(57)【要約】【課題】入射する光の反射率を精密に制御しつつ、面内方向の屈折率を精密に制御する。【解決手段】基材２と、該基材２の表面に、入射する光の波長以下のピッチＰで配列された複数の柱状部３と、該柱状部３間の隙間に充填された柱状部３とは屈折率の異なる媒体Ｂとを備え、柱状部３が、基材２の表面に直交する方向に沿って、その横断面積を不連続に変化させる１つ以上の段差３ａを有するとともに、柱状部３の段差３ａによって形成された少なくとも１つの段部３ｂの位置における横断面積が、隣接する柱状部３の横断面積とは異なる光学素子１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
該基材の表面に、入射する光の波長以下のピッチで配列された複数の柱状部と、
該柱状部間の隙間に充填された前記柱状部とは屈折率の異なる媒体とを備え、
前記柱状部が、前記基材の表面に直交する方向に沿って、その横断面積を不連続に変化させる１つ以上の段差を有するとともに、
前記柱状部の前記段差によって形成された少なくとも１つの段部の位置における横断面積が、隣接する柱状部の横断面積とは異なる光学素子。
【請求項２】
前記柱状部の先端面に、入射する光の波長以下の厚さの１つ以上の段部が設けられている請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記入射する光の波長以下の厚さの段部が、干渉作用による反射防止機能を有する請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記入射する光の波長以下の厚さの段部が、干渉作用による反射増加機能を有する請求項２に記載の光学素子。
【請求項５】
前記媒体が空気である請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記媒体が固体材料からなる請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項７】
前記柱状部と、該柱状部間の前記隙間とにより構成される単位周期内の前記柱状部と前記媒体との体積比により決定される実効屈折率が、中央において最も大きく、周辺に向かって漸次小さくなる請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学素子。
【請求項８】
前記柱状部と、該柱状部間の前記隙間とにより構成される単位周期内の前記柱状部と前記媒体との体積比により決定される実効屈折率が、中央において最も小さく、周辺に向かって漸次大きくなる請求項１から請求項６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、光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、誘電体多層膜によって反射率を調節可能なハーフミラーが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、多層膜によって表面反射を防止する技術も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
これらの多層膜による反射率の制御は、多層膜の各層の厚さ寸法および屈折率を調節することで精密に行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６４−７２１０２号公報
【特許文献２】特開２００３−９８３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、２の多層膜では、各層の厚さ方向に直交する面内方向に各層の厚さ寸法や屈折率を変化させることは困難である。その結果、多層膜によって、パワーが精密に制御された光学素子を構成することは困難であるという問題がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、入射する光の反射率を精密に制御しつつ、面内方向の屈折率を精密に制御することができる光学素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、基材と、該基材の表面に、入射する光の波長以下のピッチで配列された複数の柱状部と、該柱状部間の隙間に充填された前記柱状部とは屈折率の異なる媒体とを備え、前記柱状部が、前記基材の表面に直交する方向に沿って、その横断面積を不連続に変化させる１つ以上の段差を有するとともに、前記柱状部の前記段差によって形成された少なくとも１つの段部の位置における横断面積が、隣接する柱状部の横断面積とは異なる光学素子を提供する。
【０００７】
本発明によれば、基材の表面に配列された複数の柱状部とその隙間に充填された媒体とにより、サブ波長構造が構成され、入射する光が回折を生じることなく透過できる。各柱状部においては、横断面積を不連続に変化させる段差によって複数の段部が形成され、各段部が、各柱状部とその周囲の媒体との体積比によって決定される実効屈折率を有する層と等価に機能することによって、段差を有する各柱状部がそれぞれ多層膜と等価な構造となる。
【０００８】
そして、各段部の位置における隣接する柱状部の横断面積を異ならせることにより、実効屈折率を基材の表面に沿う方向に変化させることができ、これによって、光学素子にパワーが付与されている。
すなわち、段差を有する複数の柱状部により構成されたサブ波長構造において、各段部の横断面積とを調節することにより、面内方向に実効屈折率を変化させてパワーを持たせるとともに、段差の位置と各段部の厚さ寸法を調節することにより、多層膜と等価な構造によって、入射する光の反射率を精密に制御することができる。
【０００９】
上記発明においては、前記柱状部の先端面に、入射する光の波長以下の厚さの１つ以上の段部が設けられていてもよい。
このようにすることで、柱状部の先端面に形成された段部によって、干渉作用を発生させる１つ以上の層を形成することができる。
【００１０】
また、上記発明においては、入射する光の波長以下の厚さの段部が、干渉作用による反射防止機能を有していてもよい。
また、上記発明においては、入射する光の波長以下の厚さの段部が、干渉作用による反射増加機能を有していてもよい。
【００１１】
また、上記発明においては、前記媒体が空気であってもよい。
このようにすることで、柱状部と、該柱状部間の隙間に存在する空気との体積比によって簡易に実効屈折率を設定することができる。
【００１２】
また、上記発明においては、前記媒体が固体材料からなっていてもよい。
このようにすることで、柱状部間の隙間が固体材料によって充填されるので、柱状部間の隙間に塵埃等が進入することを防止できる。
【００１３】
また、上記発明においては、前記柱状部と、該柱状部間の前記隙間とにより構成される単位周期内の前記柱状部と前記媒体との体積比により決定される実効屈折率が、中央において最も大きく、周辺に向かって漸次小さくなっていてもよい。
このようにすることで、正のパワーを有する光学素子を簡易に構成することができる。
【００１４】
また、上記発明においては、前記柱状部と、該柱状部間の前記隙間とにより構成される単位周期内の前記柱状部と前記媒体との体積比により決定される実効屈折率が、中央において最も小さく、周辺に向かって漸次大きくなっていてもよい。
このようにすることで、負のパワーを有する光学素子を簡易に構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、入射する光の反射率を精密に制御しつつ、面内方向の屈折率を精密に制御することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る光学素子を示す部分的な縦断面図である。
【図２】図１の光学素子の柱状部と、該柱状部に等価な多層膜を示す部分的な縦断面図である。
【図３】図１の光学素子とこれに等価な多層膜を示す部分的な縦断面図である。
【図４】図１の光学素子の一例として正のパワーを有する光学素子を示す部分的な縦断面図である。
【図５】図１の光学素子の一例として負のパワーを有する光学素子を示す部分的な縦断面図である。
【図６】図１の光学素子における反射率の波長特性の計算例の前提となる光学素子のモデルを示す斜視図である。
【図７】第１の計算例における柱状部の構造を示す縦断面図である。
【図８】図７の柱状部における反射率の波長特性の計算例を示すグラフである。
【図９】第２の計算例における柱状部の構造を示す縦断面図である。
【図１０】図９の柱状部における反射率の波長特性の計算例を示すグラフである。
【図１１】第３の計算例における柱状部の構造を示す縦断面図である。
【図１２】図１１の柱状部の各層の諸元値を示す図である。
【図１３】図１１の柱状部における反射率の波長特性の計算例を示すグラフである。
【図１４】第４の計算例における柱状部の構造を示す縦断面図である。
【図１５】図１４の柱状部の各層の諸元値を示す図である。
【図１６】図１４の柱状部における反射率の波長特性の計算例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一実施形態に係る光学素子１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る光学素子１は、図１に示されるように、透明材料からなる基材２と、該基材２の一表面に配列された複数の柱状部３とを有している。
【００１８】
各柱状部３は、図１に示されるように、基材２の表面に直交する方向に間隔をあけて複数の段差３ａを備えている。段差３ａによって形成される複数の段部３ｂにおいては、横断面積が略一定であり、段差３ａの位置において、横断面積が不連続に変化している。
柱状部３は、入射する光の波長以下の一定のピッチＰで配列されている。
【００１９】
柱状部３を、入射する光の波長以下のピッチＰで配列することにより、サブ波長構造が構成されている。
また、各柱状部３は、１つ以上の段差３ａを有することにより、図２および図３に示されるように、多層膜Ａと等価な構造体として概念することができる。
【００２０】
そして、多層膜Ａの各層に相当する段部３ｂにおいては、横断面積を異ならせることにより、ピッチＰで繰り返される単位周期空間内における実効屈折率が異なっている。
実効屈折率は、数１によって算出することができる。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
ここで、ｎＴＥはＴＥ偏光の光に対する実効屈折率、ｎＴＭはＴＭ偏光の光に対する実効屈折率、ｎ１は柱状部３の各段部３ｂの屈折率、ｎ２は段部３ｂの周囲に配されている媒体、例えば、空気Ｂの屈折率、ｗは各段部３ｂの幅寸法である。
また、ＴＥ偏光は、光の電場成分がストライプ構造に水平な方向（図６の矢印Ｓの方向）に振動している状態、ＴＭ偏光は、光の電場成分がストライプ構造に垂直な方向（図６の矢印Ｓに直交する方向）に振動している状態をそれぞれ示している。
【００２３】
このように構成された本実施形態に係る光学素子１によれば、図３に示されるように、各柱状部３において、異なる多層膜Ａが構成されたのと等価な構造体を構成することができ、その結果、各多層膜Ａによって光の反射率を精度よく制御することができるとともに、異なる多層膜Ａを基材の表面方向に沿って配列することによって、光学素子１にパワーを持たせることができるという利点がある。
このような構造体を多層膜Ａによって実現することは困難であるが、本実施形態に係る光学素子１によれば、簡易に構成することができる。
【００２４】
例えば、図４に示されるように、柱状部３の実効屈折率が光学素子１の中央において最も大きく、周辺に向かって次第に小さくなるように柱状部３を構成することにより、凸レンズと同様に光Ｌを矢印のように集光させる正のパワーを有する光学素子１を構成することができる。
【００２５】
また、例えば、図５に示されるように、柱状部３の実効屈折率が光学素子１の中央において最も小さく、周辺に向かって次第に大きくなるように柱状部３を構成することにより、凹レンズと同様に光Ｌを矢印のように拡散させる負のパワーを有する光学素子１を構成することができる。
【００２６】
なお、本実施形態に係る光学素子１においては、柱状部３の先端面に配置される段部３ｂの厚さ寸法を入射する光Ｌの波長以下に設定することにより、この段部３ｂを、干渉作用による反射防止機能を発揮する反射防止層あるいは反射増加層として機能させることにしてもよい。
反射防止層あるいは反射増加層は単一の段部３ｂによって構成してもよいし、複数の段部３ｂによって構成してもよい。
【００２７】
また、全ての段部３ｂの厚さ寸法を１μｍ以下に設定することとしてもよい。このようにすることで、自然光のような広帯域の光に対しても反射率の制御およびパワーの制御を行うことができる。
また、全ての段部３ｂの厚さ寸法を１００ｎｍ以下に設定することにしてもよい。可視光に対する多層膜の設計は、各層の厚さ寸法を１００ｎｍ以下に設定することが効果的であることが知られており、このようにすることで、多層膜と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
また、本実施形態に係る光学素子１においては、柱状部３を一定のピッチＰで配列した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、入射する光の波長以下であり、かつ、柱状部３と隙間との体積比率が変動しさえすれば、表面方向に沿ってピッチＰを変動させることにしてもよい。
【００２９】
また、柱状部３間の隙間に媒体Ｂとして空気が配置されている場合を例示したが、これに限定されるものではなく、柱状部３を構成する物質とは屈折率の異なる他の任意の媒体Ｂを隙間に充填してもよい。空気のような気体に限定されるものではなく、固体からなる媒体Ｂを充填してもよい。このようにすると、隙間が媒体Ｂによって塞がれるので、塵埃等が入り込まずに済むという利点がある。
【００３０】
ここで、本実施形態に係る光学素子１の反射率の計算例を示す。
図６に示されるように、柱状部３が一定のピッチＰで、一次元方向に配列されたストライプ型のサブ波長構造において、矢印Ｓで示される偏光面を有する光を入射させた場合について説明する。
【００３１】
図７は、先端面に単一の段部３ｂからなる反射防止層を配置した柱状部３を示している。すなわち、柱状部３は、基材２の上に設けられた第１層と第２層とからなり、第２層が反射防止層となっている。光を柱状部３の先端面に直交する方向から入射させた場合の、反射防止層のある場合とない場合の反射率の波長特性を図８に示す。これによれば、反射防止層によって、反射率が十分に低減されているのがわかる。
【００３２】
また、図９は、先端面に２つの段部３ｂからなる反射防止層を配置した柱状部３を示している。すなわち、柱状部３は、基材２の上に設けられた第１層〜第３層からなり、第２層および第３層が２層の反射防止層を構成している。光を柱状部３の先端面に直交する方向から入射させた場合の、反射防止層のある場合とない場合の反射率の波長特性を図１０に示す。これによれば、反射防止層によって、反射率が十分に低減されているのがわかる。
【００３３】
また、図１１は、先端面に５つの段部３ｂからなる反射防止層を配置した柱状部３を示している。すなわち、柱状部３は、基材２の上に設けられた第１層〜第６層からなり、第２層〜第６層が多層の反射防止層を構成している。各層の諸元値を図１２に示し、光を柱状部３の先端面に直交する方向から入射させた場合の、反射防止層のある場合とない場合の反射率の波長特性を図１３に示す。これによれば、反射防止層によって、反射率が十分に低減されているのがわかる。
【００３４】
また、図１４は、先端面に５つの段部３ｂからなる反射増加層を配置した柱状部３を示している。すなわち、柱状部３は、基材２の上に設けられた第１層〜第６層からなり、第２層〜第６層が多層の反射増加層を構成している。各層の諸元値を図１５に示し、光を柱状部３の先端面に対して４５°傾斜した方向から入射させた場合の反射率の波長特性を図１６に示す。これによれば、反射増加層によって、反射率が十分に増加されているのがわかる。
【符号の説明】
【００３５】
Ｂ  媒体
１  光学素子
２  基材
３  柱状部
３ａ  段差
３ｂ  段部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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