JP2014235318A - 反射防止膜を備えた光学部材 - Google Patents

Abstract

【課題】製造適性が良好であり、かつ十分な光学特性を有する反射防止膜を備えた光学部材を得る。【解決手段】透明基材３０と、透明基材３０の表面に形成された反射防止膜４０とを備えた光学部材１において、反射防止膜４０が、厚み方向の透明基材３０側に向けて屈折率が徐々に大きくなる屈折率傾斜構造層１０と、屈折率傾斜構造層１０と透明基材３０との間に配され、干渉作用により反射光を抑制するための干渉層２０とを備え、透明基材３０の屈折率と、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材側の屈折率とが異なり、干渉層２０の屈折率が、厚み方向に変化するものであって、屈折率傾斜構造層１０との境界および透明基材３０との境界において両者の屈折率と不連続となる値を有し、かつ、屈折率傾斜構造層側と透明基材側との値が互いに異なるものとする。【選択図】図１

Description

本発明は、表面に反射防止膜を備えた光学部材に関するものである。

従来、ガラス、プラスチックなどの透光性部材を用いたレンズ（透明基材）においては、表面反射による透過光の損失を低減するために光入射面に反射防止構造体（反射防止膜）が設けられている。

例えば、可視光に対する反射防止構造体として、誘電体多層膜や、可視光の波長よりも短いピッチの微細凹凸構造体（所謂モスアイ構造）などが知られている（特許文献１〜３など）。

特許文献１には、基材上に透明薄膜層を介して微細な凹凸膜が形成された構成が開示されている。凹凸膜はアルミナを主成分とするものであり、透明薄膜層は、ジルコニア、シリカ、チタニア、酸化亜鉛のうちの少なくとも１種が含有された層である。

特許文献２には基材上に、中間層を介して凹凸構造層が形成された構成であって、中間層が凹凸構造層とは異なる材料であって、中間層のうち凹凸構造層と隣接する層は凹凸構造層の屈折率とほぼ同等の屈折率を持つものとする構成が開示されている。

一般に、微細凹凸構造体を構成する材料と透明基材の屈折率は異なる。従って、透明基材の反射防止に利用する場合には、反射防止構造体と透明基材との間に屈折率段差を生じさせない工夫が必要となる。具体的には、特許文献１のように透明薄膜層に高屈折率の化合物を混合させる方法や、特許文献２のように薄膜層と基材との中間の屈折率を持つ中間層を設ける方法、もしくは特許文献３に示されるように、微細凹凸構造体から基材に向けて膜厚方向に屈折率が段階的に変化する屈折率傾斜薄膜層を設ける方法が知られている。

特開２００５−２７５３７２号公報 特開２０１０−６６７０４号公報 特開２０１３−３３２４１号公報

また、微細凹凸構造体を反射防止構造として備える場合、微細凹凸の高さ（深さ）が大きくなると構造上耐久性が悪くなるという問題があり、特に、微細凹凸構造体をベーマイトなどのアルミナを主成分とする凹凸膜により構成する場合には、微細凹凸の高さ（深さ）を増大させることが難しい。

本発明者らは、さらに、微細凹凸構造体において、屈折率の変化率が急峻になると、反射光が残存し、十分な反射防止性能が得られなくなることを見出した。

既述の通り、基板の反射防止のために、基板と異なる屈折率を有する材料から構成される反射防止構造体（反射防止膜）を設ける際、従来例では基板と反射防止構造体との間に、両者の屈折率差を減少させるために、両者の間の屈折率を有する中間層や段階的に屈折率を変化させる屈折率傾斜薄膜が利用されているが、十分な性能を得るためには、これらの中間層や屈折率傾斜薄膜層の膜厚をかなり大きくする必要がある。厚膜化は、製造時間、製造コストの上昇に繋がることから、製造適性が悪いという問題がある。また、基板と反射防止構造体との間に、両者間の屈折率差を小さくするための中間層等を備えただけでは、微細凹凸構造体において屈折率の変化率が急峻な部分が存在する場合に生じる反射光を抑制する効果が十分とは言えないことが本発明者らの検討により明らかになった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、生産適性が良好であり、かつ十分な光学特性を有する反射防止膜を備えた光学部材を提供することを目的とするものである。

本発明の光学部材は、透明基材と、透明基材の表面に形成された反射防止膜とを備えた光学部材であって、
反射防止膜が、厚み方向の透明基材側に向けて屈折率が徐々に大きくなる屈折率傾斜構造層と、屈折率傾斜構造層と透明基材との間に配され、干渉作用により反射光を抑制するための干渉層とを備え、
透明基材の屈折率と、屈折率傾斜構造層の最も透明基材側の屈折率とが異なるものであり、
干渉層の屈折率が、厚み方向に変化するものであって、屈折率傾斜構造層との境界および透明基材との境界において両者の屈折率と不連続となる値を有し、かつ、屈折率傾斜構造層側と透明基材側との値が互いに異なることを特徴とする。

すなわち、本発明の光学部材は厚み方向において、屈折率傾斜構造層と干渉層との境界位置をｚ_１、干渉層と透明基材との境界位置をｚ_２としたとき、位置ｚ_１における屈折率傾斜構造層の屈折率をｎ_１(ｚ_１)、干渉層の屈折率をｎ_２(ｚ_１)、位置ｚ_２における干渉層の屈折率をｎ₂(ｚ_２)、透明基材の屈折率をｎ_３としたとき、ｎ_１(ｚ_１)≠ｎ_３、ｎ_１(ｚ_１)≠ｎ_２(ｚ_１)、ｎ_２(ｚ_２)≠ｎ_３、ｎ_２(ｚ_１)≠ｎ_２(ｚ_２)である。

特には、透明基材の屈折率が、屈折率傾斜構造層の最も透明基材側の屈折率よりも大きく（ｎ_１(ｚ_１)＜ｎ_３）、
干渉層において、前記屈折率傾斜構造層との境界位置での屈折率が、前記透明基材との境界位置での屈折率よりも大きい（ｎ₂(ｚ_１)＞ｎ_２(ｚ₂)）ことが好ましい。

あるいは、透明基材の屈折率が、屈折率傾斜構造層の最も透明基材側の屈折率よりも小さく（ｎ_１(ｚ_１)＞ｎ_３）、
干渉層において、屈折率傾斜構造層との境界位置での屈折率が、透明基材との境界位置での屈折率よりも小さい（ｎ₂(ｚ_１)＜ｎ_２(ｚ₂)）ことが好ましい。

屈折率傾斜構造層において、厚み方向における屈折率の変化率Δｎ／Δｄ、反射防止対象光の波長λとの関係が、λ×Δｎ／Δｄ＞１．５となる部分を有する場合に、特に本発明は効果的である。

反射防止対象光とは、本発明の光学部材において、反射防止をすべき光であり、用途により異なるが、例えば、可視光、赤外光などである。

なお、
干渉層は３以上の元素からなり、厚み方向にその組成比が変化して、厚み方向に屈折率が変化しているものであることが好ましい。

具体的には、干渉層はシリコン酸窒化物からなり、厚み方向に酸素と窒素との組成比が変化して、厚み方向に屈折率が変化しているものとすることができる。

あるいは、干渉層はシリコン酸化物とチタン酸化物との混合層であり、シリコン酸化物とチタン酸化物との含有比が厚み方向に変化して、厚み方向に屈折率が変化しているものとすることができる。

屈折率傾斜構造層は、反射防止対象光の波長よりも短いピッチの微細凹凸を有する透明な微細凹凸構造体からなるものであってもよい。

屈折率傾斜構造層は、反射防止対象光の波長よりも短い周期の微細凹凸を有する透明な微細凹凸構造体からなるものであってもよい。

屈折率傾斜構造層は、透明基材から遠い側から透明基材に近い側に向けて屈折率が単調増加する屈折率傾斜薄膜からなるものであってもよい。

屈折率傾斜構造層は、反射防止対象光の波長より小さいサイズの透明微粒子がランダムに配置されてなる微粒子層からなるものであってもよい。

本発明の光学部材は、屈折率傾斜構造層と干渉層との境界、干渉層と基材との境界において、屈折率が不連続となる屈折率プロファイルを有しているので、この２つの屈折率の不連続な境界を有することにより、反射防止対象光の、屈折率傾斜構造層の最も基材側の屈折率と基材の屈折率との屈折率差により生じる反射光や、屈折率傾斜構造層において急峻な屈折率変化が存在する場合に生じる反射光などを干渉させ、屈折率傾斜構造層の表面側から入射する反射防止対象光の光学部材外部への反射光を非常に小さくすることができる。

本発明の光学部材の構成を示す断面模式図である。 本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第１の例を示す図である。 本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第１の例の設計変更例を示す図である。 本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第２の例を示す図である。 本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第２の例の設計変更例を示す図である。 本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第３の例を示す図である。 本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第４の例を示す図である。 光学部材の第１の実施形態を示す断面模式図である。 光学部材の第２の実施形態を示す断面模式図である。 光学部材の第３の実施形態を示す断面模式図である。 光学部材の第４の実施形態を示す断面模式図である。 屈折率プロファイルと反射率のシミュレーション結果を示す図である。 比較例１の光学部材の屈折率プロファイルを示す図である。 比較例１の光学部材において、波長５４０ｎｍの光に対する反射率と傾斜膜厚の光学シミュレーション結果を示す図である。 実施例１の光学部材の屈折率プロファイルを示す図である。 実施例２の光学部材の屈折率プロファイルを示す図である。 比較例２の光学部材の屈折率プロファイルを示す図である。 実施例１、実施例２および比較例２の反射率のシミュレーション結果を示す図である。 実施例３の光学部材の屈折率プロファイルを示す図である。 比較例３の光学部材の屈折率プロファイルを示す図である。 実施例３および比較例３の反射率のシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

本発明の光学部材１の構成を示す断面模式図である。図１に示すように、光学部材１は、透明基材３０と、透明基材３０表面に形成された反射防止膜４０とから構成される。反射防止膜４０は、屈折率が表面側から基材３０側に向けて徐々に大きくなる屈折率傾斜構造層１０と、この屈折率傾斜構造層１０と透明基材３０との間に設けられた反射光を干渉により抑制するための干渉層２０とから構成されている。

光学部材１は、透明基材３０の屈折率と、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材３０側の屈折率とが異なるものであり、干渉層２０の屈折率が、厚み方向に変化するものであって、屈折率傾斜構造層１０との境界および透明基材３０との境界において両者の屈折率と不連続となる値を有し、かつ、屈折率傾斜構造層１０側と透明基材３０側との値が互いに異なることを特徴とする。

すなわち、光学部材１は厚み方向において、屈折率傾斜構造層１０と干渉層２０との境界位置をｚ_１、干渉層２０と透明基材３０との境界位置をｚ_２としたとき、位置ｚ_１における屈折率傾斜構造層１０の屈折率（屈折率傾斜構造層の最も透明基材側の屈折率）をｎ_１(ｚ_１)、干渉層２０の屈折率（干渉層２０の最も屈折率傾斜構造層１０側の屈折率）をｎ_２(ｚ_１)、位置ｚ_２における干渉層２０の屈折率（干渉層２０の最も基材３０側の屈折率）をｎ₂(ｚ_２)、透明基材３０の屈折率をｎ_３としたとき、ｎ_１(ｚ_１)≠ｎ_３、ｎ_１(ｚ_１)≠ｎ_２(ｚ_１)、ｎ_２(ｚ_２)≠ｎ_３、ｎ_２(ｚ_１)≠ｎ_２(ｚ_２)である。

本発明の光学部材は、その屈折率プロファイルが、屈折率傾斜構造層１０と干渉層２０との境界位置ｚ_１、干渉層２０と透明基材３０との境界位置ｚ_２において、不連続であり、かつ干渉層２０において厚み方向に屈折率が変化していることにより、反射防止膜４０内部および反射防止膜４０と基材３０との間で生じる反射光を互いに干渉させて結果として、光学部材に入射する反射防止対象光の反射光を抑制するものである。

図２は、本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第１の例を示す。

図２に示す屈折率プロファイルは、透明基材３０の屈折率ｎ_３が、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材側の屈折率ｎ_１(ｚ_１)よりも大きく、干渉層２０において、屈折率傾斜構造層１０との境界位置ｚ_１での屈折率ｎ_２(ｚ_１)が、透明基材３０との境界位置ｚ_２での屈折率ｎ_２(ｚ_２)よりも大きい。すなわち、ｎ_１(ｚ_１)＜ｎ_３、かつ、ｎ₂(ｚ_１)＞ｎ_２(ｚ₂)である。

各層の境界位置ｚ_１、ｚ_２において屈折率が不連続となっており、本例では、干渉層２０の屈折率は、境界位置ｚ_１において、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材側の屈折率ｎ_１(ｚ_１)よりも大きく、厚み方向透明基材側になるにつれて小さくなって、境界位置ｚ_２において、透明基材３０の屈折率ｎ_３よりも小さくなっている。

図３は、本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第１の例の設計変更例を示すものである。

図３に示す屈折率プロファイルは、上述した第１の例の場合の屈折率プロファイルと同様に、境界位置における屈折率の関係が、ｎ_２(ｚ_２)≠ｎ_３、ｎ_２(ｚ_１)≠ｎ_２(ｚ_２)、ｎ_１(ｚ_１)＜ｎ_３、ｎ₂(ｚ_１)＞ｎ_２(ｚ₂)を満たすものである。この条件を満たすとき、干渉層２０は図２に示した第１の例に限らず、図３に示すような屈折率プロファイルｎ_２(ｚ)を有するものであってもよい。

図３に示す干渉層の屈折率プロファイルｎ_２(ｚ)のうちａは、境界位置ｚ_１において、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材側の屈折率ｎ_１(ｚ_１)よりも大きく、厚み方向透明基材側になるにつれて小さくなるが、境界位置ｚ_２において、透明基材３０の屈折率ｎ_３よりも大きい。

プロファイルｂは、第１の例と同様に、境界位置ｚ_１において、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材側の屈折率ｎ_１(ｚ_１)よりも大きく、厚み方向透明基材側になるにつれて小さくなり、境界位置ｚ_２において、透明基材３０の屈折率ｎ_３よりも小さいが、屈折率が一定の傾きで減少するのではなく、境界近傍ではなだらかに中心で急激な変化をしている。

プロファイルｃは、境界位置ｚ_１において、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材側の屈折率ｎ_１(ｚ_１)よりも小さく、厚み方向透明基材側になるにつれてさらに小さくなり、境界位置ｚ_２において、透明基材３０の屈折率ｎ_３よりも小さい。

なお、境界位置での屈折率の関係が満たされていれば、干渉層における厚み方向の屈折率の変化は単調減少である必要はなく、増減のあるプロファイルであってもよい。なお、境界位置ｚ_１、あるいはｚ_２において屈折率差は、屈折率傾斜構造層において急峻な屈折率変化が存在する場合に生じる反射光を打ち消すに足る程度の大きさであることが望ましい。例えば、屈折率傾斜構造層において急峻な屈折率変化に由来して１％の反射が生じるような場合には、境界位置ｚ_１およびｚ_２において同程度の反射強度を持つような屈折率差があることが望ましい。例えば基材の屈折率が１．８４である場合には、１％の反射強度を持つためには約０．３の屈折率差が必要である。

図４は、本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第２の例を示す。

図４に示す屈折率プロファイルは、透明基材３０の屈折率ｎ_３が、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材３０側の屈折率ｎ_１(ｚ_１)よりも小さく、干渉層２０において、屈折率傾斜構造層１０との境界位置ｚ_１での屈折率ｎ_２(ｚ_１)が、透明基材３０との境界位置ｚ_２での屈折率ｎ_２(ｚ_２)よりも小さい。すなわち、ｎ_１(ｚ_１)＞ｎ_３、かつ、ｎ₂(ｚ_１)＜ｎ_２(ｚ₂)である。

各層の境界位置ｚ_１、ｚ_２において屈折率が不連続となっており、本例では、干渉層２０において屈折率は、境界位置ｚ_１において、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材側の屈折率ｎ_１(ｚ_１)よりも小さく、厚み方向透明基材側になるにつれて大きくなって、境界位置ｚ_２において、透明基材３０の屈折率ｎ_３よりも大きくなっている。

図５は、本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第２の例の設計変更例を示すものである。

図５に示す屈折率プロファイルは、上述した第２の例の場合の屈折率プロファイルと同様に、境界位置における屈折率の関係が、ｎ_２(ｚ_２)≠ｎ_３、ｎ_２(ｚ_１)≠ｎ_２(ｚ_２)、ｎ_１(ｚ_１)＞ｎ_３、ｎ₂(ｚ_１)＜ｎ_２(ｚ₂)を満たすものである。この条件を満たすとき、干渉層２０は図４に示した第２の例に限らず、図５に示すような屈折率プロファイルを有するものであってもよい。

図５に示す干渉層の屈折率プロファイルｎ_２(ｚ)のうちｄは、境界位置ｚ_１において、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材側の屈折率ｎ_１(ｚ_１)よりも大きく、厚み方向透明基材側になるにつれて大きくなって、境界位置ｚ_２において、透明基材３０の屈折率ｎ_３よりも大きい。

プロファイルｅは、第２の例と同様に、境界位置ｚ_１において、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材側の屈折率ｎ_１(ｚ_１)よりも小さく、厚み方向透明基材側になるにつれて大きくなって、境界位置ｚ_２において、透明基材３０の屈折率ｎ_３よりも大きくなっているが、屈折率が一定の傾きで増加するのではなく、境界近傍ではなだらかに中心で急激な変化をしている。

プロファイルｆは、境界位置ｚ_１において、屈折率傾斜構造層１０の最も透明基材側の屈折率ｎ_１(ｚ_１)よりも小さく、厚み方向透明基材側になるにつれて大きくなるが、境界位置ｚ_２において、透明基材３０の屈折率ｎ_３よりも小さい。

なお、境界位置での屈折率の関係が満たされていれば、干渉層における厚み方向の屈折率の変化は単調増加である必要はなく、増減のあるプロファイルであってもよい。なお、境界位置ｚ_１、あるいはｚ_２において屈折率差は、屈折率傾斜構造層において急峻な屈折率変化が存在する場合に生じる反射光を打ち消すに足る程度の大きさであることが望ましい。例えば、屈折率傾斜構造層において急峻な屈折率変化に由来して１％の反射が生じるような場合には、境界位置ｚ_１およびｚ_２において同程度の反射強度を持つような屈折率差があることが望ましい。例えば基材の屈折率が１．８４である場合には、１％の反射強度を持つためには約０．３の屈折率差が必要である。

図６は、本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第３の例を示す。

図６に示す干渉層の屈折率プロファイルｎ_２(ｚ)のｇ、ｈは、いずれも境界位置における屈折率の関係が、上述の第１の例の場合と同様に、ｎ_２(ｚ_２)≠ｎ_３、ｎ_２(ｚ_１)≠ｎ_２(ｚ_２)、ｎ_１(ｚ_１)＜ｎ_３であるが、ｎ₂(ｚ_１)＜ｎ_２(ｚ₂)となっている点で第１の例と異なる。本発明は、境界位置に不連続性を有する干渉層を備えるものであれば、図６に示すような屈折率プロファイルｎ_２(ｚ)を有するものであってもよい。

しかしながら、ｎ_１(ｚ_１)＜ｎ_３のとき、図２、図３に示すようにｎ₂(ｚ_１)＞ｎ_２(ｚ₂)となる屈折率プロファイルである方が、より反射光を抑制する効果があり好ましい（後記、実施例を参照。）
図７は、本発明の光学部材の屈折率プロファイルの第４の例を示す。

図７に示す干渉層の屈折率プロファイルｎ_２(ｚ)のｉ、ｊは、いずれも境界位置における屈折率の関係が、上述の第２の例の場合と同様に、ｎ_２(ｚ_２)≠ｎ_３、ｎ_２(ｚ_１)≠ｎ_２(ｚ_２)、ｎ_１(ｚ_１)＞ｎ_３であるが、ｎ₂(ｚ_１)＞ｎ_２(ｚ₂)となっている点で第２の例とは異なる。本発明は、境界位置に不連続性を有する干渉層を備えるものであれば、図６に示すような屈折率プロファイルｎ_２(ｚ)を有するものであってもよい。

しかしながら、ｎ_１(ｚ_１)＞ｎ_３のとき、図２、図３に示すようにｎ₂(ｚ_１)＜ｎ_２(ｚ₂)となる屈折率プロファイルである方が、より反射光を抑制する効果があり好ましい。

透明基材３０としては、ガラスやプラスチックなどを用いることができる。ここで、「透明」とは、光学部材において反射防止したい光（反射防止対象光）の波長に対して透明である（内部透過率が概ね１０％以上）であることを意味する。

干渉層２０は、上記プロファイルを満たすものであれば、材料、成膜方法を問わない。

例えば、３種の元素の混合比を徐々に変化させるような真空成膜法で薄膜を形成することにより得ることができる。具体的には、反応性スパッタ法を用いて、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙをｘ、ｙの比を徐々に変化させて成膜することにより屈折率が厚み方向に徐々に変化する干渉層を得ることができる。あるいは、メタルモードスパッタ法を用いて、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_ｘ混合膜を、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_ｘとの混合比を徐々に変化させて成膜することにより屈折率が厚み方向に徐々に変化する干渉層を得ることができる。また、他の方法として、屈折率の異なる複数の溶液を基材上に順に塗膜することでも厚み方向に所望の屈折率変化をする干渉層を得ることができる。塗膜方法としては、例えばスピンコート、ディップコート、スプレーコート、インクジェット法などが挙げられる。

屈折率傾斜構造層１０は、光学部材の表面側から透明基材側に向けて徐々に屈折率が大きくなるものであれば、その材料および成膜方法を問わない。

例えば、屈折率傾斜構造層１０として、従来知られている微細凹凸構造体を用いることができる。微細凹凸構造体の反射防止効果は実効的な屈折率が連続して変化することに由来するため、広い波長範囲および広い光線入射角にわたり反射防止特性を得ることができる。

微細凹凸構造のサイズは反射防止対象光の波長より小さいことが望ましい。例えば可視光の反射防止に用いられるよう微細凹凸構造体としては、１００〜３００ｎｍ周期の突起配列、窪み配列、微粒子配列や構造サイズ１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度のランダム突起、ランダム窪み、ランダム板状結晶構造、ランダム配置された微粒子を用いることができる。

図８、９は、第１および第２の実施形態の光学部材２、３の模式断面図である。ここで、屈折率傾斜構造層１０は微細凹凸構造体により形成されている。

微細凹凸構造体としては、図８の第１の実施形態の模式断面図に示すように、反射防止対象光の波長よりも短いピッチＰの微細凹凸を有する透明な微細凹凸構造体１２からなるものであってもよい。微細凹凸の凸間ピッチＰは、反射防止対象光の波長よりも短ければ、一定である必要はなく、ランダムな凹凸形状であっても構わない。このような微細凹凸構造体１２は、アルミニウム化合物の水熱処理などの方法で作製することができる。

また、微細凹凸構造体としては、図９の第２の実施形態の模式断面図に示すように、反射防止対象光の波長よりも短い周期Ｔの微細凹凸を有する透明な微細凹凸構造体１４からなるものであってもよい。微細凹凸構造体１４は周期Ｔで連続的に形成されてなるものである。このような、微細凹凸構造体１４は、ナノインプリント、電子線リソグラフィーなどの方法で作製することができる。

さらに、図１０に第３の実施形態の光学部材４の模式斜視図を示すように、屈折率傾斜構造層１０としては、反射防止対象光の波長より小さいサイズの透明微粒子１６ａがランダムに配置されてなる微粒子層１６から構成することもできる。本例のように透明微粒子が球状であれば、直径Ｄが反射防止対象光の波長より小さいサイズであればよい。透明微粒子１６ａは、例えば、中空シリカにより形成することができる。

また、屈折率傾斜構造層１０としては、微細凹凸構造体によるものに限らず、図１１に第４に実施形態の光学部材５の模式断面図を示すように、透明基材から遠い側から透明基材に近い側に向けて屈折率が単調増加する屈折率傾斜薄膜層１８からなるものであってもよい。このような屈折率傾斜薄膜層１８は、上述の干渉層と同様に、例えば、反応性スパッタによるＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜やメタルモードスパッタによるＳｉＯ_２、ＴｉＯ_ｘ混合膜を用いることで基材と同等の屈折率から１．４５程度の屈折率までの屈折率傾斜膜を得ることができ、その上に例えばＭｇＦ_２とＳｉＯ_２を混合して成膜することで、１．３７程度の屈折率までの屈折率傾斜膜を得ることができる。

一方で、屈折率が徐々に増加する屈折率傾斜構造層において、屈折率変化率が急峻になると、屈折率変化が実効的に連続なものと見なせず、ある程度（０．５％以上）の反射が生じてしまうという問題があることを本発明者らは見出した。

図１２を参照して、屈折率プロファイルと反射光の発生について検討する。図１２は、屈折率が基材と同等になるまで徐々に屈折率が増加するプロファイルであって、この屈折率変化の傾きが異なる３パターンについての屈折率分布とその際の反射率のシミュレーション結果とを示すグラフである。

図１２において、上段に示すａは、屈折率傾斜領域の厚みΔｄ＝２５０ｎｍに亘り単調に屈折率が増加して屈折率の最小値と最大値の差はΔｎ＝０．８４である。反射対象光を可視光の概ね４００ｎｍ〜７００ｎｍとしたとき、反射防止対象光中の最大波長λ＝７００ｎｍにおける屈折率変化率は、λ×Δｎ／Δｄ＝２．４である。このとき、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長に対する最大反射率は０．７％である。

中段に示すｂは、屈折率傾斜領域の厚みΔｄ＝３８７．５ｎｍに亘り単調に屈折率が増加して屈折率の最小値と最大値の差はΔｎ＝０．８４である。反射対象光を可視光の概ね４００ｎｍ〜７００ｎｍとしたとき、反射防止対象光中の最大波長λ＝７００ｎｍにおける屈折率変化率は、λ×Δｎ／Δｄ＝１．５である。このとき、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長に対する最大反射率は０．５％である。

そして、下段に示すｃは、屈折率傾斜領域の厚みΔｄ＝６３０ｎｍに亘り単調に屈折率が増加して屈折率の最小値と最大値の差はΔｎ＝０．８４である。反射対象光を可視光の概ね４００ｎｍ〜７００ｎｍとしたとき、反射防止対象光中の最大波長λ＝７００ｎｍにおける屈折率変化率は、λ×Δｎ／Δｄ＝０．９である。このとき、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長に対する最大反射率は０．２％である。

上記シミュレーションにより、屈折率変化率が急峻になるにつれて、反射率が大きくなることが明らかになった。反射防止膜としては、反射防止対象光の全波長域に亘って０．５％未満であることが好ましいため、上段および中段に示す例のように最大反射率は０．５％以上になる屈折率変化率を有する、すなわち、屈折率変化率がλ×Δｎ／Δｄ≧１．５となる屈折率傾斜層は、完全なモスアイ構造とはみなせないものであると、本明細書においては定義する。なお、反射防止対象光の最大波長における屈折率変化率が上記式を満たすとき、それより短い他の波長の屈折率変化率は当然に上記式を満たす。

上記はシミュレーションによるものであるが、現実的には、屈折率の傾斜領域の一部を微細凹凸構造体により構成する場合、屈折率傾斜構造層の最も基材側の屈折率が、基材と同一となるとは限らない。そのため、従来技術の項で説明したように、屈折率傾斜構造層と基材との間に、両者の屈折率を繋げるような屈折率傾斜層や中間層を備えた構成が提案されている。

従来の構成により、図１２の下段に示す緩やかな屈折率変化率を取れば、完全なモスアイ構造となり、反射光を０．２％まで抑制することができることが分かる。

しかしながら、この場合、屈折率傾斜部分の厚みを６３０ｎｍと非常に厚くする必要があり、微細凹凸構造体のみでこのような厚みを形成すると、耐久性が低下するという問題があり、一方、屈折率傾斜層を組み合わせたとしても、厚みを厚くする必要があるために製造適性が低くなるという問題がある。

また、現実の微細凹凸構造体の屈折率変化率は必ずしも厚み方向全域に亘って一定ではなく細かく増減を生じるものである（後記図１５等参照）、部分的にでも急激に屈折率が変化する、屈折率変化率λ×Δｎ／Δｄ≧１．５を満たす箇所があると、その部分による反射率は０．５％以上となる。

本発明は、屈折率傾斜構造層と基材との間に上述のような干渉層を挿入することにより、反射防止膜全体の厚みを縮小するという効果を得ることができ、さらに屈折率変化率がλ×Δｎ／Δｄ≧１．５である部分を有する屈折率傾斜構造層を備えた場合に、屈折率傾斜構造層内で生じる反射光を打ち消す薄膜干渉光の振幅を増大させ、より薄い屈折率傾斜薄膜厚で広帯域な反射防止特性を得ることができる。

以下、本発明の具体的な実施例及び比較例について説明する。なお、以下において、光学シミュレーションは「光学薄膜の基礎理論（小檜山 光信）、オプトロニクス社（２０１１）」に記載の方法に従い行った。但し、屈折率の波長分散は考慮せず、フラウンフォーファーのｅ線（５４６．１ｎｍ）に対する値を用いた。

[比較例１]
最初に、従来の反射防止膜を備えた比較例１について検討する。

透明基材としてガラス基板（株式会社オハラ製S-LAH55V）を用い、反射防止膜を、アルミナ膜を水熱処理して得られる微細凹凸構造体であるベーマイト膜と、ベーマイト膜とガラス基板との屈折率をなだらかにつなぐ屈折率変化を有する屈折率傾斜膜とで構成した場合の光学シミュレーションを行った。

この比較例１の屈折率プロファイルを図１３に示す。図１３に示すように、屈折率傾斜膜の基板側の屈折率は基板と等しく、微細凹凸構造体側の屈折率は、隣接する微細凹凸構造体であるベーマイト膜と等しい。本シミュレーションにおいて図１３の微細凹凸構造体の屈折率プロファイルとして用いたのは、電子サイクロトロンスパッタ（エム・イー・エス・アフティ株式会社製AFTEX 6000）でアルミナ膜４０ｎｍを形成し、沸騰水に５分間浸漬し温水処理を行うことで作製したベーマイト膜の分光エリプソによる測定値から得られた値である。

このような屈折率プロファイルの光学部材について、反射防止の指標として、波長５４０ｎｍの光に対する反射率と傾斜膜厚の光学シミュレーション結果を図１４に示す。図１４に示すように、反射率０．５％未満の良好な反射防止性能を得るためには少なくとも２００ｎｍ程度の傾斜膜厚が必要であることがわかる。これは先に説明した完全なモスアイを形成する場合の条件の記述とも対応する。

[実施例１]
実施例１として、図８に示した層構成、かつ、図１５に示す屈折率プロファイルを有する光学部材を以下の方法で作製した。本実施例１は、上述の本発明の屈折率プロファイルの第１の例の条件、ｎ_２(ｚ_２)≠ｎ_３、ｎ_２(ｚ_１)≠ｎ_２(ｚ_２)、ｎ_１(ｚ_１)＜ｎ_３、かつ、ｎ₂(ｚ_１)＞ｎ_２(ｚ₂)を満たすものである。

透明基材３０として、ガラス基板（株式会社オハラ製S-LAH55V：ｎ_３＝１．８４）を用い、この上にシリコン酸窒化物薄膜（ＳｉＯxＮy膜）からなる屈折率が徐々に変化する干渉層２０を電子サイクロトロンスパッタ（エム・イー・エス・アフティ株式会社製AFTEX 6000）により形成する。スパッタ時の酸素ガスと窒素ガスの混合比を調整することでシリコン酸窒化物中の酸素、窒素の組成比を変え、干渉層の屈折率を調整した。

図１５の干渉層領域に示す屈折率の厚さ方向の分布は最も基材側（位置ｚ_２）で１．４７、基材から最も遠い側（位置ｚ_１）で１．６１であり、厚さ７０ｎｍに亘り徐々に変化するものである。これを実現するために、干渉層２０を、各層厚さ４．７ｎｍの１５層の薄膜層に分けて成膜した。屈折率０．０１刻みで、各層の屈折率が所定の値となる条件で順次成膜を行った。

その後、電子サイクロトロンスパッタでアルミナ膜４０ｎｍを形成した。

上記の薄膜を形成したガラス基板を沸騰水に５分間浸漬し温水処理を行った。温水処理後に最上層のアルミナ膜は、膜厚２５０ｎｍの凹凸ベーマイト層となった。この凹凸ベーマイトが微細凹凸構造体１２である。この微細凹凸構造体１２の屈折率を分光エリプソメーターで測定した。図１５の屈折率プロファイルの屈折率傾斜構造層領域には、微細凹凸構造部には測定から得られた屈折率分布が示されている。

微細凹凸構造体１２の屈折率の変化率は一定ではなく、屈折率の変化が急峻な部分では、反射防止対象光波長域（ここでは、可視光４５０ｎｍ−７００ｎｍと仮定した。）における最大波長λ＝７００ｎｍに対する屈折率変化率λ×Δｎ／Δｄが２を超える。すなわち、微細凹凸構造体１２の屈折率変化は十分に滑らかではなく、不完全なモスアイである。本実施例１の光学部材の反射率のシミュレーション結果は後述の図１８に示す。

[実施例２]
実施例２として、図８に示した構成の光学部材であり、図１６に示す屈折率プロファイルを有する光学部材を以下の方法で作製した。本実施例２は、上述の本発明の屈折率プロファイルの第３の例の条件、ｎ_２(ｚ_２)≠ｎ_３、ｎ_２(ｚ_１)≠ｎ_２(ｚ_２)、ｎ_１(ｚ_１)＜ｎ_３、かつ、ｎ₂(ｚ_１)＜ｎ_２(ｚ₂)を満たすものである。

透明基材３０として、ガラス基板（株式会社オハラ社製S-LAH55V）を用い、この上にシリコン酸窒化物薄膜（ＳｉＯｘＮｙ膜）からなる屈折率が徐々に変化する干渉層２０を電子サイクロトロンスパッタ（エム・イー・エス・アフティ株式会社製AFTEX 6000）により形成する。スパッタ時の酸素ガスと窒素ガスの混合比を調整することでシリコン酸窒化物中の酸素、窒素の組成比を変え、干渉層の屈折率を調整した。

図１６の干渉層領域に示す屈折率の厚さ方向の分布は最も基材（位置ｚ_２）側で１．６０、基材から最も遠い側（位置ｚ_１）で１．４７であり、厚さ８８ｎｍに亘り徐々に変化するものである。これを実現するために、干渉層２０を、各層厚さ６．３ｎｍの１４層の薄膜層に分けて成膜した。屈折率０．０１刻みで、各層の屈折率が所定の値となる条件で順次成膜を行った。

その後、実施例１と同様にして電子サイクロトロンスパッタでアルミナ膜４０ｎｍを形成し、薄膜が形成された基板を沸騰水に５分間浸漬し温水処理を行った。温水処理後に最上層のアルミナ膜は、膜厚２５０ｎｍの凹凸ベーマイト層となった。この凹凸ベーマイトが微細凹凸構造体１２である。この微細凹凸構造体１２の屈折率を分光エリプソメーターで測定した。図１６の屈折率プロファイルの屈折率傾斜構造層領域には、微細凹凸構造部には測定から得られた屈折率分布が示されている。

微細凹凸構造体１２の屈折率の変化率は一定ではなく、屈折率の変化が急峻な部分では、反射防止対象光波長域（ここでは、可視光４５０ｎｍ−７００ｎｍと仮定した。）における最大波長λ＝７００ｎｍに対する屈折率変化率λ×Δｎ／Δｄが２を超える。すなわち、微細凹凸構造体１２の屈折率変化は十分に滑らかではなく、不完全なモスアイである。本実施例２の光学部材の反射率のシミュレーション結果は後述の図１８に示す。

[比較例２]
比較例１とほぼ同様に、透明基材としてガラス基板（株式会社オハラ製S-LAH55V）を用い、反射防止膜を、アルミナ膜を水熱処理して得られる微細凹凸構造体であるベーマイト膜と、ベーマイト膜とガラス基板との屈折率をなだらかにつなぐ屈折率変化を有する屈折率傾斜膜とで構成した場合の光学シミュレーションを行った。

比較例２の屈折率プロファイルを図１７に示す。ここでは、実施例２の干渉層を設けた場合と比較するため、実施例２の干渉層の膜厚と近い条件とするために、屈折率傾斜膜の膜厚を１０２ｎｍとした。

図１８は、実施例１、実施例２および比較例２の光学部材について、想定している反射防止対象光の波長域（ここでは、４５０ｎｍ〜７００ｎｍ）における反射率のシミュレーション結果を示すものである。

干渉層を備えた実施例１、実施例２の光学部材の反射率は、比較例２のものに比べて十分に抑制されたものとなっていることが明らかである。

また、実施例１は実施例２に対して、より小さい膜厚でかつ低い反射率を示すことが分かる。実施例および比較例において、微細凹凸構造体として、例えばフッ化マグネシウムとシリカの混合物からゾルゲル法により得られる多孔質の屈折率傾斜膜を利用しても同様の結果が得られると考えられる。

[実施例３]
実施例３として、図９に示した層構成、かつ図１９に示す屈折率プロファイルを有する光学部材を以下の方法で作製した。本実施例３は、上述の本発明の屈折率プロファイルの第２の条件、ｎ_２(ｚ_２)≠ｎ_３、ｎ_２(ｚ_１)≠ｎ_２(ｚ_２)、ｎ_１(ｚ_１)＞ｎ_３、かつ、ｎ₂(ｚ_１)＜ｎ_２(ｚ₂)を満たすものである。

透明基材３０として、合成石英（ｎ_３=１．４６）を用い、透明基材３０の表面上にシリコン酸化物とチタン酸化物の混合物からなる干渉層をそれぞれの成膜レートを調整したメタルモードスパッタにより形成する。

図１９の干渉層領域に示す屈折率の厚さ方向の分布は最も基材側（位置ｚ_２）で１．７０、基材から最も遠い側（位置ｚ_１）で１．４５であり、厚さ７５ｎｍに亘り徐々に変化するものである。これを実現するために、干渉層２０を、各層厚さ５．８ｎｍの１３層の薄膜層に分けて成膜した。屈折率０．０２刻みで、各層の屈折率が所定の値となる条件で順次成膜を行った。

その後、干渉層２０上に、特許文献ＷＯ０５／０１４６９６に示される屈折率１．７の光硬化性樹脂をUV光インプリント法により、周期（Ｔ）２５０ｎｍで高さ２５０ｎｍの円錐を二次元状に配列してなる微細凹凸構造体１４を屈折率傾斜構造層として形成した。この円錐状微細凹凸構造は、反射防止対象光波長域（ここでは、可視光４５０ｎｍ−７００ｎｍと仮定した。）における最大波長λ＝７００ｎｍに対する屈折率変化率λ×Δｎ／Δｄが１．９を超えることから、この円錐状微細凹凸光御像体の屈折率変化は急峻であり、不完全なモスアイである。本実施例３の光学部材の反射率のシミュレーション結果は、後述の図２１に示す。

[比較例３]
比較例３として、実施例３における干渉層の代わりに、屈折率傾斜構造層の最も基材側の屈折率と基材の屈折率との間をつなぐ屈折率傾斜膜を備えた光学部材を作製した。図２０に比較例３の屈折率プロファイルを示す。

実施例３と同様に、透明基材３０として、合成石英（ｎ_３=１．４６）を用い、透明基材３０の表面上にシリコン酸化物とチタン酸化物の混合物からなる屈折率傾斜膜をそれぞれの成膜レートを調整したメタルモードスパッタにより形成する。

図２０の屈折率傾斜膜領域に示す屈折率の厚さ方向の分布は最も基材側で１．６６、基材から最も遠い側で１．５４であり、厚さ１２０ｎｍに亘り徐々に変化するものである。これを実現するために、屈折率傾斜膜を各層厚さ９．２ｎｍの１３層の薄膜層に分けて成膜した。屈折率０．０２刻みで、各層の屈折率が所定の値となる条件で順次成膜を行った。

その後、実施例１と同様にして円錐状微細凹凸構造体１４を形成した。

図２１は、実施例３および比較例３の光学部材について、想定している反射防止対象光の波長域（ここでは、４５０ｎｍ〜７００ｎｍ）における反射率のシミュレーション結果を示すものである。

干渉層を備えた実施例３の光学部材の反射率は、比較例３のものと比較して４５０ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において０．３％以下に抑えられており、特に５００ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲においてフラットである。また、実施例３の干渉層は、比較例３も屈折率傾斜膜よりも薄い膜厚で上記反射光抑制効果を実現しており、本発明の優位性は明らかである。

１、２、３、４、５ 光学部材
１０ 屈折率傾斜構造層
１２、１４ 微細凹凸構造体
１６ 微粒子層
１８ 屈折率傾斜薄膜層
２０ 干渉層
３０ 基材
４０ 反射防止膜

Claims (11)

1. 透明基材と、該透明基材の表面に形成された反射防止膜とを備えた光学部材であって、
   前記反射防止膜が、厚み方向の透明基材側に向けて屈折率が徐々に大きくなる屈折率傾斜構造層と、該屈折率傾斜構造層と前記透明基材との間に配され、干渉作用により反射光を抑制するための干渉層とを備え、
   前記透明基材の屈折率と、前記屈折率傾斜構造層の最も透明基材側の屈折率とが異なるものであり、
   前記干渉層の屈折率が、厚み方向に変化するものであって、前記屈折率傾斜構造層との境界および前記透明基材との境界において両者の屈折率と不連続となる値を有し、かつ、前記屈折率傾斜構造層側と前記透明基材側との値が互いに異なることを特徴とする光学部材。
2. 前記透明基材の屈折率が、前記屈折率傾斜構造層の最も透明基材側の屈折率よりも大きく、
   前記干渉層において、前記屈折率傾斜構造層との境界位置での屈折率が、前記透明基材との境界位置での屈折率よりも大きいものである請求項１記載の光学部材。
3. 前記透明基材の屈折率が、前記屈折率傾斜構造層の最も該透明基材側の屈折率よりも小さく、
   前記干渉層において、前記屈折率傾斜構造層との境界位置での屈折率が、前記透明基材との境界位置での屈折率よりも小さいものである請求項１記載の光学部材。
4. 前記屈折率傾斜構造層において、厚み方向における屈折率の変化率Δｎ／Δｄ、反射防止対象光の波長λとの関係が、λ×Δｎ／Δｄ＞１．５となる部分を有する請求項１から３いずれか１項記載の光学部材。
5. 前記干渉層は３以上の元素からなり、前記厚み方向にその組成比が変化することにより、該厚み方向に屈折率が変化している請求項１から４いずれか１項記載の光学部材。
6. 前記干渉層はシリコン酸窒化物からなり、前記厚み方向に酸素と窒素との組成比が変化して、該厚み方向に屈折率が変化している請求項５記載の光学部材。
7. 前記干渉層はシリコン酸化物とチタン酸化物との混合層であり、該シリコン酸化物とチタン酸化物との含有比が前記厚み方向に変化して、該厚み方向に屈折率が変化している請求項５記載の光学部材。
8. 前記屈折率傾斜構造層が、反射防止対象光の波長よりも短いピッチの微細凹凸を有する透明な微細凹凸構造体からなる請求項１から７いずれか１項記載の光学部材。
9. 前記屈折率傾斜構造層が、反射防止対象光の波長よりも短い周期の微細凹凸を有する透明な微細凹凸構造体からなる請求項１から７いずれか１項記載の光学部材。
10. 前記屈折率傾斜構造層が、前記透明基材から遠い側から透明基材に近い側に向けて屈折率が単調増加する屈折率傾斜薄膜からなる請求項１から７いずれか１項記載の光学部材。
11. 前記屈折率傾斜構造層が、反射防止対象光の波長より小さいサイズの透明微粒子がランダムに配置されてなる微粒子層からなることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の光学部材。

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