JP4700501B2 - 光学素子とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス、プラスチック等の光学素子素材に光学機能面が形成された光学素子の製造方法に関する。

近年、光源装置から観察視野を照射する光学素子として、例えばディスプレー装置のバックライトや内視鏡等の照明光学系に用いられ、光学機能面に微細な凹凸部を形成して、出射する光を拡散させ配光ムラを解消するようにした技術が知られている（特許文献１参照）。

この従来技術によれば、照明光学系を構成する光学素子の少なくとも１面に光拡散面としての微細凹凸部を形成することにより、光源装置からの光が微細凹凸部を通過する際に拡散されて、広い視野にわたって明るく、かつ光量ロスの少ない配光特性を得ることができるというものである。
特開２０００−１９３８９４号公報（第３頁、図１）

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、例えば光学機能面に形成された微細凸部が細かな柱状からなるときは、表面に付着した汚れを落とそうとして、光学機能面を拭き取るだけで、その微細凸部が折れてしまうおそれがある。また、接着剤を使用して微細凹凸部を接合しようとしても、その微細な凹凸部に接着剤が流れ込んでしまい、拡散面としての機能を果たさなくなる。更に、このような微細凹凸部を有する光学素子を、照明用として使用する場合には、接着剤が光源の熱によって溶けたり、或いは白濁してしまうという課題があった。

また、微細な凹凸部を持つ光学機能面の表面を滑らかにする目的で、表面に化学的処理を実施した場合は、ガラスが化学反応により酸化物を形成し、透過率が下がってしまうおそれがある。更に、化学的処理により、ガラスの成分が溶剤に溶け出すことにより、ガラス表面の組成が変化し、望んでいた光学特性が得られないおそれもある。

本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、光学機能面の表面内部に閉空間集合部を形成し、光の拡散作用を持たせた光学素子の製造方法を提供することにある。

本発明の光学素子の製造方法は、ガラス素材である光学素子素材の表面に粗加工による凹凸形状を施した後に加熱軟化し、
該加熱軟化後に、ガラス転移点以上の温度に加熱された成形型を、前記光学素子素材の粗加工を施した部分に接触させて加圧し、変形させて光学機能面を形成すると共に、変形に伴うガラスの流動により前記凹凸形状がふさがることで、該光学機能面の表面内部に、密閉された多数の気体の集合体からなる閉空間集合部が形成される、ことを特徴とする。

本発明によれば、光学機能面の表面内部に閉空間集合部を設けたため、たとえ光学機能面の表面を拭き取ったとしても閉空間集合部が破壊されるのを防止することができる。また、閉空間集合部を、接着剤により接合形成していないので、熱等により閉空間集合部の機能が消失するのを防止することができる。更に、閉空間集合部を形成するのに化学的処理を施していないため、光学素子素材の変質による透過率の低下を防止することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態により得られた光学素子の形状を示す図である。図２は、この光学素子の光学機能表面を研磨する前のAtomic Force Microscope（原子間力顕微鏡、以下「ＡＦＭ」という）による観察写真を示す図であり、図３は、光学機能表面を研磨した後のＡＦＭによる観察写真を示す図である。

図１において、光学素子１０は、光学機能面１０ａを有し、この光学機能面１０ａは凸球面に形成されている。この光学機能面１０ａの表面は鏡面で、後述する閉空間集合部１４は内部に形成されている。光学機能面１０ａの表面を機械的に研磨して表面を削り取っていくと滑らかな鏡面から閉空間集合部１４に達し、閉空間の上部が削られ、凹凸の集合部からなる表面に変わる。この事実により、閉空間集合部１４は、光学機能面１０ａ近傍の光学素子内部にあると言える。

そして、本実施の形態では、閉空間集合部１４は密閉された多数の気体の集合体からなり、この閉空間集合部１４が、光学機能面１０ａの表面から略２００ｎｍほど内部（下部）に形成されている。

すなわち、図２に示すように、光学機能面１０ａの表面は略平滑な鏡面に近い面となっている。これに対し、図３に示すように、この光学機能面１０ａを研磨すると、凹部が現れて例えばその凹部の最大幅は、幅の小さいもので０．２μｍ（図３のイ参照）から、幅の大きいもので１．５μｍ（図３のア参照）程度となっている。また、本実施の形態では、このような閉空間集合部１４が、光学機能面１０ａと略平行な断面を含む層の略全域に形成されている。但し、このような閉空間集合部１４を、光学機能面１０ａと略平行な断面を含む層の一部の領域に形成しても良い。

これにより、例えば光学機能面１０ａ側から入射した光は、閉空間集合部１４を通って光学機能面１０ａと反対側の面から出射する際、その出射光を拡散させて配光ムラを解消することができる。

次に、この光学素子１０の製造方法について説明する。
図４及び図５は、光学素子１０を得るための成形装置の断面図である。
この成形装置は、上下に対向配置された上型１６及び下型１８を有している。上型１６は、光学素子素材２０を成形するための機能面成形面１６ａが平坦な略円柱形状をなしている。この上型１６は、不図示の駆動手段により所定位置に固定されている。下型１８は、光学素子１０の凸面を成形すべく、その機能面成形面１８ａは凹面に加工されている。この機能面成形面１８ａは、凹面の中心軸を中心とする回転軸対称形状をなしている。

本実施の形態では、光学素子素材２０として市販のガラス素材を用いている。また、上型１６及び下型１８は、ともに素材として炭化タングステン（ＷＣ）を使用したが、炭化珪素（ＳｉＣ）などのセラミックスやステンレス鋼などの金属、又は焼結カーボン等であっても良い。また、上型１６及び下型１８の外表面は、ガラスとの融着防止や酸化防止のために被覆してあることが望ましい。

また、上型１６及び下型１８の外周にはヒータ２２が配置されている。このヒータ２２は、上型１６及び下型１８と光学素子素材２０とを加熱するための加熱手段であって、このヒータ２２により、これら上型１６、下型１８、光学素子素材２０を個別に加熱することができる。

成形に際しては、下型１８上に光学素子素材２０を載置し、ヒータ２２により加熱を開始する。この際、上型１６は、その機能面成形面１６ａを光学素子素材２０の近傍まで近づけるが、光学素子素材２０とは非接触状態で加熱する点に特徴を有している。

すなわち、光学素子素材２０の光学機能予定面２０ａの表面内部に気体を発泡させて閉空間集合部１４を形成するために、該光学素子素材２０をガラス屈伏点温度よりも１０℃以上で、かつ軟化点温度以下の範囲まで加熱する。次に、上型１６を下降させ、光学素子素材２０を加圧する。この加圧開始時に、下型１８は光学素子素材２０と略同じ温度に加熱され、上型１６は光学素子素材２０の温度よりも低い温度に加熱されている。

そして、光学素子素材２０は、ストークスの法則によりガラス内部から表面側への泡の移動速度および大きさが粘度の低いところほど大きいため、熱が一番多く移動するところ、すなわち、光学素子素材２０と部材（下型１８）とが接触しているところから温度が高くなり、粘度が下がるので、この接触点の表面内部に一番早く泡が発生する。この泡は、ガラス成分が分解したものからなる。

図６は、加熱開始後で加圧前の下型１８と接触していた光学素子素材２０の接触面を撮影した観察写真を示す図である。この図によれば、下型１８と接触していた光学素子素材２０の中心部付近に泡が発生して、この泡により表面内部に閉空間集合部１４が形成されているのが観察できる。本実施形態によれば、高温を維持したまま光学素子素材２０を加圧するに従い、光学素子素材２０の流動と下型１８との接触面が広がることにより、表面内部にて閉空間集合部１４の泡は全面に広がっていった。

図７は、光学素子素材２０を加圧した後の該素材の加圧面の観察写真を示す図で、微細な泡が全域に広がっている状態が観察できる。
本実施形態においては、上型１６を下降させて所望の肉厚まで光学素子素材２０を加圧した後に、該上型１６の下降を停止させて冷却を開始した。そして、所定の温度まで冷却した後、成形後の光学素子素材２０を取り出し、心取りをすることで、所望の光学素子１０を得ることができた。

しかして、通常、光学素子１０により集光された光は、光軸中心部が一番の光強度を持っている。そこで、光軸中心部の光強度を周辺と同じレベルにするためには、光軸中心部に閉空間集合部１４を設ければ良い。そのためには、予め上下型１６、１８の機能面成形面１６ａ、１８ａと近似した形状の光学素子素材２０を作成する。次に、その光学素子素材２０の光軸中心部を下型１８に接触させて加熱する。更に、その後、ガラス転移点温度よりも高い温度で、光学素子素材２０が変形可能な温度まで下型１８と光学素子素材２０との温度を降下させる。

次いで、上型１６を下降させて光学素子素材２０を加圧し、所望の光学面形状となるように素材を流動させる。すると、光学素子素材２０の流動が少なく、かつ内部に泡が発生するほどの温度ではないために、泡の発生を、ガラス内部でかつ光軸中心部付近のみに止めることができる。そして、光学素子素材２０を所望の肉厚まで加圧した後に、上型１６の下降を停止させ、冷却を開始する。このようにして、光軸中心の光量を周辺と同レベルに弱めた光学素子１０を得ることができる。

なお、この光学素子１０を表面側から照明光を入れて使用したところ、配光ムラが防止され良好な配光特性が得られた。また、光学機能面１０ａの表面を布で拭き取っても、内部の微細構造は崩れないために、光学特性に変化は見られなかった。

本実施形態によれば、光学素子１０の光学機能面１０ａの表面内部に閉空間集合部１４を設けたため、拭き取りにより該閉空間集合部１４が破壊したり、光学機能面１０ａの機能が消失したりすることがない。また、光学機能面１０ａに化学的処理等を施す必要がないため、ガラスが変質して透過率が低下するのも防止される。
（第２の実施の形態）
図８は、光学素子素材２０の形状を示す図である。この光学素子素材２０は、球面状の光学機能予定面２０ａに粗加工が施されている。本実施形態では、粒度＃８００番の砥石を用いて研削加工を施して球面を創生すると共に、光学機能予定面２０ａに粗加工を施した。但し、これに限ることなく、例えば球面状の光学機能予定面２０ａにレーザ加工、スパッタ加工等のエネルギーを使用して、表面を粗くしても良い。

図９は、前述した光学素子１０を得るための成形装置の断面図である。同図に示すように、光学素子１０を成形する際、本実施形態では、上型１６は光学素子素材２０上に載置したのみである。すなわち、光学素子素材２０を上型１６と下型１８の間に挟持し、次に、ヒータ２２により光学素子素材２０と上型１６及び下型１８の加熱を開始する。

この場合、光学素子素材２０は、ガラス転移点以上の温度で上型１６の重さにより変形する。そして、粗加工が施された光学機能予定面２０ａ（図８参照）は、変形に伴うガラスの流動により、粗雑な凹凸形状がふさがり、表面内部に微細な閉空間集合部１４が形成される。なお、光学機能予定面２０ａの粗加工の程度が粗すぎると、凹凸形状の大きさが不揃いになるので、光学機能予定面２０ａは細かい方が望ましい。

図１０は、粒度＃８００番の細かい砥石で研削して得られた光学素子素材２０の光学機能予定面２０ａの顕微鏡写真を示す図である。また、図１１は、粒度＃４００番の粗い砥石で研削して得られた光学素子素材２０の光学機能予定面２０ａの顕微鏡写真を示す図である。

このような２種類の光学素子素材２０を用いた場合、得られた光学素子１０は、図１０のものは、所望する光学性能が得られたが、図１１のものは、散乱が大きすぎて所望の光学性能が得られなかった。

本実施形態では、予め近似した形状の光学素子素材２０と上型１６及び下型１８を使用したが、これに限らず、例えば通常のガラス成形と同じように、ゴブや円柱体や球体の形をした光学素子素材２０の表面を粗く仕上げて成形しても良い。但し、この場合は、ガラス素材の変形が大きくなるために、ガラスの温度は、ガラス屈伏点温度以上にする必要がある。また、本実施形態では、上型１６の自重を利用して光学素子１０を成形したが、これに限らず、例えばシリンダ等で強制的に加圧しても良い。

更に、粗加工が施された光学機能予定面２０ａを加熱する場合は、レーザやガスバーナ等により光学機能予定面２０ａのみを加熱しても良いが、ガラス素材を流動させて閉空間集合部１４を形成する際に形状が変形するおそれがある。このため、好ましくは、加熱後、光学機能予定面２０ａを成形型で加圧して形状を作成するのが望ましい。

また、粗加工にて光学機能予定面２０ａを形成した後に、研磨用部材を使用し、粗加工面を滑らかにすることで、必要な部分のみを粗面として得ることもできる。
（変形例）
図１２及び図１３は、光学機能予定面２０ａに凹凸の粗面を形成した後、研磨装置２４にて部分的に加工を施す変形例を示す図である。本変形例では、研磨装置２４は、布からなる研磨部材２５と回転軸２６とを有し、この回転軸２６を回転させる構成となっている。

すなわち、図１２では、研磨部材２５の表面にダイヤモンドパウダーを塗布すると共に、光学素子素材２０の光軸中心に略一致するように回転軸２６を配置している。そして、この回転軸２６を回転させることで、光学機能予定面２０ａは、研磨部材２５が接触している部分のみが鏡面に仕上げられる。

また、図１３では、研磨部材２５の表面にダイヤモンドパウダーを塗布すると共に、光学素子素材２０の光軸中心よりも外側に回転軸２６を配置している。そして、この回転軸２６を回転させ、かつ光学素子素材２０も回転させることで、研磨部材２５が接触している部分のみが鏡面に仕上げられる。これにより、光学機能予定面２０ａにリング状の鏡面を形成することができる。

その後、光学機能予定面２０ａを上下型１６，１８とともに加熱するか、又は光学機能予定面２０ａのみを加熱することで、該光学機能予定面２０ａに、閉空間集合部１４を有する部分と、閉空間集合部１４のない部分とを形成することができる。

本変形例によれば、初めに光学機能予定面２０ａに凹凸の粗面を形成するので、前述した第１の実施形態よりも、閉空間集合部１４を構成する空間（泡）の大きさを揃えやすくすることができる。
（第３の実施の形態）
図１４は、本実施の形態の光学素子素材の形状を示す図であり、図１５は、２つの光学素子素材２０、２０'を接合して、１つの光学素子１１０を成形する場合の実施の形態を示す図である。本実施形態では、２つの光学素子素材２０、２０'の接合部に閉空間集合部１４が形成されている。なお、光学素子素材２０、２０'は、同一材質の素材から構成されている。

すなわち、本実施形態では、光学素子素材２０における球面状の光学機能予定面２０ａと反対面側に、平面状の粗加工面２８を形成している。そして、この粗加工面２８に他の光学素子素材２０'を接合したものである。また、他の光学素子素材２０'は円柱状をなし、その直径は光学素子素材２０の直径と略同一となっている。

本実施形態では、両者を接合する際、光学素子素材２０と他の光学素子素材２０'の温度がガラス屈伏点温度よりも１０℃高い温度で加圧を開始した。これにより、光学素子素材２０と他の光学素子素材２０'とは、加熱による素材の軟化と加圧とにより融着し、一体化される。

この一体化して得られた光学素子１１０は、接合部に、閉空間集合部１４が形成された層が形成される。本実施形態では、この層を形成するのに、接着剤等の接合部材を使用していないので、高出力の光源からの光を入力したとしても、接着剤等が溶出したり白濁したりすることがない。

本実施形態では、光学素子素材２０の粗加工面２８に他の光学素子素材２０'を接合して、閉空間集合部１４を有する層を形成した場合を例として説明したが、これに限らず、２つ又は３つ以上の層を接合しても本質的に変わりはない。また、本実施形態では、平面状の粗加工面２８を接合の境界面としたが、これに限らず、例えば球面や非球面などを境界面としても本質的な作用に変わりはない。
（第４の実施の形態）
図１６は、２つの光学素子素材２０、２０"を接合して、１つの光学素子１２０を成形する場合の実施の形態を示す図である。そして、２つの光学素子素材２０、２０"は、異なる材質の素材を用いている。

本実施形態において、光学素子素材２０として、第１の実施形態により得られた光学素子１０を用い、また、光学素子素材２０"として、光学素子素材２０よりもガラス屈伏点温度が低い素材からなる光学素子素材を用いる。本実施形態では、光学素子素材２０"の形状を、光学素子素材２０及び下型１８の機能面成形面１８ａと近似した形状に作成してあるが、必ずしもこの限りではなく、球体や円柱状の素材等を用いても良い。

本実施形態では、ヒータ２２により加熱を開始した後に、光学素子素材２０"がガラス屈伏点温度よりも１０℃高くなった時点で加圧を行う。すると、光学素子素材２０と光学素子素材２０"は融着して一体化する。

光学素子素材２０は、予め光学機能予定面２０ａの表面内部に微細な空間を有する閉空間集合部１４の層が形成されているので、この微細凹凸部に素材が流れ込むことがなく、よって良好な拡散面が得られる。なお、本実施形態では、色消しの効果を得るために、光学素子素材２０と光学素子素材２０"とを異なる素材にて成形したが、内部に閉空間集合部１４の層を有する光学素子１２０を得ることが目的であれば、同一素材であっても良い。

また、以上説明した各実施形態では、光学素子形状として平凸形状を使用したが、これに限らず、例えば、両凹形状、メニスカス形状、或いは平面形状など、光学素子の形状が変わったとしても、何ら技術思想の本質に差異はない。

本実施の形態により得られた光学素子の形状を示す図である。 光学機能表面を研磨する前の原子間力顕微鏡による観察写真を示す図である。 光学機能表面を研磨した後の原子間力顕微鏡による観察写真を示す図である 光学素子を得るための成形装置の断面図である 光学素子を得るための成形装置の断面図である 加熱開始後で加圧前の下型と接触していた光学素子素材の接触面を撮影した観察写真を示す図である。 光学素子素材を加圧した後の素材の加圧面の観察写真を示す図である。 光学素子素材の形状を示す図である。 光学素子を得るための成形装置の断面図である。 粒度＃８００番の細かい砥石で研削して得られた、光学素子素材の光学機能予定面の顕微鏡写真を示す図である。 粒度＃４００番の粗い砥石で研削して得られた、光学素子素材の光学機能予定面の顕微鏡写真を示す図である。 光学機能予定面に凹凸の粗面を形成した後、研磨装置にて部分的に加工を施す変形例を示す図である。 光学機能予定面に凹凸の粗面を形成した後、研磨装置にて部分的に加工を施す変形例を示す図である。 本実施の形態の光学素子素材の形状を示す図である。 同一素材の２つの光学素子素材を接合して、光学素子を成形する場合の実施の形態を示す図である。 異なる素材の２つの光学素子素材を接合して、光学素子を成形する場合の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１０ 光学素子
１０ａ 光学機能面
１４ 閉空間集合部
１６ 上型
１６ａ 機能面成形面
１８ 下型
１８ａ 機能面成形面
２０ 光学素子素材
２０ａ 光学機能予定面
２０' 光学素子素材
２０" 光学素子素材
２２ ヒータ
２４ 研磨装置
２８ 粗加工面
１１０ 光学素子
１２０ 光学素子

Claims (1)

1. ガラス素材である光学素子素材の表面に粗加工による凹凸形状を施した後に加熱軟化し、
   該加熱軟化後に、ガラス転移点以上の温度に加熱された成形型を、前記光学素子素材の粗加工を施した部分に接触させて加圧し、変形させて光学機能面を形成すると共に、変形に伴うガラスの流動により前記凹凸形状がふさがることで、該光学機能面の表面内部に、密閉された多数の気体の集合体からなる閉空間集合部が形成される、
   ことを特徴とする光学素子の製造方法。