JP4587172B2 - 回折光学素子、回折光学素子の製造方法、及び回折光学素子成形用金型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回折光学素子、回折光学素子の製造方法、及び回折光学素子成形用金型の製造方法に関するものである。

回折光学素子は、例えば、屈折型光学素子と逆の分散値を有すること、光学系がコンパクトになること等、レンズやプリズムのような屈折型の光学素子にはない特長を有することから、従来から光学機器等の光学系に多く用いられてきている。
従来において、このような回折光学素子、あるいは回折光学素子成形用金型の製造に際しては、ダイヤモンド工具等の切削工具を使用し、格子形状に倣って並進させながら回折面形状を切削加工する製造方法が知られている。
例えば、特許文献１では、刃先形状を微小な面取りを設けた切削工具を用い、格子形状に倣って切削加工する方法が提案されている。また、特許文献２では、刃先形状を微小なＲとした切削工具を用いて製造する方法が提案されている。

さらに、特許文献３では、ダイヤモンド工具における刃先の横切刃を切削すべき格子面に対し３０°以下になるように取り付け、表面形状の良好な回折格子面を切削加工し得る方法が提案されている。具体的には、切削すべき回折面と切削工具とを相対的に回転させると共に並進移動させながら回折面形状を製造するに際して、回折格子における回折機能を有する斜面の長さよりも短い長さの横切刃を用いて、この回折機能を有する斜面を切削するようにされている。その際、横切刃の長さ方向が上記切削すべき回折機能を有する斜面に対し３０°以下になるように取り付け、切削工具を上記斜面の低所から高所に向けて３０°以下の方向に相対的に移動させて切削加工する。
特開平１１−０１０４０１号公報 特開２００２−１８９１１４号公報 特開平１１−１９７９０２号公報

しかしながら、上記従来例の特許文献１と特許文献２では、切削工具の磨耗により回折面形状が正確に加工することができず、また、切削工具の刃先が面取りやＲ形状のため回折格子の底部形状及び格子高さを正確に加工できないという不具合が発生する。さらに、これらのものでは、回折機能を有する斜面部分の粗さが大きくなるという問題を有している。
これに対し、上記従来例の特許文献３のものでは、上記の課題を解決して回折格子面の切削加工を可能としているが、垂直面加工において光軸方向に切り込む際に、格子頂点にバリが発生するという不具合が生じる。すなわち、このバリに光が乱反射してフレアを発生させ、回折効率の低下を招く原因となる。また、このようなバリを有する回折光学素子成形用金型を用いて回折光学素子を製造した場合には、このバリが成形時にアンダーカットとなり、金型から回折光学素子の成形品を離型する際に、その妨げとなり正確な回折面形状を得ることができないこととなる。

本発明は、上記課題に鑑み、格子頂点にバリのない、所望の正確な回折格子形状を有する回折光学素子、回折光学素子の製造方法、及び回折光学素子成形用金型の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、つぎのように構成した回折光学素子、回折光学素子の製造方法、及び回折光学素子成形用金型の製造方法を提供するものである。
すなわち、本発明の回折光学素子は、表面に光軸を中心とする回転対称形状の、格子面及び垂直面を持つ回折格子を有する回折光学素子であって、
前記回折格子は、前記格子面と垂直面の間の格子頂点にバリ除去形状面を有し、前記バリ除去形状面は、光軸と垂直方向に１．０μｍ以下の幅で、前記格子面に対して１０°以下の角度をなす平面であることを特徴としている。
また、本発明の回折光学素子の製造方法は、表面に光軸を中心とする回転対称形状の、格子面及び垂直面を持つ回折格子を有する回折光学素子を切削工具を用いて切削加工する回折光学素子の製造方法であって、
格子面を加工した後、垂直面を荒加工し、
前記荒加工した後、前記格子面に対して１０°以下の角度をなすように前記切削工具を前記格子面側から垂直面側に移動して、格子頂点にバリ除去形状面を加工し、
前記バリ除去形状面を加工した後、前記垂直面を仕上げ面形状に加工することを特徴としている。
また、本発明の回折光学素子成形用金型の製造方法は、表面に光軸を中心とする回転対称形状の、格子面及び垂直面を持つ回折格子を有する回折光学素子の成形をする回折光学素子成形用金型を、切削工具を用いて切削加工する回折光学素子成形用金型の製造方法であって、
格子面を加工した後、垂直面を荒加工し、
前記荒加工した後、前記格子面に対して１０°以下の角度をなすように前記切削工具を前記格子面側から垂直面側に移動して、格子頂点にバリ除去形状面を加工し、
前記バリ除去形状面を加工した後、前記垂直面を仕上げ面形状に加工することを特徴としている。

本発明によれば、格子頂点にバリのない、所望の正確な回折格子形状を有する回折光学素子、回折光学素子の製造方法、及び回折光学素子成形用金型の製造方法を実現することができる。

つぎに、本発明の実施の形態における回折光学素子成形用金型の製造方法について説明する。
図４に本実施の形態に用いるＸＹＣの３軸ＮＣ制御加工機の構成を示す。
図４において、５は加工すべき金型、７は回転軸、８は切削工具、９はＸＹＣステージである。なお、このような加工機において、図４とは逆に切削工具８を回転軸７に取り付け、金型５をＸＹＣステージに取り付けるようにしてもよいが、本実施の形態では図４のように構成したもの用いた。その際、金型６を取り付けた加工機の回転軸７を毎分３０００回転で回転させると共に、ＸＹＣステージ９をプログラム制御により、毎分０．３ｍｍの速度で移動させ、図１に示す切削加工工程により格子面を加工した。
図１に示された１１〜１８の符号は上記切削加工における各工程（以下、これを工程１１〜工程１８という）を示すものであり、各工程に示された矢印位置まで工具刃先が移動される。本発明の実施の形態における回折光学素子の製造方法においては、これらの工程を経て、格子頂点にバリのない、所望の正確な回折格子形状を有する回折光学素子が切削加工される。

つぎに、この図１を用いて本実施の形態における格子面の切削加工の手順について説明する。
図１において、１はバリが除去された平面による格子頂点形状面（以下、これをバリ除去形状面という）、２及び４は回折格子における回折機能を有する斜面（以下、これを格子面という）、３は垂直面である。また、１０は切削工具８の刃先の横切刃である。
ここで、バリ除去形状は、格子面２と垂直面３との間の光軸と垂直方向の幅ｄと、バリ除去形状面と格子面とのなす角度αで定義する。
（１）まず、工程１１において、横切刃１０によって角度αが１０°以下の格子面２を加工しながら、格子面２を延長した線上における垂直面３から２μｍだけ離れた位置（工程１１の矢印で示された位置）まで、工具刃先を移動させる。
（２）つぎに、工程１２において、上記垂直面３から２μｍ離れた位置を平行に切り込みながら次の格子面４まで１μｍだけ残す位置まで荒加工形状を切削加工しながら、工具刃先を移動させる（工程１２の矢印で示された位置）。なお、ここでの荒加工においては次の格子面４まで１μｍだけ残すように加工したが、この距離は１μｍに限られるものではなく、５μｍ以下であればよい。
（３）つぎに、工程１３において、前記工程１２において移動させた位置から工程１２の切り込み開始点まで工具刃先を戻す。（工程１３の矢印で示された位置）。
（４）つぎに、工程１４において、上記工程１２の開始点からバリ除去形状面１を延長した直線上を格子面２側に１μｍだけ離れた位置まで、工具刃先を移動させる（工程１４の矢印で示された位置）。
（５）つぎに、工程１５において、上記工具刃先を移動させた格子面側から上記垂直面３側に、前記バリ除去形状面１を延長した直線上を進み、幅１．０μｍ以下のバリ除去形状１を加工し、垂直面３から１μｍだけ離れた位置まで切削しながら、工具刃先を移動させる（工程１５の矢印で示された位置）。
（６）つぎに、工程１６において、前記工程１５において切削した位置から格子頂点が切削される以前において本来あるべき点まで、工具刃先を移動させる（工程１６の矢印で示された位置）。
（７）つぎに、工程１７において、前記工程１６において工具刃先を移動させた位置から垂直面３の底部まで切り込みながら、前記工程１５で切削加工したバリ除去加工面１を経て、前記工程１２の垂直面の荒加工形状をさらに仕上面形状に切削加工しながら、つぎのの格子面４の加工開始位置まで、工具刃先を移動させる（工程１７の矢印で示された位置）。
（８）つぎに、工程１８において、前記工程１１と同様につぎの格子面４を切削加工し（工程１８の矢印で示された位置）、このような一連の工程を繰り返し、表面に光軸を中心とする回転対称形状の回折格子を有する回折光学素子成形用金型を製造する。
なお、以上では回折光学素子成形用金型の製造方法について説明したが、加工すべき回折光学素子の素材６に対して、工具８によって直接回折格子を切削加工して、回折光学素子を形成することができることは、説明するまでもないことである。

上記した本実施の形態の製造方法によれば、工具刃先の磨耗や欠けに影響なく、バリを確実に除去することができ、フレアの発生を抑制することができ、また、成形金型を製造した場合には金型の離型性の改善を図ることが可能となる。
また、本実施の形態の製造方法によれば、非光学有効部面積を最小限に抑えることができ、また、バリ除去加工方法は工具刃先にかかる負荷が少ないため工具の寿命を縮めることがない。
また、バリ除去加工面粗さは、格子面粗さと比べて２０％以下に抑えることができる。
また、積層型回折格子を構成するに際して、本実施の形態による回折格子を適用し、複数積層した回折格子の全てを、上記したバリの除去された同じ形状とすることで、設計値次数以外の回折光を低減させ、フレアの発生を抑制することが可能となる。
また、前記格子面の加工に際し、前記横切刃の長さ方向が前記格子面に対し３０°以下になるように取り付け、切削すべき回折面と切削工具とを相対的に回転させると共に並進移動させながら、前記格子面の低所から高所に向けて格子形状に沿って加工することで、工具刃先の磨耗に影響を受けない正確な格子面の加工が可能となる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
本実施例においては、図４に示す３軸ＮＣ制御加工機を用い、上記実施の形態の回折光学素子成形用金型の製造方法によって、回折光学素子成形用金型を製造した。その際、加工すべき金型６には、金型６の表面には加工層として無電解ニッケルメッキを施し、母材としてプラスチック金型用鋼材を用いた。
ここで、金型６を取り付けた加工機の回転軸７を毎分３０００回転で回転させると共に、ＸＹＣステージ９をプログラム制御により、毎分０．３ｍｍの速度で移動させ、上記実施の形態の回折光学素子成形用金型の製造方法で説明した工程１１〜工程１８の手順にしたがって、本実施例の金型と比較例の金型とを製造した。
図２に本実施例で製造した金型の格子頂点におけるバリ除去形状を、また、図３に比較例として製造した金型の格子頂点におけるバリ除去形状を示す。
その結果をつぎの表１に示す。

以上の表１から明らかなように、本実施例によればバリを確実に除去することが可能であり、本実施例のαが５．５°のときは、比較例のαが５５．０°の場合に比して、バリ除去面粗さ、非レンズ面幅、工具刃先の欠け、等において優れており、回折効率の劣化を比較例よりも小さくすることが可能となる。

本発明の実施の形態の回折光学素子成形用金型の製造方法における切削加工工程を説明する図。 本発明の実施例で製造した金型の格子頂点におけるバリ除去形状を示す図。 比較例として製造した金型の格子頂点におけるバリ除去形状を示す図。 本発明の実施の形態に用いるＸＹＣの３軸ＮＣ制御加工機の構成を示す。

符号の説明

１：バリ除去形状面
２：格子面
３：垂直面
４：格子面
１０：切削工具刃先の横切刃
１１〜１８：切削加工における各工程
ｄ：バリ除去形状における格子面２と垂直面３との間の幅
α：バリ除去形状面と格子面とのなす角度

Claims (5)

1. 表面に光軸を中心とする回転対称形状の、格子面及び垂直面を持つ回折格子を有する回折光学素子であって、
   前記回折格子は、前記格子面と垂直面の間の格子頂点にバリ除去形状面を有し、前記バリ除去形状面は、光軸と垂直方向に１．０μｍ以下の幅で、前記格子面に対して１０°以下の角度をなす平面であることを特徴とする回折光学素子。
2. 複数の回折光学素子を積層した回折光学素子において、前記複数の回折光学素子の各々が請求項１に記載の回折光学素子によって構成されていることを特徴とする回折光学素子。
3. 表面に光軸を中心とする回転対称形状の、格子面及び垂直面を持つ回折格子を有する回折光学素子を切削工具を用いて切削加工する回折光学素子の製造方法であって、
   格子面を加工した後、垂直面を荒加工し、
   前記荒加工した後、前記格子面に対して１０°以下の角度をなすように前記切削工具を前記格子面側から垂直面側に移動して、格子頂点にバリ除去形状面を加工し、
   前記バリ除去形状面を加工した後、前記垂直面を仕上げ面形状に加工することを特徴とする回折光学素子の製造方法。
4. 表面に光軸を中心とする回転対称形状の、格子面及び垂直面を持つ回折格子を有する回折光学素子の成形をする回折光学素子成形用金型を、切削工具を用いて切削加工する回折光学素子成形用金型の製造方法であって、
   格子面を加工した後、垂直面を荒加工し、
   前記荒加工した後、前記格子面に対して１０°以下の角度をなすように前記切削工具を前記格子面側から垂直面側に移動して、格子頂点にバリ除去形状面を加工し、
   前記バリ除去形状面を加工した後、前記垂直面を仕上げ面形状に加工することを特徴とする回折光学素子成形用金型の製造方法。
5. 前記回折光学素子成形用金型は、母材としてプラスチック金型用鋼材が用いられることを特徴とする請求項４に記載の回折光学素子成形用金型の製造方法。

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