(57)【要約】【課題】防曇膜において、防曇性能を維持しつつ、多層反射防止膜と同等の反射防止性を付与する。【解決手段】吸水性防曇材において透過すべき光の波長より小さい微細凹凸構造を表面に有する。微細凹凸構造の表面粗さ（二乗平方根粗さ）が所定の条件を満足する。微細凹凸構造を有する防曇部材の厚さ方向における有効屈折率の変化が微細凹凸構造の表面付近において所定の条件を満足する。防曇部材と防曇部材が塗布される光学部材の屈折率の差が０．３以下。光学部材の表面が曲面。【選択図】　　　　図１
2004045671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過すべき光の波長λより小さい微細凹凸構造を表面に有することを特徴とする吸水性防曇部材。
【請求項２】
前記微細凹凸構造は一定の周期を持たない不規則な形状であることを特徴とする請求項１に記載の防曇部材。
【請求項３】
前記防曇部材上に定義された軸ｘの方向に対する前記微細凹凸構造の粗さ曲線をｆ（ｘ）とする時、波長λに対して以下の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の防曇部材。
Ｒｑ＞０．０８λ
但し、
【数１】
2004045671.tif 000011
ここでｘ０は前記防曇部材上の前記軸ｘに対する位置座標であり、積分範囲
【数２】
2004045671.tif 000012
は一波長乃至十波長程度とする。
【請求項４】
前記微細凹凸構造を有する防曇部材の厚さ方向の位置ｈにおける有効屈折率をｎｅ（ｈ）とする時、微細凹凸構造の表面付近において以下の条件を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の防曇部材。
【数３】
2004045671.tif 000013
【請求項５】
請求項１〜４に記載の防曇部材を有することを特徴とする光学部材及び当該光学部材を含む光学系。
【請求項６】
前記防曇部材と前記光学部材の屈折率の差Δｎが以下の条件を満足することを特徴とする請求項５に記載の光学部材。
｜Δｎ｜≦０．３
【請求項７】
前記光学部材の表面を曲面としたことを特徴とする請求項５、６に記載の光学部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学部材の表面に微小水滴が付着して生ずる曇りを防止するために光学部材表面に設けられる防曇部材及び、こうした防曇部材を有する光学部材や光学系に関するものである。更に詳しくは当該防曇部材の反射防止性を高めるための光学的構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、物体に微小な水滴が付着して表面が曇るのを防ぐ方法として以下に示すような種々のものが提案されている。
（１）表面を密閉する、或いはさらに当該密閉された空間を真空にするか低湿度の気体で充填する。
（２）表面を加熱する。
（３）表面に撥水性を持たせる。
（４）表面に親水性を持たせる。
【０００３】
しかしながら、これらの方法にはそれぞれ、（１）外気に露出する面には適用できず、また特別な構造が必要で小型化が困難；（２）別に熱源が必要であり、構成が複雑になる；（３）表面の極微小な水滴は完全に除去することが困難で、光学特性が劣化するため光学系には不適；（４）表面に水の薄膜が残り（３）と同様に光学特性が劣化するため光学系に不適；等の問題があり小型の高精密な光学部材には使用することができない。
【０００４】
一方、以上とは異なる方法として表面に吸水性を持たせるものがあり、それを実現するための防曇膜材が、本出願人により特開平１１−０６１０２９号公報、特開平１１−１１６８８４号公報等に開示されている。また、この防曇膜をカメラ等の精密光学系に適用する方法が本出願人により特開平１１−０８４４７３号公報、特開平１１−１９７１１１号公報、特開２０００−０４７３１１号公報等に開示されている。
【０００５】
上記吸水性を有する防曇膜は、表面に全く水滴や水の薄膜を残すことがないため、光学特性への影響がなく、結像レンズやファインダー等の高性能を要求される光学系に広く用いることが可能である。
【０００６】
さらに、上記防曇膜を光学系に適用する際、光の透過率を高め、不要な反射光を低減するための反射防止の構成が本出願人により特開平１１−８４１０２号公報、特開平１１−１０９１０５号公報等に開示されている。
【０００７】
特開平１１−８４１０２号公報における防曇膜の反射防止構成は防曇性を発現する吸水性膜の上に屈折率の低い多孔質膜を光学的膜厚が使用する光の波長の１／４程度になるように設けたものであり、この多孔質膜の表裏面での反射光の干渉により反射防止性を付与したものである。
【０００８】
また特開平１１−１０９１０５号公報における防曇膜の反射防止構成は防曇性を発現する第１の吸水性膜の上に高屈折率薄膜と第２の吸水性膜を形成し、高屈折率膜と第２の吸水性膜の２層構造により反射防止を行うものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記反射防止構成は吸水性膜の上に反射防止のための膜層を積層する構成のため、製造には少なくとも複数の工程が必要であり製造コストが高くならざるを得ない。
【００１０】
また、これらの構成は１層または２層の薄膜による反射防止膜に相当し、高性能の光学機器に用いられる多層の反射防止膜に比べ反射防止性能は十分なものとはいえず、前記防曇膜を光学系へ適用する際の大きな制約となっている。反射防止性を向上させるために反射防止層の数を増やすことも考えられるが、これ以上の多層膜構成では防曇性が低下し、製造コストもさらに高くなるため好ましくない。
【００１１】
一方、反射防止層が積層されていることから各層の密着性が問題となり、磨耗テスト、剥離テスト、耐環境性テスト等に対して十分な性能を確保することは容易ではない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の問題点に鑑みなされたもので、吸水性防曇部材において透過すべき光の波長より小さい微細凹凸構造を表面に有することを特徴とするものである。これにより、防曇部材表面そのものに反射防止性を付与することができ、防曇性能の維持と反射防止を両立させることができる。
【００１３】
さらに前記微細凹凸構造は一定の周期を持たない不規則な形状であることを特徴とするものである。このような構成とすることにより微細凹凸構造の製法に関する制約を少なくし、選択の幅を広げることが可能となる。
【００１４】
さらに前記防曇部材上に定義された軸の方向に対する前記微細凹凸構造の粗さ曲線をｆ（ｘ）とする時、波長λに対して以下の条件を満足することを特徴とするものである。
【００１５】
Ｒｑ＞０．０８λ　　・・・（１）
但し、
【００１６】
【数４】
2004045671.tif 000003
【００１７】
ここでｘ０は前記防曇部材上の前記軸に対する位置座標であり、積分範囲
【００１８】
【数５】
2004045671.tif 000004
【００１９】
は一波長乃至十波長程度とする。このような構成とすることにより、多層膜相当の十分な反射防止性を付与することができる。
【００２０】
さらに前記微細凹凸構造を有する防曇部材の厚さ方向の位置ｈにおける有効屈折率をｎｅ（ｈ）とする時、微細凹凸構造の表面付近において以下の条件を満足することを特徴とするものである。
【００２１】
【数６】
2004045671.tif 000005
【００２２】
このような構成とすることにより、反射防止特性の波長依存性を低減することができる。
【００２３】
さらに光学部材及び当該光学部材を含む光学系において、上記防曇部材を有することを特徴とするものである。このような構成とすることにより、光学部材及び当該光学部材を含む光学系に良好な防曇性を付与することができる。
【００２４】
さらに前記防曇部材と前記光学部材の屈折率の差Δｎが以下の条件を満足することを特徴とするものである。
【００２５】
｜Δｎ｜≦０．３　　・・・（４）
このような構成とすることにより、防曇部材と光学部材の接する面での反射光を低減することができ、一層良好な反射防止性を付与することができる。
【００２６】
さらに前記光学部材の表面を曲面としたことを特徴とするものである。このような構成とすることで、反射防止性を付与する面に光学作用を持たせることができ、光学部品の削減とそれに伴うコスト低減を実現することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態を示す図である。図中１は光学部材としての基材、２は防曇部材としての防曇膜、３は防曇膜の表面をそれぞれ示す。基材１は透明性のガラスや樹脂で構成され、所定の光の波長範囲、例えば可視光域４００ｎｍ〜７００ｎｍの光が透過することで光学的機能を果たすものである。尚、図１は分かりやすくするために防曇膜３の厚さを誇張して示している。
【００２８】
防曇膜２は吸水性の部材から構成され、本出願人により特開平１１−０６１０２９号公報や特開平１１−１１６８８４号公報に開示されているポリアクリル酸類、ポリビニルアルコールを含有する防曇膜が好適に用いられる。防曇膜２の厚さは厚いほど防曇性が高く、各用途に応じて決定されるが、通常０．１〜数十μｍの厚さに塗布される。
【００２９】
図２は図１の防曇膜２の表面３を拡大して描いた断面図であり、不規則な微細凹凸構造を有している。これら微細凹凸構造は基材１及び防曇膜２が透過すべき光の波長λより平均的に小さい構造を成している。即ち、微細凹凸形状の隣り合う凸部の間隔の平均値が波長λ未満となっている。
【００３０】
このような微細凹凸構造の厳密な光学的特性を求めるためにはベクトル回折理論による解析が必要であるが、微細凹凸構造が波長より十分小さい場合は有効屈折率法を用いることができる。
【００３１】
有効屈折率法によると、図３に示すように屈折率の異なる媒質４、５が波長に対して十分短い周期で積層されている場合、各媒質の屈折率をｎ１、ｎ２、厚さをｔ１、ｔ２とすると各層に平行な偏光に対する屈折率ｎ〃と各層に垂直な偏光に対する屈折率ｎ⊥がそれぞれ
【００３２】
【数７】
2004045671.tif 000006
【００３３】
で表される。但しｑ１、ｑ２は下式で示される各媒質の体積比（充填率）である。
【００３４】
ｑ１＝ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）　　・・・（７）
ｑ２＝ｔ２／（ｔ１＋ｔ２）＝１−ｑ１　　・・・（８）
本発明において有効屈折率法を適応するためには、図４に示すように微細凹凸構造を厚さΔｈの複数の層（図４の場合は６−１〜６−７の７層）に分割して各層の防曇部材の充填率より有効屈折率を求め、その屈折率を有する厚さΔｈの薄膜が積層されているとして反射率等の光学特性を求めればよい。但し、その際（１）、（２）のどちらの有効屈折率を用いるかが問題となる。
【００３５】
第５図は（１）、（２）で求まる有効屈折率の変化の一例をグラフに描いたものであり、
ｎ１＝１．５　　・・・（９）
ｎ２＝１　　・・・（１０）
とし、横軸がｑ１、縦軸が屈折率を表している。図中実線７がｎ〃、破線８がｎ⊥、一点鎖線９がｎ〃とｎ⊥の平均値をそれぞれ示している。この図によるとｎ〃とｎ⊥の差は最大でも約０．１程度であり、また本発明の形態による種々の防曇部材の反射率を屈折率がｎ〃、ｎ⊥の両者の場合についてシミュレーション評価したところ、その差は０．２％未満であった。従って、以下においては屈折率としてｎ〃とｎ⊥の平均値を用いて特性の評価を行うこととする。
【００３６】
図６は図２で示すような不規則な凹凸形状を仮想的に多数発生させて、上記有効屈折率法を用いてその反射率を計算しプロットしたものである。横軸は波長λの光が垂直に入射したときの反射率（％）を、縦軸は下式で示す表面粗さを前記波長λで規格化した値をそれぞれ示している。尚、防曇膜２の屈折率は１．４〜１．７とし、屈折率１の空気に接しているとした。
【００３７】
【数８】
2004045671.tif 000007
【００３８】
上式（７）のＲｑは日本工業規格に規定されている所謂二乗平均平方根粗さと呼ばれているものであり、式中のｆ（ｘ）は図２に示すような微細凹凸形状に対する粗さ曲線である。測定計算方法は当該日本工業規格に準拠するものとする。
積分範囲
【００３９】
【数９】
2004045671.tif 000008
【００４０】
は積分値が略一定となるように決定されるべきであるが、本実施例の場合一波長乃至十波長程度である。
【００４１】
図６から明らかなように、反射率と規格化された表面粗さＲｑには相関関係があり、反射率を２％（反射防止膜のない屈折率１．５のガラスと空気の界面における反射率４％の半分）以下にするにはＲｑを約０．０８以上にする必要があることが分かる。さらに反射率を１％以下にするにはＲｑを約０．１以上に、反射率を０．５％以下にするにはＲｑを約０．２以上にする必要がある。
【００４２】
以上は本発明の微細凹凸形状の表面のみの反射率について評価したものであるが、実際には図２の基材１と防曇膜２の境界１０での反射を考慮する必要がある。その際、微細凹凸構造の最も深い谷部から基材までの厚さｅが波長より十分厚い場合には全体の反射率を微細凹凸形状の表面での反射率と境界１０での反射率の単純な和としてよい。
【００４３】
一般に屈折率ｎの材質と、それと屈折率差がΔｎの材質との境界面での反射率Ｒは、
【００４４】
【数１０】
2004045671.tif 000009
【００４５】
で表され、この値が少なくとも０．０１（１％）以下となるためには屈折率ｎの範囲を
１．４≦ｎ≦１．７　　・・・（１３）
としておよそ
−０．３≦Δｎ≦０．３　　・・・（１４）
即ち
｜Δｎ｜≦０．３　　・・・（１５）
なる条件が必要である。
【００４６】
反射率Ｒをさらに小さく０．００５以下とするためには同様にしておよそ
｜Δｎ｜≦０．２　　・・・（１６）
なる条件が必要である。
【００４７】
（第２実施形態）
図７は本発明の第２の実施形態を示す図である。第１の実施形態と同一のものには同一の符号が付されている。本実施形態は、図２で示す第１の実施形態における微細凹凸構造の最も深い谷部から基材１までの厚さが波長より短いかほとんど０（零）の場合に相当する。
【００４８】
このような形態においては全体の反射率は第１の実施形態のように微細凹凸構造による反射率に、基材１と防曇膜２の境界１０での反射率を単純に足し合わせて求めることができず、相互の干渉作用を考慮する必要がある。
【００４９】
図８は、本実施形態に対して第１の実施形態と同様に不規則な凹凸形状を仮想的に多数発生させてその反射率を計算した結果である。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は図７に示す防曇膜２の屈折率を１．４３とし、基材１の屈折率を１．５、１．６、１．７と変化させた場合をそれぞれ示している。
【００５０】
図８（ａ）の場合は第１の実施形態と同様に反射率と表面粗さＲｑとの間には相関関係が認められ、反射率を２％以下にするためにはＲｑを約０．０７λ以上に、反射率を１％以下にするためにはＲｑを約０．０９λ以上にする必要がある。
【００５１】
一方、基材１の屈折率が１．６、１．７と次第に高くなるに従い、それぞれ図８（ｂ）、（ｃ）に示すように反射率と表面粗さＲｑの間の相関関係は次第に明確でなくなっていく。これは基材１と防曇膜２の屈折率差が大きい場合、その境界１０での反射光との相互作用の仕方が単純にＲｑのみで決定できないことを示している。
【００５２】
しかしながらこのような場合でも図８（ｃ）から明らかななように少なくとも表面粗さＲｑをおよそ０．０９λ以上にしておけば、基材からの反射を含めた全体としての反射率を１．８％以下にすることができることを示している。
【００５３】
（第３実施形態）
これまでは微細凹凸構造の表面粗さと反射率の関係を説明してきたが、本実施形態は微細凹凸構造から求めた有効屈折率の厚さ方向の変化に着目したものである。
【００５４】
図９は本発明の微細凹凸構造から求めた有効屈折率の厚さ方向の変化の代表的な４つのタイプを図に示したものである。横軸は防曇膜の厚さを、縦軸は各厚さにおける有効屈折率を示している。横軸において０（零）が基材面、１が微細凹凸構造をもつ防曇膜の最も高い凸部に相当する。防曇膜を構成する材質の屈折率を１．４３とし、屈折率１の空気に接しているとしている。また本実施形態では、図７で示すような微細凹凸構造の最も深い谷部から基材１までの厚さが波長より短いかほとんど０（零）の場合を想定している
図中実線１１（タイプ１）は上に凸、破線１２（タイプ２）は直線、点線１３（タイプ３）は下に凸、一点鎖線１４（タイプ４）は層の基材側で上に凸、層の微細凹凸面側で下に凸の各変化を呈している。
【００５５】
図１０は横軸を波長、縦軸を反射率（％）として、図９のそれぞれのタイプに対する反射率の波長依存性を示したものである。図９と同様に、図中実線１５はタイプ１、破線１６はタイプ２、点線１７はタイプ３、一点鎖線１８はタイプ４を表している。尚（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は防曇膜の厚さ（即ち図９の横軸の膜厚１に相当する絶対値）が２００ｎｍ、４００ｎｍ、６００ｎｍの場合である。
【００５６】
図１０によると反射率は最大でも１．５％未満であり、いずれも十分な反射防止効果を有しているといえる。しかしながら、波長依存性のより少ない反射防止性能を実現するには膜厚方向の有効屈折率の変化の仕方を適切に選択する必要があることがわかる。即ち図１０の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のどの場合でも実線１５で示すタイプ１が波長変化に伴ううねりが大きく不安定な状態を呈している。
【００５７】
図９のタイプ１を示す実線１１の曲線の特徴は、他のタイプに対して横軸の膜厚１（即ち空気との境界部）付近における屈折率の変化率が大きくなっている点であり、これが反射率の波長依存性を悪化させている原因と推察される。
【００５８】
このことから防曇膜部材の厚さ方向の位置ｈにおける有効屈折率をｎｅ（ｈ）とする時、微細凹凸構造の表面付近において
【００５９】
【数１１】
2004045671.tif 000010
【００６０】
であることが望ましい。
【００６１】
（第４実施形態）
図１１は本発明の第４の実施形態を示した図である。図中１９は基材、２０は防曇膜、２１は防曇膜の表面をそれぞれ表している。防曇膜２０の表面２１には図２と同様の微細凹凸構造が形成されている。本実施形態は図１で示す第１の実施形態の基材１を平面ではなく、曲率を有する部材としたものである。もちろん基材１９の表面は凸面でも凹面でも、球面でも、非球面でもよい。また基材１９の表面は屈折面でも、反射面でもよい。
【００６２】
このような構成とすることで、防曇性を持たせる面そのものにレンズ等の光学作用を付与することができ、部品とコストの削減が可能となる。
【００６３】
以上で説明してきた本発明の実施形態において用いられる微細凹凸形状は種々の製造法によって形成することができる。例えば既知の半導体製造プロセスを用いマスクパターンを焼付け、エッチングにより感光材料または基材上に塗布された防曇膜上に直接微細凹凸形状を形成することができる。また、形成された微細凹凸形状より電鋳等により型をとり、それにより防曇部材を基材上に成形することも可能である。型による成形は量産性に優れコストを低減する効果がある。
【００６４】
また、本発明の微細凹凸形状は波長より細かいことが必要であるため、通常の半導体製造プロセスに加え、位相シフトマスクを用いた解像度の改善、電子線による描画、シンクロトロン放射光によるパターニング等、最先端の技術が用いられる。
【００６５】
こうした半導体製造プロセスによる製造法は、一般的に平面に対するパターニングであり、上記第１の実施形態のような平面基材上の微細凹凸形状形成に好適に用いられる。
【００６６】
一方、上記第４の実施形態のように曲率を有する基材上に微細凹凸形状の防曇膜を形成するためには、レーザー光の多光束干渉パターンやスペックルパターンを曲面上に塗布されたレジスト等の感光材料や直接防曇部材に焼付け現像、エッチングする方法がある。もちろん前述した通り、型を製作して成形することも可能である。
【００６７】
さらに、硬化前の防曇材料に防曇材料と略同一または異なる屈折率の微粒子を分散させ、平面または曲面の基材表面にディッピング、スピン、スプレー等の既知の塗布法により防曇膜を形成することによっても表面に微細凹凸形状を形成できる。
【００６８】
また、ゾルゲル法で金属酸化物を形成し熱処理する方法や、表面を侵食性の酸または塩基で処理する方法、サンドブラスト法などにより微細凹凸構造を形成することもできる。
【００６９】
これまでの実施形態の説明では可視光に対する反射防止について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、赤外光や紫外光に対しても有効である。特に赤外光は波長が長いことから、相対的に大きな微細凹凸構造でも反射防止効果を得ることができ、製造が容易となる。
【００７０】
以上本発明による防曇部材を有する光学部材は撮影系、観察系、表示系、照明系、投影系、走査系等の各種光学系に組み込まれ、用いられるものである。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、蒸着膜などの別の薄膜を形成することなく、防曇膜自体の表面に反射防止性を付与することができ、従来困難であった防曇性の維持と良好な反射防止性を両立させることが可能となった。さらに製造工程が簡略化でき、製造コストの低減が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態を示す詳細図。
【図３】有効屈折率を説明するための図。
【図４】有効屈折率の算出の方法を説明するための図。
【図５】２つの偏光に対する有効屈折率の変化を示す図。
【図６】反射率と表面粗さとの関係を示す図。
【図７】本発明の第２の実施形態を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態に対する反射率と表面粗さとの関係を示す図。
【図９】本発明の第３の実施形態に関する有効屈折率の変化のパターンを示す図
【図１０】各パターンに対する反射率の波長依存性を示す図。
【図１１】本発明の第４の実施形態を示す図。
【符号の説明】
１　基材
２　防曇膜
３　防曇膜の表面
４　媒質
５　媒質
６　分割された層
７　屈折率ｎ〃の変化を示すグラフ
８　屈折率ｎ⊥の変化を示すグラフ
９　屈折率ｎ〃とｎ⊥の平均値の変化を示すグラフ
１０　境界
１１　タイプ１の有効屈折率の変化を示すグラフ
１２　タイプ２の有効屈折率の変化を示すグラフ
１３　タイプ３の有効屈折率の変化を示すグラフ
１４　タイプ４の有効屈折率の変化を示すグラフ
１５　タイプ１の反射率の波長依存性を示すグラフ
１６　タイプ２の反射率の波長依存性を示すグラフ
１７　タイプ３の反射率の波長依存性を示すグラフ
１８　タイプ４の反射率の波長依存性を示すグラフ
１９　基材
２０　防曇膜
２１　防曇膜の表面
【図１】
2004045671.tif 000014
【図２】
2004045671.tif 000015
【図３】
2004045671.tif 000016
【図４】
2004045671.tif 000017
【図５】
2004045671.tif 000018
【図６】
2004045671.tif 000019
【図７】
2004045671.tif 000020
【図８】
2004045671.tif 000021
【図９】
2004045671.tif 000022
【図１０】
2004045671.tif 000023
【図１１】
2004045671.tif 000024