JP3021347B2 - 改良された光学特性を有する外形のモールドされたミラーの製造方法および装置 - Google Patents

改良された光学特性を有する外形のモールドされたミラーの製造方法および装置

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JP3021347B2 JP8053489A JP5348996A JP3021347B2 JP 3021347 B2 JP3021347 B2 JP 3021347B2 JP 8053489 A JP8053489 A JP 8053489A JP 5348996 A JP5348996 A JP 5348996A JP 3021347 B2 JP3021347 B2 JP 3021347B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は廉価のモールドされ
たプラスティック基体を有する光学的な形状のミラーの
製造方法、特に優れた光学的品質と改良された機械的お
よび熱的安定性を有する正確度の高いモールドされたプ
ラスティックミラーを製造するための改良された経済的
な製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガラス、アルミニウム、その他の高価な
基体と、光学的研磨、正確な機械加工または所望の正確
度の形状表面を生成するのに通常必要なその他の高価な
処理により生成される表面を有するミラーの製造に関わ
る価格を低下させるために、モールドされたプラスティ
ック基体から光ミラーを生成することが知られている。
即ち、アクリル酸、ポリカーボネート、スチレンまたは
他の適切なポリマーのような所望の強度と熱膨張特性を
有し、充填材料を含むまたは含まない注入モールドされ
たプラスティック基体は対応するマスターモールドの所
望の表面形状にモールドされ、その後、真空付着手段等
によりベース反射層で被覆される（1993年７月２９日出
願のUSSN 08/099,280 号明細書参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような製造処理に
含まれる問題には、（１）必要な正確度の形状の表面を
有するプラスティック基体のモールドの難しさと、
（２）加熱、冷却および／または硬化期間中の収縮、膨
張および／または変形に抵抗することによって一般的な
使用温度範囲にわたって本来の形状表面を維持するよう
な、熱安定性を有するモールドされたプラスティック基
体が必要である。プラスティックミラーは光学的表面特
性、ミラーの厚さ、必要な正確度の要求から生じる構造
上の硬度の問題を有する。良好な光学的表面品質の平滑
さを必要とすることは、使用されることができるプラス
ティック材料および充填材料を制限する。典型的にこれ
らの材料は、充填されていないとき非常に低いたわみ硬
度を有し、これは製造と設置を非常に困難にし、このよ
うなミラーが光学装置に設置されるときに可能な正確度
を減少する。経済的理由と共に正確度の必要性はミラ−
が堅牢性の観点から所望されるミラーと比較して、薄い
ことを必要とする。これは前述した堅牢性の問題に影響
する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の製造方法および
装置は、（ａ）ほぼ所望の外形形状表面を有するように
所望のプラスティックモールド組成物の基体をモールド
し、（ｂ）基体上に形成された反射表面に必要な正確な
表面形態または外形形状を有し、剥離性または非接着特
性を有するマスターパターンまたはモールド表面を形成
し、（ｃ）随意的な保護および／または強化層および、
外部反射層をマスターパターンの正確なリリース表面を
覆って施し、（ｄ）マスターパターンの被覆表面を基体
の外形形状表面に隣接して配置し、流体レプリカポリマ
ー組成物の硬化可能な層をその間に充填し、（ｅ）圧力
を与え、レプリカ重合体を硬化し、（ｆ）基体とマスタ
ーパターンを分離し、被覆をマスターパターンから分離
して基体へ移動して硬化されたレプリカポリマーにより
結合されるステップを含んでいる。マスターパターンの
正確な表面形態と外形形状は基体と、最も重要な反射層
へ移動された被覆へそれぞれ与えられる。モールドされ
たプラスティック基体のおおよその表面形状形態に存在
する不完全部分または表面歪みまたは変形は、硬化され
凝固される前に基体とマスターパターンに存在する反射
性外部層との間の空間を充填するため与えられた圧縮下
に流れる流体レプリカポリマーにより補償される。従っ
て、マスターパターンの正確な表面はこのようなタイプ
のミラーでは従来得ることができない正確な光学特性を
有するミラ−を形成するために転写被覆モールドされた
プラスティック基体上に正確に複製される。
【０００５】好ましいレプリカプロセスにしたがって、
レプリカポリマー組成物の硬化可能な層はモールドされ
たプラスティック基体と適合し、堅いよりもフレキシブ
ルであり基体の熱膨張係数（ＣＴＥ）に非常に近接して
一致する熱膨張係数を有するレプリカ層を形成するよう
に硬化するものである。最も好ましいレプリカ組成物は
硬化可能なエポキシ樹脂を含んでおり、これは充填材
料、特に低いＣＴＥと平滑な仕上げ度を与えるガラスビ
ード充填材料を含むことにより低いＣＴＥを有するよう
に構成されることができる。
【０００６】マスターパターンの形成が正確な機械加工
装置と、正確な輪郭形状のガラスミラーの構成を必要と
するタイプの技術を必要とするが、その費用はマスター
パターンが本発明の製造方法において多数のモールドさ
れたプラスティックミラーを生成するように再使用する
事実により、軽減される。付加的に、本発明の実施形態
はモールドプロセスで固有のエラーを補償するため、組
込まれた予め定められた補正による基体の製造を含んで
いる。これは公称上の基体形状がまず製造され、必要と
される補正を決定するように測定されたミラーをモール
ドするために使用されることにより行われる。
【０００７】前述のレプリカプロセスで達成される補正
効果と安定性は最初の基体が大きな寸法エラーを有する
場合に減少されるので、この補正は望ましいものであ
り、ある場合には必要である。．０００５インチよりも
小さい寸法エラーは通常許容可能であり、数１／１００
０インチまでのエラーはある場合には許容される。モー
ルドされた部品で、．００１インチ以上の大きさのエラ
ーは稀ではない。大きなエラーを有する基体を使用し
て、所望の形状のミラーはレプリカプロセスにより行わ
れることができるが、レプリカプロセスと組合わせて基
体補償プロセスを使用することにより材料の選択、厚さ
の正確度、最終的な価格の減少、正確度等が改良され
る。
【０００８】多くの場合に、レプリカプロセスは最も廉
価で許容可能な正確度のミラーを与えるためにモールド
補償なしに単独で使用されることができる。ある場合に
は、モールド補正プロセスはレプリカステップの必要が
なく、それ自身で使用されてもよい。しかしながら、好
ましくはモールド補正プロセスは最も廉価で正確度が最
も高いミラーを与えるためレプリカプロセスを使用さ
れ、ここで許容可能なミラーはレプリカまたはモールド
補正プロセスでは単独に製造されることができない。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、モールドされ
たプラスティック基体10は、所望のミラーを生成するた
めに正確な形態と外形形状またはそれと相補する形態と
形状に実際上ほぼ近いモールドされた輪郭形状のモール
ドされた表面11を有する。プラスティックレンズおよび
ミラー基体をモールドすることはよく知られており、当
業者は仕上げの程度と、使用温度範囲にわたる熱膨張お
よび収縮に対する耐久度と、設定またはエージングによ
る屈曲または変形に対する抵抗性と、その他のこのよう
な特性等、使用されるプラスティックまたは樹脂のモー
ルド組成で所望な特性を認識している。好ましいのはエ
ポキシ樹脂、アクリルポリマー、ポリスチレン、ポリカ
ーボネート、ポリエーテルイミド、硫化ポリプロピレン
および低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有するその他の類似
のポリマー組成物を含んでいる強化された（充填され
た）モールドポリマーである。後者の充填材料を含んだ
プラスティック組成物はUSSN 08/099,280 号明細書でよ
り詳細に説明されている。
【００１０】基体10のモールドされた表面11は生成され
るミラー表面の所望の最終形外形形状および平滑さを生
成するように、近似され、または補償されるべきであ
る。近似性は通常、モールド処理の価格と最終的なミラ
ーに必要な正確度との間の妥協である。モールド補正処
理は、モールドされた基体が硬化または設定されるとき
の収縮などによるモールド基体で生じる固有の変化を補
償するためにモールド（またはミラー挿入）の形状およ
び寸法を変更するために行われる。補正処理は10のよう
なモールドされた多数のミラーの測定と平均形態の決定
を含んでいる。公称上の成形された挿入体もまた測定さ
れ、そこで発見されるエラーが考慮される。例えばミラ
ー表面を形成する挿入体が部品の負部分であり、モール
ドされた部分で発見されたエラーが補正として逆にされ
なければならない全てのステップを明白に維持する注意
が必要である。従って、補正は測定エラーと同一方向で
ある。類似の処理が本来の挿入体に適用される。補正係
数はさらに材料の既知の収縮を考慮するように調節され
ることができる。補正形状が計算されると、モールド挿
入体は研磨される。これは必要ではないが通常は回転対
称でない形態であり、その制約により一貫した方法で行
われる。研磨が所望な正確度に完成されると、挿入体は
モールドに戻され、部品がモールドされる。測定と、計
算と、研磨の僅かなエラーのため１以上の補正処理の反
復がさらに必要とされる。
【００１１】図１で示されているように、本発明のプロ
セスの正確度を与える表面成形素子は、形成されるミラ
ーに与えられる所望な輪郭形状表面にできる限り正確に
対応する成形表面13を具備するように、機械加工または
その他の方法で正確に成形されるマスターパターン12で
ある。図１で示されている実施例では、形成されるミラ
ーは凹面の表面を有し、それ故、逆または相補型を形成
するマスターパターン12の表面13は凸面である。しかし
ながら、表面13は形成される基体10およびミラーが凸面
である場合には反対に凹面であることは明白である。表
面は例えば平坦、球形、非球形、回転対称または対称で
はない等、任意の形態である。
【００１２】基体のマスターパターン12は金属、ガラ
ス、またはその他のセラミックまたは、堅牢で使用温度
範囲にわたる寸法変化の少ない注入モールドされた充填
材料を含むプラスティック組成物から形成されることが
できる。それぞれの場合に、成形表面13は正確な研磨ま
たは機械加工装置およびシステムによって必要な正確度
を有する基体13を形成するためにコンピュータ制御動作
または一般的な光学的研磨技術を使用するダイヤモンド
機械加工のような単一点の寸法を定められ、形状形状を
形成される。
【００１３】マスターパターン12が本発明のプロセスで
モールド要素として機能するので、その表面は最初に堅
牢なカーボンまたはポリマー等の永久的または抵抗性の
非粘着表面層で被覆され、および／または通常プラステ
ィックレンズに施されるタイプの堅牢で耐傷性のポリマ
ー層または基体および応用に適切な他の材料等の選択的
な光学的保護層15と、および／または反射特性を強化す
るため反射層に通常設けられるタイプの随意的な強化層
16を施す前に、モールド剥離剤の薄い剥離層14で被覆さ
れる。剥離層はマスターミラー上の好ましい非粘着被覆
により置換されるか増大される。
【００１４】図１で示されている最終的な層は、通常の
方法で化学蒸着手段により蒸着されることが好ましいベ
ース反射層17である。例えば、アルミニウム、金または
クロムのような所望な金属小片は被覆されたマスターパ
ターン12を含んだ真空チャンバ中の加熱コイル上に置か
れる。金属は蒸発され、薄い反射層17として被覆された
マスターパターン上に付着される。被覆は現在この目的
で使用される複数の他の被覆プロセスで施されてもよ
い。
【００１５】表面19はマスターパターン12の表面13と同
一の正確さと平滑度を有し、本発明のレプリカ部分の本
質は反射表面19とそれが結合された層とをマスターパタ
ーン12からモールドされたプラスティックミラー基体10
に転送しながらこのような正確さ、平滑度、および関連
する特性を維持することであり、このモールドされたプ
ラスティックミラー基体の表面11はマスターパターン12
の機械加工された表面13の正確な湾曲および／または平
滑度を具備していない。
【００１６】本発明によると、レプリカ媒体18の硬化可
能で流動可能な薄い層は、基体10の表面11と反射層17の
表面19との間に配置され、間に位置される薄い流動可能
なレプリカ媒体層18を有する支持体10の凹面表面11に凸
面表面19を押し付けて圧力が加えられる。基体10は圧力
動作または積層ステップ期間に変形しないように支持さ
れてもよく、または単にその位置に保持されてもよい。
流動可能なレプリカ材料は表面11と19の間で圧縮され、
図２で示されているように硬化するときにできる限り薄
いレプリカ層20を形成するように過剰な漏洩によって空
間を充填するように押し出す。結果として、硬化したレ
プリカ層20はモールドされたプラスティック基体表面13
の不規則性、粗さ、または湾曲偏差を補償し、それによ
ってマスターパターン12の機械加工された表面13の正確
度はモールドされたプラスティック基体10上で複製さ
れ、本発明のステップを反復することによりこのような
複数のモールドされたプラスティック基体上で複製され
ることができる。
【００１７】図２で示されているように、最終的なミラ
ー21は層20として圧縮されたレプリカ層を硬化し、モー
ルドされたプラスティック基体10から図１のマスターパ
ターン12を分離することにより形成される。レプリカ層
20は表面の不規則と基体10の表面11の湾曲偏差を充填
し、硬化期間に低放射性の反射層17の外部表面19に結合
する。レプリカ材料は好ましくは紫外線放射により硬化
可能なエポキシ樹脂組成物を有し、その低温硬化は紫外
線の照射により行われる。その代りに、硬化は熱の補助
によりまたは適切な時間の経過により行われてもよい。
【００１８】硬化後、マスターパターン12は図２により
示される最終的なミラー21を形成するように層15,16,17
をマスターパターン12の剥離層14から剥離させるように
モールドされたプラスティック基体から分離される。
【００１９】本発明により使用される硬化可能なレプリ
カ材料は使用されるモールドされたプラスティック基体
材料と適合するように選択され、本発明のレプリカ材料
として使用するのにも適した適切な充填材料を含んだプ
ラスティックモールド構成に関してはUSSN 08/099,280
号明細書を参照されたい。使用される硬化レプリカ材料
は基体材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）に一致することが好
ましい。基体はレプリカ層よりも大きな堅牢度（スティ
フネス）を有する。また硬化されたレプリカ層の表面の
平滑さは重要である。それ故、硬化可能なレプリカ材料
のＴＣＥを減少するために使用される充填材料は１マイ
クロインチよりも小さいＲＭＳ表面の粗面値を与えるよ
うにガラスビードまたはマイクロバルーンのような良好
な光学特性を有する所望な平滑表面完成度を提供しなけ
ればならない。通常、充填レプリカポリマー層のＣＴＥ
範囲は０．５乃至２０×２０-5ｉｎ／ｉｎ．Ｆ°であ
る。
【００２０】好ましいレプリカポリマーは熱硬化性ポリ
マーであり、それはこれらが基体を歪ませ、膨張させる
高温の硬化を必要としないためであり、これは通常経済
面とモールドの正確度の目的のために熱可塑性プラステ
ィック樹脂モールド構造からモールドされる。適切なレ
プリカポリマーは室温または低温または紫外線で硬化可
能な熱硬化性ポリマーである。好ましいこのようなポリ
マーはモールドされた支持体10に類似する低いＣＴＥを
有する強化された（充填）エポキシ樹脂組成物である。
【００２１】モールドされたプラスティックミラー基体
が冷却または固化するときのプラスティックの収縮によ
り寸法および／または形態に大きなエラーを有するの
で、前述したように、本発明により使用される基体10を
生成する一般的なモールド補正技術を使用することが好
ましい。従って、収縮および／またはその他の原因から
生じる特別な寸法のエラーは補正係数を決定するために
測定されることができ、モールドの工具加工はモールド
処理期間中に誘起するエラーを考慮するため、または補
償するために変更されることができ、モールドされたミ
ラー基体は、非常に正確なミラーを生成するためにミラ
ー基体10に所望される寸法および／または形状に収縮お
よび／または変化を与える。
【００２２】基体10をモールドし、レプリカ層20を形成
するために使用される充填プラスティック材料の主要な
熱特性は熱膨張係数である。低い膨張係数は広い温度に
わたって性能をよりよく維持することができる光学装置
構造を生じる。低温膨張を達成する期待に基づいて、プ
ラスティック材料の所望な膨張係数は０．４乃至１．５
×１０5 ｉｎ／ｉｎ °Ｆの範囲にあり、これはアルミ
ニウムの値１．３×１０5 ｉｎ／ｉｎ°Ｆと比較される
のが好ましく、または５×１０-5ｉｎ／ｉｎ°Ｆの膨脹
係数は特に充填材料を使用することのできない非常に平
滑な表面が必要とされるときに適用することができる。
【００２３】熱伝導性もまた材料の熱安定性に重要な役
目をおこなう。熱伝導係数が大きくなるほど、部品の温
度の均一性が高くなり、それ故、熱の成長度も均一にな
る。理論上、温度変化による構造の均一な成長は（焦点
距離および視野の逆変化に対応する変化を除いて）光学
的性能の低下を生じない。熱効果による均一な成長を達
成するため、基体10とレプリカ層20は熱膨張係数に実質
上同一または一致した係数を有するように同一の強化さ
れた（充填）プラスティック組成物から構成される。可
能であるならば、光学システムの全ての部品が一致した
ＣＴＥを有することが有効である。熱伝導性はプラステ
ィックの伝導熱性が非常に小さいので重要な問題であり
注意する必要がある。通常プラスティック材料はアルミ
ニウムよりも１５〜１００倍低い熱伝導係数を有する。
低係数の膨張係数の必要性はプラスティック材料の低い
熱伝導性によって一層重要にされる。
【００２４】前述の説明は本発明の単なる例示であるこ
とが理解されよう。種々の置換および変形は本発明の技
術的範囲から逸脱せずに当業者により実施されることが
理解されよう。従って、本発明はこのような特許請求の
範囲内の全ての置換、変形、変化を包括することを意図
するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】被覆されたマスターパターンと、モールドされ
たプラスティック基体と、間に挟まれた硬化可能な液体
レプリカポリマーが、例示の目的のため間隔を隔てられ
ている圧縮および硬化用に接合する前の状態の断面図。
【図２】図１により製造されたモールドされたプラステ
ィック基体を有する正確な光学ミラーの断面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−102601（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−347620（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−208201（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−39701（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 5/08 - 5/10

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高い正確性の光反射特性を持つ反射層を
    支持する外形形状表面を有するモールドされたプラステ
    ィック基体を具備するミラーの製造方法において、 （ａ）被覆される反射層の所望の形状に近似した外形形
    状の表面を有するプラスティック基体をモールドし、 （ｂ）高度の正確度の反射特性を有する反射層を支持す
    る正確な表面形状に加工され、かつ、モールドされたプ
    ラスティック基体の表面の外形形状に対して相補型の外
    形形状の表面を有するマスターパターンを使用し、マス
    ターパターンの表面は剥離性または非粘着性のリリース
    表面に形成されており、 （ｃ）形成されたマスターパターンのリリース表面を覆
    って反射層を含む１以上の層を被覆し、 （ｄ）マスターパターンのリリース表面を覆う前記反射
    層を含む１以上の被覆され層の表面と、前記モールドさ
    れたプラスティック基体の前記所望の形状に近似した外
    形形状の表面との間に硬化可能で流動可能なレプリカ材
    料を位置させてそれを流動させ、圧縮して前記２つの表
    面間の空間を充填させ、このレプリカ材料は、充填材料
    としてガラスビードを含みそれによって基体の熱膨脹係
    数に実質的に一致する熱膨脹係数を与えられているポリ
    マー組成物であり、 （ｅ）流動状態の前記レプリカ材料を硬化させ、 （ｆ）マスターパターンとモールドされたプラスティッ
    ク基体とを分離してマスターパターンのリリース表面か
    らその表面に被覆された前記反射層を含む１以上の層お
    よび硬化されたレプリカ材料を分離してモールドされた
    プラスティック基体の外形形状の表面上にレプリカ材料
    を介して反射層を含む１以上の層の付着された高い正確
    度の反射特性を持つ反射層を有するミラーを形成するこ
    とを特徴とするモールドされたプラスティック基体を具
    備するミラーの製造方法。
  2. 【請求項２】 前記非粘着表面が堅いカーボンまたはポ
    リマーのような永久的に非粘着性の被覆をマスターパタ
    ーンの外形形状表面に形成することにより得られる請求
    項１記載の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記リリース表面がその上に他の層が被
    覆される前にそれぞれマスターパターンの外形形状表面
    上に剥離性被覆を形成することにより得られる請求項１
    記載の製造方法。
  4. 【請求項４】 マスターパターン上のリリース表面上に
    施される層が耐傷性の保護層を含んでいる請求項１記載
    の製造方法。
  5. 【請求項５】 レプリカ材料のポリマー組成物がエポキ
    シポリマーを含む請求項１記載の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記（ｂ）の工程においてマスターパタ
    ーンが複数の同様のミラーを形成するためにモールドさ
    れたプラスティック基体により連続して複数回使用され
    る請求項１記載の製造方法。
  7. 【請求項７】 高い正確度の光反射特性を持つ反射層を
    支持する形状表面を有するモールドされたプラスティッ
    ク基体を具備するミラーの製造装置において、 （ａ）形成される反射層の所望の形状に近似するような
    外形形状の表面を有するプラスティック基体をモールド
    する手段と、 （ｂ）高度の正確度の反射特性を持つ反射層を支持する
    正確な表面を形成するように加工された外形形状の表面
    を有し、その表面の外形形状はモールドされたプラステ
    ィック基体の表面の外形形状に対して相補型であり、そ
    の表面は剥離性または非粘着性のリリース表面であるマ
    スターパターン手段と、 （ｃ）マスターパターン手段のリリース表面に反射層を
    含む１以上の他の層を被覆する手段と、 （ｄ）マスターパターンの反射層を含む１以上の層で被
    覆された表面とモールドされたプラスティック基体の前
    記外形形状の表面との間に充填材料としてガラスビード
    を含みそれによって基体の熱膨脹係数に実質的に一致す
    る熱膨脹係数を与えられているポリマー組成物よりなる
    硬化可能で流動可能なレプリカ材料を配置してそれを流
    動状態にし、圧縮して反射層を含む１以上の層で被覆さ
    れた表面とプラスティック基体の外形形状の表面との間
    の空間を充填する手段と、 （ｅ）前記流動状態のレプリカ材料を硬化させる手段
    と、 （ｆ）モールドされたプラスティック基体の外形形状の
    表面上に高い正確度の反射特性を持つ反射層を有するミ
    ラーを形成するために、前記反射層を含む１以上の層お
    よび硬化されたレプリカ材料をプラスティック基体に付
    着させた状態でマスターパターンのリリース表面から分
    離するようにマスターパターンとモールドされたプラス
    ティック基体とを分離する手段とを具備していることを
    特徴とするプラスティック基体を具備するミラーの製造
    装置。
  8. 【請求項８】 前記非粘着表面を生成するための手段を
    さらに具備し、この手段は前記マスターパターンの外形
    形状の表面上に堅いカーボンまたはポリマーのような永
    久的に存在する非粘着被覆を形成する被覆手段を備えて
    いる請求項７記載の装置。
  9. 【請求項９】 別の層をその上に形成する前に前記マス
    ターパターンの外形形状の表面に剥離層を形成する被覆
    手段を具備している前記リリース表面を生成するための
    手段をさらに含んでいる請求項７記載の装置。
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