｃ）、（ｄ）に示されるように、一方向に透過率が変化するような構成であってもよい。前記以外にも用途に応じて様々な透過率分布形状があるが、本実施形態の構成は任意の透過率分布形状に対して適用することができる。以下、具体的な実施例を示す。ただし、これらは実施例に過ぎず、本発明はこれらの条件に限定されるものではない。

まず、図１乃至図３、図５、および図６を参照して、本発明の実施例１における光学素子について説明する。本実施例の光学素子は、図１および図２を参照して説明した光学素子１０と同様に、光学面内において中心（光軸）から周辺部に向かって透過率が徐々に低下するグラデーション型のＮＤフィルタ（光学フィルタ）を透光部材１と透光部材５で挟んだ構成を有する。表１は、本実施例の光学フィルタの膜構成を示す。

本実施例において、透光部材１として硝材Ｓ１を用い、透光部材５として接着剤Ｓ５を用いる。硝材Ｓ１および接着剤Ｓ５は、吸収のない材料（非吸収層）である。また本実施例において、反射防止層２および反射防止層４はそれぞれ、膜材料Ｍ１と膜材料Ｈ１との交互層で構成される。膜材料Ｍ１、Ｈ１も吸収のない材料である。また本実施例において、吸収層３は吸収材料Ａ１で構成される。

図５は、本実施例における光学素子を構成する材料（硝材Ｓ１、接着剤Ｓ５、膜材料Ｍ１、膜材料Ｈ１）の屈折率を示す図である。図５において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は屈折率ｎをそれぞれ示す。図６は、吸収層３（吸収材料Ａ１）の屈折率ｎおよび消衰係数ｋを示す図である。図６において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は屈折率ｎおよび消衰係数ｋをそれぞれ示す。また図６において、実線は屈折率ｎ、破線は消衰係数ｋをそれぞれ示す。波長４００〜７００ｎｍの範囲において、０．１２≦ｋ≦０．２２である。

本実施例の光学素子（光学フィルタ）は、図３に示される分光透過率および分光反射率を有する。図３において、Ｒ＿Ｓ５は透光部材５（接着剤Ｓ５）側から光が入射した場合の分光反射率を示し、Ｒ＿Ｓ１は透光部材１（硝材Ｓ１）側から光が入射した場合の分光反射率を示す。本実施例の光学素子は、条件式（２）を満足するため、分光反射率Ｒ＿Ｓ５および分光反射率Ｒ＿Ｓ１ともに、低い反射率を実現している。

次に、図７乃至図９を参照して、本発明の実施例２における光学素子について説明する。本実施例の光学素子は、図１および図２を参照して説明した光学素子１０と同様に、光学面内において中心（光軸）から周辺部に向かって透過率が徐々に低下するグラデーション型のＮＤフィルタ（光学フィルタ）を透光部材１と透光部材５で挟んだ構成を有する。表２は、本実施例の光学フィルタの膜構成を示す。

本実施例において、透光部材１として硝材Ｓ２を用い、透光部材５として接着剤Ｓ５を用いる。硝材Ｓ２および接着剤Ｓ５は、吸収のない材料（非吸収層）である。また本実施例において、反射防止層２および反射防止層４はそれぞれ、膜材料Ｍ２と膜材料Ｈ２との交互層で構成される。膜材料Ｍ２、Ｈ２も吸収のない材料である。また本実施例において、吸収層３は吸収材料Ａ２で構成される。

図７は、本実施例における光学素子を構成する材料（硝材Ｓ２、接着剤Ｓ５、膜材料Ｍ２、膜材料Ｈ２）の屈折率を示す図である。図７において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は屈折率ｎをそれぞれ示す。図８は、吸収層３（吸収材料Ａ２）の屈折率ｎおよび消衰係数ｋを示す図である。図８において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は屈折率ｎおよび消衰係数ｋをそれぞれ示す。また図８において、実線は屈折率ｎ、破線は消衰係数ｋをそれぞれ示す。波長４００〜７００ｎｍの範囲において、０．１２≦ｋ≦０．２２である。

図９は、本実施例の光学素子（光学フィルタ）の分光透過率および分光反射率を示す図である。図９において、Ｒ＿Ｓ５は透光部材５（接着剤Ｓ５）側から光が入射した場合の分光反射率を示し、Ｒ＿Ｓ２は透光部材１（硝材Ｓ２）側から光が入射した場合の分光反射率を示す。本実施例の光学素子は、条件式（２）を満足するため、分光反射率Ｒ＿Ｓ５および分光反射率Ｒ＿Ｓ２ともに、低い反射率を実現している。

次に、図１０乃至図１２を参照して、本発明の実施例３における光学素子について説明する。本実施例の光学素子は、図１および図２を参照して説明した光学素子１０と同様に、光学面内において中心（光軸）から周辺部に向かって透過率が徐々に低下するグラデーション型のＮＤフィルタ（光学フィルタ）を透光部材１と透光部材５で挟んだ構成を有する。表３は、本実施例の光学フィルタの膜構成を示す。

本実施例において、透光部材１として硝材Ｓ３を用い、透光部材５として接着剤Ｓ６を用いる。硝材Ｓ３および接着剤Ｓ６は、吸収のない材料（非吸収層）である。また本実施例において、反射防止層２および反射防止層４はそれぞれ、膜材料Ｍ１と膜材料Ｈ３との交互層で構成される。膜材料Ｍ１、Ｈ３も吸収のない材料である。また本実施例において、吸収層３は吸収材料Ａ３で構成される。

図１０は、本実施例における光学素子を構成する材料（硝材Ｓ３、接着剤Ｓ６、膜材料Ｍ１、膜材料Ｈ３）の屈折率を示す図である。図１０において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は屈折率ｎをそれぞれ示す。図１１は、吸収層３（吸収材料Ａ３）の屈折率ｎおよび消衰係数ｋを示す図である。図１１において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は屈折率ｎおよび消衰係数ｋをそれぞれ示す。また図１１において、実線は屈折率ｎ、破線は消衰係数ｋをそれぞれ示す。波長４００〜７００ｎｍの範囲において、０．１２≦ｋ≦０．２２である。

図１２は、本実施例の光学素子（光学フィルタ）の分光透過率および分光反射率を示す図である。図１２において、Ｒ＿Ｓ６は透光部材５（接着剤Ｓ６）側から光が入射した場合の分光反射率を示し、Ｒ＿Ｓ３は透光部材１（硝材Ｓ３）側から光が入射した場合の分光反射率を示す。本実施例の光学素子は、条件式（２）を満足するため、分光反射率Ｒ＿Ｓ６および分光反射率Ｒ＿Ｓ３ともに、低い反射率を実現している。

次に、図１、図５、および図１３乃至図１５を参照して、本発明の実施例４における光学素子について説明する。本実施例の光学素子は、図１を参照して説明した光学素子１０と同様に、光学面内において中心（光軸）から周辺部に向かって透過率が徐々に低下するグラデーション型のＮＤフィルタ（光学フィルタ）を透光部材１と透光部材５で挟んだ構成を有する。

図１３は、本実施例の光学素子のある位置における膜構成を示す概略断面図である。なお図１３において、説明の便宜上、吸収層３の膜厚を一定として示している。図１３に示されるように、反射防止層２は、透光部材１側から順に、薄膜２１、２２、２３、２４を有する。吸収層３は、薄膜（第３の膜または第３の領域）２４に隣接する位置から順に、薄膜（第１の膜または第１の領域）３１および薄膜（第２の膜または第２の領域）３２を有する。反射防止層４は、吸収層３側から順に、薄膜４１、４２、４３、４４を有する。表４は、本実施例の光学フィルタの膜構成を示す。

本実施例において、透光部材１として硝材Ｓ１を用い、透光部材５として接着剤Ｓ５を用いる。硝材Ｓ１および接着剤Ｓ５は、吸収のない材料（非吸収層）である。また本実施例において、反射防止層２および反射防止層４はそれぞれ、膜材料Ｍ１と膜材料Ｈ１との交互層で構成される。膜材料Ｍ１、Ｈ１も吸収のない材料である。また本実施例において、吸収層３は薄膜３１（吸収材料Ａ４）と薄膜３２（吸収材料Ａ５）とで構成される。本実施例の光学素子の各材料（硝材Ｓ１、接着剤Ｓ５、膜材料Ｍ１、膜材料Ｈ１）は、図５に示されるような屈折率を有する。図１４は、吸収層３（吸収材料Ａ４、Ａ５）のそれぞれの屈折率ｎおよび消衰係数ｋを示す図である。図１４において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は屈折率ｎおよび消衰係数ｋをそれぞれ示す。また図１４において、実線は屈折率ｎ、破線は消衰係数ｋをそれぞれ示す。波長４００〜７００ｎｍの範囲において、吸収材料Ａ４の消衰係数ｋは０．０７≦ｋ≦０．３８、吸収材料Ａ５の消衰係数ｋは０．２０≦ｋ≦０．２８である。

図１５は、本実施例の光学素子（光学フィルタ）の分光透過率および分光反射率を示す図である。図１５において、Ｒ＿Ｓ５は透光部材５（接着剤Ｓ５）側から光が入射した場合の分光反射率を示し、Ｒ＿Ｓ１は透光部材１（硝材Ｓ１）側から光が入射した場合の分光反射率を示す。本実施例の光学素子は、条件式（２）を満足するため、分光反射率Ｒ＿Ｓ５および分光反射率Ｒ＿Ｓ１ともに、低い反射率を実現している。

次に、図１、図７、図１３、図１６、および図１７を参照して、本発明の実施例５における光学素子について説明する。本実施例の光学素子は、図１および図１３を参照して説明した光学素子と同様に、光学面内において中心（光軸）から周辺部に向かって透過率が徐々に低下するグラデーション型のＮＤフィルタ（光学フィルタ）を透光部材１と透光部材５で挟んだ構成を有する。表５は、本実施例の光学フィルタの膜構成を示す。

本実施例において、透光部材１として硝材Ｓ２を用い、透光部材５として接着剤Ｓ５を用いる。硝材Ｓ２および接着剤Ｓ５は、吸収のない材料（非吸収層）である。また本実施例において、反射防止層２および反射防止層４はそれぞれ、膜材料Ｍ２と膜材料Ｈ２との交互層で構成される。膜材料Ｍ２、Ｈ２も吸収のない材料である。また本実施例において、吸収層３は薄膜３１（吸収材料Ａ６）と薄膜３２（吸収材料Ａ７）とで構成される。本実施例の光学素子の各材料（硝材Ｓ２、接着剤Ｓ５、膜材料Ｍ２、膜材料Ｈ２）は、図７に示されるような屈折率を有する。図１６は、吸収層３（吸収材料Ａ６、Ａ７）のそれぞれの屈折率ｎおよび消衰係数ｋを示す図である。図１６において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は屈折率ｎおよび消衰係数ｋをそれぞれ示す。また図１６において、実線は屈折率ｎ、破線は消衰係数ｋをそれぞれ示す。波長４００〜７００ｎｍの範囲において、吸収材料Ａ６の消衰係数ｋは０．０７≦ｋ≦０．３８、吸収材料Ａ７の消衰係数ｋは０．２０≦ｋ≦０．２８である。

図１７は、本実施例の光学素子（光学フィルタ）の分光透過率および分光反射率を示す図である。図１７において、Ｒ＿Ｓ５は透光部材５（接着剤Ｓ５）側から光が入射した場合の分光反射率を示し、Ｒ＿Ｓ２は透光部材１（硝材Ｓ２）側から光が入射した場合の分光反射率を示す。本実施例の光学素子は、条件式（２）を満足するため、分光反射率Ｒ＿Ｓ５および分光反射率Ｒ＿Ｓ２ともに、低い反射率を実現している。

次に、図１、図１３、図１４、図１８、および図１９を参照して、本発明の実施例６における光学素子について説明する。本実施例の光学素子は、図１および図１３を参照して説明した光学素子と同様に、光学面内において中心（光軸）から周辺部に向かって透過率が徐々に低下するグラデーション型のＮＤフィルタ（光学フィルタ）を透光部材１と透光部材５で挟んだ構成を有する。表６は、本実施例の光学フィルタの膜構成を示す。

本実施例において、透光部材１として硝材Ｓ７を用い、透光部材５として接着剤Ｓ６を用いる。硝材Ｓ７および接着剤Ｓ６は、吸収のない材料（非吸収層）である。また本実施例において、反射防止層２および反射防止層４はそれぞれ、膜材料Ｍ１と膜材料Ｈ２との交互層で構成される。膜材料Ｍ１、Ｈ２も吸収のない材料である。また本実施例において、吸収層３は薄膜３１（吸収材料Ａ６）と薄膜３２（吸収材料Ａ７）とで構成される。図１８は、本実施例の光学素子の各材料（硝材Ｓ７、接着剤Ｓ６、膜材料Ｍ１、膜材料Ｈ２）の屈折率を示す図である。吸収層３（吸収材料Ａ６、Ａ７）のそれぞれの屈折率ｎおよび消衰係数ｋは、図１４に示されるとおりである。

図１９は、本実施例の光学素子（光学フィルタ）の分光透過率および分光反射率を示す図である。図１９において、Ｒ＿Ｓ６は透光部材５（接着剤Ｓ５）側から光が入射した場合の分光反射率を示し、Ｒ＿Ｓ７は透光部材１（硝材Ｓ７）側から光が入射した場合の分光反射率を示す。本実施例の光学素子は、条件式（２）を満足するため、分光反射率Ｒ＿Ｓ５および分光反射率Ｒ＿Ｓ２ともに、低い反射率を実現している。

次に、図２１を参照して、本発明の実施例７における撮像装置（光学機器）について説明する。図２１は、本実施例における撮像装置４００の断面図である。撮像装置４００は、撮像装置本体４１０と撮像装置本体４１０に着脱可能なレンズ装置４２０を備えて構成される。ただし本実施例は、これに限定されるものではなく、撮像装置本体とレンズ装置とが一体的に構成された撮像装置にも適用可能である。レンズ装置４２０は、複数の光学素子（レンズ群）４２２および絞りＳＰを有し、光学系（撮像光学系）を構成する。撮像装置本体４１０は、ＣＭＯＳセンサなどの撮像素子４１２を有する。撮像素子４１２は、撮像面ＩＰに配置され、光学系を介して形成された被写体像（光学像）を光電変換して画像データを出力する。

被写体像は、光学系を透過して、撮像面ＩＰに結像する。本実施例において、絞りＳＰ、または、絞りＳＰの前後のレンズ面のうち少なくとも１つの面に、実施例１〜６のいずれかの光学素子（グラデーション型ＮＤフィルタ）が設けられる。ただし、本実施例はこれに限定されるものではなく、光学フィルタを光学系の他のレンズ面に設けてもよい。

図２１に示される光学系は、共軸回転対称光学系である。このような光学系では、図２０（ａ）、（ｂ）に示されるような同心円状の透過率分布を有する光学フィルタを用いることが好ましい。また、図１に示されるように、光学フィルタ１００の中心部（光軸を含む中心領域）に吸収層３の厚さが０の領域を設ける（すなわち吸収層３を設けない）ことにより、光学フィルタによる透過率の減少を抑制することができるため、好ましい。撮像装置４００が位相差検出方式の自動焦点合わせ機構（ＡＦ機構）を有する場合、位相差検出に使用される光束の透過率が変化しないように、中心領域に吸収層の厚さが０の領域を設けることが好ましい。

光学面の中心（光軸）から距離ｒ１、ｒ２（ｒ１＜ｒ２）における透過率をＴ（ｒ１）、Ｔ（ｒ２）とするとき、Ｔ（ｒ１）≧Ｔ（ｒ２）を満足するグラデーション型ＮＤフィルタを配置すると、アポダイゼーション効果により品位の高いボケ像を得ることができる。また、絞りＳＰの前後に各実施例のグラデーション型ＮＤフィルタを配置することにより、軸外光束に対しても有効にアポダイゼーション効果を得ることができ、画面全域に対して品位の高い画像が得られる。反対に、Ｔ（ｒ１）≦Ｔ（ｒ２）のような特性を有するグラデーション型ＮＤフィルタを用いると、画像の周辺減光を補正することができる。

このような位置に光学フィルタを設けた場合、通常、反射光が迷光となりゴーストやフレアの原因となる。しかし、各実施例のグラデーション型ＮＤフィルタの場合、透過率分布を有しつつ反射率を低減するため、像側および物体側の双方からの光に対してもゴーストやフレアを低減した高品位な像が得られる。なお、図２１に示される断面図は一例であり、各実施例の光学フィルタは、１つの撮影光学系のレンズに限定されることなく、様々な光学系に適用することができる。

各実施例によれば、基板面内で透過率の異なる領域に対し、基板側および基板と反対側から入射する光に対して高い反射防止効果を有する、作製が容易なグラデーション型のＮＤフィルタを提供することができる。このため各実施例によれば、透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学素子、光学系、および、光学機器を提供することが可能である。また一般に、反射防止構造体の作製は容易でなく、反射防止構造体が壊れてしまう可能があるため反射防止構造体に触れることはできないが、各実施例によれば、光学素子の作製が容易である。

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。

２ 反射防止層（第１の反射防止層）
３ 吸収層
４ 反射防止層（第２の反射防止層）
１０ 光学素子

Claims (13)

1. 透過率が変化する領域を含む光学素子であって、
   第１及び第２の反射防止層と、
   該第１及び第２の反射防止層の間に配置された吸収層とを有し、
   前記吸収層において前記第１の反射防止層に隣接する第１の膜の屈折率をｎ_Ａ、前記吸収層において前記第２の反射防止層に隣接する第２の膜の屈折率をｎ_Ｂ、前記第１の反射防止層において前記吸収層に隣接する第３の膜の屈折率をｎ_１、前記第２の反射防止層において前記吸収層に隣接する第４の膜の屈折率をｎ_２とするとき、
   ｜ｎ_Ａ−ｎ_１｜≦０．４５
   ｜ｎ_Ｂ−ｎ_２｜≦０．４５
   なる条件式を満足することを特徴とする光学素子。
2. 第１及び第２の透光部材を有し、前記第１及び第２の反射防止層は前記第１及び第２の透光部材の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１の透光部材の屈折率をＮ_ｓ、前記第２の透光部材の屈折率をＮ_ｇとするとき、
   ｜Ｎ_ｓ−Ｎ_ｇ｜≦０．４５
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 前記第１の反射防止層を構成する膜の数は、前記第２の反射防止層を構成する膜の数と等しいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学素子。
5. 前記第１の反射防止層は前記第３の膜を含む複数の膜を備え、前記第２の反射防止層は前記第４の膜を含む複数の膜を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学素子。
6. 前記第１及び第２の膜は共通の膜であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学素子。
7. 前記吸収層は、前記第１及び第２の膜を含む複数の膜を備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学素子。
8. 前記吸収層は、同心円状の膜厚分布を有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学素子。
9. 前記吸収層の膜厚は、中心から周辺部に向かって増加することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学素子。
10. 前記吸収層は、径方向における中心に設けられていないことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学素子。
11. 前記吸収層の消衰係数をｋとするとき、
    ０．０５≦ｋ≦０．３５
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学素子。
12. 複数の光学素子を有し、該複数の光学素子は請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学素子を含むことを特徴とする光学系。
13. 撮像素子と、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学素子とを有することを特徴とする光学機器。