JP2006524829A - 複数の高分子材料から成る複数の透明な光学素子を製造するための方法および型 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の高分子材料から成る複数の透明な光学素子を製造するための１つの方法および１つの型を提供する。
【解決手段】本発明によって製造される複数の光学素子は、１つの界面反射の減少を示す複数の表面領域を少なくとも有するはずである。本発明によると、１つの高分子材料から成り、対象光学素子に対応する１つの基準素子の表面全体あるいは１つの適切に選択された表面区域を１つの真空中で複数の高エネルギーイオンの作用にさらす。これによって、複数の対象表面上に凸部と凹部とが交互に複数存在する１つの不規則なナノ構造が形成される。その後、１つの薄い導電層を施し、１つの電気化学的成形を行うことによって、このナノ構造によって覆われた１つのネガ断面を有する１つの型を得る。次に、界面反射の低減を実現する１つのナノ構造によって行われる１つの成形工程において、上記型を用いて複数の光学素子を製造する。
【解決手段】本発明によって製造される複数の光学素子は、１つの界面反射の減少を示す複数の表面領域を少なくとも有するはずである。本発明によると、１つの高分子材料から成り、対象光学素子に対応する１つの基準素子の表面全体あるいは１つの適切に選択された表面区域を１つの真空中で複数の高エネルギーイオンの作用にさらす。これによって、複数の対象表面上に凸部と凹部とが交互に複数存在する１つの不規則なナノ構造が形成される。その後、１つの薄い導電層を施し、１つの電気化学的成形を行うことによって、このナノ構造によって覆われた１つのネガ断面を有する１つの型を得る。次に、界面反射の低減を実現する１つのナノ構造によって行われる１つの成形工程において、上記型を用いて複数の光学素子を製造する。
Description
本発明は、複数の高分子材料から複数の透明な光学素子を製造するための１つの方法および複数の型に関する。この方法によって製造される複数の光学素子は、少なくとも１つの表面上の少なくとも複数の特定領域における界面反射の低減を目的としている。
複数の高分子材料で作られたこのような複数の光学素子は、多様な用途に一層頻繁に用いられるようになっている。これらの用途においては反射による損失は望まれないので、このような複数の光学素子の複数の表面で反射されて利用不能になる電磁放射の比率をできるだけ小さく保つ必要がある。従って、この比率を単位面積あたり４％以下、好ましくは１％以下に保つために複数の努力がなされている。
この問題に対してこれまでさまざまな取り組みがなされてきた。
たとえば、いくつかの薄膜を順次、通常は交互の層構造として、積み重ねた複数の層構造を複数の光学素子の複数の表面上に形成することは公知である。このような複数の層構造を施すことはコストがかかるばかりでなく、透過率の１つの低下をもたらすので、このような複数の層構造を複数の光学素子の複数の表面上に接着することに伴う複数の問題を無視することはできない。
このような複数の層構造は通常、それ自体が公知のＰＶＤ法あるいはＣＶＤ法の複数の手法によって１つの真空中で形成されるので、このような複数の光学素子の大量生産は相応の高コストを伴う。
電磁放射の反射率を減らすために選択された別の方法は、複数の微細構造、いわゆる複数のモスアイ構造、を無反射にしたい複数の表面上に形成する方法である。該当する複数の解決策は、以下の文献によって説明されている。
「Ｔｈｉｎ ｓｏｌｉｄ ｆｉｌｍｓ ３５１」（１９９９）、Ｐ．７３−７８（Ａ．ＧｏｍｂｅｒｔおよびＷ．Ｇｌａｕｂｉｔｔ） 「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ １６」１９９４年、Ｐ．２６９５−２７０６（Ｄ．Ｌ．Ｂｒｕｎｄｒｅｔｔ、Ｅ．Ｎ．Ｇｌｙｓｉｓ、および、Ｔ．Ｋ．Ｇａｙｌｏｒｄ）
「Ｔｈｉｎ ｓｏｌｉｄ ｆｉｌｍｓ ３５１」（１９９９）、Ｐ．７３−７８（Ａ．ＧｏｍｂｅｒｔおよびＷ．Ｇｌａｕｂｉｔｔ） 「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ １６」１９９４年、Ｐ．２６９５−２７０６（Ｄ．Ｌ．Ｂｒｕｎｄｒｅｔｔ、Ｅ．Ｎ．Ｇｌｙｓｉｓ、および、Ｔ．Ｋ．Ｇａｙｌｏｒｄ）
これら複数の公知の解決策によって各ケースにおいて達成される電磁放射の反射率の１つの低減は、それぞれ複数の狭い入射角範囲および１つの狭いスペクトル範囲に限られる。すなわち、対象となる電磁放射の複数の選択された波長あるいは特定の複数の入射角に限られる。
それ自体が公知の複数の微細構造の形成においては、特に複数の型の製造において、１つの相当な努力が必要であるが、この理由は、このような複数の型に精緻なネガ断面を複数形成する必要があるからである。これは、複数の集束エネルギービームを用いた熱処理あるいは写真食刻形成によって行うこともできる。
いずれにせよ、多大な努力が必要である。さらに、この方法によって製造できる複数の微細構造は相応の複数の最小寸法に制限され、これらの寸法未満では複数のプロセスを進めることができない。
従って、本発明の目的は、界面反射を減らし、同時に製造コストを低減でき、また本発明を多種多様な複数の光学素子の製造に使用できるような１つの方法で、複数の高分子材料で作られた複数の透明な光学素子の表面を処理できる１つの解決策を提案することである。
本発明によると、この目的は、請求項１の複数の特徴を有する１つの方法によって達成することができ、請求項１４に記載の１つの型を用いて複数の光学素子を製造することが可能である。
本発明の好都合な複数の実施態様および複数の展開は、複数の従属項に示す複数の特徴によって実現することができる。
少なくとも複数の特定領域における界面反射が低減された表面を有する透明な光学素子を複数製造するための本発明による方法の場合、下記の手順の第１ステップにおいて、１つの高分子材料から成る、「マスター」とも呼ばれる１つの基準素子の対象面を１つの真空室内で複数の高エネルギーイオンにさらす。これら複数の高エネルギーイオンを例えば１つのプラズマによって生成し、基準素子の対象面を１つのイオン衝撃にさらす。
従来製造されていた１つの光学素子を上記のように処理することによって基準素子として使用してもよい。
複数の高エネルギーイオンの影響によって、１つの不規則なナノ構造が基準素子の対象面上に形成される。このナノ構造の特徴は、凸部と凹部とが交互に複数形成されている点である。複数の凸部および複数の凹部が表面全体にさまざまな寸法で形成されるので、このナノ構造によって１つの屈折率傾斜層を実現することができる。
第２のステップでは、この基準素子の対象面を１つの導電性薄膜で被覆する。
次の第３の方法ステップで１つの型を電気化学的に形成できるように、この薄膜は単に複数の導電性のみが実現される厚さにすればよい。
このような１つの型は基準素子の被処理面の１つの完全なネガ断面を有するので、上記のナノ構造の複数の凸部に対応して複数の凹部が、また複数の凹部に対応して複数の凸部が重なり／組み込まれる。
複数の型の製造のための電気化学的形成を１つの従来方法によって行うこともでき、例えばニッケル溶着によってこのような複数の型を得ることもできる。
次に、この方法で製造された複数の型を用いて、複数の対象光学素子をそれ自体が公知の複数の成形法によって大量生産することができる。１つのナノ構造が形成された単一の基準素子から多数の型を電気化学的形成によって製造可能であるので、製造コストのさらなる低減が図れて都合がよい。
本発明によると、複数の水平平坦面あるいは複数の連続曲面を有する１つの単純なデザインの複数の基準素子ばかりでなく、複数の不連続面断面を有する複数の基準素子も、複数の光学素子の製造に使用できる。このような複数の基準素子は光学的に有効な複数の面断面、例えば複数のフレネル断面を有しうるので、本発明による解決策を用いることによって、少なくとも複数の有効側面における界面反射の低減が可能である。
次に、第３の方法ステップで作成されるような１つの型を用いて、複数の光学素子を製造できる。従って、複数のプラスチック製フィルムあるいは複数のシート状素子をホットエンボス加工によって、あるいは複数のプラスチック製小粒体あるいは微粒体から、複数の光学素子を製造することが可能である。
但し、このような複数の型にプラスチックを射出成形することによって複数の光学素子を製造することもまた可能である。
但し、１つの押出エンボス法によって複数の光学素子を製造してもよい。
複数の光学素子を少なくとも２つの材料から形成する場合、ケースごとに各材料の屈折率が異なる場合、および／あるいはより高い耐引掻性を有する１つの面被覆を用いる場合は、ＵＶ転写法が都合よく適している。
これら複数の光学素子は、多種多様な複数のプラスチックから製造しうる。所望の複数の光学的性質、ここでは特に屈折率、のほかは、それぞれの成形法にとって重要な複数の性質のみを考慮すればよい。
さらに、光学的に有効なナノ構造を１つの光学素子の１つの表面被覆上に形成することも可能である。例えば、商品名「オルモセル（ＯＲＭＯＣＥＲｅ）」で市販されている１つの有機無機ハイブリッドポリマーなど、特に好都合な１つの「耐引掻性」被覆をゾルゲル法などによって施し、反射低減ナノ構造の形成中あるいは形成後に硬化させてもよい。ここで、このハイブリッドポリマー内の無機成分は１つのガラス素子（例えば二酸化硅素あるいは１つのシラン）であることが好ましい。
この方法によって、界面反射を低減するナノ構造は、複数のプラスチック製光学素子上に形成できるばかりでなく、複数の成形法による処理が不可能あるいは困難な複数の材料から形成された複数の光学素子の複数の表面上にも形成することができる。例えば、本発明は、１つのガラスから成る複数の光学素子の製造に使用できる。
本発明にとって重要なナノ構造をそれぞれ凹部を介在させながら形成する複数の凸部は、表面上に形成されるさまざまな凸部の高さが３０ｎｍから２１０ｎｍの１つの範囲内に分布するように対象基準素子の表面上に形成してもよい。この場合、これら複数の凸部の平均厚は、各ケースにおいてそれぞれ３０ｎｍから１５０ｎｍの範囲内に分布してもよく、この場合の平均厚とは各ケースにおける凸部の平均高における１つの凸部の厚みを意味するものとする。
複数の凸部の製造においては、それぞれの高さおよび／あるいは厚みが、１つの平均値、例えば高さ１２０ｎｍおよび厚み８０ｎｍ、を中心としたそれぞれの範囲内で一様に分布させることが好ましい。
複数の光学素子を製造するための型上のナノ構造のネガインプレッションの寸法は、これら複数の仕様に対応する。
驚くべきことに、複数の基準素子の１つの表面上に形成されたこのような１つのナノ構造を、使用した基準素子の表面上のポジ断面から１つの型の表面上に、特許請求項１による第２のおよび第３の方法ステップによって正確に、寸法誤差があったとしても僅かな誤差で、転写できることが分かった。
面反射を大幅に低減するナノ構造を複数の基準素子上に形成するステップである方法ステップ１について次により詳細に説明する。
１つの高分子可塑材料、好ましくはポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ジエチレングリコールビス（アリルカーボネート）（ＣＲ３９）、あるいはメタクリル酸メチルを含有する複数のポリマーでできたこのような１つの基準素子を１つの真空室内に置き、この室内で１つのプラズマの影響にさらす。このプラズマによって複数の高エネルギーイオンが生成され、基準素子の所望の面が複数のイオンによって衝撃される。１つのＤＣアルゴンプラズマの使用が好ましく、酸素を加えると特に好ましい。
この場合、真空室は内圧１０−３ｍｂａｒ未満、好ましくは約３×１０−４ｍｂａｒで作動させる必要がある。
プラズマは少なくとも３０ｓｃｃｍの酸素の存在下で動作させるべきである。
生成される複数のイオンは１００ｅＶから１６０ｅＶの範囲内の複数のエネルギーを有すべきであり、また基準素子の材料を考慮してイオンのエネルギーを設定すべきである。表面のイオン衝撃時間についても基準素子の材料を考慮すべきである。
従って、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）製の複数の基準素子をエネルギーが１００ｅＶから１６０ｅＶの範囲、好ましくは１２０ｅＶから１４０ｅＶの範囲内に維持された複数のイオンによって２００ｓから４００ｓの間、好ましくは２５０ｓから３５０ｓの間の時間にわたって衝撃してもよい。
ジエチレングリコールビス（アリルカーボネート）製の複数の基準素子の場合は、複数のイオンのそれぞれの最小エネルギーを１２０ｅＶ、好ましくは１５０ｅＶとし、イオン衝撃時間を少なくとも５００ｓにすべきである。
本発明による方法によって製造された複数の光学素子の場合、表面の電磁放射の反射率を４００ｎｍから１１００ｎｍの波長範囲において最大２％に減らすことが可能であった。４２０ｎｍから８７０ｎｍの１つの波長範囲、すなわち可視光の大部分、においては、電磁放射の反射率を１．５％未満に減らすことが可能であった。
本発明によって、電磁放射のための多種多様な複数の光学素子、ここでは特に赤外光、可視光のスペクトル範囲、およびＵＶ光の一部のスペクトル範囲における電磁放射のための多種多様な複数の光学素子を多種多様な用途のために製造することができる。さらに、わずかなコスト増で複数の光学的性質が向上させた多種多様な複数の投射光学素子、特に複数のフレネルレンズ、を容易に製造することが可能である。
但し、例えば複数の光学窓および複数のプリズムなど、他の複数の光学素子の製造も可能である。
さらに本発明は、複数の光学レンズ（及び複数のレンズアレイ）、複数のビームスプリッタ、複数の光導波路、複数の散光器、複数のレンチキュラーレンズの製造、および光学的に透明な複数のフィルムにも好適に使用しうる。
さらに重要な１つの用途は、複数の光学ディスプレイあるいは複数の光学表示素子の複数の透明カバーの作成である。例えば、多種多様な電気あるいは電子装置、例えば複数の電話機など、の表示用ディスプレイを本発明に従って製造することができる。
この場合、特に二重反射を防止することができる。
特定の複数の光学表示素子の場合、本発明を１つのカバーとしても使用できるので、複数の低出力光源を使用することが可能である。
一例として本発明を以下により詳細に説明する。
図１は、ポリメタクリル酸メチル製の１つの基準素子上に形成された１つのナノ構造の１つのＡＦＭ顕微鏡写真（原子間力顕微鏡）を示す。
このケースでは、ポリメタクリル酸メチル製の１つの基準素子を１つの真空室内に置き、この室内の圧力を７〜８×１０−６ｍｂａｒに下げた。１つのプラズマイオン源ＡＰＳ９０４（ライボルト・オプティクス社）を用い、３０ｓｃｃｍの酸素を追加し、約３×１０−４ｍｂａｒの１つの圧力を維持することによって、１つのアルゴンプラズマを生成した。
このプラズマイオン源は少なくとも１２０Ｖの１つのバイアス電圧で作動させた。
この方法によって、少なくとも１２０ｅＶのエネルギーを有する複数のイオンを発生させ、これら複数のイオンを基準素子のＰＭＭＡ面に発射することが可能であった。
このイオン衝撃を３００ｓにわたって行った。
図１に示すように、このイオン衝撃によって５０ｎｍから１２０ｎｍの範囲内のさまざまな高さと、５０ｎｍから１２０ｎｍの範囲内の平均厚とを有する複数の凸部を含む１つの不規則なナノ構造の形成が可能であった。図１では、複数の凸部が約１：１の１つのアスペクト比を維持していることも分かる。
１つの最大層厚が５ｎｍ、好ましくは１ｎｍ未満の１つの金薄膜をそれ自体が公知の１つの薄膜法によって基準素子のナノ構造化された表面上に形成した。
次に、この方法で作成した基準素子を用いて電気化学的な形成を行った。この方法によって、ほぼ同一のネガ断面を有し、さらに１つのナノ構造が重ねられた１つの型をニッケルから製造することが可能であった。次にこの型を用いて複数の光学素子をホットエンボス技術で製造したが、この型から少なくとも５０００個のインプレッションを取るまでは磨耗による交換は不要であった。
Claims (21)
- 表面の少なくとも複数の特定領域における界面反射が低減された透明な光学素子を複数製造するための１つの方法であって、
１つの高分子材料から成り、前記対象光学素子に対応する１つの基準素子の前記対象表面を１つの真空中で複数の高エネルギーイオンの前記影響にさらすステップと、
この方法によって、凸部と凹部とが交互に複数配置された１つの不規則なナノ構造を前記対象表面上に形成するステップと、
その後、前記対象表面を１つの導電性薄膜で被膜するステップと、
次に、前記ナノ構造が重ねられた１つのネガ断面を有する１つの型を電気化学的形成法によって得るステップと、
このような１つの型を用いて、前記界面反射を低減する１つのナノ構造を１つの透明な光学素子の少なくとも１つの表面上に１つの成形法によって形成するステップと、を含む方法。 - 請求項１に記載の方法において、光学的に有効な１つの表面断面を有する１つの基準素子を用いることを特徴とする方法。
- 請求項１あるいは２に記載の方法において、前記複数の高エネルギーイオンを１つのアルゴン／酸素プラズマによって生成することを特徴とする方法。
- 先行請求項の何れか１項に記載の方法において、ポリメタクリル酸メチル、ジエチレングリコールビス（アリルカーボネート）（ＣＲ３９）、あるいはメタクリル酸メチルを含有する複数のポリマーを前記基準素子の前記製造に使用することを特徴とする方法。
- 先行請求項の何れか１項に記載の方法において、前記ナノ構造の前記複数の凸部をそれぞれの高さが３０ｎｍ〜２１０ｎｍの前記範囲内になるように前記複数の高エネルギーイオンによって形成することを特徴とする方法。
- 先行請求項の何れか１項に記載の方法において、前記ナノ構造の前記複数の凸部の前記複数の平均厚を３０ｎｍ〜１５０ｎｍの前記範囲内で形成することを特徴とする方法。
- 先行請求項の何れか１項に記載の方法において、前記導電層を１つの金属薄膜として形成することを特徴とする方法。
- 請求項９に記載の方法において、前記導電層を金から形成することを特徴とする方法。
- 先行請求項の何れか１項に記載の方法において、前記対象面に衝突する前記複数のイオンが１００ｅＶから１６０ｅＶの前記範囲内の１つのエネルギーを有することを特徴とする方法。
- 先行請求項の何れか１項に記載の方法において、前記該当面の１つのイオン衝撃を２００ｓから６００ｓの間の１つの時間にわたって行うことを特徴とする方法。
- 先行請求項の何れか１項に記載の方法において、１つのイオン衝撃を１０−３ｍｂａｒ未満の１つの圧力で行うことを特徴とする方法。
- 先行請求項の何れか１項に記載の方法において、前記複数の光学素子の前記成形をホットエンボス法によって、あるいは１つのプラスチック射出成形法によって行うことを特徴とする方法。
- 先行請求項の何れか１項に記載の方法において、前記複数の光学素子の前記成形を押出エンボス加工あるいはＵＶ転写によって行うことを特徴とする方法。
- 先行請求項の何れか１項に記載の方法において、１つの光学素子の前記表面を１つの有機無機ハイブリッドポリマーによって被覆し、このハイブリッドポリマー層の前記表面上に前記ナノ構造を１つの型によって形成することを特徴とする方法。
- 請求項１〜１４の何れか１項に記載の１つの方法によって製造される複数の光学素子を製造するための１つの型において、凸部と凹部とが交互に複数配置された１つの不規則なナノ構造が１つの表面上に形成され、
各ケースの前記複数の凹部が３０ｎｍから２１０ｎｍの１つの範囲内の深さをそれぞれ有することを特徴とする型。 - 請求項１５に記載の型において、前記複数の凹部が３０ｎｍから１５０ｎｍの前記範囲内の１つの平均内法幅を有することを特徴とする型。
- 請求項１５あるいは１６に記載の型において、前記複数の凹部のそれぞれの深さおよび／あるいは厚みが１つの平均値を中心とした１つの範囲内に一様に分布することを特徴とする型。
- 請求項１５〜１７の何れか１項に記載の型において、前記型が複数のフレネルレンズの前記製造のために形成されることを特徴とする型。
- 請求項１５〜１７の何れか１項に記載の型において、前記型が複数の光学窓、複数の光学レンズ、複数のレンチキュラーレンズ、複数のビームスプリッタ、複数の光導波路、あるいは複数の光学プリズムの前記製造のために形成されることを特徴とする型。
- 請求項１５〜１７の何れか１項に記載の型において、前記型が光学的に透明な複数のフィルムの前記製造のために形成されることを特徴とする型。
- 請求項１５〜１７の何れか１項に記載の型において、前記型が複数のディスプレイあるいは複数の光学表示素子のための複数のカバーの前記製造のために形成されることを特徴とする型。
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