光学素子を製造するための研削装置、光学素子の製造方法、及び光学素子を製造するための金型または光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置
【課題】 大型光学素子を大型望遠鏡などへ組み込む場合は、加工機のワーク支持治具へ被研削物を載置している場合と支持状態や荷重分布が異なるため、加工機に取り付けられた状態で測定される面形状が、組み込んだ状態の面形状とは異なるため、自重で変形する光学素子の製造装置は存在しなかった。
【構成】 光学素子となる被研削物の研削面に対向する裏面と研削状態において密着する形状のワーク支持面を有するワーク支持治具であって、ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている、複数のピエゾアクチュエータ内蔵穴を所定の穴配置位置に設け、それぞれのピエゾアクチュエータ内蔵穴の中に、ピエゾアクチュエータ及びロードセルを昇降自在に内蔵したワーク支持治具を備えた、自重で変形する光学素子を製造するための研削装置である。
【構成】 光学素子となる被研削物の研削面に対向する裏面と研削状態において密着する形状のワーク支持面を有するワーク支持治具であって、ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている、複数のピエゾアクチュエータ内蔵穴を所定の穴配置位置に設け、それぞれのピエゾアクチュエータ内蔵穴の中に、ピエゾアクチュエータ及びロードセルを昇降自在に内蔵したワーク支持治具を備えた、自重で変形する光学素子を製造するための研削装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自重で変形する光学素子を製造するための研削装置に関する。また、本発明は自重で変形する光学素子の製造方法に関する。さらに、本発明は光学素子を製造するための金型または光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置に関する。本明細書において、「光学素子」の語句には、レンズ及び反射鏡が含まれる。
本発明は主として研削加工機に光学的な干渉計装置を一体化した複合精密研削加工機として新たに設計製作したもので、特殊反射鏡や光学レンズなどの凹非球面光学素子や凸非球面光学素子の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
凹非球面形状をもつ高精度の反射鏡やレンズは、回転対称である軸対称非球面形状のものと対称軸がずれている非軸対称非球面形状のものがあり、どちらも通常の研削方法での製造や精度検定が難しいため、その有用性にもかかわらず、実際の製造例はごく限られている。
【０００３】
カメラや投影機など通常の光学系に使用される反射鏡やレンズの面形状は回転対称であり、従来の製法は、ＮＣ精密旋盤の回転チャックに反射鏡またはレンズ硝材を取り付けて、ダイアモンドバイトにより形状を制御しながら切削加工を行う方法、およびレンズ硝材を水平のターンテーブルに固定して、テーブルを回転しながら、比較的高速回転させる砥石ホールで非球面の成型を行う方法がとられてきた。これらの方法では被研削面の形状測定は、機上において接触式・非接触式の変位計での計測は行われていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
第１課題
大型光学素子を大型望遠鏡などの製品へ組み込む場合は、研削の際の加工機自身のワーク支持治具へ被研削物を載置している場合と支持状態や荷重分布が異なるため、研削機に取り付けられた状態のままで測定される面の形状が、実際の製品の面形状とは異なる。すなわち、大型光学素子は自重で変形する。
【０００５】
必然的に自重変形が効くようなサイズの大きな反射鏡面やレンズ面、または相対的に厚さが薄い光学素子では、レンズ硝材の荷重分布や研削加工の際に蓄積するレンズ硝材の内部応力に起因して、研削終了後に固定を外して望遠鏡に組み込んだ時には、反射鏡面やレンズ面の形状が変わってしまう。
【０００６】
第２課題
また、非球面の形状寸法を光干渉法によって精密に測定する方法が存在しなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の第１課題は、請求項１に記載の本発明に係る研削装置、すなわち、光学素子となる被研削物の研削面に対向する裏面と研削状態において密着する形状のワーク支持面を有するワーク支持治具であって、ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている、複数のピエゾアクチュエータ内蔵穴を所定の穴配置位置に設け、それぞれのピエゾアクチュエータ内蔵穴の中に、ピエゾアクチュエータ及びロードセルを昇降自在に内蔵したワーク支持治具を備えた、自重で変形する光学素子を製造するための研削装置によって、解決される。
【０００８】
本発明の好ましい実施態様においては、請求項２に記載のように、当該ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている複数の熱膨張アクチュエータ内蔵穴を所定の副穴配置位置に設け、それぞれの熱膨張アクチュエータ内蔵穴の中に熱膨張柱状部品と、当該柱状部品を加熱するためのヒータと、を内蔵している。
【０００９】
本発明の他の好ましい実施態様においては、請求項３に記載のように、各穴配置位置において、各ロードセルで測定した荷重測定値と当該非球面光学素子を製品に組み込んだ際の荷重算出値とを比較し、荷重測定値と荷重算出値との差が所定値以下になるように、各穴配置位置におけるピエゾアクチュエータの突出寸法を制御して、模擬フローティング支持状態を創出する制御装置をさらに備えている。
【００１０】
また、上記の第１課題は、請求項４に記載の本発明に係る光学素子の製造方法、すなわち、光学素子となる被研削物の研削面に対向する裏面と研削状態において密着する形状のワーク支持面を有するワーク支持治具であって、ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている、複数のピエゾアクチュエータ内蔵穴を所定の穴配置位置に設け、それぞれのピエゾアクチュエータ内蔵穴の中に、ピエゾアクチュエータ、ロードセルを昇降自在に内蔵したワーク支持治具を備えた、自重で変形する光学素子を製造するための研削装置を用いて、模擬フローティング支持状態において被研削物の研削面の途中形状・寸法と目標形状・寸法とを当該研削面上の所定点において比較し、寸法差を求める測定ステップと、その後に、被研削物をワーク支持面に密着させて研削状態とし、当該研削状態において、当該研削面上の所定点において当該寸法差に基づいて研削を行う研削ステップと、を、被研削物を研削装置から移動することなく、交互に行う、自重で変形する光学素子の製造方法によっても、解決される。
【００１１】
上記の第２課題は、請求項５に記載の本発明に係る光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置、すなわち、平行光発生装置と、ハーフミラーと、得ようとする研削面の形状・寸法に対応するＣＧＨマスクと、金型または光学素子となる被研削材と、を順に配置し、当該被研削材に近接して基準平面を配置し、平行光発生装置からの平行光がＣＧＨマスクを透過する際に回折されずに直進した０次回折光が当該基準平面に投射され、当該基準平面からの反射光が当該ＣＧＨマスクを再び透過する際に回折された１次回折光はハーフミラーで反射されて光路を側方へ変えて干渉計に第一光束として入射されるとともに、平行光発生装置からの平行光がＣＧＨマスクを透過する際に回折された１次回折光が被研削材の研削面に投射され、当該研削面からの反射光が当該ＣＧＨマスクを再び透過する際に回折されずに直進する０次回折光は当該ハーフミラーで反射されて光路を側方へ変えて当該干渉計に第二光束として入射されて、第一光束と第二光束との干渉縞を当該干渉計が観察できるように、当該平行光発生源、当該ハーフミラー、当該ＣＧＨマスク、当該被研削材、当該基準平面、及び当該干渉計を配置してなること、を特徴とする非軸対称凸非球面の光学素子を製造するための金型または非軸対象凹非球面の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置によって、解決される。
【００１２】
また、上記の第２課題は、請求項６に記載の本発明に係る光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置、すなわち、平行光発生干渉計と、基準平面ハーフミラーと、ヌルレンズと、を金型または光学素子となる被研削材の対称軸にこれらの光軸とを一致させて、順に配置してなることを特徴とする、軸対象凸非球面の光学素子を製造するための金型または軸対象凹非球面の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置によって、解決される。
【００１３】
さらにまた、上記の第２課題は、請求項７に記載の本発明に係る光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置、すなわち、Ｆ付き光発生装置と、ハーフミラーと、上面が得ようとする研削面よりも非球面度の大きな凸面形状を有し、下面が得ようとする研削面と同一の凹面形状を有するヒンドルシェルであって、当該Ｆ付き光発生装置で発生したＦ付き光が、ハーフミラーを透過して直進し、ヒンドルシェルの上面から入射され、屈折され、下面からその法線方向へ放射されるように設計されたヒンドルシェルと、金型または光学素子となる被研削材とを、被研削材の対称軸にこれらの光軸を一致させて、順に配置するとともに、当該ハーフミラーの側方に干渉計を配置して、当該被研削材の研削面で反射された光が、ヒンドルシェルを通過した後、当該ハーフミラーで反射されて、光路を側方へ変えて、当該干渉計に入射されるように配置してなることを特徴とする、軸対称凹非球面の光学素子を製造するための金型または軸対称凸非球面の光学素子を精密に測定する精密測定装置によって、解決される。
【発明の効果】
【００１４】
軸外しの凹非球面形状を含めた、任意の凹非球面の高精度成形を達成する。本発明によれば、凹非球面形状の被研削面計測を、多点荷重モニター式の浮上型フローティング支持治具とＣＧＨマスク使用の完全一体型の機上干渉計システムとを組み合わせて行うもので、姿勢変化を伴う機器への組み込みまで含めた大型光学素子の研削加工製造を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
第１実施形態（ワーク支持治具）
図３は第１実施形態のワーク支持治具の部分正面断面図であり、図７は第１実施形態のワーク支持治具の平面図である。
【００１７】
ワーク支持治具１０とは、研削状態において被研削物８を支持する治具であり、被研削物８の研削面８１に対向する裏面８２と密着する形状のワーク支持面１０１を有する。被研削物はワークとも呼ばれ、本出願においては光学素子についてはレンズ硝材やプラスティック材が用いられ、金型については金属材料が用いられる。ワーク支持治具は回転制御を含めたＸ、Ｙ軸駆動との同期制御によって研削加工を行う際に用いる治具である。ワーク支持治具１０は被研削物８と回転テーブル１１との間に配置される。そして、回転テーブル１１はＸＹステージ１２の上に載置されている。
【００１８】
ワーク支持治具１０にはピエゾアクチュエータ３、ロードセル２、支持パッド１からなるピエゾアクチュエータ機構を昇降自在に内蔵するピエゾアクチュエータ内蔵穴１０２が３個以上、好ましくは数十個設けてある。ピエゾアクチュエータ内蔵穴１０２の開放部１０３はワーク支持面１０１に位置し、ピエゾアクチュエータ内蔵穴１０２の中心軸１０４は垂直方向を向いている。中央にねじ孔４１が設けてある円板状の可動ステージ４と、当該可動ステージ４が平行を保ちつつ中心軸１０４の方向に上下移動するのを案内するガイドピン５と、当該ねじ孔４１と螺合するねじ軸７と、当該ねじ軸７を正逆回転させるギアードモーター６と、からなる昇降機構によって、ピエゾアクチュエータ機構は精密に昇降させられる。
【００１９】
また、ワーク支持治具１０には熱膨張柱状部品の一例としてのアルミニウム棒１３を昇降自在に内蔵する熱膨張アクチュエータ内蔵穴１０５が多数個設けてある。ヒータ１４によって当該アルミニウム棒１３を加熱すると、当該アルミニウム棒１３が熱膨張して、その先端が熱膨張アクチュエータ内蔵穴１０５から突出する。
【００２０】
研削状態において、ピエゾアクチュエータ機構はピエゾアクチュエータ内蔵穴１０２の中に収納されており、支持パッド１はワーク支持面１０１より下に位置しているとともに、アルミニウム棒１３は熱膨張アクチュエータ内蔵穴１０５の中に収納されており、アルミニウム棒１３の上端はワーク支持面１０１より下に位置しており、被研削物の裏面８２はワーク支持面１０１にのみ接触して支持されている。すなわち、支持パッド１は被研削物の裏面８２と接触していないとともにアルミニウム棒１３の上端は被研削物の裏面８２と接触していない。
【００２１】
研削の１パス（研削ホイールが一通り研削面全面をスキャンすることを１パスと呼ぶ）が終了して、研削面の寸法・形状を精密に測定する前には、初めに、ヒータ１４によって当該アルミニウム棒１３を加熱して、当該アルミニウム棒１３を熱膨張させる。すると、その上端が熱膨張アクチュエータ内蔵穴１０５から突出し、被研削物の裏面８２と接触して、被研削物８をわずかに押し上げ、被研削物８とワーク支持面１０１との密着を断つ。続いて、昇降機構によって、ピエゾアクチュエータ機構を上昇させ、支持パッド１を被研削物８の裏面８２に当接させる。続いて、ピエゾアクチュエータ３を作動させ、被研削物８を所定の位置にわずかに浮かせて、所定の姿勢に保つ。この時に被研削物８は各支持パッド１によって支持され各ロードセル２によって各支持パッド１にかかる荷重を測定される。各ロードセルで測定した荷重測定値と当該被研削物である光学素子を大型望遠鏡等の製品に組み込んだ際の荷重算出値とを比較し、荷重測定値と荷重算出値との差が所定値以下になるように、各穴配置位置におけるピエゾアクチュエータの突出寸法を精密に制御して、模擬フローティング支持状態を創出する。
【００２２】
模擬フローティング支持状態においては、大型望遠鏡等の製品に組み込んだ際と同様に被研削物である光学素子はその自重で変形する。製品組み込み時と同様に自重で変形している模擬フローティング支持状態において、当該被研削物の研削面の形状・寸法を精密に測定するのである。本発明の光学素子の製造方法では、研削砥石９とワーク支持治具１０と干渉計などの寸法・形状測定機構が一体に組み込まれた装置を用い、ワーク支持治具１０と制御装置によって、自動的にその場で研削状態と模擬フローティング支持状態とを切り替え、研削加工と形状・寸法精密測定を交互に行うことができる。したがって、自重で変形する光学素子を精密に加工し製造することができる。
【００２３】
なお、熱膨張アクチュエータは、安価で大きな力を発生できるが、移動距離を精密に増減できない。一方、ピエゾアクチュエータは移動距離を精密に増減できるが、極めて高価である。被研削物がワーク支持治具に密着しているのを分離するためには、被研削物の静的な荷重の３倍程度の力が必要であるが、この力をピエゾアクチュエータのみに負担させるとコストが高くなってしまう。そこで、被研削物とワーク支持治具との分離を熱膨張アクチュエータによって行い、分離後の精密移動はピエゾアクチュエータに担当させるように意図している。すなわち、移動距離の精度と設備のコストとの両立を本発明は達成しているのである。
【００２４】
第２実施形態（凹非軸対称非球面レンズの加工と寸法・形状測定）
図１は第２実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【００２５】
フレーム５０は、加工部及び測定部を組み込み、一体化構成するともにに、周囲の振動に影響されないよう施工された基礎部の上に設置されている。すなわち除震された一体フレームである。
【００２６】
第２実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の測定部について説明する。光源部１６は、通常のヘリウム・ネオンレーザーのレーザー光源１６１と不図示の対物レンズとピンホ−ル１６２を含む。波長６３２．８ナノメータの平行波面を発生する基準となる点状の光源の発生と、Ｆ比４程度の広がりをもつ光束を射出する。光源からの光を平行光にするためコリメータレンズ１７、ハーフミラー１８、得ようとする研削面の形状・寸法に対応するＣＧＨ（計算機合成ホログラム）マスク１９が光路に順番に配置されている。ハーフミラー１８は、光源部１６からの光束を透過して、被研削物８の研削面８１及び当該被研削物８に近接して配置された基準平面２０に投射されるとともに、当該研削面８１からの反射光束及び当該基準平面２０からの反射光束を反射して干渉計２１へ投射される。光源部１６からの光束がＣＧＨマスク１９を透過する際に回折されずに直進する０次回折光が基準平面２０に投射され、当該基準平面２０からの反射光は当該ＣＧＨマスク１９に逆方向から透過する際に回折されて１次回折光となりハーフミラー１８に投射される。ＣＧＨマスク１９はガラスプレートに得ようとする凹非軸対称非球面の形状のデータに基づいて予めコンピュータで計算された２次元の干渉縞のパターンが刻線されている。また、光源部１６からの光束がＣＧＨマスク１９を透過する際に回折された１次回折光が研削面８１に投射され、当該研削面８１からの反射光は当該ＣＧＨマスク１９に逆方向から透過する際に回折されず直進し０次回折光がハーフミラー１８に投射される。干渉計２１にはＣＣＤカメラが収納されており、被研削面からの反射光と、基準平面からの反射光を合わせて干渉させて干渉縞を記録する。ＣＧＨマスクの２次元の干渉縞のパターンを変更すれば、非軸対称（軸はずし）あるいは軸対称のあらゆる非球面を精密に測定することができる。
【００２７】
次に、第２実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の加工部について説明する。研削加工機の主軸に装着された砥石ホイール９には、目的とする凹非球面を成形するために粗い研削用砥石、中段階の研削用砥石及び仕上げ面研削用砥石を順に装着して研削を行う。凹非球面加工を行う被研削物８はワーク支持治具１０の上に載置されている。当該ワーク支持治具１０はＸＹステージ１２の上に載置されており、当該ＸＹステージ１２は回転台１１の上に載置されている。回転台１１は回転制御が可能となっている。ＸＹステージ１２はＸ方向及びＹ方向に移動可能である。回転制御とＸ軸Ｙ軸移動との同期をとりながら研削することによって、軸外し非球面加工が可能となる。
【００２８】
ワーク支持治具１０は第１実施形態で説明したものであり、被研削物８を密着して支持する研削状態と被研削物８を少し浮かせた模擬フローティング支持状態とを自動的に切り替え、研削加工と形状・寸法精密測定を交互に行うものである。第２実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置によれば測定結果を補正として直ちに研削プログラムにフィードバックすることができる。
【００２９】
研削加工機は、曲率半径が１０ｍの凹非球面の加工を想定したものである。干渉計の光源位置は研削加工面からの高さが約１００００ｍｍ（１０ミリ）となり、これにより外形の最大の差し渡し径 １４００ｍｍ の硝材を、近似曲率半径 １００００ｍｍ までの凹非球面（例えばリッチィクレティアンタイプの望遠鏡の主鏡）の分割鏡（セグメント鏡）として製作することができる。第２実施形態によれば、従来の研磨の方法では軸外し凹非球面形状の成形や測定が非常に困難であった口径が１ｍを超えるような大型の凹面鏡の研削加工や測定が可能となる。
【００３０】
第３実施形態（凹非軸対称非球面レンズの加工と寸法・形状測定）
図２は第３実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。第３実施形態は第２実施形態と似ているが、光源部１６と干渉計２１が変更されている。
【００３１】
光源部１６は、レーザー光源１６３と光ファイバーのファイバー導光路１６４と不図示の対物レンズとピンホール１６２を含んでおり、レーザー光源１６３と対物レンズとの間を導光路１６４で結んでいる。干渉計２１はカメラレンズとＣＣＤ素子を含んでおり、焦点距離調整台２２に載置されている。
【００３２】
ヘリウムネオンレーザー光源１６３は、波長 ６３２．８ ナノメータの光を発生し、被研削加工面と基準平面を照射して干渉パターンを得るのに十分な強度をもつ光源である。ファイバー導光路１６４はその一端をピンホールの近くに配置されていて、光をピンホールへ導く。ピンホール１６２は、レーザー光を点状光源として射出するための小穴である。ピンホールから射出された光は、約Ｆ比４程度の広がりをもって、次に置かれているコリメータレンズ１７によって平行光束が作られる。平行光束はハーフミラー１８を通過してＣＧＨマスクプレート１９に入り、１次の回折光は被研削面に広がりながら射出していく。一方、０次の回折は平行光束のままで向きを変えないで、基準平面に射出していく。それぞれの面で反射して戻ってきた光はＣＧＨマスク１９を逆向きに通過する際、被研削面からの反射光は０次の回折を、また基準平面から戻ってきた光は１次の回折を受けてからハーフミラーに当たって干渉計２１に向かう。このとき、両方の反射光ともに平行ではなく収束する光束としてカメラレンズを照射する。このような構成で被研削面全体をＣＣＤ素子で撮像すれば被研削面の面形状・寸法と基準平面との干渉パターンを記録することができるのである。
【００３３】
第４実施形態（凹軸対称非球面レンズの加工と寸法・形状測定）
図５は第４実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
第２及び第３実施形態では凹非軸対称非球面の研削加工面形状の測定を、干渉計及び面形状に対応するＣＧＨマスクを用いて行うが、軸対称の非球面の場合には、干渉計及び面形状に対応するヌルレンズを用いて測定する。この場合は、得ようとする凹非球面の近似球面の中心に相当する位置に平行光を射出する干渉計である平行光射出・干渉計２３を配置する。当該平行光射出・干渉計２３から射出されたＦ付の光束は、基準平面ハーフミラー２４を透過した後に得ようとする凹非球面形状に対応したヌルレンズ２５を通して、測定すべき研削面８１′全体を照射する。適切な広がり角の光束が研削面８１′で反射され、再度ヌルレンズ２５に入射され平行光となる。平行光射出・干渉計２３の前に設置されている基準平面ハーフミラー２４の反射光と再度ヌルレンズ２５に入射された平行光との干渉縞を解析して、研削面８１′の形状・寸法を測定するのである。
【００３４】
第４実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置によれば、測定部と、精密な大型研削加工機と一体化しているので、軸対称非球面形状である被研削物の被研削面の形状・寸法を計測して直ちに研削加工にフィードバックし研削加工を行うことを繰り返すことができる。
【００３５】
第５実施形態（凸非球面レンズの加工と寸法・形状測定）
図６は第５実施形態の凸非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【００３６】
上記の第２、３，４実施形態は、いずれも凹非球面レンズの研削加工と形状・寸法測定に関する実施形態を述べたものであるが、本第５実施形態は、凸非球面の機上計測をしながら研削加工を行って検査結果を研削加工にフィードバックするものである。
【００３７】
研削加工中の凸面の機上測定は、ヌルレンズの役目をするヒンドルシェル２６を用いて行う。ヒンドルシェル２６はメニスカス形状の透過ガラスで作られている。その上面２６１は球面から外れる程度が大きな凸面形状であり、下面２６２は研削面８１′′と得ようとする凸非球面の形状に対応した凹面となっている。必要に応じて待機位置にヒンドルシェル２６′を移動させることができる。出し入れが可能な可動機構に搭載して使用する。ヒンドルシェル２６のサポートは、ガラス接着剤で上面側に貼り付けたパッドからワイーヤで吊る方法が一般的で、収納・検査の位置移動を行う。
【００３８】
図６に示すように、ヒンドルシェル２６の上面２６１からＦ付きビームが入ってきたときに、屈折してガラスの中に入った光線が、下面２６２の非球面の法線方向に射出されるように設計されている。したがって、研削面８１′′における反射光と、ヒンドルシェル下面２６２における反射光との干渉を干渉縞として観察し解析することによって面形状を高精度で測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上説明したように本発明によれば、軸外しの凹非球面反射鏡や凹非球面レンズ（第２，３実施形態）、軸対称の凹非球面反射鏡や凹非球面レンズ（第４実施形態）、および凸非球面反射鏡や凸非球面レンズ（第５実施形態）を、研削加工機と一体化して組み立てられた機上計測により、全面の光学的な干渉法測定を可能とするもので、その計測結果を直ちに研削や付加されている研磨の加工過程にフィードバックすることができる。そのため、通常の研削加工では達成が困難な高精度の非球面の成形が効率的にできるのである。研削面の表面粗さは加工機本体に付属させる磨き装置により、Ｒａ＝１０ｎｍ 以下の所定の表面粗さが達成できた。
【００４０】
また、本発明のワーク支持治具によれば、自動的にその場で研削状態と模擬フローティング支持状態とを切り替え、研削加工と形状・寸法精密測定を交互に行うことができる。したがって、自重で変形する光学素子を精密に加工し製造することができる(第１実施形態)。
【００４１】
なお、第２、３、４、５実施形態においては、第１実施形態のワーク支持治具を含んでいるが、金型など自重で変形しない被研削物へ応用する場合には、通常のワーク支持治具を用いても良い。
【００４２】
第２，３実施形態は凸非軸対称非球面のレンズを製造するための金型についての研削と形状・寸法測定に応用することができる。
【００４３】
第４実施形態は凸軸対称非球面のレンズを製造するための金型についての研削と形状・寸法測定に応用することができる。
【００４４】
そして、第５実施形態は凹非球面のレンズを製造するための金型についての研削と形状・寸法測定に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第２実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【図２】第３実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【図３】第１実施形態のワーク支持治具の部分正面断面図である。
【図４】第１実施形態のワーク支持治具の部分正面断面図である。
【図５】第４実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【図６】図６は第５実施形態の凸非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【図７】第１実施形態のワーク支持治具の平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 支持パッド
２ ロードセル
３ ピエゾアクチュエータ
４ 可動ステージ
４１ ねじ孔
５ ガイドピン
６ ギアードモーター
７ ねじ軸
８ 被研削物
８１ 研削面
８１′ 研削面
８１′′ 研削面
８２ 裏面
９ 研削砥石、砥石ホイール
１０ ワーク支持治具
１０１ ワーク支持面
１０２ ピエゾアクチュエータ内蔵穴
１０３ 開放部
１０４ 中心軸
１０５ 熱膨張アクチュエータ内蔵穴
１１ 回転テーブル
１２ ＸＹステージ
１３ アルミニウム棒
１４ ヒーター
１６ 光源部
１６１ レーザー光源
１６２ ピンホ−ル
１６３ レーザー光源
１６４ ファイバー導光路
１７ コリメータレンズ
１８ ハーフミラー
１９ ＣＧＨ（計算機合成ホログラム）マスク
２０ 基準平面
２１ 干渉計
２２ 焦点距離調整台
２３ 平行光射出・干渉計
２４ 基準平面ハーフミラー
２５ ヌルレンズ
２６ ヒンドルシェル
２６′ ヒンドルシェル
２６１ 上面
２６２ 下面
５０ フレーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は自重で変形する光学素子を製造するための研削装置に関する。また、本発明は自重で変形する光学素子の製造方法に関する。さらに、本発明は光学素子を製造するための金型または光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置に関する。本明細書において、「光学素子」の語句には、レンズ及び反射鏡が含まれる。
本発明は主として研削加工機に光学的な干渉計装置を一体化した複合精密研削加工機として新たに設計製作したもので、特殊反射鏡や光学レンズなどの凹非球面光学素子や凸非球面光学素子の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
凹非球面形状をもつ高精度の反射鏡やレンズは、回転対称である軸対称非球面形状のものと対称軸がずれている非軸対称非球面形状のものがあり、どちらも通常の研削方法での製造や精度検定が難しいため、その有用性にもかかわらず、実際の製造例はごく限られている。
【０００３】
カメラや投影機など通常の光学系に使用される反射鏡やレンズの面形状は回転対称であり、従来の製法は、ＮＣ精密旋盤の回転チャックに反射鏡またはレンズ硝材を取り付けて、ダイアモンドバイトにより形状を制御しながら切削加工を行う方法、およびレンズ硝材を水平のターンテーブルに固定して、テーブルを回転しながら、比較的高速回転させる砥石ホールで非球面の成型を行う方法がとられてきた。これらの方法では被研削面の形状測定は、機上において接触式・非接触式の変位計での計測は行われていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
第１課題
大型光学素子を大型望遠鏡などの製品へ組み込む場合は、研削の際の加工機自身のワーク支持治具へ被研削物を載置している場合と支持状態や荷重分布が異なるため、研削機に取り付けられた状態のままで測定される面の形状が、実際の製品の面形状とは異なる。すなわち、大型光学素子は自重で変形する。
【０００５】
必然的に自重変形が効くようなサイズの大きな反射鏡面やレンズ面、または相対的に厚さが薄い光学素子では、レンズ硝材の荷重分布や研削加工の際に蓄積するレンズ硝材の内部応力に起因して、研削終了後に固定を外して望遠鏡に組み込んだ時には、反射鏡面やレンズ面の形状が変わってしまう。
【０００６】
第２課題
また、非球面の形状寸法を光干渉法によって精密に測定する方法が存在しなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の第１課題は、請求項１に記載の本発明に係る研削装置、すなわち、光学素子となる被研削物の研削面に対向する裏面と研削状態において密着する形状のワーク支持面を有するワーク支持治具であって、ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている、複数のピエゾアクチュエータ内蔵穴を所定の穴配置位置に設け、それぞれのピエゾアクチュエータ内蔵穴の中に、ピエゾアクチュエータ及びロードセルを昇降自在に内蔵したワーク支持治具を備えた、自重で変形する光学素子を製造するための研削装置によって、解決される。
【０００８】
本発明の好ましい実施態様においては、請求項２に記載のように、当該ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている複数の熱膨張アクチュエータ内蔵穴を所定の副穴配置位置に設け、それぞれの熱膨張アクチュエータ内蔵穴の中に熱膨張柱状部品と、当該柱状部品を加熱するためのヒータと、を内蔵している。
【０００９】
本発明の他の好ましい実施態様においては、請求項３に記載のように、各穴配置位置において、各ロードセルで測定した荷重測定値と当該非球面光学素子を製品に組み込んだ際の荷重算出値とを比較し、荷重測定値と荷重算出値との差が所定値以下になるように、各穴配置位置におけるピエゾアクチュエータの突出寸法を制御して、模擬フローティング支持状態を創出する制御装置をさらに備えている。
【００１０】
また、上記の第１課題は、請求項４に記載の本発明に係る光学素子の製造方法、すなわち、光学素子となる被研削物の研削面に対向する裏面と研削状態において密着する形状のワーク支持面を有するワーク支持治具であって、ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている、複数のピエゾアクチュエータ内蔵穴を所定の穴配置位置に設け、それぞれのピエゾアクチュエータ内蔵穴の中に、ピエゾアクチュエータ、ロードセルを昇降自在に内蔵したワーク支持治具を備えた、自重で変形する光学素子を製造するための研削装置を用いて、模擬フローティング支持状態において被研削物の研削面の途中形状・寸法と目標形状・寸法とを当該研削面上の所定点において比較し、寸法差を求める測定ステップと、その後に、被研削物をワーク支持面に密着させて研削状態とし、当該研削状態において、当該研削面上の所定点において当該寸法差に基づいて研削を行う研削ステップと、を、被研削物を研削装置から移動することなく、交互に行う、自重で変形する光学素子の製造方法によっても、解決される。
【００１１】
上記の第２課題は、請求項５に記載の本発明に係る光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置、すなわち、平行光発生装置と、ハーフミラーと、得ようとする研削面の形状・寸法に対応するＣＧＨマスクと、金型または光学素子となる被研削材と、を順に配置し、当該被研削材に近接して基準平面を配置し、平行光発生装置からの平行光がＣＧＨマスクを透過する際に回折されずに直進した０次回折光が当該基準平面に投射され、当該基準平面からの反射光が当該ＣＧＨマスクを再び透過する際に回折された１次回折光はハーフミラーで反射されて光路を側方へ変えて干渉計に第一光束として入射されるとともに、平行光発生装置からの平行光がＣＧＨマスクを透過する際に回折された１次回折光が被研削材の研削面に投射され、当該研削面からの反射光が当該ＣＧＨマスクを再び透過する際に回折されずに直進する０次回折光は当該ハーフミラーで反射されて光路を側方へ変えて当該干渉計に第二光束として入射されて、第一光束と第二光束との干渉縞を当該干渉計が観察できるように、当該平行光発生源、当該ハーフミラー、当該ＣＧＨマスク、当該被研削材、当該基準平面、及び当該干渉計を配置してなること、を特徴とする非軸対称凸非球面の光学素子を製造するための金型または非軸対象凹非球面の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置によって、解決される。
【００１２】
また、上記の第２課題は、請求項６に記載の本発明に係る光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置、すなわち、平行光発生干渉計と、基準平面ハーフミラーと、ヌルレンズと、を金型または光学素子となる被研削材の対称軸にこれらの光軸とを一致させて、順に配置してなることを特徴とする、軸対象凸非球面の光学素子を製造するための金型または軸対象凹非球面の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置によって、解決される。
【００１３】
さらにまた、上記の第２課題は、請求項７に記載の本発明に係る光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置、すなわち、Ｆ付き光発生装置と、ハーフミラーと、上面が得ようとする研削面よりも非球面度の大きな凸面形状を有し、下面が得ようとする研削面と同一の凹面形状を有するヒンドルシェルであって、当該Ｆ付き光発生装置で発生したＦ付き光が、ハーフミラーを透過して直進し、ヒンドルシェルの上面から入射され、屈折され、下面からその法線方向へ放射されるように設計されたヒンドルシェルと、金型または光学素子となる被研削材とを、被研削材の対称軸にこれらの光軸を一致させて、順に配置するとともに、当該ハーフミラーの側方に干渉計を配置して、当該被研削材の研削面で反射された光が、ヒンドルシェルを通過した後、当該ハーフミラーで反射されて、光路を側方へ変えて、当該干渉計に入射されるように配置してなることを特徴とする、軸対称凹非球面の光学素子を製造するための金型または軸対称凸非球面の光学素子を精密に測定する精密測定装置によって、解決される。
【発明の効果】
【００１４】
軸外しの凹非球面形状を含めた、任意の凹非球面の高精度成形を達成する。本発明によれば、凹非球面形状の被研削面計測を、多点荷重モニター式の浮上型フローティング支持治具とＣＧＨマスク使用の完全一体型の機上干渉計システムとを組み合わせて行うもので、姿勢変化を伴う機器への組み込みまで含めた大型光学素子の研削加工製造を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
第１実施形態（ワーク支持治具）
図３は第１実施形態のワーク支持治具の部分正面断面図であり、図７は第１実施形態のワーク支持治具の平面図である。
【００１７】
ワーク支持治具１０とは、研削状態において被研削物８を支持する治具であり、被研削物８の研削面８１に対向する裏面８２と密着する形状のワーク支持面１０１を有する。被研削物はワークとも呼ばれ、本出願においては光学素子についてはレンズ硝材やプラスティック材が用いられ、金型については金属材料が用いられる。ワーク支持治具は回転制御を含めたＸ、Ｙ軸駆動との同期制御によって研削加工を行う際に用いる治具である。ワーク支持治具１０は被研削物８と回転テーブル１１との間に配置される。そして、回転テーブル１１はＸＹステージ１２の上に載置されている。
【００１８】
ワーク支持治具１０にはピエゾアクチュエータ３、ロードセル２、支持パッド１からなるピエゾアクチュエータ機構を昇降自在に内蔵するピエゾアクチュエータ内蔵穴１０２が３個以上、好ましくは数十個設けてある。ピエゾアクチュエータ内蔵穴１０２の開放部１０３はワーク支持面１０１に位置し、ピエゾアクチュエータ内蔵穴１０２の中心軸１０４は垂直方向を向いている。中央にねじ孔４１が設けてある円板状の可動ステージ４と、当該可動ステージ４が平行を保ちつつ中心軸１０４の方向に上下移動するのを案内するガイドピン５と、当該ねじ孔４１と螺合するねじ軸７と、当該ねじ軸７を正逆回転させるギアードモーター６と、からなる昇降機構によって、ピエゾアクチュエータ機構は精密に昇降させられる。
【００１９】
また、ワーク支持治具１０には熱膨張柱状部品の一例としてのアルミニウム棒１３を昇降自在に内蔵する熱膨張アクチュエータ内蔵穴１０５が多数個設けてある。ヒータ１４によって当該アルミニウム棒１３を加熱すると、当該アルミニウム棒１３が熱膨張して、その先端が熱膨張アクチュエータ内蔵穴１０５から突出する。
【００２０】
研削状態において、ピエゾアクチュエータ機構はピエゾアクチュエータ内蔵穴１０２の中に収納されており、支持パッド１はワーク支持面１０１より下に位置しているとともに、アルミニウム棒１３は熱膨張アクチュエータ内蔵穴１０５の中に収納されており、アルミニウム棒１３の上端はワーク支持面１０１より下に位置しており、被研削物の裏面８２はワーク支持面１０１にのみ接触して支持されている。すなわち、支持パッド１は被研削物の裏面８２と接触していないとともにアルミニウム棒１３の上端は被研削物の裏面８２と接触していない。
【００２１】
研削の１パス（研削ホイールが一通り研削面全面をスキャンすることを１パスと呼ぶ）が終了して、研削面の寸法・形状を精密に測定する前には、初めに、ヒータ１４によって当該アルミニウム棒１３を加熱して、当該アルミニウム棒１３を熱膨張させる。すると、その上端が熱膨張アクチュエータ内蔵穴１０５から突出し、被研削物の裏面８２と接触して、被研削物８をわずかに押し上げ、被研削物８とワーク支持面１０１との密着を断つ。続いて、昇降機構によって、ピエゾアクチュエータ機構を上昇させ、支持パッド１を被研削物８の裏面８２に当接させる。続いて、ピエゾアクチュエータ３を作動させ、被研削物８を所定の位置にわずかに浮かせて、所定の姿勢に保つ。この時に被研削物８は各支持パッド１によって支持され各ロードセル２によって各支持パッド１にかかる荷重を測定される。各ロードセルで測定した荷重測定値と当該被研削物である光学素子を大型望遠鏡等の製品に組み込んだ際の荷重算出値とを比較し、荷重測定値と荷重算出値との差が所定値以下になるように、各穴配置位置におけるピエゾアクチュエータの突出寸法を精密に制御して、模擬フローティング支持状態を創出する。
【００２２】
模擬フローティング支持状態においては、大型望遠鏡等の製品に組み込んだ際と同様に被研削物である光学素子はその自重で変形する。製品組み込み時と同様に自重で変形している模擬フローティング支持状態において、当該被研削物の研削面の形状・寸法を精密に測定するのである。本発明の光学素子の製造方法では、研削砥石９とワーク支持治具１０と干渉計などの寸法・形状測定機構が一体に組み込まれた装置を用い、ワーク支持治具１０と制御装置によって、自動的にその場で研削状態と模擬フローティング支持状態とを切り替え、研削加工と形状・寸法精密測定を交互に行うことができる。したがって、自重で変形する光学素子を精密に加工し製造することができる。
【００２３】
なお、熱膨張アクチュエータは、安価で大きな力を発生できるが、移動距離を精密に増減できない。一方、ピエゾアクチュエータは移動距離を精密に増減できるが、極めて高価である。被研削物がワーク支持治具に密着しているのを分離するためには、被研削物の静的な荷重の３倍程度の力が必要であるが、この力をピエゾアクチュエータのみに負担させるとコストが高くなってしまう。そこで、被研削物とワーク支持治具との分離を熱膨張アクチュエータによって行い、分離後の精密移動はピエゾアクチュエータに担当させるように意図している。すなわち、移動距離の精度と設備のコストとの両立を本発明は達成しているのである。
【００２４】
第２実施形態（凹非軸対称非球面レンズの加工と寸法・形状測定）
図１は第２実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【００２５】
フレーム５０は、加工部及び測定部を組み込み、一体化構成するともにに、周囲の振動に影響されないよう施工された基礎部の上に設置されている。すなわち除震された一体フレームである。
【００２６】
第２実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の測定部について説明する。光源部１６は、通常のヘリウム・ネオンレーザーのレーザー光源１６１と不図示の対物レンズとピンホ−ル１６２を含む。波長６３２．８ナノメータの平行波面を発生する基準となる点状の光源の発生と、Ｆ比４程度の広がりをもつ光束を射出する。光源からの光を平行光にするためコリメータレンズ１７、ハーフミラー１８、得ようとする研削面の形状・寸法に対応するＣＧＨ（計算機合成ホログラム）マスク１９が光路に順番に配置されている。ハーフミラー１８は、光源部１６からの光束を透過して、被研削物８の研削面８１及び当該被研削物８に近接して配置された基準平面２０に投射されるとともに、当該研削面８１からの反射光束及び当該基準平面２０からの反射光束を反射して干渉計２１へ投射される。光源部１６からの光束がＣＧＨマスク１９を透過する際に回折されずに直進する０次回折光が基準平面２０に投射され、当該基準平面２０からの反射光は当該ＣＧＨマスク１９に逆方向から透過する際に回折されて１次回折光となりハーフミラー１８に投射される。ＣＧＨマスク１９はガラスプレートに得ようとする凹非軸対称非球面の形状のデータに基づいて予めコンピュータで計算された２次元の干渉縞のパターンが刻線されている。また、光源部１６からの光束がＣＧＨマスク１９を透過する際に回折された１次回折光が研削面８１に投射され、当該研削面８１からの反射光は当該ＣＧＨマスク１９に逆方向から透過する際に回折されず直進し０次回折光がハーフミラー１８に投射される。干渉計２１にはＣＣＤカメラが収納されており、被研削面からの反射光と、基準平面からの反射光を合わせて干渉させて干渉縞を記録する。ＣＧＨマスクの２次元の干渉縞のパターンを変更すれば、非軸対称（軸はずし）あるいは軸対称のあらゆる非球面を精密に測定することができる。
【００２７】
次に、第２実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の加工部について説明する。研削加工機の主軸に装着された砥石ホイール９には、目的とする凹非球面を成形するために粗い研削用砥石、中段階の研削用砥石及び仕上げ面研削用砥石を順に装着して研削を行う。凹非球面加工を行う被研削物８はワーク支持治具１０の上に載置されている。当該ワーク支持治具１０はＸＹステージ１２の上に載置されており、当該ＸＹステージ１２は回転台１１の上に載置されている。回転台１１は回転制御が可能となっている。ＸＹステージ１２はＸ方向及びＹ方向に移動可能である。回転制御とＸ軸Ｙ軸移動との同期をとりながら研削することによって、軸外し非球面加工が可能となる。
【００２８】
ワーク支持治具１０は第１実施形態で説明したものであり、被研削物８を密着して支持する研削状態と被研削物８を少し浮かせた模擬フローティング支持状態とを自動的に切り替え、研削加工と形状・寸法精密測定を交互に行うものである。第２実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置によれば測定結果を補正として直ちに研削プログラムにフィードバックすることができる。
【００２９】
研削加工機は、曲率半径が１０ｍの凹非球面の加工を想定したものである。干渉計の光源位置は研削加工面からの高さが約１００００ｍｍ（１０ミリ）となり、これにより外形の最大の差し渡し径 １４００ｍｍ の硝材を、近似曲率半径 １００００ｍｍ までの凹非球面（例えばリッチィクレティアンタイプの望遠鏡の主鏡）の分割鏡（セグメント鏡）として製作することができる。第２実施形態によれば、従来の研磨の方法では軸外し凹非球面形状の成形や測定が非常に困難であった口径が１ｍを超えるような大型の凹面鏡の研削加工や測定が可能となる。
【００３０】
第３実施形態（凹非軸対称非球面レンズの加工と寸法・形状測定）
図２は第３実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。第３実施形態は第２実施形態と似ているが、光源部１６と干渉計２１が変更されている。
【００３１】
光源部１６は、レーザー光源１６３と光ファイバーのファイバー導光路１６４と不図示の対物レンズとピンホール１６２を含んでおり、レーザー光源１６３と対物レンズとの間を導光路１６４で結んでいる。干渉計２１はカメラレンズとＣＣＤ素子を含んでおり、焦点距離調整台２２に載置されている。
【００３２】
ヘリウムネオンレーザー光源１６３は、波長 ６３２．８ ナノメータの光を発生し、被研削加工面と基準平面を照射して干渉パターンを得るのに十分な強度をもつ光源である。ファイバー導光路１６４はその一端をピンホールの近くに配置されていて、光をピンホールへ導く。ピンホール１６２は、レーザー光を点状光源として射出するための小穴である。ピンホールから射出された光は、約Ｆ比４程度の広がりをもって、次に置かれているコリメータレンズ１７によって平行光束が作られる。平行光束はハーフミラー１８を通過してＣＧＨマスクプレート１９に入り、１次の回折光は被研削面に広がりながら射出していく。一方、０次の回折は平行光束のままで向きを変えないで、基準平面に射出していく。それぞれの面で反射して戻ってきた光はＣＧＨマスク１９を逆向きに通過する際、被研削面からの反射光は０次の回折を、また基準平面から戻ってきた光は１次の回折を受けてからハーフミラーに当たって干渉計２１に向かう。このとき、両方の反射光ともに平行ではなく収束する光束としてカメラレンズを照射する。このような構成で被研削面全体をＣＣＤ素子で撮像すれば被研削面の面形状・寸法と基準平面との干渉パターンを記録することができるのである。
【００３３】
第４実施形態（凹軸対称非球面レンズの加工と寸法・形状測定）
図５は第４実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
第２及び第３実施形態では凹非軸対称非球面の研削加工面形状の測定を、干渉計及び面形状に対応するＣＧＨマスクを用いて行うが、軸対称の非球面の場合には、干渉計及び面形状に対応するヌルレンズを用いて測定する。この場合は、得ようとする凹非球面の近似球面の中心に相当する位置に平行光を射出する干渉計である平行光射出・干渉計２３を配置する。当該平行光射出・干渉計２３から射出されたＦ付の光束は、基準平面ハーフミラー２４を透過した後に得ようとする凹非球面形状に対応したヌルレンズ２５を通して、測定すべき研削面８１′全体を照射する。適切な広がり角の光束が研削面８１′で反射され、再度ヌルレンズ２５に入射され平行光となる。平行光射出・干渉計２３の前に設置されている基準平面ハーフミラー２４の反射光と再度ヌルレンズ２５に入射された平行光との干渉縞を解析して、研削面８１′の形状・寸法を測定するのである。
【００３４】
第４実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置によれば、測定部と、精密な大型研削加工機と一体化しているので、軸対称非球面形状である被研削物の被研削面の形状・寸法を計測して直ちに研削加工にフィードバックし研削加工を行うことを繰り返すことができる。
【００３５】
第５実施形態（凸非球面レンズの加工と寸法・形状測定）
図６は第５実施形態の凸非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【００３６】
上記の第２、３，４実施形態は、いずれも凹非球面レンズの研削加工と形状・寸法測定に関する実施形態を述べたものであるが、本第５実施形態は、凸非球面の機上計測をしながら研削加工を行って検査結果を研削加工にフィードバックするものである。
【００３７】
研削加工中の凸面の機上測定は、ヌルレンズの役目をするヒンドルシェル２６を用いて行う。ヒンドルシェル２６はメニスカス形状の透過ガラスで作られている。その上面２６１は球面から外れる程度が大きな凸面形状であり、下面２６２は研削面８１′′と得ようとする凸非球面の形状に対応した凹面となっている。必要に応じて待機位置にヒンドルシェル２６′を移動させることができる。出し入れが可能な可動機構に搭載して使用する。ヒンドルシェル２６のサポートは、ガラス接着剤で上面側に貼り付けたパッドからワイーヤで吊る方法が一般的で、収納・検査の位置移動を行う。
【００３８】
図６に示すように、ヒンドルシェル２６の上面２６１からＦ付きビームが入ってきたときに、屈折してガラスの中に入った光線が、下面２６２の非球面の法線方向に射出されるように設計されている。したがって、研削面８１′′における反射光と、ヒンドルシェル下面２６２における反射光との干渉を干渉縞として観察し解析することによって面形状を高精度で測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上説明したように本発明によれば、軸外しの凹非球面反射鏡や凹非球面レンズ（第２，３実施形態）、軸対称の凹非球面反射鏡や凹非球面レンズ（第４実施形態）、および凸非球面反射鏡や凸非球面レンズ（第５実施形態）を、研削加工機と一体化して組み立てられた機上計測により、全面の光学的な干渉法測定を可能とするもので、その計測結果を直ちに研削や付加されている研磨の加工過程にフィードバックすることができる。そのため、通常の研削加工では達成が困難な高精度の非球面の成形が効率的にできるのである。研削面の表面粗さは加工機本体に付属させる磨き装置により、Ｒａ＝１０ｎｍ 以下の所定の表面粗さが達成できた。
【００４０】
また、本発明のワーク支持治具によれば、自動的にその場で研削状態と模擬フローティング支持状態とを切り替え、研削加工と形状・寸法精密測定を交互に行うことができる。したがって、自重で変形する光学素子を精密に加工し製造することができる(第１実施形態)。
【００４１】
なお、第２、３、４、５実施形態においては、第１実施形態のワーク支持治具を含んでいるが、金型など自重で変形しない被研削物へ応用する場合には、通常のワーク支持治具を用いても良い。
【００４２】
第２，３実施形態は凸非軸対称非球面のレンズを製造するための金型についての研削と形状・寸法測定に応用することができる。
【００４３】
第４実施形態は凸軸対称非球面のレンズを製造するための金型についての研削と形状・寸法測定に応用することができる。
【００４４】
そして、第５実施形態は凹非球面のレンズを製造するための金型についての研削と形状・寸法測定に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第２実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【図２】第３実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【図３】第１実施形態のワーク支持治具の部分正面断面図である。
【図４】第１実施形態のワーク支持治具の部分正面断面図である。
【図５】第４実施形態の凹非軸対称非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【図６】図６は第５実施形態の凸非球面レンズの加工・測定装置の正面概略図である。
【図７】第１実施形態のワーク支持治具の平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 支持パッド
２ ロードセル
３ ピエゾアクチュエータ
４ 可動ステージ
４１ ねじ孔
５ ガイドピン
６ ギアードモーター
７ ねじ軸
８ 被研削物
８１ 研削面
８１′ 研削面
８１′′ 研削面
８２ 裏面
９ 研削砥石、砥石ホイール
１０ ワーク支持治具
１０１ ワーク支持面
１０２ ピエゾアクチュエータ内蔵穴
１０３ 開放部
１０４ 中心軸
１０５ 熱膨張アクチュエータ内蔵穴
１１ 回転テーブル
１２ ＸＹステージ
１３ アルミニウム棒
１４ ヒーター
１６ 光源部
１６１ レーザー光源
１６２ ピンホ−ル
１６３ レーザー光源
１６４ ファイバー導光路
１７ コリメータレンズ
１８ ハーフミラー
１９ ＣＧＨ（計算機合成ホログラム）マスク
２０ 基準平面
２１ 干渉計
２２ 焦点距離調整台
２３ 平行光射出・干渉計
２４ 基準平面ハーフミラー
２５ ヌルレンズ
２６ ヒンドルシェル
２６′ ヒンドルシェル
２６１ 上面
２６２ 下面
５０ フレーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子となる被研削物の研削面に対向する裏面と研削状態において密着する形状のワーク支持面を有するワーク支持治具であって、ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている、複数のピエゾアクチュエータ内蔵穴を所定の穴配置位置に設け、それぞれのピエゾアクチュエータ内蔵穴の中に、ピエゾアクチュエータ及びロードセルを昇降自在に内蔵したワーク支持治具を備えた、自重で変形する光学素子を製造するための研削装置。
【請求項２】
当該ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている、複数の熱膨張アクチュエータ内蔵穴を所定の副穴配置位置に設け、それぞれの熱膨張アクチュエータ内蔵穴の中に、熱膨張柱状部品と、当該柱状部品を加熱するためのヒータと、を内蔵した、請求項１に記載の研削装置。
【請求項３】
各穴配置位置において、各ロードセルで測定した荷重測定値と当該非球面光学素子を製品に組み込んだ際の荷重算出値とを比較し、荷重測定値と荷重算出値との差が所定値以下になるように、各穴配置位置におけるピエゾアクチュエータの突出寸法を制御して、模擬フローティング支持状態を創出する制御装置をさらに備えた、請求項１または２に記載の研削装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の研削装置を用いて、模擬フローティング支持状態において光学素子となる被研削物の研削面の途中形状・寸法と目標形状・寸法とを当該研削面上の所定点において比較し、寸法差を求める測定ステップと、その後に、被研削物をワーク支持面に密着させて研削状態とし、当該研削状態において、当該研削面上の所定点において当該寸法差に基づいて研削を行う研削ステップと、を、被研削物を研削装置から移動することなく、交互に行う、自重で変形する光学素子の製造方法。
【請求項５】
平行光発生装置と、ハーフミラーと、得ようとする研削面の形状・寸法に対応するＣＧＨマスクと、被研削材と、を順に配置し、当該被研削材に近接して基準平面を配置し、平行光発生装置からの平行光がＣＧＨマスクを透過する際に回折されずに直進した０次回折光が当該基準平面に投射され、当該基準平面からの反射光が当該ＣＧＨマスクを再び透過する際に回折された１次回折光はハーフミラーで反射されて光路を側方へ変えて干渉計に第一光束として入射されるとともに、平行光発生装置からの平行光がＣＧＨマスクを透過する際に回折された１次回折光が金型または光学素子となる被研削材の研削面に投射され、当該研削面からの反射光が当該ＣＧＨマスクを再び透過する際に回折されずに直進する０次回折光は当該ハーフミラーで反射されて光路を側方へ変えて当該干渉計に第二光束として入射されて、第一光束と第二光束との干渉縞を当該干渉計が観察できるように、当該平行光発生源、当該ハーフミラー、当該ＣＧＨマスク、当該被研削材、当該基準平面、及び当該干渉計を配置してなること、を特徴とする非軸対称凸非球面の光学素子を製造するための金型または非軸対象凹非球面の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置。
【請求項６】
平行光発生干渉計と、基準平面ハーフミラーと、ヌルレンズと、を、金型または光学素子となる被研削材の対称軸にこれらの光軸とを一致させて、順に配置してなることを特徴とする、軸対象凸非球面の光学素子を製造するための金型または軸対象凹非球面の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置。
【請求項７】
Ｆ付き光発生装置と、ハーフミラーと、上面が得ようとする研削面よりも非球面度の大きな凸面形状を有し、下面が得ようとする研削面と同一の凹面形状を有するヒンドルシェルであって、当該Ｆ付き光発生装置で発生したＦ付き光が、ハーフミラーを透過して直進し、ヒンドルシェルの上面から入射され、屈折され、下面からその法線方向へ放射されるように設計されたヒンドルシェルと、金型または光学素子となる被研削材とを、被研削材の対称軸にこれらの光軸を一致させて、順に配置するとともに、当該ハーフミラーの側方に干渉計を配置して、当該被研削材の研削面で反射された光が、ヒンドルシェルを通過した後、当該ハーフミラーで反射されて、光路を側方へ変えて、当該干渉計に入射されるように配置してなることを特徴とする、軸対称凹非球面の光学素子を製造するための金型または軸対称凸非球面の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置。
【請求項８】
請求項１から３までのいずれか１つに記載のワーク支持治具の上に、当該被研削材が載置されることを特徴とする、請求項５から７までのいずれか１つに記載の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置。
【請求項９】
除震された一体構造のフレームに、請求項５から８までのいずれか１つに記載の精密測定装置及び請求項１から３までのいずれか１つに記載のワーク支持具が組み込まれていることを特徴とする、自重で変形する光学素子を製造するための研削装置。
【請求項１】
光学素子となる被研削物の研削面に対向する裏面と研削状態において密着する形状のワーク支持面を有するワーク支持治具であって、ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている、複数のピエゾアクチュエータ内蔵穴を所定の穴配置位置に設け、それぞれのピエゾアクチュエータ内蔵穴の中に、ピエゾアクチュエータ及びロードセルを昇降自在に内蔵したワーク支持治具を備えた、自重で変形する光学素子を製造するための研削装置。
【請求項２】
当該ワーク支持面に開放部を備え、中心軸が垂直方向に向いている、複数の熱膨張アクチュエータ内蔵穴を所定の副穴配置位置に設け、それぞれの熱膨張アクチュエータ内蔵穴の中に、熱膨張柱状部品と、当該柱状部品を加熱するためのヒータと、を内蔵した、請求項１に記載の研削装置。
【請求項３】
各穴配置位置において、各ロードセルで測定した荷重測定値と当該非球面光学素子を製品に組み込んだ際の荷重算出値とを比較し、荷重測定値と荷重算出値との差が所定値以下になるように、各穴配置位置におけるピエゾアクチュエータの突出寸法を制御して、模擬フローティング支持状態を創出する制御装置をさらに備えた、請求項１または２に記載の研削装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の研削装置を用いて、模擬フローティング支持状態において光学素子となる被研削物の研削面の途中形状・寸法と目標形状・寸法とを当該研削面上の所定点において比較し、寸法差を求める測定ステップと、その後に、被研削物をワーク支持面に密着させて研削状態とし、当該研削状態において、当該研削面上の所定点において当該寸法差に基づいて研削を行う研削ステップと、を、被研削物を研削装置から移動することなく、交互に行う、自重で変形する光学素子の製造方法。
【請求項５】
平行光発生装置と、ハーフミラーと、得ようとする研削面の形状・寸法に対応するＣＧＨマスクと、被研削材と、を順に配置し、当該被研削材に近接して基準平面を配置し、平行光発生装置からの平行光がＣＧＨマスクを透過する際に回折されずに直進した０次回折光が当該基準平面に投射され、当該基準平面からの反射光が当該ＣＧＨマスクを再び透過する際に回折された１次回折光はハーフミラーで反射されて光路を側方へ変えて干渉計に第一光束として入射されるとともに、平行光発生装置からの平行光がＣＧＨマスクを透過する際に回折された１次回折光が金型または光学素子となる被研削材の研削面に投射され、当該研削面からの反射光が当該ＣＧＨマスクを再び透過する際に回折されずに直進する０次回折光は当該ハーフミラーで反射されて光路を側方へ変えて当該干渉計に第二光束として入射されて、第一光束と第二光束との干渉縞を当該干渉計が観察できるように、当該平行光発生源、当該ハーフミラー、当該ＣＧＨマスク、当該被研削材、当該基準平面、及び当該干渉計を配置してなること、を特徴とする非軸対称凸非球面の光学素子を製造するための金型または非軸対象凹非球面の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置。
【請求項６】
平行光発生干渉計と、基準平面ハーフミラーと、ヌルレンズと、を、金型または光学素子となる被研削材の対称軸にこれらの光軸とを一致させて、順に配置してなることを特徴とする、軸対象凸非球面の光学素子を製造するための金型または軸対象凹非球面の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置。
【請求項７】
Ｆ付き光発生装置と、ハーフミラーと、上面が得ようとする研削面よりも非球面度の大きな凸面形状を有し、下面が得ようとする研削面と同一の凹面形状を有するヒンドルシェルであって、当該Ｆ付き光発生装置で発生したＦ付き光が、ハーフミラーを透過して直進し、ヒンドルシェルの上面から入射され、屈折され、下面からその法線方向へ放射されるように設計されたヒンドルシェルと、金型または光学素子となる被研削材とを、被研削材の対称軸にこれらの光軸を一致させて、順に配置するとともに、当該ハーフミラーの側方に干渉計を配置して、当該被研削材の研削面で反射された光が、ヒンドルシェルを通過した後、当該ハーフミラーで反射されて、光路を側方へ変えて、当該干渉計に入射されるように配置してなることを特徴とする、軸対称凹非球面の光学素子を製造するための金型または軸対称凸非球面の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置。
【請求項８】
請求項１から３までのいずれか１つに記載のワーク支持治具の上に、当該被研削材が載置されることを特徴とする、請求項５から７までのいずれか１つに記載の光学素子の形状・寸法を精密に測定する精密測定装置。
【請求項９】
除震された一体構造のフレームに、請求項５から８までのいずれか１つに記載の精密測定装置及び請求項１から３までのいずれか１つに記載のワーク支持具が組み込まれていることを特徴とする、自重で変形する光学素子を製造するための研削装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１６６１３６（Ｐ２００９−１６６１３６Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３４７９（Ｐ２００８−３４７９）
【出願日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【出願人】（５０８０１０５３６）株式会社ナノオプトニクス研究所 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【出願人】（５０８０１０５３６）株式会社ナノオプトニクス研究所 (4)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]