CN107003431A - 非旋转对称的透镜的制造方法、非旋转对称的透镜成形模具的制造方法、非旋转对称反射镜的制造方法和非旋转对称反射镜成形模具的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过使用加工工具进行研磨加工而制造的非旋转对称的透镜及其成形模具和非旋转对称反射镜及其成形模具的制造方法。该制造方法是部分包含非旋转对称的面的非旋转对称的透镜及其成形模具、以及部分包含非旋转对称的面的非旋转对称反射镜及其成形模具的制造方法，其中，在用磨削或切削单元一边扫掠被加工物的表面一边形成非旋转对称的面时，一边在非旋转对称的面的沿着子午面的方向上移动扫掠，一边用磨削或切削单元进行非旋转对称的面的磨削或切削。

Description

非旋转对称的透镜的制造方法、非旋转对称的透镜成形模具 的制造方法、非旋转对称反射镜的制造方法和非旋转对称反 射镜成形模具的制造方法

技术领域

本发明涉及作为通过切削、研磨、磨削或塑料的注塑成型而形成的透镜和反射镜的光学元件，特别涉及具有自由曲线或偏心非球面等透镜面形状和反射镜形状面的光学元件的制造方法。

背景技术

近年来，能够短距离地投射大图像且良好的投射图像的投射式影像显示装置广泛得到普及，不局限于所谓将期望的影像投射到壁面或屏幕上的投影仪，还研究了与室内的照明器具形成为一体的投射影像等并进行照明的设备、能够在车辆的行驶路面上投射包含行进方向的各种信息的车辆用的照明设备等。

根据以下专利文献1，已知一种投射式光学装置，其包括由包含透射型折射元件的第一光学系统和包含反射型折射元件的第二光学系统构成的投射透镜，该第一光学系统的一部分的透镜收纳在以第二光学系统的下端为下限的下方空间内。

另外，作为非球面光学元件的制造方法，根据以下的专利文献2和专利文献3，已知所谓的利用蚀刻技术来制作非球面透镜的成形模具的非球面透镜的制造方法，以及在球面的玻璃透镜上仅对非球面利用玻璃模塑成形、研磨非球面来制造玻璃非球面透镜的方法。

并且，根据以下的专利文献4，已知利用凸轮式的球心型研磨机实现非球面的轨迹的非球面透镜的加工方法及其使用的装置等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-86315号公报

专利文献2：日本特开2003-276030号公报

专利文献3：日本特开2010-260775号公报

专利文献4：日本特开2004-17166号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

然而，在上述的现有技术中，相对于光轴旋转对称的透镜面形状的透镜模具(镶块)，在例如利用图10所示的多轴加工机(图中为5轴加工机)加工的情况下，使被加工面绕C轴被夹持旋转，如图11(a)所示对可在XYZ轴方向上移动的机床安装刀具，进行切削得到期望的形状。与此相对，自由曲面或偏心非球面等不能通过旋转被加工面来进行加工的透镜面和反射镜面的加工，如图11(b)所示，通过对可在XYZ轴方向上移动的机床安装旋转式的切削刀，使其高速旋转而得到期望的模具形状。然而，一般来说，非旋转对称的加工面形状精度较低，且面粗糙度较差。因此，切削后通过对模具面进行研磨来改善表面粗糙度，但已确认由于加工时在透镜面形成的微小的凹凸部，会给聚焦性能带来坏影响。为此，做出了本发明。

即，本发明是鉴于上述现有技术中的问题而完成的，其目的在于提供一种对使用加工工具进行切削或磨削而得到的模具面通过研磨加工来进行制造的、具有优异的光学特性的非旋转对称的自由曲面或偏心非球面光学元件的制造方法，更具体而言提供能够制造非旋转对称的自由曲面或偏心非球面透镜及其成形模具、和非旋转对称的自由曲面或偏心非球面反射镜及其成形模具的非旋转对称的自由曲面或偏心非球面光学元件的制造方法。

用于解决问题的技术手段

为了达成上述目的，根据本发明，提供一种非旋转对称的自由曲面或偏心非球曲面元件的制造方法。更具体而言，是一部分非旋转对称的自由曲面或偏心非球面透镜及其成形模具、以及一部分非旋转对称的自由曲面或偏心非球面反射镜及其成形模具的制造方法，其中，在用磨削或切削单元一边扫掠被加工物的表面一边形成非球面时，一边在非旋转对称的自由曲面或偏心非球面透镜的沿着子午面的方向上移动扫掠，一边用磨削或切削单元进行非旋转对称的自由曲面或偏心非球面的磨削或切削。

发明效果

根据上述的本发明，能够发挥如下实用的有益效果，即能够提供一种通过使用加工工具进行研磨加工来制作模具面从而制造的具有优异的光学特性的非旋转对称的自由曲面或偏心非球面光学元件的制造方法，具体而言，提供能够制造非旋转对称的自由曲面或偏心非球面透镜及其成形模具和非旋转对称的自由曲面或偏心非球面反射镜及其成形模具的非旋转对称的自由曲面或偏心非球面光学元件的制造方法。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的搭载有非旋转对称的自由曲面透镜和非旋转对称的自由曲面反射镜的装置的一例的投射式影像显示装置整体的外观的立体图。

图2是说明上述倾斜投射光学系统中的投射透镜的动作原理的透镜配置图。

图3是表示非旋转对称的自由曲面透镜L11的外形形状的、包括正面侧的立体图、背面侧的立体图、正视图、侧视图、后视图的图。

图4是表示非旋转对称的自由曲面透镜L12的外形形状的、包括正面侧的立体图、背面侧的立体图、正视图、侧视图、后视图的图。

图5是表示非旋转对称的自由曲面反射镜M13的外形形状的包括正视图、侧视图、后视图的图。

图6是用于说明制造非旋转对称的自由曲面透镜和非旋转对称的自由曲面反射镜或其成形模具的一般方法的图。

图7是表示利用本发明的一个实施方式的非旋转对称的自由曲面光学元件的制造方法制造的非旋转对称的自由曲面透镜的正视图及其B-B剖面，以及该部分放大剖视图的图。

图8是表示利用本发明的一个实施方式的非旋转对称的自由曲面光学元件的制造方法制造的非旋转对称的自由曲面反射镜的入射光的状态的图。

图9是表示用于实现本发明的一个实施方式的非旋转对称的自由曲面光学元件的制造方法的装置结构的概略的图。

图10是表示对非旋转对称的自由曲面透镜和反射镜进行切削加工制作的5轴加工机的一例的图。

图11是表示上述加工机的加工方法的一例的图。

具体实施方式

以下，对本发明的一个实施方式的非旋转对称的自由曲面光学元件，具体而言，对包含非旋转对称的自由曲面的透镜和反射镜的制造方法进行详细说明，但在此之前，在附图1中显示有作为采用该非旋转对称的自由曲面透镜或反射镜的一例的投射式影像显示装置(投影仪)整体的外观。

图1中，附图标记100表示该投射式影像显示装置，附图标记101和102分别表示该装置的上面盖和下面盖。如图1所示，在上述上面盖101的一部分，可开闭地安装有当使用该装置时能够打开的窗部103。此外，图1中示出的是窗部103打开的状态，以下阐述的构成投射光学系统的非旋转对称的自由曲面透镜用附图标记L12表示。

另外，此处虽未图示，但在由上述上面盖101和下面102形成的内部空间，搭载有用于构成该投射式影像显示装置的构成部件，例如：作为光源的LED或灯；将来自该光源的光调制为基于来自外部的影像信号的影像光的光调制部(例如，DLP(Digital LightProcessing)、液晶面板等影像显示元件)；即使在离壁面距离非常近(很大的倾斜角度)时也能够降低梯形变形等地投射该影像光，由此能够获得优异的投射影像的所谓包含非旋转对称的自由曲面透镜或非旋转对称的自由曲面反射镜的非球面倾斜投射光学系统；包括对上述构成部件供给所需电力和控制信号的电源电路和控制电路的各种电路部件；以及将其发热引导到装置外部的冷却风扇等。

接着，图2是说明上述倾斜投射光学系统中的投射透镜的动作原理的透镜配置图。其由以附图标记L1～L12示出的共12个透镜和以附图标记M13示出的一个反射镜构成。此处，反射镜M13的反射面和附图标记L11和L12所示的透镜的透镜面分别形成非旋转对称的自由曲面形状。因此，即便是以极大的倾斜角度投射影像的倾斜投射光学系统，也能够获得减少梯形变形的投射影像。即，据此，设计自由度为非球面的约五倍左右，能够进行良好的像差校正。

另外，来自配置在图中以附图标记P0示出的棱镜光学元件的相对面的光源(本例中为LED等半导体光源，未图示)的光，在棱镜面上发生全反射，入射到以附图标记P1示出的影像显示元件，由影像显示元件转换为影像光束，透过棱镜面入射到投射透镜。来自该影像显示元件P1(反射型影像显示元件)的影像光束(整体以φ0示出)相对于投射面的成像位置，在投射透镜中通过各个透镜的不同位置。自由曲面反射镜M13和自由曲面透镜L11和L12位于比其他大部分透镜所共有的光轴靠上部的位置，因此能够消除不必要的透镜有效区域实现小型化。因此，能够降低装置整体的成本。

另外，图中附图标记L10所示的透镜，通过将其透镜面设为非球面透镜，由此进行彗形像差和球面像差的校正。进一步，附图标记L10所示的透镜由于配置在光束偏斜地通过的位置，将其透镜面设为非球面形状，由此进行因光束相对于透镜倾斜地入射而发生的高阶的彗形像差的校正。

并且，紧接着该非球面透镜L10，作为形成上述倾斜投射光学系统的投射透镜的一部分，安装有以附图标记L11和L12示出的所谓非旋转对称的自由曲面的塑料透镜和以附图标记M13所示的非旋转对称的自由曲面的塑料反射镜。

此处，为了便于说明，示出在投射面的上端部分成像的光束φ2和在投射面的大致中央部分成像的光束φ1通过构成投射透镜的各个透镜(图中以附图标记L1～L12表示)的哪个部分。在投射面的上端部分成像的光束φ2的上限光和在投射面的大致中央部分成像的光束φ1的下限光在非旋转对称的自由曲面透镜L10和非旋转对称的自由曲面透镜L11和L12中不重合，所以能够单独进行像差校正，大幅提高校正能力。

该趋势在非旋转对称的自由曲面反射镜M13中更为显著。采用如下结构：对比较靠近光轴的区域的像差校正有贡献的透镜(L1～L10)装配在镜筒B1内，对远离光轴的区域的像差校正有贡献的透镜(L11、L12)为了调整聚焦，装配在与上述镜筒分开的另一个镜筒B2内，并以此调整透镜L10与L11及透镜L12与反射镜M13的间隔，并且也能够同时调整透镜L11与L12的间隔。

另一方面，非旋转对称的自由曲面反射镜M13安装在反射镜基座MB1上，成为例如能够利用电动机(未图示)开闭的结构。进而，其全部高精度地固定在投射透镜基座上，由此能够获得规定的聚焦性能。

图3(A)～(E)是示出上述的非旋转对称的自由曲面透镜L11的外形形状的图，图3(A)是从其正面侧看到的立体图，图3(B)是从其背面侧看到的立体图，图3(C)是其正视图，图3(D)是其侧视图，图3(E)是其后视图。该非旋转对称的自由曲面透镜L11为塑料制的透镜，也由这些图可知，出于在镜筒B2内装入该透镜时的定位和保持的目的，透镜有效区域L11-a以及该透镜有效区域L11-a的外周部设置有所谓透镜边缘部。此处，特别是图3(A)和(B)中，在非旋转对称的自由曲面透镜L11的透镜有效区域L11-a处以虚线示出了用于表示其表面形状的等高线。另外，图中的L11-c是注入树脂时的闸门部。

图4(A)～(E)是示出上述的非旋转对称的自由曲面透镜L12的外形形状的图，与上述同样，图4(A)是从其正面侧看到的立体图，图4(B)是从其背面侧看到的立体图，图4(C)是其正视图，图4(D)是其侧视图，图4(E)是其后视图。该非旋转对称的自由曲面透镜L12也与上述同样为塑料制的透镜，也由这些图可知，出于在镜筒B2内装入该透镜时的定位和保持的目的，透镜有效区域L12-a以及该透镜有效区域L12-a的外周部设置有所谓透镜边缘部。此处也一样，特别是图4(A)和(B)中，在非旋转对称的自由曲面透镜L12的透镜有效区域L12-a处以虚线示出了用于表示其表面形状的等高线。另外，图中的L12-c是注入树脂时的闸门部。

此外，图5(A)～(C)是示出上述的非旋转对称的自由曲面反射镜M13的外形形状的图，图5(A)是其正视图，图5(B)是其侧视图，图5(C)是其后视图。该非旋转对称的自由曲面反射镜M13同样为塑料制，也由这些图可知，透镜有效区域M13-a以及该透镜有效区域M13-a的外周部设置有将非球面形状照原样延伸而得的透镜区域(以下称作自由曲面区域)。

<非旋转对称的自由曲面透镜和反射镜的制造方法>

上述的非旋转对称的自由曲面透镜和反射镜一般来说通过用图10、图11所示的5轴加工机进行切削加工来制作，或者具有如图6所示通过磨削进行加工的制造方法。其中，在磨削加工中，一边用电动机250旋转驱动具有比作为被加工物的非旋转对称的自由曲面透镜的曲率的最小曲率部小的球状的曲率的加工工具即磨削刀200，一边对于作为被固定了的被加工物(工件)的塑料或玻璃的透镜或反射镜的表面300、或者透镜或反射镜的成形模具的表面400(用模具进行的制造的情况)，在三维方向(图中的X、Y、Z轴方向)上移动(所谓扫掠：scan，扫描)，形成所要求的非轴对称的自由曲面形状的透镜面。

此时，根据发明人的各种研究发现，特别是，当在透镜面即X和Y轴方向上移动作为加工工具的磨削刀200时，使该磨削刀200在组装成图2所示的投射透镜的情况下沿着该投射透镜的子午面的方向移动即可。更具体而言，也如图7所示可知，优选对于非轴对称的自由曲面L12，一边在投射透镜即该透镜的沿着子午面的方向(Y轴方向)移动，一边在沿着矢状面的方向(X轴方向)上依次移动。

这是因为，根据发明人的研究，伴随着作为加工工具的磨削刀200在透镜面(X、Y轴方向)的移动(扫掠，扫描)，如图7(B)及其局部放大图的图7(C)所示，在透镜的表面300形成微小的凹凸部310(另外，该图中，为了示出微小的凹凸部310，强调了其高度方向地进行表示)。透镜或反射镜的表面300的微小的凹凸部，在应用于倾斜投射光学系统的投射透镜中，其影像光线的入射角度在影像显示面的屏幕垂直方向上部和下部大不相同，例如在屏幕水平方向上显示横一线时，在屏幕上部发生屏幕垂直方向的模糊(杂光)。

于是，发明人通过实验求取了该凹凸部310形成在沿子午面的方向(Y轴方向)上时和形成在沿矢状面的方向(X轴方向)上时的模糊的发生状态。结果是，当该凹凸部310形成在沿子午面的方向(Y轴方向)上时，光的散射方向为屏幕的左右方向，因此明确了能够减轻模糊程度。另外，在应用于斜投射光学系统的投射透镜上发生的像差，矢状面方向上的发生量在原理上相对于子午面方向上的像差的发生量更小，因此即使在屏幕水平方向上发生上述的模糊，在屏幕整体上也能够获得平衡了的聚焦性能。另外，图7(A)表示透镜的正面形状，图中利用箭头示出了加工工具即磨削刀200的移动(扫掠，扫描)方向。

即，当透镜表面的微小的凹凸形成在矢状面方向(X轴方向)上时，如图8所示，非旋转对称的自由曲面反射镜M13的例子中，在子午面上，特别是在大幅远离光轴的上端部，光的入射角θ变大(θ4＞θ3＞θ2＞θ1)，该反射光的一部分引起散射等。因此，透镜表面的微小凹凸形成在矢状面方向(X轴方向)上的光学系统中，在投射影像中，在远离光轴的部分出现多个像发生重叠而变模糊等现象。

即，本发明是基于上述发明人的研究而做出的，具体来说，在作为被加工物(工件)的塑料或玻璃的透镜或反射镜的表面300或成形模具的表面400(即X和Y轴所形成的平面)上移动(扫掠，扫描)作为加工工具的磨削刀200时，一边在沿着子午面的方向(Y轴方向：纵向)上移动，一边形成期望的非球面状的透镜面或模具的成型面。

更具体而言，如图9所示，作为加工工具的磨削刀200安装在能够在X、Y、Z轴方向自由移动的X、Y、Z工作台900的臂的前端部，另一方面，将作为被加工物(工件)的塑料或玻璃的表面300或成形模具的表面300(利用模具制造时)固定在与该磨削刀200相对的位置。另外，图中的附图标记150是用于旋转驱动磨削刀200的电动机。

或者，作为上述结构的替代方案，也可以固定磨削刀200，使被加工物(工件)在X、Y、Z轴方向自由移动，另外，也可以使两者均能够移动，并在相互的位置进行所需磨削。此时，也一边在沿着子午面的方向(Y轴方向：纵向)上移动作为加工工具的磨削刀200，一边形成非旋转对称的自由曲面状的透镜面或作为模具的成形模具的成型面。

另外，关于磨削刀200的移动(扫掠，扫描)，如上所述，在透镜面从上向下或从下向上移动，但本发明不限于此，除此之外也可以例如在透镜面从上向下移动后，从下向上移动，然后反复该过程，或者从透镜面的中央部向上或向下移动。

另外，在上述内容中，主要对搭载于投射式影像显示装置(投影仪)中的包含非球面的透镜和反射镜的制造方法进行了详细说明，但本发明不限于此。此外，例如，对于装入前灯或安装在前端部分或者装入尾灯或安装在后部，并将汽车行驶运转所需的各种信息投射到所行驶的路面上的车辆用影像投射装置的光学元件所需的非旋转对称的自由曲面透镜或非旋转对称的自由曲面反射镜等，与上述同样地也能够应用本发明的制造方法，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

以上，对本发明的实施例进行了详细说明，但本发明不限于此，包含各种变形例。例如，上述实施例是为了使本发明便于理解而详细地说明了装置整体，但没有限定于必须具备上述说明的全部的结构。另外，可以将某个实施例的结构的一部分替换为其他实施例的结构，而且也可以在某个实施例的结构中添加其他实施例的结构。另外，对各实施例的结构的一部分可以添加、删除或替换其他结构。

附图标记说明

100：投射式影像显示装置，L11、L12：非旋转对称的自由曲面透镜，L11-a、L12-a：透镜有效区域，M13：非旋转对称的自由曲面反射镜，M13-a：反射镜有效区域，200：加工工具(磨削刀)，250：电动机，300：透镜或反射镜的表面，400：成形模具的表面。

Claims (4)

1.一种非旋转对称的透镜的制造方法，其是包含非旋转对称的面的透镜的制造方法，其特征在于：

在用磨削或切削单元一边扫掠被加工物的表面一边形成所述透镜的表面时，

一边在所述非旋转对称的面的沿着子午面的方向上移动扫掠，一边用所述磨削或切削单元进行所述非旋转对称的面的磨削或切削。

2.一种非旋转对称的透镜成形模具的制造方法，其是包含非旋转对称的面的透镜成形模具的制造方法，其特征在于：

在用磨削或切削单元一边扫掠被加工物的表面一边形成所述非旋转对称的面时，

一边在所述非旋转对称的面的沿着子午面的方向上移动扫掠，一边用所述磨削或切削单元进行所述非旋转对称的面的磨削或切削。

3.一种包含非旋转对称的面的非旋转对称反射镜的制造方法，其特征在于：

在用磨削或切削单元一边扫掠被加工物的表面一边形成所述非旋转对称的面时，

一边在所述非旋转对称反射镜的沿着子午面的方向上移动扫掠，一边用所述磨削或切削单元进行所述非旋转对称的面的磨削或切削。

4.一种包含非旋转对称的面的非旋转对称反射镜成形模具的制造方法，其特征在于：

在用磨削或切削单元一边扫掠被加工物的表面一边形成所述非旋转对称的面时，

一边在所述非旋转对称反射镜的沿着子午面的方向上移动扫掠，一边用所述磨削或切削单元进行所述非旋转对称的面的磨削或切削。