(57)【要約】【課題】異種材料同士の接合面の剥離を防止して信頼性に優れた複合光学素子を提供する。【解決手段】実質的にガラスで構成された第１の光学部１０と、実質的に光硬化樹脂で構成された第２の光学部２０と、実質的に熱可塑性樹脂で構成された第３の光学部３０とを用いて、第１の光学部１０の光学機能表面１１に第２の光学部２０を接合し、第２の光学部２０の光学機能表面２２に第３の光学部３０を接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光学部と、
前記第１の光学部の光学機能表面に接合された第２の光学部と、
前記第２の光学部の光学機能表面に接合された第３の光学部とを備え、
前記第１の光学部は、実質的にガラスで構成され、
前記第２の光学部は、実質的に光硬化樹脂で構成され、
前記第３の光学部は、実質的に熱可塑性樹脂で構成されていることを特徴とする複合光学素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の光学部の光学機能表面は、該第１の光学部の両面にそれぞれ設けられ、
前記光学機能表面のそれぞれに、前記第２の光学部及び前記第３の光学部がそれぞれ積層されて接合されていることを特徴とする複合光学素子。
【請求項３】
請求項１において、
前記第３の光学部の光学機能表面は回折面に形成されていることを特徴とする複合光学素子。
【請求項４】
請求項１において、
前記第１乃至第３の光学部のそれぞれは、ｄ線に対する屈折率が略同一の材料で構成されていることを特徴とする複合光学素子。
【請求項５】
請求項１において、
前記第１乃至第３の光学部のそれぞれは、ｄ線に対する屈折率が１．５以上の材料で構成されていることを特徴とする複合光学素子。
【請求項６】
請求項１において、
前記第１乃至第３の光学部のそれぞれは、光線波長が４００ｎｍ以上における光線透過率が９０％以上である材料で構成されていることを特徴とする複合光学素子。
【請求項７】
請求項１において、
レンズ、ミラー、又はプリズムとして用いられることを特徴とする複合光学素子。
【請求項８】
実質的にガラスで構成された第１の光学部の光学機能表面に、実質的に光硬化樹脂で構成された第２の光学部をプレス成形により接合する手順と、
前記第２の光学部の光学機能面に、実質的に熱可塑性樹脂で構成された第３の光学部をプレス成形により接合する手順とを備えたことを特徴とする複合光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合光学素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、異なる種類の材料（例えば、ガラスと熱硬化樹脂）同士を接合してなる複合光学素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような複合光学素子によれば、例えば、微細形状を作成しやすい樹脂の光学機能表面にレリーフパターン（回折面）を形成する一方、機械的強度や環境変化に対する耐性が必要な部分をガラスで構成する等、光学設計の自由度を向上させるとともに高機能な光学系の実現が可能となる。
【特許文献１】特開２００４−１７７５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、プレス成形によりガラスと熱硬化樹脂とを接合する場合、熱硬化樹脂の硬化に伴う体積収縮によってガラスと樹脂との接合面に内部応力が発生し、形状精度の低下や接合面において熱硬化樹脂が剥離する等の様々な悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、異種材料同士の接合面における剥離を防止して信頼性に優れた複合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】
【０００６】
すなわち、本発明の複合光学素子は、第１の光学部と、第１の光学部の光学機能表面に接合された第２の光学部と、第２の光学部の光学機能表面に接合された第３の光学部とを備え、第１の光学部は実質的にガラスで構成され、第２の光学部は実質的に光硬化樹脂で構成され、第３の光学部は実質的に熱可塑性樹脂で構成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の複合光学素子の製造方法は、実質的にガラスで構成された第１の光学部の光学機能表面に、実質的に光硬化樹脂で構成された第２の光学部をプレス成形により接合する手順と、第２の光学部の光学機能面に、実質的に熱可塑性樹脂で構成された第３の光学部をプレス成形により接合する手順とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように、本発明によれば、異種材料同士の接合面における剥離を防止して信頼性に優れた複合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】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係る複合光学素子の構成を示す断面図である。図１に示すように、複合光学素子１は、第１の光学部１０と、第２の光学部２０と、第３の光学部３０とを備えている。
【００１１】
第１の光学部１０は、それぞれ凸状非球面の光学機能表面（レンズ面）１１と光学機能表面（レンズ面）１４とを有する両凸のレンズにより構成されている。これら光学機能表面１１，１４はそれぞれ、屈折作用のみを有する屈折面で形成されているものとする。
【００１２】
さらに、第１の光学部１０の周縁部には、光学機能表面１１よりもレンズ周方向の外方に突出したコバ平面１５が設けられている。
【００１３】
第２の光学部２０は、第１の光学部１０と第３の光学部３０とを接合するための接合層として機能するものであり、光学機能表面１１上において第１の光学部１０に接合されたメニスカス状のレンズにより構成されている。第２の光学部２０における第１の光学部１０側の光学機能表面２１は、光学機能表面１１に対応した滑面で形成されている。また、光学機能表面２１と対面する光学機能表面２２も同様に、屈折作用のみを有する屈折面で形成されている。
【００１４】
第３の光学部３０は、光学機能表面２２上において第２の光学部２０に接合されたメニスカス状のレンズにより構成されている。第３の光学部３０における第２の光学部２０側の光学機能表面３１は、光学機能表面２２に対応した滑面で形成されている。また、光学機能表面３１と対面する光学機能表面３２も同様に、屈曲作用のみを有する屈折面で形成されている。
【００１５】
なお、図示しないが、第３の光学部３０の光学機能表面３２にレリーフパターン等の微細な回折構造を形成するようにすれば、所望の光学性能を確保する上で有利となる。例えば、第３の光学部３０の光学機能表面３２の中央部及び外周部に滑面部を設け、この滑面部に隣接するように断面鋸歯状の回折面により構成された凹凸面部を設けておけば、滑面部が設けられている中央領域における光学機能表面３２の光学的パワーと、凹凸面部が設けられている周辺領域における光学機能表面３２の光学的パワーとを異ならしめることができる。従って、例えば、ある波長の光を中央領域を使用して集光させるとともに、異なる波長の光を周辺領域を使用して集光させることにより、相互に波長の異なる光を同じ焦点距離で合焦することができる。
【００１６】
ここで、第１乃至第３の光学部１０，２０，３０は、それぞれ異なる材料で構成されている。具体的に、第１の光学部１０は、微細な成形性よりも吸湿性や耐熱性等を重視してガラス材料で構成する。
【００１７】
第２の光学部２０は、第１の光学部１０と第３の光学部３０との間で生じる線熱膨張の違いを吸収し、成形時の剥離や成形後の素子信頼性を高める働きを担うものであり、光硬化樹脂材料で構成する。例えば、接着強度や屈折率、光線透過率等の光学特性を考慮して、エポキシ系やアクリレート系の紫外線硬化樹脂材料で構成するのが好ましい。
【００１８】
なお、第２の光学部２０の厚みは、該第２の光学部２０自身の硬化に伴う体積収縮による内部応力の発生等の悪影響を最小限に抑えるために、第１の光学部１０と第３の光学部３０との接合強度を確保できる範囲内においてできる限り薄い層とすることが好ましい。
【００１９】
第３の光学部３０は、レリーフパターン等の微細な回折構造を形成することから、成形性を重視して熱可塑性樹脂材料で構成するのが好ましい。例えば、シクロオレフィンポリマー材（日本ゼオン社製  登録商標ＺＥＯＮＥＸ）等を用いることができる。
【００２０】
ここで、例えば、第１の光学部１０の上に第３の光学部３０を直接接合した場合、両光学部１０，３０相互間の収縮率の違いから、温度変化が生じた際に、第１の光学部１０と第３の光学部３０との間で大きなひずみが生ずるおそれがある。
【００２１】
さらに、複合光学素子１の使用時に、温度が上昇又は下降すると、第１の光学部１０と第３の光学部３０との間でひずみが生じ、第３の光学部３０が第１の光学部１０から剥離するおそれがある。
【００２２】
また、第３の光学部３０が熱可塑性樹脂であり、第１の光学部１０でプレスすることで複合光学素子１を作製するような場合には、製造された複合光学素子１に大きなひずみが残存し、光学的均一性が損なわれるばかりでなく、残存ひずみによって第３の光学部３０が第１の光学部１０から剥離してしまうおそれがある。
【００２３】
それに対して、本実施形態では、第１の光学部１０と第３の光学部３０との間に、光硬化樹脂で構成された第２の光学部２０が設けられている。このため、相互に接合された光学部相互間の差が小さい。従って、上述したような第３の光学部３０の剥離やひずみの残存といった問題が効果的に抑制される。
【００２４】
以上のように、本実施形態に係る複合光学素子１によれば、異種材料同士の接合面における剥離を抑制することができる。また、光学設計の自由度が大幅に広がるだけでなく量産性も向上するため、安価な光学素子の供給が可能となることから、レンズ、ミラー、又はプリズム等の多方面への応用が期待できる。
【００２５】
なお、第１の光学部１０、第２の光学部２０、及び第３の光学部３０のそれぞれは、ｄ線に対する屈折率が略同一であり、具体的に屈折率が１．５以上の材料で構成されていることが好ましい。このように、屈折率が１．５以上という高屈折材料で構成することにより、ＮＡを大きくすることができる。
【００２６】
また、光線波長が４００ｎｍ以上における光線透過率が９０％以上である材料で構成することで、例えば、使用レーザー光の波長が４０５ｎｍであるＢＤ（登録商標）装置等への応用範囲を広げることができる。なお、光線透過率の測定値は、両表面が鏡面研磨された厚さ１０ｍｍのサンプルに対して行ったときの値である。
【００２７】
次に、図２〜図４を参照しながら、本実施形態に係る複合光学素子１の製造方法について説明する。なお、ここでは、実質的にガラスからなる第１の光学部１０と、実質的に光硬化樹脂からなる第２の光学部２０と、実質的に熱可塑性樹脂からなる第３の光学部３０とで構成された複合光学素子１の製造方法を例に挙げて説明する。
【００２８】
まず最初に、第１の光学部１０を作製する。詳細には、第１の光学部１０の作製は、図２（ａ）に示す一対の成形型（下型４１，上型４５）を用いて行う。下型４１は頂面に第１の光学部１０の光学機能表面１１の形状に対応した凹状の成形面４２が形成されている。一方、上型４５は下型４１に対向位置する成形面４６を頂面とする柱状体により構成されている。成形面４６は光学機能表面１４の形状に対応して凹状に形成されている。
【００２９】
そして、これら下型４１及び上型４５を用いてボール状や第１の光学部１０とほぼ近似の形状寸法に加工されたガラスプリフォーム４０を加熱押圧（ヒートプレス）する。具体的には、下型４１と上型４５との間にガラスプリフォーム４０を配置する。
【００３０】
次に、ガラスプリフォーム４０をその軟化温度近傍にまで加熱して軟化させ、上型４５を下型４１に対して下型４１方向に相対的に変位させることにより軟化したガラスプリフォーム４０を下型４１の成形面４２と上型４５の成形面４６とでもってプレスし、第１の光学部１０を得る（図２（ｂ）参照）。そして、第１の光学部１０を所定の温度（例えば、ガラス転移温度−１５０℃〜室温）にまで冷却させることにより完成させる。
【００３１】
次に、図３（ａ）に示すように、第２の光学部２０の光学機能表面２２の形状に対応した凹状の成形面５２を有する成形型５１を用い、成形面５２上に、軟化状態にある光硬化樹脂５０を配置する。そして、成形型５１及び押圧型５５を用いて光硬化樹脂５０をプレスする。具体的には、先ほど成形した第１の光学部１０を押圧型５５で押圧して、成形型５１の成形面５２上に配置された光硬化樹脂５０を光学機能表面１１でもって所定の位置までプレスし、その状態で光硬化樹脂５０に光エネルギー（紫外線や電子線等）を付与することによって光硬化樹脂５０を硬化させる。
【００３２】
この工程において、光エネルギーを付与する前の軟化状態にある光硬化樹脂５０は、第１の光学部１０と比較して非常に柔らかいため、光硬化樹脂５０を第１の光学部１０の光学機能表面１１でもって押圧しても、光学機能表面１１の形状変化は実質的に起こらない。また、光学機能表面１１の形状に合わせて光硬化樹脂５０が流動し、光学機能表面１１の形状が好適に転写される。これにより、第１の光学部１０の光学機能表面１１に第２の光学部２０が接合される（図３（ｂ）参照）。
【００３３】
次に、図４（ａ）に示すように、第３の光学部３０の光学機能表面３２の形状に対応した成形面６２を有する成形型６１を用い、成形面６２上に、軟化状態にある熱可塑性樹脂６０を配置する。
【００３４】
そして、成形型６１及び押圧型６５を用いて熱可塑性樹脂６０をプレスする。具体的には、先ほど成形した第１の光学部１０及び第２の光学部２０を押圧型６５で加圧して、成形型６１の成形面６２上に配置された熱可塑性樹脂６０を第２の光学部２０の光学機能表面２２でもって所定の位置までプレスし、その状態で熱可塑性樹脂６０に熱を付与することによって熱可塑性樹脂６０を硬化させる。
【００３５】
このようにすれば、第１の光学部１０と、光学機能表面１１上において第１の光学部１０に接合された第２の光学部２０と、光学機能表面２２上において第２の光学部２０に接合された第３の光学部３０とからなる複合光学素子１を得ることができる（図４（ｂ）参照）。
【００３６】
なお、複合光学素子１の製造手順は、上述したものに限定するものではなく、他にも様々な手順が考えられる。以下、本実施形態に係る複合光学素子１の別の製造方法について説明する。
【００３７】
まず最初に、第１の光学部１０を作製する。なお、第１の光学部１０の作製手順は、先ほど図２を用いて説明した場合と同様の手順であるため、詳細は省略する。
【００３８】
次に、図５に示すように、第３の光学部３０を作製する。第３の光学部３０の作製は、図５（ａ）に示す一対の成形型（下型７１，上型７５）を用いて行う。下型７１は頂面に第３の光学部３０の光学機能表面３２の形状に対応した凹状の成形面７２が形成されている。一方、上型７５は下型７１に対向位置する成形面７６を頂面とする柱状体により構成されている。成形面７６は光学機能表面３１の形状に対応して凸状に形成されている。
【００３９】
そして、下型７１の成形面７２上に、軟化状態にある熱可塑性樹脂６０を配置し、上型７５を下型７１に対して下型７１方向に相対的に変位させることで熱可塑性樹脂６０をプレスする。その状態で熱可塑性樹脂６０に熱を付与して硬化させることにより、第３の光学部３０を作製する（図５（ｂ）参照）。
【００４０】
次に、先ほど成形した第３の光学部３０の光学機能表面３１上に、軟化状態にある光硬化樹脂５０を配置する。そして、予め成形しておいた第１の光学部１０を押圧型８５で加圧して、光硬化樹脂５０を第１の光学部１０の光学機能表面１１でもって所定の位置までプレスし、その状態で光硬化樹脂５０に光エネルギーを付与することによって光硬化樹脂５０を硬化させる。
【００４１】
このようにすれば、第１の光学部１０と、光学機能表面１１上において第１の光学部１０に接合された第２の光学部２０と、光学機能表面２２上において第２の光学部２０に接合された第３の光学部３０とからなる複合光学素子１を得ることができる（図４（ｂ）参照）。
【００４２】
なお、一般的に、ガラスは樹脂よりも軟化温度が高く、硬度も高いため、例えばここで説明したように、第１の光学部１０が実質的にガラスからなるものであり、第２の光学部２０が実質的に光硬化樹脂からなるものである場合は、上述のように所望の形状に成形したガラス製の第１の光学部１０を成形型として軟化状態にある樹脂を押圧するとともに硬化させて接合することによって、容易且つ高い形状精度で成形することができる。第３の光学部３０の成形についても同様である。
【００４３】
また、第３の光学部３０は熱可塑性樹脂で構成されているため、ガラス材料では実現が難しい複雑な非球面形状やレリーフパターン等の微細な回折構造を光学機能表面３２に形成することが可能となり、優れた光学特性を有する複合光学素子１を得ることができる。
【００４４】
また、光硬化樹脂で構成された第２の光学部２０を、ガラスで構成された第１の光学部１０と熱可塑性樹脂で構成された第３の光学部３０との間に形成することで、ガラスと熱可塑性樹脂という異種材料間の接合を強固にすることができる。これにより、複合光学素子１の機械的強度や使用環境に対する信頼性を向上させる上で有利となる。
【００４５】
また、第２の光学部２０の材料として紫外線硬化樹脂等の光硬化樹脂を使用した場合は、短時間で硬化処理できるため、生産性を向上することができる。そして、第３の光学部３０の材料として熱可塑性樹脂を使用した場合は、紫外線等を照射する大がかりな装置を要することなく、加熱によって容易且つ安価に複合光学素子１を得ることができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、第３の光学部３０の光学機能表面３２が非球面により構成されている例について説明したが、この形態に限定するものではなく、例えば、平面、球面、円筒面、楕球面、トーリック面等であってもよい。また、光学機能表面３２に回折構造を形成する場合には、断面鋸歯状の回折面の他にも、例えば、断面矩形状や断面正弦波状の回折面、複数の凸状又は凹状レンズ面からなるレンズアレイ面、位相段差面、若しくは光反射防止構造（例えば、反射を抑制しようとする光の波長以下のピッチで配列された複数の錐体状突起部又は錐体状凹部からなる構造）が形成された光反射防止面であってもよい。
【００４７】
また、第２及び第３の光学部２０，３０は、プレス成形されたものに限定されるものではなく、例えば、スピンコーティング法やスクイージング法等の塗布法により光学機能表面１１，２２の上に樹脂材料を塗布した後に硬化させることにより形成してもよい。また、第３の光学部３０の光学機能表面３２に回折構造を形成する場合には、エッチングにより形成するようにしても構わない。
【００４８】
なお、本実施形態では、複合光学素子として両凸のレンズを例に挙げて説明したが、この形態に限定するものではなく、例えば、バイナリー光学素子、マイクロレンズアレイ素子、位相段差が形成された光学素子、ＳＷＳ（Subwavelength Structure Surface）を有する光学素子であってもよい。
【００４９】
＜変形例＞
図７は、本発明の複合光学素子の変形例を示す断面図である。以下、前記実施形態と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
【００５０】
図７に示すように、本変形例に係る複合光学素子２は、両凸のレンズにより構成されており、凸状非球面の光学機能表面（レンズ面）１１と光学機能表面（レンズ面）１４とのそれぞれに、第２の光学部２０及び第３の光学部３０が積層されて接合されている。
【００５１】
すなわち、第１の光学部１０の光学機能表面１１に第２の光学部２０が接合され、第２の光学部２０の光学機能表面２２に第３の光学部３０が接合されている点は前記実施形態と同様であるが、本変形例では、さらに、第１の光学部１０の光学機能表面１４にも第２の光学部２０が接合され、該第２の光学部の光学機能表面２２に第３の光学部３０が接合されている。
【００５２】
そして、第１の光学部１０の光学機能表面１４側に接合された第３の光学部３０の光学機能表面３２は、屈曲作用のみを有する屈曲面で形成されている。なお、図示しないが、光学機能表面３２にレリーフパターン等の微細な回折構造を形成するようにしてもよい。
【００５３】
以上のように、本発明の変形例に係る複合光学素子２によれば、第１の光学部１０の両凸面にそれぞれ第２及び第３の光学部２０，３０を積層して接合するようにしたから、より複雑な光学系を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上説明したように、本発明は、異種材料同士の接合面の剥離を防止して信頼性に優れた複合光学素子を提供することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。特に、光ディスク装置の光学系、ディジタルスチルカメラや携帯電話等の撮像系に用いる複合光学素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態に係る複合光学素子の構成を示す断面図である。
【図２】第１の光学部の製造方法を説明するための断面図である。
【図３】第２の光学部の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】第３の光学部の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】第３の光学部の別の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】第２の光学部の別の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の複合光学素子の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  複合光学素子
２  複合光学素子
１０  第１の光学部
１１  光学機能表面
１４  光学機能表面
２０  第２の光学部
２１  光学機能表面
２２  光学機能表面
３０  第３の光学部
３１  光学機能表面
３２  光学機能表面
４０  ガラスプリフォーム
５０  光硬化樹脂
６０  熱可塑性樹脂
【図１】
2008015010.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008015010.tif 000005
【図４】
2008015010.tif 000006
【図５】
2008015010.tif 000007
【図６】
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【図７】
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