JP2006113340A - 複合型光学素子の製造方法および複合型光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】レプリカ成形における生産性を向上させ、コスト削減を図り、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を目的とする。
【解決手段】光学的所望の形状を有する金型面上に光硬化性樹脂を滴下し、該光硬化性樹脂を平面または曲面ガラス基板で押圧し、光照射と加熱手段により複合型光学素子を成形する成形技術において、ガラス基板への押圧機構を用いてガラス基板を予め常温下による樹脂の冷却収縮分だけ変形させてから硬化成形を行うことを特徴とする複合型光学素子の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、成形用型により光硬化性樹脂に成形面を転写して所望の光学面形状を得る所謂レプリカ成形法、およびそれを用いて形成された複合型光学素子に係る複合型光学素子の製造方法および複合型光学素子に関するものである。

従来、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たことを特徴とし、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ある。このレプリカ成形技術は、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、光源からの硬化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。

また、エポキシ系やアクリレート系などに代表される光硬化性樹脂の中には、熱硬化の特性を有しているものも多く、光照射のみで硬化させるだけでなく、熱を利用することで硬化または硬化促進が可能であることが一般的に知られている。具体的には、常温での硬化光照射後に当該複合型光学素子を加熱オーブン中に投入することで加熱養生を行う硬化プロセス、または加熱雰囲気中で硬化光を照射する硬化プロセスなどが上げられる。ただし、とりわけ後者においては、製造コストや温度制御技術等の問題から、今現在でまだ幅広く適用されていないのが現状である。

当該レプリカ成形による作製される複合型光学素子としては、非球面レンズやマイクロレンズや回折光学素子が上げられ、カメラや複写機等の光学系に使用されている。

本発明の課題についての先例提案としては、特許文献１において、樹脂とガラス基板の密着力を強化する、または樹脂硬化を促進させる等の目的で加熱成形が提案されている。

しかしながら、下記特許文献１においては、素子構成やその目的の差異、また本発明の複合型光学素子において適応できない手法もあり、より高精度な成形手法とより効率的な生産性を求める場合には次に上げるような課題が発生する。
特開平１０−１５２５１０号公報

近年、光硬化性樹脂においては、高屈折率−低分散や高分散等の新光学材料が数多く開発されているが、従来の光硬化だけによる成形プロセスでは硬化が不十分であるなど、レプリカ成形において不適な材料も少なくない。光学材料の硬化が不十分である複合型光学素子は、完全硬化した複合型光学素子に比較して当該光学材料の内部応力緩和がより低温度下で生じるため、耐環境試験において当該光学材料の変形を引き起こす。これは、複合型光学素子の光学性能を著しく劣化させる要因となる。これら光硬化特性が不十分である新光学材料に対して、光硬化のみによる成形プロセスではその完全硬化に極めて長い時間を費やすため、光による硬化に加えて熱を利用することで硬化を促進させる光加熱硬化が有効である。光硬化性樹脂の光と熱による硬化プロセスは、前述したように、常温での硬化光照射後に当該複合型光学素子を加熱オーブン中に投入することで加熱養生を行う硬化プロセス、または加熱雰囲気中で硬化光を照射する硬化プロセスなどが上げられるが、光照射と加熱プロセスを別に実施する前者よりも、光照射と加熱プロセスを同時に実施する後者のほうが、より短時間でより少ない熱エネルギーで高効率に硬化できることがわかっている。

しかしながら、光照射と加熱プロセスを同時に実施する光加熱硬化プロセスにおいては、ガラス基板と光学材料という異なる２つの物性を複合化させたことによる特有の課題が生じる。これは、加熱雰囲気中での光硬化により接合化されたガラス基板と光学材料が、その後の常温雰囲気中へと戻される降温プロセスにおいて、それぞれの異なる線膨張率によって複合型光学素子自体の反りを生じさせるものである。一般的に、ガラスと樹脂との線膨張率は、樹脂のほうが大きいため、常温雰囲気中へと戻される降温プロセスにおいては、樹脂の冷却収縮率がガラスのそれよりも大きい。よって、収縮する成形材料に引っ張られてガラス基板も大きく歪むことから、複合型光学素子の光学性能を著しく劣化させる要因となる。この現象は、光硬化時における加熱雰囲気の温度を高くすればするほど、または素子構成上の光硬化性樹脂の厚膜化やガラス基板の薄厚化において顕著に現れる。

しかるに、樹脂とガラス基板の密着力を強化する、または樹脂硬化を促進させる等の目的での前記特許文献１においては、加熱雰囲気中における複合型光学素子の成形プロセスまで言及されているが、その後の冷却収縮による当該複合型光学素子の変形への対策までは言及されていない。

因って本発明は、特許文献１とは異なる構成において、ガラス基板への押圧機構を用いてガラス基板を予め常温下による樹脂の冷却収縮分だけ変形させてから硬化成形を行うという容易な方法、またはガラス基板の両面に常温下における冷却収縮力を同様にするレプリカ樹脂膜を成膜するという容易な方法により、複合型光学素子の加熱成形後における光硬化性樹脂の冷却収縮によるガラス基板の変形を軽減するものである。

これにより、レプリカ成形における生産性を向上させ、コスト削減を図り、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を目的とする。

前述の課題を解決するための請求項１の発明は、光学的所望の形状を有する金型面上に光硬化性樹脂を滴下し、該光硬化性樹脂を平面または曲面ガラス基板で押圧し、光照射と加熱手段により複合型光学素子を成形する成形技術において、ガラス基板への押圧機構を用いてガラス基板を予め常温下による樹脂の冷却収縮分だけ変形させてから硬化成形を行うことを特徴とする複合型光学素子の製造方法である。

請求項２の発明は、光学的所望の形状を有する金型面上に光硬化性樹脂を滴下し、該光硬化性樹脂を平面または曲面ガラス基板で押圧し、光照射と加熱手段により複合型光学素子を成形する成形技術において、ガラス基板の両面に常温下における冷却収縮力を同様にするレプリカ樹脂膜を成膜することを特徴とする複合型光学素子の製造方法である。

請求項３の発明は、光学的所望の形状を有する金型面上に光硬化性樹脂を滴下し、該光硬化性樹脂を平面または曲面ガラス基板で押圧し、当該光硬化性樹脂に対して光照射を行う一連の工程を、温度制御機構を用いて４０℃以上且つ当該光硬化性樹脂硬化物のガラス転移温度以下の温度雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の複合型光学素子の製造方法である。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３いずれかに記載の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする複合型光学素子である。

本願の請求項１及び請求項２及び請求項３及び請求項４に記載した発明によるその効果は、ガラス基板への押圧機構を用いてガラス基板を予め常温下による樹脂の冷却収縮分だけ変形させてから硬化成形を行うという容易な方法、またはガラス基板の両面に常温下における冷却収縮力を同様にするレプリカ樹脂膜を成膜するという容易な方法により、複合型光学素子の加熱成形後における光硬化性樹脂の冷却収縮によるガラス基板の変形を軽減するものである。これにより、レプリカ成形における生産性を向上させ、コスト削減を図り、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を目的とする。

以下本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。

図１は本発明のレプリカ成形装置における実施例１を示す概略構成図である。１は加熱雰囲気における形状補正を加味した上で、光学機能形状の反転形状２をその成形面に設けた成形型である。成形型１は固定されており、成形型１を嵌め込んでいるリング状のレンズブランク保持部材３上にはφ２２ｍｍ＿ｔ１．０ｍｍ平板のレンズブランク４が載置され、レンズブランク４の中心軸と成形型１の成形面の中心軸との合わせは、当該レンズブランク保持材３の勘合部にレンズブランク４を嵌め込むことで実現する。成形型１には加熱用のベルトヒーター５と成形型温度観測用の熱電対６が設置されており、それぞれ成形型温度制御装置７に接続されている。また、本実施例においては、温度を制御するための構成として、成形型１に直接設置するベルトヒーター５と熱電対６のみを用いているが、成形型１やその他の構成を含む成形器全体を大型恒温槽内に設置することでより高精度な温度制御を行っても良い。レンズブランク４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３は上下動自在に保持されている。成形型１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８が供給されており、レンズブランク４の上方には紫外線照射ランプ９が成形型光学機能面に対して紫外線が垂直に入射されるように設置されている。さらに当該レンズブランク４と紫外線照射ランプ９の間には、押圧部材１０が設置される。光硬化性樹脂８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９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。

図２は、本実施例における成形型１の上面図と側面図を示す。光学機能面２を形成する微細形状は、光学有効径２０ｍｍにおいて、平面上に格子高さ５〜２０μｍ、格子幅０．１〜３ｍｍ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への凸形状で同心円状に配置されている。当該成形型１は、加熱雰囲気中で用いられるが、成形された複合型光学素子が常温雰囲気に取り出され冷却収縮により変形するため、これら変形量を補正した上で型の形状設計を行わなければならない。具体的な補正項目としては、前述した格子高さや格子幅、さらにはレンズブランク４の反りによる光学平面補正などが上げられる。

図３は、当該成形型により理想的に作製される回折光学素子を示す。レンズブランク４上に形成された樹脂層の光学機能面２’は、ブレーズ型回折格子の中心への凹形状、即ち当該成形型の反転形状として同心円状に形成される。

以下、本実施例における成形プロセスを図１，図４において説明する。成形型１は、６０℃±１℃に温調制御されている。これは、熱電対６から得た温度情報を成形型温度制御装置７に入力し、予め設定した温度との差分を成形型温度制御装置７から出力することで温調制御を行う。さらに、成形型１の成形面上中央付近に不図示のディスペンサーにて光硬化性樹脂８を適量供給し、あらかじめ樹脂との密着力を上げるためのカップリング処理を片面に施したレンズブランク４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３に嵌め込む。この際に、芯だし用チャックやベルクランプ方式等、さらにレンズブランク４を保持するための機構を備えても良い。

その後、リング状のレンズブランク保持部材３を下降させ、成形型１とレンズブランク４を相対的に接近させ、光硬化性樹脂８を所望の厚み、かつ光学有効径外の外周まで満たすように充填させる。光硬化性樹脂８への気泡混入や型成形形状への樹脂未充填を防止するために、光硬化性樹脂８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。

この時、レンズブランク４が成形型１に接する光硬化性樹脂８と密着することで、当該レンズブランク４の温調も６０℃で安定する。

その後、図４に示すように、先端が球状でφ１ｍｍの硬質樹脂で作られた押圧部材１０により、光硬化性樹脂８の重心上のレンズブランク４上面（本実施例においてはレンズブランク４の中心）を１５μｍ押圧する。当該押圧部材１０による押圧量は、予め測定しておいた成形後の樹脂の冷却収縮によるガラス基板の変形量に等しくする。

その後、レンズブランク４を押圧した状態のままで、紫外線照射ランプ９により１０［ｍＷ／ｃｍ^２］の紫外線を樹脂層の全面に対して３０秒照射する。この段階において、光硬化性樹脂８はある程度硬化しているため、当該押圧部材１０を取り外して、再び紫外線照射ランプ９により１５０［ｍＷ／ｃｍ^２］の紫外線を樹脂全面に対して２分間照射する。全面照射による光硬化性樹脂全体の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３を上昇させることで、成形型１から光硬化性樹脂８とレンズブランク４から成る複合型光学素子を剥離させる。

当該複合型回折光学素子は、６０℃雰囲気の成形型上においては図５（ａ）にあるように１５μｍの反りを与えたレンズブランク４と６０℃の成形型１を転写した光硬化性樹脂８で構成されている。さらに、当該複合型光学素子を常温雰囲気下に取り出した後には、レンズブランク４と光硬化性樹脂８それぞれの弾性力と重心へ向かう冷却収縮、さらには接着された界面応力の影響により、図５（ｂ）に示した光学的所望の素子形状に収束する。

因って、本実施例の構成において、ガラス基板への押圧機構を用いてガラス基板を予め常温下による樹脂の冷却収縮分だけ変形させてから硬化成形を行うという方法により、複合型光学素子の加熱成形後における光硬化性樹脂の冷却収縮によるガラス基板の変形を軽減するものである。これにより、レプリカ成形における生産性を向上させ、コスト削減を図り、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を目的とする。

図６は本発明のレプリカ成形装置における実施例２を示す概略構成図である。本実施例の装置構成は、前記実施例１の装置構成に比較して、押圧部材１０を用いないものであり、他の構成は同一な構成部分から成るので、その説明を省略する。

図７は、本実施例における成形型１１と成形型１３の上面図と側面図を示す。当該成形型１１の光学機能面１２を形成する微細形状は、光学有効径２０ｍｍにおいて、平面上に格子高さ５〜２０μｍ、格子幅０．１〜３ｍｍ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への凸形状で同心円状に配置されている。当該成形型１１は、加熱雰囲気中で用いられるが、成形された複合型光学素子が常温雰囲気に取り出され冷却収縮により変形するため、これら変形量を補正した上で型の形状設計を行わなければならない。具体的な補正項目としては、前述した格子高さや格子幅が上げられる。成形型１３は、成形型１１に同径の鏡面研磨を施した平板成形型である。成形型１１に同じく加熱雰囲気中で用いられるが、平板であるため光学的形状補正の必要はない。

図８は、当該成形型１１と成形型１３により理想的に作製される回折光学素子を示す。レンズブランク４上に形成された樹脂層の光学機能面１２’は、ブレーズ型回折格子の中心への凹形状、即ち成形型１１の反転形状として同心円状に形成されており、レンズブランク４のもう一方の面には、光学機能面１２’を含む樹脂層の常温下における冷却収縮力に比較して同等の冷却収縮力を有する樹脂層が、平板成形型１３により転写されている。

以下、本実施例における成形プロセスを図６，図９において説明する。成形型１１は、８０℃±１℃に温調制御されている。これは、熱電対６から得た温度情報を成形型温度制御装置７に入力し、予め設定した温度との差分を成形型温度制御装置７からベルトヒーター５へ出力することで温調制御を行う。さらに、成形型１１の成形面上中央付近に不図示のディスペンサーにて光硬化性樹脂８を適量供給し、あらかじめ樹脂との密着力を上げるためのカップリング処理を両面に施したレンズブランク４を、リング状のレンズブランク保持部材３に嵌め込む。この際に、芯だし用チャックやベルクランプ方式等、さらにレンズブランク４を保持するための機構を備えても良い。

その後、リング状のレンズブランク保持部材３を下降させ、成形型１１とレンズブランク４を相対的に接近させ、光硬化性樹脂８を所望の厚み、かつ光学有効径外の外周まで満たすように充填させる。光硬化性樹脂８への気泡混入や型成形形状への樹脂未充填を防止するために、光硬化性樹脂８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。

この時、レンズブランク４が成形型１１に接する光硬化性樹脂８と密着することで、当該レンズブランク４の温調も８０℃で安定する。その後、紫外線照射ランプ９により３０［ｍＷ／ｃｍ^２］の紫外線を樹脂層の全面に対して３０秒間、さらに１５０［ｍＷ／ｃｍ^２］の紫外線を樹脂層の全面に対して９０秒間照射する。全面照射による光硬化性樹脂全体の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３を上昇させることで、成形型１１から光硬化性樹脂８とレンズブランク４から成る複合型光学素子を剥離させる。

その後、成形装置内の成形型１１を成形型１３に入れ替え、レンズブランク４のもう一方の面に対して同様の光硬化性樹脂８を用いて同様の加工プロセスを実施するが、当該加工プロセスと装置構成ともに同一な部分から成るので、その説明を省略する。

本実施例において作製された複合型光学素子は、図８にあるように、ガラス基板の両面に常温下における冷却収縮力を同様にするレプリカ樹脂層を設置しているため、当該複合型光学素子を常温雰囲気下に取り出した場合においても、ガラス基板の変形を発生させない。ただし、格子高さや格子幅等の光学機能面の冷却収縮による変形が多少なりとも生じるため、当該光学機能面１２’の成形型１１に対する形状補正は必要である。また、本実施例においては、ガラス基板の両面に光学機能面１２’を含む樹脂層と光学機能面を含まない平板樹脂層を設置しているが、常温下における冷却収縮力を同様にする樹脂層であればこれに限定されない。異なる樹脂材料や異なる膜厚、または光学機能面の有無等、ガラス基板の両面に同様の冷却収縮力を発生させる樹脂層であれば良い。

因って、本実施例の構成において、ガラス基板の両面に常温下における冷却収縮力を同様にするレプリカ樹脂膜を成膜するという方法により、複合型光学素子の加熱成形後における光硬化性樹脂の冷却収縮によるガラス基板の変形を軽減するものである。これにより、レプリカ成形における生産性を向上させ、コスト削減を図り、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を目的とする。

本発明の実施例１を示す成形型と成形装置の断面図である。 本発明の実施例１を示す成形型の断面図と上面図である。 本発明の実施例１を示す光学素子の断面図と上面図である。 本発明の実施例１を示す成形型と成形装置の断面図である。 本発明の実施例１の作用を説明する図である。 本発明の実施例２を示す成形型と成形装置の断面図である。 本発明の実施例２を示す成形型の断面図と上面図である。 本発明の実施例２を示す光学素子の断面図と上面図である。 本発明の実施例２を示す成形型の断面図と上面図である。

符号の説明

１ 成形型
２ 光学機能形状
３ レンズブランク保持部材
４ レンズブランク
５ ベルトヒーター
６ 熱電対
７ 成形型温度制御装置
８ 光硬化性樹脂
９ 紫外線照射ランプ
１０ 押圧部材
１１ 成形型
１２ 光学機能面
１２’ 成形品の光学機能面
１３ 成形型

Claims (4)

1. 光学的所望の形状を有する金型面上に光硬化性樹脂を滴下し、該光硬化性樹脂を平面または曲面ガラス基板で押圧し、光照射と加熱手段により複合型光学素子を成形する成形技術において、ガラス基板への押圧機構を用いてガラス基板を予め常温下による樹脂の冷却収縮分だけ変形させてから硬化成形を行うことを特徴とする複合型光学素子の製造方法。
2. 光学的所望の形状を有する金型面上に光硬化性樹脂を滴下し、該光硬化性樹脂を平面または曲面ガラス基板で押圧し、光照射と加熱手段により複合型光学素子を成形する成形技術において、ガラス基板の両面に常温下における冷却収縮力を同様にするレプリカ樹脂膜を成膜することを特徴とする複合型光学素子の製造方法。
3. 前記加熱手段は、光学的所望の形状を有する金型面上に光硬化性樹脂を滴下し、該光硬化性樹脂を平面または曲面ガラス基板で押圧し、当該光硬化性樹脂に対して光照射を行う一連の工程を、温度制御機構を用いて４０℃以上且つ当該光硬化性樹脂硬化物のガラス転移温度以下の温度雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の複合型光学素子の製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３いずれかに記載の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする複合型光学素子。

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