(57)【要約】【課題】従来の方法では得られなかった高性能な反射防止膜を提供すること。【解決手段】反射防止膜を構成する層のうち少なくとも一つが光学異方性を有する光学干渉層であることを特徴とし，かつ該光学異方性層は０度で入射する偏光よりも３０度で入射する偏光の方が屈折率が高いことを特徴する構成とした。【選択図】図１
2012159722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一面以上の光学面を有する光学素子であって，
該光学面の少なくとも一面に反射防止膜が形成されていることを特徴とし，
かつ該反射防止膜を構成する層のうち少なくとも一つが光学異方性を有する光学干渉層であることを特徴とし，
かつ該光学異方性を有する光学干渉層層は０度で入射する偏光よりも３０度で入射する偏光の方が屈折率が高いことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子であって，
前記光学面の面内がほぼ矩形形状，もしくはほぼ多角形形状であることを特徴とし，
該光学面の長辺の方向を第一の方向とし，かつ該光学面の面内に存在しかつ該光学面の短辺の方向を第二の方向としたとき，
前記光学異方性を有する光学干渉層層は第一の方向に振動する偏光の０度と３０度で入射する屈折率の差よりも，第二の方向に振動する偏光の０度と３０度で入射する屈折率の差の方が小さいことを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１に記載の光学素子であって，
前記光学面がほぼ円形状であることを特徴とし，
かつ該光学面の径方向を第一の方向とし，かつ周方向を第二の方向としたとき，前記光学異方性を有する光学干渉層層は第一の方向に振動する偏光の０度と３０度で入射する屈折率の差よりも，第二の方向に振動する偏光の０度と３０度で入射する屈折率の差の方が小さいことを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項２から３のいずれか一項に記載の光学素子であって，
各条件を満たす範囲が，前記光学面のうち５０％以上の面積を占めることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
少なくとも一面以上の光学面を有する光学素子であって，
該光学面の少なくとも一面に反射防止膜が形成されていることを特徴とし，
かつ該光学面の面内がほぼ矩形形状，もしくはほぼ多角形形状であることを特徴とし，
かつ該反射防止膜を構成する層のうち少なくとも一層に，二種以上の材料が使用する波長に対して細かい構造を成す微細構造層を有し，
該光学面の長辺の方向を第一の方向とし，かつ該光学面の面内に存在しかつ該光学面の短辺の方向を第二の方向とし，かつ該光学面の法線方向を第三の方向としたとき，以下の条件を満たすことを特徴とする光学素子。
微細構造層をなす材料のうち，屈折率が最も高い材料の第一の方向に対する充填率  ａ
微細構造層をなす材料のうち，屈折率が最も高い材料の第二の方向に対する充填率  ｂ
微細構造層をなす材料のうち，屈折率が最も高い材料の第三の方向に対する充填率  ｃ
ａ＜ｂ＜ｃ
【請求項６】
少なくとも一面以上の光学面を有する光学素子であって，
該光学面の少なくとも一面に反射防止膜が形成されていることを特徴とし，
該光学面がほぼ円形状であることを特徴とし，
かつ該反射防止膜を構成する層のうち少なくとも一層に，二種以上の材料が使用する波長に対して細かい構造を成す微細構造層を有し，
かつ該光学面の径方向を第一の方向とし，かつ周方向を第二の方向とし，かつ該光学面の法線方向を第三の方向としたとき，以下の条件を満たすことを特徴とする光学素子。
微細構造層をなす材料のうち，屈折率が最も高い材料の第一の方向に対する充填率  ａ
微細構造層をなす材料のうち，屈折率が最も高い材料の第二の方向に対する充填率  ｂ
微細構造層をなす材料のうち，屈折率が最も高い材料の第三の方向に対する充填率  ｃ
ａ＜ｂ＜ｃ
【請求項７】
請求項５から６のいずれか一項に記載の光学素子であって，
各条件を満たす範囲が，前記光学面のうち５０％以上の面積を占めることを特徴とする光学素子。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか一項に記載の光学素子であって，
前記ａもしくはｂのいずれかもしくは両者が第三の方向に対して変化することを特徴とする光学素子。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の光学素子を有する光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学異方性を用いた光学素子に関し，特にその光学特性に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来，光学装置には種々の光透過材が使われている。例えばデジタルカメラの撮像光学系，ファインダー光学系などに使われる光学レンズが代表される。他にもプロジェクターに使われている光学プリズムや光学フィルターなどが挙げられる。
【０００３】
光透過材としてよく使われる光学ガラスや光学プラスチックは，屈折率が高いために表面反射が大きいという問題がある。そのため，光透過材を多数使用するような装置では，十分な透過光量が得られないという問題があった。
【０００４】
表面反射による透過光量の減少を抑えるために，光透過材の表面には反射防止機能を付与させることが一般的である。反射防止機能を付与させる方法はいくつか提案されている。
【０００５】
最も一般的な手法は透過材の表面に反射防止膜を形成する手法である。蒸着やスパッタなどに代表される成膜装置で光透過材の表面に薄膜を形成し，光学干渉を利用して反射光量を抑える。このような反射防止膜の設計法もいくつか提案されている。
【０００６】
成膜装置で成膜できる材料は限定されているため，任意の屈折率の膜を得ることは難しい。そこで基材と入射媒質間に高屈折率膜と低屈折率膜を選択的に導入し，厚みを適切に設定することで，任意な屈折率の薄膜を仮想的に得て反射防止機能を得る方法が提案されている（特許文献１）。
【０００７】
他に，入射する光の波長よりも細かい構造を利用して反射防止機能を付与する手法も提案されている。最も有名な概念が”ｍｏｔｈ−ｅｙｅ”である。蛾の目の表面は非常に反射率が低いことが知られており，それは蛾の目特有の微細構造にあるということが知られている。
【０００８】
入射する光の波長よりも細かい構造では，光はその構造そのものを認識できずに一様な媒質のような振舞いを示す。そのとき，その構造体は構造を構成する材料の体積比に準じた屈折率を示す。それを利用すると，通常の材料では得られない低屈折率な構造体が実現できる。そのような低屈折率構造体を用いることで，反射をよく抑えることできる。
【０００９】
このような微細構造を形成する方法としては，波長以下の粒径の微粒子を分散した膜の塗布（特許文献２），また微細加工装置によるパターン形成によって微細周期構造を形成する方法（特許文献３）が提案されている。
【００１０】
また，光学異方性膜を基板上に成膜する方法が開示されている。例えば特許文献４には異方性材料を十分な溶剤蒸気の下に存在させることで，異方性の強い膜を得る方法が開示されている。これにより，偏光性の高い異方性幕を得ることを提示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特公昭６１−５１２８３号公報
【特許文献２】特許第０３１３５９４４号公報
【特許文献３】特開昭５０−７００４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら，従来の方法で反射防止性能を付与すると特性が不十分で，余剰光の反射はフレアなどが問題となっていた。また，光学異方性膜を有効利用した反射防止膜の構成は開示されていなかった。
【００１３】
そこで，本発明の目的は光学異方性の膜を有効利用することで，従来の方法では得られなかった高性能な反射防止膜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】
【００１４】
上記目的を達成するために，本発明は，少なくとも一面以上の光学面を有する光学素子であって，該光学面の少なくとも一面に反射防止膜が形成されていることを特徴とし，かつ該反射防止膜を構成する層のうち少なくとも一つが光学異方性を有する光学干渉層であることを特徴とし，かつ該光学異方性を有する光学干渉層層は０度で入射する偏光よりも３０度で入射する偏光の方が屈折率が高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば，従来の方法では得られなかった斜入射特性に優れた反射防止機能が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本提案の基本構成図。
【図２】等方性媒質から異方性媒質に入射するときの界面での光の振る舞い
【図３】入射角度に対するＰ偏光フレネル係数
【図４】微細構造層の模式図
【図５】実施例の上面図
【図６】実施例１の入射角度に対するＰ偏光反射率
【図７】実施例２の入射角度に対するＰ偏光反射率
【図８】実施例３の光学素子の構成図
【図９】実施例３の入射角度に対するＰ偏光反射率
【図１０】実施例４の光学素子表面の概略図
【図１１】実施例４の入射角度に対するＰ偏光反射率
【図１２】微細構造層の構成図の一例
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に，本発明の好ましい実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は，本発明の実施形態にかかわる基本構成図である。基板０１２上に薄膜層０１１が成膜されている。薄膜層０１１は光学干渉層であり，両界面で反射した光が干渉する程度の厚みを持つ。
【００１８】
また，薄膜層０１１は光学異方性を持つことを特徴としている。光学異方性とは，入射する偏光の振動方向によって屈折率が異なる性質のことを指す。これを利用すると，例えば同方向に入射する光であっても偏光の振動方向によって振舞いを変えることが可能となる。
【００１９】
このような性質を持つ材料は，水晶，方解石などの結晶材料，液晶材料，またはプラスチック，高分子などの有機材料などが主に挙げられる。これらの材料は全て光学異方性を持ち，その異方性の程度は偏光の振動方向に対する屈折率で表される。
【００２０】
光学異方性の程度は屈折率楕円体で表現されることがある。屈折率楕円体とは，様々な方向に振動する偏光の屈折率を模式的に表したものであり，中心からの距離がそのまま屈折率を表す形となる。０１３は薄膜層０１１の屈折率楕円体である。これはｙ方向に振動する光よりもｚ方向に振動する光の方が屈折率が高い膜であることを表している。
【００２１】
本発明は，０度で入射する偏光（例えばｙ方向に振動する偏光）よりも３０度で入射する偏光のほうが屈折率が高いことを特徴としている。これは二つの理由から説明できる。
【００２２】
図２は等方性の入射媒質０２１と光学異方性を持つ射出媒質０２２の界面の模式図である。ここで，０２３は入射媒質０２１の屈折率楕円体，０２４は射出媒質０２２の屈折率楕円体，０２５は入射Ｐ偏光の模式図，０２６は屈折Ｐ偏光の模式図，０２７は反射Ｐ偏光の模式図である。また，屈折率楕円体０２３の屈折率はｎｉ，屈折率楕円体０２４の屈折率はｎｔであり，かつ偏光の振動方向によって屈折率が変わる。各偏光０２３，０２４，０２５はポインティングベクトルＳ，電場ベクトルＥ，磁場ベクトルＨを表している。
【００２３】
界面での振幅反射率はフレネル係数ｒで与えられる。Ｐ偏光におけるフレネル係数ｒｐは以下の式（１）で表される。
【００２４】
【数１】
2012159722.tif 000003
【００２５】
ここで入射媒質を等方性とした場合，ｎｉ＝ｎｒが成り立つため，式（１）は式（２）のように簡略化できる。
【００２６】
【数２】
2012159722.tif 000004
【００２７】
ここで重要なのは，射出媒質０２２が異方性であるため，θｉとθｔは単純なスネルの法則で求められないということである。一般的に，入射角度が大きくなると屈折率が大きくなる異方性媒質の場合，θｔはスネルの法則で求められる値よりも小さくなる。一方，入射角度が小さくなると屈折率が小さくなる異方性媒質の場合，θｔはスネルの法則で求められる値よりも大きくなる。
【００２８】
ｒｐの解析例を図３に示す。直線は等方性の媒質のｒｐ，点線は入射角が大きくなると屈折率が大きくなる異方性媒質のｒｐ，一点鎖線は入射角が大きくなると屈折率が小さくなる異方性媒質のｒｐである。これを見ると，ｒｐは負の値から始まり，ある角度でｒｐは０になってから正の値を持つ。ｒｐが０になる角度をブリュースター角と呼び，異方性を持つことでこの角度が変わっていることがわかる。つまり一般的に反射防止膜として必要とされるブリュースター角以下の入射角でのｒｐは，入射角が大きくなると屈折率が大きくなる異方性媒質のほうが小さいことがわかる。
【００２９】
また，反射率を決めるもう一つの要素が光学干渉層の光路長である。光を波として捉えると，この光路長の大きさで波同士の干渉の仕方が変化する。光学干渉層の屈折率をｎ，厚みをｄ，干渉層の法線と光線のなす角をθｔｓとしたとき，光路長差Ａは以下の式（３）で表される。
【００３０】
【数３】
2012159722.tif 000005
【００３１】
光路長差Ａは入射角が大きくなると徐々に小さくなる。光路長のずれはそのまま干渉の程度がずれることを意味するため，斜入射で特性が低下する要因の一つとなる。それに対して，入射角が大きくなると屈折率が高くなる異方性媒質の場合，屈折率が高くなるために光路長Ａのうちｃｏｓθｔｓが小さくなってもｎが大きくなるために光路長差が大きくは変化しないというメリットがある。
【００３２】
以上のｒｐが小さくなる，また光路長差の変化を抑えられるという二点の理由で，斜入射における反射防止性能が良い膜を得ることができる。また，その異方性が強いほど斜入射の特性はより補正される方向になるため，反射率をより低反射にすることができる。
【００３３】
通常の光学素子の場合，全ての方向に同じように光線がとおるわけではない。例えば矩形型の光学素子の場合，ほぼ全ての場合で素子の長辺方向はより入射角度のきつい光線が通りやすい。一方，短辺方向は光束が制約されるために入射光の入射角度も制限される。また，球状の円形レンズの場合，曲面の径方向には入射角度のきつい光が入りやすい一方，周方向には入射角度のきつい光束は入りにくい。
【００３４】
このように，光学素子の多くはその形状に伴って光線の入射角度が変わってくる。そこで，光学素子の形状に合わせて光学異方性を持たせることで，素子としての光線の透過率を最適化できる。
【００３５】
また，光学素子として考えた場合，全方位面で上記の条件を満たす必要は無い。反射防止膜が適用された面の面積の少なくとも５０％以上，好ましくは７０％以上が上記条件を満たすことで，反射防止性能向上の効果は十分に発揮できる。
【００３６】
他に光学異方性を有する光学干渉層を得る方法として，使用する光の波長よりも十分に細かい構造が挙げられる。使用する光の波長よりも十分に細かい構造では，入射する光はその構造そのものは認識できずに均一な媒質のように振舞うことが知られている。その場合，光はその構造を平均化したような特性を持つ。また，構造そのものに異方性を持たせることで光学的な振舞いも異方性を持つ膜のように振舞うことが知られている。これは一般的に構造異方性と呼ばれている。
【００３７】
微細構造層の一例を図４に示す。ここで０４１は微細構造層，０４２は微細構造層をなす構造部，０４３は空隙部である。ここでは例として構造部と空隙部の二種の材料からなる微細構造層を挙げたが，三種以上の材料，もしくは空隙の無い構造にしてもかまわない。微細構造層０４１はｙ方向に周期的であり，かつｘｚ方向に連続的である。
【００３８】
このとき，構造部のｙ方向の大きさａと空隙部のｙ方向の大きさｂから，周期性ａ＋ｂは使用する光の波長よりも十分に細かいことを特徴としている。また，ここではｙ方向に周期的な構造を例としてあげたが，全体的な構造の大きさが使用する波長以下であれば，非周期な構造でもかまわない。
【００３９】
この微細構造層０４１の光学的な異方性の程度は，有効屈折率法と呼ばれる方法で求められる。構造部０４２の屈折率をｎｏ，構造充填率Ｆｆｆ＝ａ／（ａ＋ｂ）とすると，ｘ方向の屈折率ｎｘは以下の式（４）で表される。
【００４０】
【数４】
2012159722.tif 000006
【００４１】
また，同様にｙｚ方向の屈折率ｎｙｚは以下の式（５）で表される。
【００４２】
【数５】
2012159722.tif 000007
【００４３】
このように，構造を変化させることで異方性の程度を変化させることができる。
【００４４】
また，本発明ではこの微細構造層が以下の式（６）を満たすことを特徴としている。
【００４５】
ａ＜ｂ＜ｃ・・・・式（６）
ここで，微細構造層をなす材料のうち，屈折率が最も高い材料の第一の方向に対する充填率をａ，第二の方向に対する充填率をｂ，屈折率が最も高い材料の第三の方向に対する充填率をｃとしている。これは，第一の方向の充填率が最も低くなることで，第一の方向に振動する光の反射率をより効果的に補正させる意味を持つ。つまり，この構成にすることで，微細構造を用いた反射防止膜では，より効果的な構成が得られると考えられる。
【００４６】
以下，実施例により本発明を具体的に説明する。本実施例では可視域を例にあげて記述するが，本発明は掛かる実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４７】
６ｃｍ×４ｃｍの長方形の基板を用意した。素子の上面図を図５に示す。ここで０５１は基板，０５２は長辺方向であり第一の方向，０５３は短辺方向であり第二の方向である。基板０５１の屈折率は波長５５０ｎｍで１．５３だった。その表面に一軸性の異方性膜を成膜し，面内方向（ｘｙ方向）に振動する光の屈折率は１．３８，法線方向（ｚ方向）に振動する光の屈折率は１．５０だった。また物理膜厚は１００ｎｍだった。波長５５ｎｍでの入射角に対するＰ偏光の反射率特性を図６に示す。ブリュースター角が４５度付近となり，反射率が低下している様子がわかる。
【実施例２】
【００４８】
６ｃｍ×４ｃｍの長方形の基板を用意した。素子の模式図を図５に示す。基板０５１の屈折率は波長５５０ｎｍで１．５３だった。その表面に異方性膜を成膜し，第一の方向０５２は屈折率１．３８，第二の方向０５３は屈折率１．４２，法線方向（ｚ方向）は屈折率１．５０だった。また物理膜厚は１００ｎｍだった。波長５５０ｎｍでの入射角に対するＰ偏光の反射率特性を図７に示す。実線が第一方向０５２のＰ偏光反射率，破線が第二方向０５３のＰ偏光反射率である。第一の方向０５２のほうが異方性が強いためにブリュースター角までの反射率が低いことがわかる。
【実施例３】
【００４９】
直径３０ｍｍの凹曲面をもつレンズを用意した。素子の模式図を図８に示す。ここで０８１は基板，０８２は薄膜層，０８３は異方性膜，０８４は径方向であり第一の方向，０８５は周方向であり第二の方向である。基板０８１の屈折率は波長５５０ｎｍで１．８０だった。凹面に均質層０８２，異方性膜０８３を順に成膜した。均質層０８２の屈折率は２．３，物理膜厚は１１５ｎｍだった。
【００５０】
異方性層０８３の屈折率は第一の方向０８４に１．３８，第二の方向０８５に１．４２，法線方向に１．５０だった。物理膜厚は９５ｎｍだった。波長５５０ｎｍでの入射角に対するＰ偏光の反射率特性を図９に示す。実線が第一方向０８４のＰ偏光反射率，破線が第二方向０８５のＰ偏光反射率である。入射角３０度までの範囲で，第一方向０８４の反射率が第二方向０８５方向に比べて低いことがわかる。
【実施例４】
【００５１】
６ｃｍ×４ｃｍの長方形の基板を用意した。素子の上面図を図５に示す。基板０５１の屈折率は波長５５０ｎｍで１．５３だった。その表面に波長５５０ｎｍで屈折率２．３のチタニア膜をピッチ１２０ｎｍで加工した微細構造層を作成した。その微細構造層の模式図を図１０に示す。ここで１０１は基板，１０２は微細構造層である。この素子で第一の方向はｙ方向，第二の方向はｘ方向である。微細構造層１０２は，第一の方向０５２に充填率０．５，第二の方向０５３に充填率０．７となるようにした。
【００５２】
このときの実行屈折率は第一の方向０５２に１．２４，第二の方向０５３に１．３４，法線方向に１．５８だった。物理膜厚は１３０ｎｍだった。波長５５０ｎｍでの入射角に対するＰ偏光の反射率特性を図１１に示す。実践が第一方向０５２のＰ偏光反射率，破線が第二方向０５３のＰ偏光反射率である。異方性の強い第一方向０５２の特性が低下している様子がわかる。
【００５３】
また，本実施例では法線方向に第一の方向の充填率，および第二の方向の充填率を一定とした場合を述べた。また，図１２のように法線方向（ｚ方向）に対して，光学面内方向（ｘｙ方向）の充填率が変化してもかまわない。この場合，微細構造層の充填率の式（６）は，微細構造層の各方向に対する充填率の平均値を比較する必要がある。
【符号の説明】
【００５４】
０１１，０８２  薄膜層
０１２，０５１，０８１，１０１，１２１  基板
０１３，  屈折率楕円体
０２１，  入射媒質
０２２，  射出媒質
０２３，  入射媒質０２１の屈折率楕円体
０２４，  射出媒質０２２の屈折率楕円体
０２５，  入射Ｐ偏光
０２６，  屈折Ｐ偏光
０２７，  反射Ｐ偏光
０４１，１０２，１２２  微細構造層
０４２，  微細構造層をなす構造部
０４３，  空隙部
０５２，  長辺方向
０５３，  短辺方向
０８３，  異方性膜
０８４，  径方向
０８５，  周方向
【図１】
2012159722.tif 000008
【図２】
2012159722.tif 000009
【図３】
2012159722.tif 000010
【図４】
2012159722.tif 000011
【図５】
2012159722.tif 000012
【図６】
2012159722.tif 000013
【図７】
2012159722.tif 000014
【図８】
2012159722.tif 000015
【図９】
2012159722.tif 000016
【図１０】
2012159722.tif 000017
【図１１】
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【図１２】
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