(57)【要約】   【課題】  簡単な工程で作製できる凹凸表面構造を備えた透過型光学素子、とくに紫外線波長域で使用される透過型光学素子を提供する  【解決手段】  表面に凹凸構造を有し、この凹凸構造によって入射光が作用を受けるように構成された透過型光学素子において、基板の少なくとも一方の表面に凹凸構造を備えた層を成形法によって形成する。そして基板と凹凸構造を備えた層の波長３６０ｎｍにおける透過率を９０％以上とし、かつ同波長における凹凸構造を備えた層の屈折率を基板の屈折率に比較して等しいかまたは小さくする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹凸構造を有し、該凹凸構造によって入射光が作用を受けるように構成した透過型光学素子において、基板の少なくとも一方の表面に前記凹凸構造を備えた層が形成され、前記基板及び凹凸構造を備えた層の波長３６０ｎｍにおける透過率が９０％以上であり、かつ同波長における前記凹凸構造を備えた層の屈折率が前記基板の屈折率に比較して小さいことを特徴とする透過型光学素子。
【請求項２】
前記基板の前記凹凸構造を形成した層を設けた表面に対向する他方の表面に波長３６０ｎｍにおける透過率が９０％以上で、かつ同波長における屈折率が前記基板の屈折率に比較して小さい第２の層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の透過型光学素子。
【請求項３】
前記凹凸構造を備えた層は、ゾル状シリコンアルコキシド層を成形硬化して凹凸構造を形成した層であることを特徴とする請求項１または２に記載の透過型光学素子。
【請求項４】
前記基板の材料が石英ガラスまたはサファイアガラスであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の透過型光学素子。
【請求項５】
前記基板の両面に形成した層のそれぞれの平均厚みｄ１及びｄ２が、透過型光学素子として利用する波長λにおける同層の屈折率をｎ１及びｎ２とするとき、光学膜厚ｎ１・ｄ１及びｎ２・ｄ２の値がいずれもλ／４の奇数倍を中心としてその±２０％以内となるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の透過型光学素子。
【請求項６】
前記凹凸構造の凹凸深さが０．１〜０．９μｍの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の透過型光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種光学分野で用いられる透過型光学素子に関し、とくに紫外線波長領域で使用される透過型光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外線を利用する光学機器は、紫外線の波長が可視光より短いことから光学的な分解能が高いという特徴がある。例えばフォトリソグラフィー技術においては、より短い波長の光を用いるほどより微細なパターンを形成することができる。また光記録分野においてもより波長の短い光を用いて情報を書き込むことにより、情報記録密度を向上させることができる。
【０００３】
しかし紫外線を透過する材料は限られている。紫外線透過型の光学素子を形成するためにもっとも一般的に使用されている材料は石英ガラスである（例えば特許文献１参照）。石英ガラスは紫外線波長域で透過率が高く、かつ比較的安価で化学的にも安定な優れた材料である。この石英ガラス表面に微細な凹凸構造を形成することにより光学的機能を付与すれば、紫外線を利用する透過型光学素子を実現できる。
【０００４】
例えば特許文献２には透明な基板表面における反射を低減することを目的に、微細な突起を多数形成する技術が開示されている。微細な凹凸構造を利用する光学素子としては、この他に回折光学素子や偏光光学素子が知られている。
【０００５】
ところで透過型光学素子においては使用波長によらず挿入損失を減少させ、光の利用効率を向上させるために、表面における反射を減少させる必要がある。このための手段としては素子表面に反射防止層を設ける手段や特許文献２に開示されているような表面凹凸構造を設ける手段があり、光学素子の条件により適した手段が選ばれる。
【特許文献１】特開平１０−１５８０３５号公報
【特許文献２】特開２００５−９９７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし石英ガラス基板に直接、微細な凹凸構造を形成するためには、プレス加工のような低温プロセスは適用できず、上記特許文献２に記載されているイオンビームエッチングなど気相エッチング法によらざるを得なかった。このような気相エッチングには大がかりな真空装置が必要であり、またエッチングマスクを形成するためフォトリソグラフィーなどのパターニング技術も必要で、光学素子を製造するために複雑で時間のかかる工程を要していた。
【０００７】
また透過型光学素子における光の利用効率改善のために必要とされる反射防止手段の形成にも光学素子そのものの製造工程に加えて成膜や加工の工程を必要としていた。
【０００８】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、簡単な工程で作製できる凹凸表面構造を備えた透過型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】
【０００９】
本発明は表面に凹凸構造を有し、この凹凸構造によって入射光が作用を受けるように構成された透過型光学素子において、基板の少なくとも一方の表面に凹凸構造を備えた層を形成する。そして基板と凹凸構造を備えた層の波長３６０ｎｍにおける透過率を９０％以上とし、かつ同波長における凹凸構造を備えた層の屈折率を基板の屈折率に比較して等しいかまたは小さくする。
【００１０】
この構成によれば、基板に直接凹凸構造を加工するのを避けることができ、凹凸構造を加工しやすい層を基板上に形成することによって透過型光学素子の製造を容易にすることができ、生産性を向上させることができる。またこの構成の透過型光学素子は紫外線をよく透過するとともに表面層により反射防止効果を得ることが可能であるため、簡単な製造工程により光の利用効率の高い透過型光学素子を提供することができる。
【００１１】
なお、本発明における基板は平板状に限定されず、レンズのような球面状あるいは非球面状の表面を有する基板においても同様の効果が期待できる。また、基板と層の透過率の波長依存性において、波長３６０ｎｍで９０％以上であれば、得られた光学素子の一部を紫外線硬化樹脂などにより固定することが可能となり、光学素子として利用しやすい。また、このように高い透過率を持つことで紫外線吸収による発熱や構造劣化、変色などを抑制することが可能となる。
【００１２】
さらに基板の上記凹凸構造を形成した層を設けた表面に対向する他方の表面にも波長３６０ｎｍにおける透過率が９０％以上で、かつ同波長における屈折率が基板の屈折率に比較して小さい第２の層を設けることが望ましい。
【００１３】
基板両面に屈折率の低い層を設けることにより、反射をさらに低減し、光の利用効率の高い透過型光学素子を提供することができる。基板両面の層にはともに凹凸構造を設けてもよいが、一方は平坦な層としても透過率の向上効果が得られるので効果がある。両面一括に層を形成するためには、ディップコートなどを行えば一度の塗布作業により両面に層形成が可能である。
【００１４】
所定の凹凸構造を形成した層はゾル状シリコンアルコキシド層を成形硬化して凹凸構造を形成した層とすることが望ましい。ゾル状シリコンアルコキシドは加熱することによりゲル化して硬化するため、成形材料として使用することができ、凹凸構造を有する層を形成するのに適している。またシリコンアルコキシドを硬化させることによりＳｉＯ2を主成分とする層となるため、紫外線をよく透過する。
【００１５】
また基板の材料は石英ガラスまたはサファイアガラスとすることが望ましい。
石英ガラスまたはサファイアガラスは紫外線をよく透過することが知られており、またシリコンアルコキシドが硬化した層は一般に多孔性となり紫外線波長領域でこれらのガラスより屈折率が低いため反射防止層として利用しやすい。
【００１６】
上記基板の両面に形成した層のそれぞれの平均厚みｄ１及びｄ２は、透過型光学素子として利用する波長λにおける屈折率をｎ１及びｎ２としたとき、ｎ１・ｄ１＝λ／４及びｎ２・ｄ２＝λ／４の奇数倍を中心としてその±２０％以内となるように設定することが好ましい。
【００１７】
これにより一方向より入射した光が上記層と基板の間および層と外部の間で反射する光の位相がほぼ打ち消しあうこととなり、単層での反射防止効果を大きくすることができる。ここで平均厚みとは凹凸構造の凸部と凹部を平均した厚みを意味する。
【００１８】
また上記の凹凸構造の凹凸深さを０．１〜０．９μｍの範囲とすることが望ましい。ここで凹凸深さとは凸部の頂上から凹部の底部までの距離である。凹凸深さが０．１μｍより浅い場合は、波長に対しての凹凸深さが浅すぎるため、回折効率が十分に得られず、好ましくない。また主成分がＳｉ０2となる転写成形可能な材料は転写成形後の硬化時に収縮するため、凹凸深さが０．９μｍより深い場合は、構造が保てず、亀裂などが生じやすいため好ましくない。
【発明の効果】
【００１９】
本発明においては、光学分野、特に紫外線領域で使用される波長板、回折光学素子、偏光光学素子などの光学素子やモスアイ構造に代表される反射防止手段に必要とされる表面凹凸構造を、耐熱性、耐候性の良好な無機材料を用いて加工する際に、エッチングやリソグラフィー技術といった高価な装置を不要とし、製造工程を簡単化することができる。また、単一の材料を加工して作製する素子に比較し、反射防止のためにさらに工程を加える必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に本発明の表面凹凸構造を有する透過型光学素子を製造する方法を、回折格子に基づく実施例により説明する。
【００２１】
図１は本発明の回折格子を形成する基本的な工程を示している。基板１０の両面にゾル状シリコンアルコキシドを塗布し塗布膜１５を形成する。塗布は片面ずつスピンコートなどによって行ってもよいが、成形剤溶液が両面とも同一材料であるならばディッピング法により両面同時に塗布する方が簡単である。つぎに予め準備した回折格子形状をもつ成形型２０を片側の膜に押し当て、他方の側からは平板状基板３０を押し当てる（図１（ａ））。図１（ｂ）に示す状態を保ったまま加熱し、膜を硬化させた後、図１（ｃ）のように離型することにより、凹凸構造を有する基板４０を形成することができる。
【００２２】
基本的な光学特性を評価するため、厚さ１ｍｍの石英ガラス基板上に代表的なシリコンアルコキシドであるテトラエトキシシランと酸水溶液にポリエチレングリコールを加えた成形剤溶液をスピンコートにより塗布し、焼成することによりＳｉＯ2を主成分とする膜を成膜した。このとき、スピナーの回転数を制御することにより膜厚を１５０ｎｍに設定した。この膜厚は波長２００〜６００ｎｍの光を使用する場合、波長の３／４〜１／４に相当する。得られた膜付き基板と無コートの石英ガラス基板の分光透過率を評価した結果を図２に示す。太い実線で示す膜付き基板の透過率は波長３６０ｎｍで約９４％、細い実線で示す無コートの石英ガラス基板は約９３％で、膜付き基板の方が透過率が高くなることが確認できる。
【００２３】
なお、透過率を規定した波長３６０ｎｍは特別な意味を持たず、近紫外域の代表的波長として採用したに過ぎない。図２に示されるように本発明が対象とする材料のこの波長域での透過特性は鋭い吸収ピーク等を有さず、緩やかな変化を示すので、代表的波長を３６０ｎｍと異なる周辺の波長域にとっても同様の効果が得られる。
以下に具体的に実施例を説明する。
【実施例１】
【００２４】
成形型は平板状石英ガラス基板に２４００本／ｍｍの割合で周期的な溝を加工したもので、溝の長手方向に垂直な断面形状は正弦波状である。この成形型に離型処理を施したものを用いた。テトラエトキシシラン、酸水溶液、エタノールを主成分とするゾル液にポリエチレングリコールを加えた成形剤溶液を石英ガラス基板の両面にディップコート法により塗布した。このガラス基板の一方の表面側から前述の成形型を押し当て、反対側の面から平板状基板を押し当てる。なお、この平板状基板表面も成形型同様に予め離型処理を施しておく。この状態で１００℃に保持し、ゲル化を進行させ硬化させた。硬化したゲル膜から成形型および平板状基板を離型した。その後、ゲル膜を焼成し、周期的な溝による凹凸構造を形成した基板を得た。
【００２５】
得られた凹凸構造を形成した層（凹凸膜）および平坦膜の屈折率ｎは波長３６０ｎｍで１．４４であり、膜厚は凹凸膜の平均膜厚ｄ１が２９０ｎｍ、平坦膜の膜厚ｄ２が２７０ｎｍであった。平坦膜の方が薄くなる理由は表面積の差による成形剤溶液の流動性の差に起因すると考えられる。すなわち成形剤溶液を塗布した基板に凹凸のある成形型を押し当てる場合と平板状基板を押し当てる場合では、前者の方が成形剤溶液が成形型に接触する表面積が大きいため、後者の場合よりも流動性が低くなるためと考えられる。流動性が低いほど、成形型を押し当てた際、型の外へ押し出される成形剤溶液の量が少なくなり、結果として膜厚が厚くなる。
【００２６】
上記の屈折率、膜厚の値から、凹凸膜のｎ・ｄ１は４１７．６ｎｍ、平坦膜のｎ・ｄ２は３８８．８ｎｍとなる。凹凸膜では波長（λ＝３６０ｎｍ）に対してｎ・ｄ１＝５λ／４−３２．４（ｎｍ）となり、λ／４の奇数倍（この場合、５倍）からのズレは−７．２％であった。また、平坦膜についてもｎ・ｄ２＝５λ／４−６１．２（ｎｍ）となり、波長／４の奇数倍（５倍）からのズレは−１３．６％であった。また、得られた凹凸深さは０．２５μｍであった。
【００２７】
得られた基板に波長３６０ｎｍの平行光を入射したところ回折光が生じ、紫外線の波長領域において透過型光学素子である透過型回折格子として機能することが確認できた。
【実施例２】
【００２８】
はじめに、サファイア基板の裏面にテトラメトキシシラン、酸水溶液、メチルアルコールを主成分とするゾル液をスピンコートで塗布した後、１００℃で熱処理した。その結果波長３６０ｎｍにおける屈折率ｎ２＝１．４３のゾルゲル膜が膜厚ｄ２＝２１０ｎｍで形成できた。
【００２９】
次に表面の凹凸成形を行った。成形型として平板状基板表面に三角錐状の穴を多数設けたものを用いた。テトラエトキシシランとメチルトリエトキシシラン、酸水溶液、エタノールを主成分とするゾル液をサファイア基板に塗布した。このサファイア基板に成形型を押し当てた状態で６０℃に保持し、ゲル膜を硬化させた。硬化したゲル膜から型を離型し、焼成した。その結果、波長３６０ｎｍで屈折率がｎ１＝１．４２のゾルゲル膜により平均膜厚としてｄ１＝７２０ｎｍの凹凸形状が形成できた。
【００３０】
裏面の平坦膜のｎ２・ｄ２は３００．３ｎｍ、凹凸膜のｎ１・ｄ１は１０２２．４ｎｍである。平坦面は波長（λ＝３６０ｎｍ）に対してｎ２・ｄ２＝３λ／４＋３０．３（ｎｍ）となり、λ／４の奇数倍（３倍）からのズレは１１．２％であった。また、凹凸膜についてもｎ１・ｄ１＝１３λ／４−１４７．６（ｎｍ）となり、λ／４の奇数倍（１３倍）からのズレは１２．６％であった。得られた凹凸深さは０．２μｍであった。
【００３１】
得られた基板の透過率を評価したところ、凹凸形状の無い状態と比較して透過率で２％上昇したことが観測され、いわゆるモスアイ構造の反射防止機能を備えた透過型光学素子が実現できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上の例では回折格子およびいわゆるモスアイ構造の反射防止手段について説明したが、本発明はこれ以外にも紫外線領域で使用される波長板やその他の偏光光学素子などの透過型光学素子にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は本発明の透過型光学素子の製造工程を示す図である。
【図２】図２は膜の有無による分光透過特性の差を示す図である、
【符号の説明】
【００３４】
１０  基板
１５  塗布膜
２０  成形型
３０  平板状基板
４０  凹凸構造を有する基板
【図１】
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【図２】
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