JP5276866B2 - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、配光ムラ解消のための研削によって生じる凹凸の高い拡散性を維持しつつ透過光量をも向上させることができる光学素子の製造方法に関する。

近年、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おいて、観察視野を照射する光源装置に小型の光学素子が用いられている。この光学素子から出射される光を拡散させて照明の配光ムラを解消するために、光学素子の光学機能面に微細な凹凸部を形成するようにした技術が知られている。（例えば、特許文献１参照。）
また、そのような凹凸を形成する方法としては、例えば研削加工で凹凸を形成する方法などが知られている。（例えば、特許文献２参照。）
図６(a),(b) は、例えば内視鏡等の照明光学系における光源の光学素子の形状を２例示す図である。

図６(a) は光ファイバー１の射出光２を出射する出射口３に近接して配置されたレンズ４を示している。レンズ４は、光学機能面として、光ファイバー１から入射する射出光２を散乱させながら導入する凸状部５と、その散乱しながら入射した射出光２を照射光６として観察視野に照射する平面部７の二面を備えている。

また、図６(b) は、光ファイバー１の出射光２を出射する出射口３に近接して配置されたレンズ８を示している。レンズ８は、光学機能面として、光ファイバー１から入射する射出光２を散乱させながら導入する凸状部５と、の照明光２が入射する凸状部５と、その散乱しながら入射した射出光２を反射する内部反射面９と、反射した散乱光を照射光６として観察視野に照射する平面部１０の三面を備えている。

図７(a) は、図６(a) に示すレンズ４を拡大して示す図であり、図７(b) はレンズ４の凸状部５の図７(a) において破線丸ａで囲んで示す部分を拡大して示す図である。
図７(a) に示すレンズ４の凸状部５（図６(b) のレンズ８の凸状部５も同様）の凹凸は、図７(b) に示すように、大きな凹凸１１と、この大きな凹凸１１の表層に形成された微細な凹凸１２を有している。
特開２０００−１９３８９４号公報 特開２００１−１５０３２３号公報

ところで、上記のように研削された凹凸の面は光の拡散は得やすい（配光ムラが少ない）が、観察視野を照射するために一般に必要とされる１４から１５．５ルーメンの透過光量を確保しにくいという問題を有している。

一般に、このような光学系には、外部から光が入射する光学機能面の凹凸の粗さを細かくすると光量は向上するが拡散性が悪化し、逆に凹凸の粗さを粗くすると拡散性は向上するが光量は悪化するという、二者択一の中で選択困難な問題が存在している。

本発明は、 以上のような課題に鑑みてなされたものであって、配光ムラ解消のための研削によって生じる凹凸の高い拡散性を維持しつつ透過光量をも向上させることができる光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光学素子の製造方法は、光学素子の複数の機能面の中で光線を散乱させる機能を持つ粗面を加熱し、該粗面の大きな凹凸の表層の微細な凹凸を溶解して大きな凹凸のみからなる粗面とする、ことを特徴とする。

本発明によれば、粗面の大きな凹凸の表層の微細な凹凸を溶解して大きな凹凸からなる粗面とするので、研削によって生じる凹凸の高い拡散性を維持しつつ透過光量をも向上させることができる光学素子の製造方法を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１(a) は、第１の実施の形態における光学素子１５を拡大して示す図であり、図７(b) は光学素子１５の凸状部１６の図１(a) において破線丸ｂで囲んで示す部分を拡大して示す図である。

本例において、図１(a) に示す光学素子１５は、用途、大きさともに、図６(a) 及び図７(a) に示した従来のレンズ４と同様であるが、この光学素子１５の凸状部１６は、図１(b) に示すように、図６(b) に示したような粗面の大きな凹凸１１の表層の微細な凹凸１２が消えており、大きな凹凸１１のみからなる粗面となっている。

ここで、大きな凹凸１１は、形状誤差Ｐｖ（Peak to value）が１０μｍ以内の、つまり0.01μｍ〜10μｍの間で形成されている凹凸である。そして、小さな凹凸は、算術粗さＲａ（Reckoning asperity）が０．２９〜０．６μｍで形成されている凹凸である。

この光学素子１５を、図６(a) に示したレンズ４と同様に用いると、研削で形成された凹凸のうち消えずに残された大きな凹凸１１による入射光の拡散効果が維持されながら、その表層の微細な凹凸１２が消えて無くなっていることにより、透過光量が向上して、実験で測定してみると、およそ１６〜１８ルーメンの透過光量が得られることが判明した。

図２は、図１(a),(b) に示す光学素子１５の基本的作製方法を示す図である。図２に示すように、研削された直後の大きな凹凸１１と表層の微細な凹凸１２が凸状部１６に形成された光学素子１５は、凸状部１６を上にし、平面部１７を下にし、その平面部１７を治具１８に保持されている。

そして、凸状部１６に近接して、複数の熱源１９を内蔵する熱プレート２０が配置されている。この状態で、複数の熱源１９が発熱駆動され、これらを内蔵する熱プレート２０が加熱され、この加熱された熱が光学素子１５の表面に輻射されて、光学素子１５の凸状部１６が加熱される。

凸状部１６の粗面は、上記の加熱により、粗面の大きな凹凸１１の表層の微細な凹凸１２（図７(b) 参照）が溶解され、図１(a),(b) に示したように、大きな凹凸１１からなる粗面に修正される。
（第２の実施の形態）
ところで、図２に示した粗面の修正方法は、凸状部１６の中央部と周囲部とでは、熱プレート２０からの距離が異なり、中央部の方が周囲部よりも熱プレート２０に近いので中央部の方が先に大きな凹凸１１からなる粗面に修正されるから、中央部と周囲部では光の透過性が異なってくる。

これでも従来よりも入射光の拡散性を維持しながら透過性も向上するが、更に拡散性を維持しながら透過性も向上する粗面の修正方法がある。これについて、第２の実施の形態として以下に説明する。

図３は、第２の実施の形態における光学素子１５の粗面の修正方法を説明する図である。本例の粗面の修正方法では、図３に示すように、先ず、凸状部１６の粗面の形状に沿った形状で凸状部１６の粗面のみを覆う形状の面２１を有する型台２２を備える。

次に、型台２２の面２１に光学素子１５の凸状部１６の粗面を当接又は近接させて光学素子１５を型台２２上に、不図示の保持部材で保持する。光学素子１５の凸状部１６の粗面を型台２２の面２１に載置したときは、光学素子１５の凸状部１６の粗面を型台２２の面２１に当接する。

このように光学素材１５を台型２２の面２１に載置することにより、台型２２の面２１と光学素材１５の凸状部１６の粗面との距離を一定に保つ働きが生じるから、載置するほうが好ましい。

しかし、これに限ることなく、例えば不図示の保持部材により、型台２２の面２１からほぼ０．１ｍｍ離して光学素子１５を型台２２上に保持するようにしてもよい。
図３に示すように、型台２２の下面は、複数の熱源２３を内蔵する熱プレート２４上に接して配置される。これにより、複数の熱源２３が発熱駆動されて、これらを内蔵する熱プレート２４が加熱され、この熱は型台２２に伝達されて型台２２を加熱する。そして、この加熱された型台２２により光学素子１５の凸状部１６の粗面が加熱され、凸状部１６の粗面の大きな凹凸１１の表層の微細な凹凸１２が溶解され、図１(a),(b) に示したように、大きな凹凸１１のみからなる粗面に修正される。

本例においては、最も簡単な方法で、熱伝達源である台型２２とガラス素材からなる光学素子１５の距離を一定に保つことができ、熱伝導の悪いガラス素材の凸状部１６の粗面の深さ約４０μｍの表層部分だけを、均一に加熱し軟化させることができる。

また、この方法によれば、凸状部１６の粗面の内部まで溶融しないので、凸状部１６の粗面全体の形状および表層部の大きな凹凸１１を、形状誤差Ｐｖが１０μｍ以内となるように抑えて大きな凹凸の形状が崩れないように維持することができる。

このように大きな凹凸を残すことにより、入射光の拡散効果を損なうことなく、小さな凹凸を消し去ることにより光量の向上が可能となる。
尚、載置だけで上から加圧しなければ、凸状部１６の粗面の全体形状が変形することはないので問題はない。また、表層加熱であり、加熱期間も短時間であるので、この点でも凸状部１６の粗面の全体形状が変形することはない。
（第３の実施の形態）
ところで、上記のように光学素子１５の凸状部１６の粗面を型台２２の面２１に載置するだけであると、光学素子１５が倒れる可能性があるので、その外周をリングで抑えるようにするとよい。

この場合、リングは熱伝導の良い超硬合金とかＡｌＮで造るとよい。そうしないと、凸状部１６の粗面の表層部だけでなく、熱が光学素子１５の内部にこもって、光学素子１５の中まで溶けるおそれがある。

また、加熱と冷却を、時間的にあまり緩やかに行うと、素材全体が加熱されて、素材全体が軟化し、形状の維持が困難になるおそれがある。したがって、台型の温度の急速な変更で、素材全体の加熱を防止するようにする。

また、表層部の溶融に先立って他のヒータで光学素子１６全体を予備加熱することにより、光学素材１５の全体温度を安定させることができ、内部から表層部への不安定な冷却を防止できる。また、このヒータを温度調整することで、微妙な表層部の溶融深さの調整ができる。

以上のことを実現するには、光学素子１５を保持した型台２２を搬送して、少なくも３つの温調した成形粗面修正軸部に順次移動させ、台型２２の温度を予熱→加熱→冷却と急速に変化させる。これについて、第３の実施の形態として以下に説明する。

図４(a) は、第３の実施の形態における型台セットと光学素子を示す断面図であり、同図(b) は、粗面の修正を行う粗面修正部を模式的に示す図である。同図(a) に示す型台セット２５は、上面中央に粗面修正用凹部２６を形成されて下部周面に段差部を有する下型２７を備えている。

この下型２７の粗面修正用凹部２６も、図３に示した型台２２の面２１と同様に、光学素子１５の凸状部１６の粗面の形状に沿った形状で、粗面のみを覆う形状の面を有する凹部である。

そして、この粗面修正用凹部２６には、倒立した光学素子１５が、その凸状部１６の粗面を凹部に当接させて載置されている。
また、下型２７の下部周面の段差部には円筒状のスリーブ２８が係合して立設されている。このスリーブ２８の内側には、円環状のリング２９が配置されている。リング２９は、外周面をスリーブ２８の内壁に当接させ、下面を下型２７の上面に密着させ、内周面で光学素子１５を倒れないように支えている。

同図(b) に示す粗面修正部３０には、左から右へ工程順に３個の粗面修正軸部３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）が配置されている。第１軸となる粗面修正軸部３１ａは予熱工程用の軸部であり、第２軸となる粗面修正軸部３１ｂは粗面表層部を加熱溶融する加熱工程用の軸部であり、第３軸となる粗面修正軸部３１ｃは冷却工程用の軸部である。

各粗面修正軸部３１は、温調用温度のみ異なるだけで構成は同一である。すなわち、下部には、軸部装置本体の下フレーム３２に固設され、ヒータ３３を内蔵した固定熱プレート３４を備え、上部には、ヒータ３５を内蔵した可動熱プレート３６を備えている。可動熱プレート３６は、軸部装置本体の上フレーム３７に固設された不図示のシリンダ装置から上下に進退するピストン３８の下端部に固定されている。

図５は、粗面修正部３１の粗面修正工程を説明する図である。
先ず、図５に示すように、下型２７に光学素子１５を載置された常温の型台セット２５が、外部の不図示の搬送機構により、矢印ａのように搬送されて第１軸の予熱工程を行う粗面修正軸部３１ａに供給される。そして粗面修正軸部３１ａのピストン３８が下方に進出し、可動熱プレート３６が型台セット２５のスリーブ２８の上端部に当接するまで降下する。

上部の可動熱プレート３６からの輻射とスリーブ２８内の対流により、光学素子１５の平面部に熱が伝達され、光学素子１５の平面部側が予熱される。また、下部では固定熱プレート３４が型台セット２５の下型２７の下面に密着して熱を伝達して下型２９を加熱し、この下型２９の熱が光学素子１５の凸状部１６に伝達され、光学素子１５の凸状部１６側が予熱される。この予熱時間は２０秒である。

この予熱では、光学素子１５の素材を「オハラＳ−ＬＡＨ５８」とすると、その歪点は６６０℃であり、その歪点よりも１０℃低い「６６０℃−１０℃＝６５０℃」で予熱する。

下型２７の粗面修正用凹部２６よりも上に出ている光学素子１５の周面に当接するリング２９によって、光学素子１５は、その倒立状態が崩れないように支持されているとともに、リング２９が、前述したように熱伝導の良い材質で出来ていることから、熱が光学素子１５の内部にこもって、光学素子１５の内部が解けるというような不具合は起きない。

続いて、粗面修正軸部３１ａのピストン３８が上昇して可動熱プレート３６が型台セット２５のスリーブ２８から離隔して型台セット２５を開放する。開放された上記予熱された光学素子１５及びこれを載置した型台セット２５は、矢印ｂで示すように搬送されて、第２軸の加熱工程を行う粗面修正軸部３１ｂに供給される。

粗面修正軸部３１ｂのピストン３８が下方に進出し、可動熱プレート３６が型台セット２５のスリーブ２８の上端部に当接するまで降下する。
ここでも、上部の可動熱プレート３６からの輻射とスリーブ２８内の対流により、光学素子１５の平面部に熱が伝達され、光学素子１５の平面部側が加熱される。また、下部では固定熱プレート３４が型台セット２５の下型２７の下面に密着して熱を伝達して下型２９を加熱し、この下型２９の熱が光学素子１５の凸状部１６に伝達され、光学素子１５の凸状部１６側が加熱される。この加熱時間は１２０秒である。

このようにして粗面修正軸部３１ｂは予熱された光学素子１５の凸状部１６の粗面表層部を加熱して溶融する。この加熱では、光学素子１５の素材の軟化点を８０３℃とすると、その軟化点８０３℃よりも９７℃高い「８０３℃＋９７℃＝９００℃」で加熱する。

このように加熱しても、押圧や過熱がなければ、光学素子１５の形状が２μｍ以上大きく変形することはなく、算術粗さＲａが０．２９〜０．６μｍの小さな凹凸のみが溶融する。

次に、粗面修正軸部３１ｂのピストン３８が上昇して可動熱プレート３６が型台セット２５から離隔して型台セット２５を開放する。開放された上記加熱で粗面表層部の小さな凹凸が溶融した光学素子１５を載置した型台セット２５は、矢印ｃで示すように搬送されて、第３軸の冷却工程を行う粗面修正軸部３１ｃに供給される。

粗面修正軸部３１ｃのピストン３８が下方に進出し、可動熱プレート３６が型台セット２５のスリーブ２８の上端部に当接するまで降下する。
粗面修正軸部３１ｃの軸温度は、光学素子１５のガラス転移点を７３８℃として、そのガラス転移点７３８℃よりも２３８℃低い「７３８℃−２３８℃＝５００℃」である。この温度で、上記加熱で粗面表層部の小さな凹凸が溶融した光学素子１５が冷却される。この冷却時間は３０秒である。

続いて、粗面修正軸部３１ｃのピストン３８が上昇して可動熱プレート３６が型台セット２５から離隔して型台セット２５を開放する。開放された上記冷却された光学素子１５を載置した型台セット２５は、矢印ｄで示すように搬送されて、図示しない常温室に搬送されて、常温まで徐冷される。

こうして、出来た光学素子１５は、素材内部までの加熱を避け、全体の形状を２μｍ以上損なうことなく、すなわち凸状部１６の表層部の形状誤差Ｐｖ１０μｍ以内の大きな凹凸形状を損なうことなく、その大きな凹凸の表層の、Ｒａ０．２９μｍ〜０．６μｍの小さな凹凸のみが溶融によって消える。

このように、凸状部１６の表層部の小さな凹凸を低減又は消し去って照射素子としての配光ムラの発生を抑制するとともに、大きな凹凸を残して配光性能を確保し、表面の透過光量を向上させることが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。

(a) は第１の実施の形態における光学素子を拡大して示す図、(b) は光学素子の凸状部の(a) において破線丸ｂで囲んで示す部分を拡大して示す図である。 第１の実施の形態における光学素子の基本的作製方法を示す図である。 第２の実施の形態における光学素子の粗面の修正方法を説明する図である。 (a) は第３の実施の形態における型台セットと光学素子を示す断面図、(b) は粗面の修正を行う粗面修正部を模式的に示す図である。 第３の実施の形態における粗面修正部の粗面修正工程を説明する図である。 (a),(b) は従来の例えば内視鏡等の照明光学系における光源の光学素子の形状を２例示す図である。 (a) は図６(a) に示すレンズを拡大して示す図、(b) は(a) において破線丸ａで囲んで示す部分を拡大して示す図である。

符号の説明

１ 光ファイバー
２ 射出光
３ 出射口
４ レンズ
５ 凸状部
６ 照射光
７ 平面部
８ レンズ
９ 内部反射面
１０ 平面部
１１ レンズ
１２ 凸状部
１５ 光学素子
１６ 凸状部
１７ 平面部
１８ 治具
１９ 熱源
２０ 熱プレート
２１ 面
２２ 台型
２３ 熱源
２４ 熱プレート
２５ 型台セット
２６ 粗面修正用凹部
２７ 下型
２８ スリーブ
２９ リング
３０ 粗面修正部
３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ） 粗面修正軸部
３２ 軸部装置本体下フレーム
３３ ヒータ
３４ 固定熱プレート
３５ ヒータ
３６ 可動熱プレート
３７ 軸部装置本体上フレーム
３８ ピストン

Claims (1)

1. 光学素子の複数の機能面の中で光線を散乱させる機能を持つ粗面を加熱し、該粗面の大きな凹凸の表層の微細な凹凸を溶解して前記大きな凹凸のみからなる粗面とする工程であり、
   前記光学素子の外周をリングで抑えて前記光学素子を保持し、前記粗面の形状に沿った形状で前記粗面のみを覆う形状の面を有する型台の前記面に前記光学素子の前記粗面を前記面からほぼ０．１ｍｍ離して近接させて前記光学素子を前記型台上に保持する工程と、
   前記型台を加熱し、該型台を介して前記粗面を加熱する工程と、
   前記光学素子を保持した前記型台を搬送して、少なくも３つの温調した成形粗面修正軸部に順次移動させ、前記型台の温度を予熱→加熱→冷却と急速に変化させる工程と、
   を含む、
   ことを特徴とする光学素子の製造方法。