JP2004115292A - Optical element molding die and method for measuring three-dimensional shape - Google Patents

Optical element molding die and method for measuring three-dimensional shape Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element molding die that is capable of improving relative position precision of an optical effective surface formed in separate upper and lower dies. <P>SOLUTION: In the optical element molding die provided with a first and a second die members each having a molding surface for molding the optical element, the first die member 1 has the first molding surface 1a for molding the first optical active surface of the optical element and two convex spherical shape sections 3a and 3b positioned at the site other than the first molding surface, and the second die member has the second molding surface for molding the second optical effective surface of the optical element and two concave spherical shape sections positioned at the site other than the second molding surface, which are combined with the convex spherical shape sections. The curvature of two units of convex and concave spherical shape sections is equivalent to each other and the center position of the spherical shape sections coincides with that of concave spherical shape sections. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてレンズ、プリズムなどの光学素子を成形加工するための金型、及びその形状を測定する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レンズ、プリズムなどの光学素子を成形するための金型を加工する場合には、光学有効面の形状および型内における面位置および姿勢を規定するための基準（面）に対し、加工機の加工精度に依存して光学有効面を加工する方法が採られている（例えば特開平９−２３０１１１号公報）。
【０００３】
すなわち、図８に示すような型構造を、上下型として組み合わせて図示しない成形機に設置し、合成樹脂材料あるいはガラス材料を使用して光学素子の成形加工を行う場合、光学有効面１０１ａの設計形状は基準面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕに対し定義される。光学有効面１０１ａの型設計形状に対する加工形状の評価を行う際には、例えば図８に示すように、図示しない三次元形状測定装置の面形状測定手段であるプローブ１０５を、光学有効面１０１ａに対し接触させながら走査させて面形状測定を行う。ここで、この面形状測定により三次元形状測定装置の装置座標として得られた光学有効面測定形状データについて、型設計形状に対して最小二乗法などを用いてフィッティングし、設計形状に対する測定形状の形状誤差を導出することが可能であり、一般にこのような形状評価方法が採用されている。このとき、同時に被測定面である光学有効面１０１ａの面位置および姿勢に関しても、設計値に対する位置および姿勢誤差として求められる。
【０００４】
図８に示す型構造において、上述した方法により光学有効面１０１ａの形状評価を行い、設計形状の公差規格に対し十分な加工精度で光学有効面１０１ａが加工されていた場合には、同評価結果に基づき上型または下型として図示しない成形機に取り付けられる。一方、光学有効面１０１ａに対する測定形状評価において、導出された形状誤差（位置および姿勢誤差を含む）が設計形状の公差規格内に収まっていない、すなわち公差規格を満足していない場合には、形状誤差データをもとに光学有効面１０１ａに対し修正加工を行う。そして、再度上記の方法により光学有効面１０１ａについて測定形状評価を実施する。この一連の行為（形状測定評価および修正加工）を繰り返すことで公差規格を満足するような光学有効面形状が得られた後に、同様に上型または下型として図示しない成形機に取り付けられる。
【０００５】
以上より、上下型ともに基準面１０１ｓ〜１０１ｕに対し規定される設計形状の公差規格を満足する光学有効面１０１ａが形状創成された型構造を使用して光学素子を成形加工することで、従来所望の光学素子製作を可能にしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術による上下型に分離可能な型構造を採用し、合成樹脂材料あるいはガラス材料を使用して光学素子の成形加工を行う場合、型に形成された基準面を成形機の基準に対し取り付けることで上下型ともに成形機内での位置決めを行う。したがって、上下型それぞれに形状創成されている光学有効面型形状の相対的な面位置関係（上下型を組み合わせた構造における相対的な面位置および姿勢）は、前記型構造を成形機内に取り付けた際の上下型それぞれの基準面が共通の基準として取り扱い可能な場合において、光学有効面形状測定結果をもとに把握することが出来る。すなわち、成形機に対する型構造の取付状態について、上下型の基準面位置が完全に一致するような状態を実現し、同状態において光学素子の成形加工を行う場合には、上下型に形成された光学有効面の相対的な位置ずれは、前記した上下型それぞれの光学有効面について実施した形状測定の結果より、光学素子の設計形状に対する公差規格が保証されることになる。
【０００７】
しかしながら、従来技術による型構造において光学素子を成形加工する場合、上下型を組み合わせて成形機に設置する際に、両型の加工誤差などが原因となり取付誤差が必ず発生する。すなわち、光学素子成形用上下型について、厳密には両型に形成されている基準面の位置が相対的にずれた状態となり、この状態では共通の基準（面）に対し上下型それぞれの光学有効面を規定することが不可能となる。言いかえると、前記型構造を成形機に取り付けた状態における上下型で共通となる基準に対し、前記光学有効面の面形状測定が予め行われていないため、上下型に形成されている光学有効面の相対位置について厳密には規定できないという課題がある。
【０００８】
近年、光学素子の形状は高精度化してきており、素子内に形成される光学有効面の相対的な位置関係に関する公差規格についても、数μｍ以下の位置精度が要求されるものがある。このような光学素子を合成樹脂材料またはガラス材料を成形加工して製造する場合、前記した光学有効面の相対位置について共通の基準に対する規定ができないことが原因となり、光学有効面形状を高精度に形状創成（成形加工）することが困難であるという課題があった。
【０００９】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、上下別々の型に形成された光学有効面の相対位置精度を向上させることが出来るようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる光学素子成形用金型は、光学素子を成形するための成形面をそれぞれ有する第１及び第２の金型部材を備える光学素子成形用金型であって、前記第１の金型部材は、前記光学素子の第１の光学有効面を成形するための第１の成形面と、該第１の成形面以外の部位に位置する２つの凸面の球面形状部とを有し、前記第２の金型部材は、前記光学素子の第２の光学有効面を成形するための第２の成形面と、該第２の成形面以外の部位に位置し前記凸面の球面形状部と組み合わされる２つの凹面の球面形状部とを有し、前記２組の凸面の球面形状部と凹面の球面形状部の曲率は互いに等しく、前記第１の金型部材と前記第２の金型部材を組み合わせたときに、前記凸面の球面形状部の中心位置と、前記凹面の球面形状部の中心位置とが一致するように形成されていることを特徴としている。
【００１１】
また、この発明に係わる光学素子成形用金型において、前記第１の金型部材には、前記凸面の球面形状部が３つ形成されており、前記第２の金型部材には、前記凸面の球面形状部に組み合わされる凹面の球面形状部が３つ形成されていることを特徴としている。
【００１２】
また、この発明に係わる光学素子成形用金型において、前記凸面の球面形状部の中心位置と、前記凹面の球面形状部の中心位置とが、前記第１の金型部材と前記第２の金型部材の接合面上に存在することを特徴としている。
【００１３】
また、この発明に係わる光学素子成形用金型において、互いに組み合わされる前記凸面の球面形状部と凹面の球面形状部とが３組存在し、該３組の球面形状部のうちの一組が、凸面の球面形状部の曲率半径が凹面の球面形状部の曲率半径よりも小さく設定されていることを特徴としている。
【００１４】
また、この発明に係わる光学素子成形用金型において、前記第１の金型部材の凸面の球面形状部の中心位置、又は前記第２の金型部材の凹面の球面形状部の中心位置が、前記第１及び第２の金型部材の接合面からずれた位置に設定されていることを特徴としている。
【００１５】
また、この発明に係わる光学素子成形用金型において、前記第１及び第２の金型部材の少なくとも一方は、前記光学素子の複数の光学有効面を成形するための複数の成形面を有することを特徴としている。
【００１６】
また、本発明に係わる三次元形状測定方法は、上記の光学素子成形用金型の成形面の形状を測定するための三次元形状測定方法であって、前記２つ以上の球面形状部の全ての面形状を測定する球面形状測定工程と、該球面形状測定工程の測定結果に基づいて、前記球面形状部の中心座標を算出する中心座標算出工程と、前記球面形状測定工程を実施する測定装置から前記光学素子成形用金型を着脱することなく、前記成形面の形状を測定する成形面測定工程と、前記中心座標算出工程で算出された前記球面形状部の中心座標に基づく座標系における前記成形面の面位置を算出する面位置算出工程とを備えることを特徴としている。
【００１７】
また、この発明に係わる三次元形状測定方法において、前記第１の成形面の面位置が前記第１の金型部材の前記凸面の球面形状部の中心位置に対して位置出しされており、前記第２の成形面の面位置が前記第２の金型部材の前記凹面の球面形状部の中心位置に対して位置出しされていることを特徴としている。
【００１８】
また、この発明に係わる三次元形状測定方法において、前記球面形状部の中心座標に基づく座標系を設定するに当たり、前記光学素子成形用金型の接合面上の任意の一点の座標を測定することを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００２０】
まず、実施形態の概要について説明する。
【００２１】
本実施形態における光学素子成形用金型の型構造では、上下型二つに分離可能な型構造であり、どちらか一方の型内に凸面の球面形状を有し、さらにもう一方の型内に凹面の球面形状を有し、さらに前記した凹凸面それぞれの球面形状について、球の中心位置が各型内において、上下型を成形機に取り付ける際の組み付け状態において一致するような配置となっている。
【００２２】
また、本実施形態における前記金型を測定対象とした三次元形状測定方法では、上下型それぞれについて型内に形状創成された光学有効面の面形状測定を行う際に、同一段取りで、すなわち三次元形状測定装置から被測定物である型を着脱することなく、前記球面形状についても面形状測定を行う。
【００２３】
以上より、前記上下型を成形機に設置した状態における上下型それぞれに形成された光学有効面の相対的な位置関係（位置および姿勢）について、従来技術では困難であった上下型共通の基準に対する各光学有効面の形状測定評価が可能となる。
【００２４】
また、本実施形態における型構造を使用して成形加工を実施し製作される光学素子において、同光学素子内に形状創成された複数の光学有効面について、各面の相対的な位置関係が従来技術と比較して高精度に形成されている。
【００２５】
その結果、従来技術では公差規格が厳しいために製作困難であった光学素子を製造可能とし、また、従来製作可能であった光学素子に関しても、本実施形態によればより高精度な光学有効面形状の形状創成が可能となることから、光学素子の製造不良率の低下が図られる。
【００２６】
次ぎに上記型部材の構成において、上下型部材共通の基準に対する光学有効面の形状測定及び評価が可能となる作用について説明する。
【００２７】
まず、前記球面形状に対し面形状測定を行うことで、三次元形状測定装置に固定された座標系（装置座標系）で表された座標データ群（点群データ）として球面測定形状データが得られる。この球面測定形状について、同球面の設計形状に対し最小二乗法などによるフィッティング処理演算を行うことで、球面形状の中心位置を三次元形状測定装置の装置座標系における座標値として、球面測定形状データから導出される。
【００２８】
ここで得られた球面形状の中心座標値は、前述した型構造の特徴から、上下型を組み合わせた状態において、上下型に形成されている凹凸面のそれぞれの球面の中心位置について、両中心位置が一致する。従って、上下型それぞれにおいて形成された光学有効面の面形状測定を行う際に、前記球面中心座標を基準とした上下型共通の被測定物基準座標系を考えることができ、それぞれの型内に形成された被測定面となる光学有効面形状は、共通の被測定物基準座標系において表すことができる。
【００２９】
次に、型構造内において球面形状と光学有効面形状の位置関係は、型構造の設計形状として規定する。つまり、前記した球面形状中心位置より規定可能な被測定物基準座標系において、光学有効面形状をこの座標系上の座標データとして表すことが可能である。この球面形状中心位置と光学有効面形状の位置関係（座標変換）を用いることで、前記した方法で取得した測定装置座標系における球面形状の中心座標に対し、光学有効面形状の面位置および姿勢を測定装置座標系において規定される。
【００３０】
このようにして、球面形状測定により得られた球面中心座標をもとに、三次元形状測定装置内において被測定面である光学有効面の面位置が明確となる。
【００３１】
次に、前記座標変換の演算処理を行うことにより、三次元形状測定装置座標データ群として得られた光学有効面測定形状を、被測定物基準座標系で表される座標データ群に変換する。被測定物基準座標系において規定されている光学有効面の設計形状に対し、光学有効面測定形状を最小二乗法などによるフィッティング処理演算を行うことで、上下型で共通となる被測定物基準座標系における形状誤差および面位置、姿勢誤差について測定形状評価を行う。
【００３２】
前述したとおり本実施形態における型構造は、成形機に取り付ける際の組み付け状態において、上下型それぞれに形成された凹凸面の球面形状がちょうど一致する、すなわち上下型の位置決め基準として機能し、その際凹凸面の球面形状それぞれの中心位置は一致する構造となっている。これより、本実施形態によれば前記上下型を成形機に取り付けた状態において、それぞれの型に形成されている光学有効面の測定形状は同一座標系で測定評価可能であることから、同光学有効面の相対的な位置関係（位置誤差）についても高精度に評価可能となる。
【００３３】
次に、本実施形態における型構造を使用して光学素子を成形加工し製造することにより、複数面存在する光学有効面の相対的な位置関係が、従来技術と比較して高精度に形成可能となる作用について説明する。
【００３４】
本実施形態における型構造を加工する際には、上下型それぞれに形成される光学有効面形状について、前記共通基準座標系における測定形状評価が可能であることから、光学有効面の相対的な位置関係に関する公差規格を満足するように、光学有効面の測定形状データをフィードバックしながら金型の修正加工を繰り返すことで形状を追い込む。
【００３５】
したがって、修正加工の実施によりできあがった公差規格を満足する本実施形態における型構造を使用し、光学素子の成形加工を行うことにより、各光学有効面の相対的な位置関係が従来技術と比較して高精度に形成できることは言うまでもない。その結果、本実施形態によれば従来技術では公差規格が厳しいために製作困難であった光学素子についても製造可能となる。また、従来より製造可能であった光学素子形状に関しても、本実施形態で提供する型構造によれば、上下型共通となる基準座標系を規定する球面形状を、成型時の型組み状態において上下型の位置決めに利用する構造であることから、上下型を組み合わせた状態で常に上下型それぞれに形成された光学有効面形状の位置関係が保証される。したがって、従来技術では上下型を光学素子成形後に一度ばらし、再度組み合わせる際に発生していた両型の位置ずれによる光学素子成形不良といった問題を解決し、常に高精度な光学有効面を成形加工により形成可能となる。このように、本実施形態によれば、従来技術でも製造可能であった光学素子に関しても、従来と比較して製造不良率の低下が図られる。
【００３６】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。
【００３７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態を説明するための図であり、上下型二つに分離可能な型構造における下型の形状を示した図である。
【００３８】
図１において、１は光学素子を成形する下型である。下型１は、光学素子成形時に光学有効面形状を転写するための光学有効面１ａの他に、下型１内における光学有効面１ａの位置および姿勢を規定し、かつ成形時における上下型の位置決め基準となる球面形状３ａ、３ｂを有する。
【００３９】
ここで球面形状３ａ、３ｂは、後述する図２に示す上型２と組み合わせる際の接合面（基準面）１ｓ上に形成されており、図１に示すとおりその形状は凸面形状である。さらに、球面形状３ａ、３ｂの各中心位置は、接合面１ｓ上に存在する構造となっている。
【００４０】
なお、図１では下型１に対し光学有効面１ａが直接形成されている型構造としているが、本実施形態における型構造においては、光学有効面１ａが形状創成されている下型１とは別体の型を、球面形状３ａ、３ｂが形成されている下型１に組み込んだ構造であってもよい。いずれの場合においても、型構造の設計形状において球面形状３ａ、３ｂと光学有効面１ａの相対的な位置関係に関しては規定されている。
【００４１】
以上説明した下型１に対し、本実施形態における三次元形状測定装置を使用して光学有効面１ａの面形状測定を行う方法について以下に説明する。
【００４２】
本実施形態における三次元形状測定方法では、図１に示す下型１を図示しない三次元形状測定装置に取り付けた後、初めに球面形状３ａ又は３ｂに対しプローブ５を走査することにより、球面形状３ａ又は３ｂの面形状測定を実施する。球面形状測定後に得られる、三次元形状測定装置の装置座標系における座標データ群である球面測定形状データについて、下型１の設計形状として規定されている球面形状に対し、最小二乗法などによるフィッティング処理演算を行うことで、装置座標系における球面形状の中心座標値が得られる。なお、本実施形態における三次元形状測定装置は、上記のフィッティング処理演算を行なう手段を有する。
【００４３】
上記球面形状測定および球面中心座標導出処理を、図１に示す球面形状３ａ、３ｂともに実施する。これより、両球面形状の中心位置を三次元形状測定装置内で規定することができる。
【００４４】
次に、下型１を三次元形状測定装置から着脱することなく、すなわち段取り変更することなく、引き続き図１に示す上型との接合面１ｓ上にあり球面形状３ａ、３ｂの中心位置を結ぶ直線上にない任意の一点について、プローブ５を使用して点座標測定を実施する。これより、接合面１ｓ上の一点の座標データが、三次元形状測定装置の装置座標系における座標データとして得られる。
【００４５】
次に前述の球面形状測定および接合面上の一点に対する座標測定の測定結果をもとに、つぎに被測定物基準座標系を規定する。
【００４６】
まず、形状測定により得られた球面形状３ａ又は３ｂの中心位置を被測定物基準座標系の原点に設定する。本実形態においては、一例として球面形状３ａの中心位置測定座標値を原点として定める。
【００４７】
次に、球面形状３ａ、３ｂの中心位置を通り３ａから３ｂの中心位置へ向かう方向を被測定物座標系のｙ軸方向として定める。さらに、球面形状３ａ、３ｂの中心位置二点および接合面１ｓ上の一点を含む平面が一意に求まり、同平面の法線方向で図１において下型１から上側に向かう方向を被測定物基準座標系のｚ軸方向として設定する。被測定物基準座標系をｘｙｚ直交三軸座標系とする場合、既に規定されたｙ、ｚ軸方向をもとに残りの直交一軸であるｘ軸方向が一意に求まる。以上より、球面形状３ａの中心位置を原点とする被測定物基準座標系が導出され、同時に三次元測定装置座標系から被測定物基準座標系への座標変換についても求まる。
【００４８】
ここで、本実施形態における型構造においては、図１に示す下型１における球面形状３ａ、３ｂと上型との接合面１ｓ、および光学有効面１ａの相対的な位置関係が設計値として規定されている。これより同設計情報をもとにして、光学有効面１ａの面位置および姿勢が被測定物基準座標系において求められる。
【００４９】
次に、設計形状で規定されている面有効範囲についてプローブ５を走査させることで面形状測定を行う。この時、三次元測定装置座標系に対する被測定物基準座標系の位置関係については、前記座標変換する事により既に求められているため、被測定物である下型１を図示しない三次元形状測定装置からここでも着脱せずに同一段取り状態を保つことで、被測定面となる光学有効面１ａに対し、高精度な測定が可能となる。ことが可能である。
【００５０】
光学有効面１ａの面形状測定後に、三次元形状測定装置座標系における座標データ群として得られた光学有効面測定形状データについて、光学有効面１ａの設計形状に対し、最小二乗法などによるフィッティング処理演算を行うことで、光学有効面１ａの測定形状について設計形状に対する形状誤差が求められる。なお、本実施形態における三次元形状測定装置は、光学有効面測定形状に対するフィッティング処理演算手段を有する。
【００５１】
上記のとおり、光学有効面１ａに対する面形状測定の実施により、図１に示す下型１内に形成された球面形状３ａ、３ｂおよび接合面１ｓにより規定される被測定物基準座標系において、光学有効面１ａに関する形状誤差および位置、姿勢誤差を評価可能となる。ここで導出された形状誤差および位置、姿勢誤差について、光学有効面１ａに対し設計値として与えられている公差規格（要求精度）を満足していない場合には、面形状測定より得られる形状誤差データをもとに光学有効面形状の修正加工を行う。加工後、再度上記の方法により光学有効面１ａを対象とした面形状測定を実施し、修正加工後の形状誤差を求める。このように、測定および修正加工の一連の行為を、光学有効面１ａの面形状が公差規格を満足するまで繰り返す。その結果、最終的に公差規格を満足する光学有効面形状を下型１に形成することが可能である。
【００５２】
図２は、上下型二つに分離可能な型構造における上型の構造について示した図である。
【００５３】
図２において、１は光学素子を成形する上型である。上型２は本実施形態における型構造は、図１に示す下型と同様に上型の型構造についても、光学素子成形時に光学有効面形状を転写するための光学有効面２ａの他に、光学有効面２ａの位置および姿勢を規定し、かつ成形時における上下型の位置決め基準となる球面形状４ａ、４ｂを有する。
【００５４】
ここで球面形状４ａ、４ｂは、図１に示す下型１と組み合わせる際の接合面（基準面）２ｓ上に形成されており、図２に示すとおりその形状は凹面形状である。さらに、球面形状４ａ、４ｂの各中心位置は、接合面２ｓ上に存在する構造となっている。また、球面形状４ａの曲率（球半径）は図１に示す球面形状３ａの曲率と等しく、球面形状４ｂの曲率は図１に示す球面形状３ｂの曲率と等しい。
【００５５】
なお、図１に示す下型構造と同様に図２に示す上型構造についても、光学有効面２ａが形成されている上型２とは別体の型を、球面形状４ａ、４ｂが形成されている上型２に組み込んだ構造であってもよい。いずれの型構造においても、上型２の設計形状において球面形状４ａ、４ｂと光学有効面２ａの相対的な位置関係に関しては規定されている。
【００５６】
以上説明した上型２に対し、本実施形態における三次元形状測定装置を使用して図２における光学有効面２ａの面形状測定を行う際の、形状測定方法について以下に説明する。
【００５７】
図１に示す下型１に対する形状測定方法と同様、図２に示す上型２についても図示しない三次元形状測定装置に上型２を取り付けた後、初めに球面形状４ａ、４ｂに対しプローブ５を走査することにより、球面形状４ａ、４ｂの面形状測定を実施する。そして、三次元形状測定装置座標系における座標データ群として得られた球面測定形状データについて、図１における下型１内に形成された球面形状３ａ、３ｂの中心位置を導出する方法と同様な方法により、球面形状４ａ、４ｂの中心座標位置が得られる。
【００５８】
上記の球面形状測定に引き続き、下型との接合面２ｓ上にあり球面形状４ａ、４ｂの中心位置を結ぶ直線上にない任意の一点について、プローブ５を使用して点座標測定する際も、下型測定時と同様な方法を採用する。これより、接合面２ｓ上の一点の座標データが、三次元形状測定装置座標系における座標データとして得られる。
【００５９】
次に前述の球面形状測定および接合面上の一点の座標測定の測定結果をもとに、下型１内に形成された光学有効面１ａの面形状測定時と同様の方法により、図２に示す上型２内においても被測定物基準座標系を規定する。ここで被測定物基準座標系の座標軸方向は、図２に示すｘｙｚ直交三軸座標系の各軸方向と一致するように規定する。また、被測定物基準座標系の原点については、球面形状４ａの中心位置となるように規定する。これより、図２において球面形状４ａの中心位置を原点とする被測定物基準座標系が導出され、同時に三次元測定装置座標系から被測定物基準座標系への座標変換についても求められる。
【００６０】
つぎに、図１に示す下型１内の光学有効面１ａに対する面形状測定と同様にして、図２に示す光学有効面２ａについて面形状測定を実施する。面形状測定終了後には、光学有効面１ａを対象とした測定形状解析手法と同一の方法により、光学有効面２ａについても設計形状に対する形状誤差および位置、姿勢誤差が導出可能である。これより、被測定物基準座標系において光学有効面２ａに関する形状誤差および位置、姿勢誤差について評価し、同誤差について設計値として与えられている公差規格（要求精度）を満足していない場合には、下型内光学有効面１ａを対象とした場合と同様に修正加工を実施する。以上より、最終的に公差規格を満足する光学有効面形状を、上型２においても形成することが可能である。
【００６１】
図３は、図１および図２に示した上下型を成形機に設置する際の、上下型の組み合わせ状態を説明するための図である。図３では、ｙｚ平面に平行な断面を示している。図３において、本実施形態における型構造では、成形機に設置する際に、図３に示すとおり上下型それぞれに形成されている球面形状３ａ、３ｂおよび４ａ、４ｂを上下型の位置決めとして使用する。このとき、下型１に形成されている凸面の球面形状３ａが上型２に形成されている凹面の球面形状４ａに、下型１に形成されている凸面の球面形状３ｂが上型２に形成されている凹面の球面形状４ｂに矢印の方向に組み合わされる。
【００６２】
このような型構造を採用することにより、図１に示す下型１において規定した被測定物基準座標系と図２に示す上型２において規定した被測定物基準座標系を、図３に示す上下型を組んだ状態において一致させることが可能となる。これより、上下型それぞれに規定されている被測定物基準座標系において既に形状評価済みである光学有効面１ａおよび２ａは、上下型を組み合わせた状態、すなわち成形機に対し取付状態において、球面形状３ａおよび４ａの中心位置を原点とし、下型１または上型２において規定されている被測定物基準座標系と同一姿勢である共通の基準座標系に対して測定形状評価が行われている。このように本実施形態における型構造、三次元形状測定方法および三次元形状測定装置によれば、上下型組み合わせ状態において光学有効面１ａと２ａの相対的な位置関係を高精度に把握することが可能となる。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態によれば光学素子成形用金型の型構造において、上下型それぞれの接合面上に球面形状を形成し、同形状を上下型組み合わせ時の位置決めに使用することにより、従来技術においては発生していた成形機取付状態における上下型の位置ずれ誤差発生を抑制できる。さらに、上下型にそれぞれ形成された光学有効面は、成形機取付状態において共通の基準座標系に対し公差規格を満足することから、上下型組み合わせ状態における上下型それぞれの光学有効面形状は、従来技術に比べ高精度に相対位置が規定されていることになる。このことは、この型構造を用い合成樹脂材料またはガラス材料などの材料を使用して光学素子を成形する際に、高精度な光学有効面の形状精度を有する光学素子を成形可能となることに結びつく。
【００６４】
なお、図１および図２に示した型構造に対する被測定物基準座標系の規定方法の詳細は前述したとおりであるが、この座標系の各軸方向および原点位置については上記の説明に限定されるものではない。
【００６５】
例えば、図１において被測定物基準座標系のｙ軸方向を球面形状３ｂの中心位置から球面形状３ａの中心位置に向かう方向に設定してもよい。同座標系の原点位置に関しても、上記の説明では球面形状３ａの中心位置に設定すると記したが、球面形状３ｂの中心位置に設定するのでもよいことは言うまでもない。すなわち本実施形態においては、図３に示す上下型の組み合わせ状態において、上下型それぞれに対し規定した被測定物基準座標系が一致し、組み合わせ状態において共通の座標系として取り扱える条件を満足する規定方法であればよい。
【００６６】
また、上記の説明では図１に示す型構造を下型とし、図２に示す型構造を上型として述べたが、本実施形態においては図１に示す型構造を上型とし、図２に示す型構造を下型とする型構造であってもよく、この場合についても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００６７】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態を説明するための図であり、上下型二つに分離可能な型構造における下型の構造について示した図である。
【００６８】
図４に示すように、本実施形態における型構造は、光学素子成形時に光学有効面形状を転写するための光学有効面１１ａの他に、下型１１内における光学有効面１１ａの位置および姿勢を規定し、かつ成形時における上下型の位置決め基準となる球面形状１３ａ、１３ｂ、１３ｃを有する。
【００６９】
ここで、球面形状１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、後述する図５に示す上型２と組み合わせる際の接合面（基準面）１１ｓ上に形成されており、図４に示すとおりその形状は凸面形状である。さらに、球面形状１３ａ、１３ｂ、１３ｃの各中心位置は、接合面１１ｓ上に存在する構造となっている。また、球面形状１３ｃのみ後述する図５に示す凹面の球面形状１４ｃの曲率（球半径）に対し小さい曲率で形成されている。球面形状１３ａ、１３ｂに関しては、第１の実施形態と同様、後述する図５に示す球面形状１４ａ、１４ｂに対しそれぞれ等しい曲率で形成されている。
【００７０】
なお、図４では下型１１に対し光学有効面１１ａが直接形成されている型構造としているが、第１の実施形態と同様、光学有効面１１ａが形成されている下型１１とは別体の型を、球面形状１３ａ、１３ｂ、１３ｃが形成されている下型１１に組み込んだ構造であってもよい。いずれの場合においても、型構造の設計形状において球面形状１３ａ、１３ｂ、１３ｃと光学有効面１１ａの相対的な位置関係に関しては規定されている。
【００７１】
以上説明した型構造に対し、本実施形態における三次元形状測定装置を使用して光学有効面１１ａの面形状測定を行う方法について以下に説明する。
【００７２】
本実施形態では、球面形状１３ａ、１３ｂに対し第１の実施形態と同様な手法により、球面形状測定を行う。さらに本実施形態においては、図４に示す球面形状１３ｃに対しても同様にプローブ５を走査させることで球面形状測定を実施する。球面形状測定終了後、第１の実施形態において球面形状３ａ、３ｂの中心位置を三次元形状測定装置座標系における座標データとして導出した方法にしたがい、球面形状１３ａ、１３ｂ、１３ｃについて中心位置を求める。
【００７３】
三次元形状測定装置内で規定された球面形状１３ａ、１３ｂ、１３ｃの中心位置をもとに、第１の実施形態と同様、図４に示す下型１１内に被測定物基準座標系を規定する。
【００７４】
以下に、この規定方法について詳細を説明する。
【００７５】
まず、第１の実施形態と同様にして、被測定物基準座標系原点として、形状測定により得られた球面形状１３ａの中心位置測定座標値を設定する。なおこれは一例であり、原点は球面形状１３ｂまたは１３ｃの中心位置であってもよい。ここでは球面形状１３ａの中心位置を座標系原点とした場合について説明する。
【００７６】
この場合、次に被測定物基準座標系のｙ軸方向を第１の実施形態と同様に設定する。また、この座標系のｚ軸方向については、球面形状１３ａ、１３ｂ、１３ｃの中心位置三点を含む平面が一意に決まり、この平面の法線方向で図４において下型１１から上側に向かう方向をｚ軸方向として設定する。これより、ｘｙｚ直交三軸座標系で表される被測定物基準座標系において、ｘ軸方向についても一意に求まる。以上より、本実施形態においても球面形状１３ａの中心位置を原点とする被測定物基準座標系が導出され、同時に三次元形状測定装置座標系から被測定物基準座標系への座標変換についても求まる。
【００７７】
上記の通り導出された被測定物基準座標系に基づき、第１の実施形態と同様にして図４に示す光学有効面１１ａに対し面形状測定を行う。ここで、図示するプローブ１５を使用した面形状測定方法、および図示しない三次元形状測定装置の演算手段による測定形状処理方法（フィッティング処理演算）に関しては、全て第１の実施形態と同様の方法で実施可能である。したがって、本実施形態においても、図４において設計値として規定された公差規格を満足する光学有効面形状を下型１１において形成することができる。
【００７８】
図５は、上下型二つに分離可能な型構造における上型の構造について示した図である。
【００７９】
図５に示すように、図４に示す下型と同様に上型の型構造についても、光学素子成形時に光学有効面形状を転写するための光学有効面１２ａの他に、上型１２内における光学有効面１２ａの位置および姿勢を規定し、かつ成形時における上下型の位置決め基準となる球面形状１４ａ、１４ｂ、１４ｃを有する。
【００８０】
ここで、球面形状１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、図４に示す下型１１と組み合わせる際の接合面（基準面）１２ｓ上に形成されており、図５に示すとおりその形状は凹面形状である。さらに、球面形状１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各中心位置は、接合面１２ｓ上に存在する構造となっている。また、球面形状１４ｃのみ図４に示す球面形状１３ｃの曲率（球半径）に対し大きい曲率で形成されている。球面形状１４ａ、１４ｂに関しては、前記したとおり図４に示す球面形状１３ａ、１３ｂに対しそれぞれ等しい曲率で形成されている。
【００８１】
なお、図４に示す下型構造と同様、図５に示す上型構造についても、光学有効面１２ａが形成されている上型１２とは別体の型を、球面形状１４ａ、１４ｂ、１４ｃが形成されている上型１２に組み込んだ構造であってもよい。いずれの型構造においても、上型１２の設計形状において球面形状１４ａ、１４ｂ、１４ｃと光学有効面１２ａの相対的な位置関係に関しては規定されている。
【００８２】
以上説明した上型構造に対し、本実施形態における三次元形状測定装置を使用して光学有効面１２ａの面形状測定を行う方法について以下に説明する。
【００８３】
本実施形態では、球面形状１４ａ、１４ｂに対し第１の実施形態で説明した方法と同様な手法により、球面形状測定を行う。さらに、本実施形態においては、図５に示す球面形状１４ｃに対しても同様にプローブ１５を走査させることで球面形状測定を実施する。球面形状測定終了後、第１の実施形態において図２に示す球面形状４ａ、４ｂの中心位置を三次元形状測定装置座標系における座標データとして導出した方法にしたがい、図５に示す球面形状１４ａ、１４ｂ、１４ｃに対し同形状の中心位置を求める。
【００８４】
三次元形状測定装置内で規定された球面形状１４ａ、１４ｂ、１４ｃの中心位置をもとに、下型１１内に形成された光学有効面１１ａの面形状測定時と同様の方法により、上型１２内においても被測定物基準座標系を規定する。ここで、被測定物基準座標系の座標軸方向は、図５に示すｘｙｚ直交三軸座標系の各軸方向と一致するように規定する。また、被測定物基準座標系の原点については、球面形状１４ａの中心位置となるように規定する。これより、図５において球面形状１４ａの中心位置を原点とする被測定物基準座標系が導出され、同時に三次元測定装置座標系から被測定物基準座標系への座標変換についても求められる。
【００８５】
上記の通り導出された被測定物基準座標系に基づき、第１の実施形態と同様にして図５に示す光学有効面１２ａに対し面形状測定を行う。ここで、図示するプローブ１５を使用した面形状測定方法、および図示しない三次元形状測定装置の演算手段による測定形状処理方法（フィッティング処理演算）に関しては、全て第１の実施形態と同様の方法で実施可能である。したがって、本実施形態においても、図５において設計値として規定された公差規格を満足する光学有効面形状を上型１２において形状創成することができる。
【００８６】
以上より、本実施形態では、図４に示す下型１１と図５に示す上型１２とを組み合わせて図示しない成形機に取り付け、所望の光学素子を成形加工する。このとき、上下型の組み合わせ方法については第１の実施形態として図３に示した方法に従う。すなわち、図４に示す下型１１に形成された球面形状１３ａ、１３ｂおよび図５に示す上型１２に形成された球面形状１４ａ、１４ｂを上下型の位置決めとして使用する。ここで、下型１１に形成されている凸面の球面形状１３ａが上型１２に形成されている凹面の球面形状１４ａに、同様に凸面の球面形状１３ｂが凹面の球面形状１４ｂに組み合わされる。
【００８７】
前述したとおり、図４に示す球面形状１３ｃと図５に示す球面形状１４ｃは、球面形状の中心位置が一致しており、かつ球面形状１３ｃに対し球面形状１４ｃの曲率が大きい。したがって、上下型組み合わせ状態において干渉することなく接合面１１ｓおよび１２ｓを合わせることが可能となる。
【００８８】
このような型構造を採用することにより、第１の実施形態と同様に、上下型組み合わせ状態において、光学有効面１１ａと１２ａの相対的な位置関係を高精度に把握することが可能となる。また、本実施形態についても、図４および図５に示す型構造を採用することにより、高精度な光学有効面の形状精度を有する光学素子を成形可能となる。
【００８９】
なお、本実施形態に関しても、被測定物基準座標系の規定方法については、この座標系の各軸方向および原点位置について上記の説明に限定されるものではない。すなわち本実施形態においても、上下型組み合わせ状態において上下型それぞれに対し規定した被測定物基準座標系が一致し、その状態において共通の座標系として取り扱える条件を満足する規定方法であればよい。
【００９０】
また、上記の説明では図４に示す型構造を下型とし、図５に示す型構造を上型として説明したが、本実施形態においては図４に示す型構造を上型とし、図５に示す型構造を下型とする構造であってもよく、この場合についても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００９１】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態を説明するための図であり、上下型二つに分離可能な型構造における下型の構造について示した図である。
【００９２】
図６に示すように、本実施形態で説明する型構造は、図４に示す型構造と同じく光学素子成形時に光学有効面形状を転写するための光学有効面２１ａの他に、下型２１内における光学有効面２１ａの位置および姿勢を規定し、かつ成形時における上下型の位置決め基準となる球面形状２３ａ、２３ｂ、２３ｄを有する。
【００９３】
ここで球面形状２３ａ、２３ｂ、２３ｄは、既に説明した図５に示す上型１２と組み合わせる際の接合面（基準面）２１ｓ上に形成されており、図６に示すとおりその形状は凸面形状である。さらに、球面形状２３ａ、２３ｂ、２３ｄの各中心位置は、接合面２１ｓ上に存在する構造となっている。また本実施形態においては、球面形状２３ａ、２３ｂ、２３ｄ全てについて、図５に示す球面形状１４ａ、１４ｂ、１４ｃに対しそれぞれ等しい曲率で形成されている。
【００９４】
なお、図６では下型２１に対し光学有効面２１ａが直接形成されている型構造としているが、第１及び第２の実施形態と同様、光学有効面２１ａが形状創成されている下型２１とは別体の型を、球面形状２３ａ、２３ｂ、２３ｄが形成されている下型２１に組み込んだ構造であってもよい。いずれの場合においても、型構造の設計形状において球面形状２３ａ、２３ｂ、２３ｄと光学有効面２１ａの相対的な位置関係に関しては規定されている。
【００９５】
以上説明した型構造に対し、第２の実施形態と同様な形状測定装置および形状測定方法により、図６における光学有効面２１ａの面形状測定を行う。その結果、図６において光学有効面２１ａに対し設計値として規定された公差規格を満足する光学有効面形状を、下型２１に形成可能となる。この詳細については図４に示す第２の実施形態において説明したとおりであるため、ここでは説明を省略する。
【００９６】
また、本実施形態における型構造の内、上型構造については、図５に示す上型１２において、接合面１２ｓと球面形状１４ａ、１４ｂ、１４ｃの各中心位置の位置関係のみ異なる型構造を使用する。具体的には、図５において接合面１２ｓが球面形状の中心位置三点を含む平面よりもｚプラス方向に平行にずれた位置に存在するような上型構造を採用する。このような構造の上型と図６に示す下型２１を組み合わせて図示しない成形機に取り付け、所望の光学素子を成形加工する。
【００９７】
最後に図７は、本発明の第３の実施形態を説明するための図であり、上下型を成形機に取り付ける際の組み合わせ状態を説明するための図である。
【００９８】
図７に示すように、本実施形態における上下型の組み合わせ方法においては、図６に示す下型２１に形成された球面形状２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、および前述の上型構造において、図５に示す上型１２に形成された球面形状１４ａ、１４ｂ、１４ｃに相当する球面形状を上下型の位置決めとして使用する。ここで、下型２１に形成されている凸面の球面形状２３ａが上型１２に形成されている凹面の球面形状１４ａに、同様に凸面の球面形状２３ｂが凹面の球面形状１４ｂに、２３ｄが１４ｃに組み合わされる。
【００９９】
このとき、上下型の組み合わせ状態（各型の姿勢）は球面形状の中心位置三点により一意に定まる。また、前述の上型の型構造における球面形状の中心位置と下型との接合面１２ｓの位置関係から、厳密には図７に示すとおり上下型の接合面間に隙間が存在する構造となる。
【０１００】
このような本実施形態における型構造においても、第１及び第２の実施形態と同様に、図７に示す上下型組み合わせ状態において光学有効面２１ａと１２ａの相対的な位置関係を高精度に把握することが可能となる。なお、本実施形態における型構造に対し、ガラス材料を用いて光学素子を成形加工することにより、前記隙間部分に相当するはみ出し部を有する光学素子が形成されることになる。このとき、上下型それぞれに形成されている光学有効面２１ａ、１２ａの形状が転写されて形成される光学素子の光学有効面は、他の実施形態と同様に高精度な形状精度を有する。
【０１０１】
なお、本実施形態に関しても、被測定物基準座標系の規定方法については、この座標系の各軸方向および原点位置について上記の説明に限定されるものではない。すなわち本実施形態においても、上下型組み合わせ状態において上下型それぞれに対し規定した被測定物基準座標系が一致し、その状態において共通の座標系として取り扱える条件を満足する規定方法であればよい。
【０１０２】
また、上記の説明では図６に示す型構造を下型とし、図５に示す型構造とは球面形状中心位置と接合面の位置関係のみ異なる型構造を上型として説明したが、本実施形態においては、図６に示す型構造を上型とし、もう一方の型構造を下型とする構造であってもよく、この場合についても同様な効果が得られることは言うまでもない。
【０１０３】
以上説明したように、本実施形態では、光学素子成形用金型の型構造において上下型二つに分離可能な構造となっており、上下型それぞれの接合面に球面形状を有する型構造を提供し、さらに前記球面形状に対する面形状測定と光学有効面に対する面形状測定を、同一段取り下で測定する手段およびそれを実現する演算手段を有する三次元形状測定装置と、同装置を使用して被測定物である型構造の光学有効面形状測定を行うための形状測定方法を提供する。これより、本実施形態における型構造を成形機に取り付けた状態において、前記二つの型内にそれぞれ形成されている光学有効面の相対的な位置関係について、従来技術と比較して高精度に構成することが可能となる。
【０１０４】
また、前記型構造を用いて光学素子を成形加工することにより、従来技術に比べ高精度な光学有効面の形状精度を有する光学素子が製造可能となり、さらには同光学素子の製造不良率の低下が図られる。
【０１０５】
以上、本発明の実施形態について図１〜図７を用いて説明した。上記の説明ではプローブ５を接触式として説明したが、本発明においてはプローブは非接触式プローブであってもよい。いずれの方式を備える三次元形状測定装置であっても、本発明によれば前述した効果が同様に得られる。
【０１０６】
また、上記の説明では型構造として二つに分離可能な構造となっており、それぞれの型を上下型として説明したが、本発明においては上下方向の分離に限らず単に二つに分離可能となっている型構造であればよい。このとき、本発明による効果が同様に得られることは言うまでもない。
【０１０７】
また、上記の説明では、上下の型がそれぞれ１面の光学有効面を有するように説明したが、それぞれの型が複数面の光学有効面を有していてもよい。
【０１０８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、上下別々の型に形成された光学有効面の相対位置精度を向上させることができ、その型により製造する光学素子の形状精度を向上させることができる。
【０１０９】
また、本発明によれば、球面形状部を３つ有する上下型の構成をとる事により、基準座標系を規定するための３点が全て球面形状の中心座標となるため、球面形状を２組有する上下型の構成よりも更に高精度に上下型共通の基準座標系を一致させることができる。
【０１１０】
また、本発明によれば、３組の内任意の１組だけ、球面形状部の中心位置は同じで曲率値が凹球面形状の曲率値よりも凸球面形状の曲率値が小さく設定することにより、球面形状部については上下型の凹凸球面形状の中心位置のみを一致させるだけでよいため、球面形状部の形状創成が簡易となる。
【０１１１】
また、本発明によれば、球面形状部の中心位置を接合面上からずらして配置することにより、球面形状部のみによる上下型の位置決めを行うことになり、安定した位置決めが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するための図であり、上下型二つに分離可能な型構造における下型の形状を示した図である。
【図２】上下型二つに分離可能な型構造における上型の構造について示した図である。
【図３】図１および図２に示した上下型を成形機に設置する際の、上下型の組み合わせ状態を説明するための図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を説明するための図であり、上下型二つに分離可能な型構造における下型の構造について示した図である。
【図５】上下型二つに分離可能な型構造における上型の構造について示した図である。
【図６】本発明の第３の実施形態を説明するための図であり、上下型二つに分離可能な型構造における下型の構造について示した図である。
【図７】本発明の第３の実施形態を説明するための図であり、上下型を成形機に取り付ける際の組み合わせ状態を説明するための図である。
【図８】従来技術における型構造、及びその光学有効面形状測定評価方法について説明する図である。
【符号の説明】
１　下型
１ａ　光学有効面
１ｓ　基準面
２　上型
２ａ　光学有効面
２ｓ　基準面
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ　球面形状
４ａ、４ｂ、４ｃ　球面形状
５　プローブ
１１　下型
１１ａ　光学有効面
１１ｓ　基準面
１２　上型
１２ａ　光学有効面
１２ｓ　基準面
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ　球面形状
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ　球面形状
２１　下型
２１ａ　光学有効面
２１ｓ　基準面
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ　球面形状
１０１ａ　光学有効面
１０１ｓ、１０１ｔ、１０１ｕ　基準面
１０５　プローブ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a mold for molding and processing an optical element such as a lens and a prism, and a technique for measuring the shape of the mold.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, when processing a mold for molding an optical element such as a lens or a prism, a processing machine is used to define a shape (optical surface) of an optically effective surface and a reference (surface) for defining a surface position and orientation in the mold. (For example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-230111).
[0003]
That is, when a mold structure as shown in FIG. 8 is combined with an upper and lower mold and installed in a molding machine (not shown) to mold an optical element using a synthetic resin material or a glass material, the design of the optical effective surface 101a is performed. The shape is defined for the reference planes 101s, 101t, 101u. When evaluating the processed shape with respect to the mold design shape of the optically effective surface 101a, for example, as shown in FIG. 8, a probe 105, which is a surface shape measuring unit of a three-dimensional shape measuring device (not shown), is attached to the optically effective surface 101a. The surface shape is measured by scanning while making contact with the surface. Here, with respect to the optically effective surface measurement shape data obtained as the device coordinates of the three-dimensional shape measurement device by the surface shape measurement, fitting is performed to the mold design shape using a least square method or the like, and the measurement shape for the design shape is determined. A shape error can be derived, and such a shape evaluation method is generally employed. At this time, the surface position and orientation of the optically effective surface 101a, which is the surface to be measured, are also obtained as position and orientation errors with respect to the design values.
[0004]
In the mold structure shown in FIG. 8, the shape evaluation of the optically effective surface 101a is performed by the above-described method. When the optically effective surface 101a is processed with sufficient processing accuracy to the design standard tolerance, the evaluation result is obtained. Is attached to a molding machine (not shown) as an upper mold or a lower mold. On the other hand, in the evaluation of the measured shape of the optically effective surface 101a, if the derived shape error (including the position and orientation errors) does not fall within the tolerance specification of the design shape, that is, if the tolerance specification is not satisfied, the shape Correction processing is performed on the optically effective surface 101a based on the error data. Then, the measurement shape evaluation is again performed on the optically effective surface 101a by the above method. By repeating this series of actions (shape measurement evaluation and correction processing), an optically effective surface shape satisfying the tolerance standard is obtained, and then similarly mounted on a molding machine (not shown) as an upper mold or a lower mold.
[0005]
From the above, it is conventionally desired to mold the optical element using the mold structure in which the optically effective surface 101a that satisfies the tolerance standard of the design shape defined for the reference surfaces 101s to 101u in both the upper and lower molds. Optical elements can be manufactured.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When adopting the mold structure that can be separated into upper and lower molds according to the conventional technology described above, and performing molding processing of the optical element using a synthetic resin material or a glass material, the reference surface formed in the mold is set with respect to the reference of the molding machine. By mounting, both the upper and lower molds are positioned in the molding machine. Therefore, the relative surface positional relationship (relative surface position and posture in the structure combining the upper and lower dies) of the optically effective surface mold shape created for each of the upper and lower dies is determined by mounting the mold structure in a molding machine. When the reference planes of the upper and lower molds can be handled as a common reference, it can be grasped based on the optical effective surface shape measurement results. In other words, the mounting state of the mold structure with respect to the molding machine is such that the reference plane positions of the upper and lower molds are completely matched, and when the optical element is molded in the same state, the upper and lower molds are formed. Regarding the relative displacement of the optically effective surface, a tolerance standard for the design shape of the optical element is guaranteed from the result of the shape measurement performed on the optically effective surface of each of the upper and lower molds.
[0007]
However, when molding an optical element in a mold structure according to the prior art, when mounting the upper and lower dies in a molding machine in combination, a mounting error always occurs due to a processing error of both dies. That is, strictly speaking, the upper and lower dies for molding the optical element are in a state where the positions of the reference surfaces formed on both dies are relatively shifted, and in this state, the optical effective of each of the upper and lower dies with respect to the common reference (surface). It becomes impossible to define the plane. In other words, since the surface shape measurement of the optically effective surface is not performed in advance with respect to the reference that is common to the upper and lower molds in a state where the mold structure is attached to the molding machine, the optically effective surfaces formed in the upper and lower molds are not measured. There is a problem that the relative positions of the surfaces cannot be strictly defined.
[0008]
In recent years, the shape of an optical element has become highly accurate, and some of the tolerance standards regarding the relative positional relationship of the optically effective surfaces formed in the element require a positional accuracy of several μm or less. When such an optical element is manufactured by molding a synthetic resin material or a glass material, the relative position of the optically effective surface described above cannot be specified with respect to a common standard, so that the optically effective surface shape can be precisely formed. There is a problem that it is difficult to create a shape (forming).
[0009]
Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the relative positional accuracy of the optically effective surfaces formed in upper and lower separate molds.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the problems described above and achieve the object, an optical element molding die according to the present invention includes an optical element including first and second mold members each having a molding surface for molding an optical element. An element molding die, wherein the first mold member has a first molding surface for molding a first optically effective surface of the optical element, and a part other than the first molding surface. A second molding member for molding a second optically effective surface of the optical element; and a second molding surface for molding a second optically effective surface of the optical element. Having two concave spherical shapes that are located at positions other than the surface and are combined with the convex spherical shapes, the curvatures of the two sets of convex spherical shapes and the concave spherical shapes are equal to each other, When the first mold member and the second mold member are combined, the convex spherical surface portion And heart position, is characterized in that it is formed so that the center position of the concave spherical portion coincide.
[0011]
Further, in the optical element molding die according to the present invention, the first die member is formed with three convex spherical portions, and the second die member is formed with the convex surface. The present invention is characterized in that three concave spherical shape portions combined with the spherical shape portion are formed.
[0012]
Further, in the optical element molding die according to the present invention, the center position of the convex spherical part and the center position of the concave spherical part are the first die member and the second die. It is characterized by being present on the joining surface of the mold member.
[0013]
Further, in the optical element molding die according to the present invention, there are three sets of the convex spherical shape portion and the concave spherical shape portion which are combined with each other, and one of the three sets of the spherical shape portions is: It is characterized in that the radius of curvature of the convex spherical shape portion is set smaller than the radius of curvature of the concave spherical shape portion.
[0014]
Further, in the optical element molding die according to the present invention, the center position of the convex spherical shape portion of the first mold member, or the central position of the concave spherical shape portion of the second mold member, It is characterized in that it is set at a position displaced from the joining surface of the first and second mold members.
[0015]
In the optical element molding die according to the present invention, at least one of the first and second mold members has a plurality of molding surfaces for molding a plurality of optically effective surfaces of the optical element. It is characterized by.
[0016]
Further, the three-dimensional shape measuring method according to the present invention is a three-dimensional shape measuring method for measuring the shape of the molding surface of the optical element molding die, wherein all of the two or more spherical shape portions are provided. A spherical shape measuring step of measuring the surface shape of the spherical surface, a central coordinate calculating step of calculating central coordinates of the spherical shape portion based on a measurement result of the spherical shape measuring step, and a measuring device for performing the spherical shape measuring step Without removing the optical element molding die from the molding surface measuring step of measuring the shape of the molding surface, and the coordinate system in the coordinate system based on the center coordinates of the spherical shape portion calculated in the center coordinate calculation step. And a surface position calculating step of calculating the surface position of the molding surface.
[0017]
Further, in the three-dimensional shape measuring method according to the present invention, a surface position of the first molding surface is located with respect to a center position of the spherical portion of the convex surface of the first mold member, It is characterized in that the surface position of the second molding surface is located with respect to the center position of the spherical portion of the concave surface of the second mold member.
[0018]
Further, in the three-dimensional shape measuring method according to the present invention, in setting a coordinate system based on the center coordinates of the spherical shape portion, the coordinates of any one point on the joining surface of the optical element molding die are measured. It is characterized by.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described.
[0020]
First, an outline of an embodiment will be described.
[0021]
In the mold structure of the optical element molding die according to the present embodiment, the mold structure is separable into two upper and lower molds, and has a convex spherical shape in one of the molds, and the other in the other mold. It has a concave spherical shape, and the spherical shape of each of the above-mentioned concave and convex surfaces is arranged such that the center position of the sphere in each mold matches in the assembled state when the upper and lower molds are mounted on the molding machine. .
[0022]
Further, in the three-dimensional shape measuring method using the mold as a measurement object in the present embodiment, when measuring the surface shape of the optically effective surface created in the mold for each of the upper and lower dies, the same setup, that is, tertiary The surface shape measurement is also performed on the spherical shape without removing and attaching the mold as the object to be measured from the original shape measuring device.
[0023]
As described above, the relative positional relationship (position and posture) of the optically effective surfaces formed on the upper and lower dies in a state where the upper and lower dies are set on the molding machine is based on the common reference for the upper and lower dies, which was difficult in the prior art. The shape measurement and evaluation of each optically effective surface can be performed.
[0024]
Further, in an optical element manufactured by performing a molding process using the mold structure according to the present embodiment, the relative positional relationship between the respective surfaces of a plurality of optically effective surfaces formed in the optical element is conventionally known. It is formed with higher precision than technology.
[0025]
As a result, it is possible to manufacture an optical element that was difficult to manufacture due to strict tolerance standards in the prior art, and according to the present embodiment, a more accurate optical effective surface Since the shape can be created, the manufacturing defect rate of the optical element can be reduced.
[0026]
Next, the operation of the configuration of the mold member that enables measurement and evaluation of the shape of the optically effective surface with respect to a common reference for the upper and lower mold members will be described.
[0027]
First, by performing surface shape measurement on the spherical shape, spherical measured shape data is obtained as a coordinate data group (point group data) represented by a coordinate system (device coordinate system) fixed to the three-dimensional shape measuring device. Can be With respect to this spherical measurement shape, the center position of the spherical shape is calculated as a coordinate value in the device coordinate system of the three-dimensional shape measuring device by performing a fitting process calculation using a least square method or the like on the design shape of the spherical surface. Is derived from
[0028]
The center coordinate value of the spherical shape obtained here is based on the characteristics of the mold structure described above, and in the state where the upper and lower molds are combined, the center positions of the respective spherical surfaces of the concave and convex surfaces formed on the upper and lower molds are both center positions. Matches. Therefore, when measuring the surface shape of the optically effective surface formed in each of the upper and lower molds, it is possible to consider a common object reference coordinate system of the upper and lower molds based on the spherical center coordinates, and in each mold. The formed optically effective surface shape to be the measured surface can be represented in a common measured object reference coordinate system.
[0029]
Next, the positional relationship between the spherical shape and the optically effective surface shape in the mold structure is defined as a design shape of the mold structure. That is, in the measured object reference coordinate system that can be defined from the center position of the spherical shape, the optical effective surface shape can be represented as coordinate data on this coordinate system. By using the positional relationship (coordinate transformation) between the center position of the spherical shape and the optically effective surface shape, the surface position and orientation of the optically effective surface shape with respect to the center coordinates of the spherical shape in the measuring device coordinate system obtained by the above method. Is defined in the measurement device coordinate system.
[0030]
In this way, based on the spherical center coordinates obtained by the spherical shape measurement, the surface position of the optically effective surface, which is the measured surface, in the three-dimensional shape measuring device becomes clear.
[0031]
Next, by performing the above-described coordinate conversion arithmetic processing, the optically effective surface measurement shape obtained as the three-dimensional shape measuring device coordinate data group is converted into a coordinate data group represented by the measured object reference coordinate system. By performing fitting processing calculation of the optically effective surface measured shape by the least squares method etc. for the design shape of the optically effective surface specified in the measured object reference coordinate system, the measured object reference coordinates common to the upper and lower molds The measured shape is evaluated for the shape error, surface position, and posture error in the system.
[0032]
As described above, the mold structure in the present embodiment, in the assembled state when attached to the molding machine, the spherical shape of the uneven surface formed on each of the upper and lower dies exactly matches, that is, functions as a positioning reference for the upper and lower dies, The center positions of the spherical shapes of the concave and convex surfaces are the same. Thus, according to the present embodiment, in a state where the upper and lower dies are attached to a molding machine, the measurement shape of the optically effective surface formed on each of the dies can be measured and evaluated in the same coordinate system. The relative positional relationship (position error) of the effective surfaces can also be evaluated with high accuracy.
[0033]
Next, by molding and manufacturing the optical element using the mold structure in the present embodiment, the relative positional relationship between the optically effective surfaces existing on a plurality of surfaces can be formed with higher precision than the conventional technology. The following describes the operation.
[0034]
When processing the mold structure in the present embodiment, the relative positions of the optically effective surfaces can be evaluated for the optically effective surface shapes formed on the upper and lower molds, respectively, since the measured shape can be evaluated in the common reference coordinate system. The shape is driven by repeating the correction processing of the mold while feeding back the measured shape data of the optically effective surface so as to satisfy the tolerance standard regarding the relationship.
[0035]
Therefore, by using the mold structure according to the present embodiment that satisfies the tolerance standard completed by performing the correction processing and performing the forming processing of the optical element, the relative positional relationship of each optically effective surface is compared with the conventional technique. Needless to say, it can be formed with high precision. As a result, according to the present embodiment, it is possible to manufacture an optical element that has been difficult to manufacture due to strict tolerance standards in the prior art. Also, with respect to the optical element shape that can be manufactured conventionally, according to the mold structure provided in the present embodiment, the spherical shape that defines the reference coordinate system that is common to the upper and lower molds is moved up and down in the mold assembly state at the time of molding. Since the structure is used for positioning the molds, the positional relationship between the optically effective surface shapes formed on the upper and lower molds is always guaranteed in a state where the upper and lower molds are combined. Therefore, in the prior art, the upper and lower molds were separated once after molding the optical element, and the problem of optical element molding failure due to the misalignment of both molds that occurred when recombining was solved. It can be formed. As described above, according to the present embodiment, the manufacturing defect rate of the optical element that can be manufactured by the related art can be reduced as compared with the related art.
[0036]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described.
[0037]
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a view for explaining a first embodiment of the present invention, and is a view showing a shape of a lower mold in a mold structure that can be separated into two upper and lower molds.
[0038]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a lower mold for molding an optical element. The lower mold 1 defines the position and orientation of the optically effective surface 1a in the lower mold 1 in addition to the optically effective surface 1a for transferring the optically effective surface shape at the time of molding the optical element. It has spherical shapes 3a and 3b serving as positioning references.
[0039]
Here, the spherical shapes 3a and 3b are formed on a joint surface (reference surface) 1s when combined with an upper mold 2 shown in FIG. 2 described later, and the shapes are convex shapes as shown in FIG. Further, each center position of the spherical shapes 3a, 3b has a structure existing on the joint surface 1s.
[0040]
Although FIG. 1 shows a mold structure in which the optically effective surface 1a is directly formed on the lower mold 1, the mold structure in the present embodiment is different from the lower mold 1 in which the optically effective surface 1a is formed. A structure in which a separate mold is incorporated in the lower mold 1 in which the spherical shapes 3a and 3b are formed may be used. In any case, the relative positional relationship between the spherical shapes 3a and 3b and the optically effective surface 1a is specified in the design shape of the mold structure.
[0041]
A method for measuring the surface shape of the optically effective surface 1a using the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment for the lower mold 1 described above will be described below.
[0042]
In the three-dimensional shape measuring method according to the present embodiment, after attaching the lower mold 1 shown in FIG. 1 to a three-dimensional shape measuring device (not shown), the probe 5 is first scanned with respect to the spherical shape 3a or 3b to thereby obtain a spherical shape. The surface shape measurement of 3a or 3b is performed. Fitting the spherical shape defined as the design shape of the lower mold 1 by the least square method or the like for the spherical shape measured data, which is a coordinate data group in the device coordinate system of the three-dimensional shape measuring device, obtained after the spherical shape measurement. By performing the processing operation, the center coordinate value of the spherical shape in the device coordinate system is obtained. The three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment has means for performing the above-described fitting process calculation.
[0043]
The spherical shape measurement and the spherical center coordinate deriving process are performed for the spherical shapes 3a and 3b shown in FIG. Thus, the center position of the two spherical shapes can be defined in the three-dimensional shape measuring device.
[0044]
Next, the lower mold 1 is continuously attached to the joint surface 1s with the upper mold shown in FIG. 1 without attaching / detaching the lower mold 1 from the three-dimensional shape measuring apparatus, that is, without changing the setup, and connects the center positions of the spherical shapes 3a and 3b. Point coordinate measurement is performed using the probe 5 for an arbitrary point that is not on a straight line. Thus, the coordinate data of one point on the bonding surface 1s is obtained as coordinate data in the device coordinate system of the three-dimensional shape measuring device.
[0045]
Next, based on the measurement results of the above-described spherical shape measurement and coordinate measurement for one point on the joint surface, an object reference coordinate system is defined next.
[0046]
First, the center position of the spherical shape 3a or 3b obtained by the shape measurement is set as the origin of the measured object reference coordinate system. In the present embodiment, as an example, the center position measurement coordinate value of the spherical shape 3a is determined as the origin.
[0047]
Next, a direction from the center position of the spherical shapes 3a, 3b toward the center position of 3b from 3a is determined as the y-axis direction of the coordinate system of the measured object. Further, a plane including two points at the center positions of the spherical shapes 3a and 3b and a point on the joint surface 1s is uniquely determined, and a direction normal to the plane from the lower mold 1 to the upper side in FIG. Set as the z-axis direction of the coordinate system. When the measured object reference coordinate system is an xyz orthogonal three-axis coordinate system, the x-axis direction, which is the remaining orthogonal single axis, is uniquely determined based on the y- and z-axis directions already defined. From the above, the object reference coordinate system having the origin at the center position of the spherical shape 3a is derived, and at the same time, the coordinate transformation from the coordinate system of the three-dimensional measuring device to the object reference coordinate system is obtained.
[0048]
Here, in the mold structure according to the present embodiment, the relative positional relationship between the joint surface 1s between the spherical shape 3a, 3b and the upper mold and the optical effective surface 1a in the lower mold 1 shown in FIG. Have been. From this, based on the design information, the surface position and orientation of the optically effective surface 1a are obtained in the measured object reference coordinate system.
[0049]
Next, the surface shape is measured by scanning the probe 5 over the effective surface range defined by the design shape. At this time, since the positional relationship of the object reference coordinate system with respect to the coordinate system of the three-dimensional measuring device has already been obtained by performing the coordinate conversion, the three-dimensional shape measurement (not shown) of the lower mold 1 as the object to be measured is performed. By maintaining the same setup state without attaching and detaching from the apparatus here, highly accurate measurement can be performed on the optically effective surface 1a to be measured. It is possible.
[0050]
After measuring the surface shape of the optically effective surface 1a, fitting the optically effective surface measurement shape data obtained as a coordinate data group in the coordinate system of the three-dimensional shape measuring device to the design shape of the optically effective surface 1a by a least square method or the like. By performing the calculation, a shape error of the measured shape of the optically effective surface 1a with respect to the design shape is obtained. Note that the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment has a fitting processing operation unit for an optically effective surface measured shape.
[0051]
As described above, by performing the surface shape measurement on the optically effective surface 1a, in the measured object reference coordinate system defined by the spherical shapes 3a and 3b and the bonding surface 1s formed in the lower mold 1 shown in FIG. It is possible to evaluate a shape error, a position, and a posture error relating to the effective surface 1a. If the derived shape error, position and attitude error do not satisfy the tolerance standard (required accuracy) given as a design value for the optically effective surface 1a, the shape error obtained from the surface shape measurement Correction processing of the optical effective surface shape is performed based on the data. After the processing, the surface shape is again measured for the optically effective surface 1a by the above-described method, and the shape error after the correction processing is obtained. In this way, a series of actions of measurement and correction processing are repeated until the surface shape of the optically effective surface 1a satisfies the tolerance standard. As a result, it is possible to finally form an optically effective surface shape that satisfies the tolerance standard on the lower mold 1.
[0052]
FIG. 2 is a diagram showing a structure of an upper mold in a mold structure that can be separated into two upper and lower molds.
[0053]
In FIG. 2, reference numeral 1 denotes an upper mold for molding an optical element. The upper mold 2 has a mold structure according to the present embodiment, as well as an upper mold structure similar to the lower mold shown in FIG. 1, in addition to the optical effective surface 2 a for transferring the optical effective surface shape at the time of molding the optical element. It has spherical shapes 4a and 4b that define the position and orientation of the optically effective surface 2a and serve as positioning references for the upper and lower dies during molding.
[0054]
Here, the spherical shapes 4a and 4b are formed on the joint surface (reference surface) 2s when combined with the lower mold 1 shown in FIG. 1, and the shapes are concave as shown in FIG. Further, each center position of the spherical shapes 4a, 4b has a structure existing on the joint surface 2s. The curvature (sphere radius) of the spherical shape 4a is equal to the curvature of the spherical shape 3a shown in FIG. 1, and the curvature of the spherical shape 4b is equal to the curvature of the spherical shape 3b shown in FIG.
[0055]
Note that, similarly to the lower mold structure shown in FIG. 1, the upper mold structure shown in FIG. 2 is a mold separate from the upper mold 2 on which the optically effective surface 2a is formed. May be incorporated in the upper mold 2. In any of the mold structures, the relative positional relationship between the spherical shapes 4a and 4b and the optically effective surface 2a in the design shape of the upper mold 2 is defined.
[0056]
A shape measuring method when measuring the surface shape of the optically effective surface 2a in FIG. 2 using the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment with respect to the upper mold 2 described above will be described below.
[0057]
Similarly to the method of measuring the shape of the lower mold 1 shown in FIG. 1, the upper mold 2 shown in FIG. 2 is attached to a three-dimensional shape measuring device (not shown). Are scanned to measure the surface shape of the spherical shapes 4a and 4b. Then, a method similar to the method of deriving the center position of the spherical shapes 3a, 3b formed in the lower mold 1 in FIG. 1 for the spherical measured shape data obtained as a coordinate data group in the three-dimensional shape measuring device coordinate system. As a result, the center coordinate positions of the spherical shapes 4a and 4b are obtained.
[0058]
Subsequent to the above-described spherical shape measurement, when performing point coordinate measurement using the probe 5 for any one point on the joint surface 2s with the lower die and not on a straight line connecting the center positions of the spherical shapes 4a and 4b, The same method as that used for lower mold measurement is adopted. Thus, the coordinate data of one point on the joining surface 2s is obtained as coordinate data in the coordinate system of the three-dimensional shape measuring device.
[0059]
Next, based on the measurement results of the spherical shape measurement and the coordinate measurement of one point on the joint surface described above, FIG. 2 shows a method similar to that at the time of measuring the surface shape of the optically effective surface 1a formed in the lower mold 1. An object to be measured reference coordinate system is also defined in the upper mold 2 shown. Here, the coordinate axis direction of the measured object reference coordinate system is defined so as to coincide with each axis direction of the xyz orthogonal three-axis coordinate system shown in FIG. Further, the origin of the measured object reference coordinate system is defined to be the center position of the spherical shape 4a. Thus, the object reference coordinate system having the origin at the center position of the spherical shape 4a in FIG. 2 is derived, and at the same time, the coordinate conversion from the coordinate system of the three-dimensional measuring device to the object reference coordinate system is obtained.
[0060]
Next, the surface shape measurement is performed on the optically effective surface 2a shown in FIG. 2 in the same manner as the surface shape measurement on the optically effective surface 1a in the lower mold 1 shown in FIG. After the surface shape measurement is completed, a shape error, a position, and a posture error with respect to the design shape can be derived for the optically effective surface 2a by the same method as the measurement shape analysis method for the optically effective surface 1a. From this, the shape error and the position / posture error relating to the optically effective surface 2a in the measured object reference coordinate system are evaluated. If the error does not satisfy the tolerance standard (required accuracy) given as a design value. Correction processing is performed in the same manner as in the case where the lower mold inner optical effective surface 1a is targeted. From the above, it is possible to finally form an optically effective surface shape that satisfies the tolerance standard also in the upper mold 2.
[0061]
FIG. 3 is a diagram for explaining a combined state of the upper and lower dies when the upper and lower dies shown in FIGS. 1 and 2 are installed in a molding machine. FIG. 3 shows a cross section parallel to the yz plane. 3, in the mold structure according to the present embodiment, the spherical shapes 3a, 3b and 4a, 4b formed on the upper and lower dies, respectively, are used for positioning the upper and lower dies as shown in FIG. . At this time, the convex spherical shape 3a formed on the lower mold 1 is changed to the concave spherical shape 4a formed on the upper mold 2, and the convex spherical shape 3b formed on the lower mold 1 is changed to the upper mold 2. It is combined with the formed concave spherical surface shape 4b in the direction of the arrow.
[0062]
By adopting such a mold structure, the DUT reference coordinate system defined in the lower die 1 shown in FIG. 1 and the DUT reference coordinate system defined in the upper die 2 shown in FIG. 2 are shown in FIG. It is possible to match them in a state where the upper and lower dies are assembled. Thus, the optically effective surfaces 1a and 2a, which have already been evaluated in the object reference coordinate system defined for each of the upper and lower dies, have spherical shapes in a state where the upper and lower dies are combined, that is, in a state of being attached to the molding machine. Using the center position of 3a and 4a as the origin, the measurement shape evaluation is performed on a common reference coordinate system having the same posture as the object reference coordinate system defined in the lower die 1 or the upper die 2. As described above, according to the mold structure, the three-dimensional shape measuring method, and the three-dimensional shape measuring apparatus in the present embodiment, it is possible to accurately grasp the relative positional relationship between the optically effective surfaces 1a and 2a in the upper and lower mold combination state. It becomes possible.
[0063]
As described above, according to the present embodiment, in the mold structure of the optical element molding die, a spherical shape is formed on the joint surface of each of the upper and lower molds, and the same shape is used for positioning when combining the upper and lower molds. Thus, it is possible to suppress the occurrence of the positional error of the upper and lower dies in the mounting state of the molding machine, which has occurred in the related art. Furthermore, since the optically effective surfaces respectively formed on the upper and lower dies satisfy the tolerance standard with respect to a common reference coordinate system when the molding machine is mounted, the optically effective surface shapes of the upper and lower dies in the upper and lower die combination state are different from those of the conventional one. This means that the relative position is defined with higher precision than the technology. This means that when molding an optical element using a material such as a synthetic resin material or a glass material using this mold structure, it is possible to mold an optical element having a highly accurate optically effective surface shape. Tied.
[0064]
The details of the method of defining the measured object reference coordinate system with respect to the mold structure shown in FIGS. 1 and 2 are as described above, but the respective axial directions and the origin position of this coordinate system are limited to the above description. Not something.
[0065]
For example, in FIG. 1, the y-axis direction of the measured object reference coordinate system may be set in a direction from the center position of the spherical shape 3b toward the center position of the spherical shape 3a. In the above description, the origin position of the coordinate system is set at the center position of the spherical shape 3a. However, it is needless to say that the origin position may be set at the center position of the spherical shape 3b. That is, in the present embodiment, in the combined state of the upper and lower molds shown in FIG. 3, the measuring object reference coordinate system defined for each of the upper and lower molds coincides, and the defining method satisfies the condition that can be handled as a common coordinate system in the combined state. Should be fine.
[0066]
Further, in the above description, the mold structure shown in FIG. 1 was described as a lower mold, and the mold structure shown in FIG. 2 was described as an upper mold. In the present embodiment, the mold structure shown in FIG. The mold structure shown may be a lower mold structure, and it goes without saying that the same effect can be obtained in this case.
[0067]
(Second embodiment)
FIG. 4 is a view for explaining the second embodiment of the present invention, and is a view showing a lower mold structure in a mold structure which can be separated into two upper and lower molds.
[0068]
As shown in FIG. 4, the mold structure according to the present embodiment determines the position and orientation of the optically effective surface 11 a in the lower mold 11 in addition to the optically effective surface 11 a for transferring the optically effective surface shape at the time of molding the optical element. It has spherical shapes 13a, 13b, 13c that are defined and serve as positioning references for the upper and lower dies during molding.
[0069]
Here, the spherical shapes 13a, 13b, 13c are formed on a joint surface (reference surface) 11s when combined with an upper mold 2 shown in FIG. 5 described later, and the shape is a convex shape as shown in FIG. is there. Further, each center position of the spherical shapes 13a, 13b, 13c has a structure existing on the joint surface 11s. Further, only the spherical shape 13c is formed with a smaller curvature than the curvature (spherical radius) of the concave spherical shape 14c shown in FIG. As with the first embodiment, the spherical shapes 13a and 13b are formed with the same curvature as the spherical shapes 14a and 14b shown in FIG. 5 described later.
[0070]
Although FIG. 4 shows a mold structure in which the optically effective surface 11a is directly formed on the lower mold 11, it is separate from the lower mold 11 in which the optically effective surface 11a is formed as in the first embodiment. May be incorporated into the lower mold 11 on which the spherical shapes 13a, 13b, 13c are formed. In any case, the relative positional relationship between the spherical shapes 13a, 13b, 13c and the optically effective surface 11a is specified in the design shape of the mold structure.
[0071]
A method of measuring the surface shape of the optically effective surface 11a using the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment with respect to the mold structure described above will be described below.
[0072]
In the present embodiment, spherical shape measurement is performed on the spherical shapes 13a and 13b in the same manner as in the first embodiment. Further, in the present embodiment, the spherical shape measurement is performed by scanning the spherical shape 13c shown in FIG. After the spherical shape measurement is completed, the center positions of the spherical shapes 13a, 13b, and 13c are obtained according to the first embodiment in which the center positions of the spherical shapes 3a and 3b are derived as coordinate data in the coordinate system of the three-dimensional shape measuring device. .
[0073]
Based on the center positions of the spherical shapes 13a, 13b, and 13c defined in the three-dimensional shape measuring device, the reference coordinate system of the measured object is defined in the lower mold 11 shown in FIG. I do.
[0074]
Hereinafter, this defining method will be described in detail.
[0075]
First, in the same manner as in the first embodiment, a center position measurement coordinate value of the spherical shape 13a obtained by shape measurement is set as the origin of the measured object reference coordinate system. Note that this is an example, and the origin may be the center position of the spherical shape 13b or 13c. Here, a case where the center position of the spherical shape 13a is set as the coordinate system origin will be described.
[0076]
In this case, the y-axis direction of the measured object reference coordinate system is set in the same manner as in the first embodiment. Further, in the z-axis direction of this coordinate system, a plane including three points at the center positions of the spherical shapes 13a, 13b, 13c is uniquely determined, and a direction normal to this plane from the lower mold 11 to the upper side in FIG. Is set as the z-axis direction. Thus, in the DUT reference coordinate system represented by the xyz orthogonal three-axis coordinate system, the X-axis direction can also be uniquely determined. As described above, also in the present embodiment, the object reference coordinate system having the origin at the center position of the spherical shape 13a is derived, and at the same time, the coordinate conversion from the three-dimensional shape measuring device coordinate system to the object reference coordinate system is also obtained. .
[0077]
Based on the measured object reference coordinate system derived as described above, the surface shape is measured on the optically effective surface 11a shown in FIG. 4 in the same manner as in the first embodiment. Here, the surface shape measurement method using the illustrated probe 15 and the measurement shape processing method (fitting processing calculation) by the calculation means of the three-dimensional shape measurement device (not illustrated) are all the same as in the first embodiment. It is feasible. Therefore, also in the present embodiment, an optically effective surface shape that satisfies the tolerance standard defined as the design value in FIG. 4 can be formed in the lower mold 11.
[0078]
FIG. 5 is a diagram showing the structure of the upper mold in the mold structure that can be separated into two upper and lower molds.
[0079]
As shown in FIG. 5, similarly to the lower mold shown in FIG. 4, the upper mold has a mold structure other than the optically effective surface 12a for transferring the optically effective surface shape at the time of molding the optical element. It has spherical shapes 14a, 14b, 14c that define the position and orientation of the optically effective surface 12a and serve as positioning references for the upper and lower dies during molding.
[0080]
Here, the spherical shapes 14a, 14b, 14c are formed on the joint surface (reference surface) 12s when combined with the lower mold 11 shown in FIG. 4, and the shapes are concave as shown in FIG. Further, each center position of the spherical shapes 14a, 14b, 14c has a structure existing on the joint surface 12s. Further, only the spherical shape 14c is formed with a larger curvature than the curvature (spherical radius) of the spherical shape 13c shown in FIG. As described above, the spherical shapes 14a and 14b are formed with the same curvature as the spherical shapes 13a and 13b shown in FIG.
[0081]
Note that, similarly to the lower mold structure shown in FIG. 4, the upper mold structure shown in FIG. 5 is also different from the upper mold 12 on which the optically effective surface 12a is formed, and has spherical shapes 14a, 14b, and 14c. It may be a structure incorporated in the formed upper mold 12. In any of the mold structures, the relative positional relationship between the spherical shapes 14a, 14b, 14c and the optically effective surface 12a in the design shape of the upper mold 12 is defined.
[0082]
A method for measuring the surface shape of the optically effective surface 12a using the three-dimensional shape measuring device according to the present embodiment for the above-described upper die structure will be described below.
[0083]
In the present embodiment, spherical shape measurement is performed on the spherical shapes 14a and 14b by a method similar to the method described in the first embodiment. Furthermore, in the present embodiment, the spherical shape measurement is performed by scanning the spherical shape 14c shown in FIG. After the spherical shape measurement is completed, in the first embodiment, according to the method of deriving the center positions of the spherical shapes 4a and 4b shown in FIG. 2 as coordinate data in the three-dimensional shape measuring device coordinate system, the spherical shapes 14a and 14b shown in FIG. The center position of the same shape is obtained for 14b and 14c.
[0084]
Based on the center positions of the spherical shapes 14a, 14b, 14c defined in the three-dimensional shape measuring device, the upper mold is formed by the same method as that used when measuring the surface shape of the optically effective surface 11a formed in the lower mold 11. A reference coordinate system for the object to be measured is also defined in 12. Here, the coordinate axis direction of the measured object reference coordinate system is defined so as to coincide with each axis direction of the xyz orthogonal three-axis coordinate system shown in FIG. Further, the origin of the reference coordinate system of the measured object is defined so as to be the center position of the spherical shape 14a. In this way, an object reference coordinate system having the origin at the center position of the spherical shape 14a in FIG. 5 is derived, and at the same time, a coordinate conversion from the coordinate system of the three-dimensional measuring device to the object reference coordinate system is obtained.
[0085]
Based on the measured object reference coordinate system derived as described above, the surface shape is measured on the optically effective surface 12a shown in FIG. 5 in the same manner as in the first embodiment. Here, the surface shape measurement method using the illustrated probe 15 and the measurement shape processing method (fitting processing calculation) by the calculation means of the three-dimensional shape measurement device (not illustrated) are all the same as in the first embodiment. It is feasible. Therefore, also in the present embodiment, an optically effective surface shape that satisfies the tolerance standard defined as the design value in FIG.
[0086]
As described above, in the present embodiment, the lower mold 11 shown in FIG. 4 and the upper mold 12 shown in FIG. 5 are combined and attached to a molding machine (not shown) to mold a desired optical element. At this time, the method of combining the upper and lower molds follows the method shown in FIG. 3 as the first embodiment. That is, the spherical shapes 13a and 13b formed on the lower die 11 shown in FIG. 4 and the spherical shapes 14a and 14b formed on the upper die 12 shown in FIG. Here, the convex spherical shape 13a formed on the lower mold 11 is combined with the concave spherical shape 14a formed on the upper mold 12, and the convex spherical shape 13b is similarly combined with the concave spherical shape 14b.
[0087]
As described above, the spherical shape 13c shown in FIG. 4 and the spherical shape 14c shown in FIG. 5 have the same center position of the spherical shape, and the spherical shape 14c has a larger curvature than the spherical shape 13c. Therefore, it is possible to match the joining surfaces 11s and 12s without interference in the upper and lower mold combination state.
[0088]
By adopting such a mold structure, it is possible to grasp the relative positional relationship between the optically effective surfaces 11a and 12a with high accuracy in the upper and lower mold combination state, as in the first embodiment. Also in the present embodiment, by adopting the mold structure shown in FIGS. 4 and 5, it is possible to mold an optical element having a highly accurate optically effective surface shape.
[0089]
Note that, also in the present embodiment, the method of defining the measured object reference coordinate system is not limited to the above description with respect to each axis direction and the origin position of the coordinate system. That is, also in the present embodiment, any method may be used as long as the reference coordinate system of the object to be measured defined for each of the upper and lower molds in the combined state of the upper and lower molds matches, and the condition that can be handled as a common coordinate system in that state is satisfied.
[0090]
Further, in the above description, the mold structure shown in FIG. 4 was described as a lower mold, and the mold structure shown in FIG. 5 was described as an upper mold. In the present embodiment, the mold structure shown in FIG. The structure shown in the figure may be a lower mold, and it is needless to say that the same effect can be obtained in this case.
[0091]
(Third embodiment)
FIG. 6 is a view for explaining the third embodiment of the present invention, and is a view showing a lower mold structure in a mold structure that can be separated into two upper and lower molds.
[0092]
As shown in FIG. 6, the mold structure described in the present embodiment is similar to the mold structure shown in FIG. 4, in addition to the optically effective surface 21 a for transferring the optically effective surface shape at the time of molding the optical element, as well as the lower mold 21. And the spherical shapes 23a, 23b, and 23d that define the position and orientation of the optically effective surface 21a and serve as positioning references for the upper and lower dies during molding.
[0093]
Here, the spherical shapes 23a, 23b, and 23d are formed on the bonding surface (reference surface) 21s when combined with the upper mold 12 shown in FIG. 5 described above, and the shape is a convex shape as shown in FIG. is there. Further, each center position of the spherical shapes 23a, 23b, and 23d has a structure existing on the joint surface 21s. In the present embodiment, the spherical shapes 23a, 23b, and 23d are all formed with the same curvature as the spherical shapes 14a, 14b, and 14c shown in FIG.
[0094]
Although FIG. 6 shows a mold structure in which the optically effective surface 21a is directly formed on the lower mold 21, the lower mold 21 in which the optically effective surface 21a is formed as in the first and second embodiments. Alternatively, a structure in which a separate mold is incorporated in the lower mold 21 on which the spherical shapes 23a, 23b, and 23d are formed may be used. In any case, the relative positional relationship between the spherical shapes 23a, 23b, 23d and the optically effective surface 21a is specified in the design shape of the mold structure.
[0095]
The surface shape of the optically effective surface 21a in FIG. 6 is measured for the mold structure described above using the same shape measuring device and shape measuring method as in the second embodiment. As a result, an optically effective surface shape that satisfies a tolerance standard defined as a design value for the optically effective surface 21a in FIG. Details of this are as described in the second embodiment shown in FIG. 4, and thus description thereof is omitted here.
[0096]
In the upper mold structure of the present embodiment, the upper mold 12 shown in FIG. 5 uses a mold structure that differs only in the positional relationship between the joint surface 12s and the respective center positions of the spherical shapes 14a, 14b, and 14c. I do. Specifically, in FIG. 5, an upper die structure is employed in which the joining surface 12s is located at a position shifted in parallel in the z-plus direction from a plane including the three center positions of the spherical shape. The upper mold having such a structure and the lower mold 21 shown in FIG. 6 are combined and attached to a molding machine (not shown) to mold a desired optical element.
[0097]
Finally, FIG. 7 is a view for explaining the third embodiment of the present invention, and is a view for explaining a combined state when the upper and lower dies are attached to the molding machine.
[0098]
As shown in FIG. 7, in the method of combining the upper and lower dies in the present embodiment, the spherical shapes 23a, 23b, and 23d formed on the lower die 21 shown in FIG. A spherical shape corresponding to the spherical shapes 14a, 14b, 14c formed on the upper mold 12 is used for positioning the upper and lower molds. Here, the convex spherical shape 23a formed on the lower mold 21 is changed to the concave spherical shape 14a formed on the upper mold 12, similarly, the convex spherical shape 23b is changed to the concave spherical shape 14b, and 23d is changed to 14c. Is combined with
[0099]
At this time, the combination state of the upper and lower molds (the attitude of each mold) is uniquely determined by the three center positions of the spherical shape. Further, from the positional relationship between the center position of the spherical shape and the joining surface 12s between the lower mold and the upper mold in the above-described upper mold structure, strictly speaking, as shown in FIG. .
[0100]
In the mold structure according to this embodiment, similarly to the first and second embodiments, the relative positional relationship between the optically effective surfaces 21a and 12a can be grasped with high accuracy in the upper and lower mold combination state shown in FIG. It is possible to do. The optical element having a protruding portion corresponding to the gap is formed by molding the optical element using a glass material with respect to the mold structure in the present embodiment. At this time, the optically effective surfaces of the optical elements formed by transferring the shapes of the optically effective surfaces 21a and 12a formed on the upper and lower dies respectively have high shape accuracy as in the other embodiments.
[0101]
Note that, also in the present embodiment, the method of defining the measured object reference coordinate system is not limited to the above description with respect to each axis direction and the origin position of the coordinate system. That is, also in the present embodiment, any method may be used as long as the reference coordinate system of the object to be measured defined for each of the upper and lower molds in the combined state of the upper and lower molds matches, and the condition that can be handled as a common coordinate system in that state is satisfied.
[0102]
In the above description, the mold structure shown in FIG. 6 is described as the lower mold, and the mold structure different from the mold structure shown in FIG. 5 only in the positional relationship between the center of the spherical shape and the joining surface is described as the upper mold. In this case, the structure shown in FIG. 6 may be an upper mold and the other mold structure may be a lower mold. It goes without saying that the same effect can be obtained in this case.
[0103]
As described above, in the present embodiment, the mold structure of the optical element molding die has a structure that can be separated into two upper and lower molds, and provides a mold structure having a spherical shape at the joint surface of each of the upper and lower molds. Further, a three-dimensional shape measuring apparatus having means for measuring the surface shape on the spherical shape and the surface shape on the optically effective surface under the same setup and an arithmetic means for realizing the same, and a three-dimensional shape measuring device using the same. Provided is a shape measuring method for measuring an optically effective surface shape of a mold structure as a measurement object. Thus, in a state where the mold structure of the present embodiment is attached to the molding machine, the relative positional relationship between the optically effective surfaces formed in the two molds, respectively, is configured with higher precision than in the related art. It is possible to do.
[0104]
In addition, by molding the optical element using the mold structure, it is possible to manufacture an optical element having an optically effective surface shape accuracy that is higher than that of the prior art, and further, a reduction in the manufacturing defect rate of the optical element. Is achieved.
[0105]
The embodiment of the invention has been described with reference to FIGS. In the above description, the probe 5 is described as a contact type, but in the present invention, the probe may be a non-contact type probe. According to the present invention, the above-described effects can be similarly obtained in the three-dimensional shape measuring apparatus provided with any method.
[0106]
Further, in the above description, the mold structure is a structure that can be separated into two, and each mold is described as an upper and lower mold, but in the present invention, it is not limited to the separation in the up and down direction and can be simply separated into two. Any type structure may be used. At this time, it goes without saying that the effect of the present invention can be similarly obtained.
[0107]
In the above description, the upper and lower molds have been described as having one optically effective surface, but each mold may have a plurality of optically effective surfaces.
[0108]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the relative positional accuracy of the optically effective surfaces formed in the upper and lower separate molds can be improved, and the shape accuracy of the optical element manufactured by the mold can be improved. .
[0109]
Further, according to the present invention, by adopting an up-down configuration having three spherical shape portions, all three points for defining the reference coordinate system become the central coordinates of the spherical shape. The reference coordinate system common to the upper and lower dies can be matched with higher accuracy than the configuration of the upper and lower dies.
[0110]
Further, according to the present invention, only one of the three sets has the same center position of the spherical shape portion, and the curvature value of the convex spherical shape is set to be smaller than that of the concave spherical shape. Since only the center positions of the upper and lower mold concave and convex spherical shapes need to be matched for the spherical shape portion, the shape creation of the spherical shape portion is simplified.
[0111]
Further, according to the present invention, by arranging the center position of the spherical shape portion so as to be shifted from the bonding surface, the upper and lower molds are positioned only by the spherical shape portion, and stable positioning is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining a first embodiment of the present invention, and is a view showing the shape of a lower mold in a mold structure that can be separated into two upper and lower molds.
FIG. 2 is a diagram showing a structure of an upper mold in a mold structure separable into two upper and lower molds.
FIG. 3 is a diagram for explaining a combined state of the upper and lower dies when the upper and lower dies shown in FIGS. 1 and 2 are installed in a molding machine.
FIG. 4 is a view for explaining a second embodiment of the present invention, and is a view showing a lower mold structure in a mold structure that can be separated into two upper and lower molds.
FIG. 5 is a diagram showing a structure of an upper mold in a mold structure that can be separated into two upper and lower molds.
FIG. 6 is a view for explaining a third embodiment of the present invention, and is a view showing a lower mold structure in a mold structure that can be separated into two upper and lower molds.
FIG. 7 is a view for explaining a third embodiment of the present invention, and is a view for explaining a combined state when the upper and lower dies are attached to a molding machine.
FIG. 8 is a diagram illustrating a mold structure and an optical effective surface shape measurement / evaluation method according to the related art.
[Explanation of symbols]
1 lower mold
1a Optical effective surface
1s reference plane
2 Upper type
2a Optically effective surface
2s reference plane
3a, 3b, 3c, 3d spherical shape
4a, 4b, 4c spherical shape
5 Probe
11 Lower mold
11a Optically effective surface
11s reference plane
12 Upper type
12a Optically effective surface
12s reference plane
13a, 13b, 13c Spherical shape
14a, 14b, 14c spherical shape
21 Lower mold
21a Optically effective surface
21s reference plane
23a, 23b, 23c spherical shape
101a Optically effective surface
101s, 101t, 101u Reference plane
105 probe

Claims (9)

光学素子を成形するための成形面をそれぞれ有する第１及び第２の金型部材を備える光学素子成形用金型であって、
前記第１の金型部材は、前記光学素子の第１の光学有効面を成形するための第１の成形面と、該第１の成形面以外の部位に位置する２つの凸面の球面形状部とを有し、
前記第２の金型部材は、前記光学素子の第２の光学有効面を成形するための第２の成形面と、該第２の成形面以外の部位に位置し前記凸面の球面形状部と組み合わされる２つの凹面の球面形状部とを有し、
前記２組の凸面の球面形状部と凹面の球面形状部の曲率は互いに等しく、前記第１の金型部材と前記第２の金型部材を組み合わせたときに、前記凸面の球面形状部の中心位置と、前記凹面の球面形状部の中心位置とが一致するように形成されていることを特徴とする光学素子成形用金型。An optical element molding die including first and second mold members each having a molding surface for molding an optical element,
The first mold member has a first molding surface for molding a first optically effective surface of the optical element, and two convex spherical portions located at portions other than the first molding surface. And having
The second mold member has a second molding surface for molding a second optically effective surface of the optical element, and a spherical shape portion of the convex surface located at a portion other than the second molding surface. And two concave spherical shapes to be combined,
The curvatures of the two sets of convex and concave spherical portions are equal to each other, and when the first mold member and the second mold member are combined, the center of the convex spherical portion is A mold for forming an optical element, wherein the mold is formed so that a position thereof coincides with a center position of the spherical portion of the concave surface. 前記第１の金型部材には、前記凸面の球面形状部が３つ形成されており、前記第２の金型部材には、前記凸面の球面形状部に組み合わされる凹面の球面形状部が３つ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。The first mold member has three convex spherical shape portions, and the second mold member has three concave spherical shape portions combined with the convex spherical shape portion. The optical element molding die according to claim 1, wherein one is formed. 前記凸面の球面形状部の中心位置と、前記凹面の球面形状部の中心位置とが、前記第１の金型部材と前記第２の金型部材の接合面上に存在することを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。A center position of the convex spherical shape portion and a center position of the concave spherical shape portion are present on a joint surface between the first mold member and the second mold member. The mold for molding an optical element according to claim 1. 互いに組み合わされる前記凸面の球面形状部と凹面の球面形状部とが３組存在し、該３組の球面形状部のうちの一組が、凸面の球面形状部の曲率半径が凹面の球面形状部の曲率半径よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子成形用金型。There are three sets of the convex spherical shape part and the concave spherical shape part which are combined with each other, and one set of the three spherical shape parts is a spherical shape part having a concave spherical radius of curvature. 3. The mold for molding an optical element according to claim 2, wherein the radius of curvature is set to be smaller than the radius of curvature. 前記第１の金型部材の凸面の球面形状部の中心位置、又は前記第２の金型部材の凹面の球面形状部の中心位置が、前記第１及び第２の金型部材の接合面からずれた位置に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。The center position of the convex spherical shape portion of the first mold member or the central position of the concave spherical shape portion of the second mold member is from the joint surface of the first and second mold members. The optical element molding die according to claim 1, wherein the mold is set at a shifted position. 前記第１及び第２の金型部材の少なくとも一方は、前記光学素子の複数の光学有効面を成形するための複数の成形面を有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。The optical element molding apparatus according to claim 1, wherein at least one of the first and second mold members has a plurality of molding surfaces for molding a plurality of optically effective surfaces of the optical element. Mold. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学素子成形用金型の成形面の形状を測定するための三次元形状測定方法であって、
前記２つ以上の球面形状部の全ての面形状を測定する球面形状測定工程と、
該球面形状測定工程の測定結果に基づいて、前記球面形状部の中心座標を算出する中心座標算出工程と、
前記球面形状測定工程を実施する測定装置から前記光学素子成形用金型を着脱することなく、前記成形面の形状を測定する成形面測定工程と、
前記中心座標算出工程で算出された前記球面形状部の中心座標に基づく座標系における前記成形面の面位置を算出する面位置算出工程とを備えることを特徴とする三次元形状測定方法。A three-dimensional shape measuring method for measuring a shape of a molding surface of the optical element molding die according to any one of claims 1 to 6,
A spherical shape measuring step of measuring all surface shapes of the two or more spherical shaped portions,
A center coordinate calculating step of calculating center coordinates of the spherical shape portion based on the measurement result of the spherical shape measuring step;
A molding surface measurement step of measuring the shape of the molding surface without attaching and detaching the optical element molding die from a measuring device that performs the spherical shape measurement step,
A surface position calculating step of calculating a surface position of the molding surface in a coordinate system based on the center coordinates of the spherical shape portion calculated in the center coordinate calculating step. 前記第１の成形面の面位置が前記第１の金型部材の前記凸面の球面形状部の中心位置に対して位置出しされており、前記第２の成形面の面位置が前記第２の金型部材の前記凹面の球面形状部の中心位置に対して位置出しされていることを特徴とする請求項７に記載の三次元形状測定方法。The surface position of the first molding surface is located with respect to the center position of the spherical portion of the convex surface of the first mold member, and the surface position of the second molding surface is the second molding surface. The three-dimensional shape measuring method according to claim 7, wherein the three-dimensional shape measuring method is positioned relative to a center position of the concave spherical surface portion of the mold member. 前記球面形状部の中心座標に基づく座標系を設定するに当たり、前記光学素子成形用金型の接合面上の任意の一点の座標を測定することを特徴とする請求項７に記載の三次元形状測定方法。The three-dimensional shape according to claim 7, wherein in setting a coordinate system based on the center coordinates of the spherical shape portion, coordinates of an arbitrary point on a joining surface of the optical element molding die are measured. Measuring method.
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