JP2005275294A

JP2005275294A - 光学素子

Info

Publication number: JP2005275294A
Application number: JP2004092336A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Tsuchiya; 陽一郎土屋; Yoshihisa Gomyo; 良久五明; Tadao Musha; 忠男武者; Takeshi Mizushina; 健水科; Masanori Yomoyama; 正徳四方山; Satomi Anzai; 学示安西; Motoki Oya; 元樹大家
Original assignee: Cimeo Precision Co Ltd
Current assignee: Cimeo Precision Co Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】サファイアを基材とする光学素子で、耐久性、耐衝撃性に優れ、可視域から近赤外域における光の好適な反射防止作用を備えた光学素子を提供する。
【解決手段】サファイアからなる基材１０の表面に、５〜１１層の奇数層からなる光透過膜層が積層されてなる反射防止膜２０が設けられた光学素子であって、前記反射防止膜２０が、基板側から奇数番目となる光透過膜層２０ａがＳｉＯ₂からなり、偶数番目となる光透過膜層２０ｂがＴａ₂Ｏ₅からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は光学素子に関し、より詳細には素子表面に反射防止膜を設けた光学素子に関する。

光学フィルター、レンズ、プリズム等の光学素子においては、素子表面に反射防止膜を設けて、光学素子の光透過率を向上させる方法が広く行われている。これらの光学素子は、一般に、使用波長域が決められているから、反射防止膜もその使用波長域に合わせてもっとも効率的な反射防止がなされるように膜構成が設計される。この反射防止膜の構成については、種々の提案がなされている。
特開平７−２６１００２号公報特開２００２−２７７６０６号公報特開２００２−１３９７２３号公報

基材の表面に反射防止膜を設けた光学素子の多くはガラスを基材としたものである。本発明は基材としてサファイアを使用した光学素子に関するもので、レーザ光を用いた光通信等において好適に利用することができる可視域および近赤外域における光の反射防止を好適に図ることを可能にする光学素子に関するものである。光学素子は光通信に限らず、画像装置の光透過窓等の光デバイスとして各種用途に使用される。サファイアは耐擦傷性、耐衝撃性に優れるという特性を有するものであり、光デバイスの光学素子の基材として好適に使用することが可能であり、サファイアの基材に反射防止膜を設けた光学素子は、基材と反射防止膜との密着性に優れ、反射防止膜の耐擦傷性に優れることによって、基材の特徴を生かした光学素子として提供することが可能となる。

本発明は、サファイアを基材とする光学素子で、耐久性、耐衝撃性に優れ、可視域から近赤外域における光の好適な反射防止作用を備えた光学素子を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明は次の構成を備える。
すなわち、サファイアからなる基材の表面に、５〜１１層の奇数層からなる光透過膜層が積層されてなる反射防止膜が設けられた光学素子であって、前記反射防止膜が、基板側から奇数番目となる光透過膜層がＳｉＯ₂からなり、偶数番目となる光透過膜層がＴａ₂Ｏ₅からなることを特徴とする。

また、前記反射防止膜が５層の光透過膜層を積層してなるものであり、基準波長をλとしたときの、基板側を第１層として、第１層から第５層の光透過膜層の光学的膜厚を各々Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５とするとき、Ｄ１＝（０．１１〜０．４９）×λ／４、Ｄ２＝（０．３３〜０．４９）×λ／４、Ｄ３＝（０．２５〜０．４１）×λ／４、Ｄ４＝（１．９９〜２．６５）×λ／４、Ｄ５＝（０．８０〜１．１２）×λ／４としたものが好適であり、また、前記反射防止膜が５層の光透過膜層を積層してなるものであり、基準波長をλとしたときの、基板側を第１層として、第１層から第５層の光透過膜層の光学的膜厚を各々Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５とするとき、Ｄ１＝（１．７５〜２．３６）×λ／４、Ｄ２＝（０．４２〜０．６９）×λ／４、Ｄ３＝（０．０９〜０．２５）×λ／４、Ｄ４＝（０．９３〜１．４２）×λ／４、Ｄ５＝（０．８５〜１．１２）×λ／４としたものが好適に使用できる。
なお、Ｄ１〜Ｄ５の値（光学的膜厚）が上記のように所定範囲で指定されている意味は、第１層から第５層の各層について、その光学的膜厚の中心値を各層での基準の膜厚とし、特定の一層について、その特定の一層を除いた他の層については基準の膜厚に固定した場合に、反射防止膜の反射率が２％以下となる条件で、その特定層の膜厚を変えることができる範囲を示したものである。

本発明に係る光学素子は、サファイアからなる基材の表面に、基材側から奇数番目の層についてはＳｉＯ₂からなる光透過膜層、偶数番目の層についてはＴａ₂Ｏ₅からなる光透過膜層として、５層、７層、９層あるいは１１層に積層して反射防止膜を形成したものであり、これによって可視域および近赤外域における所要の光反射防止作用を備え、光の透過効率を向上させることができるとともに、基材と反射防止膜との密着性に優れ、耐擦傷性に優れることから、一般用途にも広く利用できる光学素子として提供することが可能である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明に係る光学素子における反射防止膜の構成を説明的に示したものである。同図で１０は光学素子の基材であるサファイア基板である。反射防止膜２０は、このサファイア基板１０の表面に第１層から第５層まで光透過膜層２０ａ、２０ｂを積層して形成されている。なお、光透過膜層２０ａはＳｉＯ₂からなり、光透過膜層２０ｂはＴａ₂Ｏ₅からなるものであり、本発明に係る光学素子はＳｉＯ₂からなる光透過膜層２０ａと、Ｔａ₂Ｏ₅からなる光透過膜層２０ｂとが交互に積層され、サファイア基板１０側から、第１、３、５層がＳｉＯ₂からなる光透過膜層２０ａであり、第２および第４層がＴａ₂Ｏ₅からなる光透過膜層２０ｂとなっている。

なお、図１では、光透過膜層２０ａ、２０ｂを合わせて５層積層して反射防止膜２０とした例を示したが、光透過膜層を７層、９層、１１層積層して反射防止膜とする場合も、図１に示す反射防止膜と同様に、奇数番目の層をＳｉＯ₂からなる光透過膜層２０ａとし、偶数番目の層をＴａ₂Ｏ₅からなる光透過膜層２０ｂとして反射防止膜を形成する。すなわち、本発明に係る光学素子の表面に設けられる反射防止膜は、サファイア基板１０に密着する第１層がＳｉＯ₂からなる光透過膜層２０ａであり、最外層もＳｉＯ₂からなる光透過膜層２０ａとなる。これによって、反射防止膜とサファイアからなる基材との密着性を向上させて反射防止膜の剥離強度を向上させ、反射防止膜の耐擦傷性を向上させることが可能となる。

以下では、反射防止膜を５層、７層、９層、１１層構成とした光学素子の実際の設計例について説明する。
（実施例１）
表１は、光学素子の第１の設計例を示すもので、反射防止膜が５層構成からなる例である。
なお、各層の光学的膜厚は（使用波長における屈折率）×（幾何学的膜厚）によって定義される。

図２は表１に示す光学素子について、λ＝１３１０ｎｍとしたときの特性図を示す。図２からわかるように、実施例１の光学素子では、波長１０００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲で、反射率０．５％以下という優れた反射防止特性が得られている。この波長範囲で反射率がフラットであることも特徴的である。

図３は、表１に示す第１の設計例で、λ＝５１０ｎｍとしたときの特性図を示す。図のように、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視域の範囲で、反射率０．５％以下という優れた反射防止特性が得られている。なお、可視域においては、表１に示す設計例で、サファイア基板の屈折率が1.774、光透過膜層のＳｉＯ₂の屈折率が1.462、Ｔａ₂Ｏ₅の屈折率が2.193となる。このことから、実施例１の反射防止膜は可視域および近赤外域においてすぐれた反射防止特性を有するといえる。

（実施例２）
表２は、上記実施例１の膜厚の設計例で、第５層の光学的膜厚Ｄ５を１．１２×λ／４として設計した例である。
図４は表２に示す反射防止膜で、λ＝１３１０ｎｍとしたときの特性図を示す。この実施例の反射防止膜は波長１１００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲で反射率２％以下の特性を有している。

（実施例３）
表３は、上記実施例１の膜厚の設計例で、第５層の光学的膜厚Ｄ５を０．８０×λ／４として設計した例である。
図５は表３に示す反射防止膜で、λ＝１３１０ｎｍとしたときの特性図を示す。この実施例の反射防止膜は波長９００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲で反射率２％以下の特性を有している。

（実施例４）
表４は、光学素子の第２の設計例として、反射防止膜が５層構成からなる光学素子についての設計例を示す。
図６は、表４での設計例の光学素子について、λ＝１３１０ｎｍとしたときの特性図を示す。この設計例の光学素子は、波長１０００ｎｍ〜１８００ｎｍの範囲で、若干反射率の変動はあるものの、反射率が略０．５％以下という優れた反射防止特性を有している。

図７は、表４に示す第２の設計例で、λ＝５１０ｎｍとしたときの特性図を示す。この実施例の場合も、実施例１の場合と同様に、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視域の範囲で、反射率１．０％以下という優れた反射防止特性が得られている。

（実施例５）
表５は、上記実施例４の膜厚の設計例で、第５層の光学的膜厚Ｄ５を１．１２×λ／４として設計した例である。
図８は表５に示す反射防止膜で、λ＝１３１０ｎｍとしたときの特性図を示す。この実施例の反射防止膜は波長１０００ｎｍ〜１９００ｎｍの範囲で反射率２％以下の特性を有している。

（実施例６）
表６は、上記実施例４の膜厚の設計例で、第５層の光学的膜厚Ｄ５を０．８５×λ／４として設計した例である。
図９は表６に示す反射防止膜で、λ＝１３１０ｎｍとしたときの特性図を示す。この実施例の反射防止膜は波長１０００ｎｍ〜１８００ｎｍの範囲で反射率２％以下の特性を有している。

（実施例７）
表７は、光学素子の第３の設計例として、反射防止膜が７層構成からなる例を示す。

図１０は表２に示す光学素子について、λ＝１３１０ｎｍとしたときの特性図を示す。図１０からわかるように、実施例７の光学素子では、波長１０００ｎｍ〜１９００ｎｍの範囲で、反射率０．５％以下という優れた反射防止特性が得られている。

（実施例８）
表８は、光学素子の第４の設計例として、反射防止膜が７層構成からなる例を示す。

図１１は表８に示す光学素子について、λ＝１３１０ｎｍとしたときの特性図を示す。図１１からわかるように、実施例８の光学素子では、波長９００ｎｍ〜１８５０ｎｍの範囲で、反射率１．０％以下という優れた反射防止特性が得られている。

（実施例９）
表９は、光学素子の第５の設計例として、反射防止膜が９層構成からなる例を示す。

図１２は表９に示す光学素子について、λ＝１２００ｎｍとしたときの特性図を示す。図１２からわかるように、実施例９の光学素子では、波長９５０ｎｍ〜１８５０ｎｍの範囲で、反射率１．０％以下、波長１２００ｎｍ〜１７５０ｎｍの範囲で反射率０．５％以下という優れた反射防止特性が得られている。

（実施例１０）
表１０は、光学素子の第５の設計例として、反射防止膜が９層構成からなる例を示す。

図１３は表１０に示す光学素子について、λ＝１３１０ｎｍとしたときの特性図を示す。図１３からわかるように、実施例１０の光学素子では、波長９５０ｎｍ〜１８００ｎｍの範囲で、反射率１．０％以下、波長１２００ｎｍ〜１７５０ｎｍの範囲で反射率０．５％以下という優れた反射防止特性が得られている。

（実施例１１）
表１１は、光学素子の第６の設計例として、反射防止膜が１１層構成からなる例を示す。

図１４は表１１に示す光学素子について、λ＝１２００ｎｍとしたときの特性図を示す。図１４からわかるように、実施例１１の光学素子では、波長８５０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲で、反射率１．０％以下の反射防止特性が得られている。

以上説明したように、本発明に係る光学素子は、サファイアを基材とし、その表面に反射防止膜として、ＳｉＯ₂からなる光透過膜層と、２０ａとＴａ₂Ｏ₅からなる光透過膜層とを交互に所定の膜厚で積層したものである。とくに、基板に密着する第１層をＳｉＯ₂からなる光透過膜層とし、最外層についてもＳｉＯ₂からなる光透過膜層としたことが特徴的である。このような反射防止膜の構成は基板と反射防止膜との密着性を向上させることができ、最外層をＳｉＯ₂からなる光透過膜層とすることで、耐擦傷性を向上させることが可能となる。

図１５は、光学素子の耐熱性を調べるための加熱試験を行った結果を示す。加熱試験では、サファイア基板の表面に実施例１の構成による反射防止膜を設けた光学素子と、比較例として、サファイア基板の表面に第１層としてＴａ₂Ｏ₅、第２層としてＳｉＯ₂、第３層としてＴａ₂Ｏ₅、第４層としてＳｉＯ₂層を形成した４層構造からなる反射防止膜を設けた光学素子をサンプルとした。
加熱試験は４５０℃の加熱炉中にサンプルを１５分間放置し、反射防止膜の膜状態を検査する方法によって行った。図１５は、加熱炉中でサンプルを加熱した後の表面状態を示す。

図１５(a)は実施例の光学素子、図１５(b))は比較例の光学素子の加熱後の状態を示す。図１５(a)に示す実施例の光学素子では反射防止膜にまったく異常が見られなかったのに対して、比較例の光学素子では反射防止膜に多数の剥離が生じている。この加熱試験の結果は、実施例の光学素子が耐熱性の点で比較例にくらべて明らかに優れていることを示している。実施例と比較例の光学素子を比較すると、実施例では、サファイア基板の表面に接する第１層をＳｉＯ₂層とした点が比較例と異なっている。このことは、サファイア基板の表面に接する第１層をＳｉＯ₂層とすることが反射防止膜の耐熱性、剥離性を向上させる上で有効であると推定される。サファイア基板と反射防止膜との密着性が良好になるのは、サファイア基板を構成するＡｌと反射防止膜の第１層のＳｉＯ₂を構成するＳｉとが原子構造的に近似しているためと想像される。

また、本発明に係る光学素子ではサファイアからなる基材の表面に５〜１１層の奇数層からなる反射防止膜を設けているが、反射防止膜の光透過膜層を５層構造とした場合は、所定の透過特性を備えた反射防止膜を積層膜数を抑えて形成することができるという利点があり、７層から１１層構成とした場合は、より優れた透過特性を備えた光学素子として提供できるという利点がある。

サファイアからなる基材の表面に形成した反射防止膜の構成を示す説明図である。光学素子の実施例１の反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例１の可視域での反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例２の反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例３の反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例４の反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例４の可視域での反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例５の反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例６の反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例７の反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例８の反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例９の反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例１０の反射率特性を示すグラフである。光学素子の実施例１１の反射率特性を示すグラフである。光学素子の加熱特性試験の状態を示す説明図である。

Claims

サファイアからなる基材の表面に、５〜１１層の奇数層からなる光透過膜層が積層されてなる反射防止膜が設けられた光学素子であって、
前記反射防止膜が、基板側から奇数番目となる光透過膜層がＳｉＯ₂からなり、偶数番目となる光透過膜層がＴａ₂Ｏ₅からなることを特徴とする光学素子。
前記反射防止膜が５層の光透過膜層を積層してなるものであり、基準波長をλとしたときの、基板側を第１層として、第１層から第５層の光透過膜層の光学的膜厚を各々Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５とするとき、
Ｄ１＝（０．１１〜０．４９）×λ／４
Ｄ２＝（０．３３〜０．４９）×λ／４
Ｄ３＝（０．２５〜０．４１）×λ／４
Ｄ４＝（１．９９〜２．６５）×λ／４
Ｄ５＝（０．８０〜１．１２）×λ／４
であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
前記反射防止膜が５層の光透過膜層を積層してなるものであり、基準波長をλとしたときの、基板側を第１層として、第１層から第５層の光透過膜層の光学的膜厚を各々Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５とするとき、
Ｄ１＝（１．７５〜２．３６）×λ／４
Ｄ２＝（０．４２〜０．６９）×λ／４
Ｄ３＝（０．０９〜０．２５）×λ／４
Ｄ４＝（０．９３〜１．４２）×λ／４
Ｄ５＝（０．８５〜１．１２）×λ／４
であることを特徴とする光学素子。