JP2004098457A - Composite optical element and manufacturing apparatus therefor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子の母材に樹脂層を成形することにより光学素子を製造する技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、回折光学素子や非球面レンズを代表とする複合型光学素子の成形技術のひとつとして、大面積成形性と高転写性に優れることを特徴とし、その成形技術の容易さから大量生産に適しているレプリカ成形技術が知られている。このレプリカ成形技術では、所望の光学形状の反転形状を有する型成形面上に光硬化性樹脂を滴下し、その上からレンズブランクを圧着させて押し広げ、所望の形状になったところで、光源からの光を照射し光硬化性樹脂を硬化させ、当該硬化樹脂をレンズブランクと共に離型することで成形を行う。
【0003】
このレプリカ成形技術により製造される複合型光学素子の光学設計段階においては、所望とする光学性能を満たすように、予め計算された光学形状とその材料物性を加味して光学設計が行われる。回折光学素子の設計を例に挙げるならば、回折光学素子そのものの光学形状はもちろん、用いる光硬化性樹脂やガラス基板の透過率、屈折率、弾性率等、その設計要素は多岐に及ぶ。
【0004】
それら光学設計要素の中で、光硬化性樹脂の屈折率は複合型光学素子の光学性能を左右する上でも極めて重要な要素のひとつであり、光学設計の初期プロセスにおいてもその光学形状の設計を行うより先に所望の屈折率とその光学材料の決定が優先される。
【0005】
今現在、複合型光学素子のレプリカ成形技術に用いられている既製の光硬化性樹脂は、屈折率nd=1.4〜1.7の範囲で多種存在しており、レプリカ成形技術による回折光学素子や非球面レンズ等の生産に広く使用されている。
【0006】
複合型光学素子をで製造する従来の技術としては、例えば特開平10−152510号公報に開示されている技術が挙げられる。特開平10−152510号公報においては、光硬化性樹脂とレンズブランク基材の密着力を強化する目的、または光硬化性樹脂の光照射による硬化反応性を高め成形タクトを短縮する目的で成形型加熱機構を利用する提案がなされている。
【0007】
また、特開平6−344350号公報においては、硬化樹脂と成形型との離型性を向上させる目的で成形型温度を制御する製造プロセスが提案されている。
【0008】
しかしながら、これら2件の公知技術においては、製造される複合型光学素子を構成する光硬化性樹脂の屈折率制御プロセスまでは言及されておらず、さらには次に挙げるような問題が発生する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ガラス基板上の光学平面または光学曲面上に光学樹脂材料を用いて所望の非球面形状や微細形状等を形成する複合型光学素子のレプリカ成形技術において、近年その光学樹脂材料として高屈折率−低分散材料、低屈折率−高分散材料等の優れた光学特性を有する光硬化性樹脂が次々と開発されている。しかし同時に、これら新規樹脂材料においては、樹脂の光硬化反応が進みにくい、硬化樹脂の屈折率が安定しない、硬化樹脂が脆くて割れやすい、樹脂材料の融点やガラス転移温度が低いなどの材料特性における課題も多く上げられ、複合型光学素子を成形するレプリカ技術成形材料として適当でないものもまだ多い。
【0010】
これら光硬化性樹脂の材料特性の中で、光硬化後の硬化樹脂屈折率の安定化は複合型光学素子の所望の光学性能を得る上で最も重要な要素のひとつである。硬化樹脂の屈折率安定化のためには、樹脂モノマーやその他添加剤などの樹脂材料そのものの配合や精製を高精度に行うことはもちろんであるが、レプリカ成形技術における硬化成形プロセスによってもその屈折率が左右される。
【0011】
光硬化性樹脂の硬化成形プロセスにおける硬化後屈折率は、第一にその樹脂硬化率や樹脂硬化収縮率、第二に雰囲気温度による樹脂の収縮膨張率により決定され、同一樹脂を硬化させても、その硬化プロセスによりそれぞれ屈折率にばらつきが生じる。
【0012】
例えば、前者の樹脂硬化率や樹脂硬化収縮率による屈折率への影響については、光を大量に照射して光硬化させた樹脂硬化率が高い樹脂は、光を少量に照射して光硬化させた樹脂硬化率が低い樹脂よりも、その屈折率は高いものとなる。一般的に光硬化性樹脂は、光照射によるラジカル発生を起因とした重合や架橋反応により硬化を進行させて、結果としてその高分子密度が高まるために樹脂硬化収縮が発生する。このことにより、光が大量に照射された樹脂硬化率が高い樹脂は、より進行した樹脂硬化収縮により高分子密度も高まり、屈折率が上昇したことが説明される。一般的な光学材料としての光硬化性樹脂の硬化収縮率は、常温時の完全硬化においてアクリレート系樹脂やメタクリレート系樹脂で数%〜7%、エポキシ系樹脂が数%程度であり、アクリレート系樹脂やメタクリレート系樹脂のほうが樹脂硬化前後の屈折率差が大きなものとなる。
【0013】
一方、後者の雰囲気温度による樹脂の収縮膨張率の屈折率への影響については、同一樹脂にそれぞれ低温雰囲気下と高温雰囲気下において同量の光を照射した場合、低温雰囲気下で硬化させた樹脂のほうが、高温雰囲気下で硬化させた樹脂よりも、その屈折率が高いものとなる。一般的に光硬化性樹脂は、樹脂の硬化前後にかかわらず、雰囲気温度の変化による熱膨張と冷却収縮による体積変化を引き起こす。これは樹脂を構成する高分子のモビリティの増減により分子間距離が変化するためで、同時に樹脂の高分子密度の増減にも影響を与える。このことより、低温雰囲気下で光硬化させた樹脂の屈折率が高くなるのは、冷却収縮して高分子密度が高い状態のままで樹脂を硬化させるためであると説明できる。一般的な光学材料としての光硬化性樹脂の線膨張係数は、2〜20×10−5[℃−1]の範囲に含まれる。
【0014】
しかるに、上記の特開平10−152510号公報に開示されている技術においては、光硬化性樹脂とレンズブランク基材の密着力を強化する目的、または成形樹脂の硬化反応を促進させる目的での成形型加熱であり、成形樹脂への熱膨張や冷却収縮の効果までは考慮されていない。
【0015】
また、上記の特開平6−344350号公報に開示されている技術においても、成形型温度制御機構を用いた硬化樹脂と成形型との離型性を向上させる目的での成形型温度制御プロセスであり、同様に成形樹脂への熱膨張や冷却収縮の効果までは考慮されていない。
【0016】
因って、これら従来の光硬化性樹脂の硬化成形プロセスにおいては、光照射による樹脂の硬化収縮や雰囲気温度での収縮膨張による樹脂屈折率への影響を考慮していないために、次世代に展開される複合型光学素子に要求されるような高精度の樹脂屈折率制御に対応できない。
【0017】
また、現状の光硬化性樹脂を用いたレプリカ成形光学製品の生産現場においても、温度制御機構を用いて樹脂の屈折率制御を行っていないために、生産現場の温度変化などの不安定要素に左右され、屈折率の安定性と均一性に優れた製品を生産することができない。
【0018】
さらに、同一樹脂において、その樹脂の収縮や膨張による高分子密度の可変範囲内でその屈折率を任意に選択することができないため、複合型光学素子の屈折率や形状等の光学設計段階における自由度も狭い。
【0019】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複合型光学素子を成す光硬化性樹脂の高精度な屈折率安定化と選択性を実現することである。
【0020】
また、本発明の他の目的は、複合型光学素子の光学設計段階における自由度を向上させることである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる複合型光学素子の製造装置は、光学素子の母材の表面に光硬化性の樹脂材料からなる樹脂層を形成することにより複合型光学素子を製造するための複合型光学素子の製造装置であって、前記樹脂層の表面に所望の光学機能を有する形状を転写するための成形面を有する型部材と、前記母材と前記成形面の間に供給された前記光硬化性の樹脂材料に光を照射して硬化させるための光照射手段と、前記光硬化性の樹脂材料の硬化後の屈折率が所望の値となるように、前記光硬化性の樹脂材料の硬化の過程において前記型部材又は前記複合型光学素子を載置する載置手段の温度を制御する温度制御手段とを具備することを特徴としている。
【0022】
また、この発明に係わる複合型光学素子の製造装置において、前記温度制御手段は、前記型部材又は前記載置手段の温度を検出する温度センサーと、前記型部材又は前記載置手段を加熱する加熱手段とを備えることを特徴としている。
【0023】
また、この発明に係わる複合型光学素子の製造装置において、前記温度制御手段は、前記型部材又は前記載置手段の温度を検出する温度センサーと、前記型部材又は前記載置手段を冷却する冷却手段とを備えることを特徴としている。
【0024】
また、本発明に係わる複合型光学素子は、上記の製造装置を用いて製造されたことを特徴としている。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
【0026】
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係わる複合型光学素子のレプリカ成形装置を示す概略構成図である。
【0027】
図1において、6は所望とする光学機能形状の反転形状8をその成形面に設けた成形金型である。成形金型6の側面には、熱電対温度センサー15とヒーター7が直接に設置されており、ヒーター電源と温度コントローラー5により型温度がコントロールされる。
【0028】
成形金型6は固定されており、成形金型6を嵌め込んでいるリング状のレンズブランク保持部材9上にはレンズブランク10が載置され、レンズブランク10の中心軸と成形型6の成形面の中心軸との合わせは、レンズブランク保持材9の嵌合部にレンズブランク10を嵌め込むことで実現する。
【0029】
レンズブランク10は、ガラスまたはプラスティックの材質から成り、光学面においては平面または曲面を有する。リング状のレンズブランク保持部材9は上下動自在に保持されている。成形金型6の成形面上には不図示のディスペンサーにより光硬化性樹脂11が供給され、レンズブランク10の上方には紫外線照射ランプ12が成形金型6の光学機能面に対して紫外線が垂直に入射するように設置されている。
【0030】
紫外線硬化性樹脂11としては、波長365nm付近をピークとして重合が開始されるアクリレート系またはメタクリレート系またはエポキシ等の光学樹脂を使用しており、紫外線照射ランプ12には、高圧水銀ランプまたは超高圧水銀ランプ等の波長365nm付近に発振のピークを有する光源を使用する。
【0031】
図2は、本実施形態における成形金型6の上面図と側面図である。
【0032】
光学機能面8を形成する微細形状は、光学有効径φ20mmにおいて、平面上に格子高さ5〜15μm、格子幅0.1〜10mmのブレーズ型回折格子を有し、上面図に示されるように中心に向かう凸形状で同心円状に配置されている。本実施形態においては、成形金型6への加熱または冷却による温度制御により、その熱膨張や冷却収縮による金型光学面や格子の形状変化が考えられるため、光学設計段階における金型への温度形状補正を加味しなければならない。
【0033】
図3は、成形金型6により作製される回折光学素子1の上面図と側面図である。
【0034】
レンズブランク10上に形成された樹脂層の光学機能面8’は、ブレーズ型回折格子の中心に向かう凹形状、即ち成形金型6の反転形状として同心円状に形成される。本実施形態においては、微細形状を有する回折光学素子1を対象とするが、一般的にレプリカ成形法により作製される複合型光学素子は、非球面レンズやマイクロレンズ等もその範囲に含まれる。
【0035】
以下、本実施形態における複合型光学素子の具体的な硬化成形プロセスを図1を参照して説明する。
【0036】
あらかじめ所望の樹脂屈折率が得られるように温度コントローラー5により80±0.1℃に温度調整された光学有効径φ20mmの成形金型6の成形面上中央付近に、アクリレート系紫外線硬化性樹脂11を不図示のディスペンサーより適量滴下し、その上からあらかじめ樹脂との密着力を上げるためのシランカップリング処理を片面に施した平板のレンズブランク基板10を、カップリング処理面を下にしてリング状のレンズブランク保持部材9に嵌め込む。この際に、芯だし用チャック等、さらにレンズブランク10を保持するための機構を備えても良い。
【0037】
その後、リング状のレンズブランク保持部材9を下降させ、成形金型6とレンズブランク基板10を相対的に接近させ、紫外線硬化性樹脂11を所望の厚み、かつ光学有効径外周まで満たすように押し広げる。この時、紫外線硬化性樹脂11への気泡混入や型の成形形状への樹脂未充填を防止するために、樹脂の粘度や型の成形面の濡れ性を考慮して、接液速度を調整しなければならない。
【0038】
その後、紫外線照射ランプ12により紫外線を樹脂層に対して24J(40 [mW/cm2 ]×10分)照射する。重合硬化が完了した後、リング状のレンズブランク保持部材9を上昇させることで、成形金型6から硬化物樹脂11とレンズブランク10とから成る回折光学素子1を剥離させる。
【0039】
以上のプロセスにおいて、成形金型6は常時80±0.1℃に温度調整されているが、成形用金型へのさらなる高精度な温度制御が必要な場合は、レプリカ成形装置自体を80±0.5℃の雰囲気に温度調整されたオーブン中に収納しても良い。
【0040】
ここで用いた紫外線硬化性樹脂11の光硬化前の液状での屈折率は25℃の常温でnd=1.500である。さらに、80℃雰囲気下において紫外線照射ランプ12からの光を24J(40 [mW/cm2 ]×10分)照射して樹脂11を硬化させるが、樹脂11は80℃温調による熱膨張と光照射による硬化収縮の相反する応力緩和により所望とする高分子密度で硬化する。このとき、通常の室温25℃での硬化における樹脂屈折率がnd=1.520であるのに対して、80℃雰囲気下で硬化させた樹脂の屈折率はnd=1.515となる。
【0041】
しかるに、本実施形態の構成においては、回折光学素子を成す光硬化性樹脂の高精度な屈折率安定化と選択性を実現し、同時に複合型光学素子の光学設計段階における自由度を向上し、かつ十分な光学的機能を満たした所望形状の回折光学素子を得ることができる。
【0042】
また、本実施形態においては、複合型光学素子を成す光硬化性樹脂の所望とする屈折率nd=1.515を得るために80℃での成形型温度制御と24J(40 [mW/cm2]×10分)の光照射を実施しているが、任意の所望とする樹脂屈折率に対して、その成形型温度と光照射量については様々な硬化プロセス条件が存在する。
【0043】
(第2の実施形態)
本実施形態は、第1の実施形態における成形型温度制御機構と紫外線照射ランプ12からの光照射量のみが異なるもので、他の構成とプロセスは同一であるので、その説明を省略する。
【0044】
本実施形態においては、第1の実施形態の図1に示されたヒーター7を冷却装置に置換して、成形金型6の常温以下での温度制御を可能とすることで、成形金型6の温度制御を0±0.1℃とし、さらには紫外線照射ランプ12からの光照射量を30J(40 [mW/cm2]×12.5分)と設定した。
【0045】
ここで、第1の実施形態よりも光照射量を増やした理由は、樹脂冷却による樹脂の硬化不足を補うためである。また、成形金型6は常時0±0.1℃に温度制御されているが、成形金型へのさらなる高精度な温度制御が必要な場合は、レプリカ成形装置自体を0±0.5℃の雰囲気に温度調整された冷蔵庫中に収納しても良い。
【0046】
成形に用いた光硬化性樹脂は第1の実施形態と同じくアクリレート系紫外線硬化性樹脂11であり、光硬化前の液状での屈折率は25℃の常温でnd=1.500である。さらに、0℃雰囲気下において紫外線照射ランプ12からの光を30J(40 [mW/cm2]×12.5分)照射して樹脂11を硬化させるが、樹脂11は0℃温調による冷却収縮と光照射による硬化収縮の相乗する応力緩和により所望とする高分子密度で硬化する。このとき、通常の室温25℃硬化における樹脂屈折率がnd=1.520であるのに対して、0℃雰囲気下で硬化させた樹脂の屈折率はnd=1.525となる。
【0047】
しかるに、本実施形態の構成においては、回折光学素子を成す光硬化性樹脂の高精度な屈折率安定化と選択性を実現し、同時に複合型光学素子の光学設計段階における自由度を向上し、かつ十分な光学的機能を満たした所望形状の回折光学素子を得ることができる。
【0048】
また、本実施形態においては、複合型光学素子を成す光硬化性樹脂の所望とする屈折率nd=1.525を得るために0℃での成形型温度制御と30J(40 [mW/cm2]×12.5分)の光照射を実施しているが、任意の所望とする樹脂屈折率に対して、その成形型温度と光照射量については様々な硬化プロセス条件が存在する。
【0049】
(第3の実施形態)
本実施形態は、第1の実施形態である図1に示された熱電対温度センサー15やヒーター7等の成形型温度制御機構の機能的代替機構として、成形型または成形装置に設置されるかあるいは独立に設置される加熱養生機構を備えた構成である。この加熱養生機構は、温度読み取りセンサー部と加熱機構部から成り、紫外線照射ランプ12による光硬化を完了した後の光硬化性樹脂を加熱することで、樹脂硬化率をより高めると同時に、樹脂の熱膨張による高分子密度を低下させる。
【0050】
以下、本実施形態における複合型光学素子の硬化成形プロセスを図4を参照して説明する。
【0051】
常温25℃に放置された成形金型6の成形面上中央付近に、アクリレート系紫外線硬化性樹脂11を不図示のディスペンサーより適量滴下し、その上からあらかじめ樹脂との密着力を上げるためのシランカップリング処理を片面に施した平板のレンズブランク基板10を、カップリング処理面を下にしてリング状のレンズブランク保持部材9に嵌め込む。この際に、芯だし用チャック等、さらにレンズブランク10を保持するための機構を備えても良い。
【0052】
その後、リング状のレンズブランク保持部材9を下降させ、成形金型6とレンズブランク基板10を相対的に接近させ、紫外線硬化性樹脂11を所望の厚み、かつ光学有効径外周まで満たすように押し広げる。この時、樹脂11への気泡混入や型の成形形状への樹脂未充填を防止するために、樹脂の粘度や型成形面の濡れ性を考慮して、接液速度を調整しなければならない。
【0053】
さらに、紫外線照射ランプ12により紫外線を樹脂層に対して5J(40 [mW/cm2]×2分)照射した後、リング状のレンズブランク保持部材9を上昇させることで、成形金型6から硬化物樹脂11とレンズブランク10から成る回折光学素子1を剥離させる。
【0054】
常温25℃雰囲気中における5Jの低照射量で離型した回折光学素子1は、離型に耐えうる程度の樹脂強度と粘弾性を有するが、その樹脂硬化率は低く不十分である。一般的に光硬化性樹脂は、光照射によるラジカル発生を起因とした重合や架橋反応により樹脂硬化を進行させるが、同時に光硬化性樹脂を加熱することで樹脂を構成する高分子のモビリティが増大してその硬化をより促進させる。また、光照射を終えた光硬化性樹脂においても、その構成中には残留ラジカルが存在しており、光照射がない状態においても硬化は進行し続けるために、さらなる加熱養生を行うことでその硬化を促進させることができる。そこで、当該樹脂の硬化不足を補うため、成形装置に対して独立に設置された加熱養生機構である60℃雰囲気中のオーブンに回折光学素子1を4時間放置する。これにより、回折光学素子1を成す光硬化性樹脂を完全硬化させ、同時に当該樹脂の熱膨張によって、その高分子密度を低下させる。
【0055】
ここに示したプロセスにおいては、1個の回折光学素子をオーブン中に投入しているが、生産性を考慮する上では大量の回折光学素子を同時に投入しても良く、紫外線照射ランプ12による光照射もおよそ2分であることから大幅な成形タクト短縮も見込め、その生産コストの削減も期待できる。また本実施形態においては、加熱養生機構を成形装置に対して独立に設置したオーブンとしたが、成形型または成形装置に直接に設置しても良く、紫外線照射ランプ12による光照射の直後に、その成形金型上で加熱養生を行っても良い。
【0056】
成形に用いたアクリレート系紫外線硬化性樹脂11の光硬化前の液状での屈折率は25℃の常温でnd=1.500である。さらに、常温25℃雰囲気において紫外線照射ランプ12からの光を5J(40 [mW/cm2]×2分)照射した後、60℃4時間の加熱養生を経て樹脂11を硬化させるが、樹脂11は常温25℃雰囲気中における光照射と加熱養生による硬化収縮、さらには加熱養生による熱膨張の相反する応力緩和により所望とする高分子密度で硬化する。このとき、通常の室温25℃硬化における樹脂屈折率がnd=1.520であるのに対して、当該プロセスを経て硬化させた樹脂の屈折率はnd=1.515となる。
【0057】
しかるに、本実施形態の構成においては、回折光学素子を成す光硬化性樹脂の高精度な屈折率安定化と選択性を実現し、同時に複合型光学素子の光学設計段階における自由度を向上し、かつ十分な光学的機能を満たした所望形状の回折光学素子を得ることができる。
【0058】
また、本実施形態においては、複合型光学素子を成す光硬化性樹脂の所望とする屈折率nd=1.515を得るために常温25℃における5J(40 [mW/cm2]×2分)と60℃4時間の加熱養生を実施しているが、任意の所望とする樹脂屈折率に対して、その加熱養生条件と光照射量については様々な硬化プロセス条件が存在する。
【0059】
以上説明したように、上記の実施形態によれば、複合型光学素子のレプリカ成形において、成形型温度制御機構または加熱養生機構を用いて、複合型光学素子を成す光硬化性樹脂の所望の屈折率を得られるように設定された温度で複合型光学素子を製造するという方法で、光硬化性樹脂の高精度な屈折率安定化と選択性を実現することができる。これにより、複合型光学素子の光学設計段階における自由度を向上し、かつ十分な光学的機能を満たした所望形状の複合型光学素子を得ることが可能となる。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複合型光学素子を成す光硬化性樹脂の高精度な屈折率安定化と選択性を実現することが可能となる。
【0061】
また、複合型光学素子の光学設計段階における自由度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係わる複合型光学素子のレプリカ成形装置を示す概略構成図である。
【図2】第1の実施形態における成形金型の上面図と側面図である。
【図3】成形金型により作製される回折光学素子の上面図と側面図である。
【図4】第3の実施形態における複合型光学素子の硬化成形プロセスを示す図である。
【符号の説明】
5 温度コントローラー
6 成形型
7 ヒーターまたは冷却装置
8 成形型の光学機能面
8’ 光学素子の光学機能面
9 レンズブランク保持部材
10 レンズブランク
11 光硬化性樹脂
12 紫外線照射ランプ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for manufacturing an optical element by molding a resin layer on a base material of the optical element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as one of the molding technologies for composite optical elements represented by diffractive optical elements and aspherical lenses, it is characterized by excellent large-area moldability and high transferability, and is suitable for mass production due to its ease of molding technology. There are known replica molding techniques. In this replica molding technique, a photocurable resin is dropped on a mold forming surface having a shape inverted from a desired optical shape, and a lens blank is pressed and spread from above, and when a desired shape is obtained, a light source is used. To cure the photocurable resin, and release the cured resin together with the lens blank to perform molding.
[0003]
In the optical design stage of a composite optical element manufactured by the replica molding technique, optical design is performed in consideration of an optical shape calculated in advance and material properties of the material so as to satisfy desired optical performance. Taking the design of a diffractive optical element as an example, there are a wide variety of design elements, such as the optical shape of the diffractive optical element itself, as well as the transmittance, refractive index, and elastic modulus of the photocurable resin or glass substrate used.
[0004]
Among these optical design elements, the refractive index of the photocurable resin is one of the extremely important factors in determining the optical performance of the composite optical element, and the design of the optical shape is also required in the initial optical design process. Prior to this, the determination of the desired refractive index and its optical material is prioritized.
[0005]
At present, there are various types of off-the-shelf photocurable resins used in the replica molding technology of the composite optical element in the range of refractive index nd = 1.4 to 1.7. Widely used in the production of elements and aspheric lenses.
[0006]
As a conventional technique for manufacturing a composite optical element, for example, a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-152510 is cited. In Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-152510, a molding die is used for the purpose of enhancing the adhesion between the photocurable resin and the lens blank substrate, or for increasing the curing reactivity of the photocurable resin by light irradiation and shortening the molding tact time. There have been proposals to utilize a heating mechanism.
[0007]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-344350 proposes a manufacturing process for controlling a mold temperature for the purpose of improving the releasability between a cured resin and a mold.
[0008]
However, these two prior arts do not mention the process of controlling the refractive index of the photocurable resin constituting the composite optical element to be manufactured, and further cause the following problems.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In a replica molding technology of a composite optical element that forms a desired aspherical shape or a fine shape using an optical resin material on an optical plane or an optical curved surface on a glass substrate, in recent years, a high refractive index-low Photocurable resins having excellent optical properties, such as dispersion materials and low refractive index-high dispersion materials, have been developed one after another. At the same time, however, these new resin materials have properties such as difficulty in photocuring reaction of the resin, unstable refractive index of the cured resin, brittle and fragile cured resin, and low melting point and low glass transition temperature of the resin material. And there are still many that are not suitable as molding materials for replica technology for molding composite optical elements.
[0010]
Among the material properties of these photocurable resins, stabilization of the refractive index of the cured resin after photocuring is one of the most important factors in obtaining desired optical performance of the composite optical element. In order to stabilize the refractive index of the cured resin, it is necessary to mix and refine the resin material itself such as resin monomer and other additives with high precision. The rate depends.
[0011]
The post-curing refractive index in the curing molding process of the photocurable resin is determined by the resin curing rate and the resin curing shrinkage rate, firstly, the resin shrinkage and expansion rate due to the ambient temperature, and even if the same resin is cured. The curing process causes variations in the refractive index.
[0012]
For example, regarding the effect of the former resin curing rate and the resin curing shrinkage rate on the refractive index, a resin with a high resin curing rate, which is light-cured by irradiating a large amount of light, is light-cured by irradiating a small amount of light. The resin has a higher refractive index than the resin having a lower resin curing rate. Generally, a photocurable resin undergoes curing by polymerization or cross-linking reaction caused by generation of radicals due to light irradiation, and as a result, the polymer density increases, so that resin curing shrinkage occurs. This explains that the resin irradiated with a large amount of light and having a high resin curing rate has a higher polymer density due to more advanced resin curing shrinkage, and has an increased refractive index. The curing shrinkage of a photocurable resin as a general optical material is about several percent to 7% for an acrylate resin or a methacrylate resin and about several percent for an epoxy resin when completely cured at room temperature. And methacrylate-based resins have a larger difference in refractive index before and after resin curing.
[0013]
On the other hand, regarding the influence of the latter on the refractive index of the shrinkage and expansion coefficient of the resin due to the ambient temperature, when the same resin is irradiated with the same amount of light in a low-temperature atmosphere and in a high-temperature atmosphere, respectively, the resin cured in the low-temperature atmosphere Has a higher refractive index than a resin cured in a high-temperature atmosphere. In general, a photocurable resin causes a thermal expansion due to a change in ambient temperature and a volume change due to cooling and shrinkage before and after the resin is cured. This is because the intermolecular distance changes due to the increase / decrease in the mobility of the polymer constituting the resin, and at the same time, it also affects the increase / decrease in the polymer density of the resin. From this, it can be explained that the reason why the refractive index of the resin light-cured in a low-temperature atmosphere is increased is that the resin is cured while being cooled and contracted and the polymer density is kept high. The linear expansion coefficient of a photocurable resin as a general optical material is in the range of 2 to 20 × 10 −5 [° C. −1 ].
[0014]
However, in the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-152510, molding for the purpose of enhancing the adhesion between the photocurable resin and the lens blank substrate or for promoting the curing reaction of the molding resin. This is mold heating, and does not take into account the effects of thermal expansion and cooling shrinkage on the molding resin.
[0015]
Also, in the technique disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-344350, a mold temperature control process for improving the releasability between a cured resin and a mold using a mold temperature control mechanism is also used. There is also no consideration of the effects of thermal expansion and cooling shrinkage on the molding resin.
[0016]
Therefore, these conventional photocurable resin curing molding processes do not consider the effects of light irradiation on curing and contraction of the resin and shrinkage and expansion at ambient temperature on the resin refractive index. It cannot cope with high-precision resin refractive index control required for the composite optical element to be developed.
[0017]
Also, at the current production site for replica molded optical products using photocurable resin, the refractive index of the resin is not controlled using the temperature control mechanism, which may cause unstable factors such as temperature changes at the production site. It is not possible to produce products with excellent refractive index stability and uniformity.
[0018]
Furthermore, since the refractive index of the same resin cannot be arbitrarily selected within a variable range of the polymer density due to the contraction or expansion of the resin, the refractive index and the shape of the composite optical element can be freely determined in the optical design stage. The degree is too small.
[0019]
Accordingly, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to realize highly accurate refractive index stabilization and selectivity of a photocurable resin constituting a composite optical element.
[0020]
It is another object of the present invention to improve the degree of freedom in the optical design stage of a composite optical element.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems and achieve the object, a composite optical element manufacturing apparatus according to the present invention forms a resin layer made of a photocurable resin material on a surface of a base material of an optical element. A composite optical element manufacturing apparatus for manufacturing a composite optical element, a mold member having a molding surface for transferring a shape having a desired optical function to a surface of the resin layer, and the base material A light irradiation unit for irradiating the photocurable resin material supplied between the molding surfaces with light to cure the photocurable resin material, and a refractive index of the photocurable resin material after curing becomes a desired value. As described above, the present invention is characterized by including a temperature control means for controlling the temperature of the mounting means for mounting the mold member or the composite optical element in the process of curing the photocurable resin material.
[0022]
In the apparatus for manufacturing a composite optical element according to the present invention, the temperature control unit may include a temperature sensor configured to detect a temperature of the mold member or the placing unit, and a heating unit configured to heat the mold member or the placing unit. Means.
[0023]
In the apparatus for manufacturing a composite optical element according to the present invention, the temperature control means may include a temperature sensor for detecting a temperature of the mold member or the placing means, and a cooling device for cooling the mold member or the placing means. Means.
[0024]
Further, a composite optical element according to the present invention is manufactured using the above-described manufacturing apparatus.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described.
[0026]
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a replica molding apparatus for a composite optical element according to a first embodiment of the present invention.
[0027]
In FIG. 1, reference numeral 6 denotes a molding die provided with an
[0028]
The molding die 6 is fixed, and a
[0029]
The
[0030]
As the ultraviolet
[0031]
FIG. 2 is a top view and a side view of the molding die 6 in the present embodiment.
[0032]
The fine shape forming the
[0033]
FIG. 3 is a top view and a side view of the diffractive optical element 1 manufactured by the molding die 6.
[0034]
The
[0035]
Hereinafter, a specific curing molding process of the composite optical element according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0036]
An acrylate-based ultraviolet-
[0037]
Thereafter, the ring-shaped lens
[0038]
Thereafter, the resin layer is irradiated with ultraviolet rays for 24 J (40 [mW / cm 2 ] × 10 minutes) by the
[0039]
In the above process, the temperature of the molding die 6 is constantly adjusted to 80 ± 0.1 ° C. However, if more precise temperature control of the molding die is required, the replica molding device itself is set to 80 ± 0.1 ° C. It may be stored in an oven whose temperature is adjusted to an atmosphere of 0.5 ° C.
[0040]
The refractive index of the ultraviolet-
[0041]
However, in the configuration of the present embodiment, high-precision refractive index stabilization and selectivity of the photocurable resin constituting the diffractive optical element are realized, and at the same time, flexibility in the optical design stage of the composite optical element is improved, In addition, a diffractive optical element having a desired shape satisfying a sufficient optical function can be obtained.
[0042]
Further, in the present embodiment, in order to obtain a desired refractive index nd = 1.515 of the photocurable resin constituting the composite optical element, control of the mold temperature at 80 ° C. and 24J (40 [mW / cm 2 ] × 10 minutes), but there are various curing process conditions for the mold temperature and the light irradiation amount for any desired resin refractive index.
[0043]
(Second embodiment)
This embodiment differs from the first embodiment only in the mold temperature control mechanism and the amount of light irradiation from the
[0044]
In the present embodiment, the
[0045]
Here, the reason why the light irradiation amount is increased as compared with the first embodiment is to compensate for insufficient curing of the resin due to cooling of the resin. The temperature of the molding die 6 is always controlled to 0 ± 0.1 ° C. However, if more precise temperature control of the molding die is required, the replica molding device itself is set to 0 ± 0.5 ° C. May be stored in a refrigerator whose temperature is adjusted to the atmosphere of the above.
[0046]
The photocurable resin used for molding is the acrylate-based ultraviolet
[0047]
However, in the configuration of the present embodiment, high-precision refractive index stabilization and selectivity of the photocurable resin constituting the diffractive optical element are realized, and at the same time, flexibility in the optical design stage of the composite optical element is improved, In addition, a diffractive optical element having a desired shape satisfying a sufficient optical function can be obtained.
[0048]
Further, in the present embodiment, in order to obtain a desired refractive index nd = 1.525 of the photocurable resin forming the composite optical element, control of the mold temperature at 0 ° C. and 30J (40 [mW / cm 2 ] × 12.5 minutes), but there are various curing process conditions for the mold temperature and the light irradiation amount for any desired resin refractive index.
[0049]
(Third embodiment)
This embodiment may be installed in a mold or a molding apparatus as a functional alternative mechanism of the mold temperature control mechanism such as the
[0050]
Hereinafter, the curing molding process of the composite optical element in the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0051]
A suitable amount of an acrylate-based UV-
[0052]
Thereafter, the ring-shaped lens
[0053]
Further, after irradiating the resin layer with ultraviolet rays at 5 J (40 [mW / cm 2 ] × 2 minutes) by the
[0054]
The diffractive optical element 1 released from the mold at a low irradiation dose of 5 J in an atmosphere at normal temperature and 25 ° C. has a resin strength and viscoelasticity enough to withstand the release, but the resin curing rate is low and insufficient. In general, photocurable resin promotes resin curing by polymerization or cross-linking reaction caused by radical generation by light irradiation, but at the same time, heating of the photocurable resin increases the mobility of the polymer constituting the resin. To further accelerate its curing. Also, in the photocurable resin that has been irradiated with light, residual radicals are present in its composition, and curing continues even without light irradiation. Curing can be accelerated. Therefore, in order to compensate for the insufficient curing of the resin, the diffractive optical element 1 is left for 4 hours in an oven in a 60 ° C. atmosphere, which is a heating and curing mechanism installed independently of the molding apparatus. Thereby, the photocurable resin constituting the diffractive optical element 1 is completely cured, and at the same time, the polymer density is reduced due to the thermal expansion of the resin.
[0055]
In the process shown here, one diffractive optical element is put into the oven, but in consideration of productivity, a large number of diffractive optical elements may be put in at the same time. Since the irradiation time is about 2 minutes, a significant reduction in molding time is expected, and a reduction in production costs can be expected. Further, in the present embodiment, the heating curing mechanism is an oven that is installed independently of the molding apparatus, but may be directly installed in the molding die or the molding apparatus, and immediately after light irradiation by the
[0056]
The refractive index of the acrylate-based ultraviolet-
[0057]
However, in the configuration of the present embodiment, high-precision refractive index stabilization and selectivity of the photocurable resin constituting the diffractive optical element are realized, and at the same time, flexibility in the optical design stage of the composite optical element is improved, In addition, a diffractive optical element having a desired shape satisfying a sufficient optical function can be obtained.
[0058]
Further, in the present embodiment, in order to obtain a desired refractive index nd = 1.515 of the photocurable resin forming the composite optical element, 5J (40 [mW / cm 2 ] × 2 minutes) at room temperature and 25 ° C. And curing at 60 ° C. for 4 hours, there are various curing process conditions for the heating curing condition and the light irradiation amount for any desired resin refractive index.
[0059]
As described above, according to the above embodiment, in replica molding of a composite optical element, the desired refractive index of the photocurable resin forming the composite optical element is determined by using a mold temperature control mechanism or a heat curing mechanism. By manufacturing a composite optical element at a temperature set so as to obtain a refractive index, highly accurate refractive index stabilization and selectivity of a photocurable resin can be realized. This makes it possible to improve the degree of freedom in the optical design stage of the composite optical element and to obtain a composite optical element having a desired shape that satisfies a sufficient optical function.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to realize highly accurate refractive index stabilization and selectivity of the photocurable resin forming the composite optical element.
[0061]
Further, the degree of freedom in the optical design stage of the composite optical element can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a replica molding apparatus for a composite optical element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a top view and a side view of a molding die according to the first embodiment.
FIG. 3 is a top view and a side view of a diffractive optical element manufactured by a molding die.
FIG. 4 is a diagram illustrating a curing molding process of a composite optical element according to a third embodiment.
[Explanation of symbols]
Claims (4)
前記樹脂層の表面に所望の光学機能を有する形状を転写するための成形面を有する型部材と、
前記母材と前記成形面の間に供給された前記光硬化性の樹脂材料に光を照射して硬化させるための光照射手段と、
前記光硬化性の樹脂材料の硬化後の屈折率が所望の値となるように、前記光硬化性の樹脂材料の硬化の過程において前記型部材又は前記複合型光学素子を載置する載置手段の温度を制御する温度制御手段とを具備することを特徴とする複合型光学素子の製造装置。A composite optical element manufacturing apparatus for manufacturing a composite optical element by forming a resin layer made of a photocurable resin material on the surface of a base material of the optical element,
A mold member having a molding surface for transferring a shape having a desired optical function to the surface of the resin layer,
Light irradiation means for irradiating the photocurable resin material supplied between the base material and the molding surface with light for curing,
Mounting means for mounting the mold member or the composite optical element in the process of curing the photocurable resin material so that the refractive index of the photocurable resin material after curing becomes a desired value. And a temperature control means for controlling the temperature of the composite optical element.
Priority Applications (1)
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- 2002-09-09 JP JP2002263132A patent/JP2004098457A/en not_active Withdrawn
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