(57)【要約】 【課題】  ガラスを型成形し、レンズ等の光学素子を形成すると同時に、光学素子をホルダに圧着させてホルダ付き成形光学部品を製造する際、不均一な内部応力の発生、さらにはカケの発生を抑える。【解決手段】  本発明の手段として、まず固定する光学素子には、その光学的機能を有する有効部分を囲んでその有効部分から外側に突出した平板状部分を設ける。さらにホルダの貫通穴にはその断面形状が不変な筒状部分を少なくとも光学素子の平板状部分の厚みより長く設ける。そして光学素子の平板状部分の外周を上記ホルダの貫通穴の断面形状が一定の部分の内周面に全周にわたって密着させる。【選択図】      図１
2005208330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスを成形した光学素子を、貫通穴を有するホルダの該貫通穴内に固定したホルダ付き成形光学部品において、前記光学素子にはその光学的機能を有する有効部分を囲んで該有効部分から外側に突出した平板状のコバ部が設けられ、かつ前記ホルダの貫通穴の一部にはその断面形状が不変の筒状部分が設けられ、前記コバ部の外周が前記貫通穴の筒状部分の内周面に全周にわたって密着していることを特徴とするホルダ付き成形光学部品。
【請求項２】
前記光学素子の光軸と垂直な方向の、前記光学素子の有効部分の断面形状および前記コバ部の外周の断面形状が、ともに円形であり、その直径をそれぞれＤｅとＤとするとき、ＤとＤｅの差が０．３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のホルダ付き成形光学部品。
【請求項３】
前記コバ部の光軸方向の厚みＡの、同部分外周の直径Ｄに対する比Ａ／Ｄが０．２５以上であり、かつ前記光学素子の最大厚みＴｈに対する比Ａ／Ｔｈが０．５以上であることを特徴とする請求項２に記載のホルダ付き成形光学部品。
【請求項４】
前記光学素子のコバ部が、前記光軸と垂直な平面からなる表面と前記光軸に平行な外周面とを有し、前記平面からなる表面と外周面とが交わる角部が角丸加工され、その曲率半径Ｒ（単位、ｍｍ）が、前記コバ部の光軸方向の厚みをＡ（ｍｍ）として
０．１≦Ｒ≦（Ａ−０．２５）／２
の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載のホルダ付き成形光学部品。
【請求項５】
前記光学素子のコバ部が、前記光軸と垂直な平面からなる表面と前記光軸に平行な外周面とを有し、前記平面からなる表面と外周面とが交わる角部が角丸加工され、その曲率半径Ｒ（単位、ｍｍ）が、前記光学素子の有効部分とコバ部外周の直径をそれぞれＤｅとＤ（ともに単位はｍｍ）として
０．１≦Ｒ≦（Ｄ−Ｄｅ）／２−０．０２５
の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載のホルダ付き成形光学部品。
【請求項６】
前記ホルダの線膨張係数が光学素子成形用のガラス素材の線膨張係数より大きく、かつその差が２０×１０-7／℃以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のホルダ付き成形光学部品。
【請求項７】
前記光学素子がレンズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のホルダ付き成形光学部品。
【請求項８】
前記レンズが非球面凸レンズであることを特徴とする請求項７に記載のホルダ付き成形光学部品。
【請求項９】
前記レンズを固定した前記ホルダの貫通穴に連結して半導体光学素子を挿入固定する筒状部分を設け、該筒状部分内に前記半導体光学素子を気密封止し、かつ半導体光学素子が出射する光を集光またはコリメートし、もしくは該半導体光学素子が受光する光を集光またはコリメートするように、前記レンズと半導体光学素子との距離を定めたことを特徴とする請求項７または８に記載のホルダ付き成形光学部品。
【請求項１０】
断面形状が少なくとも一部分で不変な筒状部分を有する貫通穴を備えたホルダに対し、該貫通穴の両側から対向するように一対の成形型を挿入し、形成される空間内でガラス素材を押圧成形し、光学的機能を有する有効部分を囲んで該有効部分から外側に突出した平板状のコバ部を有する光学素子を形成するとともに、該コバ部の外周を前記ホルダの貫通穴の筒状部分の内周面に全周にわたって密着させるホルダ付き成形光学部品の製造方法。
【請求項１１】
前記成形型の成形面を、押圧成形終了時点において成形された前記光学素子のコバ部に前記ホルダ及び成形型に接しない部分が存在するような形状とし、前記ホルダの貫通穴の筒状部分の内径の変動に対し、前記光学素子のコバ部の前記ホルダ及び成形型に接しない部分の形状を所定範囲内で変化させることによって、投入するガラス素材の体積を一定に保つことを特徴とする請求項１０に記載のホルダ付き成形光学部品の製造方法。
【請求項１２】
前記コバ部の前記ホルダ及び成形型に接しない部分は、該コバ部の平面からなる表面と外周面とが交わる角部の角丸部分であり、その曲率半径を変化させることを特徴とする請求項１１に記載のホルダ付き成形光学部品の製造方法。
【請求項１３】
前記ホルダを前記成形型の一方に対して第１の機械的手段によって所定位置に保持し、かつ押圧終了時における両成形型間の距離を第２の機械的手段によって所定値に定めることを特徴とする請求項１０に記載のホルダ付き成形光学部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や光学式情報読み取りなどの技術分野において使用される光学素子をホルダに固定したホルダ付き光学部品に関し、とくに成形法によって製造されるホルダ付き成形光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光学式情報読み取りなどの技術分野において、レンズが使われるのは周知の通りであるが、このレンズは通常、予めレンズホルダに固定された状態で使用される場合がほとんどである。これらレンズの固定方法は種々あるが、特に素材ガラスを球面または非球面形状に型成形すると同時に、金属製のレンズホルダ内部に圧着させ、レンズとホルダを一体化する手法が知られている（例えば、特許文献１または２参照）。
【０００３】
この方法は、単体のレンズの外周に金属膜を施して金属ハンダでホルダに固定したり、あるいは単体のレンズとホルダとを低融点ガラス等で封着させたりするよりはるかに簡便であり、低コストで高精度なレンズとホルダとの固定が実現可能である。
【０００４】
特許文献１に開示されるこの手法では、レンズホルダの貫通穴の内周面に突部を設け、
球形状のガラス素材をこの突部に支持させ、その状態でこのガラス素材を加熱し型成形する。同時に、突部を含む内周面にガラスを圧着させ、型成形によるレンズ表面形状の形成とホルダとの固定を達成している。
【０００５】
また特許文献２では、突部の代わりに係止部を設け、板状のガラス素材をこの係止部に支持させ、上記特許文献１の場合と同様に、型成形による表面形成と同時に、ホルダ内周面および内周面と係止部との段差部にレンズを圧着させる手法がとられている。
【特許文献１】特開平３−２６５５２９号公報
【特許文献２】特開平３−２３７４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、この方法及び構造ではレンズホルダの内周面の突部による急峻な尖端により型成形してできあがったレンズ内部に一様でない内部応力が生じる。レンズなど透過型光学部品内部に、内部応力が生じていると、それにより偏光特性が一様でなくなり、特に偏波保持を必要とするモジュールなどには使用できなくなる。
【０００７】
また突部の形成により、型成形の際、ガラス素材の一部が型の外側にはみ出し、カケなどの原因になる。しかしながらこのカケなどの不良の原因となりうる不均一なはみ出しは、特開平１４−６８１９号公報によれば、レンズホルダの開口部付近の内周面に上記突部とは異なる環状の突起物を形成することで解消するとされている。しかしレンズホルダの形状が複雑になり、加工コストが上昇する。なおかつ型成形用の上金型により環状の突起物を変形させる必要があり、主に脆性材料やセラミックで作られた高価な金型により金属部品の一部を変形させることは技術的にかなり難しい。
【０００８】
一方、特許文献２においても、係止部と内面との段差部に尖端が形成され、同じく一様でない内部応力が生じ、レンズのエッジ部分にカケが生じる原因になる恐れがある。
【０００９】
また、上記従来の技術においてはレンズホルダとガラス素材の熱膨張係数を整合させる必要がある（上記文献では、レンズホルダの熱膨張係数をガラス素材のそれよりわずかに大きくしている）。確かに熱膨張係数の整合は重要ではあるが、それと並行してレンズホルダ内体積とガラス素材の体積の整合も重要である。しかしレンズホルダ内周面に突起と複雑な構造が存在すると、この体積の整合も容易でなくなるという問題点もある。
【００１０】
本発明は上記のような従来の技術の問題点を解決するためになされたもので、型成形の際、不均一な内部応力の発生が少なく、またカケの発生も少ないホルダ付き成形光学部品およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、ガラスを成形した光学素子をホルダの貫通穴内に固定したホルダ付き成形光学部品を対象とする。本発明の手段として、まず固定する光学素子には、その光学的機能を有する有効部分を囲んでその有効部分から外側に突出した平板状のコバ部を設ける。さらにホルダの貫通穴の一部にはその断面形状が不変の筒状部分を設ける。そして上記光学素子のコバ部の外周を上記ホルダの貫通穴の筒状部分の内周面に全周にわたって密着させる。
【００１２】
このように筒状のホルダの内周面に光学素子を圧着することで、光学素子内部に不均一な内部応力の発生を防止でき、カケ等の発生を防止でき、偏光特性の問題点も克服できる。またホルダの貫通穴の内周面に全周にわたって光学素子を圧着することにより、ホルダと光学素子の間に気密性が確保される。
【００１３】
また、光学素子の光軸と垂直な方向の、この光学素子の有効部分の断面形状およびコバ部の外周の断面形状を、ともに円形とし、その直径をそれぞれＤｅとＤとするとき、ＤとＤｅの差を０．３ｍｍ以上とするのが望ましい。
以上の条件を満たすことにより、レンズ等の円形の光学素子の有効部分を安定に成形することができる。
【００１４】
さらにコバ部の光軸方向の厚みＡの同部分外周の直径Ｄに対する比Ａ／Ｄを０．２５以上とし、かつ光学素子の最大厚みＴｈに対する比Ａ／Ｔｈを０．５以上とするのが望ましい。
これらの条件を満たすことにより、光学素子のコバ部を安定に成形することができる。
【００１５】
また、光学素子のコバ部は、光軸と垂直な平面からなる表面と光軸に平行な外周面とを有するが、この平面からなる表面と外周面とが交わる角部を角丸加工し、その曲率半径Ｒ（単位、ｍｍ）を、このコバ部の光軸方向の厚みをＡ（ｍｍ）として
０．１≦Ｒ≦（Ａ−０．２５）／２
の範囲内とすることが望ましい。
【００１６】
あるいはその曲率半径Ｒ（単位、ｍｍ）を、光学素子の有効部分とコバ部外周の直径をそれぞれＤｅとＤ（ともに単位はｍｍ）として
０．１≦Ｒ≦（Ｄ−Ｄｅ）／２−０．０２５
の範囲内としてもよい。
ホルダに圧着される光学素子のコバ部の外周に上記の条件でトリムを設けることにより、光学素子にカケ等が発生するのを効果的に防ぐことができる。
【００１７】
またホルダの線膨張係数を光学部品のガラス素材の線膨張係数より大きくし、かつその差を２０×１０-7／℃以下とする。これにより、成形工程における加熱と冷却に対し、光学素子に過大な応力が印加されたり、また逆に密着が不十分になったりすることを避けることができる。
【００１８】
上記光学素子をレンズ、とくに非球面凸レンズとする。これによりホルダの円筒状の直孔部分の内周面に圧着させた構造を持つホルダ一体型レンズが提供できる。
【００１９】
このレンズを固定したホルダの貫通穴に連結して半導体光学素子を挿入固定する筒状部分を設け、この筒状部分内に半導体光学素子を気密封止する。そして半導体光学素子が出射する光を集光またはコリメートし、もしくは半導体光学素子が受光する光を集光またはコリメートするように、レンズと半導体光学素子との距離を定める。
これにより、各種半導体光学素子とレンズとを組み合わせた光学部品を提供できる。
【００２０】
上記のホルダ付き成形光学部品の製造方法として本発明ではつぎの手段をとる。
断面形状が少なくとも一部分で不変な筒状部分を有する貫通穴を備えたホルダに対し、この貫通穴の両側から対向するように一対の成形型を挿入し、形成される空間内でガラス素材を押圧成形する。これにより光学的機能を有する有効部分を囲んでその有効部分から外側に突出した平板状のコバ部を有する光学素子を形成するとともに、そのコバ部の外周をホルダの貫通穴の筒状部分の内周面に全周にわたって密着させる。
【００２１】
このような方法により、光学素子を形成すると同時に筒状のホルダの内周面に光学素子を圧着することで、光学素子内部に不均一な内部応力の発生を防止でき、カケ等の発生を防止できる。またホルダの貫通穴の内周面に全周にわたって光学素子を圧着することにより、ホルダと光学素子の間に気密性が確保される。
【００２２】
このとき成形型の成形面を、押圧成形終了時点において成形された光学素子のコバ部にホルダ及び成形型に接しない部分が存在するような形状とし、ホルダの貫通穴の筒状部分の内径の変動に対し、この光学素子のコバ部のホルダ及び成形型に接しない部分の形状を所定範囲内で変化させることによって、投入するガラス素材の体積を一定に保つ。
とくにコバ部のホルダ及び成形型に接しない部分は、コバ部の平面からなる表面と外周面とが交わる角部の角丸部分であり、その曲率半径を変化させる。
【００２３】
光学素子の成形時に投入するガラス素材の体積は適正にしないと過大な応力発生や成形不良、あるいはホルダとの接着不良の原因になる。レンズ面を有する部分の形状は変更できないが、コバ部にホルダ及び成形型に接しない部分を残しておけば、その部分は形状をある程度変更できるので、この部分を利用することにより、投入するガラス素材の体積を一定に保ちつつ上記のような問題の発生を避けることができる。
【００２４】
また同じくホルダ付き成形光学部品の製造方法において、ホルダを成形型の一方に対して第１の機械的手段によって所定位置に保持し、かつ押圧終了時における両成形型間の距離を第２の機械的手段によって所定値に定めることが望ましい。
このような機械的手段により、成形後の光学素子のホルダ内における位置を、電子的制御手段等を用いることなく、正確に定めることができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上の本発明により、ガラス素材およびホルダの材質を、線膨張係数の関係により適正に選択し、またガラス素材の体積をホルダの圧着しようとする内周面の形状やその精度に応じて適正に設定することにより、残存する内部応力が少なく、それゆえに偏光特性も良好で、光学素子のエッジ部分にカケやクラックが生じにくく、気密性の優れたホルダ付き成形光学部品を提供できる。さらにこれらを半導体光学素子と組み合わせて、小型で信頼性の優れた光学部品を提供することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明のホルダ付き成形光学部品の最良の実施形態として、金属性レンズホルダに固定されたガラス成形非球面レンズについて以下に詳細に説明する。しかし本発明の実施形態はこれには限られない。各種レンズのほか、曲面反射鏡やプリズムなど成形によって製造できる各種光学素子を貫通穴を有するホルダに固定して使用するホルダ付き光学部品に本発明は広く適用できる。
【００２７】
（レンズ形状の設計）
図１は本発明の金属製のレンズホルダ２０に固定された非球面レンズ１０の、レンズの光軸１５を含む断面図である。図２は非球面レンズ１０のみの、同じくレンズの光軸１５を含む断面図、図３は非球面レンズの外形図である。また図４は金属製レンズホルダ２０の断面図である。
【００２８】
レンズの外形は光軸１５と垂直な方向の断面が円形であり、光線の屈折面（レンズ面）となる面形状を使用目的に合わせて光学設計ソフトウェアにより最適設計する。これによって、レンズ面１０ａ、１０ｂの形状、レンズ厚みＴｈ、レンズ径Ｄ、レンズの有効径Ｄｅａ、Ｄｅｂ、サグ量Ｚａ、Ｚｂなどを算出することができる。これらの物理量がレンズのどの部位の寸法に対応するかは図２に示す通りである。
【００２９】
ここで、レンズの有効径とは、光線がこのレンズを通過する際にレンズがその光学的機能であるレンズ作用を有する有効部分の直径をいう。本実施例のようにレンズ両面に屈折力の異なるレンズを配する場合、有効径も一般にレンズ両面で異なる値となる。この有効径はまた、型成形により所望の形状へ変形させた領域とも言える。
【００３０】
有効径Ｄｅは、発明者の実験的検討により、レンズ直径Ｄに対してつぎの（１）式の関係を満足することが望ましいことがわかった。ただしＤｅはＤｅａとＤｅｂのうち、大きい方の値とする。
Ｄｅ（ｍｍ）≦Ｄ（ｍｍ）−０．３          （１）
【００３１】
このレンズには、コバ１２といういわばレンズの枠の機能をなす部位を設けた。コバ１２はレンズを囲むように有効径部分の外側に設けた平板状部分で、一定の厚みを持つ。図３（ａ）に示すようにレンズ面の外側に平面部分１２ａを有し、この面と垂直に交わるレンズの最外周面１２ｂをもつ。レンズ形成後のホルダへの接着、固定などはこのコバ１２を介して行われる。すなわちコバ１２の外周面１２ｂが図４に示すレンズホルダ２０の貫通穴２２の内周面２４に密着して固定され、図１に示すような形態となる。またレンズ単体で扱う場合、このコバ１２の部分を掴むことによりレンズ面に汚れやキズなどの不具合を生じさせないようにすることが可能である。
【００３２】
図２または図３に示すレンズは均質なガラス素材を一体成形して作製されるが、形状的には図５に示すように、レンズ面をもつ２つの部分１６ａ、１６ｂとコバ１２の部分に分けられる。レンズ面１０ａ、１０ｂを含む部分１６ａ、１６ｂは略球体（レンズ面は非球面であるので、正確な球体ではない）の一部を切除したような形状の立体であり、コバ１２は円板状で外周角部が角丸状になっている。この角丸部分をトリム１４と称する。
【００３３】
コバ１２の外周面１２ｂはレンズホルダの内周面２４に圧着され、レンズを支持する部分であるので、安定した剛体とみなせるように、その厚みＡとトリム１４の曲率半径Ｒを下式の範囲に設定するのが望ましい。これらの算出値を用いて、基本レンズの形状設計を行うと、安定した剛体としての成形レンズが作製できる。
【００３４】
コバ１２の厚みＡ（ｍｍ）は、
Ａ／Ｄ≧０．２５            （２）
かつ、レンズ厚みをＴｈ（ｍｍ）として、
Ａ／Ｔｈ≧０．５            （３）
を満たすように定めるのが望ましいことが実験的に明らかになった。
【００３５】
また、トリム１４の曲率半径Ｒ（ｍｍ）は、コバの厚みＡとの関係では
０．１≦Ｒ≦（Ａ−０．２５）／２            （４）
の範囲とするのが望ましく、レンズ径Ｄ、有効径Ｄｅとの関係では、
０．１≦Ｒ≦（Ｄ−Ｄｅ）／２−０．０２５          （５）
の範囲とするのが望ましい。（４）、（５）式のいずれか狭い範囲を満たすようにＲを定めるのがもっとも望ましい。
【００３６】
これら基本レンズ形状の条件に合致しない寸法設定を行って、成形レンズを作製しようとすると、結果的にレンズのホルダへの圧着強度が低下し、抜けやワレなどの不具合を伴う恐れがある。
【００３７】
上記形状のレンズを保持するレンズホルダ２０は図４に示す形状を基本とする。レンズホルダ２０本体にはレンズを挿入固定する貫通穴２２が設けられている。この貫通穴の方向（全長Ｈ）がレンズの光軸方向に一致するようにレンズを固定する。この貫通穴はレンズのコバと密着する内周部分２４については、断面形状が位置によらず不変の直径Ｄiをもつ円形の筒状となっている部分を設ける。この筒状部分以外の部分、すなわちホルダの表面に近い部分はテーパ状にするのが、成形前にガラス素材を投入しやすいので好ましい。しかし貫通穴内部に突部等を設けないのが本発明の特徴の一つである。
【００３８】
成形レンズを、上記レンズホルダの内周面２４に圧着させ一体化させるためにはレンズの体積とレンズホルダの容積の関係が適正であることが必要である。投入するガラス素材の量が過剰であると、成形時にはみ出し等が生じ、レンズのカケ等の原因になる。一方、ガラス素材の量が不足するとレンズとホルダの密着が不十分になる。
【００３９】
しかしレンズホルダの貫通穴の直径は加工公差を有し、ホルダ内の容積にはある程度のばらつきが生じる。ガラス素材の体積は重量によって調整できるが、ホルダの容積の変動に合わせて調整することは不可能である。以下にホルダの容積のばらつきがあっても投入するガラス素材の体積を一定に維持する方法を説明する。
【００４０】
一品種のレンズについてその光学特性のばらつきを抑えるために、図５におけるレンズ面１０ａ、１０ｂを含む部分１６ａ、１６ｂの体積誤差は極めて小さくしなければならない。したがってこの部分１６ａと１６ｂの体積には調整代はない。
【００４１】
一方、コバ１２の部分の体積については、一定の公差が許容されうる。図６にコバ１２部分の体積変動の概念図を示す。同図（ｂ）、（ｃ）に示されるように、トリム１４の曲率半径Ｒの大小によってコバ部分の体積は変化するが、この部分の一定範囲内の変化はレンズの光学特性にもホルダとの密着性にも本質的な影響を及ぼさないので、多少の体積誤差は吸収できる。
【００４２】
すなわち、トリム１４の曲率半径Ｒが（４）式または（５）式の許容範囲内になるようにレンズの体積を定める。本発明のレンズは後述のように球状のガラス素材を型成形して製造される。したがって成形後のレンズとガラス素材の体積は、成形工程における素材の収縮等を無視すれば等しいとみなせる。
【００４３】
一方、使用されるレンズホルダの貫通穴の内周面の内径寸法の変動範囲が既知であれば、成形したレンズがホルダの内周面に圧着可能なように成形後のレンズの体積の範囲を定めることができる。成形に当たって、この範囲内の体積のガラス素材を投入すれば、レンズホルダの貫通穴の容積が変動してもレンズ面形状及びレンズとレンズホルダの密着性は変化しない。
【００４４】
より一般的に言えば、成形型の成形面を、押圧成形終了時点において成形された光学素子（レンズ）のコバ部にホルダ及び成形型に接しない部分が存在するような形状としておく。ホルダの貫通穴の筒状部分の内径の変動に対し、光学素子のコバ部のホルダ及び成形型に接しない部分の形状を許容範囲内で変化させることによって、投入するガラス素材の体積を一定に保つことができる。
【００４５】
しかし、この成形およびホルダへの圧着工程は、素材となるガラスの屈服点付近の温度でなされる。したがってガラス素材とホルダ材料は、その熱膨張によって体積が変化する。このため、上記のようにガラス素材の体積を調整する際に、熱膨張の影響を考慮しないと、加熱または冷却の工程で、レンズがホルダから過大な応力を受けてクラックや歪などが発生したり、逆にレンズがホルダに固定できないという不具合が生じる恐れがある。
【００４６】
具体的には、主に冷却時に起こるガラス素材とホルダの収縮の差異により、ガラス素材の線膨張係数がホルダ材料のそれより大きいと、前者のほうが後者より収縮の度合いが大きくなり、レンズのホルダ内周面への圧着が十分できない。
【００４７】
逆にガラス素材の線膨張係数がホルダのそれより小さすぎると、冷却時にホルダによるレンズの締め付けが過大になって内部応力が残留し、レンズの偏光特性を中心とした光学性能が低下する現象が起こり、さらにはレンズ内部または表面にクラックが生じることもある。
【００４８】
したがって、レンズとホルダの線膨張係数が一定の関係を保つように双方の素材を選択することが重要となり、それは以下の式により具体的に示される。
０＜（レンズホルダの線膨張係数−ガラス素材の線膨張係数）
≦２０×１０-7（／℃）              （８）
具体的な実施例において、成形用材料として線膨張係数が１０２×１０-7／℃のガラス素材を用いた。ホルダ材料については、ＳＦ２０ＴもしくはＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス鋼を用いた。線膨張係数はそれぞれ、１１０×１０-7／℃および１１４×１０-7／℃であり、上式を満足していることがわかる。フェライト系ステンレス鋼は一般に快削鋼として知られ、機械加工にも有利である。
【００４９】
（レンズの製造方法）
上記の条件下による本発明の実施形態であるレンズを作製するための、成形装置の概略図を図７〜９に示す。図７は駆動部となるピストン６０を含む成形装置の概略図である。図示は省略しているが、実際にはガラス素材１６を投入したこれらの部材（成形ユニット）を窒素雰囲気の閉空間に置き、ベース５０に接するように温度を制御するヒータを配置する。図８は成形ユニットの中心部の拡大図であり、図９はガラス素材がレンズ１０に成形された後、ホルダ２０内周面に圧着している様子を示す。
【００５０】
成形工程の手順としては、下型３４の構造に合わせて、例えば図７に示すような形状に加工されたインナースリーブ４０の円筒状の内部にレンズホルダ２０を挿入する。このレンズホルダ２０の貫通穴内に、インナースリーブ４０を介して下型３４を挿入し、貫通穴と下型で支持される状態で球状のガラス素材１６を投入する。
【００５１】
図９に示すようにインナースリーブ４０の内穴には段差を設け、この段差によってレンズホルダ２０の下型３４に対する位置Ｓを定める。この機械的手段によりレンズとレンズホルダとの軸方向の相対的な位置ｘを適正に設定することができる。
このように調整された下型３４、およびガラス素材１６を挟み込むように、上型３２をアウタースリーブ４６内に挿入する。上型３２はアウタースリーブ４６の円筒状の貫通穴内部で軸方向に自由に摺動できる。
【００５２】
これらの組立を完了した部材を、ベース５０と称する段差のある円柱状の支持台上に固定する。さらに、前記ベース５０上には例えば図７に示すように、金属またはセラミックス製のカバー５２を設置する。これらの手順によって、成形型とガラス素材を含む成形ユニットが完成する。カバー５２の軸方向を鉛直方向に保つようにベース５０を保持することで、成形ユニットを搬送することができ、成型装置内に搬入したり、取り出したりすることができる。
【００５３】
準備の終了した成形ユニットは窒素雰囲気で満たされた閉空間に置かれ、かつベースに接した面のヒータによって所定の温度まで加熱される。所定の温度とは、ガラス素材がクラックなど破壊現象を起こさずに、成形可能な状態まで軟化しうる温度を意味し、ガラス素材の特性によって決められる。この雰囲気温度は通常４００℃前後以上に達し、ゆえに成形ユニットの酸化を防ぐために窒素雰囲気を保つことが求められる。
【００５４】
また、上記のような高い温度域によっても、構造部材としての十分な剛性をもち、かつ熱膨張が比較的小さい材料が上型３２および下型３４に適用され、加えて成形後のガラスの離型性を良くする目的で図８に示す上下の転写面表面３２ａ、３４ａに離型膜が施される。実施例においては上型３２および下型３４については、タングステン・カーバイドに代表される超鋼材料で作製し、離型膜は主としてタングステン（Ｗ）またはクロム（Ｃｒ）を中心とした酸化物または窒化物材料が選択される。
【００５５】
成形工程においてはまず、成型ユニット内のガラス素材１６を、窒素雰囲気内で所定の温度域まで加熱し、クラックなどガラスの破壊現象が起こらない状態にまで十分に軟化させる。つぎに図７に示すように、圧力を適正に制御されたピストン６０により上型３２を矢印で示す方向に押し下げる。
【００５６】
上記上型３２による成形動作の終点は、所望の光学性能に最適化するように設計されたレンズの厚みＴｈによって決める。したがってピストン６０の動作の終点を、動作形態も含めてコンピュータなどで制御する手法もあるが、本実施例では図７に示すように、ピストン６０の上部の径をカバー５２の径より大きくし、ピストン上部がカバー５２の上端面に接した時点で成形動作の機械的終点とした。したがって、カバー５２の全高を変更することにより、所望のレンズの厚みＴｈが得られる。この方法は構造的に簡単であり、複雑な装置制御も不要であるという利点を有している。
【００５７】
ピストン６０により成形が適正な終点に達し、ガラス素材が上下型３２，３４の転写面３２ａ、３４ａによって成形され、かつ外側に広がったガラス素材がレンズホルダ２０の内周面に圧着して、最終的なレンズ１０の形状が得られた状態を図９に概略図で示した。上述のように、予め成形ユニット内のインナースリーブ４０の内部の段差により下型３４に対するレンズホルダの位置Ｓを調整しておくことにより、レンズとレンズホルダとの軸方向の相対位置ｘも適正に確保することができる。
【００５８】
なお、上型３２と下型３４の成形面の形状は、設計されたレンズ面１０ａ、１０ｂを正確に転写できるように加工し、またこのレンズ面の外側にコバ部１２の平面部分が形成されるように加工する。なお、図９に示すように成形完了時に上型３２、下型３４の成形面とレンズホルダ２０の貫通穴の内周面との間に間隙が存在するようにする。これによって成形されたレンズの表面にレンズホルダの内周面にも上下の成形型の成形面にも接しない部分を設けることができる。
【００５９】
成形とレンズホルダへの圧着、一体化の終了したレンズ１０を含む成型ユニットは、図９の「押し」の状態を保ったまま成型装置から取り出され、充分に冷却される。その後レンズホルダ２０と一体化したレンズ１０が、成型ユニットから取り出され、図１に示した形状のホルダ付き非球面レンズが得られる。
【００６０】
成形装置の構造は上記の例に限らない。一般的に言えば、ホルダを成形型の一方に対して所定位置に保持する機械的な手段を設け、かつ押圧終了時における両成形型間の距離を所定値に定める機械的手段を設ければ、レンズ形状とレンズのレンズホルダ内における光軸方向の位置を再現性よく定めることができる。機械的手段による位置決めを行うことにより、コンピュータ制御等の複雑な手段を成形装置に付加することが不要となる。
【００６１】
（実施例１）
以下に本発明による具体的な実施例を示す。レンズ形状は基本的に図２または図３に示すものと同様であり、これを図４に示す形状のレンズホルダに固定する。本実施例のレンズ形状およびレンズホルダの形状についてつぎに説明する。
【００６２】
非球面レンズの形状はサグ量Ｚをレンズの中心から半径方向の距離ｒの多項式
Ｚ＝Ｔｈ＋ａｒ2＋ｂｒ4＋ｃｒ6＋ｄｒ8
で表し、非球面係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを表１に示す値とした。
またレンズホルダの各部の寸法および加工公差については表２に示す。
【００６３】
レンズ用のガラス素材には線膨張係数が１０２×１０-7／℃のガラスを球形に加工して用いた。レンズホルダの材料としては、フェライト系ステンレス鋼であるＳＦ２０Ｔを用いた。その線膨張係数は１１０×１０-7／℃である。
【００６４】
上記仕様のレンズを作製するために、投入するガラス素材の体積を求める。Ｄe＝Ｄea＝１．５４ｍｍ、Ｄ＝１．９８５ｍｍ（表２に示すレンズホルダの貫通穴内径Ｄiの公差を考慮）であるから、Ｄ−Ｄe＝０．４４５ｍｍであり、（１）式の条件は満たしている。
【００６５】
これらの値を（４）式および（５）式に代入すると、Ｒの範囲が２つ得られる。
（４）式より  ０．１≦Ｒ≦０．２３９ｍｍ
（５）式より  ０．１≦Ｒ≦０．１９８ｍｍ
このうち、狭い範囲の方を選び、Ｒの範囲を０．１≦Ｒ≦０．１９８ｍｍとする。
【００６６】
レンズのコバ外周面１２ｂとレンズホルダ内周面２４が密着しているとすると、コバ部分の体積Ｖkは、Ｄ、Ａ、Ｒによって
Ｖk（ｍｍ3）＝４πＲ3／３＋２πＲ｛（Ｄ−２Ｒ）／２｝2
＋π2｛（Ｄ−２Ｒ）／２｝Ｒ2＋π（Ｄ／２）2（Ａ−２Ｒ）    （６）
と表せる。上記のＲの範囲内において、Ｄiの公差範囲内におけるコバ部分の体積Ｖkを上記の（６）式を用いて求めると表３に示す値が得られる。
【００６７】
一方、レンズの部分１６ａ、１６ｂの体積をＶａ、Ｖｂとすれば、レンズ全体の体積Ｖは次式で与えられる。
Ｖ＝Ｖa＋Ｖb＋Ｖk        （７）
【００６８】
レンズ面部分１６ａと１６ｂの体積Ｖa、Ｖbを表１に示した形状に基づいて算出すると、
Ｖa＝０．３１５ｍｍ3
Ｖb＝０．０６３ｍｍ3
となる。
【００６９】
以上より、レンズの体積Ｖを（７）式より求めると、表４に示す値が得られる。これより、貫通穴の内径Ｄi＝１．９８５ｍｍの場合、ガラス素材の体積は２．５３０〜２．６０４ｍｍ3の範囲であり、Ｄi＝１．９９５ｍｍの場合、２．５５２〜２．６２７ｍｍ3の範囲となる。したがって使用されるレンズホルダの貫通穴内径の公差による体積誤差をトリムの曲率半径によって吸収するとすれば、上記範囲の重複した部分、２．５５〜２．６０ｍｍ3の範囲を選択すればよい。実際の球状ガラス素材の体積はその質量を計測し、比重で除することにより簡単に求めることができる。
【００７０】
【表１】
2005208330.tif 000003
【００７１】
【表２】
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【００７２】
【表３】
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【００７３】
【表４】
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【００７４】
（実施例２）
本実施例では図１０に示すようなホルダ１００に上記実施例１と基本的に同様な形状をもつレンズ１０を固定した光学部品を作製した。このホルダ１００はレンズ１０を固定しているレンズホルダ部分１２０は実施例１と同様の構造を有しているが、下部に内径の大きな筒状部分１２２を有している点が異なる。
【００７５】
このような光学部品を設計、作製することにより、図１１または図１２に示すように、半導体レーザのチップ７０とレンズとが一体化した光学素子を提供することができる。チップ７０はベース７２上にボンディングされ、そのチップ上の電極とリード線７４が結線されている。このベース７２の表面に図１０に示すレンズを固定したレンズホルダの筒状部分１２２をかぶせ、その接触点７６を溶接等により気密封止する。これに先だって筒状部分内部の空洞部分１２４にはＨｅ等の不活性ガスを封入する。図１１のレンズ１１０は半導体レーザから出射される光をコリメートするように無限共役比のレンズとして設計されているので、レンズ１１０から取り出される光は平行ビーム９０となる。
【００７６】
図１２の例では、レンズ２１０は半導体レーザから出射する光を集光するように単位共役比のレンズとして設計されている。この場合、収束光ビーム９２は例えば光ファイバ８０に結合することができる。
【００７７】
またチップ７０は半導体レーザに限られず、他の発光素子、例えば発光ダイオードやスーパールミネセントダイオード等でもよい。また受光素子であってもよい。受光素子の場合は、外部からの平行光を受光チップに集光させたり、光ファイバから出射される発散光を受光チップに集光させることができる。また受光面積が広い素子であれば、コリメート光を入射するようにしてもよい。
【００７８】
なお、上記のように空洞部分１２４の内部には通常不活性ガスを満たすが、これは内部の発光・受光チップを外部環境から保護したり酸化を防止する目的で行われる。本発明による光学部品については、レンズがレンズホルダの内周面に過大な圧力がかかることなく、圧着し一体化してあるので気密性が良好であり、レンズホルダの筒状部分１２２とベース７２とを確実に気密封止することにより、容易に発光・受光チップが完全に外部環境から隔離された状態を実現することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
上記の実施形態、実施例では非球面凸レンズとレンズホルダが一体化した光学部品を例に説明したが、これには限られない。レンズは球面レンズであってもよく、凸レンズでも凹レンズであってもよい。またフレネルレンズ等の回折光学素子であってもよい。またレンズ以外に曲面反射鏡やプリズムなど成形によって形成できる各種光学素子をホルダに固定して使用する光学部品に本発明は広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施形態であるレンズホルダ付き成形レンズの断面図である。
【図２】本発明の成形レンズの断面図である。
【図３】本発明の成形レンズの外形図である。
【図４】本発明のレンズホルダの断面図である。
【図５】レンズ部位を説明する図である。
【図６】レンズのコバ部の形状を示す断面図である。
【図７】本発明のレンズホルダ付き成形レンズの製造装置の模式図である。
【図８】成形ユニット中心部の模式図である。
【図９】成形完了後の状態を示す図である。
【図１０】半導体光学素子用のレンズホルダ付き成形レンズの断面図である。
【図１１】コリメートレンズ付き半導体光学素子の断面図である。
【図１２】集光レンズ付き半導体光学素子の断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０、１１０、２１０  成形レンズ
１２  コバ
１４  トリム
１６  ガラス素材
２０、１２０  レンズホルダ
２２  貫通穴
３２  上型
３４  下型
４０、４２  インナースリーブ
４６  アウタースリーブ
５０  ベース
６０  ピストン
７０  チップ
【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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