JP4433390B2 - 反射防止膜並びにこの反射防止膜を有する光学素子及び光学系 - Google Patents

Description

本発明は、写真用光学系、双眼鏡、望遠鏡、顕微鏡などの複数の波長、あるいは、帯域で使用する光学素子に形成される反射防止膜、並びに、その光学面にこの反射防止膜が形成された光学素子及び光学系に関する。

反射防止膜は、光学系内に組み込まれる光学素子と媒質の屈折率の違いにより生じる反射を低減させることを目的としている。このような反射光が像面へ到達すると、ゴーストやフレアとなって光学性能へ著しい悪影響を与えてしまうからである。近年、光学系に必要とされる光学性能が高くなっており、この光学系内に配置される光学素子に形成される反射防止膜にも、従来よりも広い入射角度の範囲で、より低反射の性能が要求されている。

このような要求を満足するために、様々な材料や膜厚を組み合わせることによる多層膜設計技術や、多層膜成膜技術も進歩を続けている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３５６７０４号公報

しかしながら、従来の方法による反射防止膜では、その反射防止膜が形成された光学面に入射する光線の入射角度が増加して斜めから入射すると、反射防止膜の特性が変化してその反射防止膜としての効果が急激に薄らいで反射光が増加してしまうという課題があった。このような反射面が光学系内に一面しか存在しな場合は、その反射光は物体側に戻るため光学系の光学性能への直接的な影響は無いが、このような面が複数面存在する場合には、反射光が像側に到達し、ゴーストやフレア発生の原因となる危険性が高くなる。近年、レンズの大口径化が進み、光学素子に入射する光線の角度範囲も拡大傾向にあるため、ゴーストやフレアが発生しやすい状況になっている。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、可視光域で低い反射率を広い角度範囲で実現できる反射防止膜を提供するとともに、この反射防止膜が形成された光学素子及び光学系を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る反射防止膜は、光学部材の光学面に形成されてこの光学面に入射して反射した光線を低減させるものであり、１．５２の屈折率を有する光学部材の光学面に形成される反射防止膜であって、光線の基準波長λを５５０ｎｍとするとき、その光学面上に形成される屈折率がほぼ１．６５で且つ光学的膜厚が０．２７λの第１層と、この第１層上に形成され、屈折率がほぼ２．１２で且つ光学的膜厚が０．０７λの第２層と、この第２層上に形成され、屈折率がほぼ１．６５で且つ光学的膜厚が０．３０λの第３層と、この第３層上に形成され、屈折率がほぼ１．２５で且つ光学的膜厚が０．２６λの第４層とから構成され、さらに、第１層は酸化アルミニウムを真空蒸着法で形成し、第２層は酸化チタンと酸化ジルコニウムの混合物を真空蒸着法で形成し、第３層は酸化アルミニウムを真空蒸着法で形成し、第４層はフッ化マグネシウムをゾル−ゲル法で形成される。

また、本発明に係る光学素子は、光学面が平面状若しくは曲面状に形成された光学部材と、この光学面に形成された上述のいずれかの反射防止膜とから構成される。

さらに、第１の本発明に係る光学系は、物体と像面との間に配設された光学素子（例えば、実施形態における負メニスカスレンズＬ１）から構成され、この光学素子が有する光学面のうち、少なくとも１面に上述のいずれかの反射防止膜が形成されて構成される。

あるいは、第２の本発明に係る光学系は複数の光学面を有して構成され、その光学面のうち、ｎ番目のゴースト発生面（例えば、実施形態における負メニスカスレンズＬ２の物体側の面３）とｍ番目のゴースト発生面（例えば、実施形態における負メニスカスレンズＬ１の像側の面２）の少なくとも一方に上述のいずれかの反射防止膜が形成され、ｎ番目のゴースト発生面の反射率をＲnとし、ｍ番目のゴースト発生面の反射率をＲmとしたとき、次式
Ｒn × Ｒm ≦ ０．１０［％］
を満足するように構成される。

なお、この第１及び第２の本発明に係る光学系は、波長域が４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の光線に対して使用されることが好ましい。

さらに、この光学系は結像光学系、若しくは、観察光学系として用いられることが好ましい。

本発明に係る反射防止膜を以上のように構成すると、可視光域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光線に対して、その光線の入射角の広い角度範囲（０度〜６０度）に対しても低い反射率を実現することができる。そのため、この反射防止膜が形成された光学素子や光学系において、ゴーストやフレアの発生を効果的に抑えることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。

まず、図１を用いて第１実施例に係る反射防止膜１について説明する。この反射防止膜１は４層からなり、光学部材２の光学面に形成される。第１層１ａは真空蒸着法で蒸着された酸化アルミニウムで形成されている。また、この第１層１ａの上に更に真空蒸着法で蒸着された酸化チタンと酸化ジルコニウムの混合物からなる第２層１ｂが形成される。さらに、この第２層１ｂの上に真空蒸着法で蒸着された酸化アルミニウムからなる第３層１ｃが形成される。そしてこのようにして形成された第３層１ｃの上に、ゾル−ゲル法によりフッ化マグネシウムからなる第４層１ｄが形成されて第１実施例に係る反射防止膜１が形成される。ここで、ゾル−ゲル法とは、光学部材の光学面上に光学薄膜材料ゾルを塗布し、ゲル膜を堆積させた後、液体に浸漬し、この液体の温度及び圧力を臨界状態以上にしてその液体を気化・乾燥させることにより膜を生成する製法である。

このように、この反射防止膜１の第１層１ａ〜第３層１ｃまではドライプロセスである電子ビーム蒸着により形成され、最上層である第４層１ｄは、フッ酸／酢酸マグネシウム法で調製したゾル液を用いるウェットプロセスにより以下の手順で形成されている。まず、予めレンズ成膜面（上述の光学部材２の光学面）に真空蒸着装置を用いて第１層１ａとなる酸化アルミニウム層、第２層１ｂとなる酸化チタン−酸化ジルコニウム混合層、第３層１ｃとなる酸化アルミニウム層を順に形成する。そして、蒸着装置より光学部材２を取り出した後、フッ酸／酢酸マグネシウム法により調製したゾル液をスピンコート法により塗布することにより第４層１ｄとなるフッ化マグネシウム層を形成する。このとき、フッ酸／酢酸マグネシウム法の反応式を以下の式（１）に示す。

２ＨＦ＋Ｍｇ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂→ＭｇＦ₂＋２ＣＨ₃ＣＯＯＨ （１）

この成膜に用いたゾル液は、原料混合後、オートクレープで１４０℃、２４時間高温加圧熟成処理を施した後、成膜に用いられる。この光学部材２は、第４層１ｄの成膜終了後、大気中で１５０℃、１時間加熱処理して完成される。このようなゾル−ゲル法を用いることにより、原子または分子が数個から数十個程度集まって、大きさが数ｎｍから数十ｎｍの粒子ができ、さらに、それらの粒子が数個集まって二次粒子が形成され、それら二次粒子が堆積することにより第４層１ｄが形成される。

それではこのようにして形成された反射防止膜１の光学的性能について図２に示す分光特性を用いて説明する。なお、この図２は、基準波長λを５５０ｎｍとしたときに、光学部材２の屈折率が１．５２であり、第１層１ａの屈折率が１．６５で、その光学的膜厚が０．２７λであり、第２層１ｂの屈折率が２．１２で、その光学的膜厚が０．０７λであり、第３層１ｃの屈折率が１．６５で、その光学的膜厚が０．３０λであり、第４層１ｄの屈折率が１．２５で、その光学的膜厚が０．２６λである場合の分光特性を表している。この図２から分かる通り、可視光領域（波長が４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光線に対して、入射角が６０度となってもその反射率は３．５％以下となっており、非常に低い反射率を実現している。さらに、入射角が０度若しくは２５度の場合でも、その反射率は０．５％以下となっており、非常に低い反射率を実現している。なお、これらの反射率は基準波長λに対して短波長側（４００ｎｍ付近）でも、長波長側（７００ｎｍ付近）でも悪化することはなく、本第１実施例に係る反射防止膜は４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長域に対して均等な効果を維持している。

なお、この反射防止膜１は平行平面板の光学面に設けた光学素子として利用することも可能であるし、後述する第２実施例で示すように曲面状に形成されたレンズの光学面に設けて利用することも可能である。

次に、第２実施例として上述の反射防止膜１が形成された光学素子を有する結像光学系１０について図３を用いて説明する。この結像光学系１０は、その焦点距離が１８ｍｍ〜３５ｍｍまで連続的に変化するカメラ用ズームレンズとして用いられるものであり、物体側から順に保護ガラスとして使用される平行平面板Ｆ、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ２と物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ３を貼り合わせた接合レンズ、両凹レンズＬ４、両凸レンズＬ５、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ６と両凸レンズＬ７を貼り合わせた接合レンズ、開口絞りＰ、両凸レンズＬ８と両凹レンズＬ９を貼り合わせた接合レンズ、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１０と両凸レンズＬ１１を貼り合わせた接合レンズ、及び、両凸レンズＬ１２から構成され、像面Ｉに物体の像を結像する。なお、この結像光学系１０において、負メニスカスレンズＬ２の物体側の面（面番号３）は非球面形状に形成されている。

ここで非球面形状は、光軸に垂直な方向の高さをｙとし、非球面の頂点における接平面から高さｙにおける非球面上の位置までの光軸に沿った距離をｘ（ｙ）とし、ｒを近軸曲率半径（基準球面の曲率半径）とし、κを円錐曲線定数とし、Ｃ_nをｎ次の非球面係数としたとき、下の式（２）で表されるものとした。

ｘ（ｙ）＝（ｙ²／ｒ）・（１＋（１−κ（ｙ²／ｒ²））^1/2）
＋Ｃ₄ｙ⁴ ＋ Ｃ₆ｙ⁶ ＋ Ｃ₈ｙ⁸ ＋ Ｃ₁₀ｙ¹⁰ （２）

下の表１に、この第２実施例に係る結像光学系１０の各レンズの諸元を示す。この表１における面番号１〜２３は結像光学系１０に係るものであり、それぞれ図３における符号１〜２３に対応する。また、表１におけるｒはレンズ面の曲率半径を、ｄはレンズ面の間隔を、νｄはｄ線に対するアッベ数を、ｎｄはｄ線に対する屈折率を、ｆは焦点距離を、Ｂｆはバックフォーカスをそれぞれ示している。さらに、以下の諸元値において掲載されている焦点距離ｆ、曲率半径ｒ、面間隔ｄその他の長さの単位は、特記が無い場合一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「ｍｍ」に限定されることなく、他の適当な単位を用いることもできる。また、非球面係数Ｃ_n（ｎ＝４，６，８，１０）において、「Ｅ−０９」等は「×１０^-09」等を表す。下の表１において、非球面には面番号の右側に＊印を付している。

（表１）
ｆ ＝18.500
Ｂｆ＝38.272
面番号 ｒ ｄ νｄ ｎｄ
1 ∞ 3.000 64.1 1.51680 Ｆ
2 ∞ 2.500 1.00000
3 50.76 2.500 45.3 1.79500 Ｌ１
4 19.41 7.000 1.00000
5* 44.27 0.100 55.6 1.50625 Ｌ２
6 28.81 2.000 45.3 1.79500 Ｌ３
7 22.20 8.200 1.00000
8 -121.57 1.700 44.8 1.74400 Ｌ４
9 49.85 6.800 1.00000
10 58.05 4.500 28.6 1.79504 Ｌ５
11 -149.17 28.422 1.00000
12 51.03 1.000 47.4 1.78800 Ｌ６
13 23.03 3.800 56.4 1.50137 Ｌ７
14 -54.97 5.166 1.00000
15 ∞ 1.500 8.6 1.00000 Ｐ
16 17.65 14.200 59.5 1.53996 Ｌ８
17 -27.28 1.300 45.3 1.79500 Ｌ９
18 32.29 0.700 1.00000
19 110.45 1.300 37.4 1.83400 Ｌ１０
20 14.03 5.300 82.5 1.49782 Ｌ１１
21 -23.36 0.100 1.00000
22 138.28 1.600 59.5 1.53996 Ｌ１２
23 -138.28 1.00000

（非球面データ）
第５面
κ＝5.435
Ｃ₄＝7.1876E-06 Ｃ₆＝-3.6412E-09
Ｃ₈＝3.9918E-11 Ｃ₁₀＝-3.3225E-14

図３に示す通り、物体側から入射した光線Ｒが光軸Ａとのなす角度（入射角度）が４５度で結像光学系１０に入射すると、負メニスカスレンズＬ２の物体側の面（第１番目のゴースト発生面でありその面番号は３）で反射し、その反射光は負メニスカスレンズＬ１の像側の面（第２番目のゴースト発生面でありその面番号は２）で再度反射して像面Ｉに到達し、ゴーストを発生させてしまう。なお、この第２実施例において、開口絞りＰはレンズの明るさを示すＦナンバーに換算して２２まで絞ってある場合を示している。

ところで、この光線Ｒのゴースト発生面での入射角度を検討すると、第１番目のゴースト発生面（面番号３）に入射する光線Ｒの入射角度は約６０度であり、この第１番目のゴースト発生面で反射して第２番目のゴースト発生面（面番号２）に入射する光線Ｒの入射角度は約２５度である。そこで、このゴースト発生面である面番号２と３に上述の第１実施例に係る反射防止膜１を形成した場合の光学特性について図４に示す分光特性を用いて説明する。なお、図４において従来法とは従来より用いられている５層の反射防止膜を利用した場合である。この図４から、第１実施例に係る反射防止膜１をゴースト発生面に形成することにより、波長域が４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の光線において従来に比べて反射率が低くなり、ゴーストとして像面Ｉに達する光線が低減することが分かる。

なお、図４に示すこの結像光学系１０の反射率は、第１番目のゴースト発生面（面番号３）での反射率と第２番目のゴースト発生面（面番号２）での反射率の積となり、その結果からその値は０．１０％以下となる。よって、これらの関係から、第１実施例に係る反射防止膜１をこれらのゴースト発生面に設けた場合、結像光学系１０は次に示す式（３）の関係を満たすように構成される。

Ｒn × Ｒm ≦ ０．１０［％］ （３）
但し、Ｒn ： 第ｎ番目のゴースト発生面での反射率
Ｒm ： 第ｍ番目のゴースト発生面での反射率

なお、式（３）におけるＲn×Ｒmは０．０５［％］以下となるように結像光学系１０を構成すると更に好ましい光学性能が得られる。

また、結像光学系１０の最も物体側に位置する平行平面板Ｆの像側の面で発生するゴーストに対しては、その面に反射防止膜１を形成することにより効果的に防止することができる。さらに、上述の結像光学系１０の像面側に接眼レンズを設けた観察光学系として用いても、反射防止膜１は同様の効果を発揮することができ、ゴーストやフレアが抑えられたシャープな像を観察することができる。

以上のように、本実施例に係る反射防止膜１によれば、可視光域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）において低い反射率を広い角度範囲で実現できる光学素子を提供でき、さらにこの光学素子を光学系に用いることにより、ゴーストやフレアの少ない、高い光学性能の光学系を提供することができる。

本発明に係る反射防止膜の構造を示す説明図である。 本発明に係る反射防止膜の分光特性を示すグラフである。 本発明に係る反射防止膜が形成された光学素子を有する結像光学系のレンズ構成図である。 本発明に係る結像光学系の分光特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 反射防止膜
１ａ 第１層
１ｂ 第２層
１ｃ 第３層
１ｄ 第４層
２ 光学部材
１０ 結像光学系
Ｌ１ 負メニスカスレンズ
Ｌ２ 負メニスカスレンズ

Claims (7)

1. 光学部材の光学面に形成されて前記光学面に入射して反射した光線を低減させる反射防止膜であって、
   前記反射防止膜は、１．５２の屈折率を有する前記光学部材の前記光学面に形成され、
   前記光線の基準波長λを５５０ｎｍとするとき、
   前記光学面上に形成される屈折率が１．６５で且つ光学的膜厚が０．２７λの第１層と、
   前記第１層上に形成され、屈折率が２．１２で且つ光学的膜厚が０．０７λの第２層と、
   前記第２層上に形成され、屈折率が１．６５で且つ光学的膜厚が０．３０λの第３層と、
   前記第３層上に形成され、屈折率が１．２５で且つ光学的膜厚が０．２６λの第４層とから構成され、
   前記第１層は酸化アルミニウムを真空蒸着法で形成し、前記第２層は酸化チタンと酸化ジルコニウムの混合物を真空蒸着法で形成し、前記第３層は酸化アルミニウムを真空蒸着法で形成し、前記第４層はフッ化マグネシウムをゾル−ゲル法で形成したことを特徴とする反射防止膜。
2. 前記光学面が平面状若しくは曲面状に形成された前記光学部材と、前記光学面に形成された請求項１に記載の反射防止膜とから構成されることを特徴とする光学素子。
3. 物体と像面との間に配設された光学素子から構成され、
   前記光学素子が有する光学面のうち、少なくとも１面に請求項１に記載の反射防止膜が形成されていることを特徴とする光学系。
4. 複数の光学面を有して構成され、
   前記光学面のうち、ｎ番目のゴースト発生面とｍ番目のゴースト発生面の少なくとも一方に請求項１に記載の反射防止膜が形成され、
   前記ｎ番目のゴースト発生面での反射率をＲnとし、前記ｍ番目のゴースト発生面での反射率をＲmとしたとき、次式
   Ｒn × Ｒm ≦ ０．１０［％］
   を満足することを特徴とする光学系。
5. 波長域が４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の光線に対して使用されることを特徴とする請求項３または４に記載の光学系。
6. 結像光学系として用いられることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の光学系。
7. 観察光学系として用いられることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の光学系。

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