JP4270968B2 - 反射防止面付光学素子を持つ光学系を備えた光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、入出射光の波長よりも小さな周期構造を持つ反射防止面付光学素子を持つ光学系を備えた光学機器に関するものである。

屈折率差がある境界を光が透過する場合、その屈折率差に応じて光の反射が生じるため、透過光量の損失が生じる。また、前記の反射により生じた反射光により光学的に好ましくない作用を及ぼすことがある。例えば、カメラや医療用内視鏡など撮像光学系や観察光学系を持つ光学機器では、レンズ、プリズムなどの光学素子が多数使用されており、光反射により透過光量不足になったり、反射光によるゴースト、フレアの発生があるため、極力光の反射を低減することが行われている。一般的には、光反射防止のため屈折率が基材である光学素子と異なる物質を真空蒸着法、スパッタリング法などにより基材上に膜として被覆形成する方法が用いられている。この方法では、被覆する物質を所定の膜厚にすることが重要である。例えば、単層の反射防止膜の場合、基材よりも低屈折率物質を光の波長の１／４の奇数倍にすることで設計光波長に対して極小の反射率を得られることが知られている。また、広帯域の光波長の場合、薄膜を多層に積層することで高い反射防止効果が得られることが知られている。しかし、真空蒸着法やスパッタリング法では、基本的に高価な真空装置を必要とし、単層膜の場合は１回、または多層膜の場合は複数回の成膜を行う必要がある。さらに、膜の屈折率および膜厚を高精度に制御する必要があり、このための制御系に関しても高額な制御装置が要求される。また真空装置内を膜形成に際し、その都度真空状態にするため必然的にバッチ処理となり生産性は、低い。

また、これらの薄膜の干渉を利用した反射防止膜では、原理的に光の入射角によって反射率が変化する。一般的に反射防止膜は垂直入射に対して反射率が最小になるように最適化されており、入射角が大きくなると反射防止効果は大きく低下するものとなっている。

一方、表面に周期的に微細な凹凸を持つ構造の光学素子の研究が行われており、表面に周期微細凹凸を持つ光学素子は反射防止機能を有することが知られている。この周期微細凹凸を透明樹脂の表面に成形により形成したものを表示用窓材として用いることが[特許文献１][特許文献２]に提案されている。また、[特許文献３]にはポリメチルメタクリレート樹脂により形成された周期微細凹凸の上にＭｇＦ₂などの無機質の薄膜保護層を設けることが提案されている。[特許文献４]には、光透過性を有する素子基材表面にチタンアルコキシド（有機チタネート）のような金属アルコキシドをスピンコート法により全面に塗布し、この塗布した表面に対して微細凹凸を持つニッケル板を押し付けて加熱し加水分解・縮合反応により周期微細凹凸を形成した後、ニッケル板を剥がしてから大気中で高温で焼結させて光触媒層を有した光学素子を得ることが提案されている。
特開２００３−４９１６号公報 特開２００３−９０９０２号公報 特開２００２−１８２００３号公報 特開２００１−１８３５０６号公報

しかし、透明樹脂では最も硬いアクリルでも鉛筆硬度で４Ｈ程度と表面硬度が低く、物理的に傷が付きやすかったり、耐熱性が低いなどの問題がある。また、これに蒸着法やスパッタリング法などにより無機質の薄膜保護層を形成させることは、バッチ処理であるため生産性が低いという課題がある。また、チタンアルコキシドのような金属アルコキシドを用いたものは、材料的に十分な強度を持たせるために、高温での焼結が必要であり、周期微細凹凸を形成するために用いる素子基材がガラスのような耐熱性のあるものに限定されてしまう。また、金属アルコキシドを縮合反応させる時に大きな硬化収縮が発生し、反応後生成した縮合物は脆性が高いため、硬化収縮に伴う応力によりクラックが発生しやすかったり、素子基材から剥離しやすい状況となる。また、硬化収縮による応力が大きいため、周期微細凹凸を有する層を肉厚にすることができないという問題点がある。

そこで、本発明の目的は、前述の従来技術の欠点を解消し、傷がつきにくく、生産性が高く、形成条件が温和であり、凹凸を有する層の肉厚を厚くすることが可能な周期微細凹凸を有する反射防止面付光学素子を持つ光学系を備えた光学機器を提供することにある。

上記課題を達成する本発明の光学機器は、照明光源素子と、前記照明光源素子からの照明光を透過して物体に照射するための照明光学系と、イメージャと、前記物体で反射された光を前記イメージャに結像する結像光学系と、前記イメージャの入出力を処理する電気回路部とを、カプセルに封入した光学機器であって、前記カプセルは、少なくとも前記照明光が透過する部分が光透過性の有機無機複合材料により構成されており、前記照明光が透過する部分は、内面側に透過光波長以下の周期を持つ微細凹凸からなる反射防止面を有することを特徴とする。

また、本発明の光学機器は、前記カプセルの光透過性の有機無機複合材料により構成される部分が、半球状ドームであることが好ましい。

また、本発明の光学機器は、前記反射防止面が、前記半球状ドームの頂部を通る中心軸に対し傾いた部分に形成されたことが好ましい。さらには、前記反射防止面が、前記半球状ドームの頂部を通る中心軸に対し傾いた部分に形成されたことが好ましい。

また、本発明の光学機器は、前記反射防止面が、複数箇所に形成されていることが好ましい。

また、上記課題を達成する本発明の光学機器は、照明光源素子と、前記照明光源素子からの照明光を透過して物体に照射するための照明光学系と、イメージャと、前記物体で反射された光を前記イメージャに結像する結像光学系と、前記イメージャの入出力を処理する電気回路部とを備えた光学機器であって、前記照明光学系の光路に、光透過性の有機無機複合材料からなり、前記光透過性の有機無機複合材料の少なくとも照明光を透過する前記照明光学系の透過面が、前記照明光源素子と対向するように透過光波長以下の周期を持つ微細凹凸からなる反射防止面を有することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、高い反射防止効果を長期にわたって持続させる光学機器を提供することができる。

また、本発明の光学機器は、反射防止面付光学素子を用いているので、光学系あるいは光学機器の組立時、あるいは使用時に傷がつきにくく、生産性を高くすることができる。さらには光学系は光透過率の優れたものとなり、光学機器の機器性能が優れたものとなる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

本発明の反射防止面付光学素子は、反射防止面も含めた全体が光透過性の有機無機複合材料からなるか、あるいは反射防止面だけが光透過性の有機無機複合材料からなるかのいずれかである。尚、反射防止面だけを有機無機複合材料とする場合には光学素子の本体は通常のガラスあるいはプラスチックの材料を使い、そこに有機無機複合材料からなる反射防止面を接合する。あるいは光学素子の本体の上に有機無機複合材料からなる反射防止面を成形する。

反射防止面は、図１に示すとおり、透過光波長（例えば可視光波長）以下の周期Ｔを持つ微細凹凸１０からなり、各微細凹凸の凸部３が先細りの構造となっている。この例では表面の反射防止面（凹凸１０）も含めた全体が光透過性の有機無機複合材料１である。

微細凹凸１０の周期（Ｔ）と微細凹凸の高さ（Ｈ）の比（Ｔ／Ｈ）は、０．２〜４とすることが望ましい。
（反射防止の原理）
光の反射は、異なる屈折率を持つ媒質の界面を光が透過する際に、屈折率差があるために生じる。全反射する臨界角θｃは、θｃ＝ｓｉｎ^-1（ｎ１／ｎ２）で表される。（ｎ１、ｎ２は、それぞれの媒質の屈折率）。反射防止面となる周期微細凹凸は、屈折率が連続的に変化している層と同等の光反射防止効果が得られるから、微細凹凸層は微視的な範囲では、ｎ１≒ｎ２となり、非常に大きな臨界角となる。このため、周期微細凹凸は、光の入射角が大きくなっても良好な反射防止効果を得ることができる。

周期微細凹凸は、屈折率が連続的に変化しているとみなせる理由を図２Ａを参照しながら説明する。周期微細凹凸１０の各凸部３が円錐形に形成された反射防止面で、有機無機複合材料により形成された光学素子の例を示している。この光学素子は、空気中に置かれているものとし、周期微細凹凸１０をその凹凸方向と直交する面Ｓについて屈折率を検討してみる。面Ｓが凸部３の基部（凹部の奥）を仮定すると、断面積占有率は、有機無機複合材料が大部分を占め、空気は僅かである。したがって、凸部３の基部における屈折率は有機無機複合材料の特性を持つ。面Ｓが微細凹凸の表面側に近づくにつれ、すなわち凸部３の円錐先細りの先端よりになると、有機無機複合材料の体積占有率が低くなり、空気の占める割合が増加し、屈折率は空気の特性を持つ。

そのため、見かけ上、微細凹凸の底部と上部の間で屈折率が連続的に変化している層と同様の効果をもつようになる。このことは、蛾の目の表面微細構造（Ｍｏｔｈ Ｅｙｅ構造）として知られている。

図２Ｂには周期微細凹凸１０の各凸部３が略四角錐に形成された反射防止面の例を示している。図２Ｃには周期微細凹凸１０の各凸部３が略円錐台形に形成された反射防止面の例を示している。図２Ｄには周期微細凹凸１０の各凸部３が略円錐形の先端を丸めた形状に形成された反射防止面の例を示している。この他、略三角錐の形状でもよい。
（材質の説明）
本発明の反射防止面付光学素子に用いられる有機無機複合材料について説明する。有機無機複合材料は、有機成分と無機成分とが分子レベルもしくはナノスケールレベルで混合複合化されたものである。

その形態は、図３Ａに示すように有機骨格からなる高分子マトリックスと無機骨格からなるマトリックスが相互に絡み合い、互いのマトリックスへ貫入されたＩＰＮ構造のものがある。図３Ｂに示すように有機骨格からなる高分子マトリックス中にナノスケールの無機微粒子が分散したコンポジット構造のものでもよい。また図３Ｃに示すように有機骨格からなるモノマーもしくはオリゴマーと無機元素を持つモノマーもしくはオリゴマーとが共重合した構造のものでもよい。さらにＩＰＮ構造、コンポジット構造、共重合構造の複合構造のものがある。有機成分と無機成分との間には水素結合や分散力、クーロン力などの分子間力や、共有結合、イオン結合、π電子雲の相互作用による引力など何らかの相互作用が働いている。

ＩＰＮ構造の有機無機複合材料での有機成分としては、主に炭素−炭素結合を主鎖骨格に有するいわゆる有機骨格からなる高分子であり、鎖状もしくは架橋されたものである。例えば、メチルメタクリレート樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン樹脂、ノルボルネン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、塩化ビニル樹脂などおよびこれらの共重合体の熱可塑性樹脂、およびエポキシ樹脂、不飽和エステル樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂、アリレート樹脂、エーテル樹脂、シリコーン樹脂およびこれらの官能基の一部が変性された樹脂などの熱硬化性樹脂など種々のものが挙げられる。無機成分としては、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｂａ、Ｔａ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｃｕ、Ｓｃ、Ｂｉ、ランタノイドなどの各種金属アルコキシド、金属アセチルアセトネート、あるいは金属カルボキシレートから選ばれる有機金属化合物一種類以上でゾル−ゲル反応したメタロキサン骨格をもつ無機高分子やＺｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｐｂなどの金属元素を骨格に有する無機高分子などが挙げられる。これ以外にも分子鎖中に硫黄、ホウ素、セレン、テルルなどを含むものなどもある。ＩＰＮ構造では、分子サイズレベルでの複合化であるので、微細凹凸構造のサイズに対して、十分小さな領域で複合化されているので、微細凹凸構造を形成することができる。

ＩＰＮ構造の有機無機複合材料の合成方法としては、有機成分の熱硬化性樹脂のモノマーあるいはオリゴマーと無機成分の金属アルコキシド、および必要に応じて溶剤、触媒、硬化剤を混合し、樹脂モノマーの重合反応と金属アルコキシドのゾル−ゲル反応を同時に進行させることによって有機成分と無機成分が相互にネットワーク構造を絡ませた有機無機複合材料の硬化物を得る方法が挙げられる。この方法では、溶剤や触媒の種類と添加量によって反応速度の調整や、溶剤の種類と添加量によって合成後に行う成形や塗布などの加工方法の適用性をあわせたり、あるいは硬化剤の種類と添加量によって硬化方法や硬化条件の調整が可能である。

コンポジット構造の有機無機複合材料での有機成分としては、ＩＰＮ構造で挙げた熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂が挙げられる。無機成分としては、透明および微細凹凸構造へ充填する観点から、大きさが光の波長より十分小さな５０ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍより小さな平均粒径の金属酸化物や金属硫化物、金属窒化物、金属炭化物、金属ハロゲン化物、あるいは金属単体の粒子などであり、これらに含有されている金属元素としてはＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｂａ、Ｔａ、Ｇｅ、ランタノイド、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｙ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｗなど各種金属元素が用いられる。具体的には、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＳ、ＢａＴｉＯ₃、ＭｇＦ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、ＳｉＣ、ｃ−ＢＮがある。また、ラダー状構造やカゴ状構造を有するシルセスキオキサンなど分子サイズに近い大きさの化合物も挙げられる。コンポジット構造では、微細凹凸構造のサイズ、形状に応じて、無機成分粒子の大きさを選択する必要があり、１０ｎｍ未満の粒子が好適である。

コンポジット構造の有機無機複合材料の合成方法としては、これら金属化合物の微粒子を光の波長より十分小さな大きさを保ちながら有機成分へ均一に分散させればよく、どのような方法を用いてもかまわない。

例えば一般的な混練法以外にも、有機成分中でゾル−ゲル反応を起こして微粒子を生成させる方法、有機樹脂モノマーと金属錯体を混合した後金属成分を還元して金属化合物微粒子の生成と有機成分の重合を同時に行う方法、あるいは前もって微粒子表面を表面処理して有機成分との親和性をあげて分散しやすくしておくなどを挙げることができる。

共重合構造の有機無機複合材料では有機成分としては、アクリレートモノマー、エポキシオリゴマーなどＩＰＮ構造で挙げた熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の各種有機成分が挙げられる。無機成分としては、ＳｉやＴｉ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどの元素を含有する無機成分含有有機モノマーあるいはオリゴマーが挙げられる。共重合構造の合成方法としては、前記有機成分と前記無機成分含有有機モノマーあるいはオリゴマー、および必要に応じて溶剤、触媒、硬化剤を混合して両者を共重合させることで得られる。共重合構造もＩＰＮ構造と同様に分子サイズレベルでの複合化なので、微細凹凸構造のサイズ、形状によらず微細凹凸構造の反射防止面を形成することができる。

このようにして得られた有機無機複合材料は、無機成分の作用により有機成分を補強した結果、弾性率や表面硬度など機械的特性の向上、熱軟化点の上昇、ガラス転移点の上昇、熱膨張率の低下などの熱的特性の向上が得られるようになる。有機無機複合材料では、有機成分と無機成分が分子レベルもしくはナノスケールで相互作用を及ぼしながら構成されているため、有機成分の主鎖骨格の分子振動を押さえることで、特性の向上が得られるようになっている。また、構造が緻密になるため、吸水率が低下する、耐溶剤性あるいは耐候性が向上するなどの効果も得られる。

また、有機無機複合材料では、光学的な特性にも変化が現れる。前述のように有機成分と無機成分が分子レベルもしくは光の波長より小さなスケール領域で混合されている。このため、光の散乱に対する影響がほとんどなくなっており、透明体が得られる。

これらの有機無機複合材料は、熱可塑性樹脂を有機成分としたものでは、射出成形などにより自由な形状に成形可能であり、熱硬化性樹脂を有機成分としたものは、硬化前では液状となっているため、成形型へ注型して自由な形状へ成形可能である。このように成形特性を有しているため、周知の成形技術により、周期微細凹凸を有する素子を成形して作製することができる。

このようにして得られた有機無機複合材料で作製された素子は、非常に高い表面硬度を有しており、光学装置の表面に露出するように配置された場合でも、手扱いなどにより光学素子表面に傷がつくことはほとんどなくなる。ここで、用いられる有機無機複合材料は、表面硬度が鉛筆硬度で６Ｈ以上を有していることが望ましい。

また、従来から使用されているアクリル、ポリカーボネート、オレフィン系透明樹脂に比較して、熱軟化点が上昇し、耐熱性が向上し、熱膨張率、温度変化による屈折率の変化率も低減されるようになるため、環境の温度変化に対して光学特性が安定化し、高精度な光学系を形成できるという効果も得られる。

ＩＰＮ構造、コンポジット構造、共重合構造について個別に説明したが、これらの構造を複合的に持つ有機無機複合材料も優れた特性を有し、周期微細凹凸の反射防止面を形成できる。コンポジット構造では、微細凹凸のサイズ、形状により、ＩＰＮ構造との複合化が好ましい。

また、微細凹凸形状を持つの反射防止面は、蓮の葉に見られるように撥水性が発現し易い状況となる。したがって、本発明の反射防止面付光学素子は、反射防止とともに撥水性が必要なものへ好適に用いることができる。より撥水性を高めるには、有機成分としてフッ素を含有した樹脂を用いることが望ましい。一般にフッ素樹脂は表面硬度が低いため、表面が傷つきやすい。しかし、有機無機複合材料とすることで、無機成分が表面硬度を高める働きをして、耐久性のある反射防止面を形成できるようになる。
（反射防止面の形成）
有機無機複合材料乃至はその中間材である有機無機複合組成物は、流動状態から固化させて光学素子とすることが可能である。反射防止面の周期微細凹凸と逆の凹凸形状を有する型を準備し、この型の凹凸形状面に流動状態の有機無機複合材料または組成物を密着させ固化する。そして離型することで周期微細凹凸を有機無機複合体の表面に形成し、反射防止面付光学素子得る。

熱可塑性を有する有機無機複合材料では、射出成形により形状形成が可能であり、熱硬化性の有機無機複合材料では、型に注型した後、加熱や紫外線、電子線などのエネルギー線を照射することで固化させ、離型することで形状形成することができる。

具体的には、周期微細凹凸を表面に有する金型を作成し、その金型の表面を電鋳技術を用いて転写して得た量産用金型を作製したあとに、この量産用金型で有機無機複合材料を用いて成形することにより、初期の周期微細凹凸を表面に有する有機無機複合材料からなる反射防止面付光学素子を成形する。

この他、例えば半導体による集積回路形成におけるリソグラフィー技術を応用し、電子線描画やレーザー干渉法によりレジストパターンを形成して、原子線、イオンビームなどによりエッチングするなどの方法で、型基材に逆の周期微細凹凸を形成させる方法や、ガラスなどの基材の表面に所定の周期微細凹凸を形成させて第１型を作製した後、これにニッケル等の金属メッキを行ってメッキ層を形成した後に、メッキ層を剥がしてこのメッキ層による量産用の金型（第２型）とする電鋳法などを用いることができる。

以下に本発明の実施例と比較例を示して、本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

−有機無機複合材料の試作および特性−
メタノール分散シリカゾル（平均粒径９ｎｍ、シリカ微粒子含有量２５重量％、日産化学製オルガノシリカゾルＭＡ−ＳＴ−Ｓ）３７重量部にイソプロパノール３０重量部を加えて攪拌し、さらにγ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン３．８２重量部とフェニルトリメトキシシラン３．０５重量部を加えて攪拌した。これに攪拌しながらオクチル酸第１すず（ＫＣＳ−４０５Ｔ、城北化学製）０．１４重量部を滴下して加えて、常温２５℃で７２時間攪拌後、ネオペンチルグリコールジアクリレート（ＮＰ−Ａ、共栄社化学製）７．１１重量部とトリメチロールプロパントリアクリレート（ＴＭＰ−Ａ、共栄社化学製）２．１４重量部および重合開始剤イルガキュア５００（チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製）０．２０重量部を加えて攪拌し、３μｍメッシュのろ紙によりろ過をして浮遊しているゴミ等を除去した。この溶液から減圧エバポレーターにより、約４０℃でメタノールおよびイソプロパノールなどの揮発性溶剤を留去し、流動性のあるアクリル樹脂系の有機無機複合組成物を得た。

この組成物を直径φ２０ｍｍ、深さ２０ｍｍのカップに深さ約１０ｍｍとなるように注ぎ、窒素雰囲気下で光波長３６５ｎｍにおける光強度１．７ｍＷ／ｃｍ²の紫外線を２４時間照射し、直径φ２０ｍｍ、厚さ約１０ｍｍの有機無機複合材料を得た。この有機無機複合材料は、コンポジット構造とＩＰＮ構造の複合タイプに相当する。

この有機無機複合材料から試料を切り出し、線膨張係数βを測定したところ、４．９×１０^-5ｍ／ｍ・℃であった。屈折率を測定したところ、ｎｄ＝１．４９０（５８６ｎｍ）であり、また屈折率の温度変化率を測定したところ、９０×１０^-6／℃であった。動的粘弾性を測定したところ、２００℃までで大きな貯蔵弾性率の低下はなく、高温でも軟化しないことが確認された。従来、射出成形により光学素子を作製しているアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂では、Ｔｇ点を過ぎると急激に軟化するのに対して、実施例１の有機無機複合材料は充分な機械特性を有していた。鉛筆硬度を測定したところ、９Ｈ以上であった。さらにこの有機無機複合材料は、目視で透明であり、直径２０ｍｍ、厚さ３ｍｍの試料の厚さ方向の光線透過率を測定したところ、図４に示すように光学素子として充分な光線透過率を有していた。
−比較例の材料と性能−
実施例１の有機無機複合組成物に用いたモノマーだけを同条件で硬化させた比較例の材料を作成した。この比較例の材料の線膨張係数は、７．５×１０^-5ｍ／ｍ・℃であった。屈折率はｎｄ＝１．４９０（５８６ｎｍ）であり、屈折率の温度変化率は１３５×１０^-6／℃であった。

よって実施例１の有機無機複合材料の熱膨張率は、比較例の材料の熱膨張率より３５％低減された。さらに市販されているアクリル樹脂では、屈折率の温度変化率が１３０×１０^-6／℃であり、実施例１の有機無機複合材料の屈折率の温度変化率は３０％低減されていた。
−有機無機複合材料の反射防止面および特性−
前記により得た有機無機複合組成物から反射防止面を形成した。先ずガラス板に略紡錘形の断面（図１参照）を持つ周期Ｔ＝約２００ｎｍ、高さＨ＝２００ｎｍの凹凸が二次元に配置された周期微細凹凸を形成した。これを電鋳法により形状反転させて、形状形成した金型を作成した。この金型に有機無機複合組成物を注型し、窒素雰囲気下で光波長３６５ｎｍにおける光強度１２ｍＷ／ｃｍ²の紫外線を１０分間照射し、離型した。図５に示す、中央部に１ｍｍ角の範囲で周期微細凹凸１０を持つ５ｍｍ角、厚さ１ｍｍのサンプル平板５を成形した。

このサンプル平板の周期微細凹凸を持つ部分を反射防止面の表面として、光反射率特性を調べたところ、図６に示したように良好な反射防止効果が得られていた。

無機成分として有機ケイ素化合物のメチルトリメトキシシラン６．６ｇ、フェニル基含有有機ケイ素化合物のフェニルトリメトキシシラン１．６ｇ、重合基含有有機ケイ素化合物の３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン６．０ｇ、および純水４．４ｇからなる溶液を２５℃にて４８時間撹拌し、無機成分をゾル−ゲル反応させた。この溶液から副生成物である水、メタノールを除去して無機成分反応溶液を得た。無機成分反応溶液に、有機成分としてメチル（メタ）アクリレート１０．０ｇと、紫外線硬化剤であるイルガキュアーＲ５００（長瀬産業社）０．１ｇを添加し、液状の有機無機複合組成物を得た。

次にこの有機無機複合組成物を用い、実施例１と同様の成形型を用いて、同様の条件下で成形を行い、中央部に周期微細凹凸をもつサンプル平板を得た。この有機無機複合体は鉛筆硬度で８Ｈであった。

（式（１）中、ｎは０または１であり、平均分子量は３８０）
で示されるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂９重量部と３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン１３．６７重量部を混合した後、テトラエチレンペンタミン２．８４重量部を加えて、０℃にて攪拌し、純水１．５６重量部を添加して、さらに１時間攪拌し、透明で均質な有機無機複合組成物を得た。これを真空脱泡した後、実施例１と同様の成形型を用いて、成形型に、有機無機複合組成物を注ぎ、常温（２５±５℃）にて２４時間放置した後、成形型から取り出し、得られた平板を８０℃で２時間加熱した。このようにして本発明の有機無機複合材料からなる中央部に周期微細凹凸をもつサンプル平板を得た。この成形されたサンプル平板も他の実施例のサンプル平板と同様、十分な表面硬度を有しており、鉛筆硬度は６Ｈであった。
（反射防止面付光学素子としての利用例）
実施例１で作製した有機無機複合組成物を原料にして、カプセルの一部を構成する有機無機複合材料の光透過性半球状ドームを成型した。図７に示すように、光透過性半球状ドーム６は底辺の直径Ｄ＝１２ｍｍ、肉厚１ｍｍで、半球の内壁、同心状の等間隔の４箇所に、直径ｄ＝２ｍｍの円部の範囲内に周期微細凹凸１０₁・１０₂・１０₃・１０₄を持っている。

この光透過性半球状ドーム６は以下のように成型した。

まず図８に示すオス型１１、メス型１３を製造した。メス型１３はアモルファスポリオレフィン樹脂を材料にして、半球状ドーム６の外表面に対応したカップ形状を有するように作製した。オス型１１は半球状ドーム６の内面に対応するステンレス鋼製の半円球外面を有し、４箇所の周期微細凹凸の位置に対応して穿設された２ｍｍφ＋（公差がプラス側）の凹部に入れ子型１４₁・１４₂・１４₃・１４₄が嵌め込まれ接着されている（拡大断面図参照）。各入れ子型は、アルミニウム基材（不図示）の上に周期Ｔ＝１５０ｎｍ、高さＨ＝１５５ｎｍの微細凹凸を二次元周期的に形成し、この微細凹凸を電鋳法により形状反転した電鋳型１５を直径２ｍｍの円形としたものである。

メス型１３のカップに液状の有機無機複合組成物１７を注入し、オス型１１とメス型１３の間が所定間隔になるまでオス型１１を押し付ける。次いでメス型１３の下方より、光波長３６５ｎｍにおける光強度１２ｍＷ／ｃｍ²の紫外線を１０分間照射して、ドーム形状が付与された組成物１７を硬化する。そしてオス型１１を抜き、メス型１３から光透過性半球状ドーム６（図７参照）を外して得た。

この光透過性半球状ドーム６の内面に形成された周期微細凹凸１０₁・１０₂・１０₃・１０₄は、反射防止面としての機能を有する。この光透過性半球状ドーム６は、反射防止面付光学素子として用いられる。

次に本発明を適用した光学機器の一実施例を詳細に説明する。

図９は、光学機器の例であり、光透過性半球状ドーム６が反射防止面付光学素子として組み込まれた電子観察装置２０の断面図である。この電子観察装置２０は、被検者の体腔内等の管腔を観察したり診断したりする観察装置である。人体に飲み込まれ、暗状態の体腔内を照明し、体腔内の像を対物レンズでイメージャに結像し、イメージャによる画像データを無線で外部に送信する。そして外部で受信した画像データを蓄積して、表示システムに取り込むことにより、医師等が体腔内の観察等を行う。

図９に示すように、電子観察装置２０は、円筒状で分離可能に嵌め合わされたカプセル枠体２２・２３の、枠体２２には前記により成型した光透過性半球状ドーム６、枠体２３には不透明部材で多数の孔が形成された半球状のメッシュドーム２３が固定された構造となっている。枠体２２の底台２４の中央には、体腔内を撮像する撮像光学系（結像光学系ともいう）を構成する対物レンズ２５が取り付けられている。その周囲の複数箇所（本例では４箇所）には照明光学系を構成する照明光源素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）２６が、半球状ドーム６の反射防止面（周期微細凹凸１０₁・１０₂・１０₃・１０₄）と対向するように取り付けられている。そのため対物レンズ２５の光軸の周囲から対物レンズ２５による視野範囲を、反射防止面を通して照明できるようにしている。対物レンズ２５による結像位置には、ＣＭＯＳやＣＣＤ等のイメージャ２８が底台２４の中央に取り付けられている。半球状ドーム６の、対物レンズ２５と対向する位置は、微細凹凸のない面（入射面と出射面の２面とも平滑な素通し面）となっている。

２つのカプセル枠体２２・２３で形成される内部には、イメージャ２８に対し信号処理等を行う、およびイメージャ２８により得られる画像データの信号処理等を行う電気回路部３０と、回路部３０等を動作させる電源電池３１と、イメージャで撮像した画像データを外部（体外）に電波で送信する（例えば体外の画像データ記憶ユニットに電波で送信する）アンテナ３２が内蔵されている。

カプセル枠体２３の外周面に露出するようにして、酸性度（ｐＨ）検出用のｐＨセンサ３４が取り付けられ、このｐＨセンサ３４による検出信号が回路部３０に入力されるようになっている。枠体２３の底台３５にメッシュドーム３３が嵌められ、その内部には超音波振動で被覆が破壊されて飛散するように発泡剤を充填した多数のマイクロカプセル３７が装填されている。

この電子観察装置２０が人体に飲み込まれた際には、食道、胃、十二指腸、小腸、大腸等を順次通過する。この際、胃内部のｐＨは強酸の消化液があるため、ｐＨは１．０〜３．５である。また十二指腸では消化液や胆汁により中和されてほぼ中性（ｐＨ７弱）である。その後は小腸細菌によって酸性度が徐々に強くなって、ｐＨ７〜６．５になり、大腸ではｐＨ６前後になる。従って、ｐＨセンサ３４により管腔内の酸性度を検出しつつ観察装置２０の位置を確認し、所定の位置に達した時に、体外から超音波を照射してメッシュドーム３３内のマイクロカプセル３７の被覆を破壊し、内部の発泡剤を孔から放出して、管腔内の水分と反応させて大量のガスを発生させ、管腔内を拡張状態にする。

次いで、回路部３０を介して複数のＬＥＤ２６で照明用の白色光を発光させ、管腔内を照明する。照明光は、半球状ドーム６の頂部を通る中心軸上ではなく、中心軸に対し傾いた状態の球面を通るが、周期微細凹凸１０の反射防止面により反射ロスがほとんどなく半球状ドーム６を通過して外側の体腔内壁面を明るく照射できる。よって、この照明光の反射で対物レンズ２５を介してイメージャ２８で得られる観察像が明るく高Ｓ／Ｎなものとなり、延いてはアンテナ３２を介して、外部でメモリに蓄積される画像データもノイズの少ないものとなる。その結果、診断観察性能、診断性能が向上することになる。

なお、図７に示した半球状ドーム７は、上記例では均一な肉厚としているが部分的にレンズ作用をもたせるために肉厚を変化させ、光学系の一部にしてもよい。また、半球状ドーム７に形成する周期微細凹凸１０は、ドーム７の内面のみに限らず、更に外面にも形成してもよい。また対物レンズ２５と対応して内面および／または外面にも形成してもよい。

本発明の反射防止面付光学素子の実施例を示す断面図である。 本発明の反射防止面付光学素子の実施例を示す斜視図である。 本発明の反射防止面付光学素子の別な実施例を示す斜視図である。 本発明の反射防止面付光学素子の別な実施例を示す斜視図である。 本発明の反射防止面付光学素子の別な実施例を示す斜視図である。 本発明の反射防止面付光学素子に用いられる有機無機複合材料の分子構造の一例を模擬的に示す図である。 本発明の反射防止面付光学素子に用いられる有機無機複合材料の分子構造の別な例を模擬的に示す図である。 本発明の反射防止面付光学素子に用いられる有機無機複合材料の分子構造の別な例を模擬的に示す図である。 本発明の反射防止面付光学素子に用いられる有機無機複合材料の光線透過率を示す図である。 本発明の反射防止面付光学素子のサンプル平板を模擬的に示す斜視図である。 前記サンプル平板の光反射率特性を示す図である。 本発明の光学系の実施例を示す外観斜視図である。 本発明の光学系を成形するための成形型を示す断面図である。 本発明の光学機器の実施例を示す断面図である。

符号の説明

１ 有機無機複合材料
３ 凸部
５ サンプル平板
６ 半球状ドーム
１０ 微細凹凸
１１ オス型
１３ メス型
１４ 入れ子型
１５ アルミニウム基材
１７ 有機無機複合組成物
２０ 電子観察装置
２２，２３ カプセル枠体
２４、３５ 底台
２５ 対物レンズ
２６ 発光ダイオード
２８ イメージャ
３０ 電気回路部
３１ 電源電池
３２ アンテナ
３３ メッシュドーム
３４ ｐＨセンサ
３７ マイクロカプセル

Claims (5)

1. 照明光源素子と、前記照明光源素子からの照明光を透過して物体に照射するための照明光学系と、イメージャと、前記物体で反射された光を前記イメージャに結像する結像光学系と、前記イメージャの入出力を処理する電気回路部とを、カプセルに封入した光学機器であって、
   前記カプセルは、少なくとも前記照明光が透過する部分が光透過性の有機無機複合材料により構成されており、
   前記照明光が透過する部分は、内面側に透過光波長以下の周期を持つ微細凹凸からなる反射防止面を有することを特徴とする光学機器。
2. 前記カプセルの光透過性の有機無機複合材料により構成される部分が、半球状ドームであることを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
3. 前記反射防止面が、前記半球状ドームの頂部を通る中心軸に対し傾いた部分に形成されたことを特徴とする請求項２に記載の光学機器。
4. 前記反射防止面が、複数箇所に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学機器。
5. 照明光源素子と、前記照明光源素子からの照明光を透過して物体に照射するための照明光学系と、イメージャと、前記物体で反射された光を前記イメージャに結像する結像光学系と、前記イメージャの入出力を処理する電気回路部とを備えた光学機器であって、
   前記照明光学系の光路に、光透過性の有機無機複合材料からなり、前記光透過性の有機無機複合材料の少なくとも照明光を透過する前記照明光学系の透過面が、
   前記照明光源素子と対向するように透過光波長以下の周期を持つ微細凹凸からなる反射防止面を有することを特徴とする光学機器。

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