(57)【要約】【課題】  例えば大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮する光学素子。【解決手段】  入射光を透過させる本発明の光学素子（１０）では、その基材（１１）の入射面（１１ａ）に反射防止膜（１２：１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が形成され、反射防止膜に接する気体（３１）を介して垂直入射する４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して１％以下の反射率を有し、且つ反射防止膜に接する液体（３２）を介して垂直入射する４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して１％以下の反射率を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を透過させる光学素子において、
前記光学素子の基材の入射面には、反射防止膜が形成され、
前記反射防止膜に接する気体を介して垂直入射する４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して１％以下の反射率を有し、且つ前記反射防止膜に接する液体を介して垂直入射する４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して１％以下の反射率を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記液体は、５５０ｎｍの光に対して１．３乃至１．４の屈折率を有す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】
前記反射防止膜は、互いに異なる材料により形成された複数の膜を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記複数の膜のうちの少なくとも１つの膜は、金属酸化物、金属フッ化物、金属窒化物、またはそれらの混合物により形成されてい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】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子を備えていることを特徴とする光学装置。
【請求項６】
前記光学素子は、最も入射側に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子および光学装置に関し、例えば気体または液体に選択的に接した状態で使用される透過光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大気中（空気中）で使用される通常のカメラなどの光学装置では、レンズ表面に反射防止膜を施し、レンズ表面での反射光の発生を低減させ、ひいてはフレア・ゴーストなどの発生を抑えている。具体的に、光学系と外界との境に配置される境界レンズ（先玉とも呼ばれる）の表面（すなわち空気との界面）に設けられた反射防止膜は、空気（屈折率＝１）を介して入射する光に対して、所要の反射防止性能を発揮するように設計されている。一方、水中で使用される水中カメラや防水ハウジングなどの光学装置では、水（屈折率≒１．３３）を介して入射する光に対する反射防止膜を設けないのが一般的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のように、水中カメラや防水ハウジングなどの光学装置では、水との界面に反射防止膜が施されていない。このため、水中カメラを大気中で使用すると、表面反射の発生が大きく、所要の機能を発揮することができない。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、例えば大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮する光学素子を提供することを目的とする。また、本発明は、例えば大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮する光学素子を備えて、大気中においても水中においても所要の機能を発揮することのできる光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、入射光を透過させる光学素子において、
前記光学素子の基材の入射面には、反射防止膜が形成され、
前記反射防止膜に接する気体を介して垂直入射する４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して１％以下の反射率を有し、且つ前記反射防止膜に接する液体を介して垂直入射する４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の光に対して１％以下の反射率を有することを特徴とする光学素子を提供する。
【０００６】
本発明の第２形態では、第１形態の光学素子を備えていることを特徴とする光学装置を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明にかかる光学素子は、その基材の入射面に形成された反射防止膜の作用により、気体中においても液体中においても、４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲の垂直入射光に対して１％以下の反射率を有する。すなわち、本発明では、例えば大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮する光学素子を実現することができる。その結果、本発明の光学素子を備えた光学装置は、例えば大気中においても水中においても所要の機能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる光学素子の要部構成を概略的に示す図である。
【図２】波長が４５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。
【図３】基準波長である５５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。
【図４】波長が６５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。
【図５】第１実施形態の光学素子の分光反射特性を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる光学素子の要部構成を概略的に示す図である。
【図７】波長が４５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。
【図８】基準波長である５５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。
【図９】波長が６５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。
【図１０】第２実施形態の光学素子の分光反射特性を示す図である。
【図１１】空気との界面および水との界面での垂直入射光に対する反射率と光学素子の基材の屈折率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態の具体的な説明に先立ち、水との界面に反射防止膜が施されていない水中カメラを大気中で使用すると表面反射が大きく発生する点について説明する。一般に、互いに異なる屈折率を有する２つの媒質の界面に光が垂直入射するときの反射率Ｒは、次の式（１）で表される。
Ｒ＝｛（ｎ2−ｎ1）／（ｎ2＋ｎ1）｝2        （１）
【００１０】
式（１）において、ｎ1は界面よりも前側（光の入射側）の媒質の屈折率であり、ｎ2は界面よりも後側（光の射出側）の媒質の屈折率である。具体的に、界面が空気に接する場合にはｎ1＝１であり、界面が水に接する場合にはｎ1≒１．３３である。一例として、界面よりも後側の媒質、すなわち光学素子の基材を形成する光学材料の屈折率ｎ2が１．５２である場合、水を介して光学素子に垂直入射する光の反射率は約０．４４％であるが、空気を介して光学素子に垂直入射する光の反射率は約４．２６％である。
【００１１】
このように、水中カメラでは、水との界面に反射防止膜が施されていなくても、界面での反射率が比較的低く、良好な透過率が得られる。しかしながら、水との界面に反射防止膜が施されていない水中カメラを大気中で使用すると、空気との界面での反射率が４％を超えて比較的大きくなり、所要の機能を発揮することができない。
【００１２】
図１１に、空気との界面および水との界面での垂直入射光に対する反射率と光学素子の基材の屈折率との関係を示す。図１１において、実線は空気との界面での垂直入射光に対する反射率を示し、破線は水との界面での垂直入射光に対する反射率を示している。図１１を参照すると、界面反射率は光学素子の基材の屈折率の大きさに依存して変化し、基材の屈折率が大きくなるほど界面反射率も大きくなることがわかる。
【００１３】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態にかかる光学素子の要部構成を概略的に示す図である。第１実施形態の光学素子１０は、屈折率ｎ2＝１．５２の光学材料により形成された光学素子の基材１１と、基材１１の入射面１１ａ上に形成された反射防止膜１２とを備えている。反射防止膜１２は、基材１１側から順に、酸化アルミニウムにより形成された第１膜１２ａと、酸化ジルコニウムにより形成された第２膜１２ｂと、酸化シリコンにより形成された第３膜１２ｃとからなる構成された多層膜構造を有する。
【００１４】
基材１１の入射面１１ａ上に反射防止膜１２を形成する方法として、真空蒸着法、各種スパッタ法、イオンビームアシスト法、イオンプレーティング法のような乾式成膜法を用いても良いし、ゾルゲル法のような湿式成膜法を用いても良い。第１実施形態では、反射防止膜１２に接する（ひいては第３膜１２ｃに接する）空気３１を介して、あるいは反射防止膜１２に接する水３２を介して、光学素子１０に光が入射する。
【００１５】
反射防止膜１２に接する媒質（空気３１または水３２）、第３膜１２ｃ、第２膜１２ｂ、第１膜１２ａ、光学素子１０の基材１１の屈折率および光学的膜厚は、以下の表（１）に示す通りである。表（１）において、屈折率は、基準波長（設計波長）λ＝５５０ｎｍの光に対する値である。光学的膜厚は、物理的膜厚／屈折率で表される値である。表（１）の表記は、以降の表（２）においても同様である。
【００１６】
表（１）
屈折率            光学的膜厚
空気３１            １
水３２              １．３３
第３膜１２ｃ        １．４７          ０．２４λ
第２膜１２ｂ        ２．０６          ０．４８λ
第１膜１２ａ        １．６９          ０．２４λ
基材１１            １．５２
【００１７】
第１実施形態では、アドミタンスダイアグラムを用いて、空気３１または水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する光に対する光学素子１０の反射率ｒを求めた。反射率ｒは、アドミタンス曲線の終点の座標（Ｒ，Ｉ）と、反射防止膜１２に接する媒質すなわち空気３１または水３２の屈折率ｎとを用いて、次の式（２）で表される。
ｒ＝｛（Ｒ−ｎ）2＋Ｉ2｝／｛（Ｒ＋ｎ）2＋Ｉ2｝      （２）
【００１８】
空気３１の屈折率をｎａ＝１とし、水３２の屈折率をｎｂ＝１．３３とすると、空気３１を介して反射防止膜１２に垂直入射する光の反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する光の反射率ｒｂは、次の式（３ａ）および（３ｂ）で表される。
ｒａ＝｛（Ｒ−ｎａ）2＋Ｉ2｝／｛（Ｒ＋ｎａ）2＋Ｉ2｝      （３ａ）
ｒｂ＝｛（Ｒ−ｎｂ）2＋Ｉ2｝／｛（Ｒ＋ｎｂ）2＋Ｉ2｝      （３ｂ）
【００１９】
空気３１に対する反射率ｒａおよび水３２に対する反射率ｒｂをそれぞれ最小にする条件は、次の式（４ａ）および（４ｂ）で表される。
Ｉ＝０      （４ａ）
Ｒ＝（ｎａ×ｎｂ）1/2
＝（１×１．３３）1/2
≒１．１５３      （４ｂ）
【００２０】
式（４ａ）および（４ｂ）を参照すると、空気３１に対する反射率ｒａおよび水３２に対する反射率ｒｂをそれぞれ小さく抑えるには、アドミタンス曲線の終点の座標として（Ｒ，Ｉ）＝（１．１５３，０）を目指すことが最良であることがわかる。図２は、波長が４５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。図３は、基準波長である５５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。図４は、波長が６５０ｎｍの光に対する第１実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。
【００２１】
図２乃至図４において、アドミタンス曲線の始点の座標、すなわち第１アドミタンス曲線４１の始点４１ａの座標は、（Ｒ，Ｉ）＝（１．５２，０）である。ここで、１．５２は、５５０ｎｍの光に対する光学素子１０の基材１１の屈折率である。第１アドミタンス曲線４１は、反射防止膜１２の第１膜１２ａの光学的膜厚０．２４λに応じた円弧状の曲線である。
【００２２】
第２アドミタンス曲線４２は、第１アドミタンス曲線４１の終点４１ｂを始点４２ａとしており、第２膜１２ｂの光学的膜厚０．４８λに応じた円弧状の曲線である。第３アドミタンス曲線４３は、第２アドミタンス曲線４２の終点４２ｂを始点４３ａとしており、第３膜１２ｃの光学的膜厚０．２４λに応じた円弧状の曲線である。こうして、第３アドミタンス曲線４３の終点４３ｂ、すなわちアドミタンス曲線の終点４３ｂの座標（Ｒ，Ｉ）が得られる。
【００２３】
そして、上述したように、図３に示すアドミタンス曲線の終点４３ｂの座標（Ｒ，Ｉ）の値を式（３ａ）および（３ｂ）に代入することにより、空気３１を介して反射防止膜１２に垂直入射する５５０ｎｍの基準波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する５５０ｎｍの基準波長光に対する反射率ｒｂが求められる。また、図２に示すアドミタンス曲線の終点４３ｂの座標（Ｒ，Ｉ）に基づいて、空気３１を介して反射防止膜１２に垂直入射する４５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する４５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒｂが求められる。
【００２４】
さらに、図４に示すアドミタンス曲線の終点４３ｂの座標（Ｒ，Ｉ）に基づいて、空気３１を介して反射防止膜１２に垂直入射する６５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する６５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒｂが求められる。なお、図示を省略したが、同様の手法により、空気３１を介して反射防止膜１２に垂直入射する任意の波長の光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜１２に垂直入射する任意の波長の光に対する反射率ｒｂが求められる。
【００２５】
図２乃至図４を参照すると、アドミタンス曲線の終点４３ｂの座標（Ｒ，Ｉ）が、目標とする座標（Ｒ，Ｉ）＝（１．１５３，０）にかなり近いことがわかる。図５は、第１実施形態の光学素子の分光反射特性を示す図である。図５において、横軸は光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は光学素子の反射率（％）を示している。また、図５において、実線は空気３１を介して垂直入射する光に対する反射率を示し、破線は水３２を介して垂直入射する光に対する反射率を示している。
【００２６】
図５を参照すると、第１実施形態の光学素子１０は、可視光領域（約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲）のうちの支配的な中央領域、すなわち４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲において、反射防止膜１２に接する空気３１を介して垂直入射する光に対しても、反射防止膜１２に接する水３２を介して垂直入射する光に対しても、１％以下の反射率を有する。すなわち、第１実施形態の光学素子１０は、大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮することができる。
【００２７】
図６は、本発明の第２実施形態にかかる光学素子の要部構成を概略的に示す図である。第２実施形態の光学素子２０は、屈折率ｎ2＝１．８０の光学材料により形成された光学素子の基材２１と、基材２１の入射面２１ａ上に形成された反射防止膜２２とを備えている。反射防止膜２２は、基材２１側から順に、酸化イットリウムにより形成された第１膜２２ａと、酸化チタニウムにより形成された第２膜２２ｂと、窒化シリコンにより形成された第３膜２２ｃと、酸化シリコンにより形成された第４膜２２ｄとからなる構成された多層膜構造を有する。
【００２８】
基材２１の入射面２１ａ上に反射防止膜２２を形成する方法として、真空蒸着法、各種スパッタ法、イオンビームアシスト法、イオンプレーティング法のような乾式成膜法を用いても良いし、ゾルゲル法のような湿式成膜法を用いても良い。第２実施形態では、反射防止膜２２に接する（ひいては第４膜２２ｃに接する）空気３１を介して、あるいは反射防止膜２２に接する水３２を介して、光学素子２０に光が入射する。反射防止膜２２に接する媒質（空気３１または水３２）、第４膜２２ｄ、第３膜２２ｃ、第２膜２２ｂ、第１膜２２ａ、光学素子２０の基材２１の屈折率および光学的膜厚は、以下の表（２）に示す通りである。
【００２９】
表（２）
屈折率            光学的膜厚
空気３１            １
水３２              １．３３
第４膜２２ｄ        １．４７          ０．２４λ
第３膜２２ｃ        ２．００          ０．３７λ
第２膜２２ｂ        ２．４７          ０．０４λ
第１膜２２ａ        １．８７          ０．２９λ
基材２１            １．８０
【００３０】
第２実施形態においても、アドミタンスダイアグラムを用いて、空気３１または水３２を介して反射防止膜２２に垂直入射する光に対する光学素子２０の反射率ｒを求めた。図７は、波長が４５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。図８は、基準波長である５５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。図９は、波長が６５０ｎｍの光に対する第２実施形態のアドミタンスダイアグラムを示す図である。
【００３１】
図７乃至図９において、アドミタンス曲線の始点の座標、すなわち第１アドミタンス曲線４１の始点４１ａの座標は、（Ｒ，Ｉ）＝（１．８０，０）である。ここで、１．８０は、５５０ｎｍの光に対する光学素子２０の基材２１の屈折率である。第１アドミタンス曲線４１は、反射防止膜２２の第１膜２２ａの光学的膜厚０．２４λに応じた円弧状の曲線である。第２アドミタンス曲線４２は、第１アドミタンス曲線４１の終点４１ｂを始点４２ａとしており、第２膜２２ｂの光学的膜厚０．０４λに応じた円弧状の曲線である。
【００３２】
第３アドミタンス曲線４３は、第２アドミタンス曲線４２の終点４２ｂを始点４３ａとしており、第３膜２２ｃの光学的膜厚０．３７λに応じた円弧状の曲線である。第４アドミタンス曲線４４は、第３アドミタンス曲線４３の終点４３ｂを始点４４ａとしており、第４膜２２ｄの光学的膜厚０．２４λに応じた円弧状の曲線である。こうして、第４アドミタンス曲線４４の終点４４ｂ、すなわちアドミタンス曲線の終点４４ｂの座標（Ｒ，Ｉ）が得られる。
【００３３】
そして、図８に示すアドミタンス曲線の終点４４ｂの座標（Ｒ，Ｉ）の値を式（３ａ）および（３ｂ）に代入することにより、空気３１を介して反射防止膜２２に垂直入射する５５０ｎｍの基準波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜２２に垂直入射する５５０ｎｍの基準波長光に対する反射率ｒｂが求められる。また、図７に示すアドミタンス曲線の終点４４ｂの座標（Ｒ，Ｉ）に基づいて、空気３１を介して反射防止膜２２に垂直入射する４５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜２２に垂直入射する４５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒｂが求められる。
【００３４】
さらに、図９に示すアドミタンス曲線の終点４４ｂの座標（Ｒ，Ｉ）に基づいて、空気３１を介して反射防止膜２２に垂直入射する６５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜２２に垂直入射する６５０ｎｍの波長光に対する反射率ｒｂが求められる。なお、図示を省略したが、同様の手法により、空気３１を介して反射防止膜２２に垂直入射する任意の波長の光に対する反射率ｒａおよび水３２を介して反射防止膜２２に垂直入射する任意の波長の光に対する反射率ｒｂが求められる。
【００３５】
図７乃至図９を参照すると、アドミタンス曲線の終点４４ｂの座標（Ｒ，Ｉ）が、目標とする座標（Ｒ，Ｉ）＝（１．１５３，０）にかなり近いことがわかる。図１０は、第２実施形態の光学素子の分光反射特性を示す図である。図１０において、横軸は光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は光学素子の反射率（％）を示している。また、図１０において、実線は空気３１を介して垂直入射する光に対する反射率を示し、破線は水３２を介して垂直入射する光に対する反射率を示している。
【００３６】
図１０を参照すると、第２実施形態の光学素子２０は、４５０ｎｍ乃至６５０ｎｍの波長範囲において、反射防止膜２２に接する空気３１を介して垂直入射する光に対しても、反射防止膜２２に接する水３２を介して垂直入射する光に対しても、１％以下の反射率を有する。すなわち、第２実施形態の光学素子２０は、大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮することができる。
【００３７】
以上のように、各実施形態にかかる光学素子１０，２０では、空気中および水中のいずれの媒質環境においても媒質界面での反射率が小さいので、ゴーストやフレア等の発生が抑制され、ひいては優れた光学性能を発揮することができる。そして、例えば各実施形態にかかる光学素子１０，２０が最も入射側に配置された光学装置では、大気中においても水中においても所要の機能（良好な性能）を発揮することができる。具体的に、各実施形態にかかる光学素子１０，２０は、カメラ（スチルカメラ、ムービーカメラ）、防水ハウジング、光学顕微鏡のような光学装置に適用可能である。
【００３８】
なお、上述の各実施形態では、大気中においても水中においても所要の反射防止性能を発揮する光学素子１０，２０に対して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、空気以外の気体中においても水以外の液体中においても所要の反射防止性能を発揮する光学素子に対して同様に本発明を適用することができる。本発明が適用可能な液体として、例えば、５５０ｎｍの光に対して１．３乃至１．４の屈折率を有する液体が考えられる。具体的には、水（自然界の水、純水、蒸留水など）、有機溶剤、油、水と有機溶剤との混合液、有機溶剤と油との混合液などである。
【００３９】
また、上述の各実施形態では、特定の多層膜構造を有する反射防止膜１２，２２を例にとって本発明を説明している。しかしながら、これに限定されることなく、反射防止膜の具体的な構成については様々な形態が可能である。一例として、反射防止膜は互いに異なる材料により形成された複数の膜を有し、これらの複数の膜のうちの少なくとも１つの膜は、金属酸化物、金属フッ化物、金属窒化物、またはそれらの混合物により形成される。
【符号の説明】
【００４０】
１０，２０  光学素子
１１，２１  光学素子の基材
１２，２２  反射防止膜
３１  空気
３２  水
【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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【図１０】
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【図１１】
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