TWI607247B - Optical element and its manufacturing method - Google Patents

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TWI607247B
TWI607247B TW102127855A TW102127855A TWI607247B TW I607247 B TWI607247 B TW I607247B TW 102127855 A TW102127855 A TW 102127855A TW 102127855 A TW102127855 A TW 102127855A TW I607247 B TWI607247 B TW I607247B
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Katsumi Shibayama
Takafumi Yokino
Katsuhiko Kato
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

光學元件及其製造方法
本發明係關於一種光學元件及其製造方法。
作為先前之光學元件之製造方法，眾所周知有藉由將成形模具抵壓於配置於基材之凹部內之樹脂材料，使該樹脂材料硬化，而於基材之凹部內形成設置有光柵等之光學功能部之成形層之方法(例如參照專利文獻1~5)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2006-177994號公報
專利文獻2：日本專利特開2007-199540號公報
專利文獻3：日本專利特開2003-266450號公報
專利文獻4：日本專利特開2005-173597號公報
專利文獻5：日本專利特表2005-520213號公報
然而，於利用如上所述之方法而製造之光學元件中，成形層之整體位於基材之凹部內，而且，因使用時之溫度變化等而產生之應力集中於基材之凹部，故而存在成形層自基材剝離之虞。進而，存在因起因於使用時之溫度變化等之成形層之收縮或膨脹，而設置於成形層之光學功能部變形之虞。
因此，本發明之目的在於提供一種可防止成形層之剝離及光學功能部之變形之光學元件及其製造方法。
本發明之一態樣之光學元件之特徵在於包括：基材，其於表面形成有曲面狀之凹部；及成形層，其配置於基材上；成形層具有自凹部之深度方向觀察之情形時位於凹部內之第1部分，及以與第1部分連接之狀態位於基材之表面上之第2部分，第1部分中之相對於凹部之內面側之面為相反側之面形成為向與凹部之內面相同方向凹陷之凹曲面狀，於第1部分中與凹部之內面對向之特定之面設置有光學功能部。
該光學元件中，藉由將第1部分中之相對於基材之凹部之內面側之面為相反側之面形成為向與基材之曲面狀之凹部之內面相同方向凹陷之凹曲面狀，而第1部分中之成形層之厚度之變化緩慢。因此，可降低於使成形層硬化等時於第1部分中所產生之收縮之影響。又，即便因使用時之溫度變化等而產生之應力集中於基材之凹部，亦可藉由以與第1部分連接之狀態位於基材之表面上之第2部分，而按壓位於基材之凹部內之第1部分。藉此，可防止成形層自基材剝離。進而，起因於使用時之溫度變化等之成形層之收縮或膨脹被位於基材之表面上之第2部分吸收，從而位於基材之凹部內之第1部分之收縮或膨脹得到緩和。藉此，可防止第1部分之特定之面之變形，進而可防止設置於該特定之面之光學功能部之變形。如以上般，根據該光學元件，可防止成形層之剝離及光學功能部之變形。
此處，於基材之表面於凹部之開口之外側設置有槽部，第2部分進入至槽部內亦可。藉此，可控制基板之表面上之成形層之第2部分之擴展。又，藉由第2部分進入至槽內，可使成形層相對於基材之固定強度提高。
又，基材之凹部之曲率亦可大於第1部分中之相對於基材之凹部 之內面側之面為相反側之面之凹曲面狀之曲率。藉此，作為一例，於藉由抵壓成形模具而形成成形層之情形時，成形模具之前端不會抵接基材之凹部之內面，從而可抑制基材之凹部之內面及成形模具之損傷。
又，第2部分中之凹部之深度方向之厚度亦可厚於第1部分中之凹部之深度方向之厚度。藉此，可抑制成形層之第1部分之變形。
又，光學功能部亦可為光柵。或者，光學功能部亦可為反射鏡。根據該等，可獲得簡易構成之光柵元件或反射鏡元件。
本發明之一態樣之光學元件之製造方法之特徵在於包括如下步驟：準備於表面形成有曲面狀之凹部之基材；將成形材料配置於基材上；及藉由將成形模具抵壓於成形材料，使成形材料硬化，而形成成形層，該成形層具有自凹部之深度方向觀察之情形時位於凹部內之第1部分，及以與第1部分連接之狀態位於基材之表面上之第2部分，並且第1部分中之相對於凹部之內面側之面為相反側之面形成為向與凹部之內面相同方向凹陷之凹曲面狀；且成形模具包括用於以使設置有光學功能部之特定之面與凹部之內面對向之方式形成於第1部分之成形面。
該光學元件之製造方法中，藉由使第1部分中之相對於基材之凹部之內面側之面為相反側之面形成為向與基材之曲面狀之凹部之內面相同方向凹陷之凹曲面狀，而第1部分中之成形層之厚度之變化緩慢。因此，可降低於使成形層硬化等時於第1部分中產生之收縮之影響。又，即便於硬化時成形材料收縮，以與第1部分連接之狀態位於基材之表面上之第2部分亦優先於第1部分而收縮，故而位於基材之凹部內之第1部分之收縮得到緩和。藉此，可防止第1部分之特定之面之變形，進而可防止設置於該特定之面之光學功能部之變形。進而，即便因製造時之溫度變化等而產生之應力集中於基材之凹部，亦藉由位 於基材之表面上之第2部分，而按壓位於基材之凹部內之第1部分。藉此，可防止成形層自基材剝離。如以上般，根據該光學元件之製造方法，可防止成形層之剝離及光學功能部之變形。
根據本發明之一態樣，可防止成形層之剝離及光學功能部之變形。
1‧‧‧光學元件
2‧‧‧基材
2a‧‧‧表面
3‧‧‧凹部
3a‧‧‧開口
3b‧‧‧內面
4‧‧‧成形層
4b‧‧‧表面(特定之面)
4c‧‧‧曲面(相反側之面)
5‧‧‧本體部(第1部分)
6‧‧‧覆蓋部(第2部分)
7‧‧‧反射膜
8、8a~8i‧‧‧槽(槽部)
10‧‧‧光學功能部
20‧‧‧基板
20a‧‧‧表面
30‧‧‧成形模具
30a‧‧‧成形面
30b‧‧‧側面
L‧‧‧光
圖1係本發明之一實施形態之光學元件之俯視圖。
圖2係沿著圖1之II-II線之光學元件之剖面圖。
圖3係圖1之光學元件之製造方法之一步驟中之基板之俯視圖。
圖4係圖3之後之步驟中之基板之俯視圖。
圖5係沿著圖4之V-V線之基板之剖面圖。
圖6係圖4之後之步驟中之基板之俯視圖。
圖7(a)、(b)係本發明之其他實施形態之光學元件之剖面圖。
圖8(a)、(b)係本發明之其他實施形態之光學元件之俯視圖及剖面圖。
圖9(a)-(c)係表示本發明之其他實施形態之光學元件之槽之例的俯視圖。
圖10係本發明之其他實施形態之光學元件之剖面圖。
以下，參照圖式，對本發明之一實施形態進行詳細說明。再者，於各圖中對相同或相當部分附加相同符號，並省略重複之說明。
如圖1及圖2所示，光學元件1具有反射型光柵即光學功能部10。光學功能部10將自一側入射之光L分光並反射。光學元件1具備包含矽、塑膠、陶瓷或玻璃等之正方形板狀(例如，外形8mm×8mm，厚度1mm)之基材2。於基材2之表面2a，形成有具有球面狀之內面3b之 凹部3。再者，基材2之材料並不限定於上述材料，可適用各種材料，由成型或切削、蝕刻等而形成。又，凹部3之內面3b並不限定於球面狀，亦可為非球面狀。
於基材2上，配置有藉由使光硬化性之環氧樹脂、丙烯酸樹脂、氟系樹脂、矽酮或有機無機混合樹脂等複製用光學樹脂光硬化而形成之成形層4。於自凹部3之深度方向(即，一側)觀察之情形時成形層4成為圓形狀。再者，成形層4之材料並不限定於上述光硬化性之樹脂材料，可適用熱固性之樹脂材料、或低熔點玻璃或有機無機混合玻璃等可藉由下述成形模具30而成形及硬化之各種材料(成形材料)。
成形層4具有一體地形成之本體部(第1部分)5及覆蓋部(第2部分)6。於自凹部3之深度方向觀察之情形時本體部5位於凹部3內，且覆蓋凹部3之內面3b之整體。覆蓋部6以與本體部5連接之狀態位於基材2之表面2a上，且設置於環狀之開口3a之外側。即，覆蓋部6以包圍凹部3之方式而設置。覆蓋部6中之凹部3之深度方向之厚度厚於本體部5中之凹部3之深度方向之厚度。
於成形層4中，於相對於基材2側為相反側之面(特定之面)(以下，稱為成形層4之「表面」)4b中與本體部5對應之部分，設置有凹曲面狀之曲面4c。曲面4c向與凹部3之內面3b相同方向凹陷。即，成形層4之本體部5之部分沿著基材2之凹部3之內面3b而配置。本實施形態中，以本體部5之曲面4c之曲率與凹部3之內面3b之曲率相同之方式而形成。
於曲面4c中之本體部5上之特定之區域，形成有與鋸齒狀剖面之閃耀式光柵(blazed grating)、矩形狀剖面之二元光柵、或正弦波狀剖面之全像光柵等對應之光柵圖案。
於成形層4之表面4b上，形成有Al或Au等之蒸鍍膜即反射膜7。反射膜7係於表面4b中之本體部5上之特定之區域中以與光柵圖案對應 之方式而形成，該部分成為反射型光柵即光學功能部10。再者，反射膜7之材料並不限定於上述材料，可適用各種材料。又，亦可於反射膜7上藉由蒸鍍或濺鍍、CVD(chemical vapor deposition，化學氣相沈積法)等而形成SiO2或SiN、MgF2等作為保護膜或抗反射膜。進而，亦可於成形層4與反射膜7之間藉由蒸鍍或濺鍍、CVD等而形成Cr、Ni、NiCr、Ti、TiN等之密著層。
如以上所說明般，光學元件1中，藉由使成形層4之表面4b中與本體部5對應之部分即曲面4c形成為向與基材2之凹部3之內面3b相同方向凹陷之凹曲面狀，而本體部5中之成形層4之厚度之變化緩慢。尤其，本實施形態中，藉由以使本體部5之曲面4c之曲率與凹部3之內面3b之曲率相同之方式而形成，可使本體部5中之成形層4之厚度變薄(例如1μm~100μm)。因此，可降低因UV(ultraviolet，紫外線)照射或熱而使成形層硬化等時所產生之收縮之影響。又，即便因使用時之溫度變化等而產生之應力集中於基材2之凹部3，亦藉由以與本體部5連接之狀態位於基材2之表面2a上之覆蓋部6，而按壓位於基材2之凹部3內之本體部5。覆蓋部6所處之表面2a成為與凹部3之內面3b不連續之面(光學元件1中，作為曲面之凹部3之內面3b與作為平面之表面2a連接)有助於該作用。而且，覆蓋部6以包圍凹部3之方式而設置，因此可自周圍均勻地按壓本體部5。藉此，可確實地防止成形層4自基材2剝離。
進而，起因於使用時之溫度變化等之成形層4之收縮或膨脹被位於基材2之表面2a上之覆蓋部6吸收，位於基材2之凹部3內之本體部5之收縮或膨脹得到緩和。而且，覆蓋部6以包圍凹部3之方式而設置，因此可均勻地緩和本體部5之收縮或膨脹。又，形成為覆蓋部6之厚度厚於本體部5之厚度。藉由該等，可確實地防止本體部5之曲面4c變形，進而可確實地防止設置於該曲面4c之光學功能部10變形。因此， 根據光學元件1，可利用簡易之構成確實地防止成形層4之剝離及光學功能部10之變形。
其次，對上述光學元件1之製造方法進行說明。首先，如圖3所示，準備包含例如矽之基板20。基板20藉由格子狀地切斷(dicing)而成為複數個基材2。然後，於基板20之表面20a，於基材2之每個表面2a，藉由蝕刻等而形成凹部3。藉此，準備複數個於表面2a形成有凹部3之基材2。繼而，於基板20之表面20a，於基材2之每個凹部3，配置成為成形層4之成形材料(此處，為光硬化性之樹脂材料)。藉此，於複數個基材2上配置有成形材料。
繼而，如圖4及圖5所示，針對基材2之每個凹部3將成形模具30抵壓至成形材料。然後，於該狀態下，使用以使成形材料光硬化之光(例如紫外線等)透過成形模具30而照射至成形材料，使成形材料硬化，藉此形成具有本體部5及覆蓋部6之成形層4。進而，亦可於使成形模具30自成形層4脫模之後，使成形層4熱固化。再者，若相對於用以使成形材料光硬化之光而基材2具有透過性，則亦可使該光透過基材2而照射至成形材料。又，成形材料之硬化方法並不限定於光硬化，可根據成形材料之種類而適用熱固化等各種硬化方法。於使成形層4熱固化之情形時，成形模具30並不限定於具有透過性，可藉由鎳等金屬而形成。
成形模具30具有用以於成形層4之表面4b形成設置有光學功能部10之曲面4c之成形面30a。此處，成形面30a為與曲面4c具有互補關係之凸狀之曲面。
繼而，如圖6所示，藉由蒸鍍Al或Au等，而於成形層4之表面4b上形成反射膜7，並於每個曲面4c設置光學功能部10。該蒸鍍可視需要，對表面4b之整個面或表面4b之任意之範圍(掩膜蒸鍍)進行。然後，將基板20格子狀地切斷(dicing)，獲得複數個光柵元件即光學元 件1。再者，為了獲得具有凹部3之基材2亦可使用塑膠材料或玻璃、陶瓷之成型。又，反射膜7除了蒸鍍法以外亦可藉由濺鍍法或CVD法而形成。
如以上所說明般，光學元件1之製造方法中，藉由使成形層4之表面4b中與本體部5對應之部分即曲面4c形成為向與基材2之凹部3之內面3b相同方向凹陷之凹曲面狀，而本體部5中之成形層4之厚度之變化緩慢。尤其，於使本體部5之曲面4c之曲率與凹部3之內面3b之曲率相同之情形時，可使本體部5中之成形層4之厚度固定。因此，可降低因UV照射或熱而使成形層硬化等時所產生之收縮之影響。又，光學元件1之製造方法中，即便於硬化時成形材料收縮，以與本體部5連接之狀態位於基材2之表面2a上之覆蓋部6優先於本體部5而收縮，因此位於基材2之凹部3內之本體部5之收縮得到緩和。而且，覆蓋部6以包圍凹部3之方式而設置，因此可均勻地緩和本體部5之收縮。藉此，可確實地防止本體部5之曲面4c之變形，進而可確實地防止設置於該曲面4c之光學功能部10之變形。
進而，即便因製造時之溫度變化等而產生之應力集中於基材2之凹部3，亦可藉由位於基材2之表面2a上之覆蓋部6，而按壓位於基材2之凹部3內之本體部5。而且，覆蓋部6以包圍凹部3之方式而設置，因此可自周圍均勻地按壓本體部5。藉此，可確實地防止成形層4自基材2剝離。因此，根據光學元件1之製造方法，可確實地防止成形層4之剝離及光學功能部10之變形。
再者，可將成形模具30之成形面30a之周緣部形成為較凹部3之開口3a更向外側突出之形狀。於該情形時，於將成形模具30抵壓至成形材料時，可防止成形模具30之前端埋入至成形材料內，成形材料轉入至成形模具30之側面30b為止。因此，於將成形模具30抵壓至成形材料時，成形材料僅抵接於成形面30a，可使成形模具30之脫模性提 高。
以上，對本發明之一實施形態進行了說明，但本發明並不限定於上述實施形態。例如，如圖7(a)所示，可使基材2之凹部3之內面3b之曲率大於成形模具30之成形面30a之曲率。藉此，於藉由抵壓成形模具30而形成成形層4之情形時，成形模具30之成形面30a不會抵接於基材2之凹部3之內面3b，從而可抑制基材2之凹部3之內面3b及成形模具30之損傷。又，如圖7(b)所示，可使基材2之凹部3之內面3b之曲率小於成形模具30之成形面30a之曲率。藉此，可獲得本體部5之中央部之厚度較薄之成形層4。藉由於本體部5中厚度較薄之部分形成光學功能部10，即便因使用時之熱等而成形層4產生收縮，亦由於形成有光學功能部10之部位之厚度較薄而收縮之比率變小。因此，可抑制施加至光學功能部10之成形層4之收縮之影響。
又，如圖8(a)及圖8(b)所示，於基材2之表面2a，亦可於凹部3之開口3a之外側設置槽(槽部)8。該槽8可形成為包圍凹部3之環狀。於該情形時，於將成形模具30抵壓至配置於基材2上之成形材料時，成形材料進入至槽8內。即，於成形材料自凹部3朝向外側擴展時，藉由成形材料進入至槽8內而限制成形材料之擴展。藉由於該狀態下使成形材料硬化，而成為覆蓋部6進入至槽8內之狀態。如此於基材2之表面2a設置槽8，藉此可控制基材2之表面2a上之成形層4之覆蓋部6之擴展。藉此，可使基材2小型化，或使凹部3變大。又，藉由覆蓋部6進入至槽8內，可使成形層4相對於基材2之固定強度提高。
再者，作為設置於基材2之表面2a之槽8之變化例，如圖9(a)所示，於基材2之表面2a，亦可於凹部3之開口3a之外側之位置，以包圍凹部3之方式而設置直線狀之槽8a~8d。於該等槽8a~8d之間，設置有特定之間隙。又，如圖9(b)所示，於基材2之表面2a，亦可於凹部3之開口3a之外側之位置，以包圍凹部3之方式而設置四角框狀之槽 8e。又，如圖9(c)所示，於基材2之表面2a，亦可於凹部3之開口3a之外側之位置，以夾持凹部3之方式而設置1對槽8f、8g，且設置自槽8f、8g之各者與基材2之外緣連接之槽8h、8i。即便於該等情形時，成形材料亦進入至槽內，從而可控制基材2之表面2a上之成形層4之覆蓋部6之擴展。
又，光學功能部10並不限定於光柵，可具有各種光學功能。作為一例，如圖10所示，亦可不於成形層4之曲面4c及反射膜7形成光柵圖案，而使光學功能部10為反射鏡。於該情形時，可獲得簡易之構成之反射鏡元件。又，亦可於基材2與成形層4之介面謀求折射率之整合，而使光L自基材2側(另一側)入射至光學功能部10。進而，於使光L自一側及另一側之任一側入射之情形時，亦可不設置反射膜7，而使光L透過光學功能部10(例如透過型光柵等)。
又，設置有光學功能部10之成形層4之特定之面並不限定於曲面4c，亦可為表面4b中自本體部5至覆蓋部6之部位。
又，如圖1等所示，覆蓋部6以包圍凹部3之方式而形成為環狀，但並不限定於環狀，亦可僅偏向一側而設置。
又，代替槽8，亦可於基材2之表面2a設置凹部。作為該凹部，可採用矩形狀之凹部，或圓形狀之凹部。即便於該情形時，亦藉由覆蓋部6進入至代替槽8而設置之凹部內，可使成形層4之固定強度提高。進而，自代替槽8而設置之凹部之深度方向觀察，基材2為矩形，凹部3之開口3a為圓形之情形時，藉由於基材2之對角線上夾持凹部3而設置凹部(代替槽8而設置之凹部)，可實現基材2之小型化，或者可使開口3a之面積變大。
又，將基板20格子狀地切斷(dicing)而獲得複數個光學元件1，但亦可一個一個地形成光學元件1。
[產業上之可利用性]
根據本發明之一態樣，可提供可防止成形層之剝離及光學功能部之變形之光學元件及其製造方法。
1‧‧‧光學元件
2‧‧‧基材
2a‧‧‧表面
3‧‧‧凹部
3a‧‧‧開口
3b‧‧‧內面
4‧‧‧成形層
4b‧‧‧表面(特定之面)
4c‧‧‧曲面(相反側之面)
5‧‧‧本體部(第1部分)
6‧‧‧覆蓋部(第2部分)
7‧‧‧反射膜
10‧‧‧光學功能部
L‧‧‧光

Claims (14)

  1. 一種光學元件，其包括：基材，其於表面形成有曲面狀之凹部；及成形層，其配置於上述基材上；上述成形層具有自上述凹部之深度方向觀察之情形時位於上述凹部內之第1部分、及以與上述第1部分連接之狀態位於上述基材之上述表面上之第2部分，上述第1部分中之相對於上述凹部之內面側之面為相反側之面形成為朝與上述凹部之內面相同方向凹陷之凹曲面狀，於上述第1部分中與上述凹部之內面對向之特定之面設置有光學功能部，上述凹部之深度較上述第1部分中之上述凹部之深度方向之厚度大。
  2. 如請求項1之光學元件，其中於上述基材之上述表面於上述凹部之開口之外側設置有槽部，上述第2部分進入至上述槽部內。
  3. 如請求項1或2之光學元件，其中上述基材之凹部之曲率大於上述第1部分中之上述相反側之面之上述凹曲面狀之曲率。
  4. 如請求項1或2之光學元件，其中上述第2部分中之上述凹部之深度方向之厚度厚於上述第1部分中之上述凹部之深度方向之厚度。
  5. 如請求項3之光學元件，其中上述第2部分中之上述凹部之深度方向之厚度厚於上述第1部分中之上述凹部之深度方向之厚度。
  6. 如請求項1或2之光學元件，其中上述光學功能部為光柵。
  7. 如請求項3之光學元件，其中上述光學功能部為光柵。
  8. 如請求項4之光學元件，其中上述光學功能部為光柵。
  9. 如請求項5之光學元件，其中上述光學功能部為光柵。
  10. 如請求項1或2之光學元件，其中上述光學功能部為反射鏡。
  11. 如請求項3之光學元件，其中上述光學功能部為反射鏡。
  12. 如請求項4之光學元件，其中上述光學功能部為反射鏡。
  13. 如請求項5之光學元件，其中上述光學功能部為反射鏡。
  14. 一種光學元件之製造方法，其包括如下步驟：準備於表面形成有曲面狀之凹部之基材；將成形材料配置於上述基材上；及將成形模具抵壓於上述成形材料，使上述成形材料硬化，藉此形成成形層，該成形層具有自上述凹部之深度方向觀察之情形時位於上述凹部內之第1部分、及以與上述第1部分連接之狀態位於上述基材之上述表面上之第2部分，並且上述第1部分中之相對於上述凹部之內面側之面為相反側之面形成為朝與上述凹部之內面相同方向凹陷之凹曲面狀；且上述成形模具包括用於以使設置光學功能部之特定之面與上述凹部之內面對向之方式形成於上述第1部分之成形面；上述凹部之深度較上述第1部分中之上述凹部之深度方向之厚度大。
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