JP2006259292A - 反射防止構造体を有する部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 開口部を有する部材であっても、この開口部を含めて部材に反射防止構造体を容易に形成でき、遮光性が要求される部材であっても反射を防止すべき光の入射を抑制して迷光を解消できる反射防止構造体を有する部材の製造方法および部材を提供する。
【解決手段】 熱可塑性樹脂にて形成されるとともに円形開口部を有する被成形体としての部材１と、曲面形状を有し、曲面に形成すべき反射防止構造体の反転形状が形成された型７とを準備する。型７の曲面を部材１の円形開口部２に押圧するとともに、部材１を加熱により軟化させつつ、反転形状を円形開口部のエッジ部に転写する。次に、部材１と型７とを離型させるとともに、部材１を冷却する。これにより、部材１の円形開口部のエッジ部５に、反射防止構造体が形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反射防止構造体を有する部材およびその製造方法に関し、より特定的には、熱可塑性樹脂からなり、開口部に反射防止構造体が形成された部材およびその製造方法に関する。

入射光に対する反射防止処理が施されたレンズなどの光学素子やカメラ鏡筒などの光学部品は、様々な用途で用いられている。これらの光学素子や光学部品の光学機能面には、蒸着、スパッタリング、および塗装等の手法により反射防止処理が一般的に施されており、低屈折率層からなる単層膜や低屈折率層と高屈折率層とを積層した多層膜等の反射防止膜が形成されている（例えば、特許文献１）。

このような反射防止膜は、蒸着やスパッタリングという一般的な方法で形成できるため広く用いられていたが、反射防止膜の光学的膜厚を高精度に制御するためには複雑な工程が必要となるため、生産性やコスト面での改善が望まれていた。また、このような反射防止膜は、波長依存性があるため、所定の波長以外での反射防止効果は小さくなり、撮像光学機器において必要とされる可視光領域全域で良好な反射防止を達成することは非常に困難であり、さらに、入射角が大きくなると反射防止効果が小さくなるという角度依存性の問題もあるため、波長依存性と角度依存性とが改善された反射防止の方法が望まれていた。

そこで、これらの問題点を改善する方法として、近年、光学素子あるいは光学部品の表面に、反射防止構造体と呼ばれる、非常に微細な錐状凹凸形状をアレイ状に配列した構造体を形成する技術が注目を集めている。反射防止構造体とは、より具体的には、錐状凹凸形状が入射光の波長以下のピッチ（例えば、可視光であればサブミクロンピッチ）でアレイ状に並べられたものであり、この錐状凹凸形状のピッチと高さの比であるアスペクト比は１以上である。

このような反射防止構造体を光学素子あるいは光学部品の表面に形成すると、表面の屈折率分布は非常に滑らかに変化するようになり、錐状凹凸形状の配列ピッチよりも長い波長の入射光は、ほとんど全て光学素子あるいは光学部品の内部に進入する。したがって、光学素子あるいは光学部品の表面からの光の反射を防止することができる。また、入射光の入射角度が大きくなっても、反射防止効果はそれほど小さくならないという特徴を持つ。このように、光学素子あるいは光学部品の表面に反射防止構造体を形成できれば、反射防止膜での課題である波長依存性と入射角依存性とが解決できる。

反射防止構造体を形成するには、サブミクロンレベル以下の超微細加工技術が必要となる。例えば、特許文献２に記載された方法では、まず、石英ガラス等からなる光学素子の材料表面に、電子ビーム（ＥＢ）描画法によりパターニングすることによりレジストパターンを形成し、このレジストパターンを元にして、光学素子の材料表面に直接にサブミクロンピッチのクロム（Ｃｒ）マスクを形成する。そして、光学素子材料のマスクで覆われた以外の部分をドライエッチング処理により微細加工し、反射防止構造体を形成するものである。

サブミクロンピッチの非常に細かなパターンの形成には、特許文献２のように、ＥＢ描画法が用いられるのが一般的である。しかしながら、サブミクロンパターンのパターニングにＥＢ描画法を用いると、非常に長時間の描画時間を要する。描画するパターン形状や条件にもよるが、例えば、５ｍｍ角の領域に０．２５μｍピッチで円形パターン（直径０．２μｍ）を描画するには、約５時間の描画時間を要する。したがって、カメラ鏡筒の内面全体に対応する面積（５０ｍｍ角）に描画するには、５００時間もの描画時間が必要となり、直接に、光学材料に反射防止構造体を形成して量産することは現実的に不可能である。また、ＥＢ描画法を用いる方法では、レンズなどの曲面形状の表面に微細パターンを描画することは非常に困難であり、非常に特殊な３次元位置制御のできるステージを備えた電子ビーム描画装置が必要となる。

一方、最近では、Ｘ線リソグラフィの技術を用いた、サブミクロンレベルの微細な構造体を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献３および特許文献４）。Ｘ線は、波長が短く直進性に優れているので、従来は困難であったサブミクロンレベルの微細な構造を加工するのに適している。
特開２００１−１２７８５２号公報 特開２００１−２７２５０５号公報 特開２０００−０３５５００号公報 特許第３５２１２０５号公報

ところで、カメラレンズのアパーチャ等のように、光路中に配置される部材には、レンズ等の光学素子に不要な光が入らないように、高い遮光性が要求されるものがある。このような部材は、量産性を考慮して、熱可塑性樹脂にて形成されるものが多く、また、その一部に曲面形状を有していることが多い。したがって、このような部材の曲面に反射防止構造体を形成する方法としては、上記したＸ線リソグラフィにより形成しようとする反射防止構造体とは反転形状がパターニングされた型を用いて、この型を部材に押圧することにより、反射防止構造体を形成する方法が考えられる。

しかしながら、遮光性が要求される部材は、内部にレンズ等の光学素子を保持するために開口部が形成されている。したがって、上述のように、型を用いた成形方法では、開口部の周辺において反射防止構造体の形成が困難であるという問題がある。図５（ａ）は、開口部を有する部材を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）において矢印Ａで示す枠内の拡大模式図である。図５（ａ）において、部材１は、熱可塑性樹脂にて形成された円筒形状のカメラレンズのアパーチャであり、円筒形状の両端には、開口部２が形成されている。また、内周面３および開口端面４には、図５（ｂ）に示すように反射防止構造体６が形成されているので、内周面３および開口端面４からの反射光を防止できる。

ところが、図５（ｂ）に示すように、開口部２付近では、内周面３と開口端面４との間に反射防止構造体６が形成されていない部分（以下、エッジ部５と称す）がある。これは、反射防止構造体６を形成するためには、内周面３を形成するための内金型と開口端面４及び外周面を形成するための外金型とを組み合わせた金型を使用するのであるが、内金型および外金型には、その構造上、エッジ部５に対応する部分に反射防止構造体に対応する形状を形成できないためである。そこで、前記した金型を用いた成形後に、エッジ部５にのみ直接にＸ線リソグラフィによる反射防止構造体６を形成することが考えられるが、Ｘ線マスクを用いたＸ線リソグラフィでは、Ｘ線マスクとエッジ部５との距離や配置等を決めることが困難であり、反射防止構造体６の形成は困難である。さらには、Ｘ線に感光する材料しか使用できず、遮光性が不十分であったり、強度上の問題が発生する可能性がある。また、ＥＢ描画法を用いて、エッジ部５にのみ反射防止構造体６を形成することも考えられるが、上述のように、ＥＢ描画法は、開口部２付近のエッジ部５のように曲面形状の表面に反射防止構造体６を形成するのは不向きであり、しかも反射防止構造体６の形成に時間がかかり量産性に劣るという問題がある。

そのため、従来は、エッジ部５に反射防止構造体６が形成されていない状態の部材１を、カメラレンズのアパーチャ等として利用していた。しかしながら、反射防止構造体６が形成されていないエッジ部５は、なんら反射防止処理を施していない状態と等しい状態となるため、入射光が入ると、エッジ部５で屈折率が急激に変化し、上記したような滑らかな表面の屈折率分布が得られず、反射光が発生する。したがって、必要光以外の光を遮断する目的に用いられる部材においては、迷光が発生し、十分な遮光性が得られないという問題がある。

それ故に、本発明は、開口部を有する部材であっても、この開口部を含めて部材に反射防止構造体を容易に形成でき、遮光性が要求される部材であっても反射を防止すべき光の入射を抑制して迷光を解消できる反射防止構造体を有する部材の製造方法および部材を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、以下の工程からなる反射防止構造体を有する部材の製造方法である。すなわち、まず、熱可塑性樹脂にて形成されるとともに開口部を有する被成形体としての部材と、曲面形状を有し、この曲面に形成すべき反射防止構造体の反転形状が形成された型とを準備する第１の工程を行う。次に、反転形状が形成された型の曲面を部材の開口部に押圧するとともに、部材を加熱により軟化させつつ、反転形状を部材に転写する第２の工程を行う。そして、部材と型とを離型させるとともに、この部材を冷却する第３の工程を行う。このような製造方法によると、開口部のように断面の角度が急激に変化する場所であっても、容易に反射防止構造体を形成することができる。

また、部材に形成された開口部が円形状であるときには、型として、開口部の半径よりも実質的に大きな曲率半径で近似される曲面を有するものを用いることが好ましい。これにより、第２の工程において、型を開口部に押圧するだけで、反転形状を開口部のエッジ部に転写することができる。

また、第２の工程は、加熱した型を部材に押圧させることにより部材を軟化させるように構成しても良い。このような構成によると、より簡易に反射防止構造体を形成できる。さらに、第１の工程では、熱可塑性樹脂として黒色樹脂を用いると、より一層反射防止効果に優れた部材を得ることができる。

また、本発明は、上記した製造方法により作成された部材にも向けられている。すなわち、熱可塑性樹脂にて形成された本体部と、本体部に形成された開口部とを備えており、開口部には、本体部にかけて連続した反射防止構造体が形成された部材に向けられている。このような構成によると、開口部のように断面の角度が急激に変化する場所であっても、反射防止構造体が形成されていることで、入射光が入っても、開口部から本体部にわたって滑らかな表面の屈折率分布が得られるため、優れた反射防止効果を有するものとなる。

部材に形成された開口部が円形状であるときには、反射防止構造体は、開口部のエッジ部に形成される。本体部は、円盤状または円筒状であることが好ましい。また、反射防止構造体は、アスペクト比が１以上である錐形状を構造単位とし、錐形状が反射を防止すべき光の波長以下のピッチでアレイ状に配置してなることが好ましい。さらに、前記熱可塑性樹脂は黒色樹脂であることが好ましい。

以上のように本発明によれば、熱可塑性樹脂からなる部材の開口部に、曲面に形成すべき反射防止構造体の反転形状が形成された型を押圧させるという簡易な構成で、従来は困難であった開口部においても容易に反射防止構造体を形成できる。このような方法により反射防止構造体が形成された部材は、レンズ鏡筒やアパーチャ等のように、光路中に配置される光学素子を保持するための機構部品等として好適に使用できる。

以下に、本発明の実施形態に係る反射防止構造体を有する部材およびその製造方法について説明する。本実施形態では、上記従来例を示す図５と同様に構成された、開口部２のエッジ部５に反射防止構造体６が形成されていない部材１を用い、この部材１のエッジ部５に反射防止構造体６を形成するための方法について説明する。

図１は、本実施形態に係る反射防止構造体を形成する工程を説明する図である。図１（ａ）は、部材１および型７の準備工程を示す。図１（ａ）において、部材１は、熱可塑性樹脂にて形成された円筒形状を有するアパーチャであり、本体部の内周面３および開口端面４には、従来例と同様に反射防止構造体６が形成されている。ただし、開口部２のエッジ部５には、反射防止構造体６は形成されていない。型７は、球体形状を有する金型であり、その表面には、形成しようとする反射防止構造体６とは反転形状が形成されている。型７は、図示されていない冶具によって保持され、上下方向に昇降自在に構成されており、部材１の開口部２の上部に配置される。なお、型７には、加熱機構（図示せず）が備えられている。

図１（ｂ）は、型７による部材１の押圧工程を示す模式図である。型７は、あらかじめ、部材１を形成する熱可塑性樹脂の軟化温度よりも高い温度に加熱される。加熱された型７は、矢印方向に下降して、部材１の開口部２に押圧される。ここで、開口部２と型７との関係について説明する。図２は、型７と部材１の開口部２とが当接している状態を示す模式図である。開口部２のエッジ部５に反射防止構造体６を容易に形成するためには、図２に示すように、型７の曲率半径Ｒ１を、開口部２の半径ｒ１よりも大きく設定することが好ましい。これにより、開口部２に型７を押し込むだけで、エッジ部５に型７が容易に当接するようになる。

部材１は、上述のように熱可塑性樹脂にて形成されているため、加熱された型７により押圧されると、型７の熱が部材１の側に伝わって熱可塑性樹脂が軟化し、部材１のエッジ部５に、型７の表面に形成された形状が転写される。転写が終了した型７は、上昇し、部材１から離型される。

図１（ｃ）は、型７を離型した状態を示す模式図である。型７から離型された部材１は、冷却あるいは放冷することにより常温状態となり、図３に示すように、部材１の開口端面４と内周面３とに形成されている反射防止構造体６を損傷することなく、エッジ部５にも反射防止構造体６が形成される。すなわち、得られた部材１には、開口端面４から内周面３にかけて連続した周期構造体が形成される。

以上のように本実施形態によると、従来は反射防止構造体６の形成が困難であった部材１の開口部２においても、ＥＢ法等のように高コストで生産性の低い方法によらずに、容易に反射防止構造体６を形成することができる。これにより、カメラレンズのアパーチャ等といった光路中に配置される部材１のように、高い遮光性が要求される部材１についても、反射を防止すべき光の入射を防止でき、優れた反射防止効果を付与できる。ただし、エッジ部５に形成される反射防止構造体６の反射を防止すべき光に対する傾きは、開口端面４および内周面３に形成された反射防止構造体６の傾きとは異なるため、開口端面４から内周面３にかけての反射防止構造体の周期構造は乱されるが、このように周期構造が乱された反射防止構造体６であっても、反射防止効果に問題はない。

なお、上記説明では、型７を部材１から離型した後に、部材１を冷却したが、本発明はこれに限定されるものではなく、型７と部材１とを当接させた状態で部材１を冷却しても良い。また、冷却方法は、特に限定されるものではない。

以下に、本実施形態について、より具体的に説明する。本実施形態に係る部材１は、熱可塑性樹脂からなる部材１であり、レンズ鏡筒のように、光路中に配置される光学素子を保持するための機構部品等である。部材１は、少なくとも開口部２の周辺が熱可塑性樹脂にて形成されているものであれば良く、全体が熱可塑性樹脂にて形成されたものであっても良い。熱可塑性樹脂は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）樹脂やポリカーボネート系樹脂等が好適に使用できる。ただし、反射防止効果を考慮すると、黒色の熱可塑性樹脂であることがより好ましいため、ポリカーボネート系樹脂や、ＰＭＭＡ樹脂等に顔料や染料を含有したものが好適である。

部材１の形状は、開口部２が形成されているものであれば特に限定されるものではないが、円筒形状や円錐面を有するもの、あるいは、円盤形状のものなどについて好適に使用できる。部材１に形成される反射防止構造体６は、ピッチと高さの比であるアスペクト比が１以上である構造単位が、反射を防止すべき光の波長以下のピッチでアレイ状に配列されているものである。このような配列を有する構造単位の形状はとしては、図４（ａ）に示すような円錐形状の反射防止構造体６ａや、図４（ｂ）に示すような角錐形状の反射防止構造体６ｂや、図４（ｃ）および（ｄ）に示すような釣鐘形状の反射防止構造体６ｃおよび６ｄや、図４（ｅ）および（ｆ）に示すように先端部が平坦化された錐台形状の反射防止構造体６ｅおよび６ｆ等が挙げられる。ただし、各構造単位は、円錐形状、角錐形状、釣鐘形状、および錐台形状といった厳密な幾何学的形状である必要はなく、実質的に円錐形状、角錐形状、釣鐘形状、および錐台形状であればよい。また、各構造単位は、前記した各種形状を有する凸部のみならず、この凸部の反転形状である凹部により構成されたものであっても良い。

本実施形態に係る型７は、曲面形状を有し、この曲面に、上記した反射防止構造体６とは反転形状が形成されたものである。具体的には、上記した球形状の型７の他にも、半球状やローラ形状等であっても良い。また、曲面は、非球面形状であっても良い。すなわち、反射防止構造体６を形成しようとする部材１の開口部２の形状に応じた形状を有するものであれば良い。

本実施形態に係る型７としては、電鋳処理によって形成された型であっても良い。このような型７の製造には、ある程度の時間がかかるが、一度、型７を作成してしまえば、上記した本実施形態に係る製造方法を適用することで、反射防止構造体６を有する部材１の量産が可能となる。

また、上記説明では、駆動軸によって昇降自在に構成された型７を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、型７の移動方向、型７を保持する保持具、さらにその移動方法についても、適宜必要に応じて変更可能である。

以下に、本実施形態に係る具体例について説明する。部材１には、カーボンブラックを含有した黒色ポリカーボネート樹脂を射出成形することにより、内周面３および開口端面４に反射防止構造体６を形成した円筒形状のアパーチャを用いた。開口部２の内径は５ｍｍであり、開口端面の厚みは１ｍｍである。

型７は、以下の手順で作成した。まず、半径１０ｍｍの石英ガラスボールの表面半分に、ＰＭＭＡレジストを５００ｎｍの厚みとなるようにディッピング法により塗布した。次に、この石英ガラスボールをＸ線露光装置に入れ、Ｘ線マスクをレジスト塗布面に対して干渉縞が生じる距離だけ離して設置した。Ｘ線マスクには、円形のホールパターンが３００ｎｍピッチでアレイ状に形成されたものを用いた。そして、この状態でＸ線露光を行った。次に、露光後の石英ガラスボールに現像処理を施し、現像処理後の石英ガラスボールをＲＦエッチング装置に設置した。そして、得られたレジストパターンをマスクとして、レジストマスクが完全になくなるまで、ＣＨＦ₃ を主成分とする反応性ガスによるドライエッチングを行った。これにより、石英ガラスボールの表面には、円錐形状の反転パターンが３００ｎｍピッチでアレイ状に形成された構造体が形成された。この構造体が形成された石英ガラスボールを型７として用いた。

上記した部材１および型７を、図１（ａ）に示す成形装置に設置し、型７を１８０℃まで昇温して、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示す成形工程を順次行った。これにより、部材１の開口端面４と内周面３とに形成されている反射防止構造体６を損傷することなく、部材１のエッジ部５には、図３に示すように、反射防止構造体６が形成されており、部材１の開口端面４から内周面３にかけて連続した周期構造体が形成されていた。この部材１を撮像光学装置におけるレンズのアパーチャとして用いたところ、エッジ部５における反射光は全く観察できなかった。

本発明は、デジタルカメラやプリンタ装置などに用いられる、光路中の光線に対する反射防止処理が必要な開口部を有する構造部材などに適用することができる。その他、本発明は、光学機器に用いられる開口部を有する反射防止処理が必要なあらゆる部材に対して広く適用可能である。

本発明の実施形態に係る反射防止構造体の形成工程を説明する図 同実施形態に係る部材と型との関係を説明する模式図 同実施形態に係る部材の要部を拡大した模式図 同実施形態に係る反射防止構造体を示す模式図 従来の反射防止構造体を有する部材の斜視図および要部拡大図

符号の説明

１ 部材
２ 開口部
３ 内周面
４ 開口端面
５ エッジ部
６、６ａ〜６ｆ 反射防止構造体
７ 型

Claims (10)

1. 熱可塑性樹脂にて形成されるとともに開口部を有する被成形体としての部材と、曲面形状を有し、前記曲面に形成すべき反射防止構造体の反転形状が形成された型とを準備する第１の工程と、
   前記反転形状が形成された前記型を前記部材の開口部に押圧するとともに、当該部材を加熱により軟化させつつ、当該反転形状を前記部材に転写する第２の工程と、
   前記部材と前記型とを離型させるとともに当該部材を冷却する第３の工程とを備える、反射防止構造体を有する部材の製造方法。
2. 前記開口部は円形状であり、
   前記型は、前記開口部の半径よりも実質的に大きな曲率半径で近似される曲面を有し、
   前記第２の工程は、前記型を前記開口部に押圧することにより、前記反転形状を前記開口部のエッジ部に転写する、請求項１に記載の反射防止構造体を有する部材の製造方法。
3. 前記第２の工程は、加熱した前記型を前記部材に押圧させることにより当該部材を軟化させることを特徴とする、請求項１に記載の反射防止構造体を有する部材の製造方法。
4. 前記反射防止構造体は、アスペクト比が１以上である錐形状を構造単位とし、前記構造単位が反射を防止すべき光の波長以下のピッチでアレイ状に配置してなることを特徴とする、請求項１に記載の反射防止構造体を有する部材の製造方法。
5. 前記第１の工程では、前記熱可塑性樹脂として黒色樹脂を用いることを特徴とする、請求項１に記載の反射防止構造体を有する部材の製造方法。
6. 熱可塑性樹脂にて形成された本体部と、
   前記本体部に形成された開口部とを備え、
   前記開口部には、前記本体部にかけて連続した反射防止構造体が形成されていることを特徴とする、反射防止構造体を有する部材。
7. 前記開口部は、円形状であり、
   前記反射防止構造体は、前記開口部のエッジ部に形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の反射防止構造体を有する部材。
8. 前記本体部は、円盤状または円筒状であることを特徴とする、請求項６に記載の反射防止構造体を有する部材。
9. 前記反射防止構造体は、アスペクト比が１以上である錐形状を構造単位とし、前記構造単位が反射を防止すべき光の波長以下のピッチでアレイ状に配置してなることを特徴とする、請求項６に記載の反射防止構造体を有する部材。
10. 前記熱可塑性樹脂は黒色樹脂であることを特徴とする、請求項６に記載の反射防止構造体を有する部材。
    
    

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