JP2012014067A

JP2012014067A - 光学素子とその製造方法

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Publication number: JP2012014067A
Application number: JP2010152207A
Authority: JP
Inventors: Yohei Tanigawa; 洋平谷川
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-01-19
Also published as: US20120002286A1

Abstract

【課題】入射する光の表面反射を防止しつつ、効率的に屈折率変化を発生させる。
【解決手段】基材２と、該基材２の表面に、入射する光の波長以下のピッチＰで配列された複数の柱状部３と、該柱状部３間の隙間５に充填された該柱状部３とは屈折率の異なる媒体６と、基材２の表面２ａ、柱状部３の先端面３ａまたは媒体６の表面のうちいずれか１つ以上により構成される光の入射面の全面を覆う位置に配置された、柱状部３の屈折率とは異なる屈折率を有する膜状部４とを備え、膜状部４が、干渉作用による反射防止機能を発揮する膜厚寸法を有し、柱状部３と媒体６との体積比が基材２の表面に沿う方向に変化する光学素子１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子とその製造方法に関するものである。

従来、基材の表面に、入射する光の波長以下の周期で配列された横断面形状一定の複数の柱状部を有し、該柱状部の横断面形状が基材の表面に沿う方向に変化するサブ波長構造を有する光学素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、上記サブ波長構造を有する光学素子において表面反射を防止するために、各柱状部の横断面形状を先端に向かって連続的に先細に形成した錐状の柱状部を有する光学素子も知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００４−６１９０５号公報特開２００７−４７７０１号公報

しかしながら、特許文献１の光学素子によれば、柱状部の先端面および基材の表面において屈折率が急激に変化するので、入射する光が反射して利用効率が低下するという不都合がある。
一方、特許文献２の光学素子では、柱状部を先端に向かって先細になる錐状に形成している。この形状では、柱状部の先端面においては屈折率が滑らかに変化し、入射する光は反射しないが、各柱状部の基端側の隙間に露出する基材の表面においては屈折率が急激に変化し、入射する光が反射してしまうという不都合がある。また、柱状部を錐状に形成する特許文献２の光学素子では、先端に近づくほど、基材の表面に沿う方向の横断面積の変化が小さくなっているため、柱状部によって発生される基材の表面に沿う方向の屈折率の変化の効果が弱められてしまうという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、入射する光の表面反射を防止しつつ、効率的に屈折率変化を発生させることができる光学素子とその製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、基材と、該基材の表面に、入射する光の波長以下のピッチで配列された複数の柱状部と、該柱状部間の隙間に充填された該柱状部とは屈折率の異なる媒体と、前記基材の表面、前記柱状部の先端面または前記媒体の表面のうちいずれか１つ以上により構成される前記光の入射面の全面を覆う位置に配置された、前記柱状部の屈折率とは異なる屈折率を有する膜状部とを備え、前記膜状部が、干渉作用による反射防止機能を発揮する膜厚寸法を有し、前記柱状部と前記媒体との体積比が前記基材の表面に沿う方向に変化する光学素子を提供する。

本発明によれば、基材の表面に配列された複数の柱状部とその隙間に充填された媒体とにより、サブ波長構造が構成され、入射する光が回折を生じることなく透過できる。そして、この柱状部と媒体との体積比を基材の表面に沿う方向に変化させることにより、透過する光の波面を変調することができる。

この場合において、入射する光は、基材の表面、柱状部の先端面または媒体の表面のうちいずれか１つ以上により構成される光の入射面の全面を覆う位置に配置された膜状部を通過する際に、膜状部の表裏面における反射が干渉作用によってキャンセルされ、表面反射が防止される。入射面全面に設けた膜状部によって表面反射を防止するので、反射防止のために錐状の柱状部を採用する必要がなく、柱状部の高さ方向全体にわたって柱状部と媒体との所望の体積比を確保し、基材の表面方向に沿う屈折率変化を効率的に発生させることができる。

上記発明においては、前記柱状部が、前記基材の表面の法線方向に略一定の断面形状を有することが好ましい。
このようにすることで、柱状部の高さ方向全体にわたって柱状部と媒体との略一定の体積比を確保し、基材の表面方向に沿う屈折率変化を最も効率的に発生させることができる。

また、上記発明においては、前記膜状部が、前記柱状部と前記媒体との体積比の前記基材の表面に沿う方向への変化に応じて設定された膜厚寸法を有することが好ましい。
このように柱状部と媒体の体積比の基材の表面に沿う方向の変化に伴う、実効屈折率の変化に対応した膜寸法を設定することで、要求される反射防止条件に合わせることができ、好適な反射防止効果をもたせることができる。

また、上記発明においては、前記媒体が空気であってもよい。
このようにすることで、柱状部と、該柱状部間の隙間に存在する空気との体積比によって屈折率を設定することができる。この場合、膜状部は、柱状部の先端面と基材の表面に設けられるか、柱状部の先端面に掛け渡すようにして、柱状部の先端面と空気からなる媒体の表面を覆うように設けられればよい。

また、上記発明においては、前記媒体が固体材料からなり、前記柱状部の先端面とともに平坦な入射面を構成する位置まで充填されていることが好ましい。
このようにすることで、柱状部間の隙間が固体材料によって充填されるので、柱状部間の隙間に塵埃等が進入することを防止できる。

また、上記発明においては、前記膜状部が、前記柱状部の先端面および前記媒体の表面を覆う平坦なフィルム状に構成されていてもよい。
このようにすることで、柱状部の先端面に掛け渡すようにフィルム状の膜状部を配置すればよいので、製造を容易にすることができる。

また、上記発明においては、前記柱状部の先端面および前記媒体の表面を覆う透明な材質からなる平行平面板を備え、前記膜状部が、前記平行平面板の表面に設けられていてもよい。
このようにすることで、フィルム状の膜状部を単独で取り扱うことに比べて、取扱性を容易にすることができる。

また、上記発明においては、前記媒体および前記膜状部が同一の材質により一体的に構成されていてもよい。
このようにすることで、媒体および膜状部を同一の材質により簡易に構成することができる。
例えば、充填後に硬化する流動性のある材質からなる媒体を柱状部間の隙間に流し込んで、柱状部の先端面をも覆うレベルまで充填し、その後硬化させることにより、簡易に構成することができる。

また、本発明は、基材の表面に、入射する光の波長以下のピッチで複数の柱状部を形成する柱状部形成ステップと、該柱状部形成ステップにより形成された前記柱状部間の隙間に、前記柱状部と異なる屈折率を有する流動性のある媒体を流入させて、前記柱状部の先端面を被覆するまで充填する媒体充填ステップと、前記媒体を硬化させる硬化ステップとを含む光学素子の製造方法を提供する。

本発明によれば、基材の表面に形成された柱状部の隙間に、柱状部と異なる媒体を流入させて硬化させることで、入射する光が回折を生じることなく透過できるサブ波長構造の光学素子を容易に製造することができる。そして、この柱状部と媒体との体積比を基材の表面に沿う方向に変化させることにより、透過する光の波面を変調することができる。

この場合において、媒体の屈折率と柱状部の先端面を被覆する媒体の膜厚寸法を調節することにより、この媒体を光学素子の全面にわたって配置され、干渉作用による反射防止機能を発揮する反射防止膜として機能させることができ、柱状部の高さ方向全体にわたって柱状部と媒体との所望の体積比を確保し、基材の表面方向に沿う屈折率変化を効率的に発生可能な光学素子を簡易に製造することができる。

本発明によれば、入射する光の表面反射を防止しつつ、効率的に屈折率変化を発生させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る光学素子を示す縦断面図である。図１の光学素子と等価な多層構造を模式的に示す縦断面図である。図１の光学素子の第１の変形例を示す縦断面図である。（ａ）一次元方向に広がるサブ波長構造、（ｂ）２次元方向に広がるサブ波長構造を有する図１の光学素子を示す斜視図である。図１の光学素子の第２の変形例を示す縦断面図である。図５の光学素子と等価な多層構造を模式的に示す縦断面図である。図５の光学素子の製造方法を示すフローチャートである。図１の光学素子の第３の変形例を示す縦断面図である。図１の光学素子の第４の変形例を示す縦断面図である。

本発明の一実施形態に係る光学素子１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る光学素子１は、図１に示されるように、基材２と、該基材２の一表面に配列された複数の柱状部３と、基材２の表面２ａおよび柱状部３の先端面３ａを被覆する膜状部４とを備えている。

柱状部３は基材２の一表面に溝を形成することによって、基材２と同一の材質により、基材２と一体的に構成されている。溝の形成は、例えば、フォトリソグラフィ技術により行うことができる。
柱状部３は、入射する光の波長以下の一定のピッチＰで配列されている。

柱状部３の横断面形状は、例えば、方形であり、柱状部３は四角柱状に形成されている。
柱状部３の横断面積は、例えば、図４（ｂ）に示されるように、中央部において最も大きく、周辺に向かって漸次小さくなるように構成されている。

膜状部４は、入射する光の波長以下の膜厚寸法を有するとともに、柱状部３および基材２とは異なる屈折率を有する材質により構成されている。そして、膜状部４は、その膜厚寸法と、屈折率とを選択することによって、入射する光の柱状部３の先端面３ａおよび基材２の表面２ａにおける反射を防止する、干渉作用による反射防止膜として機能するようになっている。
膜状部４は、柱状部３の先端面３ａおよび基材２の表面２ａに蒸着等することによって形成することができる。

このように構成された本実施形態に係る光学素子１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る光学素子１によれば、基材２の表面２ａに形成された柱状部３が、入射する光の波長以下のピッチＰで配列されているので、サブ波長構造が構成され、入射する光が回折を生じることなく光学素子１を透過することができる。

そして、この柱状部３間の隙間５に媒体として空気６を存在させることにより、この柱状部３の配列されている部分の屈折率は、柱状部３と隙間５の空気６との体積比率によって決定される実効屈折率となっている。すなわち、柱状部３が一定のピッチＰで配列されているとともに、柱状部３の横断面積が光学素子１の中央部から周辺部に向かって漸次小さくなっているので、柱状部３の配列されている部分の実効屈折率も、光学素子１の中央部から周辺部に向かって基材２の屈折率から空気６の屈折率に近づくように分布するようになる。

その結果、本実施形態に係る光学素子１は、図２に示されるような４層の多層構造と等価であるとして考えることができる。ここで、第１層７は、一定の屈折率を有する基材２の層であり、第２層８は、基材２の表面に設けられた膜状部４と柱状部３とが基材２の表面方向に沿って混在し、実効屈折率が分布する反射防止膜の層であり、第３層９は、表面方向に沿って柱状部３と空気６とが混在し、実効屈折率が分布する層であり、第４層１０は、柱状部３の先端面３ａの膜状部４と空気６とが基材２の表面方向に沿って混在し、実効屈折率が分布する反射防止膜の層となる。

すなわち、本実施形態に係る光学素子１によれば、第１層７の屈折率が一定であり、第２〜４層８〜１０がサブ波長構造となっているので、入射する光を回折させることなく、透過させることができる、また、全面にわたって設けられた反射防止膜によって表面における反射が防止される。

さらに、表面方向に沿って第２〜４層８〜１０の実効屈折率を分布させることにより、透過する光の波面を変調することができる。そして、サブ波長構造を横断面積一定の柱状部３によって構成することにより、柱状部３の長さ方向全長、すなわち、第３層９の厚さ方向全長にわたって、一定の実効屈折率が維持され、光の波面の変調を最も効率的に行うことができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、中央における実効屈折率を最も高くし、周辺に向かうに従って実効屈折率を漸次減少させているので、凸レンズのように機能させることができる。本発明はこれに限定されるものではなく、図３に示されるように、柱状部３の横断面積の分布を、上記とは逆に中央において最も小さくし、周辺に向かうにしたがって漸次増大させていくことにより、凹レンズのように機能させることにしてもよい。また、屈折率の分布は任意に設定してもよい。

また、本実施形態に係る光学素子１としては、図４（ａ）に示されるように、一次元方向に広がるサブ波長構造でもよいし、図４（ｂ）に示されるように、２次元方向に広がるサブ波長構造を採用してもよい。
また、本実施形態に係る光学素子１においては、柱状部３のピッチＰが一定である場合を例示したが、これに限定されるものではなく、入射される光の波長以下であり、かつ、柱状部３と隙間５との体積比率が変動しさえすれば、表面方向に沿ってピッチＰを変動させることにしてもよい。

また、柱状部３間の隙間５に空気６を存在させる場合を例示したが、これに代えて、図５に示されるように、柱状部３および基材２とは異なる屈折率を有する固体状の媒体１１によって、柱状部３の隙間５を埋めることとしてもよい。この場合には、この媒体１１の表面を柱状部３の先端面３ａと面一に構成し、媒体１１の表面および柱状部３の先端面３ａの全面を覆うように膜状部４を形成することが好ましい。

このようにすることで、図６に示される多層構造と等価な光学素子１を構成することができる。この多層膜は、均一な屈折率を有する第１層１２と、表面方向に沿って屈折率が分布するサブ波長構造の第２層１３と、均一な屈折率を有する第３層１４とを備えている。

このように構成された光学素子１は、平面状に膜状部４を形成することができ、容易に製造することができるという利点がある。また、媒体１１によって隙間５が埋められているので、塵埃等が入り込みにくいという利点もある。さらに、柱状部３が媒体１１によって補強され、強度を向上することができるという利点もある。

また、このような構成の光学素子１は、以下のようにして容易に製造することができる。
すなわち、図７に示されるように、基材２の一表面に溝を形成することによって複数の柱状部３を形成し（柱状部形成ステップＳ１）、柱状部３間の隙間５に、柱状部３とは異なる屈折率を有する流動性媒体１１を流入させて、柱状部３の先端面３ａを覆うレベルまで充填し（媒体充填ステップＳ２）、流動性媒体１１を硬化させる（硬化ステップＳ３）。これにより、図６に示される多層構造と等価な光学素子１を容易に製造することができる。

また、図８に示されるように、隙間５に空気６が充填された状態で、柱状部３の先端面３ａ間に掛け渡すように、全面にわたってフィルム状の膜状部４を配置することにしてもよい。
これによっても図６と同様の多層膜と等価な光学素子１を構成することができる。

また、１枚のフィルム状の膜状部４に代えて、図９に示されるように、透明な平行平面板１５の両面に反射防止膜１６を形成したシート１７を、柱状部３の先端面３ａ間に掛け渡すように、全面にわたって配置することとしてもよい。１枚のフィルム状の膜状部４を配置する場合と比較して、シート状にすることで取り扱い性を向上することができる。

１光学素子
２基材
２ａ表面
３柱状部
３ａ先端面
４膜状部
５隙間
６空気（媒体）
１１媒体
Ｓ１柱状部形成ステップ
Ｓ２媒体充填ステップ
Ｓ３硬化ステップ

Claims

基材と、
該基材の表面に、入射する光の波長以下のピッチで配列された複数の柱状部と、
該柱状部間の隙間に充填された前記柱状部とは屈折率の異なる媒体と、
前記基材の表面、前記柱状部の先端面または前記媒体の表面のうちいずれか１つ以上により構成される前記光の入射面の全面を覆う位置に配置された、前記柱状部の屈折率とは異なる屈折率を有する膜状部とを備え、
前記膜状部が、干渉作用による反射防止機能を発揮する膜厚寸法を有し、
前記柱状部と前記媒体との体積比が前記基材の表面に沿う方向に変化する光学素子。
前記柱状部が、前記基材の表面の法線方向に略一定の断面形状を有する請求項１に記載の光学素子。
前記膜状部が、前記柱状部と前記媒体との体積比の前記基材の表面に沿う方向への変化に応じて設定された膜厚寸法を有する請求項１または請求項２に記載の光学素子。
前記媒体が空気である請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学素子。
前記媒体が固体材料からなり、前記柱状部の先端面とともに平坦な入射面を構成する位置まで充填されている請求項１に記載の光学素子。
前記膜状部が、前記柱状部の先端面および前記媒体の表面を覆う平坦なフィルム状に構成されている請求項１に記載の光学素子。
前記柱状部の先端面および前記媒体の表面を覆う透明な材質からなる平行平面板を備え、
前記膜状部が、前記平行平面板の表面に設けられている請求項１に記載の光学素子。
前記媒体および前記膜状部が同一の材質により一体的に構成されている請求項１に記載の光学素子。
基材の表面に、入射する光の波長以下のピッチで複数の柱状部を形成する柱状部形成工程と、
該柱状部形成工程により形成された前記柱状部間の隙間に、前記柱状部と異なる屈折率を有する流動性のある媒体を流入させて、前記柱状部の先端面を被覆するまで充填する媒体充填工程と、
前記媒体を硬化させる硬化工程とを含む光学素子の製造方法。