JP5780821B2 - 複合型光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は基板と樹脂層からなる複合型光学素子の製造方法に関するものである。

回折光学素子、非球面レンズ、ピックアップレンズなどの光学素子の成形方法として代表的なものがレプリカ成形法である。レプリカ成形法は、微細形状をもつ型に樹脂を滴下し基板を用いて充填する工程と、樹脂を硬化させる工程と、型から前記樹脂と基板を一体として離型する工程とを有する。

レプリカ成形法においては、特許文献１に開示されたように、型もしくは基板側に凸部または凹部を設ける方法がある。凸部または凹部に沿って樹脂が回りこむことで、光学有効部内に樹脂が未充填な状態となるのを抑制する。

特開平０３−０１３９０２号公報

しかしながら、透過率が悪い樹脂、たとえば微粒子を分散させた樹脂を使う場合、光学素子として用いるためには樹脂層の厚みを薄く均一に規定する必要がある。薄く均一に樹脂を充填するためには、基板を加圧しながら充填する必要がある。加圧しながら樹脂を充填する場合、成形機の加圧面と基板面と型面の軸は平行ではないため、軸の傾きに応じてある方向に樹脂が偏ってしまい、光学有効部内に樹脂が未充填な状態になるか、型の外に樹脂がはみ出すという課題がある。

この課題に対し、特許文献１に開示されたように、たとえば、型または基板に凸部を設けている場合、凸部に沿って樹脂が回りこむが、その許容量は少なく、特に薄肉の樹脂層の場合、型の外に樹脂がはみ出してしまうという課題があった。

本発明は、型の光学有効部内に樹脂を不足なく充填することができ、しかも型の外に樹脂があふれることを防ぐことができる複合型光学素子の製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、基板上に、樹脂層の光学有効部を有する複合型光学素子の製造方法であって、前記光学有効部を形成する部分と、前記光学有効部を形成する部分の外側に同心円状に配置された少なくとも２つの土手と、前記２つの土手の間に配置された溝と、を備えた型を準備する工程と、前記型に樹脂を滴下し、前記基板が前記型に対して傾斜した状態で加圧して前記基板を前記型の前記２つの土手のうちの一方に突き当てた後、前記基板を加圧して前記光学有効部を形成する部分に前記樹脂を充填し、複合型光学素子の樹脂層を成形する工程と、前記樹脂層を硬化させる工程と、硬化した前記樹脂層と前記基板を一体として前記型から離型する工程と、を有することを特徴とする。

樹脂を加圧充填するとき、光学有効部を形成する部分に近い一つ目（内側）の土手に樹脂が到達したとき、一つ目の土手より内側の未充填領域に向けて樹脂が回り込むような樹脂の流れと、外側に向かう樹脂の流れが生じる。そして、溝と二つ目（外側）の土手により、外側に向かう樹脂の流れが弱くなるため、光学有効部を形成する部分の未充填領域にむけて樹脂が回りこむ流れが大きくなる。その結果、光学有効部を形成する部分内に樹脂を不足なく充填することができ、また型の外に樹脂があふれ出すことを防ぐことができる。

本発明の一実施形態による複合型光学素子成形用の型を示す模式断面図である。 図１の型を用いて成形された複合型光学素子を示す模式断面図である。 図１の型を用いたときの樹脂の流れを示す説明図である。 実施例１に係る回折光学素子の成形方法を示す工程図である。 実施例２に係る回折光学素子の成形方法を示す工程図である。 比較例による型を用いたときの樹脂の流れを示す説明図である。 比較例に係る回折光学素子の成形方法を示す工程図である。

本発明の複合型光学素子の成形方法を説明する。

図１に示すような複合型光学素子成形用の型１０を準備する。型１０は、光学有効部外（複合型光学素子の光学有効部を形成する部分の外側）に同心円状の少なくとも２つの土手１１、土手１３があり、土手１１、１３の間に溝１２があり、光学有効部内（複合型光学素子の光学有効部を形成する部分内）には同心円状の格子１４が配置されている。図２に示すように、図１の型１０を用いて成形された複合型光学素子２０は、基板ガラス（基板）２４と、樹脂層である同心円状の格子２５Ａと、を有し、格子２５Ａの外側には樹脂の無い基板領域２４Ａおよび樹脂層突起２５Ｂを備える。樹脂層突起２５Ｂは樹脂の滴下量によっては、左右非対称の形状になる。

図３に示すように、樹脂層である格子２５Ａの成形工程では、溝１２が樹脂を溜め込むバッファーとして機能するとともに、樹脂の未充填領域に向けて樹脂の流れを作る機能も有する。すなわち、図３（ａ）のように、内側の土手１１に樹脂２５が充填されてきたとき、土手１１の周方向に回り込む樹脂の流れと、土手１１を乗り越えて溝１２に向かう樹脂の流れが生じる。図３（ｂ）のように、溝１２に流れ込んだ樹脂が外側の土手１３まで充填されてきたとき、溝１２の周方向に回り込む流れと、土手１３を乗り越えて型１０の外側に向かう樹脂の流れが生じる。樹脂には粘性があるため、この溝１２の周方向に回り込む流れが内側の土手１１の周方向に回り込む樹脂の流れに影響を与える。そして、図３（ｃ）のように、内側の土手１１の周方向に回り込む樹脂の流れが増幅され、内側の土手１１を乗り越えて溝１２に向かう樹脂の流れが弱まる。そのため、型１０の光学有効部内における未充填領域に優先的に樹脂が流れ込む効果が生じる。

ここで、溝１２の深さや幅を調整することで、外側の土手１３を樹脂が乗り越えて型１０の外側に流れ出てしまう前に、外側の土手１３と基板ガラス２４を接触させることができる。これにより、溝１２が部分的な密閉空間となり、型１０の外側に向かう樹脂の流れのインピーダンスが上がり、溝１２の周方向に回り込む流れのみとなり、型１０の外側に樹脂があふれ出ないようにすることができる。

さらに、上記の土手、溝、土手の構造を複数設けることで、前述の効果が増し、より効果的に光学有効部内の樹脂を不足なく充填することができ、また型の外側に樹脂があふれ出るのを防ぐことができる。

図４（ａ）に示すように、光学有効部を構成する同心円状に格子が切削加工された型３０に、微粒子分散光硬化性樹脂３５を滴下し、基板レンズ（基板）３４を用いて型３０の型面との間に加圧充填する。

使用する微粒子分散光硬化性樹脂はフッ素系光硬化性樹脂にナノサイズのＩＴＯ微粒子を分散させたものである。基板レンズ３４の樹脂が接する面にはシランカップリング剤を薄く均等に塗布することにより、基板レンズ３４と樹脂層３５Ａが一体となって型３０から離型するようにする。また、型３０の光学有効部外の全周に基板レンズ３４を突き当てるための、ベース面からの高さ２μｍ幅０．５ｍｍの土手３１が、さらにその外側にベース面からの高さ２μｍ幅０．５ｍｍの土手３３が配置されている。土手３１と土手３３の間にはベース面からの深さ４０μｍ幅０．５ｍｍの溝３２が設けられている。型３０の直径は、９８ｍｍで基板レンズ３４より小さくしてある。さらに、離型を容易にするために、土手３１、土手３３の光学有効部側の側面には、ベース面の法線に対して６７°のテーパを加工してある。

図４（ｂ）のように加圧ガラス３７を介して基板レンズ３４を加圧する。このとき、加圧ガラス３７と型３０のベース面の平行度は１０μｍである。まず、２９４Ｎの荷重で、加圧ガラス３７と基板レンズ３４を接触させ、その後、図４（ｃ）のように基板レンズ３４と型３０を接触させる。加圧ガラス３７にはコンプライアンス機構がついており、加圧ガラス３７、基板レンズ３４は型３０の土手３１、３３にならうようになっている。

ここで、接触荷重が大きいと、樹脂が加圧ガラス３７の傾きの方向に流れてしまうため、極力小さくする。このとき、図４（ｄ）のように樹脂厚は土手３１に近い外側に比べ中心の方が厚い状態になる。次に中心側の樹脂厚を外側の樹脂厚にそろえるため、加圧する荷重を４９００Ｎにする。このとき、溝３２および外側の土手３３の効果により土手３１の内側の樹脂が未充填の領域へ優先的に回りこみやすくなる。土手３１の内側の領域がすべて埋まった後、基板レンズ３４と土手３１のわずかな隙間から溝３２に流れ込む。溝３２の外側に土手３３があるため、溝３２の未充填部に優先的に樹脂が流れ込む。充填する樹脂量を型３０のキャビティ体積以下にすれば型３０の外に樹脂があふれることがない。

充填が終了したら、加圧したまま、図４（ｆ）に示す高圧水銀ランプ３８から光を照射して硬化させ、樹脂層３５Ａを成形する。

硬化後、図４（ｇ）、（ｈ）に示すように、基板レンズ３４と樹脂層３５Ａを一体とし型３０から離型する。

上記の方法で、複合型光学素子である回折光学素子を成形し、光学顕微鏡で充填領域および樹脂あふれの確認を行った。光学有効部内の樹脂未充填に関しては、目視および光学顕微鏡（倍率４倍）で、成形した回折光学素子を観察し、光学有効部内に少しでも未充填な部分が確認されれば、ありとした。また、型外への樹脂のはみ出しに関しては、目視で型の外周側面を観察し、樹脂の付着が確認されれば、ありとした。さらに、目視および光学顕微鏡（倍率４倍）で、成形した回折光学素子を観察し、型よりも径の大きい領域（９８ｍｍより外側）に樹脂の付着が確認されれば、ありとした。

その結果、表１のように樹脂の滴下量が１２０ｍｇから１３５ｍｇの間で、すべての素子で光学有効部内に樹脂を不足なく充填することができ、また型の外に樹脂があふれることを防ぐことができた。

比較のため、１２０ｍｇ以下および１３５ｍｇ以上の場合も同様に成形した結果、１２０ｍｇ以下では、光学有効部内で樹脂が未充填の領域が発生した。１３５ｍｇ以上では、樹脂の体積が、型の樹脂充填部の体積より大きくなってしまうため型の外に樹脂のはみ出しが確認された。

（比較例１）
光学有効部外に土手が１つしかない場合、図６（ａ）のように土手１０１まで樹脂１０５が充填されてきたとき、土手１０１の周方向に回りこむ樹脂の流れと、土手１０１を乗り越えて型１００の外側に向かう樹脂の流れが生じる。樹脂は流れのインピーダンスが小さいほうへ流れ込むため、図６（ｂ）のように型１００の外側に樹脂１０５があふれ出てしまう。

この場合を比較例として説明する。まず、図７（ａ）のように光学有効部内に同心円状に格子が切削加工され、光学有効部外の全周に基板レンズ１０４を突き当てるためのベース面からの高さ２μｍ幅０．５ｍｍの土手１０１が加工されている型１００を用意する。型１００の直径は、９８ｍｍで基板レンズ１０４より小さくしてある。

この型１００を用いて、実施例１と同様の工程で回折光学素子を成形した。成形した回折光学素子を、光学顕微鏡で充填領域および樹脂あふれの確認を行った。その結果、樹脂の滴下量がおおよそ１２５ｍｇ以下の素子は光学有効部内の樹脂未充填が発生し、樹脂の滴下量がおおよそ１２９ｍｇ以上の素子では、型の外に樹脂１０５Ｂがはみ出した。

図５（ａ）に示す型４０を用いて複合型光学素子である回折光学素子を成形する。型４０は、光学有効部に同心円状に格子４４を有し、光学有効部外の全周高さ１．５μｍ幅０．５ｍｍの土手４１が、その外側に基板である基板レンズ４４を突き当てるためのベース面からの高さ２μｍ、幅０．５ｍｍの土手４３が加工されている。土手４１と土手４３の間にはベース面からの深さ４０μｍ、幅０．５ｍｍの溝４２が加工されている。型４０の直径は、９８ｍｍで基板レンズ４４より小さくしてある。このように、２つの土手のうちの一方を基板に突き当てるように構成した型４０を用いて、実施例１と同様の工程で回折光学素子を成形した。

その結果、表２のように、樹脂の滴下量がおおよそ１２２ｍｇ以下の素子は光学有効部内の樹脂未充填が発生した。樹脂の滴下量がおおよそ１３５ｍｇ以下の素子では、型４０の外に樹脂がはみ出しはなかった。光学有効部内の樹脂未充填に関しては、比較例に対して効果が得られた。また。型の外への樹脂のはみ出しに関しては、比較例に対して大幅な改善がみられ、実施例１と同様の効果を得られた。

１０、３０、４０、１００ 型
１１、１３、３１、３３、４１、４３、１０１ 土手
１２、３２、４２ 溝
１４、２５Ａ 格子
２０ 複合型光学素子
２４ 基板ガラス
３４、４４、１０４ 基板レンズ
２５、３５、４５、１０５ 樹脂
３７、４７、１０７ 加圧ガラス

Claims (4)

1. 基板上に、樹脂層の光学有効部を有する複合型光学素子の製造方法であって、
   前記光学有効部を形成する部分と、前記光学有効部を形成する部分の外側に同心円状に配置された少なくとも２つの土手と、前記２つの土手の間に配置された溝と、を備えた型を準備する工程と、
   前記型に樹脂を滴下し、前記基板が前記型に対して傾斜した状態で加圧して前記基板を前記型の前記２つの土手のうちの一方に突き当てた後、前記基板を加圧して前記光学有効部を形成する部分に前記樹脂を充填し、複合型光学素子の樹脂層を成形する工程と、
   前記樹脂層を硬化させる工程と、
   硬化した前記樹脂層と前記基板を一体として前記型から離型する工程と、を有することを特徴とする複合型光学素子の製造方法。
2. 基板上に、樹脂層の光学有効部を有する複合型光学素子の製造方法であって、
   前記光学有効部を形成する部分と、前記光学有効部を形成する部分の外側に同心円状に配置された少なくとも２つの土手と、前記２つの土手の間に配置された溝と、を備えた型を準備する工程と、
   前記型に樹脂を滴下し、前記基板が前記型に対して傾斜した状態で加圧して前記基板を前記型の前記２つの土手に突き当てた後、前記基板を加圧して前記光学有効部を形成する部分に前記樹脂を充填し、複合型光学素子の樹脂層を成形する工程と、
   前記樹脂層を硬化させる工程と、
   硬化した前記樹脂層と前記基板を一体として前記型から離型する工程と、を有することを特徴とする複合型光学素子の製造方法。
3. 前記複合型光学素子の樹脂層を成形する工程で、前記２つの土手のうちの外側の土手まで樹脂が充填されることで、前記光学有効部を形成する部分内における周方向に回り込む樹脂の流れを増幅しながら充填する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の複合型光学素子の製造方法。
4. 前記複合型光学素子の樹脂層を成形する工程で、前記基板を前記型に突き当てる際に第１の荷重で加圧し、その後、前記第１の荷重よりも大きい第２の荷重で加圧して前記光学有効部を形成する部分に前記樹脂を充填する、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の複合型光学素子の製造方法。

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