JP2014098764A

JP2014098764A - 光学素子および光学装置

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Publication number: JP2014098764A
Application number: JP2012249601A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Hosoda; 康雄細田; Masami Sone; 正己曽根
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-05-29

Abstract

【課題】光触媒の粒子から成る光触媒膜を備えると共に、高い透過率を得ることができる光学素子およびこれを備えた光学装置を提供する。
【解決手段】透光性基材２と、透光性基材２上に設けられ、光触媒の粒子５から成る光触媒膜４と、を備え、光触媒膜４は、膜厚が４ｎｍ以下である薄領域６を含むと共に、平均膜厚が１ｎｍ以上且つ９ｎｍ以下である。また、光触媒膜４の算術平均粗さ（Ｒａ）が、１ｎｍ以上且つ５０ｎｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面に光触媒膜を形成した光学素子およびこれを備えた光学装置に関するものである。

従来、樹脂基板と、樹脂基板上に形成された酸化チタン層と、酸化チタン層上に形成された酸化チタン薄膜とを備えた樹脂製品が知られている。酸化チタン薄膜は、アナターゼ型の酸化チタンを主成分とする粒子を、酸化チタン層の表面全体を覆うように、或いは、酸化チタン層上に分散させて形成されており、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの膜厚を有する（特許文献１参照）。

特開２００８−２６０６６７号公報

従来の樹脂製品（光学素子）では、酸化チタン薄膜（光触媒膜）がアナターゼ型酸化チタンを主成分とする粒子から成ることから、酸化チタン薄膜の表面が凹凸状となり、その表面凹凸構造によって表面散乱が発生するため、透過率が低下しやすい。しかも、酸化チタン薄膜の膜厚が約１０ｎｍ〜約５０ｎｍと厚いため、透過率が低くなってしまっていた。したがって、光の損失がほとんど許されない精密な光学素子に、光触媒膜を形成したものを用いることができなかった。

本発明は、光触媒の粒子から成る光触媒膜を備えると共に、高い透過率を得ることができる光学素子およびこれを備えた光学装置を提供することを課題としている。

本発明の光学素子は、透光性基材と、透光性基材上に設けられ、光触媒の粒子から成る光触媒膜と、を備え、光触媒膜は、膜厚が４ｎｍ以下である薄領域を含むと共に、平均膜厚が１ｎｍ以上且つ９ｎｍ以下であることを特徴とする。

この構成によれば、光触媒膜が薄領域を含むことで、表面積を確保しつつ、平均膜厚を９ｎｍ以下とすることができる。そして、平均膜厚が９ｎｍ以下であることから、光触媒膜が光触媒の粒子から構成されていても、高い透過率を得ることができる。
なお、光触媒膜の平均膜厚とは、平坦膜に置き換えたときに相当する膜厚を、光学素子の透過率の測定値から光学的に求めたものを意味する。
また、薄領域とは、光触媒の粒子が全く存在しない領域（膜厚：０ｎｍ）をも含む概念である。
また、光学素子としては、例えば、光学装置に備えられる各種のレンズ、プリズム、ミラー等が含まれる。

本発明の光学装置は、上記の光学素子を備えたことを特徴とする。
光学装置としては、例えば、光ピックアップ装置、光記録再生装置、プロジェクター等が含まれる。

（ａ）は実施形態に係るセルフクリーニングレンズを示す図、（ｂ）はセルフクリーニングレンズの出射面側の層構造を示す一部拡大図である。（ａ）は光触媒膜の膜厚と透過率との関係を示すグラフ、（ｂ）は同グラフの基礎となった層構造を示す図である。（ａ）は実施例１で得られたサンプル１の断面ＴＥＭ写真、（ｂ）はそれを模式的に示した図である。（ａ）は実施例２で得られたサンプル２の断面ＴＥＭ写真、（ｂ）はそれを模式的に示した図である。（ａ）は実施例３で得られたサンプル３の断面ＴＥＭ写真、（ｂ）はそれを模式的に示した図である。サンプル１〜３の測定結果を示す表である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る光学素子について説明する。本実施形態では、光学素子として、光ピックアップ装置におけるセルフクリーニングレンズを例示する。この光ピックアップ装置は、ブルーレイ・ディスクに対応した光記録再生装置に搭載され、セルフクリーニングレンズで集光した光ビームのスポットを光ディスクに照射するためのものである。

図１に示すように、セルフクリーニングレンズ１は、ガラス等の透光性基材で構成された対物レンズ２と、対物レンズ２の出射面（光ディスクＤに対向する側の面）に形成されたＡＲ（Anti Reflection）コート層２ｆと、ＡＲコート層２ｆの出射面に形成された下地層３と、下地層３の出射面に形成された光触媒膜４とを備えている。セルフクリーニングレンズ１は、光触媒膜４によるセルフクリーニング機能により、対物レンズ２の出射面側への汚れの付着が防止されている。

ＡＲコート層２ｆは、反射防止効果を有し、例えば、フッ化マグネシウム（屈折率ｎ_ｆ＝１．３８）で構成されている。この場合、入射光の波長λ＝４０５ｎｍに対応して、膜厚ｄ_ｆは７３．４ｎｍ程度となる（ｄ_ｆ＝λ／（４ｎ_ｆ））。

下地層３は、後述する光触媒分散液の塗付特性（塗れ拡がり）を向上させ、対物レンズ２との密着力を向上させるためのものであり、表面に親水性が付与されている。下地層３は、表面凹凸構造を持たず、平滑であることが好ましい。下地層３を構成する材料としては、入射光の波長λに対して透明であることが好ましく、λ＝４０５ｎｍの場合、酸化チタン（屈折率ｎ_３＝２．５）を好適に用いることができる。酸化チタンとしては、アモルファス型酸化チタンまたはルチル型酸化チタンが好ましい。下地層３の形成方法としては、まず、対物レンズ２の出射面に、真空蒸着によって、例えば酸化チタンの層を形成する。その後、紫外線を照射することで、下地層３の表面に親水性を付与する。なお、ＡＲコート層２ｆを設ける代わりに、下地層３を、反射防止効果が得られる膜構造、すなわち、λ／（４ｎ_３）付近の膜厚ｄ_３を有する膜構造としてもよい。

光触媒膜４は、光触媒の粒子５が凝集して構成されており表面が凹凸状となっているため、比較的高い光触媒活性が得られるようになっている。光触媒を微粒子化した光触媒分散液を下地層３上に塗付することで、光触媒膜４を光触媒の粒子５で構成することができる。光触媒分散液中の光触媒材料の濃度は、０．１重量％以下であることが好ましく、これにより、光触媒膜４の平均膜厚（後述する）を９ｎｍ以下とすることが容易になる。光触媒分散液としては、ルチル型酸化チタン結晶を、液体中で液相レーザーアブレーション処理することで得られるアナターゼ型酸化チタン分散液が好ましい。また、サガンコートＴＰＸ−ＨＬ（鯤コーポレーション社製）などの市販品を用いてもよい。なお、酸化チタン以外の光触媒材料を用いた場合にも、その光触媒材料を微粒子化した分散液を用いればよい。

光触媒膜４の平均膜厚は、１ｎｍ以上９ｎｍ以下であり、通常の光触媒膜の膜厚（１００ｎｍ〜数μｍ）よりもはるかに薄くなっている。平均膜厚が９ｎｍを超えると、高い透過率を得ることができない。一方、平均膜厚が１ｎｍ未満であると、表面積が小さくなり（粒子５が疎らになる）、高い光触媒活性を得ることができない。

ここで、光触媒膜４の平均膜厚とは、平坦膜に置き換えたときに相当する膜厚を、セルフクリーニングレンズ１の透過率の測定値から光学的に求めたものである。より具体的には、特性マトリックス法による計算手法を用いることができる。以下、概要を説明するが、ここでは、光触媒膜４と下地層３とを酸化チタンで構成した場合のように、光触媒膜４の屈折率ｎ_４と下地層３の屈折率ｎ_３とが等しくなっており、簡便のため、光触媒膜４と下地層３との間の反射は無いものとし、光触媒膜４と下地層３を一体とした、Ａ層（屈折率ｎ_ａ＝ｎ_３＝ｎ_４、膜厚ｄ_ａ＝ｄ_３＋ｄ_４）を想定する。

この場合、Ａ層の位相膜厚δ_ａおよびＡＲコート層２ｆの位相膜厚δ_ｆは、次式で表される（垂直入射の場合）。

Ａ層やＡＲコート層２ｆの特性マトリックスＭ_ｋ、および対物レンズ２の特性マトリックスＭ_ｓは、吸収がない（屈折率に複素成分がない）場合、次式で表される。

そして、層構造全体での特性マトリックスは、次式で表される。

以上より、対物レンズ２上に薄膜（ＡＲコート層２ｆ、下地層３および光触媒膜４）が形成された、空気（屈折率ｎ_０＝１）／薄膜／対物レンズ２の系における反射率Ｒおよび透過率Ｔは、次式で表される。

図２（ａ）は、図２（ｂ）に示した層構造を有する場合に、上記の特性マトリックス法により算出した、光触媒膜４の膜厚と透過率との関係を示すグラフである（図２（ｂ）では、光触媒膜４は平坦膜と仮定している）。同グラフ（上記の式）を用いることにより、透過率の測定値から光触媒膜４の膜厚を算出することができ、算出された膜厚を、光触媒膜４の平均膜厚とする。なお、透過率は、分光光度計により測定する。

また、光触媒膜４は、膜厚が４ｎｍ以下である薄領域６を含んでいる。薄領域６は、光触媒の粒子５が、全く存在しないか（膜厚：０ｎｍ）、或いは、厚さ方向に数分子だけ（アナターゼ型酸化チタン結晶の場合、その最低結晶サイズは、約１〜２ｎｍと考えられる）、存在する領域である。光触媒膜４が薄領域６を含むことで、表面積を確保しつつ、平均膜厚を９ｎｍ以下とすることができる。薄領域６の膜厚は、断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）写真において測定される。

薄領域６のうち、光触媒の粒子が全く存在しない領域（膜厚：０ｎｍ）の最大長さＬ０は、光触媒膜４に入射する光の波長λの１／２以下である必要があり、λの１／４以下であることが好ましい。光触媒の粒子が全く存在しない領域の長さが、λの１／２以下であれば、光触媒膜４中の薄領域６に光触媒が全く存在しない領域が含まれていても、入射光を確実に光触媒の粒子５に当てることができ、光触媒活性を得ることができる。また、光触媒膜４の中で、他の領域と比較して光触媒の活性が相対的に少なくなっている薄領域６の最大長さＬは、光触媒膜４に入射する光の波長λの１／２以下であることが好ましく、λの１／４以下であることがより好ましい。薄領域６の長さが、λの１／２以下であれば、光触媒膜４に薄領域６が含まれていても、入射光を確実に薄領域６以外の領域の光触媒の粒子５にも当てることができ、良好な光触媒活性を得ることができる。なお、薄領域６の最大長さＬは、光触媒の粒子５の最低結晶サイズから、通常、１ｎｍ以上になる。薄領域６の最大長さＬおよび、光触媒の粒子が全く存在しない領域の最大長さＬ０は、断面ＴＥＭ写真において測定される。すなわち、断面ＴＥＭ写真において観察された各薄領域６の長さ、および、光触媒の粒子が全く存在しない各領域の長さ、のうち、それぞれ最大のものである。

光触媒膜４は、最大膜厚ｄｍが１０ｎｍ以上且つ１００ｎｍ以下であることが好ましい。平均膜厚が９ｎｍ以下である場合に、最大膜厚ｄｍが１００ｎｍ以下であれば、最大膜厚領域の突出量が大きくなりすぎることがないため、光触媒膜４の下地層３との密着力が弱くなることがなく、下地層３から光触媒膜４が剥がれやすくなることがない。一方、平均膜厚が９ｎｍ以下である場合に、最大膜厚ｄｍが１０ｎｍ以上であれば、光触媒膜４の表面積が大きくなり、高い光触媒活性を得ることができる。光触媒膜４の最大膜厚ｄｍは、断面ＴＥＭ写真において測定される。

光触媒膜４は、算術平均粗さ（Ｒａ）が、１ｎｍ以上且つ５０ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上且つ１０ｎｍ以下であることがより好ましい。Ｒａが１ｎｍ以上であれば、表面積が大きく、高い光触媒活性を得ることができる。一方、Ｒａが５０ｎｍ以下であれば、光触媒膜４の最大膜厚ｄｍが比較的小さな値となる。光触媒膜４の算術平均粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳＢ０６０１（２００１年度版）に準じて測定される。

上述した光触媒膜４の平均膜厚、最大膜厚ｄｍおよび算術平均粗さ（Ｒａ）は、光触媒分散液の塗付回数、光触媒分散液の濃度、光触媒分散液の調製時における分散化条件（例えば、レーザの出力や焦点の大きさ）等を調整することで、制御可能である。また、これらを制御することで、光触媒膜４に薄領域６を設けることができる。

光触媒の粒子５は、主に粒径が１０ｎｍ以下の粒子からなり、且つ、平均粒径が１０ｎｍ以下の粒子で構成されていることが好ましい。光触媒の粒子５の粒径が１０ｎｍ以下であれば、平均膜厚を９ｎｍ以下とすることが容易となる。粒径が１０ｎｍよりも大きい粒子が存在していても構わないが、平均膜厚が９ｎｍ以下の領域においては、１０ｎｍよりも大きい粒子が増えるにつれて、光触媒膜４の中の薄領域６の割合が増加することとなり、光触媒活性を低下させるので好ましく無い。一方、光触媒の粒子５の粒径は、その最低結晶サイズから、通常、１ｎｍ以上となる。光触媒の粒子５の平均粒径は、断面ＴＥＭ写真において観察される、各粒子５の円相当径を平均した平均値である。光触媒の粒子５の粒径（平均粒径を含む）は、光触媒分散液の調製時における分散化条件を調整することで、制御可能である。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例のうち、透過率および、透過率を用いた光触媒膜の平均膜厚の算出以外の評価は、対物レンズに代えて、各測定項目について同等の測定値が得られるＡＲコート層の無いガラス平板を用いた測定用サンプルにより行った。

［調整例１］
ルチル型酸化チタン結晶を、アンモニア水中で液相レーザーアブレーション処理し、０．０４重量％のアナターゼ型酸化チタン分散液（酸化チタン分散液１）を得た。

［調整例２］
ルチル型酸化チタン結晶を、蒸留水中で液相レーザーアブレーション処理し、０．０３重量％のアナターゼ型酸化チタン分散液（酸化チタン分散液２）を得た。

［調整例３］
サガンコートＴＰＸ−ＨＬ（鯤コーポレーション社製）を水で２０倍に希釈して、アナターゼ型酸化チタン分散液（酸化チタン分散液３）を得た。

［実施例１］
ガラス平板および、予めＡＲコート層（フッ化マグネシウム、厚さ７３ｎｍ）が形成された対物レンズの表面に、電子ビーム蒸着装置を用いた真空蒸着により、酸化チタンを７７ｎｍの厚さに形成した。この酸化チタンの層に紫外線を照射して表面を親水化処理し、下地層とした。紫外線照射は、波長３６５ｎｍのＵＶ−ＬＥＤ（ultraviolet Light Emitting Diode）光源から発生された紫外線を、１１３０ｍＷ／ｃｍ２の強度で、表面が十分に親水化されるように、２０分間以上照射した。この下地層は、ルチル型結晶を含む、結晶性の低い多結晶体膜となっていて、表面は十分に平滑であった。そして、下地層の上に、酸化チタン分散液１を滴下し、溶媒を乾燥させた後、２００℃にて５分間加熱して硬化させ、光触媒膜を形成し、サンプル１を得た。

［実施例２］
酸化チタン分散液１に代えて、酸化チタン分散液２を用いたこと、並びに、親水化、滴下、乾燥および硬化の手順を６回実施して重ね塗りを行ったことを除き、実施例１と同様に行って、サンプル２を得た。

［実施例３］
酸化チタン分散液１に代えて、酸化チタン分散液３を用いたことを除き、実施例１と同様に行って、サンプル３を得た。

図３〜５に、サンプル１〜３の断面ＴＥＭ写真およびそれを模式的に示した図を示す。なお、サンプル３における光触媒の粒子は、実際には鎌型や円板型であるが、図５（ｂ）では、概念的に円形（球体）で示している。

また、図６に、サンプル１〜３について、透過率、光触媒膜の平均膜厚、最大膜厚および算術平均粗さ（Ｒａ）、光触媒膜における薄領域の有無、薄領域の長さ、並びに光触媒の粒子の粒径を測定した結果を示す。各測定方法は、上述したとおりであり、算術平均粗さ（Ｒａ）については、ＳＰＡ５００走査型プローブ顕微鏡（セイコーインスツル社製）を用い、スキャンサイズ：５０×５０μｍ、カットオフ値：１６μｍにて測定した。なお、図６では、薄領域の長さに関し、〇は１００ｎｍ以下であったことを意味し、△は１０１〜２００ｎｍであったことを意味する。また、光触媒の粒子の平均粒径に関し、〇は１０ｎｍ以下であったことを意味する。

図３〜６から明らかなように、本実施例１〜３で得られたサンプル１〜３は、光触媒の粒子から成る光触媒膜を備えると共に、９６％以上の高い透過率を得ることができた。

１：セルフクリーニングレンズ、２：対物レンズ、２ｆ：ＡＲコート層、３：下地層、４：光触媒膜、５：粒子、６：薄領域、Ｄ：光ディスク

Claims

透光性基材と、
前記透光性基材上に設けられ、光触媒の粒子から成る光触媒膜と、を備え、
前記光触媒膜は、膜厚が４ｎｍ以下である薄領域を含むと共に、平均膜厚が１ｎｍ以上且つ９ｎｍ以下であることを特徴とする光学素子。
前記光触媒膜の算術平均粗さ（Ｒａ）が、１ｎｍ以上且つ５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
前記粒子の平均粒径が、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
前記光触媒膜の最大膜厚が、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。
前記薄領域の最大長さが、前記光触媒膜に入射する光の波長λの１／２以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光学素子。
請求項１ないし５のいずれかに記載の光学素子を備えたことを特徴とする光学装置。