CN1769223A - 光学元件的成形方法和光学元件 - Google Patents

光学元件的成形方法和光学元件 Download PDF

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Abstract

一种光学元件成形方法，其是通过使用成形模把玻璃的玻璃材料进行压制而形成光学元件，其包括：在成形模的内腔外把玻璃材料加热软化的工序、加热所述成形模的工序和把所述玻璃材料投入到所述成形模的内腔中并使用所述成形模进行压制的工序，向所述成形模投入时的所述玻璃材料的温度，是在对其玻璃化转变点Tg是Tg×1.60～Tg×1.85℃的范围，且把所述玻璃材料投入时的所述成形模的光学复制面温度，是在所述玻璃化转变点(Tg+50)～(Tg－70)℃的范围。

Description

光学元件的成形方法和光学元件
技术领域
本发明涉及把玻璃作为原料将光学元件进行成形的光学元件成形方法和由此成形的光学元件。
背景技术
在光学元件成形用中使用的玻璃，一般在约大于或等于玻璃化转变点Tg两倍的温度下，其成为熔化并由重力而能滴下程度的粘度。例如玻璃化转变点Tg是500℃的光学用玻璃，大体在Tg×2.0，即大于或等于1000℃时能以熔化状态从喷嘴等把玻璃滴下。在该熔化的温度区域，玻璃能自由变形，若把其投入到成形光学元件的成形模中，则仅此就能大致复制模具形状，例如在专利文献1等中就详细叙述了这种光学元件的液滴成形法。
专利文献1：特公平4-16414号公报
但在专利文献1公开的液滴成形法中，成形模的特别是复制光学面的被非常高精度且光滑加工的光学复制面，由于接触非常高温的熔化玻璃，所以容易与大气的氧结合而表面粗糙度恶化，有模具寿命非常短的问题。例如，使用超硬的模具材料时，由数千次的注料成形而模具的光学面变粗糙，需要更换，因此把成形机停止，为了调整新安装的模具就需要时间等，使成形机的运转率明显降低，使光学元件的生产性降低。而且超硬等的模具材料其硬度非常高，在此，加工高精度的光学复制面其效率非常低，且需要时间和劳力，容易消耗的利用高成本制作的成形模的该液滴成形法，对生产低成本玻璃光学元件来说不能说是最适合的。
现在被提案的方法是被叫做再加热成形法的成形方法，且被实用化，其把室温的玻璃投入到成形模的内腔中，把成形模与玻璃同时加热，在成形模内的玻璃软化的时刻进行压制成形，在压制成形完了的时刻把成形模和玻璃同时冷却，在玻璃固化了的时刻把成形了的玻璃光学元件取出来。该方式在把玻璃加热时和冷却固化时都占有成形模，而且需要把与玻璃相比热容量特别大的成形模一个一个地加热并冷却，为了把导热不好的玻璃均匀加热，就必须以一定的加热温度保持成形模，这是在热效率上和成形模的利用效率上都不利的成形法，因此，其成形生产节拍非常长，不适合大量生产。
因此，现有的再加热成形法是采用一次成形而成形多个光学元件(也叫做多腔)，或准备多个成形模而一边把其顺序在加热炉、压制炉、冷却炉中移动一边连续进行成形的方法，但这都是把每个成形模从外部加热玻璃，所以在原理上成形模的温度要比玻璃的温度高，因此，玻璃容易粘付在成形模的光学复制面上，可以说是运转率和可靠性低的效率不高成形处理。而且成形模的移动方式是把具有相对光学复制面的一对模具零件一边设置成偏心精度良好，一边还能用于进行压制动作地顺利滑动地来实现零件嵌合的公差，这是相互矛盾的，可以说其结果是兼顾确保成形模的高可靠性和高精度玻璃光学元件的成形，是非常困难的。
现有的实际状况是，代替这些成形方法而缩短成形模的占有时间能高速成形，且能以高可靠性和收获率成形高精度玻璃光学元件的成形方法还没有出现。
发明内容
本发明是鉴于该现有技术的问题点而开发的，其目的在于提供一种能缩短成形生产节拍，且能以高可靠性和收获率成形高精度玻璃光学元件的光学元件的成形方法以及光学元件。
至少达到这些目的之一的反映本发明方面的光学元件成形方法，是通过使用成形模把玻璃的玻璃材料进行压制而进行光学元件成形的成形方法，其包括：在成形模的内腔外把玻璃材料加热软化的工序；加热所述成形模的工序；把所述玻璃材料投入到所述成形模内腔中并使用所述成形模进行压制的工序，向所述成形模投入时的所述玻璃材料的温度，是在对其玻璃化转变点Tg是Tg×1.60～Tg×1.85℃的范围，且把所述玻璃材料投入时的所述成形模的温度，是在所述玻璃化转变点(Tg+50)～(Tg-70)℃的范围。
附图说明
图1是表示本发明成形方法中成形温度与现有成形方法中成形温度关系的图；
图2是把玻璃材料温度取成纵轴、把成形生产节拍取成横轴而把本发明的成形方法与现有技术的成形法进行比较表示的图；
图3是在成形模的光学复制面上附着有灰尘的状态下实行本发明的成形方法时，把成形模的光学复制面进行放大表示的剖面图；
图4是把利用再加热法成形时成形模具的成形复制面进行放大表示的剖面图；
图5是把利用液滴成形法成形时成形模具的成形复制面进行放大表示的剖面图；
图6是表示由观察光学元件表面而得到的干涉条纹的图；
图7是表示由观察光学元件表面而得到的干涉条纹的图；
图8是表示由观察光学元件表面而得到的干涉条纹的图；
图9是实施本实施例光学元件成形方法的成形装置的概略结构图；
图10(a)、图10(b)是表示与成形模一起使用的环状模具零件剖面的图；
图11是表示对于形成有凸缘部的玻璃材料流动方向，为了不妨碍玻璃材料的流动而设置规定的空间并能够进行溢出成形的成形模概略结构的图；
图12是与成形模一起使用的环状模具零件剖面图；
图13是成形的光学元件一例的剖面图；
图14(a)～图14(d)是放大表示光学元件光学面例的立体图。
具体实施方式
上述本发明的课题通过以下项目的形态就能解决。
(1)光学元件成形方法，是通过使用成形模把玻璃的玻璃材料进行压制而进行光学元件成形的成形方法，其包括：在成形模的内腔外把玻璃材料加热软化的工序、加热所述成形模的工序和把所述玻璃材料投入到所述成形模内腔中并使用所述成形模进行压制的工序，向所述成形模投入时的所述玻璃材料的温度，是在对其玻璃化转变点Tg是Tg×1.60～Tg×1.85℃的范围，且把所述玻璃材料投入时的所述成形模的温度，是在所述玻璃化转变点(Tg+50)～(Tg-70)℃的范围。
温度比所述光学元件用玻璃的熔化区域稍微低，相对玻璃化转变点Tg是Tg×1.85～Tg×1.95℃的温度范围，其熔化玻璃的粘度是10pois左右，被叫做结晶区域。该结晶区域是玻璃非常不稳定，且组成物的一部分开始结晶化的温度。该结晶化是玻璃变白浊、产生微细的灰尘状晶粒、组成物被气化而在熔化的玻璃中产生气泡或组成变化而折射率变化，所以有可能作为光学元件引起根本的质量不良。因此，使玻璃不长时间停留在该温度区域，在保持光学元件用玻璃的品位上是非常重要的。
为了把光学元件用玻璃进行加热软化而成形，必须使玻璃材料的温度比玻璃化转变点Tg高，但如上所述，为了延长成形模的寿命就要比熔化温度低，而且为了使玻璃组成稳定就要比结晶区域低，这是在高质量稳定的状态下成形玻璃且高效率得到高精度玻璃光学元件上是重要的成形条件。这种玻璃材料温度的上限与玻璃材料的种类无关，本发明者导出其相对其玻璃材料的玻璃化转变点Tg是小于或等于Tg×1.85。
另一方面，在使用玻璃的光学元件成形之际，为了把加热软化的玻璃通过成形模加以压力压制成形而得到光学元件，就需要把玻璃强制按压在成形模的光学复制面上，所以玻璃原样地贴附在成形模上，在压制后把成形模打开时，在成形玻璃光学面的一部分附着在成形模上，使成形光学元件光学面的光学复制面上产生点状的崩碎孔，而存在有所谓光学元件分型性的问题。想使该玻璃粘付完全且在多次的成形次数中也稳定地不产生，是非常困难的，这是现有玻璃制光学元件压制成形中的大课题。因此，以前采用的方法是，每当成形次数达到一定次数时就把成形模从成形机上卸下来，把成形模光学复制面上附着的玻璃，用氟化氢和过氧化氢水等在处理上需要小心地利用药品把之进行溶化清扫，并再次安装到成形机上而反复使用成形模。因此，由于成形模的装卸操作，而使成形处理中断，成形机的运转率显著下降。为了在清扫成形模的时间中也能继续成形，就把应该清扫的成形模卸下来而把替代成形模安装在成形机上来进行，这就需要准备多余的成形模，而提高了成形模所需要的费用。
在此，作为防止加热软化了的玻璃粘付在所接触的对方(在此是成形模)上，即防止浸润在对方材料上的对策，考虑有两个方法。一个是使对方成为难于浸润的材料，另一个是把对方的温度设定成比玻璃的温度低。这些对策可以分别单独采用，但同时采取两个对策则更理想。对前者的对策，由于已经由多个申请提出把玻璃难于浸润的材料作为成形模光学复制面的涂层的方案，所以在此不详细叙述。而后者的对策，是若成形模的温度低，则高温的玻璃与模具表面接触，就急速冷却收缩固化地进行动作，其与玻璃成形模的接触面向与界面平行的方向移动，所以，不浸润成形模的表面。作为该身边的例，当熔化的焊锡落在室温的铜箔上时，其是不浸润不沾地成为球状滚动，但当是落在加热了的铜箔上时，则是浸润扩展，所以上述情况与此例是相同的。因此，为了使接触的玻璃表面冷却收缩动作而把成形模的温度设定成足够低的温度，这样，能防止压制成形中的粘付。本发明者锐意地进行了如下的研究，所述小于或等于Tg×1.85℃温度的玻璃材料，如果使成形模光学复制面的温度在低到何种程度也不粘付，并且得到以下的结论。
即成形模的光学复制面是比玻璃材料的玻璃化转变点Tg超过高出50℃的高温时，1)玻璃材料的粘付可以说是几乎都产生，防止其是困难的，2)之后马上原样地进行压制成形时，即使在压制完了的时刻，玻璃材料也不完全固化，所以玻璃材料表面不稳定，有光学面的复制性不好的问题。
相反，在成形模的光学复制面是比玻璃化转变点Tg超过低于70℃温度的低温时，1)玻璃材料的粘付能完全消失，2)但由于玻璃材料在压制成形中急速固化而粘度变高，所以在达到规定的成形行程之前就不能进行压制了，有压制不充分的问题，因此，光学面的复制性显著恶化。这时，即使把压制压力设定成高达100N/mm2，勉强把高粘度的玻璃压入模具并保持之，这时在成形的玻璃光学面上也会有放射状的裂纹，不能成为作为制品的光学元件。
本发明者发现，上述的这些见识几乎是不依赖于成形光学元件体积而成立的。
作为其理由考虑是，被加热软化的玻璃比起大气来其几乎是仅通过与成形模的接触才被冷却，这是唯一的玻璃热量释放场所，并且由于玻璃的导热率非常低，所以进行压制把玻璃与成形模的接触面积增大的同时，其界面的玻璃温度急速下降而粘度上升，温度梯度急剧，所以稍微一进入内部，玻璃的粘度就急剧降低，其结果是在表面形成硬的象橡胶膜那样粘度高的表皮层，这样，玻璃是粘付在成形模上，还是即使压制，玻璃也不贴紧在成形模上的现象，就是成形模与该表皮层的界面现象，所以，与表皮层内部的玻璃体积的大小不太有关系。而且成形复制性也考虑为在玻璃与成形模的光学复制面接触时间不太长的阶段，即表皮层薄的状态下，由该表面是以哪种程度贴紧在成形模的光学复制面上，还是其如何保持不动进行固化来大致决定。
从以上发现，把投入成形模时的玻璃材料温度设定成是小于或等于其玻璃化转变点Tg×1.85℃时的成形模光学复制面的温度，是在玻璃化转变点(Tg+50)～(Tg-70)℃的范围，是成形高精度高效率玻璃光学元件所必须的。只要该成形模的温度范围，就不管玻璃光学元件的大小都能可靠实现压制成形，而且能防止玻璃粘付在成形模上。
如前所述，当然看到了把玻璃材料的温度设定成小于或等于Tg×1.85℃时的效果，但另一方面，留下了在低区域到哪种范围能进行恰当成形的课题。本发明者们发现，这能由成形模温度和压制时间来决定。即若把成形模温度设定高，则减去玻璃与成形模的温度差而由玻璃与成形模的接触产生的冷却固化的速度慢，所以能把玻璃材料温度设定低。若是压制时间短且以高速进行压制成形时，则在玻璃固化之前压制成形工序就能完成，所以能把玻璃材料温度设定低。相反，若是缓慢压制，则到压制完成的时间长，所以若不把玻璃材料温度设定高，则在压制中玻璃就冷却固化了，在没到达规定的压制行程前就不能压制了。
因此了解到，玻璃材料温度最低，是在成形模温度是所述温度范围最高的Tg+50℃，且压制成形时间尽可能短的情况下。实际上使用玻璃成形光学元件，调查玻璃材料温度的最低条件时，直到Tg×1.60℃都能进行压制成形，从这时压制开始到规定行程的压制成形时间，是5秒这非常短的时间。该成形的光学元件的光学面是两凹面，光学面的形状精度与压制成形时间更长的其他成形条件的情况相比毫不逊色。
即了解到，通过把玻璃材料温度对于其玻璃化转变点Tg设定成大于或等于Tg×1.60℃且小于或等于Tg×1.85℃，把成形模的光学复制面温度设定成(Tg+50)～(Tg-70)℃，就能抑制玻璃粘付模具，能实现以非常高速进行高精度玻璃制光学元件的成形。而且投入所述成形模时的玻璃材料温度，对于其玻璃化转变点Tg是在Tg×1.70～Tg×1.85℃的范围，且投入所述玻璃材料时的成形模光学复制面的温度，是在所述玻璃化转变点Tg～(Tg-30)℃的范围，则更理想。
(2)光学元件的成形方法，是在(1)项中，把加热软化的所述玻璃材料向所述成形模的内腔投入配置之后，在3秒以内开始进行压制。
本成形方法，是把加热软化的玻璃投入到比它温度低的成形模后，使其一边被压制成形一边冷却固化，而高速高稳定成形高精度光学元件的方法，如前所述，在把加热软化的玻璃投入到成形模的同时，冷却固化就开始了，所以，马上开始压制是重要的。现有的液滴成形法等若不把滴下投入到成形模中的玻璃放置5秒左右时间冷却而使表皮层的厚度充分成长，则就是由于处理空气和灰尘的混入而变粗糙的成形模的光学复制面原样通过压制压力进行成形复制，所以不能开始压制。因此成形时间是接近20秒，不能实现小于或等于15秒的成形生产节拍。
相反，根据本成形方法，是把光学复制面的光学面形状和表面粗糙度忠实地进行成形复制，所以可以说最好莫如把玻璃投入到成形模后，在粘度低时就马上开始压制。而且本发明成形方法的玻璃材料温度条件，由于比熔化温度低得多，所以玻璃材料与成形模接触的部分是急速冷却而用约5秒固化，所以，为了把压制成形可靠完成，也是最好把加热软化的玻璃投入成形模后，至少在3秒以内开始压制。所说的“压制开始”，是指投入到内腔内的玻璃材料通过成形模而开始按压的时刻。
(3)光学元件的成形方法，是在(1)项中，所述成形模具有压制所述玻璃材料的一对模具部件，从压制开始到规定行程这完成压制的时间(压制时间)，是在15秒以内。
根据本成形方法，通过把压制时间设定在小于或等于15秒，能把高精度的玻璃制光学元件稳定成形。
(4)光学元件的成形方法，是在(1)～(3)任一项成形方法中，在从压制开始至少3秒后，把所述成形模的平均压制压力调整到小于或等于80N/mm2。
为了在压制工序中成形的光学元件的光学面上没有裂纹，在玻璃被冷却固化而粘度急剧变高的压制工序的后一半，最好把平均压制压力(用透镜面积除压制压力)设定成小于或等于80N/mm2。通过把平均压制压力设定成小于或等于80N/mm2，就能抑制压缩应力残留在玻璃中保持不变固化，能防止把成形的光学元件从成形模取出时，玻璃内部的压缩应力成为膨胀力，而使拉伸应力在玻璃表面起作用以产生所述的裂纹。该压缩应力的程度更加厉害时，有时还产生成形的光学元件突然破损而粉碎的现象。
(5)光学元件的成形方法，是在(4)项所述的成形方法中，把压制工序终了时刻所述成形模的平均压制压力调整到大于或等于10N/mm2。
为了实现高精度光学面的复制精度，在压制工序终了的时刻最低也要保持10N/mm2的平均压制压力，最好把玻璃贴紧在成形模的光学复制面上。若在比其小的压力下终了压制工序时，则由于成形模与玻璃不均匀贴紧，所以，在压制工序将要终了之前，玻璃是还具有能稍微流动的粘度的阶段，产生收缩变形偏斜，就有可能光学面形状的复制不正确。把该现象叫做收缩，但本发明的成形方法是把平均压制压力维持在大于或等于10N/mm2，能防止该收缩的产生。
(6)光学元件的成形方法，是在(1)～(5)任一项所述的成形方法中，在从压制开始到3秒之间，把所述成形模的平均压制压力一下子调整到50N/mm2～250N/mm2的范围。
在玻璃温度高而粘度低的压制工序初期阶段，若加以高的压制压力，则能不产生裂纹而玻璃在瞬间贴紧在成形模的复制面上，提高成形复制性。由于整个复制面是在瞬间接触到成形模并进行冷却固化的，所以如果是相同的成形复制性则能更缩短成形时间。但若玻璃的冷却固化进行相当长的时间，则残留压缩应力，成为裂纹等的原因，所以最好把50N/mm2～250N/mm2的高压压制时间限定在从压制开始的3秒以内。
(7)光学元件的成形方法，是在(1)～(6)任一项所述的成形方法中，在从压制开始到3秒之间，把所述成形模的平均压制压力一下子调整到压制工序的最高值，然后在进行压制的同时把其连续或不连续地切换成低压力。
通过在从压制开始到3秒之间的合适时间内，使用最高的平均压制压力来压制玻璃，能在玻璃温度高而粘度还小的成形初期给予其大的压制变形量，这样，能不产生裂纹和双折射等而使玻璃可靠地贴紧在成形模的光学复制面上，提高复制性，然后通过设定成更低的平均压制压力，使玻璃固化粘度上升，能防止产生裂纹和内部应力变大，实现安全且成形复制性良好的压制成形。从最高压力向更低压力的变换方法，即可以是阶段性不连续的，也可以是连续的。
(8)光学元件的成形方法，是在(1)～(7)任一项所述的成形方法中，把所述玻璃材料和所述成形模内腔接触的气体介质在进行压制工序时形成能遮蔽的成形室，在压制工序中把所达成形室内减压到小于大气压。
由于本方法能把玻璃光学元件非常高精度且高速地成形，所以例如成形的光学元件光学面形状是凸时，在进行高速压制时，在玻璃材料，即玻璃与成形模的内腔之间，有可能大气和氮气等成形气体介质没被排出而残留，成为存留气体而得到间隙，这样，光学面的成形复制性显著恶化。因此，将在压制开始之前把玻璃与成形模的内腔气体介质进行减压，通过减少气体介质气体使在压制时间短的高速成形中也抑制存留气体的产生，能确保高精度光学面形状的复制性。
根据该本方法，由于成形模的光学复制面与玻璃材料牢固地贴紧，所以即使在存留气体不发生的成形条件下，成形复制性也良好。因此，成形的高精度光学元件的性能偏差少，能维持高的成形收获率。
近年来，在光学面上施加环带状的衍射槽(衍射环带)而高效校正色差的光学元件，在光信息记录领域等被实用化并在大量生产。作为其光学材料在使用塑料和玻璃，而在红外光学系统等中ZnSe等结晶材料也在使用。这种光学元件，通过成形能大量且高效地生产，但在成形时，如何把光学元件光学面上微细的衍射槽高精度且高效地制作在光学元件用的成形模上，就成为非常重要的课题。
再加上近年来，在试验把从使用的光源波长数倍到比其小的微细结构施加在光学面上来把新的光学功能附加在光学元件上。例如，把成形透镜折射的一般聚光功能和同时作为副作用产生的正分散，利用通过在其非球面光学面的表面上实施衍射槽而得到的衍射而引起的大的负分散而把其消除，把本来仅是折射不可能的消色功能附加在单片透镜光学元件上，就在DVD/CD互换的光盘用拾取装置物镜中被实用化。这由于是利用了透射光学元件的光波长数十倍大小的衍射槽的衍射作用，所以把这样处理比波长足够大结构产生的衍射作用的区域叫做标量区域。
另一方面了解到，以透射光学元件的光的波长数分之一的微细间隔把圆锥状的突起密集形成在光学面的表面上，这样，能发挥光的反射抑制功能。即，使光波射入光学元件时在与空气分界面处的折射率变化，不象现有光学元件那样从1到介质折射率的瞬间变化，而是使其通过以微细间隔并列突起的圆锥状而缓慢地变化，这样就能抑制光的反射。形成有这种突起的光学面，是被叫做所谓蛾眼(moth eye)的微细结构，比光的波长还微细的结构体通过以比波长短的周期并列，已经是各个结构不衍射而对于光波作为平均折射率在起作用。一般把这种区域叫做等价折射率区域。关于这种等价折射率区域例如在电子信息通信学会论文杂志C Vol J83-CNo 3pp173-1812000年3月中有叙述。
根据等价折射率区域的微细结构，与现有的防止反射涂层相比，其在减少防止反射效果的角度依赖性和波长依赖性的同时，能得到大的防止反射效果，根据塑料成形等，由于能同时制造出光学面和微细结构，所以能同时得到透镜功能和防止反射功能，不需要象现有那样在成形后进行防止反射涂层处理的后加工等，考虑其在生产上也有大的益处而被关注。若把这种等价折射率区域的微细结构配置成对于光学面具有方向性，则还能使光学面具有强的光学各向异性，通过成形能得到现有由切削水晶等结晶制作的双折射光学元件，而且与折射和反射光学元件组合就能附加新的光学功能。把这时的光学各向异性叫做结构双折射。
在上述标量区域和等价折射率区域之间，有衍射效率仅由射入条件的稍微不同就急剧变化的共鸣区域。例如，若把衍射环带的槽宽度变窄，则有衍射效率以波长数倍程度地急剧减少或增加的现象(异常)产生。利用该区域的性质，使用微细结构来实现仅反射特定波长的波导模式共振晶格滤光器，在与一般的干涉滤光器同等效果下还能实现进一步减少角度依赖性。
在利用标量区域和等价折射率区域和共振区域来形成光学元件的情况下，需要在其光学面上形成微小的突起(或凹坑，总称叫做微细结构)。但即使在成形模的光学复制面上形成了对应这种微细结构的凹坑(或突起)，使用现有的成形方法把玻璃作为玻璃材料来复制形成这种微细结构也是困难的。
其理由是，在把光学面上具有衍射槽等微细结构的光学元件使用玻璃成形时，在成形模光学复制面上形成的微小凹坑处残留有成形气体介质的中大气和氮气等而阻碍玻璃进入，这样，微细结构的复制性显著恶化。
相反，根据本成形方法，能把该不好的情况通过减压成形气体介质而消除。即，只要把成形气体介质进行减压，就能把成形气体介质的大气和氮气等从形成在成形模光学复制面上的微小凹坑处除去，所以玻璃制的衍射光学元件和具有有防止反射结构光学面的玻璃光学元件等，就能使玻璃不粘付在成形模上地可靠地进行复制成形，能高精度且高速地进行成形。
(9)光学元件的成形方法，是在(8)项所述的成形方法中，使用容器罐、把所述容器罐内进行减压的机构和能选择使所述成形室与所述容器罐内连通状态或不连通状态的阀，在压制工序前把所述成形室内减压到小于大气压。
根据本成形方法，由于成形生产节拍非常短，而在减压成形气体介质时又需要时间，所以不能最大限度地发挥其优点。于是，不用真空泵直接进行成形室内的减压，而是将在压制开始前先把容器罐减压，在压制开始时使所述阀动作，通过把容器罐内与成形室内连通而能使成形室内瞬间排气，所以能不影响成形生产节拍地进行减压成形。
(10)光学元件的成形方法，是在(1)～(9)任一项所述的成形方法中，对于所述成形模的内腔，其复制光学元件光学面的光学复制面的表面粗糙度Ra是大于或等于0.3nm且小于或等于30nm。
根据把加热软化的玻璃向成形下模滴下投入并一边冷却玻璃一边进行压制成形的现有液滴成形法，在滴下投入时由于把大气和氮气等气体介质气体卷入而产生存留气体，所以预先把下模的光学复制面用腐蚀性溶液进行粗糙处理而使表面粗糙度Ra为100nm左右。因此，把玻璃利用压制压力向下模的光学复制面上按压时并不能把光学面形状高精度地复制到玻璃上，而是把下模光学复制面的温度设定得非常低，在滴下的玻璃上迅速形成表皮层，把粗糙的下模光学面形状的包络表面复制在玻璃上的成形处理。即现有的液滴成形法并不是把下模的光学复制面的形状和表面粗糙度高精度复制到玻璃上，说是大致复制包络形状，还不如说是不复制表面粗糙度的成形。玻璃表面与成形模接触的粘度高的表皮层，是玻璃少量进入到粗糙的下模光学复制面凸凹中而平缓复制其凹凸的状态下进行固化的，所以在成形的光学元件的光学面上存在有微小而平缓的凹凸。图5是把液滴成形法成形时其成形模光学复制面进行放大表示的剖面图，玻璃材料，即玻璃G的表面上形成的表皮层S进行延伸以连接粗糙的成形模具的光学复制面M顶点。
因此，现有的这种液滴成形法，本来就没有高精度复制下模光学复制面形状的成形条件，由于需要选择不摹写粗糙成形模光学复制面的成形条件，所以成形的光学元件的复制性不一定好，在是高精度光学元件的情况下就招致收获率降低。而且若使用干涉条纹观察成形的光学元件的波阵面性能时，由光学面表面上微小的凹凸而干涉条纹浓度有微观上的偏差，所以产生干涉条纹对比度低的问题。图6是观察由液滴成形法成形的光学元件表面而得到的干涉条纹，了解到其相对后述图7、图8所示由本发明成形方法成形的光学元件干涉条纹来说，其明显地不清晰，且光学特性不好。这种具有不好光学特性的光学元件，是不适合例如在进行高密度信息记录和/或再现的光拾取装置中使用的。
相反，根据本成形方法，把加热软化的玻璃一边进行冷却一边进行成形虽然是相同的，但成形模的光学复制面是光滑的，在玻璃与成形模接触表面的表皮层尽可能薄的阶段，就利用压制成形把玻璃强制地按压在成形模的光学复制面上，所以作为光滑的光学面原样地就复制在光学元件上，也没有微小而平缓的凹凸，即使光透射也不发生光散乱。使用干涉条纹等观察光学元件的透射波阵面时，也能得到清晰且对比度高的干涉条纹同时提高了光学性能。
即不需要为了防止存留气体等而把成形模的光学复制面制成粗糙，没有由该粗糙加工工序引起的光学面形状误差，所以模具加工工序简单且能可靠地得到高精度的光学复制面形状。而且把成形条件调整到把表面粗糙度地可靠复制地进行成形模的光学复制面的复制，所以，成形形状的偏差少，能进行稳定的高精度光学元件的成形。
(11)光学元件的成形方法，是在(1)～(10)任一项所述的成形方法中，把所述成形模内腔接触的气体介质设定成小于或等于1000级别。
本成形方法中，由于玻璃与成形模接触的表面冷却而粘度上升的表皮层，可以说是薄并且是存在的，所以，若在玻璃表面和成形模的光学复制面上有小的灰尘时，则即使压制压力高，也有可能由其夹在玻璃表面与成形模之间的状态，而使灰尘周围的玻璃从成形模的光学复制面离开，成为圆状的凹坑而产生成形不良。图3是在成形模的光学复制面上附着有灰尘的状态下实行本发明成形方法时，把成形模的光学复制面进行放大所示的剖面图，了解到由于在成形模的光学复制面M上附着有灰尘DT，所以，在玻璃材料，即玻璃G的表面上形成的表皮层S就不能贴紧在光学复制面M上，而在灰尘DT的周边产生扩展范围的凹坑C。
该现象相对灰尘的大小是在非常广的范围发生，根据本发明者们的研究了解到，有时即使是仅数μm的灰尘，而圆状凹坑的范围也在大于或等于数10μm。在所述现有的液滴成形法中其把成形模的光学复制面制成粗糙就也具有避免灰尘影响的效果，但在用于成形高精度光学面的本发明的成形方法中，不能利用这点。特别是若在灰尘多的气体介质中实行本发明的成形方法时，则在成形光学面上无数的凹坑产生麻点状，甚至完全不能作为光学面使用(参照图6)。
而提高玻璃材料温度的同时提高成形模光学复制面的温度，使玻璃被加上压制压力而缓慢流动，一边使凹坑崩溃一边侵入到灰尘的周围，最终把灰尘纳入玻璃中，而这种程度小的灰尘能成为对光学完全没有实际损害的状态。图4是把由再加热法成形时的成形模光学复制面进行放大表示的剖面图，表示附着在成形模光学复制面上的灰尘DT，完全纳入到了玻璃G的内部。
把成形模和玻璃同时加热到高温的现有的再加热成形法，确实是利用该现象来避免由灰尘引起的光学面复制不良的。但该成形条件同样发生是再加热成形法重大课题的玻璃向成形模的粘付，所以若把它在本发明的成形方法中进行时，则特意具有的无玻璃粘付且高效率·高可靠性的优点就失去了。
通过提高压制压力虽然能降低由灰尘引起凹坑的产生，但如前所述，在压制工序的后半部使光学面不产生裂纹的压制压力的最高值是小于或等于80N/mm2，所以其降低效果也是有限的。
本发明者们为了充分发挥本发明制造方法的高精度·高效率·高可靠性的优点，其不是改变这种成形条件的方法，而是发现防止成为其原因的灰尘的混入是最有效的并且是根本的。即了解到若把它们所接触的气体介质维持在小于或等于1000级别，以使在投入到成形模上被加热软化的玻璃表面和成形模的光学复制面上没有灰尘混入，则能抑制产生所述凹坑，能不牺牲其生产效率地实现外观品质、光学性能都优良的高精度光学元件。这是在实现本成形方法上非常有效的手段。
(12)光学元件的成形方法，是在(1)～(11)任一项所述的成形方法中，其包围至少包含把所述成形模内腔接触的气体介质进行遮蔽的成形室的空间。
小于或等于1000级别的成形气体介质，是只要把成形室周围的零件很好地洗净并除去灰尘，在成形室上设置罩，通过过滤器对外部大气连通，这是容易实现的。而且，成形室具备所述成形时减压的机构(例如容器罐、泵、阀等)时，由于成形室的气密性开始就非常高，所以，在破坏减压状态时，只要在导入的大气和氮气等气体介质的流路上设置过滤器把灰尘除去便可，所以能非常简单地实现小于或等于1000级别的成形气体介质。
(13)光学元件的成形方法，是在(1)～(12)任一项所述的成形方法中，对所述成形模内腔接触的气体介质进行遮蔽的成形室的周围进行除电。
为了使灰尘不由静电等而被吸近并附着在成形室的周围，使用除电喷嘴等进行除电，作为由灰尘引起的成形光学面的凹坑对策是理想的。在此所说的成形室的周围，是指构成成形机构和成形模、模具零件等成形室的零件，和其接触的气体介质、玻璃的加热机构、玻璃的运送机构等。
(14)光学元件的成形方法，是在(1)～(13)任一项所述的成形方法中，所述成形模具有一对模具部件，其分别具备复制光学元件光学面的光学复制面，在把所述玻璃材料向所述成形模投入时，所述模具部件一侧所具有的光学复制面的温度被设定成比另一侧模具部件所具有的光学复制面的温度高出大于或等于5℃。这样，能把玻璃材料挤入一侧模具部件所具有的光学复制面。
(15)光学元件的成形方法，是在(14)项所述的成形方法中，所述一侧模具部件的光学复制面，具有深度与其有效径的比是大于或等于0.4的凹面。
本成形方法的特点在于一边实现高速度·高效率·高可靠性，一边还能正确复制成形模光学复制面的形状和表面粗糙度，能成形高精度的玻璃光学元件。在使用玻璃的光学元件成形中，作为高精度·高效率成形非常困难的光学元件形状，相对凸光学面的有效径来说其在光学面中心和有效径的光轴上的深度是非常大的，换言之，能举出在成形模的光学复制面上成为非常深凹面的光学面形状。在这种情况下进行压制成形时，由于必须把玻璃向成形模深的光学复制面挤入并使其贴紧在整个光学复制面上，所以需要把压制压力可靠地向玻璃成形面上传递。特别是要把成形模光学复制面的形状和表面粗糙度忠实地复制在玻璃上的情况下，这点是重要的。在此，“光学复制面的有效径”是指与成形的光学元件光学面的有效径对应的径，“光学复制面的深度”是指从光学复制面的有效径位置到光学复制面最深部的光轴方向的距离，其与从成形的光学元件光学面的有效径位置到光学面顶点的光轴方向的距离(图13所示的Δ1、Δ2)是同义的。
实际上，本发明者们通过本成形处理而成形深凹面的结果是把球状的玻璃以Tg×1.80℃的温度进行加热软化，投入到Tg℃的成形模中并马上开始压制时，深凹面光学面的深度相对其光学有效径来说是大于或等于0.4时，仅是上面叙述的玻璃材料温度和模具温度范围的成形条件设定，则在深凹面的中心部(＝最深部)附近发生收缩。具体说就是，仅成形光学面形状中心部分的曲率比成形模光学复制面的形状平缓。若观察由该收缩部分成形的光学面(深凸面)，由于其复制了成形模微细的加工痕迹和损伤等，所以了解到该收缩部分的玻璃是一次就接触了成形模的光学复制面。但认为这是由在压制工序中其他部分的玻璃变形而压制压力没传递到该最深部，因此玻璃没被强制按压在成形模的光学复制面上，所以在玻璃冷却收缩的过程中仅该部分从成形模的光学复制面离开而成为收缩。一般来说，压制成形时在玻璃化转变点附近把玻璃按压在成形模的光学复制面上，对于提高复制性是重要的。
本成形方法为了在上述成形模上把深的凹光学面高精度且高效率地进行成形复制，而把成形模一侧模具部件的光学复制面温度设定成相对地高于与之相对的模具部件光学复制面的温度。这样，在压制开始时，若玻璃与两侧的模具部件接触，则由于与深凹面相对侧的光学复制面其温度更低，所以玻璃的冷却固化进行快而粘度上升，所以该部分由压制而引起的玻璃变形量少而接近于刚体状态，产生把玻璃向深凹面侧挤入的作用，使压制压力也容易向深凹面侧传递。这时，通过把深凹面侧光学复制面的温度与相对的成形模光学复制面的温度差设定成大于或等于5℃，在使把玻璃向深凹面挤入的作用发挥效力之前抑制深凹面侧的玻璃变形，能得到压制压力传递到深凹面前端而通过玻璃粘度高的部分挤入的效果。
本发明者们把具有深凹面光学面的深度相对其光学有效径来说是0.7的非常深的非球面形状光学面的玻璃光学元件，利用本发明成形方法实际进行了成形。玻璃材料温度是Tg×1.75℃，投入到成形模中，把深凹面侧的成形模温度设定成是Tg+5℃，把相对侧成形模的温度设定成是Tg-5℃，投入玻璃后马上开始压制。其结果是，能把没有收缩的光学面形状能够成形到深面前端，对于成形模光学复制面的形状进行了比例收缩率校正，测量成形形状误差的结果是小于或等于50nm PV。而把两成形模光学复制面的温度设定成Tg℃而没有设置温度差进行成形时，仅光学面中心部分的曲率变平缓，相对光学面成形模具形状的误差是350nm PV。
(16)光学元件的成形方法，是在(1)～(15)任一项所述的成形方法中，应成形的光学元件具有凸缘部，压制工序中在形成所述凸缘部的玻璃材料流动方向上，设置规定空间以不妨碍所述玻璃材料的流动。
(17)光学元件的成形方法，是在(1)～(15)任一项所述的成形方法中，应成形的光学元件具有凸缘部，在压制工序中，把形成所述凸缘部的玻璃材料流动进行限制的环状模具部件的导热率设定成小于或等于25W/mK，且设定线膨胀系数比所述玻璃材料小。
(18)光学元件的成形方法，是在(1)～(15)任一项所述的成形方法中，应成形的光学元件具有凸缘部，在压制工序中，把形成所述凸缘部的玻璃材料流动进行限制的环状模具部件进行加热。
(19)光学元件的成形方法，是在(1)～(18)任一项所述的成形方法中，应成形的光学元件具有凸缘部，把所述凸缘部的直径尺寸设定成小于或等于所述光学元件光学面最大有效径的1.2倍，把其厚度设定成大于或等于光学面最大有效径的0.2倍。
根据本成形方法，把加热软化的玻璃投入到比其温度低的成形模中后，一边迅速进行压制成形一边使其冷却固化，就能高速并高稳定地成形高精度的玻璃光学元件，但实际上如上所述，玻璃温度在到Tg附近把其按压在成形模的光学复制面上，对于提高成形复制性是重要的。通过满足这点就能有效抑制发生收缩等光学面形状容易恶化的现象。
玻璃制的光学元件通常具有被叫做凸缘部，其用于相对光轴方向而固定光学元件，并具有在光学有效径的外侧与光轴垂直的面的薄的突出部分。由该凸缘部成形时处理的不同而能分类成两种成形方法，一种是压制时把该凸缘部的侧面(是与光轴并行的平面或曲面)与光学面同时成形，是所谓的填充成形，还有一种是把凸缘部的侧面进行压制时使玻璃自由流动而不限制，成形成比需要的凸缘径大，通过后加工切除去外周而得到希望的凸缘径，是所谓的溢出成形。
本成形方法原则上是把成形模的光学面形状和表面粗糙度正确并高精度进行复制的方法，所以基本是填充成形，但对于凸缘径比光学面的有效径大很多的光学元件形状来说，填充成形有时产生以下的不好情况。
若看一下凸缘部在压制成形时与成形模的关系，则是与光轴垂直安装的基准面和其里面，一般是用具有相对光学复制面的成形模零件进行压制成形的。因此，在比玻璃温度低的成形模中从薄且体积不那样大的凸缘部的正反面开始被冷却，该部分即使在溢出成形中也是被急速进行冷却固化。在填充成形的情况下，凸缘部的侧面也是与环状模具零件接触而被冷却的，所以凸缘部是通过成形模和环状模具零件而从3面进行冷却的，其比其他部分的玻璃以更快的时间冷却固化。在此，若凸缘部的径大，则与成形模的接触面在正反面上扩展，所以更容易急速冷却固化。
若凸缘部的玻璃温度降低而粘度急速上升，则压制力在该凸缘部受阻挡，产生压制行程几乎不进行的状态。若成为该状态，则压制力完全传递不到玻璃的光学复制面上，别说是收缩，连玻璃接触不到成形模光学复制面上的现象也发生，成形复制性急剧恶化。
在此，重要的点是想使被加热软化玻璃的凸缘部的冷却固化不比其他的部分非常快地进展。这样，就能使足够的压制力也传递到光学复制面的玻璃上，以按压在成形模上的状态保持到玻璃化转变点Tg，能使成形复制性不恶化。下述的这些方法，可以分别单独进行，但通过把它们组合就能得到更大的效果。
1)在形成凸缘部的玻璃材料流动方向上设置不妨碍所述玻璃材料流动的规定的空间，进行溢出成形。如前所述，在溢出成形中凸缘部的侧面是自由流动的，所以不与成形模零件接触而保持成形气体介质的气体和减压状态的隔热性高的状态，所以比填充成形有降低凸缘部冷却速度的效果。图11表示了在形成凸缘部的玻璃材料流动方向上设置不妨碍玻璃材料流动的规定的空间，能进行溢出成形的成形模的概略结构。图11中，模具部件上模1具有光学复制面1a和其周围的周围面部1b，模具部件下模3具有光学复制面3a和其周围的周围面部3b。成形时，玻璃材料即玻璃G的被周围面部1b、3b夹住的部分，在半径方向外侧无接触，不阻碍流动，所以冷却速度降低。
2)填充成形时把成形凸缘部侧面的环状模具部件用导热率小且线膨胀系数比玻璃材料小的材料制作。这样，在压制成形中向径方向扩展的玻璃即使接触到环状模具部件，也由于其比一般的零件材料导热率差而冷却难于进行，在该部分就能抑制玻璃的冷却固化。一般的成形模材料是超硬(导热率70W/mK)和炭化硅(导热率90W/mK)的，所以与这些材料相比为了发挥大的隔热效果，最好是其该数分之一到十分之一左右的导热率，最好是小于或等于25w/mK。图10是表示与成形模一起使用的环状模具零件剖面的图。图10(a)所示的例是为了嵌合模具部件上模1和下模3的外周而配置小于或等于25W/mK的环状模具零件RG，图10(b)所示的例是在与模具部件上模1和下模3的周围面部1b、3b接触的位置上，配置环状模具零件RG的例。
环状模具零件材料的线膨胀系数若不比玻璃材料的线膨胀系数小，则其由冷却收缩而过于夹紧特意成形的玻璃制光学元件的凸缘，使光学元件破损或环状模具零件不能脱离。因此，最好环状模具零件的导热率是小于或等于25W/mK，且线膨胀系数比玻璃材料小。
3)加热环状模具零件。通过该加热，能提高成形模凸缘部的温度，并降低凸缘部玻璃的冷却速度。这在溢出成形时、填充成形时都可。溢出成形中凸缘部的玻璃由压制成形而自由流动，即使设置了环状模具零件也达不到该处而不接触。在填充成形中，流动的玻璃达到环状模具零件而被限制，并因此成形为凸缘部的侧面。在玻璃直接接触环状模具零件的填充成形中，通过加热环状模具零件能降低凸缘部玻璃的冷却速度。作为加热这些环状模具零件的温度，最好是比其温度过高而玻璃材料固化不能进行的温度低的温度，是比成形模温度稍微高出5～20℃程度的温度。图12表示了与成形模一起使用的环状模具零件的剖面。在环状模具零件RG的外周上配置有能加热的加热器H。也可以如图10(b)所示，在与上模1和下模3的周围面部1b、3b接触的位置上，配置环状模具零件RG。
4)减小成形的光学元件凸缘部的直径尺寸，把从更大侧的光学面有效径设定成不大溢出。通过该尺寸调整能减少凸缘部正反面的面积，所以能减少模具接触面积。而且通过加厚凸缘部的厚度而增加热容量，使其与热容量大的透镜本体接近于一体，所以容易从这里供给热。通过采取这些结构就能降低压制中凸缘部的冷却固化速度。因此，提高了成形复制性。图13表示了光学元件一例的剖面图。光学元件OE具有光学面S1、S2和凸缘部FL。凸缘部FL的外周径是f，凸缘部的厚度是Δf，光学面S1的有效径是1，光学面S2的有效径是2。在此，所说的“光学面有效径”是指在光学面上具有实际透射、反射和衍射光的光学效果，对光学元件本来目的起作用的区域。
把凸缘部的直径尺寸和厚度设定成何种程度才好，本发明者们把光学面有效径大的光学面有效径(光学面的最大有效径)是2.4mm的双凸光学元件，把凸缘部的厚度设定为0.4mm并且是一定的，改变直径尺寸而用本发明的成形方法进行成形的结果是，有时在凸缘径3.6～3.1mm处压制行程没达到最终值，而由凸缘部的固化使压制力被阻挡。把凸缘径设定成小于或等于3.0mm的结果是，能容易达到规定的压制行程。但考虑到成形的稳定性而再稍微取些余量，把凸缘径设定成2.9mm左右便可。考虑到随成形的玻璃制光学元件的大小和形态不同，该数字也变化，但从以上推测，凸缘部的径相对光学面有效径来说大概是小于或等于1.2倍时，则凸缘部的冷却固化速度不过快。且凸缘厚度在这时也是0.4mm，考虑到随玻璃制光学元件的大小和形态不同而变化，只要相对光学面的有效径来说大概是大于或等于0.2倍便可。
如上，通过限制玻璃光学元件凸缘部的尺寸，能降低压制成形中凸缘部的冷却速度，容易高精度实现玻璃光学元件的成形。若是填充成形，作为后加工不需要找外周心加工，更理想。
(20)光学元件，是通过(1)～(19)任一项所述的成形方法而成形的光学元件，在所述光学元件的光学面上形成有以光轴为中心的环带结构。
(21)光学元件，是在(20)项所述的光学元件中，所述环带结构是给予光程差结构。
(22)光学元件，是在(21)项所述的光学元件中，所述环带结构是光轴方向断面是锯齿状的炫耀型衍射结构。
(23)光学元件，是在(21)项所述的光学元件中，所述环带结构是光轴方向断面是台阶状的衍射结构。
(24)光学元件，是在(21)～(23)任一项所述的光学元件中，所述环带结构具有校正由对所述光学元件照射光的光源波长变化而引起的所述光学元件像差变化的功能。
(25)光学元件，是在(21)～(24)任一项所述的光学元件中，所述环带结构具有校正由所述光学元件温度变化而引起的像差变化的功能。
(26)光学元件，是通过(1)～(19)任一项所述的成形方法而成形的光学元件，为了所述光学元件的光学面上复制成形多个突起或凹坑，而在所述光学元件用成形模具成形复制面上形成对应的凹坑或突起。
(27)光学元件，是在(26)项所述的光学元件中，所述光学元件光学面上的突起或凹坑，形成等价折射率区域的微细结构。
(28)光学元件，是在(26)或(27)项所述的光学元件中，所述光学元件光学面上的突起或凹坑，形成产生防止反射效果的微细结构。
(29)光学元件，是在(26)～(28)任一项所述的光学元件中，所述光学元件光学面上的突起或凹坑，形成产生结构双折射的微细结构。
(30)光学元件，是在(26)～(29)任一项所述的光学元件中，所述光学元件光学面上的突起或凹坑，形成共鸣区域的微细结构。
(31)光学元件，是在(26)～(30)任一项所述的光学元件中，所述光学元件光学面上的突起或凹坑，存在于该光学面的一部分上，为了复制形成该光学面而在所述成形复制面的一部分上存在有对应的凹坑或突起。
(32)光学元件，是在(26)～(31)任一项所述的光学元件中，在所述光学元件光学面的一部分上，至少存在有具有多个形状或配置图形的突起或凹坑，为了复制形成该光学面，而在所述光学面复制面的一部分上至少存在有对应的多个形状或配置图形的凹坑或突起。
图14是把光学元件的光学面例放大表示的立体图。图14(a)是在透镜的光学面上作为多个突起的例而把微细的圆筒C以矩阵状形成多个的结构(等价折射率区域微细结构的例)。例如把该物镜作为DVD记录/再现用光拾取装置的物镜使用时，透射透镜的光是接近650nm。若把微细的圆筒C的间隔Δ设定为是160nm时，则向该物镜射入的光几乎不反射，能提供光透射率非常高的物镜。
图14(b)是在透镜的光学面上作为多个突起的例而以间隔Δ形成隔离的多个微细的三角锥T，能起到与图14(a)同样的效果。作为该间隔Δ理想的是，若小于或等于0.1～0.2μm，则降低散射。图14(c)是在透镜的光学面上作为多个突起的例而以间隔Δ形成隔离的多个凸片F(结构双折射微细结构的例)。凸片F的长度比透射光的波长长(在上述例中是大于或等于650nm)。具备该结构的透镜有使沿凸片F方向具有振动面的光透射，而使与凸片F交叉方向的光不透射的所谓偏振光效果。图14(d)是在透镜的光学面上作为以光轴为中心的环带结构的例，而光轴方向断面形成锯齿状的炫耀型衍射环带D。关于衍射环带D，例如在特开2001-195769号公报中对根据其形状的效果，即色差校正和温度校正，有详细的叙述，所以以下省略说明。作为其之外的环带结构，也可形成NPS(具有给予相位差功能的结构)、DOE(具有选择波长衍射功能的结构)等。图14(a)～图14(c)是为了简单而把在平面上设置这些突起的例进行了表示，但也可以把其底面作为球面和非球面等具有适当曲率的曲面，而在其曲面上设置。
作为本说明书中使用的光学元件，例如有透镜、棱镜、衍射光栅光学零件(衍射透镜、衍射棱镜、衍射板)、光学滤波器(空间低通滤波器、波长带通滤波器、波长低通滤波器、波长高通滤波器等等)、偏振光滤波器(检偏振器，旋光子、偏振光分离棱镜等等)、相位滤波器(相位板、全息照相等等)等，但并不限定于以上这些。
本说明书中使用的衍射结构(衍射环带)，是指在光学元件(例如透镜)的光学面表面上，设置作为以光轴为中心的大致同心圆状的环带而形成的起伏，具有利用衍射而使光束聚光或发散作用的衍射面。例如知道有在包含光轴的平面上看其断面时各环带是锯齿形状的，这种形状包含在内。衍射环带也叫做衍射槽。
最佳实施例
以下使用附图来说明本发明的实施例。图9是实施本实施例光学元件成形方法的成形装置概略结构图。内藏有加热器H的上模1在其下面具有光学复制面1a和其周围的周围面部1b，其安装在筐体2的上部。同样地，内藏有加热器H的下模3在其上面具有光学复制面3a和其周围的周围面部3b，其与上模1相对配置。光学复制面1a、3a的表面粗糙度Ra是大于或等于0.3nm小于或等于30nm。
下模3安装在驱动部4上，保持能在接近上模1的方向上移动。驱动部4与筐体2由波纹管5连接。由一对模具部件，即上模1和下模3来构成成形模。上模1和下模3的表面温度能由未图示的温度计进行测量。也可以如图10、图12所示那样在上模1和下模3的周围设置环状模具零件。
筐体2具有能自由开闭的运入门2a和运出门2b，筐体2的内部成为成形室。筐体2通过配管C和阀V与容器罐T连接。容器罐T由真空泵P进行减压。阀V是三通的，移动到第一位置时，使筐体2内与容器罐T连通，移动到第二位置时，使筐体2内与大气通过0.5微米网眼的滤清器F连通。成形装置整体也可以收容在由装有玻璃的框架覆盖的无尘室R内，但若把成形装置整体用无尘室R覆盖，则灰尘的发生源增加而除尘的效果降低。至少把筐体2(或再加上未图示的运送装置)用遮蔽体R′包围，则能容易把其内部变成小于或等于级别1000。而且成形装置的周围最好是进行除电。
下面说明使用本实施例的成形装置进行的光学元件的成形方法。首先准备100公升的容器罐T，把其内部用真空泵P减压到经常是0.01气压左右。然后在成形室的外侧加热玻璃材料G。在此，说明的是把玻璃化转变点Tg＝390℃的磷酸系玻璃作为玻璃材料G使用的例。若使用特开2004-51291号公报中所述的运送装置，则能把加热和运送并行进行，所以是方便的。与之并行，通过加热器H把上模1和下模3进行加热。
利用未图示的运送装置把玻璃材料G的温度加热软化到对于其玻璃化转变点Tg是相当于Tg×1.79的700℃(加热玻璃材料工序)。另一方面，由加热器H把上模1的表面温度加热到玻璃化转变点Tg+20℃(即410℃)，且由加热器H把下模3的表面温度加热到玻璃化转变点Tg(即390℃)(成形模加热工序)。对于玻璃材料G和上模1和下模3的温度，能在发明方案的范围选择任意的值。
在各部分成为上述温度时，打开筐体2的运入门2a，把玻璃材料G从运送装置(未图示)投入到下模3的光学复制面(内腔)3a上。
投入后，马上把运送装置从成形室退出，关闭运入门2a，把阀V移动到第一位置。这样，筐体2成形室内的气体介质瞬时就被向容器罐T吸引，而成为接近真空的状态。从本发明者们的实验了解到，在约0.2秒内就能把成形气体介质减压到0.05气压程度，并能维持其不变。
从该状态驱动驱动部4，使下模3接近上模1，进行压制(压制工序)。从把玻璃材料G投入到成形模的内腔到开始压制，这时间是0.5秒。作为施加压制力的一例，在压制开始后0.5秒以内一下子加上400N(57.5N/mm2)，把软化的玻璃材料G一下子按压在光学复制面1a、3a上，从压制开始，1秒后是250N(32.5N/mm2)、2秒后是200N(26N/mm2)、3秒后是150N(21N/mm2)，直到压制完了的10秒后，能维持该压制力。压制力和压制时间，能在发明方案的范围选择任意的值。
然后，驱动驱动部4，把下模3从上模1拉开。在该时刻把阀V移动到第二位置，通过滤清器F把大气导入到筐体2内。从本发明者们的实验了解到，导入大气所需要的时间是1秒左右。接着打开运出门2b，通过未图示的运出装置把成形的光学元件取出。以上就完成了成形的一个循环。
本发明者们以上述例的压制力和压制时间，实际进行了光学元件的成形并得到光学元件。该光学元件是NA0.85次世代光盘用物镜，其外周直径是3.0mm，向压制轴方向投影的面积是7.07mm2，下模光学复制面的有效径比上模光学复制面的有效径大，成形模上模侧光学复制面的最大法线角是10°左右的较浅，而下模的光学复制面是66°非常深，该面的有效径(最大有效径)是2.5mm，其与从光学面中心到有效径的深度的比是0.44。凸缘部的直径尺寸(＝外径)是3.0mm，所以其对光学面有效径的比是1.2。凸缘部的厚度是0.57mm，其对光学面有效径的比是约0.23。根据该形状，其是缩小凸缘部的体积而放慢固化速度的光学元件形状。光学复制面的形状精度是小于或等于50mmPV，被精加工成表面粗糙度Ra是2nm，并进行了防止超硬氧化的保护涂层。在填充成形中使用的形成凸缘部侧面的环状模具零件，是使用比玻璃的线膨胀系数130×10-7小，且导热率也比模具材料，即超硬(70W/mK)小很多的氮化硅(线膨胀系数35×10-7，导热率22w/mK)，利用凸缘部的隔热来降低固化速度。
以407.5nm的光源波长观察了成形的光学元件的波像差。其干涉条纹表示在图7。作为波像差，其整体是38.4mλrms、球差成分是32.5mλ、彗差成分是1.7mλ、像散成分是10.5mλ。在外周部干涉条纹弯曲是由成形模加工误差所致，由灰尘引起的凹坑也完全没发现，了解到通过本发明，能把模具的形状和表面粗糙度忠实地，且高速地进行复制成形。
而且本发明者们把成形模内腔接触的气体介质设定为是100000级别的成形气体介质，实施与上述相同的成形方法，得到光学元件。以407.5nm的光源波长利用干涉观察了其波像差。其干涉条纹表示在图8。与图7所示的干涉条纹进行比较，则了解到在光学元件的表面上有灰尘影响的多个凹坑。
表1表示了本发明者变更向成形模投入时的玻璃材料温度与当时成形模温度(成形模光学复制面的表面温度)的组合，而进行压制成形的实验结果。
[表1]
  玻璃材料温度(℃)   成形模温度(℃)   光学元件的质量   光学元件的分型性   光学面的复制性
  Tg×1.57   Tg-68   ○   ○   ×
  Tg×1.57   Tg-30   ○   ○   ×
  Tg×1.57   Tg   ○   △   ×
  Tg×1.57   Tg+47   ○   ×   ×
  Tg×1.61   Tg-73   ○   ○   ×
  Tg×1.61   Tg-68   ○   ○   △
  Tg×1.61   Tg-30   ○   ○   ○
  Tg×1.61   Tg   ○   △   ○
  Tg×1.61   Tg+47   ○   △   ○
  Tg×1.61   Tg+55   ○   ×   ×
  Tg×1.70   Tg-73   ○   ○   ×
  Tg×1.70   Tg-68   ○   ○   ○
  Tg×1.70   Tg-30   ○   ◎   ○
  Tg×1.70   Tg   ○   ◎   ○
  Tg×1.70   Tg+47   ○   △   ○
  Tg×1.70   Tg+55   ○   ×   △
  Tg×1.85   Tg-73   ○   ○   ×
  Tg×1.85   Tg-68   ○   ○   ○
  Tg×1.85   Tg-30   ○   ◎   ○
  Tg×1.85   Tg   ○   ◎   ○
  Tg×1.85   Tg+47   ○   ○   ○
  Tg×1.85   Tg+55   ○   ×   △
  Tg×1.88   Tg-68   ×   ○   △
  Tg×1.88   Tg   ×   ×   △
  Tg×1.88   Tg+47   ×   ×   △
表1中，“光学元件的质量”是用目测评价成形的光学元件的外观质量，是若没确认产生了玻璃材料的白浊、灰尘状的结晶粒、气泡，则是B，若确认了，则是D的两级评价。
“光学元件的分型性”表示的是成形的光学元件是否容易从成形模的光学复制面上分开。压制成形后，光学元件与成形模能有以下的四种状态。(1)熔接(光学元件贴紧在光学复制面上而不能剥离的状态)(2)强贴紧(光学元件贴紧在光学复制面上，但使用真空吸附夹具等能把其从光学复制面上强制地剥离的状态，但强制地把光学元件剥离后，其有微小的一部分残留在光学复制面上)(3)弱贴紧(开模后光学元件贴在光学复制面上，但在10秒以内能从光学复制面上自然剥离的状态。光学元件剥离后，其也有微小的一部分残留在光学复制面上)(4)不贴紧(开模后，光学元件马上就从光学复制面上自然地剥离的状态)。表1中，是用D表示的“熔接”情况时，则需要把成形模卸下来，洗净光学复制面，把残留的光学元件除掉，同表中是用C表示的“强贴紧”和用B表示的“弱贴紧”和用A表示的“不贴紧”的情况时，则能暂且不进行洗净等的维修保养而继续进行压制工序。
“光学面的复制性”是表示复制的光学面的形状是否正确，把成形的光学元件的光学面使用太拉霍布松(テ一ラ一ホブソン)社制的佛姆特利萨福(フオ一ムタリサ一フ)(商品名)等形状检测器检测了形状精度。在表1中，把与光学复制面的误差小于或等于100nmPV的情况设定为是B、把误差超过100nmPV而小于或等于300nmPV的情况设定为是C、把误差超过300nmPV的情况设定为是D。为了成形高精度的光学元件，就需要把其光学面对光学复制面的误差抑制到小于或等于100nmPV。
考察表1的实验结果，在向成形模投入时的玻璃材料的温度，对于其玻璃化转变点Tg是Tg×1.60～Tg×1.85℃的范围，且把玻璃材料投入时的成形模光学复制面的温度，是在所述玻璃化转变点(Tg+50)～(Tg-70)℃的范围时，“光学元件的质量”、“光学元件的分型性”、“光学面的复制性”都能得到大于或等于B的高的评价。
在向成形模投入时的玻璃材料的温度，对于其玻璃化转变点Tg是Tg×1.70～Tg×1.85℃的范围，且把玻璃材料投入时的成形模光学复制面的温度，是在所述玻璃化转变点Tg～(Tg-30)℃的范围时，“光学元件的分型性”能得到A的最高评价。图1中仅“光学元件的分型性”的评价结果是在把成形模温度取成纵轴，把玻璃材料温度取成横轴表示的图上进行绘图的。图2把本发明光学元件成形方法的实际时间与其他成形方法的实际时间进行了比较表示。
根据本发明，能缩短成形生产节拍，可提供把高精度玻璃光学元件能以高可靠性和收获率进行成形的光学元件的成形方法以及光学元件。

Claims (31)

1、一种光学元件成形方法，其特征在于，是通过使用成形模把玻璃的玻璃材料进行压制而进行光学元件成形，
其包括：在成形模的内腔外把玻璃材料加热软化的工序；
加热所述成形模的工序；
把所述玻璃材料投入到所述成形模内腔中并使用所述成形模进行压制的工序，
向所述成形模投入时的所述玻璃材料的温度，是在对其玻璃化转变点Tg是Tg×1.60～Tg×1.85℃的范围，且把所述玻璃材料投入时的所述成形模的光学复制面温度，是在所述玻璃化转变点(Tg+50)～(Tg-70)℃的范围。
2、如权利要求1所述的光学元件成形方法，其特征在于，把加热软化的所述玻璃材料向所述成形模的内腔投入配置之后，在3秒以内开始进行压制。
3、如权利要求1所述的光学元件成形方法，其特征在于，所述成形模具有压制所述玻璃材料的一对模具部件，从压制开始到规定行程这完成压制的时间是在15秒以内。
4、如权利要求1～3任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，在从压制开始至少3秒后，把所述成形模的平均压制压力调整到小于或等于80N/mm2的范围。
5、如权利要求4所述的光学元件成形方法，其特征在于，把压制工序终了时刻的所述成形模的平均压制压力调整到大于或等于10N/mm2。
6、如权利要求1～5任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，在从压制开始到3秒之间，把所述成形模的平均压制压力一下子调整到50N/mm2～250N/mm2的范围。
7、如权利要求1～6任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，在从压制开始到3秒之间，把所述成形模的平均压制压力一下子调整到压制工序的最高值，然后在进行压制的同时把其连续或不连续地切换成低压力。
8、如权利要求1～7任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，把所述玻璃材料和所述成形模内腔接触的气体介质在进行压制工序时形成能遮蔽的成形室，在压制工序中把所述成形室内减压到小于大气压。
9、如权利要求8所述的光学元件成形方法，其特征在于，使用容器罐、把所述容器罐内进行减压的机构和能选择使所述成形室与所述容器罐内连通状态或不连通状态的阀，在压制工序前把所述成形室内减压到小于大气压。
10、如权利要求1～9任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，对于所述成形模的内腔，其复制光学元件光学面的光学复制面的表面粗糙度Ra是大于或等于0.3nm且小于或等于30nm。
11、如权利要求1～10任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，把所述成形模内腔接触的气体介质设定成小于或等于1000级别。
12、如权利要求1～11任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，其包围至少包含把所述成形模内腔接触的气体介质进行遮蔽的成形室的空间。
13、如权利要求1～12任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，把所述成形模内腔接触的气体介质进行遮蔽的成形室的周围进行除电。
14、如权利要求1～13任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，所述成形模具有一对模具部件，其分别具备复制光学元件光学面的光学复制面，在把所述玻璃材料向所述成形模投入时，所述模具部件一侧所具有的光学复制面的温度被设定成比另一侧模具部件所具有的光学复制面的温度高大于或等于5℃。
15、如权利要求14所述的光学元件成形方法，其特征在于，所述一侧模具部件的光学复制面具有深度与其有效径的比是大于或等于0.4的凹面。
16、如权利要求1～15任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，应成形的光学元件具有凸缘部，在压制工序中在形成所述凸缘部的玻璃材料流动方向上，设置规定空间以不妨碍所述玻璃材料的流动。
17、如权利要求1～15任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，应成形的光学元件具有凸缘部，压制工序中把形成所述凸缘部的所述玻璃材料流动进行限制的环状模具部件的导热率设定成小于或等于25W/mK，且设定线膨胀系数比所述玻璃材料小。
18、如权利要求1～15任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，应成形的光学元件具有凸缘部，在压制工序中把形成所述凸缘部的玻璃材料流动进行限制的环状模具部件进行加热。
19、如权利要求1～18任一项所述的光学元件成形方法，其特征在于，应成形的光学元件具有凸缘部，把所述凸缘部的直径尺寸设定成小于或等于所述光学元件光学面最大有效径的1.2倍，把其厚度设定成大于或等于光学面最大有效径的0.2倍。
20、一种光学元件，其特征在于，其是通过权利要求1～19任一项所述的成形方法而成形的光学元件，在所述光学元件的光学面上形成有以光轴为中心的环带结构。
21、如权利要求20所述的光学元件，其特征在于，所述环带结构是给予光程差结构。
22、如权利要求21所述的光学元件，其特征在于，所述环带结构是光轴方向断面是锯齿状的炫耀型衍射结构。
23、如权利要求21所述的光学元件，其特征在于，所述环带结构是光轴方向断面是台阶状的衍射结构。
24、如权利要求21～23任一项所述的光学元件，其特征在于，所述环带结构具有校正由对所述光学元件照射光的光源波长变化而引起的所述光学元件像差变化的功能。
25、如权利要求21～24任一项所述的光学元件，其特征在于，所述环带结构具有校正由所述光学元件温度变化而引起的像差变化的功能。
26、一种光学元件，其特征在于，其是通过权利要求1～19任一项所述的成形方法而成形的光学元件，为了在所述光学元件的光学面上复制成形多个突起或凹坑，而在所述光学元件用成形模具成形复制面上形成对应的凹坑或突起。
27、如权利要求26所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件光学面上的突起或凹坑，形成等价折射率区域的微细结构。
28、如权利要求26或27所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件光学面上的突起或凹坑，形成产生防止反射效果的微细结构。
29、如权利要求26～28任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件光学面上的突起或凹坑，形成产生结构双折射的微细结构。
30、如权利要求26～29任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件光学面上的突起或凹坑，形成共鸣区域的微细结构。
31、如权利要求26～30任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件光学面上的突起或凹坑，存在于该光学面的一部分上，为了复制形成该光学面而在所述成形复制面的一部分上存在有对应的凹坑或突起。
32、如权利要求26～31任一项所述的光学元件，其特征在于，在所述光学元件光学面的一部分上，至少存在有具有多个形状或配置图形的突起或凹坑，为了复制形成该光学面，而在所述光学面复制面的一部分上至少存在有对应的多个形状或配置图形的凹坑或突起。
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