JP2004333908A

JP2004333908A - 反射防止膜を有する光学素子

Info

Publication number: JP2004333908A
Application number: JP2003130214A
Authority: JP
Inventors: Hideo Fujii; 秀雄藤井
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】レンズ曲率の大きいレンズ周辺部における光線の反射量を減少させることにより、レンズを透過する光量が増大した光学素子、特に光ピックアップ装置に用いる開口数（ＮＡ）が大きなレンズ及び光通信、内視鏡等に用いるボール状レンズを提供する。
【解決手段】本発明の光学素子は、レンズの表面に反射防止膜が形成され、前記反射防止膜は、前記光学素子の面内の任意の位置における入出射光線に対し反射率が最も低くなる光学膜厚で形成されている。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射防止膜を有し高集光能力を有する光学素子、特に光記録媒体への情報の記録及び／又は光記録媒体からの情報の再生を行う光ピックアップ装置用の対物レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクに代表される光記録媒体には記録容量の大容量化が強く要請されている。しかし光記録媒体自体の大きさは決まっているため、記録容量を増大させるためには、光記録媒体の記録密度を向上させる必要がある。記録密度の大きい媒体への書込み及び／又は読取りを行うには、情報の書込み及び／又は読取り時における光記録媒体上の光スポット径を小さくする必要がある。光スポット径は光源の波長に比例し、対物レンズの開口数（ＮＡ）に反比例する。このため光ピックアップ装置用対物レンズには、高ＮＡ化が要求されている。
【０００３】
対物レンズの開口数を大きくするとレンズ曲率が大きくなるため、レンズ周辺部における光線入射角度が大きくなる。このためレンズ周辺部における反射光量が多くなり、透過光量が減少する。対物レンズを透過する光量が減少すると光記録媒体に照射される光量が減少するため、信号の再生における信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が低下する。
【０００４】
このため、光源側の面に反射防止膜を有する２つのレンズからなる対物レンズを使用し、この面における光線の最大入射角度を制御することにより、対物レンズの周辺部への入射光の強度が対物レンズの中心への入射光の強度に対して、４０％以上８０％以下である光ピックアップ装置が開示されている（特許文献１参照）。この光ピックアップ装置は、対物レンズの表面への光線の入射角を制御することにより、対物レンズの周辺部への入射光の強度の低下を軽減し、透過光量が大きくなっているものの、光線の最大入射角度を制御するために２つのレンズを組み合わせた対物レンズを使用しているため、両レンズをミクロンオーダーの高い精度で組み立てる工程が不可欠であり、製造コストが高くつくという問題がある。また２つのレンズを組み合わせた対物レンズは、小型化が要求される光ピックアップ装置においては不利である。
【０００５】
最近、青色レーザ（波長４０５ｎｍ）でＮＡが０．８５の対物レンズを用いた光ピックアップ装置が提案されている。図９に屈折率１．７２の硝材を用いたこのような対物レンズの一例を示す。このレンズに対するレーザ光の入射角度はレンズの中心で０°であるが最外周では６５°以上になる。レンズに反射防止膜が設けられていない場合のレーザ光の入射角度と反射率（平均偏光の反射率）の関係を図１０に示す。レンズ最外周の６５°では入射する光の約１５．５％が反射されてしまうため、非常に効率が悪い。このため、レンズ表面に反射防止膜として硝材より屈折率が低いフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）膜を真空蒸着法により形成する等の対策が施されている。
【０００６】
しかしながら、真空蒸着法でＭｇＦ_２単層膜をレンズ表面に形成する場合、レンズへの入射角度が増大するのに伴い蒸発したＭｇＦ_２からなる反射防止膜の膜厚が減少する。一般に入射角度０°での光学膜厚Ｄｎｍに対して、入射角度θでの光学膜厚は約Ｄｃｏｓθ ｎｍとなる。レンズ硝材の屈折率が１．７２のレンズ表面に真空蒸着法によりＭｇＦ_２膜を形成する場合、入射角０°におけるＭｇＦ_２膜の光学膜厚が約１２６ｎｍのとき入射角０〜７０°で平均反射率が最も低くなる。このＭｇＦ_２膜を有する光学素子におけるレーザ光の入射角度と反射率の関係を図６に示す。レンズ最外周の６５°では入射する光の約１５％が反射されてしまう。また、ＣＶＤ法で二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）単層膜をレンズ表面に形成することによりレンズ面上の膜厚分布を均一にする方法が提案されている。レンズ硝材の屈折率が１．７２のレンズ表面に均一な膜厚分布を有するＳｉＯ_２単層膜を形成する場合、ＳｉＯ_２単層膜の光学膜厚が約１１１ｎｍのとき入射角度０〜７０°で平均反射率が最も低くなる。このＳｉＯ_２膜を有する光学素子におけるレーザ光の入射角度と反射率の関係を図７に示す。レンズ最外周の６５°では入射する光の約１０％が反射される。入射角度０〜７０°の平均反射率（Ｒｍ）は、真空蒸着法でＭｇＦ_２単層膜を形成する方法で約４．４％、ＣＶＤ法でＳｉＯ_２単層膜を形成する方法で３．８％にしか下がらない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−６２０４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、レンズ曲率の大きいレンズ周辺部における光線の反射量を減少させることにより、レンズを透過する光量が増大した光学素子、特に光ピックアップ装置に用いる開口数（ＮＡ）が大きなレンズ及び光通信、内視鏡等に用いるボール状レンズを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、レンズ面内の任意の位置における入出射光線に対し、反射率が最も低くなる光学膜厚でレンズ硝材より屈折率の低い膜を形成することにより、レンズ曲率の大きいレンズ周辺部においても光線の反射量が減少し、レンズを透過する光量が増大した光学素子が得られることを発見し、本発明に想到した。
【００１０】
すなわち、本発明の光学素子はレンズの表面に反射防止膜が形成されており、前記反射防止膜は、前記光学素子の面内の任意の位置における入出射光線に対し反射率が最も低くなる光学膜厚で形成されていることを特徴とする。
【００１１】
前記反射防止膜は前記レンズの屈折率より低い屈折率を有する単層膜であり、前記光学素子の面内の任意の位置における波長λの単色光の入出射角がφであるとき、前記反射防止膜の光学膜厚Ｄ（φ）が下記一般式（１）：

（一般式（１）中、ＮＩは反射防止膜の屈折率を表す。）により表される膜であるのが好ましい。
【００１２】
前記反射防止膜は多層膜であり、前記光学素子の面内の任意の位置における波長λの単色光の入出射角がφであるとき、前記反射防止膜の各層の光学膜厚Ｄｍ（φ）が下記一般式（２）：

（一般式（２）中、Ｎｆは各層の反射防止膜の屈折率を表し、Ｄｍ（０）は入出射角が０°のときの各層の光学膜厚を表す。）により表される膜であるのが好ましい。
【００１３】
前記光学素子の面内の任意の位置は、好ましくは入出射光線の入出射角が０〜７０°となる位置である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［１］光学素子
図１は、本発明の光学素子の一例を示す。本明細書の図中においては、反射防止膜を実際より厚く示し、膜厚の変化を実際より強調して示してある。なお平凸レンズを例として本発明の光学素子を説明するが、本発明はこれに限定されない。図１に示すように、レンズ１の光源（図示せず）側の第一面１ａが凸面であり、第一面１ａの反対側の第二面１ｂが平面となっている。光学素子１０は、単レンズであるのが好ましい。単レンズとすることにより、高精度を要するレンズの組立工程が不要となる。光学素子１０のレンズ１は特に限定されないが、波長４０５ｎｍにおける屈折率が１．７０以上の物質からなるのが好ましい。波長４０５ｎｍにおける屈折率が１．７０以上の物質としては、Ｓ−ＴＩＨ１４（株式会社オハラ製）等が挙げられる。
【００１５】
レンズ１の光源（図示せず）側の第一面１ａには、反射防止膜２が形成されており、反射防止膜２の光線入出射角０°における光学膜厚をＤ（０）、光線入出射角φにおける光学膜厚をＤ（φ）で示している。本発明の光学素子に用いる反射防止膜２は、レンズ面内の任意の位置における入出射光線に対し反射率が最も低くなる光学膜厚で形成されている。具体的には、光線入出射角０°で反射防止膜２の光学膜厚が最も薄く、レンズ曲率の大きいレンズ周辺部になるに伴い反射防止膜２の光学膜厚が厚くなるように形成されている。従来の反射防止膜は、レンズ中心（光線入出射角０°）における反射率が最小となるように設計されている上、レンズ周辺部における光学膜厚が中心部に比して薄いため、レンズ周辺部において反射特性の短波長シフトが生じ、反射防止特性を大きく損なっている。これに対し本発明の光学素子は、反射防止膜２のレンズ周辺部／レンズ中心部の光学膜厚比が１以上であるため、反射特性の短波長シフト及び反射防止特性の低下を抑えることができる。
【００１６】
本発明の光学素子に形成される反射防止膜２は、単層膜であっても複数の膜が積層された多層膜であってもよい。反射防止膜２は、単層膜の場合レンズ１の屈折率より低い屈折率を有する。反射防止膜２が単層膜であり、光学素子の面内の任意の位置における波長λの単色光の入出射角がφであるとき、反射防止膜２の光学膜厚Ｄ（φ）は下記一般式（１）：

（一般式（１）中、ＮＩは反射防止膜の屈折率を表す。）を満たすのが好ましい。
【００１７】
反射防止膜２が多層膜であり、光学素子面内の任意の位置における波長λの単色光の入出射角がφであるとき、反射防止膜２の各層の光学膜厚Ｄｍ（φ）は下記一般式（２）：

（一般式（２）中、Ｎｆは各層の反射防止膜の屈折率を表し、Ｄｍ（０）は０°入出射のときの各層の光学膜厚を表す。）を満たすのが好ましい。
【００１８】
一般式（１）及び（２）中、入出射角φは好ましくは０〜７０°である。単色光の波長λは特に限定されないが、光ピックアップ装置、光通信、内視鏡等では通常３００〜２０００ｎｍの光を用いる。反射防止膜の屈折率ＮＩ、Ｎｆも特に限定されないが、通常１．３５〜３．５０である。
【００１９】
反射防止膜２を形成する材料は特に限定されず、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＳｉＮ、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２等を用いることができる。反射防止膜２が多層膜の場合、同一の材料による多層膜であっても異なる材料による多層膜であってもよい。例えば、屈折率の異なる複数の膜を適宜組み合わせることにより、反射防止効率をより高めることが可能である。また、反射防止膜２の上にさらにダイヤモンドライクカーボン等からなる保護膜等が形成されていてもよい。
【００２０】
［２］反射防止膜の成膜方法
反射防止膜の成膜方法は特に限定されない。例えば蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理蒸着法、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ等の化学蒸着法、ゾル−ゲルコート液を使ったディッピング法、スピン法、スプレー法等を用いることができる。以下蒸着法を例として、レンズ１の第一面１ａに反射防止膜２を形成する方法を説明するが、本発明はこの方法によって製造した物に限定されない。
【００２１】
図２にレンズ１の第一面１ａに反射防止膜２を成膜する蒸着装置の一例を示す。蒸着装置は真空チャンバ３１内にレンズホルダ３２と蒸発源３７を入れるヒータ３３を具備している。レンズホルダ３２は回転自在に支持されており、レンズ１と蒸発源３７の間にはマスク３８が設置されている。真空チャンバ３１には真空ポンプ接続口３５が設けられている。図３にマスク３８の一例を示す。マスク３８にはレンズ中央部が狭くレンズ周辺部が広くなるように形成された開口部３８ａが設けられている。
【００２２】
レンズ１に反射防止膜２を成膜するには、まず第一面１ａがヒータ３３側になるように、レンズ１をレンズホルダ３２に設置し、蒸発源３７をヒータ３３上に載置する。真空ポンプにより真空チャンバ３１内を減圧にした後、蒸発源３７をヒータ３３により加熱する。蒸発源３７は加熱により蒸発し、開口部３８ａを通してレンズ１の第一面１ａに蒸着する。その際、レンズホルダ３２を回転させることによりレンズ１の第一面１ａの周辺部から中央部にわたって光学膜厚が滑らかに変化する反射防止膜２が得られる。レンズ１に単層の反射防止膜２を形成する場合、蒸着時間、マスク３８の開口部３８ａの形状等を適宜設定することにより、光学膜厚が上記一般式（１）を満たす反射防止膜２を形成することができる。レンズ１に多層の反射防止膜２を形成する場合も単層膜の場合と同様である。すなわち、各層ごとに蒸発源３７の種類を選択し、単層膜の場合と同様の操作で順次膜を形成すればよい。蒸着時間、マスク３８の開口部３８ａの形状等を適宜設定することにより、各層の光学膜厚が上記一般式（２）を満たす反射防止膜２を形成することができる。
【００２３】
光学膜厚が一般式（１）又は一般式（２）を満たす反射防止膜は、例えば細孔が形成されたマスクを用いることによっても成膜することができる。この場合、コンピュータで制御しながらマスクを回転、揺動等させることによりレンズ１の各位置に所定の光学膜厚の反射防止膜２を形成することができる。
【００２４】
【実施例】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００２５】
実施例１
図２に示す蒸着装置を用い、レンズホルダ３２にＳ−ＬＡＬ１０（Ｎｄ＝１．７２０５０３：ｄ線−波長５８７．５６ｎｍでの屈折率、株式会社オハラ製）からなるレンズ（対物レンズ）１を第一面１ａがヒータ３３側になるように設置し、蒸発源３７としてフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）をヒータ３３上に載置した。レンズ（対物レンズ）１と蒸発源３７の間には所定の開口部３８ａを有するマスク３８を設置した。真空ポンプにより真空チャンバ３１内を約１０^−５Ｔｏｒｒに減圧した後、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）をヒータ３３により加熱し蒸発させた。その際、レンズホルダ３２を回転させ、レンズ（対物レンズ）１の第一面１ａに光学膜厚が滑らかに変化する屈折率１．３８の反射防止膜２を形成した。得られた光学素子に対する波長４０５ｎｍの単色光の入出射角度、その入出射角度における反射防止膜２の光学膜厚及び反射率（Ｒｍ：平均偏光、Ｒｓ：ｓ偏光、Ｒｐ：ｐ偏光）を表１に示す。またレーザ光の入出射角度と反射率（平均偏光）の関係を図４に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
実施例２
図２に示す蒸着装置を用い、レンズホルダ３２にＳ−ＬＡＬ１０からなるレンズ（対物レンズ）１を第一面１ａがヒータ３３側になるように設置し、蒸発源３７として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）をヒータ３３上に載置した。レンズ（対物レンズ）１と蒸発源の間には所定の開口部３８ａを有するマスク３８を設置した。真空ポンプにより真空チャンバ３１内を約１０^−５Ｔｏｒｒに減圧した後、ヒータ３３を加熱し、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を蒸発させた。その際、レンズホルダ３２を回転させ、レンズ（対物レンズ）１上に光学膜厚が滑らかに変化する屈折率２．０４の酸化ジルコニウム膜を形成した。次に蒸発源３７の交換機構（図示せず）を用い、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）に換えて二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）をヒータ３３上に載置した。酸化ジルコニウム膜のときと同様にして屈折率１．４６の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を酸化ジルコニウム膜上に蒸着した。得られた光学素子に対する波長４０５ｎｍの単色光の入出射角度、その入出射角度における反射防止膜２の光学膜厚及び反射率（Ｒｍ：平均偏光、Ｒｓ：ｓ偏光、Ｒｐ：ｐ偏光）を表２に示す。またレーザ光の入出射角度と反射率（平均偏光）の関係を図５に示す。
【００２８】
【表２】

【００２９】
比較例１
レンズ（対物レンズ）１と蒸発源３７の間のマスク３８を除いた以外図２に示す蒸着装置と同じ装置を用いた。実施例１と同様にレンズホルダ３２にＳ−ＬＡＬ１０からなるレンズ（対物レンズ）１を設置し、フッ化マグネシウムを蒸発源３７としてヒータ３３上に載置した。真空ポンプにより真空チャンバ３１内を約１０^−５Ｔｏｒｒに減圧した後、ヒータ３３を加熱し、フッ化マグネシウムを蒸発させ、レンズ（対物レンズ）１の表面に反射防止膜２を形成した。得られた光学素子に対する波長４０５ｎｍの単色光の入出射角度、その入出射角度における反射防止膜２の光学膜厚及び反射率（Ｒｍ：平均偏光、Ｒｓ：ｓ偏光、Ｒｐ：ｐ偏光）を表３に示す。またレーザ光の入出射角度と反射率（平均偏光）の関係を図６に示す。
【００３０】
【表３】

【００３１】
比較例２
図８に示すＣＶＤ装置を用い、レンズ（対物レンズ）１の第一面１ａに反射防止膜２を形成した。ＣＶＤ装置は真空チャンバ４１とその内部に回転自在に取り付けられたレンズホルダ４２を具備し、真空チャンバ４１には原料ガスの導入口４５と排出口４６が設けられており、真空チャンバ４１の外側には外部ヒータ４３が設けられている。レンズホルダ４２にレンズ（対物レンズ）１を第一面１ａが導入口４５側になるように設置し、真空ポンプにより真空チャンバ４１内を約１０^−５Ｔｏｒｒに減圧した。原料ガスとしてＳｉＨ_４及びＮ_２Ｏを用い、所定の比率で混合し導入口４５から真空チャンバ４１内に供給した。真空チャンバ４１内でＳｉＨ_４とＮ_２Ｏを反応させ、レンズホルダ４２を回転させながらレンズ（対物レンズ）１の表面に二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる反射防止膜２を形成した。得られた光学素子に対する波長４０５ｎｍの単色光の入出射角度、その入出射角度における反射防止膜２の光学膜厚及び反射率（Ｒｍ：平均偏光、Ｒｓ：ｓ偏光、Ｒｐ：ｐ偏光）を表４に示す。またレーザ光の入出射角度と反射率（平均偏光）の関係を図７に示す。
【００３２】
【表４】

【００３３】
（評価）
実施例１及び２の光学素子の入出射角０〜７０°の平均反射率（Ｒｍ）はそれぞれ２．０％及び１．８％であり、比較例１及び２の光学素子の入出射角０〜７０°の平均反射率（Ｒｍ）はそれぞれ４．４％及び３．８％である。これらの結果から明らかなように本発明の光学素子は従来の光学素子と比較し高い反射防止効果を有する。
【００３４】
【発明の効果】
上記の通り、本発明の光学素子は、反射率が最も低くなる光学膜厚で形成された反射防止膜を有するので、レンズ曲率の大きいレンズ周辺部においても光線の反射量を低減することが可能である。そのため、透過光量が多く光の利用効率が高い光学素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学素子の一例を示す概略断面図である。
【図２】実施例１の反射防止膜を成膜する蒸着装置を示す概略図である。
【図３】蒸着装置に用いるマスクの一例を示す概略図である。
【図４】実施例１で得られた光学素子におけるレーザ光の入出射角度と反射率の関係を示すグラフである。
【図５】実施例２で得られた光学素子におけるレーザ光の入出射角度と反射率の関係を示すグラフである。
【図６】比較例１で得られた光学素子におけるレーザ光の入出射角度と反射率の関係を示すグラフである。
【図７】比較例２で得られた光学素子におけるレーザ光の入出射角度と反射率の関係を示すグラフである。
【図８】比較例２の反射防止膜を成膜するＣＶＤ装置を示す概略図である。
【図９】屈折率１．７２の硝材を用いた対物レンズの一例を示す概略断面図である。
【図１０】反射防止膜が形成されていない対物レンズにおけるレーザ光の入出射角度と反射率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・レンズ
２・・・反射防止膜
３１・・・真空チャンバ
３２・・・レンズホルダ
３３・・・ヒータ
３５・・・真空ポンプ接続口
３７・・・蒸発源
３８・・・マスク
３８ａ・・・開口部
４１・・・真空チャンバ
４２・・・レンズホルダ
４３・・・外部ヒータ
４５・・・原料ガス導入口
４６・・・原料ガス排出口

Claims

レンズの表面に反射防止膜が形成された光学素子であって、前記反射防止膜は、前記光学素子の面内の任意の位置における入出射光線に対し反射率が最も低くなる光学膜厚で形成されていることを特徴とする光学素子。
請求項１に記載の光学素子において、前記反射防止膜は前記レンズの屈折率より低い屈折率を有する単層膜であり、前記光学素子の面内の任意の位置における波長λの単色光の入出射角がφであるとき、前記反射防止膜の光学膜厚Ｄ（φ）が下記一般式（１）：

（一般式（１）中、ＮＩは反射防止膜の屈折率を表す。）により表されることを特徴とする光学素子。
請求項１に記載の光学素子において、前記反射防止膜は多層膜であり、前記光学素子の面内の任意の位置における波長λの単色光の入出射角がφであるとき、前記反射防止膜の各層の光学膜厚Ｄｍ（φ）が下記一般式（２）：

（一般式（２）中、Ｎｆは各層の反射防止膜の屈折率を表し、Ｄｍ（０）は入出射角が０°のときの各層の光学膜厚を表す。）により表されることを特徴とする光学素子。
請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子において、前記光学素子の面内の任意の位置が、入出射光線の入出射角が０〜７０°となる位置であることを特徴とする光学素子。