非球面の制作において、他の部分よりも重要な部分があるのでしょうか？そうではありません。材料、使用目的、製造性、測定性などを無視すると、製造コストが高く、測定が難しいレンズになってしまいます。コストパフォーマンスに優れ、最大限のパフォーマンスを発揮するためには、それぞれの要素がうまくかみ合わなければなりません。
素材がデザインを左右する
形は機能に従う」という表現を非常に緩く訳した場合、光学設計者は非球面の使用目的だけでなく、使用される環境についても知りたいと思うでしょう。暑さや寒さ、圧力など、さまざまな条件に耐えられる素材は限られています。用途と環境は、デザインを成功させるために、素材の種類と合わせて考慮しなければならない2つのパラメータです。非球面に使用される一般的な素材には次のようなものがあり、それぞれが機能に適しています。
- 光学ガラス
- 溶融シリカ
- シリコン
- ゲルマニウム
- セレン化亜鉛
- 光学樹脂
製造方法との相性が悪いものを選ぶと、性能に影響が出てしまいます。ガラスを過剰に指定すると、コストが不必要に増加します。また、研磨や研削が可能か、成形や溶解が可能か、あるいはそれらの組み合わせが可能か。これらは考慮すべき質問です。
どのような製造方法を使用するのか？
非球面の製造は複雑です。最も頻繁に使用されるのは、プラスチック射出成形、ガラス成形、ダイヤモンド切削、CNCおよびMRF研磨、さらにはイオンビーム鍛造（IBF）などの方法です。成形法は材料を除去しませんが、他の方法は減法であり、ある程度の量のガラス、プラスチック、または結晶材料が除去されます。
つまり、ここで重要なのは、指定された素材に適した製造方法を見つけ出し、意図した通りの性能を持つ非球面デザインを予算オーバーにならないように作ることです。さらに、ある方法は「1回限り」の少量生産に適しており、他の方法は大量生産に効果的です。
トレードオフの関係にあります。ある方法では、大量生産で球あたりのコストが低いというメリットがありますが、セットアップやツールのコストが高くつきます。CNC、MRF、IBFは光学ガラスには適しているが、プラスチックには適していない。ダイヤモンド切削は、自由形状を含むさまざまな形状に対応できるが、大量生産には向かない。
このように、デザインと素材の選択は、どちらか一方に偏りすぎないよう、バランスを取りながら進めていく必要があります。
いざ、非球面を測ってみよう
非球面レンズは、製造が難しいだけでなく、測定も困難です。従来の球面レンズとは異なり、軸対称非球面の表面は、半径が連続的に変化する球体の集合体と考えることができます。
球体の場合と同様に、製造された非球面が設計された形状にどれだけ正確に合致しているかを測定する必要があります。設計と指定された許容範囲に応じて、利用可能な測定装置は、形状の誤差（不規則性）、うねり、および粗さのデータを提供できるでしょうか？
非球面を測定する最も一般的な方法は、干渉計とプロファイロメトリーの2つです。干渉計測定では、高品質の基準となる球（透過球）とテストパーツ（非球面）の2つの波面を比較することで、表面形状のデータが得られます。結果として得られる干渉パターンは、部品の形状を示すもので、球体の場合は簡単です。しかし、基準となる球体が様々な半径を持つ表面と比較できなければならない場合、これは思ったほど簡単ではありません。
最近まで、標準的な干渉計の技術として、ヌルレンズやCGH（Computer Generated Hologram）が使われていました。ヌルレンズはセットアップが難しく、少量生産やR&Dにはコスト的に無理があります。CGHでは、ほぼすべての形状の波面を作成することができ、その結果得られる干渉パターンは、実際の非球面と公称面との間の偏差を直接示すことができるため、良質な基準となります。
最近の導入で...
ZYGOは最近、非球面を測定するための新しい製品を発表しました。それは、ヌルレンズや特別に作られたCGHを必要としないものです。VFA+システムは、業界標準のVerifireTM HDとDMI(Distance Measuring Interferometry)を組み合わせたものです。このシステムには、様々な非球面の測定を可能にし、簡単に行えるように設計されたVFAアプリケーションを搭載したMxソフトウェアも含まれています。
VFA+の測定では、非接触式の3次元光学位相シフト干渉計と変位測定干渉計（DMI）の2つの干渉計技術を独自に組み合わせて採用しています。セットアップの簡素化、アライメントの簡素化、内蔵されたデザインチェックツールによる測定プロセスの高速化を実現し、測定された非球面が設計仕様を満たしていることを確信することができます。
VFA+システムの詳細については、ZYGO社にお問い合わせください。
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