特開 2022-157311 複合型回折光学素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022157311

(43)【公開日】2022-10-14

(54)【発明の名称】複合型回折光学素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/18 20060101AFI20221006BHJP

【ＦＩ】

G02B5/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021061447

(22)【出願日】2021-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000147350

【氏名又は名称】株式会社精工技研

(72)【発明者】

【氏名】平尾 朋三

【テーマコード（参考）】

2H249

【Ｆターム（参考）】

2H249AA03

2H249AA13

2H249AA45

2H249AA48

(57)【要約】      （修正有）

【課題】使用環境に対して性能変化や性能劣化が少なく、偽造や複製を防止できる複合型回折光学素子を提案する。
【解決手段】ガラスで形成された平行平板Ｇの投影側面に微細構造パターンＰが形成され、この微細構造Ｐを覆う形で被覆構造Ｍが形成され、微細構造パターンＰと被覆構造Ｍはエネルギー硬化型樹脂で形成され、平行平板Ｇ、微細構造パターンＰ、被覆構造Ｍの屈折率がそれぞれの所定の条件を満足するように構成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガラスで形成された平行平板Ｇの投影側面Ｇ２に微細構造パターンＰが形成され、この微細構造Ｐを覆う形で被覆構造Ｍが形成され、微細構造パターンＰと被覆構造Ｍはエネルギー硬化型樹脂で形成され、かつ以下の（１）から（４）の条件を満足するように構成される。

｜ＮＧ－ＮＰ｜≦０．１・・・（１）
｜ＮＰ－ＮＭ｜≧０．３・・・（２）
１．２５≦ＮＭ≦１．５・・・（３）
ＮＰ＞ＮＭ・・・（４）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー光源やLＥＤ光源から出射される光を特定のパターンへ変換する回折光学素子（ＤОＥ）に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、平板上に微細な凹凸形状が付与された回折光学素子とＬＥＤや固体レーザー、面発光型レーザー（ＶＣＳＥＬ）を組み合わせて、特定のパターンを投影し、３次元計測や顔認証、案内表示、レーザー加工等に利用できる、光投影モジュールが広く普及している。

【0003】

ガラスレンズ上にＵＶ光や熱エネルギーで硬化する透明樹脂を使用して微細な凹凸形状を形成する複合型回折光学素子が、特許文献1に開示されている。

【0004】

これらの光投影モジュールに使用される回折光学素子の一例として、特許文献２に湿度による樹脂膨張起因の性能劣化や温度変化による微細構造部の剥離や亀裂を抑えた複合型回折光学素子が、特許文献２に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１６－６１７９６号公報

【特許文献2】特開２０１８－４５２３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

回折光学素子は、光源と素子という少ない部品点数で複雑な光パターンを投影できることから、顔認証や三次元計測をはじめとする様々な分野で広く使用されている。以上のように温度や湿度による変化の抑制や性能向上のため、異種材料を組み合わせた複合型回折光学素子の提案や、微細構造部を保護する構造等が提案されており、一定程度の改善効果が得られている。

【0007】

回折光学素子は、基材上に微細な凹凸形状を形成することで、作成される。ガラスや樹脂のような単一材料で回折光学素子を形成する場合もあれば、ガラス基板上に微細形状が付与された樹脂層を形成する複合型の回折光学素子もある。

【0008】

回折光学素子は、回折現象を利用している。特定の投影パターンとなるように設計された微細な凹凸形状を光が通過すると、光回折が起こり、入射した光は設計した投影パターンとなるように出射される。回折光学素子は回折現象を利用しているため、設計した微細構造、例えば高さや周期が変化すると、設計した投影パターンが崩れる不具合や、投影パターンの周辺にフレアが発生し、コントラストが低下するというような不具合が発生することが知られている。

【0009】

樹脂材料は、ガラス材料に比べて、温度や湿度による変化が大きいことが知られている。樹脂材料のみで、回折光学素子を作成した場合、使用する温度や湿度環境によって、材料に膨張・収縮が発生し、微細構造が崩れて、性能が劣化する。

【0010】

さらに、樹脂材料に膨張・収縮が発生すると、光源から微細構造パターンまでの位置関係も変化するため、性能が劣化する。

【0011】

また、微細構造パターン部に、擦傷によるパターン部の損傷や汚れによる凹凸部の埋没が発生した場合は、光回折が起こらず、性能が劣化する。

【0012】

さらに、液体中での利用を想定する場合は、回折光学素子の微細構造パターン部に液体が侵入しないような構造を取るか、対象液体の屈折率を考慮して、個別のパターン設計を実施する必要があり、液体毎に設計・製造を行う必要があるため、部品点数の増加や、製品品種の増加をもたらす。

【0013】

上記は、液体中での使用を想定した場合の課題であるが、空気中で使用する場合も、高湿環境に置かれた場合、結露が発生し、微細構造パターン部が水分で覆われる可能性がある。微細構造パターンが結露した水で覆われた場合は、光回折が起こらず、性能が極端に劣化する。このため、回折光学素子の微細構造パターン部に結露が発生しないような、高度の防水構造が必要となってしまう。

【0014】

さらに、近年では計測装置の性能も向上しており、微細構造パターンを精密に測定し、リバースエンジニアリングすることも可能となっている。一般的な回折光学素子は、微細構造パターン側から、レーザー顕微鏡や電子顕微鏡で形状の観察をすることが可能であり、この測定結果を基に、同様の性能を持った回折光学素子が複製されてしまう。

【0015】

また、複雑なパターンを精度良く形成できる樹脂材料も増えており、回折光学素子の微細構造パターンを樹脂等で型取りすることで、直接製品を複製できるため、製品自体をコピーされるリスクがある。

【0016】

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、使用環境に対して性能変化や性能劣化が少なく、偽造や複製を防止できる回折光学素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

以上の問題を解決するため本発明による回折光学素子は、ガラスで形成された平行平板Ｇの投影側面Ｇ２に微細構造パターンＰが形成され、この微細構造Ｐを覆う形で被覆構造Ｍが形成され、微細構造パターンＰと被覆構造Ｍはエネルギー硬化型樹脂で形成され、かつ以下の（１）から（４）の条件を満足するように構成される。

【0018】

（数１）

｜ＮＧ－ＮＰ｜≦０．１・・・（１）
｜ＮＰ－ＮＭ｜≧０．３・・・（２）
１．２５≦ＮＭ≦１．５・・・（３）
ＮＰ＞ＮＭ・・・（４）

ＮＧ 平行平板ガラスの使用波長での屈折率
ＮＰ 微細構造部樹脂材料の使用波長での屈折率
ＮＭ 被覆構造部樹脂材料の使用波長での屈折率

【0019】

ここで使用するエネルギー硬化型樹脂は、外部からエネルギーを受けることにより、架橋反応あるいは重合反応が進む材料のことを指す。外部エネルギーとしては、例えば、熱や紫外線、電子線などが挙げられる。この様なエネルギー硬化型樹脂としては、エネルギーのタイプによって、熱硬化型、紫外線硬化型、電子線硬化型などが挙げられ、材料系のタイプとしては、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系が一般的に知られている。この様に、エネルギー硬化型樹脂の種類は多岐に渡るが、光学的に充分透明であれば、本発明の樹脂レンズ材料として、使用可能である。ここでの透明との限定は、使用波長範囲で使用に耐えうる程度に、材料の光吸収及び散乱が少ないことを意味する。

【0020】

本発明の複合型回折光学素子は、平行平板ガラスＧ上に微細構造Ｍが形成されるため、樹脂単体で回折光学素子を作成するよりも、温度や湿度に対しての変化を抑えることができる。

【0021】

一般的に、樹脂材料の線膨張係数はガラスの線膨張係数に比べて1桁以上大きくなる。回折光学素子を部品として鏡筒等へ組み込む場合は、組み込み可能な厚みが必要となる。樹脂単体で回折光学素子を形成した場合、温度変化により厚みの膨張分だけ光源からの距離が変化するが、本発明では鏡筒等への固定をガラス部に担わせることが可能なため、温度による位置変化を抑えることが可能である。

【0022】

さらに、本発明の複合型回折格子は、平行平板ガラス上に微細構造Ｍが固定されているため、温度による微細構造の変化が抑えられる。樹脂単体で形成した回折光学素子は厚み方向以外にも径方向にも膨張するため、構造パターンが崩れるが、ガラス上に構造パターンが固定されている本発明では、構造パターンの変形を抑えることができ、温度による性能の劣化を抑えることができる。

【0023】

また、一部の樹脂材料を除き、樹脂材料は空気中の水分を吸収することが知られている。吸収する水分量は、樹脂材料の吸水率と体積に比例する。本発明の複合型回折光学素子は、体積の大部分をガラスで形成するため、湿度による性能変化を抑えることができる。

【0024】

光源から出射する光は、平行平板ガラスＧ、微細構造Ｐ、被覆構造Ｍの順に入射する。ここで、平行平板ガラスＧの投影側面Ｇ２と微細構造Ｐの光源側面Ｐ１にはガラスと樹脂の境界面ＧＰが存在する。（１）式を満たすことで、このガラスと樹脂の境界面の界面反射を抑制することができる。（１）式の範囲を超えた場合、ガラスと樹脂の境界面ＧＰでの界面反射が大きくなり、光源側へ光が戻る不具合の他、反射の分だけ光量が落ちて投影パターンが暗くなる。

【0025】

光回折を用いた投影パターンの設計は、媒質の屈折率と微細構造の段差距離で規定される。二種類の材質を用いて構造パターンを形成する場合、使用する材質間の屈折率差が大きくなるほど、微細構造を形成する際の段差は小さくて済む。微細構造を形成する際に、精密な投影パターンが必要となる場合は、細かいピッチで構造を作成しなければならない。細かいピッチで構造を形成する際、段差が大きくなると、樹脂成形する際の転写が困難になる他、成形時の離型が困難となり、離型時に構造パターンが損傷する等の不具合が発生する。（２）式を満たすことで、微細構造部Ｐと被覆構造Ｍ間の樹脂界面で、製造可能な範囲の段差を設定することができる。（２）式を下回る屈折率差で十分な光回折を得るためには、大きな段差が必要となり、製造可能な微細構造が得られない。

【0026】

ガラスと樹脂を用いた複合型回折素子を作成する場合、それぞれの材質の屈折率が重要となる。ガラス材料は幅広い領域の屈折率に対応しているが、樹脂材料はガラス材料に比べて屈折率の選択幅が狭いことが知られている。製造可能な微細構造を実現するためには（２）式を満足する必要があり、かつ、光量の維持や迷光を防止するためには（１）式を満足する必要がある。このため、微細構造Ｐに使用する樹脂屈折率ＮＰと被覆構造Ｍに使用する樹脂屈折率ＮＰは限定されてしまう。さらに、液体中での利用や結露が発生した際の性能劣化を抑えるためには、被覆構造Ｍの屈折率ＮＭと液体の屈折率差が０．１以内であることが望ましい。屈折率差が０．１以下であれば、液体と樹脂の界面で発生する反射を抑えることができる他、界面での屈折を抑えることができる。液体の屈折率は一部の特殊な溶液を除けば、１．３から１．５程度のため、使用される溶液を考慮した上で、（３）式の範囲で被覆構造Ｍの屈折率ＮＭを決めれば良い。さらに、ガラス材料の屈折率領域を考慮し、（１）（２）（３）式を満たすためには、（４）式の微細構造Ｐの屈折率ＮＰが被覆構造ＮＭよりも小さくなるという条件を満たすことが好適である。

【0027】

さらに、本構造では、微細構造Ｐを被覆構造Ｍが覆うため、微細構造パターンが保護され、複合型回折格子に擦傷性や防汚性が付与される他、微細構造パターンが直接計測されることを防止できる。

【発明の効果】

【0028】

本発明の複合型回折光学素子によれば、平行平板ガラス上に樹脂材料で微細構造を形成し、その微細構造を異なる樹脂材料で被覆し、樹脂とガラスの屈折率を適正に制御することで、界面反射を抑制しながら、十分な光回折を発生させ、温度や湿度による性能変化を抑えながら、形成した微細構造の保護を実現し、かつ液体中での使用を可能とする他、結露による性能変化を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】複合型回折光学素子の構造断面図

【図2】実施例１の構造断面図

【図3】実施例２の構造断面図

【図4】実施例２の光路図

【図5】実施例３の構造断面図

【図6】実施例３の光路図

【図7】実施例４の構造断面図

【図8】実施例４の光路図

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、図を参照して、本発明の実施の形態例について説明する。なお、各図
は、本発明に係る一構成例を図示するものであり、本発明が理解できる程度に各構成要素の断面形状や配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、本発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の条件等を用いることがあるが、これらの材料および条件は好適例の一つに過ぎず、従って、本発明は何らこれらに限定されるものではない。

【0031】

図１は本発明の複合型回折光学素子の構成図である。平行平板ガラスＧの投影側面にエネルギー硬化型樹脂で微細構造Ｐが形成され、その上から異なるエネルギー硬化型樹脂で被覆構造Ｍが形成されている。

【0032】

ここで、以降の図面について、複合型回折光学素子を挟んで光線入射側を光源側、光線出射側を投影側とするとき、平行平板ガラスＧの光源側面をＧ１、投影側面をＧ２とし、同様に微細構造Ｐの光源側をＰ１、投影側をＰ２、被覆構造Ｍの光源側をＭ１、投影側をＭ２とする。また、平行平板ガラスＧと微細構造Ｐの接合面をＧＰとし、微細構造Ｐと被覆構造Ｍの接合面をＰＭとする。

【実施例0033】

図２は、第１の実施例における複合型回折光学素子の構成図である。光源側から順にレーザー光源ＲＳ、平行平板ガラスＧ、微細構造Ｐ、被覆構造Ｍが配置されている。微細構造Ｍの構造パターンは便宜上大きく図示しているが、本来は数十ｎｍから数μｍ程度のピッチと段差である。被覆構造Ｍの投影側面Ｍ２は平面形状である。図示はしていないが、ガラスと樹脂の接合面には界面密着力を強化するために、シランカップリング処理が施されている。シランカップリング剤は樹脂とガラス双方に結合可能な材料で、ハイブリッドレンズでのガラスと樹脂の界面密着力強化に広く利用されている。

【0034】

平行平板ガラスＧの屈折率ＮＧは１．７２、微細構造Ｐの屈折率ＮＰは１．６２、被覆構造Ｍの屈折率ＮＭは１．２９である。屈折率１．５以下の樹脂材料としては、フッ素系樹脂やシリコーン系樹脂が適用できる。屈折率1.5以上の樹脂材料としては、エポキシやアクリル系樹脂が適用できる。これらは実施例の１つであり、外部エネルギーによって硬化するエネルギー硬化型樹脂であれば、材料の系統は限定されない。

【0035】

本実施例では、平行平板ガラスＧと微細構造Ｐの屈折率差が０．１となり（１）式を満たしている。また、微細構造Ｐと被覆構造Ｍの屈折率差は０．３３となり（２）式を満たしている。さらに、被覆構造Ｍの屈折率は１．２９であり（３）式を満たし、微細構造Ｐの方が被覆構造Ｍよりも屈折率が大きく（４）式も満たしている。

【0036】

このように構成することで、反射光を抑え、温度と湿度に対しての性能変化を抑制し、かつ被覆構造が微細構造を保護するため、擦傷や汚れに強く、液体中での使用も可能となる。

【0037】

図３は、第２の実施例における複合型回折光学素子の構成図である。構成の順番は実施例１と同等であるが被覆構造Ｍの投影側面Ｍ２が曲面形状となっている。本発明は、被覆構造Ｍの投影側面の形状は特に限定しておらず、使用用途に応じて平面以外に、曲面やプリズム面でも構わない。

【0038】

平行平板ガラスＧの屈折率ＮＧは１．６１、微細構造Ｐの屈折率ＮＰは１．６６、被覆構造Ｍの屈折率ＮＭは１．３４である。

【0039】

本実施例では、平行平板ガラスＧと微細構造Ｐの屈折率差が０．０５となり（１）式を満たしている。また、微細構造Ｐと被覆構造Ｍの屈折率差は０．３２となり（２）式を満たしている。さらに、被覆構造Ｍの屈折率は１．３４であり（３）式を満たし、微細構造Ｐの方が被覆構造Ｍよりも屈折率が大きく（４）式も満たしている。

【0040】

このように構成することで、実施例１と同等の効果が得られる他、被覆構造Ｍの投影側面Ｍ２をレンズ面として使用できるため、図４のように液体中と空気中でのパターン投影位置を変化させることも可能となる。

【0041】

図５は、第３の実施例における複合型回折光学素子の構成図である。構成の順番は実施例１と同等であるが被覆構造Ｍの投影側面Ｍ２がプリズム形状となっている。

【0042】

平行平板ガラスＧの屈折率ＮＧは１．８０、微細構造Ｐの屈折率ＮＰは１．７２、被覆構造Ｍの屈折率ＮＭは１．４１である。

【0043】

本実施例では、平行平板ガラスＧと微細構造Ｐの屈折率差が０．０８となり（１）式を満たしている。また、微細構造Ｐと被覆構造Ｍの屈折率差は０．３１となり（２）式を満たしている。さらに、被覆構造Ｍの屈折率は１．４１であり（３）式を満たし、微細構造Ｐの方が被覆構造Ｍよりも屈折率が大きく（４）式も満たしている。

【0044】

このように構成することで、実施例１と同等の効果が得られる他、被覆構造Ｍの投影側面Ｍ２をプリズム面として使用できるため、図６のように液体中では投影パターンが直進し、空気中では投影パターンを折り返すことも可能となる。

【0045】

図７は、第４の実施例における複合型回折光学素子の構成図である。構成の順番は実施例１と同等、各材料の屈折率は実施例３と同等であるが、被覆構造Ｍの投影側面Ｍ２が微細なプリズム形状となっている。

【0046】

このように構成することで、実施例１と同等の効果が得られる他、被覆構造Ｍの投影側面Ｍ２を微細プリズム面として使用できるため、図８のように液体中では投影パターンが直進し、空気中では投影パターンが投影面側に出射しない状態にすることができる。

【符号の説明】

【0047】

Ｇ 平行平板ガラス
Ｐ 平行平板ガラス上に接合された微細構造
Ｍ 微細構造上を封止する被覆構造
Ｇ１ 平行平板ガラスの光源側面
Ｇ２ 平行平板ガラスの投影側面
Ｐ１ 微細構造の光源側面
Ｐ２ 微細構造の投影側面
Ｍ１ 被覆構造の光源側面
Ｍ２ 被覆構造の投影側面
ＧＰ 平行平板ガラスと微細構造の接合面
ＰＭ 微細構造と被覆構造の接合面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】