JP2004141983A - Working method of molding die, molding die, and optical element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザプリンタのポリゴンスキャナ光学系等に用いられる走査用レンズ、プリズム、ミラー等の光学素子、その光学素子の光学面を成形するための成形金型、及びその成形金型の加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
レンズ、プリズム等の光学素子には、光を入出射させるための光学面が形成されている。ミラー等の光学素子には、光を反射させるための光学面が形成されている。これらの光学面は、所望の光学特性を発揮すべく正確に光の入出射または反射を行わなければならず、そのため、光学面の形成は精密に行う必要がある。
【0003】
例えば、レーザプリンタのポリゴンスキャナ光学系に用いられる走査用レンズにおいては走査に伴いレーザの入射スポット位置が移動するため、光学面にうねりがあると縦スジ等の画像不良の原因となってしまう。したがって、この走査用レンズ等の光学素子においてはその光学面からうねりを充分に排除し、精密な光学面とする必要がある。
【0004】
近年では、このような光学素子の光学面は成形金型により形成される場合がある。この場合、光学素子の光学面のうねりを排除して精密な光学面とするためには、成形金型において光学面を成形する面(以下、光学面成形面という)のうねりを除去して精密な光学面成形面とする必要がある。
【0005】
光学面成形面のうねりの除去は、粗加工として光学面成形面の表面形状の加工を行った後に光学面成形面の表面形状を測定して除去すべきうねり量やその波長を算出し、その算出されたうねりに基づいてさらに仕上げ加工を行うことがよく行われる。例えば、図20に示すように、光学面成形面を切削して所望の形状創成を行い(S.11)、接触プローブを用いてその光学面成形面の表面形状の測定を行い(S.12)、小径の研磨工具を点接触させてかつその滞留時間制御を行うことにより表面形状の測定結果に基づきつつ光学面成形面の形状修正およびうねり除去を行い(S.13)、再び接触プローブを用いてその光学面成形面の表面形状の測定を行って(S.14)、面精度やうねりが目標精度を満足したか否かを判断し(S.15)、満足していない場合に再び上記(S.13)の工程と(S.14)の工程とを繰り返すという方法が従来から行われている。
【0006】
その従来の光学面成形面の研磨方法の一例として、うねりの波長よりも短い工具径を有する修正研磨工具を用いることによりうねりの山部を選択的に研磨して波長の短い二次うねりに変換した後に、その二次うねりの波長の2倍以上の工具径を有する主研磨工具を被研磨物に相対移動させて二次うねりが形成されている被研磨面(光学面成形面)を研磨する方法が提案されている(例えば、特許文献1)。
【0007】
また、被加工物の表面の加工前の形状を測定し、目標形状に対する誤差形状を求める誤差形状測定工程と、求められた誤差形状を高次多項式で近似する近似工程と、高次多項式で近似された近似曲面と誤差形状との差分である残差形状を研磨除去するために必要な、第1の研磨工具の被加工物の表面上の滞留時間分布を算出する滞留時間算出工程と、滞留時間分布を実現するように、第1の研磨工具を被加工物の表面に対して相対移動させ、研磨を行う第1の研磨工程と、第1の研磨工具よりも研磨面の大きい第2の研磨工具により、空間周波数で低域の誤差形状を修正研磨する第2の研磨工程とを具備する方法も提案されている(例えば、特許文献2)。
【0008】
さらに、加圧機構と加工研磨ヘッドとをその重心で支持し、加工点における法線上に荷重測定器をレイアウトして加工点における法線方向と加圧機構による加圧方向とを一致させる法線制御を行う曲面研磨装置も提案されている(例えば、特許文献3)。
【0009】
特許文献1に記載のものは、うねりの波長よりも長い接触幅で研磨工具を被研磨面に接触させ、研磨工具を回転させたり揺動させたりすることによって研磨工具を加振し、接触面内で被研磨面を平均化することによってうねりを除去するものである。 このものによれば、干渉計を用いて被研磨面の形状測定を行っているが、その形状がトーリック形状や自由曲面形状等の場合は、光プローブや触針プローブ等の測定プローブを被研磨面上でならい動作させて点座標を連続的に取得する手法が用いられる。
【0010】
また、特許文献2、特許文献3に記載のものは、うねりの波長よりも短い接触幅で研磨工具を被研磨面に接触させ、研磨の滞留時間制御を行うことにより被研磨面のうねりを低減させるものである。
【0011】
これらのものによれば、被研磨面の加工により生じたうねりを正確に測定し、その測定データに基づいてうねりを相殺するような除去加工(修正研磨)をさらに行うことによって被研磨面の面精度を向上させる。したがって、うねりの測定精度が光学面成形面の仕上げ精度に大きく影響する。
【0012】
曲面形状の光学素子またはその金型を光学部品として使用可能な鏡面に仕上げる研磨工具として、被加工物を研磨加工する研磨工具の研磨工具部を、木材の粉砕された紛状部材と、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂のいずれかを主成分とする熱硬化性樹脂と、を混練して加熱圧縮した材料を素材として成形し、研磨工具部の材料を、木材の紛状部材の熱硬化性樹脂に対する比率が、重量比で10%以上のものとしたものも提案されている(例えば、特許文献4)。
【0013】
なお、光学面成形面形状が非球面形状、自由曲面形状である成形金型を製作する場合、金型材料として鉄鋼系材料の表面に無電解ニッケルメッキを施したものを用い、その金型材料をダイヤモンドバイトで切削するという製作方法がよく用いられる。
【0014】
【特許文献1】
特開2000−263391号公報
【特許文献2】
特開2002−52451号公報
【特許文献3】
特開平2−131851号公報
【特許文献4】
特開2001−138196号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、被研磨面の加工により生じたうねりの測定においては以下のような問題がある。すなわち、ダイヤモンドバイトにより成形金型の光学面成形面を切削すると、ダイヤモンドバイトによる切削痕がその表面に形成されてしまい、また、その表面形状に方向性があることからこの光学面成形面が異方性を有するものとなる。
【0016】
この切削痕を低減させるためには切削加工の加工幅間隔、いわゆる切削ピッチを小さくすることが考えられるが、切削ピッチを小さくすると所定面積の切削に要する繰り返し切削回数が増えてしまう。その結果、合計切削長さが長くなり、ひいては切削加工に要する時間が増大してしまって被研磨面の面精度に悪影響を与えてしまう。したがって、切削ピッチを充分に小さくすることが困難であり、測定対象としての被研磨面には異方性を有するうねりが残存してしまう。
【0017】
このような異方性を有する被研磨面の表面のうねりを前述の測定プローブの走査により測定する場合、被研磨面の表面に残存する切削痕の曲がりや切削幅の変化によって測定プローブが不用意に上下に変位してしまう。その変位が切削ピッチよりも充分に長い波長のうねりとして、本来存在しないにもかかわらず測定データに混入することとなる。それにより、誤差を含んで実際の被研磨面形状とは異なってしまった測定データが得られてしまい、その測定データに基づいて行う修正研磨によって精密な光学面成形面を得るのが困難なものとなっている。より精密な光学面成形面を得るためには、それらの被研磨面測定と修正研磨とを繰り返し行う必要があるが、測定データが誤差を含んでいるので何回修正研磨を行えば所望の面精度が得られるかも不明確であり、作業が大変非効率なものとなってしまっている。
【0018】
本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、修正研磨の回数を削減しつつ精密な光学面成形面を作業効率よく、かつ、確実に得ることができる成形金型の加工方法、その加工方法を用いて製造された成形金型、及びその成形金型により成形された光学素子を提供することを課題とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項1に記載の成形金型の加工方法は、光学素子における特定面形状の光学面を成形するための成形金型の加工方法であって、光学面に対応する成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、創成工程によって光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように切削痕よりも細かい加工痕を光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、予備加工工程後に、光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有することを特徴とする成形金型の加工方法。
【0020】
請求項2に記載の成形金型の加工方法は、請求項1に記載の成形金型の加工方法において、測定工程が光学面成形面に測定プローブを接触させつつ走査させるならい動作によって行われることを特徴とする。
【0021】
請求項3に記載の成形金型の加工方法は、請求項1又は請求項2のうちいずれかに記載の成形金型の加工方法において、予備加工工程又は仕上げ工程のうち少なくともいずれか一方が砥粒を用いた研磨により行われることを特徴とする。
【0022】
請求項4に記載の成形金型の加工方法は、請求項3に記載の成形金型の加工方法において、研磨により光学面成形面に形成された複数の研磨痕が創成工程における切削方向及びその切削方向に直交する方向のいずれとも異なる方向に向かって延びていることを特徴とする。
【0023】
請求項5に記載の成形金型の加工方法は、請求項3又は請求項4のうちいずれかに記載の成形金型の加工方法において、研磨痕が、直線状又は円弧状であることを特徴とする。
【0024】
請求項6に記載の成形金型の加工方法は、請求項3から請求項5のうちいずれか1項に記載の成形金型の加工方法において、予備加工工程及び仕上げ工程がともに砥粒を用いた研磨により行われ、かつ、予備加工工程における研磨工具と光学面成形面との切削方向に直交する方向での接触幅、及び、仕上げ工程における研磨工具と光学面成形面との切削方向に直交する方向での接触幅がともに切削方向に直交する方向での光学面成形面の幅よりも小さいことを特徴とする。
【0025】
請求項7に記載の成形金型の加工方法は、請求項6に記載の成形金型の加工方法において、予備加工工程における研磨工具と光学面成形面との切削方向に直交する方向での接触幅が、仕上げ工程における研磨工具と光学面成形面との切削方向に直交する方向での接触幅以上であることを特徴とする。
【0026】
請求項8に記載の成形金型は、光学素子における特定面形状の光学面を成形するための成形金型であって、光学面に対応する成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、創成工程によって光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように切削痕よりも細かい加工痕を光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、予備加工工程後に、光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有する加工方法を用いて製造されたことを特徴とする。
【0027】
請求項9に記載の成形金型は、請求項8に記載の成形金型において、予備加工工程又は仕上げ工程のうち少なくともいずれか一方が砥粒を用いた研磨により行われ、かつ、研磨により光学面成形面に形成された複数の研磨痕が創成工程における切削方向及びその切削方向に直交する方向のいずれとも異なる方向に向かって延びていることを特徴とする。
【0028】
請求項10に記載の成形金型は、請求項9に記載の成形金型において、複数の研磨痕が揃って一致する方向に延びるとともに隣接する各研磨痕の間隔が100μm以下であることを特徴とする。
【0029】
請求項11に記載の成形金型は、請求項9又は請求項10のうちいずれかに記載の成形金型において、各研磨痕の延びる方向と創成工程における切削方向とのなす角及び各研磨痕の延びる方向と切削方向に直交する方向とのなす角のいずれもが5°以上の角度であることを特徴とする。
【0030】
請求項12に記載の成形金型は、請求項9から請求項11のうちいずれか1項に記載の成形金型において、研磨痕が、直線状又は円弧状であることを特徴とする。
【0031】
請求項13に記載の成形金型は、請求項8から請求項12のうちいずれか1項に記載の成形金型において、仕上げ工程後の光学面成形面の表面粗さがRy値にて80nm以下であることを特徴とする。
【0032】
請求項14に記載の光学素子は、成形金型によって成形される特定面形状の光学面を有する光学素子であって、光学面に対応する成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、創成工程によって光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように切削痕よりも細かい加工痕を光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、予備加工工程後に、光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有する加工方法を用いて製造された成形金型によって成形されたことを特徴とする。
【0033】
請求項15に記載の光学素子は、請求項14に記載の光学素子において、予備加工工程又は仕上げ工程のうち少なくともいずれか一方が砥粒を用いた研磨により行われ、かつ、研磨により光学面成形面に形成された複数の研磨痕が創成工程における切削方向及びその切削方向に直交する方向のいずれとも異なる方向に向かって延びていることを特徴とする。
【0034】
請求項16に記載の光学素子は、請求項15に記載の光学素子において、複数の研磨痕が揃って一致する方向に延びるとともに隣接する各研磨痕の間隔が100μm以下であることを特徴とする。
【0035】
請求項17に記載の光学素子は、請求項15又は請求項16のうちいずれかに記載の光学素子において、各研磨痕の延びる方向と創成工程における切削方向とのなす角及び各研磨痕の延びる方向と切削方向に直交する方向とのなす角のいずれもが5°以上の角度であることを特徴とする。
【0036】
請求項18に記載の光学素子は、請求項15から請求項17のうちいずれか1項に記載の光学素子において、研磨痕が、直線状又は円弧状であることを特徴とする。
【0037】
請求項19に記載の光学素子は、請求項14から請求項18のうちいずれか1項に記載の光学素子におおいて、仕上げ工程後の光学面成形面の表面粗さがRy値にて80nm以下であることを特徴とする。
【0038】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る成形金型の加工方法について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態においては、レーザプリンタのポリゴンスキャナ光学系に用いられる光学素子としての走査用レンズの光学面を成形する成形金型の加工方法について説明する。その走査レンズの光学面は特定面形状として自由曲面を有している。
【0039】
図1は、本発明の実施の形態に係る成形金型1(図2も参照)の加工方法を説明するフローチャートである。この図1は、成形金型1のうち光学面を成形する成形面としての光学面成形面2を加工する工程について説明している。この成形金型1は寸法が縦(図2中Y方向)10mm、横(図2中X方向)200mmの鉄鋼系材料で製作され、その光学面成形面2には無電解ニッケルメッキが施されている。光学面成形面2は、走査用レンズの光学面に対応してその特定面形状が自由曲面とされる。
【0040】
図2に示すように、この光学面成形面2を例えばフライカット工法等によりダイヤモンドカッター3を用いて鏡面切削して、その形状創成を行う(創成工程(S.1))。ダイヤモンドカッター3には、図に示すようにその周囲部分に単結晶ダイヤモンドによって構成されるダイヤモンドバイト4が設けられていて、そのダイヤモンドバイト4によって光学面成形面2が切削される。このダイヤモンドカッター3の位置制御及び回転駆動を行う装置本体としては、直交3軸直動スライド機構を有してナノメートル単位での位置決めが可能な精密切削装置(図示せず)が用いられている。
【0041】
ダイヤモンドカッター3の回転軸3aを回転させ、ダイヤモンドバイト4を光学面成形面2に当接させつつそのX方向端部2aから他端部2bに向けてその光学面成形面2に沿わせながら図中X方向へと移動させると、光学面成形面2上に帯状の切削痕5が形成される。この切削痕5は、ダイヤモンドバイト4の図中Y方向での幅に相当する切削幅を有し、その切削幅は光学面成形面2のY方向での幅よりも小さい。したがって、このダイヤモンドバイト4で光学面成形面2全面の形状創成を行うには、端部2aから多端部2bにかけての切削加工を、ダイヤモンドバイト4のY方向位置を所定間隔の切削ピッチ量(ピックフィード量)ずつ移動させて繰り返し行う。
【0042】
図3は、この創成工程後の光学面成形面2の表面の一部を微分干渉顕微鏡で観察した様子を示したものである。図から明らかなように、光学面成形面2には切削方向としてのX方向に沿って切削痕5が所定の切削ピッチSで複数本形成されている。この切削痕5を精密に観察すると、その切削痕5の1本1本が直線ではなく僅かに曲がりくねっていることがわかる。
【0043】
精密切削装置によるXZ軸の同時2軸指令に基づく切削加工においては、切削対象面としての光学面成形面2のY軸方向での曲率が変化するとその切削痕5も曲がってしまうことになる。しかし、この図3における切削痕5の曲がり方は、光学成形面2のY軸方向での曲率の変化から想定される曲がり方に比べ、その曲がりの繰り返し波長が短く、また、ランダム性が強いものである。
【0044】
図4に、この光学面成形面2を図1中切断面Pによって切断してその表面の切削痕5をX軸方向に沿って観察した様子を示す。各切削痕5は、切削深さが深い部分と浅い部分とが交互に重なりあって凹凸形状を呈している。隣接する切削痕5どうしの境界部分は切削深さが浅く山部5aとなり、その山部5aと山部5aとを結ぶ切削深さの深い谷部5bに向けて裾野が広がるような形状となっている。
【0045】
後述する光学面成形面2の面形状の測定を、例えば接触式の測定プローブ6を光学面成形面2に接触させつつ走査させるならい動作によりこの切削痕5が形成された状態で行うと、図5に示すように測定プローブ6が曲がりくねった切削痕5上を走査することになる。このとき、測定プローブ6の走査軌跡6a上に図6に示すように切削痕5の山部5aがあると、測定プローブ6がその山部5aを跨いで隣接する左右いずれかの谷部5bに落ち込んだりして、測定結果に本来存在しない形状誤差がX軸方向のうねりとして測定されてしまう場合がある。
【0046】
このうねりとしての形状誤差は2mm〜8mmの波長を有しているので、数10μm単位のY軸方向の切削ピッチSとはその波長が全く異なる。この形状誤差によってX軸方向にうねりがあるかのように誤認識されると、それによりその後の光学面成形面2の仕上げ加工の精度が充分に得られない。
【0047】
そこで次に、この切削痕5を打ち消すように創成工程における切削痕5よりも細かい加工痕を光学面成形面2に形成するように予備加工を行う(予備加工工程(S.2))。この予備加工工程は、本来存在しないにもかかわらずあたかもうねりが存在するかのように誤認識させてしまう切削痕5を、光学面成形面2の形状測定に殆ど影響を与えずに正確に形状測定を行えるような加工痕に置換することを目的として、光学面成形面2の表面を研磨するものである。
【0048】
図7は、この予備加工を行うための研磨装置7の概略構成を示している。この研磨装置7は、XYZの直交3軸の直動スライド機構7X,7Y,7Zに加え、X軸回りの回転方向A、Y軸回りの回転方向Bの回転姿勢をそれぞれ制御するチルトステージ7A,7Bを有している。
【0049】
研磨スピンドル8は、空気静圧軸受を用いた直動案内機構を介してZ軸に沿って上下可能とされており、エアシリンダアクチュエータによって研磨工具9を被研磨面としての成形金型1の光学面成形面2に当接させることが可能となっている。
【0050】
成形金型1は、その光学面成形面2を研磨工具9に対向させるように研磨装置7に固定され、X,Y,Z,A,Bの5方向に姿勢制御可能とされている。成形金型1の外枠には光学面成形面2の周囲を覆うようにガイド部材としてのヤトイ10が装着されている。このヤトイ10は、光学面成形面2全面の研磨加工を充分に行って特にその周囲部分の研磨が不充分となってしまうのを防止したり、研磨加工によって光学面成形面2の周囲がダレてしまうのを防止したりするもので、成形金型1と同じ材料で形成されている。
【0051】
研磨工具9を回転させながら、光学面成形面2の表面の研磨加工を行う。この際、成形金型1の光学面成形面2とその周囲を覆うように装着されたヤトイ10とをともに研磨加工を行う。
【0052】
研磨加工は図8に示すように光学面成形面2の表面に研磨液11を供給しつつ研磨工具9をクリーニングブラシ12でクリーニングしながら行う。研磨工具9を光学面成形面2に当接させつつ直動スライド機構7Yを動作させてY軸方向に走査し、続いて直動スライド機構7Xを動作させることにより所定加工ピッチ分X軸方向にピックフィードを行った後、再び研磨工具9をY軸方向に走査する。このY軸方向の走査とX軸方向のピックフィードとを繰り返すことにより、光学面成形面2全面の研磨加工を行っていく。
【0053】
この研磨加工においては、研磨工具9による被研磨面としての光学面成形面2に対する当接方向とその当接点(加工点)における被研磨面の法線方向とが常に一致するように、チルトステージ7A,7Bとを動作制御する。それらのチルトステージ7A,7Bの動作と直動スライド7X,7Yの動作とを連係させて、4軸同時制御を行いながら光学面成形面2の研磨加工を行う。
【0054】
研磨工具9は木材とウレタン樹脂とを混練した圧縮成形材料で形成されている。また、研磨液11には、1μm程度の粒径のダイヤモンド砥粒とジェル状のオイルとを混ぜ合わせたダイヤモンドペーストが用いられ、このダイヤモンドペーストは、研磨加工に先立って光学面成形面2の表面にも塗布されている。
【0055】
この予備加工工程における研磨加工は、切削痕5を打ち消すようにして後述する光学面成形面2の表面形状の測定における測定精度を向上させることが目的である。したがって、加工点の状況に応じて研磨工具9と加工点との接触時間を制御する滞留時間制御は行わず、光学面成形面2上での走査速度を一定とした均等研磨を行う。
【0056】
また、研磨加工に要する時間を短縮できるように、研磨工具9はその工具半径及び光学面成形面2との接触幅が大きく、かつ、低弾性率のものであることが望ましい。それにより、ピックフィード量P(図9も参照)を大きくすることができ、研磨加工に要する時間を短縮することができる。本実施の形態では、研磨工具9の工具半径をR30mm、工具幅を2mmとし、ピックフィード量を0.4mmとしている。
【0057】
図9に示すように、研磨工具9による研磨加工によって光学面成形面2上に形成される加工痕としての研磨痕13(図11も参照)が、X軸方向ともY軸方向とも異なる方向に向かって延びるように、その回転中心軸9aの延びる方向はXY平面内であり、かつ、Y軸に対してθ1の角度となるようにされている。本実施の形態においては、θ1を30°としている。
【0058】
この予備加工工程における研磨加工後の光学面成形面2の表面を微分干渉顕微鏡で観察した様子を図10に示す。この研磨加工によって光学面成形面2表面の表面粗さは、白色干渉計によっても検出できないレベルにまで低減している。
【0059】
図11に、図10に示す微分干渉顕微鏡による光学面成形面2の表面の様子を模式的に示した。研磨痕13は、切削方向としてのX軸方向と角度θの角をなして揃って一致する方向に直線状に延び、その隣接する研磨痕どうしの間隔Wは100μm以下で切削ピッチSよりも充分細かいものとなっている。角度θは前述の角度θ1と研磨工具9の回転速度及びY軸方向の走査速度とによって定まる値となる。すなわち、研磨工具9の回転速度がY軸方向の走査速度に比べて充分高速の場合には、角度θは角度θ1と略同じ角度となり、研磨工具9の回転速度が遅くなるにしたがって、また、研磨工具9Y軸方向への走査速度が速くなるにしたがって、角度θは角度θ1よりも大きな角度となる。
【0060】
このように、研磨工具9の回転速度とY軸方向への走査速度との調整を行うことにより、角度θを調整することが可能であり、研磨工具9の回転速度をY軸方向への走査速度に比べて充分高速とした場合は、研磨工具9の回転中心軸9aとY軸とのなす角度θ1の設定により角度θを調整することが可能となる。
【0061】
図12に、角度θ1=0とし、かつ、同一走査軌跡上を往復研磨したときの研磨痕13の様子を模式的に示す。走査研磨工具9の回転速度とY軸方向への走査速度との調整を行うことにより、角度θ1が0°の場合であっても角度θを所望の角度に調整することができ、かつ往復動作させることにより、その延びる方向がY軸に対して線対称の方向に延びるように2種類の研磨痕13を光学面成形面2上に形成することができる。
【0062】
予備加工工程の後、光学面成形面2の表面形状を測定する(測定工程(S.3))。測定は、接触式の測定プローブ6を光学面成形面2上に走査させるならい動作により行う。Y軸方向に0.8mm間隔の合計10カ所において、測定プローブ6をX軸方向に走査させて光学面成形面2の表面形状を測定した測定結果を図13に示す。図13には、10カ所における測定結果を重畳して図示してある。
【0063】
図13において、横軸は光学面成形面2のX軸方向を示し、縦軸は光学面成形面2のZ軸方向を示す。予備加工工程を行わない場合の、同様の条件にて光学面成形面2の表面形状を測定した測定結果(図14)に比べ、図13に示す本実施の形態での測定結果においては、誤認識と見られる突起状の測定成分14が大幅に低減している。
【0064】
予備加工工程が終了したら、所定の波長成分に相当する形状誤差成分を光学面成形面2から除去する(仕上げ工程(S.4))。この形状誤差成分の除去は、測定工程において得られた測定結果に基づく面形状と、最終的に得べき特定面形状としての自由曲面との形状誤差に基づいて研磨加工により行われる。具体的には、例えば図15に示す形状誤差の3次元マッピングデータに基づいて各測定位置ごとの加工すべき研磨量が算出され、研磨加工が行われる。
【0065】
この研磨加工においては研磨工具の滞留時間制御が行われ、また、研磨工具の工具半径をR10mm、工具幅を0.6mmとし、ピックフィード量を0.1mmとし、所定の波長成分としての2mm〜8mmの波長成分の形状誤差を除去する。したがって、光学面成形面2に接触するY軸方向での接触幅が、予備加工工程における研磨工具9の光学面成形面2へのY軸方向の接触幅以下となっている。
【0066】
仕上げ工程終了後に再び光学面成形面2の表面形状を測定し(S.5)、各測定位置におけるX軸方向に沿った200mmの長さにわたって、2mm〜8mmの波長成分の形状誤差が±20nm以内であり、所望の面精度が確保されていることを確認する。
【0067】
この成形金型1の加工方法によれば、光学面成形面2の表面粗さの最大高さすなわちRy値を80nm以下とすることができるので、成形される光学素子としての走査用レンズの光学面を精密なものとすることができ、600nm〜800nmの波長のレーザ光を光学面に透過させるのにこの走査用レンズを用いた場合であっても、充分な透過率を得ることができる。
【0068】
[変形例1]
上記の実施の形態においては、予備加工工程において、研磨工具9による光学面成形面2に対する当接方向とその当接点(加工点)における被研磨面の法線方向とが常に一致するようにして研磨加工を行っているが、図16に示すように、研磨工具20の回転中心軸20aの軸方向と加工点における法線とが常に一致するように研磨装置7の各軸を制御しつつ研磨加工を行ってもよい。
【0069】
このように研磨加工を行うことで、研磨工具20を広い接触面積で光学面成形面2に当接させることができ、より研磨加工に要する時間を短縮することができる。研磨工具20が光学面成形面2と接触する回転円部分の直径を5mmとすることにより、ピックフィード量Pを1mmに増大させることができる。これにより縦10mm、横200mmの光学面成形面2の全面研磨に要する時間を約10分とすることができ、予備加工に要する時間を短縮することができる。
【0070】
ただし、曲率変化の大きな部分を有する光学面成形面2を研磨する際には、研磨工具20と光学面成形面2との接触部分における接触位置による工具当接圧力分布が変動し易いため、その接触部分の弾性変形に考慮が必要である。研磨工具20の材料としては、ウレタンフォーム、ピッチ、クロロプレンゴム等の材料が用いられる。
【0071】
回転中心軸20aと光学面成形面2の加工点における法線方向との一致性が高い場合は、図17(a)に示すような研磨痕21aが光学面成形面2に形成されるが、回転中心軸20aと光学面成形面2の加工点における法線方向との一致性が低い場合は、図17(b)に示すような研磨痕21bが光学面成形面2に形成される。
【0072】
いずれの研磨痕21a,21bも回転円弧の一部が重なり合って整列するように連続的に形成された円弧状のものであり、ピックフィード量P、研磨工具20の走査速度等の組合せにより異なる研磨痕を形成することも可能である。
【0073】
[変形例2]
上記の実施の形態においては、予備加工工程において、研磨工具9を用いた研磨加工を行っているが、図18に示すように、研磨工具9の代わりに圧縮空気によってブラストノズル30から加工用粒子(ブラスト粒子)を被加工面としての光学面成形面2に吹き付けて、ブラスト加工を行うものであってもよい。ブラストノズル30は、例えば対摩耗性に優れるセラミックスを材料として形成され、また、投射材料としてのブラスト粒子30aには、例えば粒径1μmの亜鉛合金が用いられる。
【0074】
この方法によれば、研磨加工に比べて短時間で加工できる面積が大きく、また、光学面成形面2の曲率変化が大きい場合であってもその影響を受けにくく、容易に効率よく予備加工を行うことができる。
【0075】
例えばブラストノズル30のノズル径が12mmのものを用いると、縦10mmの光学面成形面2に対してブラストノズル30を繰り返し走査させることなく、X軸方向に沿ってブラストノズル30を1度走査すれば光学面成形面2の全面の予備加工が終了する。それにより、加工時間を1分程度とすることができ、さらに予備加工に要する時間を短縮することができる。ここで、成形金型1のZ方向位置を制御しつつブラストノズル30が光学面成形面2に対して一定の距離(ギャップ)を保持するように走査する。
【0076】
このブラスト加工によって予備加工を行った場合の光学面成形面2の表面の様子を図19に模式的に示す。加工ムラの少ない均等なディンプル31が形成され、良好に切削痕5が打ち消されていることが確認できる。
【0077】
【発明の効果】
以上説明したように、本願の請求項1,8,14に係る発明によれば、創成工程によって光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように切削痕よりも細かい加工痕を光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程を有するので、測定工程において測定プローブが切削痕の山部を跨いで隣接する左右いずれかの谷部に落ち込んでしまったりすることがない。したがって、仕上げ工程前の光学面成形面の面形状の測定において、測定結果に本来存在しない形状誤差がうねりとして混入することがなく、測定を正確に行うことができる。ひいては、所望の面精度を得るために形状測定と仕上げ加工とを繰り返し行う必要がなく、修正研磨等の加工の回数を削減することができ、精度の高い光学面成形面を効率よく確実に得ることができる。
【0078】
請求項2に係る発明によれば、測定工程が光学面成形面に測定プローブを接触させつつ走査させるならい動作によって行われるので、例えば母線の傾きが光学面端部で35°以上となるような大きな傾斜を有する走査用レンズの光学面を成形する成形金型においても、数nm単位での高精度な面形状の測定を行うことができる。
【0079】
請求項3に係る発明によれば、予備加工工程又は仕上げ工程のうち少なくともいずれか一方が砥粒を用いた研磨により行われるので、光学面成形面が自由曲面の場合であっても容易かつ効率的に加工を行うことができる。さらに、予備加工工程と仕上げ工程の両方を研磨により行った場合は、別々の加工装置を準備する必要がなく、加工効率や加工スペースの面でも有利であり、またコストも低減することができる。
【0080】
請求項4,9,15に係る発明によれば、研磨により光学面成形面に形成された複数の研磨痕が創成工程における切削方向及びその切削方向に直交する方向のいずれとも異なる方向に向かって延びているので、測定工程における走査方向を創成工程における切削方向と一致する方向または切削方向に直交する方向とした場合に、測定される研磨痕による凹凸、すなわち形状誤差の波長を短いものとすることができる。さらに、その研磨痕による実際の形状誤差の波長が見かけ上波長の長い形状誤差であると誤認識されることもなく、測定結果から例えばデータフィルタ等により容易に分離排除することができる。それにより、誤認識に基づいて必要以上に面精度を高めることもなくなり、無駄なく効率的に精密な光学面成形面を得ることができる。この光学面成形面に基づいて光学面が成形された光学素子は光学面の面精度が高く、その生産ラインにおける製品検査のためのサンプル抜取りの抜取り間隔も大きくすることができるので、検査に要する手間や費用も低減させることができる。
【0081】
請求項5,12,18に係る発明によれば、研磨痕が、直線状又は円弧状であるので、研磨工具を用いて容易に研磨痕を光学面成形面に形成することができる。
【0082】
請求項6に係る発明によれば、予備加工工程における研磨工具の接触幅、及び、仕上げ工程における研磨工具の接触幅がともに切削方向に直交する方向での光学面成形面の幅よりも小さいので、小径の研磨工具を用いてnm単位の高精度な研磨加工を効率よく行うことができる。それにより、精密な光学面成形面を効率よく得ることができる。
【0083】
請求項7に係る発明によれば、予備加工工程における研磨工具の接触幅が、仕上げ工程における研磨工具の接触幅以上であるので、予備加工工程におけるピックフィード量を大きくすることができる。それにより予備加工工程に要する時間を短縮することができ、作業が効率的なものとなる。
【0084】
請求項10,16に係る発明によれば、複数の研磨痕が揃って一致する方向に延びるとともに隣接する各研磨痕の間隔が100μm以下であるので、走査レンズにおいて問題となり易い1mm以上の波長の形状誤差から、例えば汎用的な表面粗さ測定装置の減衰率である−12dB/オクターブのフィルタ等によっても、研磨痕による形状誤差の混入を簡単に2%以下とすることができる。
【0085】
請求項11,17に係る発明によれば、各研磨痕の延びる方向と創成工程における切削方向とのなす角及び各研磨痕の延びる方向と切削方向に直交する方向とのなす角のいずれもが5°以上の角度であるので、測定工程における走査方向を創成工程における切削方向と一致する方向または切削方向に直交する方向とした場合に、測定される研磨痕による凹凸、すなわち形状誤差の波長を短いものとすることができる。さらに、その研磨痕による実際の形状誤差の波長が見かけ上波長の長い形状誤差であると誤認識されることもなく、測定結果から例えばデータフィルタ等により容易に分離排除することができる。それにより、誤認識に基づいて必要以上に面精度を高めることもなくなり、無駄なく効率的に精密な光学面成形面を得ることができる。この光学面成形面に基づいて光学面が成形された光学素子は光学面の面精度が高く、その生産ラインにおける製品検査のためのサンプル抜取りの抜取り間隔も大きくすることができるので、検査に要する手間や費用も低減させることができる。
【0086】
研磨痕が切削方向及びそれに直交する方向と5°以上傾いているので、光学面成形面の表面を観察することによる切削痕が打ち消されていることの確認も容易となり、さらに研磨痕を複数の異なる方向で重ねて形成することにより、より一層切削痕の打消しを効果的に行うことができる。
【0087】
請求項13,19に係る発明によれば、仕上げ工程後の光学面成形面の表面粗さがRy値にて80nm以下であるので、600nm〜800nmの波長のレーザ光を光学面に透過させるのにこの光学素子を用いた場合であっても、充分な透過率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る成形金型の加工方法を説明するフローチャートである。
【図2】成形金型の光学面成形面の創成工程を説明するための図である。
【図3】創成工程後の光学面成形面の表面を微分干渉顕微鏡で観察した様子を示す図である。
【図4】図1中P平面によって成形金型を切断して光学面成形面表面の切削痕をX軸方向に沿って観察した様子を示す図である。
【図5】切削痕が形成された状態の光学面成形面表面を接触式の測定プローブを用いて形状測定した場合の様子を模式的に示す図である。
【図6】測定プローブが切削痕の山部から隣接する左右いずれかの谷部へと落ち込む様子を示す図である。
【図7】予備加工を行うための研磨装置の概略構成を示す図である。
【図8】予備加工における研磨加工の様子をその要部を部分的に拡大して示した図である。
【図9】予備加工における研磨加工の走査の様子を説明するために、光学面成形面を上方から平面視した図である。
【図10】予備加工工程後の光学面成形面の表面を微分干渉顕微鏡で観察した様子を示す図である。
【図11】図11に示す光学面成形面の表面を模式的に表したもので、光学面成形面上に直線状の研磨痕が形成された様子を説明する図である。
【図12】予備加工工程後の光学面成形面の表面の他の例を模式的に表したもので、光学面成形面上に2種類の直線状の研磨痕が形成された様子を説明する図である。
【図13】測定工程により得られた光学面成形面の表面形状を接触式の測定プローブを用いて測定した測定結果を示す図である。
【図14】予備加工工程を行わない場合の、光学面成形面の表面形状を接触式の測定プローブを用いて測定した測定結果を示す図である。
【図15】光学面成形面表面の形状誤差の3次元マッピングデータを示す図である。
【図16】本発明の変形例1に係る予備加工工程において、研磨工具の回転中心軸の軸方向と加工点における法線とが常に一致するように研磨装置の各軸を制御しつつ研磨加工を行う様子を説明する図である。
【図17】図16に示す研磨加工によって光学面成形面表面に形成された研磨痕を示す図であって、(a)は回転中心軸と光学面成形面の加工点における法線方向との一致性が高い場合を示し、(b)は回転中心軸と光学面成形面の加工点における法線方向との一致性が低い場合を示す。
【図18】本発明の変形例2に係る予備加工工程において、ブラスト加工を行う様子を説明する図である。
【図19】図18に示すブラスト加工によって光学面成形面表面に形成されたディンプルを示す図である。
【図20】従来の光学素子用成形金型の光学面成形面を加工する方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
θ,θ1:角度
1:成形金型
2:光学面成形面
3:ダイヤモンドカッター
4:ダイヤモンドバイト
5:切削痕
5a:山部
5b:谷部
6:測定プローブ
7:研磨装置
9:研磨工具
13:研磨痕[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical element such as a scanning lens, a prism, and a mirror used for a polygon scanner optical system of a laser printer, a molding die for molding an optical surface of the optical element, and a method of processing the molding die. About.
[0002]
[Prior art]
Optical elements, such as lenses and prisms, have optical surfaces through which light enters and exits. An optical element such as a mirror has an optical surface for reflecting light. These optical surfaces must accurately input or output or reflect light in order to exhibit desired optical characteristics. Therefore, it is necessary to precisely form the optical surfaces.
[0003]
For example, in a scanning lens used in a polygon scanner optical system of a laser printer, an incident spot position of a laser moves with scanning, and if the optical surface is undulated, image defects such as vertical streaks will be caused. Therefore, in the optical element such as the scanning lens, it is necessary to sufficiently remove the undulation from the optical surface to provide a precise optical surface.
[0004]
In recent years, the optical surface of such an optical element may be formed by a molding die. In this case, in order to eliminate the undulation of the optical surface of the optical element and obtain a precise optical surface, the undulation of the surface on which the optical surface is molded (hereinafter referred to as an optical surface molding surface) is removed by using a molding die. It is necessary to have a good optical surface molding surface.
[0005]
Removal of the undulation of the optical surface molding surface, after processing the surface shape of the optical surface molding surface as rough processing, calculate the amount of undulation and its wavelength to be measured by measuring the surface shape of the optical surface molding surface, It is often the case that finishing is further performed based on the calculated undulation. For example, as shown in FIG. 20, a desired shape is created by cutting the optical surface molding surface (S.11), and the surface shape of the optical surface molding surface is measured using a contact probe (S.12). ), The small diameter polishing tool is point-contacted and its residence time is controlled to correct the shape of the optical surface molding surface and remove undulations based on the measurement result of the surface shape (S.13), and the contact probe is again turned on. Then, the surface shape of the optical surface molding surface is measured (S.14), and it is determined whether or not the surface accuracy or undulation satisfies the target accuracy (S.15). A method of repeating the steps (S.13) and (S.14) has been conventionally performed.
[0006]
As an example of the conventional method of polishing the optical surface molding surface, by using a modified polishing tool having a tool diameter shorter than the wavelength of the undulation, the peak of the undulation is selectively polished and converted into a secondary undulation having a short wavelength. After that, the main polishing tool having a tool diameter twice or more the wavelength of the secondary undulation is moved relative to the object to be polished, and the surface to be polished (the optical surface forming surface) on which the secondary undulation is formed is polished. A method has been proposed (for example, Patent Document 1).
[0007]
In addition, an error shape measuring step of measuring the shape of the surface of the workpiece before processing and obtaining an error shape with respect to the target shape, an approximation step of approximating the obtained error shape with a higher-order polynomial, and approximation with a higher-order polynomial A dwell time calculating step of calculating a dwell time distribution on the surface of the workpiece of the first polishing tool necessary for polishing and removing a residual shape which is a difference between the obtained approximated curved surface and the error shape; A first polishing step of relatively moving the first polishing tool with respect to the surface of the workpiece so as to realize the time distribution, and a second polishing step in which the polishing surface is larger than that of the first polishing tool; There has also been proposed a method including a second polishing step of correcting and polishing a low-frequency error shape at a spatial frequency using a polishing tool (for example, Patent Document 2).
[0008]
Furthermore, the pressing mechanism and the processing and polishing head are supported at the center of gravity, and a load measuring device is laid out on the normal line at the processing point to make the normal direction at the processing point coincide with the pressing direction by the pressing mechanism. A curved surface polishing apparatus that performs control has also been proposed (for example, Patent Document 3).
[0009]
[0010]
[0011]
According to these, the undulation caused by the processing of the surface to be polished is accurately measured, and the removal processing (correction polishing) for canceling the undulation based on the measurement data is further performed to thereby improve the surface of the surface to be polished. Improve accuracy. Therefore, the measurement accuracy of the waviness greatly affects the finishing accuracy of the optical surface molding surface.
[0012]
As a polishing tool for finishing a curved optical element or its mold into a mirror surface usable as an optical component, a polishing tool portion of a polishing tool for polishing a workpiece, a powdery member obtained by grinding wood, a urethane resin A thermosetting resin, which is mainly composed of any one of epoxy resin and phenol resin, is kneaded and heated and compressed to form a material. There has also been proposed a resin having a weight ratio of not less than 10% to the resin (for example, Patent Document 4).
[0013]
When manufacturing a molding die whose optical surface molding surface shape is an aspherical surface shape or a free-form surface shape, a material obtained by applying electroless nickel plating to the surface of a steel-based material as a mold material is used. Is often cut with a diamond bite.
[0014]
[Patent Document 1]
JP 2000-263391 A
[Patent Document 2]
JP-A-2002-52451
[Patent Document 3]
JP-A-2-131851
[Patent Document 4]
JP 2001-138196 A
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, there are the following problems in the measurement of the undulation caused by the processing of the polished surface. In other words, when the optical surface molding surface of the molding die is cut with a diamond tool, cutting marks formed by the diamond tool are formed on the surface, and since the surface shape is directional, the optical surface molding surface is different. It has anisotropy.
[0016]
In order to reduce the cutting marks, it is conceivable to reduce the processing width interval of the cutting, that is, the so-called cutting pitch. However, if the cutting pitch is reduced, the number of times of repetitive cutting required for cutting a predetermined area increases. As a result, the total cutting length is increased, and the time required for the cutting is increased, which adversely affects the surface accuracy of the polished surface. Therefore, it is difficult to sufficiently reduce the cutting pitch, and undulation having anisotropy remains on the surface to be polished as a measurement target.
[0017]
When measuring the undulation of the surface of the polished surface having such anisotropy by the scanning of the above-described measurement probe, the measurement probe is inadvertent due to the bending of the cutting mark remaining on the surface of the polished surface and a change in the cutting width. Will be displaced up and down. The displacement is mixed into the measurement data as a swell of a wavelength sufficiently longer than the cutting pitch, even though it does not originally exist. As a result, measurement data that differs from the actual polished surface shape including errors is obtained, and it is difficult to obtain a precise optical surface molding surface by correction polishing performed based on the measurement data. It has become. In order to obtain a more precise optical surface molded surface, it is necessary to repeatedly perform the measurement of the surface to be polished and the correction polishing. It is also unclear whether accuracy can be obtained and the work has become very inefficient.
[0018]
The present invention has been made in view of the above circumstances, a working method of a molding die capable of reliably obtaining a precise optical surface molding surface while reducing the number of times of correction polishing, and that can be reliably obtained. It is an object to provide a molding die manufactured by using a processing method, and an optical element molded by the molding die.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a method of processing a molding die according to
[0020]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of processing a molding die according to the first aspect, wherein the measuring step is performed by an operation of scanning while bringing the measuring probe into contact with the optical surface molding surface. It is characterized by.
[0021]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of processing a molding die according to any one of the first and second aspects, wherein at least one of the preliminary processing step and the finishing step is an abrasive. It is characterized by being performed by polishing using grains.
[0022]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of processing a molding die according to the third aspect, wherein a plurality of polishing marks formed on the optical surface molding surface by polishing are formed in a cutting direction and a cutting direction in the generating step. It is characterized in that it extends in a direction different from any of the directions orthogonal to the cutting direction.
[0023]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method of processing a molding die according to any one of the third and fourth aspects, wherein the polishing marks are linear or arc-shaped. And
[0024]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the molding die machining method according to any one of the third to fifth aspects, wherein both the preliminary machining step and the finishing step use abrasive grains. The contact width in the direction orthogonal to the cutting direction between the polishing tool and the optical surface forming surface in the preliminary processing step, and the cutting direction between the polishing tool and the optical surface forming surface in the finishing step The contact width in the direction in which the optical surface is formed is smaller than the width of the optical surface forming surface in the direction perpendicular to the cutting direction.
[0025]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the molding die machining method according to the sixth aspect, wherein the polishing tool and the optical surface molding surface in the pre-machining step are contacted in a direction orthogonal to the cutting direction. The width is equal to or larger than a contact width in a direction orthogonal to a cutting direction between the polishing tool and the optical surface forming surface in the finishing step.
[0026]
The molding die according to claim 8, which is a molding die for molding an optical surface having a specific surface shape in an optical element, wherein the optical surface molding surface of the molding die corresponding to the optical surface has a predetermined cutting pitch. In the pre-processing, a forming process that is created by cutting in the optical process, and a processing mark finer than the cutting mark is formed on the optical surface forming surface so as to cancel the cutting mark formed on the optical surface forming surface by the generating process Step, after the pre-processing step, a measurement step of measuring the surface shape of the optical surface molding surface, of the shape error between the surface shape and the specific surface shape based on the measurement results obtained in the measurement process, a predetermined wavelength range And a finishing step of removing a corresponding shape error component from the optical surface molding surface.
[0027]
The molding die according to
[0028]
According to a tenth aspect of the present invention, in the molding die of the ninth aspect, a plurality of polishing marks extend in the same direction, and an interval between adjacent polishing marks is 100 μm or less. And
[0029]
The molding die according to claim 11 is the molding die according to any one of
[0030]
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a molding die according to any one of the ninth to eleventh aspects, wherein the polishing marks are linear or arc-shaped.
[0031]
The molding die according to
[0032]
The optical element according to claim 14, which is an optical element having an optical surface of a specific surface shape formed by a molding die, wherein an optical surface molding surface of the molding die corresponding to the optical surface is formed at a predetermined cutting pitch. A pre-processing step of forming a finer than the cutting traces on the optical surface molding surface so as to negate the cutting traces formed on the optical surface molding surface by the generating process And, after the preliminary processing step, a measurement step of measuring the surface shape of the optical surface molding surface, and a shape wavelength corresponding to a predetermined wavelength range among the shape errors between the surface shape and the specific surface shape based on the measurement result obtained in the measurement process. And a finishing step of removing a shape error component from the optical surface molding surface.
[0033]
The optical element according to claim 15 is the optical element according to claim 14, wherein at least one of the preliminary processing step and the finishing step is performed by polishing using abrasive grains, and the optical surface is formed by polishing. A plurality of polishing marks formed on the surface extend in a direction different from any of a cutting direction and a direction orthogonal to the cutting direction in the generating step.
[0034]
An optical element according to a sixteenth aspect is the optical element according to the fifteenth aspect, wherein a plurality of polishing marks extend in the same direction and the interval between adjacent polishing marks is 100 μm or less. .
[0035]
The optical element according to claim 17 is the optical element according to claim 15 or 16, wherein an angle between a direction in which each polishing mark extends and a cutting direction in the creation step and each polishing mark extends. The angle between the direction and the direction perpendicular to the cutting direction is at least 5 °.
[0036]
An optical element according to an eighteenth aspect is characterized in that, in the optical element according to any one of the fifteenth to seventeenth aspects, the polishing mark has a linear shape or an arc shape.
[0037]
The optical element according to claim 19 is the optical element according to any one of claims 14 to 18, wherein the surface roughness of the optical surface molding surface after the finishing step is 80 nm in Ry value. It is characterized by the following.
[0038]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a method for processing a molding die according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a method of processing a molding die for molding an optical surface of a scanning lens as an optical element used in a polygon scanner optical system of a laser printer will be described. The optical surface of the scanning lens has a free-form surface as a specific surface shape.
[0039]
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for processing a molding die 1 (see also FIG. 2) according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 illustrates a process of processing an optical
[0040]
As shown in FIG. 2, the optical
[0041]
While rotating the
[0042]
FIG. 3 shows a state in which a part of the surface of the optical
[0043]
In a cutting process performed by the precision cutting device based on simultaneous X-axis and 2-axis commands, if the curvature of the optical
[0044]
FIG. 4 shows a state in which the optical
[0045]
If the surface shape of the optical
[0046]
Since the shape error as the undulation has a wavelength of 2 mm to 8 mm, the wavelength is completely different from the cutting pitch S in the Y-axis direction in units of several tens of μm. If erroneous recognition is made as if there is undulation in the X-axis direction due to this shape error, the accuracy of the subsequent finishing of the optical
[0047]
Therefore, next, preliminary processing is performed so as to cancel the cutting marks 5 so as to form processing marks finer than the cutting marks 5 in the generating step on the optical
[0048]
FIG. 7 shows a schematic configuration of a
[0049]
The polishing spindle 8 can be moved up and down along the Z-axis via a linear motion guide mechanism using an aerostatic bearing, and the optical cylinder actuator is used to optically control the molding die 1 using a
[0050]
The molding die 1 is fixed to the
[0051]
The surface of the optical
[0052]
The polishing is performed while the
[0053]
In this polishing, the tilt stage is set so that the contact direction of the
[0054]
The
[0055]
The purpose of the polishing in this preliminary processing step is to improve the measurement accuracy in the measurement of the surface shape of the optical
[0056]
In order to reduce the time required for polishing, it is desirable that the
[0057]
As shown in FIG. 9, polishing marks 13 (see also FIG. 11) as processing marks formed on the optical
[0058]
FIG. 10 shows a state in which the surface of the optical
[0059]
FIG. 11 schematically shows a state of the surface of the optical
[0060]
As described above, by adjusting the rotation speed of the
[0061]
FIG. 12 schematically shows the polishing marks 13 when the angle θ1 is set to 0 and the reciprocating polishing is performed on the same scanning locus. By adjusting the rotation speed of the
[0062]
After the preliminary processing step, the surface shape of the optical
[0063]
In FIG. 13, the horizontal axis indicates the X-axis direction of the optical
[0064]
When the preliminary processing step is completed, a shape error component corresponding to a predetermined wavelength component is removed from the optical surface molding surface 2 (finishing step (S.4)). The removal of the shape error component is performed by polishing based on the shape error between the surface shape based on the measurement result obtained in the measurement process and the free-form surface as the specific surface shape to be finally obtained. Specifically, for example, the polishing amount to be processed at each measurement position is calculated based on the three-dimensional mapping data of the shape error shown in FIG. 15, and polishing is performed.
[0065]
In this polishing, the residence time of the polishing tool is controlled, and the tool radius of the polishing tool is R10 mm, the tool width is 0.6 mm, the pick feed amount is 0.1 mm, and the predetermined wavelength component is 2 mm to 2 mm. The shape error of the wavelength component of 8 mm is removed. Therefore, the contact width in the Y-axis direction in contact with the optical
[0066]
After the finishing step, the surface shape of the optical
[0067]
According to the processing method of the molding die 1, the maximum height of the surface roughness of the optical
[0068]
[Modification 1]
In the above-described embodiment, in the pre-processing step, the direction in which the
[0069]
By performing the polishing in this manner, the polishing
[0070]
However, when polishing the optical
[0071]
When the
[0072]
Both of the polishing marks 21a and 21b are arc-shaped and formed continuously so that a part of the rotating arc overlaps and aligns. The polishing marks 21a and 21b vary depending on the combination of the pick feed amount P, the scanning speed of the polishing
[0073]
[Modification 2]
In the above-described embodiment, in the preliminary processing step, polishing using the
[0074]
According to this method, the area that can be processed in a short time is large compared to the polishing processing, and even when the curvature change of the optical
[0075]
For example, if a
[0076]
FIG. 19 schematically shows a state of the surface of the optical
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the inventions according to
[0078]
According to the second aspect of the present invention, since the measuring step is performed by an operation of scanning while bringing the measuring probe into contact with the optical surface forming surface, for example, the inclination of the generating line becomes 35 ° or more at the end of the optical surface. Even in a molding die for molding an optical surface of a scanning lens having a large inclination, it is possible to measure the surface shape with high accuracy in units of several nm.
[0079]
According to the third aspect of the present invention, at least one of the pre-processing step and the finishing step is performed by polishing using abrasive grains, so that even if the optical surface molding surface is a free-form surface, it is easy and efficient. Processing can be performed Furthermore, when both the preliminary processing step and the finishing step are performed by polishing, there is no need to prepare separate processing apparatuses, which is advantageous in terms of processing efficiency and processing space, and can reduce costs.
[0080]
According to the fourth, ninth, and fifteenth aspects, the plurality of polishing marks formed on the optical surface molding surface by polishing are directed toward a direction different from any of the cutting direction in the generating step and the direction orthogonal to the cutting direction. Since it is extended, when the scanning direction in the measuring step is set to a direction that matches the cutting direction in the generating step or a direction perpendicular to the cutting direction, the unevenness due to the measured polishing marks, that is, the wavelength of the shape error is shortened. be able to. Furthermore, the actual shape error wavelength due to the polishing marks is not erroneously recognized as a shape error having a long wavelength, and can be easily separated and eliminated from the measurement result by, for example, a data filter. As a result, the surface accuracy is not unnecessarily increased based on the erroneous recognition, and a precise optical surface molding surface can be efficiently obtained without waste. An optical element having an optical surface molded based on the optical surface molded surface has high surface precision of the optical surface, and a sampling interval for sample extraction for product inspection in a production line can be increased, which is necessary for inspection. The labor and cost can be reduced.
[0081]
According to the fifth, twelfth, and eighteenth aspects of the present invention, since the polishing marks are linear or arc-shaped, the polishing marks can be easily formed on the optical surface molding surface using a polishing tool.
[0082]
According to the invention according to
[0083]
According to the invention according to
[0084]
According to the tenth and sixteenth aspects of the present invention, a plurality of polishing marks extend in the same direction and the interval between adjacent polishing marks is 100 μm or less. From the shape error, for example, even with a filter of -12 dB / octave which is an attenuation rate of a general-purpose surface roughness measuring device, the mixing of the shape error due to polishing marks can be easily reduced to 2% or less.
[0085]
According to the invention according to claims 11 and 17, any of the angle between the direction in which each polishing mark extends and the cutting direction in the generating step and the angle between the direction in which each polishing mark extends and the direction perpendicular to the cutting direction are all set. Since it is an angle of 5 ° or more, when the scanning direction in the measuring step is set to a direction coinciding with the cutting direction in the generating step or a direction orthogonal to the cutting direction, the irregularities due to the polishing marks to be measured, that is, the wavelength of the shape error, It can be short. Furthermore, the actual shape error wavelength due to the polishing marks is not erroneously recognized as a shape error having a long wavelength, and can be easily separated and eliminated from the measurement result by, for example, a data filter. As a result, the surface accuracy is not unnecessarily increased based on the erroneous recognition, and a precise optical surface molding surface can be efficiently obtained without waste. An optical element having an optical surface molded based on the optical surface molded surface has high surface precision of the optical surface, and a sampling interval for sample extraction for product inspection in a production line can be increased, which is necessary for inspection. The labor and cost can be reduced.
[0086]
Since the polishing marks are inclined by 5 ° or more with respect to the cutting direction and the direction perpendicular thereto, it is easy to confirm that the cutting marks are canceled by observing the surface of the optical surface molding surface, and furthermore, the polishing marks are formed by a plurality of polishing marks. By forming the layers in different directions, it is possible to more effectively cancel the cutting marks.
[0087]
According to the thirteenth and nineteenth aspects, since the surface roughness of the optical surface molding surface after the finishing step is 80 nm or less in Ry value, laser light having a wavelength of 600 nm to 800 nm is transmitted through the optical surface. Even when this optical element is used, a sufficient transmittance can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for processing a molding die according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining a step of creating an optical surface molding surface of a molding die.
FIG. 3 is a diagram showing a state in which the surface of an optical surface molding surface after a creation step is observed with a differential interference microscope.
FIG. 4 is a view showing a state in which a molding die is cut along a P plane in FIG. 1 and cutting marks on an optical surface molding surface are observed along an X-axis direction.
FIG. 5 is a view schematically showing a state in which the shape of the optical-surface molding surface on which cutting marks are formed is measured using a contact-type measurement probe.
FIG. 6 is a diagram showing a state in which a measurement probe drops from a peak of a cutting mark to an adjacent left or right valley.
FIG. 7 is a view showing a schematic configuration of a polishing apparatus for performing preliminary processing.
FIG. 8 is a diagram showing a state of polishing processing in preliminary processing in which a main part thereof is partially enlarged.
FIG. 9 is a plan view of an optical surface forming surface viewed from above, for explaining a state of scanning in polishing processing in preliminary processing.
FIG. 10 is a diagram showing a state in which the surface of an optical surface molding surface after a preliminary processing step is observed with a differential interference microscope.
11 is a diagram schematically illustrating the surface of the optical surface molding surface shown in FIG. 11, and is a diagram illustrating a state where a linear polishing mark is formed on the optical surface molding surface.
FIG. 12 schematically illustrates another example of the surface of the optical surface molding surface after the preliminary processing step, and illustrates a state where two types of linear polishing marks are formed on the optical surface molding surface. FIG.
FIG. 13 is a diagram showing a measurement result obtained by measuring the surface shape of the optical surface molded surface obtained in the measurement step using a contact type measurement probe.
FIG. 14 is a diagram showing a measurement result obtained by measuring the surface shape of the optical surface molding surface using a contact-type measurement probe when a preliminary processing step is not performed.
FIG. 15 is a diagram showing three-dimensional mapping data of a shape error of the optical surface molding surface.
FIG. 16 is a diagram illustrating a polishing process in a pre-machining step according to Modification Example 1 of the present invention while controlling each axis of the polishing apparatus so that the axial direction of the rotation center axis of the polishing tool always coincides with the normal line at the machining point; FIG.
17A and 17B are views showing polishing marks formed on the surface of the optical surface molding surface by the polishing shown in FIG. 16, wherein FIG. 17A shows the relationship between the rotation center axis and the normal direction at the processing point of the optical surface molding surface. (B) shows the case where the coincidence between the rotation center axis and the normal direction at the processing point of the optical surface molding surface is low.
FIG. 18 is a diagram illustrating a state in which blast processing is performed in a preliminary processing step according to
19 is a diagram showing dimples formed on the optical surface molding surface by the blasting shown in FIG. 18;
FIG. 20 is a flowchart illustrating a method for processing the optical surface molding surface of a conventional optical element molding die.
[Explanation of symbols]
θ, θ1: angle
1: Mold
2: Optical surface molding surface
3: Diamond cutter
4: Diamond bite
5: Cutting marks
5a: Yamabe
5b: Tanibe
6: Measurement probe
7: Polishing device
9: Polishing tool
13: Polishing mark
Claims (19)
前記光学面に対応する該成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、
該創成工程によって前記光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように該切削痕よりも細かい加工痕を前記光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、
該予備加工工程後に、前記光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、
該測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と前記特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を前記光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有することを特徴とする成形金型の加工方法。A processing method of a molding die for molding an optical surface having a specific surface shape in an optical element,
A creation step of creating an optical surface molding surface of the molding die corresponding to the optical surface by cutting at a predetermined cutting pitch,
A pre-processing step of forming a processing mark finer than the cutting mark on the optical-surface forming surface and performing a pre-processing thereof, so as to cancel the cutting mark formed on the optical-surface forming surface by the generating step;
After the preliminary processing step, a measuring step of measuring the surface shape of the optical surface molding surface,
A finishing step of removing, from the optical surface molding surface, a shape error component corresponding to a predetermined wavelength range among shape errors between the surface shape based on the measurement result obtained in the measurement process and the specific surface shape. A method for processing a molding die.
前記光学面に対応する該成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、
該創成工程によって前記光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように該切削痕よりも細かい加工痕を前記光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、
該予備加工工程後に、前記光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、
該測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と前記特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を前記光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有する加工方法を用いて製造されたことを特徴とする成形金型。A molding die for molding an optical surface having a specific surface shape in the optical element,
A creation step of creating an optical surface molding surface of the molding die corresponding to the optical surface by cutting at a predetermined cutting pitch,
A pre-processing step of forming a processing mark finer than the cutting mark on the optical-surface forming surface and performing a pre-processing thereof, so as to cancel the cutting mark formed on the optical-surface forming surface by the generating step;
After the preliminary processing step, a measuring step of measuring the surface shape of the optical surface molding surface,
A finishing step of removing, from the optical surface molding surface, a shape error component corresponding to a predetermined wavelength region among the shape errors between the surface shape based on the measurement result obtained in the measurement process and the specific surface shape. A molding die manufactured by using the method.
前記光学面に対応する該成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、
該創成工程によって前記光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように該切削痕よりも細かい加工痕を前記光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、
該予備加工工程後に、前記光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、
該測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と前記特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を前記光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有する加工方法を用いて製造された成形金型によって成形されたことを特徴とする光学素子。An optical element having an optical surface of a specific surface shape molded by a molding die,
A creation step of creating an optical surface molding surface of the molding die corresponding to the optical surface by cutting at a predetermined cutting pitch,
A pre-processing step of forming a processing mark finer than the cutting mark on the optical-surface forming surface and performing a pre-processing thereof, so as to cancel the cutting mark formed on the optical-surface forming surface by the generating step;
After the preliminary processing step, a measuring step of measuring the surface shape of the optical surface molding surface,
A finishing step of removing, from the optical surface molding surface, a shape error component corresponding to a predetermined wavelength region among the shape errors between the surface shape based on the measurement result obtained in the measurement process and the specific surface shape. An optical element formed by a molding die manufactured by using the method.
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