JP4818685B2 - ガラス光学素子成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、一対の成形型により加熱軟化したガラス素材を押圧してガラス光学素子を成形するガラス光学素子成形方法に関する。

近年、ガラスレンズである光学素子は、例えば、デジタルカメラなどの撮像素子の高画素化が進み、高精度な光学面形状が求められている。また、カメラ筐体の小型化に伴って、非球面形状の高精度な凹レンズ面を有する光学素子の需要が高くなっている。

このような高精度が要求される光学素子は、例えば、特許文献１、及び特許文献２の光学素子の成形方法に記載されているように、鏡面仕上げを行った成形面をもつ成形型によってガラス素材である光学素材を加熱軟化した状態でプレス成形する光学素子成形装置によって製造される。

特許文献１に記載される光学素子の成形方法では、高精度な光学素子の光学面を成形型の光学成形面によって転写する精度を保つために、加熱軟化している成形後の光学素子の冷却速度を１０℃／ｍｉｎとして、ゆっくりと冷却する技術が開示されている。

また、特許文献２に記載される光学素子の成形方法では、光学素子の成形時に発生する光学面（光学機能面）のクセをキャンセルするような形状に成形型を加工し、光学素子の成形における種々の成形条件を設定する技術が開示されている。
特開平５−２１８５号公報 特開平６−７２７２６号公報

しかしながら、上述の特許文献１の技術では、光学素子の冷却速度を遅くすると、製造のサイクルタイムが長くなり、生産性が劣るという問題がある。また、凹レンズのような高精度が要求される光学面の成形では、冷却速度を遅くするだけでは成形型による転写精度が得られない場合がある。

また、特許文献２の技術では、光学素子成形装置に対して、光学面のクセをキャンセルする形状に加工された成形型から光学素子を離型する際に発生する光学素子の反りなどによって生じる不良を回避する種々の成形条件を何度も設定する必要がある。そのため、特許文献２の光学素子の成形方法では、種々の成形条件の設定に労力を要すると共に、該成形条件に合わせた成形型の加工時間が必要となるため、歩留まり低減の要因となる問題がある。

そこで、本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、高精度な光学面を有する光学素子の光学性能を確保すると共に、生産性が向上することで、歩留まりが向上するガラス光学素子成形方法を提供することを目的とする。

上述のように、押圧されて必要光学面を得る光学素子は必ずしも所望の光学面を得られず、設計される理想光学面からの誤差を有する。本発明は、この誤差を有する光学面を直接的に設計理想面に近づけることなく、押圧されて成形された一対の光学面の光軸中心からの任意半径位置においての面間寸法を、設計上の一対の光学面の光軸中心からの該任意半径位置においての面間寸法に近づけることにより、その光学性能を確保するものである。そして、このような手段により得られた誤差光学面を有する光学素子の全てが、光学的に性能を満足させるものではないものの、少なくともそれら一部の光学素子が実用に供し得るという事実が存在する。

そこで、本発明の第１のガラス光学素子成形方法は、ガラス素材を一対の型により押圧してガラス光学素子を成形するガラス光学素子成形方法において、上記ガラス光学素子の設計値に基づいた光学面形状を転写可能な形状に加工された光学成形面を有する上記一対の型を用いて成形した上記ガラス光学素子の一対の上記光学面形状と上記設計値に基づいて決まる上記光学面形状との差を測定する第１の工程と、上記測定された差に基づいて、上記一対の一方の型の上記光学成形面を、設計とおりの面形状に修正することなく、光軸と平行な上記光学成形面間の距離を上記設計値に基づいて決まる距離と同じ距離に加工する第２の工程と、 上記加工された上記一方の型と、上記一対の型の他方の型と伴に上記ガラス光学素子を成形する第３の工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、高精度な光学面を有する光学素子の光学性能を確保すると共に、生産性が向上することで、歩留まりが向上するガラス光学素子成形方法を実現できる。

以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１から図１２は、本発明のガラス光学素子成形方法における第１の実施の形態に係り、図１は光学素子成形装置の内部を示す断面図である。図２は、図１の光学素子成形装置の一対の型、スリーブ、及びガラス素材を示す断面図である。図３は、成形後のガラス光学素子の断面図である。図４は、ガラス素材からガラスレンズを成形する光学素子成形装置の動作フローチャートである。図５は、光学性能を満足するように設計値に近似する光学素子を成形する動作フローチャートである。図６は、一実施例の図３のガラス光学素子の一断面における凹レンズ面の形状を示す関数グラフである。図７は、一実施例の図３のガラス光学素子の一断面における凸レンズ面の形状を示す関数グラフである。図８は、図６、及び図７に示した関数を重ね合わせた関数グラフである。図９は、図６、及び図７に示した関数を合成した関数グラフである。図１０は、上型の断面に成形後のガラスレンズの断面を重ね合わせた状態を示す図であり、図１０（ａ）は一方の手段を説明し、図１０（ｂ）は他方の手段を説明するための図である。図１１は、加工後の上型の凸状成形面によって成形された一実施例のガラス光学素子の一断面における凹レンズ面の形状を示す関数グラフである。図１２は、図７、及び図９に示した関数を合成した関数グラフである。

図１、及び図２に示す、本実施形態の光学素子成形装置１は、光学素材であるガラス素材１５Ａを加熱軟化させ、一対の成形型で押圧し、冷却後に上記一対の成形型間を開くことで所望の面形状を有するガラス光学素子であるガラスレンズ１５を製造するための装置である。この光学素子成形装置１の内部には、主要構成部材として、一対の成形型である上型２、及び下型３と、上型２を支持する上軸４と、下型３を支持する下軸５と、上型２、及び下型３を覆うスリーブ６と、上軸４を上下方向に密閉状態で移動自在に保持している昇降ベース体７と、該昇降ベース体７に一体的に固設される石英管８と、昇降ベース体７の上部に配設される上冷却板９と、下軸５が載置されるベース板１０と、該ベース板１０の下部に配設される下冷却板１１と、石英管８の周囲に配される型加熱用熱源である赤外線ランプヒータ１２と、上型２及び下型３の夫々の内部に埋め込まれている型加熱用熱源であるカートリッジヒータ１３ａ，１３ｂと、上型２と下型３の間に配設される離型リング１４と、を有している。

尚、光学素子成形装置１は、石英管８、赤外線ランプヒータ１２などの周囲に配される上下方向に開閉自在な密閉炉（不図示）と、図示しないフレームに支持されて、上軸４を上下方向に移動させるサーボモータ、或いはエアーシリンダからなる駆動装置（不図示）と、石英管８、昇降ベース体７、及びベース板１０によって囲まれたガラスレンズ１５を成形する成形室内を真空状態にする排気装置（不図示）と、成形室内を所定の圧力に設定する窒素ガスなどの不活性ガス（非酸化性ガス）を送気する流量調整用装置（不図示）と、ガラス素材１５Ａを下型３に自動セットし、且つ成形後のガラスレンズ１５を自動的に取り出すオートローダ（不図示）と、成形室内の温度、圧力、ガス流量、真空などの制御やガラス素材１５Ａを下型３にセットする位置制御を行う制御装置（不図示）を有している。

この光学素子成形装置１によって、ガラスレンズ１５に成形されるガラス素材１５Ａは、図２に示すように、設計上のガラスレンズ１５の近似形状に磨かれた、例えば、ガラス転移点５０６℃、軟化点６０７℃のモールド用の硝材である。

上型２と下型３は、ガラス素材からガラスレンズ１５を成形するに足る温度領域で十分な強度を有する材料であって、超硬合金、または、ＳＩＣ（炭化珪素）等によって形成された略円柱状の一対の型を構成している。この上型２と下型３は、略同一の外径が設定されており、夫々の軸が同一線上を通るように、図示しない固定部材によって、上軸４、及び下軸５に夫々嵌合固定されている。

本実施の形態の上型２は、ガラスレンズ１５の一方のレンズ面である非球面状の凹レンズ面１５ａ（図３参照）を成型し、ガラスレンズ１５の熱収縮などによる体積変形のみを見込んだ設計値に基づく非球面形状が設定された凸状成形面２ａを有しており、下型３はガラスレンズ１５の他方のレンズ面である球面状の凸レンズ面１５ｂ（図３参照）を成型し、上型２と同様に、ガラスレンズ１５の熱収縮などによる体積変形のみを見込んだ設計値に基づく球面形状が設定された凸状成形面２ａを有している。これら各型２，３の夫々の成形面２ａ，３ａは、ガラスレンズ１５の光学機能面を転写形成する鏡面加工が施されている。

また、各型２，３の夫々の内部には、各軸４，５を貫挿して配される型加熱用熱源であるカートリッジヒータ１３ａ，１３ｂ、及び型温度検出用の図示しない熱電対が夫々埋め込まれている。これらのカートリッジヒータ１３ａ，１３ｂは、上型２、及び下型３を熱伝導により加熱し、且つ、各型２，３を介してガラス素材１５Ａを加熱する。

上軸４、及び下軸５には、それぞれ型冷却用の冷却水が流通可能な冷却経路（図示せず）が設けられている。さらに、上軸４には、中途外周部分に段部が形成されており、上昇時に該段部の上面が昇降ベース体７の下面となる対向面と当接することで、昇降ベース体７、石英管８、及び図示しない密閉炉を一緒に持ち上げる。

スリーブ６は、円筒形状のセラミックス材料で形成され、上方部が上型２に固着され、且つ精密嵌合（隙間５μｍまたはそれ以下の極めて少ない状態）しており、下型３に対してスライド可能に精密嵌合（隙間５μｍ程度の極めて少ない状態）している。従って、赤外線ランプヒータ１２による照射熱は、石英管８、及びスリーブ６を介して上型２、及び下型３に効率よく伝達される。また、スリーブ６は、各型２，３と精密嵌合することで、各型２，３の軸心を合わせるためのものでもある。

石英管８は、上型２、下型３、及びスリーブ６の周囲空間を外界より密閉、または、外界に開放可能であり、ガラス素材１５Ａの成形中、密閉状態にあるとき、真空または非酸化雰囲気で充満できるように、夫々の接触部にはシールが施されている。この石英管８により密閉された空間がガラスレンズ１５を成形する成形室１６となる。

上冷却板９、及び下冷却板１１は、例えば、表面に凹凸が形成されており、その表面積を大きくすることで、各型２，３の熱を外部へ放出する。尚、各冷却板９，１１に、上述の型冷却用の冷却水が流通可能な冷却経路を設けても良い。

赤外線ランプヒータ１２は、密閉炉（不図示）の内側壁に固定支持されており、石英管８の外周に沿って位置している。尚、カートリッジヒータ１３ａ，１３ｂや赤外線ランプヒータ１２、また、上記冷媒は、熱電対（不図示）によって検出される型温度に基づいて、上述した光学素子成形装置１の図示しない制御部により制御され、各工程時におけるガラス素材１５Ａおよび上型２、及び下型３の温度制御が行われる。

離型リング１４は、上型２の凸状成形面２ａ周りに装着されており、図示しないシリンダにより上下動して、上型２に貼着した成形後のガラスレンズ１５の離型を行うためのものである。

成形室１６は、ガラス素材１５Ａからガラスレンズ１５を押圧成形中に密閉されて、図示しない不活性ガス供給管から上述の不活性ガスが内部に充填されて不活性雰囲気となる。

次に、上述した構成を有する光学素子成形装置１によりガラスレンズ１５を成形する工程について図４のフローチャートを用いて説明する。尚、本実施の形態の光学素子成形装置１によって成形されるガラスレンズ１５は、例えば片面非球面の凹メニスカスレンズであり、外径がφ１２．２ｍｍ、凹レンズ面１５ａ側が近軸中心Ｒ４．３、及び有効径φ８．６ｍｍの非球面形状を有し、凸レンズ面１５ｂ側が曲率Ｒ３６、有効径φ１１ｍｍの球面形状を有するように設計値が決められている。

まず、上述の設計値に基づいて形成される近似値形状に磨かれたガラス素材１５Ａをオートローダ（不図示）によって搬送し、下型３の凹状成形面３ａ上に載置する（Ｓ１）。そして、石英管８、及び密閉炉（不図示）により成形室１６内を密閉状態とする（Ｓ２）。

上型２を下型３に向かった方向に降下させ、ガラス素材１５Ａの表面近傍に上型２の凸状成形面２ａが到達したとき、上型２を一旦停止させる（Ｓ３）。そこで、成形室１６は、図示しない制御部のコントロールのもとで、内部が真空状態にされ、流量調整用装置（不図示）によって、不活性ガスである窒素ガスが充填される（Ｓ４）。

そして、光学素子成形装置１の制御部のコントロールのもとで、カートリッジヒータ１３ａ，１３ｂや赤外線ランプヒータ１２に通電し、上型２、下型３、スリーブ６、及びガラス素材１５Ａの加熱を開始する（Ｓ５）。

そして、図示しない熱電対の温度検知により、ねらいの所定温度（ここでは成形温度５６５℃）に到達したら、上型２を下型３方向に再降下させて型閉じ状態とし、凸状成形面２ａ、及び凹状成形面３ａによりガラス素材１５Ａを押圧する（Ｓ６）。次に、所定量の押圧後、カートリッジヒータ１３ａ，１３ｂ、及び赤外線ランプヒータ１２の通電を停止させる（Ｓ７）。

そして、各軸４，５の冷却経路に冷却水（例えば、冷媒としての純水）を通して冷却工程に入り、各型２，３の冷却を開始する（Ｓ８）。上記冷却により上型２、下型３、及びガラス素材１５Ａの熱は、上記冷媒を介して系外に放出されると共に、各冷却板９，１１により外気へ放出される。そして、ガラス素材１５Ａは、押圧成形されてガラスレンズ１５の形状となる。

その後、図示しない熱電対の検知結果から各型２，３の型温度が酸化せず、変形温度以下の温度、例えば、常温（２５℃）付近まで下がったとき、駆動装置（不図示）によって上軸４を上昇させ、上型２、及びスリーブ６を上昇させると共に、昇降ベース体７を上軸４の段部で、石英管８、および密閉炉（不図示）と一緒に持ち上げて、上型２からガラスレンズ１５を離型する（Ｓ９）。最後にガラスレンズ１５は、オートローダー（図示せず）によって外部に搬出される（Ｓ１０）。尚、ガラスレンズ１５は、冷却により熱収縮変形し、上型２の凸状成形面２ａに吸着する場合があるが、離型リング１４が上下動することで、該凸状成形面２ａに貼り付くことなく離型する。

以上のような工程手順により、本実施の形態の光学素子成形装置１は、凹メニスカスレンズであるガラスレンズ１５を製造する。尚、成形されたガラスレンズ１５は、その形状が冷却時に発生する各型２，３との熱収縮量の違いにより、上述の設計値と異なった形状となってしまう。

そこで、図５のフローチャートの各ルーチンに従って、図３のガラスレンズ１５の断面図、及び実験結果の一例である図６〜図１２の図面を参照して、設計上のガラスレンズ１５の光学性能を補正する工程について説明する。

その前にここで、型修正の考え方の概要を述べておく。
図３に示すように、レンズ１５は凹レンズ面１５ａとそれに対向する凸レンズ面１５ｂを有する所望の理想レンズ（設計レンズ）であり、成形されて出来上がったレンズ面の一方は、凹レンズ面１５ａに対し、光軸Ｏ方向に微小に平行移動してズレた位置に、凸レンズ面１５ａと同一形状のレンズ面１５ａ´を仮定し、これに対し面形状誤差を有したレンズ面１５ａ´´すなわち曲線ｇ１（ｒ）があるとする。さらに成形されて出来上がったレンズ面の他方は、凸レンズ面１５ｂに対し、光軸Ｏ方向に微小に平行移動してズレた位置に、凸レンズ面１５ｂと同一形状のレンズ面１５ｂ´を仮定し、これに対し面形状誤差を有したレンズ面１５ｂ´´すなわち曲線ｇ２（ｒ）があるとする。上述のレンズ面１５ａ´とレンズ面１５ｂ´を仮定したのは成形されたレンズ面の光軸Ｏにおける面間（面厚）が必ずしも設計値のレンズ面の光軸Ｏにおける面間（面厚）と同じであるとは断言できないからである。

また、理想レンズ面である凹レンズ面１５ａと光軸Ｏとの交点を原点とし、横軸にレンズ半径ｒを採り、理想レンズ面である凸レンズ面１５ｂと光軸Ｏとの交点を原点とし、横軸にレンズ半径ｒを採り、さらに各原点より光軸Ｏ方向の上方向（下型３から上型２への向き）を＋に採り、これら原点よりレンズ半径方向（外径方向）に＋とした座標系で、理想レンズ面である凹レンズ面１５ａを表す曲線をＧ１（ｒ）とし、理想レンズ面である凸レンズ面１５ｂを表す曲線をＧ２（ｒ）とすると、任意半径ｒにおける理想レンズ１５における光軸Ｏに平行な面間Ｄは、
Ｄ_０＝Ｇ１（ｒ）＋Ｔ_０−Ｇ２（ｒ）＝ｆ_０（ｒ）
と定義できる。ただし、Ｔ_０｛Ｔ_０＝ｆ_０（０）｝は、光軸Ｏ上での面間距離（定数）とする。

ここで所望とするのは任意半径位置での光軸に平行な面間Ｄ＝ｆ（ｒ）であるが実際は上述の通りｇ１（ｒ）、ｇ２（ｒ）のように設計値に対し光軸Ｏ方向にズレた面が形成されている。ここでのｇ１（ｒ）、ｇ２（ｒ）は測定より得られたデータを近似した高次式を近似曲線とする。ただし、横軸はレンズ半径ｒをとり、縦軸は理想レンズを基準とした量（μｍ）である。

そこで、光軸Ｏとｇ１（ｒ）、ｇ２（ｒ）とが交わる点を各原点として、これら原点より光軸を縦軸として上方向（下型から上型への向き）を＋に採り、これら原点よりレンズ半径方向（外径方向）に＋とした横軸とで座標系を定義する。

実際に成形されたレンズ１５の面間Ｄ_１は、
Ｄ_１＝ｇ１（ｒ）+Ｔ_０´−ｇ２（ｒ）＝ｆ_１（ｒ）
と定義できる。ただし、Ｔ_０´｛Ｔ_０´＝ｆ_１（０）｝は光軸Ｏ上での面間距離（定数）とする。

従って、理想レンズ１５に対する実際に成形されたレンズ１５の面間誤差は、
Ｄ_１−Ｄ_０＝ｇ１（ｒ）＋Ｔ_０´−ｇ２（ｒ）−Ｇ１（ｒ）−Ｔ_０＋Ｇ２（ｒ）＝ｆ_１（ｒ）−ｆ_０（ｒ）＝Δｄ（ｒ）
となる。

ここで、Ｇ１（ｒ）、Ｇ２（ｒ）、Ｔ_０の各項は設計値であり、既知の数値である。従って、残りの項のｇ１（ｒ）、ｇ２（ｒ）、Ｔ_０´を測定、計測し、これを基に型を修正すれば良い。但し、Ｔ_０´は後述するが、型修正時に変動してしまう可能性があるので、型修正後の再度の成形後に成形レンズを測定することで型間の調整を行い、これを修正できる。従って当然ではあるが、人為的に操作できる残った項のｇ１（ｒ）−ｇ２（ｒ）が最小となるように型を修正すれば良いことになる。

すなわち、このｇ１（ｒ）−ｇ２（ｒ）を最小化すべく、型の一方を追加工（型修正）する、もしくは場合により両方の型を追加工（型修正）してもよい。ここまでが型修正の考え方である。

そして、上記レンズ面１５ａ´とレンズ面１５ｂ´の設計値からの平行移動ズレ量（図３中のＴ_０−Ｔ_０´）及び後述する型修正加工時に発生するレンズ面の光軸Ｏ方向平行移動量の修正は成形時の上型、下型の型間調整により行われる。

まず、図５に示すように、最初に成形されたガラスレンズ１５を基に、この凸レンズ面１５ｂの有効径内の形状を触針式表面形状測定機などにより測り、この測定結果と上述の設計値との凸レンズ面１５ｂのズレである形状誤差を測定する（Ｓ１１）。その測定結果の一例は、図３に示すガラスレンズ１５の断面において、凸レンズ面１５ｂは、図７に示す曲線に沿った形状をしており、設計値（設計レンズ面形状）に対する光軸Ｏ方向の面形状誤差量が最大でおよそ＋０．３μｍの誤差量Δｔ２を有していた（Ｓ１２）。

詳しくは、設計値に基づいて加工された下型３によって押圧成形された、図３の断面におけるガラスレンズ１５の凸レンズ面１５ｂは、ここでは点Ｑ１から点Ｑ２までが最大の面形状誤差量となっている。

次いで、成形されたガラスレンズ１５の凹レンズ面１５ａの有効径内の形状を触針式表面形状測定機などにより測り、この測定結果と上述の設計値との凹レンズ面１５ａのズレである形状誤差を測定する（Ｓ１３）。その測定結果の一例は、図３に示すガラスレンズ１５の断面において、凹レンズ面１５ａは、図６に示すグラフ曲線に沿った形状をしており、設計値（設計レンズ面形状）に対する光軸Ｏ方向の面形状誤差量がおよそ＋０．８μｍの誤差量Δｔ１を有していた（Ｓ１４）。

詳しくは、設計値に基づいて加工された上型２によって押圧成形された、図３の断面におけるガラスレンズ１５の凹レンズ面１５ａは、ここでは点Ｐ１から点Ｐ２までが最大の面形状誤差量となっている。

この段階での成形後のガラスレンズ１５は、凹レンズ面１５ａ、及び凸レンズ面１５ｂに設計値に対する形状誤差量Δｔ１，Δｔ２を有し、これら形状誤差量Δｔ１，Δｔ２が複合して、レンズ単体の性能低下を招き、例えば、複数枚組み合わせて作成されるレンズの光学性能が非常に劣化するため不良品となってしまう。

しかし、設計値からの形状誤差が僅かであって、（本実施の形態では、凹レンズ面１５ａにおいて、設計値に対する形状誤差量Δｔ１が最大でおよそ０．８μｍ以下の誤差量である。）各レンズ面１５ａ，１５ｂ間の光軸Ｏに平行な距離が設計値に対して同等のガラスレンズ１５であれば、光学性能を満足することが確認されている。そのため、ガラスレンズ１５は、どちらか一方のレンズ面を各レンズ面１５ａ，１５ｂ間の光軸Ｏに平行な距離が設計値と同等になるように補正するため、レンズ面を転写する上型２、或いは下型３のどちらか一方を再加工すれば良い。場合によっては、両型２，３を再加工しても良い。

本実施の形態では、安価に初期型加工のできる球面状の凹状成形面３ａを有する下型３を設計値に基づいた状態のままとし、非球面の凸状成形面２ａを有する上型２のみを再加工し、ガラスレンズ１５の凹レンズ面１５ａを補正する。つまり、この再加工した上型２によって凹レンズ面１５ａを補正し、この上型２と初期加工のままの下型３を使用して、ガラスレンズ１５を押圧成形する。

ここで、ガラスレンズ１５の各レンズ面１５ａ，１５ｂ間の光軸Ｏに平行な距離について、説明する。図３に示すように、光軸Ｏから半径方向への距離ｒにおけるガラスレンズ１５の各レンズ面１５ａ，１５ｂ間の光軸Ｏに平行な距離は、Ｄ＝ｆ（ｒ）定義でき、レンズ面１５ａ,１５ｂの面形状を表す、前述のような近似の高次式を用いれば容易に算出できる。
そこで、ステップＳ１２，Ｓ１４によって得られた形状誤差の測定結果を上述のｇ１（ｒ）-ｇ２（ｒ）によって合成し（図８参照）、合成形状誤差Ｒを算出する（Ｓ１５）。その合成形状誤差Ｒは、グラフ（図９参照）のように、およそ０．４８μｍの幅を有する合成形状誤差Ｒとなる。詳しくは、成形されたガラスレンズ１５の光軸Ｏに平行な距離Ｄ_１は、設計値に基づいて決まるガラスレンズ１５の光軸Ｏに平行な距離Ｄ_０に対して、図９に示すグラフ曲線に沿った形状をしており、０．４８μｍの誤差と、設計光学面に対し光軸Ｏへ不明な量の平行移動分を有している。

従って、最初にこの光軸Ｏ方向への不明な平行移動分を考えずに、このグラフ曲線に示された形状に沿って、上型２の凸状成形面２ａを補正する。

また、図６〜図９に示した関数は、図３に示したガラスレンズ１５の光軸Ｏが通る一断面のレンズ面１５ａ，１５ｂ形状を表しているため、光軸Ｏを軸とした合成形状誤差Ｒを演算処理して算出する。
尚、以上に説明した各ルーチンの動作が本実施形態の第１の工程となる。

ここでのステップＳ１６での合成形状誤差が光学的性能を満たすかどうか、言い換えればその誤差量（誤差幅）が所定値以下であるかどうかを判断する。この誤差量が所定値以下であれば後述のステップＳ２０に進み、所定値を越えていれば型修正の工程であるステップＳ１７，Ｓ１８に進む。

次に、ステップＳ１５で得た合成形状誤差（補正形状Ｒ）に基づき、上型２の凸状成形面２ａを再加工する（Ｓ１７）。詳しくは、成形されたガラスレンズ１５が設計値に対する光軸Ｏと平行な方向の合成形状誤差量である、補正形状Ｒに基づいて、上型２の凸状成形面２ａのみを、図９に示したグラフ曲線の軌跡に合わせて削り加工する。

この修正加工（追加工）の手段の一つを、図１０（ａ）を用いて説明する。図１０（ａ）のｇ´´は図９の結果、すなわちｇ１（ｒ）−ｇ２（ｒ）から算出された量を未修正の凸状成形面２ａ上に、反転した、すなわち−（ｇ１（ｒ）−ｇ２（ｒ））を反映した線図を示す。ここにおいては型の光軸中心表面を０とした座標を採る。

図９のグラフ中の（＋）部分は成形されたガラスレンズの肉厚が相対的に余計であり、（−）部分は肉厚が相対的に足りないというということを示している。このため上型の型表面全体に、図９のグラフ中の（＋）部分の肉厚量を上回る肉厚ｐを溶接、硬質鍍金等により肉盛りし、この肉盛り全体を切削、研削、研磨等の必要な追加工を行い、有効径内に必要な曲線ｇ´´を得るということが考えられる。すなわち、肉盛り表面から曲線ｇ´´までの肉部分である図１０（ａ）の領域Ｓ１を除去する。ただし、図１０（ａ）中の（＋）部分はその肉盛り部分と伴に上型一部を上記のような追加工が施される。

また別の手段として図１０（ｂ）に示すように、上型２の中に、凸状成形面２ａと同じ面を光軸Ｏ方向に図９のグラフ中の（＋）量の最大値を超える平行移動した曲線２ａ´´を仮定し、この曲線２ａ´´上に上記曲線ｇ´´を重ね、少なくとも有効径内の、現状未修正の凸状成形面２ａと曲線ｇ´´との間に型肉である図１０（ｂ）の領域Ｓ２を除去するように切削、研削、研磨等の必要な追加工を行う。
上記二つの手段のうち、後者の工程が簡便である。

尚、上軸４への上型２の固定時に設計値に基づくガラスレンズ１５の各レンズ面１５ａ，１５ｂ間における光軸Ｏと平行な方向の距離Ｄ_１を考慮して、上型２と下型３との離間する高さ方向の位置調整を行うようにする。もしくは、型閉め時の型間のストロークを調整すればよい。

この段階では、成形されるガラスレンズ１５の各レンズ面１５ａ，１５ｂの光軸Ｏに平行な距離Ｔ_０´と、設計上のガラスレンズ１５の各レンズ面１５ａ，１５ｂの光軸Ｏに平行な距離Ｔ_０の一致は考えずに、下型３の凹状成形面３ａは加工せずに、上型２の凸状成形面２ａのみを合成形状誤差（補正形状Ｒ）に従って再加工する。尚、このステップＳ１７の動作が本実施の形態における第２の工程となる。

次に、再加工した上型２と、未加工の（設計値に基づいて加工された）下型３を使用して、光学素子成形装置１により、ガラス素材１５Ａからガラスレンズ１５を成形する（Ｓ１８）。尚、このルーチンは、図４に示したフローチャートに示すステップＳ１〜Ｓ１０の手順と同じであるため、その詳細な説明を省略する。

そして、形成したガラスレンズ１５の凹レンズ面１５ａの面形状を触針式表面形状測定機などにより測定する（Ｓ１３）。その測定結果の一例は、図１１に示すように、ガラスレンズ１５の凹レンズ面１５ａの形状が設計値に対して光軸Ｏ方向に０．３５μｍの幅の誤差量である形状誤差量Δｔ´を有していた。ここで、設計値に対する面形状誤差を表す線図をｇ１ｍ（ｒ）とする。

このステップＳ１４での凹レンズ面１５ａの形状誤差量Δｔ１´と、ステップＳ１４での凸レンズ面１５ｂの形状誤差量Δｔ２（ここでは、０．３μｍ）に基づいて、ガラスレンズ１５の設計値に対する合成形状誤差を算出する。

その算出のため、ステップＳ１６で行ったように、面形状誤差を表すｇ２（ｒ）と型修正されて成形された凹レンズ面１５ａの面形状誤差を表すｇ１ｍ（ｒ）とを重ね合わせ（図１２）その差をｇ１ｍ（ｒ）−ｇ２（ｒ）を算出する。この結果が図１３であり、合成形状誤差を表す線図となり、この線図の最大値と最小値との間隔が最終的な合成面形状誤差となる。

その結果の一例は、図１３に示すように、成形後のガラスレンズ１５は、有効径内における各レンズ面１５ａ，１５ｂで形成された合成面形状誤差が設計値に対して、０．１μｍ以下である最大でおよそ０．０９μｍの誤差に収まっていた。

次に、ステップＳ１５での結果から、成形されたガラスレンズ１５が所定の光学性能を満足しているか否かの判断を行う（Ｓ１６）。ここでの判断は、成形後のガラスレンズ１５の有効径内における各レンズ面１５ａ，１５ｂの光軸Ｏと平行な誤差量が設計上の光学面に対する誤差量Δｄ（ｒ）が光学性能を満足可能とする許容精度（品質）である±２μｍ以内（-２μｍ≦Δｄ（ｒ）≦+２μｍ）であるか否かの判断を行い、この光学性能を満足可能とする許容精度範囲内であれば、次の工程である第４の工程で型間調整を行う。

尚、合成面形状誤差量が±２μｍ以内に収まっていない場合は、再度ステップＳ１７に移行し、各ルーチン（ステップＳ１７，１８，Ｓ１３〜Ｓ１６）を実施する。また、これらステップＳ１７〜Ｓ１６で行われるルーチンが本実施の形態の第３の工程となる。

そして、最後の工程である第４の工程を説明する。この工程では、修正された型により成形されたガラスレンズ１５は、上述のように光軸Ｏ中心での肉厚が、設計値であるＴ_０に対し、その寸法がその値からずれたＴ_０´という寸法で成形されているので、成形されたガラスレンズの光軸Ｏ中心肉厚Ｔ_０´を測定し、設計値Ｄ_０との差分を成形時の型間で調整する（Ｓ１９）。これによれば、合成面形状誤差が修正された一対の面間はその修正を崩さず相対的にその間隔が変更されるだけでこの差分が除去される。

このように、ガラスレンズ１５は、凸レンズ面１５ｂと凹レンズ面１５ａとの相対距離が設計によって決まる値と略同じとなり、良好な光学性能を満足する許容精度（品質）を備えている。

以上に説明した形状補正のため再加工された上型２と、設計値に基づいて加工された下型３とを使用して、光学素子成形装置１によって、連続１００００ショット以上のガラスレンズ１５の成形を実施して検証した結果、成形された全てのガラスレンズ１５は、各レンズ面１５ａ，１５ｂ間の光軸Ｏに平行な距離が設計上の距離に対して、良好な光学性能を満足する許容精度（品質）である誤差量±２μｍ以内という結果が得られた。

また、本実施の形態においては、一対の型の一方である上型２の非球面形状の凸状成形面２ａのみを再加工し、一対の型の他方である下型３の球面形状の凹状成形面３ａは再加工しないため、型を作り直す手間が掛からず、安価な初期加工で済むと共に、型自体の加工におけるリードタイムが１ヶ月以上の期間で短縮できた。さらに、上型２の再加工時には、下型３の初期加工が完了しているため、型の成形面を加工する加工機は上型２の凸状成形面２ａの再加工に集中して使用することができ、該加工機稼動の分散化を図ることができた。

以上に説明したように本実施の形態のガラス光学素子成形方法によれば、一対の型２，３による押圧成形により、各成形面２ａ，３ａが転写するガラスレンズ１５の各レンズ面１５ａ，１５ｂの面精度を考慮しなくとも、上述した簡易な方法によりガラスレンズ１５の概略形状である各レンズ面１５ａ，１５ｂ間の光軸Ｏに平行な距離を設計値に合わせることで、該ガラスレンズ１５の光学性能を満足することができるため、難形状の光学素子の成形においても容易に設定が可能となる。

また、本実施の形態のガラス光学素子成形方法は、光学素子成形装置１の種々の設定をガラスレンズ１５の良好な光学性能を満足するように何度も変更しなくても、成形するガラスレンズ１５のサンプリングに合わせて、各レンズ面１５ａ，１５ｂ間の光軸Ｏに平行な距離を設計値に基づいて決まる距離に合わせるための上型２の補正加工だけでよいので、労力を要せず、時間短縮可能となり、ガラスレンズ１５の生産性を向上することができる。また、本実施の形態のガラス光学素子成形方法は、ガラスレンズ１５の冷却速度を遅くする必要が無いため、ガラスレンズ１５の製造のサイクルタイムの増大を防止でき、生産性が劣るという問題も回避することができる。以上の結果から、ガラスレンズ１５の製造における歩留まりを向上することができる。

尚、本実施の形態では、上型２の凸状成形面２ａ側を補正加工したが、これに限ることなく、下型３の凹状成形面３ａ側を各レンズ面１５ａ，１５ｂ間における光軸Ｏに平行な軸に沿った距離と設計値で決まる距離との合成形状誤差であるズレ部分を補正する補正加工を行っても良い。

また、本実施の形態では、凸レンズ面１５ｂが球面形状のガラスレンズ１５を例に挙げたが、これに限定されることなく、両レンズ面１５ａ，１５ｂが非球面形状のガラスレンズ１５に適用可能である。つまり、両レンズ面１５ａ，１５ｂに光学面を転写する各型２，３のいずれか一方に上記ズレ部分の量をフィードバックして補正加工すれば良い。

さらに、本実施の形態では、ガラスレンズ１５の屈折率調整のためのアニール工程を実施していないが、該アニール工程を実施する場合、アニール後のガラスレンズ１５の形状を基準に上記ズレ部分の量をキャンセルするように、一対の型２，３の一方のみを補正加工すれば良い。

（第２の実施の形態）
本実施の形態のガラス光学素子成形方法は、第１の実施の形態での成形する一対の光学面の有効径が同一のガラスレンズ１５に対し、一対の光学面の有効径が互いに異なるガラスレンズを成形し補正する場合である。ここで、第１の実施の形態において記載した各構成については、同じ符号を使って、それらの詳細な説明を省略する。

以下に、一対の光学面の有効径が互いに異なる本実施の形態のガラス光学素子成形方法を図１４〜図１６を用いて説明する。尚、図１４は、凹レンズ面１５ａから見たガラスレンズ１５の平面図である。図１５は、凸レンズ面１５ｂから見たガラスレンズ１５の平面図である。図１６は、図１４、及び図１５のＸＩ−ＸＩ線に沿ったガラスレンズ１５の断面図である。尚、図１５は、図１４に示したａ−ａ´方向のみが逆向きに、図１４に示したｂ−ｂ´方向を変更せずに、図１４のガラスレンズ１５を裏返した状態を示している。

図１４に示すように、ガラスレンズ１５の凹レンズ面１５ａには、第１の有効径Ｚ１を有し、図１５に示すように、ガラスレンズ１５の凸レンズ面１５ｂには第２の有効径Ｚ２を有している。本実施の形態のガラスレンズ１５は、凹レンズ面１５ａ側の有効径Ｚ１に対して、凸レンズ面１５ｂ側の有効径Ｚ２が大きい（Ｚ１＜Ｚ２）、凹メニスカスレンズである。

以下に、本実施の形態のガラス光学素子成形方法を説明する。
尚、成形したガラスレンズ１５の一方の面であるレンズ面１５ａにおける光軸中心からの任意半径における一点と該一点に対応する他方の面であるレンズ面１５ｂにおける後述する一点との距離（これを説明中では「成形擬似面間」と称する）と、設計上のガラスレンズ１５の一方の面であるレンズ面１５ａにおける光軸Ｏ中心からの任意半径における一点と該一点に対応する他方の面であるレンズ面１５ｂにおける後述する一点との距離（これをこの説明中では「設計擬似面間」と称する）とが略同一であれば、成形したガラスレンズ１５は、必要な半径における光学性能を略満足することが確認されている。そのため、本実施の形態では、以下に説明するような方法によって、ガラス光学素子であるガラスレンズ１５を成形する。

先ず、光学素子成形装置１によって、第１の実施の形態と同様に、図４に示したフローチャートの手順でガラスレンズ１５の設計に基づく成形面２ａ，３ａが加工された各型２，３によりガラスレンズ１５を押圧形成する。そして、第１の実施の形態でのステップＳ１１，Ｓ１３と同様にして、ガラスレンズ１５の各レンズ面１５ａ，１５ｂの夫々の有効径内の形状を触針式表面形状測定機などにより測定する。

次に、成形されたガラスレンズ１５から、該ガラスレンズ１５の有効径Ｚ１内における光軸Ｏからの半径方向の第１の距離ｒ１にある凹レンズ面１５ａ上の任意の第１の点Ａ（図１４参照）を決定する。そして、凹レンズ面１５ａの有効径Ｚ１と凸レンズ面１５ｂの有効径Ｚ２の比率により、凹レンズ面１５ａ上の第１の距離ｒ１にある第１の点Ａに対応した凸レンズ面１５ｂ上の有効径Ｚ２内にある第２の点Ａ´（図１５参照）の位置を特定する。

この第２の点Ａ´を特定するにあたり、先ず、光軸Ｏからの半径方向の第２の距離ｒ２を求める。詳しくは、上記任意の点Ａに対応する該凸レンズ面１５ｂ上の点Ａ´における光軸Ｏからの第２の距離ｒ２は、
Ｚ２×ｒ１/Ｚ１＝ｒ２・・・式（４）
から算出することができる。

すなわち、この点Ａ´は、凹レンズ面１５ａの点Ａと光軸Ｏとを有する面内にある点であって、この面によって切断される図１６に示すガラスレンズ１５の断面内にあると共に、上記点Ａの近傍における光軸Ｏから距離ｒ２にあって、光軸Ｏに直交する直線と凸レンズ面１５ｂとが交わった位置にある点となる。

次に、凹レンズ面１５ａの点Ａと凸レンズ面１５ｂの点Ａ´の位置における設計値に対する夫々の誤差量Δｔ１，Δｔ２を上述の触針式表面形状測定機によって測定した値から算出する。そして、これら誤差量Δｔ１，Δｔ２を上記第１の実施の形態と同様に合成し、成形したガラスレンズ１５の設計値に対する合成形状誤差を算出する。この合成の際、レンズ面１５ａ，１５ｂでの誤差を表す線図は、任意点ＡとＡ´との対比において、横軸方向に互いにズレているので、単純に合成できない。この線図の合成においては、上記有効径比を凹レンズ面１５ａ、若しくは凸レンズ面１５ｂの一方の横軸に乗算するか除算をしてから合成する。この合成形状誤差が本実施の形態での補正形状Ｒとなる。

即ち、本実施の形態では、第１の実施の形態での光軸Ｏと平行な方向の距離に対して、ガラスレンズ１５の各レンズ面１５ａ，１５ｂの補正形状Ｒから算出するのではなく、各レンズ面１５ａ，１５ｂの有効径Ｚ１，Ｚ２の比率により対応する点Ａ，Ａ´間の、距離Ｌ_１（ｒ１）が設計値に基づいて決まる距離Ｌ_０（ｒ１）との誤差に合わせて補正形状Ｒから算出する。

尚、成形後のガラスレンズ１５の各有効径Ｚ１，Ｚ２における凹レンズ面１５ａ上の任意の点Ａに対する凸レンズ面１５ｂ上の点Ａ´を特定したように、凹レンズ面１５ａ上の任意の複数箇所の点Ａに対する凸レンズ面１５ｂ上の点Ａ´を式（４）に基づいて、特定し、上記の補正形状Ｒから算出する。

そして、第１の実施の形態と同様にして、成形後のガラスレンズ１５の凹レンズ面１５ａを補正するために、下型３の凹状成形面３ａは加工せずに、上型２の凸状成形面２ａのみを上記補正形状Ｒに基づいて再加工する。次に、再加工した上型２と、未再加工の（設計値に基づいて加工された）下型３を使用して、光学素子成形装置１により、第１の実施の形態と同様にして、ガラス素材１５Ａからガラスレンズ１５を成形する。

尚、修正された上記上型２を用いて、このガラスレンズ１５を押圧成形する際には、第１の実施の形態と同様に、光軸中心の型間の調整するか、もしくは上軸４への上型２の固定時に設計上のガラスレンズ１５を考慮して、上型２と下型３との離間する高さ方向の位置調整を行うようにする。

そして、次に、再度成形したガラスレンズ１５における合成形状誤差を上記と同じく算出する。

尚、成形したガラスレンズ１５の各レンズ面１５ａ，１５ｂの有効径Ｚ１，Ｚ２における凹レンズ面１５ａ上の任意の点Ａに対する凸レンズ面１５ｂ上の点Ａ´を特定したように、凹レンズ面１５ａ上の任意の複数箇所の点Ａに対する凸レンズ面１５ｂ上の点Ａ´を特定し、その各点Ａ，Ａ´を結んだレンズ面１５ａ，１５ｂ間の第２の距離Ｌ_１を複数個所で測定し、夫々対応する設計によって決まる各点Ａ，Ａ´を結んだ上記第１の距離Ｌ_０（ｒ１）と比較する。

また、成形したガラスレンズ１５と、設計上のガラスレンズ１５との上記点Ａ−Ａ´間の長さにおける誤差量ΔＬ（ｒ１）は、
Ｌ_０（ｒ１）−Ｌ_１（ｒ１）＝ΔＬ（ｒ１） ・・・式（５）（但し、ｒ２は上記の式（４）である。）
と定義できる。

そして、本実施の形態のガラス光学素子成形方法では、求められたレンズ面１５ａ，１５ｂ間の各点における設計擬似面間に対する誤差量ΔＬ（ｒ１）が略ゼロ（ΔＬ（ｒ１）≒０）とするように、第１の実施の形態と同様にして、上型２の凸状成形面２ａのみを補正の為に追加工する。そして、必要に応じ型間の調整を行い、レンズを成形する。

こうして成形したガラスレンズ１５は、各レンズ面１５ａ，１５ｂの有効径Ｚ１，Ｚ２の比率に対応した、光軸Ｏからの距離ｒ１，ｒ２にある各レンズ面１５ａ，１５ｂ上の複数個所の２つの点（Ａ，Ａ´）間の距離Ｌ_１を設計上の同じ各点位置における各レンズ面１５ａ，１５ｂ間の距離Ｌ_０と略同じ長さとなるように、形状が補正されることで、各レンズ面１５ａ，１５ｂが設計値に対して微小な誤差領域内の形状のズレを有していても、より良好な光学性能を満足することができる。

また、上記発明の説明において、Ｔ_０´をＴ_０に合わせる、若しくは近づけるために型間の調整を行えばよいと説明したが、必ずしもこの調整は場合により必要でない。つまり、１つのケースとして、成形されたガラスレンズの肉厚（面間距離）が全体的に理想レンズ（設計レンズ）のそれより薄い場合は、理想レンズの面間Ｔ_０に対する成形されたレンズの収縮量を考慮、計算して型を追い込むように追加工すればよい。もし、この計算値から再度成形されたガラスレンズ１５のＴ_０´がＴ_０から大きく外れた場合は型間の調整を行えばいいだけの事となる。

また、本発明によれば設計とおりの理想レンズ面形状に修正することも無く容易な修正で済み、型加工に膨大な時間をかけることも無くレンズを生産できるので生産性の向上に寄与するものである。

また、本発明の実施は、レンズの屈折調整のためのアニール処理後の形状と設計レンズ形状との対比にて行われてもよい。

また、上記各実施形態の光学素子成形装置１では、上型２側を可動型としているが、これに限らず、上型２側を固定型とし、下型３側を可動型として、他は同様な構成を適用することも可能である。

この発明は、上記各実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。

例えば、各実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明によるガラス光学素子成形方法を用いることで、良好な光学性能を満足する光学素子を製造する生産性を向上する光学素子成形装置に適用可能になる。

本発明の第１の実施の形態に係る光学素子成形装置の内部を示す断面図である。 同、図２は、図１の光学素子成形装置の一対の型、スリーブ、及びガラス素材を示す断面図である。 同、図３は、成形後のガラスレンズの断面図である。 同、ガラス素材からガラスレンズを成形する光学素子成形装置の動作フローチャートである。 同、光学性能を満足するように設計値に近似する光学素子を成形する動作フローチャートである。 同、図３のガラス光学素子の一断面における凹レンズ面の形状を示す関数グラフである。 同、図３のガラス光学素子の一断面における凸レンズ面の形状を示す関数グラフである。 同、図６、及び図７に示した関数を重ね合わせた関数グラフである。 同、図６、及び図７に示した関数を合成した関数グラフである。 同、図１０（ａ）は修正加工（追加工）の手段の一つを説明するための上型の断面に成形後のガラスレンズの断面を重ね合わせた状態を示す図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）での修正加工（追加工）の手段の一つとは別の手段を説明するための上型の断面に成形後のガラスレンズの断面を重ね合わせた状態を示す図である。 同、加工後の上型の凸状成形面によって成形されたガラスレンズの一断面における凹レンズ面の形状を示す関数グラフである。 同、面形状誤差と型修正されて成形された凹レンズ面の面形状誤差とを重ね合わせた状態のガラスレンズの一断面における凹レンズ面の形状を示す関数グラフである。 同、図７、及び図９に示した関数を合成した関数グラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る凹レンズ面から見たガラスレンズの平面図である。 同、凸レンズ面から見たガラスレンズの平面図である。 同、図１３、及び図１４のＸＩ−ＸＩ線に沿ったガラスレンズの断面図である。

符号の説明

１ ・・・光学素子成形装置
２ ・・・上型（一対の型の一方）
２ａ ・・・凸状成形面
３ ・・・下型（一対の型の他方）
３ａ ・・・凹状成形面
１５Ａ・・・ガラス素材
１５ ・・・ガラスレンズ（光学素子）
１５ａ・・・凹ガラス面（光学面）
１５ｂ・・・凸ガラス面（光学面）
Ｏ ・・・光軸

Claims (1)

1. ガラス素材を一対の型により押圧してガラス光学素子を成形するガラス光学素子成形方法において、
   上記ガラス光学素子の設計値に基づいた光学面形状を転写可能な形状に加工された光学成形面を有する上記一対の型を用いて成形した上記ガラス光学素子の一対の上記光学面形状と上記設計値に基づいて決まる上記光学面形状との差を測定する第１の工程と、
   上記測定された差に基づいて、上記一対の一方の型の上記光学成形面を、設計とおりの面形状に修正することなく、光軸と平行な上記光学成形面間の距離を上記設計値に基づいて決まる距離と同じ距離に加工する第２の工程と、
   上記加工された上記一方の型と、上記一対の型の他方の型と伴に上記ガラス光学素子を成形する第３の工程と、
   を備えることを特徴とするガラス光学素子成形方法。

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