JP2006323257A - 光学素子およびその成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子の光学部分に汚れが付着することなく、組立て，取り出しのハンドリングを可能とする。
【解決手段】一方の面に非球面またはグレーティング面、他方の面にグレーティング面を有する光学素子に取っ手としてリブ部１３を設ける。これにより、光学機器の組立て時に光学素子を組み込むためにつかむ際、このリブ部１３に指が最初に触れるため、グレーティング面１１に指が触れることがなく、つかみ易くハンドリングが可能となる。また、リブ部１３の形状は円筒形状に構成してあり３６０°どの方向からつかんでも、リブ部１３の部分をつかむことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の非球面およびグレーティング面の光学部分に汚れが付着することなく、組立て，取り出しのハンドリングを容易とした光学素子およびその成形方法に関するものである。

従来の光学素子として、特許文献１に記載されているようなグレーティング形状を持つ光学素子形状は、図８に示すように、一方の面のグレーティング形状のグレーティング面１と、グレーティング面１と対抗する他方の面に非球面形状の非球面２と、その２つの光学面以外のわずかなフラット面３とからなっている。ノコ歯状のグレーティング形状は、山と山のピッチが３μｍ、山の高さが１．５μｍと微細なグレーティング形状であり、鋭角な谷溝の底部のＲは、限りなく「０」に近い状態である。近年のグレーティング形状においては、さらに微細化が進んでいる。

前述のようなグレーティング形状を持つ光学素子において、光学機器への組立時に図８に示すフラット面３を指で持ち組立てられていた。例えば、このような光学素子である回折レンズの成形工法としては、樹脂を射出成形にて成形することによって製作されている。材料がガラスの場合、グレーティング形状に９０°以下の鋭角な場合は、ガラスを加熱，圧縮する成形工法では、グレーティング面の強度が持たず破損していた。

また、特許文献２に記載されているように、従来レンズ同士の光軸を合わせる目的でレンズ周辺にリブを持つ光学素子もあった。リブ同士が相互に結合され光軸方向端面を他のレンズにつき合わせることで位置決めしていた。このレンズにおいてレンズ面の形状は、非球面形状であり、微細なグレーティング形状もなく、レンズ材料を樹脂で成形する場合において、樹脂材料によってガラス転移点の温度は変わるが、レンズ用の樹脂材料の場合は１３５℃付近であるガラス転移点より１０℃高い１４５℃の金型温度でも成形可能であり、高さの高いリブであっても離型時、変形することなく、成形が可能であった。また、レンズ面の離型抵抗も滑らかな非球面であるために、特にレンズ面の離型抵抗を考慮しなくとも、成形可能であった。そのため、組立性を優先した形状も可能であった。
特開２００３−２７０４１８号公報 特開２００２−１８２０９０号公報

しかしながら、特許文献１に示すようなグレーティング形状の微細な溝に汚れが付着したままグレーティング面を持つ光学素子を用いて光学部品を組立てると、組立てた後に所望の光学特性を満足することができなかった。また、特許文献２のような構成において、グレーティング面を持つ光学素子は、その製作時に所望のグレーティング形状を形成することが困難である。そのために、必要な光学特性を満足することできず、このグレーティング面を持った光学素子を用いて光学部品を組立てた場合、組立後に所望の光学特性を満足することはできなかった。以下にその具体的な理由を示す。

まず、特許文献１のようなグレーティング形状を持つ光学素子において、光学機器への組立時に担当者の手により組立面におく際、グレーティング面に指が触れてしまい、指に付着している脂、微小なチリが、ノコ歯状のグレーティング形状の鋭角な谷溝に入ってしまうこととなる。

その際に、洗浄等を行うことは、限りなく「０」に近い底部のＲの汚れを洗浄する必要があり、技術的に完全洗浄は不可能である。また、指の先端部のＲ、接触角、指のやわらかさにより、グレーティング形状への接触の可能性は変動する。人がものを持ち始める際の接触角は、斜め４５°方向からつかむことが多いことを、組立作業工程において確認している。従来のグレーティング面を持つ光学素子においては、接触角４５°の条件のもとで、接触してしまうこととなり、組立ての品質歩留りを極端に低下することとなった。

また、特許文献２のようなリブを持つ光学素子において、リブ形状が他のレンズと嵌合するための長さが必要であり、このレンズを樹脂またはガラスの熱プレスにて成形を行う際、レンズ面に形状転写を行う条件に加え、リブの薄肉部に樹脂材料，ガラス材料が流動し充填できる条件でなければならない。微細なグレーティング形状を持った面においてリブへの充填性を重視し過充填になると、グレーティング形状部の離型抵抗が高くなり、離型時にグレーティング形状が変形，メクレあがり等の不良をおこすこととなる。逆に、グレーティング形状部の変形を抑えるため、充填圧力を低くすると、微細なグレーティング形状のエッジが、充填不良をおこしグレーティング形状の先端のエッジ部に円弧状の曲面（Ｒ形状）になり、光学特性の回折効率を低下させることとなる。

また、グレーティング面を有するレンズの材料がガラスである場合に、ガラスの加熱，圧縮の方式においては、リブに形成される嵌合面までガラスを流動させることは、レンズに過圧力がかかり、内部歪を増大させることが予想されるため実施されていなかった。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、光学素子の非球面およびグレーティング面の光学部分に汚れが付着することなく、組立て，取り出しのハンドリングを容易とした光学素子およびその成形方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した光学素子は、対向する面の少なくとも一方の面にグレーティング形状を形成したグレーティング面を有する光学素子において、当該素子のグレーティング面側の外周端部にリブ部を設け、リブ部の光軸側の内壁から光軸までの距離をｄ、光軸からグレーティング面の最外周端部までの距離をｒ、当該素子の内部における光軸に垂直な基準面からグレーティング面までの光軸方向の最大距離をｈｇ、リブ部のグレーティング面側における基準面から光軸方向の端面までの最大距離をｌｇとしたとき、次の条件「ｌｇ＞ｈｇ−ｄ＋ｒ」を満たすことを特徴とする。

また、請求項２〜４に記載した光学素子は、請求項１の光学素子であって、リブ部の内壁から光軸までの距離ｄと光軸からグレーティング面の最外周端部までの距離ｒにおいて、次の条件「ｆ＝ｄ−ｒ」の値ｆを有する平坦部を設け、平坦部の値ｆが０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であること、さらに、光軸と垂直な基準面が、グレーティング面と光軸の交点と、当該素子のグレーティング面に対向する他方の面と光軸の交点とを結ぶ直線の中点Ｐを通り、リブ部のグレーティング面側における基準面から光軸方向の端面までの最大距離ｌｇと光軸からグレーティング面の最外周端部までの距離ｒとの関係が、次の条件「ｌｇ＜ｒ」を満たすこと、さらに、リブ部における基準面方向の厚みが、基準面から光軸方向にリブ部の端面に向かうに従って小さくなるテーパ形状であることを特徴とする。

また、請求項５に記載した光学素子は、対向する面の少なくとも一方の面にグレーティング形状を形成したグレーティング面を有する光学素子において、当該素子のグレーティング面側の外周端部にリブ部を設けたことを特徴とする。

また、請求項６に記載した光学素子は、請求項１〜５の光学素子であって、グレーティング面が円形状であり、リブ部が円筒形状であることを特徴とする。

また、請求項７に記載した光学素子の成形方法は、筒型の内径に嵌合した上型と下型により光学素子材料を加熱，圧縮して成形する光学素子の成形方法であって、上型と下型を相対的に接近させて光学素子を成形する際に、下型と上型と筒型との間に設けた空間部が光学素子の成形量より多い残りの光学素子材料によってリブ部を成形し、リブ部の成形後においても空間部には光学素子材料を充填可能な空き領域を有することを特徴とする。

前記構成によれば、一方の面が非球面またはグレーティング面であり、他方の面がグレーティング面である光学部分を有する光学素子に、非球面またはグレーティング面の光学部分とは離れた取っ手となるリブ部を設け、リブ部の成形が光学素子の成形時に影響することなく、光学素子と一体成形することができる。

本発明によれば、光学素子に有するグレーティング面に触れることなく手で持つことができ、高精度組立および成形終了後の取り出しが可能となり、汚れ付着のない状態で高品位な光学素子の組立てや取り出し等のハンドリングができ、また光学素子の成形時には、リブ部となる光学素子材料が空間部内において、充填可能な空き領域を有することから、グレーティング面の微細形状を高精度に成形することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態１の実施例１における光学素子を示す断面図である。図１において、１１はグレーティング面、１２は非球面、１３はリブ部、１４はグレーティング面１１の最外周端部までのレンズ面となる光学部分であり、図１に示すように、光学素子はグレーティング形状の光学面のグレーティング面１１と、非球面形状の光学面の非球面１２と、円筒形状の取っ手となるリブ部１３からなる。

図１に示す光学素子の形状のように取っ手としてリブ部１３を設けたことにより、光学機器の組立時に光学素子を組み込むためにつかむ際、このリブ部１３に指が最初に触れるため、グレーティング面１１に指が触れることがなく、つかみ易くハンドリングが可能となる。また、リブ部１３の形状は円筒形状に構成してあり３６０°どの方向からつかんでも、リブ部１３の部分をつかむことができる。

図２は本実施例１における取っ手となるリブ部の高さを決定するための説明図である。図２に示すように、リブ部１３の光軸側である内壁から光軸までの距離をｄ、光学素子内の任意の基準面からグレーティング面１１側における光軸方向のリブ部１３の最大距離である高さをｌｇ、非球面１２側における光軸方向のリブ部１３の高さをｌｎ、光学部分１４の半径をｒ、基準面からグレーティング面１１および非球面１２の光軸方向の最大距離の高さをそれぞれｈｇ，ｈｎとするとき、リブ部１３の光軸方向の高さｌｇ，ｌｎが、次の条件「ｌｇ＞ｈｇ−ｄ＋ｒ」，「ｌｎ＞ｈｎ−ｄ＋ｒ」の関係を保つようにする。

この意味は、光学部分１４の半径ｒと光軸からリブ部１３までの距離ｄによって、必要なリブ部１３の高さが変化することを表す式である。人の指の接触角を４５°としたとき、指がグレーティング面１１に触れることのない状態を前述の条件によって表している。なお、このリブ部１３は光学素子のグレーティング面１１を設けた面側にのみ配置してもよい。

例えば、ｈｇ＝２ｍｍ，ｄ＝５ｍｍ，ｒ＝４ｍｍの場合、リブ部１３の高さｌｇは１ｍｍ以上であれば、通常設計される非球面状のグレーティング形状に指が触れることはない。また、「ｄ＝ｒ」の場合は、「ｌｇ＞ｈｇ」でなければならない。

図３は本実施の形態１の実施例２における光学素子を示す断面図である。図３に示すように、光学素子の非球面１２およびグレーティング面１１の光学部分１４の最外周端部とリブ部１３の内壁との間に平坦部１５を設けて、光学素子を加工し易くさらに強度を増した構成としたものである。前述の実施例１において説明した条件のもとで、光学素子を成形加工する際、リブ部１３の内壁から光軸までの距離ｄと光学部分１４の半径ｒにおいて、「ｄ＝ｒ」の状態とした場合は光学素子の成形金型のエッジが鋭くなり、リブ部１３の内壁と光学部分１４との境界部において、強度的に弱くなり寿命が短くなるため、例えば０．１ｍｍ以上 ｍｍ以下の平坦部１５を持つように構成したものである。

図４は本実施の形態１の実施例３における光学素子を示す断面図である。図４に示すように、光学素子の光学部分１４の半径ｒよりもグレーティング面側における光軸方向のリブ部１３の高さｌｇが、次の条件「ｌｇ＜ｒ」の関係を保つようにする。このように光学部分１４の半径ｒよりもリブ部１３の高さｌｇが高くならない形状とすることにより、光学素子の成形後に変形を生じることないリブ部１３の離型抵抗とすることができる。

また、図５に示すように、リブ部１３の基準面方向の厚みが基準面から光軸方向に向かうに従って小さくなるテーパ形状の勾配面１３ａを、リブ部１３の内壁および／または外壁に設けて、リブ部１３の離型抵抗を軽減する。このように構成することで、光学素子を成形した後の離型時において、特にリブ部１３における離型抵抗が軽減され変形をおこすことなく光学素子を成形することができる。

なお、前述の実施の形態１において、光学素子のリブ部１３を、特に指の脂、微小なチリがグレーティング形状の鋭角な谷溝に付着することを防ぐために、例としてグレーティング面１１側について説明したが、非球面側においても同様の構成として同様の作用効果を得られることはいうまでもない。

図６は本発明の実施の形態２における光学素子の成形金型の概略構成を示す断面図である。図６において、２１は上型、２２は下型、２３は筒型、２４は空間部、２５は光学素子材料である。

図６に示す成形金型は、樹脂またはガラス等の光学素子材料２５を、ガラス転移点以上で加熱，圧縮して光学素子形状を形成するための最適温度のもと、筒型２３と、筒型２３の内径に嵌合する上型２１および下型２２とからなる。

上型２１と下型２２と筒型２３により、光学素子を成形する上型２１の成形面２１ａと下型２２の成形面２２ａの領域と、取っ手となるリブ部を形成する空間部２４の領域を有する成形金型により、その成形面２１ａ，２２ａと空間部２４にて樹脂またはガラスを加熱，圧縮して前述した実施の形態１の光学素子が成形される。

また、光学素子のリブ部は、成形金型の筒型２３と、筒型２３の内径に嵌合する上型２１および下型２２とによって形成される空間部２４の領域よりも容量の少ない樹脂またはガラス材料を用いて成形する。

このことにより、加熱，圧縮した際、光学素子のレンズ面にグレーティング形状の転写を得るための圧縮量は大きくとれ、さらに、そのときのレンズ面の範囲（成形面２１ａと成形面２２ａとの間の領域）よりも余分な材料は、取っ手となるリブ部を形成するための空間部２４に逃げるため、光学素子に余分な過圧力がかからず成形が可能となる。また、この空間部２４においてリブ部となる流動先端は、光軸方向にて上型２１，下型２２に接触しないためＲ状であり、組立て性，安全性の高い形状にすることができる。

また、光学素子のグレーティング面を成形する面、例えば下型２２に図７に示すように、リブ部にテーパ形状の勾配面１３ａを形成し、さらにグレーティング面の最大距離ｈｇとリブ部の最大距離ｌｇとの関係を規定するリブ成形面２２ｂを設けて構成することによって、前述の実施の形態１の光学素子を得ることができる。

この場合、リブ部の端面は、リブ部の成形したレンズ面の光軸方向における端部付近の曲面となり、具体的にはリブ部の最大距離ｌｇの端面は、リブ部を成形する材料の流動先端における曲面の頂点を基準とする。

以上説明したように、本発明のリブ部を有する光学素子は前述したもの以外に変形例は多く存在することは明らかであるが、一体成形により一方の面が非球面またはグレーティング面であり、他方の面がグレーティング面である光学部分と、この光学部分とは離れてリブ部を持つ限り本発明から逸脱するものではない。

本発明に係る光学素子およびその成形方法は、光学素子に有するグレーティング面に触れることなく手で持つことができ、高精度組立ておよび成形終了後の取り出しが可能となり、汚れ付着のない状態で高品位な光学素子の組立てや取り出し等のハンドリングができ、また光学素子の成形時には、リブ部となる光学素子材料が空間部内において、充填可能な空き領域を有することから、グレーティング面の微細形状を高精度に成形でき有用である。

本発明の実施の形態１の実施例１における光学素子を示す断面図 本実施例１における取っ手となるリブ部の高さを決定するための説明図 本実施の形態１の実施例２における光学素子を示す断面図 本実施の形態１の実施例３における光学素子を示す断面図 本実施例３における光学素子のリブ部の形状を示す断面図 本発明の実施の形態２における光学素子の成形金型の概略構成を示す断面図 本実施の形態２における光学素子の成形金型のリブ成形面を示す断面図 従来の光学素子を示す断面図

符号の説明

１，１１ グレーティング面
２，１２ 非球面
３ フラット面
１３ リブ部
１３ａ 勾配面
１４ 光学部分
１５ 平坦部
２１ 上型
２１ａ，２２ａ 成形面
２２ 下型
２２ｂ リブ成形面
２３ 筒型
２４ 空間部
２５ 光学素子材料

Claims (7)

1. 対向する面の少なくとも一方の面にグレーティング形状を形成したグレーティング面を有する光学素子において、
   当該素子の前記グレーティング面側の外周端部にリブ部を設け、前記リブ部の光軸側の内壁から前記光軸までの距離をｄ、前記光軸から前記グレーティング面の最外周端部までの距離をｒ、当該素子の内部における前記光軸に垂直な基準面から前記グレーティング面までの光軸方向の最大距離をｈｇ、前記リブ部の前記グレーティング面側における前記基準面から前記光軸方向の端面までの最大距離をｌｇとしたとき、次の条件「ｌｇ＞ｈｇ−ｄ＋ｒ」を満たすことを特徴とする光学素子。
2. 前記リブ部の内壁から光軸までの距離ｄと前記光軸からグレーティング面の最外周端部までの距離ｒにおいて、次の条件「ｆ＝ｄ−ｒ」の値ｆを有する平坦部を設け、前記平坦部の値ｆが０．１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 前記光軸と垂直な基準面が、グレーティング面と前記光軸の交点と、当該素子の前記グレーティング面に対向する他方の面と前記光軸の交点とを結ぶ直線の中点Ｐを通り、リブ部の前記グレーティング面側における前記基準面から光軸方向の端面までの最大距離ｌｇと前記光軸から前記グレーティング面の最外周端部までの距離ｒとの関係が、次の条件「ｌｇ＜ｒ」を満たすことを特徴とする請求項１または２記載の光学素子。
4. 前記リブ部における基準面方向の厚みが、前記基準面から光軸方向に前記リブ部の端面に向かうに従って小さくなるテーパ形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 対向する面の少なくとも一方の面にグレーティング形状を形成したグレーティング面を有する光学素子において、
   当該素子の前記グレーティング面側の外周端部にリブ部を設けたことを特徴とする光学素子。
6. 前記グレーティング面が円形状であり、前記リブ部が円筒形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子。
7. 筒型の内径に嵌合した上型と下型により光学素子材料を加熱，圧縮して成形する光学素子の成形方法であって、
   前記上型と前記下型を相対的に接近させて前記光学素子を成形する際に、前記下型と前記上型と前記筒型との間に設けた空間部が光学素子の成形量より多い残りの前記光学素子材料によってリブ部を成形し、前記リブ部の成形後においても前記空間部には前記光学素子材料を充填可能な空き領域を有することを特徴とする成形方法。

Images