(57)【要約】【課題】可視域で利用される多層膜を用いた光学素子において、大きなリップルの発生を抑制することを可能にした光学素子を提供すること。【解決手段】０度で入射する可視域の波長の光が３０％以上透過する光学素子において、該光学素子の一光学面には多層膜が形成されており、かつ該多層膜は少なくとも３つの材料から形成されている単位スタックが１０回以上５００回以下の周期で繰り返されている ことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０度で入射する可視域の波長の光が３０％以上透過する光学素子において、 
該光学素子の一光学面には多層膜が形成されており、 
かつ該多層膜は少なくとも３つの材料から形成されている単位スタックが 
１０回以上５００回以下の周期で繰り返されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記単位スタックを構成する薄膜のうち少なくとも一組の光学膜厚は、５０ｎｍ以上異なることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記薄膜を構成する膜の屈折率を低い方からＬ層 (屈折率ｎＬ)、Ｍ層(屈折率ｎＭ) 、Ｈ層(屈折率ｎＨ)としたとき、 
単位スタックの構成は（ＭＨＭＬ）か（ＭＬＭＨ）のいずれかであること を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
Ｍ層の光学膜厚がλ／４の奇数倍とみなせる膜厚であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
Ｌ層もしくはＨ層の少なくとも一方の光学膜厚がλ／２の自然数倍とみなせる膜厚であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
各スタックごとのＬ層、Ｍ層、Ｈ層の光学膜厚のブレが０．１５λ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
以下の数式を満足することを特徴とする請求項３乃至請求項６の何れか一項に記載の光学素子。
【数１】
2018005152.tif 000005
【請求項８】
基板の屈折率をｎｓとし、かつ基板側より前記薄膜の屈折率をｎｉ、物理膜厚をｔｉ（ｉ＝１，２．３、、、ｍ）としたときに、前記単位スタックで求められるｎ（ｍ）が以下の条件を満たすことを特徴とする請求項３乃至請求項７の何れか一項に記載の光学素子。
【数２】
2018005152.tif 000006
【請求項９】
もっとも最表層の単位スタックは、前記Ｈ層の上に前記Ｍ層よりも低屈折率な膜が形成されていることを特徴とする請求項３乃至請求項８の何れか一項に記載の光学素子。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の光学素子を利用した光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子に関し、特に多層膜を利用した光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、一層ごとの光学膜厚が使用する光の波長以下で積層した多層膜が多くの分野で利用されてきた。例えばカメラに利用される光学レンズには、透過する光の光量を増やすために反射防止膜が形成されている。また、ガラスの表面の反射を増やすために、光学膜厚を一定にして積層する積層ミラーなども提案されている。
【０００３】
特許文献１には、Ｓｉを利用した赤外域の波長フィルタが開示されている。特定の波長のみを透過させる構成のために、屈折率と膜厚の関係が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２５０３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の特許文献１に開示された従来技術では、Ｓｉを利用しているために可視域から近赤外にかけて強い吸収をもってしまう。また、吸収があることで反射特性にも影響が出てしまい、所望の特性が得られにくい。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、可視域で利用される多層膜を利用した光学素子において、大きなリップルの発生を抑制することを可能にした光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明に係る光学素子は、
０度で入射する可視域の波長の光が３０％以上透過する光学素子において、 
該光学素子の一光学面には多層膜が形成されており、 
かつ該多層膜は少なくとも３つの材料から形成されている単位スタックが 
１０回以上５００回以下の周期で繰り返されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、可視光で利用される多層膜を利用した光学素子において、大きなリップルの発生を抑制することを可能にした光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】光学素子の断面図
【図２】減衰波の反射イメージ
【図３】増幅波の反射イメージ
【図４】実施例１の各薄膜での反射率のイメージ
【図５】実施例１の０度入射反射率
【図６】実施例１の４５度入射Ｓ偏光反射率
【図７】比較例の０度入射反射率
【図８】比較例の４５度入射Ｓ偏光反射率
【図９】デジタルカメラ
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の実施形態にかかわる光学素子の断面図である。
【００１２】
ここで１００は光学素子、１０１〜１０４は薄膜、１０５は基板、１１０は単位スタック、１２０は多層膜である。ここで薄膜とは、使用する光の波長の数倍程度の光学膜厚を限度として光の干渉を利用して所望の特性を得る技術を指す。
【００１３】
本発明の光学素子１００の基板１０５の一面には、多層膜１２０が形成されている。この光学素子１００は可視域の波長において吸収が少なく、３０％以上の光が透過することを特徴としている。このような光学素子１００はレンズ、フィルタなどに利用され、多層膜１２０は可視域で透明な誘電体や有機材料などを用いて形成されている。
【００１４】
ここで単位スタック１１０は薄膜１０１〜１０４の組み合わせで形成されている。図１では簡易的にＬ、Ｍ、Ｈと記載されているが、それぞれの薄膜同士の屈折率関係よりもっとも低屈折率の材料をＬ層(屈折率ｎＬ)、もっとも高屈折率の材料をＨ層(屈折率ｎＨ)、中間の屈折率の材料をＭ層(屈折率ｎＭ)と定義している。本発明では単位スタック１１０には少なくとも３つの材料が利用されていることを特徴としている。３つの材料を用いると、屈折率の関係より各薄膜１０１〜１０４間の屈折率差を小さくすることができる。
【００１５】
屈折率差が小さいと、波の干渉ずれによって発生するリップルの振幅を小さくすることができる。そのため、単位スタック１１０を何層も重ねた際に発生するリップルの発生を十分に抑制することが可能となる。
【００１６】
一方、誘電体ミラーでは単位スタック１１０の中の屈折率差が大きいことが望ましい。それは屈折率差を大きくすることで、各単位スタック１１０で反射する光の振幅を大きくすることができるためである。そのため、誘電体ミラーでは単位スタック１１０に使う材料を２種類に限定することが多い。
【００１７】
しかし、このようなミラーではミラー領域以外の反射率のリップルが大きく発生してしまう。そのため、一般的にはリップルを抑制するために単位スタック１１０毎の光学膜厚を多少ずらすという工夫がされている。しかし、このような工夫が成り立つのは単位スタック１１０の積層数が少ない場合がほとんどで、単位スタック１１０の積層数が１０回以下のものがおおい。
【００１８】
そこで、本発明では単位スタック１１０が１０回以上５００回以下の周期で繰り返されていることを特徴としている。このような多層膜１２０では本発明の単位スタック１１０の構成によってリップルの発生を抑制することが可能となる。
【００１９】
また、本発明では単位スタック１１０を形成する薄膜１０１〜１０４のうち、少なくとも１組の光学膜厚が５０ｎｍ以上異なることを特徴としている。単位スタック１１０を構成する薄膜１０１〜１０４の薄膜材料に３種類以上の材料を利用した場合、その屈折率の関係より光学膜厚を大きく変えることが望ましい。
【００２０】
光学膜厚がλ／４のときの光の波の干渉について説明する。
【００２１】
図２、３は薄膜の屈折率の関係と膜厚の関係を表わした図である。
【００２２】
ここで０２１、０３１は基板の屈折率、０２２、０３２は薄膜の屈折率と光学膜厚、０２３、０３３は基板と薄膜の界面、０２４、０３４は入射媒質と薄膜の界面である。また、基板と薄膜の界面０２３、０３３で反射する光の波を破線で、入射媒質と薄膜の界面０２４、０３４で反射する光の波を一点鎖線で、その合成波を実線で記している。
【００２３】
図２は薄膜０２２が基板０２１と入射媒質の屈折率の中間の値を示し、図３では薄膜０３２が基板０３１と入射媒質の屈折率の両者よりも大きな値を示している。そのそれぞれの界面を入射媒質側から見ると、界面０２３、０２４、０３４は屈折率が上昇するのに対し、界面０３３は屈折率が減少している。このような屈折率の変化の方向は、反射する光の波の位相に大きな影響を与える。屈折率が上昇する界面０２３、０２４、０３４は反射波の位相が１８０度変化するのに対し、屈折率が減少する界面０３３は位相の変化がない。
【００２４】
そのため、薄膜０２２、０３２の光学膜厚をλ／４にすると、図示したように図２では波同士が打ち消しあう減衰波となり、図３では波同士が強めあう増幅波となる。一方薄膜０２２、０３２の光学膜厚をλ／２にすると、図２の構成では増幅波、図３の構成だと減衰波となる。ここでは簡易的な説明のために２種類の屈折率関係を示したが、薄膜０２２、０２３の前後に隣接している材料の屈折率関係で増幅波となるか減衰波となるかは決まる。例えば薄膜０３２が基板０３１、入射媒質よりも低い屈折率だった場合、入射媒質側から見て屈折率変化は界面０３４では減少、界面０３３では上昇する。このような薄膜０３２では、図３と同様に光学膜厚がλ／４だった場合の光は増幅波となる。
【００２５】
もし３種類以上の材料を利用すると、そのそれぞれの薄膜の屈折率関係はさまざまに変化する。薄膜によっては図２の薄膜０２２のような屈折率関係、または図３の薄膜０３２のような屈折率関係が発生する。多層膜１２０でどのような機能を持たせるかによるが、それぞれの薄膜１０１〜１０４での機能に合わせ、λ／４・λ／２を選択することが望ましい。そのため、本発明では少なくとも１組の光学膜厚が５０ｎｍ以上異なることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明では基板１０５の屈折率をｎｓとし、かつ基板側より薄膜１０４〜１０１の屈折率をｎｉ、物理膜厚をｔｉ（ｉ＝１，２．３、、、ｍ）としたときに、単位スタック１１０で求められるｎ（ｍ）が以下の条件を満たすことを特徴としている。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
ここで式（１）は各薄膜１０４〜１０１の上面・下面のフレネル係数を表わしている。その係数を基に式（２）の計算式で求めたｒ（ｉ）を利用し、式（３）のｎ（ｉ）が求められる。このｎ（ｉ）は、基板側からｉ番目の薄膜までを仮想的な基板と定義したときの仮想屈折率である。例えば、基板１０５の上に薄膜１０４、１０３が積層された状態で式（３）を計算すると、基板１０５と薄膜１０４の振る舞いを一基板の振る舞いとして計算することができる。実際の数値を用いて、実施例１にて詳細を説明する。
【００２９】
［実施例１］
また、本発明では単位スタック１１０の構成は基板側から見て（ＭＨＭＬ）か（ＭＬＭＨ）のいずれかであることを特徴としている。中間の屈折率であるＭ層をＨ層、Ｌ層の間に挟むことにより、効果的にリップルの発生を抑制することができる。また、さらにＭ層の光学膜厚がλ／４の奇数倍とみなせること、ないしはＬ層もしくはＨ層の少なくとも一方の光学膜厚がλ／２の自然数倍とみなせる膜厚であることを特徴としている。
【００３０】
図１の単位スタック１１０の組み合わせで基板１０５側からＭ層１０４、Ｈ層１０３、Ｍ層１０２、Ｌ層１０１を順に積層する。また、Ｍ層１０２、１０４はλ／４の光学膜厚、Ｌ層１０１、Ｈ層１０３はλ／２の光学膜厚とする。
【００３１】
ここで基板１０５と薄膜１０１〜１０４の屈折率と光学膜厚を表１に、また各薄膜１０１〜１０４の反射率のイメージ図を図４に示す。ここで実線０４０は基板１０５の反射、破線０４１は薄膜１０１の反射、二点鎖線０４２は薄膜１０２の反射、一点鎖線０４３は薄膜１０３の反射、鎖線０４４は薄膜１０４の反射のイメージ図である。波長λは５５０ｎｍとしている。まず基板１０５より屈折率の高いＭ層１０４がλ／４の光学膜厚で積層されるため、増幅波として波長５５０ｎｍでは反射率が上昇する。この時のｎ（ｉ）は２．１６となった。
【００３２】
ｎ（ｉ）が２．１６の基板にそれ以上に屈折率の高いＨ層１０３をλ／２で積層するため、減衰波として波長５５０ｎｍでの屈折率は２．１６のまま変化しない。これを繰り返すと、単位スタック１１０の再上端であるＬ層１０１を付けたのちのｎ（ｉ）は１．５となり、基板１０５の屈折率と同一になる。そのため、入射媒質の屈折率を１．５とすると、単位スタック１１０の反射はほとんどなくなってしまう。単位スタック１１０を２０層重ねた光学素子１００の０度入射に対する反射率を図５に示す。２０層重ねても、反射率はほぼ０となっていることが分かる。
【００３３】
これはつまり、単位スタック１１０の合成波は消去され、反射率としては基板１０５の反射率を見ることと同じということを表わしている。これは単位スタック１１０を何回繰り返しても同じである。このような光学素子１００に０度入射で入る光の反射率は、基板の反射率と変わらなくなる。このような条件を満たすには、式（３）で求められる単位スタック１１０の仮想屈折率ｎ（ｉ）が基板１０５の屈折率ｎｓに近い必要がある。
【００３４】
そこで、式（５）の条件を満たす単位スタック１１０の構成とすることで、このような光学素子１００が得られる。
【００３５】
一方、このような光学素子１００に斜めに光が入射すると、図４で示したような干渉状態から位相ズレが発生する。位相ずれの発生部分は干渉残渣として振幅が残り、反射が発生する。本実施例の光学素子１００に４５度で入射した光のＳ偏光反射率を図６に示す。波長６２０ｎｍ付近に、強い反射成分が見られる。これは上述したように、単位スタック１１０の干渉ズレで発生した干渉残渣が、単位スタック１１０の多層化によって強調されたため発生した反射光である。
【００３６】
これを利用すると、０度入射では基板のようにふるまうのに対し、斜め入射に対してはミラーのように振る舞う光学素子１００が提供できることが分かる。本発明では、このような光学素子１００に対し、０度入射で発生する光のリップルを十分に抑えることが可能となり、好ましい。
【００３７】
また、本発明では各単位スタック１１０ごとのＬ層、Ｍ層、Ｈ層の光学膜厚のブレが０．１５λ以下であることを特徴としている。各単位スタック１１０の光学膜厚を揃えることで、各単位スタック１１０で発生する干渉残渣の波長を揃えることができる。そのため、斜め入射で反射率を上げるのに非常に有用な構成である。また、本発明では以下の数式を満足することを特徴としている。
【００３８】
【数２】
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【００３９】
（６）式は、Ｍ層１０２、１０４に対してＨ層１０２、Ｌ層１０１で発生するフレネル係数の大きさが近いことを指している。式（３）で求められる仮想屈折率ｎ（ｉ）が基板１０５の屈折率ｎｓに近いことでも上述した効果は得られるが、式（６）を満たすと式（２）のｃｏｓの内部の位相項がπ、ないしは２πで成り立つようになる。このような条件を満たすと、より広帯域な特性を得ることが可能となるため、好ましい。
【００４０】
また本発明では、もっとも最表層の単位スタック１１０は、前記Ｈ層１０３の上に前記Ｍ層１０２よりも低屈折率な膜が形成されていることを特徴としている。本実施例では入射媒質が基板と同じ材料である場合を述べたが、例えば入射媒質を空気の素子とする場合もある。空気とした場合、単位スタック１１０を積層した光学素子１００は基板ｎｓと同じ反射率を持つ。単位スタック１１０の上部に反射防止膜となる中間屈折率層を積層しても良いが、最表層の単位スタック１１０のＨ層１０３の上部にＭ層１０２より低屈折率の膜を積層すると、反射率を大幅に低減することが可能となる。
【００４１】
このように、入射媒質の屈折率に合わせて単位スタック１１０の構成を変えることも可能である。
【００４２】
［比較例］
単位スタック１１０を２つの材料で再現した場合を比較例として示す。基板１０５と薄膜１０４〜１０３の屈折率および光学膜厚を表２に示す。表１と同様に、入射媒質と基板１０５を同じ屈折率に設定するため、比較例では単位スタック１１０と入射媒質の間にＨ層を挿入した。その０度入射の反射率を図７に、４５度入射のＳ偏光反射率を図８に示す。０度入射で図５に比べて大きなリップルが発生している様子がわかる。また、４５度入射では波長４２０ｎｍ程度のところに大きな反射領域が発生している。これは図６でも発生しているように、前述した干渉残渣の発生している領域である。
【００４３】
一方、波長７００ｎｍ以上では非常に反射の高い領域が広くあることが分かる。これは、０度入射の図７の波長１０００ｎｍのところにある高反射領域が、斜入射によって短波長化したものである。実施例のように０度と４５度の反射率を急激に変えるような素子に利用した場合、０度入射ではリップルが強く発生してしまうため好ましくない。また４５度入射では高反射領域が波長シフトによって発生しているため、急激な反射の増幅とはなっていない。
【００４４】
［実施例２］
本発明の光学素子１００を利用した光学機器の例として、図９に本実施例の表示装置を用いたデジタルカメラを示している。９００はカメラ本体、９０１は撮像光学系、９０２はカメラ本体９００に内蔵され、撮像光学系９０１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。９０３は固体撮像素子９０２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、９０４は表示装置である。
【００４５】
本発明の光学素子１００は、例えば撮像光学系９０１の先端に装着することが可能となる。デジタルカメラ９００では、撮像光学系９０１を通した光を写真として撮像し、現像して写真を得る。その際、撮像する光以外に撮像光学系９０１に斜めに入射した光が固体撮像素子９０２に入射し、フレアやゴーストと呼ばれる弊害を発生させてしまうことがある。このようなことを防ぐために、撮像光学系９０１にはフードと呼ばれる遮光板・遮光筒を装着することが一般的である。フードは取り除きたい光の角度に応じて長さを変えるが、例えば焦点距離が４００ｍｍを超えるような超望遠レンズでは、このフードが長くなりすぎるという弊害があった。
【００４６】
それに対し、本発明の光学素子１００では０度で入射する光はリップルもなく透過するのに対し、斜めに入射した光のみを選択的に反射することが可能となり、フードと同じ効果が得られる。また、薄膜で形成できるため、非常に短いフードを提供することが可能となる。
【００４７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１００  光学素子、１０１〜１０４  薄膜、１０５  基板、１１０  単位スタック、
１２０  多層膜、０２１，０３１  基板の屈折率、
０２２，０３２  薄膜の屈折率と光学膜厚、０２３，０３３  基板と薄膜の界面、
０２４，０３４  入射媒質と薄膜の界面、０４０〜０４４  各薄膜の反射のイメージ図、
９００  カメラ本体、９０１  撮像光学系、９０２  固体撮像素子（光電変換素子）、
９０３  メモリ、９０４  表示装置
【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】
2018005152.tif 000012
【図７】
2018005152.tif 000013
【図８】
2018005152.tif 000014
【図９】
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