CN103348270A - 光学元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的光学元件(1)具备于表面（2a）形成有凹部（3）的基材（2），及配置于基材（2）上的成形层（4）。成形层（4）具有自凹部（3）的深度方向观察的情形下位于凹部（3）内的本体部（5）、及在与本体部（5）连接的状态下位于基材（2）的表面（2a）上的攀爬部（6）。于本体部（5）中在与凹部（3）的底面（3b）对向的曲面（4b）上，设置有光学功能部（10）。

Description

光学元件及其制造方法
技术领域
本发明关于一种光学元件及其制造方法。
背景技术
作为现有的光学元件的制造方法，已知通过将成形模具按压于配置于基材的内部的树脂材料上并使该树脂材料固化，而在基材的凹部内形成设置有光栅等的光学功能部的成形层的方法(例如参照专利文献1～5)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-177994号公报
专利文献2：日本特开2007-199540号公报
专利文献3：日本特开2003-266450号公报
专利文献4：日本特开2005-173597号公报
专利文献5：日本特表2005-520213号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，用上述方法制造的光学元件中，成形层的整体位于基材的凹部内，且，由于因使用时的温度变化等而产生的应力集中于基材的凹部，故有成形层自基材剥离的疑虑。再者，因使用时的温度变化等引起的成形层的收缩或膨胀，而有设于成形层的光学功能部变形的疑虑。
对此，本发明的目的在于提供一种可防止成形层的剥离或光学功能部的变形的光学元件及其制造方法。
解决问题的技术手段
本发明的一个观点的光学元件具备在表面上形成有凹部的基材，及配置于基材上的成形层，且成形层具有自凹部的深度方向观察的情形下位于凹部内的第1部分、及在与第1部分连接的状态下位于基材的表面上的第2部分，在第1部分中在与凹部的内面相对的规定的面上，设置有光学功能部。
该光学元件中，即使因使用时的温度变化等而产生的应力集中于基材的凹部，仍可利用在与第1部分连接的状态下位于基材的表面上的第2部分，可紧压位于基材的凹部内的第1部分。由此，可防止成形层自基材剥离。再者，因使用时的温度变化等引起的成形层的收缩或膨胀会被位于基材的表面上的第2部分吸收，而缓和位于基材的凹部内的第1部分的收缩或膨胀。由此，防止第1部分的规定的面的变形，进而防止设置于该规定的面的光学功能部的变形。如上所述，根据该光学元件，可防止成形层的剥离或光学功能部的变形。
在此，第2部分可以以夹着凹部而相对的方式设置有多个。再者，第2部分可以以包围凹部的方式设置有多个。据此，可更确实地防止成形层的剥离或光学功能部的变形。
另外，光学功能部可为光栅。或，光学功能部可为反光镜。据此，可得到简易的结构的光栅元件或反光镜元件。
本发明的一个观点的光学元件的制造方法具备：准备在表面形成有凹部的基材的工序；在基材上配置成形材料的工序；及通过将成形模具按压于成形材料并使成形材料硬化，而形成具有自凹部的深度方向观察的情形下位于凹部内的第1部分、及在与第1部分连接的状态下位于基材的表面上的第2部分的成形层的工序，且成形模具具有用于将设置光学功能部的规定的面以与凹部的内面相对的方式形成于第1部分的成形面。
该光学元件的制造方法中，即使成形材料在固化时收缩，由于在与第1部分连接的状态下使位于基材的表面上的第2部分较第1部分优先收缩，故位于基材的凹部内的第1部分的收缩得到缓和。由此，防止第1部分的规定的面的变形，进而防止设置于该规定的面的光学功能部的变形。再者，即使因制造时的温度变化等而产生的应力集中于基材的凹部，仍可利用位于表面上的第2部分紧压位于基材的凹部内的第1部分。由此，可防止成形层自基材剥离。如上，根据该光学元件的制作方法，可防止成形层的剥离或光学功能部的变形。
在此，成形面也可在成形模具被按压于成形材料时，以与凹部的开口断续接触的方式形成。由此，即使固化时自成形材料产生气体，由于该气体会自成形模具的成形面与凹部的开口的非接触部分逸出，故可防止成形层中形成空隙。
发明的效果
根据本发明，可防止成形层的剥离或光学功能部的变形。
附图说明
图1为本发明的第1实施方式的光学元件的俯视图。
图2为沿着图1的II-II线的光学元件的端面图。
图3为沿着图1的III-III线的光学元件的端面图。
图4为图1的光学元件的制造方法的一个工序中的基板的俯视图。
图5为图4之后的工序中的基板的俯视图。
图6为沿着图5的VI-VI线的基板的俯视图。
图7为图5之后的工序中的基板的俯视图。
图8为本发明的第2实施方式的光学元件的俯视图。
图9为沿着图8的IX-IX线的光学元件的端面图。
图10为沿着图8的X-X线的光学元件的端面图。
图11为本发明的第3实施方式的光学元件的纵剖面图。
图12为本发明的第4实施方式的光学元件的俯视图。
图13为沿着图12的XIII-XIII线的光学元件的端面图。
图14为沿着图12的XIV-XIV线的光学元件的端面图。
图15为本发明的第5实施方式的光学元件的俯视图。
图16为沿着图15的XVI-XVI线的光学元件的端面图。
图17为沿着图15的XVII-XVII线的光学元件的端面图。
图18为图15的光学元件的制作方法的一个工序中的基板的剖面图。
符号说明
1  光学元件
2  基材
2a 表面
3  凹部
3a 开口
3b 底面(内面)
4  成形层
4b 曲面(规定的面)
5  本体部(第1部分)
6  攀爬部(第2部分)
10 光学功能部
30 成形模具
30a成形面
具体实施方式
以下，就本发明的优选的实施方式，参照附图进行详细说明。另，各图中对于相同或相当部分附加相同符号，省略重复的说明。
[第1实施方式]
如图1、图2及图3所示，第1实施方式的光学元件1具有反射型光栅即光学功能部10。光学功能部10分光并反射自一侧入射的光L。光学元件1具备由硅、塑料、陶瓷或玻璃等构成的正方形板状(例如，外形12mm×12mm、厚度0.6mm)的基材2。基材2的表面2a上形成有向着开口3a末端渐宽的正四棱锥台状的凹部3。另，基材2的材料不限于上述材料，可使用各种各样的材料。另外，基材2及凹部3的形状不限于上述形状，可适用各种各样的形状。为更确实地防止后述的成形层4的剥离或光学功能部10的变形，凹部3的开口形状优选为自凹部3的深度方向观察的情形下相对于凹部3的中心点呈对称的形状。
在基材2上配置有通过使光固化性的环氧树脂、丙烯酸树脂、氟系树脂、硅酮或有机无机混合树脂等的复制用光学树脂进行光固化而形成的成形层4。成形层4在自凹部3的深度方向(即，一方的侧)观察的情形下为圆形状，成形层4的外缘4a通过正方形形状的开口3a的各顶点。另，成形层4的材料不限于上述光固化性的树脂材料，可使用热固化性的树脂材料、或低融点玻璃或有机无机混合玻璃等，可适用由后述的成形模具30能够成形及固化的各种各样的材料(成形材料)。
成形层4具有一体形成的本体部(第1部分)5及攀爬部(第2部分)6。本体部5在自凹部3的深度方向观察的情形下位于凹部3内，且覆盖凹部3的底面3b及侧面3c的整体。攀爬部6在与本体部5连接的状态下位于基材2的表面2a上，且设置于正方形形状的开口3a的各边的外侧。即，攀爬部6以夹着凹部3而相对并包围凹部3的方式设置有多个。
成形层4具有与凹部3的规定的内面即底面3b相对的凹状的曲面(规定的面)4b。曲面4b为向着凹部3的底面3b的中心凹陷的曲面，且通过正方形形状的开口3a的各边的中点，自本体部5到达各攀爬部6。在曲面4b中的本体部5上的规定的区域中，形成有与锯齿状剖面的闪耀式光栅、矩形状剖面的二元光栅（binary grating）、或正弦波状剖面的全息光栅等相对应的光栅图案。
在成形层4的曲面4b上形成有Al或Au等的蒸镀膜即反射膜7。反射膜7以在曲面4b中的本体部5上的规定的区域中与光栅图案相对应的方式形成，且该部分为反射型光栅即光学功能部10。另，反射膜7的材料不限于上述材料，可使用各种各样的材料。
如以上说明，第1实施方式的光学元件1中，即使因使用时的温度变化等而产生的应力集中于基材2的凹部3，利用在与本体部5连接的状态下位于基材2的表面2a上的攀爬部6，仍可紧压位于基材2的凹部3内的本体部5。该作用有助于攀爬部6所在的表面2a与凹部3的侧面(内面)3c成为不连续的面(在此为平坦面)。再者，由于攀爬部6以夹着凹部3而相对并包围凹部3的方式设置有多个，故可自周围均匀地紧压本体部5。由此，能够确实防止成形层4自基材2剥离。再者，因使用时的温度变化等引起的成形层4的收缩或膨胀会被位于基材2的表面2a上的攀爬部6吸收，而缓和位于基材2的凹部3内的本体部5的收缩或膨胀。而且，由于攀爬部6以夹着凹部3而相对并包围凹部3的方式设置有多个，故可均匀地缓和本体部5的收缩或膨胀。由此，确实防止本体部5的曲面4b的变形，进而防止设置于该曲面4b上的光学功能部10的变形。因此，根据第1实施方式的光学元件1，可以以简易的结构确实防止成形层4的剥离或光学功能部10的变形。
另外，由于设置有光学功能部10的面为以与凹部3的底面3b相对的方式形成于成形层4上的曲面4b，故可使成形层4薄化，而可抑制因使用时的温度变化等引起的成形层4的收缩或膨胀本身。
其次，就上述的光学元件1的制作方法进行说明。首先，如图4中所示，准备例如由硅构成的基板20。基板20通过以切断(切割dicing)成格状而形成多个基材2。且，在基板20的表面20a上，在每个基材2的表面2a利用蚀刻等形成凹部3。由此，准备好多个在表面2a上形成有凹部3的基材2。接着，在基板20的表面20a上，在每个基材2的凹部3配置成为成形层4的成形材料(在此为光固化性的树脂材料)。由此，在多个基材2上配置有成形材料。
接着，如图5及图6所示，对每个基材2的凹部3将成形模具30按压于成形材料。而在该状态下，使用以使成形材料光固化的光(例如紫外线等)透过成形模具30而照射于成形材料，使成形材料固化，由此形成具有本体部5及攀爬部6的成形层4。再者，也可在使成形模具30自成形层4脱模后，使成形层4热固化。另，若基材2相对于用以使成形材料光固化的光具有透过性，则可使其光透过基材2而照射于成形材料。又，成形材料的固化方法不限于光固化，可根据成形材料的种类使用热固化等的各种各样的固化方法。
成形模具30具有用以使设置光学功能部10的曲面4b以与凹部3的底面3b相对的方式形成于本体部5及攀爬部6的成形面30a。成形面30a在成形模具30被按压于成形材料时，以与凹部3的开口3a断续接触的方式形成。在此，成形面30a为与曲面4b有互补关系的凸状的曲面，且接触于正方形的开口3a的各边的中点。
接着，如图7所示，通过蒸镀Al或Au等，在成形层4的曲面4b上形成反射膜7，且在每个曲面4b上设置光学功能部10。该蒸镀根据需要而对曲面4b的整个面或曲面4b的任意的范围(掩模蒸镀)进行。且，将基板20切断(切割)成格状而得到多个作为光栅元件的光学元件1。
如上说明，光学元件1的制造方法中，即使成形材料在固化时收缩，由于在与本体部5连接的状态下使位于基材2的表面2a上的攀爬部6较本体部5优先收缩，故位于基材2的凹部3内的本体部5的收缩得到缓和。且，由于攀爬部6以夹着凹部3而相对并包围凹部3的方式设置有多个，故可均匀地缓和本体部5的收缩。由此，确实防止本体部5的曲面4b的变形，进而防止设置于该曲面4b上的光学功能部10的变形。再者，即使因制造时的温度变化等而产生的应力集中于基材2的凹部3，利用位于基材2的表面2a上的攀爬部6，而紧压位于基材2的凹部3内的本体部5。且，由于攀爬部6以夹着凹部3而相对并包围凹部3的方式设置有多个，而自周围均匀地紧压本体部5。由此，可确实防止成形层4自基材2剥离。因此，根据光学元件1的制造方法，可确实防止成形层4的剥离或光学功能部10的变形。
另外，成形模具30的成形面30a在成形模具30被按压于成形材料时，以与凹部3的开口3a断续接触的方式形成。由此，即使固化时自成形材料产生气体，由于该气体会自成形模具30的成形面30a与凹部3的开口3a的非接触部分逸出，故可防止成形层4中形成空隙。
另外，成形模具30被按压于成形材料时，由于对凹部3内的成形材料施加充足的压力，故可在曲面4b中的本体部5上的规定的区域稳定且高精密度地形成光栅图案。
另外，成形模具30被按压于成形材料时，由于成形模具30的成形面30a与凹部3的开口3a在多个点接触，故可容易并确实地行进成形模具30的高度方向(即，凹部3的深度方向)的定位。再者，可防止用以转印光栅图案的成形面30a的图案接触于凹部3的底面3b的情形发生。
另外，根据上述的光学元件1的制造方法，可使用相对于表面2a上形成有凹部3的一种基材2具有曲率不同的成形面30a等的多种成形模具30，制造多种光学元件1。
[第2实施方式]
如图8、图9及图10所示，第2实施方式的光学元件1，主要在成形层4的本体部5未覆盖凹部3的底面3b及侧面3c的整体的点上，与上述第1实施方式的光学元件1不同。第2实施方式的光学元件1中，本体部5处于在凹部3的各角退缩的状态。这是因为成形材料固化时，成形材料会自成形模具30的成形面30a与凹部3的开口3a的非接触部分优先开始退缩。在成形材料的量较少的情形或成形材料的粘度较低的情形等时，易出现如此的状态。在此种情形下，在成形模具30的成形面30a与凹部3的开口3a的接触部分，由于成形材料攀爬于基材2的表面2a上而难以退缩，故于其接触部分形成攀爬部6。因此，根据第2实施方式的光学元件1，与上述第1实施方式的光学元件1发挥同样的效果。
[第3实施方式]
如图11所示，第3实施方式的光学元件1主要在光学功能部10为反光镜的点上与上述第1实施方式的光学元件1不同。第3实施方式的光学元件1中，在成形层4的曲面4b及反射膜7上未形成有光栅图案，且光学功能部10为反光镜。如此，光学功能部10不限于光栅，可具有反光镜等的各种各样的光学功能。因此，根据第3实施方式的光学元件1，除了与上述第1实施方式的光学元件1同样的效果外，并具有可得到简易的结构的反光镜元件的效果。
[第4实施方式]
如图12、图13及图14所示，第4实施方式的光学元件1，主要在成形层4上设置有对位标记21的点及于基材2上设置有定位部22的点上，与上述第1实施方式的光学元件1不同。
第4实施方式的光学元件1中，在成形层4的曲面4b中的矩形状的规定的区域R形成有光栅图案。在光栅图案的光栅槽的延伸方向上以夹着光栅图案(即，光学功能部10)的方式设置有一对对位标记21。另，规定的区域R及对位标记21在成形层4的曲面4b上位于与本体部5相对应的区域内。
在此，形成于规定的区域R中的光栅图案，在自凹部3的深度方向观察的情形下相对于凹部3的中心而在与光栅槽的延伸方向垂直的方向上偏移。另外，反射膜7在自凹部3的深度方向观察的情形下，以内接于规定的区域R的方式形成为圆形。
对位标记21在利用成形模具30形成成形层4时，与光栅图案一起形成。因此，对位标记21处于相对于光栅图案(即，光学功能部10)经高精度定位的状态。
定位部22为贯通基材2的剖面矩形的孔，且在凹部3及成形层4的周围设置有多个。定位部22利用蚀刻等与凹部3一起形成。因此，定位部22处于相对于凹部3经高精度定位的状态。且，由于通过利用成形模具30形成成形层4而使光栅图案相对于凹部3高精度定位，故定位部22处于相对于光栅图案(即，光学功能部10)经高精度定位的状态。
根据以上述方式构成的第4实施方式的光学元件1，除了与上述第1实施方式的光学元件1同样的效果外，并发挥如下的效果。
即，例如，在设置有光入射部的封装体中收纳光学元件1的情形下，通过将设置于封装体中的凸部嵌入定位部22，或使贯通封装体的引线接脚插通于定位部22，可相对于封装体的光入射部定位光学功能部10。
再者，例如，在设置有光入射部的封装体中，与光学元件1一起收纳用以检测经光学功能部10分光的光的光检测单元的情形下，可以以对位标记21为基准，相对于光学功能部10定位光检测单元。此时，由于对位标记21在成形层4的曲面4b上位于与本体部5相对应的区域内，故对位标记21不易出现变形或位置偏移。
另外，例如，通过将设置于光检测单元的凸部嵌入定位部22，可得到相对于光学功能部10定位光检测单元的牢固的分光单元。
另外，由于反射膜7相对于规定的区域R局部形成，故可控制相对于检测经光学功能部10分光的光的光检测单元的入射NA。该情形，反射膜7可为椭圆形或矩形，或者，其一部分可自规定的区域R露出。
另，定位部22不限于贯通基材2的孔，也可为凹部。该情形下，在定位部22中嵌入设置于封装体的凸部、贯通封装体的引线接脚的端部、设置于光检测单元的凸部等。
[第5实施方式]
如图15、图16及图17所示，第5实施方式的光学元件1，主要在使成形层的攀爬部6平坦化的点上与上述第4实施方式的光学元件1不同。
第5实施方式的光学元件1中，攀爬部6具有大致平行于基材2的表面2a的平坦面6a，在平坦面6a上设置有对位标记23。对位标记23以夹着形成于规定的区域R中的光栅图案的方式设置有二对。更详细而言，对位标记23，在光栅槽的延伸方向上以夹着光栅图案(即，光学功能部10)的方式设置有一对，再者，在垂直于光栅槽的延伸方向的方向上以隔着光栅图案(即，光学功能部10)的方式设置有一对。
对位标记23在利用成形模具30形成成形层4时，与光栅图案及对位标记21一起形成。该情形，如图18所示，在成形模具30中，设置有包围成形面30a的凸缘状的缘部31，在缘部31的平坦面31a上，设置有用以转印对位标记23的图案。攀爬部6的平坦面6a通过将边缘部31的平坦面31a按压于攀爬部6而形成，此时，在攀爬部6的平坦面6a上形成有对位标记23。因此，对位标记23与对位标记21同样地，处于相对于光栅图案(即，光学功能部10)经高精度定位的状态。另，在成形模具30的按压时，由于成形模具30的成形面30a与凹部3的开口3a接触，故可容易并确实地使攀爬部6的厚度均一化。
根据以上述方式构成的第5实施方式的光学元件1，除了与上述第4实施方式的光学元件1同样的效果外，并发挥如下的效果。
即，例如，在设置有光入射部的封装体中，与光学元件1一起收纳用以检测经光学功能部10分光的光的光检测单元的情形下，除了以对位标记21为基准外并以对位标记23为基准，可相对于光学功能部10定位光检测单元。此时，由于对位标记23位于攀爬部6的平坦面6a上，故自凹部3的深度方向观察的情形下可容易辨识。
另外，由于使成形层4的攀爬部6平坦化，故可在光学元件1上堆积光检测单元，或在光学元件1上接近地配置光检测单元。再者，由于攀爬部6经平坦化，故攀爬部6与基材2的表面2a的接触面积增加，故可更确实防止成形层4自基材2剥离。
以上已就本发明的第1～第5实施方式进行说明，但本发明不限于上述实施方式。例如，在基材2与成形层4的界面上谋求折射率的匹配，也可使光L自基材2侧(另一方的侧)入射至光学功能部10。再者，使光L自一方的侧及另一方的侧的任一方入射的情形，也可不设置反射膜7，而使光L透过光学功能部10(例如透过型光栅)。
另外，形成于基材2的表面2a上的凹部3的内面，也可为一连续的曲面等曲面。另外，设置光学功能部10的成形层4的规定的面不限于曲面4b，也可为平坦面等。再者，该规定的面只要至少形成于本体部5即可，可不必自本体部5到达攀爬部6。相反的，光学功能部10也可自本体部5到达攀爬部6。
另外，攀爬部6为夹着凹部3而相对的情形，相对的方向为任意。另外，也可以隔着凹部3而相对的方式仅设置一组攀爬部6。另外，攀爬部6也可以例如每120°配置等方式，不夹着凹部3而相对而是以包围凹部3的方式设置有多个。另外，攀爬部6也可在基材2的表面2a上一整个连续。
另外，在光学元件1的制造方法中，将成形模具30按压于成形材料时，也可使成形模具30的成形面30a不接触于凹部3的开口3a等及基材2。
产业上的可利用性
根据本发明，可防止成形层的剥离或光学功能部的变形。

Claims (7)

1.一种光学元件，其特征在于，
具有：
在表面形成有凹部的基材；及
配置于所述基材上的成形层，
所述成形层具有从所述凹部的深度方向看的情况下位于所述凹部内的第1部分、及在与所述第1部分连接的状态下位于所述基材的所述表面上的第2部分，
在所述第1部分中在与所述凹部的内面相对的规定的面上，设置有光学功能部。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述第2部分以夹着所述凹部而相对的方式设置有多个。
3.如权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，
所述第2部分以包围所述凹部的方式设置有多个。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光学元件，其特征在于，
所述光学功能部为光栅。
5.如权利要求1至3中任一项所述的光学元件，其特征在于，
所述光学功能部为反光镜。
6.一种光学元件的制造方法，其特征在于，
包括：
准备在表面形成有凹部的基材的工序；
在所述基材上配置成形材料的工序；及
通过将成形模具按压于所述成形材料并使所述成形材料固化，而形成成形层的工序，其中，所述成形层具有从所述凹部的深度方向看的情况下位于所述凹部内的第1部分、及在与所述第1部分连接的状态下位于所述基材的所述表面上的第2部分，
所述成形模具具有用于将设置光学功能部的规定的面以与所述凹部的内面相对的方式形成于所述第1部分的成形面。
7.如权利要求6所述的光学元件的制造方法，其特征在于，
所述成形面被形成为，在所述成形模具被按压于所述成形材料时，与所述凹部的开口断续地接触。
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