(57)【要約】      （修正有）【課題】表面の形状が変化する光学素子において、ピッチの変形を考慮した構造設計をすることで、より高い反射防止機能を有する光学素子を提供する。【解決手段】光学素子は光学面を少なくとも一面有しており、かつ光学面は電気信号などの刺激により曲率半径が２倍以上変化し、かつ光学面の表面には可視光の光よりも細かい構造からなる反射防止構造体が形成されていて、微細構造のピッチは光学面の変形に合わせて1.1倍以上変化し、かつ以下の条件式を満たす。但し、ここでpmaxは光学面の曲率半径の絶対値が最小となったときの微細構造のピッチ、λは可視光の波長、naは構造体を形成する材料の屈折率とする。2017223756.tif 000013【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子において、
該光学素子は光学面を少なくとも一面有しており、
かつ該光学面は電気信号の刺激により曲率半径が２倍以上変化することを特徴とし、
かつ該光学面の表面には可視光の光よりも細かい構造からなる反射防止構造体が形成されていることを特徴とし、
かつ該微細構造のピッチは該光学面の変形に合わせて1.1倍以上変化し、かつ以下の条件式を満たすことを特徴とする光学素子。ただしここでpmaxは該光学面の曲率半径の絶対値が最小となったときの該微細構造のピッチ、λは可視光の波長、naは構造体を形成する材料の屈折率とする。
【数１】
2017223756.tif 000010
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子において、
前記光学素子の前記微細構造体の構造充填率ｆｆの変化が１．０５倍未満の場合、
以下の条件式を満たすことを特徴とする光学素子。ただしここでnsは前記光学素子の屈折率、ffmaxは微細構造体の最大の構造充填率とする。
【数２】
2017223756.tif 000011
【請求項３】
請求項１に記載の光学素子において、
前記光学素子の前記微細構造体の構造充填率ｆｆの変化が１．０５倍以上の場合、
以下の条件式を満たすことを特徴とする光学素子。ただしここでnsは前記光学素子の屈折率、ffmaxは微細構造体の最大の構造充填率とする。
【数３】
2017223756.tif 000012
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の光学素子において、
前記光学素子と前記微細構造の材料が異なることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光学素子を利用した光学系および光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子に関し、特に曲面を任意に変形させる光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、結像光学系では所望の焦点距離や収差を満たすために、多くの光学素子が使用されている。これらの光学素子は、例えば変倍や焦点合わせのために内部で駆動するものが多い。一般的にはこれらの光学素子はガラスからなっており、駆動したときには光学素子の位置を変化させることが多い。
【０００３】
一方、特許文献１には、光学素子表面が変形することにより特性を変化させることを特徴とする可変焦点レンズが開示されている。素子表面が自ら変形することにより、従来の素子の移動に必要な電磁モータを不要にできるため、光学系を小型化することができる。
【０００４】
また、非特許文献１には、素子表面が変形する素子において、表面の反射防止性能を付与するために光の波長よりも細かい構造を利用した微細構造層を形成することが開示されている。光の波長よりも細かい構造では、光はその構造を認識できずに一様な媒質と同じように振る舞うことが知られている。このような構造では低屈折率な膜と同様な振る舞いを示すため、反射防止機能を付与することができる。また、素子表面が変形する場合、反射防止として一般的な薄膜だと材料によっては膜割れ、シワが発生してしまう。そこで微細構造を利用すると、ひび割れの影響を無くして反射防止性能を付与することができると開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１１４６０８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Antireflective “moth-eye”structures on tunable optical silicone membranes、Applied optics, vol.51, no. 19, 2012平成８年８月、第45巻、第４号、p. 133―138、140
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の特許文献１に開示された従来技術では、レンズ表面の反射防止機能に関して触れておらず、十分な光量を稼ぐことができない。また、上述の非特許文献１では微細構造の反射防止機能を利用しているが、レンズ表面が変形したときの微細構造のピッチの変化については触れていない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、光学素子の表面の形状が変化する光学素子において、ピッチの変形を考慮した構造設計をすることで、より高い反射防止機能を有する光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明に係る光学素子は、
光学素子において、
該光学素子は光学面を少なくとも一面有しており、
かつ該光学面は電気信号などの刺激により曲率半径が２倍以上変化することを特徴とし、
かつ該光学面の表面には可視光の光よりも細かい構造からなる反射防止構造体が形成されていることを特徴とし、
かつ該微細構造のピッチは該光学面の変形に合わせて1.1倍以上変化し、かつ以下の条件式を満たすことを特徴とする。
ただしここでpmaxは該光学面の曲率半径の絶対値が最小となったときの該微細構造のピッチ、λは可視光の波長、naは構造体を形成する材料の屈折率とする。
【００１０】
【数１】
2017223756.tif 000002
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高性能な反射防止性能を付与された光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明にかかる光学素子
【図２】光学面に形成される反射防止構造体
【図３】式（４）の左辺と入射角度に対するＳ偏光反射率
【図４】光学面の変化に対する反射防止構造体の形状変化
【図５】光学面の変化に対する反射防止構造体の形状変化
【図６】反射防止構造体のピッチとffに対するＳ偏光反射率
【図７】実施例１の反射率特性
【図８】実施例２の反射率特性
【図９】比較例の反射率特性
【図１０】デジタルカメラ
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１は本発明の実施形態にかかわる光学素子の断面図である。
【００１５】
図１において、１００は光学素子、１０１、１０２は光学面、１０３は光学面１０１の変化後の面である。光学素子１００は光学面１０１の形状が光学面１０１から光学面１０３と変化する。光学面１０１はパワーが弱く、曲率半径は大きい。また、光学面１０３はパワーは強く、曲率半径は小さい。このパワーの変化量は任意に設定でき、例えば焦点距離を２０ｍｍから１２０ｍｍに可変できるデバイスが市販されている(Opto tune社製: EL-10-30シリーズ)。
【００１６】
本発明では光学面１０１に可視光の波長よりも細かい構造からなる微細構造層が形成されていることを特徴としている。入射する光の波長よりも細かい構造は、その光にとって構造そのものを認識できずに一様な媒質と同等な振る舞いを示すことが知られている。そのような微細構造の概略図を図２に示す。ここで、２０１は基板、２０２は反射防止構造体、２０３は反射防止構造体２０２の構造間のピッチ、２０４は反射防止構造体２０２の構造部である。
【００１７】
構造体２０２は、その構造をなす材料の体積比に準じた特性を示す。図２の構成を例にとると、構造体２０２の等価屈折率neffは、式（１）と式（２）で求めることができる。
【００１８】
【数２】
2017223756.tif 000003
【００１９】
【数３】
2017223756.tif 000004
【００２０】
ここでpは構造間のピッチ２０３、λは光の波長、ffは、｛（構造部２０４）／（構造間のピッチ２０３）｝で求められる構造充填率である。このffを適切に選択することで、等価屈折率neffは低屈折率を実現することができる。従来使用される薄膜材料で最も低屈折率な膜はフッ化マグネシウムであり、可視域でおよそ１．３８である。それ以上の低屈折率を実現できるため、より良好な反射防止性能を実現することができる。
【００２１】
本発明では、反射防止構造体２０２のピッチpは光学面１０１、１０３の変形に合わせて１．１倍以上変化することを特徴としている。光学面１０１、１０３の表面に形成される反射防止構造体２０２は、微細構造の数は変化しない。一方、光学面１０１、１０３の変化に伴い光学面同士の面積が変化する。そのため、その面積に準じて反射防止構造体２０２のピッチも変化すると考えられる。
【００２２】
また、（２）式から分かるように、ピッチpはneffに影響を与え、ピッチpが大きくなるとneffも大きくなる。光学面１０１、１０３に上方から光が入射する場合、ピッチpの変化に伴い光学面１０１、１０３への光の入射角が変化する。そのため、光学面１０１、１０３の変化に合わせて屈折率が変化することが望ましい。
【００２３】
本発明では、以下の（３）式を満たすことを特徴としている。
【００２４】
【数４】
2017223756.tif 000005
【００２５】
ここでpmaxは光学面１０１の曲率半径の絶対値が最小となったときの反射防止構造体２０２のピッチpである。光学面１０１が曲率半径の絶対値が最小となったとき、光学面１０１の表面積は最大となる。そのため、微細構造のピッチpは最大となる。反射防止構造体２０２が一様な媒質として機能するためには、（３）式の条件を満たす必要がある。また、（２）式より、ピッチの変化の影響により屈折率を変化させるためには、pmaxが小さすぎないほうが好ましい。そのため、pmaxは（３）式を満たすことが好ましい。
【００２６】
また、本発明では電気信号などの刺激により光学面１０１の曲率半径が２倍以上変化することを特徴としている。光学面１０１の変化が乏しい場合、光学面１０１に入射する光の入射角の変化が小さくなる。そのため、反射防止構造体２０２の屈折率の変化は不要となる。
【００２７】
また、本発明では反射防止構造体２０２のピッチｐだけでなく、構造充填率ffが変化していても良い。
【００２８】
例えば光学素子１００の基材の表面の反射防止構造体２０２を基板２０１と同じ材料で形成した場合、基板２０１の表面積の変化に応じて微細構造も変化する。そのイメージ図を図４に示す。ここで４０１、４１１は基板、４０２、４１２は反射防止構造体、４０３は反射防止構造体４０２の構造間のピッチ、４１３は反射防止構造体４１２のピッチ、４０４は反射防止構造体４０２の構造部、４１４は反射防止構造体４１２の構造部である。同じ材料から形成された場合、基板４１１の延伸に伴い、反射防止構造体４０２も延伸する。これは、同じ材料から構成されるために靭性が等しく、同じ力が加わった場合に同じ比率で延伸するためである。そのため、反射防止構造体４０２のffとなる｛（構造部４０４）／（構造間のピッチ４０３）｝と反射防止構造体４１２のffとなる｛（構造部４１４）／（構造間のピッチ４１３）｝は等しい値になる。
【００２９】
一方、反射防止構造体２０２を基板２０１と異なる材料で形成した場合、基板２０１の表面積の変化に応じて微細構造の変化は異なる。そのイメージ図を図５に示す。ここで５０１、５１１は基板、５０２、５１２は反射防止構造体、５０３は反射防止構造体５０２の構造間のピッチ、５１３は反射防止構造体５１２のピッチ、５０４は反射防止構造体５０２の構造部、５１４は反射防止構造体５１２の構造部である。このとき、反射防止構造体５０２は基板５０１の表面積の変化に伴い、変形しない場合を表している。異なる材料で構成される場合、靭性が異なる。よって、同じ力が加わってもピッチ５０３と微細構造５０４の変化量は異なってしまう。そのため、そのため、反射防止構造体５０２のffとなる｛（構造部５０４）／（構造間のピッチ５０３）｝と反射防止構造体５１２のffとなる｛（構造部５１４）／（構造間のピッチ５１３）｝は異なる値となる。
【００３０】
本発明は、基本的には基板５１１の屈折率と反射防止構造部５１２が所望の範囲を示していれば高性能な反射防止性能が期待できる。そのため、基板５１１と反射防止構造部５１２が異なる材料から形成されていてもよい。その場合、式（４）は基板５１１の曲率半径の絶対値が最小の際に満たしていることが望ましい。
【００３１】
また、本発明では光学素子１００の反射防止構造体２０２の構造充填率ｆｆの変化量が１．０５倍未満の場合、以下の条件式を満たすことを特徴としている。
【００３２】
【数５】
2017223756.tif 000006
【００３３】
ここでnsは光学素子１００の基板の屈折率、ffmaxは反射防止構造体２０２の最大のffである。基板nsをポリカーボネイト(屈折率1.58)として、式（４）の左辺に対するＳ偏光の最小反射率の計算値を図３に示す。ここで、最小反射率とは反射防止構造体２０２で各角度にて干渉する光の光路長差がλ／２となるときの反射率のことである。図３の紋様部分は、最小反射率が０．０１％以下となる領域である。図３を見ると、式（４）の左辺が１．５８付近で低入射角の反射率は０．０１％以下となる。また、入射角を大きくすると、この０．０１％以下の領域が低い値を示すようになる。このカーブを考慮すると、入射角が大きくなったとき、１．５８以下の領域では屈折率が高い方が反射率が低くなることが分かる。図３では説明のために０．０１％以下の領域のみを提示したが、反射率は式（４）の左辺、並びに入射角度に対して連続的に変化する。そのため、図３の紋様部分が最低となりかつそこに向かうにつれ反射率は低くなる傾向が有る。
【００３４】
式（４）の左辺は反射防止構造体２０２のピッチpの関数となっている。ピッチpは光学面１０１の曲率半径が小さくなると、表面積の増大に合わせて大きくなる。また、曲率半径が小さくなると、光学面１０１に入射する光は入射角が大きくなる。そのため、ピッチpが大きくなる光学面１０１の条件では、光の入射角は大きくなる。そこで式（４）を満たすffを選択することで、図３に示すように入射角増大に合わせてピッチが増大し、その増大に合わせて最小反射率が低くなる膜構成を選択することができるようになる。
【００３５】
また、本発明では光学素子１００の反射防止構造体２０２の構造充填率ffの変化量が１．０５倍以上の場合、以下の条件式を満たすことを特徴としている。
【００３６】
【数６】
2017223756.tif 000007
【００３７】
（５）式を説明するために、反射防止構造体２０２のピッチ２０３と構造充填率ffに対するS偏光の０度反射率の推移を図６に示す。ここで基板２０１の屈折率はポリカーボネート(ns＝１．５８)とした。中心の網目模様部分は反射率が0.2%以下の部分であり、白黒と反転する毎に反射率が0.2%ずつ上昇する。これを見ると、網目模様よりffが大きい領域では、ピッチ２０３が増大する毎に反射率は増大する傾向にある。一方、ffが小さい領域ではピッチが増大する毎に反射率は減少する傾向にある。これは（４）式を表しており、（４）式の範囲が表す図６の網目模様よりffが低い領域になれば、曲率半径が小さくなるとピッチ２０３が大きくなり、ピッチ２０３が大きくなると反射率が低減するという様子が分かる。
【００３８】
また、ピッチの変化とffの変化を見ると、ffの変化の方が特性への影響は大きい。（５）式の範囲が示す図６の網目模様よりffが高い領域になれば、曲率半径が小さくなるとffが小さくなり、ffが小さくなると煩瑣y率が低減するという様子が分かる。
【００３９】
このように、式（５）の条件を満たすことで、光学面１０１の曲率半径が変化すると特性が変化する様子が分かる。
【００４０】
反射防止構造体２０２を得るには、種々の方法が提案されている。例えばＥＢやフォトリソに代表されるパターニング技術によってマスクを形成し、表面を異方性エッチングによって削り出す方法、ナノインプリントによって表面に微細な構造を転写する方法、コーティングの自己成長等が挙げられる。本発明は可視光の波長よりも細かいピッチ２０３を持つ構造で有れば、それらの作製方法に限定されず使用可能である。
【００４１】
また、光学面１０１が変形する素子についても種々の手法が提案されている。高分子材料を力学的に可変する素子や液体レンズ、人工筋肉を応用したレンズなどが提案されている。本発明では、光学面１０１の曲率半径が２倍以上変化している光学素子ならば、それらの素子に限定されず使用可能である。
【００４２】
以下に、詳細な数値例を提示して実施例を説明する。ただし、本発明はその要旨の範囲内で変形及び変更が可能であり、これらの実施形態には限定されない。なお、実施例１〜４の各パラメータを表１に、比較例１の各パラメータを表２に示す。
【００４３】
【表１】
2017223756.tif 000008
【００４４】
【表２】
2017223756.tif 000009
【実施例１】
【００４５】
基板２０１にポリカーボネートを利用し、微細構造を形成した。微細構造２０３は基板２０１の表面にをナノインプリントによって形成した。光学面１０１の曲率半径は６３．６ｍｍから１０．６ｍｍまで変形し、光学面１０２は平面とした。光学素子１００の焦点距離は、２０ｍｍから１２０ｍｍまで変化する。基板２０１と反射防止構造体２０２の材料が等しいため、光学面１０１の変化に対してffは変化しなかった。ffを０．１８としたところ、光学面１０１の形状毎の６０度入射の反射率は図７となった。曲率半径の大小で反射率に差が出ている。光学素子１００の素子上方から平行光が入射した場合、素子の変形に合わせて反射率の変化が好ましい方向に変化している。
【実施例２】
【００４６】
基板２０１にポリカーボネートを利用し、微細構造を形成した。微細構造２０３は基板２０１の上に酸化マグネシウム（ｎ＝１．７２）を成膜し、リソグラフィ手法を用いて形成した。光学面１０１の曲率半径は６３．６ｍｍから１０．６ｍｍまで変形し、光学面１０２は平面とした。光学素子１００の焦点距離は、２０ｍｍから１２０ｍｍまで変化する。基板２０１と反射防止構造体２０２の材料は異なるため、光学面１０１の変形に対してffはその比に準じて変化した。ffを０．１８としたところ、光学面１０１の形状毎の６０度入射の反射率は図８となった。曲率半径の大小で反射率に差が出ている。光学素子１００の素子上方から平行光が入射した場合、素子の変形に合わせて反射率の変化が好ましい方向に変化している。
【比較例】
【００４７】
基板２０１にポリカーボネートを利用し、微細構造を形成した。微細構造２０３は基板２０１の表面にをナノインプリントによって形成した。光学面１０１の曲率半径は６３．６ｍｍから１０．６ｍｍまで変形し、光学面１０２は平面とした。光学素子１００の焦点距離は、２０ｍｍから１２０ｍｍまで変化する。反射防止構造体２０２のピッチ２０３とｆｆには変化は無かった。
【００４８】
ffを０．１８としたところ、光学面１０１の形状毎の６０度入射の反射率は図９となった。光学面１０１の変化に合わせて、反射率は変化しない。光学面１０１の変化に伴って光の入射角は変化するため、このような光学素子の透過率には改善の余地がある。
【実施例３】
【００４９】
本発明の光学素子１００を利用した光学機器の例として、図１０に本実施例の表示装置を用いたデジタルカメラを示している。
【００５０】
１０００はカメラ本体、１００１は本発明にかかる光学素子を利用した撮像光学系である。１００２はカメラ本体１０００に内蔵され、撮像光学系１００１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。１００３は固体撮像素子１００２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、１００４は表示装置である。
【００５１】
撮像光学系１００１は、光学面１０１が変形するため小型化が可能となる。また、変形する光学面１０１に本発明の反射防止構造体２０２を形成することで、膜割れ、シワの発生を防ぐことができ、かつ光学面１０１の変形に合わせて高性能な透過率を得ることができる。
【００５２】
そのため、本発明の光学素子１００を利用することで、取得光量が改善されたデジタルカメラ１０００を提供することができる。
【００５３】
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。
【符号の説明】
【００５４】
１００  光学素子、１０１,１０２  光学面、１０３  光学面１０１の変化後の面、
２０１，４０１，４１１，５０１，５１１  基板、
２０２，４０２，４１２，５０２，５１２  反射防止構造体、
２０３，４０３，４１３，５０３，５１３  構造間のピッチ、
２０４，４０４，４１４，５０４，５１４  構造部、１０００  カメラ本体、
１００１  撮像光学系、１００２  固体撮像素子、１００３  メモリ、
１００４  表示装置
【図１】
2017223756.tif 000014
【図２】
2017223756.tif 000015
【図３】
2017223756.tif 000016
【図４】
2017223756.tif 000017
【図５】
2017223756.tif 000018
【図６】
2017223756.tif 000019
【図７】
2017223756.tif 000020
【図８】
2017223756.tif 000021
【図９】
2017223756.tif 000022
【図１０】
2017223756.tif 000023