JP6747769B2 - 光学素子、表示装置、原盤、及び光学素子の製造方法 - Google Patents

光学素子、表示装置、原盤、及び光学素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、光学素子、表示装置、原盤、及び光学素子の製造方法に関する。
特許文献1〜4は、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ素子を開示する。マイクロレンズアレイ素子は、ミクロンオーダーのマイクロレンズが基板上に多数形成されたものである。マイクロレンズアレイ素子は、光を拡散させにくいという特性を有する。このため、マイクロレンズアレイ素子は、例えば液晶ディスプレイのバックライト上に回折格子フィルタとして配置される。これにより、液晶ディスプレイの正面輝度が向上する。その他の用途としては、各種光通信光学部品、カメラの焦点板、太陽電池等が知られている。
特許文献1に開示されたマイクロレンズアレイ素子では、マイクロレンズの直径を10〜20μmとしている。また、特許文献1では、マイクロレンズの配置をランダムとしている。
特許文献2には、反射光の強度分布がトップハット形状となるマイクロレンズアレイ素子が開示されている。特許文献3、4には、反射面が非球面となるマイクロレンズアレイ素子が開示されている。
特開2006−323337号公報 特開2007−183498号公報 特表2007−517254号公報 特表2009−521342号公報
しかし、いずれのマイクロレンズアレイ素子においても、光学特性、特に反射特性、色ムラ特性が十分でなかった。そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、光学特性を改善することが可能な、新規かつ改良された光学素子、表示装置、原盤、及び光学素子の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、
基板と、
前記基板上に形成された複数のマイクロレンズと、を備え、
前記マイクロレンズの反射面は非球面であり、
前記マイクロレンズの頂点を通り、かつ前記基板の表面に垂直な垂直断面において、前記マイクロレンズの反射面の形状は、前記マイクロレンズの頂点を通り、かつ前記基板の表面に垂直な軸である前記マイクロレンズの光軸に対して、前記基板の表面に平行な方向に非対称であり、
隣接する前記マイクロレンズ間のピッチは10〜230μmの範囲内で変化し
前記マイクロレンズの深さは3.2〜15.4μmの範囲内で変化し
前記マイクロレンズの光軸の前記マイクロレンズの重心からのずれ量は、前記マイクロレンズの半径の2.5%〜15%の範囲内で変化し、
前記マイクロレンズの反射面の算術平均粗さRaは27nm以下であり、
前記マイクロレンズの反射面において、前記マイクロレンズの頂点を中心として10μmの範囲の算術平均粗さRaは7.7nm以下である、
光学素子が提供される。
ここで、マイクロレンズの外縁部は、他のマイクロレンズの外縁部に接触していてもよい。
また、隣接するマイクロレンズ間のピッチは、隣接するマイクロレンズの組み合わせ毎に異なっていてもよい。
また、マイクロレンズの深さは、マイクロレンズ毎に異なっていてもよい。
また、マイクロレンズの開口面は、正多角形からずれた形状となっていてもよい。
また、マイクロレンズの開口面は、正六角形からずれた形状となっていてもよい。
また、マイクロレンズの開口面は、正方形からずれた形状となっていてもよい。
前記光学素子の反射光の強度分布がトップハット形状となり、
前記トップハット形状は、以下の条件1及び条件2を満たす前記反射光の強度分布を意味してもよい。
条件1:正反射位置を中心とした所定角度範囲内の反射率が、当該所定角度範囲内の反射率の平均値のプラスマイナス12.0%の範囲内の値である。ここで、前記所定角度範囲は、前記正反射位置−5°より大きく前記正反射位置+5°より小さい範囲である。
条件2:前記所定角度範囲内の反射率の平均値が、前記所定角度範囲外の反射率の平均値の7.0倍以上である。
また、反射光の強度の総和が入射光の強度の4%以下であってもよい。
本発明の他の観点によれば、上記の光学素子を備える、表示装置が提供される。
本発明の他の観点によれば、上記の光学素子を製造するための原盤であって、原盤用基材と、原盤用基材上に形成されたレジスト層と、を備え、レジスト層には、マイクロレンズの反転形状を有する転写部が複数形成されている、原盤が提供される。
本発明の他の観点によれば、上記の光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、原盤用基材上にレジスト層を形成する工程と、レジスト層にレーザ光をパルス照射することで、マイクロレンズの反転形状を有する潜像パターンをレジスト層に形成する工程と、レジスト層を現像することで、マイクロレンズの反転形状を有する転写部をレジスト層に形成する工程と、転写部の反転形状を基板に転写する工程と、を含む、光学素子の製造方法が提供される。
本観点による光学素子では、マイクロレンズが上述した形状を有しているので、光学特性が改善される。特に、反射光の強度分布がトップハット形状となり、色ムラがほとんど確認されない。
以上説明したように本発明によれば、マイクロレンズが上述した形状を有しているので、光学特性が改善される。
本発明の実施形態に係る光学素子の構成を示す断面図である。 マイクロレンズを拡大して示す断面図である。 マイクロレンズの開口面の形状例を示す平面図である。 本実施形態に係る光学素子を製造するための原盤の構成を示す斜視図である。 転写部の詳細構成を示す断面図である。 原盤の表面構造を示すSEM(走査型電子顕微鏡)写真である。 原盤に転写部を形成するための露光装置の構成を示す説明図である。 露光装置による露光の原理を説明する説明図である。 レジスト層に潜像パターンが形成された様子を示す断面図である。 実施例1に係る光学素子の表面形状を示すSEM写真である。 実施例2に係る光学素子の表面形状を示すSEM写真である。 実施例3に係る光学素子の表面形状を示すSEM写真である。 実施例4に係る光学素子の表面形状を示すSEM写真である。 実施例5に係るいずれかのマイクロレンズの断面形状を示すグラフである。 実施例6に係るいずれかのマイクロレンズの断面形状を示すグラフである。 実施例7に係るいずれかのマイクロレンズの断面形状を示すグラフである。 比較例1に係る光学素子の表面形状を示すSEM写真である。 比較例2に係る光学素子の表面形状を示すSEM写真である。 実施例1に係るいずれかのマイクロレンズの断面形状を示すグラフである。 実施例1に係るいずれかのマイクロレンズの断面形状を示すグラフである。 比較例1に係るいずれかのマイクロレンズの断面形状を示すグラフである。 光学素子の反射特性の測定方法を概略的に示す説明図である。 実施例1に係る光学素子の反射特性を示すグラフである。 比較例1に係る光学素子の反射特性を示すグラフである。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
<1.光学素子の構成>
まず、図1〜図3に基づいて、本実施形態に係る光学素子1の構成について説明する。図1に示すように、光学素子1は、基板10と、複数のマイクロレンズ20とを備える。なお、図1の断面は、少なくとも2つのマイクロレンズ20、20の頂点P1を通り、かつ基板10の表面10aに垂直な垂直断面である。
基板10は、例えば矩形の樹脂シートであり、基板10の表面10aに複数のマイクロレンズ20が形成される。
マイクロレンズ20は、基板10の表面10a上に複数形成される。マイクロレンズ20は凸レンズであっても、凹レンズであってもよい。凹レンズと凸レンズとが混在していてもよい。図1では、マイクロレンズ20は凸レンズとなっている。また、各マイクロレンズ20は歪んだ形状を有する。具体的には、マイクロレンズ20の反射面21は、非球面であり、かつ、光軸L1に対して非対称となっている。ここで、光軸L1は、マイクロレンズ20の頂点P1を通り、かつ表面10aに垂直な軸である。ここで、頂点P1は、マイクロレンズ20が凸レンズとなる場合、反射面21上の点のうち、基板10の表面10aからもっとも離れた点となる。一方、マイクロレンズ20が凹レンズとなる場合、頂点P1は、反射面21上の点のうち、基板10の表面10aにもっとも近い点となる。ここで、マイクロレンズ20は、互いに異なる形状を有することが好ましい。この場合、光学特性がさらに向上する。図1に示すマイクロレンズ20は、互いに異なる形状を有する。
また、マイクロレンズ20のピッチは、10〜230μmの範囲内の値となる。ここで、ピッチは、隣接するマイクロレンズ20の光軸L1間の距離L2である。なお、本実施形態では、「隣接」を、マイクロレンズ20間に隙間(平坦部)が存在することを許容する意味で使用する。ただし、後述するように、平坦部は存在しないことが好ましい。各マイクロレンズ20が互いに異なる形状を有する場合、ピッチは10〜230μmの範囲内でマイクロレンズ20の組み合わせ毎に様々な値をとりうる。これにより、光学素子の光学特性が向上する。
また、マイクロレンズ20の深さ(高さ)は、3.2〜15.4μmの範囲内の値となる。深さの下限値は、好ましくは、7.5μmである。ここで、マイクロレンズ20の深さは、マイクロレンズ20の頂点P1から外縁部Bまでの光軸方向距離Hで示される。外縁部Bは、マイクロレンズ20の反射面21上の各部分のうち、基板10の表面10aにもっとも近い部分である。各マイクロレンズ20が互いに異なる形状を有する場合、マイクロレンズ20の深さは、3.2〜15.4μmの範囲内でマイクロレンズ20毎に様々な値をとりうる。これにより、光学素子の光学特性が向上する。
また、マイクロレンズ20の外縁部B同士は互いに接触していることが好ましい。言い換えれば、マイクロレンズ20間に平坦部(表面10aの露出部分)が形成されていないことが好ましい。マイクロレンズ20間に平坦部が形成される場合、光学素子反射光の強度分布がトップハット形状にならない可能性があるからである。このため、マイクロレンズ20の開口面(光軸L1に垂直な断面)の形状は多角形となる。また、マイクロレンズ20の充填率(基板10の表面10aに占めるマイクロレンズ20の割合)はほぼ100%となる。
また、図2に示すように、マイクロレンズ20の光軸L1の重心Oからのずれ量は、マイクロレンズ20の半径の2.5〜15%であることが好ましい。ここで、図2の断面は、マイクロレンズ20の頂点P1及び重心Oを通り、かつ基板10の表面10aに垂直な断面である。以下、このような断面を「光軸断面」とも称する。また、重心Oは、開口面の重心である。また、光軸L1の重心Oからのずれ量は、光軸L1と表面10aとの交点P10から重心Oまでの距離L6で示される。マイクロレンズ20の半径は、重心Oから外縁部B内の点P11までの距離rで示される。ここで、点P11は、重心Oから交点P10に向けて伸ばした直線とマイクロレンズ20の外縁部Bとの交点である。
また、マイクロレンズの反射面の算術平均粗さRaは27nm以下であることが好ましい。この場合、光学素子1の光学特性が更に向上する。また、算術平均粗さを低減するための被覆層を別途設ける必要がなくなる。
また、マイクロレンズ20の開口面は、正多角形からずれていることが好ましい。図3(a)、(b)に一例を示す。図3(a)では、マイクロレンズ20の開口面は正六角形からずれた形状となっている。さらに、各マイクロレンズ20は互いに異なる形状を有している。この場合、マイクロレンズ20の頂点P1同士を連結した格子は、六方格子からずれた形状となる。また、図3(b)では、マイクロレンズ20の開口面は正方形からずれた形状となっている。さらに、各マイクロレンズ20は互いに異なる形状を有している。この場合、マイクロレンズ20の頂点P1同士を連結した格子は、正方格子からずれた形状となる。ここで、「正多角形からずれる」とは、各辺の長さがばらついていること、各頂点での角度が正多角形の角度からずれていること等を意味する。もちろん、開口面の形状はこれらに限定されない。
ここで、光学素子1を構成する全てのマイクロレンズ20が互いに異なる形状を有していても良いが、一部のマイクロレンズ20は同じ形状となっていてもよい。また、複数個のマイクロレンズ20からなる構造単位が表面10a上に繰り返し配置されていてもよい。また、本実施形態の光学特性を損なわない範囲で、規則的な形状のマイクロレンズ20が形成されていてもよい。ここで、規則的な形状のマイクロレンズ20では、開口面が正多角形となっている。また、反射面21は球面であり、かつ、光軸L1に対して対称となっている。
本実施形態に係る光学素子1では、マイクロレンズ20が上述した形状を有しているので、光学特性が改善される。特に、反射光の強度分布がトップハット形状となり、色ムラがほとんど確認されない。また、全反射量(反射光の強度の総和)は入射光の強度の4%以下となるので、プラスチックと同程度となる。したがって、全反射量は実用上問題のないレベルとなっている。このため、例えば、光学素子1を表示装置に用いた場合のモアレを抑制することができる。また、光学素子1を照明等に使用することで、これらの質感を向上させることができる。なお、トップハット形状とは、以下の条件をすべて満たす強度分布を意味する。
1.正反射位置を中心とした所定角度範囲内の反射率が、当該所定角度範囲内の反射率の平均値のプラスマイナス12.0%の範囲内の値である。ここで、所定角度範囲は、光学素子1に求められる特性に応じて異なるが、例えば正反射位置−5°より大きく正反射位置+5°より小さい。後述する実施例の所定角度範囲はこの角度範囲となる。
2.所定角度範囲内の反射率の平均値が、所定角度範囲外の反射率の平均値の7.0倍以上である。
したがって、反射強度分布がトップハット形状となる場合、光学素子1は、多くの入射光を正面方向に(入射光の入射角度と同じ角度に)反射するという反射特性を有することになる。
<2.原盤の構成>
次に、図4及び図5に基づいて、光学素子1の作製に使用される原盤200の構成について説明する。原盤200は、原盤用基材200Aと、レジスト層210と、レジスト層210に複数形成された転写部220とを備える。なお、図4では、レジスト層210上に形成される転写部220の一部を模式的に示す。
原盤用基材200Aは、円筒または円柱形状の部材である。原盤用基材200Aの材料は、特に限定されず、溶融石英ガラスまたは合成石英ガラスなどの石英ガラス(SiO)、あるいは、ステンレス鋼などの金属を用いることができる。したがって、原盤200はいわゆるロール原盤となる。もちろん、原盤200の形状はロール形状に限定されない。例えば、原盤200は平板状であってもよい。この場合、原盤用基材200Aは平板状となる。
レジスト層210は、原盤用基材200Aの表面に形成される。レジスト層210は、転写部220が形成される層である。レジスト層210を構成する材料は、レーザ光による潜像パターンを形成できるものであれば特に制限されない。例えば、レジスト層210を構成する材料は、有機系レジストである。有機系レジストとしては、例えば、ノボラック系レジスト、または化学増幅型レジストなどが挙げられる。
レジスト層210が有機系レジストで構成される場合、レジスト層210は、スピンコーティング、スリットコーティング、ディップコーティング、スプレーコーティング、またはスクリーン印刷等によって形成可能である。
転写部220は、図4及び図5に示すように、レジスト層210の表面に多数形成される。転写部220は、マイクロレンズ20の反転形状を有する。具体的には、転写部220は、マイクロレンズ20と同一形状を有する中空部220Aを有する。光学素子の作製工程では、この中空部220Aに樹脂が充填されることで、マイクロレンズ20が形成される。図6は、原盤200の表面形状を示すSEM写真である。図6に示すように、原盤200の表面には、多数の転写部220が形成される。なお、図6に示す転写部220は、規則的な形状を有しているが、本実施形態の転写部220は、歪んだ形状となる。
<3.露光装置の構成>
次に、図7及び図8に基づいて、露光装置100の構成について説明する。露光装置100は、原盤200に転写部220を形成する装置である。露光装置100は、レーザ光源121と、電気光学素子(Electro Optical Modulator:EOM)122と、第1ミラー123と、フォトダイオード(Photodiode:PD)124と、変調光学系125と、制御機構137と、第2ミラー131と、移動光学テーブル132と、スピンドルモータ135と、ターンテーブル136とを備える。また、原盤200は、ターンテーブル136上に載置され、回転することができるようになっている。
レーザ光源121は、レーザ光120を発する光源であり、例えば、固体レーザまたは半導体レーザなどである。レーザ光源121が発するレーザ光120の波長は、特に限定されないが、例えば、400nm〜500nmの青色光帯域の波長であってもよい。
レーザ光源121から出射されたレーザ光120は、平行ビームのまま直進し、電気光学素子122に入射する。電気光学素子122は、レーザ光120の位相変調を行う。電気光学素子122を透過したレーザ光120は、第1ミラー123で反射され、変調光学系125に導かれる。
第1ミラー123は、偏光ビームスプリッタで構成されており、偏光成分の一方を反射させ、偏光成分の他方を透過させる機能を有する。第1ミラー123を透過した偏光成分は、フォトダイオード124によって受光され、光電変換される。また、フォトダイオード124によって光電変換された受光信号は、電気光学素子122に入力され、電気光学素子122は、入力された受光信号に基づいてレーザ光120の位相変調を行う。
また、変調光学系125は、集光レンズ126と、音響光学素子(Acoust−Optic Modulator:AOM)127と、コリメータレンズ128とを備える。
変調光学系125において、レーザ光120は、集光レンズ126によって、ガラス(SiO)などからなる音響光学素子127に集光される。レーザ光120は、音響光学素子127によって強度変調され発散した後、コリメータレンズ128によって、再度、平行ビーム化される。変調光学系125から出射されたレーザ光120は、第2ミラー131によって反射され、移動光学テーブル132上に水平かつ平行に導かれる。
また、制御機構137は、フォーマッタ140と、ドライバ130とを備え、レーザ光120の照射を制御する。フォーマッタ140は、レーザ光120の照射を制御する変調信号を生成し、ドライバ130は、フォーマッタ140が生成した変調信号に基づいて、音響光学素子127を制御する。これにより、原盤200へのレーザ光120の照射が制御される。
ここで、フォーマッタ140が行う処理(露光原理)について詳細に説明する。フォーマッタ140は、まず、光学素子1の表面に形成される複数のマイクロレンズ20が描かれた入力画像を取得する。この入力画像には、例えば各マイクロレンズ20の3次元形状が描かれる。
ついで、フォーマッタ140は、原盤200の表面に複数のトラックを設定する。各トラックは、原盤200の周方向に伸び、かつ、原盤200の1周分の長さを有する。また、各トラックは、原盤200の軸方向に沿って互いに平行に並んでいる。各トラックの軸方向の間隔(送りピッチ)は、特に制限されないが、例えば1μm程度に設定される。送りピッチは、露光ビーム径(レーザ光120のスポット径)の半分以下となるように、設定されることが好ましい。
図8(a)は、規則的な形状を有する転写部220を示す平面図である。また、図8(a)は、転写部220を形成するためのトラックA〜Cも示す。図8(a)に示す転写部220では、開口面(マイクロレンズ20の開口面に相当する面)の形状が正六角形となっている。また、転写部220の表面(マイクロレンズ20の反射面21に相当する面)は球面であり、かつ、光軸に対して対称となる。このように、図8では、理解を容易にするために、規則的な形状の転写部220を示したが、本実施形態では、歪んだ形状の転写部220を形成する。
そして、フォーマッタ140は、トラックごとに以下の処理を行う。すなわち、フォーマッタ140は、トラック上に複数の露光点を設定し、入力画像に基づいて、各露光点における変調信号の高さを設定する。フォーマッタ140は、変調信号の高さを、単純なロー(Low)、ハイ(High)の2種類から選択するのではなく、複数段階の階調から選択する。例えば、フォーマッタ140は、変調信号の高さを、500段階の階調(0〜499階調)のうちから選択する。もちろん、階調の段階はこれに限られない。
ここで、変調信号の高さは、レーザ光120の強度に相当する。すなわち、変調信号の高さが大きいほど、レーザ光120の強度が大きくなる。そして、レーザ光120の強度が大きいほど、レジスト層210を多く(すなわち、深い位置まで)エッチングすることができる。したがって、フォーマッタ140は、各露光点におけるマイクロレンズ20の深さ(反射面21のうち、露光点に対応する点から外縁部Bまでの光軸方向距離)が大きいほど、変調信号の高さを高くする。このように、フォーマッタ140は、レーザ光120の強度を複数の階調から選択することができる。
また、階調が細かいほど、マイクロレンズ20の表面をよりなめらかにすることができる。例えば、深さ5μmのマイクロレンズ20を500階調のレーザ光120で作製する場合、1階調の違いによる深さの差分は10nmとなる。すなわち、フォーマッタ140は、マイクロレンズ20の深さを10nm単位で調整できる。
また、フォーマッタ140は、隣接する露光点同士の間隔(露光ピッチ)が露光ビーム径(レーザ光120のスポット径)の半分以下となるように、露光点の位置を設定することが好ましい。これにより、レーザ光120のスポット同士がオーバーラップするので、トラック方向の露光量の変化が少なくなる。すなわち、マイクロレンズ20の表面をよりなめらかにすることができる。
また、フォーマッタ140は、スピンドルモータ135の回転に同期するクロック信号を生成し、各露光点の変調信号をクロック信号に同期した出力タイミングでドライバ130にパルス出力する。これにより、フォーマッタ140は、予め設定した露光点と実際にレーザ光120が照射される位置とのずれを低減することができる。また、フォーマッタ140は、スピンドルモータ135が1回転した際に1トラック分の変調信号を出力することができる。
例えば、フォーマッタ140は、トラックAに対する変調信号を、図8(b)に示すタイミングチャートに沿って出力する。また、フォーマッタ140は、トラックBに対する変調信号を、図8(b)に示すタイミングチャートに沿って出力する。また、フォーマッタ140は、トラックCに対する変調信号を、図8(c)に示すタイミングチャートに沿って出力する。ドライバ130は、変調信号に基づいて、音響光学素子127を制御する。以上の処理により、露光装置100は、レーザ光120をパルス照射する。
ここで、図8(b)〜(c)は、規則的な形状の転写部220を形成するためのタイミングチャートを示す。フォーマッタ140は、各露光点における変調信号の高さを任意に変更することで、歪んだ形状の転写部220を形成することができる。なお、ドライバ130及びフォーマッタ140の機能は、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現される。例えば、ドライバ130及びフォーマッタ140は、ブリッジにて相互に接続されたCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等を備え、これらのハードウェアによって上記の機能を実現してもよい。例えば、CPUは、演算処理装置および制御装置として機能し、各種プログラムに従って、ドライバ130及びフォーマッタ140内の動作全般を制御する。ROMは、CPUが使用するプログラム、演算パラメータを記憶し、RAMは、CPUの実行において使用するプログラムや、その実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する。これにより、CPUは、ドライバ130及びフォーマッタ140の機能を実行することができる。
移動光学テーブル132は、ビームエキスパンダ(Beam expader:BEX)133と、対物レンズ134とを備える。移動光学テーブル132に導かれたレーザ光120は、ビームエキスパンダ133により所望のビーム形状に整形された後、対物レンズ134を介して、原盤200のレジスト層210に照射される。また、移動光学テーブル132は、原盤200が1回転する毎に矢印R方向(送りピッチ方向)に1送りピッチだけ移動する。ターンテーブル136上には、原盤200が設置される。スピンドルモータ135はターンテーブル136を回転させることで、原盤200を回転させる。
なお、図示していないが、露光装置100は、レーザ光120が常にレジスト層210で焦点を結ぶように動的にフォーカス制御することが好ましい。具体的には、原盤用基材200Aは、回転の際に、回転軸の軸ぶれ、および原盤用基材200Aの表面の加工精度等によって対物レンズ134から原盤用基材200Aまでの距離が変動している。そのため、レーザ光120が常に原盤用基材200Aのレジスト層15にて焦点を結ぶようにするために、露光装置100は、レーザ光120のフォーカスずれを検出し、動的にレーザ光120のフォーカスを制御することが好ましい。なお、原盤用基材200A上のレジスト層15に対するレーザ光120のフォーカスずれを検出する方法は、例えば、レジスト層15に照射したレーザ光120の反射光の非点収差を検出する方法などを用いることができる。
また、上記各レンズのパラメータ(例えば開口数、焦点深度等)は、本実施形態の光学素子1が作製可能となる範囲内で任意に設定されればよい。例えば、対物レンズ134の焦点深度は、10〜20μmの範囲内で設定されてもよい。焦点深度以上の深さのマイクロレンズ20を作製することはできないので、マイクロレンズ20の深さに応じた焦点深度を設定する。集光レンズ126の開口数は例えば0.2程度であってもよく、対物レンズ134の開口数は0.4程度であってもよい。各レンズの開口数が大きくなりすぎると、焦点深度が小さくなり、ひいては、マイクロレンズ20の深さが小さくなってしまう。例えば、各レンズの開口数が0.9となる場合、焦点深度が1μmとなる。この場合、マイクロレンズ20の深さは1μm未満となってしまう。
<4.光学素子の製造方法>
次に、光学素子1の製造方法について説明する。まず、原盤200を作製する。具体的には、円筒または円柱状の原盤用基材200Aを準備し、原盤用基材200Aの周面にレジスト層210を形成する。
次に、露光装置100を用いてレジスト層210に転写部220の潜像を形成する。具体的には、露光装置100の作業者は、原盤200をターンテーブル136上に設置する。ついで、作業者は、光学素子1の表面に形成される複数のマイクロレンズ20が描かれた入力画像をフォーマッタ140に入力する。この入力画像には、例えば各マイクロレンズ20の3次元形状が描かれる。
ついで、フォーマッタ140は、原盤200の表面に複数のトラックを設定する。各トラックは、原盤200の周方向に伸び、かつ、原盤200の1周分の長さを有する。また、各トラックは、原盤200の軸方向に沿って互いに平行に並んでいる。各トラックの軸方向の間隔(送りピッチ)は、特に制限されないが、例えば1μm程度に設定される。送りピッチは、露光ビーム径(レーザ光120のスポット径)の半分以下となるように、設定されることが好ましい。
そして、フォーマッタ140は、トラックごとに以下の処理を行う。すなわち、フォーマッタ140は、トラック上に複数の露光点を設定し、入力画像に基づいて、各露光点における変調信号の高さを設定する。ここで、フォーマッタ140は、変調信号の高さを、複数段階の階調から選択する。例えば、フォーマッタ140は、変調信号の高さを、500段階の階調(0〜499階調)のうちから選択する。
ここで、フォーマッタ140は、隣接する露光点同士の間隔(露光ピッチ)が露光ビーム径(レーザ光120のスポット径)の半分以下となるように、露光点の位置を設定することが好ましい。これにより、レーザ光120のスポット同士がオーバーラップするので、トラック方向の露光量の変化が少なくなる。すなわち、マイクロレンズ20の表面をよりなめらかにすることができる。
ついで、レーザ光源121は、レーザ光120を電気光学素子122に向けて出射する。電気光学素子122は、レーザ光120を位相変調する。電気光学素子122を透過したレーザ光120は、第1ミラー123で反射され、変調光学系125に導かれる。
なお、第1ミラー123は、偏光ビームスプリッタで構成されており、偏光成分の一方を反射させ、偏光成分の他方を透過させる機能を有する。第1ミラー123を透過した偏光成分は、フォトダイオード124によって受光され、光電変換される。また、フォトダイオード124によって光電変換された受光信号は、電気光学素子122に入力され、電気光学素子122は、入力された受光信号に基づいてレーザ光120の位相変調を行う。
レーザ光120は、集光レンズ126によって、音響光学素子127に集光される。一方、フォーマッタ140は、スピンドルモータ135の回転に同期するクロック信号を生成し、各露光点の変調信号をクロック信号に同期した出力タイミングでドライバ130にパルス出力する。すなわち、フォーマッタ140は、変調信号を所定時間毎に出力する。ドライバ130は、フォーマッタ140が生成した変調信号に基づいて、音響光学素子127を制御する。音響光学素子127は、レーザ光120を強度変調し、かつ発散させる。
その後、レーザ光120は、コリメータレンズ128によって、再度、平行ビーム化される。変調光学系125から出射されたレーザ光120は、第2ミラー131によって反射され、移動光学テーブル132上に水平かつ平行に導かれる。
移動光学テーブル132に導かれたレーザ光120は、ビームエキスパンダ133により所望のビーム形状に整形された後、対物レンズ134を介して、原盤200のレジスト層210に照射される。また、移動光学テーブル132は、原盤200が1回転する毎に矢印R方向(送りピッチ方向)に1送りピッチだけ移動する。スピンドルモータ135は、ターンテーブル136を一定の回転速度(例えば450〜1800rpm)で回転させる。以上の処理により、露光装置100は、原盤200のレジスト層210にレーザ光120をパルス照射する。これにより、露光装置100は、図9に示すように、原盤200のレジスト層210に複数の潜像230(潜像パターン)を形成する。潜像230は、転写部220の中空部220Aと略同一の形状を有する。すなわち、潜像230は、マイクロレンズ20の反転形状を有する。
ついで、レジスト層210を現像することで、潜像230を除去する。これにより、レジスト層210に複数の転写部220を形成する。ついで、転写部220の反転形状を基板10に転写する。
ここで、転写の方法は特に問われない。以下、転写の一例として、光硬化樹脂を使用する方法について説明する。まず、基板10の表面10a上に硬化前の光硬化樹脂を塗工する。光硬化樹脂は、例えば、アクリル樹脂などのUV硬化樹脂であってもよい。また、光硬化性樹脂は、必要に応じて、開始剤、フィラー、機能性添加剤、溶剤、無機材料、顔料、帯電防止剤、または増感色素などを含んでもよい。また、光硬化樹脂は、例えば、グラビアコーター、ワイヤーバーコーター、またはダイコーターなどによって基板10の表面10a上に塗工される。
ついで、光硬化樹脂の塗工層を原盤200の転写部220に押し当てることで、転写部220の中空部220A内に光硬化樹脂を充填させる。ついで、光硬化樹脂に光を照射することで、光硬化樹脂を硬化させる。これにより、転写部220の反転形状を基板10に転写する。すなわち、基板10の表面10a上に複数のマイクロレンズ20を形成する。その後、基板10を原盤200から剥離する。以上の工程により、光学素子1を作製する。ここで、原盤200がロール原盤となる場合、ロールツーロールによる光学素子1の作製が可能となるので、大面積の光学素子1を連続して作製することができる。また、本実施形態では、原盤用基材200Aをエッチングしない。したがって、レジスト層210を原盤用基材200Aから剥がすことで、原盤用基材200Aを再利用することができる。
<5.光学素子の用途>
光学素子1の用途は特に制限されず、各種の光学部品として使用することができる。特に、光学素子1を表示装置に用いた場合、モアレの発生を抑制することができる。また、光学素子1を照明等に使用することで、これらの質感を向上させることができる。
つぎに、本発明の実施例及び比較例について説明する。
<1.実施例1>
<1−1.光学素子の作製>
石英ガラス板からなる原盤用基材200A上に、市販のレジストをディップ法により成膜することで、レジスト層210を形成した。ついで、図7に示す露光装置100を用いて、レジスト層210に潜像230を形成した。ここで、レーザ光源121としては、波長405nmのレーザ光を発する青色半導体レーザ光源を用いた。また、レーザ光120の階調は500階調とした。また、レーザ光の露光ビーム径を2.5μmとし、送りピッチ及び露光ピッチをいずれも1μmとした。
ついで、レジスト層210を現像することで、レジスト層210に複数の転写部220を形成した。ここで、現像には、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液を使用した。転写部220は、後述するマイクロレンズ20の反転形状を有する。
ついで、転写部220の反転形状を基板10に転写することで、光学素子1を作製した。ここで、転写の方法は光硬化樹脂を用いる方法とした。基板10としてはPETフィルムを使用し、光硬化樹脂としては、アクリル系のUV硬化樹脂を使用した。以上の処理により、実施例1に係る光学素子1を作製した。実施例1に係る光学素子1では、図10に示すマイクロレンズ20の構造単位が繰り返される。なお、図10は、実施例1に係る光学素子1の表面形状を示すSEM写真である。本実施例で使用した走査型電子顕微鏡(SEM)は、株式会社日立製作所社製S−4700とした。したがって、実施例1では、マイクロレンズ20の開口面は、正六角形からずれた形状(すなわち、歪んだ六角形)となっている。また、マイクロレンズ20の外縁部同士は互いに接触している。
<1−2.ピッチ及び深さの測定>
また、1つの構造単位を構成する全てのマイクロレンズ20のピッチ及び深さをSEMで測定したところ、ピッチは126〜228μmの範囲内で様々な値となった。また、深さは5.2〜7.2μmの範囲内で様々な値となった。
<1−3.光軸のずれ量の測定>
また、レーザ顕微鏡(株式会社キーエンス社製VK−X200)によってマイクロレンズ20の光軸断面形状を測定した。そして、測定結果に基づいて、マイクロレンズ20の光軸L1のマイクロレンズ20の重心Oからのずれ量を測定した。測定は、1つの構成単位を構成する全てのマイクロレンズ20に対して行った。この結果、ずれ量は、マイクロレンズ20の半径の2.5%〜15%の範囲内の値となった。図19、図20のグラフL20、L21は、光軸断面形状の一例を示す。図19及び図20の横軸は、光軸断面と基板10の表面10aとの交線上の各点から当該交線上に設定された基準点までの距離を示す。縦軸は、基板10の表面10aから反射面21上の各点までの距離を示す。
つぎに、保護層40の算術平均粗さRaを測定した。具体的には、いずれかのマイクロレンズ20を測定対象として選択した。そして、マイクロレンズ20の頂点を中心として長さ10μm、100μmの測定範囲を設定した。そして、測定範囲内で算術平均粗さRaを測定した。測定には、株式会社菱化システム製Vert scanを用いた。
<1−4.反射特性の測定>
光学素子1の反射特性を以下の方法で測定、評価した。測定には、株式会社ラムダビジョン製のゴニオフォトメータを使用した。また、測定は以下の手順で行った。図22に示すように、試験台400に粘着層410を介して光学素子1を設置した。そして、光軸L1からθ(=30°)傾けた位置に送信器を設置し、送信器から光学素子1に測定光を照射した。測定光の波長は532nmとした。一方、受光器を光軸L1からθ(=30°)傾けた位置(正反射位置=0°)に設置し、測定光を受光させた。そして、受光器を正反射位置からプラスマイナス20°の範囲で移動させ、各位置で測定光を受光させた。そして、送信器が照射した測定光の強度と、受光器が受光した測定光の強度とに基づいて反射率(%)を測定した。また、θの値を45°として同様の処理を行った。その結果を図23に示す。図23の横軸は受光角度、すなわち正反射位置を基準(=0°)とした時の受光器の位置を示す。縦軸は反射率(%)を示す。
図23によれば、送信器の位置が光軸L1から30°の位置となる場合、以下の測定結果が得られた。すなわち、正反射位置−5°より大きく正反射位置+5°より小さい所定角度範囲内で、反射率の平均値は、0.068となった。また、この所定角度範囲では、反射率は、平均値の−5.9〜+7.4%の範囲内の値となった。また、所定角度範囲以外の範囲内では、反射率の平均値は0.009となった。したがって、所定角度範囲内の平均値が、所定角度範囲以外の範囲内の平均値の7.6倍となった。
また、送信器の位置が光軸L1から45°の位置となる場合、以下の測定結果が得られた。すなわち、正反射位置−5°より大きく正反射位置+5°より小さい所定角度範囲内で、反射率の平均値は、0.058となった。また、この所定角度範囲では、反射率は、平均値の−11.7〜+10.3%の範囲内の値となった。また、所定角度範囲以外の範囲内では、反射率の平均値は0.009となった。したがって、所定角度範囲内の平均値が、所定角度範囲以外の範囲内の平均値の7.5倍となった。
そして、反射強度分布がトップハット形状になるか否かを上述した判断基準1、2によって評価した。この結果、反射強度分布はトップハット形状になることが明らかとなった。すなわち、トップハット形状の評価を「○」とした。なお、判断基準1において、正反射位置を中心とした所定角度範囲内の反射率が、当該所定角度範囲内の平均値のプラスマイナス10.0%以内となる場合、トップハット形状の評価を「◎」とした。判断基準1、2の少なくともいずれかを満たさない場合、トップハット形状の評価を「×」とした。
また、全反射量、すなわち反射光の強度の総和を測定し、入射光の強度に対する割合を測定した。この結果、全反射量は入射光の強度に対して3.7%であった。
<1−5.色ムラ評価>
次に、色ムラの有無を目視で観察した。具体的には、色ムラが全く観察されなかった場合を「◎」、わずかに色ムラが観察されたが、実用上問題ない場合を「○」、色ムラがはっきりと確認でき、実用上問題ある場合を「×」と評価した。実施例1では、「◎」となった。
<2.実施例2>
実施例1と同様の処理を行うことで、図11に示す構造単位を有する光学素子1を作製した。実施例2でも、マイクロレンズ20の開口面の形状を歪んだ正六角形とした。また、実施例2で作製された光学素子1について、実施例1と同様の特性評価を行った。この結果を表1にまとめて示す。
<3.実施例3>
実施例1と同様の処理を行うことで、図12に示す構造単位を有する光学素子1を作製した。実施例3でも、マイクロレンズ20の開口面の形状を歪んだ正六角形とした。また、実施例3で作製された光学素子1について、実施例1と同様の特性評価を行った。この結果を表1にまとめて示す。
<4.実施例4>
実施例1と同様の処理を行うことで、図13に示す構造単位を有する光学素子1を作製した。実施例4でも、マイクロレンズ20の開口面の形状を歪んだ正六角形とした。また、実施例4で作製された光学素子1について、実施例1と同様の特性評価を行った。この結果を表1にまとめて示す。
<5.実施例5>
実施例1と同様の処理を行うことで、表1に示す形状を有する光学素子1を作製した。図14のグラフL30は、実施例5に係る光軸断面形状の一例を示す。図14の縦軸、横軸の意味は図19と同様である。実施例5でも、マイクロレンズ20の開口面の形状を歪んだ正六角形とした。また、実施例5で作製された光学素子1について、実施例1と同様の特性評価を行った。この結果を表1にまとめて示す。
<6.実施例6>
実施例1と同様の処理を行うことで、表1に示す形状を有する光学素子1を作製した。図15のグラフL31は、実施例6に係る光軸断面形状の一例を示す。図15の縦軸、横軸の意味は図19と同様である。図15から明らかな通り、実施例6のマイクロレンズ20は凹レンズとなっている。また、実施例6でも、マイクロレンズ20の開口面の形状を歪んだ正六角形とした。また、実施例6で作製された光学素子1について、実施例1と同様の特性評価を行った。この結果を表1にまとめて示す。
<7.実施例7>
実施例1と同様の処理を行うことで、表1に示す形状を有する光学素子1を作製した。図16のグラフL32は、実施例7に係る光軸断面形状の一例を示す。図16の縦軸、横軸の意味は図19と同様である。実施例7でも、マイクロレンズ20の開口面の形状を歪んだ正六角形とした。また、実施例7で作製された光学素子1について、実施例1と同様の特性評価を行った。この結果を表1にまとめて示す。
<5.比較例1>
実施例1と同様の処理を行うことで、図17に示す構造単位を有する光学素子1を作製した。ただし、比較例1では、レーザ光120の階調を200階調とした。また、比較例1では、規則的な形状のマイクロレンズ20を作製した。すなわち、マイクロレンズ20の開口面は正六角形とした。また、マイクロレンズ20の反射面21を球面とし、光軸L1に対して対称な形状とした。また、比較例1で作製された光学素子1について、実施例1と同様の特性評価を行った。図21に示すグラフL22は、比較例1で作製されたマイクロレンズ20の光軸断面形状の一例を示す。図21の縦軸及び横軸の意味は図19と同様である。また、図24は、比較例1の反射強度分布を示すグラフである。縦軸、横軸の意味は図23と同様である。図24から明らかな通り、比較例1の反射特性分布はトップハット形状とはならなかった。評価結果を表1にまとめて示す。
<6.比較例2>
実施例1と同様の処理を行うことで、図18に示す構造単位を有する光学素子1を作製した。ただし、比較例2では、規則的な形状のマイクロレンズ20を作製した。すなわち、マイクロレンズ20の開口面は正六角形とした。また、マイクロレンズ20の反射面21を球面とし、光軸L1に対して対称な形状とした。また、比較例1で作製された光学素子1について、実施例1と同様の特性評価を行った。評価結果を表1にまとめて示す。
<7.特性評価>
実施例1〜7に係る光学素子1では、マイクロレンズ20の開口面が歪んだ六角形となっている。さらに、反射面は非球面であり、光軸L1に対して非対称となる。さらに、ピッチは10〜230μmの範囲内で様々な値となり、深さは3.2〜15.4μmの範囲内で様々な値となる。また、マイクロレンズ20の外縁部同士は互いに接触しており、光軸のずれ量は、2.5〜15%の範囲内で様々な値となる。そして、実施例1〜7では、反射強度分布がいずれもトップハット形状となり、色ムラもほとんど観察されなかった。さらに、全反射量は4%以下の範囲内となった。したがって、良好な光学特性が得られた。
一方、比較例1は、レーザ光120の階調が他の例に比べて低いため、算術平均粗さRaが他の例に比べて明らかに大きくなった。また、マイクロレンズ20も歪んだ形状となっていない。このため、反射強度分布はトップハット形状とならず、色ムラも大きくなった。特に、比較例1の色ムラは比較例2と比べても大きかった。比較例2では、反射強度分布はトップハット形状となったものの、色ムラは大きかった。比較例1、2で色ムラが確認された理由として、マイクロレンズ20が規則的な形状を有していることが挙げられる。すなわち、マイクロレンズ20が規則的な形状を有していると、光の干渉効果が顕著に現われて、反射光が虹色に分光する。このため、色ムラが発生する。比較例1で色ムラが特に大きかった理由としては、上記の理由に加え、算術平均粗さRaが突出して大きいことが挙げられる。このように、本実施形態に係る光学素子1は、良好な光学特性を有することが確認できた。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
1 光学素子
10 基板
20 マイクロレンズ
21 反射面
L1 光軸
P1 頂点
B 外縁部
200 原盤
200A 原盤用基材
210 レジスト層
220 転写部
140 フォーマッタ

Claims (12)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された複数のマイクロレンズと、を備え、
    前記マイクロレンズの反射面は非球面であり、
    前記マイクロレンズの頂点を通り、かつ前記基板の表面に垂直な垂直断面において、前記マイクロレンズの反射面の形状は、前記マイクロレンズの頂点を通り、かつ前記基板の表面に垂直な軸である前記マイクロレンズの光軸に対して、前記基板の表面に平行な方向に非対称であり、
    隣接する前記マイクロレンズ間のピッチは10〜230μmの範囲内で変化し
    前記マイクロレンズの深さは3.2〜15.4μmの範囲内で変化し
    前記マイクロレンズの光軸の前記マイクロレンズの重心からのずれ量は、前記マイクロレンズの半径の2.5%〜15%の範囲内で変化し、
    前記マイクロレンズの反射面の算術平均粗さRaは27nm以下であり、
    前記マイクロレンズの反射面において、前記マイクロレンズの頂点を中心として10μmの範囲の算術平均粗さRaは7.7nm以下である、
    光学素子。
  2. 前記マイクロレンズの外縁部は、他のマイクロレンズの外縁部に接触している、請求項1記載の光学素子。
  3. 隣接する前記マイクロレンズ間のピッチは、隣接する前記マイクロレンズの組み合わせ毎に異なる、請求項1または2記載の光学素子。
  4. 前記マイクロレンズの深さは、前記マイクロレンズ毎に異なる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学素子。
  5. 前記マイクロレンズの開口面は、正多角形からずれた形状となっている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学素子。
  6. 前記マイクロレンズの開口面は、正六角形からずれた形状となっている、請求項5記載の光学素子。
  7. 前記マイクロレンズの開口面は、正方形からずれた形状となっている、請求項5記載の光学素子。
  8. 前記光学素子の反射光の強度分布がトップハット形状となり、
    前記トップハット形状は、以下の条件1及び条件2を満たす前記反射光の強度分布を意味する、請求項1〜のいずれか1項に記載の光学素子。
    条件1:正反射位置を中心とした所定角度範囲内の反射率が、当該所定角度範囲内の反射率の平均値のプラスマイナス12.0%の範囲内の値である。ここで、前記所定角度範囲は、前記正反射位置−5°より大きく前記正反射位置+5°より小さい範囲である。
    条件2:前記所定角度範囲内の反射率の平均値が、前記所定角度範囲外の反射率の平均値の7.0倍以上である。
  9. 前記反射光の強度の総和が入射光の強度の4%以下である、請求項記載の光学素子。
  10. 請求項1〜のいずれか1項に記載の光学素子を備える、表示装置。
  11. 請求項1〜のいずれか1項に記載の光学素子を製造するための原盤であって、
    原盤用基材と、
    前記原盤用基材上に形成されたレジスト層と、を備え、
    前記レジスト層には、前記マイクロレンズの反転形状を有する転写部が複数形成されている、原盤。
  12. 請求項1〜のいずれか1項に記載の光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、
    原盤用基材上にレジスト層を形成する工程と、
    前記レジスト層にレーザ光をパルス照射することで、前記マイクロレンズの反転形状を有する潜像パターンを前記レジスト層に形成する工程と、
    前記レジスト層を現像することで、前記マイクロレンズの反転形状を有する転写部を前記レジスト層に形成する工程と、
    前記転写部の反転形状を基板に転写する工程と、を含む、光学素子の製造方法。
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