JP5948686B2

JP5948686B2 - 光学素子及びその取付方法

Info

Publication number: JP5948686B2
Application number: JP2014200721A
Authority: JP
Inventors: 博基杉山; 拓也上野; 俊允高岡
Original assignee: Nalux Co Ltd
Current assignee: Nalux Co Ltd
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: JP2016001293A

Description

本発明は、光学素子及びその取付方法に関する。

多くの光学素子は、光学的に機能する部分の他に、鏡筒など他の部品に取り付けるための取付部を備える。取付部の少なくとも一つの面と他の部品の面とを接着剤によって互いに固定することによって、光学素子を他の部品に取り付ける。光学素子がプラスチック製である場合には、接着剤として紫外線硬化型接着剤が使用されることが多い（たとえば、特許文献１）。紫外線硬化型接着剤を使用する場合に、光学素子の取付部の少なくとも一つの面と他の部品の面との間の接着剤に紫外線を照射する必要がある。この場合に、紫外線は、取付部の接着面以外の面を通して照射されることが多い。しかし、プラスチックは、青色乃至紫外域の波長の光に対する耐性が低いので、紫外線を照射された取付部は劣化し、時間が経過すると変色や変形を生じ、最終的には光学素子の寿命を低下させる。

特開２００６−１７８３８８号公報

したがって、紫外線硬化型接着剤への紫外線照射を行っても劣化することのない光学素子、及び紫外線硬化型接着剤への紫外線照射を行っても光学素子を劣化させることのない光学素子の取付方法に対するニーズがある。本発明の技術的課題は、紫外線硬化型接着剤への紫外線照射を行っても劣化することのない光学素子、及び紫外線硬化型接着剤への紫外線照射を行っても光学素子を劣化させることのない光学素子の取付方法を提供することである。

本発明の第１の態様による光学素子は、光学的に機能する部分と、他の部品に取り付けるための面を備えた取付部と、を備えた、プラスチックからなる光学素子であって、該取付部の、該他の部品に取り付けるための面以外の面の、少なくとも一部に、微細凹凸構造であって、隣接する凹部と凹部、または隣接する凸部と凸部との間隔が、該他の部品に取り付けるための紫外線硬化型接着剤に使用される紫外線の波長よりも短い微細凹凸構造を備え、外部からの光線が、該微細凹凸構造、該取り付け部のプラスチック材料、該取付部の、該他の部品に取り付けるための面を、上記の順序で通過する経路が存在するように構成されている。

本態様による光学素子を紫外線硬化型接着剤によって他の部品に取り付ける際に、紫外線が、該微細凹凸構造、該取り付け部のプラスチック材料、該取付部の、該他の部品に取り付けるための面を、上記の順序で通過するように照射することができる。紫外線を該微細凹凸構造を介して照射することにより、該取り付け部のプラスチック材料に対する紫外線の影響を小さくすることができる。

本発明の第１の態様の第１の実施形態による光学素子は、該光学的に機能する部分の面のうち該取付部の該微細凹凸構造に連続した部分に微細凹凸構造を備えている。

本実施形態によれば、紫外線硬化型接着剤へ紫外線照射を場合に、該光学的に機能する部分の面のうち該取付部の該微細凹凸構造に連続した部分に備わる微細凹凸構造により、該光学的に機能する部分のうち該取付部の周囲の部分のプラスチックが劣化し、変色や損傷が生じることが防止される。

本発明の第１の態様の第２の実施形態による光学素子においては、該取付部が、該光学的に機能する部分を囲み、フランジ状に形成されている。

本発明の第１の態様の第３の実施形態による光学素子においては、該取付部が、該光学的に機能する部分を囲み、筒状に形成されている。

本発明の第１の態様の第４の実施形態による光学素子においては、該取付部が、該光学的に機能する部分の周囲の一部にのみ形成されている。

本発明の第１の態様の第５実施形態による光学素子においては、該微細凹凸構造が、該取付部と一体的に成形されたものである。

本発明の第１の態様の第６の実施形態による光学素子においては、該微細凹凸構造が、該取付部に微細凹凸構造を備えたシートを貼り付けて形成されたものである。

本発明の第２の態様による光学素子の他の部品への取付方法は、光学素子の取付部の、該他の部品に取り付けるための面、及び他の部品の面を、紫外線硬化型接着剤を間に挟んで重ねるステップと、該取付部の面に備わる微細凹凸構造、該取り付け部のプラスチック材料、該取付部の、該他の部品に取り付けるための面、該紫外線硬化型接着剤を、上記の順序で通過するように、紫外線を照射するステップと、を含み、該微細凹凸構造の隣接する凹部と凹部、または隣接する凸部と凸部との間隔は、該紫外線の波長よりも短い。

本発明の第２の態様による光学素子の他の部品への取付方法によれば、紫外線が、該微細凹凸構造、該取り付け部のプラスチック材料、該取付部の、該他の部品に取り付けるための面を、上記の順序で通過するように照射される。この結果、該取り付け部のプラスチック材料に対する紫外線の影響を小さくすることができる。

ＳＷＳ（微細凹凸構造）を説明するための図である。ＳＷＳを備えたシート１、及びＳＷＳを備えていないシート２のレーザ照射前後の透過率変化量を示す図である。本発明の光学素子の第１の例の形状を示す図である。本発明の光学素子の第２の例の形状を示す図である。本発明の光学素子の第３の例の形状を示す図である。本発明の光学素子の第４の例の形状を示す図である。光学素子を他の部品に取り付ける取付方法を説明するための流れ図である。光学素子を他の部品に取り付けた状態の、光学素子及び他の部品の光学素子の中心軸を通る断面図である。本発明の光学素子の製造方法の一例を示す流れ図である。

上述のように、プラスチックは、青色乃至紫外域の波長の光に対する耐性が低いことが知られている。本願発明者は、以下に説明する実験に基づいて、照射する光の青色乃至紫外域の波長以下の、ピッチを有する微細凹凸構造を、プラスチックの、光が照射される面に付与すると、プラスチックの該光に対する耐性が顕著に向上するとの新たな知見を得た。ここで、ピッチとは、微細凹凸構造の隣接する凹部と凹部、または隣接する凸部と凸部との間隔をいう。

一般的に、使用される光の波長以下のピッチを有する微細凹凸構造は、サブ波長構造（Sub-Wavelength Structure、ＳＷＳ）と呼称される。ＳＷＳは、従来、たとえば、反射防止用や偏光制御用などに使用されていた。反射防止用のＳＷＳは、光学素子の表面に射出成形によって形成されるもの（特許4206447）や、エッチングで直接形成されるもの（特開2001-272505）であった。偏光制御用のＳＷＳは、屈折率の異なる多層の材料から形成されるもの（特開2006-330105）などであった。

しかし、ＳＷＳが、光、特に青色レーザを含む青色乃至紫外域の波長の光に対する耐性を向上させるために使用されることはなかった。

本明細書の以下の記述において、照射する青色乃至紫外域の波長の光の波長以下の、ピッチを有する微細凹凸構造を、ＳＷＳと呼称する。

図１は、ＳＷＳを説明するための図である。ここでは、ＳＷＳの微細凹凸構造の隣接する凹部と凹部、または隣接する凸部と凸部との間隔、すなわちピッチは一定である。このピッチを格子ピッチと呼称する。また、ＳＷＳの微細凹凸構造の、凸部に対する凹部の深さ、または凹部に対する凸部の高さは一定である。この深さ、または高さを格子深さ、または格子高さと呼称する。格子ピッチａは、照射する光の青色乃至紫外域の波長よりも小さく、一例として、３００ナノメータ以下である。格子深さ（高さ）ｂは、一例として５０ナノメータ以上である。

ここで、格子ピッチに対する格子高さの比、すなわちアスペクト比は、後で説明するように、反射防止用ＳＷＳや偏光制御用ＳＷＳよりも小さくとも光に対する耐性が得られる。

上述のように、図１は、微細凹凸構造の隣接する凹部と凹部、または隣接する凸部と凸部との間隔が一定のＳＷＳを示している。より、一般的に、微細凹凸構造の隣接する凹部と凹部、または隣接する凸部と凸部との間隔は一定でなくとも、上記の間隔が、照射する光の青色乃至紫外域の波長よりも小さければよい。

つぎに、本願発明者の実施した実験について説明する。

プラスチックシートの面にＳＷＳを形成し、その面に所定の条件でレーザ光を照射し、レーザ照射前後の透過率の変化量を観測することにより、プラスチックシートのレーザ光に対する耐性を調査するための実験を実施した。プラスチックシートの材料は、ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒである。ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒは、商品名であり、シクロオレフィンポリマーからなる、耐光性のプラスチック材料である。照射したレーザ光の波長は、４０５ナノメータであり、照射強度は、２８７ｍＷ／ｍｍ^２であり、照射時間は２００時間である。

表１は、この実験の結果を示す表である。シート１は、照射面にＳＷＳを取り付けたシートであり、シート２は、ＳＷＳを備えていないシートである。

図２は、ＳＷＳを備えたシート１、及びＳＷＳを備えていないシート２のレーザ照射前後の透過率変化量の絶対値を示す図である。シート１、及びシート２のプラスチックシートの材料は、上述のようにＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒである。シート１、及びシート２の厚さは２ミリメータである。シート１のプラスチックシートは、格子ピッチ２６０ナノメータ、格子高さ１８４ナノメータのＳＷＳをレーザ照射側の面にのみ形成したものである。シート２のプラスチックシートの面には、ＳＷＳを形成しなかった。

レーザ照射前にシート１、及びシート２の透過率を測定した。この場合に測定された透過率を初期透過率と呼称する。シート１の初期透過率は、９１．８１％であり、シート２の初期透過率は、８９．２６％であった。シート１の初期透過率がシート２の初期透過率よりも高い理由は、シート１の片面に形成されたＳＷＳが反射防止構造として機能し、反射率を低下させているためである。

シート１、及びシート２のプラスチックシートに対して、７５℃の恒温条件において波長４０５ナノメータのレーザ光を、２８７ｍＷ／ｍｍ^２のパワー密度で２００時間照射し、その後、再び、シート１、及びシート２の透過率を測定した。この場合に測定された透過率を最終透過率と呼称する。シート１の最終透過率は、９０．０３％であり、シート２の最終透過率は、８２．３７％であった。レーザ照射によるシート１の透過率の低下は、１．７８％であり、レーザ照射によるシート２の透過率の低下は、６．８９％であった。

レーザ照射によるプラスチックシートの透過率の低下は、プラスチックシートの光学特性の変化によって生じる。したがって、透過率の低下が小さいことは、プラスチックシートの特性が変化していないこと、すなわち、レーザ光に対する耐性が高いことを示す。いずれの面にもＳＷＳを形成しなかったシート２と比較して、一面にＳＷＳを形成したシート１のレーザ光に対する耐性は著しく向上している。

なお、ここで、シート１のプラスチックシートの面に付与した格子のアスペクト比は、０．５以下である。アスペクト比が０．５以下であっても、上述のように十分な耐光性が得られる点に留意すべきである。

上述の実験により、照射する光の青色乃至紫外域の波長以下の、ピッチを有する微細凹凸構造を、プラスチックの、光が照射される面に付与すると、プラスチックの該光に対する耐性が顕著に向上することが確認できた。

つぎに、本発明の光学素子の形状について説明する。

図３は、本発明の光学素子の第１実施例の形状を示す図である。図３（ａ）は、光学素子の中心軸を通る断面図を示し、図３（ｂ）は、平面図を示す。

光学素子は、使用時において光が通過し、光学的に機能する部分１０１とその周囲を取り囲んで形成された取付部１０３とを含む。光学的に機能する部分１０１は、中心軸に関して回転対称であり、直径はｄ１である。取付部１０３は、光学的に機能する部分１０１の周囲にフランジ状に形成されている。光学的に機能する部分１０１及び取付部１０３を合わせた光学素子全体も回転対称であり、直径はｄ２である。取付部１０３の径方向の幅をｌ１とすると、以下の式が成立する。
ｄ２＝ｄ１＋２・ｌ１

取付部１０３の上部の面には、ＳＷＳ１０５が形成されている。図３において、ＳＷＳ１０５を斜線で示した。また、取付部１０３の下部の面１０７は、取付部１０３を他の部品に取り付けるための面である。

図３（ａ）の点線は、光線の経路の一例を示す。上記の経路に沿って進む光線は、ＳＷＳ１０５、取付部１０３、面１０７を、上記の順序で通過する。したがって、第１実施例の光学素子には、外部からの光線が、ＳＷＳ１０５、取付部１０３、面１０７を、上記の順序で通過する経路が存在する。

図４は、本発明の光学素子の第２実施例の形状を示す図である。図４（ａ）は、光学素子の中心軸を通る断面図を示し、図４（ｂ）は、平面図を示す。

光学素子は、使用時において光が通過し、光学的に機能する部分１０１とその周囲の２箇所に設置された取付部１０３とを含む。光学的に機能する部分１０１は、中心軸に関して回転対称であり、直径はｄ１である。取付部１０３は、光学的に機能する部分１０１の周囲に、中心軸の周りに１８０度の角度間隔で設置されている。取付部１０３の径方向の長さはｌ１である。

取付部１０３の上部の面には、ＳＷＳ１０５が形成されている。図４において、ＳＷＳ１０５を斜線で示した。また、取付部１０３の下部の面１０７は、取付部１０３を他の部品に取り付けるための面である。

図４（ａ）の点線は、光線の経路の一例を示す。上記の経路に沿って進む光線は、ＳＷＳ１０５、取付部１０３、面１０７を、上記の順序で通過する。したがって、第２実施例の光学素子には、外部からの光線が、ＳＷＳ１０５、取付部１０３、面１０７を、上記の順序で通過する経路が存在する。

図５は、本発明の光学素子の第３実施例の形状を示す図である。図５（ａ）は、光学素子の中心軸を通る断面図を示し、図５（ｂ）は、平面図を示す。図５（ｃ）は、光学素子を他の部品３００に取り付けた状態の、光学素子及び他の部品３００の光学素子の中心軸を通る断面図を示す。

光学素子は、使用時において光が通過し、光学的に機能する部分１０１とその周囲の２箇所に設置された取付部１０３とを含む。光学的に機能する部分１０１は、中心軸に関して回転対称であり、直径はｄ１である。取付部１０３は、光学的に機能する部分１０１の周囲に、中心軸の周りに１８０度の角度間隔で設置されている。取付部１０３の径方向の長さはｌ１である。図５（ａ）に示すように、取付部１０３は、光学的に機能する部分１０１の面から突出した部分を備え、図５（ｃ）に示すように、取付部１０３の突出した部分が他の部品３００の凹部と係合し、取付部１０３の突出した部分及び他の部品３００は、接着剤２０１によって接着される。

取付部１０３の上部の面には、ＳＷＳ１０５が形成されている。図５において、ＳＷＳ１０５を斜線で示した。また、取付部１０３の下部の面１０７は、接着剤によって取付部１０３を他の部品３００に取り付けるための面である。

図５（ａ）の点線は、光線の経路の一例を示す。上記の経路に沿って進む光線は、ＳＷＳ１０５、取付部１０３、面１０７を、上記の順序で通過する。したがって、第３実施例の光学素子には、外部からの光線が、ＳＷＳ１０５、取付部１０３、面１０７、接着剤２０１を、上記の順序で通過する経路が存在する。本実施例においては、接着剤に対して、上記の経路で紫外線が照射される。ＳＷＳ１０５を介して、取付部１０３に紫外線が照射されるので、取付部１０３のプラスチック材料に対する紫外線の影響は小さくなる。

図６は、本発明の光学素子の第４実施例の形状を示す図である。図６（ａ）は、光学素子の中心軸を通る断面図を示し、図６（ｂ）は、平面図を示す。

光学素子は、使用時において光が通過し、光学的に機能する部分１０１とその周囲を取り囲んで形成された取付部１０３とを含む。光学的に機能する部分１０１は、中心軸に関して回転対称であり、直径はｄ１である。図６（ａ）に示すように、取付部１０３は、光学的に機能する部分１０１の周囲に筒状に形成されている。取付部１０３の周囲に筒状に形成された部分は、光学的に機能する部分１０１の面から突出した部分を備えている。光学的に機能する部分１０１及び取付部１０３を合わせた光学素子全体も回転対称であり、直径はｄ２である。取付部１０３の径方向の幅をｌ１とすると、以下の式が成立する。

ｄ２＝ｄ１＋２・ｌ１
取付部１０３の上部の面には、ＳＷＳ１０５が形成されている。図６において、ＳＷＳ１０５を斜線で示した。また、取付部１０３の下部の面１０７は、取付部１０３を他の部品に取り付けるための面である。

図６（ａ）の点線は、光線の経路の一例を示す。上記の経路に沿って進む光線は、ＳＷＳ１０５、取付部１０３、面１０７を、上記の順序で通過する。したがって、本実施例の光学素子には、外部からの光線が、ＳＷＳ１０５、取付部１０３、面１０７を、上記の順序で通過する経路が存在する。

図７は、光学素子を他の部品に取り付ける取付方法を説明するための流れ図である。

図７のステップＳ１０１０において、光学素子の取付部の接着面、及び他の部品の接着面を、紫外線硬化型接着剤を間に挟んで重ねる。

図７のステップＳ１０２０において、取付部の、使用される紫外線の波長よりも短い微細凹凸構造、すなわちＳＷＳを備えた部分を介して、紫外線硬化型接着剤に紫外線を照射する。

図８は、光学素子を他の部品３００に取り付けた状態の、光学素子及び他の部品３００の光学素子の中心軸を通る断面図である。光学素子の取付部１０３の面１０７ａまたは１０７ｂは、他の部品３００の面３０１ａ及び面３０１ｂに紫外線硬化型接着剤２０１ａ及び２０１ｂによって接着される。紫外線は、図８において矢印で示すように、ＳＷＳ１０５、取付部１０３、面１０７ａまたは１０７ｂ、接着剤２０１ａまたは２０１ｂを、上記の順序で通過するように照射される。ＳＷＳ１０５を介して、取付部１０３に紫外線が照射されるので、取付部１０３のプラスチック材料に対する紫外線の影響は小さくなる。

上述の例では、取付部１０３の面にのみＳＷＳを設けた。他の実施形態として、光学的に機能する部分１０１の面のうち取付部１０３のＳＷＳに連続した部分にＳＷＳを設けてもよい。光学的に機能する部分１０１の面のうち取付部１０３のＳＷＳに連続した部分に備わるＳＷＳによって、紫外線硬化型接着剤に紫外線を照射する際に、光学的に機能する部分１０１のうち取付部１０３の周囲の部分のプラスチック材料に対する紫外線の影響は小さくなる。

表２は、紫外線硬化型接着剤に対する紫外線照射の条件の一例を示す表である。

つぎに、本発明の光学素子の製造方法について説明する。

図９は、本発明の光学素子の製造方法の一例を示す流れ図である。

図９のステップＳ２０１０において、ＳＷＳパターンを備えた金型を製作する。金型は、たとえば、ニッケルなどの金属やシリコンなどの半金属、石英ガラスなどの非金属から形成される基板を使用してエッチングにより周知の方法で製作する（たとえば、特開２００９−１６２９６５号公報、特開２００６−１７８１４７号公報、特開２００５−１０２３１号公報など）。また、たとえば、国際公開ＷＯ２０１４／０７６９８３に記載された方法で金型を製作してもよい。この方法で製作した金型の微細凹凸構造の隣接する凹部と凹部、または隣接する凸部と凸部との間隔は、一定とはならない。

図９のステップＳ２０２０において、ＳＷＳパターンを備えた金型を使用して、取付部にＳＷＳを備えたプラスチック製の光学素子を成形する（たとえば、特開２００９−１６２９６５号公報、特開２００６−１７８１４７号公報、特開２００５−１０２３１号公報など）。一例として、プラスチック材料は、商品名ＺＥＯＮＥＸ３５０Ｒのシクロオレフィンポリマーである。

本発明の光学素子は、上述のように、ＳＷＳパターンを備えた金型によって、プラスチックを一体的に成形して製造してもよい。あるいは、ＳＷＳパターンを備えた金型によって、ＳＷＳを備えたシートを製造し、別に成形した光学部品の取付部の所定の面に貼り付けて製造してもよい。

Claims

光学的に機能する部分と、該光学的に機能する部分の周囲に形成された、他の部品に取り付けるための面を備えた取付部と、を備えた、プラスチックからなる光学素子であって、該取付部の、該他の部品に取り付けるための面以外の面の、少なくとも一部に、微細凹凸構造であって、隣接する凹部と凹部、または隣接する凸部と凸部との間隔が、該他の部品に取り付けるための紫外線硬化型接着剤に使用される紫外線の波長よりも短い微細凹凸構造を備え、外部からの光線が、該微細凹凸構造、該取り付け部のプラスチック材料、該取付部の、該他の部品に取り付けるための面を、上記の順序で通過する経路が存在するように構成された光学素子。
該光学的に機能する部分の面のうち該取付部の該微細凹凸構造に連続した部分に微細凹凸構造を備えた請求項１に記載の光学素子。
光学的に機能する部分と、該光学的に機能する部分の周囲に形成された、取付部と、を備えた光学素子の他の部品への取付方法であって、
該取付部の、該他の部品に取り付けるための面、及び他の部品の面を、紫外線硬化型接着剤を間に挟んで重ねるステップと、
該取付部の面に備わる微細凹凸構造、該取り付け部のプラスチック材料、該取付部の、該他の部品に取り付けるための面、該紫外線硬化型接着剤を、上記の順序で通過するように、紫外線を照射するステップと、を含み、該微細凹凸構造の隣接する凹部と凹部、または隣接する凸部と凸部との間隔は、該紫外線の波長よりも短い取付方法。