JP2012018309A

JP2012018309A - 光学素子の成形方法

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Publication number: JP2012018309A
Application number: JP2010155742A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yoneya; 公一米谷
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2012-01-26

Abstract

【課題】微粒子分散紫外線硬化樹脂を用いて光学素子をレプリカ成形法で成形する工程で、紫外線硬化時に樹脂層の膜厚方向に屈折率分布が発生するのを抑制する。
【解決手段】透明基板１１上に樹脂層１２を成形するための型に、微粒子分散紫外線硬化樹脂を充填し、加熱しながら波長３８０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下の可視光を照射した後、紫外線を照射する。加熱をして可視光照射する工程により樹脂層をより早く均一に硬化することで屈折率分布を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線硬化樹脂を用いた光学素子をレプリカ成形法により成形する光学素子の成形方法に関するものである。

紫外線硬化樹脂を用いた光学素子は、回折光学素子や非球面レンズなどが挙げられる。これらの光学素子の成形方法としてレプリカ成形法が知られている。レプリカ成形法の一例を挙げると、型に紫外線硬化樹脂を滴下し、樹脂の上から透明基板を用いて樹脂を押圧し、型と透明基板の間に紫外線硬化樹脂を充填する。その後、紫外光を照射して樹脂を硬化させ、型から樹脂と透明基板を一体として離型させる。

この紫外線硬化樹脂を用いたレプリカ成形法としては、単に紫外光を照射して樹脂を硬化させるだけではなく、特許文献１に開示されたように、樹脂の硬化を促進するために加熱しながら紫外線を照射する方法が知られている。また、特許文献２には、硬化による樹脂の収縮を抑制するため、一たん紫外線硬化樹脂の開始剤吸収波長以下の光をカットした光を照射した後に、紫外線を照射する方法が開示されている。

特開平４−３３８５１５号公報特開平５−１８１００３号公報

近年、樹脂の屈折率などの光学特性、硬度、吸水率、線膨張係数などの物性値を調節するため、微粒子を分散させた紫外線硬化樹脂の使用が検討されている。しかしながら、微粒子分散紫外線硬化樹脂をレプリカ成形する場合は、光照射により膜厚方向に屈折率分布が発生し光学性能が悪化するという課題があった。

微粒子分散紫外線硬化樹脂の屈折率分布の主要因は、樹脂層の膜厚方向に照度分布ができることである。照射された紫外線は微粒子により遮られるため、樹脂層の照射側の面と、逆側の面とでは、大きな照度分布ができてしまう。従って、樹脂層の照射側の面の硬化速度は早く、逆側の面の硬化速度は遅くなる。そして、硬化速度の差により、粘度に差ができてしまうため、微粒子は流動性が低くなった樹脂の照射側の面から、流動性の高い照射と逆側の面に流れ込む。流れ込んだ状態で樹脂は硬化するため、膜厚方向に屈折率分布が発生する。

たとえば、フッ素系樹脂にナノサイズのＩＴＯ微粒子を分散させた微粒子分散紫外線硬化樹脂の場合は、微粒子の入っていない紫外線硬化樹脂と比べて、屈折率分布が１０倍以上大きくなってしまう。屈折率分布の程度は、樹脂の種類や微粒子の種類によって異なり、フッ素系樹脂の場合は、微粒子との相溶性が悪くなる傾向があるため、屈折率分布が発生し易い。

本発明は、樹脂層の膜厚方向の屈折率分布を抑制することができる光学素子の成形方法を提供することを目的とするものである。

本発明の光学素子の成形方法は、レプリカ成形法による光学素子の成形方法において、光学素子の樹脂層を成形するための型に微粒子分散紫外線硬化樹脂を充填する工程と、型に充填した微粒子分散紫外線硬化樹脂を加熱し、加熱を継続しながら波長３８０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下の可視光を照射する工程と、可視光を照射した微粒子分散紫外線硬化樹脂に紫外線を照射する工程と、を有することを特徴とする。

型に充填した微粒子分散紫外線硬化樹脂を加熱と可視光（波長３８０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下）照射を組み合わせる工程を経ることで樹脂層をより早く均一に硬化することができ微粒子の流れ込みを防ぐことができる。次いで、紫外線による硬化処理を行うことで、樹脂層の屈折率分布を抑制することができる。

第１の実施形態に係るもので、（ａ）は回折光学素子の膜構成を示す模式断面図、（ｂ）は微粒子分散紫外線硬化樹脂の開始剤吸収スペクトルを示すグラフ、（ｃ）は微粒子分散紫外線硬化樹脂の加熱時間と硬化後屈折率変化を示すグラフである。第１の実施形態による回折光学素子の成形方法を示す工程図である。第２の実施形態に係る回折光学素子の膜構成を示す模式断面図である。第２の実施形態による回折光学素子の成形方法を示す工程図である。

図１（ａ）は、第１の実施形態に係る回折光学素子（回折光学素子）１０を示すもので、透明基板１１と、硬化した微粒子分散紫外線硬化樹脂からなる樹脂層１２を有する。紫外線硬化樹脂はフッ素系樹脂であり、微粒子は、ナノサイズのＩＴＯ微粒子を使用した。この樹脂の開始剤吸収スペクトルを図１（ｂ）に示す。このグラフからわかるように、開始剤が光を吸収し、樹脂が硬化する光の上限波長は４１０ｎｍである。この樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）は９０℃である。樹脂層１２の表面には、格子高さ８μｍ、ベース膜厚３μｍの回折格子１０ａが形成されている。

図２は、レプリカ成形法による回折光学素子１０の製造方法を示す工程図である。まず、図２（ａ）に示すように、同心円状に格子が切削加工された金型（型）１に、微粒子分散紫外線硬化樹脂２を滴下する。次に、図２（ｂ）に示すように、透明基板１１を用いて微粒子分散紫外線硬化樹脂２を押圧し、金型１と透明基板１１の間に微粒子分散紫外線硬化樹脂２を充填する。なお、透明基板１１の樹脂が接する面には密着剤としてシランカップリング剤が薄く均等に塗布してある。また、金型１の非有効部の全周には透明基板１１を突き当てるための高さ３μｍ幅１ｍｍの土手が加工されており、樹脂のベース膜厚を均等にすることができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、金型１をヒーター３によって加熱する。これは、予め加熱することで光照射時の温度ムラを無くすことが目的である。この時の加熱温度は、５０℃以上ガラス転移温度（Ｔｇ）以下が好ましい。５０℃より低い温度では、光照射時の温度ムラを無くす効果が少なくなり、Ｔｇより高温に加熱すると樹脂自体が変質してしまうからである。図１（ｃ）に、８０℃で加熱した際の、加熱時間と屈折率変化を示す。このグラフからわかるように、加熱時間は５分以上１５分以下で十分であり、それ以上加熱時間を増やしても光学特性に変化はない。

次に、図２（ｄ）に示すように、（ｃ）に示す加熱を継続した状態で３８０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下の可視光を照射する。加熱しながら可視光照射を行う理由としては、可視光照射だけでは硬化が不十分なためであり、硬化を促進することを目的としている。

波長３８０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下の可視光を照射する理由は以下の通りである。光照射に用いる水銀ランプは樹脂を硬化させるときに使う輝線として３６５ｎｍ、４０５ｎｍの２輝線があり、３６５ｎｍの輝線は、樹脂の透過率が悪いため、樹脂の膜厚方向に照度分布が発生し、屈折率分布が発生してしまう。そこで、水銀ランプの３６５ｎｍの輝線を除くために３８０ｎｍ以下の光はカットする。

また、紫外線硬化樹脂は紫外光域より可視光域の透過率が良い。従って、できるだけ波長の長い光が有効であるが、紫外線硬化樹脂の開始剤吸収波長の上限波長以下でなければ硬化が始まらない。図１（ｂ）からわかるように、４１０ｎｍ以下が要求される光の波長である。

その後、図２（ｅ）に示すように、室温に戻した状態で紫外線を照射し、（ｆ）に示すように、金型１から透明基板１１と樹脂層１２を一体として離型する。このような工程で、図１（ａ）に示す回折光学素子１０を成形する。

作成した光学素子の屈折率分布を評価するため、上面と下面のｄ線（５８７．６ｎｍ）の屈折率差を測定する。測定方法は、樹脂層に光を入射したときの臨界角から屈折率を測定することができるアッベ式屈折率計（カルニュー光学製）を用いて測定する。屈折率分布は膜厚方向に発生するため、上面と下面の屈折率差を見ることで屈折率分布のＰＶ値がわかる。

回折光学素子の上面（回折格子側）の屈折率を正確に測定することは難しいため、２枚の平板基板の間に、微粒子分散紫外線硬化樹脂を１１ｕｍ厚で前述の成形方法と同じ加熱、照射方法で樹脂を硬化させたサンプルを用いて屈折率を測定する。

図１に示した回折光学素子１０を図２に示す方法によって成形した。まず、図２（ａ）に示すように、同心円状に格子が切削加工された金型１に、微粒子分散紫外線硬化樹脂２を滴下する。次に、図２（ｂ）に示すように、透明基板１１を用いて微粒子分散紫外線硬化樹脂２を押圧し、金型１と透明基板１１の間に微粒子分散紫外線硬化樹脂２を充填する。この時の押圧する荷重は９８０Ｎである。なお、透明基板１１の樹脂が接する面には密着剤としてシランカップリング剤が薄く均等に塗布してある。また、金型１の非有効部の全周には透明基板１１を突き当てるための高さ３μｍ幅１ｍｍの土手が加工されており、樹脂のベース膜厚を均等にすることができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、金型１をヒーター３によって加熱する。加熱温度は８０℃とし、５分間加熱を行った。これは予め加熱することで照射時の温度ムラを無くすことが目的である。図２（ｄ）に示すように、（ｃ）に示す加熱を継続した状態で３８０ｎｍ以下の波長をカットするフィルター４を用いて水銀ランプから光を照射する。光の照度の中心波長は４０５ｎｍで、照射エネルギーは４ｍＷ／ｃｍ^２あり、照射時間は４００秒である。

その後、図２（ｅ）に示すように、室温に戻した状態で紫外線を照射した。このときの照度は３６５ｎｍの波長で５ｍＷ／ｃｍ^２であり、照射時間は３００秒である。その後照度を上げ、３６５ｎｍの波長で３０ｍＷ／ｃｍ^２を１０００秒照射した。

その後、図２（ｆ）に示すように、金型１から透明基板１１と樹脂層１２を一体として離型する。このような工程で回折光学素子１０を成形した。作成した素子の屈折率分布を評価するため、上面と下面のｄ線（５８７．６ｎｍ）の屈折率差を測定した結果、表１に示すように、上面と下面の屈折率差は０．００７８であった。

〔比較例１〕
実施例１において加熱を行わなかった以外は同じ方法で回折光学素子を成形した。作成した素子の屈折率分布を評価するため、上面と下面のｄ線（５８７．６ｎｍ）の屈折率差を測定した結果、表１に示すように、上面と下面の屈折率差は０．０１００であった。

実施例１において３８０ｎｍ以下の波長をカットするフィルターを用いて水銀ランプから光を照射する時間を３倍の１２００秒に変更した以外は同じ方法で回折光学素子を成形した。作成した素子の屈折率分布を評価するため、上面と下面のｄ線（５８７．６ｎｍ）の屈折率差を測定した結果、表１に示すように、上面と下面の屈折率差は０．００７８であった。

実施例１における３８０ｎｍ以下の波長をカットするフィルターを、４１０ｎｍ以下の波長をカットするフィルターにかえて、照射時間を１２００ｓｅｃにした以外は同じ方法で回折光学素子を成形した。作成した素子の屈折率分布を評価するため、上面と下面のｄ線（５８７．６ｎｍ）の屈折率差を測定した結果、表１に示すように、上面と下面の屈折率差は０．００９５であった。

〔比較例２〕
実施例１における３８０ｎｍ以下の波長をカットするフィルターを、４２０ｎｍ以下の波長をカットするフィルターにかえて、照射時間を１２００ｓｅｃにした以外は同じ方法で回折光学素子を成形した。作成した素子の屈折率分布を評価するため、上面と下面のｄ線（５８７．６ｎｍ）の屈折率差を測定した結果、表１に示すように、上面と下面の屈折率差は０．０１１０であった。

表１からわかるように、加熱を行った場合（実施例１及び比較例２）は、加熱をしない場合（比較例１）に比べて屈折率差が０．００２２低減している。また、３８０ｎｍ以下の波長をカットするフィルターを用いて水銀ランプからの光を４ｍＷ／ｃｍ^２で４００秒以上照射しても屈折率差に影響がないことがわかった。

加熱をしながら４１０ｎｍ以下の波長をカットするフィルターを用いて水銀ランプからの光を４ｍＷ／ｃｍ^２で１２００秒照射した場合（実施例３）加熱をしない場合（比較例１）にくらべて屈折率差が０．０００５低減している。

加熱をしながら照射する光を４２０ｎｍ以上にした場合（比較例２）は、４２０ｎｍ以上の光だけでは樹脂が硬化しにくいため、屈折率差が改善しない。

カメラ用レンズに用いる回折光学素子における屈折率の公差として０．０００５以下が求められており、回折光学素子の光学性能を改善させるためには０．０００５以上屈折率差が低減することが必要となる。そのため、加熱をしながら照射する光の波長域は３８０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下が屈折率差の低減に効果があるといえる。

図３は、第２の実施形態に係る回折光学素子２０を示す。この回折光学素子２０は、透明基板２１、高屈折低分散材料の樹脂層２２、低屈折高分散材料の樹脂層２３、透明基板２４からなり、高屈折低分散材料の樹脂層２２と低屈折高分散材料の樹脂層２３の界面に同心円状の回折格子２０ａを有する。この密着２層式の回折光学素子２０の格子高さは８μｍであり、高屈折低分散材料の樹脂層２２側のベース膜厚は３０μｍ、低屈折高分散材料の樹脂層２３側のベース膜厚は３μｍである。低屈折高分散材料の樹脂層２３は、フッ素系紫外線硬化樹脂にナノサイズのＩＴＯ微粒子を分散させた微粒子分散紫外線硬化樹脂の樹脂層である。

まず、図４（ａ）に示すように、同心円状に格子が切削加工された金型１に、高屈折低分散材料である紫外線硬化樹脂２ａを滴下し、透明基板２１のシランカップリング処理面を樹脂に押し当てて型上に充填し、（ｂ）に示すように、紫外線を照射する。その後、図４（ｃ）に示すように、金型１から透明基板２１と樹脂層２２を一体として離型し、加熱アニールすることで反応を進ませると同時に応力を緩和させる。このようにアニール処理をすることで、以後の変形を抑えることができる。

次に、図４（ｄ）に示すように、樹脂層２２に低屈折高分散材料である微粒子分散紫外線硬化樹脂２ｂを滴下し、（ｅ）に示すように、透明基板２４を用いて樹脂層２２上に加圧充填する。離型直前まで加圧は続ける。ここで、樹脂層２２の非有効部の全周には透明基板２４を突き当てるための高さ３μｍ幅１ｍｍの土手が成形されており、樹脂のベース膜厚を均等にすることができる。

次に、図４（ｆ）に示すように、保持型５を通してヒーター３によって加熱をする。この時の加熱温度は、５０℃以上ガラス転移温度以下で、光照射中の格子形状の熱変形を抑えるため加熱温度は低い方が好ましい。その後、加熱を停止し、すぐに水銀ランプからフィルター４を介して３８０ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の可視光を照射する。その後、図４（ｇ）に示すように、紫外線を照射する。このような工程で、図４（ｈ）に示すように、密着２層式の回折光学素子２０を成形する。作成した素子の屈折率分布を評価するための測定方法は第１の実施形態と同様である。

まず、同心円状に格子が切削加工された金型１に、高屈折低分散材料である紫外線硬化樹脂２ａを滴下し、透明基板２１のシランカップリング処理面を樹脂に押し当て型上に充填する。充填後に紫外線を３０Ｊ照射する。その後、金型１から透明基板２１と樹脂層２２を一体として離型し樹脂層２２を成形する。次に、樹脂層２２を８０℃のオーブンで７２時間加熱アニールすることで反応を進ませると同時に応力を緩和させた後、樹脂層２２に低屈折高分散材料である微粒子分散紫外線硬化樹脂２ｂを滴下し、透明基板２４を用いて樹脂層２２上に加圧充填する。離型直前まで加圧は続け、荷重は９８０Ｎである。ここで、樹脂層２２の非有効部の全周には透明基板２４を突き当てるための高さ３μｍ幅１ｍｍの土手が成形されており、樹脂のベース膜厚を均等にすることができる。

次に、保持型５を通してヒーター３によって加熱をする。加熱温度は５０℃とし５分加熱した後、加熱をやめ、すぐに４００ｎｍ以下の波長をカットするフィルター４を用いて水銀ランプから光を照射する。このときの照度は４０５ｎｍの波長で４ｍＷ／ｃｍ^２であり、照射時間は４００秒である。その後、紫外線を照射する。このときの照度は３６５ｎｍの波長で５ｍＷ／ｃｍ^２であり、照射時間は３００秒である。その後照度を上げ、３６５ｎｍの波長で３０ｍＷ／ｃｍ^２、１０００秒照射する。このような工程で、密着２層式の回折光学素子２０を成形した。作成した素子の屈折率分布を評価するため、上面と下面のｄ線（５８７．６ｎｍ）の屈折率差を測定した結果、表２に示すように、上面と下面の屈折率差は０．００９２であった。

〔比較例３〕
実施例２において加熱を行わなかった以外は同じ方法で回折光学素子を成形した。作成した素子の屈折率分布を評価するため、上面と下面のｄ線（５８７．６ｎｍ）の屈折率差を測定した結果、表２に示すように、上面と下面の屈折率差は０．０１００であった。

表２からわかるように、加熱をした場合（実施例４）は、加熱をしない場合（比較例３）に比べて屈折率差が０．０００８低減している。前述のように回折光学素子の光学性能を改善させるためには、０．０００５以上屈折率差が低減することが必要となる。このことから、本実施例では、屈折率分布を低減することができる。

１金型
３ヒーター
４フィルター
５保持型
１０、２０回折光学素子
１１、２１、２４透明基板
１２、２２、２３樹脂層

Claims

レプリカ成形法による光学素子の成形方法において、
光学素子の樹脂層を成形するための型に微粒子分散紫外線硬化樹脂を充填する工程と、
型に充填した微粒子分散紫外線硬化樹脂を加熱し、加熱を継続しながら波長３８０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下の可視光を照射する工程と、
可視光を照射した微粒子分散紫外線硬化樹脂に紫外線を照射する工程と、を有することを特徴とする光学素子の成形方法。
レプリカ成形法による光学素子の成形方法において、
光学素子の樹脂層を成形するための型に微粒子分散紫外線硬化樹脂を充填する工程と、
型に充填した微粒子分散紫外線硬化樹脂を加熱する工程と、
加熱した微粒子分散紫外線硬化樹脂に波長３８０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下の可視光を照射する工程と、
加熱をせずに、可視光を照射した微粒子分散紫外線硬化樹脂に紫外線を照射する工程と、を有することを特徴とする光学素子の成形方法。
型に充填した微粒子分散紫外線硬化樹脂を加熱する温度は、５０℃以上ガラス転移温度以下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子の成形方法。
型に充填した微粒子分散紫外線硬化樹脂を加熱する時間は、５分以上１５分以下とすることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学素子の成形方法。