JP5777682B2 - 光学素子及びその製造方法、光学系、光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、反射抑制機能（反射防止機能）を有する光学素子に関する。

光学系に含まれるレンズ等の光学素子は、光学ガラスや光学プラスチック等の透過基材を用いて製作されている。このような透過基材は、屈折率が大きいため、反射率が高くなる。反射率が高いと、像面に到達する有効光量が少なくなってしまうとともに、不要な反射によってゴーストやフレアが生じる。このため、透過基材を用いた光学素子には、反射防止機能を付与することが必要となる。

光学素子に反射防止機能を付与するには、一般に、光学素子（透過基材）の表面に反射防止膜を形成する。反射防止膜は、一般的な光学干渉の理論に従って、透過基材の表面に薄膜層を積層することで形成される。

反射防止膜の形成方法としては、ドライ法（真空成膜法）やウエット法（湿式成膜法）等がある。ドライ法は、蒸着法やスパッタリング法のように、低屈折率の金属フッ化物や金属酸化物を透過基材の表面にコーティングする方法である。また、ウエット法は、ディッピング法やスピンコート法等によって透過基材の表面に低屈折率材料を含むコート液を塗布した後、乾燥や焼成等を行う方法である。

反射防止膜の膜厚は、光学素子（ここではレンズとする）の中心部、すなわち光線の入射角度が０度となる部分で反射防止効果が最大となるように設計されることが多い。このように設計された反射防止膜は、レンズ面全体において膜厚が均一となる。

ただし、このような反射防止膜が形成されたレンズの中心部に垂直に光線が入射し、かつレンズの周辺部にも該光線と平行に光線が入射すると、周辺部では光線の入射角度が大きくなる。このため、周辺部での反射防止性能が、中心部での反射防止性能に比べて低くなる。

特許文献１には、レンズ面内の任意の位置における入出射光線に対し、反射率が最も低くなる光学膜厚を有する反射防止膜が開示されている。一般的な光学干渉の理論では、反射防止膜の表面での反射光と、反射防止膜と透過基材との境界面での反射光との光路差が波長の１／２の奇数倍となり、これらの光が干渉により打ち消し合う。特許文献１では、この理論を利用している。この手法によれば、反射防止膜の膜厚を、中心部から周辺部に向かって厚くする必要がある。

ただし、一般的な光学干渉の理論に従って製作された反射防止膜は、膜厚に大きく依存し、実際の膜厚が設計膜厚からずれると有効な反射防止効果が得られない。このため、反射防止膜を形成するには、高精度の膜厚制御が必要となる。

また、光学素子に反射防止機能を付与する他の方法として、透過基材の表面に、入射する光の波長（以下、使用波長という）よりも細かい凹凸形状を有した構造体を形成する方法がある。

使用波長よりも細かい凹凸構造においては、入射光はその凹凸形状を認識できずに一様な媒質であるかのように振る舞う。このとき、凹凸構造は、凹凸形状を構成する材料の体積比に準じた屈折率を有し、通常の材料では得られないような低い屈折率を示す。このため、このような凹凸構造体を用いれば、低屈折率材料により形成される反射防止膜と比べてより高い反射防止性能が得られる。

上記のような凹凸構造を形成するには、使用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（特許文献２参照）や、微細加工装置によるパターン形成によって周期的な凹凸構造を形成する方法（特許文献３参照）がある。さらに、ゾル−ゲル法を用いた花弁状アルミナの凹凸組織を形成する方法（特許文献４参照）もある。

ただし、このような凹凸構造を形成するには、煩雑なプロセスを必要とする。さらに、凹凸構造を構成する材料が限定されるため、屈折率に関する設計自由度が低い。このため、凹凸構造体によって高い反射防止性能が得られるのは、限られた屈折率の透過基材に対してのみという問題がある。

特許文献５には、凹凸構造を構成する材料の屈折率と透過基材の屈折率との中間的な屈折率を持つ材料により形成される薄膜層（中間層）を、凹凸構造体と透過基材との間に配置する方法が開示されている。これによれば、凹凸構造体から透過基材までの屈折率が段階的に変化し、透過基材の界面での反射を減少させることができる。また、薄膜層を構成する材料を選択することにより、透過基材の選択の幅を広げることも可能である。

特開２００４−３３３９０８号公報 特許第３１３５９４４号公報 特開昭５０−７００４０号公報 特開平９−２０２６４９号公報 特開２００５−２７５３７２号公報

前述したスパッタ法や蒸着法といったドライ法は、蒸着源とレンズの中心部が対面するように設置して成膜を行う。このため、中心部では設計通りに反射防止性能が最大となるような反射防止膜を形成することができる。

しかしながら、曲率半径が小さいレンズ面にドライ法で成膜を行う場合、蒸着材料の入射角が周辺部になるほど大きくなり、膜厚が減少してしまう。一般に、入射角度０度での膜厚をＤとすると、入射角６０度での膜厚は、およそＤ×ｃｏｓ（６０°）となり、入射角度０度での膜厚の半分程度である。このため、ドライ法によって、光学干渉の理論に従って周辺部の膜厚を中心部よりも増加させることは困難である。マスクを設置する等の手法によって周辺部の膜厚を中心部よりも増加させることは可能であるが、大掛かりな設備が必要となる。

また、前述したディッピング法やスピンコート法といったウエット法は、膜厚制御性自体が低いため、高精度の膜厚制御を行うことが難しい。

一方、特許文献５にて開示された凹凸構造体と透過基材との間に薄膜層を配置した反射防止構造体は、干渉の理論に従った反射防止膜や凹凸構造体のみからなる反射防止構造体と比べて、広帯域での反射防止特性に優れている。しかしながら、曲率半径の小さいレンズ面の周辺部でのわずかな反射によってゴーストやフレアが生じる。このため、さらなる反射防止性能の向上が望まれている。

本発明は、曲率半径の小さい光学面の中心部のみならず周辺部においても良好な反射防止性能を有する光学素子及びその製造方法を提供する。また、本発明は、このような光学素子を用いた光学系、さらには該光学系を有する光学機器を提供する。

本発明の一側面としての光学素子は、光学面を有するベース部材と、使用波長域のうち最も短い波長よりも小さい平均ピッチを有する凹凸構造体と、前記光学面と前記凹凸構造体との間に形成され、前記凹凸構造体とは材質が異なり、前記ベース部材の屈折率と前記凹凸構造体を形成する材料の屈折率との間の屈折率を有する中間層と、を備える光学素子であって、前記光学面は回転対称軸を有する凹面形状であり、前記中間層と前記凹凸構造体の双方の厚さが、前記回転対称軸からの距離が大きくなるほど増加するように変化していることを特徴とする。

なお、上記光学素子を用いた光学系、さらには該光学系を用いた光学機器も本発明の他の側面を構成する。

本発明では、中間層と凹凸構造体の双方の厚さが回転対称軸からの距離が大きくなるほど（つまりは周辺部にいくほど）厚くなる構造を有する。このため、本発明によれば、中心部のみならず、光線の入射角度が大きくなる周辺部においても良好な反射防止性能を有する光学素子を実現できる。

本発明の実施例である光学素子の基本構成を示す断面図。 本発明の実施例１，２及び比較例１〜３の反射率特性を示す図。 本発明の実施例３，４及び比較例４の反射率特性を示す図。 本発明の実施例５である撮像光学系の構成を示す断面図。

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。

まず、具体的な実施例の説明に先立って、各実施例の光学素子に共通する特徴について説明する。図１には、光学素子の基本的な構成例を示す。なお、図１では、凹凸構造体及び中間層をデフォルメして示している。

実施例の光学素子は、光学面としての凹レンズ面を有する透過基材（ベース部材）としてのレンズ１１と、該光学面上に形成された中間層としての薄膜層１２と、該薄膜層１２上に形成された微細凹凸形状を有する凹凸構造体としての凹凸構造層１３とを有する。

薄膜層１２は、凹凸構造層１３とは異なる材質により形成され、レンズ面と凹凸構造層１３との間に配置されている。なお、薄膜層１２は、単層構造であってもよいし、互いに材質が異なる２以上の薄膜層を積層した多層構造としてもよい。つまり、レンズ面と凹凸構造層１３との間に少なくとも一層の薄膜層が形成されていればよい。薄膜層１２を単層構造にする場合、薄膜層１２は、凹凸構造層１３とは材質が異なり、レンズ１１の屈折率と凹凸構造層１３を形成する材料の屈折率の間の屈折率となる層となる。薄膜層１２を多層構造にする場合、中間層のうち少なくとも一層の薄膜層が、凹凸構造層１３とは材質が異なり、レンズ１１の屈折率と凹凸構造層１３を形成する材料の屈折率の間の屈折率を有する層であればよい。

また、実施例の光学素子は、レンズ面が回転対称軸を有する形状、すなわち回転対称形状を有する。

そして、実施例の光学素子では、薄膜層１２の膜厚、又は薄膜層１２と凹凸構造層１３の双方の膜厚が、回転対称軸からの距離が大きくなるほど増加するように変化している。

図１において、Ｄｃはレンズ１１の中心、つまりはレンズ１１の回転対称軸（以下、光軸という）の位置、さらに詳しくは光軸とレンズ面とが交わる位置（以下、光軸位置という）での薄膜層１２の厚さ（以下、膜厚という）を示す。なお、薄膜層１２が多層構造である場合には、Ｄｃは該多層構造における個々の薄膜層の膜厚を示す。

また、ｈは光軸位置から光軸に直交する方向（又はレンズ面に沿った方向）での距離を示す。Ｄ（ｈ）は、光軸位置から距離ｈの位置（以下、ｈ位置という）での薄膜層１２の膜厚を示す。

φ（ｈ）は、薄膜層１２におけるｈ位置に光軸に平行に入射した光線が、薄膜層１２の表面側（凹凸構造層１３側の外側）において、薄膜層１２の最表面におけるｈ位置での法線となす角度を示す。

さらに、θ（ｈ）は、薄膜層１２におけるｈ位置に光軸に平行に入射した光線が、該薄膜層１２内（中間層内）において、薄膜層１２最表面におけるｈ位置での法線となす角度である。

薄膜層１２の屈折率をｎとするとき、φ（ｈ）とθ（ｈ）は、スネルの式である、
ｓｉｎ（φ（ｈ））＝ｎ×sin（θ（ｈ））
を満足する。

前述したように曲率を有するレンズ１１の周辺部（以下、レンズ周辺部という）では、光線の入射角度が大きくなり、レンズ１１の中心部（以下、レンズ中心部という）に比べて反射防止性能が低下する。一般的な光学干渉の理論を満たすように反射防止膜の膜厚をレンズ面内の位置に応じて変化させれば良好な反射防止性能を得ることはできる。しかし、一般的な光学干渉の理論に従った反射防止膜の反射防止性能は膜厚に大きく依存するため、実際の膜厚が設計膜厚からわずかにずれただけで反射防止性能が低下する。

このため、実施例では、凹凸構造層１３とレンズ１１（レンズ面）との間に薄膜層１２を設けている。

凹凸構造層１３は、該光学素子に入射する光の波長域である使用波長域のうち最も小さな波長よりも十分に小さな平均ピッチを有する凹凸構造により構成されている。ここにいうピッチは、１つの凸部とこれに隣り合う１つの凹部とを１組の凹凸部とするとき、互いに隣り合う２組の凹凸部間の間隔である。

さらに、凹凸構造層１３の構造（形状）は、厚さ方向に変化している。具体的には、凸部の幅が光学素子に光が入射してくる側（光入射側）から薄膜層１２側（又はレンズ１１側）に向かって大きくなり、凹部の幅が光入射側から薄膜層１２側に向かって小さくなる。このため、凹凸構造層１３は、屈折率が厚さ方向に連続的に変化する構造体として扱うことができる。連続的な屈折率の変化により、構造体内では振幅の小さな反射光が無数に発生し、互いに干渉して打ち消しあう。薄膜層１２とレンズ１１との界面での反射光においても、構造体内で無数の干渉を起こして減衰するため、反射防止性能の膜厚精度に対する依存性が少ない。

したがって、実施例の光学素子は、従来の反射防止膜を有する光学素子と比較して、膜厚に対して鈍感となり、光線入射角度の大きいレンズ周辺部において膜厚精度にある程度の余裕度（許容度）を有する。

以上の構成により、曲率半径の小さいレンズ中心部のみならず、レンズ周辺部においても良好な反射防止性能を実現でき、しかも量産性に優れた光学素子を得ることができる。

実施例の光学素子は、
０．３≦ｎ×sin（θ（ｈ））＜１ …（１）
を満足するθ（ｈ）に対して、
Ｄｃ＜Ｄ（ｈ）＜Ｄｃ／cos（θ（ｈ）） …（２）
なる条件を満足することが好ましい。

さらに望ましくは、条件（２）に代えて、以下の条件を満足することが好ましい。

（Ｄｃ／２）×（１／cos（θ（ｈ））＋１）＜Ｄ（ｈ）＜Ｄｃ／cos（θ（ｈ））…（３）
また、実施例の光学素子は、以下の条件を満足するとより好ましい。

λ／（８×ｎ）≦Ｄｃ≦（2×λ）／ｎ …（４）
ただし、λは使用波長域のうち最も短い波長である。

また、実施例の光学素子を、結像光学系又は観察光学系等の光学系に用いた場合において、光学素子は、
０．３≦ｎ×sin（ψ（ｈ））＜１ …（５）
を満足するψ（ｈ）に対して、
Ｄｃ＜Ｄ（ｈ）＜Ｄｃ／cos（ψ（ｈ）） …（６）
なる条件を満足することが好ましい。

ただし、ψ（ｈ）は、光学系において、薄膜層１２におけるｈ位置を通過する全光線の入射角の平均値の入射角を有する光線が、薄膜層１２内（中間層内）において、該薄膜層１２の最表面におけるｈ位置での法線となす角度である。

光学系に用いた際に、光軸からの距離ｈの地点を通過する全光線の平均値の入射角をもった光線が、薄膜層内で、薄膜層の最表面の法線となす角である。

さらに望ましくは、条件（６）に代えて、以下の条件を満足することが好ましい。

（Ｄｃ／２）×（１／cos（ψ（ｈ））＋１）＜Ｄ（ｈ）＜Ｄｃ／cos（ψ（ｈ））…（７）
また、実施例の光学素子を、結像光学系又は観察光学系等の光学系であって絞りを有する光学系に用いた場合において、光学素子は、
０．３≦ｎ×sin（ζ（ｈ））＜１ …（８）
を満足するζ（ｈ）に対して、
Ｄｃ＜Ｄ（ｈ）＜Ｄｃ／cos（ζ（ｈ）） …（９）
なる条件を満足することが好ましい。

ただし、ζ（ｈ）は、光学系において、薄膜層１２におけるｈ位置と絞りの中心とを通過する光線が、薄膜層１２内（中間層内）において、該薄膜層１２の最表面におけるｈ位置での法線となす角度である。

さらに望ましくは、条件（９）に代えて、以下の条件を満足することが好ましい。

（Ｄｃ／２）×（１／cos（ζ（ｈ））＋１）＜Ｄ（ｈ）＜Ｄｃ／cos（ζ（ｈ））…（１０）
上述した条件（２），（３），（６），（７），（９）及び（１０）のうち少なくとも１つを満足することで、前述したように、レンズ周辺部においても良好な反射防止性能を実現でき、かつ量産性に優れた光学素子をより確実に得ることができる。

なお、実施例における薄膜層１２の形成方法は、特に限定されない。例えば、スパッタリング法や蒸着法といったドライ法（真空成膜法）により形成してもよいし、ゾル−ゲルコート液を使ったディッピング法やスピンコート法といったウエット法（湿式成膜法）により形成してもよい。

これらの手法により、レンズ１１のレンズ面上に薄膜層１２を形成した後、該薄膜層１２の表面上に凹凸構造層１３を形成する。凹凸構造層１３の形成方法も特に限定されず、使用波長以下の粒径を有する微粒子を分散した膜を塗布する方法や、ゾル−ゲル法を用いた花弁状アルミナの凹凸組織を形成する方法等により凹凸構造層１３を形成することができる。

また、薄膜層１２を形成するため材料（材質）は、凹凸構造層１３の材質と異なれば、特に限定されない。ただし、ジルコニア、シリカ、チタニア及び酸化亜鉛のうち少なくとも１つを含むことが好ましい。凹凸構造層１３は、アルミナを主成分とすることが好ましい。

以下、一例として、スピンコート法を用いて薄膜層１２及び凹凸構造層１３を形成する方法について説明する。

まず、レンズ１１のレンズ面上に薄膜層１２を形成するには、ＳｉＯ_２ゾル液とＴｉＯ_２ゾル液を混ぜ合わせて攪拌する。これを、ＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２塗工液として、スピンコート法によりレンズ面上に塗布する。該塗布後、数百度で加熱及び乾燥を行い、透明なアモルファスＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２膜を得る。このとき、薄膜層１２の屈折率は、ＳｉＯ_２ゾル液とＴｉＯ_２ゾル液とを混ぜ合わせる際のモル比により決定される。また、薄膜層１２の膜厚は、スピンコート法におけるレンズ１１の回転速度や塗布液の粘度により制御される。

次に、薄膜層１２の表面に、アルミナを含むゾル−ゲルコート液を塗布してゲル膜を形成する。そして、ゲル膜を温水に浸漬することにより、アルミナを主成分とする板状結晶を析出させ、該析出した結晶が凸部となる凹凸構造を形成する。

ゲル膜を温水に浸漬することで、アルミナを含むゾル−ゲルコート液の塗布により形成されたゲル膜の表層の一部が解膠作用等を受け、そこからゲル膜の成分が溶出する。各種水酸化物の温水への溶解度の違いにより、アルミナを主成分とする板状結晶がゲル膜の表層に析出し、成長することで、凹凸構造が形成される。温水の温度は、４０〜１００℃とすることが好ましい。また、温水処理時間としては、５分程度〜２４時間程度とすることが好ましい。

なお、実施例において、透過基材としてのレンズ１１は、光学ガラスや光学プラスチックにより形成される。透明基材は、光学面を有し、最終的に使用目的に応じた形状を持たせることができるものであれば、平板、フィルム、シート等のレンズ形状以外のものであってもよい。

以下に、具体的な実施例を示す。各実施例での使用波長域は４００〜７００ｎｍであり、使用中心波長は５５０ｎｍである。ただし、これらは例に過ぎず、本発明の実施例はこれらの条件に限定されるものではない。

本発明の実施例１では、単層構造を有する薄膜層１２の膜厚が、光軸位置から周辺部の外縁に向かって次第に増加するように変化し、凹凸構造層１３の厚さがレンズ面内で均一である場合を示す。

実施例１では、外径が５１ｍｍのメニスカスレンズ（屈折率２．０）を透過基材とした。このレンズの凹面（直径３８ｍｍ、曲率半径２０．３ｍｍ）にＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２塗布液をスピンコート法により塗布した後、加熱及び乾燥を行い、薄膜層１２を形成した。次に、アルミナを含むゾル−ゲルコート液を塗布してゲル膜を形成し、これを温水に浸漬することにより、アルミナを主成分とする板状結晶を析出させ、凹凸構造層１３を形成した。

各層の膜厚及び屈折率は、エリプソメーターを用いて測定した。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

凹凸構造層１３の厚さは、レンズ面内での位置によらず１６０ｎｍであった。また、凹凸構造層１３の屈折率は、薄膜層１２側から光入射（空気）側に向かって、１．３から１．０まで連続的に減少した。薄膜層１２の屈折率ｎは、１．６４であり、その膜厚は光軸位置から周辺部の外縁に向かって滑らかに増加した。

表１には、実施例１における光軸位置からの距離ｈと、ｈ位置でのφ（ｈ）と、薄膜層１２の膜厚Ｄ（ｈ）と、条件（２）中のＤｃ／cos（θ（ｈ））と、凹凸構造層１３の厚さＤｓ（ｈ）と、４００〜７００ｎｍの波長範囲における平均反射率Ｒ_ａ（ｈ）を示す。

表１に示すように、実施例１における薄膜層１２の膜厚は、条件（２）を満足する。

また、図２には、距離ｈ＝１０．２ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長域における反射率特性を示す。実施例１の反射率特性は、４００〜７００ｎｍの波長域で０．６％以下と、非常に良い結果を示した。

さらに、表１に示すように、距離ｈ＝１０．２ｍｍ及び１７．６ｍｍにおける４００〜７００ｎｍの波長域での平均反射率は、Ｒａ（１０．２）＝０．１２％、 Ｒａ（１７．６）＝２．０８％と非常に良い結果を示した。

本発明の実施例２として、単層構造を有する薄膜層１２の膜厚と凹凸構造層１３の厚さの双方が、光軸位置から周辺部に向かって次第に増加するように変化する場合を示す。

実施例２では、実施例１と同様の方法で、メニスカスレンズ上に薄膜層１２を形成し、該薄膜層１２上に凹凸構造層１３を形成した。

凹凸構造層１３の厚さは、光軸位置から周辺部の外縁に向かって滑らかに増加した。また、凹凸構造層１３の屈折率は、薄膜層１２側から光入射側に向かって、１．３から１．０まで連続的に減少した。薄膜層１２の屈折率ｎは、１．６４であり、その膜厚は光軸位置から周辺部の外縁に向かって滑らかに増加した。

表１には、実施例２におけるｈと、φ（ｈ）と、Ｄ（ｈ）と、Ｄｃ／cos（θ（ｈ））と、Ｄｓ（ｈ）と、平均反射率Ｒ_ａ（ｈ）とを示す。

表１に示すように、実施例２における薄膜層１２の膜厚は、条件（２）を満足する。

また、図２に示すように、距離ｈ＝１０．２ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長域での反射率特性は０．６％以下と、非常に良い結果を示した。

また、表１に示すように、距離ｈ＝１０．２ｍｍ及び１７．６ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長域での平均反射率は、Ｒａ（１０．２）＝０．１１％、Ｒａ（１７．６）＝１．１８％と非常に良い結果を示した。

本発明の実施例３では、多層（２層）構造を有する薄膜層１２の膜厚が、光軸位置から周辺部の外縁に向かって次第に増加するように変化し、凹凸構造層１３の厚さがレンズ面内で均一である場合を示す。

実施例３では、実施例１と同様の方法で、メニスカスレンズ上に薄膜層１２を形成し、該薄膜層１２上に凹凸構造層１３を形成した。

凹凸構造層１３の厚さは、レンズ面内での位置によらず１９５ｎｍであった。また、凹凸構造層１３の屈折率は、薄膜層１２側から光入射側に向かって、１．３６から１．０まで連続的に減少した。２層構造の薄膜層１２のうち凹凸構造層１３に近い側の薄膜層の屈折率ｎ_１は１．６４であり、レンズ面に近い側の薄膜層の屈折率ｎ_２は１．７４であった。このように、薄膜層を複数の層にする場合、フレネル反射を抑えるために、屈折率がレンズ側から凹凸構造層側に向かって屈折率がより小さくなる層を形成することが好ましい。また、これら２層の薄膜層の膜厚は、光軸位置から周辺部の外縁に向かって滑らかに増加した。

表２には、実施例３におけるｈと、φ（ｈ）と、２層構造の薄膜層１２のうち凹凸構造層１３に近い側の薄膜層の膜厚Ｄ_１（ｈ）及び条件（２）中のＤｃ_１／cos（θ（ｈ））とを示す。また、同表には、２層構造の薄膜層１２のうちレンズ面に近い側の薄膜層の膜厚Ｄ_２（ｈ）及び条件（２）中のＤｃ_２／cos（θ（ｈ））と、Ｄｓ（ｈ）と、平均反射率Ｒａ（ｈ）とを示す。

表２に示すように、実施例３における各薄膜層の膜厚は、条件（２）を満足する。

また、図３には、距離ｈ＝１０．２ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長域における反射率特性を示す。実施例３の反射率特性は、４００〜７００ｎｍの波長域で０．５％以下と、非常に良い結果を示した。

さらに、表２に示すように、距離ｈ＝１０．２ｍｍ及び１７．６ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長域での平均反射率は、Ｒａ（１０．２）＝０．１８％、Ｒａ（１７．６）＝１．９８％と非常に良い結果を示した。

本発明の実施例３では、多層（２層）構造を有する薄膜層１２の膜厚と凹凸構造層１３の厚さの双方が、光軸位置から周辺部の外縁に向かって次第に増加するように変化する場合を示す。

実施例４では、実施例１と同様の方法で、メニスカスレンズ上に薄膜層１２を形成し、該薄膜層１２上に凹凸構造層１３を形成した。

凹凸構造層１３の厚さは、光軸位置から周辺部の外縁に向かって滑らかに増加した。また、凹凸構造層１３の屈折率は、薄膜層１２側から光入射側に、１．３６から１．０まで連続的に減少した。２層構造の薄膜層１２のうち凹凸構造層１３に近い側の薄膜層の屈折率ｎ_１は１．６４であり、レンズ面に近い側の薄膜層の屈折率ｎ_２は１．７４であった。これら２層の薄膜層の膜厚は、光軸位置から周辺部の外縁に向かって滑らかに増加した。

表２には、実施例４におけるｈと、φ（ｈ）と、２層構造の薄膜層１２のうち凹凸構造層１３に近い側の薄膜層の膜厚Ｄ_１（ｈ）及び条件（２）中のＤｃ_１／cos（θ（ｈ））とを示す。また、同表には、２層構造の薄膜層１２のうちレンズ面に近い側の薄膜層の膜厚Ｄ_２（ｈ）及び条件（２）中のＤｃ_２／cos（θ（ｈ））と、Ｄｓ（ｈ）と、平均反射率Ｒａ（ｈ）とを示す。

表２に示すように、実施例４における各薄膜層の膜厚は、条件（２）を満足する。

また、図３に示すように、距離ｈ＝１０．２ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長域での反射率特性は０．５％以下と、非常に良い結果を示した。

さらに、表２に示すように、距離ｈ＝１０．２ｍｍ及び１７．６ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長域での平均反射率は、Ｒａ（１０．２）＝０．１７％、Ｒａ（１７．６）＝１．１８％と非常に良い結果を示した。

以下に、実施例１〜４に対する比較例１〜４を示す。
［比較例１］
比較例１では、実施例１及び２との比較を行うため、単層構造を有する薄膜層の膜厚と凹凸構造層の厚さの双方がレンズ面内で均一である場合を示す。

比較例１では、実施例１と同様の方法で、メニスカスレンズ上に薄膜層を形成し、該薄膜層上に凹凸構造層を形成した。

凹凸構造層の厚さは、レンズ面内での位置によらず１６０ｎｍであった。また、凹凸構造層の屈折率は、薄膜層側から光入射側に向かって、１．３から１．０まで連続的に減少した。薄膜層の屈折率ｎは、１．６４であり、その膜厚は光軸位置から周辺部の外縁にかけて６５ｎｍと一定とした。

表１には、比較例１におけるｈと、φ（ｈ）と、Ｄ（ｈ）と、Ｄｃ／cos（θ（ｈ））と、Ｄｓ（ｈ）と、平均反射率Ｒａ（ｈ）とを示す。

表１に示すように、比較例１における薄膜層の膜厚は、条件（２）を満足していない。

また、図２には、距離ｈ＝１０．２ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長域での反射率特性を示す。比較例１は、５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長域で、実施例１及び２よりも高い反射率を示した。

さらに、表１に示すように、距離ｈ＝１０．２ｍｍ及び１７．６ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長範囲での平均反射率は、Ｒａ（１０．２）＝０．１６％、Ｒａ（１７．６）＝２．１３％であった。

以上のことから分かるように、比較例１の反射防止効果は、実施例１，２と比較して低い。
［比較例２］
比較例２では、実施例１及び２との比較を行うため、単層構造を有する薄膜層の膜厚が光軸位置から周辺部の外縁に向かって極端に増加するように変化し、凹凸構造層の厚さがレンズ面内で均一である場合を示す。

比較例２では、実施例１と同様の方法で、メニスカスレンズ上に薄膜層を形成し、該薄膜層上に凹凸構造層を形成した。

凹凸構造層の厚さは、レンズ面内での位置によらず１６０ｎｍであった。また、凹凸構造層の屈折率は、実施例１，２と同様に、薄膜層側から光入射側に向かって、１．３から１．０まで連続的に減少した。薄膜層の屈折率ｎは、１．６４であり、その膜厚は光軸位置から周辺部の外縁にかけて極端に増加した。

表１には、比較例２におけるｈと、φ（ｈ）と、Ｄ（ｈ）と、Ｄｃ／cos（θ（ｈ））と、Ｄｓ（ｈ）と、平均反射率Ｒａ（ｈ）とを示す。

表１に示すように、比較例２における薄膜層の膜厚は、条件（２）を満足していない。

また、図２には、距離ｈ＝１０．２ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長域での反射率特性を示す。比較例２は、４００ｎｍ〜６７０ｎｍの波長域で、実施例１及び２よりも高い反射率を示した。

さらに、表１に示すように、距離ｈ＝１０．２ｍｍ及び１７．６ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長範囲での平均反射率は、Ｒａ（１０．２）＝０．８５％、Ｒａ（１７．６）＝４．９６％であった。

以上のことから分かるように、比較例１の反射防止効果は、実施例１，２と比較して低い。
［比較例３］
比較例３では、実施例１及び２との比較を行うため、単層構成である薄膜層を真空蒸着法で形成した後、スピンコート法で凹凸構造層を形成した場合を示す。薄膜層の膜厚は、光軸位置から周辺部の外縁に向かって減少するように変化し、凹凸構造層の厚さはレンズ面内で均一とした。

比較例３では、実施例１と同形状のメニスカスレンズ上に、薄膜層として、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）層（屈折率１．６４）を真空蒸着法にて形成した。次に、該アルミナ薄膜層上に、ゾル−ゲルコート液を用いたスピンコート法により凹凸構造層を形成した。

凹凸構造層の厚さは、レンズ面内での位置によらず１６０ｎｍであった。また、凹凸構造層の屈折率は、実施例１，２と同様に、薄膜層側から光入射側に向かって、１．３から１．０まで連続的に減少した。薄膜層の膜厚は、光軸位置において６５ｎｍで、光軸位置から周辺部の外縁に向かって滑らかに減少した。

表１には、比較例３におけるｈと、φ（ｈ）と、Ｄ（ｈ）と、Ｄｃ／cos（θ（ｈ））と、Ｄｓ（ｈ）と、平均反射率Ｒａ（ｈ）とを示す。

表１に示すように、比較例３における薄膜層の膜厚は、条件（２）を満足していない。

また、図２には、距離ｈ＝１０．２ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長域での反射率特性を示す。比較例３は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長域で、実施例１及び２の２倍程度の高い反射率を示した。

さらに、表１に示すように、距離ｈ＝１０．２ｍｍ及び１７．６ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長範囲での平均反射率は、Ｒａ（１０．２）＝０．４１％、Ｒａ（１７．６）＝４．１７％であった。

以上のことから分かるように、比較例１の反射防止効果は、実施例１，２と比較して低い。
［比較例４］
比較例４では、実施例３及び４との比較を行うため、２層構造を有する薄膜層を真空蒸着法で形成した後、スピンコート法で凹凸構造層を形成した場合を示す。薄膜層の膜厚は、光軸位置から周辺部の外縁に向かって減少するように変化し、凹凸構造層の厚さはレンズ面内で均一とした。

比較例４では、実施例１と同形状のメニスカスレンズ上に、酸化マグネシウム（屈折率１．７４）の薄膜層と、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）（屈折率１．６４）の薄膜層の２層を真空蒸着法にて形成した。次に、アルミナ薄膜層上に、ゾル−ゲルコート液を用いたスピンコート法により凹凸構造層を形成した。

凹凸構造層の厚さは、レンズ面内での位置によらず１９５ｎｍであった。また、凹凸構造層の屈折率は、実施例３，４と同様に、薄膜層側から光入射側に向かって、１．３６から１．０まで連続的に減少した。酸化マグネシウム薄膜層の膜厚は光軸位置において７９ｎｍとし、アルミナ薄膜層の膜厚は光軸位置において４３ｎｍとした。これらの薄膜層の膜厚は、光軸位置から周辺部の外縁に向かって滑らかに減少した。

表２には、比較例４におけるｈと、φ（ｈ）と、２層構造の薄膜層のうち凹凸構造層に近い側の酸化マグネシウム薄膜層の膜厚Ｄ_１（ｈ）及びＤｃ_１／cos（θ（ｈ））とを示す。また、同表には、２層構造の薄膜層のうちレンズ面に近い側のアルミナ薄膜層の膜厚Ｄ_２（ｈ）及びＤｃ_２／cos（θ（ｈ））と、Ｄｓ（ｈ）と、平均反射率Ｒａ（ｈ）とを示す。

表２に示すように、比較例４における薄膜層の膜厚は、条件（２）を満足していない。

また、図３には、距離ｈ＝１０．２ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長域での反射率特性を示す。比較例４は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長域で、実施例３及び４の２倍以上も高い反射率を示した。

さらに、表２に示すように、距離ｈ＝１０．２ｍｍ及び１７．６ｍｍの位置における４００〜７００ｎｍの波長範囲での平均反射率は、Ｒａ（１０．２）＝０．５９％、Ｒａ（１７．６）＝１．９６％であった。

以上のことから分かるように、比較例１の反射防止効果は、実施例３，４と比較して低い。

具体的な比較例としては示さないが、２層構造の薄膜層と凹凸構造層とを有する反射防止構造でも、薄膜層の膜厚がレンズ面内で均一である場合と薄膜層の膜厚が光軸位置から周辺部の外縁に向かって極端に増加する場合は、反射防止効果が低いことが分かった。

以上説明したように、実施例１〜４によれば、曲率半径の小さいレンズ中心部のみならずレンズ周辺部においても高い反射防止性能を有し、量産性に優れた光学素子を実現することができる。

図４には、実施例１〜４に示した光学素子を用いた撮像光学系（結像光学系）を示している。この撮像光学系は、デジタルカメラ、ビデオカメラ及び交換レンズ等の光学機器に用いられる。

図４において、４３は撮像面であり、ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）が配置される。４２は絞りである。

４４は光学素子としてのレンズであり、その入射面及び射出面のうち少なくとも一方に、実施例１〜４に示した薄膜層１２と凹凸構造層１３とにより構成される反射防止構造４１（図中に多数のドットで示す）を有する。

本実施例の撮像光学系の使用波長領域は可視域であり、使用波長域における最も短い波長を４００ｎｍとしている。

本実施例におけるψ（ｈ）は、光軸位置からの距離ｈの位置を通過する全光線の入射角の平均値の入射角を持った光線が、薄膜層の最表面の法線となす角とするのが好ましい。

また、本実施例の光学系におけるζ（ｈ）は、光軸位置からの距離ｈの位置と絞り４２の中心を通過する光線が、薄膜層内において、該薄膜層の最表面の法線となす角とするのが好ましい。

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。

曲率半径の小さい光学面の中心部のみならず周辺部においても良好な反射防止性能を有する光学素子を提供できる。

１１ 透過基材（レンズ）
１２ 薄膜層
１３ 凹凸構造層
４１ 反射防止構造
４２ 絞り
４３ 撮像面
４４ レンズ

Claims (15)

1. 光学面を有するベース部材と、
   使用波長域のうち最も短い波長よりも小さい平均ピッチを有する凹凸構造体と、
   前記光学面と前記凹凸構造体との間に形成され、前記凹凸構造体とは材質が異なり、前記ベース部材の屈折率と前記凹凸構造体を形成する材料の屈折率との間の屈折率を有する中間層と、を備える光学素子であって、
   前記光学面は回転対称軸を有する凹面形状であり、
   前記中間層と前記凹凸構造体との双方の厚さが、前記回転対称軸からの距離が大きくなるほど増加するように変化していることを特徴とする光学素子。
2. 前記凹凸構造体は、厚さ方向に構造が変化していることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記回転対称軸の位置での前記中間層の厚さをＤｃ、前記中間層の屈折率をｎ、前記使用波長域のうち最も短い波長をλ、とするとき、
   λ／（８×ｎ）≦Ｄｃ≦（２×λ）／ｎ
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記回転対称軸の位置での前記中間層の厚さをＤｃ、前記中間層の屈折率をｎ、前記回転対称軸からの距離がｈであるｈ位置での前記中間層の厚さをＤ（ｈ）、前記回転対称軸に平行な方向から前記中間層における前記ｈ位置に入射した光線と、前記中間層の最表面における前記ｈ位置での法線と、が前記中間層内においてなす角度をθ（ｈ）、とするとき、
   ０．３≦ｎ×sin（θ（ｈ））＜１
   Ｄｃ＜Ｄ（ｈ）＜Ｄｃ／cos（θ（ｈ））
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記ベース部材は、メニスカスレンズであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
6. 前記ベース部材は、前記光学面が像面を向くように配置された負メニスカスレンズであることを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子を有することを特徴とする光学系。
8. 前記回転対称軸の位置での前記中間層の厚さをＤｃ、前記中間層の屈折率をｎ、前記回転対称軸からの距離がｈであるｈ位置での前記中間層の厚さをＤ（ｈ）、前記中間層における前記ｈ位置を通過する全光線の入射角の平均値の入射角を有する光線と、前記中間層の最表面における前記ｈ位置での法線と、が前記中間層内においてなす角度をψ（ｈ）、とするとき、
   ０．３≦ｎ×sin（ψ（ｈ））＜１
   Ｄｃ＜Ｄ（ｈ）＜Ｄｃ／cos（ψ（ｈ））
   なる条件を満足することを特徴とする請求項７に記載の光学系。
9. 絞りをさらに有し、
   前記回転対称軸の位置での前記中間層の厚さをＤｃ、前記中間層の屈折率をｎ、前記回転対称軸からの距離がｈであるｈ位置での前記中間層の厚さをＤ（ｈ）、前記中間層における前記ｈ位置と前記絞りの中心とを通過する光線と、前記中間層の最表面における前記ｈ位置での法線と、が前記中間層内においてなす角度をζ（ｈ）、とするとき、
   ０．３≦ｎ×sin（ζ（ｈ））＜１
   Ｄｃ＜Ｄ（ｈ）＜Ｄｃ／cos（ζ（ｈ））
   なる条件を満足することを特徴とする請求項７に記載の光学系。
10. 請求項７乃至９のいずれか１項に記載の光学系を有することを特徴とする光学機器。
11. ベース部材が有する光学面の上に塗工液をスピンコート法により塗布する工程と、
    前記塗工液を加熱及び乾燥させて中間層を形成する工程と、
    前記中間層の上にアルミナを含むゾル−ゲルコート液を塗布して温水に浸漬することにより凹凸構造体を形成する工程と、を有し、
    前記凹凸構造体は、使用波長域のうち最も短い波長よりも小さい平均ピッチを有し、
    前記中間層は、前記凹凸構造体とは異なる材質から成り、かつ前記ベース部材の屈折率と前記凹凸構造体を形成する材料の屈折率との間の屈折率を有し、
    前記光学面は回転対称軸を有する凹面形状であり、
    前記中間層と前記凹凸構造体との双方の厚さが、前記回転対称軸からの距離が大きくなるほど増加するように変化していることを特徴とする光学素子の製造方法。
12. 前記回転対称軸の位置での前記中間層の厚さをＤｃ、前記中間層の屈折率をｎ、前記使用波長域のうち最も短い波長をλ、とするとき、
    λ／（８×ｎ）≦Ｄｃ≦（２×λ）／ｎ
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１１に記載の光学素子の製造方法。
13. 前記回転対称軸の位置での前記中間層の厚さをＤｃ、前記中間層の屈折率をｎ、前記回転対称軸からの距離がｈであるｈ位置での前記中間層の厚さをＤ（ｈ）、前記回転対称軸に平行な方向から前記中間層における前記ｈ位置に入射した光線と、前記中間層の最表面における前記ｈ位置での法線と、が前記中間層内においてなす角度をθ（ｈ）、とするとき、
    ０．３≦ｎ×sin（θ（ｈ））＜１
    Ｄｃ＜Ｄ（ｈ）＜Ｄｃ／cos（θ（ｈ））
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の光学素子の製造方法。
14. 前記ベース部材は、メニスカスレンズであることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
15. 前記ベース部材は、前記光学面が像面を向くように配置された負メニスカスレンズであることを特徴とする請求項１４に記載の光学素子の製造方法。