(57)【要約】【課題】正の屈折力を有する２つの光学面を備える光学要素に対して、最上層として１．３以下の屈折率を持つ反射防止膜を実用的に成膜した光学素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】光学素子であって、正の屈折力を有する２つの光学面を備える光学要素と、前記２つの光学面の夫々に設けられ、最上層の屈折率が１．３以下である反射防止膜と、を有し、前記光学要素の比重をＤ［ｇ／ｃｍ３］、厚さをｄ［ｍｍ］、外径をＡ［ｍｍ］、前記２つの光学面のうち曲率が小さい方の光学面の曲率半径をＲ［ｍｍ］、とするとき、以下の条件を満足する。    ０＜Ｄ×ｄ×Ａ２／Ｒ＜１２．５【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正の屈折力を有する２つの光学面を備える光学要素と、
前記２つの光学面の夫々に設けられ、最上層の屈折率が１．３以下である反射防止膜と、を有し、
前記光学要素の比重をＤ［ｇ／ｃｍ３］、厚さをｄ［ｍｍ］、外径をＡ［ｍｍ］、前記２つの光学面のうち曲率が小さい方の光学面の曲率半径をＲ［ｍｍ］、とするとき、
０＜Ｄ×ｄ×Ａ２／Ｒ＜１２．５
なる条件を満足することを特徴とする光学素子。      
【請求項２】
前記最上層は、誘電体層に波長以下の微細構造を持ち、ｆを空気の含有率とするとき、以下の式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
０．３  ＜  ｆ  ＜  ０．７    
【請求項３】
前記最上層は、誘電体の中空粒子がバインダーにより接合された構造からなり、ａを中空粒子の直径とするとき、以下の式を満足することを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
５［ｎｍ］  ＜  ａ  ＜  ６０［ｎｍ］
【請求項４】
前記反射防止膜は、鉛筆強度試験による硬度が２Ｂ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
正の屈折力を有する２つの光学面を備える光学要素を有する光学素子の製造方法であって、
前記２つの光学面のうち曲率が小さい方の光学面に最上層の屈折率が１．３以下である反射防止膜を成膜する第１の工程と、
前記曲率が小さい方の光学面を下方に向けて平置きする第２の工程と、
前記２つの光学面のうち前記曲率が小さい方の光学面と異なる光学面に最上層の屈折率が１．３以下である反射防止膜を成膜する第３の工程と、
を順に有し、
前記光学要素の比重をＤ［ｇ／ｃｍ３］、厚さをｄ［ｍｍ］、外径をＡ［ｍｍ］、前記２つの光学面のうち曲率が小さい方の光学面の曲率半径をＲ［ｍｍ］、とするとき、
０＜Ｄ×ｄ×Ａ２／Ｒ＜１２．５
なる条件を満足することを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及びその製造方法に関し、特に最上層に１．３よりも屈折率が低い膜を備える光学素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レンズの表面反射を軽減するために、誘電体多層膜による反射防止膜が用いられていた。最上層（空気側）には、比較的屈折率の低いＳｉＯ２や、ＭｇＦ２が用いられることが一般的であった。
【０００３】
近年、この最上層の屈折率を更に低くして、反射防止性能を向上させたものが出てきた。これは、ＳｉＯ２やＭｇＦ２に波長以下の微細な空孔を持たせた、いわゆる構造屈折率を用いたもので、空気の割合に応じて、実質的な屈折率を低下させている。空孔の割合を５割程度にすると、１．３以下の構造屈折率の実現が可能である。
【０００４】
特許文献１では、低屈折率層として、ＭｇおよびＦを含有する多孔質膜が提案されている。フッ素含有有機マグネシウム化合物を含む溶液を基材上に塗布し、塗布膜を遮蔽した空間内で加熱処理することで、ＭｇおよびＦを含有する多孔質膜を得る製造方法が開示されている。
【０００５】
一方、特許文献２では、光学基材上に光学基材より低い屈折率の層と、その上にそれより更に低い屈折率の最上層とを備える２層の反射防止膜を提案している。最上層は、光学基材より屈折率が低い材料の微粒子とそれを結合するバインダーを湿式成膜により形成するものであり、光学基材上の層は最上層の微粒子より高い屈折率の微粒子とバインダーを湿式成膜したものである。
【０００６】
そして、２層または３層で反射防止膜を実現するためには、最上層に１．３以下の屈折率が必要だとしている。その最上層において、バインダーは微粒子の全ての隙間を埋めず、空孔を残すことで、材料の屈折率より低い１．３以下の屈折率を実現している。そのため、任意の光学基材の屈折率に対して、それより低い屈折率の複数の層を２段階で設けることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−４８３５６号公報
【特許文献２】ＷＯ２００８−００１６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の特許文献において、最上層には１．３以下の低屈折率を必要とするため、構造屈折率が用いられる。即ち、誘電体媒質内に微細構造の空孔を設けて、誘電体媒質に対する空気の比率を高めるが、そのために物理的な強度が誘電体の蒸着膜に比較して劣化する。物理的な強度が劣化するため、実用上はレンズとしての使用者による使用時に触る可能性のある最外部（最上層）には用いにくいばかりか、作業者によるレンズ組み立ての際にも配慮が必要となる。特に両凸レンズに成膜することは困難であった。即ち、従来の技術を拡張して考えた場合でも、凸面への成膜は可能となり得るが、両凸レンズの両面への成膜は困難であった。
【０００９】
なお、特許文献１においては、レンズの凹面に成膜することが開示されるが、凸面の両面に関しての成膜に関することは開示されていない。また、特許文献２においては、凸面への成膜も可能と記載されているが、凸面の両面に関しての成膜に関することは開示されていない。
【００１０】
本発明の目的は、正の屈折力を有する２つの光学面を備える光学要素に対して、最上層として１．３以下の屈折率を持つ反射防止膜を実用的に成膜した光学素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る光学素子は、正の屈折力を有する２つの光学面を備える光学要素と、前記２つの光学面の夫々に設けられ、最上層の屈折率が１．３以下である反射防止膜と、を有し、前記光学要素の比重をＤ［ｇ／ｃｍ３］、厚さをｄ［ｍｍ］、外径をＡ［ｍｍ］、前記２つの光学面のうち曲率が小さい方の光学面の曲率半径をＲ［ｍｍ］、とするとき、
０＜Ｄ×ｄ×Ａ２／Ｒ＜１２．５
なる条件を満足することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る光学素子の製造方法は、正の屈折力を有する２つの光学面を備える光学要素を有する光学素子の製造方法であって、前記２つの光学面のうち曲率が小さい方の光学面に最上層の屈折率が１．３以下である反射防止膜を成膜する第１の工程と、前記曲率が小さい方の光学面を下方に向けて平置きする第２の工程と、前記２つの光学面のうち前記曲率が小さい方の光学面と異なる光学面に最上層の屈折率が１．３以下である反射防止膜を成膜する第３の工程と、を順に有し、前記光学要素の比重をＤ［ｇ／ｃｍ３］、厚さをｄ［ｍｍ］、外径をＡ［ｍｍ］、前記２つの光学面のうち曲率が小さい方の光学面の曲率半径をＲ［ｍｍ］、とするとき、
０＜Ｄ×ｄ×Ａ２／Ｒ＜１２．５
なる条件を満足することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、正の屈折力を有する２つの光学面を備える光学要素に対して、最上層として１．３以下の屈折率を持つ反射防止膜を実用的に成膜した光学素子及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係る光学素子としての両凸レンズの断面形状を示す模式図、（ｂ）は両凸レンズの相似比を変えた相似形状における曲率半径Ｒと接触面積Ｓの関係を示す図である。
【図２】両凸レンズの両光学面における反射防止膜の断面構造を示す模式図である。
【図３】両凸レンズの両光学面における反射防止膜の最上層である中空ＳｉＯ２を有する低屈折率層の断面を示す模式図である。
【図４】両凸レンズの両光学面の内、曲率が緩い方の光学面を平置きする際の模式図である。
【図５】曲率が緩い方の光学面を平置きする際のレンズの接地部分を示す縦断面図である。
【図６】曲率が緩い方の光学面を平置きする際のレンズの接地部分を示す横断面図である。
【図７】曲率が緩い方の光学面を平置きする際のレンズの接地部分の接地面積の半径を示す模式図である。
【図８】両凸レンズの相似比を変えた相似形状のレンズの適否を説明する図である。
【図９】両凸レンズの体積に関連し両凸レンズに対し外接する円柱の模式図である。
【図１０】両凸レンズを分割した体積に関連し外接する円柱の模式図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る反射防止膜の反射率特性のグラフである。
【図１２】両凸レンズの相似比と両凸レンズの重量Ｗとの関係を示すグラフである。
【図１３】両凸レンズの相似比と接地部分における接地面積の半径ｒの関係のグラフである。
【図１４】両凸レンズの相似比と接地面積Ｓの関係のグラフである。
【図１５】両凸レンズの相似比と圧力の関係のグラフである。
【図１６】両凸レンズの外径Ａと重量Ｗの関係のグラフである。
【図１７】両凸レンズの外径Ａと条件式の値の関係のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
《第１の実施形態》
図１（ａ）は、本実施形態に係る光学素子における光学要素としての両凸レンズ１の断面形状を示す模式図である。この両凸レンズ１の両光学面（夫々の光学面（レンズ面）は正の屈折力を備える）に、屈折率１．３以下の最上層を持つ反射防止膜２を備える。即ち、本実施形態に係る光学素子は、両凸レンズ１と反射防止膜を有する。
【００１７】
図２は、反射防止膜２を示す模式図である。基板３の上に誘電体多層膜（４〜１０）が７層積層しており、その最上層に屈折率１．３以下の最上層１０が配置される構造である。表１に、この反射防止膜の構造の数値例を示す。図１１は、この反射防止膜の反射率の薄膜計算結果のグラフである。低い反射率を実現しており、高入射角（４５°）における特性も良好である。
【００１８】
【表１】
2015166819.tif 000003
【００１９】
最上層（低屈折率層）は１．２５の構造屈折率となっている。これは、図３の模式図で示すように、中空ＳｉＯ２（１１）をバインダー１２で接合（結合）した構造となっている。中空ＳｉＯ２は直径４０ｎｍ程度であり、約５ｎｍ程度の殻の内部は空洞となっており空気で満たされている。
【００２０】
この構造は、ＳｉＯ２の蒸着膜と比較して物理的な強度が弱い。屈折率が低いほど、空気の占める割合が増えるので、強度が落ちていく。屈折率を約１．２５程度にした時、シルボン紙による拭きで１００ｇ重くらいの加重には耐えられる程度の強度である。シルボン紙を折り曲げて、指先で拭く際に、その接地面積は実測で約４ｃｍ２であった。この圧力Ｐｏ＝２５ｇ重／ｃｍ２での強度を基に、両凸レンズ１の平置き可能な条件を以下の様に導き出した。
【００２１】
図４は、製造時にレンズを平置きする際の様子を模式的に示した図である。通常、平置きする際には、レンズ１の下面の１点に力が集中しない様に、搬送用のパレット１５の上に、約５ｍｍ程度の厚さのウレタン１４を乗せる。そして、その上に薄葉紙１３を敷き、その上にレンズ１を置く。ウレタンの厚さを増やせば、レンズ１の重さは分散して下面に伝わるが、薄葉紙のたわみ量は大きくなり過ぎるので、しわが発生してしまい、逆に力が集中してしまう可能性があるため、ウレタンの厚さは約５ｍｍ程度が好ましい。
【００２２】
約５ｍｍ程度の厚さのウレタンでは、その弾性でレンズの重さを受け止め切れない場合、図５に示す様に、ウレタンが押しつぶされた領域１６でレンズの重さを支えることとなる。この押しつぶされた領域でのウレタンの厚さは、ノギスでの実測により約０．５ｍｍの厚さとなっていた。その厚さを基に、図６におけるレンズの接地面積Ｓとして領域１６を定義する。この接地面積Ｓでレンズの重量Ｗを全て支えると仮定し、その圧力がＰｏを超えないような条件を求める。
【００２３】
図７に、レンズの接地面積Ｓとして領域１６の半径を求める模式図を示す。曲率半径Ｒの球面をｈ離れた平面で切り取った時の半径ｒを求める。
【００２４】
【数１】
2015166819.tif 000004
【００２５】
式（２）より、定数ｈに対しＲが大きい場合、ｒは近似的にＲのルートに比例する。そして、Ｓ＝４πｒ２であるため、ＳはＲに比例することになる。
【００２６】
次に、レンズの重量Ｗを求める。図９において、両凸レンズ１７と、それに外接する円柱１８の比較で考える。両凸レンズ１７は図１０の様に、１９、２０、２１の領域に分割される。これらと外接する円柱をそれぞれ２２、２３、２４とする。数学公式より１９、２１の体積は、２２、２４の体積の２／３である。分割された領域２０は円柱２３に一致するが、通常の両凸レンズでは、コバの部分は最小になるようにレンズの厚さが調整されている。そのため、ここでは近似として、分割された領域２０の厚さは０とし、分割された領域１９、２１のみと考える。
【００２７】
円柱の底面の円の直径はレンズの外径Ａに一致し、高さはレンズ厚さｄに一致する。よって、円柱の体積Ｖｏ＝π×（Ａ／２）２×ｄである。そして、上述した数学公式より、両凸レンズの体積Ｖ＝２／３×Ｖｏ＝１／６×π×Ａ２×ｄとなる。即ち、両凸レンズの体積Ｖは、レンズ外径Ａの２乗とレンズ厚さｄに比例する。レンズの重量は、体積Ｖに比重Ｄを掛けたものであるから、重量Ｗも体積Ｖ同様に、レンズ外径Ａの２乗とレンズ厚さｄに比例する。
【００２８】
ここで、圧力Ｐ＝Ｗ／Ｓである。これらの式の比例関係から比例係数とπを取り除いた式に対して、上限と下限を設けたのが以下の式（１）である。式（１）で、レンズの比重をＤ［ｇ／ｃｍ３］、レンズの厚さをｄ［ｍｍ］、レンズの外径をＡ［ｍｍ］、曲率が緩い方の光学面（レンズ面）の曲率半径をＲ［ｍｍ］とする。
【００２９】
０＜Ｄ×ｄ×Ａ２／Ｒ＜１２．５・・・（１）      
この式の上限は、上述のＰｏ＝２５ｇ重／ｃｍ２の値に対して７５％の値としたときに相当する。この値を満たす様な曲率を持つ光学面（レンズ凸面）であれば、その面を下方に向けて平置きしても下方に向けられた光学面（レンズ凸面）の反射防止膜が傷つくことは無い。
【００３０】
ここで、ｆを空気の含有率とするとき、以下の条件式（２）を充たすことが好ましい。
【００３１】
０．３  ＜  ｆ  ＜  ０．７    ・・・（２）
基板３の上に積層される誘電体多層膜（４〜１０）の最上層である低屈折率層１０は、誘電体層に波長以下の微細構造を持ち（図３）、空気を上記範囲内の割合で含有する。即ち、最上層である低屈折率層１０の誘電体媒質に対して、含有される空気の割合を上記範囲内とする。空気の含有率が高ければ、この層の屈折率は低くなる。反射防止膜としては、屈折率はより低いほうが好ましく、下限の０．３より空気の含有率が多いことが好ましい。一方、膜の物理的強度に対しては、空気の含有率が高くなると好ましくない。上限の０．７以下の空気含有量に抑える必要である。
【００３２】
ここで、ａを中空粒子の直径とするとき、以下の条件式（３）を充たすことが好ましい。
【００３３】
５［ｎｍ］  ＜  ａ    ＜  ６０［ｎｍ］    ・・・（３）
これは、中空粒子の直径を規定する条件式である。直径が下限の５ｎｍ以下にすると、中空形状を持たせるためには強度が足らなくなる。一方、上限を超えると散乱が発生してくる。これらの条件式を満たすことで、薄膜強度試験としての鉛筆強度試験による硬度で２Ｂ以上が実現できる。鏡筒の組み立てなどの際には、曲率が緩い方の光学面（レンズ凸面）を下方に平置きすることが可能である。
【００３４】
更に、両面の成膜に際しては、曲率が緩い（曲率半径が大きい）方の光学面（レンズ凸面）を先に成膜することで、両レンズ凸面への成膜が可能となる。即ち、曲率が緩い方の光学面（レンズ凸面）が予め成膜された状態で、これを下方に向けて平置きすることで、曲率が緩い方の光学面（レンズ凸面）の反射防止膜が傷つくことなく他方の光学面（レンズ凸面）の成膜をすることができる。
【００３５】
逆に、先に他方の光学面（レンズ凸面）が成膜された状態で、これを下方に向けて平置きすることで、曲率が緩い方の光学面（レンズ凸面）を成膜する場合は、他方の光学面の曲率半径が小さいためにその光学面の反射防止膜が傷ついてしまうこととなる。
【００３６】
（実施例１）
以下、具体的な実施例について説明する。図８は、実施例１の両凸レンズの形状の断面を示す模式図である。それぞれのレンズ形状２５〜２９（レンズ候補）は、レンズ２５に示す形状（図１（ａ）に示す形状に相当）に対して、比例縮小した相似形状である。表２に各レンズの形状データを記載する。レンズ２５に対する相似比を０．７５から０．３へと変化させたときの各レンズの外径Ａ、曲率半径Ｒ１，Ｒ２、レンズ厚さｄを相似比に合わせて計算した。その際のレンズ重量Ｗ、接地面の半径ｒ、接地面積Ｓ、面の受ける圧力Ｐ、それと条件式（１）の値の計算結果を示している。
【００３７】
図１２は、相似比とレンズ重量Ｗの関係を示すグラフである。レンズ重量Ｗは、相似比の３乗に比例している。一方、図１３は相似比と接地面積Ｓの半径ｒの関係を示すグラフである。半径ｒは、相似比のルートに比例している（図１（ｂ））。なお、図１（ｂ）では両レンズ面の内、曲率が緩い（曲率半径が大きい）方の光学面の曲面形状を誇張して描いている。
【００３８】
上述したように、半径ｒは相似比のルートに比例するため、接地面積Ｓは図１４、図１（ｂ）の様に、相似比に比例する。よって、接地面の受ける圧力Ｐは、全体として相似比の２乗に比例することになる。
【００３９】
その圧力Ｐと、条件式（１）の値の、相似比に対する関係を示したのが図１５である。横軸には相似比をとり、縦軸には圧力Ｐと条件式（１）の値を同時にプロットしている。圧力Ｐと条件式（１）は比例関係にあるので、この条件式で近似することが可能である。この条件式に対して、上限値１２．５以下の形状には両面への最上層に１．３以下の屈折率を有する反射防止膜の形成が可能である。表２に示す様に、相似比が０．６，０．５，０．３のレンズに関しては両面への成膜が可能である。
【００４０】
【表２】
2015166819.tif 000005
【００４１】
（実施例２）
実施例２では、あるレンズ（数本）の設計例より両凸レンズ候補を抜き出し、便宜上、Ｇ１からＧ２６と名前を付けた。表３に、各レンズの外径Ａ、曲率半径Ｒ１、Ｒ２、レンズ厚さｄ、比重Ｄを示す。また。これらの各レンズに関して、レンズ重量Ｗと条件式（１）の値を計算したものを示す。
【００４２】
図１６は、レンズ外径Ａとレンズ重量Ｗの関係を示したものである。横軸にレンズ外径Ａをとり、縦軸にレンズ重量Ｗをプロットしてある。両凸レンズに限っているので、レンズ重量Ｗはレンズ外径Ａに相関性がある。収差性能を考慮して設計したレンズ内に用いられる両凸レンズの形状は、極端に太った形状を採ることがなく、似通った形状をしている。また、必要以上のコバ厚を持たないため、レンズ重量Ｗはレンズ外径Ａとの相関性が高い。
【００４３】
特に、重量Ｗは体積Ｖに比例するため相似比の３乗で効いており、レンズ外径Ａが大きなレンズのグループは重量Ｗにおいても大きく離れて分布している。一方、図１７は、レンズ外径Ａと、条件式（１）の値の関係を示したものである。条件式（１）の値も、レンズ外径Ａに相関性を持っており、レンズ外径Ａが大きなレンズのグループの条件式の値は、小さいレンズ外径Ａのレンズのグループの条件式（１）の値と逆転するものはない。
【００４４】
しかしながら、レンズ外径Ａが大きなレンズのグループの中でも、条件式（１）との相関性は大きくばらついている。よって、レンズの大きさや、重量だけに因らず、レンズの曲率半径を考慮することで、両面への１．３以下の屈折率を含む反射防止膜の形成が可能なレンズが見い出せる。
【００４５】
表３で、条件式（１）を満たすようなレンズに対して成否判定として○を記してある。これらのレンズに関しては、両光学面へ１．３以下の屈折率を含む反射防止膜の形成が可能である。
【００４６】
【表３】
2015166819.tif 000006
【００４７】
（光学素子の製造方法）
本実施形態における正の屈折力を有する２つの光学面を備える光学要素を有する光学素子の製造方法は、以下の工程を順に有する。即ち、先ず、２つの光学面のうち曲率が小さい方の光学面に最上層の屈折率が１．３以下である反射防止膜を成膜する第１の工程を有する。次に、曲率が小さい方の光学面を下方に向けて平置きする第２の工程を有する。
【００４８】
次に、２つの光学面のうち曲率が小さい方の光学面と異なる光学面に最上層の屈折率が１．３以下である反射防止膜を成膜する第３の工程を有する。ここで、光学素子の比重をＤ［ｇ／ｃｍ３］、厚さをｄ［ｍｍ］、外径をＡ［ｍｍ］、２つの光学面のうち曲率が小さい方の光学面の曲率半径をＲ［ｍｍ］、とするとき、以下の条件を満足する。
【００４９】
０＜Ｄ×ｄ×Ａ２／Ｒ＜１２．５
（変形例）
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。例えば、上述した実施形態では、両光学面が正の屈折力を備える光学要素は単レンズであったが、本発明はこれに限られない。即ち、両光学面が正の屈折力を備える光学要素は貼り合わせレンズであっても良い。この場合、レンズ全体としての両端面が両光学面として正の屈折力を備え、その両光学面において、最上面の層が屈折率１．３以下となる反射防止膜が設けられる。
【符号の説明】
【００５０】
１・・両凸レンズ、２・・反射防止膜、１０・・低屈折率層
【図７】
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【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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