(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子面を有する回折格子部材の上記回折格子面に、上記回折格子部材と異なる屈折率の光学材料からなり、光の入射面に入射光の波長の半分以下の周期を有する凹凸格子を形成した反射防止格子部材を密着してなり、
前記回折格子面は凹凸面を有し、前記反射防止格子部材は前記回折格子面の凹部内に充填されると共に、前記回折格子面の凸部より上方に平面状の上面を有して前記回折格子面を全面に渡って被覆し、前記上面には前記凹凸格子が形成され、
前記反射防止格子部材と前記回折格子部材の屈折率差は、空気と前記回折格子部材の屈折率差よりも小さい光学部材。
【請求項２】
上記回折格子部材及び反射防止格子部材は合成樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の光学部材。
【請求項３】
上記回折格子部材及び反射防止格子部材は一体成形されていることを特徴とする請求項２記載の光学部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、凹凸面により構成された回折格子を有する光学部材に関し、特に入射光の反射防止のために設けられる反射防止格子を光の入射面に有する光学部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折格子をその表面に有した光学部材は広く用いられている。従来の回折格子部材として図２に示すものがある。この回折格子部材１００は、凹部平面１０１と凸部平面１０２とを備えた矩形波状の回折格子面１０３を有するものである。ここで、屈折率の異なる媒質の境界面においては、フレネル反射が生じて透過光に損失が生じる。すなわち図２において、回折格子部材１００の入射面及び出射面に反射光Ｒ１及びＲ２が生じ、入射光のうち反射光Ｒ１及びＲ２以外が透過光Ｔとして回折格子部材１００を透過する。ここで入射側反射光の反射率Ｒ１は光の入射側の媒質の屈折率をｎ0、回折格子部材１００の媒質の屈折率をｎ1とすると以下の式によって表される。
【０００３】
【数１】
Ｒ１＝（ｎ1−ｎ0）2／（ｎ1＋ｎ0）2    （１）
【０００４】
例えば、図において光の入射側の媒質の屈折率を１．０、回折格子部材１００の媒質の屈折率を１．５とすると、入射面における反射率は約４％となる。このような反射率を低減させることで、透過光の損失を低下させることができる。レーザー光学系において反射率が高く、透過光の損失を生じさせることは、光学エネルギーの有効利用の面から不利であるから、反射率を低減することは非常に重要である。
【０００５】
透過光の反射率を低減させる方法としては、薄膜を光学部材の表面に蒸着して、単層または多層の反射防止膜を形成するものが知られている。この場合は、薄膜の屈折率及び膜厚を適切に選ぶことによって透過光の反射防止効果を得ることができる。
【０００６】
しかし、薄膜を光学部材の表面に蒸着する方法では、以下に述べる問題点を有している。回折格子を有する光学部材は、その製造の容易さ等から合成樹脂によって形成されることが多い。ここで、薄膜を表面に蒸着して反射防止膜を形成する場合、合成樹脂は熱に弱いために高温で蒸着を行うことができない。このため、反射防止膜の密着力が弱く、はがれが生じやすい。また、蒸着を行う場合にはその行程のために余計な時間がかかり、かつ蒸着を行うにはそのための設備が必要であることから、光学部材の製造コストを増加させることとなる。
【０００７】
このため、薄膜を光学部材の表面に蒸着する以外の方法として、以下のものが知られている。すなわち、回折格子の凹凸面上に光の波長λよりも小さな格子を形成し、０次回折光しか存在しないようにすることで、０次光以外の方向への光の伝播がなくなって、結果的に反射光も消滅するというものである。この場合にあっては、格子間隔Ｄを以下の条件とすることで反射防止を図ることができる。
【０００８】
【数２】
Ｄ＜λ／（ｎ0ｓｉｎθi＋ｎ1）        （２）
【０００９】
ここで、θiは光学部材への入射角である。
【００１０】
図３は、このように反射防止格子を回折面上に形成した例である。回折格子面１０７は、凹部平面１０４と凸部平面１０５とを有し、その表面は矩形波状に形成されている。そして凹部平面１０４と凸部平面１０５のそれぞれには反射防止格子１０６が形成されている。この反射防止格子１０６は、その格子間隔Ｄを式２の条件に適合するようにしている。このようにすることで、回折格子面１０７における反射を防止することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の反射防止構造を有する光学部材においては、以下の問題点があった。
回折格子を有する光学部材が合成樹脂からなる場合、切削加工で凹部平面と凸部平面からなる矩形波状面を成形した金型を作成し、この金型を使用して合成樹脂を射出成形することにより光学部材を作成する方法が用いられる。したがって、金型に微細な格子を形成することが必要となる。金型の切削加工にはダイヤモンドバイト等が用いられ回折格子の凹凸面が形成される。さらにその回折格子の凹凸面上に小さな格子を形成する場合、微細な凹凸面上にさらに加工を施すこととなり、金型の加工は非常に困難である。その結果、回折格子の凹凸面上に反射防止用の格子を形成した光学部材を製造することは非常に困難であるという問題点を有している。
【００１２】
本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、反射防止構造を表面に容易にかつ精度よく形成することができ、入射光の反射率を低減することのできる光学部材を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決するため、回折格子を有する光学部材を以下のように構成した。
【００１４】
本発明に係る光学部材は、回折格子面を有する回折格子部材の上記回折格子面に、上記回折格子部材と異なる屈折率の光学材料からなり、光の入射面に入射光の波長の半分以下の周期を有する凹凸格子を形成した反射防止格子部材を密着してなり、前記回折格子面は凹凸面を有し、前記反射防止格子部材は前記回折格子面の凹部内に充填されると共に、前記回折格子面の凸部より上方に平面状の上面を有して前記回折格子面を全面に渡って被覆し、前記上面には前記凹凸格子が形成され、前記反射防止格子部材と前記回折格子部材の屈折率差は、空気と前記回折格子部材の屈折率差よりも小さいことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明に係る光学部材は、反射防止格子部材及び回折格子部材は合成樹脂からなることを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、本発明に係る光学部材は、反射防止格子部材及び回折格子部材は一体成形されていることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明によれば、反射防止のための凹凸格子を平面上に形成することができるため、回折格子部材を射出成型するための金型を作成するに際してその加工が容易であり、したがって反射防止構造を有する回折格子部材を容易に加工することができ、この回折格子部材によって表面の反射率を低減して透過率を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明によれば、反射防止構造を有する回折格子部材は射出成型によって製造することができるので、切削加工により製造した金型を用いて大量に製造することができる。
【００１９】
さらに、本発明によれば、合成樹脂の２色形成や２ピース形成等の製造方法によって、反射防止構造を有する回折格子部材を、１つの工程によって製造することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態における光学部材の縦断面拡大図であり回折格子の形状を誇張して示したものである。
【００２１】
本実施形態において光学部材１は回折格子を有し、主にレーザー光学系にて分波／合波機能素子等として用いられ、または分光器等に利用することができる。この光学部材１は、反射防止格子部材２と回折格子部材３とからなる複合材として形成されている。反射防止格子部材２は光の入射側に、回折格子部材３は光の出射側にそれぞれ配されている。回折格子部材３は、光の入射側面に回折格子面６を有している。回折格子面６は、矩形波状の凹凸周期構造を有しており、凹部平面４と凸部平面５とからなっている。なお、回折格子面６の形状については、矩形波状の凹凸周期構造に限らず、回折格子の機能を有する他の形状であってもよい。
【００２２】
回折格子面６の凹凸周期構造のピッチ及び深さについては、その光学部材１の用途によって適宜決定される。すなわち、光学部材１によって所定の回折角が得られるように設計される。ここで、反射防止格子部材２は合成樹脂であり、その屈折率は空気の屈折率に比べて大きいので、反射防止格子部材２を設けずに空気から回折格子部材３に光が入射する場合と同一の回折角を得るためには、回折格子面６を深くする必要がある。光学部材は金型を用いて射出成型されることによって製造され、金型に格子面等が切削加工される。この金型は非常に高精度な加工により製造されるが、加工を行う際には格子の深さに製造誤差が発生する。しかし、この製造誤差は、格子面の深さには拠らず一定なので、格子面が深くなることで格子面の深さに対する製造誤差の割合は相対的に小さくなる。このため反射防止格子部材２が回折格子部材３の入射側に存在するために回折格子面６を深くすることは、同程度の精度でも相対的にみれば精度よく金型を加工することができることとなり、したがってより精度のよい回折格子を製造することができる。
【００２３】
反射防止格子部材２の下面は回折格子部材３の上面に形成された回折格子面６と適合する形状とされており、回折格子部材３の上面、すなわち回折格子面６と密着している。また、反射防止格子部材２の上面は、反射防止格子面７を有している。この反射防止格子面７は、上方から見て一定方向の溝によって形成される。また、上方から見て縦横十字状の溝を形成し、多数のピラミッド状の突起を有する形状とするか、または上方から見て同心円状の溝によって形成することもできる。そのピッチは式２にて算出される格子間隔Ｄよりも小さな値とされる。例えば反射防止格子部材２は、屈折率が１．５前後のものが用いられるので、格子間隔Ｄを光の波長λの半分以下とすることで、入射角θiの変化が３０°以内の範囲で式２の条件を満たすこととなる。
【００２４】
反射防止格子部材２と回折格子部材３は、いずれも合成樹脂によって形成されており、それぞれ屈折率が異なっている。反射防止格子部材２と回折格子部材３の屈折率差は、空気と回折格子部材３との屈折率差よりも小さくなるように反射防止格子部材２の材質は選択される。このようにすることで、反射防止格子部材２と回折格子部材３との境界面における反射率を小さく抑えることができる。
【００２５】
例えば、空気の屈折率を１．０、反射防止格子部材２の屈折率を１．４、回折格子部材３の屈折率を１．５とすると、式１より空気中から回折格子面を有する回折格子部材３に光が直接入射した場合の反射率Ｒ１は４％となり、反射防止格子部材２から回折格子部材３に光が入射した場合の反射率Ｒ１は０．１２％となる。すなわち、反射防止格子部材２の表面に形成された回折格子面６によって、空気中から入射した光の反射を低減し、反射防止格子部材２と回折格子部材３との境界面における反射率を小さく抑えることで、空気中から入射する光の光学部材１による反射率を大幅に低減することができる。
【００２６】
次に、本実施形態における光学部材の製造方法について説明する。
光学部材１は、合成樹脂からなるため、金型からの射出成型によって大量生産することができる。金型は、ダイヤモンドバイト等による切削加工によって形成される。反射防止格子は光の入射面が平面である反射防止格子部材２に形成されるので、凹凸面からなる回折格子面を有する光の入射面に反射防止格子を形成する場合に比べて、金型の製造に関しその加工が容易であり、かつ精度を良好に保つことができる。
【００２７】
この金型を用いて、光学部材１は反射防止格子部材２と回折格子部材３の複合材として一体成形される。反射防止格子部材２と回折格子部材３とはその材質が異なるため、金型の中で一度に両部材の形成を行ういわゆる２色成形、またはあらかじめ２つの部材を形成しておいてから一体成形を行ういわゆる２ピース成形によって、光学部材１は一体成形される。
【００２８】
本実施形態においては、反射防止格子部材２の屈折率を１．４、回折格子部材３の屈折率を１．５とした例を示したが、光学部材１に用いる材料は、式２の条件を満たし、かつ反射防止格子部材２の屈折率と回折格子部材３の屈折率との差が、反射防止格子部材２の屈折率と入射側の媒質の屈折率との差よりも小さければどのような屈折率のものでもよく、また反射防止格子部材２の屈折率が回折格子部材３の屈折率よりも大きくてもよい。
【００２９】
また、光学部材１の入射面側に反射防止格子面７を形成するだけでなく、出射面側に反射防止格子面７を形成することもできる。このようにすることで、光学部材１への入射光についてだけでなく、光学部材１からの出射光についてもその反射率を低減することができ、光学部材１の透過率を向上させることができる。この場合は、反射防止格子部材２に形成された反射防止格子面７と同様の格子面を回折格子部材３の下面に形成する。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る光学部材は、回折格子面を有する回折格子部材の回折格子面に、回折格子部材と異なる屈折率の光学材料からなり、光の入射面に入射光の波長の半分以下の周期を有する凹凸格子を形成した反射防止格子部材を密着してなることにより、反射防止のための凹凸格子を平面上に形成することができるため、回折格子部材を射出成型するための金型を作成するに際して容易にかつ精度よく加工することができ、したがって反射防止構造を有する回折格子部材を容易にかつ精度よく加工することができるので、この回折格子部材によって表面の反射率を低減して透過率を向上させることができるという効果がある。
【００３１】
また、本発明に係る光学部材においては、反射防止格子部材及び回折格子部材は合成樹脂からなるものであることにより、反射防止構造を有する回折格子部材は射出成型によって製造することができるので、金型を用いて大量に製造することができるという効果がある。
【００３２】
さらに、本発明に係る光学部材においては、反射防止格子部材及び回折格子部材は一体成形されているものであることにより、反射防止構造を有する回折格子部材を１つの工程で製造することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における光学部材の縦断面拡大図であり回折格子の形状を誇張して示したものである。
【図２】従来の回折格子を有する光学部材を示した図である。
【図３】従来の回折格子を有する光学部材に反射防止構造を形成したものを示した図である。
【符号の説明】
１      光学部材
２      反射防止格子部材
３      回折格子部材
４      凹部平面
５      凸部平面
６      回折格子面
７      反射防止格子面
１００      回折格子部材
１０１      凹部平面
１０２      凸部平面
１０３      回折格子面
１０４      凹部平面
１０５      凸部平面
１０６      反射防止格子
１０７      回折格子面
【図１】
0004183444.tif 000002
【図２】
0004183444.tif 000003
【図３】
0004183444.tif 000004