JP2009203139A

JP2009203139A - 光学素子成形型の製造方法、光学素子成形型および光学素子

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Publication number: JP2009203139A
Application number: JP2008049568A
Authority: JP
Inventors: Akinori Ito; 彰則伊藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-10

Abstract

【課題】１回の型修正で最適な成形型が得られる光学素子成形型の製造方法を提供する。
【解決手段】所定形状の光学素子を成形するための光学素子成形型の製造方法であって、所定形状に対応するベース成形面を有するベース型を用いて成形した成形品の光学面の形状を測定する工程と、ベース成形面の形状と成形品の光学面の形状とに基づいて形状差を算出する工程とを備え、形状差は、少なくとも成形品の光学面の光軸方向について算出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学機器などに用いられる光学用レンズ等の光学素子の成形に使用される光学素子成形型の製造方法に関する。

従来は、成形用金型（以下、成形型と称する）を利用して光学素子を製造する場合、成形型を所望の形状に作成しても、この成形型から転写される成形品は成形後に生じる熱収縮などによって変形するため、設計された成形型から所望の光学面形状を有する光学素子を得ることが困難であった。このため、ベース型を用い成形して得られる成形品の形状を所望の光学素子の形状（設計形状）に近づけるために、光学素子の光学面全体を一律の収縮率であると仮定した収縮率から成形型の修正形状を予測したり（特許文献１）、簡易的に光学素子の厚さ方向だけの収縮率から成形型の修正形状を予測したり（特許文献２）することにより、最適な成形型を得ることが行われていた。

特開２００６−９６５６６号公報特開２００１−６２８４１号公報

しかしながら、上記従来の方法は成形型の修正形状の予測の方法であって、成形型の修正形状を正確に決定することが難しく、ベース型により成形された成形品と、所望の光学素子の形状とを比較して得られる形状誤差をもとに、ベース型の修正を繰り返し行って成形型の修正形状とする必要があり、１回の修正で所望の形状の光学素子を成形可能な成形型を得ることができなかった。このため、ベース型の修正回数が多くなると光学素子の量産にあたり、開発期間の増大による量産開始時期の遅延や、成形型の製造コストアップに繋がってしまうという問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、１回の型修正で最適な成形型が得られる光学素子成形型の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、第１の本発明に係る光学素子成形型の製造方法は、所定形状の光学素子を成形するための光学素子成形型の製造方法であって、所定形状に対応するベース成形面を有するベース型を用いて成形した成形品の光学面の形状を測定する工程と、ベース成形面の形状と成形品の光学面の形状とに基づいて形状差を算出する工程とを備え、形状差は、少なくとも成形品の光学面の光軸方向について算出される。

また、第２の本発明に係る光学素子成形型の製造方法は、所定形状の光学素子を成形するための光学素子成形型の製造方法であって、所定形状に対応するベース成形面を有するベース型を用いて成形した成形品の光学面の形状を測定する工程と、ベース成形面の形状と成形品の光学面の形状とに基づいて形状差を算出する工程とを備え、形状差は、成形品の光学面の第１の方向および第１の方向とは異なる第２の方向について算出される。

なお、このような第２の本発明に係る光学素子成形型の製造方法において、第１の方向とは光学面の光軸を中心とする半径方向であり、第２の方向とは光学面の光軸方向であることが好ましい。

また、第１および第２の本発明に係る光学素子の製造方法において、各方向形状差と設計形状とに基づいてベース成形面の形状を修正する修正工程を１回のみ行って光学素子成形型の本型とすることが好ましい。

さらに、ベース成形面の修正形状は、ベース成形面上の各位置から成形品光学面への最短距離となる各点から第１、第２の方向の形状差を求め、第１、第２の方向の形状差と設計形状から算出されることが好ましい。

また、光学素子は、直径が３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の断面円形状であることが好ましい。

さらに、成形品の成形は加熱と加圧により行われ、形状差は熱収縮と除圧によるものであることが好ましい。

また、光学素子は、光軸を中心とする半径方向に軸対称な形状であることが好ましい。

また、本発明に係る光学素子成形型は、上記構成の光学素子成形型の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする。

さらに、本発明に係る光学素子は、上記構成の光学素子成形型を用いて成形されたことを特徴とする。

本発明では、１回の型修正で設計値に近い光学面形状を有する成形品が成形できる成形型が得られるため、成形型の製作までの時間やコストを従来より大幅に低減することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図２には、本実施形態の光学素子成形型の製造方法によって製造される成形型が示されている。この成形型は、光軸を中心とする半径方向に軸対象な光学機能面（以下、光学面と称する）を有するガラスレンズ１７の成形用金型であり、スリーブ１１、第１の型部材（上型）１３および第２の型部材（下型）１５を有している。スリーブ１１、第１の型部材１３および第２の型部材１５は、セラミック、金属等の材料からなる。

スリーブ１１は中心軸ＣＬを中心にして回転対称形状を有する円筒状に形成されている。ここで回転対称形状とは中心軸ＣＬを中心にしてスリーブ１１を回転したときに任意の角の回転に対して不変であることをいう。スリーブ１１の中心には、上下に面取部１１ｂ，１１ｃを有する円柱状の貫通穴１１ａが形成されている。

第１の型部材１３は横断面円形状の基部１３ａと成形部１３ｂとを有している。第１の型部材１３は中心軸ＣＬを中心にして回転対称形状を有している。ここで回転対称形状とは中心軸ＣＬを中心にして第１の型部材１３を回転したときに任意の角の回転に対して不変であることをいう。この実施形態では、基部１３ａと成形部１３ｂとが一体的に形成されている。

成形部１３ｂの先端はスリーブ１１の貫通穴１１ａの上部に嵌挿されており、基部１３ａの下端とスリーブ１１との間には所定の間隙Ｃが形成されている。成形部１３ｂの先端にはガラスレンズ１７を成形するため非球面形状の成形面１３ｃが形成されている。基部１３ａの上部には円環状のフランジ部１３ｄが形成されており、成形装置の支持部材１９に固定される。

第２の型部材１５は横断面円形状の基部１５ａと成形部１５ｂとを有している。第２の型部材１５は中心軸ＣＬを中心にして回転対称形状を有している。ここで回転対称形状とは中心軸ＣＬを中心にして第２の型部材１５を回転したときときに任意の角の回転に対して不変であることをいう。この実施形態では、基部１５ａと成形部１５ｂとが一体的に形成されている。

成形部１５ｂの先端はスリーブ１１の貫通穴１１ａの下部に嵌挿されており、基部１５ａの上端はスリーブ１１の下端に当接されている。成形部１５ｂの先端にはガラスレンズ１７を成形する非球面形状の成形面１５ｃが形成されている。基部１５ａの下部には円環状のフランジ部１５ｄが形成されており、成形装置の押圧部材２１に固定される。

このように構成された成形型は、押圧部材２１を下方に移動しスリーブ１１および第２の型部材１５を、第１の型部材１３から離反させた状態でスリーブ１１内にガラスレンズ１７を収容する。このガラスレンズ１７は予め球面状に成形され室温もしくは所定温度に維持されている。

そして、押圧部材２１を上方に移動し、例えば図２に示したような状態で、ヒータ（図示しない）によりスリーブ１１、ガラスレンズ１７、第１の型部材１３および第２の型部材１５が、例えば６００℃程度の所定温度（例えば、ガラスレンズの場合は５００〜７００℃程度、プラスチックレンズの場合は１００〜２００℃程度）になったところで、押圧部材２１により第２の型部材１５を介してガラスレンズ１７を所定の圧力で加圧する。これにより、ガラスレンズ１７が非球面形状に成形される。

この後、押圧部材２１による加圧力と型温度を制御しながら約５５０℃まで温度を下げた後に、例えば押圧部材２１に形成される貫通穴２１ａから冷却空気または窒素等のガスＧを供給することによりスリーブ１１、ガラスレンズ１７、第１の型部材１３および第２の型部材１５を冷却する。そして、成形されたガラスレンズ１７が例えば２００℃程度の所定温度になったところで、押圧部材２１を下方に移動しガラスレンズ１７を取り出し成形を終了する。

これにより、ガラスレンズ１７には、その上面に第１の型部材１３の成形面１３ｃの表面形状が転写されて光学面が形成され、また、ガラスレンズ１７の下面に第２の型部材１５の成形面１５ｃの表面形状が転写されて光学面が形成される。

このとき一般に、成形面１３ｃ，１５ｃの表面形状が転写された成形品（ガラスレンズ１７）の光学面形状は、成形収縮（冷却による成形体の体積収縮に基づく面形状の変化）により成形面１３ｃ，１５ｃの表面形状とは相違するものとなる。このため、ベース型（仮成形型）を用いて、このベース型の成形面形状と成形品の光学面形状との相違から成形収縮量を正確に求め、所望のレンズ形状（設計形状）を成形するための本成形型（第１および第２の型部材１３，１５を備える上記成形型であり、以下、本型と称する）の成形面形状を得ることが、詳細は後述する本実施形態の光学素子成形型の製造方法である。

次に、本実施形態の光学素子成形型の製造方法について図１および図３〜４を用いて説明する。図１は、本実施形態の光学素子成形型の製造方法を説明するフローチャートを示す。図３は、本実施形態に適用される装置のブロック図であり、形状測定装置３１と、この形状測定装置３１と電気的に接続されデータの送受信可能な演算処理装置３２と、この演算処理装置３２に電気的に接続され演算処理装置３２からの指令によって成形型を加工する数値制御加工機（ＮＣ加工機）３３とを有する。図４は、演算処理を行うための座標系を示す。なお、図１では、成形型のうち成形面（光学面成形面）を製造（加工）する工程について示している。

また、このとき、一般に光学用レンズ等の軸対象な光学面の形状は、光軸を中心とする半径方向（レンズ半径方向）にｘ軸を、光軸方向（レンズ厚さ方向）にｙ軸を設定すると、光軸からの距離がｘのときの光学面上のｙ座標は、多項式として、
ｙ＝Ａ_１ｘ＋Ａ_２ｘ^２＋Ａ_３ｘ^３＋・・・・・＋Ａ_ｎｘ^ｎ
で表すことができ、この多項式を用いて設計および評価がされる。ここで、Ａ_ｎは各次数項での係数、ｎはｘの次数である。それでは、本実施形態の製造方法を図１のフローチャートに沿って説明する。

まず、所望のレンズの外形形状（光学面形状）に合わせた成形面形状を有するベース型を用意し、このベース型の成形面（以下、ベース成形面と称する）の形状を形状測定装置３１で測定して、ベース成形面の点列データを生成する（ステップＳ１）。そして、図４（Ａ）に示すように、演算処理装置３２により点列データを多項式にフィッティングしてベース成形面の形状を求める（ステップＳ２）。なお、図４（Ａ），（Ｂ）においてＲ１〜Ｒ４は、光学面または成形面の面頂での曲率半径値を示している。

次に、成形装置によりベース型を用いて成形を行った後、成形品の光学面形状を形状測定装置３１で測定して成形品の光学面の点列データを生成する（ステップＳ３）。そして、演算処理装置３２により点列データを多項式にフィッティングして、成形品の光学面形状を求める（ステップＳ４）。

次に、演算処理装置３２により、図４（Ａ）に示すように、ベース型のベース成形面を表す多項式上での任意の点ＰＭ１から最短距離となる成形品の光学面を表す多項式上の点ＰＬを求める。この最短距離となる点ＰＭ１から点ＰＬへの変位量から、点ＰＬでの成形収縮量が求まる（ステップ５）。ここでレンズ半径方向の変位量α_ｘｉが点ＰＬにおけるレンズ半径方向での成形収縮量となり、光軸方向の変位量α_ｙｉが点ＰＬにおける光軸方向での成形収縮量となる。これは成形型や成形条件などが安定している状態では、成形型の成形面上の各点は成形品の光学面上で最短距離となる各点へそれぞれ転写されるためであり、これにより光学面上の各点が成形型の成形面上のどの点を転写したのかを正確に導出することができる。したがって、成形品の光学面上の全ての点についてレンズ半径方向の成形収縮量と光軸方向の成形収縮量とを正確に算出することができる。

次に、算出した成形収縮量を用いて、成形収縮後に成形品が所望のレンズ形状（設計形状）となるような本型の成形面（以下、本型用成形面）の形状を求める（ステップ６）。具体的には、図４（Ｂ）に示すように、ベース型による成形品の光学面上の点ＰＬとレンズ半径方向のｘ座標位置が同一の座標位置である設計式上の点ＳＥＫを定め、この点ＳＥＫでの成形収縮量はレンズ半径方向のｘ座標位置が同一である成形品の光学面上の点ＰＬでの成形収縮量と同一であることを前提として、点ＳＥＫからレンズ半径方向に変位α_ｘｉ、光軸方向に変位α_ｙｉだけ離れた点ＰＭ２を設計式上の点ＳＥＫに対応する本型用成形面上の位置として算出する。これにより、本型用成形面上の点ＰＭ２に対応する成形収縮前の成形品上の点（点ＰＭ２）は、成形収縮後に設計式上の点ＳＥＫに変位するものとしてみなすことができる。そして、ベース型のベース成形面上の他の各点についても同様にステップ５〜６を実行して、本型用成形面の形状を表す多項式を算出する。

このようにして求められた本型用成形面の形状データに基づいて数値制御加工機３３により本型を実際に加工する（ステップ７）ことにより、所望の光学面を成形可能な成形面を有する本型を得ることができる。また、この本型を用いて、上述したような成形装置で成形を行うことにより所望の光学面を有するガラスレンズ１７を得ることができる。

ここで、従来技術で型修正を複数回行って得られた本型の成形面形状と、本実施形態の製造方法により１回の型修正で得られた本型の成形面形状との差は、図５に示すように、０．１μｍ以下の微差であり、本型を製造する過程において型修正回数を１回に低減可能なことが確認できる。

なお、上述した実施形態では、非球面レンズの成形型に適用した例について説明したが、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、各種光学素子の成形型に広く適用することができる。

また、上述した実施形態では、本発明をガラスレンズ１７の成形型に適用した例について説明したが、例えば樹脂等の成形型に広く適用することができる。

また、上述した実施形態では、ベース型のベース成形面形状は、形状測定装置３１により測定された測定データに基づいて多項式にフィッティングして求められる例を挙げて説明したが、ベース型の製造に用いられる設計式（ベース成形面の設計式）をそのまま用いてベース成形面形状を特定してもよい。特に、高精度な加工機などを用いてほぼ設計式通りの加工面（成形面）が形成される場合には、測定データを採取する必要がないため効果的である。

以上、本実施形態に係る光学素子成形型の製造方法では、成形収縮量を正確に算出することにより所望の光学素子の形状が得られる本型を最小限の１回の型修正で得ることができるため、本型製作までの時間やコストを大幅に低減することができる。

なお、本実施形態に係る光学素子成形型の製造方法は、冷却により成形体内の温度分布にばらつきが生じ易く成形収縮量の大きい大口径レンズ（例えば、φ３０〜φ５０）を成形する場合に、特に効果的である。

本実施形態である光学素子成形型の製造方法のフローチャートである。本実施形態により製造される光学素子成形型を示す縦断面図である。本実施形態に適用される装置を示すブロック図である。本実施形態の座標系の特性図である。本実施形態により製造された光学素子成形型の成形面形状と、従来技術により製造された光学素子成形型の成形面形状との比較結果を示すグラフである。

符号の説明

１１スリーブ（成形型、本型）１３第１の型部材（成形型、本型）
１５第２の型部材（成形型、本型）１３ｃ，１５ｃ成形面
１７ガラスレンズ（光学素子）３１形状測定装置３２演算処理装置
３３数値制御加工機 α_ｘｉ，α_ｙｉ成形収縮量（変形量）

Claims

所定形状の光学素子を成形するための光学素子成形型の製造方法であって、
前記所定形状に対応するベース成形面を有するベース型を用いて成形した成形品の光学面の形状を測定する工程と、
前記ベース成形面の形状と前記成形品の光学面の形状とに基づいて形状差を算出する工程とを備え、
前記形状差は、少なくとも前記成形品の前記光学面の光軸方向について算出されることを特徴とする光学素子成形型の製造方法。
所定形状の光学素子を成形するための光学素子成形型の製造方法であって、
前記所定形状に対応するベース成形面を有するベース型を用いて成形した成形品の光学面の形状を測定する工程と、
前記ベース成形面の形状と前記成形品の光学面の形状とに基づいて形状差を算出する工程とを備え、
前記形状差は、前記成形品の前記光学面の第１の方向および前記第１の方向とは異なる第２の方向について算出されることを特徴とする光学素子成形型の製造方法。
前記第１の方向とは前記光学面の光軸を中心とする半径方向であり、前記第２の方向とは前記光学面の光軸方向であることを特徴とする請求項２に記載の光学素子成形型の製造方法。
前記各方向形状差と設計形状とに基づいて前記ベース成形面の形状を修正する修正工程を１回のみ行って光学素子成形型の本型とすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光学素子成形型の製造方法。
前記ベース成形面の修正形状は、前記ベース成形面上の各位置から成形品光学面への最短距離となる各点から前記各方向形状差を求め、設計形状と前記各方向形状差から算出されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光学素子成形型の製造方法。
前記光学素子は、直径が３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の断面円形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光学素子成形型の製造方法。
前記成形品の成形は加熱と加圧により行われ、前記形状差は熱収縮と除圧によるものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光学素子成形型の製造方法。
前記光学素子は、光軸を中心とする半径方向に軸対称な形状であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光学素子成形型の製造方法。
請求項１から８のいずれかに記載の光学素子成形型の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする光学素子成形型。
請求項９に記載の光学素子成形型を用いて成形されたことを特徴とする光学素子。