(57)【要約】【目的】仮金型により成形された光学素子の波面収差量を相殺する補正波面収差量を算出し、補正波面収差量を発生する形状を有する光学素子の光学設計を再度行い、これに基づき正規金型の設計を行うことで、予期し得ない収差の発生に対して対応可能とし、収差が良好な光学素子を成形し得る正規金型を得る。【構成】波面収差量０となるよう形状を最適化する所望レンズの光学設計を行って（Ｓ１）、仮金型の設計、製作を行い（Ｓ２）、仮金型で仮成形を行い（Ｓ３）、得られた第１の仮のレンズの波面収差量を測定する（Ｓ４）。波面収差量を基準値と比較し（Ｓ５）、波面収差量が大ならば、波面収差量を相殺する補正波面収差量を算出し（Ｓ６）、Ｓ１に戻り、先のＳ１と同様の手法で、補正波面収差量を有する形状の第２の仮のレンズを設計して（Ｓ１）、正規金型の設計、製作を行う（Ｓ２）。Ｓ５で基準値以内ならば、製作された金型を完成品とする（Ｓ７）。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光学パラメータを用い、所望の波面収差となるように形状を最適化された所望形状の光学素子を成形する成形型の設計方法において、
まず、前記最適化された光学素子の形状に基づき該光学素子を成形する仮の成形型の設計、製作を行い、
次に、該仮の成形型を用いて第１の仮の光学素子を成形し、
該成形された該第１の仮の光学素子の波面収差を測定し、
該波面収差が相殺されるような補正波面収差を算出し、
少なくとも前記複数の光学パラメータを用いて、該補正波面収差を有するように形状を最適化する第２の仮の光学素子の設計を行い、
この後、該最適化された第２の仮の光学素子の形状に基づき、正規の光学素子を成形する正規の成形型の設計を行うことを特徴とする光学素子成形型設計方法。
【請求項２】
前記正規の成形型を用いて前記正規の光学素子を成形し、
該成形された該正規の光学素子の波面収差を測定し、
該波面収差の値が所定の基準値より大きい場合には、前記補正波面収差を再算出し、該補正波面収差の値が該基準値以内となるまで、以後の処理を繰り返し行うことを特徴とする請求項１記載の光学素子成形型設計方法。
【請求項３】
前記波面収差および前記補正波面収差の測定は、透過波面測定用の干渉計装置を用いて行うことを特徴とする請求項１または２記載の光学素子成形型設計方法。
【請求項４】
前記光学素子の少なくとも１面が非球面とされていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の光学素子成形型設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子成形型設計方法に関し、詳しくは、多数の光学パラメータを用いて形状設計する必要のある光学素子を成形するための成形型の設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、所望の光学素子を得るために、多くのパラメータを駆使して所望のターゲット値となるように最適化処理を行う種々の光学設計手法が開発されているが、いかに厳密に光学設計されようと、光学素子の成形型により良好な成形が行われなければ所望の光学素子を得ることは困難である。
【０００３】
しかし、成形後の冷却期間における熱収縮のため、一般には、成形型の形状と、成形型により成形された光学素子の形状は一致しない。そして、このような形状の不一致は、単に相似形状としての不一致であれば図４に示すように所望の成形品を比例拡大した光面金型形状を設計値とすればよいが、成形時のガラス材料内部の温度分布の不均一性や成形品各部の厚みの違い等に起因して例えば図５に示すように成形品各部で熱収縮量が異なった形状となる場合も多い。
【０００４】
そこで、従来より、成形により得られた光学素子の面形状を測定し、その測定データに基づいて成形による形状の変化を予測し、成形型の補正を行いながら成形型の形状を最適化していく手法がとられていた。すなわち、図６に示すように、▲１▼光学性能が良好となるように光学設計を行い、▲２▼この光学設計値に基づいて仮金型製作および光学素子の仮成形を行い、▲３▼仮成形された光学素子を測定して、光学性能の基準値からのズレを算出し、▲４▼算出されたズレ量に基づき、そのズレ量を見込んだ形状に成形型を補正し、▲５▼この補正された成形型により本成形を行い、▲６▼本成形による光学素子の光学性能を確認する、という手法がとられていた。
【０００５】
下記特許文献１に記載された従来技術もこのような手法を前提とし、これに改良を加えたものである。すなわち、一旦成形した暫定レンズの光学特性を測定し、その測定値の基準値からのズレ量を、予め求めておいたテーブルと照らし合わせて、成形型の調整量を決定し、この調整量に基づいて最終的な成形型（正規金型）を設計するようにしたものである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−９６３４４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来技術においては、暫定レンズの光学特性測定値の基準値からのズレ量を、予め求めておいたテーブルに基づいて成形型の調整量を決定するようにしているため、予期し得ない収差に対しては対応することができない。
【０００８】
また、上記特許文献１記載のようなテーブルによっては、入力し得るパラメータ値が限られるため、特に高次の非球面形状や自由曲面形状等の数多くのパラメータが要求される場合に、これら数多くのパラメータに対して同時に対応することは困難であり、また、たとえ複数のテーブルを備えるようにしたとしても、相互に関連して変化するパラメータに応じて最適な調整量を得ることは極めて困難であり、その結果最終的に得られる成形型は、必ずしも収差を良好に補正し得る光学素子を得ることができるものとはなっていなかった。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、予期し得ない収差の発生に対しても良好に対応可能であって、収差を良好に補正し得る光学素子を得ることが可能な成形型を設計し得る光学素子成形型設計方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学素子成形型設計方法は、複数の光学パラメータを用い、所望の波面収差となるように形状を最適化された所望形状の光学素子を成形する成形型の設計方法において、
まず、前記最適化された光学素子の形状に基づき該光学素子を成形する仮の成形型の設計、製作を行い、
次に、該仮の成形型を用いて第１の仮の光学素子を成形し、
該成形された該第１の仮の光学素子の波面収差を測定し、
該波面収差が相殺されるような補正波面収差を算出し、
少なくとも前記複数の光学パラメータを用いて、該補正波面収差を有するように形状を最適化する第２の仮の光学素子の設計を行い、
この後、該最適化された第２の仮の光学素子の形状に基づき、正規の光学素子を成形する正規の成形型の設計を行うことを特徴とするものである。
【００１１】
また、この場合、前記正規の成形型を用いて前記正規の光学素子を成形し、
該成形された該正規の光学素子の波面収差を測定し、
該波面収差の値が所定の基準値より大きい場合には、前記補正波面収差を再算出し、該補正波面収差の値が該基準値以内となるまで、以後の処理を繰り返し行うことが可能である。
【００１２】
さらに、前記波面収差および前記補正波面収差は、透過波面測定用の干渉計装置を用いて測定することが好ましい。
【００１３】
また、本発明の光学素子成形型設計方法は、前記光学素子の少なくとも１面が非球面とされている場合等において特に有用である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る光学素子成形型設計方法について、図面を用いて説明する。なお、本実施形態においては、光ピックアップ対物レンズ用の両面非球面単レンズを成形する成形金型を設計する方法を例にとって説明する。
図１は、本実施形態方法を説明するための模式的な工程図であり、以下、▲１▼〜▲７▼の各工程（ステップ）について順に説明する。
【００１５】
▲１▼第１ステップ
波面収差量が所望の収差量、例えば０となるように形状を最適化することで所望の非球面レンズについての光学設計を行う。
ここでいう光学設計とは、多数の光学パラメータに基づき、所望のレンズ特性（ターゲット）を得る作業のことを指称するものであり、このような光学パラメータが存在するパラメータ空間から、このようなターゲットが存在するターゲット空間への写像を取り扱うものである。なお、一般にパラメータとしては、屈折面の中心曲率、面間隔、ガラスの種類、その他があり、また、一般にターゲットとしては、近軸追跡値、光線追跡値、形状、その他がある。
【００１６】
本実施形態の光学設計においては、波面収差量が０となるように形状を最適化した、下記数式（１）に示す非球面式で表される非球面形状（両面）を有するレンズを得ることを目的としているので、光学パラメータは少なくとも、各面についての下記非球面式の要素Ｃ、ｋ、Ａ２ｉ（ｉ＝２〜５）およびレンズの厚さということになり、少なくとも合計で１３個の光学パラメータが存在する。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
▲２▼第２ステップ
第１ステップにおいて光学設計された非球面レンズを得る仮金型１を設計、製作し、この仮金型１によって非球面レンズの仮成形を行い、仮のレンズ２を得る。
この仮のレンズ２は、成形時の熱収縮等により仮金型１の形状とは異なったものとなっており、通常、波面収差量が０とはなっていない。
【００１９】
▲３▼第３ステップ
仮成形により得られた仮のレンズ２の透過波面を干渉計により測定し、該波面の基準値からのズレ量（波面収差量（Δ））を算出する。この波面収差量（Δ）は、▲３▼の干渉縞画像に示されるように、干渉縞の直線性からのズレ等により判断する。
この波面収差量（Δ）が所定の基準値以内となっていれば、上記仮金型１を正規金型とすればよいが、高い光学性能が要求される非球面レンズ等においては、上記所定の基準値が極めて小さい値に設定されることになるので、通常下記の各ステップを順次行うことになる。
【００２０】
▲４▼第４ステップ
第３ステップで算出された波面収差量（Δ）に基づき、この波面収差量（Δ）を相殺し得る補正波面収差量（−Δ）を算出する。
この補正波面収差量（−Δ）は、▲３▼の干渉縞画像と対応させるように表すとすれば、▲４▼の干渉縞画像に示されるように、▲３▼の干渉縞と対称な形状による、干渉縞の直線性からのズレ等となる。
【００２１】
▲５▼第５ステップ
第４ステップで求めた補正波面収差量（−Δ）の波面収差が発生するように形状を最適化することで非球面レンズについての光学設計を行う。
この第５ステップにおける光学設計は上述した第１ステップと同様の手法を用いて行われる。すなわち、光学パラメータは少なくとも、各面についての上述した非球面式の要素Ｃ、ｋ、Ａ２ｉ（ｉ＝２〜５）およびレンズの厚さということになり、第１ステップと同様に、少なくとも合計で１３個の光学パラメータが存在する。一方、ターゲットは、補正波面収差量（−Δ）が発生するような形状とされる。なお、この第５ステップにおいては、第１ステップにおいて用いた光学パラメータに他の光学パラメータを加えて光学設計を行うことも可能である。
【００２２】
このように多くの光学パラメータを有する場合には、最初のレンズ設計と同様の手法を用いることが、最終的に得られるレンズの光学性能を優れたものとする上で必須条件となる。
【００２３】
▲６▼第６ステップ
第５ステップにおいて光学設計された非球面レンズの形状に対応する正規金型１１を設計、製作し、この正規金型１１によって非球面レンズの本成形を行い、正規のレンズ１２を得る。
【００２４】
▲７▼第７ステップ
本成形により得られた正規のレンズ１２の透過波面を干渉計により測定し、該波面の基準値からのズレ量（波面収差量（Δ））を第３ステップと同様にして算出し、正規金型１１の評価を行う。
このようにして得られた正規のレンズ１２を、干渉計により測定すると、通常、▲７▼の干渉縞画像で示すように、直線性のよい縞が得られるはずであり、この場合には、金型も所望の光学特性を有するレンズを成形し得る正規の金型１１であると判断することができる。
ただし、この正規のレンズ１２の波面収差量（Δ）が所定の基準値より大きい場合には、再度第４ステップ以降の各ステップを順次行うことも可能である。
【００２５】
このように、本実施形態においては、仮金型１により仮成形された仮のレンズ２の波面収差量（Δ）に基づき、この波面収差量（Δ）を相殺し得る補正波面収差量（−Δ）を算出し、この補正波面収差量（−Δ）を発生するようなレンズの光学設計を再度行うようにしているので、予期し得ない収差の発生に対しても良好に対応可能であって、最終的に、収差が極めて良好なレンズを成形し得る正規金型１１を得ることができる。
【００２６】
このような作用効果は、単に一部の光学パラメータに基づきテーブルを用いて金型の調整量を求める、というような手法によっては実質的に得ることが困難なものである。
【００２７】
図２は、本実施形態方法の理解を容易とするためのフローチャートを示すものである。
すなわち、まず、波面収差量が０となるように形状を最適化することで所望の非球面レンズについての光学設計を行い（Ｓ１）、この光学設計の結果に基づいて金型（仮金型１）の設計および製作を行い（Ｓ２）、この金型（仮金型１）を用いて非球面レンズの成形（仮成形）を行い（Ｓ３）、さらに、得られた非球面レンズ（仮のレンズ２）の透過波面を干渉計を用いて測定してその波面収差量（Δ）を測定する（Ｓ４）。
【００２８】
次に、測定された波面収差量（Δ）が所定の基準値より大きいか否かを判断し（Ｓ５）、波面収差量（Δ）が所定の基準値より大きいと判断されれば、この波面収差量（Δ）を相殺する補正波面収差量（−Δ）を算出し（Ｓ６）、Ｓ１に戻る。
【００２９】
Ｓ１では、最初の光学設計と同様の光学パラメータを用い、必要ならばさらに光学パラメータを加えて、波面収差量が補正波面収差量（−Δ）に一致するように形状を最適化することで非球面レンズについての光学設計を行い（Ｓ１）、この光学設計の結果に基づいて金型（正規金型１１）の設計、製作を行い（Ｓ２）、この金型（正規金型１１）を用いて非球面レンズの成形（本成形）を行い（Ｓ３）、さらに、得られた非球面レンズ（正規のレンズ１２）の透過波面を干渉計を用いて測定してその波面収差量（Δ）を測定する（Ｓ４）。
【００３０】
この後、測定された波面収差量（Δ）が上述した所定の基準値より大きいか否かを判断し（Ｓ５）、波面収差量（Δ）が所定の基準値以内と判断されれば、製作された金型（正規金型１１）を完成品とする（Ｓ７）。
【００３１】
なお、第２回目のＳ５においても、波面収差量（Δ）が所定の基準値より大きいと判断されれば、この波面収差量（Δ）を相殺する補正波面収差量（−Δ）を再度算出し（Ｓ６）、Ｓ１に戻り、以後の処理を繰り返して行う。
【００３２】
また、逆に第１回目のＳ５において、波面収差量（Δ）が所定の基準値以内と判断されれば、製作された金型（仮金型１）を完成品とする（Ｓ７）。
【００３３】
また、上述した実施形態方法においては、測定された波面収差量（Δ）に基づいて補正波面収差量（−Δ）を算出し、この補正波面収差量（−Δ）を発生するような非球面レンズについての光学設計を行うようにしているが、測定された波面収差量（Δ）がトータルとして所望の値となっていても、図３（Ａ）に示すように波面収差の傾向（曲がり具合）が単純な曲線によるものとは異なる場合には、図３（Ｂ）に示すように、その１つの波面内の、分割された複数範囲で各々波面収差量（Δ１、Δ２、Δ３…）を測定し、その複数の波面収差量（Δ１、Δ２、Δ３…）の各々に基づき、上述した実施形態で説明した各手続を行うようにすることが好ましい。
【００３４】
このようにすることで、トータルとしての波面収差量（Δ）は所望の値となってはいるが、波面収差の傾向が単純な曲線によるものとは異なっているような場合においても、その波面収差の傾向に応じて、より性能の高い光学素子を成形し得る正規金型を得ることができる。
【００３５】
なお、本発明の光学素子成形型設計方法においては、上述した実施形態のものに限られるものではなく、種々の態様の変更が可能である。例えば、上記実施形態においては、光ピックアップ対物レンズ用の両面非球面単レンズを成形する成形型に適用する場合について説明しているが、本発明方法としてはこれに限られるものではなく、ガラスやプラスチックよりなる種々のレンズを成形する成形型一般に適用することが可能である。
【００３６】
また、成形型は、一般に複数の部分、例えば上型と下型とから構成されるが、一部の型のみに本発明を適用することが可能である。
【００３７】
また、本発明による成形型は、プレス成形や射出成形等の種々の成形用の成形型に適用可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の光学素子成形型設計方法によれば、仮金型により成形された光学素子の波面収差量（Δ）を測定し、この波面収差量（Δ）を相殺し得る補正波面収差量（−Δ）を算出し、最初の光学設計と同様の手法により、この補正波面収差量（−Δ）を発生するように形状を最適化して光学素子の光学設計を再度行うようにし、これに基づいて正規金型の設計を行うようにしている。
【００３９】
したがって、単に一部の光学パラメータに基づきテーブルを用いて金型の調整量を求める、というような従来技術とは異なり、予期し得ない収差の発生に対しても良好に対応可能であって、最終的に、収差が極めて良好な光学素子を成形し得る正規金型を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光学素子成形型設計方法の工程を説明するための図
【図２】本発明の実施形態に係る光学素子成形型設計方法を要約的に説明するためのフローチャート
【図３】図１に示す実施形態とは異なる実施形態を説明するための、干渉縞画像（Ａ）およびその一部拡大図（Ｂ）
【図４】成形型の形状と、成形型により成形された光学素子の形状の不一致の例を説明するための概念図
【図５】成形型の形状と、成形型により成形された光学素子の形状の不一致の例を説明するための概念図
【図６】従来の光学素子成形型設計方法の工程を説明するための図
【符号の説明】
１      仮金型
２      仮のレンズ
１１    正規金型
１２    正規のレンズ
【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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