JP4205121B2 - 板状ガラス光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、主として投射型表示装置で用いられるレンズアレイなどの板状ガラス光学素子及びその製造方法に関する。

板状ガラス光学素子であるレンズアレイは、液晶を用いた投射型表示装置、即ち液晶プロジェクターなどに主として用いられる。なおレンズアレイは、インテクレーターレンズあるいはフライアイレンズとも呼ばれている。

レンズアレイは、次のようにして製造されている。まず、軟化状態のガラスを、マトリックス状のレンズアレイ形状が刻まれた金型で１個ずつプレス成型する。続いてレンズの刻まれていない面を研磨することにより、レンズアレイとなる。ほとんどの場合、これに反射防止膜が真空蒸着などの方法により成膜される。このようにして製作されたレンズアレイでは、矩形の４辺が金型によって転写された形状を有するものであり、矩形の４辺の部分にあらかじめ凹凸が形成され、装置への組付時の係合などとして用いられている。

パーソナルコンピュータやＤＶＤなどの映像機器の普及に伴って、プロジェクターの用途はプレゼンテーションのための各種業務用から家庭用に至るまで拡大している。これに伴ってプロジェクター自体の小型化が進められている。例えば光源の反射鏡に回転楕円面反射鏡を用い、集光光学系を合わせることによって光源からの光を細い平行光束にし、その後の光学部品および液晶デバイスなどの表示素子自体に小型のものを使用することにより、プロジェクター装置の小型化が図られている。こうした装置の内部に使用されるレンズアレイなどの光学部品には小型化が求められており、併せて低価格化が要求されている。

このような要求に対し、上記した製造方法でレンズアレイなどを１個ずつ成型、研磨、成膜と洗浄を繰り返しながら行なうのではなく、複数の光学素子を互いに隣接して配置した形状で一体に成型し、成型後に各光学素子に切り離して単独の光学素子にする方法、あるいは一体に成型した複数の光学素子を一体のまま光学素子の片面または両面にコーティング処理し、その後に各光学素子に切り離して単独の光学素子とする光学素子の製造方法が提案されている（特許文献１：特開２０００−３７７８７号公報）。

また、平板型マイクロレンズアレイの複数ピース分の大きさを有するガラス基板の一面にレンズ部となる凹部をピース毎に形成し、次いでこの凹部を形成したガラス基板の面に高屈折率樹脂を塗布し、凹部に高屈折率樹脂を充填してレンズ部を形成した後、１ピースの大きさに切断する方法も提案されている（特許文献２：特開平９−９０３６０号公報）。
特開２０００−３７７８７号公報 特開平９−９０３６０号公報

レンズアレイがプロジェクターに内装される際には、レンズアレイの光学機能面である光透過面が光軸に対して正確に配置される必要がある。レンズアレイの中心と光軸中心とのずれや、光軸に対するレンズアレイの上下左右方向の角度ずれがあると、正確な光路が得られなくなり，光の利用効率が極端に低下し、投射画像が暗くなる。また照度むらを生じるなどの不都合を生じる。

また投射型のプロジェクターにおいて、投射像の照度むらを解消するために、それぞれ照度分布の異なる２枚のレンズアレイを光路上に離間して設けている。これらは他の光学要素と接着して組み込まれるもののほか、これらレンズアレイの端面を基準面として用い、光路上に組み付けされるものがある。

レンズアレイの端面を基準面として用いる場合には、これらの端面の形状精度が非常に重要になる。上記特許文献１，２に記載されているように、多数個を一体成型した基板から切断によって個々の光学素子を切り出す場合、切断精度が光学的精度に直接影響する。切断面の傾きがあると、光軸に対する光学機能面の角度ずれを生じ、また切断線または切断位置のばらつきはレンズアレイの中心と光軸とのずれの原因になる。いずれにしても切断などの後加工に依存する限り、加工ばらつきを皆無にすることは困難である。製品外周の心取加工を前提とした場合には、端面からレンズアレイの中心までの距離を所定の値に保つために、切削分の削りしろが必要になるので、それだけ成型効率が低くなる。

また上記特許文献１に記載されているように、切断面をそのまま位置決めに利用しようとすると、レンズの光軸中心と位置決め面となる切断面との間の距離を正確に測定して切断しなければならないが、現実には成型ピッチのばらつき、切断精度などによるばらつきが避けられない。なお上記特許文献２に記載の平板型マイクロレンズアレイは、通常液晶表示素子のガラス基板などに接合して使用されており、この場合には切断面の精度に依存しない方法で位置決めされるので、端面の形状や精度はあまり問題にならない。

一体成型後の工程である研磨、成膜、洗浄などの工程の合理化には、なるべく多数の素子を一体のまま取り扱うことが好ましいと考えられるが、板状ガラス光学素子の場合には、次のような問題があった。

レンズアレイは、軟化状態のガラスをマトリックス状のレンズアレイ形状が刻まれた金型でプレスしてレンズアレイ形状を転写することで成型される。この際、溶融ガラスであるゴブを金型に投下してプレス成型するダイレクトプレスでは、ガラスが金型によって延展される間に急激に熱を奪われて硬くなるため、薄い板状に成型するのが難しく、また高い温度で成型する必要があり、高温での成型では金型の熱膨張、ガラスの熱収縮などの影響を受けるため成型精度の高いものが得にくく、また金型の消耗も早い。

またダイレクトプレスでは、一般に成型されるゴブの表面温度より内部温度の方が高いため、成型後にガラスが冷却する過程で、先に冷却固化した表面部分よりも内部の温度の高い部分で、熱収縮の影響が大きく現われ、いわゆる「ひけ」が生じ易い。

このため、精度を要求される光学部品などを製作する場合には、あらかじめ所定の形状、容量のガラス素材を作製し、これを比較的低温の成型に必要な粘度まで再加熱してプレス成型する方法、即ちリヒートプレスが用いられる。

しかし、板状のものでは、ガラス素材が大きくなるにつれ、均一に再加熱することが困難になり、その結果、成型精度が低下する。このため、板状で面積の広いガラス基板をプレス成型して、レンズアレイの転写精度を高く保つには限界がある。

本発明は、こうした従来の問題点を解決し、成型精度、特に光学系への組付けの基準となる端面および組付け精度に優れた板状ガラス光学素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の板状ガラス光学素子は、板面を光透過面とし、その一方に複数のセル状レンズが形成された板面を有する矩形板状のガラス光学素子であって、複数のセル状レンズが形成された板面に対向したもう一方の板面は光学研磨されており、光透過面であるこれら二つの板面を除く隣接する２つの端面が金型によって成型され規定された成型面であって位置合わせ用の基準面が形成されており、残りの隣接する２つの端面が切断または破断によって形成された面であることを特徴とする。

本発明によれば、金型により成型された隣接する２つの端面を基準面として使用することにより、この面を利用した正確な位置決め・組付けができる。基準面に成型後の加工面を用いず、金型によって与えられた精度を持つ２つの端面を基準面として位置決め・組付けをするので、成型後の加工精度は位置決め・組付けの精度には影響しない。このため、プロジェクターに内装されるレンズアレイは、光学機能面である光透過面が光軸に対して正確に配置でき、レンズアレイの中心と光軸中心、光軸とレンズアレイの方向とを正確に合わせることができ、しかも複数のセル状レンズが形成された板面に対向したもう一方の板面は光学研磨されているので、正確な光路が得られ、光の利用効率を高め投光画像を明るく保ち、照度むらなどの不都合が生じるのを回避できる。

本発明によれば、型によって規定された成型面を隣接する２つの端面としているため、レンズアレイの上下方向に相当する辺と左右方向に相当する辺の両方を利用した組付け固定を容易に行なうことができ、レンズアレイの上下左右方向の角度ずれを防止できる。また、型により成型された基準面とレンズアレイ中心との位置関係は、後工程によらず一定であるため、隣接する２つの端面に設けられた基準面を基準として装置への組付けを行なえば、レンズアレイの中心と光軸の中心とを正確に一致させることができる。

このとき、位置合わせ用の基準面である係合用の基準面として、凹部および凸部を金型によって形成すれば、位置決め・組み付けがより正確に行なえる。

基準面を有する端面以外の端面は、組付け時の位置決めには使用されないので、高い精度を必要とせず、ラフな切断や破断によって形成されていても支障がないことから、製造工程を簡略化でき、また製造コストの低減が可能となる。

なお、本発明の板状ガラス光学素子において、上記した矩形板状はその角が切り欠かれていたり、曲線状であったりしてもよい。

本発明の板状ガラス光学素子において、複数のセル状レンズが形成された板面は、フランジ部がその周縁を囲んでおり、このフランジ部に対し、複数のセル状レンズが形成された板面が凹入していることが好ましい。

光学的機能面は、セル状レンズが形成された部分であって、その周縁をフランジ部が囲んでいることにより、各工程における基板の保持やハンドリングが容易となる。またフランジ部に対しセル状レンズ部が凹入していることにより、例えば切断加工時などにセル状レンズ面を下向きに載置した場合でも、レンズ面は直接載置面に触れることがないので、汚損・傷つきが防止される。

本発明の板状ガラス光学素子において、切断または破断によって形成された端面の少なくとも一方は、面取り加工されていることが好ましい。

ガラスの切断面は鋭利であることから、切断または破断によって形成された端面の少なくとも一方は、面取り加工されていることが好ましく、また面取り加工は、切断面や破断面からのガラス片が光学機能面に付着したり光学機能面を傷つけたりするの防ぐのに有効である。

上記した本発明の板状ガラス光学素子は、上述したように、映像プロジェクター内部の光路上に好ましく用いることができる。

本発明の板状ガラス光学素子の製造方法は、軟化状態のガラスを上型と下型とを有する金型によって一体にプレス成型し、４枚の板状ガラス光学素子が互いに隣接して配置された田の字形状に成型された成型体を得るプレス成型工程と、この成型体のセル状レンズが形成されていない側の板面を光学研磨する光学研磨工程と、４枚の板状ガラス光学素子に切り離す切り離し工程とを備え、この下型は、板状ガラス光学素子各々の中心部に台形状の断面を有する凸部が形成されており、このプレス成型工程で前記下型の凸部によって成型体に凹部が形成された面は前記研磨工程で研磨され、平面に加工されることを特徴とする。

また、本発明の板状ガラス光学素子の製造方法は、軟化状態のガラスを、セル状成型面を有するプランジャおよび成型端面を形成するリングを有する上型と下型とを有する金型によって一体にプレス成型し、４枚の板状ガラス光学素子が互いに隣接して配置された田の字形状に成型された成型体を得るプレス成型工程と、この成型体のセル状レンズが形成されていない側の板面を研磨する研磨工程と、４枚の板状ガラス光学素子に切り離す切り離し工程とを備え、このリングによって成型される端面が形成される面は、プレス成型工程において製品肉厚より厚い高さに設定し、プレス成型された成型体の余剰の厚みをこの研磨工程において除去することを特徴とするものであってもよい。

本発明の板状ガラス光学素子の製造方法によれば、４枚の基板を一体成型した状態の扱いやすい大きさで研磨加工を行なうことができるので、ハンドリングなどに伴う傷つきなどを低減でき、また一体加工であるため，工数・加工コストの点で有利である。さらに４枚の基板を田の字配置で一体成型するので、切断面以外の隣接する二つの端面を型によって規定された成型面として持つ板状ガラス光学素子を得ることができる。また、この下型が板状ガラス光学素子各々の中心部に台形状の断面を有する凸部が形成されており、このプレス成型工程で前記下型の凸部によって成型体に凹部が形成された面は前記研磨工程で研磨することにより、後に発明の実施の形態の欄で詳しく述べるとおり、凸部によってプレス成型時に下型にガラス素材をのせたときに上下方向にかかる押圧力を十分にガラス素材に加えることを可能にし、凸部表面の法線方向への反力で軟化したガラスを上型のすみずみにまで行き渡らせ、肉不足の防止、転写精度の向上を得ることができる。また軟化状態のガラスが冷却する過程では、肉厚部分の冷却速度が相対的に遅くなるため、先に冷却固化した部分よりも熱収縮の影響が大きく現われ、いわゆる「ひけ」が発生する状態になるが、下型の凸部によって成型体に凹部が形成されることで、全体の冷却速度が均一化され、このひけの発生が防止される。この面は、後工程で研磨し平面に加工する際に、凹部がある分、研削量が削減されるという利点も有している。また、このリングが形成する端面を有する面を、製品肉厚より厚い高さに設定しておき、プレス成型された成型体の余剰の厚みをこの研磨工程において除去すれば、製品の寸法精度の確保が容易になるという利点が得られる。

本発明の板状ガラス光学素子の製造方法において、前記成型体における４枚の板状ガラス光学素子の配置は、前記成型体の板面中心に対して回転対称となるような配置で成型されることが好ましい。

プロジェクター用レンズアレイは、通常、縦横比が異なるセル状レンズの集合体であり、その行数と列数も異なるのが一般的であるため、４枚の板状ガラス光学素子を一体にプレスされる成型体の板面中心に対して回転対称となるように配置することにより、切り離した後、型によって規定された隣接する２つの端面の位置が４個とも同じになる。

本発明の板状ガラス光学素子の製造方法においては、プレス成型工程において、光透過面の周縁を囲むフランジ部と、このフランジ部よりも凹入した複数のセル状レンズが金型によって成型され、前記切り離し工程において研磨面側から切断刃を当接させて４枚の板状ガラス光学素子に切り離すことが好ましい。

このようにして製造することにより、型によって成型された成型面に、位置合わせ用の基準面が形成された板状ガラス光学素子が得られる。また研磨面側から切断刃を当接させて切断することにより、研磨面を押しつけることにより、研磨面を傷付けることを防ぐことができる。

本発明の板状ガラス光学素子の製造方法においては、光学研磨工程後の前記成型体に対し、その片面または両面に、成膜処理を施す成膜工程を備えることが好ましい。

製造される板状ガラス光学素子の透過率の最大化を図るために、その表面には反射防止膜を成膜することが好ましい。この成膜工程は、４枚の板状ガラス光学素子が一体の状態で行なうことにより、ハンドリングを容易にするとともに、工数・加工コストを削減することができる。

また本発明の板状ガラス光学素子の製造方法においては、前記成型体を４枚の板状ガラス光学素子に切り離した後の各板状ガラス光学素子に対し、その片面または両面に成膜処理を施す成膜工程を備えてもよい。

４枚の板状ガラス光学素子に切り離した後の各板状ガラス光学素子に対し、この成膜工程を行なうことにより、成膜の無駄を少なくすることができる。

本発明によれば、金型により成型された隣接する２つの端面を基準面として使用することにより、成型後の加工精度に依存せずに正確な位置決め・組付けができる。その結果、プロジェクターに内装されるレンズアレイは、光学機能面である光透過面が光軸に対して正確に配置でき、レンズアレイの中心と光軸中心、光軸とレンズアレイの方向とを正確に合わせることができるので、正確な光路が得られ、光の利用効率を高め投光画像を明るく保ち、照度むらなどの不都合が生じるのを回避できる。

また本発明の板状ガラス光学素子の製造方法によれば、４枚の基板を一体成型した状態の扱いやすい大きさで研磨加工を行なうことができるので、ハンドリングなどに伴う傷つきなどを低減でき、また一体加工であるため，工数・加工コストの点で有利である。しかも４枚の基板を田の字配置で一体成型するので、一体加工の利点を有したまま、切断面以外の隣接する二つの端面を型によって規定された成型面として有することにより、正確な位置決め・組付けが可能な板状ガラス光学素子を得ることができる。

（実施形態１）
図１は本発明に係る板状ガラス光学素子の一実施形態であるプロジェクターレンズアレイを示す斜視図、図２はその平面図、図３は図２の断面図、図４は図３の部分拡大図である。

図１〜４において、レンズアレイ１は、全体がほぼ矩形板状の外形を有し、その一面には４行×５列のセル状レンズ２が形成され、セル状レンズ２の周囲を囲むフランジ部３を有する。このフランジ部３よりもセル状レンズ２の表面は凹入している。また、レンズアレイ１の外縁を形成する４つの端面のうち、隣接する２つの端面は、成型時に金型によって成型された成型端面４であり、その一部に板面に対して垂直すなわち光軸に対して平行な基準面５が相対的に凸部として形成されている。成型端面４の基準面５以外の部分は、基準面５に対して相対的に凹部となり、セル状レンズが形成された側の面に向かって若干内側に傾斜する斜面６となっている。成型端面４以外の２辺をなす端面は切断または破断によって形成された切断面７である。なお図１〜４において、各稜部は面取りがなされている。またセル状レンズが形成されていない裏面８は、光学研磨された平面である。なお、プロジェクター用として用いることのできる本発明のレンズアレイの代表的なサイズを述べると、レンズアレイが４０〜７０ｍｍ角でセルサイズが縦３〜５ｍｍ、セルの縦横比が４：３〜１６：９などであり、外周のフランジは片側が約２ｍｍである。このほかレンズアレイのサイズとしては、２０ｍｍ〜４０ｍｍ程度の大きさのものももちろん可能である。

このようなレンズアレイは、例えば以下のようにして映像プロジェクターなどの光学系に組み込まれて使用される。レンズアレイ１のセル状レンズ２が形成された面に対応する開口部を有する金属製の板金部品あるいは成型部品からなる枠体に設けられ、レンズアレイ１の成型端面４に当接する基準面に、レンズアレイ１の隣接する２辺に形成された基準面５を当接嵌合し、それぞれ成型端面に対向する２つの面７を、枠体に設けた板ばねやコイルスプリングまたはボルトなどにより基準面側に押圧固定し、また場合によっては、基準面などに接着を併用する。枠体は光学系の光路上に、その他の光学部品と光軸を一にするように正確に位置決め固定される。

また、成型端面４に形成された斜面６は、この斜面６に嵌合するように枠体に設けた係合片と係合させてもよい。

このレンズアレイでは、セル状レンズ２と基準面５を有する隣接する２つの端面４とが金型によって一体成型されているため、基準面５からレンズアレイ１の中心までの距離は、後加工のばらつきの影響を受けず、ほぼ金型精度によって決まるので、その精度品質の安定性が高い。従って隣接する２つの端面４の基準面５を枠体の基準面に合わせることにより、レンズアレイ１の中心など、所定個所までの距離が把握しやすく、成型端面４に対向する２つの面からの押圧力を受けやすく、押圧力による位置ずれを生じにくい。

なお、図１〜４では、端面の凸部を基準面５としているが、凹部を基準面とすることも可能である。また基準面５は、図１〜４のように、一辺に間隔をあけて２個所以上設けると、位置合わせの正確さが向上する。なお、成型端面４に形成された斜面６は、プレス成型での金型の抜き勾配でもある。

成型端面４以外の２辺をなす端面７は、対向する基準面と平行な面であることが望ましい。しかしレンズアレイと枠体双方の基準面を密着させうる対向面からの押圧力を受け止められれば、厳密に平行な平面でなくてもよい。

（実施形態２）
次に本発明に係る板状ガラス光学素子の製造方法の実施形態として、上記プロジェクター用レンズアレイのリヒートプレスによる成型の各工程について、ガラス素材、金型、プレス成型、研磨、反射防止膜の成膜、切り離しの順に説明する。

［ガラス素材の作製］
あらかじめ製品重量の２〜５倍のガラス素材を用意する。このガラス素材は周知の方法で溶融されたガラスを型内に鋳込む、または溶融炉から連続的に引き出してロッド状に成型し、適当な長さに切断するなどの方法で得る。なお、本実施形態では、熱膨張係数が３２×１０^−７／℃のホウけい酸ガラスをガラス素材として用いた場合について述べた。

［金型］
図５は本実施形態において成型に用いる金型の断面図であり、図６はその上型の成型面を示す平面図である。図５において、金型は上型２０と下型３０とからなり、上型２０はセル状レンズ成型面２３を有するプランジャ２１と成型端面４を形成するリング２２を有している。

リング２２の成型端面を形成する面は、製品肉厚より若干厚めの高さに設定する。例えば製品肉厚が２．５ｍｍの場合、３ｍｍ程度に設定する。成型体１０ａにおける余剰の厚みは後に研削・研磨により削られるが、成型端面４は金型による成型面からなる。

図６の上型２０の成型面を示した平面図においては、４列×５行のセルを有するレンズ成型面２３が、４枚のレンズアレイを一体に成型する成型体上で互いに隣接して田の字状となるように配置され、成型体１０の板面中心に対して回転対称となるように配置される。

図６では、田の字配置の成型体１０を２枚同時成型できる配置の例を示している。レンズアレイの大きさや形状にもよるが、１回のプレスによる成型型数が多くなると、成型面積が大きくなり、ガラスは金型に熱を奪われ流動性が低下するため、肉不足不良になりやすく、十分な展延性が得られず成型精度が低下する。本実施形態の上記ガラスの場合、レンズアレイの長さ３０ｍｍ程度までの場合、転写精度よく成型できる。

下型３０は、片面のみセル状レンズを形成する場合に、レンズを形成しない面は研磨されることになるので、平板面でもよい。図５に示す下型３０は、各レンズアレイの中心部に断面が台形状の凸部３１を形成した例である。凸部３１は、プレス成型時に下型３０にガラス素材をのせたときに、上下方向にかかる押圧力を十分にガラス素材に加えることを可能にし、凸部３１表面の法線方向への反力で軟化したガラスを上型２０のすみずみにまで行き渡らせ、肉不足の防止、転写精度の向上を得る。

軟化状態のガラスが冷却する過程で、肉厚部分は相対的に冷却速度が遅くなるため、先に冷却固化した部分よりも熱収縮の影響が大きく現われるいわゆる「ひけ」が発生するが、下型３０の凸部３１により、成型体１０ａに凹部１１が形成されるため、全体の冷却速度が均一化され、ひけの発生が防止される。また、この面は後工程で研磨され、平面に加工されるが、凹部１１がある分、研削量が削減されるので、それだけ研磨工程が軽減される。

光学素子の両面にレンズアレイを形成する場合には、下型にもセル状レンズなどの成型面を形成した金型を用い、表面と裏面のレンズの光軸を一致させるべく、上型と下型に相互に係合するキーおよびキー溝などを設けて上型と下型との位置精度を高める。

［プレス成型］
上記ガラス素材を、例えば炉内温度１２００℃に設定した電気炉などにより加熱して、ガラス素材の表面温度がおよそ１０００℃になるまで加熱する。

加熱されたガラス素材を下型３０に載置し、上型２０を下降させて押圧力を加え、金型形状を転写しプレス成型する。このとき、精度よく転写を行なうため、上型２０は押圧力をかけたまま、所定時間保持する。保持時間はガラスの材質や製品サイズにもよるが、例えば１０数秒から数１０秒の程度である。上型２０はガラスが冷却された後、上昇させる。

また、連続成型による金型の温度上昇に起因して、工程条件が変動するのを避けるために、金型の温度を計測し、所定の温度を超えた場合には金型表面に空気（ブローエア）を吹き付けたり、金型内部に冷却媒体を循環させたりするなどして金型の温度を管理する。

図７には図６の金型を用いたプレス成型時の状態を模式的に示した。製品重量に比べ、過剰のガラス素材をプレスするため、上型２０と下型３０とは直接接触せず、下型３０の外縁は特に規定していない。また、上型２０のリング２２は成型部分を凸として外方に向かって後退する形状を持つ。このため、プレス時にガラスは金型との接触によって急激に冷却固化することなく、金型内に展延され、余剰のガラスは金型外にはみ出すことで流動抵抗が軽減され、高い転写精度を得ることができる。

リヒートプレスでは、一旦冷却固化したガラス素材を外部から加熱軟化させるので、ガラス素材の表面付近の温度よりも内部の温度の方が相対的に低くなり、成型後の表面と内部との温度差が小さく、いわゆる「ひけ」の影響が小さくなる。

成型された成型体１０ａは、徐冷炉によって徐冷された後、はみ出し部分１２が切除され、の平面図（ａ）および断面図（ｂ）に示されているように、４枚のレンズアレイが一体となった成型体１０ｂとなる。

［研磨］
次に４枚のレンズアレイが一体となった成型体１０ｂのレンズ２が形成されていない側の面を研削・研磨する。まず、リング２２による成型端面付近まで研磨し、その後、ラッピングにより、肉厚をほぼ製品形状に整え、ポリッシング加工により光学研磨する。

この結果、プレス成型された成型体の余剰肉厚部分が除去され、（ｃ）に示すように端面が金型による成型面からなる４枚一体の成型体１０ｃが得られる。

［成膜］
次に４枚一体の成型体１０ｃの光学機能面に、反射防止膜を真空蒸着、スパッタリング、などの方法で成膜する。また必要に応じて光源からの紫外線を遮断するための膜を設ける。

［切り離し］
反射防止膜の成膜された４枚一体の成型体１０ｃを図８（ｄ）に示すように１枚ずつの素子に切り離す。切り離し方法は特に制限されない。スライサー、ダイシングソーなどの精密切断装置を用いることにより、正確な外径寸法と板面に垂直な切断面を得る。簡便な方法として、カッターで表面に直線状の傷をつけて折り曲げて破断することによる切り離しも可能である。切り離しの後には、必要に応じて切断面の稜部の面取りを行なってレンズアレイ１を得る。

こうして得られるレンズアレイでは、切断面とならない隣接する２つの端面である成型端面４により、位置決めを正確に行なえるので、切断面７の精度は多少粗くても、支障がない。このため、スクライブによる切り離しも適用できる。また、成型端面は、切断時の位置出し用の基準面として利用することもできる。

このようにして製作されるレンズアレイでは、成型端面４の基準面５により光学的中心の割り出し、あるいは位置決めができるため、心取り加工を必要としない。

またレンズアレイにはフランジ部３を有しており、フランジ部３よりもセル状レンズ２表面が凹入しているので、切断加工などの際にセル状レンズ面を下向きに載置した場合でも、レンズ面は直接載置面に触れることがないので、汚染や傷つきが防止される。

さらにスクライブなどによる切断の後、切断・破断面を整えるために、切断面７を研削・研磨する際には、成型端面を揃えてレンズアレイ１を複数枚重ねて研削・研磨することによって、均等な加工を行なうことができる。このとき、セル状レンズ２の周縁を囲むフランジ部３が存在し、レンズ表面より突出しているので、重ねられるレンズアレイ同士はフランジ部分で当接することになり、光学機能面であるセル状レンズ表面およびその裏面の研磨面については直接の接触がないので、傷つきなどが発生しにくい。

（実施形態３）
次に本発明の板状ガラス光学素子であるレンズアレイを適用した投射型表示装置について述べる。

図９において、投射型表示装置８００は、偏光照明装置５０と、ダイクロイックミラー８０１，８０４と、反射ミラー８０２，８０７，および８０９と、リレーレンズ８０６，８０８，８１０と、３枚の液晶ライトバルブ８０３，８０５，および８１１と、クロスダイクロイックプリズム８１３と、投射レンズ８１４とを備えている。

ダイクロイックダイクロイックミラー８０１，８０４は、白色光を赤、青、緑の３色の色光に分離する色光分離手段としての機能を有する。３枚の液晶ライトバルブ８０３，８０５，８１１は、与えられた画像情報である画像信号に従って、３色の色光をそれぞれ変調して画像を形成する光変調手段としての機能を有する。クロスダイクロイックプリズム８１３は、３色の色素を合成してカラー画像を形成する色光合成手段としての機能を有する。投射レンズ８１４は、合成されたカラー画像を表す光をスクリーン８１５上に投射する投射光学系としての機能を有する。

青光緑光反射ダイクロイックミラー８０１は、偏光照明装置５０から出射された白色光束の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色成分とを反射する。透過した赤色光は、反射ミラー８０２で反射されて、赤色用液晶ライトバルブ８０３に達する。一方、第１のダイクロイックミラー８０１で反射された青色光と緑色光のうちで、緑色光は緑色反射ダイクロイックミラー８０４によって反射され、緑色光用液晶ライトバルブ８０５に達する。他方、青色光は、第２のダイクロイックミラー８０４も透過する。

この図９の場合には、青色光の光路長が３つの色光のうち最も長くなる。そこで、青色光に対しては、ダイクロイックミラー８０４の後に、入射レンズ８０６と、リレーレンズ８０８と、出射レンズ８１０とを含むリレーレンズ系で構成された導光手段８５０が設けられている。即ち、青色光は、緑色光反射ダイクロイックミラー８０４を透過した後に、まず、入射レンズ８０６および反射ミラー８０７を経て、リレーレンズ８０８に導かれる。さらに反射ミラー８０９によって反射されて出射レンズ８１０に導かれ、青色光用液晶ライトバルブ８１１に達する。

３つの液晶ライトバルブ８０３，８０５，８１１は、図示しない外部の制御回路から与えられた画像情報である画像信号にしたがって、それぞれの色光を変調し、それぞれの色成分の画像情報を含む色光を生成する。変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム８１３に入射する。クロスダイクロイックプリズム８１３には、赤色光を反射する誘電体多層膜と、青色光を反射する誘電体多層とが十字状に形成されている。。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成されて、カラー映像を表す光が形成される。合成された光は、投射光学系である投射レンズ８１４によってスクリーン８１５上に投射され、映像が拡大されて表示される。

以上の投射型表示装置において、偏光照明装置５０は、光源部６０と、偏光発生装置７０とを備えている。光源部６０は、ｓ偏光成分とｐ偏光成分とを含むランダムな変偏光方向の光束を出射する。光源部６０から出射された光束は、偏光発生装置７０によって偏光方向がほぼ揃った１種類の直線偏光、例えばｓ偏光光に変換されて、照明領域８０を照明する。

光源部６０は、光源ランプ１０１と、放物面リフレクター１０２とを備えている。光源ランプ１０１から放射された光は、放物面リフレクター１０２によって一方的に反射され、略平行な光束となって偏光発生装置７０に入射する。なお、モバイル用など小型のプロジェクターでは、反射鏡からの光束を絞って光学系を小型化する目的で、楕円面反射鏡が用いられることが多い。

偏光発生装置７０は、第１の光学要素２００と、第２の光学要素４００とを備えている。第１の光学要素２００は、光軸が第１の光学要素２００の中心に一致するように配置されている。

第２の光学要素４００は、光学素子３００と出射側レンズ３９０とを備えている。そして、光学素子３００および出射側レンズ３９０は、その中心が光軸と一致するように配置されている。

光学素子３００は、集光レンズアレイ３１０と２つの偏光変換素子アレイ３２０とを備えている。集光レンズアレイ３１０は、第１の光学要素２００と同じ構造のレンズアレイで、相対する向きに配置される。集光レンズアレイ３１０は、第１の光学要素２００とともに、各光束分割レンズで分割された複数の分割光束を集光する役割を有する。偏光変換素子アレイ３２０は、入射された光束を１種類の直線偏光光、例えばｓ偏光光に変換して出射する役割を有する。

ここで用いられるレンズアレイとして、本発明により製作された板状ガラス光学素子が用いられ、矩形状の輪郭を有する微小な光束分割レンズが、縦方向にＭ行、横方向にＮ列のマトリックス状に配列された構成を有している。その光学機能面である光透過面は、光軸に対して正確に配置でき、レンズアレイの中心と光軸中心、光軸とレンズアレイの方向とを正確に合わせることができて正確な光路が得られ、投射型表示装置の光の利用効率を高めるとともに投光画像を明るく保ち、照度むらなどの不都合が生じるのを回避できた。

このようなレンズアレイは、光の利用効率を高めるため、十分に高い可視透過率を持ち、また高出力光源の近傍で用いられることから、耐熱性を有するガラスレンズが用いられている。

本発明によれば、成型精度、特に光学系への組付けの基準となる端面および組付け精度に優れた板状ガラス光学素子を精密な後加工に頼ることなく生産性よく製造できるので、その産業上の価値は大きい。

本発明に係る板状ガラス光学素子の一実施形態のプロジェクターレンズアレイを示す模式的斜視図である。 に示したプロジェクターレンズアレイの模式的平面図である。 図１に示したプロジェクターレンズアレイの模式的断面図である。 図１に示したプロジェクターレンズアレイの模式的断面図の部分拡大図である。 本発明に係る板状ガラス光学素子の製造方法の一実施形態において、成型に用いる金型の模式的断面図である。 図５に示した金型の上型の成型面を示す模式的平面図である。 図５に示した金型を用いてプレス成型を行なった際の加圧成型の状態を模式的に示した図である。 一体成型された４枚のレンズアレイの研磨と切断により、１枚ずつのレンズアレイを得ることを示した図である。 本発明の板状ガラス光学素子であるレンズアレイを適用した投射型表示装置の構成を示した図である。

符号の説明

１……レンズアレイ、２……セル状レンズ、３……フランジ部、４……成型端面、５……基準面、６……斜面、７……切断面、８……裏面、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ……成型体、１１……凹部、２０……上型、２１……プランジャ、２２……リング、２３……レンズ成型面、３０……下型、３１……凸部、５０……偏光照明装置、８００……投射型表示装置、８０１，８０４……ダイクロイックミラー、８０２，８０７，８０９……反射ミラー、８０３，８０５，８１１……液晶ライトバルブ、８０６，８０８，８１０……リレーレンズ、８１３……クロスダイクロイックプリズム、８１４……投射レンズ。

Claims (11)

1. 板面を光透過面とし、この板面の一方に複数のセル状レンズが形成された板面を有する矩形板状のガラス光学素子であって、前記複数のセル状レンズが形成された板面に対向したもう一方の板面は光学研磨されており、光透過面である前記二つの板面を除く隣接する２つの端面が金型によって成型され規定された成型面であって位置合わせ用の基準面が形成されており、残りの隣接する２つの端面が切断または破断によって形成された面であることを特徴とする板状ガラス光学素子。
2. 前記複数のセル状レンズが形成された板面は、フランジ部がその周縁を囲んでおり、このフランジ部に対し前記複数のセル状レンズが形成された板面が凹入していることを特徴とする請求項１に記載の板状ガラス光学素子。
3. 前記切断または破断によって形成された端面の少なくとも一方は、面取り加工されていることを特徴とする請求項１または２に記載の板状ガラス光学素子。
4. 映像プロジェクター内部の光路上に用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の板状ガラス光学素子。
5. 軟化状態のガラスを上型と下型とを有する金型によって一体にプレス成型し、４枚の板状ガラス光学素子が互いに隣接して配置された田の字形状に成型された成型体を得るプレス成型工程と、
   この成型体のセル状レンズが形成されていない側の板面を光学研磨する光学研磨工程と、
   ４枚の板状ガラス光学素子に切り離す切り離し工程と
   を備え、
   前記下型には、前記板状ガラス光学素子各々の中心部に台形状の断面を有する凸部が形成されており、前記プレス成型工程で前記下型の凸部によって成型体に凹部が形成された面は前記研磨工程で研磨し、平面に加工することを特徴とする板状ガラス光学素子の製造方法。
6. 軟化状態のガラスを、セル状成型面を有するプランジャおよび成型端面を形成するリングを有する上型と下型とを有する金型によって一体にプレス成型し、４枚の板状ガラス光学素子が互いに隣接して配置された田の字形状に成型された成型体を得るプレス成型工程と、
   この成型体のセル状レンズが形成されていない側の板面を研磨する研磨工程と、
   ４枚の板状ガラス光学素子に切り離す切り離し工程とを備え、
   前記リングによって成型される端面が形成される面は、前記プレス成型工程において製品肉厚より厚い高さに設定し、プレス成型された成型体の余剰の厚みを前記研磨工程において除去することを特徴とする板状ガラス光学素子の製造方法。
7. 前記成型体は、前記プレス成型工程において、光透過面の周縁を囲むフランジ部と、このフランジ部よりも凹入した複数のセル状レンズが金型によって成型されたものであることを特徴とする請求項５または６に記載の板状ガラス光学素子の製造方法。
8. 前記成型体における４枚の板状ガラス光学素子の配置は、前記成型体の板面中心に対して回転対称となるような配置であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の板状ガラス光学素子の製造方法。
9. 前記プレス成型工程において、光透過面の周縁を囲むフランジ部と、このフランジ部よりも凹入した複数のセル状レンズが金型によって成型され、前記切り離し工程において研磨面側から切断刃を当接させて４枚の板状ガラス光学素子に切り離すことを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の板状ガラス光学素子の製造方法。
10. 前記光学研磨工程後の成型体に対し、その片面または両面に成膜処理を施す成膜工程を備えたことを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載の板状ガラス光学素子の製造方法。
11. 前記成型体を４枚の板状ガラス光学素子に切り離した後の各板状ガラス光学素子に対し、その片面または両面に成膜処理を施す成膜工程を備えたことを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載の板状ガラス光学素子の製造方法。

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