JP2020134571A - 光学素子、光学系、撮像装置、およびレンズ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作成が容易であり、かつ透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学素子を提供する。【解決手段】透過率が第１の方向に変化する領域を有する光学素子（１００）であって、第１の方向と直交する第２の方向に沿って、基板（１）と第１の層（３）とを有し、第１の層の第２の方向における厚さは、第１の方向に変化し、第１の層の消衰係数は、第１の方向に変化し、波長５５０ｎｍの光に対する消衰係数の最大値ｋｍａｘは、所定の条件式を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、光学フィルタに関する。

撮像装置内の光学フィルタとして、透過光量を調整するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタが用いられる場合がある。特に、画像の明るさを任意に制御するため、または、焦点外れ像（ボケ像）の輪郭の先鋭度のばらつき（による画像の品位の低下）を改善するために、光学面内の領域に応じて徐々に透過率の異なるグラデーション型のＮＤフィルタが用いられる。

特許文献１には、領域ごとに吸収特性を有する膜の厚さが変化するグラデーション型のＮＤフィルタに関して、入射方向によらず反射率を低減するための膜構成が開示されている。

特開２０１７−４０９０９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたＮＤフィルタにおいて、吸収特性を有する膜の消衰係数は均一である。このため、透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有するＮＤフィルタを容易に作成することが難しい。

そこで本発明は、作成が容易であり、かつ透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学素子、光学系、撮像装置、および、レンズ装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光学素子は、透過率が第１の方向に変化する領域を有する光学素子であって、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、基板と第１の層とを有し、前記第１の層の前記第２の方向における厚さは、前記第１の方向に変化し、前記第１の層の消衰係数は、前記第１の方向に変化し、波長５５０ｎｍの光に対する前記消衰係数の最大値ｋｍａｘは、所定の条件式を満たす。

本発明の他の側面としての光学系は、複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子は前記光学素子を含む。

本発明の他の側面としての撮像装置は、前記光学系と、前記光学系を介して形成された光学像を光電変換して画像データを出力する撮像素子とを有する。

本発明の他の側面としてのレンズ装置は、撮像装置本体に対して着脱可能であり、前記光学系を有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、作成が容易であり、かつ透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学素子、光学系、撮像装置、および、レンズ装置を提供することができる。

実施例１における光学フィルタの概略図である。 実施例１における光学フィルタの分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例１における光学濃度と平均反射率の関係図である。 実施例２における光学フィルタの概略図である。 実施例２における光学フィルタの分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例２における光学濃度と平均反射率の関係図である。 実施例３における光学フィルタの概略図である。 実施例３における光学フィルタの分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例３における光学濃度と平均反射率の関係図である。 実施例４における光学フィルタの概略図である。 実施例４における光学フィルタの分光透過率および分光反射率を示す図である。 実施例４における光学濃度と平均反射率の関係図である。 実施例５における撮像装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本発明の実施形態（実施例１）における光学フィルタ（光学素子）の構成について説明する。図１（ａ）は、本実施形態の光学フィルタ（光学素子）１００の概略図（断面図）である。光学フィルタ１００は、基板１、中間反射防止層（中間層）２、吸収層（第１の層）３、および、表面反射防止層（第２の層）４を有する。すなわち光学フィルタ１００において、基板１の面１ａ（第１の面）の上に、順に、中間反射防止層２、吸収層３、および、表面反射防止層４が形成されている。光学フィルタ１００において、基板１の面１ａとは反対側の面１ｂ（第２の面）には、面１ａと同様の前述の積層構造を設けるか、適宜反射防止膜を設けてもよい（不図示）。ここで、中間反射防止層２と表面反射防止層４はそれぞれ、１層以上からなる膜で構成されている。なお、屈折率の調整、反射防止帯域の拡大、入射角度依存性の低減、または、偏光依存性を低減するため、各反射防止層（中間反射防止層２または表面反射防止層４）の積層数を増やしても構わない。

図１（ａ）に示されるように、光学フィルタ１００の透過率が連続的に変化する領域Ｒ_１（面内方向（図１（ａ）の左右方向（第１の方向））における領域）において、吸収層３の厚さＬＴ（図１（ａ）の上下方向（第２の方向）における厚さ）は連続的に変化する。吸収層３は、透過率が一定である領域Ｒ_２には形成されていない。すなわち光学フィルタ１００は、透過率が変化している第１の領域（領域Ｒ_１）と、透過率が一定である第２の領域（領域Ｒ_２）とを有し、吸収層３は、第１の領域に形成されており、第２の領域には形成されていない。

一方、光学フィルタ１００の全領域Ｒ_Ｅにおいて、中間反射防止層２および表面反射防止層４は、略均一（均一または実質的に均一）な厚さを有する膜から構成される。ここで、略均一な厚さを有する膜は、積層材料の粒径や積層された層の密度に依存する微小な凹凸による厚さの変化を有する膜や、成膜回転軸を基準とした同一基板上の中心部分と端部分との回転半径の相違により意図せず成形される厚さの変化を有する膜を含む。

図１（ｂ）は、光学フィルタ１００の各領域における透過率分布を示す図であり、縦軸は透過率Ｔ、横軸は光学フィルタ１００の領域（面内方向の位置）をそれぞれ示している。光学フィルタ１００は、吸収層３の厚さに応じて透過率Ｔが変化するように構成され、吸収層３の厚さが連続的に変化することによりグラデーション型のＮＤフィルタを実現している。図１（ｂ）に示されるように、吸収層３が厚くなるほど、透過率Ｔは低くなる。

図１（ｃ）は、吸収層３の消衰係数の分布を示す図であり、縦軸は波長５５０ｎｍにおける消衰係数ｋ、横軸は光学フィルタ１００の領域（面内方向の位置）をそれぞれ示している。吸収層３が形成されない領域Ｒ_２においては消衰係数を０として示し、透過率が連続的に変化する領域Ｒ_１においては、透過率が低くなる、すなわち吸収層３の厚さＬＴが厚くなるにつれて消衰係数が高くなる。領域Ｒ_１と領域Ｒ_２との境界における消衰係数は０．０５であり、吸収層３の中で最小値となる。領域Ｒ_１において、領域Ｒ_２から離れるにつれて吸収層３の消衰係数は高くなり、吸収層３の厚さＬＴが最大となる位置で消衰係数が最大値０．２１８となる。

通常、図１（ａ）に示されるように吸収層３の厚さを変化させてグラデーション型のＮＤフィルタ（光学フィルタ）を得る場合、吸収層３の厚さの変化および消衰係数に応じて反射率が大きく変化する。このため、ＮＤフィルタの面内方向における全領域で反射率を低減することは困難である。しかし、本実施形態の光学フィルタ１００では、空気側（表面反射防止層４側）から光を入射した場合、基板側（基板１の面１ｂ側）から入射した場合のいずれでも、面内方向における全領域において反射率を低減することができる。

図２は、光学フィルタ１００に対して垂直に光が入射する場合（垂直入射時）における分光透過率および分光反射率を示す図である。以降、本明細書中にて説明される分光透過率および分光反射率はそれぞれ、垂直入射時の特性である。図２は、波長５５０ｎｍの光に関し、吸収層３の光吸収による光学濃度ＯＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）が、０、０．１、０．３、１、２の領域に関する分光透過率および分光反射率をそれぞれ示している。図２において、縦軸は分光透過率（透過率Ｔ（％））または分光反射率（反射率Ｒ（％））、横軸は波長（ｎｍ）をそれぞれ示している。図２において、本実施形態を実線で示す。また、吸収層３の消衰係数が、透過率が最も低くなる位置における値で均一に構成される場合を比較例として破線で示す。ここで、光学濃度ＯＤは、透過率Ｔ（０≦Ｔ≦１）を用いて、以下の条件式（１）により定義される値である。

光学濃度ＯＤ＝０の領域は、吸収層３の厚さが０の領域であり、空気側（表面側）から光が入射した場合の反射率Ｒａｉｒと基板側から光が入射した場合の反射率Ｒｓｕｂは互いに等しい。一方、光学濃度ＯＤ≠０の領域（ＯＤ＝０．１、０．３、１、２）、すなわち吸収層３の厚さが０でない領域においては、空気側から光が入射した場合の反射率Ｒａｉｒと基板側から光が入射した場合の反射率Ｒｓｕｂは互いに異なる。これは、吸収層３がある場合、各界面におけるフレネル係数が入射方向に応じて異なるためである。

ここで、吸収特性を有する媒質を透過するときの波長λにおける透過光強度Ｐは、入射光強度をＰ０、媒質の厚さをｔ、消衰係数をｋとするとき、以下の条件式（２）により計算できる。

光学濃度ＯＤの相違による空気側および基板側の反射率変化を小さくするには、吸収層３の消衰係数を小さくすればよい。ただし、条件式（２）から分かるように、同等の減光効果を得るには吸収層の膜厚を厚くする必要がある。真空蒸着によって吸収層３を形成する場合、膜厚を厚くするには成膜時間を延長する必要があり、生産性が低下するため好ましくない。また、吸収層３は膜厚が厚くなるほど膜内部に生じる応力が大きくなるため、高低温環境下や温度ショックによる膜割れが生じる懸念があり、耐環境性が低下するため好ましくない。

本実施形態において、膜厚を増大させずに反射率を低減するため、図１（ｃ）に示されるように吸収層３の厚さＬＴが厚くなるにつれて消衰係数が高くなっており、光学濃度ＯＤの最大値は２となるように構成している。これにより、透過率が最小すなわち吸収層３の膜厚が最大となる位置では消衰係数が相対的に高いため、膜厚を増大させずに吸収層３の膜厚が変化する領域の消衰係数を相対的に小さくすることで、反射率の低減効果を得ている。ここで、波長４００ｎｍから７００ｎｍの範囲における空気側入射時の反射率と基板側入射時の反射率との平均値をＲａｖｅとするとき、各光学濃度ＯＤにおける平均反射率Ｒａｖｅを図３に示す。光学濃度が小さい領域において、比較例よりも本実施形態の平均反射率Ｒａｖｅが小さいことがわかる。

吸収特性を発現する材料を真空蒸着で形成するとき、薄膜の消衰係数は蒸着機内および基板の加熱温度と相関があり、高温になるほど消衰係数が高くなる傾向を示す。本実施形態のように吸収層３の消衰係数を領域ごとに変化させるには、例えば基板温度を均一ではなく領域によって変化するように熱源を設置すればよい。例えば、消衰係数を高くしたい領域付近にのみ熱源を設置してもよいし、複数の熱源を設置して各々の設定温度を変えてもよい。また、冷却装置を設置して部分的に温度を下げてもよい。さらに、基板１と熱源の形状を相対的に変えてもよい。例えば、平面形状の基板１に対して、熱源を曲面に配置すれば、基板１との距離が近い領域と遠い領域とで温度分布を形成してもよい。また、曲面形状からなる基板１を用い、吸収層３とは反対側の基板１の面が凹面形状とし、略平面の熱源で温度分布を形成してもよい。このとき基板１は、メニスカス形状、または両凹形状であることが好ましい。同心円状の温度分布を形成する場合、熱源を円状に配置し、基板１の形状を第１の方向に沿って同心円形状とすればよい。

本実施形態において、光学濃度ＯＤの相違による反射率変化を小さくするため、吸収層３の消衰係数の最大値ｋｍａｘは、以下の条件式（３）を満たす。

０．００５≦ｋｍａｘ≦２．０ ・・・（３）
これにより、例えば空気側から光が入射した場合、吸収層３の膜厚の変化に従って消衰係数を変化させ、均一な厚さを有する表面反射防止層４を吸収層３の上部に設けるだけの単純な構成で、光学濃度（吸収層３の厚さ）に依らず低い反射率を実現することができる。同様に、基板側から光が入射した場合、均一な厚さを有する中間反射防止層２を吸収層３の下部に設けるだけの単純な構成でありながら、光学濃度に依らず低い反射率を実現することができる。従って、本実施形態の光学フィルタ１００のような簡易な構成でありながら、光の入射方向に依らない優れた反射防止性能を得ることができる。条件式（３）の下限を下回るときは、空気側からの入射光の反射率Ｒａｉｒと基板側からの入射光の反射率Ｒｓｕｂの違いが少なく、本発明の構成をとったとしても十分な効果を得ることが難しい。また、減光効果を十分に得るためには吸収層の膜厚が厚くなってしまうため、成膜が困難になり、耐環境性が低下し、吸収層の厚さの違いにより生じる光路長差が大きくなるため結像性能が低下してしまう。条件式（３）の上限を上回ると消衰係数が最大となる領域における反射率が増大し、撮影時にゴーストやフレアが発生してしまう。

条件式（３）は、以下の条件式（３ａ）〜（３ｇ）に順に設定することがより好ましい。

０．０２≦ｋｍａｘ≦１．５０ ・・・（３ａ）
０．０６≦ｋｍａｘ≦１．００ ・・・（３ｂ）
０．１０≦ｋｍａｘ≦０．８０ ・・・（３ｃ）
０．１２≦ｋｍａｘ≦０．６０ ・・・（３ｄ）
０．１４≦ｋｍａｘ≦０．４０ ・・・（３ｅ）
０．１４≦ｋｍａｘ≦０．３０ ・・・（３ｆ）
０．１４≦ｋｍａｘ≦０．２５ ・・・（３ｇ）
さらに、吸収層３の消衰係数の最小値ｋｍｉｎを適切に定めることによって、空気側及び基板側の反射率を小さくすることができる。したがって、各実施例の光学フィルタは、以下の条件式（４）を満たすことが好ましい。

ｋｍｉｎ／ｋｍａｘ≦０．９５ ・・・（４）
条件式（４）は、吸収層３の消衰係数に関する。条件式（４）の上限を上回ると、吸収層３の消衰係数の各領域における変化量が小さく、消衰係数が領域に依らず均一である場合と比較して反射率低減効果を十分に得ることができない。なお、条件式（４）の左辺の値が小さくなり過ぎると、例えば吸収層３の成膜時に大きな温度分布を与える必要があり、装置構成が複雑になり、または温度分布の制御が難しくなる。このため、条件式（４）は、以下の条件式（４ａ）〜（４ｅ）の順に設定することがより好ましい。

０．０１≦ｋｍｉｎ／ｋｍａｘ≦０．８０ ・・・（４ａ）
０．０２≦ｋｍｉｎ／ｋｍａｘ≦０．６０ ・・・（４ｂ）
０．０５≦ｋｍｉｎ／ｋｍａｘ≦０．５０ ・・・（４ｃ）
０．１０≦ｋｍｉｎ／ｋｍａｘ≦０．４０ ・・・（４ｄ）
０．１５≦ｋｍｉｎ／ｋｍａｘ≦０．３０ ・・・（４ｅ）
さらに、吸収層３の厚さが増えるにしたがって、吸収層の消衰係数が高くなる領域を有することで、空気側および基板側の反射率を低減することができる。消衰係数が小さいほど反射率は低くなる傾向があるが、透過率が低い領域においては消衰係数を相対的に高くしないと吸収層の厚さが増大してしまうため好ましくない。このため、吸収層３の厚さが相対的に薄い領域では消衰係数を低くし、厚さが相対的に厚い領域では消衰係数を高くする構成が好ましい。

さらに、光の波長をλとするとき、吸収層３の厚さが最も薄い位置と厚い位置との間における吸収層３の光路長差ＯＰＤ１を適切に定めることによって、空気側および基板側の反射率を小さくすることができる。したがって、各実施例の光学フィルタは、波長５５０ｎｍの光に対して、以下の条件式（５）を満たすことが好ましい。

０．１≦｜ＯＰＤ１／λ｜≦１０ ・・・（５）
条件式（５）は、吸収層の厚さ変化により生じる光路長差に関する。光路長ＯＰＤ１は、吸収層の最大厚と最小厚の差に、屈折率を乗じることで求まる。吸収層により生じる光路長差が大きくなるほど透過率は低くなるため、透明な媒質で構成した場合よりも結像性能に与える影響は少ない。ただし、条件式（５）の上限を上回ると、光路長差が大きくなり過ぎ、諸収差が増大して結像性能が低下するため好ましくない。一方、条件式（５）の下限を下回ると、十分なグラデーション効果を得るためには吸収層の消衰係数を大きくする必要があるため、空気側および基板側の反射率を小さくすることが困難となる。

条件式（５）は、以下の条件式（５ａ）〜（５ｆ）の順に設定することがより好ましい。

０．２≦｜ＯＰＤ１／λ｜≦８ ・・・（５ａ）
０．４≦｜ＯＰＤ１／λ｜≦７ ・・・（５ｂ）
０．５≦｜ＯＰＤ１／λ｜≦６ ・・・（５ｄ）
１．２≦｜ＯＰＤ１／λ｜≦５ ・・・（５ｅ）
２．５≦｜ＯＰＤ１／λ｜≦４．５ ・・・（５ｆ）
図１（ａ）において、表面反射防止層４は吸収層３に対して基板１とは反対側に配置され、空気側から入射するときの反射率を低減する機能を有する。表面反射防止層４がない場合には、吸収層３と空気との界面での反射が高くなるため好ましくない。

さらに、吸収層の光吸収による光学濃度の最大値ＯＤｍａｘ、光学濃度が０．１となるときの吸収層の膜厚ｄＯＤ、光学濃度が最大となるときの吸収層の膜厚ｄｍａｘを適切に定めることによって、空気側および基板側の反射率を小さくすることができる。したがって、各実施例の光学フィルタは以下の条件式（６）、（７）を満たすことが好ましい。

０．３＜ＯＤｍａｘ＜８ ・・・（６）
０．０２≦｜ｄＯＤ／ｄｍａｘ｜≦０．８ ・・・（７）
条件式（６）は、吸収層の光吸収による光学濃度に関する。条件式（６）の上限を上回ると、吸収層の膜厚を厚く構成する必要があり、製造が困難となる。また、消衰係数を高くする必要があるため、反射率を小さくすることが困難となる。一方、条件式（６）の下限を下回ると、吸収層によるグラデーション効果が小さく、消衰係数が領域に依らず均一である場合と比較して反射率低減効果を十分に得ることができない。

条件式（７）は、吸収層の厚さに関する。条件式（７）の上限を上回ると、光学濃度０．１以下の領域における膜厚変化が急峻になるため、結像性能の変動が大きくなるため好ましくない。一方、条件式（７）の下限を下回ると、光学濃度０．１以下の領域における消衰係数の変化量大きく、製造が困難となる。

条件式（６）は、以下の条件式（６ａ）〜（６ｆ）の順に設定することがより好ましい。また条件式（７）は、以下の条件式（７ａ）〜（７ｆ）の順に設定することがより好ましい。

０．４＜ＯＤｍａｘ＜８ ・・・（６ａ）
０．６＜ＯＤｍａｘ＜６ ・・・（６ｂ）
０．８＜ＯＤｍａｘ＜５ ・・・（６ｃ）
１．０＜ＯＤｍａｘ＜４ ・・・（６ｄ）
１．１＜ＯＤｍａｘ＜３ ・・・（６ｅ）
１．２＜ＯＤｍａｘ＜３ ・・・（６ｆ）
０．０３≦｜ｄＯＤ／ｄｍａｘ｜≦０．６ ・・・（７ａ）
０．０４≦｜ｄＯＤ／ｄｍａｘ｜≦０．５ ・・・（７ｂ）
０．０５≦｜ｄＯＤ／ｄｍａｘ｜≦０．４ ・・・（７ｃ）
０．０５≦｜ｄＯＤ／ｄｍａｘ｜≦０．３ ・・・（７ｄ）
０．０６≦｜ｄＯＤ／ｄｍａｘ｜≦０．２ ・・・（７ｅ）
０．０６≦｜ｄＯＤ／ｄｍａｘ｜≦０．１５ ・・・（７ｆ）
さらに、吸収層３の光吸収による透過率の最大値Ｔｍａｘおよび最小値Ｔｍｉｎを適切に設定することにより、空気側および基板側の反射率を小さくすることができる。したがって、各実施例の光学フィルタは、波長５５０ｎｍの光に対して、以下の条件式（８）を満たすことが好ましい。

−８≦Ｌｏｇ（Ｔｍｉｎ／Ｔｍａｘ）≦−０．４ ・・・（８）
条件式（８）は、吸収層の光吸収による透過率に関する。条件式（８）の上限を上回ると、吸収層によるグラデーション効果が小さく、吸収層の消衰係数が領域に依らず均一である場合と比較して反射率低減効果を十分に得ることができない。一方、条件式（８）の下限を下回ると、吸収層の最大膜厚と最小膜厚、またはｋｍａｘとｋｍｉｎとの差が大きくなり過ぎ、製造が困難となる。

条件式（８）は、以下の条件式（８ａ）〜（８ｃ）の順に設定することがより好ましい。

−６≦Ｌｏｇ（Ｔｍｉｎ／Ｔｍａｘ）≦−０．６ ・・・（８ａ）
−５≦Ｌｏｇ（Ｔｍｉｎ／Ｔｍａｘ）≦−０．８ ・・・（８ｂ）
−４≦Ｌｏｇ（Ｔｍｉｎ／Ｔｍａｘ）≦−０．９ ・・・（８ｃ）
本実施形態におけるグラデーション型のＮＤフィルタでは、透過率が一定で最大となる領域においては吸収層３が実質的に形成されていない。これにより、透過率の最大値と最小値との差を大きくとることができ、よりグラデーション効果を得ることが可能となる。

本実施形態において、透過率は基板の面内方向に変化する領域を有し、前記面内方向と直交する基板の厚さ方向における吸収層３の厚さが基板の面内方向に変化している。グラデーション型のＮＤフィルタ（光学フィルタ）の透過率分布については、様々な形状を用いることができる。例えば、同心円方向に透過率分布を形成し、中心から周辺に従って透過率が増加又は減少するようにできる。

同心円状の透過率分布を有する光学フィルタの透過率分布中心を、撮像光学系の光軸上に配置すれば、撮像面に対して回転対象なグラデーション効果を得ることができるため好ましい。また、一方向に透過率が変化するように構成してもよい。これら以外にも、用途に応じて様々な透過率分布形状があるが、本実施形態は任意の透過率分布形状に対して適用可能である。

好ましくは、吸収層３の厚さは、第１の方向に同心円状に変化する。第１の方向における吸収層３の中心からの距離が第１の距離である領域（中心領域）において、吸収層３の厚さは第１の厚さである。吸収層３の中心からの距離が第１の距離よりも遠い第２の距離である領域（周辺領域）において、吸収層３の厚さは第１の厚さよりも厚い第２の厚さである。

また好ましくは、吸収層３の厚さが第３の厚さである領域において、消衰係数は第１の消衰係数である。第１の層の厚さが第３の厚さよりも厚い第４の厚さである領域において、消衰係数は、第１の消衰係数よりも高い第２の消衰係数である。ただし本実施形態は、これに限定されるものではない。求められる反射特性に応じて、前述とは逆に、第３の厚さである領域において第２の消衰係数であって、第３の厚さよりも厚い第４の厚さである領域において、第２の消衰係数よりも低い第１の消衰係数であってもよい。

また好ましくは、第２の方向から見た場合、基板１は円形状である。第１の方向における基板１の中心からの距離が第３の距離である領域（中心領域）において、消衰係数は第３の消衰係数である。基板１の中心からの距離が第１の距離よりも遠い第４の距離である領域（周辺領域）において、消衰係数は、第３の消衰係数よりも高い第４の消衰係数である。

以下、本実施形態の各光学フィルタに関し、各実施例において具体的に説明する。

まず、実施例１の光学フィルタ（光学素子）１００について説明する。図１（ａ）は、本実施例の光学フィルタ１００の概略図である。図１（ｂ）に示されるように、本実施例の光学フィルタ１００は、光学面内（面内方向）において、中心から周辺に向かって透過率が徐々に低下するグラデーション方のＮＤフィルタである。

表１は、光学フィルタ１００を構成する各要素の特性を示す表である。

表１において、屈折率および消衰係数はそれぞれ、波長５５０ｎｍにおける屈折率および消衰係数である。これらは、後述の表についても同様である。

光学フィルタ１００は、基板１から順に、中間反射防止層２、吸収層３、および、表面反射防止層４を有する。中間反射防止層２は、膜２１、２２の２層で構成されている。表面反射防止層４は、膜４１、４２、４３の３層で構成されている。吸収層３は、膜３１の１層で構成されており、本実施例では酸素欠損型のＴｉＯ_２が用いられる。基板１は株式会社オハラのＳ−ＬＡＨ６６からなる。波長５５０ｎｍにおける吸収層３の消衰係数は、図１（ｃ）に示されるように、中心から周辺に向かって高くなり、最小値は０．０５００、最大値は０．２１８０である。なお、実施例１において、吸収層３の消衰係数は面内方向（第１の方向）に変化しており、面内方向と直交する方向（第２の方向）には均一としている。ただし、消衰係数が面内方向と直交する方向にも変化する場合、面内方向と直交する方向の消衰係数の平均値が上述の条件式を満たせば、本発明の効果を得ることができる。吸収層３の光吸収による光学濃度の最大値ＯＤｍａｘは２．０であり、光学濃度が最大となる位置で消衰係数が最大値をとることで、最大膜厚を厚くすること無く光学濃度が小さい領域の反射率を低減している。

図２は、光学フィルタ１００の分光透過率、および、分光反射率（Ｒａｉｒ：空気側入射時の反射率、Ｒｓｕｂ：基板側入射時の反射率）を示す図である。図２は、波長５５０ｎｍの光に関し、光学濃度ＯＤが０、０．１、０．３、１、２である位置における分光透過率および分光反射率をそれぞれ示している。比較例として、吸収層３の消衰係数が、光学濃度が最大となる位置における値０．２１８０で均一に構成される場合の反射率を破線で示している。

図３は、各光学濃度における光学フィルタ１００の平均反射率Ｒａｖｅを示す図である。特に、光学濃度が小さい領域において、本実施例の平均反射率Ｒａｖｅが低くなっていることが分かる。

次に、実施例２の光学フィルタ（光学素子）２００について説明する。図４（ａ）に示されるように、光学フィルタ２００は、基板１から順に、位相補償層５、中間反射防止層２、吸収層３、および、表面反射防止層４を有し、中心から周辺に向かって透過率が低下するグラデーションＮＤフィルタである。位相補償層とは、吸収層の厚さの変化する方向とは反対の方向に膜厚が増加し、吸収層の厚さの変化による光路長を補償する機能を有する。

表２は、光学フィルタ２００を構成する各要素の特性を示す表である。

本実施例において、位相補償層５は、基板１と略同じ特性を有する材料を用いているため、位相補償層５は実質的に反射特性には影響を与えない。各反射防止層を構成する膜の積層数は、実施例１と同様である。本実施例において、吸収層３はＩＴＯが用いられる。基板１は株式会社オハラのＳ−ＬＡＨ６６からなる。波長５５０ｎｍにおける吸収層３の消衰係数は、図４（ｃ）に示されるように、吸収層がある領域において、中心から周辺に向かって高くなり、最小値は０．２０００、最大値は１．２４０７である。吸収層３の光吸収による光学濃度の最大値ＯＤｍａｘは２．０であり、光学濃度が最大となる位置で消衰係数が最大値をとる。実施例２では中心付近において吸収層がない領域を広くとり、消衰係数を変化させることで、消衰係数が高い材料で吸収層を構成していても、反射率が高くなってしまう領域を周辺部の一部分に抑えることができる。

図５は、光学フィルタ２００の分光透過率、および、空気側入射および基板側入射の時の分光反射率を示す図である。図５は、波長５５０ｎｍの光に関し、光学濃度ＯＤが０、０．１、０．３、１、２である位置における分光透過率および分光反射率をそれぞれ示している。比較例は実施例１と同様に示している。

図６は、各光学濃度における光学フィルタ２００の平均反射率Ｒａｖｅを示す図である。実施例１と同様に、条件式（３）、（４）、（５）を満たしているため、光学濃度に依らず平均反射率Ｒａｖｅが低くなっている。

次に、実施例３の光学フィルタ（光学素子）３００について説明する。図７（ａ）に示されるように、光学フィルタ３００は、基板１から順に、吸収層３、および表面反射防止層４を有し、中心から周辺に向かって透過率が低下するグラデーションＮＤフィルタである。光学フィルタ３００は、その中心領域および周辺領域において、吸収層３の厚さが一定となる領域Ｒ_２を有する。光学フィルタ３００は、中間反射防止層２を含まない点で、実施例１〜２のそれぞれの光学フィルタとは異なる。

表３は、光学フィルタ３００を構成する各要素の特性を示す表である。

本実施例では、基板１の屈折率を吸収層３の屈折率に近づけることにより、基板１と吸収層３との間の界面反射を低減している。基板１は株式会社オハラのＳ−ＬＡＨ７９からなる。波長５５０ｎｍにおける消衰係数は、図７（ｃ）に示されるように、中心から周辺に向かって高くなり、周辺部には消衰係数が一定となる領域Ｒ_２を有し、最小値は０．１０２６、最大値は０．１９４７である。吸収層３の光吸収による光学濃度の最大値ＯＤｍａｘは１．５であり、光学濃度が最大となる位置で消衰係数が最大値をとることで、最大膜厚を厚くすること無く光学濃度が小さい領域の反射率を低減している。

図８は、光学フィルタ３００の分光透過率、および、空気側入射および基板側入射の時の分光反射率を示す図である。図８は、波長５５０ｎｍの光に関し、光学濃度ＯＤが０、０．１、０．３、１、１．５である位置における分光透過率および分光反射率をそれぞれ示している。比較例は実施例１と同様に示している。

図９は、各光学濃度における光学フィルタ３００の平均反射率Ｒａｖｅを示す図である。実施例１〜２と同様に、条件式（３）、（４）、（５）を満たしているため、光学濃度に依らず平均反射率Ｒａｖｅが低くなっている。

次に、実施例４の光学フィルタ（光学素子）４００について説明する。図１０（ａ）に示されるように、光学フィルタ４００は、基板１から順に、中間反射防止層２、吸収層３、中間反射防止層６、接着剤７、および基板８を有し、中心から周辺に向かって透過率が低下するグラデーションＮＤフィルタである。本実施例では基板１と基板８との間に吸収層３を有し、空気と接触する表面反射防止層を含まない点で実施例１〜３とは構成が異なる。

表４は、光学フィルタ４００を構成する各要素の特性を示す表である。

本実施例では、吸収層３を２層で構成しており、吸収層３の４００ｎｍから７００ｎｍの範囲における光吸収特性が波長に依らず略同等の特性とすることができる。吸収層３の基板１側および基板８側には中間反射防止層２および６を有し、各基板界面との反射率を低減している。基板１は株式会社オハラのＳ−ＴＩＨ４、基板８はＳ−ＢＡＬ１２からなり、接着剤７の屈折率とより近い基板８側に接着剤層７を設けることで、接着剤７と基板８の反射率を低減している。吸収層３の波長５５０ｎｍにおける消衰係数は、中心から周辺に向かって高くなり、膜３１の最小値は０．０４６４、最大値は０．１８５７、膜３２の最小値は０．０６４５、最大値は０．２５７９である。吸収層３の光吸収による光学濃度の最大値ＯＤｍａｘは３．０であり、光学濃度が最大となる域で消衰係数が最大値をとる。中間反射防止層２および６は各々４層構成とし、同一の材料で構成したが、互いの層数を変えてもよいし、異なる材料で構成してもよい。

図１１は、光学フィルタ４００の分光透過率、および、基板１側入射および基板８側入射の時の分光反射率を示す図である。図１１は、波長５５０ｎｍの光に関し、光学濃度ＯＤが０、０．１、０．３、１、３である位置における分光透過率および分光反射率をそれぞれ示している。比較例は実施例１と同様に示している。

図１２は、各光学濃度における光学フィルタ４００の平均反射率Ｒａｖｅを示す図である。実施例１〜３と同様に、条件式（３）、（４）、（５）を満たしているため、光学濃度に依らず平均反射率Ｒａｖｅが低くなっている。

次に、図１３を参照して、実施例５における撮像装置５００について説明する。図１３は、本実施例における撮像装置５００の断面図である。撮像装置５００は、撮像装置本体５１０と撮像装置本体５１０に着脱可能なレンズ装置５２０を備えて構成される。ただし本実施例は、これに限定されるものではなく、撮像装置本体とレンズ装置とが一体的に構成された撮像装置にも適用可能である。レンズ装置５２０は、複数の光学素子（レンズ群）５２２および絞りＳＰを有し、光学系（撮像光学系）を構成する。撮像装置本体５１０は、ＣＭＯＳセンサなどの撮像素子５１２を有する。撮像素子５１２は、撮像面ＩＰに配置され、光学系を介して形成された被写体像（光学像）を光電変換して画像データを出力する。

被写体像は、光学系を透過して、撮像面ＩＰに結像する。本実施例において、絞りＳＰ、または、絞りＳＰの前後のレンズ面のうち少なくとも１つの面に、実施例１〜４のいずれかの光学フィルタ（グラデーション型ＮＤフィルタ）が設けられる。ただし、本実施例はこれに限定されるものではなく、光学フィルタを光学系の他のレンズ面に設けてもよい。

図１３に示される光学系は、共軸回転対称光学系である。このような光学系では、図１（ａ）、（ｂ）に示されるような同心円状の透過率分布を有する光学フィルタを用いることが好ましい。また、図１、図４、または図１０に示されるように、光学フィルタの中心部に吸収層の厚さが０の領域を設けると、光学フィルタによる透過率の減少を抑制することができるため、好ましい。撮像装置５００が位相差検出方式の自動焦点合わせ機構（ＡＦ機構）を有する場合、位相差検出に使用される光束の透過率が変化しないように、中心領域に吸収層の厚さが０または一定となる領域を設けることが好ましい。

光学面の中心からの距離ｒ１、ｒ２（ｒ１＜ｒ２）における透過率をＴ（ｒ１）、Ｔ（ｒ２）とするとき、Ｔ（ｒ１）≧Ｔ（ｒ２）となるようなグラデーション型ＮＤフィルタを配置すると、アポダイゼーション効果により品位の高いボケ像を得ることができる。また、絞りＳＰの前後に各実施例のグラデーション型ＮＤフィルタを配置することにより、軸外光束に対しても有効にアポダイゼーション効果を得ることができ、画面全域に対して品位の高い画像が得られる。反対に、Ｔ（ｒ１）≦Ｔ（ｒ２）のような特性を有するグラデーション型ＮＤフィルタを用いると、画像の周辺減光を補正したり、周辺部を強調したボケ像を得ることができる。

このような位置に光学フィルタを設けた場合、通常、反射光が迷光となりゴーストやフレアの原因となる。しかし、各実施例のグラデーション型ＮＤフィルタの場合、透過率分布を有しつつ反射率を低減するため、像側および物体側の双方からの光に対してもゴーストやフレアを低減した高品位な像が得られる。なお、図１３に示される断面図は一例であり、各実施例の光学フィルタは、１つの撮影光学系のレンズに限定されることなく、様々な光学系に適用することができる。

表５は、実施例１〜４における光学フィルタに関し、波長５５０ｎｍにおける各パラメータの値を示している。

各実施例の光学フィルタは、作成が容易であり、基板面内で透過率の異なる領域に対して、表面側および基板側からの入射光に対して高い反射防止効果を有し、ゴーストやフレアなどの発生を低減することができる。このため各実施例によれば、作成が容易であり、かつ透過率の異なる領域に対して高い反射防止性能を有する光学素子、光学系、撮像装置、および、レンズ装置を提供することができる。

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

１００、２００、３００、４００ 光学フィルタ（光学素子）
１ 基板
３ 吸収層（第１の層）

Claims (16)

1. 透過率が第１の方向に変化する領域を有する光学素子であって、
   前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、基板と第１の層とを有し、
   前記第１の層の前記第２の方向における厚さは、前記第１の方向に変化し、
   前記第１の層の消衰係数は、前記第１の方向に変化し、
   波長５５０ｎｍの光に対する前記消衰係数の最大値ｋｍａｘは、
   ０．００５≦ｋｍａｘ≦２．０
   なる条件式を満たすことを特徴とする光学素子。
2. 前記消衰係数の最小値ｋｍｉｎは、
   ｋｍｉｎ／ｋｍａｘ≦０．９５
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１の層に対して前記基板とは反対側に、第２の層を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
4. 前記光学素子は、前記透過率が変化している第１の領域と、前記透過率が一定である第２の領域とを有し、
   前記第１の層は、前記第１の領域に形成されており、前記第２の領域には形成されていないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
5. 前記第１の層は、少なくとも２つの膜を含み、
   前記第１の層の前記第２の方向における厚さが変化していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子。
6. 前記第１の方向は、前記基板の面内方向であり、
   前記第２の方向は、前記面内方向と直交する方向であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子。
7. 前記第１の層の前記厚さは、前記第１の方向に同心円状に変化し、
   前記第１の方向における前記第１の層の中心からの距離が第１の距離である領域において、前記厚さは、第１の厚さであり、
   前記距離が前記第１の距離よりも遠い第２の距離である領域において、前記厚さは、前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学素子。
8. 前記第１の層の前記厚さが第３の厚さである領域において、前記消衰係数は、第１の消衰係数であり、
   前記第１の層の前記厚さが前記第３の厚さよりも厚い第４の厚さである領域において、前記消衰係数は、前記第１の消衰係数よりも高い第２の消衰係数であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学素子。
9. 前記第２の方向から見た場合、前記基板は円形状であり、
   前記第１の方向における前記基板の中心からの距離が第３の距離である領域において、前記消衰係数は、第３の消衰係数であり、
   前記距離が前記第１の距離よりも遠い第４の距離である領域において、前記消衰係数は、前記第３の消衰係数よりも高い第４の消衰係数であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学素子。
10. 前記基板の前記第１の層を有する面とは反対側の面は、凹面形状であり、
    前記基板は、メニスカス形状または両凹形状であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学素子。
11. 光の波長をλ、前記第１の層の厚さが最も薄い位置と最も厚い位置との間における該第１の層の光路長差ＯＰＤ１は、波長５５０ｎｍの光に対して、
    ０．１≦｜ＯＰＤ１／λ｜≦１０
    なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学素子。
12. 前記第１の層の光吸収による光学濃度の最大値をＯＤｍａｘ、前記光学濃度が０．１となるときの前記第１の層の膜厚をｄＯＤ、前記光学濃度が最大となるときの前記第１の層の膜厚をｄｍａｘとするとき、
    ０．３＜ＯＤｍａｘ＜８
    ０．０２≦｜ｄＯＤ／ｄｍａｘ｜≦０．８
    なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学素子。
13. 前記第１の層の光吸収による透過率の最大値をＴｍａｘ、前記透過率の最小値をＴｍｉｎとするとき、
    −８≦Ｌｏｇ（Ｔｍｉｎ／Ｔｍａｘ）≦−０．４
    なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光学素子。
14. 複数の光学素子を有し、
    前記複数の光学素子は、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光学素子を含むことを特徴とする光学系。
15. 請求項１４に記載の光学系と、
    前記光学系を介して形成された光学像を光電変換して画像データを出力する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。
16. 撮像装置本体に対して着脱可能であり、請求項１４に記載の光学系を有することを特徴とするレンズ装置。