JP6089313B2 - 光学部材および光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学フィルム，レンズ，ディスプレイなど、表面に反射防止等の光学的機能を付与した光学部材や光学装置に関するものである。

従来より、波長に相当するサイズの微細構造を表面に有した光学部材が、幅広く用いられている。
例えば、図１１Ａと図１１Ｂに見られる光学部材１は、平面基材２の表面に反射防止層３が形成されている。空気とフィルムやレンズ基材などの屈折率の差に起因し生じる各界面の反射を抑えるために、界面となる反射防止層３には、モスアイ（Ｍｏｔｈ−ｅｙｅ）構造と呼ばれる、光波長以下の細かい凹凸が無数に形成することで屈折率を緩やかに変化させている。反射防止層３は、膜厚Ｔを有する残膜３１と、その上に微細な突起群３２が群を成して配置されている。突起群３２は、その突起高さがＨであり、各突起の繰り返し距離、すなわち、ピッチがＰである。

このような凹凸構造は、一般的にナノインプリント工法を用い形成する。具体的には、平面基材２上に、紫外線もしくは熱により硬化する性質を持つ樹脂を塗布し、所望の凹凸形状の逆転形状を有する成型用金型を用いて押し付け、その後、紫外線を照射もしくは加熱することで硬化させ、前記成型用金型を離型させる。

これら光学部材に適用されるモスアイ構造は公知技術であり、その微細凹凸の形状や配置の特徴は各社各様である。例えば特許文献１では、突起群３２の配列が円弧状で、かつ円錐型の凸形状が円周方向を長軸とした楕円形状であることを特徴とする。また特許文献２では、突起群３２における凸部の頭頂が一定の割合以下で隣接する凸部と結合していることを特徴とする。このように、凹凸構造の形成方法に起因した特徴に関するものがある。

また特許文献３などには、部材内の特定の位置にのみマーク領域を設け、その領域のみ他の領域とは異なる配列および高さの凹凸構造を形成することで、凹凸構造を形成する原版の複製を防止することが記載されている。

特開２００９−１０９７５５号公報 国際公開番号ＷＯ２０１０／１４３５０３Ａ１ 特開２００７−７９００５号公報

しかしながら、特許文献１，２のような従来の構成では、形成されたフィルムなどの部材に何らかの手段での欠陥が確認された場合、その原因の特定が困難であるという問題がある。具体的には、フィルム上に凹凸構造の崩れに起因する性能のばらつきが確認された際、それが成形時の異物の混入によるものなのか、または前述した成形に用いる金型の欠陥によるものなのかの判別が難しい。仮に、成形時の異物ではなく、金型の欠陥の可能性に限定できた場合おいても、フィルムの成形サイズに対し、分析用には顕微鏡などの各種分析用試料台に収まるサイズに個片化するため、またフィルム上の微細構造は無数ある同形の凹凸構造の繰り返しであるため、フィルム全体、さらには元となる金型のどの位置の不具合なのかを高精度に特定するのには、膨大な時間とコストがかかる。

それに対し特許文献３などは、金型および部材の任意の位置にマーク領域を設け、その領域のみ凹凸構造の配列や高さを変化させるため、その位置を基準にした分析が可能であるが、フィルム自身は、大面積に形成したフィルムを貼付け対象とするデバイスのサイズに応じ任意に一旦カッティングされるため、フィルムによってはマークが存在せず、また分析用試料台に個片化してしまえば同様に位置特定が不可能なケースが存在する。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、表面に複数の凹凸構造を有した光学部材において、欠陥発生時の原因特定および成形用金型へのフィードバックが容易に行える光学部材を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の光学部品は、表面に反射防止機能を有する波長に相当するサイズの無数の突起群を有した光学部材において、前記突起群を、第１突起群と前記第１突起群とは突起の高さあるいは突起間のピッチが異なる第２突起群で構成し、前記第１突起群は、前記第１突起群とは前記表面における周期的な位置が異なる前記第２突起群で囲まれており、前記第２突起群の突起は、前記第１突起群が形成されている領域との境界から離れて前記第２突起群が形成されている領域の内側に近付くほど次第に変化するように形状が形成されている、または突起の高さが前記第１突起群と同じで、突起の基端の高さが前記第１突起群とは異なる、または突起の高さが前記第１突起群と同じで、突起の基端の高さが前記第１突起群とは異なるとともに、前記第１突起群が形成されている領域との境界から離れて前記第２突起群が形成されている領域の内側に近付くほど前記基端の高さが次第変化している、ことを特徴とする。
また、本発明の光学部品は、表面に反射防止機能を有する波長に相当するサイズの無数の突起群を有した光学部材において、前記突起群を、第１突起群と前記第１突起群とは突起の高さあるいは突起間のピッチが異なる第２突起群で構成し、前記第１突起群は、前記第１突起群とは前記表面における周期的な位置が異なる前記第２突起群で囲まれており、
前記第２突起群は、パターンの繰り返しで形成されており、前記パターン内で、前記突起群の突起高さ、ピッチ、あるいは残膜の厚さが次第に変化している、ことを特徴とする。

本発明によれば、欠陥発生箇所に最も近い第２領域までの位置座標を、分析機器上で高倍率かつ高精度に記憶しておけば、光学部材の中で、第２領域のうちどの格子領域に欠陥発生箇所が存在するかのみをマッピングするだけで、光学部材の全体の中の欠陥発生箇所、さらには、光学部材を成形するために用いる金型内の位置を高精度に把握できる。従って、欠陥発生時の原因特定および成形用金型へのフィードバックが容易に行える光学部材や装置が提供でき、部材の品質および歩留まり向上を実現できる。

本発明の実施の形態１における光学部材の断面模式図 同実施の形態における光学部材の平面模式図 同実施の形態における光学部材の製造方法を示す模式図 同実施の形態における光学部材の別の製造方法を示す模式図 同実施の形態における光学部材の更に別の製造方法を示す模式図 本発明の実施の形態２の光学部材の平面模式図 同実施の形態の光学部材の別の実施例の平面模式図 本発明の実施の形態３における光学部材の断面模式図 同実施の形態における光学部材の別の実施例の断面模式図 同実施の形態における光学部材の更に別の実施例の断面模式図 同実施の形態における光学部材の更に別の実施例の断面模式図 本発明の実施の形態４における光学部材の断面模式図 同実施の形態における光学部材の別の実施例の断面模式図 微細凹凸構造が表面に形成された従来例の光学部材の断面図 微細凹凸構造が表面に形成された従来例の光学部材の平面図 本発明の更に別の実施の形態における光学部材の断面模式図

以下、本発明の各実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１Ａは本発明の実施の形態の光学部材の断面図、図１Ｂはこの光学部材を部材表面から見た平面図である。

光学部材１は、平面基材２上に反射防止層３が形成されている。反射防止層３は、膜厚Ｔを有する残膜３１と、その上に微細な突起群３２が群をなして配置されている。
突起群３２は、異なる形状の突起が形成された第１領域Ｄ１，第２領域Ｄ２がある。第１領域Ｄ１の突起は、高さがＨ１、突起繰り返し距離、すなわちピッチがＰ１に形成されている。第２領域Ｄ２の突起は、高さがＨ２、突起繰り返し距離、すなわちピッチがＰ２に形成されている。第１領域Ｄ１に形成されている突起群を第１突起群３２１と呼び、第２領域Ｄ２に形成されている突起群を第２突起群３２２と呼ぶ。第１突起群３２１は第２突起群３２２で囲まれている。第２突起群３２２は、光学部材の表面内の任意の第１方向および第１方向と一定の角度をなす第２方向を主軸とした格子線上に形成されている。具体的には、図１Ｂに図示するように、第２領域Ｄ２は、光学部材１全面に対し格子状、すなわち、紙面の上下および左右の各方向に対し平行に配置されている。その格子間隔はＷである。

このように、光学部材１の概ね全面に形成されている第１領域Ｄ１の第１突起群３２１に対し、突起高さおよび隣接する突起の中心間距離が第１突起群３２１とは異なる第２突起群３２２を、格子状の第２領域Ｄ２にわたって周期的に形成したことによって、光学部材１の欠陥発生時の原因および成形用金型の欠陥特定が容易に行える理由を、従来例と比較し、以下に記述する。

光学部材１に異物付着や膜面異常などの欠陥が発生した場合、その要因が成形用金型にあることを特定するためには、部材の外形線に対する、欠陥の相対位置を高精度に特定する必要がある。しかしながら、顕微鏡など、欠陥分析用の各種の分析機器は、セットできる試料サイズが限定されるため部材をカットする際のばらつきが発生し、また分析用モニターの画面サイズも限定されるためステージ送りの際のばらつきもあることから、位置情報を正確にフィードバックすることは困難である。

それに対し、この実施の形態１に示す光学部材１であれば、可視光波長以下である３００ｎｍ程度のサイズで形成された微細な突起群であるため、前記形状の異なる第１突起群３２１および第２突起群３２２の存在する領域を判別することはできず、光学部材の目視品質を損なうことはない。しかしながら、例えば原子間力顕微鏡、走査型電子顕微鏡など３００ｎｍ以下の微細な形状そのものを直接に測定する装置や、共焦点レーザー顕微鏡など突起の高さに応じた蛍光強度の違いを利用した評価装置や、分光反射率計などであれば、形状の異なる第１突起群３２１と第２突起群３２２の微量な反射率の違いを利用し、レーザー顕微鏡などでは第１領域Ｄ１と第２領域Ｄ２の区別が可能であり、第１突起群３２１とは形状の異なる第２領域Ｄ２の位置特定が可能である。

例えば、光学部材１の所定の箇所に欠陥が生じた場合、第２領域Ｄ２を利用し、欠陥発生箇所に最も近い格子領域までの位置座標を、各種の分析機器上で高倍率かつ高精度に記憶しておけば、光学部材１の中で、第２領域Ｄ２のうちどの格子領域に欠陥発生箇所が存在するかのみを、比較的低倍率なレーザー顕微鏡でマッピングするだけで、光学部材１の全体の中の欠陥発生箇所、さらには、光学部材１を成形するために用いる金型内の位置を高精度に把握することができる。

さらには、これら光学部材１を形成する際においては、光学部材１の面積と比較し十分小さいサイズの成型用金型を用意し、その金型を任意のピッチで規則的に繰り返し転写し成型する場合がある。この場合は、光学部材の欠陥が、前記金型の転写するピッチと同じ周期で存在しているか否かを判別することで、欠陥の原因が金型にあるかどうかを速やかに判断することができる。

これら第１突起群３２１および第２突起群３２２の形状の違いによって変化する反射率の差は微量であるため、目視および実体顕微鏡等では認識されず、従来例の光学部材と比較して外観および実使用における反射防止等の光学機能の品質低下はない。

このようにして形成される光学部材１上の突起群３２の各寸法について具体的に記述する。
ピッチＰ１，Ｐ２は、部材に反射防止効果を持たせるために必要な距離として、可視光波長以下である必要があり、およそ３００ｎｍ以下となる。それに対し高さＨ１，Ｈ２は、突起の幅に対し０．５以上のアスペクト比を有し形成する必要があるため、１５０ｎｍ以上が望ましい。

また、フィルムの分析に用いる分析機器上で、第１領域Ｄ１と第２領域Ｄ２が明確に区別できる必要があるため、第１領域Ｄ１における第１突起群３２１のピッチＰ１および高さＨ１と、第２領域Ｄ２における第２突起群３２２のピッチＰ２および高さＨ２の寸法差に関しては、例えば、Ｐ２に対しＰ１が２分の１程度、またＨ２に対しＨ１が２分の１程度以上であることが望ましい。

第２領域Ｄ２が配置されるピッチＷに関しては、各種分析機器を利用する際に光学部材１をカットした場合に、個片の光学部材内に必ず第２領域Ｄ２が存在するように形成する必要があるため、ピッチＷは各種分析機器上で利用する際にカットする必要のある最大サイズ例えば、１０ｍｍ程度であることが望ましい。

次ぎに、上記のように、高さおよびピッチが異なる第１突起群３２１，第２突起群３２２を、第１領域Ｄ１および第２領域Ｄ２に住分けて形成する方法について、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃを用いて以下に記述する。

第１突起群３２１および第２突起群３２２は、前述したように、あらかじめ紫外線もしくは熱により硬化する樹脂を平面基材２上に成膜しておき、所望の突起形状の逆転形状の金型を押し付け形状を転写し、前記紫外線を照射もしくは加熱することで硬化させる手段をとるが、更に具体的には、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃの何れの実施によっても製造できる。

図２Ａのように、金型４の成形面に、図１Ａ，１Ｂに示した第１領域Ｄ１と第２領域Ｄ２でピッチおよび高さが異なる第１，第２突起群３２１，３２２に対応した凹部ｄ１，ｄ２を形成しておき、平面基材２上に成膜された樹脂３０に対し、金型４で転写することでそのまま逆転形状の第１，第２突起群３２１，３２２を形成する。

また図２Ｂのように、（ａ）では第１突起群３２１の逆転形状の凹部ｄ１のみを全面に有した金型４２を用いて、先ず、樹脂３０に対し一括転写を行う。次ぎに（ｂ）では、第２突起群３２２の逆転形状の凹部ｄ２を有した小型の金型４１を用い所定の第２領域Ｄ２に対し再度転写を行うことで形成する。

またさらには図２Ｃのように、（ａ）では第１突起群３２１の逆転形状の凹部ｄ１のみを全面に有した、第１領域Ｄ１の幅の金型４２を用いて、平面基材２上の樹脂３０に対し一部分の転写を行う。次ぎに（ｂ）では、（ａ）で使用した同じ金型４２を使用して、第２領域Ｄ２の部分のみ重複させるように、かつ既に転写された第１突起群３２１に対し金型の凹部の位置が完全に一致しないよう半ピッチ程度ずらして再度転写する。

この実施の形態では、ピッチＰ１とＰ２、高さＨ１とＨ２がともに異なっていたが、何れかが異なっているだけでも、第１領域Ｄ１と第２領域Ｄ２を判別できる。
なお、図１Ｂでは便宜上、格子状に形成された第２領域Ｄ２内の第２突起群３２２の突起高さＨ２およびピッチＰ２それぞれを、その他の第１領域Ｄ１内の第１突起群３２１の突起高さＨ１およびピッチＰ１と比べ小さくなるように図示しているが、本実施例で示す利点を有するための突起群の形状差はこの限りでなく、逆に、突起高さＨ２およびピッチＰ２それぞれが、突起高さＨ１およびピッチＰ１と比べ大きくなっても良い。また、図１Ｂでは、各突起の配列を正方格子配列としているが、三方配列でも良い。

（実施の形態２）
図３，図４はそれぞれ本発明の実施の形態２の光学部材を、部材表面から見た平面図である。

図１Ｂでは、第２領域Ｄ２は光学部材１全面に対し格子状、すなわち紙面の上下および左右の各方向に対し平行に配置されていたが、格子状では、分析機器上の画面上で表示できるサイズが格子サイズよりも小さい場合、画面上に第２領域Ｄ２の一部が表示されたとしても、格子内の位置情報の抽出が困難な場合がある。そこで、この実施の形態２では、第２領域Ｄ２が配置されている領域を、図３に示すように所定のピッチで配置された円環形状、または図４に示すように所定のピッチで配置された多角形状に形成することで、分析機器の画面上に第２領域Ｄ２の一部が表示された場合には、その角度や配置形状パターンを利用して位置特定を容易にすることができる。

図３の場合には、第２突起群３２２は、光学部材１の表面内の任意の間隔および配列で配置された点を中心とし、任意の径を有する各円周上に形成されている。
図４の場合には、第２突起群３２２は、光学部材１の表面内に任意の間隔で配置された点を中心とし、任意の長さの辺を有する多角形の外形線上に形成されている。

（実施の形態３）
図５〜図８はそれぞれ本発明の実施の形態３を示す。
実施の形態１，２では、第１領域Ｄ１に形成される第１突起群３２１は全て同形状、第２領域Ｄ２に形成される第２突起群３２２も全て同形状であったが、第１領域Ｄ１に形成される第１突起群３２１の形状、第２領域Ｄ２に形成される第２突起群３２２の形状を異ならせることもできる。

図５に示す実施例では、第２領域Ｄ２における第２突起群３２２の形状が、第１領域Ｄ１との境界から離れて第２領域Ｄ２の内側に近付くほど第２突起群３２２の高さが徐々に小さくなるなど、次第に変化するような形状となるように形成されている。このように形成すると、突起高さに起因する反射率の変化を緩やかにすることができ、各種の分析機器での第１領域Ｄ１，第２領域Ｄ２の検出感度を損なうことなく目視上の品質を向上させることができる。

図６に示す実施例では、第２突起群３２２の突起の高さが第１突起群３２１と同じで、突起の基端の高さが第１突起群３２１とは異なっている。つまり、第２領域Ｄ２に形成される第２突起群３２２における第２残膜３１２の膜厚Ｔ２に対し、第１領域Ｄ１に形成される第１突起群３２１における第２残膜３１１の膜厚Ｔ１が異なるように形成しても、残膜の違いによる外光の透過率の違いが各種分析上で区別できるため、同様の効果が得られる。

さらに、図７に示す実施例では、その膜厚を、図６のように第１領域Ｄ１および第２領域Ｄ２内で一律ではなく、第２突起群３２２が形成される第２領域Ｄ２において、その第２残膜３１２の膜厚Ｔ２が、第１領域Ｄ１との境界にかけ、第１残膜３１１の膜厚Ｔ１まで徐々に薄くなるなど、次第に変化するような形状となるように形成すれば、膜厚に起因する透過率の変化を緩やかにすることができ、各種の分析機器での検出感度を損なうことなく目視上の品質を向上させることができる。

図６と図７に示すように、第２突起群３２２の突起高さ、あるいは残膜の厚さを次第に変化させるほかにも、第２突起群３２２のピッチを、第１領域Ｄ１との境界から離れて第２突起群３２２が形成されている第２領域Ｄ２の内側に近付くほど次第に変化するように形成しても実現できる。

上記の各実施の形態では、第２領域Ｄ２内には第２突起群３２２が形成されるとしたが、図８に示す実施例では、第２領域Ｄ２には表面に凹凸構造が形成されていない平坦形状の平坦部３２２Ｆによって囲まれている場合であって、このように構成しても分析機器上の第１領域Ｄ１と第２領域Ｄ２の検出感度を向上させることができる。この場合は、目視上の品質を確保するため、第２領域Ｄ２の幅は数十μｍ以下であることが望ましい。

この図８に示した、突起が形成されていない平坦な第２領域Ｄ２の光学部材１の表面内の配置の詳細は、実施の形態１または実施の形態２と同じである。具体的には、図１Ｂの場合と同様に、突起が形成されていない平坦な第２領域Ｄ２を、光学部材１の表面内の任意の第１方向および前記第１方向と一定の角度をなす第２方向を主軸とした格子線上に形成する。または、図３の場合と同様に、突起が形成されていない平坦な第２領域Ｄ２を、光学部材の表面内の任意の間隔および配列で配置された点を中心とし、任意の径を有する各円周上に形成する。または、図４の場合と同様に、突起が形成されていない平坦な第２領域Ｄ２を、光学部材１の表面内に任意の間隔で配置された点を中心とし、任意の長さの辺を有する多角形の外形線上に形成する。

（実施の形態４）
図９，図１０はそれぞれ本発明の実施の形態４を示す。
上記の各実施の形態では、第１領域Ｄ１と第２領域Ｄ２に分け、第１領域Ｄ１内の第１突起群３２１と第２領域Ｄ２内の第２突起群３２２との突起形状や膜厚の違いについて記述したが、本発明はこの限りではない。

例えば、光学部材１内において、図９のように任意の周期で突起高さＨが緩やかに変化したり、図１０のように膜厚３１が緩やかに変化するように形成した場合でも同様の効果は得られる。

ただし、図９や図１０の場合、突起高さや膜厚が急激に変化する箇所が存在し、外光の入射角度や目視する方向によって目視品質が劣化することがある。この場合、品質が劣化する目視角度は決まっていることから、製品を使用する上での目視角度を限定することで従来と遜色ない品質を保つことができる。

図９や図１０のような光学部材をディスプレイへ貼り付ける場合、図中の第２目視方向Ｂから目視する場合と比較し、図中の第１目視方向Ａから目視する場合のみ品質が劣化する性質を利用し、図中第１目視方向Ａが下や左になるように貼付け向きを限定すればよい。

また実際の製品においては、ディスプレイに対し光学部材を貼り付ける向きが決まっている場合がある。この際には、第１目視方向Ａから目視する場合と第２目視方向Ｂから目視する場合で光学特性が異なることを利用し、あらかじめそれら光学特性から部材の上下および左右の向きを確認し貼り付けることで、貼付けミスによる不良を防ぐことができる。
なお、この明細書の実施の形態では、平面基板２の表面上の残膜３１の上面から突出した複数の突部の微細構造を、反射防止の機能を有する突起群として記載しているが、光学機能を有する凹凸構造はこの限りではなく、例えば、図１２に示すように、厚みＴの残膜３１の表面から基板２に向かって凹んだ陥没形状や線状の凹凸構造、またプリズム形状など、種々の形状が考えられる。

本発明は、ディスプレイ製品やレンズ製品全般における光学的品質課題を解決するものであり、表面に複数の凹凸構造を有した光学部材や装置において、部材の品質および歩留まり向上を実現できる。

１ 光学部材
２ 平面基材
３ 反射防止層
３０ 反射防止層形成工程における成膜された樹脂層
３１ 反射防止層形成後の残膜
３２ 突起群
Ｄ１ 第１領域
Ｄ２ 第２領域
３１１ 第１残膜
３１２ 第２残膜
３２１ 第１突起群
３２２ 第２突起群
Ｐ１ 第１突起群３２１のピッチ
Ｈ１ 第１突起群３２１の突起高さ
Ｐ２ 第２突起群３２２のピッチ
Ｈ２ 第２突起群３２２の突起高さ
Ｔ１ 第１突起群３２１の残膜の膜厚
Ｔ２ 第２突起群３２２の残膜の膜厚
Ｗ 第２領域Ｄ２が形成される間隔

Claims (6)

1. 表面に反射防止機能を有する波長に相当するサイズの無数の突起群を有した光学部材において、
   前記突起群を、第１突起群と前記第１突起群とは突起の高さあるいは突起間のピッチが異なる第２突起群で構成し、
   前記第１突起群は、前記第１突起群とは前記表面における周期的な位置が異なる前記第２突起群で囲まれており、
   前記第２突起群の突起は、
   前記第１突起群が形成されている領域との境界から離れて前記第２突起群が形成されている領域の内側に近付くほど次第に変化するように形状が形成されている、
   または突起の高さが前記第１突起群と同じで、突起の基端の高さが前記第１突起群とは異なる、
   または突起の高さが前記第１突起群と同じで、突起の基端の高さが前記第１突起群とは異なるとともに、前記第１突起群が形成されている領域との境界から離れて前記第２突起群が形成されている領域の内側に近付くほど前記基端の高さが次第変化している、
   光学部材。
2. 表面に反射防止機能を有する波長に相当するサイズの無数の突起群を有した光学部材において、
   前記突起群を、第１突起群と前記第１突起群とは突起の高さあるいは突起間のピッチが異なる第２突起群で構成し、
   前記第１突起群は、前記第１突起群とは前記表面における周期的な位置が異なる前記第２突起群で囲まれており、
   前記第２突起群は、パターンの繰り返しで形成されており、前記パターン内で、前記突起群の突起高さ、ピッチ、あるいは残膜の厚さが次第に変化している、
   光学部材。
3. 前記第２突起群は、前記光学部材の表面内の任意の第１方向および前記第１方向と一定の角度をなす第２方向を主軸とした格子線上に形成されていることを特徴とする、
   請求項１または請求項２に記載の光学部材。
4. 前記第２突起群は、前記光学部材の表面内の任意の間隔および配列で配置された点を中心とし、任意の径を有する各円周上に形成されていることを特徴とする、
   請求項１または請求項２に記載の光学部材。
5. 前記第２突起群は、前記光学部材の表面内に任意の間隔で配置された点を中心とし、任意の長さの辺を有する多角形の外形線上に形成されていることを特徴とする、
   請求項１または請求項２に記載の光学部材。
6. 請求項１から５の何れかに記載の光学部材を表面に有する光学装置。