JP2004021039A

JP2004021039A - 反射光学素子及びその製造方法及び反射光学素子ユニット及び映像投影プロジェクタ

Info

Publication number: JP2004021039A
Application number: JP2002177641A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Tomita; 冨田　昌之
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】屈折系の光学素子に代わる、軽量の反射光学素子を提供する。
【解決手段】複数の光学反射面１Ａ，１Ｂ，１Ｃと、複数の光学反射面を連結する連結壁部１Ｓとを備え、複数の光学反射面と連結壁部とが１枚の薄板素材を成形することにより一体成形されている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射光学系で光学像を結像させる光学素子に関し、特に、光学経路内が中空の光学素子に関し、さらに、その光学素子が薄板状の成形体からなる光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学機器の光学系は、主に屈折系の光学素子からなっており、具体的には、レンズなどの光学素子の組み合わせからなっていた。
【０００３】
一方において、多数の反射面を有する金属鏡を粉末冶金成形から得る方法として、特公平０７−０４２４８６号公報に開示されている方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、大きな光学系が使われる光学機器、例えば、映像プロジェクタなどに、この従来から知られる屈折形の光学系を用いると、光学素子ユニットが非常に重くなるという欠点があった。これは、レンズ等の光学素子が中実の構造であり、また、これらの光学素子は、比重の重い光学ガラスからなっているためである。
【０００５】
一方において、前述の特公平０７−０４２４８６号公報に開示されている方法は、粉末冶金成形による方法なので、工程が複雑で製造コストが高くなり、その成形品が肉厚になるので重量が重い、という欠点がある。
【０００６】
また、金属薄板をプレス成形してプレス成形品を得る技術としては、雄雌一対の成形型を用いてプレス成形する方法が一般的ではあるが、液体に加圧された静圧を介して金属薄板を単一の成形型に押し付けプレス成形する技術も、液圧成形という名称で知られている。この液圧成形は、従来、生産数の少ない乗用車のボディーの成形や、道路のコーナーミラー等の成形に用いられてきた。このコーナーミラーの成形は、金属薄板を液圧成形で球面状に成形した後、表面を研磨し鏡面加工しており，その形状精度は低いものである。
【０００７】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、屈折系の光学素子に代わる、軽量の反射光学素子を提供することである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、光学素子として用いることができる高精度の成形品を、液圧成形で得られるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる反射光学素子は、複数の光学反射面と、該複数の光学反射面を連結する連結壁部とを備え、前記複数の光学反射面と前記連結壁部とが１枚の薄板素材を成形することにより一体成形されていることを特徴としている。
【００１０】
また、この発明に係わる反射光学素子において、前記複数の光学反射面は非軸対称な自由曲面形状からなることを特徴としている。
【００１１】
また、この発明に係わる反射光学素子において、前記連結壁部が、前記複数の光学反射面に対して概略直角に形成されていることを特徴としている。
【００１２】
また、この発明に係わる反射光学素子において、前記連結壁部に概略直角に形成されている平面部をさらに有することを特徴としている。
【００１３】
また、この発明に係わる反射光学素子において、前記光学反射面は、薄板素材の上に樹脂層が成形され、この樹脂層表面が光学反射面として機能することを特徴としている。
【００１４】
また、この発明に係わる反射光学素子において、前記薄板素材が金属材料からなることを特徴としている。
【００１５】
また、この発明に係わる反射光学素子において、前記金属材料がアモルファス合金からなることを特徴としている。
【００１６】
また、この発明に係わる反射光学素子において、前記金属材料が超塑性合金からなることを特徴としている。
【００１７】
また、この発明に係わる反射光学素子において、前記薄板素材の反射光学面の裏面に冷却機構が配置されていることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明に係わる反射光学素子ユニットは、上記の反射光学素子を、複数個組合せたことを特徴としている。
【００１９】
また、この発明に係わる反射光学素子ユニットにおいて、前記反射光学素子の連結壁部を組合せ基準部とし、複数個の前記反射光学素子を組合せたことを特徴としている。
【００２０】
また、この発明に係わる反射光学素子ユニットにおいて、前記反射光学素子の平面部を組合せ基準部とし、複数個の前記反射光学素子を組合せたことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明に係わる映像投影プロジェクタは、上記の反射光学素子を光学系に用いたことを特徴としている。
【００２２】
また、本発明に係わる映像投影プロジェクタは、上記の反射光学素子ユニットを光学系に用いたことを特徴としている。
【００２３】
また、本発明に係わる反射光学素子の製造方法は、上記の反射光学素子を製造するための反射光学素子の製造方法であって、前記薄板素材の両面に各々独立した所望の液体または気体を接触させる工程と、前記薄板素材の両面に各々独立して接触している液体または気体に所望の圧力を与えて前記薄板素材を変形させる工程と、前記薄板素材を型に接触させ型形状に成形し、所望形状の反射光学素子を得る工程とを具備することを特徴としている。
【００２４】
また、この発明に係わる反射光学素子の製造方法において、前記薄板素材の両面に各々独立して接触している液体または気体に与える圧力は、予め設定されたタイムスケジュールにより、所望のタイミングで所望の圧力になるよう制御されることを特徴としている。
【００２５】
また、この発明に係わる反射光学素子の製造方法において、圧力媒体である前記液体または気体に圧力を加えてから、前記薄板素材の成形が完了し反射光学素子が得られるまでの成形時間が、５秒以上であることを特徴としている。
【００２６】
また、この発明に係わる反射光学素子の製造方法において、前記薄板素材と型の間は、大気に開放された状態であることを特徴としている。
【００２７】
また、この発明に係わる反射光学素子の製造方法において、予め片面を光学反射面として使用可能な表面粗さに仕上げられた薄板素材を、液体または気体の圧力により成形し、光学反射面が所望値以下の表面粗さの滑らかさを有する反射光学素子を得ることを特徴としている。
【００２８】
また、この発明に係わる反射光学素子の製造方法において、前記反射光学素子の光学反射面を、前記薄板素材の型との接触面側に形成することを特徴としている。
【００２９】
また、この発明に係わる反射光学素子の製造方法において、予め片面に反射層を形成した薄板素材を、液体または気体の圧力により成形し、光学反射面に反射層が形成された反射光学素子を得ることを特徴としている。
【００３０】
また、この発明に係わる反射光学素子の製造方法において、前記反射光学素子の光学反射面を、前記薄板素材の型との接触面の反対面に形成することを特徴としている。
【００３１】
また、この発明に係わる反射光学素子の製造方法において、前記薄板素材を変形させるための圧力媒体である液体が、易揮発性溶液または水または水溶性溶液であることを特徴としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３３】
図１、図２は本発明の一実施形態に係わる反射光学素子を示す図であり、図３、図４は一実施形態の反射光学素子を成形する工程を説明する図である。
【００３４】
図３は、液圧成形の成形装置の構成を示し、３は液圧成形での成形型、４は液圧成形での加圧室、５は加圧室への高圧液体の供給口、１０は薄板状の成形素材である。
【００３５】
成形素材１０を、成形型３と加圧室４の周縁部で挟んだ状態で保持し、供給口５から高圧の液体を供給し、成形素材１０の変形を進める。この時、成形素材１０と成形型３に囲まれた空間は、大気に開放された状態でも良く、また、真空ポンプで減圧された状態でも良い。なお、供給口５から供給される液体の圧力は、事前に求められたタイムスケジュールの圧力になるよう制御される。
【００３６】
成形素材１０の変形が進んで行くと、成形素材１０が成形型３と接触し、最終的には図４に示すように、成形型３の形状に沿った形に成形され、反射光学素子１が得られる。
【００３７】
なお、この液圧成形の工程は、市販の液圧成形機を用いて，対向液圧成形法で行なっても良い。また、成形素材１０が、容易に変形する材料の場合、供給口５から高圧のガスを供給することで成形を行なうことも可能である。
【００３８】
この反射光学素子１は、図１（ａ）に示すように、１Ａ，１Ｂ，１Ｃの３面の光学反射面を有しており、これらの３面の光学反射面は、これらに概略垂直な方向に設けられた連結壁部１Ｓにより連結された状態で一体成形されている。
【００３９】
さらに、この連結壁部１Ｓに概略直角に平面部１Ｆが形成されている。この平面部１Ｆは、成形素材１０を、成形型３と加圧室４の周縁部で挟むことにより形成されている。
【００４０】
このようにして、３面の光学反射面１Ａ，１Ｂ，１Ｃと連結壁部１Ｓと平面部１Ｆを有する反射光学素子１が、薄板状素材１０から一体成形されて得られる。なお、この反射光学素子１は、成形型３との接触面を光学反射面として用いる。
【００４１】
同様にして、反射光学素子１と対になるところの図１（ｂ）に示す反射光学素子２を、薄板状素材を液圧成形することにより得た。この反射光学素子２は、４面の光学反射面２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄと連結壁部２Ｓと平面部２Ｆが一体成形されて構成されている。なお、この反射光学素子２は、成形型との接触面の反対側を、光学反射面として用いる。
【００４２】
この２個の反射光学素子を、図２に示すように組み合わせて、１個の反射光学素子とした。これらを組み合わせる際には、各々の反射光学素子の連結壁部１Ｓ，２Ｓと平面部１Ｆ，２Ｆを組合せ基準部とし、２個の反射光学素子を組合せ一つの光学素子とした。
【００４３】
このようにして、内部に７面の光学反射面を有する中空の反射光学素子が得られる。
【００４４】
各々の光学反射面は、非軸対称の自由曲面からなっており、反射光学素子としての光学機能を有するように、自由曲面形状は光学設計される。
【００４５】
この中空の反射光学素子を投影系の光学系に用いた映像投影プロジェクタは、その重量の大幅な軽量化を達成できる。
【００４６】
以下、具体的な実施例について説明する。
【００４７】
（実施例１）
本実施例では、液圧成形された薄板素材の上に樹脂層が成形され、この樹脂層表面が光学反射面として機能する成形光学素子の製造方法について述べる。
液圧成形の成形機として、市販されている対向液圧成形機を用いた。薄板素材として肉厚１ｍｍのＳＵＳ３０４材を用いた。
【００４８】
薄板素材を変形させるための圧力媒体である液体として、水または水溶性溶液（ここではグリセリン水溶液）を用いた。
【００４９】
加圧力は３０ｋＮ　（３トン）を掛けた。加圧力は、事前に設定された所望のタイムスケジュールによって制御され、プレス開始から１０秒かけて加圧力を３０ｋＮ　（３トン）まで増圧し、その状態で５秒保持した時点で成形が完了した。
【００５０】
なお、本実施例で成形した反射光学素子の大きさは、長さ約２００ｍｍ、幅約８０ｍｍ、高さ約７０ｍｍであった。
【００５１】
圧力媒体である液体として、水または水溶性溶液を用いたので、成形された薄板素材から、この液体を除去するのは容易であった。
【００５２】
このように液圧成形された薄板素材の上に樹脂層を成形する。成形された薄板素材の近傍に、所望形状の自由曲面形状に形成されたガラス型を設置する。このガラス型と成形された薄板素材の間に形成される隙間に、紫外線硬化樹脂を注入し、紫外線を照射し樹脂を硬化した後、ガラス型を離型する。すると、液圧成形で成形された薄板素材の上に、高精度に成形された自由曲面形状の樹脂層が形成される。
【００５３】
この上に銀の反射膜層を蒸着し、反射光学素子を得た。
【００５４】
このようにして得られた反射光学素子はその精度が良好であった。
【００５５】
（実施例２）
本実施例では、予め片面を光学反射面として使用可能な表面粗さに仕上げられ、さらに、その上に反射層を形成した薄板状素材を液圧成形し、成形光学素子を得る方法について説明する。
【００５６】
液圧成形の成形機として、市販されている対向液圧成形機を用いた。
【００５７】
薄板素材として肉厚０．６ｍｍのアモルファス合金材を用いた。具体的には、ロールアウト成形法で成形された、Ｚｒ基またはＰｄ基のアモルファス合金の薄板を用いた。
【００５８】
このアモルファス合金の薄板を、液圧成形で成形する前に、平板の状態でその片面を研磨加工で仕上げ、その上に銀の反射膜層を形成した。研磨後の表面粗さはＲａ０．１μｍ以下であり、反射層の厚さは３μｍ以下であった。ここで、板材としてアモルファス合金を使用しているので、結晶粒界が無く、極めて良好な研磨面が得られた。
【００５９】
薄板素材を変形させるための圧力媒体である液体として、易揮発性溶剤を用いた。具体的には、揮発性潤滑油として市販されている無洗浄油、ここでは、日本工作油製の無洗浄油６２１１を用いた。
【００６０】
加圧力は７０ｋＮ　（７トン）を掛けた。加圧力は、事前に設定された所望のタイムスケジュールによって制御され、プレス開始から２０秒かけて加圧力を７０ｋＮ　（７トン）まで増圧し、その状態で１５秒保持した時点で成形が完了した。
【００６１】
圧力媒体である液体として、易揮発性溶剤を用いたので、成形された薄板素材から、この液体を除去するのは容易であった。
【００６２】
本実施例では、加圧力も弱く、加圧時間も長いので、得られた成形品にはシワなどの発生も無く、その形状精度は良好であった。
【００６３】
また、薄板状素材の状態で、予め光学反射面として使用可能な表面粗さに仕上げられ、さらに、その上に反射層を形成した面は、成形後も、光学反射面として使用可能な表面粗さを保持していた。具体的には、成形後の光学反射面の表面粗さは、Ｒａ０．１５μｍ以下であった。
【００６４】
このように、本実施例によれば、容易な加工工程で、反射光学素子を得ることができるので、製造コストダウンが可能となる。
【００６５】
（実施例３）
本実施例では、高圧気体を圧力媒体とし、超塑性合金からなる薄板状素材を成形し、成形反射光学素子を成形し、さらにこの成形反射面の裏面に冷却機構を形成する方法について説明する。
【００６６】
成形機として、市販されている圧空成形機を用いた。
【００６７】
薄板素材として肉厚０．４ｍｍの超塑性合金材を用いた。具体的には、神戸製鋼所製の超塑性アルミ合金ＫＳ７４７５を用いた。
【００６８】
プレス前に、この薄板素材を５００℃に加熱した。
【００６９】
続いて、この薄板素材を圧空成形機にセットした。この成形機の成形型部分は５１５℃に加熱されている。
【００７０】
この圧空成形機に０．５ＭＰａ（５ｋｇｆ／ｃｍ^２）の高圧空気を加え成形を開始した。また、この時、成形素材である薄板素材と成形型で形成されるキャビティーを、真空ポンプに接続し、減圧状態に保った。
【００７１】
成形開始から２０分後に、ほぼ変形が終わり、更にその後１０分その状態で保持し、反射光学素子を得た。
【００７２】
その後、図５に示すように、成形反射面の裏面に冷却機構を形成する。すなわち、成形反射光学素子１の背面に、プラスチックの射出成形で得られた成形板１１を接着材で接着し、冷却室１２を形成した。
【００７３】
この成形板１１には、冷却媒体の流入口１１Ｉと流出口１１Ｏが形成されており、冷却媒体を冷却室１２に流した状態で反射光学素子として用いた。
【００７４】
なお、この反射光学素子の反射面には、実施例１のような高精度の樹脂層を形成しても良い。
【００７５】
また、成形反射面の裏面に形成される冷却機構は、この冷却室に限定されるものではない。例えば、空冷フィン状の冷却機構を成形反射面の裏面に接着しても良い。
【００７６】
このようにして得られた反射光学素子は、熱膨張による変形の影響が少ないので、明るい光源を用いる可能性の高い映像投影プロジェクターに、この反射光学素子を用いても、高精度の画像を得ることができる。特に、１０００ＡＮＳＩルーメン以上の明るさのプロジェクターにおいて、本冷却機構は重要となる。
【００７７】
また、本実施例によれば、成形に要する圧力が小さいので、必要な成形機も小さくなり、結果として、製造コストダウンが可能となる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光学素子の軽量化に大きく寄与する中空の反射光学素子を、液圧成形法により安価に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１枚の薄板素材を成形することにより一体成形されている反射光学素子を示す図である。
【図２】薄板素材から一体成形されている一対の反射光学素子を組合せた光学素子を示す図である。
【図３】液圧成形における、加圧前の様子を示す図である。
【図４】液圧成形における、加圧成形完了時の様子を示す図である。
【図５】実施例３を説明する図である。
【符号の説明】
１，２　反射光学素子
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ　光学反射面
１Ｓ，２Ｓ　連結壁部
１Ｆ，２Ｆ　平面部
３　成形型
４　加圧室
５　供給口
１０　成形素材
１１　成形板
１１Ｉ　流入口
１１Ｏ　流出口
１２　冷却室

Claims

複数の光学反射面と、該複数の光学反射面を連結する連結壁部とを備え、前記複数の光学反射面と前記連結壁部とが１枚の薄板素材を成形することにより一体成形されていることを特徴とする反射光学素子。
前記複数の光学反射面は非軸対称な自由曲面形状からなることを特徴とする請求項１に記載の反射光学素子。
前記連結壁部が、前記複数の光学反射面に対して概略直角に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反射光学素子。
前記連結壁部に概略直角に形成されている平面部をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の反射光学素子。
前記光学反射面は、薄板素材の上に樹脂層が成形され、この樹脂層表面が光学反射面として機能することを特徴とする請求項１に記載の反射光学素子。
前記薄板素材が金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載の反射光学素子。
前記金属材料がアモルファス合金からなることを特徴とする請求項６に記載の反射光学素子。
前記金属材料が超塑性合金からなることを特徴とする請求項６に記載の反射光学素子。
前記薄板素材の反射光学面の裏面に冷却機構が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の反射光学素子。
請求項４に記載の反射光学素子を、複数個組合せたことを特徴とする反射光学素子ユニット。
前記反射光学素子の連結壁部を組合せ基準部とし、複数個の前記反射光学素子を組合せたことを特徴とする請求項１０に記載の反射光学素子ユニット。
前記反射光学素子の平面部を組合せ基準部とし、複数個の前記反射光学素子を組合せたことを特徴とする請求項１０に記載の反射光学素子ユニット。
請求項１に記載の反射光学素子を光学系に用いたことを特徴とする映像投影プロジェクタ。
請求項１０に記載の反射光学素子ユニットを光学系に用いたことを特徴とする映像投影プロジェクタ。
請求項１に記載の反射光学素子を製造するための反射光学素子の製造方法であって、
前記薄板素材の両面に各々独立した所望の液体または気体を接触させる工程と、
前記薄板素材の両面に各々独立して接触している液体または気体に所望の圧力を与えて前記薄板素材を変形させる工程と、
前記薄板素材を型に接触させ型形状に成形し、所望形状の反射光学素子を得る工程とを具備することを特徴とする反射光学素子の製造方法。
前記薄板素材の両面に各々独立して接触している液体または気体に与える圧力は、予め設定されたタイムスケジュールにより、所望のタイミングで所望の圧力になるよう制御されることを特徴とする請求項１５に記載の反射光学素子の製造方法。
圧力媒体である前記液体または気体に圧力を加えてから、前記薄板素材の成形が完了し反射光学素子が得られるまでの成形時間が、５秒以上であることを特徴とする請求項１５に記載の反射光学素子の製造方法。
前記薄板素材と型の間は、大気に開放された状態であることを特徴とする請求項１５に記載の反射光学素子の製造方法。
予め片面を光学反射面として使用可能な表面粗さに仕上げられた薄板素材を、液体または気体の圧力により成形し、光学反射面が所望値以下の表面粗さの滑らかさを有する反射光学素子を得ることを特徴とする請求項１５に記載の反射光学素子の製造方法。
前記反射光学素子の光学反射面を、前記薄板素材の型との接触面側に形成することを特徴とする請求項１５に記載の反射光学素子の製造方法。
予め片面に反射層を形成した薄板素材を、液体または気体の圧力により成形し、光学反射面に反射層が形成された反射光学素子を得ることを特徴とする請求項１５に記載の反射光学素子の製造方法。
前記反射光学素子の光学反射面を、前記薄板素材の型との接触面の反対面に形成することを特徴とする請求項１５に記載の反射光学素子の製造方法。
前記薄板素材を変形させるための圧力媒体である液体が、易揮発性溶液または水または水溶性溶液であることを特徴とする請求項１５に記載の反射光学素子の製造方法。