JP2004010456A

JP2004010456A - 光学素子製造方法、および光学素子

Info

Publication number: JP2004010456A
Application number: JP2002169540A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Shimizu; 清水　義之; Shoji Nakamura; 中村　正二
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】高ＮＡ光学素子の機能面には、急傾斜面が要望され、成形用素材の曲率半径が光学素子自体の曲率半径より大きくなってしまい、金型との間に密閉された空間ができ、光学素子にエア溜まりとして残ってしまう。また、撮像光学系などに用いられるＩＲカット、ローパスフィルター機能等を有する光学素子を安価に製造することは非常に困難であった。
【解決手段】第１と第２の一対の型と胴型により第１の光学素子素材を加熱加圧して第１の光学素子を成形し、第１の型と胴型と第１の光学素子は分解せず、第２の型を取り外して、第２の光学素子素材と第３の型を載置して加熱加圧して成形することで光学素子を製造する。また、第２の成形時に、第３の機能ガラスを間に挟み成形することで、多機能光学素子が安価に製造できる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ピックアップや撮像レンズ等の光学系に使用される光学素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光学素子の高精度且つ安価な製造法として、特開昭６２−２９２６３６のようなプレス成形法が実用化されている。前記製造方法は、光学素子の光学機能面を超精密加工で形成された形状を有する一対の押圧型の間に光学素子材料を配置し、それをブロックとし、光学素子材料が変形可能な温度まで加熱する予備加熱（以降予熱と称する）ステージ、加圧変形させ金型の光学有効面を転写するプレスステージ、転写を保ちながらガラス転移点以下まで冷却させる冷却ステージへと順次搬送し、光学素子を成形する方法である。
【０００３】
また、光ディスク装置における、高密度化の動向により、光源の短波長化やこれらに用いられる光学素子にも高精度化が要望されてきている。特に対物レンズにおいては、高ＮＡ化が必須とされ、各社２枚組の構成等で所望の光学性能を満たしている。
【０００４】
また、単レンズで高ＮＡ化を達成するには、第１の光学機能面の曲率半径が小さくなり、構成面の傾斜角度が大きくなる。また、焦点距離や作動距離などの関係では、中心厚みも大きくなることもある。
【０００５】
さらに、撮像光学系においては、集光機能や色補正機能、波長選択機能を持たせるため様々な種類の素子材料を組合せ使用されている。従来から、２種以上のレンズやプリズムを接合した光学素子は、予め研削、研磨加工やプレス成形によって仕上げられた光学素子を紫外線硬化型に代表される接着剤によって接合して製造されている。
【０００６】
しかしながら、この方法では、それぞれの光学素子を製造する工程、２種の光学素子を高い精度で位置決めして配置する工程、接着剤をむら無く気泡も無く均一に塗布して硬化する工程が必要であり生産効率の上がらない要因となっている。
【０００７】
これに対して、位置決め工程と接着工程を無くすことを目的に、第１の光学素子と成形用型の間に素材を配置して加熱加圧して第２の光学素子を成形すると共にこれを第１の光学素子に一体化する工程を用いた製造方法が、特開昭６０−６７１１８（登録特許１６２９４２６）で提案されている。
【０００８】
この方法は、すでに加工完成された光学素子を用いて、これをホルダー上に載置し、その上に第２の素材と成形用型を順次載置して加熱加圧して複合された光学素子を製造するものである。また、特開平１１−１３０４４８において、接合工程を安価に、精度良く行う製造方法、金型および接合された光学素子を示した。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図９は従来所望の光学素子と成形用金型の一部を示す断面図、および、従来の光学素子を成形により製造する工程の概念図である。図９における所望の光学素子３９を成形による製造方法にて作製するためには、胴型３６内に入り、第１の金型３５の光学機能面曲率半径より小さな曲率を有する光学素子素材３７を用い、成形を行う。第２の金型３８を第１の金型３５、胴型３６、光学素子素材３７の上に載置し、これを成形ブロックとして、予熱、加圧、冷却の各工程を経て光学素子３９として成形される。
【００１０】
光ディスク装置に用いられる高ＮＡ対物レンズに代表されるような、光学有効面の曲率半径が小さいレンズにおいては、図１０に示すように、所望の光学素子４３を満たすための光学素子素材４２のボール直径が、所望の光学素子４３外径より大きくなり、結果として胴型４１内に素材が入らないという課題が生じる。
【００１１】
また、図１１に示すように、所望の光学素子４７の光学有効面の曲率半径が小さいため、光学素子素材４６の曲率半径の方が大きくなるため、第１の金型４４の転写面との間に密閉された空間ができ、その後の成形工程により成形された光学素子４８はエア溜まりの残る光学素子として作製されてしまうという課題を有している。
【００１２】
また、撮像光学系において、従来例として、接着による接合方法と同様に加工された第１の光学素子を持ってきて、第２の光学素子との接着工程を省いた製造方法がある。この場合、第１の光学素子を加工した後、別工程へ移載するため、第１の光学素子表面に異物混入や、第２の光学素子との付着力不足が生じて不良品が生じやすい。また第１の光学素子をホルダー治具に載置する際には、偏心が生じないように、かつホルダーに当たってチッピングしないように配慮しながら挿入配置しなければならず、実施が容易ではない。このため生産効率においても大きな向上は果たせない。
【００１３】
また既に加工した光学素子をホルダーに挿入するために、工業上光学素子外径よりホルダー内径を大きくし、隙間を作っておかなければならないために、第１の光学素子とホルダーとの偏心が生じやすく、最終的には第１の光学素子と第２の光学素子との偏心となって、光学性能不良を生じてしまう。これらの課題を克服するために、特開平１１−１３０４４８に示した方法があるが、この方法は、異なる２種類以上の光学素子素材を接合する方法で、特に第２の光学素子成形時に課題が残っていた。
【００１４】
その課題は、第１の光学素子成形後、第２の光学素子素材を供給するが、成形の際、接触面積が小さいため熱的に不安定であることや、第３型との間に密閉空間が出来てしまうことでエア残りが多発すること、また、第２光学素子素材の載置の時、斜めに投入され、結果として偏心が生じてしまう。
【００１５】
本発明は、上記課題を鑑みて高精度に且つ効率よく安価に、光ディスク等に使われる光学素子を成形したり、撮像光学系に用いられる多機能光学素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、第１と第２の一対の押圧型と胴型により第１の光学素子素材を加熱加圧して第１の光学素子を成形し、少なくともどちらか一方の型を取り外して第２の光学素子素材を載置し、再度第２の押圧型で加熱加圧して光学素子を成形することにより製造する。
【００１７】
また、第２の光学素子材料の他に、第３の光学素子材料としての波長選択機能素材を配置し、成形することで撮像光学系に用いられる機能光学素子が成形できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、本発明の光学素子の製造方法を示す図である。第１の光学素子５の光学面形状を有する第１型１の上に第１の光学素子素材４を配置し、胴型３および第２型２がその上に載置され、一つのブロックを構成する。この組み立てられたブロックを予備加熱、プレス、冷却の各ステージに搬送し、第１の光学素子５が成形される。
【００２０】
その後、一旦ブロックを分解し、図２のように第３型６および第２の光学素子素材７を胴型３とともに、成形された第１の光学素子５上に載置し、予熱、プレス、冷却の各ステージを経て、所望の光学素子８を得ることができる。
【００２１】
本実施形態の第１の光学素子素材には、ホウ珪酸ガラス（ガラス転移点５１６℃、ガラス屈伏点５５３℃）を用い、窒素雰囲気中で予熱６００℃約２分行い、プレス圧力８０ＭＰａ／ｍｍ^２で温度５３０℃設定で冷却しながら約１分成形を行い、３５０℃まで約２分間冷却し、第１の光学素子を得ることが出来た。
【００２２】
その後、第２の光学素子素材７としては同じホウ珪酸ガラス（ガラス転移点５１６℃、ガラス屈伏点５５３℃）を用い、非球面加工された第３型６を用いて、再び第１の光学素子成形と同じ条件で成形を行うことで、互いに溶着しており、透過波面収差で観察する限り、欠陥のないことが確認できた。
【００２３】
図２は第１の光学素子５を成形した後、再び第２の光学素子素材７を載置する際に、第２の成形工程での熱分布を配慮し反転させた場合の配置である。この場合、下からの熱伝導が高いため光学素子素材７の変形が図２に比べて早く、より第１の光学素子５との密着性が高まる効果がある。本実施形態以外に第２の光学素子素材７の配置、形状はいろいろ考えられるが、図４に示すように、第２型１０の形状を凸にし、第１の光学素子１３の一面が凹となるよう成形することで、第２の光学素子素材１４を第１の光学素子１３上に配置にすることで、より安定に所望の光学素子１６を成形することが可能である。
【００２４】
図５は本発明の第２の実施形態を表す状態断面図である。第１の光学素子２１の光学面形状を有する第１型１７の上に第１の光学素子素材２０を配置し、胴型１９および第２型１８がその上に載置され、一つのブロックを構成する。
【００２５】
この組み立てられたブロックを予備加熱、プレス、冷却の各ステージに搬送し、第１の光学素子２１が成形され、ここまでは第１の実施形態とほぼ同じである。
【００２６】
その後、一旦第２型１８を取り外し、成形された第１の光学素子２１上に第２の光学素子素材２２および第３の光学素子素材２３を載置し、第３型２４を胴型１９に嵌合し、第１の光学素子と同様に成形を行う。その結果、所望の光学素子２５が成形される。
【００２７】
本実施形態では、第１の光学素子素材２０にはホウ珪酸ガラス（ガラス転移点５２０℃、ガラス屈伏点５５６℃）を用い、予熱温度５９０℃約３分、プレス９０ＭＰａ／ｍｍ^２で、設定温度５７５℃で冷却しながら約１分で光学性能面を転写し、その後冷却ステージにて３５０℃までブロックを冷却し、さらに常温まで水冷盤上で冷却した後、転写面が平面加工された第２型１８を取り外し、ＩＲカット機能を有したフツリン酸系ガラスの円盤２２を成形された第１の光学素子２１上に載置、さらに、ガラス転移点、ガラス屈伏点が、前記ＩＲカット機能を有した第２の光学素子素材２２に近いフツリン酸系ガラスの玉２３を盤上に乗せ、その上に非球面加工された転写面を有する第３型２４を組み込み再び、予熱、プレス、冷却のステージで成形することで、ＩＲカット機能を有する撮像系非球面レンズ２５が得られる。
【００２８】
本実施形態では、第３の光学素子素材２３に第２の光学素子素材２２（ＩＲカット機能を有するフツリン酸系ガラス）にガラス転移点、ガラス屈伏点のよく似たガラスを用いたが、他のガラスでも何ら問題ない。ただし、熱膨張特性の類似した材料の方が望ましい。
【００２９】
図６は本発明の第３の実施形態を表す状態断面図である。第１の光学素子３０の光学面形状を有する第１型２６の上に第１の光学素子素材２９を配置し、胴型２８および第２型２７がその上に載置され、一つのブロックを構成する。
【００３０】
この組み立てられたブロックを予備加熱、プレス、冷却の各ステージに搬送し、第１の光学素子３０が成形される。第１の実施形態と異なる点は、第２型２７の成形面は、すでに最終光学素子３２の転写面に加工されている点である。
【００３１】
この金型を用い、一旦成形した後、３００℃近傍まで冷却した状態で、第２型２７を取り外し、溶融された第２の光学素子素材３１を供給し、再び加熱成形することで、所望の光学素子３２が得られる。本実施形態における特徴は、金型費が安価にでき、第１の光学素子３０成形時の転写面を再び成形することで、より転写性を向上することができるため、第１の成形を短時間で行うことができる点にある。
【００３２】
本実施形態では、第１の光学素子素材２９と第２の光学素子素材３１は同じ、ホウ珪酸ガラスを用いたが、第２の光学素子素材３１には、第１の光学素子素材よりガラス転移点、ガラス屈伏点の高い材料を用いても良い。また、図７のように、第２の光学素子素材３３として小さなボール研磨ガラス、または、図８のように第１の実施形態で成形されたような第２の光学素子素材３４を使っても同様な効果が得られる。
【００３３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明により、光学素子素材が、所望の光学素子成形用の金型に供給されにくい形状の場合、第１の光学素子と第２の光学素子を一連の工程で成形し、かつ接合することで容易に得ることができる。この際、第１の光学素子と第２の光学素子の光学的境界面はなく、光ディスク装置などに用いられる光学素子として充分安価に製造できる。
【００３４】
また、ＩＲカット機能などのガラスを第３の光学素子素材として用いることで、撮像系などに用いられる機能付き光学素子として生産することが可能となる。また、複数枚の光学素子の位置合わせ、接着工程は不要であり、光学機器の組み立て時にも、高精度で効率よく生産することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一連の製造工程における、光学素子成形の状態を示す断面図
【図２】本発明の第１の実施形態における、製造工程途中の光学素子成形型の状態を示す断面図
【図３】本発明の第１の実施形態における、製造工程途中の光学素子成形型の第２の状態を示す断面図
【図４】本発明の第１の実施形態における、第２の形態での一連の製造工程中の光学素子成形の状態を示す断面図
【図５】本発明の第２の実施形態における、一連の製造工程中の光学素子成形の状態を示す断面図
【図６】本発明の第３の実施形態における、一連の製造工程中の光学素子成形の状態を示す断面図
【図７】本発明の第３の実施形態における、製造工程途中の光学素子成形型の第２の状態を示す断面図
【図８】本発明の第３の実施形態における、製造工程途中の光学素子成形型の第３の状態を示す断面図
【図９】従来の光学素子の製造工程図と、金型の一部断面図
【図１０】従来の光学素子の成形金型断面図と、所望の光学素子の概念図
【図１１】従来の光学素子の成形金型断面図と、所望の光学素子の概念図、および成形後の光学素子の概念図
【符号の説明】
１　第１型
２　第２型
３　胴型
４　第１の光学素子素材
５　第１の光学素子
６　第３型
７　第２の光学素子素材
８　本発明の成形光学素子
９　第１型
１０　第２型
１１　胴型
１２　第１の光学素子素材
１３　第１の光学素子
１４　第２の光学素子素材
１５　第３型
１６　本発明の成形光学素子
１７　第１型
１８　第２型
１９　胴型
２０　第１の光学素子素材
２１　第１の光学素子
２２　第２の光学素子素材
２３　第３の光学素子素材
２４　第３型
２５　本発明の成形光学素子
２６　第１型
２７　第２型
２８　胴型
２９　第１の光学素子素材
３０　第１の光学素子
３１　第２の光学素子素材
３２　所望の光学素子
３３　第２の光学素子素材
３４　第２の光学素子素材
３５　第１の金型
３６　胴型
３７　光学素子素材
３８　第２の金型
３９　成形された光学素子
４０　第１の金型
４１　胴型
４２　光学素子素材
４３　所望の光学素子
４４　第１の金型
４５　胴型
４６　光学素子素材
４７　所望の光学素子
４８　成形された光学素子

Claims

第１と第２の一対の押圧型と胴型により第１の光学素子素材を加熱加圧して第１の光学素子を成形し、少なくともどちらか一方の押圧型を取り外して第２の光学素子素材を載置し、取り外した押圧型、もしくは第３の押圧型で再度加熱加圧して成形することを特徴とする光学素子製造方法。
第１と第２の光学素子素材は、同じ種類の素材を用いることを特徴とする請求項１記載の光学素子製造方法。
第２の押圧型は、平面もしくは凸面であることを特徴とする請求項１記載の光学素子製造方法。
所望の光学素子成形面の曲率半径ＲＬとその光学素子成形素材の曲率半径ＲＧとの関係が、ＲＬ＜ＲＧなるとき、光学素子素材と第１の押圧型、もしくは／かつ第２の押圧型との間に密閉された空間ができる構成の成形金型であることを特徴とする請求項１記載の光学素子成形方法。
第２の光学素子素材は、第１の光学素材よりガラス軟化温度が低いことを特徴とする請求項１記載の光学素子製造方法。
第１と第２の一対の押圧型と胴型により第１の光学素子素材を加熱加圧して第１の光学素子を成形し、少なくともどちらか一方の押圧型を取り外して第２の光学素子素材を載置、さらに異なる種類の第３の光学素材を載置し、取り外した押圧型、もしくは第３の押圧型で再度加熱加圧して成形することを特徴とする光学素子製造方法。
第１と第２の一対の押圧型と胴型により第１の光学素子素材を加熱加圧して第１の光学素子を成形し、少なくともどちらか一方の型を取り外し、同じ種類の第２の光学素子素材を載置し、取り外した押圧型、もしくは第３の押圧型で再度加熱加圧して成形されることを特徴とする光学素子。
成形された第１と第２の光学素子は、光学的境界面を有さないことを特徴とする請求項７記載の光学素子。
第１と第２の一対の押圧型と胴型により第１の光学素子素材を加熱加圧して第１の光学素子を成形し、少なくともどちらか一方の型を取り外し、少なくとも第１の光学素子素材の軟化温度より低い軟化温度の第２の光学素子素材を載置し、取り外した押圧型、もしくは第３の押圧型で再度加熱加圧して成形されることを特徴とする光学素子。
第２の光学素材は、波長選択機能を有することを特徴とする請求項９記載の光学素子。
第１と第２の一対の押圧型と胴型により第１の光学素子素材を加熱加圧して第１の光学素子を成形し、少なくともどちらか一方の押圧型を取り外して第２の光学素子素材を載置、さらに異なる種類の第３の光学素材を載置し、取り外した押圧型、もしくは第３の押圧型で再度加熱加圧して成形されることを特徴とする光学素子。
第２の光学素材は、波長選択機能を有することを特徴とする請求項１１記載の光学素子。