JP4457589B2

JP4457589B2 - 透過型光学素子を有する光学装置

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Publication number: JP4457589B2
Application number: JP2003201476A
Authority: JP
Inventors: 直樹西田; 裕昭上田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: JP2004361906A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過型の光学素子を有する光学装置に関し、特に、反射を防止した透過型の光学素子を有する光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を透過させるレンズ等の透過型の光学素子では、光の反射を抑えるために、表面に反射防止膜を設けることが行われてきた。球面の表面に反射防止膜を設けた光学素子を図１２に示す。ガラス製または樹脂製の基材５０の表面に誘電体の薄膜５１が複数積層されている。
【０００３】
近年では、透過型の光学素子の表面に光の波長程度以下の大きさの微細な斜面を多数設けることにより、反射を抑えることが提案されている。光の反射は屈折率の急激な変化に起因して生じるが、微細な斜面は屈折率を徐々に変化させることになり、反射防止に有効である。特開２００１−２７２５０５号公報には、エッチングにより微細な錐体状の凸部を形成する方法が開示されている。錐体状の凸部の側面が斜面となる。この方法で金型を作製し、その金型を用いて成型すれば、錐体状の凹部を表面に有する光学素子が得られる。
【０００４】
上記公報では、平面の表面に凸部を形成しており、各凸部は、それらが設けられている部位における表面の法線と同じ方向を向いている。また、上記公報では、曲面の表面を有する光学素子については言及されていないが、錐体状の微細な凸部や凹部を形成することは、レンズのように曲面の表面を有する光学素子にも有用と期待される。法線と同じ方向を向く錐体状の凸部を球面の表面に有する光学素子を図１３に模式的に示す。なお、ここでは錐体状の凸部５２を拡大して描いているが、凸部５２の大きさは光の波長程度以下である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２７２５０５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
透過型の光学素子の表面に反射防止膜を設けることや微細な凸部や凹部を形成することは、その表面に対して光を垂直に入射させる場合には、反射率を０．１％程度に抑えることができて、極めて有効である。ただし、光が表面に対して斜めに入射する設定とすると反射防止効果が減弱してしまう。
【０００７】
反射防止膜が設けられた表面および微細な錐体状の凸部が形成された表面における光の反射率を、それぞれ図１４および図１５に示す。これらの図において、（ａ）は表面に対する光の入射角（破線で示す表面の法線と光線の成す角）を表しており、（ｂ）は０゜から６０゜までの２０゜ごとの入射角と反射率との関係を表している。なお、光の波長は４０５ｎｍとし、基材は石英とした。また、図１４の反射防止膜５１は７層構造、図１５の錐体状の凸部５２は、高さを２００ｎｍ、配列ピッチを２００ｎｍ、アスペクト比を１としている。
【０００８】
これらの図より明らかなように、反射防止膜を設けた構造と錐体状の凸部を形成した構造のいずれにおいても、入射角が４０゜のときの反射率は０．４％程度と高くなっており、入射角が６０゜になると数％に達する。しかも、入射角が大きくなると、Ｐ偏光の反射率とＳ偏光の反射率に大きな差が生じる。
【０００９】
レンズ等の透過型光学素子は、カメラの撮影光学系、プロジェクタの投影光学系、顕微鏡等の観察光学系、光記録再生装置の光ピックアップをはじめ、様々な光学系に用いられるが、いずれの光学系に用いる場合も、反射率は低いことが望ましい。特に、光ピックアップでは、記録密度を高めるために開口数（ＮＡ）の大きい収束光を提供する必要があり、入射角が大きくなる周辺部においても反射率の低いレンズの開発が待たれている。また、Ｐ偏光とＳ偏光との反射率の差は、偏光方向を回転させる結果となって、好ましくない。
【００１０】
反射防止膜については、０゜以外の入射角のときに最適になるように設計することも行われている。しかし、そのようにすると、最も量の多い垂直に入射する光の反射率が高くなって、その反射光がフレアとなる。微細な錐体状の凸部や凹部については、最適な入射角を検討した報告はない。しかし、図１３に示したように各凸部の向きをその部位の表面の法線方向とすると、周辺部では入射角が大きくなって反射率が高くなる。また、成型によって光学素子を作製する場合は、金型からの離型を可能にするために、金型を複数の部分に分割しておく等の特殊な処理や操作が必要になる。
【００１１】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、曲面の表面での反射率が低い透過型の光学素子を有する、高性能の光学装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の光学装置は、曲面の表面を備える透過型の光学素子を有し、その光学素子に光を与えて収束させる光学装置であって、前記曲面の表面には、反射防止のために、金型成型により微細な錐体状または畝状の凸部または凹部が多数形成されており、全ての凸部または凹部の頂角を２等分する直線が互いに平行であって、且つ、光軸とも平行であることを特徴とする。全ての凸部または凹部の頂角を２等分する直線が互いに平行であって、且つ、光軸とも平行であれば、平行光または平行光に近い光に対して、曲面の表面のあらゆる部位における反射率を極めて低く抑えることができる。また、金型を用いる成型によって作製することが容易になる。ここで、光学装置は、光学素子のパワーを利用するものであってもよいし、光学素子を単なる透明な保護カバーとして用いるものであってもよい。
【００１３】
第２の発明の光学装置は、上記第１の発明において、前記光学素子に与えられる光が平行光であることを特徴とする。
【００１４】
第３の発明の光学装置は、上記第１又は第２の発明において、前記凸部または凹部の頂角を２等分する直線と前記曲面の法線との成す角度の最大値が４０゜以上であることを特徴とする。このように設定すると、凸部または凹部の頂角を２等分する直線の方向から入射する光の入射角が最大で４０゜以上になるが、そのような大きな入射角の部位でも反射を極めて低く抑えることができて、光ピックアップに好適な光学素子となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態を構成する光学素子１の断面を図１に模式的に示す。光学素子１は巨視的に見て曲面の表面１０を有し、レンズとして機能する。図１はレンズとしての光軸Ａｘを含む断面図である。
【００１７】
曲面の表面１０には、多数の微細な円錐状の凸部１１が、光軸に対して垂直な方向に一定の配列ピッチで形成されている。各凸部１１の高さおよび凸部１１の配列ピッチは約２００ｎｍに設定されており、可視光の波長の１／２程度またはそれ以下である。なお、ここでは、凸部１１を拡大して描いている。
【００１８】
全ての凸部１１の頂角を２等分する直線は互いに平行であり、光軸Ａｘに平行である。すなわち、全ての凸部１１は光軸Ａｘ方向を向いている。
【００１９】
曲面の表面１０の光軸Ａｘ近傍の部位、および光軸Ａｘから大きく離れて光軸Ａｘに対して４５゜の角度を成す部位を、拡大して図２の（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。光軸Ａｘ近傍では、凸部１１の底面は略円形であり、光軸から離れた部位では、凸部１１の底面は略楕円形である。
【００２０】
光学素子１における表面１０での光の反射率を図３に示す。図３において、（ａ）は表面１０に対する光の入射角（破線で示す表面１０の法線と光線の成す角）を表しており、（ｂ）は０゜から６０゜までの２０゜ごとの入射角と反射率との関係を表している。なお、これは光の波長を４０５ｎｍ、光学素子１の基材を石英としたときのものである。
【００２１】
図３（ｂ）より明らかなように、０゜から６０゜までの広い入射角の範囲にわたって反射率は極めて小さい。具体的には、この入射角の範囲全体にわたって、反射率は約０．０８％である。また、どの入射角においても、Ｐ偏光とＳ偏光とで反射率に差が生じていない。
【００２２】
光学素子１は、曲面の表面に仕上げた樹脂（例えば、ＰＭＭＡ）あるいはガラス等の光学材料を直接加工することによって作製することができる。また、図４に示すように、曲面の表面に円錐状の凹部を形成した金型２を作製し、その金型２を用いる成型によって作製することもできる。曲面１０上の全ての円錐状の凸部１１が同一方向を向いているため、光学素子１の金型２からの離型は極めて容易である。なお、光学素子１では、曲面の表面１０に円錐状の凸部１１を設けているが、円錐状の凸部１１と同様の凸部を金型に形成しておいて、曲面の表面１０に円錐状の凹部を形成しても同等の反射防止効果が得られる。
【００２３】
金型に円錐状の凸部を形成する方法について、図５を参照して説明する。まず、ＳＵＳ製の金型ブランク３１を粗加工して、曲面１０と概ね相補的な曲面を形成する（ａ）。次いで、その曲面上に電鋳によりニッケル層３２を設けて（ｂ）、ニッケル層３２を切削して曲面１０と相補的な曲面に仕上げる（ｃ）。そして、スパッタ法によりニッケル層３２の表面に窒化チタン（ＴｉＮ）膜３３を設け（ｄ）、さらに、スピンコート法によりＴｉＮ膜３３上にレジスト膜３４を設ける（ｅ）。このレジスト膜３４を２光束干渉法により２回露光して（ｆ）、レジスト膜３４にドット穴３４ａを形成する（ｇ）。
【００２４】
ドット穴３４ａを形成したレジスト膜３４の正面図を図６の（ａ）に模式的に示す。図６（ａ）において、実線の直線および点線の直線は、それぞれ、１回目の露光と２回目の露光を表している。ここでは、１回目と２回目で露光の方向を９０゜違えており、ドット穴３４ａは正方形の格子状に配列される。図６（ｂ）に示すように、１回目と２回目で露光の方向を６０゜相違させて、ドット穴３４ａを正三角形の格子状に配列してもよい。
【００２５】
ドット穴３４ａの形成後、図５に示すように、真空蒸着法によって、レジスト膜３４上およびドット穴３４ａから露出しているＴｉＮ膜３３上にクロム膜３５を形成する（ｈ）。そして、リフトオフ法によりレジスト膜３４をその上のクロム膜３５と共に除去する（ｉ）。これで、ＴｉＮ膜３３上のクロム膜３５のみが残る。
【００２６】
次いで、クロム膜３５をマスクとするドライエッチングによって、ＴｉＮ膜３３を加工する（ｊ）。ＴｉＮ膜３３のエッチングには等方的に進む成分と異方的に進む成分とがある。等方的に進む成分は、深さ方向と水平方向とにエッチングを進行させる。異方的に進む成分は、深さ方向にのみエッチングを進行させる。これらの等方的成分と異方的成分の組み合わせにより、ＴｉＮ膜３３は次第に所望の円錐状になっていく。最後に、ウエットエッチングによってクロム膜３５を除去する（ｋ）。これで、曲面の表面に円錐状の凸部３６を有する金型３が得られる。
【００２７】
この金型３を用いて樹脂成型を行うことにより、曲面の表面１０に円錐状の凹部を有する光学素子が得られる。また、上記の工程（ａ）で金型ブランク３１の表面を凸面としておいた金型３から、成型により新たな金型を作製し、この金型を用いて樹脂加工を行うことで、曲面の表面１０に円錐状の凸部１１を有する光学素子１が得られる。
【００２８】
なお、ここでは、ドライエッチングのマスクとしてクロム膜３５を用いたが、ある程度の速度でエッチングされる材料でマスクを作製し、マスクが消失した時点でドライエッチングを終了するようにしてもよい。このようにすると、円錐状の凸部の頂部を一層先鋭にすることができる。
【００２９】
また、本実施形態の光学素子１では、微細な錐体状の凸部１１を頂角を２等分する直線に対して垂直な断面が円形の円錐状としているが、三角錐状、四角錐状等の他の形状としてもよい。
【００３０】
第２の実施形態を構成する光学素子６の断面を図７に模式的に示す。光学素子６も、上記の光学素子１と同様に、巨視的に見て曲面の表面６０を有し、レンズとして機能する。図７はレンズとしての光軸Ａｘを含む断面図である。
【００３１】
曲面の表面６０には、多数の微細な畝状の凸部６１が、光軸に対して垂直な方向に一定の配列ピッチで形成されている。各凸部６１の縦断面は三角形である。各凸部６１の高さおよび凸部６１の配列ピッチは約２００ｎｍに設定されており、可視光の波長の１／２程度またはそれ以下である。なお、凸部６１と凸部６１の間に着目すれば、光学素子６は溝状の凹部を有することになる。
【００３２】
全ての凸部６１の全ての部位における頂角を２等分する直線は互いに平行であり、光軸Ａｘに平行である。すなわち、全ての凸部１１は光軸Ａｘ方向を向いている。曲面の表面６０の光軸Ａｘ近傍の部位、および光軸Ａｘから大きく離れて光軸Ａｘに対して４５゜の角度を成す部位を、拡大して図８の（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。
【００３３】
光学素子６を光軸方向から見た正面図を図９に模式的に示す。図９において、（ａ）は各凸部６１を直線状として平行に設けたものであり、（ｂ）は凸部６１を同心円状に設けたものである。また、（ｃ）は、（ａ）の直線状の各凸部６１を短くして、同一直線上に複数の凸部６１を設けたものである。なお、図９における実線６２、６４および点線６３は面と面の境界を表しており、実線６２を稜線とすれば点線６３が谷線であり、実線６２を谷線とすれば点線６３が稜線である。また、図９（ｃ）では、実線６２を稜線とすれば実線６４も稜線であり、実線６２を谷線とすれば実線６４も谷線である。
【００３４】
光学素子６は、マスク形成のためのレジスト露光工程（例えば図５（ｆ））を修飾するだけで、第１の実施形態の光学素子１と同様にして作製することができる。図９（ａ）のように、凸部６１を一端から他端に達する直線状とする場合、マスクの形状は直線状とする。なお、マスク形成のための２光束干渉法による露光は１回のみ行えばよい。また、図９（ｂ）のように、凸部６１を同心円状とする場合、マスクの形状も同心円状とする。この場合、２光束干渉法に代えて描画法を用いると、レジストの露光が容易である。
【００３５】
図９（ｃ）のように凸部６１または凹部を短い直線状とする場合のマスクを図１０に示す。図９（ｃ）の実線６２を稜線とするときは、図１０（ａ）に示すように、稜線に対応する線分状のマスク６５を使用する。また、図９（ｃ）の点線６３を稜線とするときは、図１０（ｂ）に示すように、稜線に対応する格子状のマスク６６を使用する。マスク６５、６６の作製のための露光は、２光束干渉法と描画法のいずれによって行ってもよい。
【００３６】
本実施形態の光学素子６は、凸部６１が畝状である点を除き、錐体状の凸部１１を有する第１の実施形態の光学素子１と同様の構成であり、曲面の表面６０における反射率は極めて小さい。凸部６１を図９の（ａ）〜（ｃ）のいずれの形状とした場合でも、曲面の表面６０への光の入射角と表面６０における反射率の関係は、前述の図３に示したとおりである。すなわち、光学素子６においても、０゜から６０゜までの入射角の範囲全体にわたって、反射率は約０．０８％であり、また、どの入射角においても、Ｐ偏光とＳ偏光とで反射率に差は生じない。
【００３７】
なお、第１の実施形態の光学素子１では凸部１１や凹部を錐体状とし、第２の実施形態の光学素子６では凸部６１や凹部を畝状または溝状としたが、錐体状の凸部と畝状の凸部が混在する構成や、錐体状の凹部と溝状の凹部が混在する構成とすることも可能であり、凸部や凹部の形状や配置に制約はない。要は、微細な凸部や凹部の斜面によって光に対する曲面の屈折率が次第に変化するようにし、かつ、全ての凸部や凹部を略同一方向に向ければよい。また、上記の各実施形態では凸面の表面に形成する凸部や凹部の向きを同一方向にする例を掲げたが、凹面の表面に形成する凸部や凹部の向きを同一方向にしてもよい。
【００３８】
上記の光学素子１や光学素子６は、カメラ、プロジェクタ、顕微鏡、望遠鏡、双眼鏡、光記録再生装置等の種々の光学装置に備えて、レンズとしてのパワーを利用することができる。中でも、平行光から大きな開口数の収束光を生成する必要のある光記録再生装置の光ピックアップに好適である。
【００３９】
光学素子１または光学素子６を採用したＤＶＤ用の光ピックアップの対物レンズ群４を図１１に模式的に示す。この対物レンズ群４は２つの凸レンズ４１、４２より成る。レンズ４１が光学素子１または光学素子６であり、平行光とされたレーザ光を、円錐状また畝状の凸部を形成した曲面の表面側から受けて、収束光とする。対物レンズ群４が透過させるレーザ光の波長は４０５ｎｍ、焦点距離は１．７６ｍｍ、ＤＶＤの記録層４３に収束する光束の開口数は０．８５、入射瞳の直径は３ｍｍである。
【００４０】
光学素子１や光学素子６は、曲面の表面１０、６０に対向する他方の表面を略同じ曲率の曲面として、全体としてパワーを有さない設定とすることも可能である。このようなパワーを有さない光学素子１、６は、例えば携帯電話機の表示部の保護カバーとして用いることができる。その場合、埃等の付着を避けるために、微細な錐体状または畝状の凸部や凹部を内側の表面に設けるのが好ましい。
【００４１】
【発明の効果】
曲面の表面を備える透過型の光学素子を有し、その光学素子に光を与えて収束させる光学装置において、前記曲面の表面には、反射防止のために、金型成型により微細な錐体状または畝状の凸部または凹部が多数形成されており、全ての凸部または凹部の頂角を２等分する直線が互いに平行であって、且つ、光軸とも平行な構成になっているため、平行光または平行光に近い光に対して、曲面の表面のあらゆる部位における反射率を極めて低く抑えることができる。したがって、光学素子の特徴が生かされて、フレア等の少ない高性能の装置となる。また、前記凸部または凹部が金型成型により形成されるため、光学素子の作製も容易である。
【００４２】
前記凸部または凹部の頂角を２等分する直線と前記曲面の法線との成す角度の最大値が４０゜以上である設定とすると、平行光を開口数の大きい収束光としながら、反射を低く抑えることができて、光ピックアップに好適な光学素子となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の光学素子の構造を模式的に示す断面図。
【図２】第１の実施形態の光学素子の曲面の表面の光軸近傍の部位および光軸から離れ部位を模式的に示す斜視図。
【図３】第１の実施形態の光学素子における曲面の表面への光の入射角と反射率の関係を示す図。
【図４】第１の実施形態の光学素子とその作製に用いる金型を模式的に示す断面図。
【図５】金型に円錐状の凸部を形成する方法を示す図。
【図６】マスク作製用のドット穴を形成したレジスト膜を模式的に示す正面図。
【図７】本発明の第２の実施形態の光学素子の構造を模式的に示す断面図。
【図８】第２の実施形態の光学素子の曲面の表面の光軸近傍の部位および光軸から離れ部位を模式的に示す斜視図。
【図９】第２の実施形態の光学素子の構造を模式的に示す正面図。
【図１０】第２の実施形態の光学素子の作製に用いるマスクの例を模式的に示す図。
【図１１】各実施形態の光学素子を採用した光記録再生装置の対物レンズ群を模式的に示す図。
【図１２】曲面の表面に反射防止膜を設けた従来の光学素子の構造を模式的に示す断面図。
【図１３】従来の技術に従って曲面の表面に反射防止用の錐体状の凸部を形成した光学素子の構造を模式的に示す断面図。
【図１４】反射防止膜を設けた表面への光の入射角と反射率の関係を示す図。
【図１５】反射防止用の錐体状の凸部を形成した表面への光の入射角と反射率の関係を示す図。
【符号の説明】
１光学素子
１０曲面表面
１１錐体状凸部
２、３金型
３１金型ブランク
３２ニッケル層
３３ＴｉＮ膜
３４レジスト膜
３４ａドット穴
３５クロム膜
３６凸部
４ピックアップ対物レンズ群
４１、４２凸レンズ
４３ＤＶＤ記録層
６光学素子
６０曲面表面
６１畝状凸部

Claims

曲面の表面を備える透過型の光学素子を有し、その光学素子に光を与えて収束させる光学装置であって、
前記曲面の表面には、反射防止のために、金型成型により微細な錐体状または畝状の凸部または凹部が多数形成されており、全ての凸部または凹部の頂角を２等分する直線が互いに平行であって、且つ、光軸とも平行であることを特徴とする光学装置。
前記光学素子に与えられる光が平行光であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
前記凸部または凹部の頂角を２等分する直線と前記曲面の法線との成す角度の最大値が４０゜以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。