JP2020034684A - トーリックレンズ、光学素子、電子写真装置及び光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程や使用中にグリース等の油が付着するのを抑制するトーリックレンズ等の光学素子を提供する。【解決手段】光学有効な領域１０２と光学有効な領域１０２の外側に非光学有効な領域１０３とをトーリック面に有するトーリックレンズ１０１において、光学有効な領域１０２には、微細構造が形成されている微細構造領域１０６があり、非光学有効な領域１０３には、凸部１０４及び平滑領域１０５があり、凸部１０４は、光学有効な領域１０２と近い側にも微細構造を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、表面に微細構造を有するトーリックレンズ等の光学素子、この光学素子を用いたレーザ走査光学系を有する電子写真装置等に関する。

従来、カメラの撮像系レンズや、複写機等の走査光学系トーリックレンズや、スキャナ等の読取光学系レンズに使用される光学素子にはプラスチック製の光学レンズが使用されてきた。近年、光学的性能の向上、コンパクト化、コストダウンの目的で、表面に用いる波長よりも小さい微細構造パターンが形成されたプラスチックモールドの光学素子が用いられている。このプラスチックモールドの光学素子は射出成型、射出圧縮成形、圧縮成形等により作成されている。

例えば、特許文献１は、成形時の離型性を向上させるために、有効領域から外周部に向かって微細構造の溝の深さを浅くした光学素子を提案している。

特開２００５−２８３８１４号公報

しかしながら、製造過程で光学素子の微細構造に、油等の汚れが付着するという課題を本発明者は見出した。例えば、成形工程で成形したプラスチック樹脂を金型から離型する際に、成形装置内のエジェクタピンにより、プラスチック樹脂を押して成形型から離型することがある。この場合に、成形装置のエジェクタピンを駆動させる為に、グリース等の潤滑剤を使用するので、離型時に光学素子の端部の非有効領域に潤滑材剤が飛散することがあった。端部の非有効領域に飛散した潤滑剤は、静電気等により異動して、表面に微細構造を有する光学有効な領域に付着してしまう。

微細構造に潤滑剤が付着すると、洗浄液を用いて潤滑剤を取り除こうとしても、洗浄液が微細構造体内に浸透できず、潤滑剤を除去できないという問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、トーリックレンズや光学素子の微細構造に油等の汚れが付着するのを抑制することを目的とする。

本発明のトーリックレンズは、光学有効な領域と前記光学有効な領域の外側に非光学有効な領域とをトーリック面に有するトーリックレンズにおいて、前記光学有効な領域には、微細構造が形成されている微細構造領域があり、前記非有効領域には、凸部及び平滑領域があり、前記凸部は、前記光学有効な領域と近い側にも前記微細構造を有していることを特徴とする。

本発明の光学素子は、有効領域と前記有効領域の外側に非有効領域とを有する光学素子であって、前記有効領域には、微細構造が設けられており前記非有効領域には、凸部及び平滑領域があり、前記凸部は、前記有効領域と近い側にも前記微細構造を有していることを特徴とする。

本発明のトーリックレンズ等の光学素子は、製造工程や使用中にグリース等の油が付着するのを抑制することを目的とする。

本実施形態のトーリックレンズを示す図である。 本実施形態の電子写真装置を示す図である。 本実施形態のカメラを示す図である。 本実施形態の光学素子の製造方法を示す概略図である。 本実施形態のフィルム型の作製方法を示す図である。 本実施形態の光学素子の製造方法で用いる成形機の概略図である。 実施例１で作製したファインダーレンズの概略図である。 実施例２で作製したトーリックレンズの概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いながら詳細に説明する。

（光学素子）
本実施形態の光学素子は、ミラー、レンズ、プリズム、フィルタ、回折格子等に用いることができる。レンズとしては、トーリックレンズに用いることができる。トーリックレンズは、レンズの一面が円環（トーリック）面２で構成されたレンズを言う。このようなトーリックレンズは、レーザ走査光学系で、面倒れ補正のために，Ｆ−Θレンズの構成要素として用いられる。

以下、本実施形態としてトーリックレンズを例に説明する。

図１（Ａ）に示すように、本実施形態のトーリックレンズ１０１は、光学有効な領域１０２と、光学有効な領域１０２の外側に非光学有効な領域と、をトーリック面に有する。光学有効な領域１０２には微細構造（不図示）が形成されている微細構造領域を有している。非光学有効な領域１０３は、凸部１０５と平坦領域１０４がある。本実施形態のトーリックレンズ１０１は、単一な部材で構成されていることが好ましい。トーリックレンズ１０１は、ポリカーボネート樹脂、ポリメタクリル酸アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィンポリマー樹脂等の熱可塑性樹脂でできていることが好ましい。これらの中で、吸水性が少ないシクロオレフィンポリマー樹脂を用いることがより好ましい。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のトーリックレンズを矢印方向から見た図である。図１（Ｂ）に示すように、光学有効な領域１０２には微細構造１０６が形成されている。非光学有効な領域１０３には、平坦領域１０４と凸部１０５とを有している。また、凸部１０５は、光学有効な領域１０２と近い側にも微細構造１０６を有している。凸部１０５は、光学有効な領域１０２と遠い側は平滑になっていることが好ましい。凸部１０４は、トーリック面の短軸及びトーリック面の法線を含む断面で、三角形状、半円形状、台形形状等の形状をしており、光学有効面に接している斜面に微細構造１０６が形成させている。凸部１０４の断面形状は、油の付着を有効に抑制できるため、台形形状であることが好ましい。

光学有効な領域１０２の微細構造領域におけるｎ−ヘキサデカンの接触角は、平滑領域におけるＮ−ヘキサデカンの接触角より大きいことが好ましい。このような構成だと、油成分が平滑領域から微細構造領域に移動し難くなる。また、光学有効な領域１０２の微細構造領域における水の接触角は、平滑領域における水の接触角より大きいことが好ましい。このような構成だと、水が平滑領域から微細構造領域に移動し難くなる。

微細構造領域におけるｎ−ヘキサデカンの接触角は８０°以上１１０°以下であることが好ましく、９０°以上１００°以下であることがより好ましい。平滑領域におけるｎ−ヘキサデカンの接触角は、５０°以上７５°以下が好ましく、６０°以上６５°以下であることがより好ましい。このような範囲だと、油が平滑領域から微細構造領域に移動し難くなる。

ｎ−ヘキサデカンの接触角は、以下の方法によって測定することができる。２５℃で、ノズルから１０μｌのｎ−ヘキサデカンを滴下し、滴下した形状を側面から観察してＱ／２法により接触角を測定する。

凸部１０４の高さは、３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。３００ｎｍ未満だと、油が平滑領域にから微細構造領域に移動するのを抑制し難くなる。５００ｎｍを超えると、凸部で反射して反射防止機能が低下する。斜面の長さは、２μｍ以下が好ましい。２μｍを超えると、凸部で反射してしまい、レンズの反射防止機能が低下する。凸部１０４の斜面には微細構造１０６が形成されている。ここでいう斜面の長さとは、トーリック面の法線を含む断面において、断面の台形形状における斜面の長さである。凸部の斜面に微細構造を形成することで、平滑面より油の接触角が高くなり撥油性になる。これによりレンズ端部から浸透してくるグリースを凸部と撥油性の斜面で抑制できる構成になっている。微細構造は、深さが１７０ｎｍ以上２００ｎｍ以下で、内径Φが１９０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で、ピッチが３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である円筒状の空孔で形成されていることが好ましい。

（電子写真装置）
本実施形態の電子写真装置は、上記のトーリックレンズ等の光学素子を用いたレーザ光学系を有する複写機および複合機に用いることができる。図２は、電子写真装置として、複写機を示す。複写機２１は、画像読み取り部２２と画像形成部２３を有する。画像形成部２３は、レーザ光学系２４を有している。上記のトーリックレンズは、レーザ光学系２４のＦ−Θレンズに用いることができる。

（光学機器）
本実施形態の光学機器は、上記のレンズ等の光学素子を用いた光学系を有するカメラ、ビデオカメラ、双眼鏡、望遠鏡などに使用できる。図３は、光学機器の一例として、カメラ１を示す。カメラ３０１は、カメラ本体３０２とレンズ３０３によって構成されている。このレンズ３０３に本実施形態のレンズを用いることができる。

（光学素子の製造方法）
次に、本実施形態の光学素子の製造方法について説明する。

図４（Ａ）のように、成形型４０１を用意する。成形型４０１は、ステンレス、ニッケル、銅などの金属でできている。成形型４０１は、金属上に金属膜をめっきしたものでできていても良い。

次に、図４（Ｂ）のように、成形型４０１に凹部４０２を機械加工により作成する。凹部４０２の形状は、形成する凸部の形状に応じて決められる。

その後、図４（Ｃ）のように、成形型４０１上に、熱硬化樹脂４０３を形成する。

次に、図４（Ｄ）のように、ステンレス、ニッケル、銅等の金属製の型基材４０５Ａの上に、表面に微細構造が形成されているフィルム４０６Ｂが設けられているフィルム型４０６を用いて微細構造を転写する。微細構造の転写は、インプリント法で行うことができる。具体的には、フィルム型４０４を加熱しながら加圧して、熱硬化樹脂４０３に作成する光学部材の微細構造を反転させた形状を形成する（図４（Ｅ））。インプリント法の詳細については、後で詳しく記載する。

図４（Ｆ）のように、フィルム型４０４に加熱した熱可塑性樹脂４０６を押し当てて、表面に反射防止機能を有する微細構造が形成されて、凸部の片側斜面にも微細構造が形成された光学素子４０７を作製する。成形工程で用いる成形装置については、後で詳しく記載する。

図４（Ｄ）で使用したフィルム型の作製方法について、図５を用いて説明する。図５（Ａ）のように、シリコンや石英等の基板５０１を用意する。次に、図５（Ｂ）に示すように、基板５０１上にレジスト５０２を形成する。次に、図５（Ｃ）の様に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、レジストをマスクとして基板５０１に製造する光学素子の微細構造に対応する微細構造を形成する。その後、図５（Ｄ）のように、レジストを剥離して微細構造が形成されたシリコン型を作製する。次に、図５（Ｅ）のように、フィルムをインプリント法により、図５（Ｆ）のフィルム型５０６を作成する。フィルム型５０６はフレキシブル性があれば金属板でも良く、金属板上に微細構造をめっき工程で作成した金型を用いても良い。

図４（Ｆ）の成形工程で用いる成形装置について説明する。図６で、成形機６００は、型をセットする固定側型駒６０１、可動する型をセットする可動側型駒６０２、型を固定する固定側型板６０３、可動型を固定する可動側型板６０４、型を取り付ける固定側取付板６０５を有している。また、成形装置６００は、可動型を取り付ける可動側受け板６０６、同じく可動型を取り付ける可動側取付板６０７、可動型を可動させるエジェクタピン６０８、エジェクタピンを支持するエジェクタプレート６０９，６１０有している。成形機は、可動側型駒の摺動機構６１１、熱可塑性樹脂を注入するゲート６１２を有している。図７で、成形工程では、固定側型駒７０１と可動側型駒７０２との間に、ゲート７１２から加熱したプラスチック材料の熱可塑性樹脂を注入する。この時、可動側型駒７０２の鏡面には所望の微細構造が形成されている。そして、熱可塑性樹脂に成形保圧をかけた状態で冷却することで冷却固化させて熱可塑性樹脂の成形品面上にサブ波長サイズからなる微細構造を成形している。その後、可動側型駒７１１の摺動機構により型駒を移動して、エジェクタピン７０８により成形品７１３を押して可動側型駒７０２から離型して微細構造が形成された光学部材を作製する。

（実施例１）
実施例１では、カメラ用のファイダーレンズを作製した。

図４（Ａ）のように、ステンレスを機械加工により曲面加工した成形型を作成した。

次に、図４（Ｂ）のように機械加工により、成形型の外周部に一体的な凹部形状の溝２０２を形成した。この凹部は、ファインダーレンズの凸部に対応した形状である。この凹部の形状は、深さ５００ｎｍ、斜面の長さが１μｍのフィルム型で微細構造が転写可能な台形形状であった。次に、図４（Ｃ）に示すように、成形型４０１上にスピンコータを用いて二酸化珪素系のゾルゲル材２０３を２５０ｎｍの厚みに一様に形成した。このとき、金型用駒４０１の凹部にもこのゾルゲル材が形成された。

次に、上記の実施形態で記載したフィルム型を用いて、図４（Ｄ）のようにインプリントにより、微細構造があるフィルム型を加圧して微細構造を転写した。そして、図２（Ｅ）に示すように、二酸化珪素系のゾルゲル材上に微細構造４０５を形成した。このインプリント時に、成形金型の凹部にもフィルム型が追従するので、凹部の斜面にも微細構造が形成された。また、凹部の外周部には、微細構造が無い平滑領域が形成されていた。その後、加熱処理を行い二酸化珪素系のゾルゲル材を硬化させて成形金型とした。このフィルム型の微細構造の寸法は、深さ２００ｎｍ、Φ２００ｎｍ、ピッチ３００ｎｍのホール形状であった。また、二酸化珪素系のゾルゲル材上の微細構造の寸法は深さ１８０ｎｍ、Φ１９０ｎｍ、ピッチ３００ｎｍのピラー形状であった。次に、図４（Ｆ）のように上記実施形態で記載した成形機を用いて、熱可塑性樹脂４０６上に深さ１８０ｎｍ、Φ１９０ｎｍ、ピッチ３００ｎｍのホール形状からなる微細構造を形成した。このときに斜面に微細構造を有する凸部も同時に形成された。この凸部の寸法は高さ５００ｎｍ、斜面の長さが１μｍであった。図２（Ｇ）に示すように、上記実施形態の図５で説明した成形機を用いて、凸部の片側斜面にも微細構造が形成されたファインダーレンズ２０７が作製された。２５℃において、作製されたファインダーレンズに１０μｌのｎ−ヘキサデカンを滴下し、接触角をＱ／２法を用いて測定した。ファインダーレンズ４０７の微細構造がある光学有効な領域のｎ−ヘキサデカンの接触角は９５°で、平滑領域のＮ−ヘキサデカン接触角は油で５８°であった。また、水の接触角は、微細構造がある光学有効な領域では１３８°、平滑領域では９８°であった。ファインダーレンズ４０７の寸法はΦ２５〜３５ｍｍで曲率半径は１５〜１８ｍｍのレンズ形状が片面に形成されていた。

実施例１で作製したファインダーレンズは、図１（Ｂ）に示すように、光学有効な領域に微細構造１０２が形成されていた。また、ファインダーレンズは、非光学的な領域に、微細構造が形成されていない平滑領域１０３と、凸部１０４とを有し、凸部の斜面の片面に微細構造１０６が形成されていた。図７に示すように、ファインダーレンズ７０１は、平面図では、光学有効な領域７０２に微細構造（不図示）が形成されていた。また、非光学的な領域７０３に、断面が台形形状の凸部７０３と、微細構造を有さない平滑領域７０５が形成されていた。このファインダーレンズは、エジェクタピンのグリースが端部に付着した際に、移動もしくは拡散するグリースを凸部の斜面に設けた表面エネルギーの小さい微細構造でグリースによる光線有効領域への汚染を防止する構成になっていた。これにより、微細構造による反射防止機能を持たせたファインダーレンズの成形工程でのグリース等の付着を防止して、歩留まりを向上させることができた。

（実施例２）
実施例２では、複写機に用いるスキャナ用のトーリックレンズを作製した。図１（Ｂ）に示すように、トーリックレンズは長尺レンズであり光学有効な領域が細長くなっており、短手方向でのグリース汚染は特に問題であった。

実施例２では、実施例１と同様に図５（Ａ）のように、金型用駒５０１を用意した。金型用駒４０１は、ステンレスを機械加工により曲面加工した長尺用成形型を用いた。次に、図５（Ｂ）のように機械加工により成形金型の外周部に一体的な凹部形状の溝５０２を形成した。この凹部の形状は、深さ３００ｎｍ、斜面の長さが２μｍの台形形状であった。次に、図５（Ｃ）ように成形型上にスピンコータを用いて５０３の二酸化珪素系のゾルゲル材を３００ｎｍの厚みに一様に形成した。

次に、上記の実施形態で記載したフィルム型を用いて、図５（Ｄ）のようにインプリントにより微細構造があるフィルム型を加圧して転写した。そして、図５（Ｅ）のように二酸化珪素系のゾルゲル材上に微細構造５０５を形成した。このインプリント時に成形金型の凹部にもフィルム型が追従するので、凹部の斜面にも微細構造が形成された。この凹部が３００ｎｍと薄くなっているのと、斜面が２μｍと長くなっているので凹部の斜面の両面に微細構造が形成された。また、フィルム型の微細構造範囲も凹部の斜面の両面に形成でされていた。トーリックレンズの外周部には微細構造が無い平面領域が形成された。その後、加熱処理を行いＳＩＯ_２系のゾルゲル材を硬化させて成形金型とした。このフィルム型の微細構造の寸法は深さ１８０ｎｍ、Φ３００ｎｍ、ピッチ５００ｎｍのホール形状であった。また、二酸化珪素系のゾルゲル材上の微細構造の寸法は深さ１７０ｎｍ、Φ２９０ｎｍ、ピッチ５００ｎｍのピラー形状であった。次に、図５（Ｆ）のように上記実施形態で記載した成形機を用いて、熱可塑性樹脂５０６上に深さ１７０ｎｍ、Φ２９０ｎｍ、ピッチ５００ｎｍのホール形状からなる微細構造を形成した。

このときに斜面の両面に微細構造を有する凸部も同時に形成された。この凸部の寸法は高さ３００ｎｍ、斜面の長さが２μｍであった。図５（Ｇ）に示すように、上記実施形態の図７で説明した成形機を用いて、凸部の斜面の両面に微細構造が形成されたトーリックレンズ５０７が作製された。図８のように、作製されたトーリックレンズ１０１は、光学有効な領域に１０２に微細構造を有していた。また、非光学有効な領域１０３に、凸部１０４と、平滑領域１０５とを有していた。凸部１０４の斜面の両面には、微細構造が形成されていた。作製されたトーリックレンズ１０１の光学有効な領域１０２におけるｎ−ヘキサデカンの接触角は９３°で、平滑領域のＮ−ヘキサデカンの接触角は５１°であった。また、光学有効な領域１０２における水の接触角は１３３°で、平滑領域では９５°であった。このトーリックレンズ１０１の寸法は端部が楕円形状になっており、楕円形状端部の短辺×長辺が１０ｍｍ×６５ｍｍで曲率半径は２０〜２５ｍｍのレンズ形状が片面に形成されていた。

実施例２で作製したトーリックレンズは、非光学有効な領域１０２にグリース等が付着しても、斜面の両面に微細構造が設けられた凸部１０４を有するので、グリース等が光線有効領域へ移動することを防止できる。実施例２のトーリックレンズは、製造工程でグリース等により光学有効な領域にグリース等が付着し難く、歩留まりを向上させることができた。

１０１ トーリックレンズ
１０２ 光学有効な領域
１０３ 非光学有効な領域
１０４ 凸部
１０５ 平坦領域
１０６ 微細構造

Claims (14)

1. 光学有効な領域と前記光学有効な領域の外側に非光学有効な領域とをトーリック面に有するトーリックレンズにおいて、
   前記光学有効な領域には、微細構造が形成されている微細構造領域があり、
   前記非光学有効な領域には、凸部及び平滑領域があり、
   前記凸部は、前記光学有効な領域と近い側にも前記微細構造を有していることを特徴とするトーリックレンズ。
2. 前記凸部の高さは、３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のトーリックレンズ。
3. 前記微細構造領域におけるｎ−ヘキサデカンの接触角は、前記平滑領域におけるＮ−ヘキサデカンの接触角より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のトーリックレンズ。
4. 前記微細構造領域における水の接触角は、前記平滑領域における水の接触角より大きいことを特徴する請求項３に記載のトーリックレンズ。
5. 前記微細構造領域におけるｎ−ヘキサデカンの接触角は８０°以上１１０°以下であり、
   前記平滑領域におけるｎ−ヘキサデカンの接触角は５０°以上７５°以下であることを特徴とする請求項３に記載のトーリックレンズ。
6. 光学有効な領域と前記光学有効な領域の外側に非光学有効な領域とを有する光学素子であって、
   前記光学有効な領域には、微細構造が設けられており
   前記非光学有効な領域には、凸部及び平滑領域があり、
   前記凸部は、前記光学有効な領域と近い側にも前記微細構造を有していることを特徴とする光学素子。
7. 前記凸部の高さは、３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
8. 前記微細構造領域におけるｎ−ヘキサデカンの接触角は、前記平滑領域におけるＮ−ヘキサデカンの接触角より大きいことを特徴とする請求項６又は７に記載の光学素子。
9. 前記微細構造領域における水の接触角は、前記平滑領域における水の接触角より大きいことを特徴する請求項８に記載の光学素子。
10. 前記微細構造領域におけるｎ−ヘキサデカンの接触角は８０°以上１１０°以下であり、
    前記平滑領域におけるｎ−ヘキサデカンの接触角は５０°以上７５°以下であることを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
11. 前記光学素子がレンズであることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の光学素子。
12. レーザ光学系を有する電子写真装置であって、
    前記レーザ光学系は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のトーリックレンズを有することを特徴とする電子写真装置。
13. 光学素子を有する光学機器であって、
    前記光学素子は、請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の光学機器。
14. 前記光学素子はレンズであって、前記光学機器はカメラであることを特徴とする請求項１３に記載の光学機器。

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