JP2019119639A - 光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学面の回転軸非対称性の光学面同士の足し合わせ結果に起因する光学素子の性能低下を抑制することができる光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法を提供すること。【解決手段】光学素子の評価方法は、所定のプレス圧力で成形素材を押圧成形して得た表裏２つの光学面を備える光学素子の非対称性を評価するものであり、所定のプレス圧力で製造された光学素子について、式（１）で算出した値に基づき光学素子の非対称性を評価する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法に関する。

従来、互いに対向する上型および下型の間に配置した成形素材を加熱し、上型および下型により成形素材を加圧して光学面を転写した後、冷却することにより光学素子を製造する光学素子の製造方法が知られている。このような光学素子の製造方法では、例えば、上型および下型を胴型に収容した状態の型セットを加熱、高温プレス、冷却プレスおよび冷却を行うステージへ順次搬送することにより、所望の光学素子を成形する循環式の成形装置が一般に用いられている。

また従来、成形後の光学素子の光学面について、所望の設計形状からの乖離を評価し、必要に応じて加熱温度、プレス圧力、冷却速度等の成形条件を調整したり、上型および下型の転写面の形状を修正することも一般に行われている。

例えば、特許文献１では、成形される光学素子のクセを成形ごとに一定とするために、冷却時における上下の型部材の温度差が０±２．５°Ｃ、冷却速度が２０±５°Ｃ／ｍｉｎとなるように大まかに制御し、冷却時のプレス圧力を５±１．５ｋＮと高い値に設定することが開示されている。また、同文献には、冷却プレス圧力を上記のような高い値に設定することにより、光学面の面精度は若干低下するものの、離型不良を確実に防止することができ、かつ光学面の形状の再現性も良い旨が開示されている。

特許第２９７２４８２号公報

ここで、従来技術で製造される光学素子は、一般に表裏２つの光学面を備えており、光学素子としての性能はそれら光学面同士の形状を足し合わせた結果に左右される。しかしながら、特許文献１を含む従来技術では、１つの光学面を単独で評価して成形条件の調整を行うことに留まっており、光学面同士の形状を足し合わせた結果については着目しておらず、光学面同士の形状を足し合わせた場合の性能を、所望の性能にするための成形条件の調整についても考慮していなかった。

特に、一般に「アス」と呼ばれる、光学素子の１つの光学面に回転軸非対称に発生する形状誤差については、光学面同士を足し合わせて評価する方法はもちろん、１つの光学面での評価結果に基づく成形条件の調整方法についても、従来技術では考慮されていなかった。従って、従来技術に係る光学素子の製造方法では、光学面の回転軸非対称性の光学面同士の足し合わせ結果に起因する光学素子の性能低下を避けることが困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光学面の回転軸非対称性の光学面同士の足し合わせ結果に起因する光学素子の性能低下を抑制することができる光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子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、本発明に係る光学素子の評価方法は、所定のプレス圧力で成形素材を押圧成形して得た表裏２つの光学面を備える光学素子の非対称性を評価する光学素子の評価方法であって、前記所定のプレス圧力で製造された前記光学素子について、下記式（１）で算出した値に基づき光学素子の非対称性を評価することを特徴とする。
但し、上記式（１）において、
表ＮＲ（θ１°）は、光学素子の表の光学面をθ１°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
表ＮＲ（θ２°）は、光学素子の表の光学面をθ２°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
裏ＮＲ（θ１°）は、光学素子の裏の光学面をθ１°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
裏ＮＲ（θ２°）は、光学素子の裏の光学面をθ２°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果である。

本発明に係る光学素子の評価方法は、上記発明において、前記θ２°は、θ１°＋９０°であることを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光学素子の成形条件特定方法は、所定のプレス圧力で成形素材を押圧成形することにより表裏２つの光学面を備える光学素子を製造する際の成形条件を特定するための光学素子の成形条件特定方法であって、複数の異なるプレス圧力でサンプルの光学素子を試作する試作工程と、前記サンプルの光学素子のそれぞれについて、下記式（１）の値を算出する算出工程と、前記算出工程において算出した各値と、光学素子の設計形状について下記式（１）から得られる値とを比較し、予め定めた許容範囲の中で、前記設計形状について下記式（１）から得られる値に対して最も近似性のない値に対応するプレス圧力Ｐ１を特定するプレス圧力特定工程と、を含むことを特徴とする。
但し、上記式（１）において、
表ＮＲ（θ１°）は、光学素子の表の光学面をθ１°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
表ＮＲ（θ２°）は、光学素子の表の光学面をθ２°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
裏ＮＲ（θ１°）は、光学素子の裏の光学面をθ１°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
裏ＮＲ（θ２°）は、光学素子の裏の光学面をθ２°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果である。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光学素子の製造方法は、所定のプレス圧力で成形素材を押圧成形することにより表裏２つの光学面を備える光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、上記の光学素子の成形条件特定方法によって特定したプレス圧力Ｐ１以下の冷却プレス圧力で冷却プレスを行う冷却プレス工程を含むことを特徴とする。

本発明に係る光学素子の製造方法は、上記発明において、直径２５ｍｍ以上の光学素子を製造する際に、前記冷却プレス工程における最大プレス圧力としての前記プレス圧力Ｐ１を１１９０ｋｇｆに設定し、９００ｋｇｆ〜１１９０ｋｇｆの範囲内で冷却プレスを行うことを特徴とする。

本発明によれば、光学素子の光学面の回転軸非対称性を足し合わせて評価することにより、当該評価結果に基づいて光学素子の成形条件を適正に設定することが可能となる。従って、光学面の回転軸非対称性の光学面同士の足し合わせ結果に起因する光学素子の性能低下を抑制することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法の処理手順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に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法で用いる光学素子の成形装置の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、測定する断面形状の方向を説明するための平面図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、測定する断面形状の方向を説明するための断面図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、測定する断面形状の方向を説明するための断面図である。 図６は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、メニスカス形状のサンプルと設計形状とが完全に一致する場合を示す説明図である。 図７は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、メニスカス形状のサンプルと設計形状とに乖離があり、かつ表および裏の光学面にそれぞれ回転軸非対称性があるものの、表裏の足し合わせによって回転軸非対称性が相殺される場合を示す説明図である。 図８は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、メニスカス形状のサンプルと設計形状とに乖離があり、かつ表および裏の光学面にそれぞれ回転軸非対称性があり、表裏の足し合わせによって回転軸非対称性が相殺されない場合を示す説明図である。 図９は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、メニスカス形状のサンプルと設計形状とに乖離があり、かつ表および裏の光学面にそれぞれ回転軸非対称性があるものの、表裏の足し合わせによって回転軸非対称性が相殺される場合のうち、表および裏の光学面ごとの異なる断面間の形状の平均が、設計形状に対して偏った方向に乖離した場合を示す説明図である。 図１０は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、メニスカス形状のサンプルと設計形状とに乖離があり、かつ表および裏の光学面にそれぞれ回転軸非対称性があるものの、表裏の足し合わせによって回転軸非対称性が相殺される場合のうち、表および裏の光学面ごとの異なる断面間の形状の平均が、設計形状に対して偏った方向に乖離した場合を示す説明図である。 図１１は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、両凸形状のサンプルと設計形状とに乖離があり、かつ表および裏の光学面にそれぞれ回転軸非対称性があるものの、表裏の足し合わせによって回転軸非対称性が相殺される場合を示す説明図である。 図１２は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、両凸形状のサンプルと設計形状とに乖離があり、かつ表および裏の光学面にそれぞれ回転軸非対称性があり、表裏の足し合わせによって回転軸非対称性が相殺されない場合を示す説明図である。 図１３は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、両凹形状のサンプルと設計形状とに乖離があり、かつ表および裏の光学面にそれぞれ回転軸非対称性があるものの、表裏の足し合わせによって回転軸非対称性が相殺される場合を示す説明図である。 図１４は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、両凹形状のサンプルと設計形状とに乖離があり、かつ表および裏の光学面にそれぞれ回転軸非対称性があり、表裏の足し合わせによって回転軸非対称性が相殺されない場合を示す説明図である。 図１５は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、式（１）で算出した値と冷却プレス工程における冷却プレス圧力との関係を示すグラフである。 図１６は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、サンプルの表の光学面の回転軸非対称性と冷却プレス工程における冷却プレス圧力との関係を示すグラフである。 図１７は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、サンプルの裏の光学面の回転軸非対称性と冷却プレス工程における冷却プレス圧力との関係を示すグラフである。 図１８は、本発明の実施の形態２に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法において、測定する断面形状の方向を説明するための平面図である。 図１９は、本発明の実施の形態に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法の変形例において、サンプルの透過波面アス成分と冷却プレス工程における冷却プレス圧力との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法の実施の形態について、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に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法について、図１〜図１５を参照しながら説明する。

光学素子の評価方法は、所定のプレス圧力で成形素材を押圧成形して得た表裏２つの光学面を備える光学素子の非対称性を評価する方法であり、後記するように、所定のプレス圧力で製造された光学素子について、後記する式（１）で算出した値に基づき光学素子の非対称性を評価する。また、光学素子の成形条件特定方法は、前記した光学素子の評価方法による評価結果に基づいて、光学素子を製造する際の成形条件を特定するための方法である。そして、光学素子の製造方法は、前記した光学素子の成形条件特定方法による特定結果に基づいて、光学素子を製造する方法である。

光学素子の製造方法では、図１に示すように、試作工程（ステップＳ１）と、算出工程（ステップＳ２）と、プレス圧力特定工程（ステップＳ３）と、製造工程（ステップＳ４）と、を順に行う。また、光学素子の成形条件特定方法では、同図に示した工程のうち、試作工程（ステップＳ１）と、算出工程（ステップＳ２）と、プレス圧力特定工程（ステップＳ３）と、を順に行う。そして、光学素子の評価方法では、同図に示した工程のうち、試作工程（ステップＳ１）と、算出工程（ステップＳ２）と、を順に行う。以下、各工程について説明する。

＜試作工程＞
試作工程では、複数のプレス圧力でサンプルの光学素子（以下、単に「サンプル」という）の試作を行う（ステップＳ１）。なお、前記した「プレス圧力」とは、具体的には後記する製造工程に含まれる冷却プレス工程における冷却プレス圧力のことを示している。

試作工程において光学素子の試作に用いる成形方法は特に限定されず、例えば固定金型方式や金型循環方式等の公知の技術を用いることができる。また、試作する光学素子の材質や形状は、最後の製造工程（ステップＳ４）で製造する光学素子と同一であればより良いが、外径、肉厚、曲率半径といった形状が近似であって、類似の組成や成形特性を備える材質であれば、完全に同一でなくてもよい。

本実施の形態１では、芯取り後のレンズ外径がφ２５ｍｍ、肉厚２．５ｍｍ、凸面の近似曲率半径が４６ｍｍ、凹面の近似曲率半径が３２ｍｍの両非球面メニスカス形状であり、材質がガラス素材である光学素子を図２に示すような金型循環方式の成形装置１を用いて試作工程を実施する例について説明する。

成形装置１は、図２に示すように、成形室２０と、成形室２０内に設けられた、加熱ステージ２１と、高温プレスステージ２２と、冷却プレスステージ２３と、冷却ステージ２４と、急冷ステージ２５と、各ステージ間で型セット１０を搬送する搬送部３４と、を備えている。また、各ステージには、図示しない加熱手段（例えばカートリッジヒータ）を備えた上プレート部３１および下プレート部３２と、上プレート部３１および下プレート部３２を上下に駆動可能な加圧手段３３と、が設けられている。なお、同図は、型セット１０が７セット並んだ状態で成形室２０に連続投入され、うち１セットが次の投入を待機しており、うち１セットが成形装置１の外に排出されている状態を示している。

成形装置１に投入される型セット１０は、光学素子の凹面を転写するための上型１１と、光学素子の凸面を転写するための下型１２とが胴型１３内で対向した構成を備えている。また、上型１１、下型１２および胴型１３は、例えば超硬合金で構成されている。試作工程では、１つの型セット１０を用い、当該型セット１０の上型１１および下型１２間に成形素材Ｍを配置し、成形装置１に投入して光学素子の試作を行う。

試作工程では、例えば循環サイクル：２４０秒、加熱ステージ２１の温度：５９０℃、高温プレスステージ２２の温度：６２０℃、冷却プレスステージ２３の温度：４９０℃、冷却ステージ２４の温度：３５０℃、急冷ステージ２５の温度：室温、を複数の光学素子を試作する際の共通の成形条件とする。また、高温プレスステージ２２におけるプレス圧力は、例えば荷重換算で４５０ｋｇｆになるように設定し、複数の光学素子を試作する際の共通の成形条件とする。一方、冷却プレスステージ２３における冷却プレス圧力は、例えば荷重換算で１１９０ｋｇｆ，１０６０ｋｇｆ，９００ｋｇｆ，５５０ｋｇｆの４通りに設定する。

試作工程では、まず成形装置１の加熱ステージ２１に型セット１０を投入する。次に、加圧手段３３によって上プレート部３１を下方に駆動させることにより、上プレート部３１および下プレート部３２を型セット１０の上型１１および下型１２の底面に接触させ、その状態で２４０秒加熱させる。次に、加圧手段３３によって上プレート部３１を上方に駆動させることにより、上プレート部３１と上型１１の底面との接触を解き、搬送部３４によって型セット１０を隣接する高温プレスステージ２２に搬送する。ここまでを１サイクルとして、以降の高温プレスステージ２２、冷却プレスステージ２３、冷却ステージ２４および急冷ステージ２５において、プレス、冷却プレス、冷却、急冷却の工程を実施する。試作工程では、前記した４通りの冷却プレス圧力ごとに、例えば４〜１０枚のサンプルの試作を行う。

＜算出工程＞
算出工程では、サンプルについて、回転軸非対称性の各面足し合わせ結果を算出する（ステップＳ２）。算出工程では、具体的には、試作工程で試作されたサンプルのそれぞれについて、下記式（１）の値を算出する。

但し、上記式（１）において、
表ＮＲ（θ１°）は、光学素子の表の光学面をθ１°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
表ＮＲ（θ２°）は、光学素子の表の光学面をθ２°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
裏ＮＲ（θ１°）は、光学素子の裏の光学面をθ１°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
裏ＮＲ（θ２°）は、光学素子の裏の光学面をθ２°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果である。

以下に、算出工程における具体的な算出手順を示す。まず、サンプルＳの光学面について、図３〜図５に示すように、それぞれ２つの方向、０°と９０°における断面形状を表と裏とで２断面ずつ、１枚のサンプルＳにつき合計４断面を測定する。そして、各断面の設計形状に対する乖離を、±符号を考慮したニュートンリング本数（ＮＲ）に換算する。

サンプルＳの各断面の設計形状に対する乖離のニュートンリング本数への換算は、一般的に用いられる公知の方法で行うことができ、例えば下記式（３）に示す非球面式（偶数次多項式）を用いて行うことができる。

ここで、上記式（３）において、Ｚ：光軸に沿う方向の座標、Ｙ：光軸に直交する方向の座標、Ｒ_０：曲率半径、Ｋ：円錐係数、である。また、上記式（３）の第二項の「Ａ_２ｉ」は、「Ａ２：２次の非球面係数」、「Ａ４：４次の非球面係数」、「Ａ５：５次の非球面係数」というように任意の数の偶数で続く。従って、上記式（３）の第二項は「Ａ２×Ｙ２＋Ａ４×Ｙ４＋Ａ６×Ｙ６・・・」となる。

サンプルＳの各断面の設計形状に対する乖離をニュートンリング本数に換算する場合、上記式（３）のＲ_０を用いる。例えば、サンプルＳの各断面を測定して形状の点列を得た後、その点列を、例えば光学素子の設計形状の次数の上記式（３）でフィッティングし、非球面式で表したときのベストフィットＲ（理想状態でなければ設計形状のＲ_０とずれた値になる）を、Ｒ_０として用いて、ニュートンリング本数に換算する。

こうして、１枚のサンプルＳにつき、「表ＮＲ（０°）」、「表ＮＲ（９０°）」、「裏ＮＲ（０°）」および「裏ＮＲ（９０°）」の４つの値を得る。なお、ニュートンリング本数（ＮＲ）に換算する際の±符号規則は、設計形状に対して凸面の曲率半径が小さい状態と凹面の曲率半径が大きい状態とを同符号とし、凸面の曲率半径が大きい状態と凹面の曲率半径が小さい状態とを同符号、として扱う規則を用いる。本実施の形態１では、設計形状に対して凸面の曲率半径が小さい状態と凹面の曲率半径が大きい状態とを＋符号で示し、設計形状に対して凸面の曲率半径が大きい状態と凹面の曲率半径が小さい状態とを−符号で示すこととする。

サンプルＳの断面形状の測定は、例えば接触式の三次元測定機「Panasonic UA3P」を用いることができるが、これは一例であり、形状の測定方法は特に限定されない。なお、図３〜図５では、サンプルＳの凸面を表、凹面を裏としているが、表裏は任意に決定してよい。

また、断面形状を測定する際の２つの方向（θ１°，θ２°）は、「θ２°＝θ１°＋９０°」とすることが好ましい。例えば図３に示すように、断面形状の測定方向を、任意の一方向（０°）とそれに直交する方向（９０°）とにすると、面上で最も離れた方向同士を対にすることができるため、回転軸非対称性の検出感度が向上する。

なお、サンプルＳの断面形状の測定方向は、表と裏とで統一し、同じ方向の表と裏の断面形状が一平面上になり、足し合わせが意味をなすようにする。また、試作時におけるサンプルＳの成形装置１に対する方向と回転軸非対称性の発生方向とが関連している場合、サンプルＳの断面形状の測定方向と、試作時におけるサンプルＳの成形装置１に対する方向とを統一することが好ましい。本実施の形態１では、図３の０°方向が型セット１０の成形装置１内における搬送方向と一致するようにした。

以上に基づいて、１枚のサンプルＳにつき、「表ＮＲ（０°）」、「表ＮＲ（９０°）」、「裏ＮＲ（０°）」および「裏ＮＲ（９０°）」の４つの値を得た後、上記式（１）に基づいて、サンプルＳのそれぞれについて、上記式（１）の値を算出する。なお、前記したように、θ１°＝０°、θ２°＝９０°の場合、上記式（１）は下記式（２）のように示すことができる。

上記式（１）および上記式（２）において、先の中括弧は表の光学面における回転軸非対称性（アス）を意味し、後の中括弧は裏の光学面における回転軸非対称性（アス）を意味しており、表裏のアスの足し合わせが意味を成すように、測定方法および計算方向を統一した上でこれらの和を算出している。表裏で単にアスを算出し、それらを単に加算しても意味をなさないため、先に説明した手順を守る必要がある。

以下、上記式（１）で得た値の扱いについて、図６〜図１５を参照しながら説明する。

まず、サンプルＳの光学面の形状が設計形状と完全に一致している場合について、説明する。本実施の形態１において、設計形状は回転対称な形状を前提としている。このとき、仮に１枚のサンプルＳの光学面の形状が設計形状と完全に一致している場合は、図６のように示すことができる。

図６に示したサンプルＳの表の光学面は、表ＮＲ（０°）および表ＮＲ（９０°）がいずれも０であり、表のアスは０である（同図の左枠内参照）。裏の光学面についても同様であり、裏ＮＲ（０°）および裏ＮＲ（９０°）がいずれも０であり、裏のアスは０である（同図の右枠内参照）。従って、同図に示すサンプルＳの上記式（１）の算出結果は、光学素子の設計形状における上記式（１）の算出結果（＝０）と同様となる。また、同図の下枠内に示すように、サンプルＳにおいて表と裏の同じ方向の断面を対にした様子をみると、０°方向と９０°方向のいずれも同様の曲率半径であり、表と裏の断面間の間隔の中心部から外周部にかけての分布も同様となっている。

次に、サンプルＳの光学面の形状と設計形状との間に乖離がある場合の例について、図７に示す。同図に示したサンプルＳの光学面の形状は、表裏ともに、方向の異なる断面の形状がそれぞれ設計形状よりも曲率半径が小さい側、大きい側と両側に振れた状態になっている。

設計形状に対する振れ幅は、それぞれ同じニュートンリング本数２本相当である。図７に示したサンプルＳの表の光学面は、表ＮＲ（０°）が＋２、表ＮＲ（９０°）が−２、表のアスが＋４である。また、裏の光学面は、裏ＮＲ（０°）が−２、裏ＮＲ（９０°）が＋２、裏のアスが−４である。

そして、上記式（１）に示す通りこれらを加算すると、相殺されて０になる。従って、図７に示すサンプルＳの上記式（１）の算出結果は、光学素子の設計形状における上記式（１）の算出結果（＝０）と同様であり、近似性のある値となる。また、同図の下枠内に示すように、サンプルＳにおいて表と裏の同じ方向の断面を対にした様子をみると、０°方向と９０°方向とでは、０°方向のほうの曲率半径が小さくなっているものの、表と裏の断面間の間隔の中心部から外周部にかけての分布は同様となっている。このような状態であれば、各面に回転軸非対称性があったとしても、足し合わせによって相殺されていることになり、光学性能の悪化は少なくて済む。

次に、図６および図７と対照的な例として、サンプルＳの光学面の形状と設計形状との間に乖離がある場合の別の例について、図８に示す。同図に示したサンプルＳの光学面の形状は、図７と同様に、表裏ともに、方向の異なる断面の形状がそれぞれ設計形状よりも曲率半径が小さい側、大きい側と両側に振れた状態になっている。

設計形状に対する振れ幅は、それぞれ同じニュートンリング本数２本相当である。図８に示したサンプルＳの表の光学面は、表ＮＲ（０°）が＋２、表ＮＲ（９０°）が−２、表のアスが＋４である。一方、裏の光学面は、裏ＮＲ（０°）が＋２、裏ＮＲ（９０°）が−２、裏のアスが＋４であり、裏のアスの符号が図７とは反対になっている。

そして、上記式（１）に示す通りこれらを加算すると、増幅されて＋８になる。従って、図８に示すサンプルＳの上記式（１）の算出結果と、光学素子の設計形状における上記式（１）の算出結果（＝０）との差が大きく、近似性のない値となる。また、同図の下枠内に示すように、サンプルＳにおいて表と裏の同じ方向の断面を対にした様子をみると、０°方向と９０°方向では、表と裏の断面間の間隔の中心部から外周部にかけての分布が全く異なり、０°方向では外周部に近づくにつれ間隔が狭くなり、９０°方向では外周部に近づくにつれ間隔が広くなる。このような状態では、各面の回転軸非対称性が足し合わせによって相殺されていないため、光学性能が顕著に悪化してしまう。

次に、図８と対照的な例として、サンプルＳの光学面の形状と設計形状との間に乖離があり、各面に回転軸非対称性があるものの、足し合わせによって相殺される例について、図９および図１０に示す。

図９に示したサンプルＳの光学面の形状は、表裏の曲率半径がそれぞれ設計形状より小さい側および大きい側に偏りつつ、方向による曲率半径の差も出ているももの、上記式（１）による足し合わせ結果は０となり、光学素子の設計形状における上記式（１）の算出結果（＝０）と近似性の値となる。従って、各面の回転軸非対称性は足し合わせによって相殺されていることとなる。このような場合は、各面の曲率半径を、設計形状に近づくように修正したり、あるいは上型１１および下型１２の成形面を修正するといった方法を利用することにより、より設計形状に近い状態にすることができる。また、上記式（１）の算出過程においても、このような状態を把握することが可能である。

図１０に示したサンプルＳの光学面の形状は、図９と異なり、表裏の曲率半径がいずれも設計形状より小さい側に偏っているものの、図９と同様に、各面の回転軸非対称性は足し合わせによって相殺されている。このような場合も、各面の曲率半径を、設計形状に近づくように修正したり、あるいは上型１１および下型１２の成形面を修正するといった方法を利用することにより、より設計形状に近い状態にすることができる。

なお、図６〜図１０では、式（１）の値の算出過程について、メニスカス形状のサンプルＳを例に説明したが、図１１および図１２に示すような両凸形状のサンプルＳの場合や、図１３および図１４に示すような両凹形状のサンプルＳの場合も、式（１）の値を同様に算出することが可能である。なお、両凸形状のサンプルＳの場合および両凹形状のサンプルＳの場合における式（１）の値の算出過程は、メニスカス形状のサンプルＳの場合と同様であるため、説明を省略する。

＜プレス圧力特定工程＞
プレス圧力特定工程では、算出工程で算出した各面足し合わせ結果に基づいて、許容範囲内となる冷却プレス圧力Ｐ１を特定する（ステップＳ３）。プレス圧力特定工程では、具体的には、算出工程において上記式（１）で得た各値と、光学素子の設計形状について上記式（１）で得た値（以下、「設計値」という）とを比較し、予め定めた許容範囲の中で、光学素子の設計形状について設計値に対して最も近似性のない値に対応する冷却プレス圧力Ｐ１を特定する。

プレス圧力特定工程では、試作工程においてサンプルＳを試作する際に設定した冷却プレス圧力と、算出工程において試作したサンプルＳについて上記式（１）で得た値との関係から、冷却プレス圧力Ｐ１を特定する。図１５は、試作工程で設定した冷却プレス圧力と、各サンプルＳについて上記式（１）で得た値との関係を示している。同図では、冷却プレス圧力が高いほど、上記式（１）で得た値の絶対値が大きくなっているが、これは本発明に至るにあたって見出したものである。また、同図の縦軸において、前記した設計値は０であるため、サンプルＳから得た上記式（１）の値は、０に近い方が好ましい。

また、図１５に示した上記式（１）の値の許容範囲の限界は、製造工程で製造する光学素子の仕様や評価の結果を元に別途設定する。例えば、従来の各面の回転軸非対称性が許容される上限をもとに、その合計値、あるいはその合計値よりも大きい値に基づいて設定することができる。これは、従来の各面の回転軸非対称性の上限を超える光学素子は不良品と判定されていたが、両面を足し合わせた場合の性能としては許容範囲内となる場合もあり得るということを想定したものである。両面を足し合わせた場合の評価ではなく各面での評価を行う前提では、各面の上限を厳しくせざるをえないためである。但し、前記した許容範囲の限界の決定方法は一例であり、別の考え方で決定してもよい。

本実施の形態１では、各面の回転軸非対称性アスの従来の上限設定がニュートンリング本数で±１．５本であるという前提のもとで、上記式（１）の値の許容範囲を、ニュートンリング本数で±３本に設定した。

図１５に示すように、上記式（１）の値は、冷却プレス圧力（荷重換算で１１９０ｋｇｆ，１０６０ｋｇｆ，９００ｋｇｆ，５５０ｋｇｆの４通り）が大きい程、マイナス側に大きくなり、絶対値が大きくなっている。すなわち、上記式（１）の値は、冷却プレス圧力が５５０ｋｇｆの場合は０〜−１の間に分布し、冷却プレス圧力が９００ｋｇｆの場合は−０．５〜−２の間に分布し、冷却プレス圧力が１０６０ｋｇｆの場合は−１〜−２．５の間に分布し、冷却プレス圧力が１１９０ｋｇｆの場合は−２〜−３の間に分布している。

ここで、上記式（１）の値の許容範囲は、−３〜＋３、すなわち絶対値で３以内に設定しているため、試作工程で設定した全ての冷却プレス圧力が許容範囲に収まっている。このうち、上記式（１）の値が許容範囲の限界に最も近いのは、冷却プレス圧力が１１９０ｋｇｆの場合である。従って、前記した許容範囲の中で、設計値（＝０）に対して最も近似性のない値に対応する冷却プレス圧力Ｐ１として１１９０ｋｇｆを特定する。

なお、冷却プレス圧力Ｐ１の特定に際しては、試作工程の試作結果から得られる冷却プレス圧力と式（１）との関係性に基づいて、実際には試作をしていない冷却プレス圧力としてＰ１を特定しても良い。

参考として、サンプルＳの表裏のそれぞれの光学面における回転軸非対称性（アス）と冷却プレス圧力との関係を、図１６および図１７に示す。同図に示すように、表アスと裏アスの絶対値と冷却プレス圧力との間には明確な関係性は見られず、冷却プレス圧力が小さいほど表アスおよび裏アスが小さくなるという関係ではない。このことから、上記式（１）に従って、各面の回転軸非対称性を足し合わせて評価することにより、図１５のような関係性を見出すことができ、かつ冷却プレス圧力Ｐ１を特定可能であることがわかる。

＜製造工程＞
製造工程では、プレス圧力特定工程で特定した冷却プレス圧力Ｐ１以下の冷却プレス圧力で冷却プレスを行って光学素子を製造する（ステップＳ４）。すなわち、製造工程では、具体的には、冷却プレスステージ２３で実施する冷却プレス工程における最大プレス圧力を、プレス圧力特定工程で特定した冷却プレス圧力Ｐ１以下に設定する。製造工程では、７つの型セット１０を用い、各型セット１０の上型１１および下型１２間に成形素材Ｍを配置し、成形装置１に投入して光学素子の製造を行う。

製造工程では、例えば循環サイクル：２４０秒、加熱ステージ２１の温度：５９０℃、高温プレスステージ２２の温度：６２０℃、冷却プレスステージ２３の温度：４９０℃、冷却ステージ２４の温度：３５０℃、急冷ステージ２５の温度：室温とした上で、冷却プレス圧力を荷重換算で１０６０ｋｇｆに設定して光学素子を製造する。なお、高温プレスステージ２２におけるプレス圧力は、試作工程と同様に、例えば荷重換算で４５０ｋｇｆになるように設定する。

ここで、前記したプレス圧力特定工程で特定した冷却プレス圧力Ｐ１は１１９０ｋｇｆであるが、上記式（１）の値がより設計値（＝０）に近づくように余裕をみて、１１９０ｋｇｆよりも小さい値（例えば１０６０ｋｇｆ）に設定することが好ましい。

また、製造工程における冷却プレス圧力の下限は、光学素子の各面の回転軸非対称性の足し合わせとは異なる要素を考慮して決めることができる。冷却プレス圧力の下限は、例えば光学素子の設計形状に対する曲率半径の乖離が、曲率半径の小さい側、大きい側に偏らないようにしたり、光学面のヒケ、冷却途中における型セット１０と成形素材Ｍとの部分的な離型といった転写不良を起こさないことや、これらに関連して形状の再現性が悪化しない程度に十分に高い圧力に設定することができる。

また、製造工程における冷却プレス圧力の下限を判断するために、必要に応じて光学素子の追加の試作を行ってもよい。本実施の形態１では、試作工程において冷却プレス圧力が５５０ｋｇｆの場合に光学面の形状再現性が悪化し、９００ｋｇｆ以上の場合は再現性が良好であったため、９００ｋｇｆが冷却プレス圧力として設定する下限であると判断し、余裕をみて、冷却プレス圧力を１０６０ｋｇｆに設定した。なお、例えば直径２５ｍｍ以上の光学素子を製造する場合は、冷却プレスステージ２３で実施する冷却プレス工程における最大プレス圧力としてのプレス圧力Ｐ１を１１９０ｋｇｆに設定し、９００ｋｇｆ〜１１９０ｋｇｆの範囲内で冷却プレスを行うことが好ましい。

以上説明したような本発明の実施の形態１に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法によれば、光学素子の光学面の回転軸非対称性を足し合わせて評価することにより、当該評価結果に基づいて光学素子の成形条件を適正に設定することが可能となる。従って、光学面の回転軸非対称性の光学面同士の足し合わせ結果に起因する光学素子の性能低下を抑制することができる。

なお、本発明にあたっては、別の成形方式として固定金型方式を選択し、試作工程における冷却プレス圧力を５５０ｋｇｆに設定した試作も行っている。この試作では、型セットを６２０℃まで加熱した後に４５０ｋｇｆのプレス圧力でプレスを行い、その後０．２℃／秒で型セットが４９０℃に冷えるまで冷却する間に、５５０ｋｇｆの冷却プレスを継続し、その後２００℃まで急冷して光学素子を取り出した。

この場合、上記式（１）の値は、金型循環方式の試作結果に近い結果が得られたが、循環方式の試作結果とは異なり、光学面の形状再現性の悪化はみられなかった。これは、固定金型方式では、冷却プレス中の金型冷却速度が０．２℃／秒と緩やかであるため、５５０ｋｇｆと比較的小さい冷却プレス圧力であっても、型セットと光学素子との温度差がつきにくくなり、光学面のヒケ、冷却途中における型セットと成形素材との部分的な離型といった転写不良が生じなかったためである。つまり、金型循環方式における９００ｋｇｆ以上という高い冷却プレス圧力は、金型循環方式では型セットを急速に冷却することで生産性が高まる一方、大きな荷重が必要になることを見出した結果に基づくものである。従って、９００ｋｇｆ以上という高い冷却プレス圧力は、型セットの冷却速度が早い場合、特に本実施の形態１のような金型循環方式の成形方式において、芯取り後の直径が２５ｍｍ以上のメニスカス形状の光学素子を製造するにあたって意味のある数値である。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法について、図１８を参照しながら説明する。実施の形態２は、上記式（１）の値の算出を１通りではなく２通り行う点が、実施の形態１と異なる。本実施の形態２では、実施の形態１と同様に、試作工程と、算出工程と、プレス圧力特定工程と、製造工程と、を順に行う。そのうち、算出工程以外は同様であるため、説明を省略する。

＜算出工程＞
算出工程では、試作工程で試作されたサンプルＳのそれぞれについて、上記式（１）の値を算出する。算出工程では、サンプルＳの光学面について、図１８に示すように、それぞれ４つの方向、０°と９０°と４５°と−４５°における断面形状を表と裏とで４断面ずつ、１枚のサンプルＳにつき合計８断面を測定する。そして、各断面の設計形状に対する乖離を、±符号を考慮したニュートンリング本数（ＮＲ）に換算する。設計形状に対する形状の乖離のニュートンリング本数への換算は、一般的に用いられる公知の方法で行う。

こうして、１枚のサンプルＳにつき、「表ＮＲ（０°）」、「表ＮＲ（９０°）」、「裏ＮＲ（０°）」、「裏ＮＲ（９０°）」、「表ＮＲ（４５°）」、「表ＮＲ（−４５°）」、「裏ＮＲ（４５°）」、「裏ＮＲ（−４５°）」の８つの値を得る。

また、断面形状を測定する際の４つの方向は、図１８に示すように、任意の一方向（０°）とそれに直交する方向（９０°）とを選択するのに加え、その中間に位置する（４５°）と（−４５°）とを選択することにより、面上で最も離れた方向同士の二組を対にすることができ、回転軸非対称性の検出感度が高まる。

なお、サンプルＳの断面形状の測定方向は、表と裏とで統一し、同じ方向の表と裏の断面形状が一平面上になり、足し合わせが意味をなすようにするのは実施の形態１と同様である。また、試作時におけるサンプルＳの成形装置１に対する方向と回転軸非対称性の発生方向とが関連している場合、サンプルＳの断面形状の測定方向と、試作時におけるサンプルＳの成形装置１に対する方向とを統一することが好ましい。

以上に基づいて、１枚のサンプルＳにつき８つの値を得た後、上記式（１）の２通りの計算結果として、以下に式（２）および式（４）に示すように、回転軸非対称性の各面足し合わせ結果を算出する。

上記式（２）および上記式（４）で算出した値の扱いは実施の形態１と同様であり（図６〜図１５参照）、光学素子の設計形状について上記式（１）から得られる値（設計値）は０とする。実施の形態２では、上記式（２）および上記式（４）で得られた２つの値のうち、絶対値が大きく、設計値（＝０）との近似性がよりないほうの値を採用する。そして、以降のプレス圧力特定工程および製造工程を実施する。

ここで、サンプルＳの各面の回転軸非対称性（アス）を測定する際に、サンプルＳの断面形状の測定方向の数が少なかったり、あるいは測定方向によっては、検出できない場合がある。一方、本実施の形態２に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法によれば、各面の回転軸非対称性の足し合わせ結果の良し悪しが測定方向によって左右されるような場合であっても、足し合わせ結果が悪い測定方向をより確実に検出することができるため、上記式（１）の値と冷却プレス圧力との関係から、冷却プレス工程における最大プレス圧力である冷却プレス圧力Ｐ１を特定することができる。

（変形例）
本発明の実施の形態１，２に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子の製造方法の変形例について、説明する。本変形例は、実施の形態１，２で用いた上記式（１）の値と対応関係がある特性値として、サンプルを光学的に評価した結果の値を用いる点が、実施の形態１，２と異なる。

一般に、光学素子を透過した光の波面を評価するのに用いられる測定機としてマッハツェンダー型干渉計が知られている。これは、基準となる光学素子を透過した波面と、サンプルの光学素子を透過した波面とを干渉させたときの干渉縞をもとに、サンプルの光学素子の性能を評価するものである。

前記した測定機による透過波面の評価結果は、光学素子の各面の形状、回転軸非対称性、光学素子内部の屈折率分布、光学素子の肉厚、光学素子の各面間のずれ（シフト、チルト）といった影響が合算されたものになる。そのため、本発明に係る評価方法が対象としている、回転軸非対称性の各面足し合わせ結果に近い特性が、他の要素との合算として検出されることになる。

実施の形態１の試作工程において試作したサンプルＳをマッハツェンダー型干渉計で評価した結果を図１９に示す。透過波面のうちのアス成分に着目した場合、冷却プレス圧力との対応関係があるという結果であり、透過波面のアス成分の許容範囲を適切に設定することにより、冷却プレス工程における冷却プレス圧力Ｐ１を決定することができる。

このように、試作したサンプルＳをマッハツェンダー型干渉計を用いて評価することによっても、冷却プレス工程における冷却プレス圧力Ｐ１を決定できる場合がある。各面の回転軸非対称性の足し合わせ以外の要素にも、回転軸非対称性の足し合わせ結果と相反しない方向で冷却プレス圧力との対応関係があるか、あるいは各面の回転軸非対称性の足し合わせ以外の要素が透過波面アス成分に与える影響が相対的に小さい場合においては、本変形例に係る方法も実用的に用いることができる。

以上、本発明に係る光学素子の評価方法、光学素子の成形条件特定方法および光学素子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。

１ 成形装置
１０ 型セット
１１ 上型
１２ 下型
１３ 胴型
２０ 成形室
２１ 加熱ステージ
２２ 高温プレスステージ
２３ 冷却プレスステージ
２４ 冷却ステージ
２５ 急冷ステージ
３１ 上プレート部
３２ 下プレート部
３３ 加圧手段
３４ 搬送部
Ｓ サンプル

Claims (5)

1. 所定のプレス圧力で成形素材を押圧成形して得た表裏２つの光学面を備える光学素子の非対称性を評価する光学素子の評価方法であって、
   前記所定のプレス圧力で製造された前記光学素子について、下記式（１）で算出した値に基づき光学素子の非対称性を評価することを特徴とする光学素子の評価方法。
   但し、上記式（１）において、
   表ＮＲ（θ１°）は、光学素子の表の光学面をθ１°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
   表ＮＲ（θ２°）は、光学素子の表の光学面をθ２°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
   裏ＮＲ（θ１°）は、光学素子の裏の光学面をθ１°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
   裏ＮＲ（θ２°）は、光学素子の裏の光学面をθ２°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果である。
2. 前記θ２°は、θ１°＋９０°であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の評価方法。
3. 所定のプレス圧力で成形素材を押圧成形することにより表裏２つの光学面を備える光学素子を製造する際の成形条件を特定するための光学素子の成形条件特定方法であって、
   複数の異なるプレス圧力でサンプルの光学素子を試作する試作工程と、
   前記サンプルの光学素子のそれぞれについて、下記式（１）の値を算出する算出工程と、
   前記算出工程において算出した各値と、光学素子の設計形状について下記式（１）から得られる値とを比較し、予め定めた許容範囲の中で、前記設計形状について上記式（１）から得られる値に対して最も近似性のない値に対応するプレス圧力Ｐ１を特定するプレス圧力特定工程と、
   を含むことを特徴とする光学素子の成形条件特定方法。
   但し、上記式（１）において、
   表ＮＲ（θ１°）は、光学素子の表の光学面をθ１°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
   表ＮＲ（θ２°）は、光学素子の表の光学面をθ２°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
   裏ＮＲ（θ１°）は、光学素子の裏の光学面をθ１°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果であり、
   裏ＮＲ（θ２°）は、光学素子の裏の光学面をθ２°方向に形状測定した結果と、光学素子の設計形状とのずれを、±を考慮したニュートンリング本数に換算した結果である。
4. 所定のプレス圧力で成形素材を押圧成形することにより表裏２つの光学面を備える光学素子を製造する光学素子の製造方法であって、
   請求項３に記載の光学素子の成形条件特定方法によって特定したプレス圧力Ｐ１以下の冷却プレス圧力で冷却プレスを行う冷却プレス工程を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
5. 直径２５ｍｍ以上の光学素子を製造する際に、前記冷却プレス工程における最大プレス圧力としての前記プレス圧力Ｐ１を１１９０ｋｇｆに設定し、９００ｋｇｆ〜１１９０ｋｇｆの範囲内で冷却プレスを行うことを特徴とする請求項４に記載の光学素子の製造方法。