(57)【要約】【課題】光学素子の母材であるガラス部材の表面に樹脂層を一体成形する工程において、成形される樹脂層の膜厚を高精度に管理する。【解決手段】ガラス部材６の表面に樹脂層５を一体成形する工程で、鏡面駒１の鏡面である光学機能面９とガラス部材接触部１１との間に、３つの連続した円錐面１０−１、１０−２、１０−３からなる階段形状部１０を設ける。階段形状部１０の各段差を白色干渉計によって測定することで、光学機能面９に対するガラス部材接触部１１の高さを高精度で計測することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面又は軸対称非球面を有する母材の表面に樹脂層が一体成形された光学素子において、
前記樹脂層の外径部は、３つ以上連続して同軸上に形成された円錐面からなる階段形状部を備えたことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
球面又は軸対称非球面を有する光学素子の母材の表面に樹脂層を一体成形するための光学素子成形用金型において、
前記樹脂層の外径部を成形するための鏡面は、３つ以上連続して同軸上に形成された円錐面からなる階段形状部を備えたことを特徴とする光学素子成形用金型。
【請求項３】
前記階段形状部は、前記母材の球面又は軸対称非球面に対する角度が０．５°以上８５．０°以下の円錐面と、前記母材の球面又は軸対称非球面に対する角度が０．０２°以上２．０°以下の円錐面と、を有することを特徴とする請求項２に記載の光学素子成形用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂層を有する光学素子及び光学素子成形用金型に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、母材となるガラス部材の表面に、樹脂材料から成る薄い膜を成型加工することにより、ガラスでは加工しにくい非球面形状や回折格子形状を有するレンズを成形する方法が知られている。このような方法により製造されたレンズは、一般的にレプリカレンズと呼ばれている。
【０００３】
近年、光学素子の小型化や高精度化により樹脂材料の高精度な膜厚管理が必要となっている。また、高屈折率かつ低透過性の樹脂材料の開発により、透過性を確保するため、薄膜にする必要があり、膜厚寸法の管理が要求されている。
【０００４】
膜厚を高精度に管理するレプリカ成形方法においては、図６に示すように、所望の光学機能を満たす光学機能面１０９と高精度に高さ管理されたガラス部材接触部１１１を有する鏡面駒１０７の上に、所望のレンズ形状に近い曲面を有するガラス部材１０６を置く。そして、ガラス部材１０６とガラス部材接触部１１１が接触することで規定されるガラス部材１０６の表面と鏡面駒１０７の光学機能面１０９との間の空間部に、液体状の樹脂を充填して硬化させ、樹脂層１０５をガラス部材１０７と一体成形する。硬化後、突き出し部材１０８によりガラス部材１０６を突き出すことにより離型し、所望の光学機能面形状と高精度に管理された樹脂膜厚を有するレプリカレンズを形成する。
【０００５】
鏡面駒１０７の光学機能面１０９とガラス部材接触部１１１の間のテーパ形状１１０については、離型を邪魔しないためと、余った樹脂を溜める体積を確保するために緩い勾配を持つテーパ形状である必要がある。
【０００６】
従来において、膜厚を管理するための鏡面駒１０７のガラス部材接触部１１１の高さを高精度に測定する方法として、高さ方向の高分解能を持つ白色干渉計を用いた測定方法が知られている。また、特許文献１では、その白色干渉計を用いて段差形状を異なる波長で重複して測定し、干渉縞の位相値情報から段差高さを高精度に求める提案がされている。
【特許文献１】特開２００５−１７０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
白色干渉計で球面又は非球面上の勾配の緩いテーパを持つ段差高さを正確に測定するためには、広い範囲を測定し、段差前後の球面又は非球面形状の曲率をそれぞれ求め、その差分を段差高さとすることが最も正確な測定方法である。しかし、段差の近傍には光学機能面や樹脂だまり部などがあるため、広い範囲での曲率測定ができないという問題点がある。また、特許文献１では、段差を高精度に測定する方法が提案されているが、球面又は非球面上の段差を精度良く測定することができない。加えて、干渉計を走査することで装置駆動誤差が発生し、高精度な測定をすることができないという問題点がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑み、球面又は非球面上の勾配の緩いテーパを持つ段差高さを高精度に測定することが可能である光学素子及び該光学素子成形用金型を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光学素子は、球面又は軸対称非球面を有する母材の表面に樹脂層が一体成形された光学素子において、前記樹脂層の外径部は、３つ以上連続して同軸上に形成された円錐面からなる階段形状部を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の光学素子成形用金型は、球面又は軸対称非球面を有する光学素子の母材の表面に樹脂層を一体成形するための光学素子成形用金型において、前記樹脂層の外径部を成形するための鏡面は、３つ以上連続して同軸上に形成された円錐面からなる階段形状部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
白色干渉計等を用いて、球面又は非球面上の各段差高さを正確に測定することで、樹脂層の膜厚を高精度に管理することが可能となり、光学素子の小型化及び高精度化に大きく貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、一実施形態による光学素子成形用金型を作製するためのＸＹＣの３軸ＮＣ制御加工機を示す。この加工機は、加工すべき鏡面駒１を取り付ける回転軸２、切削工具３、ＸＹＣステージ４等を備える。鏡面駒１を取り付けた加工機の回転軸２を毎分３０００回転で回転させるとともに、ＸＹＣステージ４をプログラム制御により、毎分０．３ｍｍの速度で移動させる。
【００１４】
光学素子成形用金型である鏡面駒１を用いて光学素子を製造する工程では、図２に示すように、鏡面駒１を用いて、樹脂層５を、母材であるガラス部材６の表面に一体成形する。
【００１５】
光学素子の樹脂層５を成形するための金型は、鏡面駒１及び突き出し部材８を備え、鏡面駒１は、光学機能面９と階段形状部１０とガラス部材接触部１１とを有し、これらを含む鏡面を図１の加工機によって加工する。鏡面駒１の鏡面の外径部（横長さＷ）における階段形状部１０とガラス部材接触部１１は、ガラス部材６の外形φｄ２よりも小さく、光学機能面９の外形φｄ１よりも大きい範囲にあるものとする。
【００１６】
図３の（ａ）は、光学機能面９に対するガラス部材接触部１１の法線方向の高さ（段差高さ）を測定する方法について説明するものである。白色干渉計にて、光学機能面９の一部と、階段形状部１０の、連続して同軸上に形成された少なくとも３つの円錐面１０−１〜１０−３と、ガラス部材接触部１１の一部を含む範囲にて測定を行う。測定した形状に断面を切り出し、階段形状部１０の円錐面１０−１と光学機能面９との交点の近くの光学機能面９を基準とし円錐面１０−２までの高さｈ１を測定する。つぎに、階段形状部１０の円錐面１０−２を基準とし、光学機能面９までの高さを測定して、これをｈ２とし、光学機能面９と階段形状部１０の円錐面１０−２までの法線方向の高さｈを次式にて求める。
【００１７】
【数１】
2009069320.tif 000003
【００１８】
同様にして、階段形状部１０の円錐面１０−２からガラス部材接触部１１までの法線方向の高さを求め、先述のｈと足し合わせて、光学機能面９とガラス部材接触部１１までの法線方向の高さを求める。
【００１９】
このようにして、鏡面駒１の鏡面の外径部である階段形状部１０の高さ（段差高さ）を高精度で管理し、鏡面の面形状を光学素子の樹脂層５に転写する。
【００２０】
鏡面駒１を用いた成形品である光学素子は、球面又は軸対称非球面を有する母材であるガラス部材６の表面に樹脂層５が一体成形され、樹脂層５の外径部は、３つ以上連続して同軸上に形成された円錐面からなる階段形状部を備える。
【００２１】
図３の（ｂ）に示すように、光学機能面９と階段形状円錐面１０−１のなす角度θ１は、０．５°以上８５．０°以下とするのが望ましい。また、光学機能面９と階段形状部１０の円錐面１０−１が交わる稜線の位置Ａにおける光学機能面９の接する面を基準として、階段形状部１０の円錐面１０−２のなす角度θ２を０．０２°以上２．０°以下とする。そして、階段形状１０の円錐面１０−２と円錐面１０−３のなす角度θ３を０．５°以上８５．０°以下とするのが望ましい。その理由を以下に説明する。
【００２２】
はじめに、θ１の範囲について根拠を示す。
【００２３】
光学機能面９と階段形状部１０の円錐面１０−１が交わる稜線の位置Ａにおける光学機能面９の接する面を基準に円錐面１０−１の高さをｈ１、面角度誤差をΔθとすると、測定誤差Δｈｅ１は次式にて求めることができる。
【００２４】
【数２】
2009069320.tif 000004
【００２５】
ここで、面角度誤差Δθは測定機や測定条件で測定ポイントの横ピッチにより決まるものであり、光学機能面９の真の面角度とその近傍にある光軸を含む断面の測定ポイント２点から求められる近似面角度との誤差である。
【００２６】
ｈ１が５．０μｍのときに、θ１が０．５°と８５．０°における測定誤差Δｈｅ１を計算した結果を表１に示す。Δθは実験的でわかっている大きめの誤差量として０．１°とした。
【００２７】
【表１】
2009069320.tif 000005
【００２８】
このことからθ１が大きくなると測定誤差が少なくなり、測定精度が向上することがわかる。しかしながら、θ１が大きいと段差部に樹脂が充填する場合には成形離型の妨げになる可能性がある。さらに、樹脂だまりの空間となる場合には樹脂量のばらつきを吸収するだけの空間を得られない可能性がある。以上のように必要な公差と階段形状に求められる機能を加味し、θ１を選定する必要がある。
【００２９】
ここで、θ１が０．５°の場合は、ｈ１が５．０μｍに対し測定誤差が２．０μｍとなり、これ以上の誤差を許容できる測定であれば、本発明の測定方法は必要ない。また、θ１が８５．０°の場合は測定誤差を低減できるが段差部に樹脂が充填する場合に離型の妨げになることからこれ以上の角度はない。以上より、θ１の範囲は０．５°以上８５．０°以下であるのが望ましい。
【００３０】
つぎに、θ２の範囲について根拠を示す。
【００３１】
測定位置誤差Δｘとすると、測定誤差Δｈｅ２は次式にて求めることができる。
【００３２】
【数３】
2009069320.tif 000006
【００３３】
ここで、測定位置誤差Δｘは先述した面角度誤差Δθと同様に測定ポイントの横ピッチの関係により階段形状部１０の円錐面１０−２と円錐面１０−３の交わる真の稜線とその近傍にある光軸を含む断面の測定ポイントの位置との誤差である。
【００３４】
ここで、θ２が０．０２°と２．０°における測定誤差Δｈｅ２を計算した結果を表２に示す。Δｘは実験的にわかっている大きめの誤差量として５．０μｍとした。
【００３５】
【表２】
2009069320.tif 000007
【００３６】
このことから、θ２が小さいと測定誤差が減り、測定精度が向上することがわかるが、θ１と比較して支配的ではない。ここで、光学素子形状におけるθ２の持つ意味について説明する。光学機能面９と階段形状部１０の円錐面１０−１が交差する位置Ａにおける光学機能面９の接線角度と階段形状部１０の円錐面１０−３とガラス部材接触部１１が交差する位置Ｂにおけるガラス部材接触部１１の接線角度の差をΔθｔとする。階段形状部１０の段数ｎと、θ２の関係は次式で表すことができる。
【００３７】
【数４】
2009069320.tif 000008
【００３８】
ここで、Ｃｅｉｌは切り上げを意味する。θ２が小さいと測定精度は多少向上するが、階段形状部１０の段数ｎが多くなり、測定作業の手間がかかってしまう。段数ｎについては、最小は２段、最大は測定作業の手間などを考慮して現実的なところで５段が望ましい。すなわち、一つの段の角度範囲が０．０２°〜２．０°であるから、角度差の範囲は０．０４°〜１０．０°となる。これは、先述した位置Ａと位置Ｂの角度差であり、球半径Ｒより階段形状部１０の横長さＷを求めることができる。図４は、光学素子の球半径Ｒと階段形状部１０の横長さＷの関係を示すグラフである。つまり、θ２の範囲は図４に示した光学素子形状におけるものである。
【００３９】
つぎに、θ３の範囲について根拠を示す。
【００４０】
θ１と同様に、ガラス部材接触部１１を基準とした階段形状部１０の円錐面１０−２までの法線方向の高さを誤差なく測定し、かつ成形制約を満たすθ３の範囲は０．５°以上８５．０°以下である。
【００４１】
図５は本発明の他の実施形態における光学素子成形用金型の形状を示したものである。この金型は積層型の光学素子を成形する金型であり、光学機能面９と、成形品接合部１７と成形品接着剤封入部１８と、樹脂だまり部１９と、ガラス部材接触部１１と、これらをつなぐ階段形状部１０ａ〜１０ｄからなる。それぞれ、同軸上に連結して形成された３つ以上の円錐面からなるこれらの階段形状部により、成形品接合部１７等の高さを高精度に管理することで、光学素子の母材であるガラス部材２６と一体成形される樹脂層２５の膜厚を高精度に管理することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】光学素子成形用金型の加工に用いる３軸ＮＣ制御加工機を示す斜視図である。
【図２】一実施形態による光学素子成形用金型と光学素子を示す断面図である。
【図３】図２の光学素子成形用金型の階段形状部を説明するもので、（ａ）は階段形状から法線方向の高さを測定する方法を示す図、（ｂ）は階段形状部の各円錐面の角度を示す図である。
【図４】光学素子の球半径Ｒと階段形状部の横長さＷの関係を示すグラフである。
【図５】別の実施形態を示す図である。
【図６】一従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    鏡面駒
２    回転軸
３    切削工具
４    ＸＹＣステージ
５    樹脂層
６、２６    ガラス部材
８    突き出し部材
９    光学機能面
１０、１０ａ〜１０ｄ    階段形状部
１１    ガラス部材接触部
【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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