JP2004205721A

JP2004205721A - 光学部品

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Publication number: JP2004205721A
Application number: JP2002373470A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Yamada; 健一山田; Kentaro Fukuda; 健太郎福田; Ryoji Sato; 良司佐藤; Isao Muraguchi; 功村口
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】本発明は、透明基板上に密着した透明部材層の平坦な表面の一部に所定の凹凸形状が設けられ、その透明部材層の表面が誘電体多層膜によって被覆されている構造を有する光学部品を対象とし、その構成要素に対して望ましい条件を提供することによって、長期的な信頼性を備えた光学部品を提供する。
【解決手段】本発明においては、光学部品を構成する透明基板の線膨張係数を１．５×１０^-5℃^-1以下、同じく透明部材層の線膨張係数を２〜１５×１０^-5℃^-1の範囲とし、かつ、この透明部材層の平坦な部分の厚さを３〜４０μｍの範囲とする。このような条件を満たす材料として、基板材料はガラス、透明部材層は樹脂が望ましい。このような光学部品としてはマイクロレンズアレイや回折格子が代表的である。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として光通信分野で使用される光学部品に関し、とくに表面に反射防止対策を施した樹脂製光学部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報通信容量の増大に伴い、マイクロレンズアレイなどの光学部品に対する需要が高まってきている。とくに光の回折現象や屈折現象を応用する光学素子は、その表面に微細な凹凸構造を形成する必要がある場合が多い。
このような微細凹凸構造の製法に関しては数多くの報告があるが、その中でも量産性に優れ低コストな製法として、樹脂の成形加工が有望視されている。光硬化性樹脂の成形により母型を作製した後、この母型を用いて光硬化性樹脂を成形し光照射により硬化する方法が、いわゆる２Ｐ成形法として知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
一方、光通信分野における光学素子としては、表面での反射戻り光を極力減らすことが要求される。このため、一般には、光学素子表面に誘電体多層膜を反射防止手段として形成する。この点は上記のように樹脂を成形して光学素子を作製する場合においても例外ではない。
【０００４】
いずれにしても透明基板上に樹脂等の透明部材層を形成し、その平坦な表面の一部に所定形状の微細な凹凸構造を成形法によって作製し、さらにその表面を誘電体多層膜によって被覆した構造を有する光学部品は種々使用されている。マイクロレンズアレイや回折格子などがその代表的な例である。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−４９７０２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記従来の技術には、以下のような問題点があった。
透明部材層が樹脂の場合、硬化によって膜内部に大きな収縮応力が発生しやすく、この応力が原因となって、透明部材層と透明基板とが剥離する場合がある。また、樹脂層表面に形成した誘電体多層膜は、温度変動によって樹脂が伸縮すると、亀裂が生じたり、剥離したりする場合がある。
【０００７】
以上のような問題点は、光学部品の製造後、ある程度の時間経過後に発生してくるので、光通信用としてこれらの光学部品を使用するには信頼性が不十分である。
【０００８】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、上記の構造を有する光学部品に対してその構成要素に対して望ましい条件を提供し、これによって長期的な信頼性を備えた光学部品を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明が対象とする光学部品は、透明基板上に密着した透明部材層の平坦な表面の一部に所定の凹凸形状が設けられ、その透明部材層の表面が誘電体多層膜によって被覆されているような構造を有するものである。本発明においては、この光学部品を構成する透明基板の線膨張係数を１．５×１０^-5℃^-1以下、同じく透明部材層の線膨張係数を３〜１０×１０^-5℃^-1の範囲とし、かつ、この透明部材層の平坦な部分の厚さを３〜４０μｍの範囲とする。
【００１０】
上記の条件を満足する透明基板および透明部材層を組み合わせることにより、本発明が対象とする光学部品全体としての信頼性を向上させることができる。
ただし、透明部材層は、流動性樹脂組成物を重合硬化させた固体樹脂組成物であることが望ましい。このような材料を使用することで成形により用意に所望の凹凸形状が形成できる。
【００１１】
誘電体多層膜は、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅及びＭｇＦ₂よりなる群から選ばれた材料からなる少なくとも２層膜で構成され、少なくとも使用波長において反射防止機能を有するものとする。この膜の作用により、本発明が対象とする光学部品を光通信分野に適用する場合に、反射光を十分低減できる。
【００１２】
さらにこの誘電体多層膜中に存在する粒塊または柱状構造物の直径が１０ｎｍ未満であることが望ましい。このような膜は十分緻密であるので、光学部品の信頼性向上に寄与できる。
【００１３】
また、透明部材層と誘電体多層膜の間に厚さ１〜２００ｎｍのＳｉＯ₂膜を介在させることが望ましい。これにより透明部材層に対する誘電体多層膜の付着力が改善され、光学部品の信頼性向上に寄与できる。
【００１４】
透明基板はガラスであることが望ましい。ガラスを基板として使用することにより、透明性が確保できるとともに、上記の基板の線膨張係数の条件を満たすことができる。
上記の光学部品はマイクロレンズアレイの機能が付与されたものが代表的である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の発明者らは、上記の目的を達成するため、光学部品を構成する基板、微細凹凸構造を有する透明部材層および誘電体多層膜について、それぞれに要求される条件を検討した。以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
微細凹凸構造を成形する代表的な方法としては、下記２つの方法を挙げることができる。
第１の方法（以下、型注ぎ法と称する）では、成形型に透明で流動性を有する樹脂組成物を注ぎ脱気した後、基材を流動性樹脂組成物を挟むように成形型に押し当て、そのままの状態で加熱または光照射を行い樹脂組成物を硬化させる。硬化した固体樹脂組成物を基材とともに成形型から離型し、必要に応じて最終加熱を行うことにより、微細凹凸構造を有する光学部品を得る。
【００１７】
第２の方法（以下、基材注ぎ法と称する）では、透明で流動性を有する樹脂組成物を基材に直接注ぎ脱気した後、成形型を基材上の流動性樹脂組成物に押し当て、そのままの状態で加熱または光照射を行い樹脂組成物を硬化させる。硬化した固体樹脂組成物を基材とともに成形型から離型し、必要に応じて最終加熱を行うことにより、微細凹凸構造を有する光学部品を得る。
【００１８】
上記いずれの方法においても流動性樹脂組成物の粘度は３〜２５００ｍＰａ・ｍの範囲に調整するのが好ましい。
【００１９】
成形型はその表面に凹部または凸部が設けられている。凹凸部としては、例えば球状、円錐状、角錐状、断面任意形状のスリット状等を例示できる。例えば、表面が平坦なガラス基板の表面を精密にエッチングして、目的とする形状の凹型を形成する。これを種型として、紫外線硬化樹脂を用いたいわゆる２Ｐ成型法により樹脂製母型を作製し、これを成形型として用いることもできる。
【００２０】
この成形型の最表面には、フッ素樹脂あるいは金からなる離型膜を設けることが好ましい。フッ素樹脂は、スピンコート法またはディップコート法により成形型に均一に成膜される。一方、金は、成形材料に対して良好な離型性を示し、機械的強度や耐熱性、耐腐食性、耐酸化性にも優れているため、離型膜として優れた材料である。離型膜は表面が平滑であるほど離型性が高いことから、スパッタ法や真空蒸着法、無電解メッキ法、箔張り付け法などにより、均一かつ平滑に成膜されることが好ましい。
【００２１】
透明基板としては、光学部品を使用する波長の光、例えば、可視域、紫外域、または赤外域の光に対して透明な物質を用いれば、マイクロレンズアレイなどの透過型光学部品として機能を発揮することができる。
【００２２】
本発明における誘電体多層膜の主要な目的は、光学部品表面からの反射防止である。要求される反射防止特性を実現するため、ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂／ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂／ＭｇＦ₂等の２層あるいはそれ以上の多層に積層した膜を用い、使用波長、戻り光反射減衰量等の要求仕様により各層の膜厚や材料を設計する。
【００２３】
誘電体多層膜は膜質が緻密なほど耐久性が高いことから、スパッタ法、真空蒸着法、イオンアシスト法などの成膜方法を用いて、平滑かつ緻密に成膜することが好ましい。
【００２４】
この誘電体膜はさらには透明部材層表面に形成した微細凹凸構造を保護する保護層、あるいは透明部材層と誘電体多層膜との密着性を強化する層としての役割を担わせることもできる。とくに後者の目的のためには、透明部材層と誘電体多層膜の間にＳｉＯ₂層を設けるのが望ましいが、ＳｉＯ₂以外を選ぶこともできる。
【００２５】
本発明の光学部品を構成する各要素の好ましい条件範囲を特定するために行った試験についてつぎに説明する。
【００２６】
試料とした光学部品（レンズアレイ）の製造工程を図１に示す。成形型１０としては、直径が０．２５〜１ｍｍ、凹部深さが０．０２〜０．１３ｍｍの球面弧形状の凹部を有する石英成形型（厚み１．１ｍｍ、寸法１５２．４ｍｍ×１５２．４ｍｍ）を用いた。離型性を向上させるために、成形型の表面にはスピンコート法によりフッ素樹脂を成膜した（図示は省略している）。成形材料としては、表１に示すように硬化後の線膨張係数が４〜９×１０^-5℃^-1の範囲にあるアクリルまたはエポキシ系樹脂Ａ〜Ｄを用いた。
【００２７】
【表１】

【００２８】
これらの流動性樹脂組成物３０を成形型１０に滴下し（図１（ａ））、次いで超音波洗浄済みの石英ガラス基板２０（線膨張係数６×１０^-7℃^-1、厚み０．７ｍｍ、寸法１５２．４ｍｍ×１５２．４ｍｍ）を押し当てて樹脂３０を展開した（図１（ｂ））。この状態で紫外線を石英ガラス基板２０側から強度１２０ｍＷ／ｃｍ²、室温で２〜３分間の照射条件で樹脂３０に照射した。
【００２９】
樹脂が硬化した後、これをガラス基板とともに成形型から離型する（図１（ｃ））。得られる透明部材（樹脂）層３２の平坦部３４の厚みｄは、成型時の樹脂塗布量や加重×加圧時間で制御できる。試験用としてｄを３〜１００μｍの範囲で変化させた試料を作製した。
【００３０】
その後、成形された樹脂層３２の表面にイオンアシスト法により誘電体多層膜４０を成膜した（図１（ｄ））。各樹脂材料と誘電体多層膜４０の付着力強化層４２としてＳｉＯ₂を５０ｎｍ成膜した後、誘電体多層膜４０としてＴｉＯ₂（７４．８ｎｍ）／ＳｉＯ₂（６４．８ｎｍ）／ＴｉＯ₂（１８９．７ｎｍ）／ＳｉＯ₂（２６６．５ｎｍ）の４層膜を成膜した。誘電体多層膜の材料と膜厚は波長１．５５μｍにおける反射を最小にするように設計された。
【００３１】
付着力強化層の膜厚はとくに５０ｎｍに限定されない。１ｎｍ未満では一様な膜が得にくく、２００ｎｍより厚くしても付着力がさらに高まることはなく、また成膜に要する時間が長くなるので好ましくない。したがって、１〜２００ｎｍが好適な膜厚範囲である。
【００３２】
誘電体多層膜を成膜した後、石英ガラス基板をワックスで固定して２ｃｍ×２ｃｍにサンプルを切断した。ワックスは有機溶剤中で超音波洗浄を実施することにより除去した。
【００３３】
このような工程で製造した光学部品（レンズアレイ）１００の耐候性を調べるため、温度範囲−４５〜８５℃、１００サイクルの熱衝撃試験を行い、樹脂の剥離状態を目視により確認した。この目視検査の方法はつぎの通りである。２ｃｍ×２ｃｍの各試料表面を１ｍｍ×１ｍｍのマス目に区切り、各マス目内に樹脂剥がれが発生しているか否かを判定する。数量的評価は樹脂剥がれの生じているマス目の数を計数することにより行った。評価結果を図２に示す。図２の縦軸は上記のように計数したマス目の数に相当する。
【００３４】
評価結果から、石英ガラス基板からの樹脂層の剥離は、平坦部の厚みに依存することが明らかになった。図２に示すように、平坦部の膜厚が約４０μｍを越えると剥離する割合が急激に増加する。この結果、透明部材（樹脂）層の厚みは３〜４０μｍの範囲が好適であると言える。平坦部の厚みが３μｍ未満では樹脂層が薄過ぎてかえって剥離が生じやすい。樹脂層が４０μｍより厚い場合に剥離が生じやすくなるのは、樹脂の硬化時の収縮が層が厚い程大きいため、硬化後に発生する応力が大きくなるためである。
【００３５】
なお、上記の好適な平坦部の厚みの範囲は、図２からも明らかなように樹脂の種類にはよらないという結果を得た。ただし使用した樹脂の線膨張係数は４〜９×１０^-5℃^-1の範囲にあり、透明部材層の線膨張係数は３〜１０×１０^-5℃^-1の範囲にあることが望ましいと言える。
【００３６】
基板の線膨張係数は絶対値が小さいことが望ましいが、上記の試験に用いた石英ガラス（線膨張係数：６×１０^-7℃^-1）には限られない。石英ガラスより大きい１０^-6℃^-1台の線膨張係数をもつ光学ガラスや、負の線膨張係数（−４×１０^-7℃^-1程度）をもつ結晶化ガラスにおいても樹脂剥がれの傾向に大きな変化はない。すなわち線膨張係数の絶対値が１．５×１０^-5℃^-1以下であれば使用できる。
【００３７】
つぎに熱衝撃試験の前後での誘電体多層膜の劣化の有無を検証した。樹脂層と誘電体多層膜の間の剥がれは認められず、両者の付着力は十分である。さらに樹脂層平坦部の厚みが３〜４０μｍの範囲の試料について反射スペクトル測定を実施した。その結果、試験による光学スペクトルの変動はほとんど認められず、良好な結果が得られた。走査型電子顕微鏡で観察したところ、誘電体多層膜を形成している粒塊または柱状構造物の直径は１０ｎｍ未満であった。上記の条件の樹脂層表面に形成した誘電体多層膜は十分な耐候性を有していると言える。
【００３８】
以上まとめると、線膨張係数の絶対値が１．５×１０^-5℃^-1以下の透明基板上に、線膨張係数が３〜１０×１０^-5℃^-1の範囲にある透明部材層を平坦な部分の厚さが３〜４０μｍの範囲になるように成形し、その表面を誘電体多層膜で被覆した光学部品は、構造上十分な信頼性を有し、かつ光学特性の経時変化も小さい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明が対象とする光学部品は、樹脂等の透明部材層の表面に微細な凹凸構造を具備し、その表面を誘電体多層膜で被覆した構造を有する。この光学部品の構成要素に対し、本発明の条件を適用することにより、優れた耐候性を備えた光学部品を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学部品の製造工程を示す図である。
【図２】透明部材層の平坦部の厚みと剥がれ発生割合の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０成形型
２０ガラス基板
３０流動性組成物
３２透明部材層
３４透明部材層の平坦部
４０誘電体多層膜
４２付着力強化層
１００光学部品

Claims

透明基板上に密着した透明部材層の平坦な表面の一部に所定の凹凸形状が設けられ、該透明部材層の表面が誘電体多層膜によって被覆されている光学部品において、前記透明基板の線膨張係数の絶対値が１．５×１０^-5℃^-1以下、前記透明部材層の線膨張係数が３〜１０×１０^-5℃^-1の範囲にあり、かつ、前記透明部材層の平坦な部分の厚さが３〜４０μｍの範囲であることを特徴とする光学部品。
前記透明部材層は、流動性樹脂組成物を重合硬化させた固体樹脂組成物であることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
前記誘電体多層膜は、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅及びＭｇＦ₂よりなる群から選ばれた材料からなる少なくとも２層膜で構成され、少なくとも使用波長において反射防止機能を有することを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
前記誘電体多層膜中に存在する粒塊または柱状構造物の直径が１０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
前記透明部材層と前記誘電体多層膜の間に厚さ１〜２００ｎｍのＳｉＯ₂膜を介在させたことを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
前記透明基板はガラスであることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
マイクロレンズアレイの機能が付与されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学部品。