JP2006178147A

JP2006178147A - 高精度で、耐久性及び耐湿性に優れたサブ波長構造光学素子

Info

Publication number: JP2006178147A
Application number: JP2004370724A
Authority: JP
Inventors: Hideo Fujii; 秀雄藤井
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】高精度で、耐久性及び撥水性に優れたサブ波長構造光学素子を提供する。
【解決手段】本発明のサブ波長構造光学素子は、使用する光の波長よりも短い周期で格子状に配列された複数の凸部を有する基板を有し、前記凸部の表面に硬質膜が形成されており、前記硬質膜の表面に撥水膜が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高精度で、機械的耐久性及び耐湿性に優れたサブ波長構造光学素子に関する。

近年、使用する光の波長よりも短い格子周期で二次元配列されたサブ波長格子が開発されている。このようなサブ波長格子によれば、簡単な断面形状により材質に所望の光学的異方性や屈折率分布を持たせることができ、反射防止特性、偏光特性等の特性を持った高効率で多機能なサブ波長構造光学素子が得られる。

しかしながら、サブ波長格子は格子状に二次元配列された微細な凸部で形成されており、凸部は強く押すと簡単に破壊されてしまうため、所望の光学性能の維持が難しいという問題がある。また高温高湿な環境下でサブ波長格子の表面に水滴が生じると、サブ波長格子が乾燥した後でも水滴のあった部分に曇状の白いフローマークが残るという問題がある。フローマークを拭い取ろうとすると凸部が損傷していまい、サブ波長構造光学素子の光学性能が劣化してしまう。

これらの問題を解決するために、特開2003-172808号（特許文献１）は、プラスチック基板の少なくとも一方の表面に、微細な凹及び／又は凸を有し、その微細な凹及び／又は凸の表面に低表面エネルギーを有する膜（特にポリテトラフルオロエチレンからなる撥水皮膜）を有する反射防止構造体を開示している。しかしながら、反射防止構造体の耐久性を向上させる手段については何ら開示していない。

ところで、光学素子と異なる技術分野でも基板に硬度及び撥水撥油性を付与することが行われている。例えば特許3159780号（特許文献２）は、プラスチックフィルムの少なくとも片面に無機硬質膜を形成し、無機硬質膜の表面に炭素およびフッ素を含むガス中でプラズマ放電処理して微小な凹凸を形成した後、凹凸表面を親水化処理し、凹凸表面にシロキサン結合を介してフッ素を含む化学吸着単分子膜を形成する撥水撥油性フィルムの製造方法を開示している。しかしながら、この方法は無機硬質膜に凹凸を形成するため微細な加工が難しく、高精度の格子形状が要求されるサブ波長構造光学素子には適さない。

特開2003-172808号公報特許3159780号公報

従って本発明の目的は、耐久性及び撥水性に優れたサブ波長構造光学素子を提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、サブ波長構造光学素子の表面に硬質膜を形成し、さらにその上に撥水膜を形成することにより、耐久性及び撥水性に優れたサブ波長構造光学素子が得られることを発見し、本発明に想到した。

すなわち、本発明は以下の手段により達成される。
(1) 使用する光の波長よりも短い周期で格子状に配列された複数の凸部を有する基板を具備し、前記凸部の表面に硬質膜が形成されており、前記硬質膜の表面に撥水膜が形成されていることを特徴とするサブ波長構造光学素子。
(2) 上記(1)に記載のサブ波長構造光学素子において、前記基板が金属、半導体、セラミックス、ガラス又はプラスチックからなることを特徴とするサブ波長構造光学素子。
(3) 上記(2)又は(3)に記載のサブ波長構造光学素子において、前記凸部の高さが50〜1000 nmであり、前記凸部の周期が50〜1000 nmであり、前記硬質膜の物理膜厚が0.1〜100 nmであり、前記撥水膜の物理膜厚が0.1〜100 nmであることを特徴とするサブ波長構造光学素子。
(4) 上記(1)〜(3)のいずれかに記載のサブ波長構造光学素子において、前記凸部の高さと前記凸部の周期との比が１：0.3〜１：３であることを特徴とするサブ波長構造光学素子。
(5) 上記(1)〜(4)のいずれかに記載のサブ波長構造光学素子において、前記硬質膜が、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素、窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化クロム、窒化ジルコニウムからなる群から選ばれた少なくとも一種からなり、前記撥水膜が、フルオロカーボン、フルオロシラン、フルオロシラザンからなる群から選ばれた少なくとも一種からなることを特徴とするサブ波長構造光学素子。

本発明では高精度の格子形状を有する基板上に硬質膜及び撥水膜を形成しているので、高精度で、耐久性及び撥水性に優れたサブ波長構造光学素子が得られる。

(1) サブ波長構造光学素子
図１は本発明の一実施例によるサブ波長構造光学素子を概略的に示す断面図である。図示のサブ波長構造光学素子は、格子状に二次元配列された複数の凸部１からなるサブ波長格子を有する基板２と、凸部１の表面に形成された硬質膜３と、硬質膜３の表面に形成された撥水膜４とを具備する。凸部１は周期ｄで等間隔に二次元配列されている。

サブ波長構造光学素子は、使用する光の波長と比べて凸部１の周期ｄが短いときに反射防止効果を発揮する。主に可視光及び赤外光に対する反射防止効果が求められているため、凸部１の周期ｄは50〜1000 nmであるのが好ましく、100〜900 nmであるのがより好ましい。

凸部１の高さｈ（凸部１の最下部から撥水膜４の最上部までの距離）は50〜1000 nmであるのが好ましく、100〜900 nmであるのがより好ましい。凸部１の高さｈが1000 nm超であると、低強度で、耐久性に欠ける。また凸部１の高さｈが50 nm未満であると、十分な反射防止効果が得られない。

凸部１の高さｈと凸部１の周期ｄとの比ｈ／ｄが大きいほど反射防止効果は大きいが、高さｈが大きすぎると耐久性に欠けるため、その比は0.33〜3.33であるのが好ましい。ｈ／ｄが3.33超であると、反射防止効果は大きいが、凸部１の耐久性が弱く、ｈ／ｄが0.33未満であると、十分な反射防止効果が得られない。以下、各部位について詳細に説明する。

(a) 基板
サブ波長構造光学素子に用いる基板２は、金属、半導体、セラミックス、ガラス又はプラスチックからなるのが好ましい。金属としてアルミニウム等が挙げられ、半導体としてシリコン等が挙げられ、セラミックスとしてアルミナ焼結体等が挙げられ、ガラスとしてBK7，F2，SF1等が挙げられ、プラスチックとしてポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート等が挙げられる。

基板２の凸部１の形状は、特に制限はないが、反射防止効果を得るためには、ほぼ四角錐形、三角錐形、円錐形等の錐体形状であるのが好ましく、ほぼ円錐形であるのがより好ましい。

(b) 硬質膜
凸部１の表面に硬質膜３を形成する。硬質膜３の物理膜厚は0.1〜100 nmであるのが好ましく、0.5〜90 nmであるのがより好ましい。硬質膜３の物理膜厚が100 nmを超えると、サブ波長構造光学素子の光透過性が悪くなる。また硬質膜３の物理膜厚が0.1 nm未満であると、十分な耐久性は得られない。

硬質膜３は、格子状凸部の精度を低下させることなく基板表面を高硬度化して、耐久性を向上させる材質であれば特に限定されないが、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素、窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化クロム及び窒化ジルコニウムからなる群から選ばれた少なくとも一種からなるのが好ましい。

(c) 撥水膜
硬質膜３の表面に撥水膜４を形成する。撥水膜４の物理膜厚は0.1〜100 nmであるのが好ましく、0.2〜20 nmであるのがより好ましい。撥水膜４の物理膜厚が100 nmを超えると、サブ波長構造光学素子の光透過性が悪くなる。また撥水膜４の物理膜厚が0.1 nm未満であると、十分な撥水性は得られない。

撥水膜４は、格子状凸部の精度を低下させることなく撥水性を付与するものであれば特に限定されないが、フッ素系樹脂が好ましい。なかでも、フルオロカーボン、フルオロシラン及びフルオロシラザンからなる群から選ばれた少なくとも一種からなるのがより好ましい。

(2) サブ波長構造光学素子の製造方法
本発明のサブ波長構造光学素子のサブ波長格子は、反転形状の凹部を有する成形用金型を用いて射出成型することにより形成することができる。またマスターマザー法により、凸部１と反転形状の凹部を有するパターン型を用いて、基板２の表面に凸部１を転写することもできる。特に射出成型法によれば、所定の形状の微細な凸部１を表面に有する基板２を安価に量産できる。

凸部１の表面に硬質膜３を形成する。硬質膜３の形成方法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法等の物理成膜法及びCVD法等の化学成膜法が好ましい。中でも、高エネルギーのイオンが生成され、凸部１の微細な隙間にまで硬質膜成分イオンが入り込んで緻密に付着することができるイオンプレーティング法及びCVD法が特に好ましい。

最後に硬質膜３の表面に撥水膜４を形成する。撥水膜４の形成方法は硬質膜３の形成と同じ方法を用いることができる。

以下、本発明を具体的実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１
サブ波長構造光学素子の基板２として、市販のポリカーボネート製反射防止構造体を使用した。基板２は約10 mm×10 mm×１mmの正方形の板状であった。サブ波長格子の凸部１は円錐形状であった。

サブ波長構造光学素子の凸部１の表面に、低電圧高電流イオンプレーティングにより、物理膜厚3.8 nmの窒化クロムからなる硬質膜３を形成し、さらにCVD法により、物理膜厚5.6 nmのパーフルオロメチルシランからなる撥水膜４を形成した。凸部１の周期dは約300 nmであり、凸部１の高さｈは約330 nmであった。得られたサブ波長構造光学素子に、光がほぼ垂直入射したときの分光反射率を測定した。

比較例１
硬質膜及び撥水膜を形成せずにサブ波長構造光学素子の基板２をそのまま用いて、光がほぼ垂直入射したときの分光反射率を測定した。

図２は実施例１及び比較例１の測定結果を示す。実施例１及び比較例１の分光反射率は可視光全帯域で良好な値であり、それぞれの波長400〜700 nmにおける分光反射率の平均値である可視域平均反射率は、実施例１及び比較例１ともに0.29％であった。これらの結果から、窒化クロム硬質膜及びパーフルオロメチルシラン撥水膜をサブ波長構造光学素子の表面に形成しても、サブ波長構造光学素子の反射防止特性は劣化しないことが分かった。

硬度テストとして、実施例１及び比較例１のサブ波長構造光学素子の表面を、それぞれレンズクリーニングペーパー（ダスパーＲシンボル紙）で10往復擦った後、サブ波長構造光学素子の傷の状態を比較した。さらに耐湿性テストとして、温度が65℃で湿度が95%RHの環境下に実施例１及び比較例１のサブ波長構造光学素子を72時間保持した後、室温まで戻し、立てた状態の光学素子表面に結露をさせることにより、光学素子表面でのフローマークの有無を比較した。結果を表１に示す。

表１から分かるように、本発明のサブ波長構造光学素子は、従来のサブ波長構造光学素子に対し、可視域における平均反射率が同等でありながら、硬度と耐湿性に優れていることが分かる。

本発明の一実施例によるサブ波長構造光学素子を概略的に示す断面図である。サブ波長構造光学素子の分光反射率を示すグラフである。

符号の説明

１・・・凸部
２・・・基板
３・・・硬質膜
４・・・撥水膜

Claims

使用する光の波長よりも短い周期で格子状に配列された複数の凸部を有する基板を具備し、前記凸部の表面に硬質膜が形成されており、前記硬質膜の表面に撥水膜が形成されていることを特徴とするサブ波長構造光学素子。
請求項１に記載のサブ波長構造光学素子において、前記基板が金属、半導体、セラミックス、ガラス又はプラスチックからなることを特徴とするサブ波長構造光学素子。
請求項１又は２に記載のサブ波長構造光学素子において、前記凸部の高さが50〜1000 nmであり、前記凸部の周期が50〜1000 nmであり、前記硬質膜の物理膜厚が0.1〜100 nmであり、前記撥水膜の物理膜厚が0.1〜100 nmであることを特徴とするサブ波長構造光学素子。
請求項１〜３のいずれかに記載のサブ波長構造光学素子において、前記凸部の高さと前記凸部の周期との比が１：0.3〜１：３であることを特徴とするサブ波長構造光学素子。
請求項１〜４のいずれかに記載のサブ波長構造光学素子において、前記硬質膜が、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素、窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化クロム及び窒化ジルコニウムからなる群から選ばれた少なくとも一種からなり、前記撥水膜が、フルオロカーボン、フルオロシラン及びフルオロシラザンからなる群から選ばれた少なくとも一種からなることを特徴とするサブ波長構造光学素子。