JP2005055569A

JP2005055569A - 反射防止膜

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Publication number: JP2005055569A
Application number: JP2003284723A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Taguchi; 智一田口; Kazuyuki Nishi; 和幸西; Naoyuki Fukumoto; 直之福本; Kazuhiko Ishimaru; 和彦石丸
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】曲面を有するとともにその周辺部まで有効径が必要とされる光学部品に適した、広帯域・広角度で高い反射防止効果の得られる反射防止膜を提供する。
【解決手段】光学部品の曲面に対して設けられる反射防止膜であって、屈折率1.8〜2.5の高屈折率層と屈折率1.3〜1.5の低屈折率層とが交互に積層された構成を有する。設計基準波長λ0の光に対して条件式：0.999≦T(0)／T(30)≦1.002を満足し、0.84×λ0で定義される波長λ1の光に対しても条件式：0.999≦T(0)／T(30)≦1.002を満足する。ただし、T(0)：入射角度0°での透過率、T(30)：入射角度30°での透過率、である。
【選択図】図１

Description

本発明は反射防止膜に関するものであり、例えば、通信用ファイバーレンズ，ＮＡ(numerical aperture)の高いレンズ(例えば、光ピックアップレンズ)等に適した高性能の球面レンズ用広帯域反射防止膜に関するものである。

光通信分野では、使用される光ファイバーの透過率との関係から、２つの波長帯(例えば、波長：１３００ｎｍ，１５５０ｎｍ)が使用される。また光ピックアップレンズの分野では、複数の波長(例えば、波長：７８０ｎｍ，６５０ｎｍ，４０５ｎｍ)に対する互換性が必要とされる。したがって、これらの分野で使用される光学部品には、複数の波長帯を同時に反射防止するための広帯域反射防止膜が必要になる。広帯域反射防止膜としては、従来より様々なタイプのものが提案されている(例えば、特許文献１〜４参照。)。
特開２００１−２３５６０２号公報特開２００２−１４２０３号公報特開平１０−２０１０２号公報特開２００１−１００００２号公報

しかし、光学部品の曲面上(例えばレンズ面上)に反射防止膜を形成すると、その周辺部では中心部よりも分光特性が短波長側へシフトしてしまい、その結果、曲面の曲率が大きくなればなるほど周辺部で所望の反射防止帯域が得られなくなる。例えば特許文献２記載の反射防止膜は、１４〜１７層の可視域用多層膜から成っているが、曲面を有する光学部品への成膜は想定されていない。このため、曲面に対して成膜を行った場合には、反射防止膜の入射角依存性により周辺部の反射率が大きく増加してしまう。

特許文献１，３，４に記載されてる反射防止膜も上記と同様である。いずれも入射角度０°での入射時に広帯域を確保しておけば、曲面の周辺部でも問題がないというアプローチで設計されている。そして、曲面を有する光学部品への適用においては、その中心部のみの分光特性を極力上質なものにすることに終始している。このため、曲面の周辺部での透過率減少(言い換えれば反射率増加)の抑制は不十分なものとなっている。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、曲面を有するとともにその周辺部まで有効径が必要とされる光学部品(例えば、通信用ファイバーレンズ，ＮＡの高いレンズ等)に適した、広帯域・広角度で高い反射防止効果の得られる反射防止膜を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明の反射防止膜は、光学部品の曲面に対して設けられる反射防止膜であって、屈折率1.8〜2.5の高屈折率層と屈折率1.3〜1.5の低屈折率層とが交互に積層された構成を有し、設計基準波長λ0の光に対して以下の条件式(1)を満足し、0.84×λ0で定義される波長λ1の光に対しても以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。

0.999≦T(0)／T(30)≦1.002 …(1)
ただし、
T(0)：入射角度0°での透過率、
T(30)：入射角度30°での透過率、
である。

第２の発明の反射防止膜は、上記第１の発明において、各層において以下の条件式(2)を満足することを特徴とする。

1＜｜ln(4・n・d／λ0)｜＜2 …(2)
ただし、
n：屈折率、
d：物理膜厚、
であり、4・n・d／λ0が整数でない。

第３の発明の反射防止膜は、上記第１又は第２の発明において、曲面の周辺部の膜厚がほぼcos則にしたがって薄くなっており、かつ、曲面の中心部に比べて曲面の周辺部での入射角度が大きくなることを特徴とする。

本発明によれば、曲面を有するとともにその周辺部まで有効径が必要とされる光学部品(例えば、通信用ファイバーレンズ，ＮＡの高いレンズ等)に適した、広帯域・広角度で高い反射防止効果の得られる反射防止膜を実現することができる。そして、本発明に係る反射防止膜を光ピックアップレンズ等のＮＡの高いレンズや通信用ファイバーレンズに用いれば、その光学性能を飛躍的に向上させることができる。

以下、本発明を実施した反射防止膜を、図面を参照しつつ説明する。表１〜表８に、本発明に係る反射防止膜として、実施例１〜８の多層膜構成(QWOT=4・n・d/λ0,d：物理膜厚，n：屈折率，λ0：設計基準波長)をそれぞれ示す。設計基準波長λ0=1550nmであり、反射防止膜の基板は球面レンズ(設計基準波長λ0に対する屈折率:1.79)である。なお、実施例１〜５に用いられている膜材料の屈折率は設計基準波長λ0に対するものであり、実施例６〜８に用いられている膜材料の屈折率は波長1500nmに対するものである。

実施例１〜５は、(TiO₂-SiO₂)系の材料から成る球面レンズ用広帯域反射防止膜であり、TiO₂(酸化チタン)から成る高屈折率層と、SiO₂(酸化ケイ素)から成る低屈折率層と、が交互に層ナンバー順で球面レンズ上に積層された構成になっている。層数は、実施例１では６層、実施例２では７層、実施例３では１０層、実施例４では１３層、実施例５では１６層である。

実施例６〜８は、(TiO₂-SiO₂)系以外の材料から成る球面レンズ用広帯域反射防止膜である。実施例６では、Ta₂O₅(五酸化タンタル)から成る高屈折率層と、SiO₂(酸化ケイ素)から成る低屈折率層と、が交互に１０層、層ナンバー順で球面レンズ上に積層された構成になっている。実施例７では、Al₂O₃(酸化アルミニウム)を含む混合物AXから成る高屈折率層と、MgF₂(フッ化マグネシウム)から成る低屈折率層と、が交互に１１層、層ナンバー順で球面レンズ上に積層された構成になっている。実施例８では、TiO₂(酸化チタン)を含む混合物TXから成る高屈折率層と、SiO₂(酸化ケイ素)から成る低屈折率層と、が交互に１４層、層ナンバー順で球面レンズ上に積層された構成になっている。

実施例１〜８のように屈折率1.8〜2.5の高屈折率層と屈折率1.3〜1.5の低屈折率層とが交互に積層された構成を有し、光学部品(例えばレンズ)の曲面に対して設けられる反射防止膜においては、設計基準波長λ0の光に対して以下の条件式(1)を満足し、0.84×λ0で定義される波長λ1の光に対しても以下の条件式(1)を満足することが好ましい。

条件式(1)規定の透過率比に関する波長λ0，λ1は、反射防止膜の波長依存性を低減して通信波長帯を広帯域でカバーする上で有効な２波長である。本発明に係る反射防止膜は、この点において従来の２波長反射防止膜とは根本的に異なっている。従来の反射防止膜では、光学部品の曲面上に反射防止膜を形成すると、その周辺部では中心部よりも分光特性が短波長側へシフトしてしまい、その結果、曲面の曲率が大きくなればなるほど周辺部で所望の反射防止帯域が得られなくなる。そこで、上記のように波長λ0，λ1の光に対して条件式(1)を満たせば、通信波長帯を広帯域でカバーすることにより曲面の周辺部までを反射防止することが可能となる。

条件式(1)規定の透過率比に関する入射角度0°，30°は、反射防止膜の入射角依存性を低減して曲面の周辺部においても反射率を抑える上で有効な入射角度であり、T(0)／T(30)の値が１に近いほど分光透過率特性の入射角依存性が小さくなる。本発明に係る反射防止膜は、曲面を有する光学部品への成膜を想定しているため、曲面の周辺部の膜厚がほぼcos則にしたがって薄くなり、かつ、曲面の中心部に比べて曲面の周辺部での入射角が大きくなることまで想定している。つまり、従来の広帯域反射防止膜よりも更に広帯域であって、入射角・膜厚の変化に対して反射率が増大しないように、入射角度：0°，30°の観点から入射角依存性を低減する設計となっている。

上記のように波長λ0，λ1の光に対して条件式(1)を満たすことにより波長依存性と入射角依存性を改善すれば、非常に広い波長帯域において、レンズ中心部を反射防止しながらレンズ周辺部の入射角や膜厚の変化に対しても十分に反射防止することが可能となる。したがって、広帯域・広角度で高い反射防止効果を１枚の反射防止膜で得ることが可能となる。このような反射防止膜は、曲面を有するとともにその周辺部まで有効径が必要とされる光学部品(例えば、通信用ファイバーレンズ，ＮＡの高いレンズ等)に好適であり、その反射防止機能により光学性能の飛躍的な向上を可能にする。

表９に、波長λ0=1550nm，λ1=1300nmにおける条件式(1)の対応値及び関連データを各実施例について示す。表９から分かるように、実施例１〜８は波長λ0，λ1の光に対して条件式(1)を満足している。

上記のように波長λ0，λ1の光に対して条件式(1)を満たすためには、各層において以下の条件式(2)を満足することが好ましい。

条件式(2)は、各層の膜厚が解析的には求められないものであること(つまり光学膜厚の範囲が自動設計上の値であること)を表現している。そして、この条件を入射角度(0°，30°)と波長(λ0，λ1)の両方の観点から自動設計に加えることで、反射防止効果の最適化が可能となる。条件式(2)の下限を越えると膜厚がゼロになるので製造不可能となり、条件式(2)の上限を越えると膜厚が厚くなりすぎて製造困難になる。

図１〜図８に、実施例１〜実施例８の分光特性を透過率Ｔ(％)で示す。図１〜図８は、レンズ曲面の中心部での透過率T(0)を細線で示しており、レンズ曲面の周辺部での透過率T(30)を太線で示している。レンズ曲面の中心部では膜面に対する入射角度が0°であるため、入射角度0°での透過率T(0)をレンズ曲面の中心部での透過率としている。レンズ曲面の周辺部では中心部よりも膜面に対する入射角度が大きくなることを考慮して、膜面に対する入射角度30°での透過率T(30)をレンズ曲面の周辺部での透過率としている。また一般的な成膜によれば、レンズ曲面の周辺部の膜厚は、ほぼcos則にしたがって薄くなる。したがって、レンズ曲面の周辺部での膜厚がcos則にしたがって薄くなることをも考慮して、レンズ曲面の中心部での膜厚を表１〜表８中の物理膜厚とし、その0.866倍の値をレンズ曲面の周辺部での膜厚としている。

図１〜図８から分かるように、いずれの実施例も球面レンズ用広帯域反射防止膜として好適な分光透過率特性を有している。また、(TiO₂-SiO₂)系以外の材料を使用した実施例６〜８の場合、(TiO₂-SiO₂)系の材料を使用した実施例１〜５の場合ほど透過率を増加させることはできないものの、ある程度の広帯域反射防止機能は実現可能である。

次に、従来より知られている反射防止膜と同様の構成を有する比較例、それを改善した実施例等を挙げて、本発明に係る反射防止膜との差異を明確にする。なお表１５に、２波長λ0，λ1における条件式(1)の対応値及び関連データを各比較例等について示す。

表１０に、特許文献１記載の２波長反射防止膜に相当する比較例１の多層膜構成(QWOT=4・n・d/λ0,d：物理膜厚，n：屈折率，λ0：設計基準波長)を示す。設計基準波長λ0=1550nmであり(膜材料の屈折率は設計基準波長λ0に対するもの)、反射防止膜の基板は球面レンズ(設計基準波長λ0に対する屈折率:1.7)である。比較例１は、(TiO₂-SiO₂)系の材料から成る球面レンズ用２波長反射防止膜であり、TiO₂(酸化チタン)から成る高屈折率層と、SiO₂(酸化ケイ素)から成る低屈折率層と、が交互に層ナンバー順で球面レンズ上に積層された４層構成になっている。なお、条件式(1)の対応値等(λ0=1550nm,λ1=1300nm)は、表１５中に示すようになる。

図９に、比較例１の分光特性を透過率Ｔ(％)で示す。図９は、レンズ曲面の中心部での透過率T(0)を細線で示しており、レンズ曲面の周辺部での透過率T(30)を太線で示している。レンズ曲面の中心部では膜面に対する入射角度が0°であるため、入射角度0°での透過率T(0)をレンズ曲面の中心部での透過率としている。レンズ曲面の周辺部では中心部よりも膜面に対する入射角度が大きくなることを考慮して、膜面に対する入射角度30°での透過率T(30)をレンズ曲面の周辺部での透過率としている。また一般的な成膜によれば、レンズ曲面の周辺部の膜厚は、ほぼcos則にしたがって薄くなる。したがって、レンズ曲面の周辺部での膜厚がcos則にしたがって薄くなることをも考慮して、レンズ曲面の中心部での膜厚を表１０中の物理膜厚とし、その0.866倍の値をレンズ曲面の周辺部での膜厚としている。比較例１のように、波長1300nm帯と波長1550nm帯を２波長反射防止することを想定して設計した場合、レンズ中心部では高透過率を実現できるが、レンズ周辺部では透過率が大きく減少してしまう(特に波長1550nm帯)。

表１１に、特許文献２記載の広帯域反射防止膜に相当する比較例２(可視域の例)の多層膜構成(QWOT=4・n・d/λ0,d：物理膜厚，n：屈折率，λ0：設計基準波長)を示す。設計基準波長λ0=550nmであり(膜材料の屈折率は設計基準波長λ0に対するもの)、反射防止膜の基板は平板(設計基準波長λ0に対する屈折率:1.85)である。比較例２は、(TiO₂-SiO₂)系の材料から成る広帯域反射防止膜であり、TiO₂(酸化チタン)から成る高屈折率層と、SiO₂(酸化ケイ素)から成る低屈折率層と、が交互に層ナンバー順で球面レンズ上に積層された１６層構成になっている(ただし、第６層と第１４層は最適化の結果省かれ、実質層数は１４層となっている。)。

図１０に、比較例２の分光特性を透過率Ｔ{すなわち入射角度0°での透過率T(0)；％}で示す。また、比較例２の多層膜構成(表１１)を球面レンズから成る基板上に成膜した場合、その周辺部分光透過率特性は図１１に示すようになり、条件式(1)の対応値等(λ0=550nm,λ1=461nm)は表１５中の比較例２(球面上成膜)に示すようになる。図１１は、レンズ曲面の中心部での透過率T(0)を細線で示しており、レンズ曲面の周辺部での透過率T(30)を太線で示している。レンズ曲面の中心部では膜面に対する入射角度が0°であるため、入射角度0°での透過率T(0)をレンズ曲面の中心部での透過率としている。レンズ曲面の周辺部では中心部よりも膜面に対する入射角度が大きくなることを考慮して、膜面に対する入射角度30°での透過率T(30)をレンズ曲面の周辺部での透過率としている。また一般的な成膜によれば、レンズ曲面の周辺部の膜厚は、ほぼcos則にしたがって薄くなる。したがって、レンズ曲面の周辺部での膜厚がcos則にしたがって薄くなることをも考慮して、レンズ曲面の中心部での膜厚を表１１中の物理膜厚とし、その0.866倍の値をレンズ曲面の周辺部での膜厚としている。

図１１から分かるように、レンズ曲面の周辺部の分光特性を考慮していない広帯域反射防止膜を、レンズのような曲面を有する光学部品に成膜した場合、レンズ中心部においては透過率を高く得ていても、レンズ周辺部での分光特性は大きく崩れてしまう。これは、曲面を有するレンズへの成膜を想定していないためである。

比較例２(表１１)と同じ層数の１２層で、周辺部の透過率減少も抑制することを想定した本発明に係る反射防止膜の多層膜構成(QWOT=4・n・d/λ0,d：物理膜厚，n：屈折率，λ0：設計基準波長)を、実施例９として表１２に示す。また図１２に、実施例９の分光特性を透過率Ｔ(％)で示す。図１２は、レンズ曲面の中心部での透過率T(0)を細線で示しており、レンズ曲面の周辺部での透過率T(30)を太線で示している。レンズ曲面の中心部では膜面に対する入射角度が0°であるため、入射角度0°での透過率T(0)をレンズ曲面の中心部での透過率としている。レンズ曲面の周辺部では中心部よりも膜面に対する入射角度が大きくなることを考慮して、膜面に対する入射角度30°での透過率T(30)をレンズ曲面の周辺部での透過率としている。また一般的な成膜によれば、レンズ曲面の周辺部の膜厚は、ほぼcos則にしたがって薄くなる。したがって、レンズ曲面の周辺部での膜厚がcos則にしたがって薄くなることをも考慮して、レンズ曲面の中心部での膜厚を表１２中の物理膜厚とし、その0.866倍の値をレンズ曲面の周辺部での膜厚としている。

表１５から分かるように、実施例９は波長λ0，λ1の光に対して条件式(1)を満足している。以上の結果から、球面レンズの中心部から周辺部にかけてバランス良く反射率を低減したい場合、従来の広帯域反射防止膜ではレンズ中心部の反射率低減にしか効果がないため、レンズ周辺部の特性をも考慮した設計が必要であるといえる。

表１３に、特許文献２記載の広帯域反射防止膜に相当する比較例３(赤外域に波長帯を移動して最適化した例)の多層膜構成(QWOT=4・n・d/λ0,d：物理膜厚，n：屈折率，λ0：設計基準波長)を示す。設計基準波長λ0=1550nmであり(膜材料の屈折率は波長1500nmに対するもの)、反射防止膜の基板は球面レンズ(設計基準波長λ0に対する屈折率:1.79)である。比較例３は、(TiO₂-SiO₂)系の材料から成る球面レンズ用広帯域反射防止膜であり、TiO₂(酸化チタン)から成る高屈折率層と、SiO₂(酸化ケイ素)から成る低屈折率層と、が交互に層ナンバー順で球面レンズ上に積層された１６層構成になっている(ただし、第６層と第１４層は最適化の結果省かれ、実質層数は１４層となっている。)。なお、条件式(1)の対応値等(λ0=1550nm,λ1=1300nm)は、表１５中の比較例３に示すようになる。

図１３に、比較例３の分光特性を透過率Ｔ(％)で示す。図１３は、レンズ曲面の中心部での透過率T(0)を細線で示しており、レンズ曲面の周辺部での透過率T(30)を太線で示している。レンズ曲面の中心部では膜面に対する入射角度が0°であるため、入射角度0°での透過率T(0)をレンズ曲面の中心部での透過率としている。レンズ曲面の周辺部では中心部よりも膜面に対する入射角度が大きくなることを考慮して、膜面に対する入射角度30°での透過率T(30)をレンズ曲面の周辺部での透過率としている。また一般的な成膜によれば、レンズ曲面の周辺部の膜厚は、ほぼcos則にしたがって薄くなる。したがって、レンズ曲面の周辺部での膜厚がcos則にしたがって薄くなることをも考慮して、レンズ曲面の中心部での膜厚を表１３中の物理膜厚とし、その0.866倍の値をレンズ曲面の周辺部での膜厚としている。

図１３から、レンズ中心部の特性は透過率約99.9％に抑えているものの、レンズ周辺部の分光反射率特性は波長1550nm帯の透過率が99.6％近くまで減少してしまっていることが分かる。そこで、レンズ周辺部における波長1550nm帯の透過率が減少しないように、上記分光特性(図１３)を波長移動させた場合を比較例３(波長移動)として、その分光特性を図１４に示す。このときの条件式(1)の対応値等(λ0=1550nm,λ1=1300nm)は、表１５中の比較例３(波長移動)に示すようになる。波長移動させた場合、波長1300nm帯の透過率が大きく減少してしまうことが図１４から分かる。このように0°での分光特性が十分と思われる広帯域反射防止膜を球面レンズに応用した場合には、通信波長帯である波長1300nm帯と波長1550nm帯とを同時に反射防止することができない。

比較例３(表１３)と同じ条件(基板材料，膜材料等)で、レンズ中心部，レンズ周辺部両方の分光反射率の低減を考慮した本発明に係る反射防止膜の多層膜構成(QWOT=4・n・d/λ0,d：物理膜厚，n：屈折率，λ0：設計基準波長)を、実施例１０として表１４に示す。実施例１０の分光特性は図１５に示す透過率Ｔ(％)のようになり、条件式(1)の対応値等(λ0=1550nm,λ1=1300nm)は表１５中の実施例１０に示すようになる。図１５は、レンズ曲面の中心部での透過率T(0)を細線で示しており、レンズ曲面の周辺部での透過率T(30)を太線で示している。レンズ曲面の中心部では膜面に対する入射角度が0°であるため、入射角度0°での透過率T(0)をレンズ曲面の中心部での透過率としている。レンズ曲面の周辺部では中心部よりも膜面に対する入射角度が大きくなることを考慮して、膜面に対する入射角度30°での透過率T(30)をレンズ曲面の周辺部での透過率としている。また一般的な成膜によれば、レンズ曲面の周辺部の膜厚は、ほぼcos則にしたがって薄くなる。したがって、レンズ曲面の周辺部での膜厚がcos則にしたがって薄くなることをも考慮して、レンズ曲面の中心部での膜厚を表１４中の物理膜厚とし、その0.866倍の値をレンズ曲面の周辺部での膜厚としている。

実施例１の対波長分光特性を示すグラフ。実施例２の対波長分光特性を示すグラフ。実施例３の対波長分光特性を示すグラフ。実施例４の対波長分光特性を示すグラフ。実施例５の対波長分光特性を示すグラフ。実施例６の対波長分光特性を示すグラフ。実施例７の対波長分光特性を示すグラフ。実施例８の対波長分光特性を示すグラフ。比較例１の対波長分光特性を示すグラフ。比較例２の対波長分光特性を示すグラフ。球面上に成膜された比較例２の対波長分光特性を示すグラフ。実施例９の対波長分光特性を示すグラフ。比較例３の対波長分光特性を示すグラフ。波長移動させた比較例３の対波長分光特性を示すグラフ。実施例１０の対波長分光特性を示すグラフ。

符号の説明

T(０) 入射角度０°での透過率
T(30) 入射角度30°での透過率

Claims

光学部品の曲面に対して設けられる反射防止膜であって、屈折率1.8〜2.5の高屈折率層と屈折率1.3〜1.5の低屈折率層とが交互に積層された構成を有し、設計基準波長λ0の光に対して以下の条件式(1)を満足し、0.84×λ0で定義される波長λ1の光に対しても以下の条件式(1)を満足することを特徴とする反射防止膜；
0.999≦T(0)／T(30)≦1.002 …(1)
ただし、
T(0)：入射角度0°での透過率、
T(30)：入射角度30°での透過率、
である。
各層において以下の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項１記載の反射防止膜；
1＜｜ln(4・n・d／λ0)｜＜2 …(2)
ただし、
n：屈折率、
d：物理膜厚、
であり、4・n・d／λ0が整数でない。
曲面の周辺部の膜厚がほぼcos則にしたがって薄くなっており、かつ、曲面の中心部に比べて曲面の周辺部での入射角度が大きくなることを特徴とする請求項１又は２記載の反射防止膜。