JP6391990B2 - 光学素子、成形型、製造方法及び光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂を硬化して製造する光学素子、光学素子の製造に用いられる成形型、光学素子の製造方法及び光学素子を用いた光学装置の技術分野に関する。

液晶ディスプレイなどに用いられる偏光板や、光学測定器の波長板として、表面に入射光の波長よりも狭い幅の凹凸形状のパターンを付与した光学素子が知られている（例えば特許文献１〜４参照）。
このようなサブ波長レベルの微細構造を表面に形成する方法として、予めレーザーや電子ビーム等によりパターンを付与した原版を型として用いて、光硬化樹脂等の材料と密着させ、加圧によって表面のパターンを成形品に転写する技術が知られている（例えば特許文献２参照）。
また、時間やコストの問題から、原版の加工や大型化は困難であるため、原版を転写した一次転写品を、さらに形成型として用いて、簡易に大型化を図る方法も考えられる。
こうした材料の硬化時には、一般に３〜１０％の体積の減少が生じるため、材料の硬化の際に収縮してパターンが崩れる、「ひけ」と呼ばれる現象が発生して凹凸形状の精度が悪化する問題がある。
このような課題を解決するため、パターンに平行な方向に、ライン状の光を順次露光して材料を硬化させて、未硬化部分から材料を供給しながら硬化させることで「ひけ」の発生を抑制する方法が知られている（例えば特許文献５参照）。
しかしながら、かかる方法によっても、例えばパターンの方向が多方向に分割されているような場合には、パターンが孤立して材料の供給がなされず、「ひけ」の発生を抑制することが難しいという問題があった。

このような課題を解決するために、パターンを並べた空隙に、光硬化樹脂等の材料を供給するための材料供給用パターンを形成することで、パターンの孤立を防止する方法が考えられる。
しかしながら、ただ単に材料を供給するためのパターンを設けたのみでは、原版を転写した一次転写品をさらに成形型として利用するような場合には、凹凸が反転してしまうために孤立を防止することができない。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、大型化を容易にしながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑制することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明にかかる光学素子は、透過させるべき光束の波長よりも短い幅の凹条と、前記波長よりも短い幅の凸条とが周期的に配置された構造体と、前記凹条と前記凸条とに隣接して配置される孤立防止部と、を有し、前記孤立防止部は、前記凹条に対応する高さの凹みである孤立防止凹部と、前記凸条に対応する高さの柱状の孤立防止凸部と、を有し、前記孤立防止凹部と前記孤立防止凸部とは同一の幅を有し、所定の軸に対して対称に配置され、前記凹条と前記凸条とは、何れも、前記孤立防止凹部と、前記孤立防止凸部とに当接して配置される。

本発明によれば、大型化を容易にしながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑制して、精度の良い光学素子を製造することができる。

本発明の実施形態における光学装置の構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における光学素子の構成の一例を示す図である。 図２に示した光学素子の断面図である。 本発明における光学素子の製造方法の工程の一例を示す図である。 図２に示した光学素子を型として転写された一次転写品の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態における光学素子の構成の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態における光学素子の構成の一例を示す図である。 本発明の第４の実施形態における光学素子の構成の一例を示す図である。 本発明の第５の実施形態における光学素子の構成の一例を示す図である。 従来技術における光学素子の構成の一例を示す図である。 図１０に示した光学素子を型として転写された一次転写品の一例を示す図である。

図１には、本発明の第１の実施形態たる光学素子を用いた光学装置の一例として、プリンタ、複写機、ファクシミリの単体、あるいはこれらの複合機等の画像形成装置内の光走査装置の概略構成が示されている。
光走査装置１００は、走査光たる光束を射出する光源１０１と、入射した光束を略並行にするコリメータレンズ１０２と、光源１０１から入射した光束をランダムな偏光状態を持った光束として出射する光学素子２００と、を有している。
光走査装置１００はまた、正多角柱の各側面に反射ミラーを有し、高速回転により光束を偏向・走査させる偏向手段たるポリゴンスキャナ１０３を有している。
光走査装置１００はまた、偏向された走査光の等角度運動を等速直線運動へと変える走査レンズであり、走査光を感光体１０５上に結像させる結像光学系たるｆθレンズ１０４を有している。

光源１０１は、走査光である光束たるレーザー光を出射する半導体レーザーである。ここで、光源１０１は、ＬＥＤなどの光源を用いても良い。

光学素子２００は、コリメータレンズ１０２からポリゴンスキャナ１０３への光路上に備えられた偏光解消素子である。
光学素子２００は、図２に示すように、透過させるべき光束の波長よりも短い幅の凹条２１と、当該光束の波長よりも短い幅の凸条２２とが周期的に配置された複数の構造体２０と、凹条２１と凸条２２とに隣接して配置される孤立防止部３０と、を有している。
構造体２０は、凹条２１と凸条２２とが互いに略並行に、周期的に配置されることで表面にサブ波長ピッチを有する微細構造パターンたる凹凸形状を形成することで、構造性複屈折機能を有している。
なお、図２において、黒の太線で表示される線を基板からの高さが高い部分である凸部、白線で表示される線を凸部と比較して基板からの高さが低い凹部として表示することとする。以下の図６〜図１２においても同様である。

構造性複屈折についてさらに詳細に説明するために、図３に、図２に示した光学素子２００のＡ−Ａ’断面を示す。ここで凹条２１、凸条２２の長手方向をＸ方向、光学素子２００と平行な面上であってＸ方向と垂直な方向、すなわち凹条２１と凸条２２とが交互に並んでいる凹凸形成方向をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
構造性複屈折とは、屈折率の異なる２種類の媒質を光の波長よりも短い周期で交互にストライプ状に配置した場合に、ストライプに平行なＸ方向の偏光成分ＴＥと、ストライプに垂直な方向たるＹ方向の偏光成分ＴＭとで屈折率が異なる作用をいう。
ここで、構造体２０を空気との相対屈折率ｎの媒質で形成した場合には、屈折率ｎ、幅Ｌ、高さｄの凸条２２と、屈折率１、幅Ｓ、高さｄの凹条２１とが交互に周期的に配置されたストライプ構造を形成するから、かかる構造体２０は構造性複屈折を生じさせる。
構造体２０は、構造性複屈折機能によって、透過する光束の偏光方向を凹条２１と凸条２２とが並ぶ方向である凹凸形成方向に限定する偏光方向限定機能を有している。
光学素子２００は、複数のかかる構造体２０を、同一平面状に、互いに凹凸形成方向が異なるように配置することで、透過する光束の偏光方向を各構造体２０の凹凸形成方向へと限定する。
光学素子２００は、かかる構成により、入射する光束が特定の方向に偏光している場合にも、全体としては特定の偏光方向を持たない非偏光の光束を出射する偏光解消素子としての機能を有している。

図２または図３に示すように、孤立防止部３０は、構造体２０の周縁部に配置され、凹条２１に対応する高さの凹みである孤立防止凹部３１と、凸条２２に対応する高さの柱状の孤立防止凸部３２と、を有している。
孤立防止部３０は、孤立防止凹部３１が凹条２１と当接することで、後述する露光工程において凹条２１が構造体２０外部との接続を絶たれる孤立状態を防いでいる。
孤立防止部３０はまた、孤立防止凸部３２が凸条２２と当接することで、露光工程において凸条２２が構造体２０外部との接続を絶たれる孤立状態を防いでいる。
孤立防止部３０は、かかる構成により、露光工程における孤立防止手段としての機能を有している。
孤立防止凹部３１と、孤立防止凸部３２とは、光学素子２００の対角線を対称軸３３として対称になるよう、周期的に配置されている。

凹条２１と凸条２２とは、何れも、孤立防止凹部３１と、孤立防止凸部３２との両方に当接して配置されている。

ポリゴンスキャナ１０３は、図示しない駆動源によって図１のＡ方向に示す方向に回転する回転多面鏡である。

感光体１０５は、表面に図示しない走査光の被走査面たる感光層を有しているドラム状の像担持体たる回転体である。
感光体１０５は、光走査装置１００によって走査光を照射されることで、感光層に潜像を形成される。

このような構成の光走査装置１００において、感光層に潜像を形成するときの動作について説明する。
光源１０１から射出された光束は、コリメータレンズ１０２を透過して略並行な光へと変化する。
ここで、光源１０１から射出された光束は、特定な方向に偏光した光束である。
コリメータレンズ１０２を透過した光束は、光学素子２００を透過することで特定の方向の偏光がなくなり、非偏光な光束へと変化して、ポリゴンスキャナ１０３によって偏向されて走査光となり、感光体１０５上に潜像を形成する。
なお、ここで光学素子２００に図示しないモーター等の駆動手段を接続して、光学素子２００を、光束の光軸を回転中心として、光束に対して垂直な方向に回転させることとしても良い。かかる駆動手段を有することで、光学素子２００は、入射した光束の時間的な偏光も解消して、所謂インコヒーレントな光束を射出することができる。

かかる光学素子２００を製造するための方法の一例について図４を用いて説明する。
光学素子２００の製造に先立って、光学素子２００の微細構造パターンを形成するための原版となる成形型たるマザー型の製造を行う（ステップＳ１）。
型作成工程であるステップＳ１について説明する。
まず石英の金型基板表面に、レジストを塗布した上で電子線を照射して、処理対象となる光束の波長よりも短い幅の、微細なレジストパターンを形成する。次いでレジストパターンをマスクとして金属蒸着を行い、最後に金属蒸着膜をマスクとしてドライエッチングを行う。ステップＳ１はこれらの工程を含む電子線リソグラフィーである。
かかる方法によって、石英金型基板の表面には、図２に示した光学素子２００と同様の、ただし凹凸を反転した状態の凹凸形状を付与された、図５に示すような微細構造パターンが形成される。すなわち、かかるマザー型は、処理対象となる光束の波長よりも短い幅の凹条２１と、当該波長よりも短い幅の凸条２２とが周期的に配置された構造体２０と、凹条２１と凸条２２とに隣接して配置される孤立防止部３０と、を有している。
その他、マザー型の構成は、光学素子２００と同様であるため、説明を省略する。

次に、かかるマザー型を用いて、光学素子２００の製造を行う。
石英基板とマザー型との間に、光硬化性樹脂を充填し、マザー型を押圧して光硬化性樹脂に密着させる（ステップＳ２）。
かかる密着工程たるステップＳ２において、光硬化性樹脂はまだ流動性を持った状態である。
光硬化性樹脂をマザー型に密着させた状態とすることで、マザー型表面の微細構造パターンたる凹条２１と、凸条２２と、孤立防止部３０と、が光硬化性樹脂の表面に仮形成される。
このとき、孤立防止部３０は、凹条２１に対応する高さの凹みである孤立防止凹部３１と、凸条２２に対応する高さの柱状の孤立防止凸部３２と、が仮形成された状態である。

このようにして微細構造パターンを形成された光硬化性樹脂を露光することで、光硬化性樹脂が硬化して、マザー型表面の微細構造パターンが光硬化性樹脂に転写される（ステップＳ３）。ここでステップＳ３は、光硬化性樹脂を露光する露光工程であるとともに、光硬化性樹脂を硬化させるための硬化工程である。

かかるステップＳ３を経て硬化した光硬化性樹脂とマザー型とを剥離する分離工程を経て、光硬化性樹脂を材料とする光学素子２００を得ることができる（ステップＳ４）。

上記のような光学素子２００の製造方法において、ステップＳ１〜Ｓ４で得られたような光学素子２００を、さらに一次転写版たる成形型としてのシスター型として、マザー型の代わりに使用しても良い。
図４に示したように原版を転写した一次転写版を、さらに形成型として利用して、ステップＳ２〜Ｓ４の工程をシスター型形成工程として繰り返すことで、電子線リソグラフィーのような高価で大型化の難しい処理を行うことなく、大型のシスター型を形成する。
かかるシスター型を用いて、ステップＳ２〜Ｓ４の工程を行うことで、容易に大型化しながら繰り返し安価に光学素子２００を製造する。

ところで、かかる光学素子２００の製造方法の、光硬化性樹脂を硬化させる硬化工程たるステップＳ３においては、光硬化性樹脂は硬化する際に、通常３〜１０％程度その体積が減少する。
かかる体積減少により、特に波長よりも短い幅の微細構造パターンを必要とする光学素子２００の製造においては、光硬化性樹脂上に形成された微細構造パターンが崩れる「ひけ」と呼ばれる問題が生じる懸念がある。

かかる問題を解決するために、ステップＳ３において露光する際に、マザー型と、光硬化性樹脂とを密着させた状態で、凹条２１と凸条２２との長手方向に平行なＸ方向に、順次露光して硬化させる方法が考えられる。
しかしながら、かかる方法によっても、例えば図２のように、構造体２０の微細構造パターンの方向が多方向に分割されているような場合には、凹条２１または凸条２２が孤立して材料の供給がなされず、「ひけ」の発生を抑制することが難しいという懸念がある。
あるいは、凹条２１と凸条２２とを並べた空隙に、光硬化性樹脂を供給するための孤立防止部３０を形成することで、凹条２１と凸条２２との孤立を防止する方法が考えられる。
しかしながら、図１１に示す従来例のように、ただ単に構造体２０の周囲に孤立防止部３０を設けたのみでは、シスター型を用いて光学素子２００を製造する場合は、図１２の孤立防止部３０のように凹凸が反転してしまい孤立を防止することができない。
そこで、光学素子２００において、凹条２１と凸条２２とは、何れも、孤立防止凹部３１と、孤立防止凸部３２とに当接して配置されている。
かかる構成により、ステップＳ３において、孤立防止凹部３１から、凹条２１へ、未硬化の光硬化性樹脂が流入するから、大型化を容易にしながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑止して、精度の良い光学素子を製造する。

また、かかる構成により、図５に示すように、シスター型において凹凸が反転した場合にも孤立防止凹部３１から凹条２１へ光硬化性樹脂が流入し、大型化を容易にしながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑止して、精度の良い光学素子を製造する。

また、孤立防止部３０は、構造体２０の周縁部に配置されている。かかる構成により、構造体２０を透過する光束が、孤立防止部３０を透過することを抑止ないし防止して、光学素子２００の開口度たる有効使用率を向上しながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑止して、精度の良い光学素子を製造する。

図６に本発明の第２の実施形態を示す。
なお、以降の図面においては、他の実施形態の図と同様の構成ついては、図示を適宜省略し、あるいは、同一の符号を付する等して、説明を適宜省略する。
本実施形態において、光学素子２００の孤立防止凹部３１と、孤立防止凸部３２とは、光学素子２００の対角線たる対称軸３３に対して対称に配置されている。
かかる構成により、大型化を容易にしながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑止して、精度の良い光学素子を製造する。
第２の実施形態におけるその他の構成は、第１の実施形態と同様であるため説明を適宜省略する。

図７に本発明の第３の実施形態を示す。
第３の実施形態において、孤立防止凸部３２は、構造体２０の内部に重複して配置されている。
かかる構成により、孤立防止部３０の配置を自由に設計できて、光学素子２００の設計自由度を向上させながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑止して、精度の良い光学素子を製造する。
また、孤立防止凸部３２は、光束が透過する構造体２０の内部、すなわち光学特性に影響する領域に配置されている為、光束が透過する場合には、孤立防止凸部３２の方が孤立防止凹部３１よりも光束の透過率に寄与する。
このように光学特性に影響する領域に配置されている為、第３の実施形態における孤立防止凸部３２は、光学的に無視できる幅を有している。すなわち、孤立防止凸部３２は、凸条２２または凹条２１よりも狭い幅であり、望ましくは透過させるべき光束の波長の１／２以下の幅である。
なお、孤立防止凸部３２は、光学的に無視できる幅であればよく、幅が一定でなくとも良い。
かかる構成により、さらに光学素子２００の開口度たる有効使用率を向上しながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑止して、精度の良い光学素子を製造する。
第３の実施形態におけるその他の構成は、第１の実施形態と同様であるため説明を適宜省略する。

図８に本発明の第４の実施形態を示す。
図８は、光学素子２００の構造体２０を拡大して図示したものであり、第４の実施形態において、凸条２２と凹条２１とが同心円状に、交互に配列されるように形成されている。
かかる構成においては、図２に示すように孤立防止部３０を構造体２０の外側に配置するのみでは、凸条２２あるいは凹条が露光時に孤立状態となることを防止することができない。
そこで、孤立防止凸部３２と、孤立防止凹部３１とが何れも構造体２０の内部に重複して配置されている。
かかる構成により、さらに光学素子２００の設計の自由度を向上しながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑止して、精度の良い光学素子を製造する。
また、構造体２０内部に凸条２２よりも大きい幅の孤立防止部３０が形成されると、透過する光束に大きく影響を与えてしまい、光学素子２００の開口度が変化してしまうおそれがある。
そこで、第４の実施形態における孤立防止凸部３２と孤立防止凹部３１とは、何れも、光学的に無視できる幅を有している。すなわち、孤立防止凸部３２と孤立防止凹部３１とは、凸条２２および凹条２１よりも狭い幅であり、望ましくは透過させるべき光束の波長の１／２以下の幅である。
かかる構成により、さらに光学素子２００の開口度を向上しながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑止して、精度の良い光学素子を製造する。
なお、第４の実施形態において、光学素子２００は、図８に示された構造体２０を複数並べたものであっても良いし、構造体２０単体を光学素子２００として用いるものであっても良い。
第４の実施形態におけるその他の構成は、第３の実施形態と同様であるため説明を適宜省略する。

図９に本発明の第５の実施形態を示す。
図９は、光学素子２００の構造体２０を拡大して図示したものである。第５の実施形態において、構造体２０は、複数の放射状の分割領域２５に分割されている。また、各分割領域２５内において、凹条２１と凸条２２とは平行に、周期的に配置されている。
ここで凹条２１と凸条２２とは、１つの分割領域２５内において、等間隔に配置されているが、この間隔はそれぞれの分割領域２５において異なるとしても良い。
すなわち、凹条２１と凸条２２とは、それぞれの分割領域２５において、異なる所定の間隔を有するとしてもよい。
また、孤立防止凸部３２は、構造体２０の周縁部と、構造体２０の内部とに、配置され、同様に孤立防止凹部３１は、構造体２０の周縁部と、構造体２０の内部とに、配置されている。また、構造体２０内部に配置された孤立防止凸部３２と孤立防止凹部３１とは、分割領域２５が互いに隣接する境界たる境界部に配置されている。
構造体２０内部に配置された孤立防止凸部３２と孤立防止凹部３１とは、何れも光学的に無視できる幅を有し、凹条２１と凸条２２とは、何れも、孤立防止凹部３１と、孤立防止凸部３２とに当接して配置されている。
かかる構成により、ステップＳ３において、孤立防止部３０から、凸条２２または凹条２１へ、未硬化の光硬化性樹脂が流入するから、大型化を容易にしながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑止して、精度の良い光学素子を製造する。
また、かかる構成により、光学素子２００の開口度を向上しながらも、材料の硬化時の収縮によるパターンの崩れを抑止して、精度の良い光学素子を製造する。
なお、第５の実施形態において、光学素子２００は図９に示された構造体２０を複数並べたものであっても良いし、図９に示すような構造体２０を単体で光学素子２００として用いるものであっても良い。
第５の実施形態におけるその他の構成は、第１の実施形態と同様であるため説明を適宜省略する。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、第１〜第５の実施形態において、光学素子２００は、光走査装置１００内で用いる偏光解消素子であるとしたが、これに限らず、例えば構造体２０の配列が互いに同方向になるように配置して、偏光素子として用いても良い。

また、光学素子２００は、各構造体２０の配列が互いに直行方向になるように配置して、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを分離する領域分割フィルタとして使用しても良い。
なお、光学素子２００を有する光学装置は、このような領域分割フィルタを用いて、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とのそれぞれの画像情報から３次元位置情報を演算するステレオカメラなどの光学装置であっても良い。

また、光学素子２００は、光走査装置１００内で用いられるとしたが、光ファイバ増幅器や、光ピックアップ装置、液晶ディスプレイ等に用いても良く、偏光を生じさせ、あるいは解消させて所望の光学特性を得る目的において、種々の光学装置に用いても良い。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２０ 構造体
２１ 凹条
２２ 凸条
２５ 分割領域
３０ 孤立防止部
３１ 孤立防止凹部
３２ 孤立防止凸部
３３ 軸（対称軸）
１００ 光走査装置
１０１ 光源
１０２ コリメータレンズ
１０３ ポリゴンスキャナ
１０５ 感光体
２００ 光学素子
Ｓ１ 型作成工程
Ｓ２ 密着工程
Ｓ３ 硬化工程（露光工程）
Ｓ４ 分離工程

特開２００８−２９８８６９号公報 特許４１９２５９７号公報 特開２００４−３４１４５３号公報 特開２０１１−１８０５８１号公報 特開２００３−２９１１５９号公報

Claims (7)

1. 透過させるべき光束の波長よりも短い幅の凹条と、前記波長よりも短い幅の凸条とが周期的に配置された構造体と、
   前記凹条と前記凸条とに隣接して配置される孤立防止部と、を有し、
   前記孤立防止部は、前記凹条に対応する高さの凹みである孤立防止凹部と、前記凸条に対応する高さの柱状の孤立防止凸部と、を有し、前記孤立防止凹部と前記孤立防止凸部とは同一の幅を有し、所定の軸に対して対称に配置され、
   前記凹条と前記凸条とは、何れも、前記孤立防止凹部と、前記孤立防止凸部とに当接して配置される光学素子。
2. 請求項１に記載の光学素子において、
   周期的に配置された複数の前記構造体を有することを特徴とする光学素子。
3. 請求項１又は２に記載の光学素子において、
   前記孤立防止部は、前記構造体の周縁部に配置されることを特徴とする光学素子。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の光学素子において、
   前記孤立防止部は、前記構造体に重複して配置されることを特徴とする光学素子。
5. 処理対象となる光束の波長よりも短い幅の凹条と、前記波長よりも短い幅の凸条とが周期的に配置された構造体と、
   前記凹条と前記凸条とに隣接して配置される孤立防止部と、を有し、
   前記孤立防止部は、前記凹条に対応する高さの凹みである孤立防止凹部と、前記凸条に対応する高さの柱状の孤立防止凸部と、を有し、前記孤立防止凹部と前記孤立防止凸部とは同一の幅を有し、所定の軸に対して対称に配置され、
   前記凹条と前記凸条とは、何れも、前記孤立防止凹部と、前記孤立防止凸部とに当接して配置される成形型。
6. 請求項５に記載の成形型を用いて、前記成形型と、光硬化性樹脂とを密着させた状態で順次露光して硬化させる硬化工程を有し、
   前記硬化工程では、前記孤立防止部から前記凸条または前記凹条へ、未硬化の前記光硬化性樹脂が流入することを特徴とする光学素子の製造方法。
7. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の光学素子を有する光学装置。

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