KR100461591B1 - 광학렌즈 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사출금형을 이용하여 플라스틱 재료로부터 사출성형되는 광학렌즈를 보다 정밀하게 사출성형할 수 있는 광학렌즈 성형방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. 이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 광학렌즈 성형방법은 사출금형을 이용하여 제조되며 사출금형의 광학렌즈 생성면의 표면의 형상대로 광학렌즈의 표면이 형성되는 광학렌즈에 있어서, 일반적인 비구면수축계수가 적용되어 제작된 사출금형을 이용하여 광학렌즈를 성형하는 예비성형단계와, 성형된 광학렌즈의 길이방향 수축 및 단면방향 수축을 고려하여 사출금형의 광학렌즈 생성면의 보정곡률반경을 산출하는 단계와, 보정곡률반경을 적용하여 사출금형의 광학렌즈 생성면의 표면 형상을 수정하는 단계와, 수정된 사출금형을 이용하여 광학렌즈를 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광학렌즈 성형방법{Method of molding optical lens}

본 발명은 사출성형되는 광학렌즈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사출금형을 이용하여 플라스틱 재료로부터 사출성형되는 광학렌즈를 보다 정밀하게 사출성형할 수 있는 광학렌즈 성형방법에 관한 것이다.

최근에 광학렌즈는 생산성 향상 및 원가절감을 위하여 플라스틱으로 사출성형된 렌즈가 많이 사용되고 있다. 그러나, 사출성형으로 생산된 렌즈의 경우 플라스틱, 즉 고분자 재료의 고화 및 냉각과정에 수반되는 수축을 피할 수 없기 때문에 설계형상과 대비하여 최종 제품의 곡률 및 표면형상의 오차가 많이 발생한다.

특히, 도 1에 도시된 레이저 스캐닝장치의 광학계에 사용되는 에프세타(f-θ) 렌즈의 경우는 다른 플라스틱 광학렌즈에 비해 길이가 길고, 두께가 두껍기 때문에 상기와 같은 수축에 의하여 발생하는 유효경면의 형상오차는 더욱 심각하다. 그러나 이에 반해 요구되는 형상정밀도는 다른 플라스틱 광학렌즈에 비해 더욱 높아서 사출성형하는데 어려운 점이 많다.

이와 같이 플라스틱과 같은 고분자 재료는 사출이후 금형 내부에서 고화될때와 금형에서 취출된 후 냉각될 때 모두 수축이 발생하며, 이러한 수축은 성형시 보압을 증가시킴으로써 어느 정도 해소시킬 수 있다. 그러나, 보압을 증가시키는 경우 잔류응력의 증가로 인해 렌즈 내부의 불균일한 굴절율 분포가 형성되어 광학적 특성의 열화를 가져오게 된다.

이러한 고분자재료의 수축에 의한 제품형상의 변화를 보완하기 위하여 현재까지 고분자재료의 수축을 최소화하기 위하여 압축/사출 방식의 금형으로 성형하는 방법 및 렌즈의 수축률을 감안하여 렌즈의 유효경면에 해당하는 금형의 표면을 보정하는 방법이 제안되었다.

그러나, 고분자재료의 수축을 최소화하기 위해 사용하는 압축/사출방식 성형은 금형내에서의 고분자재료의 수축은 최소화할 수 있으나, 금형에서 렌즈가 취출된 후 냉각시의 수축에 의한 형상오차는 피할 수 없다는 문제점이 있다.

따라서, 정밀한 형상정도를 요구하는 렌즈의 경우는 광학렌즈의 유효경면에 해당하는 사출금형 표면의 보정이 필요하다. 도 2에 일반적인 광학렌즈를 보정하여 성형하는 방법이 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 광학렌즈를 성형하기 위해 먼저 일반적인 비구면계수를 사용하여 목적하는 형상의 광학렌즈용 사출금형을 설계한다(S10). 설계치수를 이용하여 사출금형을 제작한 후(S20), 사출금형을 사용하여 광학렌즈를 사출한다(S30).

그 후 사출된 광학렌즈를 검사하여 사출된 광학렌즈가 광학렌즈의 설계치의 오차범위에 드는가를 확인한다(S40,S50). 만일 검사결과 광학렌즈가 설계사양에서 벗어나면 사출금형의 보정설계를 하고(S60), 보정된 설계치로 금형을수정한다(S70). 그런 후 수정된 금형을 사용하여 광학렌즈를 사출한다(S80). 사출된 광학렌즈를 검사하여 다시 설계범위내에 드는가를 확인하여 설계사양을 만족하는 경우는 작업을 완료하고, 만족되지 않는 경우는 다시 앞의 과정을 반복한다.

그러나, 에프세타 렌즈의 경우는 일반적으로 길이가 길고 두께의 변화가 심하기 때문에 일반적인 렌즈의 형상보정에 이용되는 일정 수축률을 적용하여 보정할 경우 만족할 만한 형상을 얻기가 어렵다. 특히, 고 해상도의 레이저 스캐닝장치의 광학계에 1매의 에프세타렌즈를 사용할 경우 일반적으로 에프세타 렌즈의 유효경면 형상은 비구면 비대칭이 되며, 단면(부주사)방향의 곡률이 길이(주사)방향을 따라 변하기 때문에 보정하기가 곤란하다는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 에프세타 렌즈의 보정은 렌즈의 길이방향(도 3의 y방향)을 따라 단면방향(도 3의 x방향)의 부주사 곡률반경을 측정한 후 보정량을 결정하여 이를 적당한 하나의 함수로 보간하거나, 유효경면을 몇개의 부분으로 나눈 다음 각 부분의 부주사 곡률반경을 측정하여 각 부분별로 보정함수의 계수를 결정하여 이 함수식으로 사출금형의 렌즈생성면의 표면을 재가공한 후 이 사출금형을 이용하여 광학렌즈를 다시 사출하는 방법이 제안되었다(미국특허 US 6,901,532 참조).

그러나, 이러한 보정방법은 렌즈의 곡률오차에 렌즈 단면방향(도3의 x 및 z 방향)의 수축에 의한 영향과 렌즈의 길이방향(도 3의 y방향)의 수축에 의한 영향이 혼재되어 있기 때문에 수지의 수축량이 크거나 렌즈의 길이가 긴 에프세타 렌즈의 경우 정확한 형상을 보정할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광학렌즈의 단면방향의 부주사 곡률반경을 보정할 때 길이방향의 수축도 고려함으로써 보다 정밀한 형상보정이 가능한 광학렌즈의 성형방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예로서 에프세타 렌즈가 사용되는 레이저 스캐닝장치의 광학계를 나타내는 사시도,

도 2는 종래 기술에 의한 에프세타 렌즈의 성형방법을 나타내는 순서도,

도 3은 전형적인 에프세타 렌즈의 형상 및 좌표를 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 의한 에프세타 렌즈의 성형방법을 나타내는 순서도,

도 5는 도 4의 보정곡률반경 산출단계의 일 실시예를 나타내는 순서도,

도 6은 본 발명에 의한 에프세타 렌즈의 성형방법의 일 실시예를 나타내는 순서도,

도 7은 에프세타 렌즈의 성형시 수지수축에 의한 표면 형상의 변형을 도식적으로 나타낸 도면,

도 8은 사출금형의 에프세타 렌즈의 생성면의 격자무늬 홈 간격을 나타내는 도면,

도 9는 도 8의 사출금형으로 성형된 에프세타 렌즈 표면의 돌출부 간격을 나타내는 도면,

도 10는 에프세타 렌즈의 부주사방향 곡률오차를 보상하는 방법에 대한 개념도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1; 에프세타 렌즈 3; 다면경

5; 레이저 광원 7; 사출금형

8; 사출금형의 렌즈 생성면 10; 레이저 스캐닝장치의 광학계

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 광학렌즈 성형방법은, 사출금형을 이용하여 제조되며 사출금형의 광학렌즈 생성면의 표면의 형상대로 광학렌즈의 표면이 형성되는 광학렌즈에 있어서, 일반적인 비구면수축계수가 적용되어 제작된 사출금형을 이용하여 광학렌즈를 성형하는 예비성형단계(S100)와, 성형된 광학렌즈의 길이방향 수축 및 단면방향 수축을 고려하여 사출금형의 광학렌즈 생성면의 보정곡률반경을 산출하는 단계(S200)와, 보정곡률반경을 적용하여 사출금형의 광학렌즈 생성면의 표면 형상을 수정하는 단계(S300)와, 수정된 사출금형을 이용하여 광학렌즈를 성형하는 단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 보정곡률반경을 구하는 단계(S200)는, 사출금형의 광학렌즈 생성면에 등간격 격자무늬의 홈을 파고 각 홈의 간격을 측정하는 단계(S210,S220)와, 홈이 있는 사출금형으로 광학렌즈를 성형하고 성형된 광학렌즈의 각 돌출부의 간격을 측정하는 단계(S230,S240)와, 홈간의 간격 측정치와 상기 돌출부간의 간격 측정치를 이용하여 광학렌즈의 길이 및 단면방향의 수축률을 계산하는 단계(S250), 및 수축률을 이용하여 광학렌즈의 보정곡률반경을 계산하는 단계(S260)를 포함한다.

또한, 길이방향 및 단면방향의 수축률은 각각 다음의 관계식으로 표현되는것을 특징으로 한다.

여기서, α,β는 각각 단면방향 및 길이방향의 수축률을 나타내고,y _i 는 광학렌즈의 중심에서 길이방향으로 i번째 측정위치를 말하고, L 은 그 위치에서의 사출금형에 새겨진 x,y 방향의 홈의 간격을, L' 는 성형된 광학렌즈에 형성된 돌출부간의 간격을 말한다.

그리고, 보정곡률반경은 다음의 관계식으로 산출된다.

여기서,y _i 는 수축전의 광학렌즈의 중심에서 길이방향으로 i번째 점까지의 거리를 나타내며,y' _i 는 수축된 후의 광학렌즈의 중심에서 i번째 점까지의 거리를 나타내며,R _C 는 보정된 광학렌즈의 단면방향의 반경을 나타내며,R _D 는 사출금형의 광학렌즈 생성면의 단면방향의 반경을 나타내며,R _L 은 사출된 광학렌즈의 반경을 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 광학렌즈의 성형방법의 바람직한 일 실시예에 대하여 설명한다.

도 6을 참조하면, 광학렌즈를 성형하기 위해서 먼저, 원하는 형상을 갖는 광학렌즈의 형상에 맞게 사출금형을 설계한다(S110). 이때, 일반적으로 비구면 비대칭 에프세타 렌즈는 다음과 같은 토릭 비구면식으로 설계된다.

여기서, C,K,B는 광학렌즈의 형상을 결정하는 비구면 계수이며,

는 부주사 곡률로써 길이방향(도 3의 y 방향)을 따라 곡률반경 값이 변하는 형상이 된다.

설계된 식으로 사출금형의 광학렌즈 생성면을 가공하여 사출하면, 통상 고분자 재료인 수지의 수축 때문에 설계치에 비해 렌즈면의 오차가 발생하게 된다. 이때, 수축률은 다음과 정의 될 수 있다(도 7 참조).

여기서, α,β,γ는 각각 x, y, z 방향의 수축률을 나타내고, x, y, z 는 수축 이전의 광학렌즈의 설계위치를, x', y', z' 는 각각 수축 이후의 렌즈 설계위치를 나타낸다. 수축률 α,β,γ는 각각 x, y, z 의 함수이지만 길이방향(도 3의 y방향)의 길이가 단면방향(도 3의 x,z방향)의 길이보다 길기 때문에 대략 다음과 같이 근사할 수 있다.

다음으로, 설계된 식을 이용하여 사출금형을 제작한 후(S120), 제작된 사출금형을 이용하여 광학렌즈를 사출한다(S130). 사출된 광학렌즈의 치수를 검사하여 사출된 광학렌즈가 설계사양과 일치하는가를 판단한다(S140,S150). 만일, 검사결과 사출된 광학렌즈가 설계사양 범위에 들면 과정을 종료한다.

그러나, 검사결과 사출된 광학렌즈의 치수가 설계범위에 들지 않는 경우는 다음과 같은 보정단계로 넘어간다.

우선, 사출금형(7)의 렌즈 생성면(8)에 x, y방향으로 일정한 간격으로 미세한 홈(micro groove)을 파서 격자무늬(grid)를 만든다(도 8 참조,S210). 그리고, 사출금형의 렌즈 생성면(8)을 3차원 측정기와 같은 표면형상을 측성할 수 있는 측정기로 측정하여 홈사이의 간격(L)을 측정한다(S220).

이렇게 홈이 가공된 사출금형(7)으로 광학렌즈를 사출하면(S230), 사출된 광학렌즈(1)의 유효경면(2)에는 사출금형(7)의 요홈에 대응하는 돌출부가 형성된다(도 9 참조). 이 사출된 광학렌즈(1)의 돌출부 사이의 간격(L')를 다시 3차원 측정기로 측정한다(S240).

다음으로, 홈 사이의 간격측정치와 돌출부 사이의 간격측정치를 이용하여 수축률을 계산한다(S250). 수축률은 다음 식과 같이 길이의 함수로 정의할 수 있다.

여기서, α,β는 각각 단면방향 및 길이방향의 수축률을 나타내고,y _i 는 광학렌즈의 중심에서 길이방향으로 i번째 측정위치를 말하고, L 은 그 위치에서의 사출금형의 렌즈 생성면에 새겨진 x,y 방향의 홈의 간격을, L' 는 성형된 광학렌즈에 형성된 돌출부간의 간격을 말한다.

이렇게 측정된 수축률을 토대로 길이방향 및 단면방향의 수축률을 모두 고려하여 다음과 같이 수축률이 보정된 부주사 곡률반경을 계산할 수 있다(S260).

먼저, 수학식 4를 이용하여 수축률을 부주사 곡률반경으로 나타내면 다음과 같다.

여기서, α는 단면방향의 수축률을 나타내고, R_L은 사출된 광학렌즈의 부주사 곡률반경을 말하고, R_D는 광학렌즈의 곡률반경의 설계치를 말하며, R_C는 보정된 광학렌즈의 곡률반경을 말하고, y_i는 길이방향의 i 번째 위치를 말하고, y'_i는 변형된 후의 렌즈에서 y_i의 위치를 나타낸다(도 12 참조). 따라서 y'_i는 다음과 같이 계산된다.

따라서, 보정된 부주사 곡률반경은 다음과 같이 계산된다.

만일, 기존의 보정방법과 같이 길이방향의 수축률을 고려하지 않고, 단면방향의 수축률만 고려하여 광학렌즈의 부주사 곡률반경을 구하는 경우는 상기 식과 달리 다음식과 같이 표현된다. 먼저, 단면방향 수축률은

로 표현되고, 보정된 부주사 곡률반경은 다음식으로 표현된다.

이어서, 상기와 같이 선정된 부주사 곡률반경을 가공할 함수식으로 근사시키고, 이 식으로 사출금형의 광학렌즈 생성면을 가공한다(S300).

보정된 부주사 곡률반경으로 가공된 사출금형으로 성형한 광학렌즈는 설계형상에 근접하게 된다. 이때, 렌즈 전체에 대해 일정한 수축률을 적용하는 기존의 방법으로 성형된 광학렌즈는 렌즈 길이가 길거나 길이방향의 수축률이 큰 경우는 측정 기준면에서 멀리 떨어진 가장자리에서는 곡률오차가 다시 발생할 수 밖에 없으나, 본 방법으로 성형된 렌즈의 경우는 가장자리까지 곡률오차를 줄일 수 있다.

이 처럼 본 발명에 의한 광학렌즈 성형방법을 사용하여 에프세타 렌즈를 성형하면, 설계된 에프세타 렌즈에 근접하는 에프세타 렌즈를 성형할 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 광학렌즈 성형방법을 사용하여 광학렌즈를 성형하면, 광학렌즈의 단면방향의 부주사 곡률반경을 보정할 때 길이방향의 수축도 고려하여 형상보정을 하기 때문에 광학렌즈의 형상오차를 최소화하여 보다 설계 형상에 근접한 광학렌즈를 성형할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (7)

1. 사출금형을 이용하여 제조되며, 상기 사출금형의 광학렌즈 생성면의 표면의 형상대로 광학렌즈의 표면이 형성되는 광학렌즈의 성형방법에 있어서,

   일반적인 비구면수축계수가 적용되어 제작된 사출금형을 이용하여 광학렌즈를 성형하는 예비성형단계;

   성형된 상기 광학렌즈의 길이방향 수축 및 단면방향 수축을 고려하여 상기 사출금형의 광학렌즈 생성면의 보정곡률반경을 산출하는 단계;

   상기 보정곡률반경을 적용하여 상기 사출금형의 광학렌즈 생성면의 표면 형상을 수정하는 단계;

   상기 단계에서 수정된 사출금형을 이용하여 광학렌즈를 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학렌즈 성형방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보정곡률반경을 구하는 단계는,

   상기 사출금형의 광학렌즈 생성면에 등간격 격자무늬의 홈을 파고, 상기 각 홈의 간격을 측정하는 단계;

   상기 홈이 있는 사출금형으로 광학렌즈를 성형하고, 성형된 광학렌즈의 각 돌출부의 간격을 측정하는 단계;

   상기 홈간의 간격 측정치와 상기 돌출부간의 간격 측정치를 이용하여 상기 광학렌즈의 길이 및 단면방향의 수축률을 계산하는 단계;

   상기 수축률을 이용하여 상기 광학렌즈의 보정곡률반경을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학렌즈 성형방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 길이방향 및 단면방향의 수축률은 각각 다음의 관계식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 광학렌즈 성형방법:

   여기서, α,β는 각각 단면방향 및 길이방향의 수축률을 나타내고,

   y _i 는 광학렌즈의 중심에서 길이방향으로 i번째 측정위치를 말하고,

   L 은 그 위치에서의 사출금형에 새겨진 x,y 방향의 홈의 간격을,

   L' 는 성형된 광학렌즈에 형성된 돌출부간의 간격을 말한다.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 보정곡률반경은 다음의 관계식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 광학렌즈 성형방법:

   여기서,y _i 는 수축전의 광학렌즈의 중심에서 길이방향으로 i번째 점까지의 거리를 나타내며,

   y' _i 는 수축된 후의 광학렌즈의 중심에서 i번째 점까지의 거리를 나타내며,

   R _C 는 보정된 광학렌즈의 단면방향의 반경을 나타내며,

   R _D 는 사출금형의 광학렌즈 생성면의 단면방향의 반경을 나타내며,

   R _L 은 사출된 광학렌즈의 반경을 나타낸다.
5. 사출금형을 이용하여 제조되며, 상기 사출금형의 광학렌즈 생성면의 표면의 형상대로 광학렌즈의 표면이 형성되는 광학렌즈의 성형방법에 있어서,

   일반적인 비구면 수축계수를 적용하여 광학렌즈의 사출금형을 설계하는 단계;

   상기의 설계에 따라 사출금형을 제작하는 단계;

   상기 사출금형을 사용하여 광학렌즈를 사출하는 단계;

   사출된 광학렌즈의 치수를 검사하여 설계사양의 오차범위 내에 있는가를 판단하는 단계;

   사출된 광학렌즈가 적합하지 않은 경우, 상기 사출금형의 광학렌즈 생성면에 등간격 격자무늬의 홈을 파고, 상기 각 홈의 간격을 측정하는 단계;

   상기 홈이 있는 사출금형으로 광학렌즈를 성형하고, 성형된 광학렌즈의 각 돌출부의 간격을 측정하는 단계;

   상기 홈간의 간격 측정치와 상기 돌출부간의 간격 측정치를 이용하여 상기 광학렌즈의 길이 및 단면방향의 수축률을 계산하는 단계;

   상기 수축률을 이용하여 상기 광학렌즈의 보정곡률반경을 계산하는 단계;

   상기 보정곡률반경에 맞도록 광학렌즈 생성면이 가공된 사출금형을 제작하는 단계; 및

   상기 보정된 사출금형으로 광학렌즈를 사출하는 단계;를 포함하는 광학렌즈 성형방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 길이방향 및 단면방향의 수축률은 각각 다음의 관계식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 광학렌즈 성형방법:

   여기서, α,β는 각각 단면방향 및 길이방향의 수축률을 나타내고,

   y _i 는 광학렌즈의 중심에서 길이방향으로 i번째 측정위치를 말하고,

   L 은 그 위치에서의 사출금형에 새겨진 x,y 방향의 홈의 간격을,

   L' 는 성형된 광학렌즈에 형성된 돌출부간의 간격을 말한다.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 보정곡률반경은 다음의 관계식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 광학렌즈 성형방법:

   여기서,y _i 는 수축전의 광학렌즈의 중심에서 길이방향으로 i번째 점까지의 거리를 나타내며,

   y' _i 는 수축된 후의 광학렌즈의 중심에서 i번째 점까지의 거리를 나타내며,

   R _C 는 보정된 광학렌즈의 단면방향의 반경을 나타내며,

   R _D 는 사출금형의 광학렌즈 생성면의 단면방향의 반경을 나타내며,

   R _L 은 사출된 광학렌즈의 반경을 나타낸다.