JP5559982B2 - ガラス非球面レンズ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスモールド成形を利用したガラス非球面レンズ及びその製造方法に関する。

従来、直径３０mm程度以上の大口径の非球面レンズをガラスモールド（以下「ＧＭ」）により成形しようとすると、特にコアの温度分布の違いが原因のヒケ、割れが発生するため、良好な成形品を生産するのは非常に難しいことが経験上わかっている。ヒケ、割れ防止対策として、例えば、特許文献１では金型表面に超音波を加え、ガラスとの滑りを改善し、ガラス内応力がたまらないようにして上記欠陥が発生することを防ぐ技術が提案されている。また特許文献２のように、コアを輪帯状に分割し、それぞれ熱伝導率の異なる材料で構成することでコアの温度分布を一定にし、欠陥を作らないようにして欠陥が生じることを防ぐ技術も提案されている。

特開２００２−１２８５３０号公報 特開平６−２１９７５４号公報

しかしながら、従来技術によると、特許文献１記載の製造方法はコア上下軸に超音波加振機を設けることになる。この製造方法によると成形機の大改造となり、実際には困難であり、かつ費用も膨大となる。特許文献２記載の製造方法はコアの組成を変えているので、どうしても線膨張係数も変化し、コア表面に段差や隙間が発生して成形したレンズの表面をそのまま使うことができなかった、という課題がある。このように直径３０mm程度以上の片面非球面レンズＧＭ成形で製作する場合、両面を成形のみで良好に製作することは非常に困難で何らかの工夫が必要であった。

従来、直径３０mm程度以上の大径のガラス非球面レンズをモールド成形により製造するためには、小径ガラス非球面レンズに比べて成形が非常に困難になるので、両面を良好な状態で成形するために、どうしても上記従来技術のような特殊な工夫が必要となる。

本発明は、従来のガラス非球面レンズの問題に鑑みてなされ、簡単に製造できる大径のガラス非球面レンズ及びその製造方法を得ることを目的とする。

本発明は、ガラスモールド成形において、一面のみであれば、コアに熱分布があっても、一面には割れやヒケなどが発生せず、規格内に成形できることを見いだしたことによりなされたものである。
かかる観点に基づき上記課題を解決するためになされた本発明は、直径３０mm以上の片面非球面、片面球面のガラス非球面レンズの製造方法であって、プレス面が非球面からなり、受け面側が成形・冷却時に常に加温・冷却面に接するようにベース上に設けられた非球面コアを用意する段階と、球面を有し、成形・冷却時に移動可能な球面コアを用意する段階と、ガラス素材からなるプリフォームを前記非球面コアのプレス面に乗せる段階と、前記非球面コア、前記球面コア及び前記プリフォームを、前記プリフォームが軟化し変形する温度まで加熱する段階と、前記球面コアを移動させ前記非球面コアのプレス面と前記球面コアのプレス面とで前記プリフォームをプレスして、非球面ガラスレンズをモールド成形する段階と、前記モールド成形された非球面ガラスレンズの球面を球面研磨する段階とを有することを特徴とする。

本発明によれば、非球面コア（下型）は成形時および冷却時に移動せずに、常にベースの加温・冷却面に接しているので、この非球面コアで成形されたレンズ面の形状（非球面形状）が安定しており、ヒケや割れなどの欠陥もなく、成形後に当該レンズ面を研磨する必要がない。非球面を形成する非球面コアが、受け面側が成形・冷却時に常に加温・冷却面に接するようにベース上に設けられているので、非球面コアの受け面側から均等に加熱または冷却され、半径方向の温度分布が生じることがなく、モールド成形により高精度の非球面を有する成形体（未研磨非球面レンズ）を得ることができる。そして、この成形体の球面側を球面研磨するので、高精度の大口径ガラス非球面レンズを製造できる。

本発明のガラス非球面レンズの一実施例を縦断して示す断面図である。 本発明のガラス非球面レンズを製造するガラスモールド工程を軸心で縦断して異なる工程を示す断面図であって、右側はプレス前の状態、左側はプレス後の状態を示す断面図である。 前記ガラスモールド工程を経た未研磨非球面レンズの球面を球面研磨装置で研磨する様子を説明する図である。

以下本発明の実施形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明のガラス非球面レンズの縦断面図である。

従来、直径３０mm程度以上の大径ガラス非球面レンズを成形で製作しようとするとき、小さい物に比べると非常に成形が困難であるが、両面を良好な状態で成形しようとするとどうしても上記従来技術のような特殊な工夫が必要となる。しかし、片面（球面側）の仕上がりを問わなければ、コアに熱分布があっても、片面の非球面は割れやヒケなどが発生せず、規格内で成形できる。例えば、図２において上型コアの球面側には適当な離形剤を十分に塗り、さらに成形プロファイルを最適化することにより、非球面側を規格内で成形できる。

図１は、本発明の実施形態である非球面レンズ１３の縦断面図である。この非球面レンズ１３は負（凹）のメニスカスレンズであって、凸面が非球面１１ａであり、凹面が球面１３ｂである。非球面１１ａはモールド成形によって成形されていて、球面１３ｂは球面研磨によって研磨されている。

この非球面レンズ１３の製造工程について、図２及び図３を参照して説明する。図２は同ガラス非球面ガラスをプリフォームからモールド成形する装置の縦断面図であって、右断面図はプリフォームをプレスする前の状態を示し、左断面図はプリフォームをプレスした状態を示している。所定のガラス素材で形成されたプリフォーム１０を、非球面コア２１の上に載置する。非球面コア２１は、プレス面が所望の非球面２１ａに精密加工されている。また、この非球面コア２１は、シリンダ２３内に挿入され、シリンダ２３との間にガイドシリンダ２５が挿入されている（図２）。なお、これら非球面コア２１、シリンダ２３及びガイドシリンダ２５は、ベース２７上に設けられている。

ガイドシリンダ２５のガイド穴から、球面コア３１が挿入され、先端の球面３１ａと非球面コア２１の非球面２１ａとでプリフォーム１０をプレスする（図２右側断面図）。このプレスに際して、少なくとも非球面コア２１及び球面コア３１を、プリフォーム１０が軟化し、非球面２１ａ、球面３１ａに沿って変形する温度まで加熱する。このように加熱しながらプリフォーム１０をプレスすることで、プリフォーム１０は、非球面２１ａと球面３１ａに密着した状態で、非球面２１ａと球面３１ａに沿って変形し、非球面１１ａ、球面１１ｂを備えた未研磨非球面レンズ１１となる（図２左側断面図）。

所定温度で所定時間加熱した後、冷却する。十分冷却されてから、球面コア３１を持ち上げて未研磨非球面レンズ１１から引き離す。
さらにガイドシリンダ２５、シリンダ２３を抜いて、未研磨非球面レンズ１１の非球面１１ａを非球面コア２１の非球面２１ａから引き離すと、凸の非球面１１ａ、凹の球面１１ｂを備えた未研磨非球面レンズ１１が得られる。

非球面コア２１に熱分布があっても、非球面コア２１側の非球面１１ａには割れやヒケなどが発生せず、非球面１１ａを規格内で成形できる。なお、球面コア３１の球面３１ａに適当な離形剤を十分に塗り、成形プロファイルを最適化することにより、非球面コア２１側の非球面１１ａをより精度の高い規格内に成形できる。

以上の通りこの実施形態は、非球面コア２１は固定なので、成形・冷却時にコアの移動が無く、レンズ面が安定しやすいが、球面コア３１は可動であり、熱膨張や熱収縮によるかじりやコアの傾きが生じて、安定し難い。したがって、固定側の非球面コア２１は、受け面側が常に加温・冷却面に接し、熱伝導しやすい為、可動側の球面コア３１に比べ成形・冷却とも安定する傾向にある。

以上のモールド成形工程により形成された未研磨非球面レンズ１１は、 特に球面コア３１の球面３１ａに離形剤を塗った場合は球面１１ｂにヒケが出て曇ることがある。そこで球面１１ｂのみ、球面研磨装置によって研磨する。球面研磨装置は、コンベンショナルな従来の装置を使用できる（図３）。

図３に示したように球面研磨装置は、レンズを保持するレンズ保持皿４１と、表面が球面形状の凸面研磨皿４７を有している。未研磨非球面レンズ１１は、非球面１１ａが粘着部材４３を介してレンズ保持皿４１に保持された状態で、レンズ保持皿４１を介して球面１１ｂが凸面研磨皿４７に押しつけられる。この凸面研磨皿４７は、回転軸４９に固定され、一方向に定速回転駆動される。

レンズ保持皿４１は、かんざし４５の先端部にボールジョイント４６を介して支持され、一定の圧力で凸面研磨皿４７に押しつけられ、回転軸４９と直交する直径方向に往復運動される。このように未研磨非球面レンズ１１の球面１１ｂを凸面研磨皿４７に一定の圧力で押しつけた状態で、凸面研磨皿４７に研磨液５１を吹き付けながら研磨する。この球面研磨工程によって、球面１１ｂを設計規格内の球面１３ｂとなるまで修正研磨する。

このように未研磨非球面レンズ１１は、その球面１１ｂが図３のようなコンベンショナルな方法で研磨され、片面成形面（非球面１１ａ）、そして片面研磨面（球面１３ｂ）の良品レンズとなる。さらにこの非球面レンズは、その後、芯取りで外周を所望の形状に研削されて、図１に示すような非球面レンズ１３が完成する。

以上のように、モールド成形工程直後における非球面１１ａは、ヒケ、割れなどの欠陥がなく形状精度を含め許容できる成形面になるよう成形することができる。一方、球面１１ｂはヒケが出て完全に曇った面になるが、従来の球面研磨によって設計規格内の球面１３ｂに研磨できるので、製造が容易である。なお、冷却方法、上下の金型保護膜を変えた方がよい場合もあるが、非球面側さえ欠陥がなく規格内に成形できればよいので、条件、方法は非球面のみに最適化すればよい。

また、この非球面レンズは負（凹）のメニスカスレンズであるが、一面が球面であれば、正（凸）のメニスカスにも、あるいは両凸レンズ、両凹レンズにも適用できる。
いずれの非球面レンズも、非球面は下型、シリンダ内のコアによって成形し、球面は上型、ピストン側のコアによって成形することが好ましい。モールド成形において、上コアは摺動するが、下コアは動かないため、下コアを非球面とすれば、転写性・偏心精度の面で有利となる。

１０ プリフォーム
１１ 未研磨非球面レンズ
１１ａ 非球面
１１ｂ 球面
１３ 非球面レンズ
１３ｂ 球面
２１ 非球面コア
２１ａ 非球面
３１ 球面コア
３１ａ 球面
４１ レンズ保持皿
４３ 粘着部材
４５ かんざし
４７ 凸面研磨皿
４９ 回転軸
５１ 研磨液

Claims (1)

1. 直径３０ｍｍ以上の片面非球面、片面球面のガラス非球面レンズの製造方法であって、
   プレス面が非球面からなり、該プレス面と反対側の受け面側が成形・冷却時に常に加温・冷却面に接するようにベース上に設けられた非球面コアを用意する段階と、
   球面からなるプレス面を有し、成形・冷却時に移動可能な球面コアを用意する段階と、
   ガラス素材からなるプリフォームを前記非球面コアのプレス面に乗せる段階と、
   前記非球面コア、前記球面コア及び前記プリフォームを、前記プリフォームが軟化し変形する温度まで加熱する段階と、
   前記球面コアを移動させ、前記非球面コアのプレス面と前記球面コアのプレス面とで前記プリフォームをプレスして、非球面ガラスレンズをモールド成形する段階と、
   前記モールド成形された非球面ガラスレンズの球面を球面研磨する段階と、を有することを特徴とするガラス非球面レンズの製造方法。

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