JPH09110440A

JPH09110440A - 光学素子成形型設計方法および光学素子成形型設計支援システム

Info

Publication number: JPH09110440A
Application number: JP7265955A
Authority: JP
Inventors: Jun Takano; 潤高野; Mitsumasa Negishi; 光正根岸; Hiroaki Iguchi; 裕章井口; Hirotsugu Takase; 裕嗣高瀬
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 1997-04-28
Anticipated expiration: 2015-10-13
Also published as: JP3852121B2

Abstract

(57)【要約】【課題】少ない工数で、高精度の成形型を製造する手段
を提供することを目的とする。【解決手段】光学素子の成形型の設計支援システムであ
って、与えられた熱膨張係数を少なくとも入力するため
の入力手段と、成形型の設計支援の処理を行う処理手段
と、処理結果を表示する表示手段とを備える。該処理手
段は、予め仮設計した光学ガラス材料の形状と、与えら
れた熱膨張係数とを用いて、所定の温度状態における光
学ガラス材料の形状を、熱変形シミュレーションによっ
て求める材料変形計算処理、および、該処理によって求
めた光学ガラス材料の形状から、室温時の成形型の形状
を、熱変形シミュレーションによって求める成形型設計
処理を行うシステムである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成形後に、研削、
研磨を必要としない光学素子を製造するための、成形型
の設計手段に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、各種各様の形状を有する光学
素子、特に、非球面形状を有する光学素子を製造するた
めには、光学ガラス材料を加熱、軟化して、成形を行
い、その後、冷却する製法が行われていた。また、かか
る成形工程においては、成形型が有する形状が、高精度
に、光学ガラス材料のガラス面に転写されるため、成形
型の設計は、光学素子の設計形状に合わせるように行わ
れていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
に、成形型形状と、成形した光学素子の面形状は一致し
ない。この理由は、成形型の材料やガラス材料の熱変
形、さらには、成形した光学素子内部の、温度分布によ
って生ずる熱応力の発生に起因することが一般に知られ
ている。特に、成形時にはガラス材料の内部に発生し、
冷却後には残留する「応力」は、成形後に、光学素子の
面形状のゆがみ、いわゆる「ひけ」の原因となり、光学
素子の形状が、設計目標とする形状と一致しないことに
なる主たる要因となっている。

【０００４】仮に、成形時のガラス材料の内部の温度、
応力等の状態を計測することができれば、製造される光
学素子の形状の、設計目標値からの変化量を予測するこ
とができ、この予測から、変形量を考慮して補正した成
形型を製造しておくことが可能となる。しかし、一般
に、ガラス材料内部の温度、応力等の状態を計測するこ
とは不可能であるため、上記のような予測は、有限要素
法等による熱変形シミュレーションに頼らざるを得なく
なってしまう。

【０００５】ところで、かかる熱変形シミュレーション
を行う場合、最も重要なことは、正確なシミュレーショ
ンモデルを作成することであるが、ガラス材料は、熱膨
張係数等の諸特性が、非線形、かつ、温度関数となるこ
とを考えると、正確なモデルを作成することは非常に困
難であり、単に、熱変形シミュレーションを行うだけで
は、製造される光学素子の形状の、設計目標値からの変
化量を予測することはできない。

【０００６】これらの理由により、光学素子の形状が、
所望の設計値を有するようにするためには、シミュレー
ションを使用せず、成形により得られた光学素子の面形
状のデータから形状の変化を予測し、成形型を補正しな
がら、成形型の形状を最適化する作業を行うのが、今ま
で行ってきた設計手法であった。すなわち、前記予測を
行うためには、少なくとも一度は、成形作業を行う必要
があり、また、予測結果が設計時における許容範囲を逸
脱した場合には、成形型の修正・加工作業を複数回も行
う必要があり、非常に多くの工数、コスト、時間等を要
する作業を行っていた。

【０００７】そこで、本発明は、少ない工数で、高精度
の成形型を製造する手段を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、以下の手段がある。

【０００９】即ち、光学ガラス材料を用いて、所望の形
状を有する光学素子を成形するための成形型を設計する
方法であって、まず、前記光学ガラス材料の熱膨張係数
を定める熱膨張係数同定処理を行い、次に、求めた熱膨
張係数を用いて、室温時の成形型を、熱変形シミュレー
ションによって求める成形型シミュレーション処理を行
う光学素子成形型設計方法である。

【００１０】さらに、前記熱膨張係数同定処理は、具体
的には、２系統に大別され、第１の系統は、既に製造し
てある成形型を用いて光学ガラス材料を成形して光学素
子を製造する工程と、該光学素子を、所定の温度パター
ンで加熱、冷却するアニール工程と、該アニール工程後
の光学素子の形状を測定する測定工程と、を含んで構成
する。そして、第２の系統は、前記成形型の形状を測定
する工程と、前記成形型の、所定の温度状態における成
形型形状を、熱変形シミュレーションによって求める型
変形計算工程と、前記光学ガラス材料の熱膨張係数を仮
に与え、該型変形計算工程で求めた成形型形状と仮入力
した熱膨張係数とを用いて、室温時の前記光学ガラス材
料の形状を、熱変形シミュレーションによって求める材
料形状計算工程とを含んで構成し、さらに、第１の系統
の測定工程による測定結果と、第２の系統における材料
形状計算工程による熱変形シミュレーションとの差が所
定範囲内となる、熱膨張係数を定める工程を有する、光
学素子成形型設計方法である。

【００１１】さらに、前記成形型シミュレーション処理
は、具体的には、予め所望形状に設計した光学ガラス材
料の形状と、前記熱膨張係数同定処理で定めた熱膨張係
数とを用いて、所定の温度状態における光学ガラス材料
の形状を、熱変形シミュレーションによって求める材料
変形計算工程と、該工程によって求めた光学ガラス材料
の形状から、室温時の成形型の形状を熱変形シミュレー
ションによって求める成形型設計工程とを含む、光学素
子成形型設計方法である。

【００１２】なお、前記所定の温度状態は、前記光学ガ
ラス材料が転移点にある温度状態であることが好まし
い。

【００１３】また、以下のようなシステムの態様も考え
られる。

【００１４】即ち、光学素子の成形型の設計支援システ
ムであって、与えられた熱膨張係数を少なくとも入力す
るための入力手段と、成形型の設計支援の処理を行う処
理手段と、処理結果を表示する表示手段とを備える。

【００１５】該処理手段は、予め仮設計した光学ガラス
材料の形状と、与えられた熱膨張係数とを用いて、所定
の温度状態における光学ガラス材料の形状を、熱変形シ
ミュレーションによって求める材料変形計算処理、およ
び、該処理によって求めた光学ガラス材料の形状から、
室温時の成形型の形状を熱変形シミュレーションによっ
て求める成形型設計処理を行うシステムである。

【００１６】

【発明の実施の形態】まず、本発明の概要を説明し、そ
の後具体的な実施形態について、図面を参照しつつ説明
する。

【００１７】光学素子の有する成形面が、所望の設計値
に精度良く対応するような成形型を得るために鋭意研究
を重ねた結果、まず、光学ガラス材料を成形した後の工
程として、アニール処理を付加し、さらに、成形状態と
して、室温時と成形温度時の２状態のみを考慮し、さら
にまた、熱膨張係数は、温度によらず固定値をとるとし
た仮想的な物理量とした。

【００１８】そして、このような条件下において、例え
ば、有限要素法を用いた熱変形シミュレーションによっ
て設計した成形型で、光学ガラス材料を成形することに
よって、光学素子の成形面形状が、容易に、設計値の許
容範囲内となることを見いだした。これを詳しく説明す
ると、以下のようになる。

【００１９】一般に、成形は、温度、成形圧力、成形時
間等の緒条件が最適化された場合、その条件下で、繰り
返し行うことにより、成形品が得られる。同じ硝種にお
いて、成形する光学素子の形状が異なれば、成形圧力、
成形時間等の条件も、多少異なるものになるが、良好な
成形結果が得られるガラスの粘度値は、限られた範囲内
に存在するので、成形温度は、光学素子の形状が異なっ
ても同等となる。

【００２０】また、成形された光学素子面の全面におい
て、設計値通りの良好な形状が得られるためには、成形
面全体が、ある温度範囲内にあることが予想される。さ
らに、成形圧力が、除圧されていく時の温度は、ガラス
転移点（Ｔｇ点）以上では塑性変形が起こる可能性があ
るため、弾性変形域であるＴｇ点以下まで、除圧は行わ
れないのが一般的である。

【００２１】さらに、高温のガラスが急激に冷却された
場合に発生する、内部応力、即ち、永久歪みや、該歪に
よって発生する不均一な屈折率分布を除去する目的で、
光学ガラス材料は、徐冷点（内部歪が除去できる温度）
付近まで加熱して保持され、歪み点（ガラス材料の粘性
流動が開始し、歪が除去できる温度）まで、ゆっくりと
冷却する処理である、アニール処理を施すようにする。

【００２２】除圧直後の光学ガラス材料は、その内部に
温度分布を有しており、室温まで急激に冷却される際に
は、材料の内部に熱応力の発生とともに、歪みが生じる
ことが予想されるが、後工程にアニール処理が付加され
る場合には、アニール処理により、ガラス材料の内部の
歪みは除去されるので、最終的な形状に対する歪みの影
響は考慮する必要がなくなる。すなわち、これらのこと
から、アニール工程を含めた、成形の最適条件下では、
Ｔｇ点付近の除圧温度での成形型の形状が、そのまま、
ガラス材料に転写されると考えることができる。

【００２３】本来、成形は、各種の非線形な要素を含む
ものの、上述した仮定を設けることにより、Ｔｇ点付近
の除圧温度での状態と、室温における状態との２状態の
みを考慮すれば良く、夫々の状態は、定常状態であると
仮定することができる。

【００２４】また、熱膨張係数は、非線形であり、温度
特性を有する物理量であるが、上述したように、成形
は、同じ条件下で繰り返し行われるので、成型時の熱膨
張係数の変化の履歴は等しいことから、熱膨張係数は、
温度によらず固定値をとるものと仮定する。ただし、こ
のように仮想的な熱膨張係数を得るためには、実際の成
形型の形状データと、成形されたガラス面の形状データ
とから熱膨張係数を定める、熱膨張係数の同定作業が必
要となる。ただし、ある硝種において求めた、この熱膨
張係数は、同種のガラス材料であれば、他の成形形状に
も応用できるため、熱膨張係数の同定作業は、１硝種に
つき１回のみでよい。

【００２５】そして、熱膨張係数の同定作業の後に、求
めた熱膨張係数を用いて、室温時の成形型を、熱変形シ
ミュレーションによって求める。

【００２６】このように、本発明によれば、成形形状の
変化を予測するための成形作業や、成形型形状の修正作
業が不要となり、光学素子製品の納期の大幅な短縮が可
能となる。また、前述したような熱膨張係数を導入する
ことによって、シミュレーション等の計算が簡易化さ
れ、短時間で行うことができるため、多種多様な成形形
状や硝種への対応も、時間制約なく行うことができる。

【００２７】以下、本発明にかかる実施形態を、図面を
参照しつつ説明する。

【００２８】まず、本発明を適用したシステムの構成例
について説明し、その後、成形型の設計方法について説
明する。

【００２９】図７に、本発明にかかるシステム構成を示
す。本システムは、高精度の成形型の設計を支援する支
援システムとして機能する。

【００３０】本システムは、所定の指示を行うコマンド
や熱膨張係数等の物理量を入力するための入力装置１６
と、シミュレーション結果や形状測定結果等を表示する
表示装置１２と、各種の演算や表示処理等を行う演算・
処理装置１４と、与えられた成形型や成形されたガラス
材料の呈する形状を測定するための形状測定機１８と、
を有して構成される。

【００３１】形状測定機１８が測定したデータは、通信
ケーブルを介して、演算・処理装置１４に、入力され
る。なお、入力装置１６によって、計測モードを指定し
たとき、測定データが、形状測定機１８から演算・処理
装置１４に入力されるように構成しておけば良い。形状
測定機１８は、測定対象に接触して測定するためのプロ
ーブと、プローブの検出信号を信号処理して、形状デー
タとして出力するための信号処理部と、を有して構成さ
れる、いわゆる接触式測定器を用いれば良い。

【００３２】以下、この接触式測定器を用いた形状測定
機１８を想定する。

【００３３】また、演算・処理装置１４は、入力される
指示を受け付けて解釈して、入力される指示に従った処
理、例えば、自身が演算した結果等を、表示装置１２に
表示する表示処理等を行う。

【００３４】また、演算・処理装置１４は、熱膨張係数
を同定する演算や、成形型および成形後ガラス材料形状
の、室温、転移点の２点間における、熱変形シミュレー
ション等を行う機能を有している。

【００３５】かかる熱変形シミュレーションとしては、
公知の手法で比較的良く利用されているもの、例えば、
対象物を複数の要素に分割して、各要素が有する節点に
関する連立方程式を解いて、熱変形量を求める有限要素
法シミュレーションを採用すれば良い。熱変形シミュレ
ーションに必要な、対象物の形状や、対象物の熱膨張係
数、シミュレーションを行う温度等のパラメータは、入
力装置１６を介して、演算・処理装置１４に与えられ
る。

【００３６】演算・処理装置１４は、予めプログラムを
内蔵しておくＲＯＭ、ＲＯＭに内蔵されたプログラムに
従って所定の演算や処理を行うＣＰＵ、少なくともワー
クエリアとして機能するメモリ等の電子デバイスにて実
現可能である。

【００３７】熱変形シミュレーションを始めとする、本
発明の設計方法は、プログラムの形で、予めＲＯＭ等に
内蔵した構成としておけば良い。

【００３８】また、入力装置を介して与えられるコマン
ドに従って、本発明にかかる方法を実現するプログラム
が実行開始される。

【００３９】なお、入力装置１６は、キーボード、マウ
ス等によって実現可能であり、表示装置１２は、ＣＲ
Ｔ、液晶ディスプレイ、ＥＬディスプレイ等によって実
現可能である。図示しないが、演算結果を出力するため
の印字装置等を備えた構成にしても良い。

【００４０】次に、本発明の理解の容易化のため、成形
型を用いたガラス材料の成形処理の概要について述べて
おくことにする。

【００４１】図１は、ガラスブランクを成形するため
に、成形型にガラスブランクをセットした状態（室温
時）を示した図面である。

【００４２】１は、成形を行うガラス材料であるガラス
ブランク、２、３は、夫々、成形上型、成形下型であ
る。また、４は、スリーブ、５は、載せ台、６は、押し
込みロッドである。

【００４３】載せ台５には、スリーブ４が設置されてい
る。スリーブ４内において、成形下型３と成形上型２と
は、対向するように設けられており、ガラスブランク１
を成形するために、成形上型２および成形下型３の間
に、ガラスブランク１を挾んだ状態で、ガラスブランク
１をセット可能である。

【００４４】成形上型２の移動は、載せ台５に設置され
たスリーブ４で規制され、成形上型２が上下方向に移動
可能に構成されている。

【００４５】そして、実際の成形時には、押し込みロッ
ド６が、図示しない機械の駆動によって押し込まれ、成
形上型２が下方に移動して、ガラスブランク１を押圧
し、成形動作を行う。

【００４６】ガラスブランク１としては、例えば、弗リ
ン酸系光学ガラスを用い、ガラスブランク１の形状は、
図１に示す様に、球状とすれば良い。また、スリーブ４
内の、成形上型２および成形下型３は、例えば、ＷＣ合
金製の型である。そして、弗リン酸系光学ガラスを球形
にしたガラスブリンク１は、ＷＣ合金製の成形上型２お
よび成形下型３に、挾まれた状態でセットされる。

【００４７】以上が、成形型を有して構成される成形機
の構成の概要と、成形対象となるガラス材料であるガラ
スブランクの、室温時でのセット状態である。

【００４８】さて、実際の成形条件の一例を、図２に示
す。

【００４９】図２において、横軸は「時間（単位：
分）」、縦軸は「温度（単位：℃）」を表す。

【００５０】図２を参照して分かるように、図１に示し
た成形機を、不活性ガス雰囲気中で、１０分後に４８０
℃になるまで加熱する。そして、型、ガラスブリンク等
が、温度４８０℃で、熱均衡がとれた点（時間、２０
分）で、加圧加重１００（ｋｇｆ／ｃｍ²）で、５分間
成形を行う（時間２０〜２５分）。即ち、押し込みロッ
ド６を駆動して、成形上型２を下方に移動する。その
後、４３０℃まで温度を下げた点（時間２９分）で除圧
し、さらに、温度を室温まで急激に下げる、いわゆる急
冷を行う。

【００５１】そして、急冷した光学素子に対しては、ア
ニール処理を行う。このアニール処理を施すことによっ
て、光学素子の内部歪みが取り除かれ、屈折率の分布に
偏りがなくなり、一様な屈折率分布を呈するようにな
る。

【００５２】図８に、アニール処理の条件の一例を示
す。

【００５３】横軸には「時間（ｈｏｕｒ）」、縦軸には
「温度（℃）」をとり、時間経過に対応させて変化させ
る温度パターンを示している。

【００５４】図に示すように、５時間で、４００（℃）
まで温度を上昇し、２９時間まで、温度を一定に保った
後、さらに、７９時間までに、温度を４００（℃）から
３５０（℃）まで、ゆっくりと冷却する。その後、温度
を室温まで下げる。

【００５５】このような温度パターンで、光学素子の加
熱、冷却を行うことによって、光学素子の内部歪みを取
り除く、アニール処理が行われる。

【００５６】さて、本実施例で説明するために採用する
光学素子の設計形状を３種類とし、夫々の形状を、図
３、図４、図５に示す。

【００５７】図３に示す設計形状は、１方の曲率半径9
（mm）(R9)、他方の曲率半径11（mm）(R11)、厚さ6(m
m)、口径13（mm）の球面レンズであり、図４に示す設計
形状は、１方の曲率半径20（mm）(R20)、他方の曲率半
径7（mm）(R7)、厚さ5(mm)、口径12（mm）の球面レンズ
であり、さらに、図５に示す設計形状は、１方の曲率半
径7（mm）(R7)、他方の曲率半径25（mm）(R25)、厚さ4
(mm)、口径11（mm）の球面レンズである。なお、本実施
例中では説明しないが、非球面レンズを設計対象として
も良く、むしろ、成形型の設計が一般に難しい、非球面
レンズの成形型設計に本発明を適用した方がその効果は
大きい。

【００５８】なお、図３〜図５に示すように、３種類の
設計形状を例にとって説明するのは、本発明が、各種の
形状を有する光学素子に対する成形型の設計に適用可能
なことを示すためである。

【００５９】さて、図６等を参照しつつ、本発明におけ
る処理の概要について説明する。

【００６０】なお、本処理は、前述したシステムに、入
力装置１６を介して、特定のコマンドを与える操作を行
うことによって、システムが備える演算・処理装置１４
により実行される。

【００６１】本発明において用いる仮想的な熱膨張係数
の、同定処理は、図３に示す光学素子に対して行った。
なお、熱膨張係数の同定処理は、以下の処理手順によっ
て行われる。以下、これらの処理手順について、図面を
参照しつつ説明する。

【００６２】図７、ステップ１０において、まず、以前
に、当該硝種で、熱膨張係数の同定のシミュレーション
を行っているか否かを判断する。以前に、当該硝種で、
熱膨張係数の同定のシミュレーションを行っておれば、
そのデータを当該硝種に対する熱膨張係数とし、行って
いない場合には、ステップ２０に進む。

【００６３】（１）ステップ２０において、接触式測定
器を用いて、成形上型、成形下型の夫々の形状を測定す
る。このようなデータは、前記演算・処理装置に送ら
れ、格納される。

【００６４】（２）得られた形状測定データを、室温に
おける初期状態のものとし、ＷＣ合金の熱膨張係数、Ｔ
ｇ点（転移点）の温度をパラメータとして与え、有限要
素法を用いた熱変形シミュレーションで、Ｔｇ点におけ
る成形型の形状を、上型および下型の夫々について求め
る（ステップ３０）。

【００６５】このシミュレーションの概念を図９を参照
して説明する。

【００６６】なお、図９では、成形対象となるガラス
と、成形型のうちの上型を図示している。そして、実
線、点線は、夫々、室温時、昇温時（例えば、転移点）
の形状を示している。

【００６７】ステップ３０は、室温時の、成形型の形状
「ｄ」が、転移点（Ｔｇ点）まで温度上昇した時の形状
「ｃ」を、熱変形シミュレーションによって求める処理
である。

【００６８】（３）求められた成形型の形状が、ガラス
（ブランク）に転写されると仮定する。そして、成形型
の形状を初期状態とし、ガラスの仮想的な熱膨張係数を
仮入力し、有限要素法を用いた熱変形シミュレーション
によって、室温における光学素子の形状を求める。

【００６９】即ち、ガラスの熱膨張係数を仮入力し（ス
テップ４０）、Ｔｇ点における成形型のシミュレーショ
ン結果と、仮入力したガラスの熱膨張係数とから、室温
時のガラス形状を、シミュレーションによって求める
（ステップ５０）。

【００７０】このシミュレーションの概念を図９を参照
して説明する。

【００７１】Ｔｇ点における成形型の形状「ｃ」が、高
精度に、ガラス面に転写されるとすると、ガラスは、図
９「ｂ」に示す形状を有するように成形される。そし
て、「ｂ」に示す形状を有するガラスが、室温になった
ときの形状「ａ」を、シミュレーションで求める。な
お、形状「ａ」は、前記仮入力されたガラスの熱膨張係
数に対するものである。

【００７２】（４）一方、最適条件により成形を行い、
成形された光学素子にアニール処理を施した後に、その
形状を接触式測定器を用いて測定する。測定は、光学素
子の両面に対して行う。

【００７３】即ち、成形型を用いてガラス材料を成形し
て光学素子を製造し（ステップ９０）、該光学素子に対
して、前述したアニール処理を施し（ステップ１０
０）、さらに、成形後のガラス形状、すなわち、光学素
子の形状の測定を行う（ステップ１１０）。

【００７４】（５）測定により得られた光学素子の形状
データと、シミュレーションによって求められた形状デ
ータを比較し、両データの差が、光学素子の設計許容範
囲内の値となるまで、仮想的な熱膨張係数の同定処理を
行う。

【００７５】即ち、ステップ１１０において求めた、光
学素子の形状測定データと、ステップ５０において求め
た、光学素子の形状シミュレーションデータとを比較処
理し、両データの差が、所定範囲以内になるか否かを判
断する。

【００７６】両データの差が、所定範囲以内であれば、
ステップ４０にて仮入力した熱膨張係数を、当該硝種に
対する熱膨張係数として定め、逆に、両データの差が、
所定範囲以内にならなければ、ステップ４０からの処理
を繰返し、両データの差が、所定範囲以内となるよう
に、当該硝種に対する熱膨張係数を定める。

【００７７】発明者が、光源がｇ線である干渉計を採用
して、明、暗縞が同心円状に並ぶニュートンリングを観
測した。すなわち、仮想的な熱膨張係数を用いたシミュ
レーションで得られた光学素子の形状と、実際に成形さ
れた光学素子の形状との形状差を、干渉計を用いて比較
した結果、光学素子の上下面とも、ニュートンリング
で、縞１本以内であることを確認した。

【００７８】この結果、仮想的に求めた熱膨張係数を用
い、シミュレーションによって求めた形状が、充分実用
に耐えうる設計許容範囲内にあることが判る。

【００７９】さらに、以上に述べてきた処理を、図４に
示す形状を有する光学素子に対して行った結果、求めた
仮想的な熱膨張係数は、図３に示す形状を有する光学素
子に対する、仮想的な熱膨張係数の「±１（％）」以内
の値となることが分かった。

【００８０】したがって、前述してきた仮想的な熱膨張
係数は、同一種類のガラス材料であれば、形状がいかな
るものであっても適用可能であることも確認された。

【００８１】次に、図３に示す形状を有する光学素子に
対して求めた、仮想的な熱膨張係数を用いて、所望の設
計値を有する光学素子の形状が得られるような、成形型
の形状を、以下の処理手順によって求めた。ここで、求
めた成形型の形状は、上述した同定処理おいて、同定対
象とした形状とは異なるもの、即ち、図５に示す形状を
有する光学素子に対するものである。

【００８２】以下、成形型のシミュレーションについて
説明する。

【００８３】なお、以下の処理も、入力装置を介して所
定のコマンドを入力することによって、演算・処理装置
によって実行される。

【００８４】（１）まず、設計時のガラス形状と、仮想
的な熱膨張係数とから、Ｔｇ点におけるガラス形状を、
有限要素法を用いた熱変形シミュレーションにより求め
る（ステップ７０）。即ち、Ｔｇ点における、光学素子
が有する上下面の形状を求める。

【００８５】このシミュレーションの概念を図９を参照
して説明する。

【００８６】室温時における、ガラスの設計形状を
「ａ」として、Ｔｇ点におけるガラス形状である「ｂ」
を、シミュレーションにより求める処理である。

【００８７】（２）Ｔｇ点におけるガラス形状から、室
温時の成形型の形状をシミュレーションによって求める
（ステップ８０）。

【００８８】即ち、ステップ７０において得られたガラ
ス形状は、高精度に成形型の形状が転写されていると
し、有限要素法を用いた熱変形シミュレーションによっ
て、室温における成形型の形状を、上型、下型の夫々に
ついて求める。

【００８９】このシミュレーションの概念を図９を参照
して説明する。

【００９０】Ｔｇ点における、ガラスの形状を「ｂ」と
し、この形状が、Ｔｇ点における成形型の形状「ｃ」が
転写されたものとする。そして、Ｔｇ点における成形型
の形状「ｃ」の、室温時における形状「ｄ」を求めれ
ば、この形状「ｄ」が、求める成形型の形状である。

【００９１】発明者は、このようなシミュレーションに
よって得られた成形型を使用して、ガラスブランクの成
形を行い、前述の干渉計を使用して、シミュレーション
の妥当性の確認作業を行った。そして、成形された光学
素子の形状と、設計値とを比較してみた結果、その差
は、光学素子の上下面とも、ニュートンリングで縞１本
以内となり、設計許容範囲内であることを確認した。

【００９２】以上の処理によって、成形型の設計をシミ
ュレーションによって、容易、迅速、高精度に行うこと
が可能となる。なお、図９のシミュレーション概念の説
明は、理解の容易化のため、成形上型のみを図示して説
明したが、全く同様な説明が、成形下型について行える
ことは、言うまでもない。

【００９３】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、ガラス材料を、高精度で所望の形状を有する光学素
子に成形する成形型を、少ない工数、短コストで設計す
ることが可能になる。その結果、光学素子のコスト低減
や納入期間の大幅な削減も可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガラス材料の成形を行うための、室温時におけ
るセット状態を示す説明図である。

【図２】成形条件例の説明図である。

【図３】光学素子の形状例の説明図である。

【図４】光学素子の形状例の説明図である。

【図５】光学素子の形状例の説明図である。

【図６】本発明にかかる処理内容を示すフローチャート
である。

【図７】本発明にかかるシステムの構成図である。

【図８】アニール処理の条件例の説明図である。

【図９】成形型設計のためのシミュレーションの説明図
である。

【符号の説明】

１…ガラスブランク、２…成形上型、３…成形下型、４
…スリーブ、５…載せ台、６…押し込みロッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高瀬裕嗣東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学ガラス材料を用いて、所望の形状を有
する光学素子を成形するための成形型を設計する方法で
あって、まず、前記光学ガラス材料の熱膨張係数を定める熱膨張
係数同定処理を行い、次に、求めた熱膨張係数を用いて、室温時の成形型を、
熱変形シミュレーションによって求める成形型シミュレ
ーション処理を行う光学素子成形型設計方法。
【請求項２】請求項１において、前記熱膨張係数同定処
理は、２系統に大別され、第１の系統は、既に製造してある成形型を用いて光学ガラス材料を成形
して光学素子を製造する工程と、該光学素子を、所定の温度パターンで加熱、冷却するア
ニール工程と、該アニール工程後の光学素子の形状を測定する測定工程
と、を含み、第２の系統は、前記成形型の形状を測定する工程と、前記成形型の、所定の温度状態における成形型形状を、
熱変形シミュレーションによって求める型変形計算工程
と、前記光学ガラス材料の熱膨張係数を仮に与え、該型変形
計算工程で求めた成形型形状と仮入力した熱膨張係数と
を用いて、室温時の前記光学ガラス材料の形状を、熱変
形シミュレーションによって求める材料形状計算工程
と、を含み、さらに、第１の系統の測定工程による測定結果と、第２
の系統における材料形状計算工程による熱変形シミュレ
ーションとの差が所定範囲内となる、熱膨張係数を定め
る工程を有する、光学素子成形型設計方法。
【請求項３】請求項１において、前記成形型シミュレー
ション処理は、予め所望形状に設計した光学ガラス材料の形状と、前記
熱膨張係数同定処理で定めた熱膨張係数とを用いて、所
定の温度状態における光学ガラス材料の形状を、熱変形
シミュレーションによって求める材料変形計算工程と、該工程によって求めた光学ガラス材料の形状から、室温
時の成形型の形状を、熱変形シミュレーションによって
求める成形型設計工程とを含む、光学素子成形型設計方
法。
【請求項４】請求項２および３のいずれかにおいて、前
記所定の温度状態は、前記光学ガラス材料が転移点にあ
る温度状態である光学素子成形型設計方法。
【請求項５】請求項１、２、３および４のいずれかにお
いて、前記光学ガラス材料の形状は、球面または非球面
である光学素子成形型設計方法。
【請求項６】請求項１、２、３および４のいずれかにお
いて、前記熱変形シミュレーションは、シミュレーショ
ン対象を複数の要素に分割して、各分割要素に対して式
をたて、各式の解を求めることにより、シミュレーショ
ン対象の熱変形を求める、有限要素法シミュレーション
である、光学素子成形型設計方法。
【請求項７】光学素子の成形型の設計支援システムであ
って、与えられた熱膨張係数を少なくとも入力するための入力
手段と、成形型の設計支援の処理を行う処理手段と、処
理結果を表示する表示手段とを備え、該処理手段は、予め仮設計した光学ガラス材料の形状と、与えられた熱
膨張係数とを用いて、所定の温度状態における光学ガラ
ス材料の形状を、熱変形シミュレーションによって求め
る材料変形計算処理、および、該処理によって求めた光
学ガラス材料の形状から、室温時の成形型の形状を、熱
変形シミュレーションによって求める成形型設計処理を
行う光学素子成形型設計支援システム。
【請求項８】請求項７において、さらに、光学ガラス材
料および成形型が与えられると、その形状を測定する測
定機を備え、前記処理手段は、与えられた光学ガラス材料の熱膨張係
数を定めるために、前記測定機を使用して与えられた成形型の形状を測定
し、測定結果を用いて、前記成形型の、所定の温度状態
における成形型形状を、熱変形シミュレーションによっ
て求める型変形計算処理と、前記光学ガラス材料の熱膨
張係数を仮入力し、該型変形計算処理で求めた成形型形
状と仮入力した熱膨張係数とを用いて、室温時の前記光
学ガラス材料の形状を、熱変形シミュレーションによっ
て求める材料形状計算処理と、成形型を用いて光学ガラス材料を成形して製造した光学
素子に対し、アニール工程が施された後、該光学素子が
与えられると、その形状を前記測定機によって測定する
測定処理と、該測定処理による測定結果と、前記材料形状計算処理に
よる熱変形シミュレーションとの差が所定範囲内とな
る、熱膨張係数を定める処理とを行う、光学素子成形型
設計システム。