(57)【要約】【課題】成形品の型からの離型を高精度に行なうことができるようにする。【解決手段】樹脂材料に所望の光学機能を有する微細形状を転写して、光学素子を成形するための成形用型６であって、微細形状を樹脂材料に転写するための第１の成形面８と、第１の成形面の有効範囲外に設けられ、微細形状の深さよりも深い凹形状部７を有する第２の成形面とを具備する。【選択図】　　　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂材料に所望の光学機能を有する微細形状を転写して、光学素子を成形するための成形用型であって、
前記微細形状を前記樹脂材料に転写するための第１の成形面と、
該第１の成形面の有効範囲外に設けられ、前記微細形状の深さよりも深い凹形状部を有する第２の成形面とを具備することを特徴とする成形用型。
【請求項２】
前記微細形状は、前記光学機能として光回折機能を有することを特徴とする請求項１に記載の成形用型。
【請求項３】
前記微細形状は、同心円状の凹凸から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の成形用型。
【請求項４】
前記凹形状部は、前記微細形状の有効径外に、前記微細形状と同心円状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の成形用型。
【請求項５】
前記凹形状部は、断面形状が長方形の溝からなることを特徴とする請求項１に記載の成形用型。
【請求項６】
前記凹形状部は、断面形状が台形の溝からなることを特徴とする請求項１に記載の成形用型。
【請求項７】
前記凹形状部は、断面形状がＶ字形の溝からなることを特徴とする請求項１に記載の成形用型。
【請求項８】
微細形状が形成された光学機能面と、
該光学機能面の有効範囲外に配置され、前記微細形状よりも高さが高い凸形状部とを具備することを特徴とする光学素子。
【請求項９】
前記微細形状は、光学機能として光回折機能を有することを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂材料の表面に所望の光学機能を有する微細形状を転写するための成形用型及びその型により成形された光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回折光学素子の成形技術のひとつとして、大面積成形性と高転写性に優れ、その成形技術の容易さから大量生産に適しているレプリカ成形技術がある。このレプリカ成形技術は、所望の光学形状の反転形状を有する型の成形面上に光硬化性樹脂を滴下し、その上からレンズブランクを圧着させて樹脂を押し広げ、所望の形状になったところで、光源からの光を照射して光硬化性樹脂を硬化させ、当該硬化樹脂をレンズブランクと共に離型することで成形を行うものである。
【０００３】
このようなレプリカ成形での離型においては、硬化樹脂が型表面に密着あるいは接着してしまったり、また微細形状が離型時の応力により変形あるいは欠損するなどして、成形品を容易に精度良く離型することが困難である。
【０００４】
そのため、所望形状を有する回折光学素子を成形するレプリカ成形法においては、離型性を向上させて転写性に優れた高精度な成形品を得るための離型方法が数多く提案されている。
【０００５】
離型性を向上させる公知技術としては、既に一般的な手法である離型剤の型成形面への塗布、または離型剤の樹脂材料への添加などが知られている。また、より具体的な手法としては、特開平５−５０４４２号公報において、型の光学有効径外に、疎密性物質を塗布するか又は離型時応力を最大限に有効とする所定の形状を設けることにより、型と成形品との初期密着力を低下させる方法が提案されている。また、特開平４−１４４７１８号公報においては、上下動自在な内型と外型で構成された成形型の内型と外型のどちらか一方を上下動させて外周部に亀裂を生じさせ、離型を容易にする方法が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の公報に開示されている技術は、所望の微細形状を有する回折光学素子のレプリカ離型に適応できない場合もあり、より高精度な成形性と効率的な生産性を求める場合には次に挙げるような問題が発生する。
【０００７】
平面又は曲面の光学機能面上に微細形状を有する回折光学素子をレプリカ成形する場合の離型において、離型時応力による格子の変形又は欠損はある程度は避けがたいものである。レプリカ離型においては、微細形状部に複雑に分布する離型時応力が負荷され、微小な格子部等に変形や欠損を与える。これらの変形や欠損部は光学素子の光学性能を著しく低下させることは言うまでもない。
【０００８】
そこで、この障害を回避するための方法の一つとして、型成形面上に離型剤を塗布して型と硬化樹脂との密着力を低下させる手法が挙げられるが、液剤塗布の表面張力による膜厚差又は液垂れなどで、極めて精密に加工された成形面上の光学微細形状が歪むことになる。
【０００９】
一方、離型剤を樹脂材料そのものへ添加する手法においては、樹脂材料の耐環境性の悪化や屈折率低下等の影響が観察され、回折光学素子を成形する光学材料としては好ましくない。
【００１０】
また、レプリカ離型時の初期密着力を低下させるための特開平５−５０４４２号公報に開示される成形用型においては、離型時の初期密着力は低下させることができても光学微細形状部に負荷される離型時応力まではその効果が得られない。
【００１１】
さらに、特開平４−１４４７１８号公報に開示される成形用型においても、同様に光学微細形状部に負荷される離型時応力までは低減させることができないだけでなく、型作動行程による生産タクトの長時間化、また生産装置自体の大規模化につながることから、生産性を低下させるだけでなく大幅なコストアップとなる。
【００１２】
したがって、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、成形品の型からの離型を高精度に行なえるようにすることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる成形用型は、樹脂材料に所望の光学機能を有する微細形状を転写して、光学素子を成形するための成形用型であって、前記微細形状を前記樹脂材料に転写するための第１の成形面と、該第１の成形面の有効範囲外に設けられ、前記微細形状の深さよりも深い凹形状部を有する第２の成形面とを具備することを特徴としている。
【００１４】
また、この発明に係わる成形用型において、前記微細形状は、前記光学機能として光回折機能を有することを特徴としている。
【００１５】
また、この発明に係わる成形用型において、前記微細形状は、同心円状の凹凸から構成されていることを特徴としている。
【００１６】
また、この発明に係わる成形用型において、前記凹形状部は、前記微細形状の有効径外に、前記微細形状と同心円状に形成されていることを特徴としている。
【００１７】
また、この発明に係わる成形用型において、前記凹形状部は、断面形状が長方形の溝からなることを特徴としている。
【００１８】
また、この発明に係わる成形用型において、前記凹形状部は、断面形状が台形の溝からなることを特徴としている。
【００１９】
また、この発明に係わる成形用型において、前記凹形状部は、断面形状がＶ字形の溝からなることを特徴としている。
【００２０】
また、本発明に係わる光学素子は、微細形状が形成された光学機能面と、該光学機能面の有効範囲外に配置され、前記微細形状よりも高さが高い凸形状部とを具備することを特徴としている。
【００２１】
また、この発明に係わる光学素子において、前記微細形状は、光学機能として光回折機能を有することを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００２３】
まず、本実施形態の概要について説明する。
【００２４】
本実施形態では、光学的所望の微細形状を有する型面上に光硬化性樹脂を滴下し、該光硬化性樹脂を、平面または曲面ガラス基板で押圧し、光照射することにより回折光学素子を成形する成形用型において、前記成形用型の光学有効部外の成形面に、所望の光学機能面における微細形状深さに比べても十分に深い溝または開口形状を設ける。
【００２５】
また、所望とする回折光学素子の同心円状または縦縞状の微細形状の反転形状が型成形面に加工されており、この型面の微細形状の光硬化性樹脂による形状成形が、当該成形用型の光学有効外に設けられた所望の光学機能面における微細形状深さに比べても十分に深い溝または開口形状の光硬化性樹脂による形状成形と同時に行われるように、成形面を構成している。
【００２６】
また、本実施形態の回折光学素子は、成形用型で所謂レプリカ成形により形成される成形回折光学素子であって、その光学有効部外に、所望の光学機能面における微細形状高さに比べても十分に高い凸形状が形成されている。
【００２７】
上記の構成を用いることにより、以下に示すような効果を得ることができる。図１は、レプリカ成形の離型プロセスを示す模式図である。レンズブランク１と成形型２により押圧された樹脂３が硬化成形された後に、外力Ｆを加えて離型させるプロセスを示す。
【００２８】
図２は、離型初期における成形型左端部の離型時応力状態を示している。外力Ｆによる左端部第１格子に負荷される離型力ｆの分力はそれぞれ、レンズブランク１と樹脂３の反りによる向心力ｆ２、さらに反り曲面の接線方向における力ｆ１に分けることができる。これらの離型時応力は、離型が進行していくと同時に各格子に連続的に負荷されるものである。
【００２９】
レプリカ離型における格子の変形または欠損を発生させる応力は、図示のｆ１であり、本実施形態は、離型時応力ｆ１を容易な手法で低下または分散させる構成を示す。
【００３０】
図３は、本実施形態の構成によるレプリカ成形の離型プロセスを示す模式図である。
【００３１】
光学有効部外の成形面に光学機能面における微細形状深さに比べても十分に深い溝または開口形状４を設けた成形型５により押圧された樹脂３が硬化成形された後の、外力Ｆによる離型プロセスを示す。
【００３２】
図４は成形型５の離型初期における成形型左端部の離型時応力状態を示している。
【００３３】
外力Ｆによる左端部溝形状部に負荷される離型力ｆ３の分力はそれぞれ、レンズブランク１と樹脂３の反りによる向心力ｆ５、さらに反り曲面の接線方向における力ｆ４に分けることができる。さらにこのとき、光学機能面である左端第１格子部においても、格子の変形または欠損を発生させる応力ｆ１’が多少なりとも負荷されることになる。しかし、溝形状部４への応力集中または光学機能面での応力分散により、レンズブランク１や樹脂３の離型力Ｆによる反りも緩和され、離型時応力ｆ１’を変形または欠損を与えない程度の微力に十分抑えることができる。また離型時応力ｆ１’は、離型が進行していくと同時に各格子に連続的に負荷されるが、溝形状部４の高さを光学機能面の格子高さに比べて十分に高くとることで、光学機能面の離型を溝形状部４の離型よりも先に終了させ、離型時応力を終始溝形状部４に集中させておくことができる。
【００３４】
したがって、離型時応力による光学機能面格子の変形または欠損を軽減させ、微細形状を有する回折光学素子のレプリカ成形における生産性を向上し、コスト削減を図り、かつ十分な光学的機能を満たした所望形状のレプリカ成形品を得ることができる。
【００３５】
（第１の実施形態）
図５は本発明の第１の実施形態に係わるレプリカ成形装置の概略構成を示す図である。
【００３６】
図５において、６は所望とする光学機能形状の反転形状８と溝形状部７をその成形面に設けた成形型である。成形型６は固定されており、成形型６を嵌め込んでいるリング状のレンズブランク保持部材９上にはレンズブランク１０が載置され、レンズブランク１０の中心軸と成形型６の成形面の中心軸との位置合わせは、レンズブランク保持部材９の嵌合部にレンズブランク１０を嵌め込むことで実現する。レンズブランク１０は、ガラスまたはプラスティックの材質から成り、光学面においては平面または曲面を有する。
【００３７】
リング状のレンズブランク保持部材９は上下動自在に保持されている。成形型６の成形面上には不図示のディスペンサーにより光硬化性樹脂１１が供給されており、レンズブランク１０の上方には紫外線照射ランプ１２が成形型の光学機能面に対して紫外線が垂直に入射されるように設置されている。
【００３８】
紫外線硬化性樹脂１１としては、波長３６５ｎｍ付近をピークとして重合が開始されるアクリレート系またはメタクリレート系またはエポキシ等の光学樹脂を使用しており、紫外線照射ランプ１２としては、高圧水銀ランプまたは超高圧水銀ランプ等の波長３６５ｎｍ付近に発振のピークを有する光源を使用する。
【００３９】
図６は、本実施形態における成形型６の上面図と側面図である。
【００４０】
光学機能面８を形成する微細形状は、光学有効径２０ｍｍの範囲において、平面上に格子高さ５〜２０μｍ、格子幅０．１〜１０ｍｍのブレーズ型回折格子を有し、上面図に示されるように中心への凸形状で同心円状に配置されている。光学有効径外の型成形面には、溝深さ８０〜２００μｍ、溝幅０．５〜１ｍｍと光学機能面の格子高さに比べて十分に深い溝形状部７を同心円状に配置する。この溝形状部７は、図１３に示されるように、レンズブランクの材質や形状、成形樹脂の特性、さらには成形型の光学機能面形状等を考慮して、その形状や大きさを選択する。具体的には、溝形状部７の断面形状は、図１３に示すような台形あるいはＶ字形等でもよい。
【００４１】
図７は、図６に示す成形型により成形された回折光学素子を示す図である。
【００４２】
レンズブランク１０上に形成された樹脂層の光学機能面８’は、ブレーズ型回折格子の中心への凹形状、即ち上記の成形型の反転形状として同心円状に形成される。回折光学素子の光学有効径外においては、型成形面の溝形状部７の反転形状であるブロック部７’が同心円状に形成される。
【００４３】
以下、本実施形態における成形プロセスを図５、図８を参照して説明する。
【００４４】
まず、成形型６の成形面上中央付近に不図示のディスペンサーにて紫外線硬化性樹脂１１を適量供給し、あらかじめ樹脂との密着力を上げるためのカップリング処理を片面に施したレンズブランク１０を、カップリング処理面を下にしてリング状のレンズブランク保持部材９に嵌め込む。この際に、芯だし用チャック等、さらにレンズブランク１０を保持するための機構を備えても良い。その後、リング状のレンズブランク保持部材９を下降させ、成形型６とレンズブランク１０を相対的に接近させ、紫外線硬化性樹脂１１を所望の厚み、かつ光学有効径外の溝形状部７を有する外周まで満たすように充填させる。この時、樹脂１１への気泡混入や型成形形状への樹脂未充填を防止するために、樹脂の粘度や型成形面の濡れ性を考慮して、接液速度を調整しなければならない。その後、紫外線照射ランプ１２により紫外線を樹脂層に対して照射する。重合硬化が完了した後、リング状のレンズブランク保持部材９を上昇させることで、成形型６から硬化物樹脂１１とレンズブランク１０から成る回折光学素子を剥離させる。
【００４５】
前述したように、ブレーズ型格子が中心への凸形状で同心円状に配置されているこの成形型においては、その離型方向は成形型外周から型中心に向かって進行するのが最も効果的である。しかるに、リング状のレンズブランク保持部材９の上昇によってレンズブランク１０の外周部に負荷される離型力は、この外周部にできるだけ均一に負荷されなければならない。よって、成形型６の型上面とリング状のレンズブランク保持部材９の上面はできる限り高精度に平行となるように配置させる。
【００４６】
また、成形型外周から進行する離型を型中心において終点とさせるために、図９に示すような押圧部材１３をレンズブランク１０上に設置しても良い。押圧部材１３は不図示の装置により型中心光軸上に上下動自在に保持され、離型時においてはレンズブランク１０を適切な力で押圧する。よって、レンズブランク１０と樹脂層１１を通して押圧部材１３が成形型中心を押圧する力が、レンズブランク１０の外周部に負荷される離型時応力を型中心へと進行させる。
【００４７】
さらに、リング状のレンズブランク保持部材９の駆動機構による上昇スピードは、生産タクトを考慮した上で、できるだけモータ等を用いた連続的で緩やかなスピードに設定するのが良い。また、この駆動機構を油圧式として、リング状のレンズブランク保持部材９の下面を３点以上の作用点で同時同圧に押し上げることで、より均一な離型力を負荷させることができる。
【００４８】
しかるに、本実施形態の構成においては、離型時の光学微細形状部に負荷される離型時応力を低下または分散させ、レプリカ離型を高精度に行うことができる。よって、十分な光学的機能を満たした所望形状の回折光学素子を得ることができると同時に、回折光学素子のレプリカ成形における生産性を向上させ、コスト削減を図ることができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態における成形型１４の上面図と側面図である。
【００５０】
光学機能面８を形成する微細形状は、光学有効径２０ｍｍの範囲において、平面上に格子高さ５〜２０μｍ、格子幅０．１〜１０ｍｍのブレーズ型回折格子を有し、上面図に示されるように中心への凹形状で同心円状に配置されている。光学有効径外の型成形面には、溝深さ８０〜２００μｍ、溝幅０．５〜１ｍｍと光学機能面の格子高さに比べて十分に深い溝部形状７を同心円状に配置する。
【００５１】
図１１は、この成形型により作製される回折光学素子を示した図である。レンズブランク１０上に形成された樹脂層の光学機能面８’は、ブレーズ型回折格子の中心への凸形状、即ち成形型の反転形状として同心円状に形成される。回折光学素子の光学有効径外においては、型成形面の溝形状部７の反転形状であるブロック部７’が同心円状に形成される。
【００５２】
図１２は、成形型１４の離型初期における成形型端部の離型時応力状態を示しており、図中にある符号は図４と同様である。第１の実施形態においては、格子の垂直な側面に対して離型時応力ｆ１’が負荷されたが、本実施形態においては、格子斜面に対して応力ｆ１’が負荷される。よって、本実施形態における離型時応力ｆ１’はさらに緩和され、光学機能面格子の変形や欠損をより防ぐことができる。
【００５３】
本実施形態は、第１の実施形態における成形型の形状と作製される回折光学素子の形状が異なるもので、他の構成は同一であるので、その説明を省略する。
【００５４】
以上説明したように、上記の実施形態によれば、レプリカ成形用型の光学有効外の成形面に所望の光学機能面における微細形状深さに比べても十分に深い溝または開口形状を設けるという容易な方法により、離型時の光学微細形状部に負荷される離型時応力を低下または分散させ、レプリカ離型を高精度に行うことができる。これにより、回折光学素子のレプリカ成形における生産性を向上させ、コスト削減を図り、かつ十分な光学的機能を満たした所望形状の回折光学素子を得ることが可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、成形品の型からの離型を高精度に行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の離型方法を説明する図である。
【図２】従来の離型方法とその作用を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係わる成形型とその離型方法の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係わる離型方法とその作用を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係わる成形型と成形装置の断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係わる成形型の断面図と上面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係わる光学素子の断面図と上面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係わる成形型と成形装置の断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係わる成形型と成形装置の断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係わる成形型の断面図と上面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係わる光学素子の断面図と上面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係わる離型方法とその作用を説明する図である。
【図１３】溝形状部の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１　レンズブランク
２　成形用型
３　光硬化性樹脂
４　溝形状部
５　成形用型
６　成形用型
７　成形型の溝形状部
７’　光学素子の溝形状部
８　成形型の光学機能面
８’　光学素子の光学機能面
９　レンズブランク保持部材
１０　レンズブランク
１１　光硬化性樹脂
１２　紫外線照射ランプ
１３　押圧部材
１４　成形用型
【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】
2004042493.tif 000011
【図１０】
2004042493.tif 000012
【図１１】
2004042493.tif 000013
【図１２】
2004042493.tif 000014
【図１３】
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