JP5686554B2 - Optical system and optical apparatus having antireflection structure - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも1つの光学面に微細な反射防止構造体が形成された光学系に関する。 The present invention relates to an optical system in which a fine antireflection structure is formed on at least one optical surface.
ガラスやプラスチック等の透光性媒質(透光性材料)を用いて形成されたレンズ等の光学素子においては、表面反射による透過光の損失を低減するための表面処理として、例えば、入射面および射出面のうち少なくとも一方に反射防止膜を設けている。可視光に対する反射防止膜としては、誘電体薄膜を複数層重ねた多層膜である、いわゆるマルチコートが知られている。この多層膜は、透光性の基板表面に、真空蒸着法やスパッタ法により金属酸化物等を成膜して形成される。 In an optical element such as a lens formed using a light-transmitting medium (light-transmitting material) such as glass or plastic, as a surface treatment for reducing loss of transmitted light due to surface reflection, for example, an incident surface and An antireflection film is provided on at least one of the emission surfaces. As an antireflection film for visible light, a so-called multicoat, which is a multilayer film in which a plurality of dielectric thin films are stacked, is known. This multilayer film is formed by depositing a metal oxide or the like on the surface of a light-transmitting substrate by vacuum deposition or sputtering.
また、透光性材料の表面に、微細な凹凸部が所定のピッチで複数形成された反射防止構造体を設ける反射低減方法も知られている。特許文献1は、周期(ピッチ)が400nm以下で、深さ(高さ)が700nm以下の凹凸形状を有する金型を用いて光透過性プラスチックを射出成形することで、被成形物の表面に微細な複数の凹凸部を転写して反射防止構造体を形成する方法を開示している。 A reflection reduction method is also known in which an antireflection structure in which a plurality of fine irregularities are formed at a predetermined pitch is provided on the surface of a translucent material. Patent Document 1 discloses that a light-transmitting plastic is injection-molded using a mold having a concave and convex shape with a period (pitch) of 400 nm or less and a depth (height) of 700 nm or less. A method of forming an antireflection structure by transferring a plurality of fine irregularities is disclosed.
ただし、特許文献1が開示する反射防止構造体の形成方法では、金型に形成された微細な凹凸形状を被成形物に十分に転写することが難しいという問題がある。これは、射出成形時の溶融プラスチックの流動性が低いために、周期が400nm以下という非常に微細な凹凸形状の内部にまで溶融プラスチックが十分に充填することができないためである。 However, the method for forming an antireflection structure disclosed in Patent Document 1 has a problem that it is difficult to sufficiently transfer the fine uneven shape formed on the mold to the molding target. This is because the molten plastic cannot be sufficiently filled even inside the extremely fine irregular shape with a period of 400 nm or less because the fluidity of the molten plastic at the time of injection molding is low.
このような問題を解決する方法の1つとして、金型の温度をガラス転移点以上に高めた状態で溶融プラスチックを充填し、その後、金型を冷却して離型するヒートサイクル成形法がある。この方法では、金型の温度が高いために溶融プラスチックの流動性が上がるので、微細な凹凸形状の内部まで十分に溶融プラスチックが充填され、この結果、凹凸形状の転写性を向上させることができる。 As one of the methods for solving such problems, there is a heat cycle molding method in which molten plastic is filled in a state where the temperature of the mold is raised above the glass transition point, and then the mold is cooled and released. . In this method, the fluidity of the molten plastic is increased because the temperature of the mold is high, so that the molten plastic is sufficiently filled into the fine uneven shape, and as a result, the transferability of the uneven shape can be improved. .
しかしながら、このようなヒートサイクル成形法は、通常の成形法に対して、金型の加熱や冷却に要する時間が加わるために、1回の成形に要する時間が長くなるという問題がある。 However, such a heat cycle molding method has a problem that the time required for one molding becomes longer because the time required for heating and cooling the mold is added to the normal molding method.
本発明は、反射防止構造体の形成に必要な時間が長くなることを回避し、かつ良好な反射防止性能を持つ反射防止構造体を備えた光学系を提供する。 The present invention provides an optical system provided with an antireflection structure that avoids an increase in the time required to form the antireflection structure and has good antireflection performance.
本発明の一側面としての光学系は、複数の凹凸部が配列された反射防止構造体を含む光学面を有し、
前記凹凸部の配列ピッチをp、前記光学面に入射する光の波長域のうち最も短い波長をλ min 、前記光学面よりも光入射側の媒質の屈折率をn 1 、前記光学面よりも光射出側の媒質の屈折率をn 2 、前記光学面における位置xに入射する光線の最大入射角をθ 1max (x)、前記光学面における位置xから射出して像面に到達する光線の最大射出角をθ 2max (x)、とするとき、
なる条件を満足することを特徴とする。
An optical system as one aspect of the present invention has an optical surface including an antireflection structure in which a plurality of concave and convex portions are arranged,
P is the arrangement pitch of the concave and convex portions, λ min is the shortest wavelength in the wavelength range of light incident on the optical surface, n 1 is the refractive index of the medium closer to the light incident side than the optical surface, and The refractive index of the medium on the light exit side is n 2 , the maximum incident angle of the light ray incident on the position x on the optical surface is θ 1max (x), and the light ray that has exited from the position x on the optical surface and reaches the image surface When the maximum emission angle is θ 2max (x),
It satisfies the following condition.
本発明によれば、反射防止構造体の形成に必要な時間が長くなることを回避することができるとともに、反射防止構造体の良好な反射防止性能によってゴーストやフレア等の不要光の発生を抑制することが可能な光学系を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to avoid an increase in the time required for forming the antireflection structure and to suppress generation of unnecessary light such as ghosts and flares by the good antireflection performance of the antireflection structure. An optical system capable of doing this can be realized.
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、具体的な実施例の説明に先立って、図5を用いて本発明の実施例に共通する基本的事項について説明する。 First, prior to description of specific embodiments, basic matters common to the embodiments of the present invention will be described with reference to FIG.
図5(a)には、微細凹凸形状により構成された反射防止構造体3を有する光学素子2の例を示している。この例では、光学素子2の射出側の光学面(射出面)に反射防止構造体3が形成されている。なお、光学素子2の入射側の光学面(入射面)に反射防止構造体が形成してもよい。 FIG. 5A shows an example of the optical element 2 having the antireflection structure 3 constituted by fine concavo-convex shapes. In this example, the antireflection structure 3 is formed on the optical surface (exit surface) on the exit side of the optical element 2. An antireflection structure may be formed on the optical surface (incident surface) on the incident side of the optical element 2.
反射防止構造体3は、1つの凹部3aと1つの凸部3bを含む微細な凹凸部が所定のピッチで複数形成される(繰り返し形成される)ことにより構成されている。凹凸部の「ピッチ」は互いに隣り合う2つの凹凸部における凸部3b間(または凹部3a間)の間隔に相当する。 The antireflection structure 3 is configured by forming (repeatingly forming) a plurality of fine concavo-convex portions including one concave portion 3a and one convex portion 3b at a predetermined pitch. The “pitch” of the concavo-convex portion corresponds to the interval between the convex portions 3b (or between the concave portions 3a) in two adjacent concavo-convex portions.
光学素子2は、プラスチックやガラス等の透光性媒質を材料とし、射出成形やプレス成形等の型を用いた成形法により製作される。この場合の型としては、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を陽極酸化することで表面に複数の細孔を形成した型を用いることができる。 The optical element 2 is manufactured by a molding method using a mold such as injection molding or press molding using a light-transmitting medium such as plastic or glass as a material. As the mold in this case, for example, a mold in which a plurality of pores are formed on the surface by anodizing aluminum or an aluminum alloy can be used.
光学素子2に入射した光1は、反射防止構造体3を経て像面5に到達する。このとき、凹凸部のピッチが回折限界以下に設定されているために、射出光4は回折することなく像面5に到達する。 The light 1 incident on the optical element 2 reaches the image plane 5 through the antireflection structure 3. At this time, since the pitch of the concavo-convex portion is set to be equal to or less than the diffraction limit, the emitted light 4 reaches the image plane 5 without being diffracted.
回折限界以下のピッチは、理論的に回折光が発生しなくなるピッチを意味する。回折限界以下のピッチplimitは、入射光1の波長をλとし、射出面よりも光入射側の媒質の屈折率をn1とし、射出面よりも光射出側の媒質の屈折率をn2とするとき、 The pitch below the diffraction limit means a pitch at which no diffracted light is theoretically generated. For the pitch p limit below the diffraction limit, the wavelength of the incident light 1 is λ, the refractive index of the medium on the light incident side of the exit surface is n1, and the refractive index of the medium on the light exit side of the exit surface is n2. When
…[式1]
により表される。
... [Formula 1]
Is represented by
ただし、実際には、凹凸部のピッチが回折限界以下であると、型(金型等)の表面に形成される凹部(反射防止構造3の凸部3bを成形する部分)の寸法も非常に小さくなるため、溶融した透光性媒質を十分に凹部の内側に充填することができない。このため、反射防止構造3の凸部3bの高さが設計値よりも低くなってしまう。 However, in practice, if the pitch of the concavo-convex portions is less than the diffraction limit, the dimensions of the concave portions (portions for forming the convex portions 3b of the antireflection structure 3) formed on the surface of the mold (mold, etc.) are also very large. Therefore, the molten translucent medium cannot be sufficiently filled inside the recess. For this reason, the height of the convex portion 3b of the antireflection structure 3 becomes lower than the design value.
図5(a)に示すような断面形状を有する反射防止構造体3は、空気と媒質の空間充填率に応じた低屈折率の単層膜と等価となる。このため、凸部3bの高さが入射光1の波長の4分の1程度に達しないと十分な反射防止性能が得られず、発生した反射光によりゴーストやフレア等の不要光が発生するおそれが生ずる。 The antireflection structure 3 having a cross-sectional shape as shown in FIG. 5A is equivalent to a single layer film having a low refractive index corresponding to the space filling rate of air and medium. For this reason, if the height of the convex portion 3b does not reach about one-fourth of the wavelength of the incident light 1, sufficient antireflection performance cannot be obtained, and unnecessary light such as ghost or flare is generated by the generated reflected light. There is a fear.
そこで、実施例では、図5(b)に示すように、凹凸部のピッチ(所定のピッチ)pを、以下の条件を満足するように設定している。 Therefore, in the embodiment, as shown in FIG. 5B, the pitch (predetermined pitch) p of the concavo-convex portions is set so as to satisfy the following conditions.
…[式2]
ただし、pは凹凸部のピッチ(場合によっては、平均ピッチ)であり、λminは該光学系に入射する光の波長域のうち最も短い波長である。
... [Formula 2]
However, p is the pitch of the concavo-convex portions (in some cases, the average pitch), and λ min is the shortest wavelength in the wavelength range of light incident on the optical system.
n1は反射防止構造体3が形成された光学面(図5の例では光学素子2の射出面)よりも光入射側の媒質の屈折率であり、n2は反射防止構造体3が形成された光学面よりも光射出側の媒質の屈折率である。 n 1 is the refractive index of the medium on the light incident side of the optical surface on which the antireflection structure 3 is formed (the exit surface of the optical element 2 in the example of FIG. 5), and n 2 is formed by the antireflection structure 3. This is the refractive index of the medium on the light exit side of the optical surface.
また、θ1max(x)は反射防止構造体3が形成された光学面における位置xに入射する光線の最大入射角であり、θ2max(x)は反射防止構造体3が形成された光学面における位置xから射出して像面5に到達する光線の最大射出角である。 In addition, θ 1max (x) is the maximum incident angle of the light ray incident on the position x on the optical surface on which the antireflection structure 3 is formed, and θ 2max (x) is the optical surface on which the antireflection structure 3 is formed. Is the maximum exit angle of the light beam that exits from the position x and reaches the image plane 5.
このように凹凸部のピッチpを回折限界([式2]の左辺の値)よりも大きく設定することで、回折光6,7が発生する。しかし、ピッチpを[式2]の右辺の値よりも小さく設定しているために、回折光6,7は像面5に到達しない大きな射出角(回折角)を持つので、回折光6,7の発生は問題とならない。 In this way, by setting the pitch p of the concave and convex portions to be larger than the diffraction limit (value on the left side of [Expression 2]), the diffracted lights 6 and 7 are generated. However, since the pitch p is set to be smaller than the value on the right side of [Expression 2], the diffracted lights 6 and 7 have a large exit angle (diffraction angle) that does not reach the image plane 5. The occurrence of 7 is not a problem.
一方、凹凸部のピッチpを回折限界よりも大きく設定することで、反射防止構造体3(光学素子2)を成形するための型の表面の凹部の寸法が拡大され、図5(a)に示す場合に比べて成形時における透光性媒質の充填性が向上する。したがって、同じ成形条件であっても反射防止構造体3における凸部3bの高さを設計値に近づける又は一致させることができる。これにより、反射防止構造体3の形成に要する時間が長くなることを回避しつつ、反射防止構造体3の良好な反射防止性能(低い反射率)を確保することができ、反射光によるゴースト等の不要光の発生を抑制することができる。 On the other hand, by setting the pitch p of the concavo-convex portion to be larger than the diffraction limit, the size of the concave portion on the surface of the mold for molding the antireflection structure 3 (optical element 2) is enlarged, and FIG. Compared with the case shown, the filling property of the translucent medium at the time of molding is improved. Therefore, even under the same molding conditions, the height of the convex portion 3b in the antireflection structure 3 can be brought close to or matched with the design value. Accordingly, it is possible to ensure a good antireflection performance (low reflectance) of the antireflection structure 3 while avoiding an increase in the time required for forming the antireflection structure 3, such as a ghost caused by reflected light, etc. Generation of unnecessary light can be suppressed.
図5(c)には、図5(b)に示した反射防止構造体3に対する比較例としての反射防止構造体3’を備えた光学素子2’を示している。この比較例では、凹凸部のピッチpを、 FIG. 5C shows an optical element 2 ′ having an antireflection structure 3 ′ as a comparative example with respect to the antireflection structure 3 shown in FIG. In this comparative example, the pitch p of the uneven portion is
…[式3]
に拡大している。これにより、型の凹部の寸法をさらに拡大することはできるが、ピッチpが大きくなることで回折光6’,7’の射出角(回折角)が小さくなり、回折光6’,7’が像面5に到達する。したがって、ゴーストやフレア等の不要光が問題になる。
... [Formula 3]
Has expanded to. As a result, the size of the concave portion of the mold can be further enlarged, but the emission angle (diffraction angle) of the diffracted light 6 ', 7' is reduced by increasing the pitch p, and the diffracted light 6 ', 7' is reduced. It reaches the image plane 5. Therefore, unnecessary light such as ghost and flare becomes a problem.
すなわち、図5(b)に示す反射防止構造体3は、[式2]の条件を満足する範囲でピッチpを回折限界よりも拡大したことを特徴とする。これにより、発生する回折光の悪影響を回避しつつ、反射防止構造体3の反射率を低減することができ、不要光の発生が問題とならない光学系を実現することができる。 That is, the antireflection structure 3 shown in FIG. 5B is characterized in that the pitch p is expanded beyond the diffraction limit within a range satisfying the condition of [Formula 2]. Thereby, while avoiding the adverse effect of the generated diffracted light, the reflectance of the antireflection structure 3 can be reduced, and an optical system in which generation of unnecessary light is not a problem can be realized.
図1には、本発明の実施例1である走査光学系の構成を示している。この走査光学系は、レーザ光によって像面5としての感光ドラム上に画像を形成するレーザービームプリンタ等の画像形成装置(光学機器)に用いられる。 FIG. 1 shows the configuration of a scanning optical system that is Embodiment 1 of the present invention. This scanning optical system is used in an image forming apparatus (optical apparatus) such as a laser beam printer that forms an image on a photosensitive drum as an image surface 5 with a laser beam.
同図において、11は光源であり、例えば、赤外域(近赤外域)に含まれる波長780nmの光を発する半導体レーザ光源である。すなわち、本実施例の走査光学系は、赤外域の光に対して使用される。 In the figure, reference numeral 11 denotes a light source, for example, a semiconductor laser light source that emits light having a wavelength of 780 nm included in an infrared region (near infrared region). That is, the scanning optical system of the present embodiment is used for light in the infrared region.
12はコリメーターレンズ、13は開口絞り、14はシリンドリカルレンズ、15は光偏向部材(例えば、ポリゴンミラー)である。光偏向部材15によって向きが変更されるレーザ光(入射光)1は、光学素子(レンズ)2a,2bの複数の光学面(レンズ面)を介して像面5に到達する。 12 is a collimator lens, 13 is an aperture stop, 14 is a cylindrical lens, and 15 is a light deflecting member (for example, a polygon mirror). Laser light (incident light) 1 whose direction is changed by the light deflecting member 15 reaches the image plane 5 via a plurality of optical surfaces (lens surfaces) of the optical elements (lenses) 2a and 2b.
光学素子2aは、透光性媒質であるシクロオレフィンポリマー(日本ゼオン製:ゼオネックス、波長780nmにおける屈折率は1.524)を用いた射出成形法により製作されている。該光学素子2aの射出面には、該光学素子2aと同一の材料であるシクロオレフィンポリマーによって形成された反射防止構造体3が設けられている。反射防止構造体3は、図5(b)に示す凹凸部がピッチpで複数形成されて構成されている。 The optical element 2a is manufactured by an injection molding method using a cycloolefin polymer (manufactured by ZEON Corporation: ZEONEX, refractive index at a wavelength of 780 nm is 1.524) which is a translucent medium. The exit surface of the optical element 2a is provided with an antireflection structure 3 formed of a cycloolefin polymer that is the same material as the optical element 2a. The antireflection structure 3 is configured by forming a plurality of concave and convex portions shown in FIG. 5B at a pitch p.
この走査光学系では、光学素子2aの射出面(反射防止構造体3が形成された光学面)への光線の最大入射角は4°であり、該射出面の任意の位置xから射出角58°以上で射出した光線は像面5には到達しない。そこで、位置xからの光線の射出角を58°以上とするために、[式2]に、
λmin=780nm
n1=1.524
θ1max(x)=4°
n2=1.000
θ2max(x)=58°
を代入して、凹凸部のピッチpを800nmと決定した。
In this scanning optical system, the maximum incident angle of a light beam on the exit surface of the optical element 2a (the optical surface on which the antireflection structure 3 is formed) is 4 °, and the exit angle 58 from an arbitrary position x on the exit surface. Rays emitted above the angle do not reach the image plane 5. Therefore, in order to set the emission angle of the light beam from the position x to 58 ° or more,
λ min = 780 nm
n 1 = 1.524
θ 1max (x) = 4 °
n 2 = 1.000
θ 2max (x) = 58 °
Was substituted, and the pitch p of the uneven portions was determined to be 800 nm.
光学素子2aを成形するための型(金型)の製法については特に限定されるものではないが、本実施例では、陽極酸化法を用いて製作した。 The method for producing the mold (mold) for molding the optical element 2a is not particularly limited, but in this example, it was produced by using an anodic oxidation method.
まず、射出成形に使用する通常の金型の面上にアルミニウム層を成膜する。その後、リン酸水溶液中で、直流電流を通電してアルミニウム層の表面に垂直な微細孔を形成し、続いて通電無しでリン酸水溶液中に浸漬することで微細孔の孔径を拡大した。得られた金型の表面を走査型電子顕微鏡により観察したところ、直径が約600nmの微細孔が平均ピッチ約800nmの三角配列で形成されていることが確認された。 First, an aluminum layer is formed on the surface of a normal mold used for injection molding. Thereafter, in the phosphoric acid aqueous solution, a direct current was passed to form micropores perpendicular to the surface of the aluminum layer, and the micropores were then enlarged by immersion in the phosphoric acid aqueous solution without being energized. When the surface of the obtained mold was observed with a scanning electron microscope, it was confirmed that fine holes having a diameter of about 600 nm were formed in a triangular arrangement having an average pitch of about 800 nm.
ここで、[式2]のピッチpを平均ピッチとするのは、この方法で製作した微細孔が完璧な周期構造ではなく、若干の分散を持っているためである。このようにピッチが完璧な周期構造ではない場合は、平均ピッチが[式2]の条件を満足するようにすればよい。 Here, the reason why the pitch p in [Equation 2] is the average pitch is that the fine holes manufactured by this method have a slight dispersion rather than a perfect periodic structure. Thus, when the pitch is not a perfect periodic structure, the average pitch may satisfy the condition of [Formula 2].
このように製作した金型にシクロオレフィンポリマーを注入する射出成形法によって光学素子2aを作製した。このときの成形条件は、金型の温度を125℃とし、シクロオレフィンポリマーの注入時の保圧を950Kg/cm2とした。これは、微細な凹凸形状を転写するための特別な成形法(例えば、ヒートサイクル成形法)を用いていない通常の成形法であるので、金型の加熱および冷却に要する時間を短くして、反射防止構造体3(光学素子2a)の成形に要する時間が長くなることを回避できる。 The optical element 2a was produced by an injection molding method in which a cycloolefin polymer was injected into the mold thus produced. The molding conditions at this time were such that the mold temperature was 125 ° C. and the holding pressure during the injection of the cycloolefin polymer was 950 kg / cm 2 . This is a normal molding method that does not use a special molding method (for example, a heat cycle molding method) for transferring fine uneven shapes, so that the time required for heating and cooling the mold is shortened. It can be avoided that the time required for molding the antireflection structure 3 (optical element 2a) becomes long.
以上のようにして製作された光学素子2aの射出面を走査型電子顕微鏡および原子間力顕微鏡(AFM)で観察および測定したところ、直径が約600nmで高さが約140nmの円柱状の突起(凸部)が平均ピッチ約800nmで複数形成されていた。また、光学素子2aの射出面(反射防止構造体3)の波長780nmにおける反射率は、0.2%以下の非常に低い値であった。 When the exit surface of the optical element 2a manufactured as described above was observed and measured with a scanning electron microscope and an atomic force microscope (AFM), a cylindrical protrusion having a diameter of about 600 nm and a height of about 140 nm ( A plurality of convex portions) were formed with an average pitch of about 800 nm. Moreover, the reflectance at a wavelength of 780 nm of the exit surface (antireflection structure 3) of the optical element 2a was a very low value of 0.2% or less.
なお、突起(凸部)の高さは、反射防止膜の膜厚に相当するものであり、波長780nmで使用する場合、80nmから250nmの範囲であることが好ましい。 The height of the protrusion (convex portion) corresponds to the film thickness of the antireflection film, and when used at a wavelength of 780 nm, the height is preferably in the range of 80 nm to 250 nm.
光学素子2aを組み込んだ走査光学系を、レーザービームプリンタに装着して評価したところ、ゴースト等の不要光(ノイズ)がほとんどない高品位な画像を得ることができた。 When the scanning optical system incorporating the optical element 2a was installed in a laser beam printer and evaluated, a high-quality image with almost no unnecessary light (noise) such as a ghost could be obtained.
図1に示すように、反射防止構造体3における凹凸部のピッチpが回折限界よりも大きいために回折光6が発生する。しかし、[式2]の条件を満足するようにピッチpを約800nmに設定したため、回折光6は光学素子2aの射出面で大きく向きが変えられ、像面5には到達しない。このため、回折光6が画像に悪影響を与えることはない。 As shown in FIG. 1, the diffracted light 6 is generated because the pitch p of the concave and convex portions in the antireflection structure 3 is larger than the diffraction limit. However, since the pitch p is set to about 800 nm so as to satisfy the condition of [Equation 2], the direction of the diffracted light 6 is largely changed on the exit surface of the optical element 2a and does not reach the image plane 5. For this reason, the diffracted light 6 does not adversely affect the image.
また、回折光6が発生したことにより、射出光4は、若干、光量(エネルギ)が減少するが、光源11の発光強度を上げたり感光ドラム5の感度を調整したりすることで対処することが可能である。 Further, although the amount of light (energy) of the emitted light 4 slightly decreases due to the generation of the diffracted light 6, this can be dealt with by increasing the light emission intensity of the light source 11 or adjusting the sensitivity of the photosensitive drum 5. Is possible.
以上説明したように、本実施例では、回折光が像面に到達しない範囲で反射防止構造体の凹凸部のピッチを回折限界より大きく設定した。これにより、反射防止構造体の形成に要する時間が長くなることを回避しつつ、良好な反射防止性能を有する反射防止構造体を備えた光学系を実現することができる。 As described above, in this example, the pitch of the concavo-convex portions of the antireflection structure is set to be larger than the diffraction limit within a range where the diffracted light does not reach the image plane. Accordingly, it is possible to realize an optical system including an antireflection structure having a good antireflection performance while avoiding an increase in the time required for forming the antireflection structure.
なお、本実施例では、走査光学系に含まれる複数の光学面のうち1つの光学面に反射防止構造体を設けた場合について説明したが、本発明の実施例としては、複数の光学面のうち少なくとも1つの光学面(つまりは2以上の光学面)に反射防止構造体を設けてもよい。
[比較例1]
実施例1との比較のために、[式1]の条件を満足するように凹部のピッチが300nmである金型を製作した。金型の製造方法は実施例1と同じであるが、陽極酸化において、直流電流を通電する際の電圧を低く設定することで、ピッチが約300nmで、直径が約230nmの微細孔が形成された金型を得た。
In this embodiment, the case where an antireflection structure is provided on one of the plurality of optical surfaces included in the scanning optical system has been described. However, as an embodiment of the present invention, a plurality of optical surfaces are provided. Of these, an antireflection structure may be provided on at least one optical surface (that is, two or more optical surfaces).
[Comparative Example 1]
For comparison with Example 1, a mold having a recess pitch of 300 nm was manufactured so as to satisfy the condition of [Formula 1]. The mold manufacturing method is the same as in Example 1, but in anodizing, by setting the voltage when applying a direct current to a low value, fine holes with a pitch of about 300 nm and a diameter of about 230 nm are formed. Got the mold.
このようにして得られた金型を用いて実施例1と同じ成形条件にて光学素子2aを成形し、その射出面を観察した。直径が約230nmで高さが約50nmの円柱状の突起(凸部)が、約300nmのピッチで形成されていた。この射出面の波長780nmにおける反射率は、3.3%であった。 Using the mold thus obtained, the optical element 2a was molded under the same molding conditions as in Example 1, and the emission surface thereof was observed. Cylindrical protrusions (convex portions) having a diameter of about 230 nm and a height of about 50 nm were formed at a pitch of about 300 nm. The reflectance of the exit surface at a wavelength of 780 nm was 3.3%.
光学素子2aを実施例1と同様に走査光学系内に配置し、該走査光学系をレーザービームプリンタに用いて評価したとき、強いゴーストによるノイズが発生し、良好な画像を得ることができなかった。 When the optical element 2a is arranged in the scanning optical system in the same manner as in Example 1 and the scanning optical system is evaluated using a laser beam printer, noise due to a strong ghost is generated and a good image cannot be obtained. It was.
図2は、波長400〜700nmの可視域の光に対して使用される撮影光学系の構成を示している。同図において、入射光1は、光学素子(レンズ)2c,2d,2e,2fの複数の光学面(レンズ面)を介して像面5に配置された固体撮像素子に到達する。固体撮像素子は、CCDセンサやCMOSセンサにより構成される。 FIG. 2 shows a configuration of a photographing optical system used for light in the visible range with a wavelength of 400 to 700 nm. In the figure, incident light 1 reaches a solid-state image sensor disposed on an image plane 5 through a plurality of optical surfaces (lens surfaces) of optical elements (lenses) 2c, 2d, 2e, and 2f. The solid-state image sensor is constituted by a CCD sensor or a CMOS sensor.
光学素子2cは、アクリル樹脂(波長450nmにおける屈折率は1.501)を用いた射出成形法により製作されたものであり、その射出面には微細凹凸形状により構成された反射防止構造体3が設けられている。 The optical element 2c is manufactured by an injection molding method using an acrylic resin (with a refractive index of 1.501 at a wavelength of 450 nm), and an antireflection structure 3 constituted by fine unevenness is formed on the emission surface. Is provided.
図2に示す撮影光学系は、光学素子2cの射出面(反射防止構造体3が形成された光学面)への光線の最大入射角は15°である。そして、該射出面における任意の位置xから射出角45°以上で射出された光は像面5に到達しない。 In the photographing optical system shown in FIG. 2, the maximum incident angle of the light beam on the exit surface of the optical element 2c (the optical surface on which the antireflection structure 3 is formed) is 15 °. Then, light emitted from an arbitrary position x on the exit surface at an exit angle of 45 ° or more does not reach the image plane 5.
そこで、本実施例では、光学素子2cの射出面の任意の位置xからの光線の射出角を45°以上とするために、[式2]に、
λmin=450nm
n1=1.501
θ1max(x)=15°
n2=1.000
θ2max(x)=45°
を代入して、凹凸部のピッチpを410nmと決定した。
Therefore, in this embodiment, in order to set the exit angle of the light beam from an arbitrary position x on the exit surface of the optical element 2c to 45 ° or more, [Expression 2]
λ min = 450 nm
n 1 = 1.501
θ 1max (x) = 15 °
n 2 = 1.000
θ 2max (x) = 45 °
Was substituted, and the pitch p of the uneven portion was determined to be 410 nm.
なお、使用される波長がある幅を持った領域(波長域)に広がっている場合は、使用波長のうち最も短い波長を用いて凹凸部のピッチpを決定すればよい。これは、長波長の光は短波長の光よりも大きな回折角で射出されるためである。 In addition, when the wavelength used spreads to the area | region (wavelength range) with a certain width | variety, what is necessary is just to determine the pitch p of an uneven | corrugated | grooved part using the shortest wavelength among used wavelengths. This is because long wavelength light is emitted with a larger diffraction angle than short wavelength light.
光学素子2cを成形するための型(金型)の製法については特に限定されるものではないが、本実施例では、実施例1と同様に陽極酸化法を用いて製作した。得られた金型の表面を走査型電子顕微鏡により観察したところ、直径が約300nmの微細孔が平均ピッチ約410nmの三角配列で形成されていることが確認された。 The method for producing the mold (mold) for molding the optical element 2c is not particularly limited, but in this example, it was produced by using the anodizing method in the same manner as in Example 1. When the surface of the obtained mold was observed with a scanning electron microscope, it was confirmed that fine holes with a diameter of about 300 nm were formed in a triangular arrangement with an average pitch of about 410 nm.
このように製作した金型にアクリル樹脂を注入する射出成形法によって光学素子2cを作製した。このときの成形条件は、金型の温度を95℃とし、アクリル樹脂の注入時の保圧を80MPaとした。これは、微細な凹凸形状を転写するための特別な成形法(例えば、ヒートサイクル成形法)を用いていない通常の成形法であるので、金型の加熱および冷却に要する時間を短くして、反射防止構造体3(光学素子2c)の成形に要する時間が長くなることを回避できる。 The optical element 2c was produced by an injection molding method in which acrylic resin was injected into the mold thus produced. The molding conditions at this time were such that the mold temperature was 95 ° C., and the holding pressure during the injection of the acrylic resin was 80 MPa. This is a normal molding method that does not use a special molding method (for example, a heat cycle molding method) for transferring fine uneven shapes, so that the time required for heating and cooling the mold is shortened. It can be avoided that the time required for molding the antireflection structure 3 (the optical element 2c) becomes long.
以上のようにして製作された光学素子2cの射出面を走査型電子顕微鏡および原子間力顕微鏡(AFM)で観察および測定したところ、直径が約300nmで高さが約100nmの円柱状の突起(凸部)が平均ピッチ約410nmで複数形成されていた。また、光学素子2cの射出面(反射防止構造体3)の波長400〜700nmの全域における反射率は、図3に示すように、1%以下の低い値であった。 When the exit surface of the optical element 2c manufactured as described above was observed and measured with a scanning electron microscope and an atomic force microscope (AFM), a cylindrical protrusion having a diameter of about 300 nm and a height of about 100 nm ( A plurality of convex portions) were formed with an average pitch of about 410 nm. Further, the reflectance in the entire wavelength range of 400 to 700 nm on the exit surface (antireflection structure 3) of the optical element 2c was a low value of 1% or less as shown in FIG.
なお、突起(凸部)の高さは、反射防止膜の膜厚に相当するものであり、可視域で使用する場合、60nmから200nmの範囲であることが好ましい。 Note that the height of the protrusion (convex portion) corresponds to the film thickness of the antireflection film and is preferably in the range of 60 nm to 200 nm when used in the visible range.
光学素子2cを組み込んだ撮影光学系を、デジタルカメラ等の撮像装置(光学機器)に装着して評価したところ、フレアやゴースト等の不要光(ノイズ)がほとんどない高品位な画像を得ることができた。 When a photographing optical system incorporating the optical element 2c is mounted on an imaging device (optical apparatus) such as a digital camera and evaluated, a high-quality image with almost no unnecessary light (noise) such as flare and ghost can be obtained. did it.
以上説明したように、本実施例では、回折光が像面に到達しない範囲で反射防止構造体の凹凸部のピッチを回折限界より大きく設定した。これにより、反射防止構造体の形成に要する時間が長くなることを回避しつつ、良好な反射防止性能を有する反射防止構造体を備えた光学系を実現することができる。 As described above, in this example, the pitch of the concavo-convex portions of the antireflection structure is set to be larger than the diffraction limit within a range where the diffracted light does not reach the image plane. Accordingly, it is possible to realize an optical system including an antireflection structure having a good antireflection performance while avoiding an increase in the time required for forming the antireflection structure.
なお、本実施例では、撮影光学系に含まれる複数の光学面のうち1つの光学面に反射防止構造体を設けた場合について説明したが、本発明の実施例としては、複数の光学面のうち少なくとも1つの光学面(つまりは2以上の光学面)に反射防止構造体を設けてもよい。 In the present embodiment, the case where an antireflection structure is provided on one optical surface among the plurality of optical surfaces included in the photographing optical system has been described. However, as an embodiment of the present invention, a plurality of optical surfaces are provided. Of these, an antireflection structure may be provided on at least one optical surface (that is, two or more optical surfaces).
また、本実施例では、光学素子2cがアクリル樹脂を用いた射出成形法により製作された場合について説明したが、本発明の実施例における反射防止構造体を備えた光学素子の製作方法はこれに限定されるものではない。例えば、低融点ガラスを用いたガラスモールド法によって光学素子を製作してもよい。 In the present embodiment, the case where the optical element 2c is manufactured by an injection molding method using an acrylic resin has been described. However, the manufacturing method of the optical element including the antireflection structure in the embodiment of the present invention is not limited thereto. It is not limited. For example, the optical element may be manufactured by a glass mold method using low-melting glass.
図6には、図2に示した撮影光学系を備えたデジタルスチルカメラ(撮像装置)を示している。図6において、20はカメラ本体、21は撮影光学系、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。 FIG. 6 shows a digital still camera (imaging device) including the photographing optical system shown in FIG. In FIG. 6, reference numeral 20 denotes a camera body, 21 denotes a photographing optical system, 22 denotes a built-in camera body 20, and a solid-state imaging device (photoelectric conversion) such as a CCD sensor or a CMOS sensor that receives a subject image formed by the photographing optical system 21. Element).
23は撮像素子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ファインダである。 Reference numeral 23 denotes a memory for recording information corresponding to the subject image photoelectrically converted by the image sensor 22, and reference numeral 24 denotes a finder configured by a liquid crystal display panel or the like for observing the subject image formed on the solid-state image sensor 22. .
このように、図2に示した撮影光学系を撮像装置に適用することにより、高い光学性能を有する撮像装置を実現することができる。 As described above, by applying the imaging optical system shown in FIG. 2 to the imaging apparatus, an imaging apparatus having high optical performance can be realized.
なお、ここでは撮像装置について説明したが、実施例の光学系は、撮像装置に限定されず、双眼鏡等の観察装置(光学機器)の観察光学系として用いてもよい。
[比較例2]
実施例2との比較のために、[式1]の条件を満足するように凹部のピッチが170nmである金型を製作した。金型の製造方法は実施例2と同じであるが、陽極酸化において、直流電流を通電する際の電圧を低く設定することで、ピッチが約170nmで、直径が約125nmの微細孔が形成された金型を得た。
Although the imaging apparatus has been described here, the optical system of the embodiment is not limited to the imaging apparatus, and may be used as an observation optical system for an observation apparatus (optical apparatus) such as binoculars.
[Comparative Example 2]
For comparison with Example 2, a mold having a recess pitch of 170 nm was manufactured so as to satisfy the condition of [Formula 1]. The manufacturing method of the mold is the same as that of the second embodiment. However, in anodization, by setting the voltage when direct current is applied low, fine holes with a pitch of about 170 nm and a diameter of about 125 nm are formed. Got the mold.
このようにして得られた金型を用いて実施例2と同じ成形条件にて光学素子2cを成形し、その射出面を観察した。直径が約125nmで高さが約40nmの円柱状の突起(凸部)が、約170nmのピッチで形成されていた。この射出面の可視域における反射率は、図4に示すように2.1〜3.2%と高かった。 The optical element 2c was molded under the same molding conditions as in Example 2 using the mold thus obtained, and the emission surface was observed. Cylindrical protrusions (convex portions) having a diameter of about 125 nm and a height of about 40 nm were formed at a pitch of about 170 nm. The reflectance in the visible region of the exit surface was as high as 2.1 to 3.2% as shown in FIG.
光学素子2cを実施例2と同様に撮影光学系内に配置し、該撮影光学系を撮像装置に用いて評価したとき、ゴースト光が発生し、良好な画像を得ることができなかった。 When the optical element 2c was arranged in the photographing optical system in the same manner as in Example 2 and evaluated using the photographing optical system in an image pickup apparatus, ghost light was generated and a good image could not be obtained.
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。 Each embodiment described above is only a representative example, and various modifications and changes can be made to each embodiment in carrying out the present invention.
良好な反射防止性能を持つ反射防止構造体を備えた光学系を実現することで、高品位な画像が得られる光学機器を提供できる。 By realizing an optical system including an antireflection structure having a good antireflection performance, an optical apparatus capable of obtaining a high-quality image can be provided.
2,2a,2c 光学素子
3 反射防止構造体
3a,3b 凹凸部
2, 2a, 2c Optical element 3 Antireflection structure 3a, 3b Uneven portion
Claims (10)
前記凹凸部の配列ピッチをp、前記光学面に入射する光の波長域のうち最も短い波長をλ min 、前記光学面よりも光入射側の媒質の屈折率をn 1 、前記光学面よりも光射出側の媒質の屈折率をn 2 、前記光学面における位置xに入射する光線の最大入射角をθ 1max (x)、前記光学面における位置xから射出して像面に到達する光線の最大射出角をθ 2max (x)、とするとき、
なる条件を満足することを特徴とする光学系。 Has an optical surface including an antireflection structure unevenness of several are arranged,
P is the arrangement pitch of the concave and convex portions, λ min is the shortest wavelength in the wavelength range of light incident on the optical surface, n 1 is the refractive index of the medium closer to the light incident side than the optical surface, and The refractive index of the medium on the light exit side is n 2 , the maximum incident angle of the light ray incident on the position x on the optical surface is θ 1max (x), and the light ray that has exited from the position x on the optical surface and reaches the image surface When the maximum emission angle is θ 2max (x),
An optical system, characterized by satisfying the following condition.
前記凹凸部の配列ピッチをp、前記光学面に入射する光の波長域のうち最も短い波長をλP is the arrangement pitch of the concave and convex portions, and λ is the shortest wavelength in the wavelength range of light incident on the optical surface minmin 、前記光学面よりも光入射側の媒質の屈折率をn, The refractive index of the medium on the light incident side of the optical surface is n 11 、前記光学面よりも光射出側の媒質の屈折率をn, The refractive index of the medium on the light exit side from the optical surface is n 22 、前記光学面における位置xに入射する光線の最大入射角をθ, The maximum incident angle of the light beam incident on the position x on the optical surface is θ 1max1max (x)、前記光学面における位置xから射出して像面に到達する光線の最大射出角をθ(X) The maximum exit angle of the light beam that exits from the position x on the optical surface and reaches the image plane is θ 2max2max (x)、とするとき、(X),
なる条件を満足し、Satisfying the conditions
前記波長λThe wavelength λ minmin の光線が何れの入射角で前記光学面に入射した場合にも回折光が発生することを特徴とする光学系。An optical system characterized in that diffracted light is generated when the light beam enters the optical surface at any incident angle.
なる条件を満足することを特徴とする請求項1または2に記載の光学系。The optical system according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
なる条件を満足することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の光学系。The optical system according to any one of claims 1 to 3, wherein the following condition is satisfied.
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