(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  光学素子１は、表面２ａに曲面状の凹部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を有する。本体部５における凹部３の内面３ｂ側の面に対して反対側の面である曲面４ｃは、凹部３の内面３ｂと同方向に凹む凹曲面状に形成される。本体部５において凹部３の内面３ｂと対向する所定の面には、光学機能部１０が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に曲面状の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の部分における前記凹部の内面側の面に対して反対側の面は、前記凹部の内面と同方向に凹む凹曲面状に形成され、
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ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記基材の前記表面において前記凹部の開口の外側には溝部が設けられ、
前記第２の部分は、前記溝部内に入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記基材の凹部の曲率は、前記第１の部分における前記反対側の面の前記凹曲面状の曲率よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２の部分における前記凹部の深さ方向の厚さは、前記第１の部分における前記凹部の深さ方向の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光学素子。
【請求項５】
前記光学機能部は、グレーティングであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学機能部は、ミラーであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光学素子。
【請求項７】
表面に曲面状の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の部分を有すると共に、前記第１の部分における前記凹部の内面側の面に対して反対側の面が、前記凹部の内面と同方向に凹む凹曲面状に形成された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ことを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７７９９４号公報
【特許文献２】特開２００７−１９９５４０号公報
【特許文献３】特開２００３−２６６４５０号公報
【特許文献４】特開２００５−１７３５９７号公報
【特許文献５】特表２００５−５２０２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光学素子は、表面に曲面状の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の部分における凹部の内面側の面に対して反対側の面は、凹部の内面と同方向に凹む凹曲面状に形成され、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とを特徴とする。
【０００７】
この光学素子では、第１の部分における基材の凹部の内面側の面に対して反対側の面を、基材の曲面状の凹部の内面と同方向に凹む凹曲面状に形成することで、第１の部分における成形層の厚みの変化が緩やかになる。このため、成形層を硬化等させる際に第１の部分において生じる収縮の影響を低減することができる。また、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。
【０００８】
ここで、基材の表面において凹部の開口の外側には溝部が設けられ、第２の部分は、溝部内に入り込んでいることが好ましい。これにより、基板の表面上における成形層の第２の部分の広がりを制御することができる。また、溝内に第２の部分が入り込んでいることで、基材に対する成形層の固定強度を向上させることができる。
【０００９】
また、基材の凹部の曲率は、第１の部分における基材の凹部の内面側の面に対して反対側の面の凹曲面状の曲率よりも大きいことが好ましい。これにより、一例として、成形型を押し当てることによって成形層を形成する場合、基材の凹部の内面に成形型の先端が当接することが無く、基材の凹部の内面、及び、成形型の損傷を抑制することができる。
【００１０】
また、第２の部分における凹部の深さ方向の厚さは、第１の部分における凹部の深さ方向の厚さよりも厚いことが好ましい。これにより、成形層の第１の部分の変形を抑制することができる。
【００１１】
また、光学機能部は、グレーティングであることが好ましい。或いは、光学機能部は、ミラーであることが好ましい。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。
【００１２】
本発明の光学素子の製造方法は、表面に曲面状の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の部分を有すると共に、第１の部分における凹部の内面側の面に対して反対側の面が、凹部の内面と同方向に凹む凹曲面状に形成された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とを特徴とする。
【００１３】
この光学素子の製造方法では、第１の部分における基材の凹部の内面側の面に対して反対側の面を、基材の曲面状の凹部の内面と同方向に凹む凹曲面状に形成することで、第１の部分における成形層の厚みの変化が緩やかになる。このため、成形層を硬化等させる際に第１の部分において生じる収縮の影響を低減することができる。また、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。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の光学素子の平面図である。
【図２】図１のII−II線に沿っての光学素子の端面図である。
【図３】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】図３の後の工程における基板の平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿っての基板の断面図である。
【図６】図４の後の工程における基板の平面図である。
【図７】本発明の他の実施形態の光学素子の平面図である。
【図８】本発明の他の実施形態の光学素子の平面図である。
【図９】本発明の他の実施形態の光学素子の溝の例を示す平面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態の光学素子の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１及び図２に示されるように、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８ｍｍ×８ｍｍ、厚さ１ｍｍ）の基材２を備えている。基材２の表面２ａには、球面状の内面３ｂを有する凹部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、様々な材料を適用し、成型や切削、エッチング等で形成することができる。また、凹部３の内面３ｂは、球面状に限らず、非球面状であってもよい。
【００１８】
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。
【００１９】
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の内面３ｂ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、環状の開口３ａの外側に設けられている。つまり、乗上げ部６は、凹部３を包囲するように設けられている。乗上げ部６における凹部３の深さ方向の厚さは、本体部５における凹部３の深さ方向の厚さよりも厚くなっている。
【００２０】
成形層４において、基材２側に対して反対側の面（所定の面）(以下、成形層４の「表面」という)４ｂのうち本体部５に対応する部分には、凹曲面状の曲面４ｃが設けられている。曲面４ｃは凹部３の内面３ｂと同方向に凹んでいる。すなわち、成形層４の本体部５の部分は、基材２の凹部３の内面３ｂに沿って配置されている。本実施形態では、本体部５の曲面４ｃの曲率と、凹部３の内面３ｂの曲率とが同じとなるように形成されているものとする。
【００２１】
曲面４ｃ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。
【００２２】
成形層４の表面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、表面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。また、反射膜７の上に、保護膜としてＳｉＯ２やＭｇＦ２等を蒸着してもよい。
【００２３】
以上説明したように、光学素子１では、成形層４の表面４ｂのうち、本体部５に対応する部分である曲面４ｃを、基材２の凹部３の内面３ｂと同方向に凹む凹曲面状に形成することで、本体部５における成形層４の厚みの変化が緩やかになる。特に、本実施形態では、本体部５の曲面４ｃの曲率と、凹部３の内面３ｂの曲率とを同じとなるように形成することで、本体部５における成形層４の厚みを薄く（例えば１μｍ〜１００μｍ）することができる。このため、ＵＶ照射や熱によって成形層を硬化等させる際に生じる収縮の影響を低減することができる。また、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の内面３ｂと不連続な面となっている（光学素子１では、曲面である凹部３の内面３ｂと、平面である表面２ａとが接続している）ことが寄与している。しかも、乗上げ部６が、凹部３を包囲するように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。
【００２４】
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を包囲するように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。また、乗上げ部６の厚さを、本体部５の厚さよりも厚く形成する。これらにより、本体部５の曲面４ｃの変形が確実に防止され、延いてはその曲面４ｃ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、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。
【００２５】
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３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。
【００２６】
続いて、図４及び図５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。成形層４を熱硬化さる場合には、成形型３０は透過性を有するものに限定されず、ニッケル等の金属により形成することができる。
【００２７】
成形型３０は、成形層４の表面４ｂに、光学機能部１０が設けられる曲面４ｃを形成するための成形面３０ａを有している。ここでは、成形面３０ａは、曲面４ｃと相補関係を有する凸状の曲面である。
【００２８】
続いて、図６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の表面４ｂ上に反射膜７を形成し、曲面４ｃごとに光学機能部１０を設ける。この蒸着は、必要に応じて、表面４ｂの全面又は表面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。なお、凹部３を有する基材２を得るためにプラスチック材料やガラス、セラミックの成型を用いてもよい。
【００２９】
以上説明したように、光学素子１の製造方法では、成形層４の表面４ｂのうち、本体部５に対応する部分である曲面４ｃを、基材２の凹部３の内面３ｂと同方向に凹む凹曲面状に形成することで、本体部５における成形層４の厚みの変化が緩やかになる。特に、本体部５の曲面４ｃの曲率と、凹部３の内面３ｂの曲率とを同じにした場合には、本体部５における成形層４の厚みを一定とすることができる。このため、ＵＶ照射や熱によって成形層を硬化等させる際に生じる収縮の影響を低減することができる。また、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を包囲するように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４ｃの変形が確実に防止され、延いてはその曲面４ｃに設けられる光学機能部１０の変形が確実に防止される。
【００３０】
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を包囲するように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。
【００３１】
なお、成形型３０の成形面３０ａの周縁部を、凹部３の開口３ａよりも外側に張り出した形状とすることができる。この場合には、成形材料に成形型３０を押し当てたときに、成形型３０の先端が成形材料内に埋まり、成形型３０の側面３０ｂにまで成形材料が回り込むことを防止できる。このため、成形材料に成形型３０を押し当てたときに、成形材料が成形面３０ａにのみ当接し、成形型３０の離型性を向上させることができる。
【００３２】
以上、本発明の一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、図７（ａ）に示されるように、基材２の凹部３の内面３ｂの曲率を、成形型３０の成形面３０ａの曲率よりも大きくすることができる。これにより、成形型３０を押し当てることによって成形層４を形成する場合、基材２の凹部３の内面３ｂに成形型３０の成形面３０ａが当接することが無く、基材２の凹部３の内面３ｂ、及び、成形型３０の損傷を抑制することができる。また、図７（ｂ）に示されるように、基材２の凹部３の内面３ｂの曲率を、成形型３０の成形面３０ａの曲率よりも小さくすることができる。これにより、本体部５の中央部の厚みが薄い成形層４を得ることができる。本体部５のうち厚さが薄い部分に光学機能部１０を形成することで、使用時の熱等で成形層４に収縮が生じたとしても、光学機能部１０が形成された部位の厚さが薄いために収縮の割合が小さくなる。このため、光学機能部１０に加わる成形層４の収縮の影響を抑制することができる。
【００３３】
また、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるように、基材２の表面２ａにおいて、凹部３の開口３ａの外側に溝（溝部）８を設けてもよい。この溝８は、凹部３を囲む環状とすることができる。この場合には、基材２上に配置された成形材料に成形型３０を押し当てたときに、溝８内に成形材料が入り込む。すなわち、成形材料が凹部３から外側に向かって広がったときに、溝８内に成形材料が入り込むことで成形材料の広がりが規制される。この状態で成形材料を硬化させることで、乗上げ部６が溝８内に入り込んだ状態となる。このように基材２の表面２ａに溝８を設けることで、基材２の表面２ａ上における成形層４の乗上げ部６の広がりを制御することができる。これにより、基材２の小型化、或は、凹部３を大きくすることができる。また、溝８内に乗上げ部６が入り込んでいることで、基材２に対する成形層４の固定強度を向上させることができる。
【００３４】
なお、基材２の表面２ａに設ける溝８の変形例として、図９（ａ）に示されるように、基材２の表面２ａにおいて、凹部３の開口３ａの外側の位置に、凹部３を囲むように直線状の溝８ａ〜８ｄを設けてもよい。これらの溝８ａ〜８ｄ間には、所定の隙間が設けられている。また、図９（ｂ）に示されるように、基材２の表面２ａにおいて、凹部３の開口３ａの外側の位置に、凹部３を囲むように四角枠状の溝８ｅを設けてもよい。また、図９（ｃ）に示されるように、基材２の表面２ａにおいて、凹部３の開口３ａの外側の位置に、凹部３を挟むように１対の溝８ｆ，８ｇを設け、溝８ｆ，８ｇのそれぞれから基材２の外縁につながる溝８ｈ，８ｉを設けてもよい。これらの場合であっても、溝内に成形材料が入り込み、基材２の表面２ａ上における成形層４の乗上げ部６の広がりを制御することができる。
【００３５】
また、光学機能部１０には、グレーティングに限らず、様々な光学的機能を持たせることができる。一例として、図１０に示されるように、成形層４の曲面４ｃ及び反射膜７にグレーティングパターンを形成せずに、光学機能部１０をミラーとしてもよい。その場合には、簡易な構成のミラー素子を得ることができる。また、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。
【００３６】
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４ｃに限定されず、表面４ｂのうち本体部５から乗上げ部６に至る部位であってもよい。
【００３７】
また、図１等に示されるように、乗上げ部６は、凹部３を囲むように環状に形成されるものとしたが、環状に限定されず、一方にのみ偏って設けられていてもよい。
【００３８】
また、溝８に代えて、基材２の表面２ａに凹部を設けてもよい。この凹部として、矩形状の凹部、或は、円形状の凹部を採用することができる。この場合であっても、溝８の代わりに設けた凹部内に乗上げ部６が入り込むことで、成形層４の固定強度を向上させることができる。更に、溝８の代わりに設けた凹部の深さ方向から見て、基材２が矩形であり、凹部３の開口３ａが円形である場合、基材２の対角線上に凹部３を挟んで凹部（溝８の代わりに設ける凹部）を設けることで、基材２の小型化が可能、或は、開口３ａの面積を大きくすることが可能となる。
【００３９】
また、基板２０を格子状に切断（ダイシング）して光学素子１を複数得るものとしたが、光学素子１を１つずつ形成することもできる。
【符号の説明】
【００４０】
１…光学素子、２…基材、２ａ…表面、３…凹部、３ａ…開口、３ｂ…内面、４…成形層、４ｂ…表面（所定の面）、４ｃ…曲面（反対側の面）、５…本体部（第１の部分）、６…乗上げ部（第２の部分）、８，８ａ〜８ｉ…溝（溝部）、１０…光学機能部、３０…成形型、３０ａ…成形面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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