JP5804683B2 - 光学素子および、それを有する光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射防止機能を有する光学素子と、これを用いた光学装置に関するものである。

従来、光学系表面の反射防止構造としては、誘電体多層膜の干渉を用いた反射防止膜の他に、波長以下の微細な凹凸構造を用いた反射防止構造が知られている。これは、波長以下の微細な凹凸構造に対して、光が均質な有効屈折率の層として反応する性質を利用したものである。微細な凹凸構造や多孔質に対しての有効屈折率は、媒質の屈折率と空気屈折率の混合した平均としての屈折率と考えられる。

よって、微細な凹凸構造を、基板界面から空気に向かって媒質の密度が低くなるようにすることで、有効屈折率は基板界面から空気に向かってだんだんと低くなる。この屈折率傾斜をつけることで、界面での反射を大幅に低減している。

しかしながら、微細な凹凸構造を用いた反射防止構造は、その構造の微細さにより製造が困難であると言う弱点があった。

例えば、特許文献１では、反射防止のために、アスペクト比の大きな錐形状を光学素子上に形成する表面処理方法が開示されている。

これは、光学基板に対してドットアレイ状に金属マスクを形成し、光学基板自体をエッチングするもので、その際に金属マスクの径を徐々に減少させることで、錐形状を形成するものである。また、同様の処理を金型上に施し、その金型により光学素子を成型し製造する事も開示されている。

一方、特許文献２では、本発明の類似の形状として、基材の表面に凹凸を形成し、その凹凸上に反射防止多層膜を成膜した構造が開示されている。基材の表面の凹凸はピッチに対して深さが浅く、アスペクト比が小さく、製造は容易と考えられる。

特開２００１−２７２５０５号公報 特開２００５−７０４３５号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された従来技術では、基板への凹凸構造の作成に金属マスクの形成およびエッチング等の複雑なプロセスを使うため、コスト的にコンシューマー製品への量産には不向きである。アスペクト比が高いため成型が困難であり、成型タクトの増加、良品率の低下が懸念される。

一方、特許文献２では、凹凸のピッチが２〜１００μｍと波長より大きいため、微細な凹凸形状の様に、近似によって面内に一様な有効屈折率として扱う事はできない。この凹凸形状は波長に対して十分大きいため、表面で回折散乱が生じる。そもそも、この従来例の目的は防眩（アンチグレア）であるため、モニター装置の表示面近傍などに使用箇所が限られ、結像系などの撮影レンズの表面などには使用ができない。また、凹凸形状に成膜した薄膜は、単に通常の多層膜としての性能しかなく、角度特性の向上も期待できない。

そこで、本発明の目的は、波長以下の周期の微細な凹凸を持つ反射防止構造と同等の性能を持ちながら、容易に製造することを可能とした、反射防止機能を有する光学素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての光学素子は、反射防止機能を有する光学素子であって、波長λの半分以下のピッチで並んだ山部及び谷部を含む第１の凹凸面を有する基板と、前記第１の凹凸面の上に形成される少なくとも１層の薄膜を含み、前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有する薄膜層と、を備え、前記薄膜層の最も空気側には前記第１の凹凸面に対応する第２の凹凸面が形成されており、前記第１の凹凸面の谷部同士を結ぶ面の法線方向において、前記第１の凹凸面の山部と該山部に最も近い谷部との高低差をｈ０、前記第２の凹凸面の山部と該山部に最も近い谷部との高低差をｈ１、前記薄膜層の最大の厚さをＤ、とし、前記波長λ＝５５０ｎｍ、とするとき、
１／４≦ｈ１／ｈ０≦２
１／５λ≦Ｄ≦２λ
なる条件を満たしており、前記第１の凹凸面と、該第１の凹凸面の山部同士を結ぶ面と、の間には、前記薄膜層の最も前記基板側の薄膜のみが存在していることを特徴とする。

本発明によれば、波長以下の周期の微細な凹凸を持つ反射防止構造と同等の性能を持ちながら、容易に製造することを可能とした、反射防止機能を有する光学素子を提供することができる。

実施例１の反射防止構造を示す図である。 本発明の数値例１の屈折率構造を示す図である。 本発明の数値例１の分光反射率の計算値を示すグラフである。 実施例１の基板の凹凸構造を示す模式図である。 実施例１の反射防止構造の凹凸構造を示す模式図である。 比較例の反射防止構造を示す図である。 比較例の屈折率構造を示す図である。 比較例の分光反射率の計算値を示すグラフである。 実施例２の反射防止構造を示す図である。 本発明の数値例２の屈折率構造を示す図である。 本発明の数値例２の分光反射率の計算値を示すグラフである。 実施例３の反射防止構造を示す図である。 本発明の数値例３の屈折率構造を示す図である。 本発明の数値例３の分光反射率の計算値を示すグラフである。 実施例４の反射防止構造を示す図である。 本発明の数値例４の屈折率構造を示す図である。 本発明の数値例４の分光反射率の計算値を示すグラフである。 実施例５の反射防止構造を示す図である。 本発明の数値例５の屈折率構造を示す図である。 本発明の数値例５の分光反射率の計算値を示すグラフである。 実施例６の反射防止構造を示す図である。 本発明の数値例６の屈折率構造を示す図である。 本発明の数値例６の分光反射率の計算値を示すグラフである。 本発明の凹凸構造の例を示す模式図（上方からの等高線図）である。 本発明の凹凸構造の例を示す模式図（斜方からの図）である。 本発明の数値例１のＲＣＷＡによる分光反射率の計算値を示すグラフである。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかわる反射防止構造である。

以下、図１を参照して、本発明の第１の実施例による、反射防止構造について説明する。

図１は本発明の反射防止機能を有する光学素子（反射防止素子）の反射防止構造の断面図を示したものである。基板１の表面に形成された凹凸構造（第１の凹凸構造）の上に、薄膜２、３が積層された構造である。

基板１には図４の様に波長以下の周期で凹凸構造が設けられている。本実施例では、反射防止素子に照射する光の波長λを５５０ｎｍとしている。しかし、本発明において、照射する光の波長は５５０ｎｍ以外の波長でもよく、これに限定されない。凹凸構造の形成には型による成型を用いる事が可能である。基板１の凹凸構造の上に、膜厚が均等になる様に、薄膜２が成膜されている。成膜には、通常の蒸着以外に、スパッタ成膜などを用いるとより良い。スパッタ成膜装置では、成膜時に蒸着とエッチングが同時に起こっている状態と考えられる。装置の成膜条件を調整することで、すなわち、蒸着とエッチングのバランスを制御することで、下地の基板１と同等の形状を薄膜界面にも反映する事が可能である。

同様に、薄膜２の上に、膜厚が均等になる様に、薄膜３が成膜されている。

表１に実施例１の設計値を示す。基板１は屈折率１．８４の媒質であり、表面にはピッチが１４０ｎｍで、高さが９３ｎｍ（実際は９３．３ｎｍであるが、小数点以下を四捨五入して９３ｎｍとする）の凹凸が形成されている。その基板１の凹凸構造の上に、基板１の凹凸の高さと同じ厚さを有する、屈折率１．６０の薄膜２が成膜されている。ここで、基板１の凹凸の高さとは、基板１の表面の法線方向における凸の山の頂上５と該頂上５に最も近い凹の谷の底４との差である。

この基板１の凹凸構造の上にその厚さ９３ｎｍ（実際は９３．３ｎｍであるが、小数点以下を四捨五入して９３ｎｍとする）分の薄膜２を成膜しており、基板１の凹凸構造の凸の山の頂上５と、薄膜２の上側界面の凹の谷の底６が同じ高さに揃う事になっている。また、薄膜２の上側界面の凹凸の高さは、基板１の凹凸の高さと同じ９３ｎｍとなっている。

同様に、薄膜２の凹凸の上に屈折率１．２５の薄膜３を厚さ９３ｎｍ（実際は９３．３ｎｍであるが、小数点以下を四捨五入して９３ｎｍとする）だけ、成膜している。薄膜２の凸の山の頂上７と薄膜３の上側界面の凹の谷の底８が同じ高さで揃っている。また、図５の模式図に示す様に、最上層である薄膜３の上側界面の凹凸構造（第２の凹凸構造）は、基板１の凹凸の形状に対応して同形状を有し、その高さは、基板１の凹凸の高さと同じ９３ｎｍとなっている。

図１の断面図のように、基板１の凹凸構造の凹の谷の底４から、薄膜３の上側界面の凸の山の頂上９までは厚さの合計が２８０ｎｍ（実際は、２７９．９ｎｍであるが、小数点以下を四捨五入して２８０ｎｍとする）の構造となっている。従来の反射防止構造においては、１４０ｎｍ以下のピッチに対して、少なくとも照射する光の波長の１／２λ程度の高さ（約２８０ｎｍ）の凹凸を必要としており、アスペクト比を２程度必要としていた。したがって、本発明において、基板の凹凸構造の凹の谷の底４から最も空気側の薄膜層の上側界面の凸の山の頂上９までの高さは２８０ｎｍ程度必要である。基板側から厚さ方向に進むに従って、各層は媒質の割合が徐々に変化する混合層と考えられる。照射する波長以下の周期で複数の媒質が配置される場合、それらの媒質の割合に応じた均質な屈折率層として扱える。その屈折率を有効屈折率と呼び、多層膜の干渉と近似して、薄膜計算ソフトでシミュレーションできる。

図２は、この反射防止構造について、基板の厚さ方向に対する有効屈折率を示した屈折率プロファイルである。横軸に厚さをとり、便宜的に、基板１の凹凸構造の凹の谷の底４と同じ厚さの位置を０ｎｍとしてプロットしている。縦軸には有効屈折率を取っている。

基板１の凹凸構造の凹の谷の底４と同じ厚さのところ、すなわち厚さが０ｎｍのところでは、ピッチ方向において基板１の媒質が１００％を占めており有効屈折率は１．８４となる。

基板１の凸の山の頂点５や薄膜２の上側界面の凹の谷の底６と同じ厚さのところ、すなわち厚さが９３ｎｍ（実際は、９３．３ｎｍであるが、小数点以下を四捨五入している）のところでは、ピッチ方向において薄膜２の媒質が１００％を占めているため有効屈折率は１．６０である。

厚さ０ｎｍと９３ｎｍとの間は、ピッチ方向における基板１の媒質の占有率と薄膜２の媒質の占有率が徐々に変化し、基板側から空気側に向かうにつれて基板１の媒質の占有率が低くなると共に薄膜２の媒質の占有率が高くなり、有効屈折率もその変化に応じて、徐々に変化している。

同様に、薄膜２の上側界面の凸の山の頂点７や薄膜３の上側界面の凹の谷の底８と同じ厚さのところ、すなわち厚さが１８７ｎｍ（実際は、１８６．６ｎｍであるが、小数点以下を四捨五入している）のところでは、ピッチ方向において薄膜３の媒質が１００％を占めているため有効屈折率は１．２５である。厚さ９３ｎｍと１８７ｎｍとの間においても、ピッチ方向における薄膜２の媒質の占有率と、薄膜３の媒質の占有率が徐々に変化しており、有効屈折率も徐々に変化している。

また、基板１の凹凸構造の谷の底４に対して薄膜３の上側界面の凸の山の頂点９と同じ厚さのところ、すなわち厚さが２８０ｎｍ（実際は、２７９．９ｎｍであるが、小数点以下を四捨五入している）のところでは、ピッチ方向において空気が１００％を占めているため有効屈折率は１．００である。厚さ１８７ｎｍと２８０ｎｍの間においても、ピッチ方向における空気の占有率が増えるに従って有効屈折率が変化し、最終的には空気の屈折率になる。

構造全体として見ると、基板側から空気側に向けて、基板１の屈折率から徐々に空気の屈折率に有効屈折率が変化している構成のグラフとなっている事がわかる。

この屈折率プロファイルを基に多層膜干渉として、分光反射率のシミュレーションを行った結果が図３のグラフである。入射角度０〜３０°において、可視光の全域で０．５％以下の低反射率を実現している。また、６０°の高入射角においても５５０ｎｍ付近で約３％程度の反射率を実現している。

比較数値例を用いて本実施例と比べながら説明を行う。

図６は比較数値例として用いる反射防止構造の断面図を示したものである。

図７は、この比較数値例の屈折率プロファイルを示したものである。基板の屈折率１．８４から空気の屈折率１．００に向けて徐々に屈折率が変化しており、図２に示す実施例１の屈折率プロファイルと同等な形状をしている。図８は比較数値例の分光反射率のシミュレーションを行った結果のグラフである。分光反射率性能としては、実施例１と同程度のものとなっている。

この比較数値例を実現する構造は図６に示すように、基板に凹凸構造が形成された構造である。基板の媒質の屈折率は１．８４であり、ピッチ１４０ｎｍ、高さ２８０ｎｍの凹凸が形成されている。凹凸の形状はかなり鋭角なものであり、凹凸のアスペクト比（ピッチに対する高さの比）は２と高いものとなっている。このため、製造上の難易度が高い。

型を用いて成型を行う、プラスチックモールドや、ガラスモールドなどでは、レンズ形状の成型を行う際に、同時に微細構造を作成する事が理想と考えられる。比較的成型温度の低いプラスチックモールドにおいては、この形状での成型もある程度は可能であるが、成型条件が厳しく、成型時間の増加によるコストの増大が懸念される。成型条件に関しては、微細構造の転写性を確保する条件と、レンズ形状全体の成型に求められる条件が同時に成り立たない可能性があり、その場合は成型が不可能である。

ましてや、より高い成型温度を必要とするガラスモールドでは、現状では、このサイズでアスペクト比２程度の形状の成型は不可能である。

本実施例１では基板１には図４の様に波長以下の周期で凹凸構造が設けられている。ピッチを１４０ｎｍとしているのは、回折による散乱を起こさないためである。そのため、ピッチは使用波長域の最短波長の半分以下であればよい。凹凸形状のバラツキ等を考慮すると１４０ｎｍ程度にしておく事が望ましい。

実施例１ではこの基板１の凹凸の上に屈折率１．６０と１．２５の２層の薄膜層２，３を成膜している。この屈折率の値は、基板１の屈折率１．８４と、空気の屈折率１．００の間を約３等分することでギャップを埋めるように設定したものである。これらの薄膜層を基板１からだんだん屈折率が低くなる順番で配置している。凹凸の上にこれらの順番で薄膜層２，３を成膜することで効率よく屈折率勾配を形成している。

この薄膜の層数を増やすほど薄膜１層における厚さは減少し、同時に基板表面の凹凸に必要な高さが減少できる。

しかしながら、中間の屈折率を自由に選択できる媒質は存在しないので、基板の凹凸構造上に設けられる薄膜層としては１〜２層程度で構成することが望ましい。

下記条件式（１）は、基板の凹凸構造の山の頂上と該頂上に最も近い基板の凹凸構造の谷の底との差を高さｈ０とし、最上層の薄膜の凹凸構造の山の頂上と該頂上に最も近い最上層の薄膜の凹凸構造の谷の底との差を高さｈ１とすることで、ｈ０とｈ１の比を規定するものである。実施例１ではｈ０、ｈ１ともに９３ｎｍであり、条件式の中辺は１となっている。基板の凹凸構造を薄膜最上層まで受け継ぎ、同形状で設計している。成膜の条件によっては、基板の形状が鈍るような場合がある。その際も下限を超えない様に設定することで、本発明の効果を得る事ができる。逆に、基板のアスペクト比を低く抑えて成型性を向上するために、成膜条件を工夫して、条件式（１）の値が１を超える様にする事も可能である。ただし、その際も、上限の値を超えない様に設定することで、薄膜層の強度が低下するのを防止することが可能である。

１／４≦ｈ１／ｈ０≦２ ・・・（１）
下記条件式（２）は基板の凹凸構造の上に成膜する薄膜層の最大の厚さＤを規定するものである。薄膜層が複数の薄膜から成る場合はその合計の厚さをＤとする。また、薄膜の合計の厚さは、厚さが最大なところとする。つまり、図５で示す基板の凹凸構造の山の頂上と最上層の薄膜の凹凸構造の山の頂上との差Ｄａと、基板の凹凸構造の谷底と最上層の薄膜の凹凸構造の谷底との差Ｄｂのうち最大のものをＤとする。実施例１では、薄膜層２が９３ｎｍ、薄膜層３が９３ｎｍで薄膜層の最大の厚さＤは、１８７ｎｍとなっており、条件式（２）を満たしている。薄膜層が１層の場合は、後述の実施例３の様に、凹凸構造を有する基板の凹の谷の底から薄膜の上側界面の凸の山の頂上までの高さが１／２λの構造を得るために、凹凸構造及び薄膜層それぞれの厚さを１／４λ程度とする事になる。この薄膜層の厚さが下限となるため、薄膜層の数を増やすと薄膜層の厚さは増加する。薄膜層の最大の厚さが条件式の下限を超えて薄くなった場合、十分な反射防止性能が得られなくなる。もしくは、十分な反射防止性能を得るために基板の凹凸構造のアスペクト比を上げなければならず、製造が困難となり好ましくない。屈折率勾配をつけた構造で反射防止構造として必要な厚さは、上述したように１／２λ程度である。また、それの整数倍のλ、３／２λ、２λ・・・が反射防止構造としての厚さとなる。可視光程度の波長範囲においては、２λ程度であれば十分の性能となるためそれ以上の厚さは必要としないため上限値を規定している。

１／５λ≦Ｄ≦２λ ・・・（２）
下記条件式（３）は基板の凹凸の高さを規定するものである。ｍは、薄膜の層数ｍである。実施例１ではｈ０は９３ｎｍであり、これは条件式を満たしている。実施例１の薄膜の層数は２層であるため、基板の凹凸の高さとしては１／２λを３等分した１／６λ相当の高さが必要である。これの約１／２を下限と定めた。つまり、薄膜の層数が２層であるときのｈ０の下限は、１／２λを６等分した１／１２λ相当の高さであるといえる。この下限を超えて凹凸が小さくなると、十分な反射防止性能が得られない。逆に上限に関しては、これより凹凸構造を高くした場合、製造が困難となり好ましくない。よって、薄膜層の効果を得るためには上限を超えない事が望ましい。より好ましくは、下記条件式（３’）にあるように、基板の凹凸の高さの上限を１／３×λ未満とすれば、凹凸構造の製造がさらに容易になり好ましい。

（１／４×λ）／（ｍ＋１）＜ｈ０＜２／５×λ ・・・（３）
（１／４×λ）／（ｍ＋１）＜ｈ０＜１／３×λ ・・・（３’）
実施例１では凹凸形状を錐形状とすることで、基板に対する凹凸形状の形成を容易にしている。特に、ガラスモールドとして成型することが容易な形状としている。これは媒質の占有率が基板側から空気側に向けてだんだん低くなる（媒質の量が基板側から空気側に向けて少なくなる）構造である。錐形状に関しては、図４の四角錐形状以外に円錐形状や、六角錐形状、それらの組み合わせ、またそれ以外の形状でもよい。

下記条件式（４）は基板に形成された凹凸構造のアスペクト比を規定するものである。Ｐは、凹凸構造のピッチである。この下限を超えてアスペクト比が小さくなると、十分な反射防止性能が得られない。逆に上限を超えた場合は、製造が困難となり好ましくない。

０．２５＜ｈ０／Ｐ＜１．２５ ・・・（４）
比較数値例の凹凸のアスペクト比２に対して、実施例１のアスペクト比０．６７は１／３となっているため、基板表面に有する凹凸形状の形成は、レンズ形状の成型と同時に、ガラスモールドによって形成することが可能である。実施例１の反射防止素子は、比較数値例と同等の性能でありながら、成型の容易さが格段に向上している。

実施例１の薄膜層２の媒質はＡｌ２Ｏ３などを主成分として選択することができる。薄膜層３の媒質はＳｉＯ２または、ＭｇＦ２の多孔質などを用いることができる。

以下、図９を参照して、本発明の第２の実施例による、反射防止構造について説明する。

図９は本発明の反射防止構造の断面図を示したものである。実施例１と同様に、基板１１の凹凸構造の上に、薄膜層１２，１３が積層された構造である。

基板１１には成型により波長以下の周期で凹凸構造が設けられている。基板１１の凹凸構造の上に、膜厚が均等になる様に、薄膜１２、薄膜１３がスパッタ成膜などを用いて形成されている。

表１に実施例２の設計値を示す。基板１１は屈折率１．８４の媒質であり、表面にはピッチが１４０ｎｍで、高さが１８７ｎｍの凹凸が形成されている。その基板１１の凹凸構造の上に、この高さと同じ厚さ１８７ｎｍで、屈折率１．６０の薄膜１２と、その上に屈折率１．２５の薄膜１３が成膜されている。

実施例１と同様に、薄膜１３の上側界面の凹凸は、基板１１の凹凸と同形状であり、その高さは、基板１１の凹凸と同じ１８７ｎｍとなっている。

図９の断面図のように、基板１１の凹凸構造の凹の谷の底１４から、薄膜１３の上側界面の凸の山の頂上１９までは厚さの合計が５６０ｎｍの構造となっている。また、実施例２では、薄膜層１２が１８７ｎｍ、薄膜層１３が１８７ｎｍで薄膜層の最大の厚さＤは３７３ｎｍとなっており、条件式（２）を満たしている。

実施例１と同様に、基板１１の凹凸構造の凸の山の頂上１５と、薄膜１２の上側界面の凹の谷の底１６が同じ高さに揃う事になっている。また、薄膜１２の凸の山の頂上１７と薄膜１３の上側界面の凹の谷の底１８が同じ高さで揃っている。

図１０はこの構造について、基板の厚さ方向に対する有効屈折率を示した屈折率プロファイルである。横軸に厚さをとり、便宜的に基板１１の凹凸構造の凹の谷の底１４と同じ厚さの位置を０ｎｍとしてプロットしている。縦軸には有効屈折率を取っている。実施例１と同様に、構造全体としては、基板側から空気側に向けて、基板１１の屈折率１．８４から空気の屈折率１．００まで徐々に有効屈折率が変化している構成のグラフとなっている事がわかる。

この屈折率プロファイルを基に多層膜干渉として、分光反射率のシミュレーションを行った結果が図１１のグラフである。入射角度０〜４５°において、可視光の全域で０．２％以下の低反射率を実現している。また、６０°の高入射角においても約１％程度の超高性能の反射率を実現している。

以下、図１２を参照して、本発明の第３の実施例による、反射防止構造について説明する。

図１２は本発明の反射防止構造の断面図を示したものである。実施例１や実施例２では、基板の凹凸構造上に薄膜が２層設けられた場合の例を示したが、本実施例では薄膜が１層設けられた場合の例を示している。つまり、本実施例の反射防止構造は、基板２１の凹凸構造上に、薄膜層２２が１層のみ成膜された構造である。

実施例１と同様に基板２１には成型により波長以下の周期で凹凸構造が設けられている。基板２１の凹凸構造の上に、膜厚が均等になる様に、薄膜２２がスパッタ成膜などを用いて形成されている。

表１に実施例３の設計値を示す。基板２１は屈折率１．８４の媒質であり、表面にはピッチが１４０ｎｍで、高さが１４０ｎｍの凹凸が形成されている。その基板２１の凹凸構造の上に、この高さと同じ厚さ１４０ｎｍで、屈折率１．３８の薄膜２２が成膜されている。

実施例１と同様に、薄膜２２の上側界面の凹凸は、基板２１の凹凸と同形状であり、その高さは、基板２１の凹凸と同じ１４０ｎｍとなっている。

図１２の断面図のように、基板２１の凹凸構造の凹の谷の底２４から、薄膜２２の上側界面の凸の山の頂上２７までは厚さの合計が２８０ｎｍの構造となっている。また、実施例３では、薄膜層２２が１４０ｎｍで薄膜層の最大の厚さＤは１４０ｎｍとなっており条件式（２）を満たしている。

実施例１と同様に、基板２１の凹凸構造の凸の山の頂上２５と、薄膜２２の上側界面の凹の谷の底２６が同じ高さに揃う事になっている。

図１３はこの構造について、基板の厚さ方向に対する有効屈折率を示した屈折率プロファイルである。横軸に厚さをとり、便宜的に基板２１の凹凸構造の凹の谷の底２４と同じ厚さの位置を０ｎｍとしてプロットしている。縦軸には有効屈折率を取っている。実施例１と同様に、構造全体としては、基板２１の屈折率１．８４から空気の屈折率１．００まで徐々に変化している構成のグラフとなっている事がわかる。

この屈折率プロファイルを基に多層膜干渉として、分光反射率のシミュレーションを行った結果が図１４のグラフである。これは、実施例１とほぼ同等のものである。入射角度０〜３０°において、可視光の全域で０．５％以下の低反射率を実現している。また、６０°の高入射角においても約３％程度の超高性能の反射率を実現している。

以下、図１５を参照して、本発明の第４の実施例による、反射防止構造について説明する。

図１５は本発明の反射防止構造の断面図を示したものである。実施例３と同様に基板３１の凹凸構造上に、薄膜層３２が１層のみ成膜された構造である。

実施例１と同様に基板３１には成型により波長以下の周期で凹凸構造が設けられている。基板３１の凹凸構造の上に、膜厚が均等になる様に、薄膜３２がスパッタ成膜などを用いて形成されている。

表１に実施例４の設計値を示す。基板３１は屈折率１．８４の媒質であり、表面にはピッチが１４０ｎｍで、高さが１８７ｎｍの凹凸が形成されている。その基板３１の凹凸構造の上に、この高さと同じ厚さ、屈折率１．３８の薄膜３２が１８７ｎｍ成膜されている。

実施例１と同様に、薄膜３２の上側界面の凹凸は、基板３１の凹凸と同形状であり、その高さは、基板３１の凹凸と同じ１８７ｎｍとなっている。

図１５の断面図のように、基板３１の凹凸構造の凹の谷の底３４から、薄膜３２の上側界面の凸の山の頂上３７までは厚さの合計が３７４ｎｍの構造となっている。また、実施例４では、薄膜層３２が１８７ｎｍで薄膜層の最大の厚さＤは１８７ｎｍとなっており条件式（２）を満たしている。

実施例１と同様に、基板３１の凹凸構造の凸の山の頂上３５と、薄膜３２の上側界面の凹の谷の底３６が同じ高さに揃う事になっている。

図１６はこの構造について、基板の厚さ方向に対する有効屈折率を示した屈折率プロファイルである。横軸に厚さをとり、便宜的に基板３１の凹凸構造の凹の谷の底３４と同じ厚さの位置を０ｎｍとしてプロットしている。縦軸には有効屈折率を取っている。実施例１と同様に、構造全体としては、基板側から空気側に向かって、基板３１の屈折率１．８４から空気の屈折率１．００まで徐々に有効屈折率が変化している構成のグラフとなっている事がわかる。

この屈折率プロファイルを基に多層膜干渉として、分光反射率のシミュレーションを行った結果が図１７のグラフである。これは、実施例１とほぼ同等のものである。入射角度０〜４５°において、可視光の全域で０．８％以下の低反射率を実現している。また、６０°の高入射角においても約２．５％程度の超高性能の反射率を実現している。

以下、図１８を参照して、本発明の第５の実施例による、反射防止構造について説明する。

図１８は本発明の反射防止構造の断面図を示したものである。実施例３、４同様に基板４１の凹凸構造上に、薄膜層４２が１層のみ成膜された構造である。

他の実施例と同様に基板４１には成型により波長以下の周期で凹凸構造が設けられている。基板４１の凹凸構造の上に、薄膜４２を成膜するが、膜厚が凹凸谷部では厚く、凹凸山部では薄くなるように、スパッタ成膜などを用いて形成されている。

表１に実施例５の設計値を示す。基板４１は屈折率１．８４の媒質であり、表面にはピッチが１４０ｎｍで、高さが１８７ｎｍの凹凸が形成されている。その基板４１の凹凸構造の上に、谷部ではこの高さと同じ厚さで、山部ではそれより薄く９３ｎｍの厚さで、屈折率１．３０の薄膜４２が成膜されている。

実施例５では、実施例１〜４とは違い、薄膜４２の上側界面の凹凸は、基板４１の凹凸とほぼ同形状でありながらも高さが異なる。基板４１では、凹凸の高さは１８７ｎｍであるが、薄膜４２では９３ｎｍと半分の凹凸となっている。

図１８の断面図のように、基板４１の凹凸構造の凹の谷の底４４から、薄膜４２の上側界面の凸の山の頂上４７までは厚さの合計が２８０ｎｍの構造となっている。また、実施例５では、基板４１の凹凸構造の山の頂上４５と薄膜４２の凹凸構造の山の頂上４７との差Ｄａが９３ｎｍで基板４１の凹凸構造の谷底４４と薄膜４２の凹凸構造の谷底４６との差Ｄｂが１８７ｎｍであるため、薄膜層の最大の厚さＤは１８７ｎｍとなっており条件式（２）を満たしている。

実施例１から４と同様に、基板４１の凹凸構造の凸の山の頂上４５と、薄膜４２の上側界面の凹の谷の底４６が同じ高さに揃う事になっている。

図１９はこの構造について、基板の厚さ方向に対する有効屈折率を示した屈折率プロファイルである。横軸に厚さをとり、便宜的に基板４１の凹凸構造の凹の谷の底４４と同じ厚さの位置を０ｎｍとしてプロットしている。縦軸には有効屈折率を取っている。実施例１と同様に、構造全体としては、基板側から空気側に向かって、基板４１の屈折率１．８４から空気の屈折率１．００まで徐々に有効屈折率が変化している構成のグラフとなっている事がわかる。

この屈折率プロファイルを基に、多層膜干渉として、分光反射率のシミュレーションを行った結果が図２０のグラフである。これは、実施例１とほぼ同等のものである。入射角度０〜３０°において、可視光の全域で０．８％以下の低反射率を実現している。また、６０°の高入射角においても約３．５％程度の超高性能の反射防止特性を実現している。

以下、図２１を参照して、本発明の第６の実施例による、反射防止構造について説明する。

図２１は本発明の反射防止構造の断面図を示したものである。実施例５と同様に基板５１の凹凸構造上に、薄膜層５２が１層のみ成膜された構造である。

他の実施例と同様に基板５１には成型により波長以下の周期で凹凸構造が設けられている。基板５１の凹凸構造の上に、薄膜５２を成膜するが、膜厚が凹凸谷部では薄く、凹凸山部では厚くなるように、スパッタ成膜などを用いて形成されている。

表１に実施例６の設計値を示す。基板５１は屈折率１．６０の媒質であり、表面にはピッチが１４０ｎｍで、高さが９３ｎｍの凹凸が形成されている。その基板５１の凹凸構造の上に、谷部ではこの高さと同じ厚さ９３ｎｍで、山部ではそれより厚く１８７ｎｍの厚さで、屈折率１．３８の薄膜５２が成膜されている。

実施例６では、実施例５と同様に、薄膜５２の上側界面の凹凸は、基板５１の凹凸とほぼ同形状でありながらも高さが異なる。基板５１では、凹凸の高さは９３ｎｍであるが、薄膜５２では１８７ｎｍと倍の凹凸となっている。

図２１の断面図のように、基板５１の凹凸構造の凹の谷の底５４から、薄膜５２の上側界面の凸の山の頂上５７までは厚さの合計が２８０ｎｍの構造となっている。また、実施例６では、基板５１の凹凸構造の山の頂上５５と薄膜５２の凹凸構造の山の頂上５７との差Ｄａが１８７ｎｍで基板５１の凹凸構造の谷底５４と薄膜５２の凹凸構造の谷底５６との差Ｄｂが９３ｎｍであるため、薄膜層の最大の厚さＤは１８７ｎｍとなっており条件式（２）を満たしている。

実施例１から５と同様に、基板５１の凹凸構造の凸の山の頂上５５と、薄膜５２の上側界面の凹の谷の底５６が同じ高さに揃う事になっている。

図２２はこの構造について、基板の厚さ方向に対する有効屈折率を示した屈折率プロファイルである。横軸に厚さをとり、便宜的に基板５１の凹凸構造の凹の谷の底５４と同じ厚さの位置を０ｎｍとしてプロットしている。縦軸には有効屈折率を取っている。構造全体としては、基板側から空気側に向かって、基板５１の屈折率１．６０から空気の屈折率１．００まで徐々に有効屈折率が変化している構成のグラフとなっている事がわかる。

この屈折率プロファイルを基に、多層膜干渉として、分光反射率のシミュレーションを行った結果が図２３のグラフである。入射角度０〜４５°において、可視光の全域で０．８％以下の低反射率を実現している。また、６０°の高入射角においても約２．５％程度の超高性能の反射防止特性を実現している。

実施例１〜６においては、凹凸構造として、図４の様に釣り鐘形状が並んだような、凸形状が並んだ形で表しているが、その他にも、図２４、図２５で示すような凹形状と、凸形状が交互に並んだような形でも構わない。図２５は斜方からの模式図であり、それを上方から見た等高線図が図２４である。図２４において６５は凸形状の山の頂点を示している。６４は凹形状の谷の底を示している。その他には、図４を逆さにした形状（不図示）でも良い。いずれの場合も、基板側から空気に向かって、基板媒質の充填率が直線的に減少していくように構成されている。

凹凸構造のピッチに関しては、１４０ｎｍ以下にする事で、回折による散乱を防ぐ事ができ好ましい。しかし、用途によっては製造の容易さを優先し、散乱を許容して、ピッチを１６０ｎｍから２００ｎｍ程度に広げる事も可能である。その際は、分光反射率の計算には有効屈折率による近似ではなく、ＲＣＷＡ法（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）などで計算する必要がある。それによる計算に基づいて、実施例の設計値を最適に修正する事が可能である。

実施例１に関して、ＲＣＷＡ法での計算結果を図２６に示す。ピッチが１４０ｎｍであるため、回折の影響は全くなく、図３の有効屈折率での分光反射率計算とほぼ一致している。実施例１〜６では全て有効屈折率での薄膜計算によるものを用いて設計している。

本発明の反射防止構造を有する基板は、平面に限らず、レンズの球面、非球面、フレネル面、自由曲面などの少なくとも光学面の１面に適応できる。

本発明によれば、波長以下の周期の微細な凹凸を持つ反射防止素子において、凹凸のアスペクト比を低減して製造を容易にしながらも、広帯域で、広い入射角度特性を持つ反射防止素子の構造を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、実施例１，２において、基板の凹凸構造上に設ける薄膜の層数は２層に限定されず、基板の凹凸の高さ、薄膜の膜厚及び基板や薄膜の屈折率などを変えて、３層から５層程度など２層以上にしてもよい。また、実施例３，４においても、基板の凹凸構造上に設ける薄膜の層数は１層に限定されず、基板の凹凸の高さ、薄膜の膜厚及び基板や薄膜の屈折率などを変えて、３層から５層程度など１層以上にしてもよい。

本発明により、カメラなどの結像光学系、双眼鏡、顕微鏡、ファインダーなどの観察光学系、液晶プロジェクターなどの投射光学系等において、レンズや、プリズムなどの全ての光学面に対して、高性能な反射防止構造を提供することが可能である。

１：基板
２：薄膜層１層目
３：薄膜層２層目
４：基板凹構造の谷の底
５：基板凸構造の山の頂点
６：薄膜２の上側界面の凹構造の谷の底
７：薄膜２の上側界面の凸構造の山の頂点
８：薄膜３の上側界面の凹構造の谷の底
９：薄膜３の上側界面の凸構造の山の頂点

Claims (9)

1. 反射防止機能を有する光学素子であって、
   波長λの半分以下のピッチで並んだ山部及び谷部を含む第１の凹凸面を有する基板と、
   前記第１の凹凸面の上に形成される少なくとも１層の薄膜を含み、前記基板の屈折率よりも低い屈折率を有する薄膜層と、を備え、
   前記薄膜層の最も空気側には前記第１の凹凸面に対応する第２の凹凸面が形成されており、
   前記第１の凹凸面の谷部同士を結ぶ面の法線方向において、前記第１の凹凸面の山部と該山部に最も近い谷部との高低差をｈ０、前記第２の凹凸面の山部と該山部に最も近い谷部との高低差をｈ１、前記薄膜層の最大の厚さをＤ、とし、前記波長λ＝５５０ｎｍ、とするとき、
   １／４≦ｈ１／ｈ０≦２
   １／５λ≦Ｄ≦２λ
   なる条件を満たしており、
   前記第１の凹凸面と、該第１の凹凸面の山部同士を結ぶ面と、の間には、前記薄膜層の最も前記基板側の薄膜のみが存在していることを特徴とする光学素子。
2. 前記薄膜層の最も前記基板側の薄膜の空気側には前記第１の凹凸面に対応する第３の凹凸面が形成されており（ただし、前記薄膜層が１層から成る場合は、前記第２の凹凸面と前記第３の凹凸面とは同一である）、前記法線方向において、前記第１の凹凸面の山部の高さと前記第３の凹凸面の谷部の高さとが揃っていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１の凹凸面の高さと前記薄膜層に含まれる薄膜の厚さとが同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
4. 前記薄膜層は複数の薄膜を含み、該複数の薄膜のそれぞれは前記基板側から空気側に向かって屈折率が低くなる順に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記薄膜層の層数をｍとするとき、
   （１／４×λ）／（ｍ＋１）＜ｈ０＜２／５×λ
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
6. 前記第１の凹凸面と、該第１の凹凸面の山部同士を結ぶ面と、の間における前記基板の媒質の占有率は、前記基板側から空気側に向かって低くなっていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学素子。
7. 前記第１の凹凸面における前記山部及び谷部のピッチをＰとするとき、
   ０．２５＜ｈ０／Ｐ＜１．２５
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学素子。
8. 前記薄膜層のうち少なくとも１層はＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３のいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光学素子。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の光学素子を有することを特徴とする光学装置。