JPH11314926A - 非平面且つ非球面の研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非平面で非球形の面を精密に研磨する方法を
提供する。 【解決手段】 サブストレートにおけるベース面の形状
を備えた非平面の非球面を生成し、所定の材料を用いて
上記面上に層を形成し、良好な面形状を備えた層の面を
つくるように、１点式のダイアモンドにより層を旋削
し、上記層を完全に除去すべくサブストレートへ層の面
をエッチングし、優れた面形状を移す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、全体として、非平
面の精密な研磨作業に、より詳しくは、光学素子を成形
するための成形型における略非球面，トロイド（troi
d）及び他の歪み形状等の非球形の面の精密な研磨作業
に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンカーバイドのようなセラミック
は、それからガラスレンズを成形するための成形型が製
造されるベース材料として用いられてきた。かかるセラ
ミックからの成形型の製作は、非常に厳密な形状の公差
及び非常に高度の反射率が得られるように、これらの材
料を研磨する能力を必要とする。これらの材料の研磨作
業は、略非球面（円錐部分以外），トロイド及び他の歪
み形状等の非球形の面を作成する所望の手段により、一
層複雑なものになる。これは、大量のガラス製の光学部
品を成形するための成形型を製作する場合は言うまでも
なく、プラスチック製の光学部品を成形するための型を
製作する場合でさえ、容易に実行不可能である。反射率
及び面形状を実現するために、非往復機構のデバイスで
面を研磨することは、非常に困難な仕事である。かかる
研磨作業が実現された場合でさえ、そのプロセスは、相
当に時間がかかり、非常に高度な熟練した労働力を必要
とするため、それは典型的には非常に高価なものとな
る。かかる研磨道具の多くが作業に際して必要とされる
ような大量の適用がある場合には、この困難は一層大き
なものとなる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】成形型の研磨作業は困
難であるものの、精密に研削された研磨対象面をつくる
能力は、長年を経て著しく向上した。研削された面にお
ける干渉テストは容易に行われる。５０Å（オームスト
ロング）ＲＭＳ程度の表面粗さは、コンピュータにより
数値制御されるグラインダの作業によって、良好な形状
を備えつつ容易に実現可能である。これらコンピュータ
数値制御式のグラインダは、比較的迅速である。以上の
ことから、従来の非往復機構のデバイスを用いて可能で
ある場合よりも迅速に研削された面を研磨することが望
ましい。

【０００４】本発明は、非平面で非球形の面を精密に研
磨するためのプロセスを提供することを目的としてなさ
れたものである。

【０００５】また、本発明は、非球形の光学部品を成形
するための成形型の面を精密に研磨するためのプロセス
を提供することを目的としてなされたものである。

【０００６】更に、本発明は、従来の非往復機構による
研磨方法よりも迅速に実行可能な、非球形のガラス製の
光学部品を成形するために用いられる成形型の正味の形
状の研削された面を研磨するためのプロセスを提供する
ことを目的としてなされたものである。

【０００７】また、更に、本発明は、ベース面の形状を
有する研削された面の表面粗さを軽減させつつ、非常に
良好な面形状を備えた精密に研磨された面をつくるため
のプロセスを提供することを目的としてなされたもので
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】簡潔に言えば、本発明
の、これらのまた多くの他の特徴，目的及び高価は、以
下の詳細な説明及び図面を参照することにより容易に明
らかとなるであろう。これらの特徴，目的及び効果は、
その内部に正味の形状の成形面を備えた正味の形状の成
形型を得るために、まず、成形型のサブストレート（su
bstrate）を精密に研削することにより達成される。そ
れから正味の形状の成形型が作られるサブストレート
は、好ましくは、化学的な蒸着により形成されるシリコ
ンカーバイドである。正味の形状の成形型の成形加工に
おいてサブストレート用に利用される他の材料は、スチ
ール，ジルコニア（zirconia），タングステンカーバイ
ド，バイコール（Vycor：商標），ガラス等を含んでい
る。正味の形状の成形面の研削は、約５０ÅＲＭＳから
約１００ÅＲＭＳまでの範囲における表面粗さが得られ
るように、コンピュータ数値制御式グラインダで実行さ
れ得る。ベース面の形状は、それが変量が約１０波長
（１０λ）程度の範囲内にある形状として規定されてい
る正味の形状の面において達成される必要がある。かか
るベース面の形状及び表面粗さが達成されると、成形型
のサブストレートの材料と一致した幾つかのガラス構成
品のゾルゲル（sol gel）が、正味の形状の面上に被さ
れる。この被膜は、面の旋削（turning）を可能とする
のに適切な剛性を達成すべく、部分的に凝集させられ
る。このような凝集（consolidation）は、加熱によっ
て達成される。部分的に凝集するに際して、適切な温度
及び加熱が経験により決定される。面に旋削させられる
形状のパターンは、旋削後に行われる次の凝集につい
て、適宜に較正される必要がある。必要とされる良好な
面形状をなすように面が旋削させられた後、他の加熱工
程で、層の凝集が完了させられる。旋削面を備えた層
は、旋削面を備えた層がエッチングにより完全に分離さ
れ、それによって良好な面形状及び粗さのサブストレー
トにおける面が得られるように、例えばイオン銃を用い
た受動又は反動的なフライス盤によりエッチングされ
る。ゲルガラス及びサブストレートの熱膨張係数がほぼ
一致している場合には、エッチングが全く必要とされな
い。（適切な被膜であれば）所定位置において旋削され
凝集された面を用いて、ガラス又はプラスチック製の光
学部品を成形することが可能である。

【０００９】その代わりとして、本発明の方法は、被膜
材料がフォトレジスト（photoresist）のような感光乳
剤である場合に実施可能である。研削された面に対して
乳剤の被膜又は層を用いた後、用いられた層を備えた正
味の形状の成形型が、旋削を可能とする適切なレベルの
剛性を得るために、乳剤を部分的に凝集させるように加
熱される。所望の良好な面形状及び粗さをなすように面
が旋削させられた後、面は、層がより十分に凝集させら
れ、それにより非常に大きな剛性が得られるように、再
び加熱される。層は、サブストレートに対して良好な面
形状及び粗さを移すように、エッチングにより完全に分
離される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、添付図面を参照しながら説明する。まず、図１に、
研削により形成された正味の形状の成形面１２を備えた
正味の形状の成形型１０を示す。この正味の形状の成形
型１０は、好ましくは、化学的な蒸着により形成された
シリコンカーバイドから形成されるものである。正味の
形状の成形型１０の構成についてサブストレートとして
使用可能な他の材料は、スチール，ジルコニア（zircon
ia），タングステンカーバイド，バイコール（Vycor：
商標），ガラス等である。正味の形状の成形面１２は、
変量が約１０波長（１０λ）程度の範囲内にある形状と
して規定され得るベース面の形状を成すように研削され
たものである。上記正味の形状の成形面１２の表面粗さ
は、約１００Å程度にすることができ、一般に、約２０
ÅＲＭＳから約１００ÅＲＭＳまでの範囲にある。この
研削作業は、コンピュータ数値制御式のグラインダを用
いて実行され得る。この場合において、正味の形状の成
形面１２からサブストレート内に幾つかの微小なクラッ
ク１３が広がりがちであろう。

【００１１】図２に示されるように、被膜１４が正味の
形状の成形面１２に形成される。被膜１４に選ばれる材
料は、正味の形状の成形型１０に選ばれた材料と接合す
べきである。被膜１４の厚さは、好ましくは、約１ミク
ロンから約１０ミクロンの範囲内にあるべきである。こ
の被膜１４は、均一に形成される必要がある。被膜厚の
決定に関係する要素は、被膜１４に選ばれた材料及び存
在する非球形の偏差の度合いを含んでいる。非球形の偏
差は、正味の形状の成形面１２の形状とその所望の形状
との間の変量である。好ましくは、被膜１４は、正味の
形状の成形型１０に選ばれた材料と一致する幾つかのガ
ラス構成部品のゾルゲル（sol-gel）である。このた
め、例えば、石英ガラスから作られた正味の形状の成形
型１０とともに、被膜１４にはシリカゲルが使用され得
る。

【００１２】被膜１４は、図３に示されるように、被膜
１４上に旋削面１６をもたらすべく、コンピュータ数値
制御式の旋盤において旋削させられる。旋削面１６の形
状のパターンは、次の層１４の凝集について適宜に較正
される。このように層１４上に形成された旋削面１６が
あれば、層１４の凝集が加熱により完了させられ、それ
によって、旋削面１６が凝集させられた面内に、約２５
から約５０ÅＲＭＳまでの範囲にある良好な形状及び粗
さを備えつつ移される。ここで、良好な形状とは、面形
状が、谷部に対するピークがおよそ４分の１波長（λ／
４）の精度という試験結果が得られるという意味で規定
され得る。被膜１４は、正味の形状の成形型１０のサブ
ストレートへ凝集させられた面を移すように、好ましく
は、受動又は反動的なフライス盤のいずれかによりエッ
チングされて分離される。これにより、図４に示される
ような、エッチングプロセスによって形成された成形面
２０を有する成形型１８がもたらされる。当然ながら、
エッチングは、イオン銃によるイオンフライス盤，ＲＦ
スパッタエッチング、若しくは、化学的な補助を受ける
ＲＦスパッタエッチングなどの多くの方法により達成さ
れ得る。

【００１３】シリカゲル及び正味の形状の成形型１０に
選ばれた材料（例えば石英ガラス）の熱膨張係数が一致
する場合には、被膜１４をエッチングして分離する必要
をなくすることができる。ガラス製の光学部品の成形
は、所定位置における層１４及び凝集させられた面を用
いて行われる。

【００１４】被膜１４の形成には、ゾルゲルの代わりと
して、フォトレジストを使用してもよい。特に、エムエ
ー（ＭＡ）のニュートンにあるシップレイ社（Shipley
Company，Inc．）により製造されるイーグル２１００
ＥＤフォトレジストが研削された面１２に対して均一に
形成され得ることが分かっている。この特定のフォトレ
ジストは、形状又は幾何学的な複雑さにかかわらず、水
性の乳剤から電気的に導電性のある面へ電気泳動によっ
て付着させられる。かかるフォトレジストの被膜は、約
１ミクロンから約１０又はそれ以上のミクロンの範囲に
納まる必要がある。フォトレジストの被膜１４が一旦加
えられれば、好ましくは、その上に層１４を備えた正味
の形状の成形型１０がオーブン内に配置されることによ
り、それは加熱されて、旋削が可能になるために適切な
レベルの剛性又は硬度が達成される。適切なレベルの剛
性（部分的な凝集）を達成するのに必要とされる温度及
び加熱時間は、経験に基づいて決定される。そのレベル
の剛性が一旦達成されれば、被膜１４は、良好な面形状
や約２５Åから約５０ÅＲＭＳまでの範囲の粗さを備え
た旋削面を達成すべく、もう一度旋削させられる。

【００１５】旋削面１６が達成された後には、その上に
被膜１４を備えた正味の形状の成形型１０を焼付けする
ことにより、層１４の凝集が完了させられる。層１４の
過度の乾燥を防止するために、焼付け温度は２５０℃を
越えてはならない。凝集を十分に達成するための実際の
温度及び加熱時間は、再度、経験に基づいて決定されて
もよい。イーグル２１００ＥＤフォトレジストに関する
シップレイ社の報告書によれば、加熱又は焼付け作業に
よって、付着された乳剤のミセル（micell）は凝集され
る。層１４の加熱は、層１４の乳剤におけるポリマーの
分子の連鎖間にある架橋結合をもたらすものと確信され
ている。その後、層１４は、旋削され凝集させられた面
が正味の形状の成形型１０のサブストレートへ移される
ようにエッチングにより分離され、その結果、その内部
に成形面２０を備えた成形型１８が得られることにな
る。

【００１６】ゾルゲル又は電気泳動によって加えられた
乳剤を使用することにより、正味の形状の研削された成
形型が、その内部でエッチングにより高度に研磨された
成形面２０が達成されて形成される。本発明の研磨技術
は、同じ面を研磨するのに一般に約１週間を要する従来
技術の方法に対して、約数時間で研磨を完了することを
可能とする。加えて、複数の型が、単一のイオンフライ
ス盤において同時に研磨されるため、成形型１０が研磨
され得るユニットについての速度を向上させることがで
きる。

【００１７】また、代わりとして、層１４をサブレート
上に電気メッキされ、１点式のダイアモンドにより旋削
させられ得る金のような軟質の金属から作ってもよい。
層１４が完全に除去されるように、良好な形状を有する
旋削面１６はサブストレートへエッチングされ、それに
よって、硬質のサブストレートに精密に研磨された成形
面２０を備えた成形型１８がもたらされる。層１４に軟
質の金属を用いた場合には、軟質金属のエッチング速度
とその下にあるサブストレートのエッチング速度との間
に不均衡が存在しがちであるため、正味の形状の面１２
が良好な形状を有することが必要である。

【００１８】本発明のプロセスは、層１４に他の材料を
用いて実施されることが可能である。所望の均一な被膜
厚を達成すべく電気泳動によって加えられ得る、また、
所望の高度を得ることができる他の材料が存在するかも
しれない。同様に、所望の被膜厚及び硬度を得るために
均一に加えられ得るポリマーが存在するかもしれない。
層１４に選ばれたゾルゲル又はフォトレジストのいずれ
についても、選ばれた材料のエッチング速度が、サブス
トレートのエッチング速度にほぼ一致する、若しくは近
似することが望ましい。同じことは、層１４に用いられ
るポテンシャルポリマーのいずれについても言えるであ
ろう。

【００１９】なお、本発明は、例示された実施の形態に
限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
において、種々の改良及び設計上の変更が可能であるこ
とは言うまでもない。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、例えば非球形の光学部品等の、非平面で非球
形の面を精密に研磨することができる。また、従来の非
往復機構による研磨方法よりも迅速に実行可能である。
更に、ベース面の形状を有する研削された面の表面粗さ
を軽減させつつ、良好な面形状を備えた精密に研磨され
た面を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態に係る正味の形状の成形
型の断面説明図である。

【図２】 正味の形状の成形面に加えられた被膜を有す
る上記成形型の部分的な断面説明図である。

【図３】 上記被膜の面が表面張力が平滑となるように
１点式のダイアモンドにより旋削され加熱された、上記
正味の形状の成形面に加えられた被膜を有する上記成形
型の部分的な断面説明図である。

【図４】 エッチングにより得られる精密に研磨された
面を有する上記成形型の部分的な断面説明図である。

【図５】 上記成形型の斜視図である。

【符号の説明】

１０…成形型 １２…成形面 １４…被膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非平面で非球形の面を精密に研磨する方
   法であって、 （ａ）サブストレートにおいてベース面の形状を備えた
   非平面で非球形の面を生成し、 （ｂ）所定の材料を用いて上記面上に層を形成し、 （ｃ）良好な面形状を備えた層の面をつくるように、１
   点式のダイアモンドにより層を旋削し、 （ｄ）上記層を完全に除去すべく、上記サブストレート
   へ層の面をエッチングし、良好な面形状を移すことを特
   徴とする非平面且つ非球面の研磨方法。
2. 【請求項２】 上述した１点式のダイアモンドにより旋
   削するステップより前に、層を部分的に凝集させるステ
   ップを有することを特徴とする請求項１記載の非平面且
   つ非球面の研磨方法。
3. 【請求項３】 上記層が電気泳動により形成されること
   を特徴とする請求項１記載の非平面且つ非球面の研磨方
   法。