JP4794351B2 - 反射防止構造体及びそれを備えた光学装置 - Google Patents

Description

本発明は反射防止構造体及びそれを備えた光学装置に関する。

近年、光の反射を抑制する反射防止処理が表面に施された種々の光学素子が提案されている。反射防止処理としては、例えば、屈折率の比較的低い膜（低屈折率膜）や、低屈折率膜と屈折率の比較的高い膜（高屈折率膜）とを交互に積層してなる多層膜等からなる反射防止膜を表面に形成する処理が挙げられる（例えば、特許文献１等）。

しかしながら、このような低屈折率膜や多層膜からなる反射防止膜は、形成に際して蒸着法やスパッタリング法等の煩雑な工程を要する。このため、生産性が低く、生産コストが高いという問題がある。また、低屈折率膜や多層膜からなる反射防止膜は、波長依存性及び入射角依存性が比較的大きいという問題もある。

このような問題に鑑み、入射角依存性及び波長依存性の比較的小さな反射防止処理として、例えば、光学素子表面に入射光の波長以下ピッチで微小凹凸部を規則的に形成する処理が提案されている（例えば、非特許文献１、２等）。この処理を行うことによって、素子界面における急激な屈折率変化が抑制され、素子界面において緩やかに屈折率が変化することとなる。このため、光学素子表面における反射が低減され、光学素子内への高い光入射率を実現することができる。

また、特許文献２には、微小凹凸部を粗面に形成する技術が開示されている。
特開２００１−１２７８５２号公報 特表２００１−５１７３１９号公報 ダニエル Ｈ．ラグイン（Ｄａｎｉｅｌ Ｈ． Ｒａｇｕｉｎ） Ｇ． マイケル モリス（Ｇ． Ｍｉｃｈａｅｌ Ｍｏｒｒｉｓ）著、「アナリシス オブ アンチリフレクション ストラクチャード サーフェイス ウィズ コンティニュアス ワン ディメンジョナル サーフェイス プロフィールズ （Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ）」 アプライド・オプティクス（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ）、第３２巻 第１４号（Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１４）、Ｐ．２５８２−２５９８、１９９３年

しかしながら、粗面に微小凹凸部を形成した場合においても反射光等の不要光の発生を十分に抑制できない場合がある。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、反射光等の不要光の発生が十分に抑制された反射防止構造体を提供することにある。

本発明者等は、誠意研究の結果、粗面に微小凹凸部を形成した場合、回折光が生じる虞があることを見出し、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明に係る反射防止構造体は、所定の波長以上の光の反射を抑制する反射防止構造体であって、所定の波長よりも大きな表面粗さで、且つ非周期的な粗さ形状の粗面を有し、その粗面には、所定の波長以下の周期で規則的に配列された複数の微小凹凸部が形成されていることを特徴とする。ここで、「所定の波長」とは反射を抑制しようとする波長、反射を抑制すべき波長をいう。

本発明に係る光学装置は本発明に係る反射防止構造体を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、反射光等の不要光の発生が十分に抑制された反射防止構造体を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、本発明を実施した拡散板を例に挙げて本発明に係る反射防止構造体の形態について説明する。しかし、本発明に係る反射防止構造体は、下記形態に限定されるものではなく、例えば、表示装置をはじめ、撮像装置、照明装置、プロジェクタ等の種々の光学機器の構成部材等であってもよい。具体的には、半導体レーザ素子、ＬＥＤ素子、電球、冷陰極管等の発光素子、電荷結合素子（ＣＣＤ）やＣＭＯＳ等のイメージセンサ、パワーメータ、エネルギーメータ、反射率測定機器等の光検出器、マイクロレンズアレイ、フォトディテク他等に対して適用することもできる。

図１は本実施形態に係る拡散板１の斜視図である。

図２は拡散板１の部分断面図である。

本実施形態に係る拡散板１は平面視略矩形状の面材であり、光を拡散透過させるもの（詳細には、以下に詳細に説明する微小凹凸部１１によって反射が抑制される光を少なくとも拡散透過させるもの）である。本実施形態に係る拡散板１は、例えばディスプレイ等の前面に配置され、ディスプレイ表面における光の反射（外光の映り込み等）を抑制するものである。尚、拡散板１の材質は特に限定されるものではないが、樹脂製又はガラス製であってもよい。また、微粒子等が分散混入されていてもよい。

本実施形態において、拡散板１の表面１０には、図２に示すように、入射光２０の波長以下の周期（好ましくは、入射光２０のうち最も短い波長の光の波長以下の周期）で規則的に配列された複数の微小凹凸部１１が形成されている（以下、この微小凹凸部１１が複数形成された反射防止構造のことを「ＳＷＳ」とすることがある。）。このため、拡散板１の表面１０と空気層との間の急激な屈折率変化が抑制され、微小凹凸部１１が形成された表面１０の表層部において屈折率がなだらかに変化することとなる。従って、図３に示すように、微小凹凸部１１を形成することによって拡散板１の表面１０における反射が効果的に抑制される。

微小凹凸部１１は、表面１０と空気層との間の界面における屈折率変化をなだらかにする機能を有するものである限りにおいて特にその形状は限定されるものではなく、例えば、略円錐状（頂部が面取り又はＲ面取りされていてもよい）の凹部又は凸部、角錐台状の凹部又は凸部、線条（断面形状が、三角形状（頂部がＲ面取りされていてもよい、台形状、矩形状等）の凹部又は凸部であってもよい。

また、高い反射抑制効果を実現する観点から、微小凹凸部１１の周期（（粗面に形成されている）表面１０の基準面の法線方向からの平面視における隣接する微小凹凸部１１の頂部相互間の距離。ここで、基準面：微小凹凸部１１及び粗さ形状を高周波成分としてカットオフして得られる面である。）が入射光２０の波長以下であることが好ましい。一方、微小凹凸部１１の高さ（厳密には、（粗面に形成されている）表面１０の基準面の法線方向における基準面から頂部までの距離で定義される。）が入射光２０の波長の０．４倍以上であることが好ましく、入射光２０の波長の１倍以上、さらには３倍以上であることがより好ましい。厳密には、入射光２０が波長幅をもったものであるような場合には、微小凹凸部１１の周期は、入射光２０の最短波長以下であることが好ましく、微小凹凸部１１の高さは入射光２０の最長波長の０．４倍以上（好ましくは１倍以上、さらには３倍以上）であることが好ましい。

尚、微小凹凸部１１は入射光２０のすべてに対して反射抑制効果を発揮するようなものである必要は必ずしもない。例えば、入射光２０の波長が、紫外光、近紫外光、可視光、近赤外光、赤外光を含む広い波長範囲にわたるものの、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長の光の反射のみを抑制すればよい場合は、微小凹凸部１１の周期は４００ｎｍ以下であることが好ましい。一方、微小凹凸部１１の高さは７００ｎｍの０．４倍以上、すなわち２８０ｎｍ以上であることが好ましい。

微小凹凸部１１は、その高さが表面１０の各部（例えば、１ｍｍ四方の大きさの各部）で相互に異なるように形成されていてもよいが、形成容易性の観点から、高さが相互に略同一となるように形成されていることが好ましい。また、例えば、微小凹凸部１１が錐体状の凹部や錐体状の凸部であるような場合には、複数の微小凹凸部１１は、その錐体の底部中心と頂部とを結んでなる中心軸が相互に略平行となるように形成されていることが好ましい。この場合、射出成形による拡散板１の作製が容易となる。一方、同様の理由により、微小凹凸部１１が断面三角形状の線条凹部又は線条凸部であるような場合には、複数の微小凹凸部１１は、横断面における底部中心と頂部とを結んでなる中心軸が、各部（例えば、１ｍｍ四方の大きさの各部）において相互に略平行となるように形成されていることが好ましい。

以上のように、表面１０には複数の微小凹凸部１１が形成されているため、表面１０における光の反射が抑制される。しかしながら、表面１０が滑面であるような場合には、十分に表面１０における正反射を抑制することができない。

図４は、入射角４５度で入射する光の反射光強度を表すグラフである。

図４に示すように滑面上に微小凹凸部１１を形成した場合は、射出角が約４５度である反射光、すなわち正反射が観測される。このように、微小凹凸部１１が形成されている表面１０が滑面である場合は、入射光２０の正反射を十分に抑制することができない。それに対して、図４に示すように、入射光２０の波長よりも大きな表面粗さの粗面に微小凹凸部１１を形成した場合は、正反射が実質的に観測されない。ここで、本実施形態では、図２に示すように、微小凹凸部１１は、入射光２０の波長よりも大きな表面粗さの粗面である表面１０に形成されている。詳細には、表面１０は、ＩＳＯ４２８７：１９９７（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１に対応する）で規定される最大高さ粗さＲｚで入射光２０の波長よりも大きな表面粗さに形成されている。従って、本実施形態における拡散板１では、表面１０における正反射もまた十分に抑制される。但し、この正反射の発生を抑制する効果は、表面１０の表面粗さがあまりに大きすぎると低下する傾向にある。表面１０の表面粗さＲｚの好適な範囲は１００μｍ以下である。より好ましくは５０μｍであり、さらに好ましくは３０μｍである。

また、図３に示すように、滑面に微小凹凸部１１（ＳＷＳ）を形成した場合には、比較的大きな入射角の光に対しては十分な反射抑制効果を付与することができない。すなわち、反射率が入射角に依存することとなる。それに対して、本実施形態のように、粗面たる表面１０に微小凹凸部１１（ＳＷＳ）を形成することによって、図３に示すように、比較的大きな入射角の光に対しても十分な反射抑制効果を付与することができる。すなわち、本実施形態によれば、反射率の角度依存性を低減し、比較的入射角の大きな光の反射をも効果的に抑制することができる。

このように、表面１０を所定の粗面とすることによって、正反射を含めて、かつ入射角の比較的大きな入射光２０の反射をも効果的に抑制することが可能となるが、表面１０の粗さ形状が所定の周期構造である場合には、回折光が生じる虞がある。このところ、本実施形態では、表面１０は、その粗さ形状が非周期的となるように形成されている。このため、本実施形態に係る拡散板１では、反射を効果的に抑制するのみならず、回折光の発生をも効果的に抑制することができ、反射光や回折光等の不要光の発生を効果的に抑制することができる。尚、粗さ形状とは、表面１０の微小凹凸部１１を含めた形状から高周波成分として微小凹凸部１１をカットオフした形状をいう（以下、表面１０の微小凹凸部１１を含めた形状は、単に「表面１０の形状」と称呼する。）。

回折光の発生をより効果的に抑制する観点から、図５に示すように、表面１０の基準面の法線方向における高さ分布をフーリエ変換することにより得られるスペクトルのうち表面１０の粗さ形状に由来するピーク１６のピーク幅（例えば、ピークの高さの半分の高さにおけるピークの幅）Ｗ₂が微小凹凸部１１に由来するピーク１５の同ピーク幅Ｗ₁よりも広いことが好ましい。

さらに、ムラのある回折光の発生を低減する観点から、表面１０は、その粗さ形状の中心周期（最も度数比率の高い周期）で規格化された周期の分布幅が中心周期の０．４倍以上となるように形成されていることが好ましい。表面１０の粗さ形状の中心周期で規格化された周期の分布幅が中心周期の０．４倍より小さい場合は、表面１０において生じる２次回折光が存在する回折角の領域と３次回折光が存在する回折角の領域とが隔離することとなり、生じる回折光にムラが生じる虞がある。一方、表面１０の粗さ形状の中心周期で規格化された周期の分布幅が中心周期の０．４倍以上である場合は、表面１０において生じる２次回折光が存在する回折角の領域と３次回折光が存在する回折角の領域とが一部重畳するため、回折光の発生ムラが低減される。

特に、表面１０の粗さ形状の中心周期で規格化された周期の分布幅が中心周期の２／３倍以上であることが好ましい。この構成によれば、表面１０において生じる２次回折光が存在する回折角の領域と３次回折光が存在する回折角の領域とが一部重畳すると共に、１次回折光が存在する回折角の領域と２次回折光が存在する回折角の領域とが一部重畳するため、１次回折光と２次回折光との両方が存在しない領域が存在しないことに起因する回折光のムラを低減することができる。

尚、製造上の観点からは、図６に示すように，表面１０の粗さ形状の接平面１３の法線ベクトルＮ₂と表面１０の基準面１２の法線ベクトルＮ₁とのなす角の大きさ（θ）が９０度より大きい領域が存在しないことが好ましい。言い換えれば、表面１０は、その粗さ形状がθ≦９０度である面により実質的に構成されていることが好ましい。図６のように、θが９０度よりも大きな領域が存在する場合は、凹部１７に面した表面１０の部分に微小凹凸部１１を形成するのが困難になるからである。

以上、ここでは、光透過性の拡散板１を例に挙げて説明したが、本発明に係る反射防止構造体は光透過性のものに限定されるものではなく、例えば、光吸収性のもの、所謂黒体であってもよい。

また、ここでは、拡散板１の表面１０に直接ＳＷＳが形成されている例について説明したが、平滑な面にＳＷＳを形成したシールを貼着又は粘着させることにより表面１０を形成してもよい。言い換えれば、拡散板１は一体でなくてもよく、複数の構成部材により構成されているものであってもよい。

また、ここでは、ＳＷＳが表面１０の全面にわたって形成されている例について説明したが、ＳＷＳを表面１０の全面にわたって必ずしも設ける必要はなく、必要に応じた箇所のみにＳＷＳを形成してもよい。その場合に、ＳＷＳを設けた箇所のみならず、表面１０のその他の箇所もＳＷＳを設けた箇所と同等の表面粗さの粗面としても構わず、また、それ以下の表面粗さの滑面としてもよい。さらに、ＳＷＳを設けていない箇所には反射率が比較的低い膜と比較的高い膜との多層膜からなるような他の反射防止構造を形成してもよい。また、ＳＷＳが形成されている領域内においても、必要に応じてＳＷＳの高さや周期（ピッチ）を調節してもよい。

本発明に係る反射防止構造体は、反射光等の不要光の発生が十分に抑制されたものであるため、撮像装置、照明装置、光走査装置、光ピックアップ装置、ディスプレイ等の種々の光学機器に有用である。

拡散板１の斜視図である。 拡散板１の部分断面図である。 入射角と反射率の相関を表すグラフである。 入射角４５度で入射する光の反射光強度を表すグラフである。 表面１０の形状の基準面の法線方向における高さ分布をフーリエ変換することにより得られるスペクトルである。 θが９０度より大きい場合を説明するための断面図である。

符号の説明

１ 拡散板
１０ 表面
１１ 微小凹凸部
２０ 入射光

Claims (14)

1. 所定の波長以上の光の反射を抑制する反射防止構造体であって、
   上記所定の波長よりも大きな表面粗さで、且つ非周期的な粗さ形状の粗面を有し、該粗面には、上記所定の波長以下の周期で規則的に配列された複数の微小凹凸部が形成され、
   上記粗面は、その粗さ形状の中心周期で規格化された周期の分布幅が該中心周期の０．４倍以上の広がりを有するように形成されていることを特徴とする反射防止構造体。
2. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
   上記粗面は、その粗さ形状の中心周期で規格化された周期の分布幅が該中心周期の２／３倍以上の広がりを有するように形成されていることを特徴とする反射防止構造体。
3. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
   上記粗面の基準面の法線方向における高さ分布をフーリエ変換することにより得られるスペクトルのうち上記粗面の粗さ形状に由来するピークは、その幅が該スペクトルの上記微小凹凸部に由来するピークの幅よりも広いことを特徴とする反射防止構造体。
4. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
   上記反射が抑制される光を透過するものであることを特徴とする反射防止構造体。
5. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
   上記各微小凹凸部は、略錐体状の凹部又は凸部、若しくは線条凹部又は線条凸部であることを特徴とする反射防止構造体。
6. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
   上記粗面は、その表面粗さがＩＳＯ４２８７：１９９７で規定される最大高さ粗さＲｚで上記所定の波長よりも大きいことを特徴とする反射防止構造体。
7. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
   上記粗面は、その表面粗さがＩＳＯ４２８７：１９９７で規定される最大高さ粗さＲｚで１００μｍより小さいことを特徴とする反射防止構造体。
8. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
   上記粗面は、その表面粗さがＩＳＯ４２８７：１９９７で規定される最大高さ粗さＲｚで５０μｍより小さいことを特徴とする反射防止構造体。
9. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
   上記粗面は、その表面粗さがＩＳＯ４２８７：１９９７で規定される最大高さ粗さＲｚで３０μｍより小さいことを特徴とする反射防止構造体。
10. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
    上記複数の微小凹凸部の上記粗面の基準面の法線方向における高さが相互に略同一であることを特徴とする反射防止構造体。
11. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
    上記粗面は、その粗さ形状の接平面の法線ベクトルと該粗面の基準面の法線ベクトルとのなす角度が９０度以下である面により実質的に構成されていることを特徴とする反射防止構造体。
12. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
    上記複数の微小凹凸部のそれぞれは、錐体状凹部又は錐体状凸部であり、該複数の微小凹凸部は、その底部の中心と頂部とを結んでなる中心軸が相互に略平行となるように構成されていることを特徴とする反射防止構造体。
13. 請求項１に記載された反射防止構造体において、
    上記複数の微小凹凸部のそれぞれは、その高さが上記反射が抑制される光の波長の０．４倍以上であることを特徴とする反射防止構造体。
14. 請求項１に記載された反射防止構造体を備えた光学装置。

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