JP2007127855A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子表面の反射を防止させ、さらに光の収束・発散作用を有するにもかかわらず、小型である光学素子を提供する。
【解決手段】基材の表面に複数の凸部を形成し、複数の凸部の周期が透過する光の波長より小さく、凸部の体積が基準軸からの位置に応じて変化することを特徴とする光学素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細構造を表面に形成した光学素子に関するものである。

近年、微細な凹凸構造を基材の表面に形成する加工技術が注目を集め、特許文献１、２には、電子ビームを用いて基材表面に形成したレジスト膜に対して露光し、レジスト膜を現像した後、エッチング処理を施すことにより、基材表面に微細構造を形成する方法や、レーザ光の干渉を利用して、レジスト膜を露光し、レジスト膜をマスクとして形成し、エッチングの速度を変化させて微細な円錐形の突起を形成する方法が開示されている。

これらの方法により、図１１に示すように、同一形状の円錐形の凸部を稠密にレンズ面上に配列することができ、レンズ表面に凸部を透過光の波長以下の間隔で多数形成することにより、凸部の底部から頂点に至るにつれて、徐々に屈折率が変化して、基材表面の反射を防止する効果を得ている。
特開２０００−２５８６０７号公報 特開２００４−１２８５６号公報

ところが、特許文献１、２に記載されている微細構造を形成した光学素子は、レンズ表面に多数の微細な凸部を形成しているため、レンズの曲率面における屈折作用と多数の凸部における反射防止とを行うことができ、反射防止を施したレンズ機能を有するものとなっているが、光学素子のサイズは従来のとおり、大きいままである。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、光学素子表面の反射を防止し、さらに光の収束・発散作用を有する小型の光学素子を提供することを目的とする。

上記の課題は次の構成により解決される。

１． 基準軸を有し光を透過させる基材と、
透光媒質からなり前記基材の表面に形成された複数の凸部とを備え、
前記凸部は、透過する光の波長より小さい周期で配列され、
前記基準軸と垂直である面において前記凸部の面積が前記凸部の底部から頂部に至るに従い小さくなるとともに、
前記凸部の体積が前記基準軸からの位置に応じて変化することを特徴とする光学素子。

２． 前記凸部の体積が基準軸から離れるに従い大きくなるように変化することを特徴とする１に記載の光学素子。

３． 前記凸部の体積が基準軸から離れるに従い小さくなるように変化することを特徴とする１に記載の光学素子。

４． 前記凸部が形成された前記基材の表面が曲面であることを特徴とする１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。

５． 前記凸部が形成された前記基材の表面が基準軸に対して傾斜した平面であることを特徴とする１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。

本発明は、基材の表面に複数の凸部を形成し、複数の凸部の周期が透過する光の波長より小さく、凸部の体積が基準軸からの位置に応じて変化することにより、光学素子はその表面の反射を抑え、光の収束・発散作用を有するとともに、光の入射方向の厚みを小さくした小型の光学素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１（ｃ）に、基材の表面に形成した凸部の形状を拡大して示す。

その凸部は、基材を透過する光の波長以下の周期Ｔで、周期的に配列され複数形成されている。各凸部は、断面が三角形の円錐形状を成し、凸部の周期Ｔが波長以下の長さに設定されていることにより、凸部への入射光に対する屈折率が徐々に変化することになり、反射率は低減される。例えば、可視光の波長４００〜７００ｎｍで用いる光学素子の場合、高さｈ＝２５０〜５００ｎｍ、周期Ｔ＝１５０〜３００ｎｍの凸部を基材の表面に隙間なく敷き詰めて、基材表面を透過する光の反射を防止する。凸部の形状としては、円錐、円錐台、角錐などがあり、凸部の断面形状としては、三角形の他に、台形、釣鐘形などが挙げられる。

次に、図１（ａ）では、反射防止作用とともに光の発散・収束作用を有する凸部の断面を模式的に示し、図１（ｂ）では、凸部を透過する光の屈折率が変化する状態について、模式的に示す。

図１（ａ）において、基材１１は、ガラス、樹脂などの光透過材質からなり、基準軸１２を有し、基材１１の一方の表面に多数の凸部１３ａ、１３ｂが形成されている。

凸部１３ａ、１３ｂは、図１（ｃ）に示すような高さｈ、周期Ｔで円錐形状に形成されているので、底部から先端の頂部にいくに従い、基準軸１２と垂直な面の面積が小さくなっている。なお、凸部については、後述するように、基準軸１２から離れる従い、断面形状が連続して変化するが、凸部１３ａと凸部１３ｂを代表させて説明する。

凸部１３ａは、基準軸１２を中心として一定の円周上に多数配列され、基準軸１２を含む断面では三角形である円錐体である。

また、凸部１３ｂは、基準軸１２を中心として凸部１３ａよりさらに外周の位置にあり、凸部１３ａと同じ高さ、同じ周期で円周上に多数配列され、基準軸１２を含む断面では凸部１３ａより鋭角の三角のような形状である円錐体であり、凸部１３ｂの体積が凸部１３ａより小さい。

図１（ｂ）において、実線で示す凸部１３ａ付近を透過する光の屈折率の変化をＮａで示し、破線で示す凸部１３ｂ付近を透過する光の屈折率の変化をＮｂで示す。

凸部１３ａの屈折率の変化については、図１（ｂ）のＮａに示すように、基材１１に入射した光に対する屈折率は一定であり、凸部１３ａの基材１１側である底部における屈折率は基材１１の屈折率と同じであるが、その頂部にいくに従い屈折率が徐々に小さくなり、凸部１３ａから射出すると空気などの媒質の屈折率となる。

凸部１３ｂの屈折率の変化については、図１（ｂ）のＮｂに示すように、凸部１３ａと同様に基材１１に入射した光に対する屈折率は一定であり、凸部１３ｂの基材１１側である底部における屈折率は基材１１の屈折率と同じであるが、その頂部にいくに従い屈折率が徐々に小さくなるが、底部から頂部に至る屈折率の変化の割合が凸部１３ａに比べると大きくなり、凸部１３ｂから射出すると空気などの媒質の屈折率となる。

つまり、凸部１３ａ、１３ｂを含めて、基準軸１２からその周辺に連続して配列される凸部は、基準軸を含む断面形状が釣鐘形から鋭角的な三角形に変化して、基準軸１２から離れるに従い、凸部の体積が徐々に小さくなる。このために、凸部における底部から頂部を透過する光の屈折率の変化割合が、基準軸１２から周辺にいくに従い、徐々に大きくなる。

このことにより、図１（ａ）の光線に示すように、基準軸１２から離れた周辺では光の進行速度が、基準軸１２の近辺に比べて早くなり、光学素子に平行に入射した光線は、光学素子を射出するときに、基準軸１２から周辺にいくに従い、偏向角が大きくなり、凸レンズのように基準軸１２上に収束する。

以上のように、平板の基材の表面に複数の凸部を形成し、複数の凸部の周期が透過する光の波長より小さく、凸部の体積が基準軸から周辺に至るのに応じて小さくすることにより、光学素子はその表面の反射を抑え、光の収束作用を有することができるとともに、光の入射方向の厚みを小さくすることができる。

次に、第２の実施形態について図２を参照しながら説明する。なお、第２の実施形態以降において、第１の実施形態と同じ構造、機能、動作など重複する説明は省略する。

図２は、平板の基材に微細な凹凸構造を形成し、光の発散作用を有する構成を説明するものであり、第１実施形態と同様に、多数の凸部２３ａ、２３ｂを基材２１の表面に配列してある。

凸部の配列については、凸部２３ｂは、基準軸２２を中心として凸部２３ａより外周の位置にあり、凸部２３ａと同じ高さ、同じ周期で円周上に多数配列され、基準軸２２を含む断面では三角形である円錐体であり、凸部２３ｂの体積が凸部２３ａより大きい。

このような凸部の配列により、基準軸２２から周辺にいくに従い、凸部の体積が徐々に大きくなるために、凸部の底部から頂部を透過する光の屈折率の変化割合が徐々に小さくなり、基準軸２２から離れた周辺では光の進行速度が、基準軸２２の近辺に比べて遅くなり、光学素子に平行に入射した光線は、光学素子を射出するときに、基準軸２２から周辺に至るほど、偏向角が小さくなり、基準軸２２から発散する。

次に、いろいろな変形例について説明する。第３の実施形態について、図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は、凸部が同じ高さであり、三角形と台形である断面形状の凸部を組み合わせた構成を示す。図３（ｂ）は、基準軸３２からの位置に対する凸部の断面形状変化を示すブラフである。グラフの横軸は、基準軸３２から最外周までの有効半径（Ｒ）に対する基準軸３２から所定の位置における半径（ｒ）の比を示し、また、グラフの縦軸は、凸部の底部の幅（Ｂ）に対する頂部の幅（ｂ）の比を示す。

第１実施形態と同様に、多数の凸部３３ａ、３３ｂを基材３１の表面に配列し、図３（ａ）に示すように、基準軸３２の近辺において基準軸３２を含む断面では凸部３３ａが台形であり、基準軸３２の付近において基準軸３２を含む断面では凸部３３ａが上辺の小さい台形や、三角形である。

つまり、図３（ｂ）に示すように、基準軸３２から離れて周辺にいくに従い、凸部の幅の比ｂ／Ｂが小さくなるように連続して変化している。

従って、基準軸３２から周辺に至ると、凸部の体積が徐々に小さくなるために、凸部の底部から頂部に至る屈折率の変化の割合が徐々に大きくなり、光学素子に平行に入射した光線は、光学素子を射出するときに凸レンズのように収束する。

第４の実施形態について、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）は、凸部の高さが周辺に至る程に低くなる三角形の断面形状の凸部を組み合わせた構成を示し、図４（ｂ）は、グラフの横軸をｒ／Ｒ、縦軸を基準軸４２にある凸部の高さに対する比ｈ／Ｈを示すが、図３（ｂ）のグラフと同様に、ｒ／Ｒが大きくなる、つまり基準軸４２から離れていくと、凸部の高さの比ｈ／Ｈが小さくなるように連続して変化して、基準軸４２から周辺に至ると、凸部の体積が徐々に小さくなるために、第３実施形態と同様に、光学素子を射出するときに凸レンズのように収束する。

第５の実施形態について、図５を参照しながら説明する。図５（ａ）は、凸部が同じ高さであり、鋭角三角形と釣鐘形状である断面形状の凸部を組み合わせた構成を示し、図５（ｂ）は、グラフの横軸にｒ／Ｒ、縦軸に基準軸５２にある凸部の体積に対する比ｖ／Ｖを示すが、図３（ｂ）のグラフと同様に、ｒ／Ｒが大きくなると、凸部の体積の比ｖ／Ｖが小さくなるように連続して変化して、基準軸５２から周辺に至ると、凸部の体積が徐々に小さくなるために、第３実施形態と同様に、光学素子を射出するときに凸レンズのように収束する。

第６の実施形態について、図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は、凸部の高さが周辺に至る程に低くなり、かつ底部の幅が小さくなる三角形の断面形状の凸部を組み合わせた構成を示し、図６（ｂ）のグラフに示すように、ｒ／Ｒが大きくなると、凸部の体積の比ｖ／Ｖが小さくなるように連続して変化して、基準軸６２から周辺に至ると、凸部の体積が徐々に小さくなるために、第３実施形態と同様に、光学素子を射出するときに凸レンズのように収束する。

第３乃至６の実施形態において、収束作用を有する構成を説明したが、基準軸から周辺に至るほど、凸部の体積を徐々に大きくする構成として、凹レンズのように発散させることも可能である。

第７の実施形態について、図７を参照しながら説明する。図７は、光の収束位置を２箇所にする作用を有する構成を示す。基準軸７２Ａを中心に配列された凸部７２Ａａ、７２Ａｂにおいて、基準軸７２Ａから周辺に至ると、凸部の体積が徐々に小さくなるため、基準軸７２Ａ上の特定の位置に収束する。凸部７２Ｂから外周にある凸部７２Ｂａ、７２Ｂｂでは、凸部の体積が小さくなる割合を、内周にある凸部７２Ａａ、７２Ａｂとは異ならせる。このことにより、外周にある凸部７２Ｂａ、７２Ｂｂは、内周にある凸部７２Ａａ、７２Ａｂとは基準軸７２Ａ上の異なる点に収束することになる。

この実施態様では、２焦点レンズ機能を示したが、類似の構成で内周と外周の収束点を一致させればフレネルレンズような薄型で大きなパワーを有する光学素子とすることができる。

また、この実施態様では、内周と外周の２段構成としたが、さらに段数を増やすと一層強い光学パワーを持たせることができる。

第８の実施形態について、図８を参照しながら説明する。図８は、基材８１が基準軸８２を光軸とする凸状の曲面８４を有し、その曲面８４上に凸部８３ａ、８３ｂを形成した構成を示し、この構成により、凸部８３ａ、８３ｂによる収束作用に凸状の曲面８４の屈折作用を付加することができるため、曲面８４の屈折による光学パワーに加えて、補正的な光学パワーや付加的な光学パワーを持たせることができる。

なお、本発明は、ここまで説明した基準軸を中心にした点対称で体積の異なる凸部を配列した構成に限らず、基準軸を含む線を基準にして体積の異なる凸部を配列することも可能である。

例えば、図９を参照しながら説明する。図９は、基材９１が基準軸９２に対して傾斜した平面９４を有し、その平面９４上に凸部９３ａを図の紙面と垂直である方向に多数配列し、同様に凸部９３ｂを図の紙面と垂直である方向に多数配列して形成した構成を示し、入射する光に対して進行方向を変えて、収束させることができる。

次に、基材に微細凹凸構造が施された光学素子の製造方法を説明する。図１０（ａ）乃至（ｆ）に光学素子の製造工程を模式的に示す。

ガラス、樹脂などの光学材料から成る基材１１１を用意し（ａ）、コーティングにより基材１１１上にレジスト膜１２０を設ける（ｂ）。このレジスト膜１２０を２光束干渉法により露光して、レジスト膜１２０にスリット１３０を形成する（ｃ）。ここで、スリット１３０の大きさを凸部の高さ、間隔に応じて異ならせる。

スリット１３０の形成後、レジスト膜１２０上及びスリット１３０から露出している基材１１１上に、真空蒸着法によりクロム膜１４０を形成する（ｄ）。そして、レジスト膜１２０を溶解させ、レジスト膜１２０上に形成されたクロム膜１４０を除去する（ｅ）。その結果、基板１１１上のクロム膜１４０のみが残る。

次に、クロム膜１４０をマスクとするドライエッチングによって、基材１１１を加工する。基材１１１のエッチングでは、スリット１３０の大きさに応じて、深さ方向と水平方向とでエッチングの進行度合いが異なることにより、基材１１１が次第に所望の凸部の形状になっていく。最後に、クロム膜１４０を除去する（ｆ）。これで、断面が三角形、台形である凸部のパターン１１３を表面に有する光学素子が得られる。

なお、電鋳法により型材に金属膜を設け、金属膜に図１０の工程を施した後、転写して成形型にして、その成形型で所望の光学素子を製造することも可能である。

本発明係わる光学素子の微細凸部の断面形状（ａ）、凸部の屈折率の変化（ｂ）、凸部の斜視形状（ｃ）を説明する図。 本発明に係わる第２の実施形態における光学素子の微細凸部の断面形状を説明する図。 本発明に係わる第３の実施形態の光学素子の断面形状（ａ）、凸部の形状変化（ｂ）を示す図。 本発明に係わる第４の実施形態の光学素子の断面形状（ａ）、凸部の形状変化（ｂ）を示す図。 本発明に係わる第５の実施形態の光学素子の断面形状（ａ）、凸部の形状変化（ｂ）を示す図。 本発明に係わる第６の実施形態の光学素子の断面形状（ａ）、凸部の形状変化（ｂ）を示す図。 本発明に係わる第７の実施形態の光学素子を示す図。 本発明に係わる第８の実施形態の光学素子を示す図。 本発明に係わる第９の実施形態の光学素子を示す図。 本発明に係わる光学素子の製造方法を示す図。 光学素子の従来例を示す断面図。

符号の説明

１１、２１、３１ 基材
１２、２２、３２ 基準軸
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ 凸部
Ｎａ、Ｎｂ 屈折率
Ｔ 凸部の周期
１１１ 基材
１１３ パターン
１２０ レジスト
１４０ クロム膜

Claims (5)

1. 基準軸を有し光を透過させる基材と、
   透光媒質からなり前記基材の表面に形成された複数の凸部とを備え、
   前記凸部は、透過する光の波長より小さい周期で配列され、
   前記基準軸と垂直である面において前記凸部の面積が前記凸部の底部から頂部に至るに従い小さくなるとともに、
   前記凸部の体積が前記基準軸からの位置に応じて変化することを特徴とする光学素子。
2. 前記凸部の体積が基準軸から離れるに従い大きくなるように変化することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記凸部の体積が基準軸から離れるに従い小さくなるように変化することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
4. 前記凸部が形成された前記基材の表面が曲面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記凸部が形成された前記基材の表面が基準軸に対して傾斜した平面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子。

Images