JP2008105874A - 光学素子の製造方法及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】曇りやクラックなどによる光学的な不具合が発生してしまうことなく、また、加圧成形に伴って成形型の表面にガラスの融着や生成物の析出が生じてしまうことがなく、最小限の工程で光学素子を成形することが可能な光学素子の製造方法を提供する。
【解決手段】光学素子の製造方法は、光学素子用素材２を成形することで形成された成形加工光学機能面４を有する光学素子１を製造するものであり、光学素子用素材２の表面のうち、成形加工光学機能面と対応する表面２ａに、酸化物、フッ化物、硫化物、または窒化物の少なくとも２種類以上を混合させて、光学素子用素材２の屈折率と略等しい屈折率に調整した混合膜３ａからなる表面層３を形成する表面層形成工程と、表面層３が形成された光学素子用素材２を加熱し、成形用型によって成形加工光学機能面と対応する光学素子用素材２の表面２ａを加圧成形する加圧成形工程とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子用素材を加熱軟化させた後に、成形型によって加圧成形することで、所定の形状、精度を有する光学素子に成形する光学素子の製造方法及び光学素子に関する。

従来から、レンズの製造方法として、光学素子用素材としてガラス素材を加熱軟化させた後に、光学機能面となる表面を加圧成形する方法が知られている。このようなレンズの製造方法は、複雑な工程をなくし、簡単かつ安価にレンズを製造することができることから、近年、レンズのみならず、ガラスなどの光学素子用素材からなる様々な光学素子の製造に使用されてきている。

ところで、このような光学素子の製造方法においては、成形型の成形面が酸化して酸化膜が形成されてしまうと、加圧成形時に光学素子用素材であるガラスが成形型の表面に融着する不具合が発生してしまう場合がある。このため、加圧成形を窒素ガスなどの不活性ガスからなる非酸化性雰囲気内で行うことで、成形型の成形面の酸化を防止していた。しかしながら、窒素ガスなどの不活性ガス内に僅かでも酸素が含まれている場合には、成形雰囲気が高温であるために、依然成形型の成形面に酸化膜が形成され、ガラスが融着してしまう問題があった。さらに、光学素子用素材であるガラスの成分にＢｉなどの高化学反応成分が含まれている場合には、成形型の表面上においてこの高化学反応成分と酸素との化合物が形成され易く、この化合物の形成に起因して成形型の面精度が低下してしまい、繰り返し使用に支障をきたしてしまう問題があった。

また、従来、上記の光学素子の製造方法において、光学素子用素材としてフリント系ガラスや重フリント系（ＳＦ系）ガラスを用いる場合には、加圧成形は還元性雰囲気内で行われている。しかしながら、還元性雰囲気内で加圧成形した場合、ガラス成分中のＰｂＯが還元されて、還元物質であるＰｂが光学素子の光学機能面に析出してしまい、これにより光学素子の光学機能面に曇りが発生してしまう場合があった。さらに、これに加えて、還元物質であるＰｂが光学素子の光学機能面から蒸発して、成形型の成形面に析出してしまい、これにより成形型の面精度が低下してしまう問題があった。

このため、これらの問題を解決すべく、上記の光学素子の製造において様々な提案がなされている。すなわち、例えば、ガラス素材の表面に酸化ケイ素膜を被膜し、この被膜したガラス素材を、最高温度９００度までの範囲内に加熱した状態で加圧成形する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、９００度までの範囲で加熱した状態では、ガラス素材は軟化状態であるものの、酸化ケイ素膜は未軟化状態であるので、加圧成形を可能とするとともに、成形型が酸化されたとしてもガラス素材が成形型の成形面に融着してしまうのを防止することができるとされている。さらに、酸化ケイ素膜が形成されていることで、フリント系や重フリント系のガラスであったとしてもＰｂＯの還元を防止できるとされている。

また、他の製造方法としては、ガラス素材に、ガラス素材よりも転移温度が１５度から７００度高く、また、熱線膨張率及び屈折率が略等しいガラス表面層を形成する。より具体的には、表面ガラス層としては、酸化ケイ素含有ガラスが用いられる。そして、このガラス表面層が形成されたガラス素材を加熱し、ガラス素材を軟化状態にし、かつ、ガラス表面層を未軟化状態にして加圧成形する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。そして、この方法によれば、ガラス表面層の転移温度がガラス素材の転移温度よりも高いことで、上記同様に、加圧成形を可能とするとともに、ガラス素材の成形型の成形表面への融着、ＰｂＯの還元を防止することができるとされている。

また、他の製造方法としては、ガラス素材などの光学素子用素材の光学機能面となる成形面に、硬度が成形型の表面硬度よりも低く、かつ、熱酸化または溶液によって除去することが可能なＭｇＦ_２またはカーボンからなる膜を形成し、加圧成形後にこの膜を熱酸化または溶液により除去する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。このような方法によれば、光学素子用素材の成形面に形成された膜は加圧成形後に除去されるので、膜にクラック等が生じた場合でも光学的に不具合のない光学素子を得ることができ、また、成形型の表面硬度よりも硬度の小さい膜としていることで、成形型の表面が傷付くこともなくなるとされている。
特公平２−１７７９号公報 特公平２−１７７８号公報 特開平１１−１９９２４６号公報

しかしながら、特許文献１の光学素子の製造方法によれば、高温下における加圧成形によって、酸化ケイ素膜には摩耗や剥がれが生じてしまう。このため、加圧成形後の光学素子の光学機能面には、不均一な膜厚の酸化ケイ素膜が形成され、このような光学素子の光学特性はバラツキが生じてしまう問題があった。そして、このような場合には、酸化ケイ素膜を除去する必要が生じてしまい、工程数が増大してしまう。さらに、酸化ケイ素膜は耐熱性が高く、高硬度であるため、加圧成形時に割れが生じて、クラックなどが発生してしまう場合があった。

また、特許文献２の光学素子の製造方法によれば、ガラス表面層は、ガラス素材よりも転移温度が高く、加圧成形時に未軟化状態であるため、加圧成形時におけるガラス素材の変形によりクラックが発生してしまう問題があった。また、このような対策として熱線膨張率及び屈折率が略等しいガラス材料を選択するものとされているが、転移温度がガラス素材よりも所定温度だけ高く、かつ、熱線膨張率及び屈折率が略等しいガラス材料を選択することは困難であり、実現するには至らなかった。

また、特許文献３の光学素子の製造方法によれば、光学素子用素材上の膜を加圧成形後除去することで、上記の問題を解消することが可能である。しかしながら、膜を除去する工程により工程数が増加し生産性が低下してしまい、また、除去に薬品を必要とすることでコストが増加してしまう問題があった。さらに、膜を除去する工程の完了後には、使用された薬品を安全に処理する工程を行う必要があり、これによってさらに生産性が低下し、また、コストが増加してしまう問題があった。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、曇りやクラックなどによる光学的な不具合が発生してしまうことなく、また、加圧成形に伴って成形型の表面にガラスの融着や生成物の析出が生じてしまうことがなく、最小限の工程で光学素子を成形することが可能な光学素子の製造方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の光学素子の製造方法は、光学機能面の少なくとも一面として、光学素子用素材を成形することで形成された成形加工光学機能面を有する光学素子の製造方法であって、前記光学素子用素材の表面のうち、前記成形加工光学機能面と対応する表面に、酸化物、フッ化物、硫化物、または窒化物の少なくとも２種類以上を混合させて、該光学素子用素材の屈折率と略等しい屈折率に調整した混合膜からなる表面層を形成する表面層形成工程と、該表面層が形成された前記光学素子用素材を加熱し、成形型によって前記成形加工光学機能面と対応する前記光学素子用素材の前記表面を加圧成形する加圧成形工程とを備えることを特徴としている。

この発明に係る光学素子の製造方法によれば、加圧成形工程に先立って、光学素子用素材の表面のうち、成形加工光学機能面と対応する表面に表面層を形成する。このため、加圧成形工程における成形型と光学素子用素材との直接的な接触を防止することができ、これにより光学素子用素材の成分が成形型の表面に融着してしまうのを防ぐことができる。また、光学素子用素材の成分が生成して、成形型の成形面に析出してしまうことを防ぐことができる。また、表面層となる混合膜は、屈折率が光学素子用素材の屈折率と略等しく設定されているため、光学素子の屈折率や透過率などの光学的特性に影響を与えることがない。また、それ故に、加圧成形後に表面層を除去する工程を設ける必要がなく、工程数が増加してしまうこともない。ここで、表面層となる混合膜は、屈折率が異なる酸化物、フッ化物、硫化物、または窒化物の少なくとも２種類以上を混合させることで、その混合比により所望の屈折率に容易に調整することができる。また、これらの混合物は、いずれも比較的硬度が低いため、加圧成形によって割れが発生してしまうことがなく、また、成形型として選択される材質よりも硬度を低くすることができ、これにより成形型の表面が傷付いてしまうのを防ぐこともできる。

また、上記の光学素子の製造方法において、前記表面層形成工程は、前記表面層となる前記混合膜の屈折率を、前記光学素子用素材の屈折率に対して−０．１５以上＋０．１５以下となるように調整することがより好ましいとされている。
この発明に係る光学素子の製造方法によれば、表面層となる混合膜の屈折率を光学素子用素材の屈折率に対して−０．１５以上＋０．１５以下の範囲に設定することで、表面層が光学素子の光学的特性に影響を与えてしまうのを防ぐことができる。

また、上記の光学素子の製造方法において、前記加圧成形工程後に、アニール処理を施すアニール処理工程を備えることがより好ましいとされている。
この発明に係る光学素子の製造方法によれば、加圧成形後にアニール処理を施すことで、加圧成形により光学素子用素材に内部応力が生じてしまったとしても、この内部応力を緩和して、加圧成形前の光学素子用素材の屈折率と略等しくなるように修正することができる。

さらに、上記の光学素子の製造方法において、前記表面層形成工程は、前記表面層となる前記混合膜の屈折率が、前記光学用素材の屈折率に対して、前記アニール処理工程後で−０．１５以上＋０．１５以下となるように調整することがより好ましいとされている。
この発明に係る光学素子の製造方法によれば、混合膜に含まれているフッ化物、硫化物、または窒化物は、加圧成形及びアニール処理により酸化物に変化する。そして、この酸化反応の結果により屈折率が変化してしまう場合があるが、アニール処理後の混合膜の屈折率が光学用素材の屈折率に対して−０．１５以上＋０．１５以下となるように設定することで、アニール処理を施された表面層が光学素子の光学的特性を変化させてしまうことをより確実に防ぐことができる。

また、上記の光学素子の製造方法において、前記表面層形成工程は、前記表面層となる前記混合膜として、フッ化物を混合させていることがより好ましいとされている。
この発明に係る光学素子の製造方法によれば、表面層となる混合膜に混合されるものとして選択される酸化物、フッ化物、硫化物、及び窒化物の内で、硬度が比較的低いフッ化物を選択して混合することで、例えば酸化ケイ素などの硬度の高い物質を選択した場合においても硬度を調整し、加圧成形時における成形型の成形面の傷付き及び混合膜の割れを、より確実に防ぐことができる。

また、本発明の光学素子は、上記の光学素子の製造方法で成形されたことを特徴としている。
この発明に係る光学素子によれば、上記の製造方法で製造されることで、成形加工光学機能面における曇りやクラックなどの光学的な不具合を無いものとすることができる。

また、本発明の光学素子は、上記の光学素子の製造方法で成形された後、前記成形加工光学機能面以外の面を研削または研磨することにより前記光学機能面としたことを特徴としている。
この発明に係る光学素子によれば、例えば、研削や研磨により光学機能面を形成することが困難な非球面や自由曲面は本発明の製造方法で成形し、研削や研磨により光学機能面を比較的容易に形成できる平面や球面については従来技術の製造方法で成形した後、研削や研磨により光学機能面を形成するものである。従って、研削や研磨により形成される光学機能面に対応する光学素子用素材の面には、混合膜からなる表面層を形成する必要がなく、工程数及び時間を節減することができるため、光学素子を低コストとすることができる。

本発明の光学素子の製造方法によれば、表面層形成工程を備えることで、曇りやクラックなどによる光学的な不具合が発生してしまうことがない。また、加圧成形に伴って、成形型の成形面にガラスの融着や生成物の析出が生じてしまうことがなく、成形型の繰り返し使用を可能とする。さらに、表面層の除去などの工程を必要とすることなく、最小限の工程で、コストを抑えて光学素子を提供することが可能である。
本発明の光学素子によれば、上記製造方法で製造されることで、光学的な不具合が無く、最小限の工程により低コストのものとすることができる。

（第１の実施形態）
図１から図１１は、この発明に係る第１の実施形態を示している。図１に示すように、この実施形態の光学素子１は、光学機能面を有するレンズであり、光学機能面と対応する両面２ａが所定の形状に加圧成形された光学素子用素材２と、光学素子用素材２の両面２ａに形成された表面層３とを備えている。ここで、光学機能面とは、光学素子１の表面の内、入射光または出射光を屈折、反射させる面であり、上記の光学素子用素材２の両面２ａと対応する面のように、加圧成形によって形成される光学機能面４のことを、特に成形加工光学機能面４と称す。

光学素子用素材２は、化学的に高反応性である元素を含有する光学ガラスからなる。また、表面層３は、酸化物、フッ化物、硫化物、または、窒化物の少なくとも２種類以上が混合されていて、その屈折率が光学素子用素材２の屈折率と略等しく設定された混合膜３ａからなる。より詳しくは、混合膜３ａに混合される材料としては、例えば、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｈＯ_２、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＳｎＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｐｒ_６Ｏ_１１、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、ＺｎＳ、ＣｄＳ、Ｓｂ_２Ｓ_３、ＮｂＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、Ｚｎ_３Ｎ_２、Ｍｇ_３Ｎ_２、Ｓｎ_３Ｎ_４、ＩｎＮ、ＣｒＮ、ＦｅＮ、ＨｆＮ、ＮｄＮ、ＰｒＮ、ＳｃＮ、ＹＮ、ＷＮ、ＡｌＦ_３、ＳｒＦ_２、ＳｍＦ_３、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＬａＦ_３、ＮｄＦ_３、ＣｅＦ_３、ＰｂＦ_３、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、Ｎａ_５Ａｌ_３Ｆ_１４、ＭｇＦ_２などが選択され、これらの中から高屈折率材料と低屈折率材料とが所定の混合比で混合していることで、所望の屈折率の混合膜３ａとなっている。また、混合膜３ａの屈折率としては、より具体的には、光学素子用素材２の屈折率の−０．１５以上＋０．１５以下であることが好ましく、さらには、後述するアニール処理工程後で−０．１５以上＋０．１５以下の範囲に屈折率が設定されていることがより好ましい。なお、上記の材料の例において、高屈折率材料としては、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５あるいはＴｉＯ_２などが選択され、低屈折率材料としては、ＭｇＦ_２あるいはＳｉＯ_２などが選択される。また、上記の例のような材料を３種類以上混合するものとしても良い。

次に、このような光学素子１の製造方法について説明する。図２に示すように、まず、準備工程として、光学素子用素材２において、成形加工光学機能面４と対応する両面２ａを側圧切断法あるいは研削、研磨加工により、後述する成形型の表面の曲率と概略的に対応した鏡面形状に形成する。次に、図２に示すように、表面層形成工程として、光学素子用素材２の両面２ａに、表面層３を形成する。すなわち、上記の例のような酸化物、フッ化物、硫化物、または、窒化物から、少なくとも２種類以上を選択し、光学素子用素材２の屈折率と略等しくなるような混合比に調整して混合膜３ａを成膜することで、表面層３を形成する。この際、上記のように、混合膜３ａの屈折率は、光学素子用素材２の屈折率の−０．１５以上＋０．１５以下とすることが好ましく、さらには、後述するアニール処理工程後において、屈折率が−０．１５以上＋０．１５以下の範囲となるように混合することがより好ましい。また、表面層３となる混合膜３ａを成膜する方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、イオンアシスト蒸着法などが選択される。

次に、加圧成形工程を行う。すなわち、光学素子用素材２を表面層３が形成された状態で加熱軟化させる。そして、この状態で、光学素子１の形状と対応した表面形状を有する一対の成形型によって加圧成形する。これにより、図１に示すように、成形加工光学機能面４が所定の形状に形成された光学素子１となる。なお、成形型の型母材の材質としては、ＷＣ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＢＮ、ＴｉＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、サーメット、サイアロン、ムライト、ＷＣ−Ｃｏ合金などが選択され、耐熱性、鏡面加工性、熱伝導率などを考慮してＳｉＣやＷＣが好適である。

ここで、加圧成形工程において、光学素子用素材２の両面２ａには、表面層３が形成されていることで、成形型と光学素子用素材２との直接的な接触を防止することができ、これにより光学素子用素材２の成分が成形型の成形面に融着してしまうのを防ぐことができる。また、光学素子用素材２の成分が生成して、成形型の成形面に析出してしまうことを防ぐことができる。また、表面層３となる混合膜３ａは、屈折率が光学素子用素材２の屈折率と略等しく設定されている。このため、仮に加圧成形によって表面層３の厚さが不均一になったとしても、光学素子１の屈折率や透過率などの光学的特性に影響を与えることがなく、また、それ故に、加圧成形後に表面層３を除去する工程を設ける必要もない。なお、上記のように混合膜３ａの屈折率は、屈折率が異なる酸化物、フッ化物、硫化物、または窒化物の少なくとも２種類以上を混合させることで、その混合比により所望の屈折率に容易に調整することができる。また、これらの混合物は、いずれも比較的硬度が低いため、加圧成形によって割れが発生して光学素子１の光学的特性に影響を与えてしまうことが無い。また、混合膜３ａの硬度を成形型として選択される材質よりも硬度を低くすることができ、これにより成形型の成形面が傷付いてしまうのを防ぐことができ、これにより成形型の繰り返し使用を可能とさせる。特に、フッ化物は、これらの材料の中でも比較的硬度が低いことで、例えば酸化ケイ素などの硬度の高い物質を選択した場合において、硬度を調整し、加圧成形時における成形型の成形面の傷付き、及び、混合膜の割れを、より確実に防ぐことができる。

最後に、アニール処理工程として、所定の形状に成形された後にアニール処理を施すことで、光学素子１が完成する。このアニール処理によって、加圧成形時に光学素子用素材２に生じてしまった内部応力を緩和させて、光学素子用素材２の屈折率を加圧成形前の状態と略等しく修正することができる。なお、加圧成形及びアニール処理により、混合膜３ａに含まれているフッ化物、硫化物、または窒化物は、酸化物に変化し、この酸化反応の結果により屈折率が変化してしまう場合がある。しかしながら、上記のように、表面層形成工程で調整される混合膜３ａの屈折率を、このアニール処理後で光学素子用素材２と略等しくなるように設定することで、表面層３によって光学素子１の光学特性が変化してしまうことをより確実に防ぐことができる。なお、加圧成形後において光学素子用素材２の内部応力の影響が少ない場合には、本工程を行わない構成としても良い。
次に、各実施例に基づいて、光学素子１の製造方法の詳細、及び、製造された光学素子１の光学的特性について説明する。

まず、図２に示すように、準備工程として、光学素子用素材２の成形加工光学機能面と対応する両面２ａを上記方法により鏡面形状に形成した。なお、光学素子用素材２としては、（株）住田光学製のＫ−ＰＳＦｎ３を使用した。Ｋ−ＰＳＦｎ３は、波長５００ｎｍでの屈折率が１．８６である。

次に、表面層形成工程を行った。表面層３となる混合膜３ａとして混合する材料としては、高屈折率材料としてＮｂ_２Ｏ_５を、低屈折率材料としてＳｉＯ_２を選択した。波長５００ｎｍでの屈折率は、Ｎｂ_２Ｏ_５が２．３３、ＳｉＯ_２が１．４６である。そして、Ｎｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２とを混合比４６：５４で混合することで、混合膜３ａの屈折率を１．８６となるようにし、真空蒸着法によって膜厚７０ｎｍとなるように光学素子用素材２の両面２ａに成膜し、表面層３を形成した。

次に、加圧成形工程を行った。すなわち、図示しないガラス成形機の成形室を非酸化性雰囲気に保ち、成形室の内部に一対の成形型と、表面層３が形成された光学素子用素材２を配置する。ここで、一対の成形型としては、型母材としてＳｉＣを選択し、成形面の表面粗さが０．０３μｍ以下となるように鏡面加工を行って所定の曲率に形成したものを使用した。そして、成形室の内部をヒータにより５５０℃に加熱して光学素子用素材２を加熱軟化させた状態で、成形型によって光学素子用素材２を１５０ｋｇｆで加圧し、５分間保持することで、光学素子１を成形した。なお、加圧成形後の成形型の成形面において、光学素子用素材２からのガラスの融着やガラス成分の析出は確認されなかった。

図３及び図４に、この実施例で製造した光学素子１について、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍにおける屈折率及び透過率の波長特性を示す。ここで、符号Ａ１（実線）はこの実施例で製造した光学素子１の波長特性を、符号Ｂ（破線）は光学素子１に使用した光学素子用素材（（株）住田光学製のＫ−ＰＳＦｎ３）の波長特性をそれぞれ示している。図３及び図４に示すように、光学素子１の屈折率及び透過率は、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長領域において、使用する光学素子用素材２の屈折率及び透過率と略等しい特性を示していることが確認できる。

なお、上記製造工程において、加圧成形工程後に、光学素子１の光学素子用素材２の残留内部応力を緩和するために、光学素子１に４５０℃の温度で１時間アニール処理を行っても良いが、性能上問題がなければ省略しても良い。

この実施例では、実施例１の表面層形成工程における混合膜として混合させるＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２との混合比を変化させて、混合膜の屈折率を、波長５００ｎｍにおいて光学素子用素材２の屈折率の−０．１５となるように調整した。なお、それ以外の条件については実施例１と同様であるので、省略する。

そして、このようにして製造された光学素子１上に単層反射防止膜をさらに成膜した。この単層反射防止膜は、使用した光学素子用素材（（株）住田光学製のＫ−ＰＳＦｎ３）に基づいて設計して成膜したものである。図５は単層反射防止膜を成膜した光学素子１の反射率の波長特性を、図６は光学素子用素材２に直接単層反射防止膜を成膜した場合の反射率の波長特性をそれぞれ示している。図５及び図６に示すように、光学素子１に単層反射防止膜を成膜した場合と、光学素子用素材２に直接単層反射防止膜を成膜した場合との間には、その特性に大きな差異は見られなく、すなわち、光学素子１において、表面層３となる混合膜の屈折率を光学素子用素材２の屈折率の−０．１５としても使用上問題がないことが確認できた。

なお、表面層３となる混合膜の屈折率が光学素子用素材２の屈折率よりも大きいと、光学素子１の反射率は、光学素子用素材２そのものの反射率よりも高くなってしまう。このため、光学素子１上に単層反射防止膜を形成する場合には、混合膜３ａの屈折率を光学素子用素材２の屈折率以下に設定することが望ましい。

この実施例では、実施例１の表面層形成工程において、混合膜３ａとして混合させるＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２との混合比を変化させて、混合膜３ａの屈折率を波長５００ｎｍにおいて光学素子用素材２の屈折率の＋０．１０及び−０．１０となるようにそれぞれ調整した。なお、それ以外の条件については実施例１と同様であるので、省略する。

そして、このようにして製造された光学素子１上に多層反射防止膜をさらに成膜した。この多層反射防止膜は、使用した光学素子用素材（（株）住田光学製のＫ−ＰＳＦｎ３）に基づいて設計して成膜したものである。図７及び図８は多層反射防止膜を成膜した光学素子１の反射率の波長特性を示していて、図７は混合膜３ａの屈折率が＋０．１０である場合、図８は混合膜３ａの屈折率が−０．１０である場合の特性を示している。また、図９は光学素子用素材に直接多層反射防止膜を成膜した場合の反射率の波長特性を示している。図７から図９に示すように、光学素子１に多層反射防止膜を成膜した場合と、光学素子用素材２に直接多層反射防止膜を成膜した場合との間には、その特性に大きな差異は見られなく、すなわち、光学素子１において、表面層３となる混合膜３ａの屈折率を光学素子用素材２の屈折率の±０．１０としても使用上問題がないことが確認できた。なお、光学素子１の光学的精度をさらに要求する場合には、表面層３となる混合膜３ａの屈折率と、光学素子用素材２の屈折率との差をさらに狭めるように調整すれば良い。

この実施例では、表面層形成工程において、表面層３となる混合膜として混合する材料として、高屈折率材料としてＮｂ_２Ｏ_５を、低屈折率材料としてＭｇＦ_２を選択した。波長５００ｎｍでの屈折率は、Ｎｂ_２Ｏ_５が２．３３、ＭｇＦ_２が１．４６である。そして、Ｎｂ_２Ｏ_５とＭｇＦ_２とを混合比２２：７８で混合することで、混合膜の屈折率を１．５９となるようにし、真空蒸着法によって膜厚７０ｎｍとなるように光学素子用素材２の両面２ａに成膜し、表面層３を形成した。なお、準備工程及び加圧成形工程については実施例１と同様であるので、省略する。

そして、加圧成形工程後に、アニール処理工程として、光学素子１にアニール処理を行った。これにより、光学素子１の光学素子用素材２及び表面層３の内部応力が緩和され、内部応力に起因する屈折率の変化を修正することができる。なお、アニール処理によって表面層３を構成する混合膜内のＭｇＦ_２は酸化され、ＭｇＯとなり、表面層３となる混合膜の屈折率は、光学素子用素材２の屈折率１．８６と略等しい１．８５５となる。因みに、ＭｇＦ_２をすべてＭｇＯに酸化（酸化度１００％）させず、アニール処理の程度により酸化度を０％から１００％まで調整することで、混合膜の屈折率を１．５９から１．８５５の間の任意の値に調整することができる。

図１０及び図１１に、この実施例で製造した光学素子１について、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍにおける、屈折率及び透過率それぞれの波長特性を示す。ここで、符号Ａ２（実線）はこの実施例で製造した光学素子１の波長特性を、符号Ｂ（破線）は光学素子１に使用した光学素子用素材（（株）住田光学製のＫ−ＰＳＦｎ３）の波長特性をそれぞれ示している。図１０及び図１１に示すように、光学素子１の屈折率及び透過率は、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長領域において、使用する光学素子用素材２の屈折率及び透過率と略等しい特性を示していることが確認できる。

また、本実施例において光学素子１上に単層反射防止膜を成膜して使用するものとし、混合膜３ａを構成する材料の混合比を変えて、混合膜３ａの屈折率を光学素子用素材２の屈折率に対して−０．１５の差異を有するものとしても、実施例２同様に使用上問題ない。また、本実施例において光学素子１上に多層反射防止膜を成膜して使用するものとし、混合膜３ａを構成する材料の混合比を変えて、混合膜３ａの屈折率を光学素子用素材２の屈折率に対して±０．１０の差異を有するものとしても、実施例３同様に使用上問題ない。なお、上記各実施例において、光学素子１上に光学素子用素材２を基準として設計した反射防止膜を成膜し、その光学特性から混合膜の屈折率範囲を指定したが、実際の使用において、光学素子１を基準として反射防止膜を設計しても良い。

なお、本実施形態において、光学素子１は、光学素子用素材２の対向する両面２ａについて、表面層３を形成し、その後成形することで、成形加工光学機能面４を形成するものとしたがこれに限るものでは無い。例えば、一面については、上記方法によって成形加工光学機能面とすることで非球面形状の光学機能面を形成し、他の面については、表面層を形成せずに成形加工を行い、その後、研磨加工によって平面形状の光学機能面を形成するものとしても良い。

（第２の実施形態）
図１２及び図１３は、この発明に係る第２の実施形態を示している。図１２及び図１３に示すように、この実施形態の光学素子１０は、第一の光学機能面１１、第二の光学機能面１２、及び第三の光学機能面１３の三つの光学機能面を有するプリズムである。ここで、第一の光学機能面１１及び第二の光学機能面１２が平面に形成されている一方、第三の光学機能面１３には、凹面１３ａが形成されている。光学素子１０は、光学素子用素材１４と、光学素子用素材１４の表面の内、第三の光学機能面１３と対応する表面１４ａに形成された表面層１５とを備えている。なお、光学素子用素材１４及び表面層１５の詳細については、第１の実施形態と同様であるので省略する。次に、光学素子１０の製造方法について説明する。

まず、準備工程として、第１の実施形態同様に、光学素子用素材１４をプリズムの外形に対応した鏡面形状に形成する。次に、表面層形成工程として、第三の光学機能面１３と対応する表面１４ａにのみ、表面層１５を形成する。次に、加圧成形工程として、光学素子用素材１４を加熱軟化させた状態で成形型によって加圧成形する。ここで、図示しない成形型は、第一の光学機能面１１及び第二の光学機能面１２と対応する成形面は平面形状である一方、第三の光学機能面と対応する成形面は凹面１３ａと対応する凸面形状を呈している。このため、加圧成形後においては、第一の光学機能面１１及び第二の光学機能面１２となる面は、略平面形状である一方、第三の光学機能面となる面には凹面１３ａが形成されることとなる。この際、第三の光学機能面１３には表面層１５が形成されていることで、第１の実施形態同様に、光学的な不具合が発生してしまうことなく、成形によって第三の光学機能面１３を形成することができる。次に、研削研磨工程として、表面層１５を形成していない第一の光学機能面１１及び第二の光学機能面１２について研削研磨を行って平面かつ鏡面に仕上ることで、三つの光学機能面を有するプリズムである光学素子１０が完成する。この場合、研削研磨を行う前の第一の光学機能面１１及び第二の光学機能面１２には、曇りや多少のクラックのような光学的な不具合が存在するが、それらは研削研磨工程によって除去されるため、最終製品としての光学素子１の性能には何ら問題は無い。以上のように、本実施形態のような光学素子１０においても、第１の実施形態同様の表面層形成工程及び加圧成形工程を行うことによって製造することで、光学的な不具合が発生してしまうことなく、最小限の工程で、光学素子１０を製造することができる。

なお、本実施形態においては、三つの光学機能面の内の一面について、表面層形成工程を行うものとしたが、全ての面について同様の工程を行うものとしても良い。また、光学素子としては、本実施形態のようなプリズムや第１の実施形態のレンズに限るものでは無く、様々な光学素子に本発明の製造方法を適用することが可能である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の第１の実施形態に係る光学素子の概略を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る光学素子において、加圧成形工程前の状態を示す断面図である。 本発明の実施例１の光学素子及び光学素子用素材において、屈折率の波長特性を示すグラフである。 本発明の実施例１の光学素子及び光学素子用素材において、透過率の波長特性を示すグラフである。 本発明の実施例２の光学素子に単層反射防止膜を成膜した場合において、反射率の波長特性を示すグラフである。 光学素子用素材に直接単層反射防止膜を成膜した場合において、反射率の波長特性を示すグラフである。 本発明の実施例３の光学素子（屈折率＋０．１０）に多層反射防止膜を成膜した場合において、反射率の波長特性を示すグラフである。 本発明の実施例３の光学素子（屈折率−０．１０）に多層反射防止膜を成膜した場合において、反射率の波長特性を示すグラフである。 光学素子用素材に直接多層反射防止膜を成膜した場合において、反射率の波長特性を示すグラフである。 本発明の実施例４の光学素子及び光学素子用素材において、屈折率の波長特性を示すグラフである。 本発明の実施例４の光学素子及び光学素子用素材において、透過率の波長特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る光学素子の斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る光学素子の断面図である。

符号の説明

１、１０ 光学素子
２ 光学素子用素材
２ａ 両面（表面）
３ 表面層
３ａ 混合膜
４ 成形加工光学機能面
１１ 第一の光学機能面
１２ 第二の光学機能面
１３ 第三の光学機能面（成形加工光学機能面）

Claims (7)

1. 光学機能面の少なくとも一面として、光学素子用素材を成形することで形成された成形加工光学機能面を有する光学素子の製造方法であって、
   前記光学素子用素材の表面のうち、前記成形加工光学機能面と対応する表面に、酸化物、フッ化物、硫化物、または窒化物の少なくとも２種類以上を混合させて、該光学素子用素材の屈折率と略等しい屈折率に調整した混合膜からなる表面層を形成する表面層形成工程と、
   該表面層が形成された前記光学素子用素材を加熱し、成形型によって前記成形加工光学機能面と対応する前記光学素子用素材の前記表面を加圧成形する加圧成形工程とを備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 請求項１に記載された光学素子の製造方法において、
   前記表面層形成工程は、前記表面層となる前記混合膜の屈折率を、前記光学素子用素材の屈折率に対して−０．１５以上＋０．１５以下となるように調整す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に記載された光学素子の製造方法において、
   前記加圧成形工程後に、アニール処理を施すアニール処理工程を備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
4. 請求項３に記載された光学素子の製造方法において、
   前記表面層形成工程は、前記表面層となる前記混合膜の屈折率が、前記光学用素材の屈折率に対して、前記アニール処理工程後で−０．１５以上＋０．１５以下となるように調整することを特徴とする光学素子の製造方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載された光学素子の製造方法において、
   前記表面層形成工程は、前記表面層となる前記混合膜として、フッ化物を混合させることを特徴とする光学素子の製造方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載された光学素子の製造方法で成形されたことを特徴とする光学素子。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載された光学素子の製造方法で成形された後、
   前記成形加工光学機能面以外の面を研削または研磨することにより前記光学機能面としたことを特徴とする光学素子。

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