(57)【要約】【課題】屈折率分布を有する光学素子を用いて諸収差を良好に補正し、かつ、屈折率分布を有する光学素子において各面上の反射率を低減し、有害光の発生を抑制した光学素子、及びそれを有する光学系を提供すること。【解決手段】光学素子ＧＲは、少なくとも一方の光学面Ｒｇｉ上において屈折率分布を有するレンズＧｇｉの、光学面ＲｇｉにおいてレンズＧＭが接合されており、レンズＧＭの上に反射防止手段ＡＲが形成されており、屈折率分布レンズＧｇｉの光学面Ｒｇｉにおける屈折率とレンズＧＭの屈折率を適切に設定することを特徴とする。【選択図】  図１
2015232675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子ＧＲは、少なくとも一方の光学面Ｒｇｉ上において屈折率分布を有するレンズＧｇｉの、光学面ＲｇｉにおいてレンズＧＭが接合されており、レンズＧＭの上に反射防止手段ＡＲが形成されており、屈折率分布レンズＧｇｉの光学面Ｒｇｉにおける最大の屈折率をＮＲ２、最小の屈折率をＮＲ１、かつ、レンズＧＭの屈折率をＮＭとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする光学素子。
０．１  ＜  （ＮＲ２−ＮＭ）／（ＮＲ２−ＮＲ１）  ＜  ０．９
【請求項２】
前記屈折率分布レンズＧｇｉにおいて、光学面Ｒｇｉ上の屈折率が以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
０．０５  ＜  ｜ＮＲ２−ＮＲ１｜  ＜  ０．５ 
【請求項３】
前記レンズＧＭの厚さをｄＲ、ｄ線の波長をλｄとしたとき、以下の条件式を満たす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。
２０  ＜  ｄＲ／λｄ  ＜  １７０００
【請求項４】
前記レンズＧＭの焦点距離をｆＭ、光学素子ＧＲ全体の焦点距離をｆとしたとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光学系。
−０．２  ＜  ｆ／ｆＭ  ＜  ０．２     
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射防止膜を有する光学素子に関し、ビデオカメラやデジタルカメラ、そしてテレビカメラ等の光学機器に用いる光学素子、及び光学系に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラやビデオカメラ等の光学機器に用いられる光学系には高性能であり、かつ小型軽量であることが求められている。
【０００３】
既存のガラス等の光学材料のみを用いた光学系では、高性能化と小型軽量化を同時に満足することは難しい。このため、光学系の一部に、媒質が屈折率分布を有する光学素子を用いることで諸収差を補正（低減）する方法が知られている。
【０００４】
このような屈折率分布を有する光学素子は、その媒質の屈折率が均質な光学素子と比較して収差補正の自由度が大きい。収差補正のために屈折率分布を有する光学素子を含む光学系が特許文献１に開示されている。
【０００５】
また、特許文献２においては、レンズ面内の任意の位置における入出射光線に対し、反射率が最も低くなる光学膜厚で形成された反射防止膜が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３においては、異方性媒質に接する面に屈折率を適切に設定した薄膜を作製することで、反射防止特性を向上させた光学素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２１２６４４号公報
【特許文献２】特開２００４−３３９０８号公報
【特許文献３】特開２０１０−７２１２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
屈折率分布を有する光学素子によっては、レンズ表面において屈折率分布を持つものも多く存在する。その際、レンズ表面に一様に誘電体多層膜などの反射防止膜を形成した場合、レンズ表面全域において反射特性を最適化することは困難である。
【０００９】
特許文献２には、レンズの場所によって誘電体多層膜の膜厚を最適化することで反射防止特性を最適化しているが、屈折率分布を有する光学素子においては適切な効果が得られない。
【００１０】
特許文献３の構成においては、異方性媒質に対して効果があるものであり、屈折率分布を有する光学素子においては適切な効果が得られない。また、屈折率調整層は薄膜によって形成されているため、作製が困難となる。
【００１１】
本発明の目的は、屈折率分布を有する光学素子において、各面上の反射率を低減し、有害光の発生を抑制した光学素子、及びそれを有する光学系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光学素子ＧＲは、少なくとも一方の光学面Ｒｇｉ上において屈折率分布を有するレンズＧｇｉの、光学面ＲｇｉにおいてレンズＧＭが接合されており、レンズＧＭの上に反射防止手段ＡＲが形成されており、屈折率分布レンズＧｇｉの光学面Ｒｇｉにおける最大の屈折率をＮＲ２、最小の屈折率をＮＲ１、かつ、レンズＧＭの屈折率をＮＭとしたとき、以下の条件式を満たす構成とすること。
【００１３】
０．１  ＜  （ＮＲ２−ＮＭ）／（ＮＲ２−ＮＲ１）  ＜  ０．９
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、屈折率分布を有することにより諸収差を良好に補正でき、かつ、各面上の反射率を低減し、有害光の発生を抑制した光学素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１の光学素子の断面図。
【図２】比較例の光学素子の断面図。
【図３】本発明の実施例１の光学素子の反射率特性。
【図４】本発明の実施例２の光学素子の反射率特性。
【図５】本発明の実施例３の光学素子の断面図。
【図６】本発明の実施例３の光学素子の反射率特性。
【図７】本発明の光学素子を用いた撮影光学系の構成図。
【図８】本発明の撮像装置の要部概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、後述する本発明の実施例１〜３に共通する、屈折率分布素子について説明する。
【００１７】
実施例の光学素子は、デジタルスチルカメラ、銀塩フィルムカメラ、ビデオカメラ、望遠鏡、双眼鏡、複写機、プロジェクタ等の光学機器の光学系の一部に用いられる。
【００１８】
実施例の光学素子を構成する「固体材料」とは、光学系に適用して使用する状態で固体となっている材料である。製造時等の光学系に使用する前の状態では、どのような状態であってもよい。例えば、製造時には液体材料であっても、それを硬化させて固体材料としたものも固体材料に該当する。
【００１９】
実施例の光学素子は、媒質中の屈折率分布によって入射した光線に位相差を与え、屈折率分布を持たない媒質（均質媒質）による凸レンズや凹レンズのような光線収束作用又は光線発散作用を有する。
【００２０】
また、屈折率分布を有する光学素子では、界面での屈折に加えて、媒質中で光線を屈折させる。このため、均質媒質の光学素子と比較すると、収差補正の自由度が大きい。
【００２１】
媒質中に屈折率分布を形成する方法は種々提案されており、イオン交換法、ゾルゲル法、３次元プリンティング技術等がある。
【００２２】
イオン交換法では、イオン交換が可能なイオンを含有する材料を、溶液に浸水させて屈折率分布を得る。ゾルゲル法では、シリコンを主成分としたゾルを調合してゲルを得て、ゲルに所望の屈折率分布を付与し、乾燥・焼結等によりガラス体を得る。
【００２３】
３次元プリンティング技術では、屈折率の異なる媒質を複数層成形して、屈折率分布を付与する。
【００２４】
これらの方法では、媒質中の複数材料に、所望の組成比率の分布を作成することで屈折率分布を得ている。
【００２５】
屈折率分布の種類としては、光軸に直交する方向に屈折率分布があるラジアル屈折率分布や、光軸方向に屈折率分布があるアキシャル屈折率分布等がある。
【００２６】
ラジアル屈折率分布の波長λにおける屈折率は、光軸から該光軸に直交する方向での距離をｒとすると、次の式で表すことができる。
【００２７】
【数１】
2015232675.tif 000003
【００２８】
アキシャル屈折率分布の波長λにおける屈折率は、媒質中の最も光入射側の点から光軸方向での距離ｔとすると、次の式で表すことができる。
【００２９】
【数２】
2015232675.tif 000004
【００３０】
ラジアル屈折率分布を持つ光学素子の場合、レンズ面の曲率に関わらずレンズ表面内で場所によって屈折率の差が生じる。アキシャル屈折率分布を持つ光学素子の場合、レンズ面が曲率を有する場合に、レンズ表面内で場所によって屈折率の差が生じる。
【００３１】
上記のように、レンズ表面内で場所によって屈折率の差が生じる場合、異なる屈折率に対応した反射防止手段を同一レンズ面内で設けることは困難である。
【００３２】
本発明においては、レンズ表面内で場所によって屈折率の差が生じる場合においても、表面反射を抑制するために、屈折率を調整したレンズ層を屈折率分布レンズに接合し、その上に反射防止手段を設けることで、表面反射を良好に抑制している。
【実施例１】
【００３３】
図１は実施例１の光学素子の断面図である。光学素子ＧＲは屈折率分布を有する凸レンズＧｇｉと、パワーが小さいレンズＧＭが密着接合されており、レンズＧＭの上に反射防止膜ＡＲが形成されている。
【００３４】
屈折率分布レンズＧｇｉは、光軸に直交する方向（径方向）に屈折率が変化するラジアル屈折率分布レンズである。
【００３５】
レンズＧＭは一様の屈折率を持つ材料からなるレンズである。
【００３６】
図中左側の光学面Ｒｇｉ上においては、場所によって屈折率の差が生じており、光軸から離れるにつれて屈折率が徐々に低くなっていく構成となっており、屈折率は光軸から周辺部にかけて約１．８から約１．６へと変化している。
【００３７】
図１に示す光学素子ＧＲにおいては、光学面Ｒｇｉに接するレンズＧＭの屈折率が、屈折率分布レンズの最大屈折率と最小屈折率の間の値となるように、具体的には屈折率が約１．７の材料を選択している。
【００３８】
その結果、光学面Ｒｇｉの界面における表面反射を抑制することができている。
【００３９】
さらに、レンズＧＭの表面にも、その屈折率に最適化した反射防止膜ＡＲを設けることで、表面反射を抑制できている。
【００４０】
反射防止膜ＡＲは無機系皮膜からなる５層構成の誘電体反射防止膜であり、真空蒸着法により形成した。誘電体反射防止膜の形成方法としては、これに限定されるものではなく、例えばスパッタ法を用いてもよい。
【００４１】
反射防止膜ＡＲの、具体的な無機系皮膜の構成をそれぞれ表１に示す。
【００４２】
【表１】
2015232675.tif 000005
【００４３】
また、図２に比較例となる光学素子を示す。図２に示す光学素子ＧＲは、実施例１と同じ屈折率分布レンズＧｇｉの上に反射防止膜ＡＲを設けている。このとき、反射防止膜ＡＲは、屈折率分布レンズＧｇｉにおける中間の屈折率約１．７に最適化しており、その膜構成は実施例１と同様の構成とした。
【００４４】
図３（ａ）に、実施例１と比較例の光学素子の、光軸部分における反射率特性を、図３（ｂ）に、周辺部分における反射防止特性を示す。
【００４５】
図３（ａ）、図３（ｂ）において、実線は比較例の光学素子の反射率特性であり、破線は実施例１の光学素子の反射率特性である。
【００４６】
特に、図３（ａ）に示す光軸付近において、比較例に対して反射率が低減されていることが分かる。
【００４７】
また、図３（ａ）、図３（ｂ）を比べると、比較例の光学素子においては、レンズ面の場所によって反射率の波長分布が異なるため、像の色再現性が像高によって変わり、好ましくない。
【００４８】
それに対し、実施例１の光学素子においては、レンズ面の異なる場所においても反射率の波長分布が概ね同一のため、像の色再現性が像高によって変化せず好ましい。
【００４９】
このとき、屈折率分布レンズＧｇｉの光学面Ｒｇｉにおける最大の屈折率をＮＲ２、最小の屈折率をＮＲ１、かつ、レンズＧＭの屈折率をＮＭとしたとき、以下の条件式を満たすことで、各面の表面反射を良好に抑制できる。 
【００５０】
０．１  ＜  （ＮＲ２−ＮＭ）／（ＮＲ２−ＮＲ１）  ＜  ０．９  ・・・（１）
（１）式の下限、もしくは上限を超えると、レンズＧＭと屈折率分布レンズＧｇｉの界面での反射が多くなり、好ましくない。
【００５１】
（１）式は好ましくは以下の範囲とするのがよい。
【００５２】
０．３  ＜  （ＮＲ２−ＮＭ）／（ＮＲ２−ＮＲ１）  ＜  ０．７  ・・・（１ａ）
さらに、屈折率分布レンズＧｇｉにおいて、光学面Ｒｇｉ上の屈折率が以下の条件を満たすことが望ましい。
【００５３】
０．０５  ＜  ｜ＮＲ２−ＮＲ１｜  ＜  ０．５     ・・・（２）
（２）式の下限を下回ると、レンズＧＭを設けなくても反射率を抑制できるため、レンズＧＭを設ける必要が無くなる。（２）式の上限を上回ると、レンズＧＭを設けても反射率を抑制することが困難となる。
【００５４】
また、レンズＧＭの厚さをｄＲ、ｄ線の波長をλｄとしたとき、以下の条件式を満たすことが望ましい。
【００５５】
２０  ＜  ｄＲ／λｄ  ＜  １７０００    ・・・（３）
（３）式の下限を下回ると、反射防止膜ＡＲとレンズＧＭの干渉が発生して反射率が増大してしまうため好ましくない。上限を上回ると、レンズの厚みが増えることにより光学系の大型化や重量の増加につながり、好ましくない。
【００５６】
また、レンズＧＭの空気中での焦点距離をｆＭ、光学素子ＧＲ全体の焦点距離をｆとしたとき、以下の条件式を満たすことが好ましい。
【００５７】
−０．２  ＜  ｆ／ｆＭ  ＜  ０．２     ・・・（４）
（４）式の上限、又は下限を超えると、屈折光学素子Ｇｇｉの相対的なパワーが小さくなるため、収差補正効果が少なくなり、好ましくない。
【実施例２】
【００５８】
実施例２の光学素子は、図１に示す断面図とほぼ同一の形状となっており、レンズを形成する材料、及び反射防止膜ＡＲの構成を変えたものとなっている。
【００５９】
具体的には、屈折率分布レンズＧｇｉは、光軸に直交する方向（径方向）に屈折率が変化するラジアル屈折率分布レンズである。レンズＧＭは一様の屈折率を持つ材料からなるレンズである。
【００６０】
図中左側の光学面Ｒｇｉ上においては、場所によって屈折率の差が生じており、光軸から離れるにつれて屈折率が徐々に低くなっていく構成となっており、屈折率は光軸から周辺部にかけて約１．６から約１．５へと変化している。
【００６１】
図１に示す光学素子ＧＲにおいては、光学面Ｒｇｉに接するレンズＧＭの屈折率が、屈折率分布レンズの最大屈折率と最小屈折率の間の値となるように、具体的には屈折率が約１．５５の材料を選択している。
【００６２】
その結果、光学面Ｒｇｉの界面における表面反射を抑制することができている。
【００６３】
さらに、レンズＧＭの表面にも、その屈折率に最適化した反射防止膜ＡＲを設けることで、表面反射を抑制できている。
【００６４】
反射防止膜ＡＲの、具体的な無機系皮膜の構成をそれぞれ表２に示す。
【００６５】
【表２】
2015232675.tif 000006
【００６６】
図４に、実施例２の光学素子の反射率特性を示す。図４中破線は光軸上での反射率特性であり、実線は周辺部における反射率特性である。
【００６７】
図４から明らかなように、光軸上、及び周辺部共に反射率が可視域で良好に抑制されている。
【実施例３】
【００６８】
実施例１から２の光学素子は屈折率分布素子に曲率を持つ構成であったが、本発明はこれに限るものではない。
【００６９】
図５に実施例３の光学素子を示す。屈折率分布レンズＧｇｉは、光軸に直交する方向（径方向）に屈折率が変化するラジアル屈折率分布レンズである。レンズＧＭは一様の屈折率を持つ材料からなるレンズである。
【００７０】
実施例３の光学素子におけるレンズＧｇｉ、ＧＭは共に曲率が０であるため、界面における屈折力は持っていない。
【００７１】
図中右側の光学面Ｒｇｉ上においては、場所によって屈折率の差が生じており、光軸から離れるにつれて屈折率が徐々に高くなっていく構成となっており、屈折率は光軸から周辺部にかけて約１．５から約１．６へと変化している。
【００７２】
図５に示す光学素子ＧＲにおいては、光学面Ｒｇｉに接するレンズＧＭの屈折率が、屈折率分布レンズの最大屈折率と最小屈折率の間の値となるように、具体的には屈折率が約１．５５の材料を選択している。
【００７３】
その結果、光学面Ｒｇｉの界面における表面反射を抑制することができている。
【００７４】
さらに、レンズＧＭの表面にも、その屈折率に最適化した反射防止膜ＡＲを設けることで、表面反射を抑制できている。
【００７５】
反射防止膜ＡＲの具体的な無機系皮膜の構成は、表２に示す実施例２の構成と同一である。
【００７６】
図６に、実施例３の光学素子の反射率特性を示す。図６中破線は光軸上での反射率特性であり、実線は周辺部における反射率特性である。
【００７７】
図６から明らかなように、光軸上、及び周辺部共に反射率が可視域で良好に抑制されている。
【００７８】
上記実施例１〜３で説明した光学素子ＧＲの形状は、これらに限定されるものではない。例えば、両凸レンズ、両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、凸メニスカスレンズ、非球面レンズ、自由曲面レンズ、プリズムなどを含む形状の光学素子でもよい。
【００７９】
以下、各実施例（数値例）の具体的な数値データを示す。各実施例において、ｉは物体側から数えた面の番号を示す。Ｒｉはｉ番目の光学面（第ｉ面）の曲率半径であり、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面との間の軸上間隔である。
【００８０】
Ｎｄｉ，νｄｉはそれぞれ、ｄ線に対するｉ番目の光学部材の材料の屈折率、アッベ数を表す。ｉ番目の光学部材が屈折率分布レンズの場合は、Ｎｇｉ，νｄｇｉと表記し、屈折率分布の波長分散については別途表記する。
【００８１】
なお、各数値における「Ｅ±ＸＸ」は「×１０±ＸＸ」を意味する。
【００８２】
各実施例においては、屈折率分布を以下の式で近似している。
ラジアル屈折率分布
【００８３】
【数３】
2015232675.tif 000007
【００８４】
なお、屈折率分布の近似式は上式に限定されるわけではなく、任意の近似式を用いることが可能である。
【００８５】
各実施例においては、屈折率分布特性として、ｇ線、F線、ｄ線、Ｃ線での屈折率分布の近似式の係数を記載する。
【００８６】
【表３】
2015232675.tif 000008
【００８７】
【表４】
2015232675.tif 000009
【００８８】
【表５】
2015232675.tif 000010
【００８９】
また、以下の表６に、各実施例の光学素子の、各条件式に対応した値を示す。
【００９０】
【表６】
2015232675.tif 000011
【実施例４】
【００９１】
図７には、本発明の光学素子を用いた、カメラ（スチルカメラやビデオカメラ等）の撮影（結像）光学系の構成を示している。
【００９２】
この図中、１０１は大部分が屈折光学素子（例えば通常のレンズ素子）で構成される撮影レンズであり、内部に開口絞り１０２と第１〜３実施形態にて説明した光学素子１を有する。１０３は結像面に配置されたフィルム又はＣＣＤ等の撮影媒体である。
【００９３】
光学素子１は屈折率分布レンズを有しているため、諸収差を良好に補正しており、かつ、表面の反射率も良好に抑制されている。
【００９４】
そのため、光学系は上記のように、従来のものに比べて表面反射光が大幅に抑制されているので、フレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有した撮影光学系を実現することができる。
【００９５】
なお、本実施形態では、絞り１０２の近傍に配置された平板ガラス面として光学素子１を設けているが、本発明はこれに限定するものではなく、光学素子１をレンズの凹面又は凸面上に設けてもよい。さらに、撮影レンズ１０１内に光学素子１を複数個配置してもよい。
【実施例５】
【００９６】
次に本発明の光学系を撮影光学系として用いたデジタルスチルカメラ（撮像装置）の実施例を図８を用いて説明する。
【００９７】
図８において、２０はカメラ本体、２１は本発明の光学系によって構成された撮影光学系、２２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系２１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。
【００９８】
２３は撮像素子２２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、２４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子２２上に形成された被写体像を観察するためのファインダである。
【００９９】
このように本発明の光学系をデジタルスチルカメラ等の撮像素子に適用することにより、高い光学性能を有する撮像装置を実現している。
【符号の説明】
【０１００】
１０１  撮影レンズ、１０２  開口絞り、１０３  結像面
【図１】
2015232675.tif 000012
【図２】
2015232675.tif 000013
【図３】
2015232675.tif 000014
【図４】
2015232675.tif 000015
【図５】
2015232675.tif 000016
【図６】
2015232675.tif 000017
【図７】
2015232675.tif 000018
【図８】
2015232675.tif 000019