JP5008625B2 - モールドプレスレンズの評価方法およびレンズ成形型の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、モールドプレスレンズ成形用のレンズ成形型を加工する段階で、当該レンズ成形型によって成形されたモールドプレスレンズのレンズ面形状誤差を評価するモールドプレスレンズの評価方法に関する。また、本発明は、かかるモールドプレスレンズの評価方法を利用してレンズ成形型の評価を行なうレンズ成形型の評価方法に関する。

デジタルカメラなどの撮像光学系に用いられる撮像レンズ系は高画素化と共に小型・コンパクト化の要望が高く、このような要望を満たすために近年においては撮像レンズ系に非球面レンズが多用されている。非球面レンズとしてはガラス素材からなるモールドプレスレンズが知られている。非球面レンズの非球面の形状誤差が大きいと撮像レンズ系全体として所望の光学特性を得ることができない。したがって、製造後の非球面レンズの非球面形状の測定を精度良く行ない、形状誤差が大きいものを取り除く必要がある。

従来においては、非球面レンズの非球面形状の測定には、非球面レンズに接触子を接触させて非球面の形状を測定する接触式の測定装置（例えば、テーラーホブソン社製のフォーム・タリサーフや松下電器産業株式会社製のＵＡ３Ｐ）が用いられている。このような表面形状測定装置を用いた形状測定は非球面の全体についての形状測定に時間を要するという問題点がある。そこで、球面レンズの形状測定に多用されているフィゾー干渉計などの干渉計を用いて非球面の形状測定を行なうことが考えられる。

干渉計としてはレンズ透過波面の測定を行なう透過波面干渉計が知られている。透過波面測定方法は、特許文献１、２に開示されている。これらの特許文献に記載されているように、透過波面測定方法では、ヌルレンズと干渉計を用いて干渉縞または波面収差を測定している。

ここで、モールドプレスレンズにおいては、そのレンズ成形型を精度良く製造することができないと、成形されたモールドプレスレンズの歩留まりが悪い。したがって、モールドプレスレンズ自体の形状誤差を評価すると共に、レンズ成形型の形状誤差を評価して、規格に合ったレンズ成形型を用いることが必要である。特許文献３には、仮金型により成形される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なう光学素子成形型設計方法が開示されている。この方法では、干渉計を用いて光学素子の波面収差を測定している。
特開２００２−２１４０７６号公報 特開２０００−２２７３１３号公報 特開２００４−２９９９３４号公報

デジタルカメラなどに用いられる撮像系のレンズは一般に組レンズとして使用されるので、レンズ単品での透過波面には大きな収差が存在する。そこで、収差をヌル化できるヌルレンズを挿入すると、透過波面を無収差にすることができる。このようなヌルレンズ系を構成できれば、検査対象のレンズに形状誤差がある場合には、その誤差成分が波面収差として現れるので、波面収差値を測定することでレンズの性能を評価できる。また、実際にヌルレンズを製作しなくとも、光学設計ソフトと検査対象のレンズの形状誤差データがあれば、波面収差値をシミュレーションで計算することができる。但し、実際の組レンズの光学特性に近くなるようなヌルレンズ設計が理想であり、また、波面収差値に基づく合否判定では、実装解像評価結果とシミュレーション波面収差計算値の相関関係を確認してから、合否判定用の基準値（波面収差値）を決定する必要がある。

ここで、モールドプレスレンズにおいては、そのレンズ成形型による転写特性が把握できており、一つのレンズ成形型によるレンズ形状のバラツキが十分に小さい場合には、レンズ成形型のレンズ面成形面の形状誤差に基づき、当該レンズ成形型を用いて成形されたモールドプレスレンズの形状誤差を精度良く予測できる。したがって、レンズ成形型を加工する段階において、モールドプレスレンズを実際に成形することなく、その波面収差を評価することが可能である。

本発明の課題は、かかる知見に基づき、モールドプレスレンズ成形用のレンズ成形型を加工する段階で、当該レンズ成形型によって成形されたモールドプレスレンズのレンズ面形状誤差を評価可能なモールドプレスレンズの評価方法を提案することにある。

また、本発明の課題は、かかるモールドプレスレンズの評価方法を利用してレンズ成形型の評価を行なうレンズ成形型の評価方法を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のモールドプレスレンズの評価方法は、
モールドプレスレンズを成形するためのレンズ成形型を製作し、
製作された前記レンズ成形型における前記モールドプレスレンズの第１および第２レンズ面を成形するための第１レンズ面成形面および第２レンズ面成形面の形状誤差を測定し、
前記第１および第２レンズ面成形面の測定形状誤差に基づき、前記成形型を用いて成形される前記モールドプレスレンズの前記第１および第２レンズ面の予想形状誤差を算出し、
形状誤差の無い前記第１および第２レンズ面を備えた前記モールドプレスレンズを透過した後の光の透過波面に現れる波面収差をヌル化するためのヌルレンズを設計し、
前記予想形状誤差を含む前記第１および第２レンズ面を備えた前記モールドプレスレンズおよび前記ヌルレンズを透過した後の光の透過波面に現れる予想波面収差を算出し、
算出した前記予想波面収差に基づき、前記レンズ成形型を用いて成形される前記モールドプレスレンズの合否を評価することを特徴としている。

ここで、光学設計用プログラムおよび波面収差計算用プログラムがインストールされたコンピュータを備えた光学設計装置を用いて、前記ヌルレンズの設計および前記予想波面収差の算出を行うことが可能である。

また、本発明は、球面レンズなどに比べて製作が困難な非球面モールドプレスレンズの評価に用いるのに適している。

さらに、ヌルレンズの設計を容易に行なうためには、複数枚の球面レンズを用いてヌルレンズ系を設計するよりも、ヌルレンズを、一方のレンズ面が凸あるいは凹の非球面で、他方のレンズ面が平面である単レンズとして設計することが望ましい。

次に、本発明は、上記のモールドプレスレンズの評価方法を用いたレンズ成形型の評価方法であって、
前記モールドプレスレンズの前記第１レンズ面を成形するための前記第１レンズ面成形面を備えた複数台の第１レンズ成形型と、前記モールドプレスレンズの前記第２レンズ面を成形するための前記第２レンズ面成形面を備えた複数台の第２レンズ成形型とを製作し、
前記第１レンズ成形型の一つと前記第２レンズ成形型の一つとの組み合わせからなる前記レンズ成形型のそれぞれについて、前記モールドプレスレンズの評価方法による評価を行ない、
評価結果が合格となった前記第１レンズ成形型および前記第２レンズ成形型の組み合わせを、前記レンズ成形型として合格品であると評価することを特徴としている。

本発明のモールドプレスレンズの評価方法においては、レンズ成形型の成形面の形状誤差を実際に測定し、この測定形状誤差に基づき、当該レンズ成形型を用いて成形されるモールドプレスレンズの両レンズ面の予測形状誤差を計算によって求めるようにしている。したがって、実際にモールドプレスレンズを成形する前の段階、すなわち、レンズ成形型を加工する段階において、成形によって得られるモールドプレスレンズの形状誤差を評価できる。よって、不良レンズの発生を未然に防止できるなどの利点がある。

また、本発明のレンズ成形型の評価方法においては、例えば上下一対の第１、第２レンズ成形型からなるレンズ成形型について、第１レンズ成形型および第２レンズ成形型を個別に評価するのではなく、それらの組み合わせについて評価することができる。レンズ成形型単品ではその成形面の形状誤差が許容範囲内にあったとしても、組み合わせて、モールドプレスレンズを成形した場合には双方の成形面の形状誤差が重畳して、許容範囲を逸脱するような大きな形状誤差のあるモールドプレスレンズが成形される可能性がある。本発明の方法によれば、組み合わせた状態でのレンズ成形型を評価することができるという効果が得られる。例えば、下型を一定の間隔で循環経路に沿って循環させ、加熱したガラス素材を下型の成形面に供給し、しかる後に、ガラス素材を挟み上型を下型に対してセットしてプレス成形を行なうようなモールドプレス成形装置において、本発明の方法によって、不良成形型の組み合わせを事前に排除でき、不良レンズの成形を未然に防止できる。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る非球面モールドプレスレンズの評価方法およびレンズ成形型の評価方法を説明する。

（非球面モールドプレスレンズの評価方法）
図１は本実施の形態に係る非球面モールドプレスレンズの評価方法を示す概略工程図であり、図２〜図４は各工程を説明するための説明図である。

まず、図１の工程ＳＴ１において、モールドプレスレンズを成形するためのレンズ成形型を製作する。ここで、マスターとなるレンズ成形型のレンズ面成形面の設計は、モールドプレスレンズの光学パラメータに基づき一般的に行なわれている設計方法により行なわれる。

すなわち、モールドプレスレンズのモールドプレス成形においては、成形後の冷却期間における熱収縮などのために、レンズ成形型のレンズ面成形面形状と、モールドプレスレンズのレンズ面形状とは一致しない。また、成形時の成形用ガラス素材の内部温度の不均一分布、成形されるモールドプレスレンズの各部の厚さの相違などに起因して、モールドプレスレンズの各部分の熱収縮量に差が生ずるので、レンズ成形型の面形状とモールドプレスレンズのレンズ面形状は相似形にならないことが多い。

そこで、マスターとなるレンズ成形型の製作においては、成形により得られたモールドプレスレンズのレンズ面形状を測定し、測定値に基づいて成形時の形状の変化を予測し、成形型の成形面の補正を行ないながらその成形面形状を最適化していく設計手法が採用されている。

このようにして決定された成形面形状となるように各レンズ成形型が製作される。したがって、レンズ成形型のレンズ面成形面形状と、当該レンズ成形型を用いて成形されるモールドプレスレンズのレンズ面形状との間の関係は既知である。

モールドプレスレンズとしては、例えば、図２（ａ）に示す両面が非球面である両凸レンズ１、図２（ｂ）に示す両面が非球面である凹メニスカスレンズ２などがある。モールドプレスレンズ１、２は、例えば、デジタルカメラなどの撮像光学系として用いられる組レンズの構成レンズとして用いられるものである。

また、図３に示すように、例えば凹メニスカスレンズ２をモールドプレス成形するためのレンズ成形型３は、上成形型４および下成形型５と、円筒状の胴型６とを備えた構成とされる。上成形型４の下端面には凹メニスカスレンズ２の第１レンズ面２ａを成形するための第１レンズ面成形面４ａが形成されており、下成形型５の上端面には凹メニスカスレンズ２の第２レンズ面２ｂを成形するための第２レンズ面成形面５ａが形成されている。

次に、図１の工程ＳＴ２において、製作されたレンズ成形型、例えば、図３に示す上成形型４および下成形型５について、それらの第１レンズ面成形面４ａおよび第２レンズ面成形面５ａの形状誤差を実際に測定する。形状誤差の測定には、非球面レンズに接触子を接触させて非球面の形状を測定する接触式の測定装置（例えば、テーラーホブソン社製のフォーム・タリサーフや松下電器産業株式会社製のＵＡ３Ｐ）を用いることができる。

次に、図１の工程ＳＴ３において、第１および第２レンズ面成形面４ａ、５ａの形状誤差測定値に基づき、レンズ成形型３を用いて成形されるモールドプレスレンズ、例えば凹メニスカスレンズ２の第１および第２レンズ面２ａ、２ｂの予想形状誤差を計算によって算出する。先に説明したように、形状誤差の無い第１、第２レンズ面形成面４ａ、５ａの形状と、形状誤差の無い凹メニスカスレンズ２の第１、第２レンズ面２ａ、２ｂの形状との間の関係は既知である。したがって、これらの既知に関係に基づき、凹メニスカスレンズの第１、第２レンズ面２ａ、２ｂに生ずるであろう形状誤差（予想形状誤差）を計算によって算出することができる。

次に、図１の工程ＳＴ４においては、形状誤差の無い第１および第２レンズ面２ａ、２ｂを備えた凹メニスカスレンズ（モールドプレスレンズ）を透過した後の光の透過波面に現れる波面収差をヌル化するためのヌルレンズを設計する。

本例の凹メニスカスレンズ２（モールドプレスレンズ）は、撮像系光学系の組レンズとして使うために、レンズ単体では収差を持っている。そのため、ヌルレンズを使って収差を取り除いた後の透過波面を測定し、そこに含まれる波面収差に基づき形状誤差を算出する。本例で使用する透過型のヌルレンズ系は、被検レンズに入射した平行光がヌルレンズを通って１点に集まるように設計する。透過型のヌルレンズでは、被検レンズである凹メニスカスレンズ２（モールドプレスレンズ）の第１、第２レンズ面２ａ、２ｂの両面を透過した波面を測定することになるので、測定可能項目は「第１、第２レンズ面の合成形状誤差」、また、「面間偏芯」となる。

次に、ヌルレンズの必要枚数は、モールドプレスレンズのタイプと評価対象項目、また、ヌルレンズを球面にするか非球面にするかによって大まかに決まる。図４（ａ）の表における「ヌルレンズ必要枚数」の「非球面」の欄は、非球面のヌルレンズを平凸非球面とした場合の例である。図４（ｂ）には、被検レンズが凹メニスカスレンズ２の場合に、一方の第１レンズ面６ａが凸非球面で、他方の第２レンズ面６ｂが平面である平凸非球面のヌルレンズ６を用いた場合の透過波面測定用の光学系の例を示してある。

平凸非球面を採用した理由は、両非球面よりも製造しやすいためであり、これは非球面ヌルレンズの製造は、コストを考えると研削加工で製作するのが現実的であるが、その場合、片側が平面である平凸の方が加工しやすく、また両非球面だと製造誤差の影響が大きくなるためである。

図４（ａ）の表に示すように、被検レンズが凹メニスカスレンズ２の場合は両凸レンズ１よりも設計難易度が上がり、ヌルレンズ必要枚数も多くなる。また評価対象が「形状」の場合は「偏芯」の場合よりも枚数が多く必要になる。これは、「形状」評価の場合は有効径全域を通る光束にする必要があるが、「偏芯」評価の場合はその必要が無いからである。すなわち、光束が大きいほど補正する収差量が多くなるので、より多くヌルレンズが必要になる。

なお、ヌルレンズの設計に当たって、球面系と非球面系ではどちらが良いのかは、設計の可否や誤差感度との関係があるため一概には言えない。しかしながら、設計の容易さから、まず平凸非球面で行ない、平凸非球面での設計が不可能であれば、球面組レンズを採用するという設計手順を採用することが望ましい。

ここで、ヌルレンズの設計は、ヌルレンズを実際に製作することなく、市販の光学設計ソフト上でシミュレーション評価することにより行なうことができる。すなわち、光学設計用プログラムがインストールされたコンピュータを中心に構成される光学設計装置を用いて行なうことができる。

次に、図１の工程ＳＴ５において、先に算出された予想形状誤差を含む第１、第２レンズ面２ａ、２ｂを備えた凹メニスカスレンズ２（モールドプレスレンズ）および、上記のように設計したヌルレンズ６を透過した後の光の透過波面に現れる波面収差を計算により求める。この場合にも、光学設計装置にインストールされている光学設計ソフト上において、凹メニスカスレンズ２のレンズ面２ａ、２ｂの予想形状誤差データを入力し、波面収差計算用プログラムを起動して、両レンズ面の誤差成分が合成された波面収差（３次球面収差など）を計算する。すなわち、光学設計ソフト上において、図４（ｂ）に示す凹メニスカスレンズ２およびヌルレンズ１０を備えた光学系を構成し、凹メニスカスレンズ２の予想形状誤差に基づき、透過波面に現れる波面収差を算出する。

この後は、図１の工程ＳＴ６において、算出した波面収差（予想波面収差）に基づき、レンズ成形型３を用いて成形される凹メニスカスレンズ２（モールドプレスレンズ）の合否を評価する。ここで、評価基準となる波面収差値規格を、実際に凹メニスカスレンズ２を組レンズとして実装した場合の実装解像評価結果との相関関係を考慮して決めておくことが望ましい。かかる波面収差値規格を光学設計装置のメモリに記憶させておき、算出した波面収差を規格値と比較して合否の評価を行なうようにすればよい。

（レンズ成形型の評価方法）
次に、上記の非球面モールドプレスレンズの評価方法を用いてレンズ成形型を評価する方法を説明する。

例えば、図３に示す上下一対の上成形型４および下成形型５を備えたレンズ成形型３においては、一方の成形型のレンズ面成形面の形状誤差が規格誤差内であっても、双方の成形型を組み合わせて凹メニスカスレンズ２を成形した場合に、当該凹メニスカスレンズ２の波面収差が許容範囲を超えることがある。換言すると、凹メニスカスレンズ２のレンズ面２ａ、２ｂの形状誤差が許容範囲を超えることがある。したがって、このような対のレンズ成形型３の場合には、各レンズ成形型を個別に評価するのではなく、それらの組み合わせについて評価することが望ましい。

例えば、下成形型５を一定のピッチで循環経路に沿って循環させ、加熱したガラス素材を所定位置において各下成形型５の成形面５ａに供給し、しかる後に、ガラス素材を挟み上成形型４を下成形型にセットしてプレス成形を行なうようなモールドプレス成形装置においては、多数の組みのレンズ成形型３が用いられる。

このようなモールドプレス成形装置の場合には、多数の上成形型４および多数の下成形型５を製作した後に、任意の上成形型４および下成形型５の組を選択し、これらのレンズ面成形面の形状誤差をタリサーフによって測定し、図１に示す工程に従って、成形される凹メニスカスレンズ２の評価を行なうことにより、選択した上成形型４および下成形型５の組み合わせによって不良レンズが成形されるか否かを判断できる。不良レンズが成形される上成形型４および下成形型５の組み合わせを排除することにより、良品レンズを成形可能な上成形型４および下成形型５の組み合わせからなるレンズ成形型３を選別することができる。

本発明のモールドプレスレンズの評価方法の手順を示す工程図である。 （ａ）および（ｂ）はモールドプレスレンズの２例を示す説明図である。 モールドプレスレンズを成形するためのレンズ成形型の一例を示す説明図である。 （ａ）は被検レンズタイプとヌルレンズ必要枚数との関係を示す図表であり、（ｂ）は平凸非球面のヌルレンズを用いて凹メニスカスレンズの透過波面の波面収差を測定するための透過型光学系を示す説明図である。

符号の説明

１ 両凸レンズ（モールドプレスレンズ）
２ 凹メニスカスレンズ（モールドプレスレンズ）
２ａ 第１レンズ面
２ｂ 第２レンズ面
３ レンズ成形型
４ 上成形型
４ａ 第１レンズ面成形面
５ 下成形型
５ａ 第２レンズ面成形面
６ ヌルレンズ
６ａ 第１レンズ面（凸非球面）
６ｂ 第２レンズ面（平面）

Claims (5)

1. モールドプレスレンズを成形するためのレンズ成形型を製作し、
   製作された前記レンズ成形型における前記モールドプレスレンズの第１、第２レンズ面を成形するための第１、第２レンズ面成形面の形状誤差を測定し、
   前記第１および第２レンズ面成形面の測定形状誤差に基づき、前記成形型を用いて成形される前記モールドプレスレンズの前記第１および第２レンズ面の予想形状誤差を算出し、
   形状誤差の無い前記第１および第２レンズ面を備えた前記モールドプレスレンズを透過した後の光の透過波面に現れる波面収差をヌル化するためのヌルレンズを設計し、
   前記予想形状誤差を含む前記第１および第２レンズ面を備えた前記モールドプレスレンズおよび前記ヌルレンズを透過した後の光の透過波面に現れる予想波面収差を算出し、
   算出した前記予想波面収差に基づき、前記レンズ成形型を用いて成形される前記モールドプレスレンズの合否を評価することを特徴とするモールドプレスレンズの評価方法。
2. 請求項１に記載のモールドプレスレンズの評価方法において、
   光学設計用プログラムおよび波面収差計算用プログラムがインストールされたコンピュータを備えた光学設計装置を用いて、前記ヌルレンズの設計および前記予想波面収差の算出を行うことを特徴とするモールドプレスレンズの評価方法。
3. 請求項１または２に記載のモールドプレスレンズの評価方法において、
   前記モールドプレスレンズは、少なくとも一方のレンズ面が非球面であることを特徴とするモールドプレスレンズの評価方法。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれかの項に記載のモールドプレスレンズの評価方法において、
   前記ヌルレンズは、一方のレンズ面が凸あるいは凹の非球面であり、他方のレンズ面が平面であることを特徴とするモールドプレスレンズの評価方法。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれかの項に記載のモールドプレスレンズの評価方法を用いたレンズ成形型の評価方法であって、
   前記モールドプレスレンズの前記第１レンズ面を成形するための前記第１レンズ面成形面を備えた複数台の第１レンズ成形型と、前記モールドプレスレンズの前記第２レンズ面を成形するための前記第２レンズ面成形面を備えた複数台の第２レンズ成形型とを製作し、
   前記第１レンズ成形型の一つと前記第２レンズ成形型の一つとの組み合わせからなる前記レンズ成形型のそれぞれについて、前記モールドプレスレンズの評価方法による評価を行ない、
   評価結果が合格となった前記第１レンズ成形型および前記第２レンズ成形型の組み合わせを、前記レンズ成形型として合格品であると評価することを特徴とするレンズ成形型の評価方法。