(57)【要約】【課題】光学素子に平行光を入射させて使用する場合、別途レンズが必要であり、部品点数や光学調整コストが増大するという課題がある。【解決手段】温度Ｔ１で加圧成形可能な透明材料よりなるレンズ１１と、温度Ｔ２で加圧成形可能な材料よりなる光学薄膜１３と、前記温度Ｔ１及び前記温度Ｔ２のいずれでも変形しない透明材料よりなる基材１２とを有する光学素子であって、レンズ１１は基材１２及び光学薄膜１３のうちの少なくとも一方に直接的に接合され、光学薄膜１３は基材１２及びレンズ１１のうちの少なくとも一方に直接的に接合されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度Ｔ１で加圧成形可能な透明材料よりなるレンズと、温度Ｔ２で加圧成形可能な材料よりなる光学薄膜と、前記温度Ｔ１及び前記温度Ｔ２のいずれでも変形しない透明材料よりなる基材とを有する光学素子であって、前記レンズは前記基材及び前記光学薄膜のうちの少なくとも一方に直接的に接合され、前記光学薄膜は前記基材及び前記レンズのうちの少なくとも一方に直接的に接合されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記レンズ及び前記光学薄膜を構成する材料がガラスである請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記光学薄膜が、屈折率が互いに異なる複数の材料が積層された多層膜である請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
温度Ｔにて加圧成形可能な第１材料と、前記温度Ｔでは変形しない第２材料とを所定の順番に重ねた後、前記温度Ｔに加熱した状態で所望の表面形状を有する金型を押し当てて加圧することにより、前記第１材料の少なくとも一部に前記金型の表面形状を転写し、且つ、前記第１材料と前記第２材料とを直接的に接合することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項５】
温度Ｔにて加圧成形可能な第１材料と、前記温度Ｔでは変形しない第２材料とを所定の順番に重ねた後、前記温度Ｔに加熱した状態で金型を押し当てて加圧することにより、前記第１材料の厚みを減少させ、且つ、前記第１材料と前記第２材料とを直接的に接合することを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズと光学薄膜とが一体化された光学素子に関する。また、本発明は、このような光学素子の製造に好ましく適応できる光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学薄膜（特に屈折率の異なる光学薄膜を何層にも積層したものを光学多層膜とここでは呼ぶ）は光通信、光ディスク、ディスプレイなどあらゆる光学機器分野で広く用いられている。光学多層膜は膜構成を用途に応じて変えることで、反射防止膜、光フィルタ、偏光ビームスプリッタ、反射膜など多様な機能を発揮させることができる。
【０００３】
一般に、このような光学薄膜は蒸着やスパッタなどの真空プロセスを用いて製造されていた。しかしながら、真空プロセスは生産性、経済性に課題があり、これを解決するための提案もされている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。これらの提案では積層したガラス板をプレスすることにより薄肉化して多層膜を形成する。
【０００４】
一方、光学薄膜に単一波長の光を入射させた場合、光の入射角を変化させると透過率又は反射率が変化する。この透過率又は反射率の変化は、１層あるいは数層程度の反射防止膜が設けられている場合にはほとんど問題にはならないが、特に光学多層膜では顕著である。この理由は以下の通りである。光の入射角が変化すると、屈折率が変化する光学薄膜の各界面（屈折率界面）での反射率が変化し、また光路長も変化する。光学多層膜では、各光学薄膜の界面での多重反射によって多重干渉が発生するが、反射率や光路長が変化するとこの多重干渉が変化するので、透過率及び／又は反射率も変化するのである。従って、通常、屈折率界面数が多く、入射角度による特性変化の大きい光学多層膜を用いる際には、入射光として平行光を用いる。
【０００５】
図８は、透明基板８３を挟んで２つの反射鏡８１，８２が向かい合う、エタロンと呼ばれる光学素子８０の側面断面図である。反射鏡８１，８２の反射率は１００％近くの高反射率を有する。このエタロン８０に複数の波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎを含む光８５を左側から入射させると、エタロン８０内で多重反射が生じ、両反射鏡８１，８２の間で定在波を作る波長λ２の光８６のみがエタロン８０を通過し、波長λ２が除かれた波長λ１，λ３，・・・，λｎを含む光８７は入射光８５と同じ側に出射する。従って、エタロン８０は特定の波長の光のみを選択的に透過させることができる。エタロン８０に入射する光８５が平行光であれば、入射光８５と同じビーム径で特定の波長の光のみを選択透過させることができる。
【０００６】
図９を用いて波長板と呼ばれる光学素子を説明する。波長板は、光の偏波を制御する素子であり、水晶などの複屈折結晶から所定の結晶軸と厚みを有するように切り出して得られる。波長板としては、その厚みにより４分の１波長板、半波長板（２分の１波長板）などが知られている。図９は４分の１波長板９０を示している。４分の１波長板９０を、その光学軸（結晶軸）９１が入射する直線偏光９２の偏光軸に対して４５度をなすように配置すると、直線偏光９２を円偏光９３に変換して出射する。波長板としては、このような４分の１波長板の他に、入射した直線偏光の偏光方向を９０度回転させて出射する半波長板などが知られている。波長板は、複屈折結晶の屈折率が偏波方向によって異なるので、偏波方向によって速度差が生じ、位相のずれを生じることを利用している。位相のずれを制御するためには結晶内での光路長を所定値にあわせる必要があるため、波長板を用いる場合にも、通常、入射光としては単一波長の平行光を用いる。
【０００７】
以上は一例であるが、入射光として平行光を用いる光学素子が多くある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−２８１０１５号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００１−５１１１４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光源から出射する光は必ずしも平行光でないために、これを光学素子に入射させる前に、通常、レンズを用いて平行光に変換する必要がある。これは経済性の面では不利である。
【００１１】
なぜなら、光損失を避けるためにレンズの両面には反射防止コーティングが必要である。また、光学系を構成する部品点数が多くなる。更に、レンズの光学調整が必要であるので、組立コストも増大する。
【００１２】
このように、従来の光学素子およびこれを用いた光学機器においては、所望の性能を出すためにはレンズ導入に伴うコスト増が避けられないという問題があった。
【００１３】
本発明は、上記従来の問題を解決し、部品点数が削減され、高生産性の光学素子を提供することを目的としている。また、本発明は、このような光学素子の製造方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は以下の事項からなる。
【００１５】
本発明の光学素子は、温度Ｔ１で加圧成形可能な透明材料よりなるレンズと、温度Ｔ２で加圧成形可能な材料よりなる光学薄膜と、前記温度Ｔ１及び前記温度Ｔ２のいずれでも変形しない透明材料よりなる基材とを有する光学素子であって、前記レンズは前記基材及び前記光学薄膜のうちの少なくとも一方に直接的に接合され、前記光学薄膜は前記基材及び前記レンズのうちの少なくとも一方に直接的に接合されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の光学素子の第１の製造方法は、温度Ｔにて加圧成形可能な第１材料と、前記温度Ｔでは変形しない第２材料とを所定の順番に重ねた後、前記温度Ｔに加熱した状態で所望の表面形状を有する金型を押し当てて加圧することにより、前記第１材料の少なくとも一部に前記金型の表面形状を転写し、且つ、前記第１材料と前記第２材料とを直接的に接合することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の光学素子の第２の製造方法は、温度Ｔにて加圧成形可能な第１材料と、前記温度Ｔでは変形しない第２材料とを所定の順番に重ねた後、前記温度Ｔに加熱した状態で金型を押し当てて加圧することにより、前記第１材料の厚みを減少させ、且つ、前記第１材料と前記第２材料とを直接的に接合することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の光学素子は、レンズと基材と光学薄膜とが接合一体化されているので、部品点数が削減され、光学調整や組立を必要とせず、高生産性を有するために低コストで、且つ小型化が容易な光学素子を提供できる。
【００１９】
上記の本発明の光学素子において、前記レンズ及び前記光学薄膜を構成する材料がガラスであることが好ましい。これにより、耐熱性、耐湿性に優れ、使用環境を問わず使用可能な光学素子を実現できる。
【００２０】
また、上記の本発明の光学素子において、前記光学薄膜が、屈折率が互いに異なる複数の材料が積層された多層膜であることが好ましい。これにより、光学素子に各種の機能を容易に付与することができる。
【００２１】
次に、本発明の光学素子の第１及び第２の製造方法によれば、上記の本発明の光学素子を容易に効率よく製造することができる。
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は本発明における実施の形態１に係る光学素子の構成を示す断面図である。１１はレンズ、１２は基板（基材）、１３は光学多層膜、１４は反射防止膜である。レンズ１１は温度Ｔ１の高温下で成形可能な光学ガラスよりなる。光学多層膜１３は温度Ｔ２（例えば５００〜６００℃）の高温下で成形可能な材料からなり、屈折率の異なる複数の光学ガラス層の積層体からなっている。
【００２４】
所定の角度で広がる光が反射防止膜１４を通過した後、レンズ１１で平行光になり、基板１２を通過した後、光学多層膜１３に入射する。反射防止膜１４により、レンズ１１に光が入射する際の反射ロスを低減できる。
【００２５】
例えば、光学多層膜１３を特定の波長帯のみを透過させる光フィルタとすれば、図１の光学素子は波長分離素子として使用できる。図１の光学素子は、レンズ１１と機能部（光学多層膜１３）とが一体化しているため、光学調整や組立を必要とせず、小型化が容易で、高生産性を有する。言うまでもなく、光学多層膜１３の膜構成を種々に変えることにより様々な機能を備えたデバイスを実現できる。
【００２６】
レンズ１１および光学多層膜１３の材料としては光学透明性が高く、比較的成形温度が低いものが望ましい。
【００２７】
具体的な光学多層膜１３の材料としては、例えば、ガラス材料名Ｋ−ＰＳＦｎ１（ｄ線屈折率１．９０７、屈伏点５４３℃、住田光学製）、あるいはガラス材料名Ｋ−ＣａＦＫ９５（ｄ線屈折率１．４３４、屈伏点４５０℃、住田光学製）などを用いることができる。これらの組み合わせは屈折率の差が比較的大きいので、光学多層膜の設計上有利である。これらは、６００℃で成形すればそれぞれガラスの屈伏点より十分高いため変形が容易である。
【００２８】
一方、レンズ１１の構成材料としては、上記の光学多層膜１３の材料の成形温度Ｔ２以下の温度Ｔ１で成形できる材料が望ましい。例えば、ガラス材料名Ｋ−ＰＧ３７５（ｄ線屈折率１．５４３、屈伏点３６３℃、住田光学製）やガラス材料名Ｋ−ＰＧ３２５（ｄ線屈折率１．５０７、屈伏点３１０℃、住田光学製）が挙げられる。
【００２９】
なお、レンズ１１の形状は球面、非球面に限らず、例えばフレネルレンズでも構わない。
【００３０】
基板１２の材料としては、例えば石英を用いることができるが、これに限られず、上記のレンズ１１や光学多層膜１３を成形する温度Ｔ１，Ｔ２にて変形しない透明材料であればよい。石英以外としては、パイレックス（登録商標、屈伏点６５３℃）などの高融点光学ガラスが例としてあげられる。
【００３１】
以下に、図１の光学素子の製造方法の一実施例を図２を用いて説明する。図３はこの実施例において用いたプレス成形装置の側面図である。
【００３２】
まず、図２（Ａ）に示すように、石英基板１２の上に複数種の光学ガラス２３を決められた順に重ねた。個々のガラスの厚みは所定の厚みに設定されている。これを図３のプレス成形装置を用いて薄膜化した。詳細を図３を用いて説明する。
【００３３】
図３のプレス成形装置は上下１対のヒーターブロック３１，３２を備えている。上ヒーターブロック３１は上下方向に可動であり、下ヒーターブロック３２は固定である。上ヒーターブロック３１に保持された２０ミリ角サイズの上型３３の成形面は平面であり、表面にはガラスとの離型性および耐食性を確保するために貴金属系の保護膜を備えている。下ヒーターブロック３２上には上面が平面である下型３５が固定されている。少なくとも上型３３及び下型３５を含む空間は密閉されたチャンバー３６内に納められている。チャンバー３６内は所望する雰囲気に維持される。
【００３４】
図２（Ａ）のように石英基板１２の上に光学ガラス多層積層体２３を積層したものを下型３５の上に設置した。
【００３５】
窒素をチャンバー３６内に充填し、上型３３が固定された上ヒーターブロック３１を下方へ動かし、上型３３を光学ガラス多層積層体２３の上面に接触させ、４．９ＭＰａ（５０ｋｇｆ／ｃｍ２）の低荷重を付与した。この状態で上下のヒーターブロック３１，３２に通電し、光学ガラス多層積層体２３をその材料の軟化点を越える温度Ｔ２＝６００℃まで加熱して軟化させた。次いで荷重を１４．７ＭＰａ（１５００ｋｇｆ／ｃｍ２）に増加させた。このとき、光学ガラス多層積層体２３は、時間の経過とともに、初めは急速に変形が起こるが、徐々に安定する。変形が進まなくなったところで荷重を解除し、ヒーターブロック３１，３２への通電を止めて冷却した。取り出したサンプルは図２（Ｂ）のように石英基板１２の表面上に光学多層膜１３が一体化されていた。すなわち、プレスにより光学ガラス多層積層体２３が薄肉化され且つ接合されて光学多層膜１３が形成されると同時に、石英基板１２と光学多層膜１３とが直接接触して接合一体化された。
【００３６】
次に、図２（Ｃ）のように光学多層膜１３側を下にし、石英基板１２上に光学ガラス２１を重ねた。これを、再度図３のプレス成形装置の平面状の下型３５の上に設置した。上型３３を、表面に多数のレンズの反転形状が形成された型（図示せず）に変更した。この表面にはガラスとの離型性および耐食性を確保するために貴金属系の保護膜を備えている。
【００３７】
窒素をチャンバー３６内に充填し、この状態で上下のヒーターブロック３１，３２に通電し、光学ガラス２１の軟化点を越える温度Ｔ１＝４００℃まで加熱して、光学ガラス２１を軟化させた。この温度では先に形成した光学多層膜１３を構成するガラスは軟化しない。次いで、上型３３が固定された上ヒーターブロック３１を下方へ動かし、上型３３を光学ガラス２１の上面に接触させ、４．９ＭＰａ（５０ｋｇｆ／ｃｍ２）の低荷重を付与した後、荷重を３９．２ＭＰａ（４００ｋｇｆ／ｃｍ２）に増加させた。このとき、光学ガラス２１は、時間の経過とともに、初めは急速に変形が起こるが、徐々に安定する。変形が進まなくなったところで荷重を解除し、ヒーターブロック３１，３２への通電を止めて冷却した。取り出したサンプルは図２（Ｄ）のように石英基板１２の上面に複数のレンズ１１が一体化されていた。すなわち、プレスにより光学ガラス２１が複数のレンズ１１に成形されると同時に、石英基板１２と複数のレンズ１１とが直接接触して接合一体化された。
【００３８】
その後、蒸着によりレンズ１１の表面に反射防止膜１４を形成した。
【００３９】
最後に、レンズ１１が１個ずつ含まれるように、３ミリ角程度に切り出して、図２（Ｅ）のように図１の構造を有する光学素子が得られた。
【００４０】
図１のように、レンズ１１側から光を入射させると、特定波長以下の光のみが光学多層膜１３を透過し、特定波長より長波長側の光は入射側に反射された。すなわち、この光学素子は、特定波長の光のみを選択的に通過させるローパスフィルタとして機能することが確認できた。
【００４１】
また、８５℃９０％ＲＨの雰囲気下に５００時間放置する高温高湿試験を行っても特性に変化がないことを確認した。図１の光学素子は、各構成要素が無機物であるガラスからなり、これらが直接的に接合され、接合界面に樹脂系の接着剤等を用いていないので、耐熱性、耐湿性に優れており、使用環境を問わず使用できる。なお、高温多湿などの条件下で使用しないのであれば、レンズ１１および光学多層膜１３のうちの少なくとも一方の材料はガラスに限定されず、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ポリオレフィン系の樹脂などの主に熱可塑性の樹脂等を使用することもできる。
【００４２】
上記の製造方法では反射防止膜１４を蒸着法により形成したが、光学多層膜１３の形成と同様に、適当な材料を選択してプレス成形で形成することもでき、これによりさらに低コスト化を実現することが可能になる。
【００４３】
また、上記の製造方法においては、石英基板１２の上に複数種の光学ガラス２３を決められた順に重ねてからプレスを行うことにより、複数種の光学ガラス２３の厚みを薄くすると同時に石英基板１２と一体的に接合した。この方法では、複数種の光学ガラス２３の合計厚みは少なくとも１００〜３００μｍ以下であることが特に好ましい。従って、複数種の光学ガラス２３の合計厚みが厚い場合（例えば１ｍｍ程度）には、予め複数種の光学ガラス２３のみをプレスを繰り返して薄くしておき、その後これを石英基板１２に重ねて再度プレスし、両者を一体的に接合しても良い。
【００４４】
また、図１の光学素子では平行平板である石英基板１２を通過して光学多層膜１３に垂直に光が入射するが、図４のようにくさび状のプリズム形状の石英基板４２を用いることにより、光学多層膜１３に斜めに光が入射するように構成しても良い。このような構成もプレス成形で製造することが可能である。
【００４５】
本実施の形態の光学素子は、線膨張係数が異なる異種材料の積層構造を有するので、数ｍｍ角サイズ以下に小型化すると、信頼性や、そり防止の観点から好ましい。
【００４６】
（実施の形態２）
図５は本発明における実施の形態２に係る光学素子の構成を示す断面図である。５１はレンズ、５２は石英基板（基材）、５３と５４はそれぞれ多層からなる反射膜（光学多層膜）、５５は反射防止膜である。レンズ５１は温度Ｔ１の高温下で成形可能な光学ガラスよりなる。反射膜５３、５４は温度Ｔ２（例えば５００〜６００℃）の高温下で成形可能な材料からなり、屈折率の異なる複数の光学ガラス層の積層体からなっている。石英基板５２とその両面に形成された反射膜５３，５４とは全体としてエタロン５６として機能する。
【００４７】
所定の角度で広がる光が反射防止膜５５を通過した後、レンズ５１で平行光になる。反射防止膜５５により、レンズ５１に光が入射する際の反射ロスを低減できる。レンズ５１を通過した平行光は、反射膜５３を通過し、石英基板５２に入射する。反射膜５３は厳密な１００％の反射膜でなく、一部の光のみを通過させる。対面の反射膜５４も同様である。
【００４８】
従って、反射膜５３と反射膜５４との間の石英基板５２内で発生する多重反射光が干渉して定在波となる波長の光のみが反射膜５４を透過し、それ以外の光は反射膜５４で反射されてしまう。これにより、図５の構成で波長分離が可能となる。
【００４９】
実際に図５の本構成にて波長分離機能を有することを確認した。
【００５０】
本実施の形態の光学素子はレンズ５１とエタロン５６とが一体化しているため、光学調整や組立を必要とせず、小型化が容易で、高生産性を有する。
【００５１】
図５の光学素子についても実施の形態１と同様にプレス成形で作製できる。具体的な製造方法は実施の形態１と同様であるのでその説明を省略する。なお、本実施の形態ではレンズ５１と反射膜５３とが直接的に接合されるが、工程は実施の形態１と同じである。
【００５２】
なお、反射膜５３，５４の中には金属膜を含んでいても良い。この場合も実施の形態１で述べた製造方法と同様にして製造することができる。
【００５３】
また、図６のように、レンズ５１とエタロン５６との間にくさび状のプリズム形状の石英基板５７を介在させて、レンズ５１の光軸とエタロン５６との光軸を交差させても良い。この場合は、図５のようにエタロン５６に光が垂直入射する場合に比べてエタロン５６を通過する光の波長が変化する。図６のような光学素子も図５の光学素子と同様にプレス成形で製造することが可能である。
【００５４】
（実施の形態３）
図７は本発明における実施の形態３に係る光学素子の構成を示す断面図である。７１はレンズ、７２は半波長板、７３と７４はそれぞれ単層の反射防止膜である。レンズ７１は温度Ｔ１の高温下で成形可能な光学ガラスよりなる。反射防止膜７３、７４は温度Ｔ２（例えば５００〜６００℃）の高温下で成形可能な材料からなる。半波長板７２は水晶よりなるので５００〜６００℃では変形せず、またその光学特性も変化しない。
【００５５】
所定の角度で広がる単一波長光が反射防止膜７３を通過した後、レンズ７１で平行光になる。反射防止膜７３により、レンズ７１に光が入射する際の反射ロスを低減できる。その後、平行光は半波長板７２を通過し、反射防止膜７４に入射する。
【００５６】
図７の光学素子に入射させる光が直線偏光で、その偏向面が半波長板７２の互いに垂直な結晶軸に対して４５°の角度をなすとき、入射する直線偏光の偏向面に対して９０度をなす偏向面を有する直線偏光が反射防止膜７４から出射されることを確認した。
【００５７】
本実施の形態の光学素子はレンズ７１と波長板７２とが一体化しているため、光学調整や組立を必要とせず、小型化が容易で、高生産性を有する。
【００５８】
図７の光学素子についても実施の形態１と同様にプレス成形で作製できる。具体的な製造方法は実施の形態１と同様であるのでその説明を省略する。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、部品点数が削減され、光学調整や組立を必要とせず、高生産性を有するために低コストで、且つ小型化が容易な光学素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光学素子の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る光学素子の製造方法の一例を工程順に示した断面図である。
【図３】本発明の光学素子の製造に用いたプレス成形装置の概略構成を示した側面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る光学素子の別の構成例を示した断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る光学素子の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る光学素子の別の構成例を示した断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る光学素子の断面図である。
【図８】従来のエタロンを説明するための側面断面図である。
【図９】従来の４分の１波長板を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１１、５１、７１    レンズ
１２、５２    石英基板
１３      光学多層膜
１４、５５、７３，７４    反射防止膜
２１      光学ガラス
２３      光学ガラス多層積層体
３１      上ヒーターブロック
３２      下ヒーターブロック
３３      上型
３５      下型
３６      チャンバー
４２、５７    石英からなるプリズム
５３、５４      反射膜（光学多層膜）
５６      エタロン
７２      波長板
８０      エタロン
８１，８２  反射鏡
８３      透明基板
９０      ４分の１波長板
９１      光学軸
【図１】
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【図２】
2004347718.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004347718.tif 000006
【図５】
2004347718.tif 000007
【図６】
2004347718.tif 000008
【図７】
2004347718.tif 000009
【図８】
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【図９】
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