TWI536051B - Optical element and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

光學元件及其製造方法

本發明係關於一種光學元件及其製造方法。

作為先前之光學元件之製造方法，已知藉由將成形模具按壓於配置於基材之內部之樹脂材料上並使該樹脂材料硬化，而在基材之凹部內形成設置有光柵等之光學功能部之成形層之方法(例如參照專利文獻1~5)。

先前技術文獻 專利文獻

專利文獻1：日本特開2006-177994號公報

專利文獻2：日本特開2007-199540號公報

專利文獻3：日本特開2003-266450號公報

專利文獻4：日本特開2005-173597號公報

專利文獻5：日本特表2005-520213號公報

然而，用上述方法製造之光學元件中，成形層之整體位於基材之凹部內，且，由於因使用時之溫度變化等而產生之應力集中於基材之凹部，故有成形層自基材剝離之疑慮。再者，因使用時之溫度變化等引起之成形層之收縮或膨脹，而有設於成形層之光學功能部變形之疑慮。

對此，本發明之目的在於提供一種可防止成形層之剝離或光學功能部之變形之光學元件及其製造方法。

本發明之一觀點之光學元件具備於表面上形成有凹部之基材，及配置於基材上之成形層，且成形層具有自凹部之深度方向觀察之情形下位於凹部內之第1部份、及在與第1部份連接之狀態下位於表面上之第2部份，於第1部份中在與凹部之內面對向之特定之面上，設置有光學功能部。

該光學元件中，即使因使用時之溫度變化等而產生之應力集中於基材之凹部，仍可利用在與第1部份連接之狀態下位於表面上之第2部份，可緊壓位於基材之凹部內之第1部份。藉此，可防止成形層自基材剝離。再者，因使用時之溫度變化等引起之成形層之收縮或膨脹會被位於基材之表面上之第2部份吸收，而緩和位於基材之凹部內之第1部份之收縮或膨脹。藉此，防止第1部份之特定之面之變形，進而防止設置於該特定之面之光學功能部之變形。如上所述，根據該光學元件，可防止成形層之剝離或光學功能部之變形。

在此，第2部份可以隔著凹部而對向之方式複數設置。再者，第2部份可以包圍凹部之方式複數設置。據此，可更確實地防止成形層之剝離或光學功能部之變形。

又，光學功能部可為光柵。或，光學功能部可為面鏡。據此，可得到簡易之構成之光柵元件或面鏡元件。

本發明之一觀點之光學元件之製造方法具備：準備於表面形成有凹部之基材之步驟；在基材上配置成形材料之步驟；及藉由將成形模具按壓於成形材料並使成形材料硬 化，而形成具有自凹部之深度方向觀察之情形下位於凹部內之第1部份、及在與第1部份連接之狀態下位於基材之表面上之第2部份之成形層之步驟，且成形模具具有用以將設置光學功能部之特定之面以與凹部之內面對向之方式形成於第1部份之成形面。

該光學元件之製造方法中，即使成形材料於硬化時收縮，由於在與第1部份連接之狀態下使位於基材之表面上之第2部份較第1部份優先收縮，故位於基材之凹部內之第1部份之收縮得到緩和。藉此，防止第1部份之特定之面之變形，進而防止設置於該特定之面之光學功能部之變形。再者，即使因製造時之溫度變化等而產生之應力集中於基材之凹部，仍可利用在與第1部份連接之狀態下位於表面上之第2部份，緊壓位於基材之凹部內之第1部份。藉此，可防止成形層自基材剝離。如上，根據該光學元件之製作方法，可防止成形層之剝離或光學功能部之變形。

在此，成形面亦可在成形模具被按壓於成形材料時，以與凹部之開口斷續接觸之方式形成。藉此，即使硬化時自成形材料產生氣體，由於該氣體會自成形模具之成形面與凹部之開口之非接觸部份逸出，故可防止成形層中形成空隙。

根據本發明，可防止成形層之剝離或光學功能部之變形。

以下，就本發明之較佳之實施形態，參照圖面進行詳細說明。另，各圖中對於相同或相當部份附加相同符號，省略重複之說明。

[第1實施形態]

如圖1、圖2及圖3所示，第1實施形態之光學元件1具有反射型光柵即光學功能部10。光學功能部10分光並反射自一方之側入射之光L。光學元件1具備由矽、塑料、陶瓷或玻璃等構成之正方形板狀(例如，外形12 mm×12 mm、厚度0.6 mm)之基材2。基材2之表面2a上形成有向著開口3a末端漸寬之正四角錐台狀之凹部3。另，基材2之材料不限於上述材料，可使用各種各樣之材料。又，基材2及凹部3之形狀不限於上述形狀，可使用各種各樣之形狀。惟為更確實地防止後述之成形層4之剝離或光學功能部10之變形，凹部3之開口形狀較好為自凹部3之較深方向觀察之情形下相對於凹部3之中心點呈對稱之形狀。

於基材2上配置有藉由使光硬化性之環氧樹脂、丙烯酸樹脂、氟系樹脂、矽質或有機無機混成樹脂等之複製用光學樹脂予以光硬化而形成之成形層4。成形層4在自凹部3之較深方向(即，一方之側)觀察之情形下為圓形狀，成形層4之外緣4通過正方向狀之開口3a之各頂點。另，成形層4之材料不限於上述光硬化性之樹脂材料，可使用熱硬化性之樹脂材料、或低融點玻璃或有機無機混合玻璃等可利用後述之成形模具30成形及硬化之各種各樣之材料(成形材料)。

成形層4具有一體形成之本體部(第1部份)5及攀爬部(第2部份)6。本體部5在自凹部3之較深方向觀察之情形下位於凹部3內，且覆蓋凹部3之底面3b及側面3c之整體。攀爬部6在與本體部5連接之狀態下位於基材2之表面2a上，且設置於正方形狀之開口3a之各邊之外側。即，攀爬部6係以隔著凹部3而對向並包圍凹部3之方式複數設置。

成形層4具有與凹部3之特定之內面即底面3b對向之凹狀之曲面(特定之面)4b。曲面4b為向著凹部3之底面3b之中心凹陷之曲面，且通過正方形狀之開口3a之各邊之中點，自本體部5到達各攀爬部6。於曲面4b中之本體部5上之特定之區域中，形成有與鋸齒狀剖面之閃耀式光柵、矩形狀剖面之二階式光柵、或正弦波狀剖面之全像光柵等相對應之光柵圖案。

於成形層4之曲面4b上形成有Al或Au等之蒸鍍膜即反射膜7。反射膜7以在曲面4b中之本體部5上之特定之區域中與光柵圖案相對應之方式形成，且該部份為反射型光柵即光學功能部10。另，反射膜7之材料不限於上述材料，可使用各種各樣之材料。

如以上說明，第1實施形態之光學元件1中，即使因使用時之溫度變化等而產生之應力集中於基材2之凹部3，利用在與本體部5連接之狀態下位於基材2之表面2a上之攀爬部6，仍可緊壓位於基材2之凹部3內之本體部5。該作用有助於攀爬部6所在之表面2a與凹部3之側面(內面)3c成為不連續之面(在此為平坦面)。又，由於攀爬部6以隔著凹部3且 而對向並包圍凹部3之方式複數設置，故可自周圍均一地緊壓本體部5。藉此，確實防止成形層4自基材2剝離。再者，因使用時之溫度變化等引起之成形層之收縮或膨脹會被位於基材2之表面2a上之攀爬部6吸收，而緩和位於基材2之凹部3內之本體部5之收縮或膨脹。又，由於攀爬部6以隔著凹部3且而對向並包圍凹部3之方式複數設置，故可均一緩和本體部5之收縮或膨脹。藉此，確實防止本體部5之曲面4b之變形，進而防止設置於該曲面4b上之光學功能部10之變形。因此，根據第1實施形態之光學元件1，可以簡易之構成確實防止成形層4之剝離或光學功能部10之變形。

又，由於設置有光學功能部10之面為以與凹部3之底面3b對向之方式形成於成形層4上之曲面4b，故可使成形層4薄化，而可抑制因使用時之溫度變化等引起之成形層4之收縮或膨脹本身。

其次，就上述之光學元件1之製作方法進行說明。首先，如圖4中所示，準備例如由矽構成之基板20。基板20藉由以切斷(切割)成格狀而形成複數之基材2。且，於基板20之表面20a上，於每個基材2之表面2a利用蝕刻等形成凹部3。藉此，備妥複數個於表面2a上形成有凹部3之基材2。接著，於基板20之表面20a上，於每個基材2之凹部3配置成為成形層4之成形材料(在此為光硬化性之樹脂材料)。藉此，於複數之基材2上配置有成形材料。

接著，如圖5及圖6所示，對每個基材2之凹部3將成形模 具30按壓於成形材料。而在該狀態下，使用以使成形材料光硬化之光(例如紫外線等)透過成形模具30而照射於成形材料，使成形材料硬化，藉此形成具有本體部5及攀爬部6之成形層4。再者，亦可在使成形模具30自成形層4脫模後，使成形層4熱硬化。另，若基材2相對於用以使成形材料光硬化之光具有透過性，則可使其光透過基材2而照射於成形材料。又，成形材料之硬化方法不限於光硬化，可根據成形材料之種類使用熱硬化等之各種各樣之硬化方法。

成形模具30具有用以使設置光學功能部10之曲面4b以與凹部3之底面3b對向之方式形成於本體部5及攀爬部6之成形面30a。成形面30a在成形模具30被按壓於成形材料時，以與凹部3之開口3a斷續接觸之方式形成。在此，成形面30a為與曲面4b有互補關係之凸狀之曲面，且接觸於正方形之開口3a之各邊之中點。

接著，如圖7所示，藉由蒸鍍Al或Au等，在成形層4之曲面4b上形成反射膜7，且在每個曲面4b上設置光學功能部10。該蒸鍍係根據需要而對曲面4b之全面或曲面4b之任意之範圍(遮罩蒸鍍)進行。且，將基板20切斷(切割)成格狀而得到複數個作為光柵元件之光學元件1。

如上說明，光學元件1之製造方法中，即使成形材料於硬化時收縮，由於在與本體部5連接之狀態下使位於基材2之表面2a上之攀爬部6較本體部5優先收縮，故位於基材2之凹部3內之本體部5之收縮得到緩和。且，由於攀爬部6 以隔著凹部3而對向並包圍凹部3之方式複數設置，故可均一地緩和本體部5之收縮。藉此，確實防止本體部5之曲面4b之變形，進而防止設置於該曲面4b上之光學功能部10之變形。再者，即使因製造時之溫度變化等而產生之應力集中於基材2之凹部3，利用位於基材2之表面2a上之攀爬部6，而緊壓位於基材2之凹部3內之本體部5。且，由於攀爬部6以隔著凹部3且而對向並包圍凹部3之方式複數設置，而自周圍均一地緊壓本體部5。藉此，可確實防止成形層4自基材2剝離。因此，根據光學元件1之製造方法，可確實防止成形層4之剝離或光學功能部10之變形。

又，成形模具30之成形面30a係在成形模具30被按壓於成形材料時，以與凹部3之開口3a斷續接觸之方式形成。藉此，即使硬化時自成形材料產生氣體，由於該氣體會自成形模具30之成形面30a與凹部3之開口3a之非接觸部份逸出，故可防止成形層4中形成空隙。

又，成形模具30被按壓於成形材料時，由於對凹部3內之成形材料施加充足之壓力，故可在曲面4b中之本體部5上之特定之區域穩定且高精密度地形成光柵圖案。

又，成形模具30被按壓於成形材料時，由於成形模具30之成形面30a與凹部3之開口3a在複數之點接觸，故可容易並確實地行進成形模具30之高度方向(即，凹部3之深度方向)之定位。再者，防止用以轉印光柵圖案之成形面30a之圖案接觸於凹部3之底面3b之情形發生。

又，根據上述之光學元件1之製造方法，可使用相對於 表面2a上形成有凹部3之一種基材2具有曲率不同之成形面30a者等之複數種成形模具30，製造複數種之光學元件1。

[第2實施形態]

如圖8、圖9及圖10所示，第2實施形態之光學元件1，主要在成形層4之本體部5未覆蓋凹部3之底面3b及側面3c之整體之點上，與上述第1實施形態之光學元件1不同。第2實施形態之光學元件1中，本體部5處於蔓延至凹部3之各角之狀態。這是因為成形材料硬化時，成形材料會自成形模具30之成形面30a與凹部3之開口3a之非接觸部份優先開始蔓延。於成形材料之量較少之情形或成形材料之黏度較低之情形等時，易出現如此之狀態。在此種情形下，在成形模具30之成形面30a與凹部3之開口3a之接觸部份，由於成形材料攀爬於基材2之表面2a上而難以蔓延，故於其接觸部份形成攀爬部6。因此，根據第2實施形態之光學元件1，與上述第1實施形態之光學元件1發揮同樣之效果。

[第3實施形態]

如圖11所示，第3實施形態之光學元件1主要在光學功能部10為面鏡之點上與上述第1實施形態之光學元件1不同。第3實施形態之光學元件1中，於成形層4之曲面4b及反射膜7上未形成有光柵圖案，且光學功能部10為面鏡。如此，光學功能部10不限於光柵，可具有面鏡等之各種各樣之光學功能。因此，根據第3實施形態之光學元件1，除了與上述第1實施形態之光學元件1同樣之效果外，並具有可得到簡易之構成之面鏡元件之效果。

[第4實施形態]

如圖12、圖13及圖14所示，第4實施形態之光學元件1，主要在成形層4上設置有對位標記21之點及於基材2上設置有定位部22之點上，與上述第1實施形態之光學元件1不同。

第4實施形態之光學元件1中，於成形層4之曲面4b中之矩形狀之特定之區域R形成有光柵圖案。在光柵圖案之光柵槽之延伸方向上以隔著光柵圖案(即，光學功能部10)之方式設置有一對對位標記21。另，特定之區域R及對位標記21在成形層4之曲面4b上位於與本體部5相對應之區域內。

在此，形成於特定之區域R中之光柵圖案，在自凹部3之深度方向觀察之情形下相對於凹部3之中心而在與光柵槽之延伸方向垂直之方向上偏移。又，反射膜7在自凹部3之較深方向觀察之情形下，以內接於特定之區域R之方式形成為圓形。

對位標記21在利用成形模具30形成成形層4時，與光柵圖案同時形成。因此，對位標記21處於相對於光柵圖案(即，光學功能部10)經高精度定位之狀態。

定位部22為貫通基材2之剖面矩形之孔，且複數設置於凹部3及成形層4之周圍。定位部22係利用蝕刻等與凹部3同時形成。因此，定位部22處於相對於凹部3經高精度定位之狀態。且，由於藉由利用成形模具30形成成形層4而使光柵圖案相對於凹部3高精度定位，故定位部22處於相 對於光柵圖案(即，光學功能部10)經高精度定位之狀態。

根據以上述方式構成之第4實施形態之光學元件1，除了與上述第1實施形態之光學元件1同樣之效果外，並發揮如下之效果。

即，例如，於設置有光入射部之封裝體中收納光學元件1之情形下，藉由將設置於封裝體中之凸部嵌入定位部22，或使貫通封裝體之引線接腳插通於定位部22，可相對於封裝體之光入射部定位光學功能部10。

再者，例如，於設置有光入射部之封裝體中，與光學元件一起收納用以檢測經光學功能部10分光之光之光檢測單元之情形下，可以對位標記21為基準，相對於光學功能部10定位光檢測單元。此時，由於對位標記21在成形層4之曲面4b上位於與本體部5相對應之區域內，故對位標記21不易出現變形或位置偏移。

又，例如，藉由將設置於光檢測單元之凸部嵌入定位部22，可得到相對於光學功能部10定位光檢測單元之強固之分光單元。

又，由於反射膜7相對於特定之區域R局部形成，故可控制相對於檢測經光學功能部10分光之光之光檢測單元之入射NA。該情形，反射膜7可為橢圓形或矩形，又，其一部份可自特定之區域R露出。

另，定位部22不限於貫通基材2之孔，亦可為凹部。該情形下，於定位部22中嵌入設置於封裝體之凸部、貫通封裝體之引線接腳之端部、設置於光檢測單元之凸部等。

[第5實施形態]

如圖15、圖16及圖17所示，第5實施形態之光學元件1，主要在使成形層之攀爬部6平坦化之點上與上述第4實施形態之光學元件1不同。

第5實施形態之光學元件1中，攀爬部6具有大致平行於基材2之表面2a之平坦面6a，於平坦面6a上設置有對位標記23。對位標記23以隔著形成於特定之區域R中之光柵圖案之方式設置有二對。更詳細而言，在光柵槽之延伸方向上以隔著光柵圖案(即，光學功能部10)之方式設置有一對對位標記23，再者，在垂直於光柵槽之延伸方向之方向上以隔著光柵圖案(即，光學功能部10)之方式設置有一對。

對位標記23係在利用成形模具30形成成形層4時，與光柵圖案及對位標記21同時形成。該情形，如圖18所示，於成形模具30中，設置有包圍成形面30a之凸緣狀之緣部31，於緣部31之平坦面31a上，設置有用以轉印對位標記23之圖案。攀爬部6之平坦面6a係藉由將邊緣部31之平坦面31a按壓於攀爬部6而形成，此時，於攀爬部6之平坦面6a上形成有對位標記23。因此，對位標記23與對位標記21同樣地，處於相對於光柵圖案(即，光學功能部10)經高精度定位之狀態。另，在成形模具30之按壓時，由於成形模具30之成形面30a與凹部3之開口3a接觸，故可容易並確實地使攀爬部6之厚度均一化。

根據以上述方式構成之第5實施形態之光學元件1，除了與上述第4實施形態之光學元件1同樣之效果外，並發揮如 下之效果。

即，例如，於設置有光入射部之封裝體中，與光學元件1一起收納用以檢測經光學功能部10分光之光之光檢測單元之情形下，除了以對位標記21為基準外並以對位標記23為基準，可相對於光學功能部10定位光檢測單元。此時，由於對位標記23位於攀爬部6之平坦面6a上，故自凹部3之深度方向觀察之情形下可容易辨識。

又，由於使成形層4之攀爬部6平坦化，故可在光學元件1上堆積光檢測單元，或在光學元件1上近接配置光檢測單元。再者，由於攀爬部6經平坦化，故攀爬部6與基材2之表面2a之接觸面積增加，故可更確實防止成形層4自基材2剝離。

以上已就本發明之第1~第5實施形態進行說明，但本發明不限於上述實施形態。例如，在基材2與成形層4之界面上謀求折射率之匹配，亦可使光L自基材2側(另一方之側)入射至光學功能部10。再者，使光L自一方之側及另一方之側之任一方入射之情形，亦可不設置反射膜7，而使光L透過光學功能部10(例如透過型光柵)。

又，形成於基材2之表面2a上之凹部3之內面，亦可為一連續之曲面等曲面。又，設置光學功能部10之成形層4之特定之面不限於曲面4b，亦可為平坦面。再者，該特定之面只要至少形成於本體部5即可，可必自本體部5到達攀爬部6。相反的，光學功能部10亦可自本體部5到達攀爬部6。

又，攀爬部6為隔著凹部3而對向之情形，對向之方向為任意。又，亦可以隔著凹部3而對向之方式僅設置一組攀爬部6。又，攀爬部6亦可以例如每120°配置等方式，不隔著凹部3而對向地包圍凹部3之方式複數設置。又，攀爬部6亦可在基材2之表面2a上一整個連續。

又，於光學元件1之製造方法中，將成形模具30按壓於成形材料時，亦可使成形模具30之成形面30a不接觸於凹部3之開口3a等及基材2。

產業上之可利用性

根據本發明，可防止成形層之剝離或光學功能部之變形。

1‧‧‧光學元件

2‧‧‧基材

2a‧‧‧表面

3‧‧‧凹部

3a‧‧‧開口

3b‧‧‧底面(內面)

4‧‧‧成形層

4b‧‧‧曲面(特定之面)

5‧‧‧本體部(第1部份)

6‧‧‧攀爬部(第2部份)

10‧‧‧光學功能部

30‧‧‧成形模具

30a‧‧‧成形面

圖1係本發明之第1實施形態之光學元件之俯視圖。

圖2係沿著圖1之II-II線之光學元件之端面圖。

圖3係沿著圖1之III-III線之光學元件之端面圖。

圖4係圖1之光學元件之製造方法之一步驟中之基板之俯視圖。

圖5係圖4之後之步驟中之基板之俯視圖。

圖6係沿著圖5之VI-VI線之基板之俯視圖。

圖7係圖5之後之步驟中之基板之俯視圖。

圖8係本發明之第2實施形態之光學元件之俯視圖。

圖9係沿著圖8之IX-IX線之光學元件之端面圖。

圖10係沿著圖8之X-X線之光學元件之端面圖。

圖11係本發明之第3實施形態之光學元件之縱剖面圖。

圖12係本發明之第4實施形態之光學元件之俯視圖。

圖13係沿著圖12之XIII-XIII線之光學元件之端面圖。

圖14係沿著圖12之XIV-XIV線之光學元件之端面圖。

圖15係本發明之第5實施形態之光學元件之俯視圖。

圖16係沿著圖15之XVI-XVI線之光學元件之端面圖。

圖17係沿著圖15之XVII-XVII線之光學元件之端面圖。

圖18係圖15之光學元件之製作方法之一步驟中之基板之剖面圖。

1‧‧‧光學元件

2‧‧‧基材

3‧‧‧凹部

3a‧‧‧開口

3b‧‧‧底面(內面)

4‧‧‧成形層

4b‧‧‧曲面(特定之面)

5‧‧‧本體部(第1部份)

6‧‧‧攀爬部(第2部份)

10‧‧‧光學功能部

Claims (8)

1. 一種光學元件，其包含：於表面形成有凹部之基材；及配置於上述基材上之成形層；且上述成形層具有自上述凹部之深度方向觀察之情形下位於上述凹部內之第1部份、及在與上述第1部份連接之狀態下位於上述基材之上述表面上之第2部份；於上述第1部份中在與上述凹部之內面對向之特定之面上，設置有光學功能部；上述光學功能部係於上述凹部之深度方向上，位於上述凹部內。
2. 如請求項1之光學元件，其中上述第2部份係以隔著上述凹部而對向之方式複數設置。
3. 如請求項1之光學元件，其中上述第2部份係以包圍上述凹部之方式複數配置。
4. 如請求項2之光學元件，其中上述第2部份係以包圍上述凹部之方式複數配置。
5. 如請求項1至4中任一項之光學元件，其中上述光學功能部為光柵。
6. 如請求項1至4中任一項之光學元件，其中上述光學功能部為鏡(mirror)。
7. 一種光學元件之製造方法，其包含：準備於表面形成有凹部之基材之步驟；在上述基材上配置成形材料之步驟；及 藉由將成形模具按壓於上述成形材料並使上述成形材料硬化，而形成具有自上述凹部之深度方向觀察之情形下位於上述凹部內之第1部份、及在與上述第1部份連接之狀態下位於上述基材之上述表面上之第2部份之成形層之步驟；其中上述成形模具具有用以將設置光學功能部之特定之面以與上述凹部之內面對向之方式形成於上述第1部份之成形面；進而包含以上述光學功能部於上述凹部之深度方向上而位於上述凹部內之方式，於上述特定之面設置上述光學功能部之步驟。
8. 如請求項7之光學元件之製造方法，其中上述成形面係在上述成形模具被按壓於上述成形材料時，以與上述凹部之開口斷續接觸之方式形成。