JP2003251552A - 加工方法、光学素子及び金型の製造方法、光学素子及び光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 目的の面形状が対称性のない自由曲面であっ
ても、加工誤差を小さくする。 【解決手段】 被加工物である石英ブロックの加工領域
を目的の自由曲面形状に近づくよう加工する研削工程
（ステップ１，２）及び研磨工程（ステップ４）と、以
上の工程（ステップ１，２，４）で加工された加工領域
に修正加工を施す修正工程（ステップ５）と、この修正
工程の前に、加工領域を除く領域にアライメントマーク
を加工するマーキング工程（ステップ３）と、を実行す
る。修正工程（ステップ５）では、アライメントマーク
を基準にして、加工領域の形状を測定し（ステップ
６）、この測定結果に基づいて修正加工を施す（ステッ
プ８）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転対称性のない
自由曲面の加工に好適な加工方法、この方法を用いた光
学素子及び金型の製造方法、光学素子及びこの光学素子
を備えた光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、多くの光学素子の光学面は球
面である。一般的に、この球面を得るためには、図１４
に示すように、まず、被加工物１Ｂを研削加工等で加工
し、概略形状創成する。その後、球面８の極値となる位
置、言い換えると、最も高い位置を基準点９として、形
状創成後の形状を測定して、加工誤差を求め、この加工
誤差が無くなるよう、形状創成後の被加工物に修正加工
を施している。

【０００３】一方、光学面が対称性のない自由曲面であ
る場合、研削加工等で形状創成後、測定の基準点を定め
ることが困難であるため、修正加工を施することが難し
い。

【０００４】ここで、光学素子の光学面とその一断面と
の交線、言い換えると、光学素子の断面の輪郭線につい
て考える。任意の複数の断面輪郭線に極値が存在し、且
つ複数の断面輪郭線の各極値が一致する曲面、例えば、
図１４に示すようなものは、極値を特定し易いため、前
述したように、この極値を基準にしては曲面形状を測定
することができる。一方、これを満たさない曲面（以
下、自由曲面とする）は、極値を特定することが困難で
あるため、曲面形状を測定することが難しい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来技
術では、光学面が対称性のない自由曲面である場合、測
定の基準点を定めることが難しく、高精度の自由曲面を
得ることが極めて困難であるという問題点がある。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点に着目
し、仮に、目的の面形状が自由曲面であっても、加工誤
差が極めて小さい面形状を得ることができる加工方法を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、被加工物の所望領域に目的の曲面形状を形成する加
工方法は、前記被加工物の前記所望領域を有する面と同
一面上にアライメントマークを形成するマーキング工程
と、前記アライメントマークを基準にして、前記所望領
域に前記面形状を形成する、ことを特徴とするものであ
る。

【０００８】ここで、前記加工方法では、更に、前記被
加工物の前記所望領域を前記面形状に近づける前加工工
程と、前記アライメントマークを基準にして前記所望領
域の面形状を測定する測定工程とを有し、前記加工工程
では、前記測定工程の測定結果を基に前記所望領域を加
工する、ことが好ましい。このような加工方法を行うこ
とで、ラフな形状創成は前加工工程で行い、最も形状精
度に大きく寄与する加工工程では、アライメントマーク
に基づいて加工するので、短時間で形状精度の高い曲面
を得ることができる。なお、前記マーキング工程、前記
測定工程及び前記加工工程は、前記前加工工程を経た後
に行ってもよい。

【０００９】また、前記マーキング工程では、前記所望
領域と同じ面内に２つのアライメントマークを形成する
ことが好ましい。この場合、２つのアライメントマーク
を結んだ線分を測定方向を定める基準線とし、２つのア
ライメントマークのうちの一方のアライメントマークを
位置を特定するための基準点とする。そして、基準線の
方向を、目的の面形状を表した設計データに設定されて
いる特定の方向と一致させて、基準点を基準にして形状
測定し、この測定結果と設計データとを比較すれば、高
精度な形状誤差を得ることができる。

【００１０】また、前記目的を達成するための光学素子
の製造方法は、以上の加工方法を含み、前記被加工物
は、光学素子の形成材料で、前記目的の曲面形状に形成
された面は、該光学素子の光学面である、ことを特徴と
するものである。

【００１１】また、前記目的を達成するための金型の製
造方法は、以上の加工方法を含み、前記被加工物は、金
型の形成材料である、ことを特徴とするものである。

【００１２】また、前記目的を達成するための加工方法
で製造された光学素子は、光学面は、回転対称性がない
曲面であり、前記光学面を除く領域の一部に、表面上に
特徴点を有する凹部又は凸部が形成されている、ことを
特徴とするものである。

【００１３】ここで、前記凹部又は前記凸部の表面が軸
対称性又は回転対称性を有する滑らかの連続曲面で形成
され、前記特徴点は該曲面の極値を成す点である、こと
が好ましい。また、以上の前記凹部又は前記凸部は、前
記光学面を除く領域に複数形成されている、ことが好ま
しい。

【００１４】また、以上の光学素子を備えた光学装置
は、前記光学素子を収納する収納部材と、該収納部材の
中で該光学素子を支持する支持部材と、を備え、前記支
持部材は、前記光学素子の前記凸部又は凹部に係合する
係合部を有する、ことを特徴とするものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る各種実施形態
について、図面を用いて説明する。

【００１６】まず、図１〜図７を用いて、本発明に係る
光学素子の製造方法の第一実施形態について説明する。

【００１７】本実施形態では、被加工物である石英ブロ
ックから光学素子を製造する。

【００１８】図２に示すように、本実施形態の石英ブロ
ック１は、３００ｍｍ×６０ｍｍ×１００ｍｍの直方体
形状を成している。なお、ここでは、以下の説明の都合
上、寸法３００ｍｍの方向をＸ方向、寸法６０ｍｍの方
向をＹ方向、寸法１００ｍｍの方向をＺ方向としてい
る。

【００１９】光学素子の有効光学面は、この石英ブロッ
ク１のＸＹ平面上の１４０ｍｍ×５０ｍｍの範囲内に形
成される。また、この有効光学面は、図３に示すよう
に、回転対称性のない自由曲面で、以下の式で示される
面形状を成している。なお、以下の式で、Ｘ及びＹの単
位はｍｍで、Ｚの単位はμｍである。

【００２０】Ｚ＝［｛（Ｙ−７０）²／２０００｝−
１］×Ｘ²／２５

【００２１】この自由曲面は、図１４に示すような曲
面、つまり、任意の複数の断面の輪郭線に極値が存在
し、且つ複数の断面輪郭線の各極値が一致する曲面では
ない。具体的に、この自由曲面は、Ｘ＝０を通るＹＺ断
面での輪郭線には、極値が存在しない面である。したが
って、加工領域中に、形状測定の基準となる点は定める
ことは困難である。

【００２２】以下、図１に示すフローチャートに従っ
て、光学素子の製造方法について説明する。

【００２３】まず、図２に示す石英ブロック１を研削し
て、光学素子の概略形状を得る（ステップ１，２）。こ
の研削では、図４に示す研削機１０を用いる。この研削
機１０は、石英ブロック１が載せられるワークテーブル
１１と、このワークテーブル１１をＸＹＺ方向に高精度
に移動させる駆動ステージ１２と、砥石１５ａ，１５ｂ
が搭載される砥石ヘッド１３と、駆動ステージ１２及び
砥石ヘッド１３の動作を制御する制御装置１４と、を備
えている。

【００２４】駆動ステージ１２は、ＸＹＺのそれぞれの
方向に延設されているリニアガイドと、各リニアガイド
の可動部を移動させるためのサーボモータ等で構成され
る駆動手段と、を備えている。この駆動ステージ１２
は、ＸＹＺのそれぞれの方向に、１０ｎｍの位置決め精
度でワークテーブル１１を移動させることができる。砥
石ヘッド１３は、砥石１５ａ，１５ｂが取付けられるス
ピンドルと、このスピンドルを回転させる回転駆動手段
と、を備えている。この砥石ヘッド１３は、砥石１５
ａ，１５ｂを2000ｒｐｍで回転させることができる。

【００２５】研削工程は、第一研削工程（ステップ１）
と第二研削工程（ステップ２）に分かれている。第一研
削工程（ステップ１）では、円盤形状を成し、直径がφ
１００ｍｍで♯４００のレジンボンド砥石１５ａを用い
て、研削機１０により石英ブロック１を研削する。制御
装置１４のメモリには、前述した自由曲面を示す式が記
憶されている。この制御装置１４は、メモリに記憶され
たデータに基づき駆動ステージ１２及び砥石ヘッド１３
を駆動制御する。すると、砥石ヘッド１３に固定された
レジンボンド砥石１５ａにより、石英ブロック１の予め
定めた加工領域が研削され、この加工領域に、光学面と
なる自由曲面の概略形状が創成される。この第一研削工
程の最終段階では、加工領域の形状精度は１μｍＰＶ
（Peak toValley）で、加工領域での表面粗さは０．２
μｍＲＭＳ（Root Mean Square）であった。なお、表
面粗さ測定の際には、２００μｍを基準長さとした。

【００２６】第二研削工程（ステップ２）では、円盤形
状を成し、直径がφ１００ｍｍで♯１５００のレジンボ
ンド砥石１５ｂを用いて、研削機１０により石英ブロッ
ク１を更に研削する。なお、この砥石１５ｂは、砥石回
転軸を含む断面での砥石外周部の曲率半径が１ｍｍであ
る。この第二研削工程でも、第一研削工程と同様に、砥
石ヘッド１３に固定されたレジンボンド砥石１５ｂによ
り、図５に示すように、第一研削工程で研削された加工
領域３がさらに研削される。この第二研削工程の最終段
階では、加工領域３の形状精度は０．１μｍＰＶで、加
工領域３での表面粗さは０．０１μｍＲＭＳであった。
なお、図５において、（ａ）は第二研削工程終了時の石
英ブロック１ａの平面図を示し、（ｂ）は平面図中のｂ
断面図を示し、（ｃ）は平面図中のｃ断面を示してい
る。

【００２７】第二研削工程（ステップ２）が終了する
と、マーキング工程（ステップ３）を行う。このマーキ
ング工程では、図５に示すように、研削が終了した石英
ブロック１ａの加工領域と同一面上で且つ加工領域３以
外の領域にアライメントマーク４を形成する。このマー
キング工程では、第二研削工程で用いた砥石１５ｂをそ
のまま用いる。ここでは、加工領域３内の有効光学面領
域２の−Ｘ側の端の位置をＸ＝０、加工領域内の有効光
学面領域２のＹ方向の中心位置Ｙ＝０に設定し、図２に
示すように、Ｘ方向とＹ方向を定める。そして、石英ブ
ロック１の（Ｘ,Ｙ）＝（−７５，０）の位置に砥石１
５ｂの中心が来るように研削機１０を制御する。その
後、砥石１５ｂの外周面が石英ブロック１ａのＸＹ平面
に接している位置から−Ｚ方向に４５μｍ砥石１５ｂを
ワークテーブル１１に対して相対移動させて、石英ブロ
ック１ａのＸＹ平面上の一部を研削で凹ませる。この凹
みがアライメントマーク４となる。このアライメントマ
ーク４は、Ｘ方向に関しては、砥石直径がφ１００ｍｍ
で、凹みの最深部の深さが４５μｍなので、５ｍｍの幅
になり、Ｙ方向に関しては、砥石外周部の曲率半径が１
ｍｍで、凹みの最深部の深さが４５μｍなので、０．６
ｍｍの幅になる。また、このアライメントマーク４を形
成する凹面は、ＸＹ平面上の（Ｘ,Ｙ）＝（−７５，
０）の点を通るＸ方向に平行な線、及びこの点を通るＹ
方向に平行な線に対して対称な形状である。

【００２８】マーキング工程（ステップ３）が終了する
と、加工領域３の表面粗さを向上させるため、研磨機で
加工領域３を研磨する。図６に示すように、この研磨機
２０は、研削済みの石英ブロック１ａが載せられるワー
クテーブル２１と、このワークテーブル２１をＹ方向に
移動させつつＸ方向に往復移動させる駆動ステージ２２
と、研磨ポリシャ２５が取付けられる研磨ヘッド２３
と、駆動ステージ２２及び研磨ヘッド２３の動作を制御
する制御装置２４と、を備えている。

【００２９】駆動ステージ２２は、ＸＹのそれぞれの方
向に延設されているリニアガイドと、各リニアガイドの
可動部を移動させるためのサーボモータ等で構成される
駆動手段と、を備えている。また、研磨ヘッド２３は、
これに取付けられる研磨ポリシャ２５を回転駆動させる
回転駆動手段と、この研磨ポリシャ２５に−Ｚ方向の荷
重をかける荷重付加手段と、を備えている。

【００３０】この実施形態では、研磨機２０に取付ける
研磨ポリシャ２５としては、金属板にピッチを貼り付け
たもので、外径がφ５ｍｍのものを用いる。

【００３１】研磨工程（ステップ４）は、以下のように
行われる。まず、研削済みの石英ブロック１ａをワーク
テーブル２１にセットし、研磨ポリシャ２５を加工領域
３に位置させる。次に、この研磨ポリシャ２５に荷重を
加えて、石英ブロック１ａに接触させて、この研磨ポリ
シャ２５を回転させる。続いて、ワークテーブル２１を
Ｙ方向に移動させつつＸ方向に往復移動させる。その上
で、このワークテーブル２１の移動中、研磨剤を間欠的
に加工領域３に供給する。なお、研磨剤としては、ここ
では酸化セリウムを用いる。すると、研磨ポリシャ２５
には、−Ｚ方向に一定荷重がかかっているため、加工領
域３を相対移動する過程で、加工領域３が研磨される。
この研磨工程で、加工領域３が鏡面になるまで研磨す
る。この研磨後の加工領域３での表面粗さは０．５ｎｍ
ＲＭＳ（基準測定長２００μｍ）で、第二研削工程後の
表面粗さよりも向上したが、加工領域の形状精度は１０
μｍＰＶで、第二研削工程後の形状精度よりも悪化し
た。

【００３２】研磨工程（ステップ４）が終了すると、研
磨された加工領域３の形状誤差をできる限り小さくする
ため、加工領域３の形状を修正する。この修正工程（ス
テップ５）では、まず、研磨された加工領域３内の面形
状を接触式の三次元形状測定器で測定する（ステップ
６）。

【００３３】面形状測定（ステップ６）では、まず、図
５に示すように、アライメントマーク４中の最深部の位
置（Ｘ,Ｙ）＝（−７５，０）、言い換えると、アライ
メントマーク４を形成する表曲面中の極値を成す位置を
探し、この位置を基準点５とする。続いて、この基準点
５を三次元座標の原点として、加工領域３内の測定形状
データ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）を得る。この測定形状デー
タが得られると、測定形状データ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）
から、設計形状データ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｄｉ）を引い
て、形状誤差（ｘｉ，ｙｉ，ｚｅｉ（＝ｚｉ−ｚｄ
ｉ））を得る。つまり、誤差量は、ＸＹ平面上の各位置
（ｘｉ，ｙｉ）毎の高さ誤差ｚｅｉで表す。次に、ＸＹ
平面上の各位置（ｘｉ，ｙｉ）における高さ誤差ｚｅｉ
が許容誤差の範囲内であるか否かを判断する（ステップ
７）。仮に、加工領域３内のいずれかの位置での高さ誤
差ｚｅｉが許容誤差を超える場合には、この位置の形状
を修正加工する（ステップ８）。

【００３４】修正加工（ステップ８）では、図７に示す
イオンビーム加工機３０を用いる。このイオンビーム加
工機３０は、研磨済みの石英ブロック１ｂが載せられる
ワークテーブル３１と、このワークテーブル３１をＸＹ
Ｚ方向に高精度に移動させる駆動ステージ３２と、これ
らを覆う加工チャンバ３３と、加工チャンバ３３内を真
空吸引する真空ポンプ３４と、イオン発生源３５と、イ
オン発生源３５内のイオンを加速させて加工チャンバ３
３内へ導く平行平板電極３６と、この平行平板電極３６
に電圧をかけるイオン加速電源３７と、駆動ステージ３
２等の動作を制御する制御装置３８と、イオン発生源３
５内にマイクロ波を印加するマイクロ波電源（図示され
ていない）と、を備えている。駆動ステージ３２は、Ｘ
ＹＺのそれぞれの方向に延設されているリニアガイド
と、各リニアガイドの可動部を移動させるためのサーボ
モータ等で構成される駆動手段と、を備えている。真空
ポンプ３４は、加工チャンバ３３に接続されており、加
工チャンバ３３内を１０^-6torr程度まで減圧できる。ま
た、イオン発生源３５には、加工ガスが溜められている
ガスボンベ３９が接続されている。平行平板電極３６に
は、イオン発生源３５内のイオンを加工チャンバ３３へ
引き出すためのイオン引出し孔が一つあけられている。

【００３５】まず、加工チャンバ３３内のワークテーブ
ル３１上に、研磨済みの石英ブロック１ｂをセットした
後、真空ポンプ３４を駆動して、加工チャンバ３３内を
減圧する。次に、イオン発生源３５の電磁石３５ａで、
イオン発生源３５内に磁場を発生させ、そこに、マイク
ロ波電源（図示されていない）で発生した２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波を印加する。この状態で、加工ガスボン
ベ３９からの加工ガスであるＡｒガスを供給すると、こ
のＡｒガスがプラズマ化し、アルゴンイオンが発生す
る。続いて、平行平板電極３６に、数十ｅＶ〜数ｋｅＶ
程度の電圧を印加すると、イオン発生源３５内のＥＣＲ
（Electron Cyclotron Resonance）プラズマ中のアル
ゴンイオンが加工チャンバ３３内へイオンビームとして
引き出される。このイオンビームは、ワークテーブル３
１上の石英ブロック１ｂの所定箇所にイオンビームが照
射される。イオンビームの照射の際には、加工領域３内
で誤差量が許容範囲を超えている箇所に、イオンビーム
が照射されるよう、ワークテーブル３１を移動させる。
加工量は、イオンビームの照射時間に比例して増加する
ので、誤差量が多い箇所には長時間イオンビームを照射
し、誤差量が少ない箇所には短時間イオンビームを照射
する。

【００３６】以上のように、修正加工（ステップ８）を
行った後、再び、ステップ６に戻り、以下、形状誤差が
許容誤差範囲内になるまで、ステップ６，７，８を繰り
返す。この修正工程（ステップ５）での加工結果を評価
すると、加工領域での形状精度は０．１μｍＰＶで、加
工領域３での表面粗さは０．５ｎｍＲＭＳで、形状精度
及び表面粗さ共に極めて精度の高い値を得ることができ
た。なお、表面粗さの値は、ここでは、１０μｍ×１０
μｍの領域を原子間力顕微鏡で測定して取得した。

【００３７】ところで、以上の修正加工（ステップ８）
で使用したイオンビーム加工機３０は、平行平板電極３
６に一つのイオンビーム引出し孔を開けたものである
が、引き出されるイオンビームの直径が修正加工に適当
なサイズになる場合には、複数個あけたものを用いても
よい。また、平行平板電極３６は、ここでは２枚の電極
板を用いたが、３枚の電極板を用い、それぞれの電極に
極性の異なる電圧を印加して、イオンを効率よく引き出
すようにしてもよい。また、本実施形態では、ＥＣＲプ
ラズマを発生させたが、加工に必要なイオンをプラズマ
から供給できればよいので、プラズマの発生には、ＶＨ
Ｆ（Very High Frequency）波はＲＦ（Radio Frequ
ency）波を用いてもよいし、ＤＣ放電等を用いてもよ
い。また、本実施形態では、加工ガスとしてＡｒガスを
用いたが、この代わりに、Ｈｅ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｎ₂等の
不活性ガスを用いてもよい。これらの不活性ガスでは、
物理スパッタによるエッチングが行われるが、これらの
不活性ガスの代わりに、フッ素系ガスや塩素系ガス等の
反応性ガスを用いることも可能である。この場合、被加
工物材料を適当に選択することにより、物理スパッタに
加え、化学反応を併用させることができ、加工速度を大
幅に上昇させることも可能である。

【００３８】以上のように、修正工程（ステップ５）が
終了すると、光学面に光学薄膜である反射膜を蒸着等す
る（ステップ９）。こうして、反射鏡である光学素子が
完成する。なお、ここでは、反射鏡としての光学素子を
製造するために、反射膜を光学面に形成したが、透過型
の光学素子を製造する場合には、反射膜の代わりに、反
射防止膜を形成することになる。

【００３９】以上のように、本実施形態では、研磨工程
（ステップ４）後の加工領域の面形状をアライメントマ
ーク４を基準にして測定しているので、加工領域の形状
がたとえ自由曲面であっても正確に形状測定を行うこと
ができる。このため、この形状測定の結果に基づいて、
的確に修正加工を行うことができるので、高精度の自由
曲面を得ることができる。なお、以上の実施形態の自由
曲面は、Ｘ＝０を通るＹＺ面を基準として対称で且つＹ
＝７０を通るＺＸ面を基準として対称であるが、本発明
は、これに限定されるものではなく、以上のような軸対
称性がなく且つ回転対称性のない曲面の形成に、以上の
方法を適用してもよい。

【００４０】次に、図８〜図１０を用いて、本発明に係
る光学素子の製造方法の第二実施形態について説明す
る。

【００４１】本実施形態では、被加工物である黄銅ブロ
ックから光学素子を製造する。黄銅ブロックの形状及び
サイズ、黄銅ブロックから形成する光学素子の光学面の
面形状は、いずれも第一実施形態と同じである。

【００４２】図８のフローチャートに示すように、ここ
では、まず、黄銅ブロックを切削して、光学素子の概略
形状を得る（ステップ１１）。この切削工程（ステップ
１１）では、図９に示す切削機４０を用いる。この切削
機４０は、黄銅ブロック１Ａが載せられるワークテーブ
ル４１と、このワークテーブル４１をＸＹＺ方向に高精
度に移動させる駆動ステージ４２と、刃物であるボール
エンドミル４５が取付けられる切削ヘッド４３と、駆動
ステージ４２及び切削ヘッド４３の動作を制御する制御
装置４４と、を備えている。

【００４３】駆動ステージ４２は、ＸＹＺのそれぞれの
方向に延設されているリニアガイドと、各リニアガイド
の可動部を移動させるためのサーボモータ等で構成され
る駆動手段と、を備えている。この駆動ステージ４２
は、ＸＹＺのそれぞれの方向に、１０ｎｍの位置決め精
度でワークテーブル４１を移動させることができる。切
削ヘッド４３は、ボールエンドミル４５が取付けられる
スピンドルと、このスピンドルを回転させる回転駆動手
段と、を備えており、刃物４５を30000ｒｐｍで回転さ
せることができる。

【００４４】切削工程（ステップ１１）では、直径がφ
１ｍｍのボールエンドミル４５を用いて、以下のように
行われる。制御装置４４のメモリには、前述した自由曲
面を示す式が記憶されている。この制御装置４４は、メ
モリに記憶されたデータに基づき駆動ステージ４２を動
作させつつ、切削ヘッド４３を駆動させる。この結果、
切削ヘッド４３に固定されたボールエンドミル４５によ
り、黄銅ブロック１Ａの加工領域が切削され、光学面と
なる自由曲面の概略形状が創成される。この切削工程で
の結果を評価したところ、加工領域の形状精度は０．１
μｍＰＶで、加工領域での表面粗さは０．０１μｍＲＭ
Ｓ（基準測定長２００μｍ）であった。

【００４５】次に、この切削機４０を用いて、図１０に
示すように、黄銅ブロック１Ａの加工領域３以外の領域
にアライメントマーク４ａを形成する。このマーキング
工程（ステップ１２）では、切削工程で用いたボールエ
ンドミル４５をそのまま用いて、アライメントマーク４
ａを形成する。ここでは、図１０に示すように、加工領
域３内の有効光学面領域２の−Ｘ側の端の位置をＸ＝
０、加工領域内の有効光学面領域２のＹ方向の中心位置
Ｙ＝０に設定し、同図に示すようにＸ方向とＹ方向とを
定める。そして、黄銅ブロック１Ａの（Ｘ,Ｙ）＝（−
７５，０）の位置にボールエンドミル４５の中心が来る
ように切削機４０を制御する。その後、ボールエンドミ
ル４５の外周面が黄銅ブロック１ＡのＸＹ平面に接して
いる位置から−Ｚ方向に１ｍｍボールエンドミル４５を
ワークテーブル４１に対して相対移動させて、黄銅ブロ
ック１Ａの一部を切削して凹ませる。この凹みがアライ
メントマーク４ａとなる。このアライメントマーク４ａ
は、直径がφ１ｍｍで、凹みの最深部の深さが１ｍｍに
なる。また、このアライメントマーク４ａを形成する凹
面は、ＸＹ平面上の（Ｘ,Ｙ）＝（−７５，０）の点に
対して、回転対称な形状である。

【００４６】マーキング工程(ステップ１２)が終了する
と、第一実施形態と同様に、加工領域の表面粗さを向上
させるため、研磨工程（ステップ４）を行い、その後、
修正工程（ステップ５）、反射膜の形成工程（ステップ
６）を順次行う。

【００４７】この実施形態において、修正工程（ステッ
プ５）での加工結果を評価すると、第一実施形態と同様
に、加工領域での形状精度は０．１μｍＰＶで、加工領
域３での表面粗さは０．５ｎｍＲＭＳ（基準測定長２０
０μｍ）で、形状精度及び表面粗さ共に極めて精度の高
い値を得ることができた。

【００４８】次に、図１１を用いて、本発明に係る光学
素子の製造方法の第三実施形態について説明する。

【００４９】本実施形態では、第一実施形態と同様に、
被加工物である石英ブロックから光学素子を製造する。
石英ブロックの形状及びサイズ、石英ブロックから形成
する光学素子の光学面の面形状は、いずれも第一実施形
態と同じである。

【００５０】図１１のフローチャートに示すように、本
実施形態では、まず、光学素子の形状創成をするため
に、第一実施形態と同じく、第一研削工程（ステップ
１）、第二研削工程（ステップ２）を行う。続いて、第
一実施形態のようにマーキング工程（ステップ３）を行
わずに、研磨工程（ステップ４）を行い、その後、修正
工程（ステップ５ａ）を行う。

【００５１】この修正工程（ステップ５ａ）では、ま
ず、研磨された加工領域内の面形状を接触式の三次元形
状測定器で一次形状測定する（ステップ６ａ）。この一
次形状測定（ステップ６ａ）では、加工領域内の測定形
状データ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）を得て、この測定形状デ
ータ（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）から、設計形状データ（ｘ
ｉ，ｙｉ，ｚｄｉ）を引いて、形状誤差（ｘｉ，ｙｉ，
ｚｅｉ（＝ｚｉ−ｚｄｉ））を得る。なお、この段階で
の形状誤差量は、アライメントマークが形成されていな
い状態での測定結果であるため、この形状誤差量の精度
はあまり高くない。

【００５２】以上の一次形状測定（ステップ６ａ）が終
了すると、この測定結果に基づいて、第一実施形態の修
正加工（ステップ８）と同様に、イオンビーム加工機を
用いて、加工領域に対して一次修正加工を施す（ステッ
プ８ａ）。

【００５３】一次修正加工（ステップ８ａ）が終了する
と、イオンビーム加工機のワークテーブルから石英ブロ
ックを取外さずに、このイオンビーム加工機で、アライ
メントマークを加工する。このマーキング工程（ステッ
プ３ａ）では、以上の実施形態と同様に、アライメント
マークを形成する。また、このアライメントマークを形
成する凹面は、第二実施形態と同様に、回転対称な形状
である。

【００５４】マーキング工程（ステップ３ａ）が終了す
ると、以下は、第一実施形態と同様に、アライメントマ
ークを基準点として、精度の高い二次形状測定を行う
（ステップ６）。そして、誤差量が許容範囲ないかの判
断し（ステップ７）、二次測定結果に基づく二次修正加
工後の誤差量が許容範囲内に収まるまで、二次形状測定
（ステップ６）及び二次修正加工（ステップ８）を繰り
返して行う。

【００５５】以上の修正工程（ステップ５ａ）が終了す
ると、光学面に反射膜又は反射防止膜を形成する（ステ
ップ９）。

【００５６】以上のように、アライメントマークの加工
は、修正工程中に行ってもよく、要は、最終的な測定
（ステップ６）及び修正加工（ステップ８）の前に、ア
ライメントマークを加工していればよい。

【００５７】なお、以上の各実施形態では、いずれも、
イオンビーム加工で修正加工を行っているが、本発明
は、これに限定されるものではなく、例えば、プラズマ
ＣＶＭ（Chemical Vaporization Machining）や、ス
モールツール研磨で修正加工を行ってもよい。

【００５８】また、第一及び第三実施形態では、被加工
物として石英ガラスを用いたが、この代わりに、多成分
系のガラスや、ＷＣやＳｉＣ等のセラミックスを用いて
もよい。また、第二実施形態では、被加工物として黄銅
を用いたが、この代わりに、無酸素銅や鋼材でもよく、
さらに、金属に無電解ニッケルメッキを施し、この無電
解ニッケルメッキ面に対して、以上の各工程での処理を
施してもよい。また、第一、第二及び第三実施形態の被
加工物として単結晶シリコンを用いてもよい。

【００５９】また、以上の実施形態では、いずれも１つ
のアライメントマークを設けたが、２つのアライメント
マークを設けるようにしてもよい。例えば、図１２に示
すように、加工領域３を挟むように、２つのアライメン
トマーク４ｂ，４ｃを設ける。この場合、２つのアライ
メントマーク４ｂ，４ｃを結んだ線分を測定方向を定め
る基準線とし、この基準線を仮にＸ軸６として、２つの
アライメントマーク４ｂ，４ｃのうちの一方のアライメ
ントマーク４ｂを距離測定のための基準点とし、この基
準点を通りＸ軸６に垂直な軸をＹ軸７とする。このよう
に、定義すると、測定座標系が固定されるので、より再
現性の高い形状測定を行うことができる。なお、以上の
実施形態のように、アライメントマークを１つだけ設け
た場合には、例えば、加工領域中のいずれかの点とアラ
イメントマークとを結んだ線分を基準線することで、測
定座標系を設定するとよい。

【００６０】また、以上の実施形態は、いずれも、光学
素子を直接的に形成するものであるが、プラスチック射
出成法やガラスモールド法で、光学素子やそのレプリカ
を成形する場合には、以上の実施形態で説明した加工方
法で、金型の内面を加工することも可能である。この場
合、金型の内面は、成形する光学素子等の光学面の反転
形状にすることは言うまでもない。また、金型を製造す
るにあたり、光学素子の光学面と同じ面形状が形成され
ている金型母型を以上の実施形態で説明した加工方法で
形成し、この金型母型に電解ニッケルクロムメッキ又は
無電解ニッケルクロムメッキ等のメッキを施して、この
メッキ品を金型として用いてもよい。このように、以上
の方法で金型母型を作ることで、簡単に且つ多くの金型
を製造することができる。なお、金型母型を導電性の金
属で形成した場合には、この金型母型に電解メッキを施
して、このメッキ品を金型とすればよいが、ガラス等の
非導電材で形成した場合には、この金型母型に無電解ニ
ッケルクロムメッキを薄く施してから、この無電解メッ
キ層に対して電解メッキを施して、金型母型の厚みを確
保するようにするとよい。

【００６１】また、以上の実施形態で製造した光学素子
で光学装置を組み立てる場合には、光学面の加工工程で
形成したアライメントマークを光学素子の位置決め用の
穴として利用することができる。例えば、図１３に示す
ように、光学装置の鏡筒等の収納部材５５内に、支持部
材５６を設ける。この支持部材５６には、突起状の係合
部５７を予め形成しておく。これに以上の製造方法で製
造した光学素子５０を取付ける際、アライメントマーク
５４の凹みに、支持部材５６の係合部５７を嵌め込むこ
とで、光学素子５０を極めて正確に位置決めすることが
できる。

【００６２】また、以上の実施形態でのアライメントマ
ークは、いずれも、凹んでいるものであるが、アライメ
ントマークを形成する回りを研削等して、凸状に形成し
てもよい。但し、凸状に形成することは、凹状に形成す
ることよりも面倒であるため、基本的に、アライメント
マークは凹状に形成することが好ましい。

【００６３】また、以上の実施形態では、回転対称性が
ない自由曲面を形成したが、本発明は、これに限定され
るものではない。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、被加工物の所望領域を
目的の曲面形状に加工する過程で、該所望領域を除く領
域にアライメントマークを加工し、このアライメントマ
ークを基準にして所望領域の形状を測定して、この測定
結果に基づいて修正加工を施しているので、目的の曲面
形状が自由曲面であっても、形状誤差を正確に測定する
ことができ、この結果、加工誤差を極めて小さくするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第一実施形態における光学素子の
製造過程を示すフローチャートである。

【図２】本発明に係る第一実施形態における被加工物の
斜視図である。

【図３】本発明に係る第一実施形態における光学素子の
有効光学面の形状を示す説明図である。

【図４】本発明に係る第一実施形態における研削機の正
面図である。

【図５】本発明に係る第一実施形態における製造過程で
の被加工物を示す図であって、（ａ）は被加工物の平面
図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ断面図、（ｃ）は（ａ）
におけるｃ断面図である。

【図６】本発明に係る第一実施形態における研磨機の正
面図である。

【図７】本発明に係る第一実施形態におけるイオンビー
ム加工機の要部切欠き正面図である。

【図８】本発明に係る第二実施形態における光学素子の
製造過程を示すフローチャートである。

【図９】本発明に係る第二実施形態における切削機の正
面図である。

【図１０】本発明に係る第二実施形態における製造過程
での被加工物を示す図であって、（ａ）は被加工物の平
面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ断面図である。

【図１１】本発明に係る第三実施形態における光学素子
の製造過程を示すフローチャートである。

【図１２】本発明に係る一実施形態における光学素子の
平面図である。

【図１３】本発明に係る一実施形態における光学装置の
断面図である。

【図１４】光学面が球面である光学素子の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ…石英ブロック、１Ａ…黄銅ブロック、
２…有効光学面領域、３…加工領域、４，４ａ，４ｂ，
４ｃ，５４…アライメントマーク、５，５ａ…基準点、
１０…研削機、２０…研磨機、３０…イオンビーム加工
機、４０…切削機、５０…光学素子、５５…収納部材、
５６…支持部材、５７…係合部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C029 AA04 3C034 AA07 AA13 BB93 CA02 CA05 3C049 AC02 BA07 CA03 CB01 4F202 AH73 CA30 CB01 CD18 CD21

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被加工物の所望領域に目的の曲面形状を形
   成する加工方法において、 前記被加工物の前記所望領域を有する面と同一面上にア
   ライメントマークを形成するマーキング工程と、 前記アライメントマークを基準にして、前記所望領域に
   前記面形状を形成する、 ことを特徴とする加工方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の加工方法において、 更に、前記被加工物の前記所望領域を、前記面形状に近
   づける前加工工程と、前記アライメントマークを基準に
   して、前記所望領域の面形状を測定する測定工程とを有
   し、 前記加工工程では、前記測定工程の測定結果を基に前記
   所望領域を加工する、 ことを特徴とする加工方法。
3. 【請求項３】請求項２に記載の加工方法において、 前記マーキング工程、前記測定工程及び前記加工工程
   は、前記前加工工程を経た後に行う、 ことを特徴とする加工方法。
4. 【請求項４】請求項１から３のいずれか一項に記載の加
   工方法において、 前記マーキング工程では、２つのアライメントマークを
   形成する、 ことを特徴とする加工方法。
5. 【請求項５】請求項２及び３のいずれか一項に記載の加
   工方法において、 前記マーキング工程では、２つのアライメントマークを
   形成し、 前記測定工程で、前記被加工物の前記所望領域の面形状
   を測定する際、２つの前記アライメントマークを結んだ
   線分を測定方向を定める基準線とし、２つの該アライメ
   ントマークのうちの一方のアライメントマークを距離測
   定のための基準点とする、 ことを特徴とする加工方法。
6. 【請求項６】請求項１から５のいずれか一項に記載の加
   工方法において、 前記曲面形状は、回転対称性がない面形状である、 ことを特徴とする加工方法。
7. 【請求項７】請求項１から６のいずれか一項に記載の加
   工方法において、 前記曲面形状は、該曲面を分断する任意の複数の仮想断
   面と該曲面とが交わっている任意の複数の輪郭線のう
   ち、同一位置に極値の存在しない輪郭線を有する面形状
   である、 ことを特徴とする加工方法。
8. 【請求項８】請求項１から７のいずれか一項に記載の加
   工方法を含み、 前記被加工物は、光学素子の形成材料で、前記曲面形状
   に形成された面は、該光学素子の光学面である、 ことを特徴とする光学素子の製造方法。
9. 【請求項９】請求項１から７のいずれか一項に記載の加
   工方法を含み、 前記被加工物は、成形用金型の形成材料である、 ことを特徴とする金型の製造方法。
10. 【請求項１０】光学面が形成されている光学素子におい
    て、 前記光学面は、回転対称性がない曲面であり、 前記光学面を除く領域の一部に、表面上に特徴点を有す
    る凹部又は凸部が形成されている、 ことを特徴とする光学素子。
11. 【請求項１１】請求項１０に記載の光学素子において、 前記凹部又は前記凸部の表面が軸対称性又は回転対称性
    を有する曲面で形成され、前記特徴点は該曲面の極値を
    成す点である、 ことを特徴とする光学素子。
12. 【請求項１２】請求項１０及び１１のいずれか一項に記
    載の光学素子において、 前記凹部又は凸部は、前記光学面を除く領域に複数形成
    されている、 ことを特徴とする光学素子。
13. 【請求項１３】請求項１０から１２のいずれか一項に記
    載の光学素子と、 前記光学素子を収納する収納部材と、 前記収納部材の中で、前記光学素子を支持する支持部材
    と、 を備え、 前記支持部材は、前記光学素子の前記凸部又は凹部に係
    合する係合部を有する、 ことを特徴とする光学装置。