JP5404500B2

JP5404500B2 - レンズ研磨装置

Info

Publication number: JP5404500B2
Application number: JP2010077926A
Authority: JP
Inventors: 淳平長谷川; 晋太郎木村
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011206893A

Description

本発明はレンズの光学面を非球面に研磨するレンズ研磨装置に関する。

少ない枚数のレンズ構成で諸収差を改善するために、様々な光学系中に非球面レンズが多用されている。プラスチックレンズや外径が数ミリ程度のガラスレンズでは、射出成形やプレス成形などによって非球面レンズが比較的容易に得られるが、例えば外径が数十ミリ以上になるとガラスレンズの非球面化は非常に困難になる。従来、このようなガラス製の非球面レンズは、特許文献１，２で知られるように特別な工具を用い、レンズ面を部分的に加工しながら所期の非球面形状を得ている。また、特許文献３には、非球面レンズに仕上げる前段階のプリフォームレンズを研削により整形する手法が開示されている。

特開２００２−３７０１４７号公報特開２００３−０４８１５３号公報特開２００８−１６８４０２号公報

特許文献１，２に記載された手法では、基本的に非球面全体に座標設定を行い、各々の座標位置ごとに光軸方向の非球面データを対応づけて座標位置ごとに加工を施していかなければならず、製造に時間がかかるだけでなく設備コストも高いという欠点がある。また、部分的な加工の累積で最終的な非球面形状が決まるため、滑らかな非球面形状を得ようとするとデータ量が膨大になるという難点がある。

一方、特許文献３記載の手法は、レンズ素材を光軸中心に回転させ、その被加工面に非球面形状に倣った研削面を有する砥石を回転させながら押し当てて切削を行うようにしているが、研削によるレンズ表面には筋状の研削痕や微細な凹凸、又はクラックが入り、プリフォームレンズに要求される非球面形状を得るには有用であるが、そのまま光学面として用いることは難しい。また、被加工面全体に砥石を一律に摺接させると、被加工面上で研削方向が変化して研削痕が交差してしまい、レンズ面が粗くなる。このため、被加工面に対して砥石を部分的に摺接させなくてはならず、そのまま光学面として利用できるような滑らかで連続性のある非球面に仕上げることができず、また凹形状の非球面を加工することができないという難点がある。

本発明は上記背景を考慮してなされたもので、その目的は、膨大なデータ管理を必要とせずに、簡便かつ効率的に光学面として利用できる非球面が得られるレンズ研磨装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するにあたり、被研磨面が予備整形されたレンズ素材をその光軸回りに回転させ、前記被研磨面にスラリーを供給しながら研磨皿をその中心軸回りに回転させて前記研磨皿の研磨面の形状に対応した非球面を前記被研磨面に形成するレンズ研磨装置を改良したものである。本発明によるレンズ研磨装置は、前記研磨面が、前記非球面の光軸を通る直径分の断面形状線を研磨皿の中心軸回りに回転させた回転面で構成され、前記研磨面の半径部分に前記レンズ素材の被研磨面の直径部分を摺接させて研磨が行われ、かつ前記研磨面には、前記被研磨面に形成される非球面の頂点を含む中央部分に加わる圧力を抑制する研磨抑制領域が前記中心軸を中心とする円輪形に設けられていることを特徴とする。

前記研磨皿は、中心軸が前記レンズ素材の光軸と交差するように配置され、前記被研磨面に対面する貼付面が形成され前記中心軸回りに回転されるパッド台座と、前記貼付面に貼付され前記研磨面を有する研磨パッドとから構成されて、前記研磨パッドの研磨面を部分的に凹ませることによって前記研磨抑制領域が形成される。前記パッド台座は、前記研磨パッドの裏側から前記研磨抑制領域を支持する支持面が一方の端面に設けられ、前記中心軸を中心として回転自在に保持された円筒状部材を備え、前記貼付面に対する前記支持面の突出量又は凹み量が調節自在とされるようにしても良い。

前記パッド台座は、前記中心軸を中心に形成され前記筒状部材が嵌合される円環状の溝と、前記円環状の溝の底面の円周を３等分する３個所に円周方向に沿って傾斜する３つの第1傾斜面とを備え、前記円筒状部材は、他方の端面の円周を３等分する３個所に円周方向に沿って前記第1傾斜面５１と同じ傾斜角度に形成された第２傾斜面を備え、前記第２傾斜面を前記第１傾斜面に当接させ、前記第１傾斜面に対する第２傾斜面の当接位置によって前記貼付面に対する前記支持面の突出量又は凹み量が調節されるようにしても良い。前記筒状部材は、前記中心軸を中心とした同心円状に複数個が設けられ、複数個の前記支持面によって前記研磨パッドの裏側が前記研磨抑制領域の範囲を越えて支持されるようにしても良い。

本発明によれば、膨大なデータ管理を必要とせずに、簡便かつ効率的に光学面として利用できる非球面が得られるレンズ研磨装置を提供することができる。

本発明によるレンズ研磨装置の概観図である。レンズ研磨装置を側面から見た一部断面図である。研磨皿を中心軸方向から見たときの研磨パッドを示す図である。光軸の上方から被研磨面を見たときの被研磨面と研磨面（展開図）の接触を説明する模式図である。本発明による効果を説明するため、レンズ表面の凹みに対して、所望の形状からの変位量を強調して表した非球面レンズの模式図である。レンズ中心部を研磨する部分が補正された研磨皿を作成する工程フローである。非球面形状の設計式と設計値及び補正後の設計値の表である。非球面研磨皿で研磨された被研磨面の測定データである。補正後の研磨皿で研磨された被研磨面の測定データである。別のレンズ研磨装置を側面から見た断面図である。別の研磨皿を作成する工程を説明する図である。別の研磨皿のパッド台座を円環状の溝が見える中心軸方向から見たときの図である。別の研磨皿の筒体の斜視外観図である。筒体が固定されるパッド台座の傾斜面部分の断面図である。筒体の位置を調節する傾斜面の構造を説明する図である。研磨パッドの裏側に隙間が生じた研磨皿の断面図である。４つの筒体の場合の研磨皿の断面図である。８つの筒体の場合の研磨皿の断面図である。図１８のパッド台座を円環状の溝が見える中心軸方向から見たときの図である。

図１及び図２に示すように、本発明によるレンズ研磨装置１０は、被研磨面１１が予備整形されたレンズ素材１２を光軸１３回りに回転させ、被研磨面１１にスラリー供給ノズル１４からスラリーを供給しながら研磨皿１５をその中心軸１６まわりに回転させて研磨皿１５の研磨面２５の形状に対応した非球面を被研磨面１１に形成する。研磨皿１５は、非球面の光軸１３を通る直径分の断面形状線２１を研磨皿１５の中心軸１６回りに回転させた回転面で構成された研磨面２５を有し、研磨面２５の半径分にレンズ素材１２の直径分の被研磨面を摺接させて研磨が行われる。研磨面２５には、研磨面２５に形成される非球面の頂点を含む中央部分に加わる圧力を抑制する研磨抑制領域２６が中心軸１６を中心とする円輪形に設けられている。

レンズ研磨装置１０は、レンズ素材１２を支持して回転するレンズ支持台１７を備え、レンズ支持台１７はバネ１８によって矢印１９で示される方向に押圧され、レンズ素材１２を研磨皿１５に押し付けている。研磨皿１５は、被研磨面１１に対面する貼付面２２が形成され中心軸１６回りに回転されるパッド台座２３と、貼付面２２に貼付され研磨面２５を有する研磨パッド２７とから構成され、研磨パッド２７の研磨面２５を部分的に凹ませることによって研磨抑制領域２６が設けられている。なお、貼付面２２を作製する断面形状線２１に近似する曲線は、円弧であることが好ましいが、円弧でなくても良く、ＮＣ加工機で加工し易い形状であるほど好ましい。

図３に示すように、研磨パッド２７は、三日月のように湾曲した８枚のウレタンシート２８からなり、貼付面２２に貼り付けられる。ウレタンシート２８はパッド台座２３に貼り付けられた状態で、隣り合うウレタンシート２８の間に、回転中心部から周辺に向かって螺旋状を描く溝２９が形成される。なお、溝２９は直線状であっても良く、研磨パッド２７を１枚の円盤状シートに切込みを入れて形成するようにしても良い。

次に、研磨抑制領域２６を設ける理由について説明する。図２に示すように、レンズ研磨装置１０を構成する研磨皿１５の中心軸１６はレンズ素材１２を回転させるレンズ支持台１７の回転軸（レンズ素材１２の光軸１３と同じ）と角度θで交差しており、これによって中心軸１６及び光軸１３を含む面と研磨面２５の交線の近傍に、研磨面２５と被研磨面１１の接触する被研磨領域３０が帯状に存在する（図４参照）。

図４に示すように、研磨面２５と被研磨面１１は時計回りの方向に回転する。被研磨領域３０において、研磨面２５上の外側位置での速度Ａと内側位置での速度Ｃの関係はＡ＞Ｃであり外側のＡの方が大きいが、研磨面２５と被研磨面１１の相対移動速度で考えると、研磨面２５の光軸１３より外側位置では、前記Ａと被研磨面１１の回転速度Ｂが同じ方向になるため相対移動速度は両者の差になり、光軸１３より内側位置では、前記Ｃと被研磨面１１の回転速度Ｄが逆方向になるので相対移動速度は両者の和になる。このような相対移動速度の和又は差によって被研磨面の仕上がりに影響を与える場合には、研磨面２５と被研磨面１１のそれぞれの回転速度を調節することによって外側位置と内側位置の相対移動速度を同程度にすることができる。

ここで被研磨面１１の中心部は常に研磨面２５と接触して研磨され続けるのに対して、周辺部はレンズ素材１２が１回転するうちに２回しか被研磨領域３０を通過しない。したがって中心部の研磨量は周辺部に比べて多く、レンズ素材１２の中心部には凹み３２（図５参照）が発生する。この凹み３２は、大きなレンズ、例えば、直径が数十ミリもあるレンズの場合は、特に問題となるので、研磨皿１５の研磨面２５に研磨抑制領域２６を設けてレンズ素材１２の中心部と周辺部の研磨量を均一にし、中心部に凹み３２が発生しないようにする。

次に、研磨パッド２７の表面に研磨抑制領域２６を有する研磨面２５の作製方法を図６に示すフローに沿って説明するとともにその効果について説明する。例えば、研磨で形成される非球面の設計値が図７の表１に示された値であるとき、式（１）を用いて目標とする非球面形状に加工された研削工具を用意して、パッド台座２３の表面に研磨パッド２７を貼り付ける。

図１に示すレンズ素材１２の位置に前記研削工具をセットし、研削工具によって研磨皿１５に貼り付けられた研磨パッド２７の表面にレンズの非球面形状を反転した断面形状を有する面形状を形成する。この形状に形成された研磨パッド２７でレンズを研磨する。図８に示されるように、研磨されたレンズ素材１２の非球面を測定すると、目標とする非球面形状に対して光軸方向の寸法差ΔＺが中心部で大きく窪んでいる（Ｒは被研磨面１１の光軸１３を中心とする半径寸法である）。

この測定結果より研磨皿１５に形成すべき研磨面２５の設計値を補正し、図７の表２に示される値を求め、この値で研削工具の母材の表面に補正後の面形状をＮＣ加工する。研削工具の表面にダイヤモンド粒を含むメッキを施して研削工具を完成させ、完成させた研削工具を図１に示すレンズ素材の位置にセットして、研磨皿１５に貼り付けられた研磨パッド２７の表面を研磨し、研磨パッド２７に補正後の非球面形状に加工する。研磨パッド２７の研磨面２５には、レンズの頂点部分２４と摺接する前記円輪形の研磨抑制領域２６が形成される。また、ＮＣ加工機によって研削工具に加工する形状はメッキ厚を考慮した形状にすることは当然である。

図１に示すように、補正後の面形状に加工された研磨面２５を有する研磨皿１５が取り付けられたレンズ研磨装置１０にレンズ素材１２がセットされ、レンズ素材１２の被研磨面１１が補正された研磨面２５によって研磨される。こうして研磨された被研磨面１１に形成された非球面を測定すると、図９に示されるように、目標とする非球面形状に対する光軸方向の寸法差ΔＺは補正前に比べて大きく改善されている。このように本発明によれば研磨パッド２７に設けられた研磨抑制領域２６によって、中心部の研磨量が抑制されて被研磨面１１は凹みのない形状３３（図５参照）に改善される。

次に、別の実施形態について説明する。前記実施形態と同じものは同じ符号を付して説明を省略する。図１０に示すように、研磨皿４０は、研磨パッド４７の研磨面４５の研磨抑制領域４６にかかる摺接圧力を、研磨抑制領域４６以外の部分の摺接圧力に比べて小さくなるように調節して、被研磨面１１の研磨量が均一になるようにしたものである。研磨パッド４７は、図１１に示すように、前記非球面形状に対してメッキ厚を考慮した形状をＮＣ加工機によって研削工具に加工形成し、表面にダイヤモンド粒を含むメッキを施して前記非球面形状が形成された研磨パッド加工用の研削工具を作製する。この研削工具を図１に示したレンズ素材１２の位置に配置して、パッド台座４３に貼り付けられた研磨パッド４７の表面に非球面形状を形成する。

研磨皿４０は、断面形状線２１を中心軸１６回りに回転させたときに形成される回転面が表面に形成され前記回転面が研磨面４５として用いられる研磨パッド４７と、研磨皿４０が回転されたときに被研磨面１１に形成される非球面形状の少なくとも頂点部分２４と摺接する研磨パッド４７の研磨抑制領域４６を裏面側から支持する筒体５０と、筒体５０が装着される円環状の溝４８と研磨パッド４７の研磨抑制領域４６以外の部分が貼り付けられる貼付面４２とを有するパッド台座４３とから構成される。

図１２に示すように、パッド台座４３は中心軸１６を中心に形成された円環状の溝４８の底面に３つの第1傾斜面５１が形成される。第1傾斜面５１は円環状の溝４８の同心円上に円周方向を等間隔で３等分した位置に設けられ、それぞれの中央に円弧状の長孔５２が形成される。図１３に示すように、筒体５０は、一方の端面に研磨パッド４７の研磨抑制領域４６を裏面側から支持する支持面５３備え、他方の端面に同心円上の円周方向を等間隔で３等分する位置に３つの第２傾斜面５４が第1傾斜面５１と同じ傾斜角度で形成され、筒体５０をパッド台座４３に固定するネジ５５（図２参照）が螺合されるネジ孔５６が形成される。

図１４に示すように、筒体５０はパッド台座４３の円環状の溝４８に挿入され第1傾斜面５１と第２傾斜面５４とが当接する。筒体５０は支持面５３がパッド台座４３の貼付面４２に対して段差が生じないように位置決めされ、円弧状の長孔５２に挿通されたネジ５５によって固定される。図１５に示すように、筒体５０は、ネジ５５を緩めて矢印５７の方向に筒体５０を回転させることができる。このとき筒体５０は傾斜面に沿って回転するので矢印５８の方向に斜めに移動するので、支持面５３が矢印５９の方向に移動して、研磨パッド４７との間に隙間が生じる。

図１６に示すように、ネジ５５を緩めて筒体５０を回し、支持面５３と研磨パッド４７の間に所定の隙間を作ってからネジ５５を締め付け直し、筒体５０をパッド台座４３に固定して研磨皿４０を完成させる。研磨パッド４７は、レンズ素材１２が押し付けられたときに前記隙間のある部分が僅かに湾曲してレンズ素材１２への押圧力が軽減される。更に支持面５３の押圧力を調節する必要がある場合には、再度、ネジ５５を緩めて筒体５０を回し、支持面５３の位置調節を行う。

また、図１７に示すように、前記筒体を、直径の異なる４つの筒体６１〜６４によって構成しても良い。研磨パッド４７の裏面と支持面５３の隙間を段階的に調節することができ、これによって研磨パッド４７はレンズ素材１２が押し付けられたときに前記隙間のある部分を曲線的に湾曲させることができる。また、図１８及び図１９に示すように、筒体７１〜７８を設け、その複数の支持面５３によって、研磨面４５の被研磨面１１に摺接する範囲の全てを、研磨パッド４７の裏面側から支持するようにしても良い。８つの筒体７１〜７８が装着されるパッド台座７０の円環状の溝４８の底面には、同心円上を等間隔に３等分した位置に配置された３つ１組の第1傾斜面５１が、同心円状に８重に構成される。第1傾斜面５１は、それぞれの中央に円弧状の長孔５２が形成される。

１０レンズ研磨装置
１１被研磨面
１２レンズ素材
１３光軸（レンズ素材の光軸、非球面の光軸）
１４スラリー供給ノズル
１５，４０研磨皿
１６中心軸
１７レンズ支持台
１８バネ
１９，５７〜５９矢印
２１断面形状線
２２，４２貼付面
２３，４３，７０パッド台座
２４頂点部分
２５，４５研磨面（回転面）
２６，４６研磨抑制領域
２７，４７研磨パッド
２８ウレタンシート
２９溝
３０被研磨領域
３２凹み
３３凹みのない形状
４８円環状の溝
５０，６１〜６４，７１〜７８筒体（筒状部材）
５１第１傾斜面
５２円弧状の長孔
５３支持面
５４第２傾斜面
５５ネジ
５６ネジ孔

Claims

被研磨面が予備整形されたレンズ素材をその光軸回りに回転させ、前記被研磨面にスラリーを供給しながら研磨皿をその中心軸回りに回転させて前記研磨皿の研磨面の形状に対応した非球面を前記被研磨面に形成するレンズ研磨装置であって、
前記研磨面が、前記非球面の光軸を通る直径分の断面形状線を研磨皿の中心軸回りに回転させた回転面で構成され、前記研磨面の半径部分に前記レンズ素材の被研磨面の直径部分を摺接させて研磨が行われ、かつ前記研磨面には、前記被研磨面に形成される非球面の頂点を含む中央部分に加わる圧力を抑制する研磨抑制領域が中心軸を中心とする円輪形に設けられていることを特徴とするレンズ研磨装置。
前記研磨皿の中心軸は、前記レンズ素材の光軸と交差していることを特徴とする請求項１記載のレンズ研磨装置。
前記研磨皿は、前記被研磨面に対面する貼付面が形成され前記中心軸回りに回転されるパッド台座と、前記貼付面に貼付され前記研磨面を有する研磨パッドとから構成され、前記研磨パッドの研磨面を部分的に凹ませることにより前記研磨抑制領域が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のレンズ研磨装置。
前記パッド台座は、前記研磨パッドの裏側から前記研磨抑制領域を支持する支持面が一方の端面に設けられ、前記中心軸を中心として回転自在に保持された円筒状部材を備え、前記貼付面に対する前記支持面の突出量又は凹み量が調節自在とされたことを特徴とする請求項３記載のレンズ研磨装置。
前記パッド台座は、前記中心軸を中心に形成され前記筒状部材が嵌合される円環状の溝と、前記円環状の溝の底面の円周を３等分する３個所に円周方向に沿って傾斜する３つの第1傾斜面とを備え、
前記円筒状部材は、他方の端面の円周を３等分する３個所に円周方向に沿って前記第1傾斜面と同じ傾斜角度に形成された第２傾斜面を備え、
前記第２傾斜面を前記第１傾斜面に当接させ、前記第１傾斜面に対する第２傾斜面の当接位置によって前記貼付面に対する前記支持面の突出量又は凹み量が調節されることを特徴とする請求項４記載のレンズ研磨装置。
前記筒状部材は、前記中心軸を中心とした同心円状に複数個が設けられ、複数個の前記支持面によって前記研磨パッドの裏側が前記研磨抑制領域の範囲を越えて支持されることを特徴とする請求項４又は５記載のレンズ研磨装置。