JPH02281202A - プラスチック基材による無偏光ハーフミラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はプラスチック基材による無偏光ハーフミラ−に
関し、さらに詳しくは多層干渉薄膜を利用し、特に入射
角度による透過光および反射光における偏光成分（Ｐ波
、Ｓ波）を等しくした無偏光ハーフミラ−に関する。

［従来の技術］ 現在、光ピツクアップ光学系の主流をなしている光ヘツ
ド部の概略構成図を第２図に示す。同図に示した光ヘツ
ド部は、従来の光デイスク再生光学系中に用いられてい
る偏光プリズム、１／４波長板を不必要とし、簡略化・
軽量化されたものである。

レーザ発振器１（半導体ＬＡＳＥＲ＞からの光は、回折
格子２を通り、Ｏ次元（光軸上）、±１次元、±２次元
・・・・・・と、回折・干渉した光束がハーフミラ−３
に入射する。例えばこのハーフミラ−の分光特性を５０
％透過、５０％反射のものとする。ハーフミラ−３で反
則された光束はコリメタ−レンズ４で平行光にされ、対
物レンズ５を通り、光ディスク６のピット面に集光され
る。即ち、光ディスク６の信号部上に収斂され、信号部
として設けられたピットと称される凹凸信号部をスポッ
ト照射する（無限系タイプ）。このとき、コリメーター
レンズ４を使用せず、ハーフミラ−３からの光束を直接
対物レンズ５に入射させるタイプもある（有限系タイプ
）。

このピット上では、光の干渉性により回折作用が起こり
、第＄図（こ示す如く、反射光は両脇に広がり中央部で
は反則光量が減少し、暗くなる。第４図１ま゛ピ；ット
外で反則された図である。この場合には中央部の反則光
量が大きくなる。なお両図において、１０はレンズ、１
１はレーザ光束、１２はピット、１３はトラック、１４
は回折光である。

ピットの高さはレーザ光の基板中における光波長の１／
４でおり、ピット上の反射光と基底部からの反射光の位
相差はちょうど半波長となり、逆位相で重畳される。こ
のため、レーザ光がピット上にあるときには対物レンズ
に戻る光は暗くなる。

ピットの横４幅は回折・干渉効果が最大になるように、
また光量がピット上とそれ以外とで同じになるように設
定される。このようにして、信号光として再度対物レン
ズ５に入射する信号光は、対物レンズ５により平行光束
とされた後ハーフミラ３に達し、これを透過した光束は
収差補正のため４５°に設置された平板７を通し、平凹
レンズ８にて光検出器９とのフォーカス調整を行う。

以上の構成によれば、半導体レーザ発振器１から発振さ
れた光は、第１回目のハーフミラ−反射時に５０％（透
過光で５０％失われる）となり、ピットから反射された
光が再度ハーフミラ−３を透過すると、２５％となる。

このようにハーフミラ−３は反則向として使用したり、
透過面として用いたりしている。

一般に、偏光のない光が異なる媒質境界に斜入１＝ｌ　
（角度付与）すると、その界面における反ｑ４光および
透過光それぞれに含まれるＰ偏光、Ｓ偏光の成分比はそ
れぞれ異なってくる。このとぎ、通常ハーフミラ−とさ
れる、透過率５０％、反射率５０％の３層の多層干渉薄
膜を上述した光学系に用いると、光の利用率は低減する
。これは、既に述べたように、通常のハーフミラ−では
、Ｐ偏光。

Ｓ偏光それぞれに対する反則特性が異なるため、最初反
射面として作用する時点で、Ｐ偏光の多くは透過される
（但し、反則光全体、即ちＳ８光十Ｐ偏光の光量として
５０％あるとする）。そして光ディスク６から反則され
てきた５（ｌｉｉ＋光を主とする信号光が再度ハーフミ
ラ−３に入射してくると、ハーフミラ−の特性からこの
信号光のほとんどが再度反則され、このため収差補正用
平板７および平凹レンズ８を通って検出器９に達する光
は微、弱なものとなる。

このハーフミラ−のＰ偏光、Ｓ偏光の透過率を第５図に
示す。同図かられかるように、Ｐ偏光とＳ偏光とでは、
広い波長域において、その透過率に顕著な差異が認めら
れる。このことを解決するためには、ハーフミラ−とし
てＰ偏光、Ｓ偏光いずれもほぼ等しく反射（透過）する
特性のものが必要とされる。

次に実際に使われている光ピツクアップ系の部品につい
ては、従来品はガラスレンズ、またはガラス板に真空蒸
着で誘電体膜をコートした光回折格子等のガラスを主と
したものがほとんどであった。しかし、近年になって、
光学部品は、製品製造の簡略化、すなわちコスト低減を
目的としてほとんどがプラスチック化されている。特に
光デイスク面に最も近い対物レンズは、回折限界つまり
理想像とみなせる性能を実現させることが要求ざれる。

ヘッド部はレーザ光を微小に集束してピット部を照射し
、その反射光を検知してピットの有無を判別するもので
ある。ピットがある場合とない場合でディスクよりの反
射回折率は大きく変わり、この光量比はおよそ１；１０
といわれている。

この光量比の違いにより信号を判別するため、対物レン
ズには上記のような性能が要求されるのである。また開
口数を大きくすることや、フォーカシングやトラッキン
グのために小型／軽量であることも要求される。

このような仕様を満足させるために、当初、カラス球面
レンズで構成された何種かのレンズが開発され、市場に
供給されてきた。しかしこれらの３枚構成のガラスレン
ズを両面非球面を使ったプラスチック単レンズでおき換
えることで、従来のガラスレンズ以上の性能を持つ対物
レンズを実現させることができる。

このように、ガラスの代替用として使われつつある透光
性に優れたプラスチック材料は、軽量で機械的強度に優
れていると共に、加工性がよく、かつ自由にデザインで
きることから、光学分野等において幅広く用いられてい
る。

現在多く使用されている透明プラスチックとしては、熱
可塑性のポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（、
ＰＳ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）。

ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等や、熱硬化性
のポリジエチレングリコールビスアリルカ・−ボネイ１
〜（ＣＲ−３９）等がある。

これらのプラスチック類のうち、ポリメチルメタクリレ
ート（ＰＭＭＡ）は、光学部品として透明性、軽量性、
易加工性、耐衝撃性等に優れており、特に光の透過率は
他の樹脂と比べて最もよい。

本発明は、光ピツクアップ光学系の光ヘツド部に使われ
ている種々の光学部品の中で、唯一、現在でもガラス基
材を使用しているハーフミラ−をプラスチック化するこ
とを目的として考えだされたものである。

従来プラスチック基材に対する光学膜の蒸着は、いくつ
かの問題点が残されている。その中で最も重要な問題点
としては、プラスチック基材に対し金属層または酸化金
属層を形成して鏡面として使用したり、光の干渉を利用
した反射防止膜あるいは導電膜等として使用することが
よく行われているが、密着性、耐ヒート試験において、
剥離クランク（膜のびびねれ）等が発生するという問題
が起きることである。

そこでこれらの欠点を改善するために種々の方法が提案
されている。その方法の一つとしてプラスチック基材に
金属蒸着膜を形成するに際して、密着強度を高めるため
、下地層としてアンダーコト（紫外硬化法、電子線照ｅ
Ａ硬化法、熱硬化法等による形成）、あるいは保護膜と
してのトップコートを施す方法がおる。しかしながらア
ンダーコートやトップコートはムラが生じたり、異物が
付着することがあって、製造工程におけるクリーン度の
維持が必要であり、製造環境の整備が困難なうえ、大量
生産においての難点もあった。また被膜の膜厚は、通常
３〜５胸の範囲で塗膜化されているため、本発明で用い
られるハーフミラ−には適さない。そのため真空蒸着法
でこれらのアンダーコート膜、トップコート膜を形成さ
せ、密着性、ハードコート性を改善する方法がいくつか
報告されているが、これらの報告をもとに膜を形成させ
ても十分な膜強度は得られず、また、余計な干渉が発生
するので光学特性上よくない。

以上のような真空蒸着の問題点を解決する手段として、
プラズマイオンブレーティング法や蒸着の前に行うイオ
ンボンバード洗浄法がおる。これらは共にガス（反応性
ガス、不活性ガス）を導入し、真空中で気体放電（励起
〉させ、蒸発源から基材に入射してくる蒸発物をイオン
化することにより、真空蒸着では得難い特性の薄膜を形
成することができる。

気体放電を発生させる方法には、マトツクス法。

ＲＦ励起法、多陰極法、ボロカソード法、バイアスプロ
ーグ法等があり、どれも励起された反応性もしくは不活
性ガスのイオンや励起粒子、ラジカル粒子等が真空槽内
に発生している。そしてこの電荷をもつ粒子（蒸着分子
）を基材側の電圧により加速させて引きつけ、これによ
り密着性の優れた膜をプラスチック基村上に形成させる
が、反面、蒸着槽に付着している他の蒸着分子も一緒に
スパッタされることとなる。そのため、蒸着回数を何回
も重ねた真空槽内では、こういった活性化してはならな
いイオンガ増えるために、これらのイオンが本来の目的
とした膜の中に入り込み、密着性が低下する原因になる
場合がある。

そこで、付着と膜応力の改善のために、蒸着物質（膜の
物性、膜の屈折率）の検討がなされている。特に膜の物
性面においては、プラスチックとの相性（付着性）と熱
膨張係数の違いによる応力（ヒルトチストによる膜のひ
びわれ）のため、蒸着物質の選定はかなり限定されてく
る。このため、目的とする光学特性を満足させるために
行う光学設計においては、かな、り狭い範囲でしか蒸着
物質を選択できない。これは蒸着物質の中で誘電体とさ
れるものは任意の回折率を有しており、一般にこの屈折
率は物質固有のもので、任意設定することができないた
めである。

［課題を解決するための手段］ 本発明者は、最近ガラスの代替用として需要の急増しつ
つあるプラスチック基材上にコートすべき物質として１
、表面エネルギーの点からは密着性がよく、膜形成時に
は内部応力上、相性のよい物質であり、ざらに光学設計
上、Ｐ波、Ｓ波が任意設定された透過率（もしくは反射
率）において同じ値を示す物質である、という２点を前
提として鋭意研究の結果、本発明を完成するに至った。

即ら本発明は、透明プラスチック基材上に、ケイ素また
はケイ素酸化物を６０　ｗｔ％以上含有する物質で形成
された薄膜層からなる交互層が３層以上形成され、かつ
各薄膜層は蒸着条件によって屈折率が任意に設定されて
なることを特徴とするプラスチック基材による無偏光ハ
ーフミラ−である。

本発明は、ケイ素またはケイ素酸化物含有物質がプラス
チック基材に対して、密着性および応力上、相性が良い
という知見と、ケイ素の酸素含有割合による屈折率変化
を利用してなされたもので、このケイ素含有多層干渉薄
膜は、密着性、耐摩耗性、耐ヒート試験等に優れた結果
を示す。

本発明において用いられるプラスチック基材としては、
例えば熱可塑性樹脂としてポリメヂルメタクリレート、
ポリスチレン、ポリカーボネイト。

ポリ塩化ビニル、メチルメタクリレートと他のビニルモ
ノマーとの共重合体等が挙げられ、また熱硬化性樹脂と
してポリジエチレングリコールビスアリルカーボネイト
等が挙げられる。このうち透光性、複屈折等からポリメ
チルメタクリレートは特に好ましいものである。

これらのプラスチック基材の表面に真空蒸着にて膜を形
成する際には、基材表面上にやけ、指紋。

油等の汚れが存在する場合があるため、中性洗剤やフロ
ン等にて洗浄し、脱脂および表面の水の脱水を行う。ま
たプラスチック基材の種類によっては吸水率の非常に高
いものがあるため、洗浄終了後、予備乾燥をしておくこ
とが望ましい。こうして前工程を終えた基材を用いて薄
膜層を真空蒸着するわけであるが、このとき用いる蒸着
装置は公知のものでよく、排気系については、拡散ポン
プ。

タライオポンプどちらでもよく、特に指定はない。

また、このときの条件としては、開始真空度２×１０−
５　Ｔｏｒｒ以下が望ましい。

また、本発明で薄膜層の材料として用いられるケイ素も
しくはケイ素酸化物は、化学式で５ＳｉＯ，ＳｉＯ２と
表示される蒸着試料が良い。

その他、薄膜層材料中に４０　ｗｔ％未渦として混合さ
れる試料は、屈折率を微妙に変化させるために配合させ
る。このときの誘電体物質は、例えば二酸化チタン（Ｔ
ｉＯ２）、Ｍ化ジルコニウム（Ｚｒ０２）、アルミナ（
１！　２０３　＞　、　７ツ化マグネシウム（ＭＱＦ２
）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、弗化セリウム（ＣｅＦ
３）等が挙げられるが特に物質に限定はない。

本発明の無偏光ハーフミラ−は、上記のような蒸着試料
を用い、蒸着条件、例えば酸素導入圧。

蒸着開始真空度、蒸着スピード等を変えることによって
任意の閤折率を有する薄膜層を形成し、かつこれらの薄
膜層を３層以上の交互層とすることにより得ることがで
きる。

［実施例］ 次に本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説
明する。

本実施例では、ケイ素含有化合物の蒸着条件による屈折
率変化とその屈折率を基に膜計算を行い、またこれらの
シュミレーションおよび条件を基に５０％透過ハーフミ
ラ−をコートした。目的とするハーフミラ−は、入射角
度４５°にて透過率（反射率〉を５０％とし、目的とす
る波長は７８０ｎｍとする。

アクリル樹脂製品（板厚２ｍｍ、縦Ｘ横：　　１００ｘ
１００）を用意し、これを超音波洗浄機にて洗浄した。

そしてこの透明アクリル樹脂を被処理面が蒸発源に向う
ように、ペルジャー内に装填し、真空度が２ｘ１０−５
　Ｔｏｒｒによるように準備する。このとき、基板加熱
を６０〜７０℃に設定し、蒸着試料はＳｉＯを電子銃用
ルツボにセットする。

排気後、開始真空度２Ｘ１０−５　Ｔｏｒｒから蒸着を
開始した。このとぎλ。−５５０ｎｍとして光学的膜厚
ｎｄ−λ。／４を、酸素とアルゴン導入圧を種々変化さ
せて薄膜を形成し、このとき゛の蒸着スピード（ＥＢ電
流値）とそれによる屈折率変化を反射率から計算し、第
６図に表した。図中、曲線Ａは酸素圧８ｘｌＯ−５Ｔｏ
ｒｒの場合、曲線Ｂはアルゴン圧８ｘｌＯ−５丁ｏｒｒ
の場合、曲線Ｃは導入ガスのない場合をそれぞれ示す。

第６図に示づ通りカス圧、蒸着スピードにより１．５〜
３．１の範囲で屈折率を設定することができる。

屈折率を１．５〜３．１の範囲で膜設針を行った結果を
第１図に示す。このときの膜構成を５層膜として第１表
に示す。

（以下余白） 第１表 なお、上記で得られた無偏光ハーフミラ−の信頼性デス
１〜結果は次の通りであった。

高　温　テ　ス　ト；＋７０°Ｃにて１００時間以上低
　温　テ　ス　ト：−４０’Ｃにて１００時間以上温度
ショックテスト； ＋７０〜−３０’Ｃｘ　１０サイクル の条件で異常なし 上記ヒートサイクルテスト条件を図示すると第７図のよ
うになる。同図は、縦軸に温度、横軸に時間をとったも
のである。

このように、本発明においては、無偏光ハーフミラ−を
製作する際に、透過率（反射率）の割合および目的の波
長は、ケイ素またはケイ素酸化物の屈折率を変化させる
か、または層数および膜厚を変化させることにより任意
に設定可能である。

なあ、本発明は以上の実施例に限定されず、ケイ素また
はケイ素酸化物を６０　ｗｔ％以上含有する物質からな
る交互層によって得られる無偏光ハフミラー（角度によ
る）については、全て含まれるものとする。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の無偏光ハーフミラ−はプ
ラスチック基材に非常に相性の良いケイ素化合物の交互
層で形成されているため、密着性、耐摩耗性、ヒート試
験によるクラックにおいても優れた特性を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるＰ偏光、Ｓ偏光の透
過率の波長依存性を示す特性図、第２図は光ヘツド部の
概略構成図、第３図および第４図はピットによる反射光
の説明図、第５図は従来例のハーフミラ−におけるＰ偏
光、Ｓ偏光の透過率の波長依存性を示す特性図、第６図
は種々のガス導入圧における屈折率の蒸着スピード依存
性を示す特性図、第７図はヒートサイクル条件を示１図
である。 １・・・レーザ発振器 ３・・・ハーフミラ ５・・・対物レンズ ７・・・平板 ９・・・光検出器 １１・・・レーザ光束 １３・・・トラック ２・・・回折格子 ４・・・コリメーターレンズ ６・・・光ディスク ８・・・平凹レンズ １０・・・レンズ １２・・・ピット １４・・・回折光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明プラスチック基材上に、ケイ素またはケイ素
   酸化物を６０ｗｔ％以上含有する物質で形成された薄膜
   層からなる交互層が３層以上形成され、かつ各薄膜層は
   蒸着条件によって屈折率が任意に設定されてなることを
   特徴とするプラスチック基材による無偏光ハーフミラー
   。