JP4498077B2 - Optical element molding method, optical element, mold member, and mold member processing method - Google Patents
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Description
本発明は、プラスチックを材料として、成形用金型部材により成形される光学素子の成形方法および光学素子に関し、例えば、回転軸対称な設計形状をもつ大口径レンズやミラー等に適用して好適な光学素子の成形方法、光学素子、金型部材、および金型部材の加工方法に関するものである。 The present invention relates to a molding method and an optical element of an optical element molded by a molding die member using plastic as a material, and is suitable for application to, for example, a large-aperture lens or a mirror having a rotationally symmetrical design shape. The present invention relates to an optical element molding method, an optical element, a mold member, and a mold member processing method.
従来より、低級および中級機のカメラ用やプロジェクター用のレンズとして、プラスチックレンズが使用されている。このプラスチックレンズのほとんどは、射出成形によって製造される。切削研磨を繰り返すガラスレンズに比べ低コストであり、また近年の製品の低価格化により、高精度が要求される製品においてもガラスレンズからプラスチックレンズへの置換えに期待が高まりつつある。 ところで、カメラ用レンズやプロジェクター用レンズ等、光軸を中心に回転軸対称な設計値をもつレンズにおいては、設計値との誤差(クセ)、このクセの非回転軸対称性(アス)、光学面の面位置誤差(光学面同士の相対ズレ量)をもって形状が評価される。このような評価項目の要求精度が厳しく、それは、高精度なレンズのプラスチック化ができなかった理由ともなっている。下記に、それぞれの項目について説明する。 Conventionally, plastic lenses have been used as lenses for low- and middle-class cameras and projectors. Most of this plastic lens is manufactured by injection molding. Compared to glass lenses that repeat cutting and polishing, the cost is low, and due to the recent price reduction of products, there is an increasing expectation for replacement of glass lenses with plastic lenses even in products that require high accuracy. By the way, in the case of a lens having a design value that is symmetric about the optical axis, such as a camera lens or projector lens, an error from the design value (habit), the non-rotation axis symmetry of this habit (as), optical The shape is evaluated with the surface position error of the surface (relative shift amount between the optical surfaces). The required accuracy of such evaluation items is strict, which is the reason why high-precision lenses could not be made into plastic. Each item will be described below.
「設計値との誤差(クセ)およびクセの非回転軸対称性(アス)」
プラスチックレンズの一般的な成形方法においては、金型内に形成されるキャビティの片側(ゲート)より樹脂を注入し、その後の冷却工程を経て金型から成形品を取り出す。しかし、樹脂の流れ方向に依存した不均一な収縮が発生して、ゲート方向におけるレンズの断面と、それと直交する方向におけるレンズの断面に、光軸を中心とする形状の対称性が異なる現象が生じる。この傾向はレンズの口径が大きいほど、また冷却時間が短いほど顕著になる。それは、口径の大きいレンズのプラスチック化ができなかった理由の一つでもあった。
"Error from design value (distinguished) and non-rotating axial symmetry (ass)"
In a general molding method of a plastic lens, resin is injected from one side (gate) of a cavity formed in a mold, and a molded product is taken out from the mold through a subsequent cooling step. However, non-uniform shrinkage depending on the flow direction of the resin occurs, and there is a phenomenon in which the symmetry of the shape centered on the optical axis differs between the lens cross section in the gate direction and the lens cross section in the direction perpendicular thereto. Arise. This tendency becomes more prominent as the lens aperture is larger and the cooling time is shorter. That was one of the reasons why the lens with a large aperture could not be made plastic.
「光学面の面位置誤差」
成形用の金型によって成形されて、光学面が対向するカメラ用レンズやプロジェクター用レンズ等の共軸レンズの光学面においては、その光学面同士の相対誤差(面位置誤差)が数十μm生じる。この面位置誤差は、結像した像面の歪み等、光学性能に不具合を来す。光学面が対向するレンズにおける光学面は、通常、成形用金型の固定側と可動側によって形成されるため、その金型の型合わせ精度に起因して、面位置誤差が止むを得ずに発生してしまう。また、金型内のキャビティの片側(ゲート)より樹脂を注入するため、樹脂の流れ方向に依存した応力分布が成形品の内部に発生する。その応力は、成形品を金型から取り出し後に開放され、その成形品の光学面に平行方向もしくは傾き方向の変形をもたらす。
"Surface position error of optical surface"
A relative error (surface position error) between the optical surfaces of the optical surfaces of the coaxial lenses such as camera lenses and projector lenses, which are formed by a molding die and opposed to each other, is several tens of μm. . This surface position error causes a problem in optical performance such as distortion of the image surface formed. Since the optical surface of the lens facing the optical surface is usually formed by the fixed side and the movable side of the molding die, the surface position error is inevitable due to the mold alignment accuracy of the die. Will occur. Further, since the resin is injected from one side (gate) of the cavity in the mold, a stress distribution depending on the flow direction of the resin is generated inside the molded product. The stress is released after the molded product is removed from the mold, and causes deformation in a parallel direction or an inclination direction to the optical surface of the molded product.
このような不具合を軽減するために、次のような技術が開発されている。
「ヒートサイクル成形」
金型に備えられたヒーター等によって、レンズ面を形成する金型部材を一度ガラス転移温度以上に加熱し、その後、キャビティの中に樹脂を充填させ、その樹脂の収縮速度に合わせて冷却スピードを調整する。金型形状とレンズ形状との誤差量、つまり樹脂の収縮に起因する形状誤差を低減させて、ほぼ金型形状をレンズに転写することが期待できる。しかし、この成形方法を実施するためには設備が大掛かりとなり、また冷却時間が長くなって成形コストが嵩むため、近年の製品の低コスト化に対応する成形方法としては不向きである。
In order to alleviate such problems, the following techniques have been developed.
"Heat cycle molding"
The mold member that forms the lens surface is once heated above the glass transition temperature by a heater provided in the mold, and then the resin is filled in the cavity, and the cooling speed is adjusted according to the shrinkage speed of the resin. adjust. It can be expected that the error amount between the mold shape and the lens shape, that is, the shape error due to the shrinkage of the resin is reduced, and the mold shape is almost transferred to the lens. However, the implementation of this molding method requires a large amount of equipment, and the cooling time becomes longer and the molding cost increases, so it is not suitable as a molding method corresponding to the recent cost reduction of products.
「高金型温成形」
金型の設定温度をガラス転移温度近傍に設定した一般的な成形方法において、レンズの口径がΦ30程度のものであれば冷却時間を長くすることによって、金型形状とレンズ形状との誤差量、つまり樹脂の収縮に起因する形状誤差を比較的低減させることができる。しかし、ヒートサイクル成形の場合と同等な理由により、成形時間が長くなって成形コストが嵩む。
"High mold temperature molding"
In a general molding method in which the set temperature of the mold is set in the vicinity of the glass transition temperature, if the diameter of the lens is about Φ30, by increasing the cooling time, the error amount between the mold shape and the lens shape, That is, the shape error due to the shrinkage of the resin can be relatively reduced. However, for the same reason as in heat cycle molding, the molding time becomes longer and the molding cost increases.
「射出圧縮成形」
レンズ面を形成する金型部材によってキャビティ内部を圧縮し、樹脂の射出保圧時に生じた不均一収縮の原因となる内部歪みを均一化させることによって、前述の非回転軸対称な形状の発現を軽減する。しかし、レンズ面を形成する金型部材を摺動させるためにクリアランスを設ける必要があり、レンズ面の光軸ずれを生じるおそれがある。
"Injection compression molding"
The inside of the cavity is compressed by the mold member that forms the lens surface, and the internal distortion that causes the non-uniform shrinkage that occurs during the injection holding pressure of the resin is made uniform, so that the above-mentioned non-rotating axisymmetric shape is expressed. Reduce. However, it is necessary to provide a clearance in order to slide the mold member that forms the lens surface, which may cause an optical axis shift of the lens surface.
また、このような成形方法におけるレンズ面形状の修正方法としては、一般に、特許文献1および非特許文献1に開示されているような方法が採用されている。その方法は、レンズの光軸を跨ぐある断面形状をフォームタリサーフ等によって測定して、樹脂の収縮に起因する形状誤差を算出し、これを二次元の多項式で近似する。さらに、その近似式を、目的とする回転対称の設計式に付加して新たな回転軸対称な金型形状式とし、それに基づいて金型鏡面駒を製作する。そして、このようにして製作した金型と成形品との誤差分を相殺する方向に金型を修正することによって、所定の精度を得ようとするものである。
In addition, as a method for correcting the lens surface shape in such a molding method, methods disclosed in
また、回転軸対称な金型部材としての鏡面駒を製作する方法として、特許文献3には旋回加工方法が開示されている。その方法は、回転対称な設計値を光軸方向に反転させて、半径方向における加工量を算出し、そして工作機械により、金型部材としての鏡面駒を光軸に相当する位置を中心として回転させつつ、算出した加工量だけ光軸方向に動かし、かつ加工工具を半径方向に動かすことによって、回転軸対称の鏡面駒を製作している。
Moreover, as a method of manufacturing a mirror piece as a rotationally symmetric mold member,
「光学面の面位置誤差の修正方法」
光学面の面位置誤差を修正する方法としては、特許文献4が開示されているような方法がある。この方法は、成形されたレンズの面位置誤差の結果を基にして、鏡面駒もしくは抱き駒に相当する金型部材の金型外部に対する位置を調整することによって、光学面の面位置誤差を修正する。
"How to correct optical surface position error"
As a method of correcting the surface position error of the optical surface, there is a method as disclosed in Patent Document 4. This method corrects the surface position error of the optical surface by adjusting the position of the mold member corresponding to the mirror piece or the holding piece with respect to the outside of the die based on the result of the surface position error of the molded lens. To do.
しかし、金型修正前の成形品のクセ形状は光軸の中心に対して回転軸対称形状でなければならず、前述した不具合の解消(非回転軸対称性のクセであるアス成分の除去)をすることはできない。つまり、光軸の中心に対して一律な回転軸対称な設計値で金型を修正する限り、少なからず初期成形によって生じてしまった非回転軸対称な形状誤差は除去できなかった。無論、初期成形における成形品の非回転軸対称性が要求精度内であれば、上記のような修正方法によって所定の精度を達成することができる。しかし、精度要求が高くて口径が大きいレンズにおいては、上記のような修正方法によって対応可能な成形条件は、概して前述したように長い冷却時間が必要となり、近年の製品の低コスト化に対応することができない。 However, the shape of the molded product before the mold correction must be symmetrical about the axis of rotation with respect to the center of the optical axis, eliminating the above-mentioned problems (removal of the as component that is a characteristic of non-rotating axial symmetry) I can't do it. That is, as long as the mold is corrected with a design value that is uniformly symmetric about the rotation axis with respect to the center of the optical axis, the non-rotation axisymmetric shape error caused by the initial forming cannot be removed. Of course, if the non-rotation axial symmetry of the molded product in the initial molding is within the required accuracy, the predetermined accuracy can be achieved by the correction method as described above. However, in a lens with a high accuracy requirement and a large aperture, the molding conditions that can be dealt with by the correction method as described above generally require a long cooling time as described above, which corresponds to the recent cost reduction of products. I can't.
また特許文献3のように、金型部材としての鏡面駒をその中心を回転中心として旋回させて加工する方法では、鏡面駒の中心を光軸と一致させて、その鏡面駒を回転軸対称形状に加工するため、このような加工方法によっては、レンズの光学面の面位置誤差を修正することはできない。このような問題を解決しようとする特許文献4に記載の方法は、それを実施するための金型の構成部品が多くなって構成が複雑となり、レンズを長期間連続して量産成形することが難しい。
Also, as disclosed in
本発明の目的は、光学素子における非回転軸対称な形状誤差を修正した上、光学素子の成形コストの低減と共に成形の高精度化を実現することができる光学素子の成形方法、光学素子、金型部材、および金型部材の加工方法を提供することにある。 An object of the present invention is to correct a non-rotating axisymmetric shape error in an optical element, reduce the molding cost of the optical element, and realize high molding precision, an optical element, and a gold element. The object is to provide a mold member and a method of processing a mold member.
また、本発明の他の目的は、回転対称な設計形状をもつ光学素子の高精度化において必要な評価項目、例えば、設計値との誤差(クセ)、そのクセの非回転軸対称性(アス)、および光学面の面位置誤差(光学面同士の相対ズレ量)の評価項目における誤差の低減化を図って、光学素子の成形コストの低減と共に成形の高精度化を実現することができる光学素子の成形方法、光学素子、金型部材、および金型部材の加工方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide evaluation items necessary for improving the accuracy of an optical element having a rotationally symmetric design shape, for example, an error (habit) with a design value, and a non-rotation axial symmetry (astigmatism) of the habit. ), And an error in the evaluation item of the surface position error (relative deviation between the optical surfaces) of the optical surface, an optical that can reduce the molding cost of the optical element and increase the molding accuracy. The object is to provide an element molding method, an optical element, a mold member, and a method for processing the mold member.
本発明の目的は、光学素子における非回転軸対称な形状誤差を修正した上、光学素子の成形コストの低減と共に成形の高精度化を実現することができる光学素子の成形方法および光学素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical element molding method and an optical element capable of correcting a non-rotating axisymmetric shape error in an optical element and reducing the molding cost of the optical element and realizing high molding precision. There is to do.
本発明の光学素子の成形方法は、光軸を中心に回転軸対称な設計式をもつ光学素子を成形用金型によって成形する光学素子の成形方法において、前記設計式を光軸方向に反転させて製作した型部材によって、前記光学素子の光学面を成形する第1の工程と、前記第1の工程によって成形された前記光学面の形状の検出値と、前記設計式の設計値との差分を自由曲面の多項式に近似し、前記差分を相殺するように前記多項式を付加した前記設計式を光軸方向に反転させて型部材を製作する第2の工程と、前記第2の工程にて製作された型部材によって、前記光学素子の光学面を成形する第3の工程と、を含むことを特徴とする。 The optical element molding method of the present invention is an optical element molding method in which an optical element having a design formula that is symmetrical about the rotational axis about the optical axis is molded by a molding die, and the design formula is inverted in the optical axis direction. The difference between the first step of molding the optical surface of the optical element with the mold member manufactured in the above, the detected value of the shape of the optical surface molded by the first step, and the design value of the design formula In a second step of manufacturing a mold member by reversing the design formula added with the polynomial so as to cancel out the difference in the optical axis direction, And a third step of forming an optical surface of the optical element by the manufactured mold member.
本発明の光学素子は、本発明の成形方法によって光学表面が成形されたことを特徴とする。 The optical element of the present invention is characterized in that an optical surface is molded by the molding method of the present invention.
本発明の金型部材は、光軸を中心に半径方向に軸対称な設計式をもつ光学素子の成形用の金型部材において、前記光学素子の光学面を形成する面は、前記設計式の半径方向の位置を座標変換式によってx、yの座標値に変換してから光軸方向に反転した加工式に基づいて、フライカッティング方式によって加工したことを特徴とする。 The mold member of the present invention is a mold member for molding an optical element having a design formula that is axisymmetric in the radial direction about the optical axis. The surface that forms the optical surface of the optical element is Processing is performed by a fly-cutting method based on a processing formula in which a radial position is converted into x and y coordinate values by a coordinate conversion formula and then inverted in the optical axis direction.
本発明の金型部材の加工方法は、光軸を中心に半径方向に軸対称な設計式をもつ光学素子の成形するための金型部材の加工方法において、前記光学素子の光学面を形成する面は、前記設計式の半径方向の位置を座標変換式によってx、yの座標値に変換してから光軸方向に反転した加工式に基づいて、フライカッティング方式によって加工することを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a mold member processing method for forming an optical surface of an optical element in the mold member processing method for forming an optical element having a design formula that is axisymmetric in the radial direction about an optical axis. The surface is machined by a fly-cutting method based on a machining formula obtained by converting the position in the radial direction of the design formula into x and y coordinate values by a coordinate transformation formula and then inverting in the optical axis direction. .
本発明によれば、光軸中心に対して軸対称な設計形状をもつ金型部材によって光学素子を初期成形して、その光学素子の成形材料である樹脂の不均一な収縮のために生じた軸対称でない変形誤差分を検出する。その後、その変形誤差を相殺するように金型部材を製作し、その金型部材によって光学素子を次期成形する。その次期成形により、光学素子の設計値に対しての誤差量をなくす。この結果、成形コストがかからない成形条件下において、光学素子の高精度化に対して弊害となる非回転対称の形状誤差を修正し、成形コストの低減と光学素子の高精度化を両立させることができる。また、変形誤差の形状に囚われることなく光学素子の成形条件を設定することができ、光学素子の成形にて生じる諸問題に対応するための幅広い条件を設定することができる。さらに、光学素子の光学面の面位置誤差をも修正することができる。 According to the present invention, an optical element is initially molded by a mold member having an axisymmetric design with respect to the center of the optical axis, and this occurs due to non-uniform shrinkage of the resin that is a molding material of the optical element. A deformation error that is not axially symmetric is detected. Thereafter, a mold member is manufactured so as to cancel out the deformation error, and the optical element is formed next by the mold member. By the next molding, an error amount with respect to the design value of the optical element is eliminated. As a result, it is possible to correct a non-rotationally symmetric shape error that is detrimental to high accuracy of the optical element under molding conditions that do not require molding cost, and to achieve both reduction in molding cost and high precision of the optical element. it can. In addition, the molding conditions of the optical element can be set without being constrained by the shape of the deformation error, and a wide range of conditions can be set for dealing with various problems caused by the molding of the optical element. Furthermore, the surface position error of the optical surface of the optical element can also be corrected.
本発明によれば、光軸中心に対して軸対称な設計形状をもつ金型部材によって光学素子を初期成形して、その光学素子の成形材料である樹脂の不均一な収縮のために生じた軸対称でない変形誤差分を検出する。その後、その変形誤差を相殺するように金型部材を製作し、その金型部材によって光学素子を次期成形する。その次期成形により、光学素子の設計値に対しての誤差量をなくす。この結果、成形コストがかからない成形条件下において、光学素子の高精度化に対して弊害となる非回転対称の形状誤差を修正し、成形コストの低減と光学素子の高精度化を両立させることができる。また、変形誤差の形状に囚われることなく光学素子の成形条件を設定することができ、光学素子の成形にて生じる諸問題に対応するための幅広い条件を設定することができる。概して、それは低コストの条件設定にきわめて有効であり、光学素子にける光学面の高精度化と成形コストの低減の両立が可能となる。 According to the present invention, an optical element is initially molded by a mold member having an axisymmetric design with respect to the center of the optical axis, and this occurs due to non-uniform shrinkage of the resin that is a molding material of the optical element. A deformation error that is not axially symmetric is detected. Thereafter, a mold member is manufactured so as to cancel out the deformation error, and the optical element is formed next by the mold member. By the next molding, an error amount with respect to the design value of the optical element is eliminated. As a result, it is possible to correct a non-rotationally symmetric shape error that is detrimental to high accuracy of the optical element under molding conditions that do not require molding cost, and to achieve both reduction in molding cost and high precision of the optical element. it can. In addition, the molding conditions of the optical element can be set without being constrained by the shape of the deformation error, and a wide range of conditions can be set for dealing with various problems caused by the molding of the optical element. In general, it is extremely effective for setting low-cost conditions, and it is possible to achieve both high accuracy of the optical surface of the optical element and reduction of molding cost.
本発明は、光学素子の初期成形時に生じる誤差形状を自由曲面の多項式に近似し、これを設計形状式に付加した形状式に基づいて型部材を作り変え、この作り変えた型部材を用いて光学素子を成形することにより、光学素子における非回転軸対称な形状誤差を修正することができる。この結果、光学素子の成形コストの低減と共に、成形の高精度化を実現することができる。 The present invention approximates the error shape generated at the initial molding of the optical element to a polynomial of a free-form surface, remodels the mold member based on the shape formula added to the design shape formula, and uses the redesigned mold member. By shaping the optical element, it is possible to correct a non-rotation axially symmetric shape error in the optical element. As a result, the molding cost of the optical element can be reduced and the molding can be performed with high accuracy.
また、回転軸対称な光学素子の成形用の金型部材をフライカッティング方式によって加工することにより、その金型部材を高精度に加工することができ、光学素子における光学面同士の面位置誤差を容易に修正することができる。 In addition, by processing a mold member for forming an optical element that is rotationally symmetric by a fly cutting method, the mold member can be processed with high accuracy, and surface position errors between optical surfaces in the optical element can be reduced. It can be easily corrected.
以下に、本発明の実施形態について、図を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明を検討するに当たって適用した金型の断面図である。金型温調機に接続される温調経路6、7によって温調された金型内に、可塑化装置10により樹脂が射出される。樹脂は、スプールランナー5を流動してゲート4からキャビティ1に充填され、鏡面駒2,3によってレンズ面(R1面,R2面)が形成される。その後、PL(パーティングライン)11にて金型が開かれて、キャビティ1の形状に対応する成形品が取出される。8,9は、鏡面駒2,3が組み込まれるダイセットである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a mold applied in examining the present invention. Resin is injected by the
図2(a)および(b)は、本発明の対象製品としての液晶プロジェクター用レンズの横断面図および縦断面図であり、12は光軸中心、13はレンズ面(R2面)、14はレンズ面(R1面)、15はレンズの第1の断面方向、16はレンズの第2の断面方向である。図2(c)は、Φ32の両面非球面レンズの設計非球面式17(式1)と、R2面13の設計係数18を示す(R1面14に関しては割愛する)。非球面式17において、rは半径方向の像高位置、Rは参照R、kは円錐定数、c0−4,c0−6,・・・は非球面係数である。なお、要求精度は形状誤差0.6μmである。
2A and 2B are a transverse sectional view and a longitudinal sectional view of a lens for a liquid crystal projector as a target product of the present invention, in which 12 is an optical axis center, 13 is a lens surface (R2 surface), and 14 is A lens surface (R1 surface), 15 is a first cross-sectional direction of the lens, and 16 is a second cross-sectional direction of the lens. FIG. 2C shows a design aspherical expression 17 (Expression 1) of a double-sided aspherical lens of Φ32 and a
初期成形におけるレンズ面を形成する金型部材(以降、「鏡面駒」と称す)2および3は、超鋼ブランクにKNメッキ膜を施し、このメッキ膜をダイヤモンドバイトで加工する。その際には、図2(c)に示した設計非球面式17を光軸方向に反転したものを加工式として、鏡面駒2および3を光軸中心に旋回させる(旋回加工)。そして、このような加工によって製作した鏡面駒2および3をダイセット8、9に組み込み、初期成形を実施す
る。
Mold members (hereinafter referred to as “mirror face pieces”) 2 and 3 that form a lens surface in the initial molding apply a KN plating film to a super steel blank, and this plating film is processed with a diamond tool. At that time, the
本発明による成形条件は、成形品がヒケなく安定して成形できる条件であれば良いため、金型温度は120℃とした。ヒケは、樹脂の体積収縮によって生じる成形品の成形不良である。保圧力の設定は、950Kgf/cm2までヒケが目視で確認されたので975Kgf/cm2とした。なお、供試材料は、ガラス点移転温度137℃のシクロオレフィン樹脂(日本ゼオン(株)グレードE48R)を使用した。 Since the molding conditions according to the present invention may be any conditions as long as the molded product can be molded stably without sink, the mold temperature was set to 120 ° C. Sink is a molding defect of a molded product caused by volume shrinkage of the resin. The setting of the holding pressure was set to 975 Kgf / cm 2 since sink marks were visually confirmed up to 950 Kgf / cm 2 . In addition, the test material used cycloolefin resin (Nippon Zeon Co., Ltd. grade E48R) with a glass point transition temperature of 137 ° C.
このような成形条件下において、冷却時間の設定検討を行なった。その設定検討する上の指標として、レンズ面13における光軸方向の高さの値を検出する。すなわち、図3(a),(b)に示すように3次元形状測定機を使用し、測定機の走査プローブ19をレンズ面13上のスキャンライン20のように走査させることにより、レンズ面13における光軸方向の高さの値を検出する。そして、特許文献2に記載されている方式により、コンピュータ上にて、検出値と設計値との差分が最小二乗法で一番近くなる成形品の姿勢を導き出し、その姿勢における検出値と設計値との差分(形状誤差)を算出する。すなわち、セッテイング誤差を取り除き、レンズ面のみの形状誤差を算出する。
Under such molding conditions, the setting of the cooling time was examined. As an index for considering the setting, the height value of the
その後、その形状誤差を連続した3次元多項式で定義される自由曲面の多項式(式2)の形態に近似させる。 Thereafter, the shape error is approximated to a form of a free-form surface polynomial (formula 2) defined by a continuous three-dimensional polynomial.
すなわち、x、yの点列的な検出値データ群を回帰させることで、自由曲面の多項式(式2)を得る。この多項式(式2)の次数は、6、8、10、12次で近似して比較検討したが、8次以上の高次のものに精度上支障をきたす差違は見られなかったので、以降においては8次で近似することにした。 That is, a polynomial (formula 2) of a free-form surface is obtained by regressing the x, y point sequence detection value data group. Although the degree of this polynomial (formula 2) was approximated by the sixth, eighth, tenth, and twelfth orders for comparison, no difference was found that would interfere with accuracy in the higher order of the eighth order or higher. Is approximated by the 8th order.
図4に、冷却時間と、上式により算出して抜粋した図2(a)中の断面15の形状誤差との関係を示す。冷却時間250秒の状態では光軸中心に対して対称性が良く、冷却時間を短くするほど対称性が悪くなっていく様子が確認された。そして、冷却時間を160秒以下にするとヒケおよび面割れが確認された。これらはレンズ機能上差し支えることになるため、成形条件として相応しくない。よって、冷却時間を170秒に設定した。
FIG. 4 shows the relationship between the cooling time and the shape error of the
要求形状誤差0.6μmを目標とするレンズ面を形成すべく、金型部材を修正するに当たっては、成形品の安定性が求められる。つまり、金型からの誤差量を常に安定して再現することが前提となる。 When a mold member is modified to form a lens surface with a target shape error of 0.6 μm, the stability of the molded product is required. That is, it is assumed that the error amount from the mold is always reproduced stably.
上記初期成形検討にて、金型温度120℃、保圧力975Kgf/cm2、冷却時間170秒の成形条件を設定し、この条件下にて繰り返し100ショット成形を行い、その成形品を上記測定方法により測定した。その結果、離型量のばらつきの再現性は、要求形状誤差0.6μmに対して3分の1以下の0.2μm以下であり、要求形状誤差に対して十分な量であった。 At the initial forming study, mold temperature 120 ° C., maintained pressure 975Kgf / cm 2, setting the molding conditions of the cooling time 170 sec, performed repeatedly 100 shot molding in this condition, the measuring method and the molded article It was measured by. As a result, the reproducibility of variation in mold release amount was 0.2 μm or less, which is 1/3 or less of the required shape error of 0.6 μm, which was a sufficient amount for the required shape error.
上記測定における結果を図5に示し、これを第1,第2の断面方向の断面21,断面22において抜粋したものを図6中の曲線23,24に示す。光軸を中心に非回転軸対称性が10μm程度生じていることが分かる。そして、図5における測定結果を自由曲面の多項式(式2)の形態(図7中の25)に近似する。その係数を図7中の係数26として示す。
The results of the above measurement are shown in FIG. 5, and the excerpts of the
ところで、レンズ設計式(図2(c)に示す非球面式17)は光軸に対して回転軸対称であるため、任意の半径方向の位置rとレンズ表面上の任意の位置x,yとの関係は、式3によって表される。この関係を非球面式17に代入すると、レンズ面の任意のx,yに対するf0(x,y)を求めることができる。
By the way, since the lens design formula (
次に、第2の工程として、上記のレンズ設計式f0(x,y)と形状誤差近似式f1(x,y)から、成形によって生じるf1(x,y)を相殺するように、図1における鏡面駒2、3(本例に示すのは鏡面駒3)を作り変える作業を行なう。そのときの鏡面駒2、3の形状式(「狙い形状式」ともいう)をf3(x,y)とすると、それはf3(x,y)=f0(x,y)−f1(x,y)と表わせる。そして、この狙い形状式を光軸に反転させたものを鏡面駒3の加工定義式として、超精密NC制御加工機により5軸制御のフライカッティングで加工を行なう。
Next, as a second step, the above lens design equation f 0 (x, y) and a shape error approximation formula f 1 (x, y), so as to cancel the f 1 (x, y) caused by the molding The
次に、第3の工程として、上記の第2の工程で製作した鏡面駒2、3を図1のダイセット8、9に組み込み、前述した第1の工程で設定した成形条件で成形(次期成形)を行った。
Next, as a third step, the
そして、その成形品を前述した3次元形状測定機で測定し、同じくレンズ設計値との差分(形状誤差)を算出する。その結果を図8に示し、それを第1,第2の断面方向の断面27,断面28について抜粋したものを図9に示す。その結果、形状誤差の最大値は0.4μm程度、非回転軸対称性は0.2μm程度となった。また、前述の初期成形における成形バラツキ0.2μmを考慮しても要求精度0.6μmを満たすことできる。また、従来の修正方法では除去できなかった初期成形における非軸対称成分10μmを0.2μmに大幅に低減することができた。
Then, the molded product is measured by the above-described three-dimensional shape measuring machine, and the difference (shape error) from the lens design value is calculated. The results are shown in FIG. 8, and extracted from the
以上に説明した方法で金型部材を修正した成形用金型を用いることにより、レンズの高精度化および成形コストの低減化の両立が可能となった。 By using the molding die in which the mold member is modified by the method described above, it is possible to achieve both high accuracy of the lens and reduction in molding cost.
(第2の実施形態)
図10から図13は、本発明の第2の実施形態を説明するための図である。
(Second Embodiment)
10 to 13 are diagrams for explaining the second embodiment of the present invention.
図10は、光学素子の光学面を形成するための金型部材の加工装置の説明図である。金型部材(以降、「鏡面駒」と称す)211は超鋼ブランクによって製作し、レンズ面を形成する面212にKNメッキ膜を施す。215は鏡面駒211の回転中心であり、214は後述する位置決めボルト穴である。
FIG. 10 is an explanatory diagram of a mold member processing apparatus for forming an optical surface of an optical element. A mold member (hereinafter referred to as “mirror face piece”) 211 is manufactured from a super steel blank, and a KN plating film is applied to a
本例においては、加工用治具216における鏡面駒雇いポケット217の加工治具原点219に対して、NC加工機210の加工原点113を任意な位置に指定できるように、加工用治具216上に高心球度に製作された球体218を3個配置している。加工用治具216は、この3個の球体218の頂点が成す三角形の外接円の中心が加工用治具原点219に一致するように製作されている。このような加工用治具216を使用することにより、NC加工機210の加工原点113と加工用治具原点219の関係を制御することができる。また、鏡面駒雇いポケット217に挿入された鏡面駒211における中心215と加工用治具原点219は、位置決めボルト穴214と取付けボルト110により、取付けボルト110の引き込み方向に再現よく一致させることができる。図10は、鏡面駒211の中心215と加工用治具原点219とNC加工機210の加工原点113とが一致している状態を示している。鏡面駒211の位置決めボルト穴214は、ダイセットに精度再現よく組み込むために必要な構成部品となる。
In this example, on the
そして、NC加工機の原点113とし、上記のレンズ設計式f0(x,y)を光軸方向に反転させた加工定義式を用いて、超精密NC制御によりバイトフォルダー111を5軸制御する。そして、フライカッティング加工によって、鏡面駒211の面212のメッキ膜をダイヤモンドバイト112によって加工する。
Then, using the machining definition formula obtained by inverting the lens design formula f 0 (x, y) in the optical axis direction as the
図11(a)は、このような方法により加工された鏡面駒211を示す。この鏡面駒211は、鏡面駒11の中心215と、レンズ有効部(破線の内側)223における回転対称な非球面設計式の原点222(NC加工機210の加工原点113)と、が一致するように加工されている。
FIG. 11A shows the
図13は、このような鏡面駒を用いたレンズ成形用の金型の断面図である。 FIG. 13 is a cross-sectional view of a lens molding die using such a mirror piece.
上述した鏡面駒211のように、フライカッティング方式により加工製作した鏡面駒42,43は、ダイセット取付けボルト411,412によってダイセット48,49に取り付けられる。ガイドピン418は、成形機に取り付けた金型の開閉を行ったときに、再現性よく可動側ダイセット48と固定側ダイセット49とを位置決めする役割を果たす。通常、鏡面駒42,43の寸法と、それらが組み込まれるダイセット48,49のポケット415,416と、の間のクリアランスは、それらを組込む上において7〜10μm程度必要である。鏡面駒42,43の組込み再現性を保つために、ダイセット取付けボルト413,414を組み込むときは、その引き込みトルクをいつも同じトルク(例えば、50cN・m)とする。これにより、組み込まれた鏡面駒42,43は、絶えず取付けボルト413,414の方向に引き寄せられる状態となる。
Like the
そして、金型温調機に接続される温調経路46,47によって温調された金型内に、可塑化装置410にから樹脂が射出される。樹脂は、スプールランナー45内を流動してゲート44からキャビティ41に充填され、鏡面駒42,43によってレンズ面(R1面,R2面)が形成される。その後、PL(パーティングライン)417にて金型が開かれて、キャビティ41の形状に対応する成形品が取り出される。
Then, resin is injected from the
このような金型によって初期成形を実施し、成形品の光学面の面位置誤差(以下、「レンズ面位置誤差」ともいう)を確認する。 Initial molding is performed with such a mold, and a surface position error of the optical surface of the molded product (hereinafter also referred to as “lens surface position error”) is confirmed.
図12は、そのレンズ面位置誤差の確認結果の説明図である。本例の場合、R2面31の光軸34の位置は、成形品のR1面32の光軸33を基準にして、符号36によって示すX方向に20μm、符号35によって示すY方向に10μmずれている。
FIG. 12 is an explanatory diagram of the confirmation result of the lens surface position error. In the case of this example, the position of the
本実施形態は、このようなレンズ面位置誤差を効率よく修正するために、前述した第1の実施形態の第1および第2の工程に対応する金型部材(鏡面駒)の加工工程において、以下のようなフライカッティング方式を採用する。 In this embodiment, in order to efficiently correct such a lens surface position error, in the machining process of the mold member (mirror face piece) corresponding to the first and second steps of the first embodiment described above, The following fly cutting method is adopted.
図11(b)は、鏡面駒211の中心215と、レンズ有効部(破線の内側)223における回転対称な非球面設計式の原点222(NC加工機210の加工原点113)と、を意図的に一致させないように加工した鏡面駒211を示す。鏡面駒211の回転中心215に対して、NC加工機210の加工原点(設計式の中心)113をX方向に−20μm、Y方向に−10μmにずらして、図12のような成形品におけるレンズ面位置誤差を相殺するように、NC加工機210の加工原点(設計式の中心)113を設定して加工する。このようなフライカッティング方式を回転軸対称なレンズの鏡面駒加工に応用することにより、鏡面駒211の光軸222および設計式の有効領域223を任意の位置にオフセットさせることができる。
FIG. 11B intentionally shows the
そして、この鏡面駒211のように加工した鏡面駒を図13のダイセットに組み込み、次期成形を実施する。その結果、初期成形時に生じていたR2面31の光軸34の位置のずれ(R1面32の光軸33を基準にしたずれ)は、X方向に1μm、Y方向に2μmへと大幅に低減することができた。
And the mirror surface piece processed like this
このように、鏡面駒の原点と異なる任意な位置を設計中心として、回転軸対称な光学面の設計形状に鏡面駒を加工することができる。そして、このように加工した鏡面駒を供給することにより、成形品に生じていたレンズ面位置誤差を修正することができて、光学素子の高精度化を飛躍的に向上させることができる。 In this way, the specular piece can be processed into the design shape of the optical surface that is symmetric with respect to the rotational axis with the arbitrary position different from the origin of the specular piece as the design center. Then, by supplying the mirror piece processed in this way, it is possible to correct the lens surface position error that has occurred in the molded product, and to greatly improve the accuracy of the optical element.
1 キャビティ
2 鏡面駒
3 鏡面駒
4 ゲート
5 スプールランナー
6 温調経路
7 温調経路
8 ダイセット
9 ダイセット
10 可塑化装置
11 PL面
12 光軸中心
13 レンズ面(R2面)
14 レンズ面(R1面)
15 第1の断面方向
16 第2の断面方向
17 非球面定義式
18 非球面係数
19 三次元測定機の走査プローブ
20 三次元測定機の走査方向
21 第1の断面方向
22 第2の断面方向
23 第1の断面方向の形状誤差
24 第2の断面方向の形状誤差
25 自由曲面の多項式の定義式
26 係数
27 第1の断面方向
28 第2の断面方向
29 第1の断面方向の形状誤差
30 第2の断面方向の形状誤差
110 位置決めボルト
112 バイト
113 バイトの回転方向
111 バイトフォルダー
210 NC加工機
211 鏡面駒
212 鏡面駒における光学面を形成する面
213 KNメッキ膜をフライカッティング方式で加工した時に生じる切削目
214 鏡面駒の位置決めボルト穴
215 鏡面駒の回転中心
216 加工用治具
217 加工用治具における鏡面駒勘合ポケット
218 加工用治具の原点だし用鋼球
219 加工用治具の原点
222 非球面設計式の原点
223 光学面の有効領域
31 レンズ面(R2面)の断面
31A レンズ面(R2面)
32 レンズ面(R1面)の断面
32B レンズ面(R1面)
33 R2面の光軸
34 R1面の光軸
35 R1面光学面の光軸に対するR2面光学面光軸のY方向ズレ量
36 R1面光学面の光軸に対するR2面光学面光軸のX方向ズレ量
37 X、Y方向指示
41 キャビティ
42 可動側鏡面駒(R1面)
43 固定側鏡面駒(R2面)
44 ゲート
45 スプール、ランナー
46 可動側温調経路
47 固定側温調経路
48 可動側ダイセット
49 固定側ダイセット
410 可塑化装置
411 鏡面駒取付けボルト
412 鏡面駒取付けボルト
413 鏡面駒位置決めボルト
414 鏡面駒位置決めボルト
415 鏡面駒据付ポケット
416 鏡面駒据付ポケット
417 PL面
418 可動側・固定側位置決めガイドピン
DESCRIPTION OF
14 Lens surface (R1 surface)
DESCRIPTION OF
32 Cross section of lens surface (R1 surface) 32B Lens surface (R1 surface)
33 R2 surface
43 Fixed mirror face piece (R2 side)
44
Claims (10)
前記設計式を光軸方向に反転させて製作した型部材によって、前記光学素子の光学面を成形する第1の工程と、
前記第1の工程によって成形された前記光学面の形状の検出値と、前記設計式の設計値との差分を自由曲面の多項式に近似し、前記差分を相殺するように前記多項式を付加した前記設計式を光軸方向に反転させて型部材を製作する第2の工程と、
前記第2の工程にて製作された型部材によって、前記光学素子の光学面を成形する第3の工程と、
を含むことを特徴とする光学素子の成形方法。 In a molding method of an optical element in which an optical element having a design equation that is symmetrical about the rotation axis about the optical axis is molded by a molding die,
A first step of forming an optical surface of the optical element by a mold member produced by inverting the design formula in the optical axis direction;
The difference between the detected value of the shape of the optical surface formed by the first step and the design value of the design formula is approximated to a polynomial of a free-form surface, and the polynomial is added so as to cancel the difference A second step of producing a mold member by inverting the design formula in the optical axis direction;
A third step of molding the optical surface of the optical element by the mold member produced in the second step;
A method for forming an optical element, comprising:
前記自由曲面の多項式は式2であることを特徴とする請求項1または2に記載の光学素子の成形方法。
R:参照R
k:円錐定数
c0−4,c0−6,・・・:非球面係数 The design formula is the aspheric formula of Formula 1,
The method of molding an optical element according to claim 1, wherein the polynomial of the free-form surface is Equation 2.
k: conic constant c0 −4 , c0 −6 ,...: aspheric coefficient
R:参照R
k:円錐定数
c0−4,c0−6,・・・:非球面係数 The optical element molding method according to claim 4, wherein the design formula is an aspheric formula of Formula 1, the coordinate conversion formula is Formula 2, and a polynomial of the free-form surface is Formula 3.
k: conic constant c0 −4 , c0 −6 ,...: aspheric coefficient
前記光学素子の光学面を形成する面は、前記設計式の半径方向の位置を座標変換式によってx、yの座標値に変換してから光軸方向に反転した加工式に基づいて、フライカッティング方式によって加工したことを特徴とする金型部材。 In a mold member for molding an optical element having a design formula that is axisymmetric in the radial direction about the optical axis,
The surface forming the optical surface of the optical element is fly-cut based on a processing formula obtained by converting the radial position of the design formula into a coordinate value of x, y by a coordinate conversion formula and then inverting in the optical axis direction. A mold member processed by a method.
前記光学素子の光学面を形成する面は、前記設計式の半径方向の位置を座標変換式によってx、yの座標値に変換してから光軸方向に反転した加工式に基づいて、フライカッティング方式によって加工することを特徴とする金型部材の加工方法。 In a method of processing a mold member for molding an optical element having a design formula that is axisymmetric in the radial direction about the optical axis,
The surface forming the optical surface of the optical element is fly-cut based on a processing formula obtained by converting the radial position of the design formula into a coordinate value of x, y by a coordinate conversion formula and then inverting in the optical axis direction. A method for processing a mold member, characterized by processing according to a method.
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