JP4328959B2 - 反射防止膜 - Google Patents

Description

本発明は、一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が同一あるいは変化している基板表面に設けられる反射防止膜に係り、特に、一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が同一の基板表面に設けられてほとんどゼロに近い反射率が入射位置をずらすことによりわずかに増加する反射率調整可能な反射防止膜、あるいは、一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が変化している基板表面に設けられてその反射率が一律にゼロ若しくは略ゼロに設定できる反射防止膜に関するものである。

高出力レーザシステムの出力をモニターしその出力を安定化させるために入力エネルギーを制御するとき、あるいは、高出力レーザシステムのビーム形状を計測するとき等、高出力レーザの出力をわずかに取り出したい要請が頻繁に存在する。

例えば、高出力レーザ１の出力をモニターする場合、図１（Ａ）に示すように石英やガラスのビームスプッリター２の３〜５％程度の表面反射を利用してモニターする方法が知られている。

また、表面反射でセンサー４に入射されるエネルギーが高過ぎてセンサーが正常に動作しないときには、表面反射を小さくするため反射防止膜５を施したり、センサー４の前にＮＤフィルター（減衰フィルター）３を更に介在させる方法も知られている。また、図１（Ｂ）に示すようにビームスプッリター２表面に反射膜６を施し、その漏れ光をセンサー４に入力させてモニターする方法も知られている。

しかし、上記ビームスプッリター２表面に反射膜６を施す方法は、センサー４をビームスプッリター２の背面側に配置することを必要とする等のレイアウト上の問題があり、また、反射防止膜５を施したりＮＤフィルター（減衰フィルター）３を介在させる方法は、反射率の異なる反射防止膜が施された複数の部品基板を用意したり、透過率の異なる多くの種類のＮＤフィルターを用意する必要があり、更に、ＮＤフィルターを何枚も透過させると、図２に示すようにその影響でビーム形状が変形してしまう問題も存在した。

また、反射率を一律に揃えることなくその入射位置によって反射率を変える方法も検討されている。例えば、図３に示すように反射波長を変化させることのできるフィルター（特許文献１参照）を利用し、このフィルターを１波長の反射率が可変するフィルターとしてそのまま適用する方法である。尚、図３に示すフィルターは、基板７の表面反射より高い反射率を得るために高屈折率層８と低屈折率層９を交互に積層しかつ一方向に全体の膜厚が傾斜しているフィルターである。

そして、反射波長を変化させられるということは１波長に対しては反射率を変えられることを意味し、入射位置を適宜調整することによりその反射率を変化（例えば、センサーへの入射エネルギーが適性となる反射率に調整するなど）させることが可能となる。

しかし、このフィルターは、本来、基板の表面反射より高い反射率を得るために開発されたもので上述した基板の表面反射より低い反射を得る用途には不向きであった。

そこで、基板の表面反射より低い反射率が得られる反射防止膜、すなわち、一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が同一の基板表面に設けられてほとんどゼロに近い反射率を入射位置の違いによりわずかに増加できる反射防止膜が要請されている。

また、最近、図４（Ａ）に示す屈折率が１方向に変化している基板が開発されている。

しかし、屈折率が１方向に変化しているこの基板１８に対し、平均屈折率を基板全体の屈折率として設計した反射防止膜１９を施した場合、図４（Ｂ）に示すようにある一箇所においては反射率がほとんどゼロになるが、基板のすべての位置においてその反射率がほとんどゼロにはならないといった問題を有していた。
特開平１１−３２６６３２号公報 特許２１３０２１７号公報 特許２１３８９１１号公報 H. A. Macleod: Thin-Film Optical filter 2nd (Adam Higer, Bristol, 1986) p.71 Alfred. Thelen: Design of Interference Coatings (McGraw-Hill, 1989) p.5

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が同一の基板表面に設けられほとんどゼロに近い反射率が位置によってわずかに増加するように調整可能な反射防止膜を提供し、合わせて一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が変化している基板表面に設けられその反射率が一律にゼロ若しくは略ゼロに設定できる反射防止膜を提供することにある。

すなわち、請求項１に係る発明は、
基板表面に順次成膜された屈折率ｎ_Ａの第一膜と屈折率ｎ_Ｂの第二膜および屈折率ｎ_Ａの第三膜とで構成された目的波長λ_０に対する反射防止膜を前提とし、
上記第一膜と第三膜の物理的膜厚が基板一方の端縁から他方の端縁に向かって増加するように設定され、第二膜の物理的膜厚が上記基板一方の端縁から他方の端縁に向かって減少するように設定されると共に、第一膜、第二膜、第三膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（１／４×λ_０）に設定されていることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
上記基板と第一膜との間に第一膜と同一材料で構成された光学的膜厚（１／４×λ_０）の中間膜が介在し、かつ、第三膜表面に第三膜と同一材料で構成された光学的膜厚（１／４×λ_０）の表面膜が設けられると共に、上記中間膜、第一膜、第二膜、第三膜、表面膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（３／４×λ_０）に設定されていることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が同一である基板表面に形成されると共に、基板一方の端縁から他方の端縁までの間に設けられた入射基準位置において目的波長λ_０の反射率がゼロ若しくは略ゼロに設定されており、この入射基準位置から基板一方の端縁側若しくは基板他方の端縁側へ入射位置がずれるに伴いゼロ若しくは略ゼロに設定された反射率がわずかに増加するように調整されていることを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
請求項１または２記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が変化している基板表面に形成されると共に、基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り目的波長λ_０の反射率が一律にゼロ若しくは略ゼロに設定されていることを特徴とする。

次に、請求項５に係る発明は、
請求項１〜４のいずれかに記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
上記第一膜、第二膜、第三膜の光学的膜厚が、３層等価膜法により設計されていることを特徴とし、
請求項６に係る発明は、
請求項１〜５のいずれかに記載の発明に係る反射防止膜を前提とし、
屈折率ｎ_Ａの第一膜と第三膜を構成する材料がＳｉＯ_２、屈折率ｎ_Ｂの第二膜を構成する材料がＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２のいずれか一種若しくは二種以上の混合物から選択されていることを特徴とする。

本発明に係る反射防止膜によれば、
基板表面に順次成膜された屈折率ｎ_Ａの第一膜と屈折率ｎ_Ｂの第二膜および屈折率ｎ_Ａの第三膜とで構成された目的波長λ_０に対する反射防止膜を前提とし、上記第一膜と第三膜の物理的膜厚が基板一方の端縁から他方の端縁に向かって増加するように設定され、第二膜の物理的膜厚が上記基板一方の端縁から他方の端縁に向かって減少するように設定されると共に、第一膜、第二膜、第三膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（１／４×λ_０）に設定され、あるいは、上記基板と第一膜との間に第一膜と同一材料で構成された光学的膜厚（１／４×λ_０）の中間膜が介在し、かつ、第三膜表面に第三膜と同一材料で構成された光学的膜厚（１／４×λ_０）の表面膜が設けられると共に、上記中間膜、第一膜、第二膜、第三膜、表面膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（３／４×λ_０）に設定されている。

従って、一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が同一の基板表面に設けられほとんどゼロに近い反射率が位置によってわずかに増加するように調整可能な反射防止膜として提供でき、合わせて一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が変化している基板表面に設けられその反射率が一律にゼロ若しくは略ゼロに設定できる反射防止膜として提供することが可能となる。

以下、本発明を詳細に説明する。

まず、本発明に係る反射防止膜は、屈折率ｎ_Ａと屈折率ｎ_Ｂの２種類の膜によって実現されるが、反射防止膜を構成する全層の膜厚が単純に１方向に増加（減少）するのではなく、屈折率ｎ_Ａの第一膜と第三膜の物理的膜厚が基板一方の端縁から他方の端縁に向かって増加するように設定され、屈折率ｎ_Ｂの第二膜の物理的膜厚が上記基板一方の端縁から他方の端縁に向かって減少するように設定されていることを特徴とする。
（Ａ）屈折率一定の基板表面に設けられほとんどゼロに近い反射率が位置によってわずかに増加するように調整可能な反射防止膜の説明
このような反射防止膜を単層で構成できることが好ましいが、以下の数式（１）に示す単層反射防止膜条件を満たす屈折率の膜材料を見つけることは困難である。

ｎ_ｆ＝√（ｎ_０・ｎ_ｓ） （１）
但し、ｎ_ｆは単層反射防止膜の屈折率、ｎ_０は媒質（空気）の屈折率、ｎ_ｓは基板の屈折率である。
（１）第一膜、第二膜、第三膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（１／４×λ_０）に設定された反射防止膜
そこで、耐環境性に優れていることを条件とする第一膜と第三膜を構成する材料としてＳｉＯ_２を、第二膜を構成する材料としてＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２のいずれか一種若しくは二種以上の混合物から選択し、３層等価膜（特許文献２〜３，非特許文献１参照）により上記反射防止膜を構成する。

尚、ｎ_ｆは理論的に第一膜の屈折率（ＳｉＯ_２）の数値から第二膜に選択した膜材料の屈折率の数値までしか実現できない。従って、数式（１）で求められる上記ｎ_ｆが第一膜の屈折率（ＳｉＯ_２）の数値より低いときは以下に説明する「（２）中間膜、第一膜、第二膜、第三膜、表面膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（３／４×λ_０）に設定された反射防止膜」の方法を用いることとなる。

そして、以下の数式（２）〜（６）に示す３層等価膜の実効屈折率ｎ_Ｅにｎ_ｆを代入し、第一膜、第二膜、第三膜の屈折率も代入して各膜の膜厚を求め、図５（Ａ）に示す第一膜１２、第二膜１３、第三膜１２の３層等価膜で上記ｎ_ｆを実現させる。

但し、ｄ_Ａは第一膜と第三膜の物理的膜厚、ｄ_Ｂは第二膜の物理的膜厚、λ_０は設計中心波長（目的波長とも称する）である。

ここで、各層の物理的膜厚がｄ_Ａ、ｄ_Ｂのとき理論的に基板の反射率がゼロとなり、この膜厚条件が入射基準位置（目的波長λ_０の反射率がゼロとなる位置）に対応する。

従って、第一膜、第二膜、第三膜における各光学的膜厚の合計を（１／４×λ_０）に維持したまま、上記ｄ_Ａとｄ_Ｂの膜厚比を増減（図６Ａの２１で示す第一膜と第三膜、２２で示す第二膜参照）させれば、膜厚比が増減された位置の実効屈折率ｎ_Ｅが変化し、図６（Ｂ）に示すように基板２０の反射率についてゼロから増加させることができる。

このときの具体的な反射率は多層膜の特性マトリックス（非特許文献２）から求めることができる。

尚、上述した数式（１）〜（６）は本発明に係る反射防止膜に対し光が垂直に入射した場合（垂直入射）の条件式となっている。従って、本発明に係る反射防止膜に対し光が斜めに入射した場合（斜め入射）にはそのまま適用することはできなが、以下の置き換えにより対応することは可能である。

すなわち、反射防止膜を構成する第ｉ膜に対し角度θ_ｉ（垂線からの角度）で光が斜め入射した場合、スネルの法則により、Ｓ偏光成分における屈折率ｎ_ｉｓをｎ_ｉ・ｃｏｓθ_ｉ、Ｐ偏光成分における屈折率ｎ_ｉｐをｎ_ｉ／ｃｏｓθ_ｉと置き換えて数式（１）〜（４）を適用し、かつ、数式（５）〜（６）の「ｎｄ／λ_０＝δ／２π」を「ｎｄ／λ_０＝δ／２π・ｃｏｓθ_ｉ」と置き換えて計算すればよい。
（２）中間膜、第一膜、第二膜、第三膜、表面膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（３／４×λ_０）に設定された反射防止膜
上述したように数式（１）で求められる上記ｎ_ｆが第一膜の屈折率（ＳｉＯ_２）の数値より低いときは、上記（１）の反射防止膜で構成することができないため、各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（３／４×λ_０）に設定された反射防止膜を適用する。

すなわち、この反射防止膜を屈折率ｎ_Ａの表面膜と、屈折率ｎ_Ｅの本体膜（すなわち、第一膜、第二膜、第三膜で構成される膜）と、屈折率ｎ_Ａの中間膜から成る３層反射防止膜で構成することにすると、屈折率ｎ_Ｅの本体膜は以下の数式（７）を満たすことを要する。尚、耐環境性に優れていることを条件とするため表面膜にはＳｉＯ_２を、本体膜の第二膜にはＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２のいずれか一種若しくは二種以上の混合物から選択する。

ｎ_Ｅ＝ｎ_Ａ ^２／√（ｎ_０・ｎ_ｓ） （７）
そして、単一膜でｎ_Ｅを満たす材料がないため上述したように屈折率ｎ_Ｅの本体膜を下記数式（２）〜（６）に示した３層等価膜（第一膜、第二膜、第三膜）にて構成する。

すなわち、数式（２）〜（６）に示した３層等価膜の実効屈折率ｎ_Ｅにｎ_ｆを代入し、第一膜、第二膜、第三膜の屈折率ｎ_Ａ、ｎ_Ｂも代入して各層の膜厚ｄ_Ａ、ｄ_Ｂを求める。

但し、ｎ_Ａは屈折率ｎ_Ｅの本体膜における第一膜と第三膜の屈折率（ＳｉＯ_２の屈折率）、ｎ_Ｂは屈折率ｎ_Ｅの本体膜における第二膜の屈折率（Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３等の屈折率）、ｄ_Ａは本体膜における第一膜と第三膜の物理的膜厚、ｄ_Ｂは本体膜における第二膜の物理的膜厚、λ_０は設計中心波長（目的波長とも称する）である。

そして、屈折率ｎ_Ａの表面膜１５と屈折率ｎ_Ｅの本体膜（第一膜、第二膜、第三膜の３層等価膜）１６と屈折率ｎ_Ａの中間膜１５とで構成される３層反射防止膜は図５（Ｂ）に示され、各膜の物理的膜厚は以下のようになる。すなわち、
中間膜１５の物理的膜厚はλ_０／（４・ｎ_Ａ）
本体膜１６における第一膜の物理的膜厚はｄ_Ａ
本体膜１６における第二膜の物理的膜厚はｄ_Ｂ
本体膜１６における第三膜の物理的膜厚はｄ_Ａ
表面膜１５の物理的膜厚はλ_０／（４・ｎ_Ａ）
尚、この反射防止膜は、上記中間膜１５、本体膜１６における第一膜、第二膜、第三膜および表面膜１５の５層構成であるが、中間膜１５と本体膜１６の第一膜、および、本体膜１６の第三膜と表面膜１５は共に（ＳｉＯ_２）で構成されて区別がつかないため、上述したように３層反射防止膜として扱うことができる。

ここで、上記本体膜１６における第一膜と第三膜の物理的膜厚がｄ_Ａ、本体膜１６における第二膜の物理的膜厚がｄ_Ｂのときに理論的に基板の反射率がゼロとなり、この膜厚条件が入射基準位置（目的波長λ_０の反射率がゼロとなる位置）に対応する。

従って、中間膜、第一膜、第二膜、第三膜、表面膜における各光学的膜厚の合計を（３／４×λ_０）に維持したまま、上記ｄ_Ａとｄ_Ｂの膜厚比を増減（図７Ａの２４と２４'とで示す表面膜、第三膜、第一膜および中間膜と、２５で示す第二膜参照）させれば、膜厚比が増減された位置の実効屈折率ｎ_Ｅが変化し、図７（Ｂ）に示すように基板２３の反射率についてゼロから増加させることができる。
（Ｂ）屈折率が変化している基板表面に設けられその反射率が一律にゼロ若しくは略ゼロに設定できる反射防止膜の説明
本発明の他の目的は、基板の屈折率が１方向に変化している基板の反射をすべての位置でほとんどゼロにすることにあり、位置による基板の屈折率変化から反射防止膜の膜設計が必要になる。
（１）第一膜、第二膜、第三膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（１／４×λ_０）に設定された反射防止膜
上記目的を達成するには極めて単純な方法が好ましく単層の反射防止膜で構成できることが好ましい。しかし、下記数式（１）に示す単層反射防止膜条件を満たす屈折率の膜材料を見つけることは困難で、かつ、反射防止膜が設けられる基板の屈折率ｎ_ｓが１方向に変化しているのでこれに対応させてｎ_ｆを変化させることはできない。

ｎ_ｆ＝√（ｎ_０・ｎ_ｓ） （１）
但し、ｎ_ｆは単層反射防止膜の屈折率、ｎ_０は媒質（空気）の屈折率、ｎ_ｓは基板の屈折率である。

そこで、基板の屈折率ｎ_ｓについて、高屈折率部分の屈折率ｎ_ｓ−Ｈ、平均屈折率部分の屈折率ｎ_ｓ−Ｍ、低屈折率部分の屈折率ｎ_ｓ−Ｌに区分し、それぞれの単層反射防止膜の屈折率ｎ_ｆ−Ｈ、ｎ_ｆ−Ｍ、ｎ_ｆ−Ｌを求める。

尚、耐環境性に優れていることを条件とする第一膜と第三膜を構成する材料としてＳｉＯ_２を、第二膜を構成する材料としてＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２のいずれか一種若しくは二種以上の混合物から選択して３層反射防止膜を用いる。また、ｎ_ｆ−Ｈ、ｎ_ｆ−Ｍ、ｎ_ｆ−Ｌは理論的に第一膜の屈折率（ＳｉＯ_２）の数値から第二膜に選択した膜材料の屈折率の数値までしか実現できない。従って、数式（１）で求められる上記ｎ_ｆ−Ｈ、ｎ_ｆ−Ｍ、ｎ_ｆ−Ｌが第一膜の屈折率（ＳｉＯ_２）の数値より低いときは以下に説明する「（２）中間膜、第一膜、第二膜、第三膜、表面膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（３／４×λ_０）に設定された反射防止膜」の方法を用いる。

そして、以下の数式（２）〜（６）に示す３層等価膜の実効屈折率ｎ_Ｅにｎ_ｆ−Ｈ、ｎ_ｆ−Ｍ、ｎ_ｆ−Ｌを代入し、第一膜、第二膜、第三膜の屈折率ｎ_Ａ、ｎ_Ｂも代入して各膜の膜厚ｄ_Ａ−Ｈ、ｄ_Ａ−Ｍ、ｄ_Ａ−Ｌ、ｄ_Ｂ−Ｈ、ｄ_Ｂ−Ｍ、ｄ_Ｂ−Ｌを求め、図８（Ａ）に示す第一膜２７、第二膜２８、第三膜２７の３層等価膜で構成される反射防止膜を設定する。

但し、ｎ_Ａは第一膜と第三膜の屈折率、ｎ_Ｂは第二膜の屈折率、および、ｎ_Ｅ（ｎ_Ｅ-Ｈ、ｎ_Ｅ−Ｍ、ｎ_Ｅ−Ｌ）は３層等価膜の実効屈折率、ｄ_Ａ（ｄ_Ａ−Ｈ、ｄ_Ａ−Ｍ、ｄ_Ａ−Ｌ）は第一膜と第三膜の物理的膜厚、ｄ_Ｂ（ｄ_Ｂ−Ｈ、ｄ_Ｂ−Ｍ、ｄ_Ｂ−Ｌ）は第二膜の物理的膜厚、λ_０は設計中心波長（目的波長とも称する）である。

ここで、基板における屈折率ｎ_ｓ−Ｈの高屈折率部分、屈折率ｎ_ｓ−Ｍの平均屈折率部分および屈折率ｎ_ｓ−Ｌの低屈折率部分に設けられた各層の物理的膜厚がｄ_Ａ−Ｈ、ｄ_Ａ−Ｍ、ｄ_Ａ−Ｌ、ｄ_Ｂ−Ｈ、ｄ_Ｂ−Ｍ、ｄ_Ｂ−Ｌのときは、図８（Ｃ）に示すように屈折率が一方向に変化している基板のすべての位置において理論的に反射率がほとんどゼロとなる。
（２）中間膜、第一膜、第二膜、第三膜、表面膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（３／４×λ_０）に設定された反射防止膜
上述したように数式（１）で求められる上記ｎ_ｆ−Ｈ、ｎ_ｆ−Ｍ、ｎ_ｆ−Ｌが第一膜の屈折率（ＳｉＯ_２）の数値より低いときは、上記（１）の反射防止膜で構成することができないため、各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（３／４×λ_０）に設定された反射防止膜を適用する。

すなわち、この反射防止膜を屈折率ｎ_Ａの表面膜と、屈折率ｎ_Ｅの本体膜（すなわち、第一膜、第二膜、第三膜で構成される膜）と、屈折率ｎ_Ａの中間膜から成る３層反射防止膜で構成することにすると、屈折率ｎ_Ｅの本体膜は以下の数式（７）を満たすことを要する。尚、耐環境性に優れていることを条件とするため表面膜にはＳｉＯ_２を、本体膜の第二膜にはＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２のいずれか一種若しくは二種以上の混合物から選択する。

ｎ_Ｅ＝ｎ_Ａ ^２／√（ｎ_０・ｎ_ｓ） （７）
尚、基板の屈折率ｎ_ｓについては、高屈折率部分の屈折率ｎ_ｓ−Ｈ、平均屈折率部分の屈折率ｎ_ｓ−Ｍ、低屈折率部分の屈折率ｎ_ｓ−Ｌに区分し、それぞれの本体膜における実効屈折率ｎ_Ｅ−Ｈ、ｎ_Ｅ−Ｍ、ｎ_Ｅ−Ｌを求める。

そして、単一膜で実効屈折率ｎ_Ｅ−Ｈ、ｎ_Ｅ−Ｍ、ｎ_Ｅ−Ｌを満たす材料がないため上述したように屈折率ｎ_Ｅ−Ｈ、ｎ_Ｅ−Ｍ、ｎ_Ｅ−Ｌの本体膜を下記数式（２）〜（６）に示した３層等価膜（第一膜、第二膜、第三膜）にて構成する。

すなわち、数式（２）〜（６）に示した３層等価膜の実効屈折率ｎ_Ｅにｎ_Ｅ−Ｈ、ｎ_Ｅ−Ｍ、ｎ_Ｅ−Ｌを代入し、第一膜、第二膜、第三膜の屈折率ｎ_Ａ、ｎ_Ｂも代入して各層の物理的膜厚ｄ_Ａ−Ｈ、ｄ_Ａ−Ｍ、ｄ_Ａ−Ｌ、ｄ_Ｂ−Ｈ、ｄ_Ｂ−Ｍ、ｄ_Ｂ−Ｌを求め、図９（Ａ）に示す中間膜３０、第一膜３０'、第二膜３１、第三膜３０'、表面膜３０で構成される反射防止膜を設定する。

但し、ｎ_Ａは本体膜における第一膜と第三膜の屈折率（ＳｉＯ_２の屈折率）、ｎ_Ｂは本体膜における第二膜の屈折率（Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３等）、ｎ_Ｅ（ｎ_Ｅ-Ｈ、ｎ_Ｅ−Ｍ、ｎ_Ｅ−Ｌ）は本体膜を構成する３層等価膜の実効屈折率、ｄ_Ａ（ｄ_Ａ−Ｈ、ｄ_Ａ−Ｍ、ｄ_Ａ−Ｌ）は第一膜と第三膜の物理的膜厚、ｄ_Ｂ（ｄ_Ｂ−Ｈ、ｄ_Ｂ−Ｍ、ｄ_Ｂ−Ｌ）は第二膜の物理的膜厚、λ_０は設計中心波長（目的波長とも称する）である。

そして、基板における屈折率ｎ_ｓ−Ｈの高屈折率部分、屈折率ｎ_ｓ−Ｍの平均屈折率部分および屈折率ｎ_ｓ−Ｌの低屈折率部分に形成される反射防止膜のいずれもが、表面膜と本体膜（第一膜、第二膜、第三膜の３層等価膜）および中間膜の５層構成になっており、かつ、中間膜と本体膜の第一膜、および、本体膜の第三膜と表面膜は共に（ＳｉＯ_２）で構成されて区別がつかないため３層反射防止膜として扱うことができる。

ここで、基板における屈折率ｎ_ｓ−Ｈの高屈折率部分に形成された反射防止膜について、
中間膜の物理的膜厚がλ_０／（４・ｎ_Ａ）
本体膜における第一膜の物理的膜厚がｄ_Ａ−Ｈ
本体膜における第二膜の物理的膜厚がｄ_Ｂ−Ｈ
本体膜における第三膜の物理的膜厚がｄ_Ａ−Ｈ
表面膜の物理的膜厚がλ_０／（４・ｎ_Ａ）
の膜構成で、
上記基板における屈折率ｎ_ｓ−Ｍの平均屈折率部分に形成された反射防止膜について、
中間膜の物理的膜厚がλ_０／（４・ｎ_Ａ）
本体膜における第一膜の物理的膜厚がｄ_Ａ−Ｍ
本体膜における第二膜の物理的膜厚がｄ_Ｂ−Ｍ
本体膜における第三膜の物理的膜厚がｄ_Ａ−Ｍ
表面膜の物理的膜厚がλ_０／（４・ｎ_Ａ）
の膜構成で、かつ、
上記基板における屈折率ｎ_ｓ−Ｌの低屈折率部分に形成された反射防止膜について、
中間膜の物理的膜厚がλ_０／（４・ｎ_Ａ）
本体膜における第一膜の物理的膜厚がｄ_Ａ−Ｌ
本体膜における第二膜の物理的膜厚がｄ_Ｂ−Ｌ
本体膜における第三膜の物理的膜厚がｄ_Ａ−Ｌ
表面膜の物理的膜厚がλ_０／（４・ｎ_Ａ）
の膜構成のときは、図９（Ｃ）に示すように屈折率が一方向に変化している基板のすべての位置において理論的に反射率がほとんどゼロとなる。

ところで、膜厚が一方向に変化する膜を蒸着あるいはスパッタ等の方法で成膜する場合、図１０（Ａ）〜（Ｂ）に示すように蒸着源あるいはスパッタターゲットと基板３２との間に膜厚分布に応じた膜厚補正板３３を取り付ける方法がある。膜厚補正板が無ければ、膜厚は均一になるが、図１０（Ａ）のような基板３２配置で膜厚補正板３３を回転させると右側の膜厚を薄くすることができ、図１０（Ｂ）に示すような基板３２配置で膜厚補正板３３を回転させると左側の膜厚を薄くすることができる。尚、膜厚補正板３３の開口形状は膜厚分布に応じて変更する必要がある。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

（Ａ）屈折率一定の基板表面に設けられほとんどゼロに近い反射率が位置によってわずかに増加するように調整可能な反射防止膜について（１）の一律に（１／４×λ_０）に設定した具体例を示す。

まず、基板材料には有効長３０ｍｍ、波長３μｍにおける屈折率が２．４４であるＺｎＳｅを用いると共に、発振波長２．９４μｍのＥｒ：ＹＡＧレーザの反射率を調整する光学素子を作成する。

膜構成は、空気／第三膜（ＳｉＯ_２）／第二膜（ＨｆＯ_２）／第一膜（ＳｉＯ_２）／ＺｎＳｅ基板とする。また、波長３μｍにおけるＳｉＯ_２とＨｆＯ_２の屈折率は、それぞれ１．４３と１．８８である。

上述した数式（１）〜（６）式により基板の反射率がゼロになる第一膜、第二膜、第三膜の膜厚を求めると共に、基板の有効長３０ｍｍに亘って３層の光学的膜厚ｎｄの合計が使用波長（λ_０）の１／４（すなわち１／４×λ_０）を保ったまま、第一膜と第三膜の（ＳｉＯ_２）は減少させ、第二膜の（ＨｆＯ_２）は増加させる膜構成を設計した。尚、多層膜の特性マトリックスにより反射率の変化を計算すると図１１のようになる。

そして、図１１に示すような膜構成の３層反射防止膜を電子ビーム蒸着により成膜した。各層の膜厚分布は図１０（Ａ）〜（Ｂ）に示した膜厚補正板を基板前面で回転させて実現した。

例えば、基板Ｘ方向の０ｍｍと３０ｍｍの位置で第一膜と第三膜の（ＳｉＯ_２）の膜厚を３０％減少させたい場合は、回転する膜厚補正板により基板表面が覆われる時間が基板Ｘ方向の０ｍｍと３０ｍｍの位置で３０％の差がつくように、膜厚補正板に開口部を加工すればよい。また、膜厚分布は基板を傾けることで補正できる。

発振波長２．９４μｍのＥｒ：ＹＡＧレーザを用いて作成した光学素子の反射率を測定したところ、基板のＸ位置２ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍでは、それぞれ反射率測定限界以下のため、ほぼ０％、約０．１％、約０．５％、約１．１％であった。

従って、発振波長２．９４μｍのＥｒ：ＹＡＧレーザの反射率を調整する光学素子として機能することが確認できた。

（Ａ）屈折率一定の基板表面に設けられほとんどゼロに近い反射率が位置によってわずかに増加するように調整可能な反射防止膜について（２）の一律に（３／４×λ_０）に設定した具体例を示す。

まず、基板材料には有効長３０ｍｍ、波長１μｍにおける屈折率が１．８２のＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）を用いると共に、発振波長１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの反射率を調整する光学素子を作成する。

膜構成は、空気／第１層目（表面膜と本体膜における第三膜のＳｉＯ_２）／第２層目（本体膜における第二膜のＨｆＯ_２）／第３層目（本体膜における第一膜と中間膜のＳｉＯ_２）／ＹＡＧ基板とする。また、波長１μｍにおけるＳｉＯ_２とＨｆＯ_２の屈折率は、それぞれ１．４４と１．９０である。

上述した数式（２）〜（７）式により基板の反射率がゼロになる第１層目（表面膜と本体膜における第三膜のＳｉＯ_２）、第２層目（本体膜における第二膜のＨｆＯ_２）、第３層目（本体膜における第一膜と中間膜のＳｉＯ_２）の膜厚を求めると共に、基板の有効長３０ｍｍに亘って３層の光学的膜厚ｎｄの合計が使用波長（λ_０）の３／４を保ったまま、第１層目と第３層目の（ＳｉＯ_２）は減少させ、第２層目の（ＨｆＯ_２）は増加させる膜構成を設計した。尚、多層膜の特性マトリックスにより反射率の変化を計算すると図１２のようになる。

そして、図１２に示すような膜構成の３層反射防止膜を電子ビーム蒸着により成膜した。各層の膜厚分布は図１０（Ａ）〜（Ｂ）に示した膜厚補正板を基板前面で回転させて実現した。

発振波長１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧを用いて作成した光学素子の反射率を測定したところ、基板のＸ位置２ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍでは、それぞれ、反射率測定限界以下のため、ほぼ０％、約０．１％、約０．４％、約０．９％であった。

従って、発振波長１．０６μｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの反射率を調整する光学素子として機能することが確認できた。

（Ｂ）屈折率が変化している基板表面に設けられその反射率が一律にゼロ若しくは略ゼロに設定できる反射防止膜について（２）の一律に（３／４×λ_０）に設定した具体例を示す。

まず、基板材料には有効長３０ｍｍ、波長１μｍにおける屈折率が１．４〜１．７の範囲で１方向に変化するプラスチックを用いると共に、発振波長０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザ対し全面反射率がゼロとなる光学素子を作成する。

膜構成は、空気／第１層目（表面膜と本体膜における第三膜のＳｉＯ_２）／第２層目（本体膜における第二膜のＨｆＯ_２）／第３層目（本体膜における第一膜と中間膜のＳｉＯ_２）／プラスチック基板とする。また、波長０．６μｍにおけるＳｉＯ_２とＨｆＯ_２の屈折率は、それぞれ１．４５と１．９２である。

図１３に示すように基板の屈折率が１．４〜１．７の範囲で１方向に変化している基板に対して、上述した数式（２）〜（７）式により基板の屈折率が０．５間隔でその反射率がゼロになる第１層目（表面膜と本体膜における第三膜のＳｉＯ_２）、第２層目（本体膜における第二膜のＨｆＯ_２）、第３層目（本体膜における第一膜と中間膜のＳｉＯ_２）の膜厚を求め、基板全面で反射率がゼロになるような膜構成を求める。

尚、基板の中央（１５ｍｍ）位置での屈折率１．５５における基板の反射率がゼロになる膜構成の３層反射防止膜を基板全面に施した場合の反射率について多層膜の特性マトリックスにより計算すると図１４のようになる。このように、基板の屈折率が１方向に変化している基板に対して、平均屈折率を用いて反射防止膜を設計すると、基板全面の反射率が理論的にゼロになることはない。

そして、この実施例に係る膜構成の３層反射防止膜を電子ビーム蒸着により成膜した。各層の膜厚分布は図１０（Ａ）〜（Ｂ）に示した膜厚補正板を基板前面で回転させて実現した。

発振波長０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いて作成した光学素子の反射率を測定したところ、基板のＸ位置０ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍのすべての測定位置においてそれぞれ反射率測定限界以下のほぼ０％であった。

従って、発振波長０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザの反射率をゼロにする光学素子として機能することが確認できた。

本発明に係る反射防止膜は、わずかな反射を必要とする光計測や屈折率分布がある光学素子に施して利用される産業分野に好適である。

図１（Ａ）〜（Ｂ）は高出力レーザの出力をモニターする方法の説明図。 ＮＤフィルタが介在された高出力レーザの出力をモニターする方法における弊害を示す説明図。 従来の反射波長可変フィルタの構成説明図。 図４（Ａ）は屈折率が変化する屈折率分布基板に対する従来の反射防止膜の説明図と屈折率分布基板における基板位置と屈折率との関係を示すグラフ図、図４（Ｂ）は反射防止膜が施された屈折率分布基板の基板位置と反射率との関係を示すグラフ図。 図５（Ａ）〜（Ｂ）は本発明に係る反射防止膜の膜構成の説明図。 図６（Ａ）は屈折率一定の基板に対し施した本発明に係る反射防止膜の膜構成を示す説明図、図６（Ｂ）は基板の位置と反射率との関係を示すグラフ図。 図７（Ａ）は屈折率一定の基板に対し施した本発明に係る反射防止膜の他の膜構成を示す説明図、図７（Ｂ）は基板の位置と反射率との関係を示すグラフ図。 図８（Ａ）は屈折率分布基板に対し施した本発明に係る反射防止膜の膜構成を示す説明図、図８（Ｂ）は屈折率分布基板における基板位置と屈折率との関係を示すグラフ図、図８（Ｃ）は基板の位置と反射率との関係を示すグラフ図。 図９（Ａ）は屈折率分布基板に対し施した本発明に係る反射防止膜の他の膜構成を示す説明図、図９（Ｂ）は屈折率分布基板における基板位置と屈折率との関係を示すグラフ図、図９（Ｃ）は基板の位置と反射率との関係を示すグラフ図。 図１０（Ａ）〜（Ｂ）は本発明に係る反射防止膜の成膜方法の一例を示す説明図。 実施例１における基板のＸ方向位置と反射防止膜の膜厚並びに反射率との関係を示すグラフ図。 実施例２における基板のＸ方向位置と反射防止膜の膜厚並びに反射率との関係を示すグラフ図。 実施例３に係る反射防止膜が施された場合の基板のＸ方向位置と膜厚並びに基板の屈折率を示すグラフ図。 基板中央位置での屈折率１．５５における基板の反射率がゼロになる膜構成の３層反射防止膜（従来例）を基板全面に施した場合の基板のＸ方向位置と基板の屈折率並びに反射率を示すグラフ図。

符号の説明

２０ 基板
２１ 第一膜、第二膜
２２ 第三膜

Claims (6)

1. 基板表面に順次成膜された屈折率ｎ_Ａの第一膜と屈折率ｎ_Ｂの第二膜および屈折率ｎ_Ａの第三膜とで構成された目的波長λ_０に対する反射防止膜において、
   上記第一膜と第三膜の物理的膜厚が基板一方の端縁から他方の端縁に向かって増加するように設定され、第二膜の物理的膜厚が上記基板一方の端縁から他方の端縁に向かって減少するように設定されると共に、第一膜、第二膜、第三膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（１／４×λ_０）に設定されていることを特徴とする反射防止膜。
2. 上記基板と第一膜との間に第一膜と同一材料で構成された光学的膜厚（１／４×λ_０）の中間膜が介在し、かつ、第三膜表面に第三膜と同一材料で構成された光学的膜厚（１／４×λ_０）の表面膜が設けられると共に、上記中間膜、第一膜、第二膜、第三膜、表面膜における各光学的膜厚の合計が基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り一律に（３／４×λ_０）に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の反射防止膜。
3. 一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が同一である基板表面に形成されると共に、基板一方の端縁から他方の端縁までの間に設けられた入射基準位置において目的波長λ_０の反射率がゼロ若しくは略ゼロに設定されており、この入射基準位置から基板一方の端縁側若しくは基板他方の端縁側へ入射位置がずれるに伴いゼロ若しくは略ゼロに設定された反射率がわずかに増加するように調整されていることを特徴とする請求項１または２記載の反射防止膜。
4. 一方の端縁から他方の端縁に向かって屈折率が変化している基板表面に形成されると共に、基板一方の端縁から他方の端縁方向に亘り目的波長λ_０の反射率が一律にゼロ若しくは略ゼロに設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の反射防止膜。
5. 上記第一膜、第二膜、第三膜の光学的膜厚が、３層等価膜法により設計されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の反射防止膜。
6. 屈折率ｎ_Ａの第一膜と第三膜を構成する材料がＳｉＯ_２、屈折率ｎ_Ｂの第二膜を構成する材料がＡｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２のいずれか一種若しくは二種以上の混合物から選択されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の反射防止膜。

Images