JP2006177994A

JP2006177994A - レプリカ光学素子

Info

Publication number: JP2006177994A
Application number: JP2004368146A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sasai; 浩行笹井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】レプリカ光学素子の基板と樹脂層の剥離を最小限に抑止し、製造効率が高くしかもコストの低いレプリカ光学素子を提供する。
【解決手段】レプリカ基板１およびネガ・マスター基板１０の有効領域Ａの表面粗さを鏡面（光学的平滑面）とし、有効領域Ａ以外の領域につや消し処理Ｂを施す。つや消し処理Ｂの部分の基板表面には、微細な凹凸が形成されるため、これによってレプリカ基板１あるいはネガ・マスター基板１０と樹脂２の接触面積が増大し、その結果、両者の接着力が強化される。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種の光学機器や計測機器に使用されるレプリカ光学素子に関する。

カメラ、顕微鏡、望遠鏡等の光学機器や、分光器、分波器等の計測機器に広く使用されている各種のレンズ、ミラー、回折格子などの光学素子は、一般的に高い加工精度を必要とするものが多い。特に、放物面鏡や楕円面鏡などの非球面光学素子や各種の回折格子のように最高度の精度を要求される光学素子の製作には、極めて精巧な製造装置と複雑な作業工程が必要である。このため、これらの光学素子の量産には、１個のオリジナルの光学素子（マスター）から転写・複製によってレプリカ光学素子を製作し、これを市場に供給する方法が広く採用されている。

あらかじめ最適な方法で製作されたマスター光学素子から多数のレプリカ光学素子を作製する代表的な手法としては次のものがある。

第１段階で、オリジナルのマスター光学素子の凹凸形状を反転させたネガ・マスター光学素子を作製する。これにはまず、ネガ・マスター基板を準備し、その表面粗さを鏡面（光学的平滑面）にまで研磨する。次に、マスター光学素子の表面に剥離剤を塗布し、このマスター光学素子と前記ネガ・マスター基板の間に所定の厚さの樹脂層を挟み込み、そのままの状態で樹脂層が完全に硬化するまで放置する。その後、剥離剤の面でマスター光学素子を分離すれば、表面にマスター光学素子の表面の凹凸が反転した形状で刻印されたネガ・マスター光学素子を得る。

第２段階では、前記のネガ・マスター光学素子の凹凸形状を反転・刻印して、マスター光学素子と同一の形状を持つレプリカ光学素子を作製する。まず、レプリカ基板を準備し、その表面粗さを鏡面（光学的平滑面）にまで研磨した後、表面に所定の厚さの樹脂層を塗着させる。表面に剥離剤を塗布したネガ・マスター光学素子を前記樹脂層上に押し当て、そのままの状態で樹脂層が完全に硬化するまで放置する。その後、剥離剤の面でネガ・マスター光学素子を分離する。樹脂層上に残留した剥離剤を洗浄除去した後、最後に該光学素子の使用目的によって必要とされるコーティングを樹脂層表面に施して、レプリカ光学素子が完成する。例えば、非球面鏡や反射型回折格子のレプリカであれば、表面にアルミニウムなど金属反射膜が蒸着される。（特許文献１参照）
米国特許２４６４７３８

しかしながら、上記の方法で製作されたレプリカ光学素子には、以下に述べる問題点がある。

上記の製作方法において使用される樹脂には、エポキシ系の接着剤や、尿素系、メラニン系、フェノール系などの耐熱性熱硬化樹脂、あるいは光硬化樹脂などが使用される。また、レプリカ素子の基板材料としては、温度による形状変化を抑えるために、熱膨張率の小さい光学ガラス、例えばＢＫ７、パイレックス（登録商標）、石英ガラスなどが使用される。しかし、一般にこれらの樹脂と鏡面研磨された光学材料の表面との接着力はそれほど強固ではない。このため、レプリカ光学素子を長時間、高温多湿、あるいは温度変化の大きい環境で使用すると、その基板と樹脂層が互いに剥離し、光学素子としての性能が劣化すると言う問題点がある。

また、上記の方法で作製されたネガ・マスター光学素子を用いて複数のレプリカ光学素子を製作する場合に、ネガ・マスター基板とその上の樹脂層が剥離しやすいために、１個のネガ・マスター光学素子から製作されるレプリカ光学素子の個数が少なく、その都度ネガ・マスター光学素子を新たに製作する必要があり、製造効率が低く、製造コストが増大する問題点がある。

光学材料と樹脂の接着力を大きくして両者の剥離を防止するために、シラン系のカップリング剤を光学材料の表面にあらかじめ塗布する方法が用いられることがあるが、この方法も製造コストを上昇させる問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決してネガ・マスター光学素子およびレプリカ光学素子の基板と樹脂層との接着力を向上させることを目的とするものであり、前記基板が、その表面の有効領域部分は鏡面（光学的平滑面）処理されており、その表面の有効領域以外の部分はつや消し処理されていることを特徴とする。有効領域とは、該光学素子がその目的とする用途に使用される時に、実際に光を透過あるいは反射するために利用される前記基板表面上の領域を意味するものとする。

レプリカ光学素子の基板と樹脂層との接着力が向上し、高温多湿、あるいは温度変化の大きい環境においても長時間の使用に耐える光学素子が得られる。また、ネガ・マスター光学素子の基板と樹脂層との接着力の向上により、１個のネガ・マスター光学素子より製作されるレプリカ光学素子の個数が増加し、製造効率の向上と製造コストの低減が可能となる。

本発明が目的とする、レプリカ光学素子およびその製作工程上で作製されるネガ・マスター光学素子における基板と樹脂層の接着力向上は、基板と樹脂層の接触面積を従来の製作法より大きくすることによって達成される。本発明にかかるレプリカ光学素子の製作に使用される基板として、表面の有効領域は鏡面研磨され、それ以外の領域はすり硝子状のつや消し処理を施した光学材料を利用する。つや消し処理された基板の表面は微細な凹凸に覆われているため、この領域では樹脂層と基板との接触面積が非常に大きくなり、接着力が大幅に向上する。

以下に本発明の１実施例として、反射型凹面回折格子のレプリカの製作過程を、図１および図２によって説明する。

図２は、マスター回折格子を用いてネガ・マスター回折格子を製作する過程を段階的に示したものである。まず、マスター回折格子６の凹面の曲率と近似した曲率の凸面を持つネガ・マスター基板１０を準備し（図２（ａ））、その表面の有効領域（図２の矢印Ａの領域）以外の領域につや消し処理Ｂを施す。つや消し処理Ｂはアルミナ粉末を砥粉として目的の領域を摩擦する方法、あるいは、フッ化水素酸溶液にその領域を浸す方法を用いる。また、有効領域Ａには鏡面研磨Ｃを施す。

次に、マスター回折格子６の表面に剥離剤４を塗布し、この上に樹脂２を塗着する（図２（ｂ））。剥離剤４にはシリコングリースが一般に用いられ、真空蒸着装置内で、薄い油膜として塗布される。樹脂２には、上記のようにエポキシ系の接着剤や、尿素系、メラニン系、フェノール系などの耐熱性熱硬化樹脂、あるいは光硬化樹脂などが使用される。

図２（ａ）で準備したネガ・マスター基板１０を図２（ｃ）で示すように、樹脂２の上に設置し、静置して樹脂２を硬化させる。この時、熱硬化性樹脂を使用した場合は全体を過熱し、光硬化性樹脂を使用した場合は適当な光源からの光を樹脂２に照射する。

樹脂２が完全に硬化し、ネガ・マスター基板１０に固着した後、剥離剤４の層において上下を分離させ、樹脂２上の剥離剤４の残渣を洗浄・除去する。これによって、ネガ・マスター基板１０と樹脂２が一体化したネガ・マスター回折格子３が完成する（図２（ｄ））。

上記の手順で製作したネガ・マスター回折格子３を用いてレプリカ回折格子を製作する手順を図１に示す。

マスター回折格子の凹面の曲率と近似した曲率の凹面を持つレプリカ基板１を準備し、その表面の有効領域（図１の矢印Ａの領域）以外の領域につや消し処理Ｂを施す。また、有効領域Ａには鏡面研磨Ｃを施す（図１（ａ））。次に、レプリカ基板１上に樹脂２の層を塗着し（図１（ｂ））、その上に、図２の手順で作成したネガ・マスター回折格子３の表面に剥離剤４を塗布したものを図１（ｃ）に示すように設置する。この状態で静置して、必要ならば加熱あるいは光照射を施して樹脂２を硬化させる。樹脂２の硬化が完了し、レプリカ基板１と樹脂２が固着した後、剥離剤４の層において上下を分離させ、樹脂２の上の剥離剤４の残渣を除去する（図１（ｄ））。最後に樹脂２の上に金属の反射膜５を蒸着して、レプリカ回折格子７が完成する。

図１の手順の中で使用する樹脂２および剥離剤４の材料は、図２で述べた、ネガ・マスター回折格子３の製作手順の中で使用したものと同じものが利用される。また、図１（ｅ）に示す反射膜５は、一般にアルミニウムを真空蒸着装置を用いて数百ｎｍの厚みで蒸着したものが使用される。

本発明にかかるレプリカ回折格子７およびネガ・マスター回折格子３は、有効領域Ａ以外の領域における基板のつや消し処理Ｂにより樹脂２とレプリカ基板１、あるいはネガ・マスター基板１０の接触面積が大きいため、両者の接着力は従来製品より大きく向上している。より接着力を増すためには、有効領域Ａを含めた全域をつや消し処理Ｂする方法が有利であるが、この方法は、つや消し処理Ｂによる微小な凹凸の影響が樹脂２の表面におよび、有効領域Ａにおける回折格子の表面の平滑度を劣化させ、回折格子としての光学的性能を低下させるため、採用することはできない。

本発明における特徴は、上述したとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではなく、種々の変形例を含む。例えば、反射型の平面回折格子のある種のものは、ネガ・マスター回折格子を必要とせず、直接図１の手順でレプリカ回折格子を製作することができる。また。図１（ｃ）において、ネガ・マスター回折格子３の表面に剥離剤４を蒸着した後、さらにその上にアルミニウムなどの反射膜５を蒸着し、この反射膜５を樹脂２の表面に接着させる方法も適用できる。また回折格子のみではなく、非球面レンズや非球面鏡などのレプリカ光学素子の製作も、本特許の適用範囲に含まれる。

本発明は、レンズ、ミラー、回折格子などの光学素子、特にレプリカ光学素子に関する。

本発明のレプリカ回折格子の製作手順を段階的に示した図である。本発明にかかるネガ・マスター回折格子の製作手順を段階的に示した図である。

符号の説明

１レプリカ基板
２樹脂
３ネガ・マスター回折格子
４剥離剤
５反射膜
６マスター回折格子
７レプリカ回折格子
１０ネガ・マスター基板

Claims

オリジナルの光学素子の形状を直接あるいはネガ・マスター光学素子を経由する刻印操作を介して別個の基板上に転写複製することによって製作されるレプリカ光学素子であって、前記基板は、その表面の有効領域が鏡面処理され、有効領域以外はつや消し処理されていることを特徴とするレプリカ光学素子。
オリジナルの光学素子の形状をネガ・マスター光学素子を経由する刻印操作を介して別個の基板上に転写複製することによって製作されるレプリカ光学素子であって、前記ネガ・マスター用基板表面の有効領域が鏡面処理され、有効領域以外はつや消し処理されていることを特徴とするレプリカ光学素子。