(57)【要約】【課題】微細な錐形状の凹凸の周期構造を成形するに際して、金型からの転写が良好で、反射特性に優れた反射防止光学部材と該反射防止光学部材の製造方法を提供する。【解決手段】サブ波長の周期の微細な凹凸構造により形成された反射防止面を備える光学部材で、前記の凹凸構造が、サブ波長の周期で密に設けられた多数の微細な錐形状の凹部２１によって形成されている。前記の錐形状は多角錐形状とされ、好ましくは４角錐形状とされる。また、他の錐形状として円錐形状としてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブ波長の周期の微細な凹凸構造により形成された反射防止面を備える光学部材であって、
前記凹凸構造は、サブ波長の周期で密に設けられた多数の微細な錐形状の凹部によって形成されていることを特徴とする反射防止光学部材。
【請求項２】
前記錐形状は、多角錐形状であることを特徴とする請求項１に記載の反射防止光学部材。
【請求項３】
前記多角錐形状は、４角錐形状であることを特徴とする請求項２に記載の反射防止光学部材。
【請求項４】
前記錐形状は、円錐形状であることを特徴とする請求項１に記載の反射防止光学部材。
【請求項５】
成形金型を用いて、サブ波長の周期の微細な凹凸構造を表面に備えて反射防止面とされる光学部材を成形する方法であって、
前記成形金型は、密に設けられたサブ波長の周期の多数の錐形状の凸部を備えており、前記凸部が転写されることによって前記光学部材の表面にサブ波長の周期の多数の錐形状の凹部を形成することを特徴とする反射防止光学部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透光性基材の表面に、反射防止用の微細な凹凸構造が形成された反射防止部材、及び、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の微細加工技術の進歩により、透光性基材からなる光学部材に対して、使用波長よりサブ波長の周期の微細な凹凸構造（数百ナノメートル）の形成が可能となり、この微細な凹凸構造を用いて光学装置における表面反射を抑制できることが知られている。
例えば、特許文献１には、図５（Ａ）に模式的に示すように、反射型液晶装置の面光源に、錐形状の微細な連続パターンからなる反射防止用の凹凸面を形成した導光板が開示されている。
【０００３】
この装置は、反射型液晶手段１側に、フロントライトとして照明装置２が配置される。この照明装置２は、線状光源３、導光板４を備え、視認性を高めるために導光板４の裏面に微細な凹凸面からなる反射防止面５が形成されている。導光板４の一端側から入射された光は、導光板４の表面側に形成された反射面６で反射されて反射型液晶表示手段１に与えられる。次いで、反射型液晶表示手段１にて、光変調され、反射された光は、導光板４の裏面の反射防止面５により反射を防止され、且つ回析されずに導光板４内に入射され、透光面７を透過して視認される。
【０００４】
反射防止面５は、図５（Ｂ）に示すように、透光性基材の導光板４の表面に、微細な錐形状（４角錐）の突起８が連続的に形成され、突起８のパターンピッチＰと突起８の高さＤとしたときの比Ｄ／Ｐをアスペクト比としている。このアスペクト比が、「１」より小さいと長波長側での反射率が上昇して反射による赤の干渉色が強くなり、「１」より大きいと反射率が小さくなるとともに反射による干渉色が無色になることが開示されている。
【０００５】
また、上記の微細な突起８による凹凸面を有する導光板４は、図５（Ｃ）に示すように、透光性の樹脂材９を上下の金型１０，１１により成形して形成される。下金型１１には、反射防止面５の突起８を連続成形するためのパターンが形成されている。この下金型１１側のパターンが正確に転写されない（突起８の山部と谷部の端部形状が鈍る）と、反射率が上昇するということも開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、図６（Ａ），（Ｂ）に示すような液晶ディスプレイ等による各種表示部の窓材等に用いられる反射防止物品が開示されている。この反射防止物品は、基材１２の表面に微細な凹凸１３を設けて成り、微細な凹凸１３の最凸部１３ａにおける周期をＰ、使用される可視光の最小波長をλｍとしたとき、Ｐ≦λｍとしている。また、微細凹凸１３の最凸部１３ａから最凹部１３ｂに行くにしたがって、基材１２の水平面内での断面積が連続的に漸次増加していくように形成することが開示されている。
【０００７】
この他、特許文献３には、図７に示すように、第１端子１５ａに発光素子１４の下面電極をボンディングして固定し、上面電極をワイヤボンディングで第２端子１５ｂに接続して搭載され、その外側を透明樹脂からなるレンズ１６で封止し、レンズ１６の所定領域の表面部分に反射防止用の微細構造１６ａを形成した発光ダイオードが開示されている。反射防止用の微細構造１６ａは、図５（Ｂ）で説明したのと同様な微細な錐形状の突起を連続的に形成した形状のものである。
【特許文献１】特開２００３−２７９７０５号公報
【特許文献２】特開２００３−２４０９０４号公報
【特許文献３】特開２００５−７９２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した図５〜図７に示したように、光学部材の表面に錐形状の突起をサブ波長の微細構造で連続的に形成することにより、光学部材を透過する波長の光が反射するのを防止することが可能とされている。しかしながら、反射防止用の微細な錐形状の突起は、通常、ガラスや半導体基材からなる金型を用いて成形される。このための金型としては、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、金型基材１７の所定の領域部分１７ａに錐形状の凹部１８を、微細パターンのエッチング等により形成している。
【０００９】
そして、上述の金型を用いて、透明樹脂１９を充填して錐形状の微細な突起を、所定の周期で密に連続成形する場合、図８（Ｃ）に示すように、金型基材に設けられた微細な錐形状の凹部１８の最深部に空気１８ａが残留して、空気の逃げを塞ぐ形となって樹脂１９が十分流れ込まずに、充填が不完全のままとなったりすることがある。このため、図５（引用文献１）でも開示されているように、金型からの転写率が悪くなり、所定の反射特性が得られないことがある。
【００１０】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、微細な錐形状の凹凸の周期構造を成形するに際して、金型からの転写が良好で、反射特性に優れた反射防止光学部材の提供と該反射防止光学部材の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による反射防止光学部材は、サブ波長の周期の微細な凹凸構造により形成された反射防止面を備える光学部材で、前記の凹凸構造は、サブ波長の周期で密に設けられた多数の微細な錐形状の凹部によって形成されている。前記の錐形状は多角錐形状とされ、好ましくは４角錐形状とされる。また、他の錐形状として円錐形状としてもよい。
また、本発明による反射防止光学部材の製造方法は、成形金型を用いて、サブ波長の周期の微細な凹凸構造を表面に備えて反射防止面とされる光学部材を成形する方法で、成形金型は、密に設けられたサブ波長の周期の多数の錐形状の凸部を備えており、前記の凸部を転写することによって光学部材の表面にサブ波長の周期の多数の錐形状の凹部を形成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、透光性樹脂等の基材表面にサブ波長の周期の微細な凹凸構造を成形するに際して、金型側の面に対して凸となる錐形状の多数の凸部を形成することで、凹となる底部分は金型面で互いに連通した状態となるため、樹脂の成形時に凹となる底部分に空気が残らないようにすることができる。この結果、金型の微細な凹凸構造を良好に転写させて、反射防止機能を向上させることができる。また、金型面に微細な錐形状の多数の凹部を形成するより、微細な錐形状の多数の凸部を形成する方が、製造上は容易であり金型作製のコストを低減することができる。
また、この反射防止用の凹凸構造を光モジュールの光学系に用いることにより、光学特性を向上させ、光モジュールの製造コストを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図により本発明の実施の形態を説明する。図１（Ａ）は本発明による金型成形により形成された透光性基材の表面上の凹凸構造の一例を示す図、図１（Ｂ）は他の凹凸構造の例を示す図、図１（Ｃ）は透光性基材の表面に垂直な方向に対する光の入射角とその反射率を示す図である。図中、２０は透光性基材の表面、２１は４角錐形状の凹部、２１ａは上部端、２１ｂは底部端、２２は円錐形状の凹部、を示す。
【００１４】
本発明の反射防止光学部材は、透光性の樹脂基材に、使用波長より小さいサブ波長の周期で多数の凹凸を連続的に密に形成した構造（以下、凹凸周期構造という）を設けて構成される。本発明においては、特に、この凹凸周期構造を、図１（Ａ）に示すように、透光性基材の表面２０から基材内に向けて錐形状（例えば、微細な４角錐形状）の凹部２１を、Ｘ方向とＹ方向に周期的に連続させて形成している。なお、この凹部２１のＸ方向の配列ピッチをＰｘ、Ｙ方向の配列ピッチをＰｙ、また、凹部２１の深さをＤｚとする。
【００１５】
Ｘ方向の配列ピッチＰｘとＹ方向の配列ピッチＰｙは、使用される波長領域の最小波長λminより小さい距離となるようにされる。なお、配列ピッチＰｘと配列ピッチＰｙは、同じであってもよく、波長領域の最小波長λminより小さければ異なっていてもよい。また、凹部２１の深さＤｚは、配列ピッチＰｘと配列ピッチＰｙよりは大きくなるように形成するのが望ましい。また、この凹部２１は、基材表面２０から内部に向けて次第に凹部断面が縮小される錐形状で形成される。
【００１６】
具体的な錐形状の凹部２１としては、図１（Ａ）に示すように４角錐形状とすることにより容易に実現することができるが、この他、３角錐形状、６角錐形状（ハニカム形状）、５角錐形状と６角錐形状の混合等の各種の多角錐形状で形成することができる。なお、これらの多角錐形状は、基材表面２０の上部端２１ａから底部端２１ｂまで、正確な多角錐形状を維持していなくてもよく、少なくとも基材表面２０側で形状が確保されていればよい。さらには、図１（Ｂ）に示すような円錐形状としてもよい。
【００１７】
上記の凹部２１による周期構造は、図５（Ｂ）で示した凸部の周期構造を反転させた形状となる。両者の凹凸周期構造の形状に関して、凸部側の形状で比べると、図５（Ｂ）では凸部頂部が４角錐頂点の点状となるのに対し、本発明の図１（Ａ）では、凸部頂部に相当する部位は線状の稜線となる。しかし、両者とも連続形成するピッチ（Ｐｘ，ＰｙとＰ）を使用する波長領域の最小波長λminより小さくすること、また、凸部の高さ（ＤｚとＤ）を、前記のピッチより大きくすることにより、同様な反射防止機能を持たせることが可能となる。
【００１８】
図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の微細な凹凸周期構造で、Ｐｘ＝Ｐｙ＝０.４λminとし、Ｄａ＝０.６λminとして、光の入射角（θｘ、θｙ）に対しての反射率（％）を測定したものである。なお、入射角θｘはＸ−Ｚ面に対して入射する角度であり、入射角θｙはＹ−Ｚ面に対して入射する角度である。ここでは、Ｐｘ＝Ｐｙとしているので、Ｘ方向、Ｙ方向での差はないものとして扱うこととする。なお実線は伝搬方向に電界成分をもたないＴＥモードによる反射率を示し、点線は伝搬方向に磁界成分を持たないＴＭモードによる反射率を示している。
【００１９】
図１（Ｃ）によれば、ＴＥモードとＴＭモードとも大きな差はなく、光の入射角（θｘ、θｙ）が４０度以下では、反射率を２０％以下に抑えることが可能となり、実際の使用において問題のない反射率とすることができる。この結果、従来の反射防止用の凹凸周期構造を成形面に対して凸形状で形成する代わりに、凹形状で形成しても、同程度の反射防止機能をもたせることができると言える。
【００２０】
図２は、上記の錐形状の凹部からなる微細な凹凸周期構造を、金型を用いて光モジュール部品に成形し、反射面とする例を示す図である。図中、２３は光素子、２４は回路基板、３０，３０ａ，３０ｂは上金型、３１は錐形状の凸部、３２は内壁面、３３は減圧用ダクト、３４は下金型、３５ａ，３５ｂは成形空間を示す。
【００２１】
光モジュール部品は、例えば、回路基板２４上に発光素子または受光素子などの光素子２３が搭載され、これを透光性の樹脂基材で封止するとともに、その樹脂表面の光学系路に微細な凹凸周期構造による反射防止面が形成されるものとする。透光性の樹脂基材を成形する金型は、例えば、図２（Ａ）に示すように、上金型３０と下金型３４とからなり回路基板２４を上下から挟むことにより、上下金型３０，３４との間に、樹脂が充填される成形空間３５ａ，３５ｂが形成される。また、上下金型３０，３４のいずれかの部分に、成形樹脂の注入口（図示せず）と減圧用ダクト３３が設けられる。
【００２２】
上金型３０の内壁面３２には、光学部材の光学的な系路となる部分に、反射防止用の微細な凹凸周期構造を成形するための錐形状の凸部３１が所定のピッチと高さで連続的に密に形成される。この凸部３１は、上金型３０の内壁面３２に対して凸となるように形成され、例えば、図５（Ｂ）で示したような、微細な４角錐形状の突起を周期的に並べた形状で形成することができる。そして、上下金型３０，３４の成形空間３５ａ，３５ｂを減圧して透光性の樹脂を充填すると、上記の微細な４角錐形状の凸部３１を成形樹脂に転写したときに、上述した図１（Ａ）に示すような微細な４角錐形状の凹部からなる凹凸周期構造が樹脂基材の上面に形成される。なお、樹脂の成形後、上金型３０は矢印で示すように上方向から取り外される。
【００２３】
図２（Ｂ）は、他の成形例を示し、光学部材の光素子２３の光学的な系路が、側面方向にある場合の例である。この場合、例えば、上金型は、上方向から取り外す上金型３０ａと、横方向から取り外す上金型３０ｂの２つの金型を組合わせて構成される。上金型３０ｂには、図２（Ａ）の場合と同様に、凸部３１がその内壁面３２に対して凸となるように、微細な４角錐形状の突起を連続的に並べた形状で形成される。これにより、成形された透光性の樹脂基材の側面に、微細な４角錐形状の凹部からなる凹凸周期構造が形成される。樹脂の成形後、上金型３０ａは矢印で示すように上方向から取り外され、上金型３０ｂは矢印で示す横方向から取り外される。
【００２４】
本発明は、上記したように、成形された透光性の樹脂基材の反射防止用の微細な凹凸周期構造を、樹脂基材側が凹部となるようにしているので、これを成形する金型側は、凸部で形成することができる。これにより、凸部の底部は金型の内壁面と同じ位置となるので、図８（Ｃ）で説明したような、凹部の最深部に空気が残留して、空気の逃げを塞ぐのを回避することができる。この結果、金型側の微細な凹凸周期構造を精度よく樹脂基材側に転写させることができ、反射特性の良好な光学部材が得られる。
【００２５】
金型の表面に微細な凹部を形成するには、微細なパターンによってエッチングするなどの手間とコストがかかるが、金型の表面に微細な錐形状の凸部を形成することは、最新の精密な機械加工技術によれば容易に行うことができる。例えば、微細な４角錐の凸部を連続的に密に形成する場合、金型の表面をある方向に研削して微小なＶ溝を複数形成した後、これと直交する方向に同様な微小なＶ溝を複数形成することによって、容易に微細な４角錐の凸部を所定のピッチで密に形成することができる。すなわち、凹凸周期構造を成形するための金型としては、壁面に凹部を形成するよりは、凸部を形成する方が容易であり、また、精度も高いものとすることができ、特にサブ波長の微細な凹凸周期構造に対しては、精度のよい金型を安価に形成することが可能となる。
【００２６】
図３は、光通信に用いられる光モジュールに、上述した反射防止用の微細な凹凸周期構造を適用する例を示す図である。図中、２５は光デバイス、２５ａはステム、２５ｂはリードピン、２５ｃはキャップ、２５ｄは透光窓部、２７はスリーブ、２７ａは集光レンズ、２７ｂは嵌合部、２７ｃはフェルール挿入部、２８はファイバフェルールを示す。その他の符号は、図１で用いたのと同じ符号を用いることにより説明を省略する。
【００２７】
光モジュールは、図３に示すように、例えば、光デバイス２５に光ファイバとの接続を形成するスリーブ２７を取付けて構成される。光デバイス２５は、同軸型のＣＡＮ型パッケージで形成され、外部回路への接続用のリードピン２５ｂを設けたステム２５に、半導体発光素子あるいは半導体受光素子等の光素子２３を搭載し、これに、透光窓部２５ｄを有するキャップ２５ｃで覆って形成される。
【００２８】
スリーブ２７は、例えば、光デバイス２５とに結合する嵌合部２７ｂと、光ファイバとの接続を形成するフェルール挿入部２７ｃと、光デバイス２５内の光素子２３とファイバフェルール２８との光結合を形成する集光レンズ２７ａを、透光性の樹脂で一体に成形して形成されるとする。光素子２３とファイバフェルール２８の先端との間で、信号光の光伝送が形成されるが、集光レンズ２７ａの表面で信号光の反射が生じないように、レンズ表面に反射防止構造が形成される。
【００２９】
集光レンズ２７ａの反射防止構造に、上述した微細な凹凸周期構造を用いることにより、信号光の反射を効率よく低減し、また、光モジュールを安価に製造することが可能となる。反射防止用の凹凸周期構造は、集光レンズ２７ａの所定の領域のレンズ表面からレンズ内に向けて、図１で説明した、例えば、微細な４角錐形状の凹部２１を周期的に連続形成してなる。また、この凹部２１の配列ピッチや深さは、図１（Ａ）で説明したのと同様に、光素子２３で信号光として用いられる波長より、小さいピッチで形成し、その深さを配列ピッチより大きくすることにより、反射防止機能をもたせることができる。
【００３０】
図４は、図３に示すスリーブ２７を金型を用いて成形する例を示す図である。図中、３６は上金型、３６ａは基部成形部、３６ｂは円筒成形部、３６ｃはレンズ成形部、３６ｄは樹脂充填口、３６ｅは減圧用ダクト、３７は錐形状の凸部、３８は下金型、３８ａは円筒成形部、３９ａ〜３９ｄを成形空間を示す。
【００３１】
スリーブを成形する金型は、図２で説明したのと同様に、上金型３６と下金型３８からなる。上金型３６は、スリーブの円柱状の基部を成形する基部成形部３６ａ、光デバイスの嵌合部２７ｂを成形する円筒成形部３６ｂ、集光レンズ２７ａを成形するレンズ成形部３６ｃ、透光性の樹脂基材を充填する樹脂充填口３６ｄ、金型内を真空引きして減圧するための減圧ダクト３６ｅを有している。また、下金型３８は、フェルール挿入部２７ｃを成形する円筒成形部３８ａを有している。
【００３２】
上金型３６のレンズ成形部３６ｃの所定領域の表面には、反射防止用の微細な凹凸周期構造を成形するための微細な錐形状の凸部３７が、所定のピッチと高さで形成される。この凸部３７は、上金型３６の凹状の内壁球面に対して凸となるように形成され、例えば、図５（Ｂ）で示したような、微細な４角錐形状の突起を球状の内壁面に周期的に並べたもので形成することができる。なお、この微細な錐形状の凸部３７は、レンズ成形部３６ｃの凹状球面に沿って形成されるため、領域の周縁側では、成形後の型抜きの際に、成形された凹部２１の形状が変形を受けないように、凸部側面の角度を考慮する必要がある。
【００３３】
上記のように構成された金型は、上金型３６と下金型３８とを閉じることにより、スリーブ２７に対応した形状の成形空間３９ａ〜３９ｄが形成される。金型内の空気を真空引きすることにより減圧して、上記の成形空間内に透光性の樹脂基材を樹脂充填口３６ｄから充填する。上記の微細な錐形状の凸部３７は、成形樹脂に転写されて、図３に示すように集光レンズ２７ａの所定領域に微細な錐形状の凹部２１を成形することができる。これにより、集光レンズ２７ａの成形と同時に、レンズ表面に、反射防止用の凹凸周期構造を形成することができ、安価な方法で反射防止機能をもたせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による反射防止光学部材の概略を説明する図である。
【図２】本発明による反射防止光学部材を成形する金型の構成例を示す図である。
【図３】光本発明による反射防止光学部材を光モジュールに適用した構成例を示す図である。
【図４】図３における反射防止光学部材の成形例を示す図である。
【図５】従来技術を説明する図である。
【図６】他の従来技術を説明する図である。
【図７】他の従来技術を説明する図である。
【図８】従来技術の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
【００３５】
２０…透光性基材の表面、２１…４角錐形状の凹部、２１ａ…上部端、２１ｂ…底部端、２２…円錐形状の凹部、２３…光素子、２４…回路基板、２５…光デバイス、２５ａ…ステム、２５ｂ…リードピン、２５ｃ…キャップ、２５ｄ…透光窓部、２７…スリーブ、２７ａ…集光レンズ、２７ｂ…嵌合部、２７ｃ…フェルール挿入部、２８…ファイバフェルール、３０、３０ａ，３０ｂ…上金型、３１…錐形状の凸部、３２…内壁面、３３…減圧用ダクト、３４…下金型、３５ａ，３５ｂ…成形空間、３６…上金型、３６ａ…基部成形部、３６ｂ…円筒成形部、３６ｃ…レンズ成形部、３６ｄ…樹脂充填口、３６ｅ…減圧用ダクト、３７…錐形状の凸部、３８…下金型、３８ａ…円筒成形部、３９ａ〜３９ｄ…成形空間。
【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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