JPH08227007A - 物体の表面形状生成方法および金型の製造方法 - Google Patents

物体の表面形状生成方法および金型の製造方法

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JPH08227007A
JPH08227007A JP3211795A JP3211795A JPH08227007A JP H08227007 A JPH08227007 A JP H08227007A JP 3211795 A JP3211795 A JP 3211795A JP 3211795 A JP3211795 A JP 3211795A JP H08227007 A JPH08227007 A JP H08227007A
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etching
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processing layer
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JP3211795A
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Yasuhiro Uehara
靖弘 上原
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/02Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C43/021Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles characterised by the shape of the surface
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/32Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C43/36Moulds for making articles of definite length, i.e. discrete articles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29LINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2011/00Optical elements, e.g. lenses, prisms
    • B29L2011/0016Lenses
    • B29L2011/005Fresnel lenses

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
  • ing And Chemical Polishing (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 例えば、ブレーズ形状の回折光学素子を正確
に製造できる物体の表面形状生成方法を提供する。 【構成】 物体の表面形状を生成するにあたり、被加工
物体11上に加工層12を形成する工程と、前記加工層12を
加工する工程と、前記加工層12および被加工物体11を異
方性エッチングして、前記加工層12の形状を前記被加工
物体11の表面に深さ方向に相似的に形成する工程とを有
し、前記加工層12を加工する工程において、前記異方性
エッチングによるエッチング方向と直交する面内での前
記被加工物体11および加工層12のエッチングレートの分
布に基づいて、前記被加工物体11の表面に所望の形状が
生成されるように、前記加工層12を加工する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば表面に所望の
構造を有する光学素子を製造する物体の表面形状生成方
法、および、例えば表面に所望の構造を有する光学素子
を製造する際に用いる金型の製造方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】近年、光学系の高性能化や小型軽量化の
要求に伴い、回折光学素子やフレネルレンズが注目され
ている。また、レリーフ型格子の構造を有する回折光学
素子においては、その溝断面形状をブレーズ化すること
により、高い回折効率が得られることが知られている。
【0003】従来、回折光学素子の製造方法としては、 例えば、特開昭60−103311号公報に開示さ
れているように、基板上にレジストを塗布し、ドーズ量
変調を伴う露光と現像とによりレジストに所定のパター
ン形状を形成し、次にドライエッチングによりレジスト
のパターン形状を基板に転写する方法 ルーリングエンジンや旋盤等を用いて、格子溝を基
板に直接加工する方法 収束イオンビームを用いて、格子溝を基板に直接加
工する方法等が知られている。
【0004】しかしながら、上記の方法では、解像度
がレジストの厚さと同程度に限られてしまうという問題
がある。また、レジストは、露光量に対して残膜厚さが
直線的に変化しないという性質があるため、例えば、レ
ジスト表面に電子線露光によってブレーズ形状を作製す
る場合には、レジストの特性に合わせて露光量を精密に
制御しなければならず、そのためには電子線の強度ある
いは線幅を精密に制御する必要がある。このため、装置
が複雑で高価となり、また大面積の描画が困難になると
いう問題がある。さらに、露光に用いる電子線、遠紫
外、紫外光等のレジスト内での散乱あるいは近接効果に
よって、微細パターン部分でパターン形状が設計値から
大きくずれる場合があるため、回折光学素子を効率良く
高精度で製造することが困難になるという問題がある。
【0005】また、上記の方法では、例えば、回折光
学素子の材料としてしばしば用いられるガラスを例にと
ると、ガラスに直接機械加工を行うのは工具の損耗が著
しく、効率が悪いため、実用的な面積の回折格子を作製
するには、多額の費用と膨大な時間がかかる。このよう
なことから、基板の材料としては、実質的に金属やプラ
スチック等の加工の容易なのに限られてしまうという問
題がある。
【0006】さらに、上記の方法では、収束イオンビ
ームのスポット径が約0.1μmと小さく、微細加工が
可能であるが、他方ではイオン源の不安定性の影響を受
け、また侵入深さが浅いために、希望深さが得られない
場合がある。また、イオンビームの加工速度が遅いた
め、加工に非常に時間がかかるという問題もある。
【0007】このような問題を解決するため、本出願人
は、特開平7−5318号公報において、 基板上に形成した加工層を機械加工により所定の形
状に形成し、この形状を異方性エッチングにより基板に
転写して、ブレーズ化形状の光学素子を製造する方法を
提案している。
【0008】上記の製造方法によれば、数値制御型切
削加工機等で加工層を切削加工するので、露光および現
像による方法に比べて、所定の形状を容易に形成するこ
とができ、精密な回折光学素子を製造することができ
る。また、加工層の形状を異方性エッチングにより基板
に転写するので、基板の機械加工性に関係なく光学素子
を形成できるという利点がある。
【0009】一方、これらの光学素子を実際に利用する
際には、1個あたりの製造コストを低下させることが必
要である。そこで、通常の光学レンズに用いられている
ように金型による製造が考えられる。しかし、金型材
料、特にガラスのプレス成形に用いられる金型材料は、
硬度が非常に高いため、ブレーズド格子のような微細な
形状を機械加工で形成することは困難である。
【0010】そこで、本出願人は、 基板上に形成した加工層を機械加工により所定の形
状に形成し、この形状を異方性エッチングにより基板に
転写してマスター原盤を製作し、このマスター原盤の形
状を反転転写して製作した金型を用いて光学素子を製造
する方法を提案している(特願平6−306321
号)。
【0011】上記の製造方法によれば、金型として所
望の形状のものを容易に製作できるので、この金型を用
いることにより回折効率や集光効率の高い光学素子を、
大量生産で安価にできる利点がある。
【0012】また、本出願人は、 基板上に形成した加工層を機械加工により所定の形
状に形成し、この形状を異方性エッチングにより基板に
転写したものを金型の一部として用いて、光学素子を製
造する方法も提案している(特願平6−306322
号)。
【0013】上記の製造方法によれば、加工層に形成
された所定の形状を、異方性エッチングにより基板に転
写したものを金型の一部としているので、金型をより容
易に製作することができると共に、この金型を用いて光
学素子を製造するので、ガラス成形のものも容易に製造
できる利点がある。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】ところで、回折光学素
子の製造にあたっては、これを球面上に形成すれば、回
折光学素子を用いる光学系設計上の自由度が増すことが
でき、また、球面と回折光学素子とでパワーを分担でき
るので、回折格子のピッチを広くでき、製作が容易にな
る等の利点があることが知られている。
【0015】しかしながら、現在実現されているほとん
どの回折光学素子は、平面上に回折格子が形成されてお
り、また製造方法についても、基板が球面を持つ場合に
ついては、考慮されていない場合が多い。
【0016】また、上記,,の方法では、加工層
の形状を異方性エッチングにより基板に転写する際、加
工層のエッチングレートおよび基板のエッチングレート
が、基板全面で一定と仮定されている。なお、これらエ
ッチングレートを制御するパラメータとしては、反応性
イオンエッチングの場合、放電ガスの圧力、印加電圧の
周波数、ガスの組成、放電電力密度等がある。
【0017】しかしながら、本発明者による実験によれ
ば、基板および加工層のエッチングレートを制御するパ
ラメータをすべて同一にしてエッチングを行うと、基板
が曲面の場合には、基板が平面の場合とは異なって、エ
ッチング方向に垂直な面内での両者のエッチングレート
が場所によって変わってしまい、これがため、加工層に
形成する回折格子の溝深さを一定としてエッチングを行
うと、基板に転写される溝深さが、場所によって設計値
からずれてしまうことがわかった。このように、回折格
子の溝深さが場所によって設計値からずれると、回折効
率が低下すると共に、不要次数の回折光によって、ゴー
ストやフレアーが発生するという問題が生じることにな
る。
【0018】この発明は、上述した問題点に着目してな
されたもので、第1の目的は、例えばブレーズ形状の回
折光学素子を正確に製造できる物体の表面形状生成方法
を提供しようとするものである。
【0019】また、第2の目的は、例えばブレーズ形状
の回折光学素子を製造する際に用いる金型を正確に製造
する金型の製造方法を提供しようとするものである。
【0020】
【課題を解決するための手段】上記第1の目的を達成す
るため、この発明の物体の表面形状生成方法は、被加工
物体上に加工層を形成する工程と、前記加工層を加工す
る工程と、前記加工層および被加工物体を異方性エッチ
ングして、前記加工層の形状を前記被加工物体の表面に
深さ方向に相似的に形成する工程とを有し、前記加工層
を加工する工程において、前記異方性エッチングによる
エッチング方向と直交する面内での前記被加工物体およ
び加工層のエッチングレートの分布に基づいて、前記被
加工物体の表面に所望の形状が生成されるように、前記
加工層を加工することを特徴とするものである。
【0021】また、第2の目的を達成するため、この発
明の金型の製造方法は、被加工物体上に加工層を形成す
る工程と、前記加工層を加工する工程と、前記加工層お
よび被加工物体を異方性エッチングして、前記加工層の
形状を前記被加工物体の表面に深さ方向に相似的に形成
する工程と、前記加工層の形状が形成された前記被加工
物体をマスター原盤として金型を形成する工程とを有
し、前記加工層を加工する工程において、前記異方性エ
ッチングによるエッチング方向と直交する面内での前記
被加工物体および加工層のエッチングレートの分布に基
づいて、前記被加工物体の表面に所望の形状が生成され
るように、前記加工層を加工することを特徴とするもの
である。
【0022】さらに、この発明の金型の製造方法は、被
加工物体上に加工層を形成する工程と、前記加工層を加
工する工程と、前記加工層および被加工物体を異方性エ
ッチングして、前記加工層の形状を前記被加工物体の表
面に深さ方向に相似的に形成する工程とを有し、前記加
工層を加工する工程において、前記異方性エッチングに
よるエッチング方向と直交する面内での前記被加工物体
および加工層のエッチングレートの分布に基づいて、前
記被加工物体の表面に所望の形状が生成されるように、
前記加工層を加工し、前記異方性エッチングによって得
られる前記被加工物体を金型の少なくとも一部とするこ
とを特徴とするものである。
【0023】
【作用】この発明の物体の表面形状生成方法において
は、被加工物体上に加工層を形成し、この加工層を加工
した後、異方性エッチングを行って、加工層の形状を深
さ方向に相似的に被加工物体に形成する。ここで、被加
工物体および加工層のエッチングレートが、エッチング
方向に垂直な面内で場所によって異なると、例えば、選
択比=被加工物体のエッチングレート/加工層のエッチ
ングレート、とする場合、この選択比が、被加工物体の
中心から周辺にいくに従って小さくなると、図14aに
示すように、加工層2に溝深が一定の形状を形成して、
その形状を異方性エッチングにより相似的に被加工物体
1に転写すると、被加工物体1の表面に生成される溝深
さは、図14bに示すように、中心と周辺とで溝深さが
異なったものとなってしまう。
【0024】そこで、この発明では、異方性エッチング
によるエッチング方向と直交する面内での被加工物体1
および加工層2のエッチングレートの分布に基づいて、
被加工物体1の表面に所望の形状が生成されるように、
加工層2を加工する。例えば、被加工物体1を光学部材
として、表面に一定の溝深さを有する回折光学素子を形
成する場合には、図1aに示すように、加工層2に形成
する溝深さを、中心で深く、周辺で浅くする。このよう
にすれば、図1bに示すように、表面に一定の溝深さを
有する回折光学素子3が得られることになる。
【0025】ここで、エッチング方向と直交する面内で
の選択比の分布は、当該面内の複数の測定点において、
それぞれ被加工物体1および加工層2のエッチングレー
トから選択比を求めることにより得ることができる。ま
た、加工層2に形成した溝深さは、加工層2および被加
工物体1のエッチングレートに依存して、被加工物体1
に転写されるので、上記の選択比の分布は、エッチング
方向と直交する面内での複数の測定点において、加工層
2に形成した溝深さと、実際に被加工物体1に転写され
る溝深さとの比、すなわち、選択比=被加工物体1の溝
深さ/加工層2の溝深さ、を求めることにより得ること
もできる。
【0026】また、この発明の金型の製造方法において
は、被加工物体上に加工層を形成した後、異方性エッチ
ングによるエッチング方向と直交する面内での被加工物
体および加工層のエッチングレートの分布に基づいて、
次の異方性エッチングにより被加工物体の表面に所望の
形状、例えば、光学素子用金型を製造する場合には、目
的とする光学素子に対応する形状が生成されるように、
加工層を加工する。このように加工層を加工し、次に、
異方性エッチングを行うと、被加工物体の表面には、目
的とする光学素子に正確に対応する形状が生成されるの
で、この被加工物体をマスター原盤として金型を形成す
れば、金型にはマスター原盤の形状が反転された形状、
すなわち目的とする光学素子の形状を反転した形状が正
確に形成されることになる。したがって、この金型を用
いることにより、目的とする光学素子を正確な形状で、
大量に製造することが可能となる。
【0027】さらに、この発明の金型の製造方法におい
ては、被加工物体上に加工層を形成した後、異方性エッ
チングによるエッチング方向と直交する面内での被加工
物体および加工層のエッチングレートの分布に基づい
て、次の異方性エッチングにより被加工物体の表面に所
望の形状、例えば、光学素子用金型を製造する場合に
は、目的とする光学素子の形状を反転した形状が生成さ
れるように、加工層を加工する。このように加工層を加
工し、次に、異方性エッチングを行うと、被加工物体の
表面には、目的とする光学素子の形状を反転した形状が
正確に形成されるので、この被加工物体を目的とする光
学素子の金型の少なくとも一部とすることにより、金型
を極めて簡単な工程で製造でき、また、この金型を用い
ることにより、目的とする光学素子を正確な形状で、大
量に製造することが可能となる。
【0028】
【実施例】以下、この発明の実施例について、図面を参
照して説明する。なお、全ての図において、この発明の
主旨に直接関係しない部分は、説明を分かり易くするた
めに、部分的に誇張あるいは省略してある。
【0029】この発明の第1実施例では、ガラス等の基
板上に機械加工の容易な加工層を形成し、この加工層を
所定の形状に機械加工した後、異方性エッチングを行っ
て基板に加工形状を相似的に転写する方法を基本とし
て、回折光学素子である回折レンズを製造するが、この
実施にあたっては、まず、異方性エッチングによるエッ
チング方向と直交する面内での基板および加工層のエッ
チングレートの分布、すなわち選択比の分布を知る必要
がある。ここで、選択比は、上述したように、
【数1】 によって求めることもできるが、加工層に形成した溝深
さは、加工層および基板のエッチングレートに依存し
て、基板に転写されるので、
【数2】 によって求めることもできる。以下、(2)式を用いて
選択比を求める場合について説明する。
【0030】まず図2aに示すように、サンプルとして
平面と、所定の曲率半径を有する球面(凸面)からなる
石英製の基板11の球面側に、A1(アルミニウム)等
の機械加工の容易な金属からなる加工層12を所定の厚
さtで形成したものを用意する。ここで、加工層12を
形成する方法としては、真空蒸着やスパッタリング等を
用いることができる。なお、加工層12の厚さtは、後
の機械加工においてバイトの動きに多少の誤差があって
も、バイトが基板11に接触するのを防止するため、加
工する領域全体で最大加工深さより大きければよく、場
所によって厚さtが多少変化していてもよい。
【0031】次に、図2bに示すように、機械加工機、
例えば、数値制御旋盤型加工機(図示せず)にワークと
して加工層12を形成した基板11を取り付け、ワーク
を回転させながら製造すべき回折レンズの設計データに
基づいてバイト13を移動させて、加工層12を加工す
る。この際の加工データは、基板全面で選択比が一定で
あると仮定して作成したものを用いる。なお、この実施
例では、簡単のために、全面で同じ回折次数の光を用い
ることにするので、溝深さは一定である。機械加工が終
了したら、測定器、例えば、触針式段差計等により溝深
さdk を測定しておく。この溝深さdk は、機械加工が
加工データ通りに行なわれていれば、全面で一定にな
る。
【0032】次に、図2cに示すように、異方性エッチ
ング、例えば反応性イオンエッチングを行って、図2d
に示すように基板11に加工層12の形状を相似的に転
写する。この場合、基板11に転写される回折格子の溝
深さは、エッチング方向に垂直な面内で選択比が変化し
ているので、図2dから明らかなように、周辺に行くに
従って深くなる。この溝深さde (n)を、中心から半
径方向に触針式段差計等により測定する。その後、回折
格子の全体の本数をnとして、i本目の格子での選択比
(i)を、
【数3】 に従って計算する。
【0033】図3は、以上の選択比(i)の計算結果
を、回折格子の中心(O)から半径r方向にプロットし
たものである。図から明らかなように、この場合には、
周辺に行くに従って、基板11がエッチングされ易くな
るということが分かる。なお、この選択比の変化の仕方
は、基板11の材質、凸面の曲率半径等、様々な要因に
より変化する。
【0034】以上により、選択比の面内分布を求めた
ら、次に、その選択比の面内分布に基づいて、基板11
に一定の溝深さde の回折格子を形成する場合に、加工
層12に加工するi本目の回折格子の溝深さdk (i)
を、下記の式から計算して、実際に回折レンズを製造す
る場合の加工層12の加工データを得る。
【数4】
【0035】図4は、以上の加工層の溝深さdk (i)
の計算結果を、回折格子の中心(O)から半径r方向に
プロットしたものである。図から明らかなように、加工
層12の溝深さdk (i)は、周辺にいくにつれて浅く
すればよいことがわかる。
【0036】以上のようにして、選択比の空間的変化を
考慮した加工データを求めたら、この加工データを用い
て所望の回折レンズを製造する。この回折レンズの製造
にあたっては、まず、図5aに示すように、図2aに示
すと同様に、平面と、所定の曲率半径を有する球面(凸
面)からなる石英製の基板11の球面側に、A1(アル
ミニウム)等の機械加工の容易な金属からなる加工層1
2を所定の厚さtで形成したものを用意する。
【0037】次に、図5bに示すように、数値制御旋盤
型加工機等の機械加工機に、ワークとして加工層12を
形成した基板11を取り付け、ワークを回転させなが
ら、選択比の空間的変化を考慮した上記の加工データに
基づいてバイト13を移動させて、加工層12を加工す
る。その後、図5cに示すように、反応性イオンエッチ
ングにより加工層12の形状を基板11に相似的に転写
する。なお、反応性イオンエッチングを行なう際のガス
の組成、放電電力密度等は、図2cの選択比の空間的変
化を調べる際の反応性イオンエッチングと同じ条件とす
る。
【0038】このように、選択比の空間的変化を予め見
越して、加工層12を加工することにより、図5dに示
すように、一定の溝深さの回折格子を有する回折レンズ
14を得ることができる。
【0039】この実施例によれば、機械加工が容易な加
工層12を機械加工して、エッチング工程により回折レ
ンズ14を製造するにあたり、加工層12に形成する溝
深さを、選択比の面内分布に基づいて決定するようにし
たので、所望の溝深さ(図5の場合は、一定の溝深さ)
の回折格子を有する回折レンズ14を得ることができ
る。
【0040】また、近年の数値制御加工機は、サブミク
ロンの加工精度があり、極めて高精度に所望の形状に加
工することができ、またその形状を異方性エッチングに
よって基板11に転写するので、正確な形状を持つ回折
光学素子を製造することができる。さらに、加工データ
を変更することで、上記の一定の溝深さを有する回折格
子に限らず、様々な形状の光学素子、例えばフレネルレ
ンズ等に対応した形状も容易に得ることができる。
【0041】なお、以上の説明では、加工層12の材料
として、Al(アルミニウム)を挙げたが、他の機械加
工の容易な材料、例えば、樹脂や、機械加工の容易な金
属等を用いることができる。また、基板11の材料も、
石英以外に、SiO2 系ガラス、CaF2 等を用いるこ
とができると共に、この際に、形成された回折レンズの
表面にAl等をコートすることにより、反射型の回折レ
ンズとすることもできる。また、基板11の材料とし
て、モリブデン(Mo)やシリコンカーバイト(Si
C)等を用いることによって、反射型の回折レンズを得
ることもできる。さらに、基板11の形状も、片面が平
面で、他方の面が球面の平凸レンズのような形状に限ら
ず、他の形状、例えば、両方とも球面、あるいは両方と
も非球面等の種々の形状とすることができる。
【0042】また、選択比が面内で変化する場合とし
て、基板の片面が球面の場合を挙げたが、例えばエッチ
ング装置の性能が悪く、基板の形状が平行平面板の場合
でも、場所により選択比が変化する場合には、同様にし
て選択比の面内分布を求めて、加工層を加工することに
より、所望の表面形状を有する光学素子を製造すること
ができる。
【0043】さらに、上記の説明では、選択比を(2)
式に従って求めたが、(1)式に従って求めることもで
きる。この場合には、加工層および基板のエッチングレ
ートをそれぞれ求める必要がある。そこで、まず加工層
のエッチングレートの面内分布を求める場合について、
図6a〜dを用いて説明する。
【0044】先ず、図6aに示すように、基板11上に
加工層12を所定の厚さtで、光学素子としての有効径
φe より少し外側まで形成する。次に、図6bに示すよ
うに、基板11の加工層12が形成されていない領域に
マスク21を載せる。このマスク21の厚さは、好適に
は、加工層12の厚さtとほぼ同じとする。その後、図
6cの示すように、一定時間異方性エッチングを行な
う。エッチング終了後、マスク21を取り外し、図6d
に示す状態で、加工層12の厚さを測定器、例えば触針
式段差計、原子間力顕微鏡や干渉計等を用いて測定す
る。このようにして、加工層12の各測定点での厚さを
測定したら、その各測定点における測定値と元の厚さt
との差をエッチング時間で割って、加工層12のエッチ
ングレートの面内分布を得る。
【0045】次に、基板のエッチングレートの面内分布
を求める場合について、図7a〜cを用いて説明する。
先ず、図7aに示すように、基板11上にドーナツ型の
マスク21を置く。このマスク21は、その外径を基板
11と同じとし、内径は光学素子としての有効径φe
りも少し大きくする。次に、図7bに示すように、一定
時間異方性エッチングを行なう。その後、図7cに示す
ように、マスク21を取り外した状態で、マスク21が
置かれていた領域の上面11aを原点として、測定器、
例えば触針式段差計によりエッチングされた表面(深
さ)を測定する。このようにして、基板11の各測定点
での深さを測定したら、その各測定点における測定値を
エッチング時間で割り算して、基板11のエッチングレ
ートの面内分布を得る。
【0046】なお、図6および図7では、図面を明瞭と
するために、基板11を平行平板としているが、基板1
1が曲面を有する場合でも、上述の方法からそれぞれの
エッチングレートを求めることができる。
【0047】このように、加工層および基板のエッチン
グレートをそれぞれ求めれば、以下に説明するような利
点もある。例えば、加工層のエッチングレートが、中心
から半径方向に亘って、図8に示すように変化するもの
とする。この場合、図面を簡略化するため、平行平面板
を例にとって説明すると、図9aに示すように、加工層
12に形成した形状を基板11に転写する際に、加工層
12のエッチングレートの面内分布に応じて、図9bに
示すように、場所により加工層12のエッチングが終了
する時点が異なることになる。このため、加工層12の
全面がエッチングされるようにすると、図9cに示すよ
うに、回折格子のエッチング方向の座標に誤差が生じる
ことになる。この場合には、選択比を考慮して加工層1
2に形成する溝深さを決定するだけでは不十分となる。
【0048】そこで、このようなエッチング方向のずれ
を無くすために、図8に示す加工層のエッチングレート
に基づいて、図10に示すように、加工層12の全面で
同時にエッチングが終了するように、加工層12を機械
加工する。なお、この際の各回折格子での溝深さは、選
択比に基づいて算出する。
【0049】この発明の第2実施例では、回折光学素子
を製造する際に用いる金型を製造する。このため、この
実施例では、先ず、図11aに示すように、平面と所定
の曲率を有する曲面(凸面)とからなるNi(ニッケ
ル)製の基板31の曲面側に、樹脂、例えばレジストか
らなる加工層32を所定の厚さtで形成する。ここで、
加工層32を樹脂とする場合には、スピンコーター等を
用いて形成することができると共に、その際にベーキン
グ条件を選ぶことにより、加工層32をその後の工程に
適した硬さにすることができる。
【0050】次に、加工層32を所定の深さ分布を有す
る形状、例えばブレーズ形状に機械加工する。ここで、
この実施例で製造する金型を、リングパターンを有する
光学素子、例えば回折レンズを製造するのに用いる場合
には、図11bに示すように、切削加工機、例えば数値
制御旋盤型加工機(図示せず)にワークとして加工層3
2を形成した基板31を取り付け、ワークを回転させな
がら加工データに基づいてバイト33を移動させて、加
工層32を切削加工する。なお、この際の加工データ
は、第1実施例におけると同様に、予め、基板31およ
び加工層32のエッチングレートの分布、あるいは選択
比の分布を求め、それに基づいて異方性エッチング処理
後に基板31上に所望の形状が得られるように作成す
る。
【0051】その後、図11cに示すように異方性エッ
チングを行って、加工層32に形成した形状を基板31
に転写して、図11dに示すようなマスター原盤34を
得る。なお、異方性エッチングとしては、例えば、反応
性イオンエッチングやプラズマエッチング、反応性イオ
ンビームエッチング、イオンビームエッチング、スパッ
タエッチング、マイクロ波プラズマエッチング等の反応
性のガスプラズマを用いたエッチングとするのが、選択
比の制御性や異方性の点で適している。
【0052】次に、図11eに示すように、マスター原
盤34の表面に導電性金属、例えばニッケルをスパッタ
リング、蒸着等の方法で堆積させて電極体35を形成し
た後、図11fに示すように、電鋳処理を行ってニッケ
ル電鋳層36を形成する。その後、ニッケル電鋳層36
を剥離して金型を得る。
【0053】この実施例によれば、加工層32を機械加
工するので、極めて高精度の加工ができ、したがって正
確な形状を有するマスター原盤34を製作することがで
きると共に、このマスター原盤34に対して電鋳法によ
り、マスター原盤34の形状を忠実になぞって金型36
を製造するので、高精度の金型36を得ることができ
る。
【0054】なお、第2実施例では、加工層32として
レジストを用いたが、他の機械加工の容易な金属等を用
いることもできる。また、基板31についても、Niに
限らず、石英やSiO2 系ガラス等を用いることもでき
る。さらに、回折レンズ用の金型に限らず、一般の回折
格子や、いわゆるフレネルレンズ用の金型についても、
同様にして製造することができる。
【0055】この発明の第3実施例においては、第2実
施例で製造した金型36を用いて、例えば、公知のプラ
スチックの射出成型やフォトポリマー法(2P法)によ
り回折光学素子を製造する。このように、第2実施例で
製造した金型36を用いて回折光学素子を製造すれば、
上述したように金型自体の精度が良いので、正確な形状
を持つ光学素子を大量に製造することができる。
【0056】ここで、フォトポリマー法(2P法)は、
透明な基板上に紫外線硬化型樹脂(フォトポリマー)層
を形成して金型を押し当てると共に、紫外線を照射して
樹脂を硬化させ、これにより光学素子を製造するもの
で、温度サイクルがない。したがって、射出成型によっ
て光学素子を製造する場合に比べて、 工程が短く済む 複屈折やコマ収差が出にくい 金型の長寿命化が図れるという利点がある。
【0057】この発明の第4実施例においては、回折レ
ンズを製造する際に用いる金型を製造する。このため、
この実施例では、先ず、図12aに示すように、平面と
所定の曲率半径を有する球面(凹面)とからなるCr2
3 (酸化クロム)製の基板41の球面側に、樹脂、例
えばレジストからなる加工層42を所定の厚さtで形成
する。
【0058】次に、図12bに示すように、例えば数値
制御旋盤型加工機等の切削加工機にワークとして加工層
42を形成した基板41を取り付け、ワークを回転させ
ながら加工データに基づいてバイト43を移動させて、
加工層42を所定の深さ分布を有する形状、例えばブレ
ーズ形状に機械加工する。この際の加工データは、第1
実施例におけると同様に、予め、基板41および加工層
42のエッチングレートの分布、あるいは選択比の分布
を求め、それに基づいて異方性エッチング処理後に基板
41上に所望の形状が得られるように作成する。なお、
この実施例において、加工層42に形成する形状は、製
造すべき回折レンズの回折面の形状を反転したものとす
る。
【0059】その後、図12cに示すように、異方性エ
ッチング、例えばアルゴンイオンエッチングを行って、
加工層42の形状を、基板41に深さ方向に相似的に転
写して、図12dに示すような回折レンズ用金型44を
得る。
【0060】ここで、アルゴンイオンエッチングとは、
高電圧で加速したアルゴンイオンを材料表面に衝突さ
せ、これにより材料原子を弾き飛ばして表面を削る方法
で、主に物理的作用によりエッチングする。したがっ
て、このアルゴンイオンエッチングは、以下の特長を有
する。 1.化学的エッチングに比べて、エッチ速度の材料選択
性が少ないので、例えば白金、ロジウム等の化学的耐性
の高い材料をもエッチングすることができる。 2.本質的に高い異方性を持つので、高い加工精度が得
られる。
【0061】この実施例によれば、機械加工が容易な加
工層42を機械加工し、その形状をエッチングにより基
板41に転写して金型44を製造するので、基板41が
機械加工により微細な形状に高精度に加工できないよう
な材料、例えばガラス成形用金型の材料(WC,SiC
等)の場合でも、該基板41上に高精度の回折格子パタ
ーンを形成することができる。したがって、極めて簡潔
な工程で、例えばガラス製の回折レンズをプレス成形で
製造するための金型を得ることができる。
【0062】また、機械加工が容易な加工層42を機械
加工するので、所望の深さ分布を有する形状も容易に得
ることができると共に、近年の数値制御加工機はサブミ
クロンの加工精度があるので、極めて高精度に所望の形
状を得ることができる。しかも、その加工層42の形状
を異方性エッチングによって基板41に相似的に転写す
るので、加工層42を高精度で機械加工できることと相
まって、極めて高精度の金型44を製造することができ
る。
【0063】なお、この実施例では、加工層42を樹脂
としたが、他の機械加工の容易な材料、例えばAl等の
金属を用いることができる。また、基板41もCr2
3 に限らず、WC(ダングステンカーバイト)、SiC
(シリコンカーバイト)等を用いることもできる。ただ
し、WCやSiCを用いる場合には、ガラス製の回折レ
ンズを製造する際のガラスとの融着を防止するため、表
面に白金やTiN等のコートを施すのが望ましい。
【0064】この発明の第5実施例においては、第4実
施例で製造した金型44を、回折レンズ用金型の一部と
して用いて、ガラスを材料とした回折レンズを製造す
る。このため、この実施例では、図13に示すように、
下型45上に製造すべき回折レンズの概略形状に形成さ
れた光学ガラス46を載置し、光学ガラス46をガラス
軟化点以上に加熱した後、上型として第4実施例で製造
した金型44を用いて光学ガラス46を加圧成形し、こ
れによりガラス製の回折レンズを製造する。なお、下型
45は、WC(タングステンカーバイト)を主成分とし
た円柱の上下両面を鏡面に研磨すると共に、上面にガラ
スと金型との融着防止のための白金をコートして構成す
る。
【0065】この実施例によれば、簡単な工程で回折レ
ンズを大量に製造できると共に、回折格子を形成する最
も重要な金型44が、上述したように極めて高精度であ
ることから、正確な形状を持つ回折レンズを製造するこ
とができる。
【0066】なお、この実施例では、金型44を上型と
して用い、ガラスをプレスして光学素子を製造するよう
にしたが、金型を用いる他の方法、例えばプラスチック
を射出成型する方法や、紫外線硬化型樹脂を用いるフォ
トポリマー法(2P法)等の一般的に用いられている方
法で、光学素子を製造することもできる。
【0067】また、第5実施例では、回折レンズを製造
するようにしたが、一般の回折格子や、いわゆるフレネ
ルレンズも同様にして製造することができる。
【0068】なお、第1、第2および第4実施例では、
加工層を機械加工して所望の形状を得るようにしたが、
機械加工以外の方法、例えば電子線やイオンビームによ
る描画等の方法で加工層を加工することもでき、その際
にも、選択比の分布を考慮にいれて加工データを作成す
ることにより、その後の異方性エッチングによって基板
に所望の形状を形成することができる。
【0069】付記 1.被加工物体上に加工層を形成する工程と、前記加工
層を加工する工程と、前記加工層および被加工物体を異
方性エッチングして、前記加工層の形状を前記被加工物
体の表面に深さ方向に相似的に形成する工程とを有し、
前記加工層を加工する工程において、前記異方性エッチ
ングによるエッチング方向と直交する面内での前記被加
工物体および加工層のエッチングレートの分布に基づい
て、前記被加工物体の表面に所望の形状が生成されるよ
うに、前記加工層を加工することを特徴とする物体の表
面形状生成方法。 2.付記1記載の物体の表面形状生成方法において、前
記被加工物体が光学部材であることを特徴とする物体の
表面形状生成方法。 3.被加工物体上に加工層を形成する工程と、前記加工
層を加工する工程と、前記加工層および被加工物体を異
方性エッチングして、前記加工層の形状を前記被加工物
体の表面に深さ方向に相似的に形成する工程と、前記加
工層の形状が形成された前記被加工物体をマスター原盤
として金型を形成する工程とを有し、前記加工層を加工
する工程において、前記異方性エッチングによるエッチ
ング方向と直交する面内での前記被加工物体および加工
層のエッチングレートの分布に基づいて、前記被加工物
体の表面に所望の形状が生成されるように、前記加工層
を加工することを特徴とする金型の製造方法。 4.被加工物体上に加工層を形成する工程と、前記加工
層を加工する工程と、前記加工層および被加工物体を異
方性エッチングして、前記加工層の形状を前記被加工物
体の表面に深さ方向に相似的に形成する工程とを有し、
前記加工層を加工する工程において、前記異方性エッチ
ングによるエッチング方向と直交する面内での前記被加
工物体および加工層のエッチングレートの分布に基づい
て、前記被加工物体の表面に所望の形状が生成されるよ
うに、前記加工層を加工し、前記異方性エッチングによ
って得られる前記被加工物体を金型の少なくとも一部と
することを特徴とする金型の製造方法。 5.付記3記載の金型の製造方法において、前記金型を
形成する工程は、前記被加工物体に導電性金属よりなる
電極体を形成する工程と、前記電極体を電極として電鋳
処理により電鋳層を形成する工程と、前記電鋳層を前記
被加工物体から剥離する工程とを有することを特徴とす
る金型の製造方法。 6.付記1〜5のいずれか記載の方法において、前記加
工層を加工する工程は、機械加工によることを特徴とす
る方法。 7.付記1〜6のいずれか記載の方法において、前記加
工層の加工は、前記異方性エッチングによるエッチング
方向と直交する面内での前記被加工物体および加工層の
エッチングレートの分布を調べ、その分布に基づいて予
め作成した加工データによることを特徴とする方法。 8.付記7記載の方法において、前記被加工物体および
加工層のエッチングレートの分布を調べるにあたって、
前記被加工物体および加工層のエッチングレートが一定
であるとして、前記加工層を加工する工程と、その加工
された加工層の表面形状を測定する工程と、異方性エッ
チングを行う工程と、この異方性エッチングにより形成
された前記被加工物体の表面形状を測定する工程とを行
うことを特徴とする方法。 9.付記3〜8のいずれか記載の方法によって製造され
た金型を用いて光学素子を製造することを特徴とする光
学素子の製造方法。 10.付記2〜9のいずれか記載の方法によって製造し
た光学素子または金型。
【0070】
【発明の効果】以上のように、この発明の物体の表面形
状生成方法によれば、エッチング方向に垂直な面内での
被加工物体および加工層のエッチングレートの分布を予
め考慮にいれて、加工層を加工するようにしたので、被
加工物体に所望の表面形状を正確に生成することができ
る。
【0071】また、この発明の金型の製造方法において
も、同様に、エッチング方向に垂直な面内での被加工物
体および加工層のエッチングレートの分布を予め考慮に
いれて、加工層を加工するようにしたので、被加工物体
に所望の表面形状を正確に生成することができる。した
がって、この被加工物体をマスター原盤として金型を製
造することにより、高精度の金型を得ることができ、ま
た、この被加工物体を金型の少なくとも一部とすること
により、高精度の金型を簡単に得ることができ、さら
に、このようにして製造した金型を用いることにより、
目的とする光学素子を正確な形状で、大量に製造するこ
とが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の発明の作用を説明するための図である。
【図2】選択比を求める工程を説明するための図であ
る。
【図3】選択比の分布の一例を示す図である。
【図4】選択比の分布を考慮した加工層の溝深さの計算
結果を示す図である。
【図5】この発明の第1実施例を説明するための図であ
る。
【図6】加工層のエッチングレートの面内分布を求める
順次の工程を示す図である。
【図7】基板のエッチングレートの面内分布を求める順
次の工程を示す図である。
【図8】加工層のエッチングレートの分布の一例を示す
図である。
【図9】加工層のエッチングレートの分布による不具合
を説明するための図である。
【図10】加工層のエッチングレートの分布を考慮して
加工層を加工した一態様を示す図である。
【図11】この発明の第2実施例を説明するための図で
ある。
【図12】同じく、第4実施例を説明するための図であ
る。
【図13】同じく、第5実施例を説明するための図であ
る。
【図14】被加工物体および加工層のエッチングレート
の分布による不具合を説明するための図である。
【符号の説明】
1 被加工物体 2 加工層 3 回折光学素子 11,31,41 基板 12,32,42 加工層 13,33,43 バイト 14 回折レンズ 21 マスク 34 マスター原盤 35 電極体 36 ニッケル電鋳層 44 金型 45 下型 46 光学ガラス

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被加工物体上に加工層を形成する工程
    と、 前記加工層を加工する工程と、 前記加工層および被加工物体を異方性エッチングして、
    前記加工層の形状を前記被加工物体の表面に深さ方向に
    相似的に形成する工程とを有し、 前記加工層を加工する工程において、前記異方性エッチ
    ングによるエッチング方向と直交する面内での前記被加
    工物体および加工層のエッチングレートの分布に基づい
    て、前記被加工物体の表面に所望の形状が生成されるよ
    うに、前記加工層を加工することを特徴とする物体の表
    面形状生成方法。
  2. 【請求項2】 被加工物体上に加工層を形成する工程
    と、 前記加工層を加工する工程と、 前記加工層および被加工物体を異方性エッチングして、
    前記加工層の形状を前記被加工物体の表面に深さ方向に
    相似的に形成する工程と、 前記加工層の形状が形成された前記被加工物体をマスタ
    ー原盤として金型を形成する工程とを有し、 前記加工層を加工する工程において、前記異方性エッチ
    ングによるエッチング方向と直交する面内での前記被加
    工物体および加工層のエッチングレートの分布に基づい
    て、前記被加工物体の表面に所望の形状が生成されるよ
    うに、前記加工層を加工することを特徴とする金型の製
    造方法。
  3. 【請求項3】 被加工物体上に加工層を形成する工程
    と、 前記加工層を加工する工程と、 前記加工層および被加工物体を異方性エッチングして、
    前記加工層の形状を前記被加工物体の表面に深さ方向に
    相似的に形成する工程とを有し、 前記加工層を加工する工程において、前記異方性エッチ
    ングによるエッチング方向と直交する面内での前記被加
    工物体および加工層のエッチングレートの分布に基づい
    て、前記被加工物体の表面に所望の形状が生成されるよ
    うに、前記加工層を加工し、前記異方性エッチングによ
    って得られる前記被加工物体を金型の少なくとも一部と
    することを特徴とする金型の製造方法。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6221228B1 (en) 1997-12-03 2001-04-24 Seiko Instruments Inc. Part fabricating method and part fabricating apparatus
EP1464463A4 (en) * 2001-12-04 2005-03-02 Riken METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING LARGE CURVED DOUBLE-SIDED FRESNEL LENSES
JP2007118326A (ja) * 2005-10-27 2007-05-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd 型の製造方法
JP2009048208A (ja) * 2008-10-27 2009-03-05 Kagawa Univ 傾斜構造体の製造方法およびこの方法で製造される金型用母型
JP2018097058A (ja) * 2016-12-09 2018-06-21 ナルックス株式会社 成形型及び光学素子の製造方法ならびに光学素子

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