(57)【要約】【課題】光学素子形状を滑らかに設計することで光学素子成形用金型の駒数を削減し、金型コストを低減する。【解決手段】光学素子の光学機能面１０は、光学有効内形状を有する光学有効領域１１の周囲に、光学有効内形状をその光学曲線に沿って延長した外周領域１２と、外周領域１２に対して図１の（ｂ）に示すように直接、あるいは同図の（ｃ）に示すように接線部１３ａを介して接する円弧状あるいはこれに近似する２次曲線状に延在する外縁領域１３を有し、端縁１０ｎにおける接線は光軸に垂直になるように設計される。このように光学機能面１０全体を滑らかな形状に設計すれば、金型の主要駒を一体製作することができる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学曲線によって表わされる光学有効内形状を有する光学有効領域と、前記光学有効内形状を前記光学曲線に沿って延長した延長形状部と、前記延長形状部に接する接線部および前記接線部に接する２次曲線または前記延長形状部に直接接する２次曲線によって表わされる光学有効外形状を有する外縁領域とを備えた光学機能面を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
接線部および前記接線部に接する円弧または延長形状部に直接接する円弧によって表わされる光学有効外形状を有する外縁領域を備えたことを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
それぞれ光学曲線によって表わされる光学有効内形状を有する少なくとも２つの光学有効領域と、各光学有効領域の前記光学有効内形状を前記光学曲線に沿って延長した延長形状部と、前記２つの光学有効領域のそれぞれの前記延長形状部に接線部を介してまたは直接接する互いに逆向きの２つの円弧を含む曲線によって表わされる中間形状部とを備えた光学機能面を有することを特徴とする光学素子。
【請求項４】
それぞれ光学曲線によって表わされる光学有効内形状を有する少なくとも２つの光学有効領域と、各光学有効領域の前記光学有効内形状を前記光学曲線に沿って延長した延長形状部と、前記２つの光学有効領域のそれぞれの前記延長形状部に接する接線部および前記接線部に接する２次曲線または前記延長形状部に直接接する２次曲線によって表わされる光学有効外形状部と、前記２つの光学有効領域のそれぞれの前記光学有効外形状部または前記延長形状部に接する互いに逆向きの２つの円弧を含む曲線によって表わされる中間形状部とを備えた光学機能面を有することを特徴とする光学素子。
【請求項５】
光学曲線によって表わされる光学有効内形状を有する光学有効領域と、前記光学有効内形状を前記光学曲線に沿って延長した延長形状部と、前記延長形状部に接する接線部および前記接線部に接する２次曲線または前記延長形状部に直接接する２次曲線によって表わされる光学有効外形状を有する外縁領域とを備えた成形面を有することを特徴とする光学素子成形用金型。
【請求項６】
接線部および前記接線部に接する円弧または延長形状部に直接接する円弧によって表わされる光学有効外形状を有する外縁領域を備えた成形面を有することを特徴とする請求項５記載の光学素子成形用金型。
【請求項７】
それぞれ光学曲線によって表わされる光学有効内形状を有する少なくとも２つの光学有効領域と、各光学有効領域の前記光学有効内形状を前記光学曲線に沿って延長した延長形状部と、前記２つの光学有効領域のそれぞれの前記延長形状部に接線部を介してまたは直接接する互いに逆向きの２つの円弧を含む曲線によって表わされる中間形状部とを備えた成形面を有することを特徴とする光学素子成形用金型。
【請求項８】
それぞれ光学曲線によって表わされる光学有効内形状を有する少なくとも２つの光学有効領域と、各光学有効領域の前記光学有効内形状を前記光学曲線に沿って延長した延長形状部と、前記２つの光学有効領域のそれぞれの前記延長形状部に接する接線部および前記接線部に接する２次曲線または前記延長形状部に直接接する２次曲線によって表わされる光学有効外形状部と、前記２つの光学有効領域のそれぞれの前記光学有効外形状部または前記延長形状部に接する互いに逆向きの２つの円弧を含む曲線によって表わされる中間形状部とを備えた成形面を有することを特徴とする光学素子成形用金型。
【請求項９】
請求項５ないし８いずれか１項記載の光学素子成形用金型を用いて光学素子の光学機能面を成形する工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば非球面もしくは非回転対称系の自由曲面のような複雑形状を有する光学機能面を、光学金型を用いたプレス成形あるいは射出成形等によって高精度でしかも安価に製作することを可能にする光学素子、光学素子成形用金型、および光学素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レンズ等光学素子の製造方法として、光学材料としてガラス素材を用いて、これを加熱軟化させ、光学金型によってモールド成形する生産性のよいガラスモールド法が広く実用化されている。
【０００３】
こうした光学素子の設計においては、製造上の条件を考慮し、必要とするレンズ面等の光学有効内形状に基づき、それを取り巻く周辺部の光学有効外形状を決定しなければならない。そして、その光学有効外形状は滑らかな方がレンズ等を製造する時のガラスモールド成形性が有利となる。
【０００４】
また、光学素子の光学有効領域の周辺の面に対してカッタが進入できるほど滑らかで段差がなければ、成形型の駒を段差部で分割する必要がなく、駒数を低減することができる。
【０００５】
このように光学素子の光学有効外形状を滑らかに設計することで、必要とする光学有効内形状の精度は向上し、かつ、駒製作の手番を短縮することができる。その結果、光学素子成形用金型および光学素子を高精度で安価に提供することができる。
【０００６】
こうした見解に基づいて、例えば、特開平７−１８７６９０号公報では、表裏２面に回転対称としての光学機能面を持った光学素子の製造を前提として、光学有効外形状を回転対称上に光学有効面と逆方向の曲率となる形状で延長するような金型形状が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら近年では、光学機能面に対して回転対称系の球面形状または非球面形状だけでなく、より複雑な非回転対称系の自由曲面形状を有する光学素子への需要が増しており、さらには、特開平８−２９２３７１号公報に開示されているように、隣り合う複数の自由曲面異形状からなる光学機能面で構成される光学素子も要求されている。このようにより複雑な光学機能面を有する光学素子においても、前述のような製造上の制約を考慮してその光学有効領域の外側の形状設計を行わなければならない。
【０００８】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、光学素子の光学有効内形状から端縁まで、あるいは隣接する光学有効領域まで滑らかに延長する光学有効外形状や中間形状部を有する光学素子形状を実現することで、光学素子の製造のための金型コストを低減し、かつ光学素子の光学機能面の形状精度等を大幅に向上できる光学素子、光学素子成形用金型、および光学素子の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光学素子および光学素子成形用金型は、光学曲線によって表わされる光学有効内形状を有する光学有効領域と、前記光学有効内形状を前記光学曲線に沿って延長した延長形状部と、前記延長形状部に接する接線部および前記接線部に接する２次曲線または前記延長形状部に直接接する２次曲線によって表わされる光学有効外形状を有する外縁領域とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
接線部および前記接線部に接する円弧または延長形状部に直接接する円弧によって表わされる光学有効外形状を有する外縁領域を備えたものでもよい。
【００１１】
また、それぞれ光学曲線によって表わされる光学有効内形状を有する少なくとも２つの光学有効領域と、各光学有効領域の前記光学有効内形状を前記光学曲線に沿って延長した延長形状部と、前記２つの光学有効領域のそれぞれの前記延長形状部に接線部を介してまたは直接接する互いに逆向きの２つの円弧を含む曲線によって表わされる中間形状部とを備えたものでもよい。
【００１２】
また、それぞれ光学曲線によって表わされる光学有効内形状を有する少なくとも２つの光学有効領域と、各光学有効領域の前記光学有効内形状を前記光学曲線に沿って延長した延長形状部と、前記２つの光学有効領域のそれぞれの前記延長形状部に接する接線部および前記接線部に接する２次曲線または前記延長形状部に直接接する２次曲線によって表わされる光学有効外形状部と、前記２つの光学有効領域のそれぞれの前記光学有効外形状部または前記延長形状部に接する互いに逆向きの２つの円弧を含む曲線によって表わされる中間形状部とを備えたものでもよい。
【００１３】
本発明の光学素子の製造方法は、上記の光学素子成形用金型を用いて光学素子の光学機能面を成形する工程を有することを特徴とする。
【００１４】
【作用】
光学素子の光学有効領域の外側に、光学有効内形状の光学曲線をそのまま延長した延長形状部を設け、これに直接、あるいは接線部を介して接する円弧またはそれ以外の２次曲線によって表わされる光学有効外形状を有する外縁領域を設けることで、光学機能面の中央から外縁までを滑らかな曲面によって構成する。
【００１５】
また、複数の光学有効領域を有する光学素子においては、隣接する２つの光学有効領域間に、前記光学曲線による延長形状部または接線部あるいは２次曲線によって表わされる２つの光学有効外形状部に接する互いに逆向きの２つの円弧を含む曲線によって表わされる中間形状部を設ける。
【００１６】
このように光学有効内形状から滑らかに光学有効外形状部または中間形状部等に移行する光学機能面を設計することで、光学素子の製造における金型コストを低減し、かつ、光学素子の形状精度を大幅に改善することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は第１の実施の形態による光学素子形状を示すもので、同図の（ａ）は、ガラスモールドでの割れや欠けを防ぐと同時に、金型の成形面（光学形状部）を形成する駒の一体製作を行うため、光学素子の端部で鋭角となるエッジ部を作らず、かつなるべく大きな工具径が進入できかつ滑らかな形状となるように、光学曲線で表わされる光学有効内形状の延長形状部からそのまま、または接線部を介して円弧もしくはそれに近い２次曲線で延長した光学有効外形状を設計した光学素子の光学機能面１０を示す模式平面図である。
【００１９】
この光学素子をモールド成形するための光学素子成形用金型の成形面は、図１の（ａ）に示す光学機能面１０の逆形状を有する。円弧式や２次式による曲線形状はその性質上、線上のどの点においても均一で最大となる局所半径を持ち、かつ光学有効領域と反対側の駒の端部で水平形状となるような最も滑らかな形状を実現できる。
【００２０】
図１の光学機能面１０は、以下の数式（１）で表わされる曲線状の光学有効内形状を断面形状とする光学有効領域１１を、同図の（ｂ）に示すように延長形状部である外周領域１２までそのまま延長し、外周領域１２から直接、あるいは同図の（ｃ）に示すように、外周領域１２に接する数式（２）で表わされる接線で延長した接線部１３ａを介して、数式（１）または数式（２）に接する２次式である数式（３）もしくは円弧式である数式（４）で延長した光学有効外形状を有する外縁領域１３を備えている。
【００２１】
数式（１）・・・光学有効内形状の数式：ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）、もしくはｚ＝ｆ（ｒ）
数式（２）・・・接線（１次式）：ｚ＝ｇ１（ｘ，ｙｏ）＝Ａｘ＋Ｂ　、もしくはｚ＝ｇ１（ｒ）
数式（３）・・・２次式：ｚ＝ｇ２（ｘ，ｙｏ）＝Ａｘ２　＋Ｂｘ＋Ｃ、もしくはｚ＝ｇ２（ｒ）
数式（４）・・・円弧式：ｚ＝ｇｒ（ｘｏ，ｙ）
＝√（Ｒ２　−（ｙ−Ｙｃ）２　）−Ｚｃ、もしくはｚ＝ｇｒ（ｒ）
接点１０ａの座標：（ｘ１，ｙｏ）、もしくは（ｒ１）
接点１０ｂの座標：（ｘ２，ｙｏ）、もしくは（ｒ２）
端縁１０ｎの座標：（ｘｎ，ｙｏ）、もしくは（ｒｎ）
【００２２】
そして、図１の（ｃ）における外縁領域１３の接線の数式（２）の２つの係数は、接点１０ａ（ｒ１）に関してＣ１級で連続となる以下の関係により光学有効内形状の数式（１）から解くことができる。
【００２３】
・ｇ１（ｒ１）＝ｆ１（ｒ１）
・∂ｇ１（ｒ１）／∂ｒ＝∂ｆ１（ｒ１）／∂ｒ
【００２４】
また、２次式である数式（３）もしくは円弧式である数式（４）の３つの係数は、接点１０ｂ（ｒ２）に関してＣ１級で連続であること、さらには光学機能面１０の端縁１０ｎ（ｒｎ）に関して垂直となる以下の関係により解くことができる。
【００２５】
・ｇ２（ｒ２）＝ｆ（ｒ２）
・∂ｇ２（ｒ２）／∂ｒ＝∂ｆ（ｒ２）／∂ｒ
・∂ｇ２（ｒｎ）／∂ｒ＝０
【００２６】
図２は第２の実施の形態を示すもので、これは、光学素子の光学機能面３０が隣り合う２つの光学有効領域３１ａ、３１ｂを有する場合であり、２つの光学有効領域３１ａ、３１ｂの間に滑らかな中間形状部を設けて、ガラスモールドおよび金型の光学形状部（成形面）を形成する駒の一体化を行うため、互いに逆向きのアールとなる２つの円弧で補間した光学素子形状である。この光学素子をモールド成形するための光学素子成形用金型の成形面は、光学機能面３０の逆形状を有する。
【００２７】
図２の（ａ）は光学機能面３０を示す模式平面図、（ｂ）は（ａ）のＰ２　−Ｐ２　線に沿ってとった断面を示す。この光学機能面３０は、２つの光学有効領域３１ａ、３１ｂの光学有効内形状を表わす以下の数式（２１）、（２２）を延長形状部である外周領域３２ａ、３２ｂまでそれぞれそのままもしくはその接線もしくは２次式で延長し、さらにその数式に接する互いに逆向きのアールとなる２つの円弧α、βを含む曲線で表わされる中間形状部である中間領域３４を有する。中間領域３４の２つの円弧形状部３４ａ、３４ｂは数式（２３）、（２４）でそれぞれ表わされる。
【００２８】
数式（２１）・・・光学有効内形状の数式：ｚ＝ｆ１（ｘ、ｙ）
数式（２１）の端領域：Ｙ１
数式（２２）・・・光学有効内形状の数式：ｚ＝ｆ２（ｘ、ｙ）
数式（２２）の端領域：Ｙ２
数式（２３）・・・円弧α：ｚ＝ｇｒ１（ｘｏ，ｙ）
＝√（Ｒ１２　−（ｙ−Ｙｃ１）２　）−Ｚｃ１
数式（２４）・・・円弧β：ｚ＝ｇｒ２（ｘｏ，ｙ）
＝√（Ｒ２２　−（ｙ−Ｙｃ２）２　）−Ｚｃ２
円弧αの円の中心点：Ｒａ（Ｙｃ１、Ｚｃ１）
円弧βの円の中心点：Ｒｂ（Ｙｃ２、Ｚｃ２）
円弧αの円の半径：Ｒ１
円弧βの円の半径：Ｒ２
【００２９】
上記２つの円弧α、βの数式（６つの係数）は、それぞれの領域端部の接点３０ｂ、３０ｃ、および２つの円弧形状部３４ａ、３４ｂ間の接点３０ｄにおいてＣ１級で連続、また互いの円弧間の中心距離がそれぞれの半径の和に等しいこと、そして、それぞれの半径が等しいという条件のもとに、以下の関係により解くことができる。
【００３０】
・ｆ１（ｘｏ，ｙ１）＝ｇｒ１（ｘｏ，ｙ１）
・∂ｆ１（ｘｏ，ｙ１）／∂ｙ＝∂ｇｒ１（ｘｏ，ｙ１）／∂ｙ
・ｆ２（ｘｏ，ｙ２）＝ｇｒ２（ｘｏ，ｙ２）
・∂ｆ２（ｘｏ，ｙ２）／∂ｙ＝∂ｇｒ２（ｘｏ，ｙ２）／∂ｙ
・（Ｙｃ１−Ｙｃ２）２　＋（Ｚｃ１−Ｚｃ２）２　＝（Ｒ１＋Ｒ２）２　
・Ｒ１＝Ｒ２
【００３１】
ただし、このとき最後の条件（Ｒ１＝Ｒ２）については必要に応じてどちらか片方（Ｒ１またはＲ２）の半径を意図した固定の値に置き換えるとしてもよい。
【００３２】
図３は、光学有効内形状が与えられてからの光学素子とその成形用金型の曲面形状部について設計フローを示す図である。
【００３３】
ステップＳＴ０において、複数の光学有効内形状の数式（光学曲線）とそれらの光学有効領域が与えられる。
【００３４】
ステップＳＴ１では、光学有効内形状の数式を光学有効領域からある任意の幅だけ延長させる。この延長幅は最低でも製作上の誤差余裕代の分だけとればよい。
【００３５】
ステップＳＴ２では、光学有効内形状の数式を素子の端縁に向かう断面方向に接線で延長し、その接線に接する２次式もしくは円弧式で延長することで、素子の端縁が９０°以上の鈍角形状になるような設計を行う。ただしこのときの接線は挿入してもしなくてもよい。これらの数式については図１に基づいて説明したとおりである。
【００３６】
ステップＳＴ３では、ステップＳＴ２まで作成された複数の光学有効領域を包含する数式間を互いに逆向きのアールとなる２つの円弧で補間する。これらの数式については図２に基づいて説明したとおりである。
【００３７】
ステップＳＴ４で、光学素子形状を形成する。
【００３８】
図４および図５は、第３の実施の形態を示すもので、この光学機能面４０は、図５に示すように、全部で５面の光学有効領域４１ａ〜４１ｅからなり、成形用金型の製作においては上面の光学有効領域４１ｄ、４１ｅからなる成形面を有する上型と、下面の光学有効領域４１ａ、４１ｂ、４１ｃを有する下型に分割される。
【００３９】
図４はその下面について、図３の設計フローに従って作成された曲面形状の数式上の領域構成を示す。
【００４０】
ステップＳＴ１において、各光学有効領域４１ａ〜４１ｃの光学有効内形状を表わす数式を外周領域４２ａ〜４２ｃまで延長したのちに、ステップＳＴ２において素子の端縁に向かう断面方向に２次式で外縁領域４３ａ〜４３ｃまで延長し、さらにステップＳＴ３において、中間領域４４ａ、４４ｂをそれぞれ、互いに逆向きのアールとなる２つの円弧からなる曲線で表わされる中間形状部とした。
【００４１】
図５の（ｂ）はこの手法で設計した光学素子形状を示すもので、上型の光学有効領域４１ｄ、４１ｅを中間領域４４ｃで補間し、下型の光学有効領域４１ａ、〜４１ｃの間を中間領域４４ａ、４４ｂで補間した。
【００４２】
このようにして、複数の光学有効領域を有する光学機能面を、鋭角となるようなエッジのない滑らかな形状に設計することができる。例えば、成形用金型の曲面部の最小部分局所半径を１．５ｍｍ以下にして、曲面加工用の実用的なカッタ径の工具を用いて製作することを可能にするとともに、ガラスモールド工法による成形時のガラスの欠けや割れ等のトラブルを防ぐことができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００４４】
多面異形状の光学機能面を有する光学素子の製造において、例えばガラスモールド工法等のモールド成形に用いる金型の曲面形状を滑らかにすることで、駒数を削減し、金型コストを低減できる。
【００４５】
また、モールド成形される光学素子の光学有効領域の形状精度を向上させ、光学素子の高性能化と低価格化に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による光学機能面を示すもので、（ａ）はその模式平面図、（ｂ）は（ａ）のＰ１　−Ｐ１　線に沿ってとった断面を示す図、（ｃ）は一変形例による光学機能面の断面を示す図である。
【図２】第２の実施の形態による光学機能面を示すもので、（ａ）はその模式平面図、（ｂ）は（ａ）のＰ２　−Ｐ２　線に沿ってとった断面を示す図である。
【図３】光学素子形状の設計フローを示すフローチャートである。
【図４】第３の実施の形態による光学機能面を示す模式平面図である。
【図５】第３の実施の形態による光学素子形状を示すもので、（ａ）は上下の光学有効領域のみを示す図、（ｂ）は（ａ）の光学有効領域を中間領域によって補間した形状を示す図である。
【符号の説明】
１０、３０、４０　　光学機能面
１１、３１ａ、３１ｂ、４１ａ〜４１ｅ　　光学有効領域
１２、３２ａ、３２ｂ、４２ａ〜４２ｃ　　外周領域
１３、４３ａ〜４３ｃ　　外縁領域
１３ａ　　接線部
３４、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ　　中間領域
【図１】
2004102193.tif 000003
【図２】
2004102193.tif 000004
【図３】
2004102193.tif 000005
【図４】
2004102193.tif 000006
【図５】
2004102193.tif 000007