JP2011186144A - 光学部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度、湿度その他の環境の変化に対する、樹脂製基板上の光学薄膜の耐久性を向上させ、環境の変化による外観不良の発生を抑えることのできる光学部品を提供する。
【解決手段】基板上に光学薄膜を成膜してなる光学部品であって、基板の光学的有効径をＥ（単位ｍｍ）、基板の曲率半径をＲ（単位ｍｍ）としたときに、ＥとＲの比の絶対値ｘ＝｜Ｅ／Ｒ｜が０〜３の範囲において、膜応力σ（単位ＭＰａ）が次式（１）を満たす。
σ≦−３０ｘ ・・・（１）
【選択図】図１

Description

本発明は、光学部品および光学部品の製造方法に関するものである。

近年、光学系を安価で大量に生産するために、樹脂製の基板を用いることが多くなっている。また、光学系の小型化と短縮化のために、基板の形状を深くする傾向がある。これは、より具体的に言えば、基板の光学的有効径Ｅと曲率半径Ｒとの比ｘが大きくなる傾向があるということである。

また、デジタルカメラや車載カメラ等に代表される光学系には使用環境範囲の拡大から、温度や湿度などの環境の変化に対する耐久性の向上が求められている。

一方、樹脂製基板の表面には、光の透過率を向上させ、光学系内の不要な反射光を防ぐ目的で反射防止膜が形成することが好ましい。しかしながら、樹脂製基板上に形成された反射防止膜は、ガラス基板上に形成された反射防止膜に比較して、耐久性が低く、温度や湿度などの環境変化により、膜の亀裂、ひび割れ（クラック）、膜剥がれ、凝集（シワ）が発生し、外観が悪くなるという問題点があった。特に、基板の光学的有効径Ｅと曲率半径Ｒとの比ｘが大きい基板上に形成された反射防止膜ではこの問題点が顕著に発現していた。

この問題点を解決する試みとして、特許文献１の光学素子が提案されている。この光学素子においては、成形された樹脂表面に形成した多層膜内に発生する全応力を圧縮応力としている。特に、この圧縮応力は、１２０Ｐａ・ｍ以下とすることにより、樹脂上に形成された多層膜の耐久性を向上させている。

特開２００４−２７１６５３号公報

しかしながら、特許文献１の光学素子は光通信分野等で用いられる小型で単純な形状のものであって、デジタルカメラや車載カメラに搭載されるような比較的径や体積が大きく、表面と裏面で曲率半径の異なるレンズ形状を有する樹脂製基板に対して適用した場合には、環境試験時の基板の変形量が大きく、環境変化に対する性能が向上しないことが分かった。別言すると、環境変化に対する劣化を抑えることが困難であった。また、デジタルカメラや車載カメラに搭載される樹脂製の自由曲面や非球面形状を有する基板においても有効性が確認できなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、温度、湿度その他の環境の変化に対する、樹脂製基板上の光学薄膜の耐久性を向上させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光学部品は、基板上に光学薄膜を成膜してなる光学部品であって、基板の光学的有効径をＥ（単位ｍｍ）、基板の曲率半径をＲ（単位ｍｍ）としたときに、ＥとＲの比の絶対値ｘ＝｜Ｅ／Ｒ｜が０〜３の範囲において、膜応力σ（単位ＭＰａ）が次式（１）を満たすことを特徴とする。
σ≦−３０ｘ ・・・（１）

本発明に係る光学部品において、膜応力σは次式（２）を満たすことが好ましい。
−３０ｘ−３００≦σ≦−３０ｘ ・・・（２）

本発明に係る光学部品において、光学薄膜は基板の両面に成膜されていることが好ましい。

本発明に係る光学部品において、基板の材質は樹脂であることが好ましい。

本発明に係る光学部品において、光学薄膜の少なくとも一層がイオンアシスト法又はプラズマアシスト法を用いて形成されることが好ましい。

本発明に係る光学部品において、イオンアシスト法又はプラズマアシスト法で形成する層の構成材料に応じて、イオンアシスト法又は前記プラズマアシスト法のパラメータを制御することが好ましい。

本発明に係る光学部品の製造方法は、基板上に光学薄膜を成膜する工程を有する光学部品の製造方法であって、基板の光学的有効径をＥ（ｍｍ）、基板の曲率半径をＲ（ｍｍ）としたときに、ＥとＲの比の絶対値ｘ＝｜Ｅ／Ｒ｜が０〜３の範囲において、膜応力σ（ＭＰａ）が次式（１’）を満たすことを特徴とする。
σ≦−３０ｘ ・・・（１）

本発明に係る光学部品の製造方法において、膜応力σは次式（２）を満たすことが好ましい。
−３０ｘ−３００≦σ≦−３０ｘ ・・・（２）

本発明に係る光学部品の製造方法において、光学薄膜は基板の両面に成膜されていることが好ましい。

本発明に係る光学部品の製造方法において、基板の材質は樹脂であることが好ましい。

本発明に係る光学部品の製造方法において、光学薄膜の少なくとも一層がイオンアシスト法又はプラズマアシスト法を用いて形成されることが好ましい。

本発明に係る光学部品の製造方法において、イオンアシスト法又はプラズマアシスト法で形成する層の構成材料に応じて、イオンアシスト法又はプラズマアシスト法のパラメータを制御することが好ましい。

本発明に係る光学部品及びその製造方法は、温度、湿度その他の環境の変化に対する、樹脂製基板上の光学薄膜の耐久性を向上させることができる、という効果を奏する。

本発明の実施形態に係る光学部品の構成例を示す側面図である。 ＳｉＯ_２成膜時のプラズマ銃への印加出力（単位Ｗ）と膜応力σ（単位ＭＰａ）の関係を示すグラフである。 ＴｉＯ_２成膜時のプラズマ銃への印加出力（単位Ｗ）と膜応力σ（単位ＭＰａ）の関係を示すグラフである。 ＭｇＦ_２成膜時のプラズマ銃への印加出力（単位Ｗ）と膜応力σ（単位ＭＰａ）の関係を示すグラフである。 Ｔａ_２Ｏ_５成膜時のプラズマ銃への印加出力（単位Ｗ）と膜応力σ（単位ＭＰａ）の関係を示すグラフである。 ｜Ｅ／Ｒ｜と成膜直後の膜応力σ（単位ＭＰａ）の初期値との関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る光学部品及び光学部品の製造方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係る光学部品の構成例を示す側面図である。
本実施形態の光学部品１０は、樹脂製の基板１１上に光学薄膜１２（例えば反射防止膜）を成膜してなる光学部品である。基板の光学的有効径をＥ（単位ｍｍ）、基板の曲率半径をＲ（単位ｍｍ）としたときに、ＥとＲの比の絶対値ｘ＝｜Ｅ／Ｒ｜が０〜３の範囲において、膜応力σ（単位ＭＰａ）が次式（１）を満たす。ここで、膜応力σは、正の場合は張力、負の場合は圧縮応力である。
σ≦−３０ｘ ・・・（１）

さらに好ましくは、条件式（１）に代えて、以下の条件式（１’）を満足することが望ましい。
σ≦−５０ｘ ・・・（１’）

図１に示すように、光学薄膜１２は、面頂Ｖに行くほど膜厚が厚いことが好ましいが、光学薄膜１２の種類や用途に応じて膜厚分布は適宜設定できる。
なお、曲率半径Ｒには近軸曲率半径を含む。

また、膜応力σは次式（２）を満たす。
−３０ｘ−３００≦σ≦−３０ｘ ・・・（２）
さらに好ましくは、条件式（２）に代えて、以下の条件式（２’）を満足することが望ましい。
−５０ｘ−２５０≦σ≦−５０ｘ ・・・（２’）

光学薄膜は、光学部品の仕様に応じて、基板の一方の面又は両面に成膜されている。光学薄膜は、複数の膜を積層して形成することが好ましく、その少なくとも一層をイオンアシスト法又はプラズマアシスト法を用いて形成する。イオンアシスト法又はプラズマアシスト法による成膜においては、形成する層の構成材料に応じて、イオンアシスト法又は前記プラズマアシスト法のパラメータを制御する。

（実施例）
以下、本実施形態の実施例について説明する。
樹脂製基板として、表１に示すＬ１、Ｌ２、Ｌ３の三つの基板を用いた。

表１において、Ｅは光学的有効径（単位ｍｍ）、Ｄはレンズ深さ（単位ｍｍ）、Ｒは近軸曲率半径（ｍｍ）である。｜Ｅ／Ｒ｜は、光学的有効径Ｅと近軸曲率半径の比の絶対値であり、｜Ｄ／Ｒ｜は、レンズ深さと近軸曲率半径の比の絶対値である。レンズ深さＤは、光学的有効径Ｅに対応する部分のレンズの厚みである。

表１に示すように、基板Ｌ１の材質はシクロオレフィン系樹脂、基板Ｌ２の材質はアクリル系樹脂、基板Ｌ３はポリカーボネート系樹脂である。基板の形状と材質は限定されるものではなく、例えばポリカーボネート系樹脂を用いて、基板Ｌ１と基板Ｌ２を作製しても良い。

基板Ｌ１の面Ｌ１１、Ｌ１２は互いに対向する面であり、基板Ｌ２の面Ｌ２１、Ｌ２２は互いに対向する面であり、基板Ｌ３の面Ｌ３１、Ｌ３２は互いに対向する面である。

環境試験としての恒温恒湿試験及び熱衝撃試験の条件は次の通りである。
（１）恒温恒湿試験：温度８５°Ｃ、湿度−４０％の環境下で１０００時間暴露、
（２）熱衝撃試験：温度条件−４０°Ｃ／＋８５°Ｃ、各３０分、計１時間を１０００サイクル繰り返す。

環境試験後には外観の評価を次のように行った。すなわち、オリンパス株式会社製双眼実体顕微鏡を用いて、樹脂製基板の斜めから光をあてて、樹脂製基板表面に形成された薄膜に発生したクラック、シワ、亀裂、膜剥がれの有無を目視により確認した。

膜応力の測定方法には円盤法を用いた。
基板のヤング率Ｅｓ、基板のポアソン比Ｖｓ、基板の厚さｂ、光学薄膜の厚さｄ、基板の曲率半径ｒのとき、膜応力σは次式（３）で表される。
σ＝Ｅｓｂ^２／［６（１−Ｖｓ）ｒｄ］ ・・・（３）

具体的には、直径４インチ、厚さｂが５２５μｍのＳｉウエハを基板とともにチャンバーにセットして、このＳｉウエハ上（鏡面側）に光学薄膜を形成する。この成膜の前後でＳｉウエハ基板の変形量を測定した。

光学薄膜の厚さは次のようにして測定した。まず、ガラス平板上に油性マジックで直線を引き、Ｓｉウエハと同時にガラス平板をチャンバー内に設置し、成膜を行った。この成膜後に油性マジックの部分をエタノールで除去することにより段差を形成し、この段差の測定を行い、その値を膜厚とした。

以下、各実施例及び比較例の詳細について説明する。
（実施例１）
樹脂製基板の両面に、低屈折率材料としてＳｉＯ_２、高屈折率材料としてＴａ_２Ｏ_５を用いて多層からなる光学薄膜として反射防止膜を形成した。この反射防止膜は、基板側の１層目にＴａ_２Ｏ_５を配し、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５を交互に積層して、合計４層の構成の反射防止膜とした。

この反射防止膜では、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５の成膜中に、プラズマアシスト法として、プラズマ銃を用いてプラズマ照射を行った。
なお、プラズマアシスト法に代えて、イオンアシスト法を用いることもできる。また、プラズマアシスト法及びイオンアシスト法においては、各層を形成する材料に応じて、パラメータ（例えばガス流量、照射時間、印加出力）を制御することが好ましい。

低屈折率材料のＳｉＯ_２については、材料の形状は問わない。顆粒状、焼結体のペレットや溶融体のリングでも良い。主成分がＳｉＯ_２であれば、Ａｌ_２Ｏ_３との混合物質を用いても良い。
高屈折率材料については、Ｔａ_２Ｏ_５に代えてＴｉＯ_２やＮｂ_２Ｏ_５を用いても良い。低屈折率材料と同様に材料の形状は問わない。

（実施例２）
樹脂製基板の両面に、低屈折率材料としてＳｉＯ_２、高屈折率材料としてＴｉＯ_２を用いて多層からなる光学薄膜として反射防止膜を形成した。この反射防止膜は、基板側の１層目にＴｉＯ_２を配し、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２を交互に積層して、合計５層構成の反射防止膜としている。

この反射防止膜では、ＳｉＯ２の成膜中に、プラズマアシスト法として、プラズマ銃を用いてプラズマ照射を行った。
なお、プラズマアシスト法に代えて、イオンアシスト法を用いることもできる。また、プラズマアシスト法及びイオンアシスト法においては、各層を形成する材料に応じて、パラメータ（例えばガス流量、照射時間、印加出力）を制御することが好ましい。

低屈折率材料のＳｉＯ_２については、材料の形状は問わない。顆粒状、焼結体のペレットや溶融体のリングでも良い。主成分がＳｉＯ_２であれば、Ａｌ_２Ｏ_３との混合物質を用いても良い。
高屈折率材料については、ＴｉＯ_２に代えてＴａ_２Ｏ_５やＮｂ_２Ｏ_５を用いても良い。低屈折率材料と同様に材料の形状は問わない。主成分がＴｉＯ_２であれば、Ｌａとの混合物質を用いても良い。

（実施例３）
樹脂製基板の両面に、低屈折率材料としてＳｉＯ_２、高屈折率材料としてＴｉＯ_２、最表層にＭｇＦ_２を用いて多層からなる光学薄膜として反射防止膜を形成した。この反射防止膜は、基板側の１層目にＳｉＯ_２を配し、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２を交互に積層し、最表層にＭｇＦ_２を積層して、７層構成の反射防止膜としている。

この反射防止膜では、ＳｉＯ_２の成膜中に、プラズマアシスト法として、プラズマ銃を用いてプラズマ照射を行った。
なお、プラズマアシスト法に代えて、イオンアシスト法を用いることもできる。また、プラズマアシスト法及びイオンアシスト法においては、各層を形成する材料に応じて、パラメータ（例えばガス流量、照射時間、印加出力）を制御することが好ましい。

低屈折率材料のＳｉＯ_２については、材料の形状は問わない。顆粒状、焼結体のペレットや溶融体のリングでも良い。主成分がＳｉＯ_２であれば、Ａｌ_２Ｏ_３との混合物質を用いても良い。ＭｇＦ_２についても材料の形状は問わない。
高屈折率材料については、ＴｉＯ_２に代えてＴａ_２Ｏ_５やＮｂ_２Ｏ_５を用いても良い。低屈折率材料と同様に材料の形状は問わない。主成分がＴｉＯ_２であれば、Ｌａとの混合物質を用いても良い。

（比較例１）
実施例１と同じ膜構成で、プラズマアシスト法を用いずに、蒸着法のみにより成膜を行った。膜応力σの値は２０ＭＰａであった。

（比較例２）
実施例２と同じ膜構成で、プラズマアシスト法を用いずに、蒸着法のみにより成膜を行った。膜応力σの値は２０ＭＰａであった。

（比較例３）
実施例３と同じ膜構成で、プラズマアシスト法を用いずに、蒸着法のみにより成膜を行った。膜応力σの値は３０ＭＰａであった。

図２は、ＳｉＯ_２成膜時のプラズマ銃への印加出力（単位Ｗ）と膜応力σ（単位ＭＰａ）の関係を示すグラフである。図３はＴｉＯ_２成膜時の、プラズマ銃への印加出力（単位Ｗ）と膜応力σ（単位ＭＰａ）の関係を示すグラフである。図４はＭｇＦ_２成膜時の、プラズマ銃への印加出力（単位Ｗ）と膜応力σ（単位ＭＰａ）の関係を示すグラフである。図５は、Ｔａ_２Ｏ_５成膜時の、プラズマ銃への印加出力（単位Ｗ）と膜応力σ（単位ＭＰａ）の関係を示すグラフである。図６は、｜Ｅ／Ｒ｜と成膜直後の膜応力σ（単位ＭＰａ）の初期値との関係を示すグラフである。ここで、プラズマ銃への印加出力は、放電電圧（単位Ｖ）×放電電流値（単位Ａ）で算出している。

図２〜５から分かるように、プラズマ銃への印加出力と膜応力σの絶対値は比例関係を示している。請求項の範囲内に入るように、光学薄膜の膜応力σを適切な値に設定することにより、プラズマアシスト法を適用することにより光学薄膜の耐久性が向上していることが分かる。

図６において、○印は環境試験後に外観不良の発生がなかったことを示しており、×印は外観不良の発生があったことを示している。また、同じ値の膜応力σで横に並んでいるデータは、表１の３種類の基板の各面に対応する。図６では、３つの膜応力σを例示しているのみであり、すべての実施例において３つの膜応力σを有する光学薄膜を形成できる。

図６では、破線の右上において外観不良が発生しており、破線の左下においては外観不良が発生していない。すなわち、｜Ｅ／Ｒ｜及び膜応力σの絶対値が一定の値より大きいと外観不良が発生しやすいと考えられる。

さらに、比較例では、環境試験の途中の２５０時間経過後に既にクラックが発生していた。これに対して、各実施例において外観不良が発生しなかったものにおいては、環境試験を開始してから１０００時間後の膜応力σの経時変化量が初期値に比較して、１００ＭＰａ以内であった。

以上のように、本発明は、温度、湿度その他の環境の変化に対する、樹脂製基板上の光学薄膜の耐久性が向上した光学部品に有用である。

１０ 光学部品
１１ 基板
１２ 光学薄膜

Claims (12)

1. 基板上に光学薄膜を成膜してなる光学部品であって、
   前記基板の光学的有効径をＥ、前記基板の曲率半径をＲとしたときに、ＥとＲの比の絶対値ｘ＝｜Ｅ／Ｒ｜が０〜３の範囲において、膜応力σが次式（１）を満たすことを特徴とする光学部品。
   σ≦−３０ｘ ・・・（１）
2. 前記膜応力σが次式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
   −３０ｘ−３００≦σ≦−３０ｘ ・・・（２）
3. 前記光学薄膜が前記基板の両面に成膜されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学部品。
4. 前記基板の材質が樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学部品。
5. 前記光学薄膜の少なくとも一層がイオンアシスト法又はプラズマアシスト法を用いて形成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光学部品。
6. 前記イオンアシスト法又は前記プラズマアシスト法で形成する層の構成材料に応じて、前記イオンアシスト法又は前記プラズマアシスト法のパラメータを制御することを特徴とする請求項５に記載の光学部品。
7. 基板上に光学薄膜を成膜する工程を有する光学部品の製造方法であって、
   前記基板の光学的有効径をＥ、前記基板の曲率半径をＲとしたときに、ＥとＲの比の絶対値ｘ＝｜Ｅ／Ｒ｜が０〜３の範囲において、膜応力σが次式（１’）を満たすことを特徴とする光学部品の製造方法。
   σ≦−３０ｘ ・・・（１）
8. 前記膜応力σが次式（２）を満たすことを特徴とする請求項７に記載の光学部品の製造方法。
   −３０ｘ−３００≦σ≦−３０ｘ ・・・（２）
9. 前記光学薄膜が前記基板の両面に成膜されていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の光学部品の製造方法。
10. 前記基板の材質が樹脂であることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の光学部品の製造方法。
11. 前記光学薄膜の少なくとも一層がイオンアシスト法又はプラズマアシスト法を用いて形成されることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の光学部品の製造方法。
12. 前記イオンアシスト法又は前記プラズマアシスト法で形成する層の構成材料に応じて、前記イオンアシスト法又は前記プラズマアシスト法のパラメータを制御することを特徴とする請求項１１に記載の光学部品の製造方法。

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