JP2006106229A - 透過型光学素子の製造方法および透過型光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板両面に成形によって表面構造が形成された透過型光学素子を片面成形の場合と同程度の短時間で容易に製造する方法を提供する。
【解決手段】 本発明の透過型光学素子は、透明基板の両面に所定の表面形状に成形した透明材料を備えている。本発明の透過型光学素子は成形材料４０、５０として紫外線硬化樹脂を用い、透明基板３０両面に紫外線硬化樹脂を成形型１０、２０によって押圧した状態で、一方向から一方の成形型２０を透過させて、紫外光１００を照射することによって製造する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光学分野で使用される両凸マイクロレンズ、回折光学素子などに代表される、透明基板両面に凹凸等の微細構造を有する透過型光学素子およびその製造方法に関する。

光通信システムや光学分析機器、画像表示装置等には多種類の光学素子が使用されている。これらの光学素子のうち、表面に凹凸等の構造を設けて光学機能を付与する素子には、マイクロレンズ、回折光学素子、偏光素子、光強度分布調整素子などが知られている。

これらの表面構造を有する光学素子は大別して、光を表面で反射させる反射型光学素子と素子内を透過させる透過型光学素子とに分けられる。透過型として利用される場合には、光の入出射両面に同一または異なる表面構造を設け、２素子分の機能を１枚の基体上で実現こともできる。

これらの両面に表面構造を有する光学素子は、ガラス基板などの両面に微細加工を加える方法によって作製できるが、１品ずつ高精度加工を行わなければならず、製造工程に長時間を要する。

これに対して透明樹脂を射出成形して作製する方法（例えば特許文献１参照）は、金型を用意することで自由な形状を成形でき、かつ短時間に大量に製造することができる利点がある。しかし成形材料が熱硬化性樹脂であるため、高精度な形状精度を達成することが困難であった。特に熱膨張係数が一般に大きいため温度変化による形状の変化が問題になるような用途には適用できなかった。

また表面の平坦な透明基板を用意し、その表面に所定の表面形状を有する樹脂層を光硬化材料を用いたプレス成形で作製することもできる（例えば特許文献２参照）。この場合、基板の樹脂層を成形するため、形状精度は高い。また熱膨張による形状変化も熱膨張係数の小さな基板を用いることで改善できるという利点がある。ただし両面に表面構造を設けるためには、上記方法で２枚を作製して基板同士を貼り合わせるか、または一方の面の成形が修了後、他方の面についても成形を行う手法を用いる必要がある。
特開昭６４−８８５０２号公報 特開平７−２２５３０３号公報

しかし２枚の基板を貼り合わせる場合には２枚の基板間のアライメントが必要であり、両面を張り合わせる工程が増加するため、片面のみの成形に対し、約２倍の工程が必要となる。また、貼り合わせにより新たに生じた界面における反射、吸収、散乱等により全体の透過光量が低下するなどの問題があった。

第１面を成形した後、再度第２面を成形する場合には、第２面の成形時に第１面の表面が樹脂の硬化条件下に暴露されるため、第１面は第２面よりも酸化劣化する。成形された樹脂表面はある程度酸化劣化するため、多少なりとも変質層が生じるが、上記のように２回の成形を順次行う場合には、両表面での変質層の性質が異なった状態となる。このため例えば表面に反射防止膜を形成する場合、その付着力が両面で異なったり、両側の光学素子の耐候性に差が生じるという不具合があった。

本発明は、このような従来の問題に着目してなされたもので、その目的は、基板両面に成形によって表面構造が形成された透過型光学素子を片面成形の場合と同程度の短時間で容易に製造する方法を提供することにある。

本発明の透過型光学素子は、透明基板の両面に所定の表面形状に成形した透明材料を備える。この透明成形材料が光硬化材料である場合、この透過型光学素子は透明基板両面に光硬化材料を成形型によって押圧した状態で、一方向から一方の成形型を透過させて、光硬化材料の硬化に必要な波長の光を照射することによって製造する。

より具体的に言えば、まず、流動性を有した第１の光硬化材料を透明基板の一方の表面に塗布し、または第１の成形型に充填する。次いで第１の光硬化材料を挟み込むように第１の成形型と透明基板を密着させる。次に流動性を有した第２の光硬化材料を透明基板の第１の光硬化材料に接した表面と反対側の表面に塗布し、または第２の成形型に充填する。そして第１の成形型との間に透明基板を挟むように第２の成形型を透明基板に押し当て、その状態で第１および第２の光硬化材料の硬化に必要な波長の光を照射して両光硬化材料を硬化させ、透明基板両面に成形硬化させた光硬化材料を有する透過型光学素子を製造する。このような製造方法において透明基板両面に第１および第２の成形型を押圧した状態で、一方向のみから一方の成形型を透過させて、上記の光を照射する。

このような製造方法により、基板両面に成形によって表面構造が形成された透過型光学素子を片面成形の場合と同程度の短時間で容易に作製し、提供することができる。

上記の透明基板および少なくともいずれか一方の面の光硬化材料の光透過率を光硬化材料の硬化に必要な光の波長域において５０％以上とすることが望ましい。少なくとも硬化させるための光を照射する側の光硬化材料と透明基板の光透過率が大きいことにより、片側からだけの光照射により光硬化材料を容易に硬化させることができる。

また透明基板の外縁部の少なくとも一部を成形時に成形型の外側に露出させ、成形硬化後、その露出した透明基板外縁部を保持して成形型を離型する。この手段により基板両面に密着した成形型を基板から容易に離型することができる。

本発明の透過型光学素子は、透明基板の両面に所定の表面形状を成形した透明材料を有し、その両成形面の最表面の変質層を同等に形成する。これによって両面における光学素子の耐候性や表面に被膜を設ける場合の付着力などに不均衡が生じるのを防止することができる。

本発明によれば光学分野で使用される両凸マイクロレンズや回折光学素子などに代表される、基板両面に凹凸等の表面構造を有する透過型光学素子を両面一括で成形加工できる。製造される透過型光学素子は基板両面において良好な形状精度を有し温度変動による形状変化も小さい。また両面における特性に不均衡がない。

本発明の透過型光学素子を成形法によって製造する工程について説明する。
図１に、透過型光学素子の一例として両面凸レンズアレイを作製する過程を図示する。まず図１（ａ）に示すように、離型処理を施した第１の凹面成形型１０に成形材料４０を充填し、これを覆うように透明基板３０を押し当て密着させる（同図（ｂ））。

この透明基板３０の反対側の面に図１（ｃ）に示すように成形材料５０を塗布し、離型処理を施した第２の凹面成形型２０を密着させ、基板３０を挟んで第１、第２の成形型１０、２０を押圧する（同図（ｄ））。

ここで、第２の凹面成形型２０の凹部が深く単独凹面を持つ場合は、気泡が混入するのを防止するため、図２に示すように凹部型２０の上下面を反転させて成形材料５０を塗布、展開したのち、先に第１の凹面成形型１０に密着させた基板面を下にして密着させればよい。

図１（ｄ）に示すように基板３０両面に成形材料４０、５０と成形型１０、２０が密着した状態で所定の処理を行い成形材料を硬化させる。硬化には熱硬化または光硬化が有効であるが、短時間で精度良く硬化させるためには光硬化が望ましい。その場合、成形型の少なくともいずれか一方は硬化に必要な波長の光を透過する材料で作製しておけば、図３に示すように例えば成形型２０を通して紫外光１００を照射すれば、紫外光は透過光１２０として成型型１０側に透過するため、透明基板３０両面の成形材料５０、４０を硬化させることができる。その際、成形材料が多少光を吸収する材料であっても透過型光学素子として必要な厚みが十分小さければ成形材料の硬化は行うことが可能である。

例えば、紫外線硬化材料を成形材料として用いる場合には、成形型の材料として石英ガラスを用いることができ、成形材料としてシリコーンを選ぶことができる。シリコーンは若干の紫外線吸収が生じるが成形部の厚みが十分薄ければ、成形型を通して成形材料を硬化させることが可能である。

本発明の透過型光学素子の成形硬化時の構成は、図３に示すような第１面用の成形型１０／第１面側の成形材料４０／透明基板３０／第２面側の成形材料５０／第２面用の成形型２０、となっている。すなわち基板両面に成形型を接合させた状態で成形材料を硬化させ、両成形型を離型することにより基板の両面に同時に表面構造を形成することができる。

本発明の光学素子では、成形材料が基板を包み込む形となり、成形された表面形状は基板上の片面に成形する場合と同様の精度が得られる。また光学素子自体の熱膨張は基板の熱膨張係数により支配されることとなり、温度変化による形状変化は生じにくい。さらに片面を成形加工した基板を貼り合わせるような作業も必要無く片面のみ成形する場合とほぼ同程度の工程で素子の作製が可能であり、当然基板間の界面も生じない。また、両面の樹脂は同時に硬化するため、第２面の硬化時に第１面も成形型により外環境から保護されており、片側の表面が他方の表面に比べて顕著に酸化劣化するといった不具合は発生しない。

本発明の光学素子作製に用いる成形材料は熱硬化性の樹脂でも良いが、硬化時間や成形型の温度変化による形状精度のバラツキを抑制するためには光硬化性材料を用いて成形することが好ましい。このとき、少なくとも一方の型は光硬化を行うに要する波長の光を透過する必要があり、紫外線硬化材料を用いる場合には石英ガラスなど、可視光硬化材料の場合には各種ガラスなどの光透過性材質により成形型を作製するのが好ましい。成形型表面の凹凸形状は直接石英ガラスやその他のガラスに成形してもよいが、生産性を上げるためには、石英ガラスやその他のガラスの基板上にマスターから光硬化性樹脂による成形などで凹凸形状を転写形成してもよい。

このときの成形型に用いる成形材料は若干の光吸収が生じる材質であっても成形層の厚みを十分薄くすることで成形材料を硬化させることが可能であり、光硬化性の樹脂やシリコーン等を用いることができる。また、光硬化材料を用いて本発明の光学素子を製造する際には、光源に対し表面の成形材料だけでなく、基板を通して光硬化が行われる裏面側の成形材料が十分に硬化するために、光源側の成形材料および基板の、光硬化に要する波長域における光透過率が５０％以上であることが好ましい。５０％以下の場合、表面と裏面の成形層の硬化状態が不均一化になり、また光吸収による発熱で成形精度に悪影響を与える。

硬化した成形材料を成形型から離型する際には基板を保持する必要がある。基板が十分に厚い場合には基板の端面を保持することで離型できるが、一般に透過型光学素子の基板は薄いことが望ましい。そのため、図４（ａ）に示すように成形時に基板の外縁部が成形型より外側に出た離型用の領域６０を形成することが望ましい。この領域６０を図４（ｂ）および（ｃ）に示すように離型ジグ７０などで引っかけて成形型１０，２０と逆に押すことで成型物を成形型から離型する作業の効率を格段に改善できる。この離型用の領域６０は成形後に切断除去してもよいが、形状的な不都合がなければ最終的な透過型光学素子２００に残留させてもよい。本発明の製造方法で作製した透過型光学素子の一例である両凸マイクロレンズアレイ２００の断面模式図を図５に示す。
以下に本発明を実施例に基づいて説明する。

石英ガラス基板表面にＣｒ膜を成膜し、フォトリソグラフィーによりこのＣｒ膜に複数の円形開口を形成した。つぎにこの開口を介してフッ酸水溶液によりガラス基板をエッチングし、球面凹形状アレイ基板を作製した。この基板表面に離型処理を施した後、紫外線硬化性透明シリコーンを塗布した。

この上にプライマー処理した石英ガラス基板を密着させて紫外光を照射し、凸球面アレイ成形型を作製した。得られた凸球面アレイ成形型に離型処理を施し、再度、紫外線硬化性透明シリコーンを塗布した。これにプライマー処理した石英ガラス基板を密着させて紫外光を照射し、凹球面アレイ成形型を作製した。同様の手順で凹球面アレイ成形型を２枚作製した。

得られた凹球面アレイ成形型の紫外線透過光量を測定した。測定には市販の紫外線照度計を用いて波長３６５ｎｍにおける測定を行った。はじめに光源の紫外線照射強度を測定すると３１ｍＷ／ｃｍ²であった。次に、作製した凹球面アレイ成形型を照度計に載せ、成形型を透過する光強度を測定したところ、２７ｍＷ／ｃｍ²を示し、透過率に換算すると８７％であることを確認した。

光学素子用の基板として成形型より外縁部が０．５ｍｍ大きな石英ガラス基板を用意し洗浄後、両面にプライマー処理を施した。一方の凹球面アレイ成形型に離型処理を施し、紫外線硬化樹脂を塗布し上記の石英ガラス基板の一方の面を密着させた。つぎに他方の凹球面アレイ成形型に離型処理を施し紫外線硬化樹脂を塗布した。この上に上記石英ガラス基板の成形樹脂を密着させていない面を密着させた。石英ガラス基板の両面に成形型が貼り合わされた状態で、基板の外縁部が幅０．５ｍｍ程度、成形型の外側に露出する。

この状態で一方の成形型を通して紫外光を照射し紫外線硬化樹脂を硬化させた。硬化後、石英ガラス基板の外縁部に離型用ジグを掛け、一方の成形型と逆向きに押すことで成形型から成形された樹脂を離型した。他方の成形型も同様に基板から離型し、両面一括成形した凸レンズアレイ基板を得た。

同様の手順で片面のみ成形した片面凸レンズアレイ基板を得た。この基板の裏面にプライマー処理を施し、凹球面アレイ成形型に離型処理を施し、紫外線硬化樹脂を塗布し上記の片面凸レンズアレイ基板の裏面を密着させ、型方向から紫外線を照射し紫外線硬化樹脂を硬化させた。硬化後、同様の手順で成形型を基板から離型し、片面ずつ成形した両面凸レンズアレイ基板を得た。

上記２種類の作製方法で得た両面凸レンズアレイ基板の紫外線透過光量を上記同様の波長、入射光強度の条件で測定を行った。両面一括成形した凸レンズアレイ基板の透過光強度を測定したところ、１５ｍＷ／ｃｍ²を示した。続いて片面ずつ成形した両面凸レンズアレイ基板の透過光強度を測定したところ、１１ｍＷ／ｃｍ²を示し、両面一括成形品に対し、透過光量が低下していることが明らかとなった。また、目視においても片面一括成形品は先に成形した面の樹脂が黄色に着色していた。

すなわち、片面ずつ２回の紫外線照射を行うと、２回照射された側の樹脂成形面の変質が１回のみ照射された成形面に比べて顕著であるのに対し、１回の照射で両面の樹脂を硬化させる本発明の方法では両方の成形面がある程度変質はするとしても、その程度は同等であると言える。

得られた２種類の両面凸レンズアレイ基板の両面に無反射コートを施し、耐候性試験にかけたところ、両面一括成形品では両面とも同様の耐候性を示したが、片面ずつ成形した両面凸レンズアレイ基板では先に成形した面の無反射コートの一部が剥離した。

以上の例では両面マイクロレンズアレイについて説明したが、本発明はこれに限らず適用することができる。例えば、片面に凸状のマイクロレンズアレイを形成し、裏面に回折レンズを形成することで色収差を大幅に改善したマイクロレンズアレイを形成することなどが可能となる。このように屈折を用いた素子や回折を用いた素子を複合的に組み合わせた透過型光学素子を一枚の基板の両面に形成できる。

図１は本発明の透過型光学素子の成形工程を説明する図である。 図２は一部変更した成形工程を示す図である。 図３は成形樹脂の硬化方法を示す図である。 図４は離型工程を説明する図である 図５は両凸マイクロレンズアレイの断面模式図である。

符号の説明

１０、２０ 成形型
３０ 透明基板
４０、５０ 成形樹脂
６０ 離型用の領域
７０ 離型ジグ
１００ 紫外光
１２０ 透過光
２００ 両凸マイクロレンズアレイ

Claims (7)

1. 透明基板両面に成形硬化させた光硬化材料を有する透過型光学素子の製造方法において、前記透明基板両面に光硬化材料を成形型によって押圧した状態で、一方向のみから一方の成形型を透過させて、光硬化材料の硬化に必要な波長の光を照射することを特徴とする透過型光学素子の製造方法。
2. 流動性を有した第１の光硬化材料を透明基板の一方の表面に塗布し、または第１の成形型に充填し、第１の光硬化材料を挟み込むように第１の成形型と前記透明基板を密着させ、次いで流動性を有した第２の光硬化材料を前記透明基板の第１の光硬化材料に接した表面と反対側の表面に塗布し、または第２の成形型に充填し、第１の成形型との間に前記透明基板を挟むように第２の成形型を前記透明基板に押し当て、その状態で第１および第２の光硬化材料の硬化に必要な波長の光を照射して両光硬化材料を硬化させる透明基板両面に成形硬化させた光硬化材料を有する透過型光学素子の製造方法において、前記透明基板両面に第１および第２の成形型を押圧した状態で、一方向のみから一方の成形型を透過させて、前記光を照射することを特徴とする透過型光学素子の製造方法。
3. 前記透明基板および少なくともいずれか一方の面の光硬化材料の光透過率が該光硬化材料の硬化に必要な光の波長域において５０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の透過型光学素子の製造方法。
4. 前記透明基板の外縁部の少なくとも一部を成形時に前記成形型の外側に露出させ、成形硬化後、前記露出した透明基板外縁部を保持して成形型を離型することを特徴とする請求項１または２に記載の透過型光学素子の製造方法。
5. 透明基板の両面に所定の表面形状に成形した透明材料を有する透過型光学素子において、両成形面の最表面に同等に変質層が形成されていることを特徴とする透過型光学素子。
6. 前記透明材料が光硬化材料であり、透明基板および少なくともいずれか一方の面の該光硬化材料の光透過率が該光硬化材料の硬化に必要な光の波長域において５０％以上であることを特徴とする請求項５に記載の透過型光学素子。
7. 前記透明基板の外周部の一部は前記透明材料によって被覆されず露出していることを特徴とする請求項５または６に記載の透過型光学素子。
   

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