WO2012108457A1 - 光学素子及びその製造方法 - Google Patents

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隆文 能野
柴山　勝己
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical element and a manufacturing method thereof.
  • a molding layer provided with an optical functional part such as a grating is formed by pressing a molding die against a resin material disposed in a recess of the substrate and curing the resin material.
  • a method of forming it in a recess see, for example, Patent Documents 1 to 5).
  • JP 2006-177994 A JP 2007-199540 A JP 2003-266450 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-173597 JP 2005-520213 Gazette
  • the entire molding layer is located in the concave portion of the base material, and the stress generated by the temperature change during use or the like is Since it concentrates in a recessed part, there exists a possibility that a shaping
  • an object of the present invention is to provide an optical element that can prevent the peeling of the molding layer and the deformation of the optical function part and a method for manufacturing the same.
  • An optical element includes a base material having a concave portion formed on a surface thereof, and a molding layer disposed on the base material, and the molding layer is concave when viewed from the depth direction of the concave portion.
  • a first portion located inside and a second portion located on the surface of the base material in a state of being connected to the first portion, and a predetermined surface facing the inner surface of the recess in the first portion Is provided with an optical function section.
  • a plurality of second portions may be provided so as to face each other with the recess interposed therebetween. Further, a plurality of second portions may be provided so as to surround the recess. According to these, peeling of the molding layer and deformation of the optical function part can be prevented more reliably.
  • the optical function unit may be a grating.
  • the optical function unit may be a mirror. According to these, it is possible to obtain a grating element or mirror element having a simple configuration.
  • An optical element manufacturing method includes a step of preparing a base material having a recess formed on a surface, a step of placing a molding material on the base material, a molding die being pressed against the molding material, and molding By curing the material, the first portion located in the recess when viewed from the depth direction of the recess, and the second portion located on the surface of the substrate in a state connected to the first portion. And a molding die having a molding surface for forming a predetermined surface on which the optical function portion is provided on the first portion so as to face the inner surface of the recess.
  • the molding surface may be formed so as to intermittently contact the opening of the recess when the molding die is pressed against the molding material. According to this, even if gas is generated from the molding material at the time of curing, the gas escapes from the non-contact portion between the molding surface of the mold and the opening of the recess, so that voids are formed in the molding layer. Can be prevented.
  • FIG. 2 is an end view of the optical element taken along line II-II in FIG. 1.
  • FIG. 3 is an end view of the optical element taken along line III-III in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the substrate along the line VI-VI in FIG. 5.
  • FIG. 2 is an end view of the optical element taken along line II-II in FIG. 1.
  • FIG. 3 is an end view of the optical element taken along line III-III in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a
  • FIG. 9 is an end view of the optical element taken along line IX-IX in FIG. 8.
  • FIG. 9 is an end view of the optical element taken along line XX in FIG. 8. It is a longitudinal cross-sectional view of the optical element of the 3rd Embodiment of this invention. It is a top view of the optical element of the 4th Embodiment of this invention.
  • FIG. 13 is an end view of the optical element taken along line XIII-XIII in FIG. 12.
  • FIG. 13 is an end view of the optical element taken along line XIV-XIV in FIG. 12.
  • FIG. 16 is an end view of the optical element taken along line XVI-XVI in FIG. 15.
  • FIG. 16 is an end view of the optical element taken along line XVII-XVII in FIG. 15. It is sectional drawing of the board
  • the optical element 1 of the first embodiment has an optical function unit 10 which is a reflective grating.
  • the optical function unit 10 splits and reflects the light L incident from one side.
  • the optical element 1 includes a substrate 2 having a square plate shape (for example, an outer shape of 12 mm ⁇ 12 mm, a thickness of 0.6 mm) made of silicon, plastic, ceramic, glass, or the like.
  • a regular quadrangular pyramid-shaped concave portion 3 is formed which expands toward the opening 3 a.
  • the material of the base material 2 is not limited to the materials described above, and various materials can be applied.
  • the shape of the base material 2 and the recessed part 3 is not restricted to the shape mentioned above, Various shapes can be applied. However, in order to more surely prevent the peeling of the molding layer 4 and the deformation of the optical function portion 10 to be described later, the opening shape of the recess 3 is a point with respect to the center point of the recess 3 when viewed from the depth direction of the recess 3 A symmetrical shape is preferred.
  • a molding layer 4 formed by photocuring a replica optical resin such as a photocurable epoxy resin, acrylic resin, fluorine resin, silicone or organic-inorganic hybrid resin is disposed on the base material 2.
  • the molding layer 4 has a circular shape when viewed from the depth direction of the recess 3 (that is, one side), and the outer edge 4a of the molding layer 4 passes through each vertex of the square opening 3a.
  • the material of the molding layer 4 is not limited to the above-described photo-curable resin material, but is formed and cured by a molding die 30 described later, such as a thermosetting resin material, a low-melting glass, or an organic-inorganic hybrid glass.
  • Various possible materials (molding materials) can be applied.
  • the molding layer 4 has a body portion (first portion) 5 and a ride-up portion (second portion) 6 that are integrally formed.
  • the main body 5 is located in the recess 3 when viewed from the depth direction of the recess 3, and covers the entire bottom surface 3 b and side surface 3 c of the recess 3.
  • the riding-up part 6 is located on the surface 2a of the base material 2 in a state of being connected to the main body part 5, and is provided outside each side of the square opening 3a. That is, a plurality of the riding-up portions 6 are provided so as to face each other with the concave portion 3 interposed therebetween and to surround the concave portion 3.
  • the molding layer 4 has a concave curved surface (predetermined surface) 4b facing the bottom surface 3b, which is a predetermined inner surface of the recess 3.
  • the curved surface 4b is a curved surface that is recessed toward the center of the bottom surface 3b of the concave portion 3, and extends from the main body portion 5 to each riding-up portion 6 through the midpoint of each side of the square opening 3a.
  • a grating pattern corresponding to a blazed grating having a sawtooth cross section, a binary grating having a rectangular cross section, a holographic grating having a sinusoidal cross section, or the like is formed in a predetermined region on the main body 5 on the curved surface 4b.
  • a reflective film 7 which is a vapor deposition film of Al, Au or the like is formed.
  • the reflective film 7 is formed so as to correspond to the grating pattern in a predetermined region on the main body portion 5 in the curved surface 4b, and this portion is an optical function portion 10 that is a reflective grating.
  • the material of the reflective film 7 is not limited to the above-described material, and various materials can be applied.
  • the base material 5 remains connected to the main body 5 even when stress generated due to temperature change during use is concentrated on the recess 3 of the base 2.
  • the body portion 5 located in the recess 3 of the base material 2 is pressed by the ride-up portion 6 located on the surface 2 a of 2.
  • the surface 2a on which the riding-up portion 6 is positioned contributes to a discontinuous surface (here, a flat surface) with the side surface (inner surface) 3c of the recess 3.
  • the main body portion 5 is uniformly pressed from the periphery. Therefore, peeling of the shaping
  • the riding-up portions 6 are provided so as to face each other with the concave portion 3 interposed therebetween and surround the concave portion 3, the contraction and expansion of the main body portion 5 are uniformly relieved. Thereby, the deformation of the curved surface 4b of the main body 5 is reliably prevented, and further, the deformation of the optical function unit 10 provided on the curved surface 4b is reliably prevented. Therefore, according to the optical element 1 of 1st Embodiment, peeling of the shaping
  • the molding layer 4 is made thin so that the temperature changes during use. The shrinkage and expansion itself of the resulting molding layer 4 can be suppressed.
  • a substrate 20 made of, for example, silicon is prepared.
  • the substrate 20 becomes a plurality of base materials 2 by cutting (dicing) into a lattice shape.
  • the recessed part 3 is formed in the surface 20a of the board
  • FIG. Thereby, a plurality of base materials 2 having the recesses 3 formed on the surface 2a are prepared.
  • a molding material here, a photocurable resin material
  • the molding layer 4 is disposed on the surface 20 a of the substrate 20 for each of the recesses 3 of the base material 2. As a result, the molding material is disposed on the plurality of base materials 2.
  • the molding die 30 is pressed against the molding material for each recess 3 of the base 2.
  • light for example, ultraviolet rays
  • the molding layer 4 having Furthermore, the mold layer 4 may be thermally cured after the mold 30 is released from the mold layer 4.
  • the curing method of the molding material is not limited to photocuring, and various curing methods such as thermal curing can be applied depending on the type of the molding material.
  • the molding die 30 has a molding surface 30a for forming the curved surface 4b on which the optical function unit 10 is provided on the main body unit 5 and the riding-up unit 6 so as to face the bottom surface 3b of the recess 3.
  • the molding surface 30a is formed so as to intermittently contact the opening 3a of the recess 3 when the molding die 30 is pressed against the molding material.
  • the molding surface 30a is a convex curved surface having a complementary relationship with the curved surface 4b, and is in contact with the midpoint of each side of the square opening 3a.
  • the reflective film 7 is formed on the curved surface 4b of the molding layer 4 by depositing Al, Au, or the like, and the optical function unit 10 is provided for each curved surface 4b.
  • This vapor deposition is performed on the entire surface of the curved surface 4b or an arbitrary range (mask vapor deposition) of the curved surface 4b as necessary.
  • the substrate 20 is cut (diced) into a lattice shape to obtain a plurality of optical elements 1 that are grating elements.
  • the riding-up portion 6 positioned on the surface 2 a of the base material 2 in a state of being connected to the main body portion 5 is the main body portion 5. Therefore, the contraction of the main body 5 located in the recess 3 of the base material 2 is alleviated. In addition, since a plurality of the riding-up portions 6 are provided so as to face each other with the concave portion 3 interposed therebetween and surround the concave portion 3, the contraction of the main body portion 5 is uniformly relieved.
  • the deformation of the curved surface 4b of the main body 5 is reliably prevented, and further, the deformation of the optical function unit 10 provided on the curved surface 4b is reliably prevented. Furthermore, even if stress generated due to a temperature change or the like at the time of manufacture is concentrated on the recess 3 of the base 2, it is positioned in the recess 3 of the base 2 by the ride-up portion 6 positioned on the surface 2 a of the base 2. The main body 5 to be pressed is pressed. In addition, since a plurality of the riding-up portions 6 are provided so as to face each other with the concave portion 3 interposed therebetween and surround the concave portion 3, the main body portion 5 is uniformly pressed from the periphery. Thereby, peeling of the shaping
  • the molding surface 30a of the molding die 30 is formed so as to intermittently contact the opening 3a of the recess 3 when the molding die 30 is pressed against the molding material. According to this, even if gas is generated from the molding material at the time of curing, the gas escapes from the non-contact portion between the molding surface 30a of the molding die 30 and the opening 3a of the recess 3, so that voids are formed in the molding layer 4. The formation can be prevented.
  • the molding die 30 when the molding die 30 is pressed against the molding material, sufficient pressure is applied to the molding material in the concave portion 3, so that the grating pattern can be stably and accurately applied to a predetermined region on the main body portion 5 in the curved surface 4b. It can be formed well.
  • the molding surface 30a of the molding die 30 contacts the opening 3a of the concave portion 3 at a plurality of points, so that the height direction of the molding die 30 (that is, the concave portion 3). Positioning in the depth direction) can be performed easily and reliably. Furthermore, the situation where the pattern of the molding surface 30a for transferring the grating pattern contacts the bottom surface 3b of the recess 3 is also prevented.
  • the optical element 1 of the second embodiment is such that the main body portion 5 of the molding layer 4 does not cover the entire bottom surface 3 b and side surface 3 c of the recess 3. This is mainly different from the optical element 1 of the first embodiment described above.
  • the main body 5 is pulled at each corner of the recess 3. This is because when the molding material is cured, the molding material is drawn preferentially from the non-contact portion between the molding surface 30a of the mold 30 and the opening 3a of the recess 3. Such a state is likely to occur when the amount of the molding material is relatively small, or when the viscosity of the molding material is relatively low.
  • the optical element 1 of the third embodiment is mainly different from the optical element 1 of the first embodiment described above in that the optical function unit 10 is a mirror.
  • the optical function unit 10 is a mirror.
  • the optical function unit 10 can have various optical functions such as a mirror as well as a grating. Therefore, according to the optical element 1 of the third embodiment, in addition to the same effects as those of the optical element 1 of the first embodiment described above, there is an effect that a mirror element having a simple configuration can be obtained. . [Fourth Embodiment]
  • the optical element 1 of the fourth embodiment is provided with an alignment mark 21 on the molding layer 4 and a positioning portion 22 on the base 2. This is mainly different from the optical element 1 of the first embodiment described above.
  • a grating pattern is formed in a predetermined rectangular region R on the curved surface 4b of the molding layer 4.
  • a pair of alignment marks 21 are provided so as to sandwich the grating pattern (that is, the optical function unit 10) in the extending direction of the grating grooves of the grating pattern.
  • the predetermined region R and the alignment mark 21 are located in a region corresponding to the main body portion 5 on the curved surface 4 b of the molding layer 4.
  • the grating pattern formed in the predetermined region R is shifted in a direction perpendicular to the extending direction of the grating groove with respect to the center of the recess 3 when viewed from the depth direction of the recess 3.
  • the reflective film 7 is formed in a circular shape so as to be inscribed in the predetermined region R when viewed from the depth direction of the recess 3.
  • the alignment mark 21 is formed together with the grating pattern when the molding layer 4 is formed by the molding die 30. Accordingly, the alignment mark 21 is positioned with high accuracy with respect to the grating pattern (that is, the optical function unit 10).
  • the positioning part 22 is a hole having a rectangular cross section penetrating the base material 2, and a plurality of positioning parts 22 are provided around the recess 3 and the molding layer 4.
  • the positioning part 22 is formed together with the recess 3 by etching or the like. Therefore, the positioning part 22 is in a state of being positioned with high accuracy with respect to the recess 3.
  • the positioning portion 22 is positioned with high accuracy with respect to the grating pattern (that is, the optical function portion 10). It has become a state.
  • optical element 1 of the fourth embodiment configured as described above, in addition to the same effects as those of the optical element 1 of the first embodiment described above, the following effects are exhibited.
  • the optical function part 10 can be positioned with respect to the light incident part of the package.
  • the optical function unit when a light detection unit that detects light dispersed by the optical function unit 10 is housed together with the optical element 1 in a package provided with a light incident unit, the optical function unit is used with the alignment mark 21 as a reference.
  • the light detection unit can be positioned with respect to 10. At this time, since the alignment mark 21 is located in a region corresponding to the main body 5 on the curved surface 4b of the molding layer 4, the alignment mark 21 is less likely to be distorted or displaced.
  • a convex portion provided in the light detection unit to the positioning unit 22, a strong spectroscopic unit in which the light detection unit is positioned with respect to the optical function unit 10 can be obtained.
  • the reflective film 7 is partially formed with respect to the predetermined region R, it is possible to control the incident NA with respect to the light detection unit that detects the light dispersed by the optical function unit 10.
  • the reflective film 7 may have an elliptical shape or a rectangular shape, or a part thereof may protrude from the predetermined region R.
  • the positioning part 22 is not limited to the hole penetrating the base material 2, and may be a concave part.
  • the positioning portion 22 is fitted with a convex portion provided in the package, an end portion of a lead pin that penetrates the package, a convex portion provided in the light detection unit, and the like.
  • the optical element 1 of the fifth embodiment is the same as that of the fourth embodiment described above in that the rising portion 6 of the molding layer 4 is flattened. Mainly different from the optical element 1.
  • the climbing portion 6 has a flat surface 6a substantially parallel to the surface 2a of the substrate 2, and the alignment mark 23 is provided on the flat surface 6a.
  • Two pairs of alignment marks 23 are provided so as to sandwich a grating pattern formed in a predetermined region R. More specifically, the alignment mark 23 is provided in a pair so as to sandwich the grating pattern (that is, the optical function unit 10) in the extending direction of the grating groove, and further, the grating pattern in the direction perpendicular to the extending direction of the grating groove.
  • a pair is provided so as to sandwich (that is, the optical function unit 10).
  • the alignment mark 23 is formed together with the grating pattern and the alignment mark 21 when the molding layer 4 is formed by the molding die 30.
  • the molding die 30 is provided with a bowl-shaped rim portion 31 surrounding the molding surface 30 a, and the alignment mark 23 is transferred to the flat surface 31 a of the rim portion 31.
  • a pattern is provided.
  • the flat surface 6 a of the ride-up portion 6 is formed by pressing the flat surface 31 a of the rim portion 31 against the ride-up portion 6, and at this time, the alignment mark 23 is formed on the flat surface 6 a of the ride-up portion 6. . Therefore, the alignment mark 23 is positioned with high accuracy with respect to the grating pattern (that is, the optical function unit 10), as with the alignment mark 21.
  • the molding surface 30a of the mold 30 comes into contact with the opening 3a of the recess 3, so that the thickness of the ride-up portion 6 can be made uniform easily and reliably. .
  • optical element 1 of the fifth embodiment configured as described above, in addition to the same effects as those of the optical element 1 of the fourth embodiment described above, the following effects are exhibited.
  • the alignment mark 23 is added in addition to the alignment mark 21.
  • the light detection unit can be positioned with respect to the optical function unit 10. At this time, since the alignment mark 23 is located on the flat surface 6 a of the riding-up portion 6, the alignment mark 23 is easily recognized when viewed from the depth direction of the recess 3.
  • the light detection unit or the like can be stacked on the optical element 1 or the light detection unit or the like can be disposed close to the optical element 1. . Further, since the contact area between the rider 6 and the surface 2a of the substrate 2 is increased by the amount of the rider 6 being flattened, the peeling of the molding layer 4 from the substrate 2 can be more reliably prevented. Can do.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments.
  • the refractive index may be matched at the interface between the base material 2 and the molding layer 4, and the light L may be incident on the optical function unit 10 from the base material 2 side (the other side). Further, when the light L is incident from either one side or the other side, the light L may be transmitted to the optical function unit 10 (for example, a transmissive grating) without providing the reflective film 7. Good.
  • the inner surface of the recess 3 formed on the surface 2a of the substrate 2 may be a curved surface such as a continuous curved surface.
  • the predetermined surface of the molding layer 4 on which the optical function unit 10 is provided is not limited to the curved surface 4b, and may be a flat surface or the like. Furthermore, as long as the predetermined surface is formed at least on the main body part 5, it does not have to reach the riding part 6 from the main body part 5. Conversely, the optical function unit 10 may reach from the main body unit 5 to the riding-up unit 6.
  • the direction to oppose is arbitrary.
  • only one set of the riding-up portions 6 may be provided so as to face each other with the concave portion 3 interposed therebetween.
  • the riding-up part 6 may be provided with two or more so that the recessed part 3 may be surrounded, for example, arrange
  • the ride-up portion 6 may be continuous on the surface 2 a of the base material 2.
  • the molding surface 30 a of the molding die 30 may not be in contact with the substrate 2 such as the opening 3 a of the recess 3.
  • SYMBOLS 1 Optical element, 2 ... Base material, 2a ... Surface, 3 ... Recessed part, 3a ... Opening, 3b ... Bottom surface (inner surface), 4 ... Molding layer, 4b ... Curved surface (predetermined surface), 5 ... Main-body part (1st ), 6 ... Riding part (second part), 10 ... Optical function part, 30 ... Mold, 30a ... Molding surface.

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Abstract

　光学素子１は、表面２ａに凹部３が形成された基材２と、基材２上に配置された成形層４と、を備えている。成形層４は、凹部３の深さ方向から見た場合に凹部３内に位置する本体部５、及び本体部５と繋がった状態で基材２の表面２ａ上に位置する乗上げ部６を有している。本体部５において凹部３の底面３ｂと対向する曲面４ｂには、光学機能部１０が設けられている。

Description

光学素子及びその製造方法
　本発明は、光学素子及びその製造方法に関する。
　従来の光学素子の製造方法として、基材の凹部内に配置された樹脂材料に成形型を押し当て、その樹脂材料を硬化させることにより、グレーティング等の光学機能部が設けられる成形層を基材の凹部内に形成する方法が知られている（例えば特許文献１～５参照）。
特開２００６－１７７９９４号公報 特開２００７－１９９５４０号公報 特開２００３－２６６４５０号公報 特開２００５－１７３５９７号公報 特表２００５－５２０２１３号公報
　しかしながら、上述したような方法で製造された光学素子にあっては、成形層の全体が基材の凹部内に位置しており、しかも、使用時の温度変化等によって発生する応力が基材の凹部に集中するため、基材から成形層が剥離するおそれがある。さらに、使用時の温度変化等に起因する成形層の収縮や膨張によって、成形層に設けられた光学機能部が変形するおそれがある。
　そこで、本発明は、成形層の剥離や光学機能部の変形を防止することができる光学素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の一観点の光学素子は、表面に凹部が形成された基材と、基材上に配置された成形層と、を備え、成形層は、凹部の深さ方向から見た場合に凹部内に位置する第１の部分、及び第１の部分と繋がった状態で基材の表面上に位置する第２の部分を有し、第１の部分において凹部の内面と対向する所定の面には、光学機能部が設けられている。
　この光学素子では、使用時の温度変化等によって発生する応力が基材の凹部に集中しても、第１の部分と繋がった状態で基材の表面上に位置する第２の部分によって、基材の凹部内に位置する第１の部分が押え付けられる。これにより、基材からの成形層の剥離が防止される。さらに、使用時の温度変化等に起因する成形層の収縮や膨張が、基材の表面上に位置する第２の部分に吸収されて、基材の凹部内に位置する第１の部分の収縮や膨張が緩和される。これにより、第１の部分の所定の面の変形が防止され、延いてはその所定の面に設けられた光学機能部の変形が防止される。以上のように、この光学素子によれば、成形層の剥離や光学機能部の変形を防止することできる。
　ここで、第２の部分は、凹部を挟んで対向するように複数設けられていてもよい。さらに、第２の部分は、凹部を包囲するように複数設けられていてもよい。これらによれば、成形層の剥離や光学機能部の変形をより確実に防止することができる。
　また、光学機能部は、グレーティングであってもよい。或いは、光学機能部は、ミラーであってもよい。これらによれば、簡易な構成のグレーティング素子やミラー素子を得ることができる。
　本発明の一観点の光学素子の製造方法は、表面に凹部が形成された基材を準備する工程と、基材上に成形材料を配置する工程と、成形材料に成形型を押し当て、成形材料を硬化させることにより、凹部の深さ方向から見た場合に凹部内に位置する第１の部分、及び第１の部分と繋がった状態で基材の表面上に位置する第２の部分を有する成形層を形成する工程と、を備え、成形型は、光学機能部が設けられる所定の面を、凹部の内面と対向するように第１の部分に形成するための成形面を有する。
　この光学素子の製造方法では、硬化時に成形材料が収縮しても、第１の部分と繋がった状態で基材の表面上に位置する第２の部分が第１の部分に優先して収縮するため、基材の凹部内に位置する第１の部分の収縮が緩和される。これにより、第１の部分の所定の面の変形が防止され、延いてはその所定の面に設けられる光学機能部の変形が防止される。さらに、製造時の温度変化等によって発生する応力が基材の凹部に集中しても、基材の表面上に位置する第２の部分によって、基材の凹部内に位置する第１の部分が押え付けられる。これにより、基材からの成形層の剥離が防止される。以上のように、この光学素子の製造方法によれば、成形層の剥離や光学機能部の変形を防止することができる。
　ここで、成形面は、成形型が成形材料に押し当てられたときに、凹部の開口と断続的に接触するように形成されていてもよい。これによれば、硬化時に成形材料からガスが発生しても、そのガスが、成形型の成形面と凹部の開口との非接触部分から逃がされるので、成形層にボイドが形成されるのを防止することができる。
　本発明によれば、成形層の剥離や光学機能部の変形を防止することができる。
本発明の第１の実施形態の光学素子の平面図である。 図１のII－II線に沿っての光学素子の端面図である。 図１のIII－III線に沿っての光学素子の端面図である。 図１の光学素子の製造方法の一工程における基板の平面図である。 図４の後の工程における基板の平面図である。 図５のVI－VI線に沿っての基板の断面図である。 図５の後の工程における基板の平面図である。 本発明の第２の実施形態の光学素子の平面図である。 図８のIX－IX線に沿っての光学素子の端面図である。 図８のX－X線に沿っての光学素子の端面図である。 本発明の第３の実施形態の光学素子の縦断面図である。 本発明の第４の実施形態の光学素子の平面図である。 図１２のXIII－XIII線に沿っての光学素子の端面図である。 図１２のXIV－XIV線に沿っての光学素子の端面図である。 本発明の第５の実施形態の光学素子の平面図である。 図１５のXVI－XVI線に沿っての光学素子の端面図である。 図１５のXVII－XVII線に沿っての光学素子の端面図である。 図１５の光学素子の製造方法の一工程における基板の断面図である。
　以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］
　図１、図２及び図３に示されるように、第１の実施形態の光学素子１は、反射型グレーティングである光学機能部１０を有している。光学機能部１０は、一方の側から入射した光Ｌを分光して反射する。光学素子１は、シリコン、プラスチック、セラミック又はガラス等からなる正方形板状（例えば、外形１２ｍｍ×１２ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）の基材２を備えている。基材２の表面２ａには、開口３ａに向かって末広がりとなる正四角錐台状の凹部３が形成されている。なお、基材２の材料には、前述した材料に限らず、様々な材料を適用することができる。また、基材２及び凹部３の形状には、前述した形状に限らず、様々の形状を適用することができる。ただし、後述する成形層４の剥離や光学機能部１０の変形をより確実に防止するために、凹部３の開口形状は、凹部３の深さ方向から見た場合に凹部３の中心点に関して点対称の形状であることが好ましい。
　基材２上には、光硬化性のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン又は有機無機ハイブリッド樹脂等のレプリカ用光学樹脂を光硬化させることによって形成された成形層４が配置されている。成形層４は、凹部３の深さ方向（すなわち、一方の側）から見た場合に円形状となっており、成形層４の外縁４ａは、正方形状の開口３ａの各頂点を通っている。なお、成形層４の材料には、前述した光硬化性の樹脂材料に限らず、熱硬化性の樹脂材料、又は低融点ガラスや有機無機ハイブリッドガラス等、後述する成形型３０による成形及び硬化が可能な様々な材料（成形材料）を適用することができる。
　成形層４は、一体的に形成された本体部（第１の部分）５及び乗上げ部（第２の部分）６を有している。本体部５は、凹部３の深さ方向から見た場合に凹部３内に位置しており、凹部３の底面３ｂ及び側面３ｃの全体を覆っている。乗上げ部６は、本体部５と繋がった状態で基材２の表面２ａ上に位置しており、正方形状の開口３ａの各辺の外側に設けられている。つまり、乗上げ部６は、凹部３を挟んで対向しかつ凹部３を包囲するように複数設けられている。
　成形層４は、凹部３の所定の内面である底面３ｂと対向する凹状の曲面（所定の面）４ｂを有している。曲面４ｂは、凹部３の底面３ｂの中心に向かって凹んだ曲面であり、正方形状の開口３ａの各辺の中点を通って、本体部５から各乗上げ部６に至っている。曲面４ｂにおける本体部５上の所定の領域には、鋸歯状断面のブレーズドグレーティング、矩形状断面のバイナリグレーティング、又は正弦波状断面のホログラフィックグレーティング等に対応するグレーティングパターンが形成されている。
　成形層４の曲面４ｂ上には、ＡｌやＡｕ等の蒸着膜である反射膜７が形成されている。反射膜７は、曲面４ｂにおける本体部５上の所定の領域ではグレーティングパターンに対応するように形成されており、この部分が、反射型グレーティングである光学機能部１０となっている。なお、反射膜７の材料には、前述した材料に限らず、様々な材料を適用することができる。
　以上説明したように、第１の実施形態の光学素子１では、使用時の温度変化等によって発生する応力が基材２の凹部３に集中しても、本体部５と繋がった状態で基材２の表面２ａ上に位置する乗上げ部６によって、基材２の凹部３内に位置する本体部５が押え付けられる。この作用には、乗上げ部６が位置する表面２ａが、凹部３の側面（内面）３ｃと不連続な面（ここでは、平坦面）となっていることが寄与している。しかも、乗上げ部６が、凹部３を挟んで対向しかつ凹部３を包囲するように複数設けられているので、本体部５が周囲から均一に押さえ付けられることになる。これにより、基材２からの成形層４の剥離が確実に防止される。さらに、使用時の温度変化等に起因する成形層４の収縮や膨張が、基材２の表面２ａ上に位置する乗上げ部６に吸収されて、基材２の凹部３内に位置する本体部５の収縮や膨張が緩和される。しかも、乗上げ部６が、凹部３を挟んで対向しかつ凹部３を包囲するように複数設けられているので、本体部５の収縮や膨張が均一に緩和されることになる。これにより、本体部５の曲面４ｂの変形が確実に防止され、延いてはその曲面４ｂに設けられた光学機能部１０の変形が確実に防止される。よって、第１の実施形態の光学素子１によれば、簡易な構成で、成形層４の剥離や光学機能部１０の変形を確実に防止することできる。
　また、光学機能部１０が設けられる面が、凹部３の底面３ｂと対向するように成形層４に形成された曲面４ｂであるため、成形層４を薄くして、使用時の温度変化等に起因する成形層４の収縮や膨張自体を抑制することができる。
　次に、上述した光学素子１の製造方法について説明する。まず、図４に示されるように、例えばシリコンからなる基板２０を用意する。基板２０は、格子状に切断（ダイシング）することにより複数の基材２となるものである。そして、基板２０の表面２０ａに、基材２の表面２ａごとに、エッチング等により凹部３を形成する。これにより、表面２ａに凹部３が形成された基材２が複数準備されたことになる。続いて、基板２０の表面２０ａに、基材２の凹部３ごとに、成形層４となる成形材料（ここでは、光硬化性の樹脂材料）を配置する。これにより、複数の基材２上に成形材料が配置されたことになる。
　続いて、図５及び図６に示されるように、基材２の凹部３ごとに成形材料に成形型３０を押し当てる。そして、その状態で、成形材料を光硬化させるための光（例えば紫外線等）を成形型３０に透過させて成形材料に照射し、成形材料を硬化させることにより、本体部５及び乗上げ部６を有する成形層４を形成する。さらに、成形層４から成形型３０を離型させた後に、成形層４を熱硬化させてもよい。なお、成形材料を光硬化させるための光に対して基材２が透過性を有していれば、その光を基材２に透過させて成形材料に照射してもよい。また、成形材料の硬化方法には、光硬化に限らず、成形材料の種類に応じて熱硬化等の様々な硬化方法を適用することができる。
　成形型３０は、光学機能部１０が設けられる曲面４ｂを、凹部３の底面３ｂと対向するように本体部５及び乗上げ部６に形成するための成形面３０ａを有している。成形面３０ａは、成形型３０が成形材料に押し当てられたときに、凹部３の開口３ａと断続的に接触するように形成されている。ここでは、成形面３０ａは、曲面４ｂと相補関係を有する凸状の曲面であり、正方形状の開口３ａの各辺の中点に接触する。
　続いて、図７に示されるように、ＡｌやＡｕ等を蒸着することにより、成形層４の曲面４ｂ上に反射膜７を形成し、曲面４ｂごとに光学機能部１０を設ける。この蒸着は、必要に応じて、曲面４ｂの全面又は曲面４ｂの任意の範囲（マスク蒸着）に対して行われる。そして、基板２０を格子状に切断（ダイシング）して、グレーティング素子である光学素子１を複数得る。
　以上説明したように、光学素子１の製造方法では、硬化時に成形材料が収縮しても、本体部５と繋がった状態で基材２の表面２ａ上に位置する乗上げ部６が本体部５に優先して収縮するため、基材２の凹部３内に位置する本体部５の収縮が緩和される。しかも、乗上げ部６が、凹部３を挟んで対向しかつ凹部３を包囲するように複数設けられているので、本体部５の収縮が均一に緩和されることになる。これにより、本体部５の曲面４ｂの変形が確実に防止され、延いてはその曲面４ｂに設けられる光学機能部１０の変形が確実に防止される。さらに、製造時の温度変化等によって発生する応力が基材２の凹部３に集中しても、基材２の表面２ａ上に位置する乗上げ部６によって、基材２の凹部３内に位置する本体部５が押え付けられる。しかも、乗上げ部６が、凹部３を挟んで対向しかつ凹部３を包囲するように複数設けられているので、本体部５が周囲から均一に押さえ付けられることになる。これにより、基材２からの成形層４の剥離が確実に防止される。よって、光学素子１の製造方法によれば、成形層４の剥離や光学機能部１０の変形を確実に防止することができる。
　また、成形型３０の成形面３０ａは、成形型３０が成形材料に押し当てられたときに、凹部３の開口３ａと断続的に接触するように形成されている。これによれば、硬化時に成形材料からガスが発生しても、そのガスが、成形型３０の成形面３０ａと凹部３の開口３ａとの非接触部分から逃がされるので、成形層４にボイドが形成されるのを防止することができる。
　また、成形型３０が成形材料に押し当てられたときに、凹部３内の成形材料に十分な圧力が加わるので、曲面４ｂにおける本体部５上の所定の領域にグレーティングパターンを安定的にかつ精度良く形成することができる。
　また、成形型３０が成形材料に押し当てられたときに、成形型３０の成形面３０ａが凹部３の開口３ａと複数の点で接触するため、成形型３０の高さ方向（すなわち、凹部３の深さ方向）の位置決めを容易にかつ確実に行うことができる。さらに、グレーティングパターンを転写するための成形面３０ａのパターンが凹部３の底面３ｂに接触するような事態も防止される。
　また、上述した光学素子１の製造方法によれば、表面２ａに凹部３が形成された一種類の基材２に対して、曲率の異なる成形面３０ａを有するもの等、複数種類の成形型３０を適用して、複数種類の光学素子１を製造することができる。
［第２の実施形態］
　図８、図９及び図１０に示されるように、第２の実施形態の光学素子１は、成形層４の本体部５が凹部３の底面３ｂ及び側面３ｃの全体を覆っていない点で、上述した第１の実施形態の光学素子１と主に相違している。第２の実施形態の光学素子１では、本体部５は、凹部３の各隅部で引いた状態となっている。これは、成形材料が硬化するときに、成形型３０の成形面３０ａと凹部３の開口３ａとの非接触部分から優先して成形材料が引いていくためである。成形材料の量が比較的少ない場合や、成形材料の粘度が比較的低い場合等に、このような状態となり易い。このような場合にも、成形型３０の成形面３０ａと凹部３の開口３ａとの接触部分では、基材２の表面２ａに成形材料が乗り上げ、引き難くなるため、その接触部分に乗上げ部６が形成される。よって、第２の実施形態の光学素子１によれば、上述した第１の実施形態の光学素子１と同様の効果が奏される。
［第３の実施形態］
　図１１に示されるように、第３の実施形態の光学素子１は、光学機能部１０がミラーである点で、上述した第１の実施形態の光学素子１と主に相違している。第３の実施形態の光学素子１では、成形層４の曲面４ｂ及び反射膜７にグレーティングパターンが形成されておらず、光学機能部１０がミラーとされている。このように、光学機能部１０には、グレーティングに限らず、ミラー等、様々な光学的機能を持たせることができる。よって、第３の実施形態の光学素子１によれば、上述した第１の実施形態の光学素子１と同様の効果に加え、簡易な構成のミラー素子を得ることができるという効果が奏される。
［第４の実施形態］
　図１２、図１３及び図１４に示されるように、第４の実施形態の光学素子１は、成形層４にアライメントマーク２１が設けられている点、及び基材２に位置決め部２２が設けられている点で、上述した第１の実施形態の光学素子１と主に相違している。
　第４の実施形態の光学素子１では、成形層４の曲面４ｂにおける矩形状の所定の領域Ｒにグレーティングパターンが形成されている。アライメントマーク２１は、グレーティングパターンのグレーティング溝の延在方向においてグレーティングパターン（すなわち、光学機能部１０）を挟むように一対設けられている。なお、所定の領域Ｒ及びアライメントマーク２１は、成形層４の曲面４ｂにおいて本体部５に対応する領域内に位置している。
　ここでは、所定の領域Ｒに形成されたグレーティングパターンは、凹部３の深さ方向から見た場合に、凹部３の中心に対して、グレーティング溝の延在方向に垂直な方向にシフトしている。また、反射膜７は、凹部３の深さ方向から見た場合に、所定の領域Ｒに内接するように円形状に形成されている。
　アライメントマーク２１は、成形型３０による成形層４の形成の際に、グレーティングパターンと共に形成される。従って、アライメントマーク２１は、グレーティングパターン（すなわち、光学機能部１０）に対して高精度に位置決めされた状態となっている。
　位置決め部２２は、基材２を貫通する断面矩形状の孔であり、凹部３及び成形層４の周囲に複数設けられている。位置決め部２２は、エッチング等により、凹部３と共に形成される。従って、位置決め部２２は、凹部３に対して高精度に位置決めされた状態となっている。しかも、成形型３０による成形層４の形成によってグレーティングパターンが凹部３に対して高精度に位置決めされるので、位置決め部２２は、グレーティングパターン（すなわち、光学機能部１０）に対して高精度に位置決めされた状態となっている。
　以上のように構成された第４の実施形態の光学素子１によれば、上述した第１の実施形態の光学素子１と同様の効果に加え、次のような効果が奏される。
　すなわち、例えば、光入射部が設けられたパッケージに光学素子１を収容する場合に、パッケージに設けられた凸部を位置決め部２２に嵌めたり、パッケージを貫通するリードピンを位置決め部２２に挿通させたりすることで、パッケージの光入射部に対して光学機能部１０を位置決めすることができる。
　さらに、例えば、光入射部が設けられたパッケージに、光学素子１と共に、光学機能部１０で分光された光を検出する光検出ユニットを収容する場合に、アライメントマーク２１を基準として、光学機能部１０に対して光検出ユニットを位置決めすることができる。このとき、アライメントマーク２１は、成形層４の曲面４ｂにおいて本体部５に対応する領域内に位置しているので、アライメントマーク２１には、歪みや位置ずれが生じ難くなっている。
　また、例えば、光検出ユニットに設けられた凸部を位置決め部２２に嵌めることで、光学機能部１０に対して光検出ユニットを位置決めされた強固な分光ユニットを得ることができる。
　また、反射膜７が所定の領域Ｒに対して部分的に形成されているので、光学機能部１０で分光された光を検出する光検出ユニットに対する入射ＮＡを制御することができる。この場合、反射膜７は、楕円形状や矩形状であってもよく、また、その一部が所定の領域Ｒからはみ出していてもよい。
　なお、位置決め部２２は、基材２を貫通する孔に限定されず、凹部であってもよい。この場合、位置決め部２２には、パッケージに設けられた凸部、パッケージを貫通するリードピンの端部、光検出ユニットに設けられた凸部等が嵌められる。
［第５の実施形態］
　図１５、図１６及び図１７に示されるように、第５の実施形態の光学素子１は、成形層４の乗上げ部６が平坦化されている点で、上述した第４の実施形態の光学素子１と主に相違している。
　第５の実施形態の光学素子１では、乗上げ部６が、基材２の表面２ａに略平行な平坦面６ａを有しており、平坦面６ａに、アライメントマーク２３が設けられている。アライメントマーク２３は、所定の領域Ｒに形成されたグレーティングパターンを挟むように二対設けられている。より詳細には、アライメントマーク２３は、グレーティング溝の延在方向においてグレーティングパターン（すなわち、光学機能部１０）を挟むように一対設けられ、さらに、グレーティング溝の延在方向に垂直な方向においてグレーティングパターン（すなわち、光学機能部１０）を挟むように一対設けられている。
　アライメントマーク２３は、成形型３０による成形層４の形成の際に、グレーティングパターン及びアライメントマーク２１と共に形成される。この場合、図１８に示されるように、成形型３０には、成形面３０ａを包囲する鍔状のリム部３１が設けられており、リム部３１の平坦面３１ａには、アライメントマーク２３を転写するためのパターンが設けられている。乗上げ部６の平坦面６ａは、リム部３１の平坦面３１ａが乗上げ部６に押圧されることにより形成され、このとき、乗上げ部６の平坦面６ａにアライメントマーク２３が形成される。従って、アライメントマーク２３は、アライメントマーク２１と同様に、グレーティングパターン（すなわち、光学機能部１０）に対して高精度に位置決めされた状態となっている。なお、成形型３０の押し当ての際には、成形型３０の成形面３０ａが凹部３の開口３ａと接触するので、乗上げ部６の厚さを容易にかつ確実に均一化することができる。
　以上のように構成された第５の実施形態の光学素子１によれば、上述した第４の実施形態の光学素子１と同様の効果に加え、次のような効果が奏される。
　すなわち、例えば、光入射部が設けられたパッケージに、光学素子１と共に、光学機能部１０で分光された光を検出する光検出ユニットを収容する場合に、アライメントマーク２１に加えてアライメントマーク２３を基準として、光学機能部１０に対して光検出ユニットを位置決めすることができる。このとき、アライメントマーク２３は、乗上げ部６の平坦面６ａに位置しているので、凹部３の深さ方向から見た場合に認識し易いものとなっている。
　また、成形層４の乗上げ部６が平坦化されているので、光検出ユニット等を光学素子１上にスタックしたり、光検出ユニット等を光学素子１上に近接配置したりすることができる。さらに、乗上げ部６が平坦化される分、乗上げ部６と基材２の表面２ａとの接触面積が増加するため、基材２からの成形層４の剥離をより確実に防止することができる。
　以上、本発明の第１～第５の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、基材２と成形層４との界面において屈折率の整合を図り、光Ｌを基材２側（他方の側）から光学機能部１０に入射させるようにしてもよい。さらに、光Ｌを一方の側及び他方の側のいずれから入射させる場合にも、反射膜７を設けずに、光Ｌを光学機能部１０（例えば透過型グレーティング等）に透過させるようにしてもよい。
　また、基材２の表面２ａに形成された凹部３の内面は、一続きの曲面等、曲面であってもよい。また、光学機能部１０が設けられる成形層４の所定の面は、曲面４ｂに限定されず、平坦面等であってもよい。さらに、その所定の面は、少なくとも本体部５に形成されていれば、本体部５から乗上げ部６に至っていなくてもよい。逆に、光学機能部１０は、本体部５から乗上げ部６に至っていてもよい。
　また、乗上げ部６が凹部３を挟んで対向する場合、対向する方向は任意である。また、乗上げ部６は、凹部３を挟んで対向するように一組だけ設けられていてもよい。また、乗上げ部６は、例えば１２０°ごとに配置されるなど、凹部３を挟んで対向せずに凹部３を包囲するように複数設けられていてもよい。また、乗上げ部６は、基材２の表面２ａ上において一続きになっていてもよい。
　また、光学素子１の製造方法において、成形型３０を成形材料に押し当てるときには、成形型３０の成形面３０ａを、凹部３の開口３ａ等、基材２に接触させなくてもよい。
　本発明によれば、成形層の剥離や光学機能部の変形を防止することができる。
　１…光学素子、２…基材、２ａ…表面、３…凹部、３ａ…開口、３ｂ…底面（内面）、４…成形層、４ｂ…曲面（所定の面）、５…本体部（第１の部分）、６…乗上げ部（第２の部分）、１０…光学機能部、３０…成形型、３０ａ…成形面。

Claims (7)

  1. 　表面に凹部が形成された基材と、
    　前記基材上に配置された成形層と、を備え、
    　前記成形層は、前記凹部の深さ方向から見た場合に前記凹部内に位置する第１の部分、及び前記第１の部分と繋がった状態で前記基材の前記表面上に位置する第２の部分を有し、
    　前記第１の部分において前記凹部の内面と対向する所定の面には、光学機能部が設けられている、光学素子。
  2. 　前記第２の部分は、前記凹部を挟んで対向するように複数設けられている、請求項１記載の光学素子。
  3. 　前記第２の部分は、前記凹部を包囲するように複数設けられている、請求項１又は２記載の光学素子。
  4. 　前記光学機能部は、グレーティングである、請求項１～３のいずれか一項記載の光学素子。
  5. 　前記光学機能部は、ミラーである、請求項１～３のいずれか一項記載の光学素子。
  6. 　表面に凹部が形成された基材を準備する工程と、
    　前記基材上に成形材料を配置する工程と、
    　前記成形材料に成形型を押し当て、前記成形材料を硬化させることにより、前記凹部の深さ方向から見た場合に前記凹部内に位置する第１の部分、及び前記第１の部分と繋がった状態で前記基材の前記表面上に位置する第２の部分を有する成形層を形成する工程と、を備え、
    　前記成形型は、光学機能部が設けられる所定の面を、前記凹部の内面と対向するように前記第１の部分に形成するための成形面を有する、光学素子の製造方法。
  7. 　前記成形面は、前記成形型が前記成形材料に押し当てられたときに、前記凹部の開口と断続的に接触するように形成されている、請求項６記載の光学素子の製造方法。
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