JP2004012856A

JP2004012856A - 光学素子、光学素子の成形型および光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2004012856A
Application number: JP2002166883A
Authority: JP
Inventors: Keiji Tsunetomo; 常友　啓司; Kenichi Yamada; 山田　健一; Kenjiro Hamanaka; 浜中　賢二郎
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】表面に特性に優れた微細な凹凸構造からなる反射防止部を備えた光学素子を提供する。
【解決手段】目的とする光学素子の反転形状の成形面を成形型に形成し、次いで、成形面にエッチング速度傾斜材料からなる層を形成し、この傾斜材料層をマスクを介してエッチングして前記成形面に多数の微細な凹部を略稠密状に形成し、この成形面上に光学素子となる原料を供給しプレス成形し、更に原料を紫外線などで硬化せしめることで光学素子を得る。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面に微細構造からなる反射防止部を設けた光学素子、当該光学素子の製造に用いる成形型および当該成形型を用いた光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、光通信分野における光学素子としては表面での反射戻り光を極力減らすことが要求される。このため、一般には光学素子表面に誘電体多層膜を反射防止手段として形成することが行われている。
【０００３】
また、特開２０００−２５８６０７公報及び特開２００１−１８３５０６号公報に開示されるように、光学素子の表面に、反射防止手段として、ｍｏｔｈ−ｅｙｅ構造或いはｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ＳＷＳ）と呼ばれる微細な凹凸形状を設けることも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
誘電体多層膜はスパッタリングなどにより形成するため、誘電体の粒子の飛来方向に膜厚が依存する。そのため凸レンズ表面に誘電体多層膜を形成する場合には均一な膜厚が得られず、光学特性が設計値からずれ、充分な反射特性が得られないことがある。
また、誘電体多層膜を形成する基材が樹脂の場合には、基材表面から誘電体多層膜が剥離しやすく、信頼性に欠けることがある。
【０００５】
一方、基材の表面に微細な凹凸構造を形成するには、光学素子の各々に微細加工を施す必要があり、量産性に問題があり、コスト的にも不利となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係る光学素子は、基材表面の少なくとも一部に反射防止部が設けられ、この反射防止部は多数の微細な凸部を略稠密状に配置しており、且つ前記多数の微細な凸部は成形により同時に形成された構成とした。
斯かる構成とすることで、反射特性及び量産性に優れ、コスト的にも有利な光学素子が得られる。
【０００７】
前記反射防止部は基材と同一の材料、例えば屈折率が１．５の樹脂からなり且つ基材と一体的に成形される。
【０００８】
特に、光通信用波長帯（１５５０ｎｍ帯）付近において透過率がピークになり、波長範囲１４７０〜１６３０ｎｍで透過損失が−４０ｄＢ以下とするには、前記反射防止部を構成する凸部の形状を円錐状、或いは関数ｙ＝−Ｚ^１／√^２＋１をＺ軸の周りに回転させた形状とするのが好ましい。
【０００９】
また、前記反射防止部の厚みは６００ｎｍ〜１０００ｎｍとするのが好ましい。６００ｎｍ未満では１５５０ｎｍ帯での透過率が低下し、また１０００ｎｍを超える厚みの反射防止部は形成しにくい。
【００１０】
また本発明に係る成形型は、成形面に前記反射防止部を成形するための多数の微細な凹部が略稠密状に配置された構成とした。
そして、この成形型を用いて光学素子を製造する方法は、目的とする光学素子の反転形状の成形面を成形型に形成する第１工程と、前記成形面に多数の微細な凹部を略稠密状に形成する第２工程と、前記成形面上に光学素子となる原料を供給しプレス成形する第３工程と、前記原料を硬化せしめる第４工程とからなる。
【００１１】
ここで、前記第２工程を、成形面にエッチング速度傾斜材料からなる層を形成する工程と、このエッチング速度傾斜材料からなる層の表面にホトレジスト膜を形成しこのホトレジスト膜に露光・現像を行って所定パターンのマスクを形成する工程と、このマスクを介して前記エッチング速度傾斜材料層をエッチングする工程から構成することで正確な形状を容易に再現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る光学素子としてのマイクロレンズアレイの要部拡大図であり、マイクロレンズアレイ１はガラス板２の表面に多数の凸レンズ３を形成している。
【００１３】
凸レンズ３はガラス板２と略同一の屈折率（例えば、屈折率１．５）を有する樹脂基材４の表面に反射防止部５を形成している。この反射防止部５は樹脂基材４と同一材料として同時に成形する。尚、別材料として同時に成形しなくてもよいが、選定する材料は略屈折率が同一の材料とするのが好ましい。
【００１４】
前記反射防止部５は多数の微細な凸部６を略稠密状に配置している。尚、微細な凸部６の高さは６００ｎｍ〜１０００ｎｍ（０．６〜１μｍ）程度であるが、図面では分りやすくするため実際よりも大きく示している。凸部６の高さを６００ｎｍ〜１０００ｎｍとしたのは、６００ｎｍ未満では１５５０ｎｍ帯での透過率が低下し、１０００ｎｍを超える凸部は本発明に斯かる製造法では作りにくいことによる。
【００１５】
図２は凸部６として考えられる各種形状の高さと横方向距離との関係を示す図、図３は図２に示した各凸部の波長と透過率との関係を示すグラフである。図２の各形状線分▲１▼〜▲４▼をＺ軸を回転中心としており、線分▲１▼は直線のため凸部は円錐状となり、線分▲２▼は放物線であり凸部は底部が膨出した円錐状となり、線分▲３▼は円弧であり凸部は半球状となり、線分▲４▼は関数ｙ＝−Ｚ^１／√^２＋１であり凸部は▲２▼よりも扁平な円錐状である。
【００１６】
そして、図３からは１５５０ｎｍ帯での透過率は▲４▼が最も好ましく、▲４▼の形状では１４７０〜１６３０ｎｍの波長範囲では透過損失が−４０ｄＢ以下であった。尚、▲４▼の形状の次に好ましいのは▲１▼であった。尚、どの波長での透過率を問題とするかによって選定する凸部の形状は異なる。
【００１７】
図４乃至図９は光学素子（マイクロレンズアレイ）の製造工程のうち成形型の成形面に微細な凹部を形成する工程を示した図、図１０乃至図１２は光学素子（マイクロレンズアレイ）の製造工程のうち成形型を用いて２Ｐ（ｐｈｏｔｏ　　ｐｏｌｙｍｅｒ）成形工程を示した図であり、本発明にあっては、先ず図４に示すように、成形型となるガラス板などの平板材料１０の一面にＣｒなどフッ酸に対して化学的耐性のある金属膜を形成する。ここではスパッタリング法により、Ｃｒ膜を形成した。更にこのＣｒ膜表面にホトレジストを塗布し、このホトレジスト膜１１にレンズの配列ピッチと等しい間隔で開口１２を形成する。
【００１８】
次いで、図５に示すように、前記ホトレジスト膜１１をマスクにしてＣｒ膜を除去し開口を形成する。このＣｒ膜をマスクとし、エッチング液としてフッ酸系エッチング液を用いてエッチングを行う。エッチングは等方性エッチングであり、各開口１２に対応してレンズ３を成形する凹部１３が形成される。
【００１９】
この後、図６に示すように凹部１３の表面に化学的気相成長法（ＣＶＤ）によってフッ素がドープされたＳｉＯ_２を蒸着せしめる。そして、図７に示すようにＳｉＯ_２を更に蒸着せしめて８００ｎｍ程度の厚みのＳｉＯ_２膜１４を形成する。
【００２０】
ところで、フッ素のドープ量によってフッ酸に対するエッチング速度が変化することが知られており、本発明にあってはこの性質を利用してエッチングによって任意の断面形状の凸部６を得るため、ＳｉＯ_２膜１４の厚み方向におけるフッ素のドープ量を変化させている。即ち、ＳｉＯ_２膜１４は一種の傾斜機能材料である。尚、ドープ量を変化させるには、例えば特開２００２−３０４４０に開示されるように、ＣＶＤの際のＳｉＯ_２原料ガスの流量に対するフッ素原料ガスの流量の比を経時的に変化させればよい。
【００２１】
次いで、図８に示すように、ＳｉＯ_２膜１４の表面にホトレジスト膜１５を形成する。そしてＨｅ−Ｃｄレーザ光源を用いた干渉光学系を用い、２光束干渉露光法により干渉縞をホトレジスト膜１５に露光し、更にこの干渉縞と直角方向に干渉縞ができるように基板を回転し、２回目の露光を行う。この後現像を行うことで干渉縞のピッチで碁盤目状に開口１６が形成される。
【００２２】
この碁盤目状に開口１６が形成されたホトレジスト膜１５をマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ_２膜をエッチングする。エッチングガスとしてはＣＨＦ_３もしくはＣＦ_４にＨ_２を添加したものを用いる。このエッチングにより基板表面（凹部を加工する前の基板表面）に、ほぼ垂直方向に方向が揃ったほぼ円柱状の構造が得られる。この後、更にフッ酸系エッチング液を用いて短時間エッチングを行う。フッ酸をドープしたＳｉＯ_２のフッ酸によるエッチング速度はフッ酸の含有量が大きくなるにつれて低下するので、ＳｉＯ_２膜１４へのフッ酸ドープ量を予め変化させておけば、所望の断面形状の微細な凹部１７が略稠密状に形成される。なお、エッチング速度傾斜はフッ素ドープＳｉＯ_２に限らない。ドライエッチングが可能で、且つあるエッチング液に対してエッチング速度が変化する材料であれば使用できる。
【００２３】
以上の如くして成形型を製造したならば、図１０に示すように、成形型１０の成形面側（凹部１３）に離型剤を塗布した後、未硬化状態の紫外線硬化樹脂材料１８を載せる。紫外線硬化樹脂材料１８は、ガラス板２と略同一の屈折率のものを選定する。
【００２４】
次いで、図１１に示すように、ガラス板２で上から押さえ付けてプレス成形するとともに、紫外線を照射して樹脂材料１８を硬化せしめ、更に図１２に示すように、離型して目的とする平板型マイクロレンズアレイを得る。
【００２５】
成形方法としては上記の２Ｐ（ｐｈｏｔｏ　　ｐｏｌｙｍｅｒ）成形に限らず、ゾル−ゲル法などを利用することが可能である。したがって、反射防止部５の材料は樹脂に限らずガラスも考えられる。
また、実施例では光学素子としてマイクロレンズアレイを示したが、ロッドレンズなどのマイクロレンズアレイ以外の光学素子にも本発明は適用できる。
更に本発明にあっては、レンズと反射防止部との同時一体成形に限らず、既存のレンズ（光学素子）の表面に後から反射防止部を成形してもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、レンズ等の曲面を有する光学素子や複雑な表面形状の光学素子に、成形によって微細（波長レベル）な凹凸構造からなる特性に優れた反射防止部を効率的に成形することができる。
そして、本発明によれば凸部の構造を任意にコントロールできるので、特定の波長帯、例えば光通信用波長帯（１５５０ｎｍ帯）において、特に反射特性に優れた光学素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学素子（マイクロレンズアレイ）の拡大断面図
【図２】光学素子の表面に形成される微細な凸部の稜線の高さと横方向距離の関係を示すグラフ
【図３】▲１▼〜▲４▼は図２に示した各凸部の透過率と波長との関係を示すグラフ
【図４】同光学素子（マイクロレンズアレイ）の製造工程のうち成形型の成形面に微細な凹部を形成する工程を示した図
【図５】同光学素子（マイクロレンズアレイ）の製造工程のうち成形型の成形面に微細な凹部を形成する工程を示した図
【図６】同光学素子（マイクロレンズアレイ）の製造工程のうち成形型の成形面に微細な凹部を形成する工程を示した図
【図７】同光学素子（マイクロレンズアレイ）の製造工程のうち成形型の成形面に微細な凹部を形成する工程を示した図
【図８】同光学素子（マイクロレンズアレイ）の製造工程のうち成形型の成形面に微細な凹部を形成する工程を示した図
【図９】同光学素子（マイクロレンズアレイ）の製造工程のうち成形型の成形面に微細な凹部を形成する工程を示した図
【図１０】同光学素子（マイクロレンズアレイ）の製造工程のうち成形型を用いた２Ｐ（ｐｈｏｔｏ　　ｐｏｌｙｍｅｒ）成形工程を示した図
【図１１】同光学素子（マイクロレンズアレイ）の製造工程のうち成形型を用いた２Ｐ成形工程を示した図
【図１２】同光学素子（マイクロレンズアレイ）の製造工程のうち成形型を用いた２Ｐ成形工程を示した図
【符号の説明】
１…マイクロレンズアレイ、２…ガラス、３…凸レンズ、４…樹脂基材、５…反射防止部、６…凸部、１０…平板材料、１１、１５…ホトレジスト膜、１２、１６…開口、１３、１７…凹部、１４…ＳｉＯ_２膜。

Claims

基材表面の少なくとも一部に反射防止部を設けた光学素子であって、前記反射防止部は多数の微細な凸部を略稠密状に配置しており、且つ前記多数の微細な凸部は成形により同時に形成されていることを特徴とする光学素子。
請求項１に記載の光学素子において、前記反射防止部は基材と同一の材料からなり且つ基材と一体的に成形されていることを特徴とする光学素子。
請求項１または請求項２に記載の光学素子において、前記反射防止部を構成する凸部の形状は円錐状であることを特徴とする光学素子。
請求項１または請求項２に記載の光学素子において、前記反射防止部を構成する凸部の形状は関数ｙ＝−Ｚ^１／√^２＋１をＺ軸の周りに回転させた形状であることを特徴とする光学素子。
請求項１乃至請求項４に記載の光学素子において、前記反射防止部の厚みは６００ｎｍ〜１０００ｎｍであることを特徴とする光学素子。
請求項１乃至請求項５に記載の光学素子を製造する成形型であって、この成形型の成形面には前記反射防止部を成形するための多数の微細な凹部が略稠密状に配置されていることを特徴とする成形型。
目的とする光学素子の反転形状の成形面を成形型に形成する第１工程と、前記成形面に多数の微細な凹部を略稠密状に形成する第２工程と、前記成形面上に光学素子となる原料を供給しプレス成形する第３工程と、前記原料を硬化せしめる第４工程とからなることを特徴とする光学素子の製造方法。
請求項７に記載の光学素子の製造方法において、前記第２工程は成形面にエッチング速度傾斜材料からなる層を形成する工程と、このエッチング速度傾斜材料からなる層の表面にホトレジスト膜を形成しこのホトレジスト膜に露光・現像を行って所定パターンのマスクを形成する工程と、このマスクを介して前記エッチング速度傾斜材料層をエッチングする工程からなることを特徴とする光学素子の製造方法。