JP2005148591A

JP2005148591A - 反射光学素子

Info

Publication number: JP2005148591A
Application number: JP2003388930A
Authority: JP
Inventors: Michio Shirai; 道雄白井; Kunihisa Koo; 邦寿小尾; Masaru Morooka; 優諸岡; Hisashi Goto; 尚志後藤
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】光学系での不要な光の反射を抑制し、ゴースト、フレアなどの発生を抑制する光学素子を提供する。
【解決手段】少なくとも1面の光反射面をもつ光学素子において、光反射面の光学有効範囲部分Ｃ以外の表面部分Ａに可視光の波長より小さいピッチＰをもつ微細凹凸周期構造を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、入射光の波長よりも小さなピッチを有する微細凹凸周期構造を有する反射光学素子に関する。

屈折率差がある２つの物質の境界を光が透過する場合、その屈折率差に応じて光の反射が生じ、この反射光が光学的に好ましくない作用を及ぼすことがある。反射光学系では境界で光が反射するように設定されているが、観察光学系や撮像光学系の光学系では、光学有効範囲部分以外の部分からの不要な光の反射が出てしまうと、光学的に好ましくない作用を及ぼすことがある。例えば、カメラや内視鏡など観察光学系や撮像光学系を有する光学機器では、プリズムなどの反射光学素子が多数使用されているが、不要な反射光によるゴースト、フレアの発生があるため、不要な光の反射を低減することが行われている。一般的には、反射面の光学有効範囲部分以外の部分からの反射を防ぐために、光学面（反射する光線が入射する面や反射面）の光学有効範囲部分以外の部分に黒色塗料を塗布したり、遮光マスクを設置するなどして遮光部を形成している。あるいは、反射面にアルミニウムや銀等の金属薄膜を形成するときに光学有効範囲部分以外を機械的に覆うことにより、光学有効範囲部分以外に可能な限り金属薄膜が形成されないようにして、光学有効範囲部分以外からの反射光が出ないようにしている。また、光路上に絞り部材を配置したり、光学素子に溝を形成するなどしているが、これらの対処のため光学素子の形状を複雑にしているのが現状である。例えば、特許文献１には遮光効果のバラツキを抑え、フレアーを発生させないためにプリズム分割面に遮光枠を設けた色分解プリズム装置が示されている。また、特許文献２には接眼光学系と観察者の眼球の間に開口を有する遮光板を設けフレアー光等を遮断する画像表示装置が示されている。
特開平５−３４６５０１号公報特開平９−６５２４５号公報

光学面の光学有効範囲部分以外の部分に黒色塗料などで遮光部を形成する場合、他の光学面に塗料が付着しないような処置、例えば、テープによるマスキングなどを手作業で行う必要があるが、これは、非常に手間がかかり、生産性が低いものとなる。また、遮光部形成の対象となる光学面が小さくなると、付着防止処置が細やかな作業となり、非常に難しくなり、さらに生産性が低下する。

反射面に金属薄膜を形成する場合には、一般には蒸着、スパッタ法が用いられる。これらの方法では、治具等で反射面の光学有効範囲部分以外の表面を覆った際に、隙間が僅かでもあると、そこからアルミニウムや銀などの蒸着物質が回り込み、光学有効範囲部分以外の表面にも金属膜が付着し、付着した部分で反射が生じてしまう。また、うまく光学有効範囲部分以外への金属膜の付着を防止できても、光学有効範囲部分以外の表面での屈折率差（光学素子材料と空気の屈折率差）により、反射が生じてしまう場合がある。

本発明は、上記のような従来技術の課題に鑑み、光学系での不要な光の反射を抑制し、ゴースト、フレアなどの発生を抑制する反射光学素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の反射光学素子は、少なくとも１面の光反射面を有する光学素子において、光反射面の光学有効範囲部分以外の表面部分に可視光波長以下のピッチを有する微細凹凸周期構造を有することを特徴とする。

また、本発明の反射光学素子は、少なくとも１面の光反射面を有する光学素子において、光反射面の光学有効範囲部分以外の表面部分に可視光波長以下のピッチを有する微細凹凸周期構造を有し、光反射面には、アルミニウムの薄膜が形成され、光学有効範囲部分以外の表面部分はアルミニウムが陽極酸化処理が施されたことを特徴とする。

また、本発明の反射光学素子は、少なくとも１面の光反射面を有する光学素子において、光反射面の光学有効範囲部分以外の表面に可視光波長以下のピッチを有する微細凹凸周期構造を有し、光反射面が平面以外の形状を有することを特徴とする。

本発明によれば反射光学素子の光学有効範囲部分以外の表面部分に反射防止効果のある微細凹凸周期構造を形成することで、光学系での迷光によるゴースト、フレアの発生を抑制した反射光学素子を提供することができる。また、量産に適した成形法や陽極酸化法を用いることにより微細凹凸周期構造を形成できるので、非常に生産性に優れた反射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用いて説明する。
本発明の実施形態の説明に先だって、微細凹凸周期構造による光の反射防止について基本的事項を説明する。
図１は、本発明の反射光学素子の反射面の光学有効範囲部分以外に形成された微細凹凸構造の一形態を例示する断面図である。図２は微細凹凸周期構造の具体的構造を示している。（a）は微細凹凸周期構造が略円錐形状突起よりなる例を示す。(b)は微細凹凸周期構造が略三角錐形状突起よりなる例を示す。(c)は(a)の変形例である。(d)および（e）は（a）の他の変形例である。図３は多数の微細孔ｈがピッチ間隔で規則的に繰り返し（周期的に）配列されている微細凹凸周期構造の他の例を示す。
図中、Ｈは微細凹凸構造の凹凸部の底部Ｂと頂部Ｔとの高低差であり、即ち高さを示す。また、Ｐは微細凹凸構造の凹凸部の頂点Ｔとその隣の凹凸部の頂点Ｔとの間の間隔、もしくは、断面でみたところの凸部または凹部の中点とその隣の凸部または凹部の中点との間の間隔である。例えば、微細凹凸周期構造の構成単位である凹凸部が錐体形状の場合、この錐体の突起の頂点Ｔとその隣の突起の頂点Ｔとのピッチに対応するものである。
本発明における微細凹凸周期構造は、その構成単位である凹凸部が円錐状、角錐状等の錐体で形成され、これらの錐体の突起が多数、面上に配されており、これら突起の頂点Ｔが可視光線の波長以下のピッチ（間隔）Ｐで繰りかえし規則的（周期的）に配列されて形成された構造を有するものである。また、本発明における微細凹凸周期構造には、上記の図３に示す構造も含まれる。

可視光の波長より短いピッチで配列された多数の微細な凹凸が表面に存在すると、その微細な凹凸の底部Ｂでは、微細な凹凸を形成する材料が大部分を占めているため、その部分での屈折率はその材料の特性を持つが、微細凹凸の表面すなわち頂部Ｔに近づくにつれ、微細凹凸を形成する材料の体積占有率が低くなり、代わりに微細凹凸に接している物質（通常は、空気）の占める割合が増加するため、見かけ上、微細凹凸の底部と上部の間で屈折率が連続的に変化している層と同様の効果を持つようになる。光の反射は、異なる屈折率を持つ透明な材料の界面を光が透過する際に、屈折率差があるために生じる。微細凹凸周期構造では、連続的に屈折率変化を与えるため、光反射が防止されるようになる。

良好な反射防止効果を得るためには、図２に例示されるような微細凹凸は略四角錐、略三角錐、略円錐などの略錐体形状であることが好ましい。また、微細凹凸周期構造のピッチＰは、対象となる光の波長λより短く、微細凹凸の高さＨと微細凹凸周期構造のピッチＰの比は、０．２〜４とすることが望ましい。本実施形態ではＰ及びＨは夫々１００〜４００nｍである。（図１参照）

上記の図３に示されるような微細孔ｈが規則的に繰り返し（周期的に）配置された微細凹凸構造を形成する微細孔周期構造のものでも、反射防止効果が得られる。この場合のピッチＰも対象となる光の波長λより小さく、微細孔のピッチＰと微細孔の深さＨとの比は、１以上とすることが望ましい。

ここで光が全反射する条件である臨界角、屈折率と反射防止効果との関係を説明する。
二つの透明な材料の界面で光が全反射する臨界角θｃは下記の式で表される。
θｃ＝ｓｉｎ^-1（ｎ１／ｎ２）但し、ｎ１、ｎ２は、それぞれの透明な材料の屈折率である。
上記のように微細凹凸周期構造では、屈折率が連続的に変化している層と同等の効果が得られるため、微細凹凸層は微視的な範囲では、ｎ１≒ｎ２となり、非常に大きな臨界角となる。このため、微細凹凸周期構造では、光の入射角が大きくなっても良好な反射防止効果を得ることができる。

このため、光学設計上予期し得ない迷光が、反射面に対して大きな入射角で照射された場合でも、広い範囲の入射角の光に対して、反射防止効果が得られるようになる。

ここで用いられる微細凹凸周期構造は、どのような方法を用いて作製してもよい。例えば、半導体による集積回路形成で用いられる微細加工技術を転用して、あるいは、リソグラフィー技術を応用して電子線描画やレーザー干渉法によりレジストパターンを形成した後に、原子線、イオンビームあるいは薬液などによりエッチングするなどの方法で、光学素子の光学有効範囲部分以外の表面に直接、微細凹凸周期構造を形成させることができる。

また、前述のリソグラフィー技術の応用により、型基材に逆の微細凹凸周期構造を形成させる方法や、ガラスなどの基材に所定の微細凹凸周期構造を形成させた後、これにニッケル等の金属メッキを行って、メッキ層を剥がして型とする電鋳法により、成形用の型を作製し、これを用いて光学素子を成形して、所定の位置に微細凹凸周期構造を形成させる方法がある。また、金属薄膜が反射面に形成された光学素子における光学有効範囲部分以外の表面の金属薄膜についても同様に、リソグラフィー技術を応用した微細パターンエッチング法が適用できる。

金属薄膜がアルミニウムの場合、陽極酸化法により微細孔周期構造を形成できる。したがって、アルミニウム薄膜が全面に形成された反射面の光学有効範囲部分をレジスト材等で保護して陽極酸化法を適用した後、レジスト材等の保護材を除去することで容易に、光学有効範囲部分以外に微細孔周期構造からなる微細凹凸周期構造を形成できる。さらに、陽極酸化された部分は、アルミニウム（Ａｌ）からアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）へ変化し透明となり、光が透過するため、一層光反射を抑制できる。

上記のように金属薄膜がアルミニウムの場合、前述のリソグラフィー技術の応用で必要となる電子線描画装置、レーザー干渉露光装置あるいは微細パターンマスクなどの非常に高額な設備類を用いることなく、微細孔周期構造からなる微細凹凸周期構造を形成できる。

以下図面を用いて、本発明の実施形態をより詳細に説明するが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。
実施形態１
図４は、頭部装着型画像表示装置に用いられる偏心光学系９の光路図である。
図中、１は瞳位置を示す。これに対して偏心光学系９である自由曲面プリズム６が置かれている。２は軸上主光線であり、３は自由曲面プリズム６の第１面、４は第２面、５は第３面５を示す。また、７は像面である。像面７には、液晶表示素子などの表示素子が配置される。像面７で表示された画像は、自由曲面プリズム６の第３面５を透過し、第１面３で全反射され、第２面４で再び反射し、第１面３を透過して瞳１に到達する。第２面４の全面には、アルミニウム薄膜が蒸着により形成されている。

図５のハッチング部分Ａに示す自由曲面プリズム６の第１面３の光学有効範囲部分以外の部分には、即ち、外周から１ｍｍの範囲の部分には微細凹凸周期構造が表面に形成されている。本実施形態では、形成されている微細凹凸周期構造のピッチＰは１５０ｎｍ、凹凸高さＨは１５５ｎｍである。（図１参照）

本実施形態の自由曲面プリズム６は、アモルファスポリオレフィン系プラスチック（日本ゼオン製ゼオネックス（登録商標）４８０Ｒ）を射出成形することで作製した。射出成形に用いた金型は、自由曲面プリズム６の第１面３に対応する金型表面にリソグラフィー技術を応用して、図５に示した光学有効範囲部分Ｃ以外の部分に図１に示した微細凹凸周期構造とは逆の形状の微細凹凸周期構造が形成されたものを用いた。

図８に自由曲面プリズム６の第１面３上に微細凹凸周期構造が形成された部分の反射率を示す。アモルファスポリオレフィン系プラスチックは屈折率ｎ₀＝１．５２であり、無処理の面では、約４％の反射率となるのに対し、図８から明らかなように十分な反射防止効果が得られている。また、上記自由曲面プリズム６を頭部装着型画像表示装置へ組み込み、目視による画像表示評価を行ったところ、ゴースト光はまったく見られず良好であった。
実施形態２
図６は、自由曲面プリズムを用いた撮像光学系の例を示す。
図中、第１の自由曲面プリズム１０は第１面１１、第２面１２および第３面１３を有し、第２の自由曲面プリズム２０は、第１面２１、第２面２２および第３面２３を有する。第１の自由曲面プリズム１０の第１面１１側からの光線が自由曲面プリズム１０の入射面１１を透過し、第１反射面１２で反射され、射出面１３より射出される。第１の自由曲面プリズム１０より射出され、絞り１４を経た光線は、第２の自由曲面プリズム２０の入射面２１を透過し、第１反射面２２で反射され、今度は、第１面２１で全反射され、射出面２３を透過して像面７上に結像する。

ここで、第１の自由曲面プリズム１０の第２面１２および第２の自由曲面プリズム２０の第２面２２の全面には、膜厚０．１μｍのアルミニウム薄膜が形成されている。また、図７に示すように第２面２２の光学有効範囲部分Ｃ以外の部分Ｂ（ハッチング部分）の薄膜には、アルミニウムの陽極酸化により形成された微細孔周期構造が形成されている。
本実施形態で形成された微細孔周期構造では、孔径ｈは５０ｎｍ、ピッチＰは１００ｎｍである。

本実施形態２の第１の自由曲面プリズム１０および第２の自由曲面プリズム２０は、アモルファスポリオレフィン系プラスチック（日本ゼオン製ゼオネックス（登録商標）４８０Ｒ）を射出成形することで作製した。成形後、通常の真空蒸着法により第１の自由曲面プリズム１０の第２面１２および第２の自由曲面プリズム２０の第２面２２の全面へアルミニウム薄膜（膜厚０．１μm）を形成した。

さらに、第２の自由曲面プリズムの第２面２２の全面へ有機溶剤に可溶な光硬化型樹脂を塗布して、光学有効範囲の部分でのみ樹脂を硬化させた後、洗浄により未硬化樹脂を除去し、露出したアルミニウムの薄膜を陽極酸化をすることで、光学有効範囲部分以外の部分のアルミニウム薄膜部に微細孔周期構造を形成した。この後、有機溶剤により、光学有効範囲部分の樹脂を除去した。また、図示してはいないが、第１の自由曲面プリズム１０のアルミニウム薄膜が形成された第２面１２についても同様に処理を行い、光学有効範囲部分以外の部分に微細孔周期構造を形成した。
陽極酸化の条件については、０．３ｍｏｌ／ｌしゅう酸溶液中、電圧４０Ｖで陽極酸化処理を行った、上記第１、第２自由曲面プリズムを撮像評価用筐体に組み込み、撮像評価を行ったところ、ゴーストの発生はなく、良好な結果が得られた。同様にして、アルミニウム薄膜に処理を施していない自由曲面プリズムでは若干のゴーストがみられた。なお、本実施形態では、アルミニウム薄膜の膜厚を０．１μmとして行ったが、膜厚は、０．０６μm〜０．４μmの範囲で選択して用いることができる。

本発明に用いられる微細凹凸周期構造の一形態の断面図である。本発明に用いられる微細凹凸周期構造の各種形態例の斜視図で、（a）は微細凹凸周期構造が略円錐形状突起よりなる例、（b)は微細凹凸周期構造が略角錐形状突起よりなる例、(c)は、(a)の変形例、（ｄ）、（e）は、（c）の変形例である。本発明に用いられる微細凹凸周期構造の一例の外観斜視図である。本発明の実施形態１の光学系の説明図である。本発明の実施形態１における自由プリズム面の外観斜視図である。本発明の実施形態２の光学系の説明図である。本発明の実施形態２における自由プリズム面の外観斜視図である。本発明の実施形態の反射率特性を示すグラフである。

符号の説明

１瞳位置
２軸上主軸光線
３プリズムの第１面
４プリズムの第２面
５プリズムの第３面
６自由曲面プリズム
７像面
１０第一プリズム
１１第一プリズムの第１面
１２第一プリズムの第２面
１３第一プリズムの第３面
１４絞り
２１第２プリズムの第１面
２２第２プリズムの第２面
２３第２プリズムの第３面
Ａ、Ｂ光学有効範囲部分以外の表面部分
Ｈ高さ
Ｐピッチ
Ｂ底部位置
Ｔ頂部位置
ｈ細孔

Claims

少なくとも１面の光反射面を有する光学素子において、光反射面の光学有効範囲部分以外の表面部分に可視光の波長よりも小さなピッチを有する微細凹凸周期構造を有することを特徴とする反射光学素子。
光反射面には、アルミニウムの薄膜が形成され、光反射面の光学有効範囲部分以外の表面部分は陽極酸化されたアルミニウムであることを特徴とする請求項1に記載の反射光学素子。
光反射面が平面以外の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の反射光学素子。