JP2007171857A - 光学素子および光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の入射角の広い範囲にわたり有効な反射防止効果を有する光学素子の実現を課題とする。
【解決手段】光透過性材料による光学素子であって、素子面の少なくとも一部に、反射防止機能をもたせるため、屈折率が上記素子面に直交する方向へ連続的に変化する領域が、周期的な微細構造による表面構造として形成され、周期的な微細構造の凹凸方向の素子面に対する角が、素子面への光の入射方向に応じて素子面上の位置により異なり、各位置における凹凸方向が、光の入射方向もしくは射出方向に対して±１５度以内の角度に設定されている。
【選択図】図１

Description

この発明は光学素子および光走査装置に関する。

ガラスやプラスチック等の透光性基板を用いた光学素子の、表面反射による光減衰を軽減させ、あるいは反射光が迷光として作用するのを防止するため、光入射面に反射防止層を設けることが従来から行われている。反射防止層としては薄膜誘電体を重畳させた多層膜構造のものが良く知られているが、光学素子表面に「周期的な微細構造」として反射防止層を形成する方法が知られている。

一般に、光学素子表面に「周期的な微細構造」を設けた場合、光が微細構造を透過するときに回折が発生して透過光の直進成分を大幅に減少させる。しかし、微細構造のピッチが「微細構造を透過する光の波長より短く」なると回折は発生せず、例えば「微細構造をなす凹凸の断面形状を矩形波状とする」と、凹凸のピッチや深さ等に対応する特定波長の光に対して有効な反射防止効果を得ることができる。

また、微細構造を「微小な錐形状の２次元的な配列」で構成し、光学素子表面に直交する方向へ「素子材料と空気の体積比」が連続的に変化するようにすると、広い波長域の光に対して反射防止効果を得られることが知られている（特許文献１）。そして、このような微細構造を作製する方法も従来から種々の方法が提案されている（特許文献２〜５）。

ところで、光学素子への光の入射角は光学素子の用途に応じて異なる。例えば、半透過膜を２枚の平行平板で挟持したビームスプリッタを考えると、この場合の入射角は、素子面に対して４５度である。

あるいは、また、ポリゴンミラーで光束を偏向させる光走査装置における走査結像光学系として「ポリゴンミラー側に凸の長尺レンズ」を考えると、この長尺レンズに入射する偏向光束の入射角は、偏向角に応じて変化するが、それとともに、長尺レンズのレンズ面の曲がりに応じても変化する。このような場合、長尺レンズへの入射角は、主走査方向における中央部では０度（光軸に平行）であるが、レンズ周辺では６０度を超える場合も珍しくはない。

光走査装置においては、光学系のレイアウト上、偏向光束の光路を折り曲げるために長尺の平面鏡が用いられることが多いが、このような平面鏡（鏡面保護のため、透明基板の裏面側を反射面とし、透明基板の表面側から偏向光束を入射させ、透明基板を透過した光を反射面で反射させるように構成されることが多く、上記表面側に反射防止層を形成することが行われる。）においても、偏向光束の入射角は入射位置に応じて変化する。

上述の「周期的な微細構造」の反射防止効果は、光の入射角に対する依存性があり、従来から提案されている微細構造は、上の例のように、入射角が大きい場合や、入射角が入射位置によって変化する場合に十分な反射防止効果を実現できない。特に、上記の「長尺の平面鏡」や長尺レンズの場合には、入射角の変動範囲が大きくなると、それに応じて反射防止効果も変動し均一にならない。

特許第３３６８２２５号公報 特開２００４−１２８５６ 特開２００３−４３２０３ 特開２００４−５０７９２ 特開２００３−３４０８４４

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、光の入射角の広い範囲にわたり有効な反射防止効果を有する光学素子の実現を課題とする。この発明はまた、上記光学素子を有する光走査装置の実現を課題とする。

この発明の光学素子は、光透過性材料による光学素子であって、素子面の少なくとも一部に、反射防止機能をもたせるため「屈折率が素子面を離れる方向へ連続的に変化する領域」が周期的な微細構造による表面構造として形成されている。
「屈折率が素子面を離れる方向へ連続的に変化する」とは、素子面から離れるに連れて屈折率が急峻でなく滑らかに変化することを意味する。「急峻な屈折率変化」は、その部分で反射を引き起こすのでこれを避けるために「屈折率の滑らかな変化」が必要である。

請求項１記載の光学素子は以下の如き特徴を有する。
即ち「周期的な微細構造の凹凸方向の素子面に対する角」が、素子面への光の入射方向に応じて素子面上の位置により異なり、各位置における上記凹凸方向が、光の入射方向もしくは射出方向に対して±１５度以内の角度に設定されている。例えば「光の入射方向に対して±１５度以内の角度」というのは、凹凸方向が入射方向に平行となる場合を０度として、その両側の１５度の範囲である。

「素子面」は、光学素子において「光が入射および／または射出する面」である。素子面は、例えば、光学素子がレンズである場合はレンズ面であり、光はレンズ面に入射し、レンズ面から射出する。また「透明板の一方の面に反射膜を形成し、他方の面から光を入射させ、反射膜で反射された光を上記他方の面から射出させるような光学素子（反射光学素子）」の場合であれば上記他方の面は「光が入射および／または射出する面」である。

周期的な微細構造の「凹凸方向」は、凹凸における「凸部の突出する方向」であり、素子面（微細構造が無いと考えた場合の素子面）の法線と一致する場合も、異なる場合もある。
「凹凸方向の素子面に対する角」は、微細構造が無いと考えた場合の素子面に直交する方向（法線方向）に対して凹凸方向がなす角をいう。

例えば、上述した光走査装置の長尺レンズの場合、長尺レンズへの偏向光束の入射位置に応じて、周期的な微細構造の凹凸方向の素子面（レンズ面）に対する角を変化させることにより、偏向光束の各入射位置において、微細構造の凹凸方向が入射方向に対して±１５度以内となるようにできる。長尺レンズの射出側のレンズ面においても同様である。

請求項２記載の光学素子は以下の如き特徴を有する。
即ち「周期的な微細構造の凹凸方向が素子面に直交する方向に対して傾き、凹凸方向が光の入射方向もしくは射出方向に対して±１５度以内の角度に設定され」ている。この請求項２記載の光学素子の場合には、凹凸方向の素子面に対する角は、素子面上のいたる所で同一であってもよい。例えば、上に例示した「ビームスプリッタ」の場合であれば、入射角あるいは射出角は４５度であるから、入射側面および／または射出側面に形成する周期的な微細構造の凹凸方向を、素子面に対して３０〜６０度の範囲に設定すれば「凹凸方向を光の入射方向もしくは射出方向に対して±１５度以内の角度に設定」できる。

上記請求項１または２記載の光学素子における「周期的な微細構造」は、サブ波長オーダーの格子型凹凸形状（請求項３）、あるいは「サブ波長オーダーの錐形状の２次元的な配列（請求項４）」であることができる。

請求項４の場合においては、サブ波長オーダーの錐形状の２次元的な配列による微細構造は、ピッチ：Ｐ、凹凸方向における凸部の高さ：Ｈ、光学素子材料の屈折率：ｎが、使用波長：λに対して条件：
（１） λ＞ｎＰ
（２） λ＜２．５Ｈ
を満足することが好ましい。条件（１）、（２）は「錐形状による微細構造において高い反射防止効果を発揮する条件」である。
「錐形状」は、円錐形状、三角錐形状、四角錐形状、多角錐形状等である。

上記請求項１または２記載の光学素子における「周期的な微細構造」として「サブ波長オーダーのラインアンドスペースの凹凸形状」であることもできる（請求項６）。ラインアンドスペースの凹凸形状による微細構造は、錐形状による微細構造に比べると反射防止効果において若干劣るが、作製が容易で製造コストを低減できるメリットがある。

請求項１〜６の任意の１に記載の光学素子は、成形によって製造されることが好ましい（請求項７）。請求項１〜７の任意の１に記載の光学素子は「光走査装置の走査用レンズとして構成」することができる。
この発明の光走査装置は、上記請求項１〜８の任意の１に記載の光学素子を搭載したものであることを特徴とする。

発明者らは「微細構造の反射防止効果と入射角との関連」を研究した結果、微細構造の凹凸方向が入射方向に対し±１５度以内の範囲にあれば、良好な反射防止効果を実現できることを見出し、この発明を完成したものである。

即ち、図９を参照すると、この図は、凹凸による微細な周期構造に光を入射させるときの入射角（横軸）に対する反射率（縦軸 単位：％）の変化を示している。この図からわかるように、入射角が１５度より小さければ反射率は１％よりも十分に小さいが、入射角が１５度を超えると、入射角の増大に伴い、反射率が急速に大きくなって反射防止効果は急激に劣化する。

図９の結果は、屈折率：１．５２５の平行平板の平坦な面に、円錐径状の突起（円錐底面の直径：Ｄ＝１５０ｎｍ、円錐高さ：Ｈ＝２００ｎｍ）をピッチ：Ｐ＝２５０ｎｍで２次元的に配列したものに、波長：６００ｎｍの可干渉な単色光を、入射角を変化させて入射させ、反射率を測定した結果である。円錐形状の突起の向き、即ち「凹凸方向」は上記平坦な面に直交する方向である。

上記平行平板の屈折率を１．４〜１．７の範囲内において種々変化させて、実験を行ったが、図９に示す結果は実質的に変化しなかった。一般に「光学材料の屈折率」の範囲は上記１．４〜１．７の範囲と重なり合うので、この発明の反射防止機能を持つ光学素子は「上記屈折率範囲に含まれる屈折率を有する全ての材料（ガラス、樹脂）」による光学素子として実施することができる。

光学素子の形態も、一般的なレンズのみならず、回折光学素子（フレネルレンズ）、マイクロレンズアレイ、光ホログラム・光ディスク等の光情報記録媒体、光ディスク読取り及び書込み装置に用いられるピックアップレンズ等が可能であり、種類・形状を問わず「反射防止機能を必要とする全ての光学素子」として実施できる。

光学素子の素子面に「微細構造を表面形状として形成」することは、射出成形により光学素子の成形と同時に行う方法や、熱プレス成形、熱インプリント成形、光インプリント成形などを幅広く利用できる。微細構造を形成する素子面の形状も、平面、球面、非球面、自由曲面等あらゆる形状が可能である。

上記の如く、この発明の光学素子は、凹凸による微細構造の凹凸方向を、光の入射方向に対して±１５度以内の範囲に設定したので、光の入射角に関わらず良好な反射防止効果を実現でき、表面反射による光減衰を有効に軽減させ、あるいは反射光が迷光として作用するのを有効に防止できる。また、この発明の光学素子は「高透過率」であるから明るい光学系を実現できる。

以下、実施の形態を説明する。
図１は、光学素子の実施の１形態を説明するための図である。

光走査装置用の走査結像光学系に用いられる「走査用レンズ」である長尺レンズ１は、図１（ａ）に示すように「短冊形のレンズ」で、レンズ面１Ａは入射側面、レンズ面１Ｂは射出側面である。長尺レンズ１は「長手方向を光走査の主走査方向に対応」させ、幅方向を「副走査方向に対応」させて配設される。長尺レンズ１は成形により形成され、レンズ面１Ａ、１Ｂを縁取るように補強用のリブが形成されている。

長尺レンズ１は、入射側面であるレンズ面１Ａの側を光偏向器の側にして設けられ、図１（ｂ）に示すように、偏向光束Ｌが偏向しつつ入射側面１Ａに入射する。このとき、入射側面１Ａは「偏向光束が入射する側（図の上方）に向かって凸」であり、入射側面１Ａの法線ｎｒは「偏向光束の入射位置に応じて変化」する。即ち、入射側面１Ａに立てた外向き法線ｎｒは、主走査方向のレンズ中央部では図の上方を向き、偏向光束の入射方向に一致するが、入射位置が主走査方向の周辺部（図の左右方向の端部）に近づくにつれて、右回りまたは左回りに向きが変化する。

一方、偏向光束Ｌの長尺レンズ１への入射角は、入射位置に応じて変化する。便宜上、偏向光束の偏向が、図１（ｂ）において左側端部で開始し、右側端部で終了するものとし、レンズ面１Ａへの入射角を「入射位置においてレンズ面に立てた外向き法線ｎｒから入射光束の主光線へ向かって計る」ものとし、右回りに計るときを「正」、左回りに計るときを「負」とすると、偏向光束Ｌの偏向の開始側では入射角は「正」であり、主走査方向の中央部で「０」となり、終了側の端部では「負」になる。

レンズ面１Ａには「サブ波長オーダーの錐形状の２次元的な配列」による周期的な微細構造が形成されている。この微細構造を図１（ｂ）において、符号ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３で示す。これらは、実際の寸法を無視して拡大して、レンズ面とは独立させて描いてある。以下の図においても同様である。微細構造をなす「錐形状」は円錐形状である。

微細構造ＳＴ２は、長尺レンズ１のレンズ面１Ａの「主走査方向中央部１Ａ２」の近傍に形成された微細構造であり、凹凸方向は「偏向光束の入射方向」と平行になっている。即ち、微細構造ＳＴ２の凹凸方向は「偏向光束の入射方向に対して０度」である。

微細構造ＳＴ１、ＳＴ３は、長尺レンズ１の長手方向（主走査方向）の端部１Ａ１、１Ａ３の近傍に形成された微細構造であり、それぞれ、凹凸方向を、偏向光束Ｌの入射方向に近づけることにより「凹凸方向が、偏向光束Ｌの入射方向に対して±１５度以内の範囲内」となるようにしている。

なお、原理的には微細構造における凹凸方向を、図１（ｂ）の左右方向において連続的に変化させれば、偏向光束の全ての入射位置において、上記凹凸構造が「偏向光束の入射方向に対して０度」となるようにすることもできるが、そのような微細構造の形成は必ずしも容易でない。

説明中の実施の形態では、レンズ面１Ａを長手方向に複数の領域に分け「領域ごとの微細構造の凹凸方向を同一としつつ、同一領域内での凹凸方向が入射方向に対して±１５度以内になる」ようにしている。例えば、入射面１Ａの端部に形成された微細構造ＳＴ１においては、凹凸方向は円錐形状ごとに同一であるが、偏向光束Ｌの入射方向に対しては±１５度以内の範囲にある。

しかし、レンズ面１Ａが曲率を有するので、凹凸方向のレンズ面１Ａに対する角は「偏向光束Ｌの入射方向」に応じて、レンズ面１Ａ上の位置により異なる。
図１（ｃ）に、長尺レンズ１の長手方向端部１Ａ３の部分における「円錐形状の２次元的な配置のイメージ」を説明図的に示す。

具体的に説明すると、長尺レンズ１を、日本ゼオン社製の熱可塑性非晶性樹脂であるシクロオレフィンポリマー「Ｚｅｏｎｅｘ（商品名）」を材料として成形により作製した。
「Ｚｅｏｎｅｘ」の物性は以下の如くである。

ＭＦＲ：２０ｇ／１０ｍｉｎ（２８０℃） 試験方法：ＪＩＳ Ｋ６７１９
ＨＤＴ：１２３℃（１８．６ｋｇｆ、アニール無し） 試験方法：ＡＳＴＭ Ｄ６４８
ガラス転移温度：１３８℃ 試験方法：ＪＩＳ Ｋ７１２１
屈折率：ｎ＝１．５２５ 試験方法ＡＳＴＭ Ｄ５４２ 。

長尺レンズ１の形状寸法は以下の通りである。
主走査方向中央部のレンズ厚さ：Ｈａ＝１４ｍｍ
主走査方向端部のレンズ厚さ：Ｈｕ＝７ｍｍ
副走査方向のレンズ幅：ＤＬ＝１４ｍｍ
主走査方向の長さ：ＬＬ＝２２０ｍｍ
レンズ面１Ａの副走査方向における有効領域：ｄ＝８ｍｍ
レンズ面１Ａの主走査方向における有効領域：ｌ＝１８０ｍｍ 。

このような長尺レンズ１を、光走査装置における走査結像光学系の一部として、図２の如くに配置した。図２において、符号３は光偏向器であるポリゴンミラー、符号２は「長尺レンズ１とともに走査結像光学系をなす他の走査用レンズ」を示す。

ポリゴンミラー３により偏向された偏向光束Ｌは、図の如く、走査用レンズ２を透過し、偏向しつつ長尺レンズ１に入射する。このとき、主走査方向の端部１Ａ１、１Ａ３におけるレンズ面１Ａへの入射角は端部１Ａ１において＋４５度、端部１Ａ３において−４５度である。

長尺レンズ１のレンズ面１Ａを長手方向に３分割して、これら分割領域に微細構造ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３を形成し、レンズ面１Ａの「どの入射位置」においても、微細構造の凹凸方向が、偏向光束の入射方向に対して±１５度以内になるようにした。この場合を「具体例（図２において「実施例１」）」と称する。

比較例１として「レンズ面１Ａに微細構造を形成しない場合」、比較例２として「レンズ面１Ａに形成した微細構造ＳＴ４の凹凸方向が、レンズ面１Ａ上のいたる所で、レンズ面に直交する場合」につき、具体例とともに反射防止効果を調べた。

なお「具体例」および比較例２において、微細構造を構成するのは円錐形状の２次元的な配列であり、個々の円錐形状は、円錐底面の直径：Ｄ＝１５０ｎｍ、円錐高さ：Ｈ＝２００ｎｍ、ピッチ：Ｐ＝２５０ｎｍである。

先に説明したように、錐体形状の２次元的な配置による微細構造では、ピッチ：Ｐ、凹凸方向における凸部の高さ：Ｈ、光学素子材料の屈折率：ｎが、使用波長：λに対して条件：
（１） λ＞ｎＰ
（２） λ＜２．５Ｈ
を満足することにより「高い反射防止効果」が発揮される。
具体例においては、円錐形状のピッチ：Ｐ＝２５０ｎｍ、屈折率：ｎ＝１．５２５、凹凸方向における凸部の高さ：Ｈ＝２００ｎｍであるから、条件（１）を満足する波長：λは３８０ｎｍ以上、条件（２）を満足する波長：λは波長：８００ｎｍ以下である。

従って、上記「具体例」の長尺レンズ１のレンズ面１Ａは、波長：３８０ｎｍ〜８００ｎｍの広い波長範囲にわたって良好な反射防止機能を発揮する。

なお、光走査装置において光源として用いられるレーザ光源（半導体レーザ等）は、実質的な単色光であるので、レーザ光の単色波長について条件（１）、（２）を満足するピッチ：Ｐ、高さ：Ｈ、屈折率：ｎには広い自由度が与えられる。従って、微細構造設計の自由度が高い。

「具体例」では、微細構造ＳＴ１〜ＳＴ３における凹凸方向が偏向光束の入射方向に対して±１５度以内であるので、レンズ面１Ａのいたる所で、反射率：０．２％程度であり、良好な反射防止効果を確認できた。
比較例１では、レンズ面１Ａが微細構造を持たないため、レンズの樹脂材料（上記「Ｚｅｏｎｅｘ」）と空気層の屈折率差により反射率は４％程度と大きくなる。

比較例２では、微細構造の凹凸方向がレンズ面１Ａに対して直交するので、光軸を離れた部分では凹凸方向が偏向光束の入射方向に対して±１５度より大きくなる領域が存在し、このような領域では、微細構造による反射防止効果が劣化して１．５％程度の反射率となる。

従って、具体例の如き微細構造を、走査用レンズのレンズ面に適宜に適用することにより、ゴースト光の発生を有効に軽減でき、ゴースト光の影響（書込み画像に「黒い筋」となって現れる。）を有効に防止することができる。

長尺レンズ１の製造につき簡単に説明する。
具体例の長尺レンズは射出成形により製造した。
光学素子である長尺レンズ１の「レンズ面１Ａの反転形状」の成形面を形成し、成形面にエッチング速度傾斜材料からなる層を形成し、この傾斜材料層を「マスクを介してエッチング」して成形面に「多数の微細な凹部（円錐形状に対応する）の２次元的な配列」を形成してレンズ面１Ａ成形用の金駒とした。図１（ｄ）は、この金駒４を説明図的に示している。符号４Ａで示す部分が上記「成形面」であり、この成形面には微細構造ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３にそれぞれ対応する微細な凹部の２次元的な配列ＳＴ１０、ＳＴ２０、ＳＴ３０が形成されている。

他方のレンズ面１Ｂの反転形状を成形面として有するレンズ面１Ｂ用の金駒（図示されず。）を作製し、これらの金駒を用いて、前記Ｚｅｏｎｅｘを射出成形することにより、長尺レンズ１を製造した。
射出成形装置としては「ファナック社製の超高速射出成形機 ＳＵＰＥＲＳＨＯＴ１００ｉ」を用いた。金型は使用樹脂材料：Ｚｅｏｎｅｘのガラス転移温度直下の１３５℃になるようにカートリッジヒーターで加熱しておき、ガスベントから真空ポンプによりキャビティ内を脱気したのちキャビティに溶融樹脂を高速充填する。金型を使用樹脂材料のガラス転移温度以下である１３５℃の温度に保持するように、カートリッジヒーターの温度を調節しておく。

固化したプラスチック成形品である長尺レンズ１を、成形品取出し装置を用いて金型から取出し、室温放冷する。なお、高速充填させることで型からの冷却を防止し、充填時間を短縮することで低粘度な樹脂に保圧を付与でき、高速転写成形を実現できる。また、キャビティ内を、樹脂充填前に脱気しておくことで残留ガスがなくなり、金駒成形面における微細構造の凹凸の末端まで樹脂を充填できる。

説明中の例では、光学素子材料を「シクロオレフィンポリマー」としたが、これに限らず、熱可塑型樹脂、熱硬化型樹脂、光硬化型樹脂など、光学素子材料として使用可能な全てのプラスチックを使用可能である。即ち、表面に反射防止を目的に微小な円錐形状の２次元的な配列を「凹凸方向が入射方向に対して±１５度以内となる」ように形成できる材料であればよく、例えばＰＣ、ＰＭＭＡ等の光学樹脂は好適である。

図４は、光走査装置の実施の１形態を示している。
図示の簡単のために、ポリゴンミラー４５から被走査面５０に至る部分は、光路を仮想的に展開し、同一面に描いてある。

光源である半導体レーザ４１から放射された発散性のレーザ光は、カップリングレンズ４２によりカップリングされて平行光束となり、シリンダレンズ４３の作用により副走査方向（図面に直交する方向）にのみ収束され、ミラー４４により反射されてポリゴンミラー４５に入射し、ポリゴンミラー４５の回転により偏向され、走査結像光学系をなす走査用レンズ４６、４７を透過したのち光路折曲げミラー４８により光路を折曲げられて被走査面４９上に光スポットとして集光し、被走査面４９を光走査して画像書込みを行う。被走査面４９は実体的には「光導電性感光体の感光面」である。

走査用レンズ４６、４７や光路折曲げミラー４８への偏向光束の入射角は、偏向に伴い、これら光学素子の「素子面上の位置」により異なるので、これら光学素子の１以上の素子面、例えば走査用レンズ４７の入射側レンズ面等に、上記実施の形態において長尺レンズ１のレンズ面１Ａに即して説明した「凹凸方向の素子面に対する角が、素子面への光の入射方向に応じて素子面上の位置により異なり、各位置における上記凹凸方向が、光の入射方向もしくは射出方向に対して±１５度以内の角度に設定された周期的な微細構造」を形成することによりこれらの素子面による反射を有効に抑制して、フレア、ゴースト光などの問題がなく、高透過特性で省電力な光走査を実行することができ、フレアやゴースト光による画質の劣化のない良好な画像を形成することができる。

図３は、光学素子の実施の別形態を説明するための図である。
図３に実施の形態を示す光学素子３０は「プリズム光学素子」で直方体形状であり、図の左上面が入射面３１、右下面が光の出射面３２であり、光線（レーザビーム）は図の如く、入射面３１から入射し、射出面３２から射出する。
入射面３１への光線の入射角は３０度、射出面３２に対する射出角も３０度である。
入射面３１には「三角錐の２次元的な配列」による微細構造ＳＴ３１が形成され、射出面３２には「三角錐の２次元的な配列」による微細構造ＳＴ３２が形成されて反射防止層となっている。これら微細構造ＳＴ３１、ＳＴ３２（拡大して入・射出面から離して描いている。）は、これらを構成する個々の三角錐の凹凸方向（錐線方向）が、入射面３１、射出面３２に対して３０度に傾けられ、光線の入射方向、射出方向に対して平行となっている。従って、入射面３１、射出面３２での反射が有効に防止される。

具体的に説明すると、プリズム光学素子３０の材料は、図１に即して説明した実施の形態の場合と同じく「シクロオレフィンポリマー：Ｚｅｏｎｅｘ」である。微細構造ＳＴ３１、ＳＴ３２の三角錐の２次元的な配列において、三角錐のピッチ：Ｐ＝３５０ｎｍ、高さ（凹凸方向の突起長さ）：Ｈ＝３００ｎｍであり、前記条件（１）、（２）を満足する波長の範囲は５３０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲であり、この波長範囲の光に対して良好な反射防止効果を発揮する。

図５は、光学素子の実施の他の形態を説明するための図である。
図５に示す光学素子（上図は断面図、下図は平面図である。）５０は無反射板である。図５上図の断面図において、無反射板５０の上面が入射面５１であり、上面５１から下面５２に向かって光（レーザビーム）が透過する。

無反射板５０の材質はＰＭＭＡ樹脂で、具体的には三菱レイヨン社製の熱可塑性非晶性樹脂「アクリペット（商品名）」である。

「アクリペット」の物性は以下の如くである。

ＭＦＲ：２１ｇ／１０ｍｉｎ（２３０℃、３７．３Ｎ）
試験方法：ＡＳＴＭ Ｄ１２３８」
ＨＤＴ：９０℃（１．８２ＭＰａ） 試験方法：ＡＳＴＭ Ｄ６４８
屈折率：ｎ＝１．４９０ 試験方法：ＪＩＳ Ｋ７１４２ 。

無反射板５０の入射面における微細形状は、図５下図に示すように「ラインアンドスペース形状」をなしている。「ラインアンドスペースによる微細構造」は、錘体形状の２次元的な配列による微細構造と比べて、素子面を離れる方向における屈折率の変化が若干劣るが、微細構造の加工し易さの点では有利である。

この実施の形態において、無反射板５０の入射面５１への光の入射角は５０度であり、これに合わせて、微細構造における凹凸方向も入射面５１の法線方向に対して５０度に設定し、凹凸方向が入射方向に平行になるようにしている。従って、入射光に対して高い反射防止機能を発揮できる。

具体的には、ラインアンドスペースによる凸部のピッチ：Ｐ＝３００ｎｍ、高さ（凹凸方向の突起長さ）：Ｈ＝３００ｎｍとしている。

図６は、図５に示す光学素子５０の成形による製造方法を説明図として示している。
図６（ａ）に示すように、ラインアンドスペースによる微細構造の反転パターンを有する平板部材６０を「スタンプ型」としてホットインプリントにより製造する。平板部材６１で上型６０を支持し、無反射板となるべき樹脂シート５０Ａを下型６２で支持する。

符号６３、６４で示すガイドピンは、上型６１、下型６２に対して「微細構造における凹凸方向に合わせて傾斜」させており、図６（ｂ）に示すように、上型６０を下型６２に対してガイドピンの方向へ変位させて型抜きを行うことにより、微細構造の凹凸方向が入射面の法線方向に対して５０度という大きな傾斜角を有するにも拘わらず、微細構造の形状を変化させずにアンダカットなしに離型を行うことができる。

このように、微細構造を成形する工程をホットインプリントにより行うと、汎用のプレス装置により簡易に微細構造を形成することができるので、光学素子５０を低コストで実現できる。

図５に示した無反射板はまた「光硬化型樹脂に対して多光子吸収を行わせる光造形」によっても作製することができる。即ち、光源からの光を、ミラースキャナを介してレンズにより光硬化型樹脂中に集光させ、２光子吸収を誘起させる。これにより焦点近傍のみにおいて樹脂を硬化させて硬化した樹脂により微細構造を持つ無反射板５０を得る。他にも光源からの光を集光させた後、Ｚステージとガルバノミラーを高速に走査することにより樹脂中の任意の位置に集光スポットを移動させる方式でもよい。

２光子吸収は非線型光学現象の１つであり、２光子を同時に吸収することによって「照射させた光の２倍のエネルギーに相当する吸収」が生じる現象である。このような製法で製造する光学素子の材料としては「アクリルおよびメタアクリルのフリーラジカル重合可能な部分」などが好適である。

２光子吸収による製造方法は「型の転写による成形」でないため、離型におけるアンダカット等の問題がなく、ラインアンドスペース形状のみならず、前述の錐体形状の２次元的な配列による微細構造をも容易に成形することができ、安定した歩留まりで光学素子を製造することができる。

周期的な微細構造は、上に説明した縁錐形状の２次元配列やラインアンドスペース形状の他にも種々のパターンのものが可能である。例示すると、図７に示す「三角錐の稠密配置」、「四角錐の稠密形状」や「格子型」等が可能である。

図１の実施の形態では、光学素子として「走査用レンズ」としての長尺レンズを示したが、この発明の光学素子は、長尺レンズ以外のレンズとしての実施も勿論可能である。

１例として、図４に符号４２で示したカップリングレンズを考えてみると、カップリングレンズ４２は、実質的に点光源と見なし得る半導体レーザ４１の発光源から放射される発散性のレーザ光束を、例えばコリメートして平行レーザ光束に変換する。従って、カップリングレンズ４２は正レンズであって、入射側のレンズ面は入射側に凸の曲面であり、この凸面に発散性のレーザ光束が入射するのであるから、カップリングレンズ１２への光線の入射角は、光軸から離れるに従って増大する。

そこで、カップリングレンズの入射側・射出側のレンズ面に反射防止層として、周期的な微細構造を形成する場合、図８に示す実施の形態のカップリングレンズ８０（図８の下図はカップリングレンズ８０の斜視図、上図は断面図である。）の入射側レンズ面８０Ａには光軸部分に微細構造ＳＴ８２を、レンズ周辺部分には微細構造ＳＴ８１をそれぞれ形成する。

微細構造ＳＴ８１、ＳＴ８２は、例えば円錐形状の２次元的な配列として「同心円状の配列」をなし、凹凸方向が光軸部分ではレンズ面に直交し、周辺へ向かうにつれて、凹凸方向が光軸側に傾くことによって、レンズ面全域にわたって凹凸方向が入射方向に対して±１５度以内となるようにする。

射出側レンズ面８０Ｂにも、入射側レンズ面の微細構造ＳＴ８１、ＳＴ８２と同様にして、微細構造ＳＴ８３、ＳＴ８４を形成する。微細構造ＳＴ８３、ＳＴ８４はカップリングレンズ８０からの射出光束の射出方向に対して±１５度以内となるようにする。

カップリングレンズ８０のカップリング作用がコリメート作用である場合は、射出レーザ光束は平行光束となるので、微細構造ＳＴ８３、ＳＴ８４における凹凸方向を、レンズ面全域にわたり光軸に平行に設定すればよい。

光学素子の実施の１形態を説明するための図である。 図１の実施の形態における微細構造の反射防止効果を説明するための図である。 光学素子の実施の別形態を説明するための図である。 光走査装置の実施の１形態を説明するための図である。 光学素子の実施の他の形態を説明するための図である。 図５の光学素子の製造方法の１例を説明するための図である。 微細構造のパターンを３種示す図である。 光学素子の実施の他の形態を説明するための図である。 この発明の特徴部分を説明するための図である。

符号の説明

１ 長尺レンズ（光学素子）
１Ａ 入射側レンズ面
Ｌ 入射光束
ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３ 周期的な微細構造

Claims (9)

1. 光透過性材料による光学素子であって、
   素子面の少なくとも一部に、反射防止機能をもたせるため、屈折率が上記素子面を離れる方向へ連続的に変化する領域が、周期的な微細構造による表面構造として形成され、
   上記周期的な微細構造の凹凸方向の素子面に対する角が、上記素子面への光の入射方向に応じて素子面上の位置により異なり、各位置における上記凹凸方向が、光の入射方向もしくは射出方向に対して±１５度以内の角度に設定されていることを特徴とする光学素子。
2. 光透過性材料による光学素子であって、
   素子面の少なくとも一部に、反射防止機能をもたせるため、屈折率が上記素子面を離れる方向へ連続的に変化する領域が、周期的な微細構造による表面構造として形成され、
   上記周期的な微細構造の凹凸方向が素子面に対して傾き、上記凹凸方向が、光の入射方向もしくは射出方向に対して±１５度以内の角度に設定されていることを特徴とする光学素子。
3. 請求項１または２記載の光学素子において、
   周期的な微細構造が、サブ波長オーダーの格子型凹凸形状であることを特徴とする光学素子。
4. 請求項１または２記載の光学素子において、
   周期的な微細構造が、サブ波長オーダーの錐形状の２次元的な配列であることを特徴とする光学素子。
5. 請求項４記載の微細構造を有する光学素子において、
   サブ波長オーダーの錐形状の２次元的な配列による微細構造のピッチ：Ｐ、凹凸方向における凸部の高さ：Ｈ、光学素子材料の屈折率：ｎが、使用波長：λに対して、条件：
   （１） λ＞ｎＰ
   （２） λ＜２．５Ｈ
   を満足することを特徴とする光学素子。
6. 請求項１または２記載の光学素子において、
   周期的な微細構造が、サブ波長オーダーのラインアンドスペースの凹凸形状であることを特徴とする光学素子。
7. 請求項１〜６の任意の１に記載の光学素子において、
   成形によって製造されることを特徴とする光学素子。
8. 請求項１〜７の任意の１に記載の光学素子において、
   光走査装置の走査用レンズとして形成されていることを特徴とする光学素子。
9. 請求項１〜８の任意の１に記載の光学素子を搭載した光走査装置。

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