JP2019089680A - 成形素材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形後の光学素子の面精度を確保しつつ、光学素子の外観不良を防止することができる成形素材の製造方法を提供すること。【解決手段】成形素材の製造方法は、光学素子の成形素材としての球面研磨ガラスの側面の表面粗さを測定する表面粗さ測定工程と、表面粗さ測定工程で測定した表面粗さを最小溶解深さとして、球面研磨ガラスの側面全周を溶解させる溶解工程と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子用の成形素材の製造方法に関する。

外径の大きな光学素子用の成形素材として、ボール研磨ガラスよりも安価な球面研磨ガラスが用いられることが多い。このような球面研磨ガラスを成形素材とした場合、球面研磨ガラスの側面（コバ面）から金型内にガラス粉が落下し、成形後の光学素子に外観不良が発生する。

このような問題は、球面研磨ガラスの側面の鏡面化によって回避可能であり、例えば特許文献１では、燃焼ガスフレームによる火炎研磨によって球面研磨ガラスの側面を鏡面化する技術が提案されている。

特開２０１１−１６６７５号公報

しかしながら、特許文献１で提案された方法は、球面研磨ガラスの全体を加熱するため、球面研磨ガラスに変形が生じ、成形後の光学素子の面精度が悪化する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、成形後の光学素子の面精度を確保しつつ、光学素子の外観不良を防止することができる成形素材の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る成形素材の製造方法は、光学素子の成形素材としての球面研磨ガラスの側面の表面粗さを測定する表面粗さ測定工程と、前記表面粗さ測定工程で測定した前記表面粗さを最小溶解深さとして、前記球面研磨ガラスの側面全周を溶解させる溶解工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る成形素材の製造方法は、上記発明において、前記表面粗さ測定工程は、前記球面研磨ガラスの側面の上端から下端までの、光軸方向の直線上における前記表面粗さを測定することを特徴とする。

また、本発明に係る成形素材の製造方法は、上記発明において、前記表面粗さ測定工程は、前記球面研磨ガラスの側面の上端から下端までの、光軸方向の複数の直線上における前記表面粗さをそれぞれ測定し、前記溶解工程は、前記表面粗さ測定工程で測定した複数の前記表面粗さのうちの最大値を前記最小溶解深さとして、前記球面研磨ガラスの側面全周を溶解させることを特徴とする。

また、本発明に係る成形素材の製造方法は、上記発明において、前記溶解工程は、前記球面研磨ガラスの直径の５％を最大溶解深さとして、前記球面研磨ガラスの側面全周を溶解させることを特徴とする。

また、本発明に係る成形素材の製造方法は、上記発明において、前記溶解工程は、レーザを照射することにより、前記球面研磨ガラスの側面全周を溶解させることを特徴とする。

本発明によれば、球面研磨ガラスの表面粗さを測定して溶解させる深さを決定した後、球面研磨ガラスの側面のみを前記した深さまで溶解させることにより、球面研磨ガラスを変形させることなく、粗面で形成された球面研磨ガラスの側面を鏡面化することができる。従って、成形後の光学素子の面精度を確保しつつ、光学素子の外観不良を防止することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る成形素材の製造方法および光学素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図２は、本発明の実施の形態１に係る成形素材の製造方法で処理する球面研磨ガラスの一例を示す側面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る成形素材の製造方法で処理する球面研磨ガラスの研磨方法の一例を示す斜視図である。 図４は、本発明の実施の形態２に係る成形素材の製造方法の溶解工程の一例を示す斜視図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る成形素材の製造方法で処理した球面研磨ガラスを金型に供給する際の様子を示す斜視図である。

以下、本発明に係る成形素材の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、以下の実施の形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものも含まれる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る成形素材の製造方法について、図１〜図３を参照しながら説明する。なお、本実施の形態に係る成形素材の製造方法は、具体的には光学素子の製造方法の中で実施される。従って、以下では、光学素子の製造方法の説明の中で成形素材の製造方法についても説明する。

光学素子の製造方法は、金型内に成形素材を配置し、押圧変形することにより光学素子を成形するものであり、図１に示すように、表面粗さ測定工程Ｓ１と、側面処理工程Ｓ２と、成形工程Ｓ３と、を順に行う。なお、これらの工程のうち、成形素材の製造方法には表面粗さ測定工程および側面処理工程が含まれる。

また、本実施の形態では、図２に示すような球面研磨ガラスＭを成形素材として用いる。この球面研磨ガラスＭは側面（コバ面）が粗面で形成されている。なお、以下では、歪点が５７９℃、軟化点が６７８℃のガラスからなる直径２５ｍｍの球面研磨ガラスＭを用いることを想定して、表面粗さや溶解深さの具体的な値の一例についても説明する。

表面粗さ測定工程では、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の表面粗さを測定する。本工程では、具体的には図２のＡ部に示すように、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の上端から下端までの、光軸方向の直線上における表面粗さを測定する。なお、ここでの表面粗さとは、具体的には最大高さ（最大高さ粗さ）Ｒｚのことを意味している。なお、表面粗さを測定する位置は、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の円周方向における一カ所であればよく、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の円周方向におけるどの位置でもよい。

ここで、図２に示すような球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１を加工する際は、図３に示すように、球面研磨ガラスＭと研削砥石１０とをそれぞれ軸中心に回転させ、外周面を互いに擦り合わせることにより研削加工を行う。そのため、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の表面粗さは、円周方向にほぼ一定となる。従って、図２のＡ部に示すように、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の円周方向における一カ所において、直線上における表面粗さを測定することにより、側面Ｍ１の加工に必要な粗さ情報を取得することができる。なお、念のため、直径２５ｍｍの球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の円周方向における三カ所において、直線上における表面粗さをそれぞれ測定したところ、表面粗さの範囲は０．１μｍ程度であり、測定誤差の範囲内であった。

表面粗さ測定工程における具体的な測定方法は、表面粗さを取得できれば、接触式および非接触式のいずれの方法でもよい。例えば接触式の測定機であるテーラーホブソン社製の「フォームタリサーフ」によって直径２５ｍｍの球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の表面粗さを測定した場合、２μｍ程度であった。

続いて、側面処理工程では、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１にレーザ（例えばパルスレーザ）を照射することにより、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の全周を溶解させて鏡面化させる。本工程では、表面粗さ測定工程で測定した表面粗さを最小溶解深さとして、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の全周を溶解させる。

また、側面処理工程では、前記した最小溶解深さに加えて、球面研磨ガラスＭの直径の５％を最大溶解深さとして、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の全周を溶解させることが好ましい。最大溶解深さとして設定する「球面研磨ガラスＭの直径の５％」は、様々な光学素子を成形する中で経験的に得られた値であり、成形シミュレーション等の事前確認をせずに光学素子の有効径外に収まる値である。

ここで、前記した「最小溶解深さ」とは、図２のＢ部に示すように、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１にレーザを照射した際の溶解範囲の最小値のことを示している。また、前記した「最大溶解深さ」とは、図２のＣ部に示すように、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１にレーザを照射した際の溶解範囲の最大値のことを示している。例えば、直径２５ｍｍの球面研磨ガラスＭの場合、最小溶解深さは、表面粗さ測定工程で測定した表面粗さである「２μｍ」となり、最大溶解深さは「１，２００μｍ」となる。

なお、側面処理工程で用いるレーザとして、例えば一度に照射可能な範囲が限られるレーザを用いる場合は、照射対象である球面研磨ガラスＭやレーザのいずれか一方または双方を、球面研磨ガラスＭの光軸方向に走査させることにより、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の全体を照射することができる。また、一度に複数枚の球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１を処理してもよく、さらに複数本のレーザによって一枚の球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１を処理してもよい。そして、側面Ｍ１の処理が完了した球面研磨ガラスＭは、後段の成形工程に逐次投入してもよく、あるいは数枚ずつ溜めてから成形工程に投入してもよい。

続いて、成形工程では、図示しない成形装置を用いて、側面Ｍ１の処理が完了した球面研磨ガラスＭから光学素子を成形する。成形工程は、具体的には配置工程と、加熱工程と、押圧工程と、冷却工程と、取り出し工程と、を順に行う。

配置工程では、図示しない金型内に球面研磨ガラスＭを配置する。なお、球面研磨ガラスＭを金型内に配置する作業は人が行ってもよく、あるいは球面研磨ガラスＭの吸着保持および芯出しを行うことが可能な別途の供給装置（例えば後記する図４参照）を用いて行ってもよい。

加熱工程では、図示しない加熱機構によって、金型内の球面研磨ガラスＭを所定温度（例えば６５０℃）に加熱し、球面研磨ガラスＭを軟化させる。押圧工程では、金型によって、加熱軟化した球面研磨ガラスＭを押圧し、必要な形状に成形する。冷却工程では、図示しない冷却機構によって、成形後の光学素子を所定温度（例えば２００℃）まで冷却する。取り出し工程では、前記した供給装置によって金型内の光学素子を吸着保持して取り出す。

以上のように、本実施の形態１に係る成形素材の製造方法およびこれを含む光学素子の製造方法によれば、球面研磨ガラスＭの表面粗さを測定して溶解させる深さを決定した後、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１のみを前記した深さまで溶解させることにより、球面研磨ガラスＭを変形させることなく、粗面で形成された球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１を鏡面化することができる。従って、鏡面化後の球面研磨ガラスＭを用いることにより、成形後の光学素子の面精度を確保しつつ、光学素子の外観不良を防止することができる。

また、本実施の形態１によれば、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１における表面粗さを最小溶解深さとして球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の全周を溶解させることにより、鏡面化後の球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の表面粗さを極力小さくすることができる。

また、本実施の形態１によれば、球面研磨ガラスＭの直径の５％を最大溶解深さとして球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の全周を溶解させることにより、成形後の光学素子の有効径外となる範囲で、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１を鏡面化させることができるため、成形後の光学素子の光学性能を確保することができる。

また、本実施の形態１によれば、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の処理にレーザを用いることにより、球面研磨ガラスＭを変形させることなく、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１のみを局所的に溶解させることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る成形素材の製造方法およびこれを含む光学素子の製造方法について、図４および図５を参照しながら説明する。光学素子の製造方法は、表面粗さ測定工程と、保持工程と、側面処理工程と、成形工程と、を順に行う。なお、これらの工程のうち、表面粗さ測定工程は前記した実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。また、成形素材として用いる球面研磨ガラスＭについても、実施の形態１と同様である（図２参照）。

保持工程では、図４に示すように、図示しない成形装置に備えられた供給装置２０によって、表面粗さ測定工程後の球面研磨ガラスＭを保持する。なお、供給装置２０は、アーム部２１と、アーム部２１の先端に設けられた部材保持部２２と、を備えている。部材保持部２２は、球面研磨ガラスＭを吸着保持することが可能であり、かつ一点鎖線で示した軸中心に回転可能に構成されている。

保持工程では、供給装置２０の部材保持部２２によって、当該部材保持部２２の軸中心と球面研磨ガラスＭの軸中心とが一致するように、球面研磨ガラスＭを吸着保持する。なお、部材保持部２２の軸中心と球面研磨ガラスＭの軸中心とは、例えば０．１ｍｍ以下程度の精度を確保することが可能であれば、どのような方法で一致させてもよい。

部材保持部２２の軸中心と球面研磨ガラスＭの軸中心とは、例えば図示しない二つのＶブロックによって球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１を挟み込んで芯出しした後に、部材保持部２２によって球面研磨ガラスＭを吸着保持することにより、一致させることができる。この場合、供給装置２０は、二つのＶブロックの挟み込みによって定まる球面研磨ガラスＭの軸中心の位置を予め記憶し、この軸中心に対して部材保持部２２の軸中心が一致するように、部材保持部２２の動作を制御する。

続いて、側面処理工程では、保持工程における保持状態を維持したまま、部材保持部２２をモータ等の手段によって回転させる。そして同時に、レーザ照射部３０によって、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１にレーザ（例えばパルスレーザ）を照射することにより、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の全周を溶解させて鏡面化させる。なお、本実施形態の側面処理工程においても、表面粗さ測定工程で測定した表面粗さを最小溶解深さとして、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の全周を溶解させる。また、本実施形態の側面処理工程においても、最小溶解深さに加えて、球面研磨ガラスＭの直径の５％を最大溶解深さとして、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の全周を溶解させることが好ましい。

続いて、成形工程では、図示しない成形装置を用いて、側面Ｍ１の処理が完了した球面研磨ガラスＭから光学素子を成形する。成形工程は、具体的には配置工程と、加熱工程と、押圧工程と、冷却工程と、取り出し工程と、を順に行う。なお、これらの工程のうち、加熱工程、押圧工程、冷却工程および取り出し工程は前記した実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

配置工程では、図５に示すように、供給装置２０の部材保持部２２によって、球面研磨ガラスＭの軸中心と金型４０の軸中心とが一致するように、金型４０内に球面研磨ガラスＭを配置する。

以上のように、本実施の形態２に係る成形素材の製造方法およびこれを含む光学素子の製造方法によれば、実施の形態１と同様の効果に加えて、成形装置に備えられた供給装置２０によって側面処理工程および配置工程を行うことができるため、設備コストを抑えることができる。また、本実施の形態によれば、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１を鏡面化させる際と、鏡面化後の球面研磨ガラスＭを金型４０内に配置する際に、芯出しの処理を一度に行うことができるため、一枚の光学素子の成形に必要なサイクルタイムを短縮させることができる。

以上、本発明に係る成形素材の製造方法について、発明を実施するための形態により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

例えば、前記した実施の形態１，２の表面粗さ測定工程では、図２のＡ部に示すように、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の円周方向において、一つ（一カ所）の直線上における表面粗さを測定していたが、複数（複数カ所）の直線上における表面粗さを測定してもよい。この場合、後段の溶解工程では、表面粗さ測定工程で測定した複数の表面粗さのうちの最大値を最小溶解深さとして、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１の全周を溶解させる。これにより、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１における表面粗さの検出精度を向上させることができる。

また、前記した実施の形態１，２の側面処理工程では、球面研磨ガラスＭの直径の５％を最大溶解深さとしていたが、例えば成形シミュレーションを用いて球面研磨ガラスＭが光学素子の有効径になりうる範囲を特定し、それを最大溶解深さとしてもよい。あるいは、球面研磨ガラスＭの側面Ｍ１を何パターンかの深さまで溶解させた光学素子を実際に試作することにより、最大溶解深さを決定してもよい。

１０ 研削砥石
２０ 供給装置
２１ アーム部
２２ 部材保持部
３０ レーザ照射部
４０ 金型
Ｍ 球面研磨ガラス（成形素材）
Ｍ１ 側面

Claims (5)

1. 光学素子の成形素材としての球面研磨ガラスの側面の表面粗さを測定する表面粗さ測定工程と、
   前記表面粗さ測定工程で測定した前記表面粗さを最小溶解深さとして、前記球面研磨ガラスの側面全周を溶解させる溶解工程と、
   を含むことを特徴とする成形素材の製造方法。
2. 前記表面粗さ測定工程は、前記球面研磨ガラスの側面の上端から下端までの、光軸方向の直線上における前記表面粗さを測定することを特徴とする請求項１に記載の成形素材の製造方法。
3. 前記表面粗さ測定工程は、前記球面研磨ガラスの側面の上端から下端までの、光軸方向の複数の直線上における前記表面粗さをそれぞれ測定し、
   前記溶解工程は、前記表面粗さ測定工程で測定した複数の前記表面粗さのうちの最大値を前記最小溶解深さとして、前記球面研磨ガラスの側面全周を溶解させることを特徴とする請求項１に記載の成形素材の製造方法。
4. 前記溶解工程は、前記球面研磨ガラスの直径の５％を最大溶解深さとして、前記球面研磨ガラスの側面全周を溶解させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の成形素材の製造方法。
5. 前記溶解工程は、レーザを照射することにより、前記球面研磨ガラスの側面全周を溶解させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の成形素材の製造方法。

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