JP2005104145A

JP2005104145A - 光学素子の成形方法、光学素子、金型部材、および金型部材の加工方法

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Publication number: JP2005104145A
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Inventors: Motohiro Fukazawa; 元浩深沢
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Abstract

【課題】光学素子における非回転軸対称な形状誤差を修正した上、光学素子の成形コストの低減と共に成形の高精度化を実現することができる光学素子の成形方法および光学素子を提供すること。
【解決手段】光学素子の初期成形時に生じる誤差形状を自由曲面の多項式に近似し、これを設計形状式に付加した形状式に基づいて型部材を作り変え、この作り変えた型部材を用いて光学素子を成形することにより、光学素子における非回転軸対称な形状誤差を修正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラスチックを材料として、成形用金型部材により成形される光学素子の成形方法および光学素子に関し、例えば、回転軸対称な設計形状をもつ大口径レンズやミラー等に適用して好適な光学素子の成形方法、光学素子、金型部材、および金型部材の加工方法に関するものである。

従来より、低級および中級機のカメラ用やプロジェクター用のレンズとして、プラスチックレンズが使用されている。このプラスチックレンズのほとんどは、射出成形によって製造される。切削研磨を繰り返すガラスレンズに比べ低コストであり、また近年の製品の低価格化により、高精度が要求される製品においてもガラスレンズからプラスチックレンズへの置換えに期待が高まりつつある。ところで、カメラ用レンズやプロジェクター用レンズ等、光軸を中心に回転軸対称な設計値をもつレンズにおいては、設計値との誤差（クセ）、このクセの非回転軸対称性（アス）、光学面の面位置誤差（光学面同士の相対ズレ量）をもって形状が評価される。このような評価項目の要求精度が厳しく、それは、高精度なレンズのプラスチック化ができなかった理由ともなっている。下記に、それぞれの項目について説明する。

「設計値との誤差（クセ）およびクセの非回転軸対称性（アス）」
プラスチックレンズの一般的な成形方法においては、金型内に形成されるキャビティの片側（ゲート）より樹脂を注入し、その後の冷却工程を経て金型から成形品を取り出す。しかし、樹脂の流れ方向に依存した不均一な収縮が発生して、ゲート方向におけるレンズの断面と、それと直交する方向におけるレンズの断面に、光軸を中心とする形状の対称性が異なる現象が生じる。この傾向はレンズの口径が大きいほど、また冷却時間が短いほど顕著になる。それは、口径の大きいレンズのプラスチック化ができなかった理由の一つでもあった。

「光学面の面位置誤差」
成形用の金型によって成形されて、光学面が対向するカメラ用レンズやプロジェクター用レンズ等の共軸レンズの光学面においては、その光学面同士の相対誤差（面位置誤差）が数十μｍ生じる。この面位置誤差は、結像した像面の歪み等、光学性能に不具合を来す。光学面が対向するレンズにおける光学面は、通常、成形用金型の固定側と可動側によって形成されるため、その金型の型合わせ精度に起因して、面位置誤差が止むを得ずに発生してしまう。また、金型内のキャビティの片側（ゲート）より樹脂を注入するため、樹脂の流れ方向に依存した応力分布が成形品の内部に発生する。その応力は、成形品を金型から取り出し後に開放され、その成形品の光学面に平行方向もしくは傾き方向の変形をもたらす。

このような不具合を軽減するために、次のような技術が開発されている。
「ヒートサイクル成形」
金型に備えられたヒーター等によって、レンズ面を形成する金型部材を一度ガラス転移温度以上に加熱し、その後、キャビティの中に樹脂を充填させ、その樹脂の収縮速度に合わせて冷却スピードを調整する。金型形状とレンズ形状との誤差量、つまり樹脂の収縮に起因する形状誤差を低減させて、ほぼ金型形状をレンズに転写することが期待できる。しかし、この成形方法を実施するためには設備が大掛かりとなり、また冷却時間が長くなって成形コストが嵩むため、近年の製品の低コスト化に対応する成形方法としては不向きである。

「高金型温成形」
金型の設定温度をガラス転移温度近傍に設定した一般的な成形方法において、レンズの口径がΦ３０程度のものであれば冷却時間を長くすることによって、金型形状とレンズ形状との誤差量、つまり樹脂の収縮に起因する形状誤差を比較的低減させることができる。しかし、ヒートサイクル成形の場合と同等な理由により、成形時間が長くなって成形コストが嵩む。

「射出圧縮成形」
レンズ面を形成する金型部材によってキャビティ内部を圧縮し、樹脂の射出保圧時に生じた不均一収縮の原因となる内部歪みを均一化させることによって、前述の非回転軸対称な形状の発現を軽減する。しかし、レンズ面を形成する金型部材を摺動させるためにクリアランスを設ける必要があり、レンズ面の光軸ずれを生じるおそれがある。

また、このような成形方法におけるレンズ面形状の修正方法としては、一般に、特許文献１および非特許文献１に開示されているような方法が採用されている。その方法は、レンズの光軸を跨ぐある断面形状をフォームタリサーフ等によって測定して、樹脂の収縮に起因する形状誤差を算出し、これを二次元の多項式で近似する。さらに、その近似式を、目的とする回転対称の設計式に付加して新たな回転軸対称な金型形状式とし、それに基づいて金型鏡面駒を製作する。そして、このようにして製作した金型と成形品との誤差分を相殺する方向に金型を修正することによって、所定の精度を得ようとするものである。

また、回転軸対称な金型部材としての鏡面駒を製作する方法として、特許文献３には旋回加工方法が開示されている。その方法は、回転対称な設計値を光軸方向に反転させて、半径方向における加工量を算出し、そして工作機械により、金型部材としての鏡面駒を光軸に相当する位置を中心として回転させつつ、算出した加工量だけ光軸方向に動かし、かつ加工工具を半径方向に動かすことによって、回転軸対称の鏡面駒を製作している。

「光学面の面位置誤差の修正方法」
光学面の面位置誤差を修正する方法としては、特許文献４が開示されているような方法がある。この方法は、成形されたレンズの面位置誤差の結果を基にして、鏡面駒もしくは抱き駒に相当する金型部材の金型外部に対する位置を調整することによって、光学面の面位置誤差を修正する。

特開平５−９６５７２号公報特開２００２−３９９０８号公報特開平３−１０４５３６号公報特開平５−９６５８０号公報ＪＳＰＥ−５８−０２，１９９２，２５３ページ（精密工学会誌，ＶＯＬ５８，Ｎｏ．２（１９９２），２５３ページ）

しかし、金型修正前の成形品のクセ形状は光軸の中心に対して回転軸対称形状でなければならず、前述した不具合の解消（非回転軸対称性のクセであるアス成分の除去）をすることはできない。つまり、光軸の中心に対して一律な回転軸対称な設計値で金型を修正する限り、少なからず初期成形によって生じてしまった非回転軸対称な形状誤差は除去できなかった。無論、初期成形における成形品の非回転軸対称性が要求精度内であれば、上記のような修正方法によって所定の精度を達成することができる。しかし、精度要求が高くて口径が大きいレンズにおいては、上記のような修正方法によって対応可能な成形条件は、概して前述したように長い冷却時間が必要となり、近年の製品の低コスト化に対応することができない。

また特許文献３のように、金型部材としての鏡面駒をその中心を回転中心として旋回させて加工する方法では、鏡面駒の中心を光軸と一致させて、その鏡面駒を回転軸対称形状に加工するため、このような加工方法によっては、レンズの光学面の面位置誤差を修正することはできない。このような問題を解決しようとする特許文献４に記載の方法は、それを実施するための金型の構成部品が多くなって構成が複雑となり、レンズを長期間連続して量産成形することが難しい。

本発明の目的は、光学素子における非回転軸対称な形状誤差を修正した上、光学素子の成形コストの低減と共に成形の高精度化を実現することができる光学素子の成形方法、光学素子、金型部材、および金型部材の加工方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、回転対称な設計形状をもつ光学素子の高精度化において必要な評価項目、例えば、設計値との誤差（クセ）、そのクセの非回転軸対称性（アス）、および光学面の面位置誤差（光学面同士の相対ズレ量）の評価項目における誤差の低減化を図って、光学素子の成形コストの低減と共に成形の高精度化を実現することができる光学素子の成形方法、光学素子、金型部材、および金型部材の加工方法を提供することにある。

本発明の目的は、光学素子における非回転軸対称な形状誤差を修正した上、光学素子の成形コストの低減と共に成形の高精度化を実現することができる光学素子の成形方法および光学素子を提供することにある。

本発明の光学素子の成形方法は、光軸を中心に回転軸対称な設計式をもつ光学素子を成形用金型によって成形する光学素子の成形方法において、前記設計式を光軸方向に反転させて製作した型部材によって、前記光学素子の光学面を成形する第1の工程と、前記第１の工程によって成形された前記光学面の形状の検出値と、前記設計式の設計値との差分を自由曲面の多項式に近似し、前記差分を相殺するように前記多項式を付加した前記設計式を光軸方向に反転させて型部材を製作する第２の工程と、前記第２の工程にて製作された型部材によって、前記光学素子の光学面を成形する第３の工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の光学素子は、本発明の成形方法によって光学表面が成形されたことを特徴とする。

本発明の金型部材は、光軸を中心に半径方向に軸対称な設計式をもつ光学素子の成形用の金型部材において、前記光学素子の光学面を形成する面は、前記設計式の半径方向の位置を座標変換式によってｘ、ｙの座標値に変換してから光軸方向に反転した加工式に基づいて、フライカッティング方式によって加工したことを特徴とする。

本発明の金型部材の加工方法は、光軸を中心に半径方向に軸対称な設計式をもつ光学素子の成形するための金型部材の加工方法において、前記光学素子の光学面を形成する面は、前記設計式の半径方向の位置を座標変換式によってｘ、ｙの座標値に変換してから光軸方向に反転した加工式に基づいて、フライカッティング方式によって加工することを特徴とする。

本発明によれば、光軸中心に対して軸対称な設計形状をもつ金型部材によって光学素子を初期成形して、その光学素子の成形材料である樹脂の不均一な収縮のために生じた軸対称でない変形誤差分を検出する。その後、その変形誤差を相殺するように金型部材を製作し、その金型部材によって光学素子を次期成形する。その次期成形により、光学素子の設計値に対しての誤差量をなくす。この結果、成形コストがかからない成形条件下において、光学素子の高精度化に対して弊害となる非回転対称の形状誤差を修正し、成形コストの低減と光学素子の高精度化を両立させることができる。また、変形誤差の形状に囚われることなく光学素子の成形条件を設定することができ、光学素子の成形にて生じる諸問題に対応するための幅広い条件を設定することができる。さらに、光学素子の光学面の面位置誤差をも修正することができる。

本発明によれば、光軸中心に対して軸対称な設計形状をもつ金型部材によって光学素子を初期成形して、その光学素子の成形材料である樹脂の不均一な収縮のために生じた軸対称でない変形誤差分を検出する。その後、その変形誤差を相殺するように金型部材を製作し、その金型部材によって光学素子を次期成形する。その次期成形により、光学素子の設計値に対しての誤差量をなくす。この結果、成形コストがかからない成形条件下において、光学素子の高精度化に対して弊害となる非回転対称の形状誤差を修正し、成形コストの低減と光学素子の高精度化を両立させることができる。また、変形誤差の形状に囚われることなく光学素子の成形条件を設定することができ、光学素子の成形にて生じる諸問題に対応するための幅広い条件を設定することができる。概して、それは低コストの条件設定にきわめて有効であり、光学素子にける光学面の高精度化と成形コストの低減の両立が可能となる。

本発明は、光学素子の初期成形時に生じる誤差形状を自由曲面の多項式に近似し、これを設計形状式に付加した形状式に基づいて型部材を作り変え、この作り変えた型部材を用いて光学素子を成形することにより、光学素子における非回転軸対称な形状誤差を修正することができる。この結果、光学素子の成形コストの低減と共に、成形の高精度化を実現することができる。

また、回転軸対称な光学素子の成形用の金型部材をフライカッティング方式によって加工することにより、その金型部材を高精度に加工することができ、光学素子における光学面同士の面位置誤差を容易に修正することができる。

以下に、本発明の実施形態について、図を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明を検討するに当たって適用した金型の断面図である。金型温調機に接続される温調経路６、７によって温調された金型内に、可塑化装置１０により樹脂が射出される。樹脂は、スプールランナー５を流動してゲート４からキャビティ１に充填され、鏡面駒２，３によってレンズ面（Ｒ１面，Ｒ２面）が形成される。その後、ＰＬ（パーティングライン）１１にて金型が開かれて、キャビティ１の形状に対応する成形品が取出される。８，９は、鏡面駒２，３が組み込まれるダイセットである。

図２（ａ）および（ｂ）は、本発明の対象製品としての液晶プロジェクター用レンズの横断面図および縦断面図であり、１２は光軸中心、１３はレンズ面（Ｒ２面）、１４はレンズ面（Ｒ１面）、１５はレンズの第１の断面方向、１６はレンズの第２の断面方向である。図２（ｃ）は、Φ３２の両面非球面レンズの設計非球面式１７（式１）と、Ｒ２面１３の設計係数１８を示す（Ｒ１面１４に関しては割愛する）。非球面式１７において、ｒは半径方向の像高位置、Ｒは参照Ｒ、ｋは円錐定数、ｃ０_−４，ｃ０_−６，・・・は非球面係数である。なお、要求精度は形状誤差０．６μｍである。

初期成形におけるレンズ面を形成する金型部材（以降、「鏡面駒」と称す）２および３は、超鋼ブランクにＫＮメッキ膜を施し、このメッキ膜をダイヤモンドバイトで加工する。その際には、図２（ｃ）に示した設計非球面式１７を光軸方向に反転したものを加工式として、鏡面駒２および３を光軸中心に旋回させる（旋回加工）。そして、このような加工によって製作した鏡面駒２および３をダイセット８、９に組み込み、初期成形を実施す
る。

本発明による成形条件は、成形品がヒケなく安定して成形できる条件であれば良いため、金型温度は１２０℃とした。ヒケは、樹脂の体積収縮によって生じる成形品の成形不良である。保圧力の設定は、９５０Ｋｇｆ/ｃｍ^２までヒケが目視で確認されたので９７５Ｋｇｆ/ｃｍ^２とした。なお、供試材料は、ガラス点移転温度１３７℃のシクロオレフィン樹脂（日本ゼオン（株）グレードＥ４８Ｒ）を使用した。

このような成形条件下において、冷却時間の設定検討を行なった。その設定検討する上の指標として、レンズ面１３における光軸方向の高さの値を検出する。すなわち、図３（ａ），（ｂ）に示すように３次元形状測定機を使用し、測定機の走査プローブ１９をレンズ面１３上のスキャンライン２０のように走査させることにより、レンズ面１３における光軸方向の高さの値を検出する。そして、特許文献２に記載されている方式により、コンピュータ上にて、検出値と設計値との差分が最小二乗法で一番近くなる成形品の姿勢を導き出し、その姿勢における検出値と設計値との差分（形状誤差）を算出する。すなわち、セッテイング誤差を取り除き、レンズ面のみの形状誤差を算出する。

その後、その形状誤差を連続した３次元多項式で定義される自由曲面の多項式（式２）の形態に近似させる。

すなわち、ｘ、ｙの点列的な検出値データ群を回帰させることで、自由曲面の多項式（式２）を得る。この多項式（式２）の次数は、６、８、１０、１２次で近似して比較検討したが、８次以上の高次のものに精度上支障をきたす差違は見られなかったので、以降においては８次で近似することにした。

図４に、冷却時間と、上式により算出して抜粋した図２（ａ）中の断面１５の形状誤差との関係を示す。冷却時間２５０秒の状態では光軸中心に対して対称性が良く、冷却時間を短くするほど対称性が悪くなっていく様子が確認された。そして、冷却時間を１６０秒以下にするとヒケおよび面割れが確認された。これらはレンズ機能上差し支えることになるため、成形条件として相応しくない。よって、冷却時間を１７０秒に設定した。

要求形状誤差０．６μｍを目標とするレンズ面を形成すべく、金型部材を修正するに当たっては、成形品の安定性が求められる。つまり、金型からの誤差量を常に安定して再現することが前提となる。

上記初期成形検討にて、金型温度１２０℃、保圧力９７５Kgf/ｃｍ^２、冷却時間１７０秒の成形条件を設定し、この条件下にて繰り返し１００ショット成形を行い、その成形品を上記測定方法により測定した。その結果、離型量のばらつきの再現性は、要求形状誤差０．６μｍに対して３分の１以下の０．２μｍ以下であり、要求形状誤差に対して十分な量であった。

上記測定における結果を図５に示し、これを第1，第２の断面方向の断面２１，断面２２において抜粋したものを図６中の曲線２３，２４に示す。光軸を中心に非回転軸対称性が１０μｍ程度生じていることが分かる。そして、図５における測定結果を自由曲面の多項式（式２）の形態（図７中の２５）に近似する。その係数を図７中の係数２６として示す。

ところで、レンズ設計式（図２（ｃ）に示す非球面式１７）は光軸に対して回転軸対称であるため、任意の半径方向の位置ｒとレンズ表面上の任意の位置ｘ，ｙとの関係は、式３によって表される。この関係を非球面式１７に代入すると、レンズ面の任意のｘ，ｙに対するｆ_０（ｘ，ｙ）を求めることができる。

次に、第２の工程として、上記のレンズ設計式ｆ_０（ｘ，ｙ）と形状誤差近似式ｆ_１（ｘ，ｙ）から、成形によって生じるｆ_１（ｘ，ｙ）を相殺するように、図１における鏡面駒２、３（本例に示すのは鏡面駒３）を作り変える作業を行なう。そのときの鏡面駒２、３の形状式（「狙い形状式」ともいう）をｆ_３（ｘ，ｙ）とすると、それはｆ_３（ｘ，ｙ）＝ｆ_０（ｘ，ｙ）−ｆ_１（ｘ，ｙ）と表わせる。そして、この狙い形状式を光軸に反転させたものを鏡面駒３の加工定義式として、超精密ＮＣ制御加工機により５軸制御のフライカッティングで加工を行なう。

次に、第３の工程として、上記の第２の工程で製作した鏡面駒２、３を図１のダイセット８、９に組み込み、前述した第１の工程で設定した成形条件で成形（次期成形）を行った。

そして、その成形品を前述した３次元形状測定機で測定し、同じくレンズ設計値との差分（形状誤差）を算出する。その結果を図８に示し、それを第1，第２の断面方向の断面２７，断面２８について抜粋したものを図９に示す。その結果、形状誤差の最大値は０．４μｍ程度、非回転軸対称性は０．２μｍ程度となった。また、前述の初期成形における成形バラツキ０．２μｍを考慮しても要求精度０．６μｍを満たすことできる。また、従来の修正方法では除去できなかった初期成形における非軸対称成分１０μｍを０．２μｍに大幅に低減することができた。

以上に説明した方法で金型部材を修正した成形用金型を用いることにより、レンズの高精度化および成形コストの低減化の両立が可能となった。

（第２の実施形態）
図１０から図１３は、本発明の第２の実施形態を説明するための図である。

図１０は、光学素子の光学面を形成するための金型部材の加工装置の説明図である。金型部材（以降、「鏡面駒」と称す）２１１は超鋼ブランクによって製作し、レンズ面を形成する面２１２にＫＮメッキ膜を施す。２１５は鏡面駒２１１の回転中心であり、２１４は後述する位置決めボルト穴である。

本例においては、加工用治具２１６における鏡面駒雇いポケット２１７の加工治具原点２１９に対して、ＮＣ加工機２１０の加工原点１１３を任意な位置に指定できるように、加工用治具２１６上に高心球度に製作された球体２１８を３個配置している。加工用治具２１６は、この３個の球体２１８の頂点が成す三角形の外接円の中心が加工用治具原点２１９に一致するように製作されている。このような加工用治具２１６を使用することにより、ＮＣ加工機２１０の加工原点１１３と加工用治具原点２１９の関係を制御することができる。また、鏡面駒雇いポケット２１７に挿入された鏡面駒２１１における中心２１５と加工用治具原点２１９は、位置決めボルト穴２１４と取付けボルト１１０により、取付けボルト１１０の引き込み方向に再現よく一致させることができる。図１０は、鏡面駒２１１の中心２１５と加工用治具原点２１９とＮＣ加工機２１０の加工原点１１３とが一致している状態を示している。鏡面駒２１１の位置決めボルト穴２１４は、ダイセットに精度再現よく組み込むために必要な構成部品となる。

そして、ＮＣ加工機の原点１１３とし、上記のレンズ設計式ｆ_０（ｘ，ｙ）を光軸方向に反転させた加工定義式を用いて、超精密ＮＣ制御によりバイトフォルダー１１１を５軸制御する。そして、フライカッティング加工によって、鏡面駒２１１の面２１２のメッキ膜をダイヤモンドバイト１１２によって加工する。

図１１（ａ）は、このような方法により加工された鏡面駒２１１を示す。この鏡面駒２１１は、鏡面駒１１の中心２１５と、レンズ有効部（破線の内側）２２３における回転対称な非球面設計式の原点２２２（ＮＣ加工機２１０の加工原点１１３）と、が一致するように加工されている。

図１３は、このような鏡面駒を用いたレンズ成形用の金型の断面図である。

上述した鏡面駒２１１のように、フライカッティング方式により加工製作した鏡面駒４２，４３は、ダイセット取付けボルト４１１，４１２によってダイセット４８，４９に取り付けられる。ガイドピン４１８は、成形機に取り付けた金型の開閉を行ったときに、再現性よく可動側ダイセット４８と固定側ダイセット４９とを位置決めする役割を果たす。通常、鏡面駒４２，４３の寸法と、それらが組み込まれるダイセット４８，４９のポケット４１５，４１６と、の間のクリアランスは、それらを組込む上において７〜１０μｍ程度必要である。鏡面駒４２，４３の組込み再現性を保つために、ダイセット取付けボルト４１３，４１４を組み込むときは、その引き込みトルクをいつも同じトルク（例えば、５０ｃＮ・ｍ）とする。これにより、組み込まれた鏡面駒４２，４３は、絶えず取付けボルト４１３，４１４の方向に引き寄せられる状態となる。

そして、金型温調機に接続される温調経路４６，４７によって温調された金型内に、可塑化装置４１０にから樹脂が射出される。樹脂は、スプールランナー４５内を流動してゲート４４からキャビティ４１に充填され、鏡面駒４２，４３によってレンズ面（Ｒ１面，Ｒ２面）が形成される。その後、ＰＬ（パーティングライン）４１７にて金型が開かれて、キャビティ４１の形状に対応する成形品が取り出される。

このような金型によって初期成形を実施し、成形品の光学面の面位置誤差（以下、「レンズ面位置誤差」ともいう）を確認する。

図１２は、そのレンズ面位置誤差の確認結果の説明図である。本例の場合、Ｒ２面３１の光軸３４の位置は、成形品のＲ１面３２の光軸３３を基準にして、符号３６によって示すＸ方向に２０μｍ、符号３５によって示すＹ方向に１０μｍずれている。

本実施形態は、このようなレンズ面位置誤差を効率よく修正するために、前述した第１の実施形態の第１および第２の工程に対応する金型部材（鏡面駒）の加工工程において、以下のようなフライカッティング方式を採用する。

図１１（ｂ）は、鏡面駒２１１の中心２１５と、レンズ有効部（破線の内側）２２３における回転対称な非球面設計式の原点２２２（ＮＣ加工機２１０の加工原点１１３）と、を意図的に一致させないように加工した鏡面駒２１１を示す。鏡面駒２１１の回転中心２１５に対して、ＮＣ加工機２１０の加工原点（設計式の中心）１１３をＸ方向に−２０μｍ、Ｙ方向に−１０μｍにずらして、図１２のような成形品におけるレンズ面位置誤差を相殺するように、ＮＣ加工機２１０の加工原点（設計式の中心）１１３を設定して加工する。このようなフライカッティング方式を回転軸対称なレンズの鏡面駒加工に応用することにより、鏡面駒２１１の光軸２２２および設計式の有効領域２２３を任意の位置にオフセットさせることができる。

そして、この鏡面駒２１１のように加工した鏡面駒を図１３のダイセットに組み込み、次期成形を実施する。その結果、初期成形時に生じていたＲ２面３１の光軸３４の位置のずれ（Ｒ１面３２の光軸３３を基準にしたずれ）は、Ｘ方向に１μｍ、Ｙ方向に２μｍへと大幅に低減することができた。

このように、鏡面駒の原点と異なる任意な位置を設計中心として、回転軸対称な光学面の設計形状に鏡面駒を加工することができる。そして、このように加工した鏡面駒を供給することにより、成形品に生じていたレンズ面位置誤差を修正することができて、光学素子の高精度化を飛躍的に向上させることができる。

本発明の成形方法に用いた射出成形用金型の断面図である。（ａ）は本発明の成形方法により成形するレンズの横断面図、（ｂ）はそのレンズの縦断面図、（ｃ）はそのレンズの設計非球面式とＲ２面の設計係数の説明図である。（ａ）は図２のレンズの三次元形状測定方法を説明するための縦断面図、（ｂ）はその測定方法におけるスキャンラインを説明するためのレンズの平面図である。図２のレンズの成形方法における冷却時間と形状誤差との関係の説明図である。図２のレンズの初期成形時における形状誤差の測定結果の説明図である。図５中の断面ラインにおける測定結果の説明図である。自由曲面の多項式と係数の説明図である。図２のレンズの次期成形時における形状誤差の測定結果の説明図である。図８中の断面ラインにおける測定結果の説明図である。本発明の他の実施形態における金型部材としての鏡面駒の加工装置の説明図である。（ａ）は、図１０の加工装置によって鏡面駒の回転中心とレンズの非球面設計式の原点とを一致させて加工した鏡面駒の概略斜視図、（ｂ）は、図１０の加工装置によって鏡面駒の回転中心とレンズの非球面設計式の原点とを一致させずに加工した鏡面駒の概略斜視図である。レンズにおける光学面の面位置誤差の説明図である。図１０の加工装置によって加工された鏡面駒が組み込まれた金型の断面図である。

符号の説明

１キャビティ
２鏡面駒
３鏡面駒
４ゲート
５スプールランナー
６温調経路
７温調経路
８ダイセット
９ダイセット
１０可塑化装置
１１ＰＬ面
１２光軸中心
１３レンズ面（Ｒ２面）
１４レンズ面（Ｒ１面）
１５第１の断面方向
１６第２の断面方向
１７非球面定義式
１８非球面係数
１９三次元測定機の走査プローブ
２０三次元測定機の走査方向
２１第１の断面方向
２２第２の断面方向
２３第１の断面方向の形状誤差
２４第２の断面方向の形状誤差
２５自由曲面の多項式の定義式
２６係数
２７第１の断面方向
２８第２の断面方向
２９第１の断面方向の形状誤差
３０第２の断面方向の形状誤差
１１０位置決めボルト
１１２バイト
１１３バイトの回転方向
１１１バイトフォルダー
２１０ＮＣ加工機
２１１鏡面駒
２１２鏡面駒における光学面を形成する面
２１３ＫＮメッキ膜をフライカッティング方式で加工した時に生じる切削目
２１４鏡面駒の位置決めボルト穴
２１５鏡面駒の回転中心
２１６加工用治具
２１７加工用治具における鏡面駒勘合ポケット
２１８加工用治具の原点だし用鋼球
２１９加工用治具の原点
２２２非球面設計式の原点
２２３光学面の有効領域
３１レンズ面（Ｒ２面）の断面
３１Ａレンズ面（Ｒ２面）
３２レンズ面（Ｒ１面）の断面
３２Ｂレンズ面（Ｒ１面）
３３Ｒ２面の光軸
３４Ｒ１面の光軸
３５Ｒ１面光学面の光軸に対するＲ２面光学面光軸のＹ方向ズレ量
３６Ｒ１面光学面の光軸に対するＲ２面光学面光軸のＸ方向ズレ量
３７Ｘ、Ｙ方向指示
４１キャビティ
４２可動側鏡面駒（Ｒ１面）
４３固定側鏡面駒（Ｒ２面）
４４ゲート
４５スプール、ランナー
４６可動側温調経路
４７固定側温調経路
４８可動側ダイセット
４９固定側ダイセット
４１０可塑化装置
４１１鏡面駒取付けボルト
４１２鏡面駒取付けボルト
４１３鏡面駒位置決めボルト
４１４鏡面駒位置決めボルト
４１５鏡面駒据付ポケット
４１６鏡面駒据付ポケット
４１７ＰＬ面
４１８可動側・固定側位置決めガイドピン

Claims

光軸を中心に回転軸対称な設計式をもつ光学素子を成形用金型によって成形する光学素子の成形方法において、
前記設計式を光軸方向に反転させて製作した型部材によって、前記光学素子の光学面を成形する第１の工程と、
前記第１の工程によって成形された前記光学面の形状の検出値と、前記設計式の設計値との差分を自由曲面の多項式に近似し、前記差分を相殺するように前記多項式を付加した前記設計式を光軸方向に反転させて型部材を製作する第２の工程と、
前記第２の工程にて製作された型部材によって、前記光学素子の光学面を成形する第３の工程と、
を含むことを特徴とする光学素子の成形方法。
前記第２の工程において、前記検出値と前記設計式の設計値との差分が最小二乗法によって最も小さくなる前記光学素子の姿勢を導き出し、この姿勢における前記検出値と前記設計式の設計値との差分を算出することを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。
前記設計式は式１の非球面式であり、
前記自由曲面の多項式は式２であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の成形方法。

ｒ：半径方向の像高位置
Ｒ：参照Ｒ
ｋ：円錐定数
ｃ０_−４，ｃ０_−６，・・・：非球面係数
前記光学素子の光学面を形成する前記型部材の面は、前記設計式の半径方向の位置を座標変換式によってｘ、ｙの座標値に変換してから光軸方向に反転した加工式に基づいて、フライカッティング方式によって加工することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の成形方法。
前記設計式は式１の非球面式であり、前記座標変換式は式２であり、前記自由曲面の多項式は式３であることを特徴とする請求項４に記載の光学素子の成形方法。

ｒ：半径方向の位置
Ｒ：参照Ｒ
ｋ：円錐定数
ｃ０_−４，ｃ０_−６，・・・：非球面係数
前記第２の工程においては、前記光学面の形状の検出値に基づき、前記設計式の中心に対応する前記フライカッティング方式の加工の加工原点と、前記型部材の中心と、の位置を調整してから、前記光学素子の光学面を形成する前記型部材の面を前記フライカッティング方式によって加工することを特徴とする請求項４または５に記載の光学素子の成形方法。
請求項１から６のいずれかに記載の成形方法によって光学表面が成形されたことを特徴とする光学素子。
光軸を中心に半径方向に軸対称な設計式をもつ光学素子の成形用の金型部材において、
前記光学素子の光学面を形成する面は、前記設計式の半径方向の位置を座標変換式によってｘ、ｙの座標値に変換してから光軸方向に反転した加工式に基づいて、フライカッティング方式によって加工したことを特徴とする金型部材。
前記設計式は式１の非球面式であり、前記座標変換式は式２であり、前記自由曲面の多項式は式３であることを特徴とする請求項８に記載の金型部材。

ｒ：半径方向の位置
Ｒ：参照Ｒ
ｋ：円錐定数
ｃ０_−４，ｃ０_−６，・・・：非球面係数
光軸を中心に半径方向に軸対称な設計式をもつ光学素子の成形するための金型部材の加工方法において、
前記光学素子の光学面を形成する面は、前記設計式の半径方向の位置を座標変換式によってｘ、ｙの座標値に変換してから光軸方向に反転した加工式に基づいて、フライカッティング方式によって加工することを特徴とする金型部材の加工方法。
前記設計式は式１の非球面式であり、前記座標変換式は式２であり、前記自由曲面の多項式は式３であることを特徴とする請求項１０に記載の金型部材の加工方法。

ｒ：半径方向の位置
Ｒ：参照Ｒ
ｋ：円錐定数
ｃ０_−４，ｃ０_−６，・・・：非球面係数
前記設計式の中心に対応する前記フライカッティング方式の加工の加工原点と、前記金型部材の中心と、の位置関係を調整してから、前記光学素子の光学面を形成する前記金型部材の面を前記フライカッティング方式によって加工することを特徴とする請求項１０または１１に記載の金型部材の加工方法。