JP2001322830A - ガラス光学素子のプレス成形方法およびそれにより成形したガラス光学素子 - Google Patents

ガラス光学素子のプレス成形方法およびそれにより成形したガラス光学素子

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JP2001322830A JP2000135135A JP2000135135A JP2001322830A JP 2001322830 A JP2001322830 A JP 2001322830A JP 2000135135 A JP2000135135 A JP 2000135135A JP 2000135135 A JP2000135135 A JP 2000135135A JP 2001322830 A JP2001322830 A JP 2001322830A
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glass optical
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Masaki Omori
正樹 大森
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    • C03B11/00Pressing molten glass or performed glass reheated to equivalent low viscosity without blowing
    • C03B11/06Construction of plunger or mould
    • C03B11/08Construction of plunger or mould for making solid articles, e.g. lenses
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    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2215/00Press-moulding glass
    • C03B2215/40Product characteristics
    • C03B2215/41Profiled surfaces
    • C03B2215/412Profiled surfaces fine structured, e.g. fresnel lenses, prismatic reflectors, other sharp-edged surface profiles
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Re-Forming, After-Treatment, Cutting And Transporting Of Glass Products (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形型の成形面への濡れ性を向上させ、溝深
さが深いところへのガラスの充填を可能とし、転写性を
確保するガラス光学素子の成形方法を提供する。 【解決手段】 上下一対の型部材を具備する成形型によ
り、その光学機能面に10μm以下の溝深さである微細
パターンを有する光学素子を、プレス成形する方法にお
いて、隣酸(P2 5 )の含有率がモル比で20%以上
である隣酸系ガラスを、成形用ガラス素材として用いる
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、回折格子
やフレネルレンズ、光ディスク基板などの、微細パター
ンを光学機能面に有する、高精度なガラス光学素子のプ
レス成形方法およびそれにより成形したガラス光学素子
に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、研磨工程を経ずに、型部材の光学
有効成形面(以下、成形面と称す)が所定の表面精度を
有する成形用型内に、光学素子材料を収容して、プレス
成形することにより、光学機器などに使用されるガラス
レンズを製造する方法が提唱された。この方法は、例え
ば、特公昭61−32263号公報に記載されている。
また、光学機能面に微細パターンを有するガラス光学素
子のプレス成形方法については、特公平5−73700
号公報に記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来例
では、微細パターンを有する光学素子をプレス形成する
場合、図5の(b)に示すように、光学機能面における
微細パターンの溝深さ/溝幅比が0.5以上になると、
溝の底面迄、転写できず、所要の微細パターン形状が正
確に形成できなくなる。なお、ここで、微細パターンと
は、0.01μm以上10μm以下のオーダーを持つ凹
凸形状を意味するものとする。即ち、例えば、図6に示
すようなフレネルレンズ(ガラス成形品A)や、図7に
示すような回折格子(ガラス成形品A)などの光学機能
面についての微細パターンである。
【0004】このような微細パターンを有するガラス光
学素子のプレス成形では、上記従来例、特公平5−73
700号公報に示されているように、幅:0.8μm、
深さ:0.1μmの溝であれば、ホウ珪酸ガラスでも転
写が可能であるが溝が深くなり、0.4μm以上(溝深
/溝幅比が0.5以上)になると転写しなくなる。
【0005】この原因の一つは、微細パターン溝部に雰
囲気ガスが閉じ込められるため、その部分の内圧が上が
って、ガラスが充填されず、転写しなくなることであ
る。しかし、真空中(例えば、1Pa)で、プレス成形
しても、溝深/溝幅比が0.5以上になると、矢張り、
充填、転写しなくなる。これは、成形面へのガラスの濡
れ性が悪く、深くまで充填しないためであり、特に、溝
幅が2μm以下になると、それが顕著となる。
【0006】そこで、ガラス材料として隣酸系ガラスを
用いると、その他の組成系のガラスと比べ飛躍的に濡れ
性がよくなるため、溝深/溝幅比が0.5以上でも充
填、転写可能となる。
【0007】このように、ガラスの濡れ性が良くなる
と、微細パターンの転写性は、上記理由で良くなるが、
濡れ性が良いということは、付着仕事が大きくなること
であり、逆に、離型性が悪くなり、成形品が冷却時にワ
レたり、型へ融着したりすることになる。そこで、成形
面での離型性の良い炭素系の型部材や貴金属系の型部材
を用いることが考慮されている。
【0008】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
ので、その第1の目的は、成形型の成形面への濡れ性を
向上させ、溝深さが深いところへのガラスの充填を可能
とし、転写性を確保するガラス光学素子の成形方法を提
供することにある。
【0009】また、本発明の第2の目的は、上述の転写
性向上に加えて、離型性を向上させて、ワレや融着を防
止するガラス光学素子の成形方法を提供することにあ
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】このため、本発明では、
上下一対の型部材を具備する成形型により、その光学機
能面に10μm以下の溝深さである微細パターンを有す
る光学素子を、プレス成形する方法において、隣酸(P
2 5 )の含有率がモル比で20%以上である隣酸系ガ
ラスを、成形用ガラス素材として用いることを特徴とす
る。
【0011】この場合、本発明の実施の形態として、前
記光学機能面に転写する前記型部材の成形面には、i−
C、硬質炭素膜、あるいは、水素化アモルファス炭素膜
を用いること、また、前記型部材の型材として、Pt,
Pd,Ir,Os,Ru,Re,W,Taの内、一種以
上を含む貴金属合金を用いることが有効である。
【0012】
【発明の実施の形態】(第1の実施の形態)図1は本発
明に係わるガラス光学素子成形方法の第1の実施の形態
を示すものである。図1の(a)において、符号1,2
は型母材であり、符号3,4は、その上にコーティング
されたTiN膜、更に、符号5,6は、更にその上にコ
ーティングされたi−C膜、符号7は円板状のガラス素
材である。
【0013】この実施の形態では、上述の型母材1,2
に超硬合金を用い、これを平面に研磨し、表面粗さをR
maxで10nm、RMSで2nmとした。更に、下型
の母材1の成形面には、フォトリソ法により、図1の
(b)に拡大して示すような、微細パターン1aを、中
心から直径:φ10mmの領域だけ、形成した。この型
母材1,2の成形面には、スパッタ法により、TiN
3,4を、0.2μmの厚さで、コーティングし、ま
た、イオンビーム法により、i−C膜5,6を、40n
mの厚さで形成した。なお、ガラス素材7として、その
形状が、直径:φ12mm、厚み:2.5mmの円板と
なるものを採用する。また、その組成を、表1に示す隣
酸系ガラスとした。
【0014】
【表1】
【0015】しかして、ガラスのプレス成形に際して
は、これらを加熱装置(図示せず)を用いて、不活性雰
囲気、例えば、N2 ガス中で、585℃(ガラスの粘度
で10 9 dPa・sに相当)に加熱し、図1の(c)に
示すように、ガラスの厚みが2mmになるように、24
50Nの荷重を60秒間負荷した。
【0016】その後、ガラス成形品を525℃(ガラス
の粘度で1012dPa・sに相当)まで、40℃/mi
nの冷却速度で冷却して、図1の(d)に示すように、
上型を上昇させ、更に、ガラス成形品を、450℃まで
80℃/minの冷却速度で冷却して、成形型から取出
した。
【0017】成形されたガラス成形品には、ワレやクラ
ックもなく、成形型への融着もなかった。また、成形品
の下面における微細パターン転写部は、図1の(e)の
ように、成形型の成形面に形成された溝深を、そのま
ま、転写していた。なお、図1の(b)の、符号8で示
す部位において形成されるガラスのエッヂ部は、曲率半
径:R=0.05μm以下になっており、転写性も良好
であった。
【0018】(比較例1)本発明の第1の実施の形態と
の比較のために、そのガラス材料に、表2に示すホウ珪
酸ガラスを用いた以外は、全て同じ条件(温度条件は、
粘度が同じになるように変更)でプレス成形したとこ
ろ、成形されたガラス成形品は、図2の(a)に示すよ
うに、その微細パターンが、0.3μmまでしか転写さ
れず、エッヂ部もだれていた。
【0019】
【表2】
【0020】(比較例2)ここでは、比較例1と同じガ
ラス素材を用いて、真空中(1Pa)で成形を行った。
その他は、本発明の第1の実施の形態と同じ条件で、プ
レス成形したところ、成形されたガラス成形品は、図2
の(b)に示すように、その微細パターンが、0.4μ
mまでしか転写されず、エッヂ部もだれていた。
【0021】(比較例3)ここでは、第1の実施の形態
とは、下型にi−Cをコーティングしない(TiNのま
ま)以外、全て同じ条件で、成形したところ、450℃
で成形品を型から取出そうとしたがワレており、下型の
微細パターン部に、ガラスが、一部融着していた。
【0022】以上説明したように、本発明では、硝材と
して、隣酸系ガラスを用いることにより、微細パターン
の溝深くまで充填することができ、型材としてi−Cを
用いることにより、ワレや融着を防ぐことができた。
【0023】(第2の実施の形態)この実施の形態で
は、図3の(a)に示すような成形型を用いて、成形し
た。型母材9,10には、石英を用い、これを平面に研
磨し、表面粗さをRmaxで10nm、RMSで1nm
とした。下型の母材9には、フォトリソ法により、図3
の(b)に拡大して示すような、鋸刃状の微細パターン
を形成した。この型母材9,10に、スパッタ法によ
り、TaN11,12を0.2μmの厚さでコーティン
グし、更に、スパッタ法により、Ir−W膜13,14
を40nmの厚さで形成した。なお、ガラス素材15と
して、その形状が、直径:φ12mm、厚み:2.5m
mの円板となるものを採用した。また、硝種は、表3に
組成を示すような隣酸系ガラスとした。
【0024】
【表3】
【0025】これらを、第1の実施の形態と同様の条件
で、プレス成形したところ(温度条件は粘度が同じにな
るように変更)、図3の(c)に示すように、成形品A
には、微細パターンについて、溝の底面までが転写され
ており、エッヂ部も、曲率半径:R=0.05μm以下
で良好であった。
【0026】(比較例4)第2の実施の形態におけるガ
ラス材料を、表4に示す隣酸の含有量が少ないガラスを
用いた以外、全て同じ条件(但し、温度条件は粘度が同
じになるように変更)で、プレス成形したところ、成形
されたガラス成形品は、図4に示すように0.8μmま
でしか、充填されず、十分に転写しなかった。
【0027】
【表4】
【0028】以上説明したように、本発明において、隣
酸の含有量が20at%以上の隣酸系ガラスを用いるこ
とにより、幅2μmの溝に対して、1μm以上の深さま
で充填され、転写可能となる。
【0029】(第3の実施の形態)図5の(a)に示す
ような型を用いて成形した。型母材16,17に超硬合
金を用い、これを平面に研磨し、表面粗さを、Rma
x:10nm、RMS:2nmとした。下型の母材16
には、フォトリソ法により、図5の(b)に拡大して示
すような微細パターンを形成した。この型母材16,1
7に、スパッタ法により、TiN膜18,19を0.2
μmの厚さでコーティングし、更に、CVD法により、
硬質炭素膜20,21を70nmの厚さで形成した。な
お、ガラス素材22は、直径:φ12mm、厚み:2.
5mmの円板の形状であって、硝種は表5に示すような
組成の隣酸系ガラスとした。
【0030】
【表5】
【0031】而して、これらを第1の実施の形態と同じ
条件で、プレス成形したところ(但し、温度条件は粘度
が同じになるように変更)、ガラス成形品Aには、図5
の(c)に示すように、溝の底面まで、転写されてお
り、エッヂ部もR=0.05μm以下で、良好であっ
た。
【0032】以上のように、隣酸系ガラスを用いること
により、溝の転写において、深くまで充填することがで
き、また、型材として硬質炭素膜を用いることにより、
融着やワレのない成形が可能となって、満足する状態
で、微細パターンを有する光学素子(ガラス成形品)を
形成することができた。
【0033】なお、上述の実施の形態では、離型性の良
い表面材として、i−C、Ir−W膜、硬質炭素膜を挙
げているが、アモルファス炭化水素膜や、Pt,Pd,
Ir,Rh,Os,Ru,Re,W,Taのうち、一種
以上を含む貴金属合金でも同様な結果が得られた。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
微細パターンの形成部分の溝深くまで、ガラスを充填す
ることができ、満足する転写が可能となるので、所要の
精度で、微細パターンを有するガラス光学素子を得るこ
とができる。
【0035】しかも、本発明によれば、微細パターンの
溝深さが、かなり深いものに対しても、融着やワレのな
い成形が可能となり、従って、微細パターンの溝深さ
を、従来に比べて、深くすることができ、光学素子の設
計の自由度が広がる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における型、プロセ
ス、成形品形状などを示す概略説明図である。
【図2】本発明との比較例1、2の成形品形状を示す概
略図である。
【図3】第2の実施の形態で用いる型と成形品形状を示
す概略図である。
【図4】本発明との比較例4の成形品形状を示す概略図
である。
【図5】第3の実施例で用いる型と成形品形状を示す概
略図。
【図6】フレネルレンズを示す概略図。
【図7】回折格子に用いられる光学素子を示す概略図。
【符号の説明】
1,2,9,10,16,17 型母材 1a,9a,16a 微細パターン形成部 3,4,18,19 TiN膜 5,6 i−C膜 7,15,22 ガラス素材 8 エッヂ 11,12 TaN膜 13,14 Ir−W膜 20,21 硬質炭素膜 A 成形品
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G02B 3/08 G02B 3/08 5/18 5/18 Fターム(参考) 2H049 AA13 AA31 AA45 AA51 4G015 HA01 4G062 AA04 BB01 BB09 CC10 DA02 DA03 DB03 DB04 DC03 DD04 DD05 DD06 DE05 DF01 EA02 EA03 EB02 EB03 EB04 EC03 EC04 ED03 EE01 EF01 EG03 FA01 FA10 FB01 FC01 FD01 FE01 FF01 FG01 FH01 FJ01 FK01 FL01 GA01 GA10 GB01 GC01 GD01 GE01 HH01 HH03 HH05 HH07 HH09 HH11 HH13 HH15 HH17 HH20 JJ01 JJ03 JJ04 JJ05 JJ07 JJ10 KK01 KK03 KK05 KK07 KK10 MM02 MM27 NN40

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上下一対の型部材を具備する成形型によ
    り、その光学機能面に10μm以下の溝深さである微細
    パターンを有する光学素子を、プレス成形する方法にお
    いて、隣酸(P2 5 )の含有率がモル比で20%以上
    である隣酸系ガラスを、成形用ガラス素材として用いる
    ことを特徴とするガラス光学素子の成形方法。
  2. 【請求項2】 前記光学機能面に転写する前記型部材の
    光学有効成形面には、i−C、硬質炭素膜、あるいは、
    水素化アモルファス炭素膜を用いることを特徴とする請
    求項1に記載のガラス光学素子の成形方法。
  3. 【請求項3】 前記型部材の型材として、Pt,Pd,
    Ir,Os,Ru,Re,W,Taの内、一種以上を含
    む貴金属合金を用いることを特徴とする請求項1あるい
    は2に記載のガラス光学素子の成形方法。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし3の何れか1項に記載の
    成形方法により、成形したことを特徴とするガラス光学
    素子。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8277704B2 (en) 2005-11-18 2012-10-02 Hoya Corporation Method of manufacturing formed article, mold and method of manufacturing the same
US8641937B2 (en) 2009-02-27 2014-02-04 Hoya Corporation Method of manufacturing lens casting mold and method of manufacturing eyeglass lens
US9242889B2 (en) 2005-11-18 2016-01-26 Hoya Corporation Method of manufacturing formed article, glass material, and method of determining shape of glass material and mold

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