JP2009014760A - 光学機器 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】 図４

Description

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。

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。

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。
特開２００３−００５２５４号公報（第８頁、図１及び図９） 特開２０００−０２９１３２号公報（第８頁、図２）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、撮影光学系１０３の焦点調節動作に関して説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

図６は、ファンデルワールス力を説明する図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に図７は、凹凸構造１１ａの効果を説明する図である。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 塵埃と凹凸構造とが接触している箇所の拡大図である。 ファンデルワールス力を説明する図である。 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。 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８のＢ部の拡大図である。 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。 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。 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。

Claims (4)

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。
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。
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。
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。