JP2009080434A - 光学素子製造方法および光学素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板11上にSiO2を骨格とする重縮合材料を液状で塗布する塗布工程と、塗布形成された塗布層120に対してプリベークを行って塗布層をゲル化してゲル層121とするプリベーク工程と、得られたゲル層121に対して、微細な凹凸構造に反転的に対応する表面形状を有する押型200を押圧した状態で、熱および/または光によりゲル層121を硬化して、表面形状の反転形状をゲル層に転写する転写工程と、転写工程後に、硬化したゲル層である硬化層122から押型200を型抜きする型抜き工程とを有し、プリベーク工程におけるゲル化の程度を押型200の表面形状の転写に適したゲル化状態に調整する。
【選択図】図1
Description
サブ波長構造を持つ表面構造を形成する技術として、ナノインプリント法が提案されている(例えば特許文献1、非特許文献1)。
ナノインプリント法は、基本的には、形成するべき所望の表面形状に対応する型形状の面を持った押型(所謂「モールド」)を、軟化状態にある転写層に押圧して上記転写層の表面を変形させ、この状態で転写層に熱や光を作用させて転写層を硬化させ、しかるのちに押型を型抜きすることにより、所望の表面形状を得る方法であり、種々のバリエーションが提案されている。
請求項1記載の方法は、以下の如き特徴を有する。
即ち、基板上に「SiO2を骨格とする重縮合材料」を液状で塗布し、塗布により形成された塗布層に対してプリベークを行って、塗布層をゲル化してゲル層とする塗布・プリベーク工程を1回以上行って基板上に所望厚さのゲル層を形成する。
塗布・プリベーク工程により形成された所望厚さのゲル層に対して「微細凹凸構造に反転的に対応する所定の表面形状を有する押型」の表面形状の形成された面を押圧した状態で、熱および/または光によりゲル層を硬化して、押型の表面形状の反転形状をゲル層に転写し、硬化したゲル層である硬化層から押型を型抜きする。
即ち「微細凹凸構造に反転的に対応する所定の表面形状を有する押型の表面形状の形成された面」にSiO2を骨格とする重縮合材料を液状で塗布し、塗布により形成された塗布層に対してプリベークを行って、塗布層をゲル化してゲル層とする塗布・プリベーク工程を1回以上行って押型上に所望厚さのゲル層を形成する。
上記請求項1〜3の任意の1に記載の光学素子製造方法を、平板状の基板の両面に対して同時的もしくは順次に行って、基板の両面に所望の微細凹凸構造を有する光学素子とすることができる(請求項4)
請求項1〜4の任意の1に記載の光学素子製造方法において用いられる「SiO2を骨格とする重縮合材料」は水素シルセスキオキサン(HSQ)やシルセスキオキサン(SQ)を挙げることができる(請求項5)。「SiO2を骨格とする重縮合材料」としてゾル−ゲル材料を好適に用いることができる(請求項6)。
ゾル−ゲル材料としてはほかに、ポリジメチルシロキサン系の無機ハイブリッド材料等、公知の適宜のものを用いることができる。
なお、型抜きされた後の微細凹凸構造の上に、所望によりあるいは必要に応じて、反射防止膜や反射膜等、光学素子の光学機能を助長する光学膜を形成することができる。
また、押型の表面形状部分に離型剤を塗布して型抜きを容易にすることは好ましい。離型剤としては4フッ化エチレン等のフッ素系のものが好適である。
図1(a)に示す説明図に従って、光学素子の1例である位相板を説明する。
位相板10は、平行平板状の基板11上に硬化層12が形成されてなり、硬化層12の表面形状として「構造複屈折を発現させる微細凹凸構造」が形成されている。硬化層12の表面形状として形成された微細凹凸構造は「断面形状が矩形波状のもの」で図面に直交する方向の断面形状は一様である。説明の具体性のために基板11は「石英ガラス基板」であるとする。
このとき、「w/P」をフィリングファクタ、「D/(P−W)」をアスペクト比と呼ぶ。「フィリングファクタが大きい」ほどピッチ:Pに占めるランド幅:wが大きく、「アスペクト比が大きい」ほど開口部寸法:P−Wに対する凹部の深さ:Dが大きい。アスペクト比は、高い方が光学設計シミュレーションでは性能が高いが、製作技術の観点からは、微細な凹凸構造形成の容易さの観点から「10よりも小さい」こと、より好ましくは、5程度以下が良い。
n(TE)=√{fn2+(1−f)} (1)
n(TM)=√[n2/{f+(1−f)n2}] (2)
このため、透過光における偏光成分:TMに対し、偏光成分:TEは位相が遅れることになる。
この実施の形態の光学素子20では、基板21上に形成された硬化層22の表面形状は、図に直交する方向へ均一で、図の左右方向においては表面形状が変化している。即ち、矩形波状の断面形状において、ピッチ:Pは一定であるが、上述のフィリングファクタ:fは変化し、光学素子20の中央部から図の左右方向の周辺部へ行くに従って、フィリングファクタが次第に小さくなっている。
また、硬化層表面に形成する微細凹凸構造を2次元的な形状とし、凸や凹の球面レンズや非球面レンズのような光学作用を付与することもできる。また、微細凹凸構造の形状として、断面形状が矩形波状である場合を説明したが、これに限らず、断面形状として「2以上のステップを有する階段状のもの」を用いることもできる。
図2(a)は、基板としての石英ガラス基板11の上に「SiO2を骨格とする重縮合材料」として前述の「テトラアルキルオルソシリケートを加水分解と重縮合により調整したゾル状態の溶液(必要に応じ、フィラー粒子を分散させて屈折率を調整してもよい。)」を塗布して塗布層120を形成した状態を示している。
塗布層120の形成は、ゾル状態の溶液を滴下して塗布層としてもよいし、スピンコート等の塗布方法で形成しても良い。このとき形成される塗布層120の厚さは数μm〜数10μmである。
即ち、図2(a)、(b)は、塗布・プリベーク工程を示している。
図3(a)に示す光学素子30は、光ピックアップ装置における対物レンズの収差補正を行うものであり、以下、収差補正素子30と呼ぶ。
収差補正素子30を用いる光ピックアップ装置の概略を図5に示す。
図5において、符号500は光ディスクを示し、光ピックアップ装置は光ディスク500に対して記録・再生・消去の1以上の動作を行う。
この光ピックアップ装置は、半導体レーザ光源501、502、503を有している。これら半導体レーザ光源501、502、503は互いに発光波長が異なるものである。
即ち、図5の光ピックアップ装置は、光ディスク500として「動作波長の異なる複数種類の光ディスク」を使用可能な装置である。
説明の具体性のため、図5の光ピックアップ装置に使用できる光ディスクは、BD(ブルーレイディスク、基板厚:0.1mm)、HD(HD−DVD、基板厚:0.6mm)、DVD(基板厚:0.6mm)およびCD(基板厚:1.2mm)の4種であるとする。
図5の光ピックアップ装置は上記の如く、4種の光ディスクに対して動作可能であるが、光ディスクの動作波長や基板の厚さは光ディスクの種類に応じて異なる。
一方、各光源からの光を光ディスクの記録面上に集光させる対物レンズ513は、4種の光ディスクに対して共通化されているので、対物レンズ513の光学性能を何れか1種類の光ディスクに対して最適化すると、他の種類の光ディスクに対しては、色収差や基板厚の差に起因する球面収差の増大により良好な光スポットを形成することができない。
上述のように、各輪帯レンズの断面形状をなす階段形状はステップ幅やステップ数、あるいは高さが輪帯レンズの位置(光軸からの距離)に応じて異なる。
図4(a)は、平行平板状の基板31Aの上にゲル層32Aを形成し、その表面を押型301の表面形状により変形させた状態を示している。図4(b)は、平行平板状の基板31Bの上にゲル層33Aを形成し、その表面を押型302の表面形状により変形させた状態を示している。
石英ガラス基板11の上に塗布層120として「シリコーン含有ゾル−ゲル材料である有機無機・複合コーティング材である米国Silecs社の製品XCシリーズのうちの「XC−100」に、粒径:10nm以下のTa2O5(屈折率:2.35)を分散させて混合し、屈折率:1.90、粘度:6mPa・sに調製した溶液」をスピンコートにより塗布し、90度Cの温度で5分間のプリベークを行ってゲル化を完了し、ゲル層121とした。
石英ガラス基板11の上に塗布層120を、石英ガラス基板表面に塗布できる程度の低い粘度に調整した「水素シルセスキオキサンを含む液体」のスピンコートで形成した。水素シルセスキオキサンは、市販の東レ・ダウコーニング・シリコ−ン(株)社製HSQ材料を用いた。
厚さ:0.5mmの平行平板状石英ガラスの片面に、ゾルーゲル材料としてナノコンポジット材料(JSR社製 型番:Z−7503)を用い、この材料中に「屈折率:1.90のTa2O5の無機超微粒子(粒径:10nm以下)」を混入し、粘度:10mPa・sに調製した塗布液をスピンコートにより塗布し、エネルギ密度:400mJ/cm2の光を120秒間照射して硬化させ、高屈折率薄層とした。
表面に密着性処理を施した石英ガラス基板31の両面に、HSQ材料による塗布層を形成した。
即ち、HSQ材料:東レ・ダウコーニング・シリコ−ン(株)社製HSQを、希釈剤:メチル=イソブチル=ケトン(MIBK)に溶解させてHSQ材料による塗布液を調製した。この塗布液を石英ガラス基板31の各表面にスピンナーで塗布(スピンコート)して塗布層とした。
押型には上記シリコン材料の他、石英材料を用いることもできる。
11 基板
12 硬化層
30 光学素子(収差補正素子)
31 基板
32A ゲル層
33A ゲル層
32 硬化層
33 硬化層
301 押型
302 押型
Claims (8)
- SiO2を骨格とする重縮合材料の層を基板上に有し、上記層の表面形状が微細凹凸構造をなす光学素子を製造する光学素子製造方法において、
基板上に、SiO2を骨格とする重縮合材料を液状で塗布し、塗布により形成された塗布層に対してプリベークを行って、塗布層をゲル化してゲル層とする塗布・プリベーク工程を1回以上行って基板上に所望厚さのゲル層を形成し、
上記塗布・プリベーク工程により形成された所望厚さのゲル層に対して、上記微細凹凸構造に反転的に対応する所定の表面形状を有する押型の上記表面形状の形成された面を押圧した状態で、熱および/または光により上記ゲル層を硬化して、上記表面形状の反転形状を上記ゲル層に転写し、硬化したゲル層である硬化層から上記押型を型抜きすることを特徴とする光学素子製造方法。 - SiO2を骨格とする重縮合材料の層を基板上に有し、上記層の表面形状が微細凹凸構造をなす光学素子を製造する光学素子製造方法において、
上記微細凹凸構造に反転的に対応する所定の表面形状を有する押型の上記表面形状の形成された面に、SiO2を骨格とする重縮合材料を液状で塗布し、塗布により形成された塗布層に対してプリベークを行って、塗布層をゲル化してゲル層とする塗布・プリベーク工程を1回以上行って押型上に所望厚さのゲル層を形成し、
上記所望厚さのゲル層を上記押型と基板とにより挟み、この状態で熱および/または光により上記ゲル層を硬化させ、上記押型から型抜きすることにより、基板上に、表面が所望の微細凹凸構造をなす硬化層を一体化した光学素子とすることを特徴とする光学素子製造方法。 - 請求項2記載の光学素子製造方法において、
所望厚さのゲル層を押型とともに挟む基板の、上記ゲル層に接触する側の面に、SiO2を骨格とする重縮合材料によるゲル層が、所望の厚さで均一に形成されていることを特徴とする光学素子製造方法。 - 請求項1〜3の任意の1に記載の光学素子製造方法を、平板状の基板の両面に対して同時的もしくは順次に行って、上記基板の両面に所望の微細凹凸構造を有する光学素子とすることを特徴とする光学素子製造方法。
- 請求項1〜4の任意の1に記載の光学素子製造方法において、
SiO2を骨格とする重縮合材料が水素シルセスキオキサンもしくはシルセスキオキサンであることを特徴とする光学素子製造方法。 - 請求項1〜4の任意の1に記載の光学素子製造方法において、
SiO2を骨格とする重縮合材料がゾルーゲル材料であることを特徴とする光学素子製造方法。 - 請求項1〜6の任意の1に記載の光学素子製造方法において、
SiO2を骨格とする重縮合材料中に、屈折率を制御するための微細なフィラー粒子が分散されていることを特徴とする光学素子製造方法。 - 請求項1〜7の任意の1に記載の光学素子製造方法により製造された光学素子。
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