JP4183444B2 - 光学部材 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、凹凸面により構成された回折格子を有する光学部材に関し、特に入射光の反射防止のために設けられる反射防止格子を光の入射面に有する光学部材に関する。
【0002】
【従来の技術】
回折格子をその表面に有した光学部材は広く用いられている。従来の回折格子部材として図2に示すものがある。この回折格子部材100は、凹部平面101と凸部平面102とを備えた矩形波状の回折格子面103を有するものである。ここで、屈折率の異なる媒質の境界面においては、フレネル反射が生じて透過光に損失が生じる。すなわち図2において、回折格子部材100の入射面及び出射面に反射光R1及びR2が生じ、入射光のうち反射光R1及びR2以外が透過光Tとして回折格子部材100を透過する。ここで入射側反射光の反射率R1は光の入射側の媒質の屈折率をn0、回折格子部材100の媒質の屈折率をn1とすると以下の式によって表される。
【0003】
【数1】
R1=(n1−n0)2/(n1+n0)2 (1)
【0004】
例えば、図において光の入射側の媒質の屈折率を1.0、回折格子部材100の媒質の屈折率を1.5とすると、入射面における反射率は約4%となる。このような反射率を低減させることで、透過光の損失を低下させることができる。レーザー光学系において反射率が高く、透過光の損失を生じさせることは、光学エネルギーの有効利用の面から不利であるから、反射率を低減することは非常に重要である。
【0005】
透過光の反射率を低減させる方法としては、薄膜を光学部材の表面に蒸着して、単層または多層の反射防止膜を形成するものが知られている。この場合は、薄膜の屈折率及び膜厚を適切に選ぶことによって透過光の反射防止効果を得ることができる。
【0006】
しかし、薄膜を光学部材の表面に蒸着する方法では、以下に述べる問題点を有している。回折格子を有する光学部材は、その製造の容易さ等から合成樹脂によって形成されることが多い。ここで、薄膜を表面に蒸着して反射防止膜を形成する場合、合成樹脂は熱に弱いために高温で蒸着を行うことができない。このため、反射防止膜の密着力が弱く、はがれが生じやすい。また、蒸着を行う場合にはその行程のために余計な時間がかかり、かつ蒸着を行うにはそのための設備が必要であることから、光学部材の製造コストを増加させることとなる。
【0007】
このため、薄膜を光学部材の表面に蒸着する以外の方法として、以下のものが知られている。すなわち、回折格子の凹凸面上に光の波長λよりも小さな格子を形成し、0次回折光しか存在しないようにすることで、0次光以外の方向への光の伝播がなくなって、結果的に反射光も消滅するというものである。この場合にあっては、格子間隔Dを以下の条件とすることで反射防止を図ることができる。
【0008】
【数2】
D<λ/(n0sinθi+n1) (2)
【0009】
ここで、θiは光学部材への入射角である。
【0010】
図3は、このように反射防止格子を回折面上に形成した例である。回折格子面107は、凹部平面104と凸部平面105とを有し、その表面は矩形波状に形成されている。そして凹部平面104と凸部平面105のそれぞれには反射防止格子106が形成されている。この反射防止格子106は、その格子間隔Dを式2の条件に適合するようにしている。このようにすることで、回折格子面107における反射を防止することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の反射防止構造を有する光学部材においては、以下の問題点があった。
回折格子を有する光学部材が合成樹脂からなる場合、切削加工で凹部平面と凸部平面からなる矩形波状面を成形した金型を作成し、この金型を使用して合成樹脂を射出成形することにより光学部材を作成する方法が用いられる。したがって、金型に微細な格子を形成することが必要となる。金型の切削加工にはダイヤモンドバイト等が用いられ回折格子の凹凸面が形成される。さらにその回折格子の凹凸面上に小さな格子を形成する場合、微細な凹凸面上にさらに加工を施すこととなり、金型の加工は非常に困難である。その結果、回折格子の凹凸面上に反射防止用の格子を形成した光学部材を製造することは非常に困難であるという問題点を有している。
【0012】
本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、反射防止構造を表面に容易にかつ精度よく形成することができ、入射光の反射率を低減することのできる光学部材を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決するため、回折格子を有する光学部材を以下のように構成した。
【0014】
本発明に係る光学部材は、回折格子面を有する回折格子部材の上記回折格子面に、上記回折格子部材と異なる屈折率の光学材料からなり、光の入射面に入射光の波長の半分以下の周期を有する凹凸格子を形成した反射防止格子部材を密着してなり、前記回折格子面は凹凸面を有し、前記反射防止格子部材は前記回折格子面の凹部内に充填されると共に、前記回折格子面の凸部より上方に平面状の上面を有して前記回折格子面を全面に渡って被覆し、前記上面には前記凹凸格子が形成され、前記反射防止格子部材と前記回折格子部材の屈折率差は、空気と前記回折格子部材の屈折率差よりも小さいことを特徴とするものである。
【0015】
また、本発明に係る光学部材は、反射防止格子部材及び回折格子部材は合成樹脂からなることを特徴とするものである。
【0016】
さらに、本発明に係る光学部材は、反射防止格子部材及び回折格子部材は一体成形されていることを特徴とするものである。
【0017】
本発明によれば、反射防止のための凹凸格子を平面上に形成することができるため、回折格子部材を射出成型するための金型を作成するに際してその加工が容易であり、したがって反射防止構造を有する回折格子部材を容易に加工することができ、この回折格子部材によって表面の反射率を低減して透過率を向上させることができる。
【0018】
また、本発明によれば、反射防止構造を有する回折格子部材は射出成型によって製造することができるので、切削加工により製造した金型を用いて大量に製造することができる。
【0019】
さらに、本発明によれば、合成樹脂の2色形成や2ピース形成等の製造方法によって、反射防止構造を有する回折格子部材を、1つの工程によって製造することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図1は本発明の実施形態における光学部材の縦断面拡大図であり回折格子の形状を誇張して示したものである。
【0021】
本実施形態において光学部材1は回折格子を有し、主にレーザー光学系にて分波/合波機能素子等として用いられ、または分光器等に利用することができる。この光学部材1は、反射防止格子部材2と回折格子部材3とからなる複合材として形成されている。反射防止格子部材2は光の入射側に、回折格子部材3は光の出射側にそれぞれ配されている。回折格子部材3は、光の入射側面に回折格子面6を有している。回折格子面6は、矩形波状の凹凸周期構造を有しており、凹部平面4と凸部平面5とからなっている。なお、回折格子面6の形状については、矩形波状の凹凸周期構造に限らず、回折格子の機能を有する他の形状であってもよい。
【0022】
回折格子面6の凹凸周期構造のピッチ及び深さについては、その光学部材1の用途によって適宜決定される。すなわち、光学部材1によって所定の回折角が得られるように設計される。ここで、反射防止格子部材2は合成樹脂であり、その屈折率は空気の屈折率に比べて大きいので、反射防止格子部材2を設けずに空気から回折格子部材3に光が入射する場合と同一の回折角を得るためには、回折格子面6を深くする必要がある。光学部材は金型を用いて射出成型されることによって製造され、金型に格子面等が切削加工される。この金型は非常に高精度な加工により製造されるが、加工を行う際には格子の深さに製造誤差が発生する。しかし、この製造誤差は、格子面の深さには拠らず一定なので、格子面が深くなることで格子面の深さに対する製造誤差の割合は相対的に小さくなる。このため反射防止格子部材2が回折格子部材3の入射側に存在するために回折格子面6を深くすることは、同程度の精度でも相対的にみれば精度よく金型を加工することができることとなり、したがってより精度のよい回折格子を製造することができる。
【0023】
反射防止格子部材2の下面は回折格子部材3の上面に形成された回折格子面6と適合する形状とされており、回折格子部材3の上面、すなわち回折格子面6と密着している。また、反射防止格子部材2の上面は、反射防止格子面7を有している。この反射防止格子面7は、上方から見て一定方向の溝によって形成される。また、上方から見て縦横十字状の溝を形成し、多数のピラミッド状の突起を有する形状とするか、または上方から見て同心円状の溝によって形成することもできる。そのピッチは式2にて算出される格子間隔Dよりも小さな値とされる。例えば反射防止格子部材2は、屈折率が1.5前後のものが用いられるので、格子間隔Dを光の波長λの半分以下とすることで、入射角θiの変化が30°以内の範囲で式2の条件を満たすこととなる。
【0024】
反射防止格子部材2と回折格子部材3は、いずれも合成樹脂によって形成されており、それぞれ屈折率が異なっている。反射防止格子部材2と回折格子部材3の屈折率差は、空気と回折格子部材3との屈折率差よりも小さくなるように反射防止格子部材2の材質は選択される。このようにすることで、反射防止格子部材2と回折格子部材3との境界面における反射率を小さく抑えることができる。
【0025】
例えば、空気の屈折率を1.0、反射防止格子部材2の屈折率を1.4、回折格子部材3の屈折率を1.5とすると、式1より空気中から回折格子面を有する回折格子部材3に光が直接入射した場合の反射率R1は4%となり、反射防止格子部材2から回折格子部材3に光が入射した場合の反射率R1は0.12%となる。すなわち、反射防止格子部材2の表面に形成された回折格子面6によって、空気中から入射した光の反射を低減し、反射防止格子部材2と回折格子部材3との境界面における反射率を小さく抑えることで、空気中から入射する光の光学部材1による反射率を大幅に低減することができる。
【0026】
次に、本実施形態における光学部材の製造方法について説明する。
光学部材1は、合成樹脂からなるため、金型からの射出成型によって大量生産することができる。金型は、ダイヤモンドバイト等による切削加工によって形成される。反射防止格子は光の入射面が平面である反射防止格子部材2に形成されるので、凹凸面からなる回折格子面を有する光の入射面に反射防止格子を形成する場合に比べて、金型の製造に関しその加工が容易であり、かつ精度を良好に保つことができる。
【0027】
この金型を用いて、光学部材1は反射防止格子部材2と回折格子部材3の複合材として一体成形される。反射防止格子部材2と回折格子部材3とはその材質が異なるため、金型の中で一度に両部材の形成を行ういわゆる2色成形、またはあらかじめ2つの部材を形成しておいてから一体成形を行ういわゆる2ピース成形によって、光学部材1は一体成形される。
【0028】
本実施形態においては、反射防止格子部材2の屈折率を1.4、回折格子部材3の屈折率を1.5とした例を示したが、光学部材1に用いる材料は、式2の条件を満たし、かつ反射防止格子部材2の屈折率と回折格子部材3の屈折率との差が、反射防止格子部材2の屈折率と入射側の媒質の屈折率との差よりも小さければどのような屈折率のものでもよく、また反射防止格子部材2の屈折率が回折格子部材3の屈折率よりも大きくてもよい。
【0029】
また、光学部材1の入射面側に反射防止格子面7を形成するだけでなく、出射面側に反射防止格子面7を形成することもできる。このようにすることで、光学部材1への入射光についてだけでなく、光学部材1からの出射光についてもその反射率を低減することができ、光学部材1の透過率を向上させることができる。この場合は、反射防止格子部材2に形成された反射防止格子面7と同様の格子面を回折格子部材3の下面に形成する。
【0030】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る光学部材は、回折格子面を有する回折格子部材の回折格子面に、回折格子部材と異なる屈折率の光学材料からなり、光の入射面に入射光の波長の半分以下の周期を有する凹凸格子を形成した反射防止格子部材を密着してなることにより、反射防止のための凹凸格子を平面上に形成することができるため、回折格子部材を射出成型するための金型を作成するに際して容易にかつ精度よく加工することができ、したがって反射防止構造を有する回折格子部材を容易にかつ精度よく加工することができるので、この回折格子部材によって表面の反射率を低減して透過率を向上させることができるという効果がある。
【0031】
また、本発明に係る光学部材においては、反射防止格子部材及び回折格子部材は合成樹脂からなるものであることにより、反射防止構造を有する回折格子部材は射出成型によって製造することができるので、金型を用いて大量に製造することができるという効果がある。
【0032】
さらに、本発明に係る光学部材においては、反射防止格子部材及び回折格子部材は一体成形されているものであることにより、反射防止構造を有する回折格子部材を1つの工程で製造することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態における光学部材の縦断面拡大図であり回折格子の形状を誇張して示したものである。
【図2】従来の回折格子を有する光学部材を示した図である。
【図3】従来の回折格子を有する光学部材に反射防止構造を形成したものを示した図である。
【符号の説明】
1 光学部材
2 反射防止格子部材
3 回折格子部材
4 凹部平面
5 凸部平面
6 回折格子面
7 反射防止格子面
100 回折格子部材
101 凹部平面
102 凸部平面
103 回折格子面
104 凹部平面
105 凸部平面
106 反射防止格子
107 回折格子面
Claims (3)
- 回折格子面を有する回折格子部材の上記回折格子面に、上記回折格子部材と異なる屈折率の光学材料からなり、光の入射面に入射光の波長の半分以下の周期を有する凹凸格子を形成した反射防止格子部材を密着してなり、
前記回折格子面は凹凸面を有し、前記反射防止格子部材は前記回折格子面の凹部内に充填されると共に、前記回折格子面の凸部より上方に平面状の上面を有して前記回折格子面を全面に渡って被覆し、前記上面には前記凹凸格子が形成され、
前記反射防止格子部材と前記回折格子部材の屈折率差は、空気と前記回折格子部材の屈折率差よりも小さい光学部材。 - 上記回折格子部材及び反射防止格子部材は合成樹脂からなることを特徴とする請求項1記載の光学部材。
- 上記回折格子部材及び反射防止格子部材は一体成形されていることを特徴とする請求項2記載の光学部材。
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