(57)【要約】【課題】容易かつ安価に製造することができる高精度なレプリカ光学素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】レプリカ基板３にトロイダル形状からなる凹状の転写面３１を形成し、当該転写面３１上に、転写面３１側とは反対側に非球面３３（例えば放物面形状）からなる凹状の反射面が形成された樹脂層３２を転写させる。レプリカ基板３の転写面３１が、球面ではなくトロイダル形状からなる凹状の転写面３１であるため、非球面を有するマスター基板を用いてレプリカ光学素子１００を製造する場合に、転写面３１が球面である場合と比較して、樹脂層３２の厚みをより均一にすることが可能である。容易かつ安価に加工が可能なトロイダル形状をレプリカ基板３の転写面３１に採用して、樹脂層３２の厚みをより均一にすることができるため、容易かつ安価に製造することができる高精度なレプリカ光学素子１００を提供することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロイダル形状からなる凹状の転写面を有するレプリカ基板と、
前記レプリカ基板の転写面上に転写され、転写面側とは反対側に非球面からなる凹状の反射面が形成された樹脂層とを備えたことを特徴とするレプリカ光学素子。
【請求項２】
前記樹脂層の反射面が、放物面形状からなることを特徴とする請求項１に記載のレプリカ光学素子。
【請求項３】
前記樹脂層の反射面が、楕円面形状からなることを特徴とする請求項１に記載のレプリカ光学素子。
【請求項４】
凹状の非球面を有するマスター基板と、トロイダル形状からなる凸状の転写面を有するネガ基板との間に、樹脂層を形成して硬化させることにより、前記マスター基板の凹状の非球面を凹凸反転させた凸状の非球面を有する樹脂層を前記ネガ基板の転写面に転写させる第１転写ステップと、
前記ネガ基板と、トロイダル形状からなる凹状の転写面を有するレプリカ基板との間に、樹脂層を形成して硬化させることにより、前記ネガ基板に転写された樹脂層の凸状の非球面を凹凸反転させた凹状の非球面を有する樹脂層を前記レプリカ基板の転写面に転写させる第２転写ステップとを含むことを特徴とするレプリカ光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記レプリカ基板に転写された樹脂層の凹状の非球面が、放物面形状からなることを特徴とする請求項４に記載のレプリカ光学素子の製造方法。
【請求項６】
前記レプリカ基板に転写された樹脂層の凹状の非球面が、楕円面形状からなることを特徴とする請求項４に記載のレプリカ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、レプリカ基板の転写面に樹脂層を転写させることにより形成されたレプリカ光学素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、非球面の反射面を有する光学素子を容易かつ安価に製造する方法として、樹脂を用いたレプリカ法が知られている（例えば、下記特許文献１及び２参照）。このレプリカ法では、高精度に研磨加工された非球面を有するマスター基板を用いて、まず当該マスター基板とネガ基板との間に樹脂層を形成して硬化させることにより、マスター基板の非球面を凹凸反転させた非球面を有する樹脂層をネガ基板の転写面に転写させる。
【０００３】
その後、ネガ基板とレプリカ基板（製品基板）との間に樹脂層を形成して硬化させることにより、ネガ基板に転写された樹脂層の非球面を凹凸反転させた非球面を有する樹脂層をレプリカ基板の転写面に転写させる。このようにしてレプリカ基板に転写された樹脂層の非球面は、マスター基板の非球面とほぼ同じ形状となるため、上記作業を繰り返し行うことにより、多数のレプリカ光学素子を製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１２８１８１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３２６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ネガ基板及びレプリカ基板は、それらの転写面をマスター基板の非球面と同一形状からなる凸面又は凹面に形成することが最も理想的である。この場合、マスター基板とネガ基板の間に形成される樹脂層や、ネガ基板とレプリカ基板との間に形成される樹脂層は、厚みが均一になるため、硬化した樹脂層の厚みに誤差が生じにくい。その結果、最終的にレプリカ基板に転写された樹脂層の非球面と、マスター基板の非球面との誤差がより小さくなり、精度の高いレプリカ光学素子を製造することができる。
【０００６】
しかしながら、ネガ基板及びレプリカ基板の各転写面を、マスター基板の非球面と同一形状からなる凸面又は凹面に精度よく加工することは容易でなく、レプリカ光学素子を安価に製造することが困難である。そのため、ネガ基板及びレプリカ基板の各転写面は、より加工が容易な球面からなる凸面又は凹面に形成されるのが一般的である。
【０００７】
ところが、ネガ基板及びレプリカ基板の各転写面を球面とした場合には、マスター基板とネガ基板の間に形成される樹脂層、及び、ネガ基板とレプリカ基板との間に形成される樹脂層の厚みが、それぞれ不均一になることに起因して、硬化した樹脂層の厚みに誤差が生じやすい。その結果、精度よくレプリカ光学素子を製造することが難しいという問題がある。
【０００８】
特に、非球面として放物面形状などからなる反射面を形成し、入射角度の大きなレプリカ光学素子を製造する場合などには、球面からなるネガ基板及びレプリカ基板の各転写面との面形状の差異が大きくなる。この場合、硬化した樹脂層の厚みに生じる誤差がさらに大きくなるため、精度よくレプリカ光学素子を製造することがさらに難しくなる。
【０００９】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、容易かつ安価に製造することができる高精度なレプリカ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】
【００１０】
本発明に係るレプリカ光学素子は、トロイダル形状からなる凹状の転写面を有するレプリカ基板と、前記レプリカ基板の転写面上に転写され、転写面側とは反対側に非球面からなる凹状の反射面が形成された樹脂層とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、レプリカ基板の転写面が、球面ではなくトロイダル形状からなる凹状の転写面であるため、非球面を有するマスター基板を用いてレプリカ光学素子を製造する場合に、転写面が球面である場合と比較して、樹脂層の厚みをより均一にすることが可能である。これにより、レプリカ基板に転写された樹脂層の非球面（反射面）と、マスター基板の非球面との誤差をより小さくすることができる。
【００１２】
ここで、トロイダル形状は、例えばメガネのレンズ形状などにも使用されており、専用の加工機も容易に入手できることから、トロイダル形状への加工は容易かつ安価に行うことができる。このように、容易かつ安価に加工が可能なトロイダル形状をレプリカ基板の転写面に採用することにより、容易かつ安価に製造することができる高精度なレプリカ光学素子を提供することができる。
【００１３】
前記樹脂層の反射面は、放物面形状からなるものであってもよい。
【００１４】
このような構成によれば、樹脂層の反射面が、トロイダル形状に比較的近似した放物面形状であるため、転写面が球面である場合と比較して、樹脂層の厚みをより均一にすることができる。また、樹脂層の反射面を放物面形状とすることにより、入射角度を大きく設定することができる。したがって、入射角度が大きく、容易かつ安価に製造することができる高精度なレプリカ光学素子を提供することができる。
【００１５】
また、前記樹脂層の反射面は、楕円面形状からなるものであってもよい。
【００１６】
このような構成によれば、樹脂層の反射面が、トロイダル形状に比較的近似した楕円面形状であるため、転写面が球面である場合と比較して、樹脂層の厚みをより均一にすることができる。また、樹脂層の反射面を楕円面形状とすることにより、入射角度を大きく設定することができる。したがって、入射角度が大きく、容易かつ安価に製造することができる高精度なレプリカ光学素子を提供することができる。
【００１７】
本発明に係るレプリカ光学素子の製造方法は、凹状の非球面を有するマスター基板と、トロイダル形状からなる凸状の転写面を有するネガ基板との間に、樹脂層を形成して硬化させることにより、前記マスター基板の凹状の非球面を凹凸反転させた凸状の非球面を有する樹脂層を前記ネガ基板の転写面に転写させる第１転写ステップと、前記ネガ基板と、トロイダル形状からなる凹状の転写面を有するレプリカ基板との間に、樹脂層を形成して硬化させることにより、前記ネガ基板に転写された樹脂層の凸状の非球面を凹凸反転させた凹状の非球面を有する樹脂層を前記レプリカ基板の転写面に転写させる第２転写ステップとを含むことを特徴とする。
【００１８】
前記レプリカ基板に転写された樹脂層の凹状の非球面は、放物面形状からなるものであってもよい。
【００１９】
また、前記レプリカ基板に転写された樹脂層の凹状の非球面は、楕円面形状からなるものであってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、容易かつ安価に加工が可能なトロイダル形状をレプリカ基板の転写面に採用して、樹脂層の厚みをより均一にすることができるため、容易かつ安価に製造することができる高精度なレプリカ光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るレプリカ光学素子の製造方法について説明するための図であり、マスター基板を用いてネガ基板に樹脂層を転写させる際の態様を示している。
【図２】本発明の一実施形態に係るレプリカ光学素子の製造方法について説明するための図であり、ネガ基板を用いてレプリカ基板に樹脂層を転写させる際の態様を示している。
【図３】レプリカ光学素子に平行光を入射させた場合の態様を示した図である。
【図４】レプリカ基板の転写面を形成する際の態様について説明するための図である。
【図５】図４に示すような態様で形成したレプリカ基板のトロイダル形状の転写面と、製造しようとするレプリカ光学素子の放物面形状の非球面との形状差を示した図である。
【図６】レプリカ基板の転写面を球面形状とした場合における当該転写面と、製造しようとするレプリカ光学素子の放物面形状の非球面との形状差を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下では、レプリカ光学素子の製造方法の一例について説明する。レプリカ光学素子を製造する際には、マスター基板が母型として用いられ、当該マスター基板を用いてネガ基板に樹脂層を転写させた後、そのネガ基板を用いてレプリカ基板に樹脂層を転写させることにより、レプリカ光学素子を製造することができる。
【００２３】
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係るレプリカ光学素子１００の製造方法について説明するための図である。図１は、マスター基板１を用いてネガ基板２に樹脂層を転写させる際の態様を示している（第１転写ステップ）。また、図２は、ネガ基板２を用いてレプリカ基板３に樹脂層を転写させる際の態様を示している（第２転写ステップ）。
【００２４】
マスター基板１は、例えば放物面形状からなる凹状の非球面１１を有している。マスター基板１の非球面１１は、高精度に研磨加工することにより形成されている。一方、ネガ基板２は、トロイダル形状からなる凸状の転写面２１を有しており、レプリカ基板３は、トロイダル形状からなる凹状の転写面３１を有している。
【００２５】
ここで、放物面形状とは、断面形状が放物線に沿って延びるような非球面である。また、トロイダル形状とは、直交する２軸を中心とする曲率半径がそれぞれ異なる非球面であり、反射面の場合には、点光源からの光を１つの焦点に集光することができるような非球面である。
【００２６】
図１に示す第１転写ステップでは、まず、マスター基板１の非球面１１に対して均一に剥離剤が塗布されることにより剥離層１２が形成される（図１（ａ）参照）。そして、マスター基板１上の剥離層１２とネガ基板２の転写面２１との間に樹脂を挟み込むことにより樹脂層２２を形成し、熱又は光などを用いて樹脂層２２を硬化させる（図１（ｂ）参照）。
【００２７】
その後、マスター基板１とネガ基板２とを互いに離間させることにより、剥離層１２において樹脂層２２を剥離させる（図１（ｃ）参照）。これにより、マスター基板１の凹状の非球面１１を凹凸反転させた凸状の非球面２３を有する樹脂層２２が、ネガ基板２の転写面２１に転写される。
【００２８】
次に、図２に示す第２転写ステップでは、ネガ基板２の非球面２３に対して均一に剥離剤が塗布されることにより剥離層２４が形成される（図２（ａ）参照）。そして、ネガ基板２上の剥離層２４とレプリカ基板３の転写面３１との間に樹脂を挟み込むことにより樹脂層３２を形成し、熱又は光などを用いて樹脂層３２を硬化させる（図２（ｂ）参照）。
【００２９】
その後、ネガ基板２とレプリカ基板３とを互いに離間させることにより、剥離層２４において樹脂層３２を剥離させる（図２（ｃ）参照）。これにより、ネガ基板２に転写された樹脂層２２の凸状の非球面２３を凹凸反転させた凹状の非球面３３を有する樹脂層３２が、レプリカ基板３の転写面３１に転写される。
【００３０】
このような作業により、レプリカ基板３の転写面３１上に転写された樹脂層３２が、転写面３１側とは反対側に非球面３３からなる反射面を有するレプリカ光学素子１００を製造することができる。この例では、反射面としての非球面３３が放物面形状からなるため、製造されたレプリカ光学素子１００が、平行光を１つの焦点に集光することができるような軸外し放物面鏡として機能することとなる。
【００３１】
図３は、レプリカ光学素子１００に平行光を入射させた場合の態様を示した図である。この図３に示すように、レプリカ光学素子１００の反射面である非球面３３に平行光を入射させた場合には、入射角度θで平行光を焦点Ｐに集光させることができる。ここで、入射角度とは、反射面（非球面３３）に対する入射光と反射光との光軸がなす角度を２等分した角度である。
【００３２】
この例では、レプリカ光学素子１００の反射面である非球面３３が放物面形状からなるため、入射角度θを比較的大きな角度（例えば４５°）に設定することができる。入射角度θ、及び、反射面（非球面３３）から焦点Ｐまでの光軸上の距離Ｌは、それぞれ反射面の放物面形状に応じて異なる値となる。ネガ基板２及びレプリカ基板３を形成する際には、製造しようとするレプリカ光学素子１００の反射面の放物面形状にできるだけ近似したトロイダル形状で、ネガ基板２の凸状の転写面２１、及び、レプリカ基板３の凹状の転写面３１を形成することが好ましい。
【００３３】
図４は、レプリカ基板３の転写面３１を形成する際の態様について説明するための図である。レプリカ基板３の転写面３１は凹状のトロイダル形状からなるが、例えばトロイダルミラーに例示されるように、トロイダル形状は、通常、点光源からの光を１つの焦点に集光するための反射面に用いられる。本実施形態では、このようなトロイダル形状が、平行光を１つの焦点に集光するためのレプリカ光学素子１００の基板に用いられている点を特徴としている。
【００３４】
ここでは、製造しようとするレプリカ光学素子１００が、図３に示したように入射角度θ、及び、反射面（非球面３３）から焦点Ｐまでの光軸上の距離Ｌで、平行光を焦点Ｐに集光するものである場合について考える。この場合、レプリカ基板３の転写面３１が反射面であると仮定して、図４（ａ）に示すように、点光源Ｐ１からの光を入射角度θ、及び、反射面（転写面３１）から焦点Ｐ２までの光軸上の距離２Ｌで反射させることができるようなトロイダル形状で、レプリカ基板３の転写面３１を形成すればよい。
【００３５】
このようなトロイダル形状でレプリカ基板３の転写面３１を形成すれば、当該転写面３１が反射面であると仮定して、図４（ｂ）に示すように平行光を反射面（転写面３１）に入射させた場合に、入射角度θ、及び、反射面（転写面３１）から焦点Ｐまでの光軸上の距離Ｌで反射させることができるようなトロイダル形状とすることができる。このようなトロイダル形状の転写面３１は、製造しようとするレプリカ光学素子１００の放物面形状の反射面（非球面３３）と近似した形状となる。
【００３６】
図５は、図４に示すような態様で形成したレプリカ基板３のトロイダル形状の転写面３１と、製造しようとするレプリカ光学素子１００の放物面形状の非球面３３との形状差を示した図である。
【００３７】
この例では、入射角度θが４５°、反射面（非球面３３）から焦点Ｐまでの光軸上の距離Ｌが２００ｍｍとなるような放物面形状でレプリカ光学素子１００の非球面３３を形成する場合を想定し、入射角度θが４５°となる位置を中心とした３０ｍｍ×３０ｍｍの領域で、トロイダル形状の転写面３１と放物面形状の非球面３３との形状差をシュミレーションした。
【００３８】
その結果、図５に示すように、トロイダル形状の転写面３１と放物面形状の非球面３３との形状差は、最大で約２０μｍとなった。この程度の形状差であれば、レプリカ基板３の転写面３１上に転写される樹脂層３２の厚みはほぼ均一となり、硬化した樹脂層３２の厚みに誤差が生じにくい。
【００３９】
図６は、レプリカ基板３の転写面３１を球面形状とした場合における当該転写面３１と、製造しようとするレプリカ光学素子１００の放物面形状の非球面３３との形状差を示した図である。
【００４０】
この例では、図５の場合と同様に、入射角度θが４５°、反射面（非球面３３）から焦点Ｐまでの光軸上の距離Ｌが２００ｍｍとなるような放物面形状でレプリカ光学素子１００の非球面３３を形成する場合を想定し、入射角度θが４５°となる位置を中心とした３０ｍｍ×３０ｍｍの領域で、球面形状の転写面３１と放物面形状の非球面３３との形状差をシュミレーションした。
【００４１】
その結果、図６に示すように、球面形状の転写面３１と放物面形状の非球面３３との形状差は、最大で約０．２ｍｍにまで及んだ。この場合、レプリカ基板３の転写面３１上に転写される樹脂層３２の厚みを均一にすることができず、硬化した樹脂層３２の厚みに誤差が生じやすい。
【００４２】
以上のように、本実施形態では、レプリカ基板３の転写面３１が、球面ではなくトロイダル形状からなる凹状の転写面３１であるため、非球面１１を有するマスター基板１を用いてレプリカ光学素子１００を製造する場合に、転写面３１が球面である場合と比較して、樹脂層３２の厚みをより均一にすることが可能である。これにより、レプリカ基板３に転写された樹脂層３２の反射面（非球面３３）と、マスター基板１の非球面１１との誤差をより小さくすることができる。
【００４３】
ここで、トロイダル形状は、例えばメガネのレンズ形状などにも使用されており、専用の加工機も容易に入手できることから、トロイダル形状への加工は容易かつ安価に行うことができる。このように、容易かつ安価に加工が可能なトロイダル形状をレプリカ基板３の転写面３１に採用することにより、容易かつ安価に製造することができる高精度なレプリカ光学素子１００を提供することができる。
【００４４】
特に、本実施形態では、樹脂層３２の反射面（非球面３３）が、トロイダル形状に比較的近似した放物面形状であるため、転写面３１が球面である場合と比較して、樹脂層３２の厚みをより均一にすることができる。また、樹脂層３２の反射面（非球面３３）を放物面形状とすることにより、入射角度θを大きく設定することができる。したがって、入射角度θが大きく、容易かつ安価に製造することができる高精度なレプリカ光学素子１００を提供することができる。
【００４５】
従来のように転写面３１が球面の場合、高精度なレプリカ光学素子１００を製造するためには、樹脂層３２の反射面（非球面３３）を放物面形状とすることができず、入射角度θを最大で３０°程度に設定するのが限界であった。しかし、本実施形態のようにレプリカ基板３の転写面３１をトロイダル形状とすれば、樹脂層３２の反射面（非球面３３）を放物面形状とした高精度なレプリカ光学素子１００を製造することができ、その結果、入射角度θを例えば４５°まで設定することが可能になる。
【００４６】
このように、入射角度θを大きく設定することができれば、レプリカ光学素子１００に対して入射側及び反射側にそれぞれ配置される光学素子の配置の自由度が高くなる。これにより、当該レプリカ光学素子１００を適用する装置内に、効率よく光学素子を配置することができるため、装置をより小型化することができる。
【００４７】
本実施形態に係るレプリカ光学素子１００を適用する装置としては、分光器、レーザ集光器、干渉計、測定器、ビームコリメータ、ビームエキスパンダ、天体観測光学機器、スペクトルアナライザなどを例示することができるが、これらの装置に限らず、他の各種装置に当該レプリカ光学素子１００を適用することが可能である。
【００４８】
以上の実施形態では、樹脂層３２の反射面（非球面３３）が放物面形状からなる場合について説明した。しかし、このような構成に限らず、樹脂層３２の反射面（非球面３３）が楕円面形状からなるような構成とすることにより、レプリカ光学素子１００を軸外し楕円面鏡として機能させてもよい。ここで、楕円面形状とは、断面形状が楕円の円弧に沿って延びるような面である。
【００４９】
このような構成であっても、樹脂層３２の反射面（非球面３３）が、トロイダル形状に比較的近似した楕円面形状であるため、転写面３１が球面である場合と比較して、樹脂層３２の厚みをより均一にすることができる。また、樹脂層３２の反射面（非球面３３）を楕円面形状とすることにより、入射角度θを大きく設定することができる。したがって、入射角度θが大きく、容易かつ安価に製造することができる高精度なレプリカ光学素子１００を提供することができる。
【００５０】
以上の実施形態では、レプリカ基板３の転写面３１をトロイダル形状からなる凹状の転写面３１で形成する場合について具体的に説明したが、ネガ基板２の凸状の転写面２１は、上記のようなレプリカ基板３の凹状の転写面３１を凹凸反転させた形状で形成すればよい。
【符号の説明】
【００５１】
１    マスター基板
２    ネガ基板
３    レプリカ基板
１１    非球面
１２    剥離層
２１    転写面
２２    樹脂層
２３    非球面
２４    剥離層
３１    転写面
３２    樹脂層
３３    非球面
１００    レプリカ光学素子
Ｐ    焦点
θ    入射角度
【図１】
2015206875.tif 000003
【図２】
2015206875.tif 000004
【図３】
2015206875.tif 000005
【図４】
2015206875.tif 000006
【図５】
2015206875.tif 000007
【図６】
2015206875.tif 000008