(57)【要約】【課題】広範な波長範囲の光に対しても高い反射率を実現でき、光エネルギの大きい光に対して用いても、前述の熱による損傷を受けることがない新規な反射光学素子・反射光学系を実現する。【解決手段】光束の進行方向を変換する光学素子であって、入射面ＳＩと反射面ＳＲと射出面ＳＯを有するプリズム状であり、入射面ＳＩから入射する光束を反射面ＳＲで全反射させ、反射した光束を射出面ＳＯから射出させて光束の進行方向を変換する機能を持ち、入射面ＳＩと射出面ＳＯの少なくとも一方に、サブ波長構造による反射防止層ＳＷＳが形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光束の進行方向を変換する光学素子であって、
入射面と、１以上の反射面と、射出面とを有するプリズム状であり、
上記入射面から入射する光束を上記１以上の反射面で全反射させ、反射した光束を射出面から射出させて光束の進行方向を変換する機能を持ち、
上記入射面と射出面とのうち、少なくとも入射面に、サブ波長構造による反射防止層が形成されていることを特徴とする反射光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の反射光学素子において、
反射面が１面、もしくは入射光束を順次に全反射する複数面であることを特徴とする反射光学素子。
【請求項３】
請求項２記載の反射光学素子において、
１以上の反射面、入射面、射出面のうちの１面以上が、パワーを有することを特徴とする反射光学素子。
【請求項４】
請求項３記載の反射光学素子において、
１以上の入射面、反射面、射出面のうちの２面以上が、パワーを有し、上記入射面に入射する平行光束を、入射平行光束と光束径の異なる平行光束として射出面から射出させるように、２面以上の面のパワーが設定されていることを特徴とする反射光学素子。
【請求項５】
請求項１〜３の任意の１に記載の反射光学系において、
入射光束を発散もしくは集束させて、射出させる機能を有することを特徴とする反射光学系。
【請求項６】
請求項５記載の反射光学素子と、射出面から射出する発散性もしくは収束性の光束の、光束形態を変化させるレンズ素子とを有することを特徴とする反射光学系。
【請求項７】
請求項６記載の反射光学系において、
反射光学素子の射出面に、サブ波長構造の反射防止膜が設けられていることを特徴とする反射光学系。
【請求項８】
光束の進行方向を変換する光学素子であって、
１以上の反射面と、入射面と、射出面を有するプリズム状であり、
上記入射面から入射する光束を、上記１以上の反射面で全反射させ、反射した光束を射出面から射出させて光束の進行方向を変換する機能を持ち、
上記１以上の反射面、入射面、反射面のうちの２面以上がパワーを持ち、
２面以上のパワーを持つ面のパワーが、入射平行光束の光束径を変換して平行光束を射出させるように設定されていることを特徴とする反射光学素子。
【請求項９】
請求項８記載の反射光学素子において、
反射面が平面であり、
入射面、射出面が共に正のパワーを有することを特徴とする反射光学素子。
【請求項１０】
請求項８記載の反射光学素子において、
入射面が平面であり、反射面が負のパワーを持ち、射出面が正のパワーを持つことを特徴とする反射光学素子。
【請求項１１】
請求項８記載の反射光学素子において、
射出面が平面であり、入射面が正のパワーを持ち、反射面が負のパワーを持つことを特徴とする反射光学素子。
【請求項１２】
請求項８〜１１の任意の１に記載の反射光学素子において、
入射面もしくは射出面の、少なくとも一方に、反射防止層が形成されていることを特徴とする反射光学素子。
【請求項１３】
請求項１２記載の反射光学素子において、
入射面と射出面のうち、少なくとも光束径の小さい平行光束が通過する方の面に、サブ波長構造による反射防止層が形成されていることを特徴とする反射光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は反射光学素子および反射光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学装置には、一般に、光束の進行方向を転換するための反射手段が多用される。反射手段は高い反射率を必要とする。現在、反射手段は「光学材料または金属材料の表面に誘電体多層膜を形成したミラーやプリズム」が主流である。
【０００３】
このような反射手段は、レーザ光に対して用いられる場合に以下の如き問題がある。
【０００４】
即ち、高反射率を実現しようとすると、誘電体薄膜の膜数を増やす必要があるが、このようにすると、誘電体多層膜を構成する誘電体薄膜の界面数が増え、多層膜の膜厚が増えるほど「レーザ光の膜内吸収」が増大する。
【０００５】
膜内吸収が増大すると、吸収されたレーザ光の光エネルギが熱に変換されて膜内温度を上昇させ、誘電体多層膜に熱ダメージによる損傷を与えやすくなり、反射手段としての寿命を劣化させ易い。
【０００６】
また、誘電体多層膜は、使用波長に応じて設計する必要があるが、分光透過率が「十分に高い波長領域」を広くするのが困難であり、反射部材としての汎用性に欠ける。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、広範な波長範囲の光に対しても高い反射率を実現でき、ハイパワー・レーザ等の「光エネルギの大きい光」に対して用いても、前述の熱ダメージによる損傷を受けることがない新規な反射光学素子・反射光学系の実現を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の反射光学素子は「光束の進行方向を変換する光学素子」であって、以下の如き特徴を有する。
【０００９】
即ち、反射光学素子は、入射面と、１以上の反射面と、射出面とを有するプリズム状である。即ち、構造的には、１以上の反射面と、入射面、射出面を有する。
【００１０】
機能的には、入射面から入射する光束を、１以上の反射面で全反射させ、反射した光束を射出面から射出させて光束の進行方向を変換する機能を持つ。
【００１１】
そして、入射面と射出面とのうち、少なくとも入射面に「サブ波長構造による反射防止層」が形成されている（請求項１）。
【００１２】
上記反射面による「全反射」は「スネルの法則による全反射」である。
【００１３】
前記「反射面」は、１以上であるから、反射面は１面であることも「複数面」であることもでき、反射面が複数面である場合には、入射光束を順次に全反射する（請求項２）。
【００１４】
請求項２記載の反射光学素子における、１以上の反射面、入射面、射出面のうちの１面以上が、パワーを有することができる（請求項３）。
【００１５】
この場合、１以上の入射面、反射面、射出面のうちの２面以上がパワーを有し、入射面に入射する平行光束を「入射平行光束と光束径の異なる平行光束」として射出面から射出させるように、上記２面以上の面のパワーが設定されていることができる（請求項４）。
【００１６】
この場合、反射光学素子は「ビームエキスパンダ」としての機能を有する。ここに言う「ビームエキスパンダ」は、射出平行光束の光束径が、入射平行光束の光束径よりも大きくなる「光束径拡大機能」を持つこともできるし、逆に、射出平行光束の光束径が、入射平行光束の光束径よりも小さくなる「光束径縮小機能」を持つこともできる。
【００１７】
請求項１〜３の任意の１に記載の反射光学素子は「入射光束を発散もしくは集束させて、射出させる機能を有する」ことができる（請求項５）。
【００１８】
このような反射光学素子は、入射光束の光束状態（平行光束、発散光束、集束光束）を変換して射出光束とすることができる。例えば、入射する平行光束を発散性もしくは収束性の光束に変換できるし、発散光束もしくは集束光束として入射する光束を、平行光束や「入射光束とは異なる集束光束や発散光束」に変換できる。
【００１９】
例えば、平行光束を集光光束（発散光束）に変換する場合であれば、反射光学素子を正レンズ（負レンズ）の代用として用いることができる。
【００２０】
この発明の反射光学系は、請求項５記載の反射光学素子と、レンズ素子とを組合せた構成のものである（請求項６）。レンズ素子は「請求項５記載の反射光学素子の、射出面から射出する発散性もしくは収束性の光束の、光束形態を変化させるレンズ」である。レンズ素子は１枚もしくは複数枚のレンズにより構成できる。
【００２１】
請求項６の反射光学系は、反射光学素子が「射出面から発散性の光束」を射出させる機能を持ち、レンズ素子が「正のパワーを持つもの」であることができる。  
この場合、レンズ素子の正のパワーによっては、例えば、射出光束を平行光束とすることができる。
【００２２】
請求項６の反射光学系はまた、反射光学素子が「射出面から収束性の光束」を射出させる機能を持ち、レンズ素子が「負のパワーを持つもの」であることもできる。  
この場合、レンズ素子の負のパワーによっては、例えば、射出光束を平行光束とすることができる。
【００２３】
反射光学素子が「射出面から収束性の光束」を射出させる機能を持つ場合には、射出光束が収束性であるので、射出面に光のエネルギが集中する場合が考えられ、従って、反射光学素子の射出面にサブ波長構造の反射防止膜を設けることが好ましい（請求項７）。
【００２４】
請求項８記載の反射光学素子は「光束の進行方向を変換する光学素子」であって、以下の如き特徴を有する。  
即ち、構造的には、１以上の反射面と、入射面と、射出面を有するプリズム状である。
【００２５】
機能的には、入射面から入射する光束を、１以上の反射面で全反射させ、反射した光束を射出面から射出させて光束の進行方向を変換する機能を持つ。
【００２６】
そして、１以上の反射面、入射面、反射面のうちの２面以上がパワーを持ち、これら２面以上の「パワーを持つ面」のパワーが、入射平行光束の光束径を変換して平行光束を射出させるように設定されている。
【００２７】
反射面による「全反射」は「スネルの法則による全反射」である。
【００２８】
前記「反射面」は、１以上であるから、反射面は１面であることも「複数面」であることもでき、反射面が複数面である場合には、入射光束を順次に全反射する。
【００２９】
請求項８記載の反射光学素子は、前記請求項４の反射光学素子と同様に「ビームエキスパンダ」としての機能を有し、射出平行光束の光束径は、入射平行光束の光束径よりも大きく、あるいは小さくなる。
【００３０】
請求項８記載の反射光学素子は「反射面が平面で、入射面、射出面が共に正のパワーを有する」ことができ（請求項９）、また「入射面が平面で、反射面が負のパワーを持ち、射出面が正のパワーを持つ」こともでき（請求項１０）、「射出面が平面で、入射面が正のパワーを持ち、反射面が負のパワーを持つ」こともできる（請求項１１）。
【００３１】
請求項８〜１１の任意の１に記載の反射光学素子は「入射面もしくは射出面の、少なくとも一方に、反射防止層が形成されている」ことができる（請求項１２）。
【００３２】
この場合において、入射面と射出面のうち、少なくとも「光束径の小さい平行光束が通過する方の面」に、サブ波長構造による反射防止層が形成されていることができる（請求項１３）。
【００３３】
説明を補足する。  
「サブ波長構造」は、波長よりも周期の短い微細周期構造（微細凹凸構造）として知られており、微細な凹凸の形状に応じて「入射光から見た微細周期構造の見かけ上の屈折率（以下、「有効屈折率」と言う。）」が変化する。  
そこで、光学材料による基板の表面に「例えば、断面三角形状で、１次元もしくは２次元の微細周期構造を形成」すると、微細周期構造の空間周期は、凹凸構造の単位をなす三角形状の頂部から底部へ向かって連続的に変化するので、三角形状の高さ方向に「有効屈折率が連続的に変化する」ようにできる。
【００３４】
このようにすると、微細周期構造の部分において「有効屈折率の不連続な階段状変化」が発生しないので「不連続な屈折率変化による反射」が防止されて、良好な反射防止機能を実現できる。
【００３５】
このような反射防止機能を提案したものとしては、特許文献１、２記載のものが知られている。「反射防止機能を実現する微細周期構造」の凹凸構造の、単位をなす形状は、有効屈折率が凸部から凹部に向かって連続的に変化するような形状であれば良く、種々の形状が可能であり、上記「断面三角形状」はその１例である。
【００３６】
サブ波長構造による反射防止層は、サブ波長構造をなす凹凸を有する「層状の構造」を言うものである。
【００３７】
請求項１に記載の反射光学素子は、プリズム形状の「少なくとも入射面」に「サブ波長構造による反射防止層」が形成されるが、サブ波長構造による反射防止層は、微細周期構造の凹凸の周期が波長より小さいことにより「反射防止機能」を発現するものであるから、「微細周期構造の周期より長い波長の光」に対しては、波長を問わず反射防止効果を発現する。
【００３８】
従って、請求項１記載の反射光学素子は「広い波長領域の光」に対して使用可能であるという汎用性を備えている。
【００３９】
「誘電体多層膜」の場合には、前述の如く、積層される誘電体薄膜の間に界面が存在し、膜内吸収された光エネルギが、熱エネルギに変換されて膜温度を昇温させ「熱ダメージによる損傷」が生じる。
【００４０】
これに対し、サブ波長構造による反射防止層はプリズムと同一材料であり、光エネルギを吸収しないので「熱ダメージ」を受けない。
【００４１】
請求項３の反射光学素子につき説明を補足すると、請求項３の反射光学素子では、１面以上の反射面のうちの少なくとも１面が「パワーを有する曲面」である。従って、反射面が１面である場合には、この反射面は「パワーを持つ曲面」である。反射面が２以上ある場合には、そのうちの一部の反射面が「パワーを持つ曲面」で、残りの反射面が平面であっても良いし、全ての反射面が「パワーを持つ曲面」であることもできる。
【００４２】
「パワーを持つ曲面」による反射面が複数ある場合、各反射面のパワーは「共に正のパワー」でも「共に負のパワー」でも良く、「一部の反射面が正のパワーで、残りの反射面が負のパワー」であっても良い。  
請求項４記載の反射光学素子につき説明を補足すると、この反射光学素子ではプリズムの反射面（１面または複数面）がパワーを持つとともに、入射面および射出面の少なくとも一方にパワーを付与し「入射面に入射する平行光束」を「入射光束と光束径の異なる平行光束」として射出面から射出させる。
【００４３】
即ち、この反射光学系では、平行光束は、１以上の反射面のパワーと「入射面および／または射出面」のパワーと、により「光束径の変換」が行なわれる。
【００４４】
請求項５記載の反射光学素子について説明を補足すると、請求項５記載の反射光学系は「入射光束を発散もしくは集束させて、射出させる機能」を持つが、かかる機能は、１面以上の反射面、入射面、射出面のうちの１面以上に付与されたパワーにより実現できるほか、例えば、フレネルレンズや回折格子を利用できる。
【００４５】
フレネルレンズや回折格子の「周期」は、サブ波長構造の周期に比して大きく、従って、同一領域に「これらを同時に形成する」ことができる。また、レンズの厚さが小さい場合であれば、入射面や射出面の面形状としてレンズ面を形成し、このレンズ面上にサブ波長構造による反射防止層を形成することもできる。
【００４６】
請求項６以下の反射光学系について説明を補足すると、この反射光学系は、請求項５に記載の反射光学素子、即ち「入射光束を発散もしくは集束させて、射出させる機能」を有する反射光学素子と、レンズ素子を有する構成であり、レンズ素子は「反射光学素子の射出面から射出する、発散性もしくは収束性の光束の、光束形態を変化させる機能」を持ち、上述の如く１枚または複数枚のレンズで構成できる。
【００４７】
レンズ素子は、通常のレンズのほか、フレネルレンズや回折格子、屈折率分布レンズ等であることができる。そして、これらレンズ素子の各面にも「サブ波長構造による反射防止層」を形成することが可能である。
【００４８】
請求項８以下に記載の反射光学素子について説明を補足すると、請求項８以下に記載の反射光学素子は、入射平行光束と射出平行光束の光束径を変換する機能をもつ。
【００４９】
請求項１〜１３に記載された反射光学素子は、何れも形態としてはプリズム状であるが、「プリズムの形態」としては、直角プリズムやドーブプリズム、コーナーキューブ、ウエッジプリズム、ペンタプリズム、ルーフプリズム等が可能である。
【００５０】
上記反射光学素子における入射面や射出面、あるいは反射面に付与されるパワーは、軸対称にかぎらず「互いに直交する２方向に異なるパワー」が付与されても良い。即ち、パワーを付与された入射面等は、アナモフィックな光学作用を持つことができる。
【００５１】
このようにした場合、ビームエキスパンダとして用いられる場合、光束径のみならず、光束断面形状の変換も可能である。
【００５２】
上に説明した反射光学素子あるいは反射光学系は「入射側と逆側を逆」にして用いることができる。例えば、請求項４記載の反射光学素子のように、ビームエキスパンダとしての機能を持つものである場合、「光束径の小さい平行光束」を入射させて「光束径の大きい平行光束」を射出させることもできるが、光の進行方向の向きを逆転させて「光束径の大きい平行光束」を入射させて「光束径の小さい平行光束」を射出させることもできる。
【００５３】
このような場合、前者の場合における入射面は、後者の場合における射出面である。光エネルギ密度は「光束径の小さい光束」において大きくなり、反射防止膜への影響も大きいので、請求項１において「サブ波長構造による反射防止膜」を形成するのは「光束径の小さい平行光束が通過する方の面」が好ましく、この場合において「サブ波長構造による反射面」が形成される側を「入射面」とする。
【００５４】
逆に、光束径の大きい光束（平行光束、発散光束）が通過する面では、光エネルギ密度が小さい場合が多いので、このような光束が通過する面には「誘電体多層膜」を形成しても、光エネルギの集中による「熱ダメージ」による損傷を回避することができる。  
即ち、請求項１〜１３における反射光学素子は、入射面・射出面のうち「光束径の大きくなる側の面」に、誘電体多層膜による反射防止膜を形成することができる。
【００５５】
勿論、このように「誘電体多層膜による反射防止膜」を形成する場合には、誘電体多層膜による反射防止膜は「使用波長に応じて膜設計」する必要があり、広い波長領域に対する汎用性を実現するには、誘電体多層膜の反射防止効果を広い波長領域で実現できるように膜設計を行なう必要がある。    
反射防止層は、入射面・射出面ともに形成することにより、高い反射防止効果を実現し、反射光学素子・反射光学系の反射効率を十分に大きく高めることができるが、入射面・射出面の一方にのみ形成しても、入射面もしくは射出面における反射を十分に小さくすることができ、反射光学素子・反射光学系としての反射効率を有効に高めることができる。
【発明の効果】
【００５６】
以上に説明したように、この発明の反射光学素子によれば、新規な反射光学素子および反射光学系を実現できる。この発明の反射光学素子・反射光学系は、ハイパワーレーザのような「光エネルギの大きい光束」に対して用いても、熱ダメージを受けない。また、広い波長範囲の光に対して用いることができるので、汎用性に優れている。反射面による反射は「全反射」として行なわれるため、原理的に光損失の無い反射を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】反射光学素子の１例を説明するための図である。
【図２】反射防止膜と反射防止層との分光透過率を比較し、熱によるダメージの程度を説明するための図である。
【図３】反射光学素子の形態例を３例説明するための図である。
【図４】反射光学系の形態例を３例説明するための図である。
【図５】反射面が入射光束を全反射する条件を説明するための図である。
【図６】実施例１〜３を説明するための図である。
【図７】実施例４、５を説明するための図である。
【図８】反射光学素子の別形態例を２例説明するための図である。
【図９】反射光学素子の他の形態例を２例説明するための図である。
【図１０】反射光学系の形態例を２例説明するための図である。
【図１１】反射光学素子の他の形態例を説明するための図である。
【図１２】反射光学素子のさらに他の形態例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
以下、実施の形態を説明する。
【００５９】
図８以下に、反射光学素子と、反射光学系の構成の例を数例説明する。
【００６０】
なお、繁雑を避けるために、図９〜図１２において、符号を共通化し、反射光学素子のプリズムを符号「ｐ」により、その入射面を符号「ｐ１」により、射出面を符号「ｐ２」により、それぞれ示す。
【００６１】
さらに、反射面を符号「ｓｒ」により示し、入射面ｐ１に設けられる反射防止層を符号「ｓ１」により、射出面ｐ２に設けられる反射防止膜を符号「ｓ２」により示す。また、入射光束を符号「ＬＩ」により、また、射出光束を符号「ＬＯ」により示す。
【００６２】
図８は、反射光学素子の構成例を２例示す。  
図８に示す２例は、請求項１記載の反射光学素子の例である。
【００６３】
図８（ａ）において、プリズムｐは「直角プリズム」であり、入射光束ＬＩを入射面ｐ１に垂直に入射させると、光束は反射面ｓｒで全反射され、射出面ｐ２から射出光束ＬＯとなって射出する。
【００６４】
入射面ｐ１には反射防止膜ｓ１が形成されており、反射防止膜ｓ１は「サブ波長構造による反射防止膜」である。射出面ｐ２には、反射防止膜は形成されていない。
【００６５】
このような反射光学素子は、入射光束ＬＩが「光束径の小さい平行光束」であるような場合、あるいは、入射光束ＬＩが集束性で、入射面ｓ１の近傍で集光するような場合に有効である。これらの場合は、入射光束ＬＩの光エネルギ密度が高いが、反射防止膜ｓ１は「サブ波長構造によるもの」であるので、熱ダメージを受けることがない。
【００６６】
図８（ｂ）に示す例では、図８（ａ）に示すものに加えて、反射防止膜ｓ２が、射出面ｐ２に形成されている。  
この場合、射出面ｐ２から射出する光束が発散性で、射出面ｓ２における光エネルギ密度が小さく、反射防止膜ｓ２が熱ダメージを受ける恐れが無い場合には、反射防止膜ｓ２を「誘電体多層膜」とすることができる。
【００６７】
これとは逆に、入射面ｓ１から光束径が大きくて光エネルギ密度が小さい集束光が入射し、射出面ｓ２の近傍では集束により光エネルギ密度が大きくなるような場合であれば、反射防止膜ｓ１を「誘電体多層膜」とし、反射防止膜ｓ２を「サブ波長構造によるもの」とすることができる。
【００６８】
勿論、反射防止膜ｓ１、ｓ２を共に「サブ波長構造によるもの」とすることができ、このようにすれば、反射光学素子は、入射光束ＬＩ、射出光束ＬＯの光束径体に拘わらず、反射による光損失を軽減できる。
【００６９】
図９は、反射光学素子の別の構成例を２例示す。  
図９に示す２例は、請求項５記載の反射光学素子の例である。
【００７０】
図９（ａ）において、プリズムｐは「入射面ｐ１と射出面ｐ２が直交し、反射面ｓｒが凹面で「負のパワー」を有する例である。入射面ｐ１には反射防止層ｓ１が設けられ、射出面ｐ２には反射防止層ｓ２が設けられている。
【００７１】
入射光束ＬＩを入射面ｐ１に垂直に入射させると、光束は反射面ｓｒで全反射され、射出面ｐ２から射出光束ＬＯとなって射出するが、その際、反射面ｓｒの負のパワーの影響を受ける。
【００７２】
例えば、入射光束ＬＩが、光束径の小さい「光エネルギ密度の大きい光束」である場合には、反射防止膜ｓ１を「サブ波長構造のもの」とすることにより、入射光束ＬＩによる熱ダメージを防止できる。
【００７３】
射出光束ＬＯは、反射面ｓｒの負のパワーを受けるので、例えば、図の如くに発散性の光束となる。このようにして、射出面ｓ２から射出する光束が、発散性となって、射出面ｓ２における光エネルギ密度が小さくなる場合は、反射防止層ｓ２は「誘電体多層膜」とすることができる。
【００７４】
勿論、反射防止膜ｓ１、ｓ２を共に「サブ波長構造によるもの」とすることができ、このようにすれば、反射光学素子は、入射光束ＬＩ、射出光束ＬＯの光束径体に拘わらず、反射による光損失を軽減できる。
【００７５】
図９（ｂ）において、プリズムｐは「入射面ｐ１と射出面ｐ２が直交し、反射面ｓｒが凹面で「正のパワー」を有する例である。入射面ｐ１には反射防止層ｓ１が設けられ、射出面ｐ２には反射防止層ｓ２が設けられている。
【００７６】
入射光束ＬＩを入射面ｐ１に垂直に入射させると、光束は反射面ｓｒで全反射され、射出面ｐ２から射出光束ＬＯとなって射出するが、その際、反射面ｓｒの負のパワーの影響を受ける。
【００７７】
例えば、図の例のように、入射光束ＬＩが、光束径の大きい「光エネルギ密度の大きい光束」である場合には、反射防止膜ｓ１を「誘電体多層膜」としても、入射光束ＬＩによる熱ダメージは受けない。
【００７８】
射出光束ＬＯは、反射面ｓｒの正のパワーを受けるので、例えば、図の如くに集束性の光束となる。このようにして、射出面ｓ２から射出する光束が、集束性となって、射出面ｓ２における光エネルギ密度が大きくなる場合は、反射防止層ｓ２を「サブ波長構造によるもの」とし、熱ダメージを受けないようにする。
【００７９】
勿論、反射防止膜ｓ１、ｓ２を共に「サブ波長構造によるもの」とすることができ、このようにすれば、反射光学素子は、入射光束ＬＩ、射出光束ＬＯの光束径体に拘わらず、反射による光損失を軽減できる。
【００８０】
図１０には、反射光学系の構成例を２例示す。
【００８１】
図１０（ａ）に示すのは、請求項６記載の反射光学系の構成の１例であり、（ｂ）に示すのは、請求項６記載の反射光学系の構成の他の１例である。
【００８２】
図１０（ａ）において、反射光学素子は、図９（ａ）に示すものと同一であり、プリズムｐは「入射面ｐ１と射出面ｐ２が直交し、反射面ｓｒが凹面で「負のパワー」を有する例である。入射面ｐ１には反射防止層ｓ１が設けられ、射出面ｐ２には反射防止層ｓ２が設けられている。
【００８３】
入射光束ＬＩを入射面ｐ１に垂直に入射させると、光束は反射面ｓｒで全反射され、射出面ｐ２から射出光束ＬＯとなって射出するが、その際、反射面ｓｒの負のパワーの影響を受ける。
【００８４】
例えば、入射光束ＬＩが、光束径の小さい「光エネルギ密度の大きい光束」である場合には、反射防止膜ｓ１を「サブ波長構造のもの」とすることにより、入射光束ＬＩによる熱ダメージを防止できる。
【００８５】
射出光束ＬＯは、反射面ｓｒの負のパワーを受け、図の如く発散性の光束となる。このようにして、射出面ｓ２から射出する光束が発散性となって、射出面ｓ２における光エネルギ密度が小さくなる場合は、反射防止層ｓ２は「誘電体多層膜」とすることができる。
【００８６】
勿論、反射防止膜ｓ１、ｓ２を共に「サブ波長構造によるもの」とすることができ、このようにすれば、反射光学素子は、入射光束ＬＩの光束径体に拘わらず、反射による光損失を軽減できる。
【００８７】
このように発散しつつ射出面ｐ２から射出する射出光束は、正のパワーを持つレンズ素子ｌｐにより平行光束化された射出光束ＬＯとなる。
【００８８】
この例では、入射光束ＬＩは平行光束、射出光束ＬＯも平行光束であり、反射光学系としては「ビームエキスパンダ」として機能する。
【００８９】
図１０（ｂ）において、反射光学素子は、図９（ｂ）に示すものと同一であり、プリズムｐは「入射面ｐ１と射出面ｐ２が直交し、反射面ｓｒが凸面で「正のパワー」を有する例である。入射面ｐ１には反射防止層ｓ１が設けられ、射出面ｐ２には反射防止層ｓ２が設けられている。
【００９０】
入射光束ＬＩを入射面ｐ１に垂直に入射させると、光束は反射面ｓｒで全反射され、射出面ｐ２から射出光束ＬＯとなって射出するが、その際、反射面ｓｒの正のパワーの影響を受ける。
【００９１】
例えば、入射光束ＬＩが、光束径の大きい「光エネルギ密度の大きい光束」である場合には、反射防止膜ｓ１を「誘電体多層膜」としても、入射光束ＬＩによる熱ダメージを受けない。
【００９２】
反射光学素子からの射出光束は、反射面ｓｒの正のパワーを受け、図の如くに集束性の光束となる。このようにして、射出面ｓ２から射出する光束が集束性となって、射出面ｓ２における光エネルギ密度が大きくなる場合は、反射防止層ｓ２を「サブ波長構造によるもの」とする。
【００９３】
勿論、反射防止膜ｓ１、ｓ２を共に「サブ波長構造によるもの」とすることができ、このようにすれば、反射光学素子は、入射光束ＬＩの光束径体に拘わらず、反射による光損失を軽減できる。
【００９４】
このように集束しつつ射出面ｐ２から射出する射出光束は、負のパワーを持つレンズ素子ｌｎにより平行光束化された射出光束ＬＯとなる。
【００９５】
この例でも、入射光束ＬＩは平行光束、射出光束ＬＯも平行光束であり、反射光学系としては「ビームエキスパンダ」として機能する。
【００９６】
図１１は、反射光学素子の別の構成例を示す。
【００９７】
図１１の構成例は、請求項９記載の反射光学素子の例である。
【００９８】
図１１において、プリズムｐは「反射面ｓｒが平面であり、入射面ｐ１、射出面ｐ２が共に正のパワーを有する」ものである。プリズムｐとしては、入射光束ＬＩの方向を直角に偏向させて射出光束ＬＯとして射出させる。入射面ｐ１には反射防止層ｓ１が、射出面ｐ２には反射防止層ｓ２が形成されている。
【００９９】
入射面ｐ１、射出面ｐ２のパワーは、図示の如く、平行光束である入射光束ＬＩの光束径を拡大させた平行光束である射出光束ＬＯを射出させるように定められている。
【０１００】
平行光束状態の入射光束ＬＩを入射面ｐ１に垂直に入射させると、光束は平面である反射面ｓｒで全反射され、射出面ｐ２から射出光束ＬＯとなって射出するが、その際、入射面ｓ１、射出面ｓ２の正のパワーの影響を受ける。
【０１０１】
即ち、入射光束ＬＩは入射面ｐ１の正のパワーを受けて集束光束となり、反射面ｓｒで反射され、発散光束となって射出面ｐ２に入射し、射出面ｓ２の正のパワーにより発散性を抑制され、射出光束ＬＯは平行光束となって射出する。
【０１０２】
図１１の構成例では、射出光束ＬＯは、入射光束ＬＩよりも光束径が拡大されている。
【０１０３】
従って、入射光束ＬＩの光束径が十分に大きく、入射面ｓ１における光エネルギ密度が小さければ、反射防止層ｓ１、ｓ２ともに「誘電体多層膜」とすることができる。
【０１０４】
勿論、反射防止膜ｓ１、ｓ２を共に「サブ波長構造によるもの」とすることができ、このようにすれば、反射光学素子は、入射光束ＬＩ、射出光束ＬＯの光束径体に拘わらず、反射による光損失を軽減できる。
【０１０５】
図１２は、反射光学素子の他の構成例を示す。
【０１０６】
図１２の構成例は、請求項１０記載の反射光学素子の例である。
【０１０７】
即ち、反射光学素子は、入射面ｐ１が平面で、反射面ｓｒが負のパワーを持ち、射出面ｐ２が正のパワーを持つ。
【０１０８】
入射面ｐ１には反射防止膜ｓ１、射出面ｐ２には反射防止膜ｓ２が形成されている。
【０１０９】
入射面ｐ１、射出面ｓ２のパワーは、図示の如く、平行光束である入射光束ＬＩの光束径を拡大させた平行光束である射出光束ＬＯを射出させるように定められている。
【０１１０】
平行光束状態の入射光束ＬＩを入射面ｐ１に垂直に入射させると、光束は凹面である反射面ｓｒで全反射され、射出面ｐ２から射出光束ＬＯとなって射出するが、その際、反射面ｓｒ、射出面ｓ２の正のパワーの影響を受ける。
【０１１１】
即ち、入射光束ＬＩは反射面ｓｒの負のパワーを受けて発散光束となり、発散しつつ射出面ｐ２に入射し、射出面ｓ２の正のパワーにより発散性を抑制され、射出光束ＬＯは平行光束となって射出する。
【０１１２】
図１２の構成例では、射出光束ＬＯは、入射光束ＬＩよりも光束径が拡大されている。
【０１１３】
従って、入射光束ＬＩの光束径が十分に大きく、入射面ｓ１における光エネルギ密度が小さければ、反射防止層ｓ１、ｓ２ともに「誘電体多層膜」とすることができる。
【０１１４】
図１２の例では、入射光束ＬＩの光束径が比較的小さい場合を想定しており、入射面ｐ１における光エネルギ密度が大きいことを鑑み、反射防止層ｓ１を「サブ波長構造によるもの」とし、光束径の大きい射出光束ＬＯでは光エネルギ密度が減少していることを鑑みて、反射防止層ｓ２は「誘電体多層膜」としている。
【０１１５】
勿論、反射防止膜ｓ１、ｓ２を共に「サブ波長構造によるもの」とすることができ、このようにすれば、反射光学素子は、入射光束ＬＩ、射出光束ＬＯの光束径体に拘わらず、反射による光損失を軽減できる。
【０１１６】
上に例示した形態例以外にも、請求項８記載の反射光学素子の形態としては、射出面が平面、入射面が正のパワーを持ち、反射面が負のパワーを持つもの等が可能である。
【０１１７】
反射防止層は、入射面もしくは射出面の、少なくとも一方に形成されていることができ、上記の如く、入射面と射出面のうち、少なくとも「光束径の小さい平行光束」が通過する方の面の反射防止膜は、サブ波長構造による反射防止層であることが好ましい。
【０１１８】
以下、具体例を説明する。
【０１１９】
図１は、反射光学素子の１例である「反射プリズム」を説明するための図である。
【０１２０】
図１（ａ）において、反射プリズムＰは「直角プリズム」であって、斜面が反射面ＳＲとなっており、反射面ＳＲを挟む２面が、入射面Ｓ１、射出面ＳＯとなっている。入射光束ＬＩは入射面ＳＩから入射し、反射面ＳＲで反射され、射出面ＳＯから射出する。
【０１２１】
図に示す例では、プリズムの入射面ＳＩをなす部分および射出面ＳＯをなす部分は、反射防止面板ＰＩ、ＰＯをプリズム本体に貼着されている。  
反射防止面板ＰＩ、ＰＯは同一構造のものであり、図１（ｂ）に、反射防止面板ＰＩを例にとって説明図的に示すように、薄い透明平行平板の片面にサブ波長構造による微細周期構造ＳＷＳが「反射防止層」として形成されている。
【０１２２】
反射防止面板ＰＩ、ＰＯは、プリズム本体と同一材料で構成され、従って、その屈折率はプリズム本体と同一である。そしてこれら反射防止面板ＰＩ、ＰＯは、微細周期構造ＳＷＳを形成された面が外向きとなるようにして、プリズム面に図の如く貼着される。
【０１２３】
この「貼着」は、「水・加熱接合」やフッ酸接合、陽極接合」などの「接着剤を用いない接合方法」で行なわれており、従って、反射防止面板ＰＩ、ＰＯとプリズム本体との間には「屈折率が不連続に変化する界面」は存在しない。
【０１２４】
１例として、石英ガラスによりプリズム本体と反射防止面板を形成し、反射防止面板の片面に微細周期構造として、断面三角形形状の１次元配列を、配列周期を１５０ｎｍ、三角形形状の高さを１２００ｎｍとして形成して反射防止層とした。
【０１２５】
このときの分光透過率を図２（ａ）に示す。同図において、符号２−１で示す曲線は、市販の誘電体多層膜による反射防止膜の場合の分光透過率で、波長：３００ｎｍより大きく７００ｎｍ以下の光に対しては良好な反射防止機能を示している。  
符号２−２で示す曲線は、上記微細凹凸構造による反射防止層の分光透過率であり、波長：２５０ｎｍより大きい広範な波長領域で良好な反射防止機能を果たしている。
【０１２６】
上記「誘電体多層膜による反射防止膜」にハイパワーレーザのビームを照射すると、図２（ｂ）の左図のように、ビームを照射された部分で「熱ダメージにより反射防止膜が破壊され」てしまう（図の中央部）。
【０１２７】
図２（ｂ）の右図は、微細周期構造による反射防止層に、ハイパワーレーザのビームを照射した場合であり、ハイパワーレーザのビームに起因する「熱ダメージによる損傷」は全く生じていない。
【０１２８】
上に示した例では、プリズム本体に反射防止面板を貼着する場合を用いたが、勿論、プリズム本体の入射面・反射面に直接に「微細周期構造による反射防止層」を形成することができる。微細周期構造の形成は、反射防止面板ＰＩ、ＰＯの表面に形成する場合と同様である。
【０１２９】
反射防止面板をプリズム本体に貼着する場合は、微細周期構造の形成を、プリズム本体と拘わりなく実行できるので、複数種のプリズム本体に対して貼着が可能となり、多様な反射光学素子の製造が容易となる。逆に、プリズム本体に直接に微細周期構造による反射防止層を形成する場合には、上記接合の工程を省略でき、製造工程を簡略化できる。
【０１３０】
図３は、請求項３記載の反射光学素子の実施の形態を３例示している。
【０１３１】
繁雑を避けるため、これらの例において符号を共通化する。即ち、図１におけると同じく、プリズム状の反射光学素子を符号Ｐで表し、反射面をＳＲ、入射面をＳＩ、射出面をＳＯ、入射光をＬＩ、射出光をＬＯで表す。また、入射面ＳＩに形成された微細周期構造をＳＷＳＩ、射出面ＳＯに形成された微細周期構造による反射防止層をＳＷＳＯで表す。
【０１３２】
図３に示す３種の反射光学素子は何れも「ビームエキスパンダ」として用いられる。
【０１３３】
図３（ａ）に示す反射光学素子は、平行光束として入射する入射光束ＬＩの光束径を拡大して平行光束として射出させる。即ち、射出光ＳＯは「光束径を拡大された平行光束」である。入射光束ＬＩは、反射面ＳＲによる反射により進行方向を９０度偏向され、光束径を拡大されて射出光束ＬＯとなって射出する。
【０１３４】
図３（ｂ）の反射光学素子は、入射光束ＬＩの向きを１８０度偏向させるものである。この反射光学素子Ｐでは、入射面ＳＩと射出面ＳＯとは「面一」即ち同一面であり、反射面ＳＲは、２面の反射面ＳＲ１、ＳＲ２で構成されている。
【０１３５】
入射光束ＬＩは、平行光束として入射面ＳＩから入射するが、その際、微細周期構造ＳＷＳＩにより反射が防止される。プリズム内に入射した光束は、反射面ＳＲ１、ＳＲ２により順次に「スネルの法則による全反射」で反射され、進行方向を１８０度偏向され、射出面ＳＯから射出する。
【０１３６】
反射面ＳＲ１、ＳＲ２は凹面であるので、入射光は反射面ＳＲ１で全反射されて収束光となり、さらに反射面ＳＲ２で反射される。図に示した例では、反射面ＳＲ２で反射された光束は「プリズム内で一旦集光したのち、発散」しつつ射出面ＳＯに入射し、微細周期構造ＳＷＳＯの反射防止機能で「高い透過率」をもって射出する。
【０１３７】
その際、微細周期構造による反射防止層ＳＷＳＯの正のパワーにより、実質的な平行光束（図の例では、入射光よりも光束径を拡大されている。）に戻される。
【０１３８】
図３（ｃ）に示す反射光学素子は、図３（ａ）に示したのと同様に、入射光束ＬＩは進行方向を９０度偏向されるように反射される。
【０１３９】
この例では、反射面ＳＲが凹面であり、入射面ＳＩから平行光束として入射する入射光束ＬＩは、反射面ＳＲにより反射されて射出面ＳＯに向かう。反射面ＳＲは１面であるが凹面であるので、反射面ＳＲに反射された光束は収束光束となる。  
この例の場合も、反射面ＳＲで反射された収束光は、プリズム内で一度集光し、発散光束となって射出面ＳＯに入射し、微細周期構造による反射防止層ＳＷＳＯの反射防止機能の効果で「高い透過率」をもって射出し、その際に、反射防止層ＳＷＳＯの正のパワーにより「実質的な平行光束（図の例では、入射光よりも光束径を拡大されている。）」に戻される。
【０１４０】
図３（ｂ）、（ｃ）に示す例では、反射面ＳＲの負のパワーの大きさによっては、射出光束ＬＯの光束径が入射光の光束径より小さくなる場合もある。  
即ち、反射面ＳＲにより全反射された光束が「収束性」を保ったまま、射出面ＳＲに入射するよう場場合には、微細周期構造による反射防止層ＳＷＳＯに「負のパワー」を与えておくことにより、入射光の光束径よりも小径の平行光束として射出光束ＬＯを射出させることができる。
【０１４１】
このように、図３に即して上に説明した３例の反射光学素子は何れも、入射光の光束径を変換するビームエキスパンダとしての機能を持ち、反射面ＳＲにより反射された光束は「発散光」として射出面ＳＯに入射し、反射防止層ＳＷＳＯの作用により「平行光束」に戻されるのであるから、反射防止層ＳＷＳＯは「正のパワー」を持つ必要がある。
【０１４２】
これに対し、入射面ＳＩの反射防止層ＳＷＳＩは「反射防止機能」のみでよい。
【０１４３】
図３（ｄ）は、入射面ＳＩに形成された反射防止層ＳＷＳＩを説明するための図であり、上の図は「平面図」、下の図は「断面図」である。反射防止層ＳＷＳＩを構成する微細周期構造は「微細な断面三角形状（図２（ｄ）下図）の１次元配列（図２（ｄ）上図）」で形成されている。
【０１４４】
図３（ｅ）は、射出面ＳＯに形成された反射防止層ＳＷＳＯを説明するための図であり、上の図は「平面図」、下の図は「部分拡大断面図」である。
【０１４５】
反射防止層ＳＷＳＯは「正のパワー」を実現できるよう、図３（ｅ）上図に示すように「同心円状の凸レンズ面によるフレネルレンズ」が形成されている。そして、部分拡大図を示す下図のように、フレネルレンズ面とレンズ面間部分とに、微細な三角形状の断面を持つ「サブ波長構造による微細周期構造」が同心円状に「びっしり」と形成されて、反射防止機能を実現している。
【０１４６】
なお、フレネルレンズのパワーを負とすれば「負のパワーと反射防止機能」を実現できることは勿論である。
【０１４７】
反射防止層をなす微細周期構造に、このような「パワーを持つ微細凹凸構造」を持たせることができるが、上に説明した図１の反射光学素子Ｐにおいて、入射面ＳＩに形成される微細周期構造に「負のパワー」を持たせ、射出面ＳＯに形成される微細周期構造に「正のパワー（上記負のパワーを相殺する正のパワー）」を持たせると、入射光束ＬＩの光束径を拡大した平行光束として射出光束ＬＯを取り出すようにすることができる。これは請求項４の反射光学素子の１例である。
【０１４８】
以下、請求項５以下の反射光学系の実施の形態を、図４を参照して３種説明する。なお、繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、図１、図３におけると同一の符号を付する。
【０１４９】
図４（ａ）に示す実施の形態は、請求項５、６の反射光学系の実施の形態例を説明図的に示している。
【０１５０】
符号Ｐ１で示す反射光学素子は、形状的には、図３（ａ）に示す反射光学素子と似通っている。反射光学素子Ｐ１は、入射面ＳＩ、射出面ＳＯ、反射面ＳＲを有するプリズムの、入射面ＳＩ、射出面ＳＯに、反射防止層ＳＷＳが「サブ波長構造による微細周期構造」としてそれぞれ形成されている。反射防止層ＳＷＳは「反射防止機能のみ」を持ち、パワーを持たない。
【０１５１】
反射光学素子Ｐ１の、図における上方には、レンズ素子ＬＮＰが配備されている。
【０１５２】
入射光束ＬＩは、平行光束であって、入射面ＳＩからプリズム内に入射する。このとき、反射防止層ＳＷＳによる反射防止機能により「反射」が有効に抑制される。プリズム内に入射した光束は反射面ＳＲにより全反射され、反射面ＳＲの有する負のパワーにより発散性の光束となって、射出面ＳＯから射出する。
【０１５３】
射出面ＳＯに形成された反射防止層ＳＷＳは「パワー」を持たないので、射出光は発散光束として射出し、レンズ素子ＬＮＰに入射する。レンズ素子ＬＮＰは、その光軸を、射出光の主光線（反射面ＳＲにより、入射光束ＬＩと直交する方向に反射される光線）と平行にして、反射光学素子Ｐ１に対し所定の位置関係に配置され、正のパワーを有し、射出面ＳＯ側から入射してくる発散光束の発散性を抑制し、平行光束に変換する。
【０１５４】
このようにして、レンズ素子ＬＮＰから射出する射出光束ＬＯは、入射光束ＬＩの光束径を拡大した平行光束となる。
【０１５５】
図４（ｂ）、（ｃ）に示す実施の形態は、請求項５の反射光学系の実施の形態例を２例、説明図的に示している。
【０１５６】
図４（ｂ）において、符号Ｐ２Ａで示す反射光学素子は、形状的には、図３（ｃ）に示す反射光学素子と似通っている。反射光学素子Ｐ２Ｂは、入射面ＳＩ、射出面ＳＯ、反射面ＳＲを有するプリズムの、入射面ＳＩ、射出面ＳＯに、微細周期構造による反射防止層ＳＷＳがそれぞれ形成されている。反射防止層ＳＷＳは「反射防止機能のみ」を持ち、パワーを持たない。
【０１５７】
反射光学素子Ｐ２Ｂの、図における上方には、レンズ素子ＬＮＮ２が配備されている。
【０１５８】
入射光束ＬＩは平行光束であって、入射面ＳＩからプリズム内に入射する。このとき、反射防止層ＳＷＳによる反射防止機能により「反射」が有効に抑制される。プリズム内に入射した光束は反射面ＳＲにより全反射され、反射面ＳＲの有する正のパワーにより収束性の光束となって、射出面ＳＯから射出する。  
即ち、反射光学素子Ｐ２Ｂの射出面ＳＯからは「収束性の光束」が射出する。
【０１５９】
射出面ＳＯに形成された反射防止層ＳＷＳは「パワー」を持たないので、射出光は収束光束としてレンズ素子ＬＮＮ２に入射する。レンズ素子ＬＮＮ２は、その光軸を、射出光の主光線（反射面ＳＲにより、入射光束ＬＩと直交する方向に反射される光線）と平行にして、反射光学素子Ｐ２Ｂに対し所定の位置関係に配置され、負のパワーを有し、射出面ＳＯ側から入射してくる収束光束の収束性を抑制し、平行光束に変換する。
【０１６０】
このようにして、レンズ素子ＬＮＮ２から射出する射出光束ＬＯは、入射光束ＬＩの光束径を縮小した平行光束となる。
【０１６１】
図４（ｃ）に示す形態例は、図４（ｂ）に示す形態例の変形例であり、この例では、負のパワーを持つレンズ素子ＬＮＮ１が、反射光学素子Ｐ２Ａの射出面ＳＯの表面形状として形成されている点が図４（ｂ）の例と異なる。
【０１６２】
反射光学素子Ｐ２Ａは、入射面ＳＩ、射出面ＳＯ、反射面ＳＲを有するプリズムの、入射面ＳＩ、射出面ＳＯに、微細周期構造による反射防止層ＳＷＳがそれぞれ形成されている。反射防止層ＳＷＳは、反射防止機能のみを持ち、パワーを持たない。
【０１６３】
入射光束ＬＩは平行光束であって、入射面ＳＩからプリズム内に入射する。このとき、反射防止層ＳＷＳの反射防止機能により「反射」が有効に抑制される。プリズム内に入射した光束は反射面ＳＲにより全反射され、反射面ＳＲの有する正のパワーにより収束性の光束となって、射出面ＳＯに形成されたレンズ素子ＬＮＮ１に入射し、その射出側レンズ面（凹レンズ面）から射出する。
【０１６４】
この図４（ｃ）のタイプでは、反射面ＳＲにより反射された光束は「収束性」となってレンズ素子ＬＮＮ１のみの屈折作用を受けるので、反射防止層ＳＷＳは、レンズ素子ＬＮＮ１の射出面のみに形成しても良い。
【０１６５】
図４に示す３例では、説明の簡単のために、微細周期構造による反射防止層ＳＷＳを、入射面ＳＩの全領域、射出面ＳＯの全領域に形成しているが、入射面においては、入射光の入射領域をカバーできる領域に、また射出面においては射出光の射出領域をカバーできる領域に反射防止層を形成すればよいことは言うまでもない。
【０１６６】
レンズ素子ＬＮＮ１は、その光軸を、射出光の主光線（反射面ＳＲにより、入射光束ＬＩと直交する方向に反射される光線）と平行にして、反射光学素子Ｐ２Ａの射出面ＳＯの所定の位置に形成され、表面形状である凹面の持つ負のパワーにより「反射面ＳＲで反射された光束の収束性を抑制」し、平行光束に変換する。
【０１６７】
レンズ素子ＬＮＮ１に形成されている反射防止層ＳＷＳもパワーを持たないので、反射面ＳＲで反射された後の収束光束は、レンズ素子ＬＮＮ１の射出面の有する負のパワーにより平行光束に戻され、平行光束として射出するが、その際、反射が抑制される。
【０１６８】
このようにして、レンズ素子ＬＮＮ１から射出する射出光束ＬＯは、入射光束ＬＩの光束径を縮小した平行光束となる。
【０１６９】
この発明の反射光学素子・反射光学系では、反射光学素子の反射面による「スネルの法則による全反射」が利用されている。反射面がパワーを持つ場合、すなわち、反射面が凹面や凸面である場合には、スネルの法則による全反射は「当然」にはなりたたない。全反射が実現されるには条件が必要である。
【０１７０】
この「スネルの法則による全反射」を利用できる条件を「反射面が凸面」である場合について、検討する。
【０１７１】
図５は、そのための説明図である。
【０１７２】
図５において、符号Ｓは反射面を表す。符号０は「反射面ＳＲの曲率中心」を現す。
【０１７３】
また、破線ＬＣは、入射面・射出面（これらは互いに直交する）に直交する平面（図３等で図面に平行な面）内で、入射面・射出面の成す角（９０度）を２等分する平面を示しており、曲率中心０は、平面ＬＣ内にある。
【０１７４】
図５に示すように、光束径：φｉｎをもった平行光束が入射光として、入射面から入射し、反射面ＳＲに入射するものとする。この入射は、入射光の主光線（光束中心に合致する光線）が、図の面内で、反射面ＳＲと平面ＬＣとの交点に入射するように行なわれる。
【０１７５】
即ち、この交点を通り図の面内で反射面ＳＲの接線と上記主光線の成す角は４５度である。図の如くに、角：θ０、θｂ、θｃ、θＢ、θＣを設定する。θ０は４５度である。
【０１７６】
さらに、距離：Ｒ（反射面ＳＲの曲率半径）、ｄ１、ｄ２、ｄ３を、図のように設定する。また、プリズムの材質の屈折率を「Ｎ」とする。
【０１７７】
そうすると、これらの距離と角の間に以下の関係が成り立つ。
【０１７８】
ｄ１＝Ｒ／√２  、ｄ２＝（ｄ１−φｉｎ／２）  、ｄ３＝（ｄ１＋φｉｎ／２）  、
θｂ＝ａｒｃｓｉｎ（ｄ２／Ｒ）  、θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｄ３／Ｒ）  、  
θＢ＝２×θｂ  、θＣ＝２×θｃ                                  。
【０１７９】
これらの関係を用いると、スネルの法則により、光束径：φｉｎを持つ平行光束が、図５の如くに反射面ＳＲに入射して「全反射」する条件は、
ａｒｃｓｉｎ（１/Ｎ）＜ａｒｃｓｉｎ｛（Ｒ／√２−φｉｎ／２）/Ｒ｝      （１）
となる。
【０１８０】
（１）式から、
１/Ｎ＜（Ｒ／√２−φｉｎ／２）/Ｒ｝
が得られるから、これを光束径：φｉｎについて解くと、
φｉｎ＜Ｒ（√２−２／Ｎ）                                      （２）
となる。
【０１８１】
即ち、プリズムの材質の屈折率：Ｎ、反射面ＳＲの曲率半径：Ｒ、入射平行光束の光束径：φｉｎが、式（２）を満足すれば、反射面ＳＲによる入射光束の反射は「スネルの法則による全反射」として行なわれることになる。
【０１８２】
式（２）を満足する「Ｎ、Ｒ、φｉｎ」の組み合わせの例を幾つか挙げる。
【０１８３】
例１    例２    例３    例４    例５    例６    例７    例８    例９  
Ｒ    53.7   85.9    143.3    20.3    30.5    50.8    6.9     10.4    17.3  
φｉｎ   2      3        5       2       3        5       2       3       5  
Ｎ    1.45   1.45    1.45     1.52    1.52    1.52    1.78    1.78    1.78  。
【０１８４】
例１〜例９の各々において、反射面ＳＲの曲率半径：Ｒが上記の各数値より大きくなると「入射光束の全部」は全反射できない。光束径：φｉｎも上記各数値より大きくなると、「入射光束の全部」は全反射できない。また、プリズムの材質の屈折率：Ｎは、上記各値よりも小さくなると「入射光束の全部」は全反射できない。
【０１８５】
このように、条件式（２）を満足するように「Ｎ、Ｒ、φｉｎ」の組み合わせを設定することにより反射面ＳＲによる反射を「全反射」として行なうことができる。
【０１８６】
例えば、プリズムの材質として、ＢＫ７（屈折率：１．５２）を用いる場合、上記の角：θｂが、４１．１度より小さくなると「入射光束全体の全反射」を実現できない。
【０１８７】
この場合の全反射の条件は、
４１．１度＜ａｒｃｓｉｎ｛（Ｒ／√２−φｉｎ／２）/Ｒ｝      （１Ａ）
となる。
【実施例】
【０１８８】
以下、具体的な実施例を５例挙げる。
【０１８９】
実施例１〜３は、図４（ａ）に示すタイプの反射光学系の例であり、実施例４および５は、図４（ｂ）、（ｃ）に示すタイプの例である。
【０１９０】
実施例１〜３の反射光学系の構成を、図６に示す。この図６において、反射光学素子Ｐ１の入射面ＳＩ、射出面ＳＯの図面内における長さを「ａ」とする。また、入射光の光束径を「φ」とする。入射光は平行光束であり、入射面ＳＩに直交するように入射するが、入射位置は、入射光の中心光線の「反射面ＳＲによる入射角」が４５度となり、上記中心光線が入射光と９０度をなすように反射される位置に入射する。
【０１９１】
入射光束の、図において下縁部光線の反射角を図の如く「θＢ」、上縁部光線の反射角を図の如く「θＣ」とする。反射面ＳＲの曲率半径は「Ｒ」であり、曲率中心は、入射面・反射面の角を２等分する面上にある。
【０１９２】
射出光の光束径を「ψ」とする。
【０１９３】
レンズ素子ＬＮＰの入射側面は平面、射出側面は凸面であり、肉厚を図の如く「ｄ」とする。射出面ＳＯから入射側面までの距離を図の如く「ｂ」とする。また、反射面ＳＲに反射された中心光線と、レンズ素子ＬＮＰの光軸とのズレ量を「Ｄ」とする。
【０１９４】
「実施例１」
「入射光」      波長：３００ｎｍの平行レーザ光束  
入射光の光束径：φ＝１ｍｍ  
「反射光学素子」  
材質の屈折率：Ｎ＝１．５２  
Ｄ：０．０
ａ：１０ｍｍ  
反射面の曲率半径：２５ｍｍ  
「レンズ素子」
入射側面：平面  
射出側面：曲率半径が６．５ｍｍの凸球面  
肉厚：ｄ＝１．５ｍｍ  
材質の屈折率：１．５２  
ｂ＝３ｍｍ  
θＢ＝８６．８度  
θＣ＝９３．３度                                。
【０１９５】
実施例１では、入射平行レーザ光束の光束径（１ｍｍ）を、２．２倍に拡大して、光束径：ψ＝２．２ｍｍの射出光を得ることができる。反射面による反射はスネルの法則による全反射である。
【０１９６】
「実施例２」
「入射光」      波長：３００ｎｍの平行レーザ光束  
入射光の光束径：φ＝１０ｍｍ  
「反射光学素子」  
材質の屈折率：Ｎ＝１．４５  
ａ：１００ｍｍ  
反射面の曲率半径：３００ｍｍ  
「レンズ素子」
入射側面：平面  
射出側面：曲率半径が３３２ｍｍの凸球面  
肉厚：ｄ＝１５ｍｍ  
材質の屈折率：１．４５  
Ｄ＝０．１ｍｍ
ｂ＝６２０ｍｍ  
θＢ＝８７．３度  
θＣ＝９２．７度                                。
【０１９７】
実施例２では、入射平行レーザ光束の光束径（１０ｍｍ）を、１０倍に拡大して、光束径：ψ＝１００ｍｍの射出光を得ることができる。反射面による反射はスネルの法則による全反射である。
【０１９８】
「実施例３」
「入射光」      波長：３００ｎｍの平行レーザ光束  
入射光の光束径：φ＝３０ｍｍ  
「反射光学素子」  
材質の屈折率：Ｎ＝１．８２  
ａ：１００ｍｍ  
反射面の曲率半径：１２０ｍｍ  
「レンズ素子」
入射側面：平面  
射出側面：曲率半径が５９．３ｍｍの凸球面  
肉厚：ｄ＝２５ｍｍｍｍ  
Ｄ＝５ｍｍ
ｂ＝１０ｍｍ  
θＢ＝７１．２度  
θＣ＝１１２．６度                                。
【０１９９】
実施例３では、入射平行レーザ光束の光束径（３０ｍｍ）を、２．６７倍に拡大して、光束径：ψ＝８０ｍｍの射出光を得ることができる。反射面による反射はスネルの法則による全反射である。
【０２００】
実施例１〜３では、プリズムの入射面ＳＩ、射出面ＳＯ共に平面であって、パワーを持たない。また、サブ波長構造による反射防止層ＳＷＳは、入射面・射出面側ともパワーを持たず、反射防止機能のみである。
【０２０１】
実施例１では、入射光束・射出光束ともに光束径が小さく、入射面・射出面における光エネルギ密度は共に高い。従って、反射防止層としては、上記の如く、サブ波長構造によるものが良い。
【０２０２】
実施例２では、入射光束・射出光束共に比較的大きく、入射面・射出面における光エネルギ密度は高くない。従って、この場合、少なくとも射出面ＳＯ側では反射防止膜を「サブ波長構造による反射防止膜ＳＷＳ」に代えて「誘電体多層膜による反射防止膜」に置き換えても良い。
【０２０３】
実施例３では、入射光束の光束径が３０ｍｍと大きく、反射面により反射された光束は発散しつつ射出面を透過するので、入射面・射出面における光エネルギ密度は高くない。従って、この場合、入射面ＳＩ側、射出面ＳＯ側ともに、あるいは少なくとも射出面側の反射防止膜を「サブ波長構造による反射防止膜ＳＷＳ」に代えて「誘電体多層膜による反射防止膜」に置き換えても良い。
【０２０４】
実施例４、５の反射光学系の構成を、図７に示す。この図７において、反射光学素子Ｐ２の入射面ＳＩ、射出面ＳＯの図面内における長さを「ａ」とする。また、入射光の光束径を「φ」、射出光の光束径を「ψ」とする。  
入射光は平行光束であり、入射面ＳＩに直交するように入射するが、入射位置は、入射光の中心光線の「反射面ＳＲ（入射光に対して凹面）による入射角」が４５度となり、上記中心光線が入射光と９０度をなすように反射される位置に入射する。
【０２０５】
入射光束の、図において下縁部光線の反射角を図の如く「θＢ」、上縁部光線の反射角を図の如く「θＣ」とする。反射面ＳＲの曲率半径は「Ｒ」であり、曲率中心は、入射面・反射面の角を２等分する面上にある。
【０２０６】
レンズ素子ＬＮＮの入射側面は平面、射出側面は凹面であり、肉厚を図の如く「ｄ」とする。射出面ＳＯから入射側面までの距離を図の如く「ｂ」とする。また、反射面ＳＲに反射された中心光線と、レンズ素子ＬＮＰの光軸とのズレ量を「Ｄ」とする。
【０２０７】
「実施例４」
「入射光」      波長：３００ｎｍの平行レーザ光束  
入射光の光束径：φ＝１０ｍｍ  
「反射光学素子」  
材質の屈折率：Ｎ＝１．７８  
ａ：１００ｍｍ  
反射面の曲率半径：２５０ｍｍ  
「レンズ素子」
入射側面：平面  
射出側面：曲率半径が１３．２ｍｍの凹球面  
肉厚：ｄ＝１ｍｍ  
材質の屈折率：１．７８  
Ｄ＝０．０ｍｍ
ｂ＝０．０ｍｍ  
θＢ＝９３．３度  
θＣ＝８６．８度                                。
【０２０８】
実施例４では、入射平行レーザ光束の光束径（１０ｍｍ）を、０．３倍に縮小して、光束径：ψ＝３ｍｍの射出光を得ることができる。反射面による反射はスネルの法則による全反射である。なお、実施例４では、レンズ素子ＬＮＮと反射光学素子Ｐ２のプリズムの屈折率が等しく、両者の間隔：ｂ＝０であるから、レンズ素子はプリズムの射出面の形状としてプリズムと一体化されたものであり、図４（ｃ）に示すタイプのものとなる。
【０２０９】
「実施例５」
「入射光」      波長：３００ｎｍの平行レーザ光束  
入射光の光束径：φ＝１０ｍｍ  
「反射光学素子」  
材質の屈折率：Ｎ＝１．４５  
ａ：１００ｍｍ  
反射面の曲率半径：５００ｍｍ  
「レンズ素子」
入射側面：平面  
射出側面：曲率半径が３２．２ｍｍの凸球面  
肉厚：ｄ＝１．５ｍｍｍｍ  
Ｄ＝０ｍｍ
ｂ＝１０ｍｍ  
θＢ＝９１．６度  
θＣ＝８８．４度                                。
【０２１０】
実施例５では、入射平行レーザ光束の光束径（１０ｍｍ）を、０．６倍に縮小して、光束径：ψ＝６ｍｍの射出光を得ることができる。反射面による反射はスネルの法則による全反射である。  
実施例５は、図４（ｂ）に示すタイプの例である。  
実施例４、５でも、プリズムの入射面ＳＩ、射出面ＳＯ共に平面であって、パワーを持たない。また、サブ波長構造による反射防止層ＳＷＳは、入射面・射出面側ともパワーを持たず、反射防止機能のみである。
【０２１１】
実施例４、５とも、射出光束の光束径が小さいため、射出面における光エネルギ密度は高い。従って、射出面ＳＯ側の反射防止層としては、上記の如く、サブ波長構造によるものが良い。
【０２１２】
しかし、入射光束の光束径は１０ｍｍと比較的大きく、入射面ＳＩにおける光エネルギ密度は比較的低いから、入射面ＳＩ側では反射防止膜を「サブ波長構造による反射防止膜ＳＷＳ」に代えて「誘電体多層膜による反射防止膜」に置き換えることも可能である。
【０２１３】
実施例１〜５とも、反射防止層の反射防止効果で、極めて高い反射光率を実現できる。
【符号の説明】
【０２１４】
Ｐ      反射光学系（反射プリズム）  
ＰＩ    反射防止面板  
ＰＯ    反射防止面板  
ＳＩ    入射面  
ＳＯ    射出面  
ＳＷＳ  サブ波長構造による微細周期構造  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０２１５】
【特許文献１】ＷＯ２００５／０１０５７２号公報
【特許文献２】特開２００６−１８５５６２号公報
【図１】
2012230349.tif 000003
【図２】
2012230349.tif 000004
【図３】
2012230349.tif 000005
【図４】
2012230349.tif 000006
【図５】
2012230349.tif 000007
【図６】
2012230349.tif 000008
【図７】
2012230349.tif 000009
【図８】
2012230349.tif 000010
【図９】
2012230349.tif 000011
【図１０】
2012230349.tif 000012
【図１１】
2012230349.tif 000013
【図１２】
2012230349.tif 000014