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CN101074997B - 防反射构造体及包括其的光学装置 - Google Patents

防反射构造体及包括其的光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防反射构造体及包括其的光学装置。扩散板，具有表面粗糙度大于规定波长并且呈非周期性粗糙形状的表面，在该表面上形成有多个微小凹凸部，该微小凹凸部是以小于或等于规定波长的周期规则地排列的。因此，能够实现反射光等不必要的光的发生充分地受到抑制的防反射构造体。

Description

防反射构造体及包括其的光学装置
技术领域
本发明涉及一种防反射构造体及包括其的光学装置。
背景技术
近年来，有人提案过各种对表面进行了抑制光反射现象的防反射处理的光学元件。作为防反射处理方式，例如有将由折射率较低的薄膜(低折射率膜)、或低折射率膜及折射率较高的薄膜(高折射率膜)交替重叠而成的多层膜等构成的防反射膜形成在表面上的处理方式(例如，参照日本公开专利公报特开2001-127852号公报等)。
然而，这种由低折射率膜或多层膜构成的防反射膜，在形成该膜时需要进行利用汽相淀积法或溅射法等的、很复杂的工序。因此，有生产率低、制造成本高的问题。此外，由低折射率膜或多层膜构成的防反射膜，也有波长依赖性和入射角依赖性较大的问题。
鉴于所述问题，作为入射角依赖性和波长依赖性较小的防反射处理方式，有人提案过例如以小于或等于入射光的波长的间距在光学元件表面上规则地形成微小凹凸部的处理方式(例如，参照Daniel H.Raguin和G.Michael Morris著作的《Analysis of antireflection-structured surfaceswith continuous one-dimensional surface profiles》、和《AppliedOptics》Vol.32、No.14、P.2582-2598、1993年等)。通过进行这种处理，折射率在元件界面上急剧地变化的情况就受到抑制，折射率在元件界面上缓慢地变化。因此，光学元件表面上的反射量减低，能够实现光射入光学元件内时的高入射率。
此外，在日本专利申请公表特表2001-517319号公报中，有人公开了在粗糙表面上形成微小凹凸部的技术。
然而，在粗糙表面上形成微小凹凸部的情况下，也会有不能充分地抑制反射光等不必要的光的发生的情况。
发明内容
本发明，正是为解决所述问题而研究开发出来的。其目的在于：提供一种反射光等不必要的光的发生充分地受到抑制的防反射构造体。
本案发明人坚持不懈的研究，结果发现，在粗糙表面上形成微小凹凸部的情况下，有衍射光发生之虞，于是完成了本发明。
就是说，本发明所涉及的防反射构造体，是抑制波长大于或等于规定波长的光的反射的防反射构造体，具有表面粗糙度大于规定波长并且呈非周期性粗糙形状的粗糙表面，在该粗糙表面上形成有多个微小凹凸部，该微小凹凸部是以小于等于规定波长的周期规则地排列的。在此，“规定波长”是指要抑制反射的波长、或应该抑制反射的波长。
本发明所涉及的光学装置，包括本发明所涉及的防反射构造体。
根据本发明，能够实现反射光等不必要的光的发生充分地受到抑制的防反射构造体。
附图说明
图1，是扩散板1的立体图。
图2，是扩散板1的一部分的剖面图。
图3，是表示入射角和反射率的相关关系的曲线图。
图4，是表示以45度的入射角射入的光的反射光强度的曲线图。
图5，是通过对表面10的形状在基准面的法线方向上的高度分布进行傅里叶变换而得到的频谱(spectrum)。
图6，是用来说明θ大于90度的情况的剖面图。
具体实施方式
下面，参照附图，详细说明本发明的实施例。在此，以实施了本发明的扩散板为例，说明本发明所涉及的防反射构造体的形态。但是，本发明所涉及的防反射构造体并不限于下述形态。也可以是这样的，该防反射构造体例如是显示装置以及摄像装置、照明装置和投影仪等各种光学机器的结构部件等。具体而言，也能在半导体激光元件、发光二极管元件、电灯泡和冷阴极管等发光元件，电荷耦合器件(CCD：charge-coupled device)和互补金属氧化物半导体等摄像传感器，功率表、电度表和反射率测量机器等光检测器，微透镜阵列，以及光电探测器等中采用本发明所涉及的防反射构造体。
图1，是本实施例所涉及的扩散板1的立体图。
图2，是扩散板1的一部分的剖面图。
本实施例所涉及的扩散板1，是从上方看时大致呈矩形状的面状部件，使光进行扩散透射(详细地说，至少使后面详细说明的微小凹凸部11抑制反射的光进行扩散透射)。本实施例所涉及的扩散板1，例如设置在显示器等的前面，抑制显示器表面上的光反射现象(外部的光反射得耀眼等现象)。补充说明一下，扩散板1的材料不受特别的限制，也可以是由树脂或玻璃制作的。此外，也可以使用分散着混入有微粒等的材料。
如图2所示，在本实施例中，在扩散板1的表面10上形成有以小于或等于入射光20的波长的周期(最好是小于或等于入射光20中波长最短的光的波长的周期)规则地排列的多个微小凹凸部11(下面，有些地方将所述形成有多个该微小凹凸部11的防反射结构称为“SWS”)。因此，折射率在扩散板1的表面10与空气层之间急剧地变化的现象受到抑制，在形成有微小凹凸部11的表面10的表层部分，折射率缓慢地变化。因此，如图3所示，通过形成微小凹凸部11，扩散板1的表面10上的反射就高效地受到抑制。
只要具有使表面10与空气层之间的界面上的折射率变化变得缓慢的功能，微小凹凸部11的形状并不受限制，例如，也可以是大致呈圆锥状(顶部也可以已经被倒角或被削成圆弧状)的凹部或凸部、呈平截头棱椎体状(prismoid)的凹部或凸部、呈细长状(剖面形状呈三角形状(顶部也可以已被削成圆弧状)、梯形状或矩形状等)的凹部或凸部。
从实现很高的抑制反射效果的角度来看，最好是这样的，微小凹凸部11的周期(从(形成为粗糙表面的)表面10的基准面的法线方向看时的、互相邻接的微小凹凸部11的顶部相互间的距离。在此，基准面是指以微小凹凸部11和粗糙形状作为高频成分，并对该高频成分进行截止(cut off)而得到的平面。)小于或等于入射光20的波长。另一方面，微小凹凸部11的高度(严密地说，该高度被定义为(形成为粗糙表面的)表面10的基准面的法线方向上的、从基准面到顶部的距离)最好大于或等于入射光20的波长的0.4倍，更好的是该高度大于或等于入射光20的波长的1倍，进而更好的是大于或等于入射光20的波长的3倍。严密地说，在入射光20具有多种波长的情况下，微小凹凸部11的周期最好小于或等于入射光20的最短波长，微小凹凸部11的高度最好大于或等于入射光20的最长波长的0.4倍(更好的是该高度大于或等于入射光20的最长波长的1倍，进而更好的是大于或等于入射光20的最长波长的3倍)。
补充说明一下，微小凹凸部11，不一定需要对整个入射光20起到抑制反射作用。例如，在入射光20的波长涉及包括紫外光、近紫外光、可见光、近红外光及红外光在内的、很宽的波长范围，但是只要抑制波长为400nm以上且700nm以下的光的反射就可以的情况下，微小凹凸部11的周期最好是400nm以下。另一方面，微小凹凸部11的高度最好是700nm的0.4倍以上、即280nm以上。
微小凹凸部11，也可以形成为高度在表面10的各个部分(例如，大小为1平方毫米的各个部分)相互不同的形状，但是从容易形成的特性这一角度来看，最好是形成为高度在各个部分互相大致相等的形状。此外，最好是这样的，例如在微小凹凸部11是锥体状凹部或锥体状凸部的情况下，多个微小凹凸部11形成为将该锥体的底部中心和顶部的中心点连接起来而成的中心轴线互相大致平行的形状。在该情况下，能利用喷射铸造法来容易地制造扩散板1。此外，出于同样的原因，最好是这样的，在微小凹凸部11是剖面呈三角形状的细长状凹部或细长状凸部的情况下，多个微小凹凸部11形成为将横截面上的底部中心和顶部的中心点连接起来而成的中心轴线在各个部分(例如，大小为1平方毫米的各个部分)互相大致平行的形状。
如上所述，因为在表面10上形成有多个微小凹凸部11，所以光在表面10上反射的现象受到抑制。然而，在表面10很平滑的情况下，不能充分地抑制表面10上的正反射(regular reflection)。
图4，是表示以45度的入射角射入的光的反射光强度的曲线图。
如图4所示，在平滑的表面上形成了微小凹凸部11的情况下，观测到出射角约为45度的反射光，即观测到正反射现象。这样，在形成有微小凹凸部11的表面10很平滑的情况下，不能充分地抑制入射光20的正反射现象。与此相对，如图4所示，在表面粗糙度大于入射光20的波长的粗糙表面上形成了微小凹凸部11的情况下，正反射现象基本上不被观测到。在此，如图2所示，在本实施例中，微小凹凸部11是在表面粗糙度大于入射光20的波长的粗糙表面即表面10上形成的。详细地说，表面10，形成为在以ISO(国际标准化组织)4287：1997(与JIS(日本工业标准)B0601：2001相对应)所规定的最大高度粗糙度Rz表示的情况下，表面粗糙度大于入射光20的波长。因此，在本实施例中的扩散板1中，表面10上的正反射现象也充分地受到抑制。不过，所述抑制正反射的发生的效果，有在表面10的表面粗糙度过大的情况下降低的倾向。表面10的表面粗糙度Rz的适当范围为100μm以下，更好的是50μm以下，进而更好的是30μm以下。
如图3所示，在平滑的表面上形成了微小凹凸部11(SWS)的情况下，不能对入射角较大的光起到足够的抑制反射作用。就是说，反射率依赖于入射角。与此相对，如图3所示，如本实施例那样通过在粗糙表面即表面10上形成微小凹凸部11(SWS)，就能对入射角较大的光也起到足够的抑制反射作用。就是说，根据本实施例，能够减低反射率的角度依赖性，也高效地抑制入射角较大的光的反射。
这样，通过将表面10设为规定的粗糙表面，能高效地抑制包括正反射在内的反射现象，并且还能高效地抑制入射角较大的入射光20的反射现象。不过，在表面10的粗糙形状具有某种周期结构的情况下，有发生衍射光之虞。但是，在本实施例中，表面10形成为粗糙形状具有非周期性。因此，在本实施例所涉及的扩散板1中，不但高效地抑制反射现象，而且还高效地抑制衍射光的发生，能够高效地抑制反射光、衍射光等不必要的光的发生。补充说明一下，粗糙形状，是指以微小凹凸部11作为高频成分，并从表面10的包括微小凹凸部11在内的形状中截止该高频成分而得到的形状(以下，将表面10的包括微小凹凸部11在内的形状单纯地称为“表面10的形状”。)。
从更高效地抑制衍射光的发生这一角度来看，最好是这样的，如图5所示，在对表面10在基准面的法线方向上的高度分布进行傅里叶变换而得到频谱当中，由于表面10的粗糙形状而形成的高峰16的高峰宽度(例如，高峰高度的一半的高度上的高峰宽度)W2，大于由于微小凹凸部11而形成的高峰15的、同样的高峰宽度W1。
从减低衍射光的不均匀的发生这一角度来看，最好是这样的，表面10形成为以粗糙形状的中心周期(度数比率最高的周期)归一化后的周期的分布宽度大于或等于中心周期的0.4倍。在以表面10的粗糙形状的中心周期归一化后的周期的分布宽度小于中心周期的0.4倍的情况下，在表面10上发生的二级衍射光所存在的衍射角的区域和三级衍射光所存在的衍射角的区域互相隔离开，有发生的衍射光不均匀之虞。在以表面10的粗糙形状的中心周期归一化后的周期的分布宽度大于或等于中心周期的0.4倍的情况下，在表面10上发生的二级衍射光所存在的衍射角的区域和三级衍射光所存在的衍射角的区域部分地重叠，因此衍射光的发生的不均匀性减低。
特别是，以表面10的粗糙形状的中心周期归一化后的周期的分布宽度最好大于或等于中心周期的
Figure G200710104988620070601D000061
倍。在采用这样的结构的情况下，因为在表面10上发生的二级衍射光所存在的衍射角的区域和三级衍射光所存在的衍射角的区域部分地重叠，并且一级衍射光所存在的衍射角的区域和二级衍射光所存在的衍射角的区域部分地重叠，所以能够减低由于一级衍射光和二级衍射光都不存在的区域的存在而造成的、衍射光的不均匀性。
补充说明一下，从制造方面来看，最好是这样的，不存在表面10的粗糙形状的切面13的法线向量N2和表面10的基准面12的法线向量N1所成的角的角度(θ)如图6所示大于90度的区域。换句话说，最好是这样的，表面10，基本上由粗糙形状是θ≤90度的面构成。这是因为在如图6所示存在θ大于90度的区域的情况下，很难在表面10中面向凹部17的部分形成微小凹凸部11。
如上所述，在此以具有透光性的扩散板1为例进行了说明，不过本发明所涉及的防反射构造体不限于具有透光性的。例如，该防反射构造体也可以是具有吸光性的，即所谓的黑体。
在此说明的是，在扩散板1的表面10上直接形成了SWS的例子。也可以是这样的，通过在平滑的面上贴上或粘上形成了SWS的粘贴物(seal)，来形成表面10。换句话说，扩散板1并不一定需要由一个结构部件构成，也可以由多个结构部件构成。
在此说明的是，在表面10的整个表面上形成了SWS的例子。不过，并不一定需要在表面10的整个表面上形成SWS，也可以仅在有必要的部位形成SWS。在该情况下，也不妨不仅将设置了SWS的部位设为粗糙表面，将表面10中的其他部位也设为表面粗糙度与设置了SWS的部位大致相等的粗糙表面，也可以将该其他部位设为表面粗糙度小于设置了SWS的部位的平滑表面。也可以是这样的，在未设置SWS的部位形成其他防反射结构，例如由反射率较低的薄膜和较高的薄膜所构成的多层膜构成的防反射结构等。在形成有SWS的区域内，也可以根据必要性而调整SWS的高度和周期(间距)。
本发明，并不限于所述实施例，可以在不脱离本发明的精神或主要特点的情况下，以其他各种各样的形式付诸实施。这样，上述实施例在所有意义上只不过是示例的，不可以根据上述实施例限定地解释本发明。本发明的范围，是以权利要求书表示的，完全不受说明书的正文的约束。属于与权利要求书的内容均等(equivalent)的范围的变形和变更，都在于本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种防反射构造体，抑制波长大于或等于规定波长的光的反射，其特征在于：
该防反射构造体包括表面粗糙度大于所述规定波长并且呈非周期性粗糙形状的粗糙表面，在该粗糙表面上形成有多个微小凹凸部，该微小凹凸部是以小于或等于所述规定波长的周期规则地排列的；
所述粗糙表面，形成为以所述粗糙形状的中心周期归一化后的周期的分布宽度大于或等于该中心周期的0.4倍。
2.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
所述粗糙表面，形成为以所述粗糙形状的中心周期归一化后的周期的分布宽度大于或等于该中心周期的
Figure FSB00000095828600011
倍。
3.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
在通过对所述粗糙表面的在基准面的法线方向上的高度分布进行傅里叶变换而得到的频谱中，由于所述粗糙表面的粗糙形状而形成的高峰的宽度，大于由于所述微小凹凸部而形成的高峰的宽度。
4.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
所述防反射构造体使所述反射被抑制的光透过。
5.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
所述各个微小凹凸部，是大致呈锥体状的凹部或凸部、或者呈细长状的凹部或凸部。
6.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
由ISO 4287：1997所规定的最大高度粗糙度Rz表示的所述粗糙表面的表面粗糙度大于所述规定波长。
7.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
由ISO 4287：1997所规定的最大高度粗糙度Rz表示的所述粗糙表面的表面粗糙度小于100μm。
8.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
由ISO 4287：1997所规定的最大高度粗糙度Rz表示的所述粗糙表面的表面粗糙度小于50μm。
9.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
由ISO 4287：1997所规定的最大高度粗糙度Rz表示的所述粗糙表面的表面粗糙度小于30μm。
10.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
从所述粗糙表面算起，所述多个微小凹凸部在所述粗糙表面的基准面的法线方向上的各自的高度大致相等。
11.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
所述粗糙表面，基本上由该粗糙表面的粗糙形状的切面的法线向量和该粗糙表面的基准面的法线向量所成的角度小于或等于90度的面构成。
12.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
所述多个微小凹凸部中的各个微小凹凸部，是锥体状凹部或锥体状凸部；该多个微小凹凸部，构成为将该微小凹凸部的底部中心和顶部的中心点连接起来而成的中心轴线互相大致平行。
13.根据权利要求1所述的防反射构造体，其特征在于：
所述多个微小凹凸部中的各个微小凹凸部的高度大于或等于所述反射被抑制的光的波长的0.4倍。
14.一种光学装置，其特征在于：
包括权利要求1所述的防反射构造体。
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