(57)【要約】【課題】樹脂層よりも線膨張係数が低い母材を用い、樹脂層に紫外線硬化型樹脂を用いても高精度で熱的安定性が高く、且つ低原価の複合構造の光学素子を提供すること。【解決手段】本発明の光学素子は、樹脂層と前記樹脂層よりも線膨張係数が低い母材とを具え、樹脂層が、型部材と母材との間隙に配置された光硬化型樹脂を前記型部材を通して照射された光により光硬化させ、母材表面上の少なくとも一部に一体的に形成されていることを特徴とする。【選択図】図３
2004138731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂層と前記樹脂層よりも線膨張係数が低い母材とを具え、前記樹脂層が、前記樹脂層に表面形状を転写する為の型部材と前記母材との間隙に配置された光硬化型樹脂を前記型部材を通して照射された光により光硬化させることにより、前記母材表面上の少なくとも一部に一体的に形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記母材の線膨張係数が１．０×１０−５／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記母材の材料が低膨張ガラスであることを特徴とする請求項２記載の光学素子。
【請求項４】
前記樹脂層の表面形状が非軸対称形状であることを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の光学素子。
【請求項５】
請求項１〜４何れか１項記載の光学素子を製造する方法であって、樹脂層に表面形状を転写する為の型部材と母材との間隙に光硬化型樹脂を配置する段階と、前記間隙の間隔を所定値に調整する段階と、前記型部材を通して光を照射し、前記光硬化型樹脂を光硬化させる段階と、前記型部材を離型する段階とを具えることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項６】
前記型部材が非軸対称形状の成形面を有し、前記型部材の材料がガラスまたは樹脂であることを特徴とする請求項５記載の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、母材と樹脂層とを具えた光学素子、特に、樹脂層を、その樹脂層よりも線膨張係数が低い母材上に具えた光学素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、樹脂は複雑な表面形状を安価に成形加工できる為に、例えば熱可塑性樹脂の射出成形によりピックアップレンズや、熱硬化型樹脂や紫外線硬化型樹脂のモールド成形により眼鏡レンズなどの、樹脂レンズが幅広く実用化されている。樹脂レンズは、複雑な表面形状を安価に製造することが容易である点では優れているが、樹脂は線膨張係数が一般に３．０×１０−５〜２．１×１０−４／Ｋと高い為に、温度変化に伴うレンズの形状変化が大きく、一般に線膨張係数が樹脂よりも小さいガラスレンズに比較して熱的安定性が低い問題があった。以下、熱的安定性を、レンズ等の光学素子の温度変化による形状変化の度合いを示す言葉とし、形状変化が大きいほど熱的安定性が低いとする。この形状変化には表面形状の変化も含まれる。
【０００３】
この問題を防ぐ為に、材料がガラスの球面レンズの表面上に表面が非球面形状の熱硬化型又は紫外線硬化型の樹脂層を設けた非球面レンズが発明され、カメラレンズなどに広く用いられている。ガラスの多くは樹脂よりも線膨張係数が低く、且つ樹脂層の層厚は母材としてのガラスの球面レンズの厚みよりも一般に大幅に薄いので、この複合非球面レンズの線膨張係数はガラスレンズと同等であり、従って熱的安定性が高い。このような複合構造（複数の材料の部材から構成されている）を具えた光学素子としては上記非球面レンズのほか、フレネルレンズ、回折格子などが広く用いられている。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６３−１５７１０３号公報
【０００５】
【発明が解決する課題】
この複合構造を具えた光学素子の樹脂として熱硬化型樹脂を用いることが一般的であるが、熱硬化型樹脂は硬化速度が遅い。また、代表的な熱硬化型樹脂であるエポキシ樹脂は型部材との接着性が強い為に、離型が困難であり、安定して離型する為には型部材に離型剤を塗布したり、離型膜を形成したりする追加的な工程が必要である。これらは、レンズ製造のリードタイムを長くし、または、製造の為の資材を追加的に必要とするので、製造原価のアップを起こす。
【０００６】
樹脂として紫外線硬化型樹脂を用いることができれば、紫外線硬化型樹脂の硬化速度は熱硬化型樹脂よりも高く、且つ、容易に離型する為の追加的な工程も要しないので、原価低減につながる。しかしながら、母材として用いる線膨張係数が低い材料の中には、ゼロデュア（ＳＨＯＴＴ社ＺＥＲＯＤＵＲ；熱膨張係数＝０±０．１×１０−６／Ｋ以下）などの低膨張ガラスが含まれる。このゼロデュアは紫外線透過率が極めて低い（例えば５ｍｍ厚のゼロデュアは樹脂が光硬化する為に効果的な、波長３６５ｎｍ前後の紫外線を殆ど透過しない）為に、紫外線を母材を通して紫外線硬化型樹脂に照射することにより光硬化させることができない。その為に従来は紫外線硬化型樹脂を樹脂層の材料として用いることができなかった。
【０００７】
本発明は、母材として樹脂層よりも線膨張係数が低い材料、例えばゼロデュアのような低膨張ガラスを、樹脂層として紫外線硬化型樹脂を使用する場合にも、高精度で、且つ熱的安定性が高く、尚且つ製造原価が低い複合構造を有する光学素子、及びこの光学素子の製造を可能とする製造方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の問題を解決する為に、本発明の光学素子は、樹脂層と前記樹脂層よりも線膨張係数が低い母材とを具え、前記樹脂層が、前記樹脂層に表面形状を転写する為の型部材と前記母材との間隙に配置された光硬化型樹脂を前記型部材を通して照射された光により光硬化させることにより、前記母材表面上の少なくとも一部に一体的に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の光学素子において、前記母材の線膨張係数は、１．０×１０−５／Ｋ以下であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の光学素子において、前記母材の材料が低膨張ガラスであることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の光学素子において、前記樹脂層の表面形状が非軸対称形状であることが好ましい。
【００１２】
本発明の光学素子の製造方法は、前記何れかの光学素子を製造する方法であって、樹脂層に表面形状を転写する為の型部材と母材との間隙に光硬化型樹脂を配置する段階と、前記間隙の間隔を所定値に調整する段階と、前記型部材を通して光を照射し、前記光硬化型樹脂を光硬化させる段階と、前記型部材を離型する段階とを具えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の製造方法において、前記型部材が非軸対称形状の成形面を有し、前記型部材の材料がガラスまたは樹脂であることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１５は本発明の光学素子４を説明する図である。
【００１５】
本発明の光学素子４は、母材１と、母材１上に母材と一体的に設けられた樹脂層２とにより構成された複合構造を取る。樹脂層２の表面には光学面６７を有する。後述する様に、光学面６７の表面形状は、軸対称の球面形状や非球面形状から自由曲面まで様々な形状を含み、光学素子４の具体例としては、球面レンズ、非球面レンズ、回折光学素子、特殊目的用光学素子等があり、目的は特に限定されない。
【００１６】
母材１の材料の線膨張係数は樹脂層２よりも低く、光学素子４の線膨張係数が所望の値を満足するように、その材料が決定される。樹脂層２は紫外線硬化型樹脂を型部材から照射した紫外線により光硬化することにより形成される。
【００１７】
本発明の光学素子４は、成形により製造される。
【００１８】
以下、本発明の光学素子の製造法（成形法）、本発明の光学素子の製造に用いる型部材及び樹脂、本発明の光学素子の樹脂層及び母材について詳しく説明する。
【００１９】
先ず製造法から説明する。
［製造法１］
図１（１）、（２）、（３）、（４）は本発明の製造法１を説明する図である。
【００２０】
図１において、１は母材、２は樹脂層、３は型部材、４は光学素子、５は樹脂、６は間隙の間隔、そして７は紫外線である。ここで、母材１の線膨張係数は樹脂層２よりも低い。母材１の材料は、製造目的の光学素子４の線膨張係数が所望の値を満足するように、その材料が決定される。また、樹脂５は紫外線７の照射により光硬化する紫外線硬化型であり、型部材３は目的の光学素子の光学面の表面形状の反転形状の成形面を有し、紫外線硬化型樹脂を硬化させる為に充分な量の紫外線７を透過させる。
【００２１】
以下に光学素子の成形の工程を説明する。
（１）母材１上に紫外線硬化型樹脂５を所定量滴下する。
（２）型部材３を母材１上に載せ、紫外線硬化型樹脂５を型部材３と母材１との間隙に配置する。
（３）型部材３を母材１に押し付けて、又は母材１から持ち上げて、その間隙の間隔６を所定値に調整した状態で型部材３の側から紫外線７を照射する。
（４）型部材３を母材１から引き離す力を働かせ、型部材３を離型し、母材１に樹脂層２が一体化された光学素子４を得る。
【００２２】
以上の製造法により、母材を低膨張ガラスのような低膨張素材で形成しても短時間で且つ低い製造コストで光学素子を製造できる。このようにして製造された光学素子４は、熱的安定性が高く、所望の線膨張係数を有し、高精度で、且つ製造コストが低い。
［製造法２］
図２（１）、（２）、（３）、（４）は本発明の製造法２を説明する図である。
【００２３】
各構成要素及び項目１〜７に対する対応関係は製造法１の図１と同様であるので、再度の説明は省略する。
【００２４】
以下に製造の工程を説明する。
（１）型部材３上に紫外線硬化型樹脂５を所定量滴下する。
（２）母材１を型部材３上に載せ、紫外線硬化型樹脂５を母材１と型部材３との間隙に配置する。
（３）母材１を型部材３に押し付けて、又は型部材３から持ち上げて、その間隙の間隔６を所定値に調整した状態で型部材３の側から紫外線７を照射する。
（４）型部材３を母材１から引き離す力を働かせ、型部材３を離型し、光学素子４を得る。
【００２５】
本製造法は、製造法１とほぼ同様な作用効果を奏する。
［製造法３］
図３（１）、（２）、（３）、（４）、（５）は本発明の製造法３を説明する図である。
【００２６】
各構成要素及び項目１〜７に対する対応関係は製造法１の図１と同様であるので、再度の説明は省略する。
【００２７】
以下に製造の工程を説明する。
（１）型部材３上に紫外線硬化型樹脂５を所定量滴下する。
（２）型部材３の天地を反転させて紫外線硬化型樹脂５を下向きにした状態で紫外線硬化型樹脂側を母材１に近付ける。
（３）型部材３を母材１上に載せ、紫外線硬化型樹脂５を型部材３と母材１との間隙に配置する。
（４）型部材３を母材１に押し付けて、又は母材１から持ち上げて、その間隙の間隔６を所定値に調整した状態で型部材３の側から紫外線７を照射する。
（５）型部材３を母材１から引き離す力を働かせ、型部材３を離型し、母材１に樹脂層２が一体化された光学素子４を得る。
【００２８】
本製造法は、製造法１とほぼ同様な作用効果の他に、型部材に紫外線硬化型樹脂を滴下してから天地を反転させているので、紫外線硬化型樹脂層２への泡（気泡）の混入を低減させることができ、その結果、製造の良品率が向上する結果、更に製造コストを低減させることができるという作用効果を奏する。
［製造法４］
図４（１）、（２）、（３）、（４）、（５）は本発明の製造法４を説明する図である。
【００２９】
各構成要素及び項目１〜７に対する対応関係は製造法１の図１と同様であるので、再度の説明は省略する。
【００３０】
以下に製造の工程を説明する。
（１）母材１上に紫外線硬化型樹脂５を所定量滴下する。
（２）母材１の天地を反転させて紫外線硬化型樹脂５を下向きにした状態で紫外線硬化型樹脂側を型部材３に近付ける。
（３）母材１を型部材３上に載せ、紫外線硬化型樹脂５を母材１と型部材３との間隙に配置する。
（４）母材１を型部材３に押し付けて、又は型部材３から持ち上げて、その間隙の間隔６を所定値に調整した状態で型部材３の側から紫外線７を照射する。
（５）型部材３を母材１から引き離す力を働かせ、型部材３を離型し、母材１に樹脂層２が一体化された光学素子４を得る。
【００３１】
本製造法は、製造法３とほぼ同様な作用効果を奏する。
［樹脂］
本発明の光学素子４の樹脂層２の材料である樹脂として紫外線硬化型樹脂が用いられる。とりわけ、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、及びこれらの混合樹脂、の樹脂群から選ばれた樹脂が好ましく使用される。好ましい樹脂としてウレタンアクリレートがある。アクリル系樹脂として本実施形態で用いられる樹脂は、硬化後において、線膨張係数が５．０×１０−５〜２．０×１０−４／Ｋの範囲である。樹脂は硬化により硬化収縮を生じ、成形された樹脂層は不等厚である為に、硬化収縮により内部応力を生じ、この内部応力により樹脂層を変形させる力を生じるが、樹脂層を母材上に密着接合させて一体的に形成させ、母材の厚みを樹脂層の層厚よりも充分に大きくすることにより、光学面の面形状の内部応力による変形を実用上問題ない程度に低減させている。その結果、光学素子の光学表面などの熱的安定性を高精度に安定化させている。
［樹脂層］
本発明の光学素子４の樹脂層２の層厚６８（以下特に断らない限り、この層厚は最大層厚を指すものとする）は必要以上に大きくすると、内部応力による光学面の表面形状の変形が無視できなくなる。逆に樹脂層２の層厚６８を小さくしすぎると、光硬化中に樹脂が型部材の成形面から離れるいわゆるヒケが生じ、成形面の表面形状が転写できない問題等が起こる為に、成形自体ができなくなる。樹脂層２の層厚６８は、成形可能な範囲で最も薄くすることが好ましい。
【００３２】
層厚６８の下限は、光学面に於ける最大高さと最小高さとの差に比例して、大きくなる。層厚の下限値は、上記最大高さと最小高さとの差の約２倍にすることが好ましい。この条件を適用とすると、例えば、最大高さと最小高さの差が７０μｍの光学面を成形する場合の層厚６８の下限値は７０μｍの約２倍の約１４０μｍである。層厚の下限値を出来るだけ小さくする為には、母材の樹脂層に隣接する面の表面形状を光学面の表面形状に出来るだけ近くすること、また、成形時に於ける樹脂の層厚の傾きを出来るだけ小さくすることが好ましい。層厚の上限は、好ましくは１ｍｍ以下であり、より好ましくは８００μｍ以下である。層厚の制御は、成形時に母材と型部材との間隙を調整することにより行なわれる。
［母材］
本発明の光学素子４の母材１は樹脂層２よりも線膨張係数の小さな材料から選ばれる。以下で述べるように本発明の光学素子４の樹脂層２の線膨張係数は５．０×１０−５〜２．０×１０−４／Ｋであるので、母材の材料の線膨張係数は１．０×１０−５以下であることが好ましい。母材は樹脂層と密着接合することにより樹脂層の変形を抑える働きをする。その為に、母材の材料として充分に剛性率が高いことも要求される。光学素子をレンズや透過型回折光学素子などの透過型光学素子として使用する場合、以上のような要求を充たす母材の材料としてガラスが好ましい。ガラスを用いる場合、使用波長においてのみ透明であれば良く、紫外線硬化型樹脂を硬化させる紫外線を透過する必要はない。従って、紫外線を透過するＢＫ７など各種の光学ガラスに加え、紫外線を透過しないが使用波長を透過するゼロデュア（ＳＨＯＴＴ社ＺＥＲＯＤＵＲ；線膨張係数＝０±０．１×１０−６／Ｋ以下）などの低膨張ガラスも使用できる。ミラーや反射型回折光学素子などの反射型光学素子として使用する場合には、母材の選択範囲はさらに拡大し、金属やセラミックやシリコンなども使用可能である。
【００３３】
紫外線照射による樹脂の硬化収縮を減少させる為に、母材１の表面形状に工夫を施すことが好ましい。硬化収縮による光学面の変形を低減する為には樹脂層の層厚分布はできるだけ均一であることが好ましい。樹脂層２の層厚分布を均一に近くする為には、樹脂層２が形成される側の母材１の表面６９の表面形状を樹脂層２の光学面６７の表面形状の近似形状に加工しておくことが好ましい。母材１の表面６９の加工の為に、フライス加工、切削加工、及び放電加工法を母材の材料、加工対象の表面形状、必要加工精度に応じて使い分けて用いることができる。硬化収縮による光学面の変形を低減する為に、母材の形状を材料力学的に内部応力により変形しにくくすることも好ましい。
【００３４】
以上、本発明の光学素子４の母材１の材料は、光学素子として（母材と樹脂層との一体で）要求される線膨張係数、要求される温度安定性の度合い、要求製造原価等に応じて決定される。
［光学面］
本発明の光学素子の光学面６７の表面形状としては、例えば、軸対称の球面形状、軸対称の非球面形状、回折格子などの非球面形状、あるいは以上の表面形状のみならず対称軸を持たない複雑な表面形状等の全ての表面形状を含む自由曲面までを含み、形状的に特に限定されない。
［型部材］
本発明の光学素子の製造方法で用いる型部材の材料は樹脂が硬化する為に必要な感度波長域（通常は３６５ｎｍ付近）で１０％以上の光透過率を持つことが好ましく、ガラスまたは樹脂の中から選択することが出来る。ガラスの場合、ＢＫ７（ＳＨＯＴＴ社製）や石英ガラスなど多くの光学ガラスが使用可能である。樹脂の場合、紫外線硬化型樹脂の殆ど全ては紫外線を透過し、また、熱硬化型樹脂や射出成形用樹脂もごく一部を除けば紫外線を透過するのでこれらから選ぶことができる。上記以外にも結晶、セラミック等、からも選ぶことができる。
【００３５】
型部材の成形面の表面形状は、光学素子の光学面の表面形状の反転形状である。目的の光学面の表面形状が、例えば、軸対称の球面形状、軸対称の非球面形状、回折格子などの不連続形状、あるいは以上の表面形状のみならず非軸対称の複雑な表面形状を含む自由曲面ならば、各表面形状の反転形状を型部材の成形面に形成する。
【００３６】
型部材の成形面の表面形状を創出する為には、運動転写方式の精密研削加工、総型砥石による形状転写方式の精密研削加工、スモールツールによる形状創成研磨加工などが用いられる。
【００３７】
型部材の成形面の表面形状が複雑な自由曲面であり、石英ガラスを型部材の材料として使用するとき、表面形状の創出の為にプラズマを利用した加工を用いることが好ましい。この方法により、自由曲面を高精度に且つ安価に加工することができ、その結果高品質の光学素子を低コストで生産することができる。
【００３８】
図５に本発明の光学素子の製造方法で使用する型部材の成形面の形成に用いたプラズマを利用した加工の原理を模式的に示す。大気圧（１０１３ｈＰａ）前後の圧力の放電ガス雰囲気中に置かれた電極１０に適当な条件で高周波電源１１により高周波を印加すると、電極１０の先端の近傍だけにプラズマ１２を発生させることができる。このプラズマ１２に適当な手段で加工ガス１３を供給すると加工ガス１３は解離し、反応性に富んだ分子又は原子１４になる。この際、電極１０を被加工面１６に接近させておくと、分子又は原子１４を被加工面１６に接触させることができる。ここで、加工ガス１３を適当に選択すれば、分子又は原子１４と被加工面１６とを反応させ、分子又は原子１４と被加工面１６との生成物１７を気化させることができる。こうして、プラズマ１２が接触した箇所のみを局所的に気化させて除去することが可能となる。この加工では、口径が小さい電極を用い、プラズマの領域を小さくし、被加工物を微少な領域単位で除去することにより微少な領域単位で加工することができる。又、その加工速度を被加工物の被加工面に渡って、微少な領域単位で、自由に、高精度に、且つ安定的に制御することができる。その為に、微少な構造を有する自由曲面を持った被加工物を高精度に且つ再現性良く加工することができる。
【００３９】
図６は本発明の光学素子の製造方法に使用する型部材の成形面の形成に用いたプラズマ加工装置を示す。図６にて２７は気密容器であるチャンバ、２０は型部材に加工する為の被加工物であるブランク、２２は高周波電力を供給する電力供給部、２３は放電ガスと加工ガスとの供給と、反応してブランク２０から生成された生成ガスの排出と除害処理を行なう為のガス給排気部、２４はブランクを所定の位置に移動する為の駆動部、２５は先端にプラズマ２６を発生させる為の棒状電極、２６は発生したプラズマ、３０は加工対象の表面形状に応じて電極を傾ける為の電極傾斜部、２９は電極傾斜部３０に動力を伝える為のセラミック軸、３１は制御部であり、この加工装置の、駆動部２４の移動や、電極傾斜部３０の傾き運動等の全体の動作を制御する。棒状電極２５は好ましくはパイプ状にされる。
【００４０】
プラズマ２６への加工ガスの供給は、パイプ状の棒状電極２５の中空部からプラズマ２６の近傍へ加工ガスを吹き出させることにより行なっても、他の適当な場所から供給された加工ガスをプラズマ２６の近傍に設けたパイプ状の棒状電極２５により吸い込むことによって行なっても良く、目的に応じて使い分けられる。また、加工ガスと放電ガスの供給は別々に行なっても、加工ガスと放電ガスとを混合させた混合ガスの形で一緒に行なっても良い。混合ガスを供給する場合にもパイプ状の棒状電極から供給することが出来る。石英ガラス製のブランクを加工する為に、混合ガスの形でガス供給する場合、放電ガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）と加工ガスとしての六フッ化硫黄（ＳＦ６）の混合ガスを用いることが好ましい。この場合、六フッ化硫黄から分解して生じたフッ素ラジカルが被加工物と反応して加工が進行する。
【００４１】
ブランク２０の駆動部２４は、ブランク２０を直進３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と回転１軸（φ）の方向に移動させることができる。この駆動部２４は、金属製のベローズ２８でチャンバ２７と連結されている。この金属製のベローズ２８により、チャンバ２７の機密性を保ちながらブランク２０を任意の位置へ移動させ、且つチャンバ２７内において高周波の伝送をさせることができる。又、棒状電極２５の傾斜（θ）は、チャンバ外に設けられたサーボモータ２１で軸２９を回転させ、この回転による駆動力を電極傾斜部３０に伝達することにより行なう。軸２９は、棒状電極とチャンバとの絶縁を確保する為に、セラミックで構成されている。電力供給部２２は、１３０ＭＨｚの高周波電圧発生装置（不図示）とプラズマ状態を安定させる為のインピーダンス自動整合装置（不図示）とを具える。制御部３１には駆動部２４とサーボモータ２１が接続されている。制御部３１には加工対象の表面形状のデータが記憶されており、制御部３１は、このデータを基に駆動部２４に被加工面を走査する為の駆動指令信号を送ると共に、被加工面の駆動位置に応じて棒状電極２５の傾斜を制御する指令信号をサーボモータ２１に送ることができる。
【００４２】
ブランク２０の加工に当たっては、ブランク２０をチャンバ２７内にセットしたら、先ず、放電ガスと加工ガスとを流してチャンバ２７内の雰囲気を放電ガスと加工ガスとの所定の量比であり、且つ、全圧がほぼ大気圧の混合ガスに置換する。次に、棒状電極２５をブランク２０に近接させた状態で、且つ、パイプ状の棒状電極２５から加工ガス又は混合ガスを供給しつつ、電力供給部２２により棒状電極２５に高周波電圧を印加し、パイプ状の棒状電極２５の先端部にプラズマを発生させる。このプラズマに対してブランク２０を位置決めしながらブランク２０の被加工面全面にわたり走査する。このとき、例えば、球面や非球面を加工する場合は、制御部３１は、棒状電極２５の中心軸方向が被加工面の法線方向と略一致するように棒状電極２５の傾斜をブランク２０の加工位置変化に応じて制御する。このようにすることにより、ブランク２０の任意の場所を精度良く加工することが可能となる。この方法で型部材の成形面の表面形状を形成する場合は、非軸対称形状などの複雑な自由曲面を持った光学素子を高精度に且つ再現性良く作成することができる。
【００４３】
成形面の表面形状が同一のガラス材料の型部材を複数作製する場合には、ガラスモールド法を用いることが好ましい。ここで、ガラスモールドは、タングステンカーバイド（ＷＣ）やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）などの耐熱材料から作製した成形型を用い、型部材となるガラス材料を真空又は窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中にて加熱して軟化させながら加圧し、成形加工する。こうして成形して作製したガラス材の型部材を用いて樹脂の成形を行なうのである。本方法によれば、複数の同一形状の型部材を安価に製造できるので、光学素子を大量生産する目的に適している。
【００４４】
フォトリソグラフィ法を用いて型部材を作製することもできる。この場合、材料を石英ガラスとした場合、石英ガラス部材の表面上にレジスト層を周知の方法により設け、フォトマスクのパターンをレジスト層面に露光し、現像を行なうことにより、石英ガラス部材の表面上にレジストパターンを形成後、ドライエッチング法によりレジストパターンを石英ガラスに転写することにより型部材を得る。以上の方法を必要に応じて複数回繰り返すことにより、回折光学素子など、成形面の断面の形状が階段状のバイナリー光学素子を成形する為に適した型部材を作製することができる。
【００４５】
型部材を大量に作製する場合、又は回折格子など光学面の断面が微細で且つ不連続な表面形状の光学素子を成形する場合には、成形の為の型部材を樹脂で作製することが好ましい。微細で且つ不連続な表面形状を直接ガラスに機械加工することは一般に困難である。これは、ガラスは硬脆性材料である為に、ガラスの微細な切削加工が一般に困難であることに起因する。したがって、微細で且つ不連続な表面形状を有する型部材を作製する為には、まず金属材料の部材を先端の細いダイヤモンドバイトで切削加工して金属製の型を作製後、紫外線硬化型樹脂または熱硬化型樹脂でこの金属製の型のレプリカを取ることにより作製する。
【００４６】
母材と樹脂層とは充分な強度で密着させる必要がある。樹脂にエポキシ基など接着性の官能基がある場合には特別な処理をしなくても母材と樹脂層との密着性は良好である。しかし、アクリル系樹脂など非接着性の樹脂を用いる場合には必要に応じて接着性を高める工程を追加することが好ましい。具体的には、成形工程の前に、シランカップリング処理、プラズマ処理、アルカリ処理、界面コート処理から選ばれた一つ以上の処理を母材に施す。
［その他］
その他、本発明の光学素子を反射型光学素子として用いる場合には、樹脂層の光学面に更に金や銀やアルミニウムなどの反射薄膜を真空蒸着法などで形成しても良い。こうすることにより反射特性を任意に調整することが可能となる。
【００４７】
以上のように本発明によれば、樹脂層よりも小さな線膨張係数を有する母材を用い、樹脂層用の樹脂に紫外線硬化型樹脂を用いても、型部材側から紫外線を照射することにより、低い製造コスト、且つ短いリードタイムで熱的安定性が高く且つ高精度な光学素子を得ることができる。
【００４８】
更に、本発明を透過型光学素子に適用した場合、母材は使用波長に対してのみ透明であれば良く、樹脂を光硬化する紫外線を透過する必要がない。母材としてゼロデュアを用いると、線膨張係数、更には熱的安定性が極めて高い透過型光学素子を低い製造コストで得ることが出来る。
【００４９】
本発明の光学素子は、球面レンズ、非球面レンズ、回折光学素子、特殊目的用光学素子等に用いられ、カメラ、顕微鏡、望遠鏡等の光学系から、半導体露光装置等の光学装置のアライメント光学系や分光光学系等の光学系や、光通信用の合分波機器や波長モニタ等の分光光学系までの幅広い分野の光学系に適用できる。
【００５０】
【実施例】
［実施例１］
本実施例では、光学面が鞍形形状である光学素子を作製した。
母材として３０ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍのインバー製のブランクを用いた。３０ｍｍ×６ｍｍの面が、樹脂層が隣接する面であり、樹脂層に光学面が形成される。光学的な有効領域は３０ｍｍ×６ｍｍの面の中の８ｍｍ×５ｍｍの面である。光学面の表面形状として、以下の数式で示されるような一つの自由曲面を選んだ。この自由曲面は図７で示すような高低差が約６０μｍの鞍形形状である。
Ｚ＝Ｃ１＊Ｘ２＋Ｃ２＊Ｘ３＋Ｃ３＊（Ｘ−７）＊Ｙ２＋Ｃ４＊Ｙ３
ここで、Ｃ１＝−１．０×１０−３
Ｃ２＝　８．３×１０−５
Ｃ３＝−６．０×１０−４
Ｃ４＝　４．０×１０―４
上記式にて、８ｍｍ×５ｍｍの面がＸＹ平面に、高さ方向がＺ軸に取られている。
【００５１】
先ず、石英ガラス製のブランクから型部材を作製した。石英ガラス製のブランクは母材のブランクと同じ３０ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍの寸法であり、３０ｍｍ×６ｍｍの面が成形面となるべき面であり、成形面の表面形状は前記光学面の表面形状の反転形状とされる。目標の成形面の作製に当たって、先ず前加工として成形面の概略形状を研削加工機を用いて加工した。図８は研削加工機で石英ガラス製のブランク４１を加工中の様子を示す。研削加工機は、砥石４０を高速で回転させ、その砥石４０に対してブランク４１を移動させることにより、所望の表面形状を加工する。
【００５２】
図８にて、石英ガラス製のブランク４１が搭載されているワークテーブル４４は、駆動ステージ４２に取り付けられており、駆動ステージ４２には制御装置４３が接続されている。これら駆動ステージ４２と制御装置４３によりワークテーブル４４はＸ、Ｙ、Ｚの直進３軸方向の各方向に１０ｎｍの位置決め精度で移動できる構造となっている。駆動ステージ４２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ各方向へのリニアガイドとサーボモータとを具えている。砥石ヘッド４５は、スピンドル（不図示）と回転駆動手段（不図示）とを具え、取り付けられた砥石４０を２０００ｒｐｍの速度でＹ軸方向の回りに回転させることができる。
【００５３】
研削の第一番目の工程では、先ず、＃４００、砥石径φ１００ｍｍ、Ｙ方向の曲率半径１ｍｍのレジンボンド砥石４０にて石英ガラス製のブランク４１の光学面となるべき３０ｍｍ×６ｍｍの面に自由曲面の概略形状を加工した。この工程では、研削加工機の制御装置４３のメモリに目標の成形面の式を記憶させておき、この式に倣ってワークテーブル４４を移動させることにより目標の表面形状を加工した。加工されたブランクの形状精度（形状誤差により表す）はＰＶ値（最も高い山と最も低い谷との差）＝約１μｍ、表面粗さはＲＭＳ値（二乗平均平方根）＝約０．２μｍだった。尚、以下の工程での表面粗さの向上は、表面粗さを小さくして平滑性を向上することを意味する。
【００５４】
第二番目の工程では、＃１５００、砥石径φ１００ｍｍ、Ｙ方向の曲率半径が１ｍｍのレジンボンド砥石４０を用いて、第一番目の工程で加工されたブランクを更に加工して表面形状精度を向上させると共に、表面粗さの向上を図った。この工程でも、研削加工機の制御装置４３のメモリに目標とする表面形状を表す式を記憶させておき、この表面形状に倣って、ワークテーブル４４を移動させることにより加工を行なった。加工されたブランクの形状精度はＰＶ値＝約０．１μｍ、表面粗さはＲＭＳ値＝約０．０１μｍだった。
【００５５】
次に、第二番目の工程を終えた石英ガラス製のブランクの成形面を図９に示す研磨機を用いて研磨した。この研磨機は、回転する研磨ポリシャに対して石英ガラス製のブランクを移動させることにより、ブランクの成形面の表面粗さを向上し、また、表面のうねりを除去する。
【００５６】
図９にて、石英ガラス製のブランク５１は、ワークテーブル５４に取り付けられている。ワークテーブル５４は駆動ステージ５２に取り付けられており、駆動ステージ５２は制御装置５３に接続されている。これら駆動ステージ５２と制御装置５３によりワークステージ５４はＸ軸方向に往復運動出来る構造になっている。尚、駆動ステージ５２はリニアガイド（不図示）と駆動手段（不図示）を具える。研磨ポリシャ５０は研磨ヘッド５５に取り付けられている。研磨ヘッド５５は回転駆動手段（方向のみを矢印で示す）と加重手段（方向のみを矢印で示す）とを具える。石英ガラス製のブランク５１に対して研磨ポリシャ５０を押し付けながら回転させ、且つ石英ガラス製のブランク５１を移動させることにより成形面に沿っての研磨が行なわれる。研磨ポリシャ５０の外径はφ５ｍｍとした。研磨ポリシャ５０には金属製の定盤（不図示）に研磨パッド（不図示）を貼り付けたものを用いた。
【００５７】
研磨に当たって、石英ガラス製のブランクを５１をワークテーブル５４に取り付け、研磨ポリシャ５０を石英ガラス製のブランク５１に押し付けた状態で研磨剤（不図示）を流しながらブランク５１を往復運動させた。研磨剤には酸化セリウムを液体に分散させたものを用いた。このようにして得られた成形面は鏡面であり、表面粗さはＲＭＳ値＝０．５ｎｍ、形状精度は前工程よりも悪化してＰＶ値＝１０μｍであった。
【００５８】
次に、プラズマＣＶＭ加工を行なった。加工は、図６に示すプラズマＣＶＭ装置を用いて、概要を実施形態に述べた方法で行なった。石英ガラス製のブランクを装置にセットした後、先ず、チャンバ内をヘリウムと六フッ化硫黄との重量比１００対１の混合ガスで置換した。この後、内径φ０．３ｍｍのパイプ状の棒状電極を用い、同じ、ヘリウムと六フッ化硫黄との重量比１００対１の混合ガスを棒状電極のパイプから流しながらプラズマＣＶＭ加工を行なった。これにより形状精度をＰＶ値＝０．１μｍまで向上させることができた。２００μｍの長さにおける表面粗さはＲＭＳ値＝０．５ｎｍであった。このようにして、形状精度、平滑性ともに極めて良好な成形面を有し、その為に高精度な光学素子の成形に適した型部材を作製することができた。
【００５９】
次に、母材を作製した。
【００６０】
先ず、銅（Ｃｕ）製のブランクに、マシニングセンターを用いて光学面の反転形状の概略形状を加工した。これを放電加工の電極として用い、放電加工機で３０ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍのインバー製のブランクの３０ｍｍ×６ｍｍの面に目標の光学面の概略形状を加工し、母材を得た。
【００６１】
次に、以下のような工程で成形を行なった。
（１）石英ガラス製の母材上に紫外線硬化型樹脂としてウレタンアクリレートをディスペンサーを用い、所定量滴下した。
（２）石英ガラス製の型部材の天地を反転させて紫外線硬化型樹脂を下向きにした状態で紫外線硬化型樹脂側をインバー製の母材に近付けた。
（３）石英ガラス製の型部材をインバー製の母材上に載せ、押し付けて、紫外線硬化型樹脂が型部材と母材との間隙に層状に拡がるようにした。
（４）石英ガラス製の型部材のインバー製の母材に対する位置を上下させることにより、その間隙の間隔を所定値に調整した状態で、石英ガラス製の型部材の側から高圧水銀灯により３６５ｎｍの輝線を中心とする紫外線を１５ｍＷ／ｃｍ２　の光強度で２００秒間照射し、樹脂を光硬化させた。
（５）石英ガラス製の型部材をインバー製の母材から引き離し、離型した。樹脂層の層厚は、最も薄いところで１５０μｍだった。
【００６２】
以上のようにして、インバー製の母材表面に紫外線硬化型樹脂の樹脂層を有する、光学面が鞍形である高精度な光学素子が得られた。
［実施例２］
本実施例では、光学面の表面形状がグレーティング状である光学素子（反射型グレーティング）を成形により作製した。本実施例では、グレーティング状の表面形状を成形するための型部材をマスターからの成形により作製した。
【００６３】
先ず、図１０に示すようなマスターを作製した。ステンレス製のブランク６０上にＮｉ−Ｐ層６１を無電解メッキし、このＮｉ−Ｐ層を先端径２μｍのダイヤモンドバイトで切削加工することにより、成形面の表面形状が、高さ４．５μｍ、ピッチ１３μｍの直線グレーティング状のマスター６２を作製した。このマスターの表面形状は、作製対象の反射形グレーティングの表面形状と同一となる。
【００６４】
次に、このマスターからの成形により、型部材を作製した。図１１、図１２は成形手順を説明する図である。型部材用のブランクとして石英ガラス製のブランク６３を用いた。図１１にて、マスター６２上に紫外線硬化型樹脂としてウレタンアクリレート５をディスペンサーを用い、定量滴下した後、予めシランカップリング処理をすることにより、樹脂５との密着性を高めた石英ガラス製のブランク６３をマスター６２上に載せ、石英ガラス製のブランク６３をマスター６２に押し付けることにより、樹脂５を押し拡げた。樹脂５が全面に拡がったことを確認した後、石英ガラス製のブランク６３の側から高圧水銀灯により３６５ｎｍの輝線を中心とする紫外線を１５ｍＷ／ｃｍ２　の光強度で２００秒間照射し、樹脂を光硬化させた。紫外線照射終了後、図１２のように、石英ガラス製のブランク６３とマスター６２とを引き離して離型することにより、石英ガラス製のブランク６３上に樹脂層２を具え、樹脂層の表面が成形面であり、その成形面の表面形状が作製対象の反射形グレーティングの表面形状の反転形状である型部材６４が得られた。
【００６５】
次に、この型部材を用いて成形により反射形グレーティングを作製した。図１３、図１４は成形の手順を説明する図である。母材１の材料としてＳＣＨＯＴＴ社製のＺＥＲＯＤＵＲを用いた。図１３にて、型部材６４上に紫外線硬化型樹脂としてウレタンアクリレート５をディスペンサーを用い、定量滴下した後、予めシランカップリング処理をすることにより、樹脂５との密着性を高めたＺＥＲＯＤＵＲ製のブランク６５を型部材６４上に載せ、ＺＥＲＯＤＵＲ製のブランク６５をマスター６４に押し付けることにより、樹脂５を押し拡げた。樹脂５が全面に拡がったことを確認した後、型部材６４の側から高圧水銀灯により３６５ｎｍの輝線を中心とする紫外線を１５ｍＷ／ｃｍ２　の光強度で２００秒間照射し、樹脂を光硬化させた。紫外線照射終了後、ＺＥＲＯＤＵＲ製のブランク６５と型部材６４とを引き離して離型する。そして、離型後にグレーティング面に金を真空蒸着し、反射膜を形成することにより、ＺＥＲＯＤＵＲ製のブランク６５上に樹脂層２を具え、樹脂層２の表面が目的のグレーティング状の表面形状である反射型グレーティング６６が得られた。
【００６６】
本実施例によれば、反射型グレーティングを樹脂のレプリカ成形により作製するので、大量生産が可能であり、その結果、製造原価が低い。型部材も又、樹脂のレプリカ成形により作製することは、型部材の製造原価を低くするので、反射型グレーティングの製造原価を更に低くする。本実施例の反射型グレーティングは、ＺＥＲＯＤＵＲのような低膨張ガラスを母材として用いているので、樹脂製のグレーティングであるにも関わらず、環境温度が変化しても形状が変化せず、熱的安定性が高い。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、母材として樹脂層よりも線膨張係数が低い材料を、樹脂層として紫外線硬化型樹脂を使用する場合にも、高精度で、且つ熱的安定性が高く、尚且つ製造原価が低い複合構造を有する光学素子、及びこのような光学素子の製造を可能とする製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の製造方法１の説明図である。
【図２】実施形態の製造方法２の説明図である。
【図３】実施形態の製造方法３の説明図である。
【図４】実施形態の製造方法４の説明図である。
【図５】プラズマＣＶＭの原理を説明する図である。
【図６】実施形態で用いるプラズマＣＶＭ装置の図である。
【図７】実施例１で作製対象の光学素子の光学面の表面形状である。
【図８】実施例１で用いる研削加工機の図である。
【図９】実施例１で用いる研磨機の図である。
【図１０】実施例２で用いるマスターの説明図である。
【図１１】実施例２の型部材の製造工程の説明図である。
【図１２】実施例２の型部材の製造工程の説明図である。
【図１３】実施例２の反射型グレーティングの製造工程の説明図である。
【図１４】実施例２の反射型グレーティングの製造工程の説明図である。
【図１５】実施形態の光学素子の説明図である。
【符号の説明】
１　　　母材
２　　　樹脂層
３　　　型部材
４　　　光学素子
５　　　樹脂
６　　　間隙
７　　　紫外線
１０　　電極
１１　　高周波電源
１２　　プラズマ
１３　　加工ガス
１４　　分子又は原子
１５　　被加工物
１６　　被加工面
１７　　気化した生成物
２０　　ブランク
２１　　サーボモータ
２２　　電力供給部
２３　　ガス給排気部
２４　　被加工物の駆動部
２５　　棒状電極
２６　　プラズマ
２７　　チャンバ
２８　　ベローズ
２９　　セラミック軸
３０　　電極傾斜部
３１　　制御部
４０　　砥石
４１　　石英ガラス製のブランク
４２　　駆動ステージ
４３　　制御装置
４４　　ワークテーブル
４５　　砥石ヘッド
５０　　研磨ポリシャ
５１　　石英ガラス製のブランク
５２　　駆動ステージ
５３　　制御装置
５４　　ワークテーブル
５５　　研磨ヘッド
６０　　ステンレス製のブランク
６１　　ＮｉＰ層
６２　　マスター
６３　　石英ガラス製のブランク
６４　　型部材（サブマスター）
６５　　ＺＥＲＯＤＵＲ（低膨張ガラスの一種）
６６　　反射型グレーティング
６７　　光学面
６８　　層厚
６９　　母材１の面
【図１】
2004138731.tif 000003
【図２】
2004138731.tif 000004
【図３】
2004138731.tif 000005
【図４】
2004138731.tif 000006
【図５】
2004138731.tif 000007
【図６】
2004138731.tif 000008
【図７】
2004138731.tif 000009
【図８】
2004138731.tif 000010
【図９】
2004138731.tif 000011
【図１０】
2004138731.tif 000012
【図１１】
2004138731.tif 000013
【図１２】
2004138731.tif 000014
【図１３】
2004138731.tif 000015
【図１４】
2004138731.tif 000016
【図１５】
2004138731.tif 000017