JP5604847B2

JP5604847B2 - 光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP5604847B2
Application number: JP2009239185A
Authority: JP
Inventors: 壽男生形; 一雅西脇; 将介谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: JP2011085791A

Description

本発明は、光学素子、特に回折光学面等を有する複合光学素子の製造方法に関する。

光学素子、特に回折光学面を有する回折格子レンズ等の複合光学素子を樹脂成形により製造する場合、所望の光学面形状に対応した成形用金型若しくは基板の一方若しくは両方に、光硬化型樹脂を塗布し、密着させる。その後、光を照射して光硬化型樹脂を硬化させ、金型若しくは基板を引き離すことにより、金型のパターンが反映された樹脂層を有する複合光学素子が得られる。

例えば、特許文献１に記載の光学素子製造方法では、金型のレリーフパターンと紫外線硬化型樹脂との間に空気が入り込むことを防ぐため、金型の上に紫外線硬化型樹脂を載置して金型とレンズとで挟んで押圧し押し広げる工程は、真空雰囲気内で行われる。そして、レンズを通して紫外線硬化型樹脂に紫外光を照射し、紫外線硬化型樹脂を硬化させた後、紫外線硬化型樹脂とレンズとが一体となったものを金型から離型することにより、光学素子を製造する。

しかしながら、特許文献１に記載の光学素子の製造方法においても、成形された樹脂層中に気泡が残留することを十分に防ぐことは困難であった。

特開２００８−６８５５６号公報

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、光学素子の成形時に光硬化型樹脂への気泡の混入を防ぎ、光学素子の外観や特性不良の発生を防止することができる光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、大気中で基板と金型との間に光硬化型樹脂を挟み込んで押圧することにより、基板と金型の両方に光硬化型樹脂を付着させる第一のステップと、前記光硬化型樹脂が付着した基板と金型とを、前記基板と金型とに付着した光硬化型樹脂同士が離れるまで引き離す第二のステップと、基板と金型が設置された雰囲気を減圧することにより、前記基板と金型とに付着した光硬化型樹脂から脱泡する第三のステップと、前記基板と金型とを互いに接近させて押圧することにより、前記脱泡した光硬化型樹脂同士を密着させる第四のステップと、光を照射して、前記基板と金型との間に挟まれた光硬化型樹脂を硬化させる第五のステップと、前記硬化した光硬化型樹脂を金型から剥離する第六のステップとを含むことを特徴とする光学素子の製造方法が提供される。

本発明の第１の態様によれば、光硬化型樹脂が付着した基板と金型とを、双方に付着した光硬化型樹脂同士が離れるまで引き離すので、その後減圧する際に、光硬化型樹脂同士が完全に離れていない場合と比べて、広い表面積に渡って確実に脱泡することができる。また、互いに分離した基板及び金型には、それぞれ、光硬化型樹脂が基板及び金型に対する接触角を保って凸（凸型で弧状の曲面）状に付着している。そして、再度、双方に付着した光硬化型樹脂同士を密着させる際は、凸状曲面の頂点部分から光硬化型樹脂同士が接触し始めて、そこから両側に押し広げられるので、周囲（押圧方向と垂直な面内）に確実に空気を逃がしながら密着させることができる。これにより、光硬化型樹脂への気泡の混入を効果的に防止することができる。特に、ブレーズ回折格子等の鋸歯状光学面を有する複合光学素子を整形する場合、鋸歯状金型の凹部に樹脂を完全に充填することは困難であり、凹部先端に空間が残留しやすいが、本発明の第１の態様によれば、凹部先端に残留した空間内に存在する大気圧の空気が、減圧した際に膨張して樹脂層外に破れ出るので、脱泡が確実に行なわれる。このような光学面を有する素子（金型）の具体例としては、深さが１〜５０μｍ、ピッチが１０〜３０００μｍ程度の鋸歯状光学面を有するブレーズ回折格子又はフレネルレンズ、及びこれらの成形用金型を挙げることができる。

本発明の光学素子の製造方法においては、大気中で前記基板と金型との間に光硬化型樹脂を挟み込んで押圧することにより、基板と金型の両方に対して、成形面の有効径の範囲外まで前記光硬化型樹脂を付着させ得る。ここで、成形面の有効径とは、光学面として機能させる領域を意味する。基板及び金型において、成形面の有効径の範囲外まで光硬化型樹脂が付着していない場合、つまり、基板と金型による押圧が不十分であり、光硬化型樹脂が成形面の有効径の範囲外まで広がっていない場合、有効径内の光硬化型樹脂に光学歪が生じ、最終的な光学素子の光学的特性が不均一となる。しかしながら、本発明では、基板と金型の両方に対して、成形面の有効径の範囲外まで光硬化型樹脂を付着させるので、光学歪が生じることがない。

本発明の光学素子の製造方法においては、前記減圧した圧力を、２００Ｐａ以下とし得る。２００Ｐａ以下に減圧することにより、光硬化型樹脂に混入した気泡を十分に除去することができる。

本発明の光学素子の製造方法において、前記基板と金型とは、互いに上下方向に重なるように配置され得る。このように配置することにより、基板及び金型の一方には下側に凸状に、他方には上側に凸状に光硬化型樹脂を付着させることができる。

本発明の光学素子の製造方法において、前記金型が、前記基板の上側に配置されてもよい。

本発明によれば、光学素子成形時に光硬化型樹脂への気泡の混入を防ぐことができるため、混入した気泡による光学素子の外観不良及び特性不良の発生を防止することができる。

本発明の光学素子の製造方法の実施例の概要を示す図である。光学素子の製造方法の比較例の概要を示す図である。

本発明の実施例について、図１を参照しつつ説明する。

まず、直径２８ｍｍの基板レンズ２の成形面に、予め脱泡した粘度１０００ＣＰＳ相当の紫外線硬化型樹脂３を、大気圧下で塗布した。そして、図１（ａ）に示すように、成形装置の真空チャンバー４内において、前記紫外線硬化型樹脂３を塗布した基板レンズ２を下側（地側）、輪帯状の回折格子形状を有する金型１を上側（天側）にして、それぞれの中心を合わせて平行に配置した。ここで金型１の回折格子形状は、深さが約２０μｍ、ピッチが約２００μｍ（中心部）〜約２０μｍ（外周部）である。

次に、図１（ｂ）に示すように、金型１を基板レンズ２の成形面上の紫外線硬化型樹脂３に０．０２５ｍｍ／ｓｅｃの速度で近づけて、紫外線硬化型樹脂３を金型１の表面に密着させながら押圧し、紫外線硬化型樹脂３を成形面の有効径２３ｍｍの範囲外まで広げた。

そして、金型１を基板レンズ２から５ｍｍ／ｓｅｃの速度で引き離し、図１（ｃ）に示すように、金型１及び基板レンズ２に付着した紫外線硬化型樹脂３同士が互いに離れた状態とした。このとき、金型１及び基板レンズ２に付着した紫外線硬化型樹脂３はいずれも、成形面の有効径の範囲外まで広がっており、金型１及び基板レンズ２の表面でそれぞれ、凸型で弧状の曲面状に付着している。

なお、金型１及び基板レンズ２の間に挟み込んだ紫外線硬化型樹脂３を押圧する工程、並びに、金型１を基板レンズ２から引き離す工程は、真空チャンバー４内において、大気圧下で行った。

次に、図１（ｃ）に示すように、金型１及び基板レンズ２に付着した紫外線硬化型樹脂３同士が互いに離れた状態で、真空チャンバー４内を５０Ｐａまで減圧し、５秒間保持した。

そして、図１（ｄ）に示すように、紫外線硬化型樹脂３の付着した金型１を、紫外線硬化型樹脂３の付着した基板レンズ２に０．００５ｍｍ／ｓｅｃの速度で近づけて、紫外線硬化型樹脂３をそれらの間で押圧して密着させた。そして、紫外線硬化型樹脂３が、成形面の有効径の範囲まで広がっていることを確認した。

次に、図１（ｅ）に示すように、８００Ｗの超高圧水銀ＵＶランプを用いて、成形面の有効径の範囲まで広がった紫外線硬化型樹脂３に対して、基板レンズ２を通して紫外光を２回に分けて照射した。１回目は３４ｍＷ／ｃｍ^２の照射エネルギーで２９秒間、２回目は５４ｍＷ／ｃｍ^２の照射エネルギーで３９秒間それぞれ照射した。

そして、図１（ｆ）に示すように、金型１を、紫外線の照射により硬化した樹脂から上昇速度を段階的に変えながら剥離した。速度は、１段階目は１ｍｍ／ｓｅｃ、２段階目は０．００５ｍｍ／ｓｅｃ、３段階目は０．０１ｍｍ／ｓｅｃ、４段階目は０．０５ｍｍ／ｓｅｃとした。

成形された複合光学素子には、外観不良がなかった。

比較例

複合光学素子の製造方法の比較例について図２を参照しつつ説明する。比較例では、金型１を基板レンズ２の成形面に塗布した紫外線硬化型樹脂３に密着させ、金型１にも紫外線硬化型樹脂３が付着した状態で金型１を引き離すという工程を行わない点が、上記実施例と異なる。

まず、基板レンズ２の成形面に、予め脱泡した粘度１０００ＣＰＳ相当の紫外線硬化型樹脂３を、大気圧下で塗布した。そして、図２（ａ）に示すように、真空チャンバー４内において、前記紫外線硬化型樹脂３を塗布した基板レンズ２を下側（地側）、回折格子形状を有する金型１を上側（天側）にして、それぞれの中心を合わせて平行に配置した。

次に、真空チャンバー４内を５０Ｐａまで減圧し、５秒間保持した。

そして、図２（ｂ）に示すように、金型１を、紫外線硬化型樹脂３の付着した成形用レンズ２に０．００５ｍｍ／ｓｅｃの速度で近づけて、紫外線硬化型樹脂３をそれらの間で押圧して密着させた。そして、紫外線硬化型樹脂３が成形面の有効径の範囲まで広がっていることを確認した。

次に、図２（ｃ）に示すように、８００Ｗの超高圧水銀ＵＶランプを用いて、成形面の有効径の範囲まで広がった紫外線硬化型樹脂３に対して、基板レンズ２を通して紫外光を２回に分けて照射した。１回目は３４ｍＷ／ｃｍ^２の照射エネルギーで２９秒間、２回目は５４ｍＷ／ｃｍ^２の照射エネルギーで３９秒間それぞれ照射した。

そして、図２（ｄ）に示すように、金型１を、紫外線の照射により硬化した樹脂から上昇速度を段階的に変えながら剥離した。速度は、１段階目は１ｍｍ／ｓｅｃ、２段階目は０．００５ｍｍ／ｓｅｃ、３段階目は０．０１ｍｍ／ｓｅｃ、４段階目は０．０５ｍｍ／ｓｅｃとした。

成形された複合光学素子内には、気泡が残っていることが視認された。

なお、上記実施例においては、金型１及び基板レンズ２に付着した紫外線硬化型樹脂３同士が互いに離れた状態で、真空チャンバー４内を５０Ｐａまで減圧したが、紫外線硬化型樹脂３内を十分に脱泡するためには、２００Ｐａ以下に減圧することが望ましい。

上記実施例では、真空チャンバー４内で下側に配置される基板レンズ２の成形面に紫外線硬化型樹脂３を塗布したが、上側に配置される金型１の、基板レンズ２と対向する面に紫外線硬化型樹脂３を塗布してもよい。

また、上記実施例では、成形面の有効径や、金型１を基板レンズ２に対して近づける速度、引き離す速度、紫外光の照射エネルギーや照射時間、及び紫外線硬化型樹脂３の粘度等を特定の値を例に挙げて説明したが、それらに限定されず、本発明の作用を生じ得るものであれば、任意の値を採用することができる。

また、上記実施例では、真空チャンバー４内において、紫外線硬化型樹脂３を塗布した基板レンズ２を下に、金型１を上に配置したが、金型１と基板レンズ２との配置関係は上下逆であってもよい。つまり、真空チャンバー４内において、紫外線硬化型樹脂３を塗布した金型１を下に、成形用レンズ２を上に配置してもよい。

上記実施例は、本発明を複合光学素子の一種である回折格子レンズの製造に適用した例であるが、本発明の光学素子の製造方法は、回折格子レンズに限らず、フレネルレンズ、フライアイ等種々のパターンを有する光学素子の製造に適用することができる。

１金型２基板レンズ３紫外線硬化型樹脂４真空チャンバー

Claims

大気中で基板と金型との間に光硬化型樹脂を挟み込んで押圧することにより、基板と金型の両方に光硬化型樹脂を付着させる第一のステップと、
前記光硬化型樹脂が付着した基板と金型とを、前記基板と金型とに付着した光硬化型樹脂同士が離れるまで引き離す第二のステップと、
基板と金型が設置された雰囲気を減圧することにより、前記基板と金型とに付着した光硬化型樹脂から脱泡する第三のステップと、
前記基板と金型とを互いに接近させて押圧することにより、前記脱泡した光硬化型樹脂同士を密着させる第四のステップと、
光線を照射して、前記基板と金型との間に挟まれた光硬化型樹脂を硬化させる第五のステップと、
前記硬化した光硬化型樹脂を金型から剥離する第六のステップとを含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
大気中で前記基板と金型との間に光硬化型樹脂を挟み込んで押圧することにより、基板と金型の両方に対して、成形面の有効径の範囲外まで前記光硬化型樹脂を付着させることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
前記減圧した圧力が、２００Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の製造方法。
前記基板と金型とは、互いに上下方向に設置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法。
前記金型が、前記基板の上側に設置されることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の製造方法。