JP2004021077A - Diffraction optical element and its cutting method, and metallic die for molding diffraction optical element and its cutting method and device - Google Patents

Diffraction optical element and its cutting method, and metallic die for molding diffraction optical element and its cutting method and device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diffraction optical element capable of obtaining high optical performance even though the formation density of a recessed and projecting pattern is non-uniform. <P>SOLUTION: In the diffraction optical device 10 having a diffraction surface 10c where the recessed and projecting pattern is formed with non-uniform density, the surface roughness of the smooth part of the recessed and projecting pattern is made smaller according as it is the recessed and projecting pattern 10c-1 having the lower formation density. It is realized by selectively using two or more kinds of cutting tools having different edge diameters in accordance with the formation density of the recessed and projecting pattern when performing the cutting work of the original die of the diffraction optical device or the metallic die for molding the diffraction optical device. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、凹凸パターンが非一様な密度で形成された回折面を有する回折光学素子、その回折面を成形する回折光学素子成形用金型、回折光学素子の切削加工方法、回折光学素子成形用金型の切削加工方法、及び切削加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折光学素子は、レンズ機能、分岐／合波機能、光強度分布変換機能、波長フィルター機能、分光機能など色々な機能を有するため、様々な光学系に広く用いられてきた。
例えば、レンズとしてのゾーンプレートや分光素子としてのグレーティング（回折格子）などは古くから実用化されてきた。
【０００３】
回折光学素子に設けるべき凹凸パターンは、用途により決まり、多岐に及ぶ。例えば、グレーティングの凹凸パターンは、同一ピッチで並ぶ直線状である。また、ゾーンプレートの凹凸パターンは、径位置により異なるピッチで並ぶ同心円状（輪帯状）である。
【０００４】
何れの回折光学素子も、理想的なものは、入射光を意図された方向にのみ進行させ、それ以外の方向には進行しないよう設計されている。
しかし、実際には、意図しない方向にも進行させ、フレアが発生して回折効率が低下し、有効な光の強度が低下することがある。
その原因としては、（１）入射光の波長が設計値と異なる、（２）回折光学素子の回折面に形状誤差が生じている、などが考えられる。なお、原因（１）については、複数の異なる回折光学素子を組み合わせることで解消できる。これについては、既に様々な技術が提案されている。
【０００５】
一方、原因（２）については、回折面の加工精度を高めることで解消できると考えられる。
ここで、回折面の加工には、被加工面を先端の尖った工具（所謂バイト）でなぞる「切削加工」が適用される。
なお、生産性を高めるためには、直接の切削加工よりも、金型による成形が好ましいが、その場合、その金型の成形面の加工に切削加工が適用される。成形面の反転形状は、そのまま回折面に転写される。
【０００６】
この切削加工の精度を高めるには、通常、バイトと被加工物との相対移動の誤差をフィードバックしてその移動精度を高める他、形成すべき回折面の複雑さ（凹凸パターンの形成密度）に応じてバイト先端の径を小さくすればよいとされている。
但し、バイト先端の径が小さいと加工面粗さが大きくなるため、通常送りを小さくする。その結果として刃先のなぞる距離が長くなり加工に時間がかかり、かつ、刃先摩耗も大きくなるので、凹凸パターンの形成密度が十分に小さいときには、できるだけ先端径の大きいバイトを使用することが好ましいとされる。
【０００７】
よって、従来は、凹凸パターンの形成密度が高いときには先端径の小さいバイト、凹凸パターンの形成密度が低いときには先端径の大きいバイトを使用し、ゾーンプレートのように凹凸パターンの形成密度が非一様であるときには、最も密度の高い部分に適合する先端径の小さいバイトを使用している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、凹凸パターンの形成密度が非一様であるときに先端径の小さいバイトを使用すると、形成密度の低い部分の加工時間が余計に延びてしまうだけでなく、その部分に対し必要とされる形状が得られずに、フレアを発生する可能性のあることが分かった。
【０００９】
このように凹凸パターンの形成密度の低い部分の光学的性能が十分に得られなくなると、たとえ形成密度の高い部分の光学的性能が良好であったとしても、回折光学素子の全体の性能は低下する。
そこで本発明は、凹凸パターンの形成密度が非一様であっても高い光学性能の得られる回折光学素子、その回折面を成形加工する回折光学素子成形用金型、その回折光学素子の切削加工方法、その回折光学素子成形用金型の切削加工方法、及びその切削加工装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の回折光学素子は、凹凸パターンが非一様な密度で形成された回折面を有する回折光学素子において、形成密度の低い凹凸パターンほどその凹凸パターンの平滑部の表面粗さが小さいことを特徴とする。
請求項２に記載の回折光学素子は、請求項１に記載の回折光学素子において、前記凹凸パターンは、同心円状に形成されており、その凹凸パターンの形成密度は、径位置により異なることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の回折光学素子成形用金型は、請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子の前記回折面の成形加工に用いられる回折光学素子成形用金型であって、前記凹凸パターンの反転形状をした成形面を有し、前記成形面においては、形成密度の低い凹凸パターンほどその凹凸パターンの平滑部の表面粗さが小さいことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の回折光学素子成形用金型は、請求項３に記載の回折光学素子成形用金型において、前記成形面においては、前記凹凸パターンは、同心円状に形成されており、その凹凸パターンの形成密度は、径位置により異なることを特徴とする。
請求項５に記載の回折光学素子の切削加工方法は、請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子の前記回折面を切削加工する回折光学素子の切削加工方法であって、前記回折面において、形成すべき凹凸パターンの密度が低い領域ほど、先端径の大きなバイトを使用することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の回折光学素子成形用金型の切削加工方法は、請求項３又は請求項４に記載の回折光学素子成形用金型の前記成形面を切削加工する回折光学素子成形用金型の切削加工方法であって、前記成形面において、形成すべき凹凸パターンの密度が低い領域ほど、先端径の大きなバイトを使用することを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の切削加工装置は、請求項５に記載の回折光学素子の切削加工方法、又は請求項６に記載の回折光学素子成形用金型の切削加工方法に適用される切削加工装置であって、先端径の異なる複数種のバイトを着脱可能であり、かつ、少なくとも、装着時のバイト先端位置の前記複数種のバイトの間でのずれを検出するセンサを備えたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１、図２、図３、図４、図５、図６を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
【００１６】
本実施形態では、凹凸パターンが非一様な密度で形成された回折面を有する回折光学素子の成形用の金型を作製する。
図１は、本実施形態の金型１０を説明する図である。図１（ａ）は、本実施形態の金型１０の完成形（断面図及び平面図）であり、図１（ｂ）は、金型１０の加工前のブランク材（金型原型）１０’（断面図）である。
【００１７】
本実施形態の金型１０の成形面１０ｃの理想形状は、図１（ａ）に示すように、凹凸パターンが非一様な密度で形成された回折面（以下、周辺ほど密に凹凸を形成したゾーンプレートの回折面とする。）の反転形状である。
金型原型１０’は、図１（ｂ）に示すように、母材１０ａ上に切削加工可能な被加工層１０ｂが形成されたものである。母材１０ａは例えばステンレス系の金属からなり、被加工層１０ｂは例えば無電解メッキからなる。
【００１８】
本実施形態では、金型原型１０’の被加工層１０ｂを切削加工することにより、金型１０を作製する。
次に、この金型原型１０’の切削加工を説明するに当たり、切削加工に使用するバイト先端と、加工面の形状との関係を説明する。
図２は、切削加工のバイトの先端径Ｒによる加工面の相違を説明する図である。
【００１９】
図２（ａ）は、或る加工面の理想形状（断面）、図２（ｂ）は、先端径Ｒの小さいバイトで切削加工された切削面の形状（断面）、図２（ｃ）は先端径Ｒの大きいバイトで切削加工された切削面の形状（断面）である。なお、図示した加工面の切削加工時の切削運動は紙面表裏方向、送り運動は紙面左右方向であった。
図２（ｂ）と図２（ｃ）とを比較すると、先端径Ｒが小さいとき（図２（ｂ））の方が全体的な形状誤差（図２（ａ）の理想形状からの乖離）を小さくできることが分かる。
【００２０】
ここで、一般に、ゾーンプレートをはじめとする回折光学素子の回折面には、回折を生じさせるため急激に高さを変化させるべき段差部と、なるべく平滑であるべき平滑部とが必要である。したがって、本実施形態に係る金型１０の成形面１０ｃ（図１（ａ）参照）においても、図２（ａ）に示すように、急激に高さを変化させるべき段差部Ａと、なるべく平滑であるべき平滑部Ｂとが必要である。
【００２１】
因みに、ゾーンプレートでは、段差部を十分に急峻にしないと回折光が適正に発生せず、また、平滑部を十分に平滑にしないと散乱光が生じてフレアの原因になる。
図２において、段差部Ａに着目すると、バイト先端径Ｒが小さいとき（図２（ｂ））の方が、先端径Ｒが大きいとき（図２（ｃ））よりも急峻な段差を形成でき、その理想形状（図２（ａ）Ａ）に近づけられることが分かる。
【００２２】
しかし、平滑部Ｂに着目すると、バイト先端径Ｒが小さいとき（図２（ｂ））よりも、先端径Ｒが大きいとき（図２（ｃ））の方が、平滑に近くでき、理想形状（図２（ａ）Ｂ）に近づけられることが分かる。
これは、切削による工具きず（ツールマーク）の高さ（表面粗さ）が、バイトの先端径Ｒが大きいほど小さくなることに関係する。
【００２３】
因みに、ツールマークの高さは、切削加工の送りピッチｆに対し、ｆ２／８Ｒで表される。
したがって、先端径Ｒの小さいバイトは段差部Ａを加工するのに適し、先端径Ｒの大きいバイトは平滑部Ｂを加工するのに適していることが分かる。
次に、本実施形態の金型１０の成形面１０ｃの理想形状は、図１（ａ）に示したように、凹凸パターンが非一様な密度で形成され、その形成密度の比較的高い領域１０ｃ−２と比較的低い領域１０ｃ−１とに分けられる。
【００２４】
このうち、形成密度の高い方の領域１０ｃ−２は、段差部Ａ（図２参照）の占める割合が比較的多く、形成密度の低い方の領域１０ｃ−１は、平滑部Ｂ（図２参照）の占める割合が比較的多い。
【００２５】
そこで、本実施形態の切削加工では、形成密度の高い領域１０ｃ−２については段差部Ａの形状精度を優先させて比較的先端径Ｒの小さいバイトを使用し、形成密度の低い領域１０ｃ−１については平滑部Ｂの形状精度を優先させて比較的先端径Ｒの大きいバイトを使用する。
このようにすれば、形成密度の高い領域１０ｃ−２と低い領域０１ｃ−１とのそれぞれについて、平滑部Ｂと段差部Ａとをバランスよくそれぞれの理想的形状に近づけることができる。
【００２６】
図３は、本実施形態の切削加工に使用する切削加工装置の構成図である。図４は、切削加工装置のバイト周辺の様子を示す斜視図である。
以下、切削加工装置内に保持された金型原型１０’の被加工面１０ｃ’の中心を原点とし、かつその被加工面１０ｃ’の法線方向にＺ座標を配した円筒座標（Ｚ，Ｘ，θ）を採用する（Ｚが高さ方向の座標、Ｘが径方向の座標、θが周方向の座標である。）。
【００２７】
本実施形態の切削加工装置は、従来の切削加工装置（ゾーンプレートの切削加工、又はゾーンプレートの回折面を成形する金型の切削加工に使用されるもの、所謂超精密切削加工装置）と基本的に同じである。
すなわち、切削加工装置には、図３、図４に示すように、金型原型１０’をＺ軸の周りのθ方向に回転させるスピンドル１５、スピンドル１５の全体をＺ方向に移動させる移動機構１４ｚ、使用中のバイト１７の先端部が被加工面１０ｃ’に対し適正な角度を保つようそのバイト１７を保持する保持部材１９、保持部材１９をＸ方向に移動させる移動機構１４ｘが備えられる。
【００２８】
なお、図４において、符号１５ｂは金型原型１０’を保持する保持部材、符号１５ａは、スピンドルロータである。
また、切削加工装置の内部又は外部には、移動機構１４ｚ内のモータＭＺ、移動機構１４ｘ内のモータＭＸ、スピンドル１５内のモータ（不図示）などの各部を駆動制御する回路からなる制御部１２が備えられる。
【００２９】
この切削加工装置では、切削運動は、スピンドル１５のＺ方向の移動及び金型原型１０’のθ方向の回転により行われ、送り運動は、使用中のバイト１７のＸ方向の移動により行われる。
なお、この切削加工装置は、回転対称形状の切削加工に用いられるため、Ｘ、Ｚ方向への移動機構とθ方向への回転機構を備えたが、他の形状（線対称形状など）の切削加工に用いられるときには、その限りでない（例えば、互いに直交するＸ、Ｚ、Ｙ方向への移動機構などからなる）ことは言うまでもない。
【００３０】
図５は、本実施形態で使用するバイトを説明する図である。
ここで、本実施形態では、１つの金型原型１０’の加工に複数のバイト（以下、図５に示す２つのバイト１７ａ、１７ｂとする。）が使用される。
これらのバイト１７ａ、１７ｂの刃先部は、何れも、金型原型１０’の被加工層１０ｂを切削加工するのに適した材料（例えば、単結晶ダイヤモンド）からなるが、互いにその先端径が異なる。
【００３１】
以下、バイト１７ａの先端径Ｒａ、バイト１７ｂの先端径Ｒｂは、Ｒａ＞Ｒｂの関係にあるとする。
ここで、切削加工時、送り運動によって、使用中のバイト１７のＸ座標は変化し、切削運動によって、使用中のバイト１７のＺ座標は変化する。
従来は、被加工面１０ｃ’の切削加工中にバイトが交換されないので、切削加工開始後、使用中のバイト１７の先端の座標（Ｚ，Ｘ）は、制御部１２により全て制御できた。
【００３２】
しかし、本実施形態では、被加工面１０ｃ’の切削加工中にバイトが交換されるので、切削加工装置の各部をたとえ同じに設定したとしても、交換前後でバイト先端の位置がずれる可能性がある。
そこで、本実施形態の切削加工装置には、図３、図４に示すように、そのずれを検知するためのカメラ１６が備えられる。
【００３３】
カメラ１６は、少なくとも、バイト１７ａ装着時の先端とバイト１７ｂ装着時の先端とのＸ座標のずれを検出する。
例えば、カメラ１６は、図４に示すごとく、使用中のバイト１７（バイト１７ａ又はバイト１７ｂ）の先端近傍の空間からＸ軸に垂直な方向にのばした直線上に配置され、その空間を視野が捉える。
【００３４】
なお、カメラ１６が固定されるのは使用中のバイト１７の側（保持部材１９の側）でも金型原型１０’の側（スピンドル１５の側）のどちらでもよいが、少なくとも、送り運動と切削運動により、その先端部がカメラ１６の視野から外れることのないよう設置される。
なお、図４中、符号１６ｂはカメラ１６（後述）を保持する保持部材（アーム）である。
【００３５】
また、カメラ１６は、制御部１２によって駆動制御され、制御部１２は、モニタ１３上にカメラ１６の取得した画像を表示する。
因みに、使用中のバイト１７の先端のＺ座標については、カメラ１６を使用しなくとも認識可能である。
例えば、スピンドル１５内のモータと移動機構１４ｚ内のモータＭＺとを駆動し、徐々に金型原型１０’を使用中のバイト１７（バイト１７ａ又はバイト１７ｂ）の先端に近づけていき、削りカスが発生し始めた時点におけるバイト１７の先端のＺ座標を、「０」とみなせばよい。
【００３６】
図６は、本実施形態の切削加工方法を説明する図である。
図６中、点線は、被加工面１０ｃ’の切削加工後の形状（理想形状）である。上述したとおり、理想形状は、中心（Ｘ＝０）から周縁（Ｘ＝Ｘｈ）にかけて凹凸パターンが密になっている。
本実施形態では、被加工面１０ｃ’上の中心（Ｘ＝０）側の範囲（Ｘ＝０〜Ｘｐ）に対しては、先端径の大きいバイト１７ａを使用し、周縁側の範囲（Ｘ＝Ｘｐ〜Ｘｈ）に対しては、先端径の小さいバイト１７ｂを使用する。
【００３７】
本実施形態の切削加工の具体的手順は、以下のとおりである（なお、ここでは、中心（Ｘ＝０）から周縁（Ｘ＝Ｘｈ）へ向かって切削加工する場合について説明する。）。
先ず、制御部１２は、被加工面１０ｃ’の理想形状を示すデータを記憶している。
【００３８】
また、保持部材１９には、先端径の大きいバイト１７ａが保持され、そのバイト１７ａの先端が被加工面１０ｃ’の中心となるよう、移動機構１４ｘが設定される。設定後のバイト１７ａの先端のＸ座標が「０」とみなされる。
また、金型原型１０’とバイト１７ａの先端との間隔が十分に離れた状態から、スピンドル１５内のモータと移動機構１４ｚ内のモータＭＺとが駆動され、徐々に金型原型１０’がバイト１７ａに近づけられる。
【００３９】
そして、削りカスの発生し始めた時点における、バイト１７ａの先端のＺ座標が「０」とみなされる。
その後、モータＭＺ、ＭＸの駆動量などから、バイト１７ａの先端の座標（Ｚ，Ｘ）は、制御部１２により認識される。
そして、制御部１２は、Ｘ＝Ｘｐとなるまでその先端の座標（Ｚ，Ｘ）を制御し、被加工面１０ｃ’のうち０＜Ｘ＜Ｘｐの範囲が理想形状となるよう切削加工を施す。
【００４０】
次に、切削加工装置の操作者は、バイト１７ａを保持部材１９から取り外しバイト１７ｂに付け換える。
そして、操作者は、この付け換えの際、モニタ１３上に表示された画像から、付け換え前のバイト１７ａの先端のＸ座標（ここでは、Ｘｐ）と、付け換え後のバイト１７ｂの先端のＸ座標とのずれを認識し、付け換え後のバイト１７ｂの先端の座標をＸｐに一致させる。
【００４１】
なお、一致させる際には、移動機構１４ｘを駆動する必要があるが、その駆動は操作者が直接行っても、操作者が制御部１２を介して行ってもよい。
さらに、金型原型１０’とバイト１７ｂの先端との間隔が十分に離れた状態から、スピンドル１５内のモータとモータＭＺとが駆動され、徐々に金型原型１０’がバイト１７ｂに近づけられる。
【００４２】
そして、削りカスの発生し始めた時点における、バイト１７ｂの先端のＺ座標が「０」とみなされる。
その後、モータＭＺ、ＭＸの駆動量などから、バイト１７ｂの先端の座標（Ｚ、Ｘ）は、制御部１２により認識される。
そして、制御部１２は、Ｘ＝Ｘｈとなるまでその先端の座標（Ｚ，Ｘ）を制御し、被加工面１０ｃ’のうちＸｐ＜Ｘ＜Ｘｈの範囲が理想形状となるよう切削加工を施す。
【００４３】
この切削加工の結果、金型原型１０’の被加工面１０ｃ’は、ゾーンプレートの回折面を転写するための成形面１０ｃ（図１（ａ）参照）になる（以上、本実施形態の切削加工の手順）。
以上、本実施形態の切削加工では、凹凸パターンの形成密度が高い領域については先端径の小さいバイト（バイト１７ｂ）、凹凸パターンの形成密度が低い領域については先端径の大きいバイト（バイト１７ａ）を使用する。
【００４４】
このように使い分ければ、完成した金型１０（図１（ａ）参照）においては、凹凸パターンの形成密度の高い領域１０ｃ−２と低い領域０１ｃ−１とのそれぞれの平滑部Ｂと段差部Ａとが（図２参照）バランスよく理想的形状に近づく。
なお、本実施形態の切削加工装置には、カメラ１６が使用されたが、少なくとも、バイト１７ａ、１７ｂのそれぞれの装着時の先端のずれを検知できるのであれば、例えば、光センサなど、如何なるセンサが使用されてもよい。
【００４５】
また、本実施形態の切削加工には、２種類のバイトが使用されているが、３種類以上のバイトを使用してもよい。
また、本実施形態の切削加工装置を、前記した操作者の動作の一部又は全部を自動化するよう構成してもよい。
［第２実施形態］
図７を参照して本発明の第２実施形態について説明する。
【００４６】
本実施形態は、ゾーンプレートを作製するものである。本実施形態は、ゾーンプレートの回折面の成形に第１実施形態の金型１０を用いる点に特徴がある。
図７は、ゾーンプレート作製の工程を説明する図である。
本実施形態のゾーンプレートの材料は、ガラス、樹脂、それらの組み合わせの何れでもよいが、以下では、ガラス製の光学層（ガラス基板）２１上に樹脂製の光学層２２が形成され、かつその光学層２２の表面が回折面となった複合型ゾーンプレート２０（図７（ｃ））を代表して説明する。
【００４７】
光学ガラスからなるガラス基板２１を用意し、その上に、光学層２２に使用すべき樹脂の未硬化物２２’を滴下する。
第１実施形態の金型１０を用意し、その成形面１０ｃで未硬化物２２’をガラス基板２１の全体に押し広げる（図７（ａ））。
未硬化物２２’の硬化用の光（又は熱）を照射して、未硬化物２２’を硬化させて樹脂製の光学層２２を形成する（図７（ｂ））。
【００４８】
金型１０を分離して複合型ゾーンプレート２０を完成させる（図７（ｃ））。
このように完成した複合型ゾーンプレート２０の回折面２０ａは、第１実施形態において切削加工された成形面１０ｃの反転形状となり、凹凸パターンの形成密度の高い部分及び低い部分のそれぞれの平滑部と段差部とがバランスよく理想形状に近づく。したがって、複合型ゾーンプレート２０の性能は高い。
【００４９】
なお、本実施形態のゾーンプレートの構成は、ガラス基板２１上に樹脂製の光学層２２が形成されたものだが、上記手順の最後にガラス基板２１を剥離すれば、樹脂のみから構成されたものとすることができる。
また、本実施形態の成形は、樹脂製の光学層２２の表面を回折面２０ａに成形するもの（樹脂モールド法）であったが、それを応用してガラス製の光学層の表面を回折面に成形するもの（ガラスモールド法）とすることもできる。
【００５０】
［その他］
なお、上記各実施形態は、作製すべき回折光学素子をゾーンプレートとしているが、回折面の凹凸パターンが非一様であるグレーティングとすることもできる。
なお、上記第１実施形態及び第２実施形態は、金型を使用して回折光学素子を作製するものであるが、回折光学素子の原型（基材）を第１実施形態の切削加工方法で直接切削加工してもよい。
【００５１】
但し、使用するバイト先端の材料は、前記した材料（例えば、単結晶ダイヤモンド）に限らず、原型の材料に応じて適宜選択される。
その場合に作製された回折光学素子も、第１実施形態及び第２実施形態にて作製された回折光学素子と同様、良好な性能を示す。
また、上記第２実施形態では、透過型の回折光学素子を作製しているが、成形品の表面に金コートや銀コートなどの反射膜を成膜すれば、反射型の回折光学素子を作製することもできる。因みに、反射型の回折光学素子は、原型（基材）である樹脂やガラスの光学特性（透過率や屈折率、分散特性など）が不問となるため、使用できる材料の選択範囲が広いことで知られている。
【００５２】
【実施例】
［第１実施例］
本発明の第１実施例（第１実施形態の具体例）について説明する。
図８は、本実施例を説明する図である。
本実施例では、樹脂性のゾーンプレートの成形用の金型を作製した。
【００５３】
金型母材１０ａとしてステンレス系のスタバックスを用い、その上に被加工層１０ｂとしてＮｉ−Ｐ無電解メッキ層を設けた。これをブランク材（金型原型）１０’とした。
被加工層１０ｂの被加工面１０ｃ’の加工後（成形面）の理想形状は、ブレーズ型のゾーンプレートの回折面の反転形状とした。
【００５４】
この回折面の格子深さｈは１６μｍ、格子の形成ピッチｐは、中心から周辺にかけて３ｍｍ〜０．１ｍｍ、また、格子の本数は、全部で６０本とした（図８は誇張してある。）。
第１実施形態の切削加工装置と、先端半径２μｍのダイヤモンドバイト、及び先端半径８μｍのダイヤモンドバイトの２種類とを用意した。
【００５５】
この切削加工装置により、金型原型１０’の被加工層１０ｂの被加工面１０ｃ’を切削加工した。
この切削加工において、格子ピッチｐが１ｍｍ以上の領域には、先端半径が８μｍのダイヤモンドバイトを使用し、格子ピッチｐが１ｍｍ以下の領域には、先端半径２μｍのダイヤモンドバイトを使用した。
【００５６】
完成した成形面１０ｃの形状は、凹凸パターンの形成密度の低い中心部では、凹凸の平滑部が理想形状（滑らか）に近く、凹凸パターンの形成密度の高い周辺部では、凹凸の段差部が理想形状（急峻）に近かった。すなわち、凹凸パターンの形成密度の高い領域と低い領域とのそれぞれの平滑部と段差部とが、バランスよく理想的形状に近づいた。
【００５７】
［第２実施例］
本発明の第２実施例（第２実施形態の具体例）について説明する。
図９は、本実施例を説明する図である。
本実施例では、第１実施例の金型１０を用いた樹脂モールドにより、ガラス及び樹脂製の複合型ゾーンプレート２０（図９（ｅ）参照）を作製した。
【００５８】
シランカップリング処理の施されたガラス製の光学層（ガラス基板）２１上に、ウレタンアクリレート系紫外線硬化性樹脂２２の未硬化物２２’を滴下した（図９（ａ））。なお、ガラス基板２１の直径は５０ｍｍ、厚さは２ｍｍであった。
ガラス基板２１の天地を反転して未硬化物２２’を垂らすと同時に、第１実施例の金型１０の成形面１０ｃを、ガラス基板２１上の未硬化物２２’に徐々に近づけ（図９（ｂ））、ガラス基板２１との間隔が所定の距離（本実施例では、金型１０の成形面１０ｃの格子の先端からガラス基板２１の表面までが１０μｍ）になった時点で固定した（図９（ｃ））。
【００５９】
この状態で、未硬化物２２’は、気泡が入ることなく、ガラス基板２１と金型１０との間に充填されていた。
さらに、ガラス基板２１の側から高圧水銀灯の光（紫外線である。）を照射して未硬化物２２’を硬化させ、ガラス基板２１上に樹脂製の光学層２２を形成した（図９（ｄ））。
【００６０】
金型１０を分離して、ガラス基板２１及び光学層２２からなる複合型ゾーンプレート２０を完成させた（図９（ｅ））。
この複合型ゾーンプレート２０は、凹凸パターンの形成密度の高い部分及び低い部分のそれぞれがバランスよく機能し、したがって全体の光学的性能が高かった。
【００６１】
なお、図９では、ガラス基板２１の表面が平面となっているが、曲面（球面又は非球面）とすることもできる。
また、本実施例においてガラス基板２１にシランカップリング処理を施さずに、最後にガラス基板２１を分離すると、樹脂のみからなるゾーンプレートを作製することもできる。
【００６２】
また、本実施例では、光学層２２の材料に紫外線硬化性樹脂を使用したが、可視光硬化性樹脂などを用いることもできる。さらには、本実施例とは異なる成形方法（射出成形）などを適用することもできる。
［第３実施例］
本発明の第３実施例（第２実施形態の別の具体例）について説明する。
【００６３】
図１０は、本実施例を説明する図である。
本実施例では、第１実施形態の金型１０を用いたガラスモールドにより、ガラス製のゾーンプレート４０を作製した。以下、第２実施例との相違点を中心に説明する。
本実施例では、ガラスモールドの高温耐久性を考慮し、金型１０の母材１０ａ及び被加工層１０ｂの材料は、第２実施例で使用した金型（第１実施例の金型）において、スタバックスの代わりにＳ４５Ｃ（炭素鋼）を使用し、Ｎｉ−Ｐ無電解メッキに２％程度のＷ（タングステン）を含有させたものを使用した。被加工層１０ｂの切削加工方法は、第１実施例と同じとした。
【００６４】
なお、ガラスモールド法では、両面を同時成形するため、この金型１０と同じ材料からなる裏面用金型４１（下型）も用意した。下型４１の成形面４１ａは、平面とした。
また、ガラス製のゾーンプレート４０の原型であるガラス基材４０’を用意した。このガラス基材４０’には、表面４０ａ’を平面に研磨した低融点ガラス（住田光学ガラス製Ｐ−ＳＫ６０、直径６０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）を用いた。
【００６５】
ガラス基材４０’を下型４１の上に載置し、上部に保持した金型１０と共に窒素（Ｎ２）雰囲気中で最高４２０°まで加熱した（図１０（ａ））。
加熱したまま窒素雰囲気中で、ガラス基材４０’を下型４１と金型１０との間に挟み、３０ｋｇｆ／ｃｍ２で５分間加圧した（図１０（ｂ））。
加圧を止め、所定温度まで冷却した後離型し、完成したゾーンプレート４０を取り出した（図１０（ｃ））。
【００６６】
このように完成したガラス製のゾーンプレート４０も、凹凸パターンの形成密度の高い部分及び低い部分のそれぞれがバランスよく機能し、したがって全体の光学的性能が高かった。
なお、ガラス基材４０’の表面４０ａ’形状は、平面に限らず、曲面（球面又は非球面）としてもよい。
【００６７】
また、下型４１の成形面４１ａを回折面の反転形状に加工しておけば、両面に回折面を有したゾーンプレートを作製することもできる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、凹凸パターンの形成密度が非一様であっても高い光学性能の得られる回折光学素子、その回折面を成形加工する回折光学素子成形用金型、その回折光学素子の切削加工方法、その回折光学素子成形用金型の切削加工方法、及びその切削加工装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の金型を説明する図である。図１（ａ）は、本実施形態の金型の完成形（断面図及び平面図）であり、図１（ｂ）は、金型の加工前のブランク材（金型原型）（断面図）である。
【図２】切削加工のバイトの先端径Ｒによる加工面の相違を説明する図である。
【図３】第１実施形態の切削加工に使用する切削加工装置の構成図である。
【図４】第１実施形態の切削加工装置のバイト周辺の様子を示す斜視図である。
【図５】第１実施形態で使用するバイトを説明する図である。
【図６】第１実施形態の切削加工方法を説明する図である。
【図７】ゾーンプレート作製の工程を説明する図である。
【図８】第１実施例を説明する図である。
【図９】第２実施例を説明する図である。
【図１０】第３実施例を説明する図である。
【符号の説明】
１０　金型
１０’　金型原型
１０ａ　母材
１０ｂ　被加工層
１０ｃ，４１ａ　成形面
１０ｃ’　被加工面
Ａ　段差部
Ｂ　平滑部
１１　切削加工装置
１２　制御部
１３　モニタ
１４ｘ，１４ｚ　移動機構
ＭＺ，ＭＸ　モータ
１５　スピンドル
１５ａ　スピンドルロータ
１５ｂ，１９，１６ｂ　保持部材
１６　カメラ
１７　使用中のバイト
１７ａ，１７ｂ　バイト
２０　複合型ゾーンプレート
２１　ガラス基板
２２　樹脂性の光学層
２２’　樹脂の未硬化物
２０ａ　回折面
４０　ガラス製のゾーンプレート
４０’　ガラス基材
４０ａ’　表面
４１　下型[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a diffractive optical element having a diffractive surface on which a concavo-convex pattern is formed with non-uniform density, a mold for molding the diffractive optical element, a method for cutting the diffractive optical element, and a diffractive optical element molding. The present invention relates to a cutting method of a metal mold and a cutting apparatus.
[0002]
[Prior art]
Diffractive optical elements have been widely used in various optical systems because they have various functions such as a lens function, a branching / combining function, a light intensity distribution converting function, a wavelength filter function, and a spectral function.
For example, a zone plate as a lens and a grating (diffraction grating) as a spectral element have been practically used for a long time.
[0003]
The concavo-convex pattern to be provided on the diffractive optical element is determined by the application and is wide-ranging. For example, the concavo-convex pattern of the grating is a straight line arranged at the same pitch. In addition, the concavo-convex pattern of the zone plate has a concentric shape (annular shape) arranged at different pitches depending on the radial position.
[0004]
Each diffractive optical element is ideally designed so that incident light travels only in the intended direction and does not travel in other directions.
However, actually, the light is advanced in an unintended direction, flare is generated, the diffraction efficiency is reduced, and the effective light intensity may be reduced.
The possible causes are (1) the wavelength of the incident light is different from the design value, and (2) a shape error occurs on the diffraction surface of the diffractive optical element. The cause (1) can be solved by combining a plurality of different diffractive optical elements. For this, various technologies have already been proposed.
[0005]
On the other hand, it is considered that the cause (2) can be solved by increasing the processing accuracy of the diffraction surface.
Here, for the processing of the diffraction surface, “cutting” in which the surface to be processed is traced with a tool having a sharp tip (a so-called cutting tool) is applied.
In order to increase the productivity, molding using a mold is preferable to direct cutting, but in this case, the cutting is applied to the molding surface of the mold. The inverted shape of the molding surface is directly transferred to the diffraction surface.
[0006]
In order to increase the accuracy of this cutting process, usually, the error of the relative movement between the cutting tool and the workpiece is fed back to increase the accuracy of the movement, and the complexity of the diffraction surface to be formed (the formation density of the uneven pattern) is increased. It is stated that the diameter of the tip of the cutting tool may be reduced accordingly.
However, if the diameter at the tip of the cutting tool is small, the roughness of the machined surface increases, so that the normal feed is reduced. As a result, the tracing distance of the cutting edge becomes longer, processing takes time, and the cutting edge wear also increases.Therefore, when the formation density of the concavo-convex pattern is sufficiently small, it is preferable to use a cutting tool having a tip diameter as large as possible. You.
[0007]
Therefore, conventionally, when the formation density of the concavo-convex pattern is high, a cutting tool with a small tip diameter is used, and when the formation density of the concavo-convex pattern is low, a cutting tool with a large tip diameter is used. , Use a bite with a small tip diameter that fits the densest part.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a cutting tip having a small tip diameter is used when the formation density of the uneven pattern is not uniform, not only does the processing time of a portion having a low formation density increase unnecessarily, but also it is necessary for the portion. It has been found that flares may be generated without obtaining a shape.
[0009]
If the optical performance of the portion where the formation density of the concavo-convex pattern is low is not sufficiently obtained, the overall performance of the diffractive optical element is degraded even if the optical performance of the portion where the formation density is high is good. I do.
Accordingly, the present invention provides a diffractive optical element capable of obtaining high optical performance even when the density of the concavo-convex pattern is not uniform, a mold for forming a diffractive optical element for forming and processing the diffractive surface, and a cutting process for the diffractive optical element. It is an object of the present invention to provide a method, a cutting method of a mold for forming a diffractive optical element, and a cutting apparatus.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The diffractive optical element according to claim 1, wherein in the diffractive optical element having a diffractive surface in which the concavo-convex pattern is formed with a non-uniform density, the surface roughness of the smooth portion of the concavo-convex pattern decreases as the concavo-convex pattern has a lower density. It is characterized by being small.
A diffractive optical element according to a second aspect is the diffractive optical element according to the first aspect, wherein the concavo-convex pattern is formed concentrically, and the formation density of the concavo-convex pattern differs depending on the radial position. And
[0011]
The diffractive optical element molding die according to claim 3 is a diffractive optical element molding die used for molding the diffraction surface of the diffractive optical element according to claim 1 or 2. It has a molding surface having an inverted shape of the concavo-convex pattern. In the molding surface, the lower the density of the concavo-convex pattern, the smaller the surface roughness of the smooth portion of the concavo-convex pattern.
[0012]
The mold for molding a diffractive optical element according to claim 4 is the mold for molding a diffractive optical element according to claim 3, wherein the concavo-convex pattern is formed concentrically on the molding surface. The formation density of the concavo-convex pattern is characterized by being different depending on the radial position.
A method for cutting a diffractive optical element according to claim 5 is a method for cutting a diffractive optical element for cutting the diffractive surface of the diffractive optical element according to claim 1 or 2, wherein Is characterized in that a cutting tool having a larger tip diameter is used in a region where the density of the concavo-convex pattern to be formed is lower.
[0013]
A method for cutting a mold for forming a diffractive optical element according to claim 6, wherein the mold for forming a diffractive optical element for cutting the molding surface of the mold for forming a diffractive optical element according to claim 3 or 4. A method of cutting a mold, characterized in that a cutting tool having a larger tip diameter is used in a region of the molding surface where the density of the concavo-convex pattern to be formed is lower.
[0014]
A cutting apparatus according to claim 7 is applied to the method for cutting a diffractive optical element according to claim 5 or the method for cutting a mold for forming a diffractive optical element according to claim 6. Wherein a plurality of types of cutting tools having different tip diameters can be attached and detached, and at least a sensor for detecting a deviation between the plurality of types of cutting tools at the position of the cutting tool tip at the time of mounting is provided. I do.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, and 6. FIG.
[0016]
In the present embodiment, a mold for molding a diffractive optical element having a diffraction surface on which a concavo-convex pattern is formed at a non-uniform density is manufactured.
FIG. 1 is a diagram illustrating a mold 10 of the present embodiment. FIG. 1A shows a completed shape (a cross-sectional view and a plan view) of a mold 10 according to the present embodiment, and FIG. 1B shows a blank material (a mold mold) 10 ′ before the mold 10 is processed. FIG.
[0017]
The ideal shape of the molding surface 10c of the mold 10 of the present embodiment is, as shown in FIG. 1A, a diffraction surface on which a concavo-convex pattern is formed at a non-uniform density (hereinafter, the irregularities are formed more densely on the periphery). The diffraction shape of the zone plate is the inverted shape.
As shown in FIG. 1 (b), the mold die 10 ′ is formed by forming a workable layer 10b on a base material 10a. The base material 10a is made of, for example, a stainless steel metal, and the processed layer 10b is made of, for example, electroless plating.
[0018]
In the present embodiment, the mold 10 is manufactured by cutting the work layer 10b of the mold prototype 10 '.
Next, in describing the cutting of the mold prototype 10 ', the relationship between the tip of the cutting tool used for the cutting and the shape of the processed surface will be described.
FIG. 2 is a diagram for explaining a difference in a machined surface depending on a tip diameter R of a cutting tool.
[0019]
2A is an ideal shape (cross section) of a certain processing surface, FIG. 2B is a shape (cross section) of a cutting surface cut with a cutting tool having a small tip diameter R, and FIG. It is a shape (cross section) of a cutting surface cut with a cutting tool having a large tip diameter R. In addition, the cutting motion at the time of cutting of the illustrated processing surface was in the front and back direction on the paper surface, and the feeding motion was in the horizontal direction on the paper surface.
Comparing FIG. 2B and FIG. 2C, when the tip diameter R is small (FIG. 2B), the overall shape error (deviation from the ideal shape in FIG. 2A). It can be seen that can be reduced.
[0020]
Here, in general, a diffractive surface of a diffractive optical element such as a zone plate requires a step portion in which the height is to be rapidly changed to cause diffraction, and a smooth portion which is to be as smooth as possible. Accordingly, also in the molding surface 10c (see FIG. 1A) of the mold 10 according to the present embodiment, as shown in FIG. Is required.
[0021]
By the way, in the zone plate, the diffracted light is not generated properly unless the step portion is made sufficiently steep, and scattered light is generated unless the smooth portion is made sufficiently smooth, causing flare.
In FIG. 2, focusing on the step A, a steep step can be formed when the tip diameter R is small (FIG. 2B) than when the tip diameter R is large (FIG. 2C). It can be seen that the shape can be approximated to the ideal shape (FIG. 2A).
[0022]
However, when focusing on the smooth portion B, when the tip diameter R is large (FIG. 2C), it can be made closer to smoothness when the tip diameter R is small (FIG. 2B), and the ideal shape can be obtained. It can be seen that it can be approximated to (FIG. 2A).
This is related to the fact that the height (surface roughness) of the tool flaw (tool mark) due to cutting becomes smaller as the tip diameter R of the cutting tool increases.
[0023]
By the way, the height of the tool mark is f 2 / 8R.
Accordingly, it can be seen that a cutting tool having a small tip diameter R is suitable for processing the stepped portion A, and a cutting tool having a large tip diameter R is suitable for processing the smooth portion B.
Next, as shown in FIG. 1A, the ideal shape of the molding surface 10c of the mold 10 of the present embodiment is a region where the uneven pattern is formed with a non-uniform density and the formation density is relatively high. 10c-2 and a relatively low area 10c-1.
[0024]
Among these, the region 10c-2 having a higher formation density has a relatively large proportion of the step portion A (see FIG. 2), and the region 10c-1 having a lower formation density has a smooth portion B (see FIG. 2). ) Is relatively large.
[0025]
Therefore, in the cutting process of the present embodiment, a tool having a relatively small tip diameter R is used for the region 10c-2 where the formation density is high, giving priority to the shape accuracy of the step A, and the region 10c-1 where the formation density is low. With regard to (1), a cutting tool having a relatively large tip diameter R is used, giving priority to the shape accuracy of the smooth portion B.
This makes it possible to bring the smooth portion B and the step portion A closer to their ideal shapes in a well-balanced manner for each of the high-density region 10c-2 and the low-density region 01c-1.
[0026]
FIG. 3 is a configuration diagram of a cutting device used for cutting according to the present embodiment. FIG. 4 is a perspective view showing a state around the cutting tool of the cutting device.
Hereinafter, cylindrical coordinates (Z, X) in which the center of the processing surface 10c 'of the mold die 10' held in the cutting apparatus is the origin and the Z coordinate is arranged in the normal direction of the processing surface 10c '. , Θ) (Z is the coordinate in the height direction, X is the coordinate in the radial direction, and θ is the coordinate in the circumferential direction).
[0027]
The cutting device according to the present embodiment is basically the same as a conventional cutting device (used for cutting a zone plate or a die for forming a diffractive surface of a zone plate, a so-called ultra-precision cutting device). Are the same.
That is, as shown in FIGS. 3 and 4, the cutting apparatus includes a spindle 15 for rotating the mold master 10 ′ in the θ direction around the Z axis, and a moving mechanism 14z for moving the entire spindle 15 in the Z direction. A holding member 19 for holding the cutting tool 17 and a moving mechanism 14x for moving the holding member 19 in the X direction so that the tip of the cutting tool 17 in use maintains an appropriate angle with respect to the surface 10c 'to be processed.
[0028]
In FIG. 4, reference numeral 15b denotes a holding member for holding the mold prototype 10 ', and reference numeral 15a denotes a spindle rotor.
Further, inside or outside the cutting device, a control unit 12 including a circuit for driving and controlling each unit such as a motor MZ in the moving mechanism 14z, a motor MX in the moving mechanism 14x, and a motor (not shown) in the spindle 15 is provided. Is provided.
[0029]
In this cutting device, the cutting motion is performed by the movement of the spindle 15 in the Z direction and the rotation of the mold die 10 ′ in the θ direction, and the feeding motion is performed by the movement of the cutting tool 17 in use in the X direction.
Since this cutting device is used for cutting in a rotationally symmetric shape, it has a moving mechanism in the X and Z directions and a rotating mechanism in the θ direction. However, cutting of other shapes (such as a line symmetric shape) is performed. Needless to say, this is not the case when it is used for processing (for example, it is composed of a moving mechanism in the X, Z, and Y directions orthogonal to each other).
[0030]
FIG. 5 is a diagram illustrating bytes used in the present embodiment.
Here, in this embodiment, a plurality of bytes (hereinafter, referred to as two bytes 17a and 17b shown in FIG. 5) are used for processing one mold prototype 10 '.
Each of the cutting edges of the cutting tools 17a and 17b is made of a material (for example, single crystal diamond) suitable for cutting the work layer 10b of the mold master 10 ', but has different tip diameters. .
[0031]
Hereinafter, it is assumed that the tip diameter Ra of the cutting tool 17a and the tip diameter Rb of the cutting tool 17b have a relationship of Ra> Rb.
Here, at the time of cutting, the X coordinate of the cutting tool 17 in use changes due to the feed motion, and the Z coordinate of the cutting tool 17 in use changes according to the cutting motion.
Conventionally, since the cutting tool is not exchanged during the cutting of the processing surface 10c ', the coordinates (Z, X) of the tip of the cutting tool 17 in use can all be controlled by the control unit 12 after the cutting is started.
[0032]
However, in this embodiment, since the cutting tool is replaced during the cutting of the processing surface 10c ', even if each part of the cutting apparatus is set to be the same, there is a possibility that the position of the cutting tool tip is shifted before and after the replacement. is there.
Therefore, the cutting apparatus according to the present embodiment is provided with a camera 16 for detecting the deviation as shown in FIGS.
[0033]
The camera 16 detects at least a deviation of the X coordinate between the tip when the cutting tool 17a is mounted and the tip when the cutting tool 17b is mounted.
For example, as shown in FIG. 4, the camera 16 is arranged on a straight line extending in a direction perpendicular to the X-axis from a space near the tip of the cutting tool 17 (the cutting tool 17a or the cutting tool 17b) in use, and views the space. Catches.
[0034]
The camera 16 may be fixed either on the side of the cutting tool 17 in use (on the side of the holding member 19) or on the side of the mold die 10 '(on the side of the spindle 15). The exerciser is installed such that its tip does not deviate from the field of view of the camera 16.
In FIG. 4, reference numeral 16b denotes a holding member (arm) for holding the camera 16 (described later).
[0035]
The drive of the camera 16 is controlled by the control unit 12, and the control unit 12 displays an image acquired by the camera 16 on a monitor 13.
Incidentally, the Z coordinate of the tip of the cutting tool 17 in use can be recognized without using the camera 16.
For example, the motor in the spindle 15 and the motor MZ in the moving mechanism 14z are driven to gradually bring the mold master 10 'closer to the tip of the cutting tool 17 (the cutting tool 17a or the cutting tool 17b), and the shavings are removed. The Z-coordinate of the tip of the byte 17 at the time when the generation starts may be regarded as “0”.
[0036]
FIG. 6 is a diagram illustrating a cutting method according to the present embodiment.
In FIG. 6, the dotted line indicates the shape (ideal shape) of the processing surface 10c 'after the cutting. As described above, in the ideal shape, the concavo-convex pattern is dense from the center (X = 0) to the periphery (X = Xh).
In the present embodiment, a tool 17a having a large tip diameter is used for the range (X = 0 to Xp) on the center (X = 0) side on the processing surface 10c ′, and the range on the peripheral side (X = X = Xp). For Xp to Xh), a cutting tool 17b having a small tip diameter is used.
[0037]
The specific procedure of the cutting process according to the present embodiment is as follows (note that the case where the cutting process is performed from the center (X = 0) to the periphery (X = Xh) will be described).
First, the control unit 12 stores data indicating an ideal shape of the processing surface 10c '.
[0038]
The holding member 19 holds a cutting tool 17a having a large tip diameter, and the moving mechanism 14x is set such that the tip of the cutting tool 17a is located at the center of the work surface 10c '. The X coordinate of the tip of the byte 17a after the setting is regarded as “0”.
Further, the motor in the spindle 15 and the motor MZ in the moving mechanism 14z are driven from a state where the distance between the mold master 10 'and the tip of the tool 17a is sufficiently large, and the mold master 10' is gradually moved to the tool. 17a.
[0039]
Then, the Z coordinate of the tip of the cutting tool 17a at the time when the shavings start to be generated is regarded as “0”.
Thereafter, the coordinates (Z, X) of the tip of the cutting tool 17a are recognized by the control unit 12 from the driving amounts of the motors MZ and MX.
Then, the control unit 12 controls the coordinates (Z, X) of the tip end until X = Xp, and performs cutting so that the range of 0 <X <Xp in the processing surface 10c ′ becomes an ideal shape. .
[0040]
Next, the operator of the cutting device removes the cutting tool 17a from the holding member 19 and replaces it with the cutting tool 17b.
Then, at the time of this replacement, the operator uses the image displayed on the monitor 13 to determine the X coordinate (here, Xp) of the tip of the byte 17a before the replacement and the X coordinate of the tip of the byte 17b after the replacement. The shift from the X coordinate is recognized, and the coordinate of the tip of the byte 17b after replacement is made to match Xp.
[0041]
In order to match, it is necessary to drive the moving mechanism 14x, but the driving may be performed directly by the operator or by the operator via the control unit 12.
Further, the motor in the spindle 15 and the motor MZ are driven from a state where the distance between the mold master 10 'and the tip of the cutting tool 17b is sufficiently large, and the mold master 10' gradually approaches the cutting tool 17b.
[0042]
Then, the Z coordinate of the tip of the cutting tool 17b at the time when the shavings start to be generated is regarded as “0”.
Thereafter, the coordinates (Z, X) of the tip of the cutting tool 17b are recognized by the control unit 12 from the driving amounts of the motors MZ, MX and the like.
Then, the control unit 12 controls the coordinates (Z, X) of the tip end until X = Xh, and performs cutting so that the range of Xp <X <Xh in the processing surface 10c ′ becomes an ideal shape. .
[0043]
As a result of this cutting, the processing surface 10c 'of the mold die 10' becomes a molding surface 10c (see FIG. 1A) for transferring the diffraction surface of the zone plate (see the cutting of the present embodiment). Processing procedure).
As described above, in the cutting process of the present embodiment, a cutting tool having a small tip diameter (bite 17b) is used for a region where the formation density of the concavo-convex pattern is high, and a cutting tool (bite 17a) having a large tip diameter is used for a region where the formation density of the concavo-convex pattern is low. use.
[0044]
If properly used in this manner, in the completed mold 10 (see FIG. 1A), the smooth portion B and the step portion of the region 10c-2 and the region 01c-1 where the formation density of the concavo-convex pattern is high and low, respectively. A (see FIG. 2) approaches the ideal shape in a well-balanced manner.
Although the camera 16 is used in the cutting apparatus according to the present embodiment, any sensor such as an optical sensor may be used as long as it can detect at least the displacement of the tips of the cutting tools 17a and 17b at the time of mounting. May be used.
[0045]
Although two types of cutting tools are used in the cutting process of the present embodiment, three or more types of cutting tools may be used.
Further, the cutting apparatus of the present embodiment may be configured to automate a part or all of the above-described operation of the operator.
[Second embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0046]
In the present embodiment, a zone plate is manufactured. The present embodiment is characterized in that the mold 10 of the first embodiment is used for forming the diffraction surface of the zone plate.
FIG. 7 is a diagram illustrating a process of manufacturing a zone plate.
The material of the zone plate of the present embodiment may be glass, resin, or a combination thereof. In the following, a resin optical layer 22 is formed on a glass optical layer (glass substrate) 21, and A description will be given on behalf of the composite zone plate 20 (FIG. 7C) in which the surface of the optical layer 22 is a diffraction surface.
[0047]
A glass substrate 21 made of optical glass is prepared, and an uncured resin 22 ′ to be used for the optical layer 22 is dropped thereon.
The mold 10 of the first embodiment is prepared, and the uncured material 22 ′ is spread over the entire glass substrate 21 on the molding surface 10 c (FIG. 7A).
Irradiation with light (or heat) for curing the uncured material 22 'is performed to cure the uncured material 22' to form the optical layer 22 made of resin (FIG. 7B).
[0048]
The mold 10 is separated to complete the composite zone plate 20 (FIG. 7C).
The diffractive surface 20a of the composite zone plate 20 completed in this manner has an inverted shape of the molded surface 10c cut in the first embodiment, and has a smooth portion of each of the high and low portions where the formation density of the concavo-convex pattern is low. The step portion approaches the ideal shape in a well-balanced manner. Therefore, the performance of the composite zone plate 20 is high.
[0049]
The configuration of the zone plate of the present embodiment is such that a resin optical layer 22 is formed on a glass substrate 21. However, if the glass substrate 21 is peeled off at the end of the above procedure, the zone plate is formed of only resin. It can be.
In the present embodiment, the surface of the optical layer 22 made of resin is formed into the diffractive surface 20a (resin molding method). (A glass molding method).
[0050]
[Others]
In each of the above embodiments, the diffractive optical element to be manufactured is a zone plate. However, a grating having an uneven pattern on the diffraction surface may be used.
In the first embodiment and the second embodiment, the diffractive optical element is manufactured using the mold. However, the prototype (base material) of the diffractive optical element is formed by the cutting method of the first embodiment. Direct cutting may be performed.
[0051]
However, the material of the tip of the cutting tool to be used is not limited to the above-mentioned material (for example, single crystal diamond), and is appropriately selected according to the material of the prototype.
The diffractive optical element manufactured in that case also shows good performance, similarly to the diffractive optical elements manufactured in the first and second embodiments.
In the second embodiment, the transmission type diffractive optical element is manufactured. However, if a reflective film such as a gold coat or a silver coat is formed on the surface of the molded product, the reflection type diffractive optical element can be manufactured. You can also. By the way, the reflection type diffractive optical element does not matter the optical characteristics (transmittance, refractive index, dispersion characteristic, etc.) of the resin (glass) as the prototype (base material), so that the selection range of usable materials is wide. Are known.
[0052]
【Example】
[First embodiment]
A first example (a specific example of the first embodiment) of the present invention will be described.
FIG. 8 is a diagram illustrating the present embodiment.
In this example, a mold for molding a resinous zone plate was manufactured.
[0053]
A stainless steel-based Starbucks was used as the mold base material 10a, and a Ni-P electroless plating layer was provided thereon as the processed layer 10b. This was used as a blank material (mold prototype) 10 '.
The ideal shape of the processed surface 10c 'of the processed layer 10b after processing (forming surface) was an inverted shape of the diffraction surface of the blazed zone plate.
[0054]
The grating depth h of the diffraction surface is 16 μm, the grating formation pitch p is 3 mm to 0.1 mm from the center to the periphery, and the total number of gratings is 60 (FIG. 8 is exaggerated. ).
A cutting device of the first embodiment, a diamond tool having a tip radius of 2 μm, and a diamond tool having a tip radius of 8 μm were prepared.
[0055]
With this cutting apparatus, the processing surface 10c 'of the processing layer 10b of the mold master 10' was cut.
In this cutting, a diamond tool having a tip radius of 8 μm was used in a region where the lattice pitch p was 1 mm or more, and a diamond tool having a tip radius of 2 μm was used in a region where the lattice pitch p was 1 mm or less.
[0056]
The shape of the completed molding surface 10c is such that in the central part where the density of the uneven pattern is low, the smooth part of the unevenness is close to the ideal shape (smooth), and in the peripheral part where the density of the uneven pattern is high, the step part of the unevenness is ideal. It was close to shape (steep). In other words, the smooth portion and the step portion of the region where the formation density of the concavo-convex pattern is high and the region where the formation density is low approach the ideal shape with good balance.
[0057]
[Second embodiment]
A second example (a specific example of the second embodiment) of the present invention will be described.
FIG. 9 is a diagram illustrating the present embodiment.
In this embodiment, a composite mold zone plate 20 made of glass and resin (see FIG. 9E) was produced by resin molding using the mold 10 of the first embodiment.
[0058]
An uncured product 22 ′ of a urethane acrylate-based ultraviolet-curable resin 22 was dropped on a glass optical layer (glass substrate) 21 that had been subjected to silane coupling treatment (FIG. 9A). In addition, the diameter of the glass substrate 21 was 50 mm, and the thickness was 2 mm.
At the same time as the top and bottom of the glass substrate 21 is inverted and the uncured material 22 'is dropped, the molding surface 10c of the mold 10 of the first embodiment is gradually brought close to the uncured material 22' on the glass substrate 21 (FIG. 9). (B)), when the distance from the glass substrate 21 becomes a predetermined distance (in the present embodiment, the distance from the tip of the lattice of the molding surface 10c of the mold 10 to the surface of the glass substrate 21 is 10 μm), it is fixed ( FIG. 9 (c)).
[0059]
In this state, the uncured material 22 ′ was filled between the glass substrate 21 and the mold 10 without bubbles.
Further, the uncured material 22 ′ is cured by irradiating light (ultraviolet light) of a high-pressure mercury lamp from the side of the glass substrate 21 to form an optical layer 22 made of resin on the glass substrate 21 (FIG. 9D). )).
[0060]
The mold 10 was separated to complete a composite zone plate 20 including the glass substrate 21 and the optical layer 22 (FIG. 9E).
In the composite zone plate 20, each of the high and low portions where the density of the concavo-convex pattern was formed functioned in a well-balanced manner.
[0061]
In FIG. 9, the surface of the glass substrate 21 is flat, but it may be curved (spherical or aspherical).
In this embodiment, if the glass substrate 21 is finally separated without subjecting the glass substrate 21 to the silane coupling treatment, a zone plate made of only resin can be manufactured.
[0062]
In the present embodiment, an ultraviolet curable resin is used as the material of the optical layer 22, but a visible light curable resin or the like may be used. Further, a molding method (injection molding) different from that of this embodiment can be applied.
[Third embodiment]
A third example (another specific example of the second embodiment) of the present invention will be described.
[0063]
FIG. 10 is a diagram illustrating the present embodiment.
In this example, a zone plate 40 made of glass was manufactured by a glass mold using the mold 10 of the first embodiment. Hereinafter, the description will focus on the differences from the second embodiment.
In this embodiment, considering the high temperature durability of the glass mold, the material of the base material 10a and the layer to be processed 10b of the mold 10 is the same as that of the mold used in the second embodiment (the mold of the first embodiment). S45C (carbon steel) was used instead of Starbucks, and Ni-P electroless plating containing about 2% W (tungsten) was used. The method of cutting the work layer 10b was the same as in the first embodiment.
[0064]
In the glass molding method, a back mold 41 (lower mold) made of the same material as the mold 10 was also prepared in order to simultaneously mold both surfaces. The molding surface 41a of the lower mold 41 was a flat surface.
Further, a glass base material 40 ', which is a prototype of the glass zone plate 40, was prepared. As the glass substrate 40 ', a low-melting glass (P-SK60 manufactured by Sumita Optical Glass, diameter: 60 mm, thickness: 5 mm) having a flat surface 40a' was used.
[0065]
The glass substrate 40 'is placed on the lower mold 41, and together with the mold 10 held on the upper part, nitrogen (N 2 ) Heated up to 420 ° in the atmosphere (FIG. 10 (a)).
In a nitrogen atmosphere while heating, the glass substrate 40 ′ is sandwiched between the lower mold 41 and the mold 10, and the pressure is 30 kgf / cm. 2 For 5 minutes (FIG. 10 (b)).
The pressurization was stopped, and after cooling to a predetermined temperature, the mold was released, and the completed zone plate 40 was taken out (FIG. 10C).
[0066]
Also in the completed zone plate 40 made of glass, each of the high and low portions of the formation density of the concavo-convex pattern functioned in a well-balanced manner, and thus the overall optical performance was high.
The shape of the surface 40a 'of the glass substrate 40' is not limited to a flat surface, but may be a curved surface (spherical surface or aspherical surface).
[0067]
Further, if the molding surface 41a of the lower die 41 is processed into an inverted shape of the diffraction surface, a zone plate having diffraction surfaces on both surfaces can be manufactured.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a diffractive optical element capable of obtaining high optical performance even when the formation density of the concavo-convex pattern is non-uniform, a diffractive optical element molding die for molding and processing the diffractive surface thereof, A cutting method of a diffractive optical element, a cutting method of a mold for molding the diffractive optical element, and a cutting apparatus thereof are realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a mold according to a first embodiment. FIG. 1A shows a completed mold (cross-sectional view and plan view) of the mold of the present embodiment, and FIG. 1B shows a blank material (mold prototype) before machining the mold (cross-sectional view). It is.
FIG. 2 is a diagram illustrating a difference in a processing surface depending on a tip diameter R of a cutting tool.
FIG. 3 is a configuration diagram of a cutting device used for cutting according to the first embodiment.
FIG. 4 is a perspective view showing a state around a cutting tool of the cutting apparatus according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating bytes used in the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a cutting method according to the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a step of manufacturing a zone plate.
FIG. 8 is a diagram illustrating a first embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a second embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating a third embodiment.
[Explanation of symbols]
10 Mold
10 'mold prototype
10a base material
10b Worked layer
10c, 41a Molding surface
10c 'Work surface
A Step
B smooth part
11 Cutting equipment
12 control unit
13 Monitor
14x, 14z moving mechanism
MZ, MX motor
15 spindle
15a Spindle rotor
15b, 19, 16b Holding member
16 Camera
17 bytes in use
17a, 17b bytes
20 Composite zone plate
21 Glass substrate
22 Optical layer made of resin
22 'uncured resin
20a Diffraction surface
40 Zone plate made of glass
40 'glass substrate
40a 'surface
41 lower mold

Claims (7)

凹凸パターンが非一様な密度で形成された回折面を有する回折光学素子において、
形成密度の低い凹凸パターンほどその凹凸パターンの平滑部の表面粗さが小さい
ことを特徴とする回折光学素子。In a diffractive optical element having a diffractive surface in which an uneven pattern is formed at a non-uniform density,
A diffractive optical element, wherein the unevenness pattern having a lower formation density has a smaller surface roughness of a smooth portion of the unevenness pattern. 請求項１に記載の回折光学素子において、
前記凹凸パターンは、同心円状に形成されており、その凹凸パターンの形成密度は、径位置により異なる
ことを特徴とする回折光学素子。The diffractive optical element according to claim 1,
The diffractive optical element, wherein the concavo-convex pattern is formed concentrically, and the formation density of the concavo-convex pattern varies depending on the radial position. 請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子の前記回折面の成形加工に用いられる回折光学素子成形用金型であって、
前記凹凸パターンの反転形状をした成形面を有し、
前記成形面においては、
形成密度の低い凹凸パターンほどその凹凸パターンの平滑部の表面粗さが小さい
ことを特徴とする回折光学素子成形用金型。A diffractive optical element molding die used for molding the diffractive surface of the diffractive optical element according to claim 1 or 2,
Having a molding surface having an inverted shape of the uneven pattern,
On the molding surface,
A mold for molding a diffractive optical element, wherein the unevenness pattern having a lower formation density has a smaller surface roughness of a smooth portion of the unevenness pattern. 請求項３に記載の回折光学素子成形用金型において、
前記成形面においては、
前記凹凸パターンは、同心円状に形成されており、その凹凸パターンの形成密度は、径位置により異なる
ことを特徴とする回折光学素子成形用金型。The mold for molding a diffractive optical element according to claim 3,
On the molding surface,
The concave-convex pattern is formed concentrically, and the formation density of the concave-convex pattern varies depending on the radial position. 請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子の前記回折面を切削加工する回折光学素子の切削加工方法であって、
前記回折面において、形成すべき凹凸パターンの密度が低い領域ほど、先端径の大きなバイトを使用する
ことを特徴とする回折光学素子の切削加工方法。A method for cutting a diffractive optical element for cutting the diffractive surface of the diffractive optical element according to claim 1 or 2,
A cutting method for a diffractive optical element, characterized in that a cutting tool having a larger tip diameter is used in a region of the diffraction surface where the density of the concavo-convex pattern to be formed is lower. 請求項３又は請求項４に記載の回折光学素子成形用金型の前記成形面を切削加工する回折光学素子成形用金型の切削加工方法であって、
前記成形面において、形成すべき凹凸パターンの密度が低い領域ほど、先端径の大きなバイトを使用する
ことを特徴とする回折光学素子成形用金型の切削加工方法。A method of cutting a mold for forming a diffractive optical element, which cuts the molding surface of the mold for forming a diffractive optical element according to claim 3 or 4,
A cutting method of a mold for forming a diffractive optical element, characterized in that a cutting tool having a larger tip diameter is used in a region where the density of the concavo-convex pattern to be formed is lower on the molding surface. 請求項５に記載の回折光学素子の切削加工方法、又は請求項６に記載の回折光学素子成形用金型の切削加工方法に適用される切削加工装置であって、
先端径の異なる複数種のバイトを着脱可能であり、かつ、
少なくとも、装着時のバイト先端位置の前記複数種のバイトの間でのずれを検出するセンサを備えた
ことを特徴とする切削加工装置。A cutting apparatus applied to the method for cutting a diffractive optical element according to claim 5 or the method for cutting a mold for forming a diffractive optical element according to claim 6,
Multiple types of cutting tools with different tip diameters can be attached and detached, and
A cutting device comprising at least a sensor for detecting a deviation between the plurality of types of cutting tools at the position of the cutting tool tip at the time of mounting.
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