KR101502337B1 - 광학렌즈용 프레스성형 금형, 유리 제 광학렌즈 및 유리 제 광학렌즈의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
이형 시에 렌즈재료에 발생하는 응력을 경감하여, 성형 시의 유리 부착의 발생을 억제할 수 있는 광학렌즈용 프레스성형 금형을 제공하는 것을 목적으로 한다.
동심원 형상의 복수의 원형 띠(101a)를 갖는 회절렌즈(601)를 성형하는 광학렌즈용 프레스성형 금형에 있어서, 회절렌즈(601)의 광을 회절시키는 회절작용 면(12)을 성형하는 회절작용 전사 면(102)과 회절렌즈(601)의 서로 이웃하는 회절작용 면(12) 사이를 연결하는 단차 면(13)을 성형하는 단차 전사 면(103)을 가지며, 회절작용 전사 면(102)의 표면 거칠기보다 단차 전사 면(103)의 표면 거칠기 쪽이 거친 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 프레스성형 금형이다.
동심원 형상의 복수의 원형 띠(101a)를 갖는 회절렌즈(601)를 성형하는 광학렌즈용 프레스성형 금형에 있어서, 회절렌즈(601)의 광을 회절시키는 회절작용 면(12)을 성형하는 회절작용 전사 면(102)과 회절렌즈(601)의 서로 이웃하는 회절작용 면(12) 사이를 연결하는 단차 면(13)을 성형하는 단차 전사 면(103)을 가지며, 회절작용 전사 면(102)의 표면 거칠기보다 단차 전사 면(103)의 표면 거칠기 쪽이 거친 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 프레스성형 금형이다.
Description
본 발명은 광학렌즈용 프레스성형 금형, 유리 제 광학렌즈 및 유리 제 광학렌즈의 제조방법 등에 관한 것이다.
종래, 고정밀의 미세 광학 소자를 제작하기 위해서는 그 가공의 용이성에서 수지를 직접 가공하는 방법이나 성형에 의한 방법이 채용되고 있었다(예를 들어, 특허문헌 1, 2 참조).
그러나 이러한 수지제의 미세 광학 소자는 온도나 습도 등의 환경의 변화에 의해서 수지가 체적변화를 일으켜서 형상이 변화하므로 미세 광학 소자의 정밀도가 나빠진다고 하는 결점이 있다. 또, 수지의 강도가 낮으므로 표면에 상처가 발생하기 쉽다고 하는 결점도 있어서, 수지 제에서는 매우 고정밀도의 신뢰성이 높은 미세 광학 소자는 얻어지고 있지 않다.
이에 대해서 유리 제의 미세 광학 소자는 내구성이 좋고, 표면에 상처가 발생하기 어려우며, 환경의 변화에 대해서도 정밀도가 손상되지 않는다. 그래서, 유리 제 미세 광학 소자의 제작방법으로 유리를 직접 드라이 에칭에 의해 미세 광학 소자 형상으로 가공하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 3 참조).
드라이 에칭에 의해서 유리를 가공하는 방법은 유리 표면에 직접 미세 광학 소자 형상을 새겨넣을 수 있으나, 하나의 미세 광학 소자를 제작하는데 매우 많은 시간이 걸리므로 동일 형상의 광학 소자를 대량으로 제작할 수 없다고 하는 결점이 있다. 따라서 지금까지의 방법에서는 매우 고정밀도의 신뢰성이 높은 유리 제 미세 광학 소자를 양산화할 수 없었다.
한편, 최근에는 광학유리소자(예를 들어, 비 구면 유리렌즈)의 양산방법으로 유리를 프레스성형을 하는 방법이 제안되어 있다. 유리를 반복해서 프레스성형을 하여 유리 제 광학렌즈를 제작할 수 있으면 매우 고정밀도의 신뢰성이 높은 미세 광학 소자의 양산화가 가능하다. 그러나 유리 제 광학렌즈에는 양호한 상 형성 품질이 요구되므로, 프레스성형에 의해서 유리 제 광학렌즈를 제작하기 위해서는 매우 고강도로서 내구성이 좋고 고정밀도의 유리 제 광학렌즈 프레스성형용 금형이 필요하다.
이와 같은 금형의 재료로는 높은 온도에서도 유리에 대해서 화학적으로 불활성이고, 유리의 성형 면이 되는 부분이 충분히 견고하며, 찰과상 등의 손상을 받기 어렵고, 고온에서의 성형에 의해서 성형 면이 소성변형이나 입자성장(grain growth)을 일으키지 않고 반복해서 성형이 이루어지도록 내열 충격성이 우수하며,나아가서 초정밀 가공이 이루어지도록 가공성이 우수할 것이 필요하다.
이들 필요조건을 어느 정도 만족하는 금형재료로 SiC 소재(예를 들어, 특허문헌 4 참조)나 초경합금(cemented carbides) 모재 상에 백금족 합금 박막을 코팅한 금형도 제안되어 있다(예를 들어 특허문헌 5 참조).
이들 SiC 소재나 초경합금 소재의 금형에서는 유리와의 이형성을 높이기 위해서 탄소계 박막(예를 들어 DLC막)이나 백금계 합금 박막을 금형 형상 면에 스퍼터링에 의해 형성하여 프레스성형이 이루어지고 있다.
그러나 프레스성형에 의해서 유리 제 광학렌즈를 제작하는 경우, 유리소재를 유리의 전이점 이상으로 고온 가열 연화시켜서 프레스 할 때에 회절 형상의 단차 부분과 같은 미세형상 부분에 유리소재가 침투하여, 이형(離型) 시에 유리재료에 인장 응력(引張應力)이 발생하는 경우가 있다. 이와 같이 인장 응력이 발생하면 렌즈 형상 면의 왜곡(distorted)이 발생하여, 렌즈의 설계 형상에서는 발생하지 않는 수차가 발생하는 등에 의해서 렌즈로서의 기능을 저하시킨다.
또, 침투가 큰 경우에는 유리재료가 이형이 되지 않고 금형에 부착하여 렌즈로서 사용할 수 없게 될 뿐만 아니라, 금형에 부착한 유리를 금형으로부터 박리할 필요가 발생하여, 금형으로서의 수명을 악화시킨다고 하는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기 종래의 광학렌즈용 프레스성형 금형의 과제를 고려하여, 이형 시에 있어서의 렌즈 소재에 발생하는 응력을 감소시켜서, 유리 부착의 발생을 억제할 수 있는 광학렌즈용 프레스성형 금형, 유리 제 광학렌즈 및 유리 제 광학렌즈의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 제 1 본 발명은 동심원 형상의 복수의 원형 띠를 가지는 원형 띠 타입의 회절렌즈를 성형하는 광학렌즈용 프레스성형 금형에 있어서, 상기 회절렌즈를 투과하는 광을 회절시키는 회절작용 면을 성형하는 회절작용 전사 면과 상기 회절렌즈의 서로 이웃하는 상기 회절작용 면 사이를 연결하는 단차 면을 성형하는 단차 전사 면을 가지며, 상기 회절작용 전사 면의 표면 거칠기보다 상기 단차 전사 면의 표면 거칠기 쪽이 거친 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 프레스성형 금형이다.
제 2 본 발명은 상기 회절작용 전사 면의 표면 거칠기 Ra1와 상기 단차 전사 면의 표면 거칠기 Ra2가 Ra1＜10㎚, 10㎚＜Ra2＜200㎚를 만족하는 것을 특징으로 하는 제 1 본 발명의 광학렌즈용 프레스성형 금형이다.
제 3 본 발명은 프레스성형을 불활성 가스 분위기 중에서 실시하는 경우, 상기 Ra2는 상기 10㎚＜Ra2＜200㎚를 만족하고, 프레스성형을 진공 중에서 실시하는 경우, 상기 Ra2는 상기 10㎚＜Ra2＜100㎚를 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 제 2 본 발명의 광학렌즈용 프레스성형 금형이다.
제 4 본 발명은 상기 단차 전사 면에는 미세 홈이 형성되고 있고, 상기 미세 홈의 방향은 상기 동심원 형상의 원형 띠의 회전축 방향인 것을 특징으로 하는 제 1 본 발명의 광학렌즈용 프레스 금형이다.
제 5 본 발명은 상기 동심원 형상의 원형 띠의 회전축을 포함하는 적어도 1 단면에 있어서, 상기 단차 전사 면의 상기 회전축과 평행한 축에 대한 기울기를 θ1이라 하면, 0°≤θ1＜10°를 만족하고, 상기 미세 홈은 상기 회전축과 평행한 축으로부터 각도 θ1 기울인 축에 대해서 평행한 방향에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 제 4 본 발명의 광학렌즈용 프레스성형 금형이다.
제 6 본 발명은 상기 미세 홈은 직사각형 홈, V홈, 및 실린드리칼 홈 중 적어도 1개의 형상을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 제 4 본 발명의 광학렌즈용 프레스성형 금형이다.
제 7 본 발명은 상기 회절작용 전사 면의 피치는 상기 동심원 형상의 원형 띠의 회전축 중심에 가까울수록 큰 것을 특징으로 하는 제 1 본 발명의 광학렌즈용 프레스성형 금형이다.
제 8 본 발명은 금형소재는 텅스텐 카바이드(WC)를 주성분으로 하는 초경합금, 티탄 카바이드(TiC), 탄화규소(SiC) 및 그라시-카본(glassy carbon : GC) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 제 1 본 발명의 광학렌즈용 프레스성형 금형이다.
제 9 본 발명은 상기 회절작용 전사 면 및 상기 단차 전사 면은 금형소재 상에 형성된 비정질 합금 막의 표면이고, 상기 비정질 합금 막은 백금(Pt), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 카본(C) 및 오스뮴(Os) 중에서 적어도 1 종류 이상 함유하는 합금 막이며, 상기 단차 전사 면에 대응하는 상기 금형소재 부분의 표면 거칠기 Ra3는 200㎚＜Ra3＜400㎚인 것을 특징으로 하는 제 1 내지 제 8 중 어느 한 본 발명의 광학렌즈용 프레스성형 금형이다.
제 10 본 발명은 상기 회절작용 전사 면 및 상기 단차 전사 면은 금형소재의 표면인 제 1 내지 제 8 중 어느 한 본 발명의 광학렌즈용 프레스성형 금형이다.
제 11 본 발명은 적어도 일면에 동심원 형상의 복수의 원형 띠를 갖는 원형 띠 타입의 회절렌즈 구조가 형성되고, 상기 회절렌즈 구조는 투과하는 광을 회절시키는 회절작용 면과 서로 이웃하는 회절작용 면 사이를 연결하는 단차 면을 가지며, 상기 회절작용 면의 표면 거칠기보다 상기 단차 면의 표면 거칠기 쪽이 거친 것을 특징으로 하는 유리 제 광학렌즈이다.
제 12 본 발명은 상기 단차 면에는 미세 홈이 형성되고 있고, 상기 미세 홈의 방향은 상기 동심원 형상의 원형 띠의 회전축 방향인 것을 특징으로 하는 제 11 본 발명의 유리 제 광학렌즈이다.
제 13 본 발명은 제 1 본 발명의 광학렌즈용 프레스성형 금형을 이용하는 유리 제 광학렌즈의 제조방법으로, 유리재료를 유리의 전이점 이상으로 가열하여 연화시키는 가열공정과, 연화한 상기 유리재료를 프레스 하는 프레스공정과, 프레스공정 후에 상기 유리재료를 상기 유리의 전이점 이하로 냉각하여 상기 광학렌즈용 프레스성형 금형으로부터 이형시키는 이형공정을 구비한 유리 제 광학렌즈의 제조방법이다.
제 14 본 발명은 상기 단차 전사 면의 표면 거칠기를 Ra2로 하는 경우, 상기 프레스공정을 불활성 가스 분위기 중에서 실시하는 경우의 상기 Ra2의 허용되는 상한치 쪽이 상기 프레스공정을 진공 중에서 실시하는 경우의 상기 Ra2의 허용되는 상한치보다도 큰 것을 특징으로 하는 제 13 본 발명의 유리 제 광학렌즈의 제조방법이다.
본 발명에 의하면 이형 시에 있어서의 렌즈 소재에 발생하는 응력을 감소시켜서 유리 부착의 발생을 억제할 수 있는 광학렌즈용 프레스성형 금형, 유리 제 광학렌즈 및 유리 제 광학렌즈의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 광학렌즈용 프레스성형 금형의 정면구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1의 성형금형의 밑면도이다.
도 3은 도 2의 A-A′에 있어서의 단면 구성도이다.
도 4의 (A)는 도 3의 영역 α의 확대 단면 구성도, (B)는 도 2의 영역 δ의 확대도이다.
도 5는 도 3의 영역 α의 확대 사시 개념도이다.
도 6은 도 5의 영역 β의 확대 개념도이다.
도 7의 (A)는 본 발명의 실시형태 1의 성형금형의 정면 구성도, (B)는 도 7 (A)의 영역γ의 확대도이다.
도 8의 (A)~(C)는 본 발명의 실시형태 1의 유리 제 광학렌즈의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9의 (A)~(C)는 본 발명의 실시형태 1의 유리 제 광학렌즈의 제조방법에서의 단차 전사 면과 유리소재의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 유리 제 광학렌즈의 정면도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 1의 유리 제 광학렌즈의 제조방법에서의 성형금형과 렌즈소재와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 광학렌즈용 프레스성형 금형의 정면 구성도이다.
도 13의 (A)~(C)는 본 발명의 실시형태 2의 유리 제 광학렌즈의 제조방법에 있어서의 단차 전사 면과 유리소재의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 14의 (A)는 본 발명의 실시형태 1, 2의 미세 형상의 변형 예인 V홈 구조를 갖는 미세 형상을 나타내는 도면, (B)는 본 발명의 실시형태 1, 2의 미세 형상의 변형 예인 실린드리칼 구조를 갖는 미세 형상을 나타내는 도면이다.
도 15의 (A), (B)는 본 발명의 실시형태 1, 2의 미세 형상의 변형 예를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 있어서의 성형금형의 SEM 화상을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 있어서의 유리 제 광학렌즈의 SEM 화상을 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 있어서의 유리 제 광학렌즈의 SEM 화상을 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 있어서의 성형금형의 X축 및 Y축 방향에 있어서의 형상 정밀도 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 있어서의 유리 제 광학렌즈의 X축 및 Y축 방향에서의 형상 정밀도 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1의 성형금형의 밑면도이다.
도 3은 도 2의 A-A′에 있어서의 단면 구성도이다.
도 4의 (A)는 도 3의 영역 α의 확대 단면 구성도, (B)는 도 2의 영역 δ의 확대도이다.
도 5는 도 3의 영역 α의 확대 사시 개념도이다.
도 6은 도 5의 영역 β의 확대 개념도이다.
도 7의 (A)는 본 발명의 실시형태 1의 성형금형의 정면 구성도, (B)는 도 7 (A)의 영역γ의 확대도이다.
도 8의 (A)~(C)는 본 발명의 실시형태 1의 유리 제 광학렌즈의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9의 (A)~(C)는 본 발명의 실시형태 1의 유리 제 광학렌즈의 제조방법에서의 단차 전사 면과 유리소재의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 유리 제 광학렌즈의 정면도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 1의 유리 제 광학렌즈의 제조방법에서의 성형금형과 렌즈소재와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 광학렌즈용 프레스성형 금형의 정면 구성도이다.
도 13의 (A)~(C)는 본 발명의 실시형태 2의 유리 제 광학렌즈의 제조방법에 있어서의 단차 전사 면과 유리소재의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 14의 (A)는 본 발명의 실시형태 1, 2의 미세 형상의 변형 예인 V홈 구조를 갖는 미세 형상을 나타내는 도면, (B)는 본 발명의 실시형태 1, 2의 미세 형상의 변형 예인 실린드리칼 구조를 갖는 미세 형상을 나타내는 도면이다.
도 15의 (A), (B)는 본 발명의 실시형태 1, 2의 미세 형상의 변형 예를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 있어서의 성형금형의 SEM 화상을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 있어서의 유리 제 광학렌즈의 SEM 화상을 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 있어서의 유리 제 광학렌즈의 SEM 화상을 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 있어서의 성형금형의 X축 및 Y축 방향에 있어서의 형상 정밀도 측정결과를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 있어서의 유리 제 광학렌즈의 X축 및 Y축 방향에서의 형상 정밀도 측정결과를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도 1 내지 도 20을 참조하여 설명한다.
(실시형태 1)
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 광학렌즈용 프레스성형 금형의 정면도이다. 도 1에 나타내는 것과 같이, 본 실시형태 1의 광학렌즈용 프레스성형 금형은 상부 금형인 성형금형(501)과 하부 금형인 평면금형(502)을 구비하고 있다. 그리고 성형금형(501)의 밑면에는 렌즈에 회절 형상을 형성하기 위한 회절 형상 전사부(101)가 설치되어 있다. 또, 지면(紙面) 우측방향을 X축(오른쪽이 플러스, 왼쪽이 마이너스), 지면 수직방향을 Y축(지면 깊이방향이 플러스, 지면 앞 방향이 마이너스), 지면 아래쪽 방향을 Z축(아래쪽이 플러스, 윗 쪽이 마이너스)으로 각 축이 설정되어 있다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서의 성형금형(501)의 밑면 구성도이다. 이 밑면도란 Z축 플러스 측에서 본 도면이다. 또, 도 3은 도 2의 A-A'에서의 단면 구성도이다.
도면에 나타내는 것과 같이, 회절 형상 전사부(101)는 축 L을 중심으로 동심원 형상의 복수의 원형 띠(concentric ring zone) (101a)를 가지고 있다. 이 회절 형상 전사부(101)에는 이 금형에 의해 성형한 렌즈를 투과하는 빛을 회절시키는 회절작용 면을 성형하는 회절작용 전사 면(102)이 형성되어 있다. 이 회절작용 전사 면(102)은 동심원의 중앙에 형성되어 있는 원 형상의 원형 회절작용 전사 면(102a)과 원형 회절작용 전사 면(102a)의 주위에 형성되어 있는 복수의 원형 띠 형상의 원형 띠 회절작용 전사 면(102b)을 가지고 있다. 도 1에 나타내는 원형 띠 (101a)는 이 원형 띠 회절작용 전사 면(102b)에 의해서 형성된다.
그리고 회절 형상 전사부(101)에는 이 금형에 의해 성형한 렌즈의 서로 이웃하는 회절작용 면 사이를 연결하는 단차 면을 성형하는 단차 전사 면(103)이 형성되어 있다. 또, 회절 형상 전사부(101)의 주위에는 평면부(104)가 설치되어 있다. 또, 도 2 및 도 3에서 회절 형상 전사부(101)의 회전축을 L로 나타내고 있다.
도 4 (A)는 도 3에 나타내는 영역 α의 확대 구성도이다. 도 4 (A)에 나타내는 것과 같이 단차 전사 면(103)은 회전축 L과 평행한 축 M에 대해서 동심원 형상의 원형 띠 (101a)의 중앙 방향(도 4 (A) 중의 마이너스 X방향)으로 기울어져 있고, 그 기울기를 θ1이라고 하면, 기울기 θ1은 하기 수식 4를 만족하고 있다.
0°≤θ1＜10° ……… (수식 4)
또, 축 M으로부터 중앙방향으로 θ1 기울어진 축이 N으로 표시되어 있다. 또, 이 기울기에 대해서는 유리 제 광학렌즈의 제조방법을 설명할 때에 더 자세하게 설명한다.
도 4 (B)는 도 2의 δ부분의 확대도이다. 여기서, 도 2에서는 단차 전사 면(103)은 표시되어 있지 않으나, θ1이 0°보다 큰 경우에는 도 4 (B)에 나타내는 것과 같이 Z축 플러스 측으로부터 단차 전사 면(103)도 보인다.
도 5는 도 3에 나타내는 영역 α에 있어서의 확대 사시 개념도이다.
도면에 나타내는 것과 같이, 단차 전사 면(103)에는 미세한 요철(凹凸)을 갖는 미세 형상(201)이 형성되어 있다.
한편, 회절작용 전사 면(102)에는 성형한 렌즈를 투과하는 빛을 회절하는 기능이 필요하며, 투과하는 빛의 효율(광 투과효율)이 렌즈로서 중요하다. 회절작용 전사 면(102)의 면 정밀도로서 그 표면 거칠기를 Ra1으로 정의하면, 이 금형으로 성형한 렌즈의 광 투과효율을 90%이상으로 하기 위해서는 성형금형(501)의 면 정밀도는 이하의 수식 1을 만족하도록 설정된다.
Ra1＜10㎚ ……… (수식 1)
또, 이 금형으로 성형한 렌즈가 서로 이웃하는 회절작용 면의 사이를 연결하는 단차 면을 성형하는 단차 전사 면(103)의 표면 거칠기가 Ra2로서 정의된다. 이 단차 전사 면(103)의 표면 거칠기 Ra2는 이하의 수식 2를 만족하도록 설정된다.
10㎚＜Ra2＜200㎚ ……… (수식 2)
이 수식 2를 만족하는 표면 거칠기 Ra2가 되도록 단차 전사 면(103)에 미세 형상(201)이 형성된다.
도 6은 도 5에 나타내는 영역 β의 확대 개념도이다. 도 6에 나타내는 것과 같이 단차 전사 면(103)상에 복수의 미세 형상(201)이 형성되어 있다. 그리고 미세 형상(201)은 단면이 직사각형 형상의 홈이 복수 병렬에 배치되어 구성되어 있다. 각각의 직사각형 형상 홈(201a)은 단차 전사 면(103)의 경사 방향(도 4에 나타내는 축 M으로부터 θ1 기울어진 축 N)에 대해서 대략 평행으로 형성되어 있다.
이와 같은 축 N에 대해서 대략 평행으로 형성된 직사각형 형상 홈(201a)은 단차 전사 면(103)에 공구를 진동 접촉시켜서 가공함으로써 형성된다. 또, 도 6의 미세 형상(201)은 구조를 알기 쉽게 하기 위해서 실제의 치수보다 대폭 확대해서 묘사하고 있다. 또, 이 미세 형상(201)에 의해서 발생하는 효과에 대해서는 도 9에서 설명한다.
도 7 (A)는 성형금형(501)의 정면 개념도이며, 도 7 (A) 중의 P는 원형 띠(101a)의 폭을 나타내고 있다. 또, 도 7 (B)는 도 7 (A)의 γ부분의 확대도이다. 도 7 (B) 중의 S는 원형 띠의 중앙에서 끝단 방향을 향해서 회절작용 전사 면(102)으로부터 단차 전사 면(103)으로 이행하는 경계부분을 나타내고 있고, S의 간격이 P에 상당하게 된다.
이 P는 원형 띠의 회전 중심에 가까운 곳이 가장 크고, 외주로 향함에 따라서 작아지도록 설정되어 있으며, 본 발명의 회절작용 전사 면의 피치의 일례에 상당한다.
또, 본 발명의 금형소재의 표면인 회절작용 전사 면 및 단차 전사 면의 일례는 본 실시형태의 회절작용 전사 면(102) 및 단차 전사 면(103)에 상당한다. 또, 본 발명의 미세 홈의 일례는 본 실시형태 1의 직사각형 형상 홈(201a)에 상당한다.
다음에, 본 발명의 실시형태 1의 유리 제 광학렌즈의 제조방법에 대해서 설명한다.
먼저, 유리 제 광학렌즈를 제조하는 공정의 개요에 대해서 도 8 (A)~(C)를 참조하여 설명한다.
도 8 (A)~(C)는 회절 형상 전사부(101)를 갖는 성형금형(501)과 평면금형(502)에 의해 유리소재를 프레스 하여 유리 제 광학렌즈를 제작하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 8 (A)에서 유리소재(301)를 유리의 전이점 이상으로 가열 연화시키는 가열공정이 실행된다. 다음에, 도 8 (B)에서 성형금형(501)을 Z축 플러스 방향으로 이동시켜서 연화한 유리소재(301)를 프레스 하여 회절 형상 전사부(101)와 평면부(104)를 유리소재(301)에 전사하는 프레스 공정을 실시한다. 이 프레스 공정 후에, 도 8 (C)에서 유리소재(301)는 유리의 전이점 이하로 냉각되어서 유리소재(301)에 회절 형상과 평면 형상이 전사됨으로써 형성된 유리 제 광학렌즈(601)를 성형금형(501)으로부터 이형하는 이형공정이 실시된다. 이들 가열공정, 프레스공정 및 이형공정은 질소가스 등의 불활성 가스의 분위기 하에서 상압(normal pressure)에서 이루어진다.
또한, 성형금형(501) 및 평면금형(502)의 금형재료로는 고온에서의 프레스 압에 견딜 필요가 있으므로, 450도 이상의 고온에서 비커스 경도(Vickers hardness : Hｖ) 400 이상을 갖는 텅스텐카바이드(WC)를 주성분으로 하는 초경합금, 티탄카바이드(TiC), 탄화규소(SiC), 그래시-카본(glassy carbon : GC)이 선택된다. 금형재료는 450도 이상의 고온에서 Hv 400 이상을 갖는 소재이면 상기 소재 이외라도 선택 가능하다.
다음에, 상기 유리 제 광학렌즈의 제조방법에서의 단차 전사 면(103)의 유리소재(301)에 대한 작용에 대해서 설명한다.
도 9 (A)~(C)는 가열공정, 프레스공정 및 이형공정에서의 단차 전사 면(103)과 유리소재(301)의 상태를 설명하기 위한 개념도이다. 도 9 (A)~(C)는 도 6에 나타내는 단차 전사 면(103)을 Z축 플러스 방향에서 본 개념도이며, 유리소재(301)는 단차 전사 면(103) 상에 배치되어 있는 것밖에 도시하고 있지 않다. 또, 상술한 것과 같이 가열공정, 프레스공정 및 이형공정은 불활성 가스인 질소 가스 중에서 이루어진다.
도 9 (A)의 가열공정에서 유리소재(301)는 유리의 전이점 이상으로 가열되고, 도 9 (B)의 프레스 공정에서 연화한 유리소재(301)에 압력이 가해져서 유리소재(301)는 단차 전사 면(103)에 눌려진다. 그리고 유리소재(301)에 단차 전사 면(103)의 형상이 전사되어 유리소재(301)에 단차 면이 형성된다. 여기서, 상술한 것과 같이 단차 전사 면(103)의 표면 거칠기 Ra2가 수식 2를 만족하도록 미세 형상(201)의 크기는 조정되어 있다.
10㎚＜Ra2(불활성 가스)＜200㎚ ……… (수식 2)
이 단차 전사 면(103)의 표면 거칠기 Ra2에 의해 가압 전사시에 미세 형상의 홈 부분에 질소가스가 충전되어서 유리소재(301)가 미세 형상(201) 내로 침투하지 않는다. 그러므로 미세 형상(201)이 없는 경우에 비해서 본 실시형태에서는 유리소재(301)와 단차 전사 면(103)의 접촉면적이 감소하게 되어서 유리소재(301)와 단차 전사 면(103) 사이에 발생하는 응력이 감소한다.
따라서 유리소재(301)의 성형금형(501)으로부터의 이형성이 향상하며, 도 9 (C)에 나타내는 이형공정에서 금형에 유리가 부착하는 문제의 발생을 억제할 수 있다. 또, Ra2가 10㎚ 이하인 경우에는 단차 전사 면(103)이 광학 거울 면이 되어서 접촉면적이 감소하는 효과가 작아진다. 또, Ra2가 200㎚ 이상이면 유리소재가 홈 부분으로 침투하며 접촉면적이 증대해 버리므로 이형성 향상의 효과가 작아진다.
이상의 공정에 의해 본 실시형태 1의 유리 제 광학렌즈(601)를 제작할 수 있다.
도 10은 본 실시형태 1의 유리 제 광학렌즈(601)의 정면도이다. 상기 공정에 의해 유리 제 광학렌즈(601)의 표면에는 회절작용 면(12)과 서로 이웃하는 회절작용 면(12) 사이에 설치된 단차 면(13)을 갖는 회절 형상부(11)가 형성된다. 또, 회절 형상부(11)의 주위에는 평면부(14)가 형성되어 있다. 또, 이 유리 제 광학렌즈(601)는 본 발명의 회절렌즈의 일례에도 상당한다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면 이형공정에서 유리소재에 발생하는 응력을 감소시킬 수 있어서 금형에 유리소재가 부착하는 문제를 억제할 수 있게 된다.
또, 도 11은 원형 띠 회절작용 전사 면(102b)과 단차 전사 면(103)과 유리 제 광학렌즈(601)의 냉각시의 개념도이다. 유리소재(301)는 가열되면 소재 특유의 열 팽창계수에 따라서 팽창한다. 팽창한 상태에서 프레스공정을 거쳐서 냉각하므로, 성형금형(501)의 회절 형상 전사부(101)(도 1)에 밀착하고 있는 유리소재(301)는 수축한다. 이 수축은 유리 제 광학렌즈(601)의 중심방향을 향해서 발생한다. 도 11 중의 화살표는 수축방향을 나타내고 있다.
유리소재(301)의 수축에 의해 유리소재(301)는 단차 전사 면(103)에 눌려지는 방향으로 힘이 작용하여 밀착력이 강해진다. 단차 전사 면(103)에 미세 형상(201)을 형성함으로써 도 9에서 설명한 것과 같이 접촉면적의 감소에 의한 이형성 향상작용이 작용하여 유리 제 광학렌즈(601)와 성형금형(501)의 이형 시에 단차 전사 면(103)에 유리가 부착하는 힘을 작게 할 수 있다.
또, 본 실시형태에서 미세 형상(201)에서는 도 6에 나타내는 것과 같이 단차 전사 면(103)의 경사면(도 6 중의 축 N)과 평행하게 홈이 형성되어 있다. 이 축 N은 Z축으로부터 최대 10°기울어져 있을 뿐이므로, 유리 제 광학렌즈(601)와 성형금형(501)의 이형 시의 단차 전사 면(103)에 걸리는 힘과 홈의 방향이 대략 평행이 되어서, 미세 형상(201)의 홈의 일부에 유리소재(301)가 침입했다고 해도 미세 형상(201)과 유리 제 광학렌즈(601) 사이에서의 접촉력을 감소시킬 수 있다.
다음에, 수식 4에 나타낸 θ1에 대해서 설명한다. θ1이 마이너스(도 4 중의 플러스 X방향)가 되면 유리 제 광학렌즈(601)를 성형금형(501)으로부터 이형할 때에 단차 전사 면(103)과 간섭을 일으켜서 회절 형상 전사부(101)의 형상을 정확하게 전사 할 수 없으므로, θ1은 적어도 0도 이상인 것이 바람직하다.
또, X축의 플러스 방향으로 경사지게 하여 단차 전사 면(103)을 형성하면 유리소재(301)의 수축력이 단차 전사 면(103)에 작용하는 비율이 적어지므로 이형성은 향상한다. 그러나 경사각 θ1을 플러스 방향으로 크게 하면 성형한 유리 제 광학렌즈(601)의 회절작용 전사 면(102) 형상이 전사된 부분을 통과하는 광의 양이 감소하여 회절 효율을 저하시킨다. 그 때문에 경사각 θ1은 10도보다 작은 값으로 하여 단차 전사 면(103)을 형성하는 것이 바람직하다.
또, 본 실시형태에서는 도 7에서 설명한 것과 같이 P가 외주를 향해서 서서히 작아지도록 회절 형상 전사부(101)가 형성되어 있으나, P가 외주에 따라서 작아진다는 것은 외주부에 회절 원형 띠의 개수가 많아진다고 하는 것이다. 원형 띠가 많아지면 외주부에서의 단차 전사 면(103)의 비율이 커지므로, 성형금형(501)의 회절 형상 전사부(101)의 형상이 유리 제 광학렌즈(601)에 전사된 후의 이형공정에서 외주부로부터 유리 제 광학렌즈(601)와 회절 형상 전사부(101)의 형상과의 이형이 발생하여 형상 전사성이 향상한다. 또, 성형렌즈의 외주부에 회절 원형 띠의 개수가 많이 형성되어 있다는 것은, 렌즈 성형시에 렌즈의 외주에서부터 냉각이 시작되므로, 이형성을 더 높이는 효과도 있다.
또, 본 실시형태에서는 불활성 가스로서 질소가스를 예로 들어서 설명하였으나, 아르곤가스, 이산화탄소 가스 등의 불활성 가스가 이용되어도 괜찮다. 또, 이들 가스 중에서도 상기 수식 2는 성립한다.
또, 본 실시형태 1에서는 가열공정, 프레스공정 및 이형공정은 불활성 가스 중에서 실시되었으나, 일련의 공정이 진공 하에서 실시되어도 좋다. 여기서 진공이란 분위기 중의 압력이 8×101Pa 이하인 상태로 정의한다. 진공 분위기 중에서는 유리소재(301)는 주위의 분위기의 기체량이 적으므로 미세한 형상에도 침입하기가 쉽다.
그래서 진공 분위기 중의 미세 형상(201)의 표면 거칠기 Ra2는 앞에서 설명한 경우에 비해서 작게 설정된다. 구체적으로는, 단차 전사 면(103)의 표면 거칠기 Ra2가 수식 3을 만족하도록 미세 형상(201)이 형성된다.
10㎚＜Ra2＜100㎚ ……… (수식 3)
이와 같이 단차 전사 면(103)을 형성함으로써 가압 전사시에 미세 형상(201) 내로 유리소재(301)가 침입하지 않고, 유리소재(301)와 단차 전사 면(103)의 접촉면적을 미세형상(201)을 형성하지 않은 때에 비해서 감소시킬 수 있다. 따라서 유리소재(301)와 단차 전사 면(103) 사이에 발생하는 응력이 감소하여 이형성이 향상하며, 이형공정에서 유리 부착의 발생을 억제할 수 있다.
(실시형태 2)
다음에, 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 광학렌즈용 프레스성형 금형에 대해서 설명한다. 본 실시형태 2에서의 광학렌즈용 프레스성형 금형은 실시형태 1과 기본적인 구성은 동일하나, 성형금형 및 평면금형의 표면에 이형 막이 형성되어 있다는 점이 다르다. 따라서 실시형태 1과의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 12는 본 실시형태 2의 광학렌즈용 프레스성형 금형의 정면 구성도이다. 또, 도 13 (A)~(C)는 유리 제 광학렌즈를 제작할 때에 있어서의 단차 전사 면과 렌즈재료의 상태를 나타내는 도면이다. 도 12에 나타내는 것과 같이 본 실시형태 2의 광학렌즈용 프레스성형 금형은 성형금형(1001) 및 평면금형(1002)의 각각의 표면에 이형 막(302, 303)이 형성되어 있다.
또, 본 실시형태에서는 이형 막(302)의 표면 부분에 실시형태 1에서 설명한 것과 같은 회절형상 전사부(701), 회절작용 전사 면(702) 및 단차 전사 면(703)이 형성되어 있다.
또, 회절 형상 전사부(701)의 주위에는 평면부(704)가 형성되어 있다. 또, 실시형태 1과 마찬가지로 회절작용 전사 면(702)은 원형 띠의 중앙에 설치된 원형 형상의 원형 회절작용 전사 면(702a)과 그 주위에 원형 띠 형상으로 형성된 원형 띠 회절작용 전사 면(702b)을 가지고 있다.
여기서, 성형금형(1001)에서 이형 막(302)을 제외한 부분이 성형금형 소재(801)로 도시되어 있다. 또, 회절 형상 전사부(701)에 대응하는 성형금형 소재(801)의 부분이 회절 형상 전사 소재부(901)로, 회절작용 전사 면(702)에 대응하는 성형금형 소재(801)의 면이 회절작용 전사 소재 면(902)으로, 단차 전사 면(703)에 대응하는 성형금형 소재(801)의 면이 단차 전사 소재 면(903)으로 도시되어 있다. 또한, 평면부(704)에 대응하는 성형금형 소재(801)의 부분이 평면 소재부(904)로 도시되어 있다.
마찬가지로, 평면금형(1002)에서 이형 막(303)을 제외한 부분이 평면금형 소재(802)로 도시되어 있다.
또, 이형 막(302, 303)에는 유리소재(301)와의 반응성이 낮은 재료가 사용되고, 비정질 합금 막은 백금(Pt), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 카본(C) 및 오스뮴(Os) 중에서 적어도 1 종류 이상 함유하는 합금 막을 스퍼터링법, 증착법 또는 이들에 준거하는 방법으로 막을 형성하여 형성된다.
또, 본 발명의 회절작용 전사 면의 일례는 본 실시형태의 이형 막(302) 상의 회절작용 전사 면(702)에 상당한다. 또, 본 발명의 단차 전사 면의 일례는 본 실시형태의 이형 막(302) 상의 단차 전사 면(703)에 상당한다. 또, 본 발명의 비정질 합금 막의 일례는 본 실시형태의 이형 막(302)에 상당한다. 또, 본 발명의 단차 전사 면을 형성하는 금형소재의 부분의 일 예는 본 실시형태의 단차 전사 소재 면(903)에 상당한다.
이형 막을 성막 할 때에 막 두께가 설정되나, 이형 막(302)의 막 두께가 두꺼우면 금형 전면에 균일한 막 두께로 이형 막(302)을 형성할 수 없으므로 금형의 설계형상으로부터의 오차가 커지게 된다. 따라서 이형 막(302)의 두께는 2㎛이하로 설정된다.
또, 이형 막(302)은 단차 전사 소재 면(903)과의 밀착성이 높은 것이 좋으므로, 이형 막(302)을 성막 할 때의 단차 전사소재 면(903)의 표면 거칠기를 Ra3로 하면 Ra3가 수식 5를 만족하도록 미세 형상(920)이 형성되어 있다.
200㎚≤Ra3＜400㎚ ……… (수식 5)
이와 같이 Ra3를 200㎚ 이상으로 함으로써 단차 전사 소재 면(903)의 미세 형상(920) 내부에 이형 막(302)이 침입하여 단차 전사 소재 면(903)과 이형 막(302)과의 접촉면적이 커져서 밀착성이 향상한다. 또, 이 단차 전사소재 면(903)에 형성되어 있는 미세 형상(920)은 실시형태 1에서 설명한 미세 형상(201)과 마찬가지로 단면이 직사각형 형상의 복수의 홈으로 구성되어 있다.
이와 같이 형성된 성형금형 소재(801)의 소재의 면 상에 이형 막(302)이 형성되나, 이형 막(302)의 표면의 단차 전사 면(703)에는 이형성을 향상시키기 위해서 유리소재(301)가 침입하지 않을 정도의 미세 형상(720)이 형성되도록 이형 막(302)이 형성된다. 이 이형 막(302)의 유리소재(301)가 접촉하는 표면의 단차 전사 면(703)의 표면 거칠기 Ra2는 불활성 가스 분위기 중에서 성형하는 경우에는 실시형태 1에서 설명한 수식 2를 만족한다. 그리고 이 미세 형상(720)도 실시형태 1에서 설명한 미세 형상(201)과 마찬가지로 단면이 직사각형 형상의 복수의 홈으로 구성되어 있다.
10㎚＜Ra2＜200㎚ ……… (수식 2)
이와 같이, 본 실시형태 2에서는 성형금형 소재(801) 상에 설치된 이형 막(302)의 단차 전사 면(703)의 표면 거칠기를 실시형태 1과 동일한 범위로 함으로써 이형공정에서 유리소재에 발생하는 응력을 감소시킬 수 있어서 이형성이 향상하며, 금형에 유리가 부착하는 문제의 발생을 억제할 수 있다. 또, 상기 수식 5를 만족하도록 미세 형상이 형성된 단차 전사 소재 면(903)의 표면상에 이형 막(302)을 형성할 때 예를 들어 스퍼터 시간을 조정함으로써 막의 두께를 조정하여 상기 수식 2를 만족하는 단차 전사 면(703)을 형성할 수 있다.
또, 상기 불활성 가스 분위기를 진공 분위기로 바꾼 경우에는 이형 막(302) 상에 형성되는 단차 전사 면(703)의 표면 거칠기 Ra2가 수식 3을 만족하도록 미세 형상(720)이 형성된다.
10㎚＜Ra2(진공)＜100㎚ ……… (수식 3)
또, 이 경우에도 상기와 마찬가지로 수식 5를 만족하도록, 미세 형상이 형성된 단차 전사소재 면(903)의 표면상에 예를 들어 스퍼터 시간을 조정함으로써 성막 되는 이형 막(302)의 두께를 조정하여, 상기 수식 3을 만족하는 단차 전사 면(703)을 형성할 수 있다.
또, 최대 막 두께가 2㎛이므로, 미세 형상(720)이 수식 2의 조건을 만족하기 위해서 상술의 Ra3는 400㎚ 이하로 설정되어 있다.
이와 같이, 성형금형(501)에는 유리소재(301)와의 이형성을 향상시키기 위해서 상기 이형 막을 형성하고 있어도 물론 좋으며, 성형 중의 분위기는 불활성 가스 중이라도 좋고, 진공 중이라도 좋다. 이형 막을 형성한 경우에도, 형성하지 않는 경우에도 유리소재(301)에 접촉하는 단차 전사 면의 표면 거칠기가 수식 2, 수식 3을 만족하도록 설정되어 있으면 좋다.
또, 상기 실시형태에서는 회절작용 전사 면(102, 702) 및 단차 전사 면(103, 703)은 각각의 표면 거칠기 Ra1, Ra2가 수식 1, 수식 2를 만족하도록 형성되어 있으나, 이 수치로 한정되는 것은 아니며, 렌즈에 요구되는 사양을 충족시키면 좋고, Ra1이 10㎚ 이상이라도 괜찮다. 또, 예를 들어 사용되는 소재의 점성이 높은 경우 등에는 Ra2가 200㎚ 이상이라도 좋으며, 요는 Ra2는 Ra1보다 크면 되며, 접촉면적을 감소시켜서 유리소재에 발생하는 응력을 감소시키는 효과를 발휘할 수 있다.
이상과 같이, 단차 전사 면(103, 703) 상에 미세 형상(201, 720)을 가지며, 회절작용 전사 면(102, 702)의 표면 거칠기 Ra1보다 단차 전사 면(103, 703)의 표면 거칠기 Ra2가 크게 함으로써, 유리소재(301)와의 이형성이 향상하여, 유리 부착의 발생을 억제할 수 있는 유리 제 광학렌즈(601)를 형성할 수 있다.
또, 유리의 부착이 발생하지 않는다고 해도, 단차 전사 면(103, 703)에 미세 형상(201, 720)을 가지지 않은 경우에는 단차 전사 면(103, 703)과 회절작용 전사 면(102, 702)의 이형 시의 응력이 달라서 유리 제 광학렌즈(601)의 형상에 불균일이 발생하며, 예기하지 않은 수차를 갖는 유리 제 광학렌즈(601)가 되는 경우가 있다. 그러나 단차 전사 면(103, 703) 상에 미세 형상(201, 720)을 가지며, 회절작용 전사 면(102, 702)의 표면 거칠기 Ra1보다 단차 전사 면(103, 703)의 표면 거칠기 Ra2를 더 거칠게 함으로써 단차 전사 면(103, 703)과 회절작용 전사 면(102, 702)의 이형 시의 응력 변동이 작고, 상술한 구성의 금형으로 성형한 렌즈의 광학특성이 종래의 금형으로 성형한 렌즈보다 좋아진다.
본원 발명의 회절 형상을 가지는 유리 제 광학렌즈인 광학 디바이스를 이용하면 BD 픽업의 렌즈 개수의 삭감, DSC 렌즈 개수의 삭감 및 콤팩트화를 실현할 수 있다.
또, 상기 실시형태 2에서는 성형금형 소재(801)의 표면만이 아니라 평면금형 소재(802)의 표면에도 이형 막이 형성되어 있었으나, 단차 전사 면 등을 갖지 않는 평면금형 소재(802)에는 이형 막이 형성되어 있지 않아도 좋다.
또, 상기 실시형태 1, 2에서는 미세 형상(201, 720)은 직사각형 홈 구조를 하고 있으나, 도 14 (A)에 나타내는 복수의 V홈(3001a)의 구조를 갖는 미세형상(3001), 도 14 (B)에 나타내는 복수의 실린드리칼 홈(3002a)의 구조를 갖는 미세 형상(3002)이 형성되어 있어도 좋고, 또는 직사각형 홈 구조, V 홈 구조 또는 실린드리칼 구조가 단차 전사 면(103)상에 랜덤하게 배열되어 있어도 좋으며, 구조는 좌우 대칭형상이 아니라도 좋다. 또, 실린드리칼 홈 구조인 경우에는 직사각형 홈 구조나 V홈 구조인 경우에 비해서 이지러짐이 잘 일어나지 않는다는 점, 잘 더러워지지 않는다는 점 등에서 우수하다.
또, 미세 형상(201, 720)에 형성되어 있는 홈은 도 6에 나타내는 것과 같이 축 N에 평행하게 형성되어 있으나, 평행하게 형성되어 있지 않아도 좋으며, 도 15 (A)에 나타내는 미세 형상(2002)과 같이 단면이 직사각형 형상의 홈(2002a)이 단차 전사 면(103)의 주위에 따라서 복수 형성되어 있어도 좋다.
또, 방향 및 형상이 다른 복수의 홈이 형성되어 있어도 좋다. 이 경우, 이형방향을 따라서만 홈이 형성되어 있는 구성과 비교하면 이형성은 떨어지나, 미세 구조가 형성되어 있지 않은 경우와 비교하면 단차 전사 면의 유리소재에 대한 접촉면적을 감소시킬 수 있으므로 응력의 발생을 줄일 수 있다.
다만, 축 N과 평행이 아닌 경우라도, 적어도 Z축의 마이너스 측에서 플러스 측으로 향하도록 형성되어 있는 쪽이 유리소재가 홈에 침입하였다고 해도 이형 시에 홈의 형성방향을 따라서 유리소재가 홈으로부터 빠져나와서 이형성이 향상되므로 더 바람직하다.
또, 도 15 (B)에 나타내는 미세 형상(2003)과 같이, 도 6에 나타낸 직사각형 홈 구조를 그 폭 h가 Z축 플러스 방향을 따라서 넓어지는 홈(2003a)으로 형성해도 좋다. 이와 같이 함으로써 이형성을 더 향상시킬 수 있다.
또, 회절작용 전사 면(102, 702)과 단차 전사 면(103, 703)의 형상은 톱니 형상으로 설명을 하였으나, 반드시 톱니 형상일 필요는 없고, 예를 들어 계단 형상, 직사각형의 요철형상 등이라도 좋고, 회절작용 전사 면(102, 702)과 단차 전사 면(103, 703)을 가지고 있는 형상이면 좋다.
또, 평판 회절 형상으로 설명을 하였으나, 구면 회절 형상, 비 구면 회절 형상, 또 양면에 회절 형상을 갖는 형상이라도 좋다.
<실시 예>
이하, 본 발명의 실시 예에 대해서 설명한다. 본 실시 예에서는 실시형태 1과 동일한 광학렌즈용 프레스성형 금형이 이용되고 있고, 성형금형(501)으로는 WC를 주성분으로 하는 초경합금이 선택되었다. 성형금형(501)은 지름 3.5 ㎜, 회절 원형 띠의 수가 110개, 회절 단차 높이 0.7㎛, 회전 중심에 가장 가까운 회절 원형 띠의 피치 P는 110㎛, 외주로 향함에 따라서 피치 P는 작아지며, 최 외주에서의 피치 P는 5㎛로 설계된 회절 형상 전사부(101)가 형성되어 있다. 이 회절 형상 전사부(101)는 다이아몬드 입자의 소결체인 회전공구를 이용하여 초정밀 연삭가공으로 형성되었다.
평면금형(502)에도 성형금형(501)과 마찬가지로 WC를 주성분으로 하는 초경합금이 사용되고, 금형 지름은 3.5㎜로 제작되었다. 평면금형(502)의 평면부분은 번수(番手) 800번의 메탈본드 숫돌을 이용한 평면 연삭가공을 실시한 후, 입경 1㎛의 다이아몬드 슬러리로 연마를 하여 표면 거칠기 Ra=5㎚의 거울 면 상태로 마무리되었다.
성형금형(501)의 회절작용 전사 면(102)의 표면 거칠기 Ra1는 4㎚, 단차 전사 면(103)의 표면 거칠기 Ra2는 24㎚로 형성되고, 단차 전사 면(103)의 경사 각도 θ1은 8도로 형성되었다.
도 16은 형성한 성형금형(501)의 회절작용 전사 면(102)과 단차 전사 면(103)을 확대한 SEM 화상이다. 도 16을 보면 단차 전사 면(103)에 단차 경사면을 따라서 미세 형상(201)이 형성되어 있는 것이 확인된다.
다음에 성형공정에 대해서 설명한다. 유리소재(301)에는 스미타 광학(住田光學) 유리 제 VC79(굴절률 1.609, 분산 57.8, 유리의 전이점 온도 516도, 열팽창 계수 93×10-9)가 사용되며, 가열시의 온도는 610도, 질소 분위기 중에서 프레스성형을 하였다.
이형공정에서는 온도를 100도까지 냉각하여 유리 제 광학렌즈(601)와 성형금형(501)의 이형이 이루어졌다. 성형한 유리 제 광학렌즈(601)의 도 16의 반전형상 부분이 도 17에 도시되어 있다. 도 17에서는 유리 제 광학렌즈(601)의 회절작용 면(12) 및 단차 면(13)을 확인할 수 있다. 도 17에 나타내는 것과 같이, 유리 부착이 발생하고 있지 않으며, 양호한 전사 형상임을 알 수 있다.
또, 도 18은 성형한 유리 제 광학렌즈(601)의 전체를 촬영한 SEM 화상이다. 유리 제 광학렌즈(601) 전면에 걸쳐서 유리 부착이 발생하지 않고 양호한 전사 형상임을 알 수 있다.
도 19는 성형금형(501)의 회절 형상 전사부(101)를 파나소닉(Panasonic) 제 UA3P로 측정한, 설계형상으로부터의 차분량 측정결과를 나타내는 도면이다. 측정은 첨단 1㎛R의 다이아몬드 프로브를 사용하고, 측정시의 프로브 오차로부터 발생하는 노이즈를 제거하고 있다. 측정은 회전중심으로부터 반경 1.2㎜까지 ±X방향, Y방향을 측정하였다. X방향의 측정결과는 실선, Y방향의 측정결과는 점선으로 나타내고 있다.
또, 도 20은 동일한 측정방법에 의해 유리 제 광학렌즈(601)의 회절 형상부(11)의 면을 측정한 결과를 나타내는 도면이며, X방향의 측정결과는 실선, Y방향의 측정결과는 점선으로 나타내고 있다.
도 19 및 도 20으로부터 알 수 있는 것과 같이, 성형금형(501)의 형상 면의 형상이 양호하게 유리 제 광학렌즈(601) 상에 전사되어 있다.
또, 본 발명은 상기 실시 예로 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지에 의거하여 여러 가지의 변형이 가능하며, 이들을 본 발명의 범위로부터 배제하는 것은 아니다.
본 발명의 광학렌즈용 프레스성형 금형은 이형 시에 렌즈에 발생하는 응력을 경감하여, 성형 시에 있어서의 유리 부착의 발생을 억제할 수 있는 효과를 가지며, 유리 제 광학렌즈의 제조방법 등에 적용할 수 있다.
101 회절 형상 전사부
102 회절작용 전사 면
103 단차 전사 면
104 평면부
201 미세 형상
301 유리소재
302, 303 이형 막
501 성형금형
502 평면 금형
601 유리 제 광학렌즈
102 회절작용 전사 면
103 단차 전사 면
104 평면부
201 미세 형상
301 유리소재
302, 303 이형 막
501 성형금형
502 평면 금형
601 유리 제 광학렌즈
Claims (14)
- 동심원 형상의 복수의 원형 띠(concentric ring zone)를 가지는 원형 띠 타입(ring-zone-type)의 회절렌즈를 성형하는 광학렌즈용 프레스성형 금형에 있어서,
상기 회절렌즈를 투과하는 광을 회절시키는 회절작용 면을 성형하는 회절작용 전사 면과 상기 회절렌즈의 서로 이웃하는 상기 회절작용 면 사이를 연결하는 단차 면을 성형하는 단차 전사 면을 가지며,
상기 회절작용 전사 면의 표면 거칠기보다 상기 단차 전사 면의 표면 거칠기 쪽이 거친 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 프레스성형 금형. - 청구항 1에 있어서,
상기 회절작용 전사 면의 표면 거칠기 Ra1와 상기 단차 전사 면의 표면 거칠기 Ra2가,
Ra1＜10㎚ ……… (수식 1)
10㎚＜Ra2＜200㎚ ……… (수식 2)
를 만족하는 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 프레스성형 금형. - 청구항 2에 있어서,
프레스성형을 불활성 가스 분위기 중에서 실시하는 경우, 상기 Ra2는 상기
10㎚＜Ra2＜200㎚ ……… (수식 2)
를 만족하고,
프레스성형을 진공 중에서 실시하는 경우, 상기 Ra2는
10㎚＜Ra2＜100㎚ ……… (수식 3)
을 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 프레스성형 금형. - 청구항 1에 있어서,
상기 단차 전사 면에는 미세 홈이 형성되어 있고,
상기 미세 홈의 방향은 상기 동심원 형상의 원형 띠의 회전축 방향인 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 프레스 금형. - 청구항 4에 있어서,
상기 동심원 형상의 원형 띠의 회전축을 포함하는 적어도 1 단면에 있어서, 상기 단차 전사 면의 상기 회전축과 평행한 축에 대한 기울기를 θ1이라 하면,
0°≤θ1＜10° ……… (수식 4)
를 만족하고, 상기 미세 홈은 상기 회전축과 평행한 축으로부터 각도 θ1 기울인 축에 대해서 평행한 방향에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 프레스성형 금형. - 청구항 4에 있어서,
상기 미세 홈은 직사각형 홈, V홈 및 실린드리칼 홈 중 적어도 1개의 형상을 하고 있는 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 프레스성형 금형. - 청구항 1에 있어서,
상기 회절작용 전사 면의 피치는 상기 동심원 형상의 원형 띠의 회전축 중심에 가까울수록 큰 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 프레스성형 금형. - 삭제
- 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회절작용 전사 면 및 상기 단차 전사 면은 금형소재 상에 형성된 비정질 합금 막의 표면이고,
상기 비정질 합금 막은 백금(Pt), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 카본(C) 및 오스뮴(Os) 중에서 적어도 1 종류 이상 함유하는 합금 막이며,
상기 단차 전사 면에 대응하는 상기 금형소재 부분의 표면 거칠기 Ra3는
200㎚＜Ra3＜400㎚ ……… (수식 5)
인 것을 특징으로 하는 광학렌즈용 프레스성형 금형. - 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회절작용 전사 면 및 상기 단차 전사 면은 금형소재의 표면인 광학렌즈용 프레스성형 금형. - 적어도 일면에 동심원 형상의 복수의 원형 띠를 갖는 원형 띠 타입의 회절렌즈 구조가 형성되고, 상기 회절렌즈 구조는 투과하는 광을 회절시키는 회절작용 면과 서로 이웃하는 회절작용 면 사이를 연결하는 단차 면을 가지며, 상기 회절작용 면의 표면 거칠기보다 상기 단차 면의 표면 거칠기 쪽이 거친 것을 특징으로 하는 유리 제 광학렌즈.
- 청구항 11에 있어서,
상기 단차 면에는 미세 홈이 형성되어 있고,
상기 미세 홈의 방향은 상기 동심원 형상의 원형 띠의 회전축 방향인 것을 특징으로 하는 유리 제 광학렌즈. - 청구항 1 기재의 광학렌즈용 프레스성형 금형을 이용하는 유리 제 광학렌즈의 제조방법으로,
유리재료를 유리의 전이점 이상으로 가열하여 연화시키는 가열공정과,
연화한 상기 유리재료를 프레스하는 프레스공정과,
프레스공정 후에 상기 유리재료를 상기 유리의 전이점 이하로 냉각하여 상기 광학렌즈용 프레스성형 금형으로부터 이형시키는 이형공정을 구비한 유리 제 광학렌즈의 제조방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 단차 전사 면의 표면 거칠기를 Ra2로 하는 경우, 상기 프레스공정을 불활성 가스 분위기 중에서 실시하는 경우의 상기 Ra2의 허용되는 상한치 쪽이 상기 프레스공정을 진공 중에서 실시하는 경우의 상기 Ra2의 허용되는 상한치보다도 큰 것을 특징으로 하는 유리 제 광학렌즈의 제조방법.
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| JP2009276465A JP5390357B2 (ja) | 2009-12-04 | 2009-12-04 | 光学レンズ用プレス成形金型、ガラス製光学レンズ、及びガラス製光学レンズの製造方法 |
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