JP2008287054A - 複合光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミクス基材自体の光拡散が大きい。また基材表面の凹凸が大きいので樹脂界面で光が屈折して拡散する。またシランカップリング剤が凹部に堆積して光透過の妨げになりセラミクス基材と樹脂の付着力が低下する。
【解決手段】粒径０．７から３０マイクロメートルの透光性セラミクス基材と、前記基材の少なくとも一方の光学機能面上に設けられた樹脂材料からなる光学層とを備え、セラミクス表面の凹部の深さを３０マイクロメートル以下にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミクスの表面に樹脂を接合する構造の複合光学素子に関するものである。

２種類の材料を接合する構造の複合光学素子として、球面ガラス基材の上に樹脂層を接合してその樹脂の表面を非球面に形成するいわゆるハイブリッドレンズが代表的なものとしてある。さらに最近では、ガラス以外の基材としてセラミクスを用いる提案がある（例えば特許文献１参照）。
特開２００６−２２０７３４号公報

前記従来の複合光学素子はセラミクスの表面に紫外線硬化樹脂を形成するものであり、そのセラミクスの粒径を４０から１２０マイクロメートルの材料として、さらに深さが５０から６０マイクロメートルの脱粒痕を有する表面上に紫外線硬化樹脂を形成している。しかしながら従来のセラミクスハイブリッドレンズには幾つかの課題があることを見出した。

まず粒径が４０マイクロメートル以上となるような粒径の大きいセラミクスではセラミクス基材を透過する光の拡散が大きいことである。またセラミクスの表面は研磨加工で仕上げられるが、セラミクスの材料となる結晶粒の方向性によって研磨速度が異なるために結晶粒に応じた大きな凹凸が表面に形成される。また加工状態によっては粒子が脱落した凹部が残ることもある。このような凹凸部があると、セラミクスと樹脂の屈折率差がある場合には光の屈折による光拡散が大きくなる課題が生じた。

セラミクスと樹脂の付着力を上げるために、樹脂を接合する前にセラミクス基材にシランカップリング処理を行うことが多い。このシランカップリング処理は、シランカップリング剤を水やアルコールなどに希釈溶解した溶液を用いて、被処理材を溶液中に浸漬引き上げする手法や、溶液を噴霧する手法により、セラミクス表面に極薄いシランカップリング剤の被膜を形成するものである。しかしながら前記のようにセラミクス表面に大きな凹部が在ると、シランカップリング処理工程において凹部にシランカップリング溶液が溜まり、乾燥しても不透明な染み状の堆積物になってしまう。この堆積物は、光学素子の外観不良、光拡散を起こす。シランカップリング剤は一つの分子中に、無機材料であるセラミクス基材と結合する反応基と、有機材料である樹脂と結合する反応基とを持っており、単分子でセラミクスと樹脂を結ぶ働きをするものである。よってシランカップリング剤が堆積するとセラミクス基材と樹脂の間に結合していないシランカップリング剤が多く存在した場合、このシランカップリング剤の間で剥離が起こってセラミクスと樹脂の付着力が低下する要因ともなる。

本発明は、上記課題を考慮し、外観不良がなく、光透過性が良く、セラミクスと樹脂の付着力が良い複合光学素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る複合光学素子は、透光性のセラミクスを材料とする基材と、前記基材の少なくとも一方の光学機能面上に設けられた樹脂材料からなる光学層とを備え、前記セラミクスは平均粒径が０．７マイクロメートルから３０マイクロメートルの間であることを特徴とするものである。

また、前記基材の表面の凹部の深さがおよそ３０マイクロメートル以下であることを特徴とするものである。

また、本発明に係る複合光学素子は、透光性のセラミクスを材料とする基材と、前記基材の少なくとも一方の光学機能面上に設けられた樹脂材料からなる光学層とを備え、前記セラミクスは、平均粒径が０．７マイクロメートル以下であることを特徴とするものである。

また、前記基板の表面にシランカップリング剤を形成してあることを特徴とするものである。

また前記樹脂材料がエネルギー硬化樹脂であることを特徴とするものである。

セラミクス材料の平均粒径を０．７から３０マイクロメートルの間と微細化することで、また、さらに０．７マイクロメートル以下と微細化することで、結晶粒界の不純物や空隙が減少し、それらにより光の透過直進を妨げられて光が拡散することがなくなる。粒径が小さくなることで、研磨加工後のセラミクス表面の凹凸も小さくなり、さらに粒子の脱落による凹部も小さくなる。そのため、セラミクスと樹脂の界面での屈折率差による光拡散を低減できる。

セラミクスの表面にシランカップリング剤を形成することで樹脂との付着力を高めることができる。前記のようにセラミクスの粒径が小さく表面の凹凸が小さいことにより、シランカップリング処理工程において凹部への溶液滞留が減少し、乾燥後のシランカップリング剤の堆積物発生も減少する。これにより光学素子の外観不良や光拡散が減少し、堆積物から樹脂が剥離する問題も改善できる。そしてセラミクス表面の凹部深さがおよそ３０マイクロメートル以下であることにより光拡散やシランカップリング剤堆積の問題は改善できる。

樹脂材料にエネルギー硬化樹脂を用いることにより、やわらかい流動性の樹脂材料をセラミクス上に塗布して細かな凹凸があっても密着し、その状態で紫外線や熱などのエネルギーを与えて硬化することで効率的に樹脂を成形することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る複合光学素子について説明する。図１は本実施の形態の複合光学素子の断面図である。複合光学素子１１は、透光性セラミクスの基材１２と、樹脂材料からなる光学層１３とを接合したものである。セラミクスは平均粒径が３０マイクロメートルの材料を用い、研磨により球面形状に加工されている。光学層１３は紫外線硬化樹脂を用いてその表面は非球面形状になっている。

図２はセラミクス基材１２と光学層１３の接合部分の断面拡大図である。セラミクス基材の表面には粒が脱落した跡の凹部２１が点在しており、その深さはおよそ３０マイクロメートル以下である。

図３は、セラミクス基材をシランカップリング処理する工程を示す。図３（ａ）では、シランカップリング剤を水に溶かしたシランカップリング溶液３１に、セラミクス基材１２をキャリア３２に載せて浸漬している様子を示している。次いで図３（ｂ）のように、セラミクス基材をキャリアで溶液からゆっくりと引き上げる。この時に、従来の大きな凹部がある基材ではシランカップリング溶液が流れ落ちずに凹部に滞留するが、本発明の小さな凹部では滞留する量は少なくなる。次に図３（ｃ）のように乾燥器３３に投入して乾燥させる。従来の凹部が大きい場合は溶液滞留量が多すぎて乾燥後にシランカップリング剤が堆積して不透明な状態になるが、本発明の小さな凹部では溶液滞留量が少ないので乾燥後は極薄いシランカップリング剤が全体に被覆されて、透明なセラミクス基材を得ることが可能である。

図４の（ａ）から（ｄ）は、セラミクス基材に光学層を形成する工程を示す図である。図４（ａ）のように、成形面に所望の非球面を形成した型４１の表面に、ディスペンサ４２から樹脂材料４３を滴下する。次に図４（ｂ）のように、セラミクス基材１２を載せていき樹脂材料を塗り広げるかたちにする。図４（ｃ）に示すようにセラミクス基材を所定の高さに設置した状態で紫外線４４を照射して樹脂材料を硬化し光学層を成形する。これを型から剥離して、セラミクス基材１２に樹脂からなる光学層１３を形成した複合光学素子１１を得る。

平均粒径が３０マイクロメートルのセラミクス材料を用いることで結晶粒間の不純物や空隙が減少しセラミクス材料内の光の吸収や拡散が殆ど起こらない。粒径が小さいので粒が脱落した跡の凹部も３０マイクロメートルより小さくなり、樹脂が凹部の中まで密着し、空間による光屈折拡散をなくすことができた。凹部でのシランカップリング剤の堆積がなく得られた複合光学素子の外観不良もなく透過率も高い。エネルギー硬化樹脂は、硬化前はやわらかく流動性に富んでいるために基材の凹部に充填しやすく、樹脂を充填してから紫外線のエネルギーを加えて硬化させるので形状転写性が良く生産性も良い。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る複合光学素子について説明する。図５は本実施形態の複合光学素子５１の断面図であり、凹メニスカス形状の透光性セラミクス基材５２の凹面側に樹脂材料からなる光学層５３を接合したものである。光学層５３の表面は非球面形状になっている。

図６は複合光学素子のセラミクス基材５２と樹脂からなる光学層５３の接合部分の断面拡大図である。透光性セラミクスの平均粒径を、可視光線の波長に近い０．７マイクロメートルにする。この材料を球面に研磨すると、結晶方位による研磨速度の差に起因する結晶粒に対応した凹凸６１をもつ表面になった。この凹凸の高さは０に近いものから０．０５マイクロメートル程度になった。

次に、図示していないが、上記セラミクス基材の樹脂を接合する面にだけシランカップリング溶液を噴霧して塗布し乾燥させる。このシランカップリング処理においても、基材表面の凹凸が小さいのでシランカップリング溶液の滞留が起こらず乾燥後のシランカップリング剤の堆積も起こらない。

図７の（ａ）から（ｃ）は、セラミクス基材に光学層を形成する工程を示す図である。図７（ａ）のように、凸非球面を有する型７１の中心に樹脂材料７２を供給しておき、その上からセラミクス基材５２を配置する。図７（ｂ）のように、セラミクス基材を所定の高さに保持した状態で加熱し、樹脂材料を硬化する。次いで型から剥離することで複合光学素子５１を得られる。

平均粒径が０．７マイクロメートルのセラミクス基材を用いることで、結晶粒間の不純物や空隙が減少しセラミクス材料内の光の吸収や拡散が殆ど起こらない。粒径が小さいので研磨表面の凹凸も小さくなり、樹脂が凹部の中まで密着し、空間による光屈折拡散をなくすことができた。凹部でのシランカップリング剤の堆積がなく得られた複合光学素子の外観不良もなく透過率も高い。硬化前は流動性に富む樹脂材料であるため基材の凹凸によく密着し、密着させてからエネルギーを加えて硬化させるので形状転写性が良く、熱エネルギーは炉などを用いて多数個を同時処理できるので生産性も良い。

以上の実施の形態１および実施の形態２では、セラミクス材料の平均粒径を、それぞれ３０マイクロメートルおよび０．７マイクロメートルとしたが、平均粒径がこの間であればよい。

平均粒径が３０〜０．７マイクロメートルのセラミクス材料は、セラミクス材料中での光の分散が少なく、また比較的容易に実現できるものであるが、セラミクス材料の平均粒径が、可視光線の波長以下となる０．７マイクロメートル以下のものを使用することにより、材料費は高価となるが、さらに結晶粒界の不純物や空隙が減少し、それらにより光の透過直進を妨げられて光が拡散することがなくなる。また、研磨加工後のセラミクス表面の凹凸もさらに小さくなり、粒子の脱落による凹部もさらに小さくなる。そのため、セラミクスと樹脂の界面での屈折率差による光拡散をさらに低減できる。また、シランカップリング処理工程において凹部への溶液滞留がさらに減少し、乾燥後のシランカップリング剤の堆積物発生もさらに減少する。これにより光学素子の外観不良や光拡散が減少し、堆積物から樹脂が剥離する問題もさらに改善できる。

本発明は、実施の形態１と２に記載した例に限定されるものではなく、基材は球面だけでなく平面や非球面、格子、アレイ形状についても有効である。樹脂材料である光学層についても非球面だけでなく平面や球面、格子、アレイ形状についても有効である。樹脂は紫外線硬化と熱硬化だけに限らず、紫外線と熱の併用タイプや電子線硬化などエネルギーを与えて硬化させることができる樹脂に対しても有効である。セラミクス基材に対してシランカップリング処理を行わない場合や、樹脂材料にシランカップリング剤を配合する場合でも有効である。セラミクス基材と樹脂光学層との界面の屈折率差による光反射を低減させるためにセラミクス基材上に反射防止膜を形成する場合でも有効である。

本発明の複合光学素子は、カメラ用のレンズ、プロジェクター用のレンズ、光ディスク用レンズとして、光学特性が良く信頼性も高いものを効率よく生産できる。

本発明の実施形の態１に係る複合光学素子の断面図 本発明の実施の形態１に係る複合光学素子の断面拡大図 本発明の実施の形態１に係る複合光学素子のシランカップリング処理工程図 本発明の実施の形態１に係る複合光学素子の光学層形成工程図 本発明の実施の形態２に係る複合光学素子の断面図 本発明の実施の形態２に係る複合光学素子の断面拡大図 本発明の実施の形態２に係る複合光学素子の光学層形成工程図

符号の説明

１１ 複合光学素子
１２ セラミクス基材
１３ 光学層
２１ 凹部
３１ シランカップリング溶液
４１ 型
４２ ディスペンサ
４３ 樹脂材料
４４ 紫外線

Claims (5)

1. 透光性のセラミクスを材料とする基材と、前記基材の少なくとも一方の光学機能面上に設けられた樹脂材料からなる光学層とを備え、前記セラミクスは、平均粒径が０．７から３０マイクロメートルの間であることを特徴とする複合光学素子。
2. 前記基材の表面の凹部の深さが、およそ３０マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１記載の複合光学素子。
3. 透光性のセラミクスを材料とする基材と、前記基材の少なくとも一方の光学機能面上に設けられた樹脂材料からなる光学層とを備え、前記セラミクスは、平均粒径が０．７マイクロメートル以下であることを特徴とする複合光学素子。
4. 前記基材の表面にシランカップリング剤を形成してあることを特徴とする請求項１または３記載の複合光学素子。
5. 前記樹脂材料がエネルギー硬化樹脂であることを特徴とする請求項１または３記載の複合光学素子。

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