JP5381706B2 - 光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、溶融ガラス滴を加圧成形して光学素子を製造する光学素子の製造方法に関し、より詳しくは、半導体レーザから出力される出力ビームの断面を円形に整形するためのビーム整形素子等の光学素子の製造方法に関する。
ＤＶＤ等の光情報記録媒体に情報を記録・再生するためのピックアップ装置には、一般に、光源として半導体レーザが用いられている。半導体レーザからの出力ビームは薄い活性層の端面から出射されるため、楕円形の断面を有するビームとなる。このような楕円形のビームを、ビーム整形素子を用いて円形のビームに整形した上で利用することにより、ビームの利用効率を高め、記録や再生の正確度を向上させることが可能となる。特に、青色半導体レーザは出力ビームの強度が不足しがちであることから、青色半導体レーザを光源として用いるピックアップ装置においてはかかるビーム整形素子の重要性が特に高く、注目されている。
半導体レーザから出力される出力ビームの断面を円形に整形するための光学素子であるビーム整形素子として、例えば、ビーム断面の短軸方向に対応する方向のみに曲率を有するシリンドリカル面を備えたビーム整形素子（レンズ）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
また、ビーム整形素子のような光学素子の製造方法としては、成形金型による加圧成形によって製造する方法が知られている。特に、成形金型に溶融ガラス滴を供給し、これを成形金型で加圧成形することによって、溶融ガラス滴から光学素子を直接製造する方法は、原理的に非常に高い製造効率が期待できることから注目され、検討が進められている（例えば、特許文献２、３を参照）。
一般にこのようなビーム整形素子は、光学系への組み込みの際、光源等に対する高い位置決め精度が要求される。そのため、特許文献２では、四角穴付き部材の四角穴中で成形することで、光学素子の側面に側面成形面を形成し、これを組み込みの際の位置決め基準面として用いる方法が提案されている。また、特許文献３では、成形金型のうち、側面成形面を転写するための部材の温度を高くすることによって成形の際の割れ、欠け等を防止し、位置決め基準面を有する光学素子を安定して製造する方法が提案されている。
特開２００２−２０８１５９号公報
特開２００６−２９０６９２号公報
特開２００４−３３９０３９号公報
しかしながら、側面成形面を有する光学素子を溶融ガラス滴から直接製造する方法においては、上下の成形面について高い形状精度を得ることが非常に困難である。溶融ガラス滴の温度は、成形金型の温度よりも高いため、溶融ガラス滴が成形金型に供給されると、成形金型との接触面からの放熱によって急速に冷却される。そのため、溶融ガラス滴の側面が成形金型と接触すると、側面から急速に冷却が進み、溶融ガラス滴の周辺部と中央部とに大きな温度差が生じてしまう。
加圧成形によって高い形状精度の成形面を得るためには、ガラスが十分に冷却、固化するまで所定の圧力で加圧を続ける必要がある。しかし、上記のような温度差が存在すると、周辺部と中央部とで固化するタイミングがずれ、周辺部が先に固化してしまう。中央部は、周辺部が固化した後も収縮を続けるが、周辺部に阻害されて中央部に十分な圧力を加えることができず、形状精度が悪化してしまうのである。
上記特許文献３に記載されているように、側面成形面を転写するための部材の温度を高くすることで周辺部と中央部の温度差をある程度緩和することができる。しかし、ビーム整形素子等の光学素子、中でも青色半導体レーザに用いるビーム整形素子には非常に高い形状精度が要求されており、特許文献３に記載された方法のみでは十分対応することができず、大きな問題となっていた。
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、側面成形面を有するビーム整形素子等の光学素子を、溶融ガラス滴を加圧成形することによって高効率、且つ高精度に製造することができる光学素子の製造方法を提供することである。
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。
１． 上成形面、下成形面及び側面成形面を有する光学素子の、上成形面を形成するための上型と、下成形面を形成するための下型と、側面成形面を形成するための側面型とを有する成形金型を用いて溶融ガラス滴を加圧成形することにより光学素子を製造する光学素子の製造方法において、
前記下型に、前記成形金型よりも温度が高い所定体積の前記溶融ガラス滴を供給する供給工程と、
前記溶融ガラス滴が前記下型に供給された後、前記成形金型で前記溶融ガラス滴を加圧成形して、前記上成形面と前記側面成形面との間に、前記成形金型と接触せずに固化する自由面を形成する加圧工程とを有し、
前記所定体積は、前記上成形面と前記側面成形面とを延長した場合における延長した上成形面、延長した側面成形面、及び、下成形面によって構成される空間の体積の０．８倍以上、０．９７倍以下であることを特徴とする光学素子の製造方法。
前記下型に、前記成形金型よりも温度が高い所定体積の前記溶融ガラス滴を供給する供給工程と、
前記溶融ガラス滴が前記下型に供給された後、前記成形金型で前記溶融ガラス滴を加圧成形して、前記上成形面と前記側面成形面との間に、前記成形金型と接触せずに固化する自由面を形成する加圧工程とを有し、
前記所定体積は、前記上成形面と前記側面成形面とを延長した場合における延長した上成形面、延長した側面成形面、及び、下成形面によって構成される空間の体積の０．８倍以上、０．９７倍以下であることを特徴とする光学素子の製造方法。
２． 前記光学素子は、前記上成形面及び前記下成形面に光学面を含むことを特徴とする前記１に記載の光学素子の製造方法。
３． 前記側面成形面は、前記光学素子を光学系に組み込む際の位置決め基準面として用いられる面であることを特徴とする前記１に記載の光学素子の製造方法。
４． 前記側面成形面は、互いに略垂直な２つの平面を含むことを特徴とする前記３に記載の光学素子の製造方法。
５． 前記光学素子は、半導体レーザから出力される出力ビームの断面を円形に整形するためのビーム整形素子であることを特徴とする前記２に記載の光学素子の製造方法。
６． 前記上成形面及び前記下成形面の少なくとも一方は、シリンドリカル面又はトロイダル面からなる光学面を有することを特徴とする前記５に記載の光学素子の製造方法。
７． 溶融ガラス滴を成形金型で加圧成形して製造された光学素子において、
前記成形金型と接触して形成された、上成形面、下成形面及び側面成形面と、
前記上成形面と前記側面成形面との間に有り、前記成形金型と接触せずに形成された自由面とを有し、
前記光学素子の体積は、前記上成形面と前記側面成形面とを延長した場合における延長した上成形面、延長した側面成形面、及び、下成形面によって構成される空間の体積の０．８倍以上、０．９７倍以下であることを特徴とする光学素子。
前記成形金型と接触して形成された、上成形面、下成形面及び側面成形面と、
前記上成形面と前記側面成形面との間に有り、前記成形金型と接触せずに形成された自由面とを有し、
前記光学素子の体積は、前記上成形面と前記側面成形面とを延長した場合における延長した上成形面、延長した側面成形面、及び、下成形面によって構成される空間の体積の０．８倍以上、０．９７倍以下であることを特徴とする光学素子。
本発明によれば、成形金型に所定体積の溶融ガラス滴を供給し、自由面が形成されるように加圧成形するため、溶融ガラス滴の周辺部と中央部に生じる温度差を抑制することができ、上成形面が固化するまで十分に加圧することができる。そのため、側面成形面を有するビーム整形素子等の光学素子を高効率、且つ高精度に製造することができる。
１０、１０ｂ ビーム整形素子（光学素子）
１１、２１ 上成形面
１２、２２ 下成形面
１３、２３ 側面成形面
１４、１４ｂ、２４ 自由面
２０ 光学素子
３０ 成形金型
３１ 上型
３２ 下型
３３ 側面型
４４、４７ 溶融ガラス滴
１１０、２１０ 延長した上成形面
１３１、１３２、１３３、１３４、２３０ 延長した側面成形面
１１、２１ 上成形面
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１３、２３ 側面成形面
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３０ 成形金型
３１ 上型
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３３ 側面型
４４、４７ 溶融ガラス滴
１１０、２１０ 延長した上成形面
１３１、１３２、１３３、１３４、２３０ 延長した側面成形面
以下、本発明の実施の形態について図１〜図９を参照しながら詳細に説明する。
（光学素子）
本発明は、半導体レーザから出力される出力ビームの断面を円形に整形するためのビーム整形素子の製造に好適に用いられる。中でも、上成形面及び下成形面の少なくとも一方に、シリンドリカル面又はトロイダル面からなる光学面を有するビーム整形素子の製造に特に好適である。しかし、本発明が対象とする光学素子はこれに限定されるものではなく、上成形面、下成形面及び側面成形面を有する各種の光学素子が含まれる。
本発明は、半導体レーザから出力される出力ビームの断面を円形に整形するためのビーム整形素子の製造に好適に用いられる。中でも、上成形面及び下成形面の少なくとも一方に、シリンドリカル面又はトロイダル面からなる光学面を有するビーム整形素子の製造に特に好適である。しかし、本発明が対象とする光学素子はこれに限定されるものではなく、上成形面、下成形面及び側面成形面を有する各種の光学素子が含まれる。
ここで、シリンドリカル面（円筒面）とは、光軸に垂直な面内における所定方向（以下、母線方向ともいう。）には曲率を有さず、それに垂直な方向（以下、子線方向ともいう。）のみに曲率を有する面をいう。母線方向に垂直な断面形状が円弧状の場合はもちろん、非円弧成分を有するものであってもよい。また、トロイダル面とは、シリンドリカル面を母線方向に湾曲させた面であり、母線方向と子線方向とで異なる曲率を有する面をいう。
図１は本発明の光学素子の１例であるビーム整形素子１０を示す図である。ビーム整形素子１０は、上成形面１１と下成形面１２とを有している。上成形面１１は、溶融ガラス滴を加圧成形する際に上型によって形成された面であり、光学面１１ｃ（面ＡＢＣＤ）と、その外側の平面部１１ｐを有している。また、下成形面１２は、下型によって形成された面であり、光学面１２ｃ（面ＥＦＧＨ）と、その外側の平面部１２ｐとを有している。
光学面１１ｃはシリンドリカル面であり、光軸（図１のｚ方向）に垂直な面内における所定方向（図１のｙ方向）には曲率を有さず、それに垂直な方向（図１のｘ方向。）のみに曲率を有している。光学面１２ｃも同様のシリンドリカル面である。光学面１１ｃと光学面１２ｃの母線方向は互いに平行となっている。
ビーム整形素子１０は、対向する２つの光学面１１ｃ、１２ｃがいずれもシリンドリカル面であるが、これに限られるものではない。例えば、一方の光学面がシリンドリカル面で他方の光学面が平面又は球面のビーム整形素子や、一方の光学面がシリンドリカル面で他方の光学面がトロイダル面であるビーム整形素子等にも適用することができる。
また、ビーム整形素子１０は、４つの側面成形面１３を有している。一般にビーム整形素子等の光学素子は、光学系に組み込む際、光源等に対する高い位置決め精度が要求される。ビーム整形素子１０の有する側面成形面１３は、側面型によって形成された面であることから、多数のビーム整形素子１０を製造する場合においても光学面からの距離のばらつきを非常に小さくすることができる。そのため、いずれかの側面成形面１３を、ビーム整形素子１０を光学系に組み込む際の位置決め基準面として用いることで、高精度な組み込みが可能となる。
特に、ビーム整形素子１０の側面成形面１３は、互いに略垂直な２つの平面を含んでいる。この２つの平面を位置決め基準面として用いることで、互いに垂直な２つの方向（例えば、ｘ方向とｙ方向）について高精度な位置決めを行うことができる。ここで、２つの平面は、互いに垂直な２つの方向についての位置決め基準面として用いることができればよく、２つの平面が完全に垂直である必要はない。
また、ビーム整形素子１０は、上成形面１１と側面成形面１３との間に、４つの自由面１４を有している。自由面１４は、上成形面１１や側面成形面１３等と異なり、成形金型と接触せずに固化して形成された面である。後述するように、自由面１４は、下型に所定体積の溶融ガラス滴を供給した後、所定時間待機してから溶融ガラス滴を加圧成形することによって形成される。
図２は、ビーム整形素子の変形例を示す図である。図２に示すビーム整形素子１０ｂは、上成形面１１と側面成形面１３との間に、上成形面１１を取り囲むように自由面１４ｂが形成されている。このように、本発明においては、ビーム整形素子１０のように、上成形面１１のコーナー部分に複数の自由面１４を有していてもよいし、ビーム整形素子１０ｂのように上成形面１１を取り囲むような自由面１４ｂを有していてもよい。
ビーム整形素子１０の体積（下型に供給する溶融ガラス滴の体積）は、上成形面１１と側面成形面１３とを延長した場合における延長した上成形面、延長した側面成形面、及び、下成形面によって構成される空間（以下、「最充填空間」ともいう。）の体積の０．８倍以上、０．９７倍以下である。
図３は、ビーム整形素子１０の最充填空間を説明するための模式図である。最充填空間１００は、延長した上成形面１１０、延長した側面成形面１３１、１３２、１３３、１３４、及び下成形面１２によって構成される。
ビーム整形素子１０の体積が最充填空間１００の体積の０．９７倍よりも大きいと、成形金型と接触する溶融ガラス滴の側面からの冷却が急速に進むため、溶融ガラス滴の周辺部と中央部とに大きな温度差が生じ、高精度な成形面（上成形面１１、下成形面１２）を得ることが困難となる。この場合、上成形面１１を高精度に形成することが特に困難である。また、ビーム整形素子１０の体積が最充填空間１００の体積の０．８倍よりも小さいと、必要な厚みを得るためには加圧前に長時間待機する必要があり、溶融ガラス滴の温度が低下しすぎて、かえって成形面の精度が悪化してしまう。このように、ビーム整形素子１０の体積を、最充填空間１００の体積の０．８倍以上、０．９７倍以下とすることで、位置決めのための側面成形面と、高精度な成形面とを有する光学素子を製造することができる。特に、０．８５倍以上、０．９５倍以下とすることが好ましい。
図４は、本発明の光学素子の別の例である光学素子２０を示す図である。光学素子２０は、上成形面２１と下成形面２２とを有している。上成形面２１は、上型によって形成された面であり、凸の球面である光学面２１ｃと、その外側の平面部２１ｐを有している。また、下成形面２２は、下型によって形成された面であり、平面からなる。
光学素子２０は、円筒状の側面成形面２３を有している。側面成形面２３は、側面型と接触することによって形成された面であり、光学素子２０を光学系に組み込む際の位置決め基準面として用いることで、高精度な組み込みが可能となる。このように、本発明において、側面成形面２３の形状に特に制限はなく、ビーム整形素子１０の側面成形面１３のように平面であってもいいし、光学素子２０の側面成形面２３のように円筒状の面であってもよい。
また、光学素子２０は、上成形面２１と側面成形面２３との間に、成形金型と接触せずに形成された自由面２４を有している。光学素子２０の自由面２４は、上成形面２１の周囲を取り囲むように形成されている。
図５は、光学素子２０の最充填空間を説明するための模式図である。最充填空間２００は、光学素子２０の上成形面２１と側面成形面２３とを延長した場合における延長した上成形面２１０、延長した側面成形面２３０、及び、下成形面２２によって構成される。
光学素子２０の体積（下型に供給された溶融ガラス滴の体積）は、最充填空間２００の体積の０．８倍以上、０．９７倍以下である。ビーム整形素子１０の場合と同様、光学素子２０の体積をこのような範囲とすることで、高精度な成形面（上成形面２１、下成形面２２）を形成することができる。
（光学素子の製造方法）
本発明の光学素子の製造方法は、下型に所定体積の溶融ガラス滴を供給する供給工程と、溶融ガラス滴が下型に供給された後、所定時間待機してから成形金型で溶融ガラス滴を加圧成形する加圧工程とを有する。溶融ガラス滴から光学素子を直接製造する方法であるため、非常に効率よく光学素子を製造することが可能である。
本発明の光学素子の製造方法は、下型に所定体積の溶融ガラス滴を供給する供給工程と、溶融ガラス滴が下型に供給された後、所定時間待機してから成形金型で溶融ガラス滴を加圧成形する加圧工程とを有する。溶融ガラス滴から光学素子を直接製造する方法であるため、非常に効率よく光学素子を製造することが可能である。
（成形金型）
図６はビーム整形素子１０を成形するための成形金型の一例を示す断面図である。図６に示す成形金型３０は、ビーム整形素子１０の上成形面１１を形成するための上型３１と、ビーム整形素子１０の下成形面１２を形成するための下型３２と、ビーム整形素子１０の側面成形面１３を形成するための側面型３３とを備えている。
図６はビーム整形素子１０を成形するための成形金型の一例を示す断面図である。図６に示す成形金型３０は、ビーム整形素子１０の上成形面１１を形成するための上型３１と、ビーム整形素子１０の下成形面１２を形成するための下型３２と、ビーム整形素子１０の側面成形面１３を形成するための側面型３３とを備えている。
側面型３３は、下型３２と同一の部材で一体的に構成されていてもよいし、図６のように側面型３３と下型３２とを別の部材とし、組み合わせて固定する構成としてもよい。また、上型３１は図示しない駆動手段によって上下に移動可能であり、下型３２との間で溶融ガラス滴を加圧することができる構成となっている。
上型３１、下型３２及び側面型３３の材料は、耐熱合金（ステンレス等）、炭化タングステンを主成分とする超硬材料、各種セラミックス（炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム等）、カーボンを含む複合材料など、ガラス製光学素子を加圧成形するための成形金型として公知の材料の中から用途に応じて適宜選択して用いることができる。また、これらの材料の表面に各種金属やセラミックス、カーボンなどの保護膜を形成したものを用いることもできる。上型３１、下型３２、及び側面型３３を全て同一の材料で構成しても良いし、それぞれ別の材料で構成しても良い。
溶融ガラス滴の供給に先立ち、予め成形金型３０を所定温度に加熱しておく。成形金型３０のうち、上型３１と下型３２の加熱温度は、光学素子に光学面を良好に形成できる範囲の温度を選択すればよい。一般的には、上型３１や下型３２の温度が低すぎると光学面を良好に形成することが困難になってくる。逆に、必要以上に温度を高くしすぎることは、ガラスと成形金型との融着を防止する観点や、成形金型の寿命の観点から好ましくない。通常、ガラスのＴｇ（ガラス転移点）−１００℃からＴｇ＋１００℃程度の温度に設定するが、実際には、ガラスの種類、光学素子の形状や大きさ、成形金型の材料、保護膜の種類、加熱するためのヒーターや温度センサーの位置等種々の条件によって適正な温度が異なるため、実験的に適正な温度を求めておくことが好ましい。上型３１と下型３２の加熱温度は同じ温度であっても良いし、異なる温度であっても良い。
成形金型３０のうち、側面型３３の加熱温度も、上型３１や下型３２と同様に、通常はガラスのＴｇ（ガラス転移点）−１００℃からＴｇ＋１００℃程度の温度に設定する。側面型３３の温度が低すぎると、溶融ガラス滴の周辺部の冷却が早く進みすぎることから光学面を良好に転写させることが困難になってくる。逆に、必要以上に温度を高くしすぎることは、ガラスと側面型３３との融着を防止する観点や、側面型３３の寿命の観点から好ましくない。実際には、上型３１や下型３２と同様に、実験的に適正な温度を求めておくことが好ましい。
本発明においては、所定温度に加熱された下型３２に、成形金型３０よりも温度が高い溶融ガラス滴を供給した後、成形金型３０で加圧成形することから、１つの光学素子を製造する毎に成形金型３０の昇温と冷却を繰り返す必要はなく、成形金型３０の加熱温度を一定に保ったまま、後述の供給工程及び加圧工程を行うことができる。更に、成形金型３０の加熱温度を一定に保ったまま、複数の光学素子を繰り返し製造することもできる。成形金型の昇温と冷却が不要であることから、極めて短時間で効率よく光学素子を製造することができる。
ここで、成形金型３０の加熱温度を一定に保つというのは、成形金型３０を加熱するための温度制御における目標設定温度を一定に保つという意味である。従って、各工程実施中における溶融ガラス滴との接触等による成形金型の温度変動を防止しようとするものではなく、かかる温度変動については許容される。
成形金型３０を所定温度に加熱するための加熱手段に特に制限はない。成形金型３０の全体を一つ、あるいは複数のヒーターでまとめて加熱するような構成としてもよいし、上型３１、下型３２、及び側面型３３がヒーターと温度センサーとをそれぞれ有し、それぞれの部材を独立して温度調節することができる構成としても良い。ヒーターは、公知のヒーターを適宜選択して用いることができる。例えば、被加熱部材の内部に埋め込んで使用するカートリッジヒーターや、被加熱部材の外側に接触させて使用するシート状のヒーターなどを用いることができる。また、赤外線加熱装置や高周波誘導加熱装置を用いることもできる。
（供給工程）
供給工程は、下型に、成形金型よりも温度が高い所定体積の溶融ガラス滴を供給する工程である。図７は、供給工程における成形金型等の状態を示す模式図である。
供給工程は、下型に、成形金型よりも温度が高い所定体積の溶融ガラス滴を供給する工程である。図７は、供給工程における成形金型等の状態を示す模式図である。
溶融槽４１は図示しないヒーターによって加熱され、内部に溶融状態のガラス４３が貯留されている。溶融槽４１の下部には滴下ノズル４２が設けられおり、溶融槽４１から供給された溶融ガラスが、滴下ノズル４２の先端部に溜まる。滴下ノズル４２の先端部の溶融ガラスが所定の体積になると、溶融ガラスの自重によって滴下ノズル４２の先端部から自然に分離して、所定体積の溶融ガラス滴４４が下型３２の上に滴下する。
溶融ガラス滴４４の体積は、上述のように、最充填空間の体積の０．８倍以上、０．９７倍以下となるように調整する。それによって、位置決めのための側面成形面１３と、高精度な成形面（上成形面１１、下成形面１２）とを有する光学素子を効率よく製造することができる。
溶融ガラス滴４４の体積は、滴下ノズル４２の先端部の外径を変更することによって調整することができる。ガラスの種類等によるが、滴下ノズル４２の先端部の外径を調整することで、通常、３０ｍｍ3〜５００ｍｍ3程度のガラス滴を滴下することができる。また、溶融ガラス滴４４の体積は、滴下ノズル４２の加熱温度や溶融ガラスの流量などによっても影響される。従って、これらの条件を適切に設定することで、所定体積の溶融ガラス滴４４を滴下させて下型３２に供給することができる。
また、滴下ノズル４２から滴下した溶融ガラス滴４４を下型３２の上に直接供給するのではなく、滴下した溶融ガラス滴４４を貫通細孔を設けた部材に衝突させ、衝突した溶融ガラス滴の一部を貫通細孔の裏面側に押し出して下型３２に供給することもできる（特開２００２−１５４８３４号公報を参照）。
図８は、貫通細孔を用いた溶融ガラス滴の供給方法を示す模式図である。滴下ノズル４２と下型３２の間に、貫通細孔４５を有する部材４６を配置する。滴下ノズル４２の先端部で分離して滴下した溶融ガラス滴４４を、貫通細孔４５を有する部材４６に衝突させ、溶融ガラス滴４４の一部を微小な溶融ガラス滴４７として貫通細孔４５の裏面側に押し出して下型３２に供給する。
このような方法によって、例えば、１ｍｍ3〜１００ｍｍ3といった微小な体積の溶融ガラス滴４７を下型３２に供給することができる。また、貫通細孔４５の直径を変更することによって、滴下ノズル４２を交換することなく溶融ガラス滴４７の体積を調整することができ、多種の光学素子を効率よく製造することができるため好ましい。
なお、使用できるガラスの種類に特に制限はなく、光学素子の材料として用いられる公知のガラスを用途に応じて選択して用いることができる。例えば、リン酸系ガラス、ランタン系ガラスなどが挙げられる。
（加圧工程）
加圧工程は、溶融ガラス滴が下型に供給された後、成形金型で溶融ガラス滴を加圧成形する工程である。図９は、加圧工程における成形金型３０の状態を示す模式図である。
加圧工程は、溶融ガラス滴が下型に供給された後、成形金型で溶融ガラス滴を加圧成形する工程である。図９は、加圧工程における成形金型３０の状態を示す模式図である。
図９に示すように、本発明においては、加圧成形が完了しても上型３１と下型３２とが当接しないような構成とすることが好ましい。そうすることで、溶融ガラス滴が冷却されて十分に固化するまで加圧し続けることができ、更に高精度な上成形面１１、下成形面１２を形成することができる。加圧成形中は、上型３１と下型３２の相対位置が時間と共に接近するが、溶融ガラス滴が固化して変形できなくなると移動が停止する。従って、光学素子の厚みは、供給する溶融ガラス滴の体積と、加圧を開始するまでの待機時間等によって決まる。
溶融ガラス滴は、下型３２に供給される時点では、成形金型３０よりも温度が高い溶融状態にあるが、下型３２に供給された後は、下型３２や側面型３３との接触面から熱を奪われて冷却され、徐々に粘性が高くなっていく。供給後すぐに上型３１を下方に移動させて加圧を行うと、溶融ガラスの粘性が低く変形し易いため、成形金型内の空間は全て溶融ガラスで充填され、得られた光学素子に自由面は形成されない。そのため、加圧中に成形金型に接触する溶融ガラスの周辺部と中央部とに大きな温度差が生じ、高精度な成形面を形成することができない。
これに対して、下型３２に溶融ガラス滴が供給された後、所定時間待機してから加圧を行った場合には、溶融ガラスが冷却されてある程度粘性が高くなってから加圧される。そのため、上型３１と側面型３３の境界付近には十分にガラスが充填されず、得られた光学素子の上成形面１１と側面成形面１３の間に自由面１４が形成される。自由面１４は成形金型と接触せずに形成されるため、加圧中の溶融ガラスの周辺部と中央部に大きな温度差が生じることはなく、高精度な成形面を形成することができる。
下型３２に溶融ガラス滴が供給されてから加圧開始までの待機時間を長くするほど、形成される自由面１４は大きくなる。しかし、供給する溶融ガラス滴の体積が一定であれば、待機時間を長くするほど光学素子の厚みが厚くなってしまう。従って、製造する光学素子の厚みを一定にするためには、待機時間に応じて、供給する溶融ガラス滴の体積を調整する必要がある。待機時間を長くする場合は溶融ガラス滴の体積を小さくし、待機時間を短くする場合には溶融ガラス滴の体積を大きくして調整する。
本発明者が鋭意検討を行った結果、供給する溶融ガラス滴の体積を、図３に示した最充填空間１００の体積の０．８倍以上、０．９７倍以下とすることで高精度の成形面が得られることを見いだした。特に、０．８５倍以上、０．９５倍以下とすることが好ましい。溶融ガラス滴の体積が最充填空間１００の０．９７倍よりも大きいと、成形金型と接触する溶融ガラス滴の側面からの冷却が急速に進むため、溶融ガラス滴の周辺部と中央部とに大きな温度差が生じ、高精度な成形面を得ることが困難となる。また、０．８倍よりも小さいと、必要な厚みを得るためには加圧前に長時間待機する必要があり、溶融ガラス滴の温度が低下しすぎて、かえって成形面の精度が悪化してしまう。
実際の待機時間は、成形金型３０や溶融ガラス滴の温度、ガラスの種類、光学素子の大きさ、形状、等種々の条件により異なるため、実験的に決定することが好ましい。一般的には数秒から数十秒の待機時間とすることで、必要な自由面１４を形成することができる。
なお、加圧の手段に特に制限はなく、エアシリンダ、油圧シリンダ、サーボモータを用いた電動シリンダ等の公知の加圧手段を適宜選択して用いることができる。
成形金型３０による加圧中も、光学素子１０は成形金型３０との接触部からの放熱により冷却が進む。加圧を解除しても成形面の形状が崩れない温度にまで冷却されると、加圧を解除し、上型３１を側面型３３から抜き出して、光学素子１０を取り出す。加圧を解除する温度は、ガラスの種類や、光学素子１０の大きさや形状、必要な精度等によるが、通常はガラスのＴｇ近傍の温度まで冷却されていれば良い。光学素子１０の取り出しは、吸着方式を利用した公知の離型装置等を用いて行うことができる。
（実施例１〜５）
図６に示した成形金型３０を用いて、図１に示した光学素子１０を製造した。上型３１、下型３２、及び側面型３３の材料には、いずれも炭化タングステンを主成分とする超硬材料を用いた。成形金型３０の加熱温度は、上型３１が４５０℃、下型３２が４７０℃、側面型３３が４７０℃とした。
図６に示した成形金型３０を用いて、図１に示した光学素子１０を製造した。上型３１、下型３２、及び側面型３３の材料には、いずれも炭化タングステンを主成分とする超硬材料を用いた。成形金型３０の加熱温度は、上型３１が４５０℃、下型３２が４７０℃、側面型３３が４７０℃とした。
光学素子１０の光学面１１ｃは、母線に垂直な断面が半径３ｍｍの円弧からなるシリンドリカル面であり、光学面１２ｃは、母線に垂直な断面が半径２ｍｍの円弧からなるシリンドリカル面である。中心部の厚みは４ｍｍとした。また、図３に示す、延長した上成形面１１０の周囲は４ｍｍ×４ｍｍ、延長した側面成形面１３２の高さは４．１ｍｍとした。このとき、最充填空間１００の体積は６６ｍｍ3であった。
溶融ガラス滴の供給は、図７のように滴下ノズル４２から溶融ガラス滴４４を滴下して下型３２の上に直接供給する方法とした。ガラス材料はＴｇが４８０℃のリン酸系ガラスを用いた。滴下ノズル４２の加熱温度は１０００℃とした。
滴下ノズル４２の先端部の外径を変更することで、溶融ガラス滴の体積を、最充填空間１００の０．９７倍（実施例１）、０．９５倍（実施例２）、０．９倍（実施例３）、０．８５倍（実施例４）、０．８倍（実施例５）の５通りに調整して光学素子１０を製造した。待機時間は、光学素子１０の厚みが一定（４ｍｍ）となるように、溶融ガラス滴の体積に応じてそれぞれ調整した。加圧工程における荷重は２００Ｎ、加圧時間は１０秒とした。
得られた光学素子の光学面１１ｃの形状精度を評価した。評価は、接触式の形状測定機（テーラーホブソン株式会社製ＰＧＩ８４０）を用いて、光学面１１ｃの形状を母線と垂直方向に測定し、球面（円弧）からのずれ量の最大値を求めた。評価は、ずれ量の最大値が０．１μｍ未満の場合を特に良好（◎）、０．１μｍ以上、０．１５μｍ未満の場合を良好（○）、０．１５μｍ以上の場合を問題有り（×）とした。
評価結果を表１に示す。実施例１〜５のいずれの条件においてもずれ量の最大値は０．１５μｍ未満であり、高精度な光学面を形成することができた。中でも、溶融ガラス滴の体積が最充填空間の０．８５倍以上、０．９５倍以下の場合（実施例２、３、４）は、ずれ量の最大値が０．１μｍ未満であり特に良好であった。
（比較例１、２）
溶融ガラス滴の体積を、最充填空間１００の０．９９倍（比較例１）、０．７５倍（比較例２）とした以外は実施例１〜５と同様の条件で光学素子を製造し、評価を行った。結果を表１に併せて示す。
溶融ガラス滴の体積を、最充填空間１００の０．９９倍（比較例１）、０．７５倍（比較例２）とした以外は実施例１〜５と同様の条件で光学素子を製造し、評価を行った。結果を表１に併せて示す。
比較例１、２ともにずれ量の最大値が０．１５μｍ以上であり、実施例１〜５と比較して、光学面の形状精度が低いことが確認された。
Claims (6)
- 上成形面、下成形面及び側面成形面を有する光学素子の、上成形面を形成するための上型と、下成形面を形成するための下型と、側面成形面を形成するための側面型とを有する成形金型を用いて溶融ガラス滴を加圧成形することにより光学素子を製造する光学素子の製造方法において、
前記下型に、前記成形金型よりも温度が高い所定体積の前記溶融ガラス滴を供給する供給工程と、
前記溶融ガラス滴が前記下型に供給された後、前記成形金型で前記溶融ガラス滴を加圧成形して、前記上成形面と前記側面成形面との聞に、前記成形金型と接触せずに固化する自由面を形成する加圧工程とを有し、
前記所定体積は、前記上成形面と前記側面成形面とを延長した場合における延長した上成形面、延長した側面成形面、及び、下成形面によって構成される空間の体積の０．８倍以上、０．９７倍以下であることを特徴とする光学素子の製造方法。 - 前記光学素子は、前記上成形面及び前記下成形面に光学面を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
- 前記側面成形面は、前記光学素子を光学系に組み込む際の位置決め基準面として用いられる面であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
- 前記側面成形面は、互いに略垂直な2つの平面を含むことを特徴とする請求項３に記載の光学素子の製造方法。
- 前記光学素子は、半導体レーザから出力される出力ビームの断面を円形に整形するためのビーム整形素子であることを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製造方法。
- 前記上成形面及び前記下成形面の少なくとも一方は、シリンドリカル面又はトロイダル面からなる光学面を有することを特徴とする請求項５に記載の光学素子の製造方法。
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