(57)【要約】【課題】  光の入射方向によらずフレアやゴーストの発生を低減できる光学素子を実現することである。【解決手段】  基板１に第１の凹凸構造体１１を形成し、第１の凹凸構造体１１と基板１との間に第２の凹凸構造体１２を形成する。第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２は凹凸構造を備え、基板１よりも大きな消衰係数を有する。【選択図】  図１
2017134362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板よりも消衰係数の大きな第１の凹凸構造体と、
前記基板と前記第１の凹凸構造体との間に形成され、前記基板よりも消衰係数の大きな第２の凹凸構造体と、
を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１の凹凸構造体の前記第２の凹凸構造体に最も近い面における実効的な複素屈折率をＮｅ１、前記第２の凹凸構造体の前記第１の凹凸構造体に最も近い面における実効的な複素屈折率をＮｅ２としたとき、
｜Ｎｅ１−Ｎｅ２｜≦０．２
なる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。
【請求項３】
前記第２の凹凸構造体の高さ方向に垂直な面における前記第２の凹凸構造体の断面積は、前記第１の凹凸構造体から離れるにつれて減少してい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】
前記第１の凹凸構造体の高さ方向に垂直な面における前記第１の凹凸構造体の断面積は、前記第２の凹凸構造体に近づくにつれて増大していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１の凹凸構造体および前記第２の凹凸構造体は、共にアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１の凹凸構造体および前記第２の凹凸構造体は、共に可視光の波長よりも小さい構造周期を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第１の凹凸構造体および前記第２の凹凸構造体が形成されている吸光領域と、前記第１の凹凸構造体および前記第２の凹凸構造体が形成されていない透光領域とを有する特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記吸光領域と、前記透光領域とをそれぞれ複数有し、
複数の前記透光領域と複数の前記吸光領域は、それぞれ非周期的に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
【請求項９】
前記吸光領域の占有率は前記前記第１の凹凸構造体の高さ方向に垂直な方向に変化していることを特徴とする請求項７または８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記透光領域には、可視光の波長よりも小さい構造周期を有する凹凸構造体が形成されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記第１の凹凸構造体および前記第２の凹凸構造体のいずれよりも小さい消衰係数の固体媒質をさらに有し、
前記第１の凹凸構造体は、前記固体媒質と前記第２の凹凸構造体との間に形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記固体媒質は、前記基板と同じ材料からなることを特徴とする請求項１１に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記第１の凹凸構造体と前記第２の凹凸構造体との間に、中間層がさらに形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記基板はレンズであることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１５】
第１の方向において消衰係数が一定である第１の層と、
前記第１の方向において消衰係数が漸増する第１のグレーデッド層と、
前記第１の方向において消衰係数が漸減する第２のグレーデッド層が、
前記第１の方向に順に形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項１６】
前記第１の層はレンズであることを特徴とする請求項１５の光学素子。
【請求項１７】
複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子のうち少なくとも１つは請求項１乃至１６のいずれか一項に記載された光学素子であることを特徴とする光学系。
【請求項１８】
絞りと、前記絞りの光入射側と光出射側に少なくとも１つずつ配置された請求項１乃至１６のいずれか一項に記載された光学素子と、を有することを特徴とする光学系。
【請求項１９】
撮像素子と、請求項１７または１８に記載の光学系とを有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２０】
撮像装置本体に対して着脱可能であり、請求項１７または１８に記載の光学系を有することを特徴とするレンズ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等の光学系に用いられる光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラ等の撮像装置の光学系に用いられる光学素子の一つとして、透過光量を制限するＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタが知られている。ＮＤフィルタの各界面で反射した反射光はゴーストの発生要因となり得るため、画像品位を向上させるためには、ＮＤフィルタの反射率を低減する必要がある。
【０００３】
特許文献１には、基板よりも消衰係数の大きな顔料を含有した無数の突起からなる凹凸構造体を基板の両面に形成することにより、反射率を低減したＮＤフィルタが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２５６５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載された構成では、基板の消衰係数と突起の消衰係数とが相違するため、基板から突起へ入射した光は、空気から突起へ入射した光と比較して強く反射されてしまう。そのため、図１７に示すように、光学素子に対して斜めに入射した光は光学素子の内部で多重反射することにより、複数の光路で光学素子を透過することになる。
【０００６】
基板として薄い平板を用いる場合、図１７に例示した複数の光路の差はさほど大きくならないため、画像品位に与える影響は小さい。しかしながら、レンズなどの比較的厚い光学素子に特許文献１に記載された構成を適用した場合、光学素子内での多重反射によって生じる光路の差が大きくなってしまい、フレアやゴーストの要因となるおそれがある。
【０００７】
本発明の目的は、光の入射方向によらずフレアやゴーストの発生を低減できる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】
【０００８】
本発明の光学素子は、基板と、前記基板よりも消衰係数の大きな第１の凹凸構造体と、前記基板と前記第１の凹凸構造体との間に形成された、前記基板よりも消衰係数の大きな第２の凹凸構造体と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光の入射方向によらずフレアやゴーストの発生を低減できる光学素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態におけるＮＤフィルタの概略図である。
【図２】中間層が形成された場合のＮＤフィルタの概略図である。
【図３】ＮＤフィルタの斜視図である。
【図４】凹凸構造体の先端を拡大した図である。
【図５】数値実施例４におけるＮＤフィルタの分光透過率および分光反射率を示した図である。
【図６】実施例２におけるＮＤフィルタの概略図である。
【図７】実施例２におけるＮＤフィルタの斜視図である。
【図８】実施例２におけるＮＤフィルタにおいて中間層が形成された場合の概略図である。
【図９】数値実施例１２におけるＮＤフィルタの分光透過率および分光反射率を示した図である。
【図１０】グラデーション型ＮＤフィルタの概略図である。
【図１１】グラデーション型ＮＤフィルタの一部を拡大して示した図である。
【図１２】透光領域を示した概略図である。
【図１３】透光領域の斜視図である。
【図１４】グラデーション型ＮＤフィルタの変形例を示した概略図である。
【図１５】光学系の概略図である。
【図１６】撮像装置の概略図である。
【図１７】従来のＮＤフィルタにおける光路を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は本実施形態における光学素子としてのＮＤフィルタ１００の一部を示した概略図である。
【００１３】
ＮＤフィルタ１００は、基板１と、第１の凹凸構造体１１と、基板１と第１の凹凸構造体１１との間に形成された第２の凹凸構造体１２と、を有する。
【００１４】
第１の凹凸構造体１１は、複数の突起部２からなる。第１の凹凸構造体１１は、可視光の波長以下よりも小さいｐ１なる構造周期を有する。ここで、構造周期とは、最近接の先端同士の距離の平均値である。また、第１の凹凸構造体１１の構造高さはｈ１である。構造高さとは、第１の凹凸構造体１１の最底面２ｂから第１の凹凸構造体１１の先端２ａまでの距離の平均値である。なお、第１の凹凸構造体１１の最底面２ｂとは、第１の凹凸構造体１１の、第２の凹凸構造体１２に最も近い面である。突起部２の消衰係数は基板１よりも大きく、第１の凹凸構造体１１は入射光の一部を吸収する。
【００１５】
第２の凹凸構造体１２は、第１の凹凸構造体１１と基板１との間に形成された複数の突起部３からなる。第２の凹凸構造体１２は、可視光の波長よりも小さいｐ２なる構造周期を有する。また、第２の凹凸構造体１２の最底面３ｂから先端３ａまでの距離の平均値である第２の凹凸構造体１２の構造高さはｈ２である。なお、第２の凹凸構造体１２の最底面３ｂとは、第２の凹凸構造体１２の、第１の凹凸構造体１１に最も近い面である。
【００１６】
突起部３の消衰係数は基板１よりも大きく、第２の凹凸構造体１２は入射光の一部を吸収する。すなわち、ＮＤフィルタ１００は、第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２が入射光の一部を吸収することで、ＮＤフィルタとして機能する。
【００１７】
なお、図１では、ｐ１とｐ２が等しい場合を図示しているが、本発明はこれに限定されない。ｐ１とｐ２とは異なる値であっても良い。また、図２に示すように、第１の凹凸構造体１１と第２の凹凸構造体１２との間に中間層１３を設けても良い。
【００１８】
［反射防止効果について］
本実施形態では、ＮＤフィルタ１００の表面における反射光と、ＮＤフィルタ１００の内部における反射光の両方を低減することで、入射方向によらずフレアやゴーストの発生を低減している。以下にその詳細について説明する。
【００１９】
図３にＮＤフィルタ１００の斜視図を示す。第１の凹凸構造体１１を構成する突起部２は、最底面２ｂを最も大きな底面とする錐台形状を有する。そのため、第１の凹凸構造体１１の高さ方向に垂直な面における第１の凹凸構造体１１の断面積は、第２の凹凸構造体１２に近づくにつれて増大している。従って、第１の凹凸構造体１１の占有率は、第２の凹凸構造体１２に近づくにつれて増大する。
【００２０】
ここで、第１の凹凸構造体１１の占有率とは、第１の凹凸構造体１１の高さ方向に垂直な面に対して第１の凹凸構造体１１が占める面積の割合である。
【００２１】
一方、第２の凹凸構造体１２を構成する突起部３は基板１と第１の凹凸構造体１１との間に形成されており、最底面３ｂを最も大きな底面とする錐台形状を有する。そのため、第２の凹凸構造体１２の高さ方向に垂直な面における第２の凹凸構造体１２の断面積は、第１の凹凸構造体１１に近づくにつれて増大している。従って、第２の凹凸構造体１２の占有率は、第１の凹凸構造体１１に近づくにつれて増大する。
【００２２】
ここで、第２の凹凸構造体１２の占有率とは、第２の凹凸構造体１２の高さ方向に垂直な面に対して第２の凹凸構造体１２が占める面積の割合である。
【００２３】
微細な凹凸構造を有する構造体に光が入射した場合、その凹凸構造を平均化した媒質とみなして光の挙動を考えることができる。このような平均化した媒質の実効的な屈折率と実効的な消衰係数は、その構造体の占有率に応じて変化する。
【００２４】
そこで、前述のような占有率の変化を示す第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２を有するＮＤフィルタ１００に、空気側から光が入射した場合（図１において矢印Ｙ１のように光が入射した場合）を考える。
【００２５】
第１の凹凸構造体１１の先端２ａから最底面２ｂにかけて、第１の凹凸構造体１１の占有率を反映して、実効的な消衰係数は漸増する。次に、実効的な消衰係数は、第２の凹凸構造体１２の最底面３ｂから先端３ａにかけて、第２の凹凸構造体１２の占有率を反映して漸減する。
【００２６】
このため、第２の凹凸構造体１２の占有率が変化している部分は、実効的な消衰係数が漸増する第１のグレーデッド層Ｌ２として機能する。また、第１の凹凸構造体１１の占有率が変化している部分は、実効的な消衰係数が漸減する第２のグレーデッド層Ｌ３として機能する。すなわち、ＮＤフィルタ１００は、厚さ方向において消衰係数が一定である層Ｌ１と、第１のグレーデッド層Ｌ２と、第２のグレーデッド層Ｌ３が、順に形成されていると見ることもできる。
【００２７】
一方、実効的な屈折率は、第１の凹凸構造体１１の先端２ａから最底面２ｂにかけて、第１の凹凸構造体１１の占有率の変化を反映して空気の屈折率から徐々に変化していく。次に第２の凹凸構造体１２の最底面３ｂから先端３ａにかけて、実効的な屈折率は、第２の凹凸構造体１２の占有率の変化を反映して徐々に基板１の屈折率に漸近していく。
【００２８】
従って、第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２を有することで、ＮＤフィルタ１００における実効的な消衰係数および実効的な屈折率は、空気から基板１に向かって緩やかに変化する。これによって、空気側からＮＤフィルタ１００に向かって光が入射した場合に、ＮＤフィルタ１００の表面において大きな振幅を有する反射光の発生を低減できる。
【００２９】
また、基板１側から光が入射した場合（図１矢印Ｙ２のように光が入射した場合）においても、上述した作用により、大きな振幅を有する反射光の発生を低減できる。これは、矢印Ｙ１方向に入射した光が第２の凹凸構造体１２を透過した後、基板１の裏面１ａで反射し、再び第２の凹凸構造体１２に到達した場合にも反射率を低減できることを意味する。
【００３０】
すなわち、基板１の裏面１ａと第２の凹凸構造体１２との間における多重反射光の発生を低減することができる。そのため、光がＮＤフィルタ１００に対して斜めに入射した場合においても、基板１の裏面１ａと第２の凹凸構造体１２との間において、多重反射による顕著な光路差を有する不要光の発生を低減することができる。
【００３１】
さらに、本実施形態のＮＤフィルタ１００のように、第２の凹凸構造体１２を基板１と第１の凹凸構造体１１との間に形成することで、第１の凹凸構造体１１と第２の凹凸構造体１２との間に、厚い層を有さない構成とすることができる。そのため、第１の凹凸構造体１１の最底面２ｂと第２の凹凸構造体の最底面３ｂとの間においても、多重反射による顕著な光路差を有する不要光の発生を低減することができる。
【００３２】
ＮＤフィルタの表面における反射光と、ＮＤフィルタの内部における反射光は、いずれもフレアやゴーストの要因となり得る。しかしながら、ＮＤフィルタ１００は、第１の凹凸構造体１１と第２の凹凸構造体１２とを有することで、表面における反射光と、内部における反射光の両方を低減し、入射方向によらずフレアやゴーストの発生を低減することができる。
【００３３】
さらに、ある界面における光の反射率は、該界面における複素屈折率の変化量に依存して変化するため、より反射率を低減するために、次の条件式（１）を満たすことが好ましい。
｜Ｎｅ１−Ｎｅ２｜≦０．２  （１）
【００３４】
ただし、Ｎｅ１は第１の凹凸構造体１１の最底面２ｂにおける実効的な複素屈折率、Ｎｅ２は第２の凹凸構造体１２の最底面３ｂにおける実効的な複素屈折率である。なお、複素屈折率とは、屈折率を実部、消衰係数を虚部とした複素数で表わされる値である。第１の凹凸構造体１１の最底面２ｂにおける実効的な複素屈折率Ｎｅ１は式（２）によって計算される値である。
【００３５】
【数１】
2017134362.tif 000003
【００３６】
ただし、Ｎ１は第１の凹凸構造体１１を構成する材料の複素屈折率、Ｎｂは最底面２ｂにおいて第１の凹凸構造体１１を除く部分を占める媒質の複素屈折率、ｆｆｂ１は最底面２ｂにおける第１の凹凸構造体１１の占有率である。ＮＤフィルタ１００の場合、Ｎｂは空気の複素屈折率に相当し、式（２）の第２項は０となる。
【００３７】
また、第２の凹凸構造体１２の最底面３ｂにおける実効的な複素屈折率Ｎｅ２は式（３）によって計算される値である。
【００３８】
【数２】
2017134362.tif 000004
【００３９】
ただし、Ｎ２は第２の凹凸構造体１２を構成する材料の複素屈折率、Ｎｃは最底面３ｂにおいて第２の凹凸構造体１２を除く部分を占める媒質の複素屈折率、ｆｆｂ２は最底面３ｂにおける第２の凹凸構造体１２の占有率である。ＮＤフィルタ１００の場合、Ｎｃは基板の複素屈折率に相当する。
【００４０】
式（２）からわかるように、Ｎｅ１は、Ｎ１、ｆｆｂ１、Ｎｂを変数として変化する。また、式（３）より、Ｎｅ２は、Ｎ２、ｆｆｂ２、Ｎｃを変数として変化する。そのため、これらの変数を適切に制御することにより、式（１）を満たす構成とすることができる。
【００４１】
なお、図３には第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２が、正方格子の格子点に配置されている例を示したが、本発明はこれに限定されない。六方格子の格子点に配置されるような配置であっても良いし、ランダムに配置されていても良い。
【００４２】
また、図３には突起２および突起３が共に錐台形状を有している例を示したが、本発明はこれに限定されず、先端が先鋭な錐形状等であってもよい。また、錐台形状や錐形状と比較して反射率を低減する効果は弱まるが、柱形状であっても本発明の効果を得ることができる。
【００４３】
［材料について］
次に、ＮＤフィルタ１００の材料について述べる。
【００４４】
基板１は、ガラス、プラスチック、アクリル樹脂、誘電体など、可視光に対して透明な材料を用いることが好ましい。透過率が７０〜１００％であれば透明とみなすことができる。基板１は、単一の材料から形成されていても良いし、複数の材料を積層して形成されていても良い。また、基板１の形状としては平板だけでなく、凸レンズや凹レンズなどであっても良い。
【００４５】
また、第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２は、共に基板１よりも大きな消衰係数を有していれば良い。第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２を構成する材料としては、金属を用いることが好ましい。金属は大きな消衰係数を有しており、入射光を効率よく吸収することができるためである。具体的には、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）などが挙げられるが、アルミニウムを用いることがより好ましい。アルミニウムは、酸化による消衰係数の変化が生じにくいため安定性に優れており、さらに、微細加工が容易であるためである。
【００４６】
なお、第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２を構成する材料としては、金属に限定されず、シリコン（Ｓｉ）等の半導体や、酸素欠陥型チタン酸化物（ＴｉＯｘ）などの酸素欠陥を含む金属酸化物等を用いることもできる。他にもカーボン系の材料であっても良いし、染料、顔料系の材料を用いても良い。また、これらの材料を組み合わせてもよい。また、第１の凹凸構造体１１と第２の凹凸構造体１２とを、それぞれ別々の材料で形成してもよい。
【００４７】
また、ＮＤフィルタ１００を全て無機物で構成する場合、紫外線の影響などによる性質の劣化を小さくすることができる。これにより、優れた耐久性を有するＮＤフィルタ１００を得ることができる。
【００４８】
［製造方法について］
次にＮＤフィルタ１００を製造する方法について述べる。
【００４９】
まず、基板１に、フォトリソグラフィ法や電子線露光法とドライエッチング法などを用いて第２の凹凸構造体１２を反転させた孔形状を形成する。
【００５０】
つづいて蒸着法やスパッタリング法などで第２の凹凸構造体１２を構成する材料を成膜し、余剰部分（孔からはみ出した膜）は化学機械研磨やレンズ加工同様の研磨加工などで除去することで、第２の凹凸構造体１２を形成できる。
【００５１】
第１の凹凸構造体１１は、さらに蒸着法やスパッタリング法などで第１の凹凸構造体１１を構成する材料を成膜し、フォトリソグラフィ法や電子線露光法とドライエッチング法などで形成することができる。また、材料に応じてナノインプリント法などの他の微細加工方法を選択しても良い。
【００５２】
上述の製法はあくまで一例であり、本発明は上記の製法に限定されない。ＮＤフィルタ１００を構成する各材料は、求められる各種特性に合わせて選択されるべきであり、材料に応じた種々の製法を選択すればよい。
【００５３】
なお、図１乃至３に示すような厳密な錐形状や錐台形状を実現しようとすると、第１の凹凸構造体１１や第２の凹凸構造体１２の先端が丸みを帯びた形状となることが考えられる。このような場合において第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２の先端における占有率の考え方について説明する。
【００５４】
図４に示したように、先端が丸みを帯びた形状となった結果、錐台形状からずれ始めた位置２０１から先の部分を、錐形の傾きをそのまま延長して形成できる同体積の錐台形２０２（図中破線で記載）に置換することで、等価の錐台形状に換算することができる。第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２の最底面の形状が錐台形から外れた形状となった場合についても同じ考え方を適用すれば良い。このように置換した形状に対して先端や最底面における第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２の占有率を求めることができる。
【００５５】
［実施例１］
次に、実施例１の光学素子としてのＮＤフィルタ１００について説明する。
【００５６】
本実施例のＮＤフィルタ１００は、上述した実施形態のＮＤフィルタ１００と同様であり、基板１と、第１の凹凸構造体１１と、基板１と第１の凹凸構造体１１との間に形成された第２の凹凸構造体１２とを有する。
【００５７】
ＮＤフィルタ１００において、種々の条件を変化させた数値実施例１〜７を表１に示す。ｈ１は第１の凹凸構造体１１の構造高さ、ｈ２は第２の凹凸構造体１２の構造高さである。ｆｆｔ１は先端２ａにおける第１の凹凸構造体１１の占有率であり、ｆｆｂ１は最底面２ｂにおける第１の凹凸構造体の占有率である。また、ｆｆｔ２は先端３ａにおける第２の凹凸構造体１２の占有率であり、ｆｆｂ２は最底面３ｂにおける第２の凹凸構造体１２の占有率である。
【００５８】
【表１】
2017134362.tif 000005
【００５９】
数値実施例１〜５において、基板１はＳｉＯ２からなり、屈折率１．４６５を有する。数値実施例６において、基板１は株式会社オハラ製の光学ガラスＳ−ＢＳＭ８１からなり、屈折率１．６４２を有する。また、数値実施例７において、基板１は株式会社オハラ製の光学ガラスＳ−ＬＡＨ５８からなり、屈折率１．８８８を有する。第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２は、数値実施例１〜７において、共にアルミニウム（Ａｌ）からなる。なお、屈折率は波長５５０ｎｍの光に対する屈折率を示している。
【００６０】
また、表１に示したＲ（０〜３０）は、入射角度０〜３０°の光に対する最大の反射率であり、Ｒ（４５）は、入射角度４５°の光に対する最大の反射率である。Ｔ（０〜４５）は、入射角度０〜４５°の光に対する最大の透過率である。ここで、最大の反射率とは、波長４００〜７００ｎｍの光が、空気側および基板１側から第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２に入射した時の分光反射率のうち、最大の値である。また、最大の透過率とは、波長４００〜７００ｎｍの光に対する分光透過率のうち最大の値である。
【００６１】
例として、図５に数値実施例４の分光反射率および分光透過率を示す。図５（ａ）は分光透過率、図５（ｂ）は空気側から入射した光に対する分光反射率、図５（ｃ）は基板１側から入射した光に対する分光反射率を示す。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各図の凡例において、Ｔは透過率、Ｒは反射率を示しており、括弧内の数字は入射角度を表わしている。なお、基板１側から入射した光線に対する入射角度は、該光線の空気中における角度を入射角度とみなした数値を記載している。
【００６２】
図５に示すように、数値実施例４における反射率は、入射方向によらず０．５％以下に抑えられている。また、波長４００〜７００ｎｍの光に対する透過率の波長依存性は小さく、平坦な分光透過率が得られている。
【００６３】
数値実施例４のみならず、いずれの数値実施例においても、Ｒ（０〜３０）としては０．５％以下の小さな値が得られた。したがって、ＮＤフィルタ１００において、基板１側および空気側から入射した光に対する反射率を低減することができる。さらに、いずれの数値実施例においても、Ｒ（４５）は１％以下であり、光の入射方向によらず反射率を低減することができる。
【００６４】
また、数値実施例６および７に示したように、屈折率の大きな基板を用いても、基板側および空気側から入射した光に対する反射率を低減できることがわかる。
【００６５】
ｈ１およびｈ２の値が大きいほど反射防止性能を向上させることができる。そのため、ＮＤフィルタ１００においては、ｈ１およびｈ２は２５０ｎｍ以上であることが好ましい。また、より好ましくは３９０ｎｍ以上であると良い。
【００６６】
一方、構造高さが高くなるほど製造が難しくなり、コストも高くなるため、構造高さｈ１およびｈ２は８００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５００ｎｍ以下であると良い。
【００６７】
また、本実施例のように基板１、第１の凹凸構造体１１、第２の凹凸構造体１２を全て無機物で構成することにより、経年劣化の少ないＮＤフィルタ１００を得ることができる。
【００６８】
［実施例２］
次に、実施例２の光学素子としてのＮＤフィルタ２００について説明する。
【００６９】
図６および図７に、本実施例の光学素子としてのＮＤフィルタ２００の構成概略図を示す。
【００７０】
ＮＤフィルタ２００は、基板１と、第１の凹凸構造体１１と、基板１と第１の凹凸構造体１１との間に形成された第２の凹凸構造体１２とを有する。第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２は、上述したＮＤフィルタ１００と同様であるため説明を省略する。ＮＤフィルタ２００は、固体媒質４をさらに有しており、第１の凹凸構造体１１が第２の凹凸構造体１２と固体媒質４との間に形成されている点でＮＤフィルタ１００と異なる。
【００７１】
固体媒質４は、第１の凹凸構造体１１と第２の凹凸構造体１２のいずれよりも小さな消衰係数を有しており、ガラス、プラスチック、アクリル樹脂、誘電体など、可視光に対して透明な材料からなる。固体媒質４と基板１の屈折率を同じにすることで、第１の凹凸構造体１１の最底面２ｂにおける実効的な屈折率と、第２の凹凸構造体１２の最底面３ｂにおける実効的な屈折率との差をより小さくすることができる。そのため、固体媒質４は基板１と同じ材料で形成することが好ましい。このような構成とすることで、比較的構造高さが低くても、高い反射防止効果を得ることができる。
【００７２】
なお、図８に示すように、第１の凹凸構造体１１と第２の凹凸構造体１２との間に、ｄ１３なる厚さを有する中間層１３を設けてもよい。中間層１３を設けることで、基板１や固体媒質４を形成する材料を変えても、良好な反射防止効果を得ることができる。または、後述のように中間層１３を接着層とした接合レンズ等に本実施例を適用することができる。この場合、第２の凹凸構造体１２は、中間層１３の基板１とは反対側の面上に形成される。
【００７３】
ＮＤフィルタ２００において、種々の条件を変化させた数値実施例８〜２０を表２に示す。ｈ１は第１の凹凸構造体１１の構造高さ、ｈ２は第２の凹凸構造体１２の構造高さである。ｆｆｔ１は先端２ａにおける第１の凹凸構造体１１の占有率であり、ｆｆｂ１は最底面２ｂにおける第１の凹凸構造体の占有率である。また、ｆｆｔ２は先端３ａにおける第２の凹凸構造体１２の占有率であり、ｆｆｂ２は最底面３ｂにおける第２の凹凸構造体１２の占有率である。
【００７４】
【表２】
2017134362.tif 000006
【００７５】
固体媒質４は、数値実施例１８以外において基板１と同じ材料からなる。また、数値実施例１６および１７において、第１の凹凸構造体１１と第２の凹凸構造体１２との間には、中間層１３が設けられている。
【００７６】
例として、図９に、数値実施例１２の分光反射率および分光透過率を示す。図９（ａ）は分光透過率、図９（ｂ）は空気側から入射した光に対する分光反射率を示す。なお、数値実施例１２では、基板１と固体媒質４は同じ材料からなり、第１の凹凸構造体１１と第２の凹凸構造体１２はそれぞれ対称の構造を有している。そのため、基板１側から第１の凹凸構造体１１に向けて光が入射した場合の反射率と空気側から第２の凹凸構造体１２に向けて光が入射した場合の反射率とは等しくなる。ゆえに、分光反射率の図としては、空気側からの反射率のみを図示している。
【００７７】
図９（ａ）、（ｂ）の各図の凡例において、Ｔは透過率、Ｒは反射率を示しており、括弧内の数字は入射角度を表わしている。なお、基板１側から入射した光線に対する入射角度は、該光線の空気中における角度を入射角度とみなした数値を記載している。
【００７８】
図９に示すように、数値実施例１２における反射率は、０．３％以下に抑えられている。また、波長４００〜７００ｎｍの光に対する透過率の波長依存性は小さく、平坦な分光透過率が得られている。
【００７９】
数値実施例１２のみならず、いずれの数値実施例においても、Ｒ（０〜３０）としては０．３％以下の小さな値が得られた。したがって、ＮＤフィルタ２００のような構成とすることで、基板１側および空気側から入射した光に対する反射率を低減することができる。さらに、いずれの数値実施例においても、Ｒ（４５）は０．５％以下であり、光の入射方向によらず反射率を低減することができる。
【００８０】
数値実施例１０と数値実施例５とを比較すると、ｈ１およびｈ２を共に５００ｎｍとしたＮＤフィルタ１００と同等の特性が、ｈ１およびｈ２を共に２００ｎｍとしたＮＤフィルタ２００で得られることがわかる。これは、固体媒質４を形成したことによって、第１の凹凸構造体１１の最底面２ｂにおける実効的な屈折率と、第２の凹凸構造体１２の最底面３ｂにおける実効的な屈折率との差をより小さくしたためである。
【００８１】
また、数値実施例１１と１２とを比較すると、ｈ１、ｈ２が同じであるにも関わらず、数値実施例１２の方が高い反射率を示している。これは、数値実施例１２においてｆｆｔ１およびｆｆｔ２が共に大きくなっているためである。より高い反射防止性能を得るには、ｆｆｔ１およびｆｆｔ２は共に３％以下であることが好ましく、より好ましくは１％以下であると良い。
【００８２】
次に、ＮＤフィルタ２００を製造する方法について説明する。
【００８３】
ＮＤフィルタ２００は、前述の実施形態におけるＮＤフィルタ１００を製造した後、スパッタリングや蒸着等を用いて固体媒質を第１の凹凸構造体１１の上に形成することで製造することができる。
【００８４】
さらに、ＮＤフィルタ２００が中間層１３を有する場合、上述した実施形態におけるＮＤフィルタ１００の製造方法に代わって、次の方法によって中間層１３を有するＮＤフィルタ２００を製造することができる。
【００８５】
すなわち、まず基板１に、フォトリソグラフィ法や電子線露光法とドライエッチング法などを用いて第２の凹凸構造体１２を反転させた孔形状を形成する。
【００８６】
つづいて蒸着法やスパッタリング法などで第２の凹凸構造体１２を構成する材料を成膜し、余剰部分（孔からはみ出した膜）は化学機械研磨やレンズ加工同様の研磨加工などで除去することで、第２の凹凸構造体１２を基板１に形成する。
【００８７】
同様の工程により、固体媒質４に第１の凹凸構造体１１を形成する。このようにして得た第２の凹凸構造体１２が形成された基板１と、第１の凹凸構造体１１が形成された固体媒質４とを接着材等を用いて貼りあわせることによって、中間層１３を有するＮＤフィルタ２００を得ることができる。この場合、中間層１３は基板１と固体媒質４との接着層に相当する。
【００８８】
［グラデーション型ＮＤフィルタ］
次に、本発明を光学素子としてのグラデーション型のＮＤフィルタ（以下ＧＮＤフィルタと称する）３００に適用した場合について説明する。ＧＮＤフィルタとは、透過率分布を有する光学素子である。例えばＧＮＤフィルタを撮像装置の光学系に用いることで、画像の明るさを任意に制御したり、焦点外れ像（ボケ像）の品位を向上したりすることができる。
【００８９】
本実施例のＧＮＤフィルタ３００は、入射した光の一部を吸収する吸光領域と、入射した光を吸収せずに透過させる透光領域とを有する。第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２は、吸光領域にのみ形成されている。すなわち、吸収領域には、ｐ１なる構造周期を有する第１の凹凸構造体１１と、ｐ２なる構造周期を有する第２の凹凸構造体とが形成されている。そのため、吸光領域に入射した光は第１の凹凸構造体１１と、第２の凹凸構造体１２により吸収される。
【００９０】
一方、透光領域には第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２は形成されておらず、透光領域に入射した光は、第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２により吸収されることなく透過する。ここで、突起部２同士の間隔が可視光の最大波長（７００ｎｍ）よりも大きければ、第１の凹凸構造体１１による吸収を受けない光が生じるため、第１の凹凸構造体１１が形成されていないとみなせる。また、突起部３同士の間隔が可視光の最大波長よりも大きければ、第２の凹凸構造体１２による吸収を受けない光が生じるため、第２の凹凸構造体１２が形成されていないとみなせる。
【００９１】
以下では、吸光領域として前述した数値実施例１乃至２０のいずれかの構成を有する場合について考える。したがって、吸光領域における反射率は入射方向に依らず低く、透過率も小さい。
【００９２】
図１０（ａ）に、ＧＮＤフィルタ３００の概略図を示す。図１０（ａ）に示した線分ＡＡ’上における透過率は図１０（ｂ）に示すように変化している。
【００９３】
図１０（ｂ）に示すように、線分ＡＡ’上における透過率は、中心部１５において一定であるが、グラデーション部１６から端部１７にかけて徐々に減少している。このような透過率分布を有するＧＮＤフィルタ３００について、図１０（ａ）に点線で囲んだ領域１８を拡大して表示した図１１を用いてさらに詳しく説明する。
【００９４】
図１１において黒く塗りつぶした領域が吸光領域２０であり、白い領域が透光領域２１である。図１１に示すように、ＧＮＤフィルタ３００は吸光領域２０と透光領域２１をそれぞれ複数有している。領域１８は、右側から順に中心部１５、グラデーション部１６、端部１７と変化している。
【００９５】
図１１に示すように、中心部１５は透光領域からなる。そのため、中心部１５に入射した光は吸収されることなく透過する。
【００９６】
グラデーション部１６には、複数の吸光領域２０と複数の透光領域２１とがモザイク状に配置されており、吸光領域２０の占有率は中心部１５から端部１７に向かって徐々に増大するように、ＧＮＤフィルタ３００の面内方向に変化している。ここで、吸光領域２０の占有率とは、ＧＮＤフィルタ３００において複数の吸収領域のうち最小の吸収領域２０Ｍよりも十分に大きい領域を定めた場合に、該領域に対して吸光領域が占める面積の割合である。また、ＧＮＤフィルタ３００の面内方向とは、第１の凹凸構造体１１の高さ方向に垂直な方向である。
【００９７】
グラデーション部１６に入射した光のうち、吸光領域２０に入射した光は第１の凹凸構造体１１および第２の凹凸構造体１２により吸収される。そのため、吸収領域２０の占有率が大きくなると、ＧＮＤフィルタ３００に入射した光のうち吸収される光の割合が大きくなる。そのため、吸収領域２０の占有率を中心部１５から端部１７に向かって増大させることで、図１０（ｂ）に示すような透過率分布を形成することができる。
【００９８】
ＧＮＤフィルタ３００における透光領域２１の構成としては、特に限定はしないが、反射防止を行うことが好ましい。透光領域２１の反射を防止する構成としては、図１２および図１３に示すような、可視光の波長よりも小さい構造周期を有する凹凸構造体１４を形成することが好ましい。これにより、吸光領域２０のみならず透光領域２１における反射率を低減することができる。
【００９９】
また、ＧＮＤフィルタ３００における吸光領域２０の透過率は、実施例１および２で述べたように、可視光全域に対して１％以下であり、波長依存性が小さい。また、透光領域２１に入射した光は吸収を受けないため、透光領域２１における透過率の波長依存性は極めて小さい。
【０１００】
グラデーション部１６の透過率は、吸光領域２０の透過率の波長依存性と、透光領域２１の透過率の波長依存性とを、吸光領域２０の占有率に応じて足し合わせた波長依存性を有する。従って、透過率の波長依存性が小さいＧＮＤフィルタ３００を実現することができる。
【０１０１】
また、吸収領域２０と透光領域２１との境界において、実効的な消衰係数は小さくなる。消衰係数は吸光量に対して指数関数的に作用するため、吸収領域２０において入射光を十分に吸収するためには、吸収領域２０の短辺ｗｄの最小値および長辺Ｌｄの最小値は、共に５０μｍ以上であることが好ましい。
【０１０２】
一方、ＧＮＤフィルタ３００を撮像装置の光学系に配置した際に、吸光領域２０の模様が画像に写りこむことを防ぐため、ｗｄおよびＬｄは共に３ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１ｍｍ以下とすると良い。
【０１０３】
また、本実施例では、グラデーション部１６において吸光領域２０と透光領域２１とがモザイク状に配置されている例を示したが、本発明はこれに限定されない。吸光領域２０または透光領域２１を、ドット状に配置しても良い。また、ＧＮＤフィルタ３００を撮像装置の光学系に用いる際には、ＧＮＤフィルタ３００における回折光による画像品位低下を防ぐため、吸光領域２０と透光領域２１とを非周期的に配置することが好ましい。
【０１０４】
また、上記では、中心部１５において最も透過率が高く、透過率の等しい領域が同心円状に分布しているＧＮＤフィルタ３００について述べたが、透過率の分布はこれに限定されない。図１４（ａ）に示すように、中心部１５において最も透過率が低くなっていて良い。このような透過率分布にすることで、周辺減光の補正をすることができる。また図１４（ｃ）に示すように透過率が一方向に変化していても良い。さらに、図１４（ｂ）、（ｄ）に示すように、ＧＮＤフィルタ３００の形状としては、円形でも良いし、楕円形、矩形等でもよい。
【０１０５】
［光学系］
次に本発明の実施例としての光学系について述べる。
【０１０６】
図１５（ａ）は、本実施例における光学系１００１の断面図である。光学系１００１は、複数の光学素子としてのレンズを有する。物体からの光は、光学系１００１を透過して結像面１００３において結像する。
【０１０７】
光学系１００１の複数のレンズのうち、少なくとも１つのレンズは、本発明の光学素子を有する。ここでは、本発明の光学素子として実施例１のＮＤフィルタ１００を光学系１００１が有する場合を考える。すなわち、複数のレンズのうち少なくとも１つのレンズには、第１の凹凸構造体および第２の凹凸構造体が形成されている。
【０１０８】
光学系１００１がＮＤフィルタ１００を有することにより、物体からの光は、第１の凹凸構造体および第２の凹凸構造体により吸収され、結像面１００３に到達する光量を制限することができる。また、ＮＤフィルタ１００は、光の入射方向によらず低い反射率を有しているため、フレアやゴーストの発生を低減した高品位な像を得ることができる。
【０１０９】
次に、光学系１００１において、絞り１００２の光入射側と光出射側に少なくとも１つずつ本発明の光学素子を有する場合について説明する。ここでは、第３レンズ１００４と第４レンズ１００５のそれぞれが、図１０に示すような透過率分布を有するＧＮＤフィルタ３００であるとする。
【０１１０】
図１５（ｂ）は第３レンズ１００４の側面図と正面図を示しており、図１５（ｃ）は第４レンズ１００５の正面図と側面図を示している。第３レンズ１００４および第４レンズ１００５は、共にレンズの中心から周辺にかけて透過率の等しい領域が同心円状に分布している。
【０１１１】
このような透過率分布を有する第３レンズ１００４および第４レンズ１００５を光学系１００１に配置することで、アポダイゼーション効果により滑らかな輪郭を有する高品位な非合焦像（ボケ像）を得ることができる。
【０１１２】
さらに、第３レンズ１００４および第４レンズ１００５が絞り１００２の光入射側と光出射側に配置されているため、周辺光束の上線１０２２および下線１０２３は、いずれも第３レンズ１００４または第４レンズ１００５のグラデーション領域を透過する。これにより、中心光束１０１０のみならず、軸外光束１０２０についてもアポダイゼーション効果を有効に得ることができる。
【０１１３】
また、ＧＮＤフィルタ３００は、光の入射方向によらず低い反射率を有しているため、フレアやゴーストの発生を低減した高品位な像を得ることができる。
【０１１４】
最後に、本実施例の光学系１００１を有する撮像装置について説明する。
【０１１５】
図１６は、本実施例の撮像装置としてのデジタルカメラ２０００である。デジタルカメラ２０００は、レンズ部２００２に前述した実施例の光学系１００１を有する。また、光学系１００１の結像面１００３には、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサーなどの撮像素子２００３が、本体部２００１に配置される。
【０１１６】
デジタルカメラ２０００が光学系１００１を有することで、フレアやゴーストの発生を低減した高品位な画像を得ることができる。
【０１１７】
なお、図１６では、本体部２００１とレンズ部２００２が一体となった例を示しているが、撮像装置本体に対して着脱可能なレンズ装置に本発明を適用してもよい。このようなレンズ装置は、例えば一眼カメラ用の交換レンズとして用いられる。この場合、図１６は、光学系１００１を有するレンズ装置２００２が撮像装置本体２００１に装着されている状態と見ることもできる。
【０１１８】
なお、本発明の光学系は、デジタルカメラ等の撮像装置や、撮像装置本体に着脱可能なレンズ装置（交換レンズ）以外に適用することもできる。例えば双眼鏡や顕微鏡等に対しても、本発明の光学系を適用しても良い。
【０１１９】
以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【０１２０】
１００  ＮＤフィルタ
２００  ＮＤフィルタ
３００  ＧＮＤフィルタ
１  基板
１１  第１の凹凸構造体
１２  第２の凹凸構造体
【図１】
2017134362.tif 000007
【図２】
2017134362.tif 000008
【図３】
2017134362.tif 000009
【図４】
2017134362.tif 000010
【図５】
2017134362.tif 000011
【図６】
2017134362.tif 000012
【図７】
2017134362.tif 000013
【図８】
2017134362.tif 000014
【図９】
2017134362.tif 000015
【図１０】
2017134362.tif 000016
【図１１】
2017134362.tif 000017
【図１２】
2017134362.tif 000018
【図１３】
2017134362.tif 000019
【図１４】
2017134362.tif 000020
【図１５】
2017134362.tif 000021
【図１６】
2017134362.tif 000022
【図１７】
2017134362.tif 000023