JP2000226219A - 光学素子の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置を大型化することなく、大口径の光学素
子を精度良く製造することができるとともに、メンテナ
ンス性の優れた光学素子の製造装置及び製造方法を提供
する。 【解決手段】 チャンバ１０に軸方向移動自在に設けた
上下のプレス軸１１、１２に光学素子成形用の金型１
３、１４を取り付け、チャンバ１０の外方には加熱ユニ
ット２０を回転自在に取り付ける。加熱ユニット２０の
外枠２１の内方には半円弧状の加熱ランプ２２を二つ組
み合わせて略環状としたものが上下に複数段並べられて
加熱ランプ２２群が形成され、これが両金型１３、１４
を上下に延びて取り囲んでいる。加熱ユニット２０は、
加熱ランプ２２の加熱出力と連動して作動する加熱ユニ
ット回転装置２５により駆動されるようになっており、
加熱ランプ２２による加熱が行われている間、チャンバ
１０まわりを回転する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非球面レンズに代
表される高精度光学素子をプレス成形により形成する光
学素子の製造装置及び製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高精度非球面レンズや特殊形状光
学素子（プリズムやフライアイレンズ等）をプレス成形
により製造する方法が用いられるようになってきた。こ
のような方法によれば、従来行われてきた複雑な研磨工
程は省かれるので、同形状の光学素子を多量且つ安価に
製造することが可能である。以下、図５を参照して、ボ
ール状のガラス素材をプレス成形して両凸面状の光学素
子を製造する方法の一例について説明する。

【０００３】図５は従来の光学素子の製造装置であり、
円筒形の石英ガラス壁３０ａを有するチャンバ３０内に
上下方向に延びた上下のプレス軸３１、３２が軸方向
（上下方向）移動自在に設けられている。プレス軸３
１、３２のそれぞれの端部には、製造しようとする光学
素子の形状が転写された成形面（高精度に研磨加工され
ている）を有する上下の金型３３、３４及びこれら金型
３３、３４を覆う胴型３５、３６が、プレート３７、３
８を介して取り付けられている。チャンバ３０の外方に
は加熱ユニット３９が設けられており、この加熱ユニッ
ト３９には複数の加熱ランプ４０が上下に並んで取り付
けられている。

【０００４】このような装置において光学素子を得るに
は、先ず、ボール状のガラス素材４１を下側の金型３４
の上面に設置した状態で金型３３、３４等が酸化しない
ようにチャンバ３０内の空気を窒素ガスに置換する。そ
して光学素材４１が変形可能な温度まで加熱ランプ３９
でチャンバ３０内を加熱した後、上下のプレス軸３１、
３２で適当な時間、適当な押圧力でプレスして金型の形
状を光学素材４１に転写させる。次に光学素材４１の転
移温度より充分低い温度まで冷却した後、光学素材に転
写された成形面形状が安定したところでプレス圧力を除
去し、更に取り出し可能温度にまで冷却した後大気を導
入し、上下の金型３３、３４を開いて成形された光学素
子を取り出す。このようにして両凸形状の光学素子が得
られる。

【０００５】また、特開平５−１８６２３０号公報には
上記のような光学素子の製造装置において、半円弧状の
加熱ランプ及び熱反射用の反射ミラーを二つずつ合わせ
て略環状としたものを上下に複数段重ねて加熱ユニット
を構成した装置が開示されており、また、特開平５−３
１０４３４号公報には加熱ランプに代えて高周波コイル
を用いるとともに、この高周波コイルを上下に移動させ
るための機構を備えた装置が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術において、高周波コイルを熱源とする場合には
金型の上下別の温度調整が難しく、このため形状等が複
雑な光学素子を高精度で製造するのは困難であった。ま
た、加熱ランプを略環状に組み合わせたものを上下に複
数段重ねて構成したものを熱源として使用する場合に
は、上記問題を解決するには有効であるが、図３に示す
ように加熱ランプの電極部（図３では２２ｂ）付近の領
域Ｄ１、Ｄ２は加熱されにくく、これら領域Ｄ１、Ｄ２
にまで広がるような大口径の光学素子の製造には適さな
かった。従って従来の装置は、装置の中央部で小口径の
光学素子を一つ製造するか、若しくは上記領域Ｄ１、Ｄ
２に掛からない程度に小口径の光学素子を複数個輪状に
設置して製造する（この場合にはチャンバ内に複数個の
金型を設けることとなる）ような場合に使用が限定され
ていた。また、この装置を大型化して大口径の光学素子
を製造する方法も考えられるが、この場合には加熱及び
冷却に要する時間が長くなり、製造単価が高くなってし
まうという問題があった。

【０００７】更に、スパイラルタイプの加熱ランプを用
いて上下の金型を覆うようにすることもできる。この場
合には電極部分の総数が少なくなるため加熱されない領
域も減り、円周方向の均熱性を高めることができるが、
上下の金型の温度バランス調整が困難であるとともに、
加熱ランプを交換する必要があるときには加熱ユニット
全体を解体しなければならず、作業性が良くないという
問題があった。

【０００８】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであり、装置を大型化することなく、大口径の光
学素子を精度良く製造することができるとともに、メン
テナンス性の優れた光学素子の製造装置及び製造方法を
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明に係る光学素子の製造装置は、上下方向に相
対移動可能な上下の金型と、両金型を上下に延びて取り
囲むように配設された加熱手段（例えば、実施形態にお
ける加熱ランプ２２群）とを有し、加熱手段により加熱
されて軟化した光学材料を両金型でプレス成形して光学
素子を得る光学素子の製造装置において、加熱手段が加
熱を行っている間、加熱手段を両金型に対して相対的に
回転させる作動を行う回転手段（例えば、実施形態にお
ける加熱ユニット回転装置２５）を備える。なお、この
「回転」は、一方向の単純回転であってもよく、又は一
定周期で正逆反転する回転等であってもよい。

【００１０】このような構成の光学素子の製造装置で
は、光学素材を軟化させる過程及び軟化した光学素材を
プレス成形する過程において、加熱手段が上下の金型の
まわりを回転若しくは回動するので、光学素子の製造
中、加熱手段により囲まれる空間の温度は円周方向に均
一化され、製造中の光学素子の内部には円周方向に偏り
のない温度分布が形成される。このため加熱手段に近接
するような大口径の光学素子であってもアス（円周方向
の歪み）を小さくして高精度に製造することが可能であ
る。また、このような大口径の光学素子を装置自体を大
型化して製造した場合と比較すると、この製造装置では
熱容量が小さいため加熱及び冷却に消費される電力等を
節約できるとともに、加熱及び冷却にかかる時間を短く
することができるので、コスト的に有利である。なお上
記製造装置において、加熱手段による加熱と回転手段に
よる作動とが連動して行われるように構成することが好
ましい。

【００１１】更に、上記加熱手段が、半円弧状の加熱ラ
ンプを二つ組み合わせて略円環状としたものを上下に複
数段並べて構成されたものであることが好ましい。この
ような構成であれば、加熱ランプは個々に取り外しが可
能になるので、故障時にはその加熱ランプのみの交換を
行えばよく、加熱手段をスパイラルタイプの加熱ランプ
とする場合よりもメンテナンス性が良好になるととも
に、加熱ランプの加熱出力を個々に調整することが可能
になるので、上下の金型に温度差を与える必要があると
きには容易にこれを行うことが可能となる。

【００１２】また、本発明に係る光学素子の製造方法
は、加熱手段により加熱されて軟化した光学素材を上下
の金型でプレス成形して光学素子を得る光学素子の製造
方法において、加熱手段を両金型に対して相対的に回転
させながら加熱を行う。これにより上記光学素子の製造
装置における効果を得ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の好
ましい実施形態について説明する。図１は本発明に係る
光学素子の製造装置（以下、製造装置と称する）１の構
成を示している。この製造装置１は、円筒形の石英ガラ
ス壁１０ａを有するチャンバ１０内に上下方向に延びた
上下のプレス軸１１、１２が設けられており、これらプ
レス軸１１、１２のそれぞれの端部には、製造しようと
する光学素子の形状が転写された成形面（高精度に研磨
加工されている）を有する上下の金型１３、１４及びこ
れらの金型１３、１４の外方を覆う超硬性の胴型１５、
１６が、プレート１７、１８を介してボルト（図示せ
ず）により着脱自在に取り付けられている。両プレス軸
１１、１２は図示しないプレス軸移動用モータにより駆
動されて軸方向（上下方向）にスライド移動することが
可能になっている。また、チャンバ１０の下部には光学
素材及び製造された光学素子の出し入れを行うための扉
（図示せず）が設けられている。

【００１４】チャンバ１０の外方には加熱ユニット２０
がチャンバ１０のまわりを回転自在に設けられている。
加熱ユニット２０は上下に延びた円筒状の外枠２１と、
図２に示すように半円弧状の電球部２２ａとその両端の
電極部２２ｂとを有して外枠２１の内方に取り付けられ
る複数の加熱ランプ２２とを有して構成されている。外
枠２１の内壁上には外枠２１の中心軸を挟んで互いに対
向するように上下に延びて形成された二つのソケット列
（複数のソケットが並んだもの。図示せず）が設けられ
ており、これらソケット列の各ソケットに加熱ランプ２
２の両電極部２２ｂが取り付けられるようになってい
る。このため外枠２１の内方においては、加熱ランプ２
２を二つ組み合わせて略環状としたものが上下に複数段
並べられて加熱ランプ２２群を形成しており、これが両
金型１３、１４を上下に延びて取り囲んだ状態となって
いる。

【００１５】加熱ユニット２０の外部には、加熱ランプ
２２の出力制御を行う加熱出力制御装置２３が設けられ
ており、この加熱出力制御装置２３には全加熱ランプ２
２の加熱出力を同時にオンオフさせるオンオフスイッチ
２３ａと、加熱ランプ２２の個々の出力調整（温度調
整）を行う複数の出力調整つまみ２３ｂとを備えてい
る。オンオフスイッチ２３ａを操作したときには加熱ラ
ンプ２２全ての出力がオンになり、これによりチャンバ
１０内を加熱することができるようになっている。ここ
で、胴型１５、１６は加熱ランプ２２により直接加熱さ
れるが、金型１３、１４は主に胴型１５、１６からの熱
伝導により加熱されるようになっている。なお、外枠２
１の内壁には熱反射用の反射ミラー２４が取り付けられ
ており、これにより加熱ランプ２２から放出された熱が
チャンバ１０内に効果的に供給される。

【００１６】また、上記オンオフスイッチ２３ａは加熱
ユニット２０を（すなわち加熱ランプ２２群を）チャン
バ１０まわりに（すなわち金型１３、１４まわりに）回
転させる作動を行う加熱ユニット回転装置２５（モー
タ、ギヤ装置のほか、その制御装置を備えている）に接
続されている。ここで加熱ユニット回転装置２５は、オ
ンオフスイッチ２３ａからオン信号が入力されていると
きには加熱ユニット２０を任意に設定可能な所定の回転
速度でチャンバ１０まわりに回転させ、またオフ信号が
入力されているときには加熱ユニット２０を作動させな
い（加熱ユニット２０が回転中であれば停止させる）。
ここで、「回転」とは、一方向の単純回転のほか、一定
周期で正逆反転する回転等をも意味する。

【００１７】このような構成の製造装置１を用いて光学
素子を製造する場合には、先ず下側のプレス軸１２を下
降させ、前述したチャンバ１０の扉を開けて製造する光
学素子の材料となる光学素材Ｍを下側の金型１４上に設
置する。この光学素材Ｍは平凸形状（下に凸）をしてお
り、両面が充分に研磨されている。そして光学素材Ｍが
加熱ユニット２０に囲まれた所定の位置に位置するよう
に、前述のプレス軸移動用モータを駆動して上下のプレ
ス軸１１、１２を上下移動させる（図１の状態）。次に
チャンバ１０内を真空に若しくは窒素ガスに置換してチ
ャンバ１０内の酸素分子濃度を所定の値（ρ）にまで低
下させる。これは、以後の加熱により金型１３、１４等
が酸化するのを防ぐためである。

【００１８】このような準備が完了したら、加熱出力制
御装置２３の出力調整つまみ２３ｂを操作して各加熱ラ
ンプ２２の加熱出力を調整した上で、オンオフスイッチ
２３ａを操作して加熱ランプ２２の出力をオンにし、チ
ャンバ１０内を加熱する。これによりチャンバ１０内の
温度は上昇する。また、オンオフスイッチ２３ａがオン
にされて加熱ランプ２２が加熱出力を行っているときに
は加熱ユニット回転装置２５も作動し、加熱ユニット２
０をチャンバ１０のまわりに所定の回転速度（Ｖ）で回
転させる。これにより加熱ランプ２２群が上下の金型１
３、１４まわりを回転する。なお、ここで、加熱ユニッ
ト２０はチャンバ１０まわりを一方向に単純回転するの
でもよく、また、一定周期で正逆反転しながら回転する
のでもよい。

【００１９】チャンバ１０内の温度が光学素材Ｍが軟化
する温度近くまで上昇したら、出力調整つまみ２３ｂを
操作して各加熱ランプ２２の温度調整を行い、チャンバ
１０内の温度が予め定めた所定温度（Ｔ１）に保持され
るようにする。チャンバ１０内の温度が上記所定温度
（Ｔ１）に所定時間（ΔＴ）保持されたら、上側のプレ
ス軸１１を所定の位置まで下降移動させ、上下の胴型１
５、１６が当接し合うまで所定の押圧力（Ｐ）でプレス
する。これにより、軟化した光学素材Ｍは上下の金型１
３、１４に挟み込まれ、金型１３、１４の形状が転写さ
れて所定の形状に成形され、光学素子が得られる。

【００２０】上記プレス後は、各加熱ランプ２２の温度
調整を行いながら所定の温度降下速度（Ｑ）で冷却を行
う。チャンバ１０内の温度が所定の温度（Ｔ２）にまで
下がったら上側のプレス軸１１を上昇移動させて光学素
子に作用する押圧力を除去し、加熱ランプ２２による加
熱を停止する（同時に加熱ユニット２０の回転も停止さ
れる）。続いてチャンバ１０内に窒素ガスを供給して所
定の取り出し可能温度（ほぼ常温）まで強制冷却を行
う。チャンバ１０内の温度が上記取り出し可能温度まで
下がったらチャンバ１０内に大気を導入し、光学素子を
取り出す。なお、上述したように上下の金型１３、１４
の成形面は高精度に研磨加工されているため、この光学
素子は最早研磨加工は不要である。

【００２１】このように製造装置１を用いて光学素子を
製造することができるのであるが、上記製造装置１で
は、光学素材Ｍを軟化させる過程及び軟化した光学素材
Ｍをプレス成形する過程において、加熱ユニット２０が
（すなわち加熱ランプ２２群が）チャンバ１０まわりを
（すなわち上下の金型１３、１４のまわりを）回転する
ので、図３に示すように加熱ランプ２２の電極部２２ｂ
付近には充分に加熱されない領域Ｄ１、Ｄ２ができるに
も拘わらず、光学素子の製造中、加熱ランプ２２群によ
り囲まれる空間（すなわちチャンバ１０内空間）の温度
は円周方向に均一化され、製造中の光学素子の内部には
円周方向に偏りのない温度分布が形成される。このため
加熱ランプ２２に近接するような大口径の光学素子であ
ってもアス（円周方向の歪み）を小さくして高精度に製
造することが可能である。また、このような大口径の光
学素子を装置自体を大型化して製造した場合と比較する
と、この製造装置１では熱容量が小さいため加熱及び冷
却に消費される電力等を節約できるとともに、加熱及び
冷却にかかる時間を短くすることができるので、コスト
的に有利である。

【００２２】また上記製造装置１においては、加熱ラン
プ２２は個々に取り外しが可能であるので、故障時には
その加熱ランプ２２のみの交換を行えばよく、スパイラ
ルタイプの加熱ランプを用いた場合のように加熱ユニッ
ト２０全体を解体する必要がなく、メンテナンス性が良
好である。また、加熱ランプ２２は個々に出力調整が可
能であるので、上下の金型１３、１４に温度差を与える
必要があるときには容易にこれを行うことができる。従
って複雑な形状の光学素子の製造にも適している。

【００２３】なお、上記製造装置１は、加熱ランプ２２
の加熱出力と加熱ユニット２０の回転作動とはオンオフ
スイッチ２３ａのオンオフ操作により同時に行われるも
のであった（すなわち連動していた）が、これら加熱出
力と回転作動とはそれぞれ別個に行われても構わない。
但し、加熱ランプ２２が加熱出力を行っているときには
少なくとも加熱ユニット２０を回転させることが好まし
い。また、加熱ユニット２２に設けられる加熱ランプ２
２群は、加熱ランプ２２を上述の半円弧状でなく直線状
のものとし、井桁型に組んで構成することも可能であ
る。

【００２４】また、上述したように金型１３、１４はプ
レス軸１１、１２に対して着脱自在になっており、金型
１３、１４を交換するのみで形状の異なる種々の光学素
子を製造することが可能である。この場合光学素子の形
状は問わず、平面形状や両凹形状等であってもよい。ま
た光学素材の材質や初期の形状も問わない。従って上記
実施例の場合のような平凸形状のものに限られず、ボー
ル状や近似球面形状等の光学素材であっても使用でき
る。

【００２５】なお、金型１３、１４の材料としては、ガ
ラスプレス成形に耐え得るに充分な強度を有し、成形面
をＲmax ＝１０オングストローム以下に鏡面加工するこ
とが可能な材料、例えばタングステンカーバイド（Ｗ
Ｃ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、チタンナイトライド（Ｔｉ
Ｎ）、或いはチタンカーバイド（ＴｉＣ）を主成分とす
るサーメット等であることが好ましい。

【００２６】また、上記実施例においては加熱ランプ２
２群を上下の金型１３、１４のまわりに回転させる構成
であったが、加熱ランプ２２群と上下の金型１３、１４
とは互いに相対回転すればよいのであり、加熱ランプ２
２群を固定した上で上下の金型１３、１４を軸回りに回
転させても構わない。

【００２７】

【実施例】以下に、上記製造装置１を用いて光学素子を
製造した具体的な実施例を示す。この実施例において用
いた製造装置１は図１に示したものと同様であり、上下
金型１３、１４の成形面は研削研磨により曲率Ｒ３０の
凸面形状（上側の金型１３）及びＲ５０の凹面形状（下
側の金型１４）に形成されている。またこれらの成形面
は鏡面加工された上、イオンプレーティング法により厚
さ２μｍの白金−イリジウムの合金がコーティングされ
ている。光学素材Ｍはガラスとした。製造装置１内の空
気は窒素ガスに置換して酸素分子濃度（前述のρ）を１
０ｐｐｍ以下にした。加熱ランプ２２で加熱してチャン
バ１０内の温度を７２０℃（前述のＴ１）とし、これを
３分間（前述のΔＴ）保持させた後、上側の金型１３を
下降させて１トンの押圧力（前述のＰ）でガラス素材を
プレスした。また、加熱ランプ２２は加熱出力を行わせ
ながら金型１３、１４のまわりを１分間当たり１８０度
の回転速度（前述のＶ）で正逆回転させた。プレス後、
０．３度／ｓｅｃの温度降下速度（前述のＱ）で６１０
℃（前述のＴ２）まで冷却した後除圧し、加熱ランプ２
２の回転を停止させた。その後、窒素ガスによる強制冷
却等を行って取り出し温度まで温度を下げ、光学素子を
得た。このようにして得られた光学素子Ｓを図４に示
す。この光学素子の上面Ｓ１は曲率Ｒ３０の凹面形状と
なり、また下面Ｓ２は曲率Ｒ５０の凸面形状となる。こ
のようにして得られた光学素子Ｓは、機能面形状の崩れ
もなく、アス量は光学素子Ｓの外径φ６０ｍｍに対して
全く無視できる程度に収まり、安定した形状を保ってい
た。

【００２８】

【比較例】比較のため、加熱ランプ２２の回転を行わず
に上記実施例と同様の手順で光学素子を製造した。その
結果、加熱ランプ２２の電極方向（一方の電極２２ｂか
ら他方の電極２２ｂへ向かう方向）と、これに対して直
角な方向（両方向は共に水平面内にある）とでアスが発
生していた。アス量は光学素子の外径φ６０ｍｍに対し
て約２ミクロンであり、光学性能を満足できるものでは
なかった。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、光学素材を軟化させる過程及び軟化した光学素材を
プレス成形する過程において、加熱手段が上下の金型の
まわりを回転若しくは回動するので、光学素子の製造
中、加熱手段により囲まれる空間の温度は円周方向に均
一化され、製造中の光学素子の内部には円周方向に偏り
のない温度分布が形成される。このため加熱手段に近接
するような大口径の光学素子であっても、アス（円周方
向の歪み）を小さくして高精度に製造することが可能で
ある。また、このような大口径の光学素子を装置自体を
大型化して製造した場合と比較すると、この製造装置で
は加熱及び冷却に消費される電力等を節約できるととも
に、加熱及び冷却にかかる時間を短くすることができる
ので、コスト的に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学素子の製造装置の構成を示す
模式的な正面図である。

【図２】上記製造装置に用いられる加熱ランプの構成を
示す平面図である。

【図３】加熱ランプにおいて、電極部付近の充分に加熱
されない領域を示す説明図である。

【図４】実施例において製造された光学素子を示す正面
図である。

【図５】従来の光学素子の製造装置の構成を示す模式的
な正面図である。

【符号の説明】

１ 製造装置 １１、１２ プレス軸 １３、１４ 金型 １０ チャンバ ２０ 加熱ユニット ２１ 外枠 ２２ 加熱ランプ ２３ 加熱出力制御装置 ２３ａ オンオフスイッチ ２５ 加熱ユニット回転装置 Ｍ 光学素材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上下方向に相対移動可能な上下の金型
   と、 前記両金型を上下に延びて取り囲むように配設された加
   熱手段とを有し、 前記加熱手段により加熱されて軟化した光学材料を前記
   両金型でプレス成形して光学素子を得る光学素子の製造
   装置において、 前記加熱手段が加熱を行っている間、前記加熱手段を前
   記両金型に対して相対的に回転させる作動を行う回転手
   段を備えたことを特徴とする光学素子の製造装置。
2. 【請求項２】 前記加熱手段による前記加熱と前記回転
   手段による前記作動とが連動して行われるように構成し
   たことを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造装
   置。
3. 【請求項３】 前記加熱手段が、半円弧状の加熱ランプ
   を二つ組み合わせて略円環状としたものを上下に複数段
   並べて構成されたものであることを特徴とする請求項１
   又は請求項２記載の光学素子の製造装置。
4. 【請求項４】 加熱手段により加熱されて軟化した光学
   素材を上下の金型でプレス成形して光学素子を得る光学
   素子の製造方法において、 前記加熱手段を前記両金型に対して相対的に回転させな
   がら前記加熱を行うことを特徴とする光学素子の製造方
   法。