JP2005157137A

JP2005157137A - 金属製光学素子の製造方法

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Publication number: JP2005157137A
Application number: JP2003398041A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Ishizuka; 慶一石塚; Tokumi Machi; 徳海町
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】表面あらさＲaが１０nm以下の光学面を有する金属製光学素子を製造する場合、光学素子ブランクをプレス成形した後に研磨加工を施す必要があった。
【解決手段】本発明による金属製光学素子の製造方法は、光学素子となる金属製の光学素子ブランク４の前処理を行い、この光学素子ブランク４の光学面となる部分の表面あらさＲaを０.０５μm以下に平滑化させるステップと、最大形状誤差ＰＶが２μm以下かつ表面あらさＲaが１０nm以下の成形面１５を有する成形型１６を用い、前処理された光学素子ブランク４を成形加工により仕上げるステップとを具え、光学素子ブランク４に対して成形型１６の成形面１５を確実に転写して成形後の研磨作業を省略し、生産性を上げると同時に製造コストも低減させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、高精度な光学面を持つ金属製の光学素子を成形加工により製造する方法に関する。

金属製の光学素子は、基本的に反射光学系を構成するため、ガラス製の光学素子のように光の透過損失が全く発生せず、特に紫外域や赤外域での波長を取り扱う光学系に用いて有利である。また、反射鏡を用いた身近な画像表示システムとして、フライトシミュレータやヘッドマウンティングディスプレイ，プロジェクタ，赤外線暗視カメラなどが一般に知られている。

硝材などと比較して表面硬度が低い金属を光学素子として用いる場合、摩擦などによる傷の発生を避けるためにその光学面を強化させておくことが好ましい。一般に、金属の強化手段として、固溶強化と時効強化、分散強化などが知られているが、この中でも時効強化および分散強化は、母相と異質な析出や分散した化合物が転移の移動の大きな障害となるため、その強度がより高くなる傾向を持つ。このような高強度化が可能な金属材料として一般的なものは、アルミニウム合金やステンレス鋼などであり、光学面となる部分に対して機械研磨や化学研磨、あるいは複合研磨などを施して平滑化させることにより、広く照明用や光学素子として用いられている。

例えば、金属製の反射鏡およびその材料としては、アルミニウムの圧延材の表面にアルミニウムをベースとする金属を連続蒸着したものが特許文献１などで知られている。また、鏡面研磨されたステンレス鋼板をプレス成形やバルジ成形によって金属製反射鏡を製造する方法が特許文献２に開示されている。さらに、特許文献３には、アルミニウムまたはその合金あるいはステンレス鋼をへら絞り成形または液圧成形によって所望の曲面に成形し、次いでその表面を研磨することによって照明機器用反射鏡を製造する方法が特許文献３に開示されている。

特開平７−２４３０２７号公報特開平８− ３６２２２号公報特開平９−１２０７０５号公報

近年、硝材の精密プレス成形によってガラス製光学素子を研磨することなく製造する技術が確立しつつあり、これと同様に、金属の精密プレス成形によって、高精度な光学面を持つ金属製光学素子を材料の除去を伴わずに効率よく製造することが望まれている。

このような観点において、特許文献１に開示された反射鏡材料は、アルミニウムを主体とするものであって、他の金属を５重量％まで混入させることが可能であることを示している。実際に、このような反射鏡材料を用いて精密プレス成形を行った場合、成形によって得られた光学面に異物に起因する微視的な凹凸や亀裂が生じ、このような表面欠陥の影響のために高品質な金属製光学素子を得ることができない。つまり、母相を構成するアルミニウムに対する異種金属の析出相や偏析、あるいは分散物質や混入物質などが母相との密着性がなかったり、充分ではない場合、本願発明が意図する精密プレス加工においては、母材表面から析出相や偏析，分散物質などが剥離したり、亀裂の起点となり、さらにはその硬度が母材自体の硬度と相違するために成形面に段差を生ずる。このような段差は光学面の欠陥となり、この欠陥の大きさや深さなどによっては高品質光学素子としての要求を満たすことが困難となる。

また、特許文献２に開示された方法では、プレス成形時や離型時におけるステンレス鋼板の鏡面を保護するため、金型の成形面と鏡面研磨されたステンレス鋼板との間に潤滑剤や樹脂シートを介在させている。しかしながら、成形時に金型の成形面に沿ってステンレス鋼板が塑性流動する際に、潤滑剤や樹脂シートがこれらの隙間に不均一に入り込む結果、本願発明が意図するような光学面の精度を到底得ることができない。このような介在物を省略できたとしても、ステンレス鋼を構成する合金特有の微視的に不均質な物質に起因する表面欠陥により、本願発明が意図するような表面あらさの精度を満たすことが根本的に困難である。

同様に、特許文献３に開示された反射鏡の製造方法は、プレス成形後の反射鏡の表面に化学研磨処理を施して照明用金属鏡を得るものであるため、本発明が意図するような高精度な光学面を得ることができない。しかも、プレス成形に続く後工程が必要であり、加工コストおよび精度の両方で満足できるようなものではない。

このように、金属製光学素子の最終的な光学面の表面あらさＲaを本願発明が意図するような１０nm以下にするためには、従来の方法ではプレス成形後に機械研磨などを中心とする後加工を行う必要があり、製造効率や製造コストが嵩む欠点を有する。たとえ素材ブランクの表面あらさＲaが一般的な鏡面として照明機器などで利用可能とされている０.０５〜０.１μm以下のものであっても、これをプレス成形によって１０nm以下の表面あらさＲaにまで仕上げることが困難であった。

本発明による金属製光学素子の製造方法は、光学素子となる金属製の光学素子ブランクの前処理を行い、この光学素子ブランクの光学面となる部分の表面あらさＲaを０.０５μm以下に平滑化させるステップと、最大形状誤差ＰＶが２μm以下かつ表面あらさＲaが１０nm以下の成形面を有する成形型を用い、前処理された前記光学素子ブランクを成形加工により仕上げるステップとを具えたことを特徴とするものである。

本発明においては、光学素子となる金属製の光学素子ブランクを成形加工により仕上げ、最大形状誤差ＰＶが２μm以下かつ表面あらさＲaが１０nm以下の光学面を得るため、光学素子ブランクの前処理を行い、この光学素子ブランクの光学面となる部分の表面あらさＲaを０.０５μm以下に平滑化させる。

本発明による金属製光学素子の製造方法において、成形加工によって仕上げられた光学素子の光学面にアルミニウムまたは銀をベースとする反射膜、ならびに金属酸化物または有機物からなる保護膜の少なくとも一方を形成するステップをさらに具えることができる。

成形加工は、光学素子ブランクに対して塑性変形，超塑性変形，クリープ変形の少なくとも１つを与えるものであってよい。この場合、１回の成形工程によって所望の精度を持つ光学素子を成形したり、成形工程を複数回繰り返すことによって所望の精度を持つ光学素子を成形することができる。成形工程を複数回に分けた場合、特に光学素子ブランクを加工硬化の著しい材料にて形成したものでは、少なくとも最終回の成形工程前に成形型を高温に保持し、光学素子ブランクを構成する金属組織に作用している応力を解放して表面あらさを向上させることが好ましい。また、成形型の成形面に対する光学素子ブランクの塑性流動をより円滑化させるため、成形型に超音波振動や衝撃を与えることも有効である。

光学素子ブランクの光学面となる部分は、アルミニウム，銅，ニッケル，銀，亜鉛，錫，鉛，鉄，チタンの何れか１つを９７モル％以上含み、それ以外の不純物の最大粒径が１０μm以下に調整されているものであってよい。但し、光学素子ブランクの光学面となる部分の純度を９９.９９５モル％以上にした場合、その素材コストが急上昇して製品コストを押し上げる結果を招くため、光学素子ブランクの材料の純度は９９.９９５モル％未満にすることが好ましいと言える。なお、不純物の最大粒径を１０μm以下に調整するため、この成形加工に関する雰囲気を清浄度の高い環境下にて行うことが有効である。

成形型は、超硬合金，工具鋼，サーメット，セラミックスの何れかをベースとし、その成形面が金属酸化物，金属炭化物，金属窒化物，高密度炭素の何れか１つか、あるいはこれらのうちの２種類以上の積層膜にて形成されているものであってよい。

本発明の金属製光学素子の製造方法によると、光学素子となる金属製の光学素子ブランクの前処理を行い、この光学素子ブランクの光学面となる部分の表面あらさＲaを０.０５μm以下に平滑化させ、最大形状誤差ＰＶが２μm以下かつ表面あらさＲaが１０nm以下の成形面を有する成形型を用い、前処理された光学素子ブランクを成形加工により仕上げるようにしたので、光学素子ブランクに対して成形型の成形面を確実に転写することができ、得られる光学素子の光学面の最大形状誤差ＰＶを２μm以下かつ表面あらさＲaを１０nm以下にすることが可能である。この結果、成形後の研磨作業を省略して生産性を上げると同時に製造コストも低減させることができる。

成形加工によって仕上げられた光学素子の光学面にアルミニウムまたは銀をベースとする反射膜、ならびに金属酸化物または有機物からなる保護膜の少なくとも一方を形成した場合には、光学素子としての特性を高めたり、光学面の損傷を軽減させることができる。

光学素子ブランクの光学面となる部分が、アルミニウム，銅，ニッケル，銀，亜鉛，錫，鉛，鉄，チタンの何れか１つを９７モル％以上含み、それ以外の不純物の最大粒径が１０μm以下に調整されている場合、本発明の効果を確実に得ることができ、析出相や偏析，分散強化成分，またはプレス成形中に不可避的に混入する異物を極力排除することが可能である。この結果、これらの異物に起因する表面欠陥を減少させ、成形型に形成された成形面の転写性を著しく向上させることができ、極めて平滑な金属製光学素子を安価に製造することが可能である。

成形型が、超硬合金，工具鋼，サーメット，セラミックスの何れかをベースとし、その成形面を金属酸化物，金属炭化物，金属窒化物，高密度炭素の何れか１つか、あるいはこれらのうちの２種類以上の積層膜にて形成した場合には、従来のように成形型と光学素子ブランクとの間に潤滑剤や樹脂シートなどを介在させる必要がなくなるため、成形型の成形面の転写性を向上させることができる。しかも、異物や不均質組織を起因とする光学面の亀裂や空孔などの欠陥を著しく少なくすることができ、最大形状誤差ＰＶが２μm以下かつ表面あらさＲaが１０nm以下の極めて高精度な光学面を持った高品質の金属製光学素子が得られる。

本発明による金属製光学素子の製造方法の実施形態について、図１〜図３を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限らず、これらをさらに組み合わせたり、この明細書の特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の技術にも当然応用することができる。

その光学面となる一方の表面を予め所定の表面あらさＲaにまで平滑化処理した直径が約１００mm，厚さが１mmの円板状をなすアルミニウム(Ａl)製，銅(Ｃu)製，ニッケル(Ｎi)製，銀(Ａg)製，亜鉛(Ｚn)製，錫(Ｓn)製，鉛(Ｐb)製，鉄(Ｆe)製，チタン(Ｔi)製の光学素子ブランクをそれぞれ用意し、光学面１の曲率半径が３０mmの図１に示すようなフランジ部２を有する凹球面鏡３を深絞り，油圧バルジ，曲げによってそれぞれ製造を試みた。

深絞りによる成形手順を図２および図３を参照して説明すると、円筒状のダイホルダ１１上に円板状をなす光学素子ブランク４をその光学面１となる部分が下向きとなるように載せ、半球状の凹成形面１２が形成されたダイス１３を環状のダイプレート１４を介して光学素子ブランク４の外周縁部に重ね（図２参照）、ダイホルダ１１とダイプレート１４およびダイス１３とで光学素子ブランク４の外周縁部を挟持しつつ半球状の凸成形面１５が形成されたポンチ１６をダイス１３に向けて上昇させ、ダイス１３の凹成形面１２とポンチ１６の凸成形面１５とで光学素子ブランク４を挟み付け、これを所定形状に成形する（図３参照）。

なお、油圧バルジでは、ダイス１３に代えて油圧を利用し、光学素子ブランク４をポンチ１６の凸成形面１５に沿って変形させ、曲げでは光学素子ブランク４の外周縁部に対する拘束を行わずにダイス１３とポンチ１６との間に光学素子ブランク４を挟み付けて半球状に変形させる。この場合、銀製の光学素子ブランクがクリープ変形，チタン製の光学素子ブランクが超塑性変形する以外、残りの光学素子ブランクは何れも一般的な塑性変形にて成形がなされる。

結果を表１に示す。実施例１，４，５，１４および比較例３，５が深絞り加工により行ったものであり、実施例２および比較例１が油圧バルジ加工により行ったものであり，残りの実施例および比較例はすべて曲げにより行ったものである。成形温度は、加工法に応じて最適な温度が選択されているが、すべて３００Ｋから５４３Ｋまでの範囲に納まっている。また、使用した成形型、つまり図２および図３に示されたダイス１３およびポンチ１６は、何れもその成形面１２，１５に窒化チタン（ＴiＮ）をコーティングしたタングステンカーバイト（ＷＣ）をベースとする超硬合金製のものであり、凹球面鏡３の光学面１を成形するための成形面１２，１５は、要求される光学面と同等の表面あらさＲaおよび最大寸法誤差ＰＶに予め仕上げられている。

表１から明らかなように、本発明方法に基づく実施例１〜１４のものは、何れも凹球面鏡３の光学面１の表面あらさＲaが１０nm以下，最大寸法誤差ＰＶが２μm以下であり、本発明が要求する光学面精度を満たしていることを確認できた。ただし、実施例１４は凹球面鏡３の光学面１の表面あらさＲaおよび最大寸法誤差ＰＶが本願発明の要求を何れも満たしているものの、極めて高純度の素材（光学素子ブランク４）を使用しているため、素材コストが嵩む欠点を有するこれに対し、比較例１〜１２のものは何れも凹球面鏡３の光学面１の表面あらさＲaが１０nmを越えており、本発明が要求するような光学面精度に達していないことも確認できた。また、実施例１〜１８，比較例１〜１４と同じ条件にて曲率半径が７０mmの凹球面鏡の製造も試みたが、全く同じ結果が得られた。

このようにして成形された凹球面鏡３の光学面１には、図１に示すように必要に応じて反射率を増大させるための反射層や光学面１の損傷を抑制するための保護層などのコーティング層５が蒸着形成される。

上述した実施例１〜１４，比較例１〜１２においては、成形工程を１回で終了するようにしているが、変形量が大きな成形加工においては、成形工程を２回以上に分けて加工を行うようにしてもよい。この場合、最初の工程で平板状をなす光学素子ブランク４を最終成形形状に近い形状まで変形させ、次の工程で仕上げ成形を行うことが好ましい。このよう方法でも同じ結果を得ることができる。

本発明の対象となった凹球面鏡の断面図である。図３と共に図１に示した凹球面鏡を深絞りによって製造する場合の工程図であり、成形開始直前の状態を表す。図２と共に図１に示した凹球面鏡を深絞りによって製造する場合の工程図であり、成形中の状態を表す。

符号の説明

１光学面
２フランジ部
３凹球面鏡
４光学素子ブランク
５コーティング層
１１ダイホルダ
１２凹成形面
１３ダイス
１４ダイプレート
１５凸成形面
１６ポンチ

Claims

光学素子となる金属製の光学素子ブランクの前処理を行い、この光学素子ブランクの光学面となる部分の表面あらさＲaを０.０５μm以下に平滑化させるステップと、
最大形状誤差ＰＶが２μm以下かつ表面あらさＲaが１０nm以下の成形面を有する成形型を用い、前処理された前記光学素子ブランクを成形加工により仕上げるステップと
を具えたことを特徴とする金属製光学素子の製造方法。
成形加工によって仕上げられた光学素子の光学面にアルミニウムまたは銀をベースとする反射膜、ならびに金属酸化物または有機物からなる保護膜の少なくとも一方を形成するステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の金属製光学素子の製造方法。
前記成形加工は、前記光学素子ブランクに対して塑性変形，超塑性変形，クリープ変形の少なくとも１つを与えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属製光学素子の製造方法。
前記光学素子ブランクの光学面となる部分は、アルミニウム，銅，ニッケル，銀，亜鉛，錫，鉛，鉄，チタンの何れか１つを９７モル％以上含み、それ以外の不純物の最大粒径が１０μm以下に調整されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の金属製光学素子の製造方法。
前記成形型は、超硬合金，工具鋼，サーメット，セラミックスの何れかをベースとし、その成形面が金属酸化物，金属炭化物，金属窒化物，高密度炭素の何れか１つか、あるいはこれらのうちの２種類以上の積層膜にて形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の金属製光学素子の製造方法。