JP4572463B2

JP4572463B2 - 光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP4572463B2
Application number: JP2000326117A
Authority: JP
Inventors: 博之上田; 伸次斎藤; 聡檜山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2020-10-25
Also published as: JP2002131510A

Description

【０００１】
本発明は、例えば高開口数の単玉レンズを形成することができる光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光学ピックアップ装置等の光学機器に用いるための光学素子及びこのような光学素子の製造方法が提案されている。このような光学素子としては、成形型を用いたガラスヒートプレス成形によって、高開口数の非球面単玉レンズとして形成されるものがある。
【０００３】
このような光学素子の製造に使用される成形型は、図７に示すように、炭化ケイ素や超硬合金の如き脆性材料１０１を、ダイヤモンド砥石１０２によって研削加工して形成される。この砥石１０２は、中心部分が厚くなされた略々円板形状、すなわち、算盤玉形状に形成され、中心部を回転軸１０３に支持されて回転操作される。この砥石１０２は、回転軸１０３の中心軸にそれぞれ直交し互いに直交する２方向、すなわち、図７中のＸ軸方向及びＺ方向について、移動操作可能となっている。
【０００４】
この成形型を形成するには、まず、成形型となる脆性材料１０１をＺ軸回りに回転させておき、砥石１０２を中心軸回りに回転させつつ、Ｘ軸方向及びＺ方向について位置制御して、この砥石１０２の周縁部を脆性材料１０１に接触させて、該脆性材料１０１を研削して凹面を形成してゆく。ここで、成形型となる脆性材料１０１の回転中心軸、すなわち、Ｚ軸と、砥石１０２の回転中心軸とは、互いに直交する位置関係となっている。
【０００５】
このようにして形成された成形型を用いることにより、ガラスヒートプレス成形によって、同一の特性を有する大量の光学素子を製造することができる。
【０００６】
なお、成形型を用いることなく、光学材料を砥石１０２によって研削することによって、光学素子を製造することもできる。しかし、この場合には、個々の光学素子について全て研削加工を施さなければならないため、個々の光学素子の特性の安定性を維持することが困難となり、また、単位時間あたりの製造個数が少ないという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような光学素子の製造方法においては、高い開口数（ＮＡ）を有するレンズの凸面を形成するための成形型を形成しようとすると、該光学素子におけるサグ、すなわち、レンズ面の中心から周縁部までの光軸方向の距離が大きくなるため、研削加工が困難となる。すなわち、このようなレンズ面を形成するための成形型は、光学素子におけるサグに対応して、深い凹面を有するものとなる。すると、砥石１０２を支持する回転軸１０３と凹面の周縁との間に干渉が生ずる虞れがある。
【０００８】
ここで、砥石１０２の半径をＲ１、研削されて形成される凹面の非球面の近似半径をＲ_Bとすると、まず、以下の条件が存在する。
Ｒ１＜Ｒ_B
そして、レンズ面のサグをｄ１とし、回転軸１０３と研削されて形成される凹面の周縁との間隙をＳｐとし、回転軸１０３の直径をＦとすると、以下の各条件が存在する。
ｄ１≦（Ｒ１−Ｆ／２−Ｓｐ）
Ｓｐ≧０
Ｆ＞０
なお、回転軸１０３の直径Ｆは、実際には、回転軸１０３として必要な剛性を考慮すると、高靱性かつ高剛性の材料を用いても、０．５ｍｍ以下とすることは困難である。したがって、レンズ面のサグｄ１は、結局、以下の式で示す距離より大きくすることはできないことになる。
ｄ１≦（Ｒ１−０．２５）
これでは、高い開口数（ＮＡ）を有するレンズについての設計の自由度が制限されてしまい、高性能のレンズを製造することが困難となってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、サグの大きい凸面を有する光学素子を形成するための成形型を形成することを可能とする光学素子の製造方法を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る光学素子の製造方法は、円柱形状に形成されこの円柱形状の中心軸回りに回転操作されこの中心軸を含む平面内における互いに直交する２方向及び該平面に垂直な軸回りの回動操作が可能となされた砥石を用いて、光学材料からなる被研削材料を研削して凹面部を形成する光学素子の製造方法であって、被研削材料を回転させておき、砥石の先端部分を該被研削材料に接触させて該被研削材料を研削して凹面を形成し、形成される凹面上の各点における法線と該砥石の中心軸との角度を一定角度に維持し、形成される凹面は、非球面の近似半径をＲ_B、凹面の中心から凹面の周縁までのこの凹面の中心軸方向の距離をｄ１としたとき、
（−Ｒ_B／２）≦Ｒ_B−ｄ１≦０．５（ｍｍ）
が成立する非球面または球面となることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明に係る光学素子の製造方法は、円柱形状に形成されこの円柱形状の中心軸回りに回転操作されこの中心軸を含む平面内における互いに直交する２方向及び該平面に垂直な軸回りの回動操作が可能となされた砥石を用いて、脆性材料からなる被研削材料を研削して凹面部を有する成形型を形成し、この成形型を用いてガラスヒートプレス成形によって光学素子を形成する光学素子の製造方法であって、被研削材料を回転させておき、砥石の先端部分を該被研削材料に接触させて該被研削材料を研削して凹面を形成し、形成される凹面上の各点における法線と該砥石の中心軸との角度を一定角度に維持し、形成される凹面は、非球面の近似半径をＲ_B、凹面の中心から凹面の周縁までのこの凹面の中心軸方向の距離をｄ１としたとき、
（−Ｒ_B／２）≦Ｒ_B−ｄ１≦０．５（ｍｍ）
が成立する非球面または球面となることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１５】
本発明に係る光学素子の製造方法においては、光学材料を後述するような砥石を用いて研削加工して凹面部を形成して光学素子とする方法と、脆性材料を後述するような砥石を用いて研削加工して凹面部を有する成形型とし、この成形型を用いてガラスヒートプレス成形によって光学素子を形成する方法とがある。
【００１６】
そして、本発明に係る光学素子の製造方法おいて使用する砥石は、図１に示すように、円柱形状に形成され、この円柱形状の中心軸回りに回転操作されるようになっている。すなわち、この砥石１は、円柱状の支軸２の先端側にこの支軸２に対して同軸となされて取付けられている。この支軸２は、図示しないいわゆるＮＣ研削装置に基端側を支持されており、中心軸回りに回転操作される。また、この砥石１は、支軸２を介して、この砥石１の中心軸を含む平面内における互いに直交する２方向、すなわち、図１中のＺ軸方向及びＸ軸方向及び該平面（Ｘ−Ｚ平面）に垂直な軸、すなわちＹ軸回りの回動操作が可能となされている。ここでは、光学材料、または、脆性材料である被研削材料１０１の研削加工がなされる面の中心に垂直な方向をＺ軸としている。
【００１７】
そして、この光学素子の製造方法においては、まず、被研削材料１０１をＺ軸回りに所定の回転速度で回転させておく。次に、砥石１を中心軸回りに所定の回転速度で回転操作し、この砥石１の先端の稜線部分を、該被研削材料１０１の研削加工面に接触させて、図２に示すように、該被研削材料１０１を研削して凹面１０１ａを形成してゆく。なお、この凹面は、最終的に形成されるべき形状に近い球面形状として、砥石１による研削加工に先立って形成されているものとしてもよい。
【００１８】
砥石１の先端の稜線部分は、凹面の周縁部から研削を始め、順次この凹面の中心側に向けて研削してゆき、所定の形状の凹面を形成してゆく。このとき、砥石１をＺ軸方向及びＸ軸方向に移動させ、また、Ｙ軸回りに回動させることによって、図３に示すように、形成される凹面１０１ａ上の各点における法線と砥石１の中心軸とがなす角度αを、常に一定角度に維持する。この角度αは、図４に示すように、形成される凹面１０１ａの形状をｚ＝ｆ（ｘ）と示したとき、以下の式によって示される。なお、以下の式中のφは、オフセット量であり、任意に定めることができる。
【００１９】
α＝tan^-1（−ｘ₀／ｆ´（ｘ₀））＋φ
なお、砥石１のＹ軸回りの回動は、この砥石１の先端の稜線部分と凹面１０１ａとの接触点を中心として行うようにする。
【００２０】
そして、このようにして形成される凹面１０１ａは、非球面の近似半径をＲ_B、凹面１０１ａの中心から凹面１０１ａの周縁までのこの凹面１０１ａの中心軸方向の距離をｄ１としたとき、以下の式が成立する非球面または球面となる。なお、以下の式中の距離ｄ１は、形成される光学素子におけるサグに相当する距離となる。
【００２１】
（−Ｒ_B／２）≦Ｒ_B−ｄ１≦０．５（ｍｍ）・・・・式（１）
また、砥石１のなす円筒形の半径をＲ２とすると、次式が成立している。
【００２２】
Ｒ２＜Ｒ_B ・・・・式（２）
このようにして、光学素子、または、ガラスヒートプレス成形によって光学素子を形成するための成形型が形成される。本発明に係る光学素子は、上述した本発明に係る光学素子の製造方法によって製造された光学素子である。すなわち、本発明に係る光学素子は、図１乃至図４に示すように、光学材料１０１からなり、円柱形状に形成されこの円柱形状の中心軸回りに回転操作されこの中心軸を含む平面内における互いに直交する２方向及び該平面に垂直な軸回りの回動操作が可能となされた砥石１によって、該光学材料１０１が研削されて形成された凹面部１０１ａを有する光学素子である。凹面部１０１ａは、非球面の近似半径をＲ_B、凹面の中心から凹面の周縁までのこの凹面の中心軸方向の距離をｄ１としたとき、以下の式が成立する非球面または球面形状となっている。
【００２３】
（−Ｒ_B／２）≦Ｒ_B−ｄ１≦０．５
また、砥石１のなす円筒形の半径をＲ２とすると、次式が成立している。
【００２４】
Ｒ２＜Ｒ_B
この光学素子は、光学材料１０１を回転させておき、砥石１の先端部分を該光学材料１０１に接触させて該光学材料１０１が研削されることによって形成されたものであり、この凹面１０１ａ上の各点における法線と該砥石の中心軸との角度αが一定角度に維持されて研削されたものである。
【００２５】
また、本発明に係る光学素子は、成形型を用いてガラスヒートプレス成形によって形成された光学素子である。この成形型は、図１乃至図４に示すように、脆性材料１０１からなり、円柱形状に形成されこの円柱形状の中心軸回りに回転操作されこの中心軸を含む平面内における互いに直交する２方向及び該平面に垂直な軸回りの回動操作が可能となされた砥石１によって研削されて、成形面となる凹面部１０１ａを形成されたものである。凹面部１０１ａは、非球面の近似半径をＲ_B、凹面１０１ａの中心から凹面１０１ａの周縁までのこの凹面１０１ａの中心軸方向の距離をｄ１としたとき、以下の式が成立する非球面または球面形状となっている。
【００２６】
（−Ｒ_B／２）≦Ｒ_B−ｄ１≦０．５（ｍｍ）
また、砥石１のなす円筒形の半径をＲ２とすると、次式が成立している。
【００２７】
Ｒ２＜Ｒ_B
この成形型は、脆性材料１０１を回転させておき、砥石１の先端部分を該脆性材料１０１に接触させて脆性材料１０１が研削されることによって形成されたものであり、この凹面１０１ａ上の各点における法線と該砥石１の中心軸との角度αが一定角度に維持されて研削されたものである。
【００２８】
【実施例】
本発明に係る光学素子として、以下に示す光学素子を成形した。この光学素子は、保護層の厚さが０．１ｍｍの光ディスクに対して情報信号の書込み及び／又は読出しを行う光学ピックアップ装置の対物レンズであって、開口数（ＮＡ）が０．８５で、ワーキングディスタンス（ＷＤ）が１．０ｍｍである光学素子である。この光学素子は、非球面の凸面を有する光学素子であって、非球面の凹面を有する成形型を用いて、ガラスヒートプレス成形によって形成されるものである。
【００２９】
この光学素子の非球面は、非球面の近似半径Ｒ_Bが、１．７４ｍｍであり、サグが１．５３ｍｍである。したがって、上述の式（１）については、次式が成立している。
【００３０】
（−Ｒ_B／２）＝−０．８７（ｍｍ）≦０．２１（ｍｍ）＝Ｒ_B−ｄ１
Ｒ_B−ｄ１＝０．２１（ｍｍ）≦０．５（ｍｍ）
また、砥石１のなす円筒形の直径は、２．３ｍｍなので、上述の式（２）については、次式が成立している。
【００３１】
Ｒ２＝２．３（ｍｍ）／２＝１．１５（ｍｍ）＜１．７４（ｍｍ）＝Ｒ_B
この光学素子を形成する成形型の凹面の研削加工における凹面上の各点の法線と砥石の中心軸とのなす角度αは、４７°であった。また、砥石のＹ軸回りの回動角度は、６２°であった。
【００３２】
このようにして形成した光学素子の非球面の表面精度は、図５に示すように、表面形状の誤差が±０．３μｍ程度の範囲に収まっており、極めて良好な加工面となっていることがわかる。また、この光学素子を透過した光束の透過波面収差は、図６に示すように、０．０４５ｒｍｓ程度に収まっており、極めて良好な特性を有する光学素子であることがわかる。
【００３３】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る光学素子の製造方法においては、円柱形状に形成されこの円柱形状の中心軸回りに回転操作されこの中心軸を含む平面内における互いに直交する２方向及び該平面に垂直な軸回りの回動操作が可能となされた砥石を用いて、光学材料、または、脆性材料からなる被研削材料を研削して凹面部を形成し、光学素子、または、光学素子を成形するための成形型を形成する。この凹面部を形成するとき、形成される凹面上の各点における法線と砥石の中心軸との角度は、一定角度に維持される。
【００３４】
そして、形成される凹面は、非球面の近似半径をＲ_B、凹面の中心から凹面の周縁までのこの凹面の中心軸方向の距離（サグ）をｄ１としたとき、
（−Ｒ_B／２）≦Ｒ_B−ｄ１≦０．５
が成立する非球面または球面となる。
【００３５】
すなわち、本発明は、サグの大きい凸面を有する光学素子を形成するための成形型を形成することを可能とする光学素子の製造方法を提供し、また、この光学素子の製造方法によって製造された光学素子をすることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学素子の製造方法を実施するための砥石の構成を示す側面図である。
【図２】上記光学素子の製造方法を実施している状態を示す断面図である。
【図３】上記光学素子の製造方法における砥石の移動状態を示す断面図である。
【図４】上記光学素子の製造方法における凹面の法線と砥石の中心軸とがなす角度を示すグラフである。
【図５】本発明に係る光学素子の表面精度を示すグラフである。
【図６】本発明に係る光学素子の透過波面収差の量を示すグラフである。
【図７】従来の光学素子の製造方法を示す側面図である。
【符号の説明】
１砥石、２支軸、１０１被研削材料（光学材料、脆性材料）、１０１ａ
凹面

Claims

円柱形状に形成され、この円柱形状の中心軸回りに回転操作され、この中心軸を含む平面内における互いに直交する２方向及び該平面に垂直な軸回りの回動操作が可能となされた砥石を用いて、光学材料からなる被研削材料を研削して凹面部を形成する光学素子の製造方法であって、
上記被研削材料を回転させておき、上記砥石の先端部分を該被研削材料に接触させて該被研削材料を研削して凹面を形成し、形成される凹面上の各点における法線と該砥石の中心軸との角度を一定角度に維持し、
形成される凹面は、非球面の近似半径をＲ_B、凹面の中心から凹面の周縁までのこの凹面の中心軸方向の距離をｄ１としたとき、
（−Ｒ_B／２）≦Ｒ_B−ｄ１≦０．５（ｍｍ）
が成立する非球面または球面となる
ことを特徴とする光学素子の製造方法。
円柱形状に形成され、この円柱形状の中心軸回りに回転操作され、この中心軸を含む平面内における互いに直交する２方向及び該平面に垂直な軸回りの回動操作が可能となされた砥石を用いて、脆性材料からなる被研削材料を研削して凹面部を有する成形型を形成し、この成形型を用いてガラスヒートプレス成形によって光学素子を形成する光学素子の製造方法であって、
上記被研削材料を回転させておき、上記砥石の先端部分を該被研削材料に接触させて該被研削材料を研削して凹面を形成し、形成される凹面上の各点における法線と該砥石の中心軸との角度を一定角度に維持し、
形成される凹面は、非球面の近似半径をＲ_B、凹面の中心から凹面の周縁までのこの凹面の中心軸方向の距離をｄ１としたとき、
（−Ｒ_B／２）≦Ｒ_B−ｄ１≦０．５（ｍｍ）
が成立する非球面または球面となる
ことを特徴とする光学素子の製造方法。