JP2004219626A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

【構成】反射防止板１０の導光板１２の面には微細構造が施されており、その微細構造はシラン系モノマの重合膜の薄膜で、またはフッ素系モノマの重合膜の薄膜で、あるいはアナターゼ結晶構造を有する酸化チタンを材料とする薄膜１４により覆われている。
【効果】このような材料で薄膜を形成することにより、光学素子表面の汚れの付着を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学素子に関し、特にたとえば、表面に微細構造を形成することによって反射防止、偏光制御、狭帯域フィルタなどの機能を持たせるようにした、光学素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来のこの種の光学素子の一例が、特許文献１に開示されている。この従来技術は、基材の表面に形成された微細周期構造を保護膜で覆うことによって、微細周期構造を温度や湿度などの環境変化や物理的な傷から保護しようとするものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１８２００３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術では、保護膜の材料としてフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）が用いられているため、汚れ防止機能に欠けるという問題があった。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、表面に形成された微細構造に汚れが付着するのを防止することができる、光学素子を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、表面に光の波長より小さい微細構造が形成されかつ微細構造が薄膜によって覆われた光学素子において、薄膜をシラン系モノマの重合膜で、またはフッ素系モノマ重合膜で、あるいはアナターゼ結晶構造を有する酸化チタンを材料として形成したことを特徴とする。
【０００７】
【作用】
光学素子の表面には微細構造が施されており、その微細構造は薄膜により覆われている。
【０００８】
シラン系やフッ素系モノマの重合膜は表面張力が小さいため、汚れが付着しにくく、仮に付着しても除去し易い。酸化チタンは有機物分解作用があるため、汚れが付着すると分解し、汚れを除去する。
【０００９】
薄膜の厚みを１０ナノメートル以下にすれば、この薄膜が光学素子の光学特性に影響を与えることがない。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、光学素子に施された微細構造上に、薄膜を形成することにより、光学素子表面の汚れの付着を防止することができる。
【００１１】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１２】
【実施例】
（実施例１）
図１を参照して、この実施例の光学素子は反射防止板１０であり、この反射防止板１０は表面に微細構造が施された基板１２とそれを覆う１０ナノメートル以下の厚みで汚れが付着しにくいなどの機能、あるいは光触媒機能を有し、なおかつ微細構造を壊さない薄膜１４とを含む。
【００１３】
反射防止板１０の表面には、図２に示すような四角錐状のプリズムＰ１，Ｐ１，…が、水平方向および垂直方向に連続して形成されている。基板１２と空気の屈折率は異なるため、その境界面では光が透過する際に反射が生じる。しかし、このような微細構造を基板１２上に設けることにより、屈折率が空気から基板１２にかけて連続して変化するため、光の反射を抑えることができる。
【００１４】
基板１２の材料は、通常は、アクリルまたはポリカーボネートの透明樹脂が用いられる。しかしながら、ポリメタアクリル酸メチル，ポリアクリル酸メチル等のアクリル酸エステル、またはメタアクリル酸エステルの単独もしくは共重合体，ポリエチレンテレフタレート，ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリメチルペンテン等熱可塑性樹脂、あるいは紫外線または電子線で架橋した、多官能のウレタンアクリレート，ポリエステルアクリレート等のアクリレート、不飽和ポリエステル等透明な樹脂、透明な硝子、透明なセラミック等を用いることも可能である。
【００１５】
薄膜１４は、プラズマ重合処理によるシラン系またはフッ素系のモノマ重合膜などの有機物膜であり、真空蒸着法やスパッタリング法などにより基板上に形成される。シラン系の材料は、フェニルトリメチルシラン、テトラメチルシラン、ビニルトリエトキシシラン、アリルトリメチルシランなどである。フッ素系の材料は、四フッ化エチレン、六フッ化プロピレンなどである。膜厚は１０ナノメートル以下であり、反射防止板１０に施された微細構造の光学特性にほとんど影響を与えない。
【００１６】
シラン系やフッ素系は表面エネルギーが低いため、汚れが付着しにくく、かりに付着しても除去しやすい性質を有する。よって、反射防止板１０は、このような性質を持つ薄膜１４を表面に形成されることにより、微細構造表面が保護されるとともに防汚効果が付与される。
【００１７】
また、薄膜１４はアナターゼ型結晶構造を有する酸化チタンでもよい。酸化チタンは従来光触媒として知られており、その強力な有機物分解機能（酸化反応）により汚れを除去する。よって、反射防止板１０は、このような機能を持つ薄膜１４を表面に形成されることにより、微細構造表面が保護されるとともに防汚・防曇効果を付与される。
【００１８】
図３は、反射防止板の表面に設けた微細構造およびその表面にコーティングした厚みが１０ナノメートルの薄膜の光学特性を示したデータである。横軸に波長、縦軸に反射率を示している。表面に微細構造を設けていない基板のみの反射率Ｃは、微細構造を設け薄膜をコーティングしていない反射防止板の反射率Ａに比べて大きい。それに対し、微細構造を設け薄膜をコーティングしている反射防止板の反射率Ｂは、微細構造を設け薄膜をコーティングしていない反射防止板の反射率Ａに比べて、薄膜を設けた分だけ多少反射率は大きくなっているが反射防止板として実用上問題のないレベルである。よって、薄膜の厚みが１０ナノメートル以下の場合、反射防止板の光学特性に影響を与えないことがわかる。
【００１９】
次に、この実施例の反射防止板１０の製造方法について説明する。反射防止板１０は、基板１２に薄膜１４をコーティングすることにより形成される。
【００２０】
まず、基板１２の製作方法について説明する。図４（Ａ）に示すように、基板１６上にポジ型フォトレジスト１８を塗布した後、電子ビームまたは二光束干渉露光などによりレジスト１８に微細パターンを描画する。ついで、レジスト１８の描画した部分を現像により除去すると、図４（Ｂ）に示すように表面にレジスト１８の凹凸構造が形成される。その後、図４（Ｃ）を参照してわかるように、Ｃｒなどの金属を基板１６およびレジスト１８上に蒸着して金属層２０を形成すると、金属層２０はレジスト１８上とレジストが除去された基板１６上とに残される。そして、リフトオフによりレジスト１８をすべて除去すると、金属層２０のみが残り、図４（Ｄ）に示すように基板１６上に金属マスク２０が形成される。この金属マスク２０をマスクとしてエッチングを行うと、基板１６とともに金属マスク２０もエッチングされる。すると、金属マスク２０の径が減少していき、無くなるまでエッチングを行うと、基板１６は錘形状となり、図４（Ｆ）に示すような基板１６のエッチング表面に微細構造が施されたマスタ２２が形成される。次に、図５（Ａ）に示すように、マスタ２２を用いて電気鋳造を行う。これにより、図５（Ｂ）に示すような金型２４が作成される。
【００２１】
ついで、この金型２４を図６（Ａ）に示すように、射出成形装置にセットする。そして、図６（Ｂ）に示すように、可塑化した基板材料２６を金型キャビティ２８内に充填し、図６（Ｃ）に示すようにキャビティ内部に圧縮力を加えると、図１に示す基板１２が形成される。このような製造方法を用いることにより、高精度で低コストな透明プラスチック光学素子が製作できる。なお、ここでは、射出成形を例に挙げているが、他の成形方法を利用してもよい。
【００２２】
次に、基板１２上に薄膜１４を形成する。つまり、図７を参照して、薄膜材料３０を加熱して蒸発させ、この蒸発粒子を基板１２上に沈着させて薄膜を形成する。ここでは、真空蒸着法を例に挙げているが、スパッタリング法などに代表されるＰＶＤ法、ＣＶＤ法またはディップコート法やスプレイコート法などに代表されるウェットコーティング法により薄膜を形成してもよい。
【００２３】
ここで、反射防止板１０の表面の微細構造は円錐形状を例に挙げているが、角錘形状、格子断面が矩形凹凸形状や階段状などでもよい。
【００２４】
（実施例２）
上記反射防止機能に加え、光学素子の表面構造の形状を図９に示すような矩形にするとこの光学素子は位相板として作用する。図８を参照して、位相板の一例である１／４波長板３２を示す。直線偏光の入射光３４が波長板３２を透過すると、１／４波長板３２で位相差が生じ円偏光３６になる。
【００２５】
図９を参照して、このような位相板３２は基板３８と薄膜４０を含む。基板３８と薄膜４０の材料や機能については実施例１と同様であるため、説明は省略する。
【００２６】
位相板３２の表面には、図１０に示すようなピッチｐ、高さｄの矩形の１次元周期構造が形成されている。光の波長より小さなピッチをもつ位相板３２は、回折は生じず複屈折が生じる。この回折格子のＰ偏光の屈折率をｎｐ、Ｓ偏光の屈折率をｎｓとする。波長λの光が位相板３２通過する場合、２つの光の間に位相差（２π／λ）（ｎｐ−ｎｓ）ｄが生じる。
【００２７】
Ｖ方向とＨ方向の偏光の屈折率は、ピッチｐに対する凸部の幅ｗで定義されるデューティー比（ｗ／ｐ）または深さｄを適当に設定することにより、変化させることができる。よって、入射光に任意の位相差を生じさせることができる。
【００２８】
位相板３２は、実施例１と同様にフッ素系やシラン系重合膜、酸化チタンの薄膜４０を表面に形成されることにより、微細構造表面が保護されるとともに防汚・防曇効果を付与される。
【００２９】
次に、表面に微細構造を持つ位相板３２の製造方法について説明する。位相板３２は、基板３８に薄膜４０をコーティングすることにより形成される。
【００３０】
基板３８の製作方法について説明する。図１１（Ａ）に示すように、基板４２上にポジ型フォトレジスト１８を塗布し、その上に電子ビームまたは二光束干渉露光などにより微細パターンを描画する。そのレジスト１８の描画した部分を現像により除去すると、図１１（Ｂ）に示すレジストパターンが形成される。次にレジストパターン上からエッチングすると、図１１（Ｃ）に示すような基板４２の表面に微細構造が形成される。最後に、リフトオフにより不要なレジスト１８をすべて除去し、図１１（Ｄ）に見られるマスタ４４が完成する。これ以降の金型成形（図１２（Ａ）〜図１２（Ｂ））、射出成形（図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ））、薄膜成形（図１４）は実施例１と同様であるため、説明は省略する。
【００３１】
ここでは、１／４波長板を例に挙げたが、１／２波長板など他の位相板でもよい。
【００３２】
（実施例３）
また、上記位相板は格子の構造を工夫することにより、偏光ビームスプリッタ４８としても作用する。図１５を参照して、異なる偏光の光が重なった入射光５０は偏光ビームスプリッタ４８を透過すると、それぞれ分離された透過光５２になる。
【００３３】
位相板で説明した通り、微細回折格子のＰ偏光とＳ偏光の屈折率は異なる。また、Ｂｒａｇｇ反射条件を満足する光は選択的に反射される。したがって、Ｐ偏光またはＳ偏光の一方の光をＢｒａｇｇの反射条件に合うように設計すると、その一方の偏光の光のみが反射し、もう一方は透過する。よって、偏光ビームスプリッタ４８により偏光の異なる光を分離することができる。
【００３４】
このような微細回折格子を有する偏光ビームスプリッタ４８は、位相板３２と同様に図９に示す基板３８と薄膜４０を含む。基板３８と薄膜４０の材料や機能については実施例１と同様であるため、説明は省略する。また、製造方法については、実施例２と同様であるため、説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す反射防止板の断面図である。
【図２】図１実施例の微細表面構造を示す斜視図である。
【図３】反射防止板の表面に設けた微細構造とその表面にコーティングした薄膜との光学特性を示したデータである。
【図４】図１実施例における基板のマスタの製造方法である。
【図５】図１実施例における基板の金型の製造方法である。
【図６】図１実施例の射出成形による基板の製造方法である。
【図７】図１実施例の薄膜の形成方法である。
【図８】この発明の一実施例を示す位相板の斜視図である。
【図９】図８と図１５実施例の位相板と偏光ビームスプリッタの断面図である。
【図１０】図９実施例の微細表面構造を示す斜視図である。
【図１１】図９実施例における基板のマスタの製造方法である。
【図１２】図９実施例における基板の金型の製造方法である。
【図１３】図９実施例の射出成形による基板の製造方法である。
【図１４】図９実施例の薄膜の形成方法である。
【図１５】この発明の一実施例を示す偏光ビームスプリッタの斜視図である。
【符号の説明】
１０…反射防止板
１２…基板
１４…薄膜
３２…位相板
３８…基板
４０…薄膜
４８…偏光ビームスプリッタ

Claims (4)

1. 表面に光の波長より小さい微細構造が形成されかつ前記微細構造が薄膜によって覆われた光学素子において、
   前記薄膜をシラン系モノマの重合膜で形成したことを特徴とする、光学素子。
2. 表面に光の波長より小さい微細構造が形成されかつ前記微細構造が薄膜によって覆われた光学素子において、
   前記薄膜をフッ素系モノマの重合膜で形成したことを特徴とする、光学素子。
3. 表面に光の波長より小さい微細構造が形成されかつ前記微細構造が薄膜によって覆われた光学素子において、
   前記薄膜をアナターゼ結晶構造の酸化チタンを材料として形成したことを特徴とする、光学素子。
4. 前記薄膜は１０ナノメートル以下の厚みを有する、請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。

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