JP5294584B2

JP5294584B2 - 光学素子及び光学機器

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Description

本発明は、反射抑制機能等の光学的機能を有する光学素子と、これを用いた光学機器に関する。

多くの光学機器には、様々な透過光学素子が用いられており、例えば、デジタルカメラの撮像光学系では、透過光学素子としてのレンズにより物体像を撮像素子上に結像させる。

ただし、透過光学素子の材料として一般に使用される光学ガラスや光学プラスチックは屈折率が大きいために反射率が高く、このような透過光学素子を複数使用すると透過光量が少なくなってしまう。

透過光学素子での反射を抑制するために、該光学素子に反射抑制機能を付与することが多い。光学素子に反射抑制機能を付与する方法としていくつかの方法が知られている。

最も一般的な方法は、透過光学素子の表面に反射抑制膜を形成する方法である。具体的には、蒸着やスパッタ等に代表される薄膜形成技術によって透過光学素子の表面に薄膜を形成し、光学干渉を利用することで反射率を下げる。

また、入射光の波長（使用波長ともいう）よりも細かい構造を利用する方法もある。最も有名な構造として、蛾の目”moth-eye”がある。蛾の目はそれに特有の微細構造によって非常に低い反射率を得ることができる。

入射光の波長よりも細かい構造では、光はその構造を認識できずに一様な媒質のような振舞いを示す。該構造は、これを構成する材料の体積比に準じた屈折率を示す。これにより、通常の材料では得られない低屈折率な構造体を実現でき、反射を良好に抑えることができる。

微細構造を利用する反射抑制方法としては、入射光の波長より小さい粒径を有する微粒子を分散した膜を塗布する方法や(特許文献１参照)、微細パターン加工技術によって微細周期構造を形成する方法(特許文献２参照)がある。

しかしながら、入射光の波長よりも細かい構造を形成するには、複雑なプロセスが必要であり、さらに構造を構成する材料が限定されているために設計自由度が低い。このため、このような微細構造によって高い反射抑制性能が得られるのは限られた条件の透過光学素子のみであった。

本発明は、良好な反射抑制性能等の光学性能を有し、かつ設計自由度の高い光学素子を提供する。

本発明の一側面としての光学素子は、光入射側から順に、第１の層と、第２の層と、ベース部材とを有し、さらに第１の層と第２の層との間に第３の層を有する。第１の層は、入射光の波長よりも小さいピッチで凸部と凹部が交互に形成された凹凸構造を有し、第２及び第３の層は、以下の条件を満足することを特徴とする。
ｎｂ＝１．８
ｎｓ＝１．３７
ｄｓ＝３００ｎｍ
ｎＡ＝１．６４
ｄＡ＝７０ｎｍ
ｎＢ＝１．５３
ｄＢ＝２５ｎｍ
ただし、ｎｂはベース部材の屈折率であり、ｎｓ及びｄｓはそれぞれ第１の層の等価屈折率及び厚さであり、ｎＡ及びｄＡはそれぞれ第２の層の屈折率及び厚さであり、ｎＢ及びｄＢはそれぞれ第３の層の屈折率及び厚さである。

また、上記光学素子を用いた光学機器も本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、広帯域特性及び入射角度特性に優れた反射抑制性能等、良好な光学性能を有し、かつ設計自由度の高い光学素子を実現することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。なお、本発明の実施例としての光学素子は、図２０および数値例４（図１６）に示す光学素子であるが、まずは図１〜図１５を用いて、本発明の前提技術を用いた光学素子（これについても以下の説明では実施例という）及び比較例について説明する。

図１には、本発明の実施例である光学素子の構成を示す。Ｌは該光学素子に入射する光を示す。光学素子は、光入射側から順に、第１の層０１２、第２の層０１３及びベース部材０１１を有する。

ベース部材０１１は、第１及び第２の層０１２，０１３により反射抑制機能が付加されるレンズやプリズム等の光学透明部材（透過光学部材）に相当する。

第１の層０１２は、該光学素子への入射光Ｌの波長λよりも小さいピッチｐで凸部０１２ａと凹部０１２ｂが交互に形成された凹凸構造を有する。凸部０１２ａと凹部０１２ｂはそれぞれ、幅ｗａ，ｗｂを有する。ここにいうピッチｐとは、凸部０１２ａと次の凸部０１２ａまでの距離である。また、幅とは、凸部０１２ａと凹部０１２ｂの交互配列方向での寸法を意味する。

第１の層０１２は、厚さ方向において幅が均一な凸部０１２ａと凹部０１２ｂにより構成された凹凸構造を有する。

第２の層０１３は、第１の層０１２とベース部材０１１との間に配置された均質層（凹凸構造を持たない層）である。

ここで、第１の層０１２をなす凹凸構造におけるピッチｐがλ／２０以上であると、第１の層０１２は凸部０１２ａを構成する媒質と凹部０１２ｂ内を満たす媒質（例えば、空気）とが混合した等価屈折率を持つ層として機能するため、好ましい。

また、凹凸構造は、全ての凸部０１２ａと全ての凹部０１２ｂがそれぞれ同一幅で規則的に配置された（つまりは同一ピッチで凸部と凹部が交互に形成された）周期構造であるとよい。ただし、平均ピッチがλより小さければ、凸部０１２ａと凹部０１２ｂとが不規則配置された非周期的な構造であってもよい。

また、図１には、第２の層０１３として１層のみを示しているが、２層以上の第２の層を有していてもよい。

さらに、第２の層０１３は、前述した均質層でなくてもよく、λより小さいピッチで凸部と凹部が交互に形成された凹凸構造を有していてもよい。

図１に示す光学素子の屈折率構造を図２に示す。図２において、０２１はベース部材０１１の屈折率を、０２２は第１の層０１２の屈折率（等価屈折率）を示す。また、０２３は第２の層０１３の屈折率を示す。また、図２の縦軸は屈折率を、横軸は厚さ方向の位置を示す。

第１の層０１２は、入射光Ｌの波長よりも十分に小さな凹凸構造を有するため、みかけ上は均質層のような光学特性を持つ。具体的には、凸部０１２ａを構成する材料の充填量ffから求められる等価屈折率を有する。

等価屈折率ｎｓは、凸部０１２ａを構成する材料の屈折率をｎ_０とすると、以下の式（ａ）により簡易的に表される。

この式（ａ）から分かるように、凸部０１２ａを構成する材料の充填率が高いほど第１の層０１２の等価屈折率が高くなる。このことを利用することで、従来の均質層では得られなかった低屈折率な層を作成できる。

本実施例の光学素子は、この第１の層０１２とベース部材０１１との間に、別の光学干渉を生じる層（第２の層０１３）を挿入した構成を有する。このような構成では、最表層である第１の層０１２の屈折率を低くして入射角に対するフレネル係数の変化を抑えることができる。さらに、第２の層０１３で光学干渉を生じさせることで、入射角度特性を改善することができる。

また、最表層である第１の層０１２とこれに接する空気との屈折率差を小さくすることができるため、光学干渉の波の振幅を小さくすることができ、広帯域特性に優れた反射抑制機能を得ることができる。

以上のような性能又は機能を得るためには、第２の層０１３の屈折率及び厚さ（膜厚ともいう）をそれぞれｎＡ，ｄＡ、入射光の波長をλ、ベース部材０１１の屈折率をｎｂ、第１の層０１２の等価屈折率をｎｓとして、以下の条件を満足する必要がある。

さらに好ましくは、以下の条件を満足するとよい。

このような条件を満足することで、第１の層０１２によって入射角度特性や広帯域特性を補正した光の反射を、第２の層０１３での光学干渉によってさらに低減することができる。したがって、高性能な反射抑制構造を得ることができる。また、第２の層０１３の屈折率や厚さを調整するだけで幅広い種類の透過光学部材に適応できる、設計自由度の高い反射抑制構造を得ることができる。

また、図１に示した光学素子と同様の構成を有する光学素子において、第１の層に設ける凹凸構造は、図５に示すような構造であってもよい。０５１はベース部材、０５２は第１の層であり、入射光Ｌの波長λよりも小さいピッチで凸部０５２ａと凹部０５２ｂが交互に形成された凹凸構造を有する。

ただし、凸部０５２ａと凹部０５２ｂの幅は、第１の層０５２の厚さ方向において変化している。具体的には、凸部０５２ａの幅は第２の層０５３及びベース部材０５１に近いほど大きくなっており、凹部０５２ｂの幅はその逆に変化している。０５３は第２の層であり、均質層である。

この場合の第１の層０５２の等価屈折率は、厚さ方向にて変化する。このことを図６に示す。０６１はベース部材０５１の屈折率、０６２は第１の層０５２の屈折率（等価屈折率）、０６３は第２の層０５３の屈折率である。また、図６の縦軸は屈折率を、横軸は厚さ方向の位置を示す。

第１の層０５２の凸部０５２ａは、第２の層側から先細りの形状を有するため、等価屈折率は、第２の層側から空気側（光入射側）に向けて徐々に低くなる。

このような屈折率構造では、入射光は第１の層０５２内で無数に干渉し合って第２の層０５３に入射する。この場合、従来の光学干渉膜とは異なり、屈折率の勾配と第１の層０５２の厚みとに対応して光が減衰しながら第２の層０５３に入射する。そこで、残留した光のベース部材０５１での反射を抑えるために、第２の層０５３の屈折率と厚さを調整することで、光学特性に優れた反射抑制構造が得られる。

以上説明した本実施例の反射抑制構造によれば、従来の光学干渉を用いずに光を減衰させることができる。光学干渉は、層の厚さや屈折率に対して敏感であるため、広帯域特性や入射角度特性に優れた反射抑制構造を得ることが難しい。これに対し、本実施例では、入射光の入射角度や波長に対して鈍感になるため、高性能な反射抑制構造を得やすい。

また、本実施例では、第１の層の構造に適した第２の層を導入することで、第１の層の材料や形状によらず、様々な透過光学部材に適用できる反射抑制構造が得られる。さらに、本実施例の第２の層には、第１の層で減衰した光が入射するため、本実施例は、従来の光学干渉膜を用いる場合に比べて、第２の層の屈折率や厚さに鈍感である。このため、本実施例の光学素子は、従来に比べて製作精度の余裕度が大きい。

さらに、図２０に示すように、式（１），（２）又は式（３），（４）を満たす第２の層０１３と第１の層０１２との間に、以下の式（５）の条件を満足する別の層（第３の層）０１４が配置されていてもよい。

ただし、ｎＢ及びｄＢはそれぞれ、第３の層の屈折率及び厚さである。

この条件を満足する第３の層０１４は厚さが薄いために光学素子の光学特性への影響は少ないが、第１の層０１２と第２の層０１３との間の接着性をより良くする効果を持つ。

また、第１の層と該第１の層に接する層（図１及び図２の構造における第２の層や、前述した第３の層：以下、隣接層という）は互いに異なる材料により形成されていてもよい。入射光の波長λよりも小さなピッチの凹凸構造を作成する場合は、はじめに均質な層を形成した後に凹凸形状を形成するための加工を施すことが一般的である。この場合、第１の層と隣接層とを互いに異なる材料で作成することで、凹凸形状の加工による隣接層に与えるダメージを回避又は低減することができる。なお、互いに異なる材料は、互いに同じ材料を一部の成分として含有していてもよい。

図３には、厚さ方向において幅が均一な凹凸構造を有する第１の層０３２が、ベース部材０３１上に直接形成されている（つまり、第２の層を持たない）光学素子を比較例として示す。この場合でも、第１の層０３２の構造を変化させることで屈折率を調整できる。この場合、以下の条件（６）を満たす構造を採用することで、図４に２０３で示すような反射率特性が得られる。なお、図４中の２０２は、ベース部材の反射率である。

ただし、図３に示す構造では単層膜と同等であるため、波長帯域が狭く、入射角特性も悪い。これに対し、図１に示す構造では、図４に２０１で示すような広帯域での良好な反射抑制特性が得られる。なお、図示はしないが、図５に示す構造でも、図１に示す構造と同様に、広帯域での良好な反射抑制特性が得られる。

図７及び図９には、厚さ方向において構造が変化する第１の層を有する比較例を示す。図７は、ベース部材０７１と、これとは異なる材料で形成された第１の層０７２とが互いに隣接している場合（第２の層を持たない場合）を示す。また、図９は、ベース部材０９１と、これと同じ材料で形成された第１の層０９２とが互いに隣接している場合（第２の層を持たない場合）を示す。

図７の構造での屈折率構造を図８に示す。０８１はベース部材０７１の屈折率、０８２は第１の層０７２の屈折率（等価屈折率）である。図７の構造では、第１の層０７２とベース部材０７１とに異なる材料を用いているため、これらの界面に大きな屈折率差が生じる。このため、空気側から入射する光は第１の層０７２で減衰されても、第１の層０７２とベース部材０７１との界面での反射が大きく、光学性能が劣る。

図９の構造での屈折率構造を図１０に示す。１０１はベース部材０９１の屈折率、１０２は第１の層０９２の屈折率（等価屈折率）である。図９の構造では、第１の層０９２とベース部材０９１とに同じ材料を用いているため、第１の層０９２におけるベース部材側の屈折率とベース部材０９１の屈折率とはほとんど変わらない。このため、ベース部材０９１に入射する光は減衰された光のみとなるため、良好な光学特性を得ることができる。

しかし、このような構造を光学ガラスや光学プラスチックをベース部材として実現するには、製作が困難であり、量産性に乏しいという問題が生ずる。さらに、ベース部材０９１によってはこのような加工自体が難しく、この構造を適用できるベース部材０９１の範囲が狭い。

図７に示した構造で、第１の層０７２の材料や形状を調整することで、図１０に示すような屈折率構造を得ることも可能である。ただし、屈折率が１．８を超えるような高屈折率を有するベース部材への適用は、材料の選択と構造の最適化が難しく、製作が困難であるとともに量産性が乏しい。

図１１及び図１２には、本実施例にて説明した反射抑制構造の光学素子への適用例を示す。図１１は光学素子の１つであるレンズの断面図を、図１２は別の光学素子であるプリズムの断面図である。

これらの図において、１１１，１２１はそれぞれ、反射抑制機能を付加するベース部材（光学透明部材）としてのレンズ本体及びプリズム本体である。１１２，１２２はそれぞれ、入射光の波長λよりも小さなピッチの凹凸構造を有する第１の層である。１１３，１２３は第２の層である。

レンズ本体及びプリズム本体１１１，１２１は、一般的な光学機器に搭載できる程度の厚さを有し、また第１の層１１２，１２２及び第２の層１１３，１２３は、入射光の波長λ以下の凹凸ピッチや厚さを持っている。

このようなレンズやプリズム等の光学素子は、多くの光学機器で使用することができる。例えば、図２１には、本実施例の光学素子を用いた光学機器としてのデジタルカメラを示している。

２０はカメラ本体、２１は本実施例の光学素子であるレンズを用いて構成された撮影光学系である。撮影光学系２１は、複数のレンズによって構成されており、このうち少なくとも１つのレンズが本実施例の光学素子により構成されている。２２はカメラ本体２０に内蔵され、撮影光学系２１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。

２３は固体撮像素子２２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、２４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２２上に形成された被写体像を観察するための電子ビューファインダである。

このように実施例の光学素子を用いて撮像光学系を構成することで、撮像光学系内での不要な反射を抑えた高い光学性能を有するカメラを実現することができる。

なお、本実施例の光学素子は、カメラのファインダ光学系や、液晶プロジェクタの照明光学系及び投射光学系等にも使用することができる。そして、該光学素子が上述した反射抑制構造を有することで、透過光量が十分に多く、不要な反射によるゴーストやフレアの発生を十分に抑えることができる。

以上説明したように、上記実施例によれば、広帯域特性及び入射角度特性に優れた反射抑制性能等、良好な光学性能を有し、かつ設計自由度の高い光学素子を実現することができる。

以下、上記各実施例に対応した数値例（シミュレーション例）について説明する。全ての数値例において、入射光の波長は５００ｎｍである。ただし、このことは、本発明の実施例（数値例）における入射光の波長が５００ｎｍに限定されることを意味するものではない。また、層の厚さは物理的層厚（膜厚）とした。

（数値例１）
本数値例の光学素子では、屈折率が１．８の光学ガラスをベース部材として用いた。ひして、ベース部材上に、屈折率が１．４６の第２の層（均質層）を９５ｎｍの厚さで形成し、さらにその上に第１の層を１５０ｎｍの厚さで形成した。第１の層を、屈折率が１．４６の材料により構成し、材料充填率を３０％とした。このときの等価屈折率は１．１３である。また、第１の層は、その厚さ方向に一様な構造とした。

本数値例の特性を図１３に示す。図１３は、光の入射角が０°、３０°及び６０°での反射率特性を示す。

この光学素子では、低入射角では長波長側において、高入射角では短波長側においてそれぞれ非常に良好な反射抑制特性（低反射率）が得られた。また、入射角が変化しても、最も低い反射率の変化は抑えられた。

（数値例２）
本数値例の光学素子では、屈折率が１．５の光学ガラスをベース部材として用いた。そして、ベース部材上に、屈折率が１．３８の第２の層（均質層）を１００ｎｍの厚さで形成し、さらにその上に第１の層を１００ｎｍの厚さで形成した。第１の層を、屈折率が１．４６の材料により構成し、材料充填率を３０％とした。このときの等価屈折率は１．１３である。また、第１の層は、その厚さ方向に一様な構造とした。

本数値例の特性を図１４に示す。図１４は、光の入射角が０°、３０°及び６０°での反射率特性を示す。

この光学素子では、特に、高入射角で広帯域にわたって反射抑制特性が得られた。

（数値例３）
本数値例の光学素子では、屈折率が１．８の光学ガラスをベース部材として用いた。そして、ベース部材上に、第２の層を８５ｎｍの厚さで形成し、さらにその上に第１の層を３００ｎｍの厚さで形成した。第２の層を、屈折率が１．６８の材料により凹凸構造を有するように形成し、材料充填率を９０％とした。このときの等価屈折率は１．６１である。また、第１の層を、屈折率が１．５３の材料により形成し、最もベース部材側での材料充填率を７０％とした。このときの等価屈折率は１．３７となった。第１の層は、光入射側に近づくにつれて徐々に充填率が低下するように構成した。

本数値例の特性を図１５に示す。図１５は、光の入射角が０°、３０°及び６０°での反射率特性を示す。

この光学素子では、低入射角から高入射角まで広い入射角範囲で良好な反射抑制特性が得られた。また、全入射角範囲で広帯域にわたって良好な反射抑制特性が得られた。

（数値例４）
本数値例の光学素子では、屈折率が１．８の光学ガラスをベース部材として用いた。そして、ベース部材上に、屈折率が１．６４の第２の層（均質層）を７０ｎｍの厚さで形成し、その上に、屈折率が１．５３の第３の層（均質層）を２５ｎｍの厚さで形成した。さらに、その上に、第１の層を３００ｎｍの厚さで形成した。第１の層を、屈折率が１．５３の材料により形成し、材料充填率を最もベース部材側で７０％とした。このときの等価屈折率は１．３７である。第１の層は、光入射側に近づくにつれて徐々に充填率が低下するように構成した。

本数値例の特性を図１６に示す。図１６は、光の入射角が０°、３０°及び６０°での反射率特性を示す。

この光学素子では、第１の層と第２の層との間に配置された第３の層での干渉の影響は小さいため、入射角特性と広帯域特性に優れた反射抑制構造が得られた。

以下、上記数値例に対する比較例（シミュレーション例）について説明する。全ての数値例において、入射光の波長は５００ｎｍである。

（比較例１）
本比較例では、屈折率が１．８の光学ガラスをベース部材として用いた。そして、ベース部材上に、第１の層を３００ｎｍの厚さで形成した。第１の層を、屈折率が１．４６の材料により構成し、材料充填率を３０％とした。このときの等価屈折率は１．１３となった。また、第１の層は、その厚み方向にて一様な構造を有するものとした。

本比較例の特性を図１７に示す。図１７は、光の入射角が０°、３０°及び６０°での反射率特性を示す。

この比較例では、ベース部材と第１の層との屈折率差が大きいために、反射率が全入射角において３%以上となっている。つまり、良好な反射抑制特性は得られなかった。

（比較例２）
本比較例では、屈折率が１．８の光学ガラスをベース部材として用いた。そして、ベース部材上に、第１の層を３００ｎｍの厚さで形成した。第１の層を、屈折率が１．５３の材料により構成し、材料充填率を最もベース部材側で７０％とした。このときの等価屈折率は１．３７となった。第１の層は、光入射側に近づくにつれて徐々に充填率が低下するように構成した。

本比較例の特性を図１８に示す。図１８は、光の入射角が０°、３０°及び６０°での反射率特性を示す。

本比較例では、ベース部材と第１の層（グレーテッド層）との屈折率差が大きいため、４００ｎｍ付近の波長域で６０°入射の場合に、反射率が５％程度と非常に大きくなった。

（比較例３）
本比較例では、屈折率が１．８の光学ガラスをベース部材として用いた。そして、ベース部材上に、屈折率が２．３の均質層（実施例の第２の層に相当する）を５０ｎｍの厚さで形成し、第１の層を３００ｎｍの厚さで形成した。第１の層を、屈折率が１．５３の材料により形成し、材料充填率を最もベース部材側で７０％とした。このときの等価屈折率は１．３７となった。第１の層は、光入射側に近づくにつれて徐々に充填率が低下するように構成した。

本比較例の特性を図１９に示す。図１９は、光の入射角が０°、３０°及び６０°での反射率特性を示す。

本比較例では、均質層が式（１）を満たさず、反射抑制特性が悪かった。

表１には、以上説明した数値例１〜４と、比較例１〜３をまとめて示す。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。例えば、上記実施例では、第１及び第２の層をベース部材上に設けることによって反射抑制機能を得る場合について説明したが、他の光学機能を得るために上記第１及び第２の層をベース部材上に設けてもよい。

本発明の実施例である光学素子の構成を示す概略図。図１の光学素子の屈折率構造を示す図。比較例としての光学素子の構成を示す概略図。図１及び図３の光学素子における反射抑制性能を示す図。本発明の別の実施例である光学素子の構成を示す概略図。図５に示す光学素子の屈折率構造を示す図。他の比較例としての光学素子の構成を示す概略図。図７に示す比較例の屈折率構造を示す図。さらに他の比較例としての光学素子の構成を示す概略図。図９に示す比較例の屈折率構造を示す図。実施例の反射抑制構造のレンズへの適用例を示す図。実施例の反射抑制構造のプリズムへの適用例を示す図。実施例に対応する数値例１の反射率特性を示す図。数値例２の反射率特性を示す図。数値例３の反射率特性を示す図。数値例４の反射率特性を示す図。比較例１の反射率特性を示す図。比較例２の反射率特性を示す図。比較例３の反射率特性を示す図。本発明のさらに別の実施例である光学素子の構成を示す概略図。実施例の光学素子を用いたデジタルカメラの概略図。

符号の説明

０１１，０５１ベース部材
０１２，０５２第１の層
０１３，０５３第２の層
０１４第３の層
Ｌ入射光

Claims

光入射側から順に、第１の層と、第２の層と、ベース部材とを有し、さらに前記第１の層と前記第２の層との間に第３の層を有し、
前記第１の層は、入射光の波長よりも小さいピッチで凸部と凹部が交互に形成された凹凸構造を有し、
前記第２および第３の層は、以下の条件を満足することを特徴とする光学素子。
ｎｂ＝１．８
ｎｓ＝１．３７
ｄｓ＝３００ｎｍ
ｎＡ＝１．６４
ｄＡ＝７０ｎｍ
ｎＢ＝１．５３
ｄＢ＝２５ｎｍ
ただし、ｎｂは前記ベース部材の屈折率であり、ｎｓ及びｄｓはそれぞれ前記第１の層の等価屈折率及び厚さであり、ｎＡ及びｄＡはそれぞれ前記第２の層の屈折率及び厚さであり、ｎＢ及びｄＢはそれぞれ前記第３の層の屈折率及び厚さである。
前記凸部及び前記凹部は、該第１の層の厚さ方向において幅が変化しており、
前記ｎｓは、該凹凸構造のうち最もベース部材側での等価屈折率であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
請求項１又は２に記載の光学素子を含むことを特徴とする光学機器。