JP6515927B2 - 成形型の製造方法、及びレンズアレイの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レンズアレイを成形するための成形型の製造方法及びかかる成形型を用いるレンズアレイの製造方法に関する。

レンズアレイの加工方法として、金型となるワークを準備し、最初に中央の１つのアレイ要素に対応する部分を加工し、金型全体に対する偏芯誤差及び形状誤差を計測し、その後、偏芯誤差及び形状誤差が許容値以下となるように加工データを修正し、修正された加工データによって他の全てのアレイ要素に対応する部分を加工するものが存在する（特許文献１参照）。この加工方法に関しては、実際に成形されたアレイ形状素子のそり及び収縮による変形を形状誤差として測定し、加工工具の切込み量を変化させることで、そり及び収縮を補正することも説明されている。

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、個々のアレイ要素を含めたアレイ形状素子の形状を測定して理想値からのずれを計測するので、測定に長時間を要し、測定の最初から最後まで測定精度を維持することも容易でない。また、個々のアレイ素子について理想値からのずれを工具の軌跡に変換する作業も必ずしも容易でなく、試作から完成品を得るまでの時間と労力とが膨大なものとなる可能性がある。

特開２００７‐２７６０４９号公報

本発明は、上記背景技術の問題に鑑みてなされたものであり、簡易な手法によって比較的短時間での作製を可能にする、レンズアレイ用の成形型の製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記製造方法によって得られる成形型を用いるレンズアレイの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の成形型の製造方法は、レンズアレイを成形するため複数の光学転写面を有する成形型の製造方法であって、軸対称面の表現式に基づいて複数の光学転写面を加工することによって模擬型を作製し、模擬型によって成形されたレンズアレイの計測によって得た誤差量に基づいて各光学転写面単位の非軸対称面の表現式を算出し、軸対称面の表現式と非軸対称面の表現式とに基づいて成形型の複数の光学転写面の加工を各光学転写面単位で行う。ここで、表現式とは、変数、演算式等を含む一般的数式に限らず、関数的な点を集めたデータテーブルのようなものも含むものとする。

上記製造方法では、模擬型によって成形されたレンズアレイの計測によって得た誤差量に基づいて非軸対称面の表現式を算出し、軸対称面の表現式と非軸対称面の表現式とに基づいて成形型の複数の光学転写面の加工を行うので、軸対称型の複数の光学面を備えるレンズアレイの成形型の製造を簡便なものとできる。つまり、レンズアレイの面形状を軸対称面の成分と非軸対称面の成分とに分けた観点で試作や計測を行うので、レンズアレイの試作から完成品を得るまでの期間を短くし、その労力を軽減することができる。

本発明の具体的な側面によれば、上記製造方法において、非軸対称面の表現式は、光軸が通る頂点位置の目標値からのずれ量、及び目標とする非球面形状からのずれ量の少なくとも一方を使用して表現される表現式である。

本発明の別の側面によれば、非軸対称面の表現式は、光学転写面の頂点位置の目標値からのずれ量を自由曲面式で定義した表現式である。

本発明の別の側面によれば、非軸対称面の表現式による最大の補償量は１０μｍである。この場合、非軸対称面に関連する補償量が比較的小さく、成形型の形状精度を比較的高めやすい。

本発明に係る第２の成形型の製造方法は、レンズアレイを成形するため複数の光学転写面を有する成形型の製造方法であって、設計値である軸対称加工データに基づいて複数の光学転写面を加工することによって模擬型を作製し、模擬型によって成形されたレンズアレイの計測によって得た誤差量に基づいて各光学転写面単位の非軸対称面の表現式を算出し、設計値に対しテスト加工で得た修正量を加算した軸対称面の表現式を算出し、軸対称面の表現式と非軸対称面の表現式とに基づいて成形型の複数の光学転写面の加工を各光学転写面単位で行う。

上記製造方法では、模擬型によって成形されたレンズアレイの計測によって得た誤差量に基づいて非軸対称面の表現式を算出し、設計値に対しテスト加工で得た修正量を加算した軸対称面の表現式を算出し、軸対称面の表現式と非軸対称面の表現式とに基づいて成形型の複数の光学転写面の加工を行うので、軸対称型の複数の光学面を備えるレンズアレイの成形型の製造を簡便なものとできる。特に、軸対称面の表現式が設計値に対しテスト加工で得た修正量を加算したものであることにより、レンズアレイを構成する要素レンズの形状精度を高めることができる。

本発明の別の側面によれば、テスト加工は、成形型の材料とは異なる材料に対して行われる。この場合、テスト加工を迅速で安価なものとすることが容易となる。

本発明の別の側面によれば、成形型は、複数の光学転写面として、軸対称面の表現式の設計値が異なる複数種類の光学転写面を有し、軸対称面の表現式は、複数種類の光学転写面に対応する複数種類の設計値に対してテスト加工で得た複数の修正量をそれぞれ加算したものである。この場合、レンズアレイが複数タイプの要素レンズを含む場合に対応できる。なお、複数タイプの要素レンズは、対応波長が異なるもの、視野が異なるもの等とすることができる。

本発明の別の側面によれば、複数の光学転写面は、互いに平行な光軸を有し、複数の光学転写面は、光軸に平行な回転軸を有する工具によって加工する。この場合、工具によって成形型上に加工される複数の光学転写面の形状を揃え易く、加工精度を高め易い。

本発明の別の側面によれば、非軸対称面の表現式は、自由曲面式であり、軸対称面は、非球面式である。

本発明に係るレンズアレイの製造方法は、上記製造方法によって得た成形型を用いて成形を行う工程を有する。

上記製造方法では、上記成形型の製造方法によって得た成形型を用いて成形を行うので、軸対称型の複数の光学面を備えるレンズアレイの製造を簡便なものとでき、レンズアレイの試作から完成品を得るまでの期間を短くし、その労力を軽減することができる。

実施形態に係る成形型を備える成形用型装置を概念的に説明する図である。 実施形態に係る成形型やその製造工程を説明する斜視図である。 図３Ａ及び３Ｂは、図１の成形用型装置によって製造される成形品を説明する平面図及び側方断面図である。 成形型の加工装置を説明するブロック図である。 成形型の製造方法を説明するフローチャートである。 レンズアレイの成形工程について説明する断面図である。 図７Ａ及び７Ｂは、成形型の成形面に設定される第１補正量を説明する図である。 ダミーのワークによるテスト加工を説明する斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る成形型の製造方法について具体的に説明する。

図１に示す成形装置３０は、一対の成形型３１，３２を備え、両成形型３１，３２を駆動装置４０によってＺ軸に平行なＡＢ方向に相対的に変位させることにより、両成形型３１，３２を開閉させることができるようになっている。両成形型３１，３２を突き合わせる型閉じによって、両者に設けた成形面３１ｔ，３２ｔに囲まれた型空間が形成され、この型空間中に溶融樹脂を注入することで、成形面３１ｔ，３２ｔに対応する外形を有する成形品すなわちレンズアレイを得ることができる。

第１の成形型３１は、成形面３１ｔを形成するコア部分３１ａと、コア部分３１ａを支持する周囲部分３１ｂとを備える。コア部分３１ａの第１の成形型３１側の端面には、ＸＹ面に平行にマトリックス状に配列された多数の光学転写面３４ａと、光学転写面３４ａの周囲に形成された支持部転写面３４ｂとが形成されている（図２参照）。各光学転写面３４ａは、レンズアレイを構成する要素レンズの光学面を反転した非球面であり、Ｚ軸に平行に延びる光軸ＴＸを有している。つまり、格子点上に配列された多数の光学転写面３４ａは、互いに平行な光軸ＴＸを有する同一又は類似の非球面となっている。支持部転写面３４ｂは、中央側と外周側とで若干の段差があるが、各面４３ｄ，４３ｅは、平坦であり、ＸＹ面に平行に延びている。
コア部分３１ａは、例えばステンレス、超鋼その他の鋼材を基材として形成したものであり、光学転写面３４ａ等は、基材を被覆するＮｉＰメッキ層の表面の仕上げ加工によって形成されている。さらに、コア部分３１ａの表面全体を離型剤で被覆することもできる。
周囲部分３１ｂの端面は、第１の成形型３１を第２の成形型３２に突き合わせる際に利用されるパーティング面ＰＡ１となっている。

第２の成形型３２は、成形面３２ｔを形成するコア部分３２ａと、コア部分３２ａを支持する周囲部分３２ｂとを備える。コア部分３２ａの第２の成形型３２側の端面には、ＸＹ面に平行にマトリックス状に配列された多数の光学転写面３５ａと、光学転写面３５ａの周囲に形成された支持部転写面３５ｂとが形成されている。各光学転写面３５ａは、レンズアレイを構成する要素レンズの光学面を反転した非球面であり、Ｚ軸に平行に延びる光軸ＴＸを有している。支持部転写面３５ｂは、中央側と外周側とで２段となっているが、各面４５ｄ，４５ｅは、平坦であり、ＸＹ面に平行に延びている。
コア部分３２ａは、例えばステンレス、超鋼その他の鋼材を基材として形成したものであり、光学転写面３５ａ等は、基材を被覆するＮｉＰメッキ層の表面の仕上げ加工によって形成されている。さらに、コア部分３２ａの表面全体を離型剤で被覆することもできる。
周囲部分３２ｂの端面は、第２の成形型３２を第１の成形型３１に突き合わせる際に利用されるパーティング面ＰＡ２となっている。

図２に示すように、第１の成形型３１を構成するコア部分３１ａの成形面３１ｔは、後に詳述する加工装置に設けた切削工具８０によって形成される。切削工具８０は、例えばエンドミル等で形成され、Ｚ軸又は光軸ＴＸに対して原則として平行に設定される回転軸ＲＸの周りに高速で回転させることができ、回転軸ＲＸの姿勢を保ったままでコア部分３１ａに対してＸＹＺの３軸の方向に任意のタイミング及び速度で移動させることができる。成形面３１ｔを構成する各光学転写面３４ａは、切削工具８０によって順次個別に研削され順次個別に仕上げられる。各光学転写面３４ａは、基本的に光軸ＴＸを基準とする軸対称又は回転対称な形状をそれぞれ有するが、若干の修正を施した形状とすることもできる。例えば切削工具８０の先端部８１ａを回転軸ＲＸの周りに自転させつつ光軸ＴＸの周りに旋回させるように動作させることにより、得られる光学転写面３４ａが光軸ＴＸの周りに高い対称性を有する状態を確保することができる。支持部転写面３４ｂは、切削工具８０によって光学転写面３４ａの加工後又は加工前に形成される。この際、例えば切削工具８０をＸＹ面に沿って直線的に移動させつつ垂直な方向に徐々にずらして行く走査を行う。支持部転写面３４ｂは、本来、ＸＹ面に平行な平坦面であるが、完成品の形状誤差を相殺するように形状補正が行われ、一般的には自由曲面式で定義されるような不規則なうねり形状を有するものとなる。

図３Ａ及び３Ｂを参照して、図１に示す成形装置３０によって作製される成形品としてのレンズアレイ１０について説明する。レンズアレイ１０は、光学材料である熱可塑性樹脂で形成された一体物であり、外枠を備えた矩形（正方形を含む）の輪郭を有する。レンズアレイ１０は、それぞれが光学素子である複数のレンズ要素１０ａと、複数のレンズ要素１０ａを周囲から支持するフランジ部１０ｆとを有する。フランジ部１０ｆは、レンズ要素１０ａ間にあるレンズ間フランジ部１０ｃと、第１レンズアレイ１０の外周部にある外周フランジ部１０ｄとからなる。第１レンズアレイ１０を構成する複数のレンズ要素１０ａは、ｘｙ面に平行に配列された矩形型の格子点（図示の例では４×４の１６点）上に光軸ＯＡを互いに平行にした状態で２次元的に配置されている。各レンズ要素１０ａは、第１主面１０ｐにおいて凸の光学面１１ａを有し、第２主面１０ｑにおいて凸の光学面１１ｂを有し、両光学面１１ａ，１１ｂは、軸対称面であり、具体的には例えば非球面である。レンズ間フランジ部１０ｃは、平板状の平坦部であり、物体側にフランジ面１１ｃを有し、像側にフランジ面１１ｄを有する。外周フランジ部１０ｄは、矩形枠状の肉厚部分であり、レンズアレイ１０を他のレンズアレイやホルダー等に固定する際のスペーサーとして機能する。

図４は、図１に示す第１及び第２の成形型３１，３２の成形面３１ｔ，３２ｔを加工するために用いられる加工装置の構造の一例を模式的に説明するブロック図である。加工装置１００は、ワークＷを支持しつつ切削工具８０を相対的に移動させる切削加工を可能にするＮＣ駆動機構９１と、ＮＣ駆動機構９１の動作を制御する駆動制御装置９７と、装置全体の動作を統括的に制御する主制御装置９８とを備える。ＮＣ駆動機構９１は、台座９４ａ上に第１加工ステージ９４ｂと第２加工ステージ９４ｃとを載置した構造を有する。ここで、第１加工ステージ９４ｂは、第１可動部９５ａを支持しており、この第１可動部９５ａは、ステージ部９５ｂを介してワークＷを間接的に支持している。第１加工ステージ９４ｂは、第１可動部９５ａ及びステージ部９５ｂをγ軸に平行な回転軸ＲＡのまわりに回転させることができ、第１可動部９５ａは、ステージ部９５ｂを介してワークＷを支持つつ例えばα及びβ軸方向に沿った所望の位置に配置することができる。つまり、ワークＷを、その表面Ｗａ上の任意の点を通って表面Ｗａ全体に対して略垂直な方向に延びる回転軸ＲＡのまわりに、所望の速度で回転させることができる。一方、第２加工ステージ９４ｃは、第２可動部９５ｃを支持しており、この第２可動部９５ｃは、切削工具８０を支持している。第２加工ステージ９４ｃは、第２可動部９５ｃ及び切削工具８０を支持して、これらを例えばα及びβ軸方向に沿った所望の位置に所望の速度で移動させることができる。また、第２可動部９５ｃは、切削工具８０を支持して、これを例えばγ軸方向に沿った所望の位置に所望の速度で移動させることができる。また、第２可動部９５ｃは、切削工具８０を、例えばその先端部８１ａを通ってγ軸に平行な回転軸ＲＸの周りに旋回させることができ、必要ならば先端部８１ａを通る鉛直旋回軸の周りに切削工具８０を所望角度だけ回転又は傾斜させて切削工具８０の姿勢を調節することもできる。

駆動制御装置９７は、高精度の数値制御を可能にするものであり、ＮＣ駆動機構９１に内蔵されたモーターや位置センサー等を主制御装置９８の制御下で駆動することによって、第１及び第２加工ステージ９４ｂ，９４ｃや第１及び第２可動部９５ａ，９５ｃを目的とする状態に適宜動作させる。例えば、第１加工ステージ９４ｂによって、ワークＷを回転軸ＲＡのまわりに高速で回転させる。この際、第１可動部９５ａによってワークＷの旋回中心を多数の光軸ＴＸとなるべき位置のうち、いずれか１つの位置と一致させることができる。一方、第２加工ステージ９４ｃによって、切削工具８０の先端部８１ａの加工点を最初に回転軸ＲＡ上に配置し、先端部８１ａをα又はβ軸方向に低速で移動（送り動作）させる。これと並行して、第２可動部９５ｃは、切削工具８０を回転軸ＲＸの周りに回転させつつ、その先端部８１ａをγ軸方向に徐々に進退移動させる。これにより、ＮＣ駆動機構９１を加工位置を変更できる旋盤として動作させることができ、ワークＷ上の任意の位置に所望の形状を有する凹又は凸の軸対称面を形成することができ、例えば図２に示すような成形面３１ｔを有するコア部分３１ａを得ることができる。

主制御装置９８は、ワークＷの加工形状に関する情報を保管する記憶部（不図示）を有している。ワークＷの加工形状に関する情報は、第１及び第２加工ステージ９４ｂ，９４ｃや第１及び第２可動部９５ａ，９５ｃを動作させる工程を含んでおり、より具体的には、コア部分３１ａ，３２ａの成形面３１ｔ，３２ｔの形状や、この形状を得るためこの形状から導き出せるワークＷの表面Ｗａに対しての切削工具８０の先端部８１ａの相対的な移動の軌跡を記憶することができる。つまり、主制御装置９８は、設計上の成形面３１ｔ，３２ｔの形状だけでなく、目的とする成形品形状を得るために補正又は修正を施した成形面３１ｔ，３２ｔの形状を記憶する。コア部分３１ａ，３２ａの成形面３１ｔ，３２ｔのうち、光学転写面３４ａ，３５ａは、本来の設計上、光軸ＴＸを基準とする回転対称な軸対称面として格子点上に配置され、支持部転写面３４ｂ，３５ｂは、光軸ＴＸに垂直な平坦面とされる。このような形状やこれに対応する切削工具８０の軌跡のデータは、軸対称な面形状に対応するものであり、以下では軸対称加工データとも呼ぶ。複数の光学転写面３４ａ，３５ａの頂点は、本来の設計上は同一平面上にあるが、成形後を考慮して補正が施された場合、間隔が相対的に増減変化し、自由曲面式で定義されるような非軸対称面（うねり面）上に配置される。同様に、支持部転写面３４ｂ，３５ｂも、補正が施された場合、このようなうねり形状を有する面に補正される。このような形状やこれに対応する切削工具８０の軌跡のデータは、上記軸対称加工データと異なって、非軸対称な面形状に対応するものであり、以下では非軸対称加工データとも呼ぶ。

以下、図５を参照して、図１、２等に示す成形型３１のコア部分３１ａの製造方法等について説明する。まず、目的とする成形面３１ｔを加工するための軸対称加工データを作成する（ステップＳ１１）。ここで、成形面３１ｔ用の軸対称加工データは、目的とするレンズアレイ１０の形状の設計値に対応するものであり、軸対称面の表現式に基づくものとなっている。具体的には、軸対称加工データは、レンズ要素１０ａを転写するための光学転写面３４ａに対応する非球面を４×４の格子点に配列したものとなっている。ここで、各非球面の形状は、公知の非球面式で表現することができ、具体的には光学転写面３４ａの頂点を原点とし、光軸ＴＸの方向にＺ軸をとり、光軸ＴＸと垂直方向の高さをｈとして、以下の数式又は表現式で表す。

ただし、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｒ：曲率半径
Ｋ：円錐定数
なお、光学転写面３４ａの目標とする形状は、一般的には上記非球面式によって表現されるが、レンズアレイ１０の目的等に応じて好ましい特性が得られるように非球面式の係数Ａｉが調整される。

次に、上記ステップＳ１１で決定した軸対称加工データに基づいて模擬型を予備的に作製する（ステップＳ１２）。模擬型の試作には、図４の加工装置１００を用いる。模擬型は、第１の成形型３１と略同一の形状を有し試験的な成形が可能な実用的な金型であるが、成形品の形状測定からフィードバックして行われる補正がなされていない。すなわち、実際の成形では、成形型３１，３２が変形や傾きの影響を受ける環境に置かれ、成形品も熱工程の影響等の要因によって撓みや収縮等の変形作用を受ける。さらに、加工装置１００や切削工具８０の動作に起因する誤差の偏りによって設計通りに加工されず一定の傾向を有する形状となる可能性がある。このため、成形型３１，３２が理想的な形状を有していても、レンズアレイ１０の形状を設計値通りとできず、レンズアレイ１０の形状を設計値通りとするためには、むしろ後述するように、成形型３１，３２の成形面３１ｔ，３２ｔを強制的に補正をかけた形状に加工することが必要となる。なお、成形面３１ｔ，３２ｔを構成する複数の光学転写面３４ａ，３５ａの形状は、同一の場合もあるが、若干異なり複数種類となる場合もある。
図４を参照して、模擬型の作製について具体的に説明する。まず、模擬型の元になるワークＷをステージ部９５ｂにセットする。ワークＷは、図１に示す第１の成形型３１と略同様の形状を有し、表面にＮｉＰメッキ層が形成されているが、光学転写面３４ａに相当する部分が浅くなっている。その後、光学設計上の軸対称加工データに基づいて加工を行い、図１に示す第１の成形型３１のコア部分３１ａに設ける成形面３１ｔと同様の成形面を加工する。この際、４×４の格子点に配列された光学転写面３４ａを順次加工する。特定の光学転写面３４ａを加工するときには、第２可動部９５ｃに支持された切削工具８０を回転させながら、切削工具８０の先端部８１ａをワークＷの回転中心である光軸ＴＸに一致させ、先端部８１ａが光軸ＴＸから徐々に離れるように移動させつつ光軸ＴＸ方向にも変位させる。これにより、切削工具８０の先端部８１ａは、非球面式に沿って螺旋を描きながら光学転写面３４ａを切り出す。以下、このような切削工具８０の先端部８１ａの移動を螺旋型走査と呼ぶ。こうして特定の光学転写面３４ａの加工が終わると次の光学転写面３４ａの加工を螺旋型走査によって同様に行う。これを繰り返すことで、１６個の光学転写面３４ａが得られる。これら光学転写面３４ａの頂点は、理想的にはＸＹ面又はαβ面に平行な同一平面上にある。支持部転写面３４ｂについては、切削工具８０の先端部８１ａを回転させつつ、第１可動部９５ａを利用して、例えば平行に延びる複数の主走査線に沿って主走査させつつこれに垂直な方向に徐々に移動させる副走査を行うことで、ＸＹ面又はαβ面に略平行な平滑面とできる。このような切削工具８０の先端部８１ａの移動をラスター型走査と呼ぶ。以上により、模擬型としての第１の成形型３１を得る。
詳細な説明を省略するが、模擬型としての第２の成形型３２も、模擬型としての第１の成形型３１と同様に作製される。結果的に、軸対称加工データに基づいて加工された多数の光学転写面３５ａと、これら光学転写面３５ａを繋ぐ支持部転写面３５ｂとを有する第２の成形型３２を模擬型として得ることができる。本実施例では模擬型と後述する本番の型を別のものとしているが、模擬型を追加工で対応できれば本番型としても流用可能である。

次に、上記ステップＳ１２で得た成形型３１，３２を利用してレンズアレイ１０を試験的に作製する。試作のレンズアレイ１０の作製工程や成形条件は、本番の作製工程や成形条件と略一致させる（ステップＳ１３）。
図６等を参照して、レンズアレイ１０を試作について具体的に説明する。図６は、レンズアレイ１０を成形するための成形装置３０を型空間に関して説明する図であり、図１にも示す第１及び第２の成形型３１，３２を一部に備える。両成形型３１，３２は、型合わせされてキャビティ３０ａを形成する。キャビティ３０ａには、ゲートＧＡを介してランナーＲＡが連結され、ランナーＲＡは、樹脂供給側のスプルーＳＰに繋がっている。結果的に、熱可塑性樹脂を溶融させることによって得たスプルーＳＰからの溶融樹脂Ｊは、ランナーＲＡを充填し、ゲートＧＡを介してキャビティ３０ａを充填する。溶融樹脂Ｊの冷却後に第１の成形型３１と第２の成形型３２とを離間させることで、スプルーＳＰに対応するスプルー部７１と、ランナーＲＡに対応するランナー部７２と、ゲートＧＡに対応するゲート部７３と、キャビティ３０ａに対応するレンズアレイ本体７４とを備える成形品７０が形成される。ここで、ゲート部７３に対しては、ゲートカット処理が施され、ゲート部７３の先のレンズアレイ本体７４によって、試作のレンズアレイ１０が得られる。

次に、上記ステップＳ１３で得た試作のレンズアレイ１０を計測する（ステップＳ１４）。レンズアレイ１０の計測には、光学面の形状測定を可能にする三次元計測装置が用いられる。三次元計測装置は、例えば特開２００７−１４７３７１号公報、特開２０１３−２１０３３１号公報等に開示の公知の機構を組み込んだものである。測定に際しては、レンズアレイ１０を構成するすべてのレンズ要素１０ａについて、それらの光学面１１ａ，１１ｂの形状を測定し、これら光学面１１ａ，１１ｂが目標とする非球面形状からずれている程度（ずれ量）や、各光学面１１ａ，１１ｂの頂点位置に相当する光軸ＯＡが目標とする格子点からずれている程度（ずれ量）を測定する。具体的には、測定用の触針をいずれかの光学面１１ａに沿って例えばｘ方向に移動させ、その後、測定用の触針を光学面１１ａに沿って例えばｙ方向に移動させることによって、光学面１１ａの形状や配置に関する基本的な情報を得ることができる。また、フランジ面１１ｃ，１１ｄを計測することで、フランジ部１０ｆの面形状に関する情報を得ることができる。

次に、ステップＳ１４で得た測定結果に基づいて、レンズアレイ１０に設けた各光学面１１ａ，１１ｂについて誤差成分（すなわち誤差量）を抽出する（ステップＳ１５）。この工程では、各光学面１１ａ，１１ｂについて、光軸ＯＡが通る頂点位置の目標値からのずれ量や、目標とする非球面形状からのずれ量を誤差成分（誤差量）として評価することができる。各光学面１１ａ，１１ｂの頂点位置の目標値からのずれ量は、レンズアレイ１０のフランジ部１０ｆのうねり形状や歪みとなっている。なお、成形面３１ｔ，３２ｔを構成する複数の光学転写面３４ａ，３５ａの本来的形状が若干異なる場合、つまり複数種類の光学転写面３４ａ，３５ａが前提となっている場合、光学面１１ａ，１１ｂの形状も相互に若干異なるものとなるので、目標とする非球面形状からのずれの程度も、複数の光学転写面３４ａ，３５ａの本来的形状の差異を考慮したものとする。複数種類の光学転写面３４ａ，３５ａとしては、ＲＧＢの色分け、画角による使い分け、偏向面による使い分けを目的とするもの等が考えられる。

次に、ステップＳ１５で得た誤差成分（誤差量）に基づいて、主制御装置９８では、試作による各光学面１１ａ，１１ｂのずれを補償すべき量として各光学転写面３４ａ，３５ａの第１補正量（以下、補償量とも呼ぶ）を決定する（ステップＳ１６）。すなわち、計測された各光学面１１ａ，１１ｂの頂点位置が近似的な非軸対称面上に規定されたデータ（非軸対称成分）を、非軸対称加工データを構成する第１補正量（補償量）として主制御装置９８に保管する。具体的には、各光学面１１ａ，１１ｂの頂点位置の目標値からのずれ量は、自由曲面式で定義されるような非軸対称面（うねり面）によって表現され、各光学面１１ａ，１１ｂの頂点位置が上記非軸対称面上に規定されたデータに変更され、これを反転したものが補償用の非軸対称加工データとなる。この際、最小自乗法等を用いた自由曲面へのフィッティングが行われる。なお、フランジ面１１ｃ，１１ｄの形状から自由曲面式で定義されるような上記非軸対称面を補助的に得ることもできる。非軸対称な自由曲面の形状は、例えばツェルニケ多項式を用いた以下の数式又は表現式とすることができる。
Ｗ（ρ，θ）＝Σ｛Ａｎ・Ｚｎ（ρ，θ）｝
Ｗ：非軸対称面（測定データでフィッティング）
Ｚｎ：ツェルニケ項
Ａｎ：各項の係数
ρ：（測定点の中心からの距離）／（データ測定範囲の半径）
として、
Ｚ１＝１
Ｚ２＝ρｃｏｓθ
Ｚ３＝ρｓｉｎθ
Ｚ４＝２ρ^２‐１
Ｚ５＝ρ^２ｓｉｎ２θ
…
以上の第１補正量（補償量）は、最大でも１０μｍを超えないようにする。このような制限を設けることで、非軸対称面に関連する第１補正量を比較的小さい値とし、過度な補正又は補償によって成形型の形状精度が劣化することを抑制する。逆に第１補正量が１０μｍを超える場合、レンズアレイ１０の成形条件、レンズ間フランジ部１０ｃの形状変更等によって対処することが考えられる。

図７Ａ及び７Ｂは、第１の成形型３１の成形面３１ｔに設定される第１補正量を説明する図である。レンズアレイ１０の光学面１１ａの計測結果が図７Ａのようなうねり（フランジ面１１ｃによって視覚的に表示された曲面）を有するものである場合、図面左側の光学面１１ａは相対的に低く、図面右側の光学面１１ａは相対的に高くなっている。この場合、成形型３１の光学転写面３４ａに設定されるべき第１補正量（補償量）は、図７Ｂに示すように反転したうねり（支持部転写面３４ｂによって視覚的に表示された曲面）を有するものとなる。つまり、図面左側の光学転写面３４ａは相対的に深く、図面右側の光学転写面３４ａは相対的に浅くなっている。このような補正量を設定することで、補正後の第１の成形型３１によって得られるレンズアレイ１０の光学面１１ａは、すべて突起の高さが等しくなる。

次に、レンズアレイ１０を構成するレンズ要素１０ａの表面形状の設計値に対応する初期データを読み出す（ステップＳ２１）。この初期データは、上記ステップＳ１１で説明したように非球面として定義することができる軸対称加工データである。なお、成形面３１ｔ，３２ｔを構成する複数の光学転写面３４ａ，３５ａの形状が若干異なる場合、つまり複数種類の光学転写面３４ａ，３５ａが前提となっている場合、各面ごとに初期データを読み出す。

次に、初期データに対応する１種類の軸対称面をテスト加工する（ステップＳ２２）。テスト加工は、図４の加工装置１００を用いてダミーのワークＷを切削することで行われる。ダミーのワークＷは、超鋼にＮＩＰメッキ等を施した本来のワークＷを用いることもできるが、材料が異なるワークＷ、具体的にはコストを考慮して例えば無酸素銅で形成されたものを用いることができる。
図８に示すように、ダミーのワークＷには、第１の成形型３１の光学転写面３４ａに対応する１つの光学転写面１３４ａのみが形成されるが、複数の光学転写面１３４ａを形成することもできる。

次に、上記ステップＳ２２で得たテスト加工後のダミーのワークＷについてテスト加工形状を計測する（ステップＳ２３）。ダミーのワークＷの計測には、ステップＳ１４で用いた三次元計測装置が用いられる。測定に際しては、ダミーのワークＷに形成された光学転写面１３４ａの形状を測定し、光学転写面１３４ａの目標とする非球面形状からのずれの程度を測定する。具体的には、測定用の触針を光学転写面１３４ａに沿って主走査及び副走査するように２次元的に密に移動させ、光学転写面１３４ａの形状に関する比較的精密な情報を得る。なお、ダミーのワークＷ上に複数の光学転写面１３４ａが形成されている場合、すべての光学転写面１３４ａについて形状情報を得る。

次に、ステップＳ２３で得た測定結果に基づいて、ダミーのワークＷ上に形成された光学転写面１３４ａについて誤差成分（すなわち誤差量）を抽出する（ステップＳ２４）。この工程では、光学転写面１３４ａについて、目標とする非球面形状からのずれの程度を誤差成分（誤差量）として評価する。ダミーのワークＷ上に複数の光学転写面１３４ａが形成されている場合、誤差成分について平均化するといった統計的な処理が施される。

次に、ステップＳ２４で得た誤差成分（誤差量）に基づいて、主制御装置９８では、テスト加工後の光学転写面１３４ａを本来の形状に修正すべき量として各光学転写面３４ａの第２補正量（以下、修正量とも呼ぶ）を決定する（ステップＳ２５）。すなわち、計測された光学転写面１３４ａの設計値からのずれデータ（軸対称成分）を、軸対称加工データの一部を構成する第２補正量（修正量）として主制御装置９８に保管する。具体的には、設計値からのずれデータを軸対称成分（例えば非球面の形状）として抽出する。なお、第２補正量が想定以上に大きい場合、既に得た第２補正量を組み込んでテスト加工を行うことができる。つまり、第２補正量については、テスト加工の結果をフィードバックしつつステップＳ２２〜Ｓ２５を繰り返すことにより、従来型の手法と同様により精密かつ適切な第２補正量を設定することができる。

その後、初期データに対応する他の種類の軸対称面（光学転写面３４ａ）がある場合（ステップＳ２６でＹ）、ステップＳ２２に戻って初期データのうち別の種類の軸対称面をテスト加工する。その後の処理は、同様であり（ステップＳ２２〜Ｓ２５）、これを繰り返すことにより、すべての種類の軸対称面（光学転写面３４ａ）について第２補正量を決定する（ステップＳ２５）。

すべての種類の設計値に対応する軸対称面（光学転写面３４ａ）について第２補正量（修正量）を決定した場合（ステップＳ２６でＮ）、ステップＳ１１で作成した軸対称加工データを修正した非軸対称加工データを得る（ステップ１）。具体的には、元の軸対称加工データに対してステップＳ１６で得た第１補正量を全体にかかる補正項として追加し、さらにステップＳ２５で得た第２補正量を対応する光学転写面３４ａにかかる補正項として追加する。

以上では、第１の成形型３１の光学転写面３４ａについて第２補正量等を求めたが、第２の成形型３２の光学転写面３５ａについても、ステップＳ２２〜Ｓ２７と同様の手法で第２補正量等を求める（ステップＳ２８）。

最後に、上記ステップＳ２７，Ｓ２８で得た非軸対称加工データに基づいて、図４の加工装置９０によって本番の第１及び第２の成形型３１，３２を作製し、これら成形型３１，３２を利用してレンズアレイ１０を作製する（ステップＳ２９）。レンズアレイ１０の作製工程や成形条件は、ステップＳ１３での試作のレンズアレイ１０の場合と一致させる。

以上の方法によって得たレンズアレイ１０は、当初の設計通りの形状に近い形状を有するものとなっており、迅速かつ簡易な手法によって目標とする精度を有するレンズアレイ１０を得ることができる。なお、以上の方法によって得たレンズアレイ１０に対して三次元計測装置を用いて精密な形状測定を行い、この結果を非球面式、自由曲面式等でフィッティングし、これらのフィッティング式の逆数を成形型３１，３２の形状修正項としてフィードバックすることで、レンズアレイ１０の形状をより正確に設計値に近づけることができる。このような追加の仕上げ補正を行っても、試作したレンズアレイ１０に対して三次元計測装置を用いて最初から精密な２次元形状測定を行う場合よりも、補正項を早期に高精度化させる追い込みが迅速になり、レンズアレイ１０の設計から大量生産開始までの時間と労力とを大幅に低減することができる。

本実施形態に係る成形型の製造方法によれば、模擬型である成形型３１，３２によって成形されたレンズアレイ１０の計測によって得た誤差量に基づいて非軸対称面の表現式である第１補正量を算出し（ステップＳ１６）、軸対称面の表現式と非軸対称面の表現式とに基づいて成形型３１，３２の複数の光学転写面３４ａ，３５ａの加工を行うので（ステップＳ２７，Ｓ２８）、軸対称型の複数の光学面１１ａ，１１ｂを備えるレンズアレイ１０の製造を簡便なものとできる。つまり、レンズアレイ１０の面形状を軸対称面の成分と非軸対称面の成分とに分けた観点で試作や計測を行うので、レンズアレイ１０の試作から完成品を得るまでの期間を短くし、その労力を軽減することができる。

以上、本実施形態に係る成形型の製造方法等について説明したが、本発明に係る成形型の製造方法は、上記のものには限られない。例えば、上記実施形態の方法によって作製されるレンズアレイ１０は、単独で使用されるものに限らず、複数のレンズアレイを積層する際の要素としてのレンズアレイであってもよい。

ダミーのワークＷに対してテスト加工を行う工程では、レンズアレイ１０の光学面１１ａが複数種で構成される場合、これら複数種に対応した複数の光学転写面１３４ａをダミーのワークＷ上に一括して形成することもできる。

ステップＳ１４，Ｓ２３で行われる形状測定は、例示の装置や手法に限らず様々な装置及び手法を用いることができる。

以上では、成形型３１，３２間に成形材料として熱可塑性樹脂を供給して成形を行っているが、熱可塑性樹脂に代えて光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂等を用いることができる。

以上では、４×４のレンズアレイ１０について説明したが、３×３のレンズアレイ、５×５以上のレンズアレイの成形にも、上記実施形態として説明した成形型と同様のものを用いることができる。

Claims (10)

1. レンズアレイを成形するため複数の光学転写面を有する成形型の製造方法であって、
   軸対称面の表現式に基づいて前記複数の光学転写面を加工することによって模擬型を作製し、
   前記模擬型によって成形された前記レンズアレイの計測によって得た誤差量に基づいて各光学転写面単位の非軸対称面の表現式を算出し、
   前記軸対称面の表現式と前記非軸対称面の表現式とに基づいて前記成形型の前記複数の光学転写面の加工を各光学転写面単位で行う成形型の製造方法。
2. 前記非軸対称面の表現式は、光軸が通る頂点位置の目標値からのずれ量、及び目標とする非球面形状からのずれ量の少なくとも一方を使用して表現される表現式である、請求項１記載の成形型の製造方法。
3. 前記非軸対称面の表現式は、前記光学転写面の頂点位置の目標値からのずれ量を自由曲面式で定義した表現式である、請求項１及び２のいずれか一項に記載の成形型の製造方法。
4. 前記非軸対称面の表現式による最大の補償量は１０μｍである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の成形型の製造方法。
5. レンズアレイを成形するため複数の光学転写面を有する成形型の製造方法であって、
   設計値である軸対称加工データに基づいて前記複数の光学転写面を加工することによって模擬型を作製し、
   前記模擬型によって成形された前記レンズアレイの計測によって得た誤差量に基づいて各光学転写面単位の非軸対称面の表現式を算出し、
   前記設計値に対しテスト加工で得た修正量を加算した軸対称面の表現式を算出し、
   前記軸対称面の表現式と前記非軸対称面の表現式とに基づいて前記成形型の前記複数の光学転写面の加工を各光学転写面単位で行う成形型の製造方法。
6. 前記テスト加工は、前記成形型の材料とは異なる材料に対して行われる、請求項５に記載の成形型の製造方法。
7. 前記成形型は、前記複数の光学転写面として、前記軸対称面の表現式の設計値が異なる複数種類の光学転写面を有し、
   前記軸対称面の表現式は、前記複数種類の光学転写面に対応する複数種類の設計値に対して前記テスト加工で得た複数の修正量をそれぞれ加算したものである、請求項５及び６のいずれか一項に記載の成形型の製造方法。
8. 前記複数の光学転写面は、互いに平行な光軸を有し、前記複数の光学転写面は、前記光軸に平行な回転軸を有する工具によって加工する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の成形型の製造方法。
9. 前記非軸対称面の表現式は、自由曲面式であり、前記軸対称面は、非球面式である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の成形型の製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の成形型の製造方法によって得た成形型を用いて成形を行う工程を有するレンズアレイの製造方法。

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