JP2965111B2

JP2965111B2 - 光学素子の成形用型およびその製造方法

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Publication number: JP2965111B2
Application number: JP12208193A
Authority: JP
Inventors: 昌之冨田
Original assignee: Canon Inc
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Priority date: 1992-06-02
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1999-10-18
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Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加熱軟化したガラス素
材を加圧成形することによって、高精度なガラスレンズ
などの光学素子を成形する、光学素子の成形用型および
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、加熱軟化したガラス素材を成形用
型でプレス成形して、所要の光学素子を製造する方法が
開発されている。これは、特に、光学機器の小型化、軽
量化に有効な非球面形状のレンズを得るのに、決定的な
役割を果している。因に、非球面形状の上記レンズは、
その研磨加工が困難であり、従って、上記プレス成形の
段階で、成形用型の成形面からの転写により、所定の表
面精度を有する光学機能面を確保しなければならない。

【０００３】そこで、従来から、例えば、米国特許４、
８５４、９５８号明細書に開示してあるように、成形用
型の成形面を、ガラス素材に対して高精度に転写するた
め、ガラス素材をプレス成形した後、そのガラスの粘度
で１０¹¹〜１０¹²ポアズに相当する温度に冷却されるま
で、上記成形用型に所要の圧力を負荷して置き、その
後、型開きして、成形された光学素子を成形用型から取
出すようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この場合、成
形用型内でのガラス素材の熱膨張係数と、型部材の熱膨
張係数との相違から、冷却過程で熱応力が発生し、これ
が型開きの後、成形された光学素子に形状変形を起こさ
せる原因となる。特に、成形される光学素子が、両面が
凹形のレンズあるいは凹メニスカスレンズである場合に
は、上記成形用型の成形面がガラス素材に精度良く転写
されず、光学機能面にクセを生じることがある。その悪
い影響は、レンズ中心肉厚とレンズ外周部肉厚との比が
大きい場合に顕著となる。

【０００５】

【発明の目的】本発明は上記事情に基いてなされたもの
で、プレス成形時温度から離型温度までの冷却過程にお
いて、そのガラス素材の粘度が１０¹²〜１０¹⁵ポアズに
相当する温度領域では、上記ガラス素材が著しい粘弾性
特性を示し、それが大きく上記熱応力に影響する点を考
慮して、数値解析を行ない、これを基にして、成形され
た光学素子の光学機能面が、設計上、設定された光学機
能面に適合するような成形面を決定した成形用型、およ
び、その製造方法を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の成形
用型およびその製造方法では、成形用型を用いて光学素
子材料をプレス成形する際、予定された成形プロセスの
冷却過程で、上記光学素子材料の粘弾性温度領域および
弾性温度領域において成形用型内の光学素子成形品に発
生する熱応力を、上記光学素子材料の粘弾性特性に基い
て数値解析し、上記成形用型で成形した光学素子の室温
での光学機能面と設計上で設定された光学機能面との誤
差が許容範囲に納まるように、上記数値解析で得られた
値を基にした成形用型の成形面の補正を行ない、設計上
で設定された上記光学機能面の形状に適合する成形面を
決定している。

【０００７】この場合、上記熱応力の数値解析には、そ
の熱応力の発生時期の温度履歴および／あるいはプレス
圧力の履歴が、その計算基礎に加えられてもよい。ま
た、上記成形面は、コンピュータ・シミュレーションに
よって、数次にわたって、上記数値解析で得られた値を
基にしてその補正値が決定されるとよい。また、上記成
形面は、上記数値解析で得られた値を基にして補正さ
れ、その補正成形面を有する成形用型を実際に用いて光
学素子成形品を成形し、その光学素子成形品の室温での
光学機能面と設計上で設定された上記光学機能面との誤
差が許容範囲に納まるまで、数次にわたって、繰返して
補正することにより、決定されてもよい。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の成形用型およびその製造方法
を図示の実施例に基いて具体的に説明する。先ず、ここ
では、上記成形用型を用いての成形プロセスについて、
一通り、説明する。この成形プロセスでは、両側が凹形
のレンズ（例えば、直径：１５ｍｍφ、中心肉厚：０．
８ｍｍ、光学機能面の曲率半径：Ｒ＝３０ｍｍ）を球形
のガラスブランクから成形する場合が示されている。な
お、ここで使用するガラスブランクは重クラウンガラス
ＳＫ１２のガラス素材１であり、例えば、予め、直径：
１５ｍｍφ、中心肉厚：１．２ｍｍ、光学機能面の曲率
半径：Ｒ＝３１ｍｍの両面凹形をなした形に生成されて
いる。図１に示す成形型は、例えば、Ｗ−Ｃ合金で作ら
れていて、ケ−シング（図示せず）に収容されており、
上記ケ−シングは、例えば、１×１０^-2Ｔｏｒｒに減圧
された後、窒素ガスを導入している。そして、上記成形
用型を構成する上の型部材２および下の型部材３が、こ
れらを囲む胴型４に設けたヒ−タ（図示せず）などによ
って６２０℃（ガラス粘度で１０^9.7 ポアズ）近くまで
加熱される。上記型部材２および３が上記温度迄昇温さ
れた時、予め同じケ−シング内で予備加熱（例えば、６
２０℃）しておいた上記ガラス素材１を吸着ハンド９な
どを使用して吸着し、上記胴型４に開口した出入り口か
ら下の型部材３の成形面３ａ上に載せる（図１（ａ）参
照）。なお、上記胴型４はベース５上に装備されてい
る。

【０００９】そして、ラムなどの操作手段６を介して上
記上の型部材２を下降し、プレス成形を行う。なお、上
記ガラス素材１は、上述のように、予め、６２０℃（ガ
ラス粘度で１０^9.7 ポアズ）まで加熱しておいて、型部
材２および３の間に装填しても良いが、装填した後、そ
の温度まで加熱するようにしてもよい。そして、型部材
２の上縁に設けたストッパ部が上記胴型４の上面４ａに
接するまで、上記型部材２の下降を続けるが、その間、
上記温度が維持され、ガラス素材の均熱化が図られる。
所要の時間が経過する過程で、上記型部材２および３の
各成形面２ａおよび３ａを、上記ガラス素材１の表面に
転写させ、かくして、上記ガラス素材１は所定の成形品
７に成形される（図１（ｂ）参照）。なお、この際の加
圧荷重は３２０ｋｇｆであり、成形品７の厚さは、上記
ストッパ部が上記胴型４の上面４ａに接するレベルで決
定される。

【００１０】その後、ヒ−タヘの通電を断ち、それぞれ
の型部材２および３に設けた冷却通路（図示せず）に、
例えば、窒素ガスなどを通して、冷却を行う。そして、
成形品（光学素子）７がガラス転移点温度以下、例えば
４８０℃になった時点（型圧は０）で、型開きし、上記
成形品を取出すのである（図１（ｃ）参照）。なお、冷
却中に、成形用型内で成形品に不均一な温度分布を生じ
ないようにするため、その冷却速度を、例えば、毎分２
０℃としている。

【００１１】次に、このような成形プロセスの冷却過程
において、成形用型とガラス素材との間の熱膨張係数の
相違による熱応力の発生状況を考察する。以下に掲げる
表１は上記ガラス素材の熱特性温度を示し、表２は成形
プロセスの冷却過程でのガラス素材と成形用型の機械的
性質を示している。

【００１２】

【表１】

【００１３】

【表２】なお、図１２には、成形プロセスの冷却過程におけるガ
ラス素材と成形用型との１０℃毎の熱膨張率の変化を示
している。ガラス素材の熱膨張率は、成形用型のそれに
比べると大きく、特に、高温域で顕著に変化することが
わかる。

【００１４】また、上記成形プロセスの冷却過程におけ
るガラス素材の粘弾性特性は、ガラス粘度で１０¹²〜１
０¹⁵ポアズに相当する温度領域で顕著であり、これは、
成形温度（６２０℃）と離型温度（４８０℃）との間に
ある。一般に、粘弾性特性のある物質は、応力状態の解
析の上で、２つの特有な現象を伴うのであって、その１
つは粘弾性物質に一定力を負荷すると変形を持続するク
リープ現象であり、他の１つは応力を有する粘弾性物質
を一定温度で保持すると上記応力が減少していく応力緩
和現象である。

【００１５】本発明者は、光学素子の成形に際して、熱
応力の発生につき、考慮すべき事柄は、上記クリープ現
象および応力緩和現象であると判断し、この点について
の検証を行なった。先ず、粘弾性の温度領域にあるガラ
ス試料を一定温度に保ったまま、３点曲げ状態で、一定
の負荷を加え続ける曲げ試験を行ない、試料の撓み量を
測定し、以下の式よりクリープ変形の容易性を示すクリ
ープ・コンプライアンスを求める。Ｄ_C （ｔ，Ｔ）＝４ｂｄ³ ／ｌ³ ×ｖ（ｔ）／ＷＯなお、上の式で、Ｄ_C （ｔ，Ｔ）は温度Ｔ℃における、
負荷後ｔ秒後のクリープ・コンプライアンス、ｂは試験
片の幅、ｄは試験片の長さ、ｌはスパン間距離、ｖ
（ｔ）は負荷後ｔ秒後の荷重点における撓み、ＷＯは荷
重である。

【００１６】図３には、本発明の上記実施例に係るガラ
スについて、その各温度におけるクリープ・コンプライ
アンスが示されている。ここでは、粘弾性温度領域にお
けるガラスは、熱レオロジー的に単純な性質を有するの
で、各温度におけるクリープ・コンプライアンス曲線
を、左右に平行移動することにより、１本のクリープ・
コンプライアンス曲線（図４にマスターカーブで示され
る）にまとめることができる。

【００１７】このように、クリープ・コンプライアンス
のマスター・カーブを得るには、各温度のクリープ・コ
ンプライアンス曲線を、或る時間分、平行移動して求め
ているが、この温度と時間との関係は、時間・温度シフ
トファクター（図６参照）で表わすことができる。ここ
に示すガラスの時間・温度シフトファクターは、２本の
直線（アレニュースの式）で近似でき、その交点の温度
は、ガラス転移点温度よりもやや低い温度である。

【００１８】一方、粘弾性物質において、通常の弾性物
質における弾性係数に相当する緩和弾性係数は、応力緩
和現象の影響があるため、温度および時間の関数として
とりあげることが出来るが、ここで対象とするガラスが
熱レオロジー的な単純な性質を有するので、上述のクリ
ープ・コンプライアンスと同様なマスター・カーブ（一
般に、緩和弾性係数のマスターカーブは、図４のクリー
プ・コンプライアンスのマスターカーブの逆数で近似で
きる）を得ることができる（図５を参照）。

【００１９】即ち、上述のような、熱レオロジー的に単
純な性質の粘弾性物質の場合、図５の緩和弾性係数のマ
スターカーブと、図６の時間・温度シフトファクターと
から、その或る温度Ｔ℃における緩和弾性係数Ｅ_r
（ｔ，Ｔ）を求めることにより、その応力σと歪εの関
係、すなわち、構成方程式を線形粘弾性理論での履歴積
分の式（以下に示す）によって表わすことができる。すなわち、この構成方程式を用いて有限要素法により数
値解析すれば、粘弾性物質の応力緩和現象を考慮した熱
応力を計算により求めることができる。

【００２０】そこで、数値解析に粘弾性特性を取入れる
ために、緩和弾性係数のマスターカーブと時間・温度シ
フトファクターの数式化が必要になる。時間・温度シフ
トファクターに関しては、上述のようにアレニュースの
式で近似する。また、緩和弾性係数のマスターカーブ
は、プロニー展開によって近似する。

【００２１】このようにして、粘弾性温度領域のガラス
のクリープ・コンプライアンスを測定し、緩和弾性係数
のマスター・カーブおよび時間・温度シフトファクター
を求めることができ、その結果、粘弾性物質の応力緩和
現象を数値解析でき、冷却中の光学素子に発生する熱応
力を粘弾性による応力緩和を考慮して解析できることに
なる。

【００２２】このような成形プロセスにおける成形用型
の成形面の関する補正は、以下のようにしてなされる。
すなわち、図１（ｄ）で概略的に示すようなプロセスに
従って、成形用型を用いて光学素子材料をプレス成形す
る際、予定された成形プロセスの冷却過程で、上記光学
素子材料の粘弾性温度領域および弾性温度領域において
成形用型内の光学素子成形品に発生する熱応力を、上記
光学素子材料の粘弾性特性に基いて数値解析し、上記成
形用型で成形した光学素子の室温での光学機能面と設計
上で設定された光学機能面との誤差が許容範囲に納まる
ように、上記数値解析で得られた値を基にした成形用型
の成形面の補正を行ない、設計上で設定された上記光学
機能面の形状に適合する成形面を決定するのである。

【００２３】この計算手順を、上記実施例に基いて、具
体的に説明する。なお、ここでの熱応力の数値解析に
は、その熱応力の発生時期の温度履歴および／あるいは
プレス圧力の履歴が、その計算基礎に加えられている。
先ず、光学素子成形品が加圧成形の温度（６２０℃）か
ら５６０℃まで冷却される間は、上記光学素子成形品は
粘性状態にあるものと考えると、この間に発生する熱応
力は、既に述べたように、瞬時に緩和されるので、上記
光学素子成形品内には応力が残らないと仮定することが
出来る。

【００２４】次に、上記光学素子成形品が５６０℃から
５００℃まで冷却されると、その間は、上記光学素子成
形品は粘弾性状態にあるものと考えると、この間に発生
する熱応力は、粘弾性による応力緩和現象を考慮して数
値解析できる。ここでは、上記数値解析を有限要素法を
用いて行なっている。すなわち、材料のクリープ試験か
ら得た図５の緩和弾性係数のマスター・カーブと、図６
の時間・温度シフトファクターとの値を、有限要素法構
造解析プログラムに組み込み、冷却中の光学素子成形品
内に発生する熱応力を粘弾性による応力緩和現象を考慮
して数値計算するのである。この場合、材料の粘弾性特
性、および、図１２に示す熱膨張率の非線形性を考慮す
るために、この温度領域における熱応力の数値計算は６
０ステップに分けて行なわれた。

【００２５】そして、最後に、光学素子成形品が５００
℃から室温まで冷却される間は、上記光学素子成形品は
弾性状態にあると考えると、この間に発生する応力は、
有限要素法で数値計算できる。すなわち、この実施例で
は、加圧成形から離型までの間、光学素子成形品の光学
機能面と成形用型の成形面とは、互いに密着状態にあっ
て、冷却されていると考えられるので、５００℃から４
８０℃までの冷却中に光学素子成形品内部で増加する熱
応力を数値計算する。そして、４８０℃で離型される
と、上記光学素子成形品は、成形用型部材による拘束を
解除され、残留熱応力で変形を起こす。この光学素子成
形品の形状変化を、上述の有限要素法による弾性計算で
解析し、更に、この光学素子成形品の室温までの冷却で
起こる形状変化を、同じく有限要素法で解析する。この
場合、図１２に示す材料の熱膨張率の非線形性を考慮す
るために、この温度領域における熱応力の数値計算は４
０ステップに分けて行なわれた。なお、上記実施例で
は、成形用型内で冷却中の光学素子成形品、および、上
記型に、不均一な温度分布が無いものとして、熱応力が
計算されている。

【００２６】上記数値計算プロセスの具体的なフロー
が、図３３ないし図３７に示されている。図３３のフロ
ーチャートは、数値計算の全体プロセスを総括的に示す
ものであり、ここにおいて、ステップＳ１では、先ず、
光学素子の光学機能面に関して、その目標とする理想形
状の数値データが、成形用型部材の成形面の初期設計値
として、取り込まれる。次に、ステップＳ２では、有限
要素法により、与えられた条件で、完成時に予想される
成形品の光学機能面の形状を計算する。このためには、
数値計算に必要な諸々のデータが予め揃えられていなけ
ればならない。従って、このステップＳ２では、別の測
定プロセスＰ１で、成形用型部材およびガラス素材のヤ
ング率、ポアソン比、熱膨張係数、比熱、熱伝導率、熱
伝達率などを測定し、データＤＡとして、計算メモリに
蓄積しておく。また、測定プロセスＰ２で、粘弾性領域
でのガラスのクリープコンプライアンスを測定し、更
に、プロセスＰ３で、クリープコンプライアンスのマス
ターカーブを求め、プロセスＰ４で、シフトファクター
を、また、プロセスＰ５で、緩和弾性係数のマスターカ
ーブを求め、その結果を、データＤＢとして、計算メモ
リに蓄積する。このほかに、条件として、前述のような
冷却温度、冷却中のプレス圧などを設定する。

【００２７】しかして、ステップＳ２では、粘弾性領域
での成形用型部材とガラス成形品との熱応力を計算し、
離型するまでの弾性領域での成形用型部材とガラス成形
品との熱応力を計算し、また、離型によるガラス成形品
の変形量（スプリング・バック）を計算する。更に、室
温まで冷却した場合のガラス成形品の形状に関する数値
を計算する。その最終値は、ステップＳ３で、後述する
ように、最初の設計形状の値と比較され、そのクセ量が
求められる。そして、ステップＳ４で、ガラス成形品の
光学機能面の形状の計算値が、設計公差の範囲にあるか
否かの判断がなされ、公差内になければ、ステップＳ５
で、成形用型部材の初期の形状の数値データを補正し、
再度、ステップＳ２にフィードバックするが、公差範囲
にあれば、これを成形用型部材の成形面の形状に関する
設計値として、ステップＳ６で取り上げ、ＮＣ制御の研
削加工機、成形面の研磨加工機のデータとして採用する
のである。

【００２８】上述のステップＳ２についての詳細な具体
的フローが、図３４および図３５に示されている。即
ち、図３４のステップＳ１０１では、室温での成形用型
部材の形状に関するデータが入力され、ステップＳ１０
２で、５６０℃での成形用型部材の形状が計算される
（ここでは、上述のデータＤＡのヤング率、ポアソン
比、熱膨張係数から、有限要素法により、型の熱膨張に
よる変形を、弾性熱応力解析で求める）。次に、ステッ
プＳ１０３で、５６０℃の成形用型部材にガラス成形品
が入った状態での成形品の形状を入力する（ここでは、
成形用型部材およびガラス成形品は、両方とも、無応力
である）。

【００２９】そして、ステップＳ１０４で、１ステップ
の温度降下量（１℃）を決定するのである（温度降下量
ΔＴ＝（５６０−５００）／６０＝１）。次に、ステッ
プＳ１０５では、成形用型部材の温度Ｔ₀ （制御点）
を、１ステップ分、降下する。即ち、Ｔ₀ ＝Ｔ₀ −ΔＴ
を実行する（初期値は５６０℃）。次に、ステップＳ１
０６で、データＤＡの比熱、熱伝導率、熱伝達率、およ
び、冷却速度から、１ステップ温度降下した時の成形用
型部材とガラス成形品の温度分布を計算する（ここで
は、有限要素法で、熱解析を実行し、温度分布Ｔ_(r,Z)
を計算する。なお、初期値Ｔ_(r,Z) ＝５６０℃）。次の
ステップＳ１０７では、データＤＡ、ＤＢのヤング率、
ポアソン比、熱膨張係数、粘弾性特性（緩和弾性係数、
シフトファクター）、および、冷却速度、冷却中のプレ
ス圧の条件から、１ステップの温度降下による温度分布
で発生する熱応力の増分Δσを求め、そして、その時の
応力分布σ_(r,Z) を求める（ここでは、有限要素法で、
粘弾性熱応力解析を行ない、Δσ_(r,Z) を求め、応力分
布をσ_(r,Z) ＝σ_(r,Z) ＋Δσ_(r,Z) で計算する。な
お、初期値σ_(r,Z) ＝０）。なお、上述のＴ_(r,Z) およ
びσ_(r,Z) の各ｒおよびＺは、ガラス成形品の半径方
向、成形用型部材のプレス方向の応力座標系を示してい
る。そして、次のステップＳ１０８では、Ｔ₀ ＝５００
℃になったか否かを判定し、これが成立するまで、ステ
ップＳ１０４へのフィードバックが持続されるのであ
る。このようにして、５６０℃〜５００℃の粘弾性領域
の応力分布を温度降下ステップ毎に求め、最終的には、
ステップＳ１０９で、５００℃における応力分布の値、
σ_(r,Z) を得ることができる。

【００３０】続いて、図３５に示すフローに移る。ここ
では、前述のステップＳ１０４〜Ｓ１０８と同様に、ス
テップＳ２０１〜Ｓ２０５において、５００℃〜４８０
℃（離型温度）の弾性領域の応力分布を温度降下ステッ
プ毎に求めるのである（これは、図面を参照すること
で、十分理解できるので、このフローの詳細な説明は省
略する）。次に、ステップＳ２０６で、離型後のガラス
成形品の形状に関する数値計算を実行する（実際の成形
では、４８０℃で離型し、成形用型部材によるガラス成
形品に対する拘束が解除されるので、その条件で、有限
要素法により弾性解析がなされる。すなわち、残留熱応
力のポテンシャル・エネルギーが最も小さくなる形状へ
の弾性変形（スプリング・バック現象）が起こるので、
その計算を行なう）。

【００３１】次に、前述のステップＳ１０４〜Ｓ１０８
と同様に、ステップＳ２０７〜Ｓ２１１において、４８
０℃（離型温度）〜２０℃（室温）の弾性領域の応力分
布を温度降下ステップ毎に求めるのである（これは、図
面を参照することで、十分理解できるので、このフロー
の詳細な説明は省略する）。その結果、最終的に、室温
での成形品の光学機能面の形状が、上述のシュミレーシ
ョンで、正確に得られることになる（ステップＳ２１
２）。

【００３２】このようにして数値解析された補正値を用
いて、成形用型の成形面の形成を行なった場合、上述の
ステップＳ３およびＳ４において、その成形用型で成形
された光学素子の光学機能面の状況を検証するには、フ
ィゾー式のレーザ干渉計を用いて、干渉縞を写出す写真
の場合のように、画像化によって可視的に検証するのが
有効である。

【００３３】図３６および図３７には、上記ステップＳ
３およびＳ４における具体的な処理プロセスがそれぞれ
示されている。図３６において、ステップＳ３０１で
は、前述のステップＳ２１２で得られた室温でのガラス
成形品の光学機能面の形状（ガラスの粘弾性を考慮した
熱応力解析から得れられた座標値Ｚ（ｒ））を、最初に
与えられた設計値Ｚ_S （ｒ）と比較し、そのズレ量ΔＺ
（ｒ）＝Ｚ（ｒ）−Ｚ_S（ｒ）を求める。そして、ステ
ップＳ３０２で、上記ズレ量をニュートン縞の干渉縞で
表示する（ここでは、ΔＺ（ｒ）＝（λ／２）ｎの時、
黒、ΔＺ（ｒ）≠（λ／２）ｎの時、白とする。なお、
λ＝６３２．８ｎｍ）。その結果は、ステップＳ３０３
で、モニタ上の目視によって干渉縞の形がみやすいかが
判定され、判定が良ければ、このルーチンを抜けるが、
判定が悪ければ、ステップＳ３０４で、設計上の光学機
能面とガラス成形品の光学機能面とのチルト角を変える
ことにより、干渉縞の形を変える。そして、チルトした
状態での設計値からのズレ量、ΔＺ_t （ｒ）＝Ｚ（ｒ）
−Ｚ_tS（ｒ）をステップＳ３０５で計算し、再び、ステ
ップＳ３０１に戻る。このように、モニタに干渉縞の形
で、ガラス成形品のクセ（設計値からのズレ）を表現す
るので、クセ量が、設計公差内かどうかの判断が、容易
になる。

【００３４】また、図３７において、ステップＳ４０１
では、ガラス成形品の光学機能面の設定値と初期設計値
とを比較し、そのズレ量ΔＺ（ｒ）を求め、ステップＳ
４０２で、成形用型部材の成形面の初期設計値（補正
が、２回目以降の場合には、前回補正結果の値）に、補
正値として加算する（Ｚ_k （ｒ）＝Ｚ_k （ｒ）＋ΔＺ
（ｒ））。かくして、成形用型部材の理想的な設計値が
求められるのである。

【００３５】図８には、上記数値解析の結果に基く成形
用型の補正を行なわない場合の光学機能面の干渉縞の画
像化の具体例を示している。ここで示す画像は、Ｈｅ−
Ｎｅレーザを用いた場合の干渉縞に相当しているから、
干渉縞１本は、０．３１６４μｍの球面からのずれに相
当する。今回の計算結果（判定で不可）は、光学素子成
形品がニュートン３本（所望の球面形状から約１μｍの
ずれ）のクセを持っていることを示しており、このよう
な光学機能面の精度では、上記光学素子をフォーカル・
プレーン・シャッター・カメラ（一眼レフ・カメラ）の
レンズなどの高精度光学部品には使用できない。

【００３６】また、図９には、実際に、上記成形用型を
用いて、光学素子を成形し、その光学機能面をレーザ干
渉計で、写真に示した干渉縞が示されている。その結果
は、図８の画像化干渉縞に相似し、ニュートン３本のク
セを持っていることが理解できる。換言すれば、上記数
値解析に基く光学機能面の形状は、現実に則していて、
実際の光学機能面の予測性が高いことを示している。

【００３７】このように、数値解析と実際の光学機能面
との形状が一致している点を基本として、上記数値解析
を、成形用型の成形面の補正に適用できることが確認さ
れたので、以下に、このような数値解析により補正を実
施した場合の成形用型による光学素子成形品の光学機能
面の成形結果を予測することにする。

【００３８】先ず、第１回目として、その成形用型の成
形面の形状を、上記数値解析に基いて補正する。この時
の補正量は、前回計算した補正をしていない成形用型を
用いて成形した場合の成形品の光学機能面の形状と、理
想とする所望の光学機能面の形状との差で示す。このよ
うにして、成形面の形状の補正を行なった成形用型を用
いて、前回の場合と同様に、粘弾性特性を考慮しつつ、
冷却過程で光学素子成形品内部に発生する熱応力を数値
解析し、室温における光学素子成形品の光学機能面の形
状を求め、その結果、第１回目（第１次）の補正を行な
った成形用型により成形した光学素子は、ニュートン１
本のクセを持っていることが解った。

【００３９】そこで、第２回目として、その成形用型の
成形面の形状を、上記第１回目の補正に基く補正成形用
型で成形した光学素子成形品の光学機能面に対して行な
った数値解析に基いて補正する。すなわち、この時の補
正量は、第１回目の補正で補正された補正用型で成形さ
れた光学素子成形品の光学機能面と理想の光学機能面と
の形状差で示す。このような成形用型の補正を繰返した
結果、第４回目の補正を加えた成形用型で成形した光学
素子成形品の光学機能面は、図１０に示すように、クセ
がニュートン０．１本以下であり、良好な高精度光学機
能面であることが計算結果で示された。

【００４０】なお、今回の補正成形用型で成形した光学
素子は、球面の光学機能面を有し、その成形用型は、非
球面形状に補正されており、その最大デビエーション
（球面形状と非球面形状との偏差）は約０．８μｍにな
った。

【００４１】このように、本発明によれば、実際の成形
用型の成形面は、コンピュータ・シミュレーションによ
って、上記数値解析で得られた補正値に従って補正した
成形面（仮想成形面）を有する成形用型（仮想成形用
型）で成形した光学素子の室温での光学機能面（仮想光
学機能面）を計算して、これと上述の設定光学機能面と
の誤差が許容範囲に納まるまで、数次（１次ないし複数
次）にわたって、数値解析およびこれに基く成形面の補
正を繰返して最終的に決定される。その結果、理想とす
る所望の光学機能面に高精度に相似する光学素子を得る
ことができ、その成形用型を製造することもできる。

【００４２】なお、上記成形面の決定には、成形用型内
での光学素子成形品の粘弾性特性などに基く熱応力の数
値解析と、これに基く実際の成形用型の成形面の補正と
を数次にわたって繰返す形で、なされてもよい。

【００４３】上記実施例では、冷却中の成形用型と光学
素子成形品の内部とに温度差が無い場合を想定して検証
しているが、実際には、離型に際して、成形品が上型部
材の成形面に付着されて、下型部材の成形面から離れる
のを防止するために、上下の型部材の温度管理に若干の
温度差を与えている。そこで、このように、成形用型の
上下型部材に温度差を与えて、成形を行なった場合につ
いても、一通りの検証を行なうことにする。

【００４４】ここでの光学素子の形状は、図１３に示す
ように、両側凹面のレンズであり、直径：１５ｍｍφ、
中心肉厚：１．７ｍｍ、光学機能面の曲率半径：Ｒ＝３
０ｍｍ（両面とも）である。なお、光学素子の材料、成
形用型の材質は、先の実施例と同様である。成形材料と
してのブランクは、上記光学素子の形状に近似した形状
（直径：１５ｍｍφ、中心肉厚：１．８ｍｍ、光学機能
面の曲率半径：Ｒ＝３１ｍｍ）に予備成形されている。
そして、先ず、これを上下型部材間に装填し、上型部材
を６０５℃に、下型部材を６３０℃に加熱し、その後、
上型部材に３２０ｋｇｆのプレス圧力を加え、その成形
品の中心肉厚が１．７ｍｍになるまで、加圧を持続す
る。このようにして、光学素子を成形した後、加圧を終
了し、冷却工程に入る。この冷却工程では、上下型部材
には２５℃の温度差を保ち、最終的に、上型部材を４５
５℃に、また、下型部材４８０℃に達した時、成形品を
離型し、取出して、室温まで冷却する。なお、この時の
冷却速度は、上下の型部材共に毎分２０℃にしている。

【００４５】このような成形プロセスで得られた光学素
子の光学機能面の形状を、上述の実施例の場合と同様
に、その光学素子の材料の粘弾性特性を考慮した数値解
析により求める。なお、この場合、成形品の内部温度分
布を考慮して数値解析する必要がある。

【００４６】先ず、今回の計算で得られた光学機能面の
形状の補正をしていない場合の成形用型を用いて光学素
子を成形した場合（コンピュータ・シミュレーショ
ン）、その上側の光学機能面の形状（画像）を図１５
に、また、下側の光学機能面の形状（画像）を図１６に
示す。今回は、成形用型の上下の成形面における曲率半
径は同じであるが、冷却過程での上下成形面の温度には
一定の差を与えているから、その光学素子の各上下光学
機能面には差があり、クセのニュートン本数は、上面に
ついては中落ち３本、下面については中高５本であっ
た。評価として、このようなクセのある光学素子を高精
度光学機器に使用することは出来ない。

【００４７】一方、今回、検討した光学素子を、その光
学機能面に対応する成形面の形状を補正しない成形用型
を用いて、実際に成形し、その干渉縞を示したものが、
図１７（上型）および図１８（下型）である。結果は、
上述の画像と同じクセを持っていることが明かとなっ
た。すなわち、成形素材内部に温度勾配のある温度分布
を想定している場合でも、光学素子の形状を精度よく予
測できることが確認された。

【００４８】次に、今回の実施例において、第５回目の
補正を加えた成形用型で成形した光学素子の光学機能面
の形状を計算した結果は、図１９（上型）および図２０
（下型）に示す干渉縞を持つことが、シミュレーション
で得られた。この時の光学素子成形品のクセはニュート
ン０．２本以下であり、良好な高精度光学機能面が得ら
れる。

【００４９】一方、今回の第５回目の補正を加えた成形
用型を実際に作成し、その成形用型で成形した光学素子
の光学機能面を測定した結果は、図２１（上型）および
図２２（下型）に示す干渉縞を持つことが確認された。
この成形品のクセはニュートン０．２本以下であり、良
好な高精度光学機能面が得られる。なお、今回の補正成
形用型で成形した光学素子は、球面の光学機能面を有
し、その成形用型は、非球面形状に補正されており、そ
の最大デビエーション（球面形状と非球面形状との偏
差）は上型部材で約１μｍ、下型部材で約２μｍになっ
た。

【００５０】次に、カメラあるいはビデオカメラなどで
要求される高精度光学機能面を持つ非球面レンズを、本
発明の成形用型で製造する場合について説明する。ここ
では図２３に示すような両面が非球面形状の凹メニスカ
スレンズについて検討する。設計上のレンズ仕様は、直
径：１６ｍｍφ、中心肉厚：１．０ｍｍ、凸面はＲ＝５
１ｍｍ、最大デビエーション：１２μｍの非球面、凹面
はＲ＝９ｍｍ、最大デビエーション：８μｍの非球面で
ある。光学素子の材料は、最初の実施例と同様であり、
特に、本実施例では、成形用型と成形品との離型時の分
離を良くするために、光学素子材料の表面にＣＨ膜をコ
ーティングしている。また、成形用型の材料は前述と同
じであるが、成形面の耐久性を向上するため、ＴｉＮ膜
をコーティングしている。上記光学素子材料には、予
め、光学素子の形状に近似した形状（直径：１６ｍｍ
φ、Ｒ＝４８ｍｍおよびＲ＝１０ｍｍの凹メニスカスレ
ンズ形状）に成形されたブランクを用いる。

【００５１】この光学素子材料を用意された成形用型に
入れ、先の実施例のように、上下の型部材に所定の温度
差を与えながら、加圧成形し、次いで冷却する。この場
合、成形品がガラス転移点温度より高い温度で成形用型
から離型されると、ガラスが粘性変形するので、光学機
能面の形状が悪化するから、これを防止するため、下型
部材の温度が６００℃から４８０℃まで冷却される間、
上記成形品には２１０ｋｇｆの第２のプレス圧力を加え
ている。そして、上型部材が４５５℃、下型部材が４８
０℃に達した時、上記成形品を型から取出し、室温まで
冷却する。この冷却過程の冷却速度は、毎分２０℃であ
る。

【００５２】このような成形条件で得られた光学素子に
は、内部に残留応力が存在し、光学的歪を残し、複屈折
を引き起す。また、ガラス転移点温度以上に加熱した光
学材料を毎分２０℃で冷却したため、その屈折率が変化
している。従って、この成形品は、これを高精度光学部
品として用いるために、上記光学的歪の除去、屈折率の
調整のため、光学アニールをする必要がある。本実施例
では、温度条件を４９０℃として、１７時間のアニール
を行ない、その間に毎時５℃の温度降下を行ない、４３
０℃まで冷却した。

【００５３】このような成形条件、アニール条件で得ら
れた光学素子成形品の形状を、上述の実施例の場合と同
様に、数値解析により求める。なお、アニール温度は、
成形品の材料の粘弾性温度領域にあるから、その間の残
留応力は緩和されてしまう。そこで、本実施例では、ア
ニール中の残留応力の緩和を考慮して、アニール後の、
室温までの冷却過程での光学機能面の形状を計算するこ
とにした。

【００５４】先ず、今回の計算により得られた光学機能
面の形状の補正をしていない成形用型を用いて、光学素
子成形品を形成した場合を想定し、これにアニール処理
を加えた条件の後、室温における上面の光学機能面を図
２５に、また、下面の光学機能面を図２６に示す。ま
た、この条件で、実際に成形用型を用いて成形した場合
を、それぞれ、図２７および図２８に示す。そして、コ
ンピュータ・シュミレーションの結果と、実際の成果と
を比較してみると、光学アニール後の光学機能面の形状
を精度良く予測できることが確認できた。このことか
ら、先の実施例の場合と同様に、成形用型の成形面につ
いて、数次の補正を行なうことで、この補正された成形
用型により成形された光学素子成形品の光学機能面は、
高精度であることが予想される。

【００５５】今回の実施例で、第５回目の補正を加えた
成形用型で光学素子を成形したとして数値解析した結
果、その光学機能面は、図２９（上面）および図３０
（下面）に示すような干渉縞を持っている。この際の成
形品のクセはニュートン０．２本以下であり、良好な高
精度光学機能面であることを示している。また、実際
に、第５回目の補正を加えた成形用型を用いて成形した
光学素子成形品の光学機能面の干渉縞を、図３１（上
面）および図３２（下面）に示す。この際の成形品のク
セはニュートン０．２本以下であり、良好な高精度光学
機能面であることを示している。

【００５６】以上のことから、本実施例のように、両凹
面レンズを成形する場合に、冷却過程で成形品に、これ
を高温状態で離型するのを防止するための第２のプレス
圧力を加え、成形後、光学アニールをした場合でも、本
発明による光学機能面の補正を行なうことに、何ら支障
がないという結論を得た。

【００５７】

【発明の効果】本発明は、以上詳述したようになり、予
め、光学機能面形状に対応する成形面を補正した成形用
型を用いて光学素子を成形することで、従来から成形に
より所望の精度で光学機能面を転写することが困難であ
るとされた形状のレンズ、例えば、非球面凹レンズなど
でも、成形で高精度に製造することができ、製造上のコ
ストダウンを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の成形法の一実施例を作業順序（ａ）な
いし（ｃ）で示し、その時の成形用型の成形面の形状補
正の処理フローを（ｄ）で示す概略説明図である。

【図２】上記実施例における光学素子成形品の側面図で
ある。

【図３】光学素子の粘弾性特性を説明するための説明図
である。

【図４】光学素子の粘弾性特性を説明するための説明図
である。

【図５】光学素子の粘弾性特性を説明するための説明図
である。

【図６】光学素子の粘弾性特性を説明するための説明図
である。

【図７】上記実施例の成形プロセスを説明するための説
明図である。

【図８】上記実施例で、数値解析による形状補正しない
成形用型での成形品の面精度を示す干渉縞の図である。

【図９】上記実施例で、形状補正しない成形用型で実際
に成形した成形品の面精度を示す干渉縞の図である。

【図１０】上記実施例で、数値解析による形状補正した
成形用型での成形品の面精度を示す干渉縞の図である。

【図１１】上記実施例で、形状補正した成形用型で実際
に成形した成形品の面精度を示す干渉縞の図である。

【図１２】上記実施例での、成形品と成形用型との熱膨
張率の差を説明する図である。

【図１３】別の実施例を示す光学素子成形品の側面図で
ある。

【図１４】上記実施例の成形プロセスを説明するための
説明図である。

【図１５】上記実施例で、数値解析による形状補正しな
い成形用型での成形品の上側光学機能面の面精度を示す
干渉縞の図である。

【図１６】上記実施例で、数値解析による形状補正しな
い成形用型での成形品の下側光学機能面の面精度を示す
干渉縞の図である。

【図１７】上記実施例で、形状補正しない成形用型で実
際に成形した成形品の上側光学機能面の面精度を示す干
渉縞の図である。

【図１８】上記実施例で、形状補正しない成形用型で実
際に成形した成形品の下側光学機能面の面精度を示す干
渉縞の図である。

【図１９】上記実施例で、数値解析による形状補正した
成形用型での成形品の上側光学機能面の面精度を示す干
渉縞の図である。

【図２０】上記実施例で、数値解析による形状補正した
成形用型での成形品の下側光学機能面の面精度を示す干
渉縞の図である。

【図２１】上記実施例で、形状補正した成形用型で実際
に成形した成形品の上側光学機能面の面精度を示す干渉
縞の図である。

【図２２】上記実施例で、形状補正した成形用型で実際
に成形した成形品の下側光学機能面の面精度を示す干渉
縞の図である。

【図２３】別の実施例を示す光学素子成形品の側面図で
ある。

【図２４】上記実施例の成形プロセスを説明するための
説明図である。

【図２５】上記実施例で、数値解析による形状補正しな
い成形用型での成形品の上側光学機能面の面精度を示す
干渉縞の図である。

【図２６】上記実施例で、数値解析による形状補正しな
い成形用型での成形品の下側光学機能面の面精度を示す
干渉縞の図である。

【図２７】上記実施例で、形状補正しない成形用型で実
際に成形した成形品の上側光学機能面の面精度を示す干
渉縞の図である。

【図２８】上記実施例で、形状補正しない成形用型で実
際に成形した成形品の下側光学機能面の面精度を示す干
渉縞の図である。

【図２９】上記実施例で、数値解析による形状補正した
成形用型での成形品の上側光学機能面の面精度を示す干
渉縞の図である。

【図３０】上記実施例で、数値解析による形状補正した
成形用型での成形品の下側光学機能面の面精度を示す干
渉縞の図である。

【図３１】上記実施例で、形状補正した成形用型で実際
に成形した成形品の上側光学機能面の面精度を示す干渉
縞の図である。

【図３２】上記実施例で、形状補正した成形用型で実際
に成形した成形品の下側光学機能面の面精度を示す干渉
縞の図である。

【図３３】本発明の成形用型の製造法についての具体的
なプロセスを総括的に示すフローチャートである。

【図３４】上記プロセスの一部を詳細に示すフローチャ
ートである。

【図３５】上記プロセスの一部を詳細に示すフローチャ
ートである。

【図３６】上記プロセスの一部を詳細に示すフローチャ
ートである。

【図３７】上記プロセスの一部を詳細に示すフローチャ
ートである。

【符号の説明】

１ガラス素材２上型部材３下型部材４胴型５ベース６操作手段７光学素子（成形品）９吸着ヘッド

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】成形用型を用いて光学素子材料をプレス
成形する際、予定された成形プロセスの冷却過程で、上
記光学素子材料の粘弾性温度領域および弾性温度領域に
おいて成形用型内の光学素子成形品に発生する熱応力
を、上記光学素子材料の粘弾性特性に基いて数値解析
し、上記成形用型で成形した光学素子の室温での光学機
能面と設計上で設定された光学機能面との誤差が許容範
囲に納まるように、上記数値解析で得られた値を基にし
た成形用型の成形面の補正を行ない、設計上で設定され
た上記光学機能面の形状に適合する成形面を決定したこ
とを特徴とする光学素子の成形用型。
【請求項２】上記熱応力の数値解析には、その熱応力
の発生時期の温度履歴および／あるいはプレス圧力の履
歴が、その計算基礎に加えられることを特徴とする請求
項１に記載の光学素子の成形用型。
【請求項３】上記成形面は、コンピュータ・シミュレ
ーションによって、数次にわたって、上記数値解析で得
られた値を基にしてその補正値が決定されることを特徴
とする請求項１に記載の光学素子の成形用型。
【請求項４】上記成形面は、上記数値解析で得られた
値を基にして補正され、その補正成形面を有する成形用
型を実際に用いて光学素子成形品を成形し、その光学素
子成形品の室温での光学機能面と設計上で設定された上
記光学機能面との誤差が許容範囲に納まるまで、数次に
わたって、繰返して補正することにより、決定されるこ
とを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形用型。
【請求項５】成形用型を用いて光学素子材料をプレス
成形する際、予定された成形プロセスの冷却過程で、上
記光学素子材料の粘弾性温度領域および弾性温度領域に
おいて成形用型内の光学素子成形品に発生する熱応力
を、上記光学素子材料の粘弾性特性に基いて数値解析
し、型取り出し時に、上記熱応力により生じるスプリン
グ・バック量を推定し、その結果、上記成形用型で成形
した光学素子の室温での光学機能面と設計上で設定され
た光学機能面との誤差が許容範囲に納まるように、上記
数値解析で得られた値を基にした成形用型の成形面の補
正を行ない、設計上で設定された上記光学機能面の形状
に適合する成形面を決定したことを特徴とする、光学素
子の成形用型の製造方法。
【請求項６】上記熱応力の数値解析には、その熱応力
の発生時期の温度履歴および／あるいはプレス圧力の履
歴が、その計算基礎に加えられることを特徴とする請求
項５に記載の、光学素子の成形用型の製造方法。
【請求項７】上記成形面は、コンピュータ・シミュレ
ーションによって、数次にわたって、上記数値解析で得
られた値を基にしてその補正値が決定されることを特徴
とする請求項５に記載の、光学素子の成形用型の製造方
法。
【請求項８】上記成形面は、上記数値解析で得られた
値を基にして補正され、その補正成形面を有する成形用
型を実際に用いて光学素子成形品を成形し、その光学素
子成形品の室温での光学機能面と設計上で設定された上
記光学機能面との誤差が許容範囲に納まるまで、数次に
わたって、繰返して補正することにより、決定されるこ
とを特徴とする請求項５に記載の、光学素子の成形用型
の製造方法。
【請求項９】上記冷却過程における光学素子成形品の
アニール工程の温度特性を上記数値解析に取り込んでい
ることを特徴とする請求項５に記載の光学素子の成形用
型の製造方法。
【請求項１０】成形用型を用いて光学素子材料をプレ
ス成形する際、予定された成形プロセスの冷却過程で、
上記光学素子材料の粘弾性温度領域および弾性温度領域
において成形用型内の光学素子成形品に発生する熱応力
を、上記光学素子材料の粘弾性特性に基いて数値解析
し、上記成形用型で成形した光学素子の室温での光学機
能面と設計上で設定された光学機能面との誤差が許容範
囲に納まるように、上記数値解析で得られた値を基にし
た成形用型の成形面の補正を行ない、設計上で設定され
た上記光学機能面の形状に適合する成形面を決定し、そ
の成形面を有する成形用型で、上記成形プロセスに従い
成形されたことを特徴とする光学素子。