WO2013125180A1 - 光学素子、複合光学素子、交換レンズおよび撮像装置 - Google Patents

光学素子、複合光学素子、交換レンズおよび撮像装置 Download PDF

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純平 佐々木
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    • G02B1/04—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of organic materials, e.g. plastics
    • G02B1/041—Lenses

Definitions

  • the present invention relates to an optical element using a composite material in which inorganic fine particles are dispersed in a resin matrix.
  • the present invention also relates to a composite optical element comprising the optical element.
  • the present invention also relates to an interchangeable lens and an imaging apparatus including the optical element or the composite optical element.
  • optical materials in which inorganic fine particles are dispersed in a matrix material such as a resin are known.
  • a matrix material such as a resin
  • such a material is referred to as a composite material.
  • Patent Document 1 discloses an optical element having a refractive index distribution by changing the content of inorganic fine particles in a resin matrix of the optical element.
  • a plurality of types of resin solutions having different inorganic fine particle contents are used.
  • a lens having a refractive index distribution in the radial direction, thickness direction, or both directions is obtained by mixing on the ejection surface at a predetermined ratio with respect to the radial direction, thickness direction, or both directions of the lens.
  • optical elements Since optical characteristics required for optical elements such as lenses are wide-ranging, optical elements having such a refractive index distribution using a composite material are very useful in the optical field. There is a need for the development of new optical elements.
  • an object of the present invention is to provide a novel optical element having a desired refractive index distribution using a composite material.
  • An optical element that solves the above problems includes a resin and a group of inorganic fine particles dispersed in the resin.
  • the inorganic fine particle group includes a first fine particle group and a second fine particle group having a specific gravity greater than that of the first fine particle group.
  • the refractive index of the first fine particle group is different from the refractive index of the second fine particle group.
  • the second fine particles are more than the first fine particles.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an optical element having a refractive index distribution according to Embodiment 1.
  • A Partial enlarged view of the optical element of FIG. 1
  • b Graph showing the refractive index distribution with respect to the radial direction of the optical element of FIG. Schematic which shows the shaping
  • FIG. (A) Schematic showing the state before rotating the composite material (b) Schematic showing the state after rotating the composite material Schematic which shows the other example of distribution of the inorganic fine particle group in the optical element of Embodiment 1.
  • FIG. Schematic sectional view showing the hybrid lens of the second embodiment Schematic showing the manufacturing process of the hybrid lens of Embodiment 2 Schematic which shows the interchangeable lens of Embodiment 3, and the imaging device of Embodiment 4.
  • One embodiment of the present invention is an optical element comprising a resin and a group of inorganic fine particles dispersed in the resin,
  • the inorganic fine particle group includes a first fine particle group, and a second fine particle group having a specific gravity greater than that of the first fine particle group,
  • the refractive index of the first fine particle group is different from the refractive index of the second fine particle group,
  • In the region on the optical axis side of the optical element there are more first fine particles than the second fine particles, and in the region on the outer peripheral side of the optical element, the second fine particles are more than the first fine particles.
  • Another embodiment of the present invention includes a first optical element serving as a substrate, A composite optical element comprising: a second optical element that is laminated on the first optical element and includes a resin; The second optical element is a composite optical element that is the optical element described above.
  • Another embodiment of the present invention is an interchangeable lens that is attachable to and detachable from an imaging apparatus, comprising the above-described optical element or composite optical element.
  • Another embodiment of the present invention is an imaging apparatus including the above-described optical element or composite optical element.
  • Embodiment 1 ⁇ Embodiment 1>
  • the lens 1 an example of an optical element of Embodiment 1 will be described with reference to the drawings.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a lens 1 having a refractive index distribution according to the present embodiment.
  • the lens 1 is a disk-shaped member composed of the optical unit 2.
  • the lens 1 is a biconvex lens.
  • the lens 1 is an example of an optical element.
  • the lens 1 includes a first optical surface 3, a second optical surface 4, and an outer peripheral surface 5.
  • the first optical surface 3 and the second optical surface 4 are opposed to each other in the optical axis X direction.
  • the outer peripheral surface 5 is a surface that connects the end of the first optical surface 3 and the end of the second optical surface 4.
  • the outer peripheral surface 5 is a side surface of the lens 1.
  • the outer diameter of the lens 1 is defined by the outer peripheral surface 5.
  • the outer diameter is, for example, 10 to 100 mm.
  • FIG. 2A is a partially enlarged cross-sectional view of the lens 1
  • FIG. 2B is a graph showing a refractive index distribution with respect to the radial direction.
  • the optical part 2 is composed of a resin 10 as a matrix material and an inorganic particle group.
  • the inorganic particle group includes a first fine particle 11 group and a second fine particle 12 group.
  • the first fine particle 11 group and the second fine particle 12 group are made of different materials.
  • the second group of fine particles 12 is made of a material having a specific gravity greater than that of the first group of fine particles 11.
  • the second group of fine particles 12 is made of a material having a higher refractive index than that of the first group of fine particles 11.
  • the inorganic fine particle group having a refractive index higher than that of the resin 10 is used.
  • the refractive index of the composite material in which the inorganic fine particle group is dispersed in the resin 10 can be adjusted.
  • the first fine particle 11 group and the second fine particle 12 group are dispersed throughout the lens 1.
  • the dispersion state of the first fine particle 11 group and the second fine particle 12 group is compared, the first fine particle 11 group and the second fine particle 12 on the optical axis X side and the outer peripheral surface 5 side of the lens 1. Distribution with group is different.
  • the number of the first fine particles 11 is larger than the number of the second fine particles 12.
  • the number of the second fine particles 12 is larger than the number of the first fine particles 11 in the outer peripheral region of the optical unit 2. Further, the number of the second fine particles 12 gradually decreases from the outer peripheral side toward the optical axis X side. Therefore, the proportion of the second fine particle group 12 in the inorganic fine particle group gradually increases from the optical axis X side toward the outer peripheral side.
  • the refractive index of the first fine particle 11 group and the second fine particle 12 group is higher than the refractive index of the resin 10.
  • the second fine particle group 12 has a higher refractive index.
  • the refractive index increases as the ratio of the second fine particles 12 having a higher refractive index increases. Therefore, the presence of many second fine particles 12 having a high refractive index on the outer peripheral side increases the refractive index on the outer peripheral side of the lens 1.
  • a refractive index distribution as shown in FIG. 2B can be realized.
  • a refractive index distribution in which the refractive index increases from the optical axis side toward the outer peripheral side can be realized.
  • the refractive index of the first fine particle group 11 is the second. It may be higher than the refractive index of the group of fine particles 12. Further, the refractive index of one or both of the first fine particle 11 group and the second fine particle 12 group may be lower than the refractive index of the resin 10. For example, the refractive index of both the first fine particle 11 group and the second fine particle 12 group is lower than the refractive index of the resin 10, and the refractive index of the first fine particle 11 group is the refractive index of the second fine particle 12 group. When the refractive index is higher than the refractive index, a distribution in which the refractive index decreases toward the outer peripheral side can be realized.
  • Examples of the inorganic fine particle material include oxides, fluorides, and semiconductor materials.
  • oxides include silicon oxide, zirconium oxide, titanium oxide, zinc oxide, aluminum oxide, yttrium oxide, tin oxide, cerium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, europium oxide, gadolinium oxide, magnesium oxide, tungsten oxide, oxide Hafnium, indium oxide, potassium oxide, calcium oxide, lanthanum oxide, barium oxide, strontium oxide, nickel oxide, chromium oxide, barium titanate, cadmium oxide, vanadium oxide, praseodymium oxide, neodymium oxide, samarium oxide, terbium oxide, thulium oxide Erbium oxide, dysprosium oxide, holmium oxide, barium titanate, barium sulfate, lithium niobate, potassium niobate, lithium tantalate and the like.
  • fluorides include aluminum fluoride, calcium fluoride, gadolinium fluoride, lithium fluoride, sodium fluoride, neodymium fluoride, samarium fluoride, ytterbium fluoride, magnesium fluoride, cerium fluoride, lanthanum fluoride , Niobium fluoride, yttrium fluoride, and the like.
  • Examples of semiconductor materials include zinc sulfide, cadmium sulfide, magnesium sulfide, gallium nitride, aluminum nitride, indium nitride, cadmium telluride, mercury telluride, zinc telluride, silicon oxynitride, indium tin oxide, copper oxide, phosphide
  • Examples include indium, boron phosphide, indium phosphate, silicon carbide, zinc sulfide, gallium sulfide, copper selenide, magnesium selenide, zinc selenide, gallium arsenide, and cadmium arsenide.
  • the first fine particles 11 and the second fine particles 12 of the present embodiment are formed of materials having different specific gravity and refractive index, respectively.
  • Table 1 shows a summary of specific gravity and refractive index of some of the materials described above.
  • Table 1 is a table showing the relationship between the specific gravity and refractive index of materials used for the inorganic fine particle group.
  • the materials listed in this table are examples of materials used for the inorganic fine particle group.
  • the difference between the specific gravity of the first fine particles 11 and the specific gravity of the second fine particles 12 is desirably large because it can be easily manufactured by a manufacturing method described later.
  • the first fine particles 11 can be Al 2 O 3 (specific gravity: 3.9, refractive index: 1.63)
  • the second fine particles 12 can be ITO (specific gravity: 7.2, refractive index: 2.06).
  • center particle size of the first group of fine particles 11 and the center particle size of the second group of fine particles 12 are easy to manufacture by the manufacturing method described later. It is desirable that the same level.
  • the shape of the inorganic fine particles may be a spherical shape or a non-spherical shape, and may be one in which voids are formed like porous silica.
  • the inorganic fine particle group generally includes primary particles and secondary particles formed by aggregating a plurality of primary particles. There is also a group of inorganic fine particles composed only of primary particles.
  • the particle size of the inorganic fine particles is important. When the particle diameter of the inorganic fine particles is larger than 1 ⁇ 4 of the wavelength of light, the translucency may be impaired by Rayleigh scattering. Therefore, in order to realize high translucency in the visible light region, since visible light has a wavelength in the range of 400 nm to 700 nm, the particle size of the inorganic fine particles is preferably 100 nm or less.
  • the center particle diameter (median diameter: d50) of the inorganic fine particle group is preferably in the range of 1 nm to 100 nm, and more preferably in the range of 1 nm to 50 nm.
  • SEM scanning electron microscope
  • a resin having high translucency can be used from resins such as a thermoplastic resin, a thermosetting resin, and an energy beam curable resin.
  • resins such as a thermoplastic resin, a thermosetting resin, and an energy beam curable resin.
  • acrylic resin, methacrylic resin such as polymethyl methacrylate, epoxy resin
  • polyester resin such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polycaprolactone
  • polystyrene resin such as polystyrene
  • olefin resin such as polypropylene
  • polyamide resin such as nylon
  • polyimide And polyimide resins such as polyetherimide, polyvinyl alcohol, butyral resin, vinyl acetate resin, and alicyclic polyolefin resin may be used.
  • engineering plastics such as polycarbonate, liquid crystal polymer, polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, polyarylate, and amorphous polyolefin may be used. Also, a mixture or copolymer of these resins (polymers) may be used. Further, a resin obtained by modifying these resins may be used.
  • acrylic resin, methacrylic resin, epoxy resin, polyimide resin, butyral resin, polyolefin resin, and polycarbonate resin have high transparency and good moldability.
  • These resins can have a d-line refractive index in the range of 1.4 to 1.7 by selecting a predetermined molecular skeleton.
  • thermosetting resin when using a thermosetting resin, it is often necessary to contain a catalyst or curing agent for curing the resin, and when using an energy beam curable resin, a polymerization initiator for curing the resin. It is often necessary to contain.
  • the resin 10 may contain additives such as an antioxidant, an ultraviolet absorber, a release agent, a conductive agent, an antistatic agent, a surfactant, and a heat stabilizer as long as the effects of the present invention are obtained.
  • additives such as an antioxidant, an ultraviolet absorber, a release agent, a conductive agent, an antistatic agent, a surfactant, and a heat stabilizer as long as the effects of the present invention are obtained.
  • the lens 1 can be manufactured by, for example, obtaining a composite material in which a group of inorganic fine particles is dispersed in a liquid or solution resin or resin raw material, applying a centrifugal force to the composite material, and then molding the composite material.
  • the inorganic fine particle group can be synthesized by a liquid phase method (coprecipitation method, sol-gel method, metal complex decomposition method, etc.) or a gas phase method.
  • the inorganic fine particle group may be formed by making the bulk into fine particles by a pulverization method using a ball mill or a bead mill.
  • the method for preparing the composite material is not particularly limited, and may be prepared by a physical method or a chemical method.
  • the composite material can be prepared by any of the following methods.
  • a method of forming a group of inorganic fine particles in a resin by reacting a raw material of inorganic fine particles after mixing a resin or a resin-dissolved solution and a raw material of inorganic fine particles.
  • the order of mixing the inorganic fine particles or the raw material of the inorganic fine particles and the resin or the raw material of the resin is not particularly limited, and a preferable order may be appropriately selected.
  • a resin, a raw material of resin, or a solution in which they are dissolved may be added to a solution in which a group of inorganic fine particles having a center particle diameter in the range of substantially 1 nm to 100 nm is dispersed and mixed mechanically and physically.
  • the method for producing the composite material is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained.
  • the composite material may contain components other than the inorganic fine particle group, the resin or resin raw material serving as the matrix, and the solvent as long as the effects of the present invention are obtained.
  • a dispersant or surfactant that improves the dispersibility of the inorganic fine particle group in the resin 10
  • a dye or pigment that absorbs electromagnetic waves having a specific range of wavelengths coexists in the composite material. There is no problem.
  • FIG. 3 shows a molding apparatus 30 for molding the lens 1.
  • the molding apparatus 30 includes a molding die 31, a hopper 32, and a nozzle 33.
  • the molding die 31 has inverted molding surfaces of the first optical surface 3 and the second optical surface 4 of the lens 1.
  • the composite material 35 is charged into the hopper 32.
  • the composite material 35 put into the hopper 32 is injected into the mold 31 through the nozzle 33.
  • the nozzle 33 is separated from the mold 31. Thereafter, by rotating the mold 31, centrifugal force is used to change the distribution of the inorganic fine particle group in the composite material.
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing a state before the composite material 35 is rotated
  • FIG. 4B is a schematic diagram showing a state after the composite material 35 is rotated.
  • the first group of fine particles 11 and the second group of fine particles 12 are evenly dispersed.
  • the composite material 35 by rotating the composite material 35, as shown in FIG. 4B, the second fine particles 12 are distributed in a large amount on the outside. The reason for this distribution will be described below.
  • the sedimentation velocity v of the particles in the centrifugal force field can be expressed by the following formula (1).
  • the sedimentation speed is also affected by the particle size of the inorganic fine particles.
  • Inorganic fine particles having a large particle size have a higher settling rate than inorganic fine particles having a small particle size.
  • the sedimentation rate of “inorganic fine particles having a large specific gravity and a small particle diameter” and “inorganic fine particles having a small specific gravity and a large particle diameter” may be the same.
  • the particle diameters of the first fine particles 11 and the second fine particles 12 may be selected so that the sedimentation rate of the second particulates is larger than the sedimentation rate of the first particulates.
  • the center particle size of the first group of fine particles 11 and the center particle size of the second group of fine particles 12 are approximately the same.
  • two materials such as a combination in which the first fine particles 11 are Al 2 O 3 (specific gravity: 3.9, refractive index: 1.63) and the second fine particles 12 are ITO (specific gravity: 7.2, refractive index: 2.06). The specific gravity between them should be sufficiently large.
  • the difference in specific gravity between the two materials is larger than the difference in specific gravity that can compensate for the difference in sedimentation speed due to the difference in particle size, the difference in sedimentation speed between the first particle group and the second particle group is different. As a result, the distribution as shown in FIG. 2 is easily realized.
  • the conditions for rotating the mold 31 are appropriately set using a known centrifugal force theory.
  • the composite material 35 in the mold 31 is molded.
  • a thermoplastic resin is used as the resin material
  • heating may be performed when the composite material 35 is poured into the mold 31, and the mold 31 may be cooled after the end of rotation.
  • the mold 31 after the rotation may be heated.
  • an energy curable resin for example, an ultraviolet curable resin
  • an energy ray for example, an ultraviolet ray
  • the mold 31 is preferably a glass mold that transmits ultraviolet rays.
  • the solvent may be removed at an appropriate stage.
  • inorganic fine particles two types are used as the inorganic fine particles, but the present invention is not limited to this.
  • three types of inorganic fine particle groups of a first fine particle 11 group, a second fine particle 12 group, and a third fine particle 13 group may be dispersed. If the specific gravity and refractive index of these inorganic fine particle groups are different, an arbitrary distribution can be given by the manufacturing method described above.
  • the lens 1 of this embodiment (an example of an optical element) includes a resin 10 and a group of inorganic fine particles dispersed in the resin 10.
  • the inorganic fine particle group includes a first fine particle 11 group and a second fine particle 12 group having a specific gravity greater than that of the first fine particle 11 group.
  • the refractive index of the first fine particle group is different from the refractive index of the second fine particle group.
  • the second fine particles 12 are more than the first fine particles 11. There are many.
  • the lens 1 can have a refractive index distribution in the radial direction.
  • an optical element having a refractive index that increases or decreases in the radial direction can be realized. Since such an optical element can be manufactured using centrifugal force as described above, it also has an advantage that it is easy to manufacture.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the hybrid lens 40.
  • the hybrid lens 40 includes a first lens 41 serving as a base material made of a glass material, and a second lens 42 made of a composite material 35.
  • the second lens 42 is stacked on the optical surface of the first lens 41.
  • the lens 1 described in the first embodiment is used as the second lens 42.
  • the resin material constituting the composite material 35 is an ultraviolet curable resin.
  • FIG. 7 is a schematic view showing a manufacturing process of the hybrid lens 40.
  • the first lens 41 is molded.
  • the first lens 41 is molded using a known manufacturing method such as lens polishing, injection molding, or press molding.
  • the composite material 35 is discharged onto the molding surface of the molding die 51 using the dispenser 50. Then, the first lens 41 is placed from above the composite material 35 and is spread until the composite material 35 has a predetermined thickness.
  • the mold 51 is placed on the turntable 52 and rotated.
  • the composite material 35 is hardened by irradiating an ultraviolet-ray from the light source 53 from the upper direction of the 1st lens 41.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of the camera 100.
  • the camera 100 includes a camera body 110 and an interchangeable lens 120 attached to the camera body 110.
  • the camera 100 is an example of an imaging device.
  • the camera body 110 has an image sensor 130.
  • the interchangeable lens 120 is configured to be detachable from the camera body 110.
  • the interchangeable lens 120 is, for example, a telephoto zoom lens.
  • the interchangeable lens 120 has an imaging optical system 140 for focusing the light beam on the image sensor 130 of the camera body 120.
  • the imaging optical system 140 includes the lens 1 and refractive lenses 150 and 160.
  • the hybrid lens 40 can be used instead of the lens 1.
  • the camera has a camera main body and a lens unit that is not separable from the camera main body, and the lens unit includes the lens 1 or the hybrid lens 40. Is also possible.
  • Embodiment 2 the mold is rotated, but the present invention is not limited to this.
  • the composite material may be discharged onto the first lens and formed by spin coating.
  • optical element of the present invention can be suitably used for lenses, prisms and the like.

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Abstract

　本発明は、コンポジット材料を用いた所望の屈折率分布を有する新規な光学素子を提供する。本発明は、樹脂と前記樹脂中に分散する無機微粒子群とを含む光学素子であって、前記無機微粒子群は、第１の微粒子群と、前記第１の微粒子群よりも大きな比重を有する第２の微粒子群とを含み、前記第１の微粒子群の屈折率と前記第２の微粒子群の屈折率は異なっており、前記光学素子の光学軸側の領域では、前記第１の微粒子が前記第２の微粒子よりも多く存在し、前記光学素子の外周側の領域では、前記第２の微粒子が前記第１の微粒子よりも多く存在している、光学素子である。

Description

光学素子、複合光学素子、交換レンズおよび撮像装置
　本発明は、樹脂マトリクス中に無機微粒子が分散されたコンポジット材料を用いた光学素子に関する。本発明はまた、前記光学素子を備える複合光学素子に関する。本発明はまた、前記光学素子または前記複合光学素子を備える、交換レンズおよび撮像装置に関する。
　光学特性の幅を広げるために、樹脂などのマトリクス材料の中に無機微粒子が分散された光学材料が知られている。以下、このような構成の材料をコンポジット材料と称する。
　コンポジット材料を用いた光学素子について、屈折率分布を持たせる試みが行われている。例えば、特許文献１には、光学素子の樹脂マトリクス中の無機微粒子の含有率を変化させることで屈折率分布を持たせた光学素子が開示されている。
　具体的には、無機微粒子を含む樹脂溶液を、基板上に液滴で吐出して乾燥固化させることを繰り返して光学素子を製造する方法において、無機微粒子の含有率が異なる複数種の樹脂溶液を、レンズの径方向、厚み方向、あるいは両方向に対して、所定の割合で吐出面上で混合させることで、径方向、厚み方向、あるいは両方向に屈折率分布を付与したレンズを得ている。
　レンズ等の光学素子に求められる光学特性は広範囲にわたるため、このようなコンポジット材料を用いた屈折率分布を有する光学素子は、光学分野において非常に有用であり、コンポジット材料を用いた屈折率分布を有する新規な光学素子の開発が求められている。
特開２００９－０８３３２６号公報
　そこで本発明は、コンポジット材料を用いた所望の屈折率分布を有する新規な光学素子を提供することを目的とする。
　上記課題を解決する光学素子は、樹脂と前記樹脂中に分散する無機微粒子群とを含む。前記無機微粒子群は、第１の微粒子群と、前記第１の微粒子群よりも大きな比重を有する第２の微粒子群とを含む。前記第１の微粒子群の屈折率と前記第２の微粒子群の屈折率は異なる。前記光学素子の光学軸側の領域では、前記第１の微粒子が前記第２の微粒子よりも多く存在し、前記光学素子の外周側の領域では、前記第２の微粒子が前記第１の微粒子よりも多く存在している。
　上記光学素子によれば、コンポジット材料を用いた所望の屈折率分布を有する新規な光学素子を実現することができる。
実施の形態１の屈折率分布を持った光学素子を示す概略断面図 （ａ）図１の光学素子の部分拡大図（ｂ）図１の光学素子の径方向に対する屈折率分布を示すグラフ 実施の形態１の光学素子を成形するための成形装置を示す概略図 （ａ）コンポジット材料を回転させる前の状態を示す概略図（ｂ）コンポジット材料を回転させた後の状態を示す概略図 実施の形態１の光学素子中の無機微粒子群の分布のその他の例を示す概略図 実施の形態２のハイブリッドレンズを示す概略断面図 実施の形態２のハイブリッドレンズの製造工程を示す概略図 実施の形態３の交換レンズと実施の形態４の撮像装置を示す概略図
　本発明の一実施の形態は、樹脂と前記樹脂中に分散する無機微粒子群とを含む光学素子であって、
　前記無機微粒子群は、第１の微粒子群と、前記第１の微粒子群よりも大きな比重を有する第２の微粒子群とを含み、
　前記第１の微粒子群の屈折率と前記第２の微粒子群の屈折率は異なっており、
　前記光学素子の光学軸側の領域では、前記第１の微粒子が前記第２の微粒子よりも多く存在し、前記光学素子の外周側の領域では、前記第２の微粒子が前記第１の微粒子よりも多く存在している、
光学素子である。
　本発明の別の一実施の形態は、基材となる第１の光学素子と、
　前記第１の光学素子に積層され、樹脂を含む第２の光学素子とを備える複合光学素子であって、
　前記第２の光学素子が、上記の光学素子である、複合光学素子である。
　本発明の別の一実施の形態は、上記の光学素子または複合光学素子を備える、撮像装置に着脱可能な交換レンズである。
　本発明の別の一実施の形態は、上記の光学素子または複合光学素子を備える、撮像装置である。
　以下、特定の実施形態を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することができる。
　＜実施の形態１＞
　以下、実施の形態１のレンズ１（光学素子の一例）について図面を参照しながら説明する。
　［１．レンズ］
　図１は、本実施形態に係る屈折率分布を持ったレンズ１の概略断面図である。レンズ１は、光学部２から構成される円盤状の部材である。レンズ１は、両凸形状のレンズである。レンズ１は、光学素子の一例である。
　レンズ１は、第１光学面３と、第２光学面４と、外周面５とを備える。第１光学面３と第２光学面４とは、光軸Ｘ方向に相対向している。
　外周面５は、第１光学面３の端部と第２光学面４の端部とを接続する面である。外周面５は、レンズ１の側面である。
　レンズ１の外径は外周面５で規定される。本実施形態では外径は例えば１０～１００ｍｍである。
　［２．コンポジット］
　図２（ａ）は、レンズ１の部分拡大断面図であり、図２（ｂ）は、その径方向に対する屈折率分布を示すグラフである。
　光学部２は、マトリクス材料としての樹脂１０と、無機粒子群とで構成される。無機粒子群は、第１の微粒子１１群と第２の微粒子１２群とを含む。第１の微粒子１１群および第２の微粒子１２群は、異なる材料で構成されている。具体的には、第２の微粒子１２群は、第１の微粒子１１群よりも比重が大きい材料で構成されている。また、第２の微粒子１２群は、第１の微粒子１１群よりも屈折率が高い材料で構成されている。
　本実施形態では、無機微粒子群として、樹脂１０よりも屈折率が高いものを用いている。無機微粒子の材料や粒径、数などを調整することにより、樹脂１０に無機微粒子群を分散させたコンポジット材料の屈折率を調整することができる。
　第１の微粒子１１群および第２の微粒子１２群は、レンズ１の全体に分散されている。ここで、第１の微粒子１１群と第２の微粒子１２群の分散状態を比較すると、レンズ１の光軸Ｘ側と外周面５側とでは、第１の微粒子１１群と第２の微粒子１２群との分布が異なる。
　光軸Ｘ側の領域では、第２の微粒子１２の数よりも第１の微粒子１１の数が多い。一方、光学部２の外周側の領域では、第２の微粒子１２の数が第１の微粒子１１の数よりも多い。また、第２の微粒子１２の数は、外周側から光軸Ｘ側に向かって徐々に少なくなっている。よって、無機微粒子群中の第２の微粒子１２群の割合が、光軸Ｘ側から外周側に向かって徐々に多くなっている。
　本実施形態では、樹脂１０の屈折率よりも、第１の微粒子１１群および第２の微粒子１２群の屈折率の方が高い。また、第１の微粒子１１群および第２の微粒子１２群とでは、第２の微粒子１２群の方が高い屈折率を有している。そのため、屈折率が高い第２の微粒子１２の割合が多い方が屈折率が高くなる。したがって、屈折率が高い第２の微粒子１２が外周側に多く存在することにより、レンズ１の外周側の屈折率が高くなる。
　したがって、このような構成により、図２（ｂ）に示すような屈折率分布を実現することができる。具体的には、屈折率分布としては、光軸側から外周側に向かって屈折率が高くなっているという屈折率分布を実現することができる。
　なお、ここでは、第２の微粒子１２群の屈折率の方が第１の微粒子１１群の屈折率よりも高い場合について説明したが、第１の微粒子１１群の屈折率の方が第２の微粒子１２群の屈折率よりも高くてもよい。また、樹脂１０の屈折率よりも、第１の微粒子１１群および第２の微粒子１２群の一方または両方の屈折率が低くてもよい。例えば、第１の微粒子１１群および第２の微粒子１２群の両方の屈折率が樹脂１０の屈折率よりも低く、第１の微粒子１１群の屈折率の方が第２の微粒子１２群の屈折率よりも高い場合には、外周側に向かって屈折率が低下する分布を実現することができる。
　［３．無機微粒子］
　無機微粒子の材料としては、酸化物や、フッ化物、半導体材料が挙げられる。酸化物の例としては、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化スズ、酸化セリウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化ユウロピウム、酸化ガドリウム、酸化マグネシウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化インジウム、酸化カリウム、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化バリウム、酸化ストロンチウム、酸化ニッケル、酸化クロム、チタン酸バリウム、酸化カドミウム、酸化バナジウム、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化テルビウム、酸化ツリウム、酸化エルビウム、酸化ジスプロシウム、酸化ホルミウム、チタン酸バリウム、硫酸バリウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸リチウムなどが挙げられる。フッ化物の例としては、フッ化アルミニウム、フッ化カルシウム、フッ化ガドリニウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化ネオジム、フッ化サマリニウム、フッ化イッテルビウム、フッ化マグネシウム、フッ化セリウム、フッ化ランタン、フッ化ニオブ、フッ化イットリウムなどが挙げられる。半導体材料の例としては、硫化亜鉛、硫化カドミウム、硫化マグネシウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、テルル化カドミウム、テルル化水銀、テルル化亜鉛、酸窒化珪素、酸化インジウムスズ、酸化銅、リン化インジウム、リン化ホウ素、リン酸インジウム、炭化ケイ素、硫化亜鉛、硫化ガリウム、セレン化銅、セレン化マグネシウム、セレン化亜鉛、ヒ化ガリウム、ヒ化カドミウムなどが挙げられる。
　なお、コンポジット材料においては、本発明の効果が得られる限り、上述以外の材料を用いてもかまわない。
　本実施形態の第１の微粒子１１および第２の微粒子１２は、それぞれ比重および屈折率が異なる材料で形成されている。上述した材料の一部について、比重および屈折率についてまとめたものを表１に示す。
　表１は、無機微粒子群に用いられる材料の比重と屈折率の関係を示す表である。この表に挙げられている材料は、無機微粒子群に用いられる材料の一例である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　第１の微粒子１１の比重と第２の微粒子１２の比重との差は、後述の製造方法によって製造することが容易であることから、大きいことが望ましい。例えば、第１の微粒子１１をAl2O3（比重：3.9、屈折率：1.63）とし、第２の微粒子１２をITO（比重：7.2、屈折率：2.06）とすることができる。
　第１の微粒子１１群の中心粒径と第２の微粒子１２群の中心粒径には特に制限はないが、後述の製造方法によって製造することが容易であることから、これらの中心粒径は、同程度であることが望ましい。
　無機微粒子の形状としては、球形状や非球形状であってもよく、ポーラスシリカのように空隙が形成されているものでもよい。
　これらの無機微粒子の屈折率は、材料によって屈折率が異なる。そのため、材料によっては、樹脂よりも屈折率が高いものや、屈折率が低いものがある。レンズ１に求められる光学特性に応じて、適宜材料を選択すればよい。
　無機微粒子群は、一般的に１次粒子と、１次粒子が複数個凝集してなる２次粒子を含んで構成されている。また、１次粒子のみから構成される無機微粒子群もある。無機微粒子群を含む光学部２の透光性を確保するには、無機微粒子の粒径が重要となる。無機微粒子の粒径が光の波長の１／４より大きい場合は、レイリー散乱によって透光性が損なわれるおそれがある。そのため、可視光域において高い透光性を実現するためには、可視光は４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲の波長であるため、無機微粒子の粒径は１００ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、無機微粒子の粒径が１ｎｍ未満になると、無機微粒子が量子的な効果を発現する材質からなる場合には蛍光を生じることがあり、これが光学部２を用いて形成した光学部品の特性に影響をおよぼす場合がある。以上の観点から、無機微粒子群の中心粒径（メジアン径：ｄ５０）が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内にあることがより好ましい。中心粒径は、例えば、無機微粒子群の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を撮影し、２００個以上の無機微粒子について、その粒径（２次粒子の場合は２次粒径）を測定して求めることができる。
　［４．樹脂材料］
　樹脂１０としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、及びエネルギー線硬化性樹脂等の樹脂の中から、透光性の高い樹脂を用いることができる。例えば、アクリル樹脂、ポリメタクリル酸メチル等のメタクリル樹脂、エポキシ樹脂；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート及びポリカプロラクトン等のポリエステル樹脂、ポリスチレン等のポリスチレン樹脂、ポリプロピレン等のオレフィン樹脂、ナイロン等のポリアミド樹脂、ポリイミドやポリエーテルイミド等のポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール、ブチラール樹脂、酢酸ビニル樹脂、脂環式ポリオレフィン樹脂を用いてもよい。また、ポリカーボネート、液晶ポリマー、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、非晶性ポリオレフィン等のエンジニアリングプラスチックを用いてもよい。また、これらの樹脂（高分子）の混合体や共重合体を用いてもよい。また、これらの樹脂を変性した樹脂を用いてもよい。
　これらの中でも、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ブチラール樹脂、ポリオレフィン樹脂、及びポリカーボネート樹脂は、透明性が高く、成形性も良好である。これらの樹脂は、所定の分子骨格を選択することによって、ｄ線屈折率を１．４～１．７の範囲とすることができる。
　なお、熱硬化性樹脂を用いる場合は、樹脂を硬化させるための触媒又は硬化剤を含有する必要があることが多く、エネルギー線硬化性樹脂を用いる場合は、樹脂を硬化させるための重合開始剤を含有する必要があることが多い。
　樹脂１０には、本発明の効果が得られる限り、酸化防止剤、紫外線吸収剤、離型剤、導電剤、帯電防止剤、界面活性剤、熱安定性剤などの添加剤を含んでもよい。
　［５．製造方法］
　次に、本実施形態のレンズ１の製造方法の一例について説明する。
　レンズ１は、例えば、液状または溶液状の樹脂または樹脂原料中に無機微粒子群を分散させたコンポジット材料を得、当該コンポジット材料に遠心力を印加し、その後成形することにより製造することができる。
　まず、無機微粒子群の形成方法について説明する。
　無機微粒子群は、液相法（共沈法、ゾルゲル法、金属錯体分解法等）あるいは気相法により合成することが出来る。または、ボールミルあるいはビーズミルによる粉砕法によりバルク体を微粒子化することで無機微粒子群を形成しても良い。
　次に、本実施形態のコンポジット材料の調製方法について説明する。
　コンポジット材料の調製方法には、特に限定はなく、物理的な方法で調製してもよいし化学的な方法で調製してもよい。例えば、下記のいずれかの方法でコンポジット材料を調製することができる。
　（１）樹脂又は樹脂を溶解した溶液と無機微粒子群とを、機械的、物理的に混合する方法。
　（２）樹脂の原料（単量体やオリゴマー等）と無機微粒子群とを、機械的、物理的に混合して混合物を得た後、必要に応じ樹脂の原料を重合する方法。
　（３）樹脂又は樹脂を溶解した溶液と無機微粒子の原料とを混合した後に、無機微粒子の原料を反応させ、樹脂中で無機微粒子群を形成する方法。
　（４）樹脂の原料（単量体やオリゴマー等）と無機微粒子の原料とを混合した後、無機微粒子の原料を反応させて無機微粒子群を合成する工程と、必要に応じ樹脂の原料を重合して樹脂を合成する工程とを行う方法。
　上記（１）及び（２）の方法では、予め形成された様々な無機微粒子群を用いることができ、また、汎用の分散装置によってコンポジット材料を調製できるという利点がある。また、上記（３）及び（４）の方法では、化学的な反応を行うことが必要であるため、材料に制限がある。しかし、これらの方法は、原料を分子レベルで混合するので、無機微粒子群の分散性を高めることができるという利点を有する。
　なお、上述の方法において、無機微粒子又は無機微粒子の原料と、樹脂又は樹脂の原料とを混合する順序に特に限定はなく、好ましい順序を適宜選択すればよい。例えば、中心粒径が実質的に１ｎｍ～１００ｎｍの範囲内にある無機微粒子群を分散した溶液に、樹脂、樹脂の原料又はそれらを溶解した溶液を加えて機械的、物理的に混合してもよい。コンポジット材料の製造方法は、本発明の効果が得られる限り特に限定されない。
　また、コンポジット材料においては、本発明の効果が得られる限り、無機微粒子群、マトリクスとなる樹脂または樹脂原料、および溶媒以外の成分を含んでもよい。例えば、図示はしていないが、樹脂１０中における無機微粒子群の分散性を向上させる分散剤や界面活性剤、特定範囲の波長の電磁波を吸収する染料や顔料等がコンポジット材料中に共存していても差し支えない。
　次に、コンポジット材料に遠心力を印加する方法およびその後の成形を行う方法について図３を用いて説明する。
　図３は、レンズ１を成形するための成形装置３０を示す。成形装置３０は、成形型３１と、ホッパー３２と、ノズル３３とで構成される。成形型３１は、レンズ１の第１光学面３および第２光学面４の反転形状の成形面を有している。
　まず、コンポジット材料３５をホッパー３２へ投入する。ホッパー３２に投入されたコンポジット材料３５は、ノズル３３を通って、成形型３１内に注入される。コンポジット材料３５の注入が終わると、成形型３１からノズル３３を切り離す。その後、成形型３１を回転させることで、遠心力を利用して、コンポジット材料内の無機微粒子群の分布を変化させる。
　回転による無機微粒子群の分布の変化について図４を用いて説明する。
　図４（ａ）は、コンポジット材料３５を回転させる前の状態を示す概略図であり、図４（ｂ）は、コンポジット材料３５を回転させた後の状態を示す概略図である。
　図４（ａ）に示すように、回転する前の初期状態では、第１の微粒子１１群および第２の微粒子１２群が均等に分散されている。しかし、コンポジット材料３５を回転させることで、図４（ｂ）に示すように、第２の微粒子１２が外側に多く分布するような状態となる。このような分布になる理由について以下で説明する。
　遠心力場における粒子の沈降速度ｖは、下記式（１）により表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 （ｄ：粒子の直径、σ：粒子の比重、ρ：分散媒の比重、η：分散媒の粘度、ｒ：回転半径、ω：角速度）
　上記式が表すように、遠心力場においては、比重の大きな粒子（第２の微粒子１２）の方が、比重の小さな粒子（第１の微粒子１１）よりも沈降速度が大きい。したがって、粒子が遠心力を受けた際には、比重の大きな粒子（第２の微粒子１２）が、比重の小さな粒子（第１の微粒子１１）よりも、外周側により大きく移動する。その結果、比重の大きな粒子（第２の微粒子１２）が外周側に多く分布することになる。
　なお、上記式が表すように、遠心力場においては、沈降速度は無機微粒子の粒径の影響も受ける。粒径が大きな無機微粒子は、粒径が小さな無機微粒子よりも、沈降速度が大きい。その結果、「比重が大きく、かつ、粒径が小さな無機微粒子」と、「比重が小さく、かつ、粒径が大きな無機微粒子」との沈降速度が同じ程度になる場合がある。そのような２種の粒子を組み合わせた場合、図２に示すような分布を実現することが困難になる場合がある。
　したがって、第１の微粒子１１および第２の微粒子１２の粒径に関しては、第２の微粒子の沈降速度が第１の微粒子の沈降速度よりも大きくなるような粒径を選択するとよい。特に、第１の微粒子１１群の中心粒径と第２の微粒子１２群の中心粒径を、同程度とするとよい。あるいは、第１の微粒子１１がAl2O3（比重：3.9、屈折率：1.63）、第２の微粒子１２がITO（比重：7.2、屈折率：2.06）である組み合わせのように、２つの材料間の比重を十分に大きくするとよい。２つの材料間の比重の差が、粒径の差による沈降速度の差を補償できるほどの比重の差よりも大きいのであれば、第１の微粒子群と第２の微粒子群の沈降速度に差がつき、その結果、図２に示すような分布を実現しやすくなる。
　成形型３１を回転させる際の条件については、公知の遠心力の理論を用いて適宜設定される。
　成形型３１の回転の後、成形型３１内のコンポジット材料３５を成形する。樹脂材料として、熱可塑性樹脂を用いた場合は、成形型３１にコンポジット材料３５を注入する際に加熱しておき、回転終了後、成形型３１を冷却すればよい。
　樹脂材料として、熱硬化性樹脂を用いた場合は、回転終了後の成形型３１を加熱すればよい。
　樹脂材料として、エネルギー硬化型樹脂（例えば、紫外線硬化型樹脂）を用いた場合は、回転終了後の成形型３１にエネルギー線（例えば、紫外線）を照射すればよい。この場合、成形型３１は、紫外線を透過するガラス型であることが好ましい。これにより、コンポジット材料３５が硬化し、レンズ１が成形される。
　なお、樹脂溶液を使用した場合には、適切な段階で溶媒を除去すればよい。
　なお、本実施形態では、無機微粒子として２種の材料を用いたが、本発明はこれには限らない。例えば、図５に示すように、第１の微粒子１１群と第２の微粒子１２群と第３の微粒子１３群の３種類の無機微粒子群を分散させてもよい。これらの無機微粒子群の比重と屈折率が異なれば、上述の製造方法により任意の分布を持たせることができる。
　［６．まとめ］
　上述したとおり、本実施形態のレンズ１（光学素子の一例）は、樹脂１０と樹脂１０中に分散する無機微粒子群とを含む。前記無機微粒子群は、第１の微粒子１１群と、第１の微粒子１１群よりも大きな比重を有する第２の微粒子１２群とを含む。前記第１の微粒子群の屈折率と前記第２の微粒子群の屈折率は異なる。レンズ１の光学軸側の領域では、第１の微粒子１１が第２の微粒子１２よりも多く存在し、レンズ１の外周側の領域では、前記第２の微粒子１２が前記第１の微粒子１１よりも多く存在している。
　このような構成により、レンズ１は、径方向に屈折率分布を有することができる。具体的には、径方向に向かって屈折率が大きくなる、または、小さくなるような光学素子を実現できる。このような光学素子は、上記のように、遠心力を利用して製造することが可能であるため、製造が容易であるという利点も有する。
　＜実施の形態２＞
　次に実施の形態２に係るハイブリッドレンズ４０（複合光学素子の一例）について図面を用いて説明する。
　図６は、ハイブリッドレンズ４０を示す概略断面図である。ハイブリッドレンズ４０は、ガラス材料で構成された基材となる第１レンズ４１と、コンポジット材料３５で構成された第２レンズ４２と、を備える。第２レンズ４２は、第１レンズ４１の光学面上に積層されている。
　第２レンズ４２として、上述の実施の形態１で説明したレンズ１が用いられる。
　次に、ハイブリッドレンズ４０の製造方法について図７を用いて説明する。ここでは、コンポジット材料３５を構成する樹脂材料は、紫外線硬化樹脂とする。
　図７は、ハイブリッドレンズ４０の製造工程を示す概略図である。
　まず、第１レンズ４１を成形する。第１レンズ４１は、レンズ研磨や射出成形やプレス成形など、公知の製造方法を用いて成形される。
　次に、図７（ａ）に示すように、ディスペンサー５０を用いて、成形型５１の成形面にコンポジット材料３５を吐出する。そして、コンポジット材料３５の上方から第１レンズ４１を載せて、コンポジット材料３５が所定の厚みになるまで押し広げる。
　次に、図７（ｂ）に示すように、成形型５１を回転台５２に載せて回転させる。
　そして、図７（ｃ）に示すように、第１レンズ４１の上方から光源５３より紫外線を照射することで、コンポジット材料３５を硬化させる。
　＜実施の形態３および４＞
　次に、実施の形態３に係る交換レンズ１２０および実施形態４に係る撮像装置（カメラ１００）について同時に、図面を参照しながら説明する。図８には、カメラ１００の概略図を示す。
　カメラ１００は、カメラ本体１１０と、該カメラ本体１１０に取り付けられた交換レンズ１２０とを備えている。カメラ１００は撮像装置の一例である。
　カメラ本体１１０は、撮像素子１３０を有している。
　交換レンズ１２０は、カメラ本体１１０に着脱可能に構成されている。交換レンズ１２０は、例えば、望遠ズームレンズである。交換レンズ１２０は、光束をカメラ本体１２０の撮像素子１３０上に合焦させるための結像光学系１４０を有している。結像光学系１４０は、上記レンズ１と、屈折型レンズ１５０，１６０とで構成されている。
　交換レンズ１２０およびカメラ１００の変形例として、上記レンズ１の代わりに上記ハイブリッドレンズ４０を使用することができる。
　またカメラ１００の変形例として、カメラは、カメラ本体部と、カメラ本体部と分離可能に構成されていないレンズ部を有し、レンズ部が上記レンズ１または上記ハイブリッドレンズ４０を含む構成を有することも可能である。
　＜その他の実施形態＞
　実施の形態２では、成形型を回転させたが、本発明はこれには限定されない。第１レンズ上にコンポジット材料を吐出して、スピンコートにより形成してもよい。
　本発明の光学素子は、レンズ、プリズム等に好適に用いることができる。

Claims (6)

  1. 　樹脂と前記樹脂中に分散する無機微粒子群とを含む光学素子であって、
    　前記無機微粒子群は、第１の微粒子群と、前記第１の微粒子群よりも大きな比重を有する第２の微粒子群とを含み、
    　前記第１の微粒子群の屈折率と前記第２の微粒子群の屈折率は異なっており、
    　前記光学素子の光学軸側の領域では、前記第１の微粒子が前記第２の微粒子よりも多く存在し、前記光学素子の外周側の領域では、前記第２の微粒子が前記第１の微粒子よりも多く存在している、
    光学素子。
  2. 　基材となる第１の光学素子と、
    　前記第１の光学素子に積層され、樹脂を含む第２の光学素子とを備える複合光学素子であって、
    　前記第２の光学素子が、請求項１に記載の光学素子である、複合光学素子。
  3. 　請求項１に記載の光学素子を備える、撮像装置に着脱可能な交換レンズ。
  4. 　請求項２に記載の複合光学素子を備える、撮像装置に着脱可能な交換レンズ。
  5. 　請求項１に記載の光学素子を備える、撮像装置。
  6. 　請求項２に記載の複合光学素子を備える、撮像装置。
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