JP2010072484A - 光学素子、光学素子成形用の金型の製造方法および光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外光に対し表面での反射を抑制することができる光学素子等を提供する。
【解決手段】表面に反射防止構造を有し、特に８μｍ以上の波長を有する赤外光に対し使用される光学素子１０であり、この反射防止構造は、反射防止構造を構成する凹凸構造の凹部１６の底部１８から凸部１２の頂部１４への光学面に対する法線方向距離と法線方向距離における反射防止構造が占める面積率との関係を表すベアリング曲線が連続である光学素子１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子等に係り、特に、赤外光に対して使用するのに適した光学素子等に関する。

近年、光学素子の需要が急増している。可視光線に対し光学素子を使用する用途としては、例えば、光通信やデジタルカメラに使用される場合が挙げられる。光学素子をこのような用途に使用するためには、高性能の光学素子を、より低コストで製造する技術開発が望まれている。また赤外光線に対し光学素子を使用する用途では、自動車積載用、ホームセキュリティの人体検知センサ用、サーモグラフィカメラ用等の製品化が本格化している。そして、同様に高性能化と低コスト化が要求されている。これらの光学素子の多くは、光学材料を金型によりプレスして成形するプレス成形法や、光学材料を研削研磨して加工して形を整える方法で製造されることが多い。特にプレス成形法は、同じ形の光学素子を大量に生産し、安価に提供できる面で優れた生産方法である。

これらの光学素子の表面には、通常は入射光の反射を防止するための処理が施されている。具体的には、光学素子の所定の形に成形または加工した後に、光学素子の表面に多層膜を形成し、光の干渉を利用して反射を抑制する。この膜は、反射防止膜と呼ばれ、一般的に用いられている。

また、光学素子表面における入射光の反射を防止するための別の手法として、光学素子の表面に反射防止構造と呼ばれる非常に微細な凹凸構造が周期的に配列された構造を形成する技術が提案されている。これは、光の波長より短いピッチで、アスペクト比でおよそ１以上の凹凸構造の表面に光を入射させた場合、その構造のピッチよりも長い波長の光がほとんど透過する現象を利用したものである。この構造を光学素子のプレス成形時に同時に形成することができれば、反射防止膜を形成する工程は不要となり、生産コストの大幅な低減となる。また反射防止構造では、広い波長範囲と広い入射角範囲での反射防止効果が得られるため、様々な光学素子への適用が期待される。

反射防止膜として、例えば特許文献１には、赤外域用反射防止膜において、反射防止膜が基板側から順に、Ａｌ_２Ｏ_３層、Ｇｅ層、ＺｎＳ層、金属フッ化物層の４層である赤外域用反射防止膜が記載されている。

またプレス成形により光学素子を製造する方法として、例えば特許文献２には、硫化亜鉛（ＺｎＳ）又はシリコン（Ｓｉ）からなる赤外線を透過するレンズ基材に、赤外線透過ガラスをモールドプレス成形により、薄肉レンズ層として一体化させる赤外線ハイブリッドレンズの製造方法が記載されている。

更に、微細な凹凸構造を形成する方法として、例えば特許文献３には、電子線描画を用いて光学素子表面に凹凸形状を形成する方法が記載されている。

特開平８−１５５０１号公報 特開２００６−２２０７０５号公報 特開２００１−２７２５０５号公報

しかしながら、反射防止膜を形成するには、多層膜の個々の膜厚を非常に精密に制御する必要がある。また、反射防止膜を形成するための蒸着装置やスパッタ装置などは、大型の設備が必要なことから、光学素子の生産コスト上昇の一因となっている。そして、反射防止膜は、反射防止効果の波長依存性や入射角依存性が大きいという問題もある。
またレンズ基材に、赤外線透過ガラスをモールドプレス成形により、薄肉レンズ層として一体化させる方法は、薄肉レンズ層の形成が難しく、良好な光学特性が得にくいという問題がある。
更に電子線描画を用いる方法は非常に長時間の描画時間を要し、また描画装置が非常に高価であるため、生産コストの大幅な上昇となる。そのため、低コスト化が望まれている光学素子の生産には適さないという問題がある。

上記課題に鑑み、本発明の目的は、赤外光に対し表面での反射を抑制することができる光学素子を提供することにある。
更に、他の目的は、簡易な手法により成形面に反射防止構造の転写構造が形成された光学素子成形用の金型を製造する方法を提供することである。
また更に、他の目的は、反射防止構造を表面に有する赤外光用の光学素子を大量、安価に製造する方法を提供することである。

本発明の光学素子は、表面に反射防止構造を有する赤外光用の光学素子であって、反射防止構造は、反射防止構造を構成する凹凸構造の底部から頂部への光学面に対する法線方向距離と法線方向距離における反射防止構造が占める面積率との関係を表すベアリング曲線が連続であることを特徴とする。

ここで、反射防止構造は、紡錘形状を有することが好ましく、反射防止構造の頂部の平均間隔が１μｍ〜３μｍであり、反射防止構造の頂部と底部との平均距離である平均高さが４μｍ以上であることが更に好ましく、８μｍ以上の波長を有する赤外光に対し光学面での反射を抑制することが更に好ましい。

また、本発明の光学素子は、表面に反射防止構造を有する赤外光用の光学素子であって、反射防止構造は、反射防止構造の底部および頂部に光学素子の光学面と平行な面を有しない凹凸構造にて形成されることを特徴とする。

ここで、反射防止構造は、紡錘形状を有することが好ましい。

また、本発明の光学素子成形用の金型の製造方法は、赤外光の反射を抑制する反射防止構造の転写構造を成形面に形成し、光学素子成形用の金型を製造する方法であって、所定のパターンにて成形面を覆うマスク層を形成する工程と、マスク層を形成した成形面に第１のエッチングを行い、成形面のマスク層が形成されていない部分に凹部を形成する工程と、マスク層および凹部に対し第２のエッチングを行い、成形面に反射防止構造の転写構造を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

ここで、第１のエッチングは、反応性イオンエッチングであることが好ましい。

また更に、本発明の光学素子の製造方法は、表面に反射防止構造を有する赤外光用の光学素子の製造方法であって、所定のパターンにて成形面を覆うマスク層を形成し、マスク層を形成した成形面に第１のエッチングを行い成形面のマスク層が形成されていない部分に凹部を形成し、マスク層および凹部に対し第２のエッチングを行い成形面に反射防止構造の転写構造を形成した金型を用いて、加熱軟化させた光学素子母材をプレス成形することで、光学素子の表面に反射防止構造を形成することを特徴とする。

ここで、光学素子母材は、カルコゲナイドガラスからなることが好ましく、カルコゲナイドガラスは、屈折率が２．２〜２．６であることが更に好ましい。

本発明によれば、赤外光に対し表面での反射を抑制することができる光学素子等を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本実施の形態が適用される光学素子の一例を説明した斜視図である。
図１に示した光学素子１０は、例えば、レンズであり、その表面を拡大したものである。図示したように光学素子１０には表面に紡錘形状の凸部１２が格子状に規則的に配置する。ここで、凸部１２の頂部１４の平均間隔（ピッチ幅）はＰである。また、凸部１２の間には、紡錘形状の凹部１６がそれぞれ配置され、凸部１２と凹部１６による凹凸構造を形成する。そして、凹部１６の底部１８と凸部１２の頂部１４との平均距離である平均高さはＬである。この凹凸構造は、反射防止構造であり、光学素子１０の表面に形成することで、光学素子１０の表面における光の反射を抑制することができる。

このような凹凸構造を光学素子１０の表面に形成すると光学素子１０の表面における光の反射を抑制することができる理由について更に詳しく説明する。
光学素子１０は、赤外光に対し使用される光学素子であるため赤外光を透過する材料からなる。具体的には、カルコゲナイドガラス（カルコゲン化物ガラス）からなり、更に具体的には、カルコゲン元素（Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓ）を含むＡｓ_２Ｓ_３、ＧｅＳ_３、ＧｅＳ_２、Ａｓ_２Ｓｅ_３等を主成分とするガラスからなる。そしてこのカルコゲナイドガラスの屈折率は、２．２〜２．６である。

ここで、一般に光学素子表面の反射率Ｒは、使われる光学素子材料の屈折率をｎとすると以下のフレネルの式と呼ばれる下記の（１）式により導かれる。

赤外光を透過する材料であるカルコゲナイドガラスは上述の通り屈折率が２以上である。対して、可視光に対し使用する光学素子材料の屈折率は通常２より小さい。よって、カルコゲナイドガラスは、可視光に対し使用する光学素子材料に比べ屈折率が大きい。屈折率が大きいと上記のフレネルの式からわかるように反射率Ｒは大きくなる。つまり屈折率に起因するフレネル反射により透過率が大幅に下がることになる。具体的には、可視光に対し使用される光学素子では、反射率Ｒは概ね４％程度であるが、カルコゲナイドガラスを使用し赤外光に対し使用される光学素子では、反射率Ｒは、１０％以上になることが多い。そして、光学素子の両面を通過した透過光効率では更にこの差は大きくなる。また、モジュール化した際には複数枚のレンズ構成になるため、また更に透過光率は下がる。そのため、可視光に対し使用される光学素子に比べ赤外光に対し使用される光学素子は設計が非常に難しい。

この損失を改善するため、反射防止膜を光学素子の表面に形成する場合でも赤外帯域では材料が限定されるために、数％〜十数％の反射損失が残る。
一方、上記（１）式で示したフレネルの式は、材料／空気界面の屈折率変化が急峻である程反射率が大きいことを示しており、屈折率を緩やかに変化させることにより反射率Ｒは著しく低減できる。
この屈折率を緩やかに変化させることは、光学素子の表面に微細な凹凸形状を設けることにより実現できる。即ち、上述のような光学素子１０により反射率Ｒを低減することができる。

ここで、図２は、本実施の形態の光学素子１０を使用した場合の、凸部１２の頂部１４（図１参照）の平均間隔（ピッチ幅）Ｐ（図１参照）と０次回折光強度比との関係を示した図である。
図２において、横軸は、ピッチ幅Ｐを表し、また、縦軸は、０次回折光強度比を表している。そして、光学素子１０の材料として屈折率２．６のカルコゲナイドガラスを使用し、波長λが８μｍの赤外光を入射させた場合のピッチ幅Ｐと０次回折光強度比との関係を示している。０次回折光は、光学素子１０の材料の吸収と反射がない場合は透過光に相当する。そのため図２において、０次回折光強度比が高いほど利用できる光が増加することを意味する。
図２に示した通り、ピッチ幅Ｐが３．０５μｍ以下においては、０次回折光強度比は
ほぼ１００％となるが、３．０５μｍを超えると０次回折光強度比が徐々に減少することがわかる。これは、回折効果によるものである。このことよりピッチ幅Ｐは、３μｍ以下であることが好ましい。また、凹凸構造の製造容易の観点から１μｍ以上であることが好ましい。よって、凸部１２の頂部１４の平均間隔（ピッチ幅）Ｐが１μｍ〜３μｍであることが好ましい。

更に、図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の光学素子１０を使用した場合の凸部１２の頂部１４（図１参照）と凹部１６の底部１８（図１参照）との平均距離である平均高さＬ（図１参照）と反射率Ｒとの関係を示した図である。図３（ａ）〜（ｃ）において、横軸は、平均高さＬを表し、また、縦軸は、反射率Ｒを表している。そして、光学素子１０の材料として屈折率２．６のカルコゲナイドガラスを使用し、ピッチ幅Ｐを３μｍとしたときの平均高さＬと反射率Ｒとの関係を示している。このうち図３（ａ）は、波長λが８μｍの赤外光を入射させた場合を図示している。また、図３（ｂ）は、波長λが１０μｍの赤外光を入射させた場合を図示し、図３（ｃ）は、波長λが１２μｍの赤外光を入射させた場合を図示している。

図３（ａ）〜（ｂ）に示した通り、波長λが、８μｍおよび１０μｍ付近の領域では、、平均高さＬが２．５μｍ程度で反射率Ｒが十分低く、反射防止の効果が大きく生じている。一方、図３（ｃ）に示した通り、波長λが、１２μｍ付近の領域では、平均高さＬが４μｍ程度で反射率Ｒが十分低くなり、反射防止の効果が大きく生じることになる。よって、波長λが、１２μｍ程度の領域で使用する場合も考慮し、平均高さＬは、４μｍ以上であることが好ましい。

このような反射防止構造を光学素子１０の表面に形成することにより、特に８μｍ以上の波長を有する赤外光に対し、反射を抑制するのに有効である。

なお、上述した光学素子１０の表面に形成された凹凸構造は、紡錘形状により構成されていたが、これに限られるものではなく他の形状であってもよい。具体的には、円錐形状、円錐台形状、多角錐形状、多角錐台形状等が挙げられる。

ここで、光学素子１０の表面は、上述の通り凸部１２と凹部１６が連続した形で凹凸構造を形成するように構成されている。即ち反射防止構造である凹凸構造の底部１８および頂部１４に光学素子１０の光学面と平行な面を有しない。この平行な面を有しない構造を採ることで、光学素子１０の表面での屈折率をより緩やかに変化させることができ、反射防止の効果をより一層高めることができる。
ここで、反射防止構造である凹凸構造の底部１８および頂部１４に光学素子１０の光学面と平行な面を有しないという事項は、反射防止構造を構成する凹凸構造の底部１８から頂部１４への光学面に対する法線方向距離と法線方向距離における反射防止構造が占める面積率との関係を表すベアリング曲線が連続であると言い換えることができる。

図４は、図１で示した光学素子１０について、ベアリング曲線を示した図である。
図４で示したベアリング曲線は、横軸を反射防止構造の底部１８から頂部１４への光学面に対する法線方向距離とし、縦軸を法線方向距離における反射防止構造が占める面積率として、この両者の関係を示している。

このベアリング曲線は、底部１８から頂部１４に至る全ての箇所において連続であり、不連続な部分はない。凹凸構造の底部１８および頂部１４に光学素子１０の光学面と平行な面を有しないとベアリング曲線は、このように連続となる。光学素子１０の表面における光の反射は急激な屈折率の変化によりもたらされるが、このような特徴を有する凹凸構造を作製すると、滑らかな屈折率分布が形成される。滑らかな屈折率分布が形成されると、入射した光は、光学素子１０の表面において反射をせず、光学素子１０の内部に入り込みやすくなる。

一方、図５は、比較として凹凸構造の底部に光学素子の光学面と平行な面を有する光学素子について説明した斜視図である。
図５に示した光学素子５０は、表面に紡錘形状の凸部５２が規則的に配置する。そして、凸部５２は、頂部５４を有する。しかし、図１に示した光学素子１０と異なり、凸部５２の間には、凹部が存在せず、光学面と平行な面である底部５８を有する。

図６は、図５で示した光学素子５０について、ベアリング曲線を示した図である。
図６で示したベアリング曲線において、Ａで示した「○」の箇所は、この点が含まれないことを意味し、Ｂで示した「●」の箇所は、この点が含まれることを意味する。即ちＡとＢの間でベアリング曲線は不連続となっている。これは、光学面と平行な面である底部５８があるためである。このようにベアリング曲線不連続な箇所が存在する場合、滑らかな屈折率分布が形成されないため、入射した光は、光学素子５０の表面において反射を生じやすくなる。

図７（ａ）〜（ｆ）は、本実施の形態が適用される光学素子成形用の金型の製造方法の一例を説明した図である。図７（ａ）〜（ｆ）では、光学素子成形用の金型を製造する方法を製造工程順に示している。

ここでは、まずグラッシーカーボンを素材とする基板７１にニッケル(Ni)による金属層７２を成膜する。金属層７２は、例えば、スパッタ法を利用し、１００μｍの厚さで成膜を行うことで形成することができる。なお、金属層７２を構成する金属は、ニッケル(Ni)に限られるものではなく、鉄（Fe）、コバルト（Co）、クロム（Cr）等の単体またはこれらを含む合金でもよい。
そして、金属層７２上にレジスト層７３を形成する。レジスト層７３は、例えば、ポジタイプのフォトレジスト液を金属層７２上にスピンコート法により３００μｍの厚さで塗布し、１１０℃で加熱固化することにより形成することができる。
この工程により、基板７１上に金属層７２とレジスト層７３が順に積層する形で形成される（図７（ａ））。

次に、微細パターン７４が描画されたマスク（図示せず）をかぶせ、紫外線（ＵＶ：Ultraviolet）、電子線（ＥＢ：Electron Beam）等により露光を行うと、レジスト層７３に所定の微細パターン７４が露光される（図７（ｂ））。マスクとしては、例えば、微細パターン７４として正方形状のドット状の格子が３μｍのピッチで配列したガラスマスク等を使用することができる。

次に、現像液を用いてレジスト層７３の露光部分を除去すると、微細パターン７４に対応した部分のレジスト層７３が除去される（図７（ｃ））。これにより、レジスト層７３には、孔部７５が形成される。孔部７５は、正方形状であり、３μｍのピッチで格子状に配列する。そしてこの孔部７５は、レジスト層７３を貫通し、その底部には、金属層７２が露出する。

次に、塩酸溶液を浸漬させ、図７（ｃ）の工程で露出した金属層７２を溶解することにより除去する（図７（ｄ））。これにより、微細パターン７４に対応した孔部７５の底部は、金属層７２が除去されることにより基板７１が露出することになる。一方、レジスト層７３が残存した部分の金属層７２は、そのまま残存する。
なお、金属層７２として塩酸溶液に溶解しない材料を使用した場合は、例えば、硫酸等他の酸を使用した溶液によるウェットエッチングでもよい。また酸溶液を使用したウェットエッチングに限るものではなく、金属層７２を除去することができる手段であれば、その他の手段のウェットエッチングや、またはドライエッチングでもよい。

次に、孔部７５が形成され金属層７２およびレジスト層７３が残存した基板７１に対し、金属層７２をマスクとして第１のエッチングとして、乾式エッチングを行う（図７（ｅ））。この乾式エッチングにより、残存していたレジスト層７３および孔部７５の底部の部分の基板７１の表面が優先的に除去される。そのため残存していたレジスト層７３が除去され、基板７１の表面には微細パターン７４に対応した凹部７６が形成される。また、このとき金属層７２は残存し、マスク層としての役割を果たす。

乾式エッチングとしては、詳しくは後述するが反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）が好ましい。また、この際に使用する処理ガスは、Ｏ_２ガスであることが好ましい。本実施の形態では、Ｏ_２ガス流量を５０ＳＣＣＭ（ＳＣＣＭとは、当該ガスが２５℃、１気圧のときのｃｍ^３／ｍｉｎ）とし、容量結合型のＲＦプラズマを使用する反応性イオンエッチングを行った。また、この際のＲＦ電力は、５００Ｗとすることができる。
本実施の形態では、この反応性イオンエッチングにより、基板７１の成形面に、３μｍのピッチで格子状に配列した凹部７６を形成することができる。

次に、第２のエッチングとして処理ガスとしてアルゴン(Ar)ガスを用いた物理エッチングを行う（図７（ｆ））。この乾式エッチングにより金属層７２および凹部７６が更にエッチングされるが、基板７１の凹部７６の部分のエッチング速度の方がより速いため、凹部７６はより深くエッチングされ、大きいアスペクト比を有する凹凸構造が形成される。この凹凸構造は、図１において説明を行った光学素子１０に形成された反射防止構造の転写構造である。本実施の形態では、３μｍのピッチで格子状に配列した凹部７６とその凹部７６の間に形成される凸部７７からなる凹凸構造となる。
以上説明した一連の工程により、本実施の形態が適用される光学素子成形用の金型７０を製造することができる。

なおこの第２のエッチングのエッチング条件により、凹部７６の深さや凹凸構造の形状は制御することができる。凹凸構造の形状は、例えば、鋸歯形状、円錐形状、円柱形状等にすることが可能である。

（反応性イオンエッチング）
次に、反応性イオンエッチングを行う処理装置について説明を行う。
図８は、容量結合型のＲＦプラズマによって反応性イオンエッチングを行う処理装置の一例を説明した図である。
図８に示した反応性イオンエッチングを行う処理装置８０は、被加工物８１が設置される設置台８２と、設置台８２に対向して配置される対向電極８３とを有する。また、処理装置８０は、被加工物８１の周囲環境に所定の処理ガスを導入する処理ガス導入バルブ８４と、設置台８２と対向電極８３との間に高周波電圧を印加する高周波電源８５と、周囲環境から空気又は処理ガスを排気する排気バルブ８６及び排気ポンプ８７とを有して構成される。ここで被加工物８１は、例えば、図７（ｄ）で説明を行った孔部７５が形成され金属層７２およびレジスト層７３が残存した基板７１が該当する。

設置台８２は、被加工物８１を搭載できる強度を有した、例えば、ステンレス等の導電体で構成される。そして、設置台８２は、対向電極８３と共に、高周波電源８５に接続される。

対向電極８３は、例えば、ステンレス等の導電体で構成される。対向電極８３は、被加工物８１が搭載された設置台８２に対してほぼ平行になるように、対向電極８３は設置台８２に対して対向配置される。

処理ガス導入バルブ８４は、後述する排気バルブ８６及び排気ポンプ８７とが、設置台８２と対向電極８３との間に形成される被加工物８１の周囲環境から空気を排出して所定の真空度に達した後に、処理ガスを導入する。

高周波電源８５は、設置台８２と対向電極８３との間に高周波電圧を印加する。印加される高周波は、処理ガス導入バルブ８４によって導入される処理ガスが励起されてプラズマを生起させる程度の周波数及び電圧を有する。

排気バルブ８６及び排気ポンプ８７は、設置台８２と対向電極８３との間に形成される被加工物８１の周囲環境から、所定の真空度に達するまで空気を排出する。また、排気バルブ８６及び排気ポンプ８７は、処理が終了した後に、処理ガスを排気する際に使用される。

以上の構成を有する処理装置８０を使用して反応性イオンエッチングを行う方法を以下に説明する。
まず、被加工物８１が設置台８２上の所定位置に搭載された後、排気バルブ８６及び排気ポンプ８７が協働して、所定の真空度に達するまで被加工物８１の周囲環境から空気を排出する。所定の真空度に達した後、処理ガス導入バルブ８４から、処理ガスが導入される。

そして、設置台８２と対向電極８３との間に、高周波電源８５によって高周波電圧が印加される。印加された高周波電圧により処理ガスが分解されて、ラジカルやイオンが生成される。生成されたラジカルやイオンは、被加工物８１に衝突し、金属酸化物と化学反応を起こして気化させ除去することでエッチングが行われる。

次に、図７で説明した工程で製造された金型７０を用いて、光学素子をプレス成形する装置および方法を以下に説明する。

（プレス成形装置）
図９は、本実施の形態が適用される金型７０を用いた、プレス成形装置の一例を示す構成図である。
図９に示したプレス成形装置１００は、光学素子の一例としてガラスレンズを、一対の金型を用いてプレス成形により製造する装置である。プレス成形装置１００は、下金型７０ａ及び上金型７０ｂと、下金型７０ａ及び上金型７０ｂを所定の温度に維持する下均熱プレート１１４及び上均熱プレート１１６と、下金型７０ａ及び上金型７０ｂを昇温する下加熱ヒーター１１８及び上加熱ヒーター１２０とを有して構成される。また、プレス成形装置１００は、上金型７０ｂを可動させる加圧シリンダー１２４と、光ガラスレンズの成形環境を制御する窒素導入口１２６及び窒素排気口１２８と、下金型７０ａ及び上金型７０ｂ等を収容するガラスレンズ成形器１３０と、上金型７０ｂの動作を規制するスリーブ１３２とを有して構成される。

下金型７０ａと上金型７０ｂとは共に、上述した金型７０である。そして、下金型７０ａと上金型７０ｂとが、載置されて軟化された光学素子母材１２２をプレス成形法により成形してガラスレンズを製作する。
下均熱プレート１１４と上均熱プレート１１６は、それぞれ下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０に搭載される。下均熱プレート１１４と上均熱プレート１１６は、サーマルバッファ（熱的緩衝体）の役割を果たし、下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０から受ける熱を、ガラスレンズの製作に支障がない程度に均一な状態にして下金型７０ａと上金型７０ｂとに伝える。ここで、下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０とは、図示しない制御手段を用いて、下金型７０ａと上金型７０ｂの表面がプレス成形に適した温度になるように制御されている。

光学素子母材１２２は、赤外光を透過するカルコゲナイドガラスを使用することができる。光学素子母材１２２は、例えば、６００℃以下の軟化温度を有するガラスである低融点ガラスであっても、４００℃以下の軟化温度を有するガラスである超低融点ガラスであってもよい。
加圧シリンダー１２４は、上加熱ヒーター１２０及び上均熱プレート１１６に固定された上金型７０ｂを上下動させる駆動系である。そして、図示しない制御手段により動作が制御される。
窒素導入口１２６及び窒素排気口１２８は、成形時の金型の雰囲気を窒素として、高温下での酸化を防止している。

以上の構成を有するプレス成形装置１００が光学素子母材１２２をプレス成形してガラスレンズを製造する製造工程を以下に説明する。
まず、光学素子母材１２２を、下金型７０ａと上金型７０ｂとの間に光学素子母材１２２を投入し、光学素子母材１２２をプレス成形装置１００に配置する。

次に、図示しない排気ポンプ及び処理ガス導入ポンプを使って、窒素導入口１２６から窒素を導入し、プレス成形装置１００内部の空気を窒素ガスに置換する。そして、下加熱ヒーター１１８及び上加熱ヒーター１２０を昇温し、窒素雰囲気下で光学素子母材１２２の転移点（転移温度）Ｔｇまで光学素子母材１２２を充分に加熱し、更に、屈伏点（屈伏温度）Ａｔまで昇温して光学素子母材１２２を軟化させる。
そして、屈伏温度Ａｔ付近になったとき、加圧シリンダー１２４により上金型７０ｂを可動させ、下金型７０ａと上金型７０ｂとにより光学素子母材１２２をプレスする。

光学素子母材１２２は、プレスの際に下金型７０ａ及び上金型７０ｂにより加えられる圧力により外側に広がり、下金型７０ａと上金型７０ｂとの間にできる空隙に収容され、プレス成形される。
その後、圧力を加えたままプレス成形装置１００を転移温度Ｔｇ付近まで冷却し、次に上金型７０ｂの圧力を開放し、例えば常温まで冷却して、ガラスレンズを取り出す。
この一連の工程により、下金型７０ａと上金型７０ｂの表面の凹凸構造が光学素子母材１２２に転写され、反射防止構造である凹凸構造を表面に有するガラスレンズが製造される。
なお、本実施の形態では、ガラスレンズの光学面の成形を反射防止構造の転写と一括して行ったが、これに限定されるものではない。例えば、光学素子母材１２２の性質によっては光学面の成形と反射防止構造の転写を条件を変えて多段で行ったり、光学面の成形と反射防止構造の転写を別の金型を用いて行ってもよい。

〔光学素子成形用の金型および光学素子の製造〕
（実施例１）
図７で説明した工程により、光学素子成形用の金型７０を製造した。このときの凹部７６のピッチＰは、約３μｍであり、格子状に配列する構造となった。また深さＤは、約４μｍであった。
そして、図９で説明をしたプレス成形装置１００を使用して、光学素子としてガラスレンズをプレス成形により製造した。
光学素子母材１２２には赤外光の透過材料であるカルコゲナイドガラスを用いた。プレス成形装置１００内に下金型７０ａと上金型７０ｂと光学素子母材１２２をセットし、プレス成形装置１００内を真空排気した後に、下金型７０ａと上金型７０ｂを加熱した。下金型７０ａと上金型７０ｂの温度が２７０℃に達した後に、プレス成形を開始した。成形圧力は７ＭＰａであり、２０分間保持した後に、成形圧力を解除した。その後、室温まで冷却して光学素子であるレンズを取り出した。表面にピッチＰが約３μｍであり、平均高さＬが約４μｍである微細凹凸構造を有する赤外光用のガラスレンズを得た。

（比較例１）
図７で説明した工程により、光学素子成形用の金型を製造したが、このとき、図７（ｆ）で説明を行った第２のエッチングを行わず、残存した金属層７２を塩酸溶液により除去して金型の製造を行った。この金型は、凹凸構造は形成されているものの一部に平面部を有する構造となった。
そして、実施例１と同様に図９で説明をしたプレス成形装置１００を使用して、光学素子としてガラスレンズをプレス成形により製造した。その結果、図５で示したような凹凸構造が表面に形成されたガラスレンズとなった。

（比較例２）
金型に反射防止構造を形成せずに、実施例１と同様に図９で説明をしたプレス成形装置１００を使用して、光学素子としてガラスレンズをプレス成形により製造した。

〔評価〕
以上のように製造したレンズの波長８μｍの赤外光の透過率を測定した。結果を表１に示す。ここで実効的透過率が大きいほど反射率Ｒが低く、レンズ表面での反射を抑制することができていることを意味する。

表１からわかるように、実施例１の方法により製造したガラスレンズは、波長８μｍの赤外光の実効的透過率が９８．０％であり、良好な反射防止構造がレンズ表面に形成されていることが確認できた。
一方、比較例１の方法で製造したガラスレンズは、実効的透過率が９６．２％であり、レンズ表面での反射を十分抑制できていない。また比較例２の方法で製造したガラスレンズは、実効的透過率が６５．３％であり、レンズ表面での反射が非常に大きいことがわかる。

本実施の形態が適用される光学素子の一例を説明した斜視図である。 本実施の形態の光学素子を使用した場合の、凸部の頂部の平均間隔（ピッチ幅）Ｐと０次回折光強度比との関係を示した図である。 本実施の形態の光学素子を使用した場合の凸部の頂部と凹部の底部との平均距離である平均高さＬと反射率Ｒとの関係を示した図である。 図１で示した光学素子について、ベアリング曲線を示した図である。 凹凸構造の底部に光学素子の光学面と平行な面を有する光学素子について説明した斜視図である。 図５で示した光学素子について、ベアリング曲線を示した図である。 本実施の形態が適用される光学素子成形用の金型の製造方法の一例を説明した図である。 容量結合型のＲＦプラズマによって反応性イオンエッチングを行う処理装置の一例を説明した図である。 本実施の形態が適用される金型を用いた、プレス成形装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

１０，５０…光学素子、１２，５２…凸部、１４，５４…頂部、１６…凹部、１８，５８…底部、７０…金型、８０…処理装置、１００…プレス成形装置

Claims (11)

1. 表面に反射防止構造を有する赤外光用の光学素子であって、
   前記反射防止構造は、当該反射防止構造を構成する凹凸構造の底部から頂部への光学面に対する法線方向距離と当該法線方向距離における当該反射防止構造が占める面積率との関係を表すベアリング曲線が連続であることを特徴とする光学素子。
2. 前記反射防止構造は、紡錘形状を有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記反射防止構造は、当該反射防止構造の頂部の平均間隔が１μｍ〜３μｍであり、当該反射防止構造の頂部と底部との平均距離である平均高さが４μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
4. 前記反射防止構造は、８μｍ以上の波長を有する赤外光に対し前記光学面での反射を抑制することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
5. 表面に反射防止構造を有する赤外光用の光学素子であって、
   前記反射防止構造は、当該反射防止構造の底部および頂部に前記光学素子の光学面と平行な面を有しない凹凸構造にて形成されることを特徴とする光学素子。
6. 前記反射防止構造は、紡錘形状を有することを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
7. 赤外光の反射を抑制する反射防止構造の転写構造を成形面に形成し、光学素子成形用の金型を製造する方法であって、
   所定のパターンにて前記成形面を覆うマスク層を形成する工程と、
   前記マスク層を形成した前記成形面に第１のエッチングを行い、当該成形面の当該マスク層が形成されていない部分に凹部を形成する工程と、
   前記マスク層および前記凹部に対し第２のエッチングを行い、前記成形面に反射防止構造の転写構造を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする光学素子成形用の金型の製造方法。
8. 前記第１のエッチングは、反応性イオンエッチングであることを特徴とする請求項７に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
9. 表面に反射防止構造を有する赤外光用の光学素子の製造方法であって、
   所定のパターンにて成形面を覆うマスク層を形成し、当該マスク層を形成した当該成形面に第１のエッチングを行い当該成形面の当該マスク層が形成されていない部分に凹部を形成し、当該マスク層および当該凹部に対し第２のエッチングを行い当該成形面に反射防止構造の転写構造を形成した金型を用いて、加熱軟化させた光学素子母材をプレス成形することで、光学素子の表面に反射防止構造を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
10. 前記光学素子母材は、カルコゲナイドガラスからなることを特徴とする請求項９に記載の光学素子の製造方法。
11. 前記カルコゲナイドガラスは、屈折率が２．２〜２．６であることを特徴とする請求項１０に記載の光学素子の製造方法。

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