(57)【要約】【課題】  光学素子を小型化しつつ、光学素子に対し光が入射する方向による反射率の変化を小さくすること。【解決手段】  光学素子は、基板と、該基板の上に設けられる多層膜と、を有し、前記基板は、屈折率が１以上１．１以下のエアロゲルを含み、前記多層膜のうち前記基板に最も近い薄膜の屈折率と前記基板の屈折率との差は、０．４より小さい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板の上に設けられる多層膜と、を有し、
前記基板は、屈折率が１以上１．１以下のエアロゲルを含み、
前記多層膜のうち前記基板に最も近い薄膜の屈折率と前記基板の屈折率との差は、０．４より小さい、
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記基板の屈折率は、１より大きく１．０５より小さいことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記基板の消衰係数は、０以上かつ０．０５以下であ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】
前記基板は、ナノファイバーエアロゲルを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記多層膜は、消衰係数が０．５以上の薄膜を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記多層膜は、入射光の光量を低減することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記多層膜は、入射光のうち所定の波長の光を透過し、所定の波長以外の光を反射又は吸収することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記多層膜は、入射光を偏光方向が互いに直交する第１の偏光成分を有する光と第２の偏光成分を有する光とに分離することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記多層膜は、前記基板の光が入射する表面における反射率を低減することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記基板の厚さは、０．１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の光学素子を含む複数の光学素子を備えることを特徴とする光学系。
【請求項１２】
前記光学素子は、前記光学系の光路に挿脱可能に構成されることを特徴とする請求項１１に記載の光学系。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の光学系と、該光学系を保持する筐体と、を備えることを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子に関し、特に薄膜により光学的特性を付与された素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、薄膜によりさまざまな機能が付与される光学素子がある。例えば波長に応じて透過率を変えるダイクロイックフィルタ、偏光に応じて透過率を変える偏光膜などがある。
【０００３】
また、特許文献１には、屈折率が膜厚方向に連続的に変化するように薄膜が積層されたルゲートフィルタ（光学素子）が開示されている。ルゲートフィルタは、所定の波長帯域の光を遮断し、その他の波長帯域の光を透過させる特性を有している。
【０００４】
特許文献１のルゲートフィルタは、ガラス製の基板と、該基板の上に形成される薄膜と、該薄膜の上に設けられるガラス板と、により構成され、基板とガラス板とは同じ屈折率を有している。この特許文献１において、基板の他にガラス板が設けられているのは、薄膜と基板との界面（およびガラス板との界面）における屈折率差を小さくするためである。該屈折率差を小さくすることで、ガラス板から薄膜に光が入射する場合の反射率と基板から薄膜に光が入射する場合の反射率との差を小さくすることができ、入射方向によらず上述した所望のルゲートフィルタの特性を得られやすくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２９４６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献１では、薄膜の入射側にガラス板を設け、薄膜の射出側に基板を設ける必要があったため、ルゲートフィルタを小型化することが困難となり、またルゲートフィルタの製造も困難となっていた。また、基板およびガラス板の屈折率が１．８と高いため、上述した所望のルゲートフィルタの特性を正確に得ることが難しかった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、光学素子を小型化しつつ、光学素子に対し光が入射する方向による反射率の変化を小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての光学素子は、基板と、該基板の上に設けられる多層膜と、を有し、前記基板は、屈折率が１以上１．１以下のエアロゲルを含み、前記多層膜のうち前記基板に最も近い薄膜の屈折率と前記基板の屈折率との差は、０．４より小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光学素子を小型化しつつ、光学素子に対し光が入射する方向による反射率の変化を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態にかかる光学素子である。
【図２】本発明の実施例１にかかる光学素子の反射率特性である。
【図３】本発明の実施例１にかかる光学素子の透過率特性である。
【図４】本発明の実施形態にかかる光学系である。
【図５】本発明の実施形態にかかる光学機器である。
【図６】本発明の比較例としての光学素子の反射率特性である。
【図７】本発明の比較例としての光学素子の透過率特性である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態にかかる光学素子１００の要部断面図である。本発明の光学素子１００は、基板１０１と、該基板の光学面に設けられる多層膜１０２と、を有する。本実施例の光学素子１００は、例えば図５に示すような光学系の一部として構成される。ここで、基板の光学面とは、例えば物体側から光学系に入射した有効光が基板１０１に入射する面（入射面）、または、物体側から光学系に入射した有効光が基板１０１から射出する面（射出面）のことを指す。
【００１３】
本発明では基板１０１に屈折率１以上１．１以下の材料を利用することを特徴としている。基板１０１の屈折率を１以上１．１以下とすることで、例えば、多層膜１０２の基板１０１と接触する面（射出面）とは反対側の面（入射面）に空気（入射媒質）がある場合、多層膜１０２の入射面に基板１０１と同様の部材を設ける必要がなくなる。そのため、光学素子１００を小型化することができる。基板１０１の屈折率が１．１より大きいと、基板１０１と多層膜１０２との界面、および、基板１０１と空気との界面の反射によってゴーストやフレアが生じやすくなる問題がある。また、基板１０１の屈折率が１．１より大きいと、例えば該基板１０１を光学系に挿脱可能に構成した場合に、球面収差や非点収差が発生しやすくなる問題がある。また、基板１０１の屈折率が１．１より大きいと、光学素子１００に対し光が入射する方向による反射率の変化が大きくなり、入射方向によって光学素子１００の分光特性が変化してしまう問題がある。本実施例では、基板１０１の屈折率が１以上１．１以下となる基材の一例として、超低充填率のナノファイバーエアロゲルを利用した。具体的に、ベーマイトで構成されたナノファイバーを体積充填率１％未満、密度を１．２ｍｇ／ｃｍ３とした基材（ベーマイトナノファイバーエアロゲル）とした。このような基材は、可視域において屈折率１．０００３を示す。この基材屈折率は、空気に非常に近い。このように、基板１０１の屈折率は、空気に近いほうが好ましく、好ましくは基板１０１の屈折率は、１より大きく１．０５より小さく（より好ましくは、１より大きく１．０１より小さく）した方がよい。基板１０１の屈折率を１．０５より小さくすることで、基板１０１と空気（入射媒質または射出媒質）との界面での反射によって生じるゴーストやフレアをより低減することができる。また、このような基板１０１を光学系に挿脱した際に生じる球面収差や非点収差をより低減することができる。また、入射方向による反射率の変化をより小さくすることができる。また、特に、基板１０１の屈折率を１．０１より小さくすることで、基板１０１と空気（入射媒質または射出媒質）との界面での反射によって生じるゴーストやフレアをより効果的に低減することができる。また、このような基板１０１を光学系に挿脱した際に生じる球面収差や非点収差をより効果的に低減することができる。また、入射方向による反射率の変化をより効果的に小さくすることができる。したがって、この範囲に基板１０１の屈折率を設定することで、後述する光学素子１００の好ましい特性が効果的に得られるようになる。一方、ナノファイバーとして物体が存在するため、物理的な接触が可能であり、物体を保持することが可能である。
【実施例１】
【００１４】
本発明の実施例１では、上述の基板１０１と多層膜１０２を有する光学素子１００の具体的な構成例について説明する。
【００１５】
本発明の光学素子１００は、ナノファイバーエアロゲルを基板１０１に用い、かつ、該基板１０１の光学面に多層膜１０２を形成していることを特徴としている。ここで、基板１０１の厚さは、０．１ｍｍ以上かつ１０ｃｍ以下とすることが望ましい。基板１０１の厚さが０．１ｍｍより小さいと、多層膜１０２を物理的に保持することが困難になる。また、基板１０１の厚さが１０ｃｍより大きくなると、光学素子１００全体が大型化し、例えば該光学素子１００を光学系や光学機器に搭載した場合、搭載した光学系や光学機器の大型化につながる。また、本実施例では、多層膜１０２として吸収を持つ薄膜を一部含む多層膜を形成した。換言すれば、多層膜１０２は、消衰係数が所定値より大きい（例えば、消衰係数０．５以上の）薄膜（吸収薄膜）を少なくとも１つ有している。
【００１６】
吸収を持つ薄膜（吸収薄膜）を利用した場合、入射する角度が同じでもその方向によって特性が変化する。それは反射波による位相不整合が原因である。光学素子に一般的に利用される基板１０１は屈折率が高いため、例えば入射媒質を空気とした場合、空気側から入射する場合（入射側）と基板１０１側から入射する場合（基板側）で反射率が大きく変化してしまう。また、このような特性は吸収薄膜の消衰係数κが大きければ大きいほど顕著であり、特性を緩和するためには消衰係数を下げる、および／または、基板１０１を入射側にも利用（配置）するなどの対応が必要だった。
【００１７】
本発明では、基板１０１に前述したナノファイバーエアロゲルを利用した。屈折率が空気に非常に近いため、入射媒質と基板１０１の屈折率が近い。そのため、基板１０１と同じ屈折率を有する基板を入射側（すなわち、多層膜１０２の基板１０１と接触する側と反対側）に配置しなくても、入射側と基板側のどちらから光を入れても同じ特性が得られやすい。
【００１８】
本実施例１の光学素子の設計値を表１に示す。基板１０１には、可視域での屈折率が空気に非常に近い（すなわち、屈折率１．０００３の）エアロゲルを使用した。多層膜１０２（光学薄膜）は、薄膜１、薄膜２、薄膜３、薄膜４、および薄膜５からなる５層構成とした。ここで、多層膜１０２のうち基板１０１に最も近い薄膜５の屈折率と基板１０１の屈折率との差は、０．４よりも小さい。この屈折率差が０．４よりも大きいと、多層膜１０２と基板１０１との界面における反射率が大きくなり、入射方向によって光学素子の光学特性が変化する場合がある。また、界面における反射によってゴーストやフレアが発生しやすくなる。また、多層膜１０２のうち空気（入射媒質）に最も近い薄膜１の屈折率と空気の屈折率との差は、０．４よりも小さい。こうすることにより、多層膜１０２と空気（基板）との界面における反射率を小さくすることができ、ゴーストやフレアも低減することができる。本実施例１では、多層膜１０２の構成を５層構成としたが、これに限定されず、３層以上で構成されればよい。ここで、多層膜１０２は、例えば、０度入射する光に対して、偏光方向が互いに直交する第１の偏光成分（Ｐ偏光成分）を有する光と第２の偏光成分（Ｓ偏光成分）を有する光とに分離する偏光分離機能を有するものであってもよい。また、多層膜１０２は、基板１０１の光が入射する表面における反射率を低減する反射防止機能を有し、使用波長域において反射率が１％以下である波長域を有するものであってもよい。また、多層膜１０２は、入射光のうち所定の波長の光を透過し、所定の波長以外の光を反射又は吸収する波長選択機能を有するものであってもよい。ここで、本実施例１の多層膜１０２は、使用波長域において透過率が９５％以下である波長域を有する。本実施例１では、多層膜１０２を構成する薄膜３として屈折率１．８、消衰係数０．５の膜を利用した。このような薄膜３は、ＩＴＯなどの材料を酸化度・膜厚などを調整することによって得ることができる。ここで、一般的に利用される基板は屈折率が高いため、もし屈折率の高い基板に多層膜が形成される場合、多層膜を構成する薄膜のうち消衰係数が０．５以上の薄膜があるときは、入射側と基板側で反射率が大きく変化してしまう。一方、基板１０１の消衰係数は、０以上かつ０．０５以下であることが望ましい。基板１０１の消衰係数を０以上かつ０．０５以下とすることで、多層膜１０２の分光特性に与える影響を低減することができる。基板１０１の消衰係数が０．０５より大きいと光の吸収が大きくなり透過光が減少するため、光学素子１００において設計した所定の透過率特性が得られなくなる虞がある。本実施例１の光学素子の反射率特性を図２に、透過率特性を図３に示す。図２より、基板側、入射側ともに反射率は数％以下であることが分かる。また、図３より、本実施例１の光学素子の透過率は５０％前後であり、多層膜１０２は入射する光の光量を低下させる機能を有することが分かる。すなわち、本実施例１の光学素子は、入射光の光量を半分に低減するＮＤフィルタとして利用できることが分かる。このように、基板に空気に近い屈折率を持つ基材を利用することで、入射方向によらず一定の特性を得ることができる。
【００１９】
【表１】
2017142314.tif 000003
【実施例２】
【００２０】
本発明の実施例２では、上記実施例にかかる光学素子を用いた光学系について説明する。
【００２１】
図４は、本発明の実施例２にかかる光学系４００の断面図である。光学系４００は、実施例１に示した光学素子を有している。図４に示すように、光学系（結像光学系）４００は、複数のレンズ（レンズ群）と、光学素子４０１と、光学絞り４０２と、結像面４０３と、を有する。ここで、光学素子４０１は、実施例１で説明した光学素子１００である。図内左側、つまり物体側から入射した光を光学絞り４０２によって光束を限定し、結像面４０３へ物体像を結像する。また、光学系４００の構成を以下の表２に示す。
【００２２】
本実施例の光学素子４０１は結像光学系４００の内部に挿脱することができる。すなわち、光学素子４０１は、結像光学系４００の光路（光軸上）に挿脱可能に構成される。ここで、光学素子４０１に実施例１の光学素子１００を適用した場合、ＮＤフィルタとして光量を落とす効果を付与することができる。また、このような結像光学系４００に屈折率の高い基板を挿脱すると、挿脱による光路長変化で結像光学系４００の収差に影響を及ぼしてしまう。しかし、本実施例の光学素子４０１は基板１０１の屈折率が空気に近いため、結像関係に影響を及ぼすことなく多層膜１０２の機能のみを結像光学系４００に付与することができる。
【００２３】
本実施例では一例として、望遠タイプの光学系の内部に光学素子を挿脱する例を挙げたが、本発明はこれに限定されず、その要旨の範囲内で広角系、ズーム系など種々の変形及び変更が可能である。
【００２４】
(表２)
単位 mm
面データ
面番号       r        d      nd         vd
1        251.287   16.40   1.48749    70.4           
2       -569.439   47.74                             
3        134.398   21.28   1.43387    95.1           
4       -239.479    0.24                             
5       -237.555    4.00   1.61340    44.3           
6        178.770   17.18                             
7         76.688   14.20   1.43387    95.1           
8        318.525    1.03                             
9         60.263    6.00   1.51633    64.1           
10         47.352   22.04                               
11      -1630.821    4.00   1.92286    18.9           
12       -301.810    3.20   1.65412    39.7           
13        149.471   45.57                               
14(絞り)    ∞       8.36                             
15        327.772    2.18   1.72047    34.7           
16         40.638   10.87   1.72916    54.7           
17       -927.465   10.02                            
18        103.249    5.93   1.84666    23.8           
19       -133.810    1.71   1.71300    53.9           
20         45.777    5.62                             
21       -155.221    1.67   1.88300    40.8           
22        121.068    6.32                               
23        137.098    3.35   1.74950    35.3           
24       -256.865    5.53                             
25         85.030    7.34   1.65412    39.7           
26       -133.787    2.00   1.92286    18.9           
27      -3193.452   21.53                             
28          ∞       2.20   1.51633    64.1           
29          ∞      28.53                             
30          ∞      39.00                               
像面        ∞   
各種データ
焦点距離     390.06  
Fナンバー      2.90  
画角           3.17  
像高          21.64  
レンズ全長   365.05  
BF            39.00  
【実施例３】
【００２５】
本発明の実施例３では、上記実施例にかかる光学素子（または、それを有する光学系）を備えた光学機器について説明する。
【００２６】
図５は、本発明の実施例３にかかる光学機器５００の概略構成図である。本実施例では、光学機器としてデジタルカメラを適用する例を説明する。ここで、光学機器５００は、実施例２で説明した光学系４００と、該光学系を保持する筐体と、を有する。
【００２７】
図５に示すように、光学機器（以下、カメラ本体という）５００は、撮像光学系５０１を有する。ここで、撮像光学系５０１は、実施例２で説明した光学系４００である。また、カメラ本体５００は、該カメラ本体５００に内蔵され、撮像光学系５０１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）５０２を有する。
【００２８】
また、カメラ本体５００は、固体撮像素子５０２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５０３と、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５０２上に形成された被写体像を観察するための表示素子５０４を有する。
【００２９】
撮像光学系５０１には挿脱できる窓が形成されており、例えば実施例１で説明した光学素子を実施例２で説明したように光学系内に挿脱することが可能である。また、挿脱することにより、撮像光学系５０１の光学性能に影響を与えずに多層膜１０２の特性を撮像光学系５０１に付与することが可能である。
（比較例）
図６および７は、本発明の比較例としての光学素子の反射率特性および透過率特性を示すグラフである。
【００３０】
本発明の比較例としての光学素子は、表３に示す多層膜構成を有する。薄膜３は実施例１と同様の消衰係数を持つ薄膜を利用した。比較例の光学素子の反射率特性を図６に、透過率特性を図７に示す。本発明の実施例１と比較して、反射率が入射方向によって数％変化している様子が分かる。また、基板の屈折率が大きいため、光学系に挿脱すると光学素子の屈折による球面収差や非点収差が発生してしまい、光学性能に影響を及ぼしてしまう。基板の裏面も空気との屈折率差により反射率が大きくなってしまうため、別途反射防止膜を設ける必要がある、などの課題がある。
【００３１】
【表３】
2017142314.tif 000004
【００３２】
以上説明したように、本発明によれば、光学素子を小型化しつつも光学素子を簡易に製造することができるとともに、光学素子に対し光が入射する方向による反射率の変化を小さくすることができる。すなわち、純粋に光学的な薄膜の特性のみを示す光学素子を提供することができる。
【００３３】
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。
【００３４】
例えば、上記実施例では、光学素子としてＮＤフィルタを適用する例を示したが、本発明はこれに限定されず、ノッチフィルタ、バンドパスフィルタ、ルゲートフィルタなどを適用することもできる。また、この光学素子を有する光学系は、結像光学系、撮像光学系、走査光学系、投射光学系を含み、顕微鏡、双眼鏡、カメラ、ビデオカメラ、複写機、プリンター、プロジェクタ、ヘッドマウントディスプレイ等の光学機器に使用することができる。このように、本発明の実施例にかかる光学素子（または、それを有する光学系）は、多くの光学機器で使用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１００      光学素子
１０１      基板
１０２      多層膜
【図１】
2017142314.tif 000005
【図２】
2017142314.tif 000006
【図３】
2017142314.tif 000007
【図４】
2017142314.tif 000008
【図５】
2017142314.tif 000009
【図６】
2017142314.tif 000010
【図７】
2017142314.tif 000011