JP3644333B2

JP3644333B2 - 光学部材

Info

Publication number: JP3644333B2
Application number: JP2000007092A
Authority: JP
Inventors: 勝秀新毛; 雅宏堀; 浩一郎中村; 健一仲間; 博章山本
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2000-01-14
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2020-01-14
Also published as: JP2001201626A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に微細な凹凸形状を有する光学部材、特に微小光学素子および情報記録媒体基板に応用される光学部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折光学素子、フレネルレンズ、平板マイクロレンズ（多数の微小レンズを平板上に平行配列したレンズ列）などの光学部品、ＣＤ−ＲＯＭ、その他の情報記録媒体は、その表面に微小な凹凸構造を具備している。この表面の微小な凹凸部は、光学部品においては、光の集束もしくは拡散を行い、回折格子もしくはマイクロレンズとして機能し、そして、情報記録媒体においては、ピットまたはトラッキングガイドとして機能する。
【０００３】
これら要求を満たす微細凹凸構造を具備した光学部材を形成するために、本出願人は生産性に優れ、低コストで製造でき、かつ良好な耐候性をもった微細凹凸構造の製造方法を開示している（特許協力条約に基づいて公開された国際出願：WO99/39890）。すなわち、ガラスなど広い温度範囲で安定な基板の表面にゾル材料を膜状に塗布し、これに成形型を押し当てる。次いで離型し、熱処理することによって微細凹凸構造を前記基板上に形成できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、これら微細凹凸構造を具備した光学部品に対する要求性能は高度化している。例えば高密度波長多重通信において光分波器用に用いられる回折格子の場合、使用温度範囲内での回折波長の変動は０．５ｎｍ以下であることが求められている。しかも使用温度域、保存温度範囲に対する要求範囲も従前に比べて広くなる傾向があり、−４０℃から＋８０℃という広い温度範囲（温度差ΔＴ＝１２０ｄｅｇ）での使用が要求される場合もある。この場合、要求される回折波長の温度係数は約４．２ｐｍ／ｄｅｇ以下となる。このような要求に対しては基板材料を石英ガラスなど熱膨張係数の極めて小さい材料を使用しなければならない。ところが、石英ガラスと有機無機複合材料との密着性はやや低く、微細凹凸構造を成型型を押し当てて形成した後、離型する際、剥がれが起こる場合があり、光学部材の製造において歩留りが低下するという問題点があった。
【０００５】
この発明は、このような従来技術の改善を目的としてなされたもので、石英ガラスなどの熱膨張係数の小さい基板材料に対する有機無機複合材料の付着力を向上させる手段を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学部材は、基板の少なくとも１表面に少なくとも１層以上の固体薄膜層を形成し、該固体薄膜層の厚さ方向全体もしくは一部分に凹凸形状を形成して構成する。この際、前記固体薄膜層の下地層としてＮａあるいはＫなどの１価金属元素またはＣａなどの２価金属元素を５モル％以上１５モル％以下含有する層を基板表面に形成することにより、基板と固体薄膜層の付着力を向上させることができる。
【０００７】
なお凹凸形状を形成した前記固体薄膜層のうち少なくとも１層は、つぎの化学式１で表される有機無機複合材料を主成分とした原材料を用いて形成され、化学式１中のＲ基を成分として含むようにする。
【化１】
Ｒ_mＭＸ_n-m
ただし、Ｒはアルキルまたはアリール基（ｍ＝１，２）、Ｍは原子価ｎ（ｎ＝３，４）の金属、Ｘはアルコキシル基またはハロゲン基である。
【０００８】
あるいはつぎの化学式２で表される有機無機複合材料と増粘剤を主成分とした原材料を用いて形成される。
【化２】
ＭＸ_n
ただし、Ｍは原子価ｎ（ｎ＝３，４）の金属、Ｘはアルコキシル基またはハロゲン基である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
回折格子用基板として熱膨張係数が比較的小さくかつ加工性に優れ低価格で入手できる材料としてはガラスが代表的である。この基板表面に厚さ数μｍ〜数百μｍの有機無機複合材料膜を塗布し、その表面に断面形状が円弧、楕円弧、正弦波曲線、鋸歯状などの微細凹凸形状を形成する。
【００１０】
図１はこの発明の光学部材の例の断面図を示している。基板１上に微細凹凸形状が形成されている。この微細凹凸形状が図１（ａ）に示すように連続した峰３からなる場合、回折格子として作用し、円周上に配置される場合はフレネルレンズとして作用する。またこの微細凹凸形状が図１（ｂ）に示したように独立した円弧４または楕円弧である場合は微小レンズとして作用する。
【００１１】
この微細凹凸形状を形成する層の下に必要に応じて下地層２を設けてもよい。また、この凹凸形状表面には、本光学部材を光透過型として使用する場合、反射防止膜を成膜してもよく、光反射型として使用する場合は反射膜を成膜してもよい。
【００１２】
本発明における微細凹凸形状は以下の方法で製造する。有機無機複合材料を主成分とした液に水を添加し加水分解させる。この溶液は基板および／または微細凹凸形状を有する型の少なくともいずれか一方の表面に塗布する。この塗布膜は塑性変形可能な状態であるので、型と基板を押圧することにより、型の構造が塗布膜に転写される。その後、離型し、加熱処理すると基板上に型の微細凹凸構造を反転した構造が安定した状態で形成できる。加熱条件を選択することで微細凹凸構造が形成された膜内に含まれる有機成分の状態を制御できる。
【００１３】
本発明の発明者らは上記方法による光学素子を石英ガラスやソーダライムガラスを基板として作製してきた（特許協力条約に基づいて公開された国際出願：WO99/39890）。その際、石英ガラス基板の場合、ソーダライムガラスを基板とした場合より、離型の際、膜剥がれが生じる度合いがやや多いことに気付いていた。温度依存性の少ない光学素子を得るためには、熱膨張係数がソーダライムガラスの１／１０程度である石英ガラスの使用が望ましく、石英ガラスを使用した光学素子の歩留まり向上のためには、上記膜剥がれの頻度を低下させる必要がある。
【００１４】
そこで、ソーダライムガラスへの付着力が優れていることからヒントを得、石英基板１の表面に厚さ数μｍ〜数百μｍの有機無機複合材料膜を塗布する前に、Ｎａ，Ｋ，Ｃａなどを含むガラス薄膜の下地層２を設けるという本発明に至った。このガラス膜はソーダライムガラスをターゲットとした高周波スパッタリングにより容易に形成できる。この他、電子ビーム蒸着法などによっても成膜ができる。
このガラス薄膜を下地層とし、その上に微細凹凸形状を従来の方法で製造できる。
【００１５】
上記のように形成した固体膜層と基板との付着力をつぎのような方法で評価した。比較対象としてガラス薄膜下地層を形成せず、直接石英基板およびソーダライムガラス基板上に有機無機複合材料を塗布して形成したものを使用した。
【００１６】
測定試料の石英基板は９mm×４０mmの寸法の矩形とし、厚さは３mmのものを使用した。この基板表面にソーダライムガラスをターゲットとして高周波スパッタリングにより、ガラス薄膜を厚さ約２００nmとなるように形成した。ターゲットに含まれるＮａの濃度は約１５ｍｏｌ％であるが、Ｎａは蒸気圧が高いため、スパッタリングにより形成された薄膜に含まれる濃度はターゲットの濃度より一般に減少する。この濃度減少はスパッタリング条件によって変動するが、最低でも５ｍｏｌ％程度のＮａは残留する。
【００１７】
有機無機複合材料としてはメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランを９：１の割合で混合したものを用いた。これをアルコール希釈した後、酸水溶液を混合、撹拌し加水分解させる。次いでこの液を基板の片面に塗布し、６０℃、１５分乾燥させた。この後、同サイズのガラス薄膜のみ堆積した基板を十字になるように中央で交叉させて塗布面と薄膜面が触れるように重ねた。この試験片を８０℃に加熱したホットプレート上に置き、２枚の基板が重なった部分に２ｋｇのステンレス製の重りを乗せて加圧し、３時間の熱処理を加えて熱圧着した。
【００１８】
この２枚のガラスが接着した試験片の剥離強度を引っ張り試験器を用いて評価した。この結果、剥離強度は約１４kg/cm²であった。一方、ガラス薄膜を堆積していない石英ガラス基板では８kg/cm²、ソーダライムガラス基板では１５kg/cm²であった。すなわち、ガラス薄膜を下地層とした石英基板への付着力は、下地層がない場合に比べて１．５倍以上改善し、ほぼソーダライムガラスに近い値となることがわかった。すなわち、ガラス薄膜中のＮａ濃度が５〜１５ｍｏｌ％の範囲であれば、有機無機複合材料の付着力はほとんど変化しないといえる。
【００１９】
また有機無機複合材料は、上記以外にフェニルトリエトキシシラン、ジメチルエトキシシラン混合系、メチルトリエトキシシラン単体、テトラエトキシシランに増粘剤を添加した液、これらの液にチタン、ジルコニウム、アルミニウムなどの金属有機化合物あるいは、酸化物微粒子を添加した液、上述組成の重合体からなる液などであってもガラス下地膜の効果は発揮される。
またガラス薄膜はソーダライムガラス以外のＫやＣａの含有率の高いガラスであってもよい。
【００２０】
【発明の効果】
石英基板表面に１価もしくは２価の金属元素を５〜１５モル％含有するガラス薄膜を形成することにより、その上層の有機無機複合材料に成型型を用いて微細凹凸形状を形成する際、膜剥がれの発生が防止でき、温度係数の小さい光学素子を高い歩留まりで製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】微細凹凸形状の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１ガラス基板
２固体薄膜層
３峰状微細凹凸構造
４円弧状微細凹凸構造

Claims

基板の少なくとも１表面に少なくとも１層以上の固体膜層を形成し、該固体膜層の厚さ方向全体もしくは一部分に凹凸形状を形成した光学部材において、前記固体膜層の下地層として１価または２価の金属元素を５モル％以上１５モル％以下含む層を基板表面に形成したことを特徴とする光学部材。
請求項１記載の金属元素がＣａ、Ｋ、Ｎａのうち少なくともいずれか１種類である光学部材。
凹凸形状を形成した前記固体薄膜層の内、少なくとも１層は、つぎの化学式
Ｒ_mＭＸ_n-m
で表される有機無機複合材料を主成分とした原材料を用いて形成され、該化学式中のＲ基を成分として含むことを特徴とする請求項１または２記載の光学部材。ただし、Ｒはアルキルまたはアリール基（ｍ＝１，２）、Ｍは原子価ｎ（ｎ＝３，４）の金属、Ｘはアルコキシル基またはハロゲン基である。
凹凸形状を形成した前記固体薄膜層のうち少なくとも１層は、つぎの化学式
ＭＸ_n
で表される有機無機複合材料と増粘剤を主成分とした原材料を用いて形成されることを特徴とする請求項１または２記載の光学部材。
ただし、Ｍは原子価ｎ（ｎ＝３，４）の金属、Ｘはアルコキシル基またはハロゲン基である。