JP2007297229A - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ素材を成形面の中心軸上に正確に位置決めして、成形による偏芯やその偏芯に起因するバリの発生を抑制する。
【解決手段】下型２の凹部の曲率半径よりも大きな曲率半径の凸部を有するレンズ素材５を、該凹部の最深部とレンズ素材５の凸部の最頂部との間に隙間を設けた状態で該凹部の周縁部に当接させるとともに、該凹部とレンズ素材５の凸部との曲率差により調芯して成形型組１０内に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光学機器、撮像機器の光学系などに用いられる光学素子の製造方法であって、特に、精密プレス成形法により光学素子を製造する技術に関するものである。

近年、光ディスク装置やデジタルビデオカメラ等に用いる光学素子として、光の有効利用や収差低減の観点から、球面レンズよりも優れた性能を持つ非球面レンズが採用されている。非球面レンズは、従来のような研磨方式で作成しようとすると、その製造容易性及び製造コストの観点から好ましくないため、精密プレス成形法により作成するのが一般的である。

この精密プレス成形法において、非球面レンズを、種々の光学定数を有し材料の選択範囲が広いガラス材で形成する場合には、ガラス材の熱特性に応じた温度と圧力とを加えて変形させるようにしている。

特許文献１には、上下型と胴型とで形成される内部空間にガラス素材を投入するにあたり、胴型内径と近似した外径寸法を有するガラス素材を用いて、胴型によってガラス素材の位置を規制することで、金型成形面の略中心にガラス素材を載置させてバリ発生を防止する技術が開示されている。

しかし、特許文献１に記載の技術では、平面状のガラス素材を用いて成形するために、金型成形面との密閉空間が大きく、金型成形面とガラス素材とで区画される密閉空間のガス抜きのためにプレス操作において、押圧と開放とを繰り返さなければレンズ面の未転写部が回避されないおそれがあるという課題や、ガラス素材と胴型内径との間にはガラス素材の挿入に必要なクリアランスが不可欠であるため、ガラス素材が必ずしも金型成形面の中心に載置される保証がない等の課題が存在する。

また、特許文献２には、上下型と胴型とで構成される金型を用いて非光学有効面を形成する型部材の温度と、光学有効面を形成する型部材の温度とに温度差を設け、非光学有効面を形成する型部材の温度を低く設定する技術が開示されている。すなわち、バリ発生の箇所である上下型と胴型とのクリアランス近傍の温度を低くしてガラス素材の流れを抑制することでバリ対策を行うようにしている。

しかし、特許文献２に記載の技術では、非光学有効面（レンズ外周部）と光学有効面（レンズ中心部からレンズ外周部近傍までの範囲）とは極めて近接しており、近接した互いの型部材に温度差を設けることは熱伝導の関係で困難であるだけでなく、温度差の大きさによっては熱歪みが大きくなり、成形されたレンズにクラックや割れを誘発するおそれがある。

また、特許文献３には、成形予備体として、予め面取り加工された材料（機械加工や成形によって面取り加工された材料）を準備することが開示されている。すなわち、成形品のバリが発生しやすい箇所に予め面取り加工を施しておくことで、材料の変形量を制御してバリ対策を行うようにしている。

しかし、特許文献３に記載の技術では、成形品を得るために予備加工が必要であることや、２回の成形作業が必要である等、成形品が高価になるといった課題がある。

これらの課題を解決するために、例えば、レンズ面が凸形状の場合には、成形面となる非球面形状の曲率半径よりも小さな曲率半径の表面形状を有するガラス材を用い、成形面の形状をガラス材に精密転写させることで所望の形状のレンズを得ることが考えられる。

図３は、従来のレンズ成形型組の構成を示す断面図である。図３に示すように、レンズ成形型組は、上型３１と、上型３１に対向配置された下型３２と、上型３１と下型３２とが摺動可能に挿入された筒状の胴型３３とを備えている。

前記上型３１及び下型３２には、成形面となる非球面形状の凹部が形成されている。このレンズ成形型組内にはガラス材３９が配置されており、上型３１及び下型３２でプレスすることにより、所望の形状のレンズが成形される。
特開平８−３０１６２４号公報 特開平１０−１５２３３１号公報 特開２００１−１６３６２８号公報

しかしながら、ガラス材３９表面の曲率半径が成形面の曲率半径よりも小さい場合には、成形時に、ガラス材３９が接触点Ｐ１，Ｐ２の２点のみで成形面に接触した状態となることから、成形面の中心軸とガラス材３９の中心軸とを合致させるのは極めて難しく、ガラス材３９の成形時において非軸対称的に変形されて偏芯し、転写面の形状が悪化するだけでなく、レンズ外周部にバリが発生するおそれがあった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レンズ素材を成形面の中心軸上に正確に位置決めして、成形による偏芯やその偏芯に起因するバリの発生を抑制することにある。

すなわち、本発明に係る光学素子の製造方法は、下型の凹部の曲率半径よりも大きな曲率半径の凸部を有するレンズ素材を、凹部の最深部とレンズ素材の凸部の最頂部との間に隙間を設けた状態で凹部の周縁部に当接させるとともに、凹部とレンズ素材の凸部との曲率差により調芯して成形型組内に配置し、配置されたレンズ素材を軟化温度近傍まで加熱し、加熱されたレンズ素材を上型と下型とによりプレスして光学素子を成形することを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、レンズ素材と成形面との曲率差に基づく自動調芯作用（ベルクランプ作用）を利用して、レンズ素材を成形面の中心軸上に正確に位置決めすることができ、成形による偏芯や、偏芯に起因するバリの発生を抑制する上で有利となる。これにより、品質の高いレンズ供給と生産性の高いレンズ成形が実現できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

図１は、本発明の実施形態に係る光学素子の製造装置を用いた製造方法を説明するための部分断面図である。図１に示すように、この光学素子の製造装置は、成形型組１０と、上加熱板７と、下加熱板８とを備えている。

前記成形型組１０は、円柱形状の部材の下面に成形面となる非球面形状の凹部が形成された上型１と、上型１に対向配置され上面に成形面となる非球面形状の凹部が形成された下型２と、上型１及び下型２が摺動可能に挿入された内胴型３と、該内胴型３に外嵌され且つ内胴型３よりも軸方向の高さが高くなるように形成された外胴型４とを備えている。

前記外胴型４は、プレス成形時に上加熱板７と当接して位置規制するストッパとして機能するものであり、内胴型３と外胴型４との軸方向の寸法差に基づいて、成形されるレンズの厚さが設定されるようになっている。

前記上加熱板７は、上型１の上部に接触した状態で配置され、且つヒーター６が埋設されており、上型１を所定の温度まで加熱することができるようになっている。

前記下加熱板８は、下型２、内胴型３、及び外胴型４の下部に接触した状態で配置され、且つヒーター６が埋設されており、成形型組１０全体を所定の温度まで加熱することができるようになっている。

前記上加熱板７の上部には、図示しないプレス軸が連結されており、所定の押圧力Ｆで、レンズ成形に必要な加圧を行うことができるようになっている。

なお、図１では、上加熱板７及び下加熱板８の温度検知と温度制御、成形型組１０、上加熱板７、及び下加熱板８全体を不活性雰囲気中に配置するチャンバー等は図示を省略している。

前記成形型組１０内には、成形されてレンズとなるレンズ素材５が配置されている。具体的に、レンズ素材５は、略球形状に形成され、下型２の成形面となる凹部の曲率半径よりも大きな曲率半径の凸部を有しており、下型２の凹部の最深部とレンズ素材５の凸部の最頂部との間に密閉空間Ｓを設けた状態で、下型２の凹部の周縁部（接触点Ｐ２，Ｐ３を含む円周部）に当接するように配置されている。これにより、上型１の成形面をレンズ素材５と当接させたときに、レンズ素材５は、接触点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３（正確には、接触点Ｐ２，Ｐ３を含む円周部と、接触点Ｐ１）により支持されることとなり、成形型組１０内においてレンズ素材５を安定して保持することができる。

さらに、前記レンズ素材５は、下型２の凹部とレンズ素材５の凸部との曲率差により調芯（ベルクランプ作用）されて、成形面となる凹部の中心軸上に正確に位置決めされている。これにより、レンズ素材５を成形面中心に対してきわめて正確に載置することができる。

具体的に、本実施形態では、成形されるレンズの焦点距離を２ｍｍ、ＮＡを０．８５としたものについて説明している。また、下型２の成形面は近軸Ｒが１．７４８ｍｍで中心から外周に向かって部分Ｒが徐々に大きくなる非球面量の多い形状となっている。一方、上型１の成形面も非球面形状をなしているが、レンズ素材５の曲率半径に対して十分に大きな近軸Ｒで形成されているものとする。

ここで、前記レンズ素材５の凸部を下型２の凹部の周縁部に当接させたときの、凹部の最深部とレンズ素材５の凸部の最頂部との間には密閉空間Ｓが設けられているため、この密閉空間Ｓの中心軸上の間隔寸法Ｄが大きい場合には、密閉空間Ｓ内に閉じこめられたガスによってレンズ面に未転写部が残るおそれがある。

そこで、本発明者は、球形状で半径の異なる数種類のレンズ素材を準備して、下型２の凹部の最深部からレンズ素材５の凸部の最頂部までの間隔寸法Ｄを変化させた場合の未転写部の発生有無とバリ発生の有無について成形実験を行い、間隔寸法Ｄの最適値について考察した。以下、より具体的な実験条件とともに、その実験結果を示す。

前記成形型組１０は、タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金を用いて構成した。上型１及び下型２の成形面となる非球面形状の凹部は、研削加工を施して鏡面に仕上げるようにした。この成形面には、研磨後に、レンズ素材５との融着防止のための白金系貴金属膜をスパッタリングにて成膜した。

前記レンズ素材５は、比較的軟化点の低い硼珪酸系のガラス材料（ガラス転移点：５０１℃、屈伏点：５４９℃）を用い、成形面との間隔寸法Ｄを変化させるために、外径の異なる３種類の研磨ボールを準備した。

そして、レンズを成形する条件としては、上加熱板７及び下加熱板８が、それぞれ５３０℃／６００℃となるように温度設定し、図１に示すように、上型１及び下型２の成形面によりレンズ素材５を挟み込んだ状態で３分間保持した後、図示しないプレス軸により、７００Ｎの押圧力Ｆを印加して、上加熱板７が外胴型４に当接するまでレンズ素材５を押圧した。この押圧状態を継続したまま、上加熱板７及び下加熱板８のヒーター６への通電を停止して、５００℃まで冷却した。

その後、押圧力を解除して室温まで冷却して成形されたレンズを取り出した。これにより、一定の厚みで成形されたレンズが得られた。

表１は、上述した実験条件によって得られた実験結果を示したものであり、特に、下型２の成形面に対する未転写部の発生の有無とバリ発生の有無とについて調べた一覧表である。

表１に示すように、実験１〜実験３で得られたレンズを、フィゾー型の干渉計を用いて透過波面収差を計測したところ、トータル波面収差のＲＭＳで０．０３λ以下の収差を確認することができた。

実験１〜実験３において、下型２の成形面側におけるレンズの未転写部は、レンズ素材５と成形面とで形成される間隔寸法Ｄが１５１μｍ以下の場合には確認されなかった。このことにより、前記レンズ素材５の凸部を下型２の凹部の周縁部に当接させたときの、該凹部の最深部からレンズ素材５の凸部の最頂部までの間隔寸法Ｄが１７０μｍ以下であることが好ましいと考えられる。

総合評価として、実験２及び実験３ではレンズとして機能的に問題ないという結果が得られ、実験１では収差の一部が若干悪いがレンズとして十分に使用可能であるという結果が得られた。また、バリの発生は全ての実験において確認されなかった。

このように、密閉空間Ｓは小さい方がレンズ成形をする上で有利となることが分かる。密閉空間Ｓを小さくする成形方法はいくつか存在するが、その方法の１つとして、重量を小さくすることで密閉空間Ｓは少なくすることが考えられる。図２は、光学素子に必要な重量より小さくして成形した光学素子の構成を示す断面図である。

図２に示す例では、上型１の成形面及び下型２の成形面が精度良く転写されたレンズ面２２，２３が形成されている。この場合においても、光学有効面が光学素子に転写されれば、光学設計に基づく収差が得られる。なお、図２中に記載した一点鎖線は、所望の有効光路が確保されていることを表している。

なお、本実施形態では、レンズ形状が凸状の集光レンズを例にとって説明したが、レンズの形状が凹レンズ又はメニスカスレンズであっても、成形面とレンズ素材５との曲率半径を本発明と同様の関係、すなわち、成形面となる非球面形状の凸部の曲率半径よりも小さな曲率半径の凹部を有するレンズ素材５を用いることで、自動的に調芯する作用（ベルクランプ作用）が得られることはもちろんであり、成形時の偏芯及びバリ発生を抑止することができて好ましい。

また、レンズの大きさや、成形面の曲率半径等に応じて密閉空間Ｓを最小にすることが重要であり、間隔寸法Ｄを小さくするように最適化したレンズ素材を用いることで、同様の作用効果を得ることが可能である。このようにすれば、密閉空間Ｓが存在するようなレンズ素材を用いても複数のプレス操作を必要とせず、１回のプレス操作で未転写部のないレンズ成形を行うことができる。

以上説明したように、本発明は、レンズ素材を成形面の中心軸上に正確に位置決めして、成形による偏芯やその偏芯に起因するバリの発生を抑制することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

本発明の実施形態に係る光学素子の製造装置を用いた製造方法を説明するための部分断面図である。 本実施形態に係る光学素子の製造方法で成形される光学素子の一例を示す断面図である。 従来のレンズ成形型組の構成を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 上型
２ 下型
３ 内胴型
４ 外胴型
５ ヒーター
７ 上加熱板
８ 下加熱板
９ レンズ素材
１０ 成形型組
Ｓ 密閉空間
Ｄ 間隔寸法

Claims (4)

1. 上型と、該上型に対向配置された下型と、該上型と該下型とが摺動可能に挿入された筒状の胴型とを備え、該上型及び該下型のうち少なくとも一方に、成形面となる非球面形状の凹部が形成された成形型組を用いた光学素子の製造方法であって、
   前記凹部の曲率半径よりも大きな曲率半径の凸部を有するレンズ素材を、該凹部の最深部と該レンズ素材の凸部の最頂部との間に隙間を設けた状態で該凹部の周縁部に当接させるとともに、該凹部と該レンズ素材の凸部との曲率差により調芯して前記成形型組内に配置する手順と、
   前記配置されたレンズ素材を軟化温度近傍まで加熱する手順と、
   前記加熱されたレンズ素材を前記上型と前記下型とによりプレスして光学素子を成形する手順とを備えたことを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 請求項１において、
   前記前記レンズ素材の凸部を前記凹部の周縁部に当接させたときの、該凹部の最深部から該レンズ素材の凸部の最頂部までの距離が１７０μｍ以下であることを特徴とする光学素子の製造方法。
3. 上型と、該上型に対向配置された下型と、該上型と該下型とが摺動可能に挿入された筒状の胴型とを備え、該上型及び該下型のうち少なくとも一方に、成形面となる非球面形状の凸部が形成された成形型組を用いた光学素子の製造方法であって、
   前記凸部の曲率半径よりも小さな曲率半径の凹部を有するレンズ素材を、該凸部の最頂部と該レンズ素材の凹部の最深部との間に隙間を設けた状態で該凸部の周縁部に当接させるとともに、該凸部と該レンズ素材の凹部との曲率差により調芯して前記成形型組内に配置する手順と、
   前記配置されたレンズ素材を軟化温度近傍まで加熱する手順と、
   前記加熱されたレンズ素材を前記上型と前記下型とによりプレスして光学素子を成形する手順とを備えたことを特徴とする光学素子の製造方法。
4. 請求項３において、
   前記前記レンズ素材の凹部を前記凸部の周縁部に当接させたときの、該凸部の最頂部から該レンズ素材の凹部の最深部までの距離が１７０μｍ以下であることを特徴とする光学素子の製造方法。
   

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