(57)【要約】【課題】基材表面に形成された微細凹凸部に対する干渉等による破損を防止しつつ反射防止機能等の光学性能の向上を図る。【解決手段】光学素子１０の基材表面に多数の凹部１７及び凸部１８を有する微細凹凸部１６が形成され、凸部１８は連続的に連なって形成されている。そして、微細凹凸部１６を、平面視隣接する凹部１７の中心を通る直線で凹凸方向に切断したときに、隣接する凹部１７の凹部中心間距離ａの最大値が可視光波長よりも小さく、かつ凹部深さｄの１／２位置での凸部幅ｂが、凹部深さｄの１／２位置での凹部幅ｃの最小値よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面に多数の凹部及び凸部を有する微細凹凸部が形成された光学素子において、
前記凸部は連続的に連なって形成され、
前記微細凹凸部を、平面視隣接する前記凹部の中心を通る直線で凹凸方向に切断したときに、
隣接する前記凹部の中心間の前記凹凸方向と直交する幅方向の距離の最大値が可視光波長よりも小さく、
かつ前記凹部の前記凹凸方向の深さの１／２位置での前記凸部の前記幅方向の距離が、前記凹部の前記凹凸方向の深さの１／２位置での当該凹部の前記幅方向の距離の最小値よりも小さい
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
平面視隣接する複数の前記凹部に囲まれた部位に形成された凸部接点を有し、隣接する前記凸部接点間の距離の標準偏差が２ｎｍよりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記凹部の前記凹凸方向の深さが、隣接する前記凸部の先端の中心を結ぶ前記幅方向の距離の最大値よりも大きい
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】
前記基材表面が曲面である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材表面に入射光の反射を防止する微細凹凸部を有する光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズ等の光学素子を用いて構成される光学系では、個々の光学素子の光学機能面における入射光の反射は、入射光量の損失や、反射光の散乱による光学性能の低下等の要因となる。そこで、従来では光学素子表面に反射防止膜をコーティングすることが行なわれていた。また、近年では、反射防止膜のコーティングの代わりに、広い波長帯域および広範囲の入射角度で光の反射抑制が可能、光学素子との一体化が可能等の種々の利点を有する表面無反射構造が提案されている。
【０００３】
この表面無反射構造、すなわち反射防止構造は、光学素子の光学機能面に入射光の波長以下の微細な凹凸を形成することによって実現されている。
例えば、特許文献１においては、基材表面に反射防止構造である微細凹凸形状が形成されている。そして、それぞれが独立した凸部の最凸部の山形状を最凹部の谷形状よりも尖った形状にして反射防止性能を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１９７１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、反射防止構造体として基材表面にそれぞれが独立した凸部を形成されている。このため、他の部材との干渉等により凸部が倒れたり破損したりすることにより反射防止効果等の光学性能が劣化してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、基材表面に形成された微細凹凸部に対する干渉等による破損を防止しつつ反射防止機能等の光学性能の向上を図り得る光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る光学素子は、基材表面に多数の凹部及び凸部を有する微細凹凸部が形成された光学素子において、前記凸部は連続的に連なって形成され、前記微細凹凸部を、平面視隣接する前記凹部の中心を通る直線で凹凸方向に切断したときに、隣接する前記凹部の中心間の前記凹凸方向と直交する幅方向の距離の最大値が可視光波長よりも小さく、かつ前記凹部の前記凹凸方向の深さの１／２位置での前記凸部の前記幅方向の距離が、前記凹部の前記凹凸方向の深さの１／２位置での当該凹部の前記幅方向の距離の最小値よりも小さいことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る光学素子は、前記発明の光学素子において、平面視隣接する複数の前記凹部に囲まれた部位に形成された凸部接点を有し、隣接する前記凸部接点間の距離の標準偏差が２ｎｍよりも大きくてもよい。
【０００９】
また、本発明に係る光学素子は、前記発明の光学素子において、前記凹部の前記凹凸方向の深さが、隣接する前記凸部の先端の中心を結ぶ前記幅方向の距離の最大値よりも大きくてもよい。
【００１０】
また、本発明に係る光学素子は、前記発明の光学素子において、前記基材表面が曲面であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、基材表面に形成された微細凹凸部に対する干渉等による破損を防止しつつ反射防止機能等の光学性能の向上を図り得る光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１の光学素子の微細凹凸部の平面図である。
【図２】同上のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【図３】微細凹凸部の拡大平面図である。
【図４】実施の形態２の光学素子の外観図である。
【図５】その断面図である。
【図６】微細凹凸部の平面図である。
【図７】同上のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［実施の形態１］
図１は、光学素子１０の微細凹凸部１６の平面図であり、図２は、そのＡ−Ａ’線に沿う断面図、図３は、微細凹凸部１６の拡大平面図である。
【００１４】
図１及び図２において、この光学素子１０は、基材１２の表面が平面で、その基材１２の表面に微細凹凸部１６が形成された光学平板である。
この微細凹凸部１６は、多数の微細な凹部１７と凸部１８とを有している。この凸部１８は、連続的に連なって形成されている。すなわち、本実施の形態の凸部１８は、基材１２の表面に多数の凸部が単体で突出しているのではなく、凹部１７を囲む壁のような構造として、蜂の巣状に連続的に連なって形成されている点が特徴的なことである。
【００１５】
また、多数の凹部１７の大きさは同じとは限らない。大きいものもあれば小さいものもある。さらに、凹部１７の形状は平面視で円形とは限らず、歪んだ円形、三角形や四角形等の多角形、或いは楕円形等でもよい。
【００１６】
本実施の形態では、図１に示すように、微細凹凸部１６を、平面視隣接する凹部１７，１７の中心Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、・・・を通る直線Ａ−Ａ’で凹凸方向（図２の矢印Ｚ−Ｚ方向）に切断したときに、隣接する凹部１７，１７の中心Ｃ１、Ｃ２、・・・間の凹凸方向と直交する幅方向（図２の矢印Ｘ−Ｘ方向）の距離ａ（ａ１，ａ２，・・・）（以下、「凹部中心間距離ａ」という）の最大値が、可視光波長（４００ｎｍ〜７８０ｎｍ）よりも小さい。
【００１７】
かつ、凹部１７の凹凸方向の深さ（以下、「凹部深さｄ」という）の１／２位置での凸部１８の幅方向の距離ｂ（以下、「凸部幅ｂ」という）が、同位置での凹部１７の幅方向の距離ｃ（以下、「凹部幅ｃ」という）の最小値よりも小さい。
【００１８】
なお、凹部１７の中心とは、真円や正多角形等の場合は平面視凹部１７の幾何学的中心をいう。また、平面形状が歪んだ円形や多角形等の場合には図心をいう。
また、凹部中心間距離ａを可視光波長よりも小さいとしたのは以下の理由による。
【００１９】
すなわち、微細凹凸部１６に到達する入射光に対して、基材１２及び空気の屈折率に空間的な分布があったとしても、それは想定する波長以下の分布であるため、その分布がそのまま直接に光に作用せず、それが平均化されたものとして作用する。従って、平均化された後の屈折率が、光が進行するに従って連続的に変化するような分布にしておけば、光の反射を防止できるからである。
【００２０】
なお、本実施の形態では、多数の凹部１７，１７は、マトリクス状等のように周期的に一定の規律に従って配置されているものではなく、ランダムに配置されている。ランダムに配置することで、反射防止効果の異方性を解消でき、反射防止効果の性能を向上させることができるためである。
【００２１】
また、本実施の形態では、凸部１８の断面形状は略二等辺三角形をなしている。ただし、三角形の斜辺は直線でなくてもよく、２次曲線又は３次曲線、或いは正弦曲線のようになだらかに傾斜していてもよい。
【００２２】
さらに、図３に示すように、微細凹凸部１６は、平面視隣接する複数（例えば３個）の凹部１７に囲まれた部位に形成された凸部接点１９を有し、隣接する凸部接点１９と凸部接点１９との間の距離（以下、「凸部接点間距離ｅ」という）の標準偏差が２ｎｍよりも大きい。
【００２３】
凸部接点間距離ｅの標準偏差を２ｎｍよりも大きいとすることで、凹部開口径ｆや凹部開口形状がランダムとなり、入射光に対する光学面での反射光をさらに低減して反射防止性能が向上する。
【００２４】
なお、凹部開口径ｆとは、図２において、隣接する凸部１８，１８の先端の中心を結ぶ幅方向（Ｘ−Ｘ方向）の距離をいう。
本実施の形態の光学素子１０は、凸部接点間距離ｅの平均値は５１ｎｍ、その標準偏差は１４ｎｍであった。また、凹部１７の凹部開口径ｆの平均値は６７ｎｍであった。
【００２５】
ここで、標準偏差とはバラツキを表わす目安であり、次の式で表わされる。
σ＝√（Σ（ｅｉ−μ）２／ｎ）
ただし、σは標準偏差、ｅｉは凸部接点１９，１９間の距離、μは凸部接点１９，１９間の距離ｅの平均値、ｎは隣接する凸部接点１９の組合せの個数である。
【００２６】
なお、本実施の形態では、凹部中心間距離ａの平均値は１０５ｎｍ、凸部幅ｂの平均値は３３ｎｍ、凹部深さｄの平均値は２７０ｎｍであった。
また、本実施の形態では、凹部深さｄが凹部開口径ｆの最大値よりも大きい。
【００２７】
すなわち、図２に示すように、凹部深さｄが凹部開口径ｆの最大値よりも大きく、例えば凹部深さｄが凹部開口径ｆの１〜１０倍に形成されている。ただし、１〜１０倍に限らず、例えば１０倍以上であってもよい。
【００２８】
このようにすることで、入射光に対する反射光をさらに低減することができる。
なお、凸部１８の断面形状は、反射防止効果及び強度が保たれる範囲で、凸部１８の先端（突出端）から基端側（根元側）に向かって凸部幅ｂが幅方向に大きく拡大していく形状であっても構わない。
【００２９】
このような形状であっても、凸部幅ｂが凹部開口径ｆの最小値よりも小さければ、反射防止効果が維持される。
なお、本実施の形態において、凸部接点１９と凸部接点１９との間の凹部深さｄが反射防止効果及び強度などの効果が保たれる範囲で異なっていてもよい。このような場合でも、連続して形成された凸部１８と見なすことができる。
【００３０】
次に、微細凹凸部１６の形成方法について説明する。
基本的には、どのような方法を用いて基材１２及び基材曲面に微細凹凸部１６を形成してもかまわない。
【００３１】
例えば、微細凹凸部１６の形状を反転させた表面形状を有する金型を用いて光学素子を成形すると同時に、基材１２の表面に微細凹凸部１６を転写してもよい。また、基材１２の表面に硬化性材料を形成した後に、形成しようとする微細凹凸部１６の形状を反転させた表面形状を有する金型を用いて硬化性材料に形状を転写し硬化性材料を硬化させてもよい。さらに、基材１２の表面に直接電子線により微細凹凸部１６を描画してもよい。
【００３２】
なお、微細凹凸部１６の形状を反転させた表面形状を有する金型を作製するには、例えば、半導体プロセスの電子線描画やイオンエッチングなどのリソグラフィー技術を利用して金型に微細凹凸部１６の形状を反転させた形状の微細構造体を形成して金型を作製するとよい。また、金型に微細凹凸部１６を形成した後、ニッケル（Ｎｉ）などの金属を用いて電鋳法により反転型を作製してもよい。
【００３３】
本実施の形態によれば、微細凹凸部１６の凸部１８が連続的に形成されているため、凸部１８が単独で多数形成されている場合に比べ、凸部１８の外力に対する機械的強度を確保することができる。
【００３４】
また、凹部中心間距離ａ（ａ１，ａ２，・・・）の最大値が可視光波長（４００ｎｍ〜７８０ｎｍ）よりも小さく、かつ凸部幅ｂが凹部開口径ｆの最大値よりも小さいため、可視光波長に対して反射防止性能及び光の透過率を向上させることができる。
【００３５】
また、凸部接点間距離ｅの標準偏差が２ｎｍ以上であるため、凹部開口径ｆや凹部開口形状がランダムとなり、入射光に対する光学面での反射光をさらに低減して反射防止性能を向上させることができる。
【００３６】
さらに、凹部深さｄが凹部開口径ｆの最大値よりも大きいため、反射防止性能及び光の透過率の更なる向上が可能となる。また、光学素子面内の反射防止効果を均一に保つことができる。これに対し、凹部深さｄが凹部開口径ｆの最大値の１倍以下であるときは、高い反射防止効果が期待できない。
【００３７】
また、本実施形態によれば、凹部中心間距離ａを可視光波長（４００ｎｍ〜７８０ｎｍ）以下の１０５ｎｍとし、凸部幅ｂが凹部開口径ｆの約１／２、凹部深さｄが凹部開口径ｆの約４倍、凸部接点間距離ｅの標準偏差が１４ｎｍとなっているため、微細凹凸部１６の反射防止効果をより顕著に実現することができる。
【００３８】
こうして、本実施の形態によれば、微細凹凸部１６の凸部１８の外力に対する機械的強度が保たれ、接触などによる微細凹凸部１６の倒れや損傷の発生を抑え、かつ反射防止効果等の光学性能の向上を図ることができる。
【００３９】
［実施の形態２］
図４は、本実施の形態の光学素子２０の外観図であり、図５は、その断面図、図６は、微細凹凸部２６の平面図であり、図７は、そのＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。
【００４０】
この光学素子２０は平凸レンズである。この光学素子２０は、基材２２の表面に凸曲面状の第１の光学機能面２３と、基材２２の裏面に平面状の第２の光学機能面２４とを有している。なお、本実施の形態では、第１の光学機能面２３を凸球面状として説明するが、これに限らない。例えば、第１の光学機能面２３を凸非球面状や凸自由曲面状としても良い。
【００４１】
第１の光学機能面２３には、反射防止用の微細凹凸部２６が形成されている。この微細凹凸部２６は、実施の形態１で説明したものと同じ形状である。
本実施の形態では、凸部接点間距離ｅの平均値は５１ｎｍ、その標準偏差は１４ｎｍであった。また、凹部開口径ｆの平均値は６７ｎｍであり、凹部中心間距離ａの平均値は１０５ｎｍ、凸部幅ｂの平均値は３３ｎｍ、凹部深さｄの平均値は２７０ｎｍである。
【００４２】
なお、前述した凸部接点間距離ｅ、凸部接点２９等の定義は、実施の形態１で説明したものと同一の意味で使用するので、ここではその説明を省略する。
本実施の形態では、光学素子２０の表面の微細凹凸部２６の凸部２８が連続的に形成され、凹部中心間距離ａ（ａ１，ａ２，・・・）の最大部の最大値が可視光波長（４００ｎｍ〜７８０ｎｍ）よりも小さく、かつ凸部幅ｂが凹部幅ｃの最小値よりも小さい。
【００４３】
また、凸部接点間距離ｅの標準偏差が２ｎｍ以上であり、また凹部深さｄが凹部開口径ｆの最大値よりも大きくしている。このため、光学素子２０の表面の微細凹凸部２６の凸部２８の外力に対しての機械的強度が保持される。また、可視光波長に対して反射防止効果および高い光の透過率を有することができ、高い光学性能を発揮することができる。
【００４４】
なお、本実施の形態において、凸部２８の断面形状は、反射防止効果及び強度が保たれる範囲で、凸部２８の先端（突出端）から基端側（根元側）に向かって凸部幅ｂが幅方向に大きく拡大していく形状であってもかまわない。
【００４５】
このような形状であっても、凸部幅ｂが凹部開口径ｆの最小値よりも小さければ、反射防止効果が維持される。
なお、本実施の形態において、凸部接点２９と凸部接点２９との間の凹部深さｄが、反射防止効果及び強度などの効果が保たれる範囲で異なっていてもよい。このような場合でも、連続して形成された凸部２８と見なすことができる。
【００４６】
なお、本実施の形態では、光学素子２０として平凸レンズを例として説明したが、両方の光学機能面が曲面でもよく、また、その曲面形状も、球面、非球面、自由曲面などの曲面であってもよい。
【００４７】
本実施の形態によれば、基材表面が曲面である光学素子２０に微細凹凸部２６を形成したので、凸部２８の外力に対しての機械的強度を保持することができる。また、可視光波長に対して反射防止効果及び高い光の透過率を有することができ、高い光学性能を発揮することができる。このように、高い光学性能が発揮できることにより、様々な光学系への適応が可能となる。
【００４８】
なお、光学系において、特に入射側第１面などの光が入射する位置に、本実施の形態の光学素子２０を配置することにより、光学素子面内において反射率分布の少ない反射防止効果を得ることができる。このようにして、反射防止機能を有する光学系を得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０      光学素子
１２      基材
１６      微細凹凸部
１７      凹部
１８      凸部
１９      凸部接点
２０      光学素子
２２      基材
２３      第１の光学機能面
２４      第２の光学機能面
２６      微細凹凸部
２７      凹部
２８      凸部
２９      凸部接点
ａ        凹部中心間距離
ｂ        凸部幅
ｃ        凹部幅
ｄ        凹部深さ
ｅ        凸部接点間距離
ｆ        凹部開口径
Ｃ１、Ｃ２、・・・  凹部の中心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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