JP2014186305A - 光学部材 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像装置などの光学系に用いる際に最適となる反射防止構造を有する光学部材を提供することを目的とする。
【解決手段】互いに対向する第１面および第２面と、第１面に形成され、単位構造が複数配列された第１の微細構造部３０と、第２面に形成され、単位構造が複数配列された第２の微細構造部４０とを有し、第１の微細構造部３０を構成する単位構造の周期と第２の微細構造部４０を構成する単位構造の周期とが異なるように構成した。
【選択図】図２

Description

本技術は、入射光の反射を抑制する反射防止構造を有する光学部材に関する。

近年、光の反射を抑制する反射防止構造を有する種々の光学部材が提案されている。

反射防止構造の例としては、光学部材の表面に入射光の波長以下のピッチで微細構造部を形成することが提案されている。例えば、規則的に配列された線条凹部または線条凸部からなる微細構造部や、規則的に配列された錐体状または柱状の凹部または凸部からなる微細構造部等がある。このような微細構造部が複数配列されてなる構造を「反射防止凹凸構造：ＳＷＳ（Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ）」と称する。

特許文献１には、光学面上への入射角度が、小さい側から大きい側にかけて、反射防止凹凸構造の高さが次第に高くなるように変化させた光学部材が開示されている。

特開２０１０−２７１４５５号公報

本技術は、撮像装置などの光学系に用いる際に最適となる反射防止構造を有する光学部材を提供することを目的とする。

本技術による光学部材は、互いに対向する第１面および第２面と、前記第１面に形成され、単位構造が複数配列された第１の微細構造部と、前記第２面に形成され、単位構造が複数配列された第２の微細構造部とを有し、前記第１の微細構造部を構成する単位構造の周期と前記第２の微細構造部を構成する単位構造の周期とが異なるように構成した。

本技術によれば、撮像装置などの光学系に用いる際に最適となる反射防止構造を有する光学部材を提供することができる。

デジタルカメラなどの撮像装置に用いられる光学系の一例を示す概略断面図である。 本技術の一実施の形態による光学部材として、第２レンズＬ２の一例を示す概略断面図である。 透過回折光の発生を説明するための説明図である。 不要回折光が発生しない最大周期を算出した結果を示すグラフであって、光線の入射角と微細構造部の周期の最大ピッチとの関係を示すグラフである。 不要回折光が発生しない最大周期を算出した結果を示すグラフであって、屈折率と微細構造部の周期の最大ピッチとの関係を示すグラフである。 不要回折光が発生しない最大周期を算出した結果を示すグラフであって、面の傾斜と微細構造部の周期の最大ピッチとの関係を示すグラフである。 本技術によるレンズの製造方法において、図２に示すレンズを成形するためのレンズモールドを作製するための工程を示す工程図である。

以下、本技術の一実施の形態による光学部材について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者は、当業者が本技術を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

図１は、デジタルカメラなどの撮像装置に用いられる光学系の一例を示す概略断面図である。

図１に示すように、光学系１０は、被写体側から順に、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５、第６レンズＬ６により構成されている。また、撮像素子１１は、光学系１０の光軸Ｘ方向に配置されている。第４レンズＬ４は、第４レンズＬ４ａおよび第４レンズＬ４ｂの２枚で構成された接合レンズである。

図２は、本技術の一実施の形態による光学部材として、第２レンズＬ２の一例を示す概略断面図である。なお、本実施の形態では、第２レンズＬ２が反射防止構造を有する場合を例にして説明するが、他のレンズに反射防止構造が形成されていてもよい。

図２に示すように、第２レンズＬ２は、入射面２１が凸面で、出射面２２が凹面の凹メニスカスレンズである。第２レンズＬ２は、ガラスレンズにより構成されている。また、第２レンズＬ２は、第１面である入射面２１が第１の微細構造部３０を有し、第２面である出射面２２が第２の微細構造部４０を有する。ここで、第１の微細構造部３０および第２の微細構造部４０は、線条の凹部または凸部、錐体状の凹部または凸部、柱状の凹部または凸部等の単位構造が、所定の規則性を有するパターンで複数配列された微細構造部により構成されている。また、第１の微細構造部３０および第２の微細構造部４０は、単位構造の周期が４００ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲の波長以下の周期を有し、この微細構造部は、ＳＷＳを形成している。なお、微細構造部を構成する単位構造は、複数の単位構造それぞれが、全く同じ寸法、形状およびパターンを有するものでなくてもよく、反射防止構造が形成可能な範囲で、ばらつきを持たせて形成してもよい。

第１の微細構造部３０および第２の微細構造部４０は、上述した単位構造が所定の規則性を有するパターンで複数配列されることにより構成され、さらに第１の微細構造部３０における単位構造の周期と第２の微細構造部４０における単位構造の周期とは、異なるように構成されている。具体的には、出射面２２に形成された第２の微細構造部４０の周期は、入射面２１に形成された第１の微細構造部３０の周期より大きくなるように構成されている。これにより、単位構造の周期以上の波長の光の反射を抑制することができる。また、不要な回折光の発生を低減することも可能となる。

次に、本技術によるレンズにおいて、不要な回折光の発生を低減できる理由について説明する。

レンズなどの光学部材表面に形成される微細構造部は、サブミクロンの非常に微細な構造であるため、微細加工や成形時の微細構造部転写が非常に難しい。そのため、微細加工性や成形転写性などの生産性を良好にするために、周期をより大きくすることが望まれる。一方、微細構造部の周期を大きくすると、微細凹凸構造に起因する不要な回折光が発生してしまうため、不要な回折光が発生しない程度の周期以下に小さくする必要がある。微細構造部に起因する不要な回折光が発生しない周期は、レンズ面に対する光の入射角度、およびレンズ材料の屈折率により算出ことができるが、入射面と出射面においても周期条件が異なる。そのため、各光学部材の各面において、回折光を発生しない最大の周期に設定することが好ましい。

式（１）に、一般的な回折の条件式を示す。なお、式（１）において、Λを微細構造部の周期、θｉを入射角、θｍを回折角、λを入射光の波長とする。

式（１）

図３は、透過回折光の発生を説明するための説明図である。図３の（ａ）は、１次回折光を説明するための説明図であり、図３の（ｂ）は、−１次回折光を説明するための説明図である。なお、ここでは透過回折光について説明するが、反射回折光も同様の式で表すことができる。

式（１）を満たすときに回折光が発生するが、図３の（ａ）に示すように、１次回折光（ｍ＝１）が発生する場合と、図３の（ｂ）に示すように、−１次回折光（ｍ＝−１）が発生する場合に分けられる。

図３（ａ）、（ｂ）それぞれについて、微細構造部に必要な周期は、次のように求められる。

まず、図３（ａ）に示す１次回折光の場合、ｍ＝１、回折角の最大値θｍ＝９０°を式（１）に代入し、式（１）を展開すると、微細構造部に必要な周期は、式（２）で表すことができる。

式（２）

また、図３（ｂ）に示す−１次回折光の場合も同様に、ｍ＝−１、回折角の最大値θｍ＝−９０°を式（１）に代入し、式（１）を展開すると、微細構造部に必要な周期は、式（３）で表わされる。

式（３）

図３および式（２）および式（３）において、レンズの入射面では、ｎ０は空気の屈折率「１」、ｎ１はレンズの構成材料であるガラス材の屈折率が代入され、レンズの出射面では、ｎ０はレンズの構成材料であるガラス材の屈折率、ｎ１は空気の屈折率「１」が代入される。

図４、図５、図６は、一例として、図１に示すようなレンズ構成の各レンズに微細構造部を形成した場合であって、式（３）を用いて不要回折光が発生しない最大周期を算出した結果を示すグラフである。図４は、光線の入射角と微細構造部の周期の最大ピッチとの関係を示すグラフ、図５は、屈折率と微細構造部の周期の最大ピッチとの関係を示すグラフ、図６は、面の傾斜と微細構造部の周期の最大ピッチとの関係を示すグラフである。図４、図５、図６において、「○」は入射面側を示し、「△」は出射面側を示している。

図４、図５、図６から分かるように、入射面の周期に比べて、出射面の周期を大きくすることにより、不要な回折光の発生を低減することができる。

次に、本技術によるレンズの製造方法について説明する。

図７（ａ）〜図７（ｆ）は、本技術によるレンズの製造方法において、図２に示すレンズを成形するためのレンズモールドを作製するための工程を示す工程図である。

まず、図７（ａ）に示すように、モールド母材３１を用意する。図７（ａ）に示すように、機械加工によりモールド母材３１にレンズ形状を形成する。次に、図７（ｂ）に示すように、モールド母材３１表面に金属マスク３２を形成する。金属マスク３２の形成方法としては、スパッタリング法・蒸着法などが好ましい。

次に、図７（ｃ）に示すように、金属マスク３２の上にレジストマスク３３を形成する。レジストマスク３３の形成方法としてはスピンコート法、スプレーコート法が好ましい。

次に、図７（ｄ）に示すように、レジストマスク３３に、微細構造部に対応したレジストドットパターン３４を形成する。レジストドットパターン３４の形成方法としては、電子ビーム描画法や干渉露光（ホログラム露光）法などが好ましい。

次に、図７（ｅ）に示すように、ドライエッチングによりレジストドットパターン３４を金属マスク３２に転写する。それにより、金属マスクドットパターン３５が形成される。なお、金属マスクドットパターン３５の形成方法としては、ウェットエッチングでもよい。

次に、図７（ｆ）に示すように、ドライエッチングにより金属マスクドットパターン３５をモールド母材３１に転写する。これにより、モールド母材３１表面に微細構造部１３の反転形状３６が形成される。微細構造部１３の反転形状３６を有するレンズモールド３７を用いて、成形によりレンズを作製する。レンズ成形方法としては、レンズの材料がガラスの場合はリヒートプレス成形が用いられ、レンズの材料が樹脂の場合は、射出成形やＵＶ成形などが用いられる。

レジストパターニングにおいて、電子ビーム描画法を使用する場合は、描画ピッチの設定を調整することにより、レジストドットパターンの周期を制御することができる。干渉露光法を使用する場合は、光の干渉角を調整することにより、レジストドットパターンの周期を制御することができる。特に、電子ビーム描画法を使用すると、１ｎｍ以下の単位で所望の周期に細かく制御することができる。

なお、本実施の形態では、凸形状のレンズに対応した凹形状のレンズモールドに微細加工を施す場合を例に説明したが、凹形状のレンズに対応した凸形状のレンズモールドの微細加工も同様に行うことができる。

本技術によれば、反射防止構造を有するレンズが容易に作製可能であるという効果が得られる。詳しく説明すると、図２に示すように、レンズの出射面２２は凹面である。レンズに凹面を形成する際には、レンズ金型を用いたプレス成形が用いられる。

具体的には、入射面２１の形状の反転形状、すなわち凹面状の転写面が形成された上金型と、出射面２２の反転形状、すなわち凸面状の転写面が形成された下金型とを用いる。そして、上金型と下金型との間に、ガラス材料からなる硝材を配置し、この硝材を加熱しながら押圧することで硝材に入射面、出射面が転写される。その後、冷却工程を経て、上金型と下金型を離すことで、形成されたレンズが金型から離型される。このとき、ガラスの収縮率は金型の収縮率よりも大きいため、冷却工程の際に、硝材は金型よりも大きく収縮する。上金型の転写面は凹面のため、硝材が収縮することで、硝材と上金型は離型しやすくなる。しかし、下金型の転写面は凸面のため、硝材が収縮することで、硝材が下金型に強固に付着してしまう。そのため、下金型と硝材とが離型しにくくなる。さらに、レンズ表面に微細構造部を形成すると、微細構造部を形成しないときに比べてレンズの表面積が格段に大きくなるため、離型しにくくなる。微細構造部の周期を小さくするほど比表面積は大きくなり、より離型が困難になる。

本技術によるレンズにおいては、入射面２１に形成された第１の微細構造部３０の周期より、出射面２２に形成された第２の微細構造部４０の周期の方が大きくなるように構成しているため、入射面および出射面の両面に同程度の周期で微細構造部が形成されている場合よりも、離型がしやすくなる。これにより、離型時のレンズの割れや、微細構造部の欠けの発生を低減することができる。

また、微細構造部の周期を大きくできるので、金型加工も容易となる。また、微細構造部の高さは、微細構造部の周期によらず所定の高さを有することが好ましい。したがって、微細構造部の周期の大小にかかわらず、同じ程度の高さであることが好ましい。微細構造部の高さを保ったまま微細構造部の周期を大きくすると、微細構造部のアスペクト比（微細構造部の単位構造の高さと幅の比）は小さくなる。アスペクト比が小さい方が、アスペクト比が高い方よりもエッチングなどの微細加工が容易になる。

次に、具体的な実施例について説明する。

レンズ材料としてガラスを用いて、リヒートプレス成形によってレンズを成形した。なお、レンズ形状として、Ｒ１面が凸面、Ｒ２面が凹面の凹メニスカスレンズＬ２を成形した。

モールド母材３１としてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用意した。機械加工により、モールド母材３１にレンズ形状を形成し、スパッタリング法によりタングステンシリサイド（ＷＳｉ）を形成した後、スピンコート法により電子ビーム用レジスト（ポジ型）を塗布した。その後、電子ビーム描画によりドット形状を描画した。

レジストドットパターンをマスクとして、ドライエッチングによりＷ−Ｓｉマスクにドットパターンを形成した。引き続き、ドライエッチングによりモールド母材３１のＳｉＣ表面に微細構造部を形成した。

微細構造部を微細加工したレンズモールドに、スパッタリングによりカーボン膜を形成し離型処理した。離型処理したモールドを用いて、ガラスをリヒートプレス成形してレンズを作製した。

微細構造部周期として、レンズのＲ１面は２１０ｎｍ、Ｒ２面は２９０ｎｍとしたところ、成形レンズから不要な回折光は発生せず、かつ成形時の離型性も良好で連続成形しても離型不良が発生しなかった。

なお、モールド母材３１は、高強度でかつエッチングにより微細加工しやすい材料であればよい。例えば石英ＳｉＯ_２、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）などでもよい。金属マスク材料としては、Ｃｒ、Ｔａ、ＷＳｉ、Ｎｉ、Ｗなどでもよい。また、レジストパターニングにおいて、電子ビーム描画法の例を説明したが、本技術はこれに限らない。干渉露光（ホログラム露光）法、Ｘ線リソグラフィなどのリソグラフィでもよい。また、ナノインプリントや粒子配列によってマスクを形成してもよい。

さらに、レンズモールドを用いてレンズ成形を行う場合は、成形前にモールドの成形面を離型処理したほうがよい。ガラス成形であれば、カーボン、窒化硼素、ＤＬＣなどの薄膜を表面に形成すればよい。樹脂成形であれば、フッ素系離型剤を成形面に塗布すればよい。このような離型処理を行うことで、成形品の離型性を高めることができる。

以上のように本技術による光学部材は、互いに対向する第１面および第２面と、前記第１面に形成され、単位構造が複数配列された第１の微細構造部と、前記第２面に形成され、単位構造が複数配列された第２の微細構造部とを有し、前記第１の微細構造部を構成する単位構造の周期と前記第２の微細構造部を構成する単位構造の周期とが異なるように構成したものである。これにより、単位構造の周期以上の波長の光の反射を抑制することができ、また不要な回折光の発生を低減することも可能となる。さらに、反射防止構造を有する光学部材が容易に作製可能であるという効果が得られる。

以上のように、添付図面および詳細な説明によって、実施の形態を提供した。これらは、特定の実施の形態を参照することにより、当業者に対して、請求の範囲に記載の主題を例証するために提供されるものである。したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、それ以外の構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されているからといって、直ちにそれらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定を受けるべきではない。また、請求の範囲またはその均等の範囲において、上述の実施の形態に対して、種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本技術に係る光学部材は、反射防止効果および高い耐環境性を有し、レンズ鏡筒や、レンズ等に代表される光学素子等として有用である。本技術に係る光学部材を用いることによって、高品位な結像光学系、対物光学系、走査光学系、ピックアップ光学系等の各種光学系、レンズ鏡筒ユニット、光ピックアップユニット、撮像ユニット等の各種光学ユニット、および撮像装置、光ピックアップ装置、光走査装置等を実現することが可能となる。

１０ 光学系
１１ 撮像素子
２１ 入射面
２２ 出射面
３０ 第１の微細構造部
４０ 第２の微細構造部
３１ モールド母材
３２ 金属マスク
３３ レジストマスク
３４ レジストドットパターン
３５ 金属マスクドットパターン
３６ 反転形状
３７ レンズモールド

Claims (3)

1. 互いに対向する第１面および第２面と、前記第１面に形成され、単位構造が複数配列された第１の微細構造部と、前記第２面に形成され、単位構造が複数配列された第２の微細構造部とを有し、
   前記第１の微細構造部を構成する単位構造の周期と前記第２の微細構造部を構成する単位構造の周期とが異なるように構成した
   光学部材。
2. 前記第１面が光の入射面であり、前記第２面が光の出射面であり、第２の微細構造部の周期が第１の微細構造部の周期より大きくなるように構成した請求項１に記載の光学部材。
3. 前記第１の微細構造部および第２の微細構造部は、単位構造の周期が４００ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲の波長以下の周期を有している請求項１に記載の光学部材。

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