JP2004252130A - Optical element with fine surface structure and its manufacturing method - Google Patents

Optical element with fine surface structure and its manufacturing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element with fine surface structure which has a practical aspect ratio and is capable of realizing desired optical characters even when being made at a low cost by using molding technology etc. jointly. <P>SOLUTION: A master (prototype) having a high aspect ratio and a high precision fine structure is manufactured, the die is obtained, thereafter, the molding by means of injection molding using the die is performed and a transparent plastic optical element (replica) with a surface on which the fine structure is duplicated is produced. Further, on the surface of a plastic base plate 100 of the produced transparent plastic optical element, a titanium dioxide (TiO<SB>2</SB>) film 110 having a refractive index higher than that of the plastic material is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板表面の微細構造によって反射防止や偏光分離等々の各種の光学特性を実現する表面微細構造光学素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ディスプレイ等に用いられるプラスティック基板の反射防止（ＡＲ）素子や、ディスク等の光記録媒体への情報記録、あるいは光記録媒体からの情報再生を行うための光ピックアップ部に用いられる偏光分離素子としては従来、特許文献１、２に見られるような多層膜構造を用いた光学素子が知られている。
【０００３】
このような光学素子は通常、屈折率の異なる各種の膜を多層膜として基体上に積層し、それら積層した多層膜の総合的な光学特性を利用して、上述のＡＲ機能や、例えばＰ偏光およびＳ偏光に対する偏光分離機能を実現している。
【０００４】
なお周知のように、ＡＲ機能とは、入射光の反射や散乱を抑えてその透過率を高める機能である。また、偏光分離機能とは、入射面に平行な偏光面を有するＰ偏光および入射面に垂直な偏光面を有するＳ偏光に対し、その一方を透過させ、他方を反射させる、などの態様をもって偏光分離を行う機能である。
【０００５】
その他、光学フィルタや位相差板等の光学素子にあっても、上記多層膜構造を用いたものでは、上記積層される多層膜の総合的な光学特性を利用して、それら所望とされる光学特性が実現されることとなる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３１２３３０号公報
【特許文献２】
特開２０００−７６６８５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記多層膜構造を用いた光学素子にあっては、それら多層膜を構成する各層の膜厚を制御することで、それぞれ所望とされる光学特性を得ることは確かに可能ではある。しかし実情としては、それら各層の膜厚の制御自体が難しく、また成膜条件によっては屈折率にもばらつきが生じ、必ずしも理想とされる光学特性が得られるとは限らない。しかも、上述の多層膜を構成することのできる膜材自体が限られており、設計の自由度の面でもなお課題を残すものとなっている。
【０００８】
一方、近年は、半導体加工技術や電子ビーム加工技術の進歩により、光の波長以下の、いわゆるサブミクロンオーダーでの微細加工や微細成形が可能になってきている。そして、上述した各種の光学特性も、素子（基板）表面において回折格子を形成する各種の微細構造、微細パターンによって、その実現が可能になりつつある。
【０００９】
ただし、このような微細構造、微細パターンの形成に際しては、その繰り返しピッチに対してより深いパターン深さを有する、いわゆる高アスペクト比の実現が、それぞれ所望とされる光学特性を得る上では不可避である。ところが、特に上記サブミクロンオーダーでの微細加工となると、こうした高アスペクト比にて構造体を製作すること自体、技術的にも、そしてコストの面でも困難である。
【００１０】
また一方、相応のコストをかけてでも、所望とする光学特性を実現することのできる高アスペクト比の構造体さえひとたび得られれば、それをマスタ（原器）として金型を製作し、射出成形などのモールディング技術によって、低コストの透明プラスティック光学素子を量産することなども検討されている。
【００１１】
しかし、たとえ高アスペクト比にて高い精度のマスタが製作できたとしても、上記金型を製作する段階で、更には上記モールディング化する段階で自ずとその精度（アスペクト比）が低下し、上記低コストの透明プラスティック光学素子として、実用に供し得る光学素子は未だ得られていないのが実情である。
【００１２】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、たとえモールディング技術等を併用して低コスト化を図る場合であれ、実用に供し得るアスペクト比を有して、所望とされる光学特性を実現することのできる表面微細構造光学素子およびその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
こうした目的を達成するため、請求項１に記載の表面微細構造光学素子では、基板表面の微細構造により有効屈折率を変化させて所望とされる光学特性を実現する表面微細構造光学素子として、前記微細構造を有する基板表面に、同基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材を成膜する構造としている。
【００１４】
一般に、こうした基板表面の微細構造を利用した表面微細構造光学素子では、基板（透明プラスティック等の光透過性基板）の表面に形成される微細パターンの繰り返しピッチは、入射光線の波長と同程度もしくはそれ以下に設定される。そして、それらパターンの回折現象を利用して、上述したＡＲ機能や偏光分離機能等の所望とされる光学特性が実現される。ただし、このような光学素子を金型を用いたモールディング技術等によって量産しようとすると、これも上述のように、要求されるアスペクト比が得られず、実用には供し得ないものとなる。
【００１５】
この点、微細構造を有する基板表面に、同基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材を成膜するようにした請求項１に記載の光学素子によれば、上記アスペクト比の低下がこの基板よりも屈折率の高い膜材によって補われるかたちで上記回折現象が生じるようになり、たとえモールディング技術の併用によって量産された光学素子であっても、十分に実用に供し得るレベルで、それぞれ所望とされる光学特性を実現することができるようになる。
【００１６】
また、請求項２に記載のように、上記基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材として、光触媒効果を有する膜材を採用することとすれば、素子表面の汚れ等に対する防汚機能も併せて実現されるようになる。
【００１７】
なお、この光触媒効果を有する膜材としては、請求項３に記載のように、アナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜が有効である。この二酸化チタン（ＴｉＯ２）の屈折率は成膜条件により変わるものの通常は、約「２．２５」程度であり、上記基板として、例えば屈折率が「１．４９」であるＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を用いるものとすれば、上記請求項１に記載の膜材としての条件も的確に満たされる。
【００１８】
一方、請求項４に記載のように、上記基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材が、同基板に形成された微細構造の表面全体に成膜される構造によれば、例えばモールディング技術の併用に起因する微細構造のアスペクト比の低下が、これら屈折率の違いによっていわば擬似的に補償されるようになる。
【００１９】
また、請求項５に記載のように、上記基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材が、同基板に形成された微細構造の凸部に対して選択的に成膜される構造によれば、例えばモールディング技術の併用に起因するアスペクト比の低下が、機械的に、すなわちアスペクト比そのものを高めるかたちで補償されるようにもなる。
【００２０】
他方、請求項６に記載の表面微細構造光学素子の製造方法では、基板表面の微細構造により有効屈折率を変化させて所望とされる光学特性を実現する表面微細構造光学素子を製造するにあたり、
（ａ）基板表面にレジストを塗布して前記微細構造とするパターンを描画、現像した後、適宜のマスクを形成し、該形成したマスクをもとにエッチングを行って前記微細構造を有するマスタ（原器）を製作する。
（ｂ）この製作されたマスタを用い、電鋳によって、前記微細構造のスタンパとなる金型を製作する。
（ｃ）この製作された金型を用いたモールディングによって、表面に前記微細構造が複製された透明プラスティック光学素子を生成する。
（ｄ）この生成された透明プラスティック光学素子の表面に、該プラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜する。
といった各工程を通じて、同表面微細構造光学素子を製造する。
【００２１】
上記（ａ）〜（ｃ）の工程自体は、先に紹介した製造方法、すなわちマスタ（原器）並びにその金型を製作した上で、射出成形などのモールディング技術により低コストの透明プラスティック光学素子を量産する方法と基本的に同様であるが、これに上記（ｄ）の工程として、生成された透明プラスティック光学素子の表面に、該プラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜する工程を加えることで、上記請求項１に記載の光学素子、すなわち十分に実用に供し得る表面微細構造光学素子をより低コストで、しかも安定して量産することができるようになる。
【００２２】
またこの場合も、請求項７に記載のように、上記プラスティック材料よりも屈折率の高い膜材として、光触媒効果を有する膜材を用いることで、素子表面の汚れ等に対する防汚機能も併せて実現されるようになる。
【００２３】
そして、この光触媒効果を有する膜材としては、請求項８に記載のように、アナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜を用いることができ、例えば上記プラスティック材料（基板）としてＰＭＭＡを採用する場合、該二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜は、上記（ｄ）の工程において使用する膜材としての条件を満たし得る膜材であることも上述の通りである。
【００２４】
一方、請求項９に記載のように、上記（ｄ）の工程、すなわちプラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜する工程が、このプラスティック材料に複製形成された微細構造の表面全体に同膜材を成膜する工程からなるものとすれば、上記モールディング技術の併用に起因する微細構造部のアスペクト比の低下が、これら屈折率の違いによっていわば擬似的に補償されるようになる。
【００２５】
また、請求項１０に記載のように、同（ｄ）の工程、すなわちプラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜する工程が、このプラスティック材料に複製形成された微細構造の凸部に対して選択的に同膜材を成膜する工程からなるものとすれば、上記モールディング技術の併用に起因する微細構造部のアスペクト比の低下が、機械的に、すなわちアスペクト比そのものを高めるかたちで補償されるようにもなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１〜図４に、この発明にかかる表面微細構造光学素子およびその製造方法について、その第１の実施の形態を示す。
【００２７】
この第１の実施の形態にかかる光学素子は、表面微細構造光学素子として前記ＡＲ（反射防止、あるいは無反射）機能を実現する光学素子についてその一例を示したものである。以下では説明の便宜上、該光学素子の製造方法についてまず説明する。
【００２８】
さて、この実施の形態にかかる表面微細構造光学素子の製造は、
（Ａ）基板表面にレジストを塗布して微細構造とするパターンを描画、現像した後、適宜のマスクを形成し、該形成したマスクをもとにエッチングを行って微細構造を有するマスタ（原器）を製作する（図１および図２）。
（Ｂ）この製作されたマスタを用い、電鋳によって、上記微細構造のスタンパとなる金型を製作する（図３）。
（Ｃ）この製作された金型を用いたモールディングによって、表面に微細構造が複製された透明プラスティック光学素子を生成する（図４（ａ））。
（Ｄ）この生成された透明プラスティック光学素子の表面に、該プラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜する（図４（ｂ））。
といった、大きくは４つの工程を経て行われる。
【００２９】
はじめに、上記（Ａ）の工程であるマスタ（原器）を製作する工程について、図１および図２を参照して詳述する。
このマスタ（原器）の製作に際してはまず、図１（ａ）に示されるように、例えばシリコン（Ｓｉ）、または石英等からなる基板１０にレジスト１２を塗布する。そして、このレジスト１２に、電子ビーム描画や二光束干渉露光等によって上記微細構造とするパターンを描画し、現像することにより、図１（ｂ）に示される態様で上記描画したパターンに対応するレジストパターンを得る。
【００３０】
次に、図１（ｃ）に示される態様で、上記パターンの表面からクロム（Ｃｒ）の蒸着を行うとともに、リフトオフによってクロム（Ｃｒ）膜１３のみを残し、上記パターン描画したレジスト１２についてもこれを除去する。これによって、図１（ｄ）に示されるように、基板１０の上に、上記クロム（Ｃｒ）膜１３からなるマスクが形成されるようになる。ちなみにこのマスクパターンは、光の波長以下のサブミクロンオーダーの微細パターン、具体的にはその繰り返しピッチＰが「２５０ｎｍ」である２次元のパターンとなっている。すなわち、これを平面方向から見た場合には、上記繰り返しピッチＰを有するマトリクス状のパターンとなっている。
【００３１】
そしてその後、上記クロム（Ｃｒ）膜１３をマスクとして、図１（ｄ）に示す基板１０の表面１０ａに対するエッチングを開始する。ちなみにこのエッチングは、反応性イオンエッチングによって行われ、その反応ガスとしては、Ｃ４Ｆ８とＣＨ２Ｆ２を所定の割合で混合したものを用いている。なお、この反応ガスとしては、ＣＨＦ３を単独で用いてもよい。Ｃ４Ｆ８とＣＨ２Ｆ２との混合ガスを用いた場合のエッチング条件は次の通りとなっている。
ガス圧力 ：０．５Ｐａ
アンテナパワー ：１５００Ｗ
バイアスパワー ：４５０Ｗ
Ｃ４Ｆ８／ＣＨ２Ｆ２ ：１６／１４ｓｃｃｍ
エッチング時間 ：６０ｓｅｃ
ここで、アンテナパワーとは、プラズマ生成のためにエッチング装置内のアンテナに印加される高周波電力であり、またバイアスパワーとは、基板１０の上にプラズマを引き込むために印加される高周波電力である。また、上記反応ガス中のＣＨ２Ｆ２の混合割合は、１０〜５０％の間で調整することができる。ちなみに、このＣＨ２Ｆ２の濃度がこの割合よりも低い場合には、後述するエッチング形状のテーパ角が大きくなりすぎ、アスペクト比が「１．０」以下になってしまう。また逆に、このＣＨ２Ｆ２の濃度がこの割合よりも高い場合には、同エッチング形状のテーパ部分が丸みを帯びて「Ｕ字形状」となってしまう。
【００３２】
図２（ａ）〜（ｃ）は、このようなエッチングの実行に際し、その進行態様を順次模式的に示したものである。これら図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、エッチングが進むにつれて、マスクとなっているクロム（Ｃｒ）膜１３も徐々にエッチングされてその径が減少する。そして最終的には、図２（ｃ）に示される態様で、基板１０の表面に所定のテーパ角からなる多数の円錐状の突起（凸部）１０ｂを有する微細構造が形成されるようになる。なお、本実施の形態においては、これら円錐状の突起（凸部）１０ｂの深さＴ１が「５００ｎｍ」となるように、上記エッチング条件（上記反応ガス中のＣＨ２Ｆ２の混合割合等）を定めている。
【００３３】
以上の各処理を経て、図２（ｄ）にその斜視構造を示すような表面微細構造を有するマスタ（原器）が製作される。
こうしてマスタ（原器）の製作を終えると、次に、上記（Ｂ）の工程として、例えばニッケル（Ｎｉ）を用いた電鋳工程により、図３に示す態様で、このマスタ（原器）を用いた金型１５を製作する。
【００３４】
ちなみにこの電鋳工程では、上記マスタ（原器）に対し、スパッタリング法にてニッケル（Ｎｉ）の薄膜を数百Åの膜厚にて形成して、これを導電膜とする。次いで、このニッケル（Ｎｉ）薄膜からなる導電膜に直接ニッケル（Ｎｉ）電鋳を行って、該ニッケル（Ｎｉ）からなる金属層を析出積層させる。そして、この析出積層させたニッケル（Ｎｉ）からなる金属層を上記マスタ（原器）から剥離して、上記金型１５とする。
【００３５】
このような電鋳加工により、金型１５には、マスタ（原器）の微細構造（微細パターン）が反転されるかたちで、そのパターンがほぼ忠実に転写されることとなる。ちなみにこの電鋳加工では、「０．１μｍ」の凹凸まで転写が可能である。
【００３６】
次に、このようにして製作した金型１５を射出成形機（図示略）に取り付け、上記（Ｃ）の工程として、該射出成形によるモールディングを行い、表面に微細構造が複製された透明プラスティック光学素子（レプリカ）を生成する。そして最後に、上記（Ｄ）の工程として、この生成された透明プラスティック光学素子（レプリカ）の表面に、このプラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜する。
【００３７】
以下、図４を参照して、これら各工程での処理を更に詳述するともに、本実施の形態にかかる表面微細構造光学素子について、その構造を詳述する。
上記（Ｃ）の工程でのモールディングによって、かなりの精度での転写性は得られるものの、実情としては、上記金型１５自体の転写精度とも相俟って、上記マスタ（原器）の微細構造（微細パターン）を１００％復元することは難しい。このため、上記複製された透明プラスティック光学素子（レプリカ）も、実際には図４（ａ）に示されるように、プラスティック基板１００の表面に復元された多数の円錐状の突起（凸部）１００ｂの深さＴ２が、マスタ（原器）の突起（凸部）１０ｂの深さＴ１（５００ｎｍ）に比べて縮小されている。すなわち、アスペクト比が低下している。
【００３８】
そこで、この実施の形態では、上記（Ｄ）の工程として、この生成された透明プラスティック光学素子（レプリカ）の表面に、このプラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜することによって、こうしたアスペクト比の低下を補うようにしている。なお、転写率は、各種成形方法により異なる。
【００３９】
具体的には、図４（ｂ）に示される態様で、上記透明プラスティック光学素子（レプリカ）とするプラスティック基板１００の表面に、スパッタリング法にて二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜１１０を成膜する。なお、この膜厚Ｔ３は、アスペクト比を補償する膜厚、例えば「１００ｎｍ」以上で且つ、上記微細構造を損なわない程度の膜厚に設定される。なお、通常のスパッタリング法による成膜では均一な成膜が困難であるような場合には、例えばコリメートスパッタリングなど、スパッタリングの運動方向を制限する成膜技術も適宜採用することができる。このコリメートスパッタリングでは、ターゲットと基板との間にグリッドや多孔板を設けることによって、成膜材料（ターゲット）から飛び出した原子を基板に垂直に入射させることが可能となり、ひいてはより均一な成膜が可能となる。
【００４０】
また、この実施の形態では、上記透明プラスティック光学素子（レプリカ）とするプラスティック基板１００として、例えば屈折率が「１．４９」であるＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を使用し、このＰＭＭＡからなるプラスティック基板１００に上記二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜１１０を成膜するものとする。二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜１１０はその屈折率が約「２．２５」と、ＰＭＭＡの屈折率よりも十分に高いため、上記透明プラスティック光学素子（レプリカ）としてのアスペクト比も実質的に高められるようになる。換言すれば、上述したモールディング技術の併用に起因する微細構造のアスペクト比の低下が、これら屈折率の違いによっていわば擬似的に補償されるようになる。そしてその結果、こうしたＡＲ素子としての反射防止効果が得られることが発明者らによって確認されている。
【００４１】
また一方、この実施の形態では、上記二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜１１０として、いわゆるアナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）を成膜することとしている。このアナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）は、光の入射に伴って有機物を分解し、これを無害化する、いわゆる光触媒として機能するため、上記生成された透明プラスティック光学素子（レプリカ）の素子表面の汚れ等に対する防汚機能も併せて実現されるようになる。
【００４２】
以上説明したように、この第１の実施の形態にかかる表面微細構造光学素子、およびその製造方法によれば、以下に列記するような優れた効果が得られるようになる。
【００４３】
（１）微細構造を有するプラスティック基板１００の表面に、該プラスティック基板１００の屈折率よりも高い屈折率を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜１１０を成膜することとした。これにより、上記微細構造のアスペクト比の低下が、このプラスティック基板１００よりも屈折率の高い二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜１１０によって補われるかたちで回折現象が生じるようになり、十分に実用に供し得るレベルで、所望とされるＡＲ機能を実現することができる。
【００４４】
（２）上記二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜１１０として、光触媒効果を併せ備えるアナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）を用いることとした。このため、素子表面の汚れ等に対する防汚機能も併せて実現される。
【００４５】
（３）また、こうした表面微細構造光学素子の製造方法として、アスペクト比の高い、高精度の微細構造を有するマスタ（原器）をまず製作し、その金型を採取した上で、射出成形によるモールディングを行い、表面に上記微細構造が複製された透明プラスティック光学素子（レプリカ）を生成した。そして、この生成された透明プラスティック光学素子（レプリカ）の表面に、上記二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜１１０を成膜した。これにより、上記十分に実用に供し得るレベルで所望とされるＡＲ機能を実現することのできる表面微細構造光学素子を、より低コストで、しかも安定して量産することができる。
【００４６】
（第２の実施の形態）
図５〜図８に、この発明にかかる表面微細構造光学素子およびその製造方法について、その第２の実施の形態を示す。
【００４７】
この第２の実施の形態にかかる光学素子は、表面微細構造光学素子として前記偏光分離機能を実現する光学素子についてその一例を示したものである。以下でも説明の便宜上、該光学素子の製造方法についてまず説明する。
【００４８】
この実施の形態にかかる表面微細構造光学素子の製造も、基本的には先の第１の実施の形態と同様である。すなわち、
（Ａ）基板表面にレジストを塗布して微細構造とするパターンを描画、現像した後、適宜のマスクを形成し、該形成したマスクをもとにエッチングを行って微細構造を有するマスタ（原器）を製作する（図５および図６）。
（Ｂ）この製作されたマスタを用い、電鋳によって、上記微細構造のスタンパとなる金型を製作する（図７）。
（Ｃ）この製作された金型を用いたモールディングによって、表面に微細構造が複製された透明プラスティック光学素子を生成する（図８（ａ））。
（Ｄ）この生成された透明プラスティック光学素子の表面に、該プラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜する（図８（ｂ））。
といった、大きくは４つの工程を経て行われる。
【００４９】
はじめに、上記（Ａ）の工程であるマスタ（原器）を製作する工程について、図５および図６を参照して詳述する。
このマスタ（原器）の製作に際してもまず、図５（ａ）に示されるように、例えばシリコン（Ｓｉ）、または石英等からなる基板２０にレジスト２２を塗布する。そして、このレジスト２２に、電子ビーム描画や二光束干渉露光等によって上記微細構造とするパターンを描画し、現像することにより、図５（ｂ）に示される態様で上記描画したパターンに対応するレジストパターンを得る。
【００５０】
次に、図５（ｃ）に示される態様で、上記パターンの表面からクロム（Ｃｒ）の蒸着を行うとともに、リフトオフによってクロム（Ｃｒ）膜２３のみを残し、上記パターン描画したレジスト２２についてもこれを除去する。これによって、図５（ｄ）に示されるように、基板２０の上に、上記クロム（Ｃｒ）膜２３からなるマスクが形成されるようになる。ちなみにこのマスクパターンも、光の波長以下のサブミクロンオーダーの微細パターン、具体的にはその繰り返しピッチＰ２が「４５０ｎｍ」である、特にここではライン状のパターンとなっている。
【００５１】
そしてその後、上記クロム（Ｃｒ）膜２３をマスクとして、図５（ｄ）に示す基板２０の表面２０ａに対するエッチングを開始する。ちなみにこのエッチングは、反応性イオンエッチングによって行われ、その反応ガスとしては、Ｃ４Ｆ８とＣＨ２Ｆ２を所定の割合で混合したものを用いている。なお、この反応ガスとしては、ＣＨＦ３を単独で用いてもよい。Ｃ４Ｆ８とＣＨ２Ｆ２との混合ガスを用いた場合のエッチング条件は次の通りとなっている。
ガス圧力 ：０．４Ｐａ
アンテナパワー ：１０００Ｗ以上
バイアスパワー ：１００〜５００Ｗ
Ｃ４Ｆ８／ＣＨ２Ｆ２ ：１０〜３０／１０〜２０ｓｃｃｍ
エッチング時間 ：２００〜２９０ｓｅｃ
ここで、アンテナパワーとは、プラズマ生成のためにエッチング装置内のアンテナに印加される高周波電力であり、またバイアスパワーとは、基板１０の上にプラズマを引き込むために印加される高周波電力である。また、上記反応ガス中のＣＨ２Ｆ２の混合割合は、１０〜５０％の間で調整することができる。ちなみに、このＣＨ２Ｆ２の濃度がこの割合よりも低い場合には、後述するエッチング形状のテーパ角が大きくなりすぎ、アスペクト比が「１．０」以下になってしまう。また逆に、このＣＨ２Ｆ２の濃度がこの割合よりも高い場合には、同エッチング形状のテーパ部分が丸みを帯びて「Ｕ字形状」となってしまう。
【００５２】
図６（ａ）は、このようなエッチングの進行態様を模式的に示したものであり、該エッチングによる溝の深さＴ５が「７００ｎｍ」に達したところで、エッチングを終了し、図６（ｂ）に示されるように、上記マスクとしたクロム（Ｃｒ）膜２３を除去する。
【００５３】
以上の各処理を経て、図６（ｃ）にその斜視構造を示すような表面微細構造を有するマスタ（原器）が製作される。
こうしてマスタ（原器）の製作を終えると、次に、上記（Ｂ）の工程として、ここでも例えばニッケル（Ｎｉ）を用いた電鋳工程により、図７に示す態様で、このマスタ（原器）を用いた金型２５を製作する。すなわち、マスタ（原器）に数百Åの膜厚のニッケル（Ｎｉ）からなる導電膜を形成し、この導電膜に直接ニッケル（Ｎｉ）電鋳を行うことで、ニッケル（Ｎｉ）からなる金属層を析出積層させる。そして、この析出積層させたニッケル（Ｎｉ）からなる金属層を上記マスタ（原器）から剥離して、上記金型２５とする。
【００５４】
こうした電鋳加工によって形成される金型２５にもまた、マスタ（原器）の微細構造（微細パターン）が反転されるかたちで、そのパターンがほぼ忠実に転写されることとなる。ちなみにこの電鋳加工では、「０．１μｍ」の凹凸まで転写が可能である。
【００５５】
次に、このようにして製作した金型２５を射出成形機（図示略）に取り付け、上記（Ｃ）の工程として、該射出成形によるモールディングを行い、表面に微細構造が複製された透明プラスティック光学素子（レプリカ）を生成する。そして最後に、上記（Ｄ）の工程として、この生成された透明プラスティック光学素子（レプリカ）の表面に、このプラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜する。
【００５６】
以下、図８を参照して、これら各工程での処理を更に詳述するともに、本実施の形態にかかる表面微細構造光学素子について、その構造を詳述する。
この実施の形態の上記（Ｃ）の工程におけるモールディングによってもかなりの精度での転写性は得られるものの、また実際の転写率は成形条件や成型方法等により異なりはするものの、実情としては、上記金型２５自体の転写精度とも相俟って、上記マスタ（原器）の微細構造（微細パターン）を１００％復元することは難しい。このため、上記複製された透明プラスティック光学素子（レプリカ）も、実際には図８（ａ）に示されるように、プラスティック基板２００の表面に復元された多数の矩形状の突起（凸部）２００ｂの深さＴ６が、マスタ（原器）の突起（凸部）２０ｂの深さＴ５（７００ｎｍ）に比べて縮小されている。すなわち、アスペクト比が低下している。
【００５７】
そこで、この実施の形態においても、上記（Ｄ）の工程として、この生成された透明プラスティック光学素子（レプリカ）の表面に、このプラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜することによって、こうしたアスペクト比の低下を補うようにする。
【００５８】
具体的には、図８（ｂ）に示される態様で、上記透明プラスティック光学素子（レプリカ）とするプラスティック基板２００の表面、すなわち、矩形状の突起（凸部）２００ｂの上面および底面に、スパッタリング法にて二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２１０を成膜する。なお、この膜厚Ｔ７は、例えば「１００ｎｍ」以上で且つ、上記微細構造を損なわない程度の膜厚に設定される。なお、通常のスパッタリング法による成膜では均一な成膜が困難であるような場合には、上述した例えばコリメートスパッタリングなど、スパッタリングの運動方向を制限する成膜技術も適宜採用することもできる。
【００５９】
また、この実施の形態においても、上記透明プラスティック光学素子（レプリカ）とするプラスティック基板２００として、例えば屈折率が「１．４９」であるＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を使用している。そして、このＰＭＭＡからなるプラスティック基板２００の表面に、屈折率が約「２．２５」である二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２１０を成膜している。これにより、上記透明プラスティック光学素子（レプリカ）としてのアスペクト比も実質的に高められるようになる。すなわち、上述したモールディング技術の併用に起因する微細構造のアスペクト比の低下も、これら屈折率の違いによっていわば擬似的に補償されるようになる。そしてその結果、十分な偏光分離効果を有する光学素子が得られることが発明者らによって確認されている。
【００６０】
またさらに、この実施の形態においても、上記二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２１０としては、アナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）を成膜することとしている。これによって前述したように、上記生成された透明プラスティック光学素子（レプリカ）の素子表面の汚れ等に対する防汚機能も併せて実現されるようになる。
【００６１】
以上説明したように、この第２の実施の形態にかかる表面微細構造光学素子、およびその製造方法によれば、以下のような優れた効果が得られるようになる。
（１）微細構造を有するプラスティック基板２００の表面、すなわち、矩形状の突起（凸部）２００ｂの上面および底面に、該プラスティック基板２００の屈折率よりも高い屈折率を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２１０を成膜することとした。これにより、上記微細構造のアスペクト比の低下が、このプラスティック基板２００よりも屈折率の高い二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２１０によって補われるかたちで回折現象が生じるようになり、十分に実用に供し得るレベルで、所望とされる偏光分離機能を実現することができる。
【００６２】
（２）上記二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２１０として、光触媒効果を併せ備えるアナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）を用いることとした。このため、素子表面の汚れ等に対する防汚機能も併せて実現される。
【００６３】
（３）また、こうした表面微細構造光学素子の製造方法として、アスペクト比の高い、高精度の微細構造を有するマスタ（原器）をまず製作し、その金型を採取した上で、射出成形によるモールディングを行い、表面に上記微細構造が複製された透明プラスティック光学素子（レプリカ）を生成した。そして、この生成された透明プラスティック光学素子（レプリカ）の表面、すなわち、矩形状の突起（凸部）２００ｂの上面および底面に、上記二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２１０を成膜した。これにより、上記十分に実用に供し得るレベルで所望とされる偏光分離機能を実現することのできる表面微細構造光学素子を、より低コストで、しかも安定して量産することができる。
【００６４】
（第３の実施の形態）
図９に、この発明にかかる表面微細構造光学素子およびその製造方法について、その第３の実施の形態を示す。
【００６５】
この第３の実施の形態にかかる光学素子も、表面微細構造光学素子として前記偏光分離機能を有する光学素子についてその一例を示したものである。この第３の実施の形態では、透明プラスティック光学素子（レプリカ）の表面に復元された多数の矩形状の突起の表面のみに、このプラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を選択的に成膜するようにしている。
【００６６】
すなわち、この第３の実施の形態においてもまず、例えば先の第２の実施の形態と同様の処理を経て、微細構造が複製された透明プラスティック光学素子（レプリカ）を生成する。こうして複製された透明プラスティック光学素子（レプリカ）は上述したように、その突起（凸部）の深さがマスタ（原器）の突起（凸部）に比べて縮小されている。すなわち実際には、図９（ａ）に示されるように、プラスティック基板２００の表面に復元された多数の矩形状の突起（凸部）２００ｂの深さＴ６が、マスタ（原器）の突起（凸部）２０ｂ（図６（ｂ）参照）の深さＴ５（７００ｎｍ）に比べて縮小されている。すなわち、アスペクト比が低下している。
【００６７】
そこで、この実施の形態においては、プラスティック光学素子（レプリカ）の表面に復元された多数の矩形状の突起（凸部）２００ｂの表面のみに、このプラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を選択的に成膜することによって、こうしたアスペクト比の低下をいわば機械的にも補うようにしている。
【００６８】
具体的には、例えば適宜のマスクを用いたスパッタリング法などにて、プラスティック基板２００に形成された矩形状の突起（凸部）２００ｂの上面のみに二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２２０を選択的に成膜する。しかも、この二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２２０の膜厚Ｔ８は、突起（凸部）２００ｂに該二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２２０が堆積された後の高さが、前記マスタ（原器）の突起（凸部）２０ｂ（図６（ｂ））の深さＴ５（７００ｎｍ）と同等となる程度に設定される。これにより、上述したモールディング技術の併用に起因するアスペクト比の低下が、機械的に、すなわちアスペクト比そのものを高めるかたちで補償されるようになる。そしてこの実施の形態についても、上記二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２２０としては、アナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）を成膜することとしている。これによって前述したように、上記生成された透明プラスティック光学素子（レプリカ）の素子表面の汚れ等に対する防汚機能も併せて実現されるようになる。
【００６９】
以上説明したように、この第３の実施の形態にかかる表面微細構造光学素子、およびその製造方法によれば、以下のような効果が得られるようになる。
（１）プラスティック基板２００に形成された矩形状の突起（凸部）２００ｂの上面に選択的に、プラスティック基板２００の屈折率よりも高い屈折率を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２２０を、マスタ（原器）の突起（凸部）２０ｂの深さＴ５と同等となる程度に堆積することとした。これにより、微細構造のアスペクト比の低下が、機械的に、すなわちアスペクト比そのものを高めるかたちでも補償されるようになり、十分に実用に供し得るレベルで、所望とされる偏光分離機能を実現することができる。
【００７０】
（２）上記二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２２０として、光触媒効果を併せ備えるアナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）を用いることとした。このため、素子表面の汚れ等に対する防汚機能も併せて実現される。
【００７１】
（３）また、こうした表面微細構造光学素子の製造方法として、微細構造が複製された透明プラスティック光学素子（レプリカ）を生成し、この透明プラスティック光学素子（レプリカ）の表面、すなわち、矩形状の突起（凸部）２００ｂの上面のみに選択的に、上記二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２２０を成膜した。これにより、上記十分に実用に供し得るレベルで所望とされる偏光分離機能を実現することのできる表面微細構造光学素子を、より低コストで、しかも安定して量産することができる。
【００７２】
なお、本発明にかかる表面微細構造光学素子およびその製造方法は、上記各実施の形態に限られるものではなく、例えば次のような形態として実施することもできる。
【００７３】
・上記第３の実施の形態では、第２の実施の形態の方法で生成された矩形状の突起（凸部）２００ｂを有する透明プラスティック光学素子（レプリカ）に、二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜２２０を堆積することにより、機械的なアスペクト比を高める構造とした。しかしこれに限らず、例えば第１の実施の形態にかかる方法で生成された円錐状の突起（凸部）１００ｂを有する透明プラスティック光学素子（レプリカ）に、マスタ（原器）の突起（凸部）１０ｂの深さＴ１と同等となる程度に二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜を堆積するようにしてもよい。
【００７４】
・上記各実施の形態では、基板材料としてＰＭＭＡを用いたが、ＰＭＭＡ等の材料は一般に金属の蒸着が難しいことから、蒸着条件を工夫し、その下地膜として例えばクロム（Ｃｒ）膜を例えば５ｎｍ以下の膜厚で予め成膜しておくなど、その基板表面を改質しておくようにしてもよい。
【００７５】
・また、上記基板として用いる材料は、上記ＰＭＭＡ等の材料に限られることなく任意であり、オリフィン系の樹脂、特に脂環式ポリオレフィン樹脂であれば、適宜採用することができる。すなわち、こうした基板として例えば、耐熱性に優れ、寸法精度が高いポリカーボネートや、同じく耐熱性に優れ、透過率も高いアートンや、同じく透過性が高い上に、吸湿率が低いゼオネックス、ゼオノア等を採用することもできる。
【００７６】
・上記各実施の形態では、光触媒効果を有する膜材として、アタナーゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）を採用する場合について例示したが、該光触媒効果を有する膜材としては他に、ルチル型の二酸化チタン（ＴｉＯ２）などもあり、これらの膜材も同様に採用することができる。
【００７７】
・この発明にかかる表面微細構造光学素子としての素子構造そのものは、必ずしもモールディング技術等を伴わずに生成された透明プラスティック光学素子にも適用することができる。すなわち、表面微細構造として、十分なアスペクト比を確保することができなかった場合であれ、基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材を併用することにより、所望とされる光学特性を実現することは可能である。
【００７８】
・上記各実施の形態では、反射防止（ＡＲ）素子や偏光分離素子について例示したが、この発明にかかる表面微細構造光学素子およびその製造方法は、これらに限られるものではなく、光学フィルタや位相差板などの光学素子にも適宜採用することができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明にかかる表面微細構造光学素子によれば、例えばモールディング技術の併用に起因するアスペクト比の低下が基板よりも屈折率の高い膜材により補われるかたちで回折現象が生じるようになる。このため、たとえモールディング技術の併用によって量産された光学素子であっても、十分に実用に供し得るレベルで、それぞれ所望とされる光学特性を実現することができるようになる。
【００８０】
また、この発明にかかる表面微細構造光学素子の製造方法によれば、上記光学特性を有する表面微細構造光学素子をより低コストで、しかも安定して量産することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明にかかる表面微細構造光学素子およびその製造方法の第１の実施の形態について、そのマスタ（原器）の形成手順を示す概略断面図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、同実施の形態について、そのマスタ（原器）の形成手順を示す概略断面図。（ｄ）は、形成されたマスタ（原器）の外観を示す斜視図。
【図３】同実施の形態の電鋳工程（金型形成工程）を示す略図。
【図４】（ａ）は、同実施の形態にて生成される透明プラスティック光学素子（レプリカ）を示す概略断面図。（ｂ）は、同実施の形態の表面微細構造光学素子の概略断面構造を示す断面図。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明にかかる表面微細構造光学素子およびその製造方法の第２の実施の形態について、そのマスタ（原器）の形成手順を示す概略断面図。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、同実施の形態について、そのマスタ（原器）の形成手順を示す概略断面図。（ｃ）は、形成されたマスタ（原器）の外観を示す斜視図。
【図７】同実施の形態の電鋳工程（金型形成工程）を示す略図。
【図８】（ａ）は、同実施の形態にて生成される透明プラスティック光学素子（レプリカ）を示す概略断面図。（ｂ）は、同実施の形態の表面微細構造光学素子の概略断面構造を示す断面図。
【図９】（ａ）は、本発明にかかる表面微細構造光学素子およびその製造方法の第３の実施の形態について、生成される透明プラスティック光学素子（レプリカ）を示す概略断面図。（ｂ）は、同実施の形態の表面微細構造光学素子の概略断面構造を示す断面図。
【符号の説明】
１０、２０…基板、１０ａ、２０ａ…表面、１０ｂ、２０ｂ…突起（凸部）、１２、２２…レジスト、１３、２３…クロム（Ｃｒ）膜、１５、２５…金型、１００、２００…プラスティック基板、１００ｂ、２００ｂ…突起（凸部）、１１０、２１０、２２０…二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface microstructured optical element that realizes various optical characteristics such as antireflection and polarization separation by a microstructure on a substrate surface, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
For example, an anti-reflection (AR) element of a plastic substrate used for a display or the like, a polarization separation element used for an optical pickup unit for recording information on an optical recording medium such as a disk or reproducing information from the optical recording medium. Conventionally, an optical element using a multilayer film structure as disclosed in Patent Documents 1 and 2 is known.
[0003]
Such an optical element is usually formed by laminating various films having different refractive indices on a substrate as a multilayer film, and utilizing the overall optical characteristics of the laminated multilayer film to perform the above-described AR function or P-polarization, for example. And S-polarized light.
[0004]
As is well known, the AR function is a function of suppressing the reflection and scattering of incident light and increasing its transmittance. In addition, the polarization separation function is such that, for P-polarized light having a plane of polarization parallel to the plane of incidence and S-polarized light having a plane of polarization perpendicular to the plane of incidence, one is transmitted and the other is reflected. It is a function to perform separation.
[0005]
In addition, even in an optical element such as an optical filter or a retardation plate, in the case of using the above-mentioned multilayer structure, the desired optical property is obtained by utilizing the overall optical characteristics of the multilayer film to be laminated. The characteristics will be realized.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-11-312330
[Patent Document 2]
JP 2000-76685 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, in an optical element using the above-mentioned multilayer structure, it is certainly possible to obtain desired optical characteristics by controlling the thickness of each layer constituting the multilayer film. However, in practice, it is difficult to control the film thickness of each of the layers, and the refractive index varies depending on the film forming conditions, so that ideal optical characteristics are not always obtained. In addition, the film materials that can form the above-described multilayer film are limited, and there remains a problem in terms of design flexibility.
[0008]
On the other hand, in recent years, advances in semiconductor processing technology and electron beam processing technology have made it possible to perform fine processing and fine molding on the order of submicron or less, which is shorter than the wavelength of light. The various optical characteristics described above are being realized by various microstructures and micropatterns that form a diffraction grating on the surface of the element (substrate).
[0009]
However, in forming such a fine structure and a fine pattern, realization of a so-called high aspect ratio having a deeper pattern depth with respect to the repetition pitch is inevitable for obtaining desired optical characteristics. is there. However, especially in the case of the above-mentioned fine processing on the order of submicrons, it is difficult to fabricate a structure with such a high aspect ratio, both technically and costly.
[0010]
On the other hand, once a structure with a high aspect ratio that can achieve the desired optical characteristics can be obtained even at a reasonable cost, a mold is manufactured using the structure as a master, and injection molding is performed. Mass production of low-cost transparent plastic optical elements by molding techniques such as these is also being studied.
[0011]
However, even if a high-accuracy master with a high aspect ratio can be manufactured, the accuracy (aspect ratio) is naturally reduced at the stage of manufacturing the mold and further at the stage of molding, thereby reducing the cost. Actually, no practical optical element has been obtained yet as a transparent plastic optical element.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object is to provide a practically usable aspect ratio even if the cost is reduced by using a molding technique or the like. It is an object of the present invention to provide a surface microstructured optical element capable of realizing such optical characteristics and a method of manufacturing the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the surface microstructured optical element according to claim 1, wherein the surface microstructured optical element that achieves desired optical characteristics by changing an effective refractive index by a microstructure on a substrate surface, On the surface of a substrate having a fine structure, a film material having a refractive index higher than the refractive index of the material of the substrate is formed.
[0014]
In general, in such a surface microstructure optical element utilizing the fine structure of the substrate surface, the repetition pitch of the fine pattern formed on the surface of the substrate (light-transmitting substrate such as transparent plastic) is approximately equal to the wavelength of the incident light beam. Set to less than that. By utilizing the diffraction phenomena of these patterns, desired optical characteristics such as the above-described AR function and polarization separation function are realized. However, if such an optical element is to be mass-produced by a molding technique using a mold or the like, the required aspect ratio cannot be obtained as described above, and the optical element cannot be put to practical use.
[0015]
In this regard, according to the optical element according to claim 1, a film material having a refractive index higher than the refractive index of the material of the substrate is formed on the surface of the substrate having the fine structure. The above-mentioned diffraction phenomenon occurs in a form in which the decrease is compensated for by a film material having a higher refractive index than that of the substrate, and even in the case of an optical element mass-produced in combination with molding technology, at a level that can be sufficiently used. Thus, the desired optical characteristics can be realized.
[0016]
Further, if a film material having a photocatalytic effect is adopted as the film material having a refractive index higher than the refractive index of the material of the substrate, it is possible to prevent contamination on the element surface. A dirty function will also be realized.
[0017]
As the film material having the photocatalytic effect, titanium dioxide having an anatase crystal structure (TiO 2) 2 ) The membrane is effective. This titanium dioxide (TiO 2 Although the refractive index varies depending on the film forming conditions, it is usually about "2.25". For example, the above-mentioned substrate may be made of a material using PMMA (polymethyl methacrylate) having a refractive index of "1.49". Then, the conditions as the film material according to claim 1 are properly satisfied.
[0018]
On the other hand, as described in claim 4, according to the structure in which the film material having a refractive index higher than the refractive index of the material of the substrate is formed on the entire surface of the fine structure formed on the substrate, For example, the decrease in the aspect ratio of the fine structure caused by the combined use of the molding technique can be compensated in a pseudo manner by the difference in the refractive indexes.
[0019]
Further, as described in claim 5, a film material having a refractive index higher than the refractive index of the material of the substrate is selectively formed on the protrusions of the fine structure formed on the substrate. According to the structure, for example, a decrease in the aspect ratio due to the combined use of the molding technique can be compensated mechanically, that is, by increasing the aspect ratio itself.
[0020]
On the other hand, in the method of manufacturing a surface microstructured optical element according to claim 6, in manufacturing a surface microstructured optical element that achieves desired optical characteristics by changing the effective refractive index by the microstructure of the substrate surface,
(A) After applying a resist on a substrate surface to draw and develop a pattern for forming the fine structure, an appropriate mask is formed, and etching is performed based on the formed mask to form a master having the fine structure ( Prototype).
(B) Using the manufactured master, a metal mold as a stamper of the fine structure is manufactured by electroforming.
(C) By molding using the manufactured mold, a transparent plastic optical element having the fine structure replicated on the surface is generated.
(D) A film material having a higher refractive index than the plastic material is formed on the surface of the generated transparent plastic optical element.
Through these steps, the same surface microstructured optical element is manufactured.
[0021]
The above steps (a) to (c) are performed by a low-cost transparent plastic optical element by a molding method such as injection molding after manufacturing a master (original) and a mold thereof as described above. Is basically the same as the method of mass-producing the above, except that as a step (d), a step of forming a film material having a higher refractive index than the plastic material on the surface of the generated transparent plastic optical element By adding the above, the optical element according to claim 1, that is, the optical element having a fine surface structure that can be sufficiently used practically can be mass-produced at lower cost and more stably.
[0022]
Also in this case, as described in claim 7, by using a film material having a photocatalytic effect as the film material having a higher refractive index than the plastic material, an antifouling function against the dirt on the element surface is also provided. Will be realized.
[0023]
As the film material having the photocatalytic effect, titanium dioxide having an anatase crystal structure (TiO 2) 2 For example, when PMMA is used as the plastic material (substrate), the titanium dioxide (TiO 2) may be used. 2 As described above, the film is a film material that can satisfy the conditions as the film material used in the step (d).
[0024]
On the other hand, as described in claim 9, the step (d), that is, the step of forming a film material having a refractive index higher than that of the plastic material is performed on the entire surface of the microstructure replicated and formed on the plastic material. If the process comprises the step of forming the same film material, the decrease in the aspect ratio of the fine structure caused by the combined use of the molding technique is compensated in a pseudo manner by the difference in the refractive indexes.
[0025]
Further, as described in claim 10, the step (d), ie, the step of forming a film material having a higher refractive index than the plastic material, is performed on the projections of the fine structure replicated and formed on the plastic material. If the process consists of selectively forming the same film material, the decrease in the aspect ratio of the fine structure caused by the combined use of the molding technique is mechanical, that is, the aspect ratio itself is increased. It will also be compensated.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First Embodiment)
1 to 4 show a first embodiment of a surface microstructured optical element and a method of manufacturing the same according to the present invention.
[0027]
The optical element according to the first embodiment is an example of an optical element that realizes the AR (anti-reflection or non-reflection) function as a surface microstructured optical element. Hereinafter, for convenience of description, a method of manufacturing the optical element will be described first.
[0028]
Now, the production of the surface microstructured optical element according to this embodiment
(A) After drawing and developing a pattern having a fine structure by applying a resist on a substrate surface, an appropriate mask is formed, and etching is performed based on the formed mask to form a master having a fine structure (a prototype). ) (FIGS. 1 and 2).
(B) Using the master thus manufactured, a mold serving as a stamper having the fine structure is manufactured by electroforming (FIG. 3).
(C) By molding using the manufactured mold, a transparent plastic optical element having a microstructure replicated on the surface is generated (FIG. 4A).
(D) A film material having a higher refractive index than the plastic material is formed on the surface of the generated transparent plastic optical element (FIG. 4B).
This is performed through four steps.
[0029]
First, the process of manufacturing the master (prototype), which is the above process (A), will be described in detail with reference to FIGS.
In manufacturing the master (original), first, as shown in FIG. 1A, a resist 12 is applied to a substrate 10 made of, for example, silicon (Si) or quartz. Then, the pattern having the fine structure is drawn on the resist 12 by electron beam drawing, two-beam interference exposure, or the like, and developed to form a resist corresponding to the pattern drawn in the mode shown in FIG. Get the pattern.
[0030]
Next, in the mode shown in FIG. 1C, chromium (Cr) is vapor-deposited from the surface of the pattern, and only the chromium (Cr) film 13 is left by lift-off. Is removed. Thus, as shown in FIG. 1D, a mask made of the chromium (Cr) film 13 is formed on the substrate 10. Incidentally, this mask pattern is a fine pattern on the order of submicron that is smaller than the wavelength of light, specifically, a two-dimensional pattern having a repetition pitch P of “250 nm”. That is, when this is viewed from the plane direction, it has a matrix-like pattern having the repetition pitch P.
[0031]
Thereafter, using the chromium (Cr) film 13 as a mask, etching is started on the surface 10a of the substrate 10 shown in FIG. 1D. Incidentally, this etching is performed by reactive ion etching, and the reactive gas is C 4 F 8 And CH 2 F 2 Are mixed at a predetermined ratio. The reaction gas is CHF 3 May be used alone. C 4 F 8 And CH 2 F 2 Etching conditions when using a mixed gas of the following are as follows.
Gas pressure: 0.5Pa
Antenna power: 1500W
Bias power: 450W
C 4 F 8 / CH 2 F 2 ： 16 / 14sccm
Etching time: 60 sec
Here, the antenna power is high-frequency power applied to an antenna in the etching apparatus for plasma generation, and the bias power is high-frequency power applied to draw plasma onto the substrate 10. . In addition, CH in the above reaction gas 2 F 2 Can be adjusted between 10 and 50%. By the way, this CH 2 F 2 If the concentration is lower than this ratio, the taper angle of an etching shape described later becomes too large, and the aspect ratio becomes "1.0" or less. Conversely, this CH 2 F 2 If the concentration is higher than this ratio, the tapered portion of the etched shape becomes rounded and becomes “U-shaped”.
[0032]
FIGS. 2A to 2C schematically show the progress of such etching in sequence. As shown in FIGS. 2A to 2C, as the etching proceeds, the chromium (Cr) film 13 serving as a mask is also gradually etched, and its diameter decreases. Finally, in the mode shown in FIG. 2C, a fine structure having a large number of conical protrusions (projections) 10b having a predetermined taper angle is formed on the surface of the substrate 10. . In the present embodiment, the etching conditions (CH 2 in the reaction gas) are set such that the depth T1 of the conical projections (projections) 10b is “500 nm”. 2 F 2 Etc.).
[0033]
Through the above processes, a master (original) having a surface fine structure as shown in the perspective structure of FIG. 2D is manufactured.
When the production of the master (prototype) is completed, the master (prototype) is then subjected to the electroforming step using, for example, nickel (Ni) as shown in FIG. The used mold 15 is manufactured.
[0034]
Incidentally, in this electroforming step, a thin film of nickel (Ni) is formed on the master (original) by a sputtering method to a thickness of several hundreds of millimeters, and this is used as a conductive film. Next, nickel (Ni) electroforming is directly performed on the conductive film made of the nickel (Ni) thin film to deposit and laminate a metal layer made of the nickel (Ni). Then, the metal layer made of nickel (Ni) deposited and laminated is separated from the master (prototype) to obtain the mold 15.
[0035]
By such electroforming, the pattern is almost faithfully transferred onto the mold 15 in a form in which the fine structure (fine pattern) of the master (original) is inverted. By the way, in this electroforming, it is possible to transfer irregularities of "0.1 μm".
[0036]
Next, the mold 15 thus manufactured is attached to an injection molding machine (not shown), and as a step (C), molding is performed by the injection molding, and a transparent plastic optic having a fine structure replicated on the surface. Generate an element (replica). Finally, as a step (D), a film material having a higher refractive index than the plastic material is formed on the surface of the generated transparent plastic optical element (replica).
[0037]
Hereinafter, the processing in each of these steps will be described in further detail with reference to FIG. 4, and the structure of the surface microstructured optical element according to the present embodiment will be described in detail.
Although the transferability with considerable accuracy can be obtained by the molding in the step (C), the fact is that, in combination with the transfer accuracy of the mold 15 itself, the fine structure of the master (original) can be obtained. It is difficult to restore (fine pattern) to 100%. For this reason, the duplicated transparent plastic optical element (replica) also has a large number of conical protrusions (convex portions) 100b actually restored on the surface of the plastic substrate 100, as shown in FIG. Is smaller than the depth T1 (500 nm) of the projection (convex portion) 10b of the master (original). That is, the aspect ratio is reduced.
[0038]
Therefore, in this embodiment, as the step (D), a film material having a higher refractive index than the plastic material is formed on the surface of the generated transparent plastic optical element (replica). The aspect ratio is compensated for. Note that the transfer rate differs depending on various molding methods.
[0039]
Specifically, in the mode shown in FIG. 4B, titanium dioxide (TiO 2) is formed on the surface of the plastic substrate 100 serving as the transparent plastic optical element (replica) by a sputtering method. 2 ) A film 110 is formed. The thickness T3 is set to a thickness that compensates for the aspect ratio, for example, “100 nm” or more and a thickness that does not impair the fine structure. In the case where it is difficult to form a uniform film by a normal sputtering method, a film forming technique such as collimating sputtering for limiting the direction of movement of sputtering may be appropriately employed. In this collimated sputtering, by providing a grid or a perforated plate between the target and the substrate, it is possible to cause atoms ejected from the film-forming material (target) to be perpendicularly incident on the substrate, thereby achieving a more uniform film formation. It becomes possible.
[0040]
Further, in this embodiment, for example, PMMA (polymethyl methacrylate) having a refractive index of “1.49” is used as the plastic substrate 100 serving as the transparent plastic optical element (replica), and a plastic made of this PMMA is used. The above-mentioned titanium dioxide (TiO 2) 2 ) The film 110 is formed. Titanium dioxide (TiO 2 2.) Since the refractive index of the film 110 is about 2.25, which is sufficiently higher than the refractive index of PMMA, the aspect ratio of the transparent plastic optical element (replica) can be substantially increased. In other words, the decrease in the aspect ratio of the fine structure caused by the combined use of the molding technique described above can be compensated in a pseudo manner by the difference in the refractive indexes. As a result, the inventors have confirmed that such an antireflection effect as an AR element can be obtained.
[0041]
On the other hand, in this embodiment, the titanium dioxide (TiO 2) is used. 2 ) As the film 110, titanium dioxide (TiO 2) having a so-called anatase crystal structure 2 ) Is formed. Titanium dioxide (TiO 2) having this anatase crystal structure 2 ) Functions as a so-called photocatalyst that decomposes and detoxifies organic substances with the incidence of light, so that the transparent plastic optical element (replica) generated also has an antifouling function against dirt on the element surface. Will be realized.
[0042]
As described above, according to the surface microstructured optical element and the method of manufacturing the same according to the first embodiment, the following excellent effects can be obtained.
[0043]
(1) A titanium dioxide (TiO 2) having a refractive index higher than that of the plastic substrate 100 is formed on the surface of the plastic substrate 100 having a fine structure. 2 ) The film 110 was formed. As a result, the decrease in the aspect ratio of the microstructure causes the titanium dioxide (TiO 2) having a higher refractive index than the plastic substrate 100 to have. 2 2.) The diffraction phenomenon occurs as complemented by the film 110, and the desired AR function can be realized at a sufficiently practical level.
[0044]
(2) The above titanium dioxide (TiO) 2 ) Titanium dioxide (TiO 2) having an anatase crystal structure having a photocatalytic effect 2 ). For this reason, an antifouling function against dirt on the element surface is also realized.
[0045]
(3) As a method of manufacturing such a surface microstructured optical element, a master (original) having a high aspect ratio and a high precision microstructure is first manufactured, and its mold is sampled, followed by injection molding. Molding was performed to produce a transparent plastic optical element (replica) in which the fine structure was duplicated on the surface. Then, the surface of the generated transparent plastic optical element (replica) is coated with the titanium dioxide (TiO 2). 2 ) A film 110 was formed. As a result, a surface microstructured optical element capable of realizing the desired AR function at a level sufficient for practical use can be mass-produced at lower cost and more stably.
[0046]
(Second embodiment)
FIGS. 5 to 8 show a second embodiment of a surface microstructured optical element and a method of manufacturing the same according to the present invention.
[0047]
The optical element according to the second embodiment is an example of an optical element that realizes the polarization separation function as a surface microstructured optical element. Hereinafter, for convenience of description, a method of manufacturing the optical element will be described first.
[0048]
The manufacture of the surface microstructured optical element according to this embodiment is basically the same as that of the first embodiment. That is,
(A) After drawing and developing a pattern having a fine structure by applying a resist on a substrate surface, an appropriate mask is formed, and etching is performed based on the formed mask to form a master having a fine structure (a prototype). ) (FIGS. 5 and 6).
(B) Using the master thus manufactured, a mold serving as a stamper having the fine structure is manufactured by electroforming (FIG. 7).
(C) By molding using the manufactured mold, a transparent plastic optical element having a microstructure replicated on the surface is generated (FIG. 8A).
(D) A film material having a higher refractive index than the plastic material is formed on the surface of the generated transparent plastic optical element (FIG. 8B).
This is performed through four steps.
[0049]
First, the step of manufacturing the master (prototype), which is the step (A), will be described in detail with reference to FIGS.
In manufacturing the master (prototype), first, as shown in FIG. 5A, a resist 22 is applied to a substrate 20 made of, for example, silicon (Si) or quartz. Then, a pattern having the fine structure is drawn on the resist 22 by electron beam drawing, two-beam interference exposure, or the like, and developed to form a resist corresponding to the pattern drawn in the mode shown in FIG. Get the pattern.
[0050]
Next, in the mode shown in FIG. 5C, chromium (Cr) is deposited from the surface of the pattern, and only the chromium (Cr) film 23 is left by lift-off. Is removed. As a result, as shown in FIG. 5D, a mask made of the chromium (Cr) film 23 is formed on the substrate 20. Incidentally, this mask pattern is also a fine pattern on the order of sub-microns that is equal to or less than the wavelength of light, specifically, a repetition pitch P2 is "450 nm".
[0051]
Thereafter, etching is started on the surface 20a of the substrate 20 shown in FIG. 5D using the chromium (Cr) film 23 as a mask. Incidentally, this etching is performed by reactive ion etching, and the reactive gas is C 4 F 8 And CH 2 F 2 Are mixed at a predetermined ratio. The reaction gas is CHF 3 May be used alone. C 4 F 8 And CH 2 F 2 Etching conditions when using a mixed gas of the following are as follows.
Gas pressure: 0.4Pa
Antenna power: 1000 W or more
Bias power: 100-500W
C 4 F 8 / CH 2 F 2 : 10-30 / 10-20sccm
Etching time: 200-290 sec
Here, the antenna power is high-frequency power applied to an antenna in the etching apparatus for plasma generation, and the bias power is high-frequency power applied to draw plasma onto the substrate 10. . In addition, CH in the above reaction gas 2 F 2 Can be adjusted between 10 and 50%. By the way, this CH 2 F 2 If the concentration is lower than this ratio, the taper angle of the etching shape described later becomes too large, and the aspect ratio becomes “1.0” or less. Conversely, this CH 2 F 2 If the concentration is higher than this ratio, the tapered portion of the etched shape becomes rounded and becomes “U-shaped”.
[0052]
FIG. 6A schematically shows the progress of such etching. When the depth T5 of the groove by the etching reaches “700 nm”, the etching is terminated, and FIG. As shown in ()), the chromium (Cr) film 23 used as the mask is removed.
[0053]
Through the above processes, a master (original) having a surface fine structure as shown in the perspective view of FIG. 6C is manufactured.
After the production of the master (prototype) is completed, the master (prototype) is then subjected to the electroforming step using nickel (Ni), for example, as shown in FIG. ) Is manufactured. That is, a metal film made of nickel (Ni) is formed by forming a conductive film made of nickel (Ni) with a thickness of several hundreds of mm on the master (prototype) and performing electroforming of nickel (Ni) directly on the conductive film. The layers are deposited and laminated. Then, the metal layer made of nickel (Ni) deposited and laminated is peeled off from the master (prototype) to obtain the mold 25.
[0054]
Also in the mold 25 formed by such electroforming, the pattern is almost faithfully transferred in a form in which the fine structure (fine pattern) of the master (original) is inverted. By the way, in this electroforming, it is possible to transfer irregularities of "0.1 μm".
[0055]
Next, the mold 25 manufactured as described above is attached to an injection molding machine (not shown), and as a step (C), molding is performed by the injection molding, and a transparent plastic optical element having a microstructure replicated on the surface. Generate an element (replica). Finally, as a step (D), a film material having a higher refractive index than the plastic material is formed on the surface of the generated transparent plastic optical element (replica).
[0056]
Hereinafter, with reference to FIG. 8, the processing in each of these steps will be described in more detail, and the structure of the surface microstructured optical element according to the present embodiment will be described in detail.
Although transferability with considerable accuracy can be obtained by molding in the step (C) of this embodiment, the actual transfer rate varies depending on molding conditions, molding methods, and the like. Due to the transfer accuracy of the mold 25 itself, it is difficult to restore 100% of the fine structure (fine pattern) of the master (original). Therefore, the duplicated transparent plastic optical element (replica) also has a large number of rectangular projections (convex portions) 200b restored on the surface of the plastic substrate 200, as shown in FIG. 8A. Is smaller than the depth T5 (700 nm) of the projection (projection) 20b of the master (original). That is, the aspect ratio is reduced.
[0057]
Therefore, also in this embodiment, as a step (D), a film material having a higher refractive index than the plastic material is formed on the surface of the generated transparent plastic optical element (replica). The decrease in the aspect ratio is compensated for.
[0058]
Specifically, in the mode shown in FIG. 8B, the surface of the plastic substrate 200 serving as the transparent plastic optical element (replica), that is, the upper surface and the lower surface of the rectangular projection (convex portion) 200b are sputtered. Titanium dioxide (TiO 2 ) A film 210 is formed. The film thickness T7 is set to, for example, “100 nm” or more and a film thickness that does not impair the fine structure. In the case where it is difficult to form a uniform film by a normal sputtering method, a film forming technique for limiting the direction of movement of sputtering, such as the above-described collimated sputtering, may be appropriately employed.
[0059]
Also in this embodiment, as the plastic substrate 200 as the transparent plastic optical element (replica), for example, PMMA (polymethyl methacrylate) having a refractive index of “1.49” is used. Then, titanium dioxide (TiO 2) having a refractive index of about “2.25” is formed on the surface of the plastic substrate 200 made of PMMA. 2 ) A film 210 is formed. As a result, the aspect ratio of the transparent plastic optical element (replica) can be substantially increased. That is, the decrease in the aspect ratio of the microstructure caused by the combined use of the molding technique described above is also compensated in a pseudo manner by the difference in the refractive indexes. As a result, the inventors have confirmed that an optical element having a sufficient polarization separation effect can be obtained.
[0060]
Furthermore, in this embodiment, the titanium dioxide (TiO 2) 2 ) The film 210 is made of titanium dioxide (TiO 2) having an anatase crystal structure. 2 ) Is formed. As a result, as described above, an antifouling function against stains on the element surface of the generated transparent plastic optical element (replica) is also realized.
[0061]
As described above, according to the surface microstructured optical element and the method of manufacturing the same according to the second embodiment, the following excellent effects can be obtained.
(1) Titanium dioxide (TiO.sub.2) having a refractive index higher than the refractive index of the plastic substrate 200 is provided on the surface of the plastic substrate 200 having a microstructure, that is, on the upper surface and the bottom surface of the rectangular protrusion (convex portion) 200b. 2 ) The film 210 was formed. As a result, the aspect ratio of the microstructure is reduced, and the refractive index of titanium dioxide (TiO 2) is higher than that of the plastic substrate 200. 2 2.) The diffraction phenomenon occurs as complemented by the film 210, and a desired polarization splitting function can be realized at a level sufficient for practical use.
[0062]
(2) The above titanium dioxide (TiO) 2 ) Titanium dioxide (TiO 2) having an anatase crystal structure having a photocatalytic effect as film 210 2 ). For this reason, an antifouling function against dirt on the element surface is also realized.
[0063]
(3) As a method of manufacturing such a surface microstructured optical element, a master (original) having a high aspect ratio and a high precision microstructure is first manufactured, and its mold is sampled, followed by injection molding. Molding was performed to produce a transparent plastic optical element (replica) in which the fine structure was duplicated on the surface. Then, the titanium dioxide (TiO 2) is formed on the surface of the generated transparent plastic optical element (replica), that is, on the upper surface and the lower surface of the rectangular projection (convex portion) 200b. 2 ) A film 210 was formed. Thereby, it is possible to stably mass-produce the surface microstructured optical element capable of realizing the desired polarization separation function at a level sufficient for practical use at a lower cost.
[0064]
(Third embodiment)
FIG. 9 shows a third embodiment of a surface microstructured optical element and a method of manufacturing the same according to the present invention.
[0065]
The optical element according to the third embodiment also shows an example of the optical element having the polarization separation function as the surface microstructured optical element. In the third embodiment, a film material having a higher refractive index than that of the plastic material is selectively formed only on the surfaces of a large number of rectangular projections restored on the surface of the transparent plastic optical element (replica). I am trying to do it.
[0066]
That is, also in the third embodiment, first, a transparent plastic optical element (replica) in which a fine structure is duplicated is generated through, for example, the same processing as that of the second embodiment. As described above, the depth of the projection (convex portion) of the duplicated transparent plastic optical element (replica) is reduced as compared with the projection (convex portion) of the master (original). That is, in practice, as shown in FIG. 9A, the depth T6 of the large number of rectangular projections (convex portions) 200b restored on the surface of the plastic substrate 200 corresponds to the projections (masters) of the master (original). The depth is smaller than the depth T5 (700 nm) of the projection 20b (see FIG. 6B). That is, the aspect ratio is reduced.
[0067]
Therefore, in this embodiment, a film material having a higher refractive index than the plastic material is selected only on the surface of the large number of rectangular projections (convex portions) 200b restored on the surface of the plastic optical element (replica). Such a decrease in the aspect ratio is compensated mechanically, so to speak, by film formation.
[0068]
Specifically, for example, a titanium dioxide (TiO 2) is formed only on the upper surface of a rectangular projection (convex portion) 200 b formed on the plastic substrate 200 by a sputtering method using an appropriate mask or the like. 2 ) A film 220 is selectively formed. Moreover, this titanium dioxide (TiO 2) 2 ) The film thickness T8 of the film 220 is such that the titanium dioxide (TiO 2) 2 ) The height after the film 220 is deposited is set to a level that is equivalent to the depth T5 (700 nm) of the projection (convex portion) 20b (FIG. 6B) of the master (original). As a result, the decrease in the aspect ratio caused by the combined use of the molding technique described above is compensated mechanically, that is, by increasing the aspect ratio itself. Also in this embodiment, the titanium dioxide (TiO 2) is used. 2 ) The film 220 is made of titanium dioxide (TiO 2) having an anatase crystal structure. 2 ) Is formed. As a result, as described above, an antifouling function against stains on the element surface of the generated transparent plastic optical element (replica) is also realized.
[0069]
As described above, according to the surface microstructured optical element and the method of manufacturing the same according to the third embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Titanium dioxide (TiO 2) having a refractive index higher than the refractive index of the plastic substrate 200 is selectively formed on the upper surface of the rectangular protrusion (convex portion) 200 b formed on the plastic substrate 200. 2 ) The film 220 is deposited to such an extent that it becomes equivalent to the depth T5 of the projection (convex portion) 20b of the master (original). As a result, the decrease in the aspect ratio of the microstructure is compensated mechanically, that is, in a form in which the aspect ratio itself is increased, and the desired polarization separation function is realized at a sufficiently practical level. be able to.
[0070]
(2) The above titanium dioxide (TiO) 2 ) Titanium dioxide (TiO 2) having an anatase crystal structure having a photocatalytic effect as film 220 2 ). For this reason, an antifouling function against dirt on the element surface is also realized.
[0071]
(3) Further, as a method for manufacturing such a surface microstructured optical element, a transparent plastic optical element (replica) in which a microstructure is duplicated is generated, and the surface of the transparent plastic optical element (replica), that is, a rectangular projection is formed. (Protrusion) The above titanium dioxide (TiO 2) is selectively formed only on the upper surface of 200b. 2 ) A film 220 was formed. Thereby, it is possible to stably mass-produce the surface microstructured optical element capable of realizing the desired polarization separation function at a level sufficient for practical use at a lower cost.
[0072]
The surface microstructured optical element and the method of manufacturing the same according to the present invention are not limited to the above embodiments, but may be implemented as, for example, the following embodiments.
[0073]
In the third embodiment, the transparent plastic optical element (replica) having the rectangular projections (projections) 200b generated by the method of the second embodiment is provided with titanium dioxide (TiO 2). 2 ) The structure in which the mechanical aspect ratio is increased by depositing the film 220. However, the present invention is not limited to this. For example, a transparent plastic optical element (replica) having a conical projection (convex portion) 100b generated by the method according to the first embodiment may be provided with a projection (convex portion) of a master (original). ) Titanium dioxide (TiO 2) to an extent equivalent to a depth T1 of 10b 2 ) A film may be deposited.
[0074]
In the above embodiments, PMMA was used as a substrate material. However, since deposition of a metal such as PMMA is generally difficult, the deposition conditions are devised, and a chromium (Cr) film, for example, having a thickness of 5 nm is used as the base film. The surface of the substrate may be modified, for example, by previously forming a film with the following film thickness.
[0075]
The material used for the substrate is not limited to the above-mentioned materials such as PMMA, and may be any material. Any olefin resin, particularly an alicyclic polyolefin resin, can be used as appropriate. That is, as such a substrate, for example, polycarbonate having excellent heat resistance and high dimensional accuracy, ARTON also having excellent heat resistance and high transmittance, and ZEONEX and ZEONOR having similar high transmittance and low moisture absorption are used. You can also.
[0076]
In each of the above embodiments, titanium dioxide (TiO 2) having an atanase crystal structure is used as the film material having a photocatalytic effect. 2 ) Is exemplified, but other examples of the film material having the photocatalytic effect include rutile-type titanium dioxide (TiO 2). 2 ), Etc., and these film materials can be similarly employed.
[0077]
The element structure itself as the surface microstructured optical element according to the present invention can also be applied to a transparent plastic optical element generated without necessarily using a molding technique or the like. That is, even when a sufficient aspect ratio cannot be secured as the surface microstructure, the desired optical characteristics can be obtained by using a film material having a refractive index higher than the refractive index of the substrate material. It is possible to achieve
[0078]
In the above embodiments, the antireflection (AR) element and the polarization splitting element have been exemplified. However, the surface microstructured optical element and the method of manufacturing the same according to the present invention are not limited to these, and the optical filter and the optical filter are not limited thereto. The present invention can be appropriately applied to an optical element such as a phase difference plate.
[0079]
【The invention's effect】
As described above, according to the surface microstructure optical element according to the present invention, a diffraction phenomenon occurs in a form in which a decrease in aspect ratio due to, for example, the combined use of a molding technique is compensated for by a film material having a higher refractive index than the substrate. Become like For this reason, even if the optical element is mass-produced by using the molding technique together, desired optical characteristics can be realized at a level that can be sufficiently used.
[0080]
Further, according to the method for manufacturing a surface microstructured optical element according to the present invention, the surface microstructured optical element having the above-described optical characteristics can be mass-produced at lower cost and more stably.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1D are schematic cross-sectional views showing a procedure for forming a master (original) of a first embodiment of a surface microstructured optical element and a method of manufacturing the same according to the present invention.
FIGS. 2A to 2C are schematic cross-sectional views showing a procedure for forming a master (original) in the embodiment. (D) is a perspective view showing the appearance of the formed master (original).
FIG. 3 is a schematic view showing an electroforming step (mold forming step) of the embodiment.
FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing a transparent plastic optical element (replica) generated in the embodiment. 2B is a cross-sectional view illustrating a schematic cross-sectional structure of the surface microstructured optical element according to the embodiment.
FIGS. 5A to 5D are schematic cross-sectional views showing a procedure for forming a master (original) of a second embodiment of the surface microstructured optical element and the method of manufacturing the same according to the present invention.
FIGS. 6A and 6B are schematic cross-sectional views showing a procedure for forming a master (original) of the embodiment. (C) is a perspective view showing the appearance of the formed master (original).
FIG. 7 is a schematic view showing an electroforming step (mold forming step) of the embodiment.
FIG. 8A is a schematic cross-sectional view showing a transparent plastic optical element (replica) generated in the embodiment. FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating a schematic cross-sectional structure of the surface microstructured optical element according to the embodiment.
FIG. 9A is a schematic cross-sectional view showing a transparent plastic optical element (replica) generated according to the third embodiment of the surface microstructured optical element and the method for manufacturing the same according to the present invention. 2B is a cross-sectional view illustrating a schematic cross-sectional structure of the surface microstructured optical element according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
10, 20: substrate, 10a, 20a: surface, 10b, 20b: projection (convex portion), 12, 22: resist, 13, 23: chromium (Cr) film, 15, 25: mold, 100, 200: plastic Substrates, 100b, 200b ... projections (projections), 110, 210, 220 ... titanium dioxide (TiO2) 2 )film.

Claims (10)

基板表面の微細構造により有効屈折率を変化させて所望とされる光学特性を実現する表面微細構造光学素子において、
前記微細構造を有する基板表面に、同基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材が成膜されてなる
ことを特徴とする表面微細構造光学素子。In a surface microstructure optical element that achieves desired optical characteristics by changing the effective refractive index by the microstructure of the substrate surface,
A surface microstructure optical element, wherein a film material having a refractive index higher than the refractive index of the material of the substrate is formed on the surface of the substrate having the microstructure. 前記基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材が、光触媒効果を有する膜材からなる
請求項１に記載の表面微細構造光学素子。The surface microstructure optical element according to claim 1, wherein the film material having a refractive index higher than the refractive index of the material of the substrate is a film material having a photocatalytic effect. 光触媒効果を有する膜材が、アナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜からなる
請求項２に記載の表面微細構造光学素子。Film material having a photocatalytic effect, a surface microstructure optical element according to claim 2 comprising titanium dioxide (TiO 2) film having an anatase crystal structure. 前記基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材が、同基板に形成された微細構造の表面全体に成膜されてなる
請求項１〜３のいずれかに記載の表面微細構造光学素子。The surface microstructured optic according to any one of claims 1 to 3, wherein a film material having a refractive index higher than the refractive index of the material of the substrate is formed on the entire surface of the microstructure formed on the substrate. element. 前記基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する膜材が、同基板に形成された微細構造の凸部に対して選択的に成膜されてなる
請求項１〜３のいずれかに記載の表面微細構造光学素子。The film material having a refractive index higher than the refractive index of the material of the substrate is selectively formed on the protrusions of the fine structure formed on the substrate. Surface microstructured optical element. 基板表面の微細構造により有効屈折率を変化させて所望とされる光学特性を実現する表面微細構造光学素子を製造する方法であって、
基板表面にレジストを塗布して前記微細構造とするパターンを描画、現像した後、適宜のマスクを形成し、該形成したマスクをもとにエッチングを行って前記微細構造を有するマスタ（原器）を製作する工程と、
この製作されたマスタを用い、電鋳によって、前記微細構造のスタンパとなる金型を製作する工程と、
この製作された金型を用いたモールディングによって、表面に前記微細構造が複製された透明プラスティック光学素子を生成する工程と、
この生成された透明プラスティック光学素子の表面に、該プラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜する工程と、
を備えることを特徴とする表面微細構造光学素子の製造方法。A method for producing a surface microstructured optical element that achieves desired optical characteristics by changing an effective refractive index by a microstructure on a substrate surface,
After applying a resist on the surface of the substrate to draw and develop the pattern having the fine structure, an appropriate mask is formed, and etching is performed based on the formed mask to obtain a master having the fine structure (a prototype). The process of manufacturing
Using the manufactured master, by electroforming, a step of manufacturing a mold to be a stamper of the fine structure,
By molding using the manufactured mold, a step of generating a transparent plastic optical element in which the fine structure is duplicated on the surface,
Forming a film material having a higher refractive index than the plastic material on the surface of the generated transparent plastic optical element;
A method for manufacturing a surface microstructured optical element, comprising: 前記プラスティック材料よりも屈折率の高い膜材として、光触媒効果を有する膜材を用いる
請求項６に記載の表面微細構造光学素子の製造方法。7. The method for manufacturing a surface microstructured optical element according to claim 6, wherein a film material having a photocatalytic effect is used as the film material having a higher refractive index than the plastic material. 前記光触媒効果を有する膜材として、アナターゼ結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）膜を用いる
請求項７に記載の表面微細構造光学素子の製造方法。The method according to claim 7, wherein a titanium dioxide (TiO 2 ) film having an anatase crystal structure is used as the film material having the photocatalytic effect. 前記プラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜する工程が、前記プラスティック材料に複製形成された微細構造の表面全体に同膜材を成膜する工程からなる
請求項６〜８のいずれかに記載の表面微細構造光学素子の製造方法。9. The method according to claim 6, wherein the step of forming a film material having a higher refractive index than the plastic material comprises a step of forming the film material over the entire surface of the microstructure replicated and formed on the plastic material. 10. 3. The method for producing a surface microstructured optical element according to item 1. 前記プラスティック材料よりも屈折率の高い膜材を成膜する工程が、前記プラスティック材料に複製形成された微細構造の凸部に対して選択的に同膜材を成膜する工程からなる
請求項６〜８のいずれかに記載の表面微細構造光学素子の製造方法。7. The step of depositing a film material having a refractive index higher than that of the plastic material comprises a step of selectively depositing the same film material on convex portions of a microstructure duplicated and formed on the plastic material. 9. The method for producing a surface microstructured optical element according to any one of items 1 to 8.
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