(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表面全域の反射率を低減し、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】屈折率分布を有する光学素子ＧＲに、多層膜からなる反射防止膜ＡＲが形成されており、光学素子ＧＲの反射防止膜が形成されている表面上の屈折率が変化するにつれ、該反射防止膜の少なくとも１層以上の膜厚が変化することを特徴とする。【選択図】図１
2016173445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率分布を有する光学素子ＧＲに、多層膜からなる反射防止膜ＡＲが形成されており、光学素子ＧＲの反射防止膜が形成されている表面上の屈折率が変化するにつれ、該反射防止膜の少なくとも１層以上の膜厚が変化することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記光学素子ＧＲにおいて、最も屈折率が高い場所と最も屈折率が低い場所における反射防止膜ＡＲの各層ｉの厚さの比をＤＲｉとしたとき、少なくとも一つ以上の層ｘにおける層厚比ＤＲｘが、以下の条件式のいずれかを満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
１．２  ＜  ＤＲｘ  ＜  ５．０
０．２  ＜  ＤＲｘ  ＜  ０．８５
但し、ＤＲｘ＝ＤＲｈ／ＤＲｌであらわされ、ＤＲｈは屈折率分布を有する同一面Ｒｇｉ上で屈折率が最も高い所における層厚比であり、ＤＲｌは面Ｒｇｉ上で最も屈折率が低い所における層厚比である。
【請求項３】
前記反射防止膜ＡＲにおいて、複数の層ｉにおけるＤＲｉの比をＲＲｊとしたとき、以下の条件式のいずれかを満たす組合せａが存在する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。
１．２  ＜  ＲＲａ  ＜  ５．０
ただし、１  ≦  ＲＲａとなる値とする。
【請求項４】
前記反射防止膜ＡＲにおいて、複数の層ｉにおけるＤＲｉの比をＲＲｊとしたとき、以下の条件式を満たす組合せｂが存在する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素子。
１  ≦  ＲＲｂ  ＜  １．１５
ただし、１  ≦  ＲＲｂとなる値とする。
【請求項５】
前記反射防止膜ＡＲは少なくとも３層以上の構成からなり、光学素子ＧＲ側から３層以内の層のうち少なくとも一つの層Ｌａの膜厚が、光学素子ＧＲの面Ｒｇｉ上の屈折率が高くなるにつれ、増加することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
光学素子ＧＲの面Ｒｇｉ上において最も屈折率が高い所と最も屈折率が低い所における屈折率の差をＤＮ、反射防止膜ＡＲの層Ｌａにおける膜厚比をＲＬａとした時、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子。
１．５  ＜  ＲＬａ／ＤＮ  ＜  ６
但し、ＲＬａ＝｜（ＤＬａＨ−ＤＬａＬ）／（ＤＬａＨ＋ＤＬａＬ）｜
で表され、ＤＬａＨ、ＤＬａＬはそれぞれ、面Ｒｇｉにおいて最も屈折率が高い所と最も屈折率が低いところにおける層Ｌａの厚さである。
【請求項７】
光学素子ＧＲの面Ｒｇｉ上において最も屈折率が高い所と最も屈折率が低い所における屈折率の差ＤＮが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６の何れか一項に記載の光学素子。
０．０５  ＜  ＤＮ  ＜  ０．６
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の光学素子を有することを特徴とする光学系。
【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。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。
【０００３】
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。
【０００４】
また、特許文献２、特許文献３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。
【０００５】
また、特許文献４においては、屈折率分布素子の表面に反射防止膜を設けた光学素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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２００３−２１５３１０号公報
【特許文献４】特開２００９−１９２６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
特許文献２、特許文献３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。
【０００９】
特許文献４の構成においては、屈折率分布素子の表面に反射防止膜を設けているが、その具体的な構成は書かれておらず、屈折率分布素子の表面全域で良好な反射防止特性は得られていない。
【００１０】
本発明の目的は、屈折率分布を有する光学素子において、表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】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の光学素子は、屈折率分布を有する光学素子ＧＲに、多層膜からなる反射防止膜が形成されており、光学素子ＧＲの反射防止膜が形成されている表面上の屈折率が変化するにつれ、該反射防止膜の少なくとも１層以上の膜厚が変化することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
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、表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】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１の光学素子の断面図
【図２】本発明の実施例１の光学素子の膜厚分布、及び反射率特性
【図３】本発明の実施例２の光学素子の膜厚分布、及び反射率特性
【図４】本発明の光学素子を用いた撮影光学系の構成
【図５】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】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
まず、後述する本発明の実施例１〜２に共通する、屈折率分布素子について説明する。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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
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。
【００２４】
【数１】
2016173445.tif 000003
【００２５】
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。
【００２６】
【数２】
2016173445.tif 000004
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、レンズ表面の屈折率に応じて反射防止膜の膜厚を調整することで、表面反射を良好に抑制している。
【００３０】
（実施例１）
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の上に反射防止膜ＡＲが形成されている。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。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。表１に光学素子ＧＲの具体的な構成を示す。
【００３１】
【表１】
2016173445.tif 000005
【００３２】
ここで、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。
【００３３】
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。なお、各数値における「Ｅ±ＸＸ」は「×１０±ＸＸ」を意味する。
【００３４】
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
【００３５】
【数３】
2016173445.tif 000006
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
図１に示す光学素子ＧＲにおいては、光学面Ｒｇｉの屈折率変化に応じて反射防止膜ＡＲの各層の厚さを適切に設定することで、光学面Ｒｇｉにおける表面反射を抑制することができている。
【００３９】
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。
【００４０】
実施例１の光学素子ＧＲにおいて、反射防止膜ＡＲの中心部Ａ、及び周辺部Ｂにおける具体的な無機系皮膜の構成をそれぞれ表２に示す。
【００４１】
【表２】
2016173445.tif 000007
【００４２】
また、図２（ａ）に、光学素子ＧＲの光軸からの高さにおける反射防止膜ＡＲの各層の厚さを示す。図２（ｂ）に、実施例１の光学素子の面Ｒｇｉにおける反射率特性を示す。図２（ｂ）において、破線は中心部Ａにおける反射率特性であり、実線は周辺部Ｂにおける反射率特性である。図２（ｂ）に示すように、実施例１の光学素子ＧＲは中心部から周辺部にかけて高い反射防止性能が得られていることが分かる。
【００４３】
このとき、光学素子ＧＲにおいて、最も屈折率が高い場所と最も屈折率が低い場所における反射防止膜ＡＲの各層ｉの厚さの比をＤＲｉとしたとき、少なくとも一つ以上の層ｘにおける層厚比ＤＲｘが、以下の条件式のいずれかを満たすことで、可視域全域で反射率を低くすることができる。
【００４４】
１．２  ＜  ＤＲｘ  ＜  ５．０     ・・・（１ａ）
０．２  ＜  ＤＲｘ  ＜  ０．８５   ・・・（１ｂ）
但し、ＤＲｘ＝ＤＲｈ／ＤＲｌであらわされ、ＤＲｈは屈折率分布を有する同一面Ｒｇｉ上で屈折率が最も高い所における層厚比であり、ＤＲｌは面Ｒｇｉ上で最も屈折率が低い所における層厚比である。
【００４５】
式（１ａ）または（１ｂ）の範囲を外れると、屈折率に対応した所望の光路長差を得にくくなるため、所望の反射防止性能が得にくくなる。
【００４６】
式（１ａ）、（１ｂ）は望ましくは以下の範囲とするとより高い反射防止性能を得ることができる。
【００４７】
１．３  ＜  ＤＲｘ  ＜  ４．０     ・・・（１ａａ）
０．２５  ＜  ＤＲｘ  ＜  ０．７７   ・・・（１ｂｂ）
また、反射防止膜ＡＲにおいて、複数の層ｉにおけるＤＲｉの比をＲＲｊとしたとき、以下の条件式のいずれかを満たす組合せａを設けることで、可視域全域で反射率を低くすることができる。
【００４８】
１．２  ＜  ＲＲａ  ＜  ５．０   ・・・（２）
ただし、１  ≦  ＲＲａとなる値とする。
【００４９】
式（２）の範囲を外れると、屈折率に対応した所望の光路長差を得にくくなるため、所望の反射防止性能が得にくくなる。
【００５０】
式（２）は望ましくは以下の範囲とするとより高い反射防止性能を得ることができる。
【００５１】
１．５  ＜  ＲＲａ  ＜  ４．０     ・・・（２ａ）
なお、前記反射防止膜ＡＲにおいて、複数の層ｉにおけるＤＲｉの比をＲＲｊについて、以下の条件式を満たす組合せｂを設けることで、製造用意な反射防止膜が得られる。
【００５２】
１  ≦  ＲＲｂ  ＜  １．１５    ・・・（３）
ただし、１  ≦  ＲＲｂとなる値とする。
【００５３】
式（３）の範囲を外れると、面内の場所による膜厚分布を大きくしなければならないため、反射防止膜の作製が難しくなる。
【００５４】
また、前記反射防止膜ＡＲは少なくとも３層以上の構成とし、光学素子ＧＲ側から３層以内の層のうち少なくとも一つの層Ｌａの膜厚を、光学素子ＧＲの面Ｒｇｉ上の屈折率が高くなるにつれて増加するように設定することで、屈折率に対応した光路長差を得やすくなるため、可視域全域で反射率が低い反射防止膜が得られる。
【００５５】
さらに、光学素子ＧＲの面Ｒｇｉ上において最も屈折率が高い所と最も屈折率が低い所における屈折率の差をＤＮ、反射防止膜ＡＲの層Ｌａにおける膜厚比をＲＬａとした時、以下の条件式を満たすことで、より良好に反射特性を低くすることができる。
【００５６】
０．５  ＜  ＲＬａ／ＤＮ  ＜  ５．０    ・・・（４ａ）
ただし、ＲＬａ＝｜（ＤＬａＨ−ＤＬａＬ）／（ＤＬａＨ＋ＤＬａＬ）｜
・・・（４ｂ）
で表され、ＤＬａＨ、ＤＬａＬはそれぞれ、面Ｒｇｉにおいて最も屈折率が高い所と最も屈折率が低いところにおける層Ｌａの厚さである。
【００５７】
式（４ａ）の下限値を下回ると、所望の光路長差を得にくいので、少ない層数で反射防止性能を得られなくなる。上限値を超えると、膜厚分布が大きくなり、反射防止膜ＡＲの作製が困難となる。
【００５８】
さらに、光学素子ＧＲの面Ｒｇｉ上における屈折率の差ＤＮが以下の条件式を満たすことで、面Ｒｇｉ全域において反射率を低くした光学素子が得られる。
０．０５  ＜  ＤＮ  ＜  ０．６    ・・・（５）
式（５）の下限値を下回ると本発明の効果が少なくなり、上限値を超えると、膜厚分布が大きくなり、反射防止膜ＡＲの作製が困難となる。
【００５９】
（実施例２）
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。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。表３に光学素子ＧＲの具体的な構成を示す。
【００６１】
【表３】
2016173445.tif 000008
【００６２】
実施例２の光学素子ＧＲにおいては、光学面Ｒｇｉの屈折率変化に応じて反射防止膜ＡＲの各層の厚さを適切に設定することで、光学面Ｒｇｉにおける表面反射を抑制することができている。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４に示す。
【００６３】
【表４】
2016173445.tif 000009
【００６４】
また、図３（ａ）に、光学素子ＧＲの光軸からの高さにおける反射防止膜ＡＲの各層の厚さを示す。図３（ｂ）に、実施例２の光学素子の面Ｒｇｉにおける反射率特性を示す。図３（ｂ）において、破線は中心部Ａにおける反射率特性であり、実線は周辺部Ｂにおける反射率特性である。図３（ｂ）に示すように、実施例２の光学素子ＧＲは中心部から周辺部にかけて高い反射防止性能が得られていることが分かる。
【００６５】
上記実施例１〜２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。
【００６６】
また、以下の表５に、各実施例の光学素子の、各条件式に対応した値を示す。
【００６７】
なお、各式値に対応する数値が複数ある場合、（１ａ）又は（１ｂ）式においては全数値を、（２）、（３）式においては、最も高い数値と最も低い数値を、（４）式においては最も高い数値を記載している。
【００６８】
【表５】
2016173445.tif 000010
【００６９】
（実施例３）
図４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。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１〜２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。
【００７０】
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。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。
【００７１】
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。
【００７２】
（実施例４）
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５を用いて説明する。図５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。
【００７３】
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。
【００７４】
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】
【００７５】
１０１  撮影レンズ、１０２  開口絞り、１０３  結像面
【図１】
2016173445.tif 000011
【図２】
2016173445.tif 000012
【図３】
2016173445.tif 000013
【図４】
2016173445.tif 000014
【図５】
2016173445.tif 000015