JP2017072640A - 光学素子および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】波長特性や入射角度特性に優れる光学素子の提供。
【解決手段】多層膜が形成された光学面を有する光学素子であって、多層膜は、使用波長に対して第１の屈折率を有する第１の膜と、使用波長に対して第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する第２の膜とを備えるスタックを有し、スタックの最外層は、第１の膜で構成され、スタックの膜構成は積層方向に沿って対称性を有し、使用波長をλ_ｉ、多層膜に入射する光の入射角をθ_ｉ、第１の屈折率をｎ_Ｈ、第２の屈折率をｎ_Ｍ、第１の膜の物理膜厚をｄ_Ｈ、第２の膜の物理膜厚をｄ_Ｍとするとき、

なる条件を満たす。
【選択図】なし

Description

本発明は、光学素子および光学機器に関する。

従来、光学素子には、薄膜が多く利用されている。薄膜とは、光の波長以下程度の膜厚を持ち、光の干渉作用を利用して光学的な振る舞いを調整する膜である。例えば、光学レンズには、光の透過量を増やすために、光の波を打ち消す反射防止膜が形成されている。また、偏光分離素子には、偏光ごとに反射および透過を切り分けるために、光の波を増強する偏光分離膜が形成されている。特許文献１では、所望の特性を得られるように、屈折率と膜厚が適切に選択された高分子薄膜が積層された高分子光多層膜を開示している。

特開２００５−５５５４３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、高分子薄膜に一般的な材料が使用されているため、波長特性や入射角度特性に対して敏感である。

このような課題に鑑みて、本発明は、波長特性や入射角度特性に優れる光学素子を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光学素子は、多層膜が形成された光学面を有する光学素子であって、前記多層膜は、使用波長に対して第１の屈折率を有する第１の膜と、前記使用波長に対して前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する第２の膜と、を備えるスタックを有し、前記スタックの最外層は、前記第１の膜で構成され、前記スタックの膜構成は、積層方向に沿って対称性を有し、前記使用波長をλ_ｉ、前記多層膜に入射する光の入射角をθ_ｉ、前記第１の屈折率をｎ_Ｈ、前記第２の屈折率をｎ_Ｍ、前記第１の膜の物理膜厚をｄ_Ｈ、前記第２の膜の物理膜厚をｄ_Ｍとするとき、

なる条件を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、波長特性や入射角度特性に優れる光学素子を提供することができる。

本発明の実施形態に係る光学素子の断面図である。 ＳｉＯ_２膜の反射率特性図である。 ＳｉＯ_２膜の屈折率分散図である。 Ｔａ_２Ｏ_５膜の屈折率分散図である。 等価膜の等価屈折率を示す図である（実施例１）。 等価膜の等価物理膜厚を示す図である（実施例１）。 条件式（４）の算出結果を示す図である（実施例１）。 波長５５０ｎｍに対する等価屈折率を示す図である（実施例１）。 波長４００〜７００ｎｍの屈折率分散図である（実施例１）。 ダイクロイック膜の反射率特性図である（実施例１）。 等価膜の等価屈折率を示す図である（実施例２）。 等価膜の等価物理膜厚を示す図である（実施例２）。 条件式（４）の算出結果を示す図である（実施例２）。 反射防止膜の反射率特性図である（実施例２）。 本発明の光学素子を利用する光学機器の一例であるデジタルカメラの斜視図である（実施例３）。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る光学素子１００の断面図である。光学素子１００は、基板１０１上に、多層膜が形成された光学面を有する。多層膜は、膜１０２〜１０５を備える。膜１０２〜１０４は、光の干渉を利用することが可能である。光の干渉を利用する薄膜は一般的に使用波長より十分小さい光学膜厚を有し、膜１０２〜１０５の光学膜厚もその範囲を逸脱しない。本実施形態では入射光Ｌ１の波長域は可視域として説明するが、使用波長域として近赤外域等の他の波長域を使用してもよい。

膜１０２〜１０４は、基板１０１側から順に積層され、薄膜スタック１０６を構成する。膜１０２，１０４は使用波長に対して第１の屈折率を有し、膜１０３は使用波長に対して第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する。すなわち、薄膜スタック１０６の最外層は、屈折率の高い膜１０２，１０４で構成される。また、薄膜スタック１０６の膜構成は、積層方向に沿って対称性を有する。そのため、膜１０２，１０４の物理膜厚は等しい。

なお、薄膜スタック１０６は少なくとも第１の屈折率を有するＨ膜（第１の膜）、および第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有するＭ膜（第２の膜）を備え、最外層がＨ膜で構成され、膜構成が積層方向に沿って対称性を有していれば、他の構成であってもよい。例えば、膜１０２〜１０４を繰り返し積層して構成してもよいし、膜１０２〜１０４以外の膜を備えるように構成してもよい。

光学レンズなどに利用される干渉薄膜の材料は、ほぼ全て正の分散を持っている。正の分散とは、光の波長が短くなるにつれて屈折率が上昇することである。逆に、負の分散とは、光の波長が短くなるにつれて屈折率が減少することである。透明な材料は、一般的に光の波長が短くなる、つまり周波数が高くなると分極の影響により屈折率が高くなる。また、分散の量は、一般的に屈折率の絶対値に比例して大きくなる。透明な材料は、例外的に光を吸収する波長域近傍では負の分散を持つが、同時に光を吸収してしまうため、干渉薄膜としては使用しにくい。また、負の分散を持つ金属の材料も知られているが、同様の理由で干渉薄膜としては使用しにくい。

そこで、本実施形態では、干渉薄膜の理論に基づいて負の分散を持つ多層膜を仮想的に実現する。膜１０２〜１０４の特性は、上下の界面で反射した光同士の干渉により決まる。光の干渉には、波の振幅と波の位相が重要となる。波の振幅は、一般的にフレネル係数ｒと呼ばれる値で求められる。Ｓ偏光のフレネル係数ｒ_ｓは、入射側の使用波長に対する膜の屈折率をｎ_０、射出側の使用波長に対する膜の屈折率をｎ_１、入射側の膜内の光の伝播する角度をθ_０、射出側の膜内の光の伝搬する角度をθ_１とすると、以下の式（１）で表される。また、Ｐ偏光のフレネル係数ｒ_ｐは、以下の式（２）で表される。すなわち、フレネル係数は、Ｓ偏光では電界の振幅比、Ｐ偏光では磁界の振幅比として算出される。

一方、波の位相は、位相膜厚Δと呼ばれる値で求められ、使用波長をλ_ｉ、使用波長に対する膜の屈折率をｎ、膜の物理膜厚をｄ、膜内の光の伝播する角度をθとすると、以下の式（３）で表される。

なお、式（１）〜（３）の膜内の光の伝搬する角度θ_０、θ_１、θは、入射光Ｌ１の入射角θｉからスネルの法則で算出される。

式（１），（２）に表されるように、界面を構成する材料の屈折率差が大きくなると、フレネル係数が大きくなる。一般的な正の分散を持つ材料では、高屈折率を有する材料の分散は、低屈折率を有する材料の分散に比べて大きい。そのため、波長が短くなると、屈折率差が大きくなる、すなわち波の振幅が大きくなる。また、位相膜厚の式（３）に表されるように、位相膜厚Δは、屈折率／波長の係数で変化する。一般的な正の分散を持つ材料では、位相膜厚Δは、波長が短くなると大きくなる。

上述したように、正の分散を持つ材料では、波長が短くなると、フレネル係数ｒと位相膜厚Δはともに大きくなる。すなわち、波長が変化することで、干渉の程度が大きく変化する。基板に屈折率１．８０のガラスを用い、本実施例で使用するＳｉＯ_２膜を形成したときの反射率特性を図３、屈折率分散を図４に示す。ＳｉＯ_２膜の位相膜厚は、波長λが５５０ｎｍで入射角度θ_ｉが０度のときにλ／４となるように設定している。図２、図３において、実線はＳｉＯ_２膜が正の分散を持つ場合、点線はＳｉＯ_２膜が正の分散を持たない場合、一点鎖線はＳｉＯ_２膜が負の分散を持つ場合を示している。ＳｉＯ_２膜が正の分散を持たない場合と負の分散を持つ場合の値は、計算機上で計算された値である。図３に示されるように、いずれの場合も短波長側で反射率が大きく変化しているが、分散を持たない場合や負の分散を持つ場合は正の分散を持つ場合に比べて変化は抑えられている。このように、干渉膜の特性は波長によって大きく変動するが、一般的な材料の正の分散を持つ膜では干渉の変化はより大きくなる。また、図４は、本実施形態で使用するＴａ_２Ｏ_５膜の屈折率分散図である。Ｔａ_２Ｏ_５膜は、可視域で透明であり、正の分散を持つ。

干渉薄膜の材料は、通常正の分散を持ち、負の分散を持つことは原理的に難しい。そこで、本実施例では、多層膜が一層で構成される薄膜と等価な振舞いを示す等価膜理論を用いて、多層膜を構成する各薄膜の適切な屈折率、膜厚関係を設定することで、負の分散を持つ多層膜を実現する。

本実施例の薄膜スタック１０６では、基板１０１側から順に膜１０２〜１０４が上述した条件で積層されている。以下では、膜１０２，１０４をＨ膜、膜１０３をＭ膜として説明する。本実施例では、以下の条件式（４）〜（６）を満たす必要がある。

ここで、θ_ｉは多層膜に入射する光の入射角度、λ_ｉは使用波長である。また、ｎ_ＨはＨ膜１０２，１０４の使用波長λ_ｉに対する屈折率、ｄ_ＨはＨ膜１０２，１０４の物理膜厚、ｎ_ＭはＭ膜１０３の使用波長λ_ｉに対する屈折率、ｄ_ＭはＭ膜１０３の物理膜厚である。なお、入射角度θ_ｉとは、図１に示されるように、膜１０２〜１０５から構成される多層膜に対し入射媒質から入射する角度である。

薄膜スタック１０６を図１（ｂ）に示されるように１つの等価膜２００として変換すると、等価膜２００の等価屈折率ｎ_Ｔと物理膜厚ｄ_Ｔは以下の数式（７）〜（１１）で算出される。

上記数式からそれぞれのＵ_Ｈ、Ｍ、Δ_Ｈ、ＭからＵ_Ｔ、Δ_Ｔを求めることで、等価屈折率ｎ_Ｔおよび物理膜厚ｄ_Ｔを算出する。Ｕに関しては偏光ごとに異なるため、入射する偏光にあわせて数式を選ぶ必要がある。Δ_Ｔを求める際は、数式（８），（９）を用いればよい。数式（８），（９）の左辺はそれぞれ三角関数なので一方の数式を用いても位相膜厚Δ_Ｔは０〜３６０度の範囲で一意的に決まらないが、両数式を用いることで位相膜厚Δ_Ｔを０〜３６０度の範囲で導出することができる。

数式（７）の左辺は二乗であるため、薄膜スタック１０６が１つの等価膜２００として機能するためには、光学素子１００の使用波長域の全域において、条件式（４）を満たすことが必要である。条件式（４）を満たさない場合、薄膜スタック１０６は、等価膜２００のように一意な特性を持つ膜として機能せず、波長ごとに異なる性質を持つＨ膜１０２，１０４、Ｍ膜１０３が個別に機能してしまう。各薄膜が個別に機能してしまうと、薄膜スタック１０６は１つの等価膜２００として負の分散を持つことはできない。例えば、可視域のような広い波長域で条件式（４）を満たす薄膜スタック１０６の場合、各薄膜は十分に薄い物理膜厚を選択する必要がある。また、Ｈ膜やＭ膜を成膜する際に意図しない膜を含んでしまう場合があるが、このような膜は通常、光学膜厚が１０ｎｍより小さく薄膜として機能しないため、Ｈ膜やＭ膜に何ら影響を与えることはない。

また、薄膜スタック１０６の最外層のうち光学面側のＨ膜１０４の物理膜厚をｄ_ＨＯ、Ｈ膜１０４に隣接するＭ膜１０３の物理膜厚をｄ_ＭＯとすると、以下の条件式（１２）を満たすことが好ましい。

本実施例では、Ｈ膜１０２，１０４としてＴａ_２Ｏ_５膜、Ｍ膜１０３としてＳｉＯ_２膜を使用する。図８は、波長５５０ｎｍに対する等価屈折率を示す図である。図９は、波長４００〜７００ｎｍに対する屈折率分散図である。図８の矢印は、Ｍ膜１０３の物理膜厚ｄ_Ｍを大きくすると等価屈折率ｎ_Ｔは低ｎ化するという傾向を表している。また、図９では、正の分散を持つ、または式（１）を満たさない領域が黒く塗りつぶされている。Ｈ膜１０２，１０４に使用されているＴａ_２Ｏ_５が強い正分散を持つため所定の領域では負の分散にならないが、条件式（１２）を満たすことでおよそ負の分散を示すようになる。

また、以下の条件式（１３）を使用波長域の中心波長で満たすことが好ましい。

条件式（１３）の中辺は、数式（９）の右辺である。つまり、条件式（１３）は、薄膜スタック１０６の位相膜厚Δ_Ｔの余弦が０に近い値であることを表している。これは、位相膜厚Δ_Ｔが９０度＋１８０度×任意の整数という関係であり、薄膜スタック１０６の光学膜厚ｎ_Ｔ×ｄ_Ｔで表した場合λ／４の奇数倍であることを表している。薄膜スタック１０６の光学膜厚がλ／４のとき、干渉薄膜としては最大の振幅、最大の位相変化を表す。このような薄膜スタック１０６は、例えば、誘電体ミラー、ダイクロイック膜、または反射防止膜などに有効に利用することができる。

本実施例では、Ｈ膜１０２，１０４として物理膜厚が８．２ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜、Ｍ膜１０３として物理膜厚が６７．０ｎｍのＳｉＯ_２膜を使用する。図５は、等価膜２００の等価屈折率を示す図である。図６は、等価膜２００の等価物理膜厚を示す図である。また、図７は、入射角度θｉを０度、使用波長域を可視域とした場合の条件式（４）の算出結果を示す図である。設計中心波長は、波長５５０ｎｍとしている。

図７に示されるように、可視域全域で正となり、条件式（４）を満たす。また、条件式（１３）の中辺は波長５５０ｎｍで０となり、条件式（１３）を満たす。そのため、図５に示されるように、短波長側では屈折率が低くなる。また、一般的な薄膜とは異なり、波の干渉の位相により等価膜２０２の物理膜厚は波長に対して変化するため、設計する際に考慮する必要がある。

図１０は、本実施例の多層膜を利用するダイクロイック膜の反射率特性図である。実線は本実施例のダイクロイック膜の値を示し、破線は比較例１であり、正の分散を持つＹＦ_３を利用する多層膜の値を示している。また、本実施例の膜構成を表１に、比較例１の膜構成を表２に示す。

図１０に示されるように、本実施例の反射帯域である波長４５０ｎｍ以下の領域は、比較例１に比べて広い。また、透過帯域である波長４５０ｎｍ以上の反射率は、ほぼ変化しない。このように、負の分散を利用することで、帯域を簡単に制御することができる。一般的に正の分散を利用すると、帯域を狭くすることは容易だが、広くすることは困難であり、複雑な膜構成を必要とする。本発明の負の分散を持つ多層膜を仮想的に実現する手法は、その対策の１つとなりえる。

表１に示されるように、本実施例の薄膜スタック（膜ｊ１２〜ｊ１４）のＨ膜（膜ｊ１２，Ｊ１４）としてＴａ_２Ｏ_５膜を使用している。また、膜のｊ１１にもＴａ_２Ｏ_５を使用している。薄膜の製造上では、膜ｊ１１，ｊ１２をわざわざ分ける必要はなく、膜ｊ１１，ｊ１２をまとめて物理膜厚１３２．７ｎｍの膜を成膜してもよい。このように、負の分散を持つ薄膜スタックと同じ材料を薄膜材料として利用する場合、物理膜厚は合成してもよい。

また、本実施例では、薄膜スタック（膜ｊ１２〜ｊ１４）と膜ｊ１１を１０回繰り返している。言い換えると、薄膜スタックを２回繰り返したスタック群を５回繰り返している。実施例２で説明するように、薄膜スタックを２回繰り返すことで、光学膜厚がλ／２の等価膜を得ることができる。本実施例のように反射を利用する多層膜の場合、スタック群を少なくとも５つ有する多層膜を形成することで反射の効率を上げることができる。製造上、繰り返し回数は２００回程度を限度にしておくほうが好ましい。

また、多層膜ｊ１１〜ｊ１４を利用する場合、各膜の光学膜厚や屈折率は完全に一致せずともよく、薄膜干渉としての本質が逸れない程度の揺らぎを持っていてもよい。屈折率ならば設計中心波長で±０．０２ｎｍ程度、光学膜厚ならば設計中心波長の１／２０以下の揺らぎを持っていても、それは同一な干渉特性を持っているとしてもよい。

本実施例では、光学素子１００が波長５５０ｎｍで光学膜厚ｎ_Ｔ×ｄ_Ｔがλ／２となる多層膜を備えるために、多層膜は複数の薄膜スタック１０６を備えるように構成される。光学膜厚ｎ_Ｔ×ｄ_Ｔがλ／２のとき、位相膜厚Δ_Ｔは１８０度である。このとき、式（８）では、左辺が０となるためＵ_Ｔが０となり、屈折率を求めることができない。すなわち、１つの薄膜スタック１０６だけでは光学膜厚ｎ_Ｔ×ｄ_Ｔがλ／２となる多層膜を得ることはできない。そこで、光学膜厚ｎ_Ｔ×ｄ_Ｔがλ／４以下となる等価膜２００を形成し、形成された等価膜２００を複数用いて多層膜を構成する。そうすることで、屈折率の分散を変えずに物理膜厚を増やすことが可能となる。結果として、光学膜厚ｎ_Ｔ×ｄ_Ｔがλ／２となる多層膜を得ることができる。なお、等価膜２００の積層回数は、２〜３回が好ましい。より好ましくは、本実施例のように、等価膜２００を２回繰り返すことがよい。

本実施例では、薄膜スタック１０６のＨ膜１０２，１０４として物理膜厚が２５．０ｎｍのＴａ_２Ｏ_５膜、Ｍ膜１０３として物理膜厚が１７．０ｎｍのＳｉＯ_２膜を使用する。また、薄膜スタック１０６を２回繰り返している。図１１は、等価膜２００の等価屈折率を示す図である。図１２は、等価膜２００の等価物理膜厚を示す図である。また、図１３は、入射角度θ_ｉを０度、使用波長域を可視域とした場合の条件式（４）の算出結果を示す図である。設計中心波長は、波長５５０ｎｍとしている。

図１３に示されるように、可視域全域で正となり、条件式（４）を満たす。また、条件式（１３）の中辺は波長５５０ｎｍで０となり、条件式（１３）を満たす。そのため、図１１に示されるように、短波長側では屈折率が低くなる。

図１４は、本実施例の多層膜を利用する反射防止膜の反射率特性図である。実線は本実施例の反射防止膜の値を示し、破線は比較例２の多層膜の値を示している。また、本実施例の多層膜の使用波長域は可視域であるが、図中には波長３００〜１０００ｎｍに対する反射率特性を示している。また、本実施例の膜構成を表３に、比較例２の膜構成を表４に示す。

表３に示されるように、本実施例の多層膜は、２つの薄膜スタック（膜ｊ２１〜ｊ２３および膜ｊ２４〜ｊ２６）が繰り返し積層されている。２つの薄膜スタック（膜ｊ２１〜ｊ２３および膜ｊ２４〜ｊ２６）は、１つの等価膜として機能する。等価膜の等価屈折率ｎ_Ｔと物理膜厚ｄ_Ｔはそれぞれ、１．９６６、１２７．２ｎｍである。

図１４に示されるように、広い波長域波長に対する反射率は、本実施例の反射率は、波長域の広帯域で比較例２の反射率に比べて低い。そこで、本実施例の等価膜を位相調整のために使用することで、正の分散の膜を利用するより非常に効率が良くなる。また、本実施例の等価膜は、短波長側の反射率が特に落ち込んでいる。一般的に、設計中心波長に対してλ／２、λ／４、またはそれ以上に薄い膜を利用して反射防止膜を形成する場合、短波長側の反射率が落ちることは少ない。これは、ピークとなる波長に対して短波長側の反射率が加算されてしまうためである。短波長側の反射率を下げることは難しく、広帯域な反射防止膜を得るためには長波長側の特性を落とす必要があった。本実施例の負の分散を持つ多層膜の膜を利用することで、図１４に示されるように、短波長側の反射率特性を改善し、広帯域な反射防止膜を得ることができる。

図１５は、本発明の光学素子１００を利用する光学機器の一例であるデジタルカメラの斜視図である。デジタルカメラは、カメラ本体１６００、撮像光学系１６０１を備える。撮像光学系１６０１は、カメラ本体１６００に着脱可能に取り付ける構成としてもよい。カメラ本体１６００は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等である固体撮像素子（光電変換素子）１６０２、メモリ１６０３、表示装置１６０４を備える。固体撮像素子１６０２は、カメラ本体１６００に内蔵され、撮像光学系１６０１によって形成された被写体像を受光する。メモリ１６０３は、固体撮像素子１６０２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録する。

また、本発明の光学素子１００は、例えば、撮像光学系１６０１に利用される光学レンズの表面に付与される反射防止膜に利用される。それにより、より広帯域に透過率が向上した撮像光学系１６０１が提供される。また、本発明の光学素子は、顕微鏡やプロジェクタ等の光を透過させる光学系を備える光学機器に利用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１００ 光学素子
１０２，１０４ Ｈ膜（第１の膜）
１０３ Ｍ膜（第２の膜）
１０６ 薄膜スタック（スタック）

Claims (8)

1. 多層膜が形成された光学面を有する光学素子であって、
   前記多層膜は、使用波長に対して第１の屈折率を有する第１の膜と、前記使用波長に対して前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する第２の膜と、を備えるスタックを有し、
   前記スタックの最外層は、前記第１の膜で構成され、
   前記スタックの膜構成は、積層方向に沿って対称性を有し、
   前記使用波長をλ_ｉ、前記多層膜に入射する光の入射角をθ_ｉ、前記第１の屈折率をｎ_Ｈ、前記第２の屈折率をｎ_Ｍ、前記第１の膜の物理膜厚をｄ_Ｈ、前記第２の膜の物理膜厚をｄ_Ｍとするとき、
   
   なる条件を満たすことを特徴とする光学素子。
2. 前記スタックの最外層のうち前記光学面側の第１の膜の物理膜厚をｄ_ＨＯ、前記光学面側の第１の膜に隣接する第２の膜の物理膜厚をｄ_ＭＯとするとき、
   
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 使用波長域の中心波長において、
   
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
4. 前記多層膜は、複数の前記スタックを備えることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
5. 前記多層膜は、２または３つの前記スタックを備えることを特徴とする請求項３または４に記載の光学素子。
6. 前記多層膜は、複数の前記スタックを備えるスタック群を少なくとも５つ有することを特徴とする請求項４または５に記載の光学素子。
7. 前記使用波長域は、可視域および近赤外域のうち少なくともいずれか一方を有することを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の光学素子。
8. 複数の光学素子を有し、
   該複数の光学素子のうち少なくとも１つは請求項１から７のいずれか１項に記載の光学素子であることを特徴とする光学機器。