金型の製造方法及び光学素子

【課題】母型部材の成形面の加工痕が電鋳型に転写されることに起因する不要な回折光の発生を防止し、この電鋳型を用いて成形される成形品の反射率を低減する。
【解決手段】光学レンズ３０は、電鋳型の成形面が転写されて形成された光学面３２を有し、この光学面３２は加工痕３３、及びこの加工痕３３の表面に形成された所定形状の反射防止構造体３４からなり、加工痕３３の周期Ａと加工痕３３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂとの比Ｂ／Ａが１／１００未満である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子を成形する金型の製造方法及び光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子では、光学面での不要な回折光を減少させるために表面を鏡面に仕上げたり、また、反射率を低下させるために光学面に凹凸構造等の反射防止構造が施されたりしたものが公知である。
【０００３】
この反射防止構造に関し、例えば、特許文献１では、光学素子の成形用の金型部材をダイヤモンドバイトなどで切削加工して、成形面を形成し、さらに、切削条件を変更することで、変化する加工痕の厚さ方向をシフトさせ、その後、成形面に反射防止構造を形成する技術が提案されている。
【０００４】
また、前述したシフト量と反射防止構造の高さとの関係を使用光の波長をもとに定義することで、不要な回折光やフレア光が発生しない光学性能を備えるようにした点が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２９８９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、得られる光学性能が使用光の波長に依存し、使用光の波長が７００ｎｍのように長くなる場合には、加工痕の厚さ方向の許容されるシフト量の範囲も広くなるため、不要な回折光が発生し光学性能を損なうおそれがあった。
【０００７】
本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、成形面に起因する不要な回折光の発生を防止するとともに、成形面に反射防止構造を設けた金型の製造方法及び光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明に係る金型の製造方法は、光学素子を成形する金型の製造方法において、母型部材の成形面を所定形状に加工する加工工程と、加工後の前記成形面を、ガスクラスターイオンビームを用いて平滑化する平滑化工程と、平滑化後の前記成形面に所定形状の反射防止構造体を形成する反射防止構造体形成工程と、前記反射防止構造体が形成された母型から電鋳型を作製する電鋳型作製工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明は、上記発明において、前記平滑化工程後の前記成形面に残存する加工痕の周期Ａが前記反射防止構造体の周期Ｃよりも大きく、かつ、前記周期Ａと前記加工痕に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂとの比Ｂ／Ａが１／１００未満であることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、上記発明において、前記反射防止構造体形成工程にて、前記反射防止構造体を、陽極酸化法を用いて形成することを特徴とする。
本発明は、上記発明において、前記母型部材の前記成形面が曲面をなしていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光学素子は、成形型の成形面が転写されてできた光学面を有する光学素子において、前記光学面に転写された前記成形面の加工痕、及び当該加工痕の表面に形成された所定形状の反射防止構造体を有し、前記加工痕の周期Ａと当該加工痕に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂとの比Ｂ／Ａが１／１００未満であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、成形面に起因する不要な回折光の発生を防止するとともに、成形面に反射防止構造を設けた金型の製造方法及び光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】母型部材の外観を示す図である。
【図２】母型部材に成形面を形成した断面図である。
【図３Ａ】成形面における加工痕の平面図である。
【図３Ｂ】同上のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿う拡大断面図である。
【図４Ａ】成形面の表面にそのまま反射防止構造体を形成した場合の平面図である。
【図４Ｂ】同上のそのＩＶ−ＩＶ方向に沿う拡大断面図である。
【図５】母型部材の成形面を平滑化する状態の断面図である。
【図６Ａ】平滑化後の成形面の平面図である。
【図６Ｂ】同上のそのＶＩ−ＶＩ方向に沿う拡大断面図である。
【図７Ａ】反射防止構造体付きの母型の断面図である。
【図７Ｂ】同上の部分拡大断面図である。
【図８Ａ】反射防止構造付きの母型に電鋳部材を形成した状態の断面図である。
【図８Ｂ】電鋳型の断面図である。
【図９】電鋳型を加工して成形装置の固定側金型に使用した状態を示す図である。
【図１０】成形された光学素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（Ａ）母型部材の成形面を加工する工程
図１は、母型（マスター型）部材１１の外観を示す図である。
【００１５】
図１に示すように、軸方向に所定の長さＬを有する円柱状の母型部材１１を準備する。
この母型部材１１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる。母型部材１１として、アルミニウム（Ａｌ）を用いるのは、後述する陽極酸化法により成形面に反射防止構造体１４を形成する場合に好ましいためである。ただし、材質は必ずしもこれに限らず、陽極酸化法によって反射防止構造を形成できる部材であればよい。
【００１６】
図２は、この母型部材１１の軸方向の一端を切削加工（又は研削加工）して成形面１２を形成した場合の断面図である。
すなわち、母型部材１１の一端を、軸方向に沿う側面１１ａを基準としてダイヤモンドバイト等で切削加工（又は研削加工）することにより、所望の形状の成形面１２を形成する。なお、この成形面１２の所望の形状とは、本実施の形態では、球面を例として説明するが、これに限らない。例えば、平面、非球面、又は自由曲面等であってもよい。
【００１７】
ここでの自由曲面とは、平面や球面などと違って初等関数では表わすことのできない曲面をいう。
また、母型部材１１の軸方向に沿う側面１１ａは、後述する電鋳型１６を作製した後の外径加工の基準面として用いられる。
【００１８】
図３Ａは、成形面１２に形成された加工痕１３の平面図であり、図３Ｂは、そのIII−III方向に沿う拡大断面図である。
図３Ａに示すように、母型部材１１の一端を切削加工等して成形面１２を形成する際に、成形面１２には輪帯状の加工痕１３が形成される。この加工痕１３は、バイトの刃先Ｒや工作機械の送りピッチによって不可避的に形成されるものである。
【００１９】
また、図３Ｂに示すように、加工痕１３の周期（幅）をＡ’、及び加工痕１３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値をＢ’とすると、そのアスペクト比（縦と横の長さの比）Ｂ’／Ａ’は、切削工具の刃先Ｒ（刃先径）と送りピッチに依存する。
【００２０】
なお、本実施の形態では、加工痕１３の断面を三角波に近似した波形として示したが、これに限らず、例えば正弦波や２次曲線として定義してもよい。
ところで、成形面１２に所定の加工痕１３を有する金型を用いて光学素子を成形したとすると、その加工痕１３の周期（幅）Ａ’や、加工痕１３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂ’等に起因して、成形された光学素子に不要な回折光が発生することが知られている。
【００２１】
ここで、本実施の形態における成形面１２の表面の加工痕１３を、表面粗さ測定機を用いて測定した。
その結果、加工痕１３の周期（幅）Ａ’が２μｍ、加工痕１３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂ’が１５ｎｍであった。このとき、アスペクト比はＢ’／Ａ’＝１５／２０００＝１／１３３となる。
【００２２】
この成形面１２の表面を、実体顕微鏡で観察すると、不要な回折光が発生していた。なお、この不要な回折光は、目視によっても確認することが可能である。
また、アスペクト比Ｂ’／Ａ’が小さければ（例えば、Ｂ’／Ａ’＝１／１００未満）、可視光領域において不要な回折光の発生は低減できると考えられている。しかし、必ずしも、これに限らず、不要な回折光の発生が、アスペクト比Ｂ’／Ａ’のみに依存するものではないとも考えられている。
【００２３】
次に、図４Ａは、成形面１２の表面にそのまま反射防止構造体１４を形成した場合の平面図であり、図４Ｂは、そのIV−IV方向に沿う拡大断面図である。
ここで、反射防止構造体１４の周期（幅）をＣとすると、周期（幅）Ｃは、１００〜２５０ｎｍである。このため、加工痕１３の周期（幅）Ａ’（２μｍ）の中に、複数の反射防止構造体１４が形成される。
【００２４】
この成形面１２にある輪帯状の加工痕１３とともに、反射防止構造体１４の周期（幅）Ｃが、次工程の電鋳型１６に転写される。なお、転写は圧力や温度などを最適化した条件で行われるものとする。
【００２５】
このため、この電鋳型１６を用いて射出成形などで成形した光学素子にも、輪帯状の加工痕１３が転写される。こうして、成形される光学素子にも、加工痕１３に基づく不要な回折光が発生し、光学性能を損なうおそれがある。
【００２６】
そこで、本実施の形態では、加工痕１３を平滑化して不要な回折光の発生を防止するとともに、その後、成形面１２に反射防止構造体１４を形成することとした。

（Ｂ）加工痕１３に対してＧＣＩＢ（ガスクラスターイオンビーム）を照射して平滑化する工程
図５は、母型部材１１の成形面１２を平滑化する状態の断面図である。
【００２７】
本実施の形態では、図５に示すように、加工痕１３を平滑化するために、母型部材１１の成形面１２にＧＣＩＢ（ガスクラスターイオンビーム）１７を照射する。このＧＣＩＢ１７は、数千の原子の塊をイオン化して成形面１２に打ち付けるプロセスを用いる。この場合、ガス原子（ここではアルゴン）はぶどうの房のような塊になっている。また、本実施の形態では、ＧＣＩＢ１７のソースガスには、アルゴンを用いた。
【００２８】
こうして、母型部材１１の成形面１２にＧＣＩＢ１７を照射することによって、加工痕１３の周期（幅）Ａと加工痕１３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂとのアスペクト比Ｂ／Ａを小さくした（図６Ｂ参照）。
【００２９】
なお、加工痕１３の周期（幅）Ａ、Ａ’と、加工痕１３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂ、Ｂ’との符号を、２種類用いたのは、単に平滑化の前後で区別したためである。
【００３０】
本実施の形態では、ＧＣＩＢ１７の照射による非接触による研磨加工方法を用いることで、通常の研磨加工では傷が付きやすいアルミニウム（Ａｌ）などの柔らかい材料の加工痕１３も平滑化することができる。
【００３１】
なお、本実施の形態では、ＧＣＩＢ１７を照射した場合について説明したが、これに限らない。例えば、加工痕１３が平滑化できれば、ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリシング）など、他の研磨手段等を用いてもよい。
【００３２】
なお、このＣＭＰとは、機械的研磨技術を基本にし、それに加工液の化学反応を組み込んだ加工方法である。これによっても、母型部材１１の成形面１２の加工痕１３を平滑化することが可能である。
【００３３】
また、本実施の形態では、予め成形面１２と同じ材料（アルミニウム）に、様々な周期（幅）Ａ’の加工痕１３を形成したのち、ＧＣＩＢ１７を照射して、加工痕１３の周期（幅）Ａと山と谷の高さの差の最大値Ｂの変化量等を調査した。
【００３４】
すなわち、母型部材１１の成形面１２を電鋳型１６へ転写した場合に、成形面１２の加工痕１３が、不要な回折光の発生に及ぼす影響、ならびに、この電鋳型１６を用いて射出成形などにより得られた光学素子（光学レンズ）への転写の影響等を調査した。
【００３５】
図６Ａは、平滑化後の成形面１２の平面図であり、図６Ｂは、そのVI−VI方向に沿う拡大断面図である。
図６Ｂに示すように、母型部材１１の成形面１２にＧＣＩＢ１７を照射した後には、加工痕１３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂが８ｎｍになった。なお、加工痕１３の周期（幅）Ａは、照射の前後で変わらなかった。こうして、成形面１２を平滑化することができた。
【００３６】
この場合、加工痕１３の周期（幅）Ａは２μｍであるので、アスペクト比Ｂ／Ａは８／２０００＝１／２５０となった。
この成形面１２の表面を、実体顕微鏡で観察すると、不要な回折光の発生がなくなったことが確認できた。
【００３７】
表１には、調査結果として、母型部材１１の成形面１２にＧＣＩＢ１７を照射した後の加工痕１３の周期（幅）Ａと、加工痕１３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂとの関係を示している。
【００３８】
【表１】

すなわち、表１は、縦軸に加工痕１３の周期（幅）Ａを示し、横軸にＧＣＩＢ１７を照射した後の加工痕１３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂを示している。なお、縦軸の加工痕１３の周期（幅）Ａが１００〜２００ｎｍの場合には、反射防止構造体１４の周期（幅）Ｃが加工痕１３の周期（幅）Ａよりも大きくなるので除外した。
【００３９】
この調査では、ＧＣＩＢ１７を照射した後に加工痕１３の山と谷の高さの差の最大値Ｂが１０ｎｍ以下になっているときに、不要な回折光の発生がなくなっていた。このため、加工痕１３の周期（幅）Ａと加工痕１３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂのアスペクト比Ｂ／Ａは、１／１００未満が望ましいことがわかった。
【００４０】
すなわち、アスペクト比Ｂ／Ａが、１／１００以上では不要な回折光が現れることが予想され、また、１／１００未満では使用する光の波長を問わず不要な回折光が現れなかった。
【００４１】
特に、表１において、縦軸の加工痕１３の周期（幅）Ａが３００〜３０００ｎｍで、加工痕１３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂが１〜１０ｎｍの範囲内で、少なくともアスペクト比Ｂ／Ａが１／１００未満であれば、目視検査の結果では不要な回折光が現れなかった。
【００４２】
なお、加工痕１３を平滑化するためのＣＭＰでは、粒径約１００ｎｍのシリカが入ったアルカリ性の研磨用スラリーと研磨パッドを用いて、母型部材１１の成形面１２を研磨するのがよい。
【００４３】
この場合、研磨機の加重は、１ｍｍ^２あたり３０〜５０ｇｆとなるようにする。また、研磨パッドと母型部材１１の成形面１２の回転数は５０ｒｐｍ前後とするのが好ましい。

（Ｃ）母型の成形面に反射防止構造体を形成する工程
図７Ａは、反射防止構造体付きの母型１８の断面図であり、図７Ｂは、その部分拡大断面図である。
【００４４】
ここで、成形面１２に所定形状の反射防止構造体１４を形成する工程について説明する。
加工痕１３を平滑化することで、不要な回折光の発生を防止することができるが、これとは別に、光学性能上、成形面１２が転写されてできた光学素子の反射率を低下させる必要がある。そのために、成形面１２に微小凹凸構造を有する反射防止構造体１４を形成する。
【００４５】
本実施の形態では、この反射防止構造体１４を、陽極酸化法を用いて形成した。
この陽極酸化法では、電解液中で母型（マスター型）部材であるアルミニウム（Ａｌ）をプラス極に通電し、アルミニウム（Ａｌ）の表面（成形面１２）に特異な形状をした厚い酸化皮膜を生成させる。この場合、電解液の種類によって、生成されるアルミニウム（Ａｌ）の酸化皮膜の形状は異なってくる。
【００４６】
しかし、反射防止構造体１４の形成方法は陽極酸化法に限らない。例えば、母型部材１１に金属マスクを形成した後、反応性イオンエッチングを施す等により成形面１２に微細凹凸構造の反射防止構造体１４を形成してもよい。
【００４７】
こうして、成形面１２に微細凹凸構造を有する反射防止構造体１４を形成する。
図７Ｂに示すように、この反射防止構造体１４は、成形面１２の面形状（加工痕１３）に対して法線方向に突出するように形成されている。さらに、反射防止構造体１４の表面が不導体である場合には、導電化処理としてニッケル膜（図示せず）をスパッタリングにより生成する。
【００４８】
こうして、図７Ａに示すように、母型部材１１の成形面１２に反射防止構造体１４（さらに、反射防止構造体１４を覆うニッケル膜を有する）が一体的に形成された反射防止構造体付きの母型１８が形成される。
【００４９】
（Ｄ）反射防止構造体付きの母型１８から電鋳型１６を作製する工程
図８Ａは、反射防止構造付きの母型１８に電鋳部材１５を形成した状態の断面図、図８Ｂは、電鋳型１６の断面図である。
【００５０】
すなわち、図８Ａに示すように、反射防止構造付きの母型１８の表面を図示しない電鋳浴に浸して、ニッケルなどの金属を析出させて電鋳部材１５を形成する。この後に、図８Ｂに示すように、電鋳部材１５から反射防止構造体付きの母型１８を離型して電鋳型１６を作製する。
【００５１】
図８Ａにおいて、図示しない電鋳浴には、スルファミン酸ニッケルを主として、陰極に反射防止構造体付きの母型１８を取り付け、陽極には、ニッケルなどの陽極板を設置する。スルファミン酸ニッケルメッキは、他の光沢ニッケルメッキ等と比較すると、内部応力が極めて小さいのが特徴である。
【００５２】
次いで、陽極と陰極間に電流を流す。この場合、電流値や陽極及び陰極間の距離、ならびに時間を最適化して電鋳部材１５の厚みを制御する。
次いで、図８Ｂに示すように、反射防止構造体１４を水酸化カリウムなどで溶解することで、反射防止構造体付きの母型１８を除去する。
【００５３】
この結果、反射防止構造体１４が反転された形状の成形面１９を有する電鋳型１６が得られる。この成形面１９は、輪帯状の加工痕１３の転写による不要な回折光のない、かつ反射率を低下させる性質の面を有している。
【００５４】
本実施の形態によれば、母型部材１１の成形面１２を、ＧＣＩＢを用いて平滑化し、さらに、平滑化後の成形面１２に反射防止構造体１４を、陽極酸化法を用いて形成したので、成形面１２に残存する加工痕１３が電鋳型１６に転写されることに起因する不要な回折光の発生を防止することができるとともに、反射率を抑制することができる。
【００５５】
（Ｅ）電鋳型１６から光学レンズ３０を成形する工程
図示しないが、電鋳型１６を用いて光学レンズを成形するには、この電鋳型１６に対し、旋盤等により所定の外径加工を施して所望の形状に加工する。さらに、この電鋳型１６を用いて、射出成形や熱プレス法などの手法によって光学レンズ３０（図１０参照）を成形する。
【００５６】
光学レンズ３０の成形時には、圧力や温度などを最適化した成形条件を用いることで、電鋳型１６の反射防止構造体１４が反転した反射防止構造により、不要な回折光のない、かつ低反射率の光学レンズ３０を作製することができる。
【００５７】
図９は、電鋳型１６を加工して固定側金型２４に使用した状態を示す図である。
成形装置２０は、対向配置された固定型２１と可動型２２とを有している。固定型２１には、段付き孔２３が形成されている。この段付き孔２３に、反射防止構造体１４’を有する固定側金型２４（金型）がその外形面を固定型２１への位置出し面として嵌挿されている。なお、この固定側金型２４は、図８Ｂの電鋳型１６と形状が異なっているが、説明の便宜上、これを加工して作製されたものとする。
【００５８】
また、可動型２２には、固定側金型２４に対向する可動側金型２５が嵌挿されている。
こうして、固定側金型２４と可動側金型２５との間に形成されたキャビティ２６に溶融樹脂（光学材料）が充填されて、図１０に示すような断面の光学レンズ３０が成形される。
【００５９】
この光学レンズ３０は、円板状の基板部３１に凸状の光学面３２を有している。また、最適化した条件で転写されたものとして、その光学面３２には、加工痕３３と反射防止構造体３４とが転写されている。このとき、図示しないが、図４Ｂに示したように、光学面３２に転写された加工痕３３の周期Ａ（又はＡ’）と、加工痕１３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂ（又はＢ’）とのアスペクト比Ｂ／Ａは、１／１００未満となっている。
【００６０】
なお、前記において、周期Ａ（又はＡ’）と高さの差の最大値Ｂ（又はＢ’）、のようにカッコ書きで記載したのは、反射防止構造体１４を有すれば平滑化工程の有無にかかわらず、アスペクト比Ｂ／Ａが１／１００未満の光学面を有する光学レンズ３０であってもよいことを意味する。
【００６１】
本実施の形態によれば、加工痕３３の周期Ａ（又はＡ’）と当該加工痕３３に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂ（又はＢ’）とのアスペクト比Ｂ／Ａが、１／１００未満であることにより、成形された光学レンズ３０の光学面３２に不要な回折光が生じることはない。
【００６２】
このため、さらに反射防止構造体１４が転写された電鋳型１６を用いて成形することで、図１０に示すように、不要な回折光のないかつ低反射率の光学レンズ３０を得ることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態においては、光学素子として光学レンズ３０を製造する場合について述べたが、これに限らず、本発明は光学素子としてプリズムやレンズとプリズムからなる複合光学素子を製造する場合にも適用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１１母型部材
１２成形面
１３加工痕
１４反射防止構造体
１４’ 反射防止構造体
１５電鋳部材
１６電鋳型
１７ガスクラスターイオンビーム
１８反射防止構造体付きの母型
１９成形面
２０成形装置
２１固定型
２２可動型
２３段付き孔
２４固定側金型（金型）
２５可動側金型
２６キャビティ
３０光学レンズ（光学素子）
３１基板部
３２光学面
３３加工痕
３４反射防止構造体

【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を成形する金型の製造方法において、
母型部材の成形面を所定形状に加工する加工工程と、
加工後の前記成形面を、ガスクラスターイオンビームを用いて平滑化する平滑化工程と、
平滑化後の前記成形面に所定形状の反射防止構造体を形成する反射防止構造体形成工程と、
前記反射防止構造体が形成された母型から電鋳型を作製する電鋳型作製工程と、を有する
ことを特徴とする金型の製造方法。
【請求項２】
前記平滑化工程後の前記成形面に残存する加工痕の周期Ａが前記反射防止構造体の周期Ｃよりも大きく、かつ、前記周期Ａと前記加工痕に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂとの比Ｂ／Ａが１／１００未満である
ことを特徴とする請求項１に記載の金型の製造方法。
【請求項３】
前記反射防止構造体形成工程にて、前記反射防止構造体を、陽極酸化法を用いて形成する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の金型の製造方法。
【請求項４】
前記母型部材の前記成形面が曲面をなしている
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項５】
金型の成形面が転写されてできた光学面を有する光学素子において、
前記光学面に転写された前記成形面の加工痕、及び当該加工痕の表面に形成された所定形状の反射防止構造体を有し、
前記加工痕の周期Ａと当該加工痕に引いた接線に対して直交する法線方向の山と谷の高さの差の最大値Ｂとの比Ｂ／Ａが１／１００未満である
ことを特徴とする光学素子。

【図１】