JP2006038589A - 光学素子、その偏心量測定方法及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 少なくとも二つ以上の光学面の偏心量を容易かつ高精度に測定することのできる光学素子、その測定方法及びその製造方法を得る。
【解決手段】 金型１５，１６によって成形された光学素子１０であって、光学面１１，１２の有効径内に調整用マークとして凹部１１ａ，１２ａが設けられている。一対の光学顕微鏡を光学素子１０の上方及び下方に配置し、各顕微鏡にて凹部１１ａ，１２ａを検出し、凹部１１ａ，１２ａの偏心量を算出する。さらに、この偏心量に基づいて金型１５，１６の位置を微調整し、光学素子１０を成形する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金型によって成形された光学素子、例えば、レンズ、ミラー、固浸レンズ、固浸ミラー、回折光学素子、プリズムなどの光学素子に関し、さらに、該光学素子の偏心量測定法法及びその製造方法に関する。

近年、レンズ、ミラー、固浸レンズ（Solid Immersion Lens）、固浸ミラー（Solid Immersion Mirror）、回折光学素子、プリズムなど種々の光学素子は、小型化・軽量化、光学面の高精度化、量産でのコストダウンなどの要請に応じて、金型を用いた成形によって製作される傾向にある。

この種の光学素子にあっては、機器への組込み時の位置決めのみならず、製作された光学素子の光学面の偏心量を正確に測定することが必要となっている。

特許文献１では、光学ピックアップ装置に用いられる対物レンズの対物面側の有効径内にマークを設け、このマークを基準に対物レンズの位置決めや光軸の傾き修正を行うことが開示されている。また、特許文献２では、対物レンズと位相制御素子の有効径内に中心軸合わせ用のマークを設け、このマークを基準に位置調整してホルダに固定することが開示されている。

しかしながら、特許文献１，２に記載のレンズは、あくまで組立て時の位置調整を行うためにマークをレンズの一面にのみ設けたものであり、対向する二つの面の偏心量などを測定することはできない。

一方、特許文献３では、レンズを回転させて振れを検出し、偏心量を測定することが開示されている。しかしながら、この測定では、レンズを回転させる基準を外形基準とした場合、両面の偏心を直接測定しているのではなく、外形に対してのそれぞれの偏心を合算しているため、精度が悪化してしまうという問題点を有している。
特開２００４−２９０４５号公報 特開２００１−６２０３号公報 特開平７−２２９８１２号公報

そこで、本発明の目的は、少なくとも二つ以上の光学面の偏心量を容易かつ高精度に測定することのできる光学素子を提供することにある。

本発明の他の目的は、光学素子の少なくとも二つ以上の光学面の偏心量を高精度にかつ容易に測定することのできる測定方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、少なくとも二つ以上の光学面の偏心を極めて小さくできる光学素子の製造方法を提供することにある。

以上の目的を達成するため、第１の発明は、金型によって成形された光学素子であって、二つ以上の光学面の有効径内に調整用マークを設けたことを特徴とする。

第１の発明に係る光学素子によれば、二つ以上の光学面の有効径内に調整用マークが設けられているため、一の光学面の調整用マークを基準に他の光学面の偏心量を顕微鏡などを使用して直接に測定することができ、このような偏心量の測定は容易であり、かつ、精度よく行うことができる。

第１の発明に係る光学素子において、前記調整用マークは光学面に凹部又は凸部として形成することができる。このような凹部又は凸部は光学面上に金型を用いて該光学面と同時に形成すれば、高精度に形成することができる。

また、前記凹部又は凸部の直径は、レーザ顕微鏡などの光学顕微鏡で検出できる程度を下限とし、上限は光学性能に大きな影響を与えない数値である。具体的には、凹部又は凸部の直径は１０ｎｍ〜７００μｍであることが好ましい。直径が７００μｍとは可視波長域のほぼ上限の１０００倍に相当する。

凹部又は凸部の直径のより好ましい値は、４００ｎｍ〜２００μｍである。４００ｎｍとは可視波長域のほぼ下限に相当し、可視光線で観察する光学顕微鏡で十分に観察できる数値である。２００μｍとは光学顕微鏡に使用されている１００倍の対物レンズの視野に相当する大きさである。

また、凹部又は凸部の深さ又は高さは１０ｎｍ〜５００μｍの範囲が適切である。

第２の発明は、二つ以上の光学面の有効径内に調整用マークを設けた光学素子に対して、前記光学面の偏心量を測定する方法であって、一対の光学観察装置の光軸位置を一致させる工程と、前記一対の光学観察装置の間に前記光学素子を設置し、各光学観察装置にて各光学面に設けられた前記調整用マークを検出し、該マークの偏心量を算出する工程とを備えたことを特徴とする。

第２の発明に係る偏心量測定方法によれば、二つ以上の光学面の有効径内に設けた調整用マークを光学観察装置で直接検出し、二つの検出値から光学面の偏心量を算出するため、偏心量を精度よく、かつ、容易に測定することができる。

第３の発明は、二つ以上の光学面の有効径内に調整用マークを設けた光学素子を金型によって成形する製造方法であって、一対の光学観察装置の光軸位置を一致させる工程と、前記一対の光学観察装置の間に試作された前記光学素子を設置し、各光学観察装置にて各光学面に設けられた前記調整用マークを検出し、該マークの偏心量を算出する工程と、算出された前記偏心量に基づいて前記金型の位置を微調整し、光学素子を成形する工程とを備えたことを特徴とする。

第３の発明に係る製造方法によれば、測定された偏心量を成形用金型の位置微調整にフィードバックするため、光学面の偏心の極めて小さい光学素子を得ることができる。

第２及び第３の発明において、光学観察装置としては、顕微鏡を使用することができる。

以下、本発明に係る光学素子、その偏心量測定方法及びその製造方法の実施例について、添付図面を参照して説明する。

（光学素子とその成形用金型、図１〜図３参照）
本発明に係る光学素子の第１実施例を図１に、第２実施例を図２に、第３実施例を図３にそれぞれ示す。

図１及び図２に示す光学素子１０，２０は、それぞれ、軸対称な光学レンズであって、所定の曲面とされた第１光学面１１，２１と第２光学面１２，２２と平面状のフランジ部１３，２３とで構成されている。そして、光学素子１０にあっては、光学面１１，１２の光軸上に調整用マークとして凹部１１ａ，１２ａが形成されている。また、光学素子２０にあっては、光学面２１，２２の光軸上に調整用マークとして凸部２１ａ，２２ａが形成されている。軸対称な光学レンズの金型をＮＣ旋盤で作製する際、レンズ中心位置に円形のマークを同時加工で形成すれば、マークの位置精度は保証されるし、加工も容易にできる。

これらの光学素子１０，２０はそれぞれ金型１５，１６、２５，２６を用いてモールド成形される。金型１５，１６のキャビティには前記凹部１１ａ，１２ａを設けるための凸部１５ａ，１６ａが形成されている。また、金型２５，２６のキャビティには前記凸部２１ａ，２２ａを設けるための凹部２５ａ，２６ａが形成されている。

図３に示す光学素子３０は、所定の曲面とされた第１、第２及び第３光学面３１，３２，３３にて構成されたプリズムである。各光学面３１，３２，３３の光軸上には調整用マークとして凹部３１ａ，３２ａ，３３ａがそれぞれ形成されている。この調整用マークは凸部であってもよい。光学素子３０の成形用金型は、特に図示しないが、前記金型１５，１６，２５，２６と同様にそのキャビティには調整用マークを設けるための凸部又は凹部が形成されている。

調整用マークとしての凹部又は凸部は（以下、光学素子１０の凹部１１ａ，１２ａを例にして説明するが、凸部２１ａ，２２ａ、凹部３１ａ，３２ａ，３３ａにおいても同様の説明が妥当する）、それぞれの凹部１１ａ，１２ａの位置を光学顕微鏡を使用して検出することにより光学面１１，１２の偏心量を直接に測定するために使用される。偏心量の測定に関しては後に詳述する。

さらに、測定された偏心量を金型１５，１６の位置調整にフィードバックし、光学面１１，１２の偏心の極めて小さい光学素子１０を得るようにしている。即ち、金型１５，１６はその中心軸を一致させるための位置調整機構を備えており、測定した偏心量を位置調整機構の制御にフィードバックして、金型１５又は１６を凸部１５ａ，１６ａが同軸上にくるように位置させる。

凹部１１ａ，１２ａは光学顕微鏡によって観察されるものである。従って、その直径はレーザ顕微鏡などの光学顕微鏡で検出できる程度を下限とし、上限は光学性能に大きな影響を与えない数値とする。具体的には、凹部１１ａ，１２ａの直径は１０ｎｍ〜７００μｍであることが好ましい。直径が７００μｍとは可視波長域のほぼ上限の１０００倍に相当する。

凹部１１ａ，１２ａの直径のより好ましい値は、４００ｎｍ〜２００μｍである。４００ｎｍとは可視波長域のほぼ下限に相当し、可視光線で観察する光学顕微鏡で十分に観察できる数値である。２００μｍとは光学顕微鏡に使用されている１００倍の対物レンズの視野に相当する大きさである。また、凹部１１ａ，１２ａの直径があまり大きいと、以下に説明するように顕微鏡で観察した画像から中心位置を計算する際の精度が落ちてしまう。平行偏心量は１μｍ以下で測定することが好ましい。

一方、凹部１１ａ，１２ａの深さ（凸部２１ａ，２２ａにあっては高さ）は１０ｎｍ〜５００μｍの範囲が適切である。

（偏心量の測定、図４〜図６参照）
ここで、前記光学素子１０の光学面１１，１２の偏心量の測定方法について説明する。なお、光学素子２０，３０の偏心量の測定に関しても同様に行われる。

測定には、図４に示すように、２台の光学顕微鏡４０，５０を使用する。顕微鏡４０，５０は、従来から周知のものであり、ハーフミラー４２，５２及び対物レンズ４３，５３を有する顕微鏡本体４１，５１と、レーザオートコリメータ４４，５４と、ＣＣＤカメラ４５，５５とからなり、モニタ４６，５６を備えている。

顕微鏡４０，５０の対物レンズ４３，５３の中間位置に、オプティカルパラレル６１（平行面が正確に形成された基準ガラス板）を設置し、顕微鏡４０，５０の光軸の傾き調整を行う。即ち、レーザオートコリメータ４４，５４から出射されたレーザをハーフミラー４２，５２にてオプティカルパラレル６１に導き、その表面での反射光による干渉縞を観察して、光軸の傾きを調整する。

ここでは、まず、下方の顕微鏡本体５１を基準としてオプティカルパラレル６１の傾きを調整する。このように調整されたオプティカルパラレル６１に対して、上方の顕微鏡本体４１の傾きを調整する。

次に、図５に示すように、顕微鏡本体４１，５１どうしの相対的な平行位置を調整する。ここでは、対物レンズ４３，５３の中間位置に、スケール６２（同心円パターンなどを形成したガラス板）を設置し、顕微鏡４０，５０の光軸の平行関係の調整を行う。即ち、スケール６２を対物レンズを通して拡大した画像をモニタ４６，５６で観察して、平行度を調整する。

ここでは、まず、下方の顕微鏡本体５１を基準としてその画面の中心にスケール６２のパターン中心６２ａが位置するように調整する。その後、上方の顕微鏡本体４１も同様にして画面の中心にスケール６２のパターン中心６２ａが位置するように調整する。

次に、図６に示すように、被検体としての光学素子１０を対物レンズ４３，５３の中間位置に設置して第１光学面１１及び第２光学面１２の偏心を測定して偏心量を算出する。

この工程では、まず、光学素子１０のフランジ部１３にレーザオートコリメータ４４，５４から出射されたレーザを照射し、顕微鏡本体４１，５１に対する光学素子１０の傾きを調整する。その後、平行偏心を測定する。

平行偏心の測定は、例えば、下方の顕微鏡５０のモニタ５６の画面の中心に凹部１２ａの画像１２ａ’が位置するように光学素子１０を平行移動させる。そして、上方の顕微鏡４０のモニタ４６の画面にて凹部１１ａの画像１１ａ’の中心からのずれ量を計算する。ここで算出された値が光学面１１，１２の偏心量に相当する。

このように算出された偏心量は、前記金型１５，１６の位置制御にフィードバックされることにより、光学面１１，１２の偏心量の極めて小さな光学素子１０が得られることになる。

なお、フランジ部１３に輪帯状あるいは３点のマークを設け、これらのマークから光学面１１，１２の中心を求めることも可能である。しかし、この手法では、低倍率の顕微鏡対物レンズで観察することになるため、マークの検出分解能が低く、中心を求める精度が悪化する。

これに対して、前記光学素子１０にあっては、対向する光学面１１，１２の有効径内にそれぞれ凹部１１ａ，１２ａを形成したため、光学面１１，１２の凹部１１ａ，１２ａを基準にして他の光学面の偏心量を直接的に従来からある光学顕微鏡などを使用して容易かつ高精度に測定することができる。さらに、マークは光学面の中心近くにある方が中心を求める精度がよくなるので、望ましい。また、その測定値を金型の位置制御にフィードバックすることにより、高精度な光学素子１０を得ることができる。このような効果は光学素子２０，３０においても同様である。

また、前記実施例では、調整用マークとしての凹部や凸部を光学面上に金型を用いて該光学面と同時に成形するようにしたため、調整用マークを高精度に形成することができる。

なお、光学素子が光を透過させるものであれば、その透過波面を測定すれば、光学面の偏心量をある程度の精度で推定可能である。しかし、光学素子がもつ所定面の反射を利用する場合、成形したままの状態では測定することができない。反射膜を設けるなどの工程を経れば、波面を測定して偏心量を推定できるが、反射膜を形成せずに評価することが望ましい。本発明を適用すれば、面の偏心を直接観察できる。また、透過波面を観察しても、面形状によっては、素子の傾き偏心と平行偏心を分離することはできない。しかし、前記測定方法で説明したように、素子の傾き偏心はフランジ部の干渉縞から算出するようにすれば、平行偏心のみを分離して測定することができる。

（他の実施例）
なお、本発明に係る光学素子、その偏心量測定方法及びその製造方法は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

特に、光学素子の種類は様々であり、光学面が軸対称なレンズ以外であっても、例えば、アナモフィックな光学素子であっても適用することができる。なお、前記実施例では顕微鏡を使用したが、調整用マークを拡大して直接観察できる光学系もしくはその機能を達成できる光学観察装置であれば、顕微鏡に限るものではない。また、調整用マークは、レンズの対向する有効光学面の光軸上にそれぞれ設けることが望ましい。

本発明に係る光学素子の第１例を示し、（Ａ）は素子の平面図、（Ｂ）は成形時の概略断面図である。 本発明に係る光学素子の第２例を示し、（Ａ）は素子の平面図、（Ｂ）は成形時の概略断面図である。 本発明に係る光学素子の第３例を示す斜視図である。 本発明に係る偏心量測定方法における顕微鏡の傾き調整工程を示す説明図である。 本発明に係る偏心量測定方法における顕微鏡の平行調整工程を示す説明図である。 本発明に係る偏心量測定方法における被検体の測定工程を示す説明図である。

符号の説明

１０，２０，３０…光学素子
１１，１２，２１，２２，３１，３２，３３…光学面
１１ａ，１２ａ…凹部（調整用マーク）
２１ａ，２２ａ…凸部（調整用マーク）
３１ａ，３２ａ，３３ａ…凹部又は凸部（調整用マーク）
１５，１６，２５，２６…金型
４０，５０…光学顕微鏡

Claims (8)

1. 金型によって成形された光学素子であって、二つ以上の光学面の有効径内に調整用マークを設けたことを特徴とする光学素子。
2. 前記調整用マークは前記光学面に形成された凹部又は凸部であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記凹部又は凸部は前記光学面上に金型を用いて該光学面と同時に形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 前記凹部又は凸部はその直径が１０ｎｍ〜７００μｍであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光学素子。
5. 前記凹部又は凸部はその直径が４００ｎｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光学素子。
6. 前記凹部又は凸部の深さ又は高さは１０ｎｍ〜５００μｍであることを特徴とする請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載の光学素子。
7. 二つ以上の光学面の有効径内に調整用マークを設けた光学素子に対して、前記光学面の偏心量を測定する方法であって、
   一対の光学観察装置の光軸位置を一致させる工程と、
   前記一対の光学観察装置の間に前記光学素子を設置し、各光学観察装置にて各光学面に設けられた前記調整用マークを検出し、該マークの偏心量を算出する工程と、
   を備えたことを特徴とする光学素子の偏心量測定方法。
8. 二つ以上の光学面の有効径内に調整用マークを設けた光学素子を金型によって成形する製造方法であって、
   一対の光学観察装置の光軸位置を一致させる工程と、
   前記一対の光学観察装置の間に試作された前記光学素子を設置し、各光学観察装置にて各光学面に設けられた前記調整用マークを検出し、該マークの偏心量を算出する工程と、
   算出された前記偏心量に基づいて前記金型の位置を微調整し、光学素子を成形する工程と、
   を備えたことを特徴とする光学素子の製造方法。

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