(57)【要約】【課題】  金型に面する紫外線硬化型樹脂層の表面に微小な凹凸が発生することが少ない光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】  平板状の第１の金型１１の上に加熱軟化させたガラス材１２を載せ、その上方にレリーフパターンが形成された第２の金型１３を位置させた（ａ）。そして、これら２つの金型１１、１３でガラス材１２を挟んで加圧した（ｂ）。そして、ガラス材１２を冷却後、金型１１、１３から剥離すると、ガラス基板１２が形成された（ｃ）。その上に、紫外線硬化型樹脂を滴下した（ｄ）。そして、第３の金型１５とガラス基板１２で、紫外線硬化型樹脂層１４を挟んだ後、拡散板１７とガラス基板１２を通して紫外線を照射し、紫外線硬化型樹脂層１４を硬化させた（ｅ）。そして、第３の金型１５から剥離すると、ガラス基板１２と紫外線硬化型樹脂層１４とからなり、その境界面にレリーフパターンが形成された回折光学素子１６が完成した（ｆ）。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線硬化型樹脂を、第１の型と、透明な材料からなり、その表面に所定のパターンが形成されている第２の型との間に挟み、第２の型側から紫外線を照射して、前記紫外線硬化型樹脂を硬化させる工程を有する光学素子を製造する方法であって、前記紫外線を、拡散板を通して第２の型に照射することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
紫外線硬化型樹脂を、第１の型と、透明な材料からなり、その表面に所定のパターンが形成されている光学要素との間に挟み、当該光学要素側から紫外線を照射して、前記紫外線硬化型樹脂を硬化させる工程を有する、前記紫外線硬化型樹脂と前記光学要素とが密着したものを含む光学素子を製造する方法であって、前記紫外線を、拡散板を通して前記光学要素に照射することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記拡散板が、板の表面と裏面の少なくとも一方を荒らして製造されたものでないことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記拡散板の拡散角分布特性の半値全幅が２０°以上であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記拡散板が、ホログラフィックディフューザであることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の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、紫外線硬化型樹脂からなる光学素子であって、その表面に所定のパターンが形成されたもの、又は少なくとも一つの層として紫外線硬化型樹脂層を有し、当該紫外線硬化型樹脂層の面に所定のパターンが形成された光学素子を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回折格子、フレネルレンズ等、光学材料の表面又は界面に所定のパターンを形成し、これら表面、界面における回折を利用して所定の光学特性を持たせた光学素子は、既に周知のものとして広く使用されている。このような光学素子の材料として紫外線硬化型樹脂が単独で使用される場合もあるが、特に注目を集めているのが、２つの光学材料を密着させ、その界面に所定のパターンを形成した密着複層型回折光学素子である。このような密着複層型回折光学素子の例が、特開平９−１２７３２１号公報（特許文献１）に記載されている。
【０００３】
密着複層型回折光学素子は、使用波長の広帯域化が可能で、さらに格子と格子との位置合わせが容易であるという長所がある。密着複層型回折光学素子の少なくとも一つの光学材料として、紫外線硬化型樹脂が多用される。光学材料として樹脂を使用することは、光学素子の軽量化につながるばかりでなく、量産化が可能であり、コストが低減されるという効果をもたらす。さらに、紫外線硬化型樹脂を使用することにより、熱硬化型樹脂を使用する場合に比して熱源が不要となる等、低コスト化が図れる。
【０００４】
ガラスモールド法を使用して、前記所定のパターンを有する回折光学素子の製造方法の１例を図３に示す。まず、平板状の第１の金型１１の上に加熱軟化させたガラス材１２を載せ、その上方に所定のレリーフパターンが形成された第２の金型１３を位置させる（ａ）。そして、これら２つの金型１１、１３でガラス材１２を挟んで加圧する（ｂ）。そして、ガラス材１２を冷却後、金型１１、１３から剥離すると、下面が平面で上面にレリーフパターンが形成されたガラス基板１２が形成される（ｃ）。このような方法は一般に、ガラスモールド法と呼ばれている。
第２の金型１３にレリーフパターンを形成するためには、主として切削加工が用いられる。
【０００５】
次に、レリーフパターンが形成されたガラス基板１２の上面に、樹脂との接着性を良くするために、シランカップリング処理を施す。続いて、このガラス基板１２の上に、ディスペンサを使用して紫外線硬化型樹脂を滴下する（ｄ）。そして、第３の金型１５とガラス基板１２で、紫外線硬化型樹脂層１４を挟んだ後、ガラス基板１２を通して紫外線硬化型樹脂層１４に紫外線を照射し、紫外線硬化型樹脂層１４を硬化させる（ｅ）。そして、第３の金型１５から剥離すると、ガラス基板１２と紫外線硬化型樹脂層１４とからなり、その境界面にレリーフパターンが形成された回折光学素子１６が完成する（ｆ）。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１２７３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図３に示したような方法で回折光学素子１６を製造する場合に、第３の金型１５に面した紫外線硬化型樹脂層１４の表面に微小な凹凸が形成される場合があることが分かった。即ち、第３の金型１５の表面はフラットであるにもかかわらず、硬化後の紫外線硬化型樹脂層１４の表面に微小な凹凸が形成される。この凹凸の発生原因が、第３の金型１５と紫外線硬化型樹脂層１４の剥離性によるものではないことは、剥離後に、第３の金型１５の表面に樹脂の付着がないことから明らかである。
【０００８】
このような凹凸が紫外線硬化型樹脂層１４の表面に発生すると、回折光学素子１６の光学特性に影響を与えると言う問題点が発生する。同様の問題は、紫外線硬化型樹脂のみで形成された回折光学素子や、２層の樹脂層の界面にレリーフパターンを形成した密着複層型回折光学素子においても発生する。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、紫外線硬化型樹脂からなる光学素子であって、その表面に所定のパターンが形成されたもの、又は少なくとも一つの層として紫外線硬化型樹脂層を有し、当該紫外線硬化型樹脂層の面に所定のパターンが形成された光学素子を製造する際に、金型に面する紫外線硬化型樹脂層の表面に微小な凹凸が発生することが少ない光学素子の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための第１の手段は、紫外線硬化型樹脂を、第１の型と、透明な材料からなり、その表面に所定のパターンが形成されている第２の型との間に挟み、第２の型側から紫外線を照射して、前記紫外線硬化型樹脂を硬化させる工程を有する光学素子を製造する方法であって、前記紫外線を、拡散板を通して第２の型に照射することを特徴とする光学素子の製造方法（請求項１）である。
【００１１】
発明者が、前記微小な凹凸の発生原因について調査した結果、このような凹凸が発生するのは、表面に微細なパターンを有する光学要素（ガラスや樹脂）を通して紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射した場合のみであることを突き止めた。このことから、紫外線を照射する際、照射された紫外線が前記微細なパターンにより回折されたり散乱されたりして、紫外線硬化型樹脂層中での紫外線の強度分布に微細なムラが発生し、これにより、紫外線硬化型樹脂が硬化する際に、内部応力が発生し、紫外線硬化型樹脂が型から剥離されたとき、この内部応力により、微細な凹凸が発生すると推定した。
【００１２】
そこで、照射される紫外線が前記微細なパターンにより回折されたり散乱されたりしても、紫外線硬化型樹脂中で強度分布が均一になるような手段を講ずることととし、その方法として、拡散板を介して紫外線を第２の型に照射することにより、前記問題を解決した。
【００１３】
ここで、「拡散板」とは、入射する光を拡散させる性質を有するものをいう。
【００１４】
前記課題を解決するための第２の手段は、紫外線硬化型樹脂を、第１の型と、透明な材料からなり、その表面に所定のパターンが形成されている光学要素との間に挟み、当該光学要素側から紫外線を照射して、前記紫外線硬化型樹脂を硬化させる工程を有する、前記紫外線硬化型樹脂と前記光学要素とが密着したものを含む光学素子を製造する方法であって、前記紫外線を、拡散板を通して前記光学要素に照射することを特徴とする光学素子の製造方法（請求項２）である。
【００１５】
本手段は、前記第１の手段と同様の作用効果を奏する。
【００１６】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記拡散板が、板の表面と裏面の少なくとも一方を荒らして製造されたものでないことを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１７】
広い意味では、摺りガラス等の、板の表面と裏面の少なくとも一方を荒らして製造されたものも拡散板の一種であるが、発明者が実験した限りでは、このようなものは出射角が０°の成分（０次光）が非常に多く、かつ、表面を荒らして光を散乱させているだけなので、散乱角分布特性をコントロールできない。そのために効果としては十分な効果が得られない場合がある。このような方法以外の方法で製造された拡散板、すなわち、屈折、回折、干渉等を利用して、散乱角分布特性（ビーム光を入射したときに、散乱されて出射する光の出射方向と強度の関係を示した特性）を変化させるような拡散板は、散乱角分布特性をなだらかに変化させることができ、その分０次光の成分を小さくできるので、効果が大きくなる。さらに、散乱角分布特性をコントロール可能なものが容易に得られる。
【００１８】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第３の手段であって、前記拡散板の拡散角分布特性の半値全幅が２０°以上であることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００１９】
半値全幅とは、強度が、強度が最大のとき（通常出射角０°のとき）の強度の１／２になる角度の幅であり、一般的に用いられている意味と同じである。発明者等の実験の結果、拡散板の半値全幅が２０°以上となると、ほぼ確実に、紫外線硬化型樹脂の表面の微細な凹凸の度合いを実用上問題ない程度にすることができ、それ以上半値全幅を大きくしても効果はそれほど違わないことが分かった。これは、通常の回折格子やフレネルレンズ等を製造するためのパターンを対象とする場合、拡散板を通った拡散光の半値全幅が２０°以上あれば、紫外線硬化型樹脂中での光の強度ムラがほぼ解消されるためであると考えられる。
【００２０】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第３の手段又は第４の手段であって、前記拡散板が、ホログラフィックディフューザであることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００２１】
ホログラフィックディフューザは、基板表面に施された特殊ホログラムパターンにより光の拡散角度を任意の角度に設定できるものであり、光の透過効率も高い。又、散乱角分布特性は、ほぼガウス分布に近いので、前記第１の手段から第４の手段に用いるのに好適である。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、紫外線硬化型樹脂からなる光学素子であって、その表面に所定のパターンが形成されたもの、又は少なくとも一つの層として紫外線硬化型樹脂層を有し、当該紫外線硬化型樹脂層の面に所定のパターンが形成されたものを製造する際に、金型に面する紫外線硬化型樹脂層の表面に微小な凹凸が発生することが少ない光学素子の製造方法を提供することができる。
【実施例】
【００２３】
（実施例）
ガラスと紫外線硬化型樹脂との２層構造からなり、両者の界面に回折格子が形成されている光学素子を製造した。使用したガラスは外径６０mmのＰＳＫ６０であり、紫外線硬化型樹脂は、多官能メタクリレートとウレタンアクリレートからなるものを使用した。回折格子の形状は同心円状とし、格子高１６μｍであり、格子ピッチは中心付近で２mm、外周付近で0.12mmとし、周辺に行くにつれてピッチが狭くなるような形状のものとした。
【００２４】
図１に、このような光学素子の製造方法を示す。まず、平板状の第１の金型１１の上に加熱軟化させたガラス材１２を載せ、その上方にレリーフパターンが形成された第２の金型１３を位置させた（ａ）。そして、これら２つの金型１１、１３でガラス材１２を挟んで加圧した（ｂ）。そして、ガラス材１２を冷却後、金型１１、１３から剥離すると、下面が平面で上面にレリーフパターンが形成されたガラス基板１２が形成された（ｃ）。成型条件は、成型温度420℃、圧力500kgf／cm２とし、プレス圧力を370℃で停止した。
【００２５】
次にガラス基板１２の上面に、樹脂との接着性を良くするために、シランカップリング処理を施した。続いて、このガラス基板１２の上に、ディスペンサを使用して紫外線硬化型樹脂を滴下した（ｄ）。以上の工程は、図３に示した従来の方法と同じである。
【００２６】
そして、第３の金型１５とガラス基板１２で、紫外線硬化型樹脂層１４を挟んだ後、拡散板１７とガラス基板１２を通して紫外線硬化型樹脂層１４に紫外線を照射し、紫外線硬化型樹脂層１４を硬化させた（ｅ）。そして、第３の金型１５から剥離すると、ガラス基板１２と紫外線硬化型樹脂層１４とからなり、その境界面にレリーフパターンが形成された回折光学素子１６が完成した（ｆ）。
【００２７】
拡散板１７として、Physical Optics Corporation社製ＬＳＤ２０ＵＶＴＡＣ３０−４（拡散角（半値全幅）２０°、商品名）と、ＬＳＤ４０ＵＶＴＡＣ３０−４（拡散角（半値全幅）４０°、商品名）と、摺りガラスを使用した。その結果得られた紫外線硬化型樹脂の表面の凹凸（peak to peak）と得られた光学素子の回折効率を表１に示す。
【００２８】
【表１】
2005173057.tif 000003
【００２９】
（比較例）
実施例と同じ方法で光学素子を形成したが、ガラス基板１２に直接紫外線を照射した。その結果得られた紫外線硬化型樹脂の表面の凹凸（peak to peak）と得られた光学素子の回折効率を表２に示す。
【００３０】
【表２】
2005173057.tif 000004
【００３１】
表１と表２を比べると、実施例の方が紫外線硬化型樹脂の表面の凹凸が小さくなっており、回折効率も高くなっている。これに対し、実施例において、摺りガラスを用いた場合でも、直接照射を行ったときに比して、凹凸や回折効率が改善されてはいるが、その改善は、他の拡散板を使用した場合に対して小さい。この場合は、光学素子の精度が厳しかったので、実用上満足できる状態ではなかったが、光学素子の要求精度が高くない場合には、使用可能と推定される。
【００３２】
なお、拡散板としては、実施例に使用したものの他に、エドモンド・オプティクス・ジャパン株式会社製の、ホログラフィックディフューザを使用することができる。
【００３３】
また、紫外線硬化型樹脂のみからなり、表面に回折パターン等のパターンを有する光学素子を製造する場合には、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における金型１３を石英等の紫外線を透過する材料からなる型（紫外線透過型）に変え、ガラス基板１２を紫外線硬化型樹脂に変えて、紫外線透過型を通して紫外線を透過し、紫外線硬化型樹脂を硬化させて製造を行う場合がある。その際、拡散板を通して紫外線を照射することにより、実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
以上のような実施例の他、本発明は、異なる屈折率を有する樹脂同士の境界にパターンが形成された光学素子の製造にも応用することができる。その例を図２に示す。光学素子の一部をなすガラス基板１２の上に、第１の紫外線硬化型樹脂１８を載せ、レリーフパターンが形成された金型１９との間に挟んで加圧し、ガラス基板１２側から紫外線を照射することにより第１の紫外線硬化型樹脂１８を硬化させる（ａ）〜（ｂ）。図においては、紫外線の照射の図示を省略している。なお、この場合においても、紫外線を照射する際に、拡散板を介して照射することにより、拡散板を介さない場合に比して、第１の紫外線硬化型樹脂１８の表面性状を良くすることができる。しかし、拡散板を介することは、必須の条件ではない。なお、ガラス基板１２の、第１の紫外線硬化型樹脂１８側の部分には、予めシランカップリング剤を塗布し、第１の紫外線硬化型樹脂１８との接着性を良くするようにする。
【００３５】
その後、金型１９と第１の紫外線硬化型樹脂１８とを剥離することにより、ガラス基板１２と第１の紫外線硬化型樹脂１８とが接合した中間製品ができる（ｃ）。この中間製品の第１の紫外線硬化型樹脂１８表面にはレリーフパターンが形成されている。
【００３６】
そして、第２の紫外線硬化型樹脂２０をその上に載せ（ｄ）、金型２１との前記中間製品との間に挟んで加圧し、拡散板１７を通した紫外線を、ガラス基板１２側から照射し、第２の紫外線硬化型樹脂２０を硬化させる。その後、第２の紫外線硬化型樹脂２０を金型２１から剥離すると、ガラス基板１２、第１の紫外線硬化型樹脂１８、第２の紫外線硬化型樹脂２０からなり、第１の紫外線硬化型樹脂１８と第２の紫外線硬化型樹脂２０の間にレリーフパターンが形成された回折光学素子１６が完成する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例である光学素子の製造方法を示す図である。
【図２】本発明の応用例を示す図である。
【図３】従来の光学素子の製造方法の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１１…金型、１２…ガラス基板（ガラス材）、１３…金型、１４…紫外線硬化型樹脂層、１５…金型、１６…回折光学素子、１７…拡散板、１８…第１の紫外線硬化型樹脂、１９…金型、２０…第２の紫外線硬化型樹脂、２１…金型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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