JP2011186440A - 複合光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】硬化工程後の樹脂形状と成形型の形状との間に不均一な誤差が生じるという課題が発生した。すなわち、樹脂層において、ある部分での形状誤差は小さいが、別の部分では大きな形状誤差が生じるという課題である。
【解決手段】上記課題を解決する複合光学素子１０は、第１光学機能面１１および第２光学機能面１６を有するガラス基材１と、第２光学機能面１６に接合された樹脂層２を備える。ガラス基材１は、第１光学機能面１１の周囲に設けられた外周面１４をさらに有する。外周面１４の表面粗さＲａは、１μｍ以上２０μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス基材の表面に樹脂層が接合された複合光学素子に関するものである。

ガラス基材の表面に樹脂層が接合された構造の複合光学素子としては、球面レンズ状のガラスを基材とし、そのガラス球面を樹脂で覆うとともに樹脂表面を非球面に形成するいわゆるハイブリッドレンズがよく知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１６４４５３号公報

複合光学素子の製造方法について説明する。複合光学素子は、ガラス基材と成形型との間に樹脂材料を配置して、樹脂材料に光を照射することで樹脂材料を硬化させて樹脂層を形成し、硬化後に成形型からガラス基材および樹脂層を離型することで製造される。

成形型には、所望の形状に設計されたレンズ形状の反転形状が形成される。その成形型の形状を樹脂に転写することで、樹脂表面が所望のレンズ形状に形成される。

ところが、硬化工程後の樹脂形状と成形型の形状との間に不均一な誤差が生じるという課題が発生した。すなわち、樹脂層において、ある部分での形状誤差は小さいが、別の部分では大きな形状誤差が生じるという課題である。本発明者らは、この課題がガラス基材の形状によるものであることを見出した。

図４は、従来の複合光学素子３００の樹脂硬化工程を示す概略断面図である。成形型３３の上面には、所望の形状に設計されたレンズ形状の反転形状が形成されている。この成形型３３上に液状の樹脂材料を塗布し、その上からガラス基材３１を降下し、ガラス基材３１と成形型３３との間隔が所定のレンズ厚になるように配置する。

樹脂材料を重合反応させる波長を有する光３４を、図では上からほぼ平行な光束で樹脂材料に照射することで、樹脂材料が硬化し樹脂層３２が形成される。樹脂材料が硬化した後、成形型３３からガラス基材３１と樹脂層３２とを一体として剥離することで、複合光学素子３００が得られる。

一般的に樹脂材料は、重合反応が進むことで硬化収縮が起きる。すなわち、硬化後の樹脂層３２の表面形状と、成形型３３の表面形状との間に形状誤差が生じる。ここで、説明のため本明細書では、樹脂層３２におけるある部分での形状誤差と、その近傍での形状誤差との差が小さいものを「滑らかな形状誤差」と称し、その差が大きいものを「急峻な形状誤差」と称する。

離型後に樹脂層３２の表面形状を計測すると、その表面全体に、樹脂の硬化収縮現象に伴う形状誤差が計測される。この形状誤差が滑らかな形状誤差であれば、成形型３３の形状を補正することで形状精度を良好にする対処を容易に行うことができる。しかし、樹脂層３２の外周付近で急峻な形状誤差が生じたため、成形型３３の形状補正だけではそのような対処を行うことが困難であった。樹脂層３２の外周付近で急峻な形状誤差が生じるメカニズムについて、以下に説明する。

図５は、図４におけるガラス基材３１、樹脂層３２、成形型３３の外周付近を拡大した概略断面図である。ガラス基材３１は、第１光学機能面３１１と、その周囲に設けられた、平面３１２および斜面３１３からなる外周面と、側面３１４と、第２光学機能面３１５とを有している。第１および第２光学機能面は、後でカメラなどの光学機器に組み込んだ時に利用する有効光を透過する面である。

樹脂材料を硬化させて樹脂層３２を形成するための光３４は、矢付き太線で示すように、第１光学機能面３１１に入射した後屈折して外側へ寄った方向に進み、樹脂材料に照射される。平面３１２に入射した光は、屈折せずほぼそのまま直進して樹脂材料に照射される。斜面３１３に入射した光は屈折して内側に寄って樹脂材料に照射される。その結果、樹脂材料の外周付近に光が集まり、照度が周辺より特に高くなる部分が生じる。そのため、照度が高い部分では、その周辺部分よりも先に重合反応が始まり、樹脂材料が強く硬化する。その結果、樹脂硬化工程後には樹脂層３２の表面の周縁領域にリング状の突起が形成され、樹脂層３２の形状誤差が急峻なものになる。これらの事実を本発明者らは見出した。

上記のような現象は、特許文献１に開示された方法を使用すれば回避できる可能性がある。特許文献１には、一般にガラス基材の外周面が粗面に加工されるため、複合光学素子を製造する際にガラス基材の上から平行光線を照射すると、ガラス基材の外周面で光が散乱し、これにより樹脂層の周縁部で形状不良が発生することが課題として記載されている。そして、この課題を解決するために、特許文献１に開示された方法では、ガラス基材の上に平行光線を発散光に変換する両凹レンズを配置し、ガラス基材の外周面には光を照射せずに、ガラス基材の光学機能面のみに樹脂材料全体に光が到達するように両凹レンズから発散光を入射させている。しかしながら、このような方法では、両凹レンズばかりでなく、ガラス基材の外周面を覆うマスクなども必要となり、製造コストが高くなる。

本発明は、上述した課題を解決するためのものであり、安価に製造でき、しかも形状精度が良好な複合光学素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、光軸方向の一方を向く第１光学機能面および光軸方向の他方を向く第２光学機能面を有するとともに、前記第１光学機能面の周囲に設けられた外周面を有するガラス基材と、前記ガラス基材の前記第２光学機能面に接合された樹脂層と、を備え、前記外周面の表面粗さＲａが１μｍ以上２０μｍ以下である、複合光学素子を提供する。

ここで、「表面粗さＲａ」とは、米国標準規格（American National Standard）、ＡＳＭＥ Ｂ４６．１−２００２（Surface Texture）のAppendix E, sections E1.1 and E1.2に準拠した白色光干渉法表面形状測定機を用いて測定される算術平均粗さである。例えば、表面粗さＲａは、米国ＺＹＧＯ社製Ｎｅｗ Ｖｉｅｗ１００を用いて測定することができる。

上記の構成によれば、安価に製造でき、しかも形状精度が良好な複合光学素子を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る複合光学素子を示す概略断面図 本発明の一実施形態に係る複合光学素子の樹脂硬化工程を示す概略断面図 図２におけるガラス基材、樹脂層、成形型の外周付近を拡大した概略断面図 従来の複合光学素子の樹脂硬化工程を示す概略断面図 図４におけるガラス基材、樹脂層、成形型の外周付近を拡大した概略断面図

以下、本発明の実施形態について、図を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る複合光学素子１０を示す概略断面図である。複合光学素子１０は、第１光学機能面１１および第２光学機能面１６を有するガラス基材１と、ガラス基材１の第２光学機能面１６に接合された樹脂層２と、を備える。なお、第１光学機能面１１にも別の樹脂層が接合されていてもよい。

ガラス基材１の第１光学機能面１１は、光軸方向（光軸１７が延びる方向）の一方（図１では上方）を向いており、第２光学機能面１６は、光軸方向の他方（図１では下方）を向いている。ここで、「光学機能」とは、求められる光学特性を生み出す機能のことをいう。さらに、ガラス基材１は、第１光学機能面１１の周囲に設けられた外周面１４と、径方向外側を向く筒状の側面１５を有する。本実施形態では、ガラス基材１はメニスカス形状を有するレンズであり、第１光学機能面１１は凹面であり、第２光学機能面１６は凸面である。また、ガラス基材１は、光軸１７に対して回転対称であり、第１光学機能面１１および第２光学機能面１６は、球面形状に形成されている。

なお、ガラス基材１は、必ずしも光軸１７に対して回転対称である必要はなく、光軸方向から見たときに楕円状であってもよい。ただし、ガラス基材１は、光軸方向から見てほぼ円形状であることが好ましい。ここで、「ほぼ円形状」とは、真円だけでなく、円形の一部が直線的にカットされたＤカット形状やＨカット形状を含む概念である。

外周面１４は、光軸１７に垂直な平面１２と、光軸１７に対して所定の角度（例えば、３０°〜７５°）で傾斜した斜面１３とを有する。より詳しくは、平面１２は、第１光学機能面１１の周縁から光軸方向と垂直に広がる環状をなしており、斜面１３は、平面１２の外周縁から拡径しながら第２光学機能面１６に近づくテーパー状をなしている。そして、斜面１３の外周縁が側面１５によって第２光学機能面１６の周縁と接続されている。平面１２および斜面１３は、外周面１４の一例である。外周面１４は、例えば、平面１２だけで形成されていてもよく、斜面１３だけで形成されていてもよく、曲面や所望の形状に加工された面であってもよい。また、外周面１４（平面１２および斜面１３）は、粗面に形成されており、その表面粗さＲａは、１μｍ以上２０μｍ以下である。このような構成を有することで、本実施形態に係る複合光学素子１０は、後述する製造工程において、形状誤差の発生を低減させることができる。外周面１４の表面粗さＲａの調整は、ガラス基材１を作製する際に、外周面１４を研磨するのに使用する砥石を選定することによって行うことができる。

また、本実施形態に係る複合光学素子１０では、ガラス基材１の半径をＸとし、外周面１４の幅とＹとしたとき、ガラス基材１の半径Ｘに対する外周面１４の幅Ｙの比Ｙ／Ｘが、０．０８以上０．４以下となっている。ここで、「ガラス基材１の半径」とは、光軸１７を中心とする径方向において、光軸１７からガラス基材１の外周端部までを結ぶ線分の長さを意味する。また、「外周面１４の幅」とは、光軸１７を中心とする径方向において、外周面１４の内周縁から外周面１４の外周縁までを結ぶ線分の長さを意味する。

樹脂層２は、例えば紫外線硬化樹脂からなる。樹脂層２の表面は、一般に非球面である。樹脂層２の周縁部は、光軸方向において外周面１４と重なっていることが好ましい。

次に、本実施形態に係る複合光学素子１０の製造方法について説明する。

図２は、本実施形態に係る複合光学素子１０の製造工程の一部を示す概略断面図である。具体的には、図２は、樹脂硬化工程を示す断面図である。また、図３は、図２におけるガラス基材１、樹脂層２、成形型３の外周付近を拡大した概略断面図である。

ガラス基材１の第１光学機能面１１および第２光学機能面１６は、研磨により滑らかで精密な面に加工されている。また、平面１２および斜面１３（外周面１４）は、粗面に形成されている。

次に、ディスペンサーを用いて液状の樹脂材料を成形型３の成形面上に塗布する。成形型３は、鋼に無電解ニッケルメッキを施した材料や超硬合金等の材料で形成されている。成形型３の成形面は、凹状非球面に形成されている。具体的には、成形型３の成形面は、所望の形状に設計されたレンズ形状の反転形状に形成されている。

次に、ガラス基材１を塗布された樹脂材料の上方に移動させ、樹脂材料を成形型３とガラス基材１とで挟む。ガラス基材１を下降することで樹脂材料を成形面全体に広げる。そして、ガラス基材１をガラス基材１と成形型３との間隔が所定のレンズ厚になるところまで下降させる。この状態で、樹脂材料を硬化させる波長を有する光４を、上方からほぼ平行な光束を用いて樹脂材料に照射する。本実施形態では、樹脂材料として紫外線に反応し硬化する紫外線硬化樹脂を用いているので、光４として紫外域の波長を有する光を用いている。

ガラス基材１の平面１２に入射する光４は、平面１２が滑らかな場合には真っ直ぐ進行する。しかし、本実施形態では、平面１２が粗いので、光４は、ガラス基材１の内部を図２や図３に示すように真下方向だけでなく色々な方向へ拡散して進行する。したがって、平面１２の真下の樹脂材料への照度分布が局所的に急激に大きくなることがない。またガラス基材１の斜面１３に入射する光４も、斜面１３が滑らかな場合にはスネルの屈折角方向へ屈折光として進行する。しかし、本実施形態では、斜面１３が粗いので、光４は、ガラス基材１の内部を図２や図３に示すように色々な方向へ拡散して進行する。したがって、樹脂材料への照度分布が局所的に急激に大きくなることがない。

例えば、上方から照射する光４の照度はおよそ３０ｍＷ／ｃｍ²であり、この光４を１２０秒間照射することで樹脂材料を硬化させ、樹脂層２が形成される。そして、ガラス基材１と樹脂層２を一体として成形型３から引き剥がして複合光学素子１０を得る。この複合光学素子１０の樹脂層２の表面形状を計測すると、外周付近にリング状の突起がなく、滑らかで良好なレンズ形状が得られる。

上述したように、本実施形態では、外周面１４の表面粗さＲａが１μｍ以上２０μｍ以下なので、外周面１４に入射した光は様々な方向に拡散してガラス基材１内を伝播する。それにより、樹脂材料に照射される光は局所的に集中することなく、広い範囲に分布する。よって、樹脂材料に照射される光の照度分布は、場所により急激に高くならず、ゆるやかに変化する分布となる。その結果、樹脂材料の硬化反応が場所によって急激な差を生じることなく、硬化後の樹脂層２の表面に急峻な突起を発生させることがなくなる。よって、複合光学素子１０は、形状精度が良好なものとなる。外周面１４の表面粗さＲａが１μｍより小さい場合、光の拡散が減り従来のように照度分布が不均一になり、樹脂層２の表面に急峻な凸部が生じてしまう。また、外周面１４の面粗さＲａが２０μｍ以下なので、光４が外周面１４で拡散しすぎることがない。外周面１４の表面粗さＲａが２０μｍより大きい場合、外周面１４に入射した光４の拡散が過剰になり透過率が低下する。その結果、樹脂材料への照度が小さくなり、樹脂材料の硬化が不十分になってしまう。

また、本実施形態では、ガラス基材１の半径Ｘに対する外周面１４の幅Ｙの比Ｙ／Ｘが、０．０８以上０．４以下となっている。Ｙ／Ｘが０．０８よりも小さいと、外周面１４自体の面積が小さくなるので、外周面１４が樹脂材料の硬化に与える影響が小さくなる。つまり、外周面１４の表面粗さＲａを１μｍ以上２０μｍ以下とする構成は、Ｙ／Ｘが０．０８以上の複合光学素子に対して、より有効なものとなる。したがって、Ｙ／Ｘを、０．０８以上とすることにより、外周面１４での光の拡散による照度分布を緩やかにする効果がさらに大きくなる。また、Ｙ／Ｘが０．４より大きいと、外周面１４が必要以上に広くなるので複合光学素子１０の外径が過大になる。その結果、複合光学素子１０の小型軽量化や材料費のコストがかかるなどの問題が発生する。したがって、Ｙ／Ｘは、０．４以下が好ましい。

なお、本実施形態では、樹脂材料を紫外線硬化樹脂としたが、可視光に反応硬化する樹脂を用いても良く、その場合は、光４として、紫外線の有無とは関わらず可視光を含む光を照射すれば良い。

以下、複合光学素子１０の実施例について説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に何ら制限されるものではない。

（実施例１）
実施例１に係る複合光学素子１０では、ガラス基材１の半径を１５ｍｍ、平面１２の幅を１ｍｍ、斜面１３の幅を２ｍｍとした。すなわち、外周面１４の幅は３ｍｍであり、ガラス基材１の半径Ｘに対する外周面１４の幅Ｙの比Ｙ／Ｘは０．２である。また、斜面１３の光軸１７に対する角度を４５°とした。さらに、第１光学機能面１１の曲率半径を２０ｍｍとし、第２光学機能面１６の曲率半径を６５ｍｍとした。ガラス基材１を作製する際には、中程度の粗さの砥石を用いて外周面１４を研磨した。

上述した白色光干渉法表面形状測定機として米国ＺＹＧＯ社製Ｎｅｗ Ｖｉｅｗ１００を用いて外周面１４の表面粗さＲａを測定したところ（対物レンズ：１０倍、計測面範囲：０．３４５ｍｍ×０．２５９ｍｍ）、外周面１４の表面粗さＲａは、１．４μｍであった。より詳しくは、外周面１４の外側の斜面１３は円錐形状であるため、計測機内蔵ソフトウェアの機能であるＣｙｌｉｎｄｅｒ Ｒｅｍｏｖｅを使って円筒成分を除いて平面に近い表示状態にしてから表面粗さＲａの数値を読み取る。外周面１４の内側の平面１２を計測する場合は、同様に計測機内蔵ソフトウェアの機能であるＰｌａｎｅ Ｒｅｍｏｖｅを使って傾きなどを除いて平面に近い表示状態にしてから表面粗さＲａの数値を読み取る。

液状の樹脂材料として、アクリレートを主成分とする紫外線硬化樹脂を用いた。この樹脂材料を成形型３の成形面上に塗布し、その上にガラス基材１を配置して樹脂材料を押し広げた。押し広げられた樹脂材料を光軸方向から見たときの大きさは、直径２８ｍｍであった。その状態で、ガラス基材１の上方からおよそ３０ｍＷ／ｃｍ²の光４を１２０秒間照射して樹脂材料を硬化させ、樹脂層２を形成した。最後に、ガラス基材１と樹脂層２を一体として成形型３から引き剥がして複合光学素子１０を得た。

実施例１に係る複合光学素子１０の樹脂層２の表面形状を測定したところ、形状精度は良好であり、外周付近に問題となるようなリング状の突起は見られなかった。

（実施例２）
実施例２では、実施例１で用いた砥石よりも細かな粗さの砥石を用いて外周面１４を研磨した以外は、実施例１と同様にして複合光学素子１０を得た。実施例１と同様にして外周面１４の表面粗さを測定したところ、外周面１４の表面粗さＲａは１．１μｍであった。

実施例２に係る複合光学素子１０の樹脂層２の表面形状を測定したところ、実施例１と同様に形状精度は良好であり、外周付近に高さが約１．０μｍと問題とならない程度に小さなリング状の突起が見られただけであった。

（実施例３）
実施例３では、実施例１で用いた砥石よりも粗い粗さの砥石を用いて外周面１４を研磨した以外は、実施例１と同様にして複合光学素子１０を得た。実施例１と同様にして外周面１４の表面粗さを測定したところ、外周面１４の表面粗さＲａは２０μｍであった。

実施例３に係る複合光学素子１０の樹脂層２の表面形状を測定したところ、樹脂層２の外周付近への照度は少し低下していたようだが十分に樹脂材料は硬化しており、形状精度も良好であった。また、外周付近に問題となるようなリング状の突起は見られなかった。

（実施例４）
実施例４では、外周面１４を斜面１３のみとして平面１２がないガラス基材１を用いた。この斜面１３の幅を１．２ｍｍとした。すなわち、ガラス基材１の半径Ｘに対する外周面１４の幅Ｙの比Ｙ／Ｘは、０．０８である。また、第１光学機能面１１の曲率半径を３０ｍｍとした。それ以外は実施例１と同様にして複合光学素子１０を得た。

実施例４に係る複合光学素子１０の樹脂層２の表面形状を測定したところ、実施例１と同様に形状精度は良好であり、外周付近に問題となるようなリング状の突起は見られなかった。

（実施例５）
実施例５では、実施例１における平面１２の幅を２ｍｍとし、斜面１３の幅を４ｍｍに変更した。すなわち、ガラス基材１の半径Ｘに対する外周面１４の幅Ｙの比Ｙ／Ｘは、０．４である。また、第１光学機能面１１の曲率半径を１４ｍｍとし、斜面１３の傾斜角を６０°とした。それ以外は実施例１と同様にして複合光学素子１０を得た。

実施例５に係る複合光学素子１０の樹脂層２の表面形状を測定したところ、実施例１と同様に形状精度は良好であり、外周付近に問題となるようなリング状の突起は見られなかった。

また、実施例５の複合光学素子１０では外周面１４の割合が大きいので、紫外光照射の際、樹脂層２に対する外周面１４の影響範囲は広くなるが、樹脂層２の表面形状に問題はなかった。

（比較例１）
比較例１では、実施例２で用いた砥石よりもさらに細かな粗さの砥石を用いて外周面を研磨した以外は、実施例１と同様にして複合光学素子を得た。実施例１と同様にして外周面の表面粗さを測定したところ、外周面の表面粗さＲａは０．６５μｍであった。

比較例１に係る複合光学素子の樹脂層の表面形状を測定したところ、外周付近に高さが約３．０μｍと大きなリング状の突起が見られた。

以上説明したように、本発明は、カメラ用のレンズ、プロジェクター用のレンズ等に有用である。

１ ガラス基材
２ 樹脂層
３ 成形型
４ 光
１０ 複合光学素子
１１ 光学機能面
１２ 平面
１３ 斜面
１４ 外周面
１５ 側面
１６ 第２光学機能面
１７ 光軸
３１ ガラス基材
３２ 樹脂層
３３ 成形型
３４ 光
３００ 複合光学素子
３１１ 第１光学機能面
３１２ 平面
３１３ 斜面
３１４ 側面
３１５ 第２光学機能面

Claims (4)

1. 光軸方向の一方を向く第１光学機能面および光軸方向の他方を向く第２光学機能面を有するとともに、前記第１光学機能面の周囲に設けられた外周面を有するガラス基材と、
   前記ガラス基材の前記第２光学機能面に接合された樹脂層と、を備え、
   前記外周面の表面粗さＲａが１μｍ以上２０μｍ以下である、複合光学素子。
2. 前記ガラス基材は、光軸方向から見たときにほぼ円形状であり、
   前記ガラス基材の半径をＸとし、前記外周面の幅をＹとしたとき、前記ガラス基材の半径Ｘに対する前記外周面の幅Ｙの比Ｙ／Ｘが、０．０８以上０．４以下である、
   請求項１に記載の複合光学素子。
3. 前記ガラス基材は、前記第１光学機能面が凹面、前記第２光学機能面が凸面のメニスカス形状のレンズである、
   請求項１または２に記載の複合光学素子。
4. 前記外周面は、前記第１光学機能面の周縁から前記光軸方向と垂直に広がる環状の平面と、前記平面の外周縁から拡径しながら前記第２光学機能面に近づくテーパー状の斜面とを含む、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合光学素子。

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