JP2001074903A - 反射防止膜及び光学素子 - Google Patents

反射防止膜及び光学素子

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JP2001074903A JP24980399A JP24980399A JP2001074903A JP 2001074903 A JP2001074903 A JP 2001074903A JP 24980399 A JP24980399 A JP 24980399A JP 24980399 A JP24980399 A JP 24980399A JP 2001074903 A JP2001074903 A JP 2001074903A
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Shiyunsuke Niizaka
俊輔 新坂
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い波長領域で低反射性であり、且つ斜め
入射でも反射防止特性が悪化しない、特に長波長側の反
射率が高くならない反射防止膜、特に媒質の屈折率が
1.25以上の場合の反射防止膜を提供することであ
る。 【解決手段】本反射防止膜は2層膜であり、光学基板側
から数えて第一層目と第二層目が、λ0 を設計中心波長
としたときに、各々の光学的膜厚が0.20λ 0 以上
0.30λ0 以下、屈折率が各々n1 、n2 であり、光
学基板の屈折率をns 、第二層目に接する媒質の屈折率
をnm としたときに、ns ≧n1 ≧n2 ≧nm なる関係
を充たす。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学装置の光学系
に組み込まれる光学素子に施される反射防止膜、特に膜
が接する媒質の屈折率が1.25以上、または光学基板
と媒質との屈折率差が0.20以上の片方または両方の
場合に有効な反射防止膜及び同反射防止膜を具えた光学
素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】反射防止膜は、光学装置の光学系に組み
込まれる光学素子と媒質との界面の反射率を低減させる
目的で光学素子に施されており、最近の光学装置の光学
仕様の高度化に伴い、その要求される反射防止特性は近
年益々高度化して来ている。その結果、反射防止膜の特
性は、益々低反射率化、且つ広帯域化されて来ている。
この反射防止特性の向上は、異なる屈折率を持つ各種材
料や各種膜厚を組み合わせる多層膜設計技術、多層膜の
成膜技術の進歩により達成されている。
【0003】反射防止膜は、光学素子の光学基板が接す
る媒質の屈折率が異なる二つの場合に対して行われる。
光学基板が接する媒質が空気のように屈折率が1.0の
場合と、2個以上のレンズが接着されて接着層が存在す
る場合のように光学基板が接する媒質が屈折率1.25
以上の接着剤のような樹脂や液体のような場合である。
後者の場合、レンズと接着剤や樹脂等との界面では屈折
率の違いにより反射を起こすが、一般的に空気とレンズ
の界面での反射率よりも大幅に小さい。それはフレネル
の式で分かるように、界面に於ける反射率は界面に於け
る屈折率の差に比例し、一般の光学基板と接着剤等との
屈折率の差は、一般の光学基板と空気との屈折率との差
よりも大幅に小さいからである。
【0004】しかし、後者の場合でも、界面に於ける光
学基板と媒質との屈折率の差が大きくなるにつれて界面
の反射率は増加し、特にこの光学基板の屈折率と媒質の
屈折率との差が0.20以上の場合は界面の反射率は無
視できなくなる。例えば、光学基板の屈折率が1.8
0、媒質の屈折率が1.58の場合、図3の分光反射率
特性で分かるように、垂直入射で0.4%、45度入射
で0.7%という高反射率を示すので、反射率低減が必
要となってきた。
【0005】反射率低減のために、従来例1として、光
学基板の屈折率をns 、媒質の屈折率をnm としたとき
に、屈折率n=(ns ×nm 1/2 、光学的膜厚0.2
5λ 0 (以下λ0 は設計中心波長)の単層反射防止膜が
光学基板上に形成される。媒質の屈折率を1.58、ガ
ラスの屈折率を1.80としたとき、上式を充たす膜の
最適な屈折率nは1.69であり、この反射防止膜の特
性は図6に示される。実線が垂直入射の、そして破線は
45度入射角の特性を示す。この技術は特開昭49−1
1346に開示されている。
【0006】従来例2として、媒質の屈折率を1.5
8、光学基板の屈折率を1.80としたとき、光学的膜
厚0.50λ0 の第一層と光学的膜厚0.25λ0 の第
二層とから構成される2層膜が光学基板上に形成され
る。この反射防止膜の特性は図7に示される。実線が垂
直入射の、そして破線は45度入射角の特性を示す。こ
の技術は特開昭53−47853に開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来は接合層との界面
に於ける反射防止膜の反射率は一般に空気との界面に於
ける反射防止膜の反射率よりも遥かに低かったので、接
合層との反射防止膜の反射防止特性が問題になることが
なかった。しかし、近年の反射防止膜技術の進歩と共
に、空気との界面を持つ通常の多層反射防止膜の反射率
が可視域で0.3%以下へと向上しており、従来大きな
問題として扱われなかった接合面の反射防止膜の反射防
止特性の不充分さが顕在化して来た。それは図6、図7
に示された従来例1、2の分光反射特性を見れば分かる
通り、第一は反射防止効果が有効な反射防止波長域が狭
いという問題であり、第二は低反射帯域がフラットでな
いという問題であり、第三は反射防止膜の特性が斜め入
射で大幅に悪化する問題である。反射防止膜は光線の入
射角度が変化すると特性変化を起こし、一般に特性が悪
化する。具体的には入射角度が大きくなると反射防止効
果のある波長域と反射防止効果のない波長域とが分離し
て反射防止バランスが悪化する。このバランスの悪化は
光学特性のみならず外観的にも好ましくない。近年光学
レンズの高NA化、大口径化が進んで、斜め入射光のウ
ェイトが高くなって来ているので、この特性悪化が無視
できなくなって来ているのである。
【0008】図6の従来例1の反射防止膜は、反射率が
垂直入射に於いて0.1%以下の波長域が380〜73
0nmの範囲であり、帯域幅が不充分であり、且つ低反
射帯域がフラットでない。45°入射ではその波長域は
310〜490nmの範囲に悪化し、特に長波長側の反
射率が高くなる。図7の従来例2の反射防止膜は、垂直
入射にて0.1%以下の波長域が420〜730nmの
範囲であり、帯域幅が不充分であり、且つ低反射帯域が
フラットでない。45°入射ではその波長域は330〜
530nmの範囲に悪化し、特に長波長側の反射率が高
くなる。
【0009】本発明の目的は、以上の課題を解決し、広
い波長領域で低反射性であり、且つ斜め入射でも反射防
止特性が悪化しない、特に長波長側の反射率が高くなら
ない反射防止膜、特に媒質の屈折率が1.0を超える場
合の反射防止膜を提供すること、更にこの反射防止膜を
具えた低反射性の光学素子を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は第一に、光学基板上に配置され屈折率nm
の媒質に対する反射防止膜であり、波長400nm以上
800nm以下の波長域で反射率が0.1%以下である
ことを特徴とする反射防止膜(請求項1)を提供する。
【0011】第二には、光学基板上に積層状に配置され
た2層の反射防止膜であり、前記反射防止膜が、前記光
学基板側から数えて第一層目と第二層目が、λ0 を設計
中心波長としたときに、各々の光学的膜厚が0.20λ
0 以上0.30λ0 以下、屈折率が各々n1 、n2 であ
り、前記光学基板の屈折率をns 、前記第二層目に接す
る媒質の屈折率をnm としたときに、ns ≧n1 ≧n2
≧nm なる関係を充たすことを特徴とする反射防止膜
(請求項2)を提供する。
【0012】第三には、波長400nm以上800nm
以下の波長域で反射率が0.1%以下であることを特長
とする請求項2記載の反射防止膜(請求項3)を提供す
る。第四には、前記媒質の屈折率が、nm ≧1.25を
充たすことを特徴とする請求項1〜3何れか1項記載の
反射防止膜(請求項4)を提供する。第五には、前記λ
0 が400nm〜800nmの範囲から選ばれることを
特徴とする請求項2〜4何れか1項記載の反射防止膜
(請求項5)を提供する。
【0013】第六には、光学基板と請求項1〜5何れか
1項記載の反射防止膜とを具えた低反射性の光学素子
(請求項6)を提供する。
【0014】
【発明の実施の形態】[実施例1]図4は本実施例1の
反射防止膜の膜構成を示す。図4にて、1は屈折率1.
80の光学基板、2は屈折率1.72で光学的膜厚0.
25λ0 の第一層、3は屈折率1.62で光学的膜厚
0.25λ0 の第二層、4は屈折率1.58の媒質(接
着層)である。以下、λ0 は設計中心波長であり、50
0nmに選ばれている。設計中心波長は膜設計の光学的
膜厚の基準に用いる波長であり、通常は反射防止対象の
光の波長帯の中央部付近に定める。各屈折率及び各光学
的膜厚は、請求項2の関係を充たす。
【0015】第一層と第二層の膜材料としては、酸化ケ
イ素と酸化タンタルの混合比を変えた混合物または化合
物を用い、真空蒸着法で成膜が行なわれる。一般に、第
一層と第二層の膜材料として、請求項2の関係を充たし
ていれば特に限定されないが、フッ化マグネシウム、フ
ッ化アルミニウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウ
ム、フッ化ストロンチウム、クリオライト、チオライ
ト、酸化ケイ素、フッ化ネオジム、フッ化ランタン、フ
ッ化ガドリニウム、フッ化ディスプロシウム、フッ化イ
ットリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸
化ハフニウム、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化
ランタン、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化タンタ
ル、及び酸化ニオブの群と、該群から選ばれた二つ以上
から成る混合物群と複合化合物群と、から選ばれた材料
が好ましく用いられる。これらの材料は光学基板と媒質
の屈折率の組み合わせに応じて適宜選ばれる。
【0016】一般に、成膜法としては、真空蒸着法、R
Fスパッター法、イオンビームスパッター法、イオンプ
レーティング法、CVD法、ゾルゲル法、等の物理的、
化学的成膜法から選ばれた一つ以上の方法が取られ、洗
浄機で清浄化された光学素子上に成膜される。必要に応
じては多元の物理的成膜法が行なわれる。本実施例の反
射防止膜の分光反射率特性を図1に示す。本反射防止膜
は、垂直入射で反射率が0.1%以下の波長域が340
〜800nm以上であり、従来例1の380〜730n
mと較べて大幅に拡大しているばかりでなく、反射率が
0.1%以下の分光反射率特性がよりフラット化してい
る。また、45度入射角で反射率が0.1%以下の波長
域が300nm以下から660nmまであり、従来例1
の310〜490nmと較べて大幅に拡大している。特
に500nm以上の長波長側での従来例1、2での特性
の悪化が大幅に改善されている。
【0017】本実施例の反射防止膜の光学的膜厚は、第
一層、第二層ともに0.25λ0 であり、光学的膜厚が
この値から変化すると特性が劣化するが、±0.05λ
0 以内であれば許容できる。 [実施例2]図5は本発明の実施例2の反射防止膜の膜
構成を示す。図5にて、1は屈折率1.80の光学基
板、5は屈折率1.38で光学的膜厚0.037λ0
第一層、6は屈折率2.10で光学的膜厚0.052λ
0 の第二層、7は屈折率1.66で光学的膜厚0.31
9λ0 の第三層、4は屈折率1.58の媒質(接着層)
である。ここでλ0 は実施例1と同様に500nmに選
ばれる。
【0018】膜材料として、第一層としてはフッ化マグ
ネシウム、第二層としては酸化ジルコニウム、第三層と
しては酸化アルミニウムが用いら、真空蒸着法で成膜が
行なわれる。一般に、膜材料として、フッ化マグネシウ
ム、フッ化アルミニウム、フッ化カルシウム、フッ化バ
リウム、フッ化ストロンチウム、クリオライト、チオラ
イト、酸化ケイ素、フッ化ネオジム、フッ化ランタン、
フッ化ガドリニウム、フッ化ディスプロシウム、フッ化
イットリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、
酸化ハフニウム、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸
化ランタン、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化タン
タル、及び酸化ニオブの群と、該群から選ばれた二つ以
上から成る混合物群と複合化合物群と、から選ばれた材
料が好ましく用いられる。
【0019】基板と媒質の屈折率の変化に応じて、各層
の膜材料が選択され、更に、膜厚が決定される。一般
に、成膜法としては、真空蒸着法、RFスパッター法、
イオンビームスパッター法、イオンプレーティング法、
CVD法、ゾルゲル法、等の物理的、化学的成膜法から
選ばれた一つの方法が取られる。
【0020】この実施例2は、実施例1の2層膜ではこ
れに適した屈折率の膜材料が使用出来ない場合、あるい
は膜材料が使用出来ても、その膜材料を成膜することが
困難な場合に好ましく適用される。前者は、例えば光学
基板と膜材料が物理化学的に不適合な場合、膜材料が使
用環境に不適合な場合がこれに当たり、後者は、例えば
その膜材料を成膜する装置が手元にないなどの理由によ
って使用出来ない場合がこれに当たる。
【0021】本実施例の反射防止膜の分光反射率特性を
図2に示す。本反射防止膜は、垂直入射で反射率が0.
1%以下の波長域が350〜800nm以上であり、従
来例1の380〜730nmと較べて大幅に拡大してい
るばかりでなく、反射率が0.1%以下の分光反射率特
性がよりフラット化している。また、45度入射角で反
射率が0.1%以下の波長域が310nm〜640nm
であり、従来例1の310〜490nmと較べて大幅に
拡大している。特に従来例1、2で見受けられた500
nm以上の長波長側での特性の悪化が大幅に改善されて
いる。
【0022】本実施例の反射防止膜は、第一層、第二
層、第三層ともに、光学的膜厚が上記の値から変化する
と特性が劣化するが、各層に対して各、0.025〜
0.05λ0 、0.035〜0.07λ0 、0.29〜
0.35λ0 の範囲にあれば許容できる。以上実施例
1、2で示したように本発明の反射防止膜は、特に光学
基板の屈折率と媒質の屈折率との差が0.20を超える
ような場合に、従来例1、2と較べて、分光反射率が大
幅に低減されると共に、反射防止帯域が大幅に広帯域化
され、更には低反射帯域が大幅にフラット化される。こ
の良好な反射防止特性は、斜入射時に於いても良く維持
されている。
【0023】
【発明の効果】本発明の反射防止膜は、少ない層数で良
好な反射防止特性を得ることができるばかりでなく、製
造が容易且つ短時間で出来るので、製造コストが低い。
更に実施例1で使用可能な屈折率の膜材料を見つけるこ
とが困難な場合などには、実施例2のように2層から3
層への層数の増加で対応することができる。
【0024】このように好ましい反射防止膜を施すこと
により、低反射性で、且つ製造コストが低い光学素子を
得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の反射防止膜の、実線は垂直入射、破
線は45度入射の分光反射率特性
【図2】実施例2の反射防止膜の、実線は垂直入射、破
線は45度入射の分光反射率特性
【図3】反射防止膜が無い場合の界面の、実線は垂直入
射、破線は45度入射の分光反射率特性
【図4】実施例1の膜構成を示す図
【図5】実施例2の膜構成を示す図
【図6】従来例1の反射防止膜の、実線は垂直入射、破
線は45度入射の分光反射率特性
【図7】従来例2の反射防止膜の、実線は垂直入射、破
線は45度入射の分光反射率特性
【符号の説明】
1 光学基板 2 実施例1の第一層 3 実施例1の第二層 4 媒質 5 実施例2の第一層 6 実施例2の第二層 7 実施例2の第三層

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光学基板上に配置され屈折率nm の媒質に
    対する反射防止膜であり、波長400nm以上800n
    m以下の波長域で反射率が0.1%以下であることを特
    徴とする反射防止膜。
  2. 【請求項2】光学基板上に積層状に配置された2層の反
    射防止膜であり、前記反射防止膜が、前記光学基板側か
    ら数えて第一層目と第二層目が、λ0 を設計中心波長と
    したときに、各々の光学的膜厚が0.20λ0 以上0.
    30λ0 以下、屈折率が各々n1 、n2 であり、前記光
    学基板の屈折率をns 、前記第二層目に接する媒質の屈
    折率をnm としたときに、ns ≧n1 ≧n2 ≧nm なる
    関係を充たすことを特徴とする反射防止膜。
  3. 【請求項3】波長400nm以上800nm以下の波長
    域で反射率が0.1%以下であることを特長とする請求
    項2記載の反射防止膜。
  4. 【請求項4】前記媒質の屈折率が、nm ≧1.25を充
    たすことを特徴とする請求項1〜3何れか1項記載の反
    射防止膜。
  5. 【請求項5】前記λ0 が400nm〜800nmの範囲
    から選ばれることを特徴とする請求項2〜4何れか1項
    記載の反射防止膜。
  6. 【請求項6】光学基板と請求項1〜5何れか1項記載の
    反射防止膜とを具えた低反射性の光学素子。
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