JP4108722B2 - 光学素子および光学素子製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、反射防止層が形成された合成樹脂製の光学素子、および、このような光学素子を製造する光学素子製造方法に関する。
従来、プラスチックレンズなどの合成樹脂で形成された合成樹脂製光学レンズなどにおいては、光学レンズの表面での反射を防止するために、ケイ素酸化物（ＳｉＯｘ）の薄膜を設けること、あるいは、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化カルシウム（ＣａＯ2）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）などの高屈折率材料の薄膜とケイ素酸化物（ＳｉＯ2）などの低屈折率材料の薄膜とを交互に積層した多層膜の反射防止層を設けることが提案されている。
従来例１として、アクリルレンズの表面にＳｉＯからなる屈折率ｎが１．５５以上で厚さが８９ｎｍ以下の４分の１波長膜（以下、λ／４膜という。）を蒸着し、その上にフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）からなる屈折率ｎが１．３８のλ／４膜を積層した２層膜の反射防止層が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
従来例２として、第１層としてＳｉＯ2からなる屈折率ｎ＝１．４７、膜厚ｄ＝３５４ｎｍ、光学膜厚ｎｄ＝λ０（設計波長λ０＝５２０ｎｍ）の薄膜を真空蒸着によって形成し、その上に順次、Ｔａ2Ｏ5からなる屈折率ｎ＝２．０５、光学膜厚ｎｄ＝０．０５７λ０の薄膜と、ＳｉＯ2からなる屈折率ｎ＝１．４７、光学膜厚ｎｄ＝０．１１λ０の薄膜と、Ｔａ2Ｏ5からなる屈折率ｎ＝２．０５、光学膜厚ｎｄ＝０．５３８λ０の薄膜と、ＳｉＯ2からなる屈折率ｎ＝１．４７、光学膜厚ｎｄ＝０．２５８λ０の薄膜を積層した５層膜からなる反射防止層が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
従来例３として、メタクリル樹脂注型基板上に第１層としてＳｉＯｘからなる屈折率ｎ＝１．６０、光学膜厚ｎｄ＝（λ０ ／４）×２０％（ｄ＝１７〜１８ｎｍ）の薄膜を真空蒸着によって形成し（設計波長λ０＝５５０〜５７０ｎｍ）、その上に、ＴｉＯ2からなる屈折率ｎ＝１．９５、光学膜厚ｎｄ＝（λ０／４）×２０％の薄膜と、ＳｉＯ2からなる屈折率ｎ＝１．４５、光学膜厚ｎｄ＝（λ０／４）×４０％の薄膜と、ＴｉＯ2からなる屈折率ｎ＝２．０、光学膜厚ｎｄ＝（λ０／４）×７０％の薄膜と、ＳｉＯ2からなる屈折率ｎ＝１．４５、光学膜厚ｎｄ＝（λ０／４）×９５％の薄膜を積層した５層膜からなる反射防止層が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
しかしながら、従来例１ないし従来例３では、居住用空間などの限られた環境で用いる場合はいずれも著しく性能が劣化するおそれはないが、屋外などにおいて厳しい温度条件に曝されたり、温度や湿度の変化の大きい環境で長期にわたって使用されると、耐摩耗性や耐薬品性が劣化したり、合成樹脂材料と無機反射防止層の線膨張係数の差からくる合成樹脂の母材の熱歪などによって反射防止層にクラック（膜割れ）が発生し、最悪の状態では反射防止層の剥離を生じる恐れがある。このような状況のもと、従来例１ないし従来例３の問題を解決するために、改良された従来例が提案されている。
図９は、改良された従来例に係る光学部品の反射防止層の状態を示す断面図である。なお、一部の断面は、ハッチングを省略してある。
改良された従来例では、光学部品（光学素子）である合成樹脂製レンズ１３０に、硬度が高く、耐薬品性や合成樹脂に対する密着性にすぐれたケイ素酸化物ＳｉＯｘ（２＞ｘ＞１）を主成分とする薄膜を、反射防止特性に関与しないアンダーコート１３１として用いることを提案している。これにより、反射防止多層膜１３２の耐摩耗性や耐薬品性および合成樹脂製レンズ１３０に対する密着性を向上させている（例えば、特許文献４参照。）。
アンダーコート１３１の膜厚を２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下にすることで、耐摩耗性、耐薬品性を充分に向上させ、加えて、屋外などの温度、湿度の厳しい環境における耐久性も向上させ、反射防止多層膜１３２のクラックや膜剥離を生じにくくしている。なお、反射防止多層膜１３２は、高屈折率材料からなる第１層反射防止層１３２ａ、低屈折率材料からなる第２層反射防止層１３２ｂ、高屈折率材料からなる第３層反射防止層１３２ｃ、低屈折率材料からなる第４層反射防止層１３２ｄで構成してある。
一方、近年、モバイル機器分野に使用される合成樹脂製の光学素子について、モバイル機器の一括リフロー実装処理に対応できるように、耐熱性を有する合成樹脂の光学材料を使用した光学素子が望まれている。しかしながら、耐熱性を有する合成樹脂の光学材料は、線膨張係数が従来の合成樹脂の光学材料に比べて大きいこと、および、材料一括リフロー実装処理を行なうための環境温度は２５０〜２７０℃にもなることから、特許文献４に記載の技術によるアンダーコート（下地層）を設けても、反射防止層の変形（クラックや膜剥離など）が生じてしまうという問題がある。
特開昭６０−９８４０１号公報
特開昭６０−２２５１０１号公報
特開平３−１１６１０１号公報
特開平６−２７３６０１号公報
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、基本樹脂部の表面に分割した反射防止層を備えることにより、反射防止層の変形を抑制できる信頼性の高い光学素子を提供することを目的とする。
また、本発明は基本樹脂部および微細突起部を樹脂成形する樹脂成形工程と、基本樹脂部の表面に反射防止層を積層する反射防止層積層工程とを備えることにより、基本樹脂部および微細突起部を同時に形成して反射防止層を精度良く積層でき、高精度で優れた光学特性を有する光学素子を生産性良く製造できる光学素子製造方法を提供することを他の目的とする。
本発明に係る光学素子は、樹脂成形により形成された基本樹脂部の表面に反射防止層が形成された合成樹脂製の光学素子であって、前記反射防止層は、無機物で形成され、前記基本樹脂部の表面から突出し前記基本樹脂部の光軸に対して同心円状および放射線状に配置された微細突起部によって分割してあることを特徴とする。
この構成により、光学素子と反射防止層との線膨張係数の違いにより発生する内部応力を緩和して、反射防止層の変形を抑制することが可能な信頼性の高い光学素子となる。また、高温環境での反射防止層の面内方向の膨張に対して微細突起部の膨張方向が対向することとなるので、反射防止層の面内方向に圧縮力が発生し、反射防止層の変形を抑制することが可能となる。また、内部応力の緩和を軸対称として均等に分布させることが可能となり、簡単な構造で軸対称を実現することが可能となることから、変形の少ない光学素子を容易に製造することができる。
また、本発明に係る光学素子では、前記微細突起部の長さ方向と交差する方向での前記微細突起部の断面の形状は、半円状、三角形状、台形状のいずれかであることを特徴とする。
この構成により、樹脂成形での転写金型との離型性を確保して微細突起部を高精度で形成することが可能となる。
また、本発明に係る光学素子では、前記断面の底辺幅は２μｍより小さく、前記断面の高さは２μｍより小さいことを特徴とする。
この構成により、微細突起部による散乱が光学素子の光学特性に対して影響を生じさせることを防止することが可能となる。
また、本発明に係る光学素子では、前記微細突起部は、前記基本樹脂部の光軸に対して軸対称に配置してあることを特徴とする。
この構成により、光軸を中心として軸対称に分割線を配置できることから、内部応力の緩和を均等に発生させることが可能となり、反射防止層の変形を均等かつ確実に抑制することが可能となる。
また、本発明に係る光学素子では、前記微細突起部は、前記光軸から離れた基本樹脂部の外周領域に配置してあることを特徴とする。
この構成により、光学素子の光軸周辺の中心領域での光学特性の低下を防止することが可能となる。
また、本発明に係る光学素子では、前記反射防止層は、前記基本樹脂部の屈折率よりも低い屈折率の材料で構成された低屈折率層としてあることを特徴とする。
この構成により、より高温環境下での反射防止層の変形を抑制することが可能となる。また、単層構造とすることにより、内部応力の増大を防止し、反射防止層の製造工程を簡略化して製造コストを低減することが可能となる。
また、本発明に係る光学素子では、前記反射防止層は、前記基本樹脂部の屈折率よりも低い屈折率の材料で構成された低屈折率層および前記基本樹脂部の屈折率よりも高い屈折率の材料で構成された高屈折率層を積層した積層構造としてあることを特徴とする。
この構成により、極めて低い反射率で優れた反射防止特性を有する光学素子とすることが可能となる。
また、本発明に係る光学素子では、前記反射防止層と前記基本樹脂部の表面との間に、ケイ素酸化物を主成分とする下地層が形成してあることを特徴とする。
この構成により、反射防止層の基本樹脂部に対する密着性を向上させ、光学素子の耐薬品性、耐磨耗性を向上させることが可能となり、光学特性の劣化が生じない信頼性の高い光学素子とすることが可能となる。
また、本発明に係る光学素子製造方法は、樹脂成形により形成される基本樹脂部の表面に突出させて形成された微細突起部で分離される反射防止層を備える光学素子を製造する光学素子製造方法であって、前記基本樹脂部と前記基本樹脂部の光軸に対して同心円状および放射線状に配置された前記微細突起部とを樹脂成形する樹脂成形工程と、前記基本樹脂部の表面に反射防止層を積層する反射防止層積層工程とを備えることを特徴とする。
この構成により、基本樹脂部および微細突起部を同時に形成して反射防止層を精度良く積層できるので、高精度で優れた光学特性を有する光学素子を生産性良く製造することが可能となる。
また、本発明に係る光学素子製造方法では、前記反射防止層の積層は、蒸着により行われることを特徴とする。
この構成により、精度良く反射防止層の膜厚を制御することが可能となり、高精度の光学特性を有する光学素子とすることが可能となる。
本発明に係る光学素子によれば、基本樹脂部の表面に分割した反射防止層を備えることから、反射防止層の変形（割れ、剥離など）を抑制でき、信頼性を向上させることが可能となるという効果を奏する。
また、本発明に係る光学素子製造方法によれば、基本樹脂部および微細突起部を樹脂成形する樹脂成形工程と、基本樹脂部の表面に反射防止層を積層する反射防止層積層工程とを備えることから、基本樹脂部および微細突起部を同時に形成して反射防止層を精度良く積層でき、高精度で優れた光学特性を有する光学素子を生産性良く製造できるという効果を奏する。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
＜実施の形態１＞
図１ないし図３に基づいて、本発明の実施の形態１に係る光学素子について説明する。
図１ないし図３に基づいて、本発明の実施の形態１に係る光学素子について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の形状を模式的に示す説明図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は光学素子の光軸を含む平面で微細突起部（円状突起部）を切断した状態を示す断面図である。なお、断面でのハッチングは省略してある。
本実施の形態に係る光学素子１は、樹脂成形により形成された基本樹脂部１１の表面に反射防止層１２（同図（Ａ）では図示を省略している。）が形成された合成樹脂製の例えばプラスチックレンズとして構成してある。基本樹脂部１１は、光学素子１の光学機能を実現する構造（例えば、レンズ形状としてある。）を有するように形成される。また、基本樹脂部１１を構成する合成樹脂として、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、またはアルキル基やフェニール基を持つシリコーン樹脂や、炭素骨格とシリコーン骨格がハイブリッドされた無機・有機ハイブリッドシリコーン樹脂などを適用することができる。なお、反射防止層１２は、無機物で形成され、分割してある。
この構成により、光学素子１が高温環境にさらされた場合に、光学素子１と反射防止層１２との線膨張係数の違いから光学素子１の全体にわたって発生する内部応力を緩和することが可能となり、反射防止層１２の割れ、剥離などの変形を抑制することができる。
反射防止層１２は、基本樹脂部１１の表面から突出した微細突起部１３により分割されている。つまり、微細突起部１３は、反射防止層１２の厚さよりも厚い高さで形成されている。したがって、反射防止層１２は、光学素子１の表面で微細突起部１３の配置に対応して適宜の領域に分割されている。
なお、高温環境の下では、反射防止層１２が面内方向に膨張するが、この膨張方向に対向する方向で微細突起部１３が膨張することとなる。したがって、反射防止層１２の面内方向には圧縮力が発生し、反射防止層１２の変形を抑制することが可能となる。
また、微細突起部１３を基本樹脂部１１の表面の全域で光学素子１（基本樹脂部１１）が有する光軸Ｌａｘに対して軸対称に配置することにより、熱膨張による反射防止層１２の変形を軸対称に対応させてバランスさせることが可能となり、均等かつ確実に変形を抑制することが可能となる。
高温環境下では、光学素子１は光軸Ｌａｘを中心に光学素子１の周辺に向かって膨張するが、微細突起部１３を、光軸Ｌａｘを中心にして同心円状に配置された円状突起部１３ｃと、光軸Ｌａｘを中心にして放射線状に配置された線状突起部１３ｒとを有する構成とすることにより、簡単な構造で内部応力を軸対称として均等に分布させることが可能となる（以下、円状突起部１３ｃと線状突起部１３ｒとを特に区別する必要がない場合は、単に微細突起部１３とする。）。
つまり、光軸Ｌａｘを中心として軸対称に分割線（微細突起部１３）を配置できることから、内部応力の緩和を軸対称として均等に分布させることが可能となり、反射防止層１２の変形を均等かつ確実に抑制することが可能となる。
また、微細突起部１３を円筒状および放射線状とすることにより、微細突起部１３を軸対称で容易に配置することが可能となり、反射防止層１２の変形が少なく信頼性の高い光学素子１を容易に製造することができる。
なお、周囲環境を高温環境として説明したが、温度以外の湿度の変化に対しても同様の作用効果を奏する。また、光学素子１を電子機器などに実装する工程での高温環境によっても光学素子１の光学特性が劣化することは生じない。例えば一括リフロー実装処理工程などについても、高温環境の影響を受けないので、生産性と信頼性の高い光学素子１とすることが可能となる。
図２は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の微細突起部の断面を模式的に示す断面図であり、（Ａ）は断面が半円状、（Ｂ）は断面が三角形状、（Ｃ）は断面が台形状の場合を示す。なお、断面でのハッチングは省略してある。
微細突起部１３は、光学素子１での光の散乱を極力減らすために緩やかに変化していく形状が望ましい。また、微細突起部１３は、後述する転写金型２（実施の形態３以下を参照。）により光学素子１の表面に基本樹脂部１１の樹脂成形と併せて樹脂成形することから、転写金型２の離型性に影響を及ぼさない形状であることが望ましい。
したがって、微細突起部１３の長さ方向と交差する方向での断面の形状は、半円状、三角形状または台形状（矩形状）であることが望ましい。この構成により、樹脂成形での転写金型２との離型性を確保して微細突起部１３を高精度で形成することが可能となる。
微細突起部１３の断面の寸法（底辺幅Ｗおよび高さＨ）は、光学素子１の光学特性に影響を及ぼさない大きさであることが望ましい。完全に影響の無い寸法とするためには、光学素子１が使用される波長帯域の最短波長の長さよりも小さい必要がある。例えば使用される波長帯域が可視光域（短波長側：３８０〜４００μｍ。長波長側：７５０〜８００μｍ）である場合、底辺幅Ｗおよび高さＨは４００ｎｍ以下となる。ただし、この数値は、微細突起部１３によるレンズ系の光量低下を考慮した場合には、多少さらに大きくなる。
例えば、撮像素子を使用したカメラモジュールに光学素子１（レンズ）を適用する場合、絞りＦ３．４、焦点距離４ｍｍ程度のレンズで撮像面からのバックフォーカス３００μｍの位置に光学面があった場合、経験上画像にほとんど影響を及ぼさない２％程度の光量低下を起こす底辺幅Ｗおよび高さＨの大きさは、およそ１０μｍ程度である。
したがって、微細突起部１３の断面の底辺幅Ｗおよび高さＨの数値は、１０μｍに対して十分な余裕を持たせた値として１／５程度の２μｍを上限とすることが望ましい。つまり、底辺幅Ｗは２μｍより小さく、高さＨは２μｍより小さい寸法とすることにより、微細突起部１３が光学素子１の光学特性に影響を及ぼす恐れは全く生じない。また、下限は、反射防止層１２を分割する必要があることから、反射防止層１２の厚さより大きいことが必要である。
なお、微細突起部１３の形成位置としては、上述した形状や大きさであれば、何処に形成されても良いが、高温環境下における反射防止層１２に発生する内部応力をできるだけ効率良く緩和できるように形成することが望ましい。したがって、光学素子１（基本樹脂部１１）の形状（つまり、レンズ形状）や反射防止層１２の形状を考慮したシミュレーションなどを用いて適宜設定することが望ましい。
また、望ましい断面の寸法（底辺幅Ｗおよび高さＨ）は、上述したとおり、光学素子１を使用する条件（適用する波長帯域）により変動するが、そのような場合でも、断面の寸法は、底辺幅Ｗを２μｍより小さく、高さＨを２μｍより小さくすることにより、微細突起部１３による散乱が光学素子１の光学特性に影響を及ぼすことは全くない。
図３は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の形状の変形例を模式的に示す斜視図である。
上述したとおり、微細突起部１３による光学素子１の光学特性への影響を排除することは十分可能である。しかしながら、光学素子１の使用状況によっては、光学素子１の光学特性が微細突起部１３による散乱の影響を受けて低下する場合がある。例えば、上述したカメラモジュールでは、微細突起部１３による散乱により光学素子１の中央部分（光軸Ｌａｘ周辺の中心領域１１ｉ）が受け持つ空間周波数の低周波成分に影響を与え、結果として画質のコントラストが低くなってしまう場合が考えられる。
このような場合の対策として、光軸Ｌａｘから離れた基本樹脂部１１の外周領域１１ｓ（中心領域１１ｉの外側に位置する領域）に微細突起部１３を配置することにより、コントラストの低下（散乱が光情報の空間周波数の低周波成分に及ぼす影響）を防止することが可能となる。なお、この場合でも、微細突起部１３を設けない中心領域１１ｉはできるだけ小さくすることが耐熱性の観点から望ましい。したがって、耐熱性の向上と光学特性への影響とのバランスを考慮した形状（寸法設定）とすることが望ましい。
＜実施の形態２＞
図４および図５に基づいて、本発明の実施の形態２に係る光学素子について説明する。
図４および図５に基づいて、本発明の実施の形態２に係る光学素子について説明する。
図４は、本発明の実施の形態２に係る光学素子での反射防止層の構造例を示す断面図である。なお、断面でのハッチングは省略してある。
図４に示す本実施の形態に係る反射防止層１２は、基本樹脂部１１（樹脂成形に適用した合成樹脂）の屈折率よりも低い屈折率を有する材料で構成された低屈折率層１２ａとしてある（低屈折率層１２ａを区別する必要がない場合は、単に反射防止層１２とする。）。なお、低屈折率層１２ａの材料として、屈折率ｎ＝１．３８のフッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）を適用した。
反射防止層１２を低屈折率層１２ａとして単層構造とすることにより、より高温環境下での反射防止層１２の変形（割れ、剥離など）を抑制することが可能となる。また、単層構造とすることにより、内部応力の増大を防止し、また、成膜のためのプロセス時間を短縮して反射防止層１２の製造工程を簡略化させ製造コストを低減することが可能となる。
なお、フッ化マグネシウムを蒸着するためには２００℃以上の蒸着温度が必要となることから、光学素子１（基本樹脂部１１）に使用する合成樹脂は高温に耐える必要があり、例えば、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉのシリカ結合を持つ例えば、アルキル基やフェニール基を持つシリコーン樹脂や、炭素骨格とシリコーン骨格がハイブリッドされた無機・有機ハイブリッドシリコーン樹脂などの耐熱性樹脂を適用することが望ましい。
低屈折率層１２ａの膜厚（光学膜厚ｎｄ）は、光学素子１の光学特性および所望の反射特性に対応して変動するが、一つの目安として反射防止層１２の材料が有する屈折率ｎ×光学膜厚ｎｄが設計波長λの１／４となるように設定することが望ましい。
なお、本実施の形態に係る光学素子１では、反射防止層１２と基本樹脂部１１の表面との間に、下地層１５が形成してある。下地層１５は反射防止特性に影響を及ぼすものではないため、必須ではない。しかし、基本樹脂部１１の材料に対して良好な密着性を有し、かつ耐薬品性、および耐摩耗性にすぐれた無機材料による下地層１５は、反射防止層１２と基本樹脂部１１を強固に結び付けて接着性を向上させることから、熱膨張による反射防止層１２の剥離を抑制する要因となる。
下地層１５は、ケイ素酸化物（ＳｉＯｘ（２＞ｘ＞１））を主成分とする屈折率ｎ＝１．４９〜１．５９の低屈折率材料からなる薄膜構成とした。これは、低屈折率材料の屈折率が合成樹脂製の光学素子１として使用される材料の屈折率の範囲にあること、および、低屈折率材料が耐薬品性や耐摩耗性にすぐれており合成樹脂製の光学素子１に対して良好な密着性を有し、かつ、下地層１５として用いた場合に光散乱量および光吸収量が少ないからである。
また、下地層１５の膜厚はあまり厚くても、また、あまり薄くても耐熱性、密着性、耐摩耗性、耐薬品性を満足できないことから、経験的に２００〜３００ｎｍ程度に設定した。これにより、耐摩耗性、耐薬品性に優れ、光学特性の劣化が生じない信頼性の高い光学素子１とすることが可能となる。なお、微細突起部１３の高さＨは、下地層１５および反射防止層１２を積層した厚みよりも少し高くする必要がある。
図５は、本発明の実施の形態２に係る光学素子での反射防止層の他の構造例を示す断面図である。なお、断面でのハッチングは省略してある。
図５に示す本実施の形態に係る反射防止層１２は、基本樹脂部１１（樹脂成形に適用した合成樹脂）の屈折率よりも高い屈折率を有する材料で構成された高屈折率層１２ｂと、基本樹脂部１１の屈折率よりも低い屈折率を有する材料で構成された低屈折率層１２ｃとを交互に積層した積層構造としてある（高屈折率層１２ｂと低屈折率層１２ｃを区別する必要がない場合は、単に反射防止層１２とする。）。
この構成により、図４の構造例（反射防止層１２の単層構造）の場合に比較してさらに反射防止特性を改善でき、例えば、光学素子１が適用される波長帯域で１％以下の極めて低い反射率として優れた反射防止特性を持たせることが必要といった場合に適用可能な優れた反射防止特性を実現することが可能となる。また、反射防止層１２は、２層の積層構造として示しているが、必要な反射防止特性によってはさらに積層する層数を増加させることも可能である。
高屈折率層１２ｂとしては、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、またはこれらの混合物を主成分とする高屈折率材料を適用することが可能である。
高屈折率層１２ｂ、低屈折率層１２ｃの各膜厚（光学膜厚ｎｄ）は、低屈折率層１２ａの場合と同様、光学素子１の光学特性および所望の反射特性に対応して変動するが一つの目安として、反射防止層１２の材料が有する屈折率ｎ×光学膜厚ｎｄが設計波長λの１／４となるように設定することが望ましい。
＜実施の形態３＞
図６に基づいて、本発明の実施の形態３に係る転写金型について説明する。
図６に基づいて、本発明の実施の形態３に係る転写金型について説明する。
図６は、本発明の実施の形態３に係る転写金型の形状を模式的に示す斜視図である。
本実施の形態に係る転写金型２は、転写（樹脂成形）して光学素子１を形成する転写面２ｓを備える。転写面２ｓには、基本樹脂部１１を樹脂成形するための基本転写部２１と、微細突起部１３を樹脂成形するための突起転写溝２２とを備える。つまり、光学素子１が非球面レンズ（基本樹脂部１１）である場合には、転写面２ｓには非球面形状（基本樹脂部１１）とポジネガの関係になる形状（基本転写部２１）が形成されている。また、同様に、光学素子１に転写される微細突起部１３とポジネガ関係になる突起転写溝２２が形成されている。
この構成により、転写金型２を適用して光学素子１を樹脂成形する場合、基本樹脂部１１の樹脂成形と同時に微細突起部１３を転写できることから、両者を別々に転写する場合に比較して生産効率が向上し、また両者の位置合わせが不要となり高精度の光学素子１を生産性良く製造することが可能となる。つまり、転写面２ｓに、基本樹脂部１１および微細突起部１３を形成するための形状（基本転写部２１および突起転写溝２２）を形成してあることから、１回の樹脂成形工程で基本樹脂部１１および微細突起部１３を備えた光学素子１を製造することができるので、高精度の光学素子１を安価に形成することができる。
なお、転写金型２の金型素材としては、マルテンサイト系ステンレス鋼、無酸素銅、タングステンカーバイトなどの焼結材料を適用することが可能である。
＜実施の形態４＞
一般的に金型の製造は非常に高精度、高精細の技術を要求されることから、実施の形態３に係る転写金型２も同様に高精度、高精細に製造することが要求される。また、転写金型２は微細突起部１３を備えることからさらに高精度、高精細に製造することが必要となり、通常の技術では製造に困難を伴うという問題が生じる。本実施の形態に係る転写金型製造方法は、このような問題を解消して容易に転写金型２を製造する方法を提供する。
一般的に金型の製造は非常に高精度、高精細の技術を要求されることから、実施の形態３に係る転写金型２も同様に高精度、高精細に製造することが要求される。また、転写金型２は微細突起部１３を備えることからさらに高精度、高精細に製造することが必要となり、通常の技術では製造に困難を伴うという問題が生じる。本実施の形態に係る転写金型製造方法は、このような問題を解消して容易に転写金型２を製造する方法を提供する。
図７に基づいて、本発明の実施の形態４に係る転写金型製造方法について説明する。
図７は、本発明の実施の形態４に係る転写金型製造方法の各工程での転写金型の形状を模式的に示す断面図であり、（Ａ）は金型素材を加工して基本転写部を形成する状態を示し、（Ｂ）は突起転写溝を形成するためのフォトレジストを露光する状態を示し、（Ｃ）は形成したレジストマスクを用いて金型素材をエッチングし突起転写溝を形成する状態を示し、（Ｄ）は完成した転写金型を示す。
まず、転写金型２を形成する金型素材（なお、完成前の状態についても、転写金型２として符号を付す。）を準備する（同図Ａ左）。超精密旋盤、超精密研削盤などを用いて金型素材を機械加工することにより、転写面２ｓに基本転写部２１を形成する（同図Ａ右）（基本樹脂部１１に対応する基本転写部２１を形成する基本転写部形成工程）。
基本転写部２１を形成した転写面２ｓにフォトレジスト２５を塗布し１００℃程度の温度でプリベークを行なう（同図Ｂ左）。次に、露光光Ｌｅｘを転写面２ｓに照射して突起転写溝２２に対応するフォトレジスト２５の一部分を感光（露光）させ除去可能な感光レジスト部２５ａを形成して露光マスクパターンを形成する（同図Ｂ右）。フォトレジスト２５は、露光方法、突起転写溝２２に対応する露光マスクパターンの形状により、ポジ型またはネガ型どちらかを選択すれば良い。本実施の形態ではポジ型として説明している。
露光後、フォトレジスト２５（露光マスクパターン）に対して現像処理を施すことにより、感光レジスト部２５ａを除去し、突起転写溝２２に対応した開口部２５ｗを有するレジストマスク２５ｍを形成する（同図Ｃ左）。現像後、純水などでリンスし、１００〜２００℃の温度でポストベークを行なってレジストマスク２５ｍ（未感光レジスト部）の耐食性を向上させる（同図Ｃ左）。
耐食性を向上させたレジストマスク２５ｍをマスクとしてエッチング剤Ｅｃｔに転写金型２を浸漬することにより、転写面２ｓ（金型素材の表面）をエッチング（パターニング）して突起転写溝２２を形成する（同図Ｃ右）（微細突起部１３に対応する突起転写溝２２を基本転写部２１の表面をパターニングして形成する突起転写溝形成工程）。エッチング剤Ｅｃｔは適用する金型素材により変動するが、ステンレス鋼や無酸素銅などであれば塩化第２鉄溶液などを適用することができる。
レジストマスク２５ｍをアセトンなどで除去し、転写金型２を完成する（同図Ｄ）。その後、転写面２ｓには樹脂成形で成形する光学素子１（成形物）との離型性を向上させるために、金、ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などの離型膜（不図示）を数ｎｍ〜数十ｎｍ厚程度成膜することが望ましい。
本実施の形態に係る転写金型製造方法では、光学素子１（基本樹脂部１１）の表面形状が曲面であることから対応する転写面２ｓが曲面であっても、微細突起部１３を樹脂成形するための突起転写溝２２をパターニングにより容易に形成することが可能であり、また、突起転写溝２２の形成に機械加工を用いていないことから、機械加工による歪（ダメージ）などが発生せず、転写面２ｓの形状に影響を及ぼすことが無く、高精度の転写金型２を容易かつ安価に製造することが可能となる。
＜実施の形態５＞
図８Ａないし図８Ｆに基づいて、本発明の実施の形態５に係る光学素子製造方法について説明する。
図８Ａないし図８Ｆに基づいて、本発明の実施の形態５に係る光学素子製造方法について説明する。
図８Ａは、本発明の実施の形態５に係る光学素子製造方法で適用する転写金型を型開きした状態で示す断面図である。
光学素子１を樹脂成形するための転写金型２は、上型２０Ｕ、下型２０Ｌ、上胴型２３Ｕ、下胴型２３Ｌを備える。上型２０Ｕ、下型２０Ｌは、基本樹脂部１１を転写する基本転写部２１と、微細突起部１３を転写する突起転写溝２２とを備える。上型２０Ｕ、下型２０Ｌの外周には、上胴型２３Ｕ、下胴型２３Ｌがそれぞれ対応させて配置してある。上胴型２３Ｕ、下胴型２３Ｌは、基本樹脂部１１の外周形状を画定する。上胴型２３Ｕ、下胴型２３Ｌは、樹脂成形の際の合成樹脂を注入するためのゲート２７を有する。
図８Ｂは、本発明の実施の形態５に係る光学素子製造方法で適用する転写金型を型締めし合成樹脂を注入した状態で示す断面図である。
転写金型２を型締めした後、ゲート２７から合成樹脂Ｒｅｓを注入する。合成樹脂の注入方法としては、種々の方法があるが、成形の精度および量産性を考慮して射出注入とすることが望ましい。
合成樹脂Ｒｅｓが熱可塑性の場合は、８０℃程度に温度調整された転写金型２に、１５０℃程度の溶融された合成樹脂Ｒｅｓが注入される。注入された溶融状態の合成樹脂Ｒｅｓは転写金型２に接触した時点から冷却、固化が始まり、基本樹脂部１１を形成する。
また、合成樹脂Ｒｅｓが熱硬化性の場合は、１５０〜２００℃に温度調整された転写金型２に、８０℃以下の液体状態の合成樹脂Ｒｅｓが注入される。注入された液体状態の合成樹脂Ｒｅｓは重合反応が進み、基本樹脂部１１を形成する。
転写金型２の構造から、基本樹脂部１１の樹脂成形と同時に微細突起部１３が樹脂成形され、ゲート痕１１ｇが連結した状態の光学素子１を形成する（基本樹脂部１１および微細突起部１３を樹脂成形する樹脂成形工程）。
図８Ｃは、本発明の実施の形態５に係る光学素子製造方法で適用する転写金型による樹脂成形を終了し光学素子を離型する状態を示す断面図である。
転写金型２による樹脂成形を終了した光学素子１は、転写金型２から離型される。その後、ゲート痕１１ｇは除去される。
図８Ｄは、本発明の実施の形態５に係る光学素子製造方法で樹脂成形された光学素子に反射防止層を形成する状態を示す断面図である。
ゲート痕１１ｇを除去されて外形を整えられた光学素子１は、蒸着チャンバー３０の中に配置され、無機材料の反射防止層１２が蒸着により形成される。蒸着で形成することにより、精度良く反射防止層１２の膜厚を制御することが可能となり、高精度の光学特性を有する光学素子１とすることができる。
蒸着チャンバー３０は真空引きされた後、Ｏ2ガスを導入した状態で１．０×１０-4Ｔｏｒｒ程度の真空状態に維持され、上述したフッ化マグネシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムなどの反射防止層成分ターゲット３１を適宜、抵抗加熱法、電子ビーム加熱法などにより加熱して反射防止層成分を蒸発させ、反射防止層成分蒸気ＲＶを光学素子１に当てて反射防止層１２を成膜（蒸着）する（基本樹脂部１１の表面に反射防止層１２を積層する反射防止層形成工程）。反射防止層１２を形成した後、蒸着チャンバー３０を大気圧まで昇圧し、開放して光学素子１を取り出す。
なお、反射防止層１２と基本樹脂部１１との間に下地層１５を形成する場合は、反射防止層１２を形成する前に下地層１５を形成しておく。つまり、蒸着チャンバー３０と同様の蒸着チャンバーを適用し、上述したケイ素酸化物などの下地層成分ターゲットを加熱して下地層成分を蒸着させ、光学素子１に当てて下地層１５を成膜（蒸着）する（基本樹脂部１１の表面に下地層１５を積層する下地層形成工程）。下地層１５を形成する蒸着チャンバーと反射防止層１２を形成する蒸着チャンバー３０とを同一の蒸着チャンバーとし、ターゲットを切り替えることにより下地層１５の形成と反射防止層１２の形成とに対応させることも可能である。下地層１５の形成条件は、反射防止層１２の形成条件と同様とすることが可能であるので詳細な説明は省略する。
光学素子１は、この状態で製品として一応の完成状態となるが、反射防止層形成工程で形成した反射防止層１２が微細突起部１３の表面にも微細反射防止層１２ａ（図８Ｅ参照。）として付着している。微細反射防止層１２ａは、微細突起部１３の表面に付着していること、また、微細突起部１３の斜面では薄くなって密着力が弱いことなどから、光学素子１の使用中に剥がれてゴミとなり光学系に影響を及ぼすことが考えられる。したがって、微細反射防止層１２ａは、除去することが望ましい。
図８Ｅは、本発明の実施の形態５に係る光学素子製造方法で微細突起部に付着した微細反射防止層を除去する状態を示す断面図である。
微細反射防止層１２ａが付着した状態の光学素子１を高温チャンバー４０の中に配置し、高温加熱することにより、微細突起部１３に付着した微細反射防止層１２ａの薄くなっている箇所でマイクロクラックＭＣを発生させる。次に、高温チャンバー４０から光学素子１を取り出し、超音波洗浄（不図示）することにより、微細反射防止層１２ａを除去することが可能となる。
図８Ｆは、本発明の実施の形態５に係る光学素子製造方法で完成した光学素子の状態を示す断面図である。
微細反射防止層１２ａを除去することにより、光学素子１は、分割された反射防止層１２を表面に有することとなる。また、反射防止層１２は、基本樹脂部１１の表面から突出した微細突起部１３により分割されることとなる。
本実施の形態に係る光学素子製造方法によれば、基本樹脂部１１および微細突起部１３を同時に形成し、反射防止層１２を基本樹脂部１１の表面に積層することから、高精度で優れた光学特性を有する光学素子１を生産性良く製造することが可能となる。
転写金型２を用いて光学素子１を製造することから、光学素子１を量産性良く大量に製造することが可能となり、製造コストを低減し、安価に光学素子１を提供することが可能となる。
１ 光学素子
２ 転写金型
２ｓ 転写面
１１ 基本樹脂部
１１ｇ ゲート痕
１１ｉ 中心領域
１１ｓ 外周領域
１２ 反射防止層
１２ａ 低屈折率層
１２ｂ 高屈折率層
１２ｃ 低屈折率層
１３ 微細突起部
１３ｃ 円状突起部
１３ｒ 線状突起部
１５ 下地層
２０Ｕ 上型
２０Ｌ 下型
２３Ｕ 上胴型
２３Ｌ 下胴型
２７ ゲート
２１ 基本転写部
２２ 突起転写溝
２５ フォトレジスト
２５ａ 感光レジスト部
２５ｍ レジストマスク
２５ｗ 開口部
３０ 蒸着チャンバー
４０ 高温チャンバー
Ｅｃｔ エッチング剤
Ｌａｘ 光軸
Ｌｅｘ 露光光
ＭＣ マイクロクラック
ＲＶ 反射防止層成分蒸気
２ 転写金型
２ｓ 転写面
１１ 基本樹脂部
１１ｇ ゲート痕
１１ｉ 中心領域
１１ｓ 外周領域
１２ 反射防止層
１２ａ 低屈折率層
１２ｂ 高屈折率層
１２ｃ 低屈折率層
１３ 微細突起部
１３ｃ 円状突起部
１３ｒ 線状突起部
１５ 下地層
２０Ｕ 上型
２０Ｌ 下型
２３Ｕ 上胴型
２３Ｌ 下胴型
２７ ゲート
２１ 基本転写部
２２ 突起転写溝
２５ フォトレジスト
２５ａ 感光レジスト部
２５ｍ レジストマスク
２５ｗ 開口部
３０ 蒸着チャンバー
４０ 高温チャンバー
Ｅｃｔ エッチング剤
Ｌａｘ 光軸
Ｌｅｘ 露光光
ＭＣ マイクロクラック
ＲＶ 反射防止層成分蒸気
Claims (10)
- 樹脂成形により形成された基本樹脂部の表面に反射防止層が形成された合成樹脂製の光学素子であって、
前記反射防止層は、無機物で形成され、前記基本樹脂部の表面から突出し前記基本樹脂部の光軸に対して同心円状および放射線状に配置された微細突起部によって分割してあることを特徴とする光学素子。 - 前記微細突起部の長さ方向と交差する方向での前記微細突起部の断面の形状は、半円状、三角形状、台形状のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
- 前記断面の底辺幅は２μｍより小さく、前記断面の高さは２μｍより小さいことを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
- 前記微細突起部は、前記光軸に対して軸対称に配置してあることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の光学素子。
- 前記微細突起部は、前記光軸から離れた基本樹脂部の外周領域に配置してあることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の光学素子。
- 前記反射防止層は、前記基本樹脂部の屈折率よりも低い屈折率の材料で構成された低屈折率層としてあることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の光学素子。
- 前記反射防止層は、前記基本樹脂部の屈折率よりも低い屈折率の材料で構成された低屈折率層および前記基本樹脂部の屈折率よりも高い屈折率の材料で構成された高屈折率層を積層した積層構造としてあることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の光学素子。
- 前記反射防止層と前記基本樹脂部の表面との間に、ケイ素酸化物を主成分とする下地層が形成してあることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一つに記載の光学素子。
- 樹脂成形により形成される基本樹脂部の表面に突出させて形成された微細突起部で分離される反射防止層を備える光学素子を製造する光学素子製造方法であって、
前記基本樹脂部と前記基本樹脂部の光軸に対して同心円状および放射線状に配置された前記微細突起部とを樹脂成形する樹脂成形工程と、
前記基本樹脂部の表面に反射防止層を積層する反射防止層積層工程と
を備えることを特徴とする光学素子製造方法。 - 前記反射防止層の積層は、蒸着により行われることを特徴とする請求項９に記載の光学素子製造方法。
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