JP3111677B2 - 非球面光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非球面樹脂成形層と素
子基材とからなる非球面光学素子を製造する方法に関す
る。ここで「非球面光学素子」とは、例えば非球面レン
ズや「非球面の反射面を持つ反射鏡のブランク」を指
す。このブランクにアルミニウムや銀や多層光学薄膜か
らなる反射層を形成すると反射鏡となる。本発明により
製造される素子の一例は、従来、樹脂接合型レンズと呼
ばれたものである。

【０００２】

【従来の技術】カメラ、顕微鏡などの光学製品に使用さ
れるレンズは、主としてガラス製レンズが用いられてい
る。ガラス製レンズは、溶融状態のガラスからプレス成
形されたガラスブロック（レンズブランクと呼ばれる）
に機械加工を行うことにより所望の曲率を有するレンズ
を製造している。ガラスに代えて樹脂を用い、プレス成
形、射出成形、注型などの方法で樹脂レンズを製造する
方法も実用化されている。この方法は、一度鋳型を製作
しておけば、それを用いて大量のレンズを量産できるこ
とから、製造コストが安いという特徴がある。しかし、
樹脂レンズは、温度や湿度の変化により光学性能が大き
く変動するという致命的欠点があり、精密なレンズには
使用されていない。

【０００３】ところで、レンズには、非球面レンズがあ
り、表面形状が非球面である。この非球面は一般には光
軸を中心にして回転対称である。非球面レンズは、球面
レンズでは得られない優れた性能を有することから重用
されている。しかし、非球面レンズを球面レンズと同様
の工程（研削→研磨）で製造すると、非常に手間と時間
がかかる。そのため、製造コストが、球面レンズよりも
相当に高くなるという欠点がある。

【０００４】この欠点を解決するため、図６、図７に示
すような樹脂接合型非球面レンズが開発された。これ
は、非球面を有する薄い（例えば、５〜100 μm ）樹脂
成形層と主体となるガラス製レンズ（素子基材）とから
なる。素子基材は、球面（図６：特開昭60-56544号参
照）または粗い非球面（図７：特開昭63-157103 号参
照）を有する。両者はいずれも安価な製造コストで入手
できる。このような樹脂接合型非球面レンズは、例え
ば、次の第１〜第６工程からなる製法により製造され
る。図８を参照されたい。 （ａ）所望の非球面とは反転した非球面を有する金型
（３）を水平に置く第１工程； （ｂ）金型（３）の中央部に所定量の放射線硬化型樹脂
液（２ａ）を垂らす第２工程； （ｃ）球面または粗い非球面を有するガラスレンズ
（１）を金型（３）の上に載せる第３工程； （ｄ）ガラスレンズ（１）と金型（３）との間隔を所定
値まで接近させる第４工程（このとき、樹脂液は目的と
するレンズの有効径より外まで広がっている）； （ｅ）ガラスレンズ（１）と金型（３）との間に挟まれ
た樹脂液（２ａ）に放射線を照射することにより硬化さ
せる第５工程；および （ｆ）硬化して得られた樹脂成形層（２）を金型（３）
との界面から剥離する第６工程；

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の製法は、樹脂成
形層（２）の表面（非球面）の形状精度が低くなる例が
多く（特に図３のような樹脂厚分布の場合）、低い製品
は不良品となるので、従来の製法は良品率が低いという
問題点があった。本発明の目的は、形状精度が低くなる
例を減少させることにより良品率を向上させることにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、非
球面樹脂成形層と素子基材とからなる非球面形状光学素
子の製造方法において、 （イ） 前記光学素子に形成する非球面とは反転した非
球面形状を持つ金型と前記素子基材（但し、前記金型と
前記素子基材の少なくとも一方は放射線に対して透明な
こと）を用意する第１工程； （ロ） 放射線硬化型樹脂液を前記金型と前記素子基材
との間に挟み、前記樹脂液が前記光学素子の有効径の外
側まで広がっている状態にする第２工程； （ハ） 前記光学素子の有効径の外側を遮光した状態
で、前記樹脂液に放射線を照射する第３工程； （ニ） 前記光学素子の有効径内と前記光学素子の有効
径の外側との両方に位置する前記樹脂液に放射線を照射
する第４工程；および （ホ） 得られた前記非球面樹脂成形層を前記金型との
界面から剥離する第５工程；からなることを特徴とする非球面光学素子の製造方法 を
提供する。

【０００７】

【作用】従来の製造方法では、図５（ａ）に示すよう
に、樹脂液全体に放射線を照射していた。その場合、目
的とする光学素子の有効径である領域の外縁部にある樹
脂成形層の薄い部分Ｓが、前記領域内にある成形層の厚
い部分Ｔよりも先に硬化する。そのため、厚い部分Ｔの
樹脂液が硬化する際、硬化に伴ってこのＴ部の樹脂液が
収縮しようとしても周囲の樹脂液が既に硬化しているた
め収縮する余裕がない。その結果、樹脂液が金型から剥
離してしまい、樹脂の成形面がレンズとしての鏡面状に
ならない。

【０００８】これに対して、本発明では、第３工程にお
いて領域外をマスキングした状態で樹脂液に放射線を照
射している。そのため、図５（ｂ）に示すように領域内
にある樹脂成形層の厚い部分Ｔが硬化して収縮しても、
この収縮による樹脂の体積の減少分は領域外のマスキン
グされている未硬化の樹脂液が供給されることで補われ
るので、収縮量を抑えることができる。従って、樹脂層
が金型から剥離する現象を防止でき、形状精度の低下を
抑えることができる。

【０００９】なお、マスクによって遮光された領域のエ
ッジ（照射領域との境界部）が樹脂成形層に段差等の痕
跡を作るため、この痕跡が目的とする光学素子の有効径
内に来るのを避ける場合は、第２工程において樹脂液を
広げる領域を適切に設定しておく必要がある。例えば、
樹脂液を前記有効径よりも外側に広げてこの有効径の外
側をマスクで遮光するようにすれば、前記痕跡が光学素
子の性能に影響を与えることはない。また、非球面部
（光学素子の有効径内）の非球面式をこの光学素子の有
効径外まで延長した場合、この径外の部分では樹脂厚が
薄くなってしまう（図５（ｂ）にＵで示す）。このよう
な形状では、本発明の製法を用いた場合でも十分な樹脂
供給量が得られない恐れがある。そこで、樹脂の供給量
を確保するために、所望の樹脂量を供給できるような形
状とし（図５（ｂ）にＶで示す）、この部分を「樹脂溜
まり」として機能するようにした。

【００１０】前記領域の外側を遮光するマスクは、一般
には開口部を有する遮光板である。基材（１）の放射線
が照射される面（樹脂成形面とは反対側の面）の曲率半
径が大きい場合、マスクの形状は平板状でもよい。一
方、放射線が照射される面の曲率半径が小さい場合は、
図１のように、基材（１）の曲率半径に合わせてマスク
（４）の一部を曲げるようにすると好ましい結果が得ら
れる。

【００１１】マスクの開口部の直径は、必ずしも光学素
子の有効径と一致しない。放射線は、基材（１）を透過
した後、樹脂液に照射される。そのため、樹脂液に照射
される放射線の光束の直径は、基材（１）の曲率及び屈
折率の影響を受ける。従って、マスクの開口部の直径
は、これらを考慮して設定しておく。樹脂成形層の最大
厚みが光学素子の有効径内の周辺部にある場合には、最
大厚みを１００％とするとき、上述のエッジの位置（光
学素子の有効径外）の樹脂層の厚さは、３０％程度が好
ましい。さらに正確を期す場合には、最大厚み付近の樹
脂量をＸとするとき、収縮率が１０％であれば、０．１
Ｘ樹脂量が上述のエッジ外から供給されるように計算し
てエッジ位置の樹脂層の厚さを設定すればよい。

【００１２】主体となる素子基材は、ガラス製であるこ
とが好ましいが、場合により樹脂製でもよい。形状は、
目的とする光学素子に応じて設定すればよく、凸レンズ
形状や凹レンズ形状や平板や直方体でもよい。一般的に
は、基材はガラス製の球面レンズである。しかし、接合
面が粗い非球面を有するガラス製レンズでも構わない。
粗い非球面とは、所望の加工精度または面精度（例えば
６μm 以下または３μm 以下）よりも荒い加工精度を有
し、かつ、所望の非球面と同一または近似の非球面を有
するものを言う。このようなガラス製レンズは、所望の
加工精度よりも粗くてよいことから、非球面レンズとは
いうものの、さほど製造コストは高くならない。このよ
うな非球面レンズの製造方法は、既に公知であり、また
市販の研削機械により容易に製造可能である。

【００１３】樹脂との接着力を向上させるために、ガラ
ス製素子基材は予めシランカップリング処理しておくこ
とが好ましい。樹脂成形層の厚さは、一般には中心で１
〜 500μm 好ましくは５〜 100μm である。樹脂成形層
は、目的とする素子がレンズの場合、必ずしも素子基材
と屈折率が一致している必要はない。この樹脂成形層
は、放射線硬化型樹脂液に放射線を照射することにより
樹脂液を硬化させた結果として形成される。このような
樹脂液の材料としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエス
テル、ポリウレタン、ウレタンアクリレート、紫外線硬
化型樹脂、変成アクリル樹脂などの熱硬化性樹脂が使用
される。放射線としては、例えば、紫外線、電子線、γ
線、α線などが使用される。

【００１４】以下、図面を引用して本発明の実施例を説
明するが、本発明はこれに限られるものではない。

【００１５】

【実施例】図２は、本実施例で製造された凹レンズの垂
直断面図である。このレンズは、素子基材のガラスレン
ズ（１）とその表面に形成された非球面樹脂成形層
（２）から構成されている。ガラスレンズ（１）は、球
面を持つ凹レンズであり、直径27mm、凹面Ｒ₁ の曲率半
径11.170mm、凸面Ｒ₂ の曲率半径25.80 mm、中心厚1.5m
mである。ガラスレンズ（１）は、樹脂成形層（２）と
の接着力を向上させるため表面を予めシランカップリン
グ処理を施してある。シランカップリング剤として、こ
こでは商品名KBM503（信越化学株式会社製）を２wt％エ
タノール溶液に稀釈して使用した。樹脂成形層（２）
は、凸面Ｒ₂ 側にあり、その中心厚は約30μｍである。

【００１６】製造に使用した金型は、樹脂と接する側に
曲率半径28.8mmの非球面を持つ。この金型はステンレス
系合金で作製されており、型表面にニッケルメッキが施
されている。樹脂液は、ウレタンアクリレート系の紫外
線硬化型樹脂液を使用した。樹脂液の収縮率は約７％で
ある。

【００１７】マスクは、開口径がφ＝18mmである。この
開口径は、基材レンズから 110mm離れた点光源から紫外
線が出射して樹脂液に到達したとき、紫外線が所定の有
効径より僅かに広い範囲内を照射できるものである。図
４を参照されたい。次に図１を引用して本実施例の製法
を各工程ごとに説明する。 （イ）第１工程：所望の非球面とは反転した非球面を持
つ上記金型（３）と素子基材としての上記レンズ（１）
を用意した。 （ロ）第２工程：紫外線硬化型樹脂液（2a）70mgを前記
金型（３）の上に滴下した後、これに基材レンズ（１）
を押し付けて、金型（３）と基材（１）との間に挟ん
だ、このとき、樹脂層の中心厚が30μｍとなるように、
金型（３）と基材（１）との間隔を設定した。これによ
り、樹脂液（2a）は目的とする非球面レンズの有効径よ
り外まで広がっている状態となった。 （ハ）第３工程：基材レンズ（１）の上に前記マスク
（４）を配置し、それを介して、樹脂液に紫外線を30秒
照射した。紫外線は出力 150Ｗのキセノンランプ（点光
源）から発光させたものである。点光源は基材レンズ
（１）から 110mm離れた上にある。照射強度は、樹脂液
上で30mW／cm² である。

【００１８】照射時、有効径の外側はマスク（４）によ
り遮光されている。遮光された部分と遮光されない部分
との境界での樹脂液（２ａ）の厚さは、５０μｍであ
る。この厚さは、図３に示すように、樹脂液（２ａ）の
最大厚１８０μｍの約３０％に当たる。また、樹脂液の
最大厚の位置は、レンズ有効径よりやや内側にある。 （ニ）第４工程； マスク（４）を外して樹脂液（２ａ）全体に同一の条件
で紫外線を３０秒照射した。これにより樹脂液（２ａ）
は硬化して樹脂成形層（２）が形成された。 （ホ）第５工程； 得られた非球面樹脂成形層（２）を金型との界面から剥
離することにより、図１に示す非球面レンズを得た。

【００１９】なお、マスク（４）は、別部材にすること
なく、基材レンズ（１）の上にマスキング塗料を塗布す
ることにより形成してもよい。また、マスキング塗料の
代わりに、一般に使用されているレンズの内面反射防止
塗料を用いてもよい。これらの場合、第４工程ではマス
ク（４）を外す代わりに前記点光源を樹脂液（2a）に接
近させるようにすればよい。こうすることで、塗料によ
って遮光されていた領域まで紫外線の照射範囲が拡がる
ので、樹脂液全体に紫外線を照射することが可能とな
る。また、マスク（４）を用いた場合でも、第４工程で
わざわざマスク（４）を外さずに点光源を接近させれ
ば、同様の効果が得られる。この方法も本発明に含まれ
る。なお、本発明の製法は図９に示すようなレンズにも
適用可能である。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、量産しても、非球面の
形状精度が低くなる例が減少し、良品率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の実施例にかかる製造方法の各工程
に於けるレンズ（１）等の垂直断面を示す概念図であ
る。

【図２】は、本発明の実施例で製造した樹脂接合型非球
面レンズの概略垂直断面図である。

【図３】は、基材レンズの半径方向に対する樹脂液の厚
さを示す概略図である。

【図４】は、マスク（４）を設置した際の紫外線の照射
範囲を示す概略図である。

【図５】は、本発明の製法と従来の製法とを比較した概
略説明図である。

【図６】は、従来の樹脂接合型非球面レンズの概略垂直
断面図である。

【図７】は、従来の樹脂接合型非球面レンズの概略垂直
断面図である。

【図８】は、従来の製造方法の各工程に於けるレンズ
（１）等の垂直断面を示す概念図である。

【図９】は、他の樹脂接合型非球面レンズの概略垂直断
面図である。

【主要部分の符号の説明】

１ ガラスレンズまたは素子基材または基材レンズ ２ 樹脂成形層 ２ａ 紫外線硬化型樹脂液 ３ 金型 ４ マスク

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 3/00,3/02 B29C 39/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非球面樹脂成形層と素子基材とからなる非
   球面光学素子の製造方法において、 （イ） 前記光学素子に形成する非球面とは反転した非
   球面形状を持つ金型と前記素子基材（但し、前記金型と
   前記素子基材の少なくとも一方は放射線に対して透明な
   こと）を用意する第１工程； （ロ） 放射線硬化型樹脂液を前記金型と前記素子基材
   との間に挟み、前記樹脂液が前記光学素子の有効径の外
   側まで広がっている状態にする第２工程； （ハ） 前記光学素子の有効径の外側を遮光した状態
   で、前記樹脂液に放射線を照射する第３工程； （ニ） 前記光学素子の有効径内と前記光学素子の有効
   径の外側との両方に位置する前記樹脂液に放射線を照射
   する第４工程；および （ホ） 得られた前記非球面樹脂成形層を前記金型との
   界面から剥離する第５工程；からなることを特徴とする非球面光学素子の製造方法 。