(57)【要約】【課題】テラヘルツ光の反射率を低減して透過率を増加させる光学部品を提供する。【解決手段】テラヘルツ光用の光学部品において、光学部品を構成するシリコン基板５０の入射面に、同じ大きさと形とを有する複数の三角形が連続的に並ぶ縦断面形状を有する反射防止微細構造部５１を形成した。三角形の底辺の幅を約４５μｍ以下、その高さを約６０μｍ以上とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ光用の光学部品において、
光学部品本体と、この光学部品本体の入射面及び出射面の少なくとも一方に形成され、複数の三角形が連続的に並ぶ縦断面形状を有する反射防止微細構造部とを備え、
前記三角形の底辺の幅は約４５μｍ以下、その高さは約６０μｍ以上であることを特徴とする光学部品。
【請求項２】
前記反射防止微細構造部は連続する複数のＶ溝で形成されることを特徴とする請求項１記載の光学部品。
【請求項３】
前記反射防止微細構造部は連続する複数の四角錘で形成されることを特徴とする請求項１記載の光学部品。
【請求項４】
前記光学部品本体は板形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の光学部品。
【請求項５】
前記光学部品本体は凸レンズ形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の光学部品。
【請求項６】
前記光学部品本体は凹レンズ形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の光学部品。
【請求項７】
前記光学部品本体は球形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の光学部品。
【請求項８】
前記光学部品本体は単結晶半導体材料からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の光学部品。
【請求項９】
前記単結晶半導体材料はシリコン単結晶であることを特徴とする請求項８記載の光学部品。
【請求項１０】
前記光学部品本体は樹脂材料からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の光学部品。
【請求項１１】
前記Ｖ溝は研削、レーザビーム又はエッチングにより加工されることを特徴とする請求項２記載の光学部品。
【請求項１２】
前記四角錘は研削、レーザビーム又はエッチングにより加工されることを特徴とする請求項３記載の光学部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、板状の光学部品の表面に反射防止微細構造部を施し、光学部品の表面での可視光の反射率を低く抑える方法が知られている（下記非特許文献参照）。反射防止微細構造部の縦断面形状は同じ大きさと形とを有する複数の三角形が連続的に並ぶ形状である。
【０００３】
上記反射防止微細構造部によれば、光学部品の表面における可視光の反射率を低減することができる。
【非特許文献１】日本女子大学紀要理学部  第１４号（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記非特許文献には、可視光より波長の長いテラヘルツ光の光学部品の表面での反射率を低減できる反射防止微細構造部は開示されていない。テラヘルツ光は周波数がおおよそ０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚまでの範囲の電磁波であり、分光装置等に利用されている。
【０００５】
分光装置には、テラヘルツ光の吸収がほとんど無く、屈折率に周波数依存性がない高抵抗シリコンを使用した光学部品（例えばレンズ、窓材）が多く用いられている。
【０００６】
自由空間（空気、真空、窒素雰囲気等）と高抵抗シリコンとが接触する境界面にテラヘルツ光が入射する際、両者の屈折率の差（自由空間の屈折率＝１．０、高抵抗シリコンの屈折率＝３．４）によってテラヘルツ光の一部が反射（フレネル反射）され、透過率が低減する。
【０００７】
例えば、表面が研磨された、高抵抗シリコン製の平行平板にテラヘルツ光を透過させようとすると、入射面で３０％のテラヘルツ光が反射され、出射面で更に３０％のテラヘルツ光が反射される。その結果、透過率は０．７×０．７×１００＝４９％となる。
【０００８】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題はテラヘルツ光の反射率を低減して透過率を増加できる光学部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決するため請求項１記載の発明は、テラヘルツ光用の光学部品において、光学部品本体と、この光学部品本体の入射面及び出射面の少なくとも一方に形成され、複数の三角形が連続的に並ぶ縦断面形状を有する反射防止微細構造部とを備え、前記三角形の底辺の幅は約４５μｍ以下、その高さは約６０μｍ以上であることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学部品において、前記反射防止微細構造部は連続する複数のＶ溝で形成されることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の光学部品において、前記反射防止微細構造部は連続する複数の四角錘で形成されることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の光学部品において、前記光学部品本体は板形状であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の光学部品において、前記光学部品本体は凸レンズ形状であることを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の光学部品において、前記光学部品本体は凹レンズ形状であることを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の光学部品において、前記光学部品本体は球形状であることを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項記載の光学部品において、前記光学部品本体は単結晶半導体材料からなることを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の光学部品において、前記単結晶半導体材料はシリコン単結晶であることを特徴とする。
【００１８】
請求項１０記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項記載の光学部品において、前記光学部品本体は樹脂材料からなることを特徴とする。
【００１９】
請求項１１記載の発明は、請求項２記載の光学部品において、前記Ｖ溝は研削、レーザビーム又はエッチングにより加工されることを特徴とする。
【００２０】
請求項１２記載の発明は、請求項３記載の光学部品において、前記四角錘は研削、レーザビーム又はエッチングにより加工されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、テラヘルツ光の反射率を低減して透過率を増加できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図1は本発明の第１実施形態に係る光学部品を備えるテラヘルツ分光装置の構成を模式的に示す全体構成図である。
【００２４】
テラヘルツ分光装置１００は、被測定物１１にテラヘルツ光Ｔ１を照射し、被測定物１１を透過したテラヘルツ光Ｔ２の電場強度の時間変化データを検出し、このデータに基づいて被測定物１１の複素誘電率や複素屈折率の周波数依存性等を求めるものである。
【００２５】
レーザ光源１から出射されたレーザ光Ｌ１は平面鏡２で反射され、ビームスプリッタ３で２つのレーザ光Ｌ２，Ｌ３に分割される。レーザ光源１としてはフェムト秒パルスレーザが用いられる。レーザ光Ｌ１は中心波長が７８０〜８００ｎｍ程度、繰り返し周期が数ｋＨｚから１００ＭＨｚのオーダ、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ程度の直線偏光のパルス光である。
【００２６】
ビームスプリッタ３で分割された一方のレーザ光Ｌ２は平面鏡４で反射され、真空室３０を構成する筐体３１に設けられた板形状のレーザ光入射窓５を透過して、集光レンズ６を経てテラヘルツ発振器７に入射する。
【００２７】
テラヘルツ発振器７はテラヘルツ発生素子７ａとこれに接合された半球レンズ（シリコンレンズ）７ｂとからなる。レーザ光Ｌ２は、テラヘルツ発生素子７ａを励起してテラヘルツ光Ｔ１を発生させるポンプ光である。ビームスプリッタ３からテラヘルツ発生素子７ａまでの光路がレーザ光Ｌ２が通過するポンプ光側のレーザ光学系の光路である。
【００２８】
テラヘルツ発生素子７ａはテラヘルツ光Ｔ１を発生する。テラヘルツ発生素子７ａで発生したテラヘルツ光Ｔ１は、半球レンズ７ｂを透過し、放物面鏡８に入射する。放物面鏡８で反射されたテラヘルツ光Ｔ１は、平行光となって放物面鏡９に入射する。放物面鏡９で反射されたテラヘルツ光Ｔ１は、測定室４０を構成する筐体４１に設けられた板形状のテラヘルツ光用窓材（光学部品）１０を透過し、被測定物１１に照射される。被測定物１１は筐体４１内に保持部材（図示せず）によって保持されている。なお、測定室４０は大気と連通している。
【００２９】
被測定物１１を透過したテラヘルツ光Ｔ２は筐体４１に設けられた板形状のテラヘルツ光用窓材（光学部品）１２を透過し、放物面鏡１３に入射する。放物面鏡１３で反射されたテラヘルツ光Ｔ２は、平行光となって放物面鏡１４に入射する。放物面鏡１４で反射されたテラヘルツ光Ｔ２は、テラヘルツ光検出器１５に入射する。テラヘルツ検出器１５はテラヘルツ検出素子１５ａとこれに接合された半球レンズ（シリコンレンズ）１５ｂとからなる。テラヘルツ光Ｔ２は、半球レンズ１５ｂによって収束され、テラヘルツ検出素子１５ａに導かれる。破線で示したテラヘルツ発生素子７ａからテラヘルツ検出素子１５ａまでの光路がテラヘルツ光Ｔ１，Ｔ２が通過する光路である。
【００３０】
ビームスプリッタ３で分割された他方のレーザ光Ｌ３は、テラヘルツ光Ｔ２を検出するためのプローブ光である。レーザ光Ｌ３は平面鏡２２，２０で反射された後、可動鏡２１に入射する。可動鏡２１で反射されたレーザ光Ｌ３は平面鏡１９，１8で反射され、筐体３１に設けられた板形状のレーザ光窓材１７に至る。可動鏡２１を図中の矢印Ａのように移動させることにより、可動鏡２１の移動量に応じてレーザ光Ｌ３の光路長を変化させることができる。
【００３１】
レーザ光入射窓１７を透過したレーザ光Ｌ３は、集光レンズ１６を経てテラヘルツ検出素子１５ａに入射する。ビームスプリッタ３からテラヘルツ検出素子１５ａまでの光路がレーザ光Ｌ３が通過するプローブ光側のレーザ光学系の光路である。
【００３２】
次に、テラヘルツ光用窓材１０，１２について詳しく説明する。なお、テラヘルツ光用窓材１０，１２の構成は同じであるので、以下テラヘルツ光用窓材１０だけを説明する。
【００３３】
図２は本発明の第１実施形態に係る光学部品の斜視図、図３はその縦断面を示す概念図である。
【００３４】
図３において、Ｄはテラヘルツ光の伝播方向を示し、ｄ１，ｄ２はそれぞれＶ溝５１Ａの開口位置及び底の位置を示す。
【００３５】
テラヘルツ光用窓材１０は、シリコン単結晶（単結晶半導体材料）からなる板形状のシリコン基板（光学部品本体）５０と、シリコン基板５０の入射面５２に形成された反射防止微細構造部５１とを備えている。なお、シリコン基板５０の出射面５４は鏡面加工した面であっても、何ら加工されない切り出したままの面(アズカット面)であってもよい。テラヘルツ光の波長は可視光の波長より長く、シリコン基板５０の面のテラヘルツ波長と比較して十分小さな凹凸はテラヘルツ光の透過率に影響を与えないからである。
【００３６】
反射防止微細構造部５１は連続する複数のＶ溝５１Ａで形成される。同じ幅と深さとを有する複数のＶ溝５１Ａによって形成される反射防止微細構造部５１の縦断面形状は同じ大きさと形とを有する複数の三角形が連続的に並ぶ形状である。三角形の底辺の幅Ｗ、高さＨは反射防止効果を得たい周波数、反射防止の程度、Ｖ溝に入射するテラヘルツ光の電界の方向により決定される。なお、上記三角形は二等辺三角形に限られるものではなく、例えば一辺が底辺に対して垂直な直角三角形であってもよい。
【００３７】
三角形の底辺の幅Ｗ及び高さＨを、それぞれＷ＝４５μｍ、Ｈ＝６０μｍにした場合、透過率は次の通りである。
【００３８】
空気層（図３でＡｉｒと記載されている層）側からシリコン基板５０にテラヘルツ光を垂直入射（入射角度：０°）させたとき、偏光条件に関わらず（Ｓ偏光でもＰ偏光でも）、１．０〜２．０ＴＨｚの範囲において５０％以上の透過率が得られる。
【００３９】
単に入射面、出射面が鏡面加工されている板状のシリコン基板の透過率４９％に比べ、反射率が低減され、透過率が増加する効果がある。
【００４０】
また、三角形の底辺の幅Ｗ及び高さＨを、それぞれＷ＝２０μｍ、Ｈ＝７５０μｍとした場合、透過率は次の通りである。
【００４１】
空気側からシリコン基板５０へテラヘルツ光を垂直入射させたとき：
Ｐ偏光（ＴＭ波）では、０．１〜３．０ＴＨｚの範囲において、入射面５２で９５％以上の透過率が得られ、出射面５４で７０％以上の透過率が得られる。したがって、透過率は０．９５×０．７×１００＝６６．５％以上となる。
【００４２】
Ｓ偏光（ＴＥ波）では、０．１〜３．０ＴＨｚの範囲において、入射面５２で８９％以上の透過率が得られ、出射面５４で７０％以上の透過率が得られる。したがって、透過率は０．８９×０．７×１００＝６２．３％以上となる。
【００４３】
入射面、出射面が鏡面加工されている板状のシリコン基板の透過率４９％に比べ、反射率が低減され、透過率が増加することが確認された。
【００４４】
次に、Ｖ溝５１Ａの加工方法を説明する。
【００４５】
Ｖ溝５１Ａは例えばダイシングソーブレード（図示せず）で加工される。ダイシングソーブレードの刃先はＶ溝を形作るプロファイルを持った形状である。ダイシングソーブレードの刃先は、例えば２つの傾斜した切削面を有する。また、ダイシングソーブレードは例えばダイヤモンドグリットソーブレードである。
【００４６】
図５は反射防止微細構造部５１の屈折率の変化を示すグラフである。図５において、縦軸は屈折率（ｎ）を示し、横軸はテラヘルツ光用窓材１０の位置（テラヘルツ光の伝播方向Ｄの位置）を示す。
【００４７】
反射防止微細構造部５１の屈折率は次のように変化する。図５に示すように、位置ｄ１では屈折率は１．０であり、位置ｄ１から位置ｄ２へ向かって屈折率は次第に増加し、位置ｄ２に達したとき、屈折率は３．４になる。空気と反射防止微細構造部５１との体積の割合（体積充填率）がテラヘルツ光の伝播方向へ徐々に増加するに伴って、Ｖ溝５１Ａの方向（Ｖ溝５１Ａが延びる方向）とテラヘルツ光の電界方向とが一致するＳ偏光（ＴＥ波）でも、Ｖ溝５１Ａの方向とテラヘルツ光の電界方向とが直交するＰ偏光（ＴＭ波）でも、屈折率が緩やかに増加する。
【００４８】
次に、図示しない反射防止膜に対する反射防止微細構造部５１の優位性を確認するため、反射防止膜、反射防止微細構造部５１の透過率の周波数依存性を計算した。なお、シリコン基板５０の表面に反射防止膜を施す方法は反射を低減させる既知の方法である。
【００４９】
図４は反射防止膜及び反射防止微細構造部５１の透過率の周波数依存性を示すグラフである。
【００５０】
図４において、横軸は周波数（ＴＨｚ）を示し、縦軸は透過率（％）を示す。また、実線は１．０ＴＨｚをターゲットに設計された反射防止膜（単層コート）の周波数依存性を示し、破線はＷ＝２０μｍ、Ｈ＝７５０μｍの反射防止微細構造部５１のＳ偏光（ＴＥ波）の周波数依存性を示し、一点鎖線はＷ＝２０μｍ、Ｈ＝７５０の反射防止微細構造部５１のＰ偏光（ＴＭ波）の周波数依存性を示す。
【００５１】
図４に示すように、反射防止膜では、ターゲットの１．０ＴＨｚ近傍では透過率が高くなっているが、それ以外では周波数の変化に応じて透過率が大きく変化し、安定しない。これに対し、反射防止微細構造部５１では、Ｓ偏光（ＴＥ波）でもＰ偏光（ＴＭ波）でも０．１〜３．０ＴＨｚの範囲において、高い透過率が保たれる。その結果、反射防止微細構造部５１の方が反射防止膜よりも透過率の周波数依存性に優れていることが確認された。なお、入射角依存性については、一般的に言って、反射防止微細構造部５１の方が反射防止膜よりも優れている。
【００５２】
この実施形態によれば、急激な屈折率の差により発生するテラヘルツ光のフレネル反射を低減させて透過率を増加させることができる。また、テラヘルツ光を効率よく利用できるので、検出波形のＳＮ比が向上し、測定再現性の向上、測定可能周波数帯域の増加、測定時間の短縮等を図ることができる。更に、実施形態の光学部品内部での多重反射を抑え、検出波形に悪影響を与えない効果もある。
【００５３】
図６は本発明の第２実施形態に係る光学部品の斜視図である。
【００５４】
この実施形態は入射面６２と出射面６４との両面に反射防止微細構造部６１Ａ，６１Ｂを形成した点で第１実施形態と相違する。
【００５５】
テラヘルツ光用窓材７０は、シリコン単結晶（単結晶半導体材料）からなる板状のシリコン基板（光学部品本体）６０と、シリコン基板６０の入射面６２と出射面６４との両面に形成された反射防止微細構造部６１Ａ，６１Ｂとを備える。反射防止微細構造部６１Ａ，６１Ｂはそれぞれ連続する複数のＶ溝６１Ａ−１，６１Ｂ−１で構成されている。なお、Ｖ溝６１Ａ−１とＶ溝６１Ｂ−１とをシリコン基板６０の対称な位置に形成しなくてもよい。
【００５６】
入射面６２と出射面６４との両面にダイシングソーを使用して同一方向へ延びる複数のＶ溝を機械加工する。
【００５７】
入射面６２と出射面６４との両面に複数のＶ溝を形成することにより得られた連続的に並ぶ三角形の底辺の幅Ｗ及び高さＨを、それぞれＷ＝４５μｍ、Ｈ＝６０μｍとした場合、透過率は次の通りである。
【００５８】
空気層側からシリコン基板６０へテラヘルツ光を垂直入射させたとき、偏光条件に関わらず（Ｓ偏光でもＰ偏光でも）、１．０〜２．０ＴＨｚの範囲において６０％以上の透過率が得られる。
【００５９】
入射面６２、出射面６４が鏡面加工されている板状のシリコン基板の透過率４９％に比べ、反射率が低減され、透過率が増加することが確認された。
【００６０】
また、三角形の底辺の幅Ｗ及び高さＨを、それぞれＷ＝２０μｍ、Ｈ＝７５０μｍとした場合、透過率は次の通りである。
【００６１】
空気層側からシリコン基板６０へテラヘルツ光を垂直入射させたとき：
Ｐ偏光（ＴＭ波）では、０．１〜３．０ＴＨｚの範囲において９０％以上の透過率が得られる。
【００６２】
Ｓ偏光（ＴＥ波）の場合、０．１〜３．０ＴＨｚの範囲において８０％以上の透過率が得られる。
【００６３】
入射面６２、出射面６４が鏡面加工されている板状のシリコン基板の透過率４９％に比べ、反射率が低減され、透過率がより一層増加することが確認された。
【００６４】
この実施形態によれば、シリコン基板６０の両面に反射防止微細構造部６１Ａ，６１Ｂを形成したので、第１実施形態より反射率を低減させて透過率を高めることができる。
【００６５】
なお、上記実施形態では偏光方向が決められている分光装置内で用いられるテラヘルツ光用窓材１０を対象としたので、反射防止微細構造部５１，６１Ａ，６１Ｂを複数のＶ溝で形成したが、反射防止微細構造部５１，６１Ａ，６１Ｂの縦断面形状が複数の三角形が連続的に並ぶ形状であれば、Ｖ溝５１Ａ，６１Ａ−１，６１Ｂ−１に代えて例えば四角錘、三角錐、円錐等で形成してもよい。反射防止微細構造部を四角錘、三角錐、円錐等で形成すれば、偏光依存性がなくなり、分光装置以外の装置にも適用することができる。ただし、四角錘等で反射防止微細構造部を形成するには、Ｖ溝５１Ａ，６１Ａ−１，６１Ｂ−１を形成するのに比べて多くの工程が必要になる。
【００６６】
また、上記実施形態では板形状のシリコン基板５０に反射防止微細構造部５１を形成したり、シリコン基板６０に反射防止微細構造部６１Ａ，６１Ｂを形成したりしたが、例えばシリコン単結晶からなる凸レンズ形状、凹レンズ形状、球形状の光学部品本体に反射防止微細構造部を形成してもよい。
【００６７】
更に、上記実施形態ではテラヘルツ光用窓材１０，７０の材料としてシリコン単結晶を用いたが、例えばシクロオレフィンポリマー等の樹脂を用いてもよい。
【００６８】
また、ダイシングソーブレードによる機械加工ではなく、例えばパルスレーザビームを利用してＶ溝等を加工するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図1は本発明の第１実施形態に係る光学部品を備えるテラヘルツ分光装置の構成を模式的に示す全体構成図である。
【図２】図２は本発明の第１実施形態に係る光学部品の斜視図である。
【図３】図３は本発明の第１実施形態に係る光学部品の縦断面を示す概念図である。
【図４】図４は透過率の周波数依存性を示すグラフである。
【図５】図５は反射防止微細構造部５１の屈折率の変化を示すグラフである。
【図６】図６は本発明の第２実施形態に係る光学部品の斜視図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０，１２，７０：テラヘルツ光用窓材（光学部品）、５０，６０：シリコン基板（光学部品本体）、５１，６１Ａ，６１Ｂ：反射防止微細構造部、５２，６２：入射面、５４，６４：出射面、１００：テラヘルツ分光装置、Ｈ：高さ、Ｗ：幅。
【図１】
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【図２】
2009217085.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009217085.tif 000007
【図６】
2009217085.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月2日(2008.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2009217085.tif 000009