JP4363837B2 - 曲面への微細な凹凸の形成方法、及び光学部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な凹凸の形成方法に関し、さらに詳しくは、曲面への微細な凹凸の形成方法、及び光学部材に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
（技術の背景）透明又は色付きで透明な、ガラス、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル（ＰＭＭＡ）などの合成樹脂を基材とする光学部材では、該光学部材の表面への入射光は、基材を透過し、一部は表面で反射する。上記基材で形成されるレンズ、プリズムなどの光学部材では、入射光の基材表面での反射により入射光と透過光の分光スペクトルがなるべく変化しないように、反射を極力抑える反射防止機能が要求される。しかも、曲面へ反射防止機能を付与できて、安価で、量産性に優れる形成方法、及び曲面光学部材が要求されている。
【０００３】
（従来技術）従来、反射防止機能を付与するには、表面での反射防止したい入射光の波長領域、基材の屈折率などにより、真空蒸着法などのドライ方式で、単層あるいは多層の反射防止膜を設ける方法があり、また、既に、曲げ加工や射出成形によって曲面状になったレンズ等の光学部材へも、真空蒸着法などのドライ方式で、その表面に真空状態で酸化ケイ素系、酸化アルミニウム系、フッ素系などの反射防止膜材料を蒸着することで、既に曲面状になった面上に均一に反射防止膜を形成する方法が知られている。しかしながら、上記の従来の真空蒸着法は、装置が高価で、処理時間がかかるので処理コストが高く、また、大型の光学部材に対する対応が困難であるという欠点がある。
ガラスを加熱軟化させてプレス成形して複数の平面からなるプリズムを形成し、前記プリズムの平面上に、熱可塑性樹脂あるいは低融点ガラスを載せ、前記熱可塑性樹脂あるいは低融点ガラスを加熱軟化させた後、回折格子の表面形状の反転形状を有する型を用いて、その先端部が前記プリズムの表面に接するまでプレス成形する複合光学素子の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、プリズムの表面に形成するので、曲面には形成できないという欠点がある。また、プラスチック基材の表面にウェット方式で反射防止膜を形成し、その後前記反射防止膜を形成した基材を曲面状に成形する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、ウェット方式の反射防止膜で機能が限定され、また、膜を形成する条件制御が極めて難しいという欠点がある。上記のいずれの従来方法では、曲面上へ、直接、微細な凹凸からなる反射防止機能を設ける方法については、記載も示唆もされていない。
さらに、電着レジストを用いて所要のパターンの回路を形成する方法が知られている（例えば、特許文献３参照。）。また、立体的な基体の表面に無電解メッキにより導電層を形成し、該導電層上に電着レジストを形成し、該電着レジストを露光、現像する工程を有するプリント配線板の製造方法が知られている（例えば、特許文献４参照。）。しかしながら、上記のいずれの方法も平面的な立体部に配線パターンを設けるもので、技術分野も異なり、電気的な導通を得られればよいので、パターン形状については記載されていない。ましてや、曲面上へ、直接、微細な凹凸からなる反射防止機能を設ける方法については、記載も示唆もされていない。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１４７３０９号公報
【特許文献２】
特開２００２−２４３９０３号公報
【特許文献３】
特開２００１−１４４３０８号公報
【特許文献４】
特開平７−２７３４３２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明はこのような問題点を解消するためになされたものである。その目的は、曲面への微細な凹凸からなる反射防止機能を付与できて、安価で、量産性に優れる曲面への微細な凹凸の形成方法、及び光学部材を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明に係わる曲面への微細な凹凸の形成方法は、（ａ）曲面に微細な凹凸を有する光学部材を作成するための、少なくとも一方の面に、曲面を有する光学部材を用意する工程と、（ｂ）該曲面を有する光学部材の曲面へ導電層を形成する工程と、（ｃ）該導電層面へ電着レジストを塗布する工程と、（ｄ）該電着レジストへ、露光部及び未露光部を備えるパターンを有するマスクパターンを介して露光する工程と、（ｅ）露光後、電着レジストを現像して微細な凹凸を形成する工程と、（ｆ）該微細な凹凸を有する光学部材から複製版材を作成する工程と、（ｇ）該複製版材を用いて射出成形法で成形する工程と、（ｈ）該成形後に、金型を解放して取出す工程と、からなるように、請求項２の発明に係わる曲面への微細な凹凸の形成方法は、成形法がプレス成形法であるように、したものである。本発明によれば、既存の射出成形又はプレス成形法で、曲面へ微細な凹凸が付与でき、かつ、安価で量産性に優れる曲面への微細な凹凸の形成方法が提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様について、図面を参照して詳細に説明する。
（発明のポイント）まず、曲面へ対応して均一かつ薄いレジストを形成し、露光し現像して、曲面へ微細な凹凸が形成された原版を作成する。該原版から逆パターンを有する複製金型を作成し、該金型を用いて射出、又はプレス成形法で曲面へ微細な凹凸を有する光学部材を得る方法である。本発明は、レジストに電着レジストを用いることで、曲面へ沿って、均一かつ薄いレジストが形成でき、曲面へ微細な凹凸が精度よく、また、複雑な凹凸形状に対応することのでき、しかも、安価に、量産性を有する曲面への微細な凹凸の形成方法を見出して、本発明を完成に至った。
【０００８】
図１は、本発明の１実施例を示す形成方法のフロー図である。
（形成方法）本発明の形成方法は、（ａ）少なくとも一方の面に、曲面を有するマスタ光学部材を用意する工程と、（ｂ）該マスタ光学部材の曲面へ導電層を形成する工程と、（ｃ）該導電層面へ電着レジストを塗布する工程と、（ｄ）該電着レジストへ、露光部及び未露光部を備えるパターンを有するマスクパターンを介して露光する工程と、（ｅ）露光後、電着レジストを現像して微細な凹凸を形成する工程と、（ｆ）該微細な凹凸を有する光学部材から複製版材を作成する工程と、（ｇ）該複製版材を用いて射出成形法で成形する工程と、（ｈ）該成形後に金型を解放して取出す工程と、からなり、工程を追って材料も含めて説明する。
【０００９】
（ａ）少なくとも一方の面に、曲面を有するマスタ光学部材を用意する工程
（マスタ光学部材）マスタ光学部材としては、少なくとも一方の面に曲面を有していればよく、例えば、通常の凸レンズ、凹レンズなどの球面レンズ、円筒レンズ、コリメータレンズ、カマボコレンズなどの非球面レンズや、光学読取センサや光学測定機に用いる曲面を有するものなどがある。また、その材質としては特に限定されることはなく、ガラス、天然又は合成のプラスチックなどが適用できる。なお、光学部材の他方の面は平面などの任意の面でよく、もちろん、両面が曲面であってもよく、また、回折格子などの素子が設けられていてもよい。
【００１０】
（ｂ）該マスタ光学部材の曲面へ導電層を形成する工程
（導電層）まず、マスタ光学部材の曲面に金やＮｉなどを蒸着、スパタリング、無電解メッキなどによって、電着レジストが塗布可能な導電層を均一に設ける。
【００１１】
（ｃ）該導電層面へ電着レジストを塗布する工程
（電着レジスト）電着レジストとしては、半導体の回路パターンを作成する電着レジストが適用でき、例えば、イオン形成基を有するアクリル樹脂などの基体樹脂にヒドロキシルアミンとキノンジアジドスルホン酸とをウレタン結合及びスルホンアミド結合を介して結合させた樹脂を主成分とする組成物（詳しくは特開平０１−１２１３７５号公報）、カルボキシル基を有する樹脂組成物分子量６０００までの感光性樹脂と塩形成基を有する水溶解性または水分散性樹脂組成物（詳しくは特開平０２−２８９６６０号公報）、アルキレン基である光感光基の濃度が樹脂１Ｋｇ当たり０．１〜１．０ｍｏｌを有する数平均分子量６０００〜１００，０００の感光性アクリル樹脂及び塩形成基を有する水溶性または水分散性アクリル樹脂組成物を含有するポジ型感光性樹脂組成物（詳しくは特開２００１−２４２６１９号公報）などが適用できる。
【００１２】
（レジスト塗布）電着レジストの塗布処理装置は、公知の処理槽でよく、陽極と電着レジスト塗装浴を保持する処理槽、ヒータと温度調節器、浴を噴流するポンプ、泡除去装置、フィルタなどからなっている。電着レジストの塗布法は、電着レジスト塗装浴（浴固形分濃度：３〜３０重量％）中に、マスタ光学部材を陽極として浸漬し、最高印加電圧２０〜４００Ｖの直流電流を通電することで、水の電気分解反応で導電層側がアルカリ性となってレジスト（アクリル樹脂）が析出し、曲面であっても曲面に沿って均一に塗布できる。該通電時間は１０秒〜５分程度が適当であり、レジスト膜厚は乾燥膜厚で２〜１００μｍ程度、好ましくは３〜２０μｍ、さらに好ましくは５〜１０μｍの範囲内であることが望ましい。電着レジスト塗装後、電着レジスト塗装浴からマスタ光学部材を引き上げ、回収水、及び純水で水洗し、水切りしたのち、電着レジスト塗膜中に含まれる水分を熱風などで除去する。
【００１３】
（ｄ）該電着レジストへ露光する工程
（露光）電着レジストへ、露光部及び未露光部を備えるパターンを有するマスクパターンを載置し、露光装置により露光する。
マスクパターンは露光部及び未露光部からなり、微細な凹凸パターンに対応したレジスト画像を得られるように形成しておく。例えば、電着レジストがポジ型レジストであれば、露光部が凹部となり、未露光部が凸部となるので、得ようとする微細な凸部が露光部となるようにしておく。
【００１４】
（微細な凹凸パターン）微細な凹凸としては、特に限定されないが、光輝性、反射防止性、光拡散性、防眩性などの光学機能を発現する、正弦波、ブレーズ、及び矩形形状の回折格子、万線状の凹凸、干渉パターン、フレネルレンズ、レンチキュラーレンズ、モスアイ構造などの微細な凹凸が好ましい。
【００１５】
（光源）露光に使用する活性エネルギー線の光源としては、例えば、水銀灯、クセノンランプ、アーク灯などがあげられ、好ましくは紫外線である。露光、即ち照射する紫外線装置としては、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ等が使用される。波長２００〜４００ｎｍの紫外線を用い、照射量としては積算エネルギーが０．０１〜１０Ｊ／ｃｍ²となる程度とすることが好ましい。また、ＵＶ（紫外線）レーザ光や電子線を用いることで、パターンを直接描画することも可能である。また、曲面の凸部と凹部の差が大きい場合には、露光光として平行光を用いることが好ましい。
【００１６】
（ｅ）露光後、電着レジストを現像して微細な凹凸を形成する工程
（現像）現像処理は通常、塗膜面上に希アルカリ水を吹きつけることで、塗膜の感光部分を洗い流すことによって行なう。希アルカリ水としては通常、ｐＨ８〜１２のカセイソーダ、カセイカリ、ケイ酸ソーダ、炭酸ソーダ、アンモニア水など、塗膜中に有する遊離のカルボン酸と中和して水溶性となるものが適用できる。該現像処理により、電着レジストの露光部分が溶解除去されるとともに未露光部分がレジスト画像となって残存する。該レジスト画像が微細な凹凸そのものとなり、このようにして、マスタ光学部材の曲面上へ、しかも、曲面に沿って微細な凹凸が形成されている（以降、これを原版という）。
【００１７】
（ｆ）該微細な凹凸を有する光学部材から複製版材を作成する工程
（複製版材）上記の原版（曲面に沿って微細な凹凸が形成されたマスタ光学部材）を用いて、複製版材（スタンパともいう）を作成する。原版を用いて、１〜複数（奇数）回の複製を繰り返して複製版材（刷版、スタンパともいう）を作成する。該スタンパの凹凸形状は複製回数を選定することで、原版の凹凸パターンと鏡像関係（雌型、ネガ型ともいう）にある凹凸パターンであるようにする。該スタンパとしては、メッキによる金属スタンパが適用できる。金属スタンパは、原版の表面に金やＮｉなどを蒸着し、これを電極に厚さ１００μｍ〜５ｍｍ程度、好ましくは３００μｍ〜３ｍｍのニッケルメッキ層を形成してから、ニッケル層を剥離して複製版材とする。
なお、金型構造により３ｍｍ以上の厚いＮｉメッキ厚が必要な場合には、まず厚さ２〜３ｍｍ程度にＮｉメッキを行い、その後鋼材をインサートしその後Ｎｉメッキを行い、所望の金型サイズに加工すればよい。場合によっては、２Ｐ法による樹脂版をスタンパとしてもよい。
【００１８】
得られたスタンパを、射出成形機に用いる成形金型へ装填する。装填は公知の方法でよく、嵌合、ロウづけ、ネジ留め、真空チャック、真空チャックとクランプの併用などで、固定すればよい。Ｎｉ金型の場合には通常ネジで固定する。また、微細な凹凸を有するスタンパは、少なくとも一方であればよく、もちろん、両面でもよい。一方の面のときには、他方の面は光学部材に用途によって、適宜、選択すればよく、平面、曲面でもよい。さらに、本発明の微細な凹凸の形成方法のスタンパを両面に用いてもよく、両面で微細な凹凸の形状を変えてもよい。なお、他方の面に本発明の微細な凹凸を設けない場合には、該面の射出金型は、公知の金型を用いればよい。
【００１９】
（ｇ）該複製版材（スタンパ）を用いて射出成形法で成形する工程
（射出成形）まず、少なくとも上記スタンパを装填した成形金型を、射出成形機へ載置する。公知の射出成形法で、溶融した樹脂を金型内へ射出し、冷却した後に金型を解放して取り出せば、本発明の曲面に微細な凹凸（光学機能を有する）を賦型された光学部材が得られる。好ましくは射出圧縮成形である。
また、光学部材には、機能部分以外に、光学系への組み付けに使用するフランジ、嵌合突起、ノッチ、穴などの補助部分も同時に成形することもできる
さらに、射出成形では多面付けすることも容易なので、スタンパが作成されれば、より安価に大量生産することができる。
【００２０】
（ｈ）該成形後に、金型を解放して取出す工程
（取出し）射出成形後に、金型を冷却し解放して取り出せば、本発明の曲面に微細な凹凸（光学機能を有する）を賦型された光学部材が得られる。
【００２１】
（プレス成形）請求項２の発明は、成形法がプレス成形法であり、公知のレス成形法が適用できる。上記のスタンパを用いて、該スタンパの間に、樹脂層を重ねて加熱加圧してプレスした後に、スタンパを剥離すれば、微細な凹凸が形成できる。また、光学部材の形成は、射出成形法、プレス成形法の他に、２Ｐ法でもよく、２Ｐ法の場合には、例えば、曲率を略合わせたアクリル板にＵＶ硬化性樹脂を塗布し、樹脂スタンパを重ねてＵＶ露光し、スタンパを剥離すればよい。また、両面に形成する場合には、片側づつ形成すればよい。
【００２２】
図２は、本発明の１実施例を示す光学部材である。
図３は、本発明の光学部材を使用した光学装置である。
図２に示す光学部材１は、樹脂層１１の一方の面は曲面で、該曲面には微細な凹凸１３、他方の面には必要に応じて第２の微細な凹凸１５を有する。
本発明の光学部材を使用した１実施例を示す光学系を図３に示す。図３は、ＣＣＤセンサを用いたバーコードリーダの例である。光源２１から所定の光を照射し、バーコード２７を有するラベルなどの媒体へ照射した反射光が、フィルタ３７、絞り３３、非球面レンズ２５、平板３１、フィルタ３５などを経て、ＣＣＤ２３などのセンサへ入光し、図示しない回路部で読み取る。該光学系のフィルタ３５、３７、絞り３３、平板３１などは、用途により適宜設ければよい。光源２１、ＣＣＤ２３に使用する光の波長も任意でよく、通常、バーコードリーダであれば、波長８００〜１１００ｎｍの赤外線が用いられる。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）まず、マスタ光学部材として直径１０ｍｍの片面が球面の赤外線レンズを用いて、球面に真空蒸着法でＮｉをメッキして導電層とした。該導電層へ、ゾンネＥＤＵＶ−Ｐ−５００（関西ペイント社製、電着レジスト商品名）を用いて、５Ａ／ｍ²の条件で、乾燥後の膜厚が８μｍになるように電着し、洗浄し水切り後、温度８０℃で１０分間加熱した。該電着レジスト面へマスクパターンを重ねて、高圧水銀ランプを用いて紫外線を照射して露光した。マスクパターンとしては、ライン幅５μｍ、スペース幅５μｍ、で直角に交わる格子状とした。露光後、現像し純水で洗浄して、原版を得た。該原版は、１０μｍピッチで、直径約５μｍの鐘状の突起が縦横方向に並んで形成されていた。
該原版へＮｉを蒸着法で形成した後に、さらにＮｉを厚さ２ｃｍにメッキしてスタンパ（金型）を得た。該成形金型を公知の型締力５０トン射出成形機の金型へ載置して、アクリル樹脂を溶融し射出して、冷却し金型を開放し取り出した。
凸部の厚さ２．０ｍｍ、周辺部の厚さ１．０ｍｍの球面を持ち、直径１０ｍｍで、球面の表面には１０μｍピッチで、直径約５μｍの鐘状の突起が縦横方向に並んだ凹凸、所謂モスアイ構造が賦型された赤外線レンズ（光学部材）を得た。
該赤外線レンズは赤外線レンズとしての機能を有し、さらに、波長１０〜１５μｍの波長域における反射率は０．５％と反射防止機能も充分であった。
【００２４】
（実施例２）実施例１の原版を用いて、ニッケルを厚さ３ｍｍにメッキし剥がして、厚さ２０ｍｍの鋼材へインサートした後にＮｉメッキして、プレス金型とした。該プレス金型を公知のプレス成形機へ載置し、厚さが２ｍｍのアクリル板を挟んでプレスし冷却して、赤外線レンズ（光学部材）を得た。該赤外線レンズは実施例１と同様の機能を有していた。
【００２５】
（実施例３）実施例１の赤外線レンズを用いて、図３に示す波長９３０ｎｍの赤外線を用いたバーコードリーダとしたところ、検出光にノイズが少なく高精度でバーコードを読み取ることができた。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の形成方法によれば、レジストに電着レジストを用いることで、曲面へ沿って、均一かつ薄いレジストが形成できる。この結果、曲面へ微細な凹凸が精度よく、また、複雑な凹凸形状に対応することのできる。しかも、既存の設備が使用でき、安価に、量産性を有している。
また、通常のフォトレジストでは、立体的な曲面や球面などの表面全体に、均一に塗布するのが難しいが、本発明によれば、均一に塗布することができるので、本発明の微細な凹凸を有する光学部材では、複雑な形状の凹凸形状、例えば、種々のライン幅及び間隔（ピッチ）に対応でき、レンズの機能に加えて、反射防止の機能をも、同一面で発現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施例を示す形成方法のフロー図である。
【図２】 本発明の１実施例を示す光学部材である。
【図３】 本発明の光学部材を使用した光学装置である。
【符号の説明】
１ 光学部材
１１樹脂層
１３ 微細な凹凸
１５ 第２の微細な凹凸
２１ 光源
２３ ＣＣＤ
２５ 非球面レンズ
２７ バーコード
３１平板
３３ 絞り
３５、３７ フィルタ

Claims (2)

1. （ａ）曲面に微細な凹凸を有する光学部材を作成するための、少なくとも一方の面に、曲面を有する光学部材を用意する工程と、（ｂ）該曲面を有する光学部材の曲面へ導電層を形成する工程と、（ｃ）該導電層面へ電着レジストを塗布する工程と、（ｄ）該電着レジストへ、露光部及び未露光部を備えるパターンを有するマスクパターンを介して露光する工程と、（ｅ）露光後、電着レジストを現像して微細な凹凸を形成する工程と、（ｆ）該微細な凹凸を有する光学部材から複製版材を作成する工程と、（ｇ）該複製版材を用いて射出成形法で成形する工程と、（ｈ）該成形後に、金型を解放して取出す工程と、からなる曲面への微細な凹凸の形成方法。
2. 成形法がプレス成形法であることを特徴とする請求項１に記載の曲面への微細な凹凸の形成方法。

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