JP2002258159A - 光学素子及び光学素子成形用の金型装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コマ収差やディストーション、像面湾曲を抑
制できる光学素子を成形する。 【解決手段】 光学素子１は回転非対称の光学面２，３
を少なくとも一つ以上を有する。光学的に使用する面
２，３，４の他に少なくとも二つ以上の光学的に使用し
ない回転軸対称形状部４５，４６が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転非対称の光学
面を有した光学素子及び光学素子を成形する金型装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平８−３１３８２９号公報には、画
像表示素子の表示画像を観察者眼球に導くための接眼光
学系として、３面で構成された偏心プリズムを用いるこ
とが記載されている。この偏心プリズムは観察者眼球の
視軸に対して、それぞれが偏心している３面で形成され
た空間が約１．５の屈折率の光学的に透明な媒質によっ
て満たされて形成されている。そして、画像表示素子か
ら発する光の入射面を第１面、観察者眼球とは反対側の
面である反射面を第２面、観察者眼球に近接した面を第
３面とし、画像表示素子から射出した光線が偏心プリズ
ムの第１面から屈折して入射し、第３面で第２面側へ内
部反射し、第２面で第３面側へ内部反射して第３面から
屈折して射出することにより、観察者眼球に到達するよ
うになっている。

【０００３】このような光学系においては、その収差を
良好に補正する必要がある。この収差の補正を行う手段
として、例えば、特開平１０−１８６２３７号公報に記
載された偏心光学系が知られている。この偏心光学系
は、回転非対称面からなる少なくとも１面の光学面を含
んでいると共に、回転非対称面を対称面を持たない曲面
によって形成している。このように回転非対称面を対称
面を持たない曲面とすることにより、３次元的に偏心し
た光学系により発生する回転非対称で対称面を持たない
収差を補正することが可能になるため、映像表示装置等
に用いられる接眼光学系に適した光学系とすることがで
きる。

【０００４】以上のような偏心プリズム等の光学素子を
成形する金型装置としては、光学素子の各光学面を形成
する成形駒を適宜組み合せて装填できる構造のものが使
用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した偏心プリズム
では、回転非対称面の光学面を対称面を持たない曲面か
ら構成しているため、３次元的に偏心した光学系により
発生する回転非対称で対称面を持たない収差を補正する
ことが可能となる。しかしながら、たとえ光学面の形状
がそれぞれ理想的な形状に成形されていても、複数のそ
れぞれの光学面の位置関係がずれている場合には、所望
の収差補正を行うことができなくなる。これにより、コ
マ収差やディストーション、像面湾曲などが発生して、
目的の画像が得られなくなる結果となる。

【０００６】このような不具合を解消するため、通常は
偏心プリズムの光学面同士の相対的な位置関係や、偏心
プリズムとこれを支持する鏡枠体との相対的な位置関係
を計測し、設計値に対するその誤差量に基づいて成形用
の金型を修正している。しかし、回転非対称面を含む光
学素子の場合では、回転非対称面自体の相対位置を計測
することは極めて困難であり、このため光学面相互の相
対的な位置関係を求めることは不可能に等しいものとな
っている。従って、回転非対称面を含む光学素子では、
その成形を行う金型の構造的な誤差の修正ができないた
め、収差補正を行うことが可能な光学素子を成形するこ
とができない問題を有している。

【０００７】本発明は、このような従来の問題点を考慮
してなされたものであり、光学面相互の相対位置関係
や、光学素子とその支持を行う鏡枠体との相対位置関係
を計測可能とすることができ、これにより、コマ収差や
ディストーション、像面湾曲を抑制することが可能な光
学面を有した光学素子を提供することを目的とする。ま
た、本発明は、光学面相互の相対位置関係や、光学素子
とその支持を行う鏡枠体との相対位置関係を計測可能す
ることができることに基づき、成形面の誤差修正を行う
ことが可能な光学素子成形用の金型装置を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の光学素子
は、回転非対称の光学面を少なくとも一つ以上を有する
光学素子において、光学的に使用する面の他に少なくと
も二つ以上の光学的に使用しない回転軸対称形状部が形
成されていることを特徴とする。

【０００９】二つ以上の回転軸対称形状部に基づいて、
各光学面の絶対位置に対する相対位置を計測し、評価す
ることができる。すなわち、回転軸対称形状部の計測に
より、その回転軸中心の絶対位置を容易に定義すること
ができ、他の光学面との位置関係を求めることができ
る。そして、このように回転軸対称形状部と他の光学面
との相対位置関係を求めることにより、コマ収差やディ
ストーション、像面湾曲を抑制することが可能となる。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載の光学素
子であって、前記回転軸対称形状部は、前記光学素子を
支持する鏡枠体との位置決め部の一部となっていること
を特徴とする。

【００１１】このように回転軸対称形状部を位置決め部
としているため、請求項１で求めた相対位置関係に基づ
いて、光学素子を鏡枠体に取り付けることにより、コマ
収差やディストーション、像面湾曲を抑制することがで
きる。

【００１２】請求項３記載の光学素子成形用の金型装置
は、光学素子の回転非対称の光学面を含む複数の光学的
に使用する面を成形する成形駒と、これらの成形駒とと
もに組み込まれ、光学的に使用しない回転軸対称形状部
を成形する入れ子とを備えていることを特徴とする。

【００１３】この金型装置を用いることにより、回転非
対称の光学面及び他の光学面、さらには、回転軸対称形
状部を有した光学素子を成形することができる。そし
て、成形された光学素子の回転軸対称形状部を計測する
ことにより、回転非対称の光学面と他の光学面との位置
ズレを求めることができ、求めた位置ズレのデータに基
づいて、金型の構造的な誤差を修正することができる。
このため、コマ収差やディストーション、像面湾曲を抑
制することができる光学素子を成形することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１〜図９は、本発明の実施の形
態１であり、図１はこの実施の形態における画像表示装
置８を示している。

【００１５】この実施の形態による金型装置により成形
される光学素子はプリズム１であり、プリズム１は２つ
の回転非対称の自由曲面２，３と１つの回転対称の非球
面４の計３つの光学面を有している。このプリズム１を
用いて構成される画像表示装置８では、一つの自由曲面
２の近傍において光源となる液晶素子５が配置されてお
り、その位置関係は位置決め基板７により固定される。
この自由曲面２を挟んでその両隣には第２の自由曲面３
と非球面４とが設けられている。従って、第２の自由曲
面３と非球面４とは互いに隣り合わせた位置関係となっ
ている。また、非球面４の近傍には観察者眼球６が位置
する。

【００１６】図２は画像表示装置８における光学系の光
路であり、２Ｊ、３Ｊ、４Ｊは各光学面２、３、４のそ
れぞれの光軸を示す。設計上の光路としては、液晶素子
５から出射して自由曲面２に入射した光が非球面４、自
由曲面３で内部反射を繰り返し、最終的に非球面４で屈
折して出射し、この出射光が観察者眼球６に到達して結
像するものである。しかし、図２で示した正規の光路
は、図３に示すように、各光学面２，３，４のシフト、
チルト誤差により、実線で示す正規の光路Ｋ１から破線
で示す光路Ｋ２のようにズレを生じる。

【００１７】図４はプリズム１の詳細形状を示してい
る。自由曲面２、３および非球面４からなるプリズム１
は、その側面部９ａ、９ｂにおいて、相互に平行かつ各
光学面２，３，４の光軸２Ｊ、３Ｊ、４Ｊに対して垂直
な平面４３、４４を有した２つのリブ４１、４２が形成
されている。これらのリブ４１，４２は光学的に使用さ
れることのない部分である。

【００１８】そして、これらのリブ４１、４２の平面４
３、４４には、それぞれの面に対して垂直な方向に起立
したボス４５，４６が形成されている。ボス４５，４６
は回転軸対称形状である円筒形状となっており、プリズ
ム１を支持する鏡枠体（図示省略）への位置決め部の一
部を構成している。また、各ボス４５、４６の項上部に
は、同様に回転軸対称形状である小球面４７、４８が形
成されている。そして、この小球面４７、４８の中心軸
９０，９１と各円筒形状のボス４５，４６の中心軸９
５，９６とは互いの位置ズレを１μｍ以下となるように
抑えられている。

【００１９】図５はプリズム１を成形加工する金型装置
１０を示す。金型装置１０はパーティング面３７を境と
して対向した固定型３５及び可動型３６を備えており、
これらの型３５，３６の型締めによりプリズム１を成形
するキャビティ３２が形成される。成形材料３３（図８
参照）はスプルー３０及びランナー３１からキャビティ
３２に充填される。

【００２０】さらに、金型装置１０はプリズム１の自由
曲面２，３を転写するための成形駒１１，１２と、非球
面４を転写するための成形駒１３とを有している。成形
駒１１、１２の自由曲面（成形面）１４，１５はプリズ
ム１の自由曲面２，３のｚ軸をほぼ反転した形状となっ
ており、成形駒１３の非球面（成形面）１６はプリズム
１の非球面４のｚ軸をほば反転した形状となっている。
また、それぞれの成形駒１１、１２、１３は断面形状が
長辺、短辺を有した矩形となっている。

【００２１】これらの成形駒１１，１２、１３の外周形
状の加工はフライスなどにより行われるため、略０．０
１ｍｍ以下程度の形状誤差を有している。また、光学面
２、３、４を成形する成形面１４，１５，１６は超精密
フライスや超精密旋削盤などにより加工されるが、加工
の際に成形駒を保持する治具の仕上がり精度により、通
常はシフト、チルト方向に数μｍ程度の誤差を有してい
る。

【００２２】図６に示すように、可動型３６には、プリ
ズム１のリブ４１、４２およびボス４５、４６を形成す
るためのリブ形成部材５１、５２が設けられている。こ
れらのリブ形成部材５１，５２は、パーティング面３７
に対して水平な方向にスライド可能となるようにスライ
ド駒５６上に固定されており、これにより、金型装置１
０の開閉方向４０（図５参照）とは直角な方向（スライ
ド方向５９（図５参照））に離型・移動が可能となって
いる。

【００２３】リブ形成部材５１、５２は、図７に示すよ
うにリブ４１、４２を形成する凹状部６１と、ボス４
５、４６を形成する円筒状のボス穴６３，６４（図６参
照）とを有している。ボス穴６３は凹状部６１から垂直
方向を向いて形成されている。このボス穴６３の底部に
は、小球面４７、４８を形成するための球面入れ子６５
が嵌合している。球面入れ子６５は円筒状となってお
り、その先端の球面によって小球面４７，４８を形成す
るものであり、その中心位置がボス穴６３、６４の中心
軸と同位置となるようにボス穴６３，６４に嵌合してい
る。

【００２４】図５において、５５はスライド駒５６を摺
動させるための斜め上向きのアンギュラピン、５７はそ
のアンギュラピン穴、５８はスライド駒５６を位置決め
および固定するためのバックアップブロックである。

【００２５】図８及び図９は、以上の金型装置１０を用
いてプリズム１を成型するプロセスを示す。

【００２６】図８に示すように、金型装置１０のスプル
ー３０、ランナー３１からキャビティ３２に射出・注入
された成形材料３３は、キャビティ３２内でプリズム形
状に成形されると共に、金型装置１０内で冷却される。
そして、型開きによって固定型３５と可動型３６とを開
き、これと同時にスライド駒５６がスライド方向５９
（図５参照）に摺動する。この摺動によって、リブ４
１、４２およびボス４５、４６を形成するリブ形成部材
５１、５２が離型され、図９に示すように、成形された
プリズム１が金型装置１０から取出される。このときプ
リズム１に形成される自由曲面２、３および非球面４の
相対的な位置は、成形駒１１、１２、１３の断面形状誤
差、あるいは各成形駒１１，１２，１３に形成された成
形面１４，１５，１６の加工位置によって決定される。

【００２７】画像表示装置８の光路では、図２及び図３
に示すように、正規の光路Ｋ１は、液晶素子５より出射
した光線が、まず自由曲面２を透過・屈折し、次いで非
球面４において全反射した後、自由曲面３で反射して、
再度非球面４を透過・屈折した後、観察者眼球６に到達
する光路となる。これに対し、各自由曲面２、３及び非
球面４の相互の相対位置やボス４５，４６との相対位置
にズレが発生すると、図３の破線で示す光路Ｋ２とな
る。この光路Ｋ２では、観察者眼球６において結像する
像にディストーションや像面湾曲などの著しい収差を発
生し、これらは、観察者にとっては画像の歪みやボケと
して感じられるところとなり、不快感を与える結果とな
る。

【００２８】このような各自由曲面２、３及び非球面４
の位置は、ボス４５、４６の項上部に形成された小球面
４７、４８の中心軸９０、９１の位置およびボス４５、
４６の中心軸９５，９６の傾きを検出することによって
知ることができる。すなわち、小球面４７、４８とボス
４５、４６の形状を形状測定機により計測し、それぞれ
の小球面４７、４８の中心軸９０、９１の絶対位置およ
びボス４５、４６の中心軸９５、９６の傾きを形状解析
により求める。このとき、中心軸９０、９１ならびに９
５、９６の絶対位置および傾きを記憶させておき、この
状態で自由曲面２、３及び非球面４の形状を計測する。
そして、自由曲面２、３及び非球面４の計測データの解
析により、それぞれの光軸２Ｊ、３Ｊ、４Ｊの位置や傾
きを求め、小球面４７、４８とボス４５、４６との相対
的な位置関係を算出する。このときのデータを実際の設
計値と比較し、誤差分となっている分については、最終
的に成形駒１１、１２、１３の形状補正をすることによ
り修正することができる。

【００２９】このような実施の形態によれば、回転非対
称光学面を少なくとも一つ以上有するプリズム等の光学
素子において、光学的に使用する面の他に少なくとも二
つ以上の光学的に使用しない回転軸対称形状部を形成し
て、光学面同士の相対的位置関係や光学素子と鏡枠体と
の相対的位置関係を計測可能としているため、金型の誤
差修正が可能となる。これにより、コマ収差やディスト
ーション、像面湾曲などの極めて少ない光学素子を成形
することができると共に、生産効率を飛躍的に向上させ
ることができる。また、ボス４５，４６を鏡枠体への位
置決め部の一部として使用することにより、コマ収差、
ディストーション、像面湾曲などを抑制した装着を行う
ことができる。

【００３０】（実施の形態２）図１０は本発明の実施の
形態２を示し、実施の形態１と同一の部分は同一の符号
を付して対応させ、異なる部分だけを説明する。

【００３１】この実施の形態のプリズム１９では、実施
の形態１における円筒状のボス４６の項上部に、回転軸
対称の小非球面７１が形成されている。なお、実施の形
態１のボス４５は図示していないが、このボス４５の頂
上部にも同様に、回転軸対称の小球面が形成されるもの
である。

【００３２】この実施の形態では、ボス４５、４６の形
状計測により、中心軸を定義することなく小非球面７１
の形状計測を行うことにより、ボス４５、４６の中心軸
の傾きを定義することができる。このように、少なくと
も二つ以上の光学的に使用しない面を非球面とすること
で、光学面同士の相対的位置関係や光学素子と鏡枠体と
の相対的位置関係をより簡便に求めることができる。

【００３３】（実施の形態３）図１１及び図１２は本発
明の実施の形態３を示す。この実施の形態においても、
実施の形態１と同一の部分は同一の符号を付して対応さ
せ、異なる部分だけを説明する。

【００３４】この実施の形態のプリズム２５は、図１１
に示すように、回転非対称面である自由曲面２と非球面
４との互いに隣り合う部分に、小球面７５が形成されて
いる。小球面７５はボス４５、４６の間に位置する部分
に形成されるものである。また、ボス４５、４６の項上
部には、小球面７６，７７が形成されており、この小球
面７６，７７の球心と、小球面７５の球心とをそれぞれ
線分で結ぶことにより、三角形８０となる仮想平面を定
義することができる。

【００３５】図１２はこの実施の形態のプリズム２５を
成形する金型のキャビティ３２周辺を示している。自由
曲面２及び非球面４を形成する成形駒８１，８２は円筒
状穴８３を２分する形で合わせられている。この円筒状
穴８３には自由曲面２と非球面４とが隣り合う部分にお
いて小球面７５が形成されるように、先端に凸球面８４
ａを有した円筒状の鏡面入れ子８４が嵌入している。

【００３６】この実施の形態では、成形駒８１及び８２
に形成された円筒状穴８３の内部に、先端が凹球面８４
ａとなっている円筒状の鏡面入れ子８４が設けられてい
るため、プリズム２５の自由曲面２と非球面４の隣り合
う部分に小球面７５を形成することができる。

【００３７】また、計測の際には、ボス４５、４６の頂
上部に形成された小球面７６，７７を測定することによ
り、それぞれの小球面７６，７７の位置を算出すること
ができる。そして、自由曲面２と非球面４の合わせ面に
形成した小球面７５を計測、解析し、小球面７５，７
６，７７の間に仮想上の３角形８０を定義する。この３
角形８０の位置や傾きを解析により算出し、このときの
値を記憶しておく。この状態で自由曲面２、３及び非球
面４の形状を計測し、これらの自由曲面２、３及び非球
面４の位置や傾きを求め、相対的な位置関係を算出する
ことができる。

【００３８】このような実施の形態では、光学的に使用
しない回転対称面を３つ設けることにより、各光学面間
の相対的な位置関係を更に精度良く計測することが可能
となる。

【００３９】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、二つ以上の回
転軸対称形状部に基づいて光学素子の各光学面の絶対位
置に対する相対位置を計測し、評価することができるた
め、回転軸対称形状部と他の光学面との相対位置関係を
求めることにより、コマ収差やディストーション、像面
湾曲を抑制することができる。

【００４０】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
と同様な効果を有するのに加えて、回転軸対称形状部を
位置決め部として、光学素子を鏡枠体に取り付けること
により、コマ収差やディストーション、像面湾曲を抑制
することができる。

【００４１】請求項３の発明によれば、成形された光学
素子の回転軸対称形状部を計測して、回転非対称の光学
面と他の光学面との位置ズレを求め、求めた位置ズレの
データに基づいて、金型の構造的な誤差を修正すること
ができるため、コマ収差やディストーション、像面湾曲
を抑制することができる光学素子を成形することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における画像表示装置の
斜視図である。

【図２】画像表示装置の光路を示す断面図である。

【図３】ズレがある場合の画像表示装置の光路を示す断
面図である。

【図４】実施の形態１のプリズムを示す斜視図である。

【図５】実施の形態１の金型装置を示す断面図である。

【図６】金型装置の可動型の内部を示す断面図である。

【図７】金型装置におけるリブ形成部材を示す断面図で
ある。

【図８】実施の形態１による成形状態を示す断面図であ
る。

【図９】実施の形態１による離型状態を示す断面図であ
る。

【図１０】実施の形態のプリズムの部分斜視図である。

【図１１】実施の形態３のプリズムの斜視図である。

【図１２】実施の形態３の金型装置の内部を示す断面図
である。

【符号の説明】

１ プリズム ２，３ 自由曲面 ４ 非球面 ４５，４６ ボス ４７，４８ 小球面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転非対称の光学面を少なくとも一つ以
   上を有する光学素子において、光学的に使用する面の他
   に少なくとも二つ以上の光学的に使用しない回転軸対称
   形状部が形成されていることを特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 前記回転軸対称形状部は、前記光学素子
   を支持する鏡枠体との位置決め部の一部となっているこ
   とを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 【請求項３】 光学素子の回転非対称の光学面を成形す
   る成形駒及び光学的に使用する面を成形する成形駒と、
   これらの成形駒に組み込まれ、光学的に使用しない回転
   軸対称形状部を成形する入れ子とを備えていることを特
   徴とする光学素子成形用の金型装置。