JP2014202789A - 光学プリズム、光学プリズムの接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】他の光学部材と接合して用いる光学プリズムにおいて、接合面の変形を許容精度に抑え、光学性能の低下を抑える。【解決手段】第１の光学プリズム１００は、第２の光学プリズム２００と接合するための接合面と、光学有効面ではない側面１０１に設けられる鍔部１０２と、鍔部１０２に設けられ位置決めのための基準面１０４を形成する第１の基準部１０３と、第１の基準部１０３とは異なる位置に設けられる第２の基準部１０５とを有し、第２の基準部１０５は、接合面が基準面１０４の法線方向に投影された領域に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、光学プリズムと光学プリズムの接合方法に関するものである。

近年、使用者の頭部に装着して用いる頭部装着型映像表示装置（以下、ＨＭＤと称す。）が開発されている。ＨＭＤは、液晶等の映像表示素子に表示された映像を拡大し、使用者の眼前に表示する。これにより、使用者は、大画面映像を観察可能である。ＨＭＤは、使用者の頭部への負担を軽減するため、小型化が求められている。このため、ＨＭＤに適用される光学系にも小型化が求められる。光学系を小型化する手段として、光学対称軸を持たないプリズム（以下、自由曲面プリズムと称す。）を用いる例が見られる。自由曲面プリズムは、プリズム内部で光路を折り畳むことができ、光路を折り畳む際に生じる偏心収差を補正できる。このため、光学系の小型化に適している。
ＨＭＤなどの映像表示装置に用いられる自由曲面プリズムは、光学設計の自由度を増やすために、自由曲面プリズムを他の光学プリズムと接合して用いられることがある。
自由曲面プリズムの接合技術として、たとえば特許文献１や特許文献２には、プリズム同士の相対位置を決定する位置決め部をプリズム上に形成し、前記位置決め部を用いて接合する構成が開示されている。特許文献１に記載の構成においては、二つのプリズムのそれぞれに非光学面から突出した凸片を形成し、形成した凸片を位置決め部としている。特許文献２に記載の構成では、二つのプリズムのそれぞれの側面または非光学面に突出部を設け、形成した突出部を位置決め部としている。

特開２００５−２６６５８８号公報 特許第３７２０４６４号公報

ところで、ＨＭＤの光学系に用いられる自由曲面プリズムには、良好な光学性能を得るために、前記プリズムの取り付け誤差を数十マイクロメートル程度以下に抑える必要がある。自由曲面プリズムを他の光学プリズムと接合して用いる場合も同様である。
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、接合面が位置決め部から離れた位置に形成されていると、接合面の位置精度や組立精度が低下し、所望の光学性能が得られないおそれがある。一方、特許文献２に記載の構成では、接合面上に位置決め部が形成されているため、接合面の位置精度は良好であると考えられる。しかしながら、接合面上で位置決め部から離れた部位においては、位置精度や組立精度が低下し、所望の光学性能が得られないおそれがある。また、光学プリズムを接着剤により接合する場合、接着剤の反力にて光学プリズムが変形し、光学性能が低下するおそれがある。
上記実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、接合して用いる光学プリズムにおいて、接合面の変位や変形を防止または抑制し、光学性能の低下を防止または抑制することである。

前記課題を解決するために、本発明の光学プリズムは、他の光学プリズムと接合するための接合面と、光学有効面ではない面に設けられる鍔部と、前記鍔部に設けられ、位置決めのための基準面を形成する第１の基準部と、前記第１の基準部とは異なる位置に設けられる第２の基準部とを有し、前記第２の基準部は、前記接合面が前記基準面の法線方向に投影された領域に設けられることを特徴とする。
また、本発明の光学プリズムの接合方法は、他の光学プリズムと接合するための接合面と、光学有効面ではない面に設けられる鍔部と、前記鍔部に設けられ位置決めのための基準面を形成する第１の基準部と、前記第１の基準部とは異なる位置に設けられる第２の基準部とを有し、前記第２の基準部は、前記接合面が前記基準面の法線方向に投影された領域に設けられる光学プリズムと前記他の光学プリズムとの接合方法であって、前記第１の基準部と前記第２の基準部の前記基準面の法線方向に関する距離を、前記距離の変形していない状態における測定値または設計値になるように補正し、補正した後に前記接合面を前記他の光学プリズムに接合することを特徴とする。

本発明によれば、第２の基準部を、接合時に精度を出しにくい部位である接合面の法線方向に投影した範囲に設けることにより、接合による変位量を測定して補正することができる。したがって、光学性能の低下を防止または抑制することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光学プリズムが適用されるプリズムユニットの斜視図である。 図２は、本発明の第１および第２の実施形態にかかる第１の光学プリズムが接着剤の反力を受ける様子を模式的に示す側面図である。 図３は、本発明の第１の実施形態にかかる第１の光学プリズムにおいて、第２の基準部が形成される領域を模式的に示す側面図である。 図４は、本発明の第１の実施形態にかかる光学プリズムにおいて、標準距離を模式的に示す側面図である。 図５は、本発明の第１および第２の実施形態にかかる光学プリズムにおいて、第２の基準部の変位の補正を模式的に示す側面図である。 図６は、本発明の第２の実施形態において、第２の基準部の変位量の測定方法を模式的に示す側面図である。 図７は、本発明の第２の実施形態において、変位した第２の基準部の変位量の測定を模式的に示す側面図である。 図８は、本発明の第３の実施形態にかかる光学プリズムが適用されるプリズムユニットの側面図である。 図９は、本発明の第３の実施形態にかかる第１の光学プリズムが変形した状態で、第２の光学プリズムが接合された状態を模式的に示す側面図である。

本発明を実施するための各種実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の各実施形態にかかる光学プリズムは、光学有効面に自由曲面を含む自由曲面プリズムである。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態にかかる光学プリズム１００（以下、第１の光学プリズム１００）と、他の光学プリズム２００（以下、第２の光学プリズム２００）とから構成されるプリズムユニット１の構成を模式的に示す斜視図である。第１の光学プリズム１００と第２の光学プリズム２００とは、接着剤３００によって接合される。

第１の光学プリズム１００は、光学有効面１０７が形成される面と、光学有効面１０７が形成されない面１０１とを有する。光学有効面１０７は、自由曲面に形成されるか、または自由曲面を含む。また、光学有効面１０７が形成されない面１０１を、側面１０１と定義する。このように、第１の光学プリズム１００の少なくとも１面は、自由曲面を含む光学有効面１０７である。鍔部１０２は、側面１０１に形成される凸部である。鍔部１０２には、第１の基準部１０３が形成される。第１の基準部１０３は、基準面１０４を形成する部位である。基準面１０４は、第１の光学プリズム１００の位置決めの基準として用いられる。例えば、図１に示すように、第１の光学プリズム１００には、２つの鍔部１０２が形成さる。一方の鍔部１０２には１カ所の第１の基準部１０３が形成され、他方の鍔部１０２には２カ所の第１の基準部１０３が形成される。そして、これらの複数カ所（図１の例では３カ所）の第１の基準部１０３の端面（先端部）を通過する仮想的な面が、基準面１０４となる。なお、図１においては、第１の基準部１０３が四角ボス形状に形成される構成を示すが、第１の基準部１０３の形状は限定されるものではない。第１の基準部１０３は、たとえば、多角形ボス形状や円柱ボス形状、半球ボス形状などであってもよい。また、第１の基準部１０３の数も３カ所に限定されない。要は、第１の基準部１０３は、基準面１０４を一義的に規定できる形状や数であれば良い。

図２は、第１の光学プリズム１００と第２の光学プリズム２００の接合構造を模式的に示す側面図である。図１に示すように、第１の光学プリズム１００は接合面１０６を有し、この接合面１０６を介して第２の光学プリズム２００と接合される。第１の光学プリズム１００と第２の光学プリズム２００とは、接合の際に、位置決め誤差によって設計位置から相対的に変位することが想定される。また、図２に示すように、接着剤３００を用いて接合される構成であると、第１の光学プリズム１００の接合面１０６付近の部位が、接着剤３００の反力Ｒによって変形するおそれがある。

第２の基準部１０５は、接合面１０６付近の部位の変形量を測定するための測定部として用いられる部位である。この用途のため、第２の基準部１０５は、接合面１０６付近の部位の変形の影響を受け易い位置に形成されることが好ましい。また、第２の基準部１０５は、第１の基準部１０３とは異なる位置に設けられる。図３は、第２の基準部１０５が設けられる位置を模式的に示す側面図である。図３に示すように、本実施形態においては、第２の基準部１０５は、接合面１０６を基準面１０４の法線方向Ｎ（図３中においては上方向）へ投影される領域１０８内に形成される。さらに、図３に示すように、第２の基準部１０５には、基準面１０４と略平行な面が形成される。図３においては、第２の基準部１０５の上側の面が、基準面１０４に略平行な面である。なお、図１〜図３においては、第２の基準部１０５が四角ボス形状に形成される構成を示すが、この形状に限定されない。要は、第２の基準部１０５は、その変位量を測定するための基準を形成する形状であれば良い。また、第２の基準部１０５は、法線方向Ｎに投影される領域１０８内の１カ所に形成される構成であってもよく、この領域１０８内の複数個所に形成される構成であってもよい。
なお、第１の光学プリズム１００は、第１の基準部１０３や第２の基準部１０５を精度良く形成する必要があるため、樹脂材料やガラスなどによって一体に成形される構成であることが好ましい。

次に、第１の光学プリズム１００と第２の光学プリズム２００との接合方法について、図４と図５を参照して説明する。図４と図５は、第１の光学プリズム１００と第２の光学プリズム２００の接合方法を模式的に示す側面図である。この接合方法においては、接合面１０６付近の部位の接着剤３００の反力Ｒによる変形を、第２の基準部１０５を用いて補正して接合する。
まず、接合前の段階において、図４に示すように、基準面１０４と第２の基準部１０５（基準面１０４に略平行な面）との距離Ｓ（ここでは、法線方向Ｎについての距離）を測定する。測定されたこの距離Ｓを標準距離と称する。標準距離Ｓは、第１の光学プリズム１００が変形していない状態における、基準面１０４と第２の基準部１０５の法線方向Ｎに関する距離である。標準距離Ｓは、接合過程において第２の基準部１０５に生じた変形を補正する際に参考される。前記のとおり、第２の基準部１０５には、基準面１０４と略平行な面が形成される。このような構成によれば、標準距離Ｓを測定する際に、角度誤差の影響を無くすことができる。したがって、標準距離Ｓを精度良く測定することが可能となる。
次に、図５に示すように、接着剤３００を塗布した第２の光学プリズム２００の位置を固定し、第１の光学プリズム１００を設計位置に位置決めする。第１の光学プリズム１００は、接着剤３００の反力Ｒにより変形することがある（図２参照）。この際に、第２の基準部１０５の位置を測定することで、標準距離Ｓからの変位量を求めることができる。標準距離Ｓからの変位量を、例えば梃子式ダイヤルゲージなどのような、マイクロオーダーの測定精度を持つ測定器で測定することで、自由曲面を有するプリズムの接合に必要とされる精度を満たすことが可能となる。
次に、図５に示すように、第２の基準部１０５または第２の基準部１０５が形成されている面に外力Ｐを加え、基準面１０４と第２の基準部１０５との法線方向Ｎに関する距離が標準距離Ｓになるように補正する。最後に、外力Ｐが作用している状態を保ちながら接着剤３００を硬化させる。なお、補正の際に、第２の基準部１０５と基準面１０４の距離を標準距離Ｓにするのではなく、接着剤３００の硬化時の収縮を考慮し、第２の基準部１０５と基準面１０４の距離を、接着剤３００の硬化後に標準距離Ｓになるようにしてもよい。

本実施形態によれば、第２の基準部１０５を、接合面１０６が基準面１０４の法線方向Ｎへ投影された領域１０８に形成することで、接合面１０６付近の部位の変形量を精度良く測定することが可能となる。そして、位置決めの際に、測定した値を基に接合面１０６付近の部位の変形を補正することにより、接合による光学性能の低下の防止または抑制が可能となる。
特に、第１の光学プリズム１００が少なくとも１面の自由曲面を有する場合には、自由曲面の敏感度は設計的に高い値になっていることが考えられる。このため、接合面１０６に変位が生じ、接合面１０６と自由曲面との相対位置が変化すると、光学性能が大きく低下するおそれがある。このような場合に、本実施形態にかかる接合方法を用いることで、光学性能の低下の防止または抑制が可能となる。特に、接合面１０６が法線方向Ｎに投影された領域１０８に第２の基準部１０５が形成される構成であるから、接合面１０６の付近の箇所の位置決めの精度の低下を効果的に防止または抑制できる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と共通の部材や部位には同一の番号を付し、説明は省略する。第２の実施形態は、第２の基準部１０５の変位を非接触で測定する形態である。第２の実施形態にかかる第１の光学プリズム１００も、少なくとも１面が、自由曲面を含む光学有効面である。
図６は、第２の基準部１０５の変位量を測定する方法を説明する模式図である。図６に示すように、第１の光学プリズム１００の第２の基準部１０５には、光を鏡面反射する表面性状を有する鏡面部１０９が形成される。鏡面部１０９の形成方法には、アルミニウムや銀等の金属を第２の基準部１０５に蒸着させる方法や、第２の基準部１０５を鏡面研磨加工する方法などを用いることができる。
また、図６に示すように、第２の実施形態においては、第２の基準部１０５の変位量の測定に、光源４０１と光強度測定器４０２とを用いる。
光源４０１は、第２の基準部１０５の鏡面部１０９に向けて光を照射する。図中の矢印Ａは、照射される光の光路を示す。そして、鏡面部１０９での反射光は、光強度測定器４０２へ入射する。図中の矢印Ｂは、反射光の光路を示す。光強度測定器４０２は、入射した反射光の強度を測定できる。光強度測定器４０２は、第１の光学プリズム１００が変形していない状態において、反射光の測定値が最大になるような姿勢に設定される。図７は、反射光の光路の変化を模式的に示す図である。図７中の破線は、第１の光学プリズム１００が変形していない状態を示し、実線は変形した状態を示す。また、矢印Ｃは、第１の光学プリズム１００が変形した場合の反射光の光路の一例を示す。図７に示すように、第１の光学プリズム１００が変形して第２の基準部１０５が変位すると、照射光が鏡面部１０９で反射する方向が変化し、反射光の光路は光路Ｂから光路Ｃに変化する。このため、光強度測定器４０２に入射する反射光が少なくなり、反射光の光量の測定値が小さくなる。そこで、第２の基準部１０５に生じた位置ズレを、光強度測定器４０２の測定値によって検出する。そして、反射光の光量の測定値が大きくなるように、第２の基準部１０５の位置を補正する。これにより、光学性能の低下の防止または抑制が可能となる。
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施形態によれば、第２の基準部１０５の位置ズレを非接触で測定する。このような構成によれば、接触式で測定する場合のように、測定子を接触さる必要がないため、測定子の接触により加わる外力に起因して第２の基準部１０５が変位することが無い。このため、測定時に位置ズレが生じることを防止できる。したがって、接触式により変位量を測定する構成に比較して、光学性能の低下の防止または抑制の効果を高めることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態にかかる第１の光学プリズム５００と、この第１の光学プリズム５００と接合される第２の光学プリズム６００は、第１の実施形態と形状が異なる。
図８は、プリズムユニット５の構成を模式的に示す側面図である。図８に示すプリズムユニット５は、本実施形態にかかる第１の光学プリズム５００と、第２の光学プリズム６００とが、接着剤７００により接合されて形成される。図８に示すように、第１の光学プリズム５００には、光学有効面５０８，５０９と、光学有効面５０８，５０９ではない側面５０１と、鍔部５０２と、複数の第１の基準部５０３と、第２の基準部５０５と、接合面５０６とが形成される。光学有効面５０８，５０９は、自由曲面に形成されるか、または自由曲面を含む。このように、第１の光学プリズム５００の少なくとも１面は、自由曲面を含む光学有効面である。そして、複数の第１の基準部５０３によって、基準面５０４が規定される。また、図９に示すように、第１の光学プリズム５００は、舌片状に延出する薄肉部５０７を有し、第２の基準部５０５は、この薄肉部５０７に形成される。なお、光学有効面５０８，５０９と、第１の基準部５０３と、第２の基準部５０５と、接合面５０６とは、それぞれ、第１実施形態の光学有効面１０７と、第１の基準部１０３と、第２の基準部１０５と、接合面１０６と、共通の機能を有する。また、鍔部５０２と第１の基準部５０３とは、第１実施形態と共通の構成を有する。

ここで、第１の光学プリズム５００と第２の光学プリズム６００とを接合する方法について説明する。
図９に示すように、第１の光学プリズム５００の接合面５０６が薄肉部５０７に形成される構成であると、薄肉部５０７が変形しやすいため、第１の基準部５０３と第２の基準部５０５の位置関係の精度を維持することが容易ではない。このため、第１の実施形態のように、成形後における基準面５０４と第２の基準部５０５との法線方向Ｎに関する距離の測定値を標準距離Ｓとする構成では、接合の精度の低下を防止または抑制できない。
そこで、本実施形態においては、基準面５０４と第２の基準部５０５との距離の設計値を標準距離Ｓとする。基準面５０４と第２の基準部５０５との距離の設計値を標準距離Ｓとする構成であると、測定値を設計値に近付けるように変形を補正することで、光学性能の低下を防止または抑制することが可能となる。

本発明は、光学プリズムおよび光学プリズムの接合方法に有効な技術である。

１：プリズムユニット
１００：第１の光学プリズム
１０１：側面
１０２：鍔部
１０３：第１の基準部
１０４：基準面
１０５：第２の基準部
１０６：接合面
１０７：光学有効面
１０８：第２の基準部が形成される範囲
１０９：鏡面部
１１１：標準距離
１２１：接着剤による反力
１２２：補正するための外力
２００：第２の光学プリズム
３００：接着剤
Ａ：照射光の光路
Ｂ：反射光の光路
Ｃ：反射光の光路（変形時）
Ｎ：基準面の法線方向
Ｐ：接合の際に加える外力
Ｒ：接着剤による反力
Ｓ：標準距離

Claims (5)

1. 他の光学プリズムと接合するための接合面と、
   光学有効面ではない面に設けられる鍔部と、
   前記鍔部に設けられ、位置決めのための基準面を形成する第１の基準部と、
   前記第１の基準部とは異なる位置に設けられる第２の基準部と、
   を有し、
   前記第２の基準部は、前記接合面が前記基準面の法線方向に投影された領域に設けられることを特徴とする光学プリズム。
2. 前記第２の基準部は、前記基準面に対して略平行な面を有することを特徴とする請求項１に記載の光学プリズム。
3. 前記略平行な面は、鏡面部を有することを特徴とする請求項２に記載の光学プリズム。
4. 前記光学プリズムは、少なくとも１面の自由曲面を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学プリズム。
5. 他の光学プリズムと接合するための接合面と、光学有効面ではない面に設けられる鍔部と、前記鍔部に設けられ位置決めのための基準面を形成する第１の基準部と、前記第１の基準部とは異なる位置に設けられる第２の基準部とを有し、前記第２の基準部は、前記接合面が前記基準面の法線方向に投影された領域に設けられる光学プリズムと前記他の光学プリズムとの接合方法であって、 前記第１の基準部と前記第２の基準部の前記基準面の法線方向に関する距離を、前記距離の変形していない状態における測定値または設計値になるように補正し、補正した後に前記接合面を前記他の光学プリズムに接合することを特徴とする光学プリズムの接合方法。

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