JP4436561B2

JP4436561B2 - Optical element manufacturing method

Info

Publication number: JP4436561B2
Application number: JP2000392257A
Authority: JP
Inventors: 英司川村; 典雄中谷; 浩次郎武田; 尚志後藤
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2020-12-25
Also published as: JP2002193627A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光軸対称の屈折率分布を有する光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精度な画質が要求される光学製品のニーズが高まるとともに、レンズ単体の精度も高品質なものが要求されており、形状精度はもとより、レンズの均質性（屈折率分布）については、当然成形による均質性の低下が許容できない状態となっている。
【０００３】
この問題の解決策として、特開平７−２６７６５８号公報に開示された技術（従来技術１）と特開平９−２８６６２６号公報に開示された技術（従来技術２）とが提示されている。従来技術１および２では、レンズの形状精度および均質性の規格をクリアするために、成形時の冷却速度を非常に遅くしたり、一定時間保持したりする温度制御が行われている。また、均質性（一様な屈折率分布）を確保するために、ファインアニールの技術が有効であるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記従来技術には、つぎのような問題点があった。すなわち、レンズの均質性を確認するための温度制御やファインアニールは、成形時または成形後のサイクルタイムが長くなり、しかも、装置に高精度なものが必要となり、大きな投資を必要としていた。また、ファインアニールは、発明者等の実験では、大口径や凹形状の光学素子の場合は、形状変化を伴い、成形で得た高精度な転写精度を確保することが困難であった。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、請求項１に係る発明の課題は、成形された光学素子の屈折率分布を除去するのではなく、転写精度を確保するとともに、屈折率分布を安定化して非球面効果として利用し、サイクルタイムの短縮と、型寿命の向上を実現し、生産性の高い光学素子の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、ガラス素材を一対の成形型と同時または個別に加熱、軟化または溶融して変形可能にし、前記成形型内で押圧して光学素子を得る光学素子の製造方法において、一様な屈折率分布が確保されたものとして第１の光学素子を設計し、前記第１の光学素子の光軸対称の屈折率分布を推測し、推測された屈折率分布を多項式で近似し、前記多項式を非球面形状として換算し、第２の光学素子を設計し、前記第２の光学素子の形状を反転して光軸対称の屈折率分布を見込んだ前記成形型を形成し、前記成形型を用いて、前記ガラス素材を押圧して変形させた後、前記成形型の外周または中心から輪帯状に均等に冷却しつつ押圧成形することを特徴とする。
【０００９】
請求項１に係る発明の光学素子の製造方法では、ガラス素材を押圧して変形させた後、成形型の外周または中心から輪帯状に均等に冷却しつつ押圧成形することにより、押圧成形されたガラス素材は外周または中心から輪帯状に冷却され、先に冷却されたガラス素材の外周または中心付近は先に固化し、他の中心または外周付近は遅れて固化する。遅れて固化した部分は収縮時に内部密度が高まるため、屈折率が大きくなる方向に変化し、成形された光学素子は光軸対称の屈折率分布を形成する。
【００１０】
また本発明の光学素子の製造方法では、上記作用に加え、光学素子が所望する転写精度と屈折率分布とを得るように、押圧力、冷却速度および成形型温度を制御することにより、冷却過程における押圧力、冷却速度および成形型温度の制御により、ガラス素材は成形型に密着し、内部密度を高め、屈折率分布が制御される。
【００１１】
さらに本発明の光学素子の製造方法では、上記作用に加え、光学素子が有する屈折率分布を光学素子の非球面効果として換算し、成形型の形状を反転して、予め光軸対称の屈折率分布を見込んだ成形型を光学素子の製造方法に用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。本発明は、成形加工の冷却工程において、冷却速度を緩和することなく、短時間で押圧冷却するものである。成形された光学素子の形状精度は、押圧によって規制されることにより、非常に高精度な値が得られる。冷却工程では、光軸から輪帯状に均等に強制冷却を実施することにより光軸対称の冷却速度差が発生する。先に固化する部分は、急冷効果と押圧時の上下成形型の押圧力を受けて固定されることにより、内部密度が高まらないが、遅れて固化する部分は収縮時に内部密度が高まるため、屈折率が大きくなる方向に変化し、光軸対称の屈折率分布を保有した光学素子を得ることができる。一般的には、こうして発生する屈折率分布を、悪影響として排除するが、本発明ではこの屈折率分布を、押圧力、冷却速度等の条件を制御して安定させることにより、非球面効果として換算し、利用するものである。屈折率分布に応じて成形型を設計し、その成形型を用いて成形することにより、光学素子の面形状に反映させたり、屈折率分布を有する球面レンズに利用したりするものである。以下、具体的な実施の形態について説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１〜図４は実施の形態１を示し、図１は光学素子の製造方法に用いる成形装置の構成図、図２は光学素子成形方法のフローチャート、図３は押圧力と屈折率分布との関係を示す図表、図４はブロー量と屈折率分布との関係を示す図表である。
【００１５】
まず、光学素子の製造方法に用いる成形装置について説明する。図１において、成形装置は、成形室１３内に、一対の成形型の一方としての上型１と他方としての下型２とが同軸上に配設され、その周囲にそれぞれ上ヒータ３と下ヒータ４とが付設されて、上型１と下型２とをそれぞれ独立して加熱できるように構成されている。型温度は上センサ５と下センサ６とでそれぞれ検知し、温度制御を行っている。ガラス素材１１は、成形室１３に隣接した加熱炉７で予め加熱軟化されるようになっており、搬送具８を介して搬送アーム９によって加熱炉７と上型１、下型２の間とに進退自在に搬送され、押圧されるようになっている。ガラス素材１１の押圧は、図示しないサーボモータに連結された下型２が上下動して行われる。冷却機構として、環状の窒素噴出ノズル１０が、成形された光学素子が光軸対称に輪帯状に均等に冷却されるように、下型２の周囲に配設されている。また、上型１の周囲には、成形した光学素子が貼り付いた際に、離型できるように、上下動可能な離型アーム１２が配設されている。
【００１６】
つぎに、上記構成の成形装置を用いた光学素子の製造方法について説明する。光学素子の製造方法の概略の過程は、図２に示すレンズ成形のフローチャートにより行われる。本実施の形態では、光学素子として、Ｌａ系の凹レンズの成形に適用した場合を説明する。凹レンズの形状は、直径１８ｍｍ、厚さ２ｍｍで、中心曲率半径は約２０ｍｍの凹非球面と、曲率半径１５０ｍｍの凹球面で構成された片面凹非球面レンズである。この片面凹非球面レンズにおいては、成形過程で発生する径方向の屈折率分布差は、温度シミュレーションと、これまで蓄積してある成形データから条件を仮定して推測することにより、中心より外周側が１×１０^−３程度の屈折率が低下する分布になることが予想される。この分布を多項式近似してレンズ形状を再設計し、その形状で凹非球面を反転した上型１（図１参照）を作製する。
【００１７】
つぎに、成形工程を説明する。図１において、ガラス素材１１は、平面レンズを用い、搬送具８を介して搬送アーム９に載置し、加熱炉７内に搬送して加熱する。ガラス粘度で１０^７〜１０^５ポアズ相当に加熱した後、予めガラス粘度で１０^１３〜１０^１４ポアズ付近に加熱されている上型１と下型２との間に搬送して、下型２をサーボモータで上昇させて押圧する。押圧力は、３００×９．８Ｎを作用させ、瞬時にガラス素材１１を変形させる。変形後、窒素噴射ノズル１０より、３０リットル／分の窒素を噴射して、上型１、下型２および押圧中のガラス素材１１を冷却する。窒素噴射ノズル１０は、ガラス素材１１に対して輪体状に均等に窒素が吹き付けられるように、均等に１２ヶ所の吹き出し口を有している。約１５秒間の冷却で、ガラス素材１１がガラス粘度で１０^１３〜１０^１４ポアズ程度に冷却されて固化し、転写精度が得られる。押圧完了後、下型２を下降させて、離型アーム１２を上下動させ、搬送アーム９で成形された片面凹非球面レンズを取り出して、短時間で成形工程を完了する。
【００１８】
つぎに、成形された片面凹非球面レンズについて説明する。上記成形方法の冷却速度は５〜１０℃／秒程度となり、冷却時には片面凹非球面レンズに光軸対称の温度分布が発生する。そのため、収縮差を発生して成形面の転写精度が劣化することにつながるため、押圧力を大きくして転写精度の劣化を防止している。成形面の形状は、型の形状と比較して、相似的にみると０．１μｍ以下の誤差で成形されている。このような成形条件にすることにより非常に短時間での成形が可能となり、コスト、リードタイム等の面で得られるメリットは大きい。しかし、このような成形では、急冷される部分のガラス密度は小さくなり、本実施の形態においては、中心部ほど冷却速度が遅くなり、ガラス密度が大きくなるため、中心部ほど屈折率が大きく、外周に向かって屈折率が下がる傾向の屈折率分布が得られる。
【００１９】
このような屈折率分布では、一般的にレンズに非球面効果を与える。成形後にレンズの屈折率分布を測定したところ、中心と外周部（直径１６ｍｍの位置）との差は、ほぼ予測通り１×１０^−３程度の大きさで外周部が低い状態となった。なお、屈折率分布の測定は、オイルオンプレート法で行った。通常、この屈折率分布をもつレンズが得られた場合は、光学特性が満足できずに不良品となるか、アニール処理が実施されるが、本実施の形態では、この屈折率分布を予め非球面形状として換算し（本実施の形態では１５μｍに相当）、成形型に反映させているため、光学性能は良好なものが得られている。この屈折率分布は、押圧力、冷却速度でほぼ決まり、これらの条件のバラツキを管理して成形することにより、バラツキおよび分布曲線を管理することができる。そのため、屈折率分布の影響は、そのバラツキの範囲である５×１０^−５程度に低減することができ、生産においても、光学特性にとくに悪影響を及ぼすことはない。
【００２０】
図３および図４は、本実施の形態の光学素子の製造方法における実験例として、片面凹非球面レンズのデータを採取して図表に表したものである。図３は屈折率分布と押圧力との関係を示すもの、図４は屈折率分布と冷却ブロー量との関係を示すものである。押圧力を大きくする程、冷却ブローを増やす程、屈折率分布が大きくなることが相関をもって確認されている。これは、収縮を強制規制することや、冷却速度差が大きくなる等で、片面凹非球面レンズの内部が不均質になりやすくなるためである。また、屈折率分布のパターンとしては、本実施の形態のように、外周から強制冷却を続けると、外周部が急冷されて、中心の屈折率が高く、外周部が低い状況になるが、強制冷却を弱くすると、成形型と接触している内部の方が冷却が速くなって外周の屈折率が高くなり、中心の屈折率が小さくなるものである。また、本実施の形態では、加熱したガラス素材を成形型間に搬送して成形するため、型温度がガラス素材の冷却速度に大きく影響を及ぼし、屈折率分布が影響を受けることが分かっている。
【００２１】
屈折率分布を成形条件で対応した実験においては、サイクルタイムを変えずに生産性を維持したままでは、型温度の上昇（ガラス粘度で１０^１２ポアズ程度）、冷却速度緩和のため、ブロー量の低下、押圧力の低下が必要であり、面形状の劣化や焼き付きが発生して安定した成形ができる状況ではなかった。冷却速度を極端に遅くすれば（時間にして数分間）、良好な成形品が得られるが、生産性を確保することはできなくなる。また、通常、アニール等をすれば、均質性を確保できるが、非常に時間がかかり、生産性を確保することが困難となる。さらにアニールでは、アニール炉の設備等が必要であり、生産数が多くなると対応が困難になってきたり、若干の表面形状の変化が懸念される状況であった。
【００２２】
なお、上述の通り、屈折率分布の量は、押圧力を高く、冷却速度を速く（窒素ブロー量を増やす、型温度を下げる等）すれば、分布は大きくなる特性が把握されているので、成形型の面形状に反映させる屈折率分布の見込み量への対応は、条件管理できるため、成形型を作り直しする手間は基本的には必要がない。但し、設計上、分布曲線形状の正確な予測が必要な場合や、大口径等の困難な形状の場合は、図２に示すように、成形で得られた値を一度フィードバックして成形型に反映することが有効である。形状を見込む成形型は、本実施の形態では非球面型で実施したが、設計の都合で上下の成形型に分担したり、球面型に見込んでも何ら問題はない。
【００２３】
本実施の形態によれば、成形された光学素子の屈折率分布を除去するのではなく、転写精度を確保するとともに、屈折率分布を安定化して非球面効果として利用し、ある一定の屈折率分布量を保有した成形条件で成形可能であるため、サイクルタイムの大幅な短縮と、型温度の低下による型寿命の向上を実現し、生産性の高い光学素子の成形方法を提供することができる。また、本実施の形態の光学素子の成形方法によって成形された光軸対称の非球面光学素子は、光学素子が有する屈折率分布を、光学素子の非球面効果として換算し、光学系の設計に利用することができる。
【００２４】
なお、本実施の形態では、ガラス素材と成形型を個別に加熱する方法を示したが、同時に加熱したり、溶融ガラスを供給して成形する場合にも同様な効果を得ることができる。また、非球面効果の大きい凹レンズを例として説明したが、凸レンズやメニスカスレンズ等の場合にも同様に適用できるものである。冷却の方法に関しては、本実施の形態のように、外周窒素ブローに限らず成形型内部にブローをしたりしてもよく、光軸対称に冷却されていればよい。
【００２５】
（実施の形態２）
図５は実施の形態２を示し、光学素子の製造方法に用いる成形装置の構成図である。本実施の形態は、実施の形態１と成形装置と成形される光学素子とが異なり、他の部分は同様のため、異なる部分のみ説明し、同一の部材には同一の符号を付し説明を省略する。
【００２６】
まず、光学素子の製造方法に用いる成形装置について説明する。図５において、成形装置は、成形室１３内に、一対の成形型の一方としての上型２１と他方としての下型２２とが同軸上に配設され、その周囲にそれぞれ上ヒータ３と下ヒータ４とが付設されて、上型２１と下型２２とをそれぞれ独立して加熱できるように構成されている。型温度は上センサ２５と下センサ２６とでそれぞれ検知し、温度制御を行っている。冷却機構として、上型２１の内部に穴２１ａ、下型２２の内部に穴２２ａがそれぞれ穿設され、この穴２１ａ、２２ａにそれぞれ窒素噴出ノズル２４が配設され、その先端から窒素ガスが噴出し、上型２１と下型２２とを中心から輪帯状に均等に冷却するように構成されている。その他の構成は実施の形態１の成形装置と同様である。
【００２７】
つぎに、上記構成の成形装置を用いた光学素子の製造方法について説明する。光学素子成形方法の概略の過程は、図２に示すレンズ成形のフローチャートにより行われる。本実施の形態では、光学素子として、クラウン系の凸レンズの成形に適用した場合を説明する。凸レンズの形状は、直径１６ｍｍ、厚さ３ｍｍで、両凸球面レンズである。この両凸球面レンズにおいては、成形過程で発生する径方向の屈折率分布は、温度シミュレーションと、これまで蓄積してある成形データから条件を過程して推測することにより、中心より外周部の屈折率が高くなる分布となり、外周部に近づくに従いその変化が緩やかになることを予測して、光学系の設計を実施している。すなわち、両凸球面レンズの作製で、非球面効果が得られることを狙っている。
【００２８】
つぎに、成形工程を説明する。図５において、ガラス素材１１を加熱して上型２１と下型２２との間に搬送し、その後ガラス素材を押圧し変形させるまでは、実施の形態１と同様のため説明を省略する。その後の冷却工程では、上型２１内部の穴２１ａと下型２２の穴２２ａとに、窒素噴出ノズル２４より窒素を噴出し冷却を行った。冷却速度、押圧力等の条件の制御で、狙いの屈折率分布を与え両凸球面レンズを得た。本実施の形態では、中心部を先に冷却しているので、狙い通りに中心部の屈折率が低い状態となり、その差は、直径１５ｍｍの位置の外周部で中心部との屈折率の差は７×１０^−４程度となり、外周にいくにつれて２次曲線的な変化になっている。これにより、数μｍの非球面効果が得られた。すなわち、本実施の形態の両凸球面レンズにおいては、非球面の収差除去の効果を得ることができた。
【００２９】
本実施の形態によれば、成形された光学素子の屈折率分布を除去するのではなく、転写精度を確保するとともに、屈折率分布を安定化して非球面効果として利用し、ある一定の屈折率分布量を保有した成形条件で成形可能であるため、サイクルタイムの大幅な短縮と、型温度の低下による型寿命の向上を実現し、生産性の高い光学素子の製造方法を提供することができる。また、成形に用いる上下型は、非球面加工が不要となり、成形型の製作コストを安価することができる。さらに、本実施の形態においては、光学系の設計、分布曲線の形状によって大きな非球面効果が得られる範囲は制限されるものであるが、組み合わせは無限にあり、今後、球面レンズをこれまでの研磨工程のみで作製することに対して、押圧成形で作製することに大きな可能性が見込まれる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、押圧成形されたガラス素材は外周または中心から輪帯状に冷却され、先に冷却されたガラス素材の外周または中心付近は先に固化し、他の中心または外周付近は遅れて固化し、遅れて固化した部分は収縮時に内部密度が高まるため、屈折率が大きくなる方向に変化し、成形された光学素子は光軸対称の屈折率分布を形成するので、転写精度を確保するとともに、屈折率分布を安定化して非球面効果として利用し、サイクルタイムの短縮と、型寿命の向上を実現し、生産性の高い光学素子の成形方法を提供することができる。
【００３１】
また本発明によれば、上記効果に加え、冷却過程における押圧力、冷却速度および成形型温度の制御により、ガラス素材は成形型に密着し、内部密度を高め、屈折率分布が制御されるようにしたので、成形された光学素子の屈折率分布を所望の値に形成させることができる。
【００３２】
さらに本発明によれば、上記効果に加え、予め光軸対称の屈折率分布を見込んだ成形型を光学素子成形方法に用いるようにしたので、所望の非球面効果を有する光学素子を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の光学素子の製造方法に用いる成形装置の構成図である。
【図２】実施の形態１の光学素子の製造方法のフローチャートである。
【図３】実施の形態１の押圧力と屈折率分布との関係を示す図表である。
【図４】実施の形態１のブロー量と屈折率分布との関係を示す図表である。
【図５】実施の形態２の光学素子の製造方法に用いる成形装置の構成図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing an optical element having a refractive index distribution that is symmetric with respect to an optical axis.
[0002]
[Prior art]
The need for optical products that require high-precision image quality is increasing, and the quality of the lens itself is also required to be high-quality. Of course, not only the shape accuracy but also the lens homogeneity (refractive index distribution) is molded. The deterioration of the homogeneity due to is in an unacceptable state.
[0003]
As a solution to this problem, a technique (conventional technique 1) disclosed in JP-A-7-267658 and a technique (conventional technique 2) disclosed in JP-A-9-286626 are presented. In the prior arts 1 and 2, temperature control is performed such that the cooling rate at the time of molding is extremely slow or held for a certain period of time in order to clear the standards of lens shape accuracy and homogeneity. Further, in order to ensure homogeneity (uniform refractive index distribution), the fine annealing technique is effective.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above prior art has the following problems. That is, the temperature control and fine annealing for confirming the homogeneity of the lens require a large investment because the cycle time during molding or after molding becomes long, and the apparatus needs to be highly accurate. Further, in the fine annealing, in the experiments by the inventors, in the case of an optical element having a large diameter or a concave shape, it is difficult to ensure a high transfer accuracy obtained by molding accompanied with a shape change.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and the subject of the invention according to claim 1 is not to remove the refractive index distribution of the molded optical element, but to ensure transfer accuracy, An object of the present invention is to provide a method of manufacturing an optical element with high productivity by stabilizing the refractive index distribution and utilizing it as an aspherical effect, realizing a reduction in cycle time and an improvement in mold life.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the invention according to claim 1 is a glass material which is deformed by heating, softening or melting simultaneously or separately with a pair of molds and pressing the optical element in the mold. In the manufacturing method of the obtained optical element , the first optical element was designed on the assumption that a uniform refractive index distribution was ensured, and the optical axis symmetric refractive index distribution of the first optical element was estimated and estimated. The refractive index distribution is approximated by a polynomial, the polynomial is converted to an aspherical shape, a second optical element is designed, and the shape of the second optical element is inverted to allow for an optical axis symmetric refractive index distribution. The molding die is formed, and after the glass material is pressed and deformed using the molding die, the molding material is press-molded while being uniformly cooled in an annular shape from the outer periphery or center of the molding die. .
[0009]
In the method of manufacturing an optical element according to the first aspect of the present invention, the glass material is pressed and deformed, and then press-molded while being uniformly cooled from the outer periphery or center of the mold to the annular shape. The glass material is cooled in an annular shape from the outer periphery or the center, the outer periphery or the vicinity of the center of the previously cooled glass material is first solidified, and the other center or the vicinity of the outer periphery is solidified with a delay. Since the internal density of the portion solidified with delay increases when shrinking, the refractive index changes in the direction of increasing, and the molded optical element forms a refractive index distribution that is symmetric with respect to the optical axis.
[0010]
In the optical element manufacturing method of the present invention, in addition to the above-described function, the cooling process is controlled by controlling the pressing force, the cooling rate, and the mold temperature so as to obtain the transfer accuracy and refractive index distribution desired by the optical element. By controlling the pressing force, the cooling rate and the mold temperature, the glass material adheres to the mold, the internal density is increased, and the refractive index distribution is controlled.
[0011]
Furthermore, in the method for manufacturing an optical element of the present invention, in addition to the above-described function, the refractive index distribution of the optical element is converted as an aspherical effect of the optical element, the shape of the mold is inverted, and the refractive index is symmetrical with respect to the optical axis in advance. A mold that allows for the distribution can be used in the method of manufacturing an optical element.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Prior to description of specific embodiments, an outline of the present invention will be described. In the cooling process of the molding process, the present invention performs pressure cooling in a short time without reducing the cooling rate. The shape accuracy of the molded optical element is regulated by pressing, so that a very accurate value can be obtained. In the cooling step, forced cooling is performed uniformly from the optical axis in a ring shape to generate a cooling rate difference symmetrical to the optical axis. The part that solidifies first is fixed by receiving the rapid cooling effect and the pressing force of the upper and lower molds during pressing, so the internal density does not increase. It is possible to obtain an optical element that changes in the direction in which the rate increases and possesses a refractive index distribution that is symmetric with respect to the optical axis. Generally, the refractive index distribution thus generated is excluded as an adverse effect. In the present invention, this refractive index distribution is converted as an aspherical effect by stabilizing the conditions such as the pressing force and the cooling rate. And is to be used. A mold is designed in accordance with the refractive index distribution, and is molded using the mold so that it is reflected in the surface shape of the optical element or used for a spherical lens having a refractive index distribution. Hereinafter, specific embodiments will be described.
[0014]
(Embodiment 1)
1 to 4 show the first embodiment, FIG. 1 is a configuration diagram of a molding apparatus used in the optical element manufacturing method, FIG. 2 is a flowchart of the optical element molding method, and FIG. 3 is a graph showing the pressing force and the refractive index distribution. FIG. 4 is a chart showing the relationship between the blow amount and the refractive index distribution.
[0015]
First, the shaping | molding apparatus used for the manufacturing method of an optical element is demonstrated . In FIG. 1, in a molding apparatus, an upper mold 1 as one of a pair of molding dies and a lower mold 2 as the other are coaxially arranged in a molding chamber 13, and an upper heater 3 and a lower mold are disposed around the upper mold 1 and the lower mold 2, respectively. A heater 4 is attached so that the upper mold 1 and the lower mold 2 can be heated independently. The mold temperature is detected by the upper sensor 5 and the lower sensor 6, respectively, and temperature control is performed. The glass material 11 is preliminarily heated and softened in the heating furnace 7 adjacent to the molding chamber 13, and between the heating furnace 7 and the upper mold 1 and the lower mold 2 by the transport arm 9 through the transport tool 8. It is conveyed and pressed so as to freely move forward and backward. The pressing of the glass material 11 is performed by vertically moving the lower mold 2 connected to a servo motor (not shown). As a cooling mechanism, an annular nitrogen ejection nozzle 10 is disposed around the lower mold 2 so that the molded optical element is uniformly cooled in an annular shape symmetrical to the optical axis. A release arm 12 that can move up and down is disposed around the upper mold 1 so that the molded optical element can be released when the optical element is attached.
[0016]
Next, a method for manufacturing an optical element using the molding apparatus having the above configuration will be described. The schematic process of the optical element manufacturing method is performed by the lens molding flowchart shown in FIG. In the present embodiment, a case where the present invention is applied to molding of a La-type concave lens will be described as an optical element. The shape of the concave lens is a single-sided concave aspherical lens composed of a concave aspherical surface having a diameter of 18 mm, a thickness of 2 mm, a central curvature radius of about 20 mm, and a concave spherical surface having a curvature radius of 150 mm. In this single-sided concave aspheric lens, the difference in the refractive index distribution in the radial direction that occurs during the molding process is estimated from the temperature simulation and the molding data that has been accumulated so far, assuming that the outer circumferential side is closer to the center. It is expected that the refractive index is about 1 × 10 ⁻³ . This distribution is approximated by a polynomial to redesign the lens shape, and an upper die 1 (see FIG. 1) in which the concave aspheric surface is inverted with the shape is produced.
[0017]
Next, the molding process will be described. In FIG. 1, a glass material 11 is placed on a transfer arm 9 via a transfer tool 8 using a flat lens, and is transferred into a heating furnace 7 to be heated. After heating at a glass viscosity equivalent to 10 ⁷ to 10 ⁵ poise, it is transported between an upper mold 1 and a lower mold 2 that have been heated in the vicinity of 10 ¹³ to 10 ¹⁴ poise with a glass viscosity, and the lower mold 2 is Raise it with a servo motor and press it. The pressing force causes 300 × 9.8 N to act, and the glass material 11 is instantly deformed. After the deformation, nitrogen is injected from the nitrogen injection nozzle 10 at 30 liters / minute to cool the upper mold 1, the lower mold 2, and the glass material 11 being pressed. The nitrogen injection nozzle 10 has twelve outlets evenly so that nitrogen is sprayed evenly on the glass material 11 in a ring shape. By cooling for about 15 seconds, the glass material 11 is cooled to a glass viscosity of about 10 ¹³ to 10 ¹⁴ poise and solidified to obtain transfer accuracy. After the pressing is completed, the lower mold 2 is lowered, the release arm 12 is moved up and down, the single-sided concave aspheric lens molded by the transfer arm 9 is taken out, and the molding process is completed in a short time.
[0018]
Next, the molded single-sided concave aspheric lens will be described. The cooling rate of the molding method is about 5 to 10 ° C./second, and an optical axis-symmetric temperature distribution is generated in the single-sided concave aspheric lens during cooling. For this reason, a shrinkage difference is generated and the transfer accuracy of the molding surface is deteriorated. Therefore, the pressing force is increased to prevent the transfer accuracy from being deteriorated. The shape of the molding surface is molded with an error of 0.1 μm or less when viewed analogously to the shape of the mold. By using such molding conditions, molding can be performed in a very short time, and the advantages obtained in terms of cost, lead time, etc. are great. However, in such molding, the glass density of the rapidly cooled portion is reduced, and in this embodiment, the cooling rate is slower at the center and the glass density is increased, so the refractive index is higher at the center. A refractive index distribution in which the refractive index tends to decrease toward the outer periphery is obtained.
[0019]
Such a refractive index distribution generally gives the lens an aspherical effect. When the refractive index distribution of the lens was measured after molding, the difference between the center and the outer periphery (position of 16 mm in diameter) was about 1 × 10 ^{−3 as} expected, and the outer periphery was in a low state. The refractive index distribution was measured by the oil on plate method. Normally, when a lens having this refractive index distribution is obtained, the optical characteristics are not satisfied and the product becomes a defective product or is subjected to annealing treatment. Since it is converted into a spherical shape (corresponding to 15 μm in the present embodiment) and reflected in the mold, a good optical performance is obtained. This refractive index distribution is almost determined by the pressing force and the cooling rate, and by controlling the variation of these conditions and shaping, the variation and the distribution curve can be managed. Therefore, the influence of the refractive index distribution can be reduced to about 5 × 10 ^−5, which is the variation range, and the optical characteristics are not particularly adversely affected in production.
[0020]
FIG. 3 and FIG. 4 are data obtained by collecting data of a single-sided concave aspheric lens as an experimental example in the method of manufacturing an optical element of the present embodiment. FIG. 3 shows the relationship between the refractive index distribution and the pressing force, and FIG. 4 shows the relationship between the refractive index distribution and the cooling blow amount. It has been confirmed with correlation that the refractive index distribution increases as the pressing force increases and the cooling blow increases. This is because the inside of the single-sided concave aspheric lens is likely to be non-homogeneous due to forced regulation of shrinkage or an increase in the cooling rate difference. In addition, as the pattern of the refractive index distribution, if forced cooling is continued from the outer periphery as in this embodiment, the outer peripheral portion is rapidly cooled, and the center refractive index is high and the outer peripheral portion is low. When the cooling is weakened, the cooling in the inside that is in contact with the mold is faster, the refractive index of the outer periphery is increased, and the refractive index at the center is decreased. Further, in the present embodiment, since the heated glass material is conveyed and molded between the molds, it is known that the mold temperature greatly affects the cooling rate of the glass material, and the refractive index distribution is affected. .
[0021]
In the experiment corresponding to the refractive index distribution with the molding conditions, if the productivity is maintained without changing the cycle time, the mold temperature is increased (glass viscosity is about 10 ¹² poise) and the cooling rate is reduced to reduce the cooling rate. It is necessary to reduce the pressure and the pressing force, and it is not in a situation where stable molding can be performed due to surface shape deterioration or seizure. If the cooling rate is extremely slow (several minutes), a good molded product can be obtained, but productivity cannot be ensured. In general, if annealing or the like is performed, homogeneity can be ensured, but it takes a very long time and it is difficult to ensure productivity. Furthermore, annealing requires equipment for an annealing furnace, and as the number of production increases, it becomes difficult to cope with it, and there are concerns about slight changes in the surface shape.
[0022]
Note that, as described above, the amount of the refractive index distribution is known to increase the pressure if the pressing force is increased and the cooling rate is increased (increase the nitrogen blow amount, lower the mold temperature, etc.). The correspondence to the expected amount of the refractive index distribution to be reflected in the surface shape of the mold can be managed under conditions, so that it is basically unnecessary to rework the mold. However, if accurate prediction of the distribution curve shape is required by design, or if the shape is difficult, such as a large diameter, the value obtained by molding is fed back once to the mold as shown in FIG. It is effective to reflect. In the present embodiment, the mold for which the shape is expected is an aspherical mold. However, there is no problem even if it is allocated to the upper and lower molds for the sake of design, or the spherical mold is expected.
[0023]
According to the present embodiment, instead of removing the refractive index distribution of the molded optical element, the transfer accuracy is ensured and the refractive index distribution is stabilized and used as an aspherical effect. Since molding can be performed under molding conditions that have a distribution amount, the cycle time can be greatly shortened and the mold life can be improved by lowering the mold temperature, and a highly productive optical element molding method can be provided. . In addition, the optical axis-symmetric aspherical optical element molded by the optical element molding method of the present embodiment converts the refractive index distribution of the optical element as an aspherical effect of the optical element, and is used for designing an optical system. Can be used.
[0024]
In the present embodiment, the method of individually heating the glass material and the mold is shown. However, the same effect can be obtained when the glass material is heated at the same time or the molten glass is supplied and molded. Further, although a concave lens having a large aspheric effect has been described as an example, the present invention can be similarly applied to a convex lens or a meniscus lens. With respect to the cooling method, as in the present embodiment, not only the outer peripheral nitrogen blow but also the blow inside the mold may be performed, as long as the cooling is performed symmetrically with the optical axis.
[0025]
(Embodiment 2)
FIG. 5 shows the second embodiment and is a configuration diagram of a molding apparatus used in the method for manufacturing an optical element. This embodiment is different from the first embodiment in the molding apparatus and the optical element to be molded, and the other parts are the same. Therefore, only the different parts will be described, and the same members will be denoted by the same reference numerals. Omitted.
[0026]
First, the shaping | molding apparatus used for the manufacturing method of an optical element is demonstrated . In FIG. 5, in the molding apparatus, an upper mold 21 as one of a pair of molding molds and a lower mold 22 as the other are coaxially arranged in a molding chamber 13, and an upper heater 3 and a lower mold are disposed around the upper mold 21 and the lower mold 22, respectively. A heater 4 is attached so that the upper mold 21 and the lower mold 22 can be heated independently. The mold temperature is detected by the upper sensor 25 and the lower sensor 26, respectively, and temperature control is performed. As a cooling mechanism, a hole 21a is formed in the upper mold 21, and a hole 22a is formed in the lower mold 22. A nitrogen ejection nozzle 24 is provided in each of the holes 21a and 22a, and nitrogen gas is ejected from the tip thereof. In addition, the upper mold 21 and the lower mold 22 are configured to be cooled uniformly in a ring shape from the center. Other configurations are the same as those of the molding apparatus of the first embodiment.
[0027]
Next, a method for manufacturing an optical element using the molding apparatus having the above configuration will be described. An outline process of the optical element molding method is performed by a lens molding flowchart shown in FIG. In the present embodiment, a case where the present invention is applied to molding of a crown-type convex lens will be described as an optical element. The shape of the convex lens is a biconvex spherical lens having a diameter of 16 mm and a thickness of 3 mm. In this biconvex spherical lens, the refractive index distribution in the radial direction that occurs during the molding process is estimated from the temperature simulation and the molding data that has been accumulated so far. The optical system is designed by predicting that the distribution becomes higher and the change becomes gentler toward the outer peripheral portion. That is, it aims at obtaining an aspherical effect by producing a biconvex spherical lens.
[0028]
Next, the molding process will be described. In FIG. 5, since the glass material 11 is heated and conveyed between the upper mold 21 and the lower mold 22 and thereafter the glass material is pressed and deformed, the description is omitted. In the subsequent cooling step, nitrogen was injected from the nitrogen injection nozzle 24 into the hole 21a in the upper mold 21 and the hole 22a in the lower mold 22 to perform cooling. By controlling the conditions such as cooling rate and pressing force, a birefringent spherical lens was obtained by giving a target refractive index distribution. In the present embodiment, since the central portion is cooled first, the refractive index of the central portion is low as intended, and the difference is the difference in refractive index from the central portion at the outer peripheral portion at a diameter of 15 mm. Is about 7 × 10 ^−4, and changes in a quadratic curve as it goes to the outer periphery. Thereby, an aspherical effect of several μm was obtained. That is, in the biconvex spherical lens of the present embodiment, an aspherical aberration removal effect could be obtained.
[0029]
According to the present embodiment, instead of removing the refractive index distribution of the molded optical element, the transfer accuracy is ensured and the refractive index distribution is stabilized and used as an aspherical effect. Since molding can be performed under molding conditions that have a distribution amount, it is possible to provide a highly productive optical element manufacturing method that can significantly reduce cycle time and improve mold life by lowering mold temperature. . In addition, the upper and lower molds used for molding do not require aspherical processing, and the manufacturing cost of the mold can be reduced. Furthermore, in this embodiment, the range in which a large aspheric effect can be obtained is limited by the design of the optical system and the shape of the distribution curve, but there are infinite combinations, and in the future, spherical lenses will be used in the past. There is a great possibility that it will be manufactured by press molding as compared to manufacturing only by the polishing process.
[0030]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the press-molded glass material is cooled in an annular shape from the outer periphery or the center, and the outer periphery or the vicinity of the center of the previously cooled glass material is solidified first, and the other center or the outer periphery. The neighborhood solidifies late, and the internal density of the delayed solidified portion increases when shrinking, so the refractive index increases and the molded optical element forms a refractive index distribution that is symmetric with respect to the optical axis. In addition to ensuring accuracy, the refractive index distribution can be stabilized and used as an aspherical effect, and the cycle time can be shortened and the mold life can be improved, and a highly productive optical element molding method can be provided.
[0031]
Further , according to the present invention, in addition to the above effects, the glass material is closely attached to the mold, the internal density is increased, and the refractive index distribution is controlled by controlling the pressing force, cooling rate and mold temperature in the cooling process. Therefore, the refractive index distribution of the molded optical element can be formed to a desired value.
[0032]
Furthermore , according to the present invention, in addition to the above-described effects, a molding die that anticipates a refractive index distribution symmetrical to the optical axis is used in the optical element molding method, so that an optical element having a desired aspheric effect can be easily obtained. be able to.
[Brief description of the drawings]
1 is a configuration diagram of a molding apparatus used in a method for manufacturing an optical element according to Embodiment 1. FIG.
2 is a flowchart of a method for manufacturing the optical element of Embodiment 1. FIG.
FIG. 3 is a chart showing a relationship between a pressing force and a refractive index distribution in the first embodiment.
4 is a table showing the relationship between the blow amount and the refractive index distribution in the first embodiment. FIG.
5 is a configuration diagram of a molding apparatus used in the method of manufacturing an optical element according to Embodiment 2. FIG.

Claims

ガラス素材を一対の成形型と同時または個別に加熱、軟化または溶融して変形可能にし、前記成形型内で押圧して光学素子を得る光学素子の製造方法において、
一様な屈折率分布が確保されたものとして第１の光学素子を設計し、
前記第１の光学素子の光軸対称の屈折率分布を推測し、
推測された屈折率分布を多項式で近似し、
前記多項式を非球面形状として換算し、第２の光学素子を設計し、
前記第２の光学素子の形状を反転して光軸対称の屈折率分布を見込んだ前記成形型を形成し、
前記成形型を用いて、前記ガラス素材を押圧して変形させた後、前記成形型の外周または中心から輪帯状に均等に冷却しつつ押圧成形することを特徴とする光学素子の製造方法。In the method of manufacturing an optical element , the glass material is deformed by being heated, softened or melted simultaneously or individually with a pair of molds, and obtained by pressing in the mold.
The first optical element is designed assuming a uniform refractive index distribution,
Estimating the refractive index distribution of the optical axis symmetry of the first optical element,
Approximate the estimated refractive index distribution with a polynomial,
Converting the polynomial as an aspherical shape and designing a second optical element,
Reversing the shape of the second optical element to form the mold that allows for an optical axis symmetric refractive index distribution;
A method for manufacturing an optical element, comprising: pressing and deforming the glass material using the molding die, and then press- molding the glass material while uniformly cooling from the outer periphery or center of the molding die into a ring shape.