JP4158837B2 - 金型、光学素子、光学素子成形用の金型及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金型、光学素子、光学素子成形用の金型及びその製造方法に関し、特に光学素子の成形用金型を加工するのに好適な金型、それにより成形される光学素子、光学素子成形用の金型及びその製造方法に関する。

近年、光ピックアップ装置用の対物レンズなどの高精度な光学素子においては、光学面に回折構造を形成して、その回折効果により光学特性を向上させることが行われている。ここで、回折構造は一般的には微細な輪帯構造であり、対物レンズをプラスチックを素材として射出成形等により形成する場合には、その金型に、輪帯構造に対応した微細な溝形状を加工形成する必要がある。金型の素材としては、一般的に超鋼などが用いられるが、これはダイヤモンド工具により切削することができる。特許文献１には、矩形状のすくい面を有するダイヤモンド工具を用いて、金型の素材を回転させながら微細な溝形状を切削する技術が開示されている。
特開２００５−２１９１８５号公報

ここで、ダイヤモンド工具のすくい面に切削抵抗がかかると、ダイヤモンドの結晶方位上、その先端の角部が４５度方向に劈開により欠損しやすいという問題がある。しかるに、特許文献１の技術によれば、すくい面の角部が欠損した場合、溝底面と溝側面との間に、欠損した形状に倣う４５度の斜面が生じることとなる。このような溝形状を有する金型にて、光学素子を射出成形すると、回折構造に４５度の斜面に応じてダレが生じ、これにより回折効率を低下させる恐れがある。一方、ダイヤモンド工具によっては劈開が生じない場合もあるが、その場合には、加工形成された金型には４５度の斜面が生じず、それにより転写成型された光学素子の回折構造にはダレが生じないため、回折効率は高く維持される。即ち、従来技術によれば、ダイヤモンド工具の劈開という偶然の事象により、金型の精度が異なってしまうため、金型毎の光学素子の光学特性（回折効率）にばらつきが大きい問題がある。一方、予め光学素子がもつ回折効率の目標最大値を低く設定することも考えられるが、係る設定により工具の劈開による上記ばらつき低減を根本的な解決する事は難しい。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、例えば回折構造を備えた光学素子において必要な効率を確保しつつ、その成形に用いる金型毎のバラツキを抑えることができる金型、光学素子、光学素子成形用の金型及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的は、下記に記載する様態により達成される。

１．複数の輪帯構造を有する光学素子を成形する金型であって、
同心円状である複数の輪帯構造を有する面を有し、
前記輪帯構造の各々は、前記輪帯構造の半径方向に所定幅を持った底面と、側壁面と、前記底面と前記側壁面を接続する曲率半径０．５〜２μｍの曲面より構成される溝を有することを特徴とする金型。

本発明に係る金型によれば、例えばダイヤモンド工具を用いて、少なくとも最初の切削加工で、曲率半径が０．５μｍ〜２μｍである曲面を介して互いに接続されている前記溝の底面と前記溝の側壁面とを有する輪帯構造を金型に形成するので、それにより転写成形される光学素子の必要な光学特性を確保できると共に、切り始めと切り終わりにおける前記曲面の曲率半径の変化が少なく、このようにして加工される複数の金型で成形された光学素子の金型間のバラツキを抑えることができる。尚、「曲率半径」は、光軸に沿った断面において測定された値とする。又、ここでいう「底面（又は頂部）と、側壁面と、前記底面と前記側壁面を接続する曲率半径０．５〜２μｍの曲面より構成される」とは、形成された複数の輪帯の全部が曲面で構成されているものに限定されず、利用効率との関係で一部が曲面で接続されているものであっても足り、例えば全体の輪帯の５０％以上の輪帯の当該箇所が係る曲面で接続されているものであっても良い。

２．前記底面は複数の段差を持って形成されていることを特徴とする１．に記載の金型。

かかる金型は、例えば図１（ａ）に例示するように、光軸Ｘを中心とした階段状の輪帯が繰り返された溝構造を形成するのに好適である。

３．前記底面には段差が形成されていないことを特徴とする１．に記載の金型。

かかる金型は、例えば図１（ｂ）に例示するように、光軸Ｘを中心とした同じ高さの輪帯壁が複数形成された溝構造を形成するのに好適である。

４．光軸を中心に同心円状に形成された輪帯を複数形成した光学面を有する光学素子であって、
前記輪帯の各々は、光軸と直交する方向に所定幅を持った頂部と、側壁面と、前記頂部と前記側壁面を接続する曲率半径０．５〜２μｍの曲面で構成されていることを特徴とする光学素子。

本発明にかかる光学素子は、１．に記載の金型によって形成でき、従って同様な作用効果を有する。

５．前記複数の輪帯の各々は、階段状の段差構造を有することを特徴とする４．に記載の光学素子。

前記５．に記載の光学素子は、前記４．に記載の様態において、前記複数の輪帯の各々は、階段状の段差構造を有することを特徴とする。階段状の段差構造とは、例えば図１（ａ）に例示するように、光軸Ｘを中心とした階段状の輪帯が繰り返された構造をいう。

６．前記複数の輪帯の各々は、バイナリ構造であることを特徴とする４．に記載の光学素子。

前記６．に記載の光学素子は、前記４．に記載の様態において、前記複数の輪帯の各々は、バイナリ構造であることを特徴とする。バイナリ構造とは、例えば図１（ｂ）に例示するように、光軸Ｘを中心とした同じ高さの輪帯壁が複数形成された構造をいう。

７．すくい面と逃げ面で構成された切れ刃を持つダイヤモンド工具と、回転駆動させた金型母材とを相対的に切削駆動させる事により、金型母材に同心円状に所定幅を持った底面を有する溝を複数形成した光学素子成形用金型の製造方法において、
金型の回転軸線方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動させながら前記金型母材を切削加工する第一工程と、
金型の回転軸線とは直交する方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動させながら前記金型母材を切削加工する第二工程と、
前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動させながら、金型の回転軸線の方向及び回転軸線とは直交する方向に同時に変位させて前記金型母材を切削加工する第三工程を有することを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法。

本発明に係る製造方法によれば、前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動させながら、金型の回転軸線の方向及び回転軸線とは直交する方向に同時に変位させて切削加工する第三工程を有するので、前記溝の底面と前記溝の側壁面の交差部に、両面に交差する所定の面を形成することができ、切り始めと切り終わりにおける所定の面の変化が少なく、このようにして加工される複数の金型で成形された光学素子の金型間のバラツキを抑えることができる。

８．前記第三工程により前記溝の底面と側壁面とが所定の曲面で接続されるように前記金型母材が切削加工されることを特徴とする７．に記載の光学素子成形用金型の製造方法。

前記８．に記載の様態により、切り始めと切り終わりにおける曲面の曲率変化が少なく、このようにして加工される複数の金型で成形された光学素子の金型間のバラツキを抑えることができる。

９．前記曲面は曲率半径が０．５μｍ〜２μｍであることを特徴とする８．に記載の光学素子成形用金型の製造方法。

前記９．に記載の光学素子成形用金型の製造方法は、前記７．に記載の様態において、前記曲面は曲率半径が０．５μｍ〜２μｍであることを特徴とするので、それにより製造された光学素子成形用金型を用いて転写形成される光学素子の必要な光学特性を確保できる。

１０．すくい面に、互いに並行して延在する直線状の第１の縁部及び第２の縁部と、前記第１の縁部と前記第２の縁部とに交差する第３の縁部とを有する切れ刃を持つダイヤモンド工具と、回転駆動させた金型母材を相対的に切削駆動させながら金型母材を切削加工することにより、金型母材上に同心円状の所定幅を持った底面を有する溝を複数形成した光学素子成形用金型の製造方法において、
金型の回転軸線方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動して、前記ダイヤモンド工具の第３の縁部で金型母材に溝底面を切削加工する第一工程と、
金型の回転軸線とは直交する方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動して前記ダイヤモンド工具の第２の縁部で金型母材に溝側面を切削加工する第二工程と、
前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を金型の回転軸線の方向及び回転軸線とは直交する方向に同時に変位させて前記金型母材を切削加工する第三工程と、を有することを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法。

本発明に係る製造方法によれば、前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動させながら、金型の回転軸線の方向及び回転軸線とは直交する方向に同時に変位させて切削加工する第三工程を有するので、前記溝の底面と前記溝の側壁面の交差部に曲面を形成することができ、切り始めと切り終わりにおける曲面の曲率変化が少なく、このようにして加工される複数の金型で成形された光学素子の金型間のバラツキを抑えることができる。

ここで「光学素子」としては、例えばレンズ、プリズム、回折格子光学素子（回折レンズ、回折プリズム、回折板、色収差補正素子）、光学フィルター（空間ローパスフィルター、波長バンドパスフィルター、波長ローパスフィルター、波長ハイパスフィルター等々）、偏光フィルター（検光子、旋光子、偏光分離プリズム等々）、位相フィルター（位相板、ホログラム等々）があげられるが、以上に限られることはない。

本発明によれば、例えば回折構造を備えた光学素子において必要な効率を確保しつつ、その成形に用いる金型毎のバラツキを抑えることができる、従来技術では得られない画期的な金型、光学素子、光学素子成形用の金型及びその製造方法を提供することができる。

回折構造の例を示す図１（ａ）及び１（ｂ）である。 本実施の形態にかかる金型の加工方法を実行するのに好適な２軸超精密加工機１０の斜視図である。 ダイヤモンド工具の斜視図である。 本発明にかかる加工方法に用いると好適なダイヤモンド工具Ｔの先端のすくい面側から見た図４（ａ）及びその側面図４（ｂ）である。 図４（ａ）及び４（ｂ）のダイヤモンド工具を用いて加工された後の金型ＭＤの斜視図である。 金型の素材Ｍの光学転写面の概略拡大断面図である。 加工時のダイヤモンド工具Ｔの位置を示す拡大図７（ａ）〜７（ｃ）である。 本実施の形態の加工方法によりダイヤモンド工具で切削される金型の溝底面と溝側面の周囲を拡大して示す図８（ａ）及び８（ｂ）である。 比較例の加工方法によりダイヤモンド工具で切削される金型の溝底面と溝側面の周囲を拡大して示す図９（ａ）及び９（ｂ）である。 光ピックアップ装置に用いることができる光学素子ＯＥの一例にかかる断面図である。 本発明者によるシミュレーション結果を示す図である。 本発明者によるシミュレーション結果を示す図である。 本発明者によるシミュレーション結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図２は、本実施の形態にかかる金型の加工方法を実行するのに好適な２軸超精密加工機１０の斜視図であり、図３は、ダイヤモンド工具の斜視図である。図２に示す２軸超精密加工機１０において、不図示の制御装置によってＸ軸方向に駆動されるＸ軸テーブル２が、台座１上に配置されている。Ｘ軸テーブル２上には、ダイヤモンド工具Ｔが取り付けられている。又、不図示の制御装置によってＺ軸方向に駆動されるＺ軸テーブル４が、台座１上に配置されている。Ｚ軸テーブル４上には、不図示の制御装置によって回転駆動される主軸（回転軸）５が取り付けられている。主軸５は、加工すべき転写光学面を有する光学素子成形用の金型を取り付け可能となっている。ダイヤモンド工具Ｔは、その先端にダイヤモンドチップＴｃを取り付けており、その形状は図４（ａ）及び４（ｂ）を参照して後述する。

本実施の形態にかかる加工方法によれば、主軸５やＸ・Ｚ軸テーブル２，４の剛性が非常に高く、軸制御分解能が１００ｎｍ以下の超精密加工機を用いて、主軸５にワークであるところの光学素子成形用の金型を取り付け、主軸回転数１０００ｍｉｎ^-1で回転させ、切り込み量１μｍ、送り０．２ｍｍ／ｍｉｎの条件で、ダイヤモンド工具Ｔにより、切れ刃の切削点が加工中に連続的に移動するようにして、延性モードで切削加工することにより、回折構造に対応する輪帯状の溝を、金型の光学転写面に創成することができる。

図４（ａ）及び４（ｂ）は、それぞれ、本実施の形態にかかる金型の加工方法に用いると好適なダイヤモンド工具Ｔの先端のすくい面Ｔ５側から見た図及びその側面図である。図４（ａ）において、ダイヤモンド工具Ｔは、直線状に延在する先端の第３の縁部Ｔ３（１００μｍ以下）と、第３の縁部Ｔ３の両端から直交する方向に直線状に平行に延在する第１の縁部Ｔ１と第２の縁部Ｔ２とを有し、これらによって方形状のすくい面Ｔ５を形成している。第１の縁部Ｔ１は、第２の縁部Ｔ２から離隔するように延在する第４の縁部Ｔ４に接続されている。第２の縁部Ｔ２と第３の縁部Ｔ３とは、理想的には直線エッジ同士が直交していることが好ましいが、半径Ａの微小な円弧Ｒ１（０．５μｍ未満）により接続されているものも含む。ここで方形とは、互いに平行に延在する縁部Ｔ２，Ｔ３のうち短い方の第２の縁部Ｔ２における第４の縁部Ｔ４側の端部（先端から距離βの位置）から、第１の縁部Ｔ１に平行な線Ｔ６を引くことで、縁部Ｔ１，Ｔ２、Ｔ３，線Ｔ６で囲われる領域をいうものとする。

図５は、図４（ａ）及び４（ｂ）のダイヤモンド工具を用いて加工された後の金型ＭＤの斜視図であり、図６は、その光学転写面の概略拡大断面図である。図７（ａ）〜７（ｃ）は、加工時のダイヤモンド工具Ｔの位置を示す拡大図である。本実施の形態の加工方法によって加工される金型ＭＤは、少なくとも一方の光学機能面が光軸を中心とした複数の光学機能領域に分割され、該複数の光学機能領域のうちの少なくとも１つが、光軸を中心とした輪帯状の複数の領域に分割され、かつ各輪帯に所定数の不連続な段差が設けられるとともに、当該不連続な段差が設けられた輪帯が連続的に配された構造である回折構造を有する光学素子の成形に用いられると好適である。

図１０は、光ピックアップ装置に用いることができる光学素子ＯＥの一例にかかる断面図であるが、回折構造は誇張して描いている。図１０において、光学素子ＯＥの光学面Ｓ１，Ｓ２に形成され、通過する光束に対して回折効果を発揮する回折構造ＤＳ１、ＤＳ２は、光軸Ｏを中心に同心円状に形成され、光軸Ｏと直交する方向に所定幅を持った頂部を有する輪帯からなり、光軸方向断面において例えば階段状になっている。かかる溝構造に相補する形で、図６に示すような金型ＭＤの光学転写面（光学素子の光学面を転写する面をいうが、ニッケル・隣・銅メッキが施されていると好ましい）に輪帯状の溝が、複数段の階段を有して形成されることとなる。尚、図６において、ダイヤモンド工具Ｔは、Ｘ軸方向（回転軸に近づく方向ともいう）及びＺ軸方向（金型の回転軸と平行な方向ともいう）に移動可能となっている。

本実施形態の加工方法の一例を示す。本実施形態の加工は、段々と深くなる複数段の階段を備えた輪帯状の溝構造（単に溝又は輪帯溝ともいう）を形成する場合に効果的であるが、金型に形成されるべき溝構造の形状は、予め超精密加工機の制御装置にインプットされているものとする。図６に示す例では、光軸Ｏから外周に向かって、この順序で溝構造Ｇ１，Ｇ２が光学転写面に形成されるものとするが、溝構造Ｇ１，Ｇ２は外周に向かうにつれて階段状の段差（階段ともいう）が深くなっている。尚、ここで「浅い」又は「深い」とは、回転軸の方向において、加工前の金型の表面からダイヤモンド工具を用いて切り込んだ場合における切り込み量により相対的に区別されるものとする。又、「切り込み方向」とは、回転軸に平行であって、金型に接近する方向をいうものとする。

加工を行うには、まず金型の素材Ｍを光軸（回転軸線ともいう）Ｏの回りに回転させ、ダイヤモンド工具Ｔの第３の縁部Ｔ３を、溝構造Ｇ２におけるここでは４段目の段（溝構造Ｇ２内で最も深い段）に対応した基準位置（図６に実線で示す位置）で、光軸Ｏに対して平行に且つ金型の素材Ｍに更に押しつける方向（Ｚ軸下方向）に所定位置まで移動させる。これにより、ダイヤモンド工具Ｔが金型の素材Ｍの光学転写面を切削加工し、輪帯状の溝が形成されるが、溝底面（溝の底面ともいう）ＧＢは第３の縁部Ｔ３により切削され、外周側の溝側面（溝の底壁面ともいう）ＧＯは第１の縁部Ｔ１により切削される（第一工程：図７（ａ）参照）。

次に、図７（ｂ）に示すように、ダイヤモンド工具Ｔを、金型の素材Ｍの光軸Ｏに直交する方向（Ｘ軸右方向）及び軸線方向（Ｚ軸上方向）に同時に変位させる（第三工程）。この動作により、第２の縁部Ｔ２と第３の縁部Ｔ３との間の円弧部Ｒ１により、溝底面ＧＢと内周側の溝側面ＧＩとの間に、曲面部ＣＰが形成されることとなる。曲面部ＣＰの曲率半径Ｂは、０．５μｍ〜２μｍとなっている。

更に、ダイヤモンド工具Ｔを、金型の素材Ｍの光軸Ｏに平行（Ｚ軸上方向）に変位させることで、内周側の溝側面ＧＩは第２の縁部Ｔ２により切削される（第二工程）。その後、図７（ｃ）に示すように、ダイヤモンド工具Ｔを、金型の素材Ｍの光軸Ｏに平行（Ｘ軸右方向）に変位させることで、二番目に深い段が形成されることとなる。以下、同様にダイヤモンド工具Ｔを変位させることで、溝構造Ｇ２，Ｇ１を形成できる。以上より明らかであるが、１つ溝を形成する毎に、ダイヤモンド工具Ｔを金型の素材Ｍから抜き出してＸ軸方向に変位させることを繰り返せば、バイナリタイプの回折構造（図１（ａ）参照）を成形するのに適した金型ＭＤを成形できる。このような金型ＭＤを用いた光学素子の成形方法については、例えば特開２００５−３１９７７８号公報等に記載されている。

例えば、溶融した光学素子材料を、図６、７（ａ）〜７（ｃ）に示す金型に射出して、更に冷却することにより、図１０に示す光学素子ＯＥ１を得ることができる。階段状の段差構造やバイナリ構造等を有する複数の輪帯が光学転写面上に形成されている金型を用いた場合には、この金型により光学素子の光学面に、階段状の段差構造やバイナリ構造を有する複数の輪帯ＲＺが転写される。本発明の様態の一例として、図１０の円内に、１つの輪帯の断面を拡大した図を示す。各々の輪帯は、金型の溝底面ＧＢに対応する頂部ＯＥＴと、金型の溝側面ＧＩに対応する側壁面ＯＥＯを有しており、頂部ＯＥＴと側壁面ＯＥＩとは、金型の曲面部ＣＰに対応する曲率半径０．５〜２μｍの曲面ＯＥＣＰにより接続されている。また頂部は、光軸と直交する方向に所定幅を有する。図１０の円内には階段状の段差構造の断面図が示されているが、本発明に係る光学素子の輪帯構造の形状は、光軸と直交する方向に所定幅を持った頂部と、側壁面と、頂部と側壁面を接続する曲率半径０．５〜２μｍの曲面で構成されていればよく、図１０の形状には限定されない。

また、本発明に係る光学素子の材料には、プラスチックに限らず、ガラスの一般的な光学材料を用いることができる。

さらに、本発明に係る光学素子は、本発明に係る金型を用いて、プレス成形、押し出し成形、モールド成形、その他の知られている光学素子を形成する成形法にて成形されていても良い。

ところで、切削加工の最中に、切削抵抗によりダイヤモンド工具Ｔのすくい面Ｔ５の角が劈開により欠損する恐れがある。かかる場合、欠損したすくい面Ｔ５の形状が、金型の素材Ｍに転写されてしまうこととなる。このような金型により転写成形された光学素子は、設計形状と異なる回折構造を有するので、所望の光学特性を発揮できない恐れがある。特に問題となるのは、複数の金型により成形された光学素子における金型間の形状バラツキである。即ち、ある金型から成形された光学素子の回折効率に対し、他の金型から成形された光学素子の回折効率が大きく異なると、不良品率が高まる恐れがある。

これに対し本実施の形態においては、金型の溝底面と溝側面との間を、曲率半径Ｂの曲面で連結しているので、かかる不具合を緩和できる。これを、図面を参照して説明するが、以下、光学素子の回折構造は、金型の溝構造を完全に転写できるものとする。

図８（ａ）及び８（ｂ）は、本実施の形態の加工方法によりダイヤモンド工具で切削される金型の溝底面と溝側面の周囲を拡大して示す図であり、図８（ａ）は切り始め（加工最初）の溝を示しており、図８（ｂ）は切り終わり（加工最後）の溝を示している。図９（ａ）及び９（ｂ）は、比較例の加工方法によりダイヤモンド工具で切削される金型の溝底面と溝側面の周囲を拡大して示す図であり、図９（ａ）は切り始め（加工最初）の溝を示しており、図９（ｂ）は切り終わり（加工最後）の溝を示している。

ここで、図８（ａ）及び８（ｂ）において、溝底面ＧＢが転写された光学面を通過した光束は、所望の回折角度で出射するが、曲面ＣＰが転写された光学面を通過した光束は、所望の回折角度で出射せず不要光となる。従って、光学素子の回折効率を増大させるには、本来的には曲面ＣＰの面積をゼロとすることが好ましい。そのような理想的な溝構造（図９（ａ）に示す形状）は、第２の縁部Ｔ２と第３の縁部Ｔ３とが互いに直線同士で交差するダイヤモンド工具Ｔで切削することにより得ることができる。

しかしながら、切り始めから切り終わりまでの間に、ダイヤモンド工具Ｔにおいて第３の縁部Ｔ３に対して４５度方向に劈開による欠損Ｄが生じると、切り終わり時の溝構造において、図９（ｂ）に実線で示すように、欠損Ｄが角部に転写されたテーパ面ＴＰが生じることとなる。かかる場合、テーパ面ＴＰが転写された光学面を通過する光束は、所望の回折角度で出射せず不要光となるため、テーパ面ＴＰの面積に相当する分だけ回折効率が低下することとなる。これが、欠損Ｄが生じた前後で回折効率のバラツキを生じさせる原因である。尚、欠損Ｄが生じたか否か、加工中には判断できないという実情がある。

これに対し本実施の形態によれば、切り始めの状態では、図８（ａ）に示すように曲面ＣＰが生じることで、それにより転写された光学素子の回折効率と、図９（ａ）に示すような溝構造の金型により転写された光学素子の回折効率より低い。ところが、欠損Ｄが生じる前の曲面ＣＰと、欠損Ｄが生じた後の曲面ＣＰ’とは、軸線方向に見たときの面積の変化量が小さいので、そのような金型で転写成形された光学素子においては、回折効率のバラツキを抑えられるのである。

なお、曲面ＣＰの曲率半径Ｂを大きくすると、ダイヤモンド工具において欠損Ｄが生じる前の曲面ＣＰと欠損Ｄが生じた後の曲面ＣＰ’とは、軸線方向に見たときの面積の変化量がより小さくなる。そのため、そのような金型で転写形成された光学素子における光利用効率（回折効率）のバラツキは、より小さくなる。その反面、工具に損耗が生じず回折効率が１００％であるような金型の形状（図９（ａ））に対する曲面ＣＰ及び曲面ＣＰ’の面積の変化量が大きくなり、そのような金型で転写形成された光学素子全体の光利用効率絶対値は低下してしまう。そこで光学素子に必要な光利用効率絶対値を確保しつつ、光利用効率のバラツキを抑えるような曲面ＣＰを設定する必要がある。

ここで、ダイヤモンド工具の磨耗量のバラツキの実績値が０〜０．５μｍであることを考慮すると、曲面ＣＰの曲率半径Ｂが少なくとも０．５μｍであれば光利用効率のバラツキを効果的に低減させることができる。また、曲率半径Ｂが２μｍ以下であれば、光学素子に必要な光利用効率絶対値を確保することができる。よって、曲率半径Ｂを０．５μｍ〜２μｍとすることにより、本発明に係る金型を用いて転写形成される光学素子に必要な光学特性を確保できる。

図１１，１２，１３は、本発明者によるシミュレーション結果を示す図であり、工具損耗量（第３の縁部Ｔ３の欠損長さ）と、その工具により成形された金型から成形転写された光学素子の回折効率との関係を示している。図１１は、従来形状の金型、図１２は従来形状の金型であるが光学素子の最大回折効率を９５％に下げて設計したもの、図１３は、本実施の形態の金型から成形転写された光学素子を用いたシミュレーション結果を示す。なお、本シミュレーションにおいては、曲率半径Ｂを０．５μｍとした。また、図１１〜図１２において、縦軸は光学素子の回折効率（％）、横軸は工具の磨耗量（μｍ）である。図９（ａ）及び９（ｂ）に示す比較例の金型から転写成形された光学素子の場合、図１１に示すごとく、工具に損耗が生じない状態での回折効率（設計効率）は１００％であるが、０．５μｍの工具損耗が生じると、回折効率は１１％もばらつくこととなる。これに対し、回折効率のバラツキを抑えるために、光学素子の最大回折効率を下げた金型設計とすることも考えられる。しかし、本発明者のシミュレーションによれば、図１２に示すように、工具に損耗が生じない状態での回折効率（設計効率）が９５％になるよう金型を設計した場合でも０．５μｍの工具損耗時の回折効率のバラツキは１１％と変わらず、むしろ最小回折効率が低下して光学素子の特性が悪化することがわかった。一方、図８（ａ）及び８（ｂ）に示す本実施の形態の金型から転写成形された光学素子の場合、図１３に示すごとく、工具に損耗が生じない状態での回折効率（設計効率）は９５％であり、０．５μｍの工具損耗が生じても、回折効率のバラツキは７％に抑えることができるため、最大回折効率は若干低くなるものの、トータルでの回折効率は高くなり、必要な光学特性を確保することができる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、本発明に係る加工方法は、光学素子の成形用金型の加工以外にも用いることができる。又、本発明に係る加工方法に用いるダイヤモンド工具は、すくい面の形状が、方形状ではなくテーパ形状であってもよい。更に、ダイヤモンド工具を、回転軸線光軸直交方向において内側から外側に変位させながら加工を行っても良い。

Claims (10)

1. 複数の輪帯構造を有する光学素子を成形する金型であって、
   同心円状である複数の輪帯構造を有する面を有し、
   前記輪帯構造の各々は、前記輪帯構造の半径方向に所定幅を持った底面と、側壁面と、前記底面と前記側壁面を接続する曲率半径０．５〜２μｍの曲面より構成される溝を有することを特徴とする金型。
2. 前記底面は複数の段差を持って形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の金型。
3. 前記底面には段差が形成されていないことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の金型。
4. 光軸を中心に同心円状に形成された輪帯を複数形成した光学面を有する光学素子であって、
   前記輪帯の各々は、光軸と直交する方向に所定幅を持った頂部と、側壁面と、前記頂部と前記側壁面を接続する曲率半径０．５〜２μｍの曲面で構成されていることを特徴とする光学素子。
5. 前記複数の輪帯の各々は、階段状の段差構造を有することを特徴とする請求の範囲第４項に記載の光学素子。
6. 前記複数の輪帯の各々は、バイナリ構造であることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の光学素子。
7. すくい面と逃げ面で構成された切れ刃を持つダイヤモンド工具と、回転駆動させた金型母材とを相対的に切削駆動させる事により、金型母材に同心円状に所定幅を持った底面を有する溝を複数形成した光学素子成形用金型の製造方法において、
   金型の回転軸線方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動させながら前記金型母材を切削加工する第一工程と、
   金型の回転軸線とは直交する方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動させながら前記金型母材を切削加工する第二工程と、
   前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動させながら、金型の回転軸線の方向及び回転軸線とは直交する方向に同時に変位させて前記金型母材を切削加工する第三工程を有することを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法。
8. 前記第三工程により前記溝の底面と側壁面とが所定の曲面で接続されるように前記金型母材が切削加工されることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の光学素子成形用金型の製造方法。
9. 前記曲面は曲率半径が０．５μｍ〜２μｍであることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の光学素子成形用金型の製造方法。
10. すくい面に、互いに並行して延在する直線状の第１の縁部及び第２の縁部と、前記第１の縁部と前記第２の縁部とに交差する第３の縁部とを有する切れ刃を持つダイヤモンド工具と、回転駆動させた金型母材を相対的に切削駆動させながら金型母材を切削加工することにより、金型母材上に同心円状の所定幅を持った底面を有する溝を複数形成した光学素子成形用金型の製造方法において、
    金型の回転軸線方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動して、前記ダイヤモンド工具の第３の縁部で金型母材に溝底面を切削加工する第一工程と、
    金型の回転軸線とは直交する方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動して前記ダイヤモンド工具の第２の縁部で金型母材に溝側面を切削加工する第二工程と、
    前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を金型の回転軸線の方向及び回転軸線とは直交する方向に同時に変位させて前記金型母材を切削加工する第三工程と、を有することを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法。