(57)【要約】  【課題】  高い反射防止効果を確保しつつ構造性複屈折の影響が生じない光学系を提供する。  【解決手段】  光学系は多数のＶ溝を整列して成る反射防止構造を第１面Ｓ１と第２面Ｓ２に有し、第１面Ｓ１と第２面Ｓ２は互いのＶ溝方向の成す角度が４５°以上９０°以下となるように配置されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の溝を整列して成る反射防止構造を複数の光学面に有する光学系であって、
前記複数の光学面のうちの少なくとも一対の光学面において、互いの溝方向の成す角度が４５°以上９０°以下であることを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記溝がＶ溝であることを特徴とする請求項１記載の光学系。
【請求項３】
前記溝方向が略９０°の角度を成すことを特徴とする請求項１又は２記載の光学系。
【請求項４】
前記反射防止構造を有する光学面が偶数面存在することを特徴とする請求項１，２又は３記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は反射防止構造を有する光学系に関するものであり、更に詳しくは光学面に反射防止構造が施された光学部材を含む光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学部材の表面反射を抑えるための反射防止構造として、使用波長以下の微細な凹凸から成るものが従来より知られており、その製法が特許文献１で提案されている。光の反射は屈折率の急激な変化に起因して生じるため、微細な凹凸で屈折率を徐々に変化させる構成は反射防止に有効である。そのような凹凸は微細な円錐状突起を多数並べて構成されることが多いが、例えば非特許文献１に記載されているように、多数のＶ溝から成る１次元周期構造でも同様の効果を得ることは可能である。また、１次元周期構造には製造・加工を容易に行うことができるというメリットもある。
【特許文献１】特開２００１−２７２５０５号公報
【非特許文献１】D.H.Raguin,G.M.Morris,Applied Optics,Vol.32(14),pp.2582-2598
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、反射防止構造に１次元周期構造を用いることには以下のような問題がある。使用波長以下の微細な構造を１次元的な周期で配置すると、構造性複屈折と呼ばれる異方性が生じる。構造性複屈折が生じると、一般的に偏波状態が変化し(例えば直線偏波が楕円偏波になる等)、特に偏波を制御する機器の光学系(光ピックアップ光学系等)に使用する場合には深刻な問題を引き起こすことがある。
【０００４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、高い反射防止効果を確保しつつ構造性複屈折の影響が生じない光学系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、第１の発明の光学系は、多数の溝を整列して成る反射防止構造を複数の光学面に有する光学系であって、前記複数の光学面のうちの少なくとも一対の光学面において、互いの溝方向の成す角度が４５°以上９０°以下であることを特徴とする。
【０００６】
第２の発明の光学系は、上記第１の発明において、前記溝がＶ溝であることを特徴とする。
【０００７】
第３の発明の光学系は、上記第１又は第２の発明において、前記溝方向が略９０°の角度を成すことを特徴とする。
【０００８】
第４の発明の光学系は、上記第１，第２又は第３の発明において、前記反射防止構造を有する光学面が偶数面存在することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の光学面のうちの少なくとも一対の光学面において、互いの溝方向の成す角度が４５°以上９０°以下になっているため、一方の光学面で設定された進相軸と遅相軸との関係が他方の光学面ではキャンセルされ、全体として偏波面は影響を受けないか、あるいは影響が軽減される。したがって、高い反射防止効果を確保しつつ構造性複屈折の影響を光学系全体として低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る光学系の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１に、反射防止構造を２つの光学面(すなわち第１面Ｓ１と第２面Ｓ２)に有する光学系を模式的に示す。また、図２(Ａ)に第１面Ｓ１を光軸ＡＸに沿って見た状態を示し、図２(Ｂ)に第２面Ｓ２を光軸ＡＸに沿って見た状態を示す。第１面Ｓ１と第２面Ｓ２に設けられている反射防止構造は、いずれも多数のＶ溝を整列させた１次元周期構造で構成されており、その一対の光学面Ｓ１，Ｓ２において互いのＶ溝方向が角度９０°を成している。図２中の平行線は、Ｖ溝を構成している面と面との境界線(すなわち谷線と稜線)を表しているが、各光学面Ｓ１，Ｓ２自体は、巨視的に見て曲面，平面のいずれでもよい。また光学系は、第１面Ｓ１と第２面Ｓ２を両面とする１つの光学部材、あるいはその光学部材を含む２以上の光学部材から成っていてもよく、第１面Ｓ１と第２面Ｓ２を別々に有する２以上の光学部材から成っていてもよい。
【００１１】
図１に示すように、光学系に対する入射光がいかなる偏波であっても、その偏波面はＴＥモードとＴＭモードとに分けられる。Ｖ溝が構成する１次元格子に対し、ＴＥモードは電界方向が垂直方向であり、ＴＭモードは電界方向が平行方向である。ＴＥモードはＴＭモードよりも屈折率が高くなるため、位相はそのリタデーションに応じて進むことになる。第１面Ｓ１で位相が進んだＴＥモードは、Ｖ溝方向が９０°異なる第２面Ｓ２では位相が遅れることになり、リタデーションが双方で同じであれば相殺されて、偏波面は入射光と等しくなる。つまり、構造性複屈折の影響が光学系全体として消失したことになる。
【００１２】
構造性複屈折による誘電率の偏光方向依存性は以下の式(F1),(F2)で表され、これらの式(F1),(F2)から上記リタデーションを算出することができる。
εTE＝ｆε1＋(１−ｆ)ε2  …(F1)
１／εTM＝ｆ／ε1＋(１−ｆ)／ε2  …(F2)
ここで、
ｆ：デューティー比、
εTE：ＴＥモードの誘電率、
εTM：ＴＭモードの誘電率、
ε1,ε2：変化する前後の媒質の誘電率、
であり、[屈折率]2＝[誘電率]で表される。
【００１３】
例えば、使用波長λ＝５００ｎｍに対する媒質の屈折率として、光学部材の屈折率ｎ1＝１．５とし、空気の屈折率ｎ2＝１とする。また、反射防止構造の周期Λ＝２５０ｎｍ、高さｈ＝５００ｎｍとし、簡単のために形状をデューティー比０．５(つまりラインとスペースとの比が１：１)の矩形と仮定する。式(F1),(F2)を適用すると、反射防止構造中の屈折率ｎTE＝１．２７,ｎTM＝１．１８となり、リタデーションは約３２°{＝(ｎTE−ｎTM)×(ｈ／λ)×360°＝(1.27−1.18)×(500／500)×360°≒32°}となる。
【００１４】
図１，図２では、第１面Ｓ１のＶ溝方向と第２面Ｓ２のＶ溝方向とが成す角度を９０°としているが、その角度を変化させたときの構造性複屈折の影響を以下に検討する。光学系に対する入射光を直線偏光とし、第１面Ｓ１と第２面Ｓ２は共に上記リタデーション：３２°を有するものとする。図３及び図４に、図１に示す光学系において２つの光学面Ｓ１，Ｓ２のＶ溝方向が成す角度を変化させたときの偏光状態の変化をグラフで示す。各グラフ中、実線Ｌ０は元の直線偏光状態を表しており、破線Ｌ１は第１面Ｓ１通過後の偏光状態を表しており、薄太線Ｌ２は第２面Ｓ２通過後の偏光状態を表している。
【００１５】
偏光状態はストークスパラメータ等で表すのが正確であるが、ここでは分かり易くするために、ある方位の検光子を通した出力として表している。つまり、各グラフの横軸は検光子の回転角度φ(°)であり、各グラフの縦軸は検光子を透過した光の出力Ｉである。また、グラフ中のθ1，θ2は、各光学面Ｓ１，Ｓ２のＶ溝方向が光学系への入射光(直線偏光)の偏光方向に対して成す角度である。直線偏光の偏光方向に対して第１面Ｓ１のＶ溝方向が成す角度θ1は４５°に固定されており、直線偏光の偏光方向に対して第２面Ｓ２のＶ溝方向が成す角度θ2は、−４５°，−３０°，−１５°{図３(Ａ)〜(Ｃ)}；０°，１５°，３０°，４５°{図４(Ａ)〜(Ｄ)}である。したがって、第１面Ｓ１のＶ溝方向と第２面Ｓ２のＶ溝方向とが成す角度Δθ＝θ1−θ2は、９０°，７５°，６０°{図３(Ａ)〜(Ｃ)}；４５°，３０°，１５°，０°{図４(Ａ)〜(Ｄ)}である。
【００１６】
２つの光学面Ｓ１，Ｓ２のＶ溝方向が成す角度の対称性を考慮すると、構造性複屈折の影響はφ＝０°〜９０°の範囲で考えればよい。図３(Ａ)に示すΔθ＝９０°の配置では、光学系を透過した光が完全に元の直線偏光と一致している。これに対し、図４(Ｄ)に示すΔθ＝０°の配置は、リタデーションが２倍の６４°になったことに相当するため、その偏光状態は入射光と比較して大きく変化している。各グラフの偏光状態の変化と経験から、光ピックアップ用の光学系においては、Δθが４５°までは偏光状態の変化は許容することができるが、４５°を超えると許容することができない。
【００１７】
したがって、Δθは以下の条件式(X1)を満たすことが好ましい。
４５≦｜Δθ｜≦９０  …(X1)
ただし、
Δθ＝θ1−θ2、
θ1：第１面に設けられている反射防止構造の溝方向が基準方位に対して成す角度(°)、
θ2：第２面に設けられている反射防止構造の溝方向が基準方位に対して成す角度(°)、
である。
【００１８】
上記検討結果から分かるように、多数の溝を整列して成る反射防止構造を複数の光学面に有する光学系においては、複数の光学面のうちの少なくとも一対の光学面において、互いの溝方向の成す角度が４５°以上９０°以下であることが望ましい。これによって、一方の光学面で設定された進相軸(fast-axis)と遅相軸(slow-axis)との関係が他方の光学面ではキャンセルされ、全体として偏波面は影響を受けないか、あるいは影響が軽減される。したがって、高い反射防止効果を確保しつつ、構造性複屈折の影響を光学系全体として低減することが可能となる。この光学構成は、偏光回転が問題になる光学系、例えば記録方式にカー効果を利用する機器の光学系(偏光を利用する光ピックアップ光学系等)において特に有効である。また、１次元周期構造には製造・加工を容易に行うことができるというメリットがあるので、反射防止構造をＶ溝で構成することは光学系の低コスト化を達成する上でも有効である。
【００１９】
上記光学構成は、その対となる何面かが上記関係を満たしていればよい。したがって、１つの光学部材の両面に反射防止構造を施した場合にも、光学系の３面以上の光学面に反射防止構造を施した場合にも、上記光学構成を適用することができる。また、複数面がすべて対を成してリタデーションを打ち消すようにするのが好ましく、反射防止構造を有する光学面が偶数面存在すれば、より一層の効果が期待できる。また、反射防止構造を構成する溝は、対となる光学面について対応するものであれば、直線的なＶ溝に限らない。例えばうねりを持った溝や断面形状が台形の溝であっても、上述した効果を得ることは可能である。
【００２０】
次に、光学面に反射防止構造が施された光学部材とその製造方法を具体的に説明する。図５に、光学部材の具体例としてのレンズ１０を模式的に示す。このレンズ１０は、一方のレンズ面１が巨視的に見て曲面から成っており、そのレンズ面１上には多数の微細なＶ溝３から成る反射防止構造２が形成されている(ただし、レンズ１０に対するＶ溝３の相対的なサイズは極端に拡大して図示してある。)。Ｖ溝３は光軸ＡＸに対して垂直な方向に一定の周期Λ＝２００ｎｍ，高さｈ＝４００ｎｍで形成されており、全てのＶ溝３の全ての部位において頂角を２等分する直線はいずれも光軸ＡＸに対して平行になっている。図６(Ａ)に反射防止構造２の光軸ＡＸ近傍の部位を拡大して示し、図６(Ｂ)に反射防止構造２の光軸ＡＸから大きく離れた部位を拡大して示す。
【００２１】
レンズ１０は、ガラス，樹脂(例えばＰＭＭＡ：polymethyl methacrylate)等の光学材料から成るレンズ基板に対し直接加工を施すことによっても製造可能であるが、図７に示す金型２０を用いた成型によっても製造可能である。金型２０を用いればレンズ１０の量産が容易になるため、その低コスト化を効果的に達成することができる。金型２０の製造工程を図８に示す。
【００２２】
図８に示す金型２０の製造では、まずＳＵＳ製の金型ブランク２１を粗加工して、レンズ面１と概ね相補的な曲面を形成する(ａ)。次に、その曲面上に電鋳によりニッケル層２２を設け(ｂ)、ニッケル層２２を切削してレンズ面１と相補的な曲面に仕上げる(ｃ)。そして、スパッタ法によりニッケル層２２の表面に窒化チタン(ＴｉＮ)膜２３を設け(ｄ)、さらに、スピンコート法によりＴｉＮ膜２３上にレジスト膜２４を設ける(ｅ)。このレジスト膜２４を２光束干渉法により露光して(ｆ)、レジスト膜２４にスリット２４ａを形成する(ｇ)。スリット２４ａの形成後、レジスト膜２４上及びスリット２４ａから露出しているＴｉＮ膜２３上に、真空蒸着法によりクロム膜２５を形成する(ｈ)。そして、リフトオフ法によりレジスト膜２４をその上のクロム膜２５と共に除去する(ｉ)。その結果、ＴｉＮ膜２３上のクロム膜２５のみが残る。
【００２３】
次に、クロム膜２５をマスクとするドライエッチングによって、ＴｉＮ膜２３を加工する(ｊ)。ＴｉＮ膜２３のエッチングには等方的に進む成分と異方的に進む成分とがある。等方的に進む成分は、深さ方向と水平方向とにエッチングを進行させる。異方的に進む成分は、深さ方向にのみエッチングを進行させる。これらの等方的成分と異方的成分との組み合わせにより、ＴｉＮ膜２３は次第に所望の畝状になっていく。最後に、ウエットエッチングによってクロム膜２５を除去する(ｋ)。これで、断面三角形状の畝状凸部２６を曲面の表面に有する金型２０が得られる。なお、ここではドライエッチングのマスクとしてクロム膜２５を用いたが、ある程度の速度でエッチングされる材料でマスクを作製し、マスクが消失した時点でドライエッチングを終了するようにしてもよい。このようにすると、畝状凸部２６の頂部を一層先鋭にすることができる。
【００２４】
得られた金型２０を用いて光学樹脂(例えばポリオレフィン系樹脂)の樹脂成型(例えば射出成型)を行うことにより、レンズ面１に反射防止構造２が施されたレンズ１０(図５)を作製することができる。レンズ面１上の全てのＶ溝３が同一方向を向いているため、レンズ１０の金型２０からの離型(図７)を極めて容易に行うことができる。
【００２５】
なお、上述した実施の形態には以下の構成(A1),(A2),…が含まれており、その構成によると、高い反射防止効果を確保しつつ構造性複屈折の影響を光学系全体として低減することができる。
【００２６】
(A1)  複数の溝から成る１次元周期構造を反射防止構造として複数の光学面に有する光学系であって、前記複数の光学面のうちの少なくとも一対の光学面において、一方の光学面の溝方向と他方の光学面の溝方向とが４５°以上９０°以下の角度を成すことを特徴とする光学系。
【００２７】
(A2)  複数の溝から成る１次元周期構造を反射防止構造として複数の光学面に有する光学系であって、前記複数の光学面のうちの少なくとも一対の光学面が、以下の条件式(C1)を満たすように配置されていることを特徴とする光学系。
４５≦α≦９０  …(C1)
ただし、
α：一方の光学面の溝方向と他方の光学面の溝方向とが成す角度(°)、
である。
【００２８】
(A3)  前記溝がＶ溝であることを特徴とする上記(A1)又は(A2)記載の光学系。
【００２９】
(A4)  １枚の光学部材から成る光学系であって、前記一対の光学面を前記光学部材に有することを特徴とする上記(A1)〜(A3)のいずれか１項に記載の光学系。
【００３０】
(A5)  ２枚以上の光学部材から成る光学系であって、前記一対の光学面を有する光学部材を少なくとも１枚備えたことを特徴とする上記(A1)〜(A3)のいずれか１項に記載の光学系。
【００３１】
(A6)  ２枚以上の光学部材から成る光学系であって、前記一対の光学面のうちの一方の光学面を有する光学部材とは異なる光学部材に他方の光学面を有することを特徴とする上記(A1)〜(A3)のいずれか１項に記載の光学系。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】反射防止構造を２つの光学面に有する光学系の実施の形態を模式的に示す概念図。
【図２】図１の光学系に用いられている２つの光学面を示す正面図。
【図３】図１に示す光学系において２つの光学面のＶ溝方向が成す角度を変化させたときの偏光状態の変化(Δθ＝９０°，７５°，６０°)を示すグラフ。
【図４】図１に示す光学系において２つの光学面のＶ溝方向が成す角度を変化させたときの偏光状態の変化(Δθ＝４５°，３０°，１５°，０°)を示すグラフ。
【図５】光学面に反射防止構造が施されたレンズの構造を模式的に示す断面図。
【図６】図５の反射防止構造の一部を拡大して示す斜視図。
【図７】図５のレンズとその作製に用いる金型を模式的に示す断面図。
【図８】図７の金型の製造工程を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
【００３３】
Ｓ１    第１面(光学面)
Ｓ２    第２面(光学面)
１    レンズ面(光学面)
２    反射防止構造
３    Ｖ溝
１０    レンズ(光学部材)
２０    金型
ＡＸ    光軸
【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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【図８】
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