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技術 光学素子およびそれを有する光学系、光学機器

出願人 キヤノン株式会社
発明者 佐野大介
出願日 2016年6月14日 (3年6ヶ月経過) 出願番号 2016-117515
公開日 2017年12月21日 (1年11ヶ月経過) 公開番号 2017-223756
状態 未査定
技術分野 光学要素の表面処理 光学要素・レンズ
主要キーワード 網目模様 微細構造層 低入射角 削り出す 反射防止構造体 人工筋肉 電磁モータ 膜割れ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年12月21日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

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。

概要

背景

従来、結像光学系では所望の焦点距離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。

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。

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。

概要

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。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。なし

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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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。

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。

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。

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

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。

0005

特開2007−114608号公報

先行技術

0006

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

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

本発明にかかる光学素子
光学面に形成される反射防止構造体
式(4)の左辺入射角度に対するS偏光反射率
光学面の変化に対する反射防止構造体の形状変化
光学面の変化に対する反射防止構造体の形状変化
反射防止構造体のピッチとffに対するS偏光反射率
実施例1の反射率特性
実施例2の反射率特性
比較例の反射率特性
デジタルカメラ

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

0019

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

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

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偏光最小反射率計算値図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

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

0044

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。

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。

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。

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受光するCCDセンサ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。

実施例

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。

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

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