光学元件和光学装置 【技术领域】
本发明涉及设置有具有反射抑制效果(抗反射功能)的结构的光学元件，并且涉及包含所述光学元件的光学装置。
背景技术
一般地，在由透明部件形成的光学元件的至少一个表面上，通过使用以气相沉积和溅射为代表的成膜方法形成具有抗反射功能的薄膜。但是，这样的成膜方法限制可用于成膜的材料，这使得难以获得具有任意的折射率的薄膜。
日本审查专利公布No.61-51283公开了用于通过选择性引入具有高折射率的薄膜和具有低折射率的薄膜并通过适当地设定引入的薄膜的厚度来实际上(virtually)获得具有中间折射率的薄膜的方法。
并且，另一方法在光学元件的至少一个表面上形成由各比使用波长(即，进入光学元件的光的波长)小的多个结构部分(突起)构成的抗反射结构。最著名的抗反射结构是蛾眼结构。由于蛾眼结构特有的微结构，蛾眼结构的表面提供非常低的反射率。
在各结构部分比使用波长小的微结构中，使用波长的光不能识别微结构，因此行为好象进入均匀的介质。微结构具有根据形成微结构的材料的体积比的折射率。使用它可实现不能通过使用通常材料获得的具有低折射率的微结构。使用这样的低折射率微结构可实现更高性能的抗反射功能。
日本专利公开No.2005-62674公开了通过上述微结构形成的抗反射结构，其中，突起向着表面侧(光入射侧)具有渐缩(tapered)形状。在这样的抗反射结构中，折射率从光学元件的基底部件(basemember)侧向其表面侧逐渐减小。
日本专利公开No.2003-240904公开了通过多个突起构成的微结构，各突起具有在突起的最凸部分与最凹部分的比较中最凸部分比最凹部分尖锐(sharp)的形状。这样的突起的形状使得最表面部分或微结构和基底部件之间的边界部分处的折射率变化更加缓和，这降低微结构的反射率。
但是，在日本审查专利公布No.61-51283中公开的实际上具有中间折射率的膜在宽带特性方面较差，因为该膜是通过使用高折射率材料形成的。
日本专利公开No.2005-62674虽然公开了为了逐渐改变折射率而被形成为渐缩的微结构，但是它没有公开最佳折射率结构。
并且，在日本专利公开No.2003-240904中公开的微结构仅关注于边界表面处的折射率的变化，这产生折射率大大变化的部分，因此不能获得良好的宽带特性。
因此，在日本审查专利公布No.61-51283中公开的膜以及在日本专利公开No.2005-62674和日本专利公开No.2003-240904中公开的微结构可在受限制的条件下实现抗反射功能。但是，在宽带特性和入射角特性方面，抗反射功能较差。
【发明内容】
本发明提供具有在宽带特性和入射角特性方面优异的反射抑制功能(抗反射功能)的光学元件、和包含所述光学元件的光学装置。
本发明作为其一个方面提供一种光学元件，该光学元件包含：基底部件；和第一层，该第一层在基底部件上形成，并且其对于中心使用波长λ的折射率沿第一层的厚度方向改变0.05或更大。第一层具有抗反射功能并且满足以下条件：
nt＝n1+0.1·(ns-ni)
0.5≤n{t(nt)/2}-ntns-n{t(nt)/2}≤0.8]]>
λ4≤t(nt)≤2λ]]>
1.0≤ni≤1.1
这里，ni表示第一层的最靠近光入射侧的部分对于中心使用波长的折射率，ns表示第一层地最靠近基底部件侧的部分对于中心使用波长的折射率，t(nt)表示其对于中心使用波长的折射率为nt的第一层的光学膜厚，并且，n{t(nt)/2}表示在光学膜厚为t(nt)/2的位置处第一层对于中心使用波长的折射率。
本发明作为其另一方面提供包含上述光学元件的光学装置。
通过以下描述和附图，本发明的其它方面将变得明显。
【附图说明】
图1示出本发明的各实施例中的递变层(graded layer)的折射率结构。
图2示出各实施例的光学元件的基本结构。
图3示出在基底部件上形成具有均匀折射率的层的光学元件的结构。
图4示出在基底部件上形成均匀折射率层的情况下的折射率结构。
图5示出折射率关于光学膜厚均匀变化的递变层的折射率结构。
图6示出对于基底部件添加图5所示的递变层的情况下的反射率特性。
图7示出对于基底部件添加图1所示的递变层的情况下的反射率特性。
图8示出在各实施例中形成递变层作为微结构层的情况下的光学元件的结构。
图9示出实施例1的递变层的折射率结构。
图10示出实施例1的反射率特性。
图11示出实施例2的递变层的折射率结构。
图12示出实施例2的光学元件的折射率结构。
图13示出实施例2的反射率特性。
图14示出实施例3的递变层的折射率结构。
图15示出实施例3的光学元件的折射率结构。
图16示出实施例3的反射率特性。
图17示出实施例4的递变层的折射率结构。
图18示出实施例4的反射率特性。
图19示出比较例1的递变层的折射率结构。
图20示出比较例1的反射率特性。
图21示出比较例2的递变层的折射率结构。
图22示出比较例2的反射率特性。
图23示意性地示出使用各实施例的光学元件的数字照相机。
图24示出实施例5的递变层的折射率结构。
图25示出实施例5的反射率特性。
图26示出实施例6的递变层的折射率结构。
图27示出实施例6的反射率特性。
图28示出比较例3的递变层的折射率结构。
图29示出比较例3的反射率特性。
【具体实施方式】
以下参照附图描述本发明的示例性实施例。
首先，在对后面描述的实施例(实施例1～6)进行具体描述之前，对它们的共同事项进行描述。
各实施例描述使用波长范围为400～700nm或300～1000nm并且其中心波长(以下称为中心使用波长)为550nm或650nm的例子。但是，使用波长范围和中心使用波长不限于以上的波长范围和波长，并且可以是其它的波长范围和波长。
图2示出实施例1～6的光学元件共同的基本配置。附图标记021表示第一层，以下其被称为“递变层”。递变层意味着这样的层，其折射率沿作为该层的厚度方向(也称为“层厚方向”或“膜厚方向”)的z方向变化。递变层021具有反射抑制功能(换句话说，抗反射功能)。
附图标记022表示与包含递变层021的光学元件的主体(透射部件)对应的基底部件(基材)。图2示出在基底部件022的一个表面上形成递变层021的情况。但是，可以在基底部件022的两个表面上形成递变层021(换句话说，只需要在基底部件的至少一个表面上形成递变层)。
附图标记023示意性地示出递变层021的折射率结构。水平轴示出递变层021的折射率n，垂直轴示出递变层021的光学膜厚t。
图1更加详细地示出上述的折射率结构023。但是，图1所示的折射率结构相对于图2所示的折射率结构旋转90度。图1中的水平轴示出光学膜厚t，并且，其中的垂直轴示出折射率n。实线011示出递变层021的折射率关于光学膜厚的变化。在示出光学膜厚t的水平轴中，原点O表示基底部件022和递变层021之间的边界表面，ti表示递变层021的总光学膜厚。
当从基底部件侧观察时，递变层021的折射率n从ns变为ni。ni表示递变层021的最靠近表面侧的部分(即，最表面(most superficialsurface))对于中心使用波长的折射率。递变层021的最靠近表面侧的部分也可被称为最靠近光入射侧的部分。并且，ns表示递变层021的最靠近基底部件侧的部分对于中心使用波长的折射率。
与在其基底部件侧的部分中相比，递变层021的折射率在其光入射侧的部分中变化更加缓和。在后面使用的图9、图11、图14、图17、图24和图26中同样如此。
各实施例通过使用ns和ni限定nt。nt由下式(1)示出。
nt＝ni+0.1·(ns-ni)(1)
各实施例满足由下式(2)示出的条件：
0.5≤n{t(nt)/2}-ntns-n{t(nt)/2}≤0.8---(2)]]>
这里，t(nt)表示其对于中心使用波长的折射率为nt的递变层021的光学膜厚，并且，n{t(nt)/2}表示在光学膜厚为t(nt)/2的位置处递变层021对于中心使用波长的折射率。
由式(2)示出的条件涉及递变层021的折射率从光学膜厚为t(nt)的部分(位置)到光学膜厚为t(nt)/2的部分(位置)的变化程度。
抗反射功能可由光波的干涉解释。在折射率沿其厚度方向在其内部改变的递变层中同样如此。在通过光波干涉进行的解释中，折射率的变化量示出光波的振幅，光学膜厚示出光波的相位差量。
图3示出沿厚度方向具有均匀的折射率的层的例子。附图标记032表示基底部件，附图标记031表示沿厚度方向具有均匀的折射率的薄膜层。附图标记033示意性地示出薄膜层031的折射率结构。
图4更加详细地示出上述的折射率结构033。但是，图4所示的折射率结构相对于图3所示的折射率结构旋转90度。图4中的水平轴示出光学膜厚t，并且，其中的垂直轴示出折射率n。附图标记041表示薄膜层031的折射率和光学膜厚。
附图标记042示出在薄膜层031的表面处反射的光波，附图标记043示出在薄膜层031和基底部件032之间的边界表面处反射的光波。图4示出当薄膜层031的光学膜厚ts为λ/4时光波042和043的干涉。在这种情况下，光波042和043具有约λ/2的相位差量，由此相消。结果，薄膜层031用作抗反射膜。
另一方面，图5示出具有递变层的光学元件的折射率结构的例子。图5示出折射率关于光学膜厚均匀变化的情况。附图标记051表示折射率关于光学膜厚的变化。附图标记052表示在递变层上的各自位置处反射的光波(反射波)的一部分。
虽然图5所示的递变层不包含明确的边界表面，但是光波在折射率变化的各自部分处被反射。换句话说，无数的光在图5所示的递变层中被反射，并且，图5所示的反射波052是所述无数的光中的一部分。通过来自各自的光学膜厚的所有反射波052的叠加，获得这样的递变层的抗反射特性。
各实施例以ns和ni之间的差为0.05或更大为条件，换句话说，以递变层对于中心使用波长的折射率沿厚度方向变化0.05或更大为条件。这是用于通过递变层中的光波的干涉提供抗反射特性的条件。
并且，该条件还意味着折射率在递变层中大大变化。折射率的大的变化对于反射率特性提供大的影响。因此，各实施例的特征在于满足由式(1)和(2)示出的条件。
在式(1)中，nt示出折射率ns和ni之间的值。式(2)示出nt和ns之间的折射率的梯度(gradient)。式(2)意味着，与表面侧部分中的折射率变化(n{t(nt)/2}-nt)相比，递变层的比其表面侧部分更内侧的基底部件侧部分中的折射率变化(ns-n{t(nt)/2})提供对于光波干涉的更大影响。
并且，各实施例的特征在于，递变层对于中心使用波长λ的光学膜厚t(nt)满足由下式(3)示出的条件：
λ4≤t(nt)≤2λ---(3)]]>
比λ/4小的递变层的光学膜厚t(nt)不在递变层中导致足够的光波干涉，使得递变层不能用作抗反射膜。另一方面，比2λ大的光学膜厚t(nt)使得非常难以形成图5所示的递变层。
更优选式(3)的范围为λ/3～3λ/2的范围(大于等于λ/3且小于等于3λ/2)。更加优选式(3)的范围为3λ/8～5λ/4的范围(大于等于3λ/8且小于等于5λ/4)。
并且，各实施例的特征在于满足由下式(4)示出的条件：
1.0≤ni≤1.1(4)
当ni超过式(4)的上限时，图5所示的递变层的顶端(tip end)的折射率与空气的折射率之间的差变大，并且在递变层和空气的边界表面处反射的光由此增加。因此，变得难以在整个波长范围中降低反射率。
图6示出向基底部件添加图5所示的递变层的情况下的反射率特性的例子。水平轴示出波长λ，垂直轴示出反射率R。附图标记061表示仅基底部件的反射率特性，附图标记062表示向基底部件添加图5所示的递变层的情况下的反射率特性。基底部件的折射率为ns。
在图6所示的情况下，图5所示的递变层的式(2)的值为1.0，这不满足由式(2)示出的条件。在该反射率特性中，虽然特定波长的反射率几乎为0，但是其它波长中的反射率增加。
另一方面，图7示出向基底部件添加图2所示的递变层021的情况下的反射率特性。水平轴示出波长λ，垂直轴示出反射率R。附图标记071表示仅基底部件的反射率特性，附图标记072表示向基底部件添加递变层021的情况下的反射率特性。基底部件的折射率为ns。
在图7所示的情况下，递变层021的式(2)的值为0.52，这满足由式(2)示出的条件。这种情况下的反射率特性具有两个极小值(minimum value)，其示出：与图6所示的反射率特性相比，在宽的波长范围中实现极低的反射率。
满足由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)示出的条件使得能够获取具有优异的宽带特性的反射抑制性能(抗反射性能)。
另一方面，当式(2)的值比0.5小时，递变层的比折射率低的表面侧部分更深的基底部件侧部分中的折射率变化变大，这使得难以降低反射率。并且，难以获得W字形反射率特性，使得宽带特性劣化。另外，当式(2)的值为0.8或更大时，折射率关于光学膜厚几乎线性变化，因此，宽带特性劣化。
更优选式(2)的值的范围为0.55～0.75的范围(大于等于0.55且小于等于0.75)。更加优选式(2)的值的范围为0.58～0.7的范围(大于等于0.58且小于等于0.7)。
为了向具有相互不同的折射率的各种玻璃材料添加高性能抗反射功能，必须调整递变层的折射率，使得其适于各自的玻璃材料。因此，在各实施例中，优选在作为玻璃材料的基底部件和递变层之间设置至少一个光学干涉层，以通过使用递变层和光学干涉层形成叠层结构。
通过在这样的叠层结构中调整光学干涉层的折射率和膜厚，可以在不调整递变层的折射率的情况下实现可用于各种玻璃材料的高性能抗反射叠层结构。
并且，优选上述光学干涉层中的至少一个对于中心使用波长λ的折射率为在基底部件的折射率和ns之间的折射率。这可实现折射率从基底部件到递变层的最表面逐渐减小的折射率结构。这样的折射率结构防止由于光的斜入射导致的光反射的增加，这使得能够获得宽带特性和斜入射特性优异的抗反射叠层结构。
并且，在各实施例中，优选使递变层形成为通过各比中心使用波长λ小的多个结构部分构成的微结构层。图8示出在基底部件上形成这样的微结构层的结构的例子。附图标记081表示微结构层(递变层)，附图标记082表示基底部件。
在与中心使用波长λ相比各结构部分足够小的微结构中，如上所述，进入微结构中的光不能识别微结构自身，因此行为好象进入均一的介质。在这种情况下，进入的光表现出好象微结构被平均化的特性。
微结构层081的有效折射率ne由下式(5)示出：
ne={ff×nm2+(1-ff)}1/2---(5)]]>
这里，nm表示形成微结构的材料的折射率，ff表示微结构的体积填充率(填充因子)。这种用于计算有效折射率ne的方法被称为一阶(first-order)有效折射率方法，并且它是用于将微结构(微结构层081)转换成有效折射率的最容易的方法。
另一方面，微结构层081的有效折射率根据微结构的间距(pitch)和三维形状而改变。例如，在nm为2.3并且ff为0.5的情况下，由式(5)计算的有效折射率ne约为1.77。与此相对，当在假定微结构的间距从80nm变为150nm的情况下通过使用严格耦合波分析(rigorous coupled wave analysis，RCWA)方法进行分析时，有效折射率ne从1.73变为1.79。因此，仅从微结构的截面形状和ff难以精确计算有效折射率。
因此，各实施例计算微结构层(递变层)081关于其光学膜厚的有效折射率的变化。使用光谱椭圆偏光法(spectral ellipsometry)作为用于计算有效折射率的方法中的一种。光谱椭圆偏光法是这样一种方法，即，将相互不同波长的线性偏振光照射到试样上以测量偏振反射率的比和相位延迟量，然后，计算最接近测量结果的折射率和膜厚模型。该方法使得即使微结构的细节不清楚也能够确认微结构是否满足式(2)的条件。如果满足式(2)，那么递变层可以为薄膜层并且可以为微结构层。
并且，用于获得各实施例的递变层的方法包括在透明溶胶凝胶溶液中长时间浸泡均匀形成的比较稀疏的膜并然后烧结浸泡膜的方法、和在通过二元成膜方法进行的成膜期间逐渐改变混合比的方法。如果递变层满足上述的折射率条件，那么可通过任何制造工艺来制造递变层。
可对于各种光学装置使用上面形成上述递变层的光学元件。图23示出作为使用各实施例的光学元件的光学装置的数字照相机。
附图标记20表示照相机体，附图标记21表示图像拾取光学系统，其包含作为各实施例的光学元件的透镜。图像拾取光学系统21包含多个透镜，并且其至少一个可以是各实施例的光学元件。附图标记22表示接收由图像拾取光学系统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中。固态图像拾取元件22对于对象图像进行光电转换，以产生与对象图像对应的图像信息。
附图标记23表示其中记录图像信息的存储器。附图标记24表示由液晶显示板等构成的电子取景器，其使得能够观察图像信息(即，对象图像)。
使用各实施例的光学元件由此构建的图像拾取光学系统可实现抑制图像拾取光学系统中的不必要的反射并由此具有高的光学性能的照相机。
各实施例的光学元件还可被用于照相机的取景器光学系统、液晶投影仪的照明光学系统、其投影光学系统等。具有上述的抗反射结构的光学元件可充分增加透射通过光学元件的光的量，并且可很好地抑制由于不必要的反射导致的重影(ghost)或闪光(flare)的产生。
以下，描述实施例(模拟例)1～6和比较例1～3。
[实施例1]
在实施例1中，使用由OHARA Co.，Ltd制造的S-BSM14(玻璃)作为基底部件。其对于波长650nm的折射率为1.6033。在基底部件上形成具有图9所示的折射率结构的递变层。ns为1.530，ni为1.0，并且ti为350nm。
由式(1)，nt为1.053，并且式(2)的值为0.72。图10示出实施例1的反射率特性。该反射率特性包含两个极小值，并且，在整个可见波长范围中实现0.2％或更小的低反射率。
[实施例2]
在实施例2中，使用由OHARA Co.，Ltd制造的S-BSM14作为基底部件。其对于波长550nm的折射率为1.6088。在基底部件上形成光学干涉层(折射率：1.50；光学膜厚：113nm)，并且，进一步在基底部件的表面上形成具有图11所示的折射率结构的递变层。图12示出实施例2的光学元件的折射率结构。光学膜厚为负的部分示出基底部件的折射率。ns为1.38，ni为1.0，并且ti为485nm。
由式(1)，nt为1.038，并且式(2)的值为0.50。图13示出实施例2的反射率特性。该反射率特性包含两个极小值，并且，在整个可见波长范围中实现0.1％或更小的低反射率。
[实施例3]
在实施例3中，使用由OHARA Co.，Ltd制造的S-LAH55(玻璃)作为基底部件。其对于波长550nm的折射率为1.8390。在基底部件上形成光学干涉层(折射率：1.56；光学膜厚：105nm)，并且，进一步在基底部件的表面上形成具有图14所示的折射率结构的递变层。通过首先由溶胶凝胶方法形成主要由氧化铝构成的薄膜并然后对薄膜进行热液处理(hydrothermally treat)，递变层被形成为微结构层。用光谱椭圆偏光法分析该微结构层。图15示出实施例3的光学元件的折射率结构。光学膜厚为负的部分示出基底部件的折射率。ns为1.39，ni为1.0，并且ti为250nm。
由式(1)，nt为1.039，并且式(2)的值为0.53。图16示出实施例3的反射率特性。在整个可见波长范围中实现0.4％或更小的低反射率。
[实施例4]
在实施例4中，使用由OHARA Co.，Ltd制造的S-BSM14作为基底部件。其对于波长650nm的折射率为1.6033。在基底部件上形成具有图17所示的折射率结构的递变层。ns为1.530，ni为1.0，并且ti为350nm。
由式(1)，nt为1.053，并且式(2)的值为0.51。图18示出实施例4的反射率特性。该反射率特性包含两个极小值，并且，在整个可见波长范围中实现0.4％或更小的低反射率。
[实施例5]
在实施例5中，使用由OHARA Co.，Ltd制造的S-BSM14作为基底部件。其对于波长650nm的折射率为1.6033。在基底部件上形成具有图24所示的折射率结构的递变层。ns为1.530，ni为1.0，并且ti为350nm。
由式(1)，nt为1.053，并且式(2)的值为0.78。图25示出实施例5的反射率特性。该反射率特性包含两个极小值，并且，在整个可见波长范围中实现0.5％或更小的低反射率。
[实施例6]
在实施例6中，使用由OHARA Co.，Ltd制造的S-BSM14作为基底部件。其对于波长650nm的折射率为1.6033。在基底部件上形成具有图26所示的折射率结构的递变层。ns为1.530，ni为1.0，并且ti为500nm。
由式(1)，nt为1.053，并且式(2)的值为0.51。图27示出实施例6的反射率特性。该反射率特性包含两个极小值，并且，在整个可见波长范围中实现0.4％或更小的低反射率。
[比较例1]
在比较例1中，使用由OHARA Co.，Ltd制造的S-BSM14作为基底部件。其对于波长550nm的折射率为1.6088。在基底部件上形成具有图19所示的折射率结构的递变层。ns为1.51，ni为1.0，并且ti为440nm。图19所示的递变层被形成为折射率关于其物理膜厚线性变化的膜。
由式(1)，nt为1.051。式(2)的值为1.19，其不满足式(2)的条件。图20示出比较例1的反射率特性。与实施例1相比，比较例1的宽带特性较差。
[比较例2]
在比较例2中，使用由OHARA Co.，Ltd制造的S-BSM14作为基底部件。其对于波长650nm的折射率为1.6033。在基底部件上形成具有图21所示的折射率结构的递变层。ns为1.53，ni为1.0，并且ti为350nm。
由式(1)，nt为1.053。式(2)的值为0.48，其不满足式(2)的条件。图22示出比较例2的反射率特性。尽管比较例2的光学膜厚等于实施例1的光学膜厚，但是，与实施例1相比，比较例2示出其反射率特性大大改变。
[比较例3]
在比较例3中，使用由OHARA Co.，Ltd制造的S-BSM14作为基底部件。其对于波长650nm的折射率为1.6033。在基底部件上形成具有图28所示的折射率结构的递变层。ns为1.53，ni为1.0，并且ti为500nm。
由式(1)，nt为1.053。式(2)的值为0.48，其不满足式(2)的条件。图29示出比较例3的反射率特性。尽管比较例3的光学膜厚等于实施例1的光学膜厚，但是与实施例1相比，比较例3示出其反射率特性大大改变。
表1集体示出实施例1～6的数值，表2集体示出比较例1～3的数值。
[表1]
[表2]
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有修改、等同的结构和功能。