(57)【要約】【課題】修正研磨の回数を削減しつつ精密な光学面成形面を作業効率よく、かつ、確実に得ることができる成形金型の加工方法、その加工方法を用いて製造された成形金型、及びその成形金型により成形された光学素子を提供すること。【解決手段】この成形金型の加工方法は、自由曲面の光学面に対応する成形金型１の光学面成形面２を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、それにより形成された切削痕５を打ち消すように切削痕よりも細かい研磨痕１３を光学面成形面２に形成する予備加工工程と、その後に、光学面成形面２の面形状を測定する測定工程と、得られた測定結果に基づく面形状と自由曲面との形状誤差のうち、２ｍｍ〜８ｍｍの波長域に相当する形状誤差成分を光学面成形面２から除去する仕上げ工程とを有する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子における特定面形状の光学面を成形するための成形金型の加工方法であって、
前記光学面に対応する該成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、
該創成工程によって前記光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように該切削痕よりも細かい加工痕を前記光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、
該予備加工工程後に、前記光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、
該測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と前記特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を前記光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有することを特徴とする成形金型の加工方法。
【請求項２】
前記測定工程が前記光学面成形面に測定プローブを接触させつつ走査させるならい動作によって行われることを特徴とする請求項１に記載の成形金型の加工方法。
【請求項３】
前記予備加工工程又は前記仕上げ工程のうち少なくともいずれか一方が砥粒を用いた研磨により行われることを特徴とする請求項１又は請求項２のうちいずれかに記載の成形金型の加工方法。
【請求項４】
前記研磨により前記光学面成形面に形成された複数の研磨痕が前記創成工程における切削方向及びその切削方向に直交する方向のいずれとも異なる方向に向かって延びていることを特徴とする請求項３に記載の成形金型の加工方法。
【請求項５】
前記研磨痕が、直線状又は円弧状であることを特徴とする請求項３又は請求項４のうちいずれかに記載の成形金型の加工方法。
【請求項６】
前記予備加工工程及び前記仕上げ工程がともに砥粒を用いた研磨により行われ、かつ、該予備加工工程における研磨工具と前記光学面成形面との前記切削方向に直交する方向での接触幅、及び、前記仕上げ工程における研磨工具と前記光学面成形面との前記切削方向に直交する方向での接触幅がともに前記切削方向に直交する方向での前記光学面成形面の幅よりも小さいことを特徴とする請求項３から請求項５のうちいずれか１項に記載の成形金型の加工方法。
【請求項７】
前記予備加工工程における研磨工具と前記光学面成形面との前記切削方向に直交する方向での接触幅が、前記仕上げ工程における研磨工具と前記光学面成形面との前記切削方向に直交する方向での接触幅以上であることを特徴とする請求項６に記載の成形金型の加工方法。
【請求項８】
光学素子における特定面形状の光学面を成形するための成形金型であって、
前記光学面に対応する該成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、
該創成工程によって前記光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように該切削痕よりも細かい加工痕を前記光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、
該予備加工工程後に、前記光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、
該測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と前記特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を前記光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有する加工方法を用いて製造されたことを特徴とする成形金型。
【請求項９】
前記予備加工工程又は前記仕上げ工程のうち少なくともいずれか一方が砥粒を用いた研磨により行われ、かつ、該研磨により前記光学面成形面に形成された複数の研磨痕が前記創成工程における切削方向及びその切削方向に直交する方向のいずれとも異なる方向に向かって延びていることを特徴とする請求項８に記載の成形金型。
【請求項１０】
前記複数の研磨痕が揃って一致する方向に延びるとともに隣接する該各研磨痕の間隔が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の成形金型。
【請求項１１】
前記各研磨痕の延びる方向と前記創成工程における切削方向とのなす角及び該各研磨痕の延びる方向と該切削方向に直交する方向とのなす角のいずれもが５°以上の角度であることを特徴とする請求項９又は請求項１０のうちいずれかに記載の成形金型。
【請求項１２】
前記研磨痕が、直線状又は円弧状であることを特徴とする請求項９から請求項１１のうちいずれか１項に記載の成形金型。
【請求項１３】
前記仕上げ工程後の前記光学面成形面の表面粗さがＲｙ値にて８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８から請求項１２のうちいずれか１項に記載の成形金型。
【請求項１４】
成形金型によって成形される特定面形状の光学面を有する光学素子であって、
前記光学面に対応する該成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、
該創成工程によって前記光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように該切削痕よりも細かい加工痕を前記光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、
該予備加工工程後に、前記光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、
該測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と前記特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を前記光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有する加工方法を用いて製造された成形金型によって成形されたことを特徴とする光学素子。
【請求項１５】
前記予備加工工程又は前記仕上げ工程のうち少なくともいずれか一方が砥粒を用いた研磨により行われ、かつ、該研磨により前記光学面成形面に形成された複数の研磨痕が前記創成工程における切削方向及びその切削方向に直交する方向のいずれとも異なる方向に向かって延びていることを特徴とする請求項１４に記載の光学素子。
【請求項１６】
前記複数の研磨痕が揃って一致する方向に延びるとともに隣接する該各研磨痕の間隔が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１５に記載の光学素子。
【請求項１７】
前記各研磨痕の延びる方向と前記創成工程における切削方向とのなす角及び該各研磨痕の延びる方向と該切削方向に直交する方向とのなす角のいずれもが５°以上の角度であることを特徴とする請求項１５又は請求項１６のうちいずれかに記載の光学素子。
【請求項１８】
前記研磨痕が、直線状又は円弧状であることを特徴とする請求項１５から請求項１７のうちいずれか１項に記載の成形金型。
【請求項１９】
前記仕上げ工程後の前記光学面成形面の表面粗さがＲｙ値にて８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１４から請求項１８のうちいずれか１項に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザプリンタのポリゴンスキャナ光学系等に用いられる走査用レンズ、プリズム、ミラー等の光学素子、その光学素子の光学面を成形するための成形金型、及びその成形金型の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンズ、プリズム等の光学素子には、光を入出射させるための光学面が形成されている。ミラー等の光学素子には、光を反射させるための光学面が形成されている。これらの光学面は、所望の光学特性を発揮すべく正確に光の入出射または反射を行わなければならず、そのため、光学面の形成は精密に行う必要がある。
【０００３】
例えば、レーザプリンタのポリゴンスキャナ光学系に用いられる走査用レンズにおいては走査に伴いレーザの入射スポット位置が移動するため、光学面にうねりがあると縦スジ等の画像不良の原因となってしまう。したがって、この走査用レンズ等の光学素子においてはその光学面からうねりを充分に排除し、精密な光学面とする必要がある。
【０００４】
近年では、このような光学素子の光学面は成形金型により形成される場合がある。この場合、光学素子の光学面のうねりを排除して精密な光学面とするためには、成形金型において光学面を成形する面（以下、光学面成形面という）のうねりを除去して精密な光学面成形面とする必要がある。
【０００５】
光学面成形面のうねりの除去は、粗加工として光学面成形面の表面形状の加工を行った後に光学面成形面の表面形状を測定して除去すべきうねり量やその波長を算出し、その算出されたうねりに基づいてさらに仕上げ加工を行うことがよく行われる。例えば、図２０に示すように、光学面成形面を切削して所望の形状創成を行い（Ｓ．１１）、接触プローブを用いてその光学面成形面の表面形状の測定を行い（Ｓ．１２）、小径の研磨工具を点接触させてかつその滞留時間制御を行うことにより表面形状の測定結果に基づきつつ光学面成形面の形状修正およびうねり除去を行い（Ｓ．１３）、再び接触プローブを用いてその光学面成形面の表面形状の測定を行って（Ｓ．１４）、面精度やうねりが目標精度を満足したか否かを判断し（Ｓ．１５）、満足していない場合に再び上記（Ｓ．１３）の工程と（Ｓ．１４）の工程とを繰り返すという方法が従来から行われている。
【０００６】
その従来の光学面成形面の研磨方法の一例として、うねりの波長よりも短い工具径を有する修正研磨工具を用いることによりうねりの山部を選択的に研磨して波長の短い二次うねりに変換した後に、その二次うねりの波長の２倍以上の工具径を有する主研磨工具を被研磨物に相対移動させて二次うねりが形成されている被研磨面（光学面成形面）を研磨する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００７】
また、被加工物の表面の加工前の形状を測定し、目標形状に対する誤差形状を求める誤差形状測定工程と、求められた誤差形状を高次多項式で近似する近似工程と、高次多項式で近似された近似曲面と誤差形状との差分である残差形状を研磨除去するために必要な、第１の研磨工具の被加工物の表面上の滞留時間分布を算出する滞留時間算出工程と、滞留時間分布を実現するように、第１の研磨工具を被加工物の表面に対して相対移動させ、研磨を行う第１の研磨工程と、第１の研磨工具よりも研磨面の大きい第２の研磨工具により、空間周波数で低域の誤差形状を修正研磨する第２の研磨工程とを具備する方法も提案されている（例えば、特許文献２）。
【０００８】
さらに、加圧機構と加工研磨ヘッドとをその重心で支持し、加工点における法線上に荷重測定器をレイアウトして加工点における法線方向と加圧機構による加圧方向とを一致させる法線制御を行う曲面研磨装置も提案されている（例えば、特許文献３）。
【０００９】
特許文献１に記載のものは、うねりの波長よりも長い接触幅で研磨工具を被研磨面に接触させ、研磨工具を回転させたり揺動させたりすることによって研磨工具を加振し、接触面内で被研磨面を平均化することによってうねりを除去するものである。　このものによれば、干渉計を用いて被研磨面の形状測定を行っているが、その形状がトーリック形状や自由曲面形状等の場合は、光プローブや触針プローブ等の測定プローブを被研磨面上でならい動作させて点座標を連続的に取得する手法が用いられる。
【００１０】
また、特許文献２、特許文献３に記載のものは、うねりの波長よりも短い接触幅で研磨工具を被研磨面に接触させ、研磨の滞留時間制御を行うことにより被研磨面のうねりを低減させるものである。
【００１１】
これらのものによれば、被研磨面の加工により生じたうねりを正確に測定し、その測定データに基づいてうねりを相殺するような除去加工（修正研磨）をさらに行うことによって被研磨面の面精度を向上させる。したがって、うねりの測定精度が光学面成形面の仕上げ精度に大きく影響する。
【００１２】
曲面形状の光学素子またはその金型を光学部品として使用可能な鏡面に仕上げる研磨工具として、被加工物を研磨加工する研磨工具の研磨工具部を、木材の粉砕された紛状部材と、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂のいずれかを主成分とする熱硬化性樹脂と、を混練して加熱圧縮した材料を素材として成形し、研磨工具部の材料を、木材の紛状部材の熱硬化性樹脂に対する比率が、重量比で１０％以上のものとしたものも提案されている（例えば、特許文献４）。
【００１３】
なお、光学面成形面形状が非球面形状、自由曲面形状である成形金型を製作する場合、金型材料として鉄鋼系材料の表面に無電解ニッケルメッキを施したものを用い、その金型材料をダイヤモンドバイトで切削するという製作方法がよく用いられる。
【００１４】
【特許文献１】
特開２０００−２６３３９１号公報
【特許文献２】
特開２００２−５２４５１号公報
【特許文献３】
特開平２−１３１８５１号公報
【特許文献４】
特開２００１−１３８１９６号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、被研磨面の加工により生じたうねりの測定においては以下のような問題がある。すなわち、ダイヤモンドバイトにより成形金型の光学面成形面を切削すると、ダイヤモンドバイトによる切削痕がその表面に形成されてしまい、また、その表面形状に方向性があることからこの光学面成形面が異方性を有するものとなる。
【００１６】
この切削痕を低減させるためには切削加工の加工幅間隔、いわゆる切削ピッチを小さくすることが考えられるが、切削ピッチを小さくすると所定面積の切削に要する繰り返し切削回数が増えてしまう。その結果、合計切削長さが長くなり、ひいては切削加工に要する時間が増大してしまって被研磨面の面精度に悪影響を与えてしまう。したがって、切削ピッチを充分に小さくすることが困難であり、測定対象としての被研磨面には異方性を有するうねりが残存してしまう。
【００１７】
このような異方性を有する被研磨面の表面のうねりを前述の測定プローブの走査により測定する場合、被研磨面の表面に残存する切削痕の曲がりや切削幅の変化によって測定プローブが不用意に上下に変位してしまう。その変位が切削ピッチよりも充分に長い波長のうねりとして、本来存在しないにもかかわらず測定データに混入することとなる。それにより、誤差を含んで実際の被研磨面形状とは異なってしまった測定データが得られてしまい、その測定データに基づいて行う修正研磨によって精密な光学面成形面を得るのが困難なものとなっている。より精密な光学面成形面を得るためには、それらの被研磨面測定と修正研磨とを繰り返し行う必要があるが、測定データが誤差を含んでいるので何回修正研磨を行えば所望の面精度が得られるかも不明確であり、作業が大変非効率なものとなってしまっている。
【００１８】
本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、修正研磨の回数を削減しつつ精密な光学面成形面を作業効率よく、かつ、確実に得ることができる成形金型の加工方法、その加工方法を用いて製造された成形金型、及びその成形金型により成形された光学素子を提供することを課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の成形金型の加工方法は、光学素子における特定面形状の光学面を成形するための成形金型の加工方法であって、光学面に対応する成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、創成工程によって光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように切削痕よりも細かい加工痕を光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、予備加工工程後に、光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有することを特徴とする成形金型の加工方法。
【００２０】
請求項２に記載の成形金型の加工方法は、請求項１に記載の成形金型の加工方法において、測定工程が光学面成形面に測定プローブを接触させつつ走査させるならい動作によって行われることを特徴とする。
【００２１】
請求項３に記載の成形金型の加工方法は、請求項１又は請求項２のうちいずれかに記載の成形金型の加工方法において、予備加工工程又は仕上げ工程のうち少なくともいずれか一方が砥粒を用いた研磨により行われることを特徴とする。
【００２２】
請求項４に記載の成形金型の加工方法は、請求項３に記載の成形金型の加工方法において、研磨により光学面成形面に形成された複数の研磨痕が創成工程における切削方向及びその切削方向に直交する方向のいずれとも異なる方向に向かって延びていることを特徴とする。
【００２３】
請求項５に記載の成形金型の加工方法は、請求項３又は請求項４のうちいずれかに記載の成形金型の加工方法において、研磨痕が、直線状又は円弧状であることを特徴とする。
【００２４】
請求項６に記載の成形金型の加工方法は、請求項３から請求項５のうちいずれか１項に記載の成形金型の加工方法において、予備加工工程及び仕上げ工程がともに砥粒を用いた研磨により行われ、かつ、予備加工工程における研磨工具と光学面成形面との切削方向に直交する方向での接触幅、及び、仕上げ工程における研磨工具と光学面成形面との切削方向に直交する方向での接触幅がともに切削方向に直交する方向での光学面成形面の幅よりも小さいことを特徴とする。
【００２５】
請求項７に記載の成形金型の加工方法は、請求項６に記載の成形金型の加工方法において、予備加工工程における研磨工具と光学面成形面との切削方向に直交する方向での接触幅が、仕上げ工程における研磨工具と光学面成形面との切削方向に直交する方向での接触幅以上であることを特徴とする。
【００２６】
請求項８に記載の成形金型は、光学素子における特定面形状の光学面を成形するための成形金型であって、光学面に対応する成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、創成工程によって光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように切削痕よりも細かい加工痕を光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、予備加工工程後に、光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有する加工方法を用いて製造されたことを特徴とする。
【００２７】
請求項９に記載の成形金型は、請求項８に記載の成形金型において、予備加工工程又は仕上げ工程のうち少なくともいずれか一方が砥粒を用いた研磨により行われ、かつ、研磨により光学面成形面に形成された複数の研磨痕が創成工程における切削方向及びその切削方向に直交する方向のいずれとも異なる方向に向かって延びていることを特徴とする。
【００２８】
請求項１０に記載の成形金型は、請求項９に記載の成形金型において、複数の研磨痕が揃って一致する方向に延びるとともに隣接する各研磨痕の間隔が１００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２９】
請求項１１に記載の成形金型は、請求項９又は請求項１０のうちいずれかに記載の成形金型において、各研磨痕の延びる方向と創成工程における切削方向とのなす角及び各研磨痕の延びる方向と切削方向に直交する方向とのなす角のいずれもが５°以上の角度であることを特徴とする。
【００３０】
請求項１２に記載の成形金型は、請求項９から請求項１１のうちいずれか１項に記載の成形金型において、研磨痕が、直線状又は円弧状であることを特徴とする。
【００３１】
請求項１３に記載の成形金型は、請求項８から請求項１２のうちいずれか１項に記載の成形金型において、仕上げ工程後の光学面成形面の表面粗さがＲｙ値にて８０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００３２】
請求項１４に記載の光学素子は、成形金型によって成形される特定面形状の光学面を有する光学素子であって、光学面に対応する成形金型の光学面成形面を所定の切削ピッチにて切削により創成する創成工程と、創成工程によって光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように切削痕よりも細かい加工痕を光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程と、予備加工工程後に、光学面成形面の面形状を測定する測定工程と、測定工程によって得られた測定結果に基づく面形状と特定面形状との形状誤差のうち、所定の波長域に相当する形状誤差成分を光学面成形面から除去する仕上げ工程とを有する加工方法を用いて製造された成形金型によって成形されたことを特徴とする。
【００３３】
請求項１５に記載の光学素子は、請求項１４に記載の光学素子において、予備加工工程又は仕上げ工程のうち少なくともいずれか一方が砥粒を用いた研磨により行われ、かつ、研磨により光学面成形面に形成された複数の研磨痕が創成工程における切削方向及びその切削方向に直交する方向のいずれとも異なる方向に向かって延びていることを特徴とする。
【００３４】
請求項１６に記載の光学素子は、請求項１５に記載の光学素子において、複数の研磨痕が揃って一致する方向に延びるとともに隣接する各研磨痕の間隔が１００μｍ以下であることを特徴とする。
【００３５】
請求項１７に記載の光学素子は、請求項１５又は請求項１６のうちいずれかに記載の光学素子において、各研磨痕の延びる方向と創成工程における切削方向とのなす角及び各研磨痕の延びる方向と切削方向に直交する方向とのなす角のいずれもが５°以上の角度であることを特徴とする。
【００３６】
請求項１８に記載の光学素子は、請求項１５から請求項１７のうちいずれか１項に記載の光学素子において、研磨痕が、直線状又は円弧状であることを特徴とする。
【００３７】
請求項１９に記載の光学素子は、請求項１４から請求項１８のうちいずれか１項に記載の光学素子におおいて、仕上げ工程後の光学面成形面の表面粗さがＲｙ値にて８０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る成形金型の加工方法について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態においては、レーザプリンタのポリゴンスキャナ光学系に用いられる光学素子としての走査用レンズの光学面を成形する成形金型の加工方法について説明する。その走査レンズの光学面は特定面形状として自由曲面を有している。
【００３９】
図１は、本発明の実施の形態に係る成形金型１（図２も参照）の加工方法を説明するフローチャートである。この図１は、成形金型１のうち光学面を成形する成形面としての光学面成形面２を加工する工程について説明している。この成形金型１は寸法が縦（図２中Ｙ方向）１０ｍｍ、横（図２中Ｘ方向）２００ｍｍの鉄鋼系材料で製作され、その光学面成形面２には無電解ニッケルメッキが施されている。光学面成形面２は、走査用レンズの光学面に対応してその特定面形状が自由曲面とされる。
【００４０】
図２に示すように、この光学面成形面２を例えばフライカット工法等によりダイヤモンドカッター３を用いて鏡面切削して、その形状創成を行う（創成工程（Ｓ．１））。ダイヤモンドカッター３には、図に示すようにその周囲部分に単結晶ダイヤモンドによって構成されるダイヤモンドバイト４が設けられていて、そのダイヤモンドバイト４によって光学面成形面２が切削される。このダイヤモンドカッター３の位置制御及び回転駆動を行う装置本体としては、直交３軸直動スライド機構を有してナノメートル単位での位置決めが可能な精密切削装置（図示せず）が用いられている。
【００４１】
ダイヤモンドカッター３の回転軸３ａを回転させ、ダイヤモンドバイト４を光学面成形面２に当接させつつそのＸ方向端部２ａから他端部２ｂに向けてその光学面成形面２に沿わせながら図中Ｘ方向へと移動させると、光学面成形面２上に帯状の切削痕５が形成される。この切削痕５は、ダイヤモンドバイト４の図中Ｙ方向での幅に相当する切削幅を有し、その切削幅は光学面成形面２のＹ方向での幅よりも小さい。したがって、このダイヤモンドバイト４で光学面成形面２全面の形状創成を行うには、端部２ａから多端部２ｂにかけての切削加工を、ダイヤモンドバイト４のＹ方向位置を所定間隔の切削ピッチ量（ピックフィード量）ずつ移動させて繰り返し行う。
【００４２】
図３は、この創成工程後の光学面成形面２の表面の一部を微分干渉顕微鏡で観察した様子を示したものである。図から明らかなように、光学面成形面２には切削方向としてのＸ方向に沿って切削痕５が所定の切削ピッチＳで複数本形成されている。この切削痕５を精密に観察すると、その切削痕５の１本１本が直線ではなく僅かに曲がりくねっていることがわかる。
【００４３】
精密切削装置によるＸＺ軸の同時２軸指令に基づく切削加工においては、切削対象面としての光学面成形面２のＹ軸方向での曲率が変化するとその切削痕５も曲がってしまうことになる。しかし、この図３における切削痕５の曲がり方は、光学成形面２のＹ軸方向での曲率の変化から想定される曲がり方に比べ、その曲がりの繰り返し波長が短く、また、ランダム性が強いものである。
【００４４】
図４に、この光学面成形面２を図１中切断面Ｐによって切断してその表面の切削痕５をＸ軸方向に沿って観察した様子を示す。各切削痕５は、切削深さが深い部分と浅い部分とが交互に重なりあって凹凸形状を呈している。隣接する切削痕５どうしの境界部分は切削深さが浅く山部５ａとなり、その山部５ａと山部５ａとを結ぶ切削深さの深い谷部５ｂに向けて裾野が広がるような形状となっている。
【００４５】
後述する光学面成形面２の面形状の測定を、例えば接触式の測定プローブ６を光学面成形面２に接触させつつ走査させるならい動作によりこの切削痕５が形成された状態で行うと、図５に示すように測定プローブ６が曲がりくねった切削痕５上を走査することになる。このとき、測定プローブ６の走査軌跡６ａ上に図６に示すように切削痕５の山部５ａがあると、測定プローブ６がその山部５ａを跨いで隣接する左右いずれかの谷部５ｂに落ち込んだりして、測定結果に本来存在しない形状誤差がＸ軸方向のうねりとして測定されてしまう場合がある。
【００４６】
このうねりとしての形状誤差は２ｍｍ〜８ｍｍの波長を有しているので、数１０μｍ単位のＹ軸方向の切削ピッチＳとはその波長が全く異なる。この形状誤差によってＸ軸方向にうねりがあるかのように誤認識されると、それによりその後の光学面成形面２の仕上げ加工の精度が充分に得られない。
【００４７】
そこで次に、この切削痕５を打ち消すように創成工程における切削痕５よりも細かい加工痕を光学面成形面２に形成するように予備加工を行う（予備加工工程（Ｓ．２））。この予備加工工程は、本来存在しないにもかかわらずあたかもうねりが存在するかのように誤認識させてしまう切削痕５を、光学面成形面２の形状測定に殆ど影響を与えずに正確に形状測定を行えるような加工痕に置換することを目的として、光学面成形面２の表面を研磨するものである。
【００４８】
図７は、この予備加工を行うための研磨装置７の概略構成を示している。この研磨装置７は、ＸＹＺの直交３軸の直動スライド機構７Ｘ，７Ｙ，７Ｚに加え、Ｘ軸回りの回転方向Ａ、Ｙ軸回りの回転方向Ｂの回転姿勢をそれぞれ制御するチルトステージ７Ａ，７Ｂを有している。
【００４９】
研磨スピンドル８は、空気静圧軸受を用いた直動案内機構を介してＺ軸に沿って上下可能とされており、エアシリンダアクチュエータによって研磨工具９を被研磨面としての成形金型１の光学面成形面２に当接させることが可能となっている。
【００５０】
成形金型１は、その光学面成形面２を研磨工具９に対向させるように研磨装置７に固定され、Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂの５方向に姿勢制御可能とされている。成形金型１の外枠には光学面成形面２の周囲を覆うようにガイド部材としてのヤトイ１０が装着されている。このヤトイ１０は、光学面成形面２全面の研磨加工を充分に行って特にその周囲部分の研磨が不充分となってしまうのを防止したり、研磨加工によって光学面成形面２の周囲がダレてしまうのを防止したりするもので、成形金型１と同じ材料で形成されている。
【００５１】
研磨工具９を回転させながら、光学面成形面２の表面の研磨加工を行う。この際、成形金型１の光学面成形面２とその周囲を覆うように装着されたヤトイ１０とをともに研磨加工を行う。
【００５２】
研磨加工は図８に示すように光学面成形面２の表面に研磨液１１を供給しつつ研磨工具９をクリーニングブラシ１２でクリーニングしながら行う。研磨工具９を光学面成形面２に当接させつつ直動スライド機構７Ｙを動作させてＹ軸方向に走査し、続いて直動スライド機構７Ｘを動作させることにより所定加工ピッチ分Ｘ軸方向にピックフィードを行った後、再び研磨工具９をＹ軸方向に走査する。このＹ軸方向の走査とＸ軸方向のピックフィードとを繰り返すことにより、光学面成形面２全面の研磨加工を行っていく。
【００５３】
この研磨加工においては、研磨工具９による被研磨面としての光学面成形面２に対する当接方向とその当接点（加工点）における被研磨面の法線方向とが常に一致するように、チルトステージ７Ａ，７Ｂとを動作制御する。それらのチルトステージ７Ａ，７Ｂの動作と直動スライド７Ｘ，７Ｙの動作とを連係させて、４軸同時制御を行いながら光学面成形面２の研磨加工を行う。
【００５４】
研磨工具９は木材とウレタン樹脂とを混練した圧縮成形材料で形成されている。また、研磨液１１には、１μｍ程度の粒径のダイヤモンド砥粒とジェル状のオイルとを混ぜ合わせたダイヤモンドペーストが用いられ、このダイヤモンドペーストは、研磨加工に先立って光学面成形面２の表面にも塗布されている。
【００５５】
この予備加工工程における研磨加工は、切削痕５を打ち消すようにして後述する光学面成形面２の表面形状の測定における測定精度を向上させることが目的である。したがって、加工点の状況に応じて研磨工具９と加工点との接触時間を制御する滞留時間制御は行わず、光学面成形面２上での走査速度を一定とした均等研磨を行う。
【００５６】
また、研磨加工に要する時間を短縮できるように、研磨工具９はその工具半径及び光学面成形面２との接触幅が大きく、かつ、低弾性率のものであることが望ましい。それにより、ピックフィード量Ｐ（図９も参照）を大きくすることができ、研磨加工に要する時間を短縮することができる。本実施の形態では、研磨工具９の工具半径をＲ３０ｍｍ、工具幅を２ｍｍとし、ピックフィード量を０．４ｍｍとしている。
【００５７】
図９に示すように、研磨工具９による研磨加工によって光学面成形面２上に形成される加工痕としての研磨痕１３（図１１も参照）が、Ｘ軸方向ともＹ軸方向とも異なる方向に向かって延びるように、その回転中心軸９ａの延びる方向はＸＹ平面内であり、かつ、Ｙ軸に対してθ１の角度となるようにされている。本実施の形態においては、θ１を３０°としている。
【００５８】
この予備加工工程における研磨加工後の光学面成形面２の表面を微分干渉顕微鏡で観察した様子を図１０に示す。この研磨加工によって光学面成形面２表面の表面粗さは、白色干渉計によっても検出できないレベルにまで低減している。
【００５９】
図１１に、図１０に示す微分干渉顕微鏡による光学面成形面２の表面の様子を模式的に示した。研磨痕１３は、切削方向としてのＸ軸方向と角度θの角をなして揃って一致する方向に直線状に延び、その隣接する研磨痕どうしの間隔Ｗは１００μｍ以下で切削ピッチＳよりも充分細かいものとなっている。角度θは前述の角度θ１と研磨工具９の回転速度及びＹ軸方向の走査速度とによって定まる値となる。すなわち、研磨工具９の回転速度がＹ軸方向の走査速度に比べて充分高速の場合には、角度θは角度θ１と略同じ角度となり、研磨工具９の回転速度が遅くなるにしたがって、また、研磨工具９Ｙ軸方向への走査速度が速くなるにしたがって、角度θは角度θ１よりも大きな角度となる。
【００６０】
このように、研磨工具９の回転速度とＹ軸方向への走査速度との調整を行うことにより、角度θを調整することが可能であり、研磨工具９の回転速度をＹ軸方向への走査速度に比べて充分高速とした場合は、研磨工具９の回転中心軸９ａとＹ軸とのなす角度θ１の設定により角度θを調整することが可能となる。
【００６１】
図１２に、角度θ１＝０とし、かつ、同一走査軌跡上を往復研磨したときの研磨痕１３の様子を模式的に示す。走査研磨工具９の回転速度とＹ軸方向への走査速度との調整を行うことにより、角度θ１が０°の場合であっても角度θを所望の角度に調整することができ、かつ往復動作させることにより、その延びる方向がＹ軸に対して線対称の方向に延びるように２種類の研磨痕１３を光学面成形面２上に形成することができる。
【００６２】
予備加工工程の後、光学面成形面２の表面形状を測定する（測定工程（Ｓ．３））。測定は、接触式の測定プローブ６を光学面成形面２上に走査させるならい動作により行う。Ｙ軸方向に０．８ｍｍ間隔の合計１０カ所において、測定プローブ６をＸ軸方向に走査させて光学面成形面２の表面形状を測定した測定結果を図１３に示す。図１３には、１０カ所における測定結果を重畳して図示してある。
【００６３】
図１３において、横軸は光学面成形面２のＸ軸方向を示し、縦軸は光学面成形面２のＺ軸方向を示す。予備加工工程を行わない場合の、同様の条件にて光学面成形面２の表面形状を測定した測定結果（図１４）に比べ、図１３に示す本実施の形態での測定結果においては、誤認識と見られる突起状の測定成分１４が大幅に低減している。
【００６４】
予備加工工程が終了したら、所定の波長成分に相当する形状誤差成分を光学面成形面２から除去する（仕上げ工程（Ｓ．４））。この形状誤差成分の除去は、測定工程において得られた測定結果に基づく面形状と、最終的に得べき特定面形状としての自由曲面との形状誤差に基づいて研磨加工により行われる。具体的には、例えば図１５に示す形状誤差の３次元マッピングデータに基づいて各測定位置ごとの加工すべき研磨量が算出され、研磨加工が行われる。
【００６５】
この研磨加工においては研磨工具の滞留時間制御が行われ、また、研磨工具の工具半径をＲ１０ｍｍ、工具幅を０．６ｍｍとし、ピックフィード量を０．１ｍｍとし、所定の波長成分としての２ｍｍ〜８ｍｍの波長成分の形状誤差を除去する。したがって、光学面成形面２に接触するＹ軸方向での接触幅が、予備加工工程における研磨工具９の光学面成形面２へのＹ軸方向の接触幅以下となっている。
【００６６】
仕上げ工程終了後に再び光学面成形面２の表面形状を測定し（Ｓ．５）、各測定位置におけるＸ軸方向に沿った２００ｍｍの長さにわたって、２ｍｍ〜８ｍｍの波長成分の形状誤差が±２０ｎｍ以内であり、所望の面精度が確保されていることを確認する。
【００６７】
この成形金型１の加工方法によれば、光学面成形面２の表面粗さの最大高さすなわちＲｙ値を８０ｎｍ以下とすることができるので、成形される光学素子としての走査用レンズの光学面を精密なものとすることができ、６００ｎｍ〜８００ｎｍの波長のレーザ光を光学面に透過させるのにこの走査用レンズを用いた場合であっても、充分な透過率を得ることができる。
【００６８】
［変形例１］
上記の実施の形態においては、予備加工工程において、研磨工具９による光学面成形面２に対する当接方向とその当接点（加工点）における被研磨面の法線方向とが常に一致するようにして研磨加工を行っているが、図１６に示すように、研磨工具２０の回転中心軸２０ａの軸方向と加工点における法線とが常に一致するように研磨装置７の各軸を制御しつつ研磨加工を行ってもよい。
【００６９】
このように研磨加工を行うことで、研磨工具２０を広い接触面積で光学面成形面２に当接させることができ、より研磨加工に要する時間を短縮することができる。研磨工具２０が光学面成形面２と接触する回転円部分の直径を５ｍｍとすることにより、ピックフィード量Ｐを１ｍｍに増大させることができる。これにより縦１０ｍｍ、横２００ｍｍの光学面成形面２の全面研磨に要する時間を約１０分とすることができ、予備加工に要する時間を短縮することができる。
【００７０】
ただし、曲率変化の大きな部分を有する光学面成形面２を研磨する際には、研磨工具２０と光学面成形面２との接触部分における接触位置による工具当接圧力分布が変動し易いため、その接触部分の弾性変形に考慮が必要である。研磨工具２０の材料としては、ウレタンフォーム、ピッチ、クロロプレンゴム等の材料が用いられる。
【００７１】
回転中心軸２０ａと光学面成形面２の加工点における法線方向との一致性が高い場合は、図１７（ａ）に示すような研磨痕２１ａが光学面成形面２に形成されるが、回転中心軸２０ａと光学面成形面２の加工点における法線方向との一致性が低い場合は、図１７（ｂ）に示すような研磨痕２１ｂが光学面成形面２に形成される。
【００７２】
いずれの研磨痕２１ａ，２１ｂも回転円弧の一部が重なり合って整列するように連続的に形成された円弧状のものであり、ピックフィード量Ｐ、研磨工具２０の走査速度等の組合せにより異なる研磨痕を形成することも可能である。
【００７３】
［変形例２］
上記の実施の形態においては、予備加工工程において、研磨工具９を用いた研磨加工を行っているが、図１８に示すように、研磨工具９の代わりに圧縮空気によってブラストノズル３０から加工用粒子（ブラスト粒子）を被加工面としての光学面成形面２に吹き付けて、ブラスト加工を行うものであってもよい。ブラストノズル３０は、例えば対摩耗性に優れるセラミックスを材料として形成され、また、投射材料としてのブラスト粒子３０ａには、例えば粒径１μｍの亜鉛合金が用いられる。
【００７４】
この方法によれば、研磨加工に比べて短時間で加工できる面積が大きく、また、光学面成形面２の曲率変化が大きい場合であってもその影響を受けにくく、容易に効率よく予備加工を行うことができる。
【００７５】
例えばブラストノズル３０のノズル径が１２ｍｍのものを用いると、縦１０ｍｍの光学面成形面２に対してブラストノズル３０を繰り返し走査させることなく、Ｘ軸方向に沿ってブラストノズル３０を１度走査すれば光学面成形面２の全面の予備加工が終了する。それにより、加工時間を１分程度とすることができ、さらに予備加工に要する時間を短縮することができる。ここで、成形金型１のＺ方向位置を制御しつつブラストノズル３０が光学面成形面２に対して一定の距離（ギャップ）を保持するように走査する。
【００７６】
このブラスト加工によって予備加工を行った場合の光学面成形面２の表面の様子を図１９に模式的に示す。加工ムラの少ない均等なディンプル３１が形成され、良好に切削痕５が打ち消されていることが確認できる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本願の請求項１，８，１４に係る発明によれば、創成工程によって光学面成形面に形成された切削痕を打ち消すように切削痕よりも細かい加工痕を光学面成形面に形成してその予備加工を行う予備加工工程を有するので、測定工程において測定プローブが切削痕の山部を跨いで隣接する左右いずれかの谷部に落ち込んでしまったりすることがない。したがって、仕上げ工程前の光学面成形面の面形状の測定において、測定結果に本来存在しない形状誤差がうねりとして混入することがなく、測定を正確に行うことができる。ひいては、所望の面精度を得るために形状測定と仕上げ加工とを繰り返し行う必要がなく、修正研磨等の加工の回数を削減することができ、精度の高い光学面成形面を効率よく確実に得ることができる。
【００７８】
請求項２に係る発明によれば、測定工程が光学面成形面に測定プローブを接触させつつ走査させるならい動作によって行われるので、例えば母線の傾きが光学面端部で３５°以上となるような大きな傾斜を有する走査用レンズの光学面を成形する成形金型においても、数ｎｍ単位での高精度な面形状の測定を行うことができる。
【００７９】
請求項３に係る発明によれば、予備加工工程又は仕上げ工程のうち少なくともいずれか一方が砥粒を用いた研磨により行われるので、光学面成形面が自由曲面の場合であっても容易かつ効率的に加工を行うことができる。さらに、予備加工工程と仕上げ工程の両方を研磨により行った場合は、別々の加工装置を準備する必要がなく、加工効率や加工スペースの面でも有利であり、またコストも低減することができる。
【００８０】
請求項４，９，１５に係る発明によれば、研磨により光学面成形面に形成された複数の研磨痕が創成工程における切削方向及びその切削方向に直交する方向のいずれとも異なる方向に向かって延びているので、測定工程における走査方向を創成工程における切削方向と一致する方向または切削方向に直交する方向とした場合に、測定される研磨痕による凹凸、すなわち形状誤差の波長を短いものとすることができる。さらに、その研磨痕による実際の形状誤差の波長が見かけ上波長の長い形状誤差であると誤認識されることもなく、測定結果から例えばデータフィルタ等により容易に分離排除することができる。それにより、誤認識に基づいて必要以上に面精度を高めることもなくなり、無駄なく効率的に精密な光学面成形面を得ることができる。この光学面成形面に基づいて光学面が成形された光学素子は光学面の面精度が高く、その生産ラインにおける製品検査のためのサンプル抜取りの抜取り間隔も大きくすることができるので、検査に要する手間や費用も低減させることができる。
【００８１】
請求項５，１２，１８に係る発明によれば、研磨痕が、直線状又は円弧状であるので、研磨工具を用いて容易に研磨痕を光学面成形面に形成することができる。
【００８２】
請求項６に係る発明によれば、予備加工工程における研磨工具の接触幅、及び、仕上げ工程における研磨工具の接触幅がともに切削方向に直交する方向での光学面成形面の幅よりも小さいので、小径の研磨工具を用いてｎｍ単位の高精度な研磨加工を効率よく行うことができる。それにより、精密な光学面成形面を効率よく得ることができる。
【００８３】
請求項７に係る発明によれば、予備加工工程における研磨工具の接触幅が、仕上げ工程における研磨工具の接触幅以上であるので、予備加工工程におけるピックフィード量を大きくすることができる。それにより予備加工工程に要する時間を短縮することができ、作業が効率的なものとなる。
【００８４】
請求項１０，１６に係る発明によれば、複数の研磨痕が揃って一致する方向に延びるとともに隣接する各研磨痕の間隔が１００μｍ以下であるので、走査レンズにおいて問題となり易い１ｍｍ以上の波長の形状誤差から、例えば汎用的な表面粗さ測定装置の減衰率である−１２ｄＢ／オクターブのフィルタ等によっても、研磨痕による形状誤差の混入を簡単に２％以下とすることができる。
【００８５】
請求項１１，１７に係る発明によれば、各研磨痕の延びる方向と創成工程における切削方向とのなす角及び各研磨痕の延びる方向と切削方向に直交する方向とのなす角のいずれもが５°以上の角度であるので、測定工程における走査方向を創成工程における切削方向と一致する方向または切削方向に直交する方向とした場合に、測定される研磨痕による凹凸、すなわち形状誤差の波長を短いものとすることができる。さらに、その研磨痕による実際の形状誤差の波長が見かけ上波長の長い形状誤差であると誤認識されることもなく、測定結果から例えばデータフィルタ等により容易に分離排除することができる。それにより、誤認識に基づいて必要以上に面精度を高めることもなくなり、無駄なく効率的に精密な光学面成形面を得ることができる。この光学面成形面に基づいて光学面が成形された光学素子は光学面の面精度が高く、その生産ラインにおける製品検査のためのサンプル抜取りの抜取り間隔も大きくすることができるので、検査に要する手間や費用も低減させることができる。
【００８６】
研磨痕が切削方向及びそれに直交する方向と５°以上傾いているので、光学面成形面の表面を観察することによる切削痕が打ち消されていることの確認も容易となり、さらに研磨痕を複数の異なる方向で重ねて形成することにより、より一層切削痕の打消しを効果的に行うことができる。
【００８７】
請求項１３，１９に係る発明によれば、仕上げ工程後の光学面成形面の表面粗さがＲｙ値にて８０ｎｍ以下であるので、６００ｎｍ〜８００ｎｍの波長のレーザ光を光学面に透過させるのにこの光学素子を用いた場合であっても、充分な透過率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る成形金型の加工方法を説明するフローチャートである。
【図２】成形金型の光学面成形面の創成工程を説明するための図である。
【図３】創成工程後の光学面成形面の表面を微分干渉顕微鏡で観察した様子を示す図である。
【図４】図１中Ｐ平面によって成形金型を切断して光学面成形面表面の切削痕をＸ軸方向に沿って観察した様子を示す図である。
【図５】切削痕が形成された状態の光学面成形面表面を接触式の測定プローブを用いて形状測定した場合の様子を模式的に示す図である。
【図６】測定プローブが切削痕の山部から隣接する左右いずれかの谷部へと落ち込む様子を示す図である。
【図７】予備加工を行うための研磨装置の概略構成を示す図である。
【図８】予備加工における研磨加工の様子をその要部を部分的に拡大して示した図である。
【図９】予備加工における研磨加工の走査の様子を説明するために、光学面成形面を上方から平面視した図である。
【図１０】予備加工工程後の光学面成形面の表面を微分干渉顕微鏡で観察した様子を示す図である。
【図１１】図１１に示す光学面成形面の表面を模式的に表したもので、光学面成形面上に直線状の研磨痕が形成された様子を説明する図である。
【図１２】予備加工工程後の光学面成形面の表面の他の例を模式的に表したもので、光学面成形面上に２種類の直線状の研磨痕が形成された様子を説明する図である。
【図１３】測定工程により得られた光学面成形面の表面形状を接触式の測定プローブを用いて測定した測定結果を示す図である。
【図１４】予備加工工程を行わない場合の、光学面成形面の表面形状を接触式の測定プローブを用いて測定した測定結果を示す図である。
【図１５】光学面成形面表面の形状誤差の３次元マッピングデータを示す図である。
【図１６】本発明の変形例１に係る予備加工工程において、研磨工具の回転中心軸の軸方向と加工点における法線とが常に一致するように研磨装置の各軸を制御しつつ研磨加工を行う様子を説明する図である。
【図１７】図１６に示す研磨加工によって光学面成形面表面に形成された研磨痕を示す図であって、（ａ）は回転中心軸と光学面成形面の加工点における法線方向との一致性が高い場合を示し、（ｂ）は回転中心軸と光学面成形面の加工点における法線方向との一致性が低い場合を示す。
【図１８】本発明の変形例２に係る予備加工工程において、ブラスト加工を行う様子を説明する図である。
【図１９】図１８に示すブラスト加工によって光学面成形面表面に形成されたディンプルを示す図である。
【図２０】従来の光学素子用成形金型の光学面成形面を加工する方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
θ，θ１：角度
１：成形金型
２：光学面成形面
３：ダイヤモンドカッター
４：ダイヤモンドバイト
５：切削痕
５ａ：山部
５ｂ：谷部
６：測定プローブ
７：研磨装置
９：研磨工具
１３：研磨痕
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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