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TWI477458B - 光學透鏡用壓製成形模具及玻璃製光學透鏡之製造方法 - Google Patents

光學透鏡用壓製成形模具及玻璃製光學透鏡之製造方法 Download PDF

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TWI477458B
TWI477458B TW099141909A TW99141909A TWI477458B TW I477458 B TWI477458 B TW I477458B TW 099141909 A TW099141909 A TW 099141909A TW 99141909 A TW99141909 A TW 99141909A TW I477458 B TWI477458 B TW I477458B
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diffraction
glass
transfer surface
molding die
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TW099141909A
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TW201130753A (en
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Yoshifumi Takasu
Naomi Kishimoto
Yuta Moriyama
Tooru Furushige
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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Description

光學透鏡用壓製成形模具及玻璃製光學透鏡之製造方法 發明領域
本發明係有關於一種光學透鏡用壓製模具、玻璃製光學透鏡、及玻璃製光學透鏡之製造方法。
 發明背景
習知，為製作高精確度之細微光學元件，因其加工之容易度，採用了將樹脂直接加工之方法或成形之方法(參照專利文獻1、2)。
然而，此種樹脂製細微光學元件因溫度或濕度等環境之變化，樹脂引起體積變化，形狀變化，而有細微光學元件之精確度變差之缺點。再者，因樹脂之強度低，亦有於表面易有損傷之缺點，樹脂製無法獲得非常高精確度，且可靠度高之細微光學元件。
相對於此，玻璃製細微光學元件耐久性佳，表面不易有損傷，對環境之變化亦不致破壞精確度。是故，玻璃製細微光學元件之製作方法已提出有將玻璃直接以乾蝕刻加工成細微光學元件形狀之方法(例如參照專利文獻3)。
以乾蝕刻加工玻璃之方法可直接將細微光學元件刻印於玻璃表面，但製作一個細微光學元件非常耗費時間，而有無法大量製作同一形狀者之缺點。因而，目前之方法無法將非常高精確度，且可靠度高之玻璃製細微光學元件量產化。
另一方面，最近光學玻璃元件(例如非球面玻璃透鏡)之量產方法已提出將玻璃壓製成形之方法。當可將玻璃反覆壓製成形，製作玻璃製光學透鏡時，可將非常高精確度，可靠度高之細微光學元件量產化。而由於對玻璃製光學元件要求良好之像形成品質，故要以壓製成形，製作玻璃製光學透鏡，需要非常高強度，且耐久性佳，高精確度之玻璃製光學透鏡之壓製成形用模具。
此種模具之材料需即使在高溫，對玻璃在化學上仍為惰性，作為玻璃之成形面之部份需夠硬，不易受到擦傷等損傷，且為使成形面不致因高溫之成形引起塑性變形或粒成長，而可反覆進行成形，乃需要耐熱衝擊性優異，再者，為可進行超精密加工，乃需要加工性優異。
亦提出有滿足該等必要條件至某程度之模具材料為SiC原材材(例如參照專利文獻4)或於超硬合金母材上塗佈有白金族合金薄膜之模具(例如參照專利文獻5)。
在該等SiC原材料或超硬合金原材料之模具，為提高與玻璃之脫模性，乃以濺鍍將碳系薄膜(例如DLC膜)或白金系合金薄膜形成於模具形狀面，來進行壓製成形。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1　日本專利公開公報昭54-110857號
專利文獻2　日本專利公告公報昭60-025761號
專利文獻3　日本專利公開公報昭55-057807號
專利文獻4　日本專利公開公報昭52-045613號
專利文獻5　日本專利公開公報昭60-246230號
然而，以壓製成形製作玻璃製光學透鏡時，使玻璃原材料高溫加熱至玻璃轉移溫度以上，使其軟化，來壓製成形之際，玻璃原材料陷入至如繞射形狀之階差部份的細微形狀部份，而有脫模時，於玻璃材料產生拉伸應力之情形。當如此產生拉伸應力時，產生透鏡形狀面之畸變，而產生不致因透鏡之設計形狀產生之像差等，而使作為透鏡之功能降低。又，當大量陷入時，玻璃材料不脫模而附著於模具，不僅無法作為透鏡來使用，而且需從模具將附著之玻璃剝離，而產生使模具之壽命惡化之問題。
本發明之目的係提供一種考慮上述習知光學透鏡用壓製成形模具之課題，減低於脫模時之透鏡原材料產生之應力，而可抑制玻璃附著之產生之光學透鏡用壓製成形模具、玻璃製光學透鏡、及玻璃製光學透鏡之製造方法。
為達成上述目的，第1本發明係一種光學透鏡用壓製成形模具，其係用以成形具有同心圓狀之複數個環帶之環帶式繞射透鏡者，該光學透鏡用壓製成形模具特徵在於包含有：繞射作用轉印面，係用以成形繞射作用面，且前述繞射作用面係使穿透前述繞射透鏡之光繞射者；及階差轉印面，係用以成形階差面，且前述階差面係連結前述繞射透鏡之相鄰之前述繞射作用面間者；又，前述階差轉印面之表面粗糙度較前述繞射作用轉印面之表面粗糙度粗糙。
第2本發明係在第1本發明之光學透鏡用壓製成形模具中，前述繞射作用轉印面之表面粗糙度Ra1與前述階差轉印面之表面粗糙度Ra2滿足(數1)Ra1<10nm，(數2)10nm<Ra2<200nm。
第3本發明係在第2本發明之光學透鏡用壓製成形模具中，在惰性氣體環境中進行壓製成形時，前述Ra2滿足前述(數2)10nm<Ra2<200nm，在真空中進行壓製成形時，前述Ra2滿足(數3)10nm<Ra2<100nm。
第4本發明係在第1本發明之光學透鏡用壓製成形模具中，於前述階差轉印面形成有細微溝，前述細微溝之方向係前述同心圓狀環帶之旋轉軸方向。
第5本發明係在第4本發明之光學透鏡用壓製成形模具中，在包含前述同心圓狀環帶之旋轉軸之至少一截面中，當令前述階差轉印面之相對於與前述旋轉軸平行之軸的傾斜度為θ1時，滿足(數4)0°≦θ1<10°，前述細微溝係形成於與下述軸平行之方向：從與前述旋轉軸平行之軸傾斜角度θ1之軸。
第6本發明係在第4本發明之光學透鏡用壓製成形模具中，前述細微溝具有矩形溝、V溝、及圓柱形溝中至少1個之形狀。
第7本發明係在第1本發明之光學透鏡用壓製成形模具中，前述繞射作用轉印面之間距，係越接近前述同心圓狀環帶之旋轉軸中心則越大。
第8本發明係在第1本發明之光學透鏡用壓製成形模具中，模具原材料係以碳化鎢(WC)為主成份之超硬合金、碳化鈦(TiC)、碳化矽(SiC)及玻璃石墨(GC)中之任一個。
第9本發明係在第1~8之任一本發明之光學透鏡用壓製成形模具中，前述繞射作用轉印面及前述階差轉印面係形成於模具原材料上之非晶合金膜之表面，前述非晶合金膜係含有白金(Pt)、銠(Rh)、銥(Ir)、釕(Ru)、錸(Re)、鎢(W)、鉭(Ta)、碳(C)及鋨(Os)中之至少1種以上之合金膜，且與前述階差轉印面對應之前述模具原材料之部份的表面粗糙度Ra3係(數5)200nm<Ra3<400nm。
第10本發明係在第1~8任一本發明之光學透鏡用壓製成形模具中，前述繞射作用轉印面及前述階差轉印面係模具原材料之表面。
第11本發明係一種玻璃製光學透鏡，其特徵在於至少於一面形成具有同心圓狀之複數個環帶之環帶式繞射透鏡構造，前述繞射透鏡構造具有使穿透之光繞射之繞射作用面及連接相鄰之繞射作用面間之階差面，前述階差面之表面粗糙度較前述繞射作用面之表面粗糙度粗糙。
第12本發明係在第11本發明之玻璃製光學透鏡中，於前述階差面形成有細微溝，前述細微溝之方向係前述同心圓狀環帶之旋轉軸方向。
第13本發明係一種玻璃製光學透鏡之製造方法，其係使用如第1本發明之光學透鏡用壓製成形模具者，並具有加熱步驟、壓製步驟及脫模步驟，該加熱步驟係將玻璃材料加熱至玻璃轉移溫度以上，使其軟化者；該壓製步驟係壓製已軟化之前述玻璃材料者；該脫模步驟係於壓製步驟後，將前述玻璃材料冷卻至前述玻璃轉移溫度以下，以使其從前述光學透鏡用壓製成形模具脫模者。
第14本發明係在第13本發明之玻璃製光學透鏡之製造方法中，令前述階差轉印面之表面粗糙度為Ra2時，在惰性氣體環境中進行前述壓製步驟時所容許之前述Ra2之上限值大於在真空中進行前述壓製步驟時所容許之前述Ra2之上限值。
根據本發明，可提供減低於脫模時之透鏡原材料產生之應力，而可抑制玻璃附著之產生之光學透鏡用壓製成形模具、玻璃製光學透鏡、及玻璃製光學透鏡之製造方法。
圖式簡單說明
第1圖係本發明第1實施形態之光學透鏡用壓製成形模具之正面結構圖。
第2圖係本發明第1實施形態之成形模具之底面圖。
第3圖係第2圖之A-A' 之截面結構圖。
第4(A)圖係第3圖之區域α之放大截面圖，第4(B)圖係第2圖之區域δ之放大圖。
第5圖係第3圖之區域α之放大立體概念圖。
第6圖係第5圖之區域β之放大概念圖。
第7(A)圖係本發明第1實施形態之成形模具之正面結構圖，第7(B)圖係第7(A)圖之區域γ之放大圖。
第8(A)圖~第8(C)圖係用以說明本發第1實施形態之玻璃製光學透鏡之製造方法的圖。
第9(A)圖~第9(C)圖係用以說明本發明第1實施形態之玻璃製光學透鏡之階差轉印面與玻璃原材料之狀態的圖。
第10圖係本發明第1實施形態之玻璃製光學透鏡之正面圖。
第11圖係用以說明本發明第1實施形態之玻璃製光學透鏡之製造方法之成形模具與透鏡原材料之關係的圖。
第12圖係本發明第2實施形態之光學透鏡用壓製成形模具之正面結構圖。
第13(A)圖~第13(C)圖係用以說明本發明第2實施形態玻璃製光學透鏡之製造方法之階差轉印面與玻璃原材料之狀態的圖。
第14(A)圖係顯示為本發明第1、2實施形態之細微形狀變形例之具有V溝構造之細微形狀的圖，第14(B)圖係顯示為本發明第1、2實施形態之細微形狀變形例之具有圓柱狀溝構造之細微形狀的圖。
第15(A)圖、第15(B)圖係顯示本發明第1、2實施形態之細微形狀之變形例的圖。
第16圖係顯示本發明實施例之成形模具之SEM圖像的圖。
第17圖係顯示本發明實施例之玻璃製光學透鏡之SEM圖像的圖。
第18圖係顯示本發明實施例之玻璃製光學透鏡之SEM圖像的圖。
第19圖係顯示本發明實施例之成形模具之X軸及Y軸方向之形狀精確度測量結果的圖。
第20圖係顯示本發明實施例之玻璃製光學透鏡之X軸及Y軸方向之形狀精確度測量結果的圖。
 用以實施發明之形態
以下，就本發明之實施形態，參照第1圖至第20圖來說明。
第1實施形態
第1圖係本發明第1實施形態之光學透鏡用壓製成形模具之正面結構圖。如第1圖所示，本第1實施形態之光學透鏡用壓製成形模具包含有為上側模具之成形模具501、為下側模具之平面模具502。又，於成形模具501之底面設有用以於透鏡形成繞射形狀之繞射形狀轉印部101。又，於紙面右方向設定軸為X軸(右為正，左為負)，於紙面垂直方向設定軸為Y軸(紙面縱深方向為正，紙面向前方向為負)，於紙面下方向設定軸為Z軸(下方為正，上方為負)。
第2圖係本發明實施形態之成形模具501之底面結構圖。此底面圖係指從Z軸正側觀看之圖。又，第3圖係第2圖之A-A' 之截面結構圖。
如圖所示，繞射形狀轉印部101以軸L為中心，具有同心圓狀之複數個環帶101a。於此繞射形狀轉印部101形成有用以成形使穿透以此模具成形之透鏡之光繞射的繞射作用面之繞射作用轉印面102。此繞射作用轉印面102具有形成於同心圓中央之圓形之圓形繞射作用轉印面102a、形成於圓形繞射作用轉印面102a周圍之複數個環帶狀之環帶繞射作用轉印面102b。
又，於繞射狀轉印部101形成有用以成形連結以此模具成形之透鏡之相鄰繞射作用面102間之階差面的階差轉印面103。又，於繞射形狀轉印部101周圍設有平面部104。此外，在第2圖及第3圖中，繞射形狀轉印部101之旋轉軸顯示為L。
第4(A)圖係第3圖之區域α之放大截面圖。如第4(A)圖所示，階差轉印面103相對於與旋轉軸L平行之軸M，往同心圓狀環帶101a之中央方向(第4(A)圖中之負X方向)傾斜，當令其傾斜度為θ1時，傾斜度θ1滿足下述(數4)。
(數4)0°≦θ1<10°
此外，從軸M於中央方向傾斜θ1之軸以N顯示。又，關於此傾斜度，於說明玻璃製光學透鏡之製造方法之際進一步說明。
第4(B)圖係第2圖之δ部份之放大圖。在此，在第2圖中，未記載階差轉印面103，當θ1大於0°時，如第4(B)圖所示，從Z軸正側亦可目視辨認階差轉印面103。
第5圖係顯示第3圖所示之區域α之放大立體概念圖。
如圖所示，於階差轉印面103形成有具有細微之凹凸之細微形狀201。
另一方面，需使繞射作用轉印面102具有將穿透所成形之透鏡之光繞射的功能，穿透光之效率(透光效率)對作為透鏡為很重要。繞射作用轉印面102之面精確度當將其表面粗糙度定義為Ra1時，為令以此模具成形之透鏡之透光效率為90%以上，成形模具501之面精確度設定成滿足以下之數(1)。
(數1) Ra1<10nm
又，可將用以成形連接以此模具成形之透鏡之相鄰繞射作用面間之階差面的階差轉印面103之表面粗糙度定義為Ra2。此階差轉印面103之表面粗糙度Ra2設定為滿足以下之(數2)。
(數2) 10nm<Ra2<200nm
為形成為滿足此(數2)之表面粗糙度Ra2，而於階差轉印面103形成細微形狀201。
第6圖係第5圖所示之區域β之放大概念圖。如第6圖所示，於階差轉印面103上形成有複數個細微形狀201。又，細微形狀201係載面為矩形之溝配置成並排複數個而構成。各矩形溝201a形成為相對於階差轉印面103之傾斜方向(從第4圖所示之軸M傾斜θ1之軸N)大致平行。形成為相對於此種軸N大致平行之矩形溝201a係藉使工具振動接觸階差轉印面103來加工而形成。此外，第6圖之細微形狀201為易了解構造，而放大為較實際尺寸大來描繪。又，關於以此細微形狀201產生之效果在第9圖中說明。
第7(A)圖係成形模具501之正面概念圖，第7(A)圖中之P顯示環帶101a之寬度。又，第7(B)圖係第7(A)圖之γ部份之放大圖。第7(B)圖中之S顯示從環帶之中央往端方向從繞射作用轉印面102移至階差轉印面103之交界部份，S之間隔相當於P。
此P設定成靠近環帶之旋轉中心之處更大，越向外周越小，相當於本發明之繞射作用轉印面之間距之一例。
此外，為本發明之模具原材料之表面的繞射作用轉印面及階差轉印面之一例相當於本實施形態之繞射作用轉印面102及階差轉印面103。又，本發明之細微溝之一例相當於本第1實施形態之矩形溝201a。
接著，就本發明第1實施形態之玻璃製光學透鏡之製造方法作說明。
首先，就製造玻璃製光學透鏡之步驟之概要，參照第8(A)圖~第8(C)圖來說明。
第8(A)圖~第8(C)圖係用以說明以具有繞射形狀轉印部101之成形模具501及平面模具502壓製玻璃原材料，來製作玻璃製光學透鏡之步驟的圖。
首先，在第8(A)圖中，進行使玻璃原材料301加熱至玻璃轉移溫度以上，使其軟化之加熱步驟。接著，在第8(B)圖中，進行壓製步驟，壓製步驟係使成形模具501往Z軸正方向移動，將已軟化之玻璃原材料301壓製，而將繞射形狀轉印部101及平面部104之形狀轉印至玻璃原材料301者。此壓製步驟後，在第8(C)圖中，進行脫模步驟，該脫模步驟係玻璃原材料301冷卻至玻璃轉移溫度以下，將藉將繞射形狀及平面形狀轉印至玻璃原材料301所形成之玻璃製光學透鏡601從成形模具501脫模者。該等加熱步驟、壓製步驟、及離形步驟係在氮氣等惰性氣體環境下以常壓進行。
此外，由於成形模具501及平面模具502之模具材料需可耐高溫之壓製壓力，故可選擇以在450度以上之高溫具有維氏硬度(Hv)400以上之碳化鎢(WC)為主成份的超硬合金、碳化鈦(TiC)、碳化矽(SiC)、玻璃石墨(GC)。模具材料只要為在450度以上之高溫具有Hv400以上之原材料，亦可選擇上述原材料以外者。
接著，就上述玻璃製光學透鏡之製造方法之階差轉印面103對玻璃原材料301之作用作說明。
第9(A)圖~第9(C)圖係用以說明加熱步驟、壓製步驟及離形步驟之階差轉印面103與玻璃原材料301之狀態的概念圖。第9(A)圖~第9(C)圖係從Z軸正方向觀看第6圖所示之階差轉印面103之概念圖，玻璃原材料301僅顯示配置於階差轉印面103上者。此外，如上述，加熱步驟、壓製步驟、及離形步驟係在為惰性氣體之氮氣中進行。
在第9(A)圖中之加熱步驟中，玻璃原材料301加熱至玻璃轉移溫度以上，在第9(B)圖之壓製步驟中，對已軟化之玻璃原材料301施加壓力，而將玻璃原材料301按壓至階差轉印面103。然後，將階差轉印面103之形狀轉印至玻璃原材料301，而於玻璃原材料301形成階差面。在此，如上述，調整細微形狀201之尺寸為階差轉印面103之表面粗糙度Ra2滿足(數2)。
(數2)10nm<Ra2(惰性氣體)<200nm
因此階差轉印面103之表面粗糙度Ra2，而於加壓轉印時，氮氣填充於細微形狀201之溝部份，玻璃原材料301不進入細微形狀201內。因此，相較於無細微形狀201時，在本實施形態中，玻璃原材料301與階差轉印面103之接觸面積減少，於玻璃原材料301與階差轉印面103間產生之應力可減低。
因而，可提高玻璃原材料301從成形模具501脫離之脫模性，在第9(C)圖所示之脫模步驟中，可抑制對模具之玻璃附著之產生。此外，當Ra2為10nm以下時，階差轉印面103形成為光學鏡面，接觸面積減少之效果縮小。又，當Ra2為200nm以上時，由於玻璃原材料進入溝部份，接觸面積增大，故脫模性提高之效果縮小。
以以上之步驟，可製作本第1實施形態之玻璃製光學透鏡601。
第10圖係本第1實施形態之玻璃製光學透鏡601之正面圖。以上述步驟，於玻璃製光學透鏡601之上面形成具有繞射作用面12及設於相鄰繞射作用面12間之階差面13之繞射形狀部11。又，於繞射形狀部11之周圍形成有平面部14。此外，此玻璃製光學透鏡601亦相當於本發明繞射透鏡之一例。
如以上，根據本實施形態，在脫模步驟中，可減低產生於玻璃原材料之應力，而可抑制玻璃原材料對模具之附著。
又，第11圖係環帶繞射作用轉印面102b、階差轉印面103及玻璃製光學透鏡601冷卻時之概念圖。當玻璃原材料301加熱時，便隨著原材料特有之熱膨脹係數膨脹。由於在膨脹之狀態下，經由壓製步驟冷卻，故密合於成形模具501之繞射形狀轉印部101(第1圖)之玻璃原材料301收縮。此收縮朝玻璃製光學透鏡601之中心方向產生。第11圖中之箭號顯示收縮方向。
因玻璃原材料301之收縮，力往玻璃原材料301按壓至階差轉印面103之方向作用，密合力增強。藉於階差轉印面103形成細微形狀201，如第9圖所說明，因接觸面積減少引起之脫模性提高作用發揮，而於玻璃製光學透鏡601及成形模具501脫模時，可縮小玻璃附著於階差轉印面103之力。
又，在本實施形態中，在細微形狀201，如第6圖所示，溝形成為與階差轉印面103之傾斜面(第6圖中軸N)平行。由於此軸N從Z軸最大僅傾斜10°，故玻璃製光學透鏡601及成形模具501脫模時施加至階差傾斜面103之力與溝之方向大致平行，即使玻璃原材料301進入細微形狀201之溝之一部份，仍可減低細微形狀201與玻璃製光學透鏡601間之接觸力。
接著，就(數4)所示之θ1作說明。當θ1為負時(第4圖中之正X方向)，將玻璃製光學透鏡601從成形模具501脫模之際，與階差轉印面103產生干擾，而無法正確地轉印繞射形狀轉印部101之形狀，故θ1宜為至少0度以上。
又，當往X軸之正方向傾斜，而形成階差轉印面103時，由於玻璃原材料301之收縮力作用於階差轉印面103之比例縮小，故可提高脫模性。然而，當將傾斜角θ1往正方向增大時，通過所成形之玻璃製光學透鏡601之轉印有繞射作用轉印面102之形狀之部份的光量減少，而使繞射效率降低。因此，傾斜角θ1宜為小於10度之值，來形成階差轉印面103。
又，在本實施形態中，如第7圖所說明，形成繞射形狀轉印部101為P朝外周逐漸縮小，P越外周越小係指於外周部繞射環帶條數增多。當環帶增多時，由於外周部之階差轉印面103之比例增大，故在成形模具501之繞射形狀轉印部101之形狀轉印至玻璃製光學透鏡601後之脫模步驟，從外周部產生玻璃製光學透鏡601與繞射形狀轉印部101之形狀之脫模，而可提高形狀轉印性。再者，於成形透鏡之外周部形成許多繞射環帶條數因於透鏡成形時，從透鏡之外周開始冷卻，故亦有更提高脫模性之效果。
此外，在本實施形態中，惰性氣體舉了氮氣為例來說明，亦可使用氫氣或二氧化碳氣體等惰性氣體。此外，在該等氣體中，上述(數2)亦成立。
又，在本第1實施形態中，加熱步驟、壓製步驟、及脫模步驟在惰性氣體中進行，一連串之步驟亦可在真空下進行。在此，真空定義為氣體環境中之壓力為8×10-1 Pa以下之狀態。在真空氣體環境中，玻璃原材料301由於周圍之氣體環境之氣體量少，故也易進入細微之形狀。
是故，真空氣體環境中之細微形狀201之表面粗糙度Ra2設定成較前述情形小。具體言之，形成細微形狀201為階差轉印面103之表面粗糙度Ra2滿足(數3)。
(數3)10nm<Ra2<100nm
如此，藉形成階差轉印面103，於加壓轉印時，玻璃原材料301不致進入細微形狀201內，而可使玻璃原材料301與階差轉印面103之接觸面積較不形成細微形狀201時減少。因此，產生於玻璃原材料301與階差轉印面103間之應力減低，脫模性提高，在脫模步驟中，可抑制玻璃附著之產生。
第2實施形態
接著，就本發明第2實施形態之光學透鏡用壓製成形模具作說明。本第2實施形態之光學透鏡用壓製成形模具基本結構與第1實施形態相同，於成形模具及平面模具表面形成脫模膜之點不同。因此，以與第1實施形態之不同點為中心來說明。
第12圖係本第2實施形態之光學透鏡用透鏡成形模具之正面結構圖。又，第13(A)圖~第13(C)圖係顯示製作玻璃製光學透鏡之際之階差轉印面與透鏡原材料之狀態的圖。如第12圖所示，本第2實施形態之光學透鏡用壓製成形模具於成形模具1001及平面模具1002之各表面形成有脫模膜302、303。
又，在本實施形態中，於脫模膜302之表面部份形成有如在第1實施形態所述之繞射形狀轉印部701、繞射作用轉印面702、及階差轉印面703。又，於繞射形狀轉印部701之周圍形成有平面部704。此外，與第1實施形態同樣地，繞射作用轉印面702具有設於環帶中央之圓形之圓形繞射作用轉印面702a、於其周圍之形成環帶狀之環帶繞射作用轉印面702b。
在此，從成形模具1001去除脫模膜302之部份顯示為成形模具原材料801。又，對應於繞射形狀轉印部701之成形模具原材料801之部份顯示為繞射形狀轉印原材料部901，對應於繞射作用轉印面702之成形模具原材料801之面顯示為繞射作用轉印原材料面902，對應於階差轉印面703之成形模具原材料801之面顯示為階差轉印原材料面903。再者，對應於平面部704之成形模具原材料801之部份顯示為平面原材料部904。
同樣地，從平面模具1002去除脫模膜303之部份顯示為平面模具原材料802。
又，脫模膜302、303使用與玻璃原材料301之反應性低之材料，非晶合金膜以濺鍍法、蒸鍍法或依據該等之方法將從白金(Pt)、銠(Rh)、銥(Ir)、釕(Ru)、錸(Re)、鎢(W)、鉭(Ta)、碳(C)及鋨(Os)中至少1種以上之合金膜成膜而形成。
此外，本發明繞射作用轉印面之一例相當於本實施形態之脫模膜302上之繞射作用轉印面702。又，本發明階差轉印面之一例相當於本實施形態之脫模膜302上之階差轉印面703。又，本發明非晶合金膜之一例相當於本實施形態之脫模膜302。又，形成本發明階差轉印面之模具原材料之部份的一例相當於本實施形態之階差轉印原材料面903。
於將脫模膜成膜之際，設定膜厚度，當脫模膜302之膜厚大時，由於無法於模具全面以均一之膜厚將脫模膜302成膜，故與模具之設計形狀之誤差大。因此，脫模膜302之厚度設定為2μm以下。
又，脫模膜302宜為與階差轉印原材料面903之密合性高者，故當令將脫膜膜302成膜時之階差轉印原材料面903之表面粗糙度為Ra3時，形成細微形狀920為Ra3滿足(數5)。
(數5)200nm≦Ra3<400nm
如此，藉令Ra3為200nm以上，脫模膜302進入階差轉印原材料面903之細微形狀920內部，階差轉印原材料面903與脫模膜302之接觸面積增大，密合性提高。此外，形成於此階差轉印原材料面903之細微形狀920與在第1實施形態所述之細微形狀201同樣地，由截面矩形之複數個溝構成。
於如此形成之成形模具原材料801之原材料面上形成脫模膜302，而在脫模膜302之表面之階差轉印面703，為使脫模性提高，而形成脫模膜302為可形成玻璃原材料301不致進入之程度之細微形狀720。此脫模膜302之供玻璃原材料301接觸之表面的階差轉印面703之表面粗糙度Ra2於在惰性氣體環境中成形時，滿足第1實施形態所述之(數2)。又，此細微形狀720亦與第1實施形態所述之細微形狀201同樣地由截面矩形之複數個溝構成。
(數2) 10nm<Ra2<200nm
如此，在本第2實施形態中，藉令設於成形模具原材料801上之脫模膜302之階差轉印面703的表面粗糙度為與第1實施形態同樣之範圍，在脫模步驟，可減低於玻璃原材料產生之應力，脫模性提高，而可抑制對模具之玻璃附著之產生。此外，於細微形狀形成為滿足上述(數5)之階差轉印原材料面903之表面上形成脫模膜302之際，藉調整濺鍍時間，可調整膜之厚度，而可形成滿足上述(數2)之階差轉印面703。
此外，將上述惰性氣體環境換成真空氣體環境時，形成細微形狀720為形成於脫模膜302上之階差轉印面703之表面粗糙度Ra2滿足(數3)。
(數3) 10nm<Ra2(真空)<100nm
又，此時，亦與上述同樣地，在細微形狀形成為滿足(數5)之階差轉印原材料面903之表面上，藉調整濺鍍時間，可調整成膜之脫模膜302之厚度，而可形成滿足上述(數3)之階差轉印面703。
又，由於最大膜厚為2μm，故為使細微形狀720滿足(數2)，上述Ra3設定為400nm以下。
如此，為使成形模具501與玻璃原材料301之脫模性提高，當然亦可形成前述脫模膜，成形中之氣體環境可為惰性氣體中，亦可為真空中。不論形成或不形成脫模膜時，接觸玻璃原材料301之階差轉印面之表面粗糙度設定成皆滿足(數2)、(數3)皆可。
又，在上述實施形態中，繞射作用面102、702及階差轉印面103、703形成為各表面粗糙度Ra1、Ra2滿足(數1)、(數2)，但非限定此數值者，只要滿足對透鏡要求之規格即可，Ra1亦可為10nm以上。再者，當使用之原材料之黏性高時等，Ra2亦可為200nm以上，總之，Ra2只要大於Ra1即可，可發揮使接觸面積減少，而使產生於玻璃原材料之應力減低之效果。
如以上，於階差轉印面103、703上具有細微形狀201、720，並使階差轉印面103、703之表面粗糙度Ra2較繞射作用轉印面102、702粗糙，藉此，可形成與玻璃原材料301之脫模性提高，而可抑制玻璃附著之產生之玻璃製光學透鏡601。
又，即使不產生玻璃附著，於階差轉印面103、703不具有細微形狀201、720時，階差轉印面103、703與繞射作用轉印面102、702之脫模時之應力不同，而於玻璃製光學透鏡601之形狀產生偏差，而形成為具有預期外之像差之玻璃製光學透鏡601。然而，於階差轉印面103、703上具有細微形狀201、720，並使階差轉印面103、703之表面粗糙度Ra2較繞射作用轉印面102、702粗糙，藉此，階差轉印面103、703與繞射作用轉印面102、702之脫模時之應力變動小，以上述結構之模具成形之透鏡之光學透鏡較以習知模具成形之透鏡佳。
使用為具有本案發明之繞射形狀之玻璃製光學透鏡之光學元件時，可實現BD讀取頭之透鏡片數刪減、DSC透鏡片數之刪減及小型化。
此外，在上述第2實施形態中，不僅於成形模具原材料801之表面，也於平面模具原材料802之表面形成脫模膜，亦可不於不具階差轉印面等之平面模具原材料802形成脫模膜。
又，在上述第1、第2實施形態中，細微形狀201、720呈矩形溝構造，亦可形成具有如第14(A)圖所示之複數個V溝3001a之構造之細微形狀3001、具有如第14(B)圖所示之複數個溝3002a之構造之細微形狀3002，或者，矩形溝構造、V溝構造或圓柱形溝構造亦可隨機地排列於階差轉印面103上，構造不為左右對稱形狀亦可。此外，為圓柱形溝構造時，相較於矩形溝構造或V溝構造，在不易產生缺陷之點及不易污損之點等優異。
又，形成細微形狀201、720之溝如第6圖所示，形成為與軸N平行，亦可不形成平行，亦可如第15(A)圖所示之細微形狀2002般，沿著階差轉印面103之周圍形成複數個截面矩形之溝2002a。
又，亦可形成方向及形狀不同之複數個溝。此時，相較於僅沿著脫模方向形成溝之結構，雖可減低脫模性，但相較於未形成細微構造之情形，由於可使階差轉印面對玻璃原材料之接觸面積減少，故可減低應力之產生。
惟，即使不與軸N平行時，至少形成為從Z軸之負側朝向正側者由於即使玻璃原材料陷入溝，於脫模時，玻璃原材料沿著溝之形成方向從溝脫離，脫模性可提高，故較佳。
此外，亦可如第15(B)圖所示之細微形狀2003般，將第6圖所示之矩形溝構造形成為其寬度h沿著Z軸正方向擴大之溝2003a。藉此，可使脫模性更提高。
此外，繞射作用轉印面102、702與階差轉印面103、703之形狀以鋸齒形狀進行了說明，但未必需為鋸齒形，亦可為階梯形、矩形之凹凸形狀等，只要為具有繞射作用轉印面102、702與階差轉印面103、703之形狀即可。
此外，以平板繞射形狀作了說明，亦可為球面繞射形狀、非球面繞射形狀、於兩面具有繞射形狀之形狀。
實施例
以下，就本發明之實施例作說明。在本實施例中，使用與第1實施形態相同之光學透鏡用壓製成形模具，成形模具501選擇了以WC為主成份之超硬合金。成形模具501形成有繞射形狀轉印部101，該繞射形狀轉印部係徑3.5mm，繞射環帶數110條，繞射階差高度0.7μm，最接近旋轉中心之繞射環帶之間距P為110μm，越向外周，間距P越小，最外周之間距P設計成5μm者。此繞射形狀轉印部110以使用為鑽石粒子之燒結體之旋轉工具的超精密研磨加工形成。
平面模具502亦與成形模具501同樣地使用以WC為主成份之超硬合金，模具徑製作為3.5mm。平面模具502之平面部份於進行使用磨石粒度800號之金屬結合劑磨石之平面研磨加工後，以粒徑1μm之鑽石研磨液進行研磨，最後加工成表面粗糙度Ra=5nm之鏡面狀態。
成形模具501之繞射作用轉印面102之表面粗糙度Ra1形成4nm，階差轉印面103之表面粗糙度Ra2形成24nm，階差轉印面103之傾斜角度θ1形成8度。
第16圖係將所形成之成形模具501之繞射作用面102與階差轉印面103放大之SEM圖像。觀看第16圖，可確認於階差轉印面103沿著階差傾斜面形成有細微形狀201。
接著，就成形步驟作說明。玻璃原材料301使用住田光學玻璃製VC79(折射率1.609、色散57.8、玻璃轉移溫度516度、熱膨脹係數93×10-9 )，加熱時之溫度為610度，在氮氣環境中進行了壓製成形。
在脫模步驟，將溫度冷卻至100度，進行了玻璃製光學透鏡601與成形模具501之脫模。所成形之玻璃製光學透鏡601之第16圖之反轉形狀部份顯示於第17圖。在第17圖中，可確認玻璃製光學透鏡601之繞射作用面12及階差轉印面13。如第17圖所示，可知未產生玻璃附著，而為良好之轉印形狀。
又，第18圖係拍攝所成形之玻璃製光學透鏡601全體之SEM圖像。可知在玻璃製光學透鏡601全面不產生玻璃附著，而為良好之轉印形狀。
第19圖係以松下(Panasonic)製UA3P測量成形模具501之繞射形狀轉印部101之與設計形狀相差之差分量測量結果的圖。測量使用前端1μmR之鑽石探針，去除從測量時之探針誤差產生之雜訊。測量係從旋轉中心至半徑1.2mm測量了±X方向、Y方向。X方向之測量結果以實線顯示，Y方向之測量結果以虛線顯示。
又，第20圖係顯示以同樣之測量方法測量玻璃製光學透鏡601之繞射形狀部11之面之結果的圖，X方向之測量結果以實線顯示，Y方向之測量結果以虛線顯示。
從第19圖及第20圖可知，成形模具501之形狀面之形狀完好地轉印於玻璃製光學透鏡601上。
此外，本發明不限於上述實施例，可依據本發明之旨趣，進行各種變形，非將該等從本發明之範圍排除者。
產業上之可利用性
本發明之光學透鏡用壓製成形模具具有減輕於脫模時產生於透鏡之應力，而可抑制成形時之玻璃附著之產生的效果，而可適用於玻璃製光學透鏡之製造方法等。
11．．．繞射形狀部
12．．．繞射作用面
13．．．階差面
14．．．平面部
101，701．．．繞射形狀轉印部
101a．．．環帶
102，702．．．繞射作用轉印面
102a．．．圓形繞射作用轉印面
102b．．．環帶繞射作用轉印面
103，703．．．階差轉印面
104，704．．．平面部
201，720，920，2002，2003，3001，3002．．．細微形狀
201a．．．矩形溝
301．．．玻璃原材料
302，303．．．脫模膜
501，1001．．．成形模具
502，1002．．．平面模具
601．．．玻璃製光學透鏡
801．．．成形模具原材料
901．．．繞射形狀轉印原材料部
902．．．繞射作用轉印原材料面
903．．．階差轉印原材料面
904．．．平面原材料部
2002a，2003a．．．溝
3001a．．．V溝
3002a．．．圓柱狀溝
L．．．旋轉軸
M，N．．．軸
P．．．環帶之寬度
S．．．交界部份
X，Y，Z．．．方向
θ1．．．傾斜度
α，γ，δ．．．區域
第1圖係本發明第1實施形態之光學透鏡用壓製成形模具之正面結構圖。
第2圖係本發明第1實施形態之成形模具之底面圖。
第3圖係第2圖之A-A' 之截面結構圖。
第4(A)圖係第3圖之區域α之放大截面圖，第4(B)圖係第2圖之區域δ之放大圖。
第5圖係第3圖之區域α之放大立體概念圖。
第6圖係第5圖之區域β之放大概念圖。
第7(A)圖係本發明第1實施形態之成形模具之正面結構圖，第7(B)圖係第7(A)圖之區域γ之放大圖。
第8(A)圖~第8(C)圖係用以說明本發第1實施形態之玻璃製光學透鏡之製造方法的圖。
第9(A)圖~第9(C)圖係用以說明本發明第1實施形態之玻璃製光學透鏡之階差轉印面與玻璃原材料之狀態的圖。
第10圖係本發明第1實施形態之玻璃製光學透鏡之正面圖。
第11圖係用以說明本發明第1實施形態之玻璃製光學透鏡之製造方法之成形模具與透鏡原材料之關係的圖。
第12圖係本發明第2實施形態之光學透鏡用壓製成形模具之正面結構圖。
第13(A)圖~第13(C)圖係用以說明本發明第2實施形態玻璃製光學透鏡之製造方法之階差轉印面與玻璃原材料之狀態的圖。
第14(A)圖係顯示為本發明第1、2實施形態之細微形狀變形例之具有V溝構造之細微形狀的圖，第14(B)圖係顯示為本發明第1、2實施形態之細微形狀變形例之具有圓柱狀溝構造之細微形狀的圖。
第15(A)圖、第15(B)圖係顯示本發明第1、2實施形態之細微形狀之變形例的圖。
第16圖係顯示本發明實施例之成形模具之SEM圖像的圖。
第17圖係顯示本發明實施例之玻璃製光學透鏡之SEM圖像的圖。
第18圖係顯示本發明實施例之玻璃製光學透鏡之SEM圖像的圖。
第19圖係顯示本發明實施例之成形模具之X軸及Y軸方向之形狀精確度測量結果的圖。
第20圖係顯示本發明實施例之玻璃製光學透鏡之X軸及Y軸方向之形狀精確度測量結果的圖。
102．．．繞射作用轉印面
102a．．．圓形繞射作用轉印面
102b．．．環帶繞射作用轉印面
103．．．階差轉印面
104．．．平面部
L．．．旋轉軸
X，Y，Z．．．方向
α．．．區域

Claims (11)

  1. 一種光學透鏡用壓製成形模具，係用以成形具有同心圓狀之複數個環帶之環帶式繞射透鏡者，該光學透鏡用壓製成形模具之特徵在於包含有：繞射作用轉印面，係用以成形繞射作用面，且前述繞射作用面係使穿透前述繞射透鏡之光繞射者；及階差轉印面，係用以成形階差面，且前述階差面係連結前述繞射透鏡之相鄰之前述繞射作用面間者；又，前述階差轉印面之表面粗糙度較前述繞射作用轉印面之表面粗糙度粗糙，前述階差轉印面形成有細微溝，前述細微溝之方向係前述同心圓狀環帶之旋轉軸方向。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學透鏡用壓製成形模具，其中前述繞射作用轉印面之表面粗糙度Ra1與前述階差轉印面之表面粗糙度Ra2滿足(數1)Ra1<10nm，(數2)10nm<Ra2<200nm。
  3. 如申請專利範圍第2項之光學透鏡用壓製成形模具，其中在惰性氣體環境中進行壓製成形時，前述Ra2滿足前述(數2)10nm<Ra2<200nm，在真空中進行壓製成形時，前述Ra2滿足(數3)10nm<Ra2<100nm。
  4. 申請專利範圍第1項之光學透鏡用壓製成形模具，其中在包含前述同心圓狀環帶之旋轉軸之至少一截面中，當令前述階差轉印面之相對於與前述旋轉軸平行之 軸的傾斜度為θ1時，滿足(數4)0°≦θ1<10°，前述細微溝係形成於與下述軸平行之方向：從與前述旋轉軸平行之軸傾斜角度θ1之軸。
  5. 如申請專利範圍第1項之光學透鏡用壓製成形模具，其中前述細微溝具有矩形溝、V溝、及圓柱形溝中至少1個之形狀。
  6. 如申請專利範圍第1項之光學透鏡用壓製成形模具，其中前述繞射作用轉印面之間距，係越接近前述同心圓狀環帶之旋轉軸中心則越大。
  7. 如申請專利範圍第1項之光學透鏡用壓製成形模具，其中模具原材料係以碳化鎢(WC)為主成份之超硬合金、碳化鈦(TiC)、碳化矽(SiC)、及玻璃石墨(GC)中之任一個。
  8. 如申請專利範圍第1~7項中任一項之光學透鏡用壓製成形模具，其中前述繞射作用轉印面及前述階差轉印面係形成於模具原材料上之非晶合金膜之表面，前述非晶合金膜係含有白金(Pt)、銠(Rh)、銥(Ir)、釕(Ru)、錸(Re)、鎢(W)、鉭(Ta)、碳(C)及鋨(Os)中之至少1種以上之合金膜，且與前述階差轉印面對應之前述模具原材料之部份的表面粗糙度Ra3係(數5)200nm<Ra3<400nm。
  9. 如申請專利範圍第1~7項中任一項之光學透鏡用壓製成形模具，其中前述繞射作用轉印面及前述階差轉印面係模具原材料之表面。
  10. 一種玻璃製光學透鏡之製造方法，係使用如申請專利範圍第1項之光學透鏡用壓製成形模具者，其具有： 加熱步驟，係將玻璃材料加熱至玻璃轉移溫度以上，使其軟化者；壓製步驟，係壓製已軟化之前述玻璃材料者；及脫模步驟，係於壓製步驟後，將前述玻璃材料冷卻至前述玻璃轉移溫度以下，以使其從前述光學透鏡用壓製成形模具脫模者。
  11. 如申請專利範圍第10項之玻璃製光學透鏡之製造方法，其中令前述階差轉印面之表面粗糙度為Ra2時，在惰性氣體環境中進行前述壓製步驟時所容許之前述Ra2之上限值大於在真空中進行前述壓製步驟時所容許之前述Ra2之上限值。
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