JP5081704B2 - 光学素子の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は光学素子の作製方法に関し、詳細には光の出射角を制御し、強度分布を均一化するテーパロッドアレイ構造を有する光学素子の作製方法に関する。

近年、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）などの空間光変調器を用いたプロジェクタの開発が盛んに行われている。特に、小型で可搬性が高く低価格なプロジェクタの開発が急速に進められている。小型化を図る上で、光源として従来のようなハロゲンランプあるいは高圧水銀ランプに変わり、発光ダイオード（Light Emitting Diode（以下、ＬＥＤと略す））または半導体レーザといった固体光源を用いる構成が数多く提案されて来た。

また、小型化が可能な照明装置の構成として、光を多重反射させ均質化するロッドインテグレータまたは、テーパロッド（光入射側の面積に対し、出射側の面積が大きくなっている導光素子）を用いるものが多く提案されている。特に、テーパロッドでは入射光の均質化とコリメート化を同時に行うことができ、また均質化、コリメート化を行うのに必要な光の伝播距離も短いため、小型化・低価格化に適している。しかし、テーパロッドで十分光をコリメートするためには、一般的に数十ｍｍの長いテーパ形状を必要とするため、小型化するには課題がある。

より小型化を達成する手段としては、１つのテーパロッドでは無く、複数のテーパロッドをアレイ状に配置する構成が提案されている。例えば特許文献１には、赤色、緑色、青色（以下、赤色をＲ、緑色をＧ、青色をＢと略記する）の各色光を出射可能な複数のＬＥＤが平面状または曲面状に配列されたＬＥＤアレイと、ＬＥＤアレイの各ＬＥＤから出射される各色光の照度を均一化するための複数のロッドレンズが平面状または曲面状に配列されたロッドレンズアレイと、ロッドレンズアレイから出射される光の偏光変換を行う偏光ビームスプリッタアレイ（以下、ＰＢＳアレイと略す）と、ＰＢＳアレイから出射される各色光を変調して画像を合成する液晶ライトバルブと、液晶ライトバルブによって合成された画像をスクリーンに拡大投射する投射レンズとから構成されている投射型画像表示装置が提案されている。

また、特許文献２では、ＲＧＢ３色を含むＬＥＤ群を１つの光源ユニットとし、そのＬＥＤ群をアレイ化したものを光源とし、１つのＬＥＤ群からの出射光を１つのテーパロッドでカップリングするテーパロッドアレイを用い照度が均一化され指向性の改善された光束をライトバルブ上に照射し、ライトバルブ上に形成された画像を投射レンズによってスクリーンに拡大投射する投射型表示装置である。

更に、特許文献３には、複数のＬＥＤと、ＬＥＤからの光を受け、複数の２次光源を形成する光学素子と、２次光源上に形成されたテーパロッドアレイから成る光学モジュールが示されている。従来の光学モジュールの構成を図１４に示す。同図において、基板１０１上には、ＬＥＤ１０２が配置され、必要な配線がなされている。ＬＥＤ１０２はＬＥＤアレイ（面状光源）であり、第１の光学素子１０３はＬＥＤ１０２からの出射光をカップリングし、素子内で拡散させ、出射光束量の等しい複数の２次光源１０４を形成している。第２の光学素子１０５は２次光源１０４からの出射光の指向性を改善するともに、照度を均一にするテーパロッドアレイである。また、このテーパロッドは、例えば図１５に示すように、光源側の大きさを□４２０μｍ、出射側の大きさを□２ｍｍ、全長を５．３７ｍｍであり、かつ出射面側は曲率半径Ｒ＝２．９２ｍｍの球面となっている。

他に、このようなテーパロッドを用いた照明装置は顕微鏡用照明装置としても利用することが可能であり、例えば特許文献４では、光源からの光を複数のバンドルファイバによって導光し、バンドルファイバの出射端面から射出される光をロッドインテグレータによってカップリングし、照明する照明光学装置が示されている。

上述のように、小型で安価な照明装置を達成するためにテーパロッドアレイを利用することが多く提案されている。テーパロッドアレイの作製方法に関して上記特許文献中に詳細には述べられていないが、樹脂の射出成形、またはガラスのモールド成形により作ることが考えられる。また、その金型について最近の精密加工機（例えば、ファナック社製：ロボナノα-０iB）を用いることにより加工可能である。
特開２００３−２９５３１５号公報 特開２００７−２８８１６９号公報 特開２００８−０４１２８８号公報 特開２００７−１５６２９１号公報

しかしながら、テーパロッドの数が増え、微小化するに連れて金型作製は非常に困難となるため、テーパロッドの数・サイズには限界があった。特に、上記特許文献３では、２次光源部とテーパロッドアレイを同一箇所に形成する必要がある。よって、２次光源部とテーパロッドアレイを精密に位置合わせして接着する工程が必要であると考えられるが、複数の２次光源部と複数のテーパロッドアレイを精密に位置合わせすることは非常に困難であり、またそれを達成するには製造コストアップにつながる問題があった。また、位置合わせ精度が低いと光の漏れなどが生じ効率低下の原因となる。更に、２次光源部とテーパロッドアレイ部の隙間があると２次光源部と空気との界面で全反射が増え、光の取り出し効率が低下する問題がある。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、２次光源部とテーパロッドアレイの位置合わせが不要となり、入射光に対して所定のコリメート角で出射面の出射に均一化した光を出射することが可能であり、かつ光利用効率が高い光学素子の作製方法を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明の光学素子の作製方法は、透明な基板上に複数の開口部を有する反射膜を形成する反射膜形成工程と、反射膜上に光硬化性材料層を形成する光硬化性材料層形成工程と、光硬化性材料層に対して基板側から所定の角度で基板を回転させながら光を照射する照射工程と、光が照射されていない部分の光硬化性材料層を除去する光硬化性材料層除去工程とを有している。よって、基板と露光する光の角度を変えることによってテーパロッドアレイのテーパ角を容易に、かつ精密に調整することができる。

更に、照射工程で、基板と照射する光との相対的な角度を変化させながら光を照射することにより、光硬化性樹脂の膜厚がより大きい、または回転傾斜露光の傾斜角がより大きいときであっても、テーパロッドアレイ構造を作製可能となる。

本発明の光学素子の作製方法によれば、基板と露光する光の角度を変えることによってテーパロッドアレイのテーパ角を容易に、かつ精密に調整することができる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。同図に示す本実施の形態の光学素子１０において、透明基板１１上には、複数の開口部１２を有する反射層１３が形成されており、開口部１２上には複数のテーパロッド１４から成るテーパロッドアレイ１５が形成されている。テーパロッドアレイ１５と、透明基板１１及び反射層１３は密着し一体構造となっている。すなわち、テーパロッドアレイ１５と、透明基板１１及び反射層１３は一体的に形成されており、その間には接着物などは存在していない。ただし、機械的な強度を確保するために、周辺部に補助的に接着剤などで補強を行うことは考えられる。また、テーパロッドアレイ１５は２次元アレイであり、図１の奥行き方向に対してもアレイ状に配列されている。

なお、図１のテーパロッドアレイ１５の具体的な構造としては、図２の（ａ）に示すような角錘台形状や、図２の（ｂ）に示すような円錐台形状など様々な形状が考えられ、基板側から面積が徐々に広がる構造であれば良いが、より等方的に光角度分布を均一化するには円錐台形状のほうが好ましい。また、図２中では出射側である基板と密着していない側のアレイ間に隙間があるが、隙間が無く一体となっていても良い。更に、アレイの配列として、図２の（ｃ）に示すように、より稠密なアレイ配列を取ることも可能である。また、テーパロッドの構造の出射面である基板側とは逆側の面は平坦に限られるわけではなく、例えば微細な構造が形成されていても良い。光が出射する際に出射面と空気との界面において反射が生じ光量ロスとなる可能性があるため、反射を抑えるような微細な構造（荒れ）を持っていることが好ましい。

また、図１のテーパロッドアレイ１５の各テーパロッド１４は光硬化性材料によって形成されていることが好ましい。これは作製上からの都合であり、光硬化性材料によってテーパ構造を形成することは、後述するような作製法によって作製することが可能であり、作製が非常に容易となる。なお、光硬化性材料とは、光の照射によって照射部のみが架橋反応によって硬化し、未照射部分を溶液処理などで取り除くことのできる材料のことである。光硬化性材料は、一般に重合反応を示すモノマーやオリゴマーに光重合開始剤を混ぜたものを中心に組成されており、光照射によって重合架橋反応するものである。このような材料としては、アクリル系光硬化性材料、エポキシ系光硬化性材料、ゾル-ゲル法によって合成される有機材料と無機材料のハイブリッド材料などを用いることができる。有機材料と無機材料のハイブリッド材料としては、シリカなどの無機材料の結合に架橋性の樹脂構造が混ざったものがある。特性として、通常の光硬化性材料（アクリル系光硬化性材料など）に対して、機械的強度、耐熱性、耐環境性に優れている。このため、高強度の光に対して使用する光学素子、あるいは過酷な使用環境において使用する際には、光硬化性材料として有機材料と無機材料のハイブリッド材料を用いることが良い。また、可視光に対して使用する光学素子であれば、光硬化性材料は可視光に対する透過率の高いものを用いる必要があり、可視光によって硬化する光硬化材料ではなく紫外線によって硬化する紫外線硬化材料を用いるのが良い。

また、図１のテーパロッドアレイ１５の各テーパロッド１４の材料としてフォトレジストを用いることも可能である。フォトレジストは膜厚の制御性、加工分解能に優れており精密なテーパロッドアレイ構造をより容易に作製することが可能である。また、フォトレジストの中でも後述するような作製方法で作製するには、ネガ型のフォトレジストを使用する必要があり、後述の作製方法で作製するならば原理的にネガ型レジストに限定される。エポキシ系材料を用いたネガ型フォトレジスト材料で、比較的安価で耐熱性、機械的強度、可視光に対する透過性に優れたものが存在しており、例えば化薬マイクロケム社より販売されているSU-８レジストなどが適している。

更に、図１の反射層１３に用いる材料としては、金属膜や誘電体多層膜などが使用できるほか、散乱反射材料を用いることもできる。中でも金属膜では非常に薄い膜厚で高い反射率を有するので、微細な開口部を多数形成することが容易であり、最も良い。可視光に対する光学素子として使用される場合には金属材料としては銀またはアルミニウムが可視光に対する反射率が高く最も良い。銀は特に腐食性が高いため、反射層として使用する際には表面保護層も形成されていることがより好ましい。

次に、本発明の光学素子の作製方法について図面を用いて説明する。
図３は本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の作製方法による各工程を示す断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要件を示す。先ず、同図の（ａ）に示すように、透明基板１１上に開口部１２を有する反射層１３を形成する。反射層１３としてここでは銀を用いた。開口部１２を有する銀層を形成する方法は一般に公知な方法を用いることができ、フォトレジストなどでパターニングした後に金属を成膜しその後フォトレジストを除去するリフトオフ法の他にフォトレジストをマスクとして金属層をエッチングする方法などがある。次に、同図の（ｂ）に示すように、開口部１２を含む反射層１３上に光硬化性材料２１を塗布する。ここでは光硬化性材料としてネガ型フォトレジストであるＳＵ−８を用いた。このＳＵ−８は４００ｎｍ以下の光で硬化し、可視光に対しては高い透過性を有する。材料の塗布には、スピンコートやスプレーコートなどの方法を用いることができ、塗布後に熱処理プロセスなどによって溶媒を蒸発するプロセスがあっても良い。あるいは、塗布と熱処理のプロセスを複数回繰り返し、より厚い膜を塗布することも可能である。そして、同図の（ｃ）に示すように、塗布した光硬化性材料２１のＳＵ−８レジストに対して透明基板側から紫外光２２を照射して、開口部１２を通過した紫外光２２によって光硬化性材料２１のＳＵ−８レジストを露光する。このとき、照射する紫外光は開口部１２によって所定の放射角を持つ発散光となっており、このため塗布した光硬化性材料２１のＳＵ−８レジストは開口部１２から放射状に露光されることとなる。これによって、反射層１３の全ての開口部１２からテーパロッド状に露光がなされる。次に、同図の（ｄ）に示すように、光が照射されていないレジスト部を所定の溶液による現像液及びリンスによって洗い流す。これによって、テーパロッド状に露光した部分で硬化した部分のみが残り、最終的にテーパロッドアレイ１５が反射層１３の開口部１２上に一括で形成できることとなる。

ここで、第１の実施の形態の光学素子の作製方法においては、図３の（ｃ）に示すように、作製したいテーパロッドアレイのテーパ角に対して、露光する光の発散角を調整しなければならない。光の発散角の調整は容易では無く、結果としてテーパロッドアレイのテーパ角を自由にコントロールすることができなくなってしまう。

そこで、図４に示すような第２の実施の形態に係る光学素子の作製方法が考えられる。同図において、図３と同じ参照符号は同じ構成要件を示す。なお、図４の（ａ）〜（ｄ）に示す第２の実施の形態の光学素子の作製方法は、第１の実施の形態の光学素子の作製方法のうち図３の（ｃ）以外の工程と同じであるので、図４の（ｃ）における工程に関してのみ説明する。図４の（ｃ）に示すように、塗布したＳＵ−８レジストに対して透明基板側から略平行光となっている紫外光２２を反射層１３に対して所定の角度αだけ傾いた状態で照射する。更に、透明基板１１を露光中に図中点線を回転中心として回転運動を行う。この露光方法を回転傾斜露光と呼ぶこととする。このため塗布したＳＵ−８レジストは開口部１２から放射状に露光されることとなる。これによって、反射層１３の全ての開口部１２からテーパロッド状に露光がなされる。

ここで、図５に回転傾斜露光を行うための露光装置の構成図を示す。同図において、紫外線を照射する水銀ランプ光源３１からの光は光学系３２によってコリメート化される。光硬化性材料２１が塗布された透明基板１１は、回転ステージ３３に固定されており、コリメートされた紫外光が透明基板側から照射されるようになっている。回転ステージ３３は露光中に回転軸中心周りに回転するようになっている。図中では省略したが、露光装置には光強度均質化光学系やシャッタなど、あるいはシャッタや回転ステージの制御系など、通常の露光装置に備えられているものが備わっていることが望まれる。露光光源としてはここで示した水銀ランプの他にＬＥＤやレーザを用いることも可能である。

図６は回転傾斜露光によって露光される部分を説明する概略斜視図である。同図において、反射膜１３には開口部１２が存在する。傾斜露光においては、開口部１２を通過する光は略平行光で基板に対して所定の角度傾いているため、ある瞬間での光強度は図中斜線で示したようになる。更に、透明基板１１が回転しているため、図中に示されるようにテーパロッド状の露光部３４が形成され、最終的にテーパロッド３５が形成される。

図７は実際に図４に示す第２の実施の形態の光学素子の作製工程で作製した光学素子の例を斜めから走査型電子顕微鏡で撮影した図である。下地は銀の反射膜であり、反射膜の開口部からＳＵ−８レジストのテーパロッドアレイ構造が形成されている。１つのテーパロッドの底部の径は約２０μｍ、上部の径は約４０μｍであり、非常に微細なテーパロッドアレイが作製可能であることがわかる。

図４に示す第２の実施の形態の光学素子の作製工程において、光硬化性樹脂の膜厚がより大きい、または露光する光の傾斜角αがより大きいときには、作製されるテーパロッドアレイ構造の一部が中空となってしまう。図８に図６で示した露光部分に対して、光硬化性樹脂の膜厚が厚いときの露光部分を示した。図中に示されるように、光硬化性樹脂の膜厚が厚いときには中心部に未露光部３６が形成され。これは最終的には中空部となってしまい、テーパロッドアレイの形状を劣化させてしまう。

このようなときは図５に示す傾斜角度αを複数回変えて、あるいは傾斜角αを変えながら露光を行うことが好ましい。そこで、図９に示す回転傾斜露光装置には、図５に示す回転傾斜露光装置に、更に回転ステージ３７が設けられている。このとき、回転ステージ３７の回転中心と、開口部１２を有する反射膜１３の面中心が略等しい位置となっていることが望ましい。

図１０は本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の光学素子４０には、透明基板１１に反射層１３が形成されている面とは異なる面の一部に外部から光が入射するための光入射部４１が設けられており、反射層１３が形成されている面と光入射部４１を除く全ての面に散乱体４２が形成されている。光入射部４１は複数箇所存在していても良いし、光入射部４１は反射層１３が形成されている面の一部の開口としてあっても良い。また、光入射部４１は光学研磨された平坦な面となっていることが好ましい。散乱体４２としては多種のものを用いることができるが、反射率は広い波長範囲で高いものが好ましく、その好適な例としては、硫酸バリウム、酸化チタン、ポリエステル、ＰＥＴなど、あるいはそれらの混合体などが挙げられる。

図１１は第２の実施の形態の光学素子の光入射部から光が入射したときの光線の軌跡を模式的に示す図である。同図に示すように、透明基板１１へ入射した光線は、直接または散乱を経て、反射層１３に達する。反射層１３の開口部１２へ入射した光は、テーパロッドアレイ１５の各テーパロッド１４によって内部で反射をしながらコリメート、均質化されて出射する。また、反射層１３の開口部１２以外へ入射した光は反射され透明基板１１へ戻り、散乱などの過程を経て再び反射層１３へ入射する。このような光のリサイクル過程を経ることによって、テーパロッドアレイ１５から徐々に光が抜けていく。このように、最初に反射層１３の開口部１２に入らなかった光も再利用しているため光利用効率の高い光学素子とすることが可能である。

図１２は本発明の第３の実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。同図において、図１０と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の光学素子５０には、図１０に示す光学素子４０に加え、ＬＥＤ素子５１が光入射部４１に配置されている。ＬＥＤ素子５１の発光部と光入射部４１は密着あるいは、接着剤によって接着されていることが好ましい。ＬＥＤ素子５１の発光部と光入射部４１の間に隙間があると、ＬＥＤ素子５１と空気との界面で全反射する光が発生するためＬＥＤ素子５１からの光取出し効率が低下し、また隙間から漏れる光が発生する問題がある。よって、ＬＥＤ素子５１と光入射部４１は密着あるいは接着剤によって接着されていることが好ましい。更には、接着剤として高屈折率な材料を用いるほうが、ＬＥＤ素子５１からの光取出し効率を高くすることができより良い。また、ＬＥＤ素子５１は電子基板５２上に実装されており、さらに電子基板５２と透明基板１１は接着層５３によって固定されていることが好ましい。ＬＥＤ素子５１としては複数個のＬＥＤから成る構成でも良いし、あるいは赤・青・緑の３原色をそれぞれ主に発光する複数種類のＬＥＤ素子であっても良い。また、光源としてＬＥＤ素子に限るわけではなく、半導体レーザ素子や有機ＥＬ素子などを用いることも可能である。

図１３は本発明の一実施の形態に係る投射型表示装置の構成を示す概略構成図である。同図に示す本実施の形態例は、色順次駆動方式の投射型カラー液晶表示装置の例である。本実施の形態例の投影型表示装置６０は、図１２の光学素子５０と、光学素子５０からの出射光の偏光方向を一方向に揃えるための偏光子６１と、液晶ライトバルブ６２と、液晶ライトバルブ６２によって合成された画像をスクリーンに拡大投射する投射レンズ６３とを含んで構成されている。また、光学素子５０における電子基板５２上の駆動回路によってＬＥＤ素子５１の発光するタイミングが制御され、ＬＥＤ素子５１から例えばＲ、Ｇ、Ｂ、Ｒ、Ｇ、Ｂ、…というように時間順次に色光を発光可能な構成となっている。このとき、同色のＬＥＤの同一端子は電子基板５１上で結線することにより配線を簡略化することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば光源としてはＬＥＤの他、半導体レーザ、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子なども使用できる。また、光学素子、偏光子、マイクロレンズアレイなどは、必要な機能を出せれば、ガラス製、樹脂製など素材は問わない。更に、ライトバルブとして反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）を用いる構成でもよい。また、カラー表示方式も実施の形態例の色順次方式に限定されるものではなく、画素分割のフィルタ方式を用いることも可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。 図１のテーパロッドアレイ１５の具体的な構造の例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の作製方法による各工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の作製方法による各工程を示す断面図である。 回転傾斜露光を行うための露光装置の構成を示す概略図である。 回転傾斜露光によって露光される部分を説明する概略斜視図である。 図４に示す第２の実施の形態の光学素子の作製工程で作製した光学素子の例を斜めから走査型電子顕微鏡で撮影した図である。 光硬化性樹脂の膜厚がより大きい、または露光する光の傾斜角αがより大きいときの、回転傾斜露光によって露光される部分を説明する概略斜視図である。 回転傾斜露光を行うための露光装置の別の構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。 第２の実施の形態の光学素子の光入射部から光が入射したときの光線の軌跡を模式的に示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る投射型表示装置の構成を示す概略構成図である。 従来の光学モジュールの構成を示す断面図である。 テーパロッドを示す断面図である。

符号の説明

１０，４０，５０；光学素子、１１；透明基板、１２；開口部、
１３；反射層、１４，３５；テーパロッド、
１５；テーパロッドアレイ、２１；光硬化性材料、２２；紫外光、
３１；水銀ランプ光源、３２；光学系、３３，３７；回転ステージ、
３４；露光部、３６；未露光部、４１；光入射部、４２；散乱体、
５１；ＬＥＤ素子、５２；電子基板、５３；接着層、
６０；投射型表示装置。

Claims (2)

1. 透明な基板上に複数の開口部を有する反射膜を形成する反射膜形成工程と、
   前記反射膜上に光硬化性材料層を形成する光硬化性材料層形成工程と、
   前記光硬化性材料層に対して前記基板側から所定の角度で基板を回転させながら光を照射する照射工程と、
   光が照射されていない部分の前記光硬化性材料層を除去する光硬化性材料層除去工程と
   を有することを特徴とする光学素子の作製方法。
2. 前記照射工程で、前記基板と照射する光との相対的な角度を変化させながら光を照射することを特徴とする請求項１記載の光学素子の作製方法。

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