(57)【要約】      （修正有）【課題】安定した反射防止性能を備える光透過率可変素子および光学系並びに光学機器を提供する。【解決手段】対向して配置された２枚の透明基板２ａの上に形成された透明電極層３ａと、透明電極層３ａに挟持され、電気制御により光の透過率が可逆変化するエレクトロクロミック層４および電子またはイオンを供給する可視域で実質透明な電解質層５と、透明基板２ａ、透明電極層３ａ、エレクトロクロミック層４、電解質層５の界面のうち、少なくとも一面に設けられ、入射光波長をλＤ、入射側の屈折率をｎ１、射出側の屈折率をｎ２とするとき、屈折率ｎ３が（ｎ１×ｎ２）１／２の０．９倍から１．１倍の範囲となる入射側部および射出側部の空間充填率を備え、かつ、高さｄ３がλＤ／（４×ｎ３）の０．９倍から１．１倍の範囲に設定された微細凹凸形状からなる反射防止構造体６ｂ〜６ｅと、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置された２枚の透明基板の上に形成された透明電極層と、
前記透明電極層に挟持され、電気制御により光の透過率が可逆変化するエレクトロクロミック層および電子またはイオンを供給する可視域で実質透明な電解質層と、
前記透明基板、前記透明電極層、前記エレクトロクロミック層、前記電解質層の界面のうち、少なくとも一面に設けられ、
入射光波長をλＤ、入射側の屈折率をｎ１、射出側の屈折率をｎ２とするとき、屈折率ｎ３が（ｎ１×ｎ２）１／２の０．９倍から１．１倍の範囲となる入射側部および射出側部の空間充填率を備え、かつ、高さｄ３がλＤ／（４×ｎ３）の０．９倍から１．１倍の範囲に設定された微細凹凸形状からなる反射防止構造体と、
を有することを特徴とする光透過率可変素子。
【請求項２】
前記微細凹凸形状は、ピッチが５０〜１５０ｎｍで形成されることを特徴とする請求項１に記載の光透過率可変素子。
【請求項３】
前記微細凹凸形状は、円柱もしくは角柱をなしており、前記空間充填率が４０〜６０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の光透過率可変素子。
【請求項４】
前記微細凹凸形状は、円錐もしくは角錐をなしており、前記空間充填率は最大高さの半分の高さ部分で２０〜６０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の光透過率可変素子。
【請求項５】
前記微細凹凸形状は、正方配列もしくは三角配列にて周期配列されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光透過率可変素子。
【請求項６】
前記透明電極層は、ＩＴＯ、ＩＺＯのいずれかで形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光透過率可変素子。
【請求項７】
前記エレクトロクロミック層は、酸化チタン、有機材料のいずれかで形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光透過率可変素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光透過率可変素子を用いたことを特徴とする光学系。
【請求項９】
前記光学系は、撮影光学系であることを特徴とする請求項８に記載の光学系。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の光学系を用いたことを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光透過率可変素子および光学系並びに光学機器に関し、特にカメラ用レンズなどの光学系に光量調整用として用いる場合に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
電気制御によって着消色するエレクトロクロミック（以下「ＥＣ」）素子は、液晶素子と比較して、消色時の光透過率が高く、偏光の影響を受けず、メモリー性がある、といった特徴がある。そのため、光透過率可変素子や表示素子などへの適用が研究されている。
【０００３】
特許文献１には、発色層として酸化タングステンと酸化チタンを含有する材料、ニッケル酸化物を含有する材料を用いたＥＣ素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０９３６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された従来技術は、還元発色層として酸化タングステンと酸化チタンを含有する材料、酸化発色層としてニッケル酸化物を含有する材料を用いることで、着色時の透過光を無彩色（灰色）としている。そのため、カラーバランス（色相）の変化が生じることを嫌うカメラなどの用途に用いても、撮影された画像のカラーバランスが崩れることが無く好適である、としている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のＥＣ素子は、消色時の透過率が最大でも８５％以下であり、約１５％以上の入射光量が失われてしまっている。この原因の一つは、透明電極やニッケル酸化物、酸化タンタルといった屈折率の異なる層を、反射防止対策を施すことなく積層しているために、界面で反射光が発生してしまうためである。また反射光の発生は、単に透過光量が低下するだけでなく、光学系に用いた場合では、一度反射した光が別の界面で再度反射して像面に到達し、フレアやゴーストなどの有害光の発生原因になる、という課題がある。
【０００７】
ここで、周知の薄膜層による反射防止膜を設ける場合には、ＥＣ素子が着色状態に変化して屈折率が変化すると、反射防止性能が劣化してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、安定した反射防止性能を備える光透過率可変素子および光学系並びに光学機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る光透過率可変素子は、対向して配置された２枚の透明基板の上に形成された透明電極層と、前記透明電極層に挟持され、電気制御により光の透過率が可逆変化するエレクトロクロミック層および電子またはイオンを供給する可視域で実質透明な電解質層と、前記透明基板、前記透明電極層、前記エレクトロクロミック層、前記電解質層の界面のうち、少なくとも一面に設けられ、入射光波長をλＤ、入射側の屈折率をｎ１、射出側の屈折率をｎ２とするとき、屈折率ｎ３が（ｎ１×ｎ２）１／２の０．９倍から１．１倍の範囲となる入射側部および射出側部の空間充填率を備え、かつ、高さｄ３がλＤ／（４×ｎ３）の０．９倍から１．１倍の範囲に設定された微細凹凸形状からなる反射防止構造体と、を有することを特徴とする。
【００１０】
また上記光透過率可変素子を用いた光学系並びに光学機器も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、安定した反射防止性能を備える光透過率可変素子および光学系並びに光学機器を提供できる。即ち、透過率が高く、カメラ用レンズなどの光学系に用いた際には、カラーバランスの変化やフレアやゴーストなどの発生を抑制した、高品位な光透過率可変素子および光学系並びに光学機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光透過率可変素子の模式断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光透過率可変素子の反射率特性図である。
【図３】屈折率変化の前後で反射率変化が小さい本発明の効果を説明するための反射率特性図である。
【図４】屈折率変化の前後で反射率変化が大きい従来例（周知の反射防止層である薄膜層を用いる）の反射率特性図である。
【図５】比較例１として第１の実施形態に係る反射防止構造体を備えない場合の光透過率可変素子の反射率特性図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る光透過率可変素子の模式断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る光透過率可変素子の反射率特性図である。
【図８】比較例２として第２の実施形態に係る反射防止構造体を備えない場合の光透過率可変素子の反射率特性図である。
【図９】本発明の実施形態に係る光透過率可変素子を用いた光学系の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。
【００１４】
《第１の実施形態》
（光学系）
図９に示す光学系１１は、撮影光学系としてのカメラ用レンズである。１２〜１８はレンズ、１９は光軸、２０は結像面であり、結像面２０にはフィルムまたはＣＣＤなどの撮像素子が設けられる。光学系１１の中央部には、光量調整用として、後に詳述する光透過率可変素子１が配置されている。光透過率可変素子１は、カメラ本体（不図示）からの制御信号により、電気信号線で接続された制御回路を通じて光量を制御するものである。
【００１５】
本実施形態では、光透過率可変素子として光学系の中央部に平板形状に設けることを示したが、これに限定されるものではなく、レンズ表面やレンズ接合面に設けても良い。本実施形態のカメラ用レンズは、光透過率可変素子１を用いることで、ゴーストやフレアの発生が抑制され、またカラーバランスの崩れや透過光量損失も少ない、高品位で高性能な光学系を実現している。
【００１６】
（光透過率可変素子）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光透過率可変素子の模式断面図である。光透過率可変素子１は、平板またはレンズからなり対向して配置された２枚の透明基板２ａ、２ｂの上に形成された透明電極層３ａ、３ｂの間に挟持されるＥＣ層４、電解質層５が積層された構造となっている。ＥＣ層４は電気制御により光の透過率が可逆変化するエレクトロクロミック層であり、電解質層５は電子またはイオンを供給する可視域で実質透明な層である。
【００１７】
透明電極層３ａ、３ｂの材料はＩＴＯであり、エレクトロクロミック層であるＥＣ層４の材料は高密度ＴｉＯ２（酸化チタン）である。そして、光透過率可変素子１の各界面には、ピッチが８０ｎｍの四角柱形状からなる反射防止構造体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅが２次元的に正方配列（配列断面内で奇数列、偶数列共に各列の端部が揃う配列）で周期配列されている。なお、図１は、説明のための模式図であり、実際の寸法比率は反映されていない。
【００１８】
（反射防止構造体）
以下、本実施形態に係る光透過率可変素子１に用いられる反射防止構造体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅについて説明する。入射光波長λＤの入射光線の反射をゼロにするためには、反射防止構造体に関して、入射側（入射媒質）の屈折率をｎ１、射出側（射出媒質）の屈折率をｎ２としたとき、以下の式（１）（２）のように反射防止構造体の屈折率をｎ３、高さをｄ３とする。
【００１９】
ｎ３＝（ｎ１×ｎ２）１／２  ・・・（１）
ｄ３＝λＤ／（４×ｎ３）      ・・・（２）
実際には、屈折率ｎ３が（ｎ１×ｎ２）１／２の０．９倍から１．１倍の範囲となる入射側部および射出側部の空間充填率を備え、かつ、高さｄ３がλＤ／（４×ｎ３）の０．９倍から１．１倍の範囲に設定すれば良い。即ち、式（１）（２）は以下の式（１ａ）（２ａ）に置き換えられる。
【００２０】
0.9×（ｎ１×ｎ２）１／２≦ｎ３≦1.1×（ｎ１×ｎ２）１／２       ・・・（１ａ）
0.9××λＤ／（４×ｎ３）≦ｄ３≦1.1×λＤ／（４×ｎ３）    ・・・（２ａ）
このような反射防止構造体に対し、従来の反射防止膜（蒸着法などで形成可能な誘電体薄膜）では、膜種が限定されるため、上記（１）式もしくは上記（１ａ）式を満たすような屈折率を選定することはほぼ不可能である。
【００２１】
本実施形態に係る反射防止構造体は、波長以下の微細凹凸形状からなる反射防止構造体として、以下のように形成される。ここで、入射側の層（上層）の屈折率をｎａ、射出側の層（下層）の屈折率をｎｂとし、入射側部である上層の空間充填率（体積占有率）がｆｆａ、射出側部である下層の空間充填率（体積占有率）がｆｆｂとなる凹凸形状が界面に形成される場合を考える。すると、凹凸部分の屈折率ｎｅｆｆ（有効屈折率）は、以下のＬｏｒｅｎｔｚ-Ｌｏｒｅｎｚの式を用いて算出することができる。
【００２２】
【数１】
2014016405.tif 000003
【００２３】
即ち、（３）式で空間充填率ｆｆａ、ｆｆｂを調整すれば、凹凸部分の屈折率ｎｅｆｆ（有効屈折率）を、（１）式、実際には（１ａ）式を満たす好ましい屈折率ｎ３に合致させることができる。なお、ｎａ＝ｎ１、ｎｂ＝ｎ２である。そして、微細凹凸形状からなる反射防止構造体の高さ（膜厚）を（２）式、実際には（２ａ）式の値とすることで、高い反射防止性能を実現することが可能となる。
【００２４】
表１に本実施形態における各層の材質、屈折率（有効屈折率）、微細凹凸構造の高さ（膜厚）、空間充填率（入射側の層である上層）（％）、空間充填率（射出側の層である下層）（％）を示す。各材料の屈折率は、入射光の波長５５０ｎｍに対する値である。
【００２５】
【表１】
2014016405.tif 000004
【００２６】
図２に、本実施形態に係る光透過率可変素子の反射率特性を示す。具体的には、光透過率可変素子１のＥＣ層４が消色状態の入射角０°での反射率特性を示す。この反射率特性は、基板２ａを入射媒質、基板２ｂを射出媒質とした場合の反射率を示し、基板２ａ、２ｂの外側面の反射は考慮していない値である。
【００２７】
透過率可変素子１は、屈折率が異なる各層の界面に、微細凹凸形状からなる反射防止構造体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅを設けたことで、図２から分かる通り、可視光領域全域でほぼ２％以下の低い反射率を実現している。したがって、本実施形態の光透過率可変素子１をカメラ用レンズなどの撮像光学系に用いても、カラーバランスの変化やフレアやゴーストなどの発生を抑制した、高品位な光学系が実現可能である。
【００２８】
また、本実施形態の微細凹凸形状からなる反射防止構造体では、ＥＣ素子４が着色状態に変化して屈折率が変化しても、反射防止構造体の屈折率も（３）式に従って変化し、反射防止膜としてほぼ理想的な屈折率が維持される。そのため反射率特性が良好に維持される。これに対し、従来の薄膜層による反射防止膜の場合では、ＥＣ素子が着色状態に変化して屈折率が変化すると、反射防止性能が劣化してしまう。
【００２９】
ここで、上記効果に関し、入射媒質の屈折率が１．５、射出媒質の屈折率が２．０から２．３に変化する媒質を一例として示す。先ず、２つの層の間に、入射媒質の空間充填率が４７．２％、射出媒質の空間充填率が５２．８％となるような、高さ（膜厚）６９ｎｍの微細凹凸形状からなる反射防止構造体が形成されている場合を考える。この場合では、射出媒質の屈折率が２．０から２．３に変化すると、反射防止構造体の有効屈折率が、１．７３９から１．８５７に変化するので、図３に特性を示した通り、反射率の劣化が抑制され、良好な性能が維持される。
【００３０】
一方、２つの層の間に、屈折率が１．７３９、膜厚が７３ｎｍの従来の薄膜層が反射防止膜として形成される場合を考える。この場合、射出媒質の屈折率が変化しても、当然薄膜層の屈折率が変化することはない。そのため、図４に示したように、一方の反射率特性が劣化してしまうこととなる。即ち、屈折率が変動する媒質との界面の反射を低減するためには、本実施形態のように微細凹凸形状からなる反射防止構造体を採用することが有効である。
【００３１】
更に、本実施形態では、電解質層５とＥＣ層４の界面に微細凹凸形状を設けたことで、平坦な場合に比べて表面積が大きくなっている。そのため、電場がかかった場合の電子やイオンの移動が速やかに行われるため、応答速度にも優れた光透過率可変素子となる。
【００３２】
（比較例）
本実施形態に対する比較例として、本実施形態と同じ光透過率可変素子の構成で、反射防止構造体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅを設けなかった場合の反射率特性を図５に示す。図５を見て分かるように、反射防止構造体を設けなかった場合では、反射率が最大で１８％にも達している。また、反射率特性が可視域で大きく変化している。このような光透過率可変素子をカメラ用レンズなどの撮像光学系に用いると、カラーバランスが変化して撮影した写真が実物とは異なる色となってしまう。また、高い反射率に起因するフレアやゴーストなどの有害光が発生しやすくなるため、高品位で高画質な写真を撮影することが困難になってしまう。
【００３３】
本実施形態では、屈折率の異なる各層の界面すべてに、微細凹凸形状からなる反射防止構造体を形成したが、必ずしもすべての面に形成する必要はなく、少なくとも１面に形成すれば、本発明の効果が得られる。製造負荷や製造コストの制約などで、面数が限定される場合は、屈折率差が大きな界面に形成することが好ましい。
【００３４】
また、本実施形態では微細凹凸の形状を四角柱としたが、本発明はこれに限定されない。三角柱、四角柱、六角中、円柱などの形状であっても良い。また、柱形状だけでなく、三角錐、四角錐、六角錐、円錐などの錐形状にしても良い。錐形状の場合では、空間充填率が高さに応じて連続的に変化するため、屈折率も連続的に変化することとなる。錐形状の場合、屈折率が緩やかに変化するため、強い反射光が発生せず、良好な反射防止性能を実現することができる。
【００３５】
そして、錐形状の場合、構造体（錐形状）の高さをｄとしたとき、高さｄ／２の部分（最大高さの半分の高さ部分）での空間充填率を２０〜６０％とし、高さは５０〜３００ｎｍ（より好ましくは１５０〜３００ｎｍ）に設定することが好ましい。
【００３６】
また、本実施形態では微細凹凸の形状のピッチを８０ｎｍとしているが、５０〜１５０ｎｍで任意に設定することが可能である。これは、５０ｎｍ以下では製造が困難であり、１５０ｎｍ以上だと回折光が生じて光量損失やゴーストが発生してしまうためである。また、本実施形態では、各反射防止構造体の空間充填率を表１のようにしたが、厳密にその値でなくても、４０〜６０％の範囲で設定すれば、ほとんど同様の効果を得ることができる。
【００３７】
なお、本実施形態の光透過率可変素子１において、微細凹凸形状の製法は限定されない。例えば、基板または各層を形成後、フォトリソグラフィー法でフォトレジストをパターニング後、ドライエッチングするなどの方法を用いることができる。
【００３８】
《第２の実施形態》
図６は、本発明の第２の実施形態に係る光透過率可変素子の模式断面図である。平板またはレンズからなる基板２ａ、２ｂに挟まれた透明電極層３ａ、３ｂの間にＥＣ層４、電解質層５が積層された構造となっている。第１の実施形態と異なり、本実施形態では、透明電極層３の材料がＩＺＯ、ＥＣ層４が有機材料で形成されている。
【００３９】
そして、各界面には、ピッチが１４０ｎｍの円柱形状からなる反射防止構造体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅが三角配列（奇数列と偶数列とで半ピッチずれ、奇数列と偶数列の端部が揃わない配列）で周期配列されている。図６は、説明のための模式図であり、実際の寸法比率は反映していない。表２に、本実施形態における各層の材質、屈折率、膜厚（微細凹凸構造の高さ）、空間充填率、有効屈折率を示す。各材料の屈折率は、入射光の波長５５０ｎｍに対する値である。
【００４０】
【表２】
2014016405.tif 000005
【００４１】
図７に、本実施形態の光透過率可変素子１のＥＣ層４が消色状態の入射角０°での反射率特性を示す。この反射率は、基板２ａを入射媒質、基板２ｂを射出媒質とした場合の反射率であり、基板２ａ、２ｂの外側面の反射は考慮していない値である。
【００４２】
透過率可変素子１は、屈折率が異なる各層の界面に、微細凹凸形状からなる反射防止構造体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅを設けたことで、図７から分かる通り、可視光領域全域でほぼ２％以下の低い反射率を実現している。したがって、本実施形態の光透過率可変素子をカメラ用レンズなどの撮像光学系に用いても、カラーバランスの変化やフレアやゴーストなどの発生を抑制した、高品位な光学系が実現可能である。
【００４３】
（比較例）
比較例として、本実施形態と同じ光透過率可変素子の構成で、反射防止構造体６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅを設けなかった場合の反射率特性を図８に示す。この図を見て分かるように、反射防止構造体を設けなかった場合では、反射率が最大で９％以上にも達している。また、反射率特性が可視域で大きく変化している。このような光透過率可変素子をカメラ用レンズなどの撮像光学系に用いると、カラーバランスが変化して撮影した写真が実物とは異なる色となってしまう。また、高い反射率に起因するフレアやゴーストなどの有害光が発生しやすくなるため、高品位で高画質な写真を撮影することが困難になってしまう。
【００４４】
（変形例１）
上述した実施形態では、光学系としてカメラ用レンズの場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。ビデオカメラ用レンズ、双眼鏡や顕微鏡などの観察光学系、複写機用の読み取り光学系などに用いても同様の優れた効果が得られる。また、本発明は光学系を用いた光学機器として、撮影光学系を用いたカメラ、ビデオカメラの他、投射光学系を用いたプロジェクタなどにも適用できる。
【００４５】
（変形例２）
微細凹凸形状からなる反射防止構造体を、透明基板、前記透明電極層、前記エレクトロクロミック層、前記電解質層の界面のうち、全面でなく少なくとも一面に設ける場合、残りの面、更には別の面に従来の反射防止膜を形成することも可能である。因みに、図９で光透過率可変素子１の両端の露出したガラス面は、従来の誘電体薄膜による反射防止膜を形成している。
【符号の説明】
【００４６】
１・・光透過率可変素子、２ａ、２ｂ・・基板、３ａ、３ｂ・・透明電極、４・・ＥＣ層、５・・電解質層、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ・・反射防止構造体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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