WO2016035650A1

WO2016035650A1 - 光学部材およびその製造方法

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Publication number: WO2016035650A1
Application number: PCT/JP2015/074103
Authority: WO
Inventors: 縄田晃史; 田中覚
Original assignee: Ｓｃｉｖａｘ株式会社
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2016-03-10
Also published as: JPWO2016035650A1; EP3130946A4; EP3130946A1; US20170248738A1

Abstract

　ラインアンドスペース状の反射抑制構造において、ライン方向を回転軸とした光源の入射角が変わるときでも、反射を十分に抑えることができる光学部材を提供する。光学部材としての機能を有する基部と、前記基部の表面に形成され断面が凸形状の凹凸を複数連続したラインアンドスペース状の反射抑制構造と、を有する光学部材であって、前記凸形状の底辺の中点の位置を原点、底辺をｙ軸、底辺に対する高さ方向をｘ軸、凸形状の底辺の幅をＰ、凸形状の高さをＨ、ｒ＝0.1、前記凸形状上の任意の位置を（ｘ，ｙ）とすると、前記凸形状は下記式（１）を満たす。

Description

光学部材およびその製造方法

　本発明は、表面における光の反射を抑えた光学部材およびその製造方法に関するものである。

　光を透過させるレンズやディスプレイ等の透過型の光学部材では、空気と接触する界面で太陽や照明などの光が反射し視認性を低下させることがある。そこで、従来では、光の反射を抑えるために、光学部材としての機能を有する基部の表面にピラー状又はホール状のモスアイ構造を設けるものがあった（例えば、特許文献１参照）。
　また、図２に示すように、光学部材としての機能を有する基部１の表面に断面の凸形状91が三角形のラインアンドスペース状の反射抑制構造９を設けるものもあった（例えば、特許文献２）。

特開２０１４－５１６０１特許第３３６８２２５号

　しかしながら、特許文献１に記載のようなモスアイ構造は、その加工が難しく、また強度も低いという問題があった。一方、特許文献２に記載のようなラインアンドスペース状の反射抑制構造９は、加工がし易く、強度も比較的高い。しかしながら、ライン方向に直角な方向を回転軸として光源の入射角が変わるときは、多少角度が変化しても反射を抑えることができるが、ライン方向を回転軸として光源の入射角が変わるときには、入射角が大きくなると反射性能が落ちるという問題があった。

　そこで本発明では、ラインアンドスペース状の反射抑制構造において、ライン方向を回転軸とした光源の入射角が変わるときでも、反射を十分に抑えることができる光学部材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、本発明の光学部材は、光学部材としての機能を有する基部と、前記基部の表面に形成され断面が凸形状の凹凸を複数連続したラインアンドスペース状の反射抑制構造と、を有するものであって、前記凸形状の底辺の中点の位置を原点、底辺をｙ軸、底辺に対する高さ方向をｘ軸、凸形状の底辺の幅をＰ、凸形状の高さをＨ、ｒ＝0.1、前記凸形状上の任意の位置を（ｘ，ｙ）とすると、前記凸形状は下記式（１）

・・・式（１）
を満たすものであることを特徴とする。

　この場合、前記基部と前記反射抑制構造との間に、屈折率が前記基部の屈折率よりも低く前記反射抑制構造の材料の屈折率よりも高い材料からなる１以上の緩衝層が形成されている方が好ましい。

　また、本発明の光学部材製造方法は、光学部材としての機能を有する基部と、前記基部の表面に形成され断面が凸形状の凹凸を複数連続したラインアンドスペース状の反射抑制構造と、を有するものであって、前記凸形状の底辺の中点の位置を原点、底辺をｙ軸、底辺に対する高さ方向をｘ軸、凸形状の幅をＰ、凸形状の高さをＨ、ｒ＝0.1、前記凸形状上の任意の位置を（ｘ，ｙ）とすると、前記凸形状を下記式（１）

・・・式（１）
を満たすように調節することを特徴とする。

　この場合、前記基部と前記反射抑制構造との間に、屈折率が前記基部の屈折率よりも低く前記反射抑制構造の材料の屈折率よりも高い材料からなる１以上の緩衝層を形成することを特徴とする。

　本発明の光学部材は、ラインアンドスペース状のモスアイ構造において、ライン方向を回転軸とした光源の入射角が変わるときでも、反射を十分に抑えることができる。

本発明の光学部材を示す斜視図である。従来の光学部材を示す斜視図である。式（Ａ）を説明する図である。式（Ｂ）を説明する図である。式（１）を満たす凸形状を説明する図である。式（１）を満たす凸形状を説明する図である。実施例１の凸形状を説明する断面図である。比較例１および比較例２の凸形状を説明する断面図である。実施例１の光学特性を示す図である。比較例１の光学特性を示す図である。比較例２の光学特性を示す図である。実施例１の光学特性を示す図である。比較例１の光学特性を示す図である。比較例２の光学特性を示す図である。本発明の緩衝層を有する光学部材を示す断面図である。本発明の凸形状の測定方法を示す概略説明図である。

　本発明の光学部材は、図１に示すように、光学部材としての機能を有する基部１と、基部１の表面に形成され断面が所定の凸形状21である凹凸を複数連続したラインアンドスペース状の反射抑制構造２と、を有するものである。

　ここで光学部材とは、光を透過させる表面を有するものを言い、例えば、レンズ、プリズム、フィルタ、ミラー、ディスプレイ等が該当する。

　基部１とは、光学部材としての所定の機能を有するものである。形状は特に限定されず、ディスプレイのような板状や、レンズのような曲面状等、光学部材の機能や用途に合わせて自由に設計される。材料としても、光学部材の機能や用途に合わせて自由に選択されるが、例えば、４００ｎｍ～７８０ｎｍの可視光領域で光学的に透明な材料は、さまざまな光学用途に用いることができるため好ましい。紫外光領域において用いる場合には、紫外線の透過率が高い石英ガラスやサファイアガラスを含む材料を用いることが好ましい。

　反射抑制構造２とは、光の反射を抑えることができる微細な凹凸構造のことである。光は屈折率の変化が大きい部分で反射し易い。一方、反射抑制構造２の凹凸を可視光領域の波長より小さい周期で形成すれば、光は、凹凸の高さ方向の任意の位置における媒質の屈折率と反射抑制構造２に用いられる材料の屈折率を平均した平均屈折率がその位置における屈折率であるかのように振る舞うことが知られている。したがって、反射抑制構造２の凹凸を、平均屈折率が緩やかに変化するように形成すれば、急激な屈折率変化を無くすことができ、入射した光の反射を抑制することができる。

　なお、媒質とは、光が伝播する場となる物質・物体を意味し、光学部材の表面（反射抑制構造２の表面）と接する空気等の気体や、水等の液体等を意味するが、真空であっても良い。

　凹凸構造としては、ピラー状又はホール状のモスアイ構造があるが、本願では、加工がし易く、強度も比較的高いラインアンドスペース状の反射抑制構造２が用いられる。ここで、本発明者等が鋭意研究した結果、ライン方向に垂直な断面が凸形状21である凹凸を複数連続したラインアンドスペース状の反射抑制構造２は、凸形状21の底辺の位置を０、底辺から反射抑制構造２側への最短距離をｔ、反射抑制構造２の材料の屈折率をｎ_S、底辺から距離ｔの位置における反射抑制構造２の平均屈折率をｎ_ｔ、底辺からの高さをＨ、反射抑制構造２の表面と接する媒質の屈折率をｎ_Mとすると、屈折率ｎ_ｔが下記式（Ａ）に近い程、広範な角度からの光の反射を抑える効果が高いことがわかった。

　　　　　　　　　　　　　　　・・式（Ａ）
これを図示すると図３（ａ）のようになる。なお、比較のため、断面が三角形のラインアンドスペース状である従来の反射抑制構造２の平均屈折率についても図３（ｂ）に図示する。

　式（Ａ）を満たす凸形状21は、凸形状21の底辺の中点の位置を原点、底辺をｙ軸、底辺に対する高さ方向をｘ軸、凸形状21の幅（ラインアンドスペースのピッチ）をＰ、凸形状21の高さをＨ、前記凸形状21上の任意の位置を（ｘ，ｙ）とすると、

・・・式（Ｂ）
で表すことができる（０≦ｘ≦Ｈ）。これを図示すると図４のようになる。

　また、凸形状21の頂点側の形状は、多少潰れていても十分に効果が高いことがわかった。そこで、当該誤差を表す係数をｒ（０≦ｒ＜１）とし、凸形状21の頂点の位置（ｘ＝Ｈの位置）におけるｙの最大誤差範囲を、

で表すと、凸形状21は下記式（１）

・・・式（１）
を満たす形状とすれば良い（０≦ｘ≦Ｈ）。これを図示すると図５又は図６のようになる。

　なお、式（１）において、ｒ＝0.1（１０％）であれば十分に反射を抑制することができるが、好ましくはｒ＝0.05（５％）、更に好ましくはｒ＝0.03（３％）である方が良い。

　このような反射抑制構造２の作製方法は、従来から知られている任意の方法を用いればよく、ナノインプリントや射出成型、フォトリソグラフィー等の技術を用いれば良い。

　次に、式（１）を満たす凸形状21を断面に有するラインアンドスペース状の反射抑制構造２を有する光学部材（実施例１）と、式（１）を満たさない凸形状91を断面に有するラインアンドスペース状の反射抑制構造２を有する光学部材（比較例１及び比較例２）の光学特性をシミュレーションして比較した。

　シミュレーションでは、実施例１、比較例１および比較例２のいずれの光学部材も、基部１及び反射抑制構造２に用いられる材料の屈折率が1.52であるとした。また、光学部材の表面にある媒質は屈折率が1.00の空気とした。また、実施例１は、図７の（ａ）に示すように、当該光学部材の反射抑制構造２の凸形状21を、上辺の幅が20nm、底辺の幅が200nm、高さが300nmで、側辺が下記式（２）、（３）を満たす曲線である形とした。

　　　　　　　　　　　　　　　・・式（２）

　　　　　　　　　　　　　　　・・式（３）
※式（２）および（３）は、凸形状21の底辺の中点の位置を原点、底辺をｙ軸、底辺に対する高さ方向をｘ軸、底辺の長さをＰ＝200（nm）、凸形状21の高さをＨ＝300（nm）、ｒ＝0.1、凸形状21上の側辺上の位置を（ｘ，ｙ）としたもの。

　また、比較例１は、図８の（ｂ）に示すように、当該光学部材の反射抑制構造の凸形状91を、底辺の幅が200nm、高さが333nmの三角形とした。
　また、比較例２は、図８の（ｃ）に示すように、当該光学部材の反射抑制構造の凸形状91を、上辺の幅が20nm、底辺の幅が200nm、高さが300nmの台形とした。

図９、図１２は、式（１）を満たす光学部材（実施例１）、図１０、図１３は式（１）を満たさない光学部材（比較例１）、図１１、図１４は式（１）を満たさない光学部材（比較例２）の光学特性をシミュレーションした結果である。光学特性としては、光の波長と入射光に対する反射光の強度の割合（反射光／入射光）との関係について計算した。図９～図１１は、光学部材に形成された反射抑制構造のライン方向（図１の矢印Ａの方向）を回転軸として光源から入射角０°、１５°、３０°、４５°で光を照射し、入射角０°の方向における反射光の強度と波長との関係を計算したものである。また、図１２～図１４は、光学部材に形成された反射抑制構造２のライン方向に直角な方向（図１の矢印Ｂの方向）を回転軸として光源から入射角０°、１５°、３０°、４５°で光を照射し、入射角０°の方向における反射光の強度と波長との関係を計算したものである。波長は、可視光域である４００ｎｍ～７００ｎｍの範囲について計算した。なお、シミュレーションには、シノプシス社（synopsys, Inc）製のソフトDiffractMODを用いた。

　図９～図１４の結果から、実施例１の光学部材の方が、光の入射角が変わっても十分に光の反射を抑えていることがわかる。また、反射抑制構造２のライン方向を回転軸として光の入射角が変わっても十分に光の反射を抑えていることがわかる。

　なお、反射抑制構造２は、屈折率の変化が緩やかである程、表面における光の反射を抑えることができる。したがって、反射抑制構造２に用いられる材料の屈折率が同じであれば、凸形状21の高さＨが大きいほど、光の反射を抑えることができる。しかしながら、反射抑制構造２のみで当該高さ大きくするのは、加工上の制約があり難しい。そこで、本発明の光学部材では、図１５に示すように、基部１と反射抑制構造２との間に、屈折率が基部１の屈折率よりも低く反射抑制構造２の材料の屈折率よりも高い材料からなる１以上の緩衝層３を更に形成しても良い。なお、２以上の緩衝層３を形成する場合には、基部１側の緩衝層３の屈折率を反射抑制構造２側の緩衝層３の屈折率よりも高くなるように配列する。このように構成することにより、反射抑制構造２に屈折率の低い材料を用いることができ、屈折率変化を更に小さくすることができる。なお、緩衝層３や反射抑制構造２の材料は、自由に選択できるが、例えば、シロキサン系材料によって屈折率を調節したものを用いることができる。

　基部１上に緩衝層３を形成する方法は、基部１と緩衝層３を均一に密着できるものであればどのような方法を用いても良く、例えば、屈折率を調整した熱硬化性材料をスピンコートし、加熱することで形成することができる。

　なお、本明細書中では、ｘ軸やｙ軸、凸形状の底辺の幅Ｐ、凸形状の高さＨ等を説明しているが、実際の構造においては、微視的には凸形状に歪み等があり一様ではない。基本的には、凸形状の意義を十分に考慮して、ｘ軸やｙ軸、凸形状の底辺の幅Ｐ、凸形状の高さＨ等を定義するが、疑義が生じた場合には、次のように測定して定義すれば良い（図１６参照）。なお、その際にも、凸形状の意義を十分に考慮して行うこととする。
（１）ラインアンドスペースの線方向と直交する平面で反射抑制構造を切った断面写真を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影する。
（２）ラインアンドスペースの凹凸構造が並ぶおおよその方向を考慮した上で、断面写真から凹凸構造の境界上の点を測定し、それを最小二乗法で計算して近似直線Ａを導く。
（３）近似直線Ａを基準として、断面写真の凹凸構造の境界の高さを測定し、近似直線Ａ上の１０ｎｍ間隔で当該高さの平均を取り、直線補間でスムージングを行う。これにより、特異な欠陥や歪みを取り除いた基準凹凸線Ｂが作成される。
（４）凸形状のいずれか一方の側壁を挟む基準凹凸線Ｂ上の凸部と凹部に対し、近似直線Ａと平行な直線であって、近似直線Ａを基準とした基準凹凸線Ｂの高さの最小値を通る直線Ｃと、高さの最大値を通る直線Ｄを決定する。この直線Ｃと直線Ｄの間隔を凹凸構造の高さＨとする。また、直線Ｃをｙ軸とする。
（５）近似直線Ａと平行な直線であって直線Ｃと直線Ｄの真ん中を通る直線Ｅを決定する。そして、（４）で上述した側壁と直線Ｅの交点を中心として１周期分の幅を凸形状の底辺の幅Ｐとする。
（６）直線Ｅと（４）で説明した凸部との交点をＦ，Ｇとすると、当該交点ＦとＧの真ん中を通り直線Ｅに直交する線をｘ軸とする。

　１　基材
　２　反射抑制構造
　３　緩衝層
　21　凸形状
　91　凸形状

Claims

　光学部材としての機能を有する基部と、前記基部の表面に形成され断面が凸形状の凹凸を複数連続したラインアンドスペース状の反射抑制構造と、を有する光学部材であって、
　前記凸形状の底辺の中点の位置を原点、底辺をｙ軸、底辺に対する高さ方向をｘ軸、凸形状の底辺の幅をＰ、凸形状の高さをＨ、ｒ＝0.1、前記凸形状上の任意の位置を（ｘ，ｙ）とすると、前記凸形状は下記式（１）

・・・式（１）
を満たすものであることを特徴とする光学部材。
　前記基部と前記反射抑制構造との間に、屈折率が前記基部の屈折率よりも低く前記反射抑制構造の材料の屈折率よりも高い材料からなる１以上の緩衝層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学部材。
　光学部材としての機能を有する基部と、前記基部の表面に形成され断面が凸形状の凹凸を複数連続したラインアンドスペース状の反射抑制構造と、を有する光学部材製造方法であって、
　前記凸形状の底辺の中点の位置を原点、底辺をｙ軸、底辺に対する高さ方向をｘ軸、凸形状の底辺の幅をＰ、凸形状の高さをＨ、ｒ＝0.1、前記凸形状上の任意の位置を（ｘ，ｙ）とすると、前記凸形状を下記式（１）

・・・式（１）
を満たすように調節することを特徴とする光学部材製造方法。
　前記基部と前記反射抑制構造との間に、屈折率が前記基部の屈折率よりも低く前記反射抑制構造の材料の屈折率よりも高い材料からなる１以上の緩衝層を形成することを特徴とする請求項３記載の光学部材。