KR100212226B1 - 광학소자의 제조방법 - Google Patents

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켄지 이노우에
마코토 우메타니
히데나오 카타오카
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모리시타 요이찌
마츠시타 덴키 산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 광학기기에 사용되는 비구면렌즈등의 광학소자의 제조방법에 관한 것으로서, 광학기능면이 회전비대칭형상인 광학소자를 용이하게 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한 것이며, 그 구성에 있어서, 광학소재를 1쌍의 금형사이에 배치하고, 상기 광학소재 및 상기 금형을 소정의 온도로 가열하고, 상기 금형을 프레스함으로써, 상기 금형의 광학기능면의 형상을 상기 광학소재의 표면에 전사하는 광학소자의 제조방법에 있어서, 상기 금형의 적어도 하나의 광학기능면은 회전비대칭이고, 상기 회전비대칭형상은 금형모재의 회전대칭면을 불균일하게 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 한다. 이로써, 일정량의 또한 방향성이 정해진 비점수차를 발생하는 광학소자를 성형할 수 있다.

Description

광학소자의 제조방법
제1도는 본 발명의 광학소자의 제조방법 및 그것에 적합한 금형제조방법의 제1실시예에 있어서 사용되는 금형을 형성하는 방법 및 중간조립체를 표시한 단면도.
제2도는 제1실시예에 있어서의 금형모재와 마스크의 형상 및 상대위치를 표시한 제1도의 중간조립체의 평면도.
제3도는 제1실시예에 있어서 형성된 금형의 형상을 표시한 사시도.
제4도는 금형을 형성하기 위하여 제1실시예에서 사용되는 에칭장치를 표시한 측단면도.
제5도는 제1실시예에 있어서의 제2도 및 제3도의 축 X및 Y방향의 에칭후의 금형의 단면형상에 대응하는 데이터를 표시한 그래프.
제6도는 본 발명의 광학소자의 제조방법 및 그것에 적합한 금형의 제조방법의 제2실시예에 있어서 사용되는 금형을 형성하는 방법을 표시한 측단면도.
제7도는 제2실시예에 있어서의 금형모재와 마스크의 형상 및 상대위치를 표시한 금형모재의 중간단계의 평면도.
제8도는 제2실시예에 있어서의 제7도의 축 X및 Y방향의 에칭후의 금형의 단면형상에 대응하는 데이타를 표시한 그래프.
제9도는 본 발명의 광학소자의 제조방법 및 그것에 적합한 금형의 제조방법의 제3실시예에 있어서 사용되는 금형을 형성하는 방법 및 중간조립체를 표시한 측단면도.
제10도는 제3실시예에 있어서의 금형모재와 마스크의 형상 및 상대위치를 표시한 제9도에 표시한 중간조립체의 평면도.
제11도는 제3실시예에 있어서의 제10도의 축 X 및 Y방향의 막형성후의 금형의 단면형상에 대응하는 데이터를 표시한 그래프.
제12도는 본 발명의 방법에 의해 제조되는 광학소자를 표시한 사시도.
제13도는 본 발명의 광학소자의 제조방법의 프레스몰딩공정을 표기한 측단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 금형모재 1a : 금형모재의 표면
2 : 보호막 3 : 보호막의 표면
4 : 마스크 5 : 직사각형 개구
6 : 이온빔 7 : 마스크지그
9 : 에칭실 10 : 스테이지
11 : 이온가속전극 12 : 플라즈마
13 : 이온총(銃) 14 : 가스도입밸브
20 : 금형모재 21 : 금형모재의 표면
21a : 에지 22 : 레지스트막
23,24 : 개구 25 : 에칭용액
30 : 금형모재 31 : 막(스퍼터막)
32 : 막의 표면 33 : 마스크(사선부)
34 : 직사각형개구 35 : 마스크지그
36 : 스퍼터입자 50 : 광학소자
51 : 광학기준면 52,53 : 능선
60 : 광학소재 61,62 : 금형
본 발명은, 광학기기에 사용되는 비구면렌즈등의 광학소자의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 광디스크나 광자기디스크용의 광헤드는, 디스크의 기록면위를 트래킹하기 위하여, 항상 디스크의 반경방향으로 구동된다. 따라서, 대부분의 경우, 디스크의 기록면위의 데이터를 판독하거나, 기록면위에 있는 데이터를 기록하기 위해, 대물렌즈의 축외영역이 사용된다. 그러나, 축외영역에 있어서의 렌즈의 광학성능은, 축외영역에 있어서 비점수차가 증가하기 때문에, 근축(近軸)영역에 있어서의 광학성능과 비교해서 뒤떨어져 있다. 또, 광원으로서 사용되는 반도체레이저로부터의 광은 비점격차를 가진다. 또, 디스크의 기록면에 의해 반사된 광을 광검출기에 집광하기 위한 제2의 렌즈도 비점수차를 가진다. 그때문에, 광헤드의 기록 재생성능은 더욱 열악화되어 버린다.
광헤드의 성능을 향상시키기 위하여, 예를들면 일본국 특개평 5-107467호 공보에는, 적어도 회전비대칭인 광학기능면을 가진 대물렌즈가 제안되어 있다. 대물렌즈의 광학기능면을 회전대칭으로 형성함으로써, 광축위의 수차에 비점수차성분을 발생시킬 수 있다. 대물렌즈의 방향은, 회전비대칭면에 의해 발생되는 비점수차에 의해, 상기 반도체레이저나 제2렌즈에 의한 수차를 상쇄시키도록 조정된다. 그러나, 회전비대칭인 광학소자를 제조하는 일은 매우 곤란하다.
종래부터, 광학소자의 제조법으로서, 광학소재를 직접 연마해서 가공하는 방법이 알려져 있다. 이 직접연마법에서는, 유리등의 광학소재의 숫돌을 상호 요동시켜, 맞문질러서 연마한다. 그 때문에, 필연적으로 평면 또는 구면형상밖에 가공할 수 없다. 따라서, 종래의 직접연마법에서는, 회전비대칭형상의 광학소자를 제조할 수가 없다.
최근에는, 예를들면 미국특허공보 제 5,015,280호에, 프레스성형에 의한 광학소자의 제조기술이 제안되어 있다. 프레스성형법은, 금형(dies)형상을 광학소재에 전사하는 공법이다. 그러므로, 만약 금형을 고정밀도로 가공할 수 있으면, 소망의 광학소자를 용이하게 제조할 수 있다.
제조되어야할 광학소자가 회전대칭비구면렌즈등과 같이 회전대칭인 경우, 금형은 초정밀CNC제어공작기계를 사용해서 형성할 수 있다. 금형은 광축을 중심으로해서 회전되며, 연삭 또는 절삭공구는 렌즈의 단면형상이 되는 비원호의 궤적으로 이송운동된다. 이에 의해, 약 0.1㎛의 형상정밀도로, 비교적 용이하게 금형을 제조할 수 있다.
그러나, 제조되어야할 광학소자가 회전비대칭인 광학기능면을 가진 경우, 금형을 제작하는 가공기는 매우 복잡하고, 고정밀도이고 또한 고가인 것으로 된다. 즉 예를 들면, 금형의 회전각도를 검지하기 위하여 인코더를 가공기의 주축에 장착하고, 금형의 회전각도를 측정하면서, 금형 또는 주축의 1회전중에, 공구의 전진후퇴를 고정밀도로 제어하면서, 반복하여 행하지 않으면 안된다. 또, 이 가공에 의해 형성된 금형의 형상정밀도를 확보하는 일은 곤란하다. 또, 공구의 위치를 금형 또는 주축의 회전에 추정시키기 위하여 매우 천천히 회전시키지 않으면 안되어, 금형의 가공시간이 길어져 버린다.
한편, 예를들면 일본국 특개평 5-107467호공보는, 회전대칭형상의 금형을 사용해서, 성형조건을 제어함으로써 비점수차를 발생시키는 방법을 표시하고 있다. 이 방법에서는, 성형온도, 온도구배, 성형압력, 성형소재형상등을 고정밀도로 제어 관리하지 않으면 안된다. 또, 광학소자의 양산에 있어서 수율을 확보하는 일은 곤란하다. 또, 렌즈의 비점수차의 방향을 정할 수 없다.
이상과 같이, 종래의 제조방법에서는, 회전비대칭형상의 광학소자를 제조하는 일은 곤란하였다.
본 발명의 목적은, 회전비대칭형상의 광학기능면을 가진 광학소자를 용이하게 제조하는 방법을 제공하는 일이다.
본 발명의 광학소자의 제조방법은, 광학소재를 1쌍의 금형사이에 배치하는 공정과, 광학소재 및 금형을 소정의 온도로 가열하는 공정과, 광학소재의 표면에 금형의 형상을 전사하기 위하여 금형을 압압하는 공정을 구비하고, 금형의 적어도 1면은 회전비대칭이다. 금형의 회전비대칭형상은 금형모재 또는 그 표면에 형성된 보호막의 회전대칭인 표면을 불균일하게 에칭함으로써 형성된다. 이 방법에 있어서, 금형의 회전비대칭형상은 드라이에칭처리에 의해 형성되고, 드라이에칭처리는 금형모재등의 회전대칭표면위 또는 회전대칭표면으로부터 위로 떨어진 위치에 마스크를 배치하는 공정과, 마스크를 통해서 금형모재등의 회전대칭표면에 이온 또는 래디컬을조사하는 공정을 가지는 일이 바람직하다. 또는, 금형의 회전비대칭형상은 웨트에칭처리에 의해 형성되며, 웨트에칭처리는 에칭되어야할 소정형상의 부분을 제외한 적어도 금형모재등의 회전대칭의 표면에 레지스트막을 형성하는 공정과, 적어도 금형모재등의 회전대칭의 표면을 에칭액속에 담그는 공정을 가지는 일이 바람직하다.
본 발명의 다른 광학소자의 제조방법은, 광학소재를 1쌍의 금형사이에 배치하는 공정과, 광학소재 및 금형을 소정의 온도로 가열하는 공정과, 광학소재의 표면에 금형의 형상을 전사하기 위하여 금형을 압압하는 공정을 구비하고, 금형의 적어도 1면은 회전비대칭이고, 회전비대칭형상은 금형모재의 회전대칭표면위에 불균일하게 막을 퇴적시킴으로써 형성된다. 이 방법에 있어서, 금형의 회전비대칭형상은, 금형의 회전대칭표면위 또는 회전대칭표면으로부터 위로 떨어진 위치에 마스크를 배치하는 공정과, 금형모재의 회전대칭의 표면에 입자를 조사하는 공정을 가진, 스퍼터링법, PVD(Physical vapor deposition)법 및 CVD(Chemical vapor deposition)법으로부터 선택된 어느 하나의 방법에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
또, 상기 각 방법에 있어서, 금형의 회전비대칭형상은 원환체(toric)면 또는 원통체(cylindrical)면의 어느 하나인 것이 바람직하다. 또, 금형의 회전비대칭형상은, 이 회전비대칭형상이 광학소자에 전사되었을 경우에, 축상파면수차(軸上波面收差)에 비점수차성분을 발생시키도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 광학소자의 제조방법에 의하면, 금형의 회전비대칭형상은 에칭처리 또는 막형성처리에 의해 형성되기 때문에, 금형의 제조가 용이하게 되며, 예를들면 비구면렌즈의 광학소자는 금형사이에 배치된 광학소재를 프레스몰딩함으로써 제조되기 때문에, 금형의 회전비대칭형상이 광학소자의 표면에 전사된다.
표면에 회전대칭형상을 가진 금형모재는, 종래의 절삭 또는 연삭방법에 의해 용이하게 형성할 수 있다. 에칭처리 또는 막형성처리에 있어서, 에칭속도 또는 막형성속도가 안정되어 있으므로, 그 가공량을 용이하게 제어할 수 있다. 그러므로, 금형모재의 최초의 회전대칭형성을 손상시키는 일없이, 금형의 회전비대칭형상을 정확하게 형성할 수 있다. 또, 특별한 그리고 고가의 가공기는 불필요하다. 특히, 종래의 방법에서는 제작이 곤란하였던 원환체면 또는 원통체면을 금형의 표면에 형성할 수 있다. 또, 에칭처리 또는 막형성처리에 의해, 다수의 금형을 동시에 형성할 수 있다. 그러므로, 금형 1개당의 형성에 소요되는 시간을 짧게하고, 또 금형 1개당의 비용을 저감시킬 수 있다. 마스크를 통해서 금형모재의 표면을 에칭하는 또는 금형모재의 표면에 막을 형성하는 방법에 있어서, 금형모재의 광학기능면은, 마스크의 개구부의 형상 및/ 또는 금형모재의 광학기능면에 대한 광학기능면의 위치를 조절함으로써, 소망의 형상으로 형성할 수 있다. 또, 막형성법은 종래부터 행하여지고 있는 금형의 광학기능면에서의 보호막이나 이형막의 형성공정에 적용하는 일이 가능하며, 금형의 제조공정수를 증가시키는 일없이 회전비대칭금형을 형성할 수 있다.
상기 방법에 의해 제조된 비구면렌즈등의 광학소자는, 적어도 1개의 회전비대칭광학기능면을 가지므로, 축상의 파면수차에 비점수차성분을 발생시킬 수 있다. 그러므로, 거의 동일방향으로 거의 동일량의 비점수차를 발생시키는 광학소자를 양상할 수 있다. 광학소자의 회전비대칭광학기능면에 의해 발생되는 비점수차의 방향을 검출하여, 광학소자의 (장착)방향을 마킹함으로써, 그 마크를 광학장치의 소정위치에 위치결정함으로써 광학소자를 용이하게 장착할 수 있다. 그러므로, 비점수차를 모니터하면서 광축에 대한 광학소자의 방향을 조절하는 일을 생략할 수 있다. 또, 금형의 에지부분에 마크에 대응하는 오목볼록형상을 형성하면, 광학소자의 제조와 동시에 광학소자의 에지부에 마크를 형성할 수 있다. 그러므로, 회전비대칭의 광학기능면에 의해 발생되는 비점수차의 방향의 검출을 생략할 수 있다.
[제1실시예]
본 발명의 광학소자의 제조방법 및 그것에 적합한 금형의 제조방법과 제1실시예에 대해서, 제1도∼제5도 및 제12도 및 제13도를 참조하면서 설명한다. 본 발명의 방법에 의해 제조되어야할 광학소자(50)는, 예를들면 비구면렌즈이며, 제12도에 표시한다. 광학소자(50)의 광학기능면(51)은 회전비대칭비구면이며, 수직의 능선(52) 및 수평의 능선(53)을 가진다. 수직방향의 곡률반경과 수평방향의 곡률반경은 다르다. 그러므로, 능선(52) 및 (53)은 각각 2개의 다른 점에 초점을 맺는다. 광학소자(50)는 그 축상에 있어서 비점수차를 가진다. 광학소자(50)는, 1쌍의 금형사이에 배치된 광학소재를 프레스성형함으로써 제조된다. 적어도 금형의 1개는 회전비대칭비구면을 가지고, 회전비대칭비구면은 광학소재의 표면에 전사된다. 그러므로, 광학소자(50)의 광학기능면(51)이 형성된다.
다음에, 회전비대칭비구면을 가진 금형의 제조방법에 대해서 설명한다. 제1도에 표시한 바와 같이, 중간조립체(100)는 금형모재(1)와, 마스크(4)와 마스크지그(7)를 구비한다. 금형모재(1)는, 텅스텐(W) 및 카본(C)을 주성분으로 하는 초경합금으로 이루어져 있다. 금형표면의 손상이나 성형시의 광학소재의 융착을 방지하기 위하여, 금형모재(1)의 표면(1a)위에 보호막(2)을 형성해도 된다. 마스크(4)는, 마스크지그(7)를 개재해서 금형모재(1)의 표면(1a) 또는 보호막(2)의 표면(3)보다도 위쪽에 소정거리만큼 떨어진 위치에 배치되어 있다. 아르곤(Ar)이온법(6)은, 금형모재(1)의 표면(1a) 또는 보호막(2)의 표면(3)을 에칭하기 위하여, 마스크(4)의 위쪽에서부터 아래쪽으로 조사된다. 금형모재(1)는, 금형제조공정이 완료된 시점에서, 회전비대칭비구면을 가진 금형으로 된다.
금형모재(1)의 표면(1a)에는, 종래의 회전대칭비구면을 형성하기 위한 방법에 의해, 미리 회전대칭인 비구면이 형성되어 있다. 금형모재(1)는, 제조되어야할 광학소자의 광축에 대응하는 축을 중심으로 회전된다. 그리고, 연삭숫돌과 금형모재가 접하는 가공점이 광학소자(50)의 소정방향, 예를들면 제12도의 능선(52)을 따른 비원호의 단면형상을 그리도록, 숫돌을 이송운동시킨다. 이 가공법에 의해 가공된 금형모재(1)의 형상정밀도는 ±0.1㎛ 정도였다. 금형모재(1)의 표면(1a)에 보호막(2)을 형성하는 경우, 플라티나-이리듐(Pt-Ir)합금등의 보호막을 스퍼터법에 의해 두께 3㎛ 로 형성한다.
제2도에서 명백한 바와 같이, 사선부는 금형모재(1)의 마스크(4)에 의해 차폐되어 있는 부분이다. 예를들면, 에지부를 포함한 금형모재(1)의 성형면의 직경은 5㎜이고, 표면(1a) 또는 (3)의 직경은 4㎜이다. 직사각형개구(5)의 크기는 5㎜×2㎜이며, 각 개구(5)는 1㎜의 간격을 두고 평행하게 배치되어 있다.
다음에, 제1도에 표시한 상기 중간조립체(100)를 제4도에 표시한 에칭장치에 배치한다. 제1실시예에서는, ECR(electron cyclotron resonance)이온빔에칭장치를 사용하고 있다. 에칭장치는 에칭실(9)과, 중간조립체(100)가 장착되는 스테이지(10)와, 에칭실(9)의 상단부에 형성된 이온빔가속전극(11)과, 에칭실(9)위에 설치된 이온총(13)을 구비한다.
중간조립체(100)가 스테이지(10)에 장착되면, 에칭실(9)의 내부가 진공으로 되도록 공기가 제거된다 .그후, 아르곤(Ar)가스를, 가스도입밸브(14)를 개재해서 이온총(13)내에 도입하여, 플라즈마(12)를 발생시키다. 이온가속전극(11)은 플라즈마(12)로부터 Ar이온을 끌어내어, 이온빔(6)을 중간조립체(100)에 조사한다. 금형모재(1)의 표면(1a) 또는 보호막(2)의 표면(3)의 원자 또는 분자는, 날아온 이온의 충돌에 의해, 튀어나가게 된다. 이에 의해, 금형모재(1)의 표면(1a) 또는 보호막(2)의 표면(3)의 에칭가공이 행하여진다.
제1실시예에 있어서, 중간조립체(100)의 최대직경은 15㎜였다. 에칭실(9)내의 스테이지(10)위에 7개의 중간조립체(100)을 장착하였다. 이온총(13)으로부터의 이온빔속(flux)의 직경은 60㎜였다. 마스크(4)는, 금형모재(1)의 표면(1a) 또는 보호막(2)의 표면(3)으로부터 10㎜ 떨어지게 하였다. 에칭조건은 이하와 같다. 도입 Ar가스의 압력 0.09Pa, 이온빔(6)의 가속전압 800V, 이온빔(6)의 전류밀도 1.0mA/㎠, 이온빔(6)의 조사시간 3분이었다.
금형 1개당의 가공에 소요된 시간은, 중간조립체(100)의 조립시간, 중간조립체(100)를 에칭실(9)내에 세팅하는 시간 및 에칭실(9)의 내부를 진공으로 하기 위하여 공기를 빼는 시간을 포함해서, 약 90분(1시간반)이었다. 만약, 이온빔속의 직경을 더 크게할 수 있으면, 다수의 금형을 효율적으로 제조할 수 있다.
이상과 같이 해서 형성된 금형의 단면형상을, 제2도 및 제3도에 표시한 X축 및 Y축방향으로 측정하였다. 측정결과는 제5도에 표시하였다. 제5도에 있어서, 횡축은 금형중심으로부터 측정점까지의 거리를 표시하고, 종축은 측정점에 있어서의 에칭하기 전의 회전대칭형상과 에칭후의 회전비대칭형상과의 어긋남량을 금형의 중심을 0으로 해서 표시한 것이다. 제5도에서 명백한 바와 같이, 금형모재(1)의 표면(1a) 또는 보호막(2)의 표면(3)의 Y축을 따른 영역은 마스크(4)에 의해 차폐되고, 이온빔(6)에 의해 균일하게 에칭되므로, Y축방향의 금형의 단면형상은 에칭전의 회전대칭형상으로부터 변화되어 있지 않다. 한편, X축방향으로 금형의 중심으로부터 떨어진 영역은 중심부분보다도 많이 이온빔에 노출되므로, X축방향의 금형의 단면형상은 중심으로부터 주변부를 향해서 완만하게 경사져 있다. 그 결과, 에칭후의 금형모재(1)의 표면(1a) 또는 보호막(2)의 표면(3)의 표면형상은, 예를들면 원환체면과 같은 회전비대칭으로 된다. X축방향의 금형의 전체적인 곡률반경은, Y축방향의 금형의 곡률 반경보다 커진다.
또, 회전대칭표면을 가진 다른 금형을, 종래방법에 의해 미리 준비해둔다. 제13도에 표시한 바와 같이, 예를들면 유리나 수지등의 광학소재(60)를 금형(61)과 (62)사이에 배치한다. 금형(61)과 (62)의 어느 한쪽은, 상기 에칭방법에 의해 형성된 회전비대칭면을 가지고, 다른쪽은 종래의 방법으로 형성된 회전대칭면을 가진다. 금형(61) 및 (62)과 광학소재(60)는, 적어도 광학소재(60)의 표면이 연화하는 소정의 온도로 가열된다. 금형(61) 및 (62)은, 금형(61)및 (62)의 표면형상이 광학소재(60)의 표면에 전사되도록, 소정의 압력으로 프레스된다. 그후, 금형(61) 및 (62)과 광학소재(60)는 냉각되어, 회전비대칭인 광학기능면(51)을 가진 비구면렌즈인 광학소자(50)가 얻어진다.
제1실시예에 있어서, 외주부에 있어서의 X축방향의 금형의 단면형상의 최대어긋남량을 0.15㎛ 로 하였다. 상기 에칭공정을 5회 반복하고, 합계 35개의 금형을 제작하였다. 금형의 형상오차는 설계편차량 0.15㎛ 에 대해서 ±0.02㎛ 였다.
프레스성형공정을 반복하여, 동일금형으로 1000개의 렌즈를 성형하였다. 광학소재로서 광학유리 SF8을 사용하였다. 상기 금형을 사용해서 성형한 광학소자(50)는, 예를 들면 원환체면등의 회전비대칭의 광학기능면(51)을 가지므로, 광학소자(50)는 비점수차를 발생한다. 광학소자의 광학성능을 측정하였던 바, 각 광학소자는 거의 동일방향으로 거의 동일량의 비점수차를 발생시켰다. 비점수차의 평균치는 30mλ(mλ:사용되는 광원의 파장이 1/1000)이며, 광디스크장치용 광헤드의 대물렌즈로서 알맞는 값이었다. 그위에, 광학소자전체의 파면수차도 양호하였다. 이 광학소자를 사용해서 광헤드를 조립하였다. 광학소자는, 회전비대칭비구면에 의한 축상비점수차에 의해서 광디스크의 반경방향의 축외비점수차가 상쇄되도록 장착되어 있다. 제1실시예의 광학소자를 사용한 광헤드에 의한 광디스크의 재생특성은, 종래의 회전대칭형상의 렌즈를 사용한 종래의 광헤드를 사용한 재생특성보다 뛰어나 있었다.
마스크(4)의 개구(5)의 형상, 마스크(4)와 금형모재(1)의 표면(1a) 또는 보호막(2)의 표면(3)과의 거리, 에칭조건 및 에칭량을 제어함으로써, 소망의 회전비대칭형상을 금형에 형성할 수 있다. 이에 의해, 소망의 비점수차를 발생시키는 광학소자를 얻을 수 있다.
제1실시예에서는, 금형모제 또는 그 표면의 보호막을 에칭하기 위하여 아르곤이온을 조사하였으나, 다른 이온이나 래디컬을 사용한 드라이에칭법이어도, 마찬가지의 형상을 얻을 수 있다. 또, 보호막(2)을 형성하는 경우, 에칭처리전에 금형모재(1)의 표면(1a)에 보호막(2)을 형성하고, 보호막(2)의 표면(3)을 에칭하였으나, 보호막(2)을 형성하기 전에 금형모재(1)의 표면(1a)을 회전비대칭으로 에칭하고, 그뒤 보호막(2)을 균일하게 형성해도 된다. 또, 마스크를 사용하지 않고, 금형모재(1)의 표면(1a) 또는 보호막(2)의 표면(3)을 이온빔을 주사(scanning)시킴으로써, 에칭을 행하여도 된다.
[제2실시예]
본 발명의 광학소자의 제조방법 및 그것에 적합한 금형의 제조방법의 제2실시예에 대해서, 제6도∼제8도를 참조하면서 설명한다. 제2실시예에 있어서, 제조되어야할 광학소자의 형상 및 금형을 사용한 광학소자의 제조공정은 제1실시예의 경우와 실질적으로 동일하다. 그러나, 회전비대칭비구면을 가진 금형의 제조방법이 다르다.
제6도에 표시한 바와 같이, 개구(23) 및 (24)를 제외하고 금형모재(20)의 전체면이 레지스트막(22)에 의해 차폐되어 있다. 개구(23)는, 금형모재(20)의 표면(21)에 대향하도록 형성되어 있다. 마크를 형성하기 위한 개구(24)는, 표면(21)의 에지부(21a)에 대향하도록 형성되어 있다. 레지스트막(22)을 가진 금형모재(20)는 에칭용액(25)에 담그어져 있다. 그러므로, 금형모재(20)의 표면(21)의 회전비대칭형상으로 에칭된다. 금형모재(20)는, 크롬합금스테인레스공구강으로 이루어져 있다.
금형모재(20)의 표면(21)은, 종래의 방법에 의해, 대충 회전대칭비구면형상으로 형성되어 있다. 적어도 금형모재(20)의 표면(21)에는 무전해니켈도금막(도시생략)이 형성되어 있다. 또, 금형모재(20)의 표면(21)위의 니켈도금막은 초정밀선반을 사용해서 다이아몬드공구에 의해 절삭된다. 그러므로, 금형모재(20)위의 표면(21)위의 니켈도금막은, 예를들면 제12도에 표시한 능선(52)을 따른 광학소자(50)의 단면형상에 정확하게 일치하도록 회전대칭비구면으로 완성된다. 에칭용액(25)으로서는, 황산의 5배희석액을 사용하였다.
예를들면, 금형모재(20)의 표면(21)의 반경은 2㎜이고, 평탄한 에지부(21a)의 폭은 1㎜였다. 따라서, 에지부를 포함한 금형모재(20)의 성형면의 전체반경은 3㎜였다. 개구(23) 및 (24)를 제외한 금형모재(20)의 전체표면은, 에칭용액(25)에 의해서 에칭되지 않도록, 레지스트막(22)에 의해 차폐되어 있다. 개구(23)는 제7도에 표시한 축 Y를 따라서 배치되어 있다. 개구(23)의 폭은 1㎜이고, 길이는 약 4㎜였다. 개구(24)는 축 Y와 직교하는 축 X위에 형성되어 있다. 개구(24)의 직경은 0.6㎜였다.
에칭용액(25)은, 직경 약 200㎜의 유리용기에 채워져, 40℃로 보온되어 있다. 최대직경 16㎜의 레지스트막으로 차폐된 금형모재(20) 40개를 수치제의 바구니에 배열하고, 5분간 에칭용액(25)에 담그었다. 그후, 바구니를 에칭액(25)으로부터 끌어올려, 순수로 세정하였다. 그 결과, 금형모재(20)의 표면(21)위의 니켈도금막은 회전비대칭으로 에칭되었다.
상기 방법에 의해 형성된 금형의 단면형상을 제7도에 표시한 X축 및 Y축방향으로 측정하였다. 측정결과를 제8도에 표시한다. 제8도에 있어서, 횡축은 금형중심으로부터 측정점까지의 거리를 표시하고, 종축은 측정점에 있어서의 에칭전의 회전대칭형상과의 어긋남량을 금형의 중심을 0으로 해서 표시한 것이다. 제8도에서 명백한 바와 같이, 금형모재(20)의 표면(21)위의 니켈도금막의 Y축방향의 중심부분은 레지스트막(22)으로 차폐되어 있지않고, 에칭액(25)에 의해 보다 균일하게 에칭되므로, Y축방향의 금형의 단면형상은 에칭전의 회전대칭형상으로부터 변화되어 있지않다. 한편, X축방향의 표면(21)위의 니켈도금막의 주변부는 레지스트막(22)으로 차폐되어 있고, 금형의 중심부분은 주변부분보다도 에칭액에 의해 많이 에칭되기 때문에, X축방향의 금형의 단면형상에 있어서, 주변부분은 중심부분에 대하여 상대적으로 약 0.1㎛ 높게 되어 있다. 또, 제8도의 거리(반경)-2에서부터-3의 부분에 있어서, 개구(24)에 대향하는 위치에 오목부가 형성되어 있다. 그 결과, 금형표면의 형상은, 예를들면 원환체면과 같은 회전비대칭으로 된다. X축방향의 금형의 곡률반경은, Y축방향의 금형의 곡률반경보다 상대적으로 작아진다.
상기 방법에 의해 형성된 40개의 금형의 형상을 측정하였던 바, X축방향의 금형의 단면형상의 형상오차는, 평균편차량 0.1㎛에 대해서 -0.02㎛에서 +0.03㎛의 범위내로, 불균일은 작았다.
광학소자의 성형시에 있어서의 금형표면의 손상이나 광학소재의 융착을 방지하기 위하여, 플라티나-탄탈(Pt-Ta)합금의 보호막을 스퍼터링법에 의해, 금형의 회전비대칭면에, 두께 2㎛의 보호막을 형성하였다.
또, 회전대칭비구면을 가진 다른 금형을 준비해둔다. 제13도에 표시한 제1실시예와 마찬가지로, 폴리카보네이트수지제의 광학소재(60)를 금형(61)과 (62)사이에 배치한다. 금형(61)과 (62)의 어느 한쪽은 상기 에칭방법에 의해 형성된 회전비대칭면을 가지고, 다른쪽은 종래의 방법으로 형성된 회전대칭면을 가진다. 광학소재(60)와 금형(61) 및 (62)을 소정의 온도로 가열한 후, 금형(61)과 (62)을 소정의 압력으로 프레스하였다. 그후, 광학소재(60) 및 금형(61) 및 (62)을 냉각하였다. 이와 같이 해서, 광학소자(50)을 얻을 수 있었다.
이와 같은 프레스성형공정을 반복하므로써, 동일금형으로 1000개의 렌즈를 성형하였다. 제13도에 표시한 바와 같이, 상기 금형을 사용한 프레스성형에 의해 제조한 광학소자는 원환체면등의 회전비대칭광학기능면을 가지므로, 광학소자는 비점수차를 발생한다. 광학소자의 광학성능을 측정하였던 바, 각 광학소자는 거의 동일방향으로 거의 동일량의 비점수차를 발생시켰다. 비점수차의 평균치는 25mλ(mλ:사용되는 광원의 파장의 1/1000)로, 광디스크장치용 광헤드의 대물렌즈로서 알맞은 값이었다. 게다가, 광학소자전체의 파면수차도 양호하였다. 이 광학소자를 사용해서 광헤드를 조립하였다. 제7도 및 제8도에 표시한 바와 같이, 회전비대칭방향을 표시하는 마크를 검출함으로써, 광학소자의 위치결정을 행하였다. 제2실시예에서는, 실제로 비점수차를 측정할 필요가 없으므로, 광학소자가 광헤드에 장착될때에, 최적의 광학성능을 가진 방향으로 광학소자를 용이하게 장착할 수 있다. 제2실시예의 광학소자를 사용한 광헤드에 의한 광디스크의 재생특성은, 종래의 회전대칭형상의 금형에 의해서 성형한 렌즈를 사용한 광헤드를 사용한 재생특성보다도 뛰어나 있었다.
레지스트막(22)의 개구(23)의 형상, 에칭조건 및 에칭량을 제어함으로써, 소망의 회전비대칭형상을 금형에 형성할 수 있다. 이에 의해, 소망하는 비점수차를 발생시키는 광학소자를 얻을 수 있다. 또, 에칭공정은 제6도에 표시한 예에 한정되지 않는다. 표면(21)을 포함한 금형모재(20)의 일부분만을 에칭용액에 담그어도 된다. 이 경우, 레지스트막은 금형모재(20)의 표면(21)근처에만 형성하면 된다. 에칭용액(25)의 성분은, 금형모재(20)의 재료를 에칭할 수 있는 것이라면 된다. 제2실시예에서는, 금형모재(20)의 표면(21)위의 니켈도금막을 에칭하기 위하여 황산을 사용하였으나, 금형모재 또는 그 표면의 보호막을 에칭할 수 있는 것이라면, 다른 것을 사용해도 된다. 또, 제2실시예에서는 금형모재(20)의 표면(21)위의 니켈도금막을 에칭하였으나, 금형모재(20)의 표면(21)을 직접 에칭해도 된다.
[제3실시예]
본 발명의 광학소자의 제조방법 및 그것에 적합한 금형의 제조방법의 제3실시예를, 제9도∼제11도를 참조하면서 설명한다. 제3실시예에 있어서, 제조되어야할 광학소자 및 금형을 사용한 광학소자의 제조공정은 제1실시예와 실질적으로 동일하다. 그러나, 회전비대칭비구면을 가진 금형의 제조방법이 제1실시예와는 다르다. 제3실시예에 있어서는, 회전비대칭의 금형의 형성방법으로서 스퍼터링법을 사용하고 있다.
제9도에 표시한 바와같이, 중간조립체(200)는 금형모재(30)와, 마스크(33)와 마스크지그(35)를 구비한다. 마스크(33)는 금형모재(30)의 위쪽에 마스크지그(35)를 개재해서 배치되어 있다. 스퍼터입자(36)는, 마스크(33)의 위쪽으로부터 아래쪽을 향해서 날아오고, 금형모재(30)의 표면에 막(31)을 형성한다. 금형모재(30)는 알루미나를 주성분으로 하는 서멧(cermet)으로 이루어져 있다.
스퍼터링공정에 앞서서, 종래의 방법에 의해, 금형모재(30)의 표면(30a)에 회전대칭비구면을 형성한다. 금형모재(30)를 성형되어야할 회전비대칭비구면렌즈등의 광학소자의 광축에 대응하는 축을 중심으로 해서 회전시킨다. 연삭숫돌은, 숫돌과 금형모재가 접하는 가공점이, 광학소자(50)의 소정방향, 예를들면 제12도의 능선(52)을 따른 비원호단면형상을 그리도록 이송운동된다.
제10도에 표시한 바와같이, 사선부(33)는 마스크(33)에 의해 금형모재(30)를 차폐하고 있는 부분이다. 예를들면, 금형모재(30)의 표면(30a)의 직경은 6㎜이고, 직사각형개구(34)의 크기는 6㎜×4㎜였다. 마스크(33)와 금형모재(30)의 표면(30a)과의 거리는 5㎜였다.
다음에, 14개의 중간조립체(200)를 스퍼터링장치의 직경 약 100㎜의 홀더위에 배열하고, 스퍼터링장치의 내부공기를 빼내어 진공으로 하였다. 그후, 아르곤(Ar)가스를 스퍼터링장치내에 도입하였다. 아르곤가스의 압력을 0.13Pa로 하고, RF파워 100W로 방전을 발생시켰다. Pt-Re을 타켓으로 해서, 스퍼터링을 60분간 행하였다. 그 결과, 불균일한 두께를 가진 막(31)이, 회전비대칭으로 되도록 금형모재(30)의 표면(30a)위에 형성되었다. 제3실시예에서는, 막(31)의 재료는 스퍼터링법에 의해 형성된 플라티나-레늄(Pt-Re)합금이다. 이 스퍼터막(31)은, 손상이나 성형시의 광학소재융착을 방지하기 위한 보호막으로서도 기능한다. 금형의 중심부분에 있어서의 막(31)의 두께는 2㎛였다. 또, X축방향으로 금형의 중심에서부터 2.5㎜ 떨어진 위치에 있어서의 막(31)의 두께는 1.87㎛였다. 최초의 회전대칭 형상으로부터의 X축방향에 있어서의 금형의 단면형상의 변위량은 0.13㎛였다. 금형의 형상오차는 평균변위량 0.13㎛에 대해서 ±0.02㎛였다.
제10도에 표시한 X축 및 Y축 방향의 금형의 단면형상을 측정하였다. 측정결과를 제11도에 표시한다. 제11도에 있어서, 횡축은 금형중심에서부터 측정점까지의 거리를 표시하고, 종축은 측정점에 있어서의 금형모재의 표면(30a)위에 형성된 오리지날의 회전대칭형상과 막(31)의 표면(32)과의 어긋남량을 금형의 중심을 0으로 해서 표시한 것이다. 제11도에서 명백한 바와 같이, Y축방향에 있어서의 금형모재(30)의 표면(30a)의 중심부분은 마스크(33)에 의해 차폐되어 있지않고, 막(31)이 그위에 균일하게 형성되기 때문에, Y축방향의 금형의 단면형상은 금형모재(30)의 표면(30a)의 최초의 형상으로부터 변화되어 있지않다. 한편, X축방향에 있어서의 금형모재(30)의 외주부근처는 마스크(33)에 의해 차폐되어 있고, 금형모재(30)의 표면(30a)의 중심부근처에 부착하는 입자의 양은 주변부에 부착하는 입자의 양보다도 많기 때문에, X축방향에 있어서의 금형의 단면형상은 중심부로부터 바깥쪽을 향해서 완만하게 경사지는 형상으로 된다. 그 결과, 금형모재(30)위의 막(31)의 표면(32)에 대응하는 금형의 표면형상은, 예를들면 원환체면등의 회전비대칭으로 된다. X축방향의 가담곡률반경은, 전체적으로 Y축방향의 곡률반경보다 커진다.
또, 회전대칭비구면을 가진 다른 금형을 준비하여, 제13도에 표시한 제1실시예와 마찬가지로, 금형(61)과 (62)사이에 광학유리 VC79로 이루어진 광학소재(60)를 배치하였다. 금형 (61) 및 (62)의 한쪽은 상기 스퍼터링법에 의해 형성된 회전비대칭비구면을 가지고, 다른쪽은 종래방법에 의해 형성된 회전대칭비구면을 가진다. 광학소재(60) 및 금형(61) 및 (62)을 소정의 온도로 가열하고, 금형(61) 및 (62)을 소정의 압력으로 프레스하였다. 그후, 광학소재(60) 및 금형(61) 및 (62)을 냉각하였다. 이와 같이 해서, 광학소자(50)를 얻을 수 있었다.
이와 같은 프레스성형공정을 반복하여, 동일 금형에 의해 1000개의 광학소자를 제조하였다. 상기 금형에 의해 성형된 광학소자는, 예를들면 원환체면등의 회전비대칭광학기능면을 가지므로, 광학소자는 비점수차를 발생한다. 광학소자의 광학성능을 측정하였던 바, 각 광학소자는 거의 동일방향으로 거의 동일량의 비점수차를 발생하였다. 비점수차의 평균치는 25mλ(mλ:사용되는 광원의 파장의 1/1000)이고, 광디스크장치용 광헤드의 대물렌즈로서 알맞는 값이었다. 게다가, 광학소자 전체의 파면수차도 양호하였다. 이 광학소자를 사용해서 광헤드를 조립하였다. 광학소자는, 회전비대칭비구면에 의해서 광자기디스크의 반경방향의 축외(軸外)비점수차가 상쇄되도록 장착되어 있다. 제3실시예의 광학소자를 사용한 광헤드에 의한 광자기디스크의 재생특성은, 종래의 회전대칭형상의 렌즈를 사용한 종래의 광헤드의 재생특성보다 뛰어나 있었다.
마스크(33)의 개구(33)의 형상, 마스크(33)와 금형모재(30)의 표면(30a)과의 거리, 스퍼터링조건 및 금형모재(30)의 표면(30a)에 부착하는 입자의 양등을 제어함으로써, 소망의 회전비대칭형상의 금형으로 형성할 수 있다. 이에 의해, 소망하는 비점수차를 발생시키는 광학소자를 얻을 수 있다.
제3실시예에서는, 막(31)을 형성하는 방법으로서 스퍼터링법을 사용하였으나, PVD(phisical vapor deposition)법이나 CVD(chemical vapor deposotion)법을 사용해도 된다. 또, 보호막을 겸하는 막(31)의 회전비대칭으로 형성하였으나, 중간층을 회전비대칭으로 형성하고, 중간층위에 보호막을 균일하게 형성해도 된다.
상기 제1, 제2 및 제3의 각 실시예에 있어서, 제2도, 제7도 및 제10도의 각 평면도에 표시한 바와 같이, 금형모재(1),(20) 및 (30)는 금형전체가 회전대칭형이지만, 금형모재의 형상은 반드시 회전대칭형으로는 한정되지 않는다. 예를들면 광학기능면이 형성되는 표면이 회전대칭이면, 금형모재의 다른 부분, 예를들면 성형면의 외주부, 금형의 목 또는 플랜지등의 광학기능면이 형성되는 부분이외의 형상에 대해서는, 직사각형단면등의 회전비대칭형이어도 된다.
또, 상기 각 실시예에 있어서, 금형의 표면(1a),(21) 및 (30a)의 형상은 각각 Y축에 대해서 대칭이나, 본 발명을 축비대칭인 광학기능면을 형성하기 위하여 응용할 수 있다. 마스크(4) 및 (33), 마스크지그(7) 및 (35)의 구성은 상기 표시한 실시예로 한정되지 않고, 에칭입자 또는 막형성입자를 차단할 수 있는 것이라면 된다.

Claims (15)

  1. 광학소재를 1쌍의 금형사이에 배치하고, 상기 광학소재 및 상기 금형을 소정의 온도로 가열하고, 상기 금형을 프레스함으로써, 상기 금형의 광학기능면의 형상을 상기 광학소재의 표면에 전사하는 광학소자의 제조방법에 있어서, 상기 금형의 적어도 하나의 광학기능면은 회전비대칭이고, 상기 회전비대칭형상은 금형모재의 회전대칭면을 불균일하게 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금형의 회전비대칭형상은 드라이에칭법에 의해 형성되고, 상기 드라이에칭법은 마스크를 상기 금형모재의 회전대칭표면에 접하는 위치 또는 회전대상표면으로부터 위쪽으로 떨어진 위치에 배치한 상태에서, 상기 금형모재의 회전대칭표면에 이온빔 또는 래디컬빔을 조사함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금형의 회전비대칭형상은 웨트에칭법에 의해 형성되고, 상기 웨트에칭법은 에칭되어야할 소정형상의 부분을 제외하고 상기 금형모재의 회전대칭표면에 레지스트막을 형성하고, 적어도 상기 금형모재의 회전대칭표면을 에칭용액에 담금으로써 행하는 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금형의 회전비대칭형상이 원환체면 또는 원통체면인 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 회전비대칭형상은, 광학소자에 전사될때에 축상파면수차의 비점수차성분을 발생하는 형상인 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금형의 회전비대칭표면에 보호막을 균일하게 형성한 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  7. 광학소재를 1쌍의 금형사이에 배치하고, 상기 광학소재 및 상기 금형을 소정의 온도로 가열하고, 상기 금형을 프레스함으로써 상기 금형의 광학기능면의 형상을 상기 광학소재의 표면에 전사하는 광학소자의 제조방법에 있어서, 상기 금형의 적어도 하나의 광학기능면은 회전비대칭이고, 상기 회전비대칭형상은 금형모재위에 형성된 보호막의 회전대칭인 면을 불균일하게 에칭함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 금형의 회전비대칭형상은 드라이에칭법에 의해 형성되고, 상기 드라이에칭법은 마스크를 상기 금형모재위의 보호막의 회전대칭표면에 접하는 위치 또는 회전대칭표면으로부터 위쪽으로 떨어진 위치에 배치한 상태에서, 상기 보호막의 회전대칭표면에 이온빔 또는 래디컬빔을 조사함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 금형의 회전비대칭형상은 웨트에칭법에 의해 형성되고, 상기 웨트에칭법은 에칭되어야할 소정형상의 부분을 제외하고, 적어도 상기 금형모재의 표면에 형성된 보호막의 회전대칭표면에 레지스트막을 형성하고, 적어도 상기 금형모재의 회전대칭표면을 에칭용액에 담금으로써 행하는 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 금형의 회전비대칭형상이 원환체면 또는 원통체면인 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 회전비대칭형상은, 광학소자에 전사되었을때에, 축상파면수차의 비점수차성분을 발생하는 형상인 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  12. 광학소재를 1쌍의 금형사이에 배치하고, 상기 광학소재 및 상기 금형을 소정의 온도로 가열하고, 상기 금형을 프레스함으로써 상기 금형의 광학기능면의 형상을 상기 광학소재의 표면에 전사하는 광학소자의 제조방법에 있어서, 상기금형의 적어도 하나의 광학기능면은 회전비대칭이고, 상기 회전비대칭형상은 금형모재의 회전대칭표면에 막을 불균일하게 막형성함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 금형의 회전비대칭형상은, 스퍼터링법, PVD(physical vapor deposition)법 및 CVD(chemical vapor deposition)법으로부터 선택된 어느 한 방법에 의해 형성되고, 상기 방법은 마스크를 상기 금형모재의 회전대칭면에 접하는 위치 또는 회전대칭면으로부터 위쪽으로 떨어진 위치에 배치한 상태에서, 상기 금형모재의 회전대칭면에 입자를 조사함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 금형의 회전비대칭형상이 원환체면 또는 원통체면인 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 회전비대칭형상은, 광학소자에 전사되었을때에, 축상파면수차의 비점수차성분을 발생하는 형상인 것을 특징으로 하는 광학소자의 제조방법.
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