JP2010078803A - 光学素子及びそれを有する光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い波長領域でかつ広い入射角範囲において、良い反射防止機能を有し、光学系に用いたときフレアやゴーストの発生が少ない光学素子及びそれを有する光学系を得ること。
【解決手段】 可視域を含む使用波長領域で反射防止機能を有する光学素子であって、該使用波長領域は、最長波長λＨが最短波長λＬに比べて２倍以上となる範囲であり、該光学素子は基板の光入出射面の少なくとも一方の面に、平均ピッチが最短波長λＬ以下の微細凹凸構造体が最外層となるように構成された反射防止構造体を備え、微細凹凸構造体の平均ピッチＰ、微細凹凸構造体を形成している材料の屈折率ｎ１、微細凹凸構造体の平均高さｈ、空気側から微細凹凸構造体へ入射する光束の入射角θ等を適切に設定したこと。
【選択図】 図１

Description

本発明は光学素子及びそれを有する光学系に関する。例えばレンズ面（光学部材）の表面（光入出射面）に反射防止機能を有する微細凹凸構造体を有する反射防止構造体（反射防止層）を設け、反射防止を効果的に行った光学素子に関するものである。

従来、ガラス、プラスチックなどの透光性媒質（透光性部材）を用いたレンズ（光学分材）においては、表面反射による透過光の損失を低減するために光入出射面に反射防止構造体が設けられている。

例えば可視光に対する反射防止構造体として、誘電体多層膜が知られている。この多層膜は、透光性の基板表面に例えば真空蒸着により金属酸化物等の薄膜を成膜して形成されている。

光学部材に形成される一般的な反射防止膜は、光線入射角が０度で、使用する波長域が比較的狭い波長領域で優れた反射防止効果を有する設計がされている。これに対して、近年、広い波長領域で使用する光学系や光学素子への光線入射角が大きくなる光学系が多く使用されるようになってきた。

例えば、デジタルカメラやビデオカメラなどの光学系においては、口径の大きなレンズや曲率半径の小さな面を有するレンズが多く使用されるようになってきている。

このようなレンズを光学系に用いるとレンズ周辺部では光線が大きな角度で入射する場合がある。

一般に光束のレンズ面への入射角が広範囲となると反射を広い波長領域において十分抑制することが難しくなり、ゴーストやフレアなどの有害光が発生する原因となってくる。

このため、広い波長領域に対して優れた反射防止機能を有し、且つ光束の入射角度特性の良い、反射防止構造体が望まれている。

広い波長領域で、かつ入射角度特性の良い反射防止構造体としては、可視光の波長よりも短いピッチの微細凹凸構造体が知られている（特許文献１、２）。
特開２００５−１５７１１９号公報 特開２００６−１０８３１号公報

微細凹凸構造体をレンズ面に形成すると、比較的広い波長範囲で、入射角度特性の良い反射防止特性を得ることが容易となる。

しかしながら、広い波長域で良好なる反射防止機能（波長帯域特性）を得るとともに、広い入射角範囲で良好なる反射防止機能（入射角度特性）を得るためには、微細凹凸構造体の構成を適切に設定することが重要となってくる。

例えば光束の入射条件等を考慮して凹凸構造のピッチや形状（高さ）、材質の屈折率等を適切に設定することが重要になってくる。

微細凹凸構造体の構成が不適切であると、広い波長領域で、かつ広い入射角範囲において、良好なる反射防止機能が得られず、光学系に用いたときフレアやゴーストが多く発生し、高画質の像を得るのが難しくなってくる。

本発明は広い波長領域でかつ広い入射角範囲において、良好な反射防止機能を有し、光学系に用いたときフレアやゴーストの発生が少ない光学素子及びそれを有する光学系を提供することを目的とする。

本発明の光学素子は、可視域を含む使用波長領域で反射防止機能を有する光学素子であって、
該使用波長領域は、該使用波長領域内の最長波長λＨが該使用波長領域内の最短波長λＬに比べて２倍以上となる範囲であり、
該光学素子は基板の光入出射面の少なくとも一方の面に、平均ピッチが最短波長λＬ以下の微細凹凸構造体が最外層となるように構成された反射防止構造体を備え、
Ｐを微細凹凸構造体の平均ピッチ、ｎ１を微細凹凸構造体を形成している材料の屈折率、ｈを微細凹凸構造体の平均高さ、θを空気側から微細凹凸構造体へ入射する光束の入射角とするとき、
Ｐ＜λＬ／（ｎ１＋Ｓｉｎθ）
０．２λＬ≦ｈ≦０．８λＨ
なる条件を満足することを特徴としている。

本発明によれば、広い波長領域でかつ広い入射角範囲において、良好な反射防止機能を有し、光学系に用いたときフレアやゴーストの発生が少ない光学素子及びそれを有する光学系が得られる。

以下、図を用いて本発明の光学素子及びそれを有する光学系について説明する。

本発明の光学素子（レンズ、プリズム、平行平板、フィルター等）は、可視域（波長４０ｎｍ〜波長７００ｎｍ）を含む使用波長領域で反射防止機能を有する。

使用波長領域は、使用波長領域内の最長波長λＨが使用波長領域内の最短波長λＬに比べて２倍以上となる範囲である。

光学素子は基板の光入出射面の少なくとも一方の面（レンズ面）に、反射防止構造体（反射防止膜）が形成されている。反射防止構造体は、平均ピッチが最短波長λＬ以下の微細凹凸構造体が最外層となるように構成されている。

光学素子の光入出射面の双方に前述した反射防止構造体を設けても良い。

図１は、本発明の反射防止構造体を有する光学素子の実施例１の概略構成図である。図１に示す光学素子１は透明部材（光学部材）より成る基板１１上に反射防止構造体（反射防止膜）２０１が形成されている。１４は微細凹凸構造体であり、凹凸形状（円錐形状、多角錘形状等を含む）の平均ピッチが使用波長以下である。

ここで使用波長とは例えば可視領域（波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍ）を含む波長４００ｎｍ〜波長１１００ｎｍの範囲をいう。

１２、１３は薄膜より成る均質層（均質膜）である。３０１は空気（空気層）である。ｄａは光学素子１の膜厚方向（厚さ方向）を示す。

微細凹凸構造体１４は最も光入射媒質（空気）側の膜となるように基板１１上に設けられている。

図２は図１の光学素子１を構成する各部材の膜厚方向ｄａにおける材料の屈折率ｎを示す屈折率構造の説明図（模式図）である。

図２においてｎ２１は基板１１の屈折率、ｎ２２は均質層１２の屈折率、ｎ２３は均質層１３の屈折率、ｎ２４は構造体１４の屈折率にそれぞれ対応している。この場合の、微細凹凸構造体１４の見かけの屈折率（等価屈折率）は図２の屈折率ｎ２４に示す様に膜厚方向ｄａに連続的に変化している。

微細凹凸構造体１４は均質層１３側から空気側へと先細りの構造となっている。このため、屈折率構造的には均質層側（基板側）１３から空気３０１側に向けて徐々に（連続的に）屈折率が低くなる（減少する）ような構成となる。

図１の光学素子１では基材１１と構造層１４の間に微細凹凸構造体１４とは異なる材料より成る２つの均質層１２，１３が挟まれているが、均質層は一層以上形成されていれば良く、例えば３層以上であっても良い。又、均質層は無くても良い。

光学素子を構成する反射防止構造体は、入射光に対し、回折・散乱が発生しないことが望ましい。微細凹凸構造体１４で回折・散乱が発生しないためには、凹凸構造のピッチを次の如く構成するのが良い。

微細凹凸構造体１４の平均ピッチ（凸部同士または凹部同士の間隔の平均）をＰとする。材料の屈折率をｎ１、光が空気３０１から構造体１４へ入射するときの入射角をθ、使用領域波長の最短波長をλＬとする。

このとき、
Ｐ＜λＬ／（ｎ１＋Ｓｉｎθ） ・・・（１）
を満足するように構成する。

このとき、微細凹凸構造体１４は、屈折率が連続的に変化する膜（層）として扱うことができる。

ここで、θの値は
０°≦θ＜90
の範囲である。

微細凹凸構造体１４の屈折率構造は膜厚方向ｄａに変化している。このため、微細凹凸構造体１４の高さ（平均高さ）ｈが使用波長領域の最短波長λＬと使用波長領域の最長波長λＨとする。

このとき
０．２λＬ≦ｈ≦０．８λＨ ・・・（２）
の範囲に設定するのが望ましい。

特に、最長波長λＨは赤外の範囲で使用し、波長８００ｎｍ以上で使用するのが効果的である。

さらに微細凹凸構造体１４の高さｈは
０．４λＬ≦ｈ≦０．６λＨ ・・・（２ａ）
の範囲であると広い波長領域で、かつ広い入射角度に対する反射防止が特に効果的である。

この様な良好な範囲内に設定する事により、微細凹凸構造体１４内では振幅の小さな反射光が無数に発生し、干渉して打ち消しあう事により、広い波長範囲において良好な反射防止性能（反射防止効果）を得る事が出来る。

条件式（２）の下限を越えて微細凹凸構造体１４の高さｈが使用波長領域の最短波長λＬの０．２以下になった場合、反射防止帯域が狭くなってしまう。

又、上限を越えて微細凹凸構造体１４の高さｈが使用波長領域の最長波長λＨの０．８以上になった場合、反射防止帯域にリップルが発生してしまう。さらに、散乱の要因ともなってしまい良好な反射防止性能を得るのが困難になる。

本実施例に係る反射防止構造体は、入射角が６０度において反射率が３％以下となる波長領域が、使用波長領域内に１／２以上存在するような構成より成っている。

光学素子１の一部を構成する均質層１２、１３の作製方法はどのような方法でも良い。例えば、スパッタリング法、蒸着法といったドライ法（真空成膜法）や、ゾル−ゲルコート液を使ったディッピング法、スピンコート法といったウエット法（湿式成膜法）等が適用できる。

これらの手法により、予め均質層を形成した後、微細凹凸構造体１４を作製する。微細凹凸構造体１４の作製方法は、どのような方法でも良い。例えば波長以下の粒径の微粒子を分散した膜を塗布する方法、ゾル−ゲル法を用いた花弁状アルミナの微細凹凸構造体を形成する方法などが適用できる。

本実施例の光学素子における均質層の少なくとも１つはジルコニア、シリカ、チタニア、酸化亜鉛のうち少なくとも一種を含むことが好ましい。また、微細凹凸構造体１４は、アルミニウム又は酸化アルミニウム等、アルミナを主成分とすることが好ましい。

以下、各実施例では、スピンコート法で、均質層および微細凹凸構造体を作製する方法で説明するが、本発明はこの方法により製造した物に限定されない。

次に実施例１の光学素子の具体的な構成について説明する。

実施例１において、透明部材１１上の反射防止構造体２０１は透明基板１１と微細凹凸構造体１４との間に２つの均質層１２、１３を設け、全体として３層からなる。

実施例１において反射防止効果のある波長域、即ち使用波長領域は４００ｎｍから１０００ｎｍの広い波長領域とした。透明部材１１にはｄ線の屈折率ｎ２１が１．８０５のガラス基板を使用した。

透明部材（基板）１１側から構成した２層の均質層１２、１３の屈折率ｎ２２、ｎ２３は図２から明らかなように屈折率範囲を微細凹凸構造体１４の基板１１側の屈折率ｎ２４ａと基板１１の屈折率ｎ２１の範囲内に構成した。

均質層１２、１３はＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２塗工液の混合割合を変えることにより、屈折率を調整し、スピンコート法により塗布後、加熱、乾燥を行い、薄膜より成る均質層１２、１３を形成した。

均質層１２、１３は、基板１１側から一層目１２に、屈折率ｎ２２が１．６９６で物理的膜厚７９ｎｍを形成し、２層目１３に屈折率ｎ２３が１．５０４で物理的膜厚７４ｎｍの均一層を形成した。

最も空気側に配置された微細凹凸構造体１４はアルミナを含むゾル−ゲルコート液をスピンコート法で塗布し、ゲル膜を形成した。それを温水に浸漬処理することにより、アルミナを主成分とする板状結晶を析出させ、最表面（空気側）の微細凹凸構造を形成した。

この様に形成された微細凹凸構造体１４は図２に示すようにガラス基板１１側から空気３０１に向かってなだらかな傾斜を持って連続的に屈折率が変化している。

この時、微細凹凸構造体１４の基板１１側の屈折率はほぼ１．４で空気の屈折率１．０まで連続的に変化している。微細凹凸構造体１４の平均的な高さｈは２６６ｎｍである。

図３は実施例１の光学素子１の反射率の分光特性の説明図である。図３の分光特性に示すように、波長４００ｎｍから波長１０００ｎｍの広い波長領域において、光線の入射角度が０度の場合、０．２％以下と高性能な反射防止効果が得られる。さらに光線入射角が６０度においても、３％以下の良好な性能を持つ反射防止効果が得られる。

図４は、本発明の反射防止構造体を有する光学素子の実施例２の概略構成図である。

図４に示す光学素子２は透明部材より成る基板３１上に反射防止構造体２０２が形成されている。

反射防止構造体（反射防止膜）２０２は、基板３１と微細凹凸構造体３３との間に均質層３２を１層設け、全体として２層からなる。

図５は図４の光学素子２を構成する各部材の膜厚方向ｄａにおける材料の屈折率ｎを示す屈折率構造の説明図（模式図）である。

図５において、ｎ４１は基板３１の屈折率、ｎ４２は均質層３２の屈折率、ｎ４３は微細凹凸構造体３３の屈折率にそれぞれ対応している。

微細凹凸構造体３３は平均ピッチが使用波長領域以下の凹凸構造を有する。微細凹凸構造体３３の見かけの屈折率（等価屈折率）は図５に示す様に膜厚方向ｄａに変化している。

微細凹凸構造体３３の凹凸構造は均質層３２側から先細りの形状となっているため、屈折率構造的には均質層３２側から空気３０２側に向けて徐々に屈折率が低くなるような構成となる。

本実施例としては、使用波長は波長４００ｎｍから波長１０００ｎｍの広い波長領域とした。透明部材の基板３１にはｄ線の屈折率が１．５１６のガラス基板を使用した。基板３１上の反射防止膜２０２は２層構成とした。基板３１側から１層は均質層３２として屈折率ｎ４２の範囲を構造体３３の基板１１側の屈折率ｎ４３ａと基材１１の屈折率ｎ４１の範囲内に構成した。

均質層３２はＳｉＯ_２−ＴｉＯ_２塗工液をスピンコート法により塗布後、加熱、乾燥を行い、薄膜層を形成した。均質層３２は、屈折率１．４６５で物理的膜厚７９ｎｍを形成した。

微細凹凸構造体３３は均質層３２の上にアルミナを含むゾル−ゲルコート液をスピンコート法で塗布し、ゲル膜を形成した。それを温水に浸漬処理することにより、アルミナを主成分とする板状結晶を析出させ、最表面（最外層）の微細凹凸構造を形成した。

この様に形成された微細凹凸構造体３３はガラス基板３１側から空気３０２に向かってなだらかな傾斜を持って連続的に屈折率が変化している。

この時、微細凹凸構造体３３の基板３１側の屈折率はほぼ１．４で空気の屈折率１．０まで連続的に変化しており、構造体３３の微細部３３ａの高さｄは３６２ｎｍである。

図６は実施例２の光学素子２の反射率の分光特性の説明図である。

図６に示す分光特性より、波長４００ｎｍから波長１０００ｎｍの広い波長領域において、光線入射角度が０度の場合、０．２％以下と高性能な反射防止効果が得られる。さらに光線入射角が６０度においても、２．３％以下の良好な性能を持つ反射防止効果が得られる。

図７は、本発明の反射防止構造体を有する光学素子の実施例３の概略構成図である。

図７に示すように、光学素子３は、透明部材より成る基板５１上に、反射防止膜として微細凹凸構造体５２が直接形成されている。微細凹凸構造体５２は平均ピッチが使用波長以下の微細凹凸構造を有する。微細凹凸構造体５２は屈折率が膜厚方向ｄａになだらかな傾斜を持って連続的に変化している。

図８は図７の光学素子３を構成する各部材の膜厚方向ｄａにおける材料の屈折率ｎを示す屈折率構造の説明図（模式図）である。

図８においてｎ６１は基板５１の屈折率である。ｎ６２は微細凹凸構造体５２の屈折率に対応している。

図８に示すように微細凹凸構造体５２の見かけの屈折率ｎ６２は膜厚方向ｄａに変化している。

微細凹凸構造体５２の凹凸構造は透明部材より成る基板５１側から先細りの形状となっているため、屈折率構造的には基板５１側から空気４０２側に向けて徐々に屈折率が低くなるような構成となる。

本実施例は、使用波長は４００ｎｍから１０００ｎｍの広い波長領域とした。透明部材より成る基板５１はｄ線の屈折率が１．４３９のガラス基板を使用した。微細凹凸構造体５２は基板５１上にアルミナを含むゾル−ゲルコート液をスピンコート法で塗布し、ゲル膜を形成した。

それを温水に浸漬処理することにより、アルミナを主成分とする板状結晶を析出させ、最表面の微細凹凸構造を形成した。この様に形成された微細凹凸構造体５２はガラス基板５１側から空気４０２に向かってなだらかな傾斜を持って連続的に屈折率が変化している。

この時、微細凹凸構造体５２の基板５１側の屈折率はほぼ１．４で空気の屈折率１．０まで連続的に変化している。微細凹凸構造体５２の高さｄは４９３ｎｍである。

図９は実施例３の光学素子３の反射率の分光特性の説明図である。

図９に示すように、波長４００ｎｍから波長１０００ｎｍの広い波長領域において、光線入射角度が０度の場合、０．２％以下と高性能な反射防止効果が得られる。さらに光線入射角が６０度においても、１％以下の良好な性能を持つ反射防止効果が得られる。

実施例４の光学素子は、互いに波長領域が異なる第１、第２波長領域の２つの波長領域において反射防止機能を有する。

光学素子は基板の光入出射側の少なくとも一方に、反射防止機能が形成されている。

反射防止構造体は、平均ピッチが該２つの波長領域内における最短波長以下の微細凹凸構造体が最外層となるように構成されている。

第１の波長領域内の長波長側の波長をλａとする。

第１の波長領域より長波長側の第２の波長領域内の短波長側の波長をλｂとする。そして波長λｃを
λｃ＝（λａ＋λｂ）／２
とおく。微細凹凸構造体の平均高さをｈとする。このとき
λａ＜λｂ ・・・（３）
０．４４＜ｈ／λｃ＜０．５６ ・・・（４）
なる条件を満足している。

図１０は本発明の実施例４の光学素子に係る反射防止構造体の分光特性図である。実施例４に係る反射防止構造体は、屈折率１．５２のガラス基板の上に実施例１乃至３のいずれかの微細凹凸構造体を形成した構成より成っている。微細凹凸構造体の高さは４００ｎｍである。

本実施例では、可視域（波長４００ｎｍから波長７００ｎｍ）の第１の波長領域と近赤外域（波長９００ｎｍから波長１１００ｎｍ）の第２の波長領域の２つの異なる使用波長領域で使用される場合に好適な反射防止機能を有している。

第１の波長領域の長波長側の波長λａは７００ｎｍであり、第１の波長領域より長波長である第２の波長領域の短波長側の波長λｂは９００ｎｍとなる。

この時、条件式（４）に関する波長λｃは８００ｎｍとなり、図１０に示すように反射リップルが波長８００ｎｍ付近に位置する。

条件式（４）の下限値を越えて微細凹凸構造体の高さｈが３５０ｎｍ以下と低くなると反射特性の高いリップル位置が第１の使用波長帯領域内に位置してくる。また条件式（４）の上限値を越えて微細凹凸構造体の高さｈが４５０ｎｍ以上になると反射特性の高いリップル位置が第２の使用波長帯領域に位置し、良好な特性が得られなくなってしまう。

本実施例では微細凹凸構造体の高さを４００ｎｍにしている。そして反射特性の高いリップル位置が、波長８００ｎｍと、使用する第１の波長領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）と長波長と使用する第２の波長領域（８００ｎｍ〜１１００ｎｍ）の短波長の間の使用しない波長域内になる様に配置している。これにより使用波長内で良好な反射防止特性を得る事が出来る。

次に実施例１乃至４のいずれか１つの光学素子を有する光学系の実施例について説明する。

本発明の光学系は、ビデオカメラやデジタルカメラ、そしてＴＶカメラ等の光学機器に用いられる。本発明の光学系は前述した各実施例の光学素子を有している。

そして最も物体側の光学素子の光入射側の有効径をＤａとする。光学系の焦点距離（光学系がズームレンズのときは広角端における焦点距離）をｆとする。

このとき
３≦Ｄａ／ｆ ・・・（５）
なる条件を満足している。

そして光学系がズーム部を有するズームレンズのとき、ズーム比をＺとする。このとき、
１５≦Ｚ ・・・（６）
なる条件を満足している。

次に本発明の光学系の各実施例について説明する。

図１１は、本発明の実施例４に係る光学系の光学断面図である。図１１において、光学系７０２はＴＶカメラシステム等に用いる、大口径で高変倍比（高ズーム比）の、いわゆる４群ズームレンズである。この４群ズームレンズ７０２は、物体側から像側へ順に、次のとおりである。

合焦用の正の屈折力である第１群（前玉レンズ群）７１、変倍用の負の屈折力である第２群（バリエータ群）７２、変倍に伴って変動する像面を補正するための正の屈折力である第３群（コンペンセータ群）７３を有している。

更に、開口絞り７８、そして結像用の正の屈折力である第４群（リレーレンズ群）７４を有し、全体として４つのレンズ群より成っている。７９は色分解光学系と等価なガラスブロックである。

次に実施例４のズームレンズの数値実施例４を示す。数値実施例４において、ｉは物体側からの面の順番を示し、ｒｉは各面の曲率半径（単位はmm）、ｄｉは第ｉ面と第ｉ+１面との間の部材肉厚又は空気間隔、ｎｉとνｉはそれぞれｄ線を基準とした屈折率、アッベ数を示す。ＢＦはバックフォーカスである。

数値実施例の間隔ｄ１２、ｄ２１、ｄ３３は焦点距離とそれに掛かる、変倍に際する間隔の変化を示している。

本実施例においては、光学系７０２のワイド端の焦点距離は１０ｍｍであり、前玉７７のレンズ第１面の有効径は２００ｍｍとなり、ズーミングを行うための間隔７０３は２４５．６５ｍｍとなっている。

４群ズームレンズ７０２においてバリエータ群７２とコンペンセータ群７３の間はズーミングを行うための移動量分だけの間隔７０３を有している。間隔ｄ１２、ｄ２１、ｄ３３を各々数値実施例４の数値に変化させることによりズーム比６６を得ている。

本実施例のような大口型の光学系、或いは高変倍比のズームレンズでは、特に軸外光線の入射高とその焦点距離の変化が比較的大きくなる傾向がある。条件式（５）を満足する光学系、即ち所謂前玉有効径がレンズ全系の広角端における焦点距離の３倍を超えるような大口径の光学系では、画面中心に到達する光線と画面周辺の到達する光線のレンズ系に入射する角度が大きく変化する
条件式（６）のＺ≧１５ 即ちズーム比が１５倍を超えるような高変倍比（高ズーム比）を有する光学系では、広角端において軸外光線と望遠端において軸外光線では光線入射角が大きく変化する。

干渉膜を用いた反射防止膜は、入射角度の変化、即ち角度特性に起因して反射特性が変化する。

干渉膜は前述のように、光線入射角が０度においては、良好な特性が得られても、入射光線角度が大きい角度の場合は反射率が高くなってしまう。つまり、画面の中心付近に到達する光線の分光透過率は理論値に近いが、画面周辺に到達する光線の分光透過率は理論値から大きくずれてしまう。また、そのずれ量も焦点距離によって大きく変化してしまい、所望の分光感度を得ることが困難となる。

そこで、本実施例では光学系７０２を構成するレンズ基材のすべての表面に、波長以下の微細凹凸構造体を有する反射防止構造体を形成している。

図１２はこのときの反射防止構造体の分光透過率の理論値である。図１２では波長４００〜波長７００ｎｍの可視域だけでなく、波長１０００ｎｍ付近でも分光透過率が著しく劣化しないことを示している。

このため、実施例４のような高変倍比の光学系を監視用システムの撮影系として使用しても良い。これによれば可視域のみでなく、赤外領域の波長においても良好な映像感度を得ることができる。

ここで、実施例５では全てのレンズ基材に対し、波長以下の微細凹凸構造体を有する反射防止膜を形成しているが、これに限定するものではなく、一定のレンズ基材のみに形成しても良い。特に必要な分光感度に応じて干渉膜を形成しても良い。

［数値実施例４］
単位 ｍｍ

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｄ νｄ 有効径
物面 ∞ ∞
1 582.07650 19.311540 1.496999 81.5 200.000
2 -699.74045 1.000000 199.595
3 -699.74045 5.000000 1.799516 42.2 199.263
4 353.86996 2.008270 198.029
5 396.57864 24.119760 1.433870 95.1 198.213
6 -616.99056 18.747970 198.607
7 280.42746 22.678280 1.433870 95.1 199.530
8 -3987.32808 0.250000 198.871
9 245.22782 20.610710 1.433870 95.1 191.906
10 2602.16223 0.250000 190.552
11 179.56192 11.346810 1.496999 81.5 175.977
12 279.31416 可 変 174.152
13 268.94376 2.000000 1.816000 46.6 50.835
14 58.66295 6.777960 45.433
15 -167.96170 1.900000 1.754998 52.3 44.613
16 124.30386 5.427620 43.528
17 -87.28290 1.900000 1.816000 46.6 43.623
18 73.00824 10.047180 1.922864 21.3 46.162
19 -79.58126 1.088500 46.834
20 -75.79780 2.200000 1.882997 40.8 46.739
21 295.86708 可 変 48.444
22 300.54608 10.258750 1.592400 68.3 69.574
23 -129.39003 0.200000 70.568
24 213.99531 10.658420 1.487490 70.2 71.719
25 -157.02634 3.036230 71.659
26 -99.89310 2.500000 1.720467 34.7 71.512
27 -126.73511 0.200000 72.185
28 118.08827 2.500000 1.846658 23.9 70.770
29 62.49306 0.124430 68.207
30 61.01371 14.102380 1.496999 81.5 68.444
31 -6767.69006 0.200000 67.870
32 127.09849 6.949960 1.487490 70.2 66.681
33 -9031.17452 可 変 65.838
34 （絞り） 0.00000 4.500000 30.823
35 76.20626 1.800000 1.816000 46.6 29.191
36 57.32932 0.200000 28.697
37 37.53246 5.701980 1.808095 22.8 29.021
38 143.61187 4.970950 28.188
39 -56.40817 2.000000 1.882997 40.8 27.482
40 91.61848 30.039530 1.805181 25.4 27.933
41 -451.77947 5.501890 31.132
42 -778.12061 6.392490 1.620411 60.3 31.951
43 -82.19234 0.200000 32.482
44 -385.98744 2.100000 1.834000 37.2 32.619
45 52.98048 8.308930 1.620411 60.3 33.072
46 -48.78398 0.200000 33.586
47 228.66065 8.777300 1.487490 70.2 33.041
48 -38.13259 2.100000 1.834000 37.2 32.381
49 -104.87405 0.200000 32.662
50 82.71105 6.216970 1.620411 60.3 32.206
51 -1012.77697 2.000000 31.107
52 0.00000 55.500000 1.516330 64.2 60.000
53 0.00000 9.599750 60.000
像面 0.00000

各種データ
ズーム比 66.0

広角 中間 望遠
焦点距離 10.0000 66.6827 660.0000
Ｆナンバー 1.8 1.8 3.3
画角 57.6216 9.4302 0.9549
像高 5.5 5.5 5.5
レンズ全長 547.86 547.86 547.86
ＢＦ 48.15 48.15 48.15
射出瞳位置 964.4156 964.4156 964.4156
ｄ１２ 2.1022 117.1022 159.6507
ｄ２１ 245.6526 107.5670 3.2865
ｄ３３ 3.5000 26.5856 88.3176

図１３は、本発明の実施例５に係る光学系の光学断面図である。図１３において、光学系８０２はＴＶカメラシステム等に用いる、大口径で高変倍比（高ズーム比）の、いわゆる４群ズームレンズである。

この４群ズームレンズ８０２は、物体側から像側へ順に次のとおりである。

合焦用の正の屈折力である第１群（前玉レンズ群）８１、変倍用の負の屈折力である第２群（バリエータ群）８２、変倍に伴って変動する像面を補正するための負の屈折力である第３群（コンペンセータ群）８３を有している。更に開口絞り８８、そして結像用の正の屈折力である第４群（リレーレンズ群）７４を有し、全体として４つのレンズ群より成っている。８９は色分解光学系と等価なガラスブロックである。

実施例５の数値実施例５を実施例４の数値実施例４と同様に示す。数値実施例５の間隔ｄ１６、ｄ２６、ｄ２９は焦点距離とそれに掛かる、変倍に際する間隔の変化を示している。

本実施例においては、光学系８０２のワイド端の焦点距離は３０ｍｍであり、前玉８７のレンズ第１面の有効径は９０ｍｍとなり、ズーミングを行うための８０３の間隔は６１．４１ｍｍとなっている。

４群ズームレンズ８０２においてバリエータ群８２とコンペンセータ群８３の間はズーミングを行うための移動量分だけの間隔７０３を有している。間隔ｄ１６、ｄ２６、ｄ２９を各々数値実施例５の数値に変化させることによりズーム比１５を得ている。

本実施例のような大口型の光学系、或いは高変倍比のズームレンズでは、特に軸外光線の入射高とその焦点距離の変化が比較的大きくなる傾向がある。

条件式（５）を満足する光学系、即ち所謂前玉有効径がレンズ全系の広角端における焦点距離の３倍を超えるような大口径の光学系では、画面中心に到達する光線と画面周辺の到達する光線のレンズ系に入射する角度が大きく変化する。

また、条件式（６）のＺ≧１５ 即ちズーム比が１５倍を超えるような高変倍比（高ズーム比）を有する光学系では、広角端において軸外光線と望遠端において軸外光線では光線入射角が大きく変化する。

干渉膜を用いた反射防止膜は、入射角度の変化、即ち角度特性に起因して反射特性が変化する。

干渉膜は前述のように、光線入射角が０度においては、良好な特性が得られても、入射光線角度が大きい角度の場合は反射率が高くなってしまう。

つまり、画面の中心付近に到達する光線の分光透過率は理論値に近いが、画面周辺に到達する光線の分光透過率は理論値から大きくずれてしまう。また、そのずれ量も焦点距離によって大きく変化してしまい、所望の分光感度を得ることが困難となる。

そこで、本実施例では光学系８０２を構成するレンズ基材のすべての表面に、波長以下の平均ピッチを有する微細凹凸構造体を備える反射防止構造体を形成している。

図１４はこのときの反射防止構造体の分光透過率の理論値である。図１４では波長４００〜波長７００ｎｍの可視域だけでなく、波長１０００ｎｍ付近でも分光透過率が著しく劣化しないことを示している。

このため、実施例５のような高変倍比の光学系を監視用システムの撮影系として使用しても良い。これによれば可視域のみでなく、赤外領域の波長においても良好な映像感度を得ることが可能となる。

ここで、実施例６では全てのレンズ基材に対し、波長以下の微細凹凸形状の微細部を有する反射防止膜を形成しているが、これに限定するものではなく、一定のレンズ基板のみに形成しても良い。特に必要な分光感度に応じて干渉膜を形成しても良い。

［数値実施例５］

単位 ｍｍ

面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｄ νｄ 有効径
物面 ∞ ∞
1 124.08843 8.07277 1.48749 70.23 90
2 429.75611 0.15 89.506
3 120.49748 4 1.720467 34.7 87.845
4 85.11712 0 84.506
5 85.11712 12.88861 1.43875 94.99 84.506
6 -7623.63418 9.99782 83.951
7 114.60868 6.92112 1.43387 95.1 75.19
8 483.19677 0.42209 74.029
9 128.41882 7.8054 1.496999 81.54 70.892
10 -935.21739 0 69.34
11 -935.21739 2.5 1.720467 34.7 69.34
12 284.64103 7.7722 66.298
13 -7557.21355 4.81999 1.808095 22.76 61.137
14 -232.091 0 59.789
15 -232.091 2.2 1.720467 34.7 59.789
16 185.4863 可 変 56.646
17 24.28535 1 1.882997 40.76 21.482
18 16.73433 3.18699 19.822
19 198.22097 3.64678 1.808095 22.76 19.721
20 -26.57301 0 19.167
21 -26.57301 0.9 1.882997 40.76 19.167
22 40.79971 0.16833 18.068
23 21.11233 6.12039 1.808095 22.76 17.946
24 25.63884 5.7005 15.599
25 -25.62263 0.9 1.882997 40.76 14.632
26 -64.46006 可 変 14.838
27 -43.5266 0.9 1.717004 47.92 21.886
28 78.00486 2.35438 1.84666 23.78 23.021
29 -9430.13591 可 変 23.484
30 （絞り） 0 0.73867 28.839
31 79.10065 6.22448 1.603112 60.64 30.129
32 -48.91201 0.15 30.591
33 88.16009 3.4451 1.620411 60.29 30.295
34 -1822.03777 0.15 29.922
35 65.66024 6.20192 1.48749 70.23 29.351
36 -51.88183 1 1.800999 34.97 28.445
37 -150.4514 9.17259 28.016
38 -41.21179 1 1.755199 27.51 23.989
39 -290.75654 38 23.983
40 180.86498 3.81221 1.48749 70.23 21.641
41 -35.73546 3.00612 21.699
42 47.35527 6.01246 1.496999 81.54 20.126
43 -27.94143 0.8 1.882997 40.76 19.065
44 -859.13139 2.50345 18.825
45 -76.54563 0.8 1.834807 42.72 18.41
46 34.01174 2.04025 1.48749 70.23 18.407
47 57.73819 1.5 18.61
48 42.00885 4.52013 1.698947 30.13 19.296
49 -28.28528 1 1.806098 40.92 19.316
50 -54.44837 5 19.415
51 0.00000 33 1.60859 46.44 40
52 0.00000 13.2 1.5168 64.17 40
53 0.00000 7.5093 40
像面 0.00000

各種データ
ズーム比 15.0

広角 中間 望遠
焦点距離 30.000 119.400 450.000
Ｆナンバー 2.8 2.8 5
画角 20.7777 5.2748 1.4005
像高 5.5 5.5 5.5
レンズ全長 256.13 256.13 256.13
ＢＦ 41.68 41.68 41.68
射出瞳位置 -523.739 -523.739 -523.739
ｄ１６ 1.1452 41.8900 59.4426
ｄ２６ 61.4124 10.8569 10.7124
ｄ２９ 9.0675 18.8781 1.4700

本発明の光学系は、ビデオカメラやデジタルカメラ、プロジェクター、望遠鏡等の光学機器の光学系として用いることができる。

次に本発明の反射防止構造体に対する比較例及びその分光特性について示す。

［比較例１］
比較例１は、実施例１の反射防止特性との比較を行うため、透明部材の基板である、ｄ線の屈折率が１．８０５のガラス基板上に無機系の被膜の薄膜を多層せき層した多層反射防止膜である。この多層反射防止膜を蒸着法により形成した。多層反射防止膜は広い波長領域において良好な反射防止性能を有する構成となっている。得られた多層反射防止膜の構成を表１に示す。

表１において層Ｎｏはガラス基板から数えた番号である。図１５は比較例１の分光特性の説明図である。表１の構成により、図１５に示すように波長４００ｎｍから波長１０００ｎｍの広い波長領域において、光線入射角度が０度の場合でも３．０％以下と高い反射率となっている。

さらに光線入射角が６０度においては、９．０％程度となる。これに比べて本発明の実施例１とは反射率が全体に低く、反射防止性能が良い。

［比較例２］
比較例２は、実施例２の反射防止特性との比較を行うため、透明部材の基板である、ｄ線の屈折率が１．５２のガラス基板上に無機系の被膜を多層積層した多層反射防止膜である。この反射防止膜を蒸着法により形成した。多層反射防止膜は広い波長領域において良好な反射防止性能を有する構成となっている。得られた多層反射防止膜の構成を表２に示す。

図１６は比較例２の分光特性の説明図である。

表２の構成により、図１６に示すように波長４００ｎｍから波長１０００ｎｍの広い波長領域において、光線入射角度が０度の場合でも５．０％以下と高い反射率となっている。さらに光線入射角が６０度においては、１０％程度となる。これに比べて本発明の実施例２は反射防止性能が良好である。

本発明の光学素子の実施例１に係る反射防止膜の概略構成 本発明の光学素子の実施例１に係る反射防止膜概略構成の屈折率構造 本発明の光学素子の実施例１に係る反射防止膜の一例を示す特性図 本発明の光学素子の実施例２に係る反射防止膜の概略構成 本発明の光学素子の実施例２に係る反射防止膜概略構成の屈折率構造 本発明の光学素子の実施例２に係る反射防止膜の一例を示す特性図 本発明の光学素子の実施例３に係る反射防止膜の概略構成 本発明の光学素子の実施例３に係る反射防止膜概略構成の屈折率構造 本発明の光学素子の実施例３に係る反射防止膜の一例を示す特性図 本発明の実施例４に係る光学系の特性図 本発明の実施例４に係る光学系の光学断面図 本発明の実施例４に係る光学系の特性図 本発明の実施例５に係る光学系の光学断面図 本発明の実施例５に係る光学系の特性図 本発明の光学素子の実施例１に係る反射防止膜の比較例を示す特性図 本発明の光学素子の実施例２に係る反射防止膜の比較例を示す特性図

符号の説明

１１ 透明部材
１２ 均質層
１３ 均質層
１４ 微細凹凸構造体
２１ 透明部材
３１ 透明部材
３２ 均質層
３３ 微細凹凸構造体
５１ 透明部材
５２ 反射防止構造体
７１ レンズ群
７２ レンズ群
７３ レンズ群
７４ レンズ群
７７ レンズ
７８ 絞り
７９ ダミーガラス
８１ レンズ群
８２ レンズ群
８３ レンズ群
８４ レンズ群
８７ レンズ
８８ 絞り
８９ ガラスブロック
２０１ 反射防止構造体
３０１ 入射媒質（空気）
２０２ 反射防止構造体
３０２ 入射媒質（空気）
４０２ 入射媒質（空気）
７０２ 光学系
７０３ レンズ間隔
８０２ 光学系
８０３ レンズ間隔

Claims (10)

1. 可視域を含む使用波長領域で反射防止機能を有する光学素子であって、
   該使用波長領域は、該使用波長領域内の最長波長λＨが該使用波長領域内の最短波長λＬに比べて２倍以上となる範囲であり、
   該光学素子は基板の光入出射面の少なくとも一方の面に、平均ピッチが最短波長λＬ以下の微細凹凸構造体が最外層となるように構成された反射防止構造体を備え、
   Ｐを微細凹凸構造体の平均ピッチ、ｎ１を微細凹凸構造体を形成している材料の屈折率、ｈを微細凹凸構造体の平均高さ、θを空気側から微細凹凸構造体へ入射する光束の入射角とするとき、
   Ｐ＜λＬ／（ｎ１＋Ｓｉｎθ）
   ０．２λＬ≦ｈ≦０．８λＨ
   なる条件を満足することを特徴とする光学素子。
2. 前記反射防止構造体は、入射角が６０度において反射率が３％以下となる波長領域が、前記使用波長領域内に１／２以上存在するような構成より成ることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記微細凹凸構造体は、等価屈折率が前記基板側から連続的に減少するような形状より成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記微細凹凸構造体は、アルミニウム又は酸化アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の光学素子。
5. 前記微細凹凸構造体は前記基板の一方の面に直接に形成されているか、又は前記微細凹凸構造体と前記基板との間には、該微細凹凸構造体とは材質の異なる均質層が一層以上形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子。
6. 前記均質層のうち、少なくとも一層はジルコニア、シリカ、チタニア、酸化亜鉛のうち一種を含むことを特徴とする請求項５に記載の光学系。
7. 互いに波長領域が異なる第１、第２波長領域の２つの波長領域において反射防止機能を有する光学素子であって、
   該光学素子は基板の光入出射側の少なくとも一方の面に、平均ピッチが該２つの波長領域内における最短波長以下の微細凹凸構造体が最外層となるように構成した反射防止構造体を備え、
   第１の波長領域内の長波長側の波長をλａ、
   第１の波長領域より長波長側の第２の波長領域内の短波長側の波長をλｂ、
   λｃ＝（λａ＋λｂ）／２
   とし、該微細部の高さをｈとするとき
   λａ＜λｂ
   ０．４４＜ｈ／λｃ＜０．５６
   なる条件を満足することを特徴とする光学素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項の光学素子が配置されている光学系であって、該最も物体側の光学素子の光入射側の有効径をＤａ、該光学系の焦点距離（光学系がズームレンズのときは広角端における焦点距離）をｆとするとき
   ３≦Ｄａ／ｆ
   なる条件を満足することを特徴とする光学系。
9. 前記光学系はズーム部を有し、該光学系のズーム比をＺとするとき、
   １５≦Ｚ
   なる条件を満足することを特徴とする請求項８の光学系。
10. 請求項８又は９の光学系を有することを特徴とする光学機器。