JP2015105957A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】モスアイによる反射防止構造において、機械的強度を保ちつつ、優れた反射防止効果を発揮する。【解決手段】この光学素子は、光線の入射面に、周期的に配列された複数の凸部を備える。凸部は、下面と、下面を底面とする仮想錐体において外縁輪郭が側面のみを通る断面としての上面と、を有する台状を成す。凸部は、上面の外縁輪郭のうち、頂点から最も遠方に位置する点を通り、下面に平行な仮想面を規定した場合、凸部における仮想面に平行な断面の面積が、仮想面から下面に向かって単調に増加するようになっている。そして、凸部は、仮想面の面積をＳ１とし、下面の面積をＳ２とし、凸部の配列周期をＰとし、下面と仮想面との間の対向距離をｈとした場合、０＜Ｓ１／Ｓ２＜−０．４０３ｈ／Ｐ＋１．４０３の関係を満たす。【選択図】図７

Description

本発明は、モスアイによる反射防止構造を有する光学素子に関する。

光学素子の反射防止構造として、光線の入射面に、使用波長以下の周期で略錐形状の凸部を並べた構造が知られている。このような構造はモスアイ（Moth eye）と呼ばれている。モスアイ構造では、凸部の形成領域において、屈折率の急激な変化を抑制することができるため、入射光の反射を抑制することができる。

屈折率の変化を緩やかにするため、凸部の先端は尖状であることが好ましい。しかしながら、先端が尖状とされた凸部は、表面への接触によって先端が変形し、反射防止の効果が低下するという問題がある。換言すれば、反射防止構造の機械的強度が低下するという問題がある。

これに対して、特許文献１では、凸部の形状を円錐台や釣鐘形状とすることが提案されている。

特開２００５−１７３４５７号公報

しかしながら、凸部の形状を単純に円錐台や釣鐘形状とするだけでは、先端が尖状とされた凸部を有する場合に較べて反射防止効果が低下する虞がある。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、モスアイによる反射防止構造において、機械的強度を保ちつつ、優れた反射防止効果を発揮することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するために、本発明は、光線の入射面（３１０ｃ）に、光線の波長以下の周期で配列された複数の凸部（２０）を備える、モスアイ構造の光学素子であって、凸部は、下面（２２）と、下面を底面とする仮想錐体（３０）において外縁輪郭（２１ａ）が側面のみを通る断面としての上面（２１）と、を有する台状を成し、外縁輪郭上の点において、仮想錐体の頂点から最も遠方に位置する点（２１ｂ）を通り、下面に平行な仮想面（２３）を規定した場合、凸部における仮想面に平行な断面の面積が、仮想面から下面に向かって単調に増加し、仮想面の面積をＳ_１とし、下面の面積をＳ_２とし、凸部の配列周期をＰとし、下面と仮想面との間の対向距離をｈとした場合、
０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜−０．４０３ｈ／Ｐ＋１．４０３
の関係を満たすことを特徴としている。

これによれば、モスアイ構造を構成する凸部を、先端が尖状とされた錐体を採用した場合に較べて機械的強度の強い略錐台としつつも、先端が尖状とされた錐体を採用した場合に較べて光線の透過率を向上させることができる。すなわち、優れた反射防止効果を発揮することができる。

第１実施形態に係る濃度検出装置の概略構成を示す断面図である。 光学素子の概略構成を示す斜視図である。 光学素子における凸部の構成を示す断面図である。 光学素子の製造工程の一工程を示す断面図である。 光学素子の製造工程の一工程を示す断面図である。 光学素子の製造工程の一工程を示す断面図である。 面積比に対する平均透過率を示すグラフである。 アスペクト比に対する面積比の上限を示す図である。 アスペクト比に対する最大透過率を示す図である。 成す角に対する平均透過率を示す図である。 第２実施形態に係る凸部の構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。

（第１実施形態）
最初に、図１を参照して、本実施形態に係る光学素子の概略構成について説明する。

本実施形態における光学素子は、例えば、被検出対象に含まれる物質の濃度を測定する濃度検出装置に用いられる。被検出対象とは、例えばガソリンやバイオエタノールなどの液体であり、この濃度検出装置は、液体中のアルコール濃度の測定に利用できる。

図１に示すように、この濃度検出装置１００は、赤外光源２００と、検知セル３００と、分光器４００と、光検出器５００と、を有している。

赤外光源２００は、例えば、波長が４μｍ〜１０μｍの赤外線を照射するための光源である。

検知セル３００は、例えばシリコンを主成分とし、第１基体３１０と第２基体３２０が互いに対向するように貼り合わされて成る。そして、第１基体３１０と第２基体３２０の間に形成された対向空間３３０に被検出対象が封入されている。第１基体３１０は中央部３１０ａが厚肉となっており、その周辺が薄肉とされた架橋部３１０ｂになっている。

赤外光源２００から出射された赤外線は、第１基体３１０の中央部３１０ａに入射し、一部が透過する。そして、被検討対象中を通過して、第２基体３２０に入射する。赤外線は第２基体３２０を透過して分光器４００側に抜けるようになっている。上記したように、赤外光源２００から出射された赤外線は第１基体３１０の中央部３１０ａに入射する。赤外線の透過量を可能な限り大きくするため、中央部３１０ａにはモスアイ構造を有する光学素子１０が形成されている。なお、この光学素子１０は、検知セル３００のうち、少なくとも、赤外光源２００から分光器４００に至る赤外線の光路に交わる部分に形成されている。光学素子１０については、追って詳述する。

分光器４００は、被検出対象を通過して第２基体３２０から出射した赤外線を分光するものである。分光器４００で分光された赤外線は、光検出器５００によって波長ごとの強度が測定される。

そして、被検出対象に入射する前の赤外線の放射強度Ｉ_０、被検出対象を通過後の放射強度Ｉ、モル吸光係数α、および、赤外線が被検出対象中を通過する光路長ｄから、ランベルト・ベールの法則、ｎ＝−ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ_０）／αｄ、に基づいて、濃度ｎを算出する。

次に、図２および図３を参照して、光学素子１０について詳しく説明する。

上記したように、光学素子１０は、検知セル３００のうち、少なくとも、赤外光源２００から分光器４００に至る赤外線の光路に交わる部分に形成されている。すなわち、図１に示すように、第１基体３１０の中央部３１０ａと、第２基体３２０の中央部において、他の物質との界面にそれぞれ形成されている。ここでは、第１基体３１０の中央部３１０ａに形成され、赤外光源２００に対向する光学素子１０について例示する。

図２に示すように、光学素子１０は、複数の凸部２０が格子状に規則配列されて成る。それぞれの凸部２０は直円錐台であり、円形の上面２１および円形の下面２２を有している。下面２２は、直円錐である仮想錐体３０の底面に相当する。そして、上面２１は、下面２２と平行になるように、仮想錐体３０を切り取った断面である。なお、本実施形態における仮想錐体３０は直円錐であるから、図３に示すように、上面２１の中心から下面２２に下ろした垂線Ｌは下面２２の中心を通る。そしてこの垂線Ｌの長さが、凸部２０の高さに相当する。また、凸部２０における、この垂線Ｌを通る断面は、図３に示すように、等脚台形となる。

以降、図２および図３に示すように、上面２１の面積をＳ_１、下面２２の面積をＳ_２、凸部２０の周期をＰ、凸部２０の高さをｈと示す。なお、本実施形態では、例えば、Ｓ_１≒０．６５μｍ^２、Ｓ_２≒１．７７μｍ^２、Ｐ≒１．５μｍ、ｈ≒２．２５μｍとすることができる。この場合、図３に示すように、凸部２０における、この垂線Ｌを通る断面としての等脚台形の底辺Ｍと、脚辺Ｎと、の成す角θは、θ≒８２．５度である。

次に、図４〜図６を参照して、光学素子１０の製造方法について簡単に説明する。

まず、図４に示すように、第１基体３１０の中央部３１０ａに相当する部分に、凸部２０の配列周期に対応するようにレジストマスク６００を形成する。

次に、図５に示すように、レジストマスク６００が形成されていない部分をエッチングしてくさび形のトレンチ状とする。第１基体３１０の、赤外光源２００に面する一面３１０ｃにおいて、レジストマスク６００が形成された部分はエッチングによって除去されず、凸部２０の上面２１に相当する部分となる。この一面３１０ｃが光線の入射面に相当する。

最後に、図６に示すように、レジストマスク６００が除去されて、光学素子１０が形成される。

次に、この光学素子１０の作用効果について説明する。

発明者は、上面２１の面積Ｓ_１と下面２２の面積Ｓ_２の比Ｓ_１／Ｓ_２（以降、面積比という）と、光学素子１０に入射する赤外線の平均透過率の関係を調べた。ここで、平均透過率とは、４μｍ〜１０μｍの波長を有する赤外線の透過率の平均値である。この結果を図７に示す。図７に示すように、発明者は、凸部２０の高さｈと配列周期Ｐの比ｈ／Ｐ（以降、アスペクト比という）について、５つの条件にて面積比と平均透過率の関係を調べた。

図７は、横軸に面積比をとり、縦軸に平均透過率をとったグラフである。なお、面積比がゼロであるとは、Ｓ_１＝０であり、凸部２０が従来のような尖状構造であることを示す。一方、面積比が１であるとは、Ｓ_１＝Ｓ_２であり、凸部２０が円柱状であることを示す。

図７に示すように、測定したいずれのアスペクト比においても、面積比の増大に伴って平均透過率が増加して極大を迎えた後、減少に転じることが判明した。換言すれば、面積比が０から１の範囲内において、凸部２０が尖状である態様（面積比がゼロ）に較べて、平均透過率が大きくなる面積比の範囲が存在する。

これは、例えば、ｈ／Ｐ＝３．００であれば、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜０．２である。また、ｈ／Ｐ＝２．００であれば、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜０．５９である。また、ｈ／Ｐ＝２．００であれば、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜０．５９である。また、ｈ／Ｐ＝１．５０であれば、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜０．８２である。また、ｈ／Ｐ＝１．２５であれば、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜０．９である。また、ｈ／Ｐ＝１．００であれば、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜０．９８である。

上記した各面積比の範囲の上限値について、アスペクト比を横軸にとってプロットしたグラフを図８に示す。各測定点（図８に示す黒丸）について、最小二乗法によって近似直線を求めると、図８に示す実線のようになる。この実線は、Ｓ_１／Ｓ_２＝−０．４０３ｈ／Ｐ＋１．４０３なる直線である。あるアスペクト比において、この直線の式により求められる面積比よりも小さな面積比を、凸部２０の面積比とすれば、凸部２０が尖状である態様（面積比がゼロ）に較べて、平均透過率が大きくなる。一方、Ｓ_１＞０であり、面積比はゼロより大きい。したがって、凸部２０の上面２１と下面２２の面積比について、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜−０．４０３ｈ／Ｐ＋１．４０３を満たすようにすれば、凸部２０が尖状である態様（面積比がゼロ）に較べて、平均透過率が大きくできる。

なお、凸部２０は錐台であって、Ｓ_１＜Ｓ_２であるから、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜１である。よって、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜−０．４０３ｈ／Ｐ＋１．４０３を満たすアスペクト比ｈ／Ｐは、１＜ｈ／Ｐ＜３．４７となる。

以上のように、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜１を満たす凸部２０について、凸部２０の形状を示すパラメータである、上面２１の面積Ｓ_１、下面２２の面積Ｓ_２、凸部２０の周期Ｐ、凸部２０の高さｈを、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜−０．４０３ｈ／Ｐ＋１．４０３を満たすようにすれば、凸部２０が尖状である態様（面積比がゼロ）に較べて、平均透過率が大きくできる。すなわち、上記各パラメータを、図８に示す斜線部の領域に収まるように設定することによって、凸部２０を機械的強度の強い錐台としつつも、先端が尖状とされた錐体を採用した場合に較べて光線の透過率を向上させることができる。すなわち、優れた反射防止効果を発揮することができる。

また、発明者は、アスペクト比と最大透過率の関係を調べた。最大透過率とは、図７に示す平均透過率の極大値に相当する。

図９は、最大透過率のアスペクト比依存性を示す図である。図９によれば、アスペクト比を、ｈ／Ｐ≧１．５とすることにより、ｈ／Ｐ＜１．５の条件に較べて、最大透過率を大きくすることができる。また、ｈ／Ｐ≧１．５の範囲では、最大透過率がほぼ一定となるから、凸部２０のアスペクト比を、ｈ／Ｐ≧１．５の条件で製造すれば、製造ばらつきによる透過率のばらつきを抑制することができる。

なお、本実施形態に係る光学素子１０の凸部２０は、上記したように、Ｓ_１≒０．６５μｍ^２、Ｓ_２≒１．７７μｍ^２、Ｐ≒１．５μｍ、ｈ≒２．２５μｍである。面積比は０．３６７、アスペクト比は１．５であり、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜−０．４０３ｈ／Ｐ＋１．４０３、且つ、ｈ／Ｐ≧１．５を満たしている。

さらに、発明者は、凸部２０において、垂線Ｌを通る断面である等脚台形の底辺Ｍと脚辺Ｎの成す角θと、平均透過率との関係を調べた。

図１０は、アスペクト比がｈ／Ｐ＝１．５０において、成す角θに対する平均透過率を示す図である。アスペクト比が１．５の場合は、θ＝７１．５度における凸部２０は円錐状であり、θ＝９０度における凸部２０は円柱状となる。そして、θを、７１．５度＜θ＜８８．３度の範囲となるように凸部２０の面積比を決定することにより、凸部２０が円錐状の場合に較べて平均透過率を向上させることができる。本実施形態における凸部２０は、θ≒８２．５度であるから、図１０によれば、最大の平均透過率を実現するような形状となっている。

（第２実施形態）
第１実施形態における凸部２０は、上面２１と下面２２が互いに平行である円錐台であった。これに対して、本実施形態では、凸部２０の上面２１と下面２２が非平行である例について説明する。

本実施形態における凸部２０は、図１１に示すように、下面２２を底面とする円錐である仮想錐体３０を、下面２２と非平行な断面ができるように切り取って成る。切り取られて生じる断面が上面２１に相当する。上面２１は、その外縁輪郭２１ａが仮想錐体３０の側面のみを通るようになっている。

ここで、上面２１の外縁輪郭２１ａのうち、仮想錐体３０の頂点３０ａから最も遠方に位置する点２１ｂを定める。そして、この点２１ｂを通り、下面２２に平行な仮想面２３を定義する。

この仮想面２３の面積が第１実施形態における面積Ｓ_１に相当する。また、この仮想面２３と下面２２との対向距離が第１実施形態における高さｈに相当する。換言すれば、この仮想面２３の面積Ｓ_１と下面２２の面積Ｓ_２の比が、実効的な面積比であり、仮想面２３と下面２２との対向距離が実効的な高さである。

このため、仮想面２３の面積Ｓ１、下面２２の面積Ｓ２、凸部２０の周期Ｐ、仮想面２３と下面２２との対向距離（すなわち高さｈ）を、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜−０．４０３ｈ／Ｐ＋１．４０３を満たすようにすれば、凸部２０が尖状である態様に較べて、平均透過率が大きくできる。すなわち、上記各パラメータを、図８に示す斜線部の領域に収まるように設定することによって、凸部２０を機械的強度の強い錐台としつつも、先端が尖状とされた錐体を採用した場合に較べて光線の透過率を向上させることができる。

なお、第１実施形態では、上面２１が下面２２と平行である。つまり、第１実施形態に例示した形態は、上面２１が本実施形態における仮想面２３と一致する形態である。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記した各実施形態では、仮想錐体３０が円錐である例を示したが、この例に限定されない。例えば、仮想錐体３０が四角錐であってもよい。この場合、上面２１と下面２２が平行となる凸部２０は四角錐台である。また、仮想錐体３０が六角錐である場合、上面２１と下面２２が平行となる凸部２０は六角錐台である。その他、一般的な錐体について、本発明を適用することができる。ただし、上記した各実施形態のように、仮想錐体３０を円錐とすれば、光学素子１０を形成する際のエッチングの制御が容易となる。

また、第１実施形態では、凸部２０の形状パラメータについて、Ｓ_１≒０．６５μｍ^２、Ｓ_２≒１．７７μｍ^２、Ｐ≒１．５μｍ、ｈ≒２．２５μｍの例を示したが、この形状に限定されるものではない。つまり、これらのパラメータが、０＜Ｓ_１／Ｓ_２＜−０．４０３ｈ／Ｐ＋１．４０３の関係を満たしていれば、本発明の作用効果を奏することができる。

１０・・・光学素子
２０・・・凸部
２１・・・上面
２２・・・下面
３０・・・仮想錐体

Claims (4)

1. 光線の入射面（３１０ｃ）に、前記光線の波長以下の周期で配列された複数の凸部（２０）を備える、モスアイ構造の光学素子であって、
   前記凸部は、下面（２２）と、前記下面を底面とする仮想錐体（３０）において外縁輪郭（２１ａ）が側面のみを通る断面としての上面（２１）と、を有する台状を成し、
   前記外縁輪郭上の点において、前記仮想錐体の頂点（３０ａ）から最も遠方に位置する点（２１ｂ）を通り、前記下面に平行な仮想面（２３）を規定した場合、前記凸部における前記仮想面に平行な断面の面積が、前記仮想面から前記下面に向かって単調に増加し、
   前記仮想面の面積をＳ_１とし、前記下面の面積をＳ_２とし、前記凸部の配列周期をＰとし、前記下面と前記仮想面との間の対向距離をｈとした場合、
   ０＜Ｓ１／Ｓ２＜−０．４０３ｈ／Ｐ＋１．４０３
   の関係を満たすことを特徴とする光学素子。
2. ｈ／Ｐ≧１．５の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記凸部は、前記仮想錐体が円錐であり、前記仮想面と前記上面が一致する円錐台を成すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子。
4. 前記凸部はシリコンを主成分とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。

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