WO2012120566A1 - レンズ、レンズ用金型及び金型加工方法 - Google Patents

レンズ、レンズ用金型及び金型加工方法 Download PDF

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雅章 生子
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ナルックス株式会社
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    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
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    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
    • B29D11/0048—Moulds for lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/30—Collimators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/06—Simple or compound lenses with non-spherical faces with cylindrical or toric faces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/04—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having two components only
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    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2215/00—Press-moulding glass
    • C03B2215/02—Press-mould materials
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture

Definitions

  • the present invention relates to a lens used in a line generator using a semiconductor laser light source or the like, a lens mold, and a mold processing method.
  • Line generators that use light sources such as semiconductor lasers, light-emitting diodes, and optical fibers are used at construction sites, construction sites, factories, etc. to set reference lines for positioning, level difference measurement, and defect detection.
  • light sources such as semiconductor lasers, light-emitting diodes, and optical fibers
  • the optical system of the line generator collimates the diffused light from a light source such as a semiconductor laser in the width direction of the generated line, and is substantially uniform in the longitudinal direction of the generated line, which is orthogonal to the width direction. Distribute to generate lines.
  • the distribution of light in the width direction of the generated line is preferably a rectangle with a clear boundary.
  • the boundary in the width direction of the line becomes unclear or ghost (stray light) occurs outside the width direction of the line was there.
  • a lens for a line generator capable of generating a line whose light distribution in the width direction of the line is a well-defined rectangle, a lens mold for molding such a lens, and such No mold processing method has been developed.
  • a lens for a line generator a lens mold for molding such a lens, and such a mold capable of generating a line whose light distribution in the width direction of the line is a well-defined rectangle.
  • mold processing methods There is a need for mold processing methods.
  • the lens according to the first aspect of the present invention is a lens used in a line generation optical system that generates a line by light from a light source, the longitudinal direction of the generated line being the X axis, the width direction being the Y axis,
  • the optical axis is the Z-axis, and there is an optical surface that does not collimate in the X-axis direction but collimates or condenses only in the Y-axis direction. In the region of 80% or more of the optical surface, It is a lens whose inclination with respect to the axis is in the range of 40 degrees to 50 degrees.
  • the inclination of the generated line in the direction of the transfer process mark in the region of 80% or more of the optical surface is in the range of 40 degrees to 50 degrees. Diffraction does not cause ghost or the like in the width direction of the line, and the roughness of the optical surface is within an allowable range.
  • a lens mold according to a second aspect of the present invention is a lens used in a line generation optical system for generating a line by light from a light source, wherein the generated line has a longitudinal direction in the X axis and a width direction.
  • a lens mold for use in a lens having an Y-axis, an optical axis as a Z-axis, and an optical surface that performs collimation or condensing only in the Y-axis direction without performing collimation in the X-axis direction.
  • the inclination for the X-axis in the direction of the processing mark is in the range of 40 to 50 degrees.
  • the lens mold of this aspect since the inclination with respect to the X axis in the direction of the processing mark is in the range of 40 degrees to 50 degrees on the mold surface corresponding to an area of 80% or more of the optical surface, transfer processing is performed. A ghost or the like is not generated in the width direction of the line due to diffraction caused by the trace, and a lens whose optical surface roughness is within an allowable range can be molded.
  • a mold processing method is a lens used in a line generation optical system for generating a line by light from a light source, wherein the generated line has a longitudinal direction as an X-axis and a width direction as a length direction.
  • a processing method of a lens mold used for a lens having an optical surface that performs collimation or condensing only in the Y-axis direction without using collimation in the X-axis direction with the Y axis and the optical axis as the Z axis In this mold processing method, the mold is processed such that the inclination of the direction of the processing mark with respect to the X axis in the mold surface corresponding to an area of 80% or more of the optical surface is in the range of 40 degrees to 50 degrees.
  • the mold is so formed that the inclination of the direction of the processing mark with respect to the X axis in the mold surface corresponding to an area of 80% or more of the optical surface is in the range of 40 degrees to 50 degrees. Therefore, there is no ghost in the width direction of the line due to diffraction caused by transfer processing traces, and a lens mold capable of molding a lens whose optical surface roughness is within an allowable range is obtained. It is done.
  • a grinding wheel is used for machining the mold.
  • the mold is processed by moving the grinding wheel at a high speed according to a desired processing path.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining processing using a grinding wheel.
  • the moving direction of the grinding wheel 1, that is, the machining pass direction is defined as the X-axis direction.
  • the Y axis is determined so that the surface formed by the X axis and the Y axis is parallel to the processing surface 31 of the workpiece 3.
  • the rotating shaft 11 of the grinding wheel 1 is a direction that forms an angle ⁇ from the direction of the X axis in a plane parallel to the surface formed by the X axis and the Z axis.
  • ⁇ is in the range of 0 to 90 degrees.
  • the rotation direction of the grinding wheel 1 at the machining position is the Y-axis direction, and is perpendicular to the machining path direction, which is the X-axis direction.
  • the rotation direction of the grinding wheel (the direction of the Y axis in FIG. 1) and the processing path direction (of the X axis in FIG. 1). It is most desirable that the direction) be a right angle in this way.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the machining pass angle and the surface roughness after machining in machining with a grinding wheel.
  • the horizontal axis in FIG. 2 indicates the processing pass angle.
  • shaft of FIG. 2 shows the surface roughness after a process.
  • the processing pass angle is an angle formed by the processing pass direction and the reference pass direction.
  • the reference pass direction is a direction perpendicular to the rotation direction of the grinding wheel.
  • the reference path direction is the X-axis direction. Therefore, in FIG. 1, since the machining pass direction and the X-axis direction coincide, the machining pass angle is 0 degree. According to FIG.
  • the processing pass direction is set as the reference pass direction so as to reduce the surface roughness after processing.
  • a lens mold is first manufactured by grinding, and the lens is manufactured by molding glass or the like using the mold.
  • the direction of large curvature is set as the rotation direction of the grinding wheel in order to improve the shape accuracy of the lens mold. Is preferred.
  • the reason for this is that the processing accuracy in the rotation direction of the grinding wheel (the Y-axis direction in FIG. 1) is determined by the accuracy of the rotational core blur, which can be pushed to 10 nanometers or less and depends on the shape of the tool. This is because the accuracy is higher than the accuracy of the machining pass direction (for example, the direction of the X axis in FIG. 1).
  • the lens of the present invention will be described taking a lens used for a line generator as a specific example.
  • the lens of the example described below is made of glass, and the mold is manufactured by grinding.
  • the term “collimate” includes the case where light is collected at a long distance point.
  • FIGS. 3 and 4 are diagrams showing the configuration of a line generator according to a first embodiment.
  • the line generator includes a semiconductor laser light source 101, a first lens 103 that is a cylinder lens, and a second lens 105 that is a cylinder lens.
  • FIG. 3 is a view showing a cross section of the semiconductor laser light source 101 in the vertical direction (Fast-Axis (FA) direction, fast axis direction), and
  • FIG. 4 is a horizontal direction of the semiconductor laser light source 101 (Slow-Axis SA (SA). ) Direction, slow axis direction).
  • FA Fast-Axis
  • SA Slow-Axis SA
  • the light emitted from the semiconductor laser 101 is collimated in the FA direction by the first lens 103 to become a light beam having a width of 3 millimeters.
  • the width of the light beam after collimation is the width of the line generated by the line generator.
  • the first lens 103 is a cylinder lens, collimation is not performed in the SA direction.
  • the light collimated in the FA direction by the first lens 103 is diffused in the SA direction by the second lens 105 to generate a line.
  • the first lens 103 determines the line width
  • the second lens 105 generates a line having a predetermined luminance distribution in the longitudinal direction.
  • the functions of the first lens 103 and the second lens 105 are clearly separated.
  • Table 1 is a table showing data of the optical system of the line generator according to the first embodiment.
  • the surface interval between the rows of the light sources indicates the interval between the light source and the first lens.
  • the distance between the rows of the second surfaces indicates the thickness of the first lens.
  • the distance between the rows of the third surfaces indicates the distance between the first lens and the second lens.
  • the distance between the rows of the fourth surface indicates the thickness of the second lens.
  • the unit of length in the table is millimeter. The same applies to the following tables.
  • the optical surface (the second surface on the object side and the third surface on the image side) of the first lens can be expressed by the following equations, where the FA direction is the x-axis direction and the SA direction is the y-axis direction.
  • k is a constant that determines the shape of the quadratic curve
  • c is the central curvature
  • R is the central curvature radius.
  • ⁇ 2i is a correction coefficient.
  • Table 2 is a table
  • the optical surface (the fourth surface on the object side and the fifth surface on the image side) of the second lens can be expressed by the following equations, where the FA direction is the x-axis direction and the SA direction is the y-axis direction.
  • ⁇ 2i is a correction coefficient.
  • Table 3 is a table showing the coefficients and constants of the expressions representing the fourth surface and the fifth surface.
  • the curvature of the cross section in the fast axis direction of the semiconductor laser light source 101 on the object side surface of the first lens 103 of the first embodiment is larger than the curvature of the cross section in the slow axis direction. Accordingly, the direction of the fast axis direction cross section of the first lens 103 is the Y axis direction that is the rotation direction of the grinding wheel, and the direction of the slow axis direction cross section of the first lens 103 is the X axis direction that is the processing path direction.
  • the mold of the lens 103 was processed, and the first lens 103 was manufactured by molding.
  • the x-axis and the y-axis of the above-mentioned coordinates representing the optical surface correspond to the Y-axis and the X-axis relating to processing, respectively.
  • a processing mark in the X-axis direction is generated on the surface of the mold corresponding to the object side surface of the first lens 103, and this processing mark is transferred to the object side surface of the first lens 103. Therefore, the object side surface of the first lens 103 has a transfer processing mark in the X-axis direction. Since the processing path pitch is 2 to 10 micrometers, the transfer processing trace pitch is also 2 to 10 micrometers.
  • FIGS. 5 and 6 are diagrams showing the configuration of a line generator according to a second embodiment.
  • the line generator includes a semiconductor laser light source 201, a first lens 203 that is a cylinder lens, and a second lens 205 that is a cylinder lens.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross section of the semiconductor laser light source 201 in the vertical direction (Fast-Axis (FA) direction, fast axis direction), and FIG. 6 shows the horizontal direction of the semiconductor laser light source 201 (Slow-Axis (SA)). It is a figure which shows the cross section of a direction and a slow-axis direction.
  • FA Fast-Axis
  • SA slow-Axis
  • the light emitted from the semiconductor laser 201 is collimated in the SA direction by the first lens 203 to become a light beam having a width of 3 millimeters.
  • the width of the light beam after collimation is the width of the line generated by the line generator.
  • the first lens 203 is a cylinder lens, collimation is not performed in the FA direction.
  • the light collimated in the SA direction by the first lens 203 is diffused in the FA direction by the second lens 205 to generate a line.
  • the first lens 203 defines a line width
  • the second lens 205 generates a line having a predetermined luminance distribution in the longitudinal direction.
  • Table 4 is a table showing data of the optical system of the line generator according to the second embodiment.
  • the optical surface (the second surface on the object side and the third surface on the image side) of the first lens can be expressed by the following equations, where the FA direction is the x-axis direction and the SA direction is the y-axis direction.
  • Table 5 is a table showing the coefficients and constants of the expressions representing the second surface and the third surface.
  • the optical surface (the fourth surface on the object side and the fifth surface on the image side) of the second lens can be expressed by the following equations, where the FA direction is the x-axis direction and the SA direction is the y-axis direction.
  • k is a constant that determines the shape of the quadratic curve
  • c is the central curvature
  • R is the central curvature radius.
  • ⁇ 2i is a correction coefficient.
  • Table 6 is a table
  • the curvature of the cross section in the slow axis direction of the semiconductor laser light source 201 on the object side and image side surfaces of the first lens 203 of the second embodiment is larger than the curvature of the cross section in the fast axis direction. Therefore, the direction of the slow axis direction cross section of the first lens 203 is the Y axis direction that is the rotation direction of the grinding wheel, and the direction of the fast axis direction cross section of the first lens 203 is the X axis direction that is the processing path direction.
  • the mold of the lens 203 was processed, and the first lens 203 was manufactured by molding.
  • the x-axis and the y-axis of the above-described coordinates representing the optical surface correspond to the X-axis and the Y-axis relating to processing, respectively.
  • processing marks in the X-axis direction are generated on surfaces of the mold corresponding to the object-side and image-side surfaces of the first lens 203, and the processing marks are formed on the object-side and image-side of the first lens 203. It is transferred to the surface. Therefore, the object side and image side surfaces of the first lens 203 have transfer processing marks in the X-axis direction. Since the processing path pitch is 2 to 10 micrometers, the transfer processing trace pitch is also 2 to 10 micrometers.
  • FIGS. 7 and 8 are diagrams showing the configuration of a line generator according to a third embodiment.
  • the line generator includes a semiconductor laser light source 301, a first lens 303 that is a cylinder lens, and a second lens 305 that is a cylinder lens.
  • 7 is a diagram showing a cross section of the semiconductor laser light source 301 in the vertical direction (Fast-Axis (FA) direction, fast axis direction)
  • FIG. 8 is a horizontal direction of the semiconductor laser light source 301 (Slow-Axis (SA)). It is a figure which shows the cross section of a direction and a slow-axis direction.
  • FA Fast-Axis
  • SA slow-Axis
  • the light emitted from the semiconductor laser 301 is collimated in the SA direction by the first lens 303 to become a light beam having a width of 3 millimeters.
  • the width of the light beam after collimation is the width of the line generated by the line generator.
  • the first lens 303 is a cylinder lens, collimation is not performed in the FA direction.
  • the light collimated in the SA direction by the first lens 303 is diffused in the FA direction by the second lens 305 to generate a line.
  • Table 11 is a table showing data of the optical system of the line generator according to the fourth embodiment.
  • the second surface (the object-side surface of the first lens) can be expressed by the following equation.
  • Table 12 is a table
  • the third surface (the surface on the image side of the first lens) can be expressed by the following equation, where the FA direction is the x-axis direction and the SA direction is the y-axis direction.
  • the third surface is a so-called free-form surface.
  • the shape is axisymmetric in the x-axis direction and the y-axis direction, the lens power in the y-axis direction is larger than the lens power in the x-axis direction, and the lens power in the y-axis direction is near the lens center and the outer periphery.
  • the free-form surface is defined so as to be different in each part.
  • Table 13 is a table
  • the optical surface (the fourth surface on the object side and the fifth surface on the image side) of the second lens can be expressed by the following equations, where the FA direction is the x-axis direction and the SA direction is the y-axis direction.
  • ⁇ 2i is a correction coefficient.
  • Table 14 is a table
  • the curvature of the cross section in the slow axis direction of the semiconductor laser light source 301 on the object side and image side surfaces of the first lens 303 of the third embodiment is larger than the curvature of the cross section in the fast axis direction. Therefore, the direction of the slow axis direction cross section of the first lens 303 is the Y axis direction that is the rotation direction of the grinding wheel, and the direction of the fast axis direction cross section of the first lens 303 is the X axis direction that is the machining path direction.
  • the mold of the lens 303 was processed, and the first lens 303 was manufactured by molding.
  • the x-axis and the y-axis of the above-described coordinates representing the optical surface correspond to the X-axis and the Y-axis relating to processing, respectively.
  • processing marks in the X-axis direction are generated on surfaces of the mold corresponding to the object-side and image-side surfaces of the first lens 303, and the processing marks are formed on the object-side and image-side of the first lens 303. It is transferred to the surface. Therefore, the object side and image side surfaces of the first lens 303 have transfer processing marks in the X-axis direction. Since the processing path pitch is 2 to 10 micrometers, the transfer processing trace pitch is also 2 to 10 micrometers.
  • the Y-axis direction is the width direction of a line generated by the optical system.
  • the light diffusing from the light source is substantially collimated in the Y-axis direction by the first lens so as to generate the line width.
  • transfer processing marks are formed in the X-axis direction on at least one of the object side surface and the image side surface of the first lens, the light substantially collimated in the Y-axis direction is formed in the X-axis direction. It is diffracted by the transferred processing marks and diffused in the Y-axis direction.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the position in the width direction (Y-axis direction) of the line generated by the optical system of the first embodiment and the relative intensity at that position.
  • the horizontal axis in FIG. 9 indicates the position in the line width direction (Y-axis direction). 0 indicates the center in the width direction of the line.
  • the vertical axis in FIG. 9 indicates the relative intensity of light. Since the intensity at the center in the width direction of the line indicated by A in FIG. The vertical axis is a log scale.
  • a second peak of relative intensity following A is generated, indicated by B1 and B2, at a position of about 1.5 millimeters from the center in the width direction of the line.
  • the relative intensity of the second peak is over 0.1.
  • the distribution of light in the width direction as described above is considered to be caused by diffusion of light in the Y-axis direction due to transfer processing marks formed in the X-axis direction.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the position in the width direction of the line generated by the optical system of the first embodiment and the relative intensity at that position when the machining path direction is inclined 45 degrees with respect to the X axis. is there.
  • a second peak of relative intensity following A is generated, indicated by C1 and C2, at a position of about 1.5 millimeters from the center in the width direction of the line.
  • the relative intensity of the second peak is about 0.01.
  • the relative intensity of the second peak indicated by C1 and C2 in FIG. 10 is about one tenth of the relative intensity of the second peak indicated by B1 and B2 in FIG. in this way.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the angle in the machining pass direction with respect to the X axis (machining pass angle) and the relative intensity.
  • the horizontal axis in FIG. 11 indicates the angle in the machining pass direction with respect to the X axis.
  • the vertical axis in FIG. 11 indicates the relative intensity at a position where the intensity is high next to the center in the width direction of the line.
  • 11 is the intensity of B1 or B2 in FIG. 10 when the machining path direction coincides with the X axis, and when the machining path direction is inclined 45 degrees with respect to the X axis, FIG. Is the strength of C1 or C2.
  • a high relative intensity in FIG. 11 means that a large ghost is generated near the boundary in the width direction of the line. According to FIG. 11, when the machining pass angle is small, the relative strength increases, so that the ghost increases. On the other hand, the ghost is reduced by reducing the processing pass angle.
  • FIG. 12 is a combination of FIG. 2 and FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 12 indicates an angle in the machining pass direction with respect to the X axis (machining pass angle).
  • the vertical axis in FIG. 12 indicates the surface strength after processing (right scale) and the relative strength (left scale) at a position where the strength is high next to the center in the width direction of the line.
  • the surface roughness after processing increases as the processing pass angle increases, and the relative strength decreases as the processing pass increases.
  • the processing pass angle needs to be 50 degrees or less.
  • a preferable lens can be obtained from the viewpoint of surface roughness after processing and relative strength (ghost strength).
  • the machining pass angle is in the range of 40 degrees to 50 degrees, it does not have to be constant over the entire machining surface.
  • the processing pass angle may be a different angle in the range of 40 degrees to 50 degrees depending on the region of the processing surface. Further, the machining pass may be a curve having a machining pass angle in a range of 40 degrees to 50 degrees. Further, the machining pass angle need not be in the range of 40 degrees to 50 degrees in the entire machining surface area.
  • the processing pass angle may be in the range of 40 degrees to 50 degrees in the processing surface, that is, an area of 80% or more of the optical surface of the lens. Here, 80% or more is intended to exclude a specific area such as an area where the machining path is changed for other reasons.
  • the present invention has been described with an example of processing a glass mold using a grindstone.
  • the present invention can be similarly applied to the case of processing a glass mold using a single crystal diamond or a polycrystalline diamond tool. Further, the present invention can be similarly applied when processing a plastic mold.

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Abstract

　ラインの幅方向の光の分布が境界のはっきりした矩形であるラインを生成することのできる、ラインジェネレータ用レンズを提供する。　本発明によるレンズは、光源からの光によってラインを生成するライン生成光学系に使用されるレンズであって、生成されるラインの長手方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、光軸をＺ軸として、Ｘ軸方向にコリメートを行わず、Ｙ軸方向にのみコリメートまたは集光を行う光学面を有し、該光学面の８０％以上の領域において転写加工痕の方向のＸ軸に対する傾きが、４０度乃至５０度の範囲であるレンズである。

Description

レンズ、レンズ用金型及び金型加工方法
　本発明は、半導体レーザ光源などを使用したラインジェネレータに使用されるレンズ、レンズ用金型及び金型加工方法に関する。
　建築現場、工事現場、工場などにおいて、位置決め、段差測定や不良検出を行うための基準線を設定するために、半導体レーザ、発光ダイオード、光ファイバなどの光源を使用したラインジェネレータが使用されている（たとえば、特許文献１）。
　ラインジェネレータの光学系は、半導体レーザなどの光源からの拡散する光を、生成されるラインの幅方向にコリメートするとともに、該幅方向と直交する、生成されるラインの長手方向にほぼ一様に分布させてラインを生成する。ここで、生成されるラインの幅方向の光の分布は、境界のはっきりした矩形であるのが望ましい。しかし、要求仕様を満たす光学面を備えたレンズを使用した光学系であっても、ラインの幅方向の境界が不明確になる場合や、ラインの幅方向の外側にゴースト（迷光）が生じる場合があった。
　このように、ラインの幅方向の光の分布が境界のはっきりした矩形であるラインを生成することのできる、ラインジェネレータ用レンズ、そのようなレンズを成形するためのレンズ用金型、及びそのような金型の加工方法は開発されていなかった。
特許第4599514号公報
　したがって、ラインの幅方向の光の分布が境界のはっきりした矩形であるラインを生成することのできる、ラインジェネレータ用レンズ、そのようなレンズを成形するためのレンズ用金型、及びそのような金型の加工方法に対するニーズがある。
　本発明の第１の態様によるレンズは、光源からの光によってラインを生成するライン生成光学系に使用されるレンズであって、生成されるラインの長手方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、光軸をＺ軸として、Ｘ軸方向にコリメートを行わず、Ｙ軸方向にのみコリメートまたは集光を行う光学面を有し、該光学面の８０％以上の領域において転写加工痕の方向のＸ軸に対する傾きが、４０度乃至５０度の範囲であるレンズである。
　本態様のレンズにおいては、光学面の８０％以上の領域において転写加工痕の方向の生成されるラインの長手方向に対する傾きが、４０度乃至５０度の範囲であるので、転写加工痕に起因する回折によりラインの幅方向にゴーストなどが生じることはなく、また光学面の粗さも許容範囲内である。
　本発明の第２の態様によるレンズ用金型は、光源からの光によってラインを生成するライン生成光学系に使用されるレンズであって、生成されるラインの長手方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、光軸をＺ軸として、Ｘ軸方向にコリメートを行わず、Ｙ軸方向にのみコリメートまたは集光を行う光学面を有するレンズに使用されるレンズ用金型であって、該光学面の８０％以上の領域に対応する金型面において加工痕の方向のＸ軸に対する傾きが、４０度乃至５０度の範囲であるレンズ用金型である。
　本態様のレンズ用金型によれば、光学面の８０％以上の領域に対応する金型面において加工痕の方向のＸ軸に対する傾きが、４０度乃至５０度の範囲であるので、転写加工痕に起因する回折によりラインの幅方向にゴーストなどが生じることはなく、また光学面の粗さも許容範囲内であるレンズを成形することができる。
　本発明の第３の態様による金型加工方法は、光源からの光によってラインを生成するライン生成光学系に使用されるレンズであって、生成されるラインの長手方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、光軸をＺ軸として、Ｘ軸方向にコリメートを行わず、Ｙ軸方向にのみコリメートまたは集光を行う光学面を有するレンズに使用されるレンズ用金型の加工方法であって、該光学面の８０％以上の領域に対応する金型面において加工痕の方向のＸ軸に対する傾きが、４０度乃至５０度の範囲となるように金型を加工する金型加工方法である。
　本態様による金型加工方法によれば、光学面の８０％以上の領域に対応する金型面において加工痕の方向のＸ軸に対する傾きが、４０度乃至５０度の範囲となるように金型を加工するので、転写加工痕に起因する回折によりラインの幅方向にゴーストなどが生じることはなく、また光学面の粗さも許容範囲内であるレンズを成形することができるレンズ用金型が得られる。
研削砥石を使用する加工を説明するための図である。 研削砥石による加工において、加工パス角度と加工後の面粗さとの関係を示す図である。 第１の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。 第１の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。 第２の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。 第２の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。 第３の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。 第３の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。 第１の実施例の光学系によって生成されたラインの幅方向位置とその位置における相対強度との関係を示す図である。 加工パス方向をＸ軸に対して４５度傾けた場合の、第１の実施例の光学系によって生成されたラインの幅方向位置とその位置における相対強度との関係を示す図である。 Ｘ軸に対する加工パス方向の角度と相対強度との関係を示す図である。 図２と図１１とを組み合わせた図である。
　ガラス成形品用の金型は硬度が高いので、金型の加工には研削砥石を使用する。研削砥石を使用する加工では、研削砥石を高速で回転させながら所望の加工パスにしたがって移動させて金型を加工する。
　図１は、研削砥石を使用する加工を説明するための図である。図１において、研削砥石１の移動方向、すなわち加工パス方向をＸ軸の方向とする。Ｘ軸及びＹ軸が形成する面が、被加工体３の被加工面３１に平行となるようにＹ軸を定める。研削砥石１の回転軸１１は、Ｘ軸とＺ軸が形成する面に平行な平面内において、Ｘ軸の方向からθの角度をなす方向である。ここで、θは、０度から９０度の範囲である。
　図１において、加工位置における研削砥石１の回転方向は、Ｙ軸の方向であり、Ｘ軸の方向である加工パス方向とは直角をなす。研削砥石を使用する加工においては、後で説明するように加工後の面粗さの観点から、研削砥石の回転方向（図１のＹ軸の方向）と加工パス方向（図１のＸ軸の方向）とをこのように直角とするのが最も望ましい。
　図２は、研削砥石による加工において、加工パス角度と加工後の面粗さとの関係を示す図である。図２の横軸は、加工パス角度を示す。図２の縦軸は、加工後の面粗さを示す。ここで、加工パス角度とは、加工パス方向が基準パス方向となす角度である。基準パス方向とは、研削砥石の回転方向と直角を成す方向である。図１において、基準パス方向は、Ｘ軸の方向である。したがって、図１において、加工パス方向とＸ軸の方向が一致するので、加工パス角度は０度である。図２によると、加工パス角度が０度の場合の面粗さはほぼ０であるが、加工パス角度が９０度の場合、すなわち、図１において加工パス方向をＹ軸方向とした場合の面粗さは２５０ナノメータに達する。したがって、従来、研削砥石による加工において、加工後の面粗さを小さくするように加工パス方向を基準パス方向としていた。
　つぎに、レンズ用金型の研削加工について説明する。レンズを製造する場合に、まず研削加工によってレンズ用金型を製造し、その金型を使用してガラスなどを成形することによりレンズを製造する。ここで、レンズの光軸に垂直な面内の互いに直交する２方向で曲率が異なる場合に、レンズ用金型の形状精度を良くするには曲率の大きな方向を研削砥石の回転方向とするのが好ましい。その理由は、研削砥石の回転方向（図１のＹ軸の方向）の加工精度は、回転の芯ブレの精度で決まり、この精度は１０ナノメータ以下に押させることができ、工具の形状に依存する加工パス方向（たとえば、図１のＸ軸の方向）の精度よりも高いからである。
　ここで、ラインジェネレータに使用されるレンズを具体例として本発明のレンズを説明する。以下に説明する実施例のレンズはガラス製であり、金型は研削加工によって製造される。なお、本明細書において、「コリメートさせる（する）」という用語は、遠距離の点において集光させる（する）場合を含むものとする。
第１の実施例
　図３及び図４は、第１の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源１０１、シリンダーレンズである第１レンズ１０３及びシリンダーレンズである第２レンズ１０５を含む。図３は、半導体レーザ光源１０１の鉛直方向（Fast-Axis （ＦＡ）方向、速軸方向）の断面を示す図であり、図４は、半導体レーザ光源１０１の水平方向（Slow-Axis SA（ＳＡ）方向、遅軸方向）の断面を示す図である。図３において、半導体レーザ１０１から出射された光は、第１レンズ１０３によって、ＦＡ方向にコリメートされ、３ミリメータの幅の光束となる。コリメート後の光束の幅は、ラインジェネレータによって生成されるラインの幅である。ここで、第１レンズ１０３は、シリンダーレンズであるので、ＳＡ方向にコリメートは行なわれない。第１レンズ１０３によって、ＦＡ方向にコリメートされた光は、第２レンズ１０５によって、ＳＡ方向に拡散されラインが生成される。
　本実施例において、第１レンズ１０３は、ラインの幅を定め、第２レンズ１０５は、長手方向に所定の輝度分布を有するラインを生成する。このように、第１レンズ１０３及び第２レンズ１０５の機能がはっきり分離されている。
　表１は、第１の実施例によるラインジェネレータの光学系のデータを示す表である。ここで、光源の行の面間隔は、光源と第１レンズとの間隔を示す。第２面の行の面間隔は、第１レンズの厚さを示す。第３面の行の面間隔は、第１レンズと第２レンズとの間隔を示す。第４面の行の面間隔は、第２レンズの厚さを示す。表における長さの単位は、ミリメータである。以下の表についても同様である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第１レンズの光学面（物体側の第２面及び像側の第３面）は以下の式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、ｋは２次曲線の形状を定める定数、ｃは中心曲率、Ｒは中心曲率半径である。また、α2iは補正係数である。
　表２は、第２面および第３面を表す式の係数及び定数を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第２レンズの光学面（物体側の第４面及び像側の第５面）は以下の式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、α2iは補正係数である。
　表３は、第４面および第５面を表す式の係数及び定数を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　第１の実施例の第１レンズの、金型を使用した製造方法について説明する。
　第１の実施例の第１レンズ１０３の物体側の面の、半導体体レーザ光源１０１の速軸方向断面の曲率は、遅軸方向断面の曲率よりも大きい。そこで、第１レンズ１０３の速軸方向断面の方向を研削砥石の回転方向であるＹ軸方向とし、第１レンズ１０３の遅軸方向断面の方向を加工パス方向であるＸ軸方向として、第１レンズ１０３の金型を加工し、成形により第１レンズ１０３を製造した。ここで、光学面を表す上記の座標のｘ軸及びｙ軸は、それぞれ加工に関するＹ軸及びＸ軸に対応する。この結果、金型の、第１レンズ１０３の物体側の面に対応する面にはＸ軸方向の加工痕が生成され、この加工痕は第１レンズ１０３の物体側の面に転写される。したがって、第１レンズ１０３の物体側の面は、Ｘ軸方向の転写加工痕を有する。加工パスのピッチは、２乃至１０マイクロメータであるので、転写加工痕のピッチも２乃至１０マイクロメータである。
第２の実施例
　図５及び図６は、第２の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源２０１、シリンダーレンズである第１レンズ２０３及びシリンダーレンズである第２レンズ２０５を含む。図５は、半導体レーザ光源２０１の鉛直方向（Fast-Axis （ＦＡ）方向、速軸方向）の断面を示す図であり、図６は、半導体レーザ光源２０１の水平方向（Slow-Axis （ＳＡ）方向、遅軸方向）の断面を示す図である。図６において、半導体レーザ２０１から出射された光は、第１レンズ２０３によって、ＳＡ方向にコリメートされ、３ミリメータの幅の光束となる。コリメート後の光束の幅は、ラインジェネレータによって生成されるラインの幅である。ここで、第１レンズ２０３は、シリンダーレンズであるので、ＦＡ方向にコリメートは行なわれない。第１レンズ２０３によって、ＳＡ方向にコリメートされた光は、第２レンズ２０５によって、ＦＡ方向に拡散されラインが生成される。
　本実施例において、第１レンズ２０３は、ラインの幅を定め、第２レンズ２０５は、長手方向に所定の輝度分布を有するラインを生成する。このように、第１レンズ２０３及び第２レンズ２０５の機能がはっきり分離されている。
　表４は、第２の実施例によるラインジェネレータの光学系のデータを示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第１レンズの光学面（物体側の第２面及び像側の第３面）は以下の式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　表５は、第２面および第３面を表す式の係数及び定数を示す表である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第２レンズの光学面（物体側の第４面及び像側の第５面）は以下の式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 ここで、ｋは２次曲線の形状を定める定数、ｃは中心曲率、Ｒは中心曲率半径である。また、α2iは補正係数である。
　表６は、第４面および第５面を表す式の係数及び定数を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　第２の実施例の第１レンズの、金型を使用した製造方法について説明する。
　第２の実施例の第１レンズ２０３の物体側及び像側の面の、半導体体レーザ光源２０１の遅軸方向断面の曲率は、速軸方向断面の曲率よりも大きい。そこで、第１レンズ２０３の遅軸方向断面の方向を研削砥石の回転方向であるＹ軸方向とし、第１レンズ２０３の速軸方向断面の方向を加工パス方向であるＸ軸方向として、第１レンズ２０３の金型を加工し、成形により第１レンズ２０３を製造した。ここで、光学面を表す上記の座標のｘ軸及びｙ軸は、それぞれ加工に関するＸ軸及びＹ軸に対応する。この結果、金型の、第１レンズ２０３の物体側及び像側の面に対応する面にはＸ軸方向の加工痕が生成され、この加工痕は第１レンズ２０３の物体側及び像側の面に転写される。したがって、第１レンズ２０３の物体側及び像側の面は、Ｘ軸方向の転写加工痕を有する。加工パスのピッチは、２乃至１０マイクロメータであるので、転写加工痕のピッチも２乃至１０マイクロメータである。
第３の実施例
　図７及び図８は、第３の実施例によるラインジェネレータの構成を示す図である。ラインジェネレータは、半導体レーザ光源３０１、シリンダーレンズである第１レンズ３０３及びシリンダーレンズである第２レンズ３０５を含む。図７は、半導体レーザ光源３０１の鉛直方向（Fast-Axis （ＦＡ）方向、速軸方向）の断面を示す図であり、図８は、半導体レーザ光源３０１の水平方向（Slow-Axis （ＳＡ）方向、遅軸方向）の断面を示す図である。図８において、半導体レーザ３０１から出射された光は、第１レンズ３０３によって、ＳＡ方向にコリメータされ、３ミリメータの幅の光束となる。コリメート後の光束の幅は、ラインジェネレータによって生成されるラインの幅である。ここで、第１レンズ３０３は、シリンダーレンズであるので、ＦＡ方向にコリメートは行なわれない。第１レンズ３０３によって、ＳＡ方向にコリメートされた光は、第２レンズ３０５によって、ＦＡ方向に拡散されラインが生成される。
　表１１は、第４の実施例によるラインジェネレータの光学系のデータを示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第２面（第１レンズの物体側の面）は以下の式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　表１２は、第２面を表す式の係数及び定数を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第３面（第１レンズの像側の面）は以下の式で表せる。第３面は、いわゆる自由曲面である。本実施例では、x軸方向及びy軸方向に軸対称な形状であり、y軸方向のレンズパワーがx軸方向のレンズパワーより大きく、また、y軸方向のレンズパワーがレンズ中心付近と外周部で異なるように自由曲面を定めている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　　表１３は、第３面を表す式の係数及び定数を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　FＡ方向をｘ軸方向、SＡ方向をｙ軸方向として、第２レンズの光学面（物体側の第４面及び像側の第５面）は以下の式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、α2iは補正係数である。
　表１４は、第４面および第５面を表す式の係数及び定数を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　第３の実施例の第１レンズの、金型を使用した製造方法について説明する。
　第３の実施例の第１レンズ３０３の物体側及び像側の面の、半導体体レーザ光源３０１の遅軸方向断面の曲率は、速軸方向断面の曲率よりも大きい。そこで、第１レンズ３０３の遅軸方向断面の方向を研削砥石の回転方向であるＹ軸方向とし、第１レンズ３０３の速軸方向断面の方向を加工パス方向であるＸ軸方向として、第１レンズ３０３の金型を加工し、成形により第１レンズ３０３を製造した。ここで、光学面を表す上記の座標のｘ軸及びｙ軸は、それぞれ加工に関するＸ軸及びＹ軸に対応する。この結果、金型の、第１レンズ３０３の物体側及び像側の面に対応する面にはＸ軸方向の加工痕が生成され、この加工痕は第１レンズ３０３の物体側及び像側の面に転写される。したがって、第１レンズ３０３の物体側及び像側の面は、Ｘ軸方向の転写加工痕を有する。加工パスのピッチは、２乃至１０マイクロメータであるので、転写加工痕のピッチも２乃至１０マイクロメータである。
　図３、図６及び図８から明らかなように、Ｙ軸方向は、光学系によって生成されるラインの幅方向である。光源から拡散する光は、ラインの幅を生成するように、第１レンズによってＹ軸方向にほぼコリメートされる。ここで、第１レンズの物体側面及び像側面の少なくとも一方の面にはＸ軸方向に転写加工痕が形成されているので、Ｙ軸方向にほぼコリメートされた光は、Ｘ軸方向に形成された転写加工痕によって回折されＹ軸方向に拡散される。
　図９は、第１の実施例の光学系によって生成されたラインの幅方向（Ｙ軸方向）位置とその位置における相対強度との関係を示す図である。図９の横軸は、ラインの幅方向（Ｙ軸方向）位置を示す。０は、ラインの幅方向の中心であることを示す。図９の縦軸は、光の相対強度を示す。図９においてＡで示した、ラインの幅方向の中心における強度が最も高いのでその強度を１とした。縦軸は、ログ目盛りである。図９において、ラインの幅方向の中心から約１．５ミリメータの位置において、Ｂ１及びＢ２で示した、Ａに次ぐ相対強度の第２のピークが生じている。第２のピークの相対強度は０．１を超えている。上記のようなラインの幅方向の光の分布は、Ｘ軸方向に形成された転写加工痕による、Ｙ軸方向の光の拡散が原因であると考えられる。
　そこで、Ｘ軸方向に形成された転写加工痕によるラインの幅方向（Ｙ軸方向）の光の拡散を小さくするには、加工パス方向をＸ軸に対して傾けることが考えられる。
　図１０は、加工パス方向をＸ軸に対して４５度傾けた場合の、第１の実施例の光学系によって生成されたラインの幅方向位置とその位置における相対強度との関係を示す図である。図１０において、ラインの幅方向の中心から約１．５ミリメータの位置において、Ｃ１及びＣ２で示した、Ａに次ぐ相対強度の第２のピークが生じている。第２のピークの相対強度は約０．０１である。図１０のＣ１及びＣ２で示した、第２のピークの相対強度は、図９のＢ１及びＢ２で示した、第２のピークの相対強度の約１０分の１である。このように。加工パス角度をＸ軸に対して４５度傾けることにより、転写加工痕によるラインの幅方向（Ｙ軸方向）の光の拡散は顕著に減少する。
　図１１は、Ｘ軸に対する加工パス方向の角度（加工パス角度）と相対強度との関係を示す図である。図１１の横軸は、Ｘ軸に対する加工パス方向の角度を示す。図１１の縦軸は、ラインの幅方向の中心に次いで、強度の高い位置における相対強度を示す。図１１の相対強度は、加工パス方向がＸ軸と一致する場合には、図１０におけるＢ１またはＢ２の強度であり、加工パス方向をＸ軸に対して４５度傾けた場合には、図１０におけるＣ１またはＣ２の強度である。図１１における相対強度が高いことは、ラインの幅方向の境界付近に大きなゴーストが生じることを意味する。図１１によれば、加工パス角度が小さい場合に、相対強度が高くなるので、ゴーストが大きくなる。他方、加工パス角度を小さくすることによりゴーストは小さくなる。
　図１２は、図２と図１１とを組み合わせた図である。図１２の横軸は、Ｘ軸に対する加工パス方向の角度（加工パス角度）を示す。図１２の縦軸は、加工後の面粗さ（右側の目盛り）及びラインの幅方向の中心に次いで、強度の高い位置における相対強度（左側の目盛り）を示す。図１２に示すように、加工後の面粗さは、加工パス角度が増加するにしたがって増加し、相対強度は加工パスが増加するにしたがって減少する。たとえば、加工後の面粗さを約１００ナノメータ以下とするには、加工パス角度を５０度以下とする必要がある。また、たとえば、相対強度を約０．０２以下とするにはＸ軸に対する加工パス方向の角度を４０度以上とする必要がある。したがって、加工パス角度を４０度から５０度の範囲とすることにより、加工後の面粗さ及び相対強度（ゴーストの強さ）の観点から好ましいレンズが得られる。
　ここで、加工パス角度は、４０度から５０度の範囲であれば、加工面全体で一定である必要はない。加工パス角度は、加工面の領域により、４０度から５０度の範囲の異なる角度であってもよい。また、加工パスは、加工パス角度が、４０度から５０度の範囲の曲線であってもよい。さらに、加工パス角度は、加工面の領域全体で４０度から５０度の範囲である必要はない。加工面、すなわち、レンズの光学面の８０％以上の領域で、加工パス角度が４０度から５０度の範囲であればよい。ここで、８０％以上としたのは、他の理由により加工パスを変更する領域など、特定の領域を除く趣旨である。
　上記において、砥石を使用してガラス用金型を加工する例によって本発明を説明した。上記の例の他に、単結晶ダイヤモンドや多結晶ダイヤモンド工具を使用して、ガラス用金型を加工する場合にも本発明を同様に適用することができる。また、プラスチック用金型を加工する場合にも本発明を同様に適用することができる。

Claims (3)

  1. 　光源からの光によってラインを生成するライン生成光学系に使用されるレンズであって、生成されるラインの長手方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、光軸をＺ軸として、Ｘ軸方向にコリメートを行わず、Ｙ軸方向にのみコリメートまたは集光を行う光学面を有し、該光学面の８０％以上の領域において転写加工痕の方向のＸ軸に対する傾きが、４０度乃至５０度の範囲であるレンズ。
  2. 　光源からの光によってラインを生成するライン生成光学系に使用されるレンズであって、生成されるラインの長手方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、光軸をＺ軸として、Ｘ軸方向にコリメートを行わず、Ｙ軸方向にのみコリメートまたは集光を行う光学面を有するレンズに使用されるレンズ用金型であって、該光学面の８０％以上の領域に対応する金型面において加工痕の方向のＸ軸に対する傾きが、４０度乃至５０度の範囲であるレンズ用金型。
  3. 　光源からの光によってラインを生成するライン生成光学系に使用されるレンズであって、生成されるラインの長手方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、光軸をＺ軸として、Ｘ軸方向にコリメートを行わず、Ｙ軸方向にのみコリメートまたは集光を行う光学面を有するレンズに使用されるレンズ用金型の加工方法であって、該光学面の８０％以上の領域に対応する金型面において加工痕の方向のＸ軸に対する傾きが、４０度乃至５０度の範囲となるように金型を加工する金型加工方法。
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