WO2008041441A1 - Moule métallique, dispositif optique, moule métallique servant à fabriquer un dispositif optique et leur procédé de fabrication - Google Patents

Description

明 細 書

金型、光学素子、光学素子成形用の金型及びその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、金型、光学素子、光学素子成形用の金型及びその製造方法に関し、特 に光学素子の成形用金型を加工するのに好適な金型、それにより成形される光学素 子、光学素子成形用の金型及びその製造方法に関する。

背景技術

[0002] 近年、光ピックアップ装置用の対物レンズなどの高精度な光学素子においては、光 学面に回折構造を形成して、その回折効果により光学特性を向上させることが行わ れている。ここで、回折構造は一般的には微細な輪帯構造であり、対物レンズをブラ スチックを素材として射出成形等により形成する場合には、その金型に、輪帯構造に 対応した微細な溝形状を加工形成する必要がある。金型の素材としては、一般的に 超鋼などが用いられる力 これはダイヤモンド工具により切削することができる。特許 文献 1には、矩形状のすくい面を有するダイヤモンド工具を用いて、金型の素材を回 転させながら微細な溝形状を切削する技術が開示されている。

特許文献 1 :特開 2005— 219185号公報

発明の開示

[0003] ここで、ダイヤモンド工具のすくい面に切削抵抗が力、かると、ダイヤモンドの結晶方 位上、その先端の角部が 45度方向に劈開により欠損しやすいという問題がある。し かるに、特許文献 1の技術によれば、すくい面の角部が欠損した場合、溝底面と溝側 面との間に、欠損した形状に倣う 45度の斜面が生じることとなる。このような溝形状を 有する金型にて、光学素子を射出成形すると、回折構造に 45度の斜面に応じてダレ が生じ、これにより回折効率を低下させる恐れがある。一方、ダイヤモンド工具によつ ては劈開が生じない場合もある力 その場合には、加工形成された金型には 45度の 斜面が生じず、それにより転写成型された光学素子の回折構造にはダレが生じな!/、 ため、回折効率は高く維持される。即ち、従来技術によれば、ダイヤモンド工具の劈 開という偶然の事象により、金型の精度が異なってしまうため、金型毎の光学素子の 光学特性（回折効率）にばらつきが大きい問題がある。一方、予め光学素子がもつ回 折効率の目標最大値を低く設定することも考えられるが、係る設定により工具の劈開 による上記ばらつき低減を根本的な解決する事は難しい。

[0004] 本発明は、力、かる問題に鑑みてなされたものであり、例えば回折構造を備えた光学 素子において必要な効率を確保しつつ、その成形に用いる金型毎のバラツキを抑え ること力 Sできる金型、光学素子、光学素子成形用の金型及びその製造方法を提供す ることを目白勺とする。

[0005] 上記の目的は、下記に記載する様態により達成される。

[0006] 1.複数の輪帯構造を有する光学素子を成形する金型であって、

同心円状である複数の輪帯構造を有する面を有し、

前記輪帯構造の各々は、前記輪帯構造の半径方向に所定幅を持った底面と、側 壁面と、前記底面と前記側壁面を接続する曲率半径 0. 5〜2 111の曲面より構成さ れる溝を有することを特徴とする金型。

[0007] 本発明に係る金型によれば、例えばダイヤモンド工具を用いて、少なくとも最初の 切削加工で、曲率半径が 0. 5 m〜2 mである曲面を介して互いに接続されてい る前記溝の底面と前記溝の側壁面とを有する輪帯構造を金型に形成するので、それ により転写成形される光学素子の必要な光学特性を確保できると共に、切り始めと切 り終わりにおける前記曲面の曲率半径の変化が少なぐこのようにして加工される複 数の金型で成形された光学素子の金型間のバラツキを抑えることができる。尚、「曲 率半径」は、光軸に沿った断面において測定された値とする。又、ここでいう「底面（ 又は頂部）と、側壁面と、前記底面と前記側壁面を接続する曲率半径 0· 5〜2 111の 曲面より構成される」とは、形成された複数の輪帯の全部が曲面で構成されているも のに限定されず、利用効率との関係で一部が曲面で接続されているものであっても 足り、例えば全体の輪帯の 50 %以上の輪帯の当該箇所が係る曲面で接続されて!/、 るものであっても良い。

[0008] 2.前記底面は複数の段差を持って形成されていることを特徴とする 1.に記載の金 型。

[0009] かかる金型は、例えば図 1 (a)に例示するように、光軸 Xを中心とした階段状の輪帯 が繰り返された溝構造を形成するのに好適である。

[0010] 3.前記底面には段差が形成されていないことを特徴とする 1.に記載の金型。

[0011] かかる金型は、例えば図 1 (b)に例示するように、光軸 Xを中心とした同じ高さの輪 帯壁が複数形成された溝構造を形成するのに好適である。

[0012] 4.光軸を中心に同心円状に形成された輪帯を複数形成した光学面を有する光学 素子であって、

前記輪帯の各々は、光軸と直交する方向に所定幅を持った頂部と、側壁面と、前 記頂部と前記側壁面を接続する曲率半径 0. 5〜2 mの曲面で構成されていること を特徴とする光学素子。

[0013] 本発明にかかる光学素子は、 1.に記載の金型によって形成でき、従って同様な作 用効果を有する。

[0014] 5.前記複数の輪帯の各々は、階段状の段差構造を有することを特徴とする 4.に 記載の光学素子。

[0015] 前記 5.に記載の光学素子は、前記 4. に記載の様態において、前記複数の輪帯 の各々は、階段状の段差構造を有することを特徴とする。階段状の段差構造とは、例 えば図 1 (a)に例示するように、光軸 Xを中心とした階段状の輪帯が繰り返された構造 をいう。

[0016] 6.前記複数の輪帯の各々は、バイナリ構造であることを特徴とする 4.に記載の光 学素子。

[0017] 前記 6.に記載の光学素子は、前記 4. に記載の様態において、前記複数の輪帯 の各々は、バイナリ構造であることを特徴とする。バイナリ構造とは、例えば図 1 (b)に 例示するように、光軸 Xを中心とした同じ高さの輪帯壁が複数形成された構造をいう。

[0018] 7.すくい面と逃げ面で構成された切れ刃を持つダイヤモンド工具と、回転駆動させ た金型母材とを相対的に切削駆動させる事により、金型母材に同心円状に所定幅を 持った底面を有する溝を複数形成した光学素子成形用金型の製造方法において、 金型の回転軸線方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動さ せながら前記金型母材を切削加工する第一工程と、

金型の回転軸線とは直交する方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材 を相対駆動させながら前記金型母材を切削加工する第二工程と、

前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母 材を相対駆動させながら、金型の回転軸線の方向及び回転軸線とは直交する方向 に同時に変位させて前記金型母材を切削加工する第三工程を有することを特徴とす る光学素子成形用金型の製造方法。

[0019] 本発明に係る製造方法によれば、前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダ ィャモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動させながら、金型の回転軸線の方 向及び回転軸線とは直交する方向に同時に変位させて切削加工する第三工程を有 するので、前記溝の底面と前記溝の側壁面の交差部に、両面に交差する所定の面 を形成することができ、切り始めと切り終わりにおける所定の面の変化が少なぐこの ようにして加工される複数の金型で成形された光学素子の金型間のバラツキを抑え ること力 Sでさる。

[0020] 8.前記第三工程により前記溝の底面と側壁面とが所定の曲面で接続されるように 前記金型母材が切削加工されることを特徴とする 7.に記載の光学素子成形用金型 の製造方法。

[0021] 前記 8.に記載の様態により、切り始めと切り終わりにおける曲面の曲率変化が少な ぐこのようにして加工される複数の金型で成形された光学素子の金型間のバラツキ を抑えることができる。

[0022] 9.前記曲面は曲率半径が 0· 5 m〜2 mであることを特徴とする 8.に記載の光 学素子成形用金型の製造方法。

[0023] 前記 9.に記載の光学素子成形用金型の製造方法は、前記 7.に記載の様態にお いて、前記曲面は曲率半径が 0· 5 m〜2 mであることを特徴とするので、それに より製造された光学素子成形用金型を用いて転写形成される光学素子の必要な光 学特性を確保できる。

[0024] 10.すくい面に、互いに並行して延在する直線状の第 1の縁部及び第 2の縁部と、 前記第 1の縁部と前記第 2の縁部とに交差する第 3の縁部とを有する切れ刃を持つダ ィャモンド工具と、回転駆動させた金型母材を相対的に切削駆動させながら金型母 材を切削加工することにより、金型母材上に同心円状の所定幅を持った底面を有す る溝を複数形成した光学素子成形用金型の製造方法において、

金型の回転軸線方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動し て、前記ダイヤモンド工具の第 3の縁部で金型母材に溝底面を切削加工する第一ェ 程と、

金型の回転軸線とは直交する方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材 を相対駆動して前記ダイヤモンド工具の第 2の縁部で金型母材に溝側面を切削加工 する第二工程と、

前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母 材を金型の回転軸線の方向及び回転軸線とは直交する方向に同時に変位させて前 記金型母材を切削加工する第三工程と、を有することを特徴とする光学素子成形用 金型の製造方法。

[0025] 本発明に係る製造方法によれば、前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダ ィャモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動させながら、金型の回転軸線の方 向及び回転軸線とは直交する方向に同時に変位させて切削加工する第三工程を有 するので、前記溝の底面と前記溝の側壁面の交差部に曲面を形成することができ、 切り始めと切り終わりにおける曲面の曲率変化が少なぐこのようにして加工される複 数の金型で成形された光学素子の金型間のバラツキを抑えることができる。

[0026] ここで「光学素子」としては、例えばレンズ、プリズム、回折格子光学素子（回折レン ズ、回折プリズム、回折板、色収差補正素子）、光学フィルター（空間ローパスフィル ター、波長バンドパスフィルター、波長ローパスフィルター、波長ハイパスフィルター 等々 )、偏光フィルター（検光子、旋光子、偏光分離プリズム等々 )、位相フィルター（ 位相板、ホログラム等々）があげられる力 以上に限られることはない。

[0027] 本発明によれば、例えば回折構造を備えた光学素子におレ、て必要な効率を確保し つつ、その成形に用いる金型毎のバラツキを抑えることができる、従来技術では得ら れない画期的な金型、光学素子、光学素子成形用の金型及びその製造方法を提供 すること力 Sでさる。

図面の簡単な説明

[0028] [図 1]回折構造の例を示す図 1 (a)及び 1 (b)である。 [図 2]本実施の形態に力、かる金型の加工方法を実行するのに好適な 2軸超精密加工 機 10の斜視図である。

[図 3]ダイヤモンド工具の斜視図である。

[図 4]本発明に力、かる加工方法に用いると好適なダイヤモンド工具 Tの先端のすくい 面側から見た図 4 (a)及びその側面図 4 (b)である。

[図 5]図 4 (a)及び 4 (b)のダイヤモンド工具を用いて加工された後の金型 MDの斜視 図である。

[図 6]金型の素材 Mの光学転写面の概略拡大断面図である。

[図 7]加工時のダイヤモンド工具 Tの位置を示す拡大図 7 (a)〜7 (c)である。

[図 8]本実施の形態の加工方法によりダイヤモンド工具で切削される金型の溝底面と 溝側面の周囲を拡大して示す図 8 (a)及び 8 (b)である。

[図 9]比較例の加工方法によりダイヤモンド工具で切削される金型の溝底面と溝側面 の周囲を拡大して示す図 9 (a)及び 9 (b)である。

[図 10]光ピックアップ装置に用いることができる光学素子 OEの一例に力、かる断面図 である。

[図 11]本発明者によるシミュレーション結果を示す図である。

[図 12]本発明者によるシミュレーション結果を示す図である。

[図 13]本発明者によるシミュレーション結果を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図 2は、本実施の 形態に力、かる金型の加工方法を実行するのに好適な 2軸超精密加工機 10の斜視図 であり、図 3は、ダイヤモンド工具の斜視図である。図 2に示す 2軸超精密加工機 10 において、不図示の制御装置によって X軸方向に駆動される X軸テーブル 2が、台座 1上に配置されている。 X軸テーブル 2上には、ダイヤモンド工具 Tが取り付けられて いる。又、不図示の制御装置によって Z軸方向に駆動される Z軸テーブル 4が、台座 1上に配置されている。 Z軸テーブル 4上には、不図示の制御装置によって回転駆動 される主軸（回転軸） 5が取り付けられている。主軸 5は、加工すべき転写光学面を有 する光学素子成形用の金型を取り付け可能となっている。ダイヤモンド工具 Tは、そ の先端にダイヤモンドチップ Tcを取り付けており、その形状は図 4 (a)及び 4 (b)を参 照して後述する。

[0030] 本実施の形態にかかる加工方法によれば、主軸 5や Χ·Ζ軸テーブル 2, 4の剛性が 非常に高ぐ軸制御分解能が lOOnm以下の超精密加工機を用いて、主軸 5にヮー クであるところの光学素子成形用の金型を取り付け、主軸回転数 lOOOmin ¹で回転 させ、切り込み量 1 a m、送り 0· 2mm/minの条件で、ダイヤモンド工具 Tにより、切 れ刃の切削点が加工中に連続的に移動するようにして、延性モードで切削加工する ことにより、回折構造に対応する輪帯状の溝を、金型の光学転写面に創成することが できる。

[0031] 図 4 (a)及び 4 (b)は、それぞれ、本実施の形態に力、かる金型の加工方法に用いる と好適なダイヤモンド工具 Tの先端のすくい面 T5側から見た図及びその側面図であ る。図 4 (a)において、ダイヤモンド工具 Tは、直線状に延在する先端の第 3の縁部 T 3 (100 111以下）と、第 3の縁部 T3の両端から直交する方向に直線状に平行に延在 する第 1の縁部 T1と第 2の縁部 T2とを有し、これらによって方形状のすくい面 T5を 形成している。第 1の縁部 T1は、第 2の縁部 T2から離隔するように延在する第 4の縁 部 T4に接続されている。第 2の縁部 T2と第 3の縁部 T3とは、理想的には直線エッジ 同士が直交していることが好ましいが、半径 Aの微小な円弧 R1 (0. 5 m未満）によ り接続されているものも含む。ここで方形とは、互いに平行に延在する縁部 T2, T3の うち短!/、方の第 2の縁部 T2における第 4の縁部 T4側の端部（先端から距離 /3の位 置）から、第 1の縁部 T1に平行な線 T6を引くことで、縁部 Tl , T2、 Τ3,線 Τ6で囲わ れる領域をいうものとする。

[0032] 図 5は、図 4 (a)及び 4 (b)のダイヤモンド工具を用いて加工された後の金型 MDの 斜視図であり、図 6は、その光学転写面の概略拡大断面図である。図 7 (a)〜7 (c)は 、加工時のダイヤモンド工具 Tの位置を示す拡大図である。本実施の形態の加工方 法によって加工される金型 MDは、少なくとも一方の光学機能面が光軸を中心とした 複数の光学機能領域に分割され、該複数の光学機能領域のうちの少なくとも 1つが、 光軸を中心とした輪帯状の複数の領域に分割され、かつ各輪帯に所定数の不連続 な段差が設けられるとともに、当該不連続な段差が設けられた輪帯が連続的に配さ れた構造である回折構造を有する光学素子の成形に用いられると好適である。

[0033] 図 10は、光ピックアップ装置に用いることができる光学素子 OEの一例にかかる断 面図であるが、回折構造は誇張して描いている。図 10において、光学素子 OEの光 学面 S I , S2に形成され、通過する光束に対して回折効果を発揮する回折構造 DS1 、 DS2は、光軸 Oを中心に同心円状に形成され、光軸 Oと直交する方向に所定幅を 持った頂部を有する輪帯からなり、光軸方向断面において例えば階段状になってい る。力、かる溝構造に相補する形で、図 6に示すような金型 MDの光学転写面（光学素 子の光学面を転写する面をいうが、ニッケル ·隣'銅メツキが施されていると好ましい） に輪帯状の溝力、複数段の階段を有して形成されることとなる。尚、図 6において、ダ ィャモンド工具 Tは、 X軸方向（回転軸に近づく方向ともいう）及び Z軸方向（金型の 回転軸と平行な方向ともレ、う）に移動可能となって!/、る。

[0034] 本実施形態の加工方法の一例を示す。本実施形態の加工は、段々と深くなる複数 段の階段を備えた輪帯状の溝構造 (単に溝又は輪帯溝ともいう）を形成する場合に 効果的であるが、金型に形成されるべき溝構造の形状は、予め超精密加工機の制 御装置にインプットされているものとする。図 6に示す例では、光軸 Oから外周に向か つて、この順序で溝構造 Gl , G2が光学転写面に形成されるものとする力 S、溝構造 G 1 , G2は外周に向かうにつれて階段状の段差（階段ともいう）が深くなつている。尚、 ここで「浅!/、」又は「深!/、」とは、回転軸の方向にお!/、て、加工前の金型の表面からダ ィャモンド工具を用いて切り込んだ場合における切り込み量により相対的に区別され るものとする。又、「切り込み方向」とは、回転軸に平行であって、金型に接近する方 向をいうものとする。

[0035] 加工を行うには、まず金型の素材 Mを光軸（回転軸線ともいう） Oの回りに回転させ 、ダイヤモンド工具 Tの第 3の縁部 T3を、溝構造 G2におけるここでは 4段目の段 (溝 構造 G2内で最も深い段）に対応した基準位置（図 6に実線で示す位置)で、光軸 O に対して平行に且つ金型の素材 Mに更に押しつける方向（Z軸下方向）に所定位置 まで移動させる。これにより、ダイヤモンド工具 Tが金型の素材 Mの光学転写面を切 削加工し、輪帯状の溝が形成されるが、溝底面 (溝の底面ともいう） GBは第 3の縁部 T3により切削され、外周側の溝側面（溝の底壁面とも!/、う） GOは第 1の縁部 T1により 切削される（第一工程：図 7 (a)参照）。

[0036] 次に、図 7 (b)に示すように、ダイヤモンド工具 Tを、金型の素材 Mの光軸 Oに直交 する方向（X軸右方向）及び軸線方向（Z軸上方向）に同時に変位させる（第三工程） 。この動作により、第 2の縁部 T2と第 3の縁部 T3との間の円弧部 R1により、溝底面 G Bと内周側の溝側面 GIとの間に、曲面部 CPが形成されることとなる。曲面部 CPの曲 率半径 Bは、 0· 5 111〜2 111となっている。

[0037] 更に、ダイヤモンド工具 Tを、金型の素材 Mの光軸 Oに平行（Z軸上方向）に変位さ せることで、内周側の溝側面 GIは第 2の縁部 T2により切削される（第二工程)。その 後、図 7 (c)に示すように、ダイヤモンド工具 Tを、金型の素材 Mの光軸 Oに平行 (X 軸右方向）に変位させることで、二番目に深い段が形成されることとなる。以下、同様 にダイヤモンド工具 Tを変位させることで、溝構造 G2, G1を形成できる。以上より明 らかである力 1つ溝を形成する毎に、ダイヤモンド工具 Tを金型の素材 Mから抜き 出して X軸方向に変位させることを繰り返せば、バイナリタイプの回折構造（図 1 (a)参 照）を成形するのに適した金型 MDを成形できる。このような金型 MDを用いた光学 素子の成形方法については、例えば特開 2005— 319778号公報等に記載されて いる。

[0038] 例えば、溶融した光学素子材料を、図 6、 7 (a)〜7 (c)に示す金型に射出して、更 に冷却することにより、図 10に示す光学素子 OE1を得ることができる。階段状の段差 構造やバイナリ構造等を有する複数の輪帯が光学転写面上に形成されている金型 を用いた場合には、この金型により光学素子の光学面に、階段状の段差構造やバイ ナリ構造を有する複数の輪帯 RZが転写される。本発明の様態の一例として、図 10の 円内に、 1つの輪帯の断面を拡大した図を示す。各々の輪帯は、金型の溝底面 GB に対応する頂部 ΟΕΤと、金型の溝側面 GIに対応する側壁面 ΟΕΟを有しており、頂 部 ΟΕΤと側壁面 ΟΕΙとは、金型の曲面部 CPに対応する曲率半径 0. 5〜2 111の曲 面 OECPにより接続されている。また頂部は、光軸と直交する方向に所定幅を有する 。図 10の円内には階段状の段差構造の断面図が示されている力 本発明に係る光 学素子の輪帯構造の形状は、光軸と直交する方向に所定幅を持った頂部と、側壁面 と、頂部と側壁面を接続する曲率半径 0· 5〜2 mの曲面で構成されていればよぐ 図 10の形状には限定されない。

[0039] また、本発明に係る光学素子の材料には、プラスチックに限らず、ガラスの一般的 な光学材料を用いることができる。

[0040] さらに、本発明に係る光学素子は、本発明に係る金型を用いて、プレス成形、押し 出し成形、モールド成形、その他の知られている光学素子を形成する成形法にて成 形されていても良い。

[0041] ところで、切削加工の最中に、切削抵抗によりダイヤモンド工具 Tのすくい面 T5の 角が劈開により欠損する恐れがある。かかる場合、欠損したすくい面 T5の形状力 金 型の素材 Mに転写されてしまうこととなる。このような金型により転写成形された光学 素子は、設計形状と異なる回折構造を有するので、所望の光学特性を発揮できない 恐れがある。特に問題となるのは、複数の金型により成形された光学素子における金 型間の形状バラツキである。即ち、ある金型から成形された光学素子の回折効率に 対し、他の金型から成形された光学素子の回折効率が大きく異なると、不良品率が 高まる恐れがある。

[0042] これに対し本実施の形態においては、金型の溝底面と溝側面との間を、曲率半径 Bの曲面で連結しているので、かかる不具合を緩和できる。これを、図面を参照して 説明するが、以下、光学素子の回折構造は、金型の溝構造を完全に転写できるもの とする。

[0043] 図 8 (a)及び 8 (b)は、本実施の形態の加工方法によりダイヤモンド工具で切削され る金型の溝底面と溝側面の周囲を拡大して示す図であり、図 8 (a)は切り始め（加工 最初）の溝を示しており、図 8 (b)は切り終わり（加工最後）の溝を示している。図 9 (a) 及び 9 (b)は、比較例の加工方法によりダイヤモンド工具で切削される金型の溝底面 と溝側面の周囲を拡大して示す図であり、図 9 (a)は切り始め（加工最初）の溝を示し ており、図 9 (b)は切り終わり（加工最後）の溝を示して!/、る。

[0044] ここで、図 8 (a)及び 8 (b)において、溝底面 GBが転写された光学面を通過した光 束は、所望の回折角度で出射するが、曲面 CPが転写された光学面を通過した光束 は、所望の回折角度で出射せず不要光となる。従って、光学素子の回折効率を増大 させるには、本来的には曲面 CPの面積をゼロとすることが好ましい。そのような理想 的な溝構造（図 9 (a)に示す形状）は、第 2の縁部 T2と第 3の縁部 T3とが互いに直線 同士で交差するダイヤモンド工具 Tで切削することにより得ることができる。

[0045] しかしながら、切り始めから切り終わりまでの間に、ダイヤモンド工具 Tにおいて第 3 の縁部 T3に対して 45度方向に劈開による欠損 Dが生じると、切り終わり時の溝構造 において、図 9 (b)に実線で示すように、欠損 Dが角部に転写されたテーパ面 TPが 生じることとなる。かかる場合、テーパ面 TPが転写された光学面を通過する光束は、 所望の回折角度で出射せず不要光となるため、テーパ面 TPの面積に相当する分だ け回折効率が低下することとなる。これが、欠損 Dが生じた前後で回折効率のバラッ キを生じさせる原因である。尚、欠損 Dが生じたか否か、加工中には判断できないと いう実情がある。

[0046] これに対し本実施の形態によれば、切り始めの状態では、図 8 (a)に示すように曲 面 CP力 S生じることで、それにより転写された光学素子の回折効率と、図 9 (a)に示す ような溝構造の金型により転写された光学素子の回折効率より低い。ところ力 欠損 Dが生じる前の曲面 CPと、欠損 Dが生じた後の曲面 CP'とは、軸線方向に見たとき の面積の変化量が小さいので、そのような金型で転写成形された光学素子において

[0047] なお、曲面 CPの曲率半径 Bを大きくすると、ダイヤモンド工具において欠損 Dが生 じる前の曲面 CPと欠損 Dが生じた後の曲面 CP'とは、軸線方向に見たときの面積の 変化量がより小さくなる。そのため、そのような金型で転写形成された光学素子にお ける光利用効率（回折効率）のバラツキは、より小さくなる。その反面、工具に損耗が 生じず回折効率が 100%であるような金型の形状（図 9 (a) )に対する曲面 CP及び曲 面 CP'の面積の変化量が大きくなり、そのような金型で転写形成された光学素子全 体の光利用効率絶対値は低下してしまう。そこで光学素子に必要な光利用効率絶対 値を確保しつつ、光利用効率のバラツキを抑えるような曲面 CPを設定する必要があ

[0048] ここで、ダイヤモンド工具の磨耗量のバラツキの実績値が 0〜0· 5 a mであることを 考慮すると、曲面 CPの曲率半径 Bが少なくとも 0· 5 ^ 111であれば光利用効率のバラ ツキを効果的に低減させることができる。また、曲率半径 Bが 2 m以下であれば、光 学素子に必要な光利用効率絶対値を確保することができる。よって、曲率半径 Bを 0 . 5 111〜2 111とすることにより、本発明に係る金型を用いて転写形成される光学素 子に必要な光学特性を確保できる。

[0049] 図 11 , 12, 13は、本発明者によるシミュレーション結果を示す図であり、工具損耗 量 (第 3の縁部 T3の欠損長さ）と、その工具により成形された金型から成形転写され た光学素子の回折効率との関係を示している。図 11は、従来形状の金型、図 12は 従来形状の金型であるが光学素子の最大回折効率を 95%に下げて設計したもの、 図 13は、本実施の形態の金型から成形転写された光学素子を用いたシミュレーショ ン結果を示す。なお、本シミュレーションにおいては、曲率半径 Bを 0. 5 111とした。 また、図 11〜図 12において、縦軸は光学素子の回折効率（％)、横軸は工具の磨耗 量 m)である。図 9 (a)及び 9 (b)に示す比較例の金型から転写成形された光学素 子の場合、図 11に示すごとぐ工具に損耗が生じない状態での回折効率 (設計効率 )は 100%であるが、 0. 5 mの工具損耗が生じると、回折効率は 11 %もばらつくこ ととなる。これに対し、回折効率のバラツキを抑えるために、光学素子の最大回折効 率を下げた金型設計とすることも考えられる。しかし、本発明者のシミュレーションによ れば、図 12に示すように、工具に損耗が生じない状態での回折効率 (設計効率）が 9 5%になるよう金型を設計した場合でも 0. 5 mの工具損耗時の回折効率のバラッ キは 11 %と変わらず、むしろ最小回折効率が低下して光学素子の特性が悪化するこ とがわかった。一方、図 8 (a)及び 8 (b)に示す本実施の形態の金型から転写成形さ れた光学素子の場合、図 13に示すごとぐ工具に損耗が生じない状態での回折効 率 (設計効率）は 95%であり、 0. 5 mの工具損耗が生じても、回折効率のバラツキ は 7%に抑えることができるため、最大回折効率は若干低くなるものの、トータルでの 回折効率は高くなり、必要な光学特性を確保することができる。

[0050] 以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態 に限定して解釈されるべきではなぐ適宜変更 ·改良が可能であることはもちろんであ る。例えば、本発明に係る加工方法は、光学素子の成形用金型の加工以外にも用い ること力 Sできる。又、本発明に係る加工方法に用いるダイヤモンド工具は、すくい面の 形状が、方形状ではなくテーパ形状であってもよい。更に、ダイヤモンド工具を、回転 軸線光軸直交方向において内側から外側に変位させながら加工を行っても良い。

Claims

請求の範囲

[1] 複数の輪帯構造を有する光学素子を成形する金型であって、

同心円状である複数の輪帯構造を有する面を有し、

前記輪帯構造の各々は、前記輪帯構造の半径方向に所定幅を持った底面と、側 壁面と、前記底面と前記側壁面を接続する曲率半径 0. 5〜2 111の曲面より構成さ れる溝を有することを特徴とする金型。

[2] 前記底面は複数の段差を持って形成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項 に記載の金型。

[3] 前記底面には段差が形成されていないことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載 の金型。

[4] 光軸を中心に同心円状に形成された輪帯を複数形成した光学面を有する光学素 子であって、

前記輪帯の各々は、光軸と直交する方向に所定幅を持った頂部と、側壁面と、前 記頂部と前記側壁面を接続する曲率半径 0. 5〜2 mの曲面で構成されていること を特徴とする光学素子。

[5] 前記複数の輪帯の各々は、階段状の段差構造を有することを特徴とする請求の範 囲第 4項に記載の光学素子。

[6] 前記複数の輪帯の各々は、バイナリ構造であることを特徴とする請求の範囲第 4項 に記載の光学素子。

[7] すくい面と逃げ面で構成された切れ刃を持つダイヤモンド工具と、回転駆動させた 金型母材とを相対的に切削駆動させる事により、金型母材に同心円状に所定幅を持 つた底面を有する溝を複数形成した光学素子成形用金型の製造方法において、 金型の回転軸線方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動さ せながら前記金型母材を切削加工する第一工程と、

金型の回転軸線とは直交する方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材 を相対駆動させながら前記金型母材を切削加工する第二工程と、

前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母 材を相対駆動させながら、金型の回転軸線の方向及び回転軸線とは直交する方向 に同時に変位させて前記金型母材を切削加工する第三工程を有することを特徴とす る光学素子成形用金型の製造方法。

[8] 前記第三工程により前記溝の底面と側壁面とが所定の曲面で接続されるように前 記金型母材が切削加工されることを特徴とする請求の範囲第 7項に記載の光学素子 成形用金型の製造方法。

[9] 前記曲面は曲率半径が 0· 5 m〜2 mであることを特徴とする請求の範囲第 8項 に記載の光学素子成形用金型の製造方法。

[10] すくい面に、互いに並行して延在する直線状の第 1の縁部及び第 2の縁部と、前記 第 1の縁部と前記第 2の縁部とに交差する第 3の縁部とを有する切れ刃を持つダイヤ モンド工具と、回転駆動させた金型母材を相対的に切削駆動させながら金型母材を 切削加工することにより、金型母材上に同心円状の所定幅を持った底面を有する溝 を複数形成した光学素子成形用金型の製造方法にぉレ、て、

金型の回転軸線方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材を相対駆動し て、前記ダイヤモンド工具の第 3の縁部で金型母材に溝底面を切削加工する第一ェ 程と、

金型の回転軸線とは直交する方向に前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母材 を相対駆動して前記ダイヤモンド工具の第 2の縁部で金型母材に溝側面を切削加工 する第二工程と、

前記第一工程と前記第二工程との間で、前記ダイヤモンド工具もしくは前記金型母 材を金型の回転軸線の方向及び回転軸線とは直交する方向に同時に変位させて前 記金型母材を切削加工する第三工程と、を有することを特徴とする光学素子成形用 金型の製造方法。