JP2014071286A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 生産性に優れた光学素子を提供すること。
【解決手段】 レリーフ構造を有し、且つ可視光反射率が低い複数の微細レリーフ領域Ｒ１と、光を反射する複数の鏡面領域Ｒ２とを備え、前記各微細レリーフ領域Ｒ１と前記各鏡面領域Ｒ２とが互いに隣接して周期的に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子に関する。

現在、セキュリティ用途に適した光学素子（例えば、回折格子や偏光分離素子等）は種々様々考案されている。

一般的に、回折格子や偏光分離素子は、反射、透過及び吸収等の光学的な特徴を周期的に変化させることで作成される。

例えば、銀塩による回折格子は、２光束の干渉光を銀塩膜上に露光することによりストライプ状の吸収層を形成することで作成される。

また、ワイヤーグリッド偏光分離素子は、細かな金属のストライプを形成することで作成される。

特開２００８−２７５７４０号公報

しかしながら、上記した作成手法で作成された光学素子は、生産性が低く、作成された光学素子自体も高価であるという不都合がある。

そこで、本発明の目的は、生産性に優れた光学素子（回折格子又は偏光分離素子）を提供することである。

第１の局面に対応する発明は、レリーフ構造を有し、且つ可視光反射率が低い複数の微細レリーフ領域と、光を反射する複数の鏡面領域とを備え、前記各微細レリーフ領域と前記各鏡面領域とが互いに隣接して周期的に設けられることを特徴とする光学素子である。

第２の局面に対応する発明は、第１の局面に対応する光学素子において、前記各微細レリーフ領域及び前記各鏡面領域は、それぞれ、樹脂層及び金属層を含み、当該樹脂層上に当該金属層が蒸着されることを特徴とする光学素子である。

第３の局面に対応する発明は、第１又は第２の局面に対応する光学素子において、互いに隣接した１組の微細レリーフ領域と鏡面領域との幅を示すピッチに応じて、回折格子又は偏光分離素子として機能することを特徴とする光学素子である。

第４の局面に対応する発明は、第３の局面に対応する光学素子において、前記ピッチが、０．５μｍ乃至１０μｍの範囲内であるときに、回折格子として機能することを特徴とする光学素子である。

第５の局面に対応する発明は、第３の局面に対応する光学素子において、前記ピッチが、０．１μｍ乃至１．０μｍの範囲内であるときに、偏光分離素子として機能することを特徴とする光学素子である。

本発明は、生産性に優れた光学素子を提供することを可能とする。

本発明の一態様に係る光学素子を概略的に示す平面図である。 図１に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図２に示す光学素子の一部を拡大して示す断面図である。 光学素子の製造方法を概略的に示す断面図である。 光学素子の製造方法を概略的に示す断面図である。

以下、本発明の態様について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同様又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一態様に係る光学素子を概略的に示す平面図である。また、図２は、図１に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。更に、図３は、図２に示す光学素子の一部を拡大して示す断面図である。

図１及び図２に示す光学素子１０には、複数の微細レリーフ領域Ｒ１と鏡面領域Ｒ２とが互いに隣接して周期的に設けられている。なお、本態様では、図１及び図２に示すように、互いに隣接した１組の微細レリーフ領域Ｒ１と鏡面領域Ｒ２との幅を「ピッチ」Ｐと称するものとする。

これら各微細レリーフ領域Ｒ１及び各鏡面領域Ｒ２は、図３に示すように、レリーフ構造形成層１００及び反射層２００から構成される。レリーフ構造形成層１００の一方の主面には、凹構造及び／又は凸構造が周期的に設けられている（即ち、各微細レリーフ領域Ｒ１に対応した位置にのみ凹構造及び／又は凸構造が設けられている）。反射層２００は、レリーフ構造形成層１００の先の主面全体を被覆している。

以下では、まず、光学素子１０の製造方法について、図４及び図５を参照しながら説明する。

図４及び図５は、光学素子の製造方法を概略的に示す断面図である。

この方法では、まず、図４に示すように、互いに隣接した複数の微細レリーフ領域Ｒ１と鏡面領域Ｒ２とを含んだ主面を有したレリーフ構造形成層１００を準備する。但し、ピッチＰは、０．５μｍ乃至１０μｍの範囲内、又は、０．１μｍ乃至１．０μｍの範囲内とする。つまり、全てのピッチＰを０．５μｍ乃至１０μｍの範囲内とする、又は、全てのピッチＰを０．１μｍ乃至１．０μｍの範囲内とする必要がある。

各微細レリーフ領域Ｒ１には、凹構造及び／又は凸構造が設けられている。各鏡面領域Ｒ２は平坦面である。凹構造及び凸構造は、それぞれ、複数の凹部及び凸部からなる。これら凹部又は凸部は、例えばストライプ状に配置されている。

また、図示しないが、回折構造面、散乱構造面を設けることもできる。

これら複数の凹部又は凸部の長さ方向に垂直な断面の形状は、例えば、Ｖ字形状及びＵ字形状等の先細り形状とするか又は矩形状とする。図４には、一例として、上記の断面形状がＶ字形状である場合を描いている。

レリーフ構造形成層１００は、例えば、基材上に熱可塑性樹脂を塗布し、これに上記の凸部と平坦面とが設けられた原版を、熱を印加しながら押し当てる方法により形成する。この場合、上記の熱可塑性樹脂としては、例えばアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、セルロース系樹脂、ビニル系樹脂、これらの混合物、又は、これらの共重合物を使用する。

或いは、レリーフ構造形成層１００は、基材上に熱硬化性樹脂を塗布し、これに上記の凸部と平坦面とが設けられた原版を押し当てながら熱を印加し、その後、原版を取り除く方法により形成してもよい。この場合、熱硬化性樹脂としては、例えば、ウレタン樹脂、メラミン系樹脂、エポキシ樹脂、フェノール系樹脂、これらの混合物、又は、これらの共重合物を使用する。なお、このウレタン樹脂は、例えば、反応性水酸基を有したアクリルポリオール及びポリエステルポリオール等に、架橋剤としてポリイソシアネートを添加して、これらを架橋させることにより得られる。

或いは、レリーフ構造形成層１００は、基材上に放射線硬化樹脂を塗布し、これに原版を押し当てながら紫外線等の放射線を照射して上記材料を硬化させ、その後、原版を取り除く方法により形成してもよい。或いは、レリーフ構造形成層１００は、基材と原版との間に上記組成物を流し込み、放射線を照射して上記材料を硬化させ、その後、原版を取り除く方法により形成してもよい。

放射線硬化樹脂は、典型的には、重合性化合物と開始剤とを含んでいる。

重合性化合物としては、例えば、光ラジカル重合が可能な化合物を使用する。光ラジカル重合が可能な化合物としては、例えば、エチレン性不飽和結合又はエチレン性不飽和基を有したモノマー、オリゴマー又はポリマーを使用する。或いは、光ラジカル重合が可能な化合物として、１，６−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコールジアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ペンタエリスリトールペンタアクリレート及びジペンタエリスリトールヘキサアクリレート等のモノマー、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート及びポリエステルアクリレート等のオリゴマー、又は、ウレタン変性アクリル樹脂及びエポキシ変性アクリル樹脂等のポリマーを使用してもよい。

重合性化合物として光ラジカル重合が可能な化合物を使用する場合、開始剤としては、光ラジカル重合開始剤を使用する。この光ラジカル重合開始剤としては、例えば、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル及びベンゾインエチルエーテル等のベンゾイン系化合物、アントラキノン及びメチルアントラキノン等のアントラキノン系化合物、アセトフェノン、ジエトキシアセトフェノン、ベンゾフェノン、ヒドロキシアセトフェノン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、α−アミノアセトフェノン及び２−メチル−１−（４−メチルチオフェニル）−２−モルホリノプロパン−１−オン等のフェニルケトン系化合物、ベンジルジメチルケタール、チオキサントン、アシルホスフィンオキサイド、又は、ミヒラーズケトンを使用する。

或いは、重合化合物として、光カチオン重合が可能な化合物を使用してもよい。光カチオン重合が可能な化合物としては、例えば、エポキシ基を備えたモノマー、オリゴマー若しくはポリマー、オキセタン骨格含有化合物、又は、ビニルエーテル類を使用する。

重合性化合物として光カチオン重合が可能な化合物を使用する場合、開始剤としては、光カチオン重合開始剤を使用する。この光カチオン重合開始剤としては、例えば、芳香族ジアゾニウム塩、芳香族ヨードニウム塩、芳香族スルホニウム塩、芳香族ホスホニウム塩又は混合配位子金属塩を使用する。

或いは、重合性化合物として、光ラジカル重合が可能な化合物と光カチオン重合が可能な化合物との混合物を使用してもよい。この場合、開始剤としては、例えば、光ラジカル重合開始剤と光カチオン重合開始剤との混合物を使用する。或いは、この場合、光ラジカル重合及び光カチオン重合の双方の開始剤として機能し得る重合開始剤を使用してもよい。このような開始剤としては、例えば、芳香族ヨードニウム塩又は芳香族スルホニウム塩を使用する。

なお、放射線硬化樹脂に占める開始剤の割合は、例えば、０．１乃至１５質量％の範囲内とする。

放射線硬化樹脂は、増感色素、染料、顔料、重合禁止剤、レベリング剤、消泡剤、タレ止め剤、付着向上剤、塗面改質剤、可塑剤、含窒素化合物、エポキシ樹脂等の架橋剤、離型剤又はこれらの組み合わせを更に含んでいてもよい。また、放射線硬化樹脂には、その成形性を向上させるべく、非反応性の樹脂を更に含有させてもよい。この非反応性の樹脂としては、例えば、上記の熱可塑性樹脂及び／又は熱硬化性樹脂を使用することができる。

レリーフ構造形成層１００の形成に用いる上記の原版は、例えば、電子線描画装置又はナノインプリント装置を用いて製造する。こうすると、上述した複数の凹部又は凸部を高い精度で形成することができる。なお、通常は、原版の凹凸構造を転写して反転版を製造し、この反転版の凹凸構造を転写して複製版を製造する。そして、必要に応じ、複製版を原版として用いて反転版を製造し、この反転版の凹凸構造を転写して複製版を更に製造する。実際の製造では、通常、このようにして得られる複製版を使用する。

レリーフ構造形成層１００は、典型的には、基材と、その上に形成された樹脂層とを含んでいる。この基材としては、典型的には、フィルム基材を使用する。このフィルム基材としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルム及びポリプロピレン（ＰＰ）フィルム等のプラスチックフィルムを使用する。或いは、基材として、紙、合成紙、プラスチック複層紙又は樹脂含浸紙を使用してもよい。なお、基材は、省略してもよい。

樹脂層は、例えば、上述した方法により形成される。樹脂層の厚みは、例えば０．１μｍ乃至１０μｍの範囲内とする。この厚みが過度に大きいと、加工時の加圧等による樹脂のはみ出し及び／又は皺の形成が生じ易くなる。この厚みが過度に小さいと、所望の凹構造及び／又は凸構造の形成が困難となる場合がある。また、樹脂層の厚みは、その主面に設けるべき凹部又は凸部の深さ又は高さと等しくするか又はそれより大きくする。この厚みは、例えば、凹部又は凸部の深さ又は高さの１乃至１０倍の範囲内とし、典型的には、その３乃至５倍の範囲内とする。

なお、レリーフ構造形成層１００の形成は、例えば、特許第４１９４０７３号公報に開示されている「プレス法」、実用新案登録第２５２４０９２号公報に開示されている「キャスティング法」、又は、特開２００７−１１８５６３号公報に開示されている「フォトポリマー法」を用いて行ってもよい。

次いで、図５に示すように、レリーフ構造形成層１００の材料とは異なる材料を、微細レリーフ領域Ｒ１及び鏡面領域Ｒ２の全体（即ち、レリーフ構造形成層１００の主面全体）に対して気相堆積させることにより、反射層２００が形成される。

反射層２００を形成する材料としては、可視光を透過せず且つ可視光の反射率の高い物質、例えば、レリーフ構造形成層１００の材料との屈折率の差が０．２以上である材料を使用する。この差が小さいと、レリーフ構造形成層１００と反射層２００との界面における反射が生じ難くなる場合がある。また、金属材料を用いることができる。

材料としては典型的には、Ａｌ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ及びこれらの合金からなる群より選択される少なくとも１つの金属材料を使用する。

なお、反射層の膜厚は、以下の（１）及び（２）式を満たすように設定されることが好ましい。但し、ｔは反射層２００の膜厚を示し、ｋは消光係数を示し、αは吸収係数を示し、λ_ｍｉｎは可視光域の最短波長を示すものとする。

ｔ＞１／α …（１）
α＝４πｋ／λ_ｍｉｎ …（２）
一般に、金属及びその化合物は各々固有の光吸収を示すが、いずれにおいても上記（１）式及び（２）式に示す条件を満たせば、ほぼ可視光域全てにわたって高い反射率を得ることができる。例えばＡｌの場合、可視光域の最短波長λ_ｍｉｎを３８０ｎｍとすれば消光係数ｋは約４．６であり、膜厚は６ｎｍ乃至７ｎｍ以上の膜厚とすればよい。

但し、反射層２００の見かけ上の膜厚が視角により異なることには留意する必要がある。例えば、微細レリーフ領域Ｒ１に反射層２００を形成する場合、光学素子１０に対して法線方向から観察した場合の反射層２００の膜厚と、斜め方向から観察した場合の膜厚とは異なる。このため、各微細レリーフ領域Ｒ１に反射層２００を形成する外郭線の接線に対して垂直な方向の膜厚が、上記（１）及び（２）式を満たすように設定することが好ましい。

また、微細レリーフ領域Ｒ１に形成される反射層２００は、可視光反射率が６０％以上となるような反射層であることが好ましい。可視光反射率が６０％以上であると、入射した光の透過を防ぎ、光学素子１０を法線方向から観察した際に、通常時よりさらに黒色に見えるようになる。

なお、材料の気相堆積は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法又は化学蒸着法（ＣＶＤ法）を用いて行う。

以上のようにして、図３に示す光学素子１０を得る。上述した方法によって得られる光学素子１０には、以下の特徴がある。

ピッチＰを０．５μｍ乃至１０μｍの範囲内とした上で光学素子１０を作成した場合、当該光学素子１０は反射型の回折格子として機能する。光を吸収する微細レリーフ領域Ｒ１と、光を反射する鏡面領域Ｒ２とが交互に設けられており、微細レリーフ領域Ｒ１が通常の回折格子におけるスリットとしての役割を担うため、光学素子１０は回折格子として機能する。

また、ピッチＰを０．１μｍ乃至１．０μｍの範囲内とした上で光学素子１０を作成した場合、当該光学素子１０は反射型の偏光分離素子として機能する。金属より構成される回折格子、つまり微細レリーフ領域Ｒ１に形成される回折格子を、光の波長よりも小さな間隔で配列するため、光学素子１０は偏光分離素子として機能する。

なお、上述した本態様では、各鏡面領域Ｒ２には、レリーフ構造形成層１００の平坦部分に反射層２００が形成されているとして説明したが、例えば、各鏡面領域Ｒ２にクリスタグラムが形成されるとしてもよい。

また、本態様では、ピッチＰは全てが同じ長さであるとしてもよいし、部分的に長さを変更することで絵柄を形成してもよい。同様に、ストライプの方向は一様であるとしてもよいし、部分的に方向を変更することで絵柄を形成してもよい。

更に、ピッチＰを０．５μｍ乃至１０μｍの範囲内とした上で光学素子１０を作成する場合、光学素子１０に微細レリーフ領域Ｒ１と鏡面領域Ｒ２とを交互に設けるのではなく、クロス模様や市松模様のように設けたとしても、当該光学素子１０は反射型の回折格子として機能する。

また、レリーフ構造形成層１００上に蒸着された反射層２００の一部をエッチングにより除去したとしても、ピッチＰの長さに応じて、回折格子又は偏光分離素子として機能する。

更に、上述した光学素子１０は、転写箔、ステッカー及びスレッド等に適用することが可能である。

以上説明した一態様によれば、反射型の回折格子や偏光分離素子を効率よく製造することが可能となる、つまり、生産性に優れた光学素子を提供することが可能となる。

また、本願発明は、上記態様そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記態様に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、上記態様に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる態様に亘る構成要素を適宜組合せてもよい。

まず、電子線描画器を用いて、電子線レジスト上に微細レリーフ領域Ｒ１に対応した形状を描画する。このレジストを現像し、所望の凹部又は凸部を形成した。その後、気相堆積法により導電層を成膜し、ニッケルスパッタで各凹部又は凸部の表面に導通をとり、ニッケル電鋳により金型を作成した。このようにして、版を作製した。

次に、ポリエチレンテレフタラート樹脂からなるレリーフ構造形成層１００の上に、放射線硬化樹脂からなる剥離層を塗布した。この剥離層の厚みは、２μｍであった。このようにして、原反を作成した。

続いて、上記原反の樹脂からなる層側の面に、上記金型を押し付け、レリーフ構造形成層１００側から放射線を照射することで放射線硬化樹脂を硬化させ、金型を剥離して複製を行った。このようにして、一方の主面に複数の凹部又は凸部を備えたレリーフ構造形成層１００を得た。

しかる後、レリーフ構造形成層１００の上に、アルミニウムを蒸着させた。このようにして、反射層２００を得ると共に光学素子１０を得た。なお、反射層２００の厚みは５０μｍであった。

１０…光学素子、１００…レリーフ構造形成層、２００…反射層、Ｒ１…微細レリーフ領域、Ｒ２…鏡面領域。

Claims (5)

1. レリーフ構造を有し、且つ可視光反射率が低い複数の微細レリーフ領域と、
   光を反射する複数の鏡面領域と
   を備え、
   前記各微細レリーフ領域と前記各鏡面領域とが互いに隣接して周期的に設けられることを特徴とする光学素子。
2. 前記各微細レリーフ領域及び前記各鏡面領域は、それぞれ、
   樹脂層及び金属層を含み、当該樹脂層上に当該金属層が蒸着されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 互いに隣接した１組の微細レリーフ領域と鏡面領域との幅を示すピッチに応じて、回折格子又は偏光分離素子として機能することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
4. 前記ピッチが、０．５μｍ乃至１０μｍの範囲内であるときに、回折格子として機能することを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
5. 前記ピッチが、０．１μｍ乃至１．０μｍの範囲内であるときに、偏光分離素子として機能することを特徴とする請求項３に記載の光学素子。

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