JP4178583B2

JP4178583B2 - 反射防止膜

Info

Publication number: JP4178583B2
Application number: JP10823598A
Authority: JP
Inventors: 好晴大井; 実関根; 浩一村田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: JPH11305005A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ等の光学素子に入射する入射光束の正規反射光を効率よく低減する反射防止膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透光性光学素子の透過光を利用する場合に、屈折率の異なる透光性光学媒体の界面で発生するフレネル反射光を低減するとともに、その透過率を向上する目的で、従来から相対的に高屈折率の透光性誘電体膜Ｈと、相対的に低屈折率の透光性誘電体膜Ｌとを積層して形成した反射防止膜が用いられていた。
【０００３】
具体的には、屈折率ｎ_g の透光性光学媒体が屈折率ｎ（ｎ≠ｎ_g ）の周囲媒質に接する界面において入射角θで中心波長λの入射光束が入射する場合は、ｎとｎ_g の中間の屈折率ｎ₂ を有する透光性誘電体膜を膜厚ｄ＝λ／（４・ｎ₂ ・ｃｏｓθ）程度となるように形成して、反射防止効果を得ていた。
【０００４】
例えば、空気中に置かれたｎ_g ＝１．５の光学ガラスに、ｎ₂ ＝１．３８のＭｇＦ₂ をｄ＝１００ｎｍ程度成膜して得た反射防止膜は、垂直入射の緑色波長光に対してフレネル反射率が４．２％から１．３％程度に低減できた。
【０００５】
さらに、相対的に高屈折率の透光性誘電体膜Ｈと相対的に低屈折率の透光性誘電体膜Ｌとが積層された誘電体多層膜構造とすることにより、数１００ｎｍの広い波長帯域においてフレネル反射光を０．５％程度に低減することが可能であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術では数１００ｎｍの広い波長帯域においてフレネル反射光を０．１％程度以下に安定して低減する反射防止膜の作製は困難であった。
特に、反射防止膜の形成された面と略平行な面からの正規反射光を利用する反射型光学素子において、反射防止膜の表面における残留正規反射が光学素子の性能を著しく劣化させる場合があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題を解決すべくなされたものであり、屈折率の異なる透光性光学媒体界面において生じる正規反射光を広い波長帯域においてに安定して大きく低減する反射防止膜を提供するものである。
【０００８】
すなわち、請求項１は、屈折率ｎを有する周囲媒質１と屈折率ｎ_ｇを有する透光性光学媒体２（ｎ≠ｎ_ｇ）との間に設けられた反射防止膜において、前記反射防止膜は、前記透光性光学媒体２表面に周期的凹凸構造を有する透光性誘電体膜３と透光性薄膜４からなって表面が周期的凹凸構造を有し、前記反射防止膜表面に形成された凹凸のピッチをＰおよび前記反射防止膜表面に形成された凹凸の凸部の頂と凹部の底との差である高さをｄ、前記反射防止膜表面に入射する入射光束の中心波長をλ、凸部からの反射光と凹部からの反射光との光路の位相差をΦとすると、中心入射光束の入射角θに対して、ｃｏｓθ＝λ・（２Ｍ＋１）／（４ｎ・ｄ）および、λ＜Ｐ≦３０λ、かつ、Φ≒（２Ｍ＋１）・π（Ｍは０または正の整数）を満足することを特徴とする反射防止膜を提供する。なお、ピッチＰ平均高さｄ、中心波長λは同じ次元で表記した数値を用いる。
【０００９】
また、請求項２は、前記透光性薄膜４は相対的に高屈折率の透光性誘電体膜Ｈと相対的に低屈折率の透光性誘電体膜Ｌとが積層された請求項１記載の反射防止膜を提供する。
【００１０】
また、請求項３は、前記反射防止膜表面の凹凸の形状がほぼ矩形である請求項１または２記載の反射防止膜を提供する。
【００１１】
また、請求項４は、前記反射防止膜表面の凹凸は、ｃｏｓθ＝λ／（４ｎ・ｄ）を満足する請求項１、２または３記載の反射防止膜を提供する。
【００１３】
なお、本発明における入射光束とは、指向性の揃った平行光や単一波長の場合を含むものであり、入射角が分散した収束光束や発散光束の場合や、波長帯域の広い入射光束をも含むものである。本発明はいずれの光束に対しても有効である。
【００１４】
入射角が分散した入射光束の場合、入射角θはその分散角の平均値に相当する中心入射角θとして定義される。また、波長帯域の広い入射光束に対しても、その入射光束の波長は、波長帯域の平均値に相当する中心波長λで定義される。
【００１５】
さらに、本発明で用いる凹凸の形状の幾何学的寸法を示すパラメータであるＰ、Ｐ_a 、Ｐ_b 、ｄ、および入射光束の中心波長λについての関係式中の表記は、長さの単位として同じ次元を適用する。また、角度および位相はラディアンを単位とする。
【００１６】
本発明の反射防止膜は、屈折率の異なる透光性光学媒体界面に垂直方向における誘電体膜の光干渉を利用した反射防止効果と、透光性光学媒体界面の面内方向における周期構造体の光回折とを利用することにより、両者の相乗効果として効率の高い正規反射防止効果を得るものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の反射防止膜の作用について図１を参照しつつ以下に説明する。図１は本発明の反射防止膜の模式的な断面図である。微細な凹凸として屈折率ｎ_g の透光性基板２の上に、幅Ｐ_a 高さｄで屈折率ｎ₁ の透光性誘電体膜３が間隔Ｐ_b で紙面垂直軸ｙ方向に沿って平行線状にパターニングされている。さらに、このような周期的構造である凹凸の表面に透光性薄膜４が一様に形成され、周囲媒質１に接している。周囲媒質１は通常の使用環境下では空気である。
【００１８】
このような周期的構造に対して、凹凸の構造が現れた面内に互いに直交するｘ軸とｙ軸があり、周期的構造を示す方向の軸をｘ軸とし、ｘ軸およびｙ軸に直交する軸をｚ軸とする。
【００１９】
このような周期的構造の界面Ｓにおいて、入射角θで入射する入射光束の反射率は、幅Ｐ_b と幅Ｐ_a のｚ軸方向の各光学薄膜の光干渉とｘ軸方向の周期構造に起因して発生する光回折とを考慮して算出される。
【００２０】
図面に示した凹凸は光学的に作用しうる周期構造であり、入射光束の波長に対して回折を生じる領域においては、回折角および回折波長が規定された回折光強度として算出されることが知られている。また、回折光学素子の周期が波長に比べて充分に大きく、薄い周期構造と見なせる場合はホイヘンス・フレネルのスカラー回折理論により反射率が計算される。
【００２１】
回折光学素子の周期が波長程度に小さくなった場合は境界面にマクスウェル電磁理論と矛盾しない境界条件を与えて電磁界解析を行うベクトル回折理論を適用して計算されることが以前より知られている。例えば、ゾンマーフェルト理論物理学講座IV「光学」の第５−６章（著者アーノルド・ゾンマーフェルト講談社昭和４４年発行）に記載されている。
【００２２】
本発明では、周期的構造の界面に入射角θで入射した入射光束が反射され、反射光束となり、そのうち角度θで反射される正規反射光束成分を低減することを目的とする。以下に、正規反射成分である０次回折光について説明する。
【００２３】
図１の周期的構造において、幅Ｐ_a の凸部は透光性誘電体膜３と透光性薄膜４の屈折率および膜厚により波長λの入射光束に対して光干渉理論により振幅反射率ｒ_a （λ、θ）が規定される。同様に幅Ｐ_b の凹部は透光性薄膜４の屈折率および膜厚により波長λの入射光束に対して光干渉理論により振幅反射率ｒ_b （λ、θ）が規定される。
【００２４】
幅Ｐ_a の凸部と幅Ｐ_b の凹部が周期的に配置された周期的構造、つまり凹凸のピッチＰ＝Ｐ_a ＋Ｐ_b のグレーティング構造において、その０次反射回折光強度Ｉ₀ はｒ_a およびｒ_b の強度｜ｒ_a ｜、｜ｒ_b ｜が１に比べて充分小さな場合、近似的に（１）式で記述される。また、ｒ_a とｒ_b との位相がほぼ等しい場合、（１Ａ）式のときに最小となる。
【００２５】
【数１】
Ｉ₀ ＝２｜（Ｐ_a ・ｒ_a ＋Ｐ_b ・ｒ_b ・ｅｘｐ（ｉ・４π・ｎ・ｄ・ｃｏｓθ／λ））／Ｐ｜・・・（１）
４π・ｎ・ｄ・ｃｏｓθ／λ＝π・（２Ｌ＋１）
：Ｌは０または正の整数・・・（１Ａ）
【００２６】
すなわち、凹凸振幅であるｄ_X が（２）式のときに正規反射は最小となる。なお、ｎは図１の凹部に相当する周囲媒質１の屈折率を示す。
【００２７】
【数２】
ｄ_X ＝（２Ｌ＋１）・λ／（４・ｎ・ｃｏｓθ）
：Ｌは０または正の整数・・・（２）
【００２８】
これは、凸部と凹部との光路長の位相差φ＝４π・ｎ・ｄ・ｃｏｓθ／λがπのほぼ奇数倍となる条件である。このときの、正規反射率（０次反射回折光強度Ｉ₀ ）は（３）式となる。
【００２９】
【数３】
Ｉ_O ＝２・｜（Ｐ_a ・ｒ_a −Ｐ_b ・ｒ_b ）／（Ｐ_a ＋Ｐ_b ）｜・・・（３）
【００３０】
したがって、ｒ_a およびｒ_b のλおよびθ依存性にもよるが、Ｐ_a ・ｒ_a ＝Ｐ_b ・ｒ_b の条件で正規反射率＝０となる。すなわち、入射光束の主波長λが（２）式を満たすように幅Ｐ_a で屈折率ｎの透光性誘電体膜３の膜厚ｄを規定すれば、中心波長λ周辺の波長域での正規反射率を低い値に維持できる。
【００３１】
０次回折光の波長依存性および入射角度依存性を低減し、広い波長域で正規反射防止効果を得るためには、凸部と凹部との光路長の位相差φ＝４π・ｎ・ｄ・ｃｏｓθ／λがπ、すなわちｄ＝λ／（４・ｎ・ｃｏｓθ）であることが好ましい。
【００３２】
透光性誘電体膜３と透光性薄膜４の組み合わせあるいは透光性薄膜４を相対的に高屈折率の誘電体膜と相対的に低屈折率の誘電体膜を交互に積層した誘電体多層反射防止膜とすることにより、広い波長帯域で振幅反射率ｒ_a 、ｒ_b を低い値に保つことが可能となるため、（３）式で記述された回折による反射防止効果と相乗して広波長帯域で高い正規反射防止効果が得られる。
【００３３】
このような反射防止膜を光学素子に適用する場合、０次回折光のみを利用する角度領域では有効であるが、０次光以外の高次回折光も取り込まれる構成においてはその回折作用による反射防止効果が低減する。そこで次に、高次回折光の回折角度について以下に説明する。
ｋ次回折光の回折角度θ_k は（４）式で記述され、１次回折角θ₁ が最も小角回折光となる。
【００３４】
【数４】
ｓｉｎθ_k ＝ｓｉｎθ＋ｋ・λ／Ｐ（ｋは０または正の整数）・・・（４）
【００３５】
したがって、正規反射光束に高次回折光の混入を防止するためには凹凸のピッチＰを小さく設けて、中心波長λの入射光束に対して１次回折光回折角度θ₁ を大きくするように設定すればよい。
【００３６】
ピッチＰが波長λより小さい場合、回折効率は（１）式の計算式では近似されず、その値が低下するとともに、凹凸の作製そのものが困難であるため、Ｐ＞λであることが好ましい。また、１次回折角度は２°以上にすることが入射光束の指向性確保の点で実用的であり、Ｐ≦３０λであることが好ましい。したがって、ピッチＰは入射光束の波長λに対して（５）式を満たすことが好ましい。
【００３７】
【数５】
λ＜Ｐ≦３０λ ・・・（５）
【００３８】
本発明の作用の一例として、図１に示した矩形のラミナリー断面をもつ溝型のものをあげて説明したが、他の断面形状でも構わない。例えば、鋸歯断面状のブレーズ型回折格子形状や正弦波断面形状の場合においても０次光回折強度の式（１）や回折角度の式（４）は異なるが同様の作用効果が得られる。
【００３９】
また、本発明は、凹凸のない界面における反射防止膜のみの場合に比べて、正規反射光束が低減するが、その減少分に相当する光は界面を直進透過する成分と回折光となって反射あるいは透過する成分となる。したがって、本発明の反射防止膜を用いる場合、大半の入射光束は直進透過し正規反射光束は極めて低い値となるため、正規反射光束の混入を防止し０次回折透過光のみを信号光とし１次以上の回折光は利用しない光学素子としての用途に適している。以下、実施例により、本発明を具体的に説明する。
【００４０】
【実施例】
（実施例１）
図１に本例の反射防止膜の断面図を示す。また、その製法について図２に示す（構成例１）。屈折率約ｎ_g ＝１．５の透光性ガラス基板の表面に、屈折率約ｎ₂ ＝１．４５のＳｉＯ₂ 膜を、用いられる入射光束の中心波長λ＝５２０ｎｍの垂直入射光束に対して膜厚ｄがλ／４に対応した膜厚ｄ＝１３０ｎｍとなるように成膜する（図２（ａ））。
【００４１】
次に、このＳｉＯ₂ 膜の上にフォトレジストを塗布しベーキングして固めた後、ライン幅Ｐ_a ＝１．２μｍ、スペース幅Ｐ_b ＝１．２μｍで凹凸のピッチＰ＝２．４μｍの微細線が形成されたフォトマスクを用いて露光・現像することにより、線状レジストパターン５を形成する（図２（ｂ））。
【００４２】
次に、この基板面にイオンを均一照射することによりフォトレジストでマスキングされていないＳｉＯ₂ 膜が反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりパターニングされる。ここで、イオンエッチング時間によりＳｉＯ₂ 膜のエッチング量を制御できる。通常、基板として用いたガラスに比べてＳｉＯ₂ 膜の方がエッチングレートが高いためＳｉＯ₂ 膜がなくなった時点でエッチングは完了する。したがって、予め必要とする凸部の高さｄに相当する膜厚のＳｉＯ₂ 膜をあらかじめ成膜することにより、凸部の高さｄを精度よく制御できる（図２（ｃ））。
【００４３】
次に、マスキングとして用いたフォトレジストを溶剤により排除する。そして、図２（ｄ）に示すライン幅Ｐ_ａ＝１．２μｍ、スペ−ス幅Ｐ_ｂ＝１．２μｍで凹凸のピッチＰ＝２．４μｍ、平均高さ＝１３０ｎｍのＳｉＯ_２からなる微細線の周期性パターンを有する透光性誘電体膜３が形成される。この透光性誘電体膜３の凹凸の振幅ｄは、周囲媒質が空気（ｎ＝１．０）であるため、ｎ・ｄ＝ｄとなる。
【００４４】
最後に、屈折率１．４５〜１．５のガラス基板と、周囲媒質である空気（ｎ＝１）との界面反射を低減する透光性薄膜４を成膜する。具体的には、基板側からＡｌ_２Ｏ_３（ｎ＝１．６３）／ＺｒＯ_２（ｎ＝２．０）／ＭｇＦ_２（ｎ＝１．３８）をそれぞれ光学膜厚（ｎ・ｄ）が（λ／４）／（λ／２）／（λ／４）となるように積層成膜する。なお、入射光束の中心波長λ＝５２０ｎｍである。
【００４５】
このようにして作製された反射防止膜の垂直入射における可視波長域の分光反射率を図３（ａ）に示す。４２０〜７００ｎｍの広い可視波長域で正規反射率０．１％以下の反射防止効果が得られる。
【００４６】
比較例１として、平坦なガラス基板に実施例１の透光性薄膜４と同じ材料となるＡｌ_２Ｏ_３（ｎ＝１．６３、ｎ・ｄ＝λ／４）／ＺｒＯ_２（ｎ＝２．０、ｎ・ｄ＝λ／４）／ＭｇＦ_２（ｎ＝１．３８、ｎ・ｄ＝λ／４）が積層成膜された基板界面の分光反射率を図３（ｂ）に示す。４３０〜６７０ｎｍの可視波長域で０．４％以下の反射率となっているが、本発明の実施例１に比べ残留反射率がどの波長においても高い。
【００４７】
また、比較例２として、透光性薄膜４のない図２（ｄ）のガラス基板界面の分光反射率を図３（ｃ）に示す。５２０ｎｍ狭い波長域で０．１％以下の残留反射となっているが、短波長域および長波長域で残留反射が増加し可視域の反射防止効果は比較例１に対しても劣る。
【００４８】
本発明により、従来技術の反射防止膜あるいは回折格子では実現できなかったすぐれた効果が達成される。
【００４９】
また、本発明の構成による１次回折光の回折角度θ₁ の波長依存性を０次回折光角度を０°基準にして図４に示す。これより、４２０ｎｍ以上の可視波長光の１次回折反射光束は垂直入射光束に対して１０°以上の角度に散らされるため、１０°以内の分散角光のみを利用する光学素子用途において可視波長域反射防止膜として利用できる。
【００５０】
本実施例では幅Ｐ_ａの凸部の透光性誘電体膜３がＳｉＯ_２膜の場合について説明したが、他の媒体でも構わない。好ましくは、透光性ガラス基板である透光性光学媒体２の屈折率ｎ_ｇと同程度の屈折率を有する透光性誘電体膜３が適している。屈折率１．４〜１．８の光学材料を用いることが好ましい。この屈折率に相当する膜媒体としてはＳｉＯ_２とＳｉ_３Ｎ_４との混合物であるＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（ｘ＋ｙ＝１）をターゲットとしてスパッタリング法で成膜することにより屈折率１．４５〜１．８の中間域の値を持つ薄膜作成が可能である。
【００５１】
（実施例２）
図５に反射防止膜の形成された凸レンズ６の断面図を示す。また、図６に界面における断面の一部拡大図を示す（構成例２）。
この凸レンズ６は透光性光学媒体２として屈折率約ｎ_ｇ＝１．５の透光性プラスティックを材料とし、金型を用いて非球面凸型プラスティックレンズとして成形加工されている。図６に示すようにレンズの表面に、ラインＰ_ａ＝１．２μｍ、スペース幅Ｐ_ｂ＝１．２μｍで凹凸のピッチＰ＝２．４μｍで高さ１３０ｎｍの微細線形状（透光性誘電体膜３として機能）が転写されるように予め成形金型に溝が作製されている。この場合、図１における凸部の材質は透光性光学媒体２と同じであるため、屈折率ｎ_２＝ｎ_ｇ＝１．５である。周囲媒質１は空気である。
【００５２】
このように成形加工された非球面凸型プラスティックレンズの表面に実施例１と同様に３層の透光性薄膜４が形成されている。
【００５３】
このような製法および構成によりレンズ表面の正規反射光束を低減した非球面凸型プラスティックレンズが作製され、特に反射型光学素子の集光素子として用いる場合等に、レンズ界面の正規反射防止が問題となるときに有用な効果が得られる。
【００５４】
本発明は、上記の実施例以外に、例えば、液晶レンズ、液晶シャッター、液晶光学素子、または液晶表示素子に適用できる。特に、反射型の光学構成を用いる装置において、すぐれた光学特性を発揮する。Ｓ／Ｎ比やコントラスト比について、従来例では達成し得ない良好な数値を得る。本発明は、このほか、本発明の効果を損しない範囲内で種々の応用が可能である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は、正規反射光の生成を抑制し、すぐれた、光学特性を得ることができる。また、製造方法が容易であり、かつ、高精度で構造制御でき、高性能の製品を安定して製造できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明（構成例１）を示す断面図。
【図２】本発明（構成例１）の製造法を示す断面図。
【図３】（ａ）本発明の反射防止膜の第１の構成例における分光反射率データを示すグラフ、（ｂ）従来の反射防止膜のみの場合の比較例１における分光反射率データを示すグラフ、（ｃ）従来の回折格子のみの場合の比較例２における分光反射率データを示すグラフ。
【図４】本発明（構成例１）における１次回折光の回折角度の波長依存性を示すデータを示すグラフ。
【図５】本発明（構成例２）である凸レンズの断面図。
【図６】本発明（構成例２）である凸レンズの界面付近の拡大断面図。
【符号の説明】
１：周囲媒質
２：透光性光学媒体
３：透光性誘電体膜
４：透光性薄膜
５：線状レジストパターン
６：凸レンズ

Claims

屈折率ｎを有する周囲媒質１と屈折率ｎ_ｇを有する透光性光学媒体２（ｎ≠ｎ_ｇ）との間に設けられた反射防止膜において、
前記反射防止膜は、前記透光性光学媒体２表面に周期的凹凸構造を有する透光性誘電体膜３と透光性薄膜４からなって表面が周期的凹凸構造を有し、
前記反射防止膜表面に形成された凹凸のピッチをＰおよび前記反射防止膜表面に形成された凹凸の凸部の頂と凹部の底との差である高さをｄ、前記反射防止膜表面に入射する入射光束の中心波長をλ、凸部からの反射光と凹部からの反射光との光路の位相差をΦとすると、中心入射光束の入射角θに対して、ｃｏｓθ＝λ・（２Ｍ＋１）／（４ｎ・ｄ）および、λ＜Ｐ≦３０λ、かつ、Φ≒（２Ｍ＋１）・π（Ｍは０または正の整数）を満足することを特徴とする反射防止膜。
前記透光性薄膜４は相対的に高屈折率の透光性誘電体膜Ｈと相対的に低屈折率の透光性誘電体膜Ｌとが積層された請求項１記載の反射防止膜。
前記反射防止膜表面の凹凸の形状がほぼ矩形である請求項１または２記載の反射防止膜。
前記反射防止膜表面の凹凸は、ｃｏｓθ＝λ／（４ｎ・ｄ）を満足する請求項１、２または３記載の反射防止膜。