光学機器
【課題】 従来は、カバーガラス表面と光学フィルタの表面に透明電極を設けているため撮像素子への光の透過率が低下する。
【解決手段】 被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段と、前記撮像手段の被写体側に配設された光学素子とを具備する光学機器であって、光学素子11の被写体側の面に第1の周期を持つ第1の凹凸構造11aを設けるとともに、該第1の凹凸構造の表面に第1の周期よりも小さな第2の周期で第2の凹凸構造11cを設ける。
【解決手段】 被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段と、前記撮像手段の被写体側に配設された光学素子とを具備する光学機器であって、光学素子11の被写体側の面に第1の周期を持つ第1の凹凸構造11aを設けるとともに、該第1の凹凸構造の表面に第1の周期よりも小さな第2の周期で第2の凹凸構造11cを設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えばデジタルカメラ等の光学機器に関し、詳しくは、光学機器に組み込まれている固体撮像素子や光学フィルタやレンズ等、焦点面もしくは焦点面近傍に配設された光学部材の表面に塵埃が付着するのを抑制する構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、レンズ交換式のデジタル一眼レフカメラの撮影レンズの焦点面近傍に塵埃等の異物が付着すると、その異物の影が固体撮像素子に写り込んでしまうという問題がある。このような異物は、レンズ交換時に塵埃が外部から侵入したり、カメラ内部でのシャッタやミラーの動作に伴い、その構造部材である樹脂等の微細な磨耗紛が発生したりすることが原因と考えられている。このような原因で発生した異物が、特に固体撮像素子の保護用のカバーガラスと、そのカバーガラスの全面に配設されている赤外カットフィルタや光学ローパスフィルタ(以下、LPF)等の光学フィルタとの間に入り込むことがある。このような場合には、それを除去するためにカメラを分解しなければならなかった。このため、固体撮像素子のカバーガラスと光学フィルタとの間に異物が入り込まないように密閉構造にすることは極めて有効なものであった。
【0003】
しかしながら、光学フィルタの固体撮像素子に対向する側と反対側の表面に異物が付着した場合、それが焦点面の近傍である場合、その異物が影となって固体撮像素子に写り込んでしまうという問題が依然として残っている。
【特許文献1】特開2003−005254号公報(第8頁、図1及び図9)
【特許文献2】特開2000−029132号公報(第8頁、図2)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
そこで、上記問題点を解決するために、固体撮像素子のカバーガラス表面をワイパーで清掃するものがある(特許文献1)。このようにカメラを構成すると、レンズを外さず、またカメラを分解することなく固体撮像素子のカバーガラス表面、或は防塵構造の最外面(例えば光学フィルタ表面)に付着した異物を除去できる。しかしながら、この特許文献1の構成では、固体撮像素子のカバーガラス表面や防塵構造の最外面をワイパーで擦る構成となっている。このため例えば、金属紛のような硬い異物が付着している場合には、その異物により固体撮像素子のカバーガラス表面上や防塵構造の最外面上にキズが付く可能性がある。また、ワイパーで除去された異物がカメラ内を浮遊するので、一度、除去された異物が固体撮像素子のカバーガラス表面や防塵構造の最外面に再付着してしまうという問題がある。
【0005】
そこで上記前者の問題の解決案として、固体撮像素子のカバーガラス表面上に異物が付着するのを抑制するために、固体撮像素子のカバーガラス表面と光学フィルタの表面それぞれに透明電極を形成したものがある(特許文献2)。この特許文献2に記載の技術によれば、固体撮像素子のカバーガラス表面と光学フィルタの表面に設けられた透明電極に電位を与えることにより、固体撮像素子のカバーガラス表面と光学フィルタの表面に発生した静電気を中和している。こうして固体撮像素子のカバーガラス表面と光学フィルタの表面への塵埃の付着を抑制している。しかしながら、カバーガラス表面と光学フィルタの表面に透明電極を設けているため撮像素子への光の透過率が低下する。このため光学的な悪影響が発生する。また固体撮像素子のカバーガラス表面と光学フィルタの表面に発生する静電気は、その周囲の環境(温度や湿度)や使用条件によって一定ではない。このため、静電気を中和させるための制御が難しくなったり、また静電気が中和されないことによって抑制効果が不十分となるといった不具合があった。
【0006】
本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解決することにある。
【0007】
本発明の特徴は、撮像手段により撮像される光学像に対する光学的な悪影響がなく、光学素子への塵埃の付着を抑制した光学機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために本発明の一態様に係る光学機器は以下のような構成を備える。即ち、
被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段と、前記撮像手段の被写体側に配設された光学素子とを具備する光学機器であって、
前記光学素子の被写体側の面に第1の周期を持つ第1の凹凸構造が設けるとともに、該第1の凹凸構造の表面に前記第1の周期よりも小さな第2の周期で第2の凹凸構造を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、撮像手段により撮像される光学像に対する光学的な悪影響をなくして、光学素子への塵埃の付着を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態を詳しく説明する。尚、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また実施の形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須のものとは限らない。
【0011】
[実施の形態1]
以下、本発明の実施の形態1に係るレンズ交換式デジタル一眼レフカメラ(以下、D−SLRと略す)について、図1から図5を参照して説明する。
【0012】
図1は、本発明の実施の形態1に係るD−SLR100の撮像部10及びフォーカルプレンシャッタ50の概略構成を説明するための側方断面図である。
【0013】
図1において、撮像部10は、ガラスやフィルタ等の光学素子11と光学素子11を保持する保持部材12及び光学素子11の表面と当接した状態で光学素子11と保持部材12とを一体化させている支持板13を有している。固体撮像装置15は、固体撮像素子15bを保護するためのカバー部材15aとで構成されている。基板17には、この固体撮像装置15のカバー部材15aと光学素子11との間を密封するためのシール部材16、固体撮像装置15の接続端子15cが接続している。更にこの基板17には、D−SLR100の動作を制御する制御回路を構成する電気素子が搭載されている。保持板18は、固体撮像装置15と一体化して固体撮像装置15を不図示のD−SLR100のシャーシに不図示のビスによって固定している。
【0014】
尚、光学素子11のフォーカルプレンシャッタ50側の対向面表面には、凹凸構造11aが設けられている。この凹凸構造11aは、図4(B)に示すように、ピッチ(第1の周期)P1で配置された略V型の凹形状(第1の凹凸構造)と、該凹形状に設けられたピッチ(第2の周期)P2の凹形状11c(第2の凹凸構造)とから形成されている。以下、この構造をフラクタル構造と呼ぶ。そして共に、撮像素子15bに結像される光学像に対して光学的に悪影響を与えないために、少なくとも可視光の波長域(380nm〜770nm)よりも小さな深さとピッチになっている。
【0015】
図4(A)〜(C)は、光学素子11の表面に付着した塵埃30に対する凹凸構造11aの作用を説明する図である。この図4については詳しく後述する。
【0016】
このフラクタル構造である凹凸構造11aは、例えば光学素子11の表面に設けたアクリルやポリカーボネート等の樹脂やフッ素系樹脂等の層に、ナノオーダーの微細な形状を有した金型(スタンパー)を押し付けることにより形成される。即ち、樹脂層に金型の微細形状を転写したナノインプリント等の製法により形成できるので、光学素子11の材質を選ぶことなく容易に形成できる。
【0017】
尚、このフラクタル構造の製作方法としては、例えば特開2000−144116号公報や特開2000−1787号公報に開示されているウェットプロセスでも形成することができる。しかし成膜までの時間が長く、膜厚の制御が難しいので生産的ではない。よって、前述のように、この凹凸構造11aは、ナノインプリント法のようなドライプロセスで成形するのが望ましい。
【0018】
次にフォーカルプレンシャッタ50について説明する。先幕21は、複数のシャッタ羽根21a〜21dとで構成されている。また後幕22も、複数のシャッタ羽根から構成されている。中間板23は、フォーカルプレンシャッタ50において先幕21及び後幕22の駆動スペースを分割している。押え板24は、後幕22の押え板であると同時に、撮像のためにその略中央部に開口24aが設けてある。またカバー板25は、先幕21の押え板であると同時に、撮像のためにその略中央部に開口25aが設けられている。29は先幕21の各シャッタ羽根21a〜21dが開いた時に、その位置決めとなるストッパー部を有するストッパーゴムである。
【0019】
このD−SLR100は、CCD或はCMOSセンサ等の撮像素子15bを用いた単板式のデジタルカラーカメラであり、撮像素子15bを連続的または単発的に駆動して動画像または静止画像を表わす画像信号を得る。ここで撮像素子15bは、露光した光を画素毎に電気信号に変換して受光量に応じた電荷を蓄積し、蓄積された電荷を読み出すタイプのエリアセンサである。
【0020】
図2は、本実施の形態1に係るD−SLR100のカメラシステムの構成を示す概略図で、図1と共通する部分は同じ記号で示し、その説明を省略する。尚、このカメラシステムは、カメラ本体(撮像装置)と、このカメラ本体に着脱可能に装着されるレンズ装置とを有している。
【0021】
図2において、101はD−SLR100に対して取り外し可能なレンズ装置102を接続するマウント機構であり、このマウント機構101を介してレンズ装置102がD−SLR100に電気的かつ機械的に接続される。そして、焦点距離の異なるレンズ装置102をD−SLR100に装着することによって様々な画角の撮影画面を得ることが可能となる。このレンズ装置102が備える撮影光学系103から固体撮像装置15に至る光軸L1中には、光学素子11が設けられている。この光学素子11は、固体撮像装置15上に物体像(光学像)の必要以上に高い空間周波数成分が伝達されないように撮影光学系103のカットオフ周波数を制限している。
【0022】
固体撮像装置15から読み出された信号は、後述するように所定の処理が施された後、画像データとして表示部107に表示される。この表示部107はD−SLR100の背面に取り付けられており、使用者は表示部107での表示を直接観察できるようになっている。尚、この表示部107を、有機EL空間変調素子や液晶空間変調素子、微粒子の電気泳動を利用した空間変調素子などで構成すれば、消費電力を小さくでき、かつ表示部107の薄型化を図ることができる。これにより、D−SLR100の省電力化および小型化を図ることができる。
【0023】
固体撮像装置15は、具体的には、増幅型固体撮像素子の1つであるCMOSプロセスコンパチブルのセンサ(以下、CMOSセンサ)である。このCMOSセンサを採用することにより、エリアセンサ部のMOSトランジスタと撮像装置駆動回路、AD変換回路、画像処理回路といった周辺回路を同一工程で形成できるため、マスク枚数、プロセス工程がCCDと比較して大幅に削減できる。また、任意の画素へのランダムアクセスが可能であるため画像の表示用に間引いた読み出しが容易となる。これにより表示部107に高い表示レートでリアルタイムでの表示が行える。固体撮像装置15は、上述した特長を利用し、表示用の画像出力動作(固体撮像装置15の受光領域のうち一部を間引いた領域での読み出し)、及び高精彩画像の出力動作(全受光領域での読み出し)を行う。
【0024】
可動型のハーフミラー111は、撮影光学系103からの光束のうち一部を反射させるとともに残りを透過させる。このハーフミラー111の屈折率は約1.5であり、その厚さは0.5mmである。105は撮影光学系によって形成される物体像の予定結像面に配置されたフォーカシングスクリーン、112はペンタプリズムである。ファインダレンズ109は、フォーカシングスクリーン105上に結像された物体像を観察するためのレンズであり、単数もしくは複数のファインダレンズ(不図示)で構成されている。これらフォーカシングスクリーン105、ペンタプリズム112及びファインダレンズ109は、ファインダ光学系を構成する。
【0025】
ハーフミラー111の背後(像面側)には可動型のサブミラー122が設けられており、ハーフミラー111を透過した光束のうち光軸L1に近い光束を反射させて焦点検出ユニット121に導いている。このサブミラー122は不図示のハーフミラー111の保持部材に設けられた回転軸を中央に回転し、ハーフミラー111の動きに連動して移動する。尚、焦点検出ユニット121は、サブミラー122からの光束を受光して位相差検出方式による焦点検出を行う。
【0026】
またハーフミラー111とサブミラー122から成る光路分割系は、ファインダ光学系に光を導くための第1の光路分割状態をとることができる。更に、結像レンズからの光束をダイレクトに固体撮像装置15に導くために撮影光路から退避した第2の光路分割状態(図2中破線で示した位置:111'及び122')をとることが出来る。可動式の閃光発光ユニット114は、D−SLR100に収納される収納位置とD−SLR100から突出した発光位置との間で移動可能である。フォーカルプレンシャッタ50は、像面に入射する光量を調節している。119はD−SLR100を起動させるためのメインスイッチである。2段階で押圧操作されるレリーズボタン120は、半押し操作(SW1がON)で撮影準備動作(測光動作や焦点調節動作等)を開始し、全押し操作(SW2がON)で撮影動作(固体撮像装置15から読み出された画像データの記録媒体への記録)を開始する。光学ファインダ内の情報表示ユニット180は、フォーカシングスクリーン105上に特定の情報を表示させる表示ユニットである。104は絞りである。
【0027】
図3は、本実施の形態1に係るD−SLR100のカメラシステムの電気的構成を説明するブロック図で、前述の図1及び図2と共通する部分は同じ記号で示している。
【0028】
このカメラシステムは、撮像系、画像処理系、記録再生系及び制御系を有する。撮像系は、撮影光学系103及び固体撮像装置15を含む撮像部10を有している。画像処理系は、A/D変換器130、RGB画像処理回路131及びYC処理回路132を有している。また記録再生系は、記録処理回路133及び再生処理回路134を有し、制御系は、カメラシステム制御回路(制御手段)135、操作検出回路136、駆動回路137を有している。接続端子138は、外部のコンピュータ等に接続され、データの送受信を行うために規格化された端子である。尚、上述した回路は、不図示の小型燃料電池からの電力供給を受けて駆動する。
【0029】
撮像系は、物体(被写体側)からの光を、撮影光学系103を介して固体撮像装置15の撮像面に結像させる光学処理部である。撮影光学系103内に設けられた絞り104の駆動を制御するとともに、必要に応じてフォーカルプレンシャッタ50の駆動をシャッタ制御回路145を介して行うことによって、適切な光量の光を固体撮像装置15で受光させることができる。本実施の形態1に係る固体撮像装置15には、正方画素が長辺方向に3700個、短辺方向に2800個並べられ、合計約1000万個の画素数を有する撮像素子15bが用いられている。そして、各画素にR(赤色)G(緑色)B(青色)のカラーフィルタが交互に配置され、4画素が一組となるいわゆるベイヤー配列を構成している。このベイヤー配列では、観察者が画像を見たときに強く感じやすいGの画素をRやBの画素よりも多く配置することにより総合的な画像性能を上げている。一般に、この方式の撮像素子を用いる画像処理では、輝度信号は主にGから生成し、色信号はR,G,Bから生成する。
【0030】
固体撮像装置15から読み出された信号は、A/D変換器130を介して上述の画像処理系に供給され、この画像処理系での画像処理によって画像データが生成される。A/D変換器130は、撮像素子15bの各画素から読み出された信号の振幅に応じて、例えば撮像素子15bの出力信号を10ビットのデジタル信号に変換して出力する信号変換回路である。このA/D変換処理以降の画像処理はデジタル処理にて実行される。画像処理系は、R,G,Bのデジタル信号から所望の形式の画像信号を得る信号処理回路であり、R,G,Bの色信号を輝度信号Yおよび色差信号(R−Y),(B−Y)にて表わされるYC信号などに変換する。RGB画像処理回路131は、A/D変換器130の出力信号を処理する信号処理回路であり、ホワイトバランス回路、ガンマ補正回路、補間演算による高解像度化を行う補間演算回路を有する。YC処理回路132は、輝度信号Y及び色差信号R−Y,B−Yを生成する信号処理回路である。このYC処理回路132は、高域輝度信号YHを生成する高域輝度信号発生回路、低域輝度信号YLを生成する低域輝度信号発生回路及び、色差信号R−Y,B−Yを生成する色差信号発生回路を有している。輝度信号Yは、高域輝度信号YHと低域輝度信号YLを合成することによって形成される。
【0031】
記録再生系は、不図示のメモリ(メモリカード等)への画像信号の出力と、表示部107への画像信号の出力とを行う処理系である。記録処理回路133はメモリへの画像信号の書き込み処理及び読み出し処理を行い、再生処理回路134はメモリから読み出した画像信号を再生して表示部107に出力する。また記録処理回路133は、静止画データ及び動画データを表わすYC信号を所定の圧縮形式にて圧縮するとともに、その圧縮されたデータを伸張させる圧縮伸張回路を内部に有している。この圧縮伸張回路は、信号処理のためのフレームメモリなどを有しており、このフレームメモリに画像処理系からのYC信号をフレーム毎に蓄積し、複数のブロックのうち各ブロックから蓄積された信号を読み出して圧縮符号化する。この圧縮符号化は、例えば、ブロック毎の画像信号を2次元直交変換、正規化およびハフマン符号化することにより行われる。再生処理回路134は、輝度信号Y及び色差信号R−Y,B−Yをマトリクス変換して、例えばRGB信号に変換する回路である。この再生処理回路134によって変換された信号は表示部107に出力され可視画像として表示(再生)される。再生処理回路134及び表示部107は、Bluetooth(登録商標)等の無線通信を介して接続されていてもよい。このように無線で接続することにより、このカメラで撮像された画像を離れたところからモニタすることができる。
【0032】
一方、制御系における操作検出回路136は、図2に示すメインスイッチ119、レリーズボタン120等(他のスイッチは不図示)の操作を検出して、この検出結果をカメラシステム制御回路135に出力する。このカメラシステム制御回路135は、操作検出回路136からの検出信号を受けることで、その検出結果に応じた動作を行う。また、カメラシステム制御回路135は、撮像動作を行う際のタイミング信号を生成して、撮像装置の駆動回路137に出力する。この駆動回路137は、このカメラシステム制御回路135からの制御信号を受けることにより、固体撮像装置15を駆動させるための駆動信号を生成する。情報表示回路142は、カメラシステム制御回路135からの制御信号を受けて光学ファインダ内の情報表示ユニット180(図2)の駆動を制御する。
【0033】
制御系は、D−SLR100に設けられた各種スイッチの操作に応じて撮像系、画像処理系及び記録再生系での駆動を制御する。例えば、レリーズボタン120の操作によってSW2がONとなった場合、制御系(カメラシステム制御回路135)は、固体撮像装置15の駆動、RGB画像処理回路131の動作、記録処理回路133の圧縮処理などを制御する。更に制御系は、情報表示回路142を介して光学ファインダ内の情報表示ユニット180の駆動を制御することによって、光学ファインダ内での表示(表示セグメントの状態)を変更する。
【0034】
次に、撮影光学系103の焦点調節動作に関して説明する。
【0035】
カメラシステム制御回路135はAF制御回路140と接続している。またマウント機構101によりレンズ装置102をD−SLR100に装着することで、カメラシステム制御回路135は、マウント接点101a,102aを介してレンズ装置102内のレンズシステム制御回路141と接続される。そしてAF制御回路140及びレンズシステム制御回路141と、カメラシステム制御回路135とは、特定の処理の際に必要となるデータを相互に通信する。
【0036】
焦点検出ユニット121(焦点検出センサ167)は、撮影画面内の所定位置に設けられた焦点検出領域での検出信号をAF制御回路140に出力する。AF制御回路140は、この焦点検出ユニット121(図2)からの出力信号に基づいて焦点検出信号を生成し、撮影光学系103の焦点調節状態(デフォーカス量)を検出する。そして、AF制御回路140は、その検出したデフォーカス量を撮影光学系103の一部の要素であるフォーカスレンズの駆動量に変換する。そして、その変換したフォーカスレンズの駆動量に関する情報を、カメラシステム制御回路135を介してレンズシステム制御回路141に送信する。ここで、移動する物体に対して焦点調節を行う場合、AF制御回路140は、レリーズボタン120が全押し操作されてから実際の撮像制御が開始されるまでのタイムラグを勘案して、フォーカスレンズの適切な停止位置を予測する。そして、予測した停止位置へのフォーカスレンズの駆動量に関する情報をレンズシステム制御回路141に送信する。
【0037】
一方、カメラシステム制御回路135は、撮像素子15bからの信号に基づいて被写体の輝度が低く、十分な焦点検出精度が得られないと判定すると、閃光発光ユニット114又は、D−SLR100に設けられた不図示の白色LEDや蛍光管を駆動する。これにより物体を照明する。レンズシステム制御回路141は、カメラシステム制御回路135からフォーカスレンズの駆動量に関する情報を受信する。そしてこの情報に基づいて、レンズ装置102内に配置されたAFモータ147の駆動を制御して、不図示の駆動機構を介してフォーカスレンズを上記駆動量の分だけ光軸L1方向に移動させる。これにより、撮影光学系103が合焦状態となる。尚、上述したようにフォーカスレンズが液体レンズ等で構成されている場合には、界面形状を変化させることになる。また、レンズシステム制御回路141は、カメラシステム制御回路135から露出値(絞り値)に関する情報を受信すると、レンズ装置102内の絞り駆動源(アクチュエータ)143の駆動を制御する。これにより、その絞り値に応じた絞り開口径となるように絞り104を動作させる。
【0038】
また、シャッタ制御回路145は、先幕駆動源35、チャージ源36及び後幕駆動源37の制御を行う。先幕駆動源35は、公知のコイルやヨーク等で構成された電磁アクチュエータと駆動レバー等で構成されている。チャージ源36は、開き動作を行った先幕21を再び図1に示した閉状態にするために閉じ動作を行うための、駆動レバーやスプリング等で構成されている。更に後幕駆動源37は、後幕22の開閉動作を行うための、公知のコイルやヨーク等で構成された電磁アクチュエータと駆動レバー等で構成されている。そして、カメラシステム制御回路135からのシャッタ速度に関する情報を受信すると、フォーカルプレンシャッタ50の先幕21、後幕22の駆動源である先幕駆動源35、後幕駆動源37及びチャージ源36の駆動を制御する。これにより、上記シャッタ速度になるように先幕21及び後幕22を動作させる。このフォーカルプレンシャッタ50と絞り104の動作により、適切な光量の物体光を像面側に向かわせることができる。またAF制御回路140において被写体にピントが合ったことが検出されると、この情報はカメラシステム制御回路135に送信される。このとき、レリーズボタン120の全押し操作によってSW2がON状態になれば、上述したように撮像系、画像処理系及び記録再生系によって撮影動作が行われる。
【0039】
続いて、図4〜図6を参照して、本実施の形態に係る光学素子11の表面に設けられた凹凸構造11aの効果について説明する。
【0040】
図4(A)〜(C)は、図1のA部の拡大図で、光学素子11の表面に塵埃が付着した場合の様子を示したものである。同図において、30は塵埃である。また、後述するように、塵埃30と光学素子11の表面との間に液架橋が形成される。本実施の形態では、光学素子11の表面に凹凸構造11aがある場合に形成される液架橋(図4(C)の実線)を70、また光学素子11の表面に凹凸構造11aがない場合に形成される液架橋(図4中(C)破線)を70'として示している。
【0041】
いま塵埃30が光学素子11の表面に付着した場合、空気中に含まれる水分子(不図示)が塵埃30と光学素子11の表面との間で凝集して液架橋70を形成する。この液架橋70によって、塵埃30と光学素子11の表面との間には液架橋力という、式(1)で示される付着力FLが作用することになる。
【0042】
FL=2πσDcosθ(N) ...式(1)
この式(1)において、σは水の表面張力(N/m)、Dは塵埃30の直径(m)、θは水の光学素子11の表面に対する接触角(度)である。
【0043】
ここで、同一の塵埃30に対する液架橋力を考えた場合、水の表面張力(表面エネルギー)は一定である。よって、光学素子11の表面に凹凸構造11aがある場合とない場合とでは、後述するように接触角θが異なる。ここでは、それぞれの接触角θを、θ1,θ2とする(θ1<θ2、図4(C)参照)。
【0044】
ここで接触角θとは、水と凹凸構造11a(もしくは光学素子11の表面)の各々の表面エネルギーの比であるが、ここで、塵埃30と凹凸構造11aとが接している部分に注目する(図5参照)。
【0045】
図5は、塵埃と凹凸構造とが接触している箇所の拡大図である。
【0046】
図5に示したように、凹凸構造11aがある場合、塵埃30は凹凸構造11aを構成する単一凹凸構造11bの少なくとも1つと接し、その単一凹凸構造11bと塵埃30との間で液架橋70aが形成される。実際には、塵埃30と凹凸構造11aとは複数の単一凹凸構造11bと接するので、複数の液架橋70aが形成される。そのため、その液架橋70aの集合体が図4(C)で示した液架橋70であると言える。
【0047】
単一凹凸構造11bの表面エネルギーと、凹凸構造11aが無い場合の光学素子11の表面エネルギーとの大小関係によらず、凹凸構造11aと塵埃30が接触する場合の接触面積と、光学素子11の表面と塵埃30が接触する場合の接触面積とを比べる。この場合は、凹凸構造11aと塵埃30とが接触する場合の接触面積の方が小さくなるので、見かけ上、凹凸構造11aの有無によって接触角が変化する。これにより、凹凸構造11aと塵埃30とが接触している場合の接触角が大きくなるため、θ1<θ2となる。
【0048】
ここで塵埃30と凹凸構造11aの表面との間に形成される液架橋70と、塵埃30と光学素子11の表面との間に形成される液架橋70'の大きさを比べる。凹凸構造11aがない場合(図4(C)のS2)の液架橋70'に比べて、凹凸構造11aが有る場合の液架橋70の方が小さくなる(図4(C)のS1)。
【0049】
また式(1)において、凹凸構造11aの有無によって異なるのは接触角θだけである。このため、接触角θが大きくなると付着力FLが小さくなる(0度≦θ≦90度)。つまり、凹凸構造11aが有る場合の付着力FL1と、凹凸構造11aが無い場合の付着力FL2とを比較すると、FL1<FL2となる。
【0050】
つまり凹凸構造11aにより、塵埃30の凹凸構造11a(光学素子11)への付着力が低くなる。このため、塵埃30が光学素子11に付着しようとしても、凹凸構造11aがある場合はその付着力が小さくなる。その結果、塵埃30に加わる重力の影響により、塵埃30が光学素子11の表面から落下し易くなり、光学素子11の表面に付着しにくくなる。
【0051】
これとは別に、塵埃30が光学素子11の表面、或は凹凸構造11aに付着した場合、相互作用力であるファンデルワールス力が塵埃30と光学素子11の表面との間に作用する。このファンデルワールス力は、式(2)で示される付着力Fvとなる。
【0052】
Fv=HD/(12×Zの二乗)(N) ...式(2)
この式(2)において、Hは塵埃30のハマーカー定数(J)、Dは塵埃30の直径(m)、Zは塵埃30と凹凸構造11a(もしくは光学素子11)の表面との分離距離で0.4nmである。
【0053】
ここで、同一の塵埃30に対するファンデルワールス力を考えた場合、塵埃30の直径D及びハマーカー定数Hは一定であるから、光学素子11の表面に凹凸構造11aがある場合とない場合とでは、分離距離Zが異なることになる。
【0054】
図6は、ファンデルワールス力を説明する図である。
【0055】
そもそもファンデルワールス力とは、2つの物体間に作用する相互作用力である。この相互作用力は、一つの物体中の全ての原子と、他の物体中の全ての原子間のエネルギーの和(積分)を取ることによって求めることができる。(文献「分子間力と表面力」J・N・イスラエルアチヴィリ著、朝倉書店、P.172)。よって図6に示したように、塵埃30と光学素子11との間に作用するファンデルワールス力も同様にして求めることができる。
【0056】
ところで、光学素子11の表面に凹凸構造11aを設けると、塵埃30と凹凸構造11aを形成する単一凹凸構造11bとの間に作用するファンデルワールス力の総和が、塵埃30と凹凸構造11aとの間に作用するファンデルワールス力となる。もちろん、塵埃30と凹凸構造11aの下にある光学素子11の表面との間でもファンデルワールス力は発生することが考えられる。ここで凹凸構造11aの距離、つまり単一凹凸構造11bの深さ分だけ分離距離Zが大きくなる。上記式(2)のZ=0.4nmに比べると、単一凹凸構造11bの深さが200nmの場合は、Zは500倍になる。よって、ファンデルワールス力はZの二乗分小さくなるから、塵埃30と光学素子11の表面との間に作用するファンデルワールス力は無視して良い値となる。
【0057】
ここで前述したように、塵埃30と凹凸構造11aとの接触面積は、塵埃30と光学素子11の表面との接触面積より小さいから、この接触面積の差だけ、塵埃30との分離距離が大きくなる範囲が凹凸構造11aにはある。つまり式(2)において、凹凸構造11aと塵埃30との間に作用するファンデルワールス力Fv'は、以下の式(3)式で表すことができる。いま、塵埃30と接触している面積分の分離距離をZ1、凹凸構造11aを設ける事で塵埃30と接触しなくなった面積分の分離距離をZ2とする。
【0058】
Fv'={HD/(12×Z1の二乗)}+{HD/(12×Z2の二乗}(N) ...式(3)
ここで式(3)の第2項(塵埃30と接触しなくなった面積分に作用するファンデルワールス力)は、分離距離Z2がZより大きいので第1項よりも小さくなる。また、凹凸構造11aがない場合の塵埃30と光学素子11の表面との分離距離をZとする。
【0059】
Z=Z1 ...式(4)
(4)式の場合でも、前述した通り、凹凸構造11aが塵埃30と接触している面積は、凹凸構造11aが無い場合の光学素子11の接触面積と比べて小さい。よって(3)式の第1項は、(2)式で求められる、凹凸構造11aが無い場合の光学素子11に作用するファンデルワールス力に比べて小さくなる。つまり(3)式で表される凹凸構造11aが存在する場合の付着力Fv1と、凹凸構造11aが無い場合の付着力Fv2とを比較するとFv1<Fv2となる。
【0060】
よって、この凹凸構造11aにより、塵埃30の凹凸構造11a(光学素子11)への付着力が低くなるので、塵埃30が光学素子11に付着しようとする付着力が小さくなる。よって、塵埃30に加わる重力の影響により光学素子11の表面から落下しやすくなって光学素子11の表面に付着しにくくなる。
【0061】
次に図7は、凹凸構造11aの効果を説明する図である。
【0062】
図7(A)は、無垢のSi基板表面に平均粒径60μmのガラスビーズ(真球品)を散布した状態を示す図である。また図7(B)は、図7(A)の状態から基板を逆さまにした後、再び図7(A)の状態に戻した状態を示す。また図7(C)は、無垢のSi基板表面に、例えば特開2005−212013号公報(図15及び図16)のように、フェムト秒レーザにて周期的な凹凸構造11aを設けたSi基板を示す。そして図7(C)では、その基板表面に平均粒径60μmのガラスビーズ(真球品)を散布した状態を示す。また図7(D)は、図7(C)の状態から基板を逆さまにした後、再び図7(C)の状態に戻した状態を示している。
【0063】
図7(A)〜(D)から明らかなように、図7(A)(B)のように、基板表面に凹凸構造11aがないSi基板では、その表面に散布したガラスビーズは基板を逆さまにしてもほとんど落下していない。しかし図7(C)(D)に示すように、基板表面に凹凸構造11aがあるSi基板では、基板を逆さまにすることによって散布したガラスビーズがほとんど落下していることが分かる。つまり、表面に凹凸構造11aを設けることによって、ガラスビーズとSi基板表面との付着力が低下することが確認できた。
【0064】
以上の構成によれば、光学特性に悪影響を与える事無く、光学素子表面への塵埃の付着力を小さくした光学機器を提供できる。
【0065】
[実施の形態2]
次に図8及び図10を参照して本発明の実施の形態2について説明する。尚、前述の実施の形態1と同様な構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0066】
図8は、本実施の形態2に係るカメラ100の撮像部10及びフォーカルプレンシャッタ50の概略構成を説明するための側方断面図である。
【0067】
また図9(A)は、図8のB部の拡大図であって、光学素子11の表面に塵埃30が付着した場合の様子を示したものである。
【0068】
図8及び図9(A)において、40は光学素子11のフォーカルプレンシャッタ50側の対向面表面に、少なくとも1種類の粒子で形成された凹凸構造を示す。図9(B)に示したように、ここでは大粒子(第1の粒子)40a(第1の凹凸構造)の周囲に小粒子(第2の粒子)40b(第2の凹凸構造)が所定個数付着している。これらが光学素子11の表面に所定ピッチ(第1の周期)で、もしくはランダムに配列されている。尚、この凹凸構造40を構成する大粒子40a及び小粒子40bは、MgF2やSiO2等の低屈折率材料を用いるか、或は中空状にして低屈折率にしている。例えば大粒子40aは粒径が200nmのもので構成されている。尚、粒径が可視光波長域(約350nm〜700nm)もしくはそれ以上の大きさになると光学的に散乱等の悪影響が懸念されるので、大粒子40aの粒径は200nm以下であることが望ましい。
【0069】
また大粒子40aと小粒子40bとの結合は、例えば特開2005−28356号公報に開示されている方法で、小粒子40bが大粒子40aの表面に結合している。更には、この凹凸構造40は、LB(Langmuir-Blodgett、ラングミュア−ブロジェット)法等により光学素子11の表面に配列されても良い。
【0070】
次に図10を参照して、本実施の形態2に係る光学素子11の表面に設けられた凹凸構造40の効果について説明する。
【0071】
図10は、図9において塵埃30と凹凸構造40とが接している部分に注目した拡大図である。ここでも実施の形態1と同様に、塵埃30と光学素子11の表面との間に液架橋が形成される。本実施の形態2において、光学素子11の表面に凹凸構造40がある場合に形成される液架橋(図10の実線)を70、また光学素子11の表面に凹凸構造40がない場合に形成される液架橋(図10の破線)を70'で示している。
【0072】
塵埃30が光学素子11の表面に付着した場合、空気中に含まれる水分子(不図示)が塵埃30と光学素子11の表面との間で凝集して液架橋70を形成する。この液架橋70によって、実施の形態1と同様に、塵埃30と光学素子11の表面との間には式(1)で示される、液架橋力である付着力FLが作用することになる。
【0073】
ここで、同一の塵埃30に対する液架橋力を考えた場合、水の表面張力(表面エネルギー)は一定であるから、光学素子11の表面に凹凸構造40がある場合とない場合とでは、後述するように接触角θが異なる。それらをそれぞれθ1,θ2とする(θ1<θ2、図9(A)参照)。
【0074】
図10に示したように、凹凸構造40がある場合、塵埃30は凹凸構造40を構成する大粒子40aもしくは小粒子40bの少なくとも1つと接し、その大粒子40aもしくは小粒子40bと塵埃30との間で液架橋70aが形成される。
【0075】
実際には、塵埃30と凹凸構造40とは複数の大粒子40aもしくは小粒子40bと接するので、複数の液架橋70aが形成されるから、その液架橋70aの集合体が図9(A)で示した液架橋70であるといえる。
【0076】
大粒子40a及び小粒子40bの表面エネルギーと、凹凸構造40が無い場合の光学素子11の表面エネルギーとの大小関係によらず凹凸構造40と塵埃30が接触する場合の接触面積と、光学素子11の表面と塵埃30が接触する場合の接触面積とを比べる。この場合、凹凸構造40と塵埃30とが接触する接触面積の方が小さくなるので、見かけ上、凹凸構造40の有無によって接触角が変化することになる。これにより、凹凸構造40と塵埃30とが接触している場合の接触角が大きくなってθ1<θ2となる。
【0077】
こうして、塵埃30と凹凸構造40の表面との間に形成される液架橋70と、塵埃30と光学素子11の表面との間に形成される液架橋70'の大きさを比べる。この場合、凹凸構造40がない場合(図9(A)のS2)の液架橋70'に比べて、凹凸構造40が有る場合の液架橋70の方が小さくなる(図9(A)のS1)。
【0078】
また、上記式(1)において、凹凸構造40の有無によって異なるのは接触角θだけであるため、接触角θが大きくなると付着力が小さくなる(0度≦θ≦90度)。つまり、凹凸構造40が有る場合の付着力FL1と、凹凸構造40が無い場合の付着力FL2を比較するとFL1<FL2となる。つまり、凹凸構造40により、塵埃30の凹凸構造40(光学素子11)への付着力が弱くなる。これにより、塵埃30が光学素子11に付着しようとしても、凹凸構造40が有る場合はその付着力が小さくなり、塵埃30に加わる重力の影響により光学素子11の表面から落下し易くなる。この結果、光学素子11の表面に塵埃30が付着しにくくなることになる。
【0079】
これとは別に、塵埃30が光学素子11の表面もしくは凹凸構造40に付着した場合は前述の実施の形態1と同様に、相互作用力であるファンデルワールス力(式(2)で示される付着力Fv)が塵埃30と光学素子11の表面との間で作用する。
【0080】
ここで、同一の塵埃30に対するファンデルワールス力を考える。塵埃30の直径D及びハマーカー定数Hは一定であるから、光学素子11の表面に凹凸構造40がある場合とない場合とでは、分離距離Zが異なることになる。即ち、光学素子11の表面に凹凸構造40を設けると、塵埃30と凹凸構造40を形成する大粒子40a及び小粒子40bとの間に作用するファンデルワールス力の総和が、塵埃30と凹凸構造40との間に作用するファンデルワールス力となる。もちろん、塵埃30と凹凸構造40の下にある光学素子11の表面との間でもファンデルワールス力が発生することが考えられるが、凹凸構造40の距離、つまり大粒子40aの粒径(例えば200nm)分だけ分離距離Zが大きくなる。ここで(2)式のZ=0.4nmに比べると、大粒子40aの粒径が200nmの場合は、Zは500倍になるので、ファンデルワールス力はZの二乗分小さくなるから、塵埃30と光学素子11の表面との間に作用するファンデルワールス力は無視して良い。
【0081】
ここで、前述したように、塵埃30と凹凸構造40との接触面積は、塵埃30と光学素子11の表面との接触面積より小さい。よって、この凹凸構造40により、この接触面積の差だけ、塵埃30との分離距離が大きくなる。つまり式(2)において、凹凸構造40と塵埃30との間に作用するファンデルワールス力は、以下の(5)式のように表すことが出来る。ここで塵埃30と接触している面積分の分離距離をZ1とし、凹凸構造40を設ける事で塵埃30と接触しなくなった面積分の分離距離をZ2としている。
【0082】
Fv'={HD/(12×Z1の二乗)}+{HD/(12×Z2の二乗}(N) ...式(5)
ここで(5)式の第2項(塵埃30と接触しなくなった面積分に作用するファンデルワールス力)は、分離距離Z2がZ1より大きいので第1項よりも小さくなる。また、凹凸構造40がない場合の塵埃30と光学素子11表面との分離距離Zを、
Z=Z1 ...(6)
とする。この場合でも前述した通り、凹凸構造40が塵埃30と接触している面積は、凹凸構造40が無い場合の光学素子11の接触面積とを比べて小さくなる。これにより(5)式の第1項は(2)式で求められる、凹凸構造40が無い場合の光学素子11に作用するファンデルワールス力に比べて小さくなる。つまり、(5)式で表される凹凸構造40が有る場合の付着力Fv1と、凹凸構造40が無い場合の付着力Fv2を比較すると、Fv1<Fv2となる。
【0083】
よって、このような凹凸構造40により、塵埃30の凹凸構造40(光学素子11)への付着力が低下することがわかる。これにより塵埃30が光学素子11に付着しようとしても、凹凸構造40が有る場合はその付着力が小さくなる。このため、塵埃30に加わる重力の影響により光学素子11の表面から落下し易くなる。その結果、塵埃30が光学素子11の表面に付着しにくくなる。
【0084】
以上説明したように本実施の形態2によれば、光学特性に悪影響を与えることなく、凹凸構造40によって、ファンデルワールス力と共に液架橋力も低下させることができる。これにより、光学素子の表面への塵埃の付着を抑制した光学機器を提供できる。
【0085】
尚、本実施の形態2では、凹凸構造40を形成する大粒子40aを光学素子11の表面に配列させている。しかし本発明はこれに限定されるものでなく、例えば、大粒子40aや小粒子40bの表面に撥水性のコーティングを施して、大粒子40a及び小粒子40bに撥水性を付与することにより凹凸構造40にも撥水性を付与しても良い。これにより、上述の実施の形態よりも、更に塵埃30との接触角を大きくでき、液架橋力を更に小さくすることができる。これにより、更に光学素子の表面への塵埃の付着を抑制した光学機器を提供できる。
【0086】
また本発明はこれに限らず、例えば凹凸構造40を形成する大粒子40a及び小粒子40bを導電材で形成しても良い。また大粒子40a及び小粒子40bの表面に導電性のコーティングを施して、大粒子40a及び小粒子40bに導電性を付与しても良い。これにより凹凸構造40にも導電性が付与できることになる。つまり、凹凸構造40を形成する大粒子40a及び小粒子40bに様々な機能を付加することにより、凹凸構造40をより有効に機能させることができる。こうして導電性等の機能を付加し、かつ、光学素子の表面への塵埃の付着を抑えた光学機器を提供できる。
【0087】
また本実施の形態では、光学素子11の表面に直接凹凸構造40を設けているが、これに限定するものではない。例えば、光学素子11の表面には、その表面反射率を低下させつつ、かつ、赤外光をカットするために誘電体多層膜が設けられていることが多い。
【0088】
図11は、本発明の実施の形態2に係る凹凸構造40の変形例を示す図である。
【0089】
ここでは誘電体多層膜60の最表面に凹凸構造40を設けている。これにより、所望の光学性能(分光透過率等)を、凹凸構造40の下部にある誘電体多層膜60で維持しつつ、凹凸構造40によって光学素子11の表面への塵埃30の付着力を抑制することができる。もちろん、誘電体多層膜60は凹凸構造40の光学特性(屈折率等)を考慮した設計である事は言うまでもない。
【0090】
尚、この凹凸構造40の上に所望の光学性能を得るために誘電体多層膜60を設けると、その誘電体多層膜60によって凹凸構造40で設けた光学素子11の表面上の微細形状が埋まって平坦になる。よって、塵埃30の付着力を低下させるためには、前述のように、誘電体多層膜60の最表面に凹凸構造40を配設する必要がある。
【0091】
ところで上述の実施の形態では、光学素子11の表面に凹凸構造40を設けている。しかし、光学素子11がフォーカルプレンシャッタ50と固体撮像装置15との間に設けられていない場合、つまり、フォーカルプレンシャッタ50と固体撮像装置15が対向している場合には、固体撮像装置15の表面に付着する塵埃30が問題となる。
【0092】
図12は、光学素子11がフォーカルプレンシャッタ50と固体撮像装置15との間に設けられていない場合の、D−SLR100の撮像部10及びフォーカルプレンシャッタ50の概略構成を説明するための側方断面図である。
【0093】
この場合には、固体撮像装置15のカバー部材15aの表面に微粒子単層80を設ける。これにより前述の実施の形態で説明した内容と同等の効果が得られ、固体撮像装置15の表面に塵埃が付着するのを抑制することができる。
【0094】
また、固体撮装置15のカバー部材15aの表面に反射防止膜等の多層膜が形成されている場合には、前述のように、その多層膜の最表面に実施の形態1もしくは実施の形態2で説明したいずれかの凹凸構造80を設けるようにしても良い。これにより、所望の光学性能を得ながら、塵埃30の付着力を低下させることができる。こうして固体撮像装置15の表面に塵埃が付着するのを抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0095】
【図1】本発明の実施の形態1に係るD−SLRの撮像部及びフォーカルプレンシャッタの概略構成を説明するための側方断面図である。
【図2】本実施の形態1に係るD−SLRのカメラシステムの構成を示す概略図である。
【図3】本実施の形態1に係るD−SLRのカメラシステムの電気的構成を説明するブロック図である。
【図4】本実施の形態において、光学素子の表面に付着した塵埃に対する凹凸構造の作用を説明する図である。
【図5】塵埃と凹凸構造とが接触している箇所の拡大図である。
【図6】ファンデルワールス力を説明する図である。
【図7】本実施の形態に係る凹凸構造の効果を説明する図である。
【図8】本実施の形態2に係るD−SLRの撮像部及びフォーカルプレンシャッタの概略構成を説明するための側方断面図である。
【図9】図8のB部の拡大図である。
【図10】図9において塵埃と凹凸構造とが接している部分に注目した拡大図である。
【図11】本発明の実施の形態2に係る凹凸構造の変形例を示す図である。
【図12】他の実施の形態に係る、光学素子がフォーカルプレンシャッタと固体撮像装置との間に設けられていない場合の、D−SLRの撮像部及びフォーカルプレンシャッタの概略構成を説明するための側方断面図である。
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えばデジタルカメラ等の光学機器に関し、詳しくは、光学機器に組み込まれている固体撮像素子や光学フィルタやレンズ等、焦点面もしくは焦点面近傍に配設された光学部材の表面に塵埃が付着するのを抑制する構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、レンズ交換式のデジタル一眼レフカメラの撮影レンズの焦点面近傍に塵埃等の異物が付着すると、その異物の影が固体撮像素子に写り込んでしまうという問題がある。このような異物は、レンズ交換時に塵埃が外部から侵入したり、カメラ内部でのシャッタやミラーの動作に伴い、その構造部材である樹脂等の微細な磨耗紛が発生したりすることが原因と考えられている。このような原因で発生した異物が、特に固体撮像素子の保護用のカバーガラスと、そのカバーガラスの全面に配設されている赤外カットフィルタや光学ローパスフィルタ(以下、LPF)等の光学フィルタとの間に入り込むことがある。このような場合には、それを除去するためにカメラを分解しなければならなかった。このため、固体撮像素子のカバーガラスと光学フィルタとの間に異物が入り込まないように密閉構造にすることは極めて有効なものであった。
【0003】
しかしながら、光学フィルタの固体撮像素子に対向する側と反対側の表面に異物が付着した場合、それが焦点面の近傍である場合、その異物が影となって固体撮像素子に写り込んでしまうという問題が依然として残っている。
【特許文献1】特開2003−005254号公報(第8頁、図1及び図9)
【特許文献2】特開2000−029132号公報(第8頁、図2)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
そこで、上記問題点を解決するために、固体撮像素子のカバーガラス表面をワイパーで清掃するものがある(特許文献1)。このようにカメラを構成すると、レンズを外さず、またカメラを分解することなく固体撮像素子のカバーガラス表面、或は防塵構造の最外面(例えば光学フィルタ表面)に付着した異物を除去できる。しかしながら、この特許文献1の構成では、固体撮像素子のカバーガラス表面や防塵構造の最外面をワイパーで擦る構成となっている。このため例えば、金属紛のような硬い異物が付着している場合には、その異物により固体撮像素子のカバーガラス表面上や防塵構造の最外面上にキズが付く可能性がある。また、ワイパーで除去された異物がカメラ内を浮遊するので、一度、除去された異物が固体撮像素子のカバーガラス表面や防塵構造の最外面に再付着してしまうという問題がある。
【0005】
そこで上記前者の問題の解決案として、固体撮像素子のカバーガラス表面上に異物が付着するのを抑制するために、固体撮像素子のカバーガラス表面と光学フィルタの表面それぞれに透明電極を形成したものがある(特許文献2)。この特許文献2に記載の技術によれば、固体撮像素子のカバーガラス表面と光学フィルタの表面に設けられた透明電極に電位を与えることにより、固体撮像素子のカバーガラス表面と光学フィルタの表面に発生した静電気を中和している。こうして固体撮像素子のカバーガラス表面と光学フィルタの表面への塵埃の付着を抑制している。しかしながら、カバーガラス表面と光学フィルタの表面に透明電極を設けているため撮像素子への光の透過率が低下する。このため光学的な悪影響が発生する。また固体撮像素子のカバーガラス表面と光学フィルタの表面に発生する静電気は、その周囲の環境(温度や湿度)や使用条件によって一定ではない。このため、静電気を中和させるための制御が難しくなったり、また静電気が中和されないことによって抑制効果が不十分となるといった不具合があった。
【0006】
本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解決することにある。
【0007】
本発明の特徴は、撮像手段により撮像される光学像に対する光学的な悪影響がなく、光学素子への塵埃の付着を抑制した光学機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するために本発明の一態様に係る光学機器は以下のような構成を備える。即ち、
被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段と、前記撮像手段の被写体側に配設された光学素子とを具備する光学機器であって、
前記光学素子の被写体側の面に第1の周期を持つ第1の凹凸構造が設けるとともに、該第1の凹凸構造の表面に前記第1の周期よりも小さな第2の周期で第2の凹凸構造を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、撮像手段により撮像される光学像に対する光学的な悪影響をなくして、光学素子への塵埃の付着を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態を詳しく説明する。尚、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また実施の形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須のものとは限らない。
【0011】
[実施の形態1]
以下、本発明の実施の形態1に係るレンズ交換式デジタル一眼レフカメラ(以下、D−SLRと略す)について、図1から図5を参照して説明する。
【0012】
図1は、本発明の実施の形態1に係るD−SLR100の撮像部10及びフォーカルプレンシャッタ50の概略構成を説明するための側方断面図である。
【0013】
図1において、撮像部10は、ガラスやフィルタ等の光学素子11と光学素子11を保持する保持部材12及び光学素子11の表面と当接した状態で光学素子11と保持部材12とを一体化させている支持板13を有している。固体撮像装置15は、固体撮像素子15bを保護するためのカバー部材15aとで構成されている。基板17には、この固体撮像装置15のカバー部材15aと光学素子11との間を密封するためのシール部材16、固体撮像装置15の接続端子15cが接続している。更にこの基板17には、D−SLR100の動作を制御する制御回路を構成する電気素子が搭載されている。保持板18は、固体撮像装置15と一体化して固体撮像装置15を不図示のD−SLR100のシャーシに不図示のビスによって固定している。
【0014】
尚、光学素子11のフォーカルプレンシャッタ50側の対向面表面には、凹凸構造11aが設けられている。この凹凸構造11aは、図4(B)に示すように、ピッチ(第1の周期)P1で配置された略V型の凹形状(第1の凹凸構造)と、該凹形状に設けられたピッチ(第2の周期)P2の凹形状11c(第2の凹凸構造)とから形成されている。以下、この構造をフラクタル構造と呼ぶ。そして共に、撮像素子15bに結像される光学像に対して光学的に悪影響を与えないために、少なくとも可視光の波長域(380nm〜770nm)よりも小さな深さとピッチになっている。
【0015】
図4(A)〜(C)は、光学素子11の表面に付着した塵埃30に対する凹凸構造11aの作用を説明する図である。この図4については詳しく後述する。
【0016】
このフラクタル構造である凹凸構造11aは、例えば光学素子11の表面に設けたアクリルやポリカーボネート等の樹脂やフッ素系樹脂等の層に、ナノオーダーの微細な形状を有した金型(スタンパー)を押し付けることにより形成される。即ち、樹脂層に金型の微細形状を転写したナノインプリント等の製法により形成できるので、光学素子11の材質を選ぶことなく容易に形成できる。
【0017】
尚、このフラクタル構造の製作方法としては、例えば特開2000−144116号公報や特開2000−1787号公報に開示されているウェットプロセスでも形成することができる。しかし成膜までの時間が長く、膜厚の制御が難しいので生産的ではない。よって、前述のように、この凹凸構造11aは、ナノインプリント法のようなドライプロセスで成形するのが望ましい。
【0018】
次にフォーカルプレンシャッタ50について説明する。先幕21は、複数のシャッタ羽根21a〜21dとで構成されている。また後幕22も、複数のシャッタ羽根から構成されている。中間板23は、フォーカルプレンシャッタ50において先幕21及び後幕22の駆動スペースを分割している。押え板24は、後幕22の押え板であると同時に、撮像のためにその略中央部に開口24aが設けてある。またカバー板25は、先幕21の押え板であると同時に、撮像のためにその略中央部に開口25aが設けられている。29は先幕21の各シャッタ羽根21a〜21dが開いた時に、その位置決めとなるストッパー部を有するストッパーゴムである。
【0019】
このD−SLR100は、CCD或はCMOSセンサ等の撮像素子15bを用いた単板式のデジタルカラーカメラであり、撮像素子15bを連続的または単発的に駆動して動画像または静止画像を表わす画像信号を得る。ここで撮像素子15bは、露光した光を画素毎に電気信号に変換して受光量に応じた電荷を蓄積し、蓄積された電荷を読み出すタイプのエリアセンサである。
【0020】
図2は、本実施の形態1に係るD−SLR100のカメラシステムの構成を示す概略図で、図1と共通する部分は同じ記号で示し、その説明を省略する。尚、このカメラシステムは、カメラ本体(撮像装置)と、このカメラ本体に着脱可能に装着されるレンズ装置とを有している。
【0021】
図2において、101はD−SLR100に対して取り外し可能なレンズ装置102を接続するマウント機構であり、このマウント機構101を介してレンズ装置102がD−SLR100に電気的かつ機械的に接続される。そして、焦点距離の異なるレンズ装置102をD−SLR100に装着することによって様々な画角の撮影画面を得ることが可能となる。このレンズ装置102が備える撮影光学系103から固体撮像装置15に至る光軸L1中には、光学素子11が設けられている。この光学素子11は、固体撮像装置15上に物体像(光学像)の必要以上に高い空間周波数成分が伝達されないように撮影光学系103のカットオフ周波数を制限している。
【0022】
固体撮像装置15から読み出された信号は、後述するように所定の処理が施された後、画像データとして表示部107に表示される。この表示部107はD−SLR100の背面に取り付けられており、使用者は表示部107での表示を直接観察できるようになっている。尚、この表示部107を、有機EL空間変調素子や液晶空間変調素子、微粒子の電気泳動を利用した空間変調素子などで構成すれば、消費電力を小さくでき、かつ表示部107の薄型化を図ることができる。これにより、D−SLR100の省電力化および小型化を図ることができる。
【0023】
固体撮像装置15は、具体的には、増幅型固体撮像素子の1つであるCMOSプロセスコンパチブルのセンサ(以下、CMOSセンサ)である。このCMOSセンサを採用することにより、エリアセンサ部のMOSトランジスタと撮像装置駆動回路、AD変換回路、画像処理回路といった周辺回路を同一工程で形成できるため、マスク枚数、プロセス工程がCCDと比較して大幅に削減できる。また、任意の画素へのランダムアクセスが可能であるため画像の表示用に間引いた読み出しが容易となる。これにより表示部107に高い表示レートでリアルタイムでの表示が行える。固体撮像装置15は、上述した特長を利用し、表示用の画像出力動作(固体撮像装置15の受光領域のうち一部を間引いた領域での読み出し)、及び高精彩画像の出力動作(全受光領域での読み出し)を行う。
【0024】
可動型のハーフミラー111は、撮影光学系103からの光束のうち一部を反射させるとともに残りを透過させる。このハーフミラー111の屈折率は約1.5であり、その厚さは0.5mmである。105は撮影光学系によって形成される物体像の予定結像面に配置されたフォーカシングスクリーン、112はペンタプリズムである。ファインダレンズ109は、フォーカシングスクリーン105上に結像された物体像を観察するためのレンズであり、単数もしくは複数のファインダレンズ(不図示)で構成されている。これらフォーカシングスクリーン105、ペンタプリズム112及びファインダレンズ109は、ファインダ光学系を構成する。
【0025】
ハーフミラー111の背後(像面側)には可動型のサブミラー122が設けられており、ハーフミラー111を透過した光束のうち光軸L1に近い光束を反射させて焦点検出ユニット121に導いている。このサブミラー122は不図示のハーフミラー111の保持部材に設けられた回転軸を中央に回転し、ハーフミラー111の動きに連動して移動する。尚、焦点検出ユニット121は、サブミラー122からの光束を受光して位相差検出方式による焦点検出を行う。
【0026】
またハーフミラー111とサブミラー122から成る光路分割系は、ファインダ光学系に光を導くための第1の光路分割状態をとることができる。更に、結像レンズからの光束をダイレクトに固体撮像装置15に導くために撮影光路から退避した第2の光路分割状態(図2中破線で示した位置:111'及び122')をとることが出来る。可動式の閃光発光ユニット114は、D−SLR100に収納される収納位置とD−SLR100から突出した発光位置との間で移動可能である。フォーカルプレンシャッタ50は、像面に入射する光量を調節している。119はD−SLR100を起動させるためのメインスイッチである。2段階で押圧操作されるレリーズボタン120は、半押し操作(SW1がON)で撮影準備動作(測光動作や焦点調節動作等)を開始し、全押し操作(SW2がON)で撮影動作(固体撮像装置15から読み出された画像データの記録媒体への記録)を開始する。光学ファインダ内の情報表示ユニット180は、フォーカシングスクリーン105上に特定の情報を表示させる表示ユニットである。104は絞りである。
【0027】
図3は、本実施の形態1に係るD−SLR100のカメラシステムの電気的構成を説明するブロック図で、前述の図1及び図2と共通する部分は同じ記号で示している。
【0028】
このカメラシステムは、撮像系、画像処理系、記録再生系及び制御系を有する。撮像系は、撮影光学系103及び固体撮像装置15を含む撮像部10を有している。画像処理系は、A/D変換器130、RGB画像処理回路131及びYC処理回路132を有している。また記録再生系は、記録処理回路133及び再生処理回路134を有し、制御系は、カメラシステム制御回路(制御手段)135、操作検出回路136、駆動回路137を有している。接続端子138は、外部のコンピュータ等に接続され、データの送受信を行うために規格化された端子である。尚、上述した回路は、不図示の小型燃料電池からの電力供給を受けて駆動する。
【0029】
撮像系は、物体(被写体側)からの光を、撮影光学系103を介して固体撮像装置15の撮像面に結像させる光学処理部である。撮影光学系103内に設けられた絞り104の駆動を制御するとともに、必要に応じてフォーカルプレンシャッタ50の駆動をシャッタ制御回路145を介して行うことによって、適切な光量の光を固体撮像装置15で受光させることができる。本実施の形態1に係る固体撮像装置15には、正方画素が長辺方向に3700個、短辺方向に2800個並べられ、合計約1000万個の画素数を有する撮像素子15bが用いられている。そして、各画素にR(赤色)G(緑色)B(青色)のカラーフィルタが交互に配置され、4画素が一組となるいわゆるベイヤー配列を構成している。このベイヤー配列では、観察者が画像を見たときに強く感じやすいGの画素をRやBの画素よりも多く配置することにより総合的な画像性能を上げている。一般に、この方式の撮像素子を用いる画像処理では、輝度信号は主にGから生成し、色信号はR,G,Bから生成する。
【0030】
固体撮像装置15から読み出された信号は、A/D変換器130を介して上述の画像処理系に供給され、この画像処理系での画像処理によって画像データが生成される。A/D変換器130は、撮像素子15bの各画素から読み出された信号の振幅に応じて、例えば撮像素子15bの出力信号を10ビットのデジタル信号に変換して出力する信号変換回路である。このA/D変換処理以降の画像処理はデジタル処理にて実行される。画像処理系は、R,G,Bのデジタル信号から所望の形式の画像信号を得る信号処理回路であり、R,G,Bの色信号を輝度信号Yおよび色差信号(R−Y),(B−Y)にて表わされるYC信号などに変換する。RGB画像処理回路131は、A/D変換器130の出力信号を処理する信号処理回路であり、ホワイトバランス回路、ガンマ補正回路、補間演算による高解像度化を行う補間演算回路を有する。YC処理回路132は、輝度信号Y及び色差信号R−Y,B−Yを生成する信号処理回路である。このYC処理回路132は、高域輝度信号YHを生成する高域輝度信号発生回路、低域輝度信号YLを生成する低域輝度信号発生回路及び、色差信号R−Y,B−Yを生成する色差信号発生回路を有している。輝度信号Yは、高域輝度信号YHと低域輝度信号YLを合成することによって形成される。
【0031】
記録再生系は、不図示のメモリ(メモリカード等)への画像信号の出力と、表示部107への画像信号の出力とを行う処理系である。記録処理回路133はメモリへの画像信号の書き込み処理及び読み出し処理を行い、再生処理回路134はメモリから読み出した画像信号を再生して表示部107に出力する。また記録処理回路133は、静止画データ及び動画データを表わすYC信号を所定の圧縮形式にて圧縮するとともに、その圧縮されたデータを伸張させる圧縮伸張回路を内部に有している。この圧縮伸張回路は、信号処理のためのフレームメモリなどを有しており、このフレームメモリに画像処理系からのYC信号をフレーム毎に蓄積し、複数のブロックのうち各ブロックから蓄積された信号を読み出して圧縮符号化する。この圧縮符号化は、例えば、ブロック毎の画像信号を2次元直交変換、正規化およびハフマン符号化することにより行われる。再生処理回路134は、輝度信号Y及び色差信号R−Y,B−Yをマトリクス変換して、例えばRGB信号に変換する回路である。この再生処理回路134によって変換された信号は表示部107に出力され可視画像として表示(再生)される。再生処理回路134及び表示部107は、Bluetooth(登録商標)等の無線通信を介して接続されていてもよい。このように無線で接続することにより、このカメラで撮像された画像を離れたところからモニタすることができる。
【0032】
一方、制御系における操作検出回路136は、図2に示すメインスイッチ119、レリーズボタン120等(他のスイッチは不図示)の操作を検出して、この検出結果をカメラシステム制御回路135に出力する。このカメラシステム制御回路135は、操作検出回路136からの検出信号を受けることで、その検出結果に応じた動作を行う。また、カメラシステム制御回路135は、撮像動作を行う際のタイミング信号を生成して、撮像装置の駆動回路137に出力する。この駆動回路137は、このカメラシステム制御回路135からの制御信号を受けることにより、固体撮像装置15を駆動させるための駆動信号を生成する。情報表示回路142は、カメラシステム制御回路135からの制御信号を受けて光学ファインダ内の情報表示ユニット180(図2)の駆動を制御する。
【0033】
制御系は、D−SLR100に設けられた各種スイッチの操作に応じて撮像系、画像処理系及び記録再生系での駆動を制御する。例えば、レリーズボタン120の操作によってSW2がONとなった場合、制御系(カメラシステム制御回路135)は、固体撮像装置15の駆動、RGB画像処理回路131の動作、記録処理回路133の圧縮処理などを制御する。更に制御系は、情報表示回路142を介して光学ファインダ内の情報表示ユニット180の駆動を制御することによって、光学ファインダ内での表示(表示セグメントの状態)を変更する。
【0034】
次に、撮影光学系103の焦点調節動作に関して説明する。
【0035】
カメラシステム制御回路135はAF制御回路140と接続している。またマウント機構101によりレンズ装置102をD−SLR100に装着することで、カメラシステム制御回路135は、マウント接点101a,102aを介してレンズ装置102内のレンズシステム制御回路141と接続される。そしてAF制御回路140及びレンズシステム制御回路141と、カメラシステム制御回路135とは、特定の処理の際に必要となるデータを相互に通信する。
【0036】
焦点検出ユニット121(焦点検出センサ167)は、撮影画面内の所定位置に設けられた焦点検出領域での検出信号をAF制御回路140に出力する。AF制御回路140は、この焦点検出ユニット121(図2)からの出力信号に基づいて焦点検出信号を生成し、撮影光学系103の焦点調節状態(デフォーカス量)を検出する。そして、AF制御回路140は、その検出したデフォーカス量を撮影光学系103の一部の要素であるフォーカスレンズの駆動量に変換する。そして、その変換したフォーカスレンズの駆動量に関する情報を、カメラシステム制御回路135を介してレンズシステム制御回路141に送信する。ここで、移動する物体に対して焦点調節を行う場合、AF制御回路140は、レリーズボタン120が全押し操作されてから実際の撮像制御が開始されるまでのタイムラグを勘案して、フォーカスレンズの適切な停止位置を予測する。そして、予測した停止位置へのフォーカスレンズの駆動量に関する情報をレンズシステム制御回路141に送信する。
【0037】
一方、カメラシステム制御回路135は、撮像素子15bからの信号に基づいて被写体の輝度が低く、十分な焦点検出精度が得られないと判定すると、閃光発光ユニット114又は、D−SLR100に設けられた不図示の白色LEDや蛍光管を駆動する。これにより物体を照明する。レンズシステム制御回路141は、カメラシステム制御回路135からフォーカスレンズの駆動量に関する情報を受信する。そしてこの情報に基づいて、レンズ装置102内に配置されたAFモータ147の駆動を制御して、不図示の駆動機構を介してフォーカスレンズを上記駆動量の分だけ光軸L1方向に移動させる。これにより、撮影光学系103が合焦状態となる。尚、上述したようにフォーカスレンズが液体レンズ等で構成されている場合には、界面形状を変化させることになる。また、レンズシステム制御回路141は、カメラシステム制御回路135から露出値(絞り値)に関する情報を受信すると、レンズ装置102内の絞り駆動源(アクチュエータ)143の駆動を制御する。これにより、その絞り値に応じた絞り開口径となるように絞り104を動作させる。
【0038】
また、シャッタ制御回路145は、先幕駆動源35、チャージ源36及び後幕駆動源37の制御を行う。先幕駆動源35は、公知のコイルやヨーク等で構成された電磁アクチュエータと駆動レバー等で構成されている。チャージ源36は、開き動作を行った先幕21を再び図1に示した閉状態にするために閉じ動作を行うための、駆動レバーやスプリング等で構成されている。更に後幕駆動源37は、後幕22の開閉動作を行うための、公知のコイルやヨーク等で構成された電磁アクチュエータと駆動レバー等で構成されている。そして、カメラシステム制御回路135からのシャッタ速度に関する情報を受信すると、フォーカルプレンシャッタ50の先幕21、後幕22の駆動源である先幕駆動源35、後幕駆動源37及びチャージ源36の駆動を制御する。これにより、上記シャッタ速度になるように先幕21及び後幕22を動作させる。このフォーカルプレンシャッタ50と絞り104の動作により、適切な光量の物体光を像面側に向かわせることができる。またAF制御回路140において被写体にピントが合ったことが検出されると、この情報はカメラシステム制御回路135に送信される。このとき、レリーズボタン120の全押し操作によってSW2がON状態になれば、上述したように撮像系、画像処理系及び記録再生系によって撮影動作が行われる。
【0039】
続いて、図4〜図6を参照して、本実施の形態に係る光学素子11の表面に設けられた凹凸構造11aの効果について説明する。
【0040】
図4(A)〜(C)は、図1のA部の拡大図で、光学素子11の表面に塵埃が付着した場合の様子を示したものである。同図において、30は塵埃である。また、後述するように、塵埃30と光学素子11の表面との間に液架橋が形成される。本実施の形態では、光学素子11の表面に凹凸構造11aがある場合に形成される液架橋(図4(C)の実線)を70、また光学素子11の表面に凹凸構造11aがない場合に形成される液架橋(図4中(C)破線)を70'として示している。
【0041】
いま塵埃30が光学素子11の表面に付着した場合、空気中に含まれる水分子(不図示)が塵埃30と光学素子11の表面との間で凝集して液架橋70を形成する。この液架橋70によって、塵埃30と光学素子11の表面との間には液架橋力という、式(1)で示される付着力FLが作用することになる。
【0042】
FL=2πσDcosθ(N) ...式(1)
この式(1)において、σは水の表面張力(N/m)、Dは塵埃30の直径(m)、θは水の光学素子11の表面に対する接触角(度)である。
【0043】
ここで、同一の塵埃30に対する液架橋力を考えた場合、水の表面張力(表面エネルギー)は一定である。よって、光学素子11の表面に凹凸構造11aがある場合とない場合とでは、後述するように接触角θが異なる。ここでは、それぞれの接触角θを、θ1,θ2とする(θ1<θ2、図4(C)参照)。
【0044】
ここで接触角θとは、水と凹凸構造11a(もしくは光学素子11の表面)の各々の表面エネルギーの比であるが、ここで、塵埃30と凹凸構造11aとが接している部分に注目する(図5参照)。
【0045】
図5は、塵埃と凹凸構造とが接触している箇所の拡大図である。
【0046】
図5に示したように、凹凸構造11aがある場合、塵埃30は凹凸構造11aを構成する単一凹凸構造11bの少なくとも1つと接し、その単一凹凸構造11bと塵埃30との間で液架橋70aが形成される。実際には、塵埃30と凹凸構造11aとは複数の単一凹凸構造11bと接するので、複数の液架橋70aが形成される。そのため、その液架橋70aの集合体が図4(C)で示した液架橋70であると言える。
【0047】
単一凹凸構造11bの表面エネルギーと、凹凸構造11aが無い場合の光学素子11の表面エネルギーとの大小関係によらず、凹凸構造11aと塵埃30が接触する場合の接触面積と、光学素子11の表面と塵埃30が接触する場合の接触面積とを比べる。この場合は、凹凸構造11aと塵埃30とが接触する場合の接触面積の方が小さくなるので、見かけ上、凹凸構造11aの有無によって接触角が変化する。これにより、凹凸構造11aと塵埃30とが接触している場合の接触角が大きくなるため、θ1<θ2となる。
【0048】
ここで塵埃30と凹凸構造11aの表面との間に形成される液架橋70と、塵埃30と光学素子11の表面との間に形成される液架橋70'の大きさを比べる。凹凸構造11aがない場合(図4(C)のS2)の液架橋70'に比べて、凹凸構造11aが有る場合の液架橋70の方が小さくなる(図4(C)のS1)。
【0049】
また式(1)において、凹凸構造11aの有無によって異なるのは接触角θだけである。このため、接触角θが大きくなると付着力FLが小さくなる(0度≦θ≦90度)。つまり、凹凸構造11aが有る場合の付着力FL1と、凹凸構造11aが無い場合の付着力FL2とを比較すると、FL1<FL2となる。
【0050】
つまり凹凸構造11aにより、塵埃30の凹凸構造11a(光学素子11)への付着力が低くなる。このため、塵埃30が光学素子11に付着しようとしても、凹凸構造11aがある場合はその付着力が小さくなる。その結果、塵埃30に加わる重力の影響により、塵埃30が光学素子11の表面から落下し易くなり、光学素子11の表面に付着しにくくなる。
【0051】
これとは別に、塵埃30が光学素子11の表面、或は凹凸構造11aに付着した場合、相互作用力であるファンデルワールス力が塵埃30と光学素子11の表面との間に作用する。このファンデルワールス力は、式(2)で示される付着力Fvとなる。
【0052】
Fv=HD/(12×Zの二乗)(N) ...式(2)
この式(2)において、Hは塵埃30のハマーカー定数(J)、Dは塵埃30の直径(m)、Zは塵埃30と凹凸構造11a(もしくは光学素子11)の表面との分離距離で0.4nmである。
【0053】
ここで、同一の塵埃30に対するファンデルワールス力を考えた場合、塵埃30の直径D及びハマーカー定数Hは一定であるから、光学素子11の表面に凹凸構造11aがある場合とない場合とでは、分離距離Zが異なることになる。
【0054】
図6は、ファンデルワールス力を説明する図である。
【0055】
そもそもファンデルワールス力とは、2つの物体間に作用する相互作用力である。この相互作用力は、一つの物体中の全ての原子と、他の物体中の全ての原子間のエネルギーの和(積分)を取ることによって求めることができる。(文献「分子間力と表面力」J・N・イスラエルアチヴィリ著、朝倉書店、P.172)。よって図6に示したように、塵埃30と光学素子11との間に作用するファンデルワールス力も同様にして求めることができる。
【0056】
ところで、光学素子11の表面に凹凸構造11aを設けると、塵埃30と凹凸構造11aを形成する単一凹凸構造11bとの間に作用するファンデルワールス力の総和が、塵埃30と凹凸構造11aとの間に作用するファンデルワールス力となる。もちろん、塵埃30と凹凸構造11aの下にある光学素子11の表面との間でもファンデルワールス力は発生することが考えられる。ここで凹凸構造11aの距離、つまり単一凹凸構造11bの深さ分だけ分離距離Zが大きくなる。上記式(2)のZ=0.4nmに比べると、単一凹凸構造11bの深さが200nmの場合は、Zは500倍になる。よって、ファンデルワールス力はZの二乗分小さくなるから、塵埃30と光学素子11の表面との間に作用するファンデルワールス力は無視して良い値となる。
【0057】
ここで前述したように、塵埃30と凹凸構造11aとの接触面積は、塵埃30と光学素子11の表面との接触面積より小さいから、この接触面積の差だけ、塵埃30との分離距離が大きくなる範囲が凹凸構造11aにはある。つまり式(2)において、凹凸構造11aと塵埃30との間に作用するファンデルワールス力Fv'は、以下の式(3)式で表すことができる。いま、塵埃30と接触している面積分の分離距離をZ1、凹凸構造11aを設ける事で塵埃30と接触しなくなった面積分の分離距離をZ2とする。
【0058】
Fv'={HD/(12×Z1の二乗)}+{HD/(12×Z2の二乗}(N) ...式(3)
ここで式(3)の第2項(塵埃30と接触しなくなった面積分に作用するファンデルワールス力)は、分離距離Z2がZより大きいので第1項よりも小さくなる。また、凹凸構造11aがない場合の塵埃30と光学素子11の表面との分離距離をZとする。
【0059】
Z=Z1 ...式(4)
(4)式の場合でも、前述した通り、凹凸構造11aが塵埃30と接触している面積は、凹凸構造11aが無い場合の光学素子11の接触面積と比べて小さい。よって(3)式の第1項は、(2)式で求められる、凹凸構造11aが無い場合の光学素子11に作用するファンデルワールス力に比べて小さくなる。つまり(3)式で表される凹凸構造11aが存在する場合の付着力Fv1と、凹凸構造11aが無い場合の付着力Fv2とを比較するとFv1<Fv2となる。
【0060】
よって、この凹凸構造11aにより、塵埃30の凹凸構造11a(光学素子11)への付着力が低くなるので、塵埃30が光学素子11に付着しようとする付着力が小さくなる。よって、塵埃30に加わる重力の影響により光学素子11の表面から落下しやすくなって光学素子11の表面に付着しにくくなる。
【0061】
次に図7は、凹凸構造11aの効果を説明する図である。
【0062】
図7(A)は、無垢のSi基板表面に平均粒径60μmのガラスビーズ(真球品)を散布した状態を示す図である。また図7(B)は、図7(A)の状態から基板を逆さまにした後、再び図7(A)の状態に戻した状態を示す。また図7(C)は、無垢のSi基板表面に、例えば特開2005−212013号公報(図15及び図16)のように、フェムト秒レーザにて周期的な凹凸構造11aを設けたSi基板を示す。そして図7(C)では、その基板表面に平均粒径60μmのガラスビーズ(真球品)を散布した状態を示す。また図7(D)は、図7(C)の状態から基板を逆さまにした後、再び図7(C)の状態に戻した状態を示している。
【0063】
図7(A)〜(D)から明らかなように、図7(A)(B)のように、基板表面に凹凸構造11aがないSi基板では、その表面に散布したガラスビーズは基板を逆さまにしてもほとんど落下していない。しかし図7(C)(D)に示すように、基板表面に凹凸構造11aがあるSi基板では、基板を逆さまにすることによって散布したガラスビーズがほとんど落下していることが分かる。つまり、表面に凹凸構造11aを設けることによって、ガラスビーズとSi基板表面との付着力が低下することが確認できた。
【0064】
以上の構成によれば、光学特性に悪影響を与える事無く、光学素子表面への塵埃の付着力を小さくした光学機器を提供できる。
【0065】
[実施の形態2]
次に図8及び図10を参照して本発明の実施の形態2について説明する。尚、前述の実施の形態1と同様な構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0066】
図8は、本実施の形態2に係るカメラ100の撮像部10及びフォーカルプレンシャッタ50の概略構成を説明するための側方断面図である。
【0067】
また図9(A)は、図8のB部の拡大図であって、光学素子11の表面に塵埃30が付着した場合の様子を示したものである。
【0068】
図8及び図9(A)において、40は光学素子11のフォーカルプレンシャッタ50側の対向面表面に、少なくとも1種類の粒子で形成された凹凸構造を示す。図9(B)に示したように、ここでは大粒子(第1の粒子)40a(第1の凹凸構造)の周囲に小粒子(第2の粒子)40b(第2の凹凸構造)が所定個数付着している。これらが光学素子11の表面に所定ピッチ(第1の周期)で、もしくはランダムに配列されている。尚、この凹凸構造40を構成する大粒子40a及び小粒子40bは、MgF2やSiO2等の低屈折率材料を用いるか、或は中空状にして低屈折率にしている。例えば大粒子40aは粒径が200nmのもので構成されている。尚、粒径が可視光波長域(約350nm〜700nm)もしくはそれ以上の大きさになると光学的に散乱等の悪影響が懸念されるので、大粒子40aの粒径は200nm以下であることが望ましい。
【0069】
また大粒子40aと小粒子40bとの結合は、例えば特開2005−28356号公報に開示されている方法で、小粒子40bが大粒子40aの表面に結合している。更には、この凹凸構造40は、LB(Langmuir-Blodgett、ラングミュア−ブロジェット)法等により光学素子11の表面に配列されても良い。
【0070】
次に図10を参照して、本実施の形態2に係る光学素子11の表面に設けられた凹凸構造40の効果について説明する。
【0071】
図10は、図9において塵埃30と凹凸構造40とが接している部分に注目した拡大図である。ここでも実施の形態1と同様に、塵埃30と光学素子11の表面との間に液架橋が形成される。本実施の形態2において、光学素子11の表面に凹凸構造40がある場合に形成される液架橋(図10の実線)を70、また光学素子11の表面に凹凸構造40がない場合に形成される液架橋(図10の破線)を70'で示している。
【0072】
塵埃30が光学素子11の表面に付着した場合、空気中に含まれる水分子(不図示)が塵埃30と光学素子11の表面との間で凝集して液架橋70を形成する。この液架橋70によって、実施の形態1と同様に、塵埃30と光学素子11の表面との間には式(1)で示される、液架橋力である付着力FLが作用することになる。
【0073】
ここで、同一の塵埃30に対する液架橋力を考えた場合、水の表面張力(表面エネルギー)は一定であるから、光学素子11の表面に凹凸構造40がある場合とない場合とでは、後述するように接触角θが異なる。それらをそれぞれθ1,θ2とする(θ1<θ2、図9(A)参照)。
【0074】
図10に示したように、凹凸構造40がある場合、塵埃30は凹凸構造40を構成する大粒子40aもしくは小粒子40bの少なくとも1つと接し、その大粒子40aもしくは小粒子40bと塵埃30との間で液架橋70aが形成される。
【0075】
実際には、塵埃30と凹凸構造40とは複数の大粒子40aもしくは小粒子40bと接するので、複数の液架橋70aが形成されるから、その液架橋70aの集合体が図9(A)で示した液架橋70であるといえる。
【0076】
大粒子40a及び小粒子40bの表面エネルギーと、凹凸構造40が無い場合の光学素子11の表面エネルギーとの大小関係によらず凹凸構造40と塵埃30が接触する場合の接触面積と、光学素子11の表面と塵埃30が接触する場合の接触面積とを比べる。この場合、凹凸構造40と塵埃30とが接触する接触面積の方が小さくなるので、見かけ上、凹凸構造40の有無によって接触角が変化することになる。これにより、凹凸構造40と塵埃30とが接触している場合の接触角が大きくなってθ1<θ2となる。
【0077】
こうして、塵埃30と凹凸構造40の表面との間に形成される液架橋70と、塵埃30と光学素子11の表面との間に形成される液架橋70'の大きさを比べる。この場合、凹凸構造40がない場合(図9(A)のS2)の液架橋70'に比べて、凹凸構造40が有る場合の液架橋70の方が小さくなる(図9(A)のS1)。
【0078】
また、上記式(1)において、凹凸構造40の有無によって異なるのは接触角θだけであるため、接触角θが大きくなると付着力が小さくなる(0度≦θ≦90度)。つまり、凹凸構造40が有る場合の付着力FL1と、凹凸構造40が無い場合の付着力FL2を比較するとFL1<FL2となる。つまり、凹凸構造40により、塵埃30の凹凸構造40(光学素子11)への付着力が弱くなる。これにより、塵埃30が光学素子11に付着しようとしても、凹凸構造40が有る場合はその付着力が小さくなり、塵埃30に加わる重力の影響により光学素子11の表面から落下し易くなる。この結果、光学素子11の表面に塵埃30が付着しにくくなることになる。
【0079】
これとは別に、塵埃30が光学素子11の表面もしくは凹凸構造40に付着した場合は前述の実施の形態1と同様に、相互作用力であるファンデルワールス力(式(2)で示される付着力Fv)が塵埃30と光学素子11の表面との間で作用する。
【0080】
ここで、同一の塵埃30に対するファンデルワールス力を考える。塵埃30の直径D及びハマーカー定数Hは一定であるから、光学素子11の表面に凹凸構造40がある場合とない場合とでは、分離距離Zが異なることになる。即ち、光学素子11の表面に凹凸構造40を設けると、塵埃30と凹凸構造40を形成する大粒子40a及び小粒子40bとの間に作用するファンデルワールス力の総和が、塵埃30と凹凸構造40との間に作用するファンデルワールス力となる。もちろん、塵埃30と凹凸構造40の下にある光学素子11の表面との間でもファンデルワールス力が発生することが考えられるが、凹凸構造40の距離、つまり大粒子40aの粒径(例えば200nm)分だけ分離距離Zが大きくなる。ここで(2)式のZ=0.4nmに比べると、大粒子40aの粒径が200nmの場合は、Zは500倍になるので、ファンデルワールス力はZの二乗分小さくなるから、塵埃30と光学素子11の表面との間に作用するファンデルワールス力は無視して良い。
【0081】
ここで、前述したように、塵埃30と凹凸構造40との接触面積は、塵埃30と光学素子11の表面との接触面積より小さい。よって、この凹凸構造40により、この接触面積の差だけ、塵埃30との分離距離が大きくなる。つまり式(2)において、凹凸構造40と塵埃30との間に作用するファンデルワールス力は、以下の(5)式のように表すことが出来る。ここで塵埃30と接触している面積分の分離距離をZ1とし、凹凸構造40を設ける事で塵埃30と接触しなくなった面積分の分離距離をZ2としている。
【0082】
Fv'={HD/(12×Z1の二乗)}+{HD/(12×Z2の二乗}(N) ...式(5)
ここで(5)式の第2項(塵埃30と接触しなくなった面積分に作用するファンデルワールス力)は、分離距離Z2がZ1より大きいので第1項よりも小さくなる。また、凹凸構造40がない場合の塵埃30と光学素子11表面との分離距離Zを、
Z=Z1 ...(6)
とする。この場合でも前述した通り、凹凸構造40が塵埃30と接触している面積は、凹凸構造40が無い場合の光学素子11の接触面積とを比べて小さくなる。これにより(5)式の第1項は(2)式で求められる、凹凸構造40が無い場合の光学素子11に作用するファンデルワールス力に比べて小さくなる。つまり、(5)式で表される凹凸構造40が有る場合の付着力Fv1と、凹凸構造40が無い場合の付着力Fv2を比較すると、Fv1<Fv2となる。
【0083】
よって、このような凹凸構造40により、塵埃30の凹凸構造40(光学素子11)への付着力が低下することがわかる。これにより塵埃30が光学素子11に付着しようとしても、凹凸構造40が有る場合はその付着力が小さくなる。このため、塵埃30に加わる重力の影響により光学素子11の表面から落下し易くなる。その結果、塵埃30が光学素子11の表面に付着しにくくなる。
【0084】
以上説明したように本実施の形態2によれば、光学特性に悪影響を与えることなく、凹凸構造40によって、ファンデルワールス力と共に液架橋力も低下させることができる。これにより、光学素子の表面への塵埃の付着を抑制した光学機器を提供できる。
【0085】
尚、本実施の形態2では、凹凸構造40を形成する大粒子40aを光学素子11の表面に配列させている。しかし本発明はこれに限定されるものでなく、例えば、大粒子40aや小粒子40bの表面に撥水性のコーティングを施して、大粒子40a及び小粒子40bに撥水性を付与することにより凹凸構造40にも撥水性を付与しても良い。これにより、上述の実施の形態よりも、更に塵埃30との接触角を大きくでき、液架橋力を更に小さくすることができる。これにより、更に光学素子の表面への塵埃の付着を抑制した光学機器を提供できる。
【0086】
また本発明はこれに限らず、例えば凹凸構造40を形成する大粒子40a及び小粒子40bを導電材で形成しても良い。また大粒子40a及び小粒子40bの表面に導電性のコーティングを施して、大粒子40a及び小粒子40bに導電性を付与しても良い。これにより凹凸構造40にも導電性が付与できることになる。つまり、凹凸構造40を形成する大粒子40a及び小粒子40bに様々な機能を付加することにより、凹凸構造40をより有効に機能させることができる。こうして導電性等の機能を付加し、かつ、光学素子の表面への塵埃の付着を抑えた光学機器を提供できる。
【0087】
また本実施の形態では、光学素子11の表面に直接凹凸構造40を設けているが、これに限定するものではない。例えば、光学素子11の表面には、その表面反射率を低下させつつ、かつ、赤外光をカットするために誘電体多層膜が設けられていることが多い。
【0088】
図11は、本発明の実施の形態2に係る凹凸構造40の変形例を示す図である。
【0089】
ここでは誘電体多層膜60の最表面に凹凸構造40を設けている。これにより、所望の光学性能(分光透過率等)を、凹凸構造40の下部にある誘電体多層膜60で維持しつつ、凹凸構造40によって光学素子11の表面への塵埃30の付着力を抑制することができる。もちろん、誘電体多層膜60は凹凸構造40の光学特性(屈折率等)を考慮した設計である事は言うまでもない。
【0090】
尚、この凹凸構造40の上に所望の光学性能を得るために誘電体多層膜60を設けると、その誘電体多層膜60によって凹凸構造40で設けた光学素子11の表面上の微細形状が埋まって平坦になる。よって、塵埃30の付着力を低下させるためには、前述のように、誘電体多層膜60の最表面に凹凸構造40を配設する必要がある。
【0091】
ところで上述の実施の形態では、光学素子11の表面に凹凸構造40を設けている。しかし、光学素子11がフォーカルプレンシャッタ50と固体撮像装置15との間に設けられていない場合、つまり、フォーカルプレンシャッタ50と固体撮像装置15が対向している場合には、固体撮像装置15の表面に付着する塵埃30が問題となる。
【0092】
図12は、光学素子11がフォーカルプレンシャッタ50と固体撮像装置15との間に設けられていない場合の、D−SLR100の撮像部10及びフォーカルプレンシャッタ50の概略構成を説明するための側方断面図である。
【0093】
この場合には、固体撮像装置15のカバー部材15aの表面に微粒子単層80を設ける。これにより前述の実施の形態で説明した内容と同等の効果が得られ、固体撮像装置15の表面に塵埃が付着するのを抑制することができる。
【0094】
また、固体撮装置15のカバー部材15aの表面に反射防止膜等の多層膜が形成されている場合には、前述のように、その多層膜の最表面に実施の形態1もしくは実施の形態2で説明したいずれかの凹凸構造80を設けるようにしても良い。これにより、所望の光学性能を得ながら、塵埃30の付着力を低下させることができる。こうして固体撮像装置15の表面に塵埃が付着するのを抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0095】
【図1】本発明の実施の形態1に係るD−SLRの撮像部及びフォーカルプレンシャッタの概略構成を説明するための側方断面図である。
【図2】本実施の形態1に係るD−SLRのカメラシステムの構成を示す概略図である。
【図3】本実施の形態1に係るD−SLRのカメラシステムの電気的構成を説明するブロック図である。
【図4】本実施の形態において、光学素子の表面に付着した塵埃に対する凹凸構造の作用を説明する図である。
【図5】塵埃と凹凸構造とが接触している箇所の拡大図である。
【図6】ファンデルワールス力を説明する図である。
【図7】本実施の形態に係る凹凸構造の効果を説明する図である。
【図8】本実施の形態2に係るD−SLRの撮像部及びフォーカルプレンシャッタの概略構成を説明するための側方断面図である。
【図9】図8のB部の拡大図である。
【図10】図9において塵埃と凹凸構造とが接している部分に注目した拡大図である。
【図11】本発明の実施の形態2に係る凹凸構造の変形例を示す図である。
【図12】他の実施の形態に係る、光学素子がフォーカルプレンシャッタと固体撮像装置との間に設けられていない場合の、D−SLRの撮像部及びフォーカルプレンシャッタの概略構成を説明するための側方断面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段と、前記撮像手段の被写体側に配設された光学素子とを具備する光学機器であって、
前記光学素子の被写体側の面に第1の周期を持つ第1の凹凸構造を設けるとともに、該第1の凹凸構造の表面に前記第1の周期よりも小さな第2の周期で第2の凹凸構造を設けたことを特徴とする光学機器。
【請求項2】
前記第1の凹凸構造は、粒径が200nm以下の第1の粒子が前記光学素子の被写体側の面に配列することにより形成されており、また前記第2の凹凸構造は前記第1の粒子の表面に結合した、前記第1の粒子よりも粒径が小である第2の粒子によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の光学機器。
【請求項3】
前記第1の粒子及び前記第2の粒子は、撥水性が付与されていることを特徴とする請求項2に記載の光学機器。
【請求項4】
前記第1の粒子及び前記第2の粒子は、導電性を有することを特徴とする請求項2に記載の光学機器。
【請求項1】
被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段と、前記撮像手段の被写体側に配設された光学素子とを具備する光学機器であって、
前記光学素子の被写体側の面に第1の周期を持つ第1の凹凸構造を設けるとともに、該第1の凹凸構造の表面に前記第1の周期よりも小さな第2の周期で第2の凹凸構造を設けたことを特徴とする光学機器。
【請求項2】
前記第1の凹凸構造は、粒径が200nm以下の第1の粒子が前記光学素子の被写体側の面に配列することにより形成されており、また前記第2の凹凸構造は前記第1の粒子の表面に結合した、前記第1の粒子よりも粒径が小である第2の粒子によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の光学機器。
【請求項3】
前記第1の粒子及び前記第2の粒子は、撥水性が付与されていることを特徴とする請求項2に記載の光学機器。
【請求項4】
前記第1の粒子及び前記第2の粒子は、導電性を有することを特徴とする請求項2に記載の光学機器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図7】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図7】
【公開番号】特開2009−14760(P2009−14760A)
【公開日】平成21年1月22日(2009.1.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−173107(P2007−173107)
【出願日】平成19年6月29日(2007.6.29)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年1月22日(2009.1.22)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年6月29日(2007.6.29)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】
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