JP2012159720A - 光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴーストの発生を抑制した光学系を得ること。
【解決手段】複数の光学面を有する光学系において，少なくとも２面には，平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体を有して構成する。そして，一方の面に形成された反射防止構造体Ａと，もう一方の面に形成された反射防止構造体Ｂとは微細凹凸構造の平均高さが異なることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は，光学系に関し，特にゴーストの発生を抑制した光学系に関するものである。

従来より，ガラスやプラスチックなどの透明性媒質（透明性部材）を用いたレンズにおいては，透過光の損失を低減させるために，光入出射面に反射防止膜を設けるなどの表面処理を施している。例えば，可視光に対する反射防止膜としては，誘電体薄膜を複数層積層した，多層膜（マルチコート）が知られている。この多層膜は，透明性の基板表面に，金属酸化物を真空蒸着等により成膜することで形成されている。

近年，デジタルカメラ用レンズなどの光学系においては，高い光学性能を有し，かつ光学系全体が小型・軽量であることが求められている。そして，これに対応して口径の大きなレンズや曲率半径の小さな面を有するレンズが多く使用されるようになってきている。

このようなレンズを光学系に用いると，レンズ周辺部では光線が大きな角度で入射する。このため誘電体薄膜を単層ないし多層積層した反射防止膜では入射角が広範囲となるため，反射を十分に抑制することができず，ゴーストやフレアなどの有害光が発生する原因となっている。

そうした状況を鑑みて，ゴーストの原因となる２面以上の反射境界面に，それぞれ互いに相補する関係の反射特性を有する反射防止コートを施した光学系が特許文献１に開示されている。

特開平５−３２３２２６号公報

特許文献１では，ゴーストの原因となる２面以上の反射境界面に，それぞれ互いに相補する関係の反射特性を有する反射防止コートを施すことで，ゴーストの発生を抑制している。特に，ゴーストの原因となる２面以上の反射境界面における媒質の屈折率をｎ,光の入射角をθとしたとき，ｎ・ｓｉｎθの小さい方の面に，短波長域より長波長域での反射防止特性に優れた反射防止コートを施すことが好ましい，としている。

しかしながら，２面の反射境界面でゴーストの発生する特定の入射角度においては，その反射率の積が小さく，ゴーストを有効に抑制しているが，それ以外の入射角（例えば０°）での反射率を犠牲にしたものとなっている。このような反射防止膜を，レンズ枚数の多い光学系（例えば高倍率ズームレンズなど）に用いたい場合，ゴーストは抑制できても撮像光の光量損失が大きくなり，透過率性能が低下してしまう，という課題があった。

平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体，とくに構造の空間占有率が連続的に変化しているような形状では，屈折率が徐々に変化する膜が無数に存在することと実質等価となる。このとき，各部位（膜）から振幅の小さな反射光が無数に発生することになり，これが一定以上の位相（例えば３６０°以上）にわたってずれて発生した場合，干渉した波の振幅は非常に小さなものとなり，高い反射防性能が得られることとなる。

したがって，設計波長や設計入射角とは異なる入射光に対しても，反射光を打ち消す干渉条件が維持されるため，波長帯域特性，入射角特性に優れた反射防止構造体が得られることとなる。

本発明は，複数の光学面を有する光学系において，少なくとも２面に，平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体を有して構成されている。そして，一方の面に形成された反射防止構造体Ａと，もう一方の面に形成された反射防止構造体Ｂとで微細凹凸構造の平均高さを異ならせることにより，上記課題を解決している。

さらに，もう一つの方法として，一方の面に形成された反射防止構造体Ａと，もう一方の面に形成された反射防止構造体Ｂとで反射率特性を異ならせることにより，上記課題を解決している。

本発明によれば，光学系内部の光学面における複数回反射によるゴースト光の発生を抑制し，かつ撮像光の光量損失も少ない光学系が得られる。

本発明の実施例１の光学系の要部断面図 平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ａ１の模式断面図 平均ピッチの説明図（（ａ）周期配列の場合，（ｂ）非周期配列の場合） 反射防止構造体Ａ１の反射率特性（（ａ）入射角：０°，（ｂ）入射角：６０°） 平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ｂ１の模式断面図 反射防止構造体Ｂ１の反射率特性（（ａ）入射角：０°，（ｂ）入射角：６０°） 反射防止構造体Ａ１の反射率と反射防止構造体Ｂ１の反射率の積（（ａ）入射角：０°，（ｂ）入射角：６０°） 本発明の実施例２の光学系の要部断面図 平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ａ２の模式断面図 反射防止構造体Ａ２の反射率特性（（ａ）入射角：０°，（ｂ）入射角：６０°） 平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ｂ２の模式断面図 反射防止構造体Ｂ２の反射率特性（（ａ）入射角：０°，（ｂ）入射角：６０°） 反射防止構造体Ａ２の反射率と反射防止構造体Ｂ２の反射率の積（（ａ）入射角：０°，（ｂ）入射角：６０°）

以下，図を用いて本発明の光学系について説明する。本発明の光学系は，光学面のうち少なくとも２面に，平均高さが異なり，平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体を有するように構成されている。

本発明の平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体は，どのような方法で作製されたものでも構わない。

例えば，レンズ表面にアルミニウムを含有する溶液を塗布することで皮膜を形成し，該皮膜を温水処理することで微細凹凸構造を形成する方法を用いることができる。また，アルミニウムあるいはアルミニウム合金を陽極酸化する際に形成される細孔を金型表面に形成し，該細孔をレプリカ法やモールド法などでレンズ表面に転写するなどの方法を用いても良い。これらの方法を用いれば，安価に大面積のレンズ表面にも，平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造を形成することができて好適である。

それ以外にも，フォトリソグラフィー法や干渉露光法，エッチング法，微粒子の配列パターンなどを用いて形成しても良い。

図２に本発明実施例１に用いられる反射防止構造体Ａ１の模式断面図を示す。屈折率（ｎｄ）が，１．６９６８０，屈折率分散（νｄ）が５５．５の基板（レンズ）２２の上に酸化アルミニウムを含有する材料からなり，平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造体２３を平均高さ２７０ｎｍとなるように形成した。

使用波長が単波長ではなく，ある範囲にわたっているのであれば，平均ピッチを使用波長範囲の最短波長以下とすればよく，ここでは可視域の場合を適用し，平均ピッチを４００ｎｍ以下としている。

これは，使用波長の最短波長よりも大きな平均ピッチを用いると，回折による有害光が発生してしまうためである。

ここで，平均ピッチと，平均高さについて，図３を用いて説明する。図３（ａ）（ｂ）はそれぞれ，使用波長以下の微細凹凸構造体を上から見た図である。微細凹凸形状は，模式的に丸としている。

図３（ａ）は，微細凹凸が三角格子状に周期的に配列している例を示している。この場合，平均ピッチは，一つの微細凹凸と隣接する微細凹凸の間隔と等しい。

図３（ｂ）は，微細凹凸が非周期的に配列している例を示している。このような場合，平均ピッチは，（１）一つの微細凹凸から近い順に６つの微細凹凸を選定し，その間隔の平均値を算出し，（２）すべての微細凹凸に関して（１）を算出し，その平均値を算出する，などの方法で定義すればよい。ただし，光学面に設けられたすべての微細凹凸構造に対して測定することは実質困難なので，光学面の一箇所あるいは数箇所を走査型電子顕微鏡などで観察し，ある領域内で計算した値で代用してもよい。

平均高さについては，すべての微細凹凸について，設けられた面の面法線方向の高さを測定し，平均値を算出すればよい。

この反射防止構造体Ａ１が形成された基板（レンズ）２１の入射角０°の反射率ＲＡ１（０°），入射角６０°の反射率ＲＡ１（６０°）を，図４（ａ），（ｂ）に示す。平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体は、入射角特性が優れているため，入射角０°では可視域全域で反射率０．３％以下，入射角６０°でも可視域全域でほぼ反射率２．０％以下を達成している。

図５に本発明実施例１に用いられる反射防止構造体Ｂ１の模式断面図を示す。５３は、屈折率（ｎｄ）が，１．６０３１１，屈折率分散（νｄ）が６０．７の基板（レンズ）である。この基板５３の上に，シリカを含有する材料からなる薄膜５４を介して，酸化アルミニウムを含有する材料からなり，平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造体５３を平均高さ２８０ｎｍとなるように形成した。

この反射防止構造体Ｂ１が形成された基板（レンズ）５１の入射角０°の反射率ＲＢ１（０°），入射角６０°の反射率ＲＢ１（６０°）を，図６（ａ），（ｂ）に示す。平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体は、入射角特性が優れているため，４５０ｎｍから６５０ｎｍにわたる波長領域全域で入射角０°では反射率０．３％以下，入射角６０°でも反射率１．５％以下を達成している。

反射防止構造体Ａ１の入射角０°における反射率ＲＡ１（０°）と，反射防止構造体Ｂ１の入射角０°における反射率ＲＢ１（０°）の積を，図７（ａ）に示す。ＲＡ１（０°）×ＲＢ１（０°）は，ＲＡ１（０°）とＲＢ１（０°）の特性が異なるために非常に小さなものとなっており，４５０ｎｍから６５０ｎｍにわたる波長領域全域で３．０×１０^−４％以下となっている。

さらに，反射防止構造体Ａ１の入射角６０°における反射率ＲＡ１（６０°）と，反射防止構造体Ｂ１の入射角６０°における反射率ＲＢ１（６０°）の積を，図７（ｂ）に示す。ＲＡ１（６０°）×ＲＢ１（６０°）は，４５０ｎｍから６５０ｎｍにわたる波長領域全域で３．０×１０^−２％以下の値である。

これは，平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体Ａ１と，反射防止構造体Ａ１とは平均高さが異なる微細凹凸構造体からなる反射防止構造体Ｂ１とを用いたことで達成できた性能である。そして，誘電体薄膜を単層ないし多層積層した反射防止膜では，達成が困難な性能である。

図１は，本発明実施例１の光学系の要部断面図である。図１において，１は光学系であり，焦点距離が１４ｍｍのカメラ用広画角レンズである。この光学系において，ｒ０２面には平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ａ１を形成している。また，ｒ０３面には同じく平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ｂ１を形成している。そのことで，入射角０°でも入射角６０°でも２回反射の反射率は極めて低いので，ゴーストの発生を良好に抑制し，かつ撮像光（透過光）の光量損失も少ない高性能な光学系を実現している。

図９に本発明実施例２に用いられる反射防止構造体Ａ２の模式断面図を示す。屈折率（ｎｄ）が，１．６９６８０，屈折率分散（νｄ）が５５．５の基板（レンズ）９２の上に，同じ材料からなり，ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造体９３を平均高さ３１５ｎｍとなるように形成した。

この反射防止構造体Ａ２が形成された基板（レンズ）９１の入射角０°の反射率ＲＡ２（０°），入射角６０°の反射率ＲＡ２（６０°）を，図１０（ａ），（ｂ）に示す。ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体は、入射角特性が優れているため，入射角０°では可視域全域で反射率０．３％以下，入射角６０°でも可視域全域で反射率１．５％以下を達成している。

図１１に本発明実施例２に用いられる反射防止構造体Ｂ２の模式断面図を示す。屈折率（ｎｄ）が，１．６７７９０，屈折率分散（νｄ）が５５．３の基板（レンズ）１１２の上に酸化アルミニウムを含有する材料からなり，ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造体１１３を平均高さ７５０ｎｍとなるように形成した。

この反射防止構造体Ｂ２が形成された基板（レンズ）１１１の入射角０°の反射率ＲＢ２（０°），入射角６０°の反射率ＲＢ２（６０°）を，図１２（ａ），（ｂ）に示す。ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体は、入射角特性が優れているため，入射角０°では可視域全域で反射率０．３％以下，入射角６０°でも可視域全域で反射率１．５％以下を達成している。

反射防止構造体Ａ２の入射角０°における反射率ＲＡ２（０°）と，反射防止構造体Ｂ２の入射角０°における反射率ＲＢ２（０°）の積を，図１３（ａ）に示す。ＲＡ２（０°）×ＲＢ２（０°）は，ＲＡ２（０°）とＲＢ２（０°）の特性が異なるために非常に小さなものとなっており，可視域全域で２．０×１０^−４％以下の値である。

さらに，反射防止構造体Ａ２の入射角６０°における反射率ＲＡ２（６０°）と，反射防止構造体Ｂ２の入射角６０°における反射率ＲＢ２（６０°）の積を，図１３（ｂ）に示す。ＲＡ２（６０°）×ＲＢ２（６０°）は，可視域全域で２．０×１０^−２％以下の値である。

これは，平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体Ａ２と，反射防止構造体Ａ２とは平均高さが異なる微細凹凸構造体からなる反射防止構造体Ｂ２とを用いたことで達成できた性能である。そして，誘電体薄膜を単層ないし多層積層した反射防止膜では，達成が困難な性能である。

図８は，本発明実施例２の光学系の要部断面図である。図８において，１は光学系であり，焦点距離が２４ｍｍのカメラ用広画角レンズである。この光学系において，ｒ０４面に平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ａ２を，ｒ０５面に同じく平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ｂ２を形成した。これにより，入射角０°でも入射角６０°でも２回反射の反射率は極めて低いので，ゴーストの発生を良好に抑制し，かつ撮像光（透過光）の光量損失も少ない高性能な光学系を実現している。

このように，平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造からなり，平均高さが異なる反射防止構造体を複数の光学面を有する光学系において，少なくとも２面以上に用いる。すると，反射率が入射角０°のみならず入射角６０°でも非常に小さいために，入射角の大きな光線の２回反射によって発生するゴーストを有効に抑制することができ，かつ撮像光（透過光）の光量損失も少ない高性能な光学系を実現することができる。

本実施例では光学系を，カメラレンズ用の広角レンズとしたが，本発明はこれに限定されるものではなく，焦点距離の長い望遠レンズでも良く，さらには双眼鏡などの観察光学系や走査光学系に用いてもよい。

Ａ１，Ａ２：反射防止構造体Ａ
Ｂ１，Ｂ２：反射防止構造体Ｂ
１：光学系
２：絞り
３：撮像素子又はフィルム
２１，５１，９１，１１１：反射防止構造体Ａ又はＢが形成された基板（レンズ）
２２，５２，９２，１１２：基板（レンズ）
２３，５３，９３，１１３：平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造
５４：シリカを含有する材料からなる薄膜

Claims (18)

1. 複数の光学面を有する光学系であって，該光学面のうち少なくとも２面には，平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ａと，前記反射防止構造体Ａとは微細凹凸構造の平均高さが異なり，平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ｂとが形成されていることを特徴とする光学系。
2. 前記反射防止構造体Ａの微細凹凸構造の平均高さをＨＡａｖｅ，
   前記反射防止構造体Ｂの微細凹凸構造の平均高さをＨＢａｖｅ
   としたとき，
   ５（ｍｍ）≦｜ＨＡａｖｅ−ＨＢａｖｅ｜≦５００（ｍｍ）
   なる関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 複数の光学面を有する光学系であって，該光学面のうち少なくとも２面には，平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ａと，反射防止構造体Ａとは反射率特性が異なり，平均ピッチが４００ｎｍ以下の微細凹凸構造を有する反射防止構造体Ｂとが形成されていることを特徴とする光学系。
4. 前記反射防止構造体Ａが形成された光学面に，入射角０°で入射した光線の反射率をＲＡ（０°），
   前記反射防止構造体Ｂが形成された光学面に，入射角０°で入射した光線の反射率をＲＢ（０°）としたとき，
   ＲＡ（０°）×ＲＢ（０°）≦１×１０^−３（％）
   なる関係式を波長４５０ｎｍから６５０ｎｍにわたる波長領域全域で満たしていることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
5. 前記反射防止構造体Ａが形成された光学面に，入射角６０°で入射した光線の反射率をＲＡ（６０°），
   前記反射防止構造体Ｂが形成された光学面に，入射角６０°で入射した光線の反射率をＲＢ（６０°）としたとき，
   ＲＡ（６０°）×ＲＢ（６０°）≦１×１０^−１（％）
   なる関係式を波長４５０ｎｍから６５０ｎｍにわたる波長領域全域で満たしていることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
6. 前記反射防止構造体Ａが形成された光学面に，入射角０°で入射した光線の反射率をＲＡ（０°），入射角６０°で入射した光線の反射率をＲＡ（６０°），
   前記反射防止構造体Ｂが形成された光学面に，入射角０°で入射した光線の反射率をＲＢ（０°），入射角６０°で入射した光線の反射率をＲＢ（６０°）としたとき，
   ＲＡ（０°）×ＲＢ（０°）≦１×１０^−３（％）
   および
   ＲＡ（６０°）×ＲＢ（６０°）≦１×１０^−１（％）
   なる２つの関係式を波長４５０ｎｍから６５０ｎｍにわたる波長領域全域で満たしていることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
7. 前記反射防止構造体Ａが形成された光学面に，入射角０°で入射した光線の反射率をＲＡ（０°），
   前記反射防止構造体Ｂが形成された光学面に，入射角０°で入射した光線の反射率をＲＢ（０°）としたとき，
   ｜ＲＡ（０°）−ＲＢ（０°）｜≧０．０５（％）
   なる関係式を波長４００ｎｍから７００ｎｍにわたる波長領域の少なくとも一部で満たしていることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
8. 前記反射防止構造体Ａが形成された光学面に，入射角６０°で入射した光線の反射率をＲＡ（６０°），
   前記反射防止構造体Ｂが形成された光学面に，入射角６０°で入射した光線の反射率をＲＢ（６０°）としたとき，
   ｜ＲＡ（６０°）−ＲＢ（６０°）｜≧０．２（％）
   なる関係式を波長４００ｎｍから７００ｎｍにわたる波長領域の少なくとも一部で満たしていることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
9. 前記反射防止構造体Ａが形成された光学面に，入射角０°で入射した光線の反射率をＲＡ（０°），入射角６０°で入射した光線の反射率をＲＡ（６０°），
   前記反射防止構造体Ｂが形成された光学面に，入射角０°で入射した光線の反射率をＲＢ（０°），入射角６０°で入射した光線の反射率をＲＢ（６０°）としたとき，
   ｜ＲＡ（０°）−ＲＢ（６０°）｜≧０．０５（％）
   および
   ｜ＲＡ（６０°）−ＲＢ（６０°）｜≧０．２（％）
   なる２つの関係式を波長４００ｎｍから７００ｎｍにわたる波長領域の少なくとも一部で満たしていることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
10. 前記反射防止構造体Ａおよび前記反射防止構造体Ｂのうち，いずれか一方乃至は両方が，該構造体が形成されている基板と同材料からなることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の光学系。
11. 前記反射防止構造体Ａおよび前記反射防止構造体Ｂのうち，いずれか一方乃至は両方が，アルミニウム又は酸化アルミニウムを含有する材料からなることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の光学系。
12. 前記反射防止構造体Ａおよび前記反射防止構造体Ｂのうち，いずれか一方が，該構造体が形成されている基板と同材料からなり，もう一方が，アルミニウム又は酸化アルミニウムを含有する材料からなることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の光学系。
13. 前記反射防止構造体Ａおよび前記反射防止構造体Ｂのうち，いずれか一方乃至は両方が，アルミニウム又は酸化アルミニウムを含有する材料からなる微細凹凸構造体および該微細凹凸構造体と該凹凸構造体が設けられる光学面との間に設けられたシリカを含有する材料からなる薄膜の積層構造体からなることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の光学系。
14. 前記反射防止構造体Ａおよび前記反射防止構造体Ｂは，いずれか一方ないしは両方のピッチが非周期であり，平均ピッチが３０ｎｍ以上でかつ４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１３の何れか一項に記載の光学系。
15. 前記光学系は，結像光学系であることを特徴とする請求項１〜１４の何れか一項に記載の光学系。
16. 前記光学系は，観察光学系であることを特徴とする請求項１〜１４の何れか一項に記載の光学系。
17. 前記光学系は，走査光学系であることを特徴とする請求項１〜１４の何れか一項に記載の光学系。
18. 請求項１５乃至請求項１７の何れか一項に記載の光学系光学系を一つ以上有していることを特徴とする光学機器。