JP2008158036A - 光学素子および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子および光学機器において、光の入射角が変化しても分光透過率特性が変化しにくいようにする。
【解決手段】基板１１と、基板１１の面上に複数の層が形成された光学薄膜１２とを有する光学素子１０であって、光学薄膜１２が、相対的な高屈折率を有する高屈折率層１３Ｈと、相対的な低屈折率を有する低屈折率層１３Ｌとを交互に積層して構成された光学薄膜１３を備え、高屈折率層１３Ｈは、波長５００ｎｍの時の屈折率が２．０以上の材料からなり、この高屈折率層１３Ｈに隣接する低屈折率層１３Ｌは、高屈折率層１３Ｈの材料との屈折率の差が０．４以下である材料からなるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学薄膜を基材上へ成膜した光学素子およびこれを備えた光学機器に関する。

デジタルカメラ、顕微鏡、内視鏡などに内蔵されたＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子は、映像（光）を電気信号に変換するシリコン半導体デバイスであり、近赤外線（ＩＲ）領域まで感度をもっている。このＣＣＤへ光が入射した場合、可視光以外に近赤外線も映像として取り込んでしまい、得られた映像に擬似色が発生する等の不具合を生じてしまう。そこで、レンズ群で取り込んだ光の可視光だけをＣＣＤへ入射させて電気信号へ変換させる為、ＣＣＤとレンズ群の間にはＩＲカットフィルターを介することが一般的である。このＩＲカットフィルターの分光透過率特性は、デジタルカメラ等のＣＣＤを介して得られた映像の色再現性を決める際に重要な要素をもっている。

現在、最も多くのデジタルカメラに使用されているＩＲカットフィルターは、一般的に周知の真空蒸着法やスパッタリング法などにより、水晶やニオブ酸リチウム等の複屈折板を基板材とした光学ローパスフィルター上へ、例えば、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５等の高屈折率材料からなる層と、例えば、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２等の低屈折率材料からなる層とを交互に積層して成膜された光学薄膜を使用している。

このようなＩＲカットフィルターは、光の干渉を利用して近赤外線（不要な光）を反射し、可視光（必要な光）を透過させている。また、このＩＲカットフィルターは、多数の基板表面にも成膜することが可能であり、薄膜の為に光学機器の小型化にも適している。
一方、こうした光学薄膜製ＩＲカットフィルターは、光の入射角変化に対し、分光透過率特性が大きく変化する特性をもっている。
例えば、高屈折率材料として屈折率２．４のＴｉＯ_２を採用し、低屈折率材料として高屈折率材料に対する屈折率差が０．９４となる屈折率１．４６のＳｉＯ_２を採用し、それぞれの材料からなる層を交互に４４層積層したＩＲカットフィルターの分光透過率特性は、入射角が０°の場合、図９の曲線２００で示すように、波長４００ｎｍ〜６４５ｎｍでは透過率が略１００％の平坦な変化を示し、波長６６５ｎｍ〜１１００ｎｍでは透過率が略０％の平坦な変化を示し、それらの波長帯域の中間の波長６４５ｎｍ〜６６５ｎｍでは透過率が略１００％から略０％に向かって略直線的に低下するような特性を示す。このフィルターを通過する光の入射角を０°から２０°へ変化させたときには、図９に曲線２０１で示すように、可視域側で略１００％、近赤外域で略０％の透過率を有することは同じであるが、透過率が略１００％から略０％に向かって変化する波長帯域が短波長側へ１２ｎｍ波長シフトしてしまう。
つまり、ＩＲカットフィルターヘ入射する光の角度の違いにより、透過する波長成分が異なり、このＩＲカットフィルターを、デジタルカメラ等のＣＣＤの前面に配置すると映像の色再現性が変化してしまうという不具合があった。

このため、特許文献１では、このような入射角による分光透過率特性が変化する光学薄膜からなる誘電体多層膜フィルターの入射側に樹脂製集束レンズを配置した光学素子を用い、光学薄膜に入射する光の入射角をできる限り小さく保つことで、光学薄膜の角度依存性の影響を少なくして、透過光を固定撮像素子デバイスに導くようにした光学機器が提案されている。
特開２００５−２３４０３８号公報（図２、３）

しかしながら、このような従来の光学素子および光学機器には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、誘電体多層膜フィルターの入射角に対する角度依存性自体を改善することなく、集束レンズを追加することによって光学薄膜の角度依存性の影響を低減するものなので、部品点数が増えて光学機器のコストアップにつながってしまうという問題がある。
また、集束レンズを配置するために光軸方向のスペースが必要となり、デジタルカメラ等の光学機器の小型化の障害となるという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成で分光透過率特性の角度依存性を改善することができる光学素子およびこれを備えた光学機器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光学素子は、基材と、該基材の面上に複数の層が形成された光学薄膜とを有する光学素子であって、前記光学薄膜の分光透過率特性が、透過率が７５％以上かつ平均透過率が９０％以上の第１の波長帯域と、透過率が５％以下の第２の波長帯域と、前記第１の波長帯域と前記第２の波長帯域の間で、透過率が７５％から５％に変化する第３の波長帯域とを備え、光の入射角を０°から２０°に変化させることで、前記第３の波長帯域が短波長側に移動し、かつその移動量が１０ｎｍ以下である構成とする。
この発明によれば、光の入射角を０°から２０°変化させたときの第３の波長帯域の移動量が、短波長側に１０ｎｍ以下であるため、入射角の変化による分光透過率特性の変化が低減される。このように光学薄膜自体の分光透過率特性の角度依存性が低減されているため、例えば集束レンズなどを用いて入射角を変化させることなく、光学素子の分光透過率特性の角度依存性を改善することができる。

本発明の別の態様に係る光学素子は、基材と、該基材の面上に複数の層が形成された光学薄膜とを有する光学素子であって、前記光学薄膜が、相対的な高屈折率を有する高屈折率層と、相対的な低屈折率を有する低屈折率層とを交互に積層して構成され、前記高屈折率層は、波長５００ｎｍの時の屈折率が２．０以上の材料からなり、かつ前記高屈折率層に隣接する前記低屈折率層は、前記高屈折率層の材料との屈折率の差が０．４以下である材料からなる構成とする。
この発明によれば、光学素子の光学薄膜を、相対的な高屈折率を有する高屈折率層と、相対的な低屈折率を有する低屈折率層とを交互に積層して構成し、高屈折率層は、波長５００ｎｍの時の屈折率が２．０以上の材料からなり、高屈折率層に隣接する低屈折率層は、高屈折率層の材料との屈折率の差が０．４以下である材料からなる構成とするため、光学薄膜を透過するＳ偏光とＰ偏光との分光透過率特性の差を少なくすることができる。その結果、例えば集束レンズなどを用いて入射角を変化させることなく、光学素子の分光透過率特性の角度依存性を改善することができる。

また、上記発明の光学素子において、前記光学薄膜の全層または一部の層が２種類以上の物質を混合した材料からなる構成としてもよい。
この発明によれば、２種類以上の物質を混合した材料からなる層では、それらの物質の混合比を変えることで、材料の屈折率の値を調整することができるため、隣接する層の屈折率の差を設定しやすくなる。

本発明の一態様に係る光学機器は、上記発明の光学素子を備えていることを特徴とする。
この発明によれば、上記発明の光学素子を備えるので、上記発明と同様の作用効果を備える。
また、集束レンズなどを用いることなく、光学素子の分光透過特性の角度依存性を低減することができるので、光学素子の部品点数を削減して低コスト化、小型化が容易となる。

本発明の光学素子および光学機器によれば、光の入射角変化に対し分光透過率特性の変化が少ない光学薄膜を備えるので、コンパクトな構成で分光透過率特性の角度依存性を改善することができるという効果を奏する。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の構成を示す模式的な断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は反射率（％）を示す。図３は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の分光透過率特性を示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は透過率（％）を示す。なお、図１は模式図のため、厚さ方向の寸法などは誇張して描いている（図４も同じ）。

本実施形態に係る光学素子１０は、いわゆるＩＲカットフィルターが成膜された単板の光学ローパスフィルターであって、図１に示すように、基板１１（基材）上に光学薄膜１２が成膜されてなるものである。
基板１１には、波長５００ｎｍにおける屈折率が１．５４の水晶複屈折基板を使用しており、この基板１１の一方の面（図示下側）に５層からなる反射防止膜１５が成膜されている。また、この基板１１の他方の面には、基板１１の側から、２種類の光学薄膜１３、１４が積層されてなる光学薄膜１２が成膜されている。
なお、本明細書では、特に断らない限り、屈折率は、波長５００ｎｍにおける屈折率を用いる。

反射防止膜１５は、可視光の反射を防止して良好に透過させるもので、適宜の光学薄膜真空成膜装置を用いて真空蒸着法により成膜されたものである。本実施形態では、高真空状態で３００℃に加熱した基板１１の一方の面に、屈折率１．６４のＡｌ_２Ｏ_３と屈折率２．０のＺｒＯ_２と屈折率１．３８のＭｇＦ_２の３種類を使用し、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＭｇＦ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＦ_２の５層をこの順に積層している。
この反射防止膜１５の分光反射率特性は、図２の曲線１００に示すように、波長４００ｎｍ〜６７０ｎｍで反射率０．７％以下、かつ、波長６７０ｎｍ〜７００ｎｍで反射率１．５％以下となる特性を有している。

光学薄膜１３は、可視光と近赤外線との境界領域の波長帯域での分光透過率特性を決定するために設けた多層薄膜である。本実施形態では波長が増大するにつれて透過率が略直線的に減少するような分光透過率特性（以下、透過率傾斜部と称する）を形成するため、屈折率ｎ_Ｈを有する材料からなる高屈折率層と、屈折率ｎ_Ｌ（ただし、ｎ_Ｈ＞ｎ_Ｌ）を有する材料からなる低屈折率層とを交互に積層して構成されている。
このような光学薄膜の構成で実現される分光透過率特性における透過率傾斜部は、光の入射角が変化すると、入射角に応じて波長帯域が平行移動する特性（以下、波長シフトと称する）を備えている。
そのため、本実施形態では、透過率傾斜部の波長シフト量を低減するため、それぞれの材料の屈折率が、次式（１）、（２）を満足する設定としている。
ｎ_Ｈ≧２．０ ・・・（１）
ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌ≦０．４ ・・・（２）
ただし、式（２）は、隣接する高屈折率層と低屈折率層との間の屈折率に対して適用される。

ここで、波長シフト量を低減する原理について説明する。
光学薄膜の分光透過率特性の入射角依存性が大きくなる原因の一つとして、光学薄膜に対するＳ偏光成分とＰ偏光成分との分光透過率特性の差が挙げられる。次式（３）のＡの値は、Ｓ偏光とＰ偏光の分光透過率特性の差の指標となるものである。

ここで、ｎ_Ｌ、ｎ_Ｈは、上記と同様、それぞれ光学薄膜中の低屈折率層、高屈折率層の屈折率、θは光学薄膜への光の入射角、ｎ_Ｓは基材の屈折率である。

式（３）で、Ａ＝１とすると、いわゆるマックニールの条件式であり、Ｓ偏光とＰ偏光の分光透過率特性が完全に異なる場合、すなわち、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを完全に分離するような場合の屈折率の関係を表している。
本願の発明者は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との分光透過率特性の差を少なくするためには、式（３）のＡの値を１よりもできるだけ小さくまたは大きくすればよく、式（１）、（２）を満足すれば、θ＝２０°のとき、Ａの値が２．３７以上となり、Ｓ偏光とＰ偏光の分光透過率特性の差を少なくすることができ、その結果、入射角に対する光学薄膜１３の分光透過率特性の波長シフト量を良好な範囲に低減できることを見出した。
ここで、交互に積層する光学薄膜の材料の屈折率差は、好ましくは０．３〜０．４であり、屈折率ｎ_Ｈの好ましい値は、２．２〜２．４である。また、式（３）のＡの値は２．３７以上（好ましくは２．６５〜３．１５）であれば良い。
なお、Ａの値を１よりも小さくするために、例えば、ｎ_Ｈ＝１．３８、θ＝２０°、ｎ_Ｓ＝１．５４とすると、ｎ_Ｌを０．５７以下にする必要があるが、このような屈折率を有する光学薄膜用材料は存在していない。

特に、膜層数が５０層前後のＩＲカットフィルターとしての光学薄膜を製作する場合の屈折率差は、０．２〜０．４（好ましくは０．３〜０．４）であれば良い。
ＩＲカットフィルターについて、透過率７５％以上かつ平均透過率９０％以上で透過する第１の波長帯域の範囲としては、４２０ｎｍ〜６３０ｎｍ（好ましくは、４００ｎｍ〜６４５ｎｍ）であれば良い。また、透過率５％以下の第２の波長帯域の範囲としては、７００ｎｍ〜１１００ｎｍ（好ましくは、６６５ｎｍ〜１２００ｎｍ）であれば良い。
この場合、第１の波長帯域と第２の波長帯域との間の分光透過率特性には透過率が７５％から５％まで変化する透過率傾斜部が形成され、その波長範囲である第３の波長帯域の範囲は、６３０ｎｍ〜７００ｎｍ（好ましくは、６４５ｎｍ〜６６５ｎｍ）となる。

例えば、屈折率が１．５４の水晶複屈折基板上へ屈折率２．４の高屈折率材料ＴｉＯ_２を物理膜厚８０ｎｍで成膜後、屈折率１．４６の低屈折率材料ＳｉＯ_２を膜厚１３２ｎｍで成膜する。さらに同様の膜厚で、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２を交互に１６層積層した場合、入射角０°における光学薄膜の分光透過率特性は、上記第１の波長帯域が波長４００ｎｍ〜６４５ｎｍ、上記第２の波長帯域が波長６６５ｎｍ〜９００ｎｍの、上記第３の波長帯域が波長６４５ｎｍ〜６６５ｎｍとなる。
このとき、下記表１に比較例として示すように、ｎ_Ｈとｎ_Ｌの差は０．９４、θ＝２０°におけるＡの値は２．３６８となり、光の入射角２０°に対するＳ偏光とＰ偏光の分光透過率特性の波長の差は６ｎｍであり、光の入射角０°から２０°へ変化させたときの透過率傾斜部の波長シフト量は短波長側へ１２ｎｍである。

一方、高屈折率材料と低屈折率材料の屈折率差が０．４以下である場合、例えば、屈折率２．２のＴａ_２Ｏ_５と屈折率１．８２２のＹ_２Ｏ_３を、物理膜厚８０ｎｍと９６ｎｍで、屈折率が１．５４の水晶複屈折基板上へ交互に３２層積層した場合、入射角０°における光学薄膜の分光透過率特性は、上記第１の波長帯域が波長４００ｎｍ〜６４５ｎｍ、上記第２の波長帯域が波長６６５ｎｍ〜７５０ｎｍ、上記第３の波長帯域が波長６４５ｎｍ〜６６５ｎｍとなる。
このとき、表１に数値例１として示すように、ｎ_Ｈとｎ_Ｌの差は０．３７８、θ＝２０°におけるＡの値は２．６６であり、光の入射角２０°に対するＳ偏光とＰ偏光の分光透過率特性の波長の差は３ｎｍであり、光の入射角を０°から２０°へ変化させたときの透過率傾斜部の波長シフト量を９ｎｍとすることができる。
また、例えば、屈折率２．４のＴｉＯ_２と屈折率２．３の混合膜を、それぞれの膜厚が７２ｎｍと６９ｎｍで、屈折率が１．５４の水晶複屈折基板上へ交互に１４０層まで積層した場合、入射角０°における光学薄膜の分光透過率特性は、上記第１の波長帯域が波長４００ｎｍ〜６４９ｎｍ、上記第２の波長帯域が波長６５５ｎｍ〜６７０ｎｍ、上記第３の波長帯域が波長６４９ｎｍ〜６５５ｎｍとなる。
このとき、表１に数値例２として示すように、ｎ_Ｈとｎ_Ｌの差は０．１、θ＝２０°におけるＡの値は３．１５であり、光の入射角２０°に対するＳ偏光とＰ偏光の分光透過率特性の波長の差は１ｎｍであり、光の入射角を０°から２０°へ変化させたときの透過率傾斜部の波長シフト量を６ｎｍとすることができる。
このように、式（１）、（２）をともに満足する数値例１、２では、式（２）を満足しない比較例に比べて波長シフト量を低減でき、入射角２０°以下の範囲で波長シフト量が１０ｎｍ以下になっている。

本実施形態の光学薄膜１３は、図１に示すように、基板１１上に反射防止膜１５が形成された面と対向する面上に、屈折率が２．２のＴａ_２Ｏ_５からなる高屈折率層１３Ｈと、屈折率が１．８２２のＹ_２Ｏ_３からなる低屈折率層１３Ｌとが、交互に２０層積層されたものである。この場合、高屈折率材料と低屈折率材料の屈折率差は０．３７８で、式（３）のＡの値は２．６６となっている。
この光学薄膜１３を形成するため、適宜の光学薄膜真空成膜装置を用いて、基板１１を３００℃に加熱し、真空槽の圧力が６×１０^−４Ｐａになった時点で、基板１１上に光学薄膜１３の１層目の蒸着物質Ｙ_２Ｏ_３を物理膜厚４９ｎｍになるように成膜した。さらに、この表面上に光学薄膜１３の２層目の蒸着物質Ｔａ_２Ｏ_５を物理膜厚７４ｎｍになるように成膜した。同様にして、下記の表２に示すような物理膜厚でＹ_２Ｏ_３とＴａ_２Ｏ_５を交互に２０層、真空蒸着法により成膜した。

光学薄膜１４は、近赤外線の波長帯域での分光透過率特性を決定するために光学薄膜１３の最上面に設けた多層薄膜である。本実施形態では、近赤外線の透過率を５％以下にするため、屈折率が１．４６のＳｉＯ_２からなる低屈折率層１４Ｌと屈折率が２．２のＴａ_２Ｏ_５からなる高屈折率層１４Ｈとが交互に２７層積層して構成されている。
この光学薄膜１４を形成するため、光学薄膜１３の２０層目のＴａ_２Ｏ_５を成膜完了した後、光学薄膜１３上に、光学薄膜１４の１層目の蒸着物質ＳｉＯ_２を物理膜厚１４２ｎｍになるように成膜した。さらに、この表面上に光学薄膜１４の２層目の蒸着物質Ｔａ_２Ｏ_５を物理膜厚８０ｎｍになるように成膜した。同様にして、表３に示すような物理膜厚で、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５を交互に２７層、真空蒸着法により成膜した。

本実施形態により形成された光学素子１０において、入射角０°と入射角２０°の時の波長４００ｎｍ〜１１００ｎｍにおける分光透過率特性を分光光度計Ｕ−４１００（（株）日立製作所製）で測定した（以下の分光透過率特性の測定も同様）。この結果を図３に示す。
光学素子１０は、図３の曲線１０１に示すように、入射角０°では、短波長側で略１００％、長波長側で略０％となり、可視光と近赤外線との境界領域では、透過率が略１００％から略０％に略直線的に減少するような分光透過率特性を有している。すなわち、透過率７５％以上かつ平均透過率９０％の波長帯域が波長４００ｎｍ〜６４５ｎｍに形成され、透過率が５％以下の波長帯域が波長６６５ｎｍ〜１１００ｎｍに形成され、その間の波長帯域である波長６４５ｎｍ〜６６５ｎｍに透過率７５％から５％まで減少する透過率傾斜部が形成されている。これらの波長帯域は、第１、第２、第３の波長帯域をそれぞれ構成している。

そして、入射角２０°では、図３の曲線１０２に示すように、曲線１０１の透過率傾斜部が短波長側へ９ｎｍだけ平行移動する波長シフトを起こし、その他の透過率はほとんど変化しない分光透過率特性となっている。すなわち、第１、第２、第３の波長帯域は、それぞれ、波長４００ｎｍ〜６３６ｎｍ、波長６３６ｎｍ〜６５６ｎｍ、波長６５６ｎｍ〜１１００ｎｍとなっている。

このように、本実施形態に係る光学素子１０によれば、基板１１上に屈折率差が０．４以下の高屈折率材料と低屈折率材料から構成された光学薄膜１３を形成することで、光の入射角に対する第３の波長帯域の分光透過率特性の変化を１０ｎｍ以下に低減することができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、図４から図７を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記第１の実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る光学素子の構成を示す模式的な断面図である。図５は、本発明の第２の実施形態に係る光学素子に用いる一方の光学薄膜の分光透過率特性を示すグラフである。図６は、本発明の第２の実施形態に係る光学素子に用いる他方の光学薄膜の分光透過率特性を示すグラフである。図７は、本発明の第２の実施形態に係る光学素子の分光透過率特性を示すグラフである。図５から図７において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は透過率（％）を示す。

本実施形態に係る光学素子２０は、いわゆるＩＲカットフィルターが成膜された単板の光学ローパスフィルターであって、図４に示すように、基板１１上に光学薄膜２３および光学薄膜２４が成膜されてなるものである。
基板１１の一方の面（図示下側）には、第３の波長帯域における分光透過率特性を決定する光学薄膜２３が成膜されている。また、この光学薄膜２３は、Ｓｉ０_２およびＮｂ_２Ｏ_５という物質を所定の割合で混合することによって構成されている。さらに、この基板１１の他方の面には、第２の波長帯域における分光透過率特性を決定する光学薄膜２４が成膜されている。

本実施形態の光学薄膜２３は、図４に示すように、基板１１の一方の面上に、屈折率が１．４６と比較的低い物質であるＳｉＯ_２と屈折率が２．３３０と比較的高い物質であるＮｂ_２Ｏ_５を１０：９０の比で混合させた高屈折率材料からなる高屈折率層２３Ｈと、ＳｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５とを５０：５０の比で混合させた低屈折率材料からなる低屈折率層２３Ｌとが交互に３０層積層されたものである。この場合、高屈折率材料の屈折率はｎ_Ｈ＝２．２４９となり、低屈折率材料の屈折率はｎ_Ｌ＝１．９０３となり、高屈折率材料と低屈折率材料の屈折率差は、０．３４６となっている。また、θ＝２０°のときのＡの値は、２．７６である。
このような光学薄膜２３は、スパッタリング法により成膜することができる。
まず、適宜の光学薄膜真空成膜装置を用いて、水晶複屈折板の基板１１を１００℃に加熱し、真空槽の圧力が６×１０^−４Ｐａになった時点で、スパッタリング法により、基板１１の表面上に、ＳｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５の比が１０：９０となるように混合させた高屈折率材料からなる高屈折率層２３Ｈを、物理膜厚１０１ｎｍになるように第１層目として成膜した。
さらに、スパッタリング法により、高屈折率層２３Ｈの表面上に、ＳｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５を５０：５０の比で混合させた低屈折率材料からなる低屈折率層２３Ｌを、物理膜厚６９ｎｍになるように第２層目として成膜した。
同様にして、下記表４に示すような物理膜厚で、ＳｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５の混合膜から構成される高屈折率層２３Ｈと低屈折率層２３Ｌを交互に３０層、スパッタリング法により成膜した。

このように製作された光学薄膜２３の分光透過率特性の第１の実施形態と同様にして測定した結果を図５に示す。
光学薄膜２３は、図５の曲線１０３に示すように、入射角０°では、短波長側で略１００％、波長６６５ｎｍ近傍で略０％となるが、長波長側ではある分布を有し、可視光と近赤外線との境界領域では、透過率が略１００％から略０％に略直線的に減少するような分光透過率特性を有している。すなわち、透過率７５％以上かつ平均透過率９０％の波長帯域が波長４００ｎｍ〜６４５ｎｍに形成され、透過率が５％以下の波長帯域が波長６６５ｎｍ近傍に形成され、その間の波長帯域である波長６４５ｎｍ〜６６５ｎｍに透過率７５％から５％まで減少する透過率傾斜部が形成されている。

そして、入射角２０°では、図５の曲線１０４に示すように、曲線１０３の透過率傾斜部が短波長側へ７ｎｍだけ平行移動する波長シフトを起こし、近赤外域でも同様にシフトしたような分光透過率特性となっている。

一方、本実施形態の光学薄膜２４は、図４に示すように、基板１１の他方の面上に、Ｎｂ_２Ｏ_５からなる高屈折率層２４Ｈと、ＳｉＯ_２からなる低屈折率層２４Ｌとが、交互に２８層積層されたものである。
このような光学薄膜２４は、スパッタリング法により成膜することができる。
まず、適宜の光学薄膜真空成膜装置を用いて、基板１１を１００℃に加熱し、真空槽の圧力が６×１０^−４Ｐａになった時点で、基板１１の表面上にスパッタリング法により、第１層目のＮｂ_２Ｏ_５を物理膜厚９８ｎｍで成膜した。さらに、この表面上に、第２層目のＳｉＯ_２を物理膜厚１４３ｎｍで成膜した。同様にして、下記表５に示すような物理膜厚で、Ｎｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２を交互に２８層、スパッタリング法により成膜した。

このように製作された光学薄膜２４の分光透過率特性の第１の実施形態と同様にして測定した結果を図６に示す。
光学薄膜２４は、図６の曲線１０５に示すように、入射角０°では、短波長側で略１００％、長波長側で略０％となり、可視光と近赤外線との境界領域では、透過率が略１００％から略０％に略直線的に減少するような分光透過率特性を有している。すなわち、透過率７５％以上かつ平均透過率９０％の波長帯域が短波長側に形成され、透過率が５％以下の波長帯域が長波長側に形成され、その間の波長帯域に透過率７５％から５％まで減少する透過率傾斜部が形成されている。

そして、入射角２０°では、図６の曲線１０６に示すように、曲線１０５の透過率傾斜部が短波長側へ約１５ｎｍと１０ｎｍより大きく平行移動する波長シフトを起こし、その他の透過率はほとんど変化しない分光透過率特性となっている。

このようにして、基板１１の一方の面上に光学薄膜２３が、他方の面上に光学薄膜２４が成膜されることで製作された光学素子２０の分光透過率特性の測定結果を図７に示す。
光学素子２０は、図７の曲線１０７に示すように、入射角０°では、短波長側で略１００％、長波長側で略０％となり、可視光と近赤外線との境界領域では、透過率が略１００％から略０％に略直線的に減少するような分光透過率特性を有している。すなわち、透過率７５％以上かつ平均透過率９０％の波長帯域が波長４００ｎｍ〜６４５ｎｍに形成され、透過率が５％以下の波長帯域が波長６６５ｎｍ〜１１００ｎｍに形成され、その間の波長帯域である波長６４５ｎｍ〜６６５ｎｍに透過率７５％から５％まで減少する透過率傾斜部が形成されている。これらの波長帯域は、第１、第２、第３の波長帯域をそれぞれ構成している。

そして、入射角２０°では、図７の曲線１０８に示すように、曲線１０７の透過率傾斜部が短波長側へ７ｎｍだけ平行移動する波長シフトを起こし、その他の透過率はほとんど変化しない分光透過率特性となっている。すなわち、第１、第２、第３の波長帯域は、それぞれ、波長４００ｎｍ〜６３８ｎｍ、波長６３８ｎｍ〜６５８ｎｍ、波長６５８ｎｍ〜１１００ｎｍとなっている。

このように、本実施形態に係る光学素子２０によれば、基板１１の一面上に屈折率差が０．４以下の高屈折率材料と低屈折率材料から構成された光学薄膜２３を形成することで、光の入射角に対する第３の波長帯域の分光透過率特性の変化を１０ｎｍ以下に低減することができ、他面上に光学薄膜２４を形成することで、近赤外域の不要な光を有効にカットすることができる。
本実施形態では、光学素子２０の一部を構成する光学薄膜２３の高屈折率層２３Ｈ、低屈折率層２３Ｌをそれぞれ屈折率の異なる２種類の物質を混合して製作しているため、混合比率を変えることで屈折率の値が設定しやすくなり、高屈折率層２３Ｈと低屈折率層２３Ｌとの間の屈折率差の設定が容易となる。
また、光学素子２０の両面に光学薄膜を成膜している為、基板１１の応力を緩和することも可能である。さらに、基板１１の両面へ光学薄膜を形成しているために反射防止膜１５を省略することができ、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等の高価な蒸着材料を使用しないで済む為、材料費の低コスト化が可能である。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る光学機器について、図８を参照して説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
図８は、本発明の第３の実施形態に係る光学機器の概略構成を示す模式的な断面図である。

本実施形態のデジタルカメラ（光学機器）４０は、上記第２の実施形態の光学素子２０を用いた光学機器である。
デジタルカメラ４０は、図８に示すように、撮像モジュール４１と、処理回路４２と、撮像モジュール４１による画像データを記録するメモリーカード４３と、これらを電気的に接続する電気基板４４とを備えている。
撮像モジュール４１は、撮像レンズ４５と、光学素子２０と、マイクロレンズアレイ４６と、固体撮像素子４７とを備えている。撮像レンズ４５で集光された光学像は、光学素子２０を介して、マイクロレンズアレイ４６により、固体撮像素子４７の各画素にそれぞれ集光されるようになっている。

次に、以上の構成からなる本実施形態のデジタルカメラ４０の動作について説明する。
撮像レンズ４５に入射した光学像は、撮像レンズ４５により集光され、光学素子２０に入射する。ここで、撮像レンズ４５へ入射した光のうち、光学素子２０で近赤外線域における光は反射され、可視光域における光だけが透過し、マイクロレンズアレイ４６に入射する。マイクロレンズアレイ４６に入射した光は固体撮像素子４７の各画素にそれぞれ集光され、光学像が電気信号に変換された画像データとなる。この画像データは、処理回路４２によりディスプレイなどの表示装置（図示略）に表示したり、メモリーカード４３に記録したりすることができる。

本実施形態に係るデジタルカメラ４０によれば、光学素子２０へ光を入射させた際の分光透過率特性は、入射角変化に対する分光透過率特性変化が少ないので、光学素子２０に入射する光の入射角が大きくても分光透過率特性の変化による画質劣化を低減できる。そのため、デジタルカメラや小型撮像モジュール等を光学設計する際の入射角に対する自由度が広がり、幅広い光学機器への適用が可能になる。
また、光学素子２０に対する入射角の変化を低減するための、例えば集光レンズのような光学素子を用いることなく、入射角変化に対する分光透過率特性の変化の影響を低減できるので、部品点数が少ない低コスト化可能な構成となる。また、撮像レンズ４５とマイクロレンズアレイ４６との間に、集光レンズなどの光学素子を配置しないため、省スペースな構成の光学機器とすることができ、小型化が可能となる。

本実施形態の変形例として、基板１１に代えて、撮像レンズ４５を基材として光学薄膜２３、２４を成膜した構成としてもよい。あるいは、撮像レンズ４５を基材として、光学薄膜１２を成膜した構成としてもよい。
これらの場合、基板１１を省略できるので、部品削減による低コスト化、およびさらなる小型化が可能となる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記第１の実施形態では、光学薄膜を作製する際に真空蒸着法を、第２の実施形態では光学薄膜を作製する際にスパッタリング法を用いたが、これらに限定されるものではなく、イオンプレーティング法、イオンアシスト蒸着法、プラズマアシスト蒸着法であっても構わない。

また、上記第２の実施形態では、光学薄膜２３をＳｉＯ_２およびＮｂ_２Ｏ_５を所定の比率で混合させて成膜しているが、この際、上記２種類の物質を別々にスパッタし基板１１上で所定の比率で混合するように成膜してもよいし、２種類の材料を予め所定の比率で混合した材料をスパッタにより基板１１上に成膜してもよい。

また、光学素子に形成する光学薄膜のための物質としては、上記の第１、第２の実施形態で使用したＴａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｙ_２Ｏ_３に限定されるものではない。例えば、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、ＳｉＯ、Ｈｆ０_２、ＣｅＯ_２、ＭｇＦ_２等の物質を使用してもよい。
または、これら等を含む物質から、２種類以上の物質を混合させた光学薄膜を使用しても良い。この場合、２種類以上の物質を混合させた光学薄膜は、光学素子の光学薄膜の一部であってもよいし全層であってもよい。

また、上記の第１、第２の実施形態に係る光学素子の基材は、水晶複屈折基板を用いたが、基材の材質や形状は、適宜の材質、形状を採用することができる。そのため、光学素子としては、レンズ、プリズム、ビームスプリッタ等の透過光学素子を兼ねるものであってもよい。

また、上記の第３の実施形態の光学機器は、一例として、デジタルカメラの例で説明したが、例えば、顕微鏡、内視鏡などの他の光学機器に適用してもよい。

また、上記の第１、第２の実施形態の光学素子は、ＩＲカットフィルターの場合の例で説明したが、式（３）には、波長の条件が含まれないので、任意の波長をカットオン波長あるいはカットオフ波長とする光学的フィルターに適用できる。また、ローパスフィルターであってもハイパスフィルターであってもよい。

本発明の第１の実施形態に係る光学素子の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学素子の反射防止膜の分光反射率特性を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る光学素子の分光透過率特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る光学素子の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光学素子に用いる一方の光学薄膜（図４の光学薄膜２３）の分光透過率特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る光学素子に用いる他方の光学薄膜（図４の光学薄膜２４）の分光透過率特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る光学素子の分光透過率特性を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る光学機器の概略構成を示す模式的な断面図である。 従来技術に係るＩＲカットフィルターの分光透過率特性の一例を示すグラフである。

符号の説明

１０、２０ 光学素子
１１ 基板（基材）
１２、１３、１４、２３、２４ 光学薄膜
１５ 反射防止膜
１３Ｈ、１４Ｈ、２３Ｈ、２４Ｈ 高屈折率層
１３Ｌ、１４Ｌ、２３Ｌ、２４Ｌ 低屈折率層
４０ デジタルカメラ（光学機器）
４５ 撮像レンズ
４６ マイクロレンズアレイ
４７ 固体撮像素子

Claims (4)

1. 基材と、該基材の面上に複数の層が形成された光学薄膜とを有する光学素子であって、
   前記光学薄膜の分光透過率特性が、
   透過率が７５％以上かつ平均透過率が９０％以上の第１の波長帯域と、
   透過率が５％以下の第２の波長帯域と、
   前記第１の波長帯域と前記第２の波長帯域の間で、透過率が７５％から５％に変化する第３の波長帯域とを備え、
   光の入射角を０°から２０°に変化させることで、前記第３の波長帯域が短波長側に移動し、かつその移動量が１０ｎｍ以下であることを特徴とする光学素子。
2. 基材と、該基材の面上に複数の層が形成された光学薄膜とを有する光学素子であって、
   前記光学薄膜が、
   相対的な高屈折率を有する高屈折率層と、相対的な低屈折率を有する低屈折率層とを交互に積層して構成され、
   前記高屈折率層は、波長５００ｎｍの時の屈折率が２．０以上の材料からなり、かつ前記高屈折率層に隣接する前記低屈折率層は、前記高屈折率層の材料との屈折率の差が０．４以下である材料からなることを特徴とする光学素子。
3. 前記光学薄膜の全層または一部の層が２種類以上の物質を混合した材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学素子を備えていることを特徴とする光学機器。

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