特開 2023-5418 ホルダー一体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】P2023005418

(43)【公開日】2023-01-18

(54)【発明の名称】ホルダー一体複合型回折光学素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/18 20060101AFI20230111BHJP

【ＦＩ】

G02B5/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021107299

(22)【出願日】2021-06-29

(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

2H249AA41

2H249AA45

2H249AA68

(57)【要約】

【課題】 複合型回折光学素子とレンズ等の他部材が簡便に精度良く固定でき、光源への位置決めが容易で、界面反射を制御することで性能劣化を抑制し、温度や湿度に関する性能変化を抑えるホルダー一体複合型回折光学素子を提案する。
【解決手段】 弾性材料で形成されたホルダーＨに、使用波長で十分透明な弾性材料で形成された平行平板Ｍが固定され、この平行平板Ｍの少なくともいずれか一方の面に、光回折を発生させる微細構造ＭＳが、エネルギー硬化型樹脂を用いて形成され、ホルダーＨの内部には他部品を位置決めしながら収納できるテーパー形状ＨＴを少なくとも１つ有し、外形部には組立や成形の位置決めに使用できる略円弧形状ＨＲを有する、ホルダー一体複合型回折光学素子。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

弾性材料で形成されたホルダーＨに、使用波長で十分透明な弾性材料で形成された平行平板Ｍが固定され、この平行平板Ｍの少なくともいずれか一方の面に、光回折を発生させる微細構造ＭＳが、エネルギー硬化型樹脂を用いて形成され、ホルダーＨの内部には他部品を位置決めしながら収納できるテーパー形状ＨＴを少なくとも１つ有し、外形部には組立や成形の位置決めに使用できる略円弧形状ＨＲを有する、ホルダー一体複合型回折光学素子。

【請求項2】

外形部の位置決めに使用できる略円弧形状ＨＲは４つで、かつホルダーＨの４隅に形成され、以下の（１）式を満足するように構成される、請求項1に記載のホルダー一体複合型回折光学素子。

０．０１＜ＨＲＬ／ＲＬ・・・（１）

ＨＲＬ 略円弧形状ＨＲの長さ
ＲＬ 略円弧形状ＨＲの４点に外接する仮想円Ｒの円周長さ

【請求項3】

ホルダーＨの内部に形成される全ての位置決めに使用するテーパー形状ＨＴが以下の（２）式を満足するように構成される、請求項１から２に記載のホルダー一体複合型回折光学素子。

１°＜ＨＴＡ＜４５°・・・（２）

ＨＴＡ テーパー形状ＨＴと平行平板Ｍに直行する軸との為す角

【請求項4】

平行平板Ｍと微細構造ＭＳを形成するエネルギー硬化型樹脂が（３）式を満たすように構成される、請求項１から３に記載のホルダー一体複合型回折光学素子。

｜ＭＩ－ＭＳＩ｜≦０．１・・・（３）

ＭＩ 平行平板を形成する弾性材料の使用波長での屈折率
ＭＳＩ・・・エネルギー硬化型樹脂の使用波長での屈折率

【請求項5】

少なくとも１つ以上の光を屈折させるレンズ形状を有するレンズ部材Ｌが、ホルダーＨの内部に形成されたテーパー形状ＨＴを介して固定され、内部のテーパー形状ＨＴとレンズ部材Ｌのテーパー形状ＬＴの間に形成される空間Ｇがゼロから０．０２ｍｍとなるように構成された請求項１から４に記載のホルダー一体複合型回折光学素子。

【請求項6】

平行平板Ｍがガラスで形成されることを特徴とする請求項１から４に記載のホルダー一体複合型回折光学素子。

【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ホルダー一体の複合型回折光学素子（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】

弾性部材に固定されたガラス基板上にＵＶ光や熱エネルギーで硬化する透明樹脂を使用して精度良くレンズ形状を形成する複合型レンズ作成手法が、特許文献１に開示されている。

【0004】

硬化型樹脂材料をもちいて、同一の形状を持つレンズを安価にかつ大量に製造し、かつダイシング等の個片化工程を経ても不良が発生しづらい手法が特許文献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】特許第５１７９６８０号

【特許文献2】特開２０１３－１２２４８０

【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、光源と組み合わせることで機能を発現する。回折光学素子を光源と組み合わせるために、作成した回折光学素子は、ホルダー等に固定され、このホルダーを介して光源に固定される。この回折光学素子を固定するホルダーの中には、回折光学素子以外の部品が組み込まれることもある。

【0007】

近年、より微細で複雑な投影パターンが求められてきており、光源と回折光学素子の間に、コリメータレンズに代表される、光源から出射する光を屈折作用で略平行、あるいは平行に近い角度に制御するレンズ部材が配置されることが増えている。

【0008】

さらに、微細で複雑な投影パターンを実現するためには、回折光学素子と光源の間の位置ズレを精密に制御する必要がある。

【0009】

また、コリメータレンズ等の部材を配置する場合は、レンズ部材、回折光学素子、光源のそれぞれの位置を精密に制御しなければならない。

【0010】

回折光学素子を大量にかつ安価に作成するため、ウェハ形状で一括して多数の回折光学素子を形成し、その後ダイシング等の切断手法を用いて、個片化する方法もある。

【0011】

このような手法で個片化された回折光学素子は、切断時の加工誤差が大きいため、ホルダーに搭載した後、光源と組み合わせる際にパターンを投影しながらの調整が必要となり、膨大な組立コストが発生する。

【0012】

さらに、ホルダーの中にレンズ等の他部材を配置する際に、部材同士の位置精度を確保する必要があるが、回折光学素子の外形に対する精度が確保できないため、ホルダー内での各部材を高精度に位置決めすることはできない。

【0013】

また、回折光学素子に関して、温湿度による寸法変化が発生すると、微細構造の周期パターンの変化や、各部材との位置関係の変化が発生し、結果として目的の投影パターンが得られないことがある。

【0014】

上記の温湿度変化を抑えるために、ガラスと樹脂材料を組み合わせた複合型回折光学素子も提案されているが、上述の通りウェハ形状で形成した場合は、個片化工程での加工誤差が発生するため、位置決め精度の問題を解決することは難しい。

【0015】

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、ホルダー対して精密に複合型回折格子を位置決めし、かつ後から組み込まれるレンズ等の他部材も精密に固定することが可能となる、ホルダー一体複合型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】

【0016】

以上の問題を解決するため本発明によるホルダー一体複合型回折光学素子は、弾性材料で形成されたホルダーＨに、使用波長で十分透明な弾性材料で形成された平行平板Ｍが固定され、この平行平板Ｍの少なくともいずれか一方の面に、光回折を発生させる微細構造ＭＳが、エネルギー硬化型樹脂を用いて形成され、ホルダーＨの内部には他部品を位置決めしながら収納できるテーパー形状ＨＴを少なくとも１つ有し、外形部には組立や成形の位置決めに使用できる略円弧形状ＨＲを有するように構成される。

【0017】

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。

【0018】

このような構成をとることで、ホルダーＨに対して事前に平行平板Ｍを固定することができる。ホルダーＨに形成された略円弧形状ＨＲを微細構造パターンＭＳの形成に使用することで、微細構造パターンＭＳとホルダーＨの中心を精密に一致させることが可能となる。事前に平行平板Ｍを固定するが、微細構造パターンＭＳを形成する基準は、ホルダーＨの略円弧形状ＨＲなので、平行平板Ｍは両面の平面部だけが重要となる。外形部形状はホルダーＨに固定できる形状であれば、どのような形状でも可であり、かつ外形精度は不要である。

【0019】

ホルダーＨの内部に形成されたテーパー形状ＨＴの中心を、ホルダーＨの外形部に形成された略円弧形状ＨＲの中心と一致させて、ホルダーＨを形成することで、ホルダーＨ基準で、レンズ等の他部材をホルダーに高精度に位置決めすることが可能となる。

【0020】

さらに、微細構造パターンＭＳの中心は、ホルダーＨの略円弧形状ＨＲの中心とほぼ一致させて形成されるため、テーパー形状ＨＴの中心に配置されるレンズ等の他部材は、ホルダーＨを介して、微細構造パターンＭＳと精密に位置決めして配置することが可能である。

【0021】

さらに、本発明では、ホルダーＨの外形部に形成された略円弧形状ＨＲは、４か所であることが、好適である。成形や組立の位置決めに使用する際には４か所の円弧形状ＨＲが位置決め用のジグ等に均等に接触することで、簡便にジグ等とホルダーＨの中心を一致させることが可能となる。

【0022】

また、円弧形状ＨＲの長さと、４つの円弧形状ＨＲに外接する仮想円の円周長さの比が、０．０１以上であることが望ましい。この比以下となると、円弧形状ＨＲの長さが不足して、位置決めとして十分機能しない。

【0023】

さらに、ホルダーＨの内部に形成される他部材を固定するためのテーパー形状ＨＴと、ホルダーＨに固定された平行平板Ｍの平面と直行する軸の為す角度は１°から４５°の間が望ましい。

【0024】

為す角が１°以下となると、ホルダーＨを射出成形等で作成する際に、離型時の抵抗が大きくなり、ホルダーＨを精度良く成形できない。また、為す角が４５°以上となると、位置決めのためのテーパー角度がのろくなり、他部材を精密に位置決めすることが困難になる。

【0025】

ホルダーＨに固定された平行平板Ｍの材料が持つ使用波長での屈折率と、平行平板Ｍの上に形成される光回折を起こす微細構造ＭＳを形成するエネルギー硬化型樹脂の使用波長での屈折率の差は０．１以下であることが好適である。

【0026】

一般的に、異なる材料を接合した界面では、屈折率差によって界面反射が発生する。本願の場合、平行平板Ｍに使用する材料と、微細構造ＭＳの屈折率を完全に一致させることは困難であるが、この屈折率差が０．１以下であれば、界面反射は、実用上問題無いレベルとなる。屈折率の差が０．１を超えた場合は、界面反射が大きくなり、設計外の光線の量が増え、結果として設計性能を満たすことが困難になる。

【0027】

さらに、本願では、ホルダーＨの内部に少なくとも１つ以上のテーパー形状ＨＴが形成されているが、このテーパー形状ＨＴに、屈折作用を持つレンズＬが少なくとも１つ以上設置された際、レンズＬが持つテーパー形状ＬＴとホルダーＨの持つテーパー形状ＨＴの空間Ｇが、レンズＬを設置した後、０．０２ｍｍ以下とすることが望ましい。

【0028】

テーパー同士で合わせるため、当然テーパー同士が干渉しないためには、空間Ｇはゼロ以上となる。クリアランスは大きい方が、組立はしやすくなるが、クリアランスが大きすぎると当然、位置決め精度は低下する。回折光学素子と屈折レンズの位置決め精度については、空間Ｇの数値が０．０２ｍｍであれば、位置決め精度としては十分である。

【0029】

ホルダーＨに固定された平行平板Ｍは、ガラス材料で形成されることが好適である。

【0030】

本願では光回折を起こす微細構造Ｍは、エネルギー硬化型樹脂で形成される。エネルギー硬化型樹脂は、樹脂材料のため温度や湿度に対して、寸法変化が起こることが知られている。

【0031】

上述のとおり、本願の微細構造Ｍの構造パターンは温度や湿度により変化する。本願の平行平板Ｍをガラス材料で形成すると、微細構造Ｍはガラスに固定されることになる。ガラス材料は温度や湿度に対してほぼ寸法変化が起こらないため、ガラス上に固定されたエネルギー硬化型樹脂で形成された微細構造Ｍも、樹脂単体で形成された回折光学素子よりは、温度や湿度に対して寸法変化が少なくなる。よって、温度や湿度による性能劣化を抑えることができる。

【発明の効果】

【0032】

本発明のホルダー一体複合型回折光学素子によれば、ホルダーＨを基準として、複合型回折光学素子とレンズ等の他部材が簡便に精度良く固定でき、光源への位置決めが容易で、界面反射を制御することで性能劣化を抑制し、温度や湿度に関する性能変化を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】ホルダー一体複合型回折光学素子の構造断面図

【図2】実施例１の構造図

【図3】複合型回折光学素子の形成手法例

【図4】実施例２の構造図

【図5】実施例３の構造図

【図6】実施例３の拡大図

【発明を実施するための形態】

【0034】

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。

【0035】

図１は本発明のホルダー一体複合型回折光学素子の構成図である。ホルダーＨの投影面側に平行平板Ｍが固定され、光源側には他部材を位置決めするテーパー形状ＨＴが形成され、平行平板Ｍの光源側面ＭＢにエネルギー硬化型樹脂で形成された光回折を起こす微細構造ＭＳが固定されている。ホルダーＨの外形部には成形や組立の位置決め基準となる略円弧形状ＨＲが形成されている。

【0036】

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Ｍの光源側面をＭＢ、投影側面をＭＡとし、同様に微細構造ＭＳの光源側をＭＳＢ、投影側をＭＳＡ、テーパー部に設置されるレンズ部材Ｌの光源側をＬＢ，投影側をＬＡとする。また、平行平板Ｍが複数枚で構成される場合は、投影面側から順にＭ１，Ｍ２と順に数字を付する。微細構造ＭＳとレンズ部材Ｌ、テーパー形状ＨＴも同様に、複数構成となった場合は、投影面側から順に数字を付する。

【実施例0037】

図２は、第１の実施例におけるホルダー一体複合型回折光学素子の構成図である。ホルダーＨの内部に平行平板Ｍが固定され、平面部ＭＢに微細構造ＭＳがエネルギー硬化型樹脂で形成されている。微細構造ＭＳ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。

【0038】

ホルダーＨの外形部には、４か所の略円弧形状ＨＲが形成されている。４つの略円弧形状ＨＲは同じ形状となっており、１つの略円弧形状ＨＲの長さは０．３９ｍｍである。この略円弧形状ＨＲに外接する仮想円の円周長さＲＬは４．７１ｍｍである。両者から計算される比は０．０８３となり請求項２の数式を満たす。平行平板Ｍの外形は四角形となっている。便宜上四角形状としているが微細構造パターンＭＳを形成するために十分な領域の平面が確保でき、かつホルダーＨに固定できる形状であれば、台形でも平行四辺形でも、その外形形状に制約はない。ホルダーＨの内部には１つのテーパー形状ＨＴが形成されており、平行平板Ｍの平面との為す角ＨＴＡは３０°である。

【0039】

ここで図３を用いて、ホルダーＨに精度良く複合型回折光学素子を固定する方法を説明する。

【0040】

最初に、ホルダーＨに略四角形の透明な弾性部材で形成された平行平板Ｍを接着等の手法で固定する。ホルダーＨの略円弧形状部ＨＲは、精密な円筒穴形状を持つジグＪＡの第１円筒穴ＪＡ１に固定される。微細構造パターン面ＪＢ１が付与されたジグＪＢの微細構造パターン面ＪＢ１にＵＶ硬化型樹脂が滴下される。ジグＪＢは、ジグＪＡ内に形成された第２円筒穴ＪＡ２に沿って挿入され、所定の位置で停止する。ＵＶ硬化型樹脂が平行平板Ｍの光源側面ＭＢに接触し、径方向に樹脂が広がる。所定の位置まで樹脂が広がった後、平行平板Ｍの投影面側ＭＡからＵＶ光が照射され、ＵＶ硬化型樹脂が硬化する。硬化が完了した後、ジグＪＢがジグＪＡから抜き取られる。ジグＪＡからホルダーＨを取り出すと、ホルダーＨの略円弧形状ＨＲ基準で、微細構造ＭＳが形成されたホルダー一体複合型回折光学素子が完成する。

【0041】

ここで複合型回折光学素子とは、異なる材料を接合して形成された回折光学素子を指す。例えば、ＵＶ硬化型樹脂で形成された平行平板に対して、熱硬化型樹脂で微細構造を形成した場合も複合型回折光学素子とみなす。熱可塑性樹脂とエネルギー硬化型樹脂の組み合わせも複合型回折格子と言える。

【0042】

また実施例１では、ＵＶ硬化型樹脂を使用しているが、熱硬化型樹脂を使用する場合、ジグＪＢを加熱すれば良い。よって、今回提示した製造例はエネルギー硬化型樹脂の種類を問わない。

【実施例0043】

図４は第２の実施例を説明する図である。基本的な構成は実施例１と変わらないが、略円弧形状ＨＲの長さは０．１５７ｍｍ、円弧形状ＨＲに外接する仮想円の円周長さＲＬは４．７１ｍｍである。両者から計算される比は０．０３３となり請求項２の数式を満たす。微細構造Ｍを形成するエネルギー硬化型樹脂は熱硬化型アクリル樹脂で使用波長での屈折率は、１．５１で平行平板Ｍを構成する材料はＵＶ硬化型のエポキシ樹脂で屈折率は１．６０である。

【0044】

ホルダーＨにはテーパー形状が形成され、テーパー形状ＨＴと平行平板Ｍに直行する軸との為す角ＨＴＡは４５°である。テーパー形状ＨＴには、光を平行に制御するレンズ部材Ｌが固定され、テーパー形状ＨＴとレンズ部材Ｌのテーパー間に形成される空間Ｇは０．０２ｍｍである。

【0045】

このように構成することで、平行平板Ｍに形成された微細構造ＭＳとレンズ部材Ｌが高い精度でホルダーＨ内に固定することができ、高性能な製品を提供することができる。