JP2007212547A - 光学素子の製造方法および光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 レンズ部材間における回折格子の樹脂層の厚さを高い精度で制御できる手段を提供する。
【解決手段】 光学素子の製造方法の第１工程では、第１レンズ部材の一面側に回折格子形状を形成する。第２工程では、第１レンズ部材に重ねたときに第１レンズ部材の外縁部よりも外側に突出する突起部を有する第２レンズ部材を第１レンズ部材の一面側に配置する。そして、回折格子形状の形成領域と第２レンズ部材との間に未硬化の第１光学材料樹脂を充填するとともに、該第１光学材料樹脂を硬化させて第１レンズ部材および第２レンズ部材を貼り合わせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２枚のレンズの間に回折格子をなす樹脂層が形成されている光学素子の製造方法に関する。

従来から、外縁形状が同一に設定された２つのレンズ部材の間に回折格子をなす樹脂層を設けた光学素子（密着複層回折光学素子とも称される）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２６８１１６号公報（図４，図６参照）

しかし、上記特許文献１では、レンズ間の相対間隔を適切に調整することが実際には非常に困難である。そのため、回折格子形状が形成される樹脂層の厚さが不均一となりやすく、完成した光学素子の光学性能にバラツキが生じやすい点で改善の余地があった。
本発明は上記従来技術の課題を解決するためのものであって、その目的は、レンズ部材間における回折格子の樹脂層の厚さを高い精度で制御できる手段を提供することである。

第１の発明に係る光学素子の製造方法は以下の第１工程と第２工程とを含む。第１工程では、第１レンズ部材の一面側に回折格子形状を形成する。第２工程では、第１レンズ部材に重ねたときに第１レンズ部材の外縁部よりも外側に突出する突起部を有する第２レンズ部材を第１レンズ部材の一面側に配置する。そして、回折格子形状の形成領域と第２レンズ部材との間に未硬化の第１光学材料樹脂を充填するとともに、該第１光学材料樹脂を硬化させて第１レンズ部材および第２レンズ部材を貼り合わせる。

上記の第１の発明では、第１工程の回折格子形状は、第１レンズ部材の一面側に塗布された第２光学材料樹脂に型材の形状を転写して形成されたものでもよい。そして、第１レンズ部材の外縁部は、型材の形状転写領域の外縁部よりも大きく設定されていることが好ましい。
上記の第１の発明では、第１光学材料樹脂または第２光学材料樹脂を硬化させるときに、第１レンズ部材と第２レンズ部材との相対間隔または第１レンズ部材と型材との相対間隔を、各々の樹脂の収縮量に応じて調整することが好ましい。

第２の発明に係る光学素子は、第１レンズ部材と、第２レンズ部材と、樹脂層とを備える。第２レンズ部材は、第１レンズ部材に重ねたときに第１レンズ部材の外縁部よりも外側に突出する突起部を有する。樹脂層は、第１レンズ部材および第２レンズ部材の間に形成されるとともに回折格子を構成する。
第３の発明に係る光学素子の製造方法は以下の第１工程と第２工程とを含む。第１工程では、複数個の光学素子を一体成形するための第１レンズ基板の一面側に、回折格子形状を複数配列した回折格子群を形成する。第２工程では、第１レンズ基板に重ねたときに第１レンズ基板の外縁部よりも外側に突出する突起部を有する第２レンズ基板を第１レンズ基板の一面側に配置する。そして、回折格子群の形成領域と第２レンズ基板との間に未硬化の第１光学材料樹脂を充填するとともに、該第１光学材料樹脂を硬化させて第１レンズ基板および第２レンズ基板を貼り合わせる。

ここで、第３の発明には、第１の発明で記載した付加的構成をほぼ同様に適用することが可能である。なお、第３の発明の構成を、第１レンズ基板、第２レンズ基板および樹脂層を有する光学素子に変換して表現したものも本発明の具体的態様として有効である。

本発明では、２つのレンズ部材を貼り合わせる際に、第２レンズ部材の突起部を位置合わせに用いてレンズ部材間の相対間隔を高い精度で調整できる。

（第１実施形態の説明）
まず、第１実施形態の光学素子の構成を図１および図２に示す。光学素子は、第１レンズ部材１１と、第２レンズ部材１２と、第１樹脂層１３および第２樹脂層１４とを有している。
第１レンズ部材１１の全体形状は円形に形成されている。第１レンズ部材１１の一面側（図１での上側の面）には第１樹脂層１３が密着している。一方、第１レンズ部材１１の他面（図１での下側の面）は球面または非球面に加工されてレンズ面を形成している。

第２レンズ部材１２は、本体部１２ａと突起部１２ｂとを有している（図２参照）。第２レンズ部材１２の本体部１２ａは、第１レンズ部材１１とほぼ同径の円形に形成されている。この本体部１２ａの一面（図１での上側の面）は球面または非球面に加工されてレンズ面を形成している。一方、本体部１２ａの他面（図１での下側の面）は第１レンズ部材１１に対向する接合面をなしている。この接合面には第２樹脂層１４が密着している。

第２レンズ部材１２の突起部１２ｂは、本体部１２ａの外周に成形されている。第１実施形態では、本体部１２ａの外周にそれぞれ等間隔をおいて同一形状の突起部１２ｂが３つ配置されている。各々の突起部１２ｂは第２レンズ部材１２の光軸直角方向に延長している。また、各々の突起部１２ｂの第１レンズ部材１１側の面は、それぞれの面が同一平面上に位置するように揃えられている。そして、第１レンズ部材１１と第２レンズ部材１２とをそれぞれ光軸が一致するように重ねたときに、各々の突起部１２ｂはいずれも先端が第１レンズ部材１１の外縁部よりも外側に突出する位置関係にある。

第１樹脂層１３および第２樹脂層１４は、第１レンズ部材１１と第２レンズ部材１２との間に形成されている。この第１樹脂層１３および第２樹脂層１４はそれぞれ屈折率と分散の傾向が異なる別の光学材料樹脂で形成されている。また、第１樹脂層１３と第２樹脂層１４との境界面は、回折格子をなす同心円状の輪帯パターンが形成されている。すなわち、第１樹脂層１３および第２樹脂層１４には、互いにかみあう形状の輪帯状の回折格子をそれぞれ構成する。なお、第１樹脂層１３および第２樹脂層１４は、第１レンズ部材１１と第２レンズ部材１２とを貼り合わせて一体化する役目も果たしている。

次に、図３および図４を参照しつつ、第１実施形態の光学素子の製造方法を説明する。
（第１樹脂層の形成）
第１工程では、本体部１５ａと可動台座１５ｂとを有する第１の成形装置１５を使用して、第１レンズ部材１１に第１樹脂層１３を形成する。
ここで、第１の成形装置１５の構成を簡単に説明する。本体部１５ａの上面は、第１レンズ部材１１の外径よりも小さな円形をなしている。そして、本体部１５ａの上面は金型となっている。この金型の形状転写領域には、回折格子に対応した同心円状の輪帯パターンが形成されている。

一方、可動台座１５ｂは本体部１５ａの上面近傍に配置される。可動台座１５ｂは、本体部１５ａの側面を囲繞する環状に形成されており、本体部１５ａに対してその側面を上下方向に摺動可能に構成されている。また、可動台座１５ｂの内径は第１レンズ部材１１の外縁よりも小さく設定されている。したがって、可動台座１５ｂの上面には第１レンズ部材１１を載置できる（なお、第１の成形装置１５の平面図については省略する）。

以下、第１工程の内容を順次説明する。
（１）第１の成形装置１５の金型の中心に紫外線硬化樹脂１６を滴下する（図３（ａ）参照）。このとき、可動台座１５ｂの位置はその上面が金型の位置よりも高くなるように予め調整しておく。
（２）レンズ搬送装置１７によって第１レンズ部材１１を可動台座１５ｂの上方に搬送する。そして、第１レンズ部材１１の光軸と金型の中心軸とを位置合わせした後に、可動台座１５ｂの上面に第１レンズ部材１１を載置する（図３（ｂ）参照）。このとき、第１レンズ部材１１はレンズ面を上にしておく。この状態では、第１レンズ部材１１の一面は可動台座１５ｂの上面とほぼ同一面で保持されることとなる。

ここで、レンズ搬送装置１７は下側に真空チャックを有している。この真空チャックはＯリング１７ａを介して第１レンズ部材１１の上面と当接するとともに、第１レンズ部材１１を吊り下げた状態で吸着保持できる。上記のＯリング１７ａの内径は第１の成形装置１５の金型の形状転写領域よりも大きく設定されている。また、Ｏリング１７ａの外径は第１レンズ部材１１の周縁部よりも小さく設定されている。なお、レンズ搬送装置１７の内側は、紫外線を下方に照射可能とするために中空に形成されている。

（３）レンズ搬送装置１７で第１レンズ部材１１を上から押さえた状態を維持しつつ、可動台座１５ｂを徐々に下降させる（図３（ｃ）参照）。これにより、金型と第１レンズ部材１１との相対間隔が小さくなって、紫外線硬化型樹脂１６は金型の中心から同心円状に押し広げられて塗布される。なお、紫外線硬化型樹脂１６を押し広げる速度が速いと、樹脂が空気を巻き込んでしまうため樹脂層（１３）に気泡が発生する。そのため、可動台座１５ｂの下降速度は第１の成形装置１５によって精密に制御される。

（４）第１レンズ部材１１に紫外線を照射して紫外線硬化型樹脂１６を硬化させる（図３（ｄ）参照）。これにより、第１レンズ部材１１の一面に回折格子をなす第１樹脂層１３が形成される。
具体的には、まず、Ｏリング１７ａによって第１レンズ部材１１を上から押さえた状態で、レンズ搬送装置１７の内側から紫外線を照射する。そして、紫外線硬化型樹脂１６がある程度硬化した段階で、レンズ搬送装置１７を退避させるとともに第１レンズ部材１１の全体に紫外線を照射する。

ここで、紫外線照射時には、紫外線硬化型樹脂１６の収縮量に応じて、第１の成形装置１５の可動台座１５ｂが下降するように制御する。これにより、第１レンズ部材１１に作用する収縮応力をキャンセルできるとともに、硬化中に金型から樹脂が剥離することを防止できる。
（５）そして、紫外線硬化型樹脂１６の硬化後に可動台座１５ｂを上昇させる。これにより、第１樹脂層１３が形成された第１レンズ部材１１は金型から離脱する（図３（ｅ）参照）。

（レンズ部材の貼り合わせ）
第２工程では、第１の成形装置１５とほぼ同様に構成された第２の成形装置１８を使用して、第１レンズ部材１１と第２レンズ部材１２とを貼り合わせる。
ここで、第２の成形装置１８と第１の成形装置１５との相違点を簡単に説明する。第２の成形装置１８では、本体部１８ａの上面が第１レンズ部材１１よりも若干大きな円形に形成されている。そして、本体部１８ａの上面は第１レンズ部材１１を載置可能に構成されている。

以下、第２工程の内容を順次説明する。
（１）レンズ搬送装置１７によって第１レンズ部材１１を第２の成形装置１８の本体部１８ａの上方に搬送する。そして、第１レンズ部材１１の光軸と本体部１８ａの中心とを位置合わせした後に、本体部１８ａの上面に第１レンズ部材１１を載置する（図４（ａ）参照）。このとき、第１レンズ部材１１は第１樹脂層１３の形成面を上にしておく。なお、第１レンズ部材１１の搬送には、第１工程のレンズ搬送装置１７をそのまま使用できる。

（２）第１樹脂層１３の中心に紫外線硬化樹脂１９を滴下する（図４（ｂ）参照）。第２工程では、上記第１工程とは別の光学材料樹脂が使用される。なお、このとき、第２の成形装置１８の可動台座１８ｂの位置は、その上面が第１樹脂層１３の位置よりも高くなるように予め調整しておく。
（３）レンズ搬送装置によって第２レンズ部材１２を可動台座１８ｂの上方に搬送する。そして、第１レンズ部材１１と第２レンズ部材１２との光軸を位置合わせした後に、可動台座１８ｂの上面にレンズ面を上にして第２レンズ部材１２を載置する（図４（ｃ）参照）。この状態では、第２レンズ部材１２の３つの突起部１２ｂが可動台座１８ｂの上面に引っ掛かるため、第２レンズ部材１２の本体部１２ａは可動台座１８ｂの上面と平行に保持されることとなる。なお、第２レンズ部材１２の搬送には、第１工程のレンズ搬送装置１７をそのまま使用できる。

（４）レンズ搬送装置１７で第２レンズ部材１２を上から押さえた状態を維持しつつ、可動台座１８ｂを徐々に下降させる（図４（ｄ）参照）。これにより、第１レンズ部材１１と第２レンズ部材１２との相対間隔が小さくなって、紫外線硬化型樹脂１９は第１樹脂層１３の中心から同心円状に押し広げられて塗布される。なお、この場合にも、可動台座１８ｂの下降速度は第２の成形装置１８によって精密に制御される。

（５）第２レンズ部材１２に紫外線を照射して紫外線硬化型樹脂１９を硬化させる（図４（ｅ）参照）。この紫外線照射の説明は、上記の第１工程の場合とほぼ共通するので重複説明を省略する。なお、第２工程においても、紫外線硬化型樹脂１９の収縮量に応じて、第２の成形装置１８の可動台座が下降するように制御する。
これにより、第１レンズ部材１１と第２レンズ部材１２とが貼り合わされた光学素子が形成される。また、第２工程では、第１樹脂層１３の回折格子のパターンが型材としての役目を果たす。そのため、レンズ部材の間にある第１樹脂層１３および第２樹脂層１４には、互いにかみあう形状の回折格子が形成される。なお、光学素子の形成後には、第２レンズ部材１２の各突起部１２ｂは、例えばホットニッパーなどで切断して除去してもよい。

以下、第１実施形態の作用効果を述べる。
第１実施形態の第２工程では、第１レンズ部材１１よりも外側に位置する可動台座１８ｂに第２レンズ部材１２の突起部１２ｂを載せることで、第２レンズ部材１２の接合面が可動台座１８ｂの上面で容易に位置合わせされる。すなわち、第１実施形態では、第２レンズ部材１２と冶具との位置関係の誤差が小さくなるので、レンズ部材を貼り合わせる際にレンズ部材の相対間隔をより高い精度で調整できるようになる。

また、第１実施形態の第１工程では、金型よりも外側に位置する可動台座１５ｂに第１レンズ部材１１を載せることで、第１レンズ部材１１の一面が可動台座１５ｂの上面で容易に位置合わせされる。すなわち、第１実施形態では、第１レンズ部材１１と冶具との位置関係の誤差が小さくなるので、第１レンズ部材１１に樹脂層で回折格子を形成する場合の成形精度も向上する。

（第２実施形態の説明）
図５および図６は第２実施形態の光学素子を示す図である。この第２実施形態では、円形のレンズ基板上に矩形の光学素子を複数同時に形成する。この光学素子は、後工程において基板をワイヤソー等で切断することで個片化される。なお、第２実施形態で第１実施形態と共通の構成には同一符号を付して説明を省略する。

光学素子は、第１レンズ基板２１と、第２レンズ基板２２と、第１樹脂層１３および第２樹脂層１４とを有している。第１レンズ基板２１の全体形状は円形に形成されている。第１レンズ基板２１の一面側には第１樹脂層１３が密着している。一方、第１レンズ基板２１の他面には、それぞれ同一形状の矩形のレンズ面が格子状に複数配置されている。
第２レンズ基板２２は、本体部２２ａと突起部２２ｂとを有している。第２レンズ基板２２の本体部２２ａは、第１レンズ基板２１とほぼ同径の円形に形成されている。この本体部２２ａの一面には、第１レンズ基板２１の他面と対応する位置に矩形のレンズ面がそれぞれ形成されている。一方、本体部２２ａの他面は第１レンズ基板２１に対向する接合面であり、この接合面には第２樹脂層１４が密着している。なお、第２レンズ基板２２の突起部２２ｂの説明は、第２レンズ部材１２の突起部１２ｂの説明と共通するので重複説明は省略する。

第１樹脂層１３および第２樹脂層１４は、第１レンズ基板２１と第２レンズ基板２２との間に形成されている。第２実施形態では、第１樹脂層１３および第２樹脂層１４の回折格子は、第１レンズ基板２１および第２レンズ基板２２の個々のレンズ面の対応位置にそれぞれ形成されている。
この第２実施形態の光学素子も、上記の第１実施形態の光学素子と同様の製造方法によって製造することが可能である。なお、第２実施形態の製造方法の説明は、第１，第２レンズ部材（１１，１２）を第１，第２レンズ基板（２１，２２）に置き換えるとともに、第１の成形装置の金型を第２実施形態に対応する金型に置換する点を除いて第１実施形態の説明と共通するので、重複説明は省略する。

（実施形態の補足事項）
以上、本発明を上記の実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に限定されるものではない。
（１）本発明の光学材料樹脂は紫外線硬化型樹脂に限定されることなく、例えば加熱硬化型樹脂であってもよい。

（２）本発明での樹脂層の数は、上記実施形態のように２層に限定されるものではない。例えば、光学素子の樹脂層は１層だけであってもよく、あるいは樹脂層が３層以上積層されたものであってもよい。
（３）第２レンズ部材１２または第２レンズ基板２２の突起部（１２ｂ，２２ｂ）の構成は、例えば、レンズ部材の全周に薄肉のフランジを形成する構成で代替することも可能である。

（４）また、光学材料樹脂を硬化させるときに、レンズ部材と型材との相対間隔を光学材料樹脂の収縮量に応じて調整する構成は、球面ガラスと非球面金型の間に流し込んだ紫外線硬化型樹脂に紫外線を照射し、ガラスと樹脂を一体化した複合非球面レンズを製造する場合にも広く適用できる。

第１実施形態の光学素子の側部断面図 第１実施形態の光学素子の平面図 第１実施形態の第１工程を示す説明図 第１実施形態の第２工程を示す説明図 第２実施形態の光学素子の側部断面図 第２実施形態の光学素子の平面図

符号の説明

１１…第１レンズ部材、１２…第２レンズ部材、１２ａ…本体部、１２ｂ…突起部、１３…第１樹脂層、１４…第２樹脂層、１６，１９…紫外線硬化樹脂、２１…第１レンズ基板２１、２２…第２レンズ基板、２２ａ…本体部、２２ｂ…突起部

Claims (7)

1. 第１レンズ部材の一面側に回折格子形状を形成する第１工程と、
   前記第１レンズ部材に重ねたときに前記第１レンズ部材の外縁部よりも外側に突出する突起部を有する第２レンズ部材を前記第１レンズ部材の一面側に配置し、前記回折格子形状の形成領域と前記第２レンズ部材との間に未硬化の第１光学材料樹脂を充填するとともに、該第１光学材料樹脂を硬化させて前記第１レンズ部材および前記第２レンズ部材を貼り合わせる第２工程と、
   を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 請求項１に記載の光学素子の製造方法において、
   前記第１工程の前記回折格子形状は、前記第１レンズ部材の一面側に塗布された第２光学材料樹脂に型材の形状を転写して形成され、
   前記第１レンズ部材の外縁部は、前記型材の形状転写領域の外縁部よりも大きく設定されていることを特徴とする光学素子の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の光学素子の製造方法において、
   前記第１光学材料樹脂または前記第２光学材料樹脂を硬化させるときに、前記第１レンズ部材と前記第２レンズ部材との相対間隔または前記第１レンズ部材と前記型材との相対間隔を、各々の樹脂の収縮量に応じて調整することを特徴とする光学素子の製造方法。
4. 第１レンズ部材と、
   前記第１レンズ部材に重ねたときに前記第１レンズ部材の外縁部よりも外側に突出する突起部を有する第２レンズ部材と、
   前記第１レンズ部材および前記第２レンズ部材の間に形成されるとともに回折格子を構成する樹脂層と、
   を備えることを特徴とする光学素子。
5. 複数個の光学素子を一体成形するための第１レンズ基板の一面側に、回折格子形状を複数配列した回折格子群を形成する第１工程と、
   前記第１レンズ基板に重ねたときに前記第１レンズ基板の外縁部よりも外側に突出する突起部を有する第２レンズ基板を前記第１レンズ基板の一面側に配置し、前記回折格子群の形成領域と前記第２レンズ基板との間に未硬化の第１光学材料樹脂を充填するとともに、該第１光学材料樹脂を硬化させて前記第１レンズ基板および前記第２レンズ基板を貼り合わせる第２工程と、
   を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
6. 請求項５に記載の光学素子の製造方法において、
   前記第１工程の前記回折格子群は、前記第１レンズ基板の一面側に塗布された第２光学材料樹脂に型材の形状を転写して形成され、
   前記第１レンズ基板の外縁部は、前記型材の形状転写領域の外縁部よりも大きく設定されていることを特徴とする光学素子の製造方法。
7. 請求項５または請求項６に記載の光学素子の製造方法において、
   前記第１光学材料樹脂または前記第２光学材料樹脂を硬化させるときに、前記第１レンズ基板と前記第２レンズ基板との相対間隔または前記第１レンズ基板と前記型材との相対間隔を各々の樹脂の収縮量に応じて調整することを特徴とする光学素子の製造方法。
   

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