JP2016018081A - 反射防止構造及び反射防止赤外線光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】波長依存性及び入射角依存性が低く、且つ、耐擦傷性・耐水性等の耐環境性の高い反射防止構造及び当該反射防止構造を備えた反射防止赤外線光学素子を提供する。
【解決手段】赤外線透過基材１０ａの表面に赤外線波長以下の周期で規則的に設けられた、互いに隣接する複数の微細凹部２１からなる反射防止構造２０であって、当該赤外線透過基材１０ａの表面における当該微細凹部２１の開口部２２の開口面積に対して、当該赤外線透過基材１０ａの内側に位置する当該微細凹部２１の底面２３の面積が小さく、当該赤外線透過基材１０ａの深さ方向に向かって、当該微細凹部２１の開口面積が漸減する反射防止構造２０。
【選択図】図１

Description

本件発明は、赤外線波長域光線に対する反射防止構造及び反射防止赤外線光学素子に関し、特に、遠赤外線波長領域の光線に対する反射防止構造及びそれを備えた反射防止赤外線光学素子に関する。

近年、赤外線カメラや赤外線温度センサ等の赤外線を利用した種々の光学機器が提案されている。これらの光学機器では、物体で反射した赤外線、又は、物体から放射される赤外線を赤外線用の光学素子により集光し、受光した赤外線光量に基づいて、被写体像を形成したり、物体の温度分布を検知したりする。

赤外線用の光学素子はカルコゲナイドガラス等の赤外線透過材料から構成されている。このような光学素子にあっては、その表面に反射防止膜や反射防止構造を設け、赤外線の表面反射を抑制することにより、当該光学素子の赤外線透過量を増加させることが一般に行われている。

例えば、特許文献１には、赤外線透過基板上に、ＺｎＳ層、Ｇｅ層、ＣｅＦ３層、ＣｅＯ２層を順に積層した多層膜から成る反射防止膜が開示されている。この特許文献１に開示の反射防止膜によれば、光の干渉作用を利用することにより優れた反射防止特性が得られると共に、特に耐水性に優れた耐環境性の高い反射防止膜が得られるとしている。

一方、特許文献２には、赤外線用の光学素子の表面に、赤外線の波長よりも短い周期で紡錘形状の凸部が規則的に配置されており、この凸部の間には紡錘形状の凹部がそれぞれ配置されている。光学素子の表面には、この凸部と凹部とにより連続した凹凸構造が形成されており、光学素子の表面で屈折率を緩やかに変化させることにより高い反射防止効果を得ることができるとしている。

特開２００６−７２３０１号公報 特開２０１０−７２４８４号公報

しかしながら、カルコゲナイド等の赤外線透過材料から成る赤外線用の光学素子の屈折率は、可視光用の光学素子の屈折率と比較すると大きく、その表面における反射率も大きくなる。また、多層膜からなる反射防止膜は、反射防止効果の波長依存性や、入射角依存性が高く、所定の角度から入射する設計中心波長の赤外線に対しては、極めて低い反射率を達成することができたとしても、入射光の波長が設計中心波長からのずれが大きくなったり、入射光の入射角が変化すると、反射率が高くなる場合がある。

また、近年、赤外線カメラは監視カメラや車載カメラ等として使用されることが多く、これらの屋外で使用される赤外線カメラでは、そのレンズ面には降雨・結露などにより水滴が直接付着するため、耐水性等が求められる。しかしながら、特許文献１のように、赤外線透過基材の表面に、赤外線透過基材とは異なる材料からなる反射防止膜に対して水滴が付着した場合、赤外線透過基材と反射防止膜との密着性が低下する恐れがあった。

一方、特許文献２に記載されるように、入射光の波長よりも短いピッチで規則的に配置された凸部により形成された微細凹凸構造を光学素子の表面に設けることにより、波長依存性や入射角依存性の少ない反射防止構造とすることができる。しかしながら、光学素子の表面から微細な凸部が突出しているため、表面の耐擦傷性が低く、摩耗等により凸部形状が変化し易く、反射防止効果が経時的に低下する恐れがあった。

本件発明は、波長依存性及び入射角依存性が低く、且つ、耐擦傷性及び耐水性の高い反射防止構造及び当該反射防止構造を備えた反射防止赤外線光学素子を提供することを課題とする。

本発明者等は、鋭意研究を行った結果、以下の反射防止構造を採用することで上記課題を達成するに到った。

本件発明に係る反射防止構造は、８μｍ〜１４μｍの波長域の赤外線を透過する赤外線透過基材の表面に当該赤外線の波長以下の周期で規則的に設けられた、互いに隣接する複数の微細凹部からなる反射防止構造であって、当該赤外線透過基材の表面における当該微細凹部の開口部の開口面積に対して、当該赤外線透過基材の内側に位置する当該微細凹部の底面の面積が小さく、当該赤外線透過基材の深さ方向に向かって、当該微細凹部の開口面積が漸減することを特徴とする。

本件発明に係る反射防止構造において、前記微細凹部の深さをＨ（μｍ）としたとき、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。

６ ≦ Ｈ ≦ ２５ ・・・（１）

本件発明に係る反射防止構造において、各微細凹部の前記開口部が呈する二次元形状の重心位置を求め、互いに隣接する微細凹部の重心位置間の距離を求めたときの平均値をＰ（μｍ）とし、各微細凹部の前記開口部の開口面積の和をＳ１（μｍ^２）とし、各微細凹部の前記底面の面積の和をＳ２（μｍ^２）とし、当該赤外線透過基材において当該反射防止構造が設けられた反射防止構造形成領域において、その表面が平滑であると仮定したときの、当該反射防止構造形成領域の面積をＳ（μｍ^２）とした場合、以下の条件式（２）〜条件式（４）を満足することが好ましい。

１ ≦ Ｐ ≦ ４ ・・・（２）
０．８ ≦ Ｓ１／Ｓ ・・・（３）
０ ≦ Ｓ２／Ｓ１ ≦ ０．５ ・・・（４）

本件発明に係る反射防止構造において、前記微細凹部の三次元形状は、頂点側が深さ方向にある多角錐台状に形成されており、前記開口部の二次元形状は多角形状を呈することが好ましい。

本件発明に係る反射防止構造において、前記微細凹部の三次元形状は、頂点側が深さ方向にある円錐台状に形成されており、前記開口部の二次元形状は円形状を呈することが好ましい。

本件発明に係る反射防止構造において、前記赤外線透過基材は、カルコゲナイドガラス又はゲルマニウム製であることが好ましい。

本件発明に係る反射防止赤外線光学素子は、上記の反射防止構造を、赤外線透過基材の表面に設けたことを特徴とする。

本件発明によれば、赤外線透過基材の表面に赤外線波長以下の周期で規則的に設けられた、互いに隣接する複数の微細凹部からなる反射防止構造とすることにより、赤外線透過基材の表面に深さ方向に向かって、屈折率を緩やかに変化させることができ、波長依存性及び入射角依存性の低い反射防止構造とすることができる。また、当該反射防止構造では、赤外線透過基材の表面から突出する凸部が存在せず、赤外線透過基材の内側に凹む微細凹部により構成されているため、当該赤外線透過基材の表面に他の物体が接触した場合も、反射防止構造の形状が変化しにくい。このため、耐擦傷性が高く、摩耗等により反射防止効果が経時的に低下するのを防止することができる。また、当該反射防止構造は、当該赤外線透過基材自体の表面に形成された上記微細凹部から構成されている。すなわち、当該反射防止構造は、当該赤外線基材の表面に当該赤外線透過基材とは異なる材料から形成されたものではなく、当該赤外線透過基材自体の表面構造であるから、当該赤外線透過基材の表面が水に浸漬した場合も反射防止構造を赤外線透過基材の表面に維持することができ、反射防止構造の形状変化や基材表面からの剥離等の問題が生じない。従って、本件発明によれば、波長依存性及び入射角依存性が低く、且つ、耐擦傷性及び耐水性の高い反射防止構造及び当該反射防止構造を備えた反射防止赤外線光学素子を提供することができる。

本件発明に係る反射防止構造及び反射防止赤外線光学素子の一例を模式的に示した斜視図である。 本件発明で用いる赤外線光学素子の一例を模式的に示した斜視図である。 本件発明に係る反射防止構造を赤外線透過基材の表面に形成する際に用いる金型の構成例を模式的に示した斜視図である。 比較例２の反射防止構造及び赤外線光学素子の断面を模式的に示した図である。 実施例１の反射防止赤外線光学素子の分光反射率を示す図である。 比較例１の反射防止赤外線光学素子の分光反射率を示す図である。 実施例２の反射防止赤外線光学素子の分光反射率を示す図である。 実施例３の反射防止赤外線光学素子の分光反射率を示す図である。 比較例２の反射防止赤外線光学素子の分光反射率を示す図である。 比較例１の水浸漬試験後の外観を示す図である。

本件発明に係る反射防止赤外線光学素子１０及び反射防止構造２０の実施の形態を図１及び図２を参照しながら以下説明する。図１は、本件発明に係る反射防止構造２０及び反射防止光学素子１０の一例を模式的に示した斜視図であり、図２は赤外線光学素子の一例を模式的に示した斜視図であり、本件発明に係る反射防止構造２０が設けられていない状態の赤外線光学素子を示したものである。

本件発明に係る反射防止構造２０は、８μｍ〜１４μｍの波長域の赤外線を透過する赤外線透過基材１０ａの表面に設けられ、当該赤外線透過基材１０ａに入射した上記波長域内の赤外線、つまり遠赤外線の反射を防止する機能を有する。当該反射防止構造２０は、例えば、赤外線カメラや赤外線温度センサ等の赤外線を利用した種々の光学機器で用いられる赤外線レンズ等の赤外線用の光学素子本体（以下、赤外線光学素子（赤外線透過基材１０ａ））の表面に設けられることが好ましい。これらの光学機器では、物体で反射した赤外線、又は、物体から放射される赤外線をこの赤外線光学素子により、集光し、受光した赤外線光量に基づいて、被写体像を形成したり、物体の温度分布を検知したりする。赤外線光学素子の表面に本件発明に係る反射防止構造２０を設けることにより、赤外線光学素子表面における赤外線の反射を抑制することができ、当該赤外線光学素子の赤外線透過量を増加させることができる。その結果、より鮮明な被写体像を得たり、物体の温度分布を精度よく検出することが可能になる。以下、本件発明に係る反射防止構造２０及び赤外線光学素子の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

１．反射防止構造２０
まず、本件発明に係る反射防止構造２０の実施の形態を説明する。本件発明に係る反射防止構造２０は、赤外線透過基材１０ａの表面に赤外線波長以下の周期で規則的に設けられた、互いに隣接する複数の微細凹部２１からなる反射防止構造２０であって、当該赤外線透過基材１０ａの表面における当該微細凹部２１の開口部２２の開口面積（Ｓ１）に対して、当該赤外線透過基材１０ａの内側に位置する当該微細凹部２１の底面２３の面積（Ｓ２）が小さく、当該赤外線透過基材１０ａの深さ方向に向かって、当該微細凹部２１の開口面積が漸減することを特徴とする。

１−１．赤外線透過基材１０ａ
本件発明において、赤外線透過基材１０ａは８μｍ〜１４μｍの波長域の赤外線を透過する基材であれば特に限定されるものではなく、例えば、カルコゲナイドガラス製基材又はゲルマニウム製基材を挙げることができる。当該赤外線透過基材１０ａは、赤外線レンズ等の赤外線光学素子本体であってもよい。

１−２．微細凹部２１
次に、微細凹部２１は、上述したとおり、赤外線透過基材１０ａの表面に赤外線波長以下の周期で規則的に、互いに隣接するように複数設けられている。

（１）微細凹部２１の形状
図１に示すように、各微細凹部２１は、この赤外線透過基材１０ａの表面における当該微細凹部２１の開口部２２の開口面積（Ｓ１）に対して、当該赤外線透過基材１０ａの内側に位置する当該微細凹部２１の底面２３の面積（Ｓ２）が小さく、当該赤外線透過基材１０ａの深さ方向に向かって、当該微細凹部２１の開口面積が漸減している。但し、本件発明において、開口部２２とは、当該微細凹部２１の赤外線透過基材１０ａの表面における開口端２２によって囲まれる部分をいう。

このように赤外線透過基材１０ａの表面に、その開口面積が深さ方向に向かって漸減するような形状の微細凹部２１を、赤外線波長以下の周期で規則的に、互いに隣接するように複数設けることにより、当該赤外線透過基材１０ａの表層にいわゆる屈折率勾配層を設けることができる。すなわち、当該反射防止構造２０が設けられた赤外線透過基材１０ａの表層部分では、深さ方向に向かって微細凹部２１内の空気が占める割合が減少する一方、赤外線透過基材１０ａの構成材料が占める割合が増加するため、当該表層部分における赤外線の屈折率を深さ方向に向かって緩やかに増加させることができる。このため、本件発明によれば、波長依存性及び入射角依存性の低い反射防止構造２０とすることができる。また、当該反射防止構造２０では、赤外線透過基材１０ａの表面から突出する凸部が存在せず、赤外線透過基材１０ａの内側に凹む微細凹部２１により構成されているため、当該赤外線透過基材１０ａの表面に他の物体が接触した場合に、反射防止構造２０の形状が変化しにくい。このため、耐擦傷性が高く、摩耗等により反射防止効果が経時的に低下するのを防止することができる。また、当該反射防止構造は、当該赤外線透過基材自体の表面に形成された上記微細凹部から構成されている。すなわち、当該反射防止構造は、当該赤外線基材の表面に当該赤外線透過基材とは異なる材料から形成されたものではなく、当該赤外線透過基材自体の表面構造であるから、当該赤外線透過基材の表面が水に浸漬した場合も反射防止構造を赤外線透過基材の表面に維持することができ、反射防止構造の形状変化や基材表面からの剥離等の問題が生じず、耐水性の高い反射防止構造とすることができる。

（２）具体的形状
各微細凹部２１の具体的な三次元形状として、例えば、頂点側が深さ方向にある錐状、錐台状及び半球状等が挙げられる。ここで、「錐状」、「錐台状」及び「半球状」等とは、幾何学的に厳密な意味での「錐」、「錐台」及び「半球」を意味するのではなく、加工上、実現可能な形状としての「錐」、「錐台」及び「半球」を意味するものとする。また、「錐状形状を含むものとし、頂点部にいわゆるＲ加工等の面取り加工が施されたような形状としてもよい。すなわち、錐状及び錐台状とは、加工上、実現可能な形状としての「錐」形状及び「錐台」形状を含み、これらの「錐」形状及び「錐台」形状の頂点部分が円弧状等の面取り加工が施されたような形状を含むものとする。微細凹部２１の形状を錐状、錐台状、及び、半球状等とすることにより、赤外線透過基材１０ａの表面に設けられた開口部２２の二次元形状を維持しながら、その開口面積を深さ方向に向かって漸減させることができるため、上記屈折率をより滑らかに変化させることができる。この場合、微細凹部２１の開口部２２の二次元形状は多角形、円形、楕円形等、どのような形状であってもよく、その開口部２２の二次元形状は特に限定されるものではない。また、微細凹部２１の断面形状は、微細凹部２１の形状に応じて、三角形状、台形状、半円状、半楕円状等とすることができ、その断面形状についても特に限定されるものではない。さらに、赤外線透過基材１０ａの表面において各微細凹部２１は、赤外線透過基材１０ａの表面に対して垂直な方向から見たときに、一定の周期性をもって配列されていればよい。具体的には、各微細凹部２１の開口部２２が呈する二次元形状の重心位置（Ｇ）が一定の周期性をもって配列されていればよい。当該重心位置（Ｇ）が一定の周期性をもって配列される場合として、例えば、当該重心位置（Ｇ）が格子点であると考えたときに、当該重心位置（Ｇ）が二次元格子状に配列されている場合などが考えられる。ここで、二次元格子配列として、六方格子配列、正方格子配列、面心長方格子配列、長方格子配列、斜方格子配列がある。赤外線透過基材１０ａの表面において、当該微細凹部２１の重心位置（Ｇ）がこれらいずれかの二次元格子の格子点に相当する位置に配列されている場合、当該微細凹部２１は赤外線透過基材１０ａの表面において一定の周期性をもって配列されているということができる。

例えば、図３に示すような表面に複数の微細凸部３１が周期的に規則的に設けられた金型３０（モールド）を精密機械切削、電子線描画、エッチング等の手法により加工し、当該金型３０を用いてカルコゲナイドガラス等の赤外線透過基材１０ａを構成する材料をプレス成形すること等により、赤外線透過基材１０ａの表面に本件発明に係る反射防止構造２０を設けることができる。金型３０を構成する材料としては、例えば、ニッケル、クロム合金ステンレス工具鋼、シリコンカーバイド、タングステンカーバイト、グラッシーカーボン等が挙げられる。なお、微細凹部２１の形状に応じて、図３に示す金型３０の表面形状は適宜適切な形状のものを用いることができる。

ここで、表面に複数の微細凸部３１を備えた金型３０において、各微細凸部３１の基端部を当該金型３０の基準面とする。このとき、当該金型３０には、金型３０の基準面を底部とし、当該底部が金型３０の基準面において連結した微細な凹部が形成されていると考えることができる。当該金型３０を用いてプレス成形すると、微細凸部３１はその先端部から順に赤外線透過基材１０ａの構成材料に埋設されていき、上記凹部内に赤外線透過基材１０ａの構成材料が充填される。この間、金型３０と赤外線透過基材１０ａの構成材料との間の空気は、当該凹部を介して、外部に排出される。すなわち、当該金型３０を用いれば、プレス成形の際の金型３０と赤外線透過基材１０ａの構成材料との間の空気の残留を防止しながら、金型３０の表面形状に沿って上記凹部に赤外線透過基材１０ａの構成材料を良好に充填することができる。このため、金型３０の微細な表面形状が良好に転写された赤外線透過基材１０ａを得ることができる。

以下、本実施の形態では、当該微細凹部２１の形状が図１に示す四角錐台形状である場合を例に挙げて説明するが、微細凹部２１の形状が他の形状であっても、以下において説明する事項を適用することができるのは勿論である。

（３）微細凹部２１の深さ（Ｈ）
次に、微細凹部２１の深さ（Ｈ）について説明する。図１に示すように、微細凹部２１の深さ、すなわち赤外線透過基材１０ａの表面から微細凹部２１の底面２３までの距離をＨ（μｍ）としたとき、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。

６ ≦ Ｈ ≦ ２５ ・・・（１）

上記条件式（１）を満足することにより、赤外線の反射を抑制することが可能な反射防止構造２０を得ることができ、且つ、赤外線透過基材１０ａの表面に当該反射防止構造２０を精密に形成することが容易になる。特に、微細凹部２１の深さ（Ｈ）は、下記式（１ａ）を満足することがより好ましく、下記式（１ｂ）を満足することがさらに好ましい。下記式（１ａ）を満足することにより、製造上の観点から、当該微細凹部２１を赤外線透過基材１０ａの表面に設けることがより容易になる。また、下記式（１ｂ）を満足することにより、赤外線透過基材１０ａの表層部分に良好な屈折率勾配を有する反射防止構造２０を設けることができるため、より良好な反射防止効果を得ることができる。

６ ≦ Ｈ ≦ １８ ・・・（１ａ）
１０ ≦ Ｈ ≦ １８ ・・・（１ｂ）

（４）配列ピッチ（Ｐ）
次に、上記微細凹部２１の配列ピッチ（Ｐ）について説明する。本件発明では、各微細凹部２１の赤外線透過基材１０ａの表面において開口部２２が呈する二次元形状の重心位置Ｇを求め、互いに隣接する微細凹部２１の重心位置Ｇ間の距離を求めたときの平均値をＰ（μｍ）とする。これは、微細凹部２１の配列ピッチ（Ｐ）となる。このとき、当該配列ピッチ（Ｐ）は、以下の条件式（２）の範囲内であることが好ましい。

１ ≦ Ｐ ≦ ４ ・・・（２）

ここで、各微細凹部２１の赤外線透過基材１０ａの表面において開口部２２が呈する二次元形状の重心位置Ｇとは、例えば、図１に示す場合、赤外線透過基材１０ａの表面において開口部２２が呈する二次元形状は正方形であるから、この場合、当該正方形の各対角線が交わる位置が重心位置Ｇとなる。開口部２２の形状が他の形状である場合であっても、その二次元形状における重心位置Ｇを数学的方法により適宜求めればよい。このようにして求めた、微細凹部２１の重心位置Ｇと、当該微細凹部２１に隣接する他の微細凹部２１の重心位置Ｇとの間の距離を求め、各微細凹部２１の重心位置Ｇ間の平均値が上記微細凹部２１の配列ピッチ（Ｐ）となる。ここで、赤外線透過基材１０ａを透過した光が回折して、鏡筒内で散乱することで有害迷光となるのを防止するという観点から、上記配列ピッチ（Ｐ）の上限値は３以下であることが好ましい。

（５）表面開口面積率（Ｓ１／Ｓ）
次に、赤外線透過基材１０ａの表面における上記微細凹部２１の開口部２２の開口面積（Ｓ１）が占める割合（以下、「表面開口面積率」と称する。）について説明する。各微細凹部２１の開口部２２の開口面積の和をＳ１（μｍ^２）とし、当該赤外線透過基材１０ａの表面において当該反射防止構造２０が設けられた反射防止構造２０形成領域において、その表面が平滑であると仮定したとき、すなわち本件発明に係る反射防止構造２０が設けられていないと仮定したとき（図２参照）、赤外線透過基材１０ａの表面における当該反射防止構造２０形成領域の面積をＳ（μｍ^２）としたときの上記表面開口面積率は、以下の条件式（３）の範囲内であることが好ましい。

０．８ ≦ Ｓ１／Ｓ ・・・（３）

当該表面開口面積率（Ｓ１／Ｓ）が高い程、高い反射防止効果を得ることができる。当該観点から、当該表面開口面積率は０．９以上であることがより好ましい。

（６）開口面積比（Ｓ２／Ｓ１）
また、上述のとおり、各微細凹部２１の開口部２２の開口面積の和をＳ１（μｍ^２）とし、各微細凹部２１の底面２３の面積の和をＳ２（μｍ^２）としたとき、開口部２２の開口面積の和（Ｓ１）に対して、微細凹部２１の底面２３の面積の和（Ｓ２）が占める割合（以下、開口面積比（Ｓ２／Ｓ１）と称する。）は、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。

０ ≦ Ｓ２／Ｓ１ ≦ ０．５ ・・・（４）

上述したとおり、当該微細凹部は、赤外線透過基材１０ａの表面における開口部２２の開口面積（Ｓ１）に対して、当該赤外線透過基材１０ａの内側に位置する当該微細凹部２１の底面２３の面積（Ｓ２）が小さく、当該赤外線透過基材１０ａの深さ方向に向かって、当該微細凹部２１の開口面積が漸減している。このとき、上述した屈折率勾配層としての機能を果たす上では、条件式（４）に示すとおり、開口部２２の開口面積の和Ｓ１に対して、底面２３の面積の和Ｓ２が０．５以下であることが好ましく、より高い反射防止効果を得る上で当該開口面積比（Ｓ２／Ｓ１）は０．３以下であることがより好ましく、０．２以下であることがさらに好ましい。上述したとおり、当該微細凹部２１の形状は、多角錐形状又は円錐形状であってもよく、この場合、底面２３の面積の和（Ｓ２）は「０」になる。

２．反射防止赤外線光学素子
次に、本件発明に係る反射防止赤外線光学素子１０について説明する。本件発明に係る反射防止赤外線光学素子１０は、上記赤外線透過基材１０ａの表面に上記反射防止構造２０を設けたことを特徴とするものであり、赤外線透過基材１０ａ及び反射防止構造２０は上述したとおりである。当該反射防止赤外線光学素子１０は、赤外線カメラや赤外線温度センサ等の赤外線を利用した種々の光学機器で用いられる赤外線レンズ等の赤外線用の光学素子として好適である。

次に、実施例および比較例を示して本件発明を具体的に説明する。但し、本件発明は以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１では、市販のカルコゲナイドガラス（ｎ＝２．７６）から成る赤外線レンズを赤外線透過基材（赤外線光学素子本体）として採用した。当該赤外線透過基材の表面に対して、次に説明する金型（モールド）を用いて、本件発明に係る反射防止構造を形成した。金型は、クロム合金ステンレス工具鋼（商品名：スタバックス）の表面にＮｉ−Ｐめっき層を備えたものを金型基材とし、この金型基材のＮｉ−Ｐめっき層に対して、上述した配列ピッチ（Ｐ）が３μｍになるように、四角錐台形状の凸部からなる周期構造を精密機械切削により加工した。具体的には、例えば、図３に示すように金型基材の表面に設けられたＮｉ−Ｐ層を水平方向に研削して微小なＶ溝を複数形成した後、これと直交する方向に同様な微小なＶ溝を複数形成した。このようにして形成された微細な四角錐台形状の凸部（３１）の頂部を所定の形状に加工することによって、微細な四角錐形状の凸部（３１）を二次元正方格子状に所定の配列ピッチ（Ｐ）で金型基材の表面に密に形成した。この一連の工程により、微細な四角錐形状の凸部（３１）が金型基材の表面に連続的にマトリクス状に密に形成された金型（３０）を製造することができる。

次に、カルコゲナイドガラスを挟むように金型を配置し、２５５℃、９ＭＰａでプレス成型した。その後、金型を離型し、冷却固化させた。以上のようにして実施例１の凹四角錐型反射防止赤外線光学素子を製造した。実施例１において製造した反射防止構造の形状は表１に示すとおりである。但し、以下に示す、高さ（Ｈ）、配列ピッチ（Ｐ）、表面開口面積率（Ｓ１／Ｓ）、開口面積比（Ｓ２／Ｓ１）は、上記実施の形態において説明したとおりであるため、ここでは説明を省略する。

実施例１と同じ赤外線透過基材の表面に実施例１と同じ金型基材を用いて、実施例１と同様にして精密機械切削により、図３に示す凸四角錐台形状の周期構造を作成した金型３０を使用した。この金型３０を用いて、実施例１と同様に、プレス成型することによって凹四角錐台型反射防止光学素子を製造した。実施例２の反射防止構造の形状は以下の表１に示すとおりである。

実施例３では、実施例１と同じ赤外線透過基材の表面に、次のようにして、反射防止構造を形成した。まず、反射防止構造を形成するための金型を次の手順で準備した。最初に、ＳｉＣ製金型基材の表面に、周期構造を形成するための下地膜を真空蒸着法により成膜し、下地膜の表面にＥＢレジストをスピンコートした。次に、電子線描画装置によりレジストに周期が１μｍのアレイパターンを描画し、現像後、エッチングによりレジストパターンを上記下地膜に形成した。さらに、下地膜をドライエッチングして、ＳｉＣ製金型基材の表面に微細凸部を備えた周期構造を形成し、これを金型とした。当該金型の形状の制御は、おもに電子線描画の際の電子ビームの露光量と下地膜をドライエッチングするときの酸素の添加量で調整した。以上の手順により、微細な四角錐形状の凸部がＳｉＣ製金型基材の表面に連続的にマトリクス状に密に形成された金型を製造することができ、当該実施例３では微細な四角錐形状の凸部を備えた金型を用いるものとする。

上記のようにして作成した金型を用いて、実施例１と同様にカルコゲナイドガラスを挟むように金型を配置し、プレスすることによって、実施例３の凹四角錐型反射防止光学素子を製造した。実施例３により製造した反射防止構造の形状は表１に示す通りである。

比較例

［比較例１］
比較例１では、実施例１と同じ市販のカルコゲナイドガラス（ｎ＝２．７６）から成る赤外線レンズを赤外線透過基材として採用した。そして、この赤外線透過基材の表面に、真空蒸着法により、表２に記載した光学膜厚となるように、Ｇｅ層 、ＺｎＳ層、ＣｅＦ_３層、ＣｅＯ_２層を順に形成し、Ｇｅ層、ＺｎＳ層、ＣｅＦ_３層、ＣｅＯ_２層とが順に積層された光学干渉層からなる反射防止膜を得た。以上の工程により、比較例１の光学干渉層形反射防止赤外線光学素子を製造した。

［比較例２］
比較例２では、金型の表面形状が凸四角錐形状ではなく、凹四角錐台形状である点を除いては、実施例３と同様に電子線描画およびエッチングにより金型を作成し、赤外線透過基材の表面に、図４に示すような表面構造を有する凸四角錐台型反射防止赤外線光学素子５０を製造した。すなわち、比較例２の凸四角錐台形反射防止赤外線光学素子５０の表面形状は、本件発明の反射防止構造とは凹凸が逆転したような形状を有する。比較例２の反射防止構造の形状を以下の表３に示す。なお、以下において、Ｐ１は、図４に示すように、当該反射防止赤外線光学素子５０の表面に設けられた表面から突出する微細凸部５１の配列ピッチであり、Ｗ１は微細凸部５１の先端の幅を示し、Ｗ２は互いに隣接する微細凸部５１間の最短離間幅を示し、Ｈ１は当該微細凸部５１の高さ、すなわち赤外線透過基材の表面から微細凸部５１の先端までの距離を指す。

［評価］
１．評価方法
実施例１〜実施例３と比較例１及び比較例２で製造した各反射防止赤外線光学素子に対して、それぞれの表面における分光反射率を測定した。また、各反射防止赤外線光学素子の表面に対する摩擦試験を行い、摩擦試験後の分光反射率を測定し、摩擦試験前後の分光反射率の変化を調べた。さらに、各反射防止赤外線光学素子の水浸漬試験を行い、水浸漬試験後の分光反射率を測定し、水浸漬試験後の分光反射率の変化を調べた。そして、比較例１で製造した反射防止赤外線光学素子に対しては水浸漬試験後にテープテストを実施し、外観観察を行った。

１）分光反射率
各反射防止赤外線光学素子の表面における分光反射率は次のようにして測定した。波長域が８μｍ〜１４μｍの範囲の遠赤外線を入射角を０°、４５°、６０°で各反射防止光学素子の表面に入射させたときの分光反射率を赤外顕微分光装置及び赤外分光エリプソメーターを用いて測定した。

２）摩擦試験
各反射防止赤外線光学素子の表面に対し、５００ｇｆの荷重でクリーニングペーパー（商品名：ダスパーＫ−４）を５０回往復させた。

３）水浸漬試験
各反射防止赤外線光学素子を２３℃の純水に３０日間浸漬させ、その後、エアブローで水切りを行って乾燥させた。比較例１で製造した反射防止赤外線光学素子に対しては、その表面にセロハンテープ（商品名：ＣＴ−１２Ｍ）を貼り付け、その後テープを剥離し、外観観察を行った。

２．評価結果
２−１．実施例１と比較例１との対比
１）分光反射率
実施例１及び比較例１で製造した各反射防止赤外線光学素子の赤外反射スペクトルを図５及び図６に示す。また、８μｍ〜１２μｍ、８μｍ〜１４μｍの遠赤外線波長域において、入射角０°、入射角４５°、入射角６０°のときの平均反射率を表３に示す。表３に示すように、波長８μｍ〜１２μｍにおける入射角０°の平均反射率は実施例１が０．４３％で、比較例１が０．４３％とほぼ同じであるのに対し、波長８μｍ〜１２μｍにおける入射角４５°、入射角６０°の平均反射率は実施例１がそれぞれ１．３４％、 ３．３９％で、比較例１がそれぞれ１．７９％、６．２５％と実施例１のほうが反射率が低く、実施例１は比較例１よりも広い入射角度において反射防止性能が高い。また、波長８μｍ〜１４μｍにおける入射角０°、入射角４５°、入射角６０°の平均反射率は実施例１がそれぞれ０．５５％、１．４７％、３．６０％であるのに対し、比較例１がそれぞれ１．１８％、３．２６％、８．１３％と実施例１のほうが反射率が低く、実施例１は比較例１よりも広い波長範囲において反射防止性能が高い。以上より、実施例１の反射防止構造は、比較例１の反射防止膜と比較すると、波長依存性及び入射角依存性が低く、反射防止性能が高いことが確認された。

２）摩擦試験
実施例１及び比較例１で製造した各反射防止赤外線光学素子の表面に対して、上述の方法で摩擦試験を行った後に、分光反射率を上記と同様に測定したところ、実施例１及び比較例１共に摩擦試験前後の反射率の変化はなかった。従って、実施例１及び比較例１で製造した反射防止赤外線光学素子はいずれも表面の耐擦傷性が高いと判断することができる。

３）水浸漬試験
実施例１及び比較例１で製造した各反射防止赤外線光学素子に対して、上述の方法で水浸漬試験を行った。比較例１で製造した反射防止赤外線光学素子に対してテープテストを実施した後に外観を観察したところ、比較例１では図１０のように周辺部に膜剥がれが発生した。また、分光反射率を上記と同様に測定したところ、実施例１では反射率の変化はなかった。両者を比較すると、実施例１の反射防止構造は、基材のそのものの構造による反射防止効果を利用しており、比較例１の反射防止膜のように基材と異なる材料との密着性が低下する恐れがなく、耐水性が高いと判断する事ができる。

２−２．実施例２及び実施例３と比較例２との対比
実施例２、実施例３及び比較例２で製造した反射防止赤外線光学素子に対して、それぞれの表面における分光反射率を測定すると共に、表面に対する摩擦試験、水浸漬試験を行った。

１）分光反射率
実施例２、実施例３及び比較例２で製造した各反射防止赤外線光学素子の赤外反射スペクトルを図７、図８及び図９にそれぞれ示す。また、８μｍ〜１２μｍの遠赤外線波長域において、入射角０°のときの平均反射率を表４に示す。表４に示すように、波長８μｍ〜波長１２μｍの入射角０°のときの平均反射率は実施例２、実施例３、比較例２でそれぞれ０．４３％、０．４７％、０．４１％であった。従って、入射角０°における各反射防止赤外線光学素子の反射防止性能は概ね同等であるということができる。

２）摩擦試験
実施例２、実施例３及び比較例２で製造した各反射防止赤外線光学素子の表面に対して、上述の方法で摩擦試験を行った後に、分光反射率を上記と同様に測定したところ、実施例２及び実施例３で製造した各反射防止赤外線光学素子については、摩擦試験前後における平均反射率の変化はみられなかった。一方、比較例２で製造した反射防止赤外線光学素子では、平均反射率が摩擦試験前が０．４１％であったのに対し、摩擦試験後には５．１２％と上昇し、摩擦試験後に反射防止性能の悪化が見られた。すなわち、比較例２で製造した反射防止構造は、本件発明に係る反射防止構造と凹凸を逆にしたものであり、本件発明と同等の反射防止性能を有すると考えられるが、表面の耐擦傷性が低く、摩耗等により反射防止構造を形成する四角錐台形状の凸部形状が変化し、反射防止効果が経時的に低下する恐れが高い。

３）水浸漬試験
実施例２、実施例３及び比較例２で製造した各反射防止赤外線光学素子に対して、上述の方法で水浸漬試験を行った後に、分光反射率を上記と同様に測定したところ、実施例２、実施例３及び比較例２共に反射率の変化はなかった。従って、実施例２、実施例３及び比較例２で製造した反射防止赤外線光学素子はいずれも表面の耐水性が高いと判断することができる。

本件発明によれば、赤外線透過基材の表面に赤外線波長以下の周期で規則的に設けられた、互いに隣接する複数の微細凹部からなる反射防止構造とすることにより、赤外線透過基材の表面に深さ方向に向かって、屈折率が緩やかに変化させることができ、波長依存性及び入射角依存性の低い反射防止構造とすることができる。また、当該反射防止構造では、赤外線透過基材の表面から突出する凸部が存在せず、赤外線透過基材の内側に凹む微細凹部により構成されているため、当該赤外線透過基材の表面に他の物体が接触した場合も、反射防止構造の形状が変化しにくい。このため、耐擦傷性が高く、摩耗等により反射防止効果が経時的に低下するのを防止することができる。また、当該反射防止構造は、当該赤外線透過基材自体の表面に形成された上記微細凹部から構成されている。すなわち、当該反射防止構造は、当該赤外線基材の表面に当該赤外線透過基材とは異なる材料から形成されたものではなく、当該赤外線透過基材自体の表面構造であるから、当該赤外線透過基材の表面が水に浸漬した場合も反射防止構造を赤外線透過基材の表面に維持することができ、反射防止構造の形状変化や基材表面からの剥離等の問題が生じない。従って、本件発明によれば、波長依存性及び入射角依存性が低く、且つ、耐擦傷性及び耐水性の高い反射防止構造及び当該反射防止構造を備えた反射防止赤外線光学素子を提供することができる。

１０・・・反射防止赤外線光学素子
１０ａ・・・赤外線透過基材
２０・・・反射防止構造
２１・・・微細凹部
２２・・・開口部
２３・・・底面

Claims (7)

1. ８μｍ〜１４μｍの波長域の赤外線を透過する赤外線透過基材の表面に当該赤外線の波長以下の周期で規則的に設けられた、互いに隣接する複数の微細凹部からなる反射防止構造であって、
   当該赤外線透過基材の表面における当該微細凹部の開口部の開口面積に対して、当該赤外線透過基材の内側に位置する当該微細凹部の底面の面積が小さく、当該赤外線透過基材の深さ方向に向かって、当該微細凹部の開口面積が漸減することを特徴とする反射防止構造。
2. 前記微細凹部の深さをＨ（μｍ）としたとき、以下の条件式（１）を満足する請求項１に記載の反射防止構造。
   ６≦Ｈ≦２５ ・・・（１）
3. 各微細凹部の前記開口部が呈する二次元形状の重心位置を求め、互いに隣接する微細凹部の重心位置間の距離を求めたときの平均値をＰ（μｍ）とし、
   各微細凹部の前記開口部の開口面積の和をＳ１（μｍ^２）とし、
   各微細凹部の前記底面の面積の和をＳ２（μｍ^２）とし、
   当該赤外線透過基材において当該反射防止構造が設けられた反射防止構造形成領域において、その表面が平滑であると仮定したときの、当該反射防止構造形成領域の面積をＳ（μｍ^２）とした場合、
   以下の条件式（２）〜条件式（４）を満足する請求項１又は請求項２に記載の反射防止構造。
   １ ≦ Ｐ ≦ ４ ・・・（２）
   ０．８ ≦ Ｓ１／Ｓ ・・・（３）
   ０ ≦ Ｓ２／Ｓ１ ≦ ０．５ ・・・（４）
4. 前記微細凹部の三次元形状は、頂点側が深さ方向にある多角錐台状であり、前記開口部の二次元形状は多角形状を呈する請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の反射防止構造。
5. 前記微細凹部の三次元形状は、頂点側が深さ方向にある円錐台状であり、前記開口部の二次元形状は円形状を呈する請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の反射防止構造。
6. 前記赤外線透過基材は、カルコゲナイドガラス又はゲルマニウム製である請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の反射防止構造。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の反射防止構造を、赤外線透過基材の表面に備えたことを特徴とする反射防止赤外線光学素子。