(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学形状部を有する樹脂層を備えた光学素子の製造方法において、
前記樹脂層に転写するための微細形状を有する金型の表面に、ダミー基板により未硬化の光硬化性樹脂を押し付けることで、前記金型とダミー基板の間に前記光硬化性樹脂を押し広げ、押し付けたままの状態で前記光硬化性樹脂に光を照射することで前記光学形状部を含む１層目を成形し、成形後前記ダミー基板を取り除く第１工程と、
前記ダミー基板を取り除いた状態で、酸素含有雰囲気中で前記樹脂層の前記１層目に光を照射した後、無酸素雰囲気中又は真空中で前記１層目に光を照射し硬化させる第２工程と、
前記１層目の表面に、基板により前記光硬化樹脂と同じ未硬化の光硬化性樹脂を押し付けることで２層目を成形し、押し付けたままの状態で前記第２層に光を照射することで硬化させる第３工程と、
前記樹脂層の前記１層目及び前記２層目と前記基板とを一体として、前記金型から離型する第４工程と、を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１工程では、紫外線を除いた光を照射することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記ダミー基板は撥水処理を施されていることを特徴とする請求項１又は２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、金型の微細形状を転写させた樹脂層を有する複合型の光学素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ガラス基板上に光硬化性の樹脂などからなる樹脂層を型（金型）で成型加工する方法、いわゆるレプリカ成形技術が知られている。レプリカ成形技術は、まず所望の光学形状を有する型成形面上に光硬化性の樹脂を滴下し、その上から基板で押し広げる。次に、所望の形状になったところで、光を照射して光硬化性の樹脂を硬化させ、それを離型する。このようにして高転写成形が可能となり、高精度な光学素子を成形することができる。
【０００３】
しかし、レプリカ成形における問題点として、樹脂硬化中の硬化収縮による転写面の形状変形であるヒケがある。このヒケを回避する従来技術として、特許文献１に開示されたように、光学有効部外の型形状を工夫し、光学有効部に未硬化樹脂を供給する方法や、光学有効部外にヒケを発生させる方法が知られている。また、特許文献２、３、４では、所望の形状を多数層に分けて成形することにより、型成形面と反対側すなわち非成形面にヒケを発生させ精度の高い成形品を得る方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−９６３３８号公報
【特許文献２】特開２００５−１３１９号公報
【特許文献３】特開平６−２５４８６８号公報
【特許文献４】特開２００５−１４４７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された成形方法では、樹脂の流動性がなくなるにつれ、ヒケ回避の効果が薄くなり、抜本的な解決策ではない。また、特許文献２、３では、樹脂の塗布方法がスキージングや均一に塗布する方法がとられており、型が球面形状の場合、均一な層厚を制御することは困難である。
【０００６】
特許文献４では、樹脂を光硬化する際、撥水処理をした基板側の樹脂層のみ剥離させたあと基板を取り外すとしているが、基板に接している樹脂層は完全な自由表面となっておらず、ベース層厚が１０μｍ以下の薄層の場合、樹脂層の型側にも剥離が生じてしまう。このため、高水準な転写が得られない。
【０００７】
特に、回折光学素子でベース部の層厚と光学形状部の格子高さが同程度か、ベース層厚の方が薄い場合すなわち肉厚比が大きい場合は顕著である。
【０００８】
本発明は、肉厚比の大きい複合型の光学素子、例えば回折光学素子等を高精度に成形することのできる光学素子の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するために、本発明の光学素子の製造方法は、光学形状部を有する樹脂層を備えた光学素子の製造方法において、前記樹脂層に転写するための微細形状を有する金型の表面に、ダミー基板により未硬化の光硬化性樹脂を押し付けることで、前記金型とダミー基板の間に前記光硬化性樹脂を押し広げ、押し付けたままの状態で前記光硬化性樹脂に光を照射することで前記光学形状部を含む１層目を成形し、成形後前記ダミー基板を取り除く第１工程と、前記ダミー基板を取り除いた状態で、酸素含有雰囲気中で前記樹脂層の前記１層目に光を照射した後、無酸素雰囲気中又は真空中で前記１層目に光を照射し硬化させる第２工程と、前記１層目の表面に、基板により前記光硬化樹脂と同じ未硬化の光硬化性樹脂を押し付けることで２層目を成形し、押し付けたままの状態で前記第２層に光を照射することで硬化させる第３工程と、前記樹脂層の前記１層目及び前記２層目と前記基板とを一体として、前記金型から離型する第４工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
ダミー基板を取り除いて光学形状部を有する１層目を樹脂硬化させることで、金型と接している側の光学形状部におけるヒケの発生を抑制する。これによって、ベース層厚が光学形状部の格子高さと同程度かそれ以下の回折光学素子等の、肉厚比の大きな複合型の光学素子を、型転写面に形状変形を発生させることなく高精度に成形することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、一実施形態による光学素子の成形方法により成形された複合型の光学素子を示す。この光学素子は、基板（ガラス基板）１の上に、樹脂からなる最大厚Ｈａの回折格子部である光学形状部２ａと、ベース層厚Ｈｂのベース部２ｂとを有する樹脂層２を備えている。
【００１３】
図２は、本実施形態における光学素子の成形方法の各工程を示す図である。
【００１４】
まず、図２（ａ）に示すように、所望の微細形状を反転した金型１０を、精密切削加工機で作成する。このとき、光学有効部外の型外周部には土手を形成する。
【００１５】
次に、図２（ｂ）に示すように、ダミー基板１１の撥水処理面の中心に未硬化の樹脂である光硬化性の樹脂１２を適量滴下し、ダミー基板１１に付着させる。次に図２（ｃ）に示すように、ダミー基板１１を、金型１０とダミー基板１１の中心が合うように接触させ、光硬化性の樹脂１２に泡が入らないようにしながら押し付けて、樹脂１２を型全面に伸ばす。
【００１６】
樹脂１２を広げ終わった後には、荷重をかけたまま、紫外線を除いた光を照射する。これにより硬化収縮によるヒケを樹脂１２の一方の面に集中させて、樹脂層２の光学形状部２ａを含む１層目を成形する。その後、ダミー基板１１を取り除く。
【００１７】
次に図２（ｄ）及び（ｅ）に示すように、樹脂１２からなる１層目の上面が剥き出しになった状態で、光を照射する。まず、酸素含有雰囲気中で光を照射し、光硬化性の樹脂１２の酸素による硬化阻害を利用し、型と接している面の硬化を進める。また、空気と接している上面の硬化を阻害することで、ヒケを型と接していない上面に発生しやすくさせるために行う。ヒケを十分発生させた後、光学形状部２ａを含む１層目全体を樹脂硬化させるために、無酸素雰囲気中又は真空中で光を照射する。
【００１８】
次に図２（ｆ）に示すように、基板１のカップリング処理面に前述と同じ未硬化の樹脂である光硬化性の樹脂１３を適量滴下し、基板１に付着させる。次に、光学形状部２ａと基板１の中心が合うように接触させ、図２（ｇ）に示すように、基板１を加圧し樹脂１３に泡が入らないようにしながら全面に伸ばす。これにより樹脂層２の２層目を形成し、光を照射して樹脂硬化させ、樹脂層２のベース部２ｂを形成する。その後、金型１０を離型し、図２（ｈ）に示す成形品を得る。
【００１９】
なお、第１工程において用いるダミー基板１１は、樹脂１２からの取り外しを容易にするため、予め、金型１０の密着力より下げる必要があり、撥水処理などを行うことが望ましい。そのほかにも、フッ素樹脂シートなどを挟むことなどがある。
【００２０】
第１工程においては、急激な樹脂硬化を抑えるためと、層厚方向の不均一な硬化を抑えるために、ゆっくりと硬化させることが望ましい。
【００２１】
また、第１工程において、肉厚比の大きい光学素子を成形する場合は、ダミー基板１１のみを剥離させようとしても、肉厚比が大きいために型側でも樹脂剥離が起きてしまい、高精度な光学素子を得られない場合がある。
【００２２】
そこで、型側にもダミー基板側にも樹脂剥離が起きないように以下のことを行っている。
【００２３】
１つ目は、第１工程において急激な樹脂硬化を抑えるために、樹脂の光吸収の少ない長波長域（例えば可視光域のみ）の光を照射することや、弱照度の光を照射すること。２つ目は、第１工程において、図２（ｃ）に示すように、ダミー基板１１に荷重をかけながら光を照射することである。
【００２４】
第２工程における光照射は、まず、酸素による樹脂硬化阻害効果を活用し酸素含有雰囲気中で行うのが望ましい。その理由は金型１０に接している樹脂１２をより硬化させ、金型１０とは接していない側の自由表面側の硬化を遅らせるためである。
【００２５】
これにより、樹脂１２の自由表面側に硬化収縮によるヒケができる。その後、樹脂１２に十分なヒケが発生したら、全体を均一に硬化させるため、酸素を除去した無酸素雰囲気中又は真空中で光照射を行うのが望ましい。
【実施例】
【００２６】
図２に示す手順により、直径６０ｍｍの基板ガラス（基板）上に、ベース層厚５μｍ、格子高さ１２μｍの回折格子形状を有する回折光学素子を成形した。
【００２７】
まず、図２（ａ）のように所望の形状を反転した金型を、精密切削加工機で作成した。このとき、光学有効部外である型外周部に３μｍの土手を作っておく。
【００２８】
次に、基板ガラスを２枚準備し、１枚はダミー基板とするため、撥水処理を施し、もう１枚の基板ガラスは、カップリング処理を施す。このとき、ダミー基板には、フッ素系撥水処理剤をガラス面全体に塗り、１００℃で１時間加熱し乾かした。また、基板となる基板ガラスには、シラン系カップリング剤をガラス面全体に塗り、１００℃で１時間加熱し乾かした。
【００２９】
第１工程として図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、準備したダミー基板の撥水処理面の中心に光硬化性の樹脂を適量滴下した。次に、ダミー基板を反転させ、金型とダミー基板１１の中心が合うように接触させ、ダミー基板を加圧し樹脂に泡が入らないようにしながら型全面に伸ばした。これにより、ベース層厚がおおよそ３μｍになる。このとき、かけた荷重は、７００Ｎであった。樹脂を広げ終わった後、荷重をかけたまま、４００ｎｍシャープカットフィルターを用いて紫外線を除いた光を照射した。このときの照射条件は、８．４ｍＷ（４０５ｎｍ）で５１５秒である。
【００３０】
上記の照射条件は、硬化収縮によるヒケを樹脂の両面で発生させないために、樹脂層の１層目をゆっくりと硬化させるための条件である。その後、ダミー基板を取り除く。これにより、型側にもダミー基板側にも樹脂剥離が起きない。
【００３１】
第２工程として、図２（ｄ）及び（ｅ）に示すように、樹脂層の１層目の上面が剥き出しになった状態で、まず第１の照射として、光を、１３ｍＷ（４０５ｎｍ）で３３０秒照射後、１８ｍＷ（３６５ｎｍ）で２６分２１秒照射した。次に第２の照射として、窒素パージを行いながら、１２ｍＷ（４０５ｎｍ）で４分１８秒照射後、１６．５ｍＷ（３６５ｎｍ）で１１分２０秒照射した。第１の照射は、光硬化性の樹脂の酸素による硬化阻害を利用し、型と接している面の硬化を進め、空気と接している上面の硬化を阻害することで、ヒケを型と接していない上面に発生しやすくさせるために行った。また、第２の照射を、ヒケを十分発生させた後、樹脂全体を硬化させるために行った。
【００３２】
第３工程として、図２（ｆ）及び（ｇ）に示すように、光学素子の基板となる基板ガラスのカップリング処理面に第１工程と同じ光硬化性の樹脂を適量滴下し、基板ガラスを反転させ、光学形状部と基板ガラスの中心が合うように接触させた。そして、基板ガラスを加圧し樹脂に泡が入らないようにしながら全面に伸ばした。これにより、樹脂層の２層目を形成すると、全体のベース層厚がおおよそ５μｍになる。このとき、かけた荷重は、７００Ｎである。樹脂を広げ終わった後、荷重をかけたまま、光を１．５ｍＷ（３６５ｎｍ）で２８０秒照射後、９ｍＷ（３６５ｎｍ）で３４分５３秒照射して、樹脂硬化させ、１層目と基板に接着する。
【００３３】
照射後、第４工程として、１層目と２層目からなる樹脂層及び基板を一体として離型する。
【００３４】
このようにして得られた回折光学素子を非接触３次元表面形状測定機Ｎｅｗ  Ｖｉｅｗ５０００（ｚｙｇｏ社製）により評価した。本実施例における回折光学素子の格子高さの対型転写率は９９．９％であり、非常に良い転写性を示した。
【比較例】
【００３５】
比較例として、図３に示す従来例による方法で、格子高さ１２μｍの回折格子金型を用いて回折光学素子を成形した。
【００３６】
まず、図３（ａ）に示すように所望の形状を反転した金型１１０を、精密切削加工機で作成した。このとき、光学有効部外にはベース層厚を制御する土手はなく、金属のスペーサーで所望の層厚の回折光学素子形状を成形する。
【００３７】
今回、ベース層厚を１．２μｍ、５μｍ、１２μｍ、１５μｍの４通り設定した。
【００３８】
次に基板１０１に、シラン系カップリング剤をガラス面全体に塗り、１００℃で１時間加熱し乾かした。
【００３９】
基板１０１のカップリング処理面に、上記実施例と同じ光硬化性の樹脂１１２を適量滴下した。次に図３（ｂ）に示すように、基板１０１を反転させ、金型１１０と基板１０１の中心が合うように接触させ、基板１０１を加圧し樹脂１１２に泡が入らないようにしながら全面に伸ばして樹脂層１０２を形成した。その後、図３（ｃ）に示すように紫外光を１．５ｍＷ（３６５ｎｍ）で２８０秒照射し、照射後に金型１１０と樹脂層１０２との樹脂剥離を観察した。
【００４０】
その結果、ベース層厚が１．２μｍ、５μｍ、１２μｍのものは剥離が観察され、ベース層厚が１５μｍのものは、剥離はなかった。
【００４１】
このことから肉厚比、いわゆるベース層厚と光学形状部の最大厚（格子高さ）との比が０．１以上、１以下の回折光学素子に関しては、本発明を用いずに成形することは困難であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】一実施形態による光学素子の成形方法によって成形した光学素子の構成を示す模式図である。
【図２】一実施形態による光学素子の成形方法によって光学素子を成形する手順を示す図である。
【図３】従来の成形方法によって光学素子を成形する手順を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    基板
２    樹脂層
２ａ    光学形状部
２ｂ    ベース部
【図１】
0005349777.tif 000002
【図２】
0005349777.tif 000003
【図３】
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