JPH0659104A

JPH0659104A - 非球面光学素子の製造方法

Info

Publication number: JPH0659104A
Application number: JP4212815A
Authority: JP
Inventors: Masanori Ichikawa; 正典市川; Koji Nakada; 耕司中田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-08-10
Filing date: 1992-08-10
Publication date: 1994-03-04

Abstract

(57)【要約】【目的】非球面光学素子の形状精度を向上させ、素子
の良品率を高くする。【構成】（イ）所望の非球面とは反転した非球面を持
つ金型３と素子基材１との間に放射線硬化型樹脂液２ａ
を挟み込み、（ロ）前記樹脂液に放射線をその照射領域
が該樹脂液の中心部から外縁部に向かって広がるように
照射し、（ハ）得られた非球面樹脂成形層２を金型３と
の界面から剥離することにより非球面光学素子を製造す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非球面樹脂成形層と素
子基材とからなる非球面光学素子を製造する方法に関す
る。ここで「非球面光学素子」とは、例えば、非球面レ
ンズや「非球面の反射面を持つ反射鏡のブランク」を指
す。このブランクにアルミニウムや銀や多層光学薄膜か
らなる反射層を形成すると反射鏡となる。本発明により
製造される素子の一例は、従来、樹脂接合型レンズと呼
ばれたものである。

【０００２】

【従来の技術】カメラ、顕微鏡などの光学製品に使用さ
れるレンズは、主としてガラス製レンズが用いられてい
る。ガラス製レンズは、溶融状態のガラスからプレス成
形されたガラスブロック（レンズブランクと呼ばれる）
に機械加工を行うことにより所望の曲率を有するレンズ
を製造している。ガラスに代えて樹脂を用い、プレス成
形、射出成形、注型などの方法で樹脂レンズを製造する
方法も実用化されている。この方法は、一度鋳型を製作
しておけば、それを用いて大量のレンズを量産できるこ
とから、製造コストが安いという特徴がある。しかし、
樹脂レンズは、温度や湿度の変化により光学性能が大き
く変動するという致命的欠点があり、精密なレンズには
使用されていない。

【０００３】ところで、レンズには、非球面レンズがあ
り、表面形状が非球面である。この非球面は一般には光
軸を中心にして回転対称である。非球面レンズは、球面
レンズでは得られない優れた性能を有することから重用
されている。しかし、非球面レンズを球面レンズと同様
の工程（研削→研磨）で製造すると、非常に手間と時間
がかかる。そのため、製造コストが、球面レンズよりも
相当に高くなるという欠点がある。

【０００４】この欠点を解決するため、図６、図７に示
すような樹脂接合型非球面レンズが開発された。これ
は、非球面を有する薄い（例えば、５〜100 μm ）樹脂
成形層２と主体となるガラス製レンズ（素子基材）１と
からなる。素子基材１は、球面（図６：特開昭60-56544
号参照）または粗い非球面（図７：特開昭63-157103 号
参照）を有する。両者はいずれも安価な製造コストで入
手できる。このような樹脂接合型非球面レンズは、例え
ば、次の（ａ）〜（ｂ）の工程からなる製法により製造
される。図８を参照されたい。（ａ）所望の非球面とは反転した非球面を有する金型３
を水平に置く工程（ｂ）金型３の中央部に所定量の放射線硬化型樹脂液２
ａを垂らす工程（ｃ）球面または粗い非球面を有するガラスレンズ１を
金型３の上に載せる工程（ｄ）ガラスレンズ１と金型３との間隔を所定値まで接
近させる（このとき、樹脂液は目的とするレンズの有効
径より外まで広がっている）工程（ｅ）ガラスレンズ１と金型３との間に挟まれた樹脂液
２ａに放射線を照射することにより硬化させる工程（ｆ）硬化して得られた樹脂成形層２を金型３との界面
から剥離する工程

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の製法では、樹脂
液に放射線を照射して硬化させる際、樹脂層が金型から
剥離する場合があった。そのため、樹脂成形層（２）の
表面（非球面）の形状精度が低くなる例が多かった（特
に樹脂成形層の厚さ分布が図９に示すような場合）。こ
のような形状精度の低い製品は不良品となるので、従来
の製法は良品率が低いという問題点があった。本発明の
目的は、形状精度が低くなる例を減少させることにより
良品率を向上させることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、
（イ）所望の非球面とは反転した非球面を持つ金型と素
子基材（但し、金型と基材の少なくとも一方は放射線に
対して透明なこと）との間に放射線硬化型樹脂液を挟み
込む工程、（ロ）前記樹脂液に、放射線をその照射領域
が該樹脂液の中心部から外縁部に向かって広がるように
照射する工程、および（ハ）得られた非球面樹脂成形層
を金型との界面から剥離する工程、からなる非球面光学
素子の製造方法を提供する。

【０００７】

【作用】従来の製造方法では、樹脂液全体にほぼ同一強
度の放射線を照射していた。この場合、樹脂成形層の薄
い部分の方が、厚い部分よりも先に硬化する。従って、
最後に厚い部分の樹脂液が硬化する際に、この硬化に伴
って樹脂液が収縮しようとしても周囲の樹脂液は既に硬
化が完了している。そのため、樹脂液が収縮する体積分
に相当する樹脂液が不足するので該体積分の空間が形成
されることになり、これが原因で樹脂層が金型から剥離
すると考えられる。

【０００８】これに対して、本発明では、放射線を照射
して樹脂液を硬化させる際にこの樹脂液に対して徐々に
放射線の照射領域を拡げていく。その結果、放射線の照
射範囲に応じて樹脂液が硬化する領域が拡がっていくた
め、樹脂液の収縮に伴う樹脂液の不足分は、放射線の照
射されていない未硬化の樹脂液で補うことができる。例
えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、マスク部材４
によって放射線（紫外線）の照射範囲（紫外線の径）が
樹脂成形層（照射時は樹脂液２ａ）の中心部から外周部
に向かって徐々に拡がるようにすると、樹脂液（紫外線
硬化型樹脂）２ａは中心部から硬化していく。その際、
樹脂液が収縮するため、放射線の照射領域において金型
３と基材１間の容積に対する樹脂液の体積が不足する。
しかし、放射線の照射領域の外側に未硬化の樹脂液が存
在しているため、前記不足分の樹脂はこの未硬化の樹脂
液が供給されることで補われる。放射線の照射領域は、
図４（ａ）から図４（ｂ）へと時間の経過と共に拡大し
ていくため、「放射線の照射→樹脂液の硬化→収縮→樹
脂液の不足→樹脂液の供給→供給された樹脂液の硬化→
より外側の領域への放射の照射」というサイクルが繰り
返される。そして、最終段階として樹脂液の存在する領
域より十分広い範囲まで放射線が照射されるように放射
領域を拡大する。その結果、樹脂形成層の樹脂厚分布の
如何に関わらず、形状精度を低下させることなく樹脂成
形層を形成することが可能となる。

【０００９】本発明の実施に当たっては、使用する樹脂
の量、樹脂成形層に形成する形状（非球面形状における
非球面式）の変曲点の位置および放射線を照射領域を拡
げる速度などを考慮しておくと所望の効果が得られ易
い。また、硬化時に不足する樹脂液は、放射線の照射さ
れていない部分から供給するので、最後に硬化させる部
分においては収縮による不足分を補うことができなくな
る。そのため、金型と基材との間に樹脂液を挟み込む工
程において、予め樹脂成形層の所望の範囲よりも外側ま
で未硬化の樹脂液が行き渡るようにしておく。例えば、
図４に示すように、レンズの有効径の外側に樹脂供給部
（樹脂溜まり）を設けておくとよい。この樹脂供給部の
容量は、樹脂成形層の樹脂厚分布のパターン（最大樹脂
厚部と最小樹脂厚部との厚さの差、最大樹脂厚部の位
置、所望の光学素子の有効径部での樹脂厚など）によっ
て異なるため、該パターンに応じて適宜設定することが
望ましい。樹脂成形層の最大厚みが光学素子の有効径内
の周辺部にある場合には、最大厚みを 100％とすると
き、上述のエッジの位置（有効径外）の樹脂層の厚さ
は、30％程度が好ましい。さらに正確を期す場合には、
最大厚み付近の樹脂量をＸとするとき、収縮率が10％で
あれば、0.1 Ｘの樹脂量が上述のエッジ外から供給され
るように計算してエッジ位置の樹脂層の厚さを設定すれ
ばよい。

【００１０】放射線を照射する際にその照射領域を拡大
する速度は、一定であっても可変であってもよく、樹脂
厚分布や樹脂量を考慮して設定すればよい。ただし、非
常に低速度とした場合は、硬化した樹脂成形層に照射領
域の境界によって生じたと思われる跡が残るため、樹脂
成形層の形状精度が低下する恐れがある。そのため、あ
る一定以上の速度で連続的に照射領域を拡げて行く方が
望ましい。また、放射線の照射時間は、使用する樹脂の
種類、樹脂厚分布、基材として使用するレンズの種類
（レンズの分光透過率）、照射領域を拡大する速度、最
大樹脂厚部と最小樹脂厚部との比などを考慮して設定す
る。その場合、樹脂成形層全体が十分硬化すると共に、
本発明を用いて連続成形を行った場合でも金型の形状の
転写精度が十分得られる程度の時間となるようにすると
よい。例えば、ウレタンアクリレート系の樹脂を用いた
場合、紫外線を数秒〜数十秒間ほど照射すればよい。

【００１１】また、照射する放射線の強度は、特に限定
されるものではない。照射途中から段階的にまたは連続
的に照射強度を変えても構わない。主体となる基材は、
ガラス製であることが好ましいが、場合により樹脂製で
もよい。形状は、目的とする光学素子に応じて設定すれ
ばよく、凸レンズ形状や凹レンズ形状や平板や直方体で
もよい。一般的には、基材はガラス製の球面レンズであ
る。しかし、接合面が粗い非球面を有するガラス製レン
ズでも構わない。粗い非球面とは、所望の加工精度また
は面精度（例えば６μm 以下または３μm 以下）よりも
荒い加工精度を有し、かつ、所望の非球面と同一または
近似の非球面を有するものを言う。このようなガラス製
レンズは、所望の加工精度よりも粗くてよいことから、
非球面レンズとはいうものの、さほど製造コストは高く
ならない。このような非球面レンズの製造方法は、既に
公知であり、また市販の研削機械により容易に製造可能
である。

【００１２】樹脂との接着力を向上させるために、ガラ
ス製素子基材は予めシランカップリング処理しておくこ
とが好ましい。樹脂成形層の厚さは、一般には中心で１
〜 500μm 好ましくは５〜 100μm である。樹脂成形層
は、目的とする素子がレンズの場合、必ずしも素子基材
と屈折率が一致している必要はない。この樹脂成形層
は、放射線硬化型樹脂液に放射線を照射することにより
樹脂液を硬化させた結果として形成される。このような
樹脂液の材料としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエス
テル、ポリウレタン、ウレタンアクリレート、紫外線硬
化型樹脂、変成アクリル樹脂などの熱硬化性樹脂が使用
される。放射線としては、例えば、紫外線、電子線、γ
線、α線などが使用される。

【００１３】前記照射領域を制御するためには、放射線
の光源と樹脂液との間にこの放射線を遮光する範囲を変
えることができるようなマスク部材を配置すればよい。
このようなマスク部材は、開口部とこの開口部の大きさ
を変える手段とを設けることで構成することができる。
開口部の大きさを変えるには、例えば、カメラの絞り機
構を用いることができる。基材の放射線が照射される面
（樹脂成形面とは反対側の面）の曲率半径が大きい場
合、マスクの形状は平板状でもよい。一方、放射線が照
射される面の曲率半径が小さい場合は、基材の曲率半径
に合わせてマスクの一部を曲げるようにすると好ましい
結果が得られる。また、マスク部材の開口部の大きさを
変える代わりに、図５に示すようにマスク部材を移動さ
せることで照射領域を制御するようにしてもよい。

【００１４】以下、図面を引用して本発明の実施例を説
明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００１５】

【実施例１】図２は、本実施例により製造された非球面
レンズ（非球面光学素子）の垂直断面図である。このレ
ンズは、素子基材であるガラスレンズ１とその表面に形
成された非球面樹脂成形層２とで構成されている。ガラ
スレンズ１は、球面を有する凹レンズであり、直径27m
m、凹面Ｒ₁の曲率半径11.170mm、凸面Ｒ₂の曲率半径2
5.80 mm、中心厚1.5 mmとなるように形成した。ガラス
レンズ１は、樹脂成形層２との接着力を向上させるため
に、その表面を予めシランカップリング処理を施してあ
る。シランカップリング剤として、ここでは商品名KBM5
03（信越化学株式会社製）を２wt％エタノール溶液に稀
釈して使用した。樹脂成形層２は、ガラスレンズ１の凸
面Ｒ₂側にあり、その中心厚は約30μｍである。

【００１６】製造に使用した金型は、ステンレス合金か
らなり、樹脂と接する側に曲率半径28.8mmの非球面を有
する。本実施例においては、金型と樹脂成形層との離型
性を向上させるために、金型表面にニッケルメッキを施
してある。樹脂成形層２を形成する樹脂液２ａ（図１参
照）には、ウレタンアクリレート系の紫外線硬化型樹脂
液を使用した。この樹脂液の硬化時の収縮率は約７％で
ある。

【００１７】次に図１を引用して本実施例の製法を各工
程ごとに説明する。（イ）第１工程：所望の非球面とは反転した非球面を持
つ金型３上に紫外線硬化型樹脂液２ａを70mg滴下した
後、これに素子基材としてのガラスレンズ１を押し付け
て、金型３とガラスレンズ１との間に樹脂液２ａを挟み
込んだ。その際、成形される樹脂成形層の中心厚が30μ
ｍとなるように、金型３とガラスレンズ１との間隔を設
定した。これにより、樹脂液２ａは目的とする非球面レ
ンズの有効径より外まで広がっている状態となった。（ロ）第２工程：ガラスレンズ１上にマスク部材４を配
置し、このマスク部材４を介して樹脂液２ａに紫外線を
照射した。紫外線の光源としては、図示していない出力
150Ｗのキセノンランプ（点光源）を用いた。この光源
は、ガラスレンズ１から110mm 離れた上に設置してあ
る。紫外線の照射強度は、樹脂液２ａ上で30mW／cm²と
なるようにした。マスク部材４には、35mm一眼レフ用の
交換レンズに使われていた絞り機構を用い、この絞り機
構により紫外線の樹脂液２ａにおける照射領域を制御す
る。つまり、照射開始時は、図１（ａ）に示すように樹
脂液２ａの中心部に直径1.5mm の範囲で紫外線が照射さ
れるようにし、その後、図１（ｂ）、（ｃ）のように、
紫外線の照射領域が直径18mmとなるまで約4.0mm/sec の
速度（一定速度）で拡がるようにマスク部材４を制御し
た。そして、最終的には、ガラスレンズ１を透過して樹
脂液２ａに達する紫外線が、所望の樹脂成形層の有効径
内を十分照射できるようにした。紫外線の照射時間（照
射開始から終了までの時間）は、後述の樹脂供給部に照
射する時間を含めて約30秒間とした。図１において
（ａ）から（ｃ）の状態に移るまでの時間は、前述のよ
うなマスク部材４の制御により約３秒となるから、樹脂
液２ａには少なくとも27秒以上紫外線が照射されること
になる。この値は、樹脂液２ａが硬化するのに十分なも
のである。照射範囲を拡げる速度は、本実施例のように
一定としてもよいし途中で変えてもよい。また、速度も
特に前記値に限定されるものではない。この時の紫外線
の照射時間は、樹脂液の硬化に必要な時間が得られるよ
うに、照射範囲を拡げる速度に応じて適宜設定すればよ
い。

【００１８】なお、本実施例では樹脂液が収縮した場合
に備えて、有効径の外側に前述のような樹脂供給部を設
けた。この樹脂供給部の容積は、金型３上に滴下した70
mgの樹脂液が７％収縮すると想定して約５mgに設定して
ある。また、有効径内の樹脂液２ａが硬化した後も、引
き続き前記樹脂供給部に紫外線を照射して樹脂液全体が
硬化するようにした。（ハ）第３工程：樹脂液２ａの硬化により得られた非球
面樹脂成形層２を金型３との界面から剥離することによ
り、図２に示すような非球面レンズを得た。

【００１９】なお、金型３に透明なものを用い、金型３
側から紫外線を照射するようにしてもよい。

【００２０】

【実施例２】図３は、本発明の第２の実施例による製造
方法を示す概略図である。本実施例で得られる非球面レ
ンズは、実施例１と同様、素子基材であるガラスレンズ
１とその表面に形成された非球面樹脂成形層２とで構成
されている（図２参照）。ガラスレンズ１は、球面を有
する凹レンズであり、直径27mm、凹面Ｒ₁の曲率半径1
1.170mm、凸面Ｒ₂の曲率半径25.80 mm、中心厚1.5 mm
となるように形成した。ガラスレンズ１は、樹脂成形層
２との接着力を向上させるために、その表面を予めシラ
ンカップリング処理を施してある。シランカップリング
剤として、商品名KBM503（信越化学株式会社製）を２wt
％エタノール溶液に稀釈して使用した。樹脂成形層２
は、ガラスレンズ１の凸面Ｒ₂側にあり、その中心厚は
約30μｍである。

【００２１】製造に使用した金型は、ステンレス合金か
らなり、樹脂と接する側に曲率半径28.8mmの非球面を有
する。実施例１と同様、金型と樹脂成形層との離型性を
向上させるために、金型表面にニッケルメッキを施して
ある。樹脂成形層２を形成する樹脂液２ａには、ウレタ
ンアクリレート系の紫外線硬化型樹脂液を使用した。こ
の樹脂液の硬化時の収縮率は約７％である。

【００２２】次に図３を引用して本実施例の製法を各工
程ごとに説明する。（イ）第１工程：所望の非球面とは反転した非球面を持
つ金型３上に紫外線硬化型樹脂液２ａを70mg滴下した
後、これに素子基材としてのガラスレンズ１を押し付け
て、金型３とガラスレンズ１との間に樹脂液２ａを挟み
込んだ。その際、成形される樹脂成形層の中心厚が30μ
ｍとなるように、金型３とガラスレンズ１との間隔を設
定した。これにより、樹脂液２ａは目的とする非球面レ
ンズの有効径より外まで広がっている状態となった。（ロ）第２工程：ガラスレンズ１上に直径約２mmのピン
ホール５ａを有するマスク部材５を配置し、このマスク
部材５を介して樹脂液２ａに紫外線を照射する。紫外線
の光源（点光源）６としては、出力 150Ｗのキセノンラ
ンプを用いた。この光源６は、金型１の稜線部（外縁
部）から110mm 離れた上に設置してある。紫外線の照射
強度は、樹脂液２ａ上で30mW／cm²となるようにした。
マスク部材５は、図示していない移動手段により、ガラ
スレンズ１と光源６との間で紫外線の光軸方向に対して
（30mm程度）移動できるようにしてある。

【００２３】照射開始時は、図３（ａ）に示すように、
マスク部材５をガラスレンズ１に最も近くなるように配
置した。そして、図３（ｂ）に示すように、紫外線を照
射しながら前記移動手段によりマスク部材５を光源６に
向けて約４mm/secの速度（一定速度）で移動させ、樹脂
液２ａでの照射領域を直径２mmの円から18mmの円まで拡
げた。この時、ガラスレンズ１を透過して樹脂液２ａに
達する紫外線が、所望の樹脂成形層の有効径内を十分照
射できるようにしてある。その後、図３（ｃ）のよう
に、マスク部材５を取り外して紫外線が樹脂液２ａ全面
に均一に照射されるようにした。紫外線は、図３の
（ａ）に示す状態から（ｃ）のマスク部材５を取り外す
前までに約30秒間照射し、マスク部材５を取り外した後
さらに約30秒間照射した。この値は、樹脂液２ａ全体が
硬化するのに十分なものである。マスク部材５を移動さ
せる速度は、本実施例のように一定としてもよいし途中
で変えてもよい。また、速度も特に前記値に限定される
ものではない。この時の紫外線の照射時間は、樹脂液の
硬化に必要な時間が得られるように、マスク部材５の移
動速度に応じて適宜設定すればよい。

【００２４】なお、本実施例では樹脂液が収縮した場合
に備えて、有効径の外側に前記樹脂供給部を設けてあ
る。この樹脂供給部の容積は、70mgの樹脂液が７％収縮
することを想定して約５mgに設定してある。また、有効
径内の樹脂液２ａが硬化した後も、引き続き前記樹脂供
給部に紫外線を照射して樹脂液全体が硬化するようにし
た。（ハ）第３工程：樹脂液２ａの硬化により得られた非球
面樹脂成形層を金型３との界面から剥離することによ
り、図２に示すような非球面レンズを得た。

【００２５】なお、金型３に透明なものを用い、金型３
側から紫外線を照射するようにしてもよい。なお、本発
明の製法は、図５に示すような基材レンズ５１の凸面側
および凹面側の両方に樹脂成形層５２が形成されている
レンズにも適用可能である。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、非球面の形状精度を低
下させずに非球面光学素子を製造することができる。そ
のため、製品の良品率を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の実施例１にかかる製造方法の各工
程におけるレンズ等の垂直断面を示す概略図である。

【図２】は、本発明の実施例で製造した樹脂接合型非球
面レンズの概略垂直断面図である。

【図３】は、実施例２にかかる製造方法の各工程におけ
るレンズ等の垂直断面を示す概略図である。基材レンズ
の半径方向に対する樹脂液の厚さを示す概略図である。

【図４】は、マスク部材４を設置した際の紫外線の照射
領域を示す概略図である。

【図５】は、他の樹脂接合型非球面レンズの概略垂直断
面図である。

【図６】は、従来の樹脂接合型非球面レンズの概略垂直
断面図である。

【図７】は、従来の樹脂接合型非球面レンズの概略垂直
断面図である。

【図８】は、従来の製造方法の各工程におけるレンズ等
の垂直断面を示す概略図である。

【図９】は、非球面レンズの樹脂成形層の断面形状を示
す概略図である。

【主要部分の符号の説明】

１ガラスレンズまたは素子基材または基材レンズ２樹脂成形層２ａ紫外線硬化型樹脂液３金型４マスク部材５ピンホールを有するマスク部材６光源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（イ）所望の非球面とは反転した非球面を
持つ金型と素子基材（但し、金型と基材の少なくとも一
方は放射線に対して透明なこと）との間に放射線硬化型
樹脂液を挟み込む工程、（ロ）前記樹脂液に、放射線を
その照射領域が該樹脂液の中心部から外縁部に向かって
広がるように照射する工程、および（ハ）得られた非球
面樹脂成形層を金型との界面から剥離する工程、からな
ることを特徴とする非球面光学素子の製造方法。