(57)【要約】      （修正有）【課題】熱水処理を施す光学素子において、光学素子の重量を軽減しつつ、かつ非光学面の遮光性能の良い光学素子を提供する。【解決手段】熱水浸漬処理が施される光学素子１０１において、光学研磨された光学面１０３，１０４と、前記光学面の外周に設けられた算術平均粗さが５μｍ以上に粗面加工された非光学面１０５〜１０７と、前記非光学面に成膜された遮光膜と、を有し、前記非光学面は、前記光学素子の光軸に直交する成分が主で前記光軸に平行な方向に離間した２つの第１の面１０５と、前記２つの第１の面の間に設けられ前記光軸に平行な成分が主の第２の面１０６と、前記２つの第１の面と前記第２の面とを結ぶ曲面１０７とを有し、前記曲面は、１．０ｍｍ以上の曲率半径を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱水浸漬処理が施される光学素子において、
光学研磨された光学面と、
前記光学面の外周に設けられた算術平均粗さが５μｍ以上に粗面加工された非光学面と、
前記非光学面に成膜された遮光膜と、
を有し、
前記非光学面は、前記光学素子の光軸に直交する成分が主で前記光軸に平行な方向に離間した２つの第１の面と、前記２つの第１の面の間に設けられ前記光軸に平行な成分が主の第２の面と、前記２つの第１の面と前記第２の面とを繋ぐ曲面とからなる段部を有し、
前記曲面は、１．０ｍｍ以上の曲率半径を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記光学面は、光軸方向に離間した２つの光学面を含み、
前記光学素子の光軸と直交する方向の距離をＨとしたときに、各光学面の光軸と直交する方向の最大距離をＨ１、Ｈ２（ただしＨ１＜Ｈ２）、前記曲面の光軸と直交する方向の最大距離をＨｉとすると、
前記Ｈｉは、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
Ｈ１＋０．２＊（Ｈ２−Ｈ１）  ＜  Ｈｉ  ＜  Ｈ１＋０．７＊（Ｈ２−Ｈ１）
【請求項３】
前記Ｈｉの条件式を満たす曲面は、凹面であることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記光学素子は、メニスカスレンズであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記光学素子の光学面の少なくとも１つに、
アルミニウム又は酸化アルミニウムを主成分とするベーマイトが平均ピッチ２０〜２００ｎｍ以下で配列している微細凹凸構造層を形成していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学素子の基材である光学ガラスのヌープ硬度は６００Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記遮光膜は２〜３０μｍの厚みを有し、
前記熱水浸漬処理は前記光学素子を７０度以上の熱水に１０分以上浸漬させる処理であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の光学素子を有することを特徴とする光学系。
【請求項９】
光軸方向又は光軸と直交する方向に移動可能な可動群を有し、
該可動群は、請求項１から７のいずれか１項に記載の光学素子から構成されることを特徴とする光学系。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の光学系を有する光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学レンズに関し、特に光学レンズの遮光性能に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多くの光学装置には多種多様な効果を持つ光学素子が使用されている。例えばカメラなどに使用されている光学レンズは、入射した光を屈折させて集光・発散する効果を持つ。また、顕微鏡やプロジェクターに利用されるプリズムは、入射した光を透過・屈折させて光路を制御する効果を持つ。これらの光学素子には、入射した光に対して作用をもたらす光学面と、光に作用しない非光学面が有る。例えばレンズには入射した光を屈折させる屈折面に対し、レンズを機械的に保持するための保持面がある。前者は光学面であり、後者は非光学面である。
【０００３】
従来、この非光学面には光に対して余分な作用をもたらさないように、遮光塗料を塗布することが一般的である。それは、光学系や光学装置内で反射・散乱した光が非光学面に当たり、迷光となって余分な作用をもたらすことを防ぐためである。例えば、特許文献１では光入出射面の一方の光学面に可視域の波長以下の微細凹凸構造体が形成された光学素子において、光学素子の外周部（非光学面）は光軸方向に沿って段差のある段付き形状より成る素子が開示されている。微細凹凸構造はスピンコート法を利用して形成されている。この素子では、外周部の段差によりコバ面に塗工液がほとんど付着することなく、鏡筒に高精度に保持することができることを特徴としている。また、特許文献２には花弁状透明アルミナ膜を利用した反射防止構造体の作製例が開示されている。本文献によると、酸化アルミの薄膜をゾルゲル法により塗布し、焼成後に１００℃の熱水中に０．５〜２．０時間浸漬処理することで得られる花弁状透明アルミナ膜を利用した構成が開示されている。このように、熱水に浸漬する処理を施すことで光学素子を作製する手法があることは知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８１８７７号公報
【特許文献２】特開平９−２０２６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、特許文献１に開示された従来技術では、光学素子の取付け安定性を向上させるために、非光学面（保持面）に段差を設けることが開示されている。この段差を設けることにより特許文献１の光学素子は、取付け安定性の向上のみならず光学素子の重量が低減されるという効果も得られる。しかしながら、そのような段差を有する光学素子の保持面に遮光膜を形成した場合において、その段差の形状によっては遮光膜の剥がれや欠けが発生しやすくなるため、遮光性能が著しく劣化してしまうことが考えられる。また、そのような遮光膜は、熱水に浸漬すると膨潤・伸縮するため、上記と同様、段差の形状によっては剥がれや欠けが発生しやすくなるため、遮光性能が著しく劣化してしまうことが考えられる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、熱水処理を施す光学素子において、光学素子の重量を軽減しつつ、かつ非光学面の遮光性能の良い光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光学素子は、熱水浸漬処理が施される光学素子において、光学研磨された光学面と、前記光学面の外周に設けられた算術平均粗さが５μｍ以上に粗面加工された非光学面と、前記非光学面に成膜された遮光膜と、を有し、前記非光学面は、前記光学素子の光軸に直交する成分が主で前記光軸に平行な方向に離間した２つの第１の面と、前記２つの第１の面の間に設けられ前記光軸に平行な成分が主の第２の面と、前記２つの第１の面と前記第２の面とを繋ぐ曲面とからなる段部を有し、前記曲面は、１．０ｍｍ以上の曲率半径を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱水処理を施す光学素子において、光学素子の重量を軽減しつつ、かつ非光学面の遮光性能の良い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】本発明の実施例における光学素子の断面図である。
【図２】本発明の実施例における光学素子の断面図と平面図である。
【図３】本発明の実施例における光学装置の斜視図である。
【図４】本発明の比較例における光学素子の断面図と平面図である。
【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。ここでは簡単のために使用波長域として可視域として説明する。
【実施例】
【００１１】
図１は、本発明の実施形態にかかわる光学素子の略断面図である。ここで、１０１は光学ガラスからなる光学素子、１０２は光軸、１０３、１０４は光学面、１０５、１０６、１０７は非光学面である。なお、非光学面において、１０５は光軸１０２に直交する成分が主の第１非光学面、１０６は光軸１０２に平行な成分が主の第２非光学面、１０７は非光学面１０５、１０６を繋ぐ曲面である。
【００１２】
光学素子１０１は回転対称系の光学レンズである。光学面１０３は光学研磨された第１光学面であり、光軸１０２に直交する平面に接している。光学面１０４は光学研磨された第２光学面であり、第１光学面１０３と光軸方向において離間し、光軸１０２に直交する平面に接している。光学面１０３、１０４を透過した光は光学素子１０１を構成する光学ガラスの屈折率に準じた屈折を示し、光路を曲げる作用を有する。また、非光学面１０５、１０６、１０７は、第１光学面１０３及び第２光学面１０４の外周に設けられている。ここで、本実施例では、光学素子１０１の基材としてＯＨＡＲＡ社製Ｓ−ＬＡＨ５５を利用した。該光学素子１０１の径はφ３５ｍｍ、第１光学面１０３の曲率半径は７８ｍｍ、第２光学面１０４の曲率半径は１６ｍｍである。また、第１非光学面１０５（第１の面）、第２非光学面１０６（第２の面）、曲面１０７は光に対して作用を与えない非光学面であり、光学素子１０１の光軸方向に沿って段部を形成している。第１非光学面１０５は光学素子１０１の光軸１０２に直交する２つの平面を有し、第２非光学面１０６は光学素子１０１の光軸１０２と平行な２つの平面を有する。ここでは説明のために光軸方向に平行・直交としているが、本発明はその要旨内で変更が可能である。例えば第１非光学面１０５は光軸１０２と厳密に直交である必要はなく、直交成分が主で有ればよい。直交成分が主というのは、第１非光学面１０５の光軸１０２の直交方向への正射影の長さが、非光学面１０５の長さの８５％以上であることを指す。第２非光学面１０６に関しても同様で、平行成分が主でかつ光軸１０２への正射影の長さが非光学面１０６の長さの８５％以上であれば良い。このような非光学面１０５、１０６は、装置への組み込み、保持に利用されることが一般的である。本発明では、非光学面１０５、１０６、１０７に入射した光が作用をもたらすことを防ぐために、遮光処理が施されていることを特徴としている。具体的には、非光学面１０５、１０６、１０７は算術平均粗さＲａが５μｍ以上の粗面加工された粗面であることを特徴としている。算術平均粗さＲａとは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。また、非光学面１０５、１０６、１０７は可視域の光を主に吸収する遮光膜が２〜３０μｍの厚みで成膜されている。これにより、非光学面１０５、１０６、１０７に入射する光は粗面にて散乱し、かつ遮光膜によって吸収されるため、遮光効率は非常に高くなる。
【００１３】
本発明に関わるような光学素子１０１は、光学系や光学装置に使用されることが多い。それらの使用用途においては、光学レンズの重量や体積等は非常に大きな影響を及ぼす。特に光学系内で可動するズーム群、フォーカス群、防振群等の可動群はメカの追従性や即応性にも影響するため、そこに使用される光学レンズはできるだけ重量や体積を削ることが望ましい。重量を削るためには、非光学面である１０５、１０６の部分を段付き形状にすることが最も効果的である。そのため、本実施例の光学素子１０１は、光軸に平行した非光学面が２面、光軸に直交した非光学面が２面存在し、光軸方向に沿って段差を形成することで、非光学面の余分な体積を除去していることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明では７０度以上の熱水に１０分以上浸漬する処理を施すことを特徴としている。そして、非光学面１０５、１０６を繋ぐ曲面１０７のうち、少なくとも１つは１．０ｍｍ以上の曲率半径を持つ曲面からなることを特徴としている。光学素子１０１に熱水浸漬処理を施すことは、例えばアルミニウムを主成分とする水和酸化物であるベーマイトを利用した薄膜を作製するのに用いられる。ベーマイトを得るには、まず真空成膜法や液相法（ゾルゲル法など）に代表される手法により、アルミニウム（または酸化アルミニウム）の薄膜を形成する。その薄膜を７０度以上の熱水に浸漬することにより、その表面を部分的に溶解または析出させる。そのようにすることで、アルミニウム（または酸化アルミニウム）の表層は平均ピッチ２０〜２００ｎｍ以下で配列したベーマイトからなる微細凹凸構造層となる。このような可視光の波長以下で配列した微細凹凸構造層は、可視光領域では低屈折率の薄膜と同様の振る舞いを示すため、反射防止膜などに利用することができる。
【００１５】
このような熱水浸漬処理を施すと、非光学面１０５、１０６、１０７に施された遮光膜は膨潤・伸縮のために光学ガラスから剥がれやすくなる。一度剥がれてしまうと、剥がれた部分の遮光性能は著しく劣化してしまい、好ましくない。このような剥がれは非光学面１０５、１０６のような平面部よりも曲面１０７のような曲面部の方で起こりやすい。それは、曲面部には均一に遮光膜が成膜されにくく、平面部に比べて膜厚のムラが出やすいからである。このムラは熱収縮の際に応力が集中する部分となるため、膜が剥がれやすくなってしまう。また、このようなムラは凸面よりも凹面のほうが大きくなるため、凹面のほうが応力集中と剥がれは発生しやすい。
【００１６】
それに対し、曲面１０７の曲率半径を１．０ｍｍ以上にすると、遮光膜と光学ガラスの接触面積が広がり、かつ成膜の膜厚ムラが出にくい。つまり、曲率半径を１．０ｍｍ以上とすることで、その面を緩やかな曲面とみなすことができる。そのため、熱水への浸漬処理を施しても膜の熱収縮の応力集中が発生しづらく、遮光膜の剥がれを抑制することができる。また、曲面１０７上に塗膜を形成する場合、凸型の曲面よりも凹型の曲面の方が塗膜の応力が集中しやすい。そのため、上記条件は凸面よりも凹面に施すほうが応力集中を緩和させることができるため、より効果が大きい。
【００１７】
また、このような剥がれは基材内部の欠陥を起点として発生しやすい。特に非光学面は粗面加工しているため、その加工の際にマイクロクラックが残存しやすい。マイクロクラックとはガラス内部に残存する微細な破片であり、その上に成膜された遮光膜に応力が集中すると、その部分が欠落・崩落して大きな空隙となりやすい。この空隙は基材と遮光膜が剥がれたような状況に見え、遮光性能の著しい劣化を招いてしまう。このようなマイクロクラックは、基材の硬さによって発生しやすさが異なる。特に、本発明ではヌープ硬度が６００Ｎ/ｍｍ２以上の光学ガラスだと、マイクロクラックが発生しやすく剥がれが発生しやすいことを見出した。そこで、ヌープ硬度が６００Ｎ／ｍｍ２以上の光学ガラスを利用した光学素子に対して本発明を適用することで、より大きな効果が期待できる。このヌープ硬度は、６５０Ｎ／ｍｍ２以上だとより効果が大きく、７００Ｎ／ｍｍ２以上だと特に効果が大きい。上述したように、本実施例では光学ガラスとしてＳ−ＬＡＨ５５（Ｓ−ＬＡＨ５５は株式会社ＯＨＡＲＡの商品名）を利用しており、このガラスのヌープ硬度は７５０Ｎ／ｍｍ２であり、本発明の要件を満たしている。そのため、本発明の効果により遮光性能を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明では図１において光軸に対して直交する方向の距離をＨとしたときに、光学面１０３の光軸からの最大距離をＨ２、光学面１０４の光軸からの最大距離をＨ１と定義する。そして、曲面１０７の光軸からの最大距離をＨｉとしたとき、以下の条件式を満たす曲面の曲率半径を１．０ｍｍ以上とすることを特徴としている。
【００１９】
Ｈ１＋０．２＊（Ｈ２−Ｈ１）  ＜  Ｈｉ  ＜  Ｈ１＋０．７＊（Ｈ２−Ｈ１）  （１）
上記（１）式を満たす曲面１０７は、光学面１０３側から見たときに、虚像が複数に見えやすくなる。これを模式的に表したのが図２である。
【００２０】
図２において、２０１は光学ガラスからなる光学素子で、上述の光学素子１０１と同じものである。Ｃは光学素子２０１の断面図で、２０２、２１４は光軸、２０３、２０４は光学面、２０５、２０６、２０７は光学素子２０１の非光学面を結ぶ曲面である。Ｔは光学素子２０１を光学面２０３側から見た上面図で、２０９は光学面２０３の端部、２１０は曲面２０５、２０６の像、２１１は光学面２０４の端部、２１２は曲面２０６の虚像、２１３は曲面２０５の虚像である。ここでは簡単のため上面図Ｔでは光学面２０３での屈折を無視した構成で記載している。実際は屈折の影響によりそれぞれの像は断面図Ｃの半径より内側に像を結ぶ。ここで、曲面２０５、２０６の曲率半径は１．２ｍｍであり、曲面２０７の曲率半径は０．２ｍｍである。曲面２０５、２０６は、非光学面において、光学素子２０１の光軸と直交する方向に平行で光軸方向に離間した２つの第１の面２１５と、該２つの第１の面の間に設けられ光学素子２０１の光軸方向に平行な第２の面２１６を繋ぐ曲面である。この曲面２０５、２０６は上記した（１）式を満たす範囲にあるが、曲面２０７は（１）式を満たす範囲にない。したがって、曲面２０５〜２０７のうち曲率半径を１．０ｍｍ以上とすべき面は、曲面２０５、２０６のみでよい。なお本発明は、曲面２０７の曲率半径を１．０ｍｍ以上とすることを妨げるものではなく、曲面２０７の曲率半径を１．０ｍｍ以上としてもよい。光学素子２０１を光学面２０３側から見た場合、曲面２０５、２０６は像２１０のように見える。また、曲面２０５、２０６は、光学面２０４で反射した像２１２、２１３も上面図Ｔでは確認できる。このように、曲面によっては直接見える像と光学面２０４などで反射した像など、複数の像が見える曲面が有る。一方、曲面２０７は上面図では直接像も反射像も見えることはない。
【００２１】
このように、（１）式を満たす範囲にある曲面２０５、２０６は光学面２０３から見たときに２つの像が視認されてしまう。そのため、このような曲面２０５、２０６の遮光性能が劣化すると、視認性も高くなってしまうため好ましくない。そこで本発明を適用すると、熱水浸漬処理を施しても遮光性能に優れた光学素子２０１を提供することができる。
【００２２】
また、本発明はその要旨の中で種々のレンズ形状に応用することができる。例えば光学素子２０１のようなメニスカスレンズ、光学面が両面とも凹面の両凹レンズや平面と凹面を利用した平凹レンズなどがあげられる。ただし、本発明をより有効に活用するには、レンズ形状はメニスカスレンズであることが望ましい。特に、光学素子２０１のように凸のパワーよりも凹のパワーのほうが強い負のメニスカスレンズであることが望ましい。ほかのレンズ形状に比べ、負のメニスカスレンズは虚像の視認性、及び曲面２０５、２０６への光の入射効率は高くなりやすい。そのため、負のメニスカスレンズに本発明を適用すると、非常に高い効果が期待できる。
【００２３】
このような光学素子２０１は、多くの光学装置で使用することができる。例えば、図３には、本実施例の光学素子２０１を用いた光学装置の例としてデジタルカメラを示している。なお、本発明の光学装置はこれに限定されず、例えばビデオカメラやプロジェクターであってもよい。
【００２４】
３００はカメラ本体、３０１は本実施例の光学素子２０１を一部用いた撮像光学系である。３０２はカメラ本体３００に内蔵され、撮像光学系３０１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。３０３は撮像素子３０２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、３０４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３０２上に形成された被写体像を観察するための表示素子である。
【００２５】
このようなデジタルカメラ３００の撮像光学系３０１では、固体撮像素子３０２によって反射した光が撮像光学系３０１に戻り、各光学素子によってさらに反射された光が固体撮像素子３０２に戻って写りこんでしまうという課題が有る。これは光学素子の光学面だけでなく非光学面にも起きる課題で有り、これを抑制するには出来るだけ非光学面の遮光性能を向上させる必要がある。そこで、撮像光学系３０１に本発明の光学素子２０１を使用することで、熱水への浸漬処理を施す光学素子においても、迷光による映りこみや散乱を十分に抑えた撮像光学系３０１を提供することが出来る。
【００２６】
なお、本実施例の光学素子２０１は、上述したようなデジタルカメラ３００の撮像光学系３０１だけでなく、液晶プロジェクターの照明光学系及び投射光学系等にも使用することができる。それにより、不要な反射を抑えて迷光の発生を抑制した光学系を有する光学装置を提供することができる。
【００２７】
また、このような光学素子２０１は、段差が形成されることにより光学レンズとして体積を小さくすることができるため、重量を軽くすることができる。そのため、撮像光学系３０１の中でも可動群に好適に利用することができる。例えば、ピントを合わせるためのフォーカス群や焦点距離を変更するためのズーム群といった光軸方向に移動可能な可動群、手ぶれ防止のための防振群といった光軸と直交する方向に移動可能な可動群等に好適に適用できる。このような場所に光学素子２０１を利用すると、遮光性能が優れかつ可動時にメカ部品の負荷の小さい撮像光学系３０１を得ることができる。
（比較例）
本発明に対する比較例を図４に示す。ここでＣは比較例における光学素子４０１の断面図で、４０２、４１４は光軸、４０３、４０４は光学面、４０５、４０６、４０７は光学素子４０１の非光学面を結ぶ曲面である。Ｔは光学素子４０１を光学面４０３側から見た上面図で、４０９は光学面４０３の端部、４１０は曲面４０５、４０６の実像、４１１は光学面４０４の端部、４１２は曲面４０６の虚像、４１３は曲面４０５の虚像である。ここで、光学素子４０１は基材としてＳ−ＬＡＨ５５（Ｓ−ＬＡＨ５５は株式会社ＯＨＡＲＡの商品名）を用いた。また曲面４０５、４０６、４０７の曲率半径は０．１ｍｍであり、ほぼ曲面形状を示していない（緩やかな曲面をなしていない）。
【００２８】
このような光学素子２０１の非光学面に遮光膜を成膜し、熱水への浸漬処理を与えると、その曲面４０５、４０６、４０７を起点にして剥がれが発生しやすい。特に基材のヌープ硬度が高いため、剥がれは非常に発生しやすい。特に凹面である４０５は非常に剥がれやすく、視認性も高い。それを光学面４０３側からみると、実像４１０、虚像４１２、４１３のように剥がれた部分が非常に見えやすくなる。これは著しい遮光性能の劣化であり、非常に好ましくない。
【００２９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の光学素子は、ビデオカメラ、コンパクトカメラあるいは一眼レフカメラ、プロジェクターなどの光学装置に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００３１】
１０１、２０１  光学素子
１０３、１０４、２０３、２０４  光学面
１０５〜１０７、２０５〜２０７、２１５、２１６  非光学面
３００  カメラ本体
３０１  撮像光学系
【図１】
2013037250.tif 000003
【図２】
2013037250.tif 000004
【図３】
2013037250.tif 000005
【図４】
2013037250.tif 000006