WO2016174954A1 - 光学フィルタ素子 - Google Patents

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WO2016174954A1
WO2016174954A1 PCT/JP2016/058724 JP2016058724W WO2016174954A1 WO 2016174954 A1 WO2016174954 A1 WO 2016174954A1 JP 2016058724 W JP2016058724 W JP 2016058724W WO 2016174954 A1 WO2016174954 A1 WO 2016174954A1
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WO
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filter element
optical filter
optical
light
incident
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/058724
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
塩田　勇樹
藤原　康裕
田中　功
Original Assignee
Hoya株式会社
塩田　勇樹
藤原　康裕
田中　功
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hoya株式会社, 塩田　勇樹, 藤原　康裕, 田中　功 filed Critical Hoya株式会社
Publication of WO2016174954A1 publication Critical patent/WO2016174954A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/22—Absorbing filters

Definitions

  • the present invention relates to a non-planar optical filter element that absorbs light having a predetermined property.
  • An image sensor mounted on such an optical device uses an image sensor such as a CMOS sensor or CCD that photoelectrically converts incident light and records it.
  • an optical filter element that absorbs light in a predetermined wavelength range is installed immediately before the light receiving surface of the image sensor to correct the color sensitivity of the image sensor and improve color reproducibility.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an optical system in such an optical apparatus.
  • the lens is omitted, and the refraction of light in the optical system is omitted.
  • the broken line in the figure schematically shows the wavefront of light before and after passing through the diaphragm.
  • the wavefront is convex toward the object side before the light passes through the stop, and the wavefront is convex toward the image side after passing through the stop. If the optical system is shortened and the angle of view is widened, the curvature of the wavefront increases.
  • the optical filter element 11 is installed in front of the light receiving surface of the image sensor 12 in order to correct color sensitivity and improve color reproducibility.
  • Conventional optical filter elements have a planar shape as disclosed in Patent Documents 1 to 4.
  • the incident angle of the light beam at the position away from the optical axis on the surface of the optical filter element 11 (optical filter element).
  • the angle formed by the surface normal and the incident direction of the light beam is larger than the incident angle of the light beam on the optical axis.
  • the amount of light incident on the optical filter obliquely increases, and the incident angle tends to increase as the distance from the optical axis increases.
  • the optical path length in the optical filter element differs between a light beam that is perpendicularly incident on the optical axis and a light beam that is obliquely incident on a position away from the optical axis.
  • the optical path length t ′ Is long.
  • a general ghost generated by reflection between lens surfaces is a single circular shape or a polygonal shape formed by diaphragm blades.
  • a ghost is particularly likely to occur when intense light is incident on a camera lens, such as when shooting an image in the backlight in the outdoors.
  • the conventional planar optical filter element has a problem in that the light transmittance varies as described above, and the color sensitivity correction function and the color reproducibility become insufficient.
  • the optical filter element since the optical filter element has a planar shape, the installation position is limited to a position immediately before the light receiving surface of the image sensor, and the degree of freedom in design is limited. Further, since the optical filter element is installed immediately before the light receiving surface of the image sensor, defects such as scratches on the surface of the optical filter element and foreign matters contained therein are easily reflected on the light receiving surface of the image sensor. The element has a problem that stricter standards are required for surface roughness and internal quality than the lens.
  • an image sensor having a concave light receiving surface has been developed. This is because the incident angle of light on the light receiving surface of the image sensor increases as the distance from the optical axis increases as the optical system becomes more compact as described above.
  • the surface of the image sensor is concave so that light incident obliquely away from the optical axis enters the image sensor light-receiving surface perpendicularly. Therefore, development of an optical filter element corresponding to a non-planar image sensor is desired.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and reduces variation in light transmittance depending on the incident position of light incident on the surface of the optical filter element, and a part of the light incident on the optical system is reduced.
  • An object of the present invention is to provide an optical filter element that suppresses generation of a ghost by reflection between lens surfaces, and further, an installation position is not limited to just before an image sensor light receiving surface.
  • a non-planar optical filter element having a first surface and a second surface, and having a uniform optical path length until light incident perpendicularly from the first surface reaches the second surface.
  • a non-planar optical filter element having a first surface and a second surface and having a uniform distance from the first surface to the second surface.
  • a spherical optical filter element having a first surface and a second surface, and having a uniform optical path length until light vertically incident from the first surface reaches the second surface.
  • a cemented optical element comprising the optical filter element according to any one of (1) to (4) and an optical lens.
  • the optical filter element has a non-planar shape in which the optical path length in the optical filter element of light vertically incident from the surface of the optical filter element is constant regardless of the incident position of the light. .
  • Such a configuration can reduce variations in light transmittance depending on the incident position of light incident on the surface of the optical filter element. As a result, even in a compact optical system, the color sensitivity correction function and color reproducibility are improved. Even at a position away from the optical axis, light is incident on the optical filter element at an angle perpendicular to or close to the surface of the optical filter element, so that reflection of light on the surface of the optical filter element is reduced and ghosting is performed. Is suppressed. Furthermore, it is possible to provide an optical filter element whose installation position is not limited to just before the image sensor light receiving surface.
  • FIG. 7B shows a cross-sectional view of the non-planar optical filter element of FIG. 7A.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of the non-planar optical filter element of FIG. 8A.
  • positioning of a spherical-shaped optical filter element is shown.
  • the example of the manufacturing flow of an optical filter element of a non-planar shape is shown.
  • (numerical value 1) may be used to represent a numerical range such as “(numerical value 1) or less”.
  • the range represented in this way is a numerical range in which a numerical range smaller than (numerical value 1) and (numerical value 1) are combined.
  • the numerical range expressed as “less than (numerical value 1)” is a numerical range smaller than (numerical value 1) and does not include (numerical value 1).
  • (Numerical value 2) may be used to represent a numerical range such as “(Numerical value 2) or more”.
  • the range represented in this way is a numerical range in which a numerical range larger than (numerical value 2) and (numerical value 2) are combined.
  • a numerical range may be expressed as “(numerical value 2) over”.
  • the range represented in this way is a numerical range larger than (numerical value 2) and does not include (numerical value 2).
  • the “optical filter element” is an optical element that absorbs light having a predetermined property among incident light and transmits other light.
  • an optical element for example, an optical filter element that absorbs light having a specific wavelength in incident light, or an optical filter that absorbs light having a specific light intensity (amplitude) in incident light without depending on the wavelength of light. Examples thereof include an element or an optical filter element that absorbs light having an electric field component in a specific vibration direction in incident light. Therefore, the optical filter element according to the present embodiment includes a so-called band pass filter, color filter, ND filter, long pass filter, short pass filter, polarizing filter, and the like.
  • the “optical filter element” is preferably an optical element that absorbs light in a predetermined wavelength range and transmits light in other wavelength ranges.
  • the optical filter element according to the first embodiment has a first surface and a second surface, and the optical path length until light incident perpendicularly from the first surface reaches the second surface is uniform and non-planar. It is characterized by its shape.
  • the surface on which light is incident is the first surface, and the surface facing the first surface is the second surface.
  • the optical path length until light vertically incident from the first surface reaches the second surface is uniform at any point on the first surface.
  • To enter perpendicularly means to be incident at an angle of about 90 ° with respect to the first surface. Since the optical filter element of the present embodiment has a non-planar shape, the inclination of the surface varies depending on the position on the first surface. Accordingly, the vector of vertically incident light may differ depending on the position on the first surface.
  • the optical path length is a value obtained by multiplying the length L of the path through which light passes in the optical filter element by the refractive index of the optical filter element.
  • the optical path length is a value obtained by multiplying the thickness of the optical filter element by the refractive index of the optical filter element. Therefore, when light is incident perpendicularly to the first surface of the optical filter element, the uniform optical path length means that the thickness of the optical filter element is uniform.
  • the wavelength of light for evaluating the optical path length is not particularly limited, but the optical path length is preferably evaluated with light having a wavelength of 200 nm to 2500 nm, more preferably 400 nm to 700 nm.
  • the optical path length in the optical filter element of light incident perpendicularly to the first surface at an arbitrary point in the light incident region on the first surface can be measured as follows.
  • An apparatus that includes two probes and measures the distance between the tips of the probes is used.
  • the tip of one probe (referred to as probe 1) is brought into contact with an arbitrary point where light on the first surface is perpendicularly incident.
  • the tip of the other probe (referred to as probe 2) is brought into contact with a point on the second surface facing an arbitrary point on the first surface.
  • the “point facing an arbitrary point on the first surface” on the second surface means the normal to the first surface and the second surface at an arbitrary point where light on the first surface is incident perpendicularly.
  • Means the intersection of The distance between the tips of the two probes is measured with the tip of the probe 1 and the tip of the probe 2 in contact with the first surface and the second surface, respectively. This distance is the thickness of the optical filter element at an arbitrary point on the first surface.
  • the value obtained by multiplying the thickness measured in this way by the refractive index of the optical filter element is the optical path length.
  • the uniform optical path length means that the difference between the optical path length of light incident on an arbitrary point on the first surface and the optical path length of light incident on another point is extremely small.
  • the optical path length at an arbitrary point of 10 or more on the first surface is preferably within ⁇ 10% of the thickness of the optical filter element at the center point on the first surface.
  • the optical path length at an arbitrary point of 10 or more on the first surface is preferably within ⁇ 5% of the thickness of the optical filter element at the center point on the first surface, and further the optical at the center point on the first surface.
  • the normal of the first surface at an arbitrary point (referred to as point A) in the region where light on the first surface is incident and the second facing the point A It is preferable that the normal line of the second surface at a point on the surface is on the same straight line. Since the optical path length in the optical filter element is uniform, the transmittance of light passing through the optical filter element is constant regardless of the light incident position on the first surface. As a result, the color sensitivity correction function and color reproducibility of the optical filter element are improved.
  • the non-planar shape means a shape different from the conventional planar optical filter, and means any shape other than the planar shape. However, from the viewpoint of ensuring functionality as an optical filter, it is preferably a thin plate that is partially or entirely smoothly curved.
  • Such a non-planar optical filter is distinguished from a planar optical filter by forming a gap between the non-planar optical filter and the horizontal plane when placed on the horizontal plane. Since the optical filter element has such a non-planar shape, light is incident on the optical filter element at an angle perpendicular to or close to the surface of the optical filter element even at a position away from the optical axis. The reflection of light on the surface of the filter element is reduced, and the occurrence of ghost is suppressed.
  • the non-planar shape may be defined as a shape in which the first surface and the second surface have a plurality of normal vectors.
  • the normal is a straight line that passes through a point on the curved surface and is perpendicular to the tangent plane at this point. That is, the normal vector is a vector perpendicular to the surface.
  • a surface has a single normal vector when the surface is planar.
  • the inclination of the tangential plane varies depending on the position of the surface, and therefore there are a plurality of vectors perpendicular to the surface.
  • the shapes of the first surface and the second surface are non-planar shapes and can be defined as shapes having a plurality of normal vectors.
  • the thickness of the optical filter element according to the first embodiment can be appropriately set depending on the material of the optical filter element, the transmittance in the target wavelength range, the installation position of the optical filter element, and the like.
  • the thickness of the optical filter element according to the first embodiment is preferably 0.01 mm or more, more preferably 0.05 mm or more and 0.10 mm or more.
  • the thickness is preferably 10 mm or less, and more preferably 3.0 mm or less, 1.0 mm or less, and 0.5 mm or less.
  • the optical filter element according to the present embodiment has a uniform thickness, does not have a function of focusing or diverging light like a lens, and does not have a function of correcting spherical aberration or the like.
  • the diameter of the optical filter element according to the first embodiment can be set as appropriate according to the application.
  • the diameter of the optical filter element according to the first embodiment is preferably 0.1 mm or more, and more preferably 0.5 mm or more and 1 mm or more.
  • the diameter is preferably 50 mm or less, and more preferably in the order of 30 mm or less, 20 mm or less, 15 mm or less, and 10 mm or less.
  • the glass which comprises the optical filter element which concerns on 1st Embodiment has very high homogeneity.
  • Tolerances of the refractive index n d and the refractive index n e of the glass constituting the optical filter element is preferably ⁇ 0.01000 within.
  • the tolerance of the refractive index n d and the refractive index n e at a wavelength 600nm of glass constituting the optical filter element is preferably ⁇ .00500 within news, ⁇ 0.00300 within, ⁇ 0.00100 within , Within ⁇ 0.00050, within ⁇ 0.00030, and within ⁇ 0.00010.
  • the optical filter element according to the second embodiment has a first surface and a second surface, has a uniform distance from the first surface to the second surface, and has a non-planar shape. .
  • the distance from the first surface to the second surface is the length of the shortest path from one point on the arbitrarily selected first surface to the second surface.
  • Uniform distance means the shortest distance from any point on the first surface to the second surface and the shortest distance from another point on the first surface to the second surface. It means that the difference is extremely small.
  • the length of the shortest path from an arbitrary point of 10 or more on the first surface to the second surface is preferably within ⁇ 10% of the thickness of the optical filter element at the center point on the first surface. It is.
  • the length of the shortest path from the arbitrary point of 10 or more on the first surface to the second surface is within ⁇ 5% of the thickness of the optical filter element at the center point on the first surface.
  • the thickness of the optical filter element at the center point on the first surface is within ⁇ 3%, within ⁇ 2%, within ⁇ 1.5%, within ⁇ 1%, within ⁇ 0.75%, ⁇ It is more preferable in the order of within 0.5%, within ⁇ 0.3%, and within ⁇ 0.1%.
  • the measurement of the shortest distance from an arbitrary point on the first surface of the optical filter element to the second surface is performed, for example, using two probes as follows.
  • the tip of one of the two probes (referred to as probe 1) is brought into contact with an arbitrary point on the first surface.
  • the tip of the other probe (referred to as probe 2) is brought into contact with a point on the second surface facing an arbitrary point on the first surface.
  • the distance between the tip of the probe 1 and the tip of the probe 2 is obtained.
  • the tip of the probe 2 is moved on the second surface, and the minimum value of the distance between the tip of the probe 1 and the tip of the probe 2 is measured.
  • This value is the shortest distance from the point on the first surface to the second surface, that is, the distance from the first surface to the second surface.
  • This value is also the thickness of the optical filter element at the above point on the first surface.
  • the refractive index of the glass constituting the optical filter element that is, the glass used for the optical filter element is uniform
  • the shortest distance from the arbitrary point of the light incident area on the first surface to the second surface Is constant, that is, when the distance from the first surface to the second surface is uniform, an optical filter element for light incident perpendicularly to the first surface at any point in the light incident region on the first surface
  • the optical path length inside is uniform. Therefore, the transmittance of light passing through the optical filter element is constant regardless of the light incident position on the first surface. As a result, the color sensitivity correction function and color reproducibility of the optical filter element are improved.
  • the method of the first surface at an arbitrary point (referred to as point A) in the region where the light on the first surface is incident.
  • the line and the normal line of the second surface at the point on the second surface facing the point A are preferably on the same straight line.
  • the preferred thickness, diameter, refractive index and the like of the optical filter element according to the second embodiment are the same as those in the first embodiment.
  • the shape of the optical filter element is not particularly limited as long as it is a non-planar shape, but from the viewpoint of ease of manufacture, versatility in the optical system, and the like, as shown in FIG. 3, it has a spherical shape, that is, a constant curvature. A curved surface having a radius is preferable.
  • the optical filter element according to the third embodiment has the first surface and the second surface, and the optical path length until light incident perpendicularly from the first surface reaches the second surface is uniform.
  • the meanings of the first surface and the second surface are the same as described above.
  • the first surface may be a concave spherical surface and the second surface may be a convex spherical surface.
  • the first surface is a convex spherical surface
  • the second surface is a concave spherical surface.
  • the concave spherical surface and the convex spherical surface have substantially the same spherical shape as the surface of the true sphere, and the elliptical sphere is excluded.
  • light that has passed through an aperture of a diaphragm enters the optical filter element 23 from the left side, and only light having a predetermined property is absorbed (cut), and other light is transmitted.
  • the light transmitted through the optical filter element 23 reaches the light receiving surface of the image sensor, and an image of the subject is formed on the light receiving surface.
  • the broken line in FIG. 3 is the wavefront of light.
  • the normal vector of the wavefront is the light propagation direction.
  • the wavefront of light immediately before entering the optical filter element 23 is convex toward the image side (convex as viewed from the light receiving surface side of the image sensor) with the stop as the center, and the shape of the optical filter element 23 is also convex toward the image side. Therefore, light is incident at an incident angle close to vertical at any position on the surface of the optical filter element 23.
  • optical path length of the light transmitted through the optical filter element 23 is uniform at any position on the surface of the optical filter element 23, variation in the light transmittance depending on the incident position is suppressed, and the color sensitivity. Correction function and color reproducibility are fully demonstrated.
  • the shape of the optical filter element 23 is a spherical shape and the shapes of the first surface 21 and the second surface 22 are a concave spherical surface and a convex spherical surface, respectively, as shown in FIG.
  • the curvature radius of the second surface is R
  • the curvature radius of the first surface is an absolute value of (R ⁇ t).
  • the curvature center of the 1st surface and the 2nd surface is the same position.
  • the curvature radius R of the second surface can be set as appropriate according to the application.
  • the absolute value of the radius of curvature R is preferably 10 ⁇ 1 mm to 10 4 mm, more preferably 1 mm to 10 3 mm.
  • the absolute value of the radius of curvature R is preferably 10 -1 mm to 10 2 mm, more preferably 1 mm to 10 1 mm.
  • the thickness t of the optical filter element is the same as that in the first embodiment.
  • the optical path length until light vertically incident from the first surface reaches the second surface is uniform at any point on the first surface, and the first The distance from the first surface to the second surface is uniform at any point on the first surface.
  • the optical path length and the uniformity of the distance are the same as those described in the first and second embodiments.
  • the preferable diameter, refractive index, and the like of the optical filter element according to the third embodiment are the same as those in the first embodiment.
  • the first surface and the second surface are convex spherical surfaces having substantially the same absolute value of curvature radius in consideration of the above-described uniformity range. And a concave spherical surface. In that case, the curvature centers of the first surface and the second surface are approximately the same position.
  • the first surface and the second surface can be a convex spherical surface and a concave spherical surface having the same absolute value of the radius of curvature.
  • the thickness of the optical filter element is preferably 10 mm or less. More preferably, it is 3 mm or less, More preferably, it is 1 mm or less, More preferably, it is 0.5 mm or less, More preferably, it is a case of 0.3 mm or less.
  • the shape of the optical filter element may be an aspherical shape as shown in FIG. Therefore, the optical filter element according to the fourth embodiment has a first surface and a second surface, and the optical path length until light incident perpendicularly from the first surface reaches the second surface is uniform. It is characterized by an aspherical shape.
  • the meanings of the first surface and the second surface are the same as described above.
  • the optical path length until light vertically incident from the first surface reaches the second surface is uniform at any point on the first surface, and Preferably, the distance from the first surface to the second surface is uniform at any point on the first surface.
  • the optical path length and the uniformity of the distance are the same as those described in the first and second embodiments.
  • the preferable thickness, diameter, refractive index, and the like of the optical filter according to the fourth embodiment are the same as those of the first embodiment.
  • a precision press molding method is suitable as a method for producing an optical filter element having an aspherical shape on the first surface and the second surface.
  • the shape of the optical filter element according to the fourth embodiment may be any shape as long as it is a non-planar shape that suppresses variation in the transmittance of light incident on the first surface. Therefore, as shown in FIG. 5, even when the shape of the light receiving surface of the image sensor 12 is a non-planar shape in order to reduce aberration due to field curvature, the first surface 21 and the second surface 22 are received by the image sensor.
  • the optical filter element 23 may be installed in front of the image sensor so as to be similar to the surface.
  • the shape of the optical filter element according to the fourth embodiment may be a shape that matches various image sensors or lenses.
  • FIG. 7 and FIG. 8 it is possible to form a shape in which curved surface shapes are connected.
  • the dome shape and the curved surface shape in FIGS. 7 and 8 may be an aspherical shape as shown in FIG.
  • the shape of the optical filter element according to the fourth embodiment is a non-planar shape adapted to the image sensor or the lens having various shapes as described above
  • the light vertically incident from the first surface is the second surface.
  • the optical path length until reaching the point is uniform at any point on the first surface, and preferably the distance from the first surface to the second surface is uniform at any point on the first surface.
  • the optical path length and the uniformity of the distance are the same as those described in the first and second embodiments.
  • the preferable thickness, diameter, refractive index, and the like of the optical filter according to the fourth embodiment are the same as those of the first embodiment.
  • the optical filter elements according to the first, second, and fourth embodiments can be used similarly.
  • the optical filter element can be installed immediately before the light receiving surface of the image sensor as shown in FIG. 3, and can also be installed closer to the object side than the stop as shown in FIG. Omitted). Since the wavefront of light is convex toward the object side at a position closer to the object side than the stop, the optical filter element 23 is also disposed so as to be convex toward the object side.
  • the optical filter element 23 is installed on the object side of the diaphragm, the optical filter element 23 is installed away from the image sensor 12, so that the filter surface and internal defects are hardly reflected on the light receiving surface of the image sensor.
  • the standard of the surface roughness and the internal quality of the optical filter element can be relaxed compared with the standard of the conventional optical filter element. Further, the degree of freedom increases in the design of the optical system.
  • the optical filter elements according to the first to fourth embodiments can be used as a bonded optical element by being bonded to an optical lens. That is, the fifth embodiment of the present invention relates to a bonded optical element formed by bonding an optical filter element according to the first to fourth embodiments and an optical lens.
  • the optical filter element and the optical lens may be bonded to the first surface of the optical filter element, or may be bonded to the second surface.
  • the optical lens may be bonded to both surfaces of the optical filter element, and the optical filter element may be bonded to both surfaces of the optical lens.
  • the joint surface between the optical filter element and the optical lens has a surface shape in which the concave surface and the convex surface coincide with each other and is joined without a gap.
  • a commercially available optical adhesive is used for joining the optical filter element and the optical lens.
  • the thickness of the element can be made larger than that of the optical filter element alone, improving the mechanical strength and facilitating attachment to the lens barrel. become.
  • the material of the optical filter element according to the first to fourth embodiments is a so-called glass material for optical filters, that is, a glass composition containing a plurality of types of glass constituent components (glass components). It can be appropriately selected according to the target wavelength range, light transmittance, application and the like.
  • the glass constituting the optical filter element preferably contains an absorbent that absorbs light in a specific wavelength range.
  • the homogeneity of the glass constituting the optical filter element according to the first to fourth embodiments is extremely high, and the concentration of the absorbent in the glass can be made uniform.
  • the material of the optical filter element according to the present embodiment is not particularly limited, and materials used for various optical filters can be used.
  • Non-limiting examples of the material of the optical filter element include “UV22-36” having a transmission limit wavelength of 220 to 360 nm, “L-1A” absorbing a part of ultraviolet rays and visible light, and “UV-1” having a transmission limit wavelength of 370 to 420 nm.
  • the transmittance is a value at a thickness of 2.5 mm.
  • the above “” is the name of the glass type and is listed in “Yamane Masayuki et al. (Ed.) (2010), Glass Optical Handbook (popular version), Asakura Shoten, p. 572”.
  • phosphate glass containing Cu 2+, fluorophosphate glass containing Cu 2+ is preferably used.
  • such glass has a refractive index n d of 1.4 or more and 1.7 or less, a glass transition temperature T g of 300 ° C. or more and 700 ° C. or less, and an average linear expansion coefficient in a temperature range of 100 ° C. or more and 300 ° C. or less. 50 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C. or higher and 240 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C. or lower, preferably 160 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C. or lower.
  • the Knoop hardness is preferably 300 MPa or more, more preferably 350 MPa or more, further preferably 400 MPa or more, 450 MPa or more, 500 MPa or more, 550 MPa or more, 600 MPa or more in this order.
  • the degree of wear F A is preferably 700 or less, preferably 650 or less, 600 or less, 550 or less, 500 or less, 450 or less, 400 or less, 300 or less, 200 or less, or 100 or less, and preferably 50 or more. Furthermore, it is preferable in the order of 60 or more, 70 or more, 80 or more, 90 or more.
  • the transmittance of light having a predetermined property can be adjusted by the material, thickness, and the like of the optical filter element.
  • the color of the optical filter element according to the present embodiment can be appropriately selected according to the target wavelength range, light transmittance, application, and the like. For example, purple, blue, green, yellow, orange, red, black, gray, and intermediate colors thereof can be mentioned, and the color can also be shaded.
  • the color of the optical filter element according to the present embodiment may be colorless.
  • a functional thin film such as an antireflection film, a hydrophilic film, or a water repellent film may be formed on the first surface and / or the second surface of the optical filter element.
  • the manufacturing method of the optical filter element according to the present embodiment is not particularly limited, and examples thereof include a method of cutting out from a bulk material, bending a flat plate material, injecting a glass material into a mold, molding, and curing. .
  • a method for manufacturing an optical filter element a method for manufacturing a bonded optical element in which a spherical optical filter element and an optical lens are bonded will be described with reference to FIG.
  • glass for optical filter and glass for optical lens are prepared (step 1).
  • the C2 surface of the optical filter glass is roughly ground so as to be a convex spherical surface.
  • the C2 surface and the O1 surface are finely ground and polished (polished) so as not to cause an extra gap when bonded (step 2).
  • Adhere C2 surface and O1 surface with adhesive for optical element bonding are joined (process 3).
  • the absolute value of the curvature radius of the O2 surface is made smaller than the absolute value of the curvature radius of the O1 surface (step 5).
  • the glass for optical lenses functions as a meniscus lens. If necessary, centering is performed. In this way, a bonded optical element is obtained.
  • the C1 surface and the C2 surface formed on the filter glass may be set to either the first surface or the second surface of the optical filter element according to the present embodiment depending on the incident direction of light.
  • the C2 surface and the O1 surface are bonded with a wax agent in the above step 3, and after performing steps 4 to 5, an organic solvent is used. Then, the wax lens is melted to separate the optical lens.
  • Example 1 A glass for color sensitivity correction filter (CD700 made by HOYA) and optical glass (BSC7 made by HOYA) of a semiconductor imaging device were processed into a disk shape having a diameter of 12 mm.
  • the C2 surface of the filter glass was coarsely ground, finely ground, and polished (polished) with a curve generator to form a concave spherical surface with a curvature radius of 12.7 mm.
  • the O1 surface of the optical glass was roughly ground, finely ground, and polished (polished) to form a convex spherical surface that was bonded to the C2 surface of the filter glass.
  • the C2 surface and the O1 surface were bonded with a commercially available adhesive for optical element bonding.
  • the C1 surface was subjected to rough grinding, fine grinding, and polishing to form a convex spherical surface so that the thickness of the filter glass was 0.4 mm.
  • the center of curvature of the C1 surface was set at the same position as the center of curvature of the C2 surface.
  • the O2 surface was coarsely ground, finely ground, and polished so that the optical glass became a concave meniscus lens, thereby forming a concave spherical surface with a curvature radius of 12.0 mm.
  • a centering process was performed so that the diameter became 11.2 mm to obtain a bonded optical element of the optical filter element and the lens.
  • the C1 surface was the first surface of the optical filter element, and the C2 surface was the second surface of the optical filter element.
  • the light transmittance does not depend on the distance from the optical axis. Is constant and has a sufficient color sensitivity correction function. Also, no ghost was seen.
  • the refractive index n d of the color sensitivity correction filter glass was 1.54017, and the tolerance of the refractive index n d was within ⁇ 0.00010.
  • Optical filter glass (HOYA CD700) and optical glass (HOYA BSC7) were processed into a disk shape having a diameter of 12 mm.
  • the C2 surface of the filter glass was coarsely ground, finely ground, and polished (polished) with a curve generator to form a concave spherical surface with a curvature radius of 12.7 mm.
  • the O1 surface of the optical glass was roughly ground, finely ground, and polished (polished) to form a convex spherical surface that was bonded to the C2 surface of the filter glass.
  • the C2 surface and the O1 surface were bonded by balsam. Thereby, the glass for filters and optical glass were joined.
  • the C1 surface was subjected to rough grinding, fine grinding, and polishing to form a convex spherical surface so that the thickness of the filter glass was 0.4 mm.
  • the center of curvature of the C1 surface was set at the same position as the center of curvature of the C2 surface. Centering was performed so that the diameter was 11.2 mm.
  • the balsam was dissolved with an organic solvent to remove the optical glass, thereby obtaining an optical filter element.
  • the C1 surface was the first surface of the optical filter element, and the C2 surface was the second surface of the optical filter element.
  • the obtained optical filter element had a constant near-infrared absorption function regardless of the distance from the optical axis.
  • the obtained optical filter element is arranged such that the C1 surface faces the object side and the object side from the stop as in the optical filter element of FIG. 9, the light transmittance does not depend on the distance from the optical axis. Is constant and has a sufficient color sensitivity correction function. Also, no ghost was seen.
  • refractive index n d of the glass optical filter is 1.54017, the tolerance of the refractive index n d was within ⁇ 0.00010.
  • Example 3 A bonded optical element was produced in the same manner as in Example 1 except that the color sensitivity correction filter glass was changed to HOYA CD5000. The obtained bonded optical element was evaluated by the same method as in Example 1. As a result, the light transmittance was constant regardless of the distance from the optical axis, and it had a sufficient color sensitivity correction function. Also, no ghost was seen.
  • the refractive index n d of the color sensitivity correction filter glass was 1.52116, and the tolerance of the refractive index n d was within ⁇ 0.00010.
  • Example 4 An optical filter element was produced in the same manner as in Example 2 except that the color sensitivity correction filter glass was changed to HOYA CD5000.
  • the obtained optical filter element was evaluated by the same method as in Example 2, the light transmittance was constant regardless of the distance from the optical axis, and the color filter had a sufficient color sensitivity correction function. Also, no ghost was seen.
  • the refractive index n d of the color sensitivity correction filter glass was 1.52116, and the tolerance of the refractive index n d was within ⁇ 0.00010.

Abstract

【課題】　光学フィルタ素子表面に入射する光の入射位置によって光の透過率にバラツキが生じるのを低減し、また、光学系に入射した光の一部がレンズ面間で反射してゴーストを発生するのを抑制し、さらに、設置位置がイメージセンサ受光面の直前に限定されない光学フィルタ素子を提供すること。 【解決手段】　第一面および第二面を有し、　前記第一面から垂直に入射する光が前記第二面に到達するまでの光路長が均一である、非平面形状の光学フィルタ素子。

Description

光学フィルタ素子
　本発明は、所定の性質を持つ光を吸収する非平面形状の光学フィルタ素子に関する。
　近年、スマートフォン内蔵のカメラや、アウトドアで活動中の映像を撮影するためのアクションカメラと呼ばれるコンパクトデジタルカメラが普及している。このような光学機器に搭載される撮像装置には、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤなど、入射した光を光電変換して記録するイメージセンサが用いられる。通常、イメージセンサの受光面の直前には、所定の波長域の光を吸収する光学フィルタ素子を設置して、イメージセンサの色感度を補正し、色再現性を改善する。
　このようなコンパクト化された光学機器では、光学系は短く、また画角は広いことが要求される。図１は、このような光学機器における光学系を模式的に表した断面図である。図中において、レンズは省略し、また光学系における光の屈折を省略した。図中の破線は、絞りを通過する前後の光の波面を模式的に描いたものである。絞りを中心として、光が絞りを通過する前は、波面が物体側に凸、絞りを通過した後は、波面が像側に凸となっている。光学系を短く、また画角を広くすると、波面の曲率が大きくなる。上述のとおりイメージセンサ１２の受光面の前には、色感度の補正や色再現性を改善するために、光学フィルタ素子１１が設置される。従来の光学フィルタ素子は、特許文献１～４に開示されているとおり、平面形状である。イメージセンサ受光面の前に平面形状の光学フィルタ素子１１を設置する場合、図２に示すように、光学フィルタ素子１１の表面において、光軸から離れた位置での光線の入射角（光学フィルタ素子表面の法線と光線の入射方向とがなす角）は、光軸上での光線の入射角よりも大きくなる。光学系が短くなるにつれ、光学フィルタに斜めから入射する光量は増加し、また光軸から離れるほど入射角は大きくなる傾向にある。
　平面形状の光学フィルタ素子１１の表面において、光軸上に垂直に入射する光線と、光軸から離れた位置に斜めから入射する光線とでは、光学フィルタ素子内における光路長が異なる。図２に示すように、光軸上に垂直に入射した光線の光路長ｔと、光軸から離れた位置に斜めから入射した光線の光路長ｔ’とを比較すると、光路長ｔ’の方が長い。光学フィルタ素子内における光路長が長くなると、光がより多く吸収されて、光の透過率が低くなる。特に、光学系が短く、また画角の広い光学機器においてイメージセンサの直前に平面形状の光学フィルタ素子を設置する場合には、光学フィルタ素子に入射する光の波面の曲率が大きくなるため、光学フィルタ素子の表面において光軸上に入射する光線と光軸から離れて入射する光線との入射角の差が大きくなる。これは入射位置により光路長の差が増加することを意味し、光学フィルタ素子への光の入射位置によって透過率にバラツキが生じて、色感度の補正機能や色再現性が不十分となる。
　また、光学機器においては、光学系に入射した光の一部がレンズ面間で反射してイメージセンサの受光面に入射することで、ゴーストと呼ばれるノイズが発生することが知られている。レンズ面間での反射により生じる一般的なゴーストは、単体の円状、あるいは絞り羽根が作る多角形状の形態である。ゴーストは、屋外における逆光の中での映像撮影などにおいて、強い光がカメラレンズに入射する場合に特に発生しやすい。
　ゴーストの発生を低減させるためには、レンズ表面に反射防止コーティングをするほか、ゴーストの原因となる光を選択的に除去する光学フィルタ素子を設置することが考えられる。しかしながら、反射防止コーティングでは、コーティング面に対して斜め方向から入射する光の反射を完全に抑えることが困難であり、特に波長の長い赤色の光の反射を低減させることが困難である。また、従来の平面形状の光学フィルタ素子では、上述のとおり光の透過率にバラツキが生じて、色感度の補正機能や色再現性が不十分となる問題があった。
　また、従来、光学フィルタ素子は平面形状であったため、その設置位置はイメージセンサ受光面の直前に限定され、設計上の自由度に制限があった。また、光学フィルタ素子の設置位置がイメージセンサ受光面の直前であるために、光学フィルタ素子表面の傷や内部に含まれる異物などの欠陥がイメージセンサの受光面に写り込みやすく、そのため、光学フィルタ素子には、レンズと比べて表面粗さや内部品質について厳しい規格が要求されるという問題があった。
　さらに、近年では、受光面が凹面形状のイメージセンサも開発されている。これは前述のように光学系のコンパクト化に伴い、光軸から離れるほど、イメージセンサ受光面への光の入射角が増大することに対応するためである。光軸から離れて斜めから入射する光が、イメージセンサ受光面に垂直に入射するように、イメージセンサの表面を凹面としている。したがって、非平面形状のイメージセンサに対応する光学フィルタ素子の開発が望まれている。
特開２００６－２２７３２０ 特開２００２－３７３９７７ 特開２００８－５４３０２ 特開２０１０－１９７５９５
　本発明は、このような実状に鑑みてなされ、光学フィルタ素子表面に入射する光の入射位置によって光の透過率にバラツキが生じるのを低減し、また、光学系に入射した光の一部がレンズ面間で反射してゴーストを発生するのを抑制し、さらに、設置位置がイメージセンサ受光面の直前に限定されない光学フィルタ素子を提供することを目的とする。
（１）第一面および第二面を有し、上記第一面から垂直に入射する光が上記第二面に到達するまでの光路長が均一である、非平面形状の光学フィルタ素子。
（２）第一面および第二面を有し、上記第一面から上記第二面までの距離が均一である、非平面形状の光学フィルタ素子。
（３）第一面および第二面を有し、上記第一面から垂直に入射する光が上記第二面に到達するまでの光路長が均一である、球面形状の光学フィルタ素子。
（４）第一面および第二面を有し、上記第一面から垂直に入射する光が上記第二面に到達するまでの光路長が均一である、非平面形状であり、かつ非球面形状の光学フィルタ素子。
（５）上記（１）～（４）のいずれかに記載の光学フィルタ素子と光学レンズとからなる接合光学素子。
　本発明では、光学フィルタ素子において、その形状を、光学フィルタ素子表面から垂直に入射した光の光学フィルタ素子内における光路長が、光の入射位置に関わらず一定となるような非平面形状としている。このような構成は、光学フィルタ素子表面に入射する光の入射位置によって光の透過率にバラツキが生じるのを低減することができる。この結果、コンパクト化した光学系においても、色感度の補正機能や色再現性が向上する。また、光軸から離れた位置においても、光学フィルタ素子の表面に対して垂直または垂直に近い角度で光が光学フィルタ素子に入射するため、光学フィルタ素子の表面における光の反射が低減され、ゴーストの発生が抑制される。さらに、設置位置がイメージセンサ受光面の直前に限定されない光学フィルタ素子を提供できる。
カメラにおける光軸を含む光学系の断面図の例を示す。 従来の平面形状の光学フィルタ素子における光線の入射角およびその光路長を示す。 非平面形状の光学フィルタ素子およびイメージセンサの例を示す。 曲面形状の光学フィルタ素子の断面図の例を示す。 非平面形状の光学フィルタ素子および非平面形状のイメージセンサの例を示す。 非球面形状の光学フィルタ素子の断面図の例を示す。 上面視から見た非平面形状の光学フィルタ素子の例を示す。 図７Ａの非平面形状の光学フィルタ素子の断面図を示す。 上面視から見た非平面形状の光学フィルタ素子の例を示す。 図８Ａの非平面形状の光学フィルタ素子の断面図を示す。 球面形状の光学フィルタ素子の配置の例を示す。 非平面形状の光学フィルタ素子の製造フローの例を示す。
　本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という。）は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。
　本明細書において、（数値１）を用いて、「（数値１）以下」のように数値範囲を表すことがある。このように表される範囲は、（数値１）よりも小さい数値範囲と（数値１）を合わせた数値範囲である。「（数値１）未満」と表される数値範囲は、（数値１）よりも小さい数値範囲であり、（数値１）を含まない。（数値２）を用いて、「（数値２）以上」のように数値範囲を表すことがある。このように表される範囲は、（数値２）よりも大きい数値範囲と（数値２）を合わせた数値範囲である。「（数値２）超」のように数値範囲を表すことがある。このように表される範囲は、（数値２）よりも大きい数値範囲であり、（数値２）を含まない。
　以下、本実施形態に係る光学フィルタ素子について詳しく説明する。
　本実施形態において「光学フィルタ素子」とは、入射光のうち所定の性質を持つ光を吸収し、それ以外の光を透過する光学素子である。このような光学素子として、例えば、入射光のうち特定波長の光を吸収する光学フィルタ素子、光の波長に依存せず入射光のうち特定の光強度（振幅）を有する光を吸収する光学フィルタ素子、または、入射光のうち電界成分が特定の振動方向にある光を吸収する光学フィルタ素子などが挙げられる。したがって、本実施形態に係る光学フィルタ素子には、いわゆるバンドパスフィルタ、カラーフィルタ、ＮＤフィルタ、ロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、偏光フィルタなどが含まれる。
　本実施形態において「光学フィルタ素子」とは、好ましくは、所定の波長域の光を吸収し、それ以外の波長域の光を透過する光学素子である。
　第１の実施形態に係る光学フィルタ素子は、第一面および第二面を有し、第一面から垂直に入射する光が第二面に到達するまでの光路長が均一であり、非平面形状であることを特徴としている。
　光が入射する面を第一面とし、第一面と対面する面を第二面とする。本実施形態に係る光学フィルタ素子において、第一面から垂直に入射する光が第二面に到達するまでの光路長は、第一面のいずれの点においても均一である。
　垂直に入射するとは、第１面に対して略９０°の角度で入射することを意味する。本実施形態の光学フィルタ素子は、非平面形状のため、第一面上の位置によって面の傾きが異なる。したがって、第一面上の位置によって、垂直に入射する光のベクトルは異なることがある。
　光路長とは、光学フィルタ素子内において光が通過した経路の長さLに光学フィルタ素子の屈折率を乗じた値である。光が光学フィルタ素子の第一面に対して垂直に入射する場合、光路長は光学フィルタ素子の厚みに光学フィルタ素子の屈折率を乗じた値になる。したがって、光が光学フィルタ素子の第一面に対して垂直に入射する場合に、光路長が均一であるとは、光学フィルタ素子の厚みが均一であることを意味する。光路長を評価する際の光の波長は特に限定はされないが、好ましくは波長２００ｎｍ以上２５００ｎｍ以下、より好ましくは波長４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の光により光路長を評価する。
　第一面における光の入射領域内の任意の点において、第一面に対して垂直に入射する光の光学フィルタ素子内の光路長は、例えば、次のように測定することができる。
　２つのプローブを備え、各プローブの先端間の距離を測定する装置を用いる。２つのプローブのうち、一方のプローブ（プローブ１という）の先端を、第一面上の光が垂直に入射する任意の点に接触させる。そして、第二面上の、第一面の任意の点と対面する点に他方のプローブ（プローブ２という）の先端を接触させる。ここで、第二面上の「第一面の任意の点と対面する点」とは、第一面上の光が垂直に入射する任意の点における第一面の法線と第二面との交点を意味する。プローブ１の先端とプローブ２の先端とをそれぞれ第一面と第二面とに接触させた状態で、２つのプローブの先端間の距離を測定する。この距離が第一面上の任意の点における光学フィルタ素子の厚みである。このようにして測定した厚みに光学フィルタ素子の屈折率を乗じた値が光路長である。
　光路長が均一であるとは、第一面上の任意の点に入射した光の光路長と、他の点に入射した光の光路長との差が極めて小さなことを意味する。例えば、第一面上の１０以上の任意の点における光路長は、好ましくは、第一面上の中心点における光学フィルタ素子の厚みの±１０％以内である。第一面上の１０以上の任意の点における光路長は、好ましくは第一面上の中心点における光学フィルタ素子の厚みの±５％以内であり、さらには第一面上の中心点における光学フィルタ素子の厚みの±３％以内、±２％以内、±１．５％以内、±１％以内、±０．７５％以内、±０．５％以内、±０．３％以内、±０．１％以内の順により好ましい。
　光路長が均一である光学フィルタ素子を得る観点から、第一面上の光が入射する領域内の任意の点（点Ａという）における第一面の法線と、点Ａと対面する第二面上の点における第二面の法線とが同一直線上にあることが好ましい。光学フィルタ素子内の光路長は均一であるため、第一面における光の入射位置によらず、光学フィルタ素子を通過する光の透過率は一定となる。その結果、光学フィルタ素子の色感度の補正機能や色再現性が向上する。
　また、非平面形状であるとは、従来の平面形状の光学フィルタとは異なる形状であり、平面形状以外のあらゆる形状を意味する。しかしながら、光学フィルタとしての機能性を確保する観点から、好ましくは部分的または全体的に滑らかに湾曲した薄板状である。このような非平面形状の光学フィルタは、水平面に載置した際に、水平面との間に空隙部を形成することで、平面形状の光学フィルタと区別される。光学フィルタ素子がこのような非平面形状であることにより、光軸から離れた位置においても、光学フィルタ素子の表面に対して垂直または垂直に近い角度で光が光学フィルタ素子に入射するため、光学フィルタ素子の表面における光の反射が低減され、ゴーストの発生が抑制される。
　非平面形状であるとは、第一面および第二面が、複数の法線ベクトルを有する形状であると定義してもよい。
　法線とは、曲面上の一点を通り、この点における接平面に垂直な直線である。すなわち、法線ベクトルとは、面に対して垂直なベクトルである。面が平面形状である場合に、その面は単一の法線ベクトルを有する。一方、面が非平面形状である場合には、面の位置によって接平面の傾きが異なるため、面に対して垂直なベクトルは複数存在する。本実施形態に係る光学フィルタ素子において、第一面および第二面の形状は、非平面形状であり、複数の法線ベクトルを有する形状であるとも定義できる。
　第１の実施形態に係る光学フィルタ素子の厚みは、光学フィルタ素子の材料、目的とする波長域の透過率、および光学フィルタ素子の設置位置等により適宜設定することができる。例えば、第１の実施形態に係る光学フィルタ素子の厚みは好ましくは０．０１ｍｍ以上であり、さらには０．０５ｍｍ以上、０．１０ｍｍ以上の順により好ましい。また、上記厚みは好ましくは１０ｍｍ以下であり、さらには３．０ｍｍ以下、１．０ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下の順により好ましい。本実施形態に係る光学フィルタ素子は、厚みが均一であり、レンズのように光を集束あるいは発散させる機能を有さず、また、球面収差等を補正する機能も有さない。
　第１の実施形態に係る光学フィルタ素子の直径は、用途等に応じて適宜設定することができる。例えば、第１の実施形態に係る光学フィルタ素子の直径は、好ましくは０．１ｍｍ以上であり、さらには０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上の順により好ましい。また、上記直径は、好ましくは５０ｍｍ以下であり、さらには３０ｍｍ以下、２０ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下の順により好ましい。
　また、第１の実施形態に係る光学フィルタ素子を構成するガラスは極めて高い均質性を有する。光学フィルタ素子を構成するガラスの屈折率ｎdおよび屈折率ｎeの公差は、好ましくは±０．０１０００以内である。また、光学フィルタ素子を構成するガラスの波長６００ｎｍにおける屈折率ｎdおよび屈折率ｎeの公差は、好ましくは±０．００５００以内であり、さらには、±０．００３００以内、±０．００１００以内、±０．０００５０以内、±０．０００３０以内、±０．０００１０以内の順により好ましい。
　次に第２の実施形態に係る光学フィルタ素子について説明する。第２の実施形態に係る光学フィルタ素子は、第一面および第二面を有し、上記第一面から上記第二面までの距離が均一であり、非平面形状であることを特徴とする。
　ここで、第一面、第二面および非平面形状の意味は上記と同様である。第一面から第二面までの距離とは、任意に選択した第一面上の一点から第二面に到達するまでの最短経路の長さである。距離が均一であるとは、第一面上の任意の点から第二面に到達するまでの最短距離と、第一面上の他の点から第二面に到達するまでの最短距離との差が極めて小さなことを意味する。例えば、第一面上の１０以上の任意の点から第二面に到達するまでの最短経路の長さは、好ましくは、第一面上の中心点における光学フィルタ素子の厚みの±１０％以内である。また、第一面上の１０以上の任意の点から第二面に到達するまでの最短経路の長さは、第一面上の中心点における光学フィルタ素子の厚みの±５％以内であることが好ましく、さらには、第一面上の中心点における光学フィルタ素子の厚みの±３％以内、±２％以内、±１．５％以内、±１％以内、±０．７５％以内、±０．５％以内、±０．３％以内、±０．１％以内の順により好ましい。
　光学フィルタ素子の第一面の任意の点から第二面に到達するまでの最短距離の測定は、例えば、２つのプローブを用いて、次のように測定する。２つのプローブのうち、一方のプローブ（プローブ１という）の先端を第一面上の任意の点に接触させる。そして、第二面上の、第一面の任意の点と対面する点に他方のプローブ（プローブ２という）の先端を接触させる。プローブ１の先端とプローブ２の先端との距離を求める。第二面上でプローブ２の先端を移動させて、プローブ１の先端とプローブ２の先端との距離の最小値を測定する。この値が第一面の上記点から第二面に到達するまでの最短距離、すなわち、第一面から第二面までの距離である。またこの値は、第一面の上記点における光学フィルタ素子の厚みでもある。
　光学フィルタ素子を構成するガラス、すなわち、光学フィルタ素子に使用するガラスの屈折率は均一であるため、第一面上の光の入射領域の任意の点から第二面に到達するまでの最短距離が一定、すなわち、第一面から第二面までの距離が均一であると、第一面上の光の入射領域の任意の点において第一面に対して垂直に入射する光の光学フィルタ素子内における光路長は均一となる。そのため、第一面における光の入射位置によらず、光学フィルタ素子を通過する光の透過率は一定となる。その結果、光学フィルタ素子の色感度の補正機能や色再現性が向上する。
　なお、第一面から上記第二面までの距離が均一な光学フィルタ素子を得る観点から、第一面上の光が入射する領域内の任意の点（点Ａという）における第一面の法線と、点Ａに対面する第二面上の点における第二面の法線とは、同一直線上にあることが好ましい。
　第２の実施形態に係る光学フィルタ素子の好ましい厚み、直径、屈折率等は、上記第１の実施形態と同様である。
　光学フィルタ素子の形状は、非平面形状である限り、特に限定はされないが、製造の容易性、光学系における汎用性などの観点から、図３に示すように、球面形状、すなわち、一定の曲率半径を有する曲面であることが好ましい。
　したがって、第３の実施形態に係る光学フィルタ素子は、第一面および第二面を有し、上記第一面から垂直に入射する光が上記第二面に到達するまでの光路長が均一であり、球面形状であることを特徴とする。ここで、第一面、第二面の意味は上記と同様である。
　球面形状は、図３に示すように、第一面が凹球面であり、第二面が凸球面であってもよく、逆に第一面が凸球面であり、第二面が凹球面であってもよい。凹球面、凸球面は、真球の表面とほぼ同じ球面形状であり、楕円球は除かれる。図３において、絞り（図示しない）の開口部を通過した光は左側より光学フィルタ素子２３に入射し、所定の性質を有する光のみが吸収（カット）され、その他の光は透過する。光学フィルタ素子２３を透過した光はイメージセンサの受光面に達し、受光面に被写体の像が結像する。図３における破線は光の波面である。波面の法線ベクトルは光の伝播方向である。光学フィルタ素子２３に入射する直前の光の波面は、絞りを中心として、像側に凸（イメージセンサの受光面側から見て凸）であり、光学フィルタ素子２３の形状も像側に凸であるので、光は光学フィルタ素子２３の表面のどの位置においても、垂直に近い入射角で入射する。すなわち、光学フィルタ素子２３の表面のどの位置においても、光学フィルタ素子２３を透過する光の光路長は均一になるので、入射する位置によって光の透過率にバラツキが生じるのが抑制され、色感度の補正機能や色再現性が十分に発揮される。
　光学フィルタ素子２３の形状が球面形状であって、第一面２１、第二面２２の形状がそれぞれ凹球面、凸球面である場合、図４に示すように、光学フィルタ素子の厚みをｔ、第二面の曲率半径をＲとすると、第一面の曲率半径は（Ｒ－ｔ）の絶対値となる。なお、第一面および第二面の曲率中心は同じ位置である。第二面の曲率半径Ｒは、用途等に応じて適宜設定することができる。例えば、曲率半径Ｒの絶対値は、好ましくは１０-1ｍｍ以上１０4ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以上１０3ｍｍ以下である。また、小型の光学機器に用いる場合、曲率半径Ｒの絶対値は、好ましくは１０-1ｍｍ以上１０2ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以上１０1ｍｍ以下である。光学フィルタ素子の厚みｔは上記第１の実施形態と同様である。
　光学フィルタ素子の形状を球面形状とする場合も、第一面から垂直に入射する光が第二面に到達するまでの光路長は第一面のいずれの点においても均一であり、また、第一面から第二面までの距離は第一面のいずれの点においても均一である。この場合の光路長および距離の均一性は、上記第１および第２の実施形態に関する説明と同様である。また、第３の実施形態に係る光学フィルタ素子の好ましい直径、屈折率等は、上記第１の実施形態と同様である。
　なお、光学フィルタ素子の形状を、比較的厚みの小さい球面形状とする場合には、上述の均一性の範囲を考慮すると、第一面および第二面を曲率半径の絶対値がほぼ等しい凸球面および凹球面とすることもできる。その場合、第一面および第二面の曲率中心は近似的に同じ位置となる。
　球面形状の光学フィルタ素子において、上記のように第一面および第二面を曲率半径の絶対値が等しい凸球面および凹球面とすることができるのは、光学フィルタ素子の厚みが好ましくは１０ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下、さらに好ましくは１ｍｍ以下、一層好ましくは０．５ｍｍ以下、より一層好ましくは０．３ｍｍ以下の場合である。
　また、光学フィルタ素子の形状は、図６に示すような非球面形状としてもよい。したがって、第４の実施形態に係る光学フィルタ素子は、第一面および第二面を有し、上記第一面から垂直に入射する光が上記第二面に到達するまでの光路長が均一である、非球面形状であることを特徴とする。ここで、第一面、第二面の意味は上記と同様である。
光学フィルタ素子２３の形状を非球面形状とする場合でも、第一面から垂直に入射する光が第二面に到達するまでの光路長は第一面のいずれの点においても均一であり、また好ましくは、第一面から第二面までの距離は第一面のいずれの点においても均一である。この場合の光路長および距離の均一性は、上記第１および第２の実施形態に関する説明と同様である。また、第４の実施形態に係る光学フィルタの好ましい厚み、直径、屈折率等は、上記第１の実施形態と同様である。なお、第一面および第二面が非球面形状の光学フィルタ素子を作製する方法としては、精密プレス成形法が好適である。
　第４の実施形態に係る光学フィルタ素子の形状は、第一面に入射する光の透過率にバラツキが生じるのを抑制する非平面形状であれば、どのような形状でもとり得る。したがって、図５に示すように、イメージセンサ１２の受光面の形状を像面湾曲による収差を低減するために非平面形状とする場合でも、第一面２１および第二面２２をイメージセンサの受光面と相似形にして、光学フィルタ素子２３をイメージセンサの直前に設置してもよい。
　また、第４の実施形態に係る光学フィルタ素子の形状は、さまざまな形状のイメージセンサまたはレンズに合わせた形状とすることもできる。例えば、図７、図８に示すように曲面形状をつなぎ合わせたような形状とすることもできる。図７、図８中のドーム形状および曲面形状は、図６に示すような非球面形状とすることもできる。
　第４の実施形態に係る光学フィルタ素子の形状を、上記のようなさまざまな形状のイメージセンサまたはレンズに合わせた非平面形状とする場合でも、第一面から垂直に入射する光が第二面に到達するまでの光路長は第一面のいずれの点においても均一であり、また好ましくは、第一面から第二面までの距離は第一面のいずれの点においても均一である。この場合の光路長および距離の均一性は、上記第１および第２の実施形態に関する説明と同様である。また、第４の実施形態に係る光学フィルタの好ましい厚み、直径、屈折率等は、上記第１の実施形態と同様である。
　次に本発明の光学フィルタ素子の光学系における使用態様について、第３の実施形態に係る球面形状の光学フィルタ素子を例にとり説明する。第１、第２、第４の実施形態に係る光学フィルタ素子も同様に使用できる。光学フィルタ素子は、図３に示すようにイメージセンサの受光面の直前に設置することができ、また、図９に示すように絞りよりも物体側に設置することもできる（図９ではレンズを省略した）。光の波面は、絞りよりも物体側の位置では物体側に凸になっているので、光学フィルタ素子２３も物体側に凸になるよう配置する。光学フィルタ素子２３を絞りよりも物体側に設置すると、光学フィルタ素子２３をイメージセンサ１２から離れて設置することになるので、フィルタ表面や内部の欠陥がイメージセンサの受光面に写り込みにくくなる。その結果、光学フィルタ素子の表面粗さや内部品質の規格を、従来の光学フィルタ素子の規格よりも緩和することができる。また、光学系の設計においても自由度が増す。
　また、第１～第４の実施形態に係る光学フィルタ素子は、光学レンズと接合して接合光学素子として使用することもできる。すなわち、本発明の第５の実施形態は、第１～第４の実施形態に係る光学フィルタ素子と、光学レンズとを接合してなる接合光学素子に関する。光学フィルタ素子と光学レンズとは、光学フィルタ素子の第一面において接合されていてもよく、第二面に接合されていてもよい。また、光学フィルタ素子の両面に光学レンズが接合されていてもよく、光学レンズの両面に光学フィルタ素子が接合されていてもよい。光学フィルタ素子と光学レンズとの接合面は、それぞれの凹面と凸面とが一致する表面形状を有し、隙間なく接合される。光学フィルタ素子と光学レンズとの接合には、市販の光学用接着剤が用いられる。光学フィルタ素子と光学レンズとを組み合わせて接合光学素子とすることにより、光学フィルタ素子単独よりも素子の肉厚を大きくすることができるので、機械的強度が向上し、鏡筒への取り付けが容易になる。また、通常、フィルタ素子と光学レンズとを鏡筒に取り付ける場合には、光学フィルタ素子および光学レンズの調芯をそれぞれ行う必要があるが、光学フィルタ素子と光学レンズとの接合光学素子を取り付ける場合には、接合光学素子について調芯を１回行えばよく、生産性が向上する。
　第１～第４の実施形態に係る光学フィルタ素子の材料は、いわゆる光学フィルタ用ガラスの材料、すなわち複数種のガラス構成成分（ガラス成分）を含むガラス組成物であり、各種のガラス成分は、目的とする波長域、光の透過率、用途などに合わせて適宜選択することができる。また、光学フィルタ素子を構成するガラスは、好ましくは特定波長域の光を吸収する吸収剤を含む。第１～第４の実施形態に係る光学フィルタ素子を構成するガラスの均質性は極めて高く、ガラス中の吸収剤の濃度も均一にすることができる。
　本実施形態に係る光学フィルタ素子の材料は、特に限定はされず、各種光学フィルタに使用されている材料を用いることができる。光学フィルタ素子の材料の非制限的な例としては、透過限界波長２２０～３６０ｎｍの『ＵＶ２２～３６』、紫外線および可視の一部を吸収する『Ｌ－１Ａ』、透過限界波長３７０～４２０ｎｍの『Ｌ３７～４２』、透過限界波長４４０～５２０ｎｍの『Ｙ－４４～５２』、透過限界波長５４０～５８０ｎｍの『Ｏ－５４～５８』、透過限界波長６００～７２０ｎｍの『Ｒ－６０～７２』、透過限界波長７６０～８６０ｎｍの『ＩＲ－７６～８５』、透過限界波長８６０～１０００ｎｍの『ＲＭ－８６～１００』、最高透過波長８３０ｎｍの『ＲＴ－８３０』、最高透過波長３７０ｎｍの『Ｂ－３７０』、最高透過波長３８０ｎｍの『Ｂ－３８０』、最高透過波長４４０ｎｍの『Ｂ－４４０』、最高透過波長４８０ｎｍの『Ｂ－４８０』、最高透過波長５３０ｎｍの『Ｇ－５３０』、最高透過波長５４５ｎｍの『Ｇ－５４５』、最高透過波長５５０ｎｍの『Ｇ－５５０』、最高透過波長５００ｎｍの『Ｃ－５００』、５２０ｎｍの透過率が１０～５０％の『Ｍ－１０～５０』、緑吸収の『ＦＬ－Ｄ６０』および『ＦＬ－Ｗ８５』、平均透過率が２％の『ＮＤ－０』、平均透過率が３～７０％の『ＮＤ－３～７０』、７５０ｎｍの透過率が１５～５０％の『ＨＡ－１５～５０』、最高透過波長３３０ｎｍの『Ｕ－３３０』、最高透過波長３６０ｎｍの『Ｕ－３６０』、特定波長吸収の『ＡＣ－５４』、『Ｖ－１０』および『ＨＴ－１』などが挙げられる。なお、透過率は厚さ２．５ｍｍにおける値である。上記『　』内は硝種名であり、「山根正之ら（編）（２０１０），ガラス光学ハンドブック（普及版），朝倉書店，ｐ．５７２」に列挙されているものである。
　特に近赤外光吸収フィルタとして用いる場合には、Ｃｕ2+を含むリン酸塩ガラス、Ｃｕ2+を含むフツリン酸塩ガラスが好ましく用いられる。このようなガラスは、例えば、屈折率ｎdが１．４以上１．７以下、ガラス転移温度Ｔgは３００℃以上７００℃以下、１００℃以上３００℃以下の温度域における平均線膨張係数は５０×１０-7／℃以上２４０×１０-7／℃以下、好ましくは１６０×１０-7／℃以下である。またヌープ硬さは、好ましくは３００ＭＰａ以上であり、さらには３５０ＭＰａ以上、さらに４００ＭＰａ以上、４５０ＭＰａ以上、５００ＭＰａ以上、５５０ＭＰａ以上、６００ＭＰａ以上の順に好ましい。摩耗度ＦAは、好ましくは７００以下であり、６５０以下、６００以下、５５０以下、５００以下、４５０以下、４００以下、３００以下、２００以下、１００以下の順に好ましく、また、好ましくは５０以上であり、さらには６０以上、７０以上、８０以上、９０以上の順に好ましい。
　本実施形態に係る光学フィルタ素子において、所定の性質を持つ光の透過率は、光学フィルタ素子の材料、厚み等により調節できる。
　本実施形態に係る光学フィルタ素子の色は、目的とする波長域、光の透過率、用途などに合わせて適宜選択することができる。例えば、紫色、青色、緑色、黄色、橙色、赤色、黒色、灰色、およびこれらの中間色が挙げられ、色に濃淡をつけることもできる。また、本実施形態に係る光学フィルタ素子の色は無色であってもよい。また、光学フィルタ素子の第一面および／または第二面には、反射防止膜、親水膜、撥水膜等の機能性の薄膜が形成されていてもよい。
　本実施形態に係る光学フィルタ素子の製造方法は特に限定はされず、例えば、バルク原料からの削り出しや、平板材料の湾曲、鋳型へのガラス原料の注入、成形、硬化などの方法が挙げられる。光学フィルタ素子の製造方法の非制限的な好ましい例として、球面形状の光学フィルタ素子と光学レンズとを接合した接合光学素子の製造方法を、図１０を参照して説明する。
　まず、それぞれ円盤形状に加工した光学フィルタ用ガラスと光学レンズ用ガラスとを用意する（工程１）。
　光学フィルタ用ガラスのＣ２面を、凹球面となるように粗研削する。光学レンズ用ガラスのＯ１面を、凸球面となるように粗研削する。次いで、接合したときに余計な隙間が生じないように、Ｃ２面およびＯ１面を精研削、研磨（ポリッシュ）する（工程２）。
　光学素子接合用の接着剤によりＣ２面とＯ１面を接着する。これにより、光学フィルタ用ガラスと光学レンズ用ガラスとが接合される（工程３）。
　Ｃ１面を、凸球面となるように粗研削、精研削、研磨する。このとき、Ｃ２面の曲率中心とＣ１面の曲率中心とを同じ位置とすることにより、光学フィルタ用ガラスの各部において肉厚が等しくなる（工程４）。
　Ｏ２面を、凹球面となるように粗研削、精研削、研磨する。このとき、Ｏ２面の曲率半径の絶対値が、Ｏ１面の曲率半径の絶対値よりも小さくなるようにする（工程５）。これにより、光学レンズ用ガラスはメニスカスレンズとして機能する。必要があれば、芯取り加工を行う。このようにして接合光学素子が得られる。
　上記フィルタ用ガラスに形成したＣ１面およびＣ２面は、光の入射方向により、本実施形態に係る光学フィルタ素子における第一面および第二面のいずれに設定してもよい。
　光学レンズとの接合光学素子ではなく、光学フィルタ素子のみを得るためには、上記工程３においてワックス剤でＣ２面とＯ１面とを接着し、工程４～５を行った後、有機溶剤を用いてワックス剤を溶かして光学レンズを分離すればよい。
　以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
　（実施例１）
　半導体撮像素子の色感度補正フィルタ用ガラス（ＨＯＹＡ製ＣＤ７００）と光学ガラス（ＨＯＹＡ製ＢＳＣ７）とを、直径１２ｍｍの円盤形状に加工した。カーブジェネレータにて、フィルタ用ガラスのＣ２面を粗研削、精研削、研磨（ポリッシュ）して、曲率半径１２．７ｍｍの凹球面にした。次いで、光学ガラスのＯ１面を粗研削、精研削、研磨（ポリッシュ）して、フィルタ用ガラスのＣ２面と接合するような凸球面にした。市販の光学素子接合用の接着剤によりＣ２面とＯ１面を接着した。これにより、フィルタ用ガラスと光学ガラスとが接合された。フィルタ用ガラスの肉厚が０．４ｍｍとなるように、Ｃ１面を粗研削、精研削、研磨して凸球面にした。このとき、Ｃ１面の曲率中心はＣ２面の曲率中心と同じ位置となるようにした。次いで、光学ガラスが凹メニスカスレンズとなるように、Ｏ２面を粗研削、精研削、研磨して、曲率半径１２．０ｍｍの凹球面にした。最後に、直径１１．２ｍｍとなるように芯取り加工を行って、光学フィルタ素子とレンズとの接合光学素子を得た。
　上記Ｃ１面を光学フィルタ素子の第一面とし、上記Ｃ２面を光学フィルタ素子の第二面とした。得られた接合光学素子を、図９の光学フィルタ素子のように絞りよりも物体側、かつ、Ｃ１面が物体側を向くように配置したところ、光軸からの距離によらず光の透過率は一定であり、十分な色感度補正機能を有した。また、ゴーストも見られなかった。なお色感度補正フィルタ用ガラスの屈折率ｎdは１．５４０１７であり、屈折率ｎdの公差は±０．０００１０以内であった。
　（実施例２）
　光学フィルタ用ガラス（ＨＯＹＡ製ＣＤ７００）と光学ガラス（ＨＯＹＡ製ＢＳＣ７）とを、直径１２ｍｍの円盤形状に加工した。カーブジェネレータにて、フィルタ用ガラスのＣ２面を粗研削、精研削、研磨（ポリッシュ）して、曲率半径１２．７ｍｍの凹球面にした。次いで、光学ガラスのＯ１面を粗研削、精研削、研磨（ポリッシュ）して、フィルタ用ガラスのＣ２面と接合するような凸球面にした。バルサムによりＣ２面とＯ１面を接着した。これにより、フィルタ用ガラスと光学ガラスとが接合された。フィルタ用ガラスの肉厚が０．４ｍｍとなるように、Ｃ１面を粗研削、精研削、研磨して凸球面にした。このとき、Ｃ１面の曲率中心はＣ２面の曲率中心と同じ位置となるようにした。直径１１．２ｍｍとなるように芯取り加工した。最後に、有機溶剤でバルサムを溶解して光学ガラスを取り去り、光学フィルタ素子を得た。
　上記Ｃ１面を光学フィルタ素子の第一面とし、上記Ｃ２面を光学フィルタ素子の第二面とした。得られた光学フィルタ素子は、光軸からの距離によらず一定した近赤外吸収機能を有した。得られた光学フィルタ素子を、図９の光学フィルタ素子のように絞りよりも物体側、かつ、Ｃ１面が物体側を向くように配置したところ、光軸からの距離によらず光の透過率が一定であり、十分な色感度補正機能を有した。また、ゴーストも見られなかった。なお光学フィルタ用ガラスの屈折率ｎdは１．５４０１７であり、屈折率ｎdの公差は±０．０００１０以内であった。
　（実施例３）
　色感度補正フィルタ用ガラスをＨＯＹＡ製ＣＤ５０００に替えた以外は実施例１と同様の方法で、接合光学素子を作製した。得られた接合光学素子を実施例１と同様の方法により評価したところ、光軸からの距離によらず光の透過率が一定であり、十分な色感度補正機能を有した。また、ゴーストも見られなかった。なお色感度補正フィルタ用ガラスの屈折率ｎdは１．５２１１６であり、屈折率ｎdの公差は±０．０００１０以内であった。
　（実施例４）
　色感度補正フィルタ用ガラスをＨＯＹＡ製ＣＤ５０００に替えた以外は実施例２と同様の方法で、光学フィルタ素子を作製した。得られた光学フィルタ素子を実施例２と同様の方法により評価したところ、光軸からの距離によらず光の透過率が一定であり、十分な色感度補正機能を有した。また、ゴーストも見られなかった。なお色感度補正フィルタ用ガラスの屈折率ｎdは１．５２１１６であり、屈折率ｎdの公差は±０．０００１０以内であった。
１１…平面形状の光学フィルタ素子
１２…イメージセンサ
２１…第一面
２２…第二面
２３…非平面形状の光学フィルタ素子

Claims (5)

  1. 　第一面および第二面を有し、
    　前記第一面から垂直に入射する光が前記第二面に到達するまでの光路長が均一である、
    　非平面形状の光学フィルタ素子。
  2. 　第一面および第二面を有し、
    　前記第一面から前記第二面までの距離が均一である、
    　非平面形状の光学フィルタ素子。
  3. 　第一面および第二面を有し、
    　前記第一面から垂直に入射する光が前記第二面に到達するまでの光路長が均一である、
    　球面形状の光学フィルタ素子。
  4. 　第一面および第二面を有し、
    　前記第一面から垂直に入射する光が前記第二面に到達するまでの光路長が均一である、
    　非平面形状であり、かつ非球面形状の光学フィルタ素子。
  5. 　請求項１～４のいずれかに記載の光学フィルタ素子と光学レンズとからなる接合光学素子。
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