光学素子、光学素子の製造方法、および、光源ユニット
【課題】光源からの光を効率良く利用することが可能な光学素子、このような光学素子を効率良く製造可能な光学素子の製造方法、および、このような光学素子を備えた光源ユニットを提供すること。
【解決手段】光学素子１は、基体１１と、基体１１の一方の面（光の出射側の面）に形成された多数の円柱体１２と、基体１１の他方の面（光の入射側の面）に形成された多数の微小の凹凸１３とを有している。多数の円柱体１２は、その横断面の径が入射する光の波長の０．５〜４倍のものであり、かつ、その径の０．５〜３倍のピッチで配列したものである。また、凹凸１３の隣接する凸部同士の平均ピッチ、凹凸１３の幅、および、凹凸１３の高低差が前記光の波長の３０〜５０％である。
【解決手段】光学素子１は、基体１１と、基体１１の一方の面（光の出射側の面）に形成された多数の円柱体１２と、基体１１の他方の面（光の入射側の面）に形成された多数の微小の凹凸１３とを有している。多数の円柱体１２は、その横断面の径が入射する光の波長の０．５〜４倍のものであり、かつ、その径の０．５〜３倍のピッチで配列したものである。また、凹凸１３の隣接する凸部同士の平均ピッチ、凹凸１３の幅、および、凹凸１３の高低差が前記光の波長の３０〜５０％である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、光学素子の製造方法、および、光源ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
屈折率が異なる二つの物質が、所定のピッチで規則正しく繰り返して並んだ構造、すなわち、フォトニック構造を有する光学素子を備えた光源ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この光源ユニットは、一般に、有機ＥＬやＬＥＤ等の光源と、当該光源に対向するように配置された光学素子とを備えたものであり、光の取り出し効率が高く、近年注目されている。
しかしながら、従来の光源ユニットでは、光源から照射した光が、光学素子の上記フォトニック構造が形成されている面とは反対の面において反射されてしまい、光源からの光を効率良く用いるのが困難であった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４９８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、光源からの光を効率良く利用することが可能な光学素子、このような光学素子を容易に製造可能な光学素子の製造方法、および、このような光学素子を備えた光源ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の光学素子は、光源から照射した光を所定の方向へ導く光学素子であって、
基体と、
前記基体の一方の面側に規則的に配列した多数の円柱体と、
前記基体の他方の面側に設けられた多数の微小の凹凸とを有し、
多数の前記円柱体は、その横断面の径が前記光の波長の０．５〜４倍のもので、かつ、前記径の０．５〜３倍のピッチで配列したものであり、
前記凹凸の隣接する凸部同士の平均ピッチ、前記凹凸の幅、および、前記凹凸の高低差が前記光の波長の３０〜５０％であることを特徴とする。
これにより、光源からの光を効率良く利用することが可能な光学素子を提供することができる。
【０００６】
本発明の光学素子では、前記円柱体の高さは、前記円柱体の横断面の径の１倍以上であることが好ましい。
これにより、光学素子に入射した光を、より効率良く取り出すことができる。
本発明の光学素子では、前記円柱体を構成する材料の屈折率は、１．４以上であることが好ましい。
これにより、光学素子に入射した光を、さらに効率良く取り出すことができる。
本発明の光学素子では、多数の前記円柱体は、千鳥格子状に配列していることが好ましい。
これにより、円柱体をより均一に配置させることができ、場所による出射光の光量のばらつきを効果的に抑えることができる。
【０００７】
本発明の光学素子では、前記凹凸の隣接する凸部同士の平均ピッチ、前記凹凸の幅、および、前記凹凸の高低差は、１００〜４００ｎｍであることが好ましい。
これにより、光の入射面における光の反射をより効果的に防止または抑制することができる。
本発明の光学素子では、前記凹凸が形成された面の表面粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の十点平均粗さ）は、０．３μｍ以下であることが好ましい。
これにより、光の入射面における光の反射をさらに効果的に防止または抑制することができる。
【０００８】
本発明の光学素子の製造方法は、本発明の光学素子を製造する製造方法であって、
表面に多数の前記円柱体に対応した形状を有する第１の型を用意する工程と、
表面に微小の前記凹凸に対応した形状を有する第２の型を用意する工程と、
前記第１の型および前記第２の型の表面形状を、樹脂基板に転写する工程とを有することを特徴とする。
これにより、光源からの光を効率良く利用することが可能な光学素子を容易に製造することが可能な光学素子の製造方法を提供することができる。
【０００９】
本発明の光学素子の製造方法は、本発明の光学素子を製造する製造方法であって、
表面に多数の前記円柱体に対応した形状を有する第１の型を用意する工程と、
表面に微小の前記凹凸に対応した形状を有する第２の型を用意する工程と、
樹脂基板の一方の面に、前記第２の型の表面形状を転写する工程と、
前記樹脂基板の他方の面と前記第１の型との間に流動性を有する樹脂材料を付与する工程と、
前記樹脂基板と前記第１の型とで、前記樹脂材料を押圧する工程と、
前記樹脂材料を硬化させる工程とを有することを特徴とする。
これにより、光源からの光を効率良く利用することが可能な光学素子を容易に製造することが可能な光学素子の製造方法を提供することができる。
本発明の光源ユニットは、本発明の光学素子を備えたことを特徴とする。
これにより、光の利用効率に優れた光源ユニットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の光学素子、光学素子の製造方法、および、光源ユニットの好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
＜光学素子＞
まず、本発明の光学素子について説明する。
図１は、本発明の光学素子を模式的に示した縦断面図、図２は、図１に示す光学素子を光の出射側から見た平面図である。なお、以下の説明では、図１中の右側を「（光の）入射側」、左側を「（光の）出射側」と言う。
【００１１】
光学素子１は、例えば、後述する光源ユニット１００、１００’を構成する部材として用いられるものであり、図１に示すように、基体１１と、基体１１の一方の面（光の出射側の面）に形成された多数の円柱体１２と、基体１１の他方の面（光の入射側の面）に形成された多数の微小の凹凸１３とを有している。
基体１１は、後述する円柱体１２および凹凸１３を支持する機能を有している。
基体１１の構成材料は、特に限定されないが、主として樹脂材料で構成され、所定の屈折率を有する透明な材料で構成されている。
【００１２】
基体１１の具体的な構成材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド（例：ナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６−１２、ナイロン６−６６）、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ−（４−メチルペンテン−１）、アイオノマー、アクリル系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリシクロヘキサンテレフタレート（ＰＣＴ）等のポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば、ブレンド樹脂、ポリマーアロイ、積層体等として）用いることができる。
【００１３】
多数の円柱体１２は、上述した基体１１の光の出射側の面に規則的に配列したものである。
本発明において、多数の円柱体は、その横断面の径（図中、Ｄで表される径）が入射する光の波長の０．５〜４倍のものであり、かつ、その径の０．５〜３倍のピッチ（図中、Ｐ１で表されるピッチ）で配列したものである。
【００１４】
このような多数の円柱体は、隣接する円柱体間に存在する空気層とで、フォトニック構造（フォトニック結晶）を構成している。
すなわち、互いに屈折率が異なる２つの物質である円柱体と空気層とが、所定のピッチで規則正しく繰り返して並んだ構造となっている。
このような構造を有することにより、光学素子に入射した光を、光の出射面側（図１中の左側）に効率良く取り出す（出射させる）ことができる。
【００１５】
上述したように、本発明の光学素子が備える円柱体の横断面の径は、入射する光の波長の０．５〜４倍であるが、２〜３倍であるのが好ましい。これにより、光学素子に入射した光を、より効率良く取り出すことができる。
多数の円柱体１２の横断面の径は、具体的には、０．５〜２μｍであるのが好ましく、０．８〜１．５μｍであるのがより好ましい。
また、本発明の光学素子が備える多数の円柱体のピッチは、円柱体の横断面の径の０．５〜３倍であるが、１〜３倍であるのが好ましく、１〜２倍であるのがより好ましい。これにより、光学素子に入射した光を、より効率良く取り出すことができる。
【００１６】
多数の円柱体１２のピッチは、具体的には、１〜３μｍであるのが好ましく、１〜２μｍであるのがより好ましい。
また、円柱体１２の高さ（図中、Ｈ１で表される高さ）は、円柱体１２の横断面の径の１倍以上であるのが好ましく、１〜５倍であるのがより好ましく、１〜２．５倍であるのがさらに好ましい。これにより、これにより、光学素子１に入射した光を、より効率良く取り出すことができる。
【００１７】
円柱体１２の高さは、具体的には、０．８〜５μｍであるのが好ましく、１〜２．５μｍであるのがより好ましい。
円柱体１２は、前述した基体１１を構成する樹脂材料と略同等の屈折率を有する材料（樹脂材料）で構成されているのが好ましい。これにより、円柱体１２と基体１１との界面における入射光の反射を効果的に防止することができる。
【００１８】
また、円柱体１２を構成する材料の屈折率は、具体的には、空気の屈折率よりも高い値であれば特に限定されないが、１．４以上であるのが好ましく、１．４〜１．７であるのがより好ましい。これにより、光学素子１に入射した光を、さらに効率良く出射させることができる。これに対して、円柱体１２を構成する材料の屈折率が前記下限値未満であると、光学素子１の周辺の気温や湿度等によっては、フォトニック構造としての機能が十分に発揮されない可能性がある。
【００１９】
また、多数の円柱体１２の配列としては、上述したような関係を満足するものであれば特に限定されず、例えば、格子状、千鳥格子状等が挙げられる。これらの中でも、特に、図２に示すように千鳥格子状に配列しているのが好ましい。これにより、円柱体１２をより均一に配置させることができ、場所による出射光の光量のばらつきを効果的に抑えることができる。
【００２０】
また、光学素子１は、図１に示すように、光の入射側の面、すなわち、円柱体１２が形成されている面とは反対側の面に、多数の微小の凹凸１３が設けられている。
この多数の微小の凹凸１３は、その凸部同士の平均ピッチ（図中、Ｐ２で表されるピッチの平均値）、凹凸の幅（図中、Ｗで表される幅）、および、凹凸の高低差（図中、Ｈ２で表される高低差）が照射する光の波長の３０〜５０％であるという条件を満たすものである。
【００２１】
ところで、フォトニック構造を有する光学素子を備えた従来の光源ユニットでは、光源から照射した光が、光学素子の上記フォトニック構造が形成されている面とは反対の面において反射されてしまい、光源からの光を効率良く用いるのが困難であった。
これに対して、本発明のように、光学素子の光の入射面に、上記のような条件を満たす微小の凹凸を多数設けることにより、光の入射面における光の反射を防止または抑制することができる。これにより、光学素子の円柱体（フォトニック構造）に入射する光の光量を多くすることができる。さらに、本発明の光学素子は、出射面側に上述したようなフォトニック構造を有していることから、上記反射防止の効果とフォトニック構造による効果（光の取り出し効率が高いという効果）との相乗効果から、光源からの光を特に高い効率で利用することができる。なお、一般的な有機物等で構成された反射防止膜を形成することも考えられるが、そのような反射防止膜を設けた場合、反射防止膜と基体との間の界面において反射が生じてしまい、十分な光の利用効率を発揮させることができない。また、通常用いられている反射防止膜を設けた場合と比較して、このような多数の微小の凹凸を設ける場合、反射防止の効果が得られる光の波長の幅が広いという利点がある。
【００２２】
このように本発明は、光の入射面に、凸部同士の平均ピッチ、凹凸の幅、および、凹凸の高低差が照射する光の波長の３０〜５０％であるという条件を満たす多数の微小の凹凸を備えた点に特徴を有するものであるが、微小の凹凸は、その凸部同士の平均ピッチ、凹凸の幅、および、凹凸の高低差が照射する光の波長の２０〜４０％である条件を満たすのが好ましく、２５〜３５％である条件を満たすのがより好ましい。これにより、光の入射面における光の反射をより効果的に防止または抑制できる。これに対して、凸部同士の平均ピッチ、凹凸の幅、および、凹凸の高低差が前記下限値未満であると、光の入射面における光の反射を防止または抑制するのが困難となる。一方、凸部同士の平均ピッチ、凹凸の幅、および、凹凸の高低差が前記上限値を超えると、光の透過率が低下して、十分な光を光学素子内に入射させることができない。
【００２３】
凸部同士の平均ピッチ、凹凸の幅、および、凹凸の高低差は、具体的には、１００〜４００ｎｍであるのが好ましく、２００〜３００ｎｍ程度であるのがより好ましい。これにより、光の入射面における光の反射をより効果的に防止または抑制することができる。
また、微小の凹凸１３が設けられている面の表面粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の十点平均粗さ）は、０．３μｍ以下であるのが好ましく、０．２〜０．３μｍであるのがより好ましい。これにより、光の入射面における光の反射をさらに効果的に防止または抑制することができる。
上述したような基体１１、円柱体１２、および、凹凸１３は、図１に示すように、一体的に形成されているのが好ましく、同一の材料で一体的に形成されているのがより好ましい。これにより、本発明の効果をより顕著なものとすることができる。
【００２４】
＜光学素子の製造方法＞
次に、本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態について説明する。
図３〜図６は、本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。
本実施形態では、まず、表面に前述した多数の円柱体１２に対応した形状を有する第１の型２と、表面に前述した多数の凹凸１３に対応した形状を有する第２の型３を用意する。
【００２５】
［第１の型２の製造（第１の型用意工程）］
まず、シリコンウェハー等の基板４２と、該基板４２上に設けられ、主として、レジスト剤で構成されたレジスト層４３とを備えた基材４を用意する（図３（ａ）参照）。
本実施形態において、レジスト剤としては、ポジレジスト、ネガレジストのいずれのものも用いることができる。
次に、ＥＢ直描方法により、基材４（レジスト層４３）上に前述した多数の円柱体１２と同様の形状を描画し、露光、現像を行うことにより、図３（ｂ）に示すように、表面に円柱体４１を有する基材４’が得られる。
【００２６】
次に、図３（ｃ）に示すように、基材４’の円柱体４１が形成されている側の表面に、導電膜２１を形成する。
導電膜２１を構成する材料としては、導電性材料であれば特に限定されず、例えば、ニッケル、アルミニウム、銅、鉄、亜鉛、銀等およびそれらの合金等が挙げられる。
導電膜２１の形成は、例えば、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の気相成膜法、電解めっき、無電解めっき等の湿式めっき法等により行うことができる。
【００２７】
次に、電鋳法により、導電膜２１の表面に、金属（電鋳金属）を電着させ、電鋳金属層２２を形成する（図４（ｄ）参照）。このような電鋳法を用いることにより、基材４’の表面形状を精密に転写することができる。
電鋳金属としては、例えば、ニッケル、銅、鉄、銀、金等およびそれらの合金等が挙げられる。
その後、基材４’を取り外し（除去）することにより、図４（ｅ）に示すような、円柱体１２の形状に対応した凹部２３を有する第１の型２が得られる。
【００２８】
［第２の型３の製造（第２の型用意工程）］
まず、前述した第１の型用意工程と同様に、シリコンウェハー等の基板５２と、該基板５２上に設けられ、主として、レジスト剤で構成されたレジスト層５３とを備えた基材５を用意する（図５（ａ）参照）。
次に、前述した第１の型用意工程と同様に、ＥＢ直描方法により、基材５（レジスト層５３）上に前述した多数の凹凸１３と同様の形状を描画し、露光、現像を行うことにより、図５（ｂ）に示すように、表面に多数の微小の凹凸５１を有する基材５’が得られる。
次に、前述した第１の型用意工程と同様に、基材５’の凹凸５１が形成されている側の表面に、導電膜３１を形成する。
【００２９】
次に、前述した第１の型用意工程と同様に、電鋳法により、導電膜３１の表面に、金属（電鋳金属）を電着させ、電鋳金属層３２を形成する（図５（ｄ）参照）。このような電鋳法を用いることにより、基材５’の表面形状を精密に転写することができる。
その後、基材５’を取り外し（除去）することにより、図５（ｅ）に示すような、凹凸１３の形状に対応した凹凸３３を有する第２の型３が得られる。
【００３０】
［転写工程］
まず、主として、前述したような樹脂材料で構成された樹脂基板６を用意する。
次に、図６（ａ）に示すように、樹脂基板６を、上記のようにして得られた第１の型２と第２の型３との間に設置する。
次に、第１の型２と第２の型３とを加熱し、図６（ｂ）に示すように、樹脂基板６をプレスし、第１の型２および第２の型３の表面形状を樹脂基板６に転写する。
なお、第１の型２および第２の型３の加熱は、樹脂材料のガラス転移点よりも、２０〜４０℃程度高い温度となるように行うのが好ましい。
【００３１】
そして、第１の型２および第２の型３の形状を転写した樹脂基板６を冷却する。
その後、第１の型２および第２の型３を除去することにより、図１および図６（ｃ）に示すような光学素子１（本発明の光学素子）が得られる。
上記のような方法によれば、本発明の光学素子を容易に製造することができるとともに、大量生産にも容易に対応することができる。
【００３２】
次に、本発明の光学素子の製造方法の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分はその説明を省略する。
図７は、本発明の光学素子の製造方法の第２実施形態を示す工程図である。
まず、前述した第１実施形態と同様にして、第１の型２と第２の型３とを用意する。
一方、主として、前述したような樹脂材料で構成された樹脂基板７を用意する。
【００３３】
次に、図７（ａ）に示すように、樹脂基板７と第２の型３とを対向させて設置する。
次に、第２の型３を加熱する。
次に、図７（ｂ）に示すように、樹脂基板７の一方の面に第２の型３を加熱および押圧し、第２の型３の表面形状を樹脂基板７に対して転写する（凹凸転写工程）。これにより、図７（ｃ）に示すような多数の微小の凹凸１３’を有する樹脂基板７’が得られる。
【００３４】
次に、第１の型２の凹部２３が形成されている面と、樹脂基板７’の凹凸１３’が形成されている側とは反対側の面とが、対向するように設置する。
次に、第１の型２と樹脂基板７’との間に、流動性を有する樹脂材料を付与する（樹脂材料付与工程）。このように、円柱体の形成に流動性を有する樹脂材料を用いた場合、第１の型２の表面形状の転写をより効率良く行うことができる。
この流動性を有する樹脂材料としては、樹脂基板７’を構成する樹脂材料と同等の屈折率を有するものを用いるのが好ましい。これにより、樹脂基板７’と、硬化した後の硬化樹脂層８との界面における入射光の反射を効果的に防止することができる。
【００３５】
次に、第１の型２と樹脂基板７’とで、樹脂材料を押圧した（押圧工程）後、紫外線照射や加熱等によって、樹脂材料を硬化させる。これにより、図７（ｄ）に示すように、第１の型２と樹脂基板７’との間に硬化樹脂層８が形成される。
その後、第１の型２を除去することにより、図７（ｅ）に示すような光学素子１’（本発明の光学素子）が得られる。
上記のような方法によれば、本発明の光学素子を容易に製造することができるとともに、大量生産にも容易に対応することができる。
【００３６】
＜光源ユニット＞
次に、上述したような本発明の光学素子を備えた光源ユニットについて説明する。
まず、本発明の光源ユニットの第１実施形態について説明する。
図８は、図１に示す光学素子を備えた光源ユニットの第１実施形態を示す模式図である。
【００３７】
光源ユニット１００は、前述した光学素子１と、光学素子１の光の入射側に配置された有機ＥＬ素子１０とを備えている。
以上のように構成された光源ユニット１００は、有機ＥＬ素子１０から照射された光が、光学素子１の微小の凹凸１３が設けられた面側からに入射し、円柱体１２が設けられた面側から出射するよう構成されている。
光源ユニット１００は、光学素子１（本発明の光学素子）を備えているので、入射した光は、不本意な反射等を生じず、十分な透過率で、円柱体１２が設けられた面に到達する。その結果、従来のものと比較して、有機ＥＬ素子１０から発した光を効率良く利用することができ、十分に明るい光を照射することができる。
【００３８】
次に、本発明の光源ユニットの第２実施形態について説明する。
図９は、図１に示す光学素子を備えた光源ユニットの第２実施形態を示す模式図である。
光源ユニット１００’は、前述した光学素子１と、光学素子１の光の入射側に配置されたＬＥＤ素子１０’とを備えている。
【００３９】
以上のように構成された光源ユニット１００’は、ＬＥＤ素子１０’から照射された光が、光学素子１の微小の凹凸１３が設けられた面側からに入射し、円柱体１２が設けられた面側から出射するよう構成されている。
光源ユニット１００’は、光学素子１（本発明の光学素子）を備えているので、入射した光は、不本意な反射等を生じず、十分な透過率で、円柱体１２が設けられた面に到達する。その結果、従来のものと比較して、ＬＥＤ素子１０’から発した光を効率良く利用することができ、十分に明るい光を照射することができる。
【００４０】
以上、本発明の光学素子、光学素子の製造方法および光源ユニットについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
例えば、本発明の光学素子の製造方法では、必要に応じて、任意の目的の工程を追加することもできる。
また、前述した実施形態では、ＥＢ直描方法により、基材上に多数の円柱体の形状を描画した後、露光・現像するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、所定の開口部を有するマスクを用いて、露光・現像するものであってもよい。
【００４１】
また、前述した実施形態では、光学素子の微小の凹凸に対応する形状、円柱体に対応する形状を、フォトリソ工程により形成するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、エッチング加工や、レーザ加工等を用いて形成するものであってもよい。
また、本発明の光学素子は、前述したような有機ＥＬ素子やＬＥＤ素子を備えた光源ユニットに適用するものに限定されず、例えば、ハロゲンなどのランプ等にも適用することができる。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）
以下のように、光学素子を製造した。
まず、シリコンウェハー上にレジスト剤（ポジレジスト）を塗布することにより、レジスト層を形成した第１の基材を用意した。
次に、第１の基材のレジスト層に、ＥＢ直描方法を用いて、多数の円柱体を描画した。
その後、露光・現像を行うことにより、多数の円柱体が規則的に配列した第１の原盤を得た。なお、形成した円柱体は、千鳥格子状に配列したもので、その横断面の径が０．８μｍ、高さが２．０μｍのものであった。また、円柱体のピッチは、１．３μｍであった。
【００４３】
次に、第１の原盤の円柱体を形成した表面に、蒸着法により、ニッケルで構成された導電膜を形成した。
その後、スルファミン酸ニッケル浴電鋳を行った後、第１の原盤を除去し、図４（ｅ）に示すような第１の型を得た。
一方、上記と同様の方法を用いて、表面に多数の微小の凹凸を有する第２の原盤を得た。なお、形成された凹凸の凸部同士の平均ピッチは、２５０ｎｍ、凹凸の幅は、２５０ｎｍ、凹凸の高低差は、２５０ｎｍであった。また、微小な凹凸が形成された面の表面粗さＲｚは、０．２５μｍであった。
次に、上記と同様にして、第２の原盤の凹凸を形成した面に導電膜を形成した。
その後、スルファミン酸ニッケル浴電鋳を行った後、第２の原盤を除去し、図５（ｅ）に示すような第２の型を得た。
【００４４】
次に、第１の型と第２の型を用いて、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）で構成された樹脂基板に熱プレス方式により各型の表面形状を転写した。なお、ＰＭＭＡとして、屈折率：１．４９、ガラス転移点：１０５℃のものを用いた。また、樹脂基板の厚さは、０．５ｍｍであった。また、転写の際の各型の温度は、１３０℃とした。
樹脂基板を冷却した後、各型を除去することにより、光学素子を得た。
得られた光学素子の光の出射面側に形成された円柱体は、千鳥格子状に配列したもので、その横断面の径が０．８μｍ、高さが２．０μｍのものであった。また、円柱体のピッチは、１．３μｍであった。また、形成された凹凸の凸部同士の平均ピッチは、２５０ｎｍ、凹凸の幅は、２５０ｎｍ、凹凸の高低差は、２５０ｎｍであった。また、入射面の表面粗さＲｚは、０．２５μｍであった。
【００４５】
（実施例２）
前記実施例１と同様にして第１の型および第２の型を得た。
次に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）で構成された樹脂基板に、第２の型を用いて、熱プレス方式により第２の型の表面形状を転写した。なお、ＰＭＭＡとして、屈折率：１．４９、ガラス転移点：１０５℃のものを用いた。また、樹脂基板の厚さは、０．４ｍｍであった。また、転写の際の各型の温度は、１３０℃とした。
その後、樹脂基板を冷却した。
【００４６】
次に、第１の型の凹部が形成されている面と、樹脂基板の第２の型の表面形状を転写した面とは反対側の面との間に、未硬化のエポキシ系樹脂を付与した。
次に、第１の型と、樹脂基板とで、上記未硬化のエポキシ系樹脂を押圧した後、樹脂基板側から、紫外線を照射し、未硬化のエポキシ系樹脂を硬化させた。なお、エポキシ系樹脂の硬化後の屈折率は、１．５４であった。
【００４７】
その後、第１の型を除去することにより、光学素子を得た。
得られた光学素子の光の出射面側に形成された円柱体は、千鳥格子状に配列したもので、その横断面の径が０．８μｍ、高さが２．０μｍのものであった。また、円柱体のピッチは、１．３μｍであった。また、形成された凹凸の凸部同士の平均ピッチは、２５０ｎｍ、凹凸の幅は、２５０ｎｍ、凹凸の高低差は、２５０ｎｍであった。また、入射面の表面粗さＲｚは、０．２５μｍであった。
【００４８】
（比較例１）
第２の型の代わりに微小の凹凸が形成されていない平板を用いた以外は、前記実施例１と同様にして光学素子を製造した。すなわち、入射面側に微小の凹凸が形成されていない光学素子を製造した。
（比較例２）
第２の型を用いた転写を行わなかった以外は、前記実施例２と同様にして光学素子を製造した。すなわち、入射面側に微小の凹凸が形成されていない光学素子を製造した。
【００４９】
［評価］
各実施例および各比較例で得られた光学素子を用いて、図８に示すような光源ユニットを製造した。なお、有機ＥＬ素子から発される光の波長は、４６０ｎｍと５８０ｎｍの２つのピークを持つものであった。
各実施例および各比較例にかかる光源ユニットにおいて、有機ＥＬ素子が発した光の光量Ａと、光源ユニットから出射した光の光量Ｂとを測定し、Ａに対するＢの割合、すなわち、光の利用効率（透過率）を求めた。これらの結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
表１からわかるように、実施例にかかる光源ユニットは、比較例のものと比較して、光を効率良く利用することが可能であることが確認された。
また、各実施例および各比較例で得られた光学素子を用いて、図９に示すような光源ユニットを製造し、上記と同様の評価を行ったところ、ほぼ同様の結果が得られた。なお、ＬＥＤ素子から発される光の波長は、４６０ｎｍと５８０ｎｍの２つのピークを持つものであった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の光学素子を模式的に示した縦断面図である。
【図２】図１に示す光学素子を光の出射側から見た平面図である。
【図３】本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。
【図４】本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。
【図５】本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。
【図６】本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。
【図７】本発明の光学素子の製造方法の第２実施形態を示す工程図である。
【図８】図１に示す光学素子を備えた光源ユニットの第１実施形態を示す模式図である。
【図９】図１に示す光学素子を備えた光源ユニットの第２実施形態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
１、１’…光学素子 １１…基体 １２、１２’…円柱体 １３、１３’…凹凸 ２…第１の型 ２１…導電膜 ２２…電鋳金属層 ２３…凹部 ３…第２の型 ３１…導電膜 ３２…電鋳金属層 ３３…凹凸 ４、４’…基材 ４１…円柱体 ４２、５２…基板 ４３、５３…レジスト層 ５、５’…基材 ５１…凹凸 ６…樹脂基板 ７、７’…樹脂基板 ８…硬化樹脂層 １０…有機ＥＬ素子 １０’…ＬＥＤ素子 １００、１００’…光源ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、光学素子の製造方法、および、光源ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
屈折率が異なる二つの物質が、所定のピッチで規則正しく繰り返して並んだ構造、すなわち、フォトニック構造を有する光学素子を備えた光源ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この光源ユニットは、一般に、有機ＥＬやＬＥＤ等の光源と、当該光源に対向するように配置された光学素子とを備えたものであり、光の取り出し効率が高く、近年注目されている。
しかしながら、従来の光源ユニットでは、光源から照射した光が、光学素子の上記フォトニック構造が形成されている面とは反対の面において反射されてしまい、光源からの光を効率良く用いるのが困難であった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４９８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、光源からの光を効率良く利用することが可能な光学素子、このような光学素子を容易に製造可能な光学素子の製造方法、および、このような光学素子を備えた光源ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の光学素子は、光源から照射した光を所定の方向へ導く光学素子であって、
基体と、
前記基体の一方の面側に規則的に配列した多数の円柱体と、
前記基体の他方の面側に設けられた多数の微小の凹凸とを有し、
多数の前記円柱体は、その横断面の径が前記光の波長の０．５〜４倍のもので、かつ、前記径の０．５〜３倍のピッチで配列したものであり、
前記凹凸の隣接する凸部同士の平均ピッチ、前記凹凸の幅、および、前記凹凸の高低差が前記光の波長の３０〜５０％であることを特徴とする。
これにより、光源からの光を効率良く利用することが可能な光学素子を提供することができる。
【０００６】
本発明の光学素子では、前記円柱体の高さは、前記円柱体の横断面の径の１倍以上であることが好ましい。
これにより、光学素子に入射した光を、より効率良く取り出すことができる。
本発明の光学素子では、前記円柱体を構成する材料の屈折率は、１．４以上であることが好ましい。
これにより、光学素子に入射した光を、さらに効率良く取り出すことができる。
本発明の光学素子では、多数の前記円柱体は、千鳥格子状に配列していることが好ましい。
これにより、円柱体をより均一に配置させることができ、場所による出射光の光量のばらつきを効果的に抑えることができる。
【０００７】
本発明の光学素子では、前記凹凸の隣接する凸部同士の平均ピッチ、前記凹凸の幅、および、前記凹凸の高低差は、１００〜４００ｎｍであることが好ましい。
これにより、光の入射面における光の反射をより効果的に防止または抑制することができる。
本発明の光学素子では、前記凹凸が形成された面の表面粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の十点平均粗さ）は、０．３μｍ以下であることが好ましい。
これにより、光の入射面における光の反射をさらに効果的に防止または抑制することができる。
【０００８】
本発明の光学素子の製造方法は、本発明の光学素子を製造する製造方法であって、
表面に多数の前記円柱体に対応した形状を有する第１の型を用意する工程と、
表面に微小の前記凹凸に対応した形状を有する第２の型を用意する工程と、
前記第１の型および前記第２の型の表面形状を、樹脂基板に転写する工程とを有することを特徴とする。
これにより、光源からの光を効率良く利用することが可能な光学素子を容易に製造することが可能な光学素子の製造方法を提供することができる。
【０００９】
本発明の光学素子の製造方法は、本発明の光学素子を製造する製造方法であって、
表面に多数の前記円柱体に対応した形状を有する第１の型を用意する工程と、
表面に微小の前記凹凸に対応した形状を有する第２の型を用意する工程と、
樹脂基板の一方の面に、前記第２の型の表面形状を転写する工程と、
前記樹脂基板の他方の面と前記第１の型との間に流動性を有する樹脂材料を付与する工程と、
前記樹脂基板と前記第１の型とで、前記樹脂材料を押圧する工程と、
前記樹脂材料を硬化させる工程とを有することを特徴とする。
これにより、光源からの光を効率良く利用することが可能な光学素子を容易に製造することが可能な光学素子の製造方法を提供することができる。
本発明の光源ユニットは、本発明の光学素子を備えたことを特徴とする。
これにより、光の利用効率に優れた光源ユニットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の光学素子、光学素子の製造方法、および、光源ユニットの好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
＜光学素子＞
まず、本発明の光学素子について説明する。
図１は、本発明の光学素子を模式的に示した縦断面図、図２は、図１に示す光学素子を光の出射側から見た平面図である。なお、以下の説明では、図１中の右側を「（光の）入射側」、左側を「（光の）出射側」と言う。
【００１１】
光学素子１は、例えば、後述する光源ユニット１００、１００’を構成する部材として用いられるものであり、図１に示すように、基体１１と、基体１１の一方の面（光の出射側の面）に形成された多数の円柱体１２と、基体１１の他方の面（光の入射側の面）に形成された多数の微小の凹凸１３とを有している。
基体１１は、後述する円柱体１２および凹凸１３を支持する機能を有している。
基体１１の構成材料は、特に限定されないが、主として樹脂材料で構成され、所定の屈折率を有する透明な材料で構成されている。
【００１２】
基体１１の具体的な構成材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド（例：ナイロン６、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６−１２、ナイロン６−６６）、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ−（４−メチルペンテン−１）、アイオノマー、アクリル系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレン−ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリシクロヘキサンテレフタレート（ＰＣＴ）等のポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル（液晶ポリマー）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば、ブレンド樹脂、ポリマーアロイ、積層体等として）用いることができる。
【００１３】
多数の円柱体１２は、上述した基体１１の光の出射側の面に規則的に配列したものである。
本発明において、多数の円柱体は、その横断面の径（図中、Ｄで表される径）が入射する光の波長の０．５〜４倍のものであり、かつ、その径の０．５〜３倍のピッチ（図中、Ｐ１で表されるピッチ）で配列したものである。
【００１４】
このような多数の円柱体は、隣接する円柱体間に存在する空気層とで、フォトニック構造（フォトニック結晶）を構成している。
すなわち、互いに屈折率が異なる２つの物質である円柱体と空気層とが、所定のピッチで規則正しく繰り返して並んだ構造となっている。
このような構造を有することにより、光学素子に入射した光を、光の出射面側（図１中の左側）に効率良く取り出す（出射させる）ことができる。
【００１５】
上述したように、本発明の光学素子が備える円柱体の横断面の径は、入射する光の波長の０．５〜４倍であるが、２〜３倍であるのが好ましい。これにより、光学素子に入射した光を、より効率良く取り出すことができる。
多数の円柱体１２の横断面の径は、具体的には、０．５〜２μｍであるのが好ましく、０．８〜１．５μｍであるのがより好ましい。
また、本発明の光学素子が備える多数の円柱体のピッチは、円柱体の横断面の径の０．５〜３倍であるが、１〜３倍であるのが好ましく、１〜２倍であるのがより好ましい。これにより、光学素子に入射した光を、より効率良く取り出すことができる。
【００１６】
多数の円柱体１２のピッチは、具体的には、１〜３μｍであるのが好ましく、１〜２μｍであるのがより好ましい。
また、円柱体１２の高さ（図中、Ｈ１で表される高さ）は、円柱体１２の横断面の径の１倍以上であるのが好ましく、１〜５倍であるのがより好ましく、１〜２．５倍であるのがさらに好ましい。これにより、これにより、光学素子１に入射した光を、より効率良く取り出すことができる。
【００１７】
円柱体１２の高さは、具体的には、０．８〜５μｍであるのが好ましく、１〜２．５μｍであるのがより好ましい。
円柱体１２は、前述した基体１１を構成する樹脂材料と略同等の屈折率を有する材料（樹脂材料）で構成されているのが好ましい。これにより、円柱体１２と基体１１との界面における入射光の反射を効果的に防止することができる。
【００１８】
また、円柱体１２を構成する材料の屈折率は、具体的には、空気の屈折率よりも高い値であれば特に限定されないが、１．４以上であるのが好ましく、１．４〜１．７であるのがより好ましい。これにより、光学素子１に入射した光を、さらに効率良く出射させることができる。これに対して、円柱体１２を構成する材料の屈折率が前記下限値未満であると、光学素子１の周辺の気温や湿度等によっては、フォトニック構造としての機能が十分に発揮されない可能性がある。
【００１９】
また、多数の円柱体１２の配列としては、上述したような関係を満足するものであれば特に限定されず、例えば、格子状、千鳥格子状等が挙げられる。これらの中でも、特に、図２に示すように千鳥格子状に配列しているのが好ましい。これにより、円柱体１２をより均一に配置させることができ、場所による出射光の光量のばらつきを効果的に抑えることができる。
【００２０】
また、光学素子１は、図１に示すように、光の入射側の面、すなわち、円柱体１２が形成されている面とは反対側の面に、多数の微小の凹凸１３が設けられている。
この多数の微小の凹凸１３は、その凸部同士の平均ピッチ（図中、Ｐ２で表されるピッチの平均値）、凹凸の幅（図中、Ｗで表される幅）、および、凹凸の高低差（図中、Ｈ２で表される高低差）が照射する光の波長の３０〜５０％であるという条件を満たすものである。
【００２１】
ところで、フォトニック構造を有する光学素子を備えた従来の光源ユニットでは、光源から照射した光が、光学素子の上記フォトニック構造が形成されている面とは反対の面において反射されてしまい、光源からの光を効率良く用いるのが困難であった。
これに対して、本発明のように、光学素子の光の入射面に、上記のような条件を満たす微小の凹凸を多数設けることにより、光の入射面における光の反射を防止または抑制することができる。これにより、光学素子の円柱体（フォトニック構造）に入射する光の光量を多くすることができる。さらに、本発明の光学素子は、出射面側に上述したようなフォトニック構造を有していることから、上記反射防止の効果とフォトニック構造による効果（光の取り出し効率が高いという効果）との相乗効果から、光源からの光を特に高い効率で利用することができる。なお、一般的な有機物等で構成された反射防止膜を形成することも考えられるが、そのような反射防止膜を設けた場合、反射防止膜と基体との間の界面において反射が生じてしまい、十分な光の利用効率を発揮させることができない。また、通常用いられている反射防止膜を設けた場合と比較して、このような多数の微小の凹凸を設ける場合、反射防止の効果が得られる光の波長の幅が広いという利点がある。
【００２２】
このように本発明は、光の入射面に、凸部同士の平均ピッチ、凹凸の幅、および、凹凸の高低差が照射する光の波長の３０〜５０％であるという条件を満たす多数の微小の凹凸を備えた点に特徴を有するものであるが、微小の凹凸は、その凸部同士の平均ピッチ、凹凸の幅、および、凹凸の高低差が照射する光の波長の２０〜４０％である条件を満たすのが好ましく、２５〜３５％である条件を満たすのがより好ましい。これにより、光の入射面における光の反射をより効果的に防止または抑制できる。これに対して、凸部同士の平均ピッチ、凹凸の幅、および、凹凸の高低差が前記下限値未満であると、光の入射面における光の反射を防止または抑制するのが困難となる。一方、凸部同士の平均ピッチ、凹凸の幅、および、凹凸の高低差が前記上限値を超えると、光の透過率が低下して、十分な光を光学素子内に入射させることができない。
【００２３】
凸部同士の平均ピッチ、凹凸の幅、および、凹凸の高低差は、具体的には、１００〜４００ｎｍであるのが好ましく、２００〜３００ｎｍ程度であるのがより好ましい。これにより、光の入射面における光の反射をより効果的に防止または抑制することができる。
また、微小の凹凸１３が設けられている面の表面粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の十点平均粗さ）は、０．３μｍ以下であるのが好ましく、０．２〜０．３μｍであるのがより好ましい。これにより、光の入射面における光の反射をさらに効果的に防止または抑制することができる。
上述したような基体１１、円柱体１２、および、凹凸１３は、図１に示すように、一体的に形成されているのが好ましく、同一の材料で一体的に形成されているのがより好ましい。これにより、本発明の効果をより顕著なものとすることができる。
【００２４】
＜光学素子の製造方法＞
次に、本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態について説明する。
図３〜図６は、本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。
本実施形態では、まず、表面に前述した多数の円柱体１２に対応した形状を有する第１の型２と、表面に前述した多数の凹凸１３に対応した形状を有する第２の型３を用意する。
【００２５】
［第１の型２の製造（第１の型用意工程）］
まず、シリコンウェハー等の基板４２と、該基板４２上に設けられ、主として、レジスト剤で構成されたレジスト層４３とを備えた基材４を用意する（図３（ａ）参照）。
本実施形態において、レジスト剤としては、ポジレジスト、ネガレジストのいずれのものも用いることができる。
次に、ＥＢ直描方法により、基材４（レジスト層４３）上に前述した多数の円柱体１２と同様の形状を描画し、露光、現像を行うことにより、図３（ｂ）に示すように、表面に円柱体４１を有する基材４’が得られる。
【００２６】
次に、図３（ｃ）に示すように、基材４’の円柱体４１が形成されている側の表面に、導電膜２１を形成する。
導電膜２１を構成する材料としては、導電性材料であれば特に限定されず、例えば、ニッケル、アルミニウム、銅、鉄、亜鉛、銀等およびそれらの合金等が挙げられる。
導電膜２１の形成は、例えば、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の気相成膜法、電解めっき、無電解めっき等の湿式めっき法等により行うことができる。
【００２７】
次に、電鋳法により、導電膜２１の表面に、金属（電鋳金属）を電着させ、電鋳金属層２２を形成する（図４（ｄ）参照）。このような電鋳法を用いることにより、基材４’の表面形状を精密に転写することができる。
電鋳金属としては、例えば、ニッケル、銅、鉄、銀、金等およびそれらの合金等が挙げられる。
その後、基材４’を取り外し（除去）することにより、図４（ｅ）に示すような、円柱体１２の形状に対応した凹部２３を有する第１の型２が得られる。
【００２８】
［第２の型３の製造（第２の型用意工程）］
まず、前述した第１の型用意工程と同様に、シリコンウェハー等の基板５２と、該基板５２上に設けられ、主として、レジスト剤で構成されたレジスト層５３とを備えた基材５を用意する（図５（ａ）参照）。
次に、前述した第１の型用意工程と同様に、ＥＢ直描方法により、基材５（レジスト層５３）上に前述した多数の凹凸１３と同様の形状を描画し、露光、現像を行うことにより、図５（ｂ）に示すように、表面に多数の微小の凹凸５１を有する基材５’が得られる。
次に、前述した第１の型用意工程と同様に、基材５’の凹凸５１が形成されている側の表面に、導電膜３１を形成する。
【００２９】
次に、前述した第１の型用意工程と同様に、電鋳法により、導電膜３１の表面に、金属（電鋳金属）を電着させ、電鋳金属層３２を形成する（図５（ｄ）参照）。このような電鋳法を用いることにより、基材５’の表面形状を精密に転写することができる。
その後、基材５’を取り外し（除去）することにより、図５（ｅ）に示すような、凹凸１３の形状に対応した凹凸３３を有する第２の型３が得られる。
【００３０】
［転写工程］
まず、主として、前述したような樹脂材料で構成された樹脂基板６を用意する。
次に、図６（ａ）に示すように、樹脂基板６を、上記のようにして得られた第１の型２と第２の型３との間に設置する。
次に、第１の型２と第２の型３とを加熱し、図６（ｂ）に示すように、樹脂基板６をプレスし、第１の型２および第２の型３の表面形状を樹脂基板６に転写する。
なお、第１の型２および第２の型３の加熱は、樹脂材料のガラス転移点よりも、２０〜４０℃程度高い温度となるように行うのが好ましい。
【００３１】
そして、第１の型２および第２の型３の形状を転写した樹脂基板６を冷却する。
その後、第１の型２および第２の型３を除去することにより、図１および図６（ｃ）に示すような光学素子１（本発明の光学素子）が得られる。
上記のような方法によれば、本発明の光学素子を容易に製造することができるとともに、大量生産にも容易に対応することができる。
【００３２】
次に、本発明の光学素子の製造方法の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分はその説明を省略する。
図７は、本発明の光学素子の製造方法の第２実施形態を示す工程図である。
まず、前述した第１実施形態と同様にして、第１の型２と第２の型３とを用意する。
一方、主として、前述したような樹脂材料で構成された樹脂基板７を用意する。
【００３３】
次に、図７（ａ）に示すように、樹脂基板７と第２の型３とを対向させて設置する。
次に、第２の型３を加熱する。
次に、図７（ｂ）に示すように、樹脂基板７の一方の面に第２の型３を加熱および押圧し、第２の型３の表面形状を樹脂基板７に対して転写する（凹凸転写工程）。これにより、図７（ｃ）に示すような多数の微小の凹凸１３’を有する樹脂基板７’が得られる。
【００３４】
次に、第１の型２の凹部２３が形成されている面と、樹脂基板７’の凹凸１３’が形成されている側とは反対側の面とが、対向するように設置する。
次に、第１の型２と樹脂基板７’との間に、流動性を有する樹脂材料を付与する（樹脂材料付与工程）。このように、円柱体の形成に流動性を有する樹脂材料を用いた場合、第１の型２の表面形状の転写をより効率良く行うことができる。
この流動性を有する樹脂材料としては、樹脂基板７’を構成する樹脂材料と同等の屈折率を有するものを用いるのが好ましい。これにより、樹脂基板７’と、硬化した後の硬化樹脂層８との界面における入射光の反射を効果的に防止することができる。
【００３５】
次に、第１の型２と樹脂基板７’とで、樹脂材料を押圧した（押圧工程）後、紫外線照射や加熱等によって、樹脂材料を硬化させる。これにより、図７（ｄ）に示すように、第１の型２と樹脂基板７’との間に硬化樹脂層８が形成される。
その後、第１の型２を除去することにより、図７（ｅ）に示すような光学素子１’（本発明の光学素子）が得られる。
上記のような方法によれば、本発明の光学素子を容易に製造することができるとともに、大量生産にも容易に対応することができる。
【００３６】
＜光源ユニット＞
次に、上述したような本発明の光学素子を備えた光源ユニットについて説明する。
まず、本発明の光源ユニットの第１実施形態について説明する。
図８は、図１に示す光学素子を備えた光源ユニットの第１実施形態を示す模式図である。
【００３７】
光源ユニット１００は、前述した光学素子１と、光学素子１の光の入射側に配置された有機ＥＬ素子１０とを備えている。
以上のように構成された光源ユニット１００は、有機ＥＬ素子１０から照射された光が、光学素子１の微小の凹凸１３が設けられた面側からに入射し、円柱体１２が設けられた面側から出射するよう構成されている。
光源ユニット１００は、光学素子１（本発明の光学素子）を備えているので、入射した光は、不本意な反射等を生じず、十分な透過率で、円柱体１２が設けられた面に到達する。その結果、従来のものと比較して、有機ＥＬ素子１０から発した光を効率良く利用することができ、十分に明るい光を照射することができる。
【００３８】
次に、本発明の光源ユニットの第２実施形態について説明する。
図９は、図１に示す光学素子を備えた光源ユニットの第２実施形態を示す模式図である。
光源ユニット１００’は、前述した光学素子１と、光学素子１の光の入射側に配置されたＬＥＤ素子１０’とを備えている。
【００３９】
以上のように構成された光源ユニット１００’は、ＬＥＤ素子１０’から照射された光が、光学素子１の微小の凹凸１３が設けられた面側からに入射し、円柱体１２が設けられた面側から出射するよう構成されている。
光源ユニット１００’は、光学素子１（本発明の光学素子）を備えているので、入射した光は、不本意な反射等を生じず、十分な透過率で、円柱体１２が設けられた面に到達する。その結果、従来のものと比較して、ＬＥＤ素子１０’から発した光を効率良く利用することができ、十分に明るい光を照射することができる。
【００４０】
以上、本発明の光学素子、光学素子の製造方法および光源ユニットについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
例えば、本発明の光学素子の製造方法では、必要に応じて、任意の目的の工程を追加することもできる。
また、前述した実施形態では、ＥＢ直描方法により、基材上に多数の円柱体の形状を描画した後、露光・現像するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、所定の開口部を有するマスクを用いて、露光・現像するものであってもよい。
【００４１】
また、前述した実施形態では、光学素子の微小の凹凸に対応する形状、円柱体に対応する形状を、フォトリソ工程により形成するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、エッチング加工や、レーザ加工等を用いて形成するものであってもよい。
また、本発明の光学素子は、前述したような有機ＥＬ素子やＬＥＤ素子を備えた光源ユニットに適用するものに限定されず、例えば、ハロゲンなどのランプ等にも適用することができる。
【実施例】
【００４２】
（実施例１）
以下のように、光学素子を製造した。
まず、シリコンウェハー上にレジスト剤（ポジレジスト）を塗布することにより、レジスト層を形成した第１の基材を用意した。
次に、第１の基材のレジスト層に、ＥＢ直描方法を用いて、多数の円柱体を描画した。
その後、露光・現像を行うことにより、多数の円柱体が規則的に配列した第１の原盤を得た。なお、形成した円柱体は、千鳥格子状に配列したもので、その横断面の径が０．８μｍ、高さが２．０μｍのものであった。また、円柱体のピッチは、１．３μｍであった。
【００４３】
次に、第１の原盤の円柱体を形成した表面に、蒸着法により、ニッケルで構成された導電膜を形成した。
その後、スルファミン酸ニッケル浴電鋳を行った後、第１の原盤を除去し、図４（ｅ）に示すような第１の型を得た。
一方、上記と同様の方法を用いて、表面に多数の微小の凹凸を有する第２の原盤を得た。なお、形成された凹凸の凸部同士の平均ピッチは、２５０ｎｍ、凹凸の幅は、２５０ｎｍ、凹凸の高低差は、２５０ｎｍであった。また、微小な凹凸が形成された面の表面粗さＲｚは、０．２５μｍであった。
次に、上記と同様にして、第２の原盤の凹凸を形成した面に導電膜を形成した。
その後、スルファミン酸ニッケル浴電鋳を行った後、第２の原盤を除去し、図５（ｅ）に示すような第２の型を得た。
【００４４】
次に、第１の型と第２の型を用いて、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）で構成された樹脂基板に熱プレス方式により各型の表面形状を転写した。なお、ＰＭＭＡとして、屈折率：１．４９、ガラス転移点：１０５℃のものを用いた。また、樹脂基板の厚さは、０．５ｍｍであった。また、転写の際の各型の温度は、１３０℃とした。
樹脂基板を冷却した後、各型を除去することにより、光学素子を得た。
得られた光学素子の光の出射面側に形成された円柱体は、千鳥格子状に配列したもので、その横断面の径が０．８μｍ、高さが２．０μｍのものであった。また、円柱体のピッチは、１．３μｍであった。また、形成された凹凸の凸部同士の平均ピッチは、２５０ｎｍ、凹凸の幅は、２５０ｎｍ、凹凸の高低差は、２５０ｎｍであった。また、入射面の表面粗さＲｚは、０．２５μｍであった。
【００４５】
（実施例２）
前記実施例１と同様にして第１の型および第２の型を得た。
次に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）で構成された樹脂基板に、第２の型を用いて、熱プレス方式により第２の型の表面形状を転写した。なお、ＰＭＭＡとして、屈折率：１．４９、ガラス転移点：１０５℃のものを用いた。また、樹脂基板の厚さは、０．４ｍｍであった。また、転写の際の各型の温度は、１３０℃とした。
その後、樹脂基板を冷却した。
【００４６】
次に、第１の型の凹部が形成されている面と、樹脂基板の第２の型の表面形状を転写した面とは反対側の面との間に、未硬化のエポキシ系樹脂を付与した。
次に、第１の型と、樹脂基板とで、上記未硬化のエポキシ系樹脂を押圧した後、樹脂基板側から、紫外線を照射し、未硬化のエポキシ系樹脂を硬化させた。なお、エポキシ系樹脂の硬化後の屈折率は、１．５４であった。
【００４７】
その後、第１の型を除去することにより、光学素子を得た。
得られた光学素子の光の出射面側に形成された円柱体は、千鳥格子状に配列したもので、その横断面の径が０．８μｍ、高さが２．０μｍのものであった。また、円柱体のピッチは、１．３μｍであった。また、形成された凹凸の凸部同士の平均ピッチは、２５０ｎｍ、凹凸の幅は、２５０ｎｍ、凹凸の高低差は、２５０ｎｍであった。また、入射面の表面粗さＲｚは、０．２５μｍであった。
【００４８】
（比較例１）
第２の型の代わりに微小の凹凸が形成されていない平板を用いた以外は、前記実施例１と同様にして光学素子を製造した。すなわち、入射面側に微小の凹凸が形成されていない光学素子を製造した。
（比較例２）
第２の型を用いた転写を行わなかった以外は、前記実施例２と同様にして光学素子を製造した。すなわち、入射面側に微小の凹凸が形成されていない光学素子を製造した。
【００４９】
［評価］
各実施例および各比較例で得られた光学素子を用いて、図８に示すような光源ユニットを製造した。なお、有機ＥＬ素子から発される光の波長は、４６０ｎｍと５８０ｎｍの２つのピークを持つものであった。
各実施例および各比較例にかかる光源ユニットにおいて、有機ＥＬ素子が発した光の光量Ａと、光源ユニットから出射した光の光量Ｂとを測定し、Ａに対するＢの割合、すなわち、光の利用効率（透過率）を求めた。これらの結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
表１からわかるように、実施例にかかる光源ユニットは、比較例のものと比較して、光を効率良く利用することが可能であることが確認された。
また、各実施例および各比較例で得られた光学素子を用いて、図９に示すような光源ユニットを製造し、上記と同様の評価を行ったところ、ほぼ同様の結果が得られた。なお、ＬＥＤ素子から発される光の波長は、４６０ｎｍと５８０ｎｍの２つのピークを持つものであった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の光学素子を模式的に示した縦断面図である。
【図２】図１に示す光学素子を光の出射側から見た平面図である。
【図３】本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。
【図４】本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。
【図５】本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。
【図６】本発明の光学素子の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。
【図７】本発明の光学素子の製造方法の第２実施形態を示す工程図である。
【図８】図１に示す光学素子を備えた光源ユニットの第１実施形態を示す模式図である。
【図９】図１に示す光学素子を備えた光源ユニットの第２実施形態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
１、１’…光学素子 １１…基体 １２、１２’…円柱体 １３、１３’…凹凸 ２…第１の型 ２１…導電膜 ２２…電鋳金属層 ２３…凹部 ３…第２の型 ３１…導電膜 ３２…電鋳金属層 ３３…凹凸 ４、４’…基材 ４１…円柱体 ４２、５２…基板 ４３、５３…レジスト層 ５、５’…基材 ５１…凹凸 ６…樹脂基板 ７、７’…樹脂基板 ８…硬化樹脂層 １０…有機ＥＬ素子 １０’…ＬＥＤ素子 １００、１００’…光源ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から照射した光を所定の方向へ導く光学素子であって、
基体と、
前記基体の一方の面側に規則的に配列した多数の円柱体と、
前記基体の他方の面側に設けられた多数の微小の凹凸とを有し、
多数の前記円柱体は、その横断面の径が前記光の波長の０．５〜４倍のもので、かつ、前記径の０．５〜３倍のピッチで配列したものであり、
前記凹凸の隣接する凸部同士の平均ピッチ、前記凹凸の幅、および、前記凹凸の高低差が前記光の波長の３０〜５０％であることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記円柱体の高さは、前記円柱体の横断面の径の１倍以上である請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記円柱体を構成する材料の屈折率は、１．４以上である請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
多数の前記円柱体は、千鳥格子状に配列している請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記凹凸の隣接する凸部同士の平均ピッチ、前記凹凸の幅、および、前記凹凸の高低差は、１００〜４００ｎｍである請求項１ないし４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記凹凸が形成された面の表面粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の十点平均粗さ）は、０．３μｍ以下である請求項１ないし５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子を製造する製造方法であって、
表面に多数の前記円柱体に対応した形状を有する第１の型を用意する工程と、
表面に微小の前記凹凸に対応した形状を有する第２の型を用意する工程と、
前記第１の型および前記第２の型の表面形状を、樹脂基板に転写する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８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子を製造する製造方法であって、
表面に多数の前記円柱体に対応した形状を有する第１の型を用意する工程と、
表面に微小の前記凹凸に対応した形状を有する第２の型を用意する工程と、
樹脂基板の一方の面に、前記第２の型の表面形状を転写する工程と、
前記樹脂基板の他方の面と前記第１の型との間に流動性を有する樹脂材料を付与する工程と、
前記樹脂基板と前記第１の型とで、前記樹脂材料を押圧する工程と、
前記樹脂材料を硬化させる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９】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子を備えたことを特徴とする光源ユニット。
【請求項１】
光源から照射した光を所定の方向へ導く光学素子であって、
基体と、
前記基体の一方の面側に規則的に配列した多数の円柱体と、
前記基体の他方の面側に設けられた多数の微小の凹凸とを有し、
多数の前記円柱体は、その横断面の径が前記光の波長の０．５〜４倍のもので、かつ、前記径の０．５〜３倍のピッチで配列したものであり、
前記凹凸の隣接する凸部同士の平均ピッチ、前記凹凸の幅、および、前記凹凸の高低差が前記光の波長の３０〜５０％であることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記円柱体の高さは、前記円柱体の横断面の径の１倍以上である請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記円柱体を構成する材料の屈折率は、１．４以上である請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
多数の前記円柱体は、千鳥格子状に配列している請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記凹凸の隣接する凸部同士の平均ピッチ、前記凹凸の幅、および、前記凹凸の高低差は、１００〜４００ｎｍである請求項１ないし４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記凹凸が形成された面の表面粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の十点平均粗さ）は、０．３μｍ以下である請求項１ないし５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子を製造する製造方法であって、
表面に多数の前記円柱体に対応した形状を有する第１の型を用意する工程と、
表面に微小の前記凹凸に対応した形状を有する第２の型を用意する工程と、
前記第１の型および前記第２の型の表面形状を、樹脂基板に転写する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８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子を製造する製造方法であって、
表面に多数の前記円柱体に対応した形状を有する第１の型を用意する工程と、
表面に微小の前記凹凸に対応した形状を有する第２の型を用意する工程と、
樹脂基板の一方の面に、前記第２の型の表面形状を転写する工程と、
前記樹脂基板の他方の面と前記第１の型との間に流動性を有する樹脂材料を付与する工程と、
前記樹脂基板と前記第１の型とで、前記樹脂材料を押圧する工程と、
前記樹脂材料を硬化させる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９】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学素子を備えたことを特徴とする光源ユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１３５２９７（Ｐ２００８−１３５２９７Ａ）
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２０６９８（Ｐ２００６−３２０６９８）
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１２日（２００８．６．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２８日（２００６．１１．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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