JP4244570B2 - Cutting method for diffractive optical element and cutting method for mold for forming diffractive optical element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、凹凸パターンが非一様な密度で形成された回折面を有する回折光学素子、その回折面を成形する回折光学素子成形用金型、回折光学素子の切削加工方法、回折光学素子成形用金型の切削加工方法、及び切削加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
回折光学素子は、レンズ機能、分岐/合波機能、光強度分布変換機能、波長フィルター機能、分光機能など色々な機能を有するため、様々な光学系に広く用いられてきた。
例えば、レンズとしてのゾーンプレートや分光素子としてのグレーティング(回折格子)などは古くから実用化されてきた。
【0003】
回折光学素子に設けるべき凹凸パターンは、用途により決まり、多岐に及ぶ。例えば、グレーティングの凹凸パターンは、同一ピッチで並ぶ直線状である。また、ゾーンプレートの凹凸パターンは、径位置により異なるピッチで並ぶ同心円状(輪帯状)である。
【0004】
何れの回折光学素子も、理想的なものは、入射光を意図された方向にのみ進行させ、それ以外の方向には進行しないよう設計されている。
しかし、実際には、意図しない方向にも進行させ、フレアが発生して回折効率が低下し、有効な光の強度が低下することがある。
その原因としては、(1)入射光の波長が設計値と異なる、(2)回折光学素子の回折面に形状誤差が生じている、などが考えられる。なお、原因(1)については、複数の異なる回折光学素子を組み合わせることで解消できる。これについては、既に様々な技術が提案されている。
【0005】
一方、原因(2)については、回折面の加工精度を高めることで解消できると考えられる。
ここで、回折面の加工には、被加工面を先端の尖った工具(所謂バイト)でなぞる「切削加工」が適用される。
なお、生産性を高めるためには、直接の切削加工よりも、金型による成形が好ましいが、その場合、その金型の成形面の加工に切削加工が適用される。成形面の反転形状は、そのまま回折面に転写される。
【0006】
この切削加工の精度を高めるには、通常、バイトと被加工物との相対移動の誤差をフィードバックしてその移動精度を高める他、形成すべき回折面の複雑さ(凹凸パターンの形成密度)に応じてバイト先端の径を小さくすればよいとされている。
但し、バイト先端の径が小さいと加工面粗さが大きくなるため、通常送りを小さくする。その結果として刃先のなぞる距離が長くなり加工に時間がかかり、かつ、刃先摩耗も大きくなるので、凹凸パターンの形成密度が十分に小さいときには、できるだけ先端径の大きいバイトを使用することが好ましいとされる。
【0007】
よって、従来は、凹凸パターンの形成密度が高いときには先端径の小さいバイト、凹凸パターンの形成密度が低いときには先端径の大きいバイトを使用し、ゾーンプレートのように凹凸パターンの形成密度が非一様であるときには、最も密度の高い部分に適合する先端径の小さいバイトを使用している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、凹凸パターンの形成密度が非一様であるときに先端径の小さいバイトを使用すると、形成密度の低い部分の加工時間が余計に延びてしまうだけでなく、その部分に対し必要とされる形状が得られずに、フレアを発生する可能性のあることが分かった。
【0009】
このように凹凸パターンの形成密度の低い部分の光学的性能が十分に得られなくなると、たとえ形成密度の高い部分の光学的性能が良好であったとしても、回折光学素子の全体の性能は低下する。
そこで本発明は、凹凸パターンの形成密度が非一様であっても高い光学性能の得られる回折光学素子の切削加工方法、及び回折光学素子成形用金型の切削加工方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の回折光学素子の切削加工方法の一態様は、凹凸パターンが非一様な密度で形成された回折面を有する回折光学素子の前記回折面を切削加工する回折光学素子の切削加工方法であって、切削加工装置に装着された第1のバイトで前記回折面の第1の領域を加工する第1の切削加工工程と、前記切削加工装置に装着され、前記第1のバイトよりも先端径の大きい第2のバイトで、前記回折面のうち前記第1の領域よりも凹凸パターンの密度の低い第2の領域を加工する第2の切削加工工程と、前記第1の切削加工工程と前記第2の切削加工工程との間に、前記回折面の加工に使用されるバイトを前記第1のバイトと前記第2のバイトとの間で交換するバイト交換工程とを含み、前記バイト交換工程では、交換後に行われる切削加工工程の加工開始時点におけるバイトの先端位置を、交換前に行われた切削加工工程の加工終了時点におけるバイトの先端位置に一致させることを特徴とする。
【0013】
本発明の回折光学素子成型用金型の切削加工方法は、凹凸パターンが非一様な密度で形成された成形面を有する回折光学素子成形用金型の前記成形面を切削加工する回折光学素子成形用金型の切削加工方法であって、切削加工装置に装着された第1のバイトで前記成形面の第1の領域を加工する第1の切削加工工程と、前記切削加工装置に装着され、前記第1のバイトよりも先端径の大きい第2のバイトで、前記成形面のうち前記第1の領域よりも凹凸パターンの密度の低い第2の領域を加工する第2の切削加工工程と、前記第1の切削加工工程と前記第2の切削加工工程との間に、前記成形面の加工に使用されるバイトを前記第1のバイトと前記第2のバイトとの間で交換するバイト交換工程とを含み、前記バイト交換工程では、交換後に行われる切削加工工程の加工開始時点におけるバイトの先端位置を、交換前に行われた切削加工工程の加工終了時点におけるバイトの先端位置に一致させることを特徴とする。
【0014】
なお、前記バイト交換工程では、交換前のバイトの先端位置と交換後のバイトの先端位置とのずれを検出するセンサの出力に基づいて、前記先端位置を一致させてもよい。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
[第1実施形態]
図1、図2、図3、図4、図5、図6を参照して本発明の第1実施形態について説明する。
【0016】
本実施形態では、凹凸パターンが非一様な密度で形成された回折面を有する回折光学素子の成形用の金型を作製する。
図1は、本実施形態の金型10を説明する図である。図1(a)は、本実施形態の金型10の完成形(断面図及び平面図)であり、図1(b)は、金型10の加工前のブランク材(金型原型)10’(断面図)である。
【0017】
本実施形態の金型10の成形面10cの理想形状は、図1(a)に示すように、凹凸パターンが非一様な密度で形成された回折面(以下、周辺ほど密に凹凸を形成したゾーンプレートの回折面とする。)の反転形状である。
金型原型10’は、図1(b)に示すように、母材10a上に切削加工可能な被加工層10bが形成されたものである。母材10aは例えばステンレス系の金属からなり、被加工層10bは例えば無電解メッキからなる。
【0018】
本実施形態では、金型原型10’の被加工層10bを切削加工することにより、金型10を作製する。
次に、この金型原型10’の切削加工を説明するに当たり、切削加工に使用するバイト先端と、加工面の形状との関係を説明する。
図2は、切削加工のバイトの先端径Rによる加工面の相違を説明する図である。
【0019】
図2(a)は、或る加工面の理想形状(断面)、図2(b)は、先端径Rの小さいバイトで切削加工された切削面の形状(断面)、図2(c)は先端径Rの大きいバイトで切削加工された切削面の形状(断面)である。なお、図示した加工面の切削加工時の切削運動は紙面表裏方向、送り運動は紙面左右方向であった。
図2(b)と図2(c)とを比較すると、先端径Rが小さいとき(図2(b))の方が全体的な形状誤差(図2(a)の理想形状からの乖離)を小さくできることが分かる。
【0020】
ここで、一般に、ゾーンプレートをはじめとする回折光学素子の回折面には、回折を生じさせるため急激に高さを変化させるべき段差部と、なるべく平滑であるべき平滑部とが必要である。したがって、本実施形態に係る金型10の成形面10c(図1(a)参照)においても、図2(a)に示すように、急激に高さを変化させるべき段差部Aと、なるべく平滑であるべき平滑部Bとが必要である。
【0021】
因みに、ゾーンプレートでは、段差部を十分に急峻にしないと回折光が適正に発生せず、また、平滑部を十分に平滑にしないと散乱光が生じてフレアの原因になる。
図2において、段差部Aに着目すると、バイト先端径Rが小さいとき(図2(b))の方が、先端径Rが大きいとき(図2(c))よりも急峻な段差を形成でき、その理想形状(図2(a)A)に近づけられることが分かる。
【0022】
しかし、平滑部Bに着目すると、バイト先端径Rが小さいとき(図2(b))よりも、先端径Rが大きいとき(図2(c))の方が、平滑に近くでき、理想形状(図2(a)B)に近づけられることが分かる。
これは、切削による工具きず(ツールマーク)の高さ(表面粗さ)が、バイトの先端径Rが大きいほど小さくなることに関係する。
【0023】
因みに、ツールマークの高さは、切削加工の送りピッチfに対し、f2/8Rで表される。
したがって、先端径Rの小さいバイトは段差部Aを加工するのに適し、先端径Rの大きいバイトは平滑部Bを加工するのに適していることが分かる。
次に、本実施形態の金型10の成形面10cの理想形状は、図1(a)に示したように、凹凸パターンが非一様な密度で形成され、その形成密度の比較的高い領域10c−2と比較的低い領域10c−1とに分けられる。
【0024】
このうち、形成密度の高い方の領域10c−2は、段差部A(図2参照)の占める割合が比較的多く、形成密度の低い方の領域10c−1は、平滑部B(図2参照)の占める割合が比較的多い。
【0025】
そこで、本実施形態の切削加工では、形成密度の高い領域10c−2については段差部Aの形状精度を優先させて比較的先端径Rの小さいバイトを使用し、形成密度の低い領域10c−1については平滑部Bの形状精度を優先させて比較的先端径Rの大きいバイトを使用する。
このようにすれば、形成密度の高い領域10c−2と低い領域01c−1とのそれぞれについて、平滑部Bと段差部Aとをバランスよくそれぞれの理想的形状に近づけることができる。
【0026】
図3は、本実施形態の切削加工に使用する切削加工装置の構成図である。図4は、切削加工装置のバイト周辺の様子を示す斜視図である。
以下、切削加工装置内に保持された金型原型10’の被加工面10c’の中心を原点とし、かつその被加工面10c’の法線方向にZ座標を配した円筒座標(Z,X,θ)を採用する(Zが高さ方向の座標、Xが径方向の座標、θが周方向の座標である。)。
【0027】
本実施形態の切削加工装置は、従来の切削加工装置(ゾーンプレートの切削加工、又はゾーンプレートの回折面を成形する金型の切削加工に使用されるもの、所謂超精密切削加工装置)と基本的に同じである。
すなわち、切削加工装置には、図3、図4に示すように、金型原型10’をZ軸の周りのθ方向に回転させるスピンドル15、スピンドル15の全体をZ方向に移動させる移動機構14z、使用中のバイト17の先端部が被加工面10c’に対し適正な角度を保つようそのバイト17を保持する保持部材19、保持部材19をX方向に移動させる移動機構14xが備えられる。
【0028】
なお、図4において、符号15bは金型原型10’を保持する保持部材、符号15aは、スピンドルロータである。
また、切削加工装置の内部又は外部には、移動機構14z内のモータMZ、移動機構14x内のモータMX、スピンドル15内のモータ(不図示)などの各部を駆動制御する回路からなる制御部12が備えられる。
【0029】
この切削加工装置では、切削運動は、スピンドル15のZ方向の移動及び金型原型10’のθ方向の回転により行われ、送り運動は、使用中のバイト17のX方向の移動により行われる。
なお、この切削加工装置は、回転対称形状の切削加工に用いられるため、X、Z方向への移動機構とθ方向への回転機構を備えたが、他の形状(線対称形状など)の切削加工に用いられるときには、その限りでない(例えば、互いに直交するX、Z、Y方向への移動機構などからなる)ことは言うまでもない。
【0030】
図5は、本実施形態で使用するバイトを説明する図である。
ここで、本実施形態では、1つの金型原型10’の加工に複数のバイト(以下、図5に示す2つのバイト17a、17bとする。)が使用される。
これらのバイト17a、17bの刃先部は、何れも、金型原型10’の被加工層10bを切削加工するのに適した材料(例えば、単結晶ダイヤモンド)からなるが、互いにその先端径が異なる。
【0031】
以下、バイト17aの先端径Ra、バイト17bの先端径Rbは、Ra>Rbの関係にあるとする。
ここで、切削加工時、送り運動によって、使用中のバイト17のX座標は変化し、切削運動によって、使用中のバイト17のZ座標は変化する。
従来は、被加工面10c’の切削加工中にバイトが交換されないので、切削加工開始後、使用中のバイト17の先端の座標(Z,X)は、制御部12により全て制御できた。
【0032】
しかし、本実施形態では、被加工面10c’の切削加工中にバイトが交換されるので、切削加工装置の各部をたとえ同じに設定したとしても、交換前後でバイト先端の位置がずれる可能性がある。
そこで、本実施形態の切削加工装置には、図3、図4に示すように、そのずれを検知するためのカメラ16が備えられる。
【0033】
カメラ16は、少なくとも、バイト17a装着時の先端とバイト17b装着時の先端とのX座標のずれを検出する。
例えば、カメラ16は、図4に示すごとく、使用中のバイト17(バイト17a又はバイト17b)の先端近傍の空間からX軸に垂直な方向にのばした直線上に配置され、その空間を視野が捉える。
【0034】
なお、カメラ16が固定されるのは使用中のバイト17の側(保持部材19の側)でも金型原型10’の側(スピンドル15の側)のどちらでもよいが、少なくとも、送り運動と切削運動により、その先端部がカメラ16の視野から外れることのないよう設置される。
なお、図4中、符号16bはカメラ16(後述)を保持する保持部材(アーム)である。
【0035】
また、カメラ16は、制御部12によって駆動制御され、制御部12は、モニタ13上にカメラ16の取得した画像を表示する。
因みに、使用中のバイト17の先端のZ座標については、カメラ16を使用しなくとも認識可能である。
例えば、スピンドル15内のモータと移動機構14z内のモータMZとを駆動し、徐々に金型原型10’を使用中のバイト17(バイト17a又はバイト17b)の先端に近づけていき、削りカスが発生し始めた時点におけるバイト17の先端のZ座標を、「0」とみなせばよい。
【0036】
図6は、本実施形態の切削加工方法を説明する図である。
図6中、点線は、被加工面10c’の切削加工後の形状(理想形状)である。上述したとおり、理想形状は、中心(X=0)から周縁(X=Xh)にかけて凹凸パターンが密になっている。
本実施形態では、被加工面10c’上の中心(X=0)側の範囲(X=0〜Xp)に対しては、先端径の大きいバイト17aを使用し、周縁側の範囲(X=Xp〜Xh)に対しては、先端径の小さいバイト17bを使用する。
【0037】
本実施形態の切削加工の具体的手順は、以下のとおりである(なお、ここでは、中心(X=0)から周縁(X=Xh)へ向かって切削加工する場合について説明する。)。
先ず、制御部12は、被加工面10c’の理想形状を示すデータを記憶している。
【0038】
また、保持部材19には、先端径の大きいバイト17aが保持され、そのバイト17aの先端が被加工面10c’の中心となるよう、移動機構14xが設定される。設定後のバイト17aの先端のX座標が「0」とみなされる。
また、金型原型10’とバイト17aの先端との間隔が十分に離れた状態から、スピンドル15内のモータと移動機構14z内のモータMZとが駆動され、徐々に金型原型10’がバイト17aに近づけられる。
【0039】
そして、削りカスの発生し始めた時点における、バイト17aの先端のZ座標が「0」とみなされる。
その後、モータMZ、MXの駆動量などから、バイト17aの先端の座標(Z,X)は、制御部12により認識される。
そして、制御部12は、X=Xpとなるまでその先端の座標(Z,X)を制御し、被加工面10c’のうち0<X<Xpの範囲が理想形状となるよう切削加工を施す。
【0040】
次に、切削加工装置の操作者は、バイト17aを保持部材19から取り外しバイト17bに付け換える。
そして、操作者は、この付け換えの際、モニタ13上に表示された画像から、付け換え前のバイト17aの先端のX座標(ここでは、Xp)と、付け換え後のバイト17bの先端のX座標とのずれを認識し、付け換え後のバイト17bの先端の座標をXpに一致させる。
【0041】
なお、一致させる際には、移動機構14xを駆動する必要があるが、その駆動は操作者が直接行っても、操作者が制御部12を介して行ってもよい。
さらに、金型原型10’とバイト17bの先端との間隔が十分に離れた状態から、スピンドル15内のモータとモータMZとが駆動され、徐々に金型原型10’がバイト17bに近づけられる。
【0042】
そして、削りカスの発生し始めた時点における、バイト17bの先端のZ座標が「0」とみなされる。
その後、モータMZ、MXの駆動量などから、バイト17bの先端の座標(Z、X)は、制御部12により認識される。
そして、制御部12は、X=Xhとなるまでその先端の座標(Z,X)を制御し、被加工面10c’のうちXp<X<Xhの範囲が理想形状となるよう切削加工を施す。
【0043】
この切削加工の結果、金型原型10’の被加工面10c’は、ゾーンプレートの回折面を転写するための成形面10c(図1(a)参照)になる(以上、本実施形態の切削加工の手順)。
以上、本実施形態の切削加工では、凹凸パターンの形成密度が高い領域については先端径の小さいバイト(バイト17b)、凹凸パターンの形成密度が低い領域については先端径の大きいバイト(バイト17a)を使用する。
【0044】
このように使い分ければ、完成した金型10(図1(a)参照)においては、凹凸パターンの形成密度の高い領域10c−2と低い領域01c−1とのそれぞれの平滑部Bと段差部Aとが(図2参照)バランスよく理想的形状に近づく。
なお、本実施形態の切削加工装置には、カメラ16が使用されたが、少なくとも、バイト17a、17bのそれぞれの装着時の先端のずれを検知できるのであれば、例えば、光センサなど、如何なるセンサが使用されてもよい。
【0045】
また、本実施形態の切削加工には、2種類のバイトが使用されているが、3種類以上のバイトを使用してもよい。
また、本実施形態の切削加工装置を、前記した操作者の動作の一部又は全部を自動化するよう構成してもよい。
[第2実施形態]
図7を参照して本発明の第2実施形態について説明する。
【0046】
本実施形態は、ゾーンプレートを作製するものである。本実施形態は、ゾーンプレートの回折面の成形に第1実施形態の金型10を用いる点に特徴がある。
図7は、ゾーンプレート作製の工程を説明する図である。
本実施形態のゾーンプレートの材料は、ガラス、樹脂、それらの組み合わせの何れでもよいが、以下では、ガラス製の光学層(ガラス基板)21上に樹脂製の光学層22が形成され、かつその光学層22の表面が回折面となった複合型ゾーンプレート20(図7(c))を代表して説明する。
【0047】
光学ガラスからなるガラス基板21を用意し、その上に、光学層22に使用すべき樹脂の未硬化物22’を滴下する。
第1実施形態の金型10を用意し、その成形面10cで未硬化物22’をガラス基板21の全体に押し広げる(図7(a))。
未硬化物22’の硬化用の光(又は熱)を照射して、未硬化物22’を硬化させて樹脂製の光学層22を形成する(図7(b))。
【0048】
金型10を分離して複合型ゾーンプレート20を完成させる(図7(c))。
このように完成した複合型ゾーンプレート20の回折面20aは、第1実施形態において切削加工された成形面10cの反転形状となり、凹凸パターンの形成密度の高い部分及び低い部分のそれぞれの平滑部と段差部とがバランスよく理想形状に近づく。したがって、複合型ゾーンプレート20の性能は高い。
【0049】
なお、本実施形態のゾーンプレートの構成は、ガラス基板21上に樹脂製の光学層22が形成されたものだが、上記手順の最後にガラス基板21を剥離すれば、樹脂のみから構成されたものとすることができる。
また、本実施形態の成形は、樹脂製の光学層22の表面を回折面20aに成形するもの(樹脂モールド法)であったが、それを応用してガラス製の光学層の表面を回折面に成形するもの(ガラスモールド法)とすることもできる。
【0050】
[その他]
なお、上記各実施形態は、作製すべき回折光学素子をゾーンプレートとしているが、回折面の凹凸パターンが非一様であるグレーティングとすることもできる。
なお、上記第1実施形態及び第2実施形態は、金型を使用して回折光学素子を作製するものであるが、回折光学素子の原型(基材)を第1実施形態の切削加工方法で直接切削加工してもよい。
【0051】
但し、使用するバイト先端の材料は、前記した材料(例えば、単結晶ダイヤモンド)に限らず、原型の材料に応じて適宜選択される。
その場合に作製された回折光学素子も、第1実施形態及び第2実施形態にて作製された回折光学素子と同様、良好な性能を示す。
また、上記第2実施形態では、透過型の回折光学素子を作製しているが、成形品の表面に金コートや銀コートなどの反射膜を成膜すれば、反射型の回折光学素子を作製することもできる。因みに、反射型の回折光学素子は、原型(基材)である樹脂やガラスの光学特性(透過率や屈折率、分散特性など)が不問となるため、使用できる材料の選択範囲が広いことで知られている。
【0052】
【実施例】
[第1実施例]
本発明の第1実施例(第1実施形態の具体例)について説明する。
図8は、本実施例を説明する図である。
本実施例では、樹脂性のゾーンプレートの成形用の金型を作製した。
【0053】
金型母材10aとしてステンレス系のスタバックスを用い、その上に被加工層10bとしてNi−P無電解メッキ層を設けた。これをブランク材(金型原型)10’とした。
被加工層10bの被加工面10c’の加工後(成形面)の理想形状は、ブレーズ型のゾーンプレートの回折面の反転形状とした。
【0054】
この回折面の格子深さhは16μm、格子の形成ピッチpは、中心から周辺にかけて3mm〜0.1mm、また、格子の本数は、全部で60本とした(図8は誇張してある。)。
第1実施形態の切削加工装置と、先端半径2μmのダイヤモンドバイト、及び先端半径8μmのダイヤモンドバイトの2種類とを用意した。
【0055】
この切削加工装置により、金型原型10’の被加工層10bの被加工面10c’を切削加工した。
この切削加工において、格子ピッチpが1mm以上の領域には、先端半径が8μmのダイヤモンドバイトを使用し、格子ピッチpが1mm以下の領域には、先端半径2μmのダイヤモンドバイトを使用した。
【0056】
完成した成形面10cの形状は、凹凸パターンの形成密度の低い中心部では、凹凸の平滑部が理想形状(滑らか)に近く、凹凸パターンの形成密度の高い周辺部では、凹凸の段差部が理想形状(急峻)に近かった。すなわち、凹凸パターンの形成密度の高い領域と低い領域とのそれぞれの平滑部と段差部とが、バランスよく理想的形状に近づいた。
【0057】
[第2実施例]
本発明の第2実施例(第2実施形態の具体例)について説明する。
図9は、本実施例を説明する図である。
本実施例では、第1実施例の金型10を用いた樹脂モールドにより、ガラス及び樹脂製の複合型ゾーンプレート20(図9(e)参照)を作製した。
【0058】
シランカップリング処理の施されたガラス製の光学層(ガラス基板)21上に、ウレタンアクリレート系紫外線硬化性樹脂22の未硬化物22’を滴下した(図9(a))。なお、ガラス基板21の直径は50mm、厚さは2mmであった。
ガラス基板21の天地を反転して未硬化物22’を垂らすと同時に、第1実施例の金型10の成形面10cを、ガラス基板21上の未硬化物22’に徐々に近づけ(図9(b))、ガラス基板21との間隔が所定の距離(本実施例では、金型10の成形面10cの格子の先端からガラス基板21の表面までが10μm)になった時点で固定した(図9(c))。
【0059】
この状態で、未硬化物22’は、気泡が入ることなく、ガラス基板21と金型10との間に充填されていた。
さらに、ガラス基板21の側から高圧水銀灯の光(紫外線である。)を照射して未硬化物22’を硬化させ、ガラス基板21上に樹脂製の光学層22を形成した(図9(d))。
【0060】
金型10を分離して、ガラス基板21及び光学層22からなる複合型ゾーンプレート20を完成させた(図9(e))。
この複合型ゾーンプレート20は、凹凸パターンの形成密度の高い部分及び低い部分のそれぞれがバランスよく機能し、したがって全体の光学的性能が高かった。
【0061】
なお、図9では、ガラス基板21の表面が平面となっているが、曲面(球面又は非球面)とすることもできる。
また、本実施例においてガラス基板21にシランカップリング処理を施さずに、最後にガラス基板21を分離すると、樹脂のみからなるゾーンプレートを作製することもできる。
【0062】
また、本実施例では、光学層22の材料に紫外線硬化性樹脂を使用したが、可視光硬化性樹脂などを用いることもできる。さらには、本実施例とは異なる成形方法(射出成形)などを適用することもできる。
[第3実施例]
本発明の第3実施例(第2実施形態の別の具体例)について説明する。
【0063】
図10は、本実施例を説明する図である。
本実施例では、第1実施形態の金型10を用いたガラスモールドにより、ガラス製のゾーンプレート40を作製した。以下、第2実施例との相違点を中心に説明する。
本実施例では、ガラスモールドの高温耐久性を考慮し、金型10の母材10a及び被加工層10bの材料は、第2実施例で使用した金型(第1実施例の金型)において、スタバックスの代わりにS45C(炭素鋼)を使用し、Ni−P無電解メッキに2%程度のW(タングステン)を含有させたものを使用した。被加工層10bの切削加工方法は、第1実施例と同じとした。
【0064】
なお、ガラスモールド法では、両面を同時成形するため、この金型10と同じ材料からなる裏面用金型41(下型)も用意した。下型41の成形面41aは、平面とした。
また、ガラス製のゾーンプレート40の原型であるガラス基材40’を用意した。このガラス基材40’には、表面40a’を平面に研磨した低融点ガラス(住田光学ガラス製P−SK60、直径60mm、厚さ5mm)を用いた。
【0065】
ガラス基材40’を下型41の上に載置し、上部に保持した金型10と共に窒素(N2)雰囲気中で最高420°まで加熱した(図10(a))。
加熱したまま窒素雰囲気中で、ガラス基材40’を下型41と金型10との間に挟み、30kgf/cm2で5分間加圧した(図10(b))。
加圧を止め、所定温度まで冷却した後離型し、完成したゾーンプレート40を取り出した(図10(c))。
【0066】
このように完成したガラス製のゾーンプレート40も、凹凸パターンの形成密度の高い部分及び低い部分のそれぞれがバランスよく機能し、したがって全体の光学的性能が高かった。
なお、ガラス基材40’の表面40a’形状は、平面に限らず、曲面(球面又は非球面)としてもよい。
【0067】
また、下型41の成形面41aを回折面の反転形状に加工しておけば、両面に回折面を有したゾーンプレートを作製することもできる。
【0068】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、凹凸パターンの形成密度が非一様であっても高い光学性能の得られる回折光学素子の切削加工方法、及び回折光学素子成形用金型の切削加工方法が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の金型を説明する図である。図1(a)は、本実施形態の金型の完成形(断面図及び平面図)であり、図1(b)は、金型の加工前のブランク材(金型原型)(断面図)である。
【図2】切削加工のバイトの先端径Rによる加工面の相違を説明する図である。
【図3】第1実施形態の切削加工に使用する切削加工装置の構成図である。
【図4】第1実施形態の切削加工装置のバイト周辺の様子を示す斜視図である。
【図5】第1実施形態で使用するバイトを説明する図である。
【図6】第1実施形態の切削加工方法を説明する図である。
【図7】ゾーンプレート作製の工程を説明する図である。
【図8】第1実施例を説明する図である。
【図9】第2実施例を説明する図である。
【図10】第3実施例を説明する図である。
【符号の説明】
10 金型
10’ 金型原型
10a 母材
10b 被加工層
10c,41a 成形面
10c’ 被加工面
A 段差部
B 平滑部
11 切削加工装置
12 制御部
13 モニタ
14x,14z 移動機構
MZ,MX モータ
15 スピンドル
15a スピンドルロータ
15b,19,16b 保持部材
16 カメラ
17 使用中のバイト
17a,17b バイト
20 複合型ゾーンプレート
21 ガラス基板
22 樹脂性の光学層
22’ 樹脂の未硬化物
20a 回折面
40 ガラス製のゾーンプレート
40’ ガラス基材
40a’ 表面
41 下型[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a diffractive optical element having a diffractive surface in which a concavo-convex pattern is formed with a non-uniform density, a diffractive optical element molding die for molding the diffractive surface, a diffractive optical element cutting method, and a diffractive optical element molding The present invention relates to a cutting method for a metal mold and a cutting apparatus.
[0002]
[Prior art]
Since the diffractive optical element has various functions such as a lens function, a branching / combining function, a light intensity distribution conversion function, a wavelength filter function, and a spectral function, it has been widely used in various optical systems.
For example, a zone plate as a lens and a grating (diffraction grating) as a spectroscopic element have been put into practical use for a long time.
[0003]
The concavo-convex pattern to be provided in the diffractive optical element is determined depending on the application and varies widely. For example, the concavo-convex pattern of the grating is a straight line arranged at the same pitch. In addition, the uneven pattern of the zone plate is concentric (annular) arranged at different pitches depending on the radial position.
[0004]
Each diffractive optical element is ideally designed so that incident light travels only in the intended direction and does not travel in any other direction.
However, in actuality, the light may travel in an unintended direction, flare may occur, the diffraction efficiency may decrease, and the effective light intensity may decrease.
Possible causes are (1) the wavelength of incident light is different from the design value, and (2) a shape error in the diffractive surface of the diffractive optical element. The cause (1) can be solved by combining a plurality of different diffractive optical elements. Various techniques have already been proposed for this.
[0005]
On the other hand, it is considered that the cause (2) can be solved by increasing the processing accuracy of the diffraction surface.
Here, for the processing of the diffractive surface, “cutting” in which the surface to be processed is traced with a tool having a sharp tip (so-called bite) is applied.
In order to increase productivity, molding with a mold is preferable to direct cutting, but in that case, the cutting is applied to the processing of the molding surface of the mold. The reversal shape of the molding surface is directly transferred to the diffraction surface.
[0006]
In order to increase the accuracy of this cutting process, the error of the relative movement between the bite and the workpiece is usually fed back to increase the movement accuracy, and the complexity of the diffractive surface to be formed (uneven pattern formation density) Accordingly, the diameter of the cutting tool tip should be reduced.
However, since the machined surface roughness increases when the diameter of the cutting tool tip is small, the normal feed is reduced. As a result, the tracing distance of the cutting edge becomes long, processing takes time, and the cutting edge wear also increases.When the formation density of the uneven pattern is sufficiently small, it is preferable to use a cutting tool having a tip diameter as large as possible. The
[0007]
Therefore, conventionally, a bit having a small tip diameter is used when the formation density of the concavo-convex pattern is high, and a bit having a large tip diameter is used when the formation density of the concavo-convex pattern is low, and the formation density of the concavo-convex pattern is not uniform like a zone plate. In this case, a cutting tool with a small tip diameter that fits the densest part is used.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, if a cutting tool with a small tip diameter is used when the uneven pattern formation density is non-uniform, not only will the processing time of the low formation density part be increased, but it will be required for that part. It has been found that there is a possibility of generating flare without obtaining a shape.
[0009]
Thus, if the optical performance of the portion with a low formation density of the concave / convex pattern cannot be obtained sufficiently, the overall performance of the diffractive optical element is deteriorated even if the optical performance of the portion with a high formation density is good. To do.
Therefore, the present invention can provide high optical performance even when the uneven pattern formation density is non-uniform.TimesFolding optical element cutting method,as well asCutting method of diffractive optical element molding dieTheThe purpose is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
[0012]
One aspect of the cutting method for a diffractive optical element of the present invention has a diffractive surface on which uneven patterns are formed with a non-uniform density.A method of cutting a diffractive optical element for cutting the diffractive surface of a diffractive optical element,A first cutting step of processing the first region of the diffractive surface with a first cutting tool mounted on the cutting processing device; and a tip diameter larger than that of the first cutting tool mounted on the cutting processing device. A second cutting step of processing a second region of the diffractive surface having a density of the uneven pattern lower than that of the first region by the second cutting tool; the first cutting step; and the second cutting step. A cutting tool, and a tool exchanging process for exchanging a tool used for processing the diffraction surface between the first tool and the second tool, and in the tool exchanging process, The tip position of the cutting tool at the start of machining in the cutting process performed after replacement is made to coincide with the tip position of the cutting tool at the end of machining in the cutting process performed before replacement.It is characterized by that.
[0013]
The method for cutting a diffractive optical element molding die according to the present invention has a molding surface on which uneven patterns are formed with a non-uniform density.A method of cutting a diffractive optical element molding die for cutting the molding surface of a diffractive optical element molding die,A first cutting step of processing the first region of the molding surface with a first cutting tool mounted on the cutting processing device; and a tip diameter larger than that of the first cutting tool mounted on the cutting processing device. A second cutting step of processing a second region of the molding surface having a density of the uneven pattern lower than that of the first region, a first cutting step and the second A cutting tool, and a tool exchanging process for exchanging a tool used for processing the molding surface between the first tool and the second tool. In the tool exchanging process, The tip position of the cutting tool at the start of machining in the cutting process performed after replacement is made to coincide with the tip position of the cutting tool at the end of machining in the cutting process performed before replacement.It is characterized by that.
[0014]
In the cutting tool exchanging step, the leading end position may be matched based on the output of a sensor that detects the deviation between the leading end position of the cutting tool before replacement and the leading end position of the cutting tool after replacement.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, 3, 4, 5, and 6.
[0016]
In the present embodiment, a mold for forming a diffractive optical element having a diffractive surface on which uneven patterns are formed with a non-uniform density is produced.
FIG. 1 is a diagram illustrating a
[0017]
As shown in FIG. 1A, the ideal shape of the
As shown in FIG. 1B, the mold master 10 'is obtained by forming a
[0018]
In the present embodiment, the
Next, in describing the cutting process of the mold master 10 ', the relationship between the tip of the cutting tool used for the cutting process and the shape of the processed surface will be described.
FIG. 2 is a diagram for explaining a difference in a processed surface depending on a tip diameter R of a cutting tool.
[0019]
2A is an ideal shape (cross section) of a certain machining surface, FIG. 2B is a shape (cross section) of a cutting surface cut with a cutting tool having a small tip diameter R, and FIG. It is the shape (cross section) of the cut surface cut by the cutting tool having a large tip diameter R. In addition, the cutting motion at the time of cutting the illustrated processing surface was the front and back direction of the paper surface, and the feeding motion was the left-right direction of the paper surface.
Comparing FIG. 2 (b) and FIG. 2 (c), when the tip diameter R is smaller (FIG. 2 (b)), the overall shape error (deviation from the ideal shape in FIG. 2 (a)). It can be seen that can be reduced.
[0020]
Here, in general, a diffractive surface of a diffractive optical element such as a zone plate needs a stepped portion whose height is to be suddenly changed and a smoothed portion which should be as smooth as possible in order to cause diffraction. Therefore, also on the
[0021]
Incidentally, in the zone plate, the diffracted light is not properly generated unless the stepped portion is sufficiently steep, and if the smooth portion is not sufficiently smoothed, scattered light is generated and causes flare.
In FIG. 2, when paying attention to the stepped portion A, a steep step can be formed when the tip end diameter R is smaller (FIG. 2B) than when the tip end diameter R is larger (FIG. 2C). It can be seen that it can be brought close to its ideal shape (FIG. 2A).
[0022]
However, paying attention to the smooth portion B, when the tip diameter R is larger (FIG. 2C) than when the bite tip diameter R is small (FIG. 2B), it can be closer to the smooth shape. It can be seen that it can be approximated to (FIG. 2 (a) B).
This is related to the fact that the height (surface roughness) of the tool flaw (tool mark) by cutting becomes smaller as the tip diameter R of the tool becomes larger.
[0023]
Incidentally, the height of the tool mark is f with respect to the feed pitch f of the cutting process.2/ 8R.
Therefore, it can be seen that a bit with a small tip diameter R is suitable for processing the stepped portion A, and a bit with a large tip diameter R is suitable for processing the smooth portion B.
Next, as shown in FIG. 1A, the ideal shape of the
[0024]
Among these, the
[0025]
Therefore, in the cutting process of the present embodiment, for the
In this way, the smoothed portion B and the stepped portion A can be brought close to their ideal shapes in a well-balanced manner for each of the high
[0026]
FIG. 3 is a configuration diagram of a cutting apparatus used for cutting according to the present embodiment. FIG. 4 is a perspective view showing a state around the cutting tool of the cutting apparatus.
Hereinafter, cylindrical coordinates (Z, X) in which the center of the
[0027]
The cutting apparatus according to the present embodiment is basically the same as a conventional cutting apparatus (the one used for cutting a zone plate or a mold for forming a diffractive surface of a zone plate, a so-called ultraprecision cutting apparatus). Are the same.
That is, in the cutting apparatus, as shown in FIGS. 3 and 4, the
[0028]
In FIG. 4,
Further, inside or outside of the cutting apparatus, a
[0029]
In this cutting apparatus, the cutting motion is performed by the movement of the
Since this cutting device is used for cutting a rotationally symmetric shape, it has a moving mechanism in the X and Z directions and a rotating mechanism in the θ direction, but other shapes (such as line symmetric shapes) are cut. Needless to say, it is not limited to this when used for processing (for example, it is composed of moving mechanisms in the X, Z, and Y directions orthogonal to each other).
[0030]
FIG. 5 is a diagram for explaining the bytes used in this embodiment.
Here, in this embodiment, a plurality of bytes (hereinafter referred to as two
The cutting edge portions of these
[0031]
Hereinafter, it is assumed that the tip diameter Ra of the
Here, at the time of cutting, the X coordinate of the
Conventionally, since the cutting tool is not exchanged during the cutting of the
[0032]
However, in this embodiment, since the cutting tool is exchanged during cutting of the
Therefore, as shown in FIGS. 3 and 4, the cutting apparatus according to the present embodiment is provided with a
[0033]
The
For example, as shown in FIG. 4, the
[0034]
The
In FIG. 4,
[0035]
The
Incidentally, the Z coordinate of the tip of the
For example, the motor in the
[0036]
FIG. 6 is a diagram illustrating the cutting method according to the present embodiment.
In FIG. 6, the dotted line is the shape (ideal shape) after the cutting of the
In the present embodiment, for the range (X = 0 to Xp) on the center (X = 0) side on the
[0037]
The specific procedure of the cutting process of the present embodiment is as follows (note that a case of cutting from the center (X = 0) to the peripheral edge (X = Xh) will be described here).
First, the
[0038]
Further, the holding
Further, from a state where the distance between the
[0039]
Then, the Z coordinate of the tip of the
Thereafter, the coordinates (Z, X) of the tip of the
Then, the
[0040]
Next, the operator of the cutting apparatus removes the
Then, at the time of the replacement, the operator uses the X coordinate (here, Xp) of the tip of the
[0041]
In order to match, it is necessary to drive the moving
Further, the motor in the
[0042]
Then, the Z coordinate of the tip of the
Thereafter, the coordinates (Z, X) of the tip of the
Then, the
[0043]
As a result of this cutting process, the
As described above, in the cutting process of the present embodiment, a cutting tool with a small tip diameter (cutting
[0044]
When properly used in this way, in the completed mold 10 (see FIG. 1A), the smoothed portion B and the stepped portion of each of the
Note that the
[0045]
Moreover, although two types of cutting tools are used in the cutting process of the present embodiment, three or more types of cutting tools may be used.
Moreover, you may comprise the cutting apparatus of this embodiment so that some or all of the operation | movement of an operator mentioned above may be automated.
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0046]
In the present embodiment, a zone plate is produced. The present embodiment is characterized in that the
FIG. 7 is a diagram illustrating a zone plate manufacturing process.
The zone plate material of the present embodiment may be glass, resin, or a combination thereof. In the following, a resin
[0047]
A
The
By irradiating light (or heat) for curing the
[0048]
The
The
[0049]
The zone plate of the present embodiment has a resin
In addition, the molding of the present embodiment is to mold the surface of the resin
[0050]
[Others]
In each of the above embodiments, the diffractive optical element to be manufactured is a zone plate, but a grating having a non-uniform concavo-convex pattern on the diffractive surface can also be used.
In the first embodiment and the second embodiment, a diffractive optical element is manufactured using a mold. The original pattern (base material) of the diffractive optical element is formed by the cutting method according to the first embodiment. Direct cutting may be performed.
[0051]
However, the material of the cutting tool tip to be used is not limited to the above-described material (for example, single crystal diamond) but is appropriately selected according to the original material.
The diffractive optical element fabricated in that case also exhibits good performance, similar to the diffractive optical element fabricated in the first and second embodiments.
In the second embodiment, a transmissive diffractive optical element is manufactured. However, if a reflective film such as a gold coat or a silver coat is formed on the surface of a molded product, a reflective diffractive optical element is manufactured. You can also By the way, the reflection type diffractive optical element does not matter the optical characteristics (transmittance, refractive index, dispersion characteristics, etc.) of the original resin (glass) or glass, so the range of materials that can be used is wide. Are known.
[0052]
【Example】
[First embodiment]
A first example (specific example of the first embodiment) of the present invention will be described.
FIG. 8 is a diagram for explaining the present embodiment.
In this example, a mold for molding a resinous zone plate was produced.
[0053]
A stainless steel Stabux was used as the
The ideal shape after processing (molding surface) of the
[0054]
The grating depth h of this diffraction surface is 16 μm, the grating formation pitch p is 3 mm to 0.1 mm from the center to the periphery, and the number of gratings is 60 in total (FIG. 8 is exaggerated). ).
A cutting apparatus according to the first embodiment, a diamond tool having a tip radius of 2 μm, and a diamond tool having a tip radius of 8 μm were prepared.
[0055]
With this cutting device, the
In this cutting process, a diamond cutting tool having a tip radius of 8 μm was used in a region where the lattice pitch p was 1 mm or more, and a diamond cutting tool having a tip radius of 2 μm was used in a region where the lattice pitch p was 1 mm or less.
[0056]
The shape of the completed
[0057]
[Second Embodiment]
A second example (specific example of the second embodiment) of the present invention will be described.
FIG. 9 is a diagram for explaining the present embodiment.
In this example, a
[0058]
On the glass optical layer (glass substrate) 21 subjected to the silane coupling treatment, an
The top and bottom of the
[0059]
In this state, the
Further, the
[0060]
The
In this
[0061]
In FIG. 9, the surface of the
In the present embodiment, if the
[0062]
In this embodiment, an ultraviolet curable resin is used as the material of the
[Third embodiment]
A third example (another specific example of the second embodiment) of the present invention will be described.
[0063]
FIG. 10 is a diagram for explaining the present embodiment.
In this example, a
In this embodiment, considering the high temperature durability of the glass mold, the material of the
[0064]
In the glass mold method, in order to form both surfaces simultaneously, a back surface mold 41 (lower mold) made of the same material as the
A
[0065]
The
In a nitrogen atmosphere with heating, the
The pressurization was stopped, the mold was cooled to a predetermined temperature, and then released, and the completed
[0066]
The
The shape of the surface 40a 'of the glass substrate 40' is not limited to a flat surface, and may be a curved surface (spherical surface or aspherical surface).
[0067]
Further, if the
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, high optical performance can be obtained even if the uneven pattern formation density is non-uniform.TimesFolding optical element cutting method,as well asCutting method of diffractive optical element molding dieButRealize.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a mold according to a first embodiment. FIG. 1A is a completed mold (cross-sectional view and plan view) of the mold according to the present embodiment, and FIG. 1B is a blank material (mold original mold) before the mold is processed (cross-sectional view). It is.
FIG. 2 is a diagram for explaining a difference in a processed surface depending on a tip diameter R of a cutting tool.
FIG. 3 is a configuration diagram of a cutting apparatus used for cutting according to the first embodiment.
FIG. 4 is a perspective view showing a state around the cutting tool of the cutting apparatus according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating bytes used in the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a cutting method according to the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a zone plate manufacturing process.
FIG. 8 is a diagram for explaining a first embodiment;
FIG. 9 is a diagram illustrating a second embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating a third embodiment.
[Explanation of symbols]
10 Mold
10 'mold prototype
10a Base material
10b Work layer
10c, 41a Molded surface
10c 'Work surface
A Stepped part
B Smoothing part
11 Cutting device
12 Control unit
13 Monitor
14x, 14z moving mechanism
MZ, MX motor
15 spindle
15a Spindle rotor
15b, 19, 16b Holding member
16 Camera
17 Bytes in use
17a, 17b bytes
20 Composite zone plate
21 Glass substrate
22 Resinous optical layer
22 'uncured resin
20a Diffraction surface
40 glass zone plate
40 'glass substrate
40a ’surface
41 Lower mold
Claims (2)
切削加工装置に装着された第1のバイトで前記回折面の第1の領域を加工する第1の切削加工工程と、
前記切削加工装置に装着され、前記第1のバイトよりも先端径の大きい第2のバイトで、前記回折面のうち前記第1の領域よりも凹凸パターンの密度の低い第2の領域を加工する第2の切削加工工程と、
前記第1の切削加工工程と前記第2の切削加工工程との間に、前記回折面の加工に使用されるバイトを前記第1のバイトと前記第2のバイトとの間で交換するバイト交換工程とを含み、
前記バイト交換工程では、
交換前のバイトの先端位置と交換後のバイトの先端位置とのずれを検出するセンサの出力に基づいて、交換後に行われる切削加工工程の加工開始時点におけるバイトの先端位置と、交換前に行われた切削加工工程の加工終了時点におけるバイトの先端位置とを一致させる
ことを特徴とする回折光学素子の切削加工方法。 A method for cutting a diffractive optical element, wherein the diffractive optical element has a diffractive surface having a concavo-convex pattern formed at a non-uniform density, and the diffractive optical element is cut.
A first cutting step of processing the first region of the diffractive surface with a first bite mounted on a cutting device;
A second area of the diffractive surface, which is mounted on the cutting device and has a tip diameter larger than that of the first area, is used to process a second area of the diffractive surface having a lower density of the concavo-convex pattern than the first area. A second cutting process;
A tool exchange for exchanging a tool used for processing the diffraction surface between the first tool and the second tool between the first cutting process and the second cutting process. Including a process,
In the byte exchange process,
Based on the output of the sensor that detects the deviation between the tip position of the tool before replacement and the tip position of the tool after replacement, the tip position of the tool at the start of machining in the cutting process performed after replacement and the cutting method of the diffractive optical element, characterized in that to match the bytes of the tip position in the machining end point of cracking cutting machining process.
切削加工装置に装着された第1のバイトで前記成形面の第1の領域を加工する第1の切削加工工程と、
前記切削加工装置に装着され、前記第1のバイトよりも先端径の大きい第2のバイトで、前記成形面のうち前記第1の領域よりも凹凸パターンの密度の低い第2の領域を加工する第2の切削加工工程と、
前記第1の切削加工工程と前記第2の切削加工工程との間に、前記成形面の加工に使用されるバイトを前記第1のバイトと前記第2のバイトとの間で交換するバイト交換工程とを含み、
前記バイト交換工程では、
交換前のバイトの先端位置と交換後のバイトの先端位置とのずれを検出するセンサの出力に基づいて、交換後に行われる切削加工工程の加工開始時点におけるバイトの先端位置と、交換前に行われた切削加工工程の加工終了時点におけるバイトの先端位置とを一致させる
ことを特徴とする回折光学素子成形用金型の切削加工方法。 A method for cutting a diffractive optical element molding die, which cuts the molding surface of a diffractive optical element molding die having a molding surface on which a concavo-convex pattern is formed with a non-uniform density,
A first cutting step of machining a first region of the molding surface with a first bite mounted on a cutting device;
The second region, which is mounted on the cutting device and has a tip diameter larger than that of the first bite, is used to machine a second region of the molding surface in which the density of the uneven pattern is lower than that of the first region. A second cutting process;
Byte exchange for exchanging a bit used for processing the molding surface between the first bit and the second bit between the first cutting step and the second cutting step. Including a process,
In the byte exchange process,
Based on the output of the sensor that detects the deviation between the tip position of the tool before replacement and the tip position of the tool after replacement, the tip position of the tool at the start of machining in the cutting process performed after replacement and the diffractive optical element molding die cutting methods, wherein the match we have a byte tip position in the processing end of the cutting process a.
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