JPH10101346A - ガラスプリフォーム、及びそれを用いた光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単かつ高精度にガラスプリフォームと成形
金型の位置合わせを行うことができるガラスプリフォー
ムを提供する。 【解決手段】 ガラスプリフォームを加熱軟化させた
後、軟化状態のまま成形して光学機能面を得る光学素子
の製造方法において使用されるガラスプリフォームにお
いて、端部にテーパ部１３を有している。このテーパ部
１３を下胴型２０に形成されたテーパ形状のガラスプリ
フォーム保持部２２と係合させて、位置決めを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、レンズ，プリズム
等光学機能面を有する光学素子の製造方法に関し、詳し
くは、所定の形状を有するガラスプリフォームを加熱軟
化させた後、軟化状態のまま成形して光学機能面を得る
光学素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、カメラの撮影光学系や、複写機や
プリンタの露光光学系として使用される光学系に対し
て、非球面レンズや非球面ミラー等、非球面形状の光学
機能面を有する光学素子が多用されるようになってい
る。光学系に非球面形状を有する光学素子を使用する
と、光学系の収差補正の自由度を増加させることができ
るため光学性能の向上が図れるとともに、光学系を構成
する光学素子の使用枚数を削減できるため光学系の小型
化や軽量化が図れる。したがって、非球面形状を有する
光学素子の利用は、将来ますます増加することが予想さ
れている。

【０００３】このような非球面を有する光学素子の製造
方法として、ガラスプリフォームを加熱軟化させた後、
軟化状態のまま成形して光学機能面を得る光学素子の製
造方法（以下、リヒートプレス法と記す）、が提案され
ている。近年では、リヒートプレス法を用いたレンズ成
形の自動化ラインも提案されており、レンズの低コスト
化に寄与している。

【０００４】ところで、上記リヒートプレス法を用い
て、高精度の非球面光学素子、特に両面とも非球面形状
を有する両非球面レンズや非軸対称レンズを成形しよう
とする場合、成形金型の形状に対して、ガラスプリフォ
ームの位置を正確に一致させることが要求されている。
これは、成形金型の位置に対してガラスプリフォームの
位置が正確に配置されていない場合、ガラスプリフォー
ムに対して成形時に加わる圧力が不均一にかかり、成形
されるレンズの偏心や面形状に悪影響を及ぼすことがあ
るからである。このような事情から、ガラスプリフォー
ムを成形金型の位置に対して正確に位置決めする方法
が、従来より提案されている。例えば、特開平5-97448
号公報には、ガラスプリフォームと成形金型の光軸中心
位置を一致させるために、高精度に加工された複数の位
置決め部材を用いる方法が提案されている。この公報に
記載されている技術によれば、位置決め部材により自動
的に金型の中心とガラスプリフォームの中心とを一致さ
せることができるとしている。

【０００５】また、公知技術としては、成形金型の光軸
中心位置とガラスプリフォームの光軸中心位置とをレー
ザ光源や集光レンズ等を用いて光学的に検出し、検出さ
れた位置ズレを補正部材によって補正する技術も提案さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
公報記載の技術では、高精度の位置決め部材が必要であ
り、これらの位置決め部材の加工費用が非常に高価であ
るという問題があった。また、このように機械精度で位
置決めを行う場合、各部材間の位置決め公差が極めて厳
しくなる。すなわち、ガラスプリフォームと成形金型と
の形状誤差において、許容される許容幅が小さくなると
いう問題もあった。形状誤差の許容幅が小さくなると、
ガラスプリフォーム及び成形金型の加工コストの増大を
招くばかりでなく、特に自動化ラインではガラスプリフ
ォームとガラスプリフォームを保持する保持部との遊び
が小さくなり、ガラスプリフォームを損傷させていまう
こともあった。

【０００７】また、後者の光学的な検出を行う技術で
は、装置自身が複雑になるとともに、検出から補正まで
に時間がかかるため、自動化ラインに対応できないとい
う問題もあった。

【０００８】本発明は、上記課題に鑑み、簡単かつ高精
度にガラスプリフォームと成形金型の位置合わせを行う
ことができるガラスプリフォームを提供するとともに、
このガラスプリフォームを用いた光学素子の製造方法を
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るガラスプリフォームは、ガラスプリフ
ォームを加熱軟化させた後、軟化状態のまま成形して光
学機能面を得る光学素子の製造方法において使用される
ガラスプリフォームであって、端部にテーパ面を有する
ことを特徴とする。

【００１０】このガラスプリフォームのテーパ部は、研
磨によって形成しても、溶融ガラスから直接形成しても
よい。また、このテーパ部とテーパ部に続く面との境界
部は面取りされている方が望ましい。

【００１１】また、本発明に係る光学素子の製造方法
は、ガラスプリフォームを加熱軟化させた後、軟化状態
のまま成形して光学機能面を得る光学素子の製造方法に
おいて、ガラスプリフォームに設けられたテーパ部と、
成形型に形成されたガラスプリフォーム保持部と、を係
合させることによって位置決めを行う工程を含むことを
特徴とする。この成形型のガラスプリフォーム保持部の
形状は、テーパ形状あるいは凸面形状の曲面形状が望ま
しい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態を説明する。 ［ガラスプリフォーム］図１は、実施形態のガラスプリ
フォームの断面形状を表す断面図である。実施形態のガ
ラスプリフォーム１は、概略、円筒の平行平板形状をな
し、リヒートプレス法による光学素子の製造に使用され
るガラスプリフォームである。このガラスプリフォーム
１は、成形後のレンズにおいて光線が透過する部分に相
当する両面に形成された有効径部分１１と、上面の有効
径部分１１の外周部分に相当する外縁部１２と、側面に
対して所定の角度θをなして形成されたテーパ部１３
と、を有している。有効径部分１１は研磨面で、他の部
分は研削面である。

【００１３】図２及び図３は、実施形態のガラスプリフ
ォーム１を用いて、リヒートプレス法によりレンズを成
形するための製造装置の成形部分の概略構成を示す模式
図である。図２あるいは図3において、この成形部分
は、概略、下胴型２０、下金型２、上側胴型３０、上金
型３等から構成されている。

【００１４】下胴型２０は、内部に下金型２を固定し、
下金型２の成形するレンズ面に対応する鏡面部分２１を
上方に向けて保持している。また、下胴型２０の上部に
形成された開口の内径部には、テーパ形状に形成された
ガラスプリフォーム保持部２２が形成されており、図３
のようにガラスプリフォーム１側に形成されたテーパ部
１３と係合し、ガラスプリフォーム１を保持するように
なっている。ガラスプリフォーム保持部２２についての
詳細は後述する。上側胴型３０は、内部に上金型３を固
定し、上金型３の成形するレンズ面に対応する鏡面部分
３１を下方に向けて保持している。

【００１５】上記構成を有する製造装置の成形部分にを
用いて光学素子を製造する場合、ガラスプリフォーム１
を下胴型２０のガラスプリフォーム保持部２２に載置
し、図示しない加熱手段を用いて下金型２及び上金型３
を加熱し、所定の温度で下金型２と上金型３にてガラス
プリフォーム１を加圧成形する。この状態で所定時間保
持すると、ガラスプリフォーム１は下金型２と上金型３
の間で軟化されて、下金型２と上金型３の面形状が転写
され、所定の条件で冷却後、所望の光学素子を得る。

【００１６】ところで、本実施形態では、ガラスプリフ
ォーム１を下胴型２０のガラスプリフォーム保持部２２
に載置するとき、ガラスプリフォーム１のテーパ部１３
と、ガラスプリフォーム保持部２２のテーパ面とを係合
させて、ガラスプリフォーム１の下金型２に対する位置
を合わせている。

【００１７】通常、下胴型２０と下金型２とは、高精度
加工により極めて高精度に研削加工されている。特に、
下胴型２０の内径と下金型２の外径とは、下金型２の位
置を決定する必要があるために、高精度加工にて互いの
径中心を一致させて形成されている。この高精度加工を
行う際に、下胴型２０の内径と中心を一致させたガラス
プリフォーム保持部２２を同時に加工すれば、下胴型２
０とガラスプリフォーム保持部２２をなすテーパ部の中
心を一致させた下胴型２０を得ることができる。このよ
うにして加工されたガラスプリフォーム保持部２２に、
ガラスプリフォーム１に設けられたテーパ部１３を係合
させれば、極めて高精度にガラスプリフォーム１の下金
型２に対するアライメントを簡単に行うことが可能とな
る。

【００１８】図４は、ガラスプリフォーム保持部２２に
ガラスプリフォーム１が保持されている状態を拡大した
拡大断面図である。図４は、ガラスプリフォーム１のテ
ーパ部13の中心軸に対する角θが略４５°の場合を図示
している。このようにテーパ部１３の中心軸に対する角
θは、3°以上４５°以下であることが望ましい。角θ
が４５°より大きくなると、ガラスプリフォーム１の外
径が鋭角に尖ってしまい、成形の際にガラスプリフォー
ム１の一部が損傷する「かけ」が発生やすくなり好まし
くない。また、角θの値が大きくなると、上側面の外縁
部１２の面積が大きくなってしまうのでガラスプリフォ
ームが実際のレンズに使用される体積よりはるかに大き
くなってしまう。逆に、角θが３°より小さいと、テー
パ部の係合による位置決めの効果がほとんど期待できな
い。なお、実際の材料取りを考慮すると、テーパ部１３
の中心軸に対する角θは、3°以上２０°以下であると
さらによい。

【００１９】また、ガラスプリフォーム１のテーパ部１
３と、下胴型２０のガラスプリフォーム保持部２２と
は、完全に面接触している必要はない。すなわち、テー
パ部１３の側面に対する傾き角θと、ガラスプリフォー
ム保持部２２の傾きとは完全一致していなくてもよい。
テーパ部１３とガラスプリフォーム保持部２２とは、線
接触でいずれかの部分が互いに接触していれば、十分に
位置決めの機能を達成することができる。

【００２０】また、ガラスプリフォーム１のテーパ部１
３とそれに続く上面側の外縁部１２との境界部分１３０
は、面取りされていることが望ましい。このテーパ部１
３とそれに続く上面側の外縁部１２との境界部分１３０
は鋭角に尖っているため、そのままリヒートプレス法で
成形すると、「かけ」を生じ易い。したがって、この境
界部分を0.5ｍｍから2.0ｍｍ程度面取りしておくことに
より、成形の際に発生する「かけ」を防止することがで
きる。

【００２１】図５は、下胴型２０に設けられた変形例の
ガラスプリフォーム保持部２２０付近を図示した拡大断
面図である。変形例のガラスプリフォーム保持部２２０
は、テーパ状の斜面に代わりに凸面形状の曲面からな
る。このように、凸面形状の曲面であっても、ガラスプ
リフォーム１側のテーパ部１３と線接触していれば、ガ
ラスプリフォーム１の下胴型２０に対する位置決めを行
う事ができるため、同様の効果を達成することができ
る。

【００２２】［ガラスプリフォームの製造方法］次に、
テーパ部１３を有するガラスプリフォーム１の製造方法
を説明する。ガラスプリフォームの製造方法は大きく、
研磨によるもの（研磨プリフォーム）と、溶融ガラスか
ら直接プレスにより形成されるもの（ゴブプリフォー
ム）とが知られている。

【００２３】研磨プリフォーム 以下、ガラスプリフォームを研削加工と研磨加工にて形
成する研磨プリフォームの製造方法について説明する。
研磨プリフォームでは、始めに、円筒状に形成されたガ
ラス材料の棒材を所定の厚さにカットし、概略形状を形
成する。この形状は、平板形状、両凸形状、両凹形状、
メニスカス形状等、成形する光学素子の大きさに応じて
設定すればよい。

【００２４】次に、有効径部の両面を鏡面研磨した後、
有効径部の中心を検出し中心に対して同心円状にテーパ
部１３を研削加工する。研削加工が終了すると、各面を
接続する境界部分を面取りし、研磨プリフォームが完成
する。完成した研磨プリフォームは、図７の回収装置に
て矢印方向に真空吸着された上、自動搬送手段５にて下
胴型２０のガラスプリフォーム保持部２２に搬送され
る。

【００２５】研磨プリフォームは、所望の光学素子の形
状に併せて任意の形状に加工できるという長所がある。

【００２６】ゴブプリフォーム 次に、ガラスプリフォームを溶融ガラスから直接成形す
るゴブプリフォームの製造方法について説明する。図６
はゴブプリフォームの製造装置の概略構成図である。

【００２７】図６において、ゴブプリフォームの製造装
置は、概略、ガラス材料を溶融する炉１０１と、溶融ガ
ラスを滴下するノズル１０２と、滴下した溶融ガラスを
外径を規制しながら冷却する外径規制部材１０３と、か
ら構成されている。

【００２８】炉１０１内に所定温度で保持された溶融ガ
ラスは、ノズル１０２から自然落下にて滴下され、下方
に配置された外径規制部材１０３に滞留する。外径規制
部材１０３は、内径がテーパ部１３の形状に対応するリ
ング状の規制部１０４を備えており、この規制部の内径
に沿って溶融ガラスが滞留されて、テーパ部１３の形状
が形成される。

【００２９】溶融ガラスが所定の数滴分滞留されると、
図示しない移動機構にてノズル１０２の下方から退避し
冷却される。外径規制部材１０３が退避した後は、さら
に別の外径規制部材１０３を挿入し、さらにゴブプリフ
ォームの形成を続けて行う。冷却されたゴブプリフォー
ムは、図７の回収装置にて矢印方向に真空吸着された
上、自動搬送手段５にて下胴型２０のガラスプリフォー
ム保持部２２に搬送される。

【００３０】以上の工程を経て、完成したゴブプリフォ
ームは、外径規制部材１０３の規制部１０４の形状に対
応したテーパ部が形成されている。したがって、例えば
図２あるいは図3に示した製造装置に搬送すれば、簡単
にガラスプリフォームの下金型２にアライメントを行う
事ができる。なお、図６の装置で製造されたゴブプリフ
ォームは、上面が加工されていないため、必要であれば
さらに上面の研削加工工程、さらに研磨加工工程を加え
てもよい。

【００３１】

【実施例】次に、上記実施形態に基く数値実施例を示
す。 ［実施例１］実施例１は、研磨プリフォームを用いて、
両凹形状の非球面レンズを成形する例である。はじめ
に、上述した研磨プリフォームの製造方法に従って、厚
さ６ｍｍの平行平板形状の研磨プリフォームを形成し
た。テーパ部１３は、中心軸に対する角θが３０°で、
1.7mmにわたって研削加工して形成されている。また、
このガラスプリフォーム１は、面取り加工により境界部
分１３０を形成して、「かけ」を防止している。

【００３２】一方、下胴型２０のガラスプリフォーム１
は、開口の内径部を中心軸に対して４５°となるように
幅２ｍｍ、深さ２ｍｍに面取り加工してガラスプリフォ
ーム保持部２２を形成している。

【００３３】この研磨プリフォームを図７の自動搬送手
段５にて、下胴型２０のガラスプリフォーム保持部２２
の上方まで真空吸着で搬送した。ここで、真空吸着を解
除したところ、ガラスプリフォーム１は下胴型２０上に
載置され、ガラスプリフォーム１のテーパ部１３とガラ
スプリフォーム保持部２２とが係合し、ガラスプリフォ
ームのアライメントが簡単に終了した。

【００３４】この状態で、上胴型３０を降下させリヒー
トプレス法によるガラス成形を行ったところ、両面とも
近軸曲率５５ｍｍ、直径３０ｍｍ、心厚３ｍｍの両非球
面レンズを得ることができた。

【００３５】同様の工程にて数ショットを繰り返し、成
形されたレンズを評価したところ、表面には、金型形状
が確実に転写されており、反射波面精度でλ／４以上の
光学性能を有し、平行偏心や傾き偏心のないレンズであ
った。

【００３６】さらに、同様の工程を１０００ショット以
上繰り返した後、成形レンズを再評価したところ、0.02
μｍを超える平行偏心の発生率は1.5％以下に押さえら
れており、上金型、下金型とも損傷は認められなかっ
た。

【００３７】［実施例２］実施例２は、ゴブプリフォー
ムを用いて、両凹形状の非球面レンズを成形する例であ
る。はじめに、上述したゴブプリフォームの製造方法に
従って、ゴブプリフォームを形成した。図６の外径規制
部材１０３は、開口部の直径５０ｍｍ、底面からの高さ
８ｍｍ、テーパ部の中心軸とのなす角5°のものを使用
した。この結果、直径４０ｍｍ、心厚８ｍｍで、端部に
５°のテーパ部を有するゴブプリフォームを得た。

【００３８】このゴブプリフォームを図７の自動搬送手
段５にて、実施例１と同一形状の下胴型２０のガラスプ
リフォーム保持部２２の上方まで真空吸着で搬送した。
ここで、真空吸着を解除したところ、ガラスプリフォー
ム１は下胴型２０上に載置され、ガラスプリフォーム１
のテーパ部１３とガラスプリフォーム保持部２２とが係
合し、ガラスプリフォームのアライメントが簡単に終了
した。

【００３９】この状態で、上胴型３０を降下させリヒー
トプレス法によるガラス成形を行ったところ、両面とも
近軸曲率上面１１０ｍｍ、下面１００ｍｍ、直径４０ｍ
ｍ、心厚５ｍｍの両非球面レンズを得ることができた。

【００４０】同様の工程にて数ショットを繰り返し、成
形されたレンズを評価したところ、表面には、金型形状
が確実に転写されており、反射波面精度でλ／４以上の
光学性能を有し、平行偏心や傾き偏心のないレンズであ
った。

【００４１】さらに、同様の工程を１２００ショット以
上繰り返した後、成形レンズを再評価したところ、0.02
μｍを超える平行偏心の発生率は2.5％以下に押さえら
れており、上金型、下金型とも損傷は認められなかっ
た。

【００４２】［比較例］比較のため、従来と同じ端部が
垂直に形成されている直径30ｍｍ、心厚１０ｍｍの平板
形状の研磨プリフォームを用いて、実施例１と同一の成
形装置で成形を行った。ただし、下胴型２０には、ガラ
スプリフォーム保持部２２を形成していないものを使用
し、位置決めを容易にするために、ガラスプリフォーム
保持部２２の径を1.2mm広くした。

【００４３】この条件にて、成形を行ったところ、１０
０ショットの時点で、プリフォームの位置決め不良を原
因とする0.03μｍ以上の平行偏心不良が１２％も発生し
た。

【００４４】また、ガラスプリフォームの「かけ」に起
因すると考えられる転写不良が全体の１０％発生した。
さらに、プリフォームが下胴型20及び上胴型３０に衝突
することによって発生するガラス粉が、下胴型２０及び
下金型２に蓄積する現象が確認された。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガラスプ
リフォームによれば、高精度の位置決め部材を必要とす
ることなく、ガラスプリフォームの位置決めを簡単に行
う事ができるため、装置を簡単に構成することができ、
自動化ラインに対応することが容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態のガラスプリフォームを表す断面図

【図２】実施形態の光学素子製造装置の成形部分の模式
図

【図３】実施形態の光学素子製造装置の成形部分の模式
図

【図４】実施形態のガラスプリフォーム保持部の拡大図

【図５】実施形態のガラスプリフォーム保持部の拡大図

【図６】実施形態のゴブプリフォームの製造装置の模式
図

【図７】実施形態のガラスプリフォーム自動搬送手段の
模式図

【符号の説明】

１：ガラスプリフォーム １３：テーパ部 ２２、２２０：ガラスプリフォーム保持部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラスプリフォームを加熱軟化させた
   後、軟化状態のまま成形して光学機能面を得る光学素子
   の製造方法において使用されるガラスプリフォームであ
   って、端部にテーパ面を有することを特徴とするガラス
   プリフォーム。
2. 【請求項２】 前記ガラスプリフォームのテーパ面は、
   研磨により加工されることを特徴とする請求項１記載の
   ガラスプリフォーム。
3. 【請求項３】 前記ガラスプリフォームのテーパ面と、
   該テーパ面に連続する面との境界部が面取りされている
   ことを特徴とする請求項１記載のガラスプリフォーム。
4. 【請求項４】 前記ガラスプリフォームのテーパ面は、
   溶融ガラス滴の外径をテーパ状の規制部材で規制した
   後、冷却して形成されていることを特徴とする請求項１
   記載のガラスプリフォーム。
5. 【請求項５】 ガラスプリフォームを加熱軟化させた
   後、軟化状態のまま成形して光学機能面を得る光学素子
   の製造方法において、前記ガラスプリフォームに設けら
   れたテーパ部と、成形型に形成されたガラスプリフォー
   ム保持部と、を係合させることによって位置決めを行う
   工程を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
6. 【請求項６】 前記ガラスプリフォーム保持部は、テー
   パ面を有することを特徴とする請求項５記載の光学素子
   の製造方法。
7. 【請求項７】 前記ガラスプリフォーム保持部は、凸面
   形状の曲面を有することを特徴とする請求項５記載の光
   学素子の製造方法。