(57)【要約】【課題】基材上に成形された樹脂からなる光学素子は生産性が高いという利点があるが、例えばその表面に無機材料からなる反射防止膜等を設ける場合、有機系ハードコート層を介在させることが必要であった。この層は均一に塗布するのは難しく、厚みにムラが発生することにより屈折率が不均一になるため、光学用途として使用するには問題点が多かった。本発明においては上記の有機系ハードコート層を不要とし、樹脂表面に直接、無機材料多層膜の形成を可能とする。【解決手段】本発明の光学素子は、成形された樹脂上に形成した多層膜内に発生する全応力を圧縮応力とする。とくにこの圧縮応力は、１２０Ｐａ・ｍ以下であることが望ましい。この応力は樹脂表面直上の膜の膜厚によって調整できる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、該基材上に密着し表面が所定の形状となるように成形された樹脂と、それを覆う多層膜とを有する光学素子において、前記多層膜内に発生する全応力が−５〜１２０Ｐａ・ｍ（負の値は引張応力、正の値は圧縮応力を示す）の範囲であることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記多層膜のうち、成形された樹脂表面直上の膜に発生する応力が圧縮応力であ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】
前記多層膜のうち、成形された樹脂表面直上の膜の膜厚は、１０〜１３００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記樹脂表面直上の膜はＳｉＯ２膜であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記樹脂表面直上の膜を除く多層膜は、ＳｉＯ２、Ｓｉ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＦ２よりなる群から選ばれた無機材料からなる少なくとも２層以上の積層膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項６】
前記成形された樹脂は、アクリル系、エポキシ系またはフッ素化エポキシ系の光硬化性樹脂が硬化したものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記樹脂の硬化後のガラス転移温度は１５０〜２５０℃の範囲であることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記成形された樹脂は、複数個のレンズが配置されたレンズアレイとして機能するような形状を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野等で使用される光学素子に関し、とくに成形された樹脂とそれを覆う多層膜を有する光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
樹脂からなる成形体は、軽量で加工が容易であること、また耐衝撃性に優れるなどの長所があり、広範囲に使用されている。しかし、硬度が不十分で傷がつきやすい、溶媒に侵されやすい、帯電してほこりを吸着する、耐熱性が不十分である等の欠点もあり、光通信や光情報処理の分野、あるいは眼鏡レンズ、カメラ用レンズ、プロジェクタ窓材等の光学分野に適用するには無機ガラス成形体に比べて実用上問題があると考えられてきた。
【０００３】
また、従来の無機物質からなる反射防止膜等はガラスに代表される無機物質上に成膜されるものであり、樹脂上へ直接無機材料からなる薄膜を成膜する技術は確立されているとは言えない。従来から用いられてきた技術では、樹脂上への成膜直後に外観不良が発生する場合が多かった。また、成膜直後に外観不良が見られない場合においても、温度サイクル試験などの耐久性試験の結果からみて十分な耐久性が得られているとは言えない状態であった。とくに樹脂マイクロレンズアレイのような複雑な形状の樹脂上に反射防止膜を形成した場合、耐久性が弱いためにクラックやしわが発生していた。
【０００４】
そこで最近では、有機系のハードコート層を樹脂成形体表面に塗布し、その上に無機材料薄膜を成膜する方法が提案されている。眼鏡レンズ等の反射防止膜について、例えば、ジアリルフタレートプレポリマ、ジアルキレングリコールビスアリルカーボネートプレポリマ、ビニル系化合物、有機ケイ素化合物、エポキシ化合物を原料とするハードコート層をプラスチックレンズ上に付着させた後、無機物質からなる反射防止膜を設けることが開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−９５０９０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし平坦な樹脂基板においてさえ、ハードコート層を均一に塗布するのは難しく、厚みにムラが発生することにより場所によって屈折率がばらつくため、光学用途として使用するには問題点が多い。さらに樹脂マイクロレンズアレイのように複雑な形状の表面にハードコート層を均一に塗布するのは極めて困難であった。
【０００７】
本発明はこのような従来の技術の問題点に着目してなされたもので、有機系ハードコート層を設けることなく、樹脂成形体上に直接、反射防止膜等の無機材料薄膜を成膜し、かつ十分な耐久性を確保した光学素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の光学素子は、基材と、この基材上に密着し表面が所定の形状となるように成形された樹脂と、それを覆う多層膜とを有するものであり、多層膜内に発生する全応力を−５〜１２０Ｐａ・ｍの範囲とする。ただし、負の応力値は引張応力、正の応力値は圧縮応力を示すものとする。
【０００９】
成形された樹脂表面に多層膜を成膜した場合に、多層膜に発生する応力が上記範囲の大きさである場合には、クラックやしわ等の光学薄膜として望ましくない欠点の発生を防止することができ、また温度の急激な変化等に対する耐候性も十分な光学素子が提供できる。
【００１０】
上記の多層膜のうち、成形された樹脂表面直上の膜に生じる応力が圧縮応力であることが好ましく、その膜厚は、１０〜１３００ｎｍの範囲であることが望ましい。
多層膜内に発生する全応力と上記の成形された樹脂表面直上の膜の膜厚とは一意的な関係を有しており、上記の膜厚範囲であれば、上記の多層膜内の応力値の範囲を得ることができる。
【００１１】
この樹脂表面直上の膜の材質は、ＳｉＯ２膜であることが好ましい。またその上層の多層膜は、ＳｉＯ２、Ｓｉ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＦ２よりなる群から選ばれた無機材料からなる少なくとも２層以上の積層膜であることが望ましい。
このような無機材料からなる多層膜を用いることにより、特性の優れた光学薄膜を提供することができる。
【００１２】
一方、成形された樹脂は、アクリル系、エポキシ系またはフッ素化エポキシ系の光硬化性樹脂が硬化したものであることが望ましく、その硬化後のガラス転移温度は１５０〜２５０℃の範囲であることが好ましい。
このような樹脂を用いることにより、レンズアレイ等の複雑な形状を有する光学素子を容易に成形によって形成することができ、かつその表面に無機材料からなる多層膜を形成するのに十分な耐熱性を確保できる。
【００１３】
成形された樹脂は、複数個のレンズが配置されたレンズアレイとして機能するような形状を提供するのに適する。ただし本発明は、レンズアレイ以外の形状を有する光学素子に対しても適用が可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。本発明の光学素子は透明な基材上に光硬化性樹脂を滴下し、成形型で押圧成形して光学素子として必要な基本的な形状を得る。成形後、光照射により樹脂を硬化させ、成形型から離型する。さらに成形硬化した樹脂表面に、反射防止膜として設計された多層膜を形成し、光学素子としての最終形態を得る。
【００１５】
つぎに具体的な実施形態として樹脂レンズアレイの作製について説明する。図１はレンズアレイの断面模式図である。
【００１６】
レンズに成形する樹脂としては表１に示すような特性をもつエポキシ系またはフッ素化エポキシ系の紫外線硬化性樹脂、Ａ〜Ｄの４種類を用いた。これら以外の例えばアクリル系樹脂等も使用が可能である。ただし、レンズアレイとして用いるため、硬化後に透明な樹脂であることが必要である。これらの樹脂をそれぞれ基材として用いる石英ガラス基板１上に滴下した後、レンズアレイ成形型（スタンパ）を押し当てる。その後、紫外線照射により樹脂を硬化させ、離型して、レンズアレイ形状の成形体２を得た。作製したレンズアレイ１０は外径２５０μｍ、高さ２０μｍのレンズ素子が複数個配置されたものである。
【００１７】
上記４種類の成形した樹脂層の表面に、５層構成の多層膜４を形成する。樹脂層表面に形成する最下層膜３としてＳｉＯ２を用い、膜厚を２ｎｍ〜２２００ｎｍの範囲で変化させた。その上にＴｉＯ２／ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２またはＴａ２Ｏ５／ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２の４層を成膜した。成膜には蒸着法を用いた。成膜後のクラック発生の有無を外観観察により確認した。
【００１８】
なお、多層膜の材質は上記に限られない。上記のＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５の他、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＭｇＦ２等の無機材料多層膜を用いることにより、光学的に安定でかつ耐久性の高い反射防止膜を形成できる。上記のＴｉＯ２／ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２の組合せの他、高屈折率材料／低屈折率材料の組合せとしては、ＺｒＯ２／ＳｉＯ２あるいはＴｉＯ２／ＭｇＦ２等の２層膜あるいはそれ以上の多層膜を用いてもよい。
【００１９】
各層の膜厚や材料は、使用波長、戻り光反射減衰量等の要求仕様により設計するのが望ましい。単層の膜厚は、通常１〜６００ｎｍであることが望ましく、より好ましくは１０〜４００ｎｍである。とくに膜中に直径１０ｎｍ以上の粒塊または柱状構造のないことが好ましい。
成膜手段もとくに限定されない。本実施例の蒸着法の他、スパッタリング法等も用いることができる。
【００２０】
なお、基材はガラス、セラミックス、金属および樹脂から選ばれた少なくとも一種であることが望ましい。基材を適切に選ぶことは、膜の成形過程において基板と膜が界面で剥離もしくは膜に亀裂を生じるのを防ぐのに効果がある。
また本発明における基材は、所定の波長の光を透過するように選定することが望ましい。これにより光重合により組成物を硬化させる場合に基材を通して光を照射することが可能となる。また形成された光学素子が透過型光学素子として機能を発揮することができる。
【００２１】
上記多層膜の成膜と同時に直径３０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍの石英ガラス基板にも成膜を行い、ニュートンリング法を用いて多層膜に発生した全応力の測定を行った。多層膜に発生する応力は図２に示すように、最下層の膜厚によって一意的に決まることがわかる。換言すれば多層膜に発生する応力は最下層の膜厚によって調整が可能である。
【００２２】
作製した樹脂レンズアレイの耐候性を評価するため、温度範囲−４０℃〜８５℃、湿度８５％で２０サイクルの温度サイクル試験を行った。試験後に外観観察によってクラック発生等の有無を確認した。
【００２３】
図３は外観観察の良否結果を、多層膜に発生した全応力を縦軸に、樹脂のガラス転移温度Ｔｇ（℃）を横軸にとって整理したものである。用いた樹脂のガラス転移温度は表１に示すように１６０〜２３０℃の範囲である。この図から、多層膜に発生した全応力が−５〜１２０Ｐａ・ｍの範囲であれば温度サイクル試験後にクラック等の外観不良が発生しないことがわかる。これは最下層のＳｉＯ２層の膜厚が１０〜１３００ｎｍの範囲に相当し、最下層には圧縮応力が生じる範囲に相当する。
【００２４】
なお、図３に示すように全応力が１２０〜１７０Ｐａ・ｍの圧縮応力の範囲（最下層の膜厚が１３００〜１７００ｎｍの範囲）および−５Ｐａ・ｍを僅かに越える引張応力の範囲（最下層膜厚が５〜１０ｎｍの範囲）では成膜直後には外観不良は観察されなかったが、温度サイクル試験によってクラック等の外観不良が発生した。温度変化の条件が厳しくなければ、この範囲まで使用が可能である。
【００２５】
以上より、多層膜のうち、成形された樹脂表面直上の膜の膜厚を１０〜１３００ｎｍの範囲とし、この層内の応力が圧縮応力となるようにすることが必要である。このとき、多層膜内に発生する全応力を−５〜１２０Ｐａ・ｍの範囲とすれば、急激な温度変化に対する耐候性が十分な反射防止膜付き樹脂レンズアレイが形成できると結論できる。
【００２６】
なお、使用する樹脂は本実施例に例示したものに限られない。アクリル系、エポキシ系またはフッ素化エポキシ系の光硬化性樹脂が使用できる。ただし、ガラス転移温度が２５０℃以上の樹脂は通常入手できないので、上記関係が確認できるガラス転移温度の上限は現状では約２５０℃である。また、蒸着法による場合、成膜時の輻射熱は避けらず、基板の加熱を行わない場合でも樹脂表面の温度は８０℃〜１５０℃前後に達する場合もある。したがって、用いる樹脂のガラス転移温度は１５０℃以上であることが望ましい。
【００２７】
以上はレンズアレイの例について説明したが、本発明はこれ以外の光学素子にも適用できる。例えば、透過型回折格子やフレネルレンズなどの微細な凹凸形状を有する光学素子などへの適用が可能である。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、複雑な形状に成形されて樹脂表面への無機材料多層膜の形成が、有機系のハードコート等の前処理を必要とせず、連続した成膜工程で可能となる。これにより多層膜成膜時のクラック発生等が少なく、かつ耐久性に優れた樹脂成形による光学素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である樹脂レンズアレイの断面模式図である。
【図２】多層膜の最下層の膜厚と多層膜に発生する全応力の関係を示す図である。
【図３】多層膜に発生する全応力と外観不良発生の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  ガラス基板
２  成形体
３  多層膜最下層
４  多層膜
１０  レンズアレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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