JP2005173457A - 反射防止構造を有する光学素子及び光学系 - Google Patents

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Abstract

【課題】 製造容易で機械的強度の高い反射防止構造を有する光学素子を提供し、反射防止構造を有する光学素子を不要な回折光が発生しないように備えた光学系を提供する。
【解決手段】 透過光学面表面に使用波長以下の周期で微細な凹凸を複数有する光学素子2において、その微細な凸部1の断面形状が条件式:0.3<h/h*<0.9(h:実際の凸部1の高さ、h*:凸部1の断面において凸部1の両側面の底に接する部分での接線tが交わる点までの高さ)を満足する。
【選択図】 図1

Description

本発明は反射防止構造を有する光学素子及び光学系に関するものであり、例えば、光学面表面に反射防止構造を有するレンズや平行平面板等の光学素子、及びそのような光学素子で構成された光学系に関するものである。

光学素子の反射防止構造として、図9に示すように、光線透過面表面に使用波長以下の間隔(すなわち周期)Λで略円錐形状の凸部を並べた構造が知られている。このような構造はモスアイ(Moth eye)と呼ばれており、その製造方法が特許文献1で提案されている。各凸部の断面は三角形状を成しているため、凸部の高さhが充分であれば入射光に対する屈折率は徐々に変化することになり、反射率は効果的に低減される。例えば、可視光線の波長400〜700nmで用いる光学素子の場合、周期Λ=150〜300nm,底面の直径≒周期Λの円錐形状凸部を透過光学面表面に隙間なく敷き詰めれば、透過光学面表面での反射を効果的に防止することができる。
特開2001−272505号公報

しかし、屈折率の急激な変化を小さくするためには、使用波長に対して充分な高さhが必要になる。一般的には、使用波長の1/3以上の高さhが必要であり、斜入射に対しても低反射性を備えるためには、凸部を更に高くする必要がある。例えば、入射光線が可視光線である場合、長波長側の波長を考慮すると高さhは250nm程度必要となり、斜入射を考慮すると高さhは500nm程度必要となる。したがって、周期Λを250nmとするとアスペクト比(=h/Λ)は2となるが、このような高アスペクト比の構造を成形により転写複製することは困難である。また、アスペクト比が高いほど凸部の先端が鋭く尖ってしまうため、接触に対して脆くなるという問題もある。したがって、凸部が低くても低反射特性を有する反射防止構造が望まれている。また、モスアイのような微細な周期構造では不要な回折光が発生するおそれがあるので、反射防止構造を光学系に用いる際には不要な回折光の発生を抑える工夫も必要になる。

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、第1の目的は、製造容易で機械的強度の高い反射防止構造を有する光学素子を提供することにあり、第2の目的は、反射防止構造を有する光学素子を不要な回折光が発生しないように備えた光学系を提供することにある。

上記第1の目的を達成するために、第1の発明の光学素子は、透過光学面表面に使用波長以下の周期で微細な凹凸を複数有する光学素子において、その微細な凸部の断面形状が以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。
0.3<h/h*<0.9 …(1)
ただし、
h:実際の凸部の高さ、
*:凸部の断面において凸部の両側面の底に接する部分での接線が交わる点までの高さ、
である。

上記第1の目的を達成するために、第2の発明の光学素子は、透過光学面表面に使用波長以下の周期で微細な凹凸を複数有する光学素子において、その微細な凸部の周期的な配列が唯1つの方向についてのみ存在し、前記微細な凸部の断面形状が以下の条件式(2)を満足することを特徴とする。
0.5<h/h*<0.9 …(2)
ただし、
h:実際の凸部の高さ、
*:凸部の断面において凸部の両側面の底に接する部分での接線が交わる点までの高さ、
である。。

上記第2の目的を達成するために、第3の発明の光学系は、光学面表面に使用波長以下の大きさの微細な凸部を周期的な配列で複数有する光学素子を備えた光学系において、前記凸部の周期的な配列が唯1つの方向についてのみ存在し、その周期方向が、前記光学面に入射する光線による入射面のうち、該光学面に対して最大の入射角度を与える入射面に対し略垂直であることを特徴とする。

上記第2の目的を達成するために、第4の発明の光学系は、光学面表面に使用波長以下の大きさの微細な凸部を周期的な配列で複数有する光学素子を備えた光学系において、前記凸部の周期的な配列が互いに異なる周期で互いに異なる方向に存在し、そのうちの小さい方の周期方向が、前記光学面に入射する光線による入射面のうち、該光学面に対して最大の入射角度を与える入射面に対し略平行であることを特徴とする。

本発明に係る光学素子によれば、透過光学面表面に有する微細な凸部の断面形状が所定の条件を満たした構成になっているため、凸部が低くてもその低反射特性によって高い反射防止効果が得られる。凸部が低いため転写複製が容易であり、接触に対する強度も向上する。したがって、製造容易であり機械的強度の高い反射防止構造を有する光学素子を実現することができる。また本発明に係る光学系によれば、微細な凸部の周期的な配列が所定の入射面に対して適正に配置された構成になっているため、反射防止構造を有する光学素子を備えているにもかかわらず、不要な回折光の発生を防止することができる。

以下、本発明に係る反射防止構造を有する光学素子及び光学系を、図面を参照しつつ説明する。

《反射防止構造を有する光学素子》
本発明に係る光学素子は、透過光学面表面に反射防止構造を有する透過型の光学素子(例えばレンズや平行平面板等)である。その反射防止構造は使用波長以下の周期で設けられた複数の微細な凹凸から成っており、その凹凸は周期的な配列で複数設けられた微細な凸部で構成されている。凸部の大きさは使用波長以下の微細なものであり、その断面形状としては、1次元周期構造の場合、三角,台形,四角等が挙げられ、2次元周期構造の場合、釣鐘,円錐,円錐台,円柱等が挙げられる。図1(a)(b)に、光学素子2の透過光学面表面に設けられた2つのタイプの凸部1の断面形状を拡大して示す。

図1に示す凸部1の断面形状は、以下の条件式(1)を満たした構成になっている。条件式(1)を満たすことにより、凸部1の高さhが低くても反射率は低減されて、高い反射防止効果が得られる。凸部1が低いため接触に対する強度は高く、また、格子構造の原盤作製,転写複製のための樹脂成形等が容易である。したがって、機械的強度の高い反射防止構造を容易に作製することができる。
0.3<h/h*<0.9 …(1)
ただし、
h:実際の凸部の高さ、
*:凸部の断面において凸部の両側面の底に接する部分での接線(図1中の一点鎖線t)が交わる点までの高さ、
である。

また、凸部1の周期的な配列が唯1つの方向についてのみ存在する場合(つまり1次元周期構造の場合)には、下の条件式(2)を満たせば更に効果的である。
0.5<h/h*<0.9 …(2)

図1の例に限らず、透過光学面表面に使用波長以下の周期で微細な凹凸を複数有する光学素子において、その微細な凸部の断面形状が前記条件式(1)又は(2)を満足すれば、凸部が低くてもその低反射特性によって高い反射防止効果を得ることができる。条件式(1)又は(2)を満たした特徴的な断面形状を有する凸部の機能を、複数の凸部が1次元周期構造(つまり1次元格子)を構成する場合と2次元周期構造(つまり2次元格子)を構成する場合とに分けて、以下に説明する。

《1次元格子から成る反射防止構造の最適化》
図2に、6種類の1次元格子(光学面の表面に1方向にのみ周期的な凹凸がある格子)の凸部断面形状(上底幅/周期Λ,下底幅/周期Λ,h/h*等)を示す。また図3のグラフに、波長λ=500nm,700nmの光が垂直入射したときの各1次元格子(周期Λ=250nm,光学素子2の屈折率n=1.5)での反射率(100%を1とする比率)の計算結果を示す。図3(a)での格子高さh=250nmであり、図3(b)での格子高さh=200nmであり、図3(c)での格子高さh=150nmである。

1次元格子の格子高さhが高い場合(h=250nm)、三角形状が波長λ=500nmで最も低反射率を示す。しかし、格子高さhが中程度の場合(h=200nm)、波長λ=700nmで台形A(h/h*=0.8)と台形B(h/h*=0.6)が低い反射率を示す。格子高さhが低い場合(h=150nm)、両波長において台形A(h/h*=0.8)と台形B(h/h*=0.6)が低い反射率を示す。また波長λ=700nmでは、台形A(h/h*=0.8),台形B(h/h*=0.6)及び台形C(h/h*=0.4)が三角形状に優る低い反射率を示す。このように、h/h*を0.3〜0.9とすることで、格子高さhを低くしても低反射率の構造とすることが可能であり、さらにh/h*を0.5〜0.9とすることで、より好ましい効果を得ることができる。

《2次元格子から成る反射防止構造の最適化》
図4に、10種類の2次元格子(光学面の表面に互いに異なる2方向に周期的な凹凸がある格子)の凸部断面形状(上底幅/周期Λ,下底幅/周期Λ,h/h*等)を示す。また図5のグラフに、波長λ=500nm,700nmの光が垂直入射したときの各2次元格子(正方配列,周期Λ=250nm,光学素子2の屈折率n=1.5)での反射率(100%を1とする比率)の計算結果を示す。図5(a)(d)での格子高さh=250nmであり、図5(b)(e)での格子高さh=200nmであり、図5(c)(f)での格子高さh=150nmである。

2次元格子の格子高さhが高い場合(h=250nm)、円錐形状が波長λ=500nmで低反射率を示す。しかし、波長λ=700nmもあわせて考えると、釣鐘A(h/h*=0.69)の方が低反射性に優れる。格子高さhが中程度の場合(h=200nm)、波長λ=500nm,700nmで円錐台A(h/h*=0.8),円錐台B(h/h*=0.6),釣鐘A(h/h*=0.69),及び釣鐘B(h/h*=0.48)の方が低い反射率を示す。格子高さhが低い場合(h=150nm)、円錐台A(h/h*=0.8),円錐台B(h/h*=0.6),円錐台C(h/h*=0.4),釣鐘A(h/h*=0.69),釣鐘B(h/h*=0.48),釣鐘C(h/h*=0.46),及び釣鐘D(h/h*=0.37)の方が低い反射率を示す。このように、h/h*を0.3〜0.9とすることで、格子高さhを低くしても低反射率の構造とすることが可能である。

《反射防止構造を有する光学系》
モスアイ(図9)等と呼ばれる微細構造の周期は、不必要な回折光が発生しないことを考慮して決められる。単純には、式:[使用波長]/[入射角度の正弦+光学素子の屈折率]で決められる周期以下であればよい。図7(a)の断面図で示すように、屈折率n(=1.5)の光学素子に対し入射角度α(=0,20,40,60,80°)で波長λ(=400,450nm)の光線が入射するとき、上記式に従って格子周期Λ(nm)を計算すると、その結果は表1に示すようになる。可視光線の場合、短い側の波長λ=400〜450nmを考慮すると、格子周期Λは150〜300nm以下であることが必要になる。また表1から明らかなように、入射角度αが大きいほど格子周期Λを小さくする必要がある。

また、図7(b)の上面図で示すように1次元格子に対する方位角θを定義すると、1次元格子(凸部1の断面形状:三角,周期Λ=250nm,格子高さh=250nm,光学素子2の屈折率n=1.5)に対する光線(入射角度α=40°)の方位角θと不要回折光発生率(100%を1とする比率)との関係は、図6のグラフ(実線:p偏光,破線:s偏光)に示すようになる。図6(a)での波長λ=400nmであり、図6(b)での波長λ=450nmであり、図6(c)での波長λ=500nmである。図6(a)〜(c)から分かるように、波長λが短くなるほど不要回折光が大きく発生する。したがって、短い波長λで不要回折光の発生を抑制するためには、回折格子の周期Λを小さくすることが必要となる。ここで注目したいのは、方位角θが大きい場合、つまり光線の入射面(plane of incidence)が1次元格子の山方向又は谷方向に対し、平行又は平行から30°程度以内(つまり方位角θ=60〜90°程度)であれば、不要回折光が発生しないことである。

したがって、1次元格子による反射防止構造を光学系の中で用いる場合、入射角度αが大きくなる方向に1次元格子の山又は谷を略平行に配置すれば、不要回折光の発生を防止することが可能である。言い換えれば、光学面に入射する光線による入射面のうち、その光学面に対して最大の入射角度を与える入射面に対し略垂直に、1次元格子の周期方向を設定すれば、反射防止構造を有する光学素子を備えているにもかかわらず、不要な回折光の発生を防止することができる。

2次元格子による反射防止構造を光学系の中で用いる場合には、入射角度αが大きくなる方向の格子周期を短くすることで上記と同様の効果が期待できる。つまり、凸部の周期的な配列が互いに異なる周期で互いに異なる方向に存在する2次元格子を光学系の中で用いる場合、光学面に入射する光線による入射面のうち、その光学面に対して最大の入射角度を与える入射面に対し略平行に、2次元格子の小さい方の周期方向を設定すれば、反射防止構造を有する光学素子を備えているにもかかわらず、不要な回折光の発生を防止することができる。

図8(a)に、反射防止構造をレンズ面に有する撮像レンズ装置の断面構成を模式的に示す。この撮像レンズ装置は、2枚のレンズ10,20から成る撮像光学系と、その像側に配置された撮像素子30と、で構成されている。レンズ10の像側のレンズ面12には、1次元格子から成る反射防止構造が設けられており、レンズ20の物体側のレンズ面21には、1次元格子から成る反射防止構造が設けられており、レンズ20の像側のレンズ面22には、2次元格子から成る反射防止構造が設けられている。

図8(b)に、撮像素子30を正面から見た状態を示す。図8(b)において、Xは撮像画面31の画面長辺方向を示しており、Yは撮像画面31の画面短辺方向を示している。また、図8(c)に、2枚のレンズ10,20を正面から見た状態を示す。図8(c)に示すレンズ面12,21において、vは1次元格子の山方向又は谷方向を示しており、図8(c)に示すレンズ面22において、xは2次元格子の小さい方の周期方向を示しており、yは2次元格子の大きい方の周期方向を示している。

図8(b)に示すように撮像画面31が縦横方向に扁平な矩形を成している場合、入射角度αが大きくなる方向は画面長辺方向Xとなる。したがって、この撮像レンズ装置においては、v方向が画面長辺方向Xに対して略平行となるようにレンズ面12,21が配置されるのが好ましく、x方向が画面長辺方向Xに対して略平行となり、かつ、y方向が画面短辺方向Yに対して略平行となるようにレンズ面22が配置されるのが好ましい。この配置により、上述した不要回折光防止効果が期待できる。

本発明に係る光学素子が有する微細凸部の断面形状を説明するための図。 6タイプの1次元格子の断面形状を示す図。 図2の1次元格子から成る反射防止構造の反射率を示すグラフ。 10タイプの2次元格子の断面形状を示す図。 図4の2次元格子から成る反射防止構造の反射率を示すグラフ。 1次元格子での入射光の方位角と不要回折光発生率との関係を示すグラフ。 1次元格子に対する入射角度と方位角を説明するための図。 本発明に係る撮像光学系が有する反射防止構造を説明するための模式図。 反射防止構造の従来例を示す斜視図。

符号の説明

1 凸部
2 光学素子
t 接線
α 入射角度
θ 方位角
10 レンズ(光学素子)
20 レンズ(光学素子)
12 1次元格子から成る反射防止構造を有するレンズ面(透過光学面)
21 1次元格子から成る反射防止構造を有するレンズ面(透過光学面)
22 2次元格子から成る反射防止構造を有するレンズ面(透過光学面)
30 撮像素子
31 撮像画面

Claims (4)

  1. 透過光学面表面に使用波長以下の周期で微細な凹凸を複数有する光学素子において、その微細な凸部の断面形状が以下の条件式(1)を満足することを特徴とする光学素子;
    0.3<h/h*<0.9 …(1)
    ただし、
    h:実際の凸部の高さ、
    *:凸部の断面において凸部の両側面の底に接する部分での接線が交わる点までの高さ、
    である。
  2. 透過光学面表面に使用波長以下の周期で微細な凹凸を複数有する光学素子において、その微細な凸部の周期的な配列が唯1つの方向についてのみ存在し、前記微細な凸部の断面形状が以下の条件式(2)を満足することを特徴とする光学素子;
    0.5<h/h*<0.9 …(2)
    ただし、
    h:実際の凸部の高さ、
    *:凸部の断面において凸部の両側面の底に接する部分での接線が交わる点までの高さ、
    である。
  3. 光学面表面に使用波長以下の大きさの微細な凸部を周期的な配列で複数有する光学素子を備えた光学系において、前記凸部の周期的な配列が唯1つの方向についてのみ存在し、その周期方向が、前記光学面に入射する光線による入射面のうち、該光学面に対して最大の入射角度を与える入射面に対し略垂直であることを特徴とする光学系。
  4. 光学面表面に使用波長以下の大きさの微細な凸部を周期的な配列で複数有する光学素子を備えた光学系において、前記凸部の周期的な配列が互いに異なる周期で互いに異なる方向に存在し、そのうちの小さい方の周期方向が、前記光学面に入射する光線による入射面のうち、該光学面に対して最大の入射角度を与える入射面に対し略平行であることを特徴とする光学系。
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