JP5044384B2 - 光学素子および光学機能素子 - Google Patents

Description

この発明は光学素子および光学機能素子に関する。

例えば、液晶パネルには「個々の液晶画素に光を有効に集光するためのマイクロレンズアレイ」が用いられるのが通常であるが、このようなマイクロレンズアレイは一般に、マイクロレンズ面が形成された側の面を「別の部材の平坦な面」に所定の間隔で対向させて一体化される。このため、マイクロレンズ面が形成された側に、別部材と一体化するための平坦な面を形成する必要がある。

このような平坦な面を形成するのに、従来は、マイクロレンズ面が形成された側の面に、平行平板状の透明基板を接合し、この透明基板を研磨で薄肉化して所望の厚さに形成し、研磨された面で別部材に接合一体化していた。

しかし、この方法では「研磨により透明基板の厚さ方向の大部分が削り落とされる」ことになり、透明基板材料の無駄が多く、また研磨に時間がかかり作業効率がよくない。材料コストや作業効率、環境の面から改善が望まれる。

上記平坦な面を形成するのは、別部材の平坦な面との一体化のためであり、適当なコーティング材料を液状態で塗布して、表面が平坦な面となるコート層を形成できれば、材料の無駄がなく作業も効率的である。

ところでマイクロレンズアレイ等の光学部材は一般に、マイクロレンズ等のマイクロ光学面がアレイ配列パターンとして形成された「光学機能領域」と、この光学機能領域に接して設けられて平坦な表面を有するフラット領域とを有する。このように、光学機能領域とフラット領域とが互いに接して存在する光学部材に、スピンコート等の従来の塗布手法で塗布を行うと、塗布形成されたコート層の表面には、光学機能領域とフラット領域との境界部に「段差」が生じ、コート層の表面が「１平面にならない」という問題があった。

この問題を、図１を参照して説明する。図１において、符号１で示す光学部材は、基板の片面にマイクロレンズアレイ（光学機能領域）ＭＬＡとフラット領域ＦＤを形成されたものである。符号２はコーティング材料を液状で塗布して形成されたコート層を示す。
図の如く、形成されたコート層２の自由表面には、マイクロレンズアレイＭＬＡとフラット領域ＦＤとの境界部に対応して高さ：ｈの段差が形成されていまい、自由表面は「一平面」とならない。
従来、このような課題の解決を提案したものは、発明者の知る限りにおいて存在していない。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、上記光学機能領域とフラット領域とに「表面が１平面となるコート層」を形成した新規な光学素子の実現を課題とする。

この発明の光学素子は、光学機能素子とコート層とを有する。
「光学機能素子」は、少なくとも１面に、光学機能領域とフラット領域とを有する。
「光学機能領域」は、マイクロ光学面がアレイ配列パターンとして形成されて、このマイクロ光学面のアレイ配列パターンが光学機能を奏する領域である。

「マイクロ光学面」は、例えばマイクロレンズやマイクロプリズム等である。
マイクロ光学面のアレイ配列パターンは１次元的な配列パターンでも良いし、２次元的な配列パターンでもよい。

「フラット領域」は、光学機能領域に接して設けられて平坦な表面を有する。フラット領域は、例えば、光学機能領域を枠取るように光学機能領域を囲繞して形成される。
「光学機能素子」は、光学機能領域とフラット領域とを同一材料により一体に有する。

「コート層」は、この光学機能素子の「光学機能領域とフラット領域と」に所定量のコーティング材料を液状態で塗布してコーティングした層である。コート層は、液状態で塗布されたコーティング材料が少なくとも自由な流動を行わない状態となった状態である。

例えば、コーティング材料として「無機のゾルゲル材料」を用いることができ、このゾルゲル材料を液状態、即ち、ゾル状態で塗布し、これを光及び／または熱によりゲル化した状態、あるいはさらに固化させた状態のものを「コート層」とすることができる。

この発明の光学素子は、上記の如く光学機能素子とコート層とを有するが、以下の如き特徴を有する。
即ち、請求項１の光学素子では、少なくとも１面に形成される光学機能領域には「高さ：Ｈの凸のマイクロ光学面がアレイ配列パターンとして形成」され、上記光学機能素子における光学機能領域の凸のマイクロ光学面の頂部に接する平面に対し、フラット領域が、段差量：ΔＨ（０＜｜ΔＨ｜＜Ｈ）だけ、低く形成される。
そして、この段差量：ΔＨが、所定量のコーティング材料を塗布によりコーティングしたのちに、光学機能領域とフラット領域とに塗布されたコート層の自由表面の全体が一平面をなすように設定されている。
また、請求項２の光学素子では、少なくとも１面に形成される光学機能領域には「深さ：Ｈの凹のマイクロ光学面がアレイ配列パターンとして形成」され、上記光学機能素子における光学機能領域の凹のマイクロ光学面の最凹部に接する平面に対し、フラット領域が、段差量：ΔＨ（０＜ΔＨ＜｜Ｈ｜）だけ、高く形成される。
そして、この段差量：ΔＨが、所定量のコーティング材料を塗布によりコーティングしたのちに、光学機能領域とフラット領域とに塗布されたコート層の自由表面の全体が一平面をなすように設定されている。
勿論「一平面」は厳密な一平面ではなく、光学素子として支障なく使用できるような平面性を持った面である。

請求項１または２記載の光学素子において「コーティング材料」は、無機材料であることが好ましい(請求項３)。無機のコーティング材料でコート層を構成すると、接着剤を用いることなくコート層を堅固に光学機能素子と一体化でき、耐久性が向上し、有機材料を用いる場合に特有のリタデーション発生等の問題を回避できる。

請求項１または２または３記載の光学素子におけるコート層は「コーティング材料を液状態でスピンコータ、バーコータ、スリットコータ、フローコータの何れかを用いて塗布形成」することができる(請求項４)。勿論、これに限らず、他のコータを用いて塗布しても良い。

請求項１〜４の任意の１に記載の光学素子の「光学機能素子における光学機能領域」には１次元もしくは２次元のマイクロレンズアレイが形成されていることができる(請求項５)。マイクロレンズアレイをなすマイクロレンズは「凸マイクロレンズ面」や「凹マイクロレンズ面」、レンズ面の形状も球面や非球面、シリンドリカル面等の「アナモフィック面」、アキシコンレンズ面等であることができる。勿論、これに限らずマイクロプリズムアレイ等、従来から知られた各種のマイクロ光学面のアレイ配列パターンであることができる。

この発明の「光学機能素子」は、上記請求項１〜５の任意の１に記載の光学素子の構成に用いられる光学機能素子である(請求項６)。即ち「光学機能素子」は、少なくとも１面に、マイクロ光学面がアレイ配列パターンとして形成された光学機能領域と、この光学機能領域に接して設けられて平坦な表面を有するフラット領域とを有し、光学機能領域とフラット領域とが前記段差量：ΔＨを有し、この段差量：ΔＨが、所定量のコーティング材料を塗布によりコーティングした後に、光学機能領域とフラット領域とに塗布されたコート層の自由表面の全体が一平面をなすように設定されている。

この発明は、発明者らの研究を通じて得られた知見に基づいている。発明者らは、光学機能領域とフラット領域とが互いに接して存在する光学部材に、スピンコート等の塗布手法で塗布を行った場合に、塗布形成されたコート層の表面の「光学機能領域とフラット領域との境界部に発生する段差」の性質を調べたが、この段差の大きさが、コート層を形成する前の光学機能素子における光学機能領域とフラット領域との段差量：ΔＨに依存して変化すること、従って「段差量：ΔＨを予め調整する」ことにより、形成されるコート層の自由表面を「段差のない一平面」とできること、そしてこの性質は、コーティング材料や「塗布の方式」によらないことを見出した。この知見に基づき、後述する実施の形態のように、段差の無い一平面を自由表面とするコート層を持つ光学素子を実現できた。

なお、コーティング材料による塗布を行うときに材料が少な過ぎれば、塗布層の表面形状に光学機能素子の光学機能領域やフラット領域の形態が現れてしまうので、コーティング材料の塗布量は、上記「一平面」を形成できる程度に多くなければならない。

「液状態で塗布」するコーティング材料が「所定量」であるとは、上記「一平面」を形成できる程度の量であることを意味し、これは光学機能素子の塗布面の大きさや、光学機能領域に形成されるマイクロ光学面の形状やそのアレイ配列パターンの状態により定まる。

付言すれば、上記段差量：ΔＨが適切に設定されない場合には、コーティング材料の塗布量を増やしてもコート層の自由表面には段差が現れてしまうのである。

以上の説明したように、この発明によれば新規な光学素子および光学機能素子を実現できる。この発明によれば、この発明の光学機能素子を用いることにより、コート層の自由平面が「段差の無い一平面」をなす光学素子を実現でき、別部材との接合が容易である。

図２を参照して実施の形態を説明する。
図２（ａ）において、符号１０は光学機能素子を示す。
光学機能素子１０は平行平板状で石英基板等の透明材料で形成され、その片面にマイクロ光学面のアレイ配列パターンとして光学機能領域１０Ａが形成され、この光学機能領域１０Ａに接して「平坦な表面」を有するフラット領域１０Ｂが形成されている。

光学機能素子１０として、光学機能領域１０Ａが同じで、光学機能領域１０Ａとフラット領域１０Ｂとの段差量：ΔＨのみを異ならせたものを４種（ΔＨ＝０．０μｍ、０．７μｍ、１．５μｍ、３．０μｍ）作製した。
光学機能領域１０Ａには「凸のマイクロレンズのアレイ配列パターン」を形成した。即ち、高さ：３μｍのマイクロレンズを１０μｍピッチで横方向に１０２４個、縦方向に７６８個、正方行列状に配列形成した。

上記段差量：ΔＨは、光学機能領域１０Ａの表面（マイクロレンズの頂部に接する面）
からフラット領域１０Ｂの平坦部に向かって計り、図２（ａ）において下方へ向かって計るときを「正」とする。従って、例えば、ΔＨ＝０のときは、マイクロレンズの頂部に接する面とフラット領域１０Ｂの平坦部とが「同じ高さ」にあり、ΔＨ＝３μｍであるときは、マイクロレンズの頂部に接する面が、フラット領域の平坦部よりも「３μｍ上方」に位置する。

これら４種の光学機能素子に対し、スピンコートによる塗布方法で、種々のコーティング材料を塗布し、コート層を形成した。
図２（ｂ）は、コート層１２を形成した状態を示している。
上記４種の光学機能素子にコート層１２を形成したときに、コート層１２に形成される段差の大きさ：Δｈと、上記段差量：ΔＨとの関係を調べたところ、図２（ｃ）に示す如きものになった。即ち、図２（ｃ）の横軸に示す段差量：ΔＨの増化とともに、段差の大きさ：Δｈは直線的に減少することが分った。

例えば、段差量：ΔＨ＝０であるとき、即ち、フラット領域１０Ｂの平坦部と光学機能領域１０Ａにおけるマイクロレンズの頂部に接する面とが「同じ高さ」であるときに、コート層１２に生じる段差の大きさ：Δｈ＝１μｍとなる。このことから以下のことが理解される。

即ち、光学機能領域１０Ａにおけるマイクロレンズアレイの１つのマイクロレンズに割り当てられる面積（１０μｍ×１０μｍ）と等しい面積をフラット領域１０Ｂに考えてみると、コート層１２の形成後に段差の大きさが１μｍ生じたということは、コーティング材料が塗布されるとき、マイクロレンズ１個に割り当てられる面積について「１０×１０×１μｍ^３」のコーティング材料が、マイクロレンズ表面とその頂部に接する面とで形成される「隙間の領域」に充填されたためであると考えられる。

従って一般には、図３に示すように、光学機能領域にいて１つのマイクロレンズに割り当てられる面積領域において、マイクロレンズ表面とその頂部に接する面とで形成される「隙間の領域」の体積：ΔＶ１と、フラット領域１２Ｂ上に考えた「１つのマイクロレンズに割り当てられる面積上に塗布されるコーティング材料」の体積：ΔＶ２とが等しくなるように段差量：ΔＨを定めれば良い。実際には、厳密にΔＶ１＝ΔＶ２とならなくてもよく、ΔＶ１≒ΔＶ２としても「実質的に一平面で段差の無い自由表面」をもったコート層が得られる。

説明中の例では、段差量：ΔＨ＝１μｍとする（即ち、マイクロレンズ頂部に接する面よりも、フラット領域１０Ｂの平坦部のほうが１μｍ低くなる）ように光学機能素子を形成すれば、塗布形成されるコート層表面の段差の大きさ：Δｈ＝０となり「段差が無く一平面の自由表面」を持つコート層を形成でき、所望の光学素子を得られる。

実際に段差量：ΔＨ＝１μｍとした光学機能素子に対し、所定量の種々のコーティング材料を塗布してコート層を形成したところ、コート層の自由表面は「段差がない一平面」となった。

上に説明した例では、光学機能領域に凸のマイクロレンズアレイを形成した場合を示したが、コート層の自由表面に段差が発生するメカニズムは上述したのと全く同様であり、従って、「光学機能領域に形成される種々のマイクロ光学面の１個に割り当てられる面積と同じ面積のフラット領域」に塗布されるコーティング材料の塗布量と、上記面積のマイクロ光学面領域の塗布される塗布量とが略等しくなるように段差量：ΔＨを設定すれば良い。

例えば、光学機能領域に形成されるマイクロ光学面が、例えば「凹のマイクロレンズ」であれば、この凹のマイクロレンズのレンズ面の最凹部に接する面とフラット領域の平坦部との高低差として段差量：ΔＨを定めればよく、この場合には、フラット領域の平坦部は、光学機能領域の上記レンズ面の最凹部に接する面よりも高く設定されることになる。

最後に、図２に即して説明したような光学機能素子の製造について簡単に説明する。

図４（ａ）は、光学機能素子となる透明平行平板１００の上にフォトレジスト層１２０を形成した状態を示す。この状態で、フォトレジスト層に露光・現像・過熱を行い、レジストの熱流動により凸のマイクロレズ面アレイに対応するレジスト形状領域１２０Ａと、これに接するフラット部(フラット領域に対応する)１２０Ｂとを形成して同図（ｂ）の如き状態を得、続いてドライエッチングによりフォトレジスト層１２０Ａの表面形状を透明平行平板１００の表面形状として転写することにより、所望の光学機能素子を得ることができる。

図５に光学機能素子の別の製造方法を示す。
図５（ａ）は、光学機能素子となる透明平行平板１００の上に薄いクロム層１０２を形成した状態を示す。クロム層１０２上にフォトレジスト層１０４を形成し（ｂ）、露光・現像を行って「光学機能領域となる部分」のフォトレジスト層１０４を除去する（ｃ）。フォトレジスト層１０４の残留する部分は「フラット層となるべき部分」に対応する。

ついで、ウエットエッチングを行って、図５（ｄ）に示すように「光学機能領域となる部分」のクロム層１０２を除去し、さらにクロム層１０２上のフォトレジスト層１０４を灰化して除去し（ｅ）、再度、フォトレジスト層１０６を形成する（ｆ）。このフォトレジスト層１０６に露光・現像・過熱を行い、レジストの熱流動により凸のマイクロレズ面アレイに対応するレジスト形状領域を形成し、これに接するフラット部にはクロム層１０２を残す（ｇ）。

続いてドライエッチングによりフォトレジスト層１０６の表面形状を透明平行平板１００の表面形状として転写しつつ、クロム層１０２をエッチングで除去してさらにエッチングを進行させ「フラット領域」を形成する。このようにして、図５（ｈ）に示すように所望の光学機能素子を得ることができる。
なお、図４（ｃ）、図５（ｈ）においては、フラット領域が、光学機能部分を構成する凸のマイクロ光学面の底部と略同一面になっているが、実際には、フラット領域の面は、図に示された位置よりも若干高い面に設定される。

発明の課題を説明するための図である。 光学素子を説明するための図である。 発明の原理を説明するための図である。 光学機能素子の製造方法を説明するための図である。 光学機能素子の別の製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１０ 光学機能素子
１０Ａ 光学機能領域
１０Ｂ フラット領域
ΔＨ 段差量
１２ コート層

Claims (6)

1. 少なくとも１面に、高さ：Ｈの凸のマイクロ光学面がアレイ配列パターンとして形成された光学機能領域と、この光学機能領域に接して設けられて平坦な表面を有するフラット領域とを、同一材料により一体に有する光学機能素子と、
   この光学機能素子の上記光学機能領域とフラット領域とに所定量のコーティング材料を液状態で塗布してコーティングしたコート層とを有し、
   上記光学機能素子における光学機能領域の凸のマイクロ光学面の頂部に接する平面に対し、上記フラット領域が、段差量：ΔＨ（０＜｜ΔＨ｜＜Ｈ）だけ、低く形成され、
   上記段差量：ΔＨが、上記所定量のコーティング材料を塗布によりコーティングしたのちに、上記光学機能領域とフラット領域とに塗布されたコート層の自由表面の全体が一平面をなすように設定されたことを特徴とする光学素子。
2. 少なくとも１面に、深さ：Ｈの凹のマイクロ光学面がアレイ配列パターンとして形成された光学機能領域と、この光学機能領域に接して設けられて平坦な表面を有するフラット領域とを、同一材料により一体に有する光学機能素子と、
   この光学機能素子の上記光学機能領域とフラット領域とに所定量のコーティング材料を液状態で塗布してコーティングしたコート層とを有し、
   上記光学機能素子における光学機能領域の凹のマイクロ光学面の最凹部に接する平面に対し、上記フラット領域が、段差量：ΔＨ（０＜ΔＨ＜｜Ｈ｜）だけ、高く形成され、
   上記段差量：ΔＨが、上記所定量のコーティング材料を塗布によりコーティングしたのちに、上記光学機能領域とフラット領域とに塗布されたコート層の自由表面の全体が一平面をなすように設定されたことを特徴とする光学素子。
3. 請求項１または２記載の光学素子において、
   コーティング材料が無機材料であることを特徴とする光学素子。
4. 請求項１または２または３記載の光学素子において、
   コート層が、コーティング材料を液状態でスピンコータ、バーコータ、スリットコータ、フローコータの何れかを用いて塗布形成されたことを特徴とする光学素子。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の光学素子において、
   光学機能素子における光学機能領域に、マイクロレンズアレイが形成されていることを特徴とする光学素子。
6. 請求項１〜５の任意の１に記載の光学素子の構成に用いられる光学機能素子。

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