JP5691520B2 - 光学素子形成用の金型、光学素子形成用の金型の製造方法、ウエハレンズの製造方法及びウエハレンズ - Google Patents

Description

本発明は金型、金型の製造方法、ウエハレンズの製造方法及びウエハレンズに関する。

従来、光学レンズの製造分野においては、ガラス基板に対し硬化性樹脂からなるレンズ部を設けることで、耐熱性の高い光学レンズを得る技術が検討されている（例えば、特許文献１参照）。この技術を適用した光学レンズの製造方法の一例として、ガラス基板の表面に硬化性樹脂からなる光学部材を複数設けたいわゆる「ウエハレンズ」を形成し、その後にレンズ部ごとにガラス基板をカットする方法も提案されている。

特許第３９２６３８０号公報

ところで、上記光学レンズ又はウエハレンズを製造する場合、樹脂製のレンズ部を成形する際には金型を用いるが、レンズ部として凹レンズ部を成形するときは、金型にはそれに対応する凸部を形成しなければならない。金型に凸部を形成する場合、通常は図６に示す通り、金属製のベース４０を全表面にわたり加工して凸部４２を形成するが、凸部４２の周辺部を全面にわたり均一に平面加工するのは難しい。すなわち、凸部４２以外の部位４４（凸部４２の基準面となる部位）を均一に平面化するのは難しい。特に、複数の凹レンズ部を有するウエハレンズ用の金型を製造する際には、各凸部４２が平面化の邪魔となってその困難性がさらに増大する。

したがって、本発明の主な目的は、凹レンズ部を形成する際に使用する金型であって基準面の平面度を向上させることができる金型を提供することである。本発明の他の目的は、その金型の製造方法や、その金型を用いたウエハレンズの製造方法とそれにより製造されたウエハレンズを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の一態様によれば、
表面が平面状のベースに対して１つ又は２つ以上の凹状のキャビティが形成された、光学素子形成用の金型であって、
当該金型が、金属、金属ガラス、アモルファス合金のいずれかにより構成され、
前記キャビティが、中心部に形成されかつ光学素子の光学面に対応する形状を有する凸部と、凸部の周縁部に形成された凹部と、凹部から前記ベースの表面に繋がる面とを有し、
前記キャビティの凸部が前記ベースの表面より低いことを特徴とする光学素子形成用の金型が提供される。

本発明の他の態様によれば、
表面が平面状のベースに対して１つ又は２つ以上の凹状のキャビティが形成された、光学素子形成用の金型の製造方法であって、
当該金型を、金属、金属ガラス、アモルファス合金のいずれかにより構成し、
前記キャビティを形成する際に、機械加工により、前記キャビティの中心部に対し光学素子の光学面に対応する形状を有する凸部を、凸部の周縁部に対し凹部を、凹部からベースの表面に対しこれらを繋げる面を、それぞれ形成するとともに、前記キャビティの凸部を前記ベースの表面より低くすることを特徴とする光学素子形成用の金型の製造方法が提供される。

本発明の他の態様によれば、
上記光学素子形成用の金型を用いたウエハレンズの製造方法であって、
前記金型に樹脂を滴下する工程と、
前記金型に対しガラス基板を押圧して前記キャビティに樹脂を充填する工程と、
前記樹脂を硬化させる工程と、
前記ガラス基板とともに前記樹脂を前記金型から離型する工程と、
を有することを特徴とするウエハレンズの製造方法が提供される。

本発明の他の態様によれば、
上記ウエハレンズの製造方法により製造されたことを特徴とするウエハレンズが提供される。

本発明によれば、各キャビティの凸部がベースの表面より低いから、ベースに対しキャビティを形成する場合に、ベースの表面には基本的には加工を施さずに単に凹状のキャビティを形成すれば足りる。そのため、ベースの表面がキャビティ形成後においても平面状に保持され、ベースの表面を基準面としてその基準面の平面度をもとの状態で維持することができ、基準面の平面度を従来よりも向上させることができる。

本実施例にかかるウエハレンズの概略構成を示す斜視図である。 本実施例にかかる金型の概略構成を示す図面である。 図２の一部の断面図である。 本実施例にかかる金型の製造方法とウエハレンズの製造方法とを概略的に説明するための図面である。 （ａ）本実施例と（ｂ）その比較例との技術的な違いを説明するための概略図である。 従来技術とその課題を説明するための概略図である。 本実施例にかかる金型の製造例を概略的に説明するための図面であって（ａ）全体構成を示す図面と（ｂ）一部を拡大した図面である。

次に、図面を参照しながら本発明の好ましい実施例について説明する。

図１に示す通り、ウエハレンズ１は主に円形状のガラス基板３と樹脂部４とで構成されている。樹脂部４はガラス基板３の表面上に形成された樹脂製の部位であり、平板部７から突出した凸部の中央が凹となった複数の凹レンズ部５が平板部７上に形成された構成を有している。凹レンズ部５と平板部７とは一体成形されており、平板部７には複数の凹レンズ部５がアレイ状に配置されている。凹レンズ部５には、光学面の表面に回折溝や段差等の微細構造が形成されていてもよい。

樹脂部４は樹脂４Ａで形成されている。樹脂４Ａとして光硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂が用いられている。

光硬化性樹脂としては、例えばアクリル樹脂やアリルエステル樹脂などを用いることができ、これら樹脂はラジカル重合により反応硬化させることができる。その他の光硬化性樹脂としては、例えばエポキシ系の樹脂などを用いることができ、当該樹脂はカチオン重合により反応硬化させることができる。

熱硬化性樹脂としては、例えばシリコーン樹脂などを用いることができ、当該樹脂は上記ラジカル重合やカチオン重合の他に付加重合により硬化させることができる。

続いて、図２，図３を参照しながら、ウエハレンズ１を製造する際に使用する金型（１０）であって、詳しくは樹脂部４の凹レンズ部５を成形する際に使用する金型について説明する。

図２に示す通り、金型１０は直方体状のベース部１２を有している。ベース部１２は通常、所定の厚みを有した円盤状を呈している場合が多く、これを使用することもできる。ベース部１２の表面（上面）は平面状を呈している。ベース部１２には凹状の複数のキャビティ１４がアレイ状に形成されている。キャビティ１４はウエハレンズ１の凹レンズ部５に対応する部位である。

図３（ａ）に示す通り、キャビティ１４中には凸部１４ａと凹部１４ｂとが形成されており、キャビティ１４の中心部が凸部１４ａとなって上方に突出し、その周縁部が凹部１４ｂとなって凹んでいる。なお、凸部１４ａの中央部や繋ぎ部１８までの一部が凹んでいてもよく、中点線に示すように凸部１４ａの中央部に凹部１４ｃが形成されてもよい。ベース部１２の表面であってキャビティ１４間の表面は平坦であり、ベース部１２に対しキャビティ１４を形成する際の基準面１６となっている。基準面１６は平面状を呈している。

ここで、キャビティ１４中の凸部１４ａとは、凹レンズ部５において有効光線が通る光学面に対応する部位である。

キャビティ１４の凸部１４ａの最頂部は高さが基準面１６より低くなっている。凸部１４ａから凹部１４ｂにかけての繋ぎ部１８は滑らかな曲面状を呈しており、図３のように断面視すると一定の曲率を有した円弧状を呈している。なお、キャビティ１４を断面視した場合に、繋ぎ部１８は互いに異なる曲率の円弧を複数繋ぎ合わせた形状を有していてもよいし、凸部１４ａから凹部１４ｂに向けて下方に落ち込む線の接線を延長した直線状を呈していてもよいし、その接線より傾きが大きい線を延長した直線状を呈していてもよい。

また、図３（ａ）では凹部１４ｂの底部は下方に凸の曲面状となっているが、底部を平面としてもよい〔図３（ｂ）参照〕。このように底部を平面とした場合は、繋ぎ部１８は該平面との間をなめらかにつなぐ円弧状面とするのが望ましい。なお、凹部１４ｂの底部から基準面１６に繋がる面はテーパ状の面としても良く〔図３（ｃ）参照〕、また、凹部１４ｂの底部から基準面１６に繋がる面は円筒状の面としても良い〔図３（ｄ）参照〕。

金型１０では、ベース部１２の基準面１６とキャビティ１４の凸部１４ａとが鏡面化されており、キャビティ１４の凹部１４ｂと繋ぎ部１８とが粗されている。キャビティ１４に凹部１４ｃが形成されている場合には凹部１４ｃも鏡面化される。本実施例において、「鏡面化」とはＲａ（面粗さ）が１０ｎｍ以下であることをいい、「粗されている（粗す）」とはＲａが１０ｎｍを上回ることをいう。

なお、キャビティ１４中においては、凸部１４ａに加えて、繋ぎ部１８の一部が鏡面化されてもよいし（この場合繋ぎ部１８の残りの部位と凹部１４ｂの全部とが粗されている。）、繋ぎ部１８の全部が鏡面化されてもよいし（この場合凹部１４ｂの全部が粗されている。）、繋ぎ部１８の全部と凹部１４ｂの一部とが鏡面化されてもよいし（この場合凹部１４ｂの残りの部位が粗されている。）、繋ぎ部１８の全部と凹部１４ｂの全部とが鏡面化されてもよい。

金型１０は金属、金属ガラス又はアモルファス合金により構成されている。

当該金属としては、鉄系材料とその他合金などが挙げられる。

鉄系材料としては、熱間金型、冷間金型、プラスチック金型、高速度工具鋼、一般構造用圧延鋼材、機械構造用炭素鋼、クロム・モリブデン鋼、ステンレス鋼が挙げられる。そのうち、プラスチック金型としては、プリハードン鋼、焼入れ焼戻し鋼、時効処理鋼がある。プリハードン鋼としては、ＳＣ系、ＳＣＭ系、ＳＵＳ系が挙げられる。さらに具体的には、ＳＣ系はＰＸＺがある。ＳＣＭ系はＨＰＭ２、ＨＰＭ７、ＰＸ５、ＩＭＰＡＸが挙げられる。ＳＵＳ系は、ＨＰＭ３８、ＨＰＭ７７、Ｓ−ＳＴＡＲ、Ｇ−ＳＴＡＲ、ＳＴＡＶＡＸ、ＲＡＭＡＸ−Ｓ、ＰＳＬが挙げられる。

一方、鉄系合金としては特開２００５−１１３１６１号や特開２００５−２０６９１３号が挙げられる。非鉄系の合金は主に、銅合金、アルミ合金、亜鉛合金がよく知られている。例としては、特開平１０−２１９３７３号、特開２０００−１７６９７０号に示されている合金が挙げられる。

当該金属ガラスとしては、ＰｄＣｕＳｉやＰｄＣｕＳｉＮｉなどがダイヤモンド切削における被削性が高く、工具の磨耗が少ないので適している。また、無電解や電解のニッケル燐メッキなどのアモルファス合金もダイヤモンド切削における被削性が良いので適している。これらの高被削性材料は、金型１０全体を構成してもよいし、メッキやスパッタなどの方法によって特に光学転写面の表面だけを覆ってもよい。

続いて、図４を参照しながら、金型１０の製造方法と、金型１０を用いたウエハレンズ１の製造方法とを説明する。

金型１０となりうる材料を適宜選択し、図４（ａ）に示す通り、そのベース部１２の表面を基準面（１６）として切削や研削などの機械加工を施し、凹状のキャビティ１４を形成する。この場合、キャビティ１４の凸部１４ａが基準面１６より低くなるように加工し、凸部１４ａから凹部１４ｂにかけての繋ぎ部１８を曲面状とする。

その後、キャビティ１４中を全面にわたり粗す。その後、基準面１６とキャビティ１４の凸部１４ａとを鏡面加工して基準面１６と凸部１４ａとを鏡面化する。この場合、キャビティ１４の凹部１４ｂと繋ぎ部１８とには特に鏡面加工を施さず、凹部１４ｂと繋ぎ部１８とを粗したまま残す。以上の処理により、金型１０を製造することができる。

その後、図４（ｂ）に示す通り、金型１０上に所定量の樹脂４Ａを滴下し、その上方からガラス基板３を押圧する。その結果、樹脂４Ａが金型１０のキャビティ１４に充填される。

その後、樹脂４Ａが光硬化性樹脂である場合には、図４（ｃ）に示す通り、ガラス基板３の上方に配置した光源２０を点灯させ、ガラス基板３を介して樹脂４Ａに対し光照射し、樹脂４Ａを硬化させる。他方、樹脂４Ａが熱硬化性樹脂である場合には、樹脂４Ａに対し熱を加え、樹脂４Ａを硬化させる。

その後、硬化後の樹脂４Ａをガラス基板３とともに金型１０から離型する。その結果、複数の凹レンズ部５と平板部７とがガラス基板３上に形成されたウエハレンズ１を製造することができる。

以上の本実施例によれば下記の作用・効果を奏することができる。
（１）キャビティ１４の凸部１４ａが基準面１６より低いから、ベース部１２に対しキャビティ１４を形成する場合に、ベース部１２の表面には基本的には加工を施さずに単に凹状のキャビティ１４を形成すれば足りる。そのため、ベース部１２の表面（基準面１６）がキャビティ形成後においても平面状に保持され、基準面１６の平面度をもとの状態で維持することができ、基準面１６の平面度を従来よりも向上させることができる。
（２）ウエハレンズ１の凹レンズ部５を成形する場合において、図５（ａ）に示す金型１０のキャビティ１４中に凸部１４ａと凹部１４ｂとを形成したとき（本実施例）と、図５（ｂ）に示す金型３０の表面に単に凸部３２を形成したとき（比較例）とで、樹脂４Ａの芯厚ｔを同一にして同一形状の凹レンズ部を形成しようとすると、図５（ａ）に示す本実施例では点線部分に示す分だけ樹脂４Ａの充填量が低減する。そのため、成形に使用する樹脂４Ａの使用量を節約することができ、樹脂材料にかかるコストダウンを実現することができる。
（３）ベース部１２に対しキャビティ１４を形成する場合、図５（ａ）に示す通り、金型１０のキャビティ１４中に凸部１４ａと凹部１４ｂとを形成したとき（本実施例）と、図５（ｂ）に示す金型３０の表面に単に凸部３２を形成したとき（比較例）とで、比較例では凸部３２から基準面３４にかけての繋ぎ部３６が屈曲しており、屈曲部に入射した光が点光源となり、ゴーストやフレアが発生する可能性がある。

これに対し、図５（ａ）に示す本実施例では凸部１４ａから凹部１４ｂにかけての繋ぎ部１８が滑らかな曲面状を呈しているから、金型１０から成形される凹レンズ部５でゴーストが発生するのを抑制することができる。併せて、本実施例では、金型１０のキャビティ１４の凸部１４ａと基準面１６とを特定的に鏡面化し、キャビティ１４の凹部１４ｂを粗したまま維持するので、金型１０から成形される凹レンズ部５であって凹部１４ｂに対応する部位ではセンサに直接入る光を散乱させることができ、ゴーストの発生をさらに抑制することができる。
（４）金型１０を鏡面加工する場合に、キャビティ１４の凸部１４ａに加えて基準面１６を特定的に加工するから、そこから転写される樹脂４Ａの被転写部が平滑となる。この場合において、スペーサを介在させながら複数のウエハレンズ１を積層するときには、スペーサが当該被転写部に直接的に当接し、スペーサ同士の平行度（間隔）の均一化を図れ、ウエハレンズ１同士の平行度（間隔）も均一に保持することができる。

なお、本実施例では、２つ以上のキャビティ１４を有する金型１０とそれを用いて製造するウエハレンズ１とについて説明したが、金型１０のキャビティ１４の数は１つだけであってもよい。この場合、キャビティ１４の形成方法は上記と同様にすればよい。またキャビティ１４が１つの金型１０から１つの凹レンズ部５を成形し、これをウエハレンズ１としてもよい。

本発明の金型加工実施例（金型の製造方法）について説明する。

図７（ｂ）のようにアレイ状に並んだ光学面５０を有する金型３０を加工した。

光学面５０の加工は図７（ａ）に示す超精密加工機を用い、ボールエンドミル工具５１を用いて行った。図７（ａ）に示すとおり、定盤上にＸ軸方向ｘに駆動するＸ軸ステージＸとＹ軸方向ｙに駆動するＹ軸ステージＹが取り付けられている。Ｘ軸ステージＸ上には、Ｚ軸方向ｚに駆動するＺ軸ステージＺが、さらにＺ軸ステージＺにはｂ方向に旋回する旋回Ｂ軸Ｂが取り付けられている。ボールエンドミル工具５１を回転させる工具スピンドル５２が、その旋回Ｂ軸Ｂ上に固定されている。

切削に使用するボールエンドミル工具５１は単結晶ダイヤモンドで形成されており、先端すくい面が７０°で先端が半月形状で構成されている。切れ刃のすくい面先端円弧半径は０．３ｍｍ，逃げ面角度１０°である。この時の切り込み量は２μｍである。光学面形状を形成する金型表面の材料には、アモルファス合金である無電解ニッケルリンめっきを用いた。

本金型では、非球面光学面が凸形状であったとしても、基準平面よりも出っ張っていないため、基準平面を短時間で鏡面加工することが可能である。本実施例では超精密旋盤による単結晶ダイヤモンド工具による鏡面加工を実施し、表面粗さＲａ２．６ｎｍに加工することができた。

金型に非球面光学面形状の鏡面加工を行う際には、ＸＹＺＢ軸の４軸同時制御により、工具刃先の使用範囲が極力狭くなるように加工することで、工具形状誤差による加工形状精度の悪化を最小限にした。その結果、加工面形状精度は、形状補正加工を１回行ったところ、ＰＶ１００ｎｍ以下と所望の精度を満たすことができた。

加工面をＷＹＫＯ社製の表面粗さ測定器ＨＤ３３００を使用して光学面粗さを測定したところ、平均表面粗さがＲａ３．３ｎｍとなり良好な光学鏡面が得られた。また、微分干渉顕微鏡で観察したところ、加工面に工具のびびり模様は見られなかった。

一方、鏡面加工を行わなかった凹形状部は、無電解ニッケルリンめっきを施したままの表面となっており、表面粗さはＲａ３７ｎｍと十分に粗された面になっていた。

また、従来の金型と本発明の金型から成形されるレンズのゴーストシミュレーションを行ったところ、本発明の金型のほうがゴースト強度が弱くなっている結果が得られた。実際に従来の金型と本発明の金型とで成形したレンズで構成したレンズユニットで撮影された画像を比較したところ、本発明の金型で成形したレンズを用いたレンズユニットのほうがゴーストが小さいことを確認した。

なお、非球面光学面の加工には固定工具によるシェーパ加工を用いても良い。使用する加工機もＸＹＺ軸の３軸制御加工など、適宜選択して構わない。

１ ウエハレンズ
３ ガラス基板
４ 樹脂部
４Ａ 樹脂
５ 凹レンズ部
７ 平板部
１０ 金型
１２ ベース部
１４ キャビティ
１４ａ 凸部
１４ｂ 凹部
１６ 基準面
１８ 繋ぎ部
２０ 光源
３０ 金型
３２ 凸部
３４ 基準面
３６ 繋ぎ部

Claims (8)

1. 表面が平面状のベースに対して１つ又は２つ以上の凹状のキャビティが形成された、光学素子形成用の金型であって、
   当該金型が、金属、金属ガラス、アモルファス合金のいずれかにより構成され、
   前記キャビティが、中心部に形成されかつ光学素子の光学面に対応する形状を有する凸部と、凸部の周縁部に形成された凹部と、凹部から前記ベースの表面に繋がる面とを有し、
   前記キャビティの凸部が前記ベースの表面より低いことを特徴とする光学素子形成用の金型。
2. 請求項１に記載の光学素子形成用の金型において、
   前記キャビティの凸部から凹部にかけての繋ぎ部が曲面状を呈していることを特徴とする光学素子形成用の金型。
3. 請求項１又は２に記載の光学素子形成用の金型において、
   前記ベースの表面と前記キャビティの凸部とが鏡面化され、
   前記キャビティの凹部は一部又は全部が鏡面化され、それ以外が粗されていることを特徴とする光学素子形成用の金型。
4. 表面が平面状のベースに対して１つ又は２つ以上の凹状のキャビティが形成された、光学素子形成用の金型の製造方法であって、
   当該金型を、金属、金属ガラス、アモルファス合金のいずれかにより構成し、
   前記キャビティを形成する際に、機械加工により、前記キャビティの中心部に対し光学素子の光学面に対応する形状を有する凸部を、凸部の周縁部に対し凹部を、凹部からベースの表面に対しこれらを繋げる面を、それぞれ形成するとともに、前記キャビティの凸部を前記ベースの表面より低くすることを特徴とする光学素子形成用の金型の製造方法。
5. 請求項４に記載の光学素子形成用の金型の製造方法において、
   前記キャビティを形成する際に、前記キャビティの凸部から凹部にかけての繋ぎ部を曲面状とすることを特徴とする光学素子形成用の金型の製造方法。
6. 請求項４又は５に記載の光学素子形成用の金型の製造方法において、
   前記キャビティを形成した後に、前記ベースの表面と前記キャビティとを粗し、その後前記ベースの表面と前記キャビティの凸部とを鏡面化することを特徴とする光学素子形成用の金型の製造方法。
7. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子形成用の金型を用いたウエハレンズの製造方法であって、
   前記金型に樹脂を滴下する工程と、
   前記金型に対しガラス基板を押圧して前記キャビティに樹脂を充填する工程と、
   前記樹脂を硬化させる工程と、
   前記ガラス基板とともに前記樹脂を前記金型から離型する工程と、
   を有することを特徴とするウエハレンズの製造方法。
8. 請求項７に記載のウエハレンズの製造方法により製造されたことを特徴とするウエハレンズ。