(57)【要約】【課題】優れた反射防止性能を実現した光線有効部と，フレアやゴーストなどの有害光を発生させることのないレンズ外端部を有した，高品位な光学素子を提供すること【解決手段】光線有効部の少なくとも一部に，使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止機能を具備した光学素子であって，該光学素子の非光線有効部の一部ないし全部には，以下に定義されるＲａ（表面粗さ）が50nm以上，50μm以下の凹凸形状が形成されていることを特徴としている。【選択図】 図１
2015028552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線有効部の少なくとも一部に，
使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体を具備した光学素子であって，
該光学素子の非光線有効部の少なくとも一部乃至は全部には，
以下に定義される表面粗さ（Ｒａ）が50nm以上，50μm以下の凹凸形状が形成されていることを特徴とする光学素子。
【数１】
2015028552.tif 000009
ここで，
ｆ（ｘ）はｘ方向に表面形状を測った際の高さを表す関数
ただし，ｆ（ｘ）は，平均値が0，
【数２】
2015028552.tif 000010
となるように定義された関数とする
ｌ（エル）は，ｘ方向に表面形状を測定した際の測定長さである。
【請求項２】
前記使用波長以下の微細凹凸構造は，ピッチが400nm以下の微細凹凸形状であって，
前記光学素子と同じ材料によって形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記非光線有効部に形成された表面粗さ（Ｒａ）が50nm以上，50μm以下の凹凸形状は，
三角形状ないしは矩形形状の一次元格子であり，
前記光学素子と同じ素材によって形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記光学素子は，
プレス成形法によって形成されたこと
を特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項５】
光線有効部のうちの少なくとも一面は，
非球面であること
を特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
加熱軟化したガラス材料をプレス成形することで形成する光学素子の製造方法であって，
光線有効部を形成するための２つ以上の金型と，
光学素子外端部を形成するための２つ以上の金型を有しており，
プレス成形と同時に
光線有効部を形成する金型の成形面の少なくとも一部ないしは全部に，ピッチが400nm以下の微細凹凸形状が形成され，
光学素子外端部を形成する金型の成形面の少なくとも一部ないしは全部には，表面粗さ（
2015028552.tif 000011
）が50nm以上，50μm以下の凹凸形状が形成されること
を特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項７】
前記プレス成形後に，
光学素子外端部の金型を離型し，
光線有効部の金型を保持したままの状態で，光学素子外端部の一部ないしは全部に実質不透明な塗膜を形成し，
該塗膜が乾燥した後に光線有効部の金型を離型すること
を特徴とする請求項６に記載の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，光線有効部に使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体を具備した光学素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から，カメラ用レンズなどの光学系に用いられる光学素子（レンズ）の光線有効部には，誘電体薄膜を多層積層した，一般にマルチコートと呼ばれる反射防止膜が形成されている。これは，入射した光線が反射することで生じる透過光の損失や，反射した光線が再び別の光学素子表面や鏡筒内部部品などで反射し，像面に到達することで生じるフレアやゴーストなどの有害光の発生を防ぐためのものである。マルチコートは，各薄膜の表面や界面で発生する反射光の位相と振幅を調整し，それらを干渉させることで反射を低減するものである。そのため，設計に使用した光線と波長や入射角の異なる光線では干渉条件が崩れ，反射率が増大してしまう，という課題があった。
【０００３】
一方，マルチコートとは異なる反射防止手段として，使用波長以下の微細な凹凸構造を用いた反射防止構造体が知られている。この方法において，凹凸の形状が四角錐などの錐形状の場合では，屈折率が連続的に変化する膜と等価になり，波長帯域特性や入射角度特性に優れた，高い反射防止性能を得ることができる。
【０００４】
特許文献１には，成形後の心取り作業を必要とせず，簡易な方法で形状精度に優れた光学素子をプレス成形法で形成する方法が開示されている。また，特許文献２には，表面に使用波長以下の微細凹凸形状を有する成形型を用いて，クラウンホウ珪酸ガラスをプレス成形し，光学素子表面に凹凸を転写することで表面反射を低減する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１３２２号公報
【特許文献２】特開２００７−２８３５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には，加熱軟化したガラスをプレス成形する際に，光学素子の外端部（一般的に「コバ」と呼ばれる部位）の形状を高精度に形成することで，成形後の心取り加工を不要とした光学素子の製法が開示されている。
【０００７】
しかし，特許文献１に開示されている光学素子では，光線有効部に反射防止処理が施されていないために，成形後にマルチコートなどの反射防止膜を別途形成する必要があるため，コスト上昇を招いてしまう。また，光学素子の外端部にも，何ら反射防止処理が施されていない。そのため，この光学素子をカメラ用レンズなどの光学系に使用した際，大きな入射角で入射した光線などが外端部に当たり，高い反射率で反射してしまい，フレアやゴーストといった有害光の発生原因になる，という問題点があった。
【０００８】
特許文献２に開示されている光学素子は，素子表面にピッチ150nm，高さが150nmの錐体形状の反射防止構造体が形成されており，波長帯域特性・入射角度特性に優れた反射防止性能が期待できる。
【０００９】
しかし，光学素子の外端部に反射防止の対策が何も施されておらず，光学部材が平坦な状態のまま，むき出しとなっている。従って，この光学素子をカメラ用レンズなどの光学系に使用した場合，大きな入射角で入射した光線が外端部に当たり，高い反射率で反射してしまい，フレアやゴーストといった有害光の発生原因になる，という問題点があった。
【００１０】
一般にカメラ用レンズなどに用いられる光学素子で行われる心取り工程には，二つの目的がある。第一の目的は，光学素子を鏡筒などに精度良く組み付けられるように，外端部に高い機械精度を付与することである。そして，第二の目的は，外端部の表面に凹凸形状を付与することで，入射した光を拡散させ，フレアやゴーストなどの不要光の発生を抑制することである。必要に応じて，この凹凸形状の表面に不透明な塗膜を形成し，透過拡散する光線を吸収させる場合もある。
【００１１】
心取り工程は，一般にベルクランプと呼ばれる治具で光学面を支持・固定し，光学素子を回転させながら砥石などを用いて研削加工するのが一般的である。ところが，特許文献２に記載された光学素子では，光学面に微細凹凸構造が形成されているために，ベルクランプで固定すると構造が破壊されてしまうため，心取りを行うことができない，という問題点がある。
【００１２】
本発明は，優れた反射防止性能を実現した光線有効部と，フレアやゴーストなどの有害光を発生させることのない外端部を有した，高品位な光学素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために，本発明は，
光線有効部の少なくとも一部に，
使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止機能を具備した光学素子であって，
該光学素子の非光線有効部の一部乃至は全部には，
以下に定義される表面粗さ（Ｒａ）が50nm以上，50μm以下の凹凸形状が形成されていること
を特徴としている。
【００１４】
【数１】
2015028552.tif 000003
【００１５】
ここで，
f(x)はx方向に表面形状を測った際の高さを表す関数
ただし，f(x)は，平均値が0，すなわち
【００１６】
【数２】
2015028552.tif 000004
【００１７】
となるように定義された関数とする
l（エル）は，x方向に表面形状を測定した際の測定長さである
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば，優れた反射防止性能を有する光線有効部と，フレアやゴーストなどの有害光を発生させることのない外端部（非光線有効部）を有した高品位な光学素子を，安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明実施例１の光学素子の断面図
【図２】本発明実施例２の光学系の断面図
【図３】本発明実施例３の光学素子の製造方法を示す図
【図４】本発明実施例３の光学素子の製造方法を示す図
【図５】本発明実施例３の光学素子の製造方法を示す図
【図６】本発明実施例３の光学素子の製造方法を示す図
【図７】本発明実施例３の光学素子の製造方法を示す図
【図８】本発明実施例３の光学素子の製造方法を示す図
【図９】本発明実施例３の外端部成形型成形部の表面形状を示す図
【図１０】従来の光学素子
【図１１】本発明の光学素子
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下，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。
【００２１】
図１０および図１１は，本発明の効果を説明するための光学素子（レンズ）の断面図である。
【００２２】
図１０は，従来の光学素子である。
【００２３】
光学素子1は，プレス成形法で形成された両凸レンズである。光線有効部2a，2bには，使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体がレンズ成形と同時に形成されており，優れた反射防止特性を実現している。
【００２４】
大きな角度で入射した光線4は，使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体が形成されているために，高い透過率で光線有効部2aを透過し，レンズ外端部（コバ）7に到達する。このとき，レンズ外端部7が平坦なガラス面であるために，大きな角度で到達した光線4は，全反射あるいは非常に高い反射率で反射することとなる。そのため，光学素子1をカメラ用レンズなどの光学系に用いた場合，反射光5が，フレアやゴーストなどの有害光となり，画質の低下を招いてしまう。
【００２５】
図１１は，本発明の光学素子を示している。
【００２６】
光学素子1は，図１０に示した従来の光学素子と同形状・同ガラス材料からなる両凸レンズである。光線有効部2a，2bには，使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体がレンズ成形と同時に形成されており，優れた反射防止特性を実現している。
【００２７】
大きな角度で入射した光線4は，使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体が形成されているために，高い透過率で光線有効部2aを透過し，レンズ外端部7に到達する。ここで，本発明の光学素子1では，レンズ外端部7に以下に定義されるＲａ（表面粗さ）が50nm以上，50μｍ以下の凹凸形状8がレンズ成形と同時に形成されている。
【００２８】
【数３】
2015028552.tif 000005
【００２９】
ここで，
ｆ（ｘ）はｘ方向に表面形状を測った際の高さを表す関数
ただし，ｆ（ｘ）は，平均値が0，すなわち
【００３０】
【数４】
2015028552.tif 000006
【００３１】
となるように定義された関数とする
ｌ（エル）は，ｘ方向に表面形状を測定した際の測定長さである。
【００３２】
そのため，大きな角度で到達した光線4は，全反射や高い反射率で反射されることなく，拡散されることとなる。より詳細には，反射拡散光5aと，透過拡散光5bに分けられることとなるが，拡散されたそれぞれの光線は，エネルギーが分散されるために非常に弱いものとなっている。したがって，本発明の光学素子1をカメラ用レンズなどの光学系に用いた場合も，フレアやゴーストなどの有害光を発生させることがなく，高品位な画質を実現することができる。ここで，レンズ外端部に設けた凹凸形状は，表面に何の加工も行っていないが，凹凸の上に不透明な塗膜を形成しても良い。
【００３３】
［実施例１］
図１は，本発明実施例１の光学素子の断面図である。光学素子１は屈折率1.58の光学ガラスからなるメニスカスレンズであり，プレス成形法で形成されたものである。光線有効部2aは曲率半径が31.87mm，有効径が49.96mmの球面である。また，光線有効部2bは有効径が37.29mmの非球面であり，光軸に垂直な方向に距離R離れた位置での，光軸方向6の面位置をSag(R)としたとき，
【００３４】
【数５】
2015028552.tif 000007
【００３５】
ここで，
r=13.52
K=-6.05×10-1
A4=2.34×10-7
A6= -5.85×10-8
A8= 2.32×10-10
A10= -8.25×10-13
A12= 0
の関係を満たす形状となっている。
【００３６】
光線有効部2aおよび2ｂには，使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体がレンズ成形と同時に形成されている。ここで，反射防止構造体3は，ピッチが200nm，高さが250nmの円錐形状を配列した形状となっており，可視光領域全域において非常に高い反射防止性能を実現している。また，レンズ外端部7には，前記Ｒａが0.1μmの凹凸形状が形成されており，入射した光線が到達しても拡散されるため，光学系に使用した際もフレアやゴーストなどの有害光の発生が抑制され，高品位な光学系を実現することができる。
【００３７】
本実施例では，メニスカス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。両凸レンズ，両凹レンズなど，どんな形状の光学素子でも同様の効果が得られる。また，使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体に関しても，ピッチに関しては200nmに限定されるものではなく，サブ波長，すなわち可視域の最短波長である400nm以下であれば良い。また，使用波長以下の微細凹凸構造は必ずしも規則的に配列している必要は無く，ランダムなピッチでも良い。この場合は，平均ピッチが400nm以下になるようにすれば良い。高さに関しても同様に250ｎｍに限定されるものではないが，十分な反射防止性能を達成するためには最低でも50nm以上の高さであることが好ましい。また，高さに関しても，使用波長以下の微細凹凸構造のすべてが同じ高さである必要はなく，バラツキを持っていても良い。この場合は，平均高さが50nm以上になるようにすれば良い。形状に関しても，円錐形状に限定されるものではなく，円柱形状，角柱形状，角錐形状，錐台形形状などどんな形状でもよいが，好ましくは空間充填率が連続的に変化する領域を有する，錐形状や錐台形状が好ましい。レンズ外端部に設けた凹凸形状に関しては，Ｒａが0.1μmに限定されるものではなく，50nm以上50μm以下の範囲であれば正反射を防止し，入射光を拡散するため，同様の効果が得られる。形状に関しても，ランダムな凹凸形状や1次元格子形状など，レンズ外端部に入射した光を拡散する形状であればどんな形状でも良い。
【００３８】
［実施例２］
図２は，本発明実施例２の光学系の断面図である。図２において，11は光学系であり，焦点距離が14mmのカメラ用広角レンズである。本光学系の光学設計値は，数値実施例１に示したとおりである。光学系11において，光学素子1（第一レンズ）の光線有効部2bには，光学素子1と同材料の光学ガラスによる使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体3が形成されている。ここで，反射防止構造体3は，ピッチが150nm，高さが220nmの四角錐形状を配列した形状となっており，可視光全域において非常に高い反射防止性能を実現している。また，レンズ外端部7には，Ｒａが1.2μmの凹凸形状が形成されている。そして，さらにその上には，不透明や塗膜が形成されており，入射した光線が到達しても拡散・吸収されるため，フレアやゴーストの発生を抑制した高品位な光学系を実現している。不透明な塗膜は，図ではデフォルメされ，非常に厚い膜のように書かれているが，実際は1〜300μm程度の厚さである。
【００３９】
本実施例では，カメラ用広角レンズの場合について示したが，本発明はこれに限定されるものではなく，標準レンズ，望遠レンズ，ズームレンズなどでもかまわない。
【００４０】
［実施例３］
図３〜図８は，本発明実施例３の光学素子の製造方法を示す図である。図３〜図８において，101は本発明の光学素子を成形するための，ガラスモールド成形装置の要部断面図である。102は上型であり，成形金型面102aにはピッチが250nm，高さが300nmの円錐形状の窪みを密接して配列した凹凸形状が形成されている。このサブ波長サイズの凹凸形状の形成方法はどのような方法を用いても良く，例えば，金型表面にフォトレジストを塗布し，レーザー干渉や電子線露光で微細形状をパターニングし，ドライエッチングなどで形成する方法を選択することができる。
【００４１】
その他にも，金型表面にアルミニウム膜を成膜し，陽極酸化法を用いて微細な孔を形成する方法を用いても良い。103は下型であるが，上型102同様に成形面103aにはサブ波長サイズの凹凸形状が形成されている。104はレンズ外端部成形型であり，成形面104aには，図９に示したような，高さ100μmの三角形状の一次元格子が形成されている。このときの表面粗さＲａは25μmである。ただし，一次元格子形状のＲａを測定する際は，格子に直行する方向に測定するものとする。このような形状の金型は，どのような方法で形成しても構わないが，例えば先鋭なダイヤモンドバイトを用いたNC加工機などにより形成することができる。
【００４２】
続いて，成形工程について説明する。まず，図３に示したように，下型103にレンズ外端部成形型104が装着され，上型102が上に退避した状態で，ガラスゴブ（光学素子）1aを供給し，この状態でガラスゴブ1とともに金型全体を加熱する。
【００４３】
次いで，ガラスゴブ1が所定の温度に到達し，軟化した時点で上型102を下降させ，図４に示したように外周部102bをレンズ外端部型104に当接させる。この過程において，ガラスゴブ1が上型成形面102a，下型成形面103a，レンズ外端部型成形面104aに挟まれた状態となって，所定形状にプレス成形される。
【００４４】
このように成形された成形品（光学素子1）を冷却した後，図５に示したように，レンズ外端部型104を横方向の退避位置まで退避させる。
【００４５】
次いで，図６に示したように，上型および下型を保持したまま，金型全体を回転させて，レンズ外端部7に不透明な塗料を塗布する。レンズ外端部に不透明塗膜を形成する必要が無い場合は，この工程は省略しても良い。図６以降では，図５に記載されていたレンズ外端部型104は退避したため省略する。
【００４６】
その後，図７に示したように，上型102を上方向に退避させ，最後に図８に示したように下型103から光学素子1を離型させれば，光学素子1が完成する。
【００４７】
完成した光学素子1の光線有効部2aおよび2bにはピッチが250nm，高さが約300nmの円錐形状が密接して配列した形状が形成されており，可視光全域において非常に高い反射防止性能を実現している。また，レンズ外端部7には，表面粗さＲａが約25μmの三角形状の一次元格子が形成されており，さらにその上には，可視光領域において実質不透明な塗膜が形成されている。そのため，光学素子1に大きな入射角の光線が入射し，レンズ外端部7に到達した場合でも，光線が拡散・吸収されるため，フレアやゴーストの発生を抑制した高品位な光学素子を実現している。また，レンズ外端部7も成形と同時に形成されており，その後の心取り加工が不要であるため，製造コストの観点からも非常に好ましい製造方法である。
【００４８】
使用波長以下の微細凹凸構造の高さは，高いほど優れた反射防止性能が得られるが，あまり高くすると成形後の離型時に，はりつきなどが起こる確率が高くなるため，500nm以下に設定することが好ましい。
【００４９】
また，成形時においては，金型表面に任意の離型膜を形成することができるが，微細な凹凸形状が変形しないように，離型膜の厚さは20nm以下であることが好ましい。
【００５０】
さらに，本実施例ではレンズ外端部成形型104の成形面104aには，表面粗さＲａが25μmの三角形状の一次元格子を形成した。しかし，本発明はこれに限定されるものでは無く，矩形形状の一次元格子や四角錐など錐形状が配列した形状でもよく，Ｒａが50nm以上，50μm以下であれば，サンドブラストで得られる形状などでも有効である。ただし，成形時に形状が安定して転写されるようにするためには，三角形などの一次元格子形状が好ましい。この方法によれば，従来の砥石を用いた心取り加工よりも安定してレンズ外端部7に光線を拡散される形状を付与することができるため，より高品位な光学素子を安定して供給することが可能である。
【００５１】
また，本実施例では，両凸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く，両凹レンズ，メニスカスレンズなどどのような形状の光学素子であっても良い。
【００５２】
【表１】
2015028552.tif 000008
【００５３】
本発明は光学素子，特に光線有効部に使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止機能を具備し，さらに外端部にも凹凸形状を形成したことで，光学系に使用した場合も有害光の発生を抑制した高品位な光学系を実現でき，産業上の利用可能性を有している。
【符号の説明】
【００５４】
1：  光学素子
2, 2a, 2b：  光線有効部
3：  使用波長以下の微細凹凸構造からなる反射防止構造体
7：  レンズ外端部（コバ，非光線有効部）
8：  凹凸形状
【図１】
2015028552.tif 000012
【図２】
2015028552.tif 000013
【図３】
2015028552.tif 000014
【図４】
2015028552.tif 000015
【図５】
2015028552.tif 000016
【図６】
2015028552.tif 000017
【図７】
2015028552.tif 000018
【図８】
2015028552.tif 000019
【図９】
2015028552.tif 000020
【図１０】
2015028552.tif 000021
【図１１】
2015028552.tif 000022