JP2005325008A - 光学素子素材，これを用いた光学素子の製造方法及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】非対称の光学素子を型成形により製造する場合に、ローコストで量産可能な単純形状でありながら、良好な充填性を発揮することができる光学素子素材を提供する。
【解決手段】その中心を通る鉛直方向の第一仮想平面Ｓ₁を境にした一方と他方の形状が非対称な光学素子１を型成形により製造する場合に用いられる光学素子素材２であり、その中心を通る鉛直方向の第二仮想平面Ｓ₂を境にした一方と他方の体積の大小関係を、光学素子１の第一仮想平面Ｓ₁を境にした一方と他方の体積の大小関係と逆にした構成としてある。
【選択図】 図６

Description

本発明は、断面形状が非対称の光学素子を型成形により製造する場合に、ローコストで量産可能な単純形状でありながら、良好な充填性を発揮することができる光学素子素材，これを用いた光学素子の製造方法及び光学素子に関する。

デジタルカメラ等では、プリズムやミラーなどの光線を折り曲げる光学素子を利用して光学系の薄型化を図っている。そして、従来から三つの光学機能面が全て平面からなる三角プリズムが一般的に広く普及している。このような単純形状の光学素子であれば、円柱状又は三角柱状のガラス製光学素子素材を、所定粘度まで加熱軟化させてから上型と下型でプレス成形することによって、十分に精度よく製造することができる。

例えば、特開昭６１−１２７６２６号では、センタレス加工又はファイヤポリシング等により外周面を円滑加工した円柱状の光学素子素材をプレス成形する光学素子の製造方法が開示されている。

一方、球面，非球面又は自由曲面といった平面以外の複雑な光学機能面を有する光学素子をプレス成形する場合、三角柱状や円柱状といった単純形状の光学素子素材では、充填不足，バリ，割れ等の成形不良が生じてしまうので、最終的な光学素子に近似した形状に光学素子素材を加工してからプレス成形を行っている
例えば、特開２００２−９７０２５号では、成形前の光学素子素材の綾部（エッジ）の面取り量を、あらかじめシミュレーションによって得た結果で設定し、成形型のキャビティにおける所要のガラス充填度を得るようにした光学素子の製造方法が開示されている。
特開昭６１−１２７６２６号公報 特開２００２−９７０２５号公報

近年、光学系のさらなる小型化及び薄型化を図るため、例えば、図１（ａ）〜（ｃ）に示すような三角プリズムの入射面１Ａに球面，非球面又は自由曲面といった曲面からなる凹状の光学機能面（球欠面）１Ｄを付加した非対称な光学素子１が必要とされている。

ところが、図１６（ａ）及び図１７（ａ）に示すように、このような光学素子１をプレス成形により製造する場合、上述した円柱状又は三角柱状といった対称的な光学素子素材１００，２００を用いると、下型３２の一方の型面から光学機能面１Ｄを形成するための凸面部３２ａが突出しているために、これら光学素子素材１００，２００が、下型３２内において、凸面部３２ａと反対の平面部３２ｂ側に偏って載置されることとなる。

この状態で上型３１を下降させてプレス成形を行えば、図１６（ｂ）及び図１７（ｂ）に示すように、加熱軟化した光学素子素材１００，２００の充填が平面部３２ｂ側で先に完了してしまい、充填過多によるバリや割れが発生する反面、これより遅れて充填される凸面部３２ａ側では充填不足が生じてしまうという問題があった。

一方、光学素子１をプレス成形により製造する場合に、これと近似形状に加工した光学素子素材を用いることも考えられるが、この場合は、光学素子素材の加工に多大なコストと時間を要するという問題があった。

例えば、光学素子１の如く球面，非球面又は自由曲面といった曲面からなる凹状の光学機能面１Ｄを有する場合、その光学素子素材にも光学機能面１Ｄに近い曲率の曲面をあらかじめ形成する必要がある。しかし、このような光学機能面１Ｄは、光学素子素材一つ一つに金型で転写し又は研削等により形成しなければならないので、円柱状や三角柱状の長尺棒状体を所定長さに切断するだけで生産できる光学素子素材１００，２００のように、簡単かつローコストで大量生産することは到底できない。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、非対称の光学素子を型成形により製造する場合に、ローコストで量産可能な単純形状でありながら、良好な充填性を発揮することができる光学素子素材及びこれを用いた光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る光学素子素材は、その略中心を通る鉛直方向の第一仮想平面を境にした一方と他方の形状が非対称な光学素子を型成形により製造する場合に用いられる光学素子素材であり、その略中心を通る鉛直方向の第二仮想平面を境にした一方と他方の体積の大小関係を、前記光学素子の第一仮想平面を境にした一方と他方の体積の大小関係と逆にした構成としてある。

好ましくは、請求項２記載のように、その略中心を通る鉛直方向の第一仮想平面を境にした少なくとも一方に曲面からなる凹状の光学機能面を形成した非対称な光学素子を型成形により製造する場合に用いられる光学素子素材であり、その略中心を通る鉛直方向の第二仮想平面を境にした他方の体積を一方の体積より小さくした構成とし、又は、請求項３記載のように、三角プリズムの略中心を通る鉛直方向の第一仮想平面を境にした少なくとも一方の面に、曲面からなる凹状の光学機能面を形成した非対称な光学素子を型成形により製造する場合に用いられる光学素子素材であり、その略中心を通る鉛直方向の第二仮想平面を境にした他方の体積を一方の体積より小さくした構成とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項４に係る光学素子素材は、三つの光学機能面を有し、少なくとも一つの光学機能面が他の光学機能面と形状が異なる曲面を有するプリズム形状の光学素子をプレス成形によって製造する際、下型に互いに形状の異なる二つの光学機能面を成形する型を配置し、上型に一つの光学機能面を成形する型を配置して、下型に対して上型が相対的に鉛直方向に移動することで光学素子素材をプレス成形して光学素子を製造する成形法で使用する光学素子素材において、水平面と、他の二つの面からなる三角柱であり、かつ、プリズム形光学素子の稜線の全てを内包する体積最小の三角柱を「仮想三角柱」とし、鉛直方向に平行な平面であり、かつ、前記仮想三角柱における水平面を除く他の二つの面の交線を含む平面を「第一仮想平面」とし、光学素子、及び光学素子素材をプレス成形する姿勢で下型の上に載置したとしたときに、光学素子素材上の最下端となる点を通る平面であり、かつ、光学素子の前記第一仮想平面と平行な平面を「第二仮想平面」とし、光学素子を前記第一仮想平面で二分したときに、下型上で右側に位置する方の体積を「光学素子の右側体積」、下型上で左側に位置する方の体積を「光学素子の左側体積」とし、光学素子素材を前記第二仮想平面で二分したときに、下型上で右側に位置する方の体積を「光学素子素材の右側体積」、下型上で左側に位置する方の体積を「光学素子素材の左側体積」としたときに、「光学素子素材の右側体積」と「光学素子素材の左側体積」との関係が、「光学素子の右側体積」＜「光学素子の左側体積」のときに「光学素子素材の右側体積」＞「光学素子素材の左側体積」となり、「光学素子の右側体積」＞「光学素子の左側体積」のときに「光学素子素材の右側体積」＜「光学素子素材の左側体積」となる構成としてある。

好ましくは、請求項５記載のように、光学素子、及び光学素子素材をプレス成形する姿勢で下型の上に載置したとしたときに、光学素子素材上の最下端となる点が、光学素子素材の表面上の水平な線分、あるいは水平面に含まれる場合には、その線分、あるいは面を、光学素子の前記仮想三角柱の三角形をなす底面に垂直に投影したときに、その投影された線分の中点を通る平面であり、かつ、光学素子の前記第一仮想平面と平行な平面を前記第二仮想平面とする構成とする。

より好ましくは、請求項６記載のように、前記光学素子素材の断面形状が三角形以上の多角形であり、断面形状が一定な柱状体である構成、請求項７記載のように、前記光学素子素材の側面が一つ以上の平面と一つ以上の曲面からなり、断面形状が一定な柱状体である構成、請求項８記載のように、前記光学素子素材の側面が曲面からなり、断面形状が一定な柱状体である構成、請求項９記載のように、前記光学素子素材の断面形状が一定でなく、全面が曲面からなる形状である構成、請求項１０記載のように、前記光学素子素材を、一部を平面にカットしたゴブ状体とした構成、又は、請求項１１記載のように、前記型を構成する上型と下型の接合面近傍に位置する箇所を平面にカットすることにより、前記第二仮想平面を境にした一方又は他方の体積を小さくした構成とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の請求項１２に係る光学素子の製造方法は、請求項１〜１１いずれか記載の光学素子素材を加熱、プレス成形することにより光学素子を成形するようにしてある。

さらに、上記目的を達成するために、本発明の請求項１３に係る光学素子の製造方法は、請求項１〜１１いずれか記載の光学素子素材の前記第二仮想平面を境にした一方と他方の体積の大小関係が、前記下型の略中心を通る鉛直方向の第三仮想平面を境にした一方と他方の体積の大小関係と逆になるように、前記光学素子素材を前記下型内に配置した後、加熱軟化させてプレス成形を行うようにしてある。

これに加え、上記目的を達成するために、本発明の請求項１４に係る光学素子は、請求項１〜１１いずれか記載の光学素子素材を加熱、プレス成形して得られる構成としてある。

本発明に係る光学素子素材，これを用いた光学素子の製造方法及び光学素子によれば、素材の充填性が良好となって、充填不足，バリ又は割れ等の成形不良を確実に防止することができるとともに、生産コストの低減を図ることができる。

すなわち、上述したように、非対称な光学素子を型成形により製造する場合、該型の形状も非対称となるので、従来の対称的な光学素子素材は型内の体積の大きい方に偏って載置されることとなり、一方で充填過多によるバリや割れが発生する反面、他方で充填不足による成形不良が発生してしまうという問題があった。

これに対し、本発明に係る光学素子素材及びこれを用いた光学素子の製造方法では、光学素子素材の前記仮想平面を境にした体積の大小関係を、成形品たる光学素子又はその型の前記仮想平面を境にした体積の大小関係と逆にすることにより、予め、型内の体積の大きい方に少なく、体積の小さい方に多く素材が充填されるようにして、両方の充填速度のバランスを調整している。これによって、型内の体積の大きい方におけるバリや割れを防止するとともに、体積の小さい方における充填不足を防止することができ、良好な外観の成形品を効率よく量産することが可能となる。

また、本光学素子素材は、従来の三角柱状，円柱状又はゴブ状の一部を平面にカットして、前記第二仮想平面を境にした一方又は他方の体積を小さくすることにより簡単に製造することができる。これにより、成形品たる光学素子と近似形状に加工した光学素子素材を用いることなく、良好な外観の光学素子をローコストで大量生産することができる。

さらに、前記型を構成する上型と下型の接合面近傍に位置する箇所を平面にカットすることにより、本光学素子素材の前記第二仮想平面を境にした一方又は他方の体積を小さくした場合は、上型と下型の接合面相互間における素材のはみ出しが効果的に抑止され、バリや割れをより確実に防止することができる。

以下、本発明の実施形態に係る光学素子素材，これを用いた光学素子の製造方法及び光学素子について図面を参照しつつ説明する。

まず、本発明の第一実施形態に係る光学素子素材，これを用いた光学素子の製造方法及び光学素子について、図１〜図６を参照しつつ説明する。図１は第一実施形態における最終成形品たる光学素子を示すものであり、同図（ａ），（ｂ）は斜視図、同図（ｃ）は断面図である。図２は第一実施形態に係る光学素子素材を示すものであり、同図（ａ）は斜視図，同図（ｂ）は正面図である。図３（ａ），（ｂ）は上記光学素子素材の製造工程を示す部分断面図である。図４は第一実施形態に係る光学素子の製造方法に使用する成形機を示す部分断面図である。図５は上記成形機の金型の拡大図である。図６（ａ），（ｂ）は第一実施形態に係る光学素子素材及びこれを用いた光学素子の製造方法を示す部分断面図である。

図１（ａ）〜（ｃ）において、１は本実施形態の最終成形品たる光学素子である。該光学素子１は、入射面１Ａ，反射面１Ｂ及び出射面１Ｃの三面が共に平面からなる直角二等辺三角形の三角プリズムを基本形状とし、前記入射面１Ａに球面からなる凹状の光学機能面（球欠面）１Ｄを付加することによって光学的パワーをもたせた構成としてある。

このような光学素子１は、その中心を通る鉛直方向の第一仮想平面Ｓ₁を境にした図中左右の形状が非対称であり、球欠面１Ｄを付加した右側半分の体積が、左側半分の体積より小さいという大小関係を有している。

前記第一仮想平面Ｓ₁について、さらに詳述すると、本実施形態の場合、光学素子１の全ての稜線を内包する体積最小の「仮想三角柱」は、該光学素子１の基準形状となる三角プリズムの形状そのものとなり、断面が直角二等辺三角形の三角柱となる。また、光学素子１の第一仮想平面Ｓ₁は、「仮想三角柱」の体積を二等分し、直角をなす二つの面の交線を含む平面となる。そして、光学素子１を第一仮想平面Ｓ₁で二分したとき、「光学素子１の右側体積」は入射面１Ａである凹面側の体積、「光学素子１の左側体積」は、出射面１Ｃである平面側の体積となり、「光学素子１の右側体積」＜「光学素子１の左側体積」となる。

ここで、光学素子１の各部の詳細な寸法について述べると、入射面１Ａと出射面１Ｃの直交する二辺をそれぞれ12mm、柱の全長を15mm、球欠部１Ｄの曲率半径を7.25mm、深さを2mmとした。このとき、光学素子１の第一仮想平面Ｓ₁を境にした右側半分の体積が457mm³、左側半分の体積が540mm³となった。また、光学素子１の硝材としてオハラ製L-BAL42（転移点温度506℃）を使用した。

図２（ａ），（ｂ）において、２は本実施形態に係る光学素子素材であり、前記光学素子１を型成形するための材料として用いられる。該光学素子素材２は、光学素子１と同様の三面２Ａ，２Ｂ，２Ｃからなる直角二等辺三角形を基本形状とし、その中心を通る鉛直方向の第二仮想平面Ｓ₂を境にした左側稜線部（同図（ｂ）の破線部参照）をカットすることにより面２Ｄを形成した、断面形状が一定の四角柱となっている。また、光学素子素材２の各四面２Ａ〜２Ｄは、全て光学機能面となりうる鏡面に加工してある。

このような光学素子素材２は、前記第二仮想平面Ｓ₂を境にした図中左右の形状が非対称であり、右側半分の体積が、カット面２Ｄを形成した左側半分の体積より大きいという前記光学素子１と逆の大小関係を有している。また、光学素子素材２の総体積は、後述する上型３１と下型３２の型内の総体積とほぼ等しい。

前記第二仮想平面Ｓ₂について、さらに詳述すると、本実施形態の場合、光学素子１及び光学素子素材２をプレス成形する姿勢で下型の上に載置したと仮定したときに、光学素子素材２上の最下端となる点を通る平面であり、かつ、光学素子１の第一仮想平面Ｓ₁と平行な平面となる。そして、光学素子素材２を第二仮想平面Ｓ₂で二分したとき、「光学素子素材２の右側体積」＞「光学素子素材２の左側体積」となる。

光学素子素材２の詳細な寸法は、上述の体積の大小関係による設定指針に則って、実験的に、又はガラスの熱間での流動変形を数値計算して求める変形シミュレーションによって設定している。

ここで、光学素子素材２の各部の詳細な寸法について述べると、面２Ａと面２Ｃの直交する二辺を直交する二辺をそれぞれ12.5mm、柱の全長を15mmとした。また、第二仮想平面Ｓ₂を境にした前記稜線部（同図（ｂ）の破線部参照）から4.8mmの位置に45℃の傾斜角でカット面２Ｄを設けた。このとき、光学素子素材２の第二仮想平面Ｓ₂を境にした右側半分の体積が585mm³、左側半分の体積が411 mm³となった。

上記構成の光学素子素材２は、各面を研削研磨した四角柱の研磨品として低コストで製造することができる。また、他の製造方法として、図３（ａ），（ｂ）に示すように、円柱状の素材の側面を研磨仕上げしたガラスロッド２’を、四つの平面２１Ａ，２１Ｂ及び２２Ａ，２２Ｂを有する上型２１と下型２２で加熱プレス成形し、これにより成形された柱状の成形品（図示せず）を、所望の長さに切断することによって低コストで量産することができる。

図４において、３は本光学素子素材２を用いて光学素子１を型成形するための成形機である。該成形機３は、上下に対向配置した上型３１と下型３２を備え、これら上型３１と下型３２は、それぞれ継ぎ手３３，３４を介して上軸３５と下軸３６に連結してある。上軸３５は、図示しない上ベースに固定してあり、下軸３６は、図示しない駆動機構により昇降可能となっている。

また、上型３１と下型３２の外側は石英管３７により包囲してあり、さらに該石英管３７の外側を環状のランプヒータ３８により包囲している。これら石英管３７とランプヒータ３８は図示しない駆動手段により昇降可能となっており、成形機３の非運転時は上方に退避した状態となるとともに、該成形機３の運転時には、上軸３５と下軸３６に設けた各シール部材３９，３９に石英管３７が嵌合する位置まで下降し、該石英管３７の内側を密閉された成形室とする。

さらに、上軸３５と下軸３６には、石英管３７により形成された前記成形室に窒素ガスを給排気する流路３５ａ，３６ａが設けてあり、成形機３の運転時には、前記成形室内の酸素を窒素ガスでパージし、該成形室内の酸素濃度を低く抑えて成形が行われるようになっている。

図５において、前記上型３１は、光学素子１の反射面１Ｂ（図１参照）を成形する平面部３１ａを有している。一方、前記下型３２は、その中心を通る鉛直方向の第三仮想平面Ｓ₃を境にした図中右側に光学素子１の入射面１Ａ及び球欠面１Ｄ（図１参照）を形成する凸面部３２ａを有するとともに、図中左側に光学素子１の出射面１Ｂ（図１参照）を形成する平面部３２ｂを有している。

したがって、下型３２の型内は、前記第三仮想平面Ｓ₃を境にした図中左右の形状が非対称であり、凸面部３２ａを形成した右側半分の体積が、左側半分の体積より小さいという大小関係を有している。

次に、上述した本光学素子素材２を用いた成形機３による光学素子１の製造方法について、図４及び図６を参照しつつ説明する。

まず、図６（ａ）に示すように、下型３２の型内に光学素子素材２を載置するが、このとき、光学素子素材２の第二仮想平面Ｓ₂を境にした左右の体積の大小関係が、下型３２の型内の第三仮想平面Ｓ₃を境にした左右の体積の大小関係と逆になるように、光学素子素材２のカット面２Ｄが下型３２の左側に位置するように載置する。

次いで、図４に示すように、石英管３７及びランプヒータ３８を下降させて、石英管３７の内側を密閉された前記成形室とし、窒素ガスを供給することにより、該成形室内を窒素置換して酸素濃度を20ppm程度とする。

そして、ランプヒータ３８により上型３１，下型３２及び光学素子素材２を加熱し、上型３１及び下型３２が540℃に達したところで下型３２を上昇させ、図６（ｂ）に示すように、上型３１と下型３２で加熱軟化した光学素子素材２を挟み込んでプレス成形する。

このとき、光学素子素材２の第二仮想平面Ｓ₂を境にした左右の体積の大小関係を、下型３２の第三仮想平面Ｓ₃（又は光学素子１の第一仮想平面Ｓ₁）を境にした左右の体積の大小関係と逆にしているので、型内の体積の大きい左側に少なく、体積の小さい右側に多く素材が充填され、左右両方の充填速度のバランスが調整される。

その後、所望の厚さとなったところで上型３１と下型３２を閉じたまま、これら上型３１，下型３２及び成形品を徐冷し、200℃まで温度が低下したとき下型３２を下降させて成形された光学素子１を取り出す。

このような第一実施形態に係る光学素子素材，これを用いた光学素子の製造方法及び光学素子によれば、光学素子素材２の左右における体積の大小関係を、光学素子１又は下型３２の左右における体積の大小関係と逆にすることにより、予め、型内の体積の大きい方に少なく、体積の小さい方に多く素材が充填されるようなる。これにより、型内における左右両方の充填速度のバランスが調整され、型内の体積の大きい右側におけるバリや割れを防止するとともに、体積の小さい左側における充填不足を防止することができ、良好な外観形状の成形品を効率よく量産することが可能となる。

また、本光学素子素材２は、従来の三角柱状の一部を平面にカットして、第二仮想平面Ｓ₂を境にした左側半分の体積を小さくすることにより簡単に製造することができる。これにより、成形品たる光学素子１と近似形状に加工した光学素子素材を用いることなく、良好な外観形状の光学素子をローコストで大量生産することができる。

さらに、上型３１と下型３２の接合面近傍に位置する箇所をカットして（カット面２Ｄを参照）、本光学素子素材２の左側半分の体積を小さくしたことにより、上型３１と下型３２の接合面相互間における素材のはみ出しが効果的に抑止され、バリや割れをより確実に防止することができる。

なお、図７（ａ），（ｂ）は第一実施形態に係る光学素子素材の変更例を示す部分断面図である。上述した第一実施形態では、光学素子素材２を、直角二等辺三角形の一部をカットした断面四角形状の柱状体としたが、光学素子素材の形状はこれに限定されるものではない。すなわち、光学素子素材の第二仮想平面Ｓ₂を境にした左右の体積の大小関係が、下型３２の第三仮想平面Ｓ₃（又は光学素子１の第一仮想平面Ｓ₁）を境にした左右の体積の大小関係と逆になるものであれば、図７に示すように、断面三角形状の光学素子素材２３又は断面五角形状の光学素子素材２４等、種々の多角形柱状体であっても同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の第二実施形態に係る光学素子素材，これを用いた光学素子の製造方法及び光学素子について、図８及び図９を参照しつつ説明する。図８は第二実施形態における最終成形品たる光学素子を示すものであり、同図（ａ）は斜視図，同図（ｂ）は断面図である。図９（ａ），（ｂ）は第二実施形態に係る光学素子素材及びこれを用いた光学素子の製造方法を示す部分断面図である。

図８（ａ），（ｂ）において、４は本実施形態の最終成形品たる光学素子である。該光学素子４は、入射面４Ａ，反射面４Ｂ及び出射面４Ｃの三面が共に平面からなる直角二等辺三角形の三角プリズムを基本形状とし、入射面１Ａには深い大径の非球面からなる第一凹面（光学機能面）４Ｄ、反射面４Ｂには平面に近い自由曲面からなる凸面（光学機能面）４Ｅ、出射面４Ｃには浅い小径の非球面からなる第二凹面（光学機能面）４Ｆが形成してある。

このような光学素子４も、第一実施形態の場合と同様、その中心を通る鉛直方向の第一仮想平面Ｓ₁を境にした図中左右の形状が非対称であり、より深い第一凹面４Ｄを形成した右側半分の体積が、左側半分の体積より小さいという大小関係を有している。

ここで、光学素子４の各部の詳細な寸法について述べると、入射面４Ａと出射面４Ｃの直交する二辺をそれぞれ12mm、柱の全長を15mm、第一凹部４Ｄの深さ2mm、凸部４Ｅの高さ0.1mm、第二凹部４Ｆの深さ0.5mmとした。このとき、光学素子４の第一仮想平面Ｓ₁を境にした右側半分の体積が430mm³、左側半分の体積が510mm³となった。第一実施形態と同様、光学素子４の硝材としてオハラ製L-BAL42（転移点温度506℃）を使用した。

図９（ａ）において、５は本実施形態に係る光学素子素材であり、前記光学素子４を型成形するための材料として用いられる。該光学素子素材５は、φ10mm、全長13mmの円柱を基本形状とし、その中心を通る鉛直方向の第二仮想平面Ｓ₂を境にした左上側部（同図（ａ）の破線部参照）を円弧中央から1.4mmの深さでカットすることにより面５Ａを形成した、断面形状が一定の柱状体となっている。

このような光学素子素材５も、第一実施形態の場合と同様、前記第二仮想平面Ｓ₂を境にした図中左右の形状が非対称であり、右側半分の体積が、カット面５Ａを形成した左側半分の体積より大きいという前記光学素子４と逆の大小関係を有している。本実施形態では、光学素子素材５の第二仮想平面Ｓ₂を境にした右側半分の体積が520mm³、左側半分の体積が420mm³となった。また、光学素子素材５の総体積は、後述する上型４１と下型４２の型内の総体積とほぼ等しい。

上記構成の光学素子素材５は、円柱状の素材を研削研磨することにより低コストで製造することができる。また、他の製造方法として、円柱状の素材を平面の型上で加熱して自重により一部を平面に変形させ、又は、円柱状の素材をシリンドリカルな曲面の型や平面の型を組み合わせてプレス成形し、これらにより得られた柱状の成形品を、所望の長さに切断することによって低コストで量産することができる。なお、光学素子素材５の外形を形成する円弧面及びカット面５Ａは、これら全てが光学機能面となり得る鏡面に加工してある。

また、同図（ａ）において、前記上型４１は、光学素子４の凸面４Ｅ（図８参照）を成形する凹面部４１ａを有している。一方、前記下型４２は、その中心を通る鉛直方向の第三仮想平面Ｓ₃を境にした図中右側に光学素子４の第一凹面４Ｄ（図８参照）を形成する第一凸面部４２ａを有するとともに、図中左側に光学素子４の第二凹面４Ｆ（図８参照）を形成する第二凸面部４２ｂを有している。

したがって、下型４２の型内は、第一実施形態の場合と同様に、前記第三仮想平面Ｓ₃を境にした図中左右の形状が非対称であり、大きな第一凸面部４２ａを形成した右側半分の体積が、小さな第二凸面部４２ｂを形成した左側半分の体積より小さいという大小関係を有している。

次に、上述した本光学素子素材５を用いた上型４１と下型４２による光学素子４の製造方法について説明すると、図９（ａ）に示すように、下型４２の型内に光学素子素材５を載置するが、このとき、第一実施形態の場合と同様に、光学素子素材５の第二仮想平面Ｓ₂を境にした左右の体積の大小関係が、下型４２の型内の第三仮想平面Ｓ₃を境にした左右の体積の大小関係と逆になるように、光学素子素材５のカット面５Ａが下型４２の左側に位置するように載置する。さらに、本実施形態では、カット面５Ａが下型の第三仮想平面Ｓ₃に対して45°の角度をなすように光学素子素材５を配置している。

その後、上型４１，下型４２及び光学素子素材５が十分に加熱されたところで下型４２を上昇させ、図９（ｂ）に示すように、上型４１と下型４２で加熱軟化した光学素子素材５を挟み込んでプレス成形する。

このとき、光学素子素材５の第二仮想平面Ｓ₂を境にした左右の体積の大小関係を、下型４２の第三仮想平面Ｓ₃（又は光学素子４の第一仮想平面Ｓ₁）を境にした左右の体積の大小関係と逆にしているので、第一実施形態の場合と同様に、型内の体積の大きい左側に少なく、体積の小さい右側に多く素材が充填され、左右両方の充填速度のバランスが調整される。

この結果、本実施形態においても、第一実施形態の場合と同様に、型内の体積の大きい右側におけるバリや割れが防止されるとともに、体積の小さい左側における充填不足を防止され、良好な外観形状の光学素子４を効率よく量産することができる。

なお、図１０は第二実施形態に係る光学素子素材の変更例を示す部分断面図である。上述した第二実施形態では、光学素子素材５を、円柱状の素材の一部を平面にカットした構成としたが、図１０に示す光学素子素材５’のように、第二仮想平面Ｓ₂を境にした左右の体積の大小関係が、下型４２の第三仮想平面Ｓ₃（又は光学素子４の第一仮想平面Ｓ₁）を境にした左右の体積の大小関係と逆になるものであれば、その素材形状は本実施形態の如く真円をベースにしたものに限らず、円弧以外の曲面のみからなる形状、又は円弧以外の曲面と平面の組み合わせからなる形状としてもよい。

次に、本発明の第三実施形態に係る光学素子素材，これを用いた光学素子の製造方法及び光学素子について、図１１〜図１３を参照しつつ説明する。図１１は第三実施形態における最終成形品たる光学素子を示すものであり、同図（ａ）は斜視図，同図（ｂ）は断面図である。図１２は第三実施形態に係る光学素子素材を示すものであり、同図（ａ）は斜視図，同図（ｂ）は正面図である。図１３（ａ），（ｂ）は第三実施形態に係る光学素子素材及びこれを用いた光学素子の製造方法を示す部分断面図である。

図１１（ａ），（ｂ）において、６は本実施形態の最終成形品たる光学素子である。該光学素子６は、入射面６Ａ，反射面６Ｂ及び出射面６Ｃの三面が共に平面からなる直角二等辺三角形の三角プリズムを基本形状とし、入射面６Ａには自由曲面からなる大径の凹面（光学機能面）６Ｄ、出射面６Ｃには小径の非球面からなる凸面（光学機能面）４Ｅが形成してある。

このような光学素子６も、第一及び第二実施形態の場合と同様、その中心を通る鉛直方向の第一仮想平面Ｓ₁を境にした図中左右の形状が非対称であり、大径の凹面６Ｄを形成した右側半分の体積が、小径の凸部６Ｅを形成した左側半分の体積より小さいという大小関係を有している。

ここで、光学素子６の各部の詳細な寸法について述べると、入射面６Ａと出射面６Ｃの直交する二辺をそれぞれ12mm、柱の全長を15mm、凹部６Ｄの深さ2mm、凸部６Ｅの高さ0.5mmとした。このとき、光学素子６の第一仮想平面Ｓ₁を境にした右側半分の体積が450mm³、左側半分の体積が570mm³となった。第一及び第二実施形態と同様、光学素子６の硝材としてオハラ製L-BAL42（転移点温度506℃）を使用した。

図１２（ａ），（ｂ）において、７は本実施形態に係る光学素子素材であり、前記光学素子６を型成形するための材料として用いられる。該光学素子素材７は、全面が回転対称な曲面からなる粒状の溶融ファインゴブを基本形状とし、該ゴブの一部に傾斜した平面のカット面７Ａをした形状となっている。

該光学素子素材７の各部の詳細な寸法について述べると、外形14mm、厚さ12mmの回転対称な溶融ファインゴブを基本形状とし、その中心を通る鉛直方向の第二仮想平面Ｓ₂を境にした左上側部（同図（ｂ）の破線部参照）を曲面中央から2mmの深さでカットすることにより面７Ａを形成した形状となっている。また、該カット面７Ａは、ゴブの回転対称軸を含む第二仮想平面Ｓ₂に対して45°の傾きをもつ平面により切り取ってある。

このような光学素子素材７も、第一及び第二実施形態の場合と同様、前記第二仮想平面Ｓ₂を境にした図中左右の形状が非対称であり、右側半分の体積が、カット面５Ａを形成した左側半分の体積より大きいという前記光学素子６と逆の大小関係を有している。本実施形態では、光学素子素材７の第二仮想平面Ｓ₂を境にした右側半分の体積が560mm³、左側半分の体積が460mm³となった。また、光学素子素材７の総体積は、後述する上型７１と下型７２の型内の総体積とほぼ等しい。

上記構成の光学素子素材７は、溶融ガラスを型上で受けて全面が曲面からなる回転対称な粒状の溶融ファインゴブを形成し、その一部を研削研磨してカット面７Ａを形成することにより低コストで製造することができる。また、他の製造方法として、前記溶融ファインゴブを平面の型上で加熱し、その自重により一部が平面に倣うように変形させることによって類似の形状を得ることもできる。なお、光学素子素材７の外形を形成する曲面及びカット面７Ａは、これら全てが光学機能面となり得る鏡面に加工してある。

同図１３（ａ）において、前記上型７１は、光学素子６の反射面６Ｂ（図１１参照）を成形する平面部７１ａを有している。一方、前記下型７２は、その中心を通る鉛直方向の第三仮想平面Ｓ₃を境にした図中右側に光学素子６の凹面６Ｄ（図１１参照）を形成する凸面部７２ａを有するとともに、図中左側に光学素子６の凸面６Ｅ（図１１参照）を形成する凹面部７２ｂを有している。

したがって、下型７２の型内は、第一及び第二実施形態の場合と同様に、前記第三仮想平面Ｓ₃を境にした図中左右の形状が非対称であり、大きな凸面部７２ａを形成した右側半分の体積が、小さな凹面部４２ｂを形成した左側半分の体積より小さいという大小関係を有している。

次に、上述した本光学素子素材７を用いた上型７１と下型７２による光学素子６の製造方法について説明すると、図１３（ａ）に示すように、下型７２の型内に光学素子素材６を載置するが、このとき、第一及び第二実施形態の場合と同様に、光学素子素材７の第二仮想平面Ｓ₂を境にした左右の体積の大小関係が、下型７２の型内の第三仮想平面Ｓ₃を境にした左右の体積の大小関係と逆になるように、光学素子素材７のカット面７Ａが下型７２の左側に位置するように載置する。

その後、上型７１，下型７２及び光学素子素材７が十分に加熱されたところで下型７２を上昇させ、図１３（ｂ）に示すように、上型７１と下型７２で加熱軟化した光学素子素材７を挟み込んでプレス成形する。

このとき、光学素子素材７の第二仮想平面Ｓ₂を境にした左右の体積の大小関係を、下型７２の第三仮想平面Ｓ₃（又は光学素子６の第一仮想平面Ｓ₁）を境にした左右の体積の大小関係と逆にしているので、第一及び第二実施形態の場合と同様に、型内の体積の大きい左側に少なく、体積の小さい右側に多く素材が充填され、左右両方の充填速度のバランスが調整される。

この結果、本実施形態においても、第一及び第二実施形態の場合と同様に、型内の体積の大きい右側におけるバリや割れが防止されるとともに、体積の小さい左側における充填不足が防止され、良好な外観形状の光学素子６を効率よく量産できる。

なお、本実施形態では、光学素子素材７を、全面が回転対称な曲面からなる粒状の溶融ファインゴブの一部をカットした構成としたが、光学素子素材の第二仮想平面Ｓ₂を境にした左右の体積の大小関係が、下型７２の第三仮想平面Ｓ₃（又は光学素子６の第一仮想平面Ｓ₁）を境にした左右の体積の大小関係と逆になるものであれば、回転対称でない曲面のみからなるゴブ状、又は回転対称でない曲面と平面の組み合わせからなるゴブ状としてもよい。

以上、第一〜第三実施形態について説明したが、本発明に係る光学素子素材，これを用いた光学素子の製造方法及び光学素子は、これら各実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述した各実施形態では、光学素子１，４，６に付加した凹面状又は凸面状の光学機能面１Ｄ，４Ｄ，４Ｅ，４Ｆ，６Ｄ，６Ｅを球面，非球面又は自由曲面としたが、これらに以外の、例えばシリンドリカル面，ホーン形状等の光学機能面であってもよい。

また、上述した各実施形態では、最終成形品たる光学素子１，４，６の光学機能面を入射面１Ａ，４Ａ，６Ａと反射面１Ｂ，４Ｂ，６Ｂ及び出射面１Ｃ，４Ｃ，６Ｃというように、三つの各面がそれぞれ独立した機能を持つものとしているが、光学機能面としての役割は入射，反射，出射に限定されるものではない。

さらに、上述した各実施形態では、いずれの光学素子１，４，６も入射面１Ａ，４Ａ，６Ａと出射面１Ｃ，４Ｃ，６Ｃが直交する直角二等辺三角形の三角プリズムを基本形状としたが、これに限定されるものではない。例えば、図１４（ａ）に示す光学素子８のように、入射面８Ａと出射面８Ｃのなす角度が100°である三角プリズム、又は、同図（ｂ）に示す光学素子９のように、入射面９Ａと出射面９Ｃのなす角度が80°である三角プリズムを基本形状としたものであってもよい。

これに加え、上述した第一実施形態では、図２（ａ），（ｂ）に示すように、光学素子素材２の直角をなす二面２Ａ，２Ｃが鋭角な交線を持つ構成を示しているが、別な例として、図１５（ａ），（ｂ）に示すように、直角をなす二面２Ａ，２Ｃの稜線部に幅0.5mmの水平面による面取り２Ｅが設けてあり、光学素子素材２上の最下端となる点を限定できないような場合には、光学素子素材２の面取り２Ｅによる水平面を光学素子１（図１参照）の「仮想三角柱」の底面に投影してできる線分の中点をその代用として第二仮想平面Ｓ₂を設定すればよい。

第一実施形態における最終成形品たる光学素子を示すものであり、同図（ａ），（ｂ）は斜視図、同図（ｃ）は断面図である。 第一実施形態に係る光学素子素材を示すものであり、同図（ａ）は斜視図，同図（ｂ）は正面図である。 同図（ａ），（ｂ）は上記光学素子素材の製造の各工程を示す部分断面図である。 第一実施形態に係る光学素子の製造方法に使用する成形機を示す部分断面図である。 上記成形機の金型の拡大図である。 同図（ａ），（ｂ）は第一実施形態に係る光学素子素材及びこれを用いた光学素子の製造方法を示す部分断面図である。 同図（ａ），（ｂ）は第一実施形態に係る光学素子素材の変更例を示す部分断面図である。 第二実施形態における最終成形品たる光学素子を示すものであり、同図（ａ）は斜視図，同図（ｂ）は断面図である。 同図（ａ），（ｂ）は第二実施形態に係る光学素子素材及びこれを用いた光学素子の製造方法を示す部分断面図である。 第二実施形態に係る光学素子素材の変更例を示す部分断面図である。 第三実施形態における最終成形品たる光学素子を示すものであり、同図（ａ）は斜視図，同図（ｂ）は断面図である。 第三実施形態に係る光学素子素材を示すものであり、同図（ａ）は斜視図，同図（ｂ）は正面図である。 同図（ａ），（ｂ）は第三実施形態に係る光学素子素材及びこれを用いた光学素子の製造方法を示す部分断面図である。 同図（ａ），（ｂ）は上記各実施形態のその他の変更例を示す部分断面図である。 同図（ａ）は上記各実施形態のその他の変更例を示す部分断面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）の部分拡大図である。 同図（ａ），（ｂ）は従来の円柱状の光学素子素材及びこれを用いた光学素子の製造方法を示す部分断面図である。 同図（ａ），（ｂ）は従来の三角柱状の光学素子素材及びこれを用いた光学素子の製造方法を示す部分断面図である。

符号の説明

１，４，６…光学素子
１Ａ，４Ａ，６Ａ…入射面（光学機能面）
１Ｂ，４Ｂ，６Ｂ…反射面（光学機能面）
１Ｃ，４Ｃ，６Ｃ…出射面（光学機能面）
１Ｄ…球欠面（光学機能面）
４Ｄ…第一凹面（光学機能面）
４Ｆ…第二凹面（光学機能面）
４Ｅ，６Ｅ…凸面（光学機能面）
６Ｄ…凹面（光学機能面）
２，５，７…光学素子素材
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…面
２Ｄ，５Ａ，７Ａ…面（カット面）
３１，４１，７１…上型
３２，４２，７２…下型
３２ａ，７２ａ…凸面部
３２ｂ，７１ａ…平面部
４１ａ，７２ｂ…凹面部
４２ａ…第一凸面部
４２ｂ…第二凸面部
Ｓ₁…第一仮想平面
Ｓ₂…第二仮想平面
Ｓ₃…第三仮想平面

Claims (14)

1. その略中心を通る鉛直方向の第一仮想平面を境にした一方と他方の形状が非対称な光学素子を型成形により製造する場合に用いられる光学素子素材であり、その略中心を通る鉛直方向の第二仮想平面を境にした一方と他方の体積の大小関係を、前記光学素子の第一仮想平面を境にした一方と他方の体積の大小関係と逆にしたことを特徴とする光学素子素材。
2. その略中心を通る鉛直方向の第一仮想平面を境にした少なくとも一方に曲面からなる凹状の光学機能面を形成した非対称な光学素子を型成形により製造する場合に用いられる光学素子素材であり、その略中心を通る鉛直方向の第二仮想平面を境にした他方の体積を一方の体積より小さくしたことを特徴とする請求項１記載の光学素子素材。
3. 三角プリズムの略中心を通る鉛直方向の第一仮想平面を境にした少なくとも一方の面に、曲面からなる凹状の光学機能面を形成した非対称な光学素子を型成形により製造する場合に用いられる光学素子素材であり、その略中心を通る鉛直方向の第二仮想平面を境にした他方の体積を一方の体積より小さくしたことを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子素材。
4. 三つの光学機能面を有し、少なくとも一つの光学機能面が他の光学機能面と形状が異なる曲面を有するプリズム形状の光学素子をプレス成形によって製造する際、下型に互いに形状の異なる二つの光学機能面を成形する型を配置し、上型に一つの光学機能面を成形する型を配置して、下型に対して上型が相対的に鉛直方向に移動することで光学素子素材をプレス成形して光学素子を製造する成形法で使用する光学素子素材において、
   水平面と、他の二つの面からなる三角柱であり、かつ、プリズム形光学素子の稜線の全てを内包する体積最小の三角柱を「仮想三角柱」とし、
   鉛直方向に平行な平面であり、かつ、前記仮想三角柱における水平面を除く他の二つの面の交線を含む平面を「第一仮想平面」とし、
   光学素子、及び光学素子素材をプレス成形する姿勢で下型の上に載置したとしたときに、光学素子素材上の最下端となる点を通る平面であり、かつ、光学素子の前記第一仮想平面と平行な平面を「第二仮想平面」とし、
   光学素子を前記第一仮想平面で二分したときに、下型上で右側に位置する方の体積を「光学素子の右側体積」、下型上で左側に位置する方の体積を「光学素子の左側体積」とし、
   光学素子素材を前記第二仮想平面で二分したときに、下型上で右側に位置する方の体積を「光学素子素材の右側体積」、下型上で左側に位置する方の体積を「光学素子素材の左側体積」としたときに、
   「光学素子素材の右側体積」と「光学素子素材の左側体積」との関係が、「光学素子の右側体積」＜「光学素子の左側体積」のときに「光学素子素材の右側体積」＞「光学素子素材の左側体積」となり、「光学素子の右側体積」＞「光学素子の左側体積」のときに「光学素子素材の右側体積」＜「光学素子素材の左側体積」となることを特徴とする光学素子素材。
5. 光学素子、及び光学素子素材をプレス成形する姿勢で下型の上に載置したとしたときに、光学素子素材上の最下端となる点が、光学素子素材の表面上の水平な線分、あるいは水平面に含まれる場合には、その線分、あるいは面を、光学素子の前記仮想三角柱の三角形をなす底面に垂直に投影したときに、その投影された線分の中点を通る平面であり、かつ、光学素子の前記第一仮想平面と平行な平面を前記第二仮想平面とすることを特徴とする請求項４記載の光学素子素材。
6. 前記光学素子素材の断面形状が三角形以上の多角形であり、断面形状が一定な柱状体であることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の光学素子素材。
7. 前記光学素子素材の側面が一つ以上の平面と一つ以上の曲面からなり、断面形状が一定な柱状体であることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の光学素子素材。
8. 前記光学素子素材の側面が曲面からなり、断面形状が一定な柱状体であることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の光学素子素材。
9. 前記光学素子素材の断面形状が一定でなく、全面が曲面からなる形状であることを特徴とする、請求項１〜５いずれか記載の光学素子素材。
10. 前記光学素子素材を、一部を平面にカットしたゴブ状体としたことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の光学素子素材。
11. 前記型を構成する上型と下型の接合面近傍に位置する箇所を平面にカットすることにより、前記第二仮想平面を境にした一方又は他方の体積を小さくしたことを特徴とする請求項１〜１０いずれか記載の光学素子素材。
12. 前記光学素子素材を加熱、プレス成形することにより光学素子を成形することを特徴とする請求項１〜１１いずれか記載の光学素子素材を用いた光学素子の製造方法。
13. 前記光学素子素材の前記第二仮想平面を境にした一方と他方の体積の大小関係が、前記下型の略中心を通る鉛直方向の第三仮想平面を境にした一方と他方の体積の大小関係と逆になるように、前記光学素子素材を前記下型内に配置した後、加熱軟化させてプレス成形を行うことを特徴とする請求項１〜１１いずれか記載の光学素子素材を用いた光学素子の製造方法。
14. 請求項１〜１１いずれか記載の光学素子素材を加熱、プレス成形して得られることを特徴とする光学素子。
    
    
    

Images