(57)【要約】【課題】光学素子をモールド成形するための光学素子金型に微細構造を刻設し、反射防止膜等と同様の薄膜機能を有する微細構造を光学素子表面に転写することで、光学素子の製造コストを下げる。【解決手段】バイト１１は、光の波長より小さい刃幅の切刃を有し、２つの直動アクチュエータ２１、２２によってＸＺ平面内で円形状または楕円状の擬似回転運動を行う。このバイト１１をワークＷに対して位置決め装置１０によって相対移動させることにより、光の波長より小さいピッチの周期構成によって反射防止効果を有する微細構造を、ワークＷに刻設する。このような微細構造を刻設した金型を用いて、反射防止効果をもつｆθレンズ等の光学素子をモールド成形することにより、光学素子の生産効率を向上させることができる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を成形するための光学素子金型であって、前記光学素子の設計波長より小さいピッチで刻設された微細構造を有する光学素子金型。
【請求項２】
光学素子を成形するための光学素子金型であって、前記光学素子の設計波長より小さいピッチで刻設された微細構造を有する自由曲面を備えた光学素子金型。
【請求項３】
刻設された微細構造が、光学薄膜と同等または近似した薄膜機能を有することを特徴とする請求項１または２記載の光学素子金型。
【請求項４】
光学素子を成形するための光学素子金型を加工する加工方法であって、前記光学素子の設計波長より刃幅の小さい単一切刃を有する切削工具によって、前記光学素子金型の表面に前記設計波長より小さいピッチの微細構造を切削することを特徴とする加工方法。
【請求項５】
光学素子を成形するための光学素子金型を加工する加工方法であって、前記光学素子の設計波長より刃幅の小さい切刃を複数配設した刃先を有する切削工具によって、前記光学素子金型の表面に前記設計波長よりピッチの小さい微細構造を切削することを特徴とする加工方法。
【請求項６】
切削工具を、交差する２軸の方向に同一周期でそれぞれ直線往復駆動する２つの直動アクチュエータにより、擬似回転運動させることを特徴とする請求項４または５記載の加工方法。
【請求項７】
光学素子金型の自由曲面に微細構造を切削することを特徴とする請求項４ないし６いずれか１項記載の加工方法。
【請求項８】
光の波長より小さいピッチの微細構造をワークに加工する加工装置であって、前記波長より刃幅の小さい単一切刃を有する切削工具と、交差する２軸の方向に同一周期でそれぞれ直線往復駆動する２つの直動アクチュエータによって前記切削工具を擬似回転運動させる切削駆動手段と、前記切削工具を前記ワークに対して相対的に移動させるための相対移動手段を有することを特徴とする加工装置。
【請求項９】
光の波長より小さいピッチの微細構造をワークに加工する加工装置であって、前記波長より刃幅の小さい切刃を複数配列した刃先を有する切削工具と、交差する２軸の方向に同一周期でそれぞれ直線往復駆動する２つの直動アクチュエータによって前記切削工具を擬似回転運動させる切削駆動手段と、前記切削工具を前記ワークに対して相対的に移動させるための相対移動手段を有することを特徴とする加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザービームプリンター等の画像形成装置のミラー（ポリゴンミラー）、結像レンズ（ｆθレンズ）等の光学素子表面において反射防止膜等と同等の薄膜機能を有する微細構造を、前記光学素子をモールド成形する金型に切削加工するための加工方法、加工装置および光学素子金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超微細加工を必要とする光学素子等の製造方法としては、従来から、半導体の製造技術であるリソグラフィ技術を用いて加工する方法が知られている。使用される装置としては、ステッパ、電子ビーム描画装置、イオンエッチング装置、イオンビーム装置などがある。
【０００３】
一方、光学素子の表面には通常、反射光を抑制するための反射防止膜が設けられている。例えば高精度のレーザービームプリンターにおいては、ポリゴンミラー（スキャニングミラー）やｆθレンズ（結像レンズ）に、ドラムとの多重反射ゴーストを防止するため反射防止膜をコーティングして使用している。
【０００４】
また、従来、光の波長より小さい微小ピッチの格子や柱、ピットなどが配列された微細構造を持つ物体の表面は、ある屈折率をもつ薄膜が存在することと等価であり、その屈折率は微細な周期構造の周期（ピッチ）やそれを構成する物質の屈折率によって定まるもので、使用する光の波長が微細構造のピッチより充分に大きい場合に、微細構造の配列や方向性を工夫することにより、反射防止膜、あるいは、偏光制御、回折素子、狭帯域フィルター等の光学素子としての薄膜機能を持たせることが可能であることが知られている。
【０００５】
例えば特開２０００−２５８６０７号公報には、リソグラフィ技術により光学素子表面に反射防止効果を持った微細構造を形成する方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リソグラフィ技術による微細構造の形成方法では、加工できる材料はガラス石英、Ｃａｆ２　、フォトレジストなどに限られているため、直接金型の母材あるいは金属メッキ、スパッタ層等に微細構造を加工することはできないという制約がある。
【０００７】
他方、ｆθレンズ等の表面に反射防止膜を成膜することで反射防止を行うためには、使用する光の波長に合わせて適切な屈折率を有する膜材料を選択する必要がある。例えば、屈折率ｎｓ　を有する物質上に屈折率ｎ、膜厚ｄの透明な単層反射防止膜が形成されている際の空気との界面における反射防止条件は、波長λの光に対して、次の（１）、（２）式を満たす必要がある。
【０００８】
ｎｄ＝（１／４＋ｍ／２）λ　（ｍ＝１、２、３、．．）　・・・（１）
ｎ＝（ｎｓ　）１／２　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２）
【０００９】
しかし、現実的には膜材料の選択肢は少なく、各製品ごとに成膜する成膜コストも問題となっており、よりコストの低い反射防止措置が望まれている。
【００１０】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、反射防止膜等と同等の薄膜機能を有する光学素子を、モールド成形によって安価に大量生産することを可能にする金型の加工方法、加工装置および光学素子金型を提供することを目的とするものである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、光学素子金型の自由曲面上に効率よく微細構造を形成することができる加工方法、加工装置および光学素子金型を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光学素子金型は、光学素子を成形するための光学素子金型であって、前記光学素子の設計波長より小さいピッチで刻設された微細構造を有することを特徴とする。
【００１３】
また、光学素子を成形するための光学素子金型であって、前記光学素子の設計波長より小さいピッチで刻設された微細構造を有する自由曲面を備えたことを特徴とする光学素子金型でもよい。
【００１４】
刻設された微細構造が、光学薄膜と同等または近似した薄膜機能を有するとよい。
【００１５】
本発明の加工方法は、光学素子を成形するための光学素子金型を加工する加工方法であって、前記光学素子の設計波長より刃幅の小さい単一切刃を有する切削工具によって、前記光学素子金型の表面に前記設計波長より小さいピッチの微細構造を切削することを特徴とする。
【００１６】
また、光学素子を成形するための光学素子金型を加工する加工方法であって、前記光学素子の設計波長より刃幅の小さい切刃を複数配設した刃先を有する切削工具によって、前記光学素子金型の表面に前記設計波長よりピッチの小さい微細構造を切削することを特徴とする加工方法でもよい。
【００１７】
切削工具を、交差する２軸の方向に同一周期でそれぞれ直線往復駆動する２つの直動アクチュエータにより、擬似回転運動させるとよい。
【００１８】
本発明の加工装置は、光の波長より小さいピッチの微細構造をワークに加工する加工装置であって、前記波長より刃幅の小さい単一切刃を有する切削工具と、交差する２軸の方向に同一周期でそれぞれ直線往復駆動する２つの直動アクチュエータによって前記切削工具を擬似回転運動させる切削駆動手段と、前記切削工具を前記ワークに対して相対的に移動させるための相対移動手段を有することを特徴とする。
【００１９】
また、光の波長より小さいピッチの微細構造をワークに加工する加工装置であって、前記波長より刃幅の小さい切刃を複数配列した刃先を有する切削工具と、交差する２軸の方向に同一周期でそれぞれ直線往復駆動する２つの直動アクチュエータによって前記切削工具を擬似回転運動させる切削駆動手段と、前記切削工具を前記ワークに対して相対的に移動させるための相対移動手段を有することを特徴とする加工装置でもよい。
【００２０】
【作用】
光学素子を製造するための金型に、反射防止膜等の光学薄膜と同等の薄膜機能を有する格子や柱、ピットなどの微細構造を光学素子の設計波長より刃幅の小さい単一または複数の切刃を有する切削工具によって直接刻設する。光学素子のモールド成形と同時に、反射防止膜と同等の光学特性を有する表面に加工することができるため、例えば反射防止膜を成膜等によって付加する場合に比べて、反射防止効果を有する光学素子を極めて低コストで大量生産できる。
【００２１】
また、切削工具を、２つの直動アクチュエータによって２軸の方向に同一周期でそれぞれ直線往復駆動することにより、前記切削工具を擬似回転運動させる加工装置を用いることで、反射防止膜等と同等の光学機能を有する微細構造を、効率的かつ高精度に加工できる。このような切削工具によって光学素子金型の自由曲面等を加工すれば、金型にかかるコストも低減できるため、光学素子の生産性向上により一層貢献できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は一実施の形態による光学素子金型等を製造するための加工装置を示すもので、例えば、１０ｎｍ以下の位置決め分解能をもち、自由曲面加工で形状精度１５０ｎｍ、表面粗さ２０ｎｍＲｙ以下の加工を行う超精密加工装置である。
【００２４】
この加工装置は、ワークＷを固定保持する治具１、Ｘステージ２、Ｙステージ３等を有する４軸同期の相対移動手段である位置決め装置１０と、切削工具であるバイト１１を切削運動させる切削駆動手段である切削駆動ユニット２０を備えている。切削駆動ユニット２０は、バイト１１を駆動する２つの直動アクチュエータ２１、２２とフレーム２３等から構成され、フレーム２３は、前記ＸＹステージ上方に配設されたＺステージ４上の回転位置決めステージであるωＹステージ５に固定されている。なお、ωＹステージ５は、割り出し位置決め動作とスピンドル動作を行うことができる。
【００２５】
ワーク（被加工物）Ｗは治具１に保持されて、Ｘ、Ｙステージ２、３によってＸＹ方向に移動され、Ｚステージ４によるバイト１１のＺ方向の移動と、ωＹステージ５による回転移動によって、４軸同期の位置決めが行われる。
【００２６】
ワークＷの加工点には、ミストノズル３０からエアあるいはオイルミストを吹き付けることにより、切り粉の除去およびオイルの供給をしながら加工を行っている。
【００２７】
本実施の形態におけるワークＷは、光学素子を成形するための自由曲面を有する金型である。図１の装置において、微細構造を切削するためのバイト１１は、互いに直交する方向に配列された２つの直動アクチュエータ２１、２２により擬似回転運動を行い、ワークＷがＸステージ２によりＸ方向に走査することで加工が進行する。Ｘ方向への走査が終了するとＹステージ３によってＹ方向にステップ移動し、再度Ｘ方向の走査を行う。これを繰り返すことによりワーク全面の加工を行う。
【００２８】
金型の自由曲面の形状に合わせてＸ方向に走査するのと同期してＺステージ４によりバイト１１のＺ方向位置を制御する。また、自由曲面の傾斜（曲率）に合わせ、ωＹステージ５により，バイト１１の背分力方向が常に自由曲面の法線方向を向くように法線追跡を行っている。このような加工動作により、自由曲面を有する金型に微細構造を刻設することができる。
【００２９】
切削駆動ユニット２０は、図２に示すように、例えば磁歪素子等を用いた２つの直動アクチュエータ２１、２２を、それぞれＺ方向（背分力方向）、Ｘ方向（主分力方向）に伸縮する方向に配置したもので、バイト１１は、シャンク１１ａの先端にダイヤモンドチップ１１ｂを固定した超精密ダイヤモンドＲバイトであり、バイト１１を保持するバイトホルダー１２は、切削駆動ユニット２０の可動部２４に固定されている。可動部２４には、直動アクチュエータ２１、２２が弾性ヒンジ２１ａ、２２ａを介して接続されている。また、可動部２４は板バネ２５、２６を介してフレーム２３に保持されている。
【００３０】
このように、２つの直動アクチュエータ２１、２２と弾性ヒンジ２１ａ、２２ａおよび板バネ２５、２６からなる駆動機構において、可動部２４は、直動アクチュエータ２１の伸縮によりＺ方向に往復移動し、また、直動アクチュエータ２２の伸縮により弾性ヒンジ２１ａのヒンジ中心を回転中心としてＸ方向に往復移動する。
【００３１】
直動アクチュエータ２１、２２を同一周期で駆動することにより、バイト１１の先端は、Ｘ−Ｚ平面内で擬似回転運動を行い、この運動により切削が行われる。また、可動部２４には、非接触型の変位センサ２７が設けられ、可動部２４の変位すなわち、バイト先端の変位をモニターしている。
【００３２】
図３は切削駆動ユニット２０によるバイト１１の先端のダイヤモンドチップ１１ｂを拡大した図であり、ダイヤモンドチップ１１ｂの先端は、直動アクチュエータ２１、２２の伸縮によりＸ−Ｚ平面内で２点鎖線で示す軌跡Ｋに沿って矢印で示すようにループ運動を行っており、その振幅は例えば、Ｘ方向で５０〜１００μｍ、Ｚ方向で１０〜２０μｍである。
【００３３】
従来の回転工具を用いたフライカット法においては、例えば図１２に示すように、回転工具１１０のバイト１１１の先端の運動軌跡が半径数十ｍｍの円形である。これに比べて、本実施の形態による加工装置では、バイト１１の切削運動の軌跡Ｋは格段に小さいため、回転工具を用いたフライカット法では加工できない微小な形状を自由曲面に加工することが可能である。また、回転工具を用いたフライカット法と比べて切削抵抗が小さいため、バイトの損耗を抑制することができる。
【００３４】
なお、後述するように、本実施の形態による光学素子金型の加工においては、上記の加工装置に２つの切削工具を用いており、一つは通常の精密Ｒバイトであり、もう一つは上記の微細構造創成用のバイト１１である。
【００３５】
次に、バイト１１の刃先構成について詳しく説明する。図４に示すように、バイト１１は、モールド成形する光学素子の設計波長より刃幅の小さい微細な単一切刃を持つ単一切刃微細構造創成バイトであり、ダイヤモンドチップ１１ｂの先端には、同図の（ｃ）に拡大して示すように、例えばＲ０．０５μｍ、高さ１μｍ、幅０．６μｍの微細な切刃１１ｃを備えている。
【００３６】
この、単一切刃微細構造創成バイトで三角格子などの微細構造を加工する場合は、図５に示すように微細溝を一本ずつ加工していくことで、光の波長より小さいピッチの周期構造をもつ三角格子を創成することができる。
【００３７】
この方法は工具の作製が容易であるため、加工エリアが小さい場合や、少量生産の場合に向いているが、一つの切刃で全ての格子を切削すると、加工時間が長くなるために刃保ちが悪く、加工エリアが大きい場合および大量生産には向いていない。
【００３８】
また、例えば図７に示す金型Ｍのような、曲面上に法線方向を向いた三角格子構造を加工するには、バイトにＸ軸回りの回転動作を与える必要がある。
【００３９】
そこで、効率よく三角格子構造等の微細構造を加工するために、図６に示すような、設計波長より刃幅の小さい微細な切刃４１ｃを複数配設した切削工具であるバイト４１を使用して周期構造の加工を行う。
【００４０】
バイト４１は、シャンク４１ａと、ダイヤモンドチップ４１ｂを有し、ダイヤモンドチップ４１ｂの先端には、光の波長より刃幅の小さい複数の微細な切刃４１ｃを備えた複数切刃の微細構造創成用バイトである。すなわち、加工する超精密光学金型（光学素子金型）によりモールド成形される光学素子の設計波長より小さいピッチの周期構造の刃先を備えた切削工具である。
【００４１】
ダイヤモンドチップ４１ｂは単結晶ダイヤモンドからなり、図６の（ｃ）に先端三角格子部を拡大して示すように、例えば、刃先Ｒ（Ｒ１）２ｍｍ、真円度１００ｎｍ以下の円周上に法線方向を向いた三角格子が配置されている。
【００４２】
図６の（ｄ）に示すように、各三角格子の切刃４１ｃの山および谷の深さは、０．５μｍで、頂点は成型時の割れ防止およびバイトの欠損防止のためＲ０．０５μｍの微小なＲ形状をしている。
【００４３】
図７は上記の微細構造創成バイトを用いて加工された光学素子金型である金型Ｍを示すもので、これは、Ｘ方向、Ｙ方向に異なる曲率を持ったｆθレンズをモールド成形するための超精密金型であり、光学面上に微細構造創成バイトにより創成された微細構造Ｌを有するものである。この微細構造Ｌは、微細構造創成バイトの形状が切削により転写されたものであり、図７の（ｃ）に示すように、各面において法線方向を向いた三角格子形状である。三角格子の寸法配列はモールド成形する光学素子の設計波長に対して反射防止作用を持つよう設計されている。
【００４４】
光学素子に使用する光は、例えば、図７に示す金型Ｍの場合は、レーザービームプリンターに用いる半導体レーザーで設計波長（λ）は７８０ｎｍである。
【００４５】
この金型によりモールド成形されるｆθレンズは、例えば、レーザービームプリンターのスキャニングユニットに用いられており、従来は多重反射ゴーストを抑制するため光学面表面に反射防止膜をコーティングしている。
【００４６】
本実施の形態においては、反射防止膜をコーティングすることなく、光学薄膜である反射防止膜と同等の光学機能を持った微細構造を光学素子金型に直接加工する。このようにして加工された光学素子金型によりモールド成形された光学素子は、光学面表面に反射防止膜と同じ薄膜機能を持った微細構造を転写されており、反射防止用の薄膜を蒸着によって製作する場合のように、反射防止膜材料の選択範囲が限定されたり、成膜コストが高い等の問題を生じることなく、反射防止効果を有する光学素子の低コスト大量生産を可能とし、光学素子の低価格化に大きく貢献できる。
【００４７】
次に図７に示す金型Ｍの加工手順について説明する。本実施の形態においては、微細構造創成バイトの耐久性を考慮し、微細構造創成バイトにより加工する加工面はバリや突起などがなくある程度の平滑面であることが望ましいため次のような手順で加工を行う。
【００４８】
まず、第一行程として図８に示すように金型材料であるワークＷの形状出しを行う。通常の鏡面加工を行う場合と同様に通常の精密Ｒバイトを図１の切削駆動ユニット２０に設置し、図８の（ｂ）に示すように、形状精度２００ｎｍ、表面粗さ１００ｎｍ程度の精度でワークＷの加工面Ｓを前加工する。
【００４９】
次に第二行程として、図９に示すように、複数切刃の微細構造創成用のバイト４１を切削駆動ユニット２０に設置し、ワークＷの加工面Ｓに切削によりバイト４１の微細構造を転写していく仕上げ加工を行う。その際、図１０に示すように、バイト４１の切り込み量は１μｍ程度とすることで切削抵抗を小さくし、バイト４１の刃先であるダイヤモンドチップ４１ｂの損耗および加工精度の劣化を抑制している。
【００５０】
なお、切削駆動ユニット２０を用いずにシェーパ加工することもできるが、切削駆動ユニット２０を用いた加工では、切削が断続的に行われるため切削抵抗が小さく、微細な溝を精度よく加工することができる。
【００５１】
仕上げ加工は以下のように行われる。切削ユニット２０に設置されたバイト４１はＸ−Ｚ平面内で疑似回転をしており（図３参照）、図１１に示すように三角格子が互い違いにならないようにするため、バイト４１の走査方向は図９の（ａ）に示すようにＸ方向とし、Ｘ方向にａ１→ａ２→ａ３と１ライン加工するごとにＹ方向にステップ動作し次に、ｂ１→ｂ２→ｂ３という順序で加工をしていく。
【００５２】
また、バイト４１の損耗防止のため、曲面加工を行う場合には図９の（ｂ）に示すように曲率半径Ｒ１のＲバイトの円周部分を使用して加工している。すなわちＹ方向送りピッチごとのワークＷの加工面Ｓと法線方向の一致するＲバイトの円周部分を用いて加工をしている。
【００５３】
また、Ｙ方向送りピッチ分のバイト円周部分を直線と見なしてワーク形状を直線補間するように、図９の（ｂ）において、曲率半径Ｒ１０の加工面Ｓの円弧部分Ａはバイト４１の円弧部分Ｂに対応している。このようにして、複数切刃の微細構造創成用のバイトを用いれば、Ｘ、Ｙ各方向の曲率半径が一定でない自由曲面の加工においても法線方向を向いた三角格子を効率よく加工することができる。
【００５４】
なお、本実施の形態では、微細な三角格子を有する微細構造を加工する例を述べたが、これに限定されることなく、例えば切削駆動ユニット２０の代わりにスピンドルユニットを設置し、バイト４１の代わりに、半円あるいは四角柱のような微細形状を備えた切削工具を用いて、微細なエンドミル加工あるいはフライス加工や穴開け加工を行うことにより、格子形状の他にも微細なピットや柱構造を有する微細構造を加工することもできる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００５６】
光学素子の作製において、反射防止膜等と同等の薄膜機能を有する微細構造を刻設した金型（光学素子金型）を用いてモールド成形することで、反射防止特性等を有する光学素子を安価に大量生産することができる。
【００５７】
成膜によって反射防止膜を各製品ごとにコーティングする場合のような反射防止膜材料の選択制限や成膜のコスト高等の問題を解消し、光学素子の生産性を大幅に向上させることができる。
【００５８】
また、微細な切刃による切削加工によって、金型の自由曲面上に効率よく微細構造を形成することができるため、金型コストの削減にも貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態による微細構造の加工装置を示す模式図である。
【図２】図１の装置の切削駆動ユニットの詳細を示す図である。
【図３】バイトの運動軌跡を説明する図である。
【図４】図１の単一切刃の微細構造創成用のバイトを示すもので、（ａ）はその側面図、（ｂ）は立面図、（ｃ）は刃先を拡大して示す部分拡大図である。
【図５】図４のバイトを用いて微細加工を行う方法を説明する図である。
【図６】複数切刃の微細構造創成用のバイトを示すもので、（ａ）はその側面図、（ｂ）は立面図、（ｃ）は刃先を拡大して示す部分拡大図、（ｄ）は刃先の形状を説明する図である。
【図７】加工された光学素子金型を示すもので、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は微細構造を説明する説明図である。
【図８】光学素子金型を加工する工程の前半を説明する図である。
【図９】光学素子金型を加工する工程の後半の微細構造創成のための仕上げ加工を説明する図である。
【図１０】仕上げ加工の切り込み量を説明する図である。
【図１１】加工失敗例を示す図である。
【図１２】一従来例を説明する図である。
【符号の説明】
１　　治具
２　　Ｘステージ
３　　Ｙステージ
４　　Ｚステージ
５　　ωＹステージ
１０　　位置決め装置
１１、４１　　バイト
１１ａ、４１ａ　　シャンク
１１ｂ、４１ｂ　　ダイヤモンドチップ
１１ｃ、４１ｃ　　切刃
１２　　バイトホルダー
２０　　切削駆動ユニット
２１、２２　　直動アクチュエータ
２３　　フレーム
２４　　可動部
２５、２６　　板バネ
２７　　変位センサ
３０　　ミストノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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