JP2016124767A - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一方の面が球面研磨による球面で、他方の面がプレス成形による非球面である光学素子を製造するにあたり、球面研磨の研磨時間を短縮でき、形状精度の高い光学素子を効率よく製造できる方法を提供する。
【解決手段】一方の面が球面、他方の面が非球面の光学素子の製造方法であって、光学素材を上型及び下型からなる成形型で加熱してプレス成形により一方の面が球面、他方の面が非球面の光学素子母材を形成する工程と、光学素子母材の球面側の面を球面研磨する工程と、を有し、光学素子母材の球面を形成する成形型の成形面を、下記要件（１）を満たす非球面形状とする。
（１）非球面形状を球面に近似した場合の近似誤差の最大値をＥ_ｓｐ（ｍｍ）、成形面の有効直径をφ_ｅ（ｍｍ）としたとき、Ｅ_ｓｐ／φ_ｅが６×１０^−６以上６×１０^−５未満である。
【選択図】なし

Description

本発明は、プレス成形により一方の面が球面、他方の面が非球面の光学素子を製造する方法に関する。

近年、上型及び下型からなる光学素子用の成形型内に光学素材を収容し、加熱軟化させてプレス成形するという、光学素子を高精度に成形する方法が一般化してきた。プレス成形によるレンズはコンパクトカメラのみならず一眼レフカメラに使用するような直径３０ｍｍ以上の大きなレンズにも使用されるようになっている。

ところが、直径が３０ｍｍ以上のような大口径レンズでは、成形中のガラスの温度分布が悪いと成形品に不均一な残留歪が発生し、成形後の歪除去工程（アニール工程）で形状精度が悪化したり、ときには成形直後の段階で形状精度が出なかったりする場合があった。

そのような状況の中、製造コストを低減するために、一方の面が球面、他方の面が非球面のガラス製の光学素子において、非球面側をプレス成形で形成し、球面側はプレスした後、球面研磨で形成する光学素子の製造方法が提案されている。

このような方法においても、外径や中肉厚の大きい光学素子を成形しようとすると、ガラスの温度ムラが出やすく安定してレンズ両面共に良好な面精度が得られないことがあり、その対策として、例えば、特許文献１には、非球面側を製造する条件及び方法を最適化して、球面側のみ球面研磨する技術が提案されている。

しかしながら、この方法は、非球面側をプレス成形で精度良く形成することができるものの、球面側については特に考慮されておらず、プレス成形後の球面研磨でその形状精度を高める必要があった。このような球面研磨には多大な時間と労力を要する。また、特許文献１に記載の方法では、下型プレス面を非球面とし、上型プレス面を球面とするため、製造するレンズ形状によっては、下型へ光学素材を載置した際の安定性に欠けるという問題もあった。

特開２０１０−２６０７７５号

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、一方の面が球面研磨による球面で、他方の面がプレス成形による非球面である光学素子を製造するにあたり、球面研磨の研磨時間を短縮でき、形状精度の高い光学素子を効率よく製造できる方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光学素子の製造方法は、一方の面が球面、他方の面が非球面の光学素子の製造方法であって、光学素材を上型及び下型からなる成形型で加熱してプレス成形により一方の面が球面、他方の面が非球面の光学素子母材を形成する工程と、前記光学素子母材の球面側の面を球面研磨する工程と、を有し、前記光学素子母材の球面を形成する前記成形型の成形面を、下記要件（１）を満たす非球面形状としたことを特徴としている。
（１）前記非球面形状を球面に近似した場合の近似誤差の最大値をＥ_ｓｐ（ｍｍ）、成形面の有効直径をφ_ｅ（ｍｍ）としたとき、Ｅ_ｓｐ／φ_ｅが６×１０^−６以上６×１０^−５未満である。

本発明の光学素子の製造方法によれば、一方の面が球面、他方の面が非球面のガラス製の光学素子の製造にあたって、球面研磨に要する時間を短縮でき、形状精度の高い光学素子を効率よく製造できる。

本発明の一実施形態に使用される成形型の一例を概略的に示す図である。 光学素子の球面を形成する成形型の成形面形状（非球面）を説明する図である。 本発明の一実施形態に使用される成形装置の一例を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に使用される成形装置の他の例を概略的に示す図である。 （ａ）光学素子母材（球面研磨加工前の光学素子）と（ｂ）光学素子の断面形状の一例を示した図である。 本発明の一実施形態における球面研磨工程を説明する図である。 実施例により製造された光学素子母材の球面側の形状を示した図である。 比較例により製造された光学素子母材の球面側の形状を示した図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。また、以下の図面の記載において、共通する部分もしくは略同様の機能を有する部分には、同一符号を付している。

本発明の光学素子の製造方法は、プレス成形により光学素子母材を成形する成形工程と、この成形工程の後に行う球面研磨工程とを有する。なお、本発明により製造される光学素子は、一方の面が球面、他方の面が非球面の光学素子である。ここで「非球面」とは、曲率半径が光軸からの距離（ラジアル方向）によって変化している面をいい、「球面」とは、曲率半径が光軸からの距離（ラジアル方向）によって変化しない（つまり、一定である）面をいう。光学素子の形状は特に限定されず、両凸、両凹、凸メニスカス、凹メニスカスの各形状のいずれであってもよい。

成形工程には、例えば図１に示すような成形型、さらに図３に示すような成形装置を用いる。
まず、成形型について説明する。
図１は、本発明の一実施形態の光学素子の製造方法の成形工程に使用される成形型の一例を概略的に示す図である。

この成形型１００は、図１に示すように、光学素子の上面を成形する上型１１と、光学素子の下面を成形する下型１２と、上型１１及び下型１２を内挿し摺動させて、光学素子の中心軸の位置合わせを行う円筒状の内胴１３と、内胴１３の外周に嵌合され、上型１１及び下型１２の上下方向の距離を規制するための円筒状の外胴１４とから構成されている。

上型１１及び下型１２は、それぞれ円柱状の胴部を基本形状とする部材であり、これらの上型１１及び下型１２は光学素子を成形するため、上型１１には光学素子の上面を形成する上成形面１１ａが、下型１２には光学素子の下面を形成する下成形面１２ａが形成されている。そして、上型１１及び下型１２は、これら上成形面１１ａと下成形面１２ａとを対向させてなる一対の成形型として使用される。

内胴１３は、中空円筒形状に形成されており、その中空部分は上記した上型１１及び下型１２の円柱状の胴部が嵌合可能になっている。この内胴１３は、上型１１及び下型１２を嵌合してプレスする際に、これら上型１１及び下型１２をそれぞれ上下の開口から摺動可能に挿入され、それらの光学中心軸を同軸上に規制するように位置合わせして、形成される光学素子の光学機能面を同軸のものとする。

外胴１４は、内胴１３と同様に中空円筒形状であるが、その中空部分に内胴１３が嵌合され、上型１１及び下型１２間の距離を規制する。具体的には、この外胴１４は、プレス成形時において、上型１１及び下型１２を互いに接近させて下型１２上に置かれた光学素材１を加圧するときに、その加圧のためのプレス手段（図示なし）の加圧面間の距離を規制することで、上型１１及び下型１２の距離を規制する。ここで、外胴１４は、内胴１３と同一の中心軸を有する。

この成形型１００は、超硬合金、セラミック等の素材からなり、上型１１及び下型１２には、成形する光学素子の面形状を転写するための成形面１１ａ，１２ａがそれぞれ対向する面に形成されている。成形面１１ａ，１２ａは一方が光学素子の球面を形成する成形面であり、他方が非球面を形成する成形面である。図１の例では、上成形面１１ａが非球面を形成する成形面とされ、下成形面１２ａが球面を形成する成形面とされている。

そして、本実施形態においては、球面を形成する成形面（図１の例では、下成形面１２ａ）が下記要件（１）を満たす非球面形状に形成されている。
（１）非球面形状を球面に近似した場合の近似誤差の最大値（以下、「球面近似誤差」ともいう。）をＥ_ｓｐ（ｍｍ）、成形面の有効直径をφ_ｅ（ｍｍ）としたとき、Ｅ_ｓｐ／φ_ｅが６×１０^−６以上６×１０^−５未満である。

すなわち、図２は、成形すべき光学素子の形状（球面）Ａと、光学素子の球面を形成する成形面の形状（非球面）Ｂと、この成形面の形状（非球面）Ｂに近似する球面（近似誤差が最少となる球面（以下、「近似球面」という））の形状Ｃを示したものであり、光学素子の球面を形成する成形面は、その形状（非球面）Ｂと、その近似球面の形状Ｃの近似誤差の最大値Ｅ_ｓｐ（ｍｍ）の、成形面１２ａの有効直径φ_ｅ（ｍｍ）に対する割合が、６×１０^−６以上６×１０^−５未満の範囲になるように形成されている。

他方、非球面を形成する成形面（図１の例では、下成形面１１ａ）は、下記要件（２）を満たす非球面形状に形成されている。
（２）上記のように定義されるＥ_ｓｐ／φ_ｅが６×１０^−５以上である。

このような非球面形状の成形面を有する成形型を用いることにより、後述するように、成形工程後に行う球面研磨工程で、研磨時間を短縮し、研磨量を低減できる光学素子母材を成形することができる。

なお、成形型１００の外胴１４は、上記セラミックス等以外にも、ステンレス鋼、インコネル（大同スペシャルメタル株式会社製、商品名）等の耐熱性のある金属を使用でき、ステンレス鋼製とすると、加工が容易で、熱膨張量が大きく安価である点で好ましい。また、このとき、室温からプレス成形の成形温度における、外胴の上下方向における熱膨張量を、光学素材１の上下方向の熱膨張量よりも大きくすることが好ましい。このような熱膨張量の関係とすることで、成形操作において光学素子に圧力の抜ける時間を生じさせずに、安定に成形できる。

次に、成形装置について説明する。
図３は、本発明の一実施形態に使用する成形装置の一例を概略的に示す図である。
図３に示すように、この成形装置２００は、光学素子を成形するための成形室となるチャンバー２２と、このチャンバー２２の内部に設けた光学素材を収容した成形型を加熱して光学素材を軟化させる加熱ステージ２３と、加熱軟化した光学素材をプレス成形するプレスステージ２４と、プレス成形により光学素子形状が付与された光学素材を冷却する冷却ステージ２５と、を有する。

成形室であるチャンバー２２は、その内部において、光学素子の成形操作を行う場を提供する。このチャンバー２２には、光学素子の成形型１００を内部に取り入れる取入れ口と、光学素子の成形が終了した後、成形型１００を取り出す取出し口が設けられ、この取入れ口及び取出し口には、それぞれ取入れシャッター２６及び取出しシャッター２７が設けられる。必要に応じて、これらのシャッター２６，２７を開閉することで、成形型１００をチャンバー２２から出し入れできるようになっており、チャンバー２２内の雰囲気が維持される。また、この取入れ口及び取出し口には、そのチャンバー２２外部にそれぞれ成形型１００を載置できる成形型載置台２８及び２９が設けられている。

チャンバー２２の内部には、光学素子を成形するための加熱ステージ２３、プレスステージ２４及び冷却ステージ２５が設けられており、これらの各ステージにより成形操作を行う。実際には、光学素材を収容した成形型１００が、取入れ口からチャンバー２２内に取り入れられ、上記の各ステージにおいて所定の処理を施されながら順番に移動し、所定の処理が終了したら成形型１００は、取出し口からチャンバー２２の外部に取出される。

このチャンバー２２の内部において、成形型１００は光学素材を軟化し、変形を容易にするもので高温に加熱されるため、成形型１００が酸化されないように、チャンバー内雰囲気を窒素等の不活性ガス雰囲気とできるようになっている。この不活性ガス雰囲気とするには、チャンバー２２を密閉構造として内部雰囲気を置換して達成できるが、半密閉構造とし、不活性ガスを常時チャンバー２２内に供給して、チャンバー内を陽圧にしながら外部の空気が流入しないようにして不活性ガス雰囲気を維持してもよい。上記した取入れシャッター２６及び取出しシャッター２７は、チャンバー２２内部を簡便な構成で半密閉状態とするのに効果的である。なお、これらチャンバー２２及びシャッター２６，２７は、ステンレス鋼、合金鋼等の高温下においてガス、不純物が析出しない素材とするのが好ましい。

加熱ステージ２３は、成形型１００に収容された光学素材を軟化させるものであり、その内部にカートリッジヒータ２３ａが埋め込まれた上下一対の加熱プレート２３ｂから構成される。この加熱プレート２３ｂは、上下一対の加熱プレート２３ｂを成形型の上型、下型にそれぞれ接触させることにより、上型及び下型を加熱でき、さらに成形型内部に収容されている光学素材をも加熱できるようになっている。

より具体的には、加熱ステージ２３において、下側の加熱プレート２３ｂはチャンバー２２の底板に、断熱板２３ｃ、加熱プレート２３ｂがこの順番に積層して固定されており、下側の加熱プレート２３ｂの熱をチャンバー２２に伝達しないようになっている。

上側の加熱プレート２３ｂは上下移動が可能となっており、こちらも上側の加熱プレート２３ｂ自体の熱をそのまま伝えないように断熱板２３ｃを介してシャフト２３ｄと接続され、このシャフト２３ｄは図示しないシリンダーによって加熱プレート２３ｂを上下移動可能としている。このように、加熱プレート２３ｂを上下移動可能とすれば、上側の加熱プレート２３ｂの成形型１００の上型への接触・非接触を制御でき、所望のタイミングで成形型１００と光学素材を加熱できる。

本発明のプレスステージ２４は、上下のプレスプレート２４ｂ間の距離を狭めて成形型１００の上型と下型との距離をも狭め、成形型１００内に収容された光学素材を軟化状態のまま押圧して変形させ、上型及び下型の成形面形状を光学素材に付与して光学素子を成形する。その内部にカートリッジヒータ２４ａが埋め込まれた上下一対のプレスプレート２４ｂから構成される。このプレスプレート２４ｂを用いたプレスは前段階の加熱温度を維持しながら行われる。

より具体的には、このプレスステージ２４において、下側のプレスプレート２４ｂはチャンバー２２の底板に、断熱板２４ｃ、プレスプレート２４ｂがこの順番に積層して固定されており、下側のプレスプレート２４ｂの熱をチャンバー２２に伝達しないようになっている。

上側のプレスプレート２４ｂは上下移動が可能となっており、こちらも上側のプレスプレート２４ｂ自体の熱をそのまま伝えないように断熱板２４ｃを介してシャフト２４ｄと接続され、このシャフト２４ｄは図示しないシリンダーによってプレスプレート２４ｂを上下移動可能としている。このように、プレスプレート２４ｂを上下移動可能とすれば、この上側のプレスプレート２４ｂを下降させ、下側のプレスプレート２４ｂに載置された成形型１００を用いたプレス成形ができる。このときプレス成形を所定の圧力で行えるようになっており、光学素材に高精度に光学素子形状を付与できる。

冷却ステージ２５は、成形型１００を冷却して光学素子形状が付与された光学素材をも冷却し、固化させるものであり、その内部に、カートリッジヒータ２５ａが埋め込まれた上下一対の冷却プレート２５ｂから構成される。この冷却プレート２５ｂは、上下一対の冷却プレート２５ｂを成形型の上型、下型にそれぞれ接触させて、上型及び下型を冷却でき、さらに成形型内部に収容されている光学素材をも冷却できる。

より具体的には、この冷却ステージ２５において、下側の冷却プレート２５ｂはチャンバー２２の底板に、断熱板２５ｃ、冷却プレート２５ｂがこの順番に積層されて固定されており、下側の冷却プレート２５ｂの熱をチャンバー２２に伝達しないように構成されている。

上側の冷却プレート２５ｂは上下移動が可能となっており、こちらも上側の冷却プレート２５ｂ自体の熱をそのまま伝えないように断熱板２５ｃを介してシャフト２５ｄと接続され、このシャフト２５ｄは図示しないシリンダーによって冷却プレート２５ｂを上下移動可能としている。このように、冷却プレート２５ｂを上下移動可能とすれば、この上側の冷却プレート２５ｂの成形型１００の上型への接触・非接触を制御でき、所望のタイミングで成形型１００と光学素材を冷却できる。

なお、ここでの光学素材の固化は、その素材のガラス転移点以下、より好ましくは歪点以下に冷却すればよく、十分に冷却されると光学素材の形状は安定し、変形が抑制される。ここでの冷却とは、光学素材のプレス形状を安定して付与できるように光学素材を固化する温度まで下げることをいい、その温度は、プレスプレートよりも５０〜１５０℃程度低いだけで、依然として高温であるため、この冷却プレート２５ｂにもその内部にヒータ２５ａが埋め込まれている。

また、これら各ステージの上側の加熱プレート２３ｂ、プレスプレート２４ｂ及び冷却プレート２５ｂは、上記したように断熱板を介してシャフトに固定されており、このシャフトがシリンダーに接続されているが、ここでシリンダーは、各プレートを上下動させることができればよく、例えば、エアシリンダー、電動サーボシリンダー、油圧シリンダー、電動油圧シリンダー等のシリンダーを使用できる。

上記した、加熱プレート２３ｂ、プレスプレート２４ｂ、冷却プレート２５ｂは、その成形型との接触面が水平面となっており、特に、プレスプレート２４ｂ、冷却プレート２５ｂにおいては、プレスプレート２４ｂ、冷却プレート２５ｂの成形型との接触面が傾いていた場合、成形型１００の上型及び下型の中心軸が一致しなくなり、このとき製造される光学素子の光軸が一致せず不良品となってしまうことがある。したがって、これら各ステージにおけるプレートの平行度や平面度の管理は厳密に行われる。

これらの各ステージにおける、プレートはステンレス鋼、超硬合金、合金鋼等の素材の内部にカートリッジヒータを挿入し、固定したものであり、カートリッジヒータを加熱することによりプレートの温度を上昇させ、所望の温度に維持できるようになっている。

また、各ステージの断熱板２３ｃ，２４ｃ，２５ｃは、セラミックス、ステンレス鋼、ダイス鋼、ハイス鋼等の公知の断熱板を用いればよく、硬度が高くプレス成形時の圧力等によっても変形しにくく、ずれを生じることが少ないセラミックスであることが好ましい。

以上説明した加熱ステージ２３、プレスステージ２４、冷却ステージ２５は、それぞれ所定の処理が行われる場（ステージ）を形成するものであり、各ステージによる処理を順次円滑に行えるように、成形型１００は、搬送手段（図示せず）により所定のタイミングで各ステージに移送し搭載されるように制御手段によって制御されている。

より具体的には、加熱プレート２３ｂ、プレスプレート２４ｂ、冷却プレート２５ｂによる処理は、成形型１００を順次上記の順序で各プレート上へと搬送移動させながら所定の処理を行うものであり、成形型１００が次のステージに移動することで、処理の終わったステージは空くため、さらに、そこに別の光学素材を収容した成形型１００を搬送し、連続的に複数個の光学素子の成形操作ができるようになっている。

この処理を行うための上記搬送手段は、図示していないが、例えば、ロボットアーム等により、成形型載置台２８から加熱プレート２３ｂへ、加熱プレート２３ｂからプレスプレート２４ｂへ、プレスプレート２４ｂから冷却プレート２５ｂへ、冷却プレート２５ｂから成形型載置台２９へ、と移動させることができるようになっている。

なお、この制御手段は、成形型の移動、加熱・プレス・冷却の各ステージにおける上下一対のプレートの温度や、上下移動のタイミング等をも制御し、一連の成形操作を円滑に、かつ、連続的にできるように制御している。このとき、取入れシャッター及び取出しシャッターの開閉も制御する。さらに、チャンバー２２内の雰囲気が不活性ガスで満たされるように窒素の供給量やタイミング等を制御するのが好ましい。

すなわち、この光学素子の成形装置２００は、１以上のポジションで温度の上げ下げを行いながら所定の処理を行う、成形型の搬送による光学素子の成形装置である。

本実施形態の光学素子の製造方法における成形工程は、このような成形型１００及び成形装置２００を用いて、例えば、次のように行われる。
まず、成形装置２００の取入れ口側の成形型載置台２８に成形型１００を載置し、この成形型１００の内部に光学素材１を収容する。取入れシャッター２６を開けて取入れ口を開口させ、この成形型１００を搬送手段により加熱プレート２３ｂ上に搬送する。搬送されると、成形型１００の下型は下側の加熱プレート２３ｂに接触するため加熱プレート２３ｂと同じ温度まで昇温される。これと同時に、上型には上方向から上側の加熱プレート２３ｂを接触させて同様に加熱する。

このように上型及び下型が加熱されると、その内部に収容されている光学素材１も加熱され、この光学素材１は屈伏点以上に加熱されると変形が容易となる。一般に、加熱温度は、軟化点まで温度を上げるとレンズ表面が白濁するので屈伏点（Ａｔ）から軟化点の間の温度に設定する。このとき、昇温速度は０．５〜２．５℃／ｓｅｃ程度が好ましい。

このようにして加熱ステージ２３で十分に加熱された成形型１００及び光学素材１は、搬送手段により、下側のプレスプレート２４ｂ上に搬送され載置される。

プレスプレート２４ｂも加熱プレート２３ｂと同程度の温度に加熱されており、光学素材１が軟化状態を維持するようにしている。さらに、上側のプレスプレート２４ｂを下降させてプレスプレート２４ｂ間の距離を狭めることにより、上型と下型との距離を狭めて、成形型１００の内部に収容された光学素材１に圧力をかけて変形できるようになっている。

このプレス工程では、上記したように成形型１００の上下から圧力をかけることで光学素材１のプレス成形を行い、これにより光学素材１には、一方の面が球面、他方の面が非球面の光学素子形状が付与される。

また、このプレス工程におけるプレスは、加熱温度が前段の加熱ステージで加熱した温度と同程度の温度であり、プレス時の圧力はレンズ成形体の単位面積当たり２．５〜３７．５Ｎ／ｍｍ^２とすることが好ましく、例えば１０〜２０Ｎ／ｍｍ^２とすることが特に好ましい。

そして、このようなプレス工程を行うことで、押切りが完了した成形型１００は、搬送手段によりプレスプレート２４ｂから冷却プレート２５ｂへと搬送される。この搬送手段は、上記した搬送手段と同様のものである。

次に、冷却プレート２５ｂにより成形型１００を冷却するが、これは、上記加熱工程と同様に、下型は下側の冷却プレート２５ｂで、上型は上側の冷却プレート２５ｂを下降させて接触させることで冷却する。これにより光学素材を冷却して、固化させる。この冷却は、光学素材のガラス転移点（Ｔｇ）以下に冷却させることが好ましく、光学素材の歪点以下の温度にまで冷却させることがより好ましい。このとき、降温速度は０．１〜２．５℃／ｓｅｃが好ましく、さらに好ましくは０．５〜１．０℃／ｓｅｃである。

加熱プレート２３ｂ、プレスプレート２４ｂ及び冷却プレート２５ｂは、全てプレート内部に熱電対が埋め込まれており、熱電対からの出力をフィードバックしてカートリッジヒータの出力を制御して、所定のプレート温度を維持するようになっている。

なお、上記した加熱工程及び冷却工程は、それぞれ段階的に温度を変化させ緩やかに昇温又は降温させるのが好ましく、加熱工程を１以上の加熱ステージを設けることにより、段階的に光学素材の温度を上昇させて、プレスステージの直前の加熱ステージにおいて、成形温度にまでもっていくようにする。また、冷却工程においても１以上の冷却ステージを設けることにより、段階的に光学素材の温度を下降させて、２００℃以下の温度になるようにする。このように、段階的に加熱及び冷却をすると、光学素材の急激な温度変化を抑制し、歪が生じたり、面割れ等が生じたりする等の光学素子の特性を悪化させずに成形できる。

このような、加熱工程及び冷却工程を実施するために、それぞれ複数の加熱ステージ及び冷却ステージを用いた成形装置を用いることができる。そのような成形装置の一例を図４に示す。
図４に示すように、この成形装置３００は、チャンバー３２、第１の加熱ステージ３３、第２の加熱ステージ３４、第３の加熱ステージ３５、プレスステージ３６、第１の冷却ステージ３７、第２の冷却ステージ３８、第３の冷却ステージ３９を有する装置構成となっており、チャンバー３２には前述の成形装置２００と同様に、成形型１００の取入れ口とそれを開閉可能とする取入れシャッター４１、取出し口とそれを開閉可能とする取出しシャッター４２、それら取入れ口及び取出し口の外側には成形型載置台４３及び４４が設けられている。第３の冷却ステージ３９は水冷されており、ヒータは設けられていない。

この成形装置３００は、加熱ステージを３つ、冷却ステージを３つ設けて、段階的に加熱及び冷却を行うようにしたこと以外は、図３に示した成形装置２００の構成と同様である。

第１の加熱ステージ３３では、光学素材をガラス転移点以下、２００〜４００℃程度低い温度に一旦加熱する予備加熱を行い、第２の加熱ステージ３４ではガラス転移点付近の温度にまで、第３の加熱ステージ３５では屈伏点+１０〜３０℃の温度にまで加熱する。また、プレスステージ３６では成形温度を維持しながら、成形型による成形操作により光学素子形状を付与し、第１の冷却ステージ３７では光学素材のガラス転移点＋２０℃程度まで冷却し、第２の冷却ステージ３８では、さらに歪点以下にまで冷却し、第３の冷却ステージ３９では、成形型が酸化されない２００℃以下の温度にまで冷却するようにする。

ここで、第３の冷却ステージは、用いるプレートを、他のステージにおけるヒータの代わりに冷却水が循環するように配管を設けた水冷プレートとして、効率的に冷却できるようになっている。

本実施形態の光学素子の製造方法における球面研磨工程は、このようにして得られた光学素子母材に対して行われる。
図５には、凹メニスカス形状を例に、（ａ）プレス成形直後である光学素子母材の断面形状と（ｂ）球面研磨後である光学素子の断面形状とを例示した。ここで示した光学素子母材５１は、未研磨の光学素子であり、非球面５１ａと球面５１ｂを有する。また、図６は、図５の光学素子母材５１の球面５１ｂの球面研磨を説明する図である。ここで、光学素子形状を凹メニスカス形状としているが、本発明においては、上記したように、一方の面が球面、他方の面が非球面である光学素子を製造する場合に適用でき、凹メニスカス形状に限られない。

球面研磨工程は、通常の方法で実施できる。
すなわち、まず、上記成形工程で得られた光学素子母材５１をアニール工程に付して歪み等を除去した後、研磨装置６１のレンズ保持皿６２のくぼみに対応した直径となるように光学素子母材５１を仮芯取りし、レンズ保持皿６２に粘着部材６３を介して非球面５１ａを保持させる。保持された光学素子母材５１は、球面５１ｂを球面研磨皿６４に押し付けて研磨される。球面研磨皿６４は回転軸６５に固定され、一方向に定速度回転駆動される。レンズ保持皿６２には光学素子母材５１の中心とレンズ保持皿６２の中心が一致するようにくぼみが設けられており、光学素子母材５１が収まる。

また、光学素子母材５１の余肉部分が球面研磨皿６４と干渉することがあり、干渉部分がある場合には研磨加工はできないため、上記仮芯取りとともに干渉部分も取り除き研磨加工できるようにする。光学素子形状によっては、余肉部分が研磨に干渉しない場合も多く、そのときは余肉部分の除去は省略してもよい。

レンズ保持皿６２はかんざし６６の先端部にボールジョイントを介して支持され、一定の圧力で光学素子母材５１を球面研磨皿６４に押し付けて、直径方向（Ａ方向）に往復運動させる。球面研磨皿６４に研磨液６７を吹き付けながら、往復運動させて光学素子母材５１の球面５１ｂを研磨する。

このように球面研磨で得られた研磨済みの光学素子は、さらに、芯取りして外形を整え、図５（ｂ）に示したような、非球面５１ａと球面５２ｂを有する最終製品形状の光学素子５２となる。このとき、非球面５１ａは、プレスされた形状そのままで非球面の光学面として機能する。

本発明においては、成形工程において、前述したような特定の要件を満たす成形面を有する成形型１００を用いて光学素子母材を形成しているため、球面研磨工程における球面研磨時間を短縮でき、また、球面研磨量を削減できる。

なお、本発明においては、上記球面研磨において、光学素子母材５１のように球面が凹面の場合、球面５１ｂの曲率半径の絶対値は球面研磨皿６４の曲率半径の絶対値、すなわち球面研磨後の光学素子５２の球面５２ｂの曲率半径の絶対値より小さくしておくことが好ましい。このような関係とすることで、光学素子母材５１と球面研磨皿６４との接触部分が線（円）となり、安定した球面研磨が可能となる。

一方、光学素子母材５１の球面５１ｂの曲率半径の絶対値が球面研磨皿６４の曲率半径の絶対値よりも大きい場合には、光学素子母材５１の中心部と球面研磨皿６４の中心部が点接触し、球面側の外周部は研磨皿に接触しないことになり、レンズ保持皿６２と球面研磨皿６４の接触領域が中心部を起点として曲面に沿って動いてしまう。このように動くと、接触状態が研磨作業中に常に変動し、最悪の場合には、球面研磨皿６４の一方の側に加工面が傾いて研磨され、研磨後の球面５２ｂの光軸が非球面５１ａの光軸に対して傾いてしまい、不良品となってしまう。

したがって、球面が凹面の場合は、光学素子母材の球面の曲率半径が球面研磨後の光学素子の球面の曲率半径に対して小さく（きつい曲面に）なるように設定することが好ましい。

一方、球面が凸面の場合には、上記とは逆の関係となるため、光学素子母材の球面の曲率半径の絶対値を球面研磨皿の曲率半径の絶対値より大きくすることが好ましい。このようにすればガラスの外周部と研磨皿が線で接触しガタのない接触状態が実現し、安定した球面研磨が可能となる。すなわち、球面が凸面の場合は、光学素子母材の球面の曲率半径が球面研磨後の光学素子の球面の曲率半径に対して大きく（緩い曲面に）なるように設定する。

上記した曲率半径の関係を、別の表現で説明すると以下の通りである。図５の光学素子母材５１の球面５１ｂの曲率半径の設定は、球面加工径で計算した仮芯取り後の光学素子母材の球面５１ｂの球欠高さ（ｈ１）から球面加工径で計算した球面研磨後の光学素子の球面３２ｂの球欠高さ（ｈ２）を引いた値Δｈ（ｈ１−ｈ２）を基準とする。光学素子母材３１は、凹メニスカス形状であり、余肉部を含め仮芯取りしないと球面研磨ができなくなるため球面加工径で計算した値を基準とする。ここで、球面加工径は、実際に球面研磨される部分の最大径のことを指す。

ここで、球欠高さは、図５に示したように、光軸方向における、球面の面頂から球面の外周縁部までの高さであるが、曲率半径、光学素子の半径（研磨加工径の半径）、及び曲率半径と球欠高さの差が、幾何的に三角形を構成することから、次の式により算出することもできる。

なお実際に球欠高さを測定する時は、成形後のレンズと研磨後のレンズについてそれぞれの球面形状をＵＡ３Ｐ（パナソニック株式会社製、商品名）等の形状測定装置で測定して計算で求める。

まとめると、球面研磨する光学素子母材の球面の曲率半径を、球面研磨後の光学素子の球面の曲率半径に対して、球面が凹面の場合は小さな曲率半径となるように、球面が凸面の場合は大きな曲率半径となるように設定することが好ましい。ただし、曲率半径の差が大きい場合には研磨に時間を要するので好ましくない。

曲率半径を上記の関係とするには、球面が凸面の場合はΔｈをマイナスに、凹面の場合はΔｈをプラスになるようにすればよい。このとき、成形型の成形面の曲率半径によりΔｈを調節でき、このとき、Δｈの絶対値が０．３〜９μｍが好ましく、１．５〜５μｍがより好ましい。

また、本発明においては、光学素子母材の中心肉厚を球面研磨後の光学素子の中心肉厚よりも少しだけ大きくしておくことが好ましい。これにより球面研磨時間をより短縮することができる。ただしあまり大きくすると研磨する量が増えて時間がかかり、研磨代が少なすぎると研磨している内に球面研磨後の光学素子の肉厚が所望の厚さよりも薄くなってしまう。好ましい肉厚は、球面研磨後の光学素子の肉厚公差がほぼゼロとした場合に、＋５〜＋５０μｍが好ましく、＋５〜＋２０μｍがより好ましい。上記は球面研磨後の光学素子の肉厚公差が例えば±２０μｍであれば、公差内で変動可能であるが光学素子設計上、製品製造上から公差の中心を狙うのが通常である。

なお、上記は研磨の際に最終仕上げ研磨（ポリッシング）から始める場合である。粗い砂を用いて粗研磨（スムージング）を行うのであれば、光学素子母材の肉厚は、球面研磨後の光学素子の肉厚よりも、例えば１ｍｍ程度厚くてもよい。ただし、このように研磨量が大きいと偏芯が悪化するため、要求される偏芯精度が低い光学素子に限られる。

最終仕上げ研磨（ポリッシング）から始める場合には、光学素子母材の研磨する面の表面粗さが問題となる場合がある。形状にもよるが、光学素子母材の表面粗さが最初から最終製品並み（例えば、Ｒａ１ｎｍ程度）に良いと研磨材のノリが悪くひっかかるように研磨され傷の原因になる。一方、表面粗さが悪すぎると研磨に時間を要する。好ましい光学素子母材の表面粗さはＲａで０．２〜２μｍ、より好ましくはＲａで０．５〜１μｍである。所望の表面粗さを得るには、あらかじめ成形型の表面粗さを上記の範囲にしておけばよい。

上記は研磨の際に最終仕上げ研磨（ポリッシング）から始める場合である。粗い砂を用いて粗研磨（スムージング）を行うのであれば、成形品の表面粗さは極端に悪くなければよい。ただし、研磨量が大きいと偏芯が悪化するため、要求される偏芯精度が低いレンズに限られる。

このように、プレス成形後に球面研磨を行って得られた光学素子は、さらに、芯取り、反射防止膜の成膜等を施して最終製品とする。

本発明は、以上説明した実施の形態の記載内容に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはいうまでもない。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、例１〜５が実施例、例６〜９が比較例である。

（例１〜５）
図１に示す成形型及び図４に示す成形装置を用いて、光学素子の成形を以下の通り行った。

ここで用いた成形型１００は、上型１１、下型１２、並びに内胴１３及び外胴１４を有する胴型で構成され、一方が非球面、他方が球面の光学素子を形成するものである。上型１１、下型１２及び内胴１３はタングステンカーバイドからなる超硬合金製で、外胴１４はステンレス鋼からなるものである。表１に、各例で用いた成形型の、球面を形成する側の型と、その成形面の球面近似誤差Ｅ_ｓｐ及び有効直径φ_ｅ、さらにそれらの比Ｅ_ｓｐ／φ_ｅを示す。

成形装置３００は、加熱プレート、プレスプレート及び冷却プレートとして、ステンレス鋼製の１００×７８×１８ｍｍの直方体で内部に５００Ｗのカートリッジヒータを３本有するプレートを用い、断熱板として、ＳＵＳ３０４製の１００×７８×９ｍｍの板状体とジルコニア製の１００ｍｍ×７８ｍｍ×９ｍｍの板状体を重ね合わせたものを用いた。

また、上側のプレートを上下移動させるシリンダーには、エアシリンダーを用い、シャフト径４０ｍｍのシャフトが上側のプレートと接続、固定されている。チャンバーはＳＳ４００製の４４０ｍｍ×５９２ｍｍ×２４０ｍｍの箱状で、このチャンバーの下板としては４４０ｍｍ×５９２ｍｍ×２０ｍｍのものを用いた。

まず、成形型１００の下型１２の成形面にホウケイ酸ガラスからなる研削研磨により作製した光学素材を載置した。この光学素材の歪点は４９５℃、ガラス転移点（Ｔｇ）は５３２℃、屈伏点（Ａｔ）は５７３℃である。

光学素材を収容した成形型１００を、搬送手段により第１の加熱プレート３３ｂ上に搬送し載置すると同時に上側の第１の加熱プレート３３ｂを下降させて上型に接触させ、成形型１００及び光学素材を３００秒間加熱し、次いで、第２の加熱プレート３４ｂ上に搬送し載置すると同時に上側の第２の加熱プレート２４ｂを下降させて上型に接触させ、成形型１００及び光学素材を３００秒間加熱し、さらに、第３の加熱プレート３５ｂ上に搬送し載置すると同時に上型の第３の加熱プレート３５ｂを下降させて上型に接触させ、成形型１００及び光学素材を３００秒間加熱して光学素材を軟化状態とした。なお、第１の加熱プレート３３ｂは２８０℃、第２の加熱プレート３４ｂは５００℃、第３の加熱プレート３５ｂは６００℃に設定した。

次に、成形型１００をプレスプレート３６ｂ上に搬送し載置して、上側のプレスプレート３６ｂを下降させ、この成形時のプレス圧力は５Ｎ／ｍｍ^２、プレス時間は２５０秒とした。このとき、プレスプレート３６ｂの温度は６００℃であった。

プレス後、成形型１００を第１の冷却プレート３７ｂ上に搬送し載置すると同時に上側の冷却プレート３７ｂを下降させて上型に接触させ、３００秒間冷却し、次いで、成形型を第２の冷却プレート３８ｂ上に搬送し裁置すると同時に上側の第２の冷却プレート３８ｂを下降させて上型に接触させ、３００秒間冷却し、さらに、成形型を第３の冷却プレート３９ｂ上に搬送し載置すると同時に上側の第３の冷却プレート３９ｂを下降させて上型に接触させ、３００秒間冷却した。このとき、第１の冷却プレート３７ｂは５５０℃、第２の冷却プレート３８ｂは４５０℃、第３の冷却プレート３９ｂは２０℃（冷却水温度）に設定した。

光学素材を室温になるまで冷却し、十分に冷却したところで、成形型１００から取り出し、光学素子母材を得た。光学素子母材は所定のアニール処理を行い、歪を除去した。

得られた光学素子母材の球面側の形状について、設計値との誤差をＵＡ３Ｐ（パナソニック株式会社製、商品名）にて調べた。設計値との誤差について得られた結果を、図７に示した。なお、図７は例１の測定結果であるが、他の実施例の形状の光学素子母材も類似した傾向であったので代表例として記載した。ここで言う設計値との誤差とは、設計値から球面（曲率）成分を除いた誤差を示し、光学素子中心を基準に十字方向に測定したデータである。図７から明らかなように、球面側の形状精度は、誤差０．１５μｍ以下という高い精度を有していた。

次に、各成形品に対し芯取りを行った後、レンズ保持皿に貼り付け、球面研磨皿に押し付け球面研磨を行った。いずれの成形品も１８０秒以下という短時間で所要の研磨が完了した。

（例６〜９）
球面を形成する側の型の形状を、表１に示すように変えた以外は上記例１等と同様にして、光学素子母材を成形し、さらに得られた光学素子母材に対し球面研磨を行い、光学素子を製造した。
得られた光学素子母材の球面側の形状について、例１等と同様にして、設計値との誤差を測定し、その結果を図８に示した。なお、図８は例６の測定結果であり、実施例の場合と同様、他の比較例の形状の光学素子母材も類似した傾向であったので、代表例として示した。図８から明らかなように、０．３μｍを超える誤差が認められた。
また、球面研磨では、所要の研磨を完了するまでに４００秒以上を要した。

本発明の光学素子の製造方法は、一方の面を球面、他方の面を非球面とする光学素子をプレス成形と球面研磨により連続的に製造する際に用いられる。

１…光学素材，５２…光学素子、１１…上型、１１ａ…上成形面、１２…下型、１２ａ…下成形面、１３…内胴、１４…外胴、２２，３２…チャンバー、２３，３３，３４，３５…加熱ステージ、２４，３６…プレスステージ、２５，３７，３８，３９…冷却ステージ、５１…光学素子母材、６１…研磨装置、１００…成形型、２００，３００…成形装置。

Claims (7)

1. 一方の面が球面、他方の面が非球面の光学素子の製造方法であって、
   光学素材を上型及び下型からなる成形型で加熱してプレス成形により一方の面が球面、他方の面が非球面の光学素子母材を形成する工程と、前記光学素子母材の球面側の面を球面研磨する工程と、を有し、
   前記光学素子母材の球面を形成する前記成形型の成形面を、下記要件（１）を満たす非球面形状としたことを特徴とする光学素子の製造方法。
   （１）前記非球面形状を球面に近似した場合の近似誤差の最大値をＥ_ｓｐ（ｍｍ）、成形面の有効直径をφ_ｅ（ｍｍ）としたとき、Ｅ_ｓｐ／φ_ｅが６×１０^−６以上６×１０^−５未満である。
2. 前記光学素子母材の非球面を形成する前記成形型の成形面が、下記要件（２）を満たす非球面球状としたことを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。
   （２）前記非球面形状を球面に近似した場合の近似誤差の最大値をＥ_ｓｐ（ｍｍ）、成形面の有効直径をφ_ｅ（ｍｍ）としたとき、Ｅ_ｓｐ／φ_ｅが６×１０^−５以上である。
3. 前記プレス成形後であって前記球面研磨加工前に、前記プレス成形で得られた光学素子母材を、球面研磨に用いるレンズ保持皿に合わせて仮芯取りする請求項１または２記載の光学素子の製造方法。
4. 前記プレス成形で得られる光学素子母材の中心肉厚を、前記球面研磨後の光学素子の中心肉厚よりも５〜５０μｍ大きくする１乃至３のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
5. 前記プレス成形で得られる光学素子母材の球面側の表面粗さＲａが０．２〜２μｍである請求項１乃至４のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
6. 前記球面研磨される研磨加工径において、前記光学素子母材の球面の球欠高さから球面研磨後の光学素子の球面の球欠高さを引いた値（Δｈ）が、凸面の場合はマイナス、凹面の場合はプラスである請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学素子の製造方法。
7. 前記光学素子母材の球面の球欠高さから球面研磨後の光学素子の球面の球欠高さを引いた値（Δｈ）の絶対値が、０．３〜９μｍである請求項６記載の光学素子の製造方法。

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