JP7631722B2 - 光学素子および光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子および光照射装置に関する。

光学素子は、光と物質との相互作用により、様々な機能を発現する素子である。光の照射領域を変換するための光学素子として、例えば回折光学素子がある。回折光学素子は、Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ ＥｌｅｍｅｎｔまたはＤＯＥと呼ばれることもある。ＤＯＥの上面は、屈折率の異なる物質が交互に配置された光学領域を有する。光学領域は、一方の物質が空気である場合、他方の物質による凹凸により構成される。ＤＯＥに光が入射すると、凹部への入射光と凸部への入射光との間で光路差が生じるため、光が回折する。光の回折を利用することにより、光の照射領域を変換できる。

ＤＯＥ等の光学素子は、光源等と組み合わせることにより、光照射装置として使用される。光照射装置において、光学素子はホルダ等により光源から離した状態で保持される。光学素子とホルダとは接着剤等により固定される。光学素子に接着剤を塗布すると、凹凸等からなる光学領域へ接着剤が浸入するおそれがある。光学領域への接着剤の浸入により、光学素子が機能を喪失するという問題が発生しうる。

特許文献１において、ラインアンドスペース状のグレーティング・パターンの両端に接着剤溜め溝を形成することにより、グレーティング・パターンへの接着剤の浸入を抑制する光学素子が開示されている。特許文献１に記載の光学素子においては、接着剤溜め溝は単一の溝からなる。特許文献２において、レンズの外周に二重以上の液留め手段を設けることにより、レンズ側への接着剤の浸入を抑制する光学素子が開示されている。特許文献１および特許文献２いずれに記載の光学素子においても、接着剤の浸入を抑制するための構造は、グレーティング・パターンおよびレンズといった光学領域の外側に形成されている。

光学素子が小さくなるにつれて、特許文献１および特許文献２に記載の光学素子では、光学領域と光源とのアライメントマージンが不十分となっていく。光学領域と光源とのアライメントマージンが不十分である場合、光学領域の外側からの光漏れのリスクが高くなる。したがって、光学素子の上面の面積に対する光学領域の面積の割合は、可能な限り大きいことが望ましい。

特開２００２－１８２０２５号公報 特開２００９－２５１２４９号公報

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、光学領域への接着剤の浸入を抑制でき、かつ、光学素子の上面の面積に対する光学領域の面積の割合を大きくできる光学素子を提供することを目的とする。

第１の発明は、基材と、前記基材の少なくとも一の面の上に位置し、前記基材に面する側と反対側の面に凹凸からなる光学領域を有する、光学機能層と、前記凹凸の凹部に位置し、前記凹凸の凸部と連続した閉曲線を形成する、接着剤浸入抑制パターンと、を備え、
前記光学領域は、枠と、前記枠から内側に向かって０μｍより大きく１５０μｍより小さい距離の範囲を満たす領域である接着剤浸入抑制領域と、前記接着剤浸入抑制領域で囲まれる領域である中心領域と、を有し、前記閉曲線は、前記中心領域を囲むように前記接着剤浸入抑制領域に形成される、光学素子である。

第２の発明は、一の面に凹凸からなる光学領域を有する、光学機能基材と、前記凹凸の凹部に位置し、前記凹凸の凸部と連続した閉曲線を形成する、接着剤浸入抑制パターンと、を備え、前記光学領域は、枠と、前記枠から内側に向かって０μｍより大きく１５０μｍより小さい距離の範囲を満たす領域である接着剤浸入抑制領域と、前記接着剤浸入抑制領域で囲まれる領域である中心領域と、を有し、前記閉曲線は、前記中心領域を囲むように前記接着剤浸入抑制領域に形成される、光学素子である。

第３の発明は、前記接着剤浸入抑制パターンの上面は、前記凹凸の上面と同じ高さである、第１の発明または第２の発明に記載の光学素子である。

第４の発明は、前記閉曲線は、二重以上に形成される、第１の発明から第３の発明までのいずれかに記載の光学素子である。

第５の発明は、第４の発明に記載の光学素子において、入射光の波長に対する、互いに平行に向き合う２つの前記接着剤浸入抑制パターンのピッチの比率は、０．２以上２．０以下である、光学素子である。

第６の発明は、第４の発明に記載の光学素子において、入射光の波長に対する、互いに平行に向き合う２つの前記接着剤浸入抑制パターンのピッチの比率は、０．４以上１．４以下である、光学素子である。

第７の発明は、前記閉曲線は、不規則な形状である、第１の発明から第６の発明までのいずれかに記載の光学素子である。

第８の発明は、前記凹凸は、入射光の光軸から見て、前記凹部と前記凸部との境界が曲線を含むパターンを有する、第１の発明から第７の発明までのいずれかに記載の光学素子である。

第９の発明は、前記光学領域は、入射光を回折する機能を有する、第１の発明から第８の発明までのいずれかに記載の光学素子である。

第１０の発明は、前記接着剤浸入抑制パターンは、紫外線硬化性樹脂により構成される、第１の発明から第９の発明までのいずれかに記載の光学素子である。

第１１の発明は、第１の発明から第１０の発明までのいずれかに記載の光学素子を備えた、光照射装置である。

以上のように本発明によれば、光学領域への接着剤の浸入を抑制でき、かつ、光学素子の上面の面積に対する光学領域の面積の割合を大きくできる光学素子を提供できる。

図１は、光照射装置１の構成を示す図である。 図２は、光学素子１０による光の照射領域の変換について示す図である。 図３は、光学素子１０の構成を示す図である。 図４は、光学素子１０の別形態の構成を示す図である。 図５は、ｎレベルの凹凸５Ａからなる光学領域５のｚ方向における断面図である。 図６は、光学領域５における凹凸５Ａの構成を示す概念図である。 図７は、ＧＣＡ型の光学領域５の構成を示す概念図である。 図８は、接着剤浸入抑制パターン６の構成を示す図である。 図９は、規則的な形状の閉曲線Ｌの構成を示す図である。 図１０は、二重に形成された閉曲線Ｌの構成を示す図である。 図１１は、互いに平行に向き合う２つの接着剤浸入抑制パターン６のピッチＰを示す図である。 図１２は、インプリント法による光学素子１０の作製方法を示す図である。 図１３は、エッチングによる光学素子１０の作製方法を示す図である。 図１４は、光学領域５および接着剤浸入抑制パターン６の観察像を示す図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。なお、本明細書に添付する図面においては、図示および理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

また、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件ならびにそれらの程度を特定する、例えば「平行」、「直交」、「同一」等の用語、長さおよび角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲まで含めて解釈することとする。

光照射装置１は、照射領域が変換された光を照射する装置である。図１は、光照射装置１の構成を示す図である。図１に示すように、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸からなる三次元座標を定める。ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、それぞれ互いに直交する。図１（ａ）は、光照射装置１の上面図である。図１（ｂ）は、光照射装置１の底面図である。図１（ｃ）は、光照射装置１の側面図である。図１（ｄ）は、図１（ａ）中の矢印Ａ－Ａ’の位置で切断した光照射装置１の断面図である。図１に示すように、光照射装置１は、ホルダ２、光源３、接着剤４、光学素子１０を備える。

ホルダ２は、光学素子１０を光源３から離した状態で保持するための部材である。ホルダ２は、特に限定はしないが、例えば図１に示す形状であってもよい。ホルダ２の寸法について、例えば、上面および底面の外形は４×４ｍｍ、上面の開口は３×３ｍｍ、底面の開口は２×２ｍｍ、側面の外形は２×４ｍｍであってもよい。ホルダ２を構成する材料は、例えば、アクリル系やエポキシ系の樹脂、ガラス、金属、等であってもよい。

光源３は、光を発する装置である。光源３としては、特に限定はしないが、例えば、垂直共振器面発光レーザ等であってもよい。垂直共振器面発光レーザは、Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬａｓｅｒまたはＶＣＳＥＬと呼ばれることもある。ＶＣＳＥＬは、温度変化に対する特性変化が小さいため、安定した光を発することができる。光源３からの光としては、例えば、ピーク波長が８５０ｎｍや９４０ｎｍ等の近赤外光を用いてもよい。近赤外光は、人間の目に不可視であるため、人間の視界を妨害しない。また、近赤外光は、室内であれば使用する環境の外光に影響されにくい。

接着剤４は、光学素子１０をホルダ２に固定する部材である。例えば、光学素子１０とホルダ２の界面に接着剤４を塗布することにより、両者を接着する。接着剤４としては、特に限定はしないが、例えば、紫外線硬化接着剤、熱硬化接着剤、等を用いることができる。接着剤４として紫外線硬化接着剤、熱硬化接着剤、等を用いることにより、光照射装置１が安定して機能するために十分な接着力を発揮できる。

光学素子１０は、光と物質との相互作用により、様々な機能を発現する素子である。図２は、光学素子１０による光の照射領域の変換について示す図である。図２に示す変換前照射領域Ｓ１および変換後照射領域Ｓ２は、あくまで一例である。変換前照射領域Ｓ１は、例えば１つの円である。光３０が光学領域５を通過することにより、光３０の照射領域が変換される。変換後照射領域Ｓ２は、スクリーン７において、例えば９つの円とすることができる。光学領域５について光学設計を行うことにより、光の照射領域を自在に制御できる。

光学素子１０の構成について説明する。図３は、光学素子１０の構成を示す図である。図３（ａ）は、光学素子１０の斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）中の矢印Ｂ－Ｂ’の位置で切断した光学素子１０の断面図である。図３（ｂ）に示すように、光学素子１０は、基材１１と、光学機能層１２と、接着剤浸入抑制パターン６と、を備える。

基材１１は、光学機能層１２を支持するための部材である。基材１１は、光透過性を有していてもよい。基材１１としては、例えば、石英ガラス、ソーダガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、バリウムホウケイ酸ガラス、アミノホウケイ酸ガラス、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、メタクリル酸メチルブタジエンスチレン共重合体、メタクリル酸メチルスチレン共重合体、アクリルスチレン共重合体、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体等を用いてもよい。

なお、反射型の光学素子として使用する場合、基材１１は、必ずしも光透過性であることを要しない。

基材１１の形状としては、特に限定はしないが、例えば、直方体、等であってもよい。基材１１の寸法は、例えば、３ｍｍ×３ｍｍ×０．５ｍｍであってもよい。なお、基材１１の端部は面取りされていてもよい。基材１１の端部が面取りされていることにより、基材１１を搬送等する際に、基材１１の端部の欠損を抑制できる。

光学機能層１２は、光学領域５を形成するための層である。光学機能層１２は、基材の少なくとも一の面の上に位置する。光学機能層１２の膜厚は、例えば、２０μｍであってもよい。光学機能層１２は、例えば、スピンコート法等により形成されてもよい。

光学機能層１２としては、特に限定はしないが、例えば、紫外線硬化性樹脂、等を用いてもよい。紫外線硬化性樹脂としては、例えば、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、エポキシアクリレート、ポリエーテルアクリレート、ポリチオール、ブタジエンアクリレート等を主材とした樹脂を用いてもよい。光学機能層１２が紫外線硬化性樹脂により形成されることにより、インプリント法等により簡便に光学領域５を形成できる。

なお、光学機能層１２は、例えば、熱硬化性樹脂または電子線硬化性樹脂により形成されてもよい。また、光学機能層１２は、熱硬化型または紫外線硬化型のスピンオングラスにより形成されてもよい。

基材１１と光学機能層１２との間には、密着層を形成してもよい。密着層としては、例えば、シランカップリング剤、等を用いてもよい。密着層を形成することにより、基材１１と光学機能層１２との密着性を向上させることができる。密着性の向上により、インプリント法において、モールド８を光学機能層１２から離型する際に、基材１１と光学機能層１２とが剥離することを防止できる。さらに、光学素子として長期間使用する場合、密着性が向上していることが有利に働くことが多い。

基材１１および光学機能層１２は、光学機能基材１３として１層にまとめられていてもよい。図４は、光学素子１０の別形態の構成を示す図である。図４（ａ）は、光学素子１０の斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）中の矢印Ｃ－Ｃ’の位置で切断した光学素子１０の断面図である。図４（ｂ）に示すように、光学素子１０は、光学機能基材１３と、接着剤浸入抑制パターン６と、を備える。

光学機能基材１３は、光学領域５を形成するための部材である。光学機能基材１３は、独立して形状を維持できる部材である。光学機能基材１３は、光透過性を有していてもよい。光学機能基材１３としては、例えば、石英ガラス、ソーダガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、バリウムホウケイ酸ガラス、アミノホウケイ酸ガラス、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、メタクリル酸メチルブタジエンスチレン共重合体、メタクリル酸メチルスチレン共重合体、アクリルスチレン共重合体、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体等を用いてもよい。光学機能基材１３には、例えば、エッチング法や射出成型法、等により、光学領域５を形成することができる。

なお、反射型の光学素子として使用する場合、光学機能基材１３は、必ずしも光透過性であることを要しない。

光学機能基材１３の形状としては、特に限定はしないが、例えば、直方体等であってもよい。光学機能基材１３の寸法は、例えば、３ｍｍ×３ｍｍ×０．５ｍｍであってもよい。なお、光学機能基材１３の端部は面取りされていてもよい。光学機能基材１３の端部が面取りされていることにより、光学機能基材１３を搬送等する際に、光学機能基材１３の端部の欠損を抑制できる。

光学機能層１２は、基材１１に面する側と反対側の面に凹凸５Ａからなる光学領域５を有する。光学機能基材１３の場合は、一の面に凹凸５Ａからなる光学領域５を有する。光学領域５は、入射光に対して光学的な機能を発現する領域である。光学的な機能は、光の回折や屈折等による機能であってもよい。

図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、光学領域５は、枠５０と、接着剤浸入抑制領域５１と、中心領域５２と、を有する。枠５０は、光学領域５の外形をかたどる線である。枠５０の形状は、特に限定しないが、例えば、四角形や円形、等であってもよい。

接着剤浸入抑制領域５１は、接着剤浸入抑制パターン６を形成する領域である。接着剤浸入抑制領域５１は、枠５０から内側に向かって０μｍより大きく１５０μｍより小さい距離の範囲を満たす領域である。接着剤浸入抑制領域５１を０μｍより大きい距離の範囲とすることにより、接着剤浸入抑制パターン６を枠５０の近傍に形成することができる。また、接着剤浸入抑制領域５１を１５０μｍより小さい距離の範囲とすることにより、後述する接着剤浸入抑制パターン６を設けるための十分な範囲を確保できる。また、光源３と光学領域５とのｘｙ方向のアライメント誤差を考慮しても、光学領域の外側からの光漏れを十分抑制できる。接着剤浸入抑制領域５１の形状は、枠５０の形状に起因して定まる。

中心領域５２は、接着剤浸入抑制パターン６を形成しない領域である。中心領域５２は、接着剤浸入抑制領域５１で囲まれる領域である。中心領域５２の形状は、枠５０および接着剤浸入抑制領域５１の形状に起因して定まる。

図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、光学領域５は、ｚ軸方向における断面において、凹凸５Ａにより構成される。凹凸５Ａは、凹部５Ｂと凸部５Ｃとを有する。凹部５Ｂは、空気により占められる部分である。凸部５Ｃは、光学機能層１２または光学機能基材１３を構成する材料により占められる部分である。凹部５Ｂと凸部５Ｃとは、屈折率が異なる物質により構成される。凹部５Ｂへの入射光と凸部５Ｃへの入射光との間で光路差が生じるため、光学的な機能を発現できる。

凹凸５Ａは、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示す２レベルの例に限られず、３レベル以上であってもよい。図５は、ｎレベルの凹凸５Ａからなる光学領域５のｚ方向における断面図である。図５において、接着剤浸入抑制パターン６は省略されている。ｎは２以上の自然数である。ｎレベルとは、凹凸５Ａの最大の段数がｎということである。図８に示すように、ｎ未満の段数の凹凸５Ａが存在していてもよい。ｎの値が大きいほど、光の照射領域をより正確に制御できる。

凹凸５Ａは、入射光の光軸から見て、凹部５Ｂと凸部５Ｃとの境界が曲線を含むパターンを有していてもよい。図６は、光学領域５における凹凸５Ａの構成を示す概念図である。図６において、接着剤浸入抑制パターン６は省略されている。入射光の光軸は、図６におけるｚ軸である。凹部５Ｂと凸部５Ｃとの境界とは、凹部５Ｂを構成する空気と凸部５Ｃを構成する物質の界面である。曲線とは、例えば、波線や折れ線、またはこれらの組み合わせであってもよい。凹部５Ｂと凸部５Ｃとの境界が曲線を含むことにより、光の照射領域をより正確に制御できる。

光学領域５は、同一の凹凸５Ａからなる単位セル５３が配列されたパターンであってもよい。単位セル５３が配列されたパターンは、グレーティングセルアレイ型と呼ばれる。グレーティングセルアレイ型は、Ｇｒａｔｉｎｇ Ｃｅｌｌ Ａｒｒａｙ型またはＧＣＡ型と呼ばれることもある。図７は、ＧＣＡ型の光学領域５の構成を示す概念図である。図７においては、９つの単位セル５３が配列されたＧＣＡ型の光学領域５の例を示している。ＧＣＡ型の光学領域５は、単位セル５３ごとに異なる向きで配列されていてもよい。ＧＣＡ型の光学領域５とすることにより、光の照射領域をより正確に制御できる。

凹部５Ｂおよび凸部５Ｃの幅は、凹凸５Ａの上面において、例えば、０．１μｍ以上２０μｍ以下であってもよい。凹部５Ｂの深さ、すなわち凸部５Ｃの高さは、例えば、０．１μｍ以上３μｍ以下であってもよい。凹凸５Ａのピッチは、例えば、０．２μｍ以上４０μｍ以下であってもよい。

接着剤浸入抑制パターン６は、接着剤４をせき止める機能を有するパターンである。図８は、接着剤浸入抑制パターン６の構成を示す図である。接着剤浸入抑制パターン６は、凹部５Ｂに位置し、凸部５Ｃと連続した閉曲線Ｌを形成する。閉曲線とは、始点と終点とが一致する曲線のことである。連続とは、次々に繋がって続いている状態である。図８に示すように、接着剤浸入抑制パターン６および接着剤浸入抑制パターン６と連続する凸部５Ｃを繋ぎ合わせると、閉曲線Ｌが形成されていることがわかる。

図８（ａ）は、光学領域５および接着剤浸入抑制パターン６を示す図である。接着剤浸入抑制パターン６が凹部５Ｂに位置することにより、光学領域５の外側に接着剤浸入抑制パターン６を形成する必要がないため、光学素子１０の上面の面積に対する光学領域５の面積の割合を大きくできる。さらに、接着剤浸入抑制パターン６が凹部５Ｂに位置することにより、凸部５Ｃの輪郭を部分的に残すことができ、光学領域５の光学機能の喪失を抑制できる。そして、接着剤浸入抑制パターン６が凸部５Ｃと連続した閉曲線Ｌを形成することにより、光学領域５への接着剤４の浸入を抑制できる。よって、光学領域５の光学機能の喪失を抑制できる。

閉曲線Ｌは、中心領域５２を囲むように接着剤浸入抑制領域５１に形成される。図８（ｂ）は、図８（ａ）から閉曲線Ｌを形成している部分のみを抽出し、かつ、接着剤浸入抑制領域５１および中心領域５２を重ね合わせた図である。閉曲線Ｌが中心領域５２を囲むように接着剤浸入抑制領域５１に形成されることにより、接着剤浸入抑制パターン６を枠５０の近傍に形成することができる。よって、入射光が接着剤浸入抑制パターン６に照射されることを抑制できる。

接着剤浸入抑制パターン６の幅は、例えば、０．１μｍ以上２０μｍ以下であってもよい。接着剤浸入抑制パターン６の高さは、例えば、０．１μｍ以上３μｍ以下であってもよい。接着剤浸入抑制パターン６の上面は、凹凸５Ａの上面と同じ高さであってもよい。接着剤浸入抑制パターン６の上面と凹凸５Ａの上面とが同じ高さであることにより、光学領域５への接着剤４の浸入をより確実に抑制できる。

閉曲線Ｌは、不規則な形状であってもよい。不規則とは、例えば、四角形や円形等の規則的な形状にならないことである。図８（ａ）に示す例において、閉曲線Ｌは、不規則な形状である。閉曲線Ｌが不規則な形状であることにより、それぞれの接着剤浸入抑制パターン６に照射された光の回折方向が不規則になるため、接着剤浸入抑制パターン６を不可視化することができる。よって、接着剤浸入抑制パターン６の位置の特定を抑制できる。

閉曲線Ｌは、四角形や円形等の規則的な形状であってもよい。図９は、規則的な形状の閉曲線Ｌの構成を示す図である。図９（ａ）は、四角形の閉曲線Ｌの構成を示す図である。図９（ｂ）は、円形の閉曲線Ｌの構成を示す図である。閉曲線Ｌが規則的な形状であることにより、接着剤浸入抑制パターン６の設計を簡便化できる。よって、接着剤浸入抑制パターン６の設計時間を短縮できる。

閉曲線Ｌは、二重以上に形成されていてもよい。図１０は、二重に形成された閉曲線Ｌの構成を示す図である。図１０（ａ）は、二重に形成された不規則な形状の閉曲線Ｌの構成を示す図である。図１０（ｂ）は、二重に形成された規則的な形状の閉曲線Ｌの構成を示す図である。閉曲線Ｌが二重以上に形成されていることにより、光学領域５への接着剤４の浸入をより確実に抑制できる。

図１１は、互いに平行に向き合う２つの接着剤浸入抑制パターン６のピッチＰを示す図である。ピッチＰとは、閉曲線Ｌが二重以上に形成されている場合において、互いに平行に向き合う２つの接着剤浸入抑制パターン６における対応する側面の間の距離である。

回折の原理により、ピッチＰ、入射光の波長λ、および光の回折角θの間には以下の数式（１）が成立する。

また、２レベルの光学素子の空気界面において、パターン部と空気部との位相差が１８０°となる場合、以下の数式（２）が成立する。

ただし、
Ｐ：ピッチ
λ：入射光の波長
θ：光の回折角
ｈ：パターン高さ
ｎ：パターン材料の屈折率
である。

ここで、回折光学素子は、０次光、つまり、変換前の光と同一軸上で同一形状となる光の制御が困難であることが広く知られている。そして、パターン部と空気部との位相差が１８０°となるとき、０次光の強度が最小値となり、さらに位相差が１８０°近辺において０次光の強度の制御が容易になることも広く知られている。

例えば、屈折率が１．５のパターン材料において位相差を１８０°とする場合、数式（２）より、入射光の波長λとパターン高さｈが一致する。ただし、０次光を一定レベルの強度に制御する、または、パターン材料が１．５でない回折光学素子においては、λとｈの関係が変化することがあるため、本発明はλ＝ｈに限定する必要はない
比率Ｐ／λは、０．２以上２．０以下、好ましくは０．４以上１．４以下、より好ましくは０．４以上１．０未満であってもよい。この理由を以下で説明する。

接着剤浸入抑制パターン６のアスペクト比は、１０以下であることが好ましい。例えば、接着剤浸入抑制パターン６の幅をｄとすると、接着剤浸入抑制パターン６の高さは１０ｄ以下が好ましい。入射光の波長λは、接着剤浸入抑制パターン６の高さと一致することが好ましいため、１０ｄ以下である。ピッチＰは、接着剤浸入抑制パターン６の幅の２倍であることが好ましいため、２ｄとなる。つまり、接着剤浸入抑制パターン６のアスペクト比が１０以下とするためには、比率Ｐ／λは０．２以上である必要がある。比率Ｐ／λを０．２以上とすることにより、接着剤浸入抑制パターン６のアスペクト比が１０以下であるため、接着剤浸入抑制パターン６の倒壊を抑制できる。

接着剤浸入抑制パターン６のアスペクト比は、５．０以下であることがより好ましい。例えば、接着剤浸入抑制パターン６の幅をｄとすると、接着剤浸入抑制パターン６の高さは５．０ｄ以下が好ましい。入射光の波長λは、接着剤浸入抑制パターン６の高さと一致することが好ましいため、５．０ｄ以下である。ピッチＰは、接着剤浸入抑制パターン６の幅の２倍であることが好ましいため、２ｄとなる。つまり、接着剤浸入抑制パターン６のアスペクト比が５．０以下とするためには、比率Ｐ／λは０．４以上である必要がある。比率Ｐ／λを０．４以上とすることにより、接着剤浸入抑制パターン６のアスペクト比が５．０以下であるため、接着剤浸入抑制パターン６の倒壊をより確実に抑制できる。

接着剤浸入抑制パターン６による光の回折角θは３０°以上であることが好ましい。つまり、ｓｉｎθは０．５以上であることが好ましい。数式（１）より、比率Ｐ／λは２．０以下であることが好ましい。比率Ｐ／λを２．０以下とすることにより、光の回折角θが３０°以上とすることができる。例えば、光学領域５によってもたらされる有効照射領域が、一般的なカメラの画角程度である±３０°の場合、接着剤浸入抑制パターン６により生じるノイズとなる回折光を、有効照射領域の外側へ逃がすことができる。

接着剤浸入抑制パターン６による光の回折角θは４５°以上であることがより好ましい。つまり、ｓｉｎθは１／√２以上であることが好ましい。数式（１）より、比率Ｐ／λは１．４以下であることが好ましい。比率Ｐ／λを１．４以下とすることにより、光の回折角θが４５°以上とすることができる。例えば、光学領域５によってもたらされる有効照射領域が、一般的なカメラの画角程度である±３０°の場合、接着剤浸入抑制パターン６により生じるノイズとなる回折光を、より確実に有効照射領域の外側へ逃がすことができる。

接着剤浸入抑制パターン６により、光が回折しないことがより一層好ましい。ｓｉｎθは０以上１．０以下の値である。数式（１）においてｓｉｎθが１より大きい、つまり、比率Ｐ／λが１．０未満である場合、光は回折しない。よって、入射光が接着剤浸入抑制パターン６に照射されても、光の回折を抑制できる。よって、比率Ｐ／λを１．０未満とすることにより、接着剤浸入抑制パターン６により生じうるノイズとなる回折光を抑制できる。

以上より、比率Ｐ／λは、０．２以上２．０以下、好ましくは０．４以上１．４以下、より好ましくは０．４以上１．０未満であってもよい。

接着剤浸入抑制パターン６は、光学機能層１２と同様に紫外線硬化性樹脂等により構成されていてもよい。接着剤浸入抑制パターン６が紫外線硬化性樹脂により構成されることにより、凹凸５Ａおよび接着剤浸入抑制パターン６を同時に形成できる。よって、光学素子１０を作製する時間を短縮できる。

光学領域５および接着剤浸入抑制パターン６は、インプリント法により形成されてもよい。図１２は、インプリント法による光学素子１０の作製方法を示す図である。図１２（ａ）に示すように、基材１１を用意する。図１２（ｂ）に示すように、基材１１の一の面の上に紫外線硬化性樹脂を塗布することにより、未硬化の光学機能層１２を形成する。図１２（ｃ）に示すように、モールド８の凹凸面を、光学機能層１２の基材１１に面する側と反対側の面に押し付ける。モールド８の凹凸面は、凹凸５Ａおよび接着剤浸入抑制パターン６を反転したパターンを有する。図１２（ｄ）に示すように、モールド８の裏面側から、光学機能層１２に紫外線ＵＶを照射することにより、光学機能層１２を硬化させる。図１２（ｅ）に示すように、モールド８を光学機能層１２から離型することにより、光学領域５および接着剤浸入抑制パターン６が光学機能層１２に形成される。図１２に示す一連の工程により、光学素子１０が完成する。

モールド８は、紫外線ＵＶを透過する材質等から構成されることが好ましい。モールド８としては、石英ガラス等からなるマスターモールドを用いてもよい。また、モールド８としては、マスターモールドから複製された樹脂レプリカモールドを用いてもよい。

光学領域５および接着剤浸入抑制パターン６は、インプリント法に限定されず、例えば、フォトリソグラフィや電子線リソグラフィ等のリソグラフィ法等により形成されてもよい。

図１２（ｅ）に示す光学素子１０において、光学機能層１２をマスクとして、基材１１をエッチングしてもよい。基材１１に、光学領域５および接着剤浸入抑制パターン６が形成されるため、基材１１を光学機能基材１３とした光学素子１０を得ることができる。

図１３は、エッチングによる光学素子１０の作製方法を示す図である。図１３（ａ）は、図１２（ｅ）に示す光学素子１０において、基材１１を光学機能基材１３とした図である。図１３（ｂ）に示すように、エッチングガスを用いて、光学機能層１２および光学機能基材１３を異方的にエッチングする。エッチングガスとしては、アルゴン等を用いてもよい。エッチングガスとしてアルゴンを用いることにより、エッチングガスが光学機能層１２および光学機能基材１３と化学的に反応することを抑制できる。図１３（ｃ）に示すように、光学機能層１２の残膜を除去することにより、光学素子１０が完成する。光学機能層１２が紫外線硬化性樹脂である場合、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により、光学機能層１２の残膜を除去してもよい。光学機能基材１３が石英ガラスである場合、光学機能基材１３は酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチングによりエッチングされないため、光学機能層１２の残膜のみを除去できる。

なお、光学機能層１２および光学機能基材１３の間にハードマスクが形成されていてもよい。ハードマスクとしては、クロム等の金属を用いてもよい。光学機能層１２および光学機能基材１３の間にハードマスクが形成されていることにより、光学領域５および接着剤浸入抑制パターン６のラインエッジラフネスを小さくできる。

以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。

光学領域および接着剤浸入抑制パターンからなるパターンを設計した。光学領域において、凹部の幅を１μｍ、凸部の幅を１μｍ、凸部の高さを１μｍとした。接着剤浸入抑制パターンにおいて、幅を３００ｎｍ、ピッチを６００ｎｍとした。

設計したパターンを反転することにより、モールドパターンを設計した。リソグラフィ法により、モールドパターンを石英基板に形成した。モールドパターンを形成した石英基板をモールドとした。

厚さ０．５ｍｍのガラス基板を用意した。未硬化の紫外線硬化性樹脂を膜厚２０μｍでガラス基板の上に塗布した。モールドを紫外線硬化性樹脂へ押し付けた。モールドを介した紫外線の照射により、紫外線硬化性樹脂を硬化させた。モールドを紫外線硬化性樹脂から離型することにより、光学領域および接着剤浸入抑制パターンを紫外線硬化性樹脂に形成し、光学素子とした。

光学領域および接着剤浸入抑制パターンを形成した紫外線硬化性樹脂に対して、白金パラジウムを膜厚２ｎｍでスパッタリングすることにより、導電性を向上させた。走査型電子顕微鏡により、光学領域および接着剤浸入抑制パターンを観察した。走査型電子顕微鏡は、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅまたはＳＥＭと呼ばれることもある。ＳＥＭによる観察の条件は、加速電圧５ｋＶ、開口数３０μｍ、作動距離３ｍｍとした。

図１４は、光学領域および接着剤浸入抑制パターンの観察像を示す図である。図１４より、接着剤浸入抑制パターンが凹部に位置していることが確認された。これにより、光学素子の上面の面積に対する光学領域の面積の割合を大きくできた。

本発明の光学素子は、例えば、スマートフォン等の電子機器におけるセキュリティ強化の用途として、３次元顔認証のための光照射装置等に利用することができる。

１ 光照射装置
１０ 光学素子
１１ 基材
１２ 光学機能層
１３ 光学機能基材
２ ホルダ
３ 光源
４ 接着剤
５ 光学領域
５０ 枠
５１ 接着剤浸入抑制領域
５２ 中心領域
５３ 単位セル
５Ａ 凹凸
５Ｂ 凹部
５Ｃ 凸部
６ 接着剤浸入抑制パターン
７ スクリーン
８ モールド
８Ａ パターン面
８Ｂ 裏面
Ｓ１ 変換前照射領域
Ｓ２ 変換後照射領域
Ｌ 閉曲線
Ｐ ピッチ
ＵＶ 紫外線

Claims (11)

1. 基材と、
   前記基材の少なくとも一の面の上に位置し、前記基材に面する側と反対側の面に凹凸からなる光学領域を有する、光学機能層と、
   前記凹凸の凹部に位置し、前記凹凸の凸部と連続した閉曲線を形成する、接着剤浸入抑制パターンと、を備え、
   前記光学領域は、枠と、前記枠から内側に向かって０μｍより大きく１５０μｍより小さい距離の範囲を満たす領域である接着剤浸入抑制領域と、前記接着剤浸入抑制領域で囲まれる領域である中心領域と、を有し、
   前記閉曲線は、前記中心領域を囲むように前記接着剤浸入抑制領域に形成される、
   光学素子。
2. 一の面に凹凸からなる光学領域を有する、光学機能基材と、
   前記凹凸の凹部に位置し、前記凹凸の凸部と連続した閉曲線を形成する、接着剤浸入抑制パターンと、を備え、
   前記光学領域は、枠と、前記枠から内側に向かって０μｍより大きく１５０μｍより小さい距離の範囲を満たす領域である接着剤浸入抑制領域と、前記接着剤浸入抑制領域で囲まれる領域である中心領域と、を有し、
   前記閉曲線は、前記中心領域を囲むように前記接着剤浸入抑制領域に形成される、
   光学素子。
3. 前記接着剤浸入抑制パターンの上面は、前記凹凸の上面と同じ高さである、
   請求項１または２に記載の光学素子。
4. 前記閉曲線は、二重以上に形成される、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
5. 請求項４に記載の光学素子において、
   入射光の波長に対する、互いに平行に向き合う２つの前記接着剤浸入抑制パターンのピッチの比率は、０．２以上２．０以下である、
   光学素子。
6. 請求項４に記載の光学素子において、
   入射光の波長に対する、互いに平行に向き合う２つの前記接着剤浸入抑制パターンのピッチの比率は、０．４以上１．４以下である、
   光学素子。
7. 前記閉曲線は、不規則な形状である、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学素子。
8. 前記凹凸は、入射光の光軸から見て、前記凹部と前記凸部との境界が曲線を含むパターンを有する、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学素子。
9. 前記光学領域は、入射光を回折する機能を有する、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光学素子。
10. 前記接着剤浸入抑制パターンは、紫外線硬化性樹脂により構成される、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学素子を備えた、
    光照射装置。