【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野等で使用される光学素子に関し、とくに成形された樹脂とそれを覆う多層膜を有する光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂からなる成形体は、軽量で加工が容易であること、また耐衝撃性に優れるなどの長所があり、広範囲に使用されている。しかし、硬度が不十分で傷がつきやすい、溶媒に侵されやすい、帯電してほこりを吸着する、耐熱性が不十分である等の欠点もあり、光通信や光情報処理の分野、あるいは眼鏡レンズ、カメラ用レンズ、プロジェクタ窓材等の光学分野に適用するには無機ガラス成形体に比べて実用上問題があると考えられてきた。
【０００３】
また、従来の無機物質からなる反射防止膜等はガラスに代表される無機物質上に成膜されるものであり、樹脂上へ直接無機材料からなる薄膜を成膜する技術は確立されているとは言えない。従来から用いられてきた技術では、樹脂上への成膜直後に外観不良が発生する場合が多かった。また、成膜直後に外観不良が見られない場合においても、温度サイクル試験などの耐久性試験の結果からみて十分な耐久性が得られているとは言えない状態であった。とくに樹脂マイクロレンズアレイのような複雑な形状の樹脂上に反射防止膜を形成した場合、耐久性が弱いためにクラックやしわが発生していた。
【０００４】
そこで最近では、有機系のハードコート層を樹脂成形体表面に塗布し、その上に無機材料薄膜を成膜する方法が提案されている。眼鏡レンズ等の反射防止膜について、例えば、ジアリルフタレートプレポリマ、ジアルキレングリコールビスアリルカーボネートプレポリマ、ビニル系化合物、有機ケイ素化合物、エポキシ化合物を原料とするハードコート層をプラスチックレンズ上に付着させた後、無機物質からなる反射防止膜を設けることが開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−９５０９０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし平坦な樹脂基板においてさえ、ハードコート層を均一に塗布するのは難しく、厚みにムラが発生することにより場所によって屈折率がばらつくため、光学用途として使用するには問題点が多い。さらに樹脂マイクロレンズアレイのように複雑な形状の表面にハードコート層を均一に塗布するのは極めて困難であった。
【０００７】
本発明はこのような従来の技術の問題点に着目してなされたもので、有機系ハードコート層を設けることなく、樹脂成形体上に直接、反射防止膜等の無機材料薄膜を成膜し、かつ十分な耐久性を確保した光学素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の光学素子は、基材と、この基材上に密着し表面が所定の形状となるように成形された樹脂と、それを覆う多層膜とを有するものであり、多層膜内に発生する全応力を−５〜１２０Ｐａ・ｍの範囲とする。ただし、負の応力値は引張応力、正の応力値は圧縮応力を示すものとする。
【０００９】
成形された樹脂表面に多層膜を成膜した場合に、多層膜に発生する応力が上記範囲の大きさである場合には、クラックやしわ等の光学薄膜として望ましくない欠点の発生を防止することができ、また温度の急激な変化等に対する耐候性も十分な光学素子が提供できる。
【００１０】
上記の多層膜のうち、成形された樹脂表面直上の膜に生じる応力が圧縮応力であることが好ましく、その膜厚は、１０〜１３００ｎｍの範囲であることが望ましい。
多層膜内に発生する全応力と上記の成形された樹脂表面直上の膜の膜厚とは一意的な関係を有しており、上記の膜厚範囲であれば、上記の多層膜内の応力値の範囲を得ることができる。
【００１１】
この樹脂表面直上の膜の材質は、ＳｉＯ２膜であることが好ましい。またその上層の多層膜は、ＳｉＯ２、Ｓｉ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＦ２よりなる群から選ばれた無機材料からなる少なくとも２層以上の積層膜であることが望ましい。
このような無機材料からなる多層膜を用いることにより、特性の優れた光学薄膜を提供することができる。
【００１２】
一方、成形された樹脂は、アクリル系、エポキシ系またはフッ素化エポキシ系の光硬化性樹脂が硬化したものであることが望ましく、その硬化後のガラス転移温度は１５０〜２５０℃の範囲であることが好ましい。
このような樹脂を用いることにより、レンズアレイ等の複雑な形状を有する光学素子を容易に成形によって形成することができ、かつその表面に無機材料からなる多層膜を形成するのに十分な耐熱性を確保できる。
【００１３】
成形された樹脂は、複数個のレンズが配置されたレンズアレイとして機能するような形状を提供するのに適する。ただし本発明は、レンズアレイ以外の形状を有する光学素子に対しても適用が可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。本発明の光学素子は透明な基材上に光硬化性樹脂を滴下し、成形型で押圧成形して光学素子として必要な基本的な形状を得る。成形後、光照射により樹脂を硬化させ、成形型から離型する。さらに成形硬化した樹脂表面に、反射防止膜として設計された多層膜を形成し、光学素子としての最終形態を得る。
【００１５】
つぎに具体的な実施形態として樹脂レンズアレイの作製について説明する。図１はレンズアレイの断面模式図である。
【００１６】
レンズに成形する樹脂としては表１に示すような特性をもつエポキシ系またはフッ素化エポキシ系の紫外線硬化性樹脂、Ａ〜Ｄの４種類を用いた。これら以外の例えばアクリル系樹脂等も使用が可能である。ただし、レンズアレイとして用いるため、硬化後に透明な樹脂であることが必要である。これらの樹脂をそれぞれ基材として用いる石英ガラス基板１上に滴下した後、レンズアレイ成形型（スタンパ）を押し当てる。その後、紫外線照射により樹脂を硬化させ、離型して、レンズアレイ形状の成形体２を得た。作製したレンズアレイ１０は外径２５０μｍ、高さ２０μｍのレンズ素子が複数個配置されたものである。
【００１７】
上記４種類の成形した樹脂層の表面に、５層構成の多層膜４を形成する。樹脂層表面に形成する最下層膜３としてＳｉＯ２を用い、膜厚を２ｎｍ〜２２００ｎｍの範囲で変化させた。その上にＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２またはＴａ２Ｏ５／ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２の４層を成膜した。成膜には蒸着法を用いた。成膜後のクラック発生の有無を外観観察により確認した。
【００１８】
なお、多層膜の材質は上記に限られない。上記のＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５の他、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＦ２等の無機材料多層膜を用いることにより、光学的に安定でかつ耐久性の高い反射防止膜を形成できる。上記のＴｉＯ２／ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２の組合せの他、高屈折率材料／低屈折率材料の組合せとしては、ＺｒＯ２／ＳｉＯ２あるいはＴｉＯ２／ＭｇＦ２等の２層膜あるいはそれ以上の多層膜を用いてもよい。
【００１９】
各層の膜厚や材料は、使用波長、戻り光反射減衰量等の要求仕様により設計するのが望ましい。単層の膜厚は、通常１〜６００ｎｍであることが望ましく、より好ましくは１０〜４００ｎｍである。とくに膜中に直径１０ｎｍ以上の粒塊または柱状構造のないことが好ましい。
成膜手段もとくに限定されない。本実施例の蒸着法の他、スパッタリング法等も用いることができる。
【００２０】
なお、基材はガラス、セラミックス、金属および樹脂から選ばれた少なくとも一種であることが望ましい。基材を適切に選ぶことは、膜の成形過程において基板と膜が界面で剥離もしくは膜に亀裂を生じるのを防ぐのに効果がある。
また本発明における基材は、所定の波長の光を透過するように選定することが望ましい。これにより光重合により組成物を硬化させる場合に基材を通して光を照射することが可能となる。また形成された光学素子が透過型光学素子として機能を発揮することができる。
【００２１】
上記多層膜の成膜と同時に直径３０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの石英ガラス基板にも成膜を行い、ニュートンリング法を用いて多層膜に発生した全応力の測定を行った。多層膜に発生する応力は図２に示すように、最下層の膜厚によって一意的に決まることがわかる。換言すれば多層膜に発生する応力は最下層の膜厚によって調整が可能である。
【００２２】
作製した樹脂レンズアレイの耐候性を評価するため、温度範囲−４０℃〜８５℃、湿度８５％で２０サイクルの温度サイクル試験を行った。試験後に外観観察によってクラック発生等の有無を確認した。
【００２３】
図３は外観観察の良否結果を、多層膜に発生した全応力を縦軸に、樹脂のガラス転移温度Ｔｇ（℃）を横軸にとって整理したものである。用いた樹脂のガラス転移温度は表１に示すように１６０〜２３０℃の範囲である。この図から、多層膜に発生した全応力が−５〜１２０Ｐａ・ｍの範囲であれば温度サイクル試験後にクラック等の外観不良が発生しないことがわかる。これは最下層のＳｉＯ２層の膜厚が１０〜１３００ｎｍの範囲に相当し、最下層には圧縮応力が生じる範囲に相当する。
【００２４】
なお、図３に示すように全応力が１２０〜１７０Ｐａ・ｍの圧縮応力の範囲（最下層の膜厚が１３００〜１７００ｎｍの範囲）および−５Ｐａ・ｍを僅かに越える引張応力の範囲（最下層膜厚が５〜１０ｎｍの範囲）では成膜直後には外観不良は観察されなかったが、温度サイクル試験によってクラック等の外観不良が発生した。温度変化の条件が厳しくなければ、この範囲まで使用が可能である。
【００２５】
以上より、多層膜のうち、成形された樹脂表面直上の膜の膜厚を１０〜１３００ｎｍの範囲とし、この層内の応力が圧縮応力となるようにすることが必要である。このとき、多層膜内に発生する全応力を−５〜１２０Ｐａ・ｍの範囲とすれば、急激な温度変化に対する耐候性が十分な反射防止膜付き樹脂レンズアレイが形成できると結論できる。
【００２６】
なお、使用する樹脂は本実施例に例示したものに限られない。アクリル系、エポキシ系またはフッ素化エポキシ系の光硬化性樹脂が使用できる。ただし、ガラス転移温度が２５０℃以上の樹脂は通常入手できないので、上記関係が確認できるガラス転移温度の上限は現状では約２５０℃である。また、蒸着法による場合、成膜時の輻射熱は避けらず、基板の加熱を行わない場合でも樹脂表面の温度は８０℃〜１５０℃前後に達する場合もある。したがって、用いる樹脂のガラス転移温度は１５０℃以上であることが望ましい。
【００２７】
以上はレンズアレイの例について説明したが、本発明はこれ以外の光学素子にも適用できる。例えば、透過型回折格子やフレネルレンズなどの微細な凹凸形状を有する光学素子などへの適用が可能である。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、複雑な形状に成形されて樹脂表面への無機材料多層膜の形成が、有機系のハードコート等の前処理を必要とせず、連続した成膜工程で可能となる。これにより多層膜成膜時のクラック発生等が少なく、かつ耐久性に優れた樹脂成形による光学素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である樹脂レンズアレイの断面模式図である。
【図２】多層膜の最下層の膜厚と多層膜に発生する全応力の関係を示す図である。
【図３】多層膜に発生する全応力と外観不良発生の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ ガラス基板
２ 成形体
３ 多層膜最下層
４ 多層膜
１０ レンズアレイ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical element used in the field of optical communication and the like, and particularly to an optical element having a molded resin and a multilayer film covering the resin.
[0002]
[Prior art]
Molded articles made of resin are advantageous in that they are lightweight, easy to process, and excellent in impact resistance, and are widely used. However, it has disadvantages such as insufficient hardness and susceptibility to scratching, susceptibility to solvent attack, charging and adsorbing dust, and insufficient heat resistance. It has been considered that there is a practical problem compared to inorganic glass molded articles when applied to optical fields such as lenses, camera lenses, and projector window materials.
[0003]
In addition, conventional antireflection films and the like made of an inorganic material are formed on an inorganic material typified by glass, and a technique for forming a thin film made of an inorganic material directly on a resin has been established. I can't say. In the conventional technology, appearance defects often occur immediately after film formation on a resin. In addition, even when appearance defects were not observed immediately after film formation, it was not possible to say that sufficient durability was obtained from the results of durability tests such as a temperature cycle test. In particular, when an antireflection film is formed on a resin having a complicated shape such as a resin microlens array, cracks and wrinkles have occurred due to low durability.
[0004]
Therefore, recently, a method has been proposed in which an organic hard coat layer is applied to the surface of a resin molded product and an inorganic material thin film is formed thereon. For an antireflection film such as an eyeglass lens, for example, a hard coat layer made of a diallyl phthalate prepolymer, a dialkylene glycol bisallyl carbonate prepolymer, a vinyl compound, an organosilicon compound, or an epoxy compound was attached to a plastic lens. It is disclosed that an antireflection film made of an inorganic substance is provided later (see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-11-95090
[Problems to be solved by the invention]
However, even on a flat resin substrate, it is difficult to apply the hard coat layer uniformly, and the unevenness in thickness causes the refractive index to vary depending on the location, and thus there are many problems in using it for optical applications. Further, it has been extremely difficult to uniformly apply a hard coat layer to a surface having a complicated shape such as a resin microlens array.
[0007]
The present invention has been made in view of such problems of the conventional technology, and without forming an organic hard coat layer, directly forming an inorganic material thin film such as an anti-reflection film on a resin molded product. It is another object of the present invention to provide an optical element having sufficient durability.
[0008]
The optical element of the present invention has a base material, a resin which is in close contact with the base material and is molded so that the surface has a predetermined shape, and a multilayer film which covers the resin. And the total stress generated in the multilayer film is in the range of −5 to 120 Pa · m. However, a negative stress value indicates a tensile stress, and a positive stress value indicates a compressive stress.
[0009]
When a multilayer film is formed on a molded resin surface and the stress generated in the multilayer film is within the above range, it is desirable to prevent the occurrence of undesirable defects such as cracks and wrinkles as an optical thin film. In addition, an optical element having sufficient weather resistance against a sudden change in temperature or the like can be provided.
[0010]
Among the above-mentioned multilayer films, the stress generated in the film just above the molded resin surface is preferably a compressive stress, and the thickness thereof is desirably in the range of 10 to 1300 nm.
The total stress generated in the multilayer film and the film thickness of the film immediately above the molded resin surface have a unique relationship. A range of values can be obtained.
[0011]
The material of the film immediately above the resin surface is preferably a SiO 2 film. In addition, the multilayer film as the upper layer has at least two or more inorganic materials selected from the group consisting of SiO 2 , Si, TiO 2 , Ta 2 O 5 , CeO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , and MgF 2 . It is desirable to be a laminated film.
By using a multilayer film made of such an inorganic material, an optical thin film having excellent characteristics can be provided.
[0012]
On the other hand, it is desirable that the molded resin is obtained by curing an acrylic, epoxy or fluorinated epoxy-based photocurable resin, and the glass transition temperature after the curing is in the range of 150 to 250 ° C. Is preferred.
By using such a resin, an optical element having a complicated shape such as a lens array can be easily formed by molding, and has sufficient heat resistance to form a multilayer film made of an inorganic material on its surface. Can be secured.
[0013]
The molded resin is suitable for providing a shape that functions as a lens array in which a plurality of lenses are arranged. However, the present invention is also applicable to optical elements having shapes other than the lens array.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The optical element of the present invention is obtained by dropping a photocurable resin onto a transparent base material and press-molding it with a molding die to obtain a basic shape required for the optical element. After molding, the resin is cured by light irradiation and released from the mold. Further, a multilayer film designed as an antireflection film is formed on the molded and cured resin surface to obtain a final form as an optical element.
[0015]
Next, the production of a resin lens array will be described as a specific embodiment. FIG. 1 is a schematic sectional view of a lens array.
[0016]
As the resin to be molded into the lens, four types of epoxy-based or fluorinated epoxy-based ultraviolet curable resins having the characteristics shown in Table 1 and A to D were used. Other than these, for example, an acrylic resin can be used. However, since it is used as a lens array, it must be a transparent resin after curing. After each of these resins is dropped on the quartz glass substrate 1 used as a base material, a lens array mold (stamper) is pressed. Thereafter, the resin was cured by irradiation with ultraviolet rays, and was released from the mold to obtain a molded body 2 having a lens array shape. The manufactured lens array 10 has a plurality of lens elements having an outer diameter of 250 μm and a height of 20 μm.
[0017]
A multilayer film 4 having a five-layer structure is formed on the surfaces of the four types of molded resin layers. SiO2 was used as the lowermost film 3 formed on the surface of the resin layer, and the film thickness was changed in the range of 2 nm to 2200 nm. Four layers of TiO 2 / SiO 2 / TiO 2 / SiO 2 or Ta 2 O 5 / SiO 2 / Ta 2 O 5 / SiO 2 were formed thereon. An evaporation method was used for film formation. The occurrence of cracks after film formation was confirmed by external observation.
[0018]
The material of the multilayer film is not limited to the above. By using an inorganic material multilayer such as CeO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , and MgF 2 in addition to the above SiO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , optically stable and highly durable reflection. A barrier film can be formed. In addition to the above combinations of TiO 2 / SiO 2 and Ta 2 O 5 / SiO 2, as a combination of a high refractive index material / low refractive index material, a two-layer film such as ZrO 2 / SiO 2 or TiO 2 / MgF 2 is used. Alternatively, a multilayer film of more than that may be used.
[0019]
It is desirable that the thickness and material of each layer be designed in accordance with required specifications such as a used wavelength and return light return loss. The thickness of the single layer is usually desirably 1 to 600 nm, more preferably 10 to 400 nm. In particular, it is preferable that the film does not have a granular mass or a columnar structure having a diameter of 10 nm or more.
The film forming means is not particularly limited. In addition to the vapor deposition method of this embodiment, a sputtering method or the like can be used.
[0020]
The substrate is desirably at least one selected from glass, ceramics, metal and resin. Appropriate selection of the substrate is effective in preventing the substrate and the film from peeling off or cracking at the interface during the film forming process.
Further, it is desirable that the substrate in the present invention is selected so as to transmit light of a predetermined wavelength. This makes it possible to irradiate light through the substrate when the composition is cured by photopolymerization. Further, the formed optical element can exhibit a function as a transmission optical element.
[0021]
Simultaneously with the formation of the multilayer film, a film was formed on a quartz glass substrate having a diameter of 30 mm and a thickness of 0.25 mm, and the total stress generated in the multilayer film was measured using the Newton ring method. As can be seen from FIG. 2, the stress generated in the multilayer film is uniquely determined by the thickness of the lowermost layer. In other words, the stress generated in the multilayer film can be adjusted by the thickness of the lowermost layer.
[0022]
In order to evaluate the weather resistance of the produced resin lens array, a temperature cycle test of 20 cycles was performed in a temperature range of −40 ° C. to 85 ° C. and a humidity of 85%. After the test, the presence or absence of cracks or the like was confirmed by appearance observation.
[0023]
FIG. 3 summarizes the results of the quality of the appearance observation, with the total stress generated in the multilayer film on the vertical axis and the glass transition temperature Tg (° C.) of the resin on the horizontal axis. The glass transition temperature of the resin used is in the range of 160 to 230 ° C. as shown in Table 1. From this figure, it can be seen that when the total stress generated in the multilayer film is in the range of -5 to 120 Pa · m, appearance defects such as cracks do not occur after the temperature cycle test. This corresponds to a range where the thickness of the lowermost SiO 2 layer is 10 to 1300 nm, and corresponds to a range where compressive stress is generated in the lowermost layer.
[0024]
As shown in FIG. 3, the range of the compressive stress where the total stress is 120 to 170 Pa · m (the thickness of the lowermost layer is 1300 to 1700 nm) and the range of the tensile stress slightly exceeding −5 Pa · m (the lowermost layer). When the film thickness was in the range of 5 to 10 nm), no defective appearance was observed immediately after the film formation, but a defective appearance such as cracks occurred in the temperature cycle test. Unless the conditions of temperature change are severe, it is possible to use up to this range.
[0025]
From the above, it is necessary to set the thickness of the film directly above the molded resin surface in the multilayer film in the range of 10 to 1300 nm so that the stress in this layer becomes a compressive stress. At this time, it can be concluded that if the total stress generated in the multilayer film is in the range of -5 to 120 Pa · m, a resin lens array with an antireflection film having sufficient weather resistance against a rapid temperature change can be formed.
[0026]
The resin used is not limited to those exemplified in this embodiment. Acrylic, epoxy or fluorinated epoxy photocurable resins can be used. However, since a resin having a glass transition temperature of 250 ° C. or higher is usually not available, the upper limit of the glass transition temperature at which the above relationship can be confirmed is about 250 ° C. at present. In addition, in the case of the vapor deposition method, radiant heat during film formation is not avoided, and the temperature of the resin surface may reach about 80 ° C. to 150 ° C. even when the substrate is not heated. Therefore, the glass transition temperature of the resin used is desirably 150 ° C. or higher.
[0027]
In the above, the example of the lens array has been described, but the present invention can be applied to other optical elements. For example, the present invention can be applied to an optical element having fine irregularities such as a transmission diffraction grating and a Fresnel lens.
[0028]
[Table 1]
[0029]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, formation of an inorganic material multilayer film by molding into a complicated shape on a resin surface is attained by a continuous film-forming process, without requiring preprocessing, such as an organic hard coat. Accordingly, it is possible to provide an optical element formed by resin molding with less occurrence of cracks and the like during multilayer film formation and excellent durability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a resin lens array according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the thickness of the lowermost layer of the multilayer film and the total stress generated in the multilayer film.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a total stress generated in a multilayer film and occurrence of a defective appearance.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Glass substrate 2 Molded object 3 Lowermost layer of multilayer film 4 Multilayer film 10 Lens array
