(57)【要約】【課題】サブ波長構造を有する新規な反射率調整光学素子を実現する。【解決手段】この発明の反射率調整光学素子は、透明な無機材料の平坦な面に、互いに独立した微細な凹部が２次元のサブ波長構造をなして配列形成され、以下の条件：  （１）前記平坦な面において隣接する前記凹部の最短間隔が２０ｎｍ以上    （２）前記平坦な面における前記凹部の配列において、１個の前記凹部に割り当てられる面積：Ｓに対して、該１個の凹部を除く平坦部面積が０．２５Ｓ以上  を満足する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な無機材料の平坦な面に、互いに独立した微細な凹部が２次元のサブ波長構造をなして配列形成され、以下の条件：
（１）前記平坦な面において隣接する前記凹部の最短間隔が２０ｎｍ以上  
（２）前記平坦な面における前記凹部の配列において、１個の前記凹部に割り当てられる面積：Ｓに対して、該１個の凹部を除く平坦部面積が０．２５Ｓ以上  
を満足する反射率調整光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の反射率調整光学素子であって、  
凹部の２次元的配列が、稠密状、正方行列状、千鳥格子状の何れかである反射率調整光学素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の反射率調整光学素子であって、
凹部の開口形状が、円形、正方形、正六角形の何れかである反射率調整光学素子。
【請求項４】
請求項３記載の反射率調整光学素子であって、
凹部の内面が、開口形状に応じて、深さ方向にテーパをもって狭まる円錐形状、角錐形状の何れかである反射率調整光学素子。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか１項に記載の反射率調整光学素子であって、
透明な無機材料は平行平板状であり、微細な凹部による２次元のサブ波長構造が、前記平行平板状の無機材料の、少なくとも一方の面に形成されている反射率調整光学素子。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか１項に記載の反射率調整光学素子であって、
少なくとも可視光の波長領域に亘って、略均一な分光反射率特性を有する反射率調整光学素子。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れか１項に記載の反射率調整光学素子を用いる光学装置。
【請求項８】
請求項７記載の光学装置であって、
反射率調整光学素子は、反射防止用に用いられる光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は反射率調整光学素子および光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
「反射率調整光学素子」は、入射する光に対する反射率の特性を「設計的に所望の反射率特性として調整的に設定」できる光学素子である。  
このような反射率調整光学素子は、従来から、反射率をできる限り低く抑えようとする「反射防止光学素子」や、透過光と反射光を所定の割合で分離する「ビームスプリッタ」、比較的少量の反射光を入射光から分離する「ビームサンプラ」等として、種々の光学装置や光学システムに広く使用されている。  
光学材料の表面に「サブ波長構造」と呼ばれる「微細な凹凸による周期的構造」を形成して、反射防止機能を実現した光学素子が知られている（特許文献１、２）。  
「サブ波長構造」は、光の使用波長以下の周期を持つ「微細な凹凸による周期的構造」である。  
光学素子の表面形状としてのサブ波長構造は、特許文献１では「微細な凹凸の２次元的な配列」として形成され、特許文献２では「微細な凹凸の１次元的な配列」として形成されている。特許文献１、２に記載されたサブ波長構造では、微細な凹凸の「凸部」の頂部（凸部の先端部）が「点状もしくは線状」であり、頂部に平坦な部分はない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この発明は、サブ波長構造を有する新規な反射率調整光学素子の実現を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明の反射率調整光学素子は、透明な無機材料の平坦な面に、互いに独立した微細な凹部が２次元のサブ波長構造をなして配列形成され、以下の条件：
（１）前記平坦な面において隣接する前記凹部の最短間隔が２０ｎｍ以上  
（２）前記平坦な面における前記凹部の配列において、１個の前記凹部に割り当てられる面積：Ｓに対して、該１個の凹部を除く平坦部面積が０．２５Ｓ以上  
を満足する。
【発明の効果】
【０００５】
この発明によれば、新規な反射率調整光学素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】反射率調整光学素子の実施の１形態を説明するための図である。
【図２】微細な凹部の２次元の配列を形成する方法の１例を説明するための図である。
【図３】微細な凹部の断面形状を３例示す図である。
【図４】微細な凹部の開口形状を３例示す図である。
【図５】条件（２）の平坦部面積が占める割合について説明するための図である。
【図６】条件（２）の平坦部面積が占める割合について説明するための図である。
【図７】条件（２）の平坦部面積が占める割合について説明するための図である。
【図８】条件（２）の平坦部面積が占める割合について説明するための図である。
【図９】反射率調整光学素子の具体例１の分光透過率特性（分光反射率特性）を、サブ波長構造の払拭の前後について示す図である。
【図１０】比較例の反射率調整光学素子の分光透過率特性を、サブ波長構造の払拭の前後について示す図である。
【図１１】光学装置としてのレーザ光源装置の実施の１形態を説明図的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態を説明する。  
図１は、反射率調整光学素子の実施の１形態を説明するための図である。  
図１に示す反射率調整光学素子は、透明平行平板１００の片面に、微細な凹部ＨＬが２次元のサブ波長構造をなして配列形成されている。  
図１（ａ）は上面図（微細な凹部ＨＬが配列形成された面の側を、該面に直交する方向から見た部分的な図）であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。  
透明平行平板１００は、透明な無機材料による平行平板であり、以下、説明の具体性のため「合成石英の基板」を想定する。從って、以下の説明において、透明平行平板１００を合成石英基板１００もしくは単に基板１００とも言う。  
微細な凹部ＨＬは図１（ａ）に示すように「開口形状が円形の孔」であり、同図（ｂ）に示すように「深さ方向には孔面がテーパをなして円錐状に狭まる」形状を有する。以下において「凹部」を「孔」とも言う。合成石英基板１００は平行平板で「孔ＨＬが２次元的に配列形成された面」は平坦な面である。  
個々の凹部ＨＬは、互いに独立している。即ち、互いに隣接し合う孔ＨＬの間には有限距離の間隔がある。  
図１（ａ）において孔ＨＬの開口部は、同一の平坦な面に独立して開口している。  
図１（ｂ）における符号１００Ａは、孔ＨＬが開口している平坦な面を示している。  
図１（ｂ）に示す断面形状を「サブ波長構造をなす微細な凹凸形状」として見ると、凸部は同一の「平坦な面１００Ａ」となっている。このように、サブ波長構造をなす凹凸構造が、孔ＨＬ以外の「同一の平坦な面１００Ａをなす部分」を有することが、この発明の反射率調整光学素子の特徴の一端をなしている。
【０００８】
図１に即して説明する反射率調整光学素子は、具体的には、その用途として、反射率が数％となるように、即ち、透過率が９０％以上となる「反射防止機能」を持つ「反射防止板」を想定している。  
ここで、図１に示す反射率調整光学素子の場合を例にとって「微細な凹部の２次元の配列を形成する方法」の１例を、簡単に説明する。  
図２（ａ）に示すように、合成石英基板１００の「微細な凹部ＨＬによる２次元のサブ波長構造を形成するべき平坦な面」に、電子ビーム描画用のレジストによりレジスト層ＲＳを形成する。  
次いで、電子ビーム描画により「孔ＨＬの２次元配列に応じたパターン」をレジスト層ＲＳに書き込み、孔ＨＬに対応する部分のレジストを除去すると、図２（ｂ）に示すように、基板１００の平坦な面にレジストマスクＲＳＭが形成される。  
次いで、形成されたレジストマスクＲＳＭをマスクとして「低選択ドライエッチング」を行い、孔ＨＬを基板１００の前記平坦な面に形成すると、図２（ｃ）に示す如き状態となる。その後、基板１００の平坦な面１００ＡからレジストマスクＲＳＭを除去すれば、図２（ｄ）に示す如き「反射率調整光学素子」が得られる。  
上には、断面形状が三角形の孔ＨＬを例示したが、低選択ドライエッチングのエッチング条件を経時的に「連続的もしくは段階的」に変化させることにより、図３（ａ）に示す孔ＨＬ以外にも、（ｂ）に示す「曲線の断面形状を持つ孔ＨＬＡ」や、（ｃ）に示す「折れ線の断面形状を持つ孔ＨＬＢ」等を実現できる。
【０００９】
また、孔ＨＬ等の開口形状として「円形状」を例示したが、これに限らず、図４（ａ）に示す「正方形形状」や、（ｂ）に示す「正六角形形状」、（ｃ）に示す「楕円形状」等を適宜に選択できる。開口形状としては、他にも、矩形形状や長穴形状等も可能である。  凹部ＨＬの「断面形状や深さ」をパラメータとして調整することにより、光学特性としての反射率の特性を調整できる。  
なお、図２に即して上に説明した「微細な凹部の２次元の配列を形成する方法」は例示であり、この方法以外にも種々の方法が可能である。例えば、基板１００上に形成するマスクとして、レジストマスクＲＳＭに代えて「クロム等の金属膜によるマスク」を用いることができる。この場合には、基板１００に形成した金属膜にウエットエッチングを施して「孔ＨＬの２次元の配列に応じて開口した開口パターン」を形成してマスクとし、その後、低選択ドライエッチングで孔ＨＬの配列を形成したのち、金属膜によるマスクをリフトオフにより除去すればよい。
【００１０】
孔ＨＬの内部の形状は、エッチング条件を一定とすれば、開口形状が円形状の場合には「円錐形状」、開口形状が正方形形状の場合は「四角錐形状」、開口形状が正六角形形状の場合は「六角錐形状」、開口形状が楕円の場合には「楕円錐形状」等となる。
【００１１】
この発明の反射率調整光学素子は、上記の如く「透明な無機材料の平坦な面に、互いに独立した微細な凹部が２次元のサブ波長構造をなして配列形成」されている。  
周知の如く、サブ波長構造では「微細な周期的構造をなす凹凸」の形状に応じて「入射光から見たサブ波長構造の見かけ上の屈折率である有効屈折率」が変化する。  
透明な基板の表面に「断面形状が三角形の２次元のサブ波長構造」を形成すると、サブ波長構造の空間周期は、凹凸構造の単位をなす三角形状の開口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（孔ＨＬの深さ方向）において「有効屈折率が連続的に変化する」ようにでき、良好な反射防止機能を実現できる。
【００１２】
この発明の反射率調整光学素子は、材質が「透明な無機材料」であるから、優れた耐熱性と耐環境性を有し、高エネルギのレーザ光に対しても良好に使用できる。
【００１３】
この発明の反射率調整光学素子は、孔ＨＬが配列形成された面における「孔ＨＬ以外の部分」は、一連なりの平坦な面１００Ａで、この部分では入射光に対し「屈折率が不連続に変化」する。従って、平坦な面１００Ａの部分では「不連続な屈折率変化による反射」が生じる。  
即ち、反射率調整光学素子の孔ＨＬが配列形成される面において「平坦な面１００Ａが占める割合」に応じて「不連続な屈折率変化による反射の割合」が変化する。  
從って、上記「平坦な面１００Ａが占める割合」を変化させることにより、反射率の調整が可能である。  
この発明の反射率調整光学素子では、前述の如く「平坦な面において隣接する凹部ＨＬ間の最小間隔が２０ｎｍ以上（条件（１））」であり、前記平坦な面における凹部ＨＬの配列において、１個の凹部に割り当てられる面積：Ｓに対して、該１個の凹部を除く平坦部面積が０．２５Ｓ以上である（条件（２））。
【００１４】
この「平坦部面積が占める割合」につき、図５ないし図８を参照して４例説明する。  
「第１例」
図５は、図１に示す場合の例を説明するための図であって、図５（ａ）は、微細な孔ＨＬが「相互に一定の間隔を保って稠密に配列形成された状態」を部分的に示している。孔ＨＬの配列が稠密であるので、個々の孔ＨＬには、ハニカム状に配列した正六角形の領域ＤＭが割り当てられる。これら領域ＤＭの個々の面積をＳとする。即ち、面積Ｓごとに１つの孔ＨＬが配されていることになる。  
面積Ｓのうちで、孔ＨＬの占める面積をＳＨＬとすると、孔ＨＬ以外の部分、即ち、平坦な面の面積である「平坦部面積」は「Ｓ−ＳＨＬ」である。  
図５（ｂ）は、図５（ａ）における任意の１個の正六角形の領域ＤＭと、１個の円形状の孔ＨＬとを示している。図の如く、距離：Ｌ、Ｒ、Ｘを定める。  
距離：Ｌは「正六角形の領域ＤＭの中心から１個の頂点に至る距離」、距離：Ｒは「円形の孔ＨＬの半径」、距離：Ｘは「六角形の領域ＤＭの中心から１辺の中心に下した垂線の長さ」である。正六角形の領域ＤＭの中心と円形の孔ＨＬの中心は合致している。
【００１５】
そうすると、
Ｘ＝Ｌ・ｃｏｓ３０°＝（√３）Ｌ／２≒０．８６６Ｌ  
である。  
領域ＤＭの面積：Ｓは、  
Ｓ＝［｛（√３）Ｌ／２｝・Ｌ／２］×６＝３（√３）Ｌ２／２≒２．５９８Ｌ２ 
となる。
【００１６】
孔：ＨＬの開口部の円形状の面積：ＳＨＬは、
ＳＨＬ＝πＲ２ 
である。ここで、パラメータ：α（０＜α＜１）を導入し、Ｒ＝αＬとする。  
パラメータ：αを用いると、面積：ＳＨＬは、
ＳＨＬ＝π(αＬ)２≒３．１４α２Ｌ２ 
と表せる。  
そうすると、前記平坦部面積：Ｓ−ＳＨＬは、
Ｓ−ＳＨＬ＝{３(√３)Ｌ２／２}−π(αＬ)２≒２．５９８Ｌ２−３．１４α２Ｌ２ 
である。
【００１７】
「１個の凹部ＨＬに割り当てられる面積：Ｓに対して、該１個の凹部を除く平坦部面積が０．２５Ｓ以上」となる条件は、
（Ｓ−ＳＨＬ）/Ｓ≧０．２５  
即ち、
（Ｓ−ＳＨＬ）/Ｓ≒（２．５９８Ｌ２−３．１４α２Ｌ２）／２．５９８Ｌ２ 
から、
（２．５９８−３．１４α２）／２．５９８≧０．２５  
であり、この条件が満足されるためには、αが以下の条件を満足すればよい。  
（１−１．２１α２）≧０．２５  
即ち、
０．７５≧１．２１α２                          。
【００１８】
從って、０．６２≧α２ 
から、α≧０．７８７  
であれば、上記の条件が満足されることになる。
【００１９】
図５（ｃ）は、隣接する孔ＨＬと、これらが配された２つの領域ＤＭを示している。  
図の如く、隣接する孔ＨＬの中心間の距離を２Ｘ、隣接する孔ＨＬ相互の最近接距離をＳＰとしている。  
上の説明から明らかなように、
Ｘ＝０．８６６Ｌ、ＳＰ＝２（Ｘ−Ｒ）＝２（０．８６６Ｌ−αＬ）
であり、α≧０．７８７であるから、
ＳＰ≧２（０．８６６−０．７８７）Ｌ＝０．１５８Ｌ  
であれば、面積：（Ｓ−ＳＨＬ）は、面積：Ｓの２５％以上になる。
【００２０】
一方「隣接する凹部ＨＬ間の最小間隔が２０ｎｍ以上」と言う条件（１）は、図５（ｃ）に示す間隔：ＳＰが２０ｎｍ以上であることに相当する。
【００２１】
ＳＰ≧２０ｎｍとなる条件は、  
０．１５８Ｌ≧２０ｎｍ  
であるから、この場合、Ｌ≧１２６.５８ｎｍとなり、Ｘ＝０．８６６Ｌ≧１０９．６ｎｍとなる。從って、
２Ｘ―ＳＰ≧２１９．２−２０＝１９９．２  
となり、円形の孔ＨＬの半径：Ｒは「９９．６ｎｍ以下」となる。
【００２２】
即ち、１例として、図５（ａ）に示すような孔ＨＬの配置の場合で、ＳＰ＝２０ｎｍで、
（Ｓ−ＳＨＬ）＝０．２５Ｓが成りたつのは、Ｌ＝１２６．５８ｎｍ、Ｒ＝９９．６ｎｍの場合である。
【００２３】
上には、領域ＤＭが正六角形状、孔ＨＬが円形状の場合について説明したが、孔ＨＬの開口形状は、前述の如く円形に限らず、図４に示した「正方形形状」や「正六角形形状」、「楕円形状」等が選択可能である。また、孔ＨＬの配列も上に説明した稠密配列に限らず「正方行列状」や「千鳥格子状」等、種々の配列形態が可能である。
【００２４】
以下、他の３種類の場合を説明する。  
なお、繁雑を避けるため、面積を表す記号としては上記と同様に「Ｓ、ＳＨＬ」、長さを表す記号としては上記と同様「Ｌ、Ｘ、Ｒ、ＳＰ等」を用いることとし、孔に対しては開口形状に拘らず符号ＨＬを用い、１個の孔（凹部）ＨＬに割り当てられる領域については符号ＤＭを用いる。
【００２５】
「第２例」
第２例は、図６（ａ）に示すように、開口形状が円形である孔ＨＬが「正方行列状」に配列した場合である。この場合、１個の凹部である孔ＨＬに割り当てられる領域ＤＭの形状は正方形形状である。  
図６（ｂ）は、隣接する孔ＨＬとこれらに割り当てられる領域ＤＭを示している。図の如く、正方形形状の領域ＤＭの１辺の長さを２Ｌとし、円形の孔ＨＬの半径をＲ、隣接する孔ＨＬ間の最短距離をＳＰとする。  
図５の場合に倣って、パラメータ：αを用いて「Ｒ＝αＬ」とする。  
そうすると、１個の孔ＨＬに割り当てられる領域ＤＭの面積：Ｓ＝４Ｌ２で、孔ＨＬの開口面積：ＳＨＬは、
ＳＨＬ＝πＲ２＝πα２Ｌ２ 
である。
【００２６】
從って、領域ＤＭ内の「孔ＨＬ以外の部分」の面積：Ｓ―ＳＨＬは、
Ｓ−ＳＨＬ＝４Ｌ２−πα２Ｌ２ 
であり、「１個の凹部ＨＬに割り当てられる面積：Ｓに対して、該１個の凹部を除く平坦部面積が０．２５Ｓ以上」となる条件（２）：  
（Ｓ−ＳＨＬ）/Ｓ≧０．２５  
は、以下のようになる。
【００２７】
（４Ｌ２−πα２Ｌ２）／４Ｌ２＝（４−３．１４α２）／４≧０．２５  
これから、
４−３．１４α２≧０．２５×４＝１  
となる。この式をαについて解くと、
３≧３．１４α２
から、
α≦０．９５５  
となる。  
即ち、円形の孔ＨＬの半径：Ｒが「０．９５５Ｌ以下」であれば、面積：Ｓ―ＳＨＬは面積：Ｓの２５％以上となる。  
Ｒ＝０．９５５Ｌの場合には、間隔：ＳＰは、２（Ｌ−０．９５５Ｌ）＝０．０９Ｌとなる。間隔：ＳＰは２０ｎｍ以上が必要であるから、この場合の長さ：Ｌは、
０．０９Ｌ≧２０ｎｍ  
から、Ｌ≧２２２．２ｎｍ  
となる。この場合の「Ｒ」は、２１２．２ｎｍである。
【００２８】
「第３例」
図７（ａ）に示す第３例は、開口形状が正方形形状である孔ＨＬが「千鳥格子状」に配列した場合を示している。この場合も、１個の凹部である孔ＨＬに割り当てられる領域ＤＭの形状は正方形形状である。  
図７（ｂ）は、隣接する孔ＨＬと、これらに割り当てられる領域ＤＭを示している。図の如く、正方形形状の領域ＤＭの１辺の長さを２Ｌとし、正方形形状の孔ＨＬの１辺の長さを２Ｄ、隣接する孔ＨＬ間の最短距離をＳＰとする。
【００２９】
図５の場合に倣って、パラメータ：αを用いて「Ｄ＝αＬ」とする。  
そうすると、１個の孔ＨＬに割り当てられる領域ＤＭの面積：Ｓ＝４Ｌ２であり、孔ＨＬｍの開口面積：ＳＨＬは、
ＳＨＬ＝４α２Ｌ２ 
である。
【００３０】
すると、領域ＤＭ内の孔ＨＬ以外の部分の面積：Ｓ―ＳＨＬは、
Ｓ−ＳＨＬ＝４Ｌ２−４α２Ｌ２ 
となる。從って「１個の凹部ＨＬに割り当てられる面積：Ｓに対して、該１個の凹部を除く平坦部面積が０．２５Ｓ以上」となる条件：  
（Ｓ−ＳＨＬ）/Ｓ≧０.２５  
は、以下のようになる。
【００３１】
（４Ｌ２−４α２Ｌ２）／４Ｌ２＝（４−４α２）／４≧０．２５  
これから、
４−４α２≧０．２５×４＝１  
となる。この式をαについて解くと、
３≧４α２
から、
α≦０．８６６  
となる。
【００３２】
即ち、正方形形状の孔ＨＬの１辺の長さ：２Ｄが「１．７３２Ｌ以下」であれば、面積：Ｓ―ＳＨＬは面積：Ｓの２５％以上となる。
【００３３】
Ｄ＝０．８６６Ｌの場合には、間隔：ＳＰは（２Ｌ−１．７３２Ｌ）＝０．２６８Ｌとなる。  
間隔：ＳＰが２０ｎｍ以上となる条件は、
０．２６８Ｌ≧２０ｎｍ  
から、Ｌ≧７４．６３ｎｍ  
となる。
【００３４】
「第４例」
図８（ａ）に示す第４例は、開口形状が正六角形状の孔ＨＬが「ハニカム状」に配列した場合を示している。この場合、１個の凹部である孔ＨＬに割り当てられる領域ＤＭの形状も正六角形形状である。  
図８（ｂ）は、隣接する孔ＨＬとこれらに割り当てられる領域ＤＭを示している。図の如く、隣接する正六角形形状の孔ＨＬの間隔を「２Ｌ」、隣接する孔ＨＬの最小間隔を「ＳＰ」とし、孔ＨＬの中心から孔ＨＬの１辺までの最短距離を「Ｘ」とし、パラメータ：αを用いて「Ｘ＝αＬ」とする。  
この場合、領域ＤＭと孔ＨＬは共に正六角形状であって「相互に相似」であるから、領域ＤＭ、即ち、１個の孔ＨＬに割り当てられる領域ＤＭの面積：Ｓと、１個の孔ＨＬの開口面積：ＳＨＬの比は、
Ｓ：ＳＨＬ＝Ｌ２：(αＬ)２
となる。
【００３５】
從って、比：（Ｓ−ＳＨＬ）／Ｓは、
（Ｌ２−α２Ｌ２）／Ｌ２ 
となって、この比の値が０．２５以上となる条件は、
（１−α２）≧０．２５  
であり、これから、αの範囲は、
α≦０．８６６  
となる。
【００３６】
即ち、正六角形形状の孔ＨＬにおける図８（ｂ）の長さ：Ｘが「０．８６６Ｌ以下」であれば、面積：Ｓ―ＳＨＬは面積：Ｓの２５％以上となる。  
Ｘ＝０．８６６Ｌの場合には、間隔：ＳＰは（２Ｌ−１．７３２Ｌ）＝０．２６８Ｌとなる。  
間隔：ＳＰが２０ｎｍ以上となる条件は、
０．２６８Ｌ≧２０ｎｍ
から、Ｌ≧７４．６３ｎｍ
となる。この結果は、上に説明した第３例の場合と同じである。
【００３７】
ここで、条件（１）、（２）の意義について説明する。  
この発明の反射率調整光学素子は、上記の如く、透明な無機材料の平坦な面に、微細な凹部が２次元のサブ波長構造をなして配列形成されている。材料が無機材料であるから、耐熱性に優れている。また、材料としての無機材料は「機械的な強度」も大きい。
【００３８】
しかし、２次元的に配列形成されるサブ波長構造は極めて微小であり、その表面形状における凸部の頂部が「点状」である場合、頂部は「鋭く尖った形状」となり易く、この部分に機械的な力が作用すると応力集中による破壊が起こり易い。
【００３９】
反射率調整光学素子は、各種の光学装置や光学システムで使用されるが、一般的な使用状況では「サブ波長構造が空気中に剥き出しとなった状態」で使用されることが多い。
【００４０】
このように、サブ波長構造が剥き出しの状態で使用されると、サブ波長構造の形成された面が、塵埃等の付着により汚れた状態となり易い。  
「サブ波長構造の汚れ」は、汚れによる透過率の低下等の機能劣化の原因となる。  
光学素子の汚れを除去する方法として、最も簡単かつ確実なのは「汚れた面を布等の払拭手段」で拭って汚れを払拭することである。  
この場合、２次元的に配列形成されるサブ波長構造の表面形状における凸部の頂部が「点状」であると、払拭手段による払拭で凹凸の頂部が破壊され、光学機能を劣化させ易い。
【００４１】
この発明の反射率調整光学素子では、機械的な強度の強い無機材料の表面形状として２次元のサブ波長構造が「孔ＨＬの配列」により形成されているが、前述のとおり「孔ＨＬ以外の部分は平坦な面」となっており、平坦な面から突出する部分はない。  
このため、サブ波長構造が形成された面を払拭手段で払拭する際、平坦な面部分が「払拭の機械的な力」を受け止め、「平坦な面から突出する部分」が無いので、払拭の際に払拭手段が「引っ掛かり難」く、表面構造が破壊されにくい。  
サブ波長構造が形成された面において「平坦な面が占める割合」が大きいほど、払拭に対する「耐性（以下「払拭耐性」と言う。）」は大きい。即ち、上の説明で、平坦な面において配列中の「１個の凹部ＨＬに割り当てられる領域ＤＭの面積：Ｓ」に対して、１個の凹部を除く平坦部面積が０．２５Ｓ以上（条件（２））であれば、実用的な耐払拭性を実現し易い。  
一方において、隣接する孔ＨＬの最短間隔（上の説明で「ＳＰ」）は、隣接する孔を隔てる「隔壁の厚さ」に相当し、ある程度大きくないと、払拭力の作用で隔壁が破壊され易い。
【００４２】
発明者の実験によれば「払拭による孔ＨＬの隔壁の破壊」の防止には、この最短間隔が２０ｎｍ以上であることが有効であることが確認された。  
即ち、条件（１）と（２）を満足させることで、実用的な払拭耐性を実現できる。
【００４３】
このような検知から、上に挙げた第１例〜第４例を再見する。  
「第１例（図５）」では、半径：Ｒ＝９９．６ｎｍの円形開口形状を持つ孔ＨＬを、ピッチ：２１９．２ｎｍで、２次元的に稠密に配列すれば、上記条件（１）、（２）が同時に満足され、良好な「耐払拭性」を実現できることが分かる。  
ピッチを上記の値よりも大きくすれば、孔ＨＬの半径を上記の値より大きくしても、条件（１）、（２）を満足させることができる。  
「第２例（図６）」は、円形の開口形状を持つ孔ＨＬを正方行列状に配列して２次元のサブ波長構造を形成する例である。この第２例において、条件（１）、（２）を同時に満足するのは「配列ピッチ：２Ｌ≧４２４.４ｎｍで、半径：Ｒ≦２１２．２ｎｍの円形状の開口形状を持った孔ＨＬが形成」される場合である。  
ピッチを上記の値よりも大きくすれば、孔ＨＬの半径を上記の値より大きくしても、条件（１）、（２）を満足させることができる。
【００４４】
「第３例（図７）」では、一片の長さ：２Ｄが５４．６３ｎｍの正方形形状の孔ＨＬを、ピッチ：７４．６３ｎｍで「千鳥格子状」に配列すれば、条件（１）、（２）が同時に満足され、良好な「耐払拭性」を実現できることが分かる。なお、孔の開口形状が正方形形状である場合、２次元的な配列を「正方格子状」としても同様の結果になる。  
ピッチを上記の値よりも大きくすれば、孔ＨＬの半径を上記の値より大きくしても、条件（１）、（２）を満足させることができる。  
「第４例（図８）」では、対辺の中心を結ぶ距離：Ｘが５４．６３ｎｍの正六角形形状の孔ＨＬを、ピッチ：７４．６３ｎｍでハニカム状に稠密配列すれば、条件（１）、（２）が同時に満足され、良好な「耐払拭性」を実現できることが分かる。  
ピッチを上記の値よりも大きくすれば、孔ＨＬの半径を上記の値より大きくしても、条件（１）、（２）を満足させることができる。
【００４５】
上記のように、この発明の反射率調整光学素子で、払拭耐性が実現されるためには条件（１）と（２）とが同時に満足される必要がある。  
２次元のサブ波長構造を、孔ＨＬの２次元的な配列で形成する場合、孔ＨＬの配列ピッチは、サブ波長構造をなす微細な周期的構造における「周期」であり、サブ波長構造の光学作用が発現するのは、この周期よりも長い波長をもった光（電磁波）に対してである。
【００４６】
この観点からすると、サブ波長構造が発現する波長領域は、第１例では８０．３２ｎｍ以上、第２例では４４４．４ｎｍ以上、第３例と第４例では７４．６３ｎｍ以上である。
【００４７】
第１例、第３例、第４例では、可視波長領域（２００ｎｍ〜４００ｎｍ）の光に対する反射率調整光学素子として使用可能である。第２例の場合には、波長：４４４．４ｎｍ以上の赤外領域の光に対する反射率調整光学素子として使用可能である。
【００４８】
以下に、具体的な例を２例挙げる。  
「具体例１」  
厚さ：１ｍｍの平行平板状の「石英基板」の片面のみに、図１に即して説明した「開口形状が円形状で、深さ方向に孔径が直線的に減少する円錐状の孔」による２次元のサブ波長構造を以下のように形成した。  
孔ＨＬの開口径：１８０ｎｍ  
孔ＨＬの配列形態：稠密配列  
孔ＨＬの配列ピッチ：２００ｎｍ  
隣接する孔ＨＬの最短距離：２０ｎｍ  
孔ＨＬの深さ：９００ｎｍ                                      。  
上記の如く形成されたサブ波長構造は、隣接する孔ＨＬの最短距離が２０ｎｍであるから、条件（１）を満足している。  
また、図５に即して説明した例で、Ｘ＝１００ｎｍ、Ｒ＝９０ｎｍであるから、
Ｘ＝√３Ｌ／２  
により、Ｌ＝１１５．５ｎｍが得られ、Ｒ＝αＬから、
９０＝α×１１５．５  
により、α＝０．７８  
が得られる。
【００４９】
これから、条件（２）における「Ｓ、ＳＨＬ」は以下の如くに得られる。
【００５０】
Ｓ≒２．５９８Ｌ２≒３４６５８  
ＳＨＬ＝９０×９０×３．１４≒２５４３４              。
【００５１】
從って、Ｓ−ＳＨＬ／Ｓは、
Ｓ−ＳＨＬ＝９２２４  
であるから、
（Ｓ−ＳＨＬ）／Ｓ≒９２２４／３４７１８≒０．２６６  
となり、Ｓ−ＳＨＬ＝９２２４は、０．２５Ｓ＝８６６４．５よりも大きく、条件（２）は満足されている。
【００５２】
厚さ：１ｍｍの平行平板状の石英基板に形成された具体例１のサブ波長構造の、可視波長領域（波長：４００ｎｍ〜８００ｎｍ）における分光透過率は、図９におけるグラフ線１０１の如くである。図示の如く、透過率は可視波長領域に亘って実質的に９５％で、可視波長領域に亘って反射率：５％を実現できている。  
具体例１におけるサブ波長構造の形成された面を、柔らかい（軟質の）不織布を用い、手作業で払拭した。「不織布」としては「ベンゴット（商品名  小津産業株式会社製）」を用い、この不織布に少量のエチルアルコールを染みこませて払拭作業を行った。払拭回数は３０回とした。
【００５３】
払拭後の分光透過率は、図９におけるグラフ線１０２の如くであって、払拭前の分光透過率（グラフ線１０１）と実質的に変わらない。このことから、具体例１の反射率調整光学素子は極めて良好な「払拭耐性」を有することが明らかである。
【００５４】
「具体例２」
厚さ：１ｍｍの平行平板状の「石英基板」の片面のみに、図１に即して説明した「開口形状が円形状で、深さ方向に孔径が直線的に減少する円錐状の孔」による２次元のサブ波長構造を以下のように形成した。  
孔ＨＬの開口径：１３０ｎｍ  
孔ＨＬの配列形態：稠密配列  
孔ＨＬの配列ピッチ：１５０ｎｍ  
隣接する孔ＨＬの最短距離：２０ｎｍ  
孔ＨＬの深さ：９００ｎｍ                                      。  
上記の如く形成されたサブ波長構造は、隣接する孔ＨＬの最短距離が２０ｎｍであるから、条件（１）を満足している。  
また、図５に即して説明した例で、Ｘ＝７５ｎｍ、Ｒ＝６５ｎｍであるから、
Ｘ＝√３Ｌ／２  
により、Ｌ＝８６．６ｎｍが得られ、Ｒ＝αＬから、
６５＝α×８６．６  
により、α＝０．７５  
が得られる。
【００５５】
これから、条件（２）における「Ｓ、ＳＨＬ」は以下の如くに得られる。
【００５６】
Ｓ≒２．５９８Ｌ２≒１９４８４  
ＳＨＬ＝６５×６５×３．１４≒１３２６６．５              。
【００５７】
從って、Ｓ−ＳＨＬ／Ｓは、
Ｓ−ＳＨＬ＝６２１７．５  
であるから、
（Ｓ−ＳＨＬ）／Ｓ≒６２１７．５／１９４８４≒０．３２  
となり「Ｓ−ＳＨＬ＝６２１７．５は、０．２５Ｓ＝４８７１」よりも大きく、条件（２）は満足されている。  
具体例２の反射率調整光学素子は、２次元的なサブ波長構造において「孔以外の平坦な面の占める割合（３２％）が具体例１のもの（２６．７％）よりも大きい。このため、可視波長領域における反射率は「具体例１の５％」よりも若干大きい８％で実質的に一定である。  
具体例１の場合と同様の払拭作業を行った。払拭回数は３０回である。  
分光反射率：８％（分光透過率：９２％）は、払拭の前後で実質的な変化が無く、具体例２の反射率調整光学素子も極めて良好な「払拭耐性」を有することが確認できた。
【００５８】
「比較例」  
比較のために、以下の如き要領で比較例の反射率調整光学素子を作成した。
【００５９】
厚さ：１ｍｍの平行平板状の「石英基板」の片面のみに、図１に即して説明した「開口形状が円形状で、深さ方向に孔径が直線的に減少する円錐状の孔」による２次元のサブ波長構造を以下のように形成した。  
孔ＨＬの開口径：１８０ｎｍ  
孔ＨＬの配列形態：稠密配列  
孔ＨＬの配列ピッチ：１９０ｎｍ  
隣接する孔ＨＬの最短距離：１０ｎｍ  
孔ＨＬの深さ：９００ｎｍ                                      。  
上記の如く形成されたサブ波長構造は、隣接する孔ＨＬの最短距離が１０ｎｍであるから、条件（１）を満足しない。  
また、図５に即して説明した例で、Ｘ＝９５ｎｍ、Ｒ＝９０ｎｍであるから、
Ｘ＝√３Ｌ／２  
により、Ｌ＝１０９．６７ｎｍが得られ、Ｒ＝αＬから、
９０＝α×１０９．６７  
により、α＝０．８２  
が得られる。
【００６０】
これから、条件（２）における「Ｓ、ＳＨＬ」は以下の如くに得られる。
【００６１】
Ｓ≒２．５９８Ｌ２≒３１２４７  
ＳＨＬ＝９０×９０×３．１４≒２５４３４              。
【００６２】
從って、Ｓ−ＳＨＬ／Ｓは、
Ｓ−ＳＨＬ＝５８１３  
であるから、
（Ｓ−ＳＨＬ）／Ｓ≒５８１３／３１２４７≒０．１９  
となり「Ｓ−ＳＨＬ＝５８１３は、０．２５Ｓ≒７８１１．８」よりも小さく、条件（２）も満足されない。
【００６３】
この比較例の反射率調整光学素子は、図１０のグラフ線１１１で示す如き分光透過率特性を有している。即ち、４５０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長範囲で、９８％以上という高い分光透過率（高い反射防止機能）を有している。
【００６４】
比較例の反射率調整光学素子に対し、上述の具体例１、２と同じ条件で「払拭作業」を行った。その結果、払拭後の分光透過率は、図１０のグラフ線１１２の示す如く、大幅に透過率が低下し、反射防止機能が大幅に損なわれた。
【００６５】
上に説明した「払拭」について補足する。  
上の説明において実行した払拭作業は「手作業」であるが、この払拭作業は、従来からレンズ面やプリズム面、回折格子面等の種々の光学面の払拭に一般的に行われている作業と全く同様である。即ち、光学面に付着している汚れを、少量のエチルアルコールを染みこませた軟質の不織布により「軽く拭う」程度の作業であり、払拭回数も、通常１０回未満で足りる。  
從って、払拭作業の際に、光学面に作用する機械力は然程大きなものではないが、それでも、上記比較例の場合のように、サブ波長構造が条件（１）、（２）を満足しないときには、サブ波長構造が破壊されて光学特性（分光透過率）の劣化が生じるのである。
【００６６】
条件（１）、（２）が満足されている場合には、上記の如く、払拭回数を３０回と多くしても、反射防止機能に劣化をもたらさないことが、上記の結果から明らかである。
【００６７】
この発明の反射率調整光学素子は「反射防止光学素子」や「ビームスプリッタ」、「ビームサンプラ」等として、従来から知られた種々の光学装置や光学システムに適用することができる。
【００６８】
この発明の反射率調整光学素子を用いる光学装置の１例として、レーザ光源装置の実施の１形態を、図１１を参照して説明する。
【００６９】
図１１に示すレーザ光源装置１０は「レーザ加工装置用のもの」で、ＹＡＧレーザ光源１１と、ＹＡＧレーザ光源１１からのレーザビームの波長を「加工に適した波長」に変換する波長変換素子１２と、ＹＡＧレーザ光源１１と波長変換素子１２とを収納するケーシング１４と、ケーシング１４に開口されたレーザビーム射出孔１４Ａを塞ぐとともに、波長変換素子１２により波長変換されたレーザビーム（波長：４５０ｎｍ）を透過させるカバー板１５を有する。
【００７０】
このカバー板１５として、上に説明した反射率調整光学素子、例えば、具体例１や具体例２の反射防止機能を持つ反射率調整光学素子を用いる。  
具体例１や具体例２等の反射率調整光学素子は、上述の如く、耐熱性、耐環境性に優れるとともに、機械強度にも優れているから、図１１のように、ケーシング１４の外壁に「剥き出し」で設けることができ、光源装置の取り扱いが容易である。  
また、反射率を低く設定できるため、カバー板１５により反射されてＹＡＧレーザ光源１１へ戻る戻り光は小さく「戻り光による発振効率の低下」を有行に防止できる。
【００７１】
ＹＡＧレーザ光源１１や波長変換素子１３の冷却のために、ファン等により、ケーシング１４の外部から冷却風を導入する。  
カバー板１５自体は「剥き出し」で設けられており、カバー板１５自体への塵埃の付着による汚れは避けることが困難である。即ち、カバー板１５の片面はケーシング１４の外側に剥き出しであり、内面には、前記冷却風によりケーシング内部に侵入する塵埃が付着する。  
カバー板１５に形成されているサブ波長構造は、前述の如く、払拭耐性が優れているので、カバー板１５が汚れた場合には、汚れた面を払拭して汚れを除去することができる。
【００７２】
サブ波長構造は、カバー板１５の表面側（ケーシング１４の外側に向いた面）に形成してもよいし、反対側の面（ケーシング１４の内部に向いた面）に形成してもよく、カバー板１５の両面に形成してもよい。  
カバー板１５の両面にサブ波長構造を形成する場合には、両面とも、条件（１）と条件（２）とを満足するサブ波長構造とする。
【００７３】
以上に説明したように、この発明によれば、以下の如き、新規な反射率調整光学素子および、これを用いる新規な光学装置を実現できる。
【００７４】
［１］  
透明な無機材料（１００）の平坦な面（１００Ａ）に、互いに独立した微細な凹部（ＨＬ）が２次元のサブ波長構造をなして配列形成され、以下の条件：
（１）前記平坦な面（１００Ａ）において隣接する前記凹部（ＨＬ）の最短間隔が２０ｎｍ以上  
（２）前記平坦な面（１００Ａ）における前記凹部（ＨＬ）の配列において、１個の前記凹部（ＨＬ）に割り当てられる面積：Ｓに対して、該１個の凹部を除く平坦部面積が０．２５Ｓ以上  
を満足する反射率調整光学素子。
【００７５】
［２］  
［１］記載の反射率調整光学素子であって、凹部（ＨＬ）の２次元的配列が、稠密状、正方行列状、千鳥格子状の何れかである反射率調整光学素子（図５〜図８）。  
［３］  
［１］または［２］記載の反射率調整光学素子であって、凹部（ＨＬ）の開口形状が、円形、正方形、正六角形の何れかである反射率調整光学素子（図５〜図８）。
【００７６】
［４］  
［３］記載の反射率調整光学素子であって、凹部（ＨＬ）の内面が、開口形状に応じて、深さ方向にテーパをもって狭まる円錐形状、角錐形状の何れかである反射率調整光学素子（図３等）。
【００７７】
［５］  
［１］ないし［４］の何れか１に記載の反射率調整光学素子であって、透明な無機材料（１００）は平行平板状であり、微細な凹部（ＨＬ）による２次元のサブ波長構造が、前記平行平板状の無機材料の、少なくとも一方の面に形成されている反射率調整光学素子（図１、図５ないし図８）。
【００７８】
［６］  
［１］ないし［５］の何れか１に記載の反射率調整光学素子であって、少なくとも可視光の波長領域に亘って、略均一な分光反射率特性を有する反射率調整光学素子（具体例１、具体例２）。
【００７９】
［７］  
［１］ないし［６］の何れか１に記載の反射率調整光学素子（１５）を用いる光学装置（図１１）。
【００８０】
［８］  
［７］記載の光学装置（１４）であって、反射率調整光学素子（１５）は、反射防止用に用いられる光学装置（図１１）。
【００８１】
以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。  
付言すると、反射率と透過率とは相補的な関係にあるから、この発明の反射率調整光学素子は「透過率調整光学素子」でもある。
【００８２】
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８３】
１００    透明な無機材料  
１００Ａ  平坦な面  
ＨＬ      凹部（孔）  
ＳＰ      隣接する凹部の最短間隔  
ＤＭ      １つの孔に割り当てられる領域  
１０      光学装置としてのレーザ光源装置  
１５      カバー板（反射率調整光学素子）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８４】
【特許文献１】ＷＯ２００５／０１０５７２号公報
【特許文献２】特許第５４８４９２９号公報
【図１】
2017129763.tif 000003
【図２】
2017129763.tif 000004
【図３】
2017129763.tif 000005
【図４】
2017129763.tif 000006
【図５】
2017129763.tif 000007
【図６】
2017129763.tif 000008
【図７】
2017129763.tif 000009
【図８】
2017129763.tif 000010
【図９】
2017129763.tif 000011
【図１０】
2017129763.tif 000012
【図１１】
2017129763.tif 000013