(57)【要約】  【課題】    耐久性を有しながらも成形サイクル時間を減少でき、しかも高精度に光学素子を成形できる光学素子用成形金型の製造方法、及びそれにより製造される光学素子用成型金型並びにそれにより成形される光学素子を提供する。  【解決手段】  微細構造の切削加工創成に非常に適している過冷却液体領域を有する非晶質金属を金型光学面材料として用いることと，金型基材に光学素子成形転写性の向上に優れてる熱伝導率の低い金型材料とを，組み合わせて用いることで，光学面に微細構造を有した高機能光学素子を高精度かつ高効率に成形し，大量に生産することが可能となる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導率が１〜２０Ｗ／ｍＫの材料から形成された金型基材の表面に，Ｐｔ，Ｉｒ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｂ，Ｐの少なくともいずれか一種類以上の元素を２０〜８０ｍｏｌ％以上含有した過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を形成し，その膜層表面に所定の加工を施すことにより金型光学面を形成したことを特徴とする光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項２】
前記光学素子用成形金型は、直径５ｍｍ以下の光学素子を成形するために用いられることを特徴とする請求項１に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項３】
前記金型基材の表面に形成された前記非晶質金属の膜層の厚さは、１０〜５００μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項４】
前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の熱伝導率が１〜２０Ｗ／ｍＫであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項５】
前記金型基材が，セラミックス材料から形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項６】
前記金型基材は，ジルコニア，アルミナ，マコール，マセライト［Ａｌ２Ｏ３・Ｋ２Ｏ・Ｂ２Ｏ３・Ｆ］のいずれかのセラミックスから形成されていることを特徴とする請求項５に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項７】
前記金型基材は，合金，多結晶金属，又は単結晶金属から形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項８】
前記金型基材は、インコネル合金，Ｔｉ合金，ステンレス合金のいずれかから形成されていることを特徴とする請求項７に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項９】
前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層をＰＶＤ処理によって形成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項１０】
前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層をスパッタ処理によって形成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項１１】
前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層をイオンプレーティング処理によって形成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項１２】
前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を蒸着法によって形成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項１３】
前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層をＣＶＤ処理によって形成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項１４】
前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を前記金型基材の表面に形成にする前に，前記金型基材の表面の表面粗さをＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項１５】
前記表面粗さを，サンドブラスト工程によりＲａ＝１〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする請求項１４に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項１６】
前記表面粗さを，酸又はアルカリ溶液によるエッチング工程によりＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする請求項１４に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項１７】
前記酸又はアルカリ溶液として，酢酸，蟻酸，塩酸，硝酸，硫酸，クロムエッチング溶液，水酸化カリウム，水酸化ナトリウム，青酸，フェリシアン化カリウム，過酸化水素水，王水のいずれか１つの溶液を用いたことを特徴とする請求項１６に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項１８】
前記表面粗さを，スパッタ法によるエッチング工程によりＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする請求項１４に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項１９】
前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層と，前記金型基材との間に、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ａｇの貴金属元素群及びＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｚｒの遷移金属元素群の中から選択されるいずれかの元素からなる，あるいはいずれか２種類以上の元素を組み合わせてなる、厚さ０．０１μｍ〜２０μｍの機能膜を形成することを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項２０】
前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層と，前記金型基材の間に、アルミナ，クロミナ，ＷＣ，チッ化ケイ素，チッ化炭素，ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ジルコニア，ダイヤモンド，ダイヤモンドライクカーボン，カーボンの群から選択されるいずれか一種類の成分を有する膜層を膜厚０．０１μｍ〜２０μｍ形成することによって、機能膜を形成したことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項２１】
前記機能膜をＰＶＤ処理によって形成したことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項２２】
前記機能膜をスパッタ処理によって形成したことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項２３】
前記機能膜をイオンプレーティング処理によって形成したことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項２４】
前記機能膜を蒸着法によって形成したことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項２５】
前記機能膜をＣＶＤ処理によって形成したことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項２６】
前記機能膜を前記金型基材の表面に形成にする前に，前記金型基材の表面の表面粗さをＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする請求項１９乃至２５のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項２７】
前記表面粗さを，サンドブラスト工程によりＲａ＝１〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする請求項２６に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項２８】
前記表面粗さを，酸又はアルカリ溶液によるエッチング工程によりＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする請求項２６に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項２９】
前記酸又はアルカリ溶液として，酢酸，蟻酸，塩酸，硝酸，硫酸，クロムエッチング溶液，水酸化カリウム，水酸化ナトリウム，青酸，フェリシアン化カリウム，過酸化水素水，王水のいずれか１つの溶液を用いたことを特徴とする請求項２８に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項３０】
前記表面粗さを，スパッタ法によるエッチング工程によりＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする請求項２６に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項３１】
前記光学素子用成形金型の外径は，それにより成形される光学素子の直径よりも１ｍｍ以上大きいことを特徴とする請求項１乃至３０のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項３２】
前記光学素子用成形金型により成形される光学素子の光学面に、光軸を中心とした輪帯構造が形成されることを特徴とする請求項１乃至３１のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項３３】
前記輪帯構造は、光路差付与構造であることを特徴とする請求項３２に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項３４】
前記輪帯構造は、光軸方向断面が鋸歯状のブレーズ型回折構造であることを特徴とする請求項３２に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項３５】
前記輪帯構造は、光軸方向断面が階段状の回折構造であることを特徴とする請求項３２に記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項３６】
前記光学素子用成形金型の金型光学面は、非球面形状のみからなることを特徴とする請求項１乃至３５のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法。
【請求項３７】
請求項１乃至３６のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする光学素子用成形金型。
【請求項３８】
請求項３７に記載の光学素子用成形金型を用いて成形したことを特徴とする光学素子。
【請求項３９】
プラスチック材料を素材とすることを特徴とする請求項３８に記載の光学素子。
【請求項４０】
ガラス材料を素材とすることを特徴とする請求項３８に記載の光学素子。
【請求項４１】
レンズであることを特徴とする請求項３８乃至４０のいずれかに記載の光学素子。
【請求項４２】
前記光学素子は光学面に輪帯構造を形成しており、前記輪帯構造は、前記光学素子に対して光を照射する光源の波長変化による前記光学素子の収差変化を補正する機能を有することを特徴とする請求項３８乃至４１のいずれかに記載の光学素子。
【請求項４３】
前記光学素子は光学面に輪帯構造を形成しており、前記輪帯構造は、前記光学素子の温度変化による収差変化を補正する機能を有することを特徴とする請求項３８乃至４２のいずれかに記載の光学素子。
【請求項４４】
前記光学素子の光学面に、複数の突起またはくぼみが転写成形されていることを特徴とする請求項３８乃至４３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項４５】
前記突起またはくぼみは、等価屈折率領域の微細構造を形成することを特徴とする請求項４４に記載の光学素子。
【請求項４６】
前記突起またはくぼみは、反射防止効果を発生する微細構造を形成することを特徴とする請求項４４又は４５に記載の光学素子。
【請求項４７】
前記突起またはくぼみは、構造複屈折を発生する微細構造を形成することを特徴とする請求項４４乃至４６のいずれかに記載の光学素子。
【請求項４８】
前記突起またはくぼみは、共鳴領域の微細構造を形成することを特徴とする請求項４４乃至４７のいずれかに記載の光学素子。
【請求項４９】
前記突起またはくぼみは、前記光学素子の光学面の一部に存在していることを特徴とする請求項４４乃至４８のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５０】
前記光学素子の光学面の一部に、少なくとも複数の形状または配置パターンを有する突起またはくぼみが存在していることを特徴とする請求項４４乃至４９のいずれかに記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形サイクルを短くできる光学素子用成形金型を製造する製造方法、及びその製造方法により製造された光学素子用成形金型、並びにその光学素子用成型金型により成形された光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から一般的に行われてきたプラスチック光学素子の成形用金型の製作手法によれば、例えば鋼材やステンレス鋼などＦｅ系の材料でブランク（一次加工品）を作っておき、その上に無電解ニッケルメッキとよばれる化学メッキにより、アモルファス状のニッケルと燐の合金を１００μｍほどの厚みに鍍膜し、このメッキ層を超精密加工機によりダイアモンド工具で切削加工して、光学素子の光学面を成形するための高精度な光学面転写面を得ていた。
【０００３】
ところで、近年，光学素子の光学面に高さ数μｍ程度の微細構造を施し，回折効果等の機能を付与させた光学素子が開発されている。この光学素子の光学面の微細構造は，成形金型の成形転写面に対応する微細構造を予め形成し，その成形転写面を成形により光学素子材料に転写することで得られる。ここで、例えば射出成形などで微細構造を精度良く転写成形して、所望の光学特性を有する光学素子を得るためには、微細構造の奥まで光学素子材料が入り込むようにする必要がある。しかるに、光学素子材料が金型に貼り付くことを防止するために、光学素子材料の温度より金型温度を低くするのが一般的であり、そのため金型の微細構造に接触した光学素子材料の表面が冷えて粘度が高くなり、微細構造の奥まで入り込みにくくなるということがある。従って、微細構造の奥まで光学素子材料を入り込ませるためには、成形時間を微細構造なしの光学素子を成形する場合と比べて，１．５倍以上長くすることが要求される。そうすると，単位時間当たりの光学素子の生産数が減るため，光学素子のコストが高くなるという問題がある。
【０００４】
これに対し、金型をセラミックなどの高い断熱性を有する素材から形成することによって、光学素子材料が触れた場合でも熱伝導を抑えて流動性を高め、微細構造の奥まで短時間で光学素子材料が入り込みやすくすることもできる。
【非特許文献１】三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社  ”セラミックス製断熱金型による転写性の検討”、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００２年６月、［平成１６年７月１６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ；http://www.enplanet.com/Company/00000006/Ja/Data/p019.html＞
【特許文献１】特開２００２−９６３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかるに、かかる従来技術の手法によれば、セラミックの表面にメッキを成膜し、かかるメッキ膜に機械加工で微細構造を形成している。ところが、製作工程に機械加工と化学メッキ処理が混在し煩雑で納期がかかること、必ずしもメッキ処理が安定している訳ではなく、ブランクの組成の偏りや汚れ具合によってメッキ層の付着強度がばらついたり、ピットと呼ばれるピンホール状の欠陥が生じたりすること、メッキ層の厚みの中で光学面転写面を創成しなければならないため、光学面転写面を再加工するときなどはメッキ厚みに余裕が無く加工不可能となる場合があること等々の不具合が生じていた。又、メッキとセラミックは親和性が比較的低いという問題があり、長期間の使用により剥がれなどの恐れがある。特に、光学素子成形の際に印加される押圧力により、剥離が生じやすくなる。
【０００６】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、耐久性を有しながらも成形サイクル時間を減少でき、しかも高精度に光学素子を成形できる光学素子用成形金型の製造方法、及びそれにより製造される光学素子用成型金型並びにそれにより成形される光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、熱伝導率が１〜２０Ｗ／ｍＫの材料から形成された金型基材の表面に，Ｐｔ，Ｉｒ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｂ，Ｐの少なくともいずれか一種類以上の元素を２０〜８０ｍｏｌ％以上含有した過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を形成し，その膜層表面に所定の加工を施すことにより金型光学面（成形する光学素子の光学面を転写形成する面をいう）を形成したことを特徴とする。
【０００８】
例えば金型基材の表面に無電解Ｎｉメッキを付着させ、そこに金型光学面を形成する場合、必要なメッキ膜の厚さを得るためには、数週間という非常に長い時間が必要となり、１つの金型を形成するために相当に手間がかかっていた。
【０００９】
これに対し、本発明のように，過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を金型基材に形成する場合、例えば金型基材に対し隔置配置された素材から、その材料粒子を飛散させて、過冷却液体領域を有する非晶質合金を堆積させる成膜工程（特にスパッタや蒸着法等）で膜層を形成することができ、それにより非常に短時間で成膜できるため、メッキ製法に比較して、光学素子用成形金型（単に金型ともいう）の製造時間を大幅に短縮できる。
【００１０】
更に、例えば前記金型基材としてセラミックス等を用いる場合、セラミックスが高硬度な難加工材料であるため，機械加工により微細構造を有する金型光学面を直接仕上げることは難しく，従って金型基材の金型光学面上には切削性の良い膜層を形成することが行われる。ところが，従来の光学素子用成形金型の金型光学面材料として用いられる無電解ニッケル鍍金（ＥＮＰ膜）膜層では，セラミックス等との相性が悪く，金型基材と膜層との密着性が悪いという問題がある。これに対し、本発明では，金型基材に過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を形成するので、短納期で成膜することができ，しかもメッキに比べて金型基材に対して強固な密着性を有し，かつ切削性もＥＮＰ膜と同等以上に優れた過冷却液体領域をもつ非晶質金属の膜層を用いることで，金型光学面に微細構造を有した上に，断熱効果を付した光学素子用成形金型を短納期で提供することができるのである。
【００１１】
また，本発明において，過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を光学素子用成形金型の金型光学面材料として用いることで，成膜後にダイヤモンド切削加工によって非常に小さな滑らかな光学転写面を容易に創成できる。特に，回折溝やＤＯＥ溝などの微細構造を高精度かつ多量に切削加工する際に，過冷却液体領域を有する非晶質金属の高被削性により微細な工具刃先の折損が防止され，また，工具磨耗も非常に少ないため，回折効果を維持するのに重要な溝エッジ部の形状を正確に維持して切削することが出来る。
【００１２】
加えて、本発明においては、熱伝導率が１〜２０Ｗ／ｍＫの材料から形成された金型基材を用いているので、光学素子用成形金型そのものに断熱効果を持たせることができる。例えば光学素子を成形で生産する際，上下型組み工程、溶融樹脂射出工程、型加圧保持工程、冷却（樹脂固化）工程、光学素子離型工程を１サイクルとして繰り返すことになるが，サイクル毎に成形室及び型の温度が周期的に変動する。この温度の周期的変動が大きいと、型温度が安定するまで待たなければならず，特に光学素子に微細構造（ブレーズ形状等）を転写させようとする際には，サイクル時間が長くとられ，結果的に光学素子の生産能力が上がらないという問題がある。これに対し本発明によれば、金型に断熱効果を持たせて，１サイクルにおける型温度の変動を抑えることで，型温度が安定するまでの時間を短くし，サイクル時間を短縮することができる。尚、熱伝導率は、低ければ低いほど金型の断熱効果が高まるが、一方、熱伝導率が低すぎると金型温度を変動させる際に時間がかかる上、金型表面温度に温度ムラが発生しやすくなるため、１〜２０Ｗ／ｍＫの範囲の熱伝導率を有する材料を選択するのが好ましい。
【００１３】
特に、本発明によれば、金型基材に熱伝導率が１〜２０Ｗ／ｍＫの基材を用いることで，光学素子成形時に光学素子からの熱の逃げを最小限に抑えることができる。従来のＦｅ系の素材を用いた金型基材の場合、熱伝導率が５０〜９０Ｗ／ｍＫ程度であるから、光学素子材料から熱が逃げやすく、微細構造を形成するのに時間がかかっていたが、本発明によれば、Ｆｅ系の素材を用いた金型基材に比べ、より長時間，光学素子材料の温度を高く維持できるから，光学素子材料の粘度が低い状態で金型に押し当てられるので，微細構造の奥まで光学素子材料が到達し、成形転写性が向上する。
【００１４】
即ち、本発明において，微細構造の切削加工創成に非常に適している過冷却液体領域を有する非晶質金属を金型光学面材料として用いることと，金型基材に光学素子成形転写性の向上に優れている熱伝導率の低い金型材料とを，組み合わせて用いることで，光学面に微細構造を有した高機能光学素子を高精度かつ高効率に成形し，大量に生産することが可能となる。
【００１５】
ここで、過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層にＰｔ，Ｉｒ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ等の貴金属元素類を含ませることで，耐酸化性や樹脂との融着防止に効果がある。また，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒの遷移元素を含ませることで，膜層の硬度を上げることや，非晶質金属の膜層の耐熱温度を上げることができる。Ａｌ，Ｃｕの被切削性の良い材料を混ぜることで，非晶質金属の膜層の被削性をより向上させることができる。Ｂ，Ｐを混ぜることで非晶質金属の膜層が有する過冷却液体領域の安定化を向上させることができる。
【００１６】
請求項２に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１に記載の発明において、前記光学素子用成形金型は、直径５ｍｍ以下の光学素子を成形するために用いられることを特徴とする。
【００１７】
特に，直径５ｍｍ以下の光学素子を成形する際には，素子自体の熱容量が小さいため，金型に断熱効果を持たせることによる効果が大きくなる。このように金型に十分な断熱効果を付与するには，金型基材に熱伝導率が低い（２０Ｗ／ｍＫ）材料を用いること，比熱の大きな材料を用いること，型形状を大きくして金型の熱容量を大きくしてやることなどの方策がある。十分な断熱効果を金型に付与することで，成形サイクル中の型温度の激しい変動や，著しい型温度の低下を防ぎ，外乱に対する熱応答性も鈍くなることから，成形サイクルを通じて型温度の安定化に寄与するため，結果として，Ｆｅ系の素材を用いた金型より短い成形サイクル時間にあるにも係らず，同程度以上の光学素子微細構造の成形転写性能を得ることができる。
【００１８】
請求項３に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１又は２に記載の発明において、前記金型基材の表面に形成された前記非晶質金属の膜層の厚さは、１０〜５００μｍであることを特徴とするので、光学素子に要求される微細構造を、例えばダイアモンド加工によって形成できる。
【００１９】
前記非晶質金属の膜層の厚さが１０μｍを下回ると、切削や研削加工により金型光学面を形成する際、一回の切削あるいは研削工程による削られる膜層の厚みは１〜５μｍであるため、切削あるいは研削できる回数が非常に限られることとなり、殆ど一回の加工により、求めようとする金型光学面の形状を創成せねばならず、加工難易度が高くなる。また、成膜時の前記膜層の膜厚ばらつきも±５μｍ以上あるため、現実的には膜層の膜厚が１０μｍ以下では加工が困難といえる。一方、膜層の厚みが増えれば増えるほど、加工できる回数も増え、加工工程の負担は減るが、５００μｍ以上の厚さの前記非晶質金属の膜層を形成すると、膜層の応力が厚みによって増加してゆき、金型基材からの剥離が発生する恐れがある。よって、前記非晶質金属膜層の厚さは１０〜５００μｍの範囲が好ましい。
【００２０】
但し、金型光学面の加工工程は、切削や研削加工などの機械加工に限られない。過冷却液体領域を有する非晶質金属膜層の転写容易性を生かし、例えば微細構造を有するマスター型を作り、成形転写による手法でマスター型から写し取ることで、光学素子の輪帯形状などに応じた微細構造を金型光学面に形成することもできる（特開２００３−１５４５２９、特開２００３−１６０３４３参照）。かかる手法によれば、マスター型をひとつ用意すれば、その表面形状を転写してゆくことで金型を容易に生産できるため、一つずつ金型光学面を機械加工にて創成する必要がなくなり、大幅に金型製作期間を短縮することができる。
【００２１】
請求項４に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の熱伝導率が１〜２０Ｗ／ｍＫであることを特徴とするので、過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層にも断熱効果を持たせることができ，金型全体の断熱効果を向上させることができる。
【００２２】
請求項５に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記金型基材が，セラミックス材料から形成されていることを特徴とする。セラミクス材料は一般に比熱が大きく，熱保持効果が高いため，金型の断熱効果を高めることができる。
【００２３】
請求項６に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項５に記載の発明において、前記金型基材は，ジルコニア，アルミナ，マコール，マセライト［Ａｌ２Ｏ３・Ｋ２Ｏ・Ｂ２Ｏ３・Ｆ］のいずれかのセラミックスから形成されていることを特徴とする。アルミナ，ジルコニア，マコール、マセライトはいずれもセラミックスで熱伝導率が１〜２０Ｗ／ｍＫの範囲であり、熱が伝わりにくいため，断熱効果が高いという特徴を有する。
【００２４】
請求項７に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記金型基材は，合金，多結晶金属，又は単結晶金属から形成されていることを特徴とする。金型基材が金属であることは，切削・研削等の工程で容易に金型形状を作ることができるため，セラミックス基材と比較して，金型製作納期を短く，かつブランク金型形状精度を高めることができる。
【００２５】
請求項８に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項７に記載の発明において、前記金型基材は、インコネル合金，Ｔｉ合金，ステンレス合金（ＳＵＳ３０４等）のいずれかから形成されていることを特徴とする。これらは、いずれも金属でありながら，熱伝導率が１〜２０Ｗ／ｍＫの範囲で，熱が伝わりにくいため，セラミックスと同様に断熱効果が高いことに加えて，加工が容易である。
【００２６】
請求項９に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層をＰＶＤ処理によって形成したことを特徴とする。前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理によって前記金型基体に付着させると、強固な付着を達成できる。
【００２７】
請求項１０に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項９に記載の発明において、前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層をスパッタ処理によって形成したことを特徴とするので、プラズマ中に発生する高いエネルギーではじき出された、求める過冷却液体領域を有する非晶質金属と同組成のターゲット元素が金型基材に衝突し、非晶質金属膜層を形成するため，膜層の密度が高く強固な付着を達成できる。
【００２８】
請求項１１に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層をイオンプレーティング処理によって形成したことを特徴とする。イオンプレーティング処理では、高真空中で過冷却液体領域を有する非晶質金属と同じ組成の元素を蒸発させ、蒸発流をイオン化させる。このイオン化した蒸発流を，負の電圧を印加した金型基材へ向かって加速させるため，高いエネルギーで金型基材へ衝突させ成膜を行うことができ，強固な付着を達成できる。この時、ガスと反応させ，過冷却液体領域を有する非晶質金属を化学的に非常に活性化させることができるため、低い反応温度で密着性の良い膜が得られる。
【００２９】
請求項１２に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を蒸着法によって形成したことを特徴とするので、膜層の厚みを均一にし，強固な付着を達成できる。
【００３０】
請求項１３に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層をＣＶＤ処理によって形成したことを特徴とする。前記過冷却液体領域を有する非晶質の膜層を、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ）処理によって前記金型基体に付着させることで、求める過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層と同じ組成比のガス化した元素を化学反応により膜層として形成するため，膜層の厚みを均一且つつきまわり性を良くし強固な付着を達成できる。
【００３１】
請求項１４に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至１３のいずれかに記載の発明において、前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を前記金型基材の表面に形成にする前に，前記金型基材の表面の表面粗さをＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする。前記金型基体の表面をＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内で粗すことによって，前記金型基体と，前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層との密着力を強化することができる。
【００３２】
請求項１５に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１４に記載の発明において、前記表面粗さを，サンドブラスト工程によりＲａ＝１〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とするので、効率的な粗さ調整が可能である。サンドブラストを用いた粗面加工においては、Ｒａ１μｍを下回る粗さの調整は現実的に困難であり、また、５０μｍを上回って金型基材表面の粗面化を進めると、後の非晶質金属膜層を成膜する際に、ピンホールなどの膜欠陥が生じやすくなる。よって、サンドブラストを用いる場合、Ｒａ＝１〜５０μｍの範囲の表面粗さが適当である。
【００３３】
請求項１６に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１４に記載の発明において、前記表面粗さを，酸又はアルカリ溶液によるエッチング工程によりＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とするので、表面粗さを温度や時間でコントロールできるため，表面の粗さ調整を安定して行える。
【００３４】
請求項１７に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１６に記載の発明において、前記酸又はアルカリ溶液として，酢酸，蟻酸，塩酸，硝酸，硫酸，クロムエッチング溶液，水酸化カリウム，水酸化ナトリウム，青酸，フェリシアン化カリウム，過酸化水素水，王水のいずれか１つの溶液を用いたことを特徴とする。これらを用いることで、表面の粗さ調整を効率的に且つ安定して行える。
【００３５】
請求項１８に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１４に記載の発明において、前記表面粗さを，スパッタ法によるエッチング工程によりＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする。例えば前記金型基材を真空中に配置し、近接して発生させたプラズマ放電によりＡｒ粒子を前記金型基材に衝接させてその表面を粗すようにすれば，エッチング前後における金型基材のエッチング面を他物質により汚染する可能性を少なくすることができる。
【００３６】
請求項１９に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至１８のいずれかに記載の発明において、前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層と，前記金型基材との間に、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ａｇの貴金属元素群及びＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｚｒの遷移金属元素群の中から選択されるいずれかの元素からなる，あるいはいずれか２種類以上の元素を組み合わせてなる、厚さ０．０１μｍ〜２０μｍの機能膜を形成することを特徴とする。
【００３７】
前記機能膜を，前記金型基材と前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層との間に成膜することで，前記金型基材と前記膜層との密着力をより高めることができる。
【００３８】
請求項２０に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１９に記載の発明において、前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層と，前記金型基材の間に、アルミナ，クロミナ，ＷＣ，チッ化ケイ素，チッ化炭素，ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ジルコニア，ダイヤモンド，ダイヤモンドライクカーボン，カーボンの群から選択されるいずれか一種類の成分を有する膜層を膜厚０．０１μｍ〜２０μｍ形成することによって、機能膜を形成したことを特徴とする。
【００３９】
上述の素材からなる前記機能膜を，前記金型基材と前記過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層との間に成膜することで，前記金型基材と前記膜層の密着力を高めることができる上に，前記機能膜による断熱効果や，前記機能膜による前記金型基材の酸化保護効果，及び高硬度機能膜による型形状保護効果などが期待できる。
【００４０】
請求項２１に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１９又は２０に記載の発明において、前記機能膜をＰＶＤ処理によって形成したことを特徴とする。前記機能膜を、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）処理によって前記金型基体に付着させると、強固な付着を達成できる。
【００４１】
請求項２２に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１９又は２０に記載の発明において、前記機能膜をスパッタ処理によって形成したことを特徴とするので、プラズマに発生する高いエネルギーではじき出された機能膜の材料が金型基材に衝突し膜層を形成するため，膜層の密度が高く強固な付着を達成できる。
【００４２】
請求項２３に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１９又は２０に記載の発明において、前記機能膜をイオンプレーティング処理によって形成したことを特徴とする。イオンプレーティング処理では、高真空中で機能膜の材料を蒸発させ、蒸発流をイオン化させる。このイオン化した蒸発流を，負の電圧を印加した金型基材へ向かって加速させるため，高いエネルギーで金型基材へ衝突させ成膜を行うことができ，強固な付着を達成できる。この時、ガスと反応させ，機能膜の材料を化学的に非常に活性化させることができるため、低い反応温度で結晶性の良い膜が得られる。
【００４３】
請求項２４に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１９又は２０に記載の発明において、前記機能膜を蒸着法によって形成したことを特徴とするので、膜層の厚みを均一にし，強固な付着を達成できる。
【００４４】
請求項２５に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１９又は２０に記載の発明において、前記機能膜をＣＶＤ処理によって形成したことを特徴とする。前記機能膜を、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ）処理によって前記金型基体に付着させることで、ガス化した機能膜の材料の化学反応により膜層を形成するため，膜層の厚みを均一且つつきまわり性を良くし強固な付着を達成できる。
【００４５】
請求項２６に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１９乃至２５のいずれかに記載の発明において、前記機能膜を前記金型基材の表面に形成にする前に，前記金型基材の表面の表面粗さをＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする。前記金型基体の表面をＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内で粗すことによって，前記金型基体と，前記機能膜との密着力を強化することができる。
【００４６】
請求項２７に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項２６に記載の発明において、前記表面粗さを，サンドブラスト工程によりＲａ＝１〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とするので、効率的な粗さ調整が可能である。
【００４７】
請求項２８に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項２６に記載の発明において、前記表面粗さを，酸又はアルカリ溶液によるエッチング工程によりＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とするので、表面粗さを時間でコントロールできるため，表面の粗さ調整を安定して行える。
【００４８】
請求項２９に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項２８に記載の発明において、前記酸又はアルカリ溶液として，酢酸，蟻酸，塩酸，硝酸，硫酸，クロムエッチング溶液，水酸化カリウム，水酸化ナトリウム，青酸，フェリシアン化カリウム，過酸化水素水，王水のいずれか１つの溶液を用いたことを特徴とする。これらを用いることで、表面の粗さ調整を効率的に且つ安定して行える。
【００４９】
請求項３０に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項２６に記載の発明において、前記表面粗さを，スパッタ法によるエッチング工程によりＲａ＝０．０１０〜５０μｍの範囲内に調整したことを特徴とする。例えば前記金型基材を真空中に配置し、近接して発生させたプラズマ放電によりＡｒ粒子を前記金型基材に衝接させてその表面を粗らすようにすれば，エッチング前後における金型基材のエッチング面を他物質により汚染する可能性を少なくすることができる。
【００５０】
請求項３１に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至３０のいずれかに記載の発明において、前記光学素子用成形金型の外径は，それにより成形される光学素子の直径よりも１ｍｍ以上大きいことを特徴とする。即ち、生産される光学素子の直径よりも金型の外径を１ｍｍ以上大きくすることで，金型基材の体積を増やすと，金型全体の熱容量も増加することで，金型の断熱効果をさらに大きくすることができる。通常，金型外径は，生産される光学素子の直径と同じか，ほぼ同程度（直径１ｍｍ以下）であるが，本発明の場合は，あえて金型外径を大きくし，体積を増やし，金型全体の熱容量を大きくするものである。
【００５１】
請求項３２に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至３１のいずれかに記載の発明において、前記光学素子用成形金型により成形される光学素子の光学面に、光軸を中心とした輪帯構造が形成されることを特徴とするので、前記製造方法によって製造された光学素子用成形金型により成形された光学素子の機能をより高めることができる。
【００５２】
請求項３３に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項３２に記載の発明において、前記輪帯構造は、光路差付与構造であることを特徴とするので、前記製造方法によって製造された光学素子用成形金型により成形された光学素子の機能をより高めることができる。光路差付与構造としては、いわゆるＮＰＳ（Ｎｏｎ−Ｐｅｒｉｏｄｉｃ  Ｓｕｒｆａｃｅ）構造等が知られている。
【００５３】
請求項３４に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項３２に記載の発明において、前記輪帯構造は、光軸方向断面が鋸歯状のブレーズ型回折構造であることを特徴とするので、前記製造方法によって製造された光学素子用成形金型により成形された光学素子の機能をより高めることができる。
【００５４】
請求項３５に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項３２に記載の発明において、前記輪帯構造は、光軸方向断面が階段状の回折構造であることを特徴とするので、前記製造方法によって製造された光学素子用成形金型により成形された光学素子の機能をより高めることができる。階段状の回折構造としては、ＤＯＥ等が知られている。
【００５５】
請求項３６に記載の光学素子用成形金型の製造方法は、請求項１乃至３５のいずれかに記載の発明において、前記光学素子用成形金型の金型光学面は、非球面形状のみからなることを特徴とするので、高精度な非球面を有する光学素子を低コストで生産できる。
【００５６】
請求項３７に記載の光学素子用成形金型は、請求項１乃至３６のいずれかに記載の光学素子用成形金型の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする。
【００５７】
請求項３８に記載の光学素子は、請求項３７に記載の光学素子用成形金型を用いて成形したことを特徴とするので、高精度を有しながら低コストである。
【００５８】
請求項３９に記載の光学素子は、請求項３８に記載の発明において、プラスチック材料を素材とすることを特徴とする。
【００５９】
請求項４０に記載の光学素子は、請求項３８に記載の発明において、ガラス材料を素材とすることを特徴とする。
【００６０】
請求項４１に記載の光学素子は、請求項３８乃至４０のいずれかに記載の発明において、レンズであることを特徴とする。
【００６１】
請求項４２に記載の光学素子は、請求項３８乃至４１のいずれかに記載の発明において、前記輪帯構造は、前記光学素子に対して光を照射する光源の波長変化による前記光学素子の収差変化を補正する機能を有することを特徴とするので、例えば光ディスクに情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に好適な光学素子を提供できる。
【００６２】
請求項４３に記載の光学素子は、請求項３８乃至４２のいずれかに記載の発明において、前記輪帯構造は、前記光学素子の温度変化による収差変化を補正する機能を有することを特徴とするので、例えば光ディスクに情報の記録及び／又は再生を行う光ピックアップ装置に好適な光学素子を提供できる。
【００６３】
請求項４４に記載の光学素子は、請求項１乃至４３のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の光学面に、複数の突起またはくぼみが転写成形されていることを特徴とするので、前記光学素子の機能をより高めることができる。又、たとえ突起又はくぼみが数十乃至数百ナノメートルの間隔で配置しなくてはならないものであっても、機械加工を必要とすることなく、転写成形により容易に形成することができる。尚、突起またはくぼみとは、突起とくぼみの双方が混在するものも含む。
【００６４】
近年、使用する光源の波長の数倍からそれよりも小さな微細構造を光学面に施して、新たな光学的機能を光学素子に付加することが試みられている。例えば、成形レンズの屈折による通常の集光機能とその時に副作用として発生する正の分散を、その非球面光学面の表面に回折溝を施すことで得られる回折による大きな負の分散を利用してうち消し、本来、屈折だけでは不可能な色消し機能を単玉光学素子に付加することが、ＤＶＤ／ＣＤ互換の光ディスク用ピックアップ対物レンズで実用化されている。これは、光学素子を透過する光の波長の数１０倍の大きさの回折溝による回折作用を利用したもので、このように波長より十分大きな構造による回折作用を扱う領域は、スカラー領域と呼ばれている。  
【００６５】
一方、光学素子を透過する光の波長の数分の一という微細な間隔で、円錐形状の突起を光学面の表面に密集させて形成させることで、光の反射抑制機能を発揮できることが判っている。即ち、光波が光学素子に入射する際の空気との境界面での屈折率変化を、従来の光学素子のように１から媒体屈折率まで瞬間的に変化させるのではなく、微細な間隔で並んだ突起の円錐形状によって緩やかに変化させ、それにより光の反射を抑制することができるのである。このような突起を形成した光学面は、いわゆる蛾の眼（ｍｏｔｈ  ｅｙｅ）と呼ばれる微細構造で、光の波長よりも微細な構造体が波長よりも短い周期で並ぶことにより、もはや個々の構造が回折せずに光波に対して平均的な屈折率として働くものである。このような領域を等価屈折率領域と一般に呼んでいる。このような等価屈折率領域に関しては、例えば電子情報通信学会論文誌Ｃ  Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ｃ  Ｎｏ．３  ｐｐ．１７３−１８１  ２０００年３月に述べられている。
【００６６】
等価屈折率領域の微細構造によれば、従来の反射防止コートに比べて反射防止効果の角度依存性や波長依存性を少なくしながら大きな反射防止効果を得られるが、プラスチック成形等によれば、光学面と微細構造を同時に創成できることから、レンズ機能と反射防止機能が同時に得られて、従来のように成形後に反射防止コート処理をするといった後加工が不要となる等の生産上のメリットも大きいと考えられ注目されている。さらに、このような等価屈折率領域の微細構造を光学面に対して方向性を持つように配すると、強い光学異方性を光学面に持たせることもでき、従来、水晶などの結晶を削りだして製作していた複屈折光学素子を成形によって得ることができ、また、屈折や反射光学素子と組み合わせて新たな光学的機能を付加することができる。この場合の光学異方性は、構造複屈折と呼ばれている。
【００６７】
上述したスカラー領域と等価屈折率領域の間には、回折効率が入射条件のわずかな違いにより急激に変化する共鳴領域がある。例えば、回折輪帯の溝幅を狭くしていくと、波長の数倍程度で急激に回折効率が減少し、また増加するという現象（アノマリー）が発生する。この領域の性質を利用して、特定の波長のみを反射する導波モード共鳴格子フィルターを微細構造で実現して、通常の干渉フィルターと同等の効果をより角度依存性を少なくして実現できる。
【００６８】
請求項４５に記載の光学素子は、請求項４４に記載の発明において、前記突起またはくぼみは、等価屈折率領域の微細構造を形成することを特徴とする。尚、前記突起又はくぼみの間隔は、前記光学素子の光学面を透過する光の波長以下であると好ましい。
【００６９】
請求項４６に記載の光学素子は、請求項４４又は４５に記載の発明において、前記突起またはくぼみは、反射防止効果を発生する微細構造を形成することを特徴とする。尚、前記突起又はくぼみの間隔は、前記光学素子の光学面を透過する光の波長以下であると好ましい。
【００７０】
請求項４７に記載の光学素子は、請求項４４乃至４６のいずれかに記載の発明において、前記突起またはくぼみは、構造複屈折を発生する微細構造を形成することを特徴とする。尚、前記突起又はくぼみの間隔は、前記光学素子の光学面を透過する光の波長以下であると好ましい。尚、前記突起又はくぼみの間隔は、前記光学素子の光学面を透過する光の波長以下であると好ましい。
【００７１】
請求項４８に記載の光学素子は、請求項４４乃至４７のいずれかに記載の発明において、前記突起またはくぼみは、共鳴領域の微細構造を形成することを特徴とする。尚、前記突起又はくぼみの間隔は、前記光学素子の光学面を透過する光の波長以下であると好ましい。
【００７２】
請求項４９に記載の光学素子は、請求項４４乃至４８のいずれかに記載の発明において、前記突起またはくぼみは、前記光学素子の光学面の一部に存在していることを特徴とする。前記光学素子の光学面に、微細構造の突起またはくぼみを、複数の形状や配置パターンを有するように形成し、それらを該光学面上に部分的に配置することにより、かかる光学面が、局部的にそれらの微細構造の光学機能を発揮することができる。これにより、光学面を通る光束に、微細構造の突起やくぼみの各形状や配置パターンによって生じる光学機能を部分的或いは選択的に施して、複数の光学機能を一つの光束に盛り込むことができる。この場合、光学素子の光学面上には、微細構造の突起やくぼみが必ず光学面の全面に存在している必要はない。すなわち、従来では、所定の光学機能を発揮するために複数の光学素子を組み合わせる必要があるところ、本発明の光学素子を用いれば、単独で所定の光学機能を発揮することができ、光学系をより簡素化することができ、大幅なコストダウンが実現できる。又、本発明の光学素子は容易に大量生産することができる。
【００７３】
請求項５０に記載の光学素子は、請求項４４乃至４９のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の光学面の一部に、少なくとも複数の形状または配置パターンを有する突起またはくぼみが存在していることを特徴とする。
【００７４】
本明細書中で用いる回折構造（回折輪帯）とは、光学素子（例えばレンズ）の光学面表面に、光軸を中心とする略同心状の輪帯として形成されたレリーフを設けて、回折によって光束を集光あるいは発散させる作用を持たせた回折面のことをいう。例えば、光軸を含む平面でその断面をみれば各輪帯は鋸歯のような形状が知られているが、そのような形状を含むものである。回折輪帯を回折溝ともいう。
【００７５】
本発明が適用されるに当たり、輪帯構造や突起（又はくぼみ）の並びなど、個々の微細構造の形状や配列周期などは関係ない。どのような微細な構造であっても、光学素子に新たな機能を付加する目的で作られたものであれば、その光学素子用成形金型又はそれにより成形された光学素子は、本発明の範疇に含まれる。また、新たに付加する機能としては、収差を低減するものに限らない。光学系の特性に応じて収差を故意に増加させる場合も、最終的に理想とする収差に近づける目的で行う限り、本発明の範疇に含まれる。
【発明の効果】
【００７６】
本発明によれば、耐久性を有しながらも成形サイクル時間を減少でき、しかも高精度に光学素子を成形できる光学素子用成形金型の製造方法、及びそれにより製造される光学素子用成型金型並びにそれにより成形される光学素子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】
【００７７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１，２は、光学素子用成形金型の製造工程を示す図である。まず、円筒状の金型基材１０を製造する。金型基材１０の材料としては、具体的には、熱伝導率２０Ｗ／Ｋｍ以下の材料として，ジルコニア，アルミナ，マコール，マセライト［Ａｌ２Ｏ３・Ｋ２Ｏ・Ｂ２Ｏ３・Ｆ］，インコネル合金，Ｔｉ合金，ステンレス合金（ＳＵＳ３０４）などが挙げられる。一例として、ジルコニア母材（ＮＰＺ−１）を用いる際，まずジルコニアの粉末を金型基材形状の近似形状に焼結させる（ホットプレス）。その後，ブランク金型基材に研削加工を施し、外形の寸法精度を出す。金型の光学素子成形転写面（以下，金型光学面）を除いて，外周部・端面部の加工をダイヤモンド工具を用いた切削，及びダイヤモンド工具を用いた研削工程にて行う。このときの外周部の加工精度は、形状精度２μｍ以下，表面面粗さはＲａ１００ｎｍ以下であると好ましい。
【００７８】
加工された金型基材１０に、金型光学面に機能膜Ｃｒを膜厚０．０１〜５０μｍ形成する。成膜装置としては，スパッタ装置・蒸着装置・イオンプレーティング・ＣＶＤなどが挙げられる。スパッタ装置にて，機能膜を成膜する際，成膜条件は装置によっても異なるが，１例をあげると，０．１ＰａのＡｒ雰囲気中で，ＲＦ３００Ｗ，ターゲットから金型光学面までの距離を９０ｍｍにセットする。装置によるが，距離により成膜レートが大体１μｍ／ｈ〜２０μｍ／ｈに変化するため調整を行う。
【００７９】
機能膜の大きな機能としては，金型基材と後工程で成膜する過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層との密着力の強化が挙げられる。特にジルコニア等のセラミックス材料の上に過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を成膜する際には，機能膜を設けることが好ましい。機能膜なしでジルコニア金型基材上に過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を形成した場合，粘着テープ剥離試験による膜の密着力の測定によれば、その密着力は５０ｇｆ程度であるが，機能膜Ｃｒを０．０１〜１μｍの膜厚で成膜することで，密着力を１，０００ｇｆ以上に上げることができ，後工程での切削工程による金型光学面形成工程や，成形金型として用いる際の成形樹脂と金型光学面の密着による過冷却液体領域を有する非晶質金属の剥離を防止することができる。
【００８０】
本発明者らが行った粘着テープ剥離試験について説明する。粘着テープ剥離試験とは、膜層表面に粘着性のあるテープを貼り付け、これを急速にかつ強く引き剥がし、剥がれた時点で記録されている最大引っ張り荷重を測定することで、その膜層の密着力として評価するものである。試験用テープの密着力強度により、この測定の密着力の上限が決まる。上記評価試験で用いた両面テープは、約３０ｍｍ２の平面において、１，０００ｇｆの密着力を有するテープであるため、測定できる密着力の上限は１，０００ｇｆであった。尚、テープを貼り付ける前の膜層面上に、鋭利な刃物で一辺が６〜７ｍｍの正方形ができるような素地まで達する条痕を形成してから試験を行うと、より明確な判定ができる。
【００８１】
所望の厚さの機能膜層を得たら，次はスパッタ等の成膜装置（図１参照）を用いて，過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を形成する。金型基材１０を、図１に示す金属ガラス（過冷却液体域を有する非晶質金属ともいう）の成膜装置に取り付ける。より具体的に説明すると、図１において、筐体２００で覆われた処理室Ｐには、ターゲットＴを支持するターゲット支持台２０１が載置され、それにベース面を対応させるようにして、金型基材１０を保持する試料ホルダ２０２が配置されている。ターゲット支持台２０１の内部には冷却配管が形成され、かかる冷却配管には、外部の制御装置２０３を介して、温度調整用の冷却水を循環させることができるようになっている。
【００８２】
又、処理室Ｐは、バルブＶ１を介してターボ分子ポンプ２０４に連結され、ターボ分子ポンプ２０４は、バルブＶ２を介してロータリーポンプ２０５に連結されている。処理室Ｐ内は、２つのポンプ２０４，２０５により吸引されて、１０−１〜数Ｐａ程度の圧力にされ、且つＡｒ分子を含んでいる。
【００８３】
成膜条件は，膜厚等の成膜する条件及び，装置によっても異なるが，１例をあげると，０．５ＰａのＡｒ雰囲気中で，ＲＦ５００Ｗ，ターゲットから成膜したい試料，金型光学面までの距離を９０ｍｍにセットする。装置によるが，距離により成膜レートが大体１μｍ／ｈ〜２０μｍ／ｈに変化するため調整を行う。試料が近づけば近づくほど成膜レートは上がるが，成膜した膜の粒子が粗くなる等の問題が生ずるため，調整が必要である。この方式で成膜した試料のアモルファス状態の確認は，ＤＳＣ（熱流束示差走査熱量測定装置）を用いて，アモルファス状態が過冷却液体領域に相転移する際に生ずる吸熱反応を観察するか，あるいはＸ線回折装置による観察で，アモルファス状態特有の結晶構造によるピークが全く見られないパターンを得ることで，確認することができる。このような方法にて，従来のバルク金属ガラスを製作する方法に比べて，比較的容易に，金属ガラス膜を光学用途成形金型光学面に成膜することができる。
【００８４】
この過冷却液体領域を有する非晶質金属膜層を形成する工程が終了したブランク金型を，金型光学面を除いて，外周部・端面部の加工にダイヤモンド工具を用いた切削，及びダイヤモンド工具を用いた研削工程にて行う。
【００８５】
ダイアモンド切削は、図２に点線で示す単結晶ダイアモンド工具Ｔを用いて、超精密旋盤（不図示）などにより一つ―つ切削加工するものであるため、従来の無電解ニッケルメッキによる金型製作手法と基本的に同じ加工工程を経るが、従来に比べて、金型光学面ＭＧａ及び幾何寸法基準面転写面ＭＧｂは、ＰＶＤ処理又はＣＶＤ処理で迅速に緻密に形成され、化学メッキ処理をしないためピンホールなどの欠陥が無く処理納期が早いことと、被削性が非常に良いので工具摩耗が少なく切削加工による形状創成が容易であること等が、より優れた特徴といえる。
【００８６】
但し、金型光学面の加工工程は、ダイアモンド切削加工に限られない。過冷却液体領域を有する非晶質金属膜層の転写容易性を生かし、例えば微細構造を有するマスター型を作り、成形転写による手法でマスター型から写し取ることで、光学素子の輪帯形状などに応じた微細構造を金型光学面に形成することもできる（特開２００３−１５４５２９、特開２００３−１６０３４３参照）。かかる手法によれば、マスター型をひとつ用意すれば、その表面形状を転写してゆくことで金型を容易に生産できるため、一つずつ金型光学面を機械加工にて創成する必要がなくなり、大幅に金型製作期間を短縮することができる。
【００８７】
このときの外周部の加工精度は寸法精度２μｍ以下，表面面粗さはＲａ１００ｎｍ以下とすると好ましい。金型基材がジルコニア等のセラミックス材料の，硬くて脆い難加工材料の際には，研削工程にて寸法精度を出す。この外周部加工工程終了後，金型光学面ＭＧａの所定の加工を行う。すなわち、金型光学面ＭＧａの過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層をダイヤモンド工具で切削し，微細構造を有する及び／又は非球面形状の金型光学面形状を得る。形状精度は５０ｎｍ以下であり，表面粗さはＲａ５ｎｍ以下であると好ましい。尚、所定の加工は機械加工に限られない。ちなみに、金型外周加工工程において、金型基材がセラミックスの場合、外周部に付着した過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層や機能膜層を研削工程にてそぎ落とし、セラミックス基材を剥き出しにして外周の寸法精度を出す場合がある。セラミックス基材を剥き出しにすることで、光学素子成形の際に成形品の取り出しのため金型が上下に摺動する構造においても、セラミックス基材は硬く摩擦係数が小さいため、金型周囲部材との間でカジリが生じることも抑制でき、確実な作動を行え、また金型や摺動する相手となる金型周囲部材が摩耗することも抑制できる。ただし、本発明においては、外周部を基材剥き出しとするかどうかは問わない。
【００８８】
以上によって，金型基材１０に熱伝導率が１〜２０Ｗ／ｍＫの金型材料を用いその金型光学面ＭＧａに過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を膜厚１０〜５００μｍ形成した，直径５ｍｍ以下の光学素子を成形する光学素子用成形金型１０’を得ることができる。尚、光学素子用成形金型１０’の外径φ（図２）は，それにより成形される光学素子の直径よりも１ｍｍ以上大きいと好ましい。
【００８９】
図３は、光学素子の一例であるレンズを形成するための光学素子用成形金型１０’を含むダイセットの断面図である。上述のようにして非晶質合金ＭＧを成膜した光学素子用成形金型１０’と、同様にして非晶質合金ＭＧ’を成膜した光学素子用成形金型１１’とを、金型光学面ＭＧａ、ＭＧａ’同士及び幾何寸法基準面転写面ＭＧｂ、ＭＧｂ’同士を対向させるようにして、ダイセット金型１３，１４に挿入し、溶融したプラスチック材料ＰＬを、不図示のゲートから通常の射出成形と同様に光学素子用成形金型１０’，１１’間に射出して、更に冷却することで、所望の形状のレンズを得ることができる。
【００９０】
図４は、このような光学素子用成形金型により形成されるレンズの光学面の例を拡大して示す斜視図である。図４（ａ）においては、レンズの光学面に、複数の突起の例として微細な円筒Ｃをマトリクス状に多数形成した構成（等価屈折率領域の微細構造の例）となっている。例えばかかる対物レンズをＤＶＤ記録／再生用光ピックアップ装置のレンズとして用いた場合、レンズを透過する光は６５０ｎｍ近傍である。そこで、微細な円筒Ｃの間隔Δを１６０ｎｍとすると、かかる対物レンズに入射する光は殆ど反射せず、極めて光透過率の高い対物レンズを提供することができる。
【００９１】
図４（ｂ）においては、レンズの光学面に、複数の突起の例として間隔Δで離隔した多数の微細な三角錐Ｔを形成しており、図４（ａ）と同様な顕著な効果を有する。この間隔Δとしては、０．１〜０．２μｍ以下であると散乱を低下させるので好ましい。図４（ｃ）においては、レンズの光学面に、複数の突起の例として間隔Δで離隔した多数のフィンＦ（構造複屈折の微細構造の例）を形成している。フィンＦの長さは、透過する光の波長より長く（上述の例では６５０ｎｍ以上）なっている。かかる構成を備えたレンズは、フィンＦに沿った方向に振動面を有する光を透過させるが、フィンＦに交差する方向の光は透過させないという、いわゆる偏光効果を奏する。図４（ｄ）においては、レンズの光学面に、光軸を中心とした輪帯構造の例として、光軸方向断面が鋸歯状のブレーズ型回折輪帯Ｄを形成している。回折輪帯Ｄに関しては、例えば特開２００１−１９５７６９号公報に、その形状に応じた効果である色収差補正及び温度補正について詳細に述べられているので、以下の説明を省略する。これ以外の輪帯構造として、ＮＰＳ、ＤＯＥ等も形成できる。また、図４（ａ）〜（ｃ）においては、簡単のために平面上に、それら突起を設けた例を示したが、その底面を球面や非球面等の適宜の曲率を持った曲面とし、その曲面上に設けるようにしてもよい。
【００９２】
図５は、本発明者らが行った比較試験に供試した金型の概略断面図である。各金型の仕様を説明する。
図５（ａ）：実施例１：セラミック（金型基材）＋金属ガラスの膜層
図５（ｂ）：実施例２：セラミック（金型基材）＋機能膜＋金属ガラスの膜層
図５（ｃ）：比較例１：金属（金型基材）＋メッキの膜層
図５（ｄ）：比較例２（非特許文献１に相当）：セラミック（金型基材）＋メッキの膜層
図５（ｅ）：比較例３（特許文献１に相当）：セラミック（金型基材）＋金属層＋メッキの膜層
【００９３】
本発明者らは、以上の金型を用いて比較評価を行った。評価結果を表１に示す。
【００９４】
【表１】
2006051702.tif 000003
【００９５】
表１中、金型の転写性能とは、光ピックアップ装置に用いる回折構造を備えた光学素子をどの程度精度良く転写できるかで評価する。尚、ＤＶＤ／ＣＤ用の光ピックアップ装置に用いる光学素子と、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ  Ｄｉｓｃ）／ＨＤ  ＤＶＤ用の光ピックアップ装置に用いる光学素子とは、それぞれレーザ光の波長が異なることから、ＢＤ／ＨＤ  ＤＶＤ用の光ピックアップ装置に用いる光学素子の微細構造の方がより微細な形状を有するため、より高い転写性能を必要とする。ここで、評価結果は以下の意味を持つ。
◎：転写性非常に良好
○：転写性良好
△：転写性並
×：転写性悪い
【００９６】
表１中、金型の耐久性は、成形中に膜層の剥離が生じるショット数により評価する。ここで、評価結果は以下の意味を持つ。
◎：一万ショット以上成形可能
○：数千ショット成形可能
△：数百ショット成形可能
×：数十ショット以内成形可能
【００９７】
表１中、金型の形状変化は、例えば１０ショット、１００ショット、１０００ショット、５０００ショット、１００００ショットというように、単位ショット数の成形後における金型の形状変化を、初期値と比較することで評価する。ここで、評価結果は以下の意味を持つ。
◎：形状変化なし
○：形状変化あるが、実用上問題無い程度の変形に留まる
△：無視できない変形が生じるが、成形条件変更により対応可能
×：無視できない変形が生じるため、成形条件を変更しても光学素子の金型として使用不可
【００９８】
表１中、金型の切削性は、ダイアモンド工具を用いた切削後の表面粗さにより評価する。ここで、評価結果は以下の意味を持つ。
◎：Ｒａが１ｎｍ未満
○：Ｒａが１〜１０ｎｍ
△：Ｒａが１０〜５０ｎｍ
×：Ｒａが５０ｎｍを超える
【００９９】
表１中、金型の加工期間は、金型製造にかかる総時間により評価する。ここで、評価結果は以下の意味を持つ。
◎：金型の加工期間が数週間以内
○：金型の加工期間が１ヶ月〜２ヶ月程度
△：金型の加工期間が２ヶ月を超える
【０１００】
評価結果を考察するに、転写性能に関しては、比較例１、２に対し、実施例１，２は非常に良好な結果を得られた。全体形状もさることながら，ＤＶＤ互換レンズやＢＤ（Ｂlu-ray）／ＨＤ  ＤＶＤ用のレンズ等の光学素子における成形転写に重要となるのが，光学面に設けられた回折溝部形状の転写を精度良く行えるかであり，その転写性能が光学素子の性能に最も効いてくる。比較結果から，実施例１，２の場合、溝部のダレ（図６を参照して後述する）が１／２〜1／４程度に減少しているので，特に、光源波長が短いために高さやピッチがより小さくなりがちなＢＤ／ＨＤ  ＤＶＤ用の光ピックアップ装置用の光学素子における微細構造の転写に関しては、比較例２の構成では実用化困難であるのに対し、実施例１，２はいずれも良好であった。
【０１０１】
図６は、本発明者らが行った比較試験において、金型光学面の微細構造に対する光学素子材料の充填状態を示す概略断面図である。図６（ａ）は、金型基材としてＦｅ系材料を用い、これに無電解ニッケルメッキを成膜してブレーズ状の微細構造（ピッチ１０μｍ・高さ１μｍ）を形成した比較例であり、図６（ｂ）は、金型基材としてジルコニアを用い、これに過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層を成膜して同じブレーズ状の微細構造を形成した実施例である。
【０１０２】
これらの金型を用いて樹脂を射出し、離型前に微細構造を切断して電子顕微鏡で、ブレーズ溝の最深部に樹脂が入り込んで転写されているかを観察した。金型光学面に創成されたブレーズ状の微細構造を光学素子に成形転写する際、その微細構造のブレーズ溝の奥底まで溶融樹脂が入り込めず、従って転写しきれずに、図６（ａ）に示すように、金型光学面のブレーズ溝によって転写成形された光学素子の表面形状に転写不良部が生じた場合、これをダレという。このダレのピッチ方向の長さΔ（図６（ａ））を測定することで，光学素子微細形状の転写性における評価の一指標とできる。図６（ａ）に示す比較例では、ダレは１〜２μｍであったところ、図６（ｂ）に示す実施例では、ダレは０．５μｍ以下であり、比較例のダレに対する実施例のダレは１／２〜１／４に低減し、その効果が確認された。
【０１０３】
耐久性に関しては、比較例２，３に対し、実施例１，２は非常に良好な結果を得られた。特に、比較例２の構成では所定数のショットに達するまでに剥離が生じるものがあるのに対し、実施例１，２はいずれも良好であった。尚、実施例１と比べ、実施例２は２０倍以上の耐久性を示している。これに対し、比較例のように、セラミックスの基材＋メッキ層という組み合わせは相性が悪く，膜層が剥離しやすい。特に，熱衝撃を繰り返し与えると剥離しやすくなることがわかっている。
【０１０４】
金型形状変化に関しては、比較例２，３及び実施例１，２は、いずれも良好であった。金型基材にセラミック等の硬い材料を用いると、金型の形状変化抑制に対し有効である。
【０１０５】
切削性能に関しては、比較例１〜３に対し、実施例１，２は良好な結果を得られた。過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層をスパッタ処理で稠密に成膜しているため，切削性が非常に良好で，特に微細構造等の切削加工に優れる。
【０１０６】
金型の加工期間に関しては、比較例１〜３に対し、実施例１，２は良好な結果を得られた。過冷却液体領域を有する非晶質金属の膜層をスパッタ成膜し、機械加工するのみというシンプルな加工で済むため、金型基材にセラミックス溶射やメッキ成膜をする必要がある他発明に比べると，小回りが効き，金型の加工期間もそれだけ短くなり，金型製作コストも低減する。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】光学素子用成形金型を製作するために用いるスパッタ装置の概略構成図である。
【図２】光学素子用成形金型の概略断面図である。
【図３】光学素子であるレンズを形成するための光学素子用成形金型を含むダイセットの断面図である。
【図４】光学素子用成形金型により形成されるレンズの光学面を拡大して示す斜視図である。
【図５】本発明者らが行った比較試験に供試した金型の概略断面図である。
【図６】本発明者らが行った比較試験において、金型光学面の微細構造に対する光学素子材料の充填状態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０  金型基材
１０’  光学素子用成形金型
ＭＧ  過冷却液体領域を有する非晶質金属
【図１】
2006051702.tif 000004
【図２】
2006051702.tif 000005
【図３】
2006051702.tif 000006
【図４】
2006051702.tif 000007
【図５】
2006051702.tif 000008
【図６】
2006051702.tif 000009