JP4099887B2 - 光学素子の製造方法、並びに光学素子製造用金型 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折格子及び複数の鏡面とを有し、樹脂成形により形成される光学素子の製造方法、並びにこの光学素子の製造に用いて好適な光学素子製造用金型に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、リソグラフィーの技術を用いた多種多様なパターニング法が知られており、このパターニング法をベースとして作製された光集積デバイスや回折格子等の光学素子が商品化されている。
【０００３】
これらの光学素子は、一般的には次のように製造される。
まず、ガラスの表面にレジストを塗布し、このレジストへ描画を行ってレジストパターンを作製する。
次に、このレジストパターンをマスターとして、ニッケル電鋳法によりニッケル原盤（スタンパ）を得る。
【０００４】
そして、このニッケル原盤を用いて、例えばフィルムを原盤に押しつける方法や、或いは例えば原盤に紫外線硬化樹脂を流した後、紫外線照射を行って樹脂を硬化させてレプリカを取る方法（いわゆる２Ｐ法）により光学素子を得ることができる。
【０００５】
また、一部では、コンパクトディスク等の一般的な光ディスクに代表されるように、上述のニッケル原盤を射出成形機に取り付けて、樹脂の射出成形を行うことにより得られる、片面ないしは両面にパターンが形成された樹脂射出成形品もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の各製造方法では、いずれもパターンが形成される面が平面に限定されてしまう。
このため、例えばパターンが存在する面内に、主面と角度をもった斜面を有する構造例えばフーコープリズム等、或いはパターンが存在する面内に段差を有する構造等、これらの複雑な構造を作製することが困難である。
【０００７】
また、射出成形法等により、鏡面を有する光学素子を形成する場合には、使用する金型において、光学素子の鏡面を形成するための金型の鏡面形成部に対して、例えば砥石を用いた研削加工を施した後、研磨加工（ポリッシング）にて所定の平面度や面粗度を得る必要がある。
【０００８】
このため、例えば上述のフーコープリズムのように、水平面と斜面とが混在している形状を作製しようとした場合、この形状を形成する部分の金型の入子を、水平面を形成する入子と斜面を形成する入子というように、複数の入子に分割する必要がある。
その結果、金型の部品点数が増えて、金型の組立が煩雑になるだけでなく、１つ１つの入子の機械的形状精度が累積して金型全体の精度が悪くなる。
従って、成形品となる光学素子に必要なミクロンオーダーの寸法精度を得ることが困難になる。
【０００９】
また、特にフーコープリズムの場合には、金型の入子を複数に分割して光学素子を形成すると、各入子の合わせ面に成形バリを生じる。
この合わせ面に成形バリを生じた光学素子では、平面と斜面との合わせ面をレーザビームが通過するときに、光学特性が悪化してしまう問題があった。
【００１０】
上述した問題の解決のために、本発明においては、回折格子、斜面、段差、曲面等の複合的な構造を有し、光学特性が良好な光学素子の製造方法、並びに複合的な構造を有する光学素子であっても射出成形が可能な光学素子製造用金型を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学素子の製造方法は、樹脂成形を行うための金型が、隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子と、隣接する２つの鏡面形成部を有する第２の入子とを組み立てて成り、第１の入子及び第２の入子のそれぞれの２つの鏡面形成部は、平面である一方の鏡面形成部に対して、他方の鏡面形成部が一方の鏡面形成部と角度を有する斜面となっており、第１の入子の平面である前記一方の鏡面形成部には、凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成され、金型の１つ以上の鏡面形成部が鏡面研削法により形成され、第１の入子及び第２の入子の隣接した２つの鏡面形成部によって、それぞれ、光学素子の隣接した複数の鏡面を成形し、第１の入子の回折格子形成部によって、光学素子に凹凸パターンを有する回折格子を形成するものである。
【００１４】
上述の本発明の光学素子の製造方法によれば、光学素子の隣接した複数の鏡面を第１の入子及び第２の入子の隣接した２つの鏡面形成部によりそれぞれ成形することにより、複数の鏡面の合わせ面に成形バリを生じないで光学素子を製造することができる。
【００１７】
本発明の光学素子製造用金型は、隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子と、隣接する２つの鏡面形成部を有する第２の入子とを組み立てて成り、第１の入子及び第２の入子のそれぞれの２つの鏡面形成部は、平面である一方の鏡面形成部に対して、他方の鏡面形成部が一方の鏡面形成部と角度を有する斜面となっており、第１の入子の、平面である一方の鏡面形成部には、凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成され、１つ以上の鏡面形成部が鏡面研削法により形成されているものである。
【００１８】
上述の本発明の光学素子製造用金型によれば、第１の入子及び第２の入子が鏡面形成部を隣接して２つ有していることにより、これら２つの鏡面形成部により成形される光学素子の鏡面の合わせ面に成形バリを生じないように成形を行うことができる。
【００２２】
また、金型の第１の入子の一方の鏡面形成部に凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成されていることにより、ニッケル原盤を用いた従来の成型法よりも容易に回折格子を有する光学素子の成形を行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明は、金型を用いて樹脂成形を行い、金型が、隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子と、隣接する２つの鏡面形成部を有する第２の入子とを組み立てて成り、第１の入子及び第２の入子のそれぞれの２つの鏡面形成部は、平面である一方の鏡面形成部に対して、他方の鏡面形成部が一方の鏡面形成部と角度を有する斜面となっており、第１の入子の、平面である一方の鏡面形成部には、凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成され、金型の１つ以上の鏡面形成部が鏡面研削法により形成され、第１の入子及び第２の入子の隣接した２つの鏡面形成部によって、それぞれ、光学素子の隣接した複数の鏡面を成形し、第１の入子の回折格子形成部によって、光学素子に凹凸パターンを有する回折格子を形成する光学素子の製造方法である。
【００２４】
また本発明は、上記光学素子の製造方法において、第２の入子の２つの鏡面形成部によって、光学素子にフーコープリズムを構成する２つの鏡面を形成する。
【００２８】
本発明は、隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子と、隣接する２つの鏡面形成部を有する第２の入子とを組み立てて成り、第１の入子及び第２の入子のそれぞれの２つの鏡面形成部は、平面である一方の鏡面形成部に対して、他方の鏡面形成部が一方の鏡面形成部と角度を有する斜面となっており、第１の入子の、平面である一方の鏡面形成部には、凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成され、１つ以上の鏡面形成部が鏡面研削法により形成されている光学素子製造用金型である。
【００３３】
また本発明は、上記光学素子製造用金型において、回折格子形成部が形成されている第１の入子の一方の鏡面形成部に、リソグラフィーに対して物理的、化学的に耐性を有し、ドライエッチングプロセスが可能で、かつ光学素子の射出成形プロセスの温度や圧力に耐えうる材料が成膜されている構成とする。
【００３４】
図１は、本発明に係る光学素子の一形態の概略構成図を示す。
図１Ａは上面図、図１Ｂは側面図、図１Ｃは下面図をそれぞれ示している。
【００３５】
この光学素子１０は、サイコロ状に形成された構造の上面側に回折格子が形成され、下面側に回折格子及び主面に対して角度を有する光学面とが形成され、複合光学素子を構成している。
即ち上面側には最上面から一段下がった第１の鏡面１１に第１の回折格子１６が形成され、対向する下面側には第１の鏡面１１と平行でかつ最下面より一段上がった第２の鏡面１２に第２の回折格子１７及びこの第２の鏡面１２の稜線から角度を有した第３の鏡面１３と第４の鏡面１４とを有する。また、第３の鏡面１３と隣り合わせの位置に、第２の鏡面１２と平行な第５の鏡面１５を有する。
この第３の鏡面１３と第５の鏡面１５とは、フーコープリズムと呼ばれ、互いの合わせ面にレーザビームを通過させることにより任意の角度に分光することができる機能を有する。
【００３６】
このような光学素子１０は、形状の複雑さ、量産性、しいてはコスト面等から、樹脂の射出成形法により製造することが望ましい。
【００３７】
また、光学素子１０の材料として用いられる樹脂材料は、耐熱性、成形性、低吸湿性等に優れた熱可塑性ノルボネン系樹脂等に代表されるアモルファスポリオレフィン系樹脂が好ましい。
【００３８】
次に、本発明の光学素子製造用金型の一実施の形態として、この光学素子１０の射出成形に用いられる光学素子製造用金型の一形態を図２に示す。
図２に示すように、この金型２０は、可動側金型２１と、固定側金型２２から成り、これら可動型金型２１及び固定側金型２２が突き合わされたときに、樹脂材料が充填される空間ができる。
【００３９】
そして、可動側金型２１及び固定側金型２２において互いに対向する面２１ａ及び２２ａが、光学素子１０の光学的機能を発揮するために必要な光学成形面となっている。
固定側金型２２では、水平面に対して角度を有する斜面を含む複数の面の集合体２２ａが光学成形面となっている。この固定側金型２２の場合は、光学成形面として、例えば回折格子を形成する部分、水平面に対して角度を有する鏡面を形成する部分、或いはフーコープリズムを形成する部分等が形成されている。
【００４０】
尚、図２では、可動側金型２１及び固定側金型２２の周囲に組み立てられる枠状の金型は省略している。
【００４１】
また、図２の固定側金型２２を構成する入子の一形態を図３に示す。
ここでは、固定側金型２２を、第１の入子３８及び第２の入子３９の２つの入子に分割した。
【００４２】
第１の入子３８には、所定の凹凸パターンを有する回折格子形成部３７が形成されている第２の鏡面形成部３２と、この第２の鏡面形成部３２に対する角度を有する斜面となった第４の鏡面形成部３４の２面とを有する。
隣接するこれら第２の鏡面形成部３２及び第４の鏡面形成部３４によって、それぞれ光学素子１０の第２の鏡面１２及び第４の鏡面１４が成形され、また回折格子形成部３７によって光学素子１０の第２の回折格子１７が成形される。
【００４３】
また、第２の入子３９には、第５の鏡面形成部３５と角度を有する斜面となった第３の鏡面形成部３３が隣接して形成されている。
隣接するこれら第３の鏡面形成部３３と第５の鏡面形成部３５とによって、光学素子１０の第３の鏡面１３と第５の鏡面１５が成形され、これらの鏡面１３，１５から成るフーコープリズムが構成される。
【００４４】
即ち、第２の入子３９により、フーコープリズムを形成するための隣接する２つの鏡面形成部３３，３５が一体化された構造となっている。
これは、フーコープリズムの場合、平面と斜面との合わせ面をレーザビームが通過するため、もしこの合わせ面で入子を分割すると、合わせ面に成形バリが生じてしまい、光学特性が悪化する要因になるためである。
【００４５】
また、斜面の部分即ち第３の鏡面形成部３３は、形状的に研磨加工が極めて困難である。そのため、鏡面研削法を用いて斜面の形状を加工形成する。
【００４６】
具体的には、図４に第２の入子３９の一部の拡大図を示すように、平面である第５の鏡面形成部３５と斜面である第３の鏡面形成部３３との合わせ面の接続部の微小半径Ｒ１，Ｒ２を共に５μｍ以下になるように鏡面研削する。
そして、第３の鏡面形成部３３及び第５の鏡面形成部３５は、研磨加工を行わなくても、光学的有効範囲において、平面度がλ／１０以下であり、かつ面粗さＲａが１０ｎｍ以下であるように形成される必要がある。
【００４７】
そして、これら第１の入子３８及び第２の入子３９は、その下部が裾を引くように幅広に形成され、この幅広の部分が矢印の方向にそれぞれ金型の外枠２３及び２４の下に組み合わされ、金型を組み立てた際に入子３８及び３９が図中上方に飛び出さないように構成される。
【００４８】
ここで、各鏡面形成部３２，３３，３４，３５がそれぞれ別々の入子により形成される構成とすると、前述のように成形時に成形バリが発生したり、入子毎のクリアランスが存在するために成形中に入子が動いてしまい、所定の光学特性や数μｍオーダーの形状精度を得ることが困難になる。
このため、本形態においては、隣接した鏡面形成部３２及び３４を分割せず一体構造の第１の入子３８により構成し、フーコープリズム部を形成する２つの鏡面形成部３３及び３５も分割せず一体構造の第２の入子３９により構成する。
【００４９】
ここで、図面を参照して、第１の入子３８及び第２の入子３９の形成工程を説明する。
いずれの入子３８，３９においても、回折格子形成部３７の面積の数十倍から数千倍の面積を有する基板の一面に対して、入子の形状が一定の間隔に配列された繰り返し形状を形成して、さらに基板をその厚さ方向に切断して、所望の入子３８或いは３９の形状を形成する。
【００５０】
まず、第１の入子３８の形成工程について説明する。
ここで、図５〜図１０までは、回折格子形成部３７のパターンが形成される部分を拡大して示す。
始めに、図５に示すように、基板５１の回折格子形成部３７の凹凸パターンが形成される面５１ａに、メッキ処理或いは真空薄膜により表面の下地処理を施す。
さらに、鏡面形成部となる下地処理後の表面に対して鏡面加工等を行って平滑化する。
【００５１】
ここで、基板５１の材料には、射出成形金型として、熱伝導性、耐食性に優れていること、或いは鏡面加工に適している等の点から、マルテンサイト系ステンレス又は超硬合金等が好ましい。
【００５２】
また、下地処理の薄膜の材料には、鏡面加工に適合するためビッカース硬度でＨＶ３００以上の硬度を有する材料、或いはリソグラフィーに物理的、化学的に耐え、ドライエッチングプロセスに適し、かつ光学素子の射出成形プロセスの温度や圧力に耐える材料が好ましい。この点から、Ｎｉ−Ｐ或いは、Ｃｒ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｔｉ等の材料が好ましい。また、これらの材料に準ずる化合物でも上述の特性を有すれば使用可能である。
【００５３】
次に、図６に示すように、表面処理が施された基板５１の表面５１ａにレジスト５５を塗布する。
【００５４】
次に、図７に示すように、転写パターンに対応して、レーザ描画、電子ビーム描画、又はステッパ等により、レジスト５５の所定の箇所を露光する。
【００５５】
次に、図８に示すように、不要な部分のレジスト５５を除去する。
レジスト５５が例えばポジレジストの場合には、露光されたレジスト５５が現像され、さらに除去される。
【００５６】
続いて、図９に示すように、除去されずに残ったレジスト５５をマスクとして、例えばイオンミリング等により、基板５１に対して所望の深さにドライエッチング処理を施す。
【００５７】
最後に、図１０に示すように、マスクとされたレジスト５５が洗浄除去されて、所望の回折格子形成部３７の凹凸パターンが形成される。
このとき、基板５１の面積が、回折格子形成部３７の面積の数十倍〜数千倍であるので、その表面５１ａに一定の間隔で数十個〜数百個配列された回折格子形成部３７が形成される。
【００５８】
そして、このように回折格子形成部３７が形成された基板５１に対して、その表面５１ａに一定の間隔で配列された回折格子形成部３７に対応して、厚み方向即ち基板５１の表面５１ａとは垂直な方向に切断する。
例えば図１１に示す円形の基板５１では碁盤目状に切断する。正方形の基板でも同様である。
【００５９】
これにより、表面である第２の鏡面形成部３２に回折格子形成部３７の凹凸パターンが形成された、所望の第１の入子３８を作製することが可能になる。
【００６０】
ここで、第１の入子３８の製造工程のうち、切断及び鏡面研削、研磨の工程をより詳しく説明する。
図１２に第１の入子３８の一形態の外観図を示す。
この第１の入子３８において、光学成形面即ち所定の光学特性を満足するように成形する必要がある面は、回折格子３７が形成されている第２の鏡面形成部３２と、この第２の鏡面形成部３２に対して角度を有する斜面となった第４の鏡面形成部３４の２面である。
【００６１】
まず、図１３に基板５１を厚さ方向に切断した状態の図を示す。
例えば５５ｍｍ角の正方形の表面５１ａを有し、厚さｄが例えば９ｍｍ程度の基板５１に、回折格子のパターン３７が所定量配置されている。
このパターンを基準に、長手方向に棒状の切断片５２が得られるように基板５１を切断する。図中５２ｂはその切断面である。
このとき、図１３では長手方向に４個の回折格子形成部３７のパターンが配列されているが、実際にはパターン３７は長手方向に数個から数十個配列されている。
【００６２】
ここで、切断後の研磨加工の加工しろを５μｍ以下にするため、切断砥石の砥粒径は５０μｍ以下が望ましい。
尚、基板５１の表面５１ａは、図１１に示したような例えばφ５５ｍｍの円形でもよい。
【００６３】
次に、図１４に示すように、切断片５２の切断面５２ｂ，５２ｇを研磨し、切断片５２の幅を所定の寸法に仕上げる。
次に、図１５に示すように、図１４における破線部で切断片５２を切断し、第１の入子３８の外周面として２面５２ｅ，５２ｆ面を形成する。
【００６４】
次に、図１６に示すように、切断片５２に対して、入子３８の斜面となる第４の鏡面形成部３４を構成する面５２ｄを、所定の寸法に鏡面研削法により加工形成する。
このとき使用する砥石の砥粒径は、５μｍ以下が望ましい。これは、研磨加工を行わなくても、光学的有効範囲で平面度がλ／１０以下であり、面粗さＲａが１０ｎｍ以下となるように形成するためである。
また、砥石は研削機の内部（研削機に取り付けた状態）或いは外部（研削機から取り外した状態）で極めて精度よく形状修正しておく必要がある。
尚、この鏡面研削法による加工の後に、必要に応じて研磨加工を行うこともある。
【００６５】
次に、図１７に示すように、長手方向に棒状である切断片５２を、１個ずつ第１の入子３８に切断する。
このとき、切断後の研磨加工の加工しろを５μｍ以下にするため、切断砥石の砥粒径は５０μｍ以下が望ましい。
【００６６】
最後に、図１８に示すように、図１７の切断工程における切断面３８Ａを研磨加工して、所定の寸法に仕上げることにより第１の入子３８が完成する。
【００６７】
次に、第２の入子３９の製造工程を説明する。
図１９に、第２の入子３９の一形態の外観図を示す。
この第２の入子３９は、図３及び図４の概略図に示した第２の入子３９の構造に、さらに第５の鏡面形成部３５に対して角度を有する別の斜面として第６の鏡面形成部４１を有している。
この第２の入子３９において、光学成形面は、第５の鏡面形成部３５及びこの第５の鏡面形成部３５に対して角度を有する斜面となった第３の鏡面形成部３３が隣接してフーコープリズムが形成されている２面と、さらに別の斜面である第６の鏡面形成部４１の３面である。
【００６８】
まず、図示しないが、第１の入子３８の製造に用いた基板５１と同様の材料で構成された基板５３を用意する。
【００６９】
次に、この基板５３に対して、図２０に示すように鏡面溝入れ研削加工を行って、第５の鏡面形成部３５となる溝４２を形成する。
例えばφ５５ｍｍ或いは５５ｍｍ角で厚さが９ｍｍ程度の基板５３上に、鏡面５ｍｍ間隔で鏡面研削法による加工を行い溝４２を形成する。
このとき、使用する砥石の砥粒径は５μｍ以下が望ましい。また、砥石は、前述のように精度良く形状修正されていなければならない。
【００７０】
次に、この溝４２の底面に対して、面粗さＲａを向上するために研磨加工を行う場合もありうる。
【００７１】
次に、図２１に示すように、溝４２に直交するように基板５３を切断し切断片５４を得る。図中５４ｂはその切断面である。
さらに、砥石を用いた鏡面溝入れ研削加工では、溝加工時の砥石の抜け際の平面度が劣化するため、予め切断片５４の幅を２ｍｍ程度広く切断しておく。
【００７２】
次に、図２２に示すように、切断片５４の切断面５４ｂ，５４ｇを研磨し、所定の寸法に仕上げる。
【００７３】
次に、図２３に示すように、第５の鏡面形成部３５に角度を有する第３の鏡面形成部３３が隣接したフーコープリズムの構造（図１９参照）を形成するため、先に形成した溝４２の間の部分に、水平な溝４２に対して傾いた溝４３を形成する。
ここで、この傾いた溝４３即ち第３の鏡面形成部３３となる斜面の溝４３は、形状的に研磨加工が極めて困難であるため、鏡面研削法により加工形成する。
このとき、使用する砥石の砥粒径は５μｍ以下が望ましい。
また、前述のように砥石は極めて精度良く形状修正されていなければならない。
尚、この鏡面研削法による加工の後に、必要に応じて研磨加工を行うこともある。
【００７４】
具体的には、水平な溝４２と斜面の溝４３との間の部分において、図４に示した合わせ面の接続部の微小半径Ｒ１，Ｒ２が、例えば５μｍ以下となるように鏡面研削法による加工を行う。
そして、第３の鏡面形成部３３及び第５の鏡面形成部３５となる面、即ち斜面の溝４２の底面及び平面の溝４２の底面は、いずれも研磨加工を行わずに光学的有効範囲で平面度がλ／１０以下であり、面粗さＲａが１０ｎｍ以下であるように作製する必要がある。
【００７５】
このように水平な溝４２の間に斜面の溝４３を形成することにより、後に形成される第２の入子３９が、平面である第５の鏡面形成部３５と斜面である第３の鏡面形成部３５との合わせ面が一体化された構造となる。
【００７６】
前述したように隣接した第３の鏡面形成部３３及び第５の鏡面形成部３５が別々の部品に分かれていると、所定の光学特性や数μｍオーダーの形状精度を得ることが難しいため、このような一体化した構造が望ましい。
【００７７】
次に、図２４に示すように、切断片５４の切断面５４ｂ側の２ｍｍ程度の不要部位を切断加工する。
このとき、切断後の研磨加工の加工しろを５μｍ以下にするため、切断砥石の砥粒径は５０μｍ以下が望ましい。
【００７８】
次に、図２５に示すように、切断面２４ｂ，２４ｇを研磨して、切断片５４の幅を所定の寸法に仕上げる。
【００７９】
次に、図２６に示すように、図２５における破線部で切断片５２を切断し、第２の入子３９の外周面として２面５４ｅ，５４ｆ面を加工する。
【００８０】
次に、図２７に示すように、第６の鏡面形成部４１となる斜面を形成し、斜面を鏡面研削法により所定の寸法に加工する。
このとき使用する砥石の砥粒径は、５μｍ以下が望ましい。
また、砥石は前述のように精度よく形状修正されていなければならない。
この鏡面研削法による加工の後に、必要に応じて研磨加工を行うこともある。
【００８１】
次に、図２８に示すように、長手方向に棒状である切断片５４を、１個ずつの第２の入子３９の形状に切断する。
このとき、切断後の研磨加工の加工しろを５μｍ以下にするため、切断砥石の砥粒径は５０μｍ以下が望ましい。
【００８２】
最後に、図２９に示すように、図２８の切断工程における切断面３９Ａを研磨加工して、所定の寸法に仕上げることにより第２の入子３９が完成する。
【００８３】
以上のように製作された第１の入子３８及び第２の入子３９等から構成される固定側金型２２を用いて、プラスチック射出成形法により光学素子１０を作製することができる。
【００８４】
上述の本実施の形態によれば、固定側金型２２の第１の入子３８及び第２の入子３９が、隣接した複数の光学成形面３２，３４及び３３，３５，４１を一体化した構造を有するので、この固定側金型２２を用いた成形により得られる光学素子１０において、回折格子１７を伴った第２の鏡面１２と連続する斜面の第４の鏡面１４との間に成形バリが存在せず、かつフーコープリズムを構成する第３の鏡面１３及び第５の鏡面１５の間にも同様に成形バリが存在しない。
従って、所定の光学特性が安定して得られ、同時に数μｍオーダーの形状精度を有する光学素子１０を得ることができる。
【００８５】
また、回折格子形成部３７を有する第１の入子３８では、基板５１の表面５１ａに形成した硬質な薄膜上に、転写パターンが直接リソグラフィーとドライエッチング等で形成されるので、従来のニッケル電鋳法等で回折格子のパターンを形成したニッケル原盤を用いた場合と比較して、金型の構造が簡略化される。
さらに、凹凸パターンが形成された回折格子形成部３７の面精度の向上を図ることができると共に、回折格子形成部３７において、硬質な薄膜に保護されて基板５１の突起部分の磨耗が生じないので、第１の入子３８の長寿命化即ち金型２０の長寿命化を図ることができる。
【００８６】
また、凹凸パターンを有する回折格子形成部３７や、鏡面研削法により形成された鏡面形成部３２，３３，３４，３５，４１を有する入子３８，３９から構成された光学素子製造用金型２０を用いることにより、光学成形面に斜面を有する部品例えばフーコープリズムがある光学素子１０を製造することができる。
【００８７】
上述の形態の他、光学成形面に段差がある等の複合的な構造の光学素子も、段差を有する複数の鏡面形成部を有して成る入子から構成された金型を用いることにより作製が可能である。
【００８８】
即ち、本発明によれば、金型を構成する入子に対して、直接リソグラフィーとドライエッチング等により容易に回折格子形成部の凹凸パターンを形成したり、直接鏡面研削を施すことにより斜面の鏡面形成部を形成したりすることが可能になる。
しかも、前述のように鏡面研削後における鏡面形成部の面の状態を規定することにより、鏡面形成部の形状精度を高くして高精度の入子を形成することができる。
【００８９】
従って、回折格子、斜面、段差等の複合的な構造を有する光学素子であっても、所望の光学素子の構造の射出成形が可能な高い形状精度を有する入子から成る金型を用いて射出成形を行うことにより、成形バリがなく安定した光学特性を有する光学素子を得ることができる。
【００９０】
本発明は、上述の形態に示したフーコープリズムの他にも、例えば単色光であるレーザ用の無収差光学素子や光干渉計の参照波面原器、或いは非球面レンズに代表される各種の光学素子・光学デバイス等に適用することができる。
このような場合も、光学素子の構造に対応した形状の入子を有して金型を構成し、この金型を用いて樹脂の射出成形を行うようにすればよい。
【００９１】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００９２】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、隣接した鏡面形成部が同一の入子に一体化されて構成された金型を用いて成形を行うため、成形により得られる光学素子の隣接する鏡面との合わせ面に成形バリが存在しないため、所定の光学特性が安定して得られ、さらに高い形状精度を有する光学素子を成形することができる。
【００９３】
また、本発明によれば、隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子及び第２の入子を組み立てて金型を構成することにより、互いに角度を有する複数の鏡面や段差を有する複数の鏡面等の複合的な構造の光学素子が作製可能になる。
【００９４】
また、本発明によれば、金型の第１の入子の一方の鏡面形成部に凹凸パターンが形成された回折格子形成部を有し、この凹凸パターンは例えばリソグラフィーとドライエッチング等で容易に形成することが可能であり、従来のニッケル電鋳法等で形成されたニッケル原盤を用いた場合に比較して金型の構造の簡略化ができる。
【００９５】
さらに、入子の基板表面に硬質な薄膜を形成し、そこに所定の凹凸パターンを形成した回折格子形成部を形成する構成としたときには、パターンが形成された回折格子形成部の面精度の向上と入子及び金型の長寿命化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ〜Ｃ 本発明に係る光学素子の一形態の概略構成図である。
【図２】図１の光学素子の射出成形に用いられる光学素子製造用金型の一形態を示す図である。
【図３】図２の固定側金型を構成する入子の一形態を示す図である。
【図４】図３の第２の入子の一部の拡大図である。
【図５】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図６】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図７】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図８】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図９】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図１０】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図１１】回折格子形成部が形成された円形基板の平面図である。
【図１２】第１の入子の一形態の外観図である。
【図１３】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１４】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１５】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１６】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１７】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１８】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１９】第２の入子の一形態の外観図である。
【図２０】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２１】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２２】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２３】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２４】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２５】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２６】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２７】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２８】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２９】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【符号の説明】
１０ 光学素子、１１ 第１の鏡面、１２ 第２の鏡面、１３ 第３の鏡面、１４ 第４の鏡面、１５ 第５の鏡面、１６ 第１の回折格子、１７ 第２の回折格子、２０ 金型、２１ 固定側金型、２２ 可動側金型、３１ 第１の鏡面形成部、３２ 第２の鏡面形成部、３３ 第３の鏡面形成部、３４ 第４の鏡面形成部、３５ 第５の鏡面形成部、３７ 回折格子形成部、３８ 第１の入子、３９ 第２の入子、４１ 第６の鏡面形成部、４２ （水平な）溝、４３ （斜面の）溝、５１，５３ 基板、５２，５４ 切断片、５５ レジスト
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折格子及び複数の鏡面とを有し、樹脂成形により形成される光学素子の製造方法、並びにこの光学素子の製造に用いて好適な光学素子製造用金型に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、リソグラフィーの技術を用いた多種多様なパターニング法が知られており、このパターニング法をベースとして作製された光集積デバイスや回折格子等の光学素子が商品化されている。
【０００３】
これらの光学素子は、一般的には次のように製造される。
まず、ガラスの表面にレジストを塗布し、このレジストへ描画を行ってレジストパターンを作製する。
次に、このレジストパターンをマスターとして、ニッケル電鋳法によりニッケル原盤（スタンパ）を得る。
【０００４】
そして、このニッケル原盤を用いて、例えばフィルムを原盤に押しつける方法や、或いは例えば原盤に紫外線硬化樹脂を流した後、紫外線照射を行って樹脂を硬化させてレプリカを取る方法（いわゆる２Ｐ法）により光学素子を得ることができる。
【０００５】
また、一部では、コンパクトディスク等の一般的な光ディスクに代表されるように、上述のニッケル原盤を射出成形機に取り付けて、樹脂の射出成形を行うことにより得られる、片面ないしは両面にパターンが形成された樹脂射出成形品もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の各製造方法では、いずれもパターンが形成される面が平面に限定されてしまう。
このため、例えばパターンが存在する面内に、主面と角度をもった斜面を有する構造例えばフーコープリズム等、或いはパターンが存在する面内に段差を有する構造等、これらの複雑な構造を作製することが困難である。
【０００７】
また、射出成形法等により、鏡面を有する光学素子を形成する場合には、使用する金型において、光学素子の鏡面を形成するための金型の鏡面形成部に対して、例えば砥石を用いた研削加工を施した後、研磨加工（ポリッシング）にて所定の平面度や面粗度を得る必要がある。
【０００８】
このため、例えば上述のフーコープリズムのように、水平面と斜面とが混在している形状を作製しようとした場合、この形状を形成する部分の金型の入子を、水平面を形成する入子と斜面を形成する入子というように、複数の入子に分割する必要がある。
その結果、金型の部品点数が増えて、金型の組立が煩雑になるだけでなく、１つ１つの入子の機械的形状精度が累積して金型全体の精度が悪くなる。
従って、成形品となる光学素子に必要なミクロンオーダーの寸法精度を得ることが困難になる。
【０００９】
また、特にフーコープリズムの場合には、金型の入子を複数に分割して光学素子を形成すると、各入子の合わせ面に成形バリを生じる。
この合わせ面に成形バリを生じた光学素子では、平面と斜面との合わせ面をレーザビームが通過するときに、光学特性が悪化してしまう問題があった。
【００１０】
上述した問題の解決のために、本発明においては、回折格子、斜面、段差、曲面等の複合的な構造を有し、光学特性が良好な光学素子の製造方法、並びに複合的な構造を有する光学素子であっても射出成形が可能な光学素子製造用金型を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学素子の製造方法は、樹脂成形を行うための金型が、隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子と、隣接する２つの鏡面形成部を有する第２の入子とを組み立てて成り、第１の入子及び第２の入子のそれぞれの２つの鏡面形成部は、平面である一方の鏡面形成部に対して、他方の鏡面形成部が一方の鏡面形成部と角度を有する斜面となっており、第１の入子の平面である前記一方の鏡面形成部には、凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成され、金型の１つ以上の鏡面形成部が鏡面研削法により形成され、第１の入子及び第２の入子の隣接した２つの鏡面形成部によって、それぞれ、光学素子の隣接した複数の鏡面を成形し、第１の入子の回折格子形成部によって、光学素子に凹凸パターンを有する回折格子を形成するものである。
【００１４】
上述の本発明の光学素子の製造方法によれば、光学素子の隣接した複数の鏡面を第１の入子及び第２の入子の隣接した２つの鏡面形成部によりそれぞれ成形することにより、複数の鏡面の合わせ面に成形バリを生じないで光学素子を製造することができる。
【００１７】
本発明の光学素子製造用金型は、隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子と、隣接する２つの鏡面形成部を有する第２の入子とを組み立てて成り、第１の入子及び第２の入子のそれぞれの２つの鏡面形成部は、平面である一方の鏡面形成部に対して、他方の鏡面形成部が一方の鏡面形成部と角度を有する斜面となっており、第１の入子の、平面である一方の鏡面形成部には、凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成され、１つ以上の鏡面形成部が鏡面研削法により形成されているものである。
【００１８】
上述の本発明の光学素子製造用金型によれば、第１の入子及び第２の入子が鏡面形成部を隣接して２つ有していることにより、これら２つの鏡面形成部により成形される光学素子の鏡面の合わせ面に成形バリを生じないように成形を行うことができる。
【００２２】
また、金型の第１の入子の一方の鏡面形成部に凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成されていることにより、ニッケル原盤を用いた従来の成型法よりも容易に回折格子を有する光学素子の成形を行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明は、金型を用いて樹脂成形を行い、金型が、隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子と、隣接する２つの鏡面形成部を有する第２の入子とを組み立てて成り、第１の入子及び第２の入子のそれぞれの２つの鏡面形成部は、平面である一方の鏡面形成部に対して、他方の鏡面形成部が一方の鏡面形成部と角度を有する斜面となっており、第１の入子の、平面である一方の鏡面形成部には、凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成され、金型の１つ以上の鏡面形成部が鏡面研削法により形成され、第１の入子及び第２の入子の隣接した２つの鏡面形成部によって、それぞれ、光学素子の隣接した複数の鏡面を成形し、第１の入子の回折格子形成部によって、光学素子に凹凸パターンを有する回折格子を形成する光学素子の製造方法である。
【００２４】
また本発明は、上記光学素子の製造方法において、第２の入子の２つの鏡面形成部によって、光学素子にフーコープリズムを構成する２つの鏡面を形成する。
【００２８】
本発明は、隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子と、隣接する２つの鏡面形成部を有する第２の入子とを組み立てて成り、第１の入子及び第２の入子のそれぞれの２つの鏡面形成部は、平面である一方の鏡面形成部に対して、他方の鏡面形成部が一方の鏡面形成部と角度を有する斜面となっており、第１の入子の、平面である一方の鏡面形成部には、凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成され、１つ以上の鏡面形成部が鏡面研削法により形成されている光学素子製造用金型である。
【００３３】
また本発明は、上記光学素子製造用金型において、回折格子形成部が形成されている第１の入子の一方の鏡面形成部に、リソグラフィーに対して物理的、化学的に耐性を有し、ドライエッチングプロセスが可能で、かつ光学素子の射出成形プロセスの温度や圧力に耐えうる材料が成膜されている構成とする。
【００３４】
図１は、本発明に係る光学素子の一形態の概略構成図を示す。
図１Ａは上面図、図１Ｂは側面図、図１Ｃは下面図をそれぞれ示している。
【００３５】
この光学素子１０は、サイコロ状に形成された構造の上面側に回折格子が形成され、下面側に回折格子及び主面に対して角度を有する光学面とが形成され、複合光学素子を構成している。
即ち上面側には最上面から一段下がった第１の鏡面１１に第１の回折格子１６が形成され、対向する下面側には第１の鏡面１１と平行でかつ最下面より一段上がった第２の鏡面１２に第２の回折格子１７及びこの第２の鏡面１２の稜線から角度を有した第３の鏡面１３と第４の鏡面１４とを有する。また、第３の鏡面１３と隣り合わせの位置に、第２の鏡面１２と平行な第５の鏡面１５を有する。
この第３の鏡面１３と第５の鏡面１５とは、フーコープリズムと呼ばれ、互いの合わせ面にレーザビームを通過させることにより任意の角度に分光することができる機能を有する。
【００３６】
このような光学素子１０は、形状の複雑さ、量産性、しいてはコスト面等から、樹脂の射出成形法により製造することが望ましい。
【００３７】
また、光学素子１０の材料として用いられる樹脂材料は、耐熱性、成形性、低吸湿性等に優れた熱可塑性ノルボネン系樹脂等に代表されるアモルファスポリオレフィン系樹脂が好ましい。
【００３８】
次に、本発明の光学素子製造用金型の一実施の形態として、この光学素子１０の射出成形に用いられる光学素子製造用金型の一形態を図２に示す。
図２に示すように、この金型２０は、可動側金型２１と、固定側金型２２から成り、これら可動型金型２１及び固定側金型２２が突き合わされたときに、樹脂材料が充填される空間ができる。
【００３９】
そして、可動側金型２１及び固定側金型２２において互いに対向する面２１ａ及び２２ａが、光学素子１０の光学的機能を発揮するために必要な光学成形面となっている。
固定側金型２２では、水平面に対して角度を有する斜面を含む複数の面の集合体２２ａが光学成形面となっている。この固定側金型２２の場合は、光学成形面として、例えば回折格子を形成する部分、水平面に対して角度を有する鏡面を形成する部分、或いはフーコープリズムを形成する部分等が形成されている。
【００４０】
尚、図２では、可動側金型２１及び固定側金型２２の周囲に組み立てられる枠状の金型は省略している。
【００４１】
また、図２の固定側金型２２を構成する入子の一形態を図３に示す。
ここでは、固定側金型２２を、第１の入子３８及び第２の入子３９の２つの入子に分割した。
【００４２】
第１の入子３８には、所定の凹凸パターンを有する回折格子形成部３７が形成されている第２の鏡面形成部３２と、この第２の鏡面形成部３２に対する角度を有する斜面となった第４の鏡面形成部３４の２面とを有する。
隣接するこれら第２の鏡面形成部３２及び第４の鏡面形成部３４によって、それぞれ光学素子１０の第２の鏡面１２及び第４の鏡面１４が成形され、また回折格子形成部３７によって光学素子１０の第２の回折格子１７が成形される。
【００４３】
また、第２の入子３９には、第５の鏡面形成部３５と角度を有する斜面となった第３の鏡面形成部３３が隣接して形成されている。
隣接するこれら第３の鏡面形成部３３と第５の鏡面形成部３５とによって、光学素子１０の第３の鏡面１３と第５の鏡面１５が成形され、これらの鏡面１３，１５から成るフーコープリズムが構成される。
【００４４】
即ち、第２の入子３９により、フーコープリズムを形成するための隣接する２つの鏡面形成部３３，３５が一体化された構造となっている。
これは、フーコープリズムの場合、平面と斜面との合わせ面をレーザビームが通過するため、もしこの合わせ面で入子を分割すると、合わせ面に成形バリが生じてしまい、光学特性が悪化する要因になるためである。
【００４５】
また、斜面の部分即ち第３の鏡面形成部３３は、形状的に研磨加工が極めて困難である。そのため、鏡面研削法を用いて斜面の形状を加工形成する。
【００４６】
具体的には、図４に第２の入子３９の一部の拡大図を示すように、平面である第５の鏡面形成部３５と斜面である第３の鏡面形成部３３との合わせ面の接続部の微小半径Ｒ１，Ｒ２を共に５μｍ以下になるように鏡面研削する。
そして、第３の鏡面形成部３３及び第５の鏡面形成部３５は、研磨加工を行わなくても、光学的有効範囲において、平面度がλ／１０以下であり、かつ面粗さＲａが１０ｎｍ以下であるように形成される必要がある。
【００４７】
そして、これら第１の入子３８及び第２の入子３９は、その下部が裾を引くように幅広に形成され、この幅広の部分が矢印の方向にそれぞれ金型の外枠２３及び２４の下に組み合わされ、金型を組み立てた際に入子３８及び３９が図中上方に飛び出さないように構成される。
【００４８】
ここで、各鏡面形成部３２，３３，３４，３５がそれぞれ別々の入子により形成される構成とすると、前述のように成形時に成形バリが発生したり、入子毎のクリアランスが存在するために成形中に入子が動いてしまい、所定の光学特性や数μｍオーダーの形状精度を得ることが困難になる。
このため、本形態においては、隣接した鏡面形成部３２及び３４を分割せず一体構造の第１の入子３８により構成し、フーコープリズム部を形成する２つの鏡面形成部３３及び３５も分割せず一体構造の第２の入子３９により構成する。
【００４９】
ここで、図面を参照して、第１の入子３８及び第２の入子３９の形成工程を説明する。
いずれの入子３８，３９においても、回折格子形成部３７の面積の数十倍から数千倍の面積を有する基板の一面に対して、入子の形状が一定の間隔に配列された繰り返し形状を形成して、さらに基板をその厚さ方向に切断して、所望の入子３８或いは３９の形状を形成する。
【００５０】
まず、第１の入子３８の形成工程について説明する。
ここで、図５〜図１０までは、回折格子形成部３７のパターンが形成される部分を拡大して示す。
始めに、図５に示すように、基板５１の回折格子形成部３７の凹凸パターンが形成される面５１ａに、メッキ処理或いは真空薄膜により表面の下地処理を施す。
さらに、鏡面形成部となる下地処理後の表面に対して鏡面加工等を行って平滑化する。
【００５１】
ここで、基板５１の材料には、射出成形金型として、熱伝導性、耐食性に優れていること、或いは鏡面加工に適している等の点から、マルテンサイト系ステンレス又は超硬合金等が好ましい。
【００５２】
また、下地処理の薄膜の材料には、鏡面加工に適合するためビッカース硬度でＨＶ３００以上の硬度を有する材料、或いはリソグラフィーに物理的、化学的に耐え、ドライエッチングプロセスに適し、かつ光学素子の射出成形プロセスの温度や圧力に耐える材料が好ましい。この点から、Ｎｉ−Ｐ或いは、Ｃｒ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｔｉ等の材料が好ましい。また、これらの材料に準ずる化合物でも上述の特性を有すれば使用可能である。
【００５３】
次に、図６に示すように、表面処理が施された基板５１の表面５１ａにレジスト５５を塗布する。
【００５４】
次に、図７に示すように、転写パターンに対応して、レーザ描画、電子ビーム描画、又はステッパ等により、レジスト５５の所定の箇所を露光する。
【００５５】
次に、図８に示すように、不要な部分のレジスト５５を除去する。
レジスト５５が例えばポジレジストの場合には、露光されたレジスト５５が現像され、さらに除去される。
【００５６】
続いて、図９に示すように、除去されずに残ったレジスト５５をマスクとして、例えばイオンミリング等により、基板５１に対して所望の深さにドライエッチング処理を施す。
【００５７】
最後に、図１０に示すように、マスクとされたレジスト５５が洗浄除去されて、所望の回折格子形成部３７の凹凸パターンが形成される。
このとき、基板５１の面積が、回折格子形成部３７の面積の数十倍〜数千倍であるので、その表面５１ａに一定の間隔で数十個〜数百個配列された回折格子形成部３７が形成される。
【００５８】
そして、このように回折格子形成部３７が形成された基板５１に対して、その表面５１ａに一定の間隔で配列された回折格子形成部３７に対応して、厚み方向即ち基板５１の表面５１ａとは垂直な方向に切断する。
例えば図１１に示す円形の基板５１では碁盤目状に切断する。正方形の基板でも同様である。
【００５９】
これにより、表面である第２の鏡面形成部３２に回折格子形成部３７の凹凸パターンが形成された、所望の第１の入子３８を作製することが可能になる。
【００６０】
ここで、第１の入子３８の製造工程のうち、切断及び鏡面研削、研磨の工程をより詳しく説明する。
図１２に第１の入子３８の一形態の外観図を示す。
この第１の入子３８において、光学成形面即ち所定の光学特性を満足するように成形する必要がある面は、回折格子３７が形成されている第２の鏡面形成部３２と、この第２の鏡面形成部３２に対して角度を有する斜面となった第４の鏡面形成部３４の２面である。
【００６１】
まず、図１３に基板５１を厚さ方向に切断した状態の図を示す。
例えば５５ｍｍ角の正方形の表面５１ａを有し、厚さｄが例えば９ｍｍ程度の基板５１に、回折格子のパターン３７が所定量配置されている。
このパターンを基準に、長手方向に棒状の切断片５２が得られるように基板５１を切断する。図中５２ｂはその切断面である。
このとき、図１３では長手方向に４個の回折格子形成部３７のパターンが配列されているが、実際にはパターン３７は長手方向に数個から数十個配列されている。
【００６２】
ここで、切断後の研磨加工の加工しろを５μｍ以下にするため、切断砥石の砥粒径は５０μｍ以下が望ましい。
尚、基板５１の表面５１ａは、図１１に示したような例えばφ５５ｍｍの円形でもよい。
【００６３】
次に、図１４に示すように、切断片５２の切断面５２ｂ，５２ｇを研磨し、切断片５２の幅を所定の寸法に仕上げる。
次に、図１５に示すように、図１４における破線部で切断片５２を切断し、第１の入子３８の外周面として２面５２ｅ，５２ｆ面を形成する。
【００６４】
次に、図１６に示すように、切断片５２に対して、入子３８の斜面となる第４の鏡面形成部３４を構成する面５２ｄを、所定の寸法に鏡面研削法により加工形成する。
このとき使用する砥石の砥粒径は、５μｍ以下が望ましい。これは、研磨加工を行わなくても、光学的有効範囲で平面度がλ／１０以下であり、面粗さＲａが１０ｎｍ以下となるように形成するためである。
また、砥石は研削機の内部（研削機に取り付けた状態）或いは外部（研削機から取り外した状態）で極めて精度よく形状修正しておく必要がある。
尚、この鏡面研削法による加工の後に、必要に応じて研磨加工を行うこともある。
【００６５】
次に、図１７に示すように、長手方向に棒状である切断片５２を、１個ずつ第１の入子３８に切断する。
このとき、切断後の研磨加工の加工しろを５μｍ以下にするため、切断砥石の砥粒径は５０μｍ以下が望ましい。
【００６６】
最後に、図１８に示すように、図１７の切断工程における切断面３８Ａを研磨加工して、所定の寸法に仕上げることにより第１の入子３８が完成する。
【００６７】
次に、第２の入子３９の製造工程を説明する。
図１９に、第２の入子３９の一形態の外観図を示す。
この第２の入子３９は、図３及び図４の概略図に示した第２の入子３９の構造に、さらに第５の鏡面形成部３５に対して角度を有する別の斜面として第６の鏡面形成部４１を有している。
この第２の入子３９において、光学成形面は、第５の鏡面形成部３５及びこの第５の鏡面形成部３５に対して角度を有する斜面となった第３の鏡面形成部３３が隣接してフーコープリズムが形成されている２面と、さらに別の斜面である第６の鏡面形成部４１の３面である。
【００６８】
まず、図示しないが、第１の入子３８の製造に用いた基板５１と同様の材料で構成された基板５３を用意する。
【００６９】
次に、この基板５３に対して、図２０に示すように鏡面溝入れ研削加工を行って、第５の鏡面形成部３５となる溝４２を形成する。
例えばφ５５ｍｍ或いは５５ｍｍ角で厚さが９ｍｍ程度の基板５３上に、鏡面５ｍｍ間隔で鏡面研削法による加工を行い溝４２を形成する。
このとき、使用する砥石の砥粒径は５μｍ以下が望ましい。また、砥石は、前述のように精度良く形状修正されていなければならない。
【００７０】
次に、この溝４２の底面に対して、面粗さＲａを向上するために研磨加工を行う場合もありうる。
【００７１】
次に、図２１に示すように、溝４２に直交するように基板５３を切断し切断片５４を得る。図中５４ｂはその切断面である。
さらに、砥石を用いた鏡面溝入れ研削加工では、溝加工時の砥石の抜け際の平面度が劣化するため、予め切断片５４の幅を２ｍｍ程度広く切断しておく。
【００７２】
次に、図２２に示すように、切断片５４の切断面５４ｂ，５４ｇを研磨し、所定の寸法に仕上げる。
【００７３】
次に、図２３に示すように、第５の鏡面形成部３５に角度を有する第３の鏡面形成部３３が隣接したフーコープリズムの構造（図１９参照）を形成するため、先に形成した溝４２の間の部分に、水平な溝４２に対して傾いた溝４３を形成する。
ここで、この傾いた溝４３即ち第３の鏡面形成部３３となる斜面の溝４３は、形状的に研磨加工が極めて困難であるため、鏡面研削法により加工形成する。
このとき、使用する砥石の砥粒径は５μｍ以下が望ましい。
また、前述のように砥石は極めて精度良く形状修正されていなければならない。
尚、この鏡面研削法による加工の後に、必要に応じて研磨加工を行うこともある。
【００７４】
具体的には、水平な溝４２と斜面の溝４３との間の部分において、図４に示した合わせ面の接続部の微小半径Ｒ１，Ｒ２が、例えば５μｍ以下となるように鏡面研削法による加工を行う。
そして、第３の鏡面形成部３３及び第５の鏡面形成部３５となる面、即ち斜面の溝４２の底面及び平面の溝４２の底面は、いずれも研磨加工を行わずに光学的有効範囲で平面度がλ／１０以下であり、面粗さＲａが１０ｎｍ以下であるように作製する必要がある。
【００７５】
このように水平な溝４２の間に斜面の溝４３を形成することにより、後に形成される第２の入子３９が、平面である第５の鏡面形成部３５と斜面である第３の鏡面形成部３５との合わせ面が一体化された構造となる。
【００７６】
前述したように隣接した第３の鏡面形成部３３及び第５の鏡面形成部３５が別々の部品に分かれていると、所定の光学特性や数μｍオーダーの形状精度を得ることが難しいため、このような一体化した構造が望ましい。
【００７７】
次に、図２４に示すように、切断片５４の切断面５４ｂ側の２ｍｍ程度の不要部位を切断加工する。
このとき、切断後の研磨加工の加工しろを５μｍ以下にするため、切断砥石の砥粒径は５０μｍ以下が望ましい。
【００７８】
次に、図２５に示すように、切断面２４ｂ，２４ｇを研磨して、切断片５４の幅を所定の寸法に仕上げる。
【００７９】
次に、図２６に示すように、図２５における破線部で切断片５２を切断し、第２の入子３９の外周面として２面５４ｅ，５４ｆ面を加工する。
【００８０】
次に、図２７に示すように、第６の鏡面形成部４１となる斜面を形成し、斜面を鏡面研削法により所定の寸法に加工する。
このとき使用する砥石の砥粒径は、５μｍ以下が望ましい。
また、砥石は前述のように精度よく形状修正されていなければならない。
この鏡面研削法による加工の後に、必要に応じて研磨加工を行うこともある。
【００８１】
次に、図２８に示すように、長手方向に棒状である切断片５４を、１個ずつの第２の入子３９の形状に切断する。
このとき、切断後の研磨加工の加工しろを５μｍ以下にするため、切断砥石の砥粒径は５０μｍ以下が望ましい。
【００８２】
最後に、図２９に示すように、図２８の切断工程における切断面３９Ａを研磨加工して、所定の寸法に仕上げることにより第２の入子３９が完成する。
【００８３】
以上のように製作された第１の入子３８及び第２の入子３９等から構成される固定側金型２２を用いて、プラスチック射出成形法により光学素子１０を作製することができる。
【００８４】
上述の本実施の形態によれば、固定側金型２２の第１の入子３８及び第２の入子３９が、隣接した複数の光学成形面３２，３４及び３３，３５，４１を一体化した構造を有するので、この固定側金型２２を用いた成形により得られる光学素子１０において、回折格子１７を伴った第２の鏡面１２と連続する斜面の第４の鏡面１４との間に成形バリが存在せず、かつフーコープリズムを構成する第３の鏡面１３及び第５の鏡面１５の間にも同様に成形バリが存在しない。
従って、所定の光学特性が安定して得られ、同時に数μｍオーダーの形状精度を有する光学素子１０を得ることができる。
【００８５】
また、回折格子形成部３７を有する第１の入子３８では、基板５１の表面５１ａに形成した硬質な薄膜上に、転写パターンが直接リソグラフィーとドライエッチング等で形成されるので、従来のニッケル電鋳法等で回折格子のパターンを形成したニッケル原盤を用いた場合と比較して、金型の構造が簡略化される。
さらに、凹凸パターンが形成された回折格子形成部３７の面精度の向上を図ることができると共に、回折格子形成部３７において、硬質な薄膜に保護されて基板５１の突起部分の磨耗が生じないので、第１の入子３８の長寿命化即ち金型２０の長寿命化を図ることができる。
【００８６】
また、凹凸パターンを有する回折格子形成部３７や、鏡面研削法により形成された鏡面形成部３２，３３，３４，３５，４１を有する入子３８，３９から構成された光学素子製造用金型２０を用いることにより、光学成形面に斜面を有する部品例えばフーコープリズムがある光学素子１０を製造することができる。
【００８７】
上述の形態の他、光学成形面に段差がある等の複合的な構造の光学素子も、段差を有する複数の鏡面形成部を有して成る入子から構成された金型を用いることにより作製が可能である。
【００８８】
即ち、本発明によれば、金型を構成する入子に対して、直接リソグラフィーとドライエッチング等により容易に回折格子形成部の凹凸パターンを形成したり、直接鏡面研削を施すことにより斜面の鏡面形成部を形成したりすることが可能になる。
しかも、前述のように鏡面研削後における鏡面形成部の面の状態を規定することにより、鏡面形成部の形状精度を高くして高精度の入子を形成することができる。
【００８９】
従って、回折格子、斜面、段差等の複合的な構造を有する光学素子であっても、所望の光学素子の構造の射出成形が可能な高い形状精度を有する入子から成る金型を用いて射出成形を行うことにより、成形バリがなく安定した光学特性を有する光学素子を得ることができる。
【００９０】
本発明は、上述の形態に示したフーコープリズムの他にも、例えば単色光であるレーザ用の無収差光学素子や光干渉計の参照波面原器、或いは非球面レンズに代表される各種の光学素子・光学デバイス等に適用することができる。
このような場合も、光学素子の構造に対応した形状の入子を有して金型を構成し、この金型を用いて樹脂の射出成形を行うようにすればよい。
【００９１】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００９２】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、隣接した鏡面形成部が同一の入子に一体化されて構成された金型を用いて成形を行うため、成形により得られる光学素子の隣接する鏡面との合わせ面に成形バリが存在しないため、所定の光学特性が安定して得られ、さらに高い形状精度を有する光学素子を成形することができる。
【００９３】
また、本発明によれば、隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子及び第２の入子を組み立てて金型を構成することにより、互いに角度を有する複数の鏡面や段差を有する複数の鏡面等の複合的な構造の光学素子が作製可能になる。
【００９４】
また、本発明によれば、金型の第１の入子の一方の鏡面形成部に凹凸パターンが形成された回折格子形成部を有し、この凹凸パターンは例えばリソグラフィーとドライエッチング等で容易に形成することが可能であり、従来のニッケル電鋳法等で形成されたニッケル原盤を用いた場合に比較して金型の構造の簡略化ができる。
【００９５】
さらに、入子の基板表面に硬質な薄膜を形成し、そこに所定の凹凸パターンを形成した回折格子形成部を形成する構成としたときには、パターンが形成された回折格子形成部の面精度の向上と入子及び金型の長寿命化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ〜Ｃ 本発明に係る光学素子の一形態の概略構成図である。
【図２】図１の光学素子の射出成形に用いられる光学素子製造用金型の一形態を示す図である。
【図３】図２の固定側金型を構成する入子の一形態を示す図である。
【図４】図３の第２の入子の一部の拡大図である。
【図５】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図６】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図７】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図８】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図９】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図１０】第１の入子の製造工程を示す工程図（一部の拡大図）である。
【図１１】回折格子形成部が形成された円形基板の平面図である。
【図１２】第１の入子の一形態の外観図である。
【図１３】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１４】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１５】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１６】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１７】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１８】第１の入子の製造工程を示す工程図である。
【図１９】第２の入子の一形態の外観図である。
【図２０】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２１】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２２】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２３】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２４】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２５】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２６】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２７】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２８】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【図２９】第２の入子の製造工程を示す工程図である。
【符号の説明】
１０ 光学素子、１１ 第１の鏡面、１２ 第２の鏡面、１３ 第３の鏡面、１４ 第４の鏡面、１５ 第５の鏡面、１６ 第１の回折格子、１７ 第２の回折格子、２０ 金型、２１ 固定側金型、２２ 可動側金型、３１ 第１の鏡面形成部、３２ 第２の鏡面形成部、３３ 第３の鏡面形成部、３４ 第４の鏡面形成部、３５ 第５の鏡面形成部、３７ 回折格子形成部、３８ 第１の入子、３９ 第２の入子、４１ 第６の鏡面形成部、４２ （水平な）溝、４３ （斜面の）溝、５１，５３ 基板、５２，５４ 切断片、５５ レジスト
Claims (4)
- 金型を用いて樹脂成形を行う光学素子の製造方法であって、
前記金型が、隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子と、隣接する２つの鏡面形成部を有する第２の入子とを組み立てて成り、
前記第１の入子及び前記第２の入子のそれぞれの２つの鏡面形成部は、平面である一方の鏡面形成部に対して、他方の鏡面形成部が前記一方の鏡面形成部と角度を有する斜面となっており、
前記第１の入子の、平面である前記一方の鏡面形成部には、凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成され、
前記金型の１つ以上の前記鏡面形成部が鏡面研削法により形成され、
前記第１の入子及び前記第２の入子の隣接した２つの鏡面形成部によって、それぞれ、光学素子の隣接した複数の鏡面を成形し、
前記第１の入子の前記回折格子形成部によって、光学素子に凹凸パターンを有する回折格子を形成する
ことを特徴とする光学素子の製造方法。 - 前記第２の入子の前記２つの鏡面形成部によって、前記光学素子にフーコープリズムを構成する２つの鏡面を形成することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
- 隣接する２つの鏡面形成部を有する第１の入子と、隣接する２つの鏡面形成部を有する第２の入子とを組み立てて成り、
前記第１の入子及び前記第２の入子のそれぞれの２つの鏡面形成部は、平面である一方の鏡面形成部に対して、他方の鏡面形成部が前記一方の鏡面形成部と角度を有する斜面となっており、
前記第１の入子の、平面である前記一方の鏡面形成部には、凹凸パターンを有する回折格子形成部が形成され、
１つ以上の前記鏡面形成部が鏡面研削法により形成されていることを特徴とする光学素子製造用金型。 - 前記回折格子形成部が形成されている前記第１の入子の前記一方の鏡面形成部に、リソグラフィーに対して物理的、化学的に耐性を有し、ドライエッチングプロセスが可能で、かつ前記光学素子の射出成形プロセスの温度や圧力に耐えうる材料が成膜されていることを特徴とする請求項３に記載の光学素子製造用金型。
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