JP2022038039A - 光学素子用微細突起 - Google Patents

Abstract

【課題】本件発明は、広帯域に反射防止特性を有する光学素子用微細突起、及び光学素子用微細突起を備えた反射防止構造付光学素子を提供することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するため、光学素子基材の表面に設け反射防止効果を得るための光学素子用微細突起であって、前記光学素子用微細突起は、先端平面部が形成された第１構造体部と、前記第１構造体部の前記先端平面部の外縁に沿って形成された環状突起である第２構造体部とからなる光学素子用微細突起を採用した。【選択図】図１

Description

本件発明は、反射防止特性を有する光学素子用微細突起、光学素子用微細突起を備えた反射防止構造付光学素子及び光学系、及び反射防止構造付光学素子の製造方法に関する。

ガラス、プラスチックなどの光透過性材料を用いた光学素子は、入射光の表面反射による透過光の損失を低減させるため、光入射面および光出射面に反射防止膜を設けるなどの表面処理が施されている。この反射防止膜は、光学素子を構成する基材より低屈折率の物質からなる単層膜、又は、低屈折率の物質と高屈折率の物質とが交互に積層した多層膜であり、蒸着法、スパッタリング法、塗装法などにより形成されている。

このような反射防止膜の反射防止効果を向上させるためには、精密な膜厚の制御が必要である。そのため、反射防止膜の製造においては、精密な膜厚の制御が可能な高精度プロセスを用いる場合があり、製造コストが上昇する要因となっている。

また、反射防止膜の反射防止効果は、各膜の表面及び界面で発生する反射光の干渉を利用するものであることから、反射防止膜の反射防止性能には波長依存性がある。このため、デジタルカメラやプロジェクター装置など広い波長帯域を用いる光学機器に対し、良好な反射防止効果を提供することは困難である。さらに、反射防止膜は光の入射角度依存性を有するため、レンズ等の曲率を持つ光学素子に対しては、光入射面及び光出射面の全体で良好な反射防止効果を得ることが困難である。

そこで、以上に述べた反射防止膜に代わる反射防止手段として、入射光の波長以下の大きさを持つ微細凹凸構造を光学素子表面に設ける方法が検討されてきた。この微細凹凸構造の突起形状として、基材側から空気層に近づくにつれて徐々に断面積が小さくなるような円錐や四角錐等の錐形状を採用すると、空気層と光学素子表面との界面における急激な屈折率の変化を抑制できる。その結果、波長帯域特性や入射角度特性に優れた反射防止性能が期待できるためである。

ここで、この微細突起は、入射光の波長以下の大きさであることから非常に微細である。さらに、空気層と光学素子表面との界面で屈折率を滑らかに変化させるために、この微細突起は、先端ほど細く尖った構造である。このことから、物理的な接触によって破損しやすく、耐擦傷性が悪かった。

そこで、特許文献１には、可視光以下の間隔で配置された微細突起において、構造を円錐台および角錐台とし、微細突起の上端を平面化した微細突起が開示されている。

特開２００９－７５５３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の微細突起構造は、その構造体の先端に平面部を備えているため、空気層と微細突起の平面部との界面において屈折率が急に変化する。そのため、屈折率の連続的で滑らかな変化が不十分であり、反射防止性能が十分ではない。また、先端の平面部と、微細突起間の平面部との２層の反射光からなる干渉によっても反射防止効果を得ているが、反射防止効果があるのは、特定の波長に限られるため、広帯域に反射防止効果を得ることができない。

本件発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広帯域に反射防止特性を有する光学素子用微細突起、及び光学素子用微細突起を備えた反射防止構造付光学素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、鋭意研究の結果、以下の発明に想到した。
本件発明に係る光学素子用微細突起は、光学素子基材の表面に設け反射防止効果を得るための光学素子用微細突起であって、前記光学素子用微細突起は、先端平面部が形成された第１構造体部と、前記第１構造体部の前記先端平面部の外縁に沿って形成された環状突起である第２構造体部とからなることを特徴としている。

本件発明に係る光学素子用微細突起は、先端平面部が形成された第１構造体部と、第1構造体部の先端平面部の外縁に沿って形成された環状突起である第２構造体部とからなることによって、光学素子用微細突起が存在する界面において、屈折率を滑らかに変化する。そして、本件発明に係る反射防止構造付光学素子は、当該光学素子用微細突起を光学面に複数備えることにより、広帯域に反射率を低減させることが可能である。

光学素子上に形成された本実施の形態における複数の光学素子用微細突起の一部を抽出した縦断面の略図である。 第２構造体が環状突起であることを示す略立体図である。 光学素子用微細突起の構造を説明するための略断面図である。 本件発明に係る光学素子の一例を示す略断面図である。 本実施の形態の反射防止構造付光学素子を示す略断面図である。 実施例及び比較例における反射率特性の評価結果である。

以下、本件発明に係る光学素子用微細突起、反射防止構造付光学素子及び反射防止構造付光学素子の製造方法の実施の形態を説明する。

１．光学素子用微細突起の構造における実施の形態
本件発明に係る光学素子用微細突起は、光学素子基材の表面に設け反射防止効果を得るための光学素子用微細突起であって、前記光学素子用微細突起は、先端平面部が形成された第１構造体部と、第１構造体部の先端平面部の外縁に沿って形成された環状突起である第２構造体部とからなることを特徴としている。図１に、光学素子上に形成された本実施の形態における複数の光学素子用微細突起から抽出した一部の光学素子用微細突起であって、当該光学素子用微細突起の縦断面の略図を示す。

なお、本明細書においては、第１構造体部の、基材と接触する面とは反対側の面を、第１構造体部の「先端平面部」というものとする。そして、第１構造体部の基材と接触する境界面を、第１構造体部の「底面部」というものとする。また、「縦断面」を次のように定義する。光学素子の光学中心を通り光軸に平行な直線を含む平面であって、かつ、当該平面が第１構造体部の先端平面部の中心点を含むとき、当該平面によって切り取られる光学素子用微細突起又は第1構造体部の断面を「縦断面」というものとし、光学素子用微細突起の「縦断面」、第１構造体部の「縦断面」というように用いるものとする。

光学素子を形成する基材１１は光学材料を用いて形成されたものであれば、ガラス製であってもよいし、プラスチック製であってもよく、その材質に特に限定はない。そして、基材１１の表面には、先端平面部が形成された突起状の第１構造体部２１と、第１構造体部２１の先端平面部の外縁に沿って形成された環状突起である第２構造体部２２とからなる複数の光学素子用微細突起２０が設けられている。

第１構造体部２１は、第１構造体部２１の光軸方向に対して垂直な断面における断面積が、基材側から空気層に近づくにつれて徐々に小さくなるように変化する形状である。そして、先端面に平面部、すなわち先端平面部が形成された円錐台状又は角錐台状であることが好ましい。第１構造体部２１の先端が尖っていると、先端平面部の面積が極端に狭くなるので、第２構造体部の形成が困難になる。また、円錐台状又は角錐台状である第１構造体部２１の錐台の斜面の変化の程度は、線形であっても良いし、２次関数などで表される曲線状であっても良い。

さらに、第１構造体部２１の先端平面部の外縁に沿って環状突起である第２構造体部２２が形成されている。図２に、第１構造体部２１が円錐台状である場合の、第２構造体部２２が環状突起であることを示す略立体図を示す。第２構造体部２２は、図２に示すように、第１構造体部２１の平面部の外縁に沿って形成された環状の突起である。

第２構造体部２２は、第１構造体部２１の先端平面部の外縁に沿って形成される環状突起であることから、第２構造体部２２の第１構造体部との接触面は環状となる。そして、第２構造体部２２の第１構造体部との接触面の外周の形状と大きさは、第１構造体部の先端平面部の外周と同じ形状と大きさになる。また、第２構造体部２２の第１構造体部との接触面の内周形状は、当該外周形状の略相似形である。第２構造体部の当該外周と当該内周とによって形成される環状突起の光軸方向に対して垂直な面における断面において、当該断面の断面積は、第１構造体部と接触する面側から空気層に近づくにつれて徐々に小さくなるように変化する。

第１構造体部２１の先端平面部に第２構造体部２２が無く、すべて平面である場合、主に第１構造体部２１の先端平面部と、複数の光学素子用微細突起の間における平面部との、２層の反射光による干渉によってのみ反射防止効果を得るため、広帯域に反射防止効果を得ることができない。第１構造体部２１の先端平面部に第２構造体部２２を設けることによって、光学素子用微細突起２０の先端部分においても、屈折率が連続的になめらかに変化する。これによって、第１構造体部２１の先端平面部に第２構造体部が無く、すべて平面である場合に比べ、広帯域に反射防止の効果を得ることができる。また、光学素子用微細突起２０における第１構造体部２１の先端平面部に第２構造体部２２を設けているため、光学素子用微細突起２０の先端が針状の構造と比べて破損しにくく、耐擦傷性が高い。

また、第１構造体部２１及び第２構造体部２２からなる光学素子用微細突起２０は、本実施形態では後述するように金型により基材１１の光学有効面（有効光束を通過させる光学面）の成形と同時に当該光学有効面に成形されることから、基材１１と同一の光学材料からなることが好ましい。

１－１．第１構造体部
図３を用いて第１構造体部及び第２構造体部の構造を説明する。図３の破線Ｏｐは光軸方向を表しており、当該光学素子の曲率の中心軸に平行な直線である。ここで、図３（ａ）は基材１１の表面と光軸方向Ｏｐとが垂直の関係にある場合の第１構造体部２１及び第２構造体部２２からなる光学素子用微細突起２０の縦断面を示している。そして、図３（ｂ）は基材１１の表面と光軸方向Ｏｐとが垂直以外の関係にある場合の第１構造体部２１及び第２構造体部２２からなる光学素子用微細突起２０の縦断面を示している。このとき、上述の第１構造体部２１は、以下の条件式（１）、（２）のうち、少なくとも１つの条件式を満たすことが好ましい。

まず、条件式（１）について説明する。以下に示す条件式（１）は第１構造体部２１の構造を特定するための、第１構造体部２１の先端平面部の幅と投影面の幅との比を規定する式である。なお、本明細書においては、第１構造体部を光軸方向に投影した面を「投影面」というものとする。
０．２０≦Ｗ１／Ｗ２≦０．７５ ・・・（１）
但し、Ｗ１：第１構造体部２１の先端平面部の幅。
Ｗ２：第１構造体部２１の投影面の幅。

Ｗ１／Ｗ２が０．２０未満である場合、後述の第２構造体部の形成が困難になるため好ましくない。また、Ｗ１／Ｗ２が０．７５を越える場合、反射防止効果が低くなるため好ましくない。

なお、条件式（１）の下限値は、０．３８であることが好ましく、０．４１であることがより好ましい。また、条件式（１）の上限値は、０．５２であることが好ましく、０．４７であることがより好ましい。

次に、条件式（２）について説明する。以下に示す条件式（２）は第１構造体部２１の構造を特定するための、第１構造体部２１における構造体の高さと底面部の幅との比を規定する式である。
０．４≦Ｈ／Ｗ２＜２．０ ・・・（２）
但し、Ｈ：第１構造体部２１の先端平面部の中心から底面部までの光軸に平行な直線の長さ。

Ｈ／Ｗ２が０．４未満である場合、反射防止効果が十分でなくなるため好ましくない。また、Ｈ／Ｗ２が２．０以上である場合、構造体が破損しやすくなるため好ましくない。

なお、条件式（２）の下限値は、０．５６であることが好ましく０．６５であることがより好ましい。また、条件式（２）の上限値は、０．９５であることが好ましく、０．７５であることが更に好ましい。

更に、第１構造体部２１は、条件式（１）、（２）の全てを満たすことによって、より反射防止効果が高くなる。

１－２．第２構造体部
図３における第２構造体部２２は、以下の条件式（３）、（４）のうち、少なくとも１つの条件式を満たすことが好ましい。

条件式（３）について説明する。以下に示す条件式（３）は第２構造体部２２の構造を特定するための、第２構造体部２２の第１構造体部との接触面の内周形状の幅と、第１構造体部２１における先端平面部の幅との比を規定する式である。
０＜Ｘ１／Ｗ１≦０．９５ ・・・（３）
但し、Ｘ１：第２構造体部２２の、第１構造体部との接触面における内周の幅。

第２構造体２２は環状突起であることから、Ｘ１／Ｗ１は０を超える数値となる。またＸ１／Ｗ１が０．９５を越える場合、第２構造体部２２の第１構造体部との接触面において、外周の大きさと内周の大きさとの差が少なくなることから、厚みの少ない環状突起となり、破損しやすくなるため好ましくない。

なお、空気層と光学素子用微細突起との界面における屈折率の変化を滑らかにできることから、Ｘ１／Ｗ１はより小さいのが望ましい。

次に、条件式（４）について説明する。以下に示す条件式（４）は第２構造体部２２の構造を特定するための、第２構造体部２２の第１構造体部との接触面と第２構造体部２２の先端部とを結ぶ光軸に平行な直線の長さと、第１構造体部２１における先端平面部の幅との比を規定する式である。
０．３≦Ｚ／Ｗ１≦１．０ ・・・（４）
但し、Ｚ：第２構造体部２２の第１構造体部との接触面と、第２構造体部２２の先端部とを結ぶ光軸に平行な直線の長さ。

Ｚ／Ｗ１が０．３未満である場合、反射防止効果が不十分なため好ましくない。またＺ／Ｗ１が１．０を越える場合、製造が困難になるうえ、破損しやすくなるため好ましくない。

なお、条件式（４）の下限値は、０．３５であることが好ましく、０．４０であることがより好ましく、０．４５であることがさらに好ましい。また、条件式（４）の上限値は、０．７であることが好ましく、０．６であることがより好ましい。

更に、第１構造体部２１は、条件式（３）、（４）の全てを満たすことによって、より反射防止効果が高くなる。

２．反射防止構造付光学素子の構造における実施の形態
本件発明において、光学素子は特に限定されたものではなく、レンズ、フィルタ、ミラー等、種々のものを用いることができる。本実施形態に用いる光学素子の一例として、図４にメニスカスレンズである光学素子１０を示す。光学素子１０の基材１１の光学面の形状は平面でも非平面でも構わない。非平面であれば、形状は、球面、非球面、自由曲面などどんな形状でも良い。そして、基材１１は、結像に寄与する有効光束を通過させる光学面１２および光学面１３を備えている。一方、基材１１の外周部はコバ部１４となっている。また、破線Ｏは光学素子１０の曲率の中心軸を示している。

本件発明に係る反射防止構造付光学素子は、上述の光学素子用微細突起２０を基材の表面の少なくともいずれかの光学面に複数備えることが好ましい。図５に、本実施の形態の反射防止構造付光学素子３０の略断面図を示す。光学面１２及び光学面１３の表面に、本件発明に係る光学素子用微細突起２０を設けている。光学素子用微細突起２０の屈折率が微細突起の先端から基材側にかけて連続的に変化すれば反射率は低減することから、光学素子用微細突起２０の配置は、一定の間隔に従って配置しても良いし、六方配置でも良いし、間隔が不規則に配置しても良い。

本件発明に係る反射防止構造付光学素子３０の基材１１の表面に光学素子用微細突起２０を複数配置する場合、隣り合う光学素子用微細突起２０同士の間隔はλ／５以上λ／２以下であることが好ましい。但し、λは入射光の波長（ｎｍ）である。隣り合う光学素子用微細突起２０同士の間隔がλ／５未満であった場合、微細突起構造を形成するのが困難となるため好ましくない。隣り合う微細突起同士の間隔がλ／２を越える場合、不要な回折光が発生し、好ましくない。

また、本件発明に係る反射防止構造付光学素子３０は、基材１１と光学素子用微細突起２０、すなわち第１構造体部２１と第２構造体部２２とを形成する材料が同一であることが好ましい。基材１１と光学素子用微細突起２０とを形成する材料が同一であることによって、複数の光学素子用微細突起２０を設けた反射防止構造付光学素子３０を一体として成形することができる。

３．反射防止構造体付光学素子の特性における実施の形態
３－１．第１構造体部
本実施形態の第１構造体部２１においては、先端平面部における第１構造体部２１と空気の占有比は空気が大きく、基材と接触する部分での第１構造体部２１と空気の占有比は第１構造体部２１が大きい。そのため、第１構造体部２１の先端平面部から底面部にかけて、屈折率が連続的になめらかに変化し、屈折率が大きく変化する部分がない。したがって、第１構造体部２１からなる反射防止構造体は反射率が低く、透過率が高い。

３－２．第２構造体部
本実施形態の第１構造体部２１の先端平面部には第２構造体部２２を設けている。第１構造体部２１の先端平面部に第２構造体部２２が無く、すべて平面である場合、入射光が反射し反射防止効果を損なう。一方、第１構造体部２１の平面部に第２構造体部２２を設けることによって、第１構造体部２１の先端平面部に形成された第２構造体部２２においても屈折率が連続的になめらかに変化する。これによって、第１構造体部２１の先端平面部に第２構造体部２２が無くすべて平面である場合に比べ、光学素子用微細突起２０の反射防止効果が改善する。

また、第１構造体部２１の先端平面部に形成されたる第２構造体部２２は、第１構造体部２１よりも小さいことから、第１構造体部２１で効果のある波長よりも短い波長領域での反射防止効果にも寄与する。したがって、第１構造体部２１のみである場合と比べて、光学素子用微細突起２０の反射防止効果を発揮する波長帯域が広くなる。

さらに、環状突起である第２構造体部２２の内側は、第１構造体部２１の先端平面部の一部が空気層に露出している。この、第２構造体部２２の内側に露出した第１構造体部２１の先端平面部の一部と、基材１１の表面に複数配置された隣り合う光学素子用微細突起２０の間の平面部とにおいて、それぞれの平面部からの反射光の干渉効果による反射防止効果も得ることができる。

３－３．反射防止構造体付光学素子
本実施形態の反射防止構造体付光学素子３０は、光学素子の基材１１の表面の少なくともいずれかの光学面に、上述の反射防止構造体である光学素子用微細突起２０を複数備えている。そのため、反射率が低く、透過率が高い。この光学素子用微細突起２０は、光学薄膜を用いた干渉効果による反射低減方法とは異なり、空気と光学素子との境界面において屈折率が連続的になめらかに変化する特性によって反射を低減する。主に、干渉効果を利用しないため、反射低減効果が及ぶ波長範囲が広く、光の入射角度が変化しても反射率の増加が少ない。

そして、光学素子基材１１、第１構造体部２１及び第２構造体部２２のそれぞれの屈折率は、以下の条件式（５）を満たすことが好ましい。条件式（５）を満たすことによって、広帯域で良好な反射防止効果を得ることができる。
第１構造体部の屈折率≦第２構造体部の屈折率≦光学素子基材の屈折率・・・（５）

なお、光学素子基材１１、第１構造体部２１及び第２構造体部２２のそれぞれの屈折率は、同じであることがより好ましい。光学素子基材１１と第１構造体部２１と、第２構造体部２２との光学材料を同一とすることができるからである。

４．反射防止構造体付光学素子を備えた光学系における実施の形態
本件発明に係る光学系は、本件発明に係る反射防止構造付光学素子３０を備えることが好ましい。光学系とは、光の反射や屈折などの性質を利用して物体の像をつくる器具や装置のことであり、カメラや望遠鏡、レーザー機器など光を扱う光学機器の構成要素である。本件発明に係る光学系は、本件発明に係る反射防止構造体付光学素子３０を備えるため、広い波長の範囲で低反射率であり、光の入射角度が変化しても反射率の増加が少ない。また、反射防止構造体である光学素子用微細突起２０は、第１構造体部２１の先端平面部に第２構造体部２２を設けているため、耐擦傷性が高い。

５．反射防止構造体付光学素子の製造方法における実施の形態
５－１．金型
本件発明に係る金型は、上述した反射防止構造付光学素子３０の反転形状を備えていることが好ましい。金型の材料は、硬さがＨＲＣ５１以上であり、ドライエッチング可能なものであれば良く、炭化タングステン、ＳｉＣ、グラッシーカーボン、ＮｉＰメッキ、窒化ケイ素などが好ましい。部材の離型性を向上させる目的で、金型表面に貴金属、および炭素膜を施しても良い。光学素子用微細突起を形成するためのパターンニング前の金型の製作は、特定の方法に限定されない。

次に、金型に光学素子用微細突起を形成するためのパターンニングを行う。例えば、フォトリソグラフィ法を用いて、金型基材にフォトレジストを塗布し、タルボ干渉を利用した露光を用いてパターンを露光する。これを現像したのち、フォトレジストのパターンをもとにドライエッチングで金型にパターンを加工することで、本件発明に係る金型を作成することができる。

なお、金型へのパターンニング層の形成は、上述の方法に限定されるものではなく、例えば、次のようなナノインプリントを用いた方法で形成してもよい。まず、表面に光学素子用微細突起の配置パターンを施した平面のマスターモールドから、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などの柔らかい樹脂製のレプリカモールドを熱またはＵＶインプリントで作成する。次に、作成する光学素子の反転形状の金型に、ＵＶ硬化性のインプリントレジストをスピンコートする。そして、空圧によるプレス機構を持つインプリント装置を用いて、インプリントレジストを塗布した金型にレプリカモールドを圧着し、レプリカモールドを圧着後のインプリントレジストをＵＶ硬化させた後、レプリカモールドを剥離する。そして、圧着で薄く残存したインプリントレジストをドライエッチングを用いて除去する。

５－２．製造方法
本件発明に係る反射防止構造付光学素子の製造方法は、上述の反射防止構造体を形成可能であればどのような方法を用いても構わないが、射出成形、又はガラスモールド法と呼ばれる熱プレス成形を用いるのが好ましい。そして本件発明に係る反射防止構造付光学素子の製造に使用する金型は、本件発明に係る金型を用いるのが好ましい。

また、上述のように、基材１１と第１構造体部２１と第２構造体部２２とを形成する材料が同一であることが好ましい。同一の材料を使用することによって、基材１１と光学素子用微細突起２０とを上述の製造方法で同時に成形が可能である。なお、本件発明はこれに限定されるものではなく、例えば基材１１とは別の光学材料で形成された光学素子用微細突起２０を備える光学素子を基材１１と接合する構成を採用することもできる。

以上説明した本件発明に係る実施の形態は、本件発明の一態様であり、本件発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、以下実施例を挙げて本件発明をより具体的に説明するが、本件発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

Ａ．光学素子用微細突起
実施例における反射防止構造付光学素子に設ける光学素子用微細突起は、図１が示すように、第１構造体部と第２構造体部とからなっている。

Ｂ．非球面
反射防止構造付光学素子の光学面１２は、有効径が１３．６２ｍｍの非球面である。ここで、光軸に垂直に距離Ｒ離れた位置での光軸方向の面位置（サグ量）をＳａｇ（Ｒ）としたときの非球面の定義式を数式１に示す。

但し、ｒ：曲率半径。
Ｋ：円錐常数。
Ａ３～Ａ１２：非球面多項式の高次係数。

このとき、光学面１２は、数式１において、以下の数値を満足する形状である。そして、この面の最大傾斜角は３６．８°である。

ｒ＝１２．１３６７
ｋ＝－１０．００００
Ａ３＝－１．９１８４Ｅ－３
Ａ４＝２．５４９５Ｅ－３
Ａ５＝－９．０７１９Ｅ－４
Ａ６＝２．２３７８Ｅ－４
Ａ７＝－２．９３６１Ｅ－５
Ａ８＝６．０８５６Ｅ－７
Ａ９＝２．５８０１Ｅ－７
Ａ１０＝－９．３４９４Ｅ－９
Ａ１１＝－２．６４７９Ｅ－９
Ａ１２＝１．８５０５Ｅ－１０

反射防止構造付光学素子の光学面１３は、有効径が８．９５ｍｍの非球面である。このとき、光学面１３は、数式１において、以下の数値を満足する形状である。そして、この面の最大傾斜角は１７．６°である。

ｒ＝１３．２８５８
ｋ＝０．６４５３
Ａ３＝０．０
Ａ４＝４．０２９Ｅ－５
Ａ５＝０．０
Ａ６＝１．１３５３Ｅ－５
Ａ７＝０．０
Ａ８＝－９．７８６８Ｅ－７
Ａ９＝０．０
Ａ１０＝４．７５０７Ｅ－８
Ａ１１＝０．０
Ａ１２＝－１．０４６６Ｅ－９

Ｃ．金型
反射防止構造付光学素子の製造に用いる金型の製造について説明する。まず、金型母材としてＳＵＳ鋼材を用い、上述で説明した光学素子の各面の反転形状となるよう加工する。具体的には、円筒材料のＳＵＳ鋼材を研削加工機で光学駒の形状に加工を行ったのち、光学面のみ無電解ＮｉＰめっきを施した。そして、制御分解能１ｎｍの非球面切削加工機で、上述の光学面となるよう加工した。その後、光学面の光学研磨を行い、最後に有機溶剤での洗浄を行った。このようにして得られた金型母材の表面粗さはＺｙｇｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製走査型白色干渉計でＲａ１．０ｎｍであった。

次に、金型表面に、ＣＶＤ法によって、エッチング層となるＳｉＮ層を２０００ｎｍ成膜した。このとき成膜法は、特にＣＶＤ法に限るものではなく、スパッタ法などであっても構わない。その後、ＳｉＮ膜表面にレジスト膜によるパターンニング層を形成した。パターンニング層の形成方法は特に限定されないが、ここでは、以下のように実施した。まず、ポジ型フォトレジストをＳｉＮ膜表面にスピンコートした。次にマスクからのタルボ干渉光を統合できるよう制御された干渉露光装置にピッチ３４０ｎｍで六方配置に配列されたφ３３０ｎｍのパターンを持つ位相マスクをセットし、金型上面から露光を行った。最後に現像し、感光部を溶解することで、ＳｉＮ膜表面に３４０ｎｍピッチで六方配置された３３０ｎｍの穴径分布をもつレジスト膜によるパターンニング層を形成した。

以上のようにしてレジストのパターニング層を形成した金型に対し、ドライエッチング装置にて、ドライエッチングを行う。ドライエッチング装置で、ＣＨＦ３、ＣＦ４ガス下で４分間エッチングを行った。そののち、不要なレジスト膜のパターニング層を除去し、実施例における金型を作成した。

Ｄ．成形
実施例における反射防止構造付光学素子は、前述の金型を用いた射出成形によって成形する。射出成形装置は、ファナック株式会社製の射出成型機を用いた。射出成形に用いる光学樹脂は、ガラス転移温度が１４５℃のポリカーボネートである。また、射出成形時の金型温度は１５５℃、保圧９５ＭＰとした。この金型温度を保持した状態で離形を行うことによって、離形中に金型と樹脂との界面において樹脂の変形が起こり、第１構造体部の平面部の外縁に沿って環状突起である第２構造体部が形成された。

この構造体の断面形状をＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：原子間力顕微鏡）を用いて測定したところ、円錐台状の構造体の上に、円環状の構造体を持つ構造であった。そして、当該光学素子用微細突起の第１構造体部は、底面の径が３３０ｎｍ、上面の径が２２０ｎｍ、高さが２００ｎｍであった。このとき、条件式（１）におけるＷ１／Ｗ２の値は０．６７、条件式（２）におけるＨ／Ｗ２の値は０．６０６であった。また、第２構造体部である環状突起の高さは１００ｎｍ、幅は１０ｎｍであり、環状突起の断面形状は放物線状であった。このとき、条件式（３）におけるＸ１／Ｗ１は０．９１、条件式（４）におけるＺ／Ｗ１は０．４５５であった。

このようにして作成した反射防止構造付光学素子は、使用波長が９０５ｎｍであり、反射防止構造付光学素子の光学面に、平面部を有する第１構造体部と、第１構造体部の平面部の外縁に沿って設けた環状突起である第２構造体部とからなる光学素子用微細突起を複数備えたものである。そして、光学素子基材と、第１構造体部と、第２構造体部とを形成する材料が同一である。すなわち、光学素子基材、第１構造体部及び第２構造体部のそれぞれの屈折率も同じ値である。

〔比較例〕
比較例では、光学素子の形状及び材質は実施例と同一のものとした。また、金型も実施例と同じ条件で作成した。そして、実施例と同じように、金型を用いた射出成形によって反射防止構造体付光学素子を成形した。このとき、射出成形装置は、実施例と同様にファナック株式会社製の射出成型機を用いているが、金型温度を任意に制御できるように温調機を取り付けた。次に、金型温度を１５５℃、保圧９５ＭＰで成型したのち、金型温度を１３５℃まで下げたうえで離形を行った。金型温度を９５℃にすることによって、離形時における上述のような金型と樹脂との界面における樹脂の変形が起こらないようにした。

このようにして作成した反射防止構造付光学素子は、その光学面に、先端平面部を有する第１構造体部のみからなる光学素子用微細突起を複数備えたものである。この構造体の断面形状をＡＦＭを用いて測定したところ、円錐台状の構造であり、底面の径は３３０ｎｍ、上面の径は２２０ｎｍ、高さは２００ｎｍだった。

〔評価結果〕
実施例及び比較例で記載した反射防止構造付光学素子の反射率を、大塚電子株式会社製膜厚測定機ＦＥ３０００で測定した。図６に、実施例及び比較例における反射率特性の評価結果を示す。図６の横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は反射率（％）を示す。図６から、実施例の反射防止構造付光学素子は優れた反射率特性を有していることが明らかとなった。一方、比較例の反射防止構造付光学素子は、実施例の反射防止構造付光学素子と比べ、反射率特性が劣っていることが明らかとなった。したがって、本件発明に係る反射防止構造付光学素子は、その光学面に、先端平面部を有する第１構造体部と、第１構造体部の先端平面部の外縁に沿って設けた環状突起である第２構造体部とからなる光学素子用微細突起を複数備えることによって、良好な反射率特性を有することが明らかとなった。

本件発明に係る光学素子用微細突起は、先端平面部を有する第１構造体部と、第１構造体部の先端平面部の外縁に沿って設けた環状突起である第２構造体部とからなることによって、屈折率が連続的になめらかに変化する特性を有し、かつ、耐擦傷性が高い。また、上述の特性を有する光学素子用微細突起を光学面に複数備える本件発明に係る反射防止構造付光学素子は、広い帯域幅において良好な反射防止効果を有し、射出成形などによって作成可能であるため生産性が高い。したがって、車載機器のパネルや光学機器、その他耐擦傷性を必要とされる機器に好適である。

１０ 光学素子
１１ 基材
１２ 光学面
１３ 光学面
１４ コバ部
２０ 光学素子用微細突起
２１ 第１構造体部
２２ 第２構造体部
３０ 反射防止構造体付光学素子

Claims (13)

1. 光学素子基材の表面に設け反射防止効果を得るための光学素子用微細突起であって、
   前記光学素子用微細突起は、先端平面部が形成された第１構造体部と、前記第１構造体部の前記先端平面部の外縁に沿って形成された環状突起である第２構造体部とからなることを特徴とする光学素子用微細突起。
2. 前記第１構造体部の形状は、円錐台状又は角錐台状である請求項１に記載の光学素子用微細突起。
3. 前記第１構造体部は、以下の条件式を満たす、請求項１又は請求項２に記載の光学素子用微細突起。
   ０．２０≦Ｗ１／Ｗ２≦０．７５ ・・・（１）
   ０．４≦Ｈ／Ｗ２＜２．０ ・・・（２）
   但し、Ｗ１：前記第１構造体部の前記先端平面部の幅。
   Ｗ２：前記第１構造体部の光軸方向の投影面の幅。
   Ｈ：前記第１構造体部の前記先端平面部の中心から底面部までの光軸に平行な直線の長さ。
4. 前記第２構造体部は、以下の条件式を満たす、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学素子用微細突起。
   ０＜Ｘ１／Ｗ１≦０．９５ ・・・（３）
   ０．３≦Ｚ／Ｗ１≦１．０ ・・・（４）
   但し、Ｘ１：前記第２構造体部の前記第１構造体部との接触面における内周の幅。
   Ｚ：前記第２構造体部の前記第１構造体部との接触面と、前記第２構造体部の先端部とを結ぶ光軸に平行な直線の長さ。
5. 前記光学素子基材、前記第１構造体部及び前記第２構造体部のそれぞれの屈折率は、以下の条件式を満たす、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学素子用微細突起。
   第１構造体部の屈折率≦第２構造体部の屈折率≦光学素子基材の屈折率・・・（５）
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光学素子用微細突起を、前記光学素子基材の表面の少なくともいずれかの光学面に複数備えることを特徴とする反射防止構造付光学素子。
7. 請求項６に記載の反射防止構造付光学素子であって、複数の前記光学素子用微細突起の間隔がλ／５以上λ／２以下である反射防止構造付光学素子。
   但し、λ：入射光の波長（ｎｍ）。
8. 前記光学素子基材と前記第１構造体部と前記第２構造体部とを形成する材料が同一である請求項６又は請求項７に記載の反射防止構造付光学素子。
9. 前記光学素子基材の前記光学面の形状が非平面である、請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の反射防止構造付光学素子。
10. 請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の反射防止構造付光学素子を備えることを特徴とする光学系。
11. 請求項６に記載の反射防止構造付光学素子の反転形状を備えることを特徴とする金型。
12. 請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の反射防止構造付光学素子の製造方法であって、
    射出成形又は熱プレス成形を用いることを特徴とする反射防止構造付光学素子の製造方法。
13. 成形に請求項１１に記載の金型を用いる、請求項１２に記載の反射防止構造付光学素子の製造方法。

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