JP2006201697A - 光吸収部材及びそれを有する光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】入射した光を吸収することによって、入射した光が反射又は透過して外部に出射するのを効果的に防止することができる光吸収部材を得ること。
【解決手段】入射光を吸収する為に透明基板１１上に設ける光吸収部材（黒色反射防止膜）１０であって、該光吸収部材１０は、該透明基板１１側から順に光吸収部（吸収性多層反射防止膜）１２、遮光部（遮光膜）１３、光吸収部（吸収性多層反射防止膜）１４を設けた構成より成っている。
【選択図】図１

Description

本発明は光吸収部材及びそれを有する光学素子に関し、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等の光学機器において、レンズ鏡筒内に入射した光のうち、光束有効部以外の領域に入射した光束を吸収し、光束有効部以外の領域から反射光や透過光が生じ、これらの光（不要光）が像面に入射するのを防止する際に好適なものである。

一般にレンズ鏡筒やカメラ本体等の光学機器内で使用される光学部品（光学素子）には光束有効部以外に入射した光がそこから反射又は透過して不要光となり、像面に入射し、画質を低下させるのを防止する為に、光学素子の光束有効部以外の領域に、光吸収部材（遮光膜）を設けている。

特に光学素子間の距離が近接しているような光学系内においては不要光が除去されないと、それが多重反射をし、像面に入射しゴーストや散乱光によるフレアとなり、光学性能に悪影響を及ぼす。

また最近は特に光学系の小型化が進み光学素子間の距離が接近する傾向にあるため、不要光の除去効果の高い光吸収部材を光学素子の光束有効部以外の領域に設けることが要望されている。

現在、レンズやガラス基板等の透明基板上に不必要な光の吸収（遮光）を目的として形成する光吸収部材（遮光膜）の材料としては、黒色有機塗料がある。この黒色有機塗料をスクリーン印刷等により基板上に印刷して遮光膜を形成するのが一般的である。

スクリーン印刷で作成される遮光膜はその特徴として、遮光性が高い、表面、裏面の残存反射が少ない、容易に加工できる等の優れた特徴を有する。その一方で、通常、光学部品（光学素子）に使用されている光吸収部材に比べて、耐熱性や機械的強度が劣る、遮光の為にはある程度の塗膜厚を必要とする。この為に数μｍ以下の薄膜で構成するのが難しい、加熱等を伴う二次加工が出来ない等の欠点がある。

このような問題を解決する光吸収部材として、真空成膜による光吸収性の反射防止膜が知られている（特許文献１〜５）。
特許第３３５９１１４号 特開２００３−３４４６１２号公報 特開２００１−３５０００３号公報 特許第２６９１９８９号 特開平１０−９６８０１号公報

特許文献１，２では吸収膜として酸化チタン等の金属酸化物のみを用いた薄膜型ＮＤフィルターを開示している。

特許文献１，２では完全な遮光効果を得る為には吸収膜の層厚を厚くするか、若しくは吸収膜の層数を増加させる等が必要となり、結果的には残存反射光が増加し、更に総膜厚が増加してくる傾向がある。

特許文献３は、無機物質からなる黒色被膜と、黒色被膜の上に形成され、各界面と隣接しているものと異なる屈折率を有した反射防止膜とからなる黒色反射防止膜を開示している。この構成は裏面反射が生じ、又、表面反射が使用波長域で生じている。

特許文献４は、金属膜上に透明誘電体膜と金属薄膜とからなる反射防止膜を形成した中性濃度フィルターを開示している。

このように金属膜上に直接、透明誘電体膜を形成してなる黒色反射防止膜は、特定波長以外での反射率の軽減が難しく、広い波長域での反射防止が難しい。

特許文献５は、基体側から光吸収膜、透明な誘電体膜より成る光吸収性反射防止体を開示している。

特許文献５は低反射率の波長範囲が広い反射防止膜を開示しているが、金属窒化物などの製造にはプラズマ装置等の専用設備が必要である。

本発明は、入射した光を吸収することによって、入射した光が反射又は透過して外部に出射するのを効果的に防止することができる光吸収部材及びそれを有する光学素子の提供を目的とする。

この他本発明は、特殊なガス導入やプラズマ装置などを必要とせずに、可視全域（波長４００ｎｍ−７００ｎｍ）で透過光、表面、裏面反射光に対して十分な吸収効果（遮光効果）を持ち、なおかつ強度や耐熱性、平面性等の物理的性質に優れ、物理的膜厚が薄い光吸収部材及びそれを有する光学素子の提供を目的とする。

本発明の光吸収部材は、入射光を吸収する為に透明基板上に設ける光吸収部材であって、該光吸収部材は、該透明基板側から順に光吸収部、遮光部、光吸収部より成ることを特徴としている。

本発明によれば、入射した光を吸収することによって、入射した光が反射又は透過して外部に出射するのを効果的に防止することができる光吸収部材が得られる。

図１は、本発明の光吸収部材を施した光学素子１００の実施例１の要部断面図である。図２は実施例１の光吸収部材の膜構成の説明図である。実施例１の光吸収部材（黒色反射防止膜）１０は、透明基板１１の平面又は曲面上に光吸収部（吸収性多層反射防止膜）１２、金属単層膜による遮光部（遮光膜）１３、光吸収部（吸収性多層反射防止膜）１４を設けた構成より成っている。

具体的には、透明基板１１を光学ガラス（商品名Ｓ−ＢＳＬ７（ＢＫ７））で、光吸収部１２を基板１１側からＡｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ／Ａｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ／Ａｌ₂Ｏ₃の５層構成で、遮光部１３をクロム（Ｃｒ）単層膜で、光吸収部１４を基板１１側からＴｉＯ／Ａｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ／Ｍ_gＦ₂の４層で構成している。ＴｉＯは光吸収層である。

ここで遮光部１３は基準波長５５０ｎｍでの透過率が０％、反射率が６０％程度、光吸収部１２，１４は透過率が１０％以下の多層膜より成っている。

そして本実施例の光学部材は、可視全域（波長４００ｎｍ−７００ｎｍ）において透過率が零で、なおかつ表面反射率、裏面反射率ともに０．６％以下と、遮光膜として十分な性能を実現している。実施例１の総膜厚は６４７．０９ｎｍと薄膜化を達成している。尚、裏面反射光とは、光学素子に入射した光のうち、光学素子内部を透過し、光の射出側の界面（図１では不図示）で反射した後、入射側界面に戻ってくる光のことを指す。

遮光部１３のクロム単層膜の総膜厚に対する比率を１０％〜２０％程度とし、これによって良好なる光吸収部材を構成している。

実施例１では、光吸収部材１０は物理的な総膜厚が１μｍ以下となっている。

又、光吸収部材１０は、可視全域（波長４００ｎｍ−７００ｎｍ）において、光透過率,表面反射率、裏面反射率がいずれも１％以下となるように膜層が構成されている。

実施例１の光吸収部材１０は、光反射及び光透過を完全に遮断するための遮光部（遮光層）１３を光吸収部１２，１３との間に設けている。

これによって、遮光効果の大部分を遮光部１３により実現して膜構成全体の簡略化と総膜厚の薄膜化を容易にしている。

又、図１０に示すように光吸収部材１０内の光透過が遮光膜１３により、基板１１側の光吸収部１２内の透過光Ｔｂと、大気側（光入射側）の光吸収部１４内の透過光Ｔａとに略分割している。

ここで図１０，図１１に示すように大気側（図面，左側）から入射して、光学素子１００を構成する光吸収部材１０で反射する光が表面反射光Ｔａであり、基板１１側から入射し、光吸収部材１０の各面で反射して、基板１１側へ反射する光が裏面反射光Ｔｂである。

実施例１は、表面反射光Ｔａと裏面反射光Ｔｂを減少させる為に前述した構成をとっている。

図１１は光学素子１００としてレンズを用いレンズの表面上の光束有効部以外の領域に設けた光吸収部材１０に、光束が入射する様子を示している。

図１１において空気中からの入射光のうち、光吸収部材１０に直接入射し反射する光が表面反射光Ｔａであり、レンズ１００の基板１１の有効領域内に入射した後に、光束有効領域外に設けた光吸収部材１０で反射する光が裏面反射光Ｔｂである。

一般に反射防止膜を施した光学素子では、膜表面における表面反射と、膜と基板と境の基板面における裏面反射が異なるために、表面反射と裏面反射の双方を同時に最適化する必要がある。

実際の膜設計においては表面反射と裏面反射は互いに干渉するために膜設計が難しい。

これに対して実施例１の膜構成では、図１０に示すように光吸収部材１０内の光透過を遮光部１３により分断することにより表面反射光Ｔａと裏面反射光Ｔｂの相互干渉を防止している。このため、膜設計においても表面反射率は大気側の光吸収部１４の表面反射率、裏面反射率は基板１１側の光吸収部１２の裏面反射率と、それぞれ独立した設計が可能となり、結果として良好なる光吸収部材１０の更なる向上が可能となる。

実施例１の分光特性図を図３に示す。また比較例として遮光部１３を除いた膜構成を図８に、分光特性図を図９に示す。図３，図９に示すように実施例１の光吸収部材１０は透過率、反射率が比較例に比べて改善されていることが確認出来る。

本発明の光吸収部材１０は遮光部１３を挟んでいる（前後の）光吸収部１２，１４をそれぞれ２層以上の光吸収層（光吸収膜）(ＴｉＯ)を含む吸収多層反射防止膜で構成している。

特許文献４では金属膜上に、透明誘電体膜と金属薄膜とからなる反射防止膜を形成した中性濃度フィルターを開示している。このような構成で得られる反射防止効果は、例えば図２のように可視域全域で低反射率を得る事が難しい。また、同文献に比較例２としてＣｒ₂Ｏ₃のように吸収を有する薄膜による反射防止膜例が提示されているが、このような構成においても可視全域で低反射率を実現する事が難しい。

また、特許文献３では遮光膜として、無機物質からなる黒色被膜を用いた例が、また特許文献５では光吸収性反射防止体およびその製造方法として、金合金や窒酸化シリコン等を使用した例が開示されているが、このような黒色被膜を得る為には、加工設備やガス導入条件等複雑な要素管理が必要であり、特殊なガス導入やプラズマ装置などを用いないと黒色反射防止膜を得る事はできない。

これに対して実施例１では遮光部１３を金属単層膜より構成している。又、光吸収部１２，１４にはガス導入手段等を使用せずに安定した光吸収特性が得られる物質として光吸収層としてＴｉＯ又はＴｉ₂Ｏ₃又はこれらの混合物を使用し、さらに光吸収の広帯域化を目的として光吸収層を２層以上に分割している。又、光吸収層の前後（間）にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ｍ_gＦ₂等からなる透明誘電体層を配置する構成としている。さらに、遮光部１３を構成する金属単層膜からの反射光の低減と膜厚限界の最適値として、光吸収部１２，１４単独での光透過率を１０％以下となるような膜構成としている。

これによって実際の遮光部１３からの反射光の影響量を１０％×１０％＝１％以下に軽減している。例えば遮光部１３を金属クロム単層膜で実現した場合は金属クロム単層膜自体の反射率が約６０％である為、表面反射光Ｔａと裏面反射光Ｔｂの実際の反射率は０．６％以下となる。尚、遮光膜１３は多層の金属膜より構成しても良い。

図４は実施例１として図２に提示した膜構成に対し、大気側の光吸収部１４のみを抽出した膜構成と分光特性図である。図５は実施例１として図２に提示した膜構成に対し、基板１１側の光吸収部１２のみを抽出した膜構成と分光特性図である。このように各光吸収部１２，１４単独での光透過率が１０％以下の場合はそれらの間に光遮光部１３を設ければ十分な光吸収効果（反射防止効果）が得られる。

本発明の実施例２の光吸収部材の、膜構成を図６に、分光特性図を図７に示す。基板上に設ける膜構成は、図１と同様である。実施例２では光吸収部材を施す基板を図１に示すガラスより成る透明基板１１の代わりに透明樹脂（ポリカーボネート）を用いている。光吸収部１２を基板側からＳｉＯ₂／ＴｉＯ／ＳｉＯ₂／ＴｉＯ／ＳｉＯ₂の５層構成で、遮光部１３をクロム（Ｃｒ）単層膜で、光吸収部１４を基板１１側からＴｉＯ／Ａｌ₂Ｏ₃／ＴｉＯ／Ｍ_gＦ₂の４層で構成している。そして可視全域（波長４００ｎｍ−７００ｎｍ）において透過率が零で、なおかつ表面反射率、裏面反射率ともに０．６％以下と、遮光膜として十分な性能を実現している。

実施例２の総膜厚は６１８．１１ｎｍと１μｍ以下で薄膜化を達成している。透明基板１１はガラス、樹脂いずれの場合でも対応でき、当然のことながら成膜条件も加熱／非加熱の双方に対応できる。

以上のように各実施例によれば、可視全域（波長４００ｎｍ−７００ｎｍ）で透過光、表面、裏面反射光に対して十分な遮光効果を持つ光吸収部材（黒色反射防止膜）が得られる。さらに各実施例で使用している成膜物質はすべて膜硬度や耐熱性、平面性等の物理的性質に優れ、さらに成膜が容易な物質のみで構成しているため、物理的に優れた品質の光吸収部材を真空蒸着装置のみで容易に得ることが出来る。さらに総膜厚に関しても１μｍ以下と、スクリーン印刷等では実現が難しい薄さの光吸収部材が得られる。

本出願の実施例１の光吸収部材を有した光学素子の要部概略図 本発明の実施例１の光吸収部材の膜構成の説明図 本発明の実施例１の光吸収部材の分光特性図 実施例１で用いている基板側の光吸収部の膜構成と特性図 実施例１で用いている表面側の光吸収部の膜構成と特性図 本発明の実施例２の光吸収部材の膜構成の説明図 本発明の実施例２の光吸収部材の分光特性図 比較例１の膜構成の説明図 比較例１の分光特性図 本発明の光学素子で生ずる表面反射光と裏面反射光の説明図 本発明の光学素子の光吸収部材に光束が入射するときの説明図

符号の説明

１００：光学素子
１０：光吸収部材
１１：透明基板
１２：光吸収部
１３：遮光部
１４：光吸収部
Ｔａ：表面反射光
Ｔｂ：裏面反射光

Claims (8)

1. 入射光を吸収する為に透明基板上に設ける光吸収部材であって、該光吸収部材は、該透明基板側から順に光吸収部、遮光部、光吸収部より成ることを特徴とする光吸収部材。
2. 前記光吸収部は、２層以上の光吸収層と、ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＦ₂のいずれかの誘電体層より成ることを特徴とする請求項１の光吸収部材。
3. 前記光吸収層は、ＴｉＯ又はＴｉ₂Ｏ₃又はこれらの混合物より成ることを特徴とする請求項２の光吸収部材。
4. 前記遮光部は、単一の金属膜より成ることを特徴とする請求項１、２又は３の光吸収部材。
5. 前記光吸収部は、基準波長での光透過率が１０％以下の膜層より成ることを特徴とする請求項１、２、３又は４の光吸収部材。
6. 前記光吸収部材は、物理的な総膜厚が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項の光吸収部材。
7. 前記光吸収部材は、可視全域（波長４００ｎｍ−７００ｎｍ）において、光透過率,表面反射率、裏面反射率がいずれも１％以下となるように膜層が構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項の光吸収部材。
8. 請求項１〜７のいずれか１項の光吸収部材を透明基板上に設けていることを特徴とする光学素子。