光学元件和光学装置 |
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| 申请号 | CN201210289702.7 | 申请日 | 2008-07-24 | 公开(公告)号 | CN102819055A | 公开(公告)日 | 2012-12-12 |
| 申请人 | 佳能株式会社; | 发明人 | 佐野大介; 奥野丈晴; | ||||
| 摘要 | 一种光学元件从光入射侧依次包含第一层（012）、第二层（013）和基体构件（011）。第一层包含具有以比入射光的 波长 小的 节距 交替地形成的凸形部分（012a）和凹形部分（012b）的凹凸结构，并且，第二层满足以下的条件： 这里，ns表示第一层的有效折射率，nb表示基体构件的折射率，并且，nA和dA分别表示第二层的折射率和厚度。 | ||||||
| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | 光学元件和光学装置技术领域[0002] 本发明涉及具有诸如反射抑制（反射减小）功能的光学功能的光学元件，并且涉及使用它的光学装置。 背景技术[0004] 但是，一般用作透射光学元件的材料的光学玻璃和光学塑料具有大的折射率，由此具有大的反射率。因此，使用多个这种透射光学元件增大反射光量，由此减小透射光量。 [0005] 为了抑制透射光学元件的反射，光学元件常常被提供有反射抑制功能。作为向光学元件提供反射抑制功能的方法，一些方法是已知的。 [0006] 最普通的方法是在透射光学元件的表面上形成反射抑制（抗反射）膜。更具体而言，通过诸如气相沉积或溅射的薄膜形成技术在透射光学元件的表面上形成薄膜，以通过利用光学干涉减小反射率。 [0007] 另一方法是使用比入射（enter）光波长（也称为使用波长）细微（fine）的结构。作为最著名的结构，“蛾眼”结构是可用的。蛾眼由于其独特的微细（minute）结构使得能够实现非常低的反射率。 [0008] 在比入射光波长细微的结构中，光不受结构的影响，而表现出仿佛通过均匀的介质的性能。这种结构表现出根据其构成材料的体积比的折射率。由此，可以实现不能通过普通材料实现的具有低的折射率的结构，由此有利地抑制反射。 [0009] 作为使用微细结构的反射抑制方法，涂敷其中分散有直径比入射光波长小的微细粒子的粒子分散膜（日本专利No.3135944），和通过微细图案处理技术形成微细周期性结构（日本专利公开No.50（1975）-70040）。 [0010] 但是，形成比入射光波长细微的结构需要复杂的处理，并且，由于其构成材料的限制，因此设计自由度低。因此，只能对有限条件中的透射光学元件用这种微细结构实现高的反射抑制性能。 [0011] 本发明提供具有诸如良好的反射抑制性能的光学性能并具有高的设计自由度的光学元件。 发明内容[0012] 本发明根据其一个方面提供一种光学元件，该光学元件从光入射侧依次包含第一层、第二层和基体（base）构件。第一层包含具有以比入射光的波长λ小的节距（pitch）交替地形成的凸形部分和凹形部分的凹凸结构，并且，第二层满足以下的条件： [0013] [0014] [0015] 这里，ns表示第一层的有效折射率，nb表示基体构件的折射率，并且，nA和dA分别表示第二层的折射率和厚度。 [0016] 本发明根据其另一方面提供包括上述的光学元件的光学装置。 附图说明[0018] 图1示意性地表示作为本发明的实施例的光学元件的结构。 [0019] 图2表示图1所示的光学元件的折射率结构。 [0020] 图3示意性地表示作为比较例的光学元件的结构。 [0021] 图4表示图1和图3所示的光学元件的反射抑制性能。 [0022] 图5示意性地表示作为本发明的另一实施例的光学元件的结构。 [0023] 图6表示图5所示的光学元件的折射率结构。 [0024] 图7示意性地表示作为另一比较例的光学元件的结构。 [0025] 图8表示图7所示的比较例的折射率结构。 [0026] 图9示意性地表示作为再一比较例的光学元件的结构。 [0027] 图10表示图9所示的比较例的折射率结构。 [0028] 图11表示实施例的反射抑制结构被应用于透镜的应用例。 [0029] 图12表示实施例的反射抑制结构被应用于棱镜的应用例。 [0030] 图13表示与实施例对应的数值例1的反射率特性。 [0031] 图14表示数值例2的反射率特性。 [0032] 图15表示数值例3的反射率特性。 [0033] 图16表示数值例4的反射率特性。 [0034] 图17表示比较例1的反射率特性。 [0035] 图18表示比较例2的反射率特性。 [0036] 图19表示比较例3的反射率特性。 [0037] 图20示意性地表示作为本发明的再一实施例的光学元件的结构。 [0038] 图21示意性地表示使用实施例的光学元件的数字照相机。 具体实施方式[0039] 以下将参照附图描述本发明的示例性实施例。 [0040] 图1表示作为本发明的实施例的光学元件的结构。L表示入射到光学元件的光。光学元件从光入射侧依次包含第一层012、第二层013和基体构件011。 [0041] 基体构件011与通过第一层012和第二层013对其提供反射抑制功能的诸如透镜或棱镜的光学透明构件（透射光学构件）对应。 [0042] 第一层012具有包含以比入射到光学元件的光L的波长λ小的节距p交替地形成的凸形部分012a和凹形部分012b的凹凸结构。凸形部分012a和凹形部分012b分别具有宽度wa和wb。节距p在这里指的是从一个凸形部分012a到下一个凸形部分012a的长度。凸形部分012a和凹形部分012b中的每一个的宽度在这里指的是凸形部分012a和凹形部分012b的交替排列方向的尺寸。 [0043] 第一层012具有包含凸形部分012a和凹形部分012b的凹凸结构，所述凸形部分012a和凹形部分012b沿第一层012的厚度方向具有均匀的宽度。 [0044] 第二层013是没有凹凸结构的均质层，该第二层013被设置在第一层012和基体构件011之间。这里，由于第一层012可用作具有通过混合构成凸形部分012a的介质和填充凹形部分012b的介质（例如，空气）获得的有效折射率的层，因此，形成第一层012的凹凸结构的节距p优选等于或大于λ/20。 [0045] 凹凸结构优选是包含各自具有均匀的宽度并且被规则地布置的凸形部分012a和凹形部分012b（即，以相同的节距交替地形成凸形部分和凹形部分）的周期性结构。但是，如果平均节距比λ小，那么也可使用具有不规则地布置的凸形部分012a和凹形部分012b的非周期性结构。 [0046] 在图1中，作为第二层013，仅显示一个层。但是，可以设置两个或更多个层作为第二层。 [0047] 作为上述的均质层的替代，第二层013可具有这样的凹凸结构，所述凹凸结构具有以比λ小的节距交替地形成的凸形部分和凹形部分。 [0048] 图2表示图1所示的光学元件的折射率结构。在图2中，附图标记021表示基体构件011的折射率，022表示第一层012的折射率（有效折射率），而023表示第二层013的折射率。图2的纵轴表示折射率，横轴表示厚度方向的位置。 [0049] 由于第一层012具有充分地小于入射光L的波长的凹凸结构，因此它表观上表现出类似于均质层的光学特性。更具体而言，第一层012具有从构成凸形部分012a的材料的填充因子ff获得的有效折射率。 [0050] 有效折射率ns可粗略地由下式（a）表示： [0051] [0052] 这里，构成凸形部分012a的材料的折射率为n0。 [0053] 从式（a）可以看出，构成凸形部分012a的材料的较大的填充因子增大第一层012a的有效折射率。利用这种性能使得能够形成不能在常规的均质层中获得的低折射率层。 [0054] 本实施例的光学元件具有使得在第一层012和基体构件011之间插入产生光学干涉的另一层（第二层013）的结构。该结构可降低作为最外面的层的第一层012的折射率，由此抑制关于入射光的入射角的Fresnel系数的变化。并且，在第二层013处产生的光学干涉可改善入射角特性。 [0055] 并且，可使得作为最外面的层的第一层012和与其接触的空气之间的折射率的差异较小，由此使得能够减小光学干涉波的振幅，并因此可获得宽带特性优异的反射抑制功能。 [0056] 为了获得上述的性能和功能，必须满足以下的条件（1）和（2）。在以下条件（1）和（2）中，第二层013的折射率和厚度（也称为膜厚）分别由nA和dA表示，入射光的波长由λ表示，基体构件011的折射率由nb表示，并且，第一层012的有效折射率由ns表示。 [0057] [0058] [0059] 更优选地，满足以下的条件（3）和（4）： [0060] [0061] [0062] 当满足这些条件时，第二层013处的光学干涉可进一步减小其入射角特性和宽带特性已经被第一层012校正的光的反射，由此获得高性能的反射抑制结构。并且，满足以上的条件使得能够形成具有高的设计自由度的反射抑制结构，仅通过调整第二层013的折射率和厚度，该反射抑制结构可被应用于各种类型的透射光学元件。 [0063] 在具有与图1所示的光学元件类似的结构的光学元件中，在第一层中设置的凹凸结构可以是图5所示的凹凸结构。附图标记051表示基体构件，而052表示第一层，所述第一层具有以比入射光L的波长λ小的节距交替地形成凸形部分052a和凹形部分052b的凹凸结构。 [0064] 但是，凸形部分052a和凹形部分052b的宽度沿第一层052的厚度方向变化。更具体而言，随着更加接近第二层053和基体构件051，凸形部分052a的宽度增大，而凹形部分052b的宽度以与其相反的方式改变。附图标记053表示作为均质层的第二层。 [0065] 这种情况下的第一层052的有效折射率沿厚度方向改变，在图6中示出这一点。附图标记061表示基体构件051的折射率，062表示第一层052的折射率（有效折射率），而 063表示第二层053的折射率。图6的纵轴表示折射率，而横轴表示厚度方向的位置。 [0066] 由于第一层052的凸形部分052a具有从第二层侧变细的渐缩（tapered）形状，因此其有效折射率从第二层侧向空气侧（光入射侧）逐渐减小。 [0067] 在这种折射率结构中，入射光在第一层052中干涉许多次然后入射到第二层053。在这种情况下，与常规的光学干涉膜不同，光根据折射率的梯度和第一层052的厚度减弱（attenuate），而入射到第二层053。因此，为了抑制剩余的光在基体构件051处的反射，调整第二层053的折射率和厚度使得能够形成光学特性优异的反射抑制结构。 [0068] 如上所述，本实施例的反射抑制结构可以在不使用常规的光学干涉的情况下使光减弱。由于光学干涉对于层的厚度和折射率敏感，因此光学干涉使得难以实现宽带特性和入射角特性优异的反射抑制结构。相反，本实施例的结构对于入射光的入射角和波长不敏感，由此使得能够容易地实现高性能的反射抑制结构。 [0069] 并且，在本实施例中，使用适于第一层结构的第二层使得不管第一层的材料和形状如何都能够形成可适用于各种透射光学构件的反射抑制结构。并且，在本实施例中，在第一层处减弱的光入射到第二层，因此，与使用常规的光学干涉膜的情况相比，本实施例的结构对第二层的折射率和厚度不敏感。因此，与常规的光学元件相比，本实施例的光学元件在制造精度上具有较大的裕度。 [0070] 并且，如图20所示，可以在满足条件（1）和（2）或条件（3）和（4）的第二层013和第一层012之间插入满足以下的条件（5）的另一层（第三层）014： [0071] [0072] 这里，nB和dB表示第三层的折射率和厚度。 [0073] 满足条件（5）的第三层014如此薄，以致其对于光学元件的光学特性的影响是小的。但是，第三层014具有改善第一层012和第二层013之间的粘接性的效果。 [0074] 第一层和与其接触的层（图1和图2所示的结构中的第二层、或第三层，以下称为邻接层）可由相互不同的材料制成。当以比入射光的波长λ小的节距形成凹凸结构时，用于形成凹凸形状的处理一般跟在用于形成均质层的处理之后。 [0075] 在这种情况下，使用相互不同的材料形成第一层和邻接层可避免或减小由凹凸形状处理导致的邻接层的损伤。相互不同的材料可在它们的成分中部分包含彼此相同的材料。 [0076] 图3表示作为比较例的光学元件，所述光学元件包含具有凹凸结构的第一层032，所述凹凸结构沿厚度方向具有均匀的宽度，所述第一层032直接形成在基体构件031上（即，它没有第二层）。即使在这种情况下，改变第一层032的结构也可调整其折射率。在这种情况下，满足以下的条件（6）的结构使得能够实现（allow）由图4中的附图标记203表示的反射率特性。图4中的附图标记202表示基体构件的反射率。 [0077] [0079] 虽然图中没有示出，但是，与图1所示的结构类似，图5所示的结构也可实现良好的宽带反射抑制特性。 [0080] 图7和图9表示具有结构沿厚度方向改变的第一层的比较例。图7表示基体构件071和由与基体构件071的材料不同的材料制成的第一层072相邻（没有第二层）的情况。 图9表示基体构件091和由与基体构件091的材料相同的材料制成的第一层092相邻（没有第二层）的情况。 [0081] 图8表示图7所示的结构的折射率结构。附图标记081表示基体构件071的折射率，082表示第一层072的折射率（有效折射率）。在图7所示的结构中，由于第一层072和基体构件071由相互不同的材料制成，因此在它们之间的界面处产生大的折射率差。因此，即使当从空气侧入射的光在第一层072处减弱时，光也在第一层072和基体构件071之间的界面处被显著地反射，这降低所述结构的光学性能。 [0082] 图10表示图9所示的结构的折射率结构。附图标记101表示基体构件091的折射率，102表示第一层092的折射率（有效折射率）。在图9所示的结构中，由于第一层092和基体构件091由相同的材料制成，因此，基体构件侧的第一层092的折射率与基体构件091的折射率相差不大。因此，入射到基体构件091的光仅为减弱的光，这使得能够获得良好的光学特性。 [0083] 但是，通过使用光学玻璃或光学塑料制造诸如基体构件的结构具有困难并且批量生产性差。另外，基体构件091根据其形状在加工本身方面有困难，这使得该结构可适用的基体构件091的形状的范围变窄。 [0084] 调整图7所示的结构中的第一层072的材料和形状也可实现图10所示的折射率结构。但是，当这种结构被应用于具有超过1.8的高的折射率的基体构件时，材料的选择和结构的优化是困难的，这导致制造困难和批量生产性差。 [0085] 图11和图12表示在本实施例中描述的反射抑制结构被应用于光学元件的应用例。图11是作为光学元件中的一种的透镜的横截面图，图12是作为光学元件中的另一种的棱镜的横截面图。 [0086] 在这些图中，附图标记112和122分别表示作为被提供有反射抑制功能的基体构件（光学透明构件）的透镜体和棱镜体。附图标记111和121表示具有凹凸结构的第一层，所述凹凸结构的节距比入射光的波长λ小。附图标记113和123表示第二层。 [0087] 透镜体112和棱镜体122具有大得足够被安装到一般的光学装置的厚度。第一层111和121以及第二层113和123具有比入射光的波长λ小的凹凸节距和厚度。 [0088] 可以在许多光学装置中使用这种包含透镜和棱镜的光学元件。例如，图21表示作为使用本实施例的光学元件的光学装置中的一种的数字照相机。 [0089] 附图标记20表示照相机体，21表示包含作为本实施例的光学元件的镜头的成像光学系统。成像光学系统21包含多个透镜，这些透镜中的至少一个是作为本实施例的光学元件的透镜。附图标记22表示接收通过成像光学系统21形成的对象图像的诸如CCD传感器或CMOS传感器的固态图像拾取元件（光电转换元件），该固态图像拾取元件22被设置在照相机体20内。 [0090] 附图标记23表示用于在其中记录与对象图像对应的图像信息的存储器，该图像信息是通过固态图像拾取元件22光电转换对象图像产生的。附图标记24表示由液晶显示板等构成的电子取景器，该电子取景器使得能够观察在固态图像拾取元件22上形成的对象图像。 [0091] 这样，通过使用本实施例的光学元件构成成像光学系统可实现抑制成像光学系统中的不必要的反射的、具有高的光学性能的照相机。 [0092] 本实施例的光学元件也可被用于照相机的取景器光学系统、照明光学系统和液晶投影仪的投影光学系统等。具有上述的反射抑制结构的光学元件可有效地增大透过其中的光量并充分抑制由于不必要的反射产生的幻影（ghost）或闪耀（flare）。 [0093] 以下描述与上述的实施例对应的数值例（模拟例）。各数值例使用500nm作为入射光的波长。但是，在本发明的替代性的实施例（替代性数值例）中，入射光的波长不限于此。并且，各数值例使用物理层厚（膜厚）作为层的厚度。 [0094] [数值例1] [0095] 在本数值例的光学元件中，使用具有1.8的折射率的光学玻璃作为基体构件。然后，在基体构件上以95nm的厚度形成具有1.46的折射率的第二层（均质层），并且，进一步在第二层上以150nm的厚度形成第一层。第一层由具有1.46的折射率的材料制成，并且，其材料填充因子为30%。第一层的有效折射率为1.13。第一层沿厚度方向具有均匀的结构。 [0096] 图13表示本数值例的特性。图13表示对于其入射角为0°、30°和60°的光的反射率特性。 [0097] 在低入射角处在长波长侧以及在高入射角处在短波长侧，该光学元件表现出明显好的反射抑制特性（低的反射率）。即使当入射角改变时，最低的反射率的变化也受到抑制。 [0098] [数值例2] [0099] 在本数值例的光学元件中，使用具有1.5的折射率的光学玻璃作为基体构件。然后，在基体构件上以100nm的厚度形成具有1.38的折射率的第二层（均质层），并且，进一步在第二层上以100nm的厚度形成第一层。第一层由具有1.46的折射率的材料制成，并且，其材料填充因子为30%。第一层的有效折射率为1.13。第一层沿厚度方向具有均匀的结构。 [0100] 图14表示本数值例的特性。图14表示对于其入射角为0°、30°和60°的光的反射率特性。 [0101] 该光学元件特别是在高入射角处表现出宽带反射抑制特性。 [0102] [数值例3] [0103] 在本数值例的光学元件中，使用具有1.8的折射率的光学玻璃作为基体构件。然后，在基体构件上以85nm的厚度形成第二层，并且，进一步在第二层上以300nm的厚度形成第一层。第二层由具有1.68的折射率的材料制成并具有凹凸结构，并且，其材料填充因子为90%。第二层的有效折射率为1.61。第一层由具有1.53的折射率的材料制成，并且，其最接近基体构件的部分处的材料填充因子为70%。第一层的有效折射率为1.37。第一层被形成为使得填充因子随着更加接近光入射侧而逐渐减小。 [0104] 图15表示本数值例的特性。图15表示对于其入射角为0°、30°和60°的光的反射率特性。 [0105] 该光学元件在从低入射角到高入射角的宽的入射角范围处表现出良好的反射抑制特性。并且，它在整个入射角范围处表现出良好的宽带反射抑制特性。 [0106] [数值例4] [0107] 在本数值例的光学元件中，使用具有1.8的折射率的光学玻璃作为基体构件。然后，在基体构件上以70nm的厚度形成具有1.64的折射率的第二层（均质层），在第二层上以25nm的厚度形成具有1.53的折射率的第三层（均质层），并且，进一步在第三层上以300nm的厚度形成第一层。第一层由具有1.53的折射率的材料制成，并且，其最接近基体构件的部分处的材料填充因子为70%。第一层的有效折射率为1.37。第一层被形成为使得填充因子随着更加接近光入射侧而逐渐减小。 [0108] 图16表示本数值例的特性。图16表示对于其入射角为0°、30°和60°的光的反射率特性。 [0109] 由于在该光学元件中设置在第一层和第二层之间的第三层处的干涉的影响小，因此获得入射角特性和宽带特性优异的反射抑制结构。 [0110] 以下描述与以上的数值例相比较的比较例（模拟例）。各数值例使用500nm作为入射光的波长。 [0111] [比较例1] [0112] 在本比较例中，使用具有1.8的折射率的光学玻璃作为基体构件。然后，在基体构件上以300nm的厚度形成第一层。第一层由具有1.46的折射率的材料制成，并且，其材料填充因子为30%。第一层的有效折射率为1.13。第一层沿厚度方向具有均匀的结构。 [0113] 图17表示本比较例的特性。图17表示对于其入射角为0°、30°和60°的光的反射率特性。 [0114] 本比较例在基体构件和第一层之间具有大的折射率差，因此，在整个入射角范围上，反射率等于或大于3%。即，不能从中获得良好的反射抑制特性。 [0115] [比较例2] [0116] 在本比较例中，使用具有1.8的折射率的光学玻璃作为基体构件。然后，在基体构件上以300nm的厚度形成第一层。第一层由具有1.53的折射率的材料制成，并且，其在最接近基体构件的部分处的材料填充因子为70%。第一层的有效折射率为1.37。第一层被形成为使得填充因子随着更加接近光入射侧而逐渐减小。 [0117] 图18表示本比较例的特性。图18表示对于其入射角为0°、30°和60°的光的反射率特性。 [0118] 本比较例在基体构件和第一层（格栅（grated）层）之间具有大的折射率差，因此，当入射角为60°时，反射率在约400nm的波长带处显著增大到约5%。 [0119] [比较例3] [0120] 在本比较例中，使用具有1.8的折射率的光学玻璃作为基体构件。然后，在基体构件上以50nm的厚度形成具有2.3的折射率的均质层（与实施例中的第二层对应），并且，在均质层上以300nm的厚度形成第一层。第一层由具有1.53的折射率的材料制成，并且，其最接近基体构件的部分处的材料填充因子为70%。第一层的有效折射率为1.37。第一层被形成为使得填充因子随着更加接近光入射侧逐渐减小。 [0121] 图19表示本数值例的特性。图19表示对于其入射角为0°、30°和60°的光的反射率特性。 [0122] 在本比较例中，均质层不满足条件（1），因此，反射抑制特性差。 [0123] 表1表示上述的数值例1~4和比较例1~3的结构。 [0124] [表1] [0125] [0126] 如上所述，实施例可实现具有诸如宽带特性和入射角特性优异的反射抑制性能的良好的光学性能并具有高的设计自由度的光学元件。 [0128] 在上述的例子中，通过在基体构件上设置第一层和第二层获得反射抑制功能。但是，可以出于获得其它光学功能的目的在基体构件上设置第一层和第二层。 [0129] 本申请要求在2007年7月27日提交的日本专利申请No.2007-196745的权益，在此通过引入并入其全部内容。 [0130] 工业应用领域 [0131] 提供具有诸如宽带特性和入射角特性优异的反射抑制性能的良好的光学性能并具有高的设计自由度的光学元件和使用它的光学装置。 |
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