光学素子及びそれを有する光学系
【課題】 微細凹凸形状の格子の高さを高くせずに、成形などの製造で高性能の反射防止構造が容易に得られる構造より成る光学素子を得ること。
【解決手段】 透明基板と該透明基板の入射媒質の界面に凸形状又は凹形状の複数の格子を配列した、反射防止機能を有する反射防止構造が形成された光学素子に於いて、該複数の格子は平均間隔が、使用波長のうち任意の波長以下で配列されており、該反射防止構造は、格子の配列面内における格子の充填率が異なる少なくとも２層が積層されて構成されており、該積層された充填率の異なる複数の層の中で任意の２つの層１、層２における格子の充填率をＦＦ１、ＦＦ２とするとき
０．３６≦ＦＦ１−ＦＦ２≦０．５６
なる条件を満足すること。
【解決手段】 透明基板と該透明基板の入射媒質の界面に凸形状又は凹形状の複数の格子を配列した、反射防止機能を有する反射防止構造が形成された光学素子に於いて、該複数の格子は平均間隔が、使用波長のうち任意の波長以下で配列されており、該反射防止構造は、格子の配列面内における格子の充填率が異なる少なくとも２層が積層されて構成されており、該積層された充填率の異なる複数の層の中で任意の２つの層１、層２における格子の充填率をＦＦ１、ＦＦ２とするとき
０．３６≦ＦＦ１−ＦＦ２≦０．５６
なる条件を満足すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子及びそれを有する光学系に関し、例えば、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ＴＶカメラ、観察系等の光学機器の光学系に用いられる光学素子として好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガラス、プラスチックなどの透光性媒質を用いた光学素子において、表面反射による光を減少させるために、透明基板の光入出射面に反射防止膜を設けている。例えば、可視光に対する反射防止膜としては、薄膜の誘電体膜を複数層重ねた多層膜のものが知られている。この多層膜は、透明基板の表面に真空蒸着等により、金属酸化物等の薄膜を成膜して形成されている。また、光学素子に用いる反射防止構造として、透明基板の表面に可視光の波長以下のピッチの微細凹凸形状の複数の格子を有する領域（微細凹凸構造）を形成することで反射防止効果を得る構成が知られている。（非特許文献１参照）。使用波長より十分小さな周期構造（周期間隔）を有する微細凹凸形状の格子を用いた場合、格子により回折は生じず、微細凹凸形状の格子は、特定の屈折率を有する薄膜のような光学作用をする。
【０００３】
例えば、基板の媒質の屈折率ｎ２=１．５８と入射媒質である空気（ｎ１＝１）の界面に、円柱形状の格子が媒質と空気の体積比率５０％で形成されたとする。この場合、この微細凹凸形状の格子は、媒質と空気の中間の屈折率ｎｅ＝１．２９の薄膜のように振る舞う。そして格子の高さをｄとするときｎｅ×ｄが波長の１／４となるように設定すれば、この格子形状は反射防止膜として機能する。このような、微細凹凸形状の格子を表面に持つ光学素子の製法として、成形用の金型の表面に微細凹凸構造を形成し、その型でプラスチック樹脂などを成形するものが知られている（特許文献２参照）。この製法では、光学素子の成形と同時に反射防止構造を形成することが可能となるため、通常の薄膜の反射防止膜と異なり、反射防止処理を施す追加の工程がなくなり製作が容易となる。また、上記成形用の金型に微細凹凸構造を形成する製法としては、以下のものが挙げられる。
【０００４】
１つめは、金型の表面に微細凹凸のレジストパターンを形成した後、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを施し、レジストパターンを除去して、微細凹凸形状を作製する方法である（特許文献１参照）。或いは、陽極酸化ポーラスアルミナとエッチングを繰り返すことで、擬似円錐形状を型に形成する方法なども知られている（特許文献３参照）。その他に、前述したような周期構造の格子ではなく、ランダムな形状の格子を有する反射防止構造として、ナノ微粒子を型に吹き付けることで微細凹凸構造を形成する製法も提案されている（特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２７２５０５号公報（図１）
【特許文献２】特開昭６２−９６９０２号公報（第２頁）
【特許文献３】特開２００５−１５６６９５号公報
【特許文献４】特開２００２−２８６９０６号公報
【非特許文献１】：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Vｏｌ．２５，Ｎｏ．２４，ｐｐ４５６２−４５６７，（１９８６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
微細凹凸構造は高性能な反射防止効果が比較的容易に得られる。しかしながら、より高性能な反射防止特性を得ようとすると、格子の形状が金型で成形するのが困難な形状となってくる。例えば格子の形状として錐形状を例に説明する。微細凹凸形状の格子の周期Ｐについては、可視光での応用を考えると、透過反射において特定の入射角まで微細凹凸構造による回折光が発生しないようにする必要があり、具体的には２００ｎｍ以下より細かいことが望ましい。
【０００７】
一方、微細凹凸形状の格子の高さは、等価とみなされる屈折率がより滑らかに変化するほうが高性能となるため、波長の１／５以上で高いほど望ましい。従来の多層薄膜による反射防止膜と同等以上の特性を得るためには、格子の高さは３００ｎｍ以上が望ましい。このように微細凹凸構造の形状は、格子の周期Ｐはより細かく、格子の高さｄはより高いほうが、高性能な反射防止特性を得るためには望ましい。しかしながら、この形状は、錐形状が尖っている形状であることを意味している。これは、金型による成形において、転写性と離型性が困難となる。微細凹凸構造を用いて、より高性能な反射防止特性を得ようとすると、格子の形状が成形困難な形状となってしまい、理想的な微細凹凸形状の格子を得ることが難しい。
【０００８】
本発明は、微細凹凸形状の格子の高さを高くせずに、成形などの製造で高性能の反射防止構造が容易に得られる構造より成る光学素子の提供を目的とする。さらに、このような光学素子を用いることで、不要な回折光やフレア光の発生が少ない良好な光学性能を有する光学系の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光学素子は、透明基板と該透明基板の入射媒質の界面に凸形状又は凹形状の複数の格子を配列した、反射防止機能を有する反射防止構造が形成された光学素子に於いて、該複数の格子は平均間隔が、使用波長域内の任意の波長以下で配列されており、該反射防止構造は、格子の配列面内における格子の充填率が互いに異なる２層が積層された構成を含み、該２層における格子の充填率を各々ＦＦ１、ＦＦ２とするとき
０．３６≦ＦＦ１−ＦＦ２≦０．５６
なる条件を満足することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、微細凹凸形状の格子の高さを高くせずに、成形などの製造で高性能の反射防止構造が容易に得られる構造より成る光学素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における反射防止構造を有する光学素子の拡大斜視図
【図２】図１の反射防止構造の拡大断面図
【図３】実施例１における微細凹凸構造の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図４】実施例１における微細凹凸構造の他の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図５】実施例１における微細凹凸構造の他の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図６】実施例１における微細凹凸構造の他の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図７】実施例１における微細凹凸構造の他の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図８】本発明の微細凹凸構造を構成する２つの異なる充填率を有する層の関係図
【図９】実施例２における樹脂材料を用いた時の微細凹凸構造の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図１０】実施例３における高屈折率材料を用いた時の微細凹凸構造の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図１１】実施例４における反射防止構造を有する光学素子の拡大斜視図
【図１２】図１１の反射防止構造の拡大断面図
【図１３】実施例５の微細凹凸構造がランダムに配列された素子の上面図
【図１４】本発明の微細凹凸構造の他の形状を示す断面図
【図１５】実施例７における３層構造の時の微細凹凸構造の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図１６】本発明の光学素子を搭載した撮影光学系
【図１７】本発明の光学素子を搭載した観察光学系
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の光学素子は、透明基板の入射媒質（光入射側）の界面に凸形状又は凹形状の複数の格子を配列した、反射防止機能を有する反射防止構造が形成されている。複数の格子は平均間隔が、使用波長域内の（例えば可視光の波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）任意の波長以下で配列されている。反射防止構造は、格子の配列面内における格子の充填率が異なる第１の層、第２の層が積層された構成を含む。ただし積層する層の数は２層に限られず、３層以上あってもよい。光学素子の反射防止構造は、複数の格子の格子構造が反転した形状が形成された金型を用いて成形転写することで形成されている。
【００１３】
図１は本発明の微細凹凸構造の凸部又は凹部の複数の格子より成る反射防止構造を有する光学素子の実施例１の要部斜視図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１の光学素子の構成の説明図である。このうち図２（ａ）は、図１のｘｚ断面の説明図、図２（ｂ）は、図１のｙｚ断面の説明図、図２（ｃ）は、図１のｘｙ断面の説明図を表わしている。光学素子１は、第１の微細凹凸形状の複数の格子５ａより成る層（第１の層）５と、第２の微細凹凸形状の複数の格子より成る層（第２の層）６からなる微細凹凸領域（反射防止構造体）（反射防止構造）３が基板（透明基板）４の上に形成されている。反射防止構造３は入射媒質２と接している。媒質２は、空気である。この光学素子１は、レンズや平行平板などの透過基板（基板）４の表面に反射防止性能（反射防止構造）３を付加した構成より成っている。
【００１４】
微細凹凸形状の格子５ａ、６ａの平均間隔（周期Ｐｘ、Ｐｙ）は、使用波長の任意の波長以下で配列している。ここで使用波長とは例えば可視光の波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍの範囲内の波長である。格子５ａ、６ａの周期Ｐｘ、Ｐｙは入射光が、透過及び反射する際に、不要な回折光が発生しないように決定されている。第１の微細凹凸形状の層（第１の層）５は、微細な四角柱の格子（微細部）（微細凹凸形状）５ａが２次元（図中ｘｙ方向）に直交配列された構成となっている。第１の層５は、第１の媒質７と第２の媒質８から構成され、四角柱の格子５ａを構成する材質を第１の媒質７としている。図１の構成では、第２の媒質８は空気となっている。
【００１５】
図２に示すように四角柱の格子５ａは、ｘ方向に幅ａｘ、ｙ方向に幅ａｙからなり、第１の層５の格子５ａの高さは、ｄ１である。ここで、第１の層５の体積に対して、第１の媒質７からなる四角柱の格子５ａの全体の体積が占める割合を、第１の層５における充填率ＦＦ１と定義する。同様に、第２の微細凹凸形状の層（第２の層）６は、第３の媒質９と第４の媒質１０から構成され、四角柱の格子６ａを構成する材質を第３の媒質９としている。図１の構成では、第４の媒質１０は空気となっている。四角柱の格子６ａは、ｘ方向に幅ｂｘ、ｙ方向に幅ｂｙからなり、第２の層６の格子６ａの高さは、ｄ２である。ここで、第２の層６の体積に対して、第３の媒質９からなる四角柱の格子６ａの全体の体積が占める割合を、第２の層６における充填率ＦＦ２と定義する。第２の層６を構成する四角柱の格子６ａの周期と配列は、第１の層５を構成する四角柱の格子５ａの周期と配列と同じにしている。
【００１６】
このように構成すると、第2の層６を構成する四角柱の格子６ａを、第１の層５を構成する四角柱の格子５ａの界面にだけ形成することが可能となる。１つの媒質の表面にだけ、微細構造を形成するのは、比較的容易に製造できる。尚、格子５ａ、６ａの形状は四角柱の他、多角柱、円柱でも良い。そして、本実施例の反射防止構造３は、層１としての第１の層５の充填率ＦＦ１と、層２としての第２の層６の充填率ＦＦ２の差ＦＦ１−ＦＦ２を特定の範囲に設定することを特徴としている。後で詳細に説明するが、充填率の差ＦＦ１−ＦＦ２を
０．３６≦ＦＦ１−ＦＦ２≦０．５６ ‥‥‥（１）
の範囲に設定するのがよい。さらに、高性能にするためには、充填率の差ＦＦ１−ＦＦ２を
０．４０≦ＦＦ１−ＦＦ２≦０．４８ ‥‥‥（１ａ）
の範囲に設定するのがよい。これによれば、第１の層５と第２の層６の境界面で発生する反射光を有効に利用でき、微細凹凸領域（反射防止構造）３の高さが比較的低い構成で、高性能な反射防止性能を得ることができる。以上が、光学素子の基本的な形態である。この他、本発明の光学素子はプラスチック樹脂や紫外線硬化樹脂からなり、充填率の異なる複数の層があるときは、入射媒質から、透明基板４に向かって、充填率が徐々に高くなっている。そして微細凹凸構造は平面上又は曲面上に形成されている。
【００１７】
［実施例１］
本発明の実施例１の具体的な構成を説明する。前述したように、図１が本発明の光学素子の基本構成である。実施例１の光学素子はガラス基板（透明基板）（基板）４の上に反射防止構造３を形成している。実施例１では、基板４と、第１の媒質７と第３の媒質９を同一の媒質で構成している。また、入射媒質２と、第３の媒質８、第４の媒質１０を同一の媒質で構成している。さらに、入射媒質２を空気としている。このような構成にすると、金型を用いた成形により、簡易に反射防止構造３を製造できる。
【００１８】
図３（Ａ）に、実施例１の構成パラメータを示す。基板４として、株式会社ＯＨＡＲＡ製のガラスモールド用光学ガラスであるＬ−ＢＡＬ４２（屈折率ｎｄ＝１．５８３１３、アッベ数νｄ＝５９．４）を用いた。表中、第１層が第１の微細凹凸形状の第１の層５を、第２層が第２の微細凹凸形状の第２の層６を表わしている。微細凹凸形状の格子の周期は、第１層、第２層で等しく、且つｘ方向、ｙ方向でも等しい直交配列となっている。そして、その周期Ｐｘ、Ｐｙは、不要な回折光が発生しないように１４０ｎｍとした。
【００１９】
また、第１層５の格子５ａにおいては、ｘ方向の幅ａｘが１１９ｎｍ、ｙ方向の幅ａｙが１１９ｎｍとなる正方形の四角柱とした。この形状における前述した充填率ＦＦ１は、
ＦＦ１＝ａｘ＊ａｙ／（Ｐｘ＊Ｐｙ）
＝１１９＊１１９／（１４０＊１４０）
＝０．７２
となる。そして、第１の層５の格子５ａの高さｄ１は、８７ｎｍとした。第２層６の格子６ａは、ｘ方向の幅ｂｘが７１ｎｍ、ｙ方向の幅ｂｙが７１ｎｍとなる正方形の四角柱とした。この場合の充填率ＦＦ２は、同様にして求めると、ＦＦ２＝０．２６となる。そして、第２の層６の格子６ａの高さｄ２は、１１０ｎｍである。
【００２０】
２つの充填率の差は、
ＦＦ１−ＦＦ２＝０．７２−０．２６＝０．４６
となり、本発明の構成を満たしている。また、微細凹凸領域３の高さは
ｄ１＋ｄ２＝８７＋１１０＝１９７ｎｍ
と２００ｎｍ未満の薄い高さとなっている。この構成の、可視光の波長域４００ｎｍから７００ｎｍの反射率を図３（Ｂ）に示す。この特性は、微細凹凸領域３が形成されている面に入射媒質側から垂直に入射した際の特性である。可視域全域で０．０５％以下の高性能な反射防止性能が得られていることがわかる。
【００２１】
従来の錐形状の反射防止構造は、微細凹凸部の高さが２００ｎｍ程度で、反射防止効果はあるが、高性能な反射防止特性は得られていなかった。従って、本実施例の構成のように、充填率の異なる層を最適に積層した構造は、微細凹凸領域３を高くせずに、高性能な反射防止特性を得る構成である。そして、微細凹凸領域３の高さが低いほど、製造は容易になる。特に、金型を用いた成形により微細凹凸形状の格子を作成する場合には、転写性と離型性の観点から望ましい。また、成形による製法では、型からの離型を容易にするため、前述の充填率の異なる層は、入射媒質から基板側に向かって、徐々に充填率が高い層が積層されていることが好ましい。
【００２２】
本実施例において金型は陽極酸化と孔径拡大処理を繰り返すことで、金型の表面に微細凹凸構造を付与している。ここで、図３（Ｂ）の反射防止性能の算出には、以下の手法を利用できる。ひとつは、ＲＣＷＡ（厳密結合波解析）などのベクトル解析によって、微細構造における波動光学的な観点から反射・透過率を厳密に算出する手法である。もうひとつは、微細凹凸領域を、均質な屈折率層に近似して計算する手法である。この方法は、有効屈折率法と呼ばれ、微細凹凸構造の周期が、使用波長より十分小さい領域では有効な手法である。
【００２３】
上記、実施例を有効屈折率法で計算すると、可視域の中止波長λ０＝５５０ｎｍで、第１の層５の第１の媒質７は有効屈折率ｎ１ｅ＝１．３９８、第２の層６の第３の媒質９は有効屈折率ｎ２ｅ＝１．１３５となった。また光学膜厚は、それぞれ、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．３９８＊８７＝１２１．６ｎｍ
である。また、
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．１３５＊１１０＝１２４．９ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層５の光学膜厚は０．８８倍、第２層６の光学膜厚は０．９１倍の値となっている。
【００２４】
次に、上記実施例と同じ材料で、第１の層５の充填率ＦＦ１を０．５とした場合の、形状パラメータを図４（Ａ）に、その時の反射率特性を図４（Ｂ）に示す。上述した実施例１に比べて、反射防止特性は悪化しているが、可視域全域（波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍ）で０．５％以下の良好な特性は得られている。この例での充填率の差は、ＦＦ１−ＦＦ２＝０．４０である。また、光学膜厚は、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．２６７＊９８＝１２４．２ｎｍ
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．０５１＊１１６＝１２１．９ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層５の光学樹脂は０．９０倍、第２層６の光学膜厚は０．８８倍の値となっている。
【００２５】
次に、前述の実施例と同じ材料で、第１の層５の充填率ＦＦ１を０．９とした場合の、形状パラメータを図５（Ａ）に、その時の反射率特性を図５（Ｂ）に示す。この場合も、可視域全域で０．５％以下の良好な特性は得られている。この例での充填率の差は、ＦＦ１−ＦＦ２＝０．４７である。また、光学膜厚は、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．５１５＊８３＝１２５．７ｎｍ
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．２１９＊１０２＝１２４．３ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層５の光学膜厚は０．９１倍、第２層６の光学膜厚は０．９０倍の値となっている。
【００２６】
次に、前述の実施例と同じ材料で、第１の層５の充填率ＦＦ１を０．７２と、図３の構成と同じ充填率にし、本実施例の特徴である充填率の差が満足すべき範囲を調べた。反射率の特性が可視域全域で０．５％以下となる特性を良好な範囲とし、充填率の差が最小となる場合と、最大となる場合を求めた。
【００２７】
図６（Ａ）は、充填率の差が最小となる構成で、このときの充填率の差は、ＦＦ１−ＦＦ２＝０．３６であった。また、反射率の特性は図６（Ｂ）に示すように、可視域全域で０．５％以下の特性となっている。この例での光学膜厚は、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．３９８＊７９＝１１０．４ｎｍ
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．１８８＊９３＝１１０．５ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層５の光学膜厚は０．８０倍、第２層６の光学膜厚は０．８０倍の値となっている。この例は、微細凹凸領域３の高さが１７２ｎｍとかなり薄い構成である。
【００２８】
図７（Ａ）は、充填率の差が最大となる構成で、このときの充填率の差は、ＦＦ１−ＦＦ２＝０．５６であった。また、反射率の特性は図７（Ｂ）に示すように、可視域全域で０．５％以下の特性となっている。この例での光学膜厚は、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．３９８＊８９＝１２４．４ｎｍ
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．０８２＊１１６＝１２５．５ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層５の光学膜厚は０．９０倍、第２層６の光学膜厚は０．９１倍の値となっている。
【００２９】
続いて、図８に、上述したように反射率の特性が可視域全域で０．５％以下となる場合の、充填率差の範囲をプロットした。横軸を第１の層５の充填率にとった時のグラフとしている。図中の実線は、前述の図３、図４、図５で示したように、各充填率で最良の反射防止性能が得られるときの充填率差の関係を表わしている。また、グラフ中の丸線と角線で囲まれた領域が、良好な反射防止性能を実現する範囲である。
【００３０】
以上説明した特性から、充填率ＦＦ１と、充填率ＦＦ２の差ＦＦ１−ＦＦ２が第１の層５の充填率を大きく変化させた場合でも、相関が高いことがわかる。そこで、第１の層５の充填率ＦＦ１と、第２の層６の充填率ＦＦ２の差ＦＦ１−ＦＦ２を特定の範囲に設定するのが、高性能な反射防止特性をえる上で重要であることがわかる。具体的には、差ＦＦ１−ＦＦ２を条件式（１）の如く設定すればよい。さらに、より高性能にするためには、差ＦＦ１−ＦＦ２を条件式（１ａ）の如く設定すればよい。
【００３１】
また、光学膜厚に関しては、第１の層５、第２の層６ともに、使用中心波長の１／４の厚みに対し、０．８倍以上０．９１倍以下の範囲となっている。前述した反射防止性能は、光学素子に垂直に入射する時の光学膜厚である。例えば、入射角が３５度の場合、光学膜厚は、ｃｏｓ３５°＝０．８２だけ薄くなる。そのため、実際の膜厚は１／ｃｏｓ３５°＝１．２２だけ厚くする必要がある。従って、本実施例の反射防止構造を斜入射の光束に対して使用することも考慮すると、見かけの屈折率ｎ１ｅ、ｎ２ｅと微細凹凸（格子５、６）の厚みｄ１、ｄ２の積は、使用波長の中心波長をλ０とするとき以下の範囲に設定するのが好ましい。
【００３２】
０．８＊λ０／４≦ｎ１ｅ＊ｄ１≦１．１＊λ０／４
０．８＊λ０／４≦ｎ２ｅ＊ｄ２≦１．１＊λ０／４
［実施例２］
実施例２の光学素子は、図１の構成で、材質を樹脂にした場合である。この例でも、基板４と、第１の媒質７、第３の媒質９を同一の媒質で構成している。図９（Ａ）に、実施例２の構成パラメータを示す。基板４として、プラスチック樹脂（ｎｄ＝１．５３０４、νｄ＝５６．０）を用いた。この構成の、可視波長域４００ｎｍから７００ｎｍの反射率を図９（Ｂ）に示す。この場合も、実施例１と同じく可視域全域で０．０５％以下の高性能な反射防止性能が得られている。この実施例での充填率の差ＦＦ１−ＦＦ２は、０．４６であり、条件式（１）を満足している。
【００３３】
［実施例３］
実施例３の光学素子は、図１の構成で、材質を高屈折率ガラスにした場合である。この例でも、基板４と、第1の媒質７、第３の媒質９を同一の媒質で構成している。図１０（Ａ）に、実施例３の構成パラメータを示す。基板４として、株式会社ＯＨＡＲＡ製のガラスモールド用光学ガラスであるＬ−ＬＡＨ５３（ｎｄ＝１．８０６１０、νｄ＝４０．９）を用いた。この構成の、可視波長域４００ｎｍから７００ｎｍの反射率を図１０（Ｂ）に示す。この場合は、実施例１に比べて、反射防止特性は若干悪くなっているが、可視域全域で０．１％以下の高性能な反射防止性能が得られていることがわかる。この実施例での充填率の差ＦＦ１−ＦＦ２は、０．４６であり、条件式（１）を満足している。
【００３４】
［実施例４］
上記実施例１〜３の反射防止構造３は、いずれも四角柱の微細凹凸構造の格子が２層積層された構造であった。本発明の光学素子は、２つの微細凹凸構造からなる２つの層の充填率の差を特定の範囲に設定することを特徴としており、微細凹凸形状の格子の形に依存しない。例えば、図１１、図１２に示すような円柱状の微細凹凸構造の格子でも良い。この場合も、円柱状の格子５ａ、６ａの充填率を、条件式（１）を満足する構成となるように設定すればよい。また、格子が２次元周期構造で配列されている場合、微細凹凸形状の格子の配列も、図１１、図１２に示したｘｙ方向に周期を持つ配列のほかに、三角配列などの配列としても差しつかえない。また、周期も図１１、図１２に示したようにｘｙ方向で同じにする必要は無く、光学素子として用いた場合には、光学素子への入射角の変化に応じて、場所毎や、ｘｙ方向で別々に周期を設定しても良い。
【００３５】
［実施例５］
図１３は本発明の光学素子の実施例５の要部平面図である。微細凹凸形状より成る格子は、図１３示すようにランダムに配列しても良い。ランダム配列の場合、各々の微細凹凸形状の格子に対し、隣接する数個の格子の間隔を測定し、その平均間隔が、使用波長以下の構造を有していればよい。また、充填率も使用光束を鑑みて、十分ランダムと見なせる領域内で充填率を求めればよい。図１３は、円柱形状の格子をランダムに配列した構造である。また、作成した光学素子については、分光エリプソメトリ法などで、十分に均一であると見なせる評価領域の有効屈折率や層厚を解析すればよい。
【００３６】
次に、一例として、このような円柱形状の格子をランダムに形成した金型に製作する手法について説明する。金型の表面にアルミを成膜した後、陽極酸化処理を行うと、微細な細孔が形成される。陽極酸化時の化成電圧を変えることで平均間隔を調整できる。また、陽極酸化の時間で細孔の深さを制御できる。その後、エッチングなどを行い、孔径を拡大する処理を行えば、所望の形状の孔径が得られる。この処理を２回行えば、孔径が異なる２層の円柱孔が形成される。
【００３７】
次に、この金型を使って光学素子を形成する手法としては、一般的に知られているＵＶ硬化樹脂を用いた２Ｐ成形、ホットプレス成形、樹脂のインジェクション成形などがある。これらの形成手法を行えば、微細凹凸構造からなる反射防止構造を表面にもった光学素子を容易に製造することができる。特に樹脂の成形では、レンズなどの光学素子の表面に反射防止構造を形成した構成では、レンズ形状の成形と一体で反射防止構造を形成できるので製作が容易となる。また、ＵＶ硬化樹脂を用いた成形の場合、ガラス基板の上にＵＶ硬化樹脂を塗布し、その樹脂表面に反射防止構造を形成することができる。この場合は、基板と微細凹凸形状の層との間にＵＶ硬化樹脂の層が残存するが、図１などの構成の基板４を残存した樹脂層と考えれば、高性能な反射防止構造を実現することができる。
【００３８】
［実施例６］
前述の実施例は、構成を明確にするため、異なる充填率からなる微細凹凸形状を有する２層構造について説明してきた。実際の微細凹凸形状の格子は、成形などで製作した場合、図１４に示すように各層の境界面で微細凹凸形状のエッジが鈍った形状になる場合がある。このような形状でも、高性能な反射防止性能は実現することは可能である。図１４に示すように第１の層５と第２の層６の境界面に形成された、形状が鈍った領域１１は、微細凹凸形状の格子の変化に伴い、充填率が変化している極薄層の集まりと見なすことが出来る。鈍った領域が広い場合には、微細凹凸形状の格子が錐形状に近づいていくので好ましくない。そのため、鈍った領域は、第１の層５や第２の層６の高さの１／５以下あるいは、使用波長の１／２０以下の高さであるのが望ましい。
【００３９】
［実施例７］
上記実施例の反射防止構造は、充填率の異なる２つの層を積層した構造となっていた。しかしながら、本発明の光学素子は、２層に限定するものではなく、３層以上の層構造を有する場合でも有効である。図１５（Ａ）に３層構造より成る反射防止構造の場合の形状パラメータを示す。材料は実施例１と同じ株式会社ＯＨＡＲＡ製のＬ−ＢＡＬ４２とした。図１５（Ｂ）に、その時の反射率特性を示す。この場合も、可視域全域で０．１％以下の良好な特性は得られている。この例での充填率の差は、ＦＦ１−ＦＦ２＝０．４５、ＦＦ２−ＦＦ３＝０．２０である。
【００４０】
第１の層と第２の層が条件式（１）を満足していることがわかる。いずれかの層で条件式（１）の構成を満たしていれば、良好な反射防止性能を得ることができる。また、光学膜厚は、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．４５５＊８３＝１２０．８ｎｍ
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．１８８＊７８＝９２．７ｎｍ
ｎ３ｅ＊ｄ２＝１．０８２＊６５＝７０．３ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層の光学膜厚は０．８８倍、第２層の光学膜厚は０．６７倍、第３層の光学膜厚は０．５１倍の値となっている。
【００４１】
［実施例８］
図１６は、本発明の実施例８の光学素子を用いた撮影光学系（光学系）のレンズ断面図である。図中、１２は撮影レンズで、内部に絞り１４と前述の光学素子１を持つ。図では、最終レンズの第１レンズ面に反射防止構造が形成されている。１３は結像面であるフィルムまたはＣＣＤである。光学素子１は、図では、レンズ機能の素子であり、レンズ面の反射を抑制し、フレア光の発生を低減させている。本実施例において反射防止構造を有する光学素子を最終レンズに設けているが、これに限定するものではなく、他のレンズでも良く、又複数使用しても良い。また、本実施例では、カメラの撮影レンズの場合を示したが、これに限定するものではない。ビデオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナーや、デジタル複写機のリーダーレンズ、走査光学系、プロジェクター、レーザ光学系など広い波長域で使用される光学系に本発明の光学素子を使用しても、同様の反射防止効果が得られる。
【００４２】
［実施例９］
図１７は、本発明の実施例９の光学素子を用いた双眼鏡等の観察光学系のレンズ断面である。図１７中、１５は対物レンズ、１６は像を成立させるためのプリズム、１７は接眼レンズ、１８は評価面（瞳面）である。１は前述の本発明の光学素子である。図１７では接眼レンズ１７の１つのレンズを、本発明の反射防止構造を有する光学素子１としたが、これに限定するものではなく、他のレンズでも良く、又本発明の光学素子を複数使用しても良い。
【００４３】
また図１７の観察光学系では接眼レンズ１７に本発明の光学素子１を使用した場合を示したが、これに限定するものではなく、プリズム１６の表面や対物レンズ１５内の位置にも設けることができ、この場合も同様の効果が得られる。また本実施例は双眼鏡の場合を示したが、これに限定するものではない。本発明の光学素子は地上望遠鏡や天体観測用望遠鏡等の観察光学系にも適用して同様の効果が得られる。この他レンズシャッターカメラやビデオカメラなどの光学式のファインダー（光学系）にも適用して同様の効果が得られる。
【００４４】
以上のように各実施例によれば、微細凹凸構造の格子の高さをあまり高くしないで高性能な反射防止性能を得ることができる。従って、本発明の手段を用いれば、成形などの製造上の難易度を上げることなく、高性能の反射防止構造を有する光学素子が実現できる。さらに、光学系に各実施例の光学素子を用いれば、不要な回折光やフレア光の発生の少ない良好な光学性能を有する光学系が得られる。
【符号の説明】
【００４５】
１ 光学素子、２ 入射媒質、３ 微細凹凸領域、４ 射出媒質である基板、５第１の充填率を有する微細凹凸形状の層、６ 第２の充填率を有する微細凹凸形状の層、７ 第１の媒質、８ 第２の媒質、９ 第３の媒質、１０ 第４の媒質
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子及びそれを有する光学系に関し、例えば、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ＴＶカメラ、観察系等の光学機器の光学系に用いられる光学素子として好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガラス、プラスチックなどの透光性媒質を用いた光学素子において、表面反射による光を減少させるために、透明基板の光入出射面に反射防止膜を設けている。例えば、可視光に対する反射防止膜としては、薄膜の誘電体膜を複数層重ねた多層膜のものが知られている。この多層膜は、透明基板の表面に真空蒸着等により、金属酸化物等の薄膜を成膜して形成されている。また、光学素子に用いる反射防止構造として、透明基板の表面に可視光の波長以下のピッチの微細凹凸形状の複数の格子を有する領域（微細凹凸構造）を形成することで反射防止効果を得る構成が知られている。（非特許文献１参照）。使用波長より十分小さな周期構造（周期間隔）を有する微細凹凸形状の格子を用いた場合、格子により回折は生じず、微細凹凸形状の格子は、特定の屈折率を有する薄膜のような光学作用をする。
【０００３】
例えば、基板の媒質の屈折率ｎ２=１．５８と入射媒質である空気（ｎ１＝１）の界面に、円柱形状の格子が媒質と空気の体積比率５０％で形成されたとする。この場合、この微細凹凸形状の格子は、媒質と空気の中間の屈折率ｎｅ＝１．２９の薄膜のように振る舞う。そして格子の高さをｄとするときｎｅ×ｄが波長の１／４となるように設定すれば、この格子形状は反射防止膜として機能する。このような、微細凹凸形状の格子を表面に持つ光学素子の製法として、成形用の金型の表面に微細凹凸構造を形成し、その型でプラスチック樹脂などを成形するものが知られている（特許文献２参照）。この製法では、光学素子の成形と同時に反射防止構造を形成することが可能となるため、通常の薄膜の反射防止膜と異なり、反射防止処理を施す追加の工程がなくなり製作が容易となる。また、上記成形用の金型に微細凹凸構造を形成する製法としては、以下のものが挙げられる。
【０００４】
１つめは、金型の表面に微細凹凸のレジストパターンを形成した後、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを施し、レジストパターンを除去して、微細凹凸形状を作製する方法である（特許文献１参照）。或いは、陽極酸化ポーラスアルミナとエッチングを繰り返すことで、擬似円錐形状を型に形成する方法なども知られている（特許文献３参照）。その他に、前述したような周期構造の格子ではなく、ランダムな形状の格子を有する反射防止構造として、ナノ微粒子を型に吹き付けることで微細凹凸構造を形成する製法も提案されている（特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２７２５０５号公報（図１）
【特許文献２】特開昭６２−９６９０２号公報（第２頁）
【特許文献３】特開２００５−１５６６９５号公報
【特許文献４】特開２００２−２８６９０６号公報
【非特許文献１】：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Vｏｌ．２５，Ｎｏ．２４，ｐｐ４５６２−４５６７，（１９８６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
微細凹凸構造は高性能な反射防止効果が比較的容易に得られる。しかしながら、より高性能な反射防止特性を得ようとすると、格子の形状が金型で成形するのが困難な形状となってくる。例えば格子の形状として錐形状を例に説明する。微細凹凸形状の格子の周期Ｐについては、可視光での応用を考えると、透過反射において特定の入射角まで微細凹凸構造による回折光が発生しないようにする必要があり、具体的には２００ｎｍ以下より細かいことが望ましい。
【０００７】
一方、微細凹凸形状の格子の高さは、等価とみなされる屈折率がより滑らかに変化するほうが高性能となるため、波長の１／５以上で高いほど望ましい。従来の多層薄膜による反射防止膜と同等以上の特性を得るためには、格子の高さは３００ｎｍ以上が望ましい。このように微細凹凸構造の形状は、格子の周期Ｐはより細かく、格子の高さｄはより高いほうが、高性能な反射防止特性を得るためには望ましい。しかしながら、この形状は、錐形状が尖っている形状であることを意味している。これは、金型による成形において、転写性と離型性が困難となる。微細凹凸構造を用いて、より高性能な反射防止特性を得ようとすると、格子の形状が成形困難な形状となってしまい、理想的な微細凹凸形状の格子を得ることが難しい。
【０００８】
本発明は、微細凹凸形状の格子の高さを高くせずに、成形などの製造で高性能の反射防止構造が容易に得られる構造より成る光学素子の提供を目的とする。さらに、このような光学素子を用いることで、不要な回折光やフレア光の発生が少ない良好な光学性能を有する光学系の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光学素子は、透明基板と該透明基板の入射媒質の界面に凸形状又は凹形状の複数の格子を配列した、反射防止機能を有する反射防止構造が形成された光学素子に於いて、該複数の格子は平均間隔が、使用波長域内の任意の波長以下で配列されており、該反射防止構造は、格子の配列面内における格子の充填率が互いに異なる２層が積層された構成を含み、該２層における格子の充填率を各々ＦＦ１、ＦＦ２とするとき
０．３６≦ＦＦ１−ＦＦ２≦０．５６
なる条件を満足することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、微細凹凸形状の格子の高さを高くせずに、成形などの製造で高性能の反射防止構造が容易に得られる構造より成る光学素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における反射防止構造を有する光学素子の拡大斜視図
【図２】図１の反射防止構造の拡大断面図
【図３】実施例１における微細凹凸構造の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図４】実施例１における微細凹凸構造の他の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図５】実施例１における微細凹凸構造の他の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図６】実施例１における微細凹凸構造の他の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図７】実施例１における微細凹凸構造の他の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図８】本発明の微細凹凸構造を構成する２つの異なる充填率を有する層の関係図
【図９】実施例２における樹脂材料を用いた時の微細凹凸構造の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図１０】実施例３における高屈折率材料を用いた時の微細凹凸構造の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図１１】実施例４における反射防止構造を有する光学素子の拡大斜視図
【図１２】図１１の反射防止構造の拡大断面図
【図１３】実施例５の微細凹凸構造がランダムに配列された素子の上面図
【図１４】本発明の微細凹凸構造の他の形状を示す断面図
【図１５】実施例７における３層構造の時の微細凹凸構造の形状パラメータと微細凹凸構造での反射率
【図１６】本発明の光学素子を搭載した撮影光学系
【図１７】本発明の光学素子を搭載した観察光学系
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の光学素子は、透明基板の入射媒質（光入射側）の界面に凸形状又は凹形状の複数の格子を配列した、反射防止機能を有する反射防止構造が形成されている。複数の格子は平均間隔が、使用波長域内の（例えば可視光の波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）任意の波長以下で配列されている。反射防止構造は、格子の配列面内における格子の充填率が異なる第１の層、第２の層が積層された構成を含む。ただし積層する層の数は２層に限られず、３層以上あってもよい。光学素子の反射防止構造は、複数の格子の格子構造が反転した形状が形成された金型を用いて成形転写することで形成されている。
【００１３】
図１は本発明の微細凹凸構造の凸部又は凹部の複数の格子より成る反射防止構造を有する光学素子の実施例１の要部斜視図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１の光学素子の構成の説明図である。このうち図２（ａ）は、図１のｘｚ断面の説明図、図２（ｂ）は、図１のｙｚ断面の説明図、図２（ｃ）は、図１のｘｙ断面の説明図を表わしている。光学素子１は、第１の微細凹凸形状の複数の格子５ａより成る層（第１の層）５と、第２の微細凹凸形状の複数の格子より成る層（第２の層）６からなる微細凹凸領域（反射防止構造体）（反射防止構造）３が基板（透明基板）４の上に形成されている。反射防止構造３は入射媒質２と接している。媒質２は、空気である。この光学素子１は、レンズや平行平板などの透過基板（基板）４の表面に反射防止性能（反射防止構造）３を付加した構成より成っている。
【００１４】
微細凹凸形状の格子５ａ、６ａの平均間隔（周期Ｐｘ、Ｐｙ）は、使用波長の任意の波長以下で配列している。ここで使用波長とは例えば可視光の波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍの範囲内の波長である。格子５ａ、６ａの周期Ｐｘ、Ｐｙは入射光が、透過及び反射する際に、不要な回折光が発生しないように決定されている。第１の微細凹凸形状の層（第１の層）５は、微細な四角柱の格子（微細部）（微細凹凸形状）５ａが２次元（図中ｘｙ方向）に直交配列された構成となっている。第１の層５は、第１の媒質７と第２の媒質８から構成され、四角柱の格子５ａを構成する材質を第１の媒質７としている。図１の構成では、第２の媒質８は空気となっている。
【００１５】
図２に示すように四角柱の格子５ａは、ｘ方向に幅ａｘ、ｙ方向に幅ａｙからなり、第１の層５の格子５ａの高さは、ｄ１である。ここで、第１の層５の体積に対して、第１の媒質７からなる四角柱の格子５ａの全体の体積が占める割合を、第１の層５における充填率ＦＦ１と定義する。同様に、第２の微細凹凸形状の層（第２の層）６は、第３の媒質９と第４の媒質１０から構成され、四角柱の格子６ａを構成する材質を第３の媒質９としている。図１の構成では、第４の媒質１０は空気となっている。四角柱の格子６ａは、ｘ方向に幅ｂｘ、ｙ方向に幅ｂｙからなり、第２の層６の格子６ａの高さは、ｄ２である。ここで、第２の層６の体積に対して、第３の媒質９からなる四角柱の格子６ａの全体の体積が占める割合を、第２の層６における充填率ＦＦ２と定義する。第２の層６を構成する四角柱の格子６ａの周期と配列は、第１の層５を構成する四角柱の格子５ａの周期と配列と同じにしている。
【００１６】
このように構成すると、第2の層６を構成する四角柱の格子６ａを、第１の層５を構成する四角柱の格子５ａの界面にだけ形成することが可能となる。１つの媒質の表面にだけ、微細構造を形成するのは、比較的容易に製造できる。尚、格子５ａ、６ａの形状は四角柱の他、多角柱、円柱でも良い。そして、本実施例の反射防止構造３は、層１としての第１の層５の充填率ＦＦ１と、層２としての第２の層６の充填率ＦＦ２の差ＦＦ１−ＦＦ２を特定の範囲に設定することを特徴としている。後で詳細に説明するが、充填率の差ＦＦ１−ＦＦ２を
０．３６≦ＦＦ１−ＦＦ２≦０．５６ ‥‥‥（１）
の範囲に設定するのがよい。さらに、高性能にするためには、充填率の差ＦＦ１−ＦＦ２を
０．４０≦ＦＦ１−ＦＦ２≦０．４８ ‥‥‥（１ａ）
の範囲に設定するのがよい。これによれば、第１の層５と第２の層６の境界面で発生する反射光を有効に利用でき、微細凹凸領域（反射防止構造）３の高さが比較的低い構成で、高性能な反射防止性能を得ることができる。以上が、光学素子の基本的な形態である。この他、本発明の光学素子はプラスチック樹脂や紫外線硬化樹脂からなり、充填率の異なる複数の層があるときは、入射媒質から、透明基板４に向かって、充填率が徐々に高くなっている。そして微細凹凸構造は平面上又は曲面上に形成されている。
【００１７】
［実施例１］
本発明の実施例１の具体的な構成を説明する。前述したように、図１が本発明の光学素子の基本構成である。実施例１の光学素子はガラス基板（透明基板）（基板）４の上に反射防止構造３を形成している。実施例１では、基板４と、第１の媒質７と第３の媒質９を同一の媒質で構成している。また、入射媒質２と、第３の媒質８、第４の媒質１０を同一の媒質で構成している。さらに、入射媒質２を空気としている。このような構成にすると、金型を用いた成形により、簡易に反射防止構造３を製造できる。
【００１８】
図３（Ａ）に、実施例１の構成パラメータを示す。基板４として、株式会社ＯＨＡＲＡ製のガラスモールド用光学ガラスであるＬ−ＢＡＬ４２（屈折率ｎｄ＝１．５８３１３、アッベ数νｄ＝５９．４）を用いた。表中、第１層が第１の微細凹凸形状の第１の層５を、第２層が第２の微細凹凸形状の第２の層６を表わしている。微細凹凸形状の格子の周期は、第１層、第２層で等しく、且つｘ方向、ｙ方向でも等しい直交配列となっている。そして、その周期Ｐｘ、Ｐｙは、不要な回折光が発生しないように１４０ｎｍとした。
【００１９】
また、第１層５の格子５ａにおいては、ｘ方向の幅ａｘが１１９ｎｍ、ｙ方向の幅ａｙが１１９ｎｍとなる正方形の四角柱とした。この形状における前述した充填率ＦＦ１は、
ＦＦ１＝ａｘ＊ａｙ／（Ｐｘ＊Ｐｙ）
＝１１９＊１１９／（１４０＊１４０）
＝０．７２
となる。そして、第１の層５の格子５ａの高さｄ１は、８７ｎｍとした。第２層６の格子６ａは、ｘ方向の幅ｂｘが７１ｎｍ、ｙ方向の幅ｂｙが７１ｎｍとなる正方形の四角柱とした。この場合の充填率ＦＦ２は、同様にして求めると、ＦＦ２＝０．２６となる。そして、第２の層６の格子６ａの高さｄ２は、１１０ｎｍである。
【００２０】
２つの充填率の差は、
ＦＦ１−ＦＦ２＝０．７２−０．２６＝０．４６
となり、本発明の構成を満たしている。また、微細凹凸領域３の高さは
ｄ１＋ｄ２＝８７＋１１０＝１９７ｎｍ
と２００ｎｍ未満の薄い高さとなっている。この構成の、可視光の波長域４００ｎｍから７００ｎｍの反射率を図３（Ｂ）に示す。この特性は、微細凹凸領域３が形成されている面に入射媒質側から垂直に入射した際の特性である。可視域全域で０．０５％以下の高性能な反射防止性能が得られていることがわかる。
【００２１】
従来の錐形状の反射防止構造は、微細凹凸部の高さが２００ｎｍ程度で、反射防止効果はあるが、高性能な反射防止特性は得られていなかった。従って、本実施例の構成のように、充填率の異なる層を最適に積層した構造は、微細凹凸領域３を高くせずに、高性能な反射防止特性を得る構成である。そして、微細凹凸領域３の高さが低いほど、製造は容易になる。特に、金型を用いた成形により微細凹凸形状の格子を作成する場合には、転写性と離型性の観点から望ましい。また、成形による製法では、型からの離型を容易にするため、前述の充填率の異なる層は、入射媒質から基板側に向かって、徐々に充填率が高い層が積層されていることが好ましい。
【００２２】
本実施例において金型は陽極酸化と孔径拡大処理を繰り返すことで、金型の表面に微細凹凸構造を付与している。ここで、図３（Ｂ）の反射防止性能の算出には、以下の手法を利用できる。ひとつは、ＲＣＷＡ（厳密結合波解析）などのベクトル解析によって、微細構造における波動光学的な観点から反射・透過率を厳密に算出する手法である。もうひとつは、微細凹凸領域を、均質な屈折率層に近似して計算する手法である。この方法は、有効屈折率法と呼ばれ、微細凹凸構造の周期が、使用波長より十分小さい領域では有効な手法である。
【００２３】
上記、実施例を有効屈折率法で計算すると、可視域の中止波長λ０＝５５０ｎｍで、第１の層５の第１の媒質７は有効屈折率ｎ１ｅ＝１．３９８、第２の層６の第３の媒質９は有効屈折率ｎ２ｅ＝１．１３５となった。また光学膜厚は、それぞれ、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．３９８＊８７＝１２１．６ｎｍ
である。また、
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．１３５＊１１０＝１２４．９ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層５の光学膜厚は０．８８倍、第２層６の光学膜厚は０．９１倍の値となっている。
【００２４】
次に、上記実施例と同じ材料で、第１の層５の充填率ＦＦ１を０．５とした場合の、形状パラメータを図４（Ａ）に、その時の反射率特性を図４（Ｂ）に示す。上述した実施例１に比べて、反射防止特性は悪化しているが、可視域全域（波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍ）で０．５％以下の良好な特性は得られている。この例での充填率の差は、ＦＦ１−ＦＦ２＝０．４０である。また、光学膜厚は、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．２６７＊９８＝１２４．２ｎｍ
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．０５１＊１１６＝１２１．９ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層５の光学樹脂は０．９０倍、第２層６の光学膜厚は０．８８倍の値となっている。
【００２５】
次に、前述の実施例と同じ材料で、第１の層５の充填率ＦＦ１を０．９とした場合の、形状パラメータを図５（Ａ）に、その時の反射率特性を図５（Ｂ）に示す。この場合も、可視域全域で０．５％以下の良好な特性は得られている。この例での充填率の差は、ＦＦ１−ＦＦ２＝０．４７である。また、光学膜厚は、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．５１５＊８３＝１２５．７ｎｍ
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．２１９＊１０２＝１２４．３ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層５の光学膜厚は０．９１倍、第２層６の光学膜厚は０．９０倍の値となっている。
【００２６】
次に、前述の実施例と同じ材料で、第１の層５の充填率ＦＦ１を０．７２と、図３の構成と同じ充填率にし、本実施例の特徴である充填率の差が満足すべき範囲を調べた。反射率の特性が可視域全域で０．５％以下となる特性を良好な範囲とし、充填率の差が最小となる場合と、最大となる場合を求めた。
【００２７】
図６（Ａ）は、充填率の差が最小となる構成で、このときの充填率の差は、ＦＦ１−ＦＦ２＝０．３６であった。また、反射率の特性は図６（Ｂ）に示すように、可視域全域で０．５％以下の特性となっている。この例での光学膜厚は、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．３９８＊７９＝１１０．４ｎｍ
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．１８８＊９３＝１１０．５ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層５の光学膜厚は０．８０倍、第２層６の光学膜厚は０．８０倍の値となっている。この例は、微細凹凸領域３の高さが１７２ｎｍとかなり薄い構成である。
【００２８】
図７（Ａ）は、充填率の差が最大となる構成で、このときの充填率の差は、ＦＦ１−ＦＦ２＝０．５６であった。また、反射率の特性は図７（Ｂ）に示すように、可視域全域で０．５％以下の特性となっている。この例での光学膜厚は、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．３９８＊８９＝１２４．４ｎｍ
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．０８２＊１１６＝１２５．５ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層５の光学膜厚は０．９０倍、第２層６の光学膜厚は０．９１倍の値となっている。
【００２９】
続いて、図８に、上述したように反射率の特性が可視域全域で０．５％以下となる場合の、充填率差の範囲をプロットした。横軸を第１の層５の充填率にとった時のグラフとしている。図中の実線は、前述の図３、図４、図５で示したように、各充填率で最良の反射防止性能が得られるときの充填率差の関係を表わしている。また、グラフ中の丸線と角線で囲まれた領域が、良好な反射防止性能を実現する範囲である。
【００３０】
以上説明した特性から、充填率ＦＦ１と、充填率ＦＦ２の差ＦＦ１−ＦＦ２が第１の層５の充填率を大きく変化させた場合でも、相関が高いことがわかる。そこで、第１の層５の充填率ＦＦ１と、第２の層６の充填率ＦＦ２の差ＦＦ１−ＦＦ２を特定の範囲に設定するのが、高性能な反射防止特性をえる上で重要であることがわかる。具体的には、差ＦＦ１−ＦＦ２を条件式（１）の如く設定すればよい。さらに、より高性能にするためには、差ＦＦ１−ＦＦ２を条件式（１ａ）の如く設定すればよい。
【００３１】
また、光学膜厚に関しては、第１の層５、第２の層６ともに、使用中心波長の１／４の厚みに対し、０．８倍以上０．９１倍以下の範囲となっている。前述した反射防止性能は、光学素子に垂直に入射する時の光学膜厚である。例えば、入射角が３５度の場合、光学膜厚は、ｃｏｓ３５°＝０．８２だけ薄くなる。そのため、実際の膜厚は１／ｃｏｓ３５°＝１．２２だけ厚くする必要がある。従って、本実施例の反射防止構造を斜入射の光束に対して使用することも考慮すると、見かけの屈折率ｎ１ｅ、ｎ２ｅと微細凹凸（格子５、６）の厚みｄ１、ｄ２の積は、使用波長の中心波長をλ０とするとき以下の範囲に設定するのが好ましい。
【００３２】
０．８＊λ０／４≦ｎ１ｅ＊ｄ１≦１．１＊λ０／４
０．８＊λ０／４≦ｎ２ｅ＊ｄ２≦１．１＊λ０／４
［実施例２］
実施例２の光学素子は、図１の構成で、材質を樹脂にした場合である。この例でも、基板４と、第１の媒質７、第３の媒質９を同一の媒質で構成している。図９（Ａ）に、実施例２の構成パラメータを示す。基板４として、プラスチック樹脂（ｎｄ＝１．５３０４、νｄ＝５６．０）を用いた。この構成の、可視波長域４００ｎｍから７００ｎｍの反射率を図９（Ｂ）に示す。この場合も、実施例１と同じく可視域全域で０．０５％以下の高性能な反射防止性能が得られている。この実施例での充填率の差ＦＦ１−ＦＦ２は、０．４６であり、条件式（１）を満足している。
【００３３】
［実施例３］
実施例３の光学素子は、図１の構成で、材質を高屈折率ガラスにした場合である。この例でも、基板４と、第1の媒質７、第３の媒質９を同一の媒質で構成している。図１０（Ａ）に、実施例３の構成パラメータを示す。基板４として、株式会社ＯＨＡＲＡ製のガラスモールド用光学ガラスであるＬ−ＬＡＨ５３（ｎｄ＝１．８０６１０、νｄ＝４０．９）を用いた。この構成の、可視波長域４００ｎｍから７００ｎｍの反射率を図１０（Ｂ）に示す。この場合は、実施例１に比べて、反射防止特性は若干悪くなっているが、可視域全域で０．１％以下の高性能な反射防止性能が得られていることがわかる。この実施例での充填率の差ＦＦ１−ＦＦ２は、０．４６であり、条件式（１）を満足している。
【００３４】
［実施例４］
上記実施例１〜３の反射防止構造３は、いずれも四角柱の微細凹凸構造の格子が２層積層された構造であった。本発明の光学素子は、２つの微細凹凸構造からなる２つの層の充填率の差を特定の範囲に設定することを特徴としており、微細凹凸形状の格子の形に依存しない。例えば、図１１、図１２に示すような円柱状の微細凹凸構造の格子でも良い。この場合も、円柱状の格子５ａ、６ａの充填率を、条件式（１）を満足する構成となるように設定すればよい。また、格子が２次元周期構造で配列されている場合、微細凹凸形状の格子の配列も、図１１、図１２に示したｘｙ方向に周期を持つ配列のほかに、三角配列などの配列としても差しつかえない。また、周期も図１１、図１２に示したようにｘｙ方向で同じにする必要は無く、光学素子として用いた場合には、光学素子への入射角の変化に応じて、場所毎や、ｘｙ方向で別々に周期を設定しても良い。
【００３５】
［実施例５］
図１３は本発明の光学素子の実施例５の要部平面図である。微細凹凸形状より成る格子は、図１３示すようにランダムに配列しても良い。ランダム配列の場合、各々の微細凹凸形状の格子に対し、隣接する数個の格子の間隔を測定し、その平均間隔が、使用波長以下の構造を有していればよい。また、充填率も使用光束を鑑みて、十分ランダムと見なせる領域内で充填率を求めればよい。図１３は、円柱形状の格子をランダムに配列した構造である。また、作成した光学素子については、分光エリプソメトリ法などで、十分に均一であると見なせる評価領域の有効屈折率や層厚を解析すればよい。
【００３６】
次に、一例として、このような円柱形状の格子をランダムに形成した金型に製作する手法について説明する。金型の表面にアルミを成膜した後、陽極酸化処理を行うと、微細な細孔が形成される。陽極酸化時の化成電圧を変えることで平均間隔を調整できる。また、陽極酸化の時間で細孔の深さを制御できる。その後、エッチングなどを行い、孔径を拡大する処理を行えば、所望の形状の孔径が得られる。この処理を２回行えば、孔径が異なる２層の円柱孔が形成される。
【００３７】
次に、この金型を使って光学素子を形成する手法としては、一般的に知られているＵＶ硬化樹脂を用いた２Ｐ成形、ホットプレス成形、樹脂のインジェクション成形などがある。これらの形成手法を行えば、微細凹凸構造からなる反射防止構造を表面にもった光学素子を容易に製造することができる。特に樹脂の成形では、レンズなどの光学素子の表面に反射防止構造を形成した構成では、レンズ形状の成形と一体で反射防止構造を形成できるので製作が容易となる。また、ＵＶ硬化樹脂を用いた成形の場合、ガラス基板の上にＵＶ硬化樹脂を塗布し、その樹脂表面に反射防止構造を形成することができる。この場合は、基板と微細凹凸形状の層との間にＵＶ硬化樹脂の層が残存するが、図１などの構成の基板４を残存した樹脂層と考えれば、高性能な反射防止構造を実現することができる。
【００３８】
［実施例６］
前述の実施例は、構成を明確にするため、異なる充填率からなる微細凹凸形状を有する２層構造について説明してきた。実際の微細凹凸形状の格子は、成形などで製作した場合、図１４に示すように各層の境界面で微細凹凸形状のエッジが鈍った形状になる場合がある。このような形状でも、高性能な反射防止性能は実現することは可能である。図１４に示すように第１の層５と第２の層６の境界面に形成された、形状が鈍った領域１１は、微細凹凸形状の格子の変化に伴い、充填率が変化している極薄層の集まりと見なすことが出来る。鈍った領域が広い場合には、微細凹凸形状の格子が錐形状に近づいていくので好ましくない。そのため、鈍った領域は、第１の層５や第２の層６の高さの１／５以下あるいは、使用波長の１／２０以下の高さであるのが望ましい。
【００３９】
［実施例７］
上記実施例の反射防止構造は、充填率の異なる２つの層を積層した構造となっていた。しかしながら、本発明の光学素子は、２層に限定するものではなく、３層以上の層構造を有する場合でも有効である。図１５（Ａ）に３層構造より成る反射防止構造の場合の形状パラメータを示す。材料は実施例１と同じ株式会社ＯＨＡＲＡ製のＬ−ＢＡＬ４２とした。図１５（Ｂ）に、その時の反射率特性を示す。この場合も、可視域全域で０．１％以下の良好な特性は得られている。この例での充填率の差は、ＦＦ１−ＦＦ２＝０．４５、ＦＦ２−ＦＦ３＝０．２０である。
【００４０】
第１の層と第２の層が条件式（１）を満足していることがわかる。いずれかの層で条件式（１）の構成を満たしていれば、良好な反射防止性能を得ることができる。また、光学膜厚は、
ｎ１ｅ＊ｄ１＝１．４５５＊８３＝１２０．８ｎｍ
ｎ２ｅ＊ｄ２＝１．１８８＊７８＝９２．７ｎｍ
ｎ３ｅ＊ｄ２＝１．０８２＊６５＝７０．３ｎｍ
となった。λ０／４＝１３７．５ｎｍに対して、第１層の光学膜厚は０．８８倍、第２層の光学膜厚は０．６７倍、第３層の光学膜厚は０．５１倍の値となっている。
【００４１】
［実施例８］
図１６は、本発明の実施例８の光学素子を用いた撮影光学系（光学系）のレンズ断面図である。図中、１２は撮影レンズで、内部に絞り１４と前述の光学素子１を持つ。図では、最終レンズの第１レンズ面に反射防止構造が形成されている。１３は結像面であるフィルムまたはＣＣＤである。光学素子１は、図では、レンズ機能の素子であり、レンズ面の反射を抑制し、フレア光の発生を低減させている。本実施例において反射防止構造を有する光学素子を最終レンズに設けているが、これに限定するものではなく、他のレンズでも良く、又複数使用しても良い。また、本実施例では、カメラの撮影レンズの場合を示したが、これに限定するものではない。ビデオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナーや、デジタル複写機のリーダーレンズ、走査光学系、プロジェクター、レーザ光学系など広い波長域で使用される光学系に本発明の光学素子を使用しても、同様の反射防止効果が得られる。
【００４２】
［実施例９］
図１７は、本発明の実施例９の光学素子を用いた双眼鏡等の観察光学系のレンズ断面である。図１７中、１５は対物レンズ、１６は像を成立させるためのプリズム、１７は接眼レンズ、１８は評価面（瞳面）である。１は前述の本発明の光学素子である。図１７では接眼レンズ１７の１つのレンズを、本発明の反射防止構造を有する光学素子１としたが、これに限定するものではなく、他のレンズでも良く、又本発明の光学素子を複数使用しても良い。
【００４３】
また図１７の観察光学系では接眼レンズ１７に本発明の光学素子１を使用した場合を示したが、これに限定するものではなく、プリズム１６の表面や対物レンズ１５内の位置にも設けることができ、この場合も同様の効果が得られる。また本実施例は双眼鏡の場合を示したが、これに限定するものではない。本発明の光学素子は地上望遠鏡や天体観測用望遠鏡等の観察光学系にも適用して同様の効果が得られる。この他レンズシャッターカメラやビデオカメラなどの光学式のファインダー（光学系）にも適用して同様の効果が得られる。
【００４４】
以上のように各実施例によれば、微細凹凸構造の格子の高さをあまり高くしないで高性能な反射防止性能を得ることができる。従って、本発明の手段を用いれば、成形などの製造上の難易度を上げることなく、高性能の反射防止構造を有する光学素子が実現できる。さらに、光学系に各実施例の光学素子を用いれば、不要な回折光やフレア光の発生の少ない良好な光学性能を有する光学系が得られる。
【符号の説明】
【００４５】
１ 光学素子、２ 入射媒質、３ 微細凹凸領域、４ 射出媒質である基板、５第１の充填率を有する微細凹凸形状の層、６ 第２の充填率を有する微細凹凸形状の層、７ 第１の媒質、８ 第２の媒質、９ 第３の媒質、１０ 第４の媒質
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板と該透明基板の入射媒質の界面に凸形状又は凹形状の複数の格子を配列した、反射防止機能を有する反射防止構造が形成された光学素子に於いて、該複数の格子は平均間隔が、使用波長域内の任意の波長以下で配列されており、該反射防止構造は、格子の配列面内における格子の充填率が異なる第１の層、第２の層が積層された構成を含み、該第１の層、第２の層における格子の充填率を各々ＦＦ１、ＦＦ２とするとき
０．３６≦ＦＦ１−ＦＦ２≦０．５６
なる条件を満足することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記充填率の異なる複数の層は、入射媒質から、前記透明基板に向かって、充填率が徐々に高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１及び第２の層は、見かけの屈折率を各々ｎ１ｅ、ｎ２ｅ、層厚をｄ１、ｄ２、使用波長の中心波長をλ０とするとき
０．８＊λ０／４≦ｎ１ｅ＊ｄ１≦１．１＊λ０／４
０．８＊λ０／４≦ｎ２ｅ＊ｄ２≦１．１＊λ０／４
なる条件のうち、少なくとも１つを満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記反射防止構造は、前記複数の格子の格子構造が反転した形状が形成された金型を用いて成形転写することで形成されたものであることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の光学素子。
【請求項５】
請求項１乃至４項のいずれか１項に記載の光学素子を有することを特徴とする光学系。
【請求項１】
透明基板と該透明基板の入射媒質の界面に凸形状又は凹形状の複数の格子を配列した、反射防止機能を有する反射防止構造が形成された光学素子に於いて、該複数の格子は平均間隔が、使用波長域内の任意の波長以下で配列されており、該反射防止構造は、格子の配列面内における格子の充填率が異なる第１の層、第２の層が積層された構成を含み、該第１の層、第２の層における格子の充填率を各々ＦＦ１、ＦＦ２とするとき
０．３６≦ＦＦ１−ＦＦ２≦０．５６
なる条件を満足することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記充填率の異なる複数の層は、入射媒質から、前記透明基板に向かって、充填率が徐々に高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１及び第２の層は、見かけの屈折率を各々ｎ１ｅ、ｎ２ｅ、層厚をｄ１、ｄ２、使用波長の中心波長をλ０とするとき
０．８＊λ０／４≦ｎ１ｅ＊ｄ１≦１．１＊λ０／４
０．８＊λ０／４≦ｎ２ｅ＊ｄ２≦１．１＊λ０／４
なる条件のうち、少なくとも１つを満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記反射防止構造は、前記複数の格子の格子構造が反転した形状が形成された金型を用いて成形転写することで形成されたものであることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の光学素子。
【請求項５】
請求項１乃至４項のいずれか１項に記載の光学素子を有することを特徴とする光学系。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
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【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−２８１８７６（Ｐ２０１０−２８１８７６Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３２９４１（Ｐ２００９−１３２９４１）
【出願日】平成２１年６月２日（２００９．６．２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２日（２００９．６．２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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