JPWO2013027808A1 - 光学素子の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、成形型の表面粗さを反映せずに、滑らかな光学面形状とできる光学素子の製造方法及び製造装置を提供する。本発明の光学素子の製造装置１は、一方の面にガラス素材５０を密接させて光学素子を形成する成形型であって、光学面形成部として貫通孔２ａを有する板状成形型２と、板状成形型２を保持し、該板状成形型２のガラス素材５０との接触面側に形成される第１の空間５と板状成形型２の接触面の反対面側に形成される第２の空間６とを分割する保持容器３と、第１の空間５よりも第２の空間６の方が低圧になるように差圧を生じさせる圧力制御部４と、を含む。

Description

本発明は、光学素子の製造方法及び製造装置に係り、特に、凸状の光学面を滑らかな表面状態で、バラツキのない均一形状で形成可能とした光学素子の製造方法及び製造装置に関する。

デジタルカメラのイメージセンサー、液晶プロジェクター、光通信用のレーザープロジェクターなどに用いられるマイクロレンズは、通常、マイクロレンズアレイと呼ばれるマイクロレンズを碁盤目状等に複数個整列させた形態で用いられる。

このマイクロレンズアレイは、成形面にマイクロレンズに対応する凹面を複数個整列して形成した上型と成形面を平板状とした下型との間に、成形用のガラス素材を挟みプレスして、１度の成形操作で複数個の整列したマイクロレンズ形状をガラス素材に転写して得られる。

ここで用いられる上型の成形面は、成形型とする板状の素材の表面を、先端が球状のパンチ工具により押圧する等によりマイクロレンズに対応する凹面に形成されており、このような凹面からなる成形面を有する成形型に、加熱、軟化したガラス素材を押しつけて、上記成形面形状の光学面を有するマイクロレンズアレイを製造する（特許文献１参照）。

また、マイクロレンズアレイではないが、凹部を有するガラス物品を製造するに当たって、肉厚の均一化及び面性状の適切化を狙い、成形型において成形面に通じる貫通孔を形成し、この貫通孔を通じて成形面内の圧力を負圧にして軟化したガラスを成形面側に引き込む力を生じさせて成形を行う方法が知られている（特許文献２及び３参照）。

しかしながら、特許文献１に記載のマイクロレンズアレイは、その光学面の表面粗さは、光学面を形成する凹状の成形面の表面粗さに影響され、特に、レンズ径が小さい場合には、成形面を研磨するのも困難であり、十分に滑らかな光学面が得られなかった。また、特許文献２のガラス物品および特許文献３のガラス成形品においては、成形面内を負圧にして成形を補助しているが、結局、成形面形状をガラス物品またはガラス成形品に転写させており、特許文献１と同様、ガラス物品またはガラス成形品の表面は成形面の表面粗さに影響を受けている。なお、特許文献２はガラス物品であり、また、特許文献３はガラス成形品であり、マイクロレンズアレイのような光学製品ではないため、製品の表面粗さについては特に言及されていない。

これに対して、マイクロレンズを転写により成形するのではなく、成形型の成形部表面がその光学面と接触しないように凹部を形成しておき、光学面を自由表面として成形する方法が知られている（例えば、特許文献４及び５参照）。

日本国特開平１１−２７７５４３号公報 日本国特開２００７−１３１４９９号公報 日本国特開２０１１−１５３０５１号公報 日本国特開２００７−１８２３７２号公報 日本国特開２００６−１１１４９１号公報

しかしながら、これら光学面と接触させずに成形を行う方法は、ガラス素材を成形型で挟み込んで、その成形型のプレス圧力を利用しているため、マイクロレンズの全面において均一な圧力を生じさせるのが困難で、圧力が不均一になった場合には個々のレンズ形状にバラツキが生じてしまうという問題がある。また、プレスによる成形の際には圧力がガラス側面側に逃げるため、形状が面頂部に対して左右対称とならなかったり、ガラス素材を成形面に押し込むのに限界があり、光学面の高さの調整が困難となったりするなどの問題がある。

そこで、本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、光学素子の製造にあたって、成形型の表面粗さを反映することなく滑らかな光学面形状を形成できると共に、光学面の高さの調整も容易にでき、さらに、マイクロレンズアレイの製造においては、個々のレンズ形状を均一な形状に成形できる光学素子の製造方法及び製造装置の提供を目的とする。

本発明の光学素子の製造方法は、ガラス素材を、光学面成形部である貫通孔を有する板状成形型と接触させ、前記ガラス素材を加熱により軟化させる加熱工程と、前記加熱工程後、前記板状成形型の前記ガラス素材との接触面側の第１の空間と、前記板状成形型の前記ガラス素材との接触面とは反対面側の第２の空間との間に、前記第１の空間よりも前記第２の空間の方が低圧になるように差圧を生じさせ、前記ガラス素材を前記板状成形型に密接させて貫通孔内に吸引し、前記板状成形型と接触させずに凸状の光学面を形成する成形工程と、前記成形工程により所望の形状となったガラス素材を冷却する冷却工程と、を含む。

本発明の光学素子の製造装置は、一方の面にガラス素材を密接させて光学素子を形成する成形型であって、光学面形成部として略円柱状の貫通孔を有する板状成形型と、前記板状成形型の周縁部を保持し、該板状成形型の前記ガラス素材との接触面側に形成される第１の空間と前記板状成形型の前記ガラス素材との接触面と反対面側に形成される第２の空間とを分割可能な保持容器と、前記第１の空間よりも前記第２の空間の方が低圧になるように差圧を生じさせる圧力制御部と、を含む。

本発明の光学素子の製造方法及び製造装置によれば、滑らかな光学面を有する光学素子が得られる。特に、成形型の成形面の鏡面研磨が困難であるような小径のレンズを形成する場合であっても、光学面を滑らかなものとでき、また、レンズ高さの調整も容易にできるため、所望の形状及び性能を有する光学素子が得られる。また、マイクロレンズアレイを形成する際には、そのマイクロレンズ形状のバラツキを抑制でき、製品を安定して、歩留まり良く製造できる。

図１は、本発明の一実施形態である光学素子の製造装置の概略構成図である。 図２Ａは、図１で示した光学素子の製造装置の変形例を示した図である。 図２Ｂは、図１で示した光学素子の製造装置の別の変形例を示した図である。 図３Ａは、図１の光学素子の製造装置を用いた光学素子の製造方法を説明する図である。 図３Ｂは、図１の光学素子の製造装置を用いた光学素子の製造方法を説明する図である。 図３Ｃは、図１の光学素子の製造装置を用いた光学素子の製造方法を説明する図である。 図４は、本発明の他の実施形態である光学素子の製造装置の概略構成図である。 図５は、例１で用いた板状成形型の平面図である。 図６は、例１で得られた光学素子の光学面形状を示した図である。 図７は、レンズのアスペクト比を説明する図である。 図８は、成形時間とアスペクト比との関係を示した図である。 図９は、例６で用いた板状成形型の断面図である。 図１０は、例６で得られた光学素子の平面図である。 図１１Ａは、例６で得られた、中央部の光学素子の断面図である。 図１１Ｂは、例６で得られた、周辺部の光学素子の断面図である。 図１２は、比較例１で用いた光学素子の製造装置の概略構成図である。 図１３は、比較例１で用いた下型の成形面の平面図である。 図１４は、比較例１で得られた光学素子の光学面形状を示した図である。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
ここで、図１は、本発明の一実施形態である光学素子の製造装置の概略構成を示した図である。なお、成形容器内は断面図として示した。

この図１に示した光学素子の製造装置１は、光学素子を形成する板状成形型２と、板状成形型２の周縁部を保持し、該板状成形型２によって、板状成形型２のガラス素材５０との接触面側とその反対面側に分割される気密空間を形成可能な保持容器３と、保持容器３により分割された気密空間に差圧を生じさせる圧力制御部４と、から構成される。

ここで、板状成形型２は、光学素子を成形するもので、その光学素子の光学面形成部として貫通孔２ａが設けられている。図１には、複数の貫通孔２ａが設けられたマイクロレンズアレイ用の成形型を例示したが、貫通孔を１つ有し、１つの光学面を形成可能な成形型であってもよい。そして、この貫通孔２ａが、光学面成形部に相当する。

この板状成形型２は、光学素子の成形の際、一方の面に、成形に用いるガラス素材５０を接触させてから圧力差を利用して密接させ、そのガラス素材５０の貫通孔２ａに相当する部分を貫通孔２ａ内に吸引し（押出し）、板状成形型２へ接触させずに凸状の光学面を形成可能とする。したがって、貫通孔２ａの、ガラス素材５０との接触面の開口部は、形成する光学面が所定の径になるように形成されていればよい。一方、板状成形型２における、その接触面と反対面側の開口部は、貫通孔として形成されていれば特に限定されない。

また、貫通孔２ａの内部形状は、成形時に光学面と接触しないようにしておけば、その形状は特に問われない。例えば、典型的な円柱状の貫通孔を設ける場合の他、ガラス素材との接触面からその反対面側に向かって、テーパ状に貫通孔２ａが狭くなっていったり、広くなっていくように抜け勾配をつけたり、貫通孔２ａの内面円柱形状が大きさの違う直径の円柱を多段としたり、してもよい。このとき、抜け勾配の傾斜角度は、鉛直方向に対して１〜１０度が好ましく、４〜６度がさらに好ましい。このように、鉛直方向に対して１０度以内の傾斜となる貫通孔または１０度以内の傾斜で近似できる貫通孔であれば、その貫通孔の形状を略円柱状の形状と定義し、その傾斜角度が途中で変化する形状も含むものとする。

抜け勾配を設けておくと、プレス後に、板状成形型２とガラス素材５０とが密着するのを防止し容易に離型できる。また、テーパ状や多段形状として、接触面側から反対面側に向かって徐々に狭くなるようにした場合には開放径を小さくでき、異物などの混入を抑えられる。

この貫通孔２ａは、形成するレンズ径となるように開口部を設ければよく、例えば、マイクロレンズアレイ用の成形型の場合には、この開口部を碁盤目状又は千鳥配置等のように整列して設けられる。このとき、開口径は１０〜５０００μｍが好ましく、その開口部のピッチは好ましくは１０〜２００００μｍであって、この貫通孔２ａの（直径／ピッチ）で表される比は、好ましくは０．１〜１、より好ましくは０．２〜０．９である。なお、開口部のピッチとは、隣り合う貫通孔２ａの開口部の中心間の距離に相当する。

本発明は、このマイクロレンズアレイのように開口径が小さく、従来の成形型では成形面の鏡面研磨が困難であるような場合に、特に好ましい効果を奏する。詳細は後述するが、本発明によれば、成形面を転写して光学面を形成するものではないため、成形面の鏡面研磨等の操作をする必要が無く、それでいて滑らかな光学面が得られる。

保持容器３は、板状成形型２の周縁部を保持し、かつ、板状成形型２のガラス素材との接触面側に形成される第１の空間５と上記接触面の反対面側に形成される第２の空間６とを分割するものである。図１においては、ガラス素材を板状成形型２の上面に密接して成形する場合の例を示している。

この保持容器３は、板状成形型２を水平になるように保持でき、成形時にその板状成形型２の上下を空間的に分割できるものであればよい。また、後述するように分割した空間内に差圧を生じさせるために、この図１では、第１の空間５及び第２の空間６の両方の空間が共に密閉した空間となる例を示している。

圧力制御部４は、上記したような第１の空間５の圧力と第２の空間６との圧力とを制御するもので、第１の空間５内及び第２の空間６内と接続され、それぞれの空間内の気圧を制御できるようになっている。このとき、圧力制御部４により、板状成形型２のガラス素材５０との接触面側の空間（第１の空間５）よりもその反対面側の空間（第２の空間６）が低圧になるように差圧を生じさせる。

具体的には、第１の空間５の圧力を加圧するには加圧ポンプ等が、第２の空間６の圧力を減圧するには真空ポンプ等が、用いられ、これら両者の空間の差圧が所定の値となるように調整される。

なお、図１の光学素子の製造装置１は、第１の空間５及び第２の空間６を共に密閉した状態となる場合を示したが、両空間において差圧が生じればよいため、いずれか一方を密閉空間とし、他方を開放した機構を有してもよい。この場合、開放された空間は大気圧となるので、それに対して密閉空間の圧力を負圧とするか正圧とするかはどちらを密閉するかで自ずと決定される。

すなわち、第１の空間５を密閉し、第２の空間６を開放した場合、図２Ａに示す装置構成となる。この図２Ａに示した光学素子の製造装置１１は、光学素子を形成する板状成形型２と、板状成形型２の周縁部を保持し、板状成形型２のガラス素材５０との接触面側とその反対面側のそれぞれに形成される空間を分割する保持容器１３と、保持容器１３により分割された空間に差圧を生じさせる圧力制御部１４と、から構成される。

ここで、保持容器１３は、第１の空間５を密閉し、第２の空間６を開放した状態とするもので、第２の空間６は大気圧であるため、第１の空間５は大気圧よりも高い圧力とする必要がある。そのため、ここで用いられる圧力制御部１４としては、第１の空間５内を加圧できる加圧ポンプ等が挙げられる。

また、第２の空間６を密閉し、第１の空間５を開放した場合、図２Ｂに示す装置構成となる。この図２Ｂに示した光学素子の製造装置２１は、光学素子を形成する板状成形型２と、板状成形型２の周縁部を保持し、板状成形型２のガラス素材５０との接触面側とその反対面側のそれぞれに形成される空間を分割する保持容器２３と、保持容器２３により分割された空間に差圧を生じさせる圧力制御部２４と、から構成される。

ここで、保持容器２３は、第１の空間５を開放し、第２の空間６を密閉した状態とするもので、第１の空間５は大気圧であるため、第２の空間６は大気圧よりも低い圧力とする必要がある。そのため、ここで用いられる圧力制御部２４としては、第２の空間６内を減圧できる真空ポンプ等が挙げられる。

なお、板状成形型２の素材は、ステンレス鋼、合成石英、超硬（超硬合金）等の、光学素子の成形型として公知の素材を用いればよい。また、板状成形型２の素材として合成石英を基体として用いる場合、ガラスの離型性を向上させるために表面コーティングしてもよく、コーティング材として、例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）が挙げられる。また、ＤＬＣを表面コーティングとして用いる場合、ＤＬＣと合成石英間に中間層を含む構造としてもよく、中間層として例えば、クロムを用いることで、ＤＬＣと合成石英との密着性を高めることができる。なお、合成石英としては、高融点性があり、低熱膨張率を満足できるものであればよい。そして、保持容器３の素材は、光学素子の成形時の温度、圧力に耐性を有するものであればよく、例えば、ステンレス鋼、超硬等が挙げられる。

次に、本発明の光学素子の製造方法について図３Ａ〜３Ｃを参照しながら説明する。図３Ａ〜３Ｃは、図１の光学素子の製造装置１を用いた場合を例にしたもので、圧力制御部４は記載を省略している。

まず、図１の板状成形型２の上にガラス素材５０を載置する。次に、板状成形型２を成形温度まで加熱し、ガラス素材５０も同温度にまで加熱して軟化させる加熱工程を経る（図３Ａ）。このときの加熱温度は、ガラス素材５０が軟化する温度とすればよく、用いるガラス素材によって異なるが、一般に、５００〜１１００℃程度である。また、このとき、ガラス素材の粘度をη［ｄｐａ・ｓ］として、ｌｏｇηを、例えば４．８６〜１２．３７の範囲とすればよく、５〜９が好ましく、５〜７がより好ましい。

次に、ガラス素材５０が十分に加熱され、軟化状態となった後、第１の空間５内の圧力（Ｐ１）と第２の空間６内の圧力（Ｐ２）との関係を、第１の空間５よりも第２の空間６の方が低圧（Ｐ１＞Ｐ２）になるように差圧を生じさせる。

このように差圧を生じさせると、軟化状態のガラス素材５０が、低圧の第２の空間６側に貫通孔２ａを通じて吸引され（押出され）、第１の空間５と第２の空間６とがそれぞれ確実に分割され、密閉される。この状態を継続していくと、ガラス素材５０は、貫通孔２ａ内に吸引されて凸状の光学面を形成する成形工程を経る（図３Ｂ）。

このとき、光学素子の光学面の面頂高さは、ガラス素材５０の粘度、第１の空間５と第２の空間６の差圧（Ｐ１−Ｐ２）、成形時間の関係によって決定され、これらを所望の光学面形状が得られる条件に設定する。例えば、粘度、差圧を一定にした場合には、吸引時間を調整することで光学面の高さを容易に調整できる。

より具体的には、成形時の第１の空間５と第２の空間６の差圧（Ｐ１−Ｐ２）は、ガラス素材５０の変形を十分に、かつ、実用的な時間で達成するため１０〜１０００ｋＰａが好ましく、９０〜８００ｋＰａがより好ましい。また、差圧によるガラス素材を変形させる時間は、光学素子としての機能を損なわないように、かつ、製造の効率性も考慮し、１〜１０００秒の範囲が好ましく、１〜１５０秒がより好ましい。

そして、光学面が所望の形状となったところで、第１の空間５と第２の空間６との差圧を解消し、ガラス素材５０がそれ以上変形しないように第１の空間５と第２の空間６の圧力を同一のものとする。

次いで、変形させたガラス素材５０を歪点以下まで冷却する冷却工程により、ガラス素材５０を固化させる（図３Ｃ）。さらに、冷却したガラス素材５０を成形型から離型させ、最終的には室温にまで冷却してマイクロレンズアレイを得る。このようにして、球面状のマイクロレンズが等間隔に碁盤目状に整列したマイクロレンズアレイが得られる。なお、板状成形型２の材料の熱膨張係数とガラス素材５０の熱膨張係数とが略等しい場合、板状成形型２と一体的に冷却して固化し、その後、板状成形型２と離型してマイクロレンズアレイを得てもよい。

このようにして得られるマイクロレンズは、凸球面状であり、その曲率半径Ｒは０．００５〜１００ｍｍの範囲のものを、上記成形条件を調節して所望の形状にして得られる。

また、この成形は高温に加熱した状態で実施され、成形型の酸化による劣化を防止するため、例えば、第１の空間５及び第２の空間６の両方を窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気としたり、第２の空間６側（低圧側）を１×１０^−２Ｐａ以下の真空条件下としたり、するのが好ましい。

さらに、板状成形型２及び保持容器３を内部に収容可能なチャンバー（圧力制御部４はチャンバーの外部に配置すればよい）を設けてもよく、この場合、上記成形型の雰囲気の置換が容易で、内部温度も安定させることができ好ましい。

なお、ガラス素材５０としては、光学素子が製造できれば特に限定されず、従来、光学素子用として使用されているガラス素材が挙げられる。このガラス素材５０の形状は、特に限定されないが、平面形状が矩形又は円形の平板状のものが好ましく、そのときプレス前の厚さは０．１ｍｍ〜２０ｍｍである。また、ガラス素材は上記した平板状だけではなく、球状が潰れた偏平状等の種々の形状のものも使用できる。

（第２の実施形態）
図４は本発明の他の実施形態である光学素子の製造装置の概略構成を示した図である。

この図４に示した光学素子の製造装置３１は、光学素子を形成する板状成形型３２と、板状成形型３２の周縁部を保持し、板状成形型３２のガラス素材との接触面側とその反対面側に分割される空間を形成可能な保持容器３３，３４と、保持容器３３，３４により分割された空間に差圧を生じさせる圧力制御部３５と、から構成される。さらに、保持容器３３，３４により形成された空間を気密可能とするためにガスケット３７も設けられている。

ここで、板状成形型３２は、第１の実施形態における板状成形型２と同様の素材を使用できるものであり、説明を省略する。また、この実施形態は、ガラス素材５０を板状成形型３２の下側から接触させ密接させる例である。本実施形態では、保持容器は下側の保持容器３３と上側の保持容器３４の２つのパーツに分かれており、この保持容器３３，３４を重ね合わせた時に中央に形成される空間内にガラス素材５０と板状成形型３２が収容される。

そして、図４に示した例では、下側の保持容器３３は、ガラス素材５０及び板状成形型３２を所定の位置に配置できるように段差が設けられ、さらに、ガラス素材５０が載置される面は、外部空間と繋がる孔３２ａが設けられており、第１の空間は開放され大気圧となるように構成されている。一方、板状成形型３２のガラス素材５０との接触面と反対面側における第２の空間３６は密閉された空間とされ、この第２の空間３６は圧力制御部３５と接続されており、内部の気圧を低減して負圧に調節できるようになっている。

ここで説明した光学素子の製造装置３１は、ガラス素材５０が板状成形型３２の下側から密接させて成形する以外は、基本的に第１の実施形態と同様の操作により光学素子を製造できる。装置構成としては、図２Ｂに示した光学素子の製造装置２１の上下をひっくり返した構成で、ガラス素材５０及び板状成形型３２が下方に落下しないように支持する部材を設けたものである。

以下、本発明を実施例（例１〜例６）及び比較例（例７）によりさらに詳細に説明する。

（例１）
図４の光学素子の製造装置を用い、以下の通りマイクロレンズアレイを製造した。

本実施例に用いる板状成形型は、φ２０ｍｍ、厚さ３ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３１６；熱膨張係数αは１６１×１０^−７／Ｋ（ａｔ 〜２００℃））からなる円板状の成形型である。その平面図を図５に示したが、ここではφ０．８７±０．０５ｍｍの貫通孔がピッチ１．５ｍｍで放射状に４１個形成されている試験用の成形型を用いた。

図４に示したように、保持容器としては、板状成形型及びガラス素材を内部に収容し、板状成形型の上方の空間が密閉され、下方の空間（第１の空間）はガラス素材が収容され、空間的には開放されている。また、上方の空間（第２の空間）は真空ポンプに接続されている。

まず、下側の保持容器の中央に、ガラス素材を、さらにその上に板状成形型を載置し、その上から上側の保持容器で蓋をして、板状成形型の上下の空間を分割できるようにした。なお、ここで使用したガラス素材は、ホウケイ酸バリウム系の低融点ガラス（ガラス転移点：４９５℃、屈伏点：５４２℃、軟化点：５９１℃、旭硝子社製、商品名：Ｒ１Ｂ）製のφ１５．９５ｍｍ、厚さ４．４ｍｍの円板状のものである。

次いで、保持容器を加熱し、ガラス素材を５６４℃にまで昇温させ軟化させた。このときのガラス素材の粘度をη［ｄｐａ・ｓ］とするとき、ｌｏｇηは９．０４である。十分にガラス素材を加熱し、軟化させた後、真空ポンプを稼働させ、上方の空間（第２の空間）を負圧にし、２００秒間保持して、ガラス素材を変形させ光学面形状を成形した。なお、このときの差圧は９０ｋＰａであった。

その後、直ちに上方の空間の圧力を開放し、さらに、保持容器を冷却して室温まで戻して成形したガラス素材を固化させた。得られたガラス成形品を取出し、図５の破線で示した部分に相当する光学面の成形面形状を非接触三次元測定機（三鷹光器社製、商品名：ＮＨ３−ＭＡＳ）により測定した。得られた結果を図６に示す。

この図６から、成形面の表面粗さに影響されず、滑らかな表面形状を有する光学面を形成できることがわかった。また、成形型の中央部と外周部での形状のバラツキが極めて小さく、均一な光学面形状を形成できることがわかった。

（例２〜５）
次に、円板状の成形型として、例１と同様８方向に放射状に貫通孔が形成された類似の形状であるが、φ０．７５±０．０４ｍｍの貫通孔がピッチ１．５ｍｍで３３個（図５の同心円状に設けられた貫通孔の最外周部分が形成されていない）形成されている試験用の成形型を用いた。
該試験用の成形型を用いて、表１に記載したように条件を変えた以外は、例１と同様の操作により光学面形状を成形した。

なお、表１における、評価径φ１、高さｈ１および曲率は、図５における中心のマイクロレンズ１個と、周辺部のうち最端部のマイクロレンズ４個（４隅）の５点について測定した結果を平均して算出した結果である。そして、アスペクト比は、得られたマイクロレンズアレイのレンズの高さと径とから、図７で説明する図及び式で算出したものである。なお、ここでレンズの高さ及び径の測定位置は、図７に示したように、変形したガラス素材のレンズ形状を表すプロファイルと成形型形状を表すプロファイルにおける変曲点を基準とした。

ここで、例２，３，５について、成形時間とアスペクト比の関係を図８に示した。この図から、成形時間と形成されるレンズ形状のアスペクト比は比例関係にあることがわかり、製造条件を統一しておいた上で成形時間を調整することで所望のレンズ形状に調節できることがわかった。

（例６）
本実施例は、図９に断面の模式図として示した板状成形型６０を使用した。ここで、板状成形型６０は、厚さ約１ｍｍの合成石英基板６１の平面に厚さ約０．３μｍのＣｒからなる中間層６２を有し、中間層６２上に厚さ約１．０μｍのＤＬＣからなるコーティング層６３を有する。そして、機械加工によって、φ４５．２４±２．３０μｍの貫通孔６０ａが、ピッチ０．１ｍｍで碁盤目状に８個×８個（合計６４個）形成されている。また、貫通孔６０ａを有する部分における合成石英基板６１の厚さは、周辺部（厚さ約１．０ｍｍ）より薄く、約０．２ｍｍとなるように事前に加工が施されたものである。また、本実施例で用いた板状成形型６０の熱膨張係数αは、５．０×１０^−７／Ｋ（ａｔ 〜２００℃）であった。

そして、板状成形型６０を用いて、例１と同様に、図４の光学素子の製造装置を用いて表２に示す条件でマイクロレンズアレイを成形した。また、その条件で得られた結果も表２に示す。なお、成形面形状については、非接触三次元測定機（キーエンス製、商品名：ＶＫ９７００）により測定した。なお、表２における、評価径φ１、高さｈ１および曲率は、図１０における中心（６５ａに相当）のマイクロレンズ１個と、周辺部のうち６５ｂを含む最端部のマイクロレンズ４個（４隅）の５点について測定した結果を平均して算出した結果である。

図１０は、本実施例で得られた光学素子の平面図を示すものであり、図１０において、中央部のマイクロレンズを６５ａ、周辺部のマイクロレンズを６５ｂとして示した。また、図１１Ａ及び１１Ｂは、これらのマイクロレンズの断面図を示すものであって、図１１Ａは、中央部のマイクロレンズ６５ａの断面図、そして、図１１Ｂは、周辺部のマイクロレンズ６５ｂの断面図を示すものである。ここで、中央部のマイクロレンズ６５ａは、評価径φ１が０．０４２３［ｍｍ］、高さｈ１が０．０１１７［ｍｍ］、曲率（Ｒ）が０．０２５７［ｍｍ］であった。そして、周辺部のマイクロレンズ６５ｂは、評価径φ１が０．０４２７［ｍｍ］、高さｈ１が０．０１１８［ｍｍ］、曲率（Ｒ）が０．０２５８［ｍｍ］であり、成形型の中央部と外周部でのマイクロレンズ形状のバラツキが極めて小さく、均一な光学面形状を形成できることがわかった。

（例７：比較例）
従来法として、図１２に示した装置を用いたプレス法による光学素子の成形を行った。図１２は、上型９２、下型９３及び胴型９４からなるプレス用の光学素子の製造装置９１を示した図である。

ここで用いた下型９３の成形面の平面図を図１３に示した。この下型９３は、十字形に形成されたφ０．７７ｍｍの貫通孔１２個とＸ字形に形成されたφ０．０５ｍｍの貫通孔１３個を有している。ここで、φ０．７７ｍｍの貫通孔において、中央付近の貫通孔を９３ａ、最外周部の貫通孔を９３ｂとする。この成形型を用い、上下から圧力をかけることでガラス素材を成形用の貫通孔内に押出し、光学面を形成した。ガラス素材は、ホウケイ酸バリウム系の低融点ガラス（ガラス転移点：４９５℃、屈伏点：５４２℃、軟化点：５９１℃、旭硝子社製、商品名：Ｒ１Ｂ）製のφ１２ｍｍ、厚さ６．３ｍｍの円板状のものを使用した。

ガラス素材を５６０℃にまで昇温させ、十分に軟化させた後、成形型により上下よりプレスした。このとき圧力３×１０^２ｋＰａで５０秒間プレスを行った。また、プレスした際の変位量は２６００μｍとした。

プレス操作が終わった後、ガラス素材を十分に冷却し、固化させた。得られたガラス成形品を取出し、その成形面形状を非接触三次元測定機（三鷹光器社製、商品名：ＮＨ３−ＭＡＳ）により測定した。得られた結果を図１４に示す。

図１４では、貫通孔９３ａで形成された中央側の成形面と、貫通孔９３ｂで形成された最外周部の成形面の形状を重ねて示した。この結果から、成形面の表面粗さによらず、滑らかな表面形状を有する光学面を形成できているが、成形面の最大高さが、中央側では０．２２ｍｍであったものが、最外周部では０．１７ｍｍとなってしまっていた。また、図１４では、図７で説明したアスペクト比における変曲点間の中心を０位置に合わせて成形面形状を表しているが、その形状も中央部のものは面頂部が０位置にあり、ほぼ対称の球面形状が得られているが、最外周部では面頂部が０．０４９ｍｍの位置にあり、外周側に寄った非対称の形状となっていた。したがって、プレス法によると、成形型の中央部と外周部での形状にバラツキが生じやすいことがわかった。

以上より、本発明の光学素子の製造方法及び製造装置は、滑らかな光学面を有する光学素子を簡便な操作で得ることができ、その際、光学面の高さの調節が容易にできる有用な方法である。さらに、マイクロレンズアレイ等の製造においては、個々のマイクロレンズの形状バラツキを無くし、均一な特性の光学素子を製造するのに有用であることがわかった。

本発明を特定の態様を参照して詳細に説明したが、本発明の精神と範囲を離れることなく様々な変更および修正が可能であることは、当業者にとって明らかである。
なお、本出願は、２０１１年８月２５日付けで出願された日本特許出願（特願２０１１−１８３９７６）に基づいており、その全体が引用により援用される。

本発明の光学素子の製造方法及び製造装置は、凸状の光学面を有する光学素子の製造に広く用いられ、特に、マイクロレンズアレイ等の光学素子を形成するのに有用である。

１…光学素子の製造装置、２…板状成形型、３…保持容器、４…圧力制御部、５０…ガラス素材

Claims (12)

1. ガラス素材を、光学面成形部である貫通孔を有する板状成形型と接触させ、前記ガラス素材を加熱により軟化させる加熱工程と、
   前記加熱工程後、前記板状成形型の前記ガラス素材との接触面側の第１の空間と、前記板状成形型の前記ガラス素材との接触面とは反対面側の第２の空間との間に、前記第１の空間よりも前記第２の空間の方が低圧になるように差圧を生じさせ、前記ガラス素材を前記板状成形型に密接させて貫通孔内に吸引し、前記板状成形型と接触させずに凸状の光学面を形成する成形工程と、
   前記成形工程により所望の形状となったガラス素材を冷却する冷却工程と、
   を含む光学素子の製造方法。
2. 前記成形工程において、前記第１の空間を大気圧に、前記第２の空間を負圧にする請求項１記載の光学素子の製造方法。
3. 前記成形工程において、前記第１の空間を正圧に、前記第２の空間を大気圧にする請求項１記載の光学素子の製造方法。
4. 前記差圧が、１０〜１０００ｋＰａである請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
5. 前記加熱工程において、ガラス素材の粘度をη［ｄｐａ・ｓ］とするとき、ｌｏｇηを４．８６〜１２．３７とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
6. 前記光学素子が、マイクロレンズアレイである請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
7. 前記板状成形型が、合成石英を基体とした成形型である請求項１乃至６のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
8. 一方の面にガラス素材を密接させて光学素子を形成する成形型であって、光学面形成部として略円柱状の貫通孔を有する板状成形型と、
   前記板状成形型の周縁部を保持し、該板状成形型の前記ガラス素材との接触面側に形成される第１の空間と前記板状成形型の前記ガラス素材との接触面の反対面側に形成される第２の空間とを分割可能な保持容器と、
   前記第１の空間よりも前記第２の空間の方が低圧になるように差圧を生じさせる圧力制御部と、
   を含む光学素子の製造装置。
9. 前記圧力制御部が、前記第２の空間と接続された真空ポンプである請求項８記載の光学素子の製造装置。
10. 前記圧力制御部が、前記第１の空間と接続された加圧ポンプである請求項８記載の光学素子の製造装置。
11. 前記板状成形型が、複数の貫通孔を有するマイクロレンズアレイ用成形型である請求項８乃至１０のいずれか１項記載の光学素子の製造装置。
12. 前記板状成形型が、合成石英を基体とした成形型である請求項８乃至１１のいずれか１項記載の光学素子の製造装置。

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