CN1680201A - 光学元件用成形模具和光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学元件用成形模具，其具有基体和在上述基体上形成的厚度为0.01－500μm的膜层，通过对所述膜层的表面施加预定的加工处理，形成对光学元件的光学面进行成形转印用的、表面粗糙度Ra为0.1－50nm的成形转印面，所述膜层为具有过冷却液体区域的非晶质金属膜层，该过冷却液体区域含有20摩尔％以上从Pt、Ir、Au、Pd、Ru、Rh、Fe、Co、Ni、Zr、Al、Ti、Cu、W、Mo、Cr、B、P选出的至少1种以上元素，所述成形转印面即使在比采用所述成形转印面成形的光学元件的材料的玻璃转变点(Tg)高50℃以上并在所述非晶质金属的玻璃转变点以下的温度范围中加热后，仍然保持所述表面粗糙度。

Description

光学元件用成形模具和光学元件

技术领域

本发明涉及采用具有过冷却液体区域的非晶质合金制造的光学元件用成形模具和光学元件。

背景技术

根据现有技术，一般所实施的塑料光学元件成形用模具的制造方法是例如采用钢材或不锈钢等制造半成品(一次加工品)，通过在其上进行被称作非电解镀镍的化学镀，镀成约100μm厚度的无定形镍和磷的合金，采用超精密加工机的金刚石工具对该镀层进行切削加工，形成用于对光学元件的光学面进行成形的高精度光学面转印面。

根据该现有技术中的方法，由于通过机械加工基本上形成部件形状，直至接近加工机的运动精度，容易提高部件精度，但相反的是在制造工序中机械加工和化学镀处理混杂在一起，工序烦杂，交货日期较长，需要考虑镀层厚度来制作半成品(一次加工品)，镀层处理并不一定都稳定；由于半成品组成的偏差以及污染情况使得镀层的附着强度不均一，产生被称作砂孔的针孔状缺陷；由于在镀层厚度的中间处必须形成光学面转印面，因此在对光学面转印面进行再加工等的时候，无多余的镀层厚度，存在不能进行加工等的不利情况。

此外，根据现有技术，存在大量对光学面转印面进行金刚石切削加工的需要，在该情况下受到工具的切刀状态、加工条件、加工环境温度变化等的影响，还存在着切削加工完成的光学面转印面形状产生微妙的不均一情况的问题。这种光学面转印面的加工不均一情况是由于材料被切削性差，一般产生100nm左右的光学面形状误差，即使在非常慎重地进行加工的情况下，也残留50nm左右的形状误差，由此成为大量形成同一形状光学面转印面时的加工精度的限度。

此外，近年来通过对光学面实施轮带状衍射沟(衍射轮带)以有效地对色象差进行补正的光学元件在光信息记录领域等中被实用化以及大量生产。作为该光学材料，使用塑料或玻璃，也使用红外光学系统等中的ZnSe等的结晶材料。这种光学元件可通过成形，大量并且有效地生产，但是在该成形时，如何采用光学元件用成形模具在光学元件的光学面上高精度、有效地制作出微细的衍射沟成为极其重要的课题。

例如通过金刚石切削，在光学元件用成形模具的光学面转印面上形成具有衍射沟等光学功能的微细图案的情况下，刀尖的尖锐度左右着衍射沟形状的正确性，在作为光学元件的光学面被转印时，对衍射效率造成较大影响。

因此，为使衍射轮带的衍射效率不下降，必须使得刀尖非常小，这样在小的刀尖部分处集中施加切削阻力，而且切入量必须较小，因此直至整个光学面被均一地切削除去所花的加工次数较多。为防止由刀尖的较小切削刀痕造成光学面表面粗糙度变劣，还必须使得工具输送速度减慢，1次光学面转印面加工所花的时间也加长。结果，在对具有衍射沟的光学元件的成形用模具进行切削加工时，由于切削长度增大，使得工具刀尖的损耗增大，工具交换较为频繁。即，在由现有的金刚石切削技术对具有微细形状的光学面转印面进行加工的情况下，工具寿命极短，而且对一个光学面转印面进行加工的时间也增大，必须频繁地交换工具，加工效率非常低，造成光学元件用成形模具的生产性降低，并且成本激增。因此，特别是采用金刚石切削对表面上具有微细形状的光学面转印面进行加工的情况下，期待一种不含非电解镀镍工序的、简单并且交货时间短的模具制造方法。

此外，近年来尝试着通过对光学面施加所用光源波长的数倍至比其更小的微细结构，从而在光学元件上附加新光学功能的方法。例如由成形透镜折射造成的通常的集光功能和此时作为副作用产生的正分散可通过在该非球面光学面的表面上施加衍射沟，利用由所得的衍射造成的较大的负分散进行消除，将本身仅能折射而不能消色的功能附加在单片透镜光学元件上，其在DVD/CD互换的光盘用接收对物透镜中被实用化。这是由于利用了透过光学元件的光波长的数十倍大小的衍射沟的衍射作用，由此这种使用比波长足够大的结构造成的衍射作用的区域成为标量区域。

另一方面，已知通过为透过光学元件的光波长几分之一的微细间隔在光学面表面上密集形成圆锥状突起，可发挥抑制光反射的功能。即，光波入射至光学元件上时，在光学元件与空气的界面处发生的折射率变化不是瞬间地由如现有光学元件的1变化至介质的折射率，而是由于以微细间隔并列突起的圆锥形状而发生缓慢改变，由此可抑制光反射。形成这种突起的光学面通过被称为所谓蛾眼(moth eye)的微细结构，以比波长更短的周期使比光波长更加微细的构造体并列，已使得各个结构不产生衍射，形成相对于光波的平均折射率。一般将这种区域称作等价折射率区域。对于这种等价折射率区域，例如在2000年3月的电子信息通信学会论文杂志C Vol.J83-C No.3第173-181页中有描述。

与现有的防反射涂层相比，根据等价折射率区域的微细结构，可减小防反射效果的角度依赖性和波长依赖性，同时获得较大的防反射效果，考虑到根据塑料成形等，可同时形成光学面和微细结构，从而同时获得透镜功能和防反射功能，因此无需类似现有技术在成形后还进行防反射涂布处理的后加工等，在生产方面优点也较大，因此被注目。另外，在相对光学面以具有方向性的方式配置这种等价折射率区域的微细结构时，可使得光学面具有较强的光学异向性，可通过成形获得双折射光学元件，而在现有技术中是对水晶等结晶体进行切削而制作出的，此外通过将折射或反射光学元件组合可附加新的光学功能。在该情况下，光学异向性也被称作构造双折射。

在上述标量区域和等价折射率区域之间存在着共振区域，该区域的折射效率根据入射条件的微细差异而发生急剧变化。例如当衍射轮带的沟宽度变窄时，衍射效率以波长的数倍左右急剧减小，此外还发生所谓增加的现象(反常现象)。通过利用该区域的性质，以微细结构实现仅反射特定波长的导波模式共振光栅滤光片，可获得与通常的干涉滤光片一样的效果，同时角度依赖性更小。

因此，在利用标量区域、等价折射率区域或共振区域形成光学元件的情况下，需要在该光学面上形成微细突起(或凹槽)。在大量生成这种具有微细突起(或凹槽)的光学元件时，一般将塑料作为材料进行成形是合适的，但是在该情况下需要在光学元件的成形用模具上设置光学面转印面，并且该光学面转印面具有与微细突起(或凹槽)对应的凹槽(或突起)。

然而，针对如上所述的等价折射区域或共振区域的突起(或凹槽)，必须以几十乃至几百纳米的间隔形成突起(或凹槽)，对包含切削加工的机械加工是极其困难的。

针对该问题，本申请人在专利文献1中公开了以下所述的制造方法，即在基体上附着具有过冷却液体区域的非晶质合金，通过对该非晶质合金进行加工，形成用于对光学元件的光学面进行成形用的光学面转印面。该具有过冷却液体区域的非晶质合金在加工容易性方面优异，因此即使存在着例如在光学面转印面上需要形成微细结构的情况，也可容易地实施。

专利文献1特开2003-169343号公报

因此，在现有的光学元件用成形模具中，在对光学元件进行成形时，加热的温度区域处于400℃以上的情况下，较多选用超硬或SiC等耐热材料作为模具材料，但是由于这些材料的硬度以维氏硬度计为Hv1000-3000时，是非常硬的材料，因此与容易切削的非电解镀镍(Hv为500-600左右)等情况相比，非常难以进行加工，难以提高加工形状精度和模具成形转印面表面的镜面性，而且加工时间与电镀材料相比必须花费4倍以上的时间。作为该原因之一，是采用金刚石工具对超硬或SiC等耐热材料进行切削、抛光加工时，由于较硬的材料使得工具磨损，形状变形，在加工中切削量、切削痕迹、抛光痕迹逐渐发生改变，因此对形状精度和镜面性造成较大影响。此外，从材料的结晶性观点看，由于SiC、超硬材料或多结晶体烧结形成的材料存在结晶粒的界面，因此是难以加工的材料，与此相对的是存在着以下的差异：非电解镀镍是非晶质的均质膜，是容易进行切削、抛光的材料等。

与此相对，如在专利文献1中记载的，如果在光学元件用模具的基体上附着具有过冷却液体区域的非晶质合金的话，可在一定左右上确保加工的容易性，但是，在专利文献1中未规定具体的附着量和温度范围等，以专利文献1记载的内容实际上难以制造出光学元件用成形模具。

发明内容

本发明是针对该现有技术中存在的问题做出的，其目的是提供一种不仅成本低、操作容易，而且切削性优异、可提高尺寸精度的光学元件用成形模具以及由此形成的光学元件。

上述目的通过以下结构达到。

(1)一种光学元件用成形模具，其具有

基体和在上述基体上形成的厚度为0.001-500μm的膜层，

通过对所述膜层的表面施加预定的加工处理，形成对光学元件的光学面进行成形转印用的、表面粗糙度Ra为0.1-50nm的成形转印面，

所述膜层为具有过冷却液体区域的非晶质金属膜层，该过冷却液体区域含有20摩尔％以上从Pt、Ir、Au、Pd、Ru、Rh、Fe、Co、Ni、Zr、Al、Ti、Cu、W、Mo、Cr、B、P选出的至少1种以上元素，所述成形转印面即使在比采用所述成形转印面成形的光学元件的材料的玻璃转变点(Tg)高50℃以上并在所述非晶质金属的玻璃转变点以下的温度范围中加热后，仍然保持所述表面粗糙度。

(2)在第1项记载的模具中，在对玻璃转变点为200℃到250℃塑料材料的光学元件进行成形所述成形转印面时，所述非晶质金属为玻璃转变点在300℃以上的非晶质金属。

(3)在第2项记载的模具中，所述非晶质金属为Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀、Pd₇₆Cu₁₈Si₆、Zr₇₅Cu₁₉Al₆或Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅。

(4)在第1项记载的模具中，在对低熔点的玻璃材料的光学元件进行成形所述成形转印面时，所述非晶质金属为玻璃转变点在300℃以上的非晶质金属。

(5)在第4项记载的模具中，所述非晶质金属为Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀、Pd₇₆Cu₁₈Si₆、Zr₇₅Cu₁₉Al₆或Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅。

(6)在第1项记载的模具中，在对玻璃转变点为400℃到500℃的玻璃材料的光学元件进行成形所述成形转印面时，所述非晶质金属为玻璃转变点在500℃以上的非晶质金属。

(7)在第6项记载的模具中，所述非晶质金属为Fe₅₆Co₇Ni₇Zr₈Nb₂B₂₀、Co₅₆Fe₁₄Zr₁₀B₂₀或Co₅₁Fe₂₁Zr₈B₂₀。

附图说明

图1显示了光学元件用成形模具的制造工序。

图2为一套模具的截面图，其中含有为形成光学元件的透镜的光学元件用成形模具。

图3是将采用光学元件用成形模具形成的透镜的光学面进行扩大显示的斜视图。

图4是显示金属玻璃的成膜装置的概略图。

具体实施方式

以下对用于达到上述目的的、本发明的优选实施方式进行说明。

第1项记载的光学元件用成形模是具有用于对光学元件的成形面进行成形转印用的成形转印面的光学元件用成形模具，其中在所述光学元件用成形模的基体上形成厚度为0.01-500μm的、具有过冷却液体区域的非晶质金属膜层，该区域含有20摩尔％以上从Pt、Ir、Au、Pd、Ru、Rh、Fe、Co、Ni、Zr、Al、Ti、Cu、W、Mo、Cr、B、P中选出的至少1种以上的元素，通过相对于所述具有过冷却液体区域的非晶质金属膜层施加预定的加工处理，形成所述的成形转印面，在比采用所述成形转印面成形的光学元件材料的玻璃转变点(Tg)高50℃以上并且在所述具有过冷却液体区域的非晶质金属膜层的玻璃转变点以下的温度范围中对所述具有过冷却液体区域的非晶质金属的膜层进行加热后，所述模具成形转印面的表面粗糙度Ra为0.1-50nm。在此所谓的“预定的加工处理”包含切削加工、热压处理以及这些方式的组合，但不受此限制。

根据本发明，不直接在所述光学元件用成形模具的基体上形成成形转印面，而是在所述基体上形成具有过冷却液体区域的非晶质合金的膜层，其中该区域具有比光学元件材料的玻璃转变点(Tg)高50℃以上的耐热性，而且被切削性能优异，由此与现有技术中对作为玻璃模具的光学元件用成形模具母材中所用的超硬等的耐热材料进行抛光加工来进行制造的方法相比，可提高金属模具的精度以及缩短交货日期，此外还可通过切削加工，在金属模具成形转印面上进行硬钎焊形状轮体结构等的微细加工，而这在耐热材料的抛光工序中是不可能的。

例如在抛光工序中，在超硬材料上形成光学元件用成形模具的成形转印面的情况下，相对所要求的形状产生约100nm的误差，与此相对的是在切削工序中对具有过冷却液体区域的非晶质合金进行加工的情况下，降低至50nm以下的形状误差。另外，在抛光工序中对超硬材料进行加工的情况下，成形转印面的制造交货日期为平均每根需要花费8小时的时间，而与此相对的是，如果使用切削性良好、具有过冷却液体区域的非晶质合金的话，完成每根平均花费1小时的时间是可能的。该加工时间、形状精度的差异主要由于两种材料的结晶结构引起。超硬材料为多结晶体，由于其制造方法使得多结晶体微粒烧结固化，因此微粒非常细，存在着该微粒等级的结晶粒的界面，因此在微米等级的局部位置进行加工时切入左右不同，加工精度不高，而且由此加工时间也加长。另一方面，由于具有过冷却液体区域的非晶质合金为均一的非晶质层，因此理论上不存在结晶粒的界面，可进行光滑的镜面加工。由此可容易地对具有过冷却液体区域的非晶质合金进行加工，此为缩短光学元件用成形模具的交货日期、提高形状精度的重要原因。

除了这种在光学元件用成形模具制作方面的优点以外，所述成形转印面即使在为光学元件材料玻璃转变点(Tg)+50℃以上的高温情况下，也可保持其表面粗糙度Ra为0.1-50nm，形成具有耐热性的非晶质合金膜层，一般非晶质合金具有较高的耐腐蚀性，为化学性能稳定的物质，因此难与光学元件材料熔接，可延长金属模具的寿命。这样，通过具有被切削性和耐热性的新型光学元件用成形模具可形成具有微细结构的成形转印面，而该微细结构特别是在使用温度区域在400℃以上的较高玻璃模具用模具等的、通过对现有耐热材料进行抛光所形成的光学元件用成形模具是不可能形成的。

在此对具有过冷却液体区域的无定形合金(非晶质合金)，即所谓的金属玻璃进行说明。其由加热时形成过冷却液体的无定形合金材料构成，通常金属为多结晶组织，与此相对的是该物质的组织为无定形状，因此其组成在微米级均一，机械强度和常温下的化学耐性优异，并且具有玻璃转变点，在冷却液体区域的玻璃转变点到结晶化温度的范围(通常玻璃转变点+10～100℃左右)中加热时，其软化为玻璃状(形成粘性流动体)，因此可进行挤压成形加工，具有通常金属没有的特征。此外，还发现在切削加工过程中，特别是如上所述采用金刚石工具进行超精密切削加工时，可容易地获得高精度镜面。据考虑，其理由是该材料为无定形状，不具有结晶粒的界面，因此与场所无关，被切削性均一，此外，为保持无定形状而加大结晶化能量，在组成上形成为多晶体，因此，使得切削加工中金刚石的扩散损耗变小，可确保工具的刀尖寿命延长等。作为由超精密切削加工可形成实用的光学面转印面的主体材料，现有技术中仅已知软质金属，仅由非常微细的切入量(100nm左右)进行延性模式切削，可对硅或玻璃等硬度高的材料进行切削加工，但是其效率极低。因此，在将非晶质合金作为模具材料使用时，发现了其在以模具为中心进行的光学面形成加工中可进行极大的应用开发。同样的加工特性对于使用金刚石磨石等的抛光加工也以抛光比大等的形式出现。

作为塑料光学元件成形用模具材料，由于树脂温度接近300℃，因此Pd类、Ti类、Fe类等玻璃转变点高的有利，更优选为Pd类，由于其在空气中几乎不氧化，可进行热压的方面也是有利的。在该情况下，Pd(钯)为贵金属，价格较高，但是由本发明制造方法获得的光学元件用成形模具可根据需要对所附着的所述非晶质合金进行加热，再次形成不同的图案。

第2项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第1项记载的发明中，所述具有过冷却液体区域的非晶质金属膜层的膜硬度以维氏硬度计，Hv为100-3000。根据本发明，由于所述具有过冷却液体区域的非晶质金属膜层的硬度选定得较宽，因此可根据用途改变组成，使硬度改变。在硬度Hv为800以下的情况下，可容易地进行切削，并且可大幅度缩短光学用途切削工序。此外，在硬度Hv为1500以上的情况下，即使施加3000kg/cm²以上的强压力，成形转印面的形状也不会崩塌，具有延长模具寿命的效果。在硬度Hv为800-1500左右时，可同时具有两方面的长处，最容易进行使用。

第3项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第1或2项记载的发明中，在由所述光学元件用成形模具成形的光学元件的光学面上形成以光轴为中心的轮带结构，因此可进一步提高采用上述制造方法制造的光学元件用成形模具成形的光学元件的功能。

第4项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第3项记载的发明中，所述轮带结构是赋予光路差的结构，因此可进一步提高采用上述制造方法制造的光学元件用成形模具成形的光学元件的功能。作为赋予光路差的结构，已知有所谓的NPS(Non-Periodic Surface(非周期性表面))结构等。

第5项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第3项记载的发明中，所述轮带结构在光轴方向上的截面为锯齿状钎焊型衍射结构，因此可进一步提高采用上述制造方法制造的光学元件用成形模具成形的光学元件的功能。

第6项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第3项记载的发明中，所述轮带结构在光轴方向上的截面为阶段状衍射结构，因此可进一步提高采用上述制造方法制造的光学元件用成形模具成形的光学元件的功能。作为阶段状衍射结构，已知有DOE等。

第7项中记载的光学元件用成形模具的特征为在权利要求3-6记载的任一项发明中，所述轮带结构具有对象差变化进行补正的功能，该象差变化由所述光学元件根据相对于所述光学元件照射光的光源的波长变化产生，因此可提供适于例如在光盘上进行信息的记录和/或再生用的光拾取装置的光学元件，

第8项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第3-7项记载的任一项发明中，所述轮带结构具有对所述光学元件由温度变化产生的象差变化进行补正的功能，因此可提供适于例如在光盘上进行信息的记录和/或再生用的光拾取装置的光学元件。

第9项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第2项记载的发明中，为使由所述光学元件用成形模具成形的光学元件的光学面上转印成形多个突起或凹槽，在所述光学元件用成形模具的成形转印面上形成对应的凹槽或突起，因此可进一步提高采用上述制造方法制造的光学元件用成形模具成形的光学元件的功能。另外，已知即使突起或凹槽必须以例如几十乃至几百纳米的间隔进行配置时，机械加工也不是必要的，可通过转印成形容易地形成。另外，凹槽或突起还包含将凹槽和突起混合形成的图案。

第10项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第9项记载的发明中，所述光学元件的光学面的突起或凹槽形成等价折射率区域的微细结构。另外，所述突起或凹槽的间隔优选在透过所述光学元件光学面的光的波长以下。

第11项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第9或10项记载的发明中，所述光学元件的光学面的突起或凹槽形成产生防反射效果的微细结构。另外，所述突起或凹槽的间隔优选在透过所述光学元件光学面的光的波长以下。

第12项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第9到11项记载的任一项发明中，所述光学元件的光学面的突起或凹槽形成产生构造双折射的微细结构。另外，所述突起或凹槽的间隔优选在透过所述光学元件光学面的光的波长以下。

第13项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第9到12项记载的任一项发明中，所述光学元件的光学面的突起或凹槽形成产生共振区域的微细结构。另外，所述突起或凹槽的间隔优选在透过所述光学元件光学面的光的波长以下。

第14项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第9到13项记载的任一项发明中，所述光学元件光学面的突起或凹槽存在于该光学面的一部分上，为了转印形成该光学面，在所述成形转印面的一部分上存在对应的凹槽或突起。

第15项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第9到14项记载的任一项发明中，在所述光学元件光学面的一部分上存在着至少具有多种形状或配置图案的突起或凹槽，为转印形成该光学面，在所述成形转印面的一部分上存在对应的具有多种形状或配置图案的凹槽或突起。通过在所述光学元件的光学面上形成具有多种形状或配置图案的微细结构的突起或凹槽，在该光学面上部分配置这些结构，可使得该光学面局部发挥这些微细结构的光学功能。由此，对通过光学面的光束部分地或选择性地施加由微细结构突起或凹槽的各种形状或配置图案产生的光学功能，可使得一个光束装载多种光学功能。在该情况下，在光学元件的光学面上无需在整个光学面上存在微细结构的突起或凹槽。即，在现有技术中，为发挥预定的光学功能需要将多种光学元件组合，而通过采用本发明制造方法制造的光学元件用成形模具形成的光学元件的话，仅单独使用便可发挥出预定的光学功能，可进一步简化光学系统，可实现成本大幅度下降。另外，根据本发明制造方法制造的光学元件用成形模具，可容易地大量生产该光学元件。

第16项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第1到15项记载的任一项发明中，所述具有过冷却液体区域的非晶质合金膜层由溅射处理形成在上述基体上，因此可实现牢固地附着。

第17项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第1到15项记载的任一项发明中，所述具有过冷却液体区域的非晶质合金膜层由离子镀处理形成在上述基体上，因此可实现牢固地附着。

第18项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第1到15项记载的任一项发明中，所述具有过冷却液体区域的非晶质合金膜层由蒸镀处理形成在上述基体上，因此可实现牢固地附着。

第19项中记载的光学元件用成形模具的特征为在第1到15项记载的任一项发明中，所述具有过冷却液体区域的非晶质合金膜层由CVD处理形成在上述基体上，因此可实现牢固地附着。

第20项中记载的光学元件，其特征为其采用第1到19任一项记载的光学元件用成形模具成形。

第21项中记载的光学元件的特征为在第20项中记载的光学元件中，所述光学元件以塑料作为原材料。

第22项中记载的光学元件的特征为在第20项中记载的光学元件中，所述光学元件以玻璃材料作为原材料。

第23项中记载的光学元件的特征为在第20-22项中记载的任一项光学元件中，所述光学元件为透镜。

在本说明书中所谓的衍射结构(衍射轮带)指的是一种在光学元件(例如透镜)的光学面表面上设置浮雕形成衍射面的结构，该浮雕以光轴为中心，形成为大致同心状的轮带，由于衍射，该衍射面具有对光束进行集光或发散的作用。例如已知存在以下的结构，在包含光轴的平面上，从该截面看，各轮带形成如锯齿的形状，衍射结构包含这种形状的结构。衍射轮带也被称为衍射沟。

在适用本发明时，对于轮带结构或突起(或凹槽)的并列情况等，各个微细结构的形状或配置周期等无特别限制。即使为任何一种微细结构，只要其用于赋予光学元件新的功能，则该光学元件用成形模具或由其成形的光学元件包含在本发明的范围内。另外，作为新附加的功能，不限于减小象差。即使在根据光学系统的特性故意增加象差的情况下，只要其目的为接近最终理想的象差的话，也包含在本发明的范围内。

发明效果

根据本发明，提供一种不仅成本低、操作容易，而且切削性优异、可提高尺寸精度的光学元件用成形模具以及由此形成的光学元件。

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1为显示光学元件用成形模具的制造工序的图。首先形成由不锈钢材料等形成的基体10。对基体10的材料无特别限制，但优选使用钢或不锈钢等一般使用的模具材料，在该情况下，存在供给稳定并且价格便宜的优点。作为半成品的基体10其一个端部(在图中为上端)与光学元件的光学面(例如非球面)对应，形成比曲率更大或相等的凹部(基面)10a和其周围的周围面10b，由此具有模具近似的形状。通过在表面上施加具有过冷却液体区域的非晶质合金(以下也简单地称为非晶质合金)MG，形成膜厚为100μm左右的非晶质合金MG的情况下，凹部10a和周围面10b、基体10的端部周围面10c的形状精度为10-20nm左右的话便是足够的，因此在半成品加工时可直接使用NC转盘等，可为花费几十分钟时间的左右。在该凹部10a和周围面10b，进一步在基体10的端部周围面10c上按照以下方式附着具有过冷却液体区域的非晶质合金MG。

按照以下所述详细实施例中的方式，对凹部10a和周围面10b、基体10的端部周围面10c的表面通过溅射或蒸镀等的PVD处理或CVD处理形成非晶质合金MG的膜。另外，在本实施方式中，除了凹部10a以外，还可在周围面10b、基体10的端部周围面10c上形成非晶质合金MG的膜，但以仅在凹部10a成膜为宜。

另外，在以上的实施方式中示出了基体10的基面为凹陷形状的实例，在该情况下，基面所形成的曲率形状比最终所要形成的成形转印面的曲率大或者相等，而在例如基体10的基面形成为凸面形状的情况下，基面所形成的曲率形状比最终所要形成的成形转印面的曲率小或者相等，可获得同样的效果。

在非晶质合金MG的成膜中，以CVD方式处理时，基体10变成高温，对形成过冷却液体状态的非晶质合金的性质存在不利的一面，但是本发明不限于CVD处理或PVD处理。在比较容易形成非晶质合金MG膜的PVD处理中，存在有溅射或离子镀、蒸镀等的处理方式，在本发明中可使用其中任何一种方式。顺便而言，在溅射法中靶材料不一定必须为无定形状态，如果在基体10上以所需要的组成比附着构成原子的话，由于溅射原理，在附着时伴随着快速冷却，因此可容易地以无定形状态成膜。成膜速度为0.2-几个μm/小时左右，如果提高溅射装置的输出，可容易地缩短时间，但基体10的温度上升，不能形成无定形状态，因此需要由水冷等对基体10进行冷却。而膜厚太厚时，即使采用此后的金刚石切削加工或热压成形等进行取代，残留也较多，使得效率差，因此通常更优选为100μm左右。但是，对于复杂形状也存在形成几毫米膜厚的需要，大致10nm到1mm的范围是实用的膜厚范围。

在膜厚特别厚的情况下，由于溢出至凹部10a和周围面10b、基体10的端部周围面10c以外部分上的非晶质合金，使得光学元件用成形模具的设计形状被损坏。因此，有时需要掩盖成膜部分以外的部分，或在成膜后由金刚石切削或抛光加工等方式除去溢出部分。但是由于非晶质合金MG被切削性良好，而且除去量少，因此加工的工作量和成本负担几乎不增加。

就像在本实施方式中，通过仅在这种光学元件用成形模具的所局限的少数部位使用少量的非晶质合金MG，可将现有技术中具有优异物性特征保持、同时难以进行主体形状制作的这些种类的非晶质合金也可适用于光学元件用成形模具。例如，镍类或铜类等高硬度的非晶质合金作为金属模具材料使用，可期待其具有高耐久性，但是其难以制成主体形状，因此以以前申请中的方式难以在光学元件用成形模具中进行适用，但是如在本实施方式中仅通过成膜化便可对其进行适用。此外，由于在对主体材料进行冶金时，粗金属锭中存在氢气等的气体，因此存在着称为“窝”的微细孔，在通过金刚石切削或热压成形时，在加工形成的光学面上出现表面不佳的情况，但是通过如本实施方式的CVD处理或PVD处理由气相成膜的情况下，几乎不产生“窝”，可较高地维持光学元件用成形模具的制造效率，由于无需制造例如与不良情况对应的备件，因此与在前的申请中公开的光学元件用成形模具相比，可大幅度降低成本。

此后，与该非晶质合金MG的成膜相对应，还可通过施加金刚石切削加工、热压成形或这些方式的组合，将非晶质合金MG的表面加工成所需要的光学面转印面MGa(与基体10的凹部10a对应)和几何尺寸基准面转印面MGb(与基体10的周围面10b对应)。根据本实施方式，作为基体10基面的凹部10a的曲率预先形成为比最终所要形成的光学元件用成形模具的成形转印面的曲率大或相等的形状，如果膜MG的表面形状堆积成与成形转印面形状几乎一致的左右，则即使在膜厚最薄的部位，也可在后加工中获得足够膜厚，其优点是可适当进行金刚石切削加工或热压成形。

金刚石切削采用图1虚线所述的单结晶金刚石工具T，由超精密转盘(未示出)等一个一个进行切削加工，因此与现有技术中非电解镀镍的模具制造方法一样经过基本相同的加工工序，但是与现有技术相比，光学面转印面MGa和几何尺寸基准面转印面MGb可由PVD处理或CVD处理迅速、致密地形成，无需进行化学镀处理，因此不存在针孔等的缺陷，处理交换期快，并且由于被切削性非常好，工具损耗小，可通过切削加工容易地形成形状等，可以说具有更优异的特征。

图2是一套模具的截面图，其含有形成作为光学元件一个实例的透镜用的光学元件用成形模具。通过如上所述方式形成非晶质合金MG膜的光学元件成形模具10’和同样方式形成的有非晶质合金MG’膜的光学元件成形模具11’被插入至成套模具13、14中，其中使得光学转印面MGa、MGa’互相之间以及几何尺寸基准面转印面MGb、MGb’互相之间对向放置，将熔融的塑料材料PL从未示出的浇注口与通常的射出成形一样的方式射出至光学元件用成形模具10’、11’之间，进一步通过冷却，可获得所需形状的透镜。此外，即使在加工成套模具安装用螺纹孔10d’、11d的情况下，可相对与非晶质合金MG不同的、韧性优异的基体10、11进行穿孔、丝锥切割，因此可抑制加工时产生的破损情况，而且相对成形时的外力，基体10、11发生桡曲，具有使应力集中发生缓和的功能，因此可抑制破损情况。

图3是将采用这种光学元件用成形模具形成的透镜的光学面的实例进行扩大显示的斜视图。在图3(a)中，透镜的光学面上作为多个突起的实例，构成了多个矩阵状微细的圆筒C(等价折射率区域的微细结构实例)。例如在将这种对物透镜作为DVD记录/再生用光拾取装置的对物透镜使用的情况下，透过透镜的光接近650nm。因此通过使微细圆筒C的间隔Δ为160nm，可使得入射至该对物透镜中的光几乎不发生发射，可提供光透过率极高的对物透镜。

在图3(b)中在透镜的光学面上作为多个突起的实例，形成以间隔Δ隔开的多个微细三角锥T，与图3(a)一样具有同样显著的效果。作为该间隔Δ，在0.1到0.2μm以下时，可降低散射，因此优选。在图3(c)中，在透镜的光学面上作为多个突起的实例，形成以间隔Δ隔开的多个翅片F(结构双折射的微细结构实例)。所形成的翅片F的长度比透过的光的波长更长(在上述实例中为650nm以上)。具有这种结构的透镜使得在沿着翅片F的方向上具有振动面的光透过，而与翅片F相交的方向的光不透过，发挥所谓的偏光效果。在图3(d)中，在透镜的光学面上作为以光轴为中心的轮带结构的实例，光轴方向的截面形成锯齿状钎焊型衍射轮带D。由于在例如特开2001-195768号公报中对与衍射轮带D相关的技术，作为与其形状相对应的效果的色象差补正和温度补正进行了详细说明，因此以下省略了其说明。作为除此以外的轮带结构，还可形成为NPS、DOE等。另外，在图3(a)到(c)中，为了简便，示出了在平面上设置这些突起的实例，但是其底面也可制成为具有球面或非球面等适宜的曲率的曲面，将突起设置在该曲面上也可以。

(现有的光学元件用成形模具的制作方法)

光学元件用成形模具的母材需要变更为符合使用温度区域(为对光学元件进行成形用的温度区域，以下相同)的原材料。使用温度区域在100℃-300℃的情况下，优选使用主成分含铁，可容易进行切削的材料。在该情况下，其优点是材料费便宜，并且可缩减材料调济时间和加工工序。另一方面，使用温度区域在300℃以上800℃以下的情况下，对于光学元件用成形模具的母材优选使用超硬或SiC等的耐热性材料。但是作为其缺陷是材料费高，而且材料调济时间长(约一个半月)，由于为硬的母材，难以对其进行加工，存在着加工工序加长的问题。

在100℃-300℃的使用温度区域中，在采用主成分含铁，可容易进行切削的材料的情况下，在制作光学元件用成形模具时，首先通过切削、抛光等制造半成品模具。此时，半成品模具的基面(形成成形转印面的面)形状制作得比最终所需的成形转印面曲率小几十μm。在现有技术中，作为模具中的成形转印面材料较多使用非电解镀镍。在半成品模具整体上形成100μm左右的非电解镀镍膜。非电解镀镍与被成膜的母材形状无关，膜在与面垂直的方向上成长。由此，比最终所需的成形转印面形状相比，基面形成曲率大几十μm的面。

对于完成非电解镀工序的半成品模具，除了模具成形转印面以外，外围部、断面部的加工以使用金刚石工具的切削工序和使用金刚石工具的抛光工序实施。对于此时外围部的加工精度，其形状精度在2μm以下，表面粗糙度在100nm以下。在该外围部加工工序完成后，对成形转印面进行加工。使用金刚石工具对成形转印面进行切削，获得模具转印面光学形状。必要的形状精度在50nm以下，表面粗糙度Ra在5nm以下。以上是使用温度区域为100℃-300℃的情况下，现有的光学用途成形模具的制作方法。

与此相对，在使用温度为300-800℃的情况下，由于光学元件用成形模具暴露的温度区域高，产生的问题是容易切削的非电解镀镍发生结晶化，因此不可使用；还有铁类的母材也急剧氧化，因此不可使用。因此，作为可耐受该温度区域的光学元件用成形模具的母材，一般使用超硬或SiC等的耐热母材。这种材料具有耐热性能，但是由于其维氏硬度Hv为1000-3000，较硬，而且使用温度高，因此加工后必须形成保护涂层等的功能膜。

首先从母材通过抛光加工制作半成品模具。磨石使用金刚石磨石。此后，直接对母材进行最终完成加工。加工方法已知为使用金刚石工具的切削、抛光工序。在该最终完成工序中需要这样对成形转印面进行最终完成加工，使得其形状与所需形状的误差在±100nm以内。由于母材的硬度Hv为1000-3000，是较硬的材料，因此在切削、抛光工序中金刚石工具发生磨损，容易与所需形状产生较大偏差。此外，由于为较硬材料，因此加工所需的时间加长。此后，如果需要，为削除形状误差部分，经过修正抛光工序，形成光学元件用成形模具的成形转印面形状。在直接将其作为光学元件用成形模具使用时，已知的情况是由于与光学材料的熔接或母材的氧化造成表面发生皱褶，因此不能直接使用，通过形成0.1-0.5μm左右的防止与光学材料熔接、防止成形转印面变劣、防止变形用的功能膜，完成光学元件用成形模具。作为一般的功能膜已知较多地为Pt、Ir等的贵金属膜、类似金刚石的碳等的碳类膜、Cr等的过渡金属膜，以及其他的氧化物膜、氮化物膜等。

(根据本发明的光学元件用成形模具的制作方法)

根据本发明的制作方法，在任何使用温度区域中其工序无大的差别，通过选用与使用温度区域相符的半成品金属模具材料，改变具有过冷却液体区域的非晶质合金的组成，使其与温度区域相称即可。例如，在为对使用温度区域在200-250℃附近的塑料透镜材料进行成形用的光学元件用成形模具的情况下，选择玻璃转变点Tg在300℃以上的材料即可，作为这种材料，可使用Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀(Tg＝300℃)或Pd₇₆Cu₁₈Si₆(Tg＝350℃)、Zr₇₅Cu₁₉Al₆(Tg＝404℃)或Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅(Tg＝418℃)等。此外，即使采用玻璃转变点较低的光学玻璃，例如以K-PG325(Tg＝288℃)或K-PG375(Tg＝344℃)的低熔点光学玻璃成形光学元件的情况下，可将上述非晶质合金选定为该成形模具材料。另一方面，在为对使用温度区域在400-500℃的玻璃材料进行成形用的光学元件用成形模具的情况下，选择玻璃转变点Tg在500-600℃的金属玻璃材料即可，作为这种材料，可使用Fe₅₆Co₇Ni₇Zr₈Nb₂B₂₀(Tg＝550℃)等，仅材料不同，而无需大幅度地改变制作方法、工序。因此，作为其他玻璃转变点较高的非晶质合金，即使为Co₅₆Fe₁₄Zr₁₀B₂₀(Tg＝537℃)或Co₅₁Fe₂₁Zr₈B₂₀(Tg＝527℃)，Ni基的非晶质合金等也是良好的。还可为含有与光学玻璃脱模性良好的Pt或Ir贵金属的非晶质合金。由这些组成改变了非晶质合金的玻璃转变点，因此通过选择非晶质合金，使其玻璃转变点在基于本发明光学材料玻璃转变点的温度范围中并将其作为成形模具材料的话，可将光学材料稳定地成形转印为光学面，随着成形，通过加热使得成形模具的光学转印面发生结晶，使得表面粗糙度不发生劣化。

首先由母材制作半成品模具。该工序与上述现有技术中的制作方法相同。如果使用温度区域在300℃以下时，使用铁类的母材进行加工，在300℃以上时使用超硬或SiC的母材进行加工，由此制作半成品。与上述现有技术的模具制作方法的较大不同点在于，在制作成形转印面的工序中，在半成品模具的成形转印面上形成厚度为0.01-500μm的具有过冷却液体区域的非晶质合金(金属玻璃)膜层。在此例示的是采用溅射法形成的金属玻璃膜层。溅射法需要靶，靶无需为无定形结构的金属玻璃，只要与所需金属玻璃具有相同组成比即可。

(金属玻璃的成膜方法)

图4是表示金属玻璃的成膜装置的概略图。在图4中，在被筐体200覆盖的处理室P中载置着支持靶T的靶支持台201，以使基面与此对应的方式配置保持模具基体10用的试样支持体202。在靶支持台201的内部中形成冷却配管，在该冷却配管中，通过外部的控制装置203可使得调整温度用的冷却水循环。

另外，处理室P通过阀门V1连接到涡轮分子泵204上，涡轮分子泵204通过阀门V2连接到旋转泵205上。在处理室P内由2个泵204、205吸引，使充满10^-1到几个Pa左右压力的Ar气气氛。

以下对金属玻璃的成膜方法进行说明。首先准备与所要形成的膜层的金属玻璃具有相同组成比的靶T。在此，准备必要组成比的母材，可采用由电晕放电使其熔融(电弧炉)并流入到铜铸模中的方法，或者采用由热压的烧结方法等使母材熔融，形成适合于图4的成膜装置的靶T的模具即可。此时，应当注意使得靶T的组成比与所希望形成的金属玻璃具有相同组成比。例如，如果以主成分含铁的金属玻璃为例，可通过采用热压的烧结法制作Fe₅₆Co₇Ni₇Zr₈Nb₂B₂₀类金属玻璃的靶。在该情况下，首先按照组成比准备Fe、Co、Ni、Zr、Nb元素，在电弧炉中精心溶解，使其混合。将其熔解后，充分冷却，将表里反转，再次进行熔解、混合。将该工序反复数次，为使溶解均匀，进行充分融合。此后冷却、取出后，将其粉碎为粉状。此后按照组成比合并B(硼元素)，通过热压熔融，烧结固化为任意的钯形状。此外，在采用Pd₇₆Cu₆Si₁₈类金属玻璃等时，可仅通过在电弧炉中精心熔融Pd、Cu、Si获得钯。

在此举出的两个实例的共通之处在于以电弧炉或热压方式制作的靶为多结晶合金，而无需一定为无定形结构(金属玻璃)。当然可直接将金属玻璃作为靶。在采用Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀类金属玻璃时，由于非常容易形成无定形结构，因此还可将靶本身制成金属玻璃。

将按照以上方法制作出的靶安装在图4的成膜装置中，进行溅射成膜。成膜条件根据膜厚等的成膜条件和装置是不同的，但是作为一个实例，可在0.5Pa的Ar气氛中，在RF电极(未图示)之间施加500W的高频率电压，将靶T到所要成膜的试样(在此为模具基体10的基面)之间距离设定为90mm。在靶T上产生的等离子体Ar粒子高速地冲击靶T，使得该金属粒子弹飞，附着在相对的基体10的基面上并堆积为膜层。

成膜装置通过距离对成膜速度进行适宜地调整，使其大致在1μm/h到20μm/h之间发生改变。试样越近，成膜速度越快，但是由于产生所形成的膜的粒子变粗等的问题，因此需要进行调整。对该方式形成的试样膜的无定形状态的确认是采用DSC(热流束示差扫描热量测定装置)对无定形状态在相转移至过冷却液体区域时产生的吸热反应进行观察，或者由X线衍射装置进行观察，当所得图案为无定形状态特有的、完全看不到由结晶结构形成的峰时，可以得到确认。采用以上方式，可与现有技术中制作主体金属玻璃的方法相比容易得多地在模具基体10的基面上形成金属玻璃的膜。

采用这种方法在光学用途成形模具光学面上形成金属玻璃膜层，通过金刚石工具对该膜层进行切削加工，可获得成形转印面。该膜层的结晶结构为非晶质，因此切削性好，与所要形成的成形转印面形状的形状误差在±50nm以下，此外，加工时间也为每个模具加工每一根花费约1小时，从而可提高模具的形状精度并且缩短模具的交货日期。

(实施例)

本发明人按照上述方式，采用Pd₇₆Cu₁₈Si₆类金属玻璃作为成形转印面的非晶质材料，制作出光学元件用成形模具。最终完成加工结束时，测定成形转印面的表面粗糙度，其Ra为10nm，形状误差在±50nm以内。使用该光学元件用成形模具，在成形树脂温度为250℃、压力为800kg/cm²的成形条件下对玻璃转变点Tg为200℃的塑料透镜材料进行成形。即使进行2000次注射成形，也可稳定地获得精度良好的光学元件。此外，该成形转印面的表面粗糙度Ra不变，仍为10nm，而且也没有发现存在特别的形状变化。本发明的光学元件用成形模具即使在对玻璃材料进行成形的情况下也可期待具有同样的效果。

Claims (10)

1.一种光学元件用成形模具，其具有

基体和在上述基体上形成的厚度为0.01-500μm的膜层，

通过对所述膜层的表面施加预定的加工处理，形成对光学元件的光学面进行成形转印用的、表面粗糙度Ra为0.1-50nm的成形转印面，

所述膜层为具有过冷却液体区域的非晶质金属膜层，该过冷却液体区域含有20摩尔％以上从Pt、Ir、Au、Pd、Ru、Rh、Fe、Co、Ni、Zr、Al、Ti、Cu、W、Mo、Cr、B、P选出的至少1种以上元素，所述成形转印面即使在比采用所述成形转印面成形的光学元件的材料的玻璃转变点(Tg)高50℃以上并在所述非晶质金属的玻璃转变点以下的温度范围中加热后，仍然保持所述表面粗糙度。

2.如权利要求1所述的模具，其中在对玻璃转变点为200℃到250℃的塑料材料的光学元件进行成形所述成形转印面时，所述非晶质金属为玻璃转变点在300℃以上的非晶质金属。

3.如权利要求2所述的模具，其中所述非晶质金属为Ps₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀、Pd₇₆Cu₁₈Si₆、Zr₇₅Cu₁₉Al₆或Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅。

4.如权利要求1所述的模具，其中在对低熔点的玻璃材料的光学元件进行成形所述成形转印面时，所述非晶质金属为玻璃转变点在300℃以上的非晶质金属。

5.如权利要求4所述的模具，其中所述非晶质金属为Pd₄₀Cu₃₀Ni₁₀P₂₀、Pd₇₆Cu₁₈Si₆、Zr₇₅Cu₁₉Al₆或Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅。

6.如权利要求1所述的模具，其中在对玻璃转变点为400℃到500℃的玻璃材料的光学元件进行成形所述成形转印面时，所述非晶质金属为玻璃转变点在500℃以上的非晶质金属。

7.如权利要求6所述的模具，其中所述非晶质金属为Fe₅₆Co₇Ni₇Zr₈Nb₂B₂₀、Co₅₆Fe₁₄Zr₁₀B₂₀或Co₅₁Fe₂₁Zr₈B₂₀。

8.如权利要求1所述的模具，其中所述具有过冷却液体区域的非晶质金属膜层的膜硬度以维氏硬度计，其Hv为100-3000。

9.如权利要求1所述的模具，其中所述具有过冷却液体区域的非晶质金属膜层通过溅射处理、离子镀处理、蒸镀、CVD处理的任何一种方式在所述基体上形成。

10.如权利要求1所述的模具，其中所述预定的加工处理为切削加工、热压加工以及这些方式的组合。

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