JP6366276B2 - 光学素子、光学系、光学機器および光学膜の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多層膜として形成され、反射防止機能等を有する光学素子に関する。

レンズ等の光学素子の表面には、不要な反射によるフレアやゴーストを防止するために、反射防止機能を有する誘電体多層膜が形成されることが多い。この多層膜は、屈折率が異なる薄膜（層）を蒸着等の方法によりそれぞれ適切な厚さで成膜して積層することで、各層の表面および界面で発生する反射波を相互に干渉させることで反射光を低減させる。また、反射防止膜は、一般に積層する層数が多いほど反射防止効果が高くなる。例えば、特許文献１には、７層構造による反射防止膜が開示されている。

一方、蒸着膜で使用される屈折率１．３８のフッ化マグネシウムより低い屈折率を有する材料を反射防止膜の最表層に使用すれば、高性能な反射防止機能を得ることができる。屈折率の低い材料として、シリカやフッ化マグネシウム等の無機系材料、シリコン樹脂や非晶質のフッ素樹脂などの有機材料を用いることが知られている。これらの材料は、層内に空隙を形成することにより屈折率を下げることができる。特許文献２には、屈折率を１．２７程度まで下げた多孔質シリカ膜を最上層とした５層構造の反射防止膜が開示されている。

特開平１０−０２０１０２号公報 特開２００９−１６８９８６号公報

しかしながら、特許文献１にて開示された反射防止膜は、可視波長域の光に対する反射率が０．３％程度であり、可視波長域の光に対する反射防止性能としては不十分である。また、特許文献２にて開示された反射防止膜は、反射防止効果が得られる波長域が狭く、入射角特性も低い。さらに、可視波長域の光に対する屈折率が１．４２から１．５５までの基材上に形成された膜構成しか開示されておらず、屈折率が１．４０から２．０５という広範囲の基材に適用可能な膜構成は開示されていない。

本発明は、可視波長域の光に対する屈折率が広範囲の基材上に形成される高い反射防止性能等の優れた光学特性が得られる光学膜およびこれを用いた光学素子や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、基材と、該基材の側から順に該基材上に積層された第１層乃至第５層とを有する。波長がλ＝５５０ｎｍである光に対する、基材の屈折率をｎs、第１層乃至第５層の屈折率をｎ１〜ｎ５、第１層乃至第５層の光学膜厚をｄ１（ｎｍ）〜ｄ５（ｎｍ）とするとき、以下の条件を満足することを特徴とする。
１．４０≦ｎs≦２．０５
１．３≦ｎ１≦１．７
１．８≦ｎ２≦２．２
１．６５≦ｎ３≦１．７０
１．３≦ｎ４≦１．６
１．０５≦ｎ５≦１．２５
０．０２λ≦ｄ１≦０．３３λ
０．０２λ≦ｄ２≦０．１０λ
０．０２λ≦ｄ３≦０．３３λ
０．０２λ≦ｄ４≦０．１６λ
０．１４λ≦ｄ５≦０．３０λ
なお、上記光学素子を含む光学系、該光学系を有する光学機器、該光学素子の表面に形成される光学膜の製造方法も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、可視波長域の光に対する屈折率が広範囲の基材上に設けられる光学膜であって、高い反射防止性能等の優れた光学特性が得られる光学膜を実現することができる。そして、この光学膜が形成された光学素子を光学機器に用いることにより、ゴーストやフレアの発生を低減できる等、優れた光学特性を有する光学機器を実現することができる。

本発明の代表的な実施例の反射防止膜の構成を示す概略図。 本発明の実施例１である反射防止膜の反射率特性を示す図。 本発明の実施例２である反射防止膜の反射率特性を示す図。 本発明の実施例３である反射防止膜の反射率特性を示す図。 本発明の実施例４である反射防止膜の反射率特性を示す図。 本発明の実施例５である反射防止膜の反射率特性を示す図。 本発明の実施例６である反射防止膜の反射率特性を示す図。 本発明の実施例７である反射防止膜の反射率特性を示す図。 本発明の実施例８である光学機器の概略図。 実施例８の光学機器の光学系の構成を示す図。

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。

図１には、本発明の代表的な実施例である光学膜としての反射防止膜の概略構成を示している。反射防止膜７は、基材６上に形成された５層構造の多層膜であり、基材側から順に、それぞれ薄膜である第１層１、第２層２、第３層、第４層４および第５層５が積層されて構成されている。なお、以下の説明において、屈折率および光学膜厚の値はすべて、この反射防止膜７に入射する中心波長λ＝５５０ｎｍの光に対する屈折率および光学膜厚である。
基材６の屈折率ｎｓは、
１．４０≦ｎs≦２．０５ （１）
第１層１の屈折率ｎ１は、
１．３≦ｎ１≦１．８ （２）
第２層２の屈折率ｎ２は、
１．８≦ｎ２≦２．２ （３）
第３層３の屈折率ｎ３は、
１．６≦ｎ３≦１．８ （４）
第４層目の屈折率ｎ４は、
１．３≦ｎ４≦１．６ （５）
第５層５の屈折率ｎ５は、
１．０５≦ｎ５≦１．３０ （６）
をそれぞれ満足する。

なお、上記条件（１）〜（６）のうちいずれかの数値範囲の上限値または下限値を以下のようにすると、より望ましい。
１．５０≦ｎs≦２．００ （１ａ）
１．６≦ｎ１≦１．７ （２ａ）
２．００≦ｎ２≦２．１５ （３ａ）
１．６５≦ｎ３≦１．７０ （４ａ）
１．３５≦ｎ４≦１．５０ （５ａ）
１．１５≦ｎ５≦１．２５ （６ａ）
第１層１は基材６と接しており、該基材６の屈折率の影響を受ける。第１層１の屈折率ｎ１が基材６の屈折率ｎｓよりも小さい場合、第１層１の光学膜厚ｄ１は、λ／１６（≒０．０６２５λ）近傍が好ましい。光学膜厚ｄ１がλ／１６近傍から離れた値であると、反射防止性能が高い波長域が狭くなる。一方、屈折率ｎ１が基材６の屈折率ｎｓよりも高い場合、光学膜厚ｄ１は、５λ／１６（０．３１２５λ）近傍が好ましい。光学膜厚ｄ１が５λ／１６近傍から離れた値であると、反射防止性能が高い波長域が狭くなる。さらに、第１層１の屈折率ｎ１と基材６の屈折率ｎｓとが同じ（同じとみなせる程度に近い場合を含む）場合は、光学膜厚ｄ１は、第２層２から第５層５までの膜構成に応じて異なるが、λ／１６近傍もしくは５λ／１６近傍が好ましい。光学膜厚ｄ１がこれらの値から離れた値であると、反射防止性能が高い波長域が狭くなる。

以上のことから、
第１層１の光学膜厚ｄ１は、
０．０２λ≦ｄ１≦０．３３λ （７）
を満足する必要がある。なお、第１層１の屈折率ｎ１が基材６の屈折率ｎｓよりも小さいか同じである場合は、
０．０２λ≦ｄ１≦０．１６λ （７ａ）
を満足することが望ましい。また、第１層１の屈折率ｎ１が基材６の屈折率ｎｓよりも大きいか同じである場合は、
０．２１λ≦ｄ１≦０．３３λ （７ｂ）
を満足することが望ましい。

第２層の光学膜厚ｄ２は、
０．０２λ≦ｄ２≦０．１０λ （８）
を満足する必要がある。光学膜厚ｄ２が０．０２λより小さいと膜厚の制御が難しく、設計値通りに成膜することができない可能性がある。また、光学膜厚ｄ２が０．１０λより大きいと、短波長側の反射率性能が低下する。

第３層の光学膜厚ｄ３は、
０．０２λ≦ｄ３≦０．３３λ （９）
を満足するものとする。第３層の光学膜厚ｄ３は、第１、第２、第４および第５層の膜構成に依存しており、膜厚として採用可能な範囲が広い。

第４層の膜厚ｄ４は、
０．０２λ≦ｄ４≦０．１６λ （１０）
を満足する必要がある。光学膜厚ｄ４が０．０２λより小さいと膜厚の制御が難しく、設計値通りに成膜することができない可能性がある。また、光学膜厚ｄ４が０．１６λより大きいと、反射防止性能が高い波長域が狭くなる。

第５層は、反射防止膜７の最上層（最も基材６から離れた層）である。一般に、反射防止膜の最上層の膜厚は、１／４λ近傍である。このため、本実施例でも、第５層の膜厚ｄ５は、
０．１４λ≦ｄ５≦０．３０λ （１１）
を満足するものとする。

なお、上記条件（７）〜（１１）のうちいずれかの数値範囲の上限値または下限値を以下のようにすると、より望ましい。
０．０２５λ≦ｄ１≦０．３１０λ （７ｃ）
０．０２９λ≦ｄ２≦０．０６０λ （８ａ）
０．０２１λ≦ｄ３≦０．３１０λ （９ａ）
０．０２５λ≦ｄ４≦０．１３λ （１０ａ）
０．１７λ≦ｄ５≦０．２５λ （１１ａ）
さらに、第１から第５層１〜５の屈折率は、以下の条件を満足することが望ましい。
ｎ１＜ｎ２ （１２）
ｎ５＜ｎ４＜ｎ３＜ｎ２ （１３）
最上層である第５層は、屈折率を下げる必要があるため、ＳｉＯ_２やＭｇＦ_２のような屈折率が低い材料を用いることが好ましい。

また、第５層の主成分は、中空微粒子であることが好ましい。中空微粒子は、内部に空隙を有するため、空隙に含まれる空気（屈折率１．０）によって屈折率を下げることができる。さらに、中空微粒子の内部に空隙があることで、空隙に水分や不純物の吸着を防ぐことができる。このため、耐環境性が良くなり、屈折率の変化が少ない安定的な特性を得ることができる。中空微粒子としては、酸化シリコンまたはフッ化マグネシウムにより形成することが望ましい。

中空微粒子は、バインダーにより結合されるため、ゾルゲル法で作製することが好ましい。このような第５層の塗工方法としては、特に限定されず、ディップコート法、スピンコート法、スプレーコート法、ロールコート法等、塗工液の一般的な塗工方法を用いることができる。レンズのように曲面を有する基材に膜厚を均一に成膜できる点から、スピンコート法で成膜することが、より望ましい。なお、塗工後に、乾燥機、ホットプレート、電気炉等を用いた乾燥を行う。乾燥条件は、基材に影響を与えず、かつ中空微粒子内の有機溶媒を蒸発できる程度の温度と時間とする。一般的には３００℃以下の温度を用いることが好ましい。また、塗工回数は通常１回であるが、乾燥と塗工を複数回繰り返してもよい。

第１層１から第４層４は無機系膜として形成される。成膜が簡単であることから、真空蒸着法やスパッタ法によって成膜されることが望ましい。また、第４層４はＳｉＯ_２を主成分とする膜であることが望ましい。最上層である第５層５がゾルゲル法により作製されるため、その直下層である第４層４には濡れ性の高いシリカを用いることで、第４層４と第５層５の密着性を高めることができる。

さらに、第２層２は、チタン、タンタル、ジルコニア、クロム、ニオブ、セリウム、ハフニウム、イットリウムの酸化物の単体またはこれらの混合物の層により形成することが望ましい。

以下に、具体的な実施例を示す。ただし、これらは例に過ぎず、本発明の実施例はこれらに限定されるものではない。

実施例１では、屈折率１．５２のガラス基材上に、表１に示す膜構成を有する反射防止膜を形成した。第１層から第４層までは真空蒸着法により成膜した。また、第５層は、屈折率が１．２４になるように、中空ＳｉＯ_２含有の溶液にバインダー溶液を加え、混合調整した液をスピンコーターで塗工した後、１００〜２５０℃のクリーンオーブンで１時間焼成した。

図２には、本実施例の反射防止膜の可視光波長域４００ｎｍから７００ｎｍにおける入射角０度、１５度、３０度および４５度での反射率特性を示す。本実施例の反射防止膜は、上記波長域における入射角０度、１５度および３０度での反射率は０．２％以下であり、入射角４５度においても０．８％以下である。このように、本実施例の反射防止膜は、広い波長域で高い反射防止性能が得られる。

実施例２では、屈折率１．６０のガラス基材上に、表２に示す膜構成を有する反射防止膜を形成した。第１層から第４層までは真空蒸着法により成膜した。また、第５層は、屈折率が１．２１になるように、中空ＭｇＦ_２含有の溶液にバインダー溶液を加え、混合調整した液をスピンコーターで塗工し、１００〜２５０℃のクリーンオーブンで１時間焼成した。

図３には、本実施例の反射防止膜の可視光波長域４００ｎｍから７００ｎｍにおける入射角０度、１５度、３０度および４５度での反射率特性を示す。本実施例の反射防止膜は、上記波長域における入射角０度、１５度および３０度での反射率は０．６％以下であり、入射角４５度においても１．４％以下である。このように、本実施例の反射防止膜は、広い波長域で高い反射防止性能が得られる。

実施例３では、屈折率１．７０のガラス基材上に、表３に示す膜構成を有する反射防止膜を形成した。第１層から第４層までは真空蒸着法により成膜した。また、第５層は、屈折率が１．２０になるように調整した中空ＳｉＯ_２の混合調整液をスピンコーターで塗工した後、１時間の焼成により成膜した。

図４には、本実施例の反射防止膜の可視光波長域４００ｎｍから７００ｎｍにおける入射角０度、１５度、３０度および４５度での反射率特性を示す。本実施例の反射防止膜は、上記波長域における入射角０度、１５度および３０度での反射率は０．６％以下であり、入射角４５度においても１．６％以下である。このように、本実施例の反射防止膜は、広い波長域で高い反射防止性能が得られる。

実施例４では、屈折率１．８０のガラス基材上に、表４に示す膜構成を有する反射防止膜を形成した。第１層から第４層までは真空蒸着法により成膜した。また、第５層は、屈折率が１．２０になるように調整した中空ＳｉＯ_２の混合調整液をスピンコーターで塗工した後、１時間の焼成により成膜した。

図５には、本実施例の反射防止膜の可視光波長域４００ｎｍから７００ｎｍにおける入射角０度、１５度、３０度および４５度での反射率特性を示す。本実施例の反射防止膜は、上記波長域における入射角０度、１５度および３０度での反射率は０．５％以下であり、入射角４５度においても１．３％以下である。このように、本実施例の反射防止膜は、広い波長域で高い反射防止性能が得られる。

実施例５では、屈折率１．８９のガラス基材上に、表５に示す膜構成を有する反射防止膜を形成した。第１層から第４層までは真空蒸着法により成膜した。また、第５層は、屈折率が１．２０になるように調整した中空ＳｉＯ_２の混合調整液をスピンコーターで塗工した後、１時間の焼成により成膜した。

図６には、本実施例の反射防止膜の可視光波長域４００ｎｍから７００ｎｍにおける入射角０度、１５度、３０度および４５度での反射率特性を示す。本実施例の反射防止膜は、上記波長域における入射角０度、１５度および３０度での反射率は０．４％以下であり、入射角４５度においても１．２％以下である。このように、本実施例の反射防止膜は、広い波長域で高い反射防止性能が得られる。

実施例６では、屈折率２．８０のガラス基材上に、表６に示す膜構成を有する反射防止膜を形成した。第１層から第４層までは真空蒸着法により成膜した。また、第５層は、屈折率が１．２４になるように調整した中空ＭｇＦ_２の混合調整液をスピンコーターで塗工後、１時間の焼成により成膜した。

図７には、本実施例の反射防止膜の可視光波長域４００ｎｍから７００ｎｍにおける入射角０度、１５度、３０度および４５度での反射率特性を示す。本実施例の反射防止膜は、上記波長域における入射角０度、１５度および３０度での反射率は０．６％以下であり、入射角４５度においても１．４％以下である。このように、本実施例の反射防止膜は、広い波長域で高い反射防止性能が得られる。

実施例７では、屈折率２．００のガラス基材上に、表７に示す膜構成を有する反射防止膜を形成した。第１層から第４層までは真空蒸着法により成膜した。また、第５層は、屈折率が１．２２になるように調整した中空ＳｉＯ_２の混合調整液をスピンコーターで塗工した後、１時間の焼成により成膜した。

図８には、本実施例の反射防止膜の可視光波長域４００ｎｍから７００ｎｍにおける入射角０度、１５度、３０度および４５度での反射率特性を示す。本実施例の反射防止膜は、上記波長域における入射角０度、１５度および３０度での反射率は０．５％以下であり、入射角４５度においても１．３％以下である。このように、本実施例の反射防止膜は、広い波長域で高い反射防止性能が得られる。

図９には、本発明の実施例８である光学機器としての撮像装置を示している。図１０において、１０１は撮像装置としてのデジタルカメラであり、１０２は光学部材であるレンズの表面に実施例１〜７のうちいずれかの反射防止膜が形成された光学素子を用いて構成された撮像光学系１０２である。撮像光学系１０２は、複数のレンズによって構成されており、これらのレンズ面のうち少なくとも１面に実施例１〜７のうちいずれかの反射防止膜が形成されている。

このため、本実施例のデジタルカメラ１０１は、フレアやゴースト等の有害な反射光の発生を抑えることができ、良好な画質の画像が得られる。

図１０には、撮像光学系１０２の具体的な構成を示している。ＩＰは像面であり、ＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）が配置される。ＳＴは絞りである。Ｇ１０１からＧ１１１は光学素子としてのレンズである。これらのレンズのうち少なくとも１つのレンズの入射面および射出面の少なくとも一方に、は実施例１〜７のうちいずれかの反射防止膜が形成される。

表８には、図１０の撮影光学系の数値例を示す。ｒｉ（ｉ＝０１，０２，０３，…）は物体側から数えてｉ番目のレンズ面の曲率半径を示し、ｄｉはｉ番目のレンズ厚または空気間隔を示す。また、ｎｉとνｉはｉ番目のレンズの材料の５５０ｎｍの光に対する屈折率とアッベ数を示す。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角を示す。

なお、本実施例では光学機器の一例としてデジタルカメラについて説明したが、実施例１〜７のうちいずれかの反射防止膜が形成された光学素子を交換レンズ、双眼鏡および画像投射装置等の各種光学機器の光学系に用いてもよい。

また、上記各実施例では、反射防止膜について説明したが、本発明の光学膜は、反射防止機能とともに又は反射防止機能とは別に、反射防止機能以外の光学機能を有していてもよい。

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。

優れた光学特性を有する光学膜を提供でき、各種光学機器に利用できる。

１ 第１層
２ 第２層
３ 第３層
４ 第４層
５ 第５層
６ 基材
７ 反射防止膜

Claims (8)

1. 基材と、該基材の側から順に該基材上に積層された第１層乃至第５層とを有する光学素子であって、
   波長がλ＝５５０ｎｍである光に対する、前記基材の屈折率をｎｓ、前記第１層乃至第５層の屈折率をｎ１〜ｎ５、前記第１層乃至第５層の光学膜厚をｄ１（ｎｍ）〜ｄ５（ｎｍ）とするとき、
   以下の条件を満足することを特徴とする光学素子。
   １．４０≦ｎs≦２．０５
   １．３≦ｎ１≦１．７
   １．８≦ｎ２≦２．２
   １．６５≦ｎ３≦１．７０
   １．３≦ｎ４≦１．６
   １．０５≦ｎ５≦１．２５
   ０．０２λ≦ｄ１≦０．３３λ
   ０．０２λ≦ｄ２≦０．１０λ
   ０．０２λ≦ｄ３≦０．３３λ
   ０．０２λ≦ｄ４≦０．１６λ
   ０．１４λ≦ｄ５≦０．３０λ
2. 前記第５層は、中空微粒子を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記中空微粒子は、酸化シリコンまたはフッ化マグネシウムで構成されることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 前記第４層は、酸化シリコンを含む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素子。
5. 前記第２層は、チタン、タンタル、ジルコニア、クロム、ニオブ、セリウム、ハフニウム、イットリウムのいずれかの酸化物の単体またはこれらの混合物で構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学素子。
6. 複数の光学素子を有し、該複数の光学素子のうち少なくとも一つは請求項１から５のいずれか一項に記載の光学素子であることを特徴とする光学系。
7. 請求項６に記載の光学系を有することを特徴とする光学機器。
8. 基材上に、該基材の側から順に積層された第１層乃至第５層を有する光学膜の製造方法であって、
   波長がλ＝５５０ｎｍである光に対する、前記基材の屈折率をｎｓ、前記第１層乃至第５層の屈折率をｎ１〜ｎ５、前記第１層乃至第５層の光学膜厚をｄ１（ｎｍ）〜ｄ５（ｎｍ）とするとき、
   以下の条件を満足し、
   １．４０≦ｎs≦２．０５
   １．３≦ｎ１≦１．７
   １．８≦ｎ２≦２．２
   １．６５≦ｎ３≦１．７０
   １．３≦ｎ４≦１．６
   １．０５≦ｎ５≦１．２５
   ０．０２λ≦ｄ１≦０．３３λ
   ０．０２λ≦ｄ２≦０．１０λ
   ０．０２λ≦ｄ３≦０．３３λ
   ０．０２λ≦ｄ４≦０．１６λ
   ０．１４λ≦ｄ５≦０．３０λ
   前記第１層から第４層を真空蒸着法またはスパッタ法により形成し、
   前記第５層をゾルゲル法により形成することを特徴とする光学膜の製造方法。