JP2000249812A - 光学素子、この光学素子の成形用型及びこの成形用型の加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学有効径内における曲面の形状にかかわら
ず、光学有効径外における面を容易に成形することがで
きる光学素子、この光学素子の成形用型及びこの成形用
型の加工方法を提供すること。 【解決手段】 光学有効径内が曲面でなる内周部１ｂ
と、前記内周部１ｂと連続した光学有効径外の面が前記
光学有効径内の曲面の曲率より滑らかな非球面でなる外
周部１ａとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プレス成形によっ
て成形される光学素子、この光学素子の成形用型及びこ
の成形用型の加工方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学機器は、小型化、薄型化が要
求されており、搭載する鏡筒部には様々な工夫がなされ
ている。鏡筒部の光学系を構成する光学素子の曲面は、
曲率が滑らかな（以下、単に「滑らか」という）形状で
あり、その光学有効径内の曲面と光学有効径外の曲面と
が連続するように、その曲面の形状を表す所定の式（以
下、「曲面式」という）に基づいて成形されていた。以
下の説明では、その曲面が非球面であれば非球面式とい
う。

【０００３】図８は、光学機器に搭載された鏡筒部の光
学系を構成する従来の光学素子の構成例を示す断面図で
ある。鏡筒部１０３は、例えば光学素子としての第１レ
ンズＧ１０１及び第２レンズＧ２並びに、光学素子とし
てのＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉ
ｃｅ）を有する受光部９を備える。

【０００４】第１レンズＧ１０１は、例えば一方の面が
所定の曲面式に基づく曲面、例えば非球面Ｓ１０１でな
り、他方の面が凹型の曲面Ｓ２を有するレンズである。
第２レンズＧ２は、凹面Ｓ３及び凸面Ｓ４を有する。第
１レンズＧ１０１は、光学有効径内の内周部１０１ｂ及
び、光学有効径外の曲面でなる周辺部１０１ａを有す
る。周辺部１０１ａでは、非球面Ｓ１０１を表す非球面
式に基づく非球面２８がやや立ち上がった形状となって
いる。このような第１レンズＧ１０１は、例えば以下の
ような方法により成形される。尚、以下の説明では、第
１レンズＧ１０１は例えば凸レンズのような形状である
と図面を簡略化している。

【０００５】第１レンズＧ１０１は、図９の縦置き研削
ヘッド２５（縦置き研削砥石）によって転写面が加工さ
れた成形用型としてのキャビティー１１８を備えるプレ
ス装置によってプレス成形される。また、第１レンズＧ
１０１は、図１０の横置き研削ヘッド２６（横置き研削
砥石）によって転写面が加工された成形用型としてのキ
ャビティー１１８を備えるプレス装置によってプレス成
形されてもよい。ここで、縦置き研削ヘッドとは、キャ
ビティー１１８をＲ方向に回転させながら研削した際の
ツールマークが成形用型の中心に対して半径方向に入る
研削砥石をいう。これに対して横置き研削ヘッドとは、
ツールマークが同心円上に入る研削砥石をいう。

【０００６】キャビティー１１８は、例えばガラスを材
質とするレンズを成形するため、ガラスとの反応性が少
ないものが良い。また、キャビティー１１８は、高温で
の成形が可能な脆性材料を使用する必要があるため切削
により加工することはできない。従って、キャビティー
１１８は、上述のように研削砥石を使用して研削加工を
行う。

【０００７】プレス装置のキャビティー１１８は、プレ
ス成形した際の光学素子への転写面、例えば図９や図１
０の光学非球面２３の曲率が比較的滑らかであるので、
加工することが比較的容易であった。このようなことか
ら、従来、上述のような要求に応じることが比較的容易
であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、最近、光学
機器の超小型化、超薄型化への要求が高まっている。こ
のような要求を満たすため、例えば鏡筒部３を光軸方向
においてできるだけ薄型化し、光学機器を小型化するに
は、受光部９と第２レンズＧ２を近づければよい。つま
り、鏡筒部３の焦点距離を短くすればよい。しかし、鏡
筒部３の焦点距離を短くするためには、第２レンズＧ２
の曲面Ｓ４にパワーを持たせる必要が生ずる。つまり、
第２レンズＧ２の曲面Ｒ４は、曲率をきつくする必要が
生ずる。これにより、鏡筒部３は、歪曲が大きくなり、
第１レンズＧ１０１の非球面Ｓ１０１にてその歪曲を補
正する必要が生ずる。

【０００９】よって、第１レンズＧ１０１の周辺部１０
１ａ、１０１ａ（外周部）では、急激に立ち上がった形
状となっていた。つまり、第１レンズＧ１０１の球面、
例えば内周面Ｓ１０１の周辺部１０１ａ（光学有効径よ
り若干外側が好ましい）が急激に立ち上がった凸レンズ
等が必要とされている。さらに極端な場合には、光学有
効径外では成形される曲面の方向が逆になり、反転する
ような形状となっていた。

【００１０】第１レンズＧ１０１をこのような形状に成
形するための成形用型（後述する図９〜１４の下キャビ
ティー１１８）は、研削して加工することが以下のよう
な点で困難であった。

【００１１】図８のように第１レンズＧ１０１の周辺部
１０１ａは特殊な形状であり、図９や図１０のキャビテ
ィー１１８における第１レンズＧ１０１を成形するため
の転写面には、第１レンズＧ１０１が例えば凸レンズで
あれば図１１の縦置き研削ヘッド２５や、図１２の横置
き研削ヘッド２６によって加工できない加工不能部１３
０がそれぞれ生じていた。また、キャビティー１１８に
おける第１レンズＧ１０１を成形するための転写面に
は、第１レンズＧ１０１が例えば凹レンズであれば図１
３の縦置き研削ヘッド２５や、図１４の横置き研削ヘッ
ド２６によって加工できない加工不能部１３０がそれぞ
れ生じていた。

【００１２】図１３の縦置き研削ヘッド２５において加
工不能部１３０が生ずるのは、その加工対象となるプレ
ス装置のキャビティー１１８の転写面を所定の形状に加
工する際に、転写面に砥石径より小さな曲面があるこ
と、つまり最小砥石径からの制約を受けるためである。

【００１３】一方、図１４の横置き研削ヘッド２６にお
いて加工不能部１３０が生ずるのは、以下のような点に
よるものであった。つまり、横置き研削ヘッド２６は、
その加工対象となるプレス装置のキャビティー１１８の
転写面を所定の形状に加工する際に、砥石軸２６ａを図
１２のＺ軸方向又は逆に交互にスイングさせながら研削
を行っていた。従って、横置き研削ヘッド２６は、かな
り小さな局所曲面にも対応がきいていた。しかし、この
転写面に砥石径よりさらに小さな曲面があること、つま
り最小砥石径の制約を受けることや、砥石軸２６ａがキ
ャビティー１１８に接触しそうになることにより、キャ
ビティー１１８を有する加工装置における加工プログラ
ム（ＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）プロ
グラム）が、エラーを生じていた。

【００１４】そこで本発明は上記課題を解消し、光学有
効径内における曲面の形状にかかわらず、光学有効径外
における面を容易に成形することができる光学素子、こ
の光学素子の成形用型及びこの成形用型の加工方法を提
供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明にあ
っては、光学有効径内が曲面でなる内周部と、前記内周
部と連続した光学有効径外の面が前記光学有効径内の曲
面の曲率より滑らかな非球面でなる外周部とを有するこ
とを特徴とする光学素子により、達成される。

【００１６】上記構成によれば、光学素子は、光学有効
径内が曲面でなる内周部及び、前記内周部と連続した光
学有効径外の面が前記光学有効径内の曲面の曲率より滑
らかな非球面でなる外周部を有する。従って、光学素子
の外周部は、内周部とは連続しているものの内周部の曲
面形状とは異なり、加工しやすい曲率の滑らかな非球面
に加工されればよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述
べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、
技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明
の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨
の記載がない限り、これらの形態に限られるものではな
い。

【００１８】以下の説明において「曲面式」とは、光学
素子の曲面形状を表す式を示す。また、「非球面式」と
は、例えば光学素子の曲面形状が非球面である曲面式を
示すものとする。

【００１９】図１は、光学機器に搭載される鏡筒部の光
学系を構成する本発明の好ましい実施形態としての光学
素子の構成例を示す断面図である。光学機器は、鏡筒部
３を搭載する例えばカメラである。鏡筒部３は、例えば
光学素子としての第１レンズＧ１及び第２レンズＧ２並
びに、受光素子としてのＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕ
ｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を有する受光部９を有する。

【００２０】第１レンズＧ１は、例えば非球面Ｓ１及び
凹型の曲面Ｓ２を有する。非球面Ｓ１は、例えば所定の
非球面式に基づいて成形された非球面２８及び、この非
球面２８と連続しており、その所定の非球面式とは異な
る別の非球面式に基づいて成形された非球面２９でな
る。つまり、第１レンズＧ１の非球面Ｓ１は、一定の非
球面式によって全ての曲面が成形されておらず、例えば
第１レンズＧ１において光学的に有効なエリアの内側
（以下、「光学有効径内」という）を上述の非球面２８
でなり、第１レンズＧ１において光学的に必要となる有
効なエリアの外側（以下、「光学有効径外」という）を
上述の非球面２９でなる。非球面２９は、非球面２８よ
り曲率が滑らか（以下、単に「滑らか」という）になる
ような非球面２９と接続するように成形されている。
尚、第１レンズＧ１は、凸レンズ、凹レンズ又はメニス
カスレンズ等の光学素子でも良い。また、第１レンズＧ
１の非球面Ｓ１は曲面の一例であり、球面等であっても
良い。

【００２１】第２レンズＧ２は、凹面Ｓ３及び凸面Ｓ４
を有する。鏡筒部３を光軸方向において超薄型にするに
は、第２レンズＧ２のみ１枚の構成とすれば一見良さそ
うであるが、第２レンズＧ２のみでは歪曲が大きすぎて
カメラの鏡筒部３の性能が非常に悪くなることもある。
そこで、鏡筒部３には、この歪曲を補正するために、も
う１枚のレンズ（第１レンズＧ１）を物点側に配置させ
た構成としている。

【００２２】図２は、図１の第１レンズＧ１を成形する
ためのプレス装置５の構成例を示す部分断面図である。
プレス装置５は、例えばベース１４、型取り付け部１
６、下キャビティー１８（成型用型）、上キャビティー
１７（成型用型）、型取り付け部１５、ベース１３、プ
レスシリンダー１１及び所定の加熱手段（図示せず）を
有する。プレス装置５は、例えばリヒートプレスによっ
てプレスし、光学素子を成形するためのものである。こ
こで、リヒートプレスとは、硝材に温度をかけて軟化さ
せプレス成形を行い、光学鏡面に加工されたキャビティ
ーの転写面の形状を転写させることにより、レンズなど
の光学素子を得る方法である。

【００２３】ベース１４は、所定の固定部に固定されて
いる。型取り付け部１６は、ベース１４に設けられてお
り、下キャビティー１８を所定の位置に保持する。下キ
ャビティー１８には、硝材７を所定の形状に成形するた
めの後述する転写面（第１転写面１９及び第２転写面２
０）が成形されている。この説明中、第１転写面１９
は、後述する図３等の第１転写面１９ａ及び図５等の第
１転写面１９ｂの総称として用い、第２転写面２０は、
後述する図３等の第１転写面２０ａ及び図５等の第１転
写面２０ｂの総称として用いる。

【００２４】一方、ベース１３は、図２のようにベース
１３をＺ方向に移動させるためのプレスシリンダー１１
に設けられている。ベース１３には、上キャビティー１
７を所定の位置に保持する型取り付け部１６が設けられ
ている。硝材７と対面する上キャビティー１７には、硝
材７を所定の形状に成形するための転写面が成形されて
いる。

【００２５】従って、プレス装置５は、プレスシリンダ
ー１１がＺ方向に型取り付け部１５を動作させること
で、上キャビティー１７と下キャビティー１８の間で硝
材７を、上キャビティー１７と下キャビティー１８に成
形された各転写面の形状に基づいてプレス成形する。

【００２６】このようなプレス装置５における上キャビ
ティー１７及び下キャビティー１８は、後述する図３等
の第１転写面１９ａ、図５等の第１転写面１９ｂ及び図
３等の第２転写面２０ａ、図５等の第２転写面２０ｂが
それぞれ成形される。第１転写面１９は、例えば図１の
内周部１ｂの非球面式に基づく非球面２８をプレス成形
するための転写面である。一方、第２転写面２０は、例
えば周辺部１ａ（外周部）における別の非球面式に基づ
く非球面２９をプレス成形するための転写面である。

【００２７】下キャビティー１８は、例えばガラスを材
質とする第１レンズＧ１等を成形するのに、ガラスとの
反応性が少なく、また高温での成形が可能な脆性材料を
使用する必要があるため、切削により加工することはで
きない。従って、キャビティー１８は、上述のように研
削砥石を使用して研削加工が行なわれる。尚、上キャビ
ティー１７における第１転写面１９や第２転写面２０の
加工方法は、下キャビティー１８のそれらの加工方法と
同様であるので説明を省略する。

【００２８】下キャビティー１８における第１転写面１
９や第２転写面２０の加工方法には、前述のように縦置
き研削ヘッド２５（縦置き研削砥石）を用いる場合及
び、横置き研削ヘッド２５（横置き研削砥石）を用いる
場合がある。ここで、縦置き研削ヘッドとは、キャビテ
ィー１８をＲ方向に回転させながら研削した際のツール
マークが成形用型の中心に対して半径方向に入る研削砥
石をいう。これに対して横置き研削ヘッドとは、ツール
マークが同心円状に入る研削砥石をいう。

【００２９】図３及び図５は、それぞれ図２の下キャビ
ティー１８を縦置き研削ヘッド２５によって加工する加
工方法を示す断面図である。縦置き研削ヘッド２５は、
図２の硝材７を例えば凸レンズにプレス成形する図３の
第１転写面１９ａ、第２転写面２０ａを加工する。また
縦置き研削ヘッド２５は、図２の硝材７を例えば凹レン
ズにプレス成形する図５の第１転写面１９ｂ、第２転写
面２０ｂを加工する。

【００３０】下キャビティー１８には、図３及び図５に
おいてそれぞれ例えば第１レンズＧ１の光学有効径内
（有効径）をなす図１の非球面Ｓ１の内周部１ｂを成形
するための第１転写面１９ａ、１９ｂ及び、光学有効径
外をなす図１の周辺部１ａ（外周部）を成形するための
第２転写面２０ａ、２０ｂが研削加工される。第１転写
面１９ａは第２転写面２０ａと、第１転写面１９ｂは第
２転写面２０ｂと連続するようにそれぞれ加工される。

【００３１】図４及び図６は、それぞれ図２の下キャビ
ティー１８を横置き研削ヘッド２５によって加工する加
工方法を示す断面図である。縦置き研削ヘッド２５は、
図２の硝材７を例えば凸レンズにプレス成形する図４の
第１転写面１９ａ、第２転写面２０ａを加工する。ま
た、縦置き研削ヘッド２５は、図２の硝材７を例えば凹
レンズにプレス成形する図６の第１転写面１９ｂ、第２
転写面２０ｂを加工する。

【００３２】下キャビティー１８には、図４及び図６に
おいてそれぞれ例えば第１レンズＧ１の光学有効径内
（有効径）をなす図１の非球面Ｓ１の内周部１ｂを成形
するための第１転写面１９ａ、１９ｂ及び、光学有効径
外をなす図１の周辺部１ａ（外周部）を成形するための
第２転写面２０ａ、２０ｂが研削加工される。第１転写
面１９ａは第２転写面２０ａと、第１転写面１９ｂは第
２転写面２０ｂと連続するようにそれぞれ加工される。

【００３３】この下キャビティー１８の研削加工方法に
おいて特徴的なことは、その第２転写面２０の形状を示
す非球面式が、第１転写面１９の形状を示す非球面式と
は異なるように加工することである。好ましくは、第２
転写面２０の形状は、第１転写面１９の曲面形状より
も、例えば曲率の滑らかな非球面又は平面である。

【００３４】下キャビティー１８の第２転写面２０をこ
のような形状に加工することで、図１１〜１４の従来の
下キャビティー１１８に生じていた加工不能部１３０が
生じなくなる。これにより、下キャビティー１８に第１
転写面１９及び第２転写面２０を容易に安定して研削加
工することができる。また、このような加工を行うこと
で、図４のように横置き研削ヘッド２６によって第２転
写面２０を研削加工する際に、横置き研削ヘッド２６の
一部が下キャビティー１８に接触しそうになることを防
止し、ＮＣプログラムにエラーを生じさせなくすること
ができる。

【００３５】下キャビティー１８の転写面は、好ましく
は縦置き研削ヘッド２５によって研削加工されるのがよ
い。これは、横置き研削ヘッド２６によって研削された
研削面（転写面）の方が、縦置き研削ヘッド２５によっ
て研削された研削面に比べてツールマークが深く、研削
された第１転写面１９及び第２転写面２０が面粗度が悪
くなる（粗くなる）ためである。つまり、縦置き研削ヘ
ッド２５により下キャビティー１８を研削加工した場合
の方が面粗度が良くなるためである。鏡筒部３の第１レ
ンズＧ１は、特に面粗度が重要となるため、縦置き研削
ヘッド２５の方が有効な研削加工を行うことができる。
また、研削加工後に下キャビティー１８の転写面の研磨
工程がさらに必要な場合も、面粗度が既に良いので縦置
き研削ヘッド２５の方がその面形状を崩すことが少ない
という利点がある。

【００３６】以上のようにしてキャビティー１７、１８
は研削加工され、次に各キャビティー１７、１８を搭載
するプレス装置５による第１レンズＧ１のプレス成形に
ついて説明する。図７（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図２
のプレス装置によって第１レンズＧ１を成形する様子を
示す部分断面図である。尚、図７（Ｂ）及び（Ｃ）にお
いては、それぞれ説明の簡略化のため第１レンズＧ１を
凸レンズであるとしている。

【００３７】第１転写面１９を有する上キャビティー１
７は、図７（Ａ）のようにプレスシリンダー１１によっ
て上部に引き上げられている。上キャビティー１７及び
下キャビティー１８の間には、例えばガラス等の硝材７
が配置される。プレス装置５には、この硝材７をプレス
成形する際に加熱するための加熱手段が設けられてい
る。

【００３８】図７（Ｂ）のように、プレスシリンダー１
１によって上キャビティー１７を押し下げることによっ
て、上キャビティー１７及び下キャビティー１８は、硝
材７をプレスする。この時、上キャビティー１７及び下
キャビティー１８の少なくとも一方には、上述の図２の
ように第１転写面１９及び第２転写面２０が設けられて
いるので、第１レンズＧ１は、これらの転写面１９、２
０に基づいた形状、例えば図１の第１レンズＧ１のよう
に成形される。

【００３９】次に、プレス装置５は、図７（Ｃ）のよう
に所定の冷却手段によって第１レンズＧ１を冷却して固
化させ、プレスシリンダー１１によって上キャビティー
１７を上昇させる。これにより、第１レンズＧ１には、
例えば前述のような非球面Ｓ１が成形される。

【００４０】本発明の実施形態によれば、第１レンズＧ
１の光学有効径内における曲面の形状にかかわらず、光
学有効径外における面を容易に成形することができる。
光学素子の光学有効径外は、光学素子の光路として使用
しないので自由な形状とすることができる。

【００４１】ところで本発明は上述した実施形態に限定
されるものではない。上述の成型用型（上キャビティー
１７及び下キャビティー１８）は、それぞれ第１レンズ
Ｇ１以外の物をプレス成形する際に使用されてもよい。
同様に、上述の成型用型を加工する方法も、第１レンズ
以外の物をプレス成形するプレス装置に適用することが
できる。また、第１レンズＧ１の周辺部１ａにおける形
状は、非球面の他、球面、トーリック面、円錐面、平面
等に成形されても良い。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光学有効径内における曲面の形状にかかわらず、光学有
効径外における面を容易に成形することができる光学素
子、この光学素子の成形用型及びこの成形用型の加工方
法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光学機器に搭載される鏡筒部の光学系を構成す
る本発明の好ましい実施形態としての光学素子の構成例
を示す断面図。

【図２】図１の第１レンズを成形するためのプレス装置
の構成例を示す部分断面図。

【図３】図２のキャビティーの縦置き研削ヘッドによる
加工方法を示す断面図。

【図４】図２のキャビティーの横置き研削ヘッドによる
加工方法を示す断面図。

【図５】図２のキャビティーの縦置き研削ヘッドによる
加工方法を示す断面図。

【図６】図２のキャビティーの横置き研削ヘッドによる
加工方法を示す断面図。

【図７】図２のプレス装置によってレンズを成形する様
子を示す断面図。

【図８】光学機器に搭載された鏡筒部の光学系を構成す
る従来の光学素子の構成例を示す断面図。

【図９】従来のレンズの成形用型の縦置き研削ヘッドに
よる一般的な加工方法を示す断面図。

【図１０】従来のレンズの成形用型の横置き研削ヘッド
による一般的な加工方法を示す断面図。

【図１１】従来のレンズの成形用型の縦置き研削ヘッド
による一般的な加工方法を示す断面図。

【図１２】従来のレンズの成形用型の横置き研削ヘッド
による一般的な加工方法を示す断面図。

【図１３】従来のレンズの成形用型の縦置き研削ヘッド
による一般的な加工方法を示す断面図。

【図１４】従来のレンズの成形用型の横置き研削ヘッド
による一般的な加工方法を示す断面図。

【符号の説明】 １ａ・・・周辺部（外周部）、１ｂ・・・周辺部、１７
・・・上キャビティー（成型用型）、１８・・・下キャ
ビティー（成型用型）、２８・・・非球面式に基づく非
球面、２９・・・別の非球面式に基づく非球面、Ｇ１・
・・レンズ（光学素子）、Ｓ１・・・非球面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学有効径内が曲面でなる内周部と、 前記内周部と連続した光学有効径外の面が前記光学有効
   径内の曲面の曲率より滑らかな非球面でなる外周部とを
   有することを特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 光学素子をプレス成形するための成形用
   型であって、 前記光学素子の光学有効径内の面を曲面にプレス成形す
   るための第１転写面と、 前記光学素子の光学有効径外の面を、前記第１転写面と
   連続しつつ前記第１転写面の曲率より滑らかな非球面に
   なるようにプレス成形するための第２転写面とを有する
   ことを特徴とする成形用型。
3. 【請求項３】 プレス成形によって光学素子を成形する
   ための成形用型の加工方法であって、 前記光学素子の光学有効径内の面を曲面にプレス成形す
   るための前記成形用型の第１転写面を研削すると共に、 前記光学素子の光学有効径外の面を、前記第１転写面と
   連続しつつ前記第１転写面の曲率より滑らかな非球面に
   なるようにプレス成形するための前記成形用型の第２転
   写面を研削することを特徴とする成形用型の加工方法。
4. 【請求項４】 前記成形用型は、縦置き型の研削ヘッド
   によって研削加工される請求項３に記載の成形用型の加
   工方法。