JP5854628B2 - 光学系、およびそれを用いた光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、光学系、およびそれを用いた光学機器に関する。

従来、カメラなどの撮像装置に用いられるレンズやプリズムなどの光学素子は、その光学面に、入射光の光量損失、または反射光に起因するフレアやゴーストなどの不要光の発生を防ぐための反射防止膜を付設している。例えばカメラ用のレンズでは、反射防止膜として、一般にマルチコートと呼ばれる誘電体薄膜を積層した多層膜が採用されている。この多層膜は、屈折率の異なる薄膜をそれぞれ適切な厚さで積層することで、各膜の表面（界面）で発生する反射波の位相と振幅とを調整し、それらを干渉させることで反射光を低減するものである。しかしながら、この多層膜では、設計段階にて用いた波長および入射角の光線によれば高い反射防止性能が得られるが、広い波長帯域や広い入射角に渡って高い反射防止性能を維持することが難しい。そこで、このような広い波長帯域または入射角においても高い反射防止性能を維持するためのサブ波長構造による反射防止膜が知られている。例えば、特許文献１は、光学素子の少なくとも１つ以上の光学面に、可視光波長よりも短い周期の微細凹凸構造（微細凹凸周期構造）を備える光学系を開示している。

特開２００５−１５７１１９号公報

しかしながら、特許文献１に示す光学系では、微細凹凸構造を備えたレンズ（光学素子）を光学系内部の鏡筒へ組み付ける方法に関しては、何ら記載されていない。一般に鏡筒へのレンズの組み付けには、（１）押え環を用いる方法、（２）カシメによる方法、または（３）接着剤を用いる方法などが用いられる。ここで、（１）、（２）の方法では、レンズに局所的な圧力（応力）が加わり、それによりレンズが歪み、光学系の結像性能が低下する可能性がある。この影響は、特にレンズの外径に対して中心の厚さが１０分の１以下となるような薄いレンズで受けやすい。一方、（３）の方法では、硬化収縮率が小さい適切な接着剤（樹脂）を選定することで圧力の影響を抑えられ、レンズの歪みを発生させることがない。しかしながら、接着剤を利用する場合、その種類によって溶媒やモノマーなどの含有成分が揮発、飛散する場合があり、鏡筒の内部などの密閉空間で使用すると、組み立て後にレンズが曇り、反射防止性能の悪化を招く可能性がある。この影響は、特に微細凹凸構造や多孔質膜などでは表面積が非常に大きいために、光学面が平坦である通常の誘電体薄膜に比べて受けやすい。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、結像性能の低下を抑え、さらには耐環境性にも優れた光学系を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の光学素子と、該複数の光学素子を保持する鏡筒と、を有する光学系であって、複数の光学素子は、第１の光学素子と、光学面に反射防止膜を備える第２の光学素子と、を含み、第１の光学素子は、エネルギー硬化性樹脂を介して鏡筒に固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、結像性能の低下を抑え、さらには耐環境性にも優れた光学系を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光学系の構成を示す断面図である。 第１実施形態に係る反射防止膜の構造を示す断面図である。 平均ピッチを説明するための平面図である。 本発明の第２実施形態に係る光学系の構成を示す断面図である。 他の例に係る反射防止膜の構造を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面等を参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る光学系について説明する。図１は、本実施形態に係る光学系１の構成を示す概略断面図である。この光学系１は、例えばカメラなどの撮像装置が備えるレンズ（光学素子）部、またはレンズ鏡筒の内部に構成される結像光学系である。光学系１は、光軸方向に並ぶ、少なくとも２つ以上のレンズを有し、特に本実施形態では、光入射側から順に、接合レンズである第１レンズ２と、反射防止膜を有する第２レンズ３とを備える。

第１レンズ２は、光入射側の両凸レンズ４と光出射側の両凹レンズ５との２つのレンズを接合したものである。例えば、両凹レンズ５の寸法を、レンズ外径Ｄ＝３３ｍｍ、および中心厚さｔ＝１．６ｍｍ（ｔ／Ｄ＝０．０４８）とする。この第１レンズ２は、鏡筒６の内部において、エネルギー硬化性樹脂７を介して鏡筒６の内周部に固定されている。これにより、固定時に第１レンズ２に対して負荷される力が非常に小さくなるので、例えば押え環やカシメなどで固定した場合に歪んでしまうようなｔ／Ｄの値が０．１以下のレンズでも歪むことなく、良好な結像性能を実現できる。

第２レンズ３は、例えば、寸法をＤ＝３４ｍｍ、およびｔ＝２．１ｍｍ（ｔ／Ｄ＝０．０６２）とする両凹レンズである。この第２レンズ３は、鏡筒６の内部において、第１レンズ２に隣接しつつ、鏡筒６の内周部に直接固定（当接）されている。また、第２レンズ３は、その光線有効面の一部または全面に反射防止膜を備える。特に本実施形態では、第２レンズ３は、その光入射側の凹面３ａの全面に、反射防止膜８（図中、破線）を備えるものとする。この反射防止膜８は、例えば、反射防止膜８の形成前の凹面３ａに対して、酸化アルミニウムを含有するゾル液をスピンコート法などで塗布し、焼成後に温水浸漬することで形成した微細凹凸構造を有する。このように、ウェット法を用いて形成した反射防止膜８は、フレアやゴーストなどの望まない光の発生を好適に抑えることができる。

図２は、反射防止膜８の構成を示す概略断面図である。反射防止膜８は、第２レンズ３の表面上に、上記のようなウェット法を用いて形成した酸化アルミニウムを含有する材料からなる凹凸構造体である。この凹凸構造体は、平均ピッチを４００ｎｍ以下、平均高さを２００ｎｍ以上とすることが望ましい。これは、平均ピッチを４００ｎｍよりも大きくすると、可視光が回折して、光学系１にとって望まない光が発生してしまい、一方、平均高さを２００ｎｍ以下とすると、十分な反射防止性能が得られないためである。

ここで、本実施形態における平均ピッチと平均高さと定義について説明する。図３は、凹凸構造体を上部（本実施形態では光入射側）から見た平面図である。特に、図３（ａ）は、凹凸構造体が周期的に配列している場合を示し、一方、図３（ｂ）は、凹凸構造体が非周期的に配列している場合を示す。なお、図３の各図において、凹凸構造体を構成する凹凸部８ａの平面形状は、説明のために模式的に丸としている。まず、図３（ａ）に示すように凹凸構造体が三角格子状に周期的に配列している場合には、平均ピッチは、１つの凹凸部８ａと、それに隣接する他の凹凸部８ａとの間隔に等しいと定義できる。これに対して、図３（ｂ）に示すように凹凸構造体が非周期的に配列している場合には、例えば、以下のような方法で平均ピッチを定義付けできる。まず、１つの凹凸部８ａから近い順に複数（図３（ｂ）では６つ）の凹凸部８ａを選定し、基準となる凹凸部８ａからのそれぞれの間隔の平均値を算出する。次に、前記複数（６つ）の全ての凹凸部８ａについて同様に平均値を算出し、最後に、それらの平均値について再度平均を取ることで、平均ピッチを確定すればよい。なお、本実施形態のように、光学面（第２レンズ３の凹面３ａ）に形成された全ての凹凸構造について測定することは、実質的に難しい。したがって、光学面の１ヶ所または数カ所について、例えばＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察、測定し、得られた値を平均ピッチとしてもよい。次に、平均高さは、全ての凹凸部８ａの高さを、例えばＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）を用いて測定し、その平均値とすることができる。なお、この場合も、光学面の１ヶ所または数カ所について観察、測定し、得られた値を平均高さとしてもよい。

次に、第１レンズ２の保持に採用するエネルギー硬化性樹脂７について説明する。本実施形態のエネルギー硬化性樹脂７としては、例えば、エポキシ系の紫外線硬化性樹脂を採用する。なお、紫外線硬化性樹脂とは、紫外線を受光することにより硬化する性質を有する樹脂である。このエポキシ系紫外線硬化性樹脂は、エポキシ樹脂を３０重量％含有し、さらに１重量％のシリカを含有している。ここで、このエポキシ系紫外線硬化性樹脂は、アクリレート・モノマーや、メタクリレート・モノマーを成分として含有していない。したがって、樹脂を第１レンズ２と鏡筒６との隙間に充填したとき、揮発、飛散する成分がほとんどないため、微細凹凸構造を有する反射防止膜８を曇らせるなど、反射防止特性に影響を及ぼすことがなく、耐環境性にも有利である。さらに、エポキシ系紫外線硬化性樹脂は、硬化前の粘度が２６Ｐａ・ｓであるため、ディスペンサー（塗布装置）などを用いて充填する際の作業を容易にするという利点もある。

なお、エネルギー硬化性樹脂７としては、上記のようなエポキシ系紫外線硬化性樹脂に限定せず、例えば、エポキシ樹脂を１０重量％以上含有するものであれば同様の効果が得られる。また、シリカについても、含有は必須ではないが、硬化後の樹脂の強度を高めるために、０．５重量％以上含有させることが望ましい。特に本実施形態では、上記のとおり、アクリレート・モノマーなどを含有していないことが重要となる。このようにエポキシ系紫外線硬化性樹脂の含有成分の含有量を変更する場合、硬化前の樹脂の粘度が、１Ｐａ・ｓ以上、５０Ｐａ・ｓ以下となるようにすることが望ましい。これは、硬化前の樹脂の粘度を１Ｐａ・ｓ以下とすると、所望の場所以外に樹脂が浸透してしまい、第１レンズ２の光線有効面を汚染する可能性があるからである。一方、硬化前の樹脂の粘度を５０Ｐａ・ｓ以上とすると、ディスペンサーの吐出部の先端が細い場合、ディスペンサーが樹脂の吐出を安定して行うことができないためである。

以上のように、本実施形態の光学系によれば、歪みを発生させることなくレンズを鏡筒内に固定することができるため、結像性能の低下を抑えることができる。さらに、レンズと、それを保持する鏡筒との隙間に、揮発、飛散する成分がほとんどないエネルギー硬化性樹脂を採用するため、反射防止膜に対する影響を抑える耐環境性に優れた光学系とすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る光学系について説明する。本実施形態に係る光学系の特徴は、エネルギー硬化性樹脂として、第１実施形態ではエポキシ系紫外線硬化性樹脂を単体で採用したのに対して、エポキシ系紫外線硬化性樹脂と、アクリル系紫外線硬化性樹脂とを併用する点にある。図４は、本実施形態に係る光学系１０の構成を示す概略断面図である。この光学系１０も、第１実施形態と同様に、光軸方向に並ぶ、少なくとも２つ以上のレンズを有し、光入射側から順に、２つのレンズの組み合わせである第１レンズ１１と、反射防止膜を有する第２レンズ１２とを備える。なお、本実施形態の第２レンズ１２の形状は、第１実施形態の第２レンズ３と同様に両凹レンズであり、例えば、寸法をＤ＝３８ｍｍ、およびｔ＝１．７ｍｍ（ｔ／Ｄ＝０．０４５）とする。また、第２レンズ１２に形成される反射防止膜８は、第１実施形態と同様に微細凹凸構造を有する。

第１レンズ１１は、光入射側の両凸レンズ１３と光出射側の両凹レンズ１４との２つのレンズを隣接させたものである。例えば、両凹レンズ１４の寸法を、レンズ外径Ｄ＝３７ｍｍ、および中心厚さｔ＝１．８ｍｍ（ｔ／Ｄ＝０．０４９）とする。この第１レンズ１１は、鏡筒６（第１実施形態と同様）の内部において、２種の樹脂層で構成されるエネルギー硬化性樹脂部１５を介して鏡筒６の内周部に固定されている。特に本実施形態では、エネルギー硬化性樹脂部１５は、エポキシ系紫外線硬化性樹脂からなる第１層１５ａと、アクリル系紫外線硬化性樹脂からなる第２層１５ｂとが、第１レンズ１１と鏡筒６との隙間で光軸方向において互いに隣り合うように充填される。このとき、第１層１５ａは、光軸方向において第２レンズ１２側に配置される。第２層１５ｂは、第１層１５ａにより第２レンズ１２に形成された反射防止膜からは空間的に封止されている。この場合も、第１実施形態と同様に、固定時に第１レンズ１１に対して負荷される力が非常に小さくなるので、押え環などで固定した場合に歪んでしまうようなｔ／Ｄの値が０．１以下のレンズでも歪むことなく、良好な結像性能を実現できる。

ここで、第１層１５ａは、エポキシ樹脂を４０重量％含有することが望ましい。また、第１層１５ａは、第１実施形態と同様に、アクリレート・モノマーやメタクリレート・モノマーを成分として含有させない。したがって、本実施形態においても、樹脂を第１レンズ１１と鏡筒６との隙間に充填したとき、揮発、飛散する成分がほとんどないため、反射防止膜８を曇らせるなど、反射防止特性に影響を及ぼすことがなく、さらに耐環境性にも有利である。また、この場合のエポキシ系紫外線硬化樹脂は、硬化前の粘度が３５Ｐａ・ｓであるため、ディスペンサーなどを用いて充填する際の作業を容易にする。なお、第１層１５ａとして、上記のようなエポキシ系紫外線硬化性樹脂に限定せず、例えば、エポキシ樹脂を１０重量％以上含有するものであれば同様の効果が得られる。特に本実施形態でも、アクリレート・モノマーなどを含有していないことが重要となる。このようにエポキシ系紫外線硬化性樹脂の含有成分の含有量を変更する場合、硬化前の樹脂の粘度が、１Ｐａ・ｓ以上、５０Ｐａ・ｓ以下となるようにすることが望ましい。

また、第２層１５ｂは、第１層１５ａを構成するエポキシ系紫外線硬化樹脂が、硬化後の靭性が低く脆いため、光学系１０に衝撃や振動が加わった際に第１レンズ１１がずれたり、外れたりしてしまうことを防止する役割を有する。しかしながら、この第２層１５ｂは、アクリレート・モノマーを含有しているため、第１レンズ１１と鏡筒６との間に充填した際に、揮発、飛散する可能性がある。そこで、本実施形態では、上記のように、第２層１５ｂを、第１層１５ａを介して第２レンズ１２に形成された反射防止膜からは空間的に封止させているので、揮発成分が反射防止膜に向かって浸入することはない。なお、アクリル系紫外線硬化樹脂は、硬化前の粘度が１５Ｐａ・ｓであるため、ディスペンサーなどを用いて充填する際の作業を容易にする。また、第２層１５ｂとして、アクリル系紫外線硬化性樹脂に代えて、シリコーン系紫外線硬化性樹脂など、靭性が高く、かつ硬化収縮率が小さい他の樹脂を採用しても同様の効果を奏する。

このように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することに加え、耐衝撃性に優れた光学系とすることができる。

なお、反射防止膜８の構成およびその形成方法は、ウェット法を用いたものであればよく、具体的な方法については上記実施形態に示す方法に限定しない。このウェット法の他の例として、例えば、蒸着法などで形成した誘電体薄膜の上に、フッ化物微粒子や中空シリカ微粒子などを含有するゾル液を塗布、乾燥し、多孔質で低屈折率の膜を形成するものでもよい。図５は、この場合の反射防止膜２０の構造を示す概略断面図である。反射防止膜２０は、第２レンズ３（１２）の表面上に、蒸着法で形成した誘電体薄膜２１が形成してあり、さらに、誘電体薄膜２１上に、フッ化物微粒子を含有し、ウェット法を用いて形成した多孔質でｎ_ｄ＝１．３の低屈折率膜２２が形成してある膜である。このように、最上層の膜の屈折率を通常の蒸着法で形成する膜に比べて低くすることでフレネル反射率を低減することができるため、高性能な反射防止膜を実現できる。

また、上記実施形態では、光学系を構成する２つのレンズのうち、１つのレンズの鏡筒との固定にエネルギー硬化性樹脂を用いるものとして説明したが、本発明は、これに限定するものではない。例えば、光学系を構成するレンズが多数であれば、反射防止膜を備えたレンズ以外のうち１つ以上のレンズと鏡筒との固定にエネルギー硬化性樹脂を用いられ得る。

さらに、上記実施形態では、光学系を結像光学系として、カメラなどの撮像装置に用いるものとして説明したが、本発明の光学系は、例えば望遠鏡や双眼鏡などの観察光学系や走査光学系として、あらゆる光学機器に採用され得る。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１ 光学系
２ 第１レンズ
３ 第２レンズ
６ 鏡筒
７ エネルギー硬化性樹脂
８ 反射防止膜

Claims (16)

1. 複数の光学素子と、該複数の光学素子を保持する鏡筒と、を有する光学系であって、
   前記複数の光学素子は、第１の光学素子と、光学面に反射防止膜を備える第２の光学素子と、を含み、
   前記第１の光学素子は、前記光学系の光軸方向において互いに隣接する第１層及び第２層を介して前記鏡筒に固定されており、
   前記第１層はエポキシ系の紫外線硬化性樹脂から成り、前記第２層はアクリル系又はシリコーン系の紫外線硬化性樹脂から成り、
   前記第１層は、前記光軸方向において前記第２の光学素子の側に配置されていることを特徴とする光学系。
2. 前記エポキシ系の紫外線硬化性樹脂は、エポキシ樹脂を１０重量％以上含有すること
   を特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記エポキシ系の紫外線硬化性樹脂は、シリカを０．５重量％以上含有すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
4. 前記反射防止膜は、平均ピッチが４００ｎｍ以下である微細凹凸構造を有すること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学系。
5. 前記微細凹凸構造は、酸化アルミニウムを含有すること
   を特徴とする請求項４に記載の光学系。
6. 前記反射防止膜は、フッ化物微粒子または中空シリカ微粒子を含有すること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学系。
7. 前記第１および第２の光学素子は、互いに隣接して配置されていること
   を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学系。
8. 前記第１の光学素子は、複数のレンズが接合または隣接されて成ること
   を特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学系。
9. 前記複数のレンズは、凹レンズを含むこと
   を特徴とする請求項８に記載の光学系。
10. 前記凹レンズは、前記第２の光学素子と対向して配置されていること
    を特徴とする請求項９に記載の光学系。
11. 前記凹レンズは、光出射側に配置されていること
    を特徴とする請求項９または１０に記載の光学系。
12. 前記凹レンズの外径をＤ、中心厚さをｔ、とするとき、ｔ／Ｄの値は０．１以下であること
    を特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の光学系。
13. 前記第１の光学素子は、両凸レンズと両凹レンズとが接合または隣接されて成ること
    を特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の光学系。
14. 前記第２層は、前記鏡筒に当接していること
    を特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光学系。
15. 前記第２層は、前記第１層により前記反射防止膜に対して空間的に封止されていること
    を特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光学系。
16. 請求項１乃至１５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。

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