JP4087960B2 - 光学素子成形型 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱した光学素子素材を上下一対の成形型でプレス成形して光学素子を得る光学素子成形型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カメラ等の光学系においては、収差除去およびレンズ枚数削減によるコンパクト化・コスト削減のために、非球面レンズを使用している。この非球面レンズは研削・研磨で製作するには手間がかかりコスト高になってしまうため、プレス成形で製作するのが主流になっている。
【０００３】
このプレス成形の方法として、上下一対の成形型で所望とする形状に近似に球面加工されたガラス素材（以下、これをプリフォームと呼ぶ）をプレスするというものがある。このプレス成形に用いる非球面成形型の成形面は、一般に光学的有効径と光学的有効径外部分からなっており、この光学的有効径外部分の加工形状は、所望とするレンズ面を延長して加工が施されている。このような非球面成形型において、成形面が近似球面から大きくズレた非球面形状をしている場合には、プレス成形時に被成形体であるプリフォームの外縁部と成形面が成形初期に接触してしまうためにエアー溜まりの発生が避けられず、又、これを防止するためにプリフォームの曲率半径を小さく設定すると、プレス成形時にプリフォームの必要な変形量が大きくなり、コスト高になってしまうという問題点があった。
【０００４】
上記問題点を解決するために、例えば特開平２―１０２１３４号公報においては、プリフォームの被成形面がプレス成形時に図４および図５に示す成形型３０，４０の成形面３１，４１の光学的有効径成形面３１ａ，４１ａ中央から接触するような球面形状を有するプリフォームを用い、成形型３０，４０の光学的有効径外部成形面３１ｂ，４１ｂに逃げ部を設けることにより、エアー溜まりの発生を防ぐ非球面成形型が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平２―１０２１３４号公報に記載された従来の非球面成形型には以下のような問題があった。
【０００６】
成形型３０，４０の成形面３１，４１の非球面形状が光学的有効径外部成形面３１ｂ，４１ｂに変曲点３２，４２を持ち、しかもその変曲点３２，４２が光学的有効径に非常に近い位置にある場合、凸形状の成形面３１を有する成形型３０においては、図４に示すように、成形面３１がＷ型になってしまい、プレス成形において谷の部分となる第１凹部３３でエアー溜まりが発生してしまうばかりでなく、外周部の第２凸部３４が鋭角であるためにプレス時のストレスが強くなり、膜剥離（プリフォームとの離型性を良好にするために成形面に設けた膜の剥離）や粒子脱落（成形型の基材粒子の脱落）等の欠陥が生じ、プリフォームとの焼き付きの原因になったり、型耐久性が著しく悪化するという問題があった。
【０００７】
この部分は光学的有効径外であるため、数百ショットレベルであれば膜剥離や粒子脱落等が生じても問題ないが、成形数が累積されると膜剥離や粒子脱落した部分が拡大していき千ショットレベルになると光学的有効径内まで侵入してくるため、型としてはプリフォームへの成形面の転写性が低下して使用できなくなってしまう。
【０００８】
また、凹形状の成形面４１を有する成形型４０においては、図５に示すように、成形面４１がＭ型になってしまい、外周部の第１凸部４３でプレス成形時のストレスが強くなり、凸形状の成形面３１と同様な理由でプリフォームとの焼き付きの原因になったり、型耐久性が著しく悪化するという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、光学的有効径外部に変曲点を持つ非球面レンズ等の光学素子の成形において、エアー溜まりを無くすだけでなく、膜剥離や粒子脱落等の欠陥を防止して型耐久性も向上する非球面成形面を有する光学素子成形型を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る請求項１の光学素子成形型は、光学素子素材を加熱軟化して、光学的有効径外部に変曲点を有する非球面光学素子をプレス成形する凸状非球面成形面を持つ光学素子成形型において、前記凸状非球面成形面の変曲点よりも外側を、光学素子素材の曲率半径以下の曲率半径を有する凸面で形成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る請求項２の光学素子成形型は、光学素子素材を加熱軟化して、光学的有効径外部に変曲点を有する非球面光学素子をプレス成形する凹状非球面成形面を持つ光学素子成形型において、前記凹状非球面成形面の変曲点よりも外側を、光学素子素材の曲率半径以上の曲率半径を有する凹面で形成することを特徴とする。
【００１２】
上記請求項１の光学素子成形型によれば、光学的有効径外部に変曲点を持つ非球面レンズ等の光学素子を、あらかじめ所望とする形状に近似させて球面加工したプリフォームを用いてプレス成形する際、凸状非球面成形面の変曲点より外周をプリフォームの曲率半径と同一もしくは小さい曲率半径で形成することにより、エアー溜まりを防止するだけでなく、外周部に鋭角な第２凸部が形成されないことで膜剥離や粒子脱落を防止でき、型耐久性が向上する。
【００１３】
また、請求項２の光学素子成形型によれば、光学的有効径外部に変曲点を持つ非球面レンズ等の光学素子を、あらかじめ所望とする形状に近似させて球面加工したプリフォームを用いてプレス成形する際、凹状非球面成形面の変曲点より外周をプリフォームの曲率半径と同一もしくは大きい曲率半径で形成することにより、エアー溜まりを防止するだけでなく、外周部の第１凸部が形成されないことで膜剥離や粒子脱落を防止でき、型耐久性が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１は本実施の形態の光学素子成形型を示す正断面図である。
【００１５】
本実施の形態の光学素子成形型１は凸状非球面成形面２を有している。成形型１の基材は、耐熱性の高いセラミック（Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＣ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，ＢＮ，ＷＣ等のいずれか１つあるいは混合物）が用いられ、成形面２は無垢かもしくはガラスとの濡れ性が悪いＴｉＮ，ＣｒＮ等のセラミックスコートを施してある。
【００１６】
成形面２は、光学的有効径成形面２ａとこの成形面２ａの外側に設けた光学的有効径外部成形面２ｂからなり、光学的有効径外部成形面２ｂ内に変曲点３を有している。光学的有効径外部成形面２ｂは、変曲点３までは非球面形状で形成され、変曲点３より外側の外周部は光学素子素材としてのプリフォーム４の被成形面４ａの曲率半径Ｒと同一あるいは曲率半径Ｒ以下の曲率半径Ｒ1 を有する球面形状で形成されている。
【００１７】
すなわち、光学的有効径成形面２ａ内の中心では、非球面近似の曲率半径Ｒ5 の第１凸部を有する非球面形状であり、光学的有効径外部成形面２ｂにある変曲点３では、この変曲点３から光学有効径外に向かって曲率半径Ｒ1 の凸面となるように形成されている。この凸面は、成形型１の外周側に向かうにつれてプリフォーム４の被成形面４ａと平行または被成形面４ａから離れるように、Ｒ1 ≦Ｒとなっている。
【００１８】
図２は本実施の形態の成形型１を備えた成形装置を示す概略図であり、成形型１は押圧可能な上型保持部材６に固持され、上成形型１として配設されている。上成形型１の下方には、球面（もしくは平面）型としての下成形型７が押圧可能な下型保持部材９に固持されて上下動可能に設けられており、上成形型１と下成形型７は同一軸上に対向配設されている。下成形型７の成形面８は、図１に示すように、プリフォーム４の被成形面４ｂの曲率半径Ｒ3 と同一もしくはそれより大きい曲率半径Ｒ4 を有する球面形状となっている。上成形型１および下成形型７は、その外周部に取り付けられた図示しないヒーターによりプリフォーム４の成形に適した温度になるように制御可能となっている。
【００１９】
プリフォーム４は、図１に示すように、被成形面４ａ，４ｂがそれぞれ所望とする光学素子の形状に近似する曲率半径Ｒ，Ｒ3 に球面加工されており、プリフォーム４を上下成形型１，７間に搬送する際の保持部材としての搬送ホルダー１０に被成形面４ａ，４ｂを上下に向けて保持可能となっている。
【００２０】
上成形型１と下成形型７は成形室１１の内部に配設されている。成形室１１の内部は窒素等の非酸化性ガスの雰囲気に保たれており、その状態で上下成形型１，７により光学素子のプレス成形が可能となっている。また、成形室１１に隣接してプリフォーム４を加熱軟化するための加熱装置１２が配設されており、この加熱装置１２は図示しない熱電対により温度をモニターして内部の温度を一定に保つように制御可能となっている。
【００２１】
次に、本実施の形態の光学素子成形型１を用いて所望の光学素子を製作する方法について説明する。
搬送ホルダー１０で被成形面４ａを上に向けて保持したプリフォーム４を搬送アーム１３により加熱装置１２内に搬送して加熱軟化し、さらに、加熱軟化されたプリフォーム４を上下成形型１，７間に搬送して停止配置する。その後、下成形型７を下型保持部材９によりプレス成形方向（図２の矢印Ａ方向）に上昇し、プリフォーム４を上下成形型１，７の間で挟持しプレスする。これにより、上成形型１の成形面２である光学的有効径成形面２ａと光学的有効径外部成形面２ｂおよび下成形型７の成形面８上に創成された非球面形状および球面形状からなる所望の光学鏡面が、加熱軟化されたプリフォーム４に押圧転写され、光学性能を満足するガラスレンズが製作される。
【００２２】
このとき、上下成形型１，７の成形面２，８には、その中央部から高温に加熱されたプリフォーム４が接触するとともに、成形プレス圧によって軟化状態のプリフォーム４が光学的有効径成形面２ａから光学的有効径外部成形面２ｂおよび成形面８に沿って外方向に流動するため、成形面２ａ，２ｂ，８には多大な熱衝撃がかかる。
【００２３】
そのため、変曲点を光学的有効径外部に持つ非球面レンズを成形する場合、従来では凸状非球面成形面３１は図４に示したような第２凸部３４が形成された形状になり、この部分により大きな熱および力学的なストレスが成形面３１に加わるため、膜剥離や粒子脱落が生じて型耐久性が著しく悪かったが、本実施の形態の光学素子成形型１によれば、変曲点３より外周部をプリフォーム４の曲率半径Ｒ以下の曲率半径Ｒ1 を有する球面形状で形成したため、図４に示すような鋭角な第２凸部３４が形成されず、その結果膜剥離や粒子脱落が防止され、型耐久性が向上する。
【００２４】
本実施の形態の光学素子成形型１を用い、かつもう一方の成形型を凹形状の球面型にして、図４に示す従来の成形型３０と成形評価した結果を表１に示す。この成形評価は、プリフォーム４の素材にＳＫ―１１（ショット名）を用い、型温５３０℃でレンズ径φ１６ｍｍの凸メニスカスレンズをプレス成形した。上成形型１の光学的有効径成形面２ａと光学的有効径外部成形面２ｂ、下成形型２１の成形面８およびプリフォーム４の被成形面４ａ，４ｂの各曲率半径は、Ｒ5 （非球面近似の曲率半径）＝１３．５ｍｍ，Ｒ1 ＝１８ｍｍ，Ｒ4 ＝１１．９ｍｍ，Ｒ＝１９．４ｍｍ，Ｒ3 ＝１１．７ｍｍとした。
【００２５】
【表１】
【００２６】
表１に示すように従来の成形型３０では、第２凸部３４に膜剥離・粒子脱落が生じ、約４０００ショットで膜剥離・粒子脱落が光学的有効径成形面３１ａまで侵食し、使用不可能となった。これに対し、本実施の形態の変曲点３より外周部をプリフォーム４の曲率半径Ｒ以下の曲率半径Ｒ1 で形成された凸状非球面成形面２を持つ光学素子成形型１は、３００００ショット以上でも劣化が生ぜず、成形面２の転写性が良好な成形型として継続使用可能であった。
【００２７】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２を図３に基づいて説明する。図３は本実施の形態の光学素子成形型を示す正断面図である。
【００２８】
本実施の形態の光学素子成形型２１は凹状非球面成形面２２を有している。成形型２１の基材は、実施の形態１の光学素子成形型１と同様に、耐熱性の高いセラミック（Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＣ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，ＢＮ，ＷＣ等のいずれか１つあるいは混合物）が用いられ、成形面２２は無垢かもしくはガラスとの濡れ性が悪いＴｉＮ，ＣｒＮ等のセラミックスコートを施してある。
【００２９】
成形面２２は、光学的有効径成形面２２ａとこの成形面２２ａの外側に設けた光学的有効径外部成形面２２ｂからなり、光学的有効径外部成形面２２ｂ内に変曲点３を有している。光学的有効径外部成形面２２ｂは、変曲点３までは非球面形状で形成され、変曲点３より外側の外周部は光学素子素材としてのプリフォーム２４の被成形面２４ａの曲率半径Ｒと同一あるいは曲率半径Ｒ以上の曲率半径Ｒ1 を有する球面形状で形成されている。
【００３０】
すなわち、光学的有効径成形面２２ａ内の中心では、非球面近似の曲率半径を有する非球面形状であり、光学的有効径外部成形面２２ｂにある変曲点３では、この変曲点３から光学有効径外に向かって曲率半径Ｒ1 の凹面となるように形成されている。この凹面は、成形型２１の外周側に向かうにつれてプリフォーム２４の被成形面２４ａと平行または被成形面２４ａから離れるように、Ｒ1 ≧Ｒとなっている。
【００３１】
本実施の形態の成形型２１は、図２と同様な成形装置に配設される。すなわち、成形型２１は押圧可能な上型保持部材６（図２参照）に固持され、上成形型２１として配設される。上成形型２１の下方には、球面（もしくは平面）型としての下成形型２７が押圧可能な下型保持部材９（図２参照）に固持されて上下動可能に設けられ、上成形型２１と下成形型２７は同一軸上に対向配設される。下成形型２７の成形面２８は、プリフォーム２４の被成形面２４ｂの曲率半径Ｒ3 と同一もしくはそれより大きい曲率半径Ｒ4 を有する球面形状となっている。上成形型２１および下成形型２７は、その外周部に取り付けられた図示しないヒーターによりプリフォーム２４の成形に適した温度になるように制御可能となっている。
【００３２】
プリフォーム２４は、被成形面２４ａ，２４ｂがそれぞれ所望とする光学素子の形状に近似する曲率半径Ｒ，Ｒ3 に球面加工されており、プリフォーム２４を上下成形型２１，２７間に搬送する際の保持部材としての搬送ホルダー１０に被成形面２４ａ，２４ｂを上下に向けて保持可能となっている。
【００３３】
次に、本実施の形態の光学素子成形型２１を用いて所望の光学素子を製作する方法について図３および図２を用いて説明する。なお、図２においては、上型保持部材６に光学素子成形型（上成形型）２１および下型保持部材９に下成形型２７が固持されているものとする。
【００３４】
搬送ホルダー１０で被成形面２４ａを上に向けて保持したプリフォーム２４を搬送アーム１３により加熱装置１２内に搬送して加熱軟化し、さらに、加熱軟化されたプリフォーム２４を上下成形型２１，２７間に搬送して停止配置する。その後、下成形型２７を下型保持部材９によりプレス成形方向（矢印Ａ方向）に上昇し、プリフォーム２４を上下成形型２１，２７の間で挟持しプレスする。これにより、上成形型２１の成形面２２である光学的有効径成形面２２ａと光学的有効径外部成形面２２ｂおよび下成形型２７の成形面２８上に創成された非球面形状および球面形状からなる所望の光学鏡面が、加熱軟化されたプリフォーム２４に押圧転写され、光学性能を満足するガラスレンズが製作される。
【００３５】
このとき、上下成形型２１，２７の成形面２２，２８には、その中央部から高温に加熱されたプリフォーム２４が接触するとともに、成形プレス圧によって軟化状態のプリフォーム２４が光学的有効径成形面２２ａから光学的有効径外部成形面２２ｂおよび成形面２８に沿って外方向に流動するため、成形面２２ａ，２２ｂ，２８には多大な熱衝撃がかかる。
【００３６】
そのため、変曲点を光学的有効径外部に持つ非球面レンズを成形する場合、従来では凹状非球面成形面４１は図５に示したような第１凸部４３が形成された形状になり、この部分により大きな熱および力学的なストレスが成形面４１に加わるため、膜剥離や粒子脱落が生じて型耐久性が著しく悪かったが、本実施の形態の光学素子成形型２１によれば、変曲点３より外周部をプリフォーム２４の曲率半径Ｒと同一もしくはそれ以上の曲率半径Ｒ1 を有する球面形状で形成したため、図５に示すような第１凸部４３が形成されないため、プレス成形時のストレスが強くならず、その結果膜剥離や粒子脱落が防止され、型耐久性が向上する。
【００３７】
本実施の形態の光学素子成形型２１を用い、かつもう一方の成形型を凹形状の球面型にして、図５に示す従来の成形型４０との成形評価を実施の形態１と同様に行った。その結果、従来の成形型４０では、第１凸部４３に膜剥離・粒子脱落が生じ、約４０００ショットで膜剥離・粒子脱落が光学的有効径成形面４１ａまで侵食し、使用不可能となった。これに対し、本実施の形態の変曲点３より外周部をプリフォーム２４の曲率半径Ｒ以上の曲率半径Ｒ1 で形成された凹状非球面成形面２２を持つ光学素子成形型２１は、３００００ショット以上でも劣化が生ぜず、成形面２２の転写性が良好な成形型として継続使用可能であった。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の光学素子成形型によれば、光学的有効径外部に変曲点を有する非球面光学素子をプレス成形する光学素子成形型の成形面の変曲点より外周部を、光学素子素材としてのプリフォームの曲率半径と同一もしくはそれより小さい曲率半径で形成したので、プレス成形時におけるプリフォームの流動によるストレスが強くならないため、外周部の膜剥離や粒子脱落が防止され、光学素子成形型の寿命を延ばすことができる。加えてエアー溜まりの発生が防止され、成形品質の高い光学素子を継続して成形することができる。
【００３９】
また、本発明に係る請求項２の光学素子成形型によれば、光学的有効径外部に変曲点を有する非球面光学素子をプレス成形する光学素子成形型の成形面の変曲点より外周部を、光学素子素材としてのプリフォームの曲率半径と同一もしくはそれより大きい曲率半径で形成したので、プレス成形時におけるプリフォームの流動によるストレスが強くならないため、外周部の膜剥離や粒子脱落が防止され、光学素子成形型の寿命を延ばすことができる。加えてエアー溜まりの発生が防止され、成形品質の高い光学素子を継続して成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示す正断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１の成形型を備えた成形装置を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態２を示す正断面図である。
【図４】従来の凸状非球面型を示す断面図である。
【図５】従来の凹状非球面型を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２１ 光学素子成形型
２ 凸状非球面成形面
２ａ，２２ａ 光学的有効径成形面
２ｂ，２２ｂ 光学的有効径外部成形面
３ 変曲点
４，２４ プリフォーム
４ａ，４ｂ，２４ａ，２４ｂ 被成形面
６ 上型保持部材
７，２７ 下成形型
８，２８ 成形面
９ 下型保持部材
１０ 搬送ホルダー
１１ 成形室
１２ 加熱装置
１３ 搬送アーム
２２ 凹状非球面成形面
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱した光学素子素材を上下一対の成形型でプレス成形して光学素子を得る光学素子成形型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カメラ等の光学系においては、収差除去およびレンズ枚数削減によるコンパクト化・コスト削減のために、非球面レンズを使用している。この非球面レンズは研削・研磨で製作するには手間がかかりコスト高になってしまうため、プレス成形で製作するのが主流になっている。
【０００３】
このプレス成形の方法として、上下一対の成形型で所望とする形状に近似に球面加工されたガラス素材（以下、これをプリフォームと呼ぶ）をプレスするというものがある。このプレス成形に用いる非球面成形型の成形面は、一般に光学的有効径と光学的有効径外部分からなっており、この光学的有効径外部分の加工形状は、所望とするレンズ面を延長して加工が施されている。このような非球面成形型において、成形面が近似球面から大きくズレた非球面形状をしている場合には、プレス成形時に被成形体であるプリフォームの外縁部と成形面が成形初期に接触してしまうためにエアー溜まりの発生が避けられず、又、これを防止するためにプリフォームの曲率半径を小さく設定すると、プレス成形時にプリフォームの必要な変形量が大きくなり、コスト高になってしまうという問題点があった。
【０００４】
上記問題点を解決するために、例えば特開平２―１０２１３４号公報においては、プリフォームの被成形面がプレス成形時に図４および図５に示す成形型３０，４０の成形面３１，４１の光学的有効径成形面３１ａ，４１ａ中央から接触するような球面形状を有するプリフォームを用い、成形型３０，４０の光学的有効径外部成形面３１ｂ，４１ｂに逃げ部を設けることにより、エアー溜まりの発生を防ぐ非球面成形型が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平２―１０２１３４号公報に記載された従来の非球面成形型には以下のような問題があった。
【０００６】
成形型３０，４０の成形面３１，４１の非球面形状が光学的有効径外部成形面３１ｂ，４１ｂに変曲点３２，４２を持ち、しかもその変曲点３２，４２が光学的有効径に非常に近い位置にある場合、凸形状の成形面３１を有する成形型３０においては、図４に示すように、成形面３１がＷ型になってしまい、プレス成形において谷の部分となる第１凹部３３でエアー溜まりが発生してしまうばかりでなく、外周部の第２凸部３４が鋭角であるためにプレス時のストレスが強くなり、膜剥離（プリフォームとの離型性を良好にするために成形面に設けた膜の剥離）や粒子脱落（成形型の基材粒子の脱落）等の欠陥が生じ、プリフォームとの焼き付きの原因になったり、型耐久性が著しく悪化するという問題があった。
【０００７】
この部分は光学的有効径外であるため、数百ショットレベルであれば膜剥離や粒子脱落等が生じても問題ないが、成形数が累積されると膜剥離や粒子脱落した部分が拡大していき千ショットレベルになると光学的有効径内まで侵入してくるため、型としてはプリフォームへの成形面の転写性が低下して使用できなくなってしまう。
【０００８】
また、凹形状の成形面４１を有する成形型４０においては、図５に示すように、成形面４１がＭ型になってしまい、外周部の第１凸部４３でプレス成形時のストレスが強くなり、凸形状の成形面３１と同様な理由でプリフォームとの焼き付きの原因になったり、型耐久性が著しく悪化するという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、光学的有効径外部に変曲点を持つ非球面レンズ等の光学素子の成形において、エアー溜まりを無くすだけでなく、膜剥離や粒子脱落等の欠陥を防止して型耐久性も向上する非球面成形面を有する光学素子成形型を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る請求項１の光学素子成形型は、光学素子素材を加熱軟化して、光学的有効径外部に変曲点を有する非球面光学素子をプレス成形する凸状非球面成形面を持つ光学素子成形型において、前記凸状非球面成形面の変曲点よりも外側を、光学素子素材の曲率半径以下の曲率半径を有する凸面で形成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る請求項２の光学素子成形型は、光学素子素材を加熱軟化して、光学的有効径外部に変曲点を有する非球面光学素子をプレス成形する凹状非球面成形面を持つ光学素子成形型において、前記凹状非球面成形面の変曲点よりも外側を、光学素子素材の曲率半径以上の曲率半径を有する凹面で形成することを特徴とする。
【００１２】
上記請求項１の光学素子成形型によれば、光学的有効径外部に変曲点を持つ非球面レンズ等の光学素子を、あらかじめ所望とする形状に近似させて球面加工したプリフォームを用いてプレス成形する際、凸状非球面成形面の変曲点より外周をプリフォームの曲率半径と同一もしくは小さい曲率半径で形成することにより、エアー溜まりを防止するだけでなく、外周部に鋭角な第２凸部が形成されないことで膜剥離や粒子脱落を防止でき、型耐久性が向上する。
【００１３】
また、請求項２の光学素子成形型によれば、光学的有効径外部に変曲点を持つ非球面レンズ等の光学素子を、あらかじめ所望とする形状に近似させて球面加工したプリフォームを用いてプレス成形する際、凹状非球面成形面の変曲点より外周をプリフォームの曲率半径と同一もしくは大きい曲率半径で形成することにより、エアー溜まりを防止するだけでなく、外周部の第１凸部が形成されないことで膜剥離や粒子脱落を防止でき、型耐久性が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１は本実施の形態の光学素子成形型を示す正断面図である。
【００１５】
本実施の形態の光学素子成形型１は凸状非球面成形面２を有している。成形型１の基材は、耐熱性の高いセラミック（Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＣ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，ＢＮ，ＷＣ等のいずれか１つあるいは混合物）が用いられ、成形面２は無垢かもしくはガラスとの濡れ性が悪いＴｉＮ，ＣｒＮ等のセラミックスコートを施してある。
【００１６】
成形面２は、光学的有効径成形面２ａとこの成形面２ａの外側に設けた光学的有効径外部成形面２ｂからなり、光学的有効径外部成形面２ｂ内に変曲点３を有している。光学的有効径外部成形面２ｂは、変曲点３までは非球面形状で形成され、変曲点３より外側の外周部は光学素子素材としてのプリフォーム４の被成形面４ａの曲率半径Ｒと同一あるいは曲率半径Ｒ以下の曲率半径Ｒ1 を有する球面形状で形成されている。
【００１７】
すなわち、光学的有効径成形面２ａ内の中心では、非球面近似の曲率半径Ｒ5 の第１凸部を有する非球面形状であり、光学的有効径外部成形面２ｂにある変曲点３では、この変曲点３から光学有効径外に向かって曲率半径Ｒ1 の凸面となるように形成されている。この凸面は、成形型１の外周側に向かうにつれてプリフォーム４の被成形面４ａと平行または被成形面４ａから離れるように、Ｒ1 ≦Ｒとなっている。
【００１８】
図２は本実施の形態の成形型１を備えた成形装置を示す概略図であり、成形型１は押圧可能な上型保持部材６に固持され、上成形型１として配設されている。上成形型１の下方には、球面（もしくは平面）型としての下成形型７が押圧可能な下型保持部材９に固持されて上下動可能に設けられており、上成形型１と下成形型７は同一軸上に対向配設されている。下成形型７の成形面８は、図１に示すように、プリフォーム４の被成形面４ｂの曲率半径Ｒ3 と同一もしくはそれより大きい曲率半径Ｒ4 を有する球面形状となっている。上成形型１および下成形型７は、その外周部に取り付けられた図示しないヒーターによりプリフォーム４の成形に適した温度になるように制御可能となっている。
【００１９】
プリフォーム４は、図１に示すように、被成形面４ａ，４ｂがそれぞれ所望とする光学素子の形状に近似する曲率半径Ｒ，Ｒ3 に球面加工されており、プリフォーム４を上下成形型１，７間に搬送する際の保持部材としての搬送ホルダー１０に被成形面４ａ，４ｂを上下に向けて保持可能となっている。
【００２０】
上成形型１と下成形型７は成形室１１の内部に配設されている。成形室１１の内部は窒素等の非酸化性ガスの雰囲気に保たれており、その状態で上下成形型１，７により光学素子のプレス成形が可能となっている。また、成形室１１に隣接してプリフォーム４を加熱軟化するための加熱装置１２が配設されており、この加熱装置１２は図示しない熱電対により温度をモニターして内部の温度を一定に保つように制御可能となっている。
【００２１】
次に、本実施の形態の光学素子成形型１を用いて所望の光学素子を製作する方法について説明する。
搬送ホルダー１０で被成形面４ａを上に向けて保持したプリフォーム４を搬送アーム１３により加熱装置１２内に搬送して加熱軟化し、さらに、加熱軟化されたプリフォーム４を上下成形型１，７間に搬送して停止配置する。その後、下成形型７を下型保持部材９によりプレス成形方向（図２の矢印Ａ方向）に上昇し、プリフォーム４を上下成形型１，７の間で挟持しプレスする。これにより、上成形型１の成形面２である光学的有効径成形面２ａと光学的有効径外部成形面２ｂおよび下成形型７の成形面８上に創成された非球面形状および球面形状からなる所望の光学鏡面が、加熱軟化されたプリフォーム４に押圧転写され、光学性能を満足するガラスレンズが製作される。
【００２２】
このとき、上下成形型１，７の成形面２，８には、その中央部から高温に加熱されたプリフォーム４が接触するとともに、成形プレス圧によって軟化状態のプリフォーム４が光学的有効径成形面２ａから光学的有効径外部成形面２ｂおよび成形面８に沿って外方向に流動するため、成形面２ａ，２ｂ，８には多大な熱衝撃がかかる。
【００２３】
そのため、変曲点を光学的有効径外部に持つ非球面レンズを成形する場合、従来では凸状非球面成形面３１は図４に示したような第２凸部３４が形成された形状になり、この部分により大きな熱および力学的なストレスが成形面３１に加わるため、膜剥離や粒子脱落が生じて型耐久性が著しく悪かったが、本実施の形態の光学素子成形型１によれば、変曲点３より外周部をプリフォーム４の曲率半径Ｒ以下の曲率半径Ｒ1 を有する球面形状で形成したため、図４に示すような鋭角な第２凸部３４が形成されず、その結果膜剥離や粒子脱落が防止され、型耐久性が向上する。
【００２４】
本実施の形態の光学素子成形型１を用い、かつもう一方の成形型を凹形状の球面型にして、図４に示す従来の成形型３０と成形評価した結果を表１に示す。この成形評価は、プリフォーム４の素材にＳＫ―１１（ショット名）を用い、型温５３０℃でレンズ径φ１６ｍｍの凸メニスカスレンズをプレス成形した。上成形型１の光学的有効径成形面２ａと光学的有効径外部成形面２ｂ、下成形型２１の成形面８およびプリフォーム４の被成形面４ａ，４ｂの各曲率半径は、Ｒ5 （非球面近似の曲率半径）＝１３．５ｍｍ，Ｒ1 ＝１８ｍｍ，Ｒ4 ＝１１．９ｍｍ，Ｒ＝１９．４ｍｍ，Ｒ3 ＝１１．７ｍｍとした。
【００２５】
【表１】
表１に示すように従来の成形型３０では、第２凸部３４に膜剥離・粒子脱落が生じ、約４０００ショットで膜剥離・粒子脱落が光学的有効径成形面３１ａまで侵食し、使用不可能となった。これに対し、本実施の形態の変曲点３より外周部をプリフォーム４の曲率半径Ｒ以下の曲率半径Ｒ1 で形成された凸状非球面成形面２を持つ光学素子成形型１は、３００００ショット以上でも劣化が生ぜず、成形面２の転写性が良好な成形型として継続使用可能であった。
【００２７】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２を図３に基づいて説明する。図３は本実施の形態の光学素子成形型を示す正断面図である。
【００２８】
本実施の形態の光学素子成形型２１は凹状非球面成形面２２を有している。成形型２１の基材は、実施の形態１の光学素子成形型１と同様に、耐熱性の高いセラミック（Ａｌ2 Ｏ3 ，ＳｉＣ，ＴｉＯ2 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，ＢＮ，ＷＣ等のいずれか１つあるいは混合物）が用いられ、成形面２２は無垢かもしくはガラスとの濡れ性が悪いＴｉＮ，ＣｒＮ等のセラミックスコートを施してある。
【００２９】
成形面２２は、光学的有効径成形面２２ａとこの成形面２２ａの外側に設けた光学的有効径外部成形面２２ｂからなり、光学的有効径外部成形面２２ｂ内に変曲点３を有している。光学的有効径外部成形面２２ｂは、変曲点３までは非球面形状で形成され、変曲点３より外側の外周部は光学素子素材としてのプリフォーム２４の被成形面２４ａの曲率半径Ｒと同一あるいは曲率半径Ｒ以上の曲率半径Ｒ1 を有する球面形状で形成されている。
【００３０】
すなわち、光学的有効径成形面２２ａ内の中心では、非球面近似の曲率半径を有する非球面形状であり、光学的有効径外部成形面２２ｂにある変曲点３では、この変曲点３から光学有効径外に向かって曲率半径Ｒ1 の凹面となるように形成されている。この凹面は、成形型２１の外周側に向かうにつれてプリフォーム２４の被成形面２４ａと平行または被成形面２４ａから離れるように、Ｒ1 ≧Ｒとなっている。
【００３１】
本実施の形態の成形型２１は、図２と同様な成形装置に配設される。すなわち、成形型２１は押圧可能な上型保持部材６（図２参照）に固持され、上成形型２１として配設される。上成形型２１の下方には、球面（もしくは平面）型としての下成形型２７が押圧可能な下型保持部材９（図２参照）に固持されて上下動可能に設けられ、上成形型２１と下成形型２７は同一軸上に対向配設される。下成形型２７の成形面２８は、プリフォーム２４の被成形面２４ｂの曲率半径Ｒ3 と同一もしくはそれより大きい曲率半径Ｒ4 を有する球面形状となっている。上成形型２１および下成形型２７は、その外周部に取り付けられた図示しないヒーターによりプリフォーム２４の成形に適した温度になるように制御可能となっている。
【００３２】
プリフォーム２４は、被成形面２４ａ，２４ｂがそれぞれ所望とする光学素子の形状に近似する曲率半径Ｒ，Ｒ3 に球面加工されており、プリフォーム２４を上下成形型２１，２７間に搬送する際の保持部材としての搬送ホルダー１０に被成形面２４ａ，２４ｂを上下に向けて保持可能となっている。
【００３３】
次に、本実施の形態の光学素子成形型２１を用いて所望の光学素子を製作する方法について図３および図２を用いて説明する。なお、図２においては、上型保持部材６に光学素子成形型（上成形型）２１および下型保持部材９に下成形型２７が固持されているものとする。
【００３４】
搬送ホルダー１０で被成形面２４ａを上に向けて保持したプリフォーム２４を搬送アーム１３により加熱装置１２内に搬送して加熱軟化し、さらに、加熱軟化されたプリフォーム２４を上下成形型２１，２７間に搬送して停止配置する。その後、下成形型２７を下型保持部材９によりプレス成形方向（矢印Ａ方向）に上昇し、プリフォーム２４を上下成形型２１，２７の間で挟持しプレスする。これにより、上成形型２１の成形面２２である光学的有効径成形面２２ａと光学的有効径外部成形面２２ｂおよび下成形型２７の成形面２８上に創成された非球面形状および球面形状からなる所望の光学鏡面が、加熱軟化されたプリフォーム２４に押圧転写され、光学性能を満足するガラスレンズが製作される。
【００３５】
このとき、上下成形型２１，２７の成形面２２，２８には、その中央部から高温に加熱されたプリフォーム２４が接触するとともに、成形プレス圧によって軟化状態のプリフォーム２４が光学的有効径成形面２２ａから光学的有効径外部成形面２２ｂおよび成形面２８に沿って外方向に流動するため、成形面２２ａ，２２ｂ，２８には多大な熱衝撃がかかる。
【００３６】
そのため、変曲点を光学的有効径外部に持つ非球面レンズを成形する場合、従来では凹状非球面成形面４１は図５に示したような第１凸部４３が形成された形状になり、この部分により大きな熱および力学的なストレスが成形面４１に加わるため、膜剥離や粒子脱落が生じて型耐久性が著しく悪かったが、本実施の形態の光学素子成形型２１によれば、変曲点３より外周部をプリフォーム２４の曲率半径Ｒと同一もしくはそれ以上の曲率半径Ｒ1 を有する球面形状で形成したため、図５に示すような第１凸部４３が形成されないため、プレス成形時のストレスが強くならず、その結果膜剥離や粒子脱落が防止され、型耐久性が向上する。
【００３７】
本実施の形態の光学素子成形型２１を用い、かつもう一方の成形型を凹形状の球面型にして、図５に示す従来の成形型４０との成形評価を実施の形態１と同様に行った。その結果、従来の成形型４０では、第１凸部４３に膜剥離・粒子脱落が生じ、約４０００ショットで膜剥離・粒子脱落が光学的有効径成形面４１ａまで侵食し、使用不可能となった。これに対し、本実施の形態の変曲点３より外周部をプリフォーム２４の曲率半径Ｒ以上の曲率半径Ｒ1 で形成された凹状非球面成形面２２を持つ光学素子成形型２１は、３００００ショット以上でも劣化が生ぜず、成形面２２の転写性が良好な成形型として継続使用可能であった。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の光学素子成形型によれば、光学的有効径外部に変曲点を有する非球面光学素子をプレス成形する光学素子成形型の成形面の変曲点より外周部を、光学素子素材としてのプリフォームの曲率半径と同一もしくはそれより小さい曲率半径で形成したので、プレス成形時におけるプリフォームの流動によるストレスが強くならないため、外周部の膜剥離や粒子脱落が防止され、光学素子成形型の寿命を延ばすことができる。加えてエアー溜まりの発生が防止され、成形品質の高い光学素子を継続して成形することができる。
【００３９】
また、本発明に係る請求項２の光学素子成形型によれば、光学的有効径外部に変曲点を有する非球面光学素子をプレス成形する光学素子成形型の成形面の変曲点より外周部を、光学素子素材としてのプリフォームの曲率半径と同一もしくはそれより大きい曲率半径で形成したので、プレス成形時におけるプリフォームの流動によるストレスが強くならないため、外周部の膜剥離や粒子脱落が防止され、光学素子成形型の寿命を延ばすことができる。加えてエアー溜まりの発生が防止され、成形品質の高い光学素子を継続して成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示す正断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１の成形型を備えた成形装置を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態２を示す正断面図である。
【図４】従来の凸状非球面型を示す断面図である。
【図５】従来の凹状非球面型を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２１ 光学素子成形型
２ 凸状非球面成形面
２ａ，２２ａ 光学的有効径成形面
２ｂ，２２ｂ 光学的有効径外部成形面
３ 変曲点
４，２４ プリフォーム
４ａ，４ｂ，２４ａ，２４ｂ 被成形面
６ 上型保持部材
７，２７ 下成形型
８，２８ 成形面
９ 下型保持部材
１０ 搬送ホルダー
１１ 成形室
１２ 加熱装置
１３ 搬送アーム
２２ 凹状非球面成形面
Claims (2)
- 光学素子素材を加熱軟化して、光学的有効径外部に変曲点を有する非球面光学素子をプレス成形する凸状非球面成形面を持つ光学素子成形型において、
前記凸状非球面成形面の変曲点よりも外側を、光学素子素材の曲率半径以下の曲率半径を有する凸面で形成することを特徴とする光学素子成形型。 - 光学素子素材を加熱軟化して、光学的有効径外部に変曲点を有する非球面光学素子をプレス成形する凹状非球面成形面を持つ光学素子成形型において、
前記凹状非球面成形面の変曲点よりも外側を、光学素子素材の曲率半径以上の曲率半径を有する凹面で形成することを特徴とする光学素子成形型。
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