JPH06154934A

JPH06154934A - マイクロレンズの金型加工法

Info

Publication number: JPH06154934A
Application number: JP30992392A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Indo; 憲彦印藤
Original assignee: NIPPON HIKYUMEN LENS KK
Current assignee: NIPPON HIKYUMEN LENS KK
Priority date: 1992-11-19
Filing date: 1992-11-19
Publication date: 1994-06-03

Abstract

(57)【要約】【目的】形状補正が可能なポンチを提供すると共に、
隣接するレンズ型要素の干渉を解消できるようにポンチ
の形状補正をした上で、マイクロレンズ型を形成するこ
とである。【構成】ポンチ１０の曲率半径（Ｒ１）とレンズ型要
素１６の近似曲率半径（Ｒ２）との関係を予め実験的に
求めておく。ポンチ１０を超硬合金で構成し、このポン
チ１０の先端に、前記関係に基づき、所望のレンズ型要
素の曲率半径（Ｒ２）に対応した曲率半径（Ｒ１）の凸
状面を形成する。このポンチ１０を試験的に金型母材１
４表面に切り込ませて複数のレンズ型要素１６を格子状
配列で隣接して形成する。周囲をレンズ型要素１６で囲
まれた任意のレンズ型要素１６の半径方向に沿った測定
ラインでの面高誤差を測定し、この誤差を補正量に置換
えてポンチ１０を補正加工し、該補正加工したポンチ１
０を使用してマイクロレンズの金型を加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロレンズの金型加
工法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤ（電子結合素子）やアクティブマ
トリックス方式の液晶ディスプレイは、高精細になるに
従い画素の開口率の低下をいかにして避けるかが大きな
課題となっている。これを解決する手段として、画素の
開口部に光源からの光を集光する方法が提案されてい
る。この方法はマイクロレンズを格子状配列で多数形成
した透明板を液晶ディスプレイの光源側に配置するもの
であるが、透明板の表面に非常に多数のマイクロレンズ
を規則正しく形成するのが極めて難しい。

【０００３】しかし、最新の技術では、例えば特開平３
−２８８８０２号公報に、光学研磨したガラス基板上
に、微小な低融点ガラス球をレンズ材料とし、該ガラス
球を凹球面状の多数のマイクロレンズ型要素を有するプ
レス成形用金型で熱間成形し、規則正しい格子状凸レン
ズアレーを成形する方法が提案されている。

【０００４】前記プレス成形用金型は超硬合金を母材と
して使用し、その表面を超微細ダイヤモンド粉末を使用
してラッピング及びポリッシングして鏡面とし、この鏡
面に、ダイヤモンドポンチの半球面状先端を、高精度に
数値制御した押し込み装置によりストロークさせて当接
（切り込み）させ、凹球面状のマイクロレンズ型要素を
格子状配列で隣接させて形成する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、従来技術
ではダイヤモンドポンチの先端形状がそのまま正確に金
型母材に転写されないという課題を発見した。この原因
は、一つはポンチの転写率によるもので、他の一つは隣
接するレンズ型要素の干渉によるものである。

【０００６】すなわち特開平３−２８８８０２号公報の
場合、プレス成形用金型の母材に超硬合金（ＷＣ−５Ｔ
ｉＣ−８Ｃｏ）又はオーステナイト鋼（ＳＵＳ３１６）
を使用するが、これらはダイヤモンドポンチによる転写
率、すなわち図５のように金型母材２に転写される凹球
面のマイクロレンズ型要素４の近似曲率半径（Ｒ２）
と、ダイヤモンドポンチ６の凸球面６ａの曲率半径（Ｒ
１）との比（Ｒ２）／（Ｒ１）が、金型母材２の弾性の
ために図６（Ａ）のように１００％よりも大きな値にな
っている。

【０００７】すなわちポンチ６を金型母材２に向けてス
トロークさせ、ポンチ６の先端で母材２に切り込んで凹
球面のマイクロレンズ型要素４を形成しても、ポンチ６
を引くと前記レンズ型要素４の底部４ａが弾性による復
元作用で隆起し、その分だけ曲率半径が増大するのであ
る。なおこの曲率半径はレンズ型要素４の半径方向で一
定ではなく、正確には近似曲率半径と呼ばれる。

【０００８】図６（Ａ）は、周囲に隣接するレンズ型要
素がない単一のレンズ型要素４の転写率の測定結果であ
って、ポンチ６を２０μｍ程度まで切り込ませるとほぼ
１００％の転写率となる。転写率は金型母材２に対する
ポンチ６形状の転写の忠実度を表すから、１００％に近
いほどよい。しかし、実際は後述するように隣接するレ
ンズ型要素への影響を軽微に止めるため、２０μｍまで
は切り込み量を増やせない。そこで切り込み量は１０μ
ｍ程度に抑え、図７のように曲率半径（Ｒ１）と（Ｒ
２）の関係を予め実験的に求めておいて、所望の曲率半
径（Ｒ２）に対応する（Ｒ１）のポンチ６を使用して金
型母材２の加工を行うことが提案される。これによれば
転写率が１００％以上でも所望の曲率半径のレンズ型要
素を得ることができる。

【０００９】図７のように曲率半径（Ｒ１）と（Ｒ２）
の関係を求めておけば、転写率の問題は一応克服できる
が、隣接するレンズ型要素の干渉の問題が残る。すなわ
ちレンズ型要素は実際は格子状配列で隣接して形成され
るため、例えば図８でレンズ型要素４を左から右に順に
形成する場合、右側のレンズ型要素４を形成するとき
に、ポンチ６の切り込みの影響により中央の既形成のレ
ンズ型要素４の底部４ａが押し上げられ、当該レンズ型
要素４の曲率半径（非球面になるので、正確には近似曲
率半径）（Ｒ２）を逆に増大させてしまう。これがレン
ズ型要素の干渉の一つの類型である。

【００１０】図６（Ｂ）はレンズ型要素４が隣接した状
態での切り込み量と転写率との関係を示すもので、図６
（Ａ）に比べてレンズ型要素４の干渉のため転写率が全
般的に大きな値となっていることが分かる。また図９
は、図８の曲率中心Ｐからレンズ型要素４の表面までの
距離（Ｒ２’）の、レンズ型要素４の半径方向に沿った
測定ラインでの面高誤差を示したもので、所望する曲率
半径を（Ｒ２）とし、横軸から（Ｒ２）の高さ位置に破
線Ｈを水平に引いている。同図から、レンズ型要素４の
中央部及び周辺部では距離（Ｒ２’）が曲率半径（Ｒ
２）よりも若干長くなっているのがわかる。前記干渉の
ため、レンズ型要素４の中央部での曲率半径は大きくな
るが、形状的には極端にいえばＶ字型となる。

【００１１】レンズ型要素４の干渉の別の類型は、レン
ズ型要素４間に形成される稜線の歪みである。すなわ
ち、切り込み量を大きくすると前記の如く既形成のレン
ズ型要素４に悪影響がでるので、切り込み量はできるだ
け浅く設定される。しかし、このように浅い切り込み量
だと、本来直線であるべき隣接レンズ型要素４間の稜線
がポンチ６の切り込み時に歪みやすくなり、マイクロレ
ンズの各レンズ要素間で集光性能にバラツキが生じるお
それがある。

【００１２】このように、切り込み量は浅過ぎても深過
ぎてもよくないが、中間の切り込み量でもレンズ型要素
４の干渉の問題は発生する。図６（Ｂ）で切り込み量が
５〜１０μｍのとき転写率は１５０％程度で、この転写
率の問題は図７のように曲率半径（Ｒ１）と（Ｒ２）の
関係を求めて所望の曲率半径（Ｒ２）に対応する（Ｒ
１）のポンチ６を選択すれば克服できるが、Ｒ２の面を
完全な球面にするにはポンチ６を非球面に加工する必要
がある。このようにレンズ型要素４の干渉の問題はポン
チ６の先端形状を補正加工、すなわち所定の非球面に加
工する以外に解決方法がない。しかし、従来のポンチ６
はダイヤモンド製であって、以下の理由によりポンチ６
の非球面加工が極めて困難であった。

【００１３】（１）ダイヤモンドは硬度及び耐磨耗性が
高いため、自由に加工することが困難である。

【００１４】（２）ダイヤモンドの特性で、結晶方向に
よって硬度が異なるため（異方性）、ポンチの全面にわ
たって形状を揃えるのが困難である。

【００１５】（３）球面加工でも精度を上げようとする
と時間とコストが非常にかかるが、これが非球面となる
と球面以上に時間とコストがかかる。

【００１６】本発明の目的は、形状補正が可能なポンチ
を提供すると共に、レンズ型要素の干渉を解消できるポ
ンチの形状補正方法を用いた、新規なマイクロレンズの
金型加工法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ポンチの凸状
面の曲率半径（Ｒ１）と、前記曲率半径（Ｒ１）で形成
される前記レンズ型要素の凹状面の近似曲率半径（Ｒ
２）との関係を実験的に求め、ポンチを超硬合金で構成
すると共に、その先端に、曲率半径（Ｒ１）と（Ｒ２）
の前記関係に基づき、所望の曲率半径（Ｒ２）のレンズ
型要素を形成するための凸状面を形成し、前記ポンチ
を、試験的に金型母材表面に切り込ませて複数のレンズ
型要素を格子状配列で隣接して形成し、周囲をレンズ型
要素で囲まれた任意のレンズ型要素の凹状面の、半径方
向に沿った測定ラインでの面高誤差を測定し、前記面高
誤差を補正量に置換えて前記ポンチの凸状面を補正加工
し、該補正加工したポンチを使用してマイクロレンズの
金型を加工することを特徴とする。

【００１８】

【作用】超硬合金製のポンチは、ダイヤモンド製ポンチ
に比べて硬度及び耐磨耗性は劣るが、その分だけ研磨機
などによる補正加工が容易である。本発明の金型加工法
では、曲率半径（Ｒ１）と（Ｒ２）の関係に基づき、レ
ンズ型要素の所望曲率半径（Ｒ２）に対応するポンチの
曲率半径（Ｒ１）を求め、このポンチで試験的にレンズ
型要素を格子状配列で隣接して形成し、周囲をレンズ型
要素で囲まれた任意のレンズ型要素の半径方向の測定ラ
インでの面高誤差を測定し、この誤差を補正量に置換え
てポンチの曲率半径（Ｒ１）を数値制御（ＮＣ）研磨機
などで形状補正し、この補正したポンチを使用してマイ
クロレンズ金型を加工する。従ってレンズ型要素の干渉
に拘らず、球面又は非球面の所望形状のマイクロレンズ
型が正確に形成される。

【００１９】

【実施例】以下に本発明の好適一実施例を図に基づき説
明する。図１において８はポンチ１０を数値制御（Ｎ
Ｃ）にて上下方向にストロークさせる押し込み装置、１
２はポンチ１０の下方に水平に配設されＸ及びＹ方向に
移動可能なＸＹテーブル、１４はＸＹテーブル１２上の
定位置に水平に固定された金型母材であって、この金型
母材１４は、例えば１３％クローム鋼を矩形に切り出
し、表面にニッケルリンメッキを施し、従来手法により
鏡面の平面に加工されている。ポンチ１０は超硬合金、
例えば超硬合金（Ｗ−Ｃ）で構成され、図２（Ａ）
（Ｂ）に示すポンチ１０の先端凸状面１０ａは、後述す
るように所望のマイクロレンズ型要素１６を形成するた
めに形状補正されている。

【００２０】レンズ型要素１６は、ポンチ１０を上下
（Ｚ）方向に連続ストロークさせながら、金型母材１４
をＸ又はＹ方向に所定のピッチで、又は連続的に走査移
動させることにより格子状配列で隣接して形成される。
このレンズ型要素１６を形成した金型母材１２を射出成
形機に装着し、レンズ用樹脂を射出することにより、図
２（Ｃ）のようなマイクロレンズ１８が得られる。

【００２１】ポンチ１０のストロークはＮＣ制御により
増減可能であるので、金型母材１４表面が平面以外の球
面ないし非球面でも、レンズ型要素１６を形成可能であ
る。ただし、金型母材１４の表面が平面の場合は、ポン
チ１４の下降ストロークの下限は適当なストッパで規制
すれば済むから、必ずしも高価なＮＣ制御式の押し込み
装置８を必要とせず、単に上下運動するだけの単純な加
工機で十分である。

【００２２】次に前記ポンチ１０の形状補正について説
明する。前記ポンチ１０の下端面は、最初に図７の（Ｒ
１）と（Ｒ２）の関係に基づき、所望の曲率半径（Ｒ
２）のレンズ型要素１６を形成する曲率半径（Ｒ１）の
球面（又は非球面）の凸状面１０ｂに加工しておく。そ
してレンズ型要素１６の本格加工の前に、金型母材１４
と同様の構成の図４（Ａ）（Ｂ）の試験用の金型母材２
０に押し込み装置８を使用してポンチ１０で試験的に切
り込み、格子状配列で隣接した複数のレンズ型要素Ｌを
形成する。図中の１−２５の番号はレンズ型要素Ｌの形
成順序を示す。

【００２３】次に、周囲をレンズ型要素Ｌで囲まれた任
意のレンズ型要素Ｌ（形成順序の番号で示すと７−９な
どのレンズ型要素Ｌである）を測定対象として選び、当
該レンズ型要素Ｌの半径方向に沿った測定ラインでの面
高、すなわちレンズ型要素Ｌの曲率中心からレンズ型要
素Ｌの表面までの距離（Ｒ２’）を測定する。曲率半径
（Ｒ２）を基準とし、距離（Ｒ２’）が（Ｒ２）よりど
れだけ増減変化しているかをグラフにプロットすると、
図９と同様のグラフが得られる。このグラフを破線Ｈを
中心として正負（上下）反転させると、図３（Ｂ）のグ
ラフが得られる。このグラフは、ポンチ１０の曲率半径
（Ｒ１）の凸状面１０ａの、補正加工すべき部分と補正
量を表している。

【００２４】次に、ポンチ１０を押し込み装置８から一
旦取り外し、ＮＣ制御方式の自動研磨機などを使用し
て、この自動研磨機に図３（Ｂ）の補正データを入力
し、破線Ｈよりも上側のグラフに対応するポンチ１０の
凸状面１０ａ１，１０ａ２は、縦線長さに対応して曲率
中心Ｑから凸状面１０ａ１，１０ａ２までの距離（Ｒ
１’）を減少させ、反対に下側のグラフに対応するポン
チ１０の凸状面１０ａ３は、縦線長さに対応して曲率中
心Ｑから凸状面１０ａ３までの距離（Ｒ１’）を増大さ
せる補正加工を行う。こうして補正加工したポンチ１０
を再び押し込み装置８に取り付け、レンズ型要素１６の
本格加工を開始する。

【００２５】ポンチ１０の凸状面１０ａを前記の如く補
正することにより、図９のレンズ型要素の中心Ｐからの
距離（Ｒ２’）で、曲率半径（Ｒ２）より大きい部分
Ｅ，Ｆは、対応するポンチ１０の凸状面１０ａ１，１０
ａ２の距離（Ｒ１’）が減少補正されるので曲率半径
（Ｒ２）に一致し、また曲率半径（Ｒ２）より小さい部
分Ｇは、対応するポンチ１０の凸状面１０ａ３の距離
（Ｒ１’）が増大補正されるので曲率半径（Ｒ２）に一
致する。従って半径方向での曲率半径の変化がない所望
の曲率半径（Ｒ２）のレンズ型要素１６が形成される。
なお、非球面のレンズ型要素を形成する場合は、曲率半
径（Ｒ２）を非球面式で表す。このとき図３（Ｂ）の破
線Ｊ及び図９の破線Ｈは、当該非球面式に従った曲線と
なる。

【００２６】以上、本発明の一実施例につき説明した
が、本発明は前記実施例に限定されることなく種々の変
形が可能である。例えばポンチ１０の材質は超硬合金
（Ｗ−Ｃ）以外の合金でもよいし、金型母材の材質は１
３％クローム鋼以外の合金でもよい。また金型母材は固
定とし、押し込み装置８をＸＹテーブル１２又は類似の
移動装置に載せて、ポンチ１０をストロークさせつつ該
ストローク方向と直角に走査移動させてもよい。

【００２７】

【発明の効果】本発明は前記の如く、レンズ型要素の干
渉を解消して精密なマイクロレンズ型を加工するために
は、ポンチの形状補正が不可欠であることを見出し、こ
の形状補正を研磨機などで簡単かつ低コストで行えるよ
うに従来のダイヤモンド製ポンチを超硬合金製に変更
し、試験的に金型母材に形成したレンズ型要素の誤差に
基づき、この誤差を解消すべくポンチを形状補正した上
でマイクロレンズ型を加工するようにしたので、隣接す
るレンズ型要素の干渉に拘らず、所望形状のレンズ型を
正確に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】押し込み装置及びＸＹテーブルの側面図。

【図２】（Ａ）は加工前の金型母材及びポンチの斜視
図、（Ｂ）は加工中の金型母材及びポンチの斜視図、
（Ｃ）はマイクロレンズの斜視図。

【図３】（Ａ）はポンチの凸状面の側面図、（Ｂ）は
ポンチの凸状面の形状補正量を示す図。

【図４】（Ａ）は試験用の金型母材の平面図、（Ｂ）
は同金型母材の断面図。

【図５】従来のダイヤモンド製ポンチとレンズ型要素
の側面図。

【図６】（Ａ）は単一のレンズ型要素の切り込み量と
転写率との関係を示すグラフ図、（Ｂ）は格子状配列で
隣接した複数のレンズ型要素での切り込み量と転写率と
の関係を示すグラフ図。

【図７】ポンチの曲率半径（Ｒ１）と、レンズ型要素
の曲率半径（Ｒ２）との関係を表すグラフ。

【図８】ポンチとレンズ型要素の側面図。

【図９】レンズ型要素の半径方向に沿った測定ライン
での面高誤差を示すグラフ図。

【符号の説明】

２金型母材４マイクロレンズ型６ダイヤモンド製ポンチ８押し込み装置１０超硬合金製ポンチ１２ＸＹテーブル１４金型母材１６マイクロレンズ型要素１８マイクロレンズ２０試験用の金型母材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金型母材の表面を鏡面加工し、該鏡面に
対し、先端が微小な凸状面とされたポンチを押し込み装
置により垂直に連続ストロークさせると共に、前記金型
母材を前記ストローク方向と直角方向に多数回走査移動
させ、金型母材表面に多数の凹状面のマイクロレンズ型
要素を格子状配列で隣接して形成するマイクロレンズの
金型加工法において、前記ポンチの凸状面の曲率半径（Ｒ１）と、前記曲率半
径（Ｒ１）で形成される前記レンズ型要素の凹状面の近
似曲率半径（Ｒ２）との関係を実験的に求め、ポンチを超硬合金で構成すると共に、その先端に、曲率
半径（Ｒ１）と（Ｒ２）の前記関係に基づき、所望の曲
率半径（Ｒ２）のレンズ型要素を形成するための凸状面
を形成し、前記ポンチを、試験的に金型母材表面に切り込ませて複
数のレンズ型要素を格子状配列で隣接して形成し、周囲をレンズ型要素で囲まれた任意のレンズ型要素の凹
状面の、半径方向に沿った測定ラインでの面高誤差を測
定し、前記面高誤差を補正量に置換えて前記ポンチの凸状面を
補正加工し、該補正加工したポンチを使用してマイクロレンズの金型
を加工することを特徴とするマイクロレンズの金型加工
法。