JP5247235B2 - 光学素子及び該光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光束を反射させる光学素子及び該光学素子の製造方法に関するものである。

特許文献１には、光学有効面を精度良く位置決めするために、光学素子の対称軸に取付基準部を設けて、保持部材に固定する技術が開示されている。

量産が容易であることから、樹脂の射出成形によって光学素子は成形されることが多い。しかし、射出成形によって作製される光学素子を小型化する場合に、光学素子の厚みを薄くすることが考えられるが、厚みを薄くすると、型内での樹脂流れが悪くなり、光学有効面に悪影響を及ぼしてしまうことがある。

従って、樹脂を用いて射出成形により光学素子を作製するには限界がある。更に、装置の小型化に伴って、装置内のレイアウトの高密度化、表示装置などの電気部品を有する装置では雰囲気温度が高温化しつつあり、光学素子の熱膨張による変形によって、光学面の形状が変化し光学性能を低下させる問題が発生している。

近年では、特許文献２で開示されているような非晶質材料であるアモルファス金属を素材として、プレス成形による成形技術が研究されている。アモルファス金属はガラス転移温度まで温めることによって半融解状態になり、その状態でプレス成形することで粘性流動を起こし、成形型の形状を精度良く転写させることが可能である。

アモルファス金属は樹脂よりもヤング率も大きく、また射出成形のように成形材料の型内での流れを考慮する必要がない。そのため、アモルファス金属を用いたプレス成形により光学素子を作製することで、樹脂の射出成形よりも光学素子の厚みを薄くすることが可能となり、光学素子の小型化を実現できる。更に、線膨張係数も樹脂と比較して小さいため、装置内の高温化においても熱膨張が小さく、光学性能の低下も少ない。

特開２０００−３０５０３２号公報 特公平７−１２２１３０号公報

また、光学素子を精度良く組み付けるためには、光学素子を取り付けるための取付基準部を設ける必要がある。樹脂を用いて射出成形で作製する光学素子では、樹脂の流れを考慮し、光学有効面への影響を緩和するために光学素子の周辺に取付基準部を配置するように設計されている。

図１２は光学素子の外周部に取付基準部を配置し、成形によって光学素子を作製する上で、光学有効範囲Ａの形状を崩さないようにするために、（ａ）に示すように、光学有効面範囲Ａの外周に余裕を持たせる必要がある。そのため、光学素子の最低限の外形状として、ＷとＬで示す大きさが必要となる。

更に、取付基準部となる外周に外側に向けて凸部ａを設けると、外形状はＷ１とＬ１の大きさを必要とし、光学素子の小型化の妨げとなっている。逆に、（ｂ）に示すように光学素子の外形を光学有効範囲Ｂに対して、取付基準部となる切欠部ｂを形成するためには、凸部ａを形成した場合と同様に、光学有効範囲Ｂの形状に影響を与え、Ｗ２とＬ２の外形上の大きさを必要とする。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、取付基準部が素子の小型化に対する妨げとならない光学素子の製造方法及び光学機器の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る光学素子の製造方法は、光束を反射する光学有効面の裏側に、前記光学有効面の基準位置となる取付基準部を有する光学素子の製造方法であって、アモルファス金属から成る素材を準備する工程と、前記素材を加熱し前記光学有効面の裏面側に、前記取付基準部をプレス成形によって形成する工程と、を備えることを特徴としている。

また、本発明に係る光学機器の製造方法は、前述の光学素子の製造方法により光学素子を製造する工程と、前記光学機器内に配置され、前記光学素子を保持する保持部材に対して、前記取付基準部を突き当てる工程と、を備えることを特徴としている。

本発明に係る光学素子及び該光学素子の製造方法によれば、プレス成形により作製し、光学有効面の裏面側に光学有効面の基準位置を示す取付基準部を形成させることにより、小型化が可能となる。

本発明を図１〜図１１に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例１の光学素子の斜視図である。この光学素子１において、下面に反射機能を有する光学有効面２が形成されている。光学有効面２における直交座標軸方向のＸ軸の中心を通り、ＹＺ平面に平行な平面を第１基準面ＹＺとする。光学有効面２は第１基準面ＹＺに対して対称形とされている。更に、光学有効面２におけるＹ軸の中心を通るＸＺ平面に平行な平面を第２基準面ＸＺとする。光学素子１の光学有効面２の反対側である裏面３には、基準位置を規定し取付基準部となる第１〜第４の凹部４ａ〜４ｄが形成されている。

図２は光学素子１の平面図であり、凹部４ａ〜４ｄと第１基準面ＹＺ、第２基準面ＸＺとの位置関係を示している。第１基準面ＹＺと第２基準面ＸＺが交差する点が光学有効面２の基準点Ｏを示しており、一方の凹部４ａ、４ｂが基準点ＯのＸ方向、他方の凹部４ｃ、４ｄが基準点ＯのＹ方向に位置し、それぞれ対称軸を通過するようにされている。第１の凹部４ａを形成している壁面５ａと第２の凹部４ｂを形成している壁面５ｂは、第１基準面ＹＺと同一面内で形成されている。また、第３の凹部４ｃを形成している壁面５ｃと第４の凹部４ｄを形成している壁面５ｄは、第２基準面ＸＺと同一面内で形成されている。

図３は光学有効面２を具備する光学素子１を成形するプレス成形の型構造を示している。プレス成形を行うための金型は、下型１１と上型１２とから構成されている。下型１１は内部を示すために図中の斜線部で示す一部の胴型を切欠して示している。上型１２の下面には光学素子１の凹部４ａ〜４ｄにそれぞれ対応する第１〜第４の金型凸部１３ａ〜１３ｄが設けられている。

図４に示すように、アモルファス金属から成る素材２１を下型１１の内部に挿入して、型全体を素材２１のガラス転移温度を超える温度まで加熱する。その後に、上型１２によって素材２１を図４中の矢印方向にプレスすることにより、素材２１は下型１１と上型１２で構成される隙間を充填するように粘性流動で移動する。これによって、上型１２に形成されている金型凸部１３ａ〜１３ｄから、素材２１に図１に示す凹部４ａ〜４ｄが転写され、凹部４ａ〜４ｄから成る取付基準部を有する光学素子１を作製することができる。

このように、アモルファス金属を用いた素材２１をプレス成形することによって、光学素子１の裏面３に凹部４ａ〜４ｄが形成されても、光学有効面２の形状を精度良く転写させることができる。そのため、取付基準部を光学有効面２の範囲の外側に配置する必要がなく、小型の光学素子１を作製することが可能となる。

また、光学素子１の凹部４ａ、４ｂの壁面５ａ、５ｂは、光学有効面２の対称軸である直交座標軸の第１基準面ＹＺと同一平面であるため、図示しない保持部材によって、壁面５ａ、５ｂを保持部材に当接させてＸ軸方向を規制することができる。これにより、光学素子１が熱膨張で変形しても、規制位置である対称中心位置から変形するために、光学性能の低下を減少させることができる。同様に、凹部４ｃ、４ｄの壁面５ｃ、５ｄは第２基準面ＸＺと同一であるため、前述と同様の効果がある。更に、光学素子１の裏面３又は凹部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのＸＹ平面と平行な面をＺ軸方向の基準とすることで、光学素子１の６軸を規制することができる。なお、本実施例において、光学有効面２は回転対称系であっても、自由曲面であってもよい。

図５は変形例の光学素子１を示し、（ａ）に示すように前述した第１基準面ＹＺに沿った２個所の凹部４ａ、４ｂを繋げてもよいし、（ｂ）に示すように第２基準面ＸＺに沿った２個所の凹部４ｃ、４ｄを連結してもよい。その他にも、光学素子１の第１基準面ＹＺと第２基準面ＸＺに沿った形状であれば、凹部４ａ〜４ｄの形状はこの限りではなく、また凹部４ａ〜４ｄを凸部により形成しても支障はない。

図６は実施例２の光学素子の斜視図である。光学素子３１において、反射機能を有する光学有効面３２が形成され、光学有効面３２は第１基準面ＹＺに対して対称形とされている。光学素子３１の光学有効面３２の反対側である裏面３３には凸部３４が形成されている。この凸部３４を形成している壁面３５ａは、第１基準面ＹＺと同一平面で形成されている。また、他の壁面３５ｂは第２基準面ＸＺと同一平面で形成されている。

図７はこの光学素子３１の平面図であり、凸部３４と第１基準面ＹＺ、第２基準面ＸＺとの位置関係を示している。第１基準面ＹＺと第２基準面ＸＺが交差する点は光学有効面３２の基準点Ｏを示しており、壁面３５ａと３５ｂの交差する点は基準点Ｏと一致している。

図８は光学素子３１を成形するプレス成形の金型構造を示している。プレス成形を行う金型は下型４１と上型４２から構成されている。上型４２には光学素子３１の凸部３４に対応する金型凹部４３が設けられている。下型４１内に実施例１と同様の素材２１を挿入し、プレス加工することによって、図６、図７に示す凸部３４から成る取付基準部を有する光学素子３１を作製することができる。

このように、アモルファス金属を用いた素材２１をプレス成形することによって、光学素子３１の裏面３３に凸部３４が形成されても、光学有効面３２の形状を精度良く転写させることができる。そのため、取付基準部を外周に配置するなどの光学素子３１の形状を大きくする必要がなく、小型の光学素子３１を作製することが可能となる。

また、光学素子３１の凸部３４を形成している壁面３５ａは、光学有効面３２の対称軸を示す第１基準面ＹＺと同一平面であるため、図示しない保持部材によって、壁面３５ａを保持部材に当接させてＸ軸方向を規制することができる。これにより、光学素子３１が熱膨張で変形しても、規制位置である対称中心位置から変形するために、光学性能の低下を減少させることができる。同様に、壁面３５ｂは第２基準面ＸＺと同一であるため、前述した同様の効果がある。更に、光学素子３１の裏面３３、又は凸部３４のＸＹ平面と平行な面をＺ軸方向の基準とすることで、光学素子１の６軸を規制することができる。

光学有効面３２は回転対称系であっても、実施例１と同様に光学素子３１の第１基準面ＹＺと第２基準面ＸＺに沿った形状であれば、凸部３４の形状はこの限りではなく、凸部３４を凹部で形成してもよい。

図９は実施例３の光学素子の斜視図である。本実施例３における光学素子５１において、下面側には反射機能を有する光学有効面５２が形成されている。光学素子５１の光学有効面５２の反対側である裏面５３には凸部５４と凸部５４に沿った凹部５５がそれぞれＬ字状に形成されている。凸部５４を形成している壁面５６ａは凹部５５を形成している壁面の一部でもあり、第１基準面ＹＺと同一平面で形成されている。また、凸部５４を形成している他の壁面５６ｂも凹部５５を形成している壁面の一部であり、第２基準面ＸＺと同一平面で形成されている。

図１０は光学素子の平面図であり、凸部５４と凹部５５と第１基準面ＹＺ、第２基準面ＸＺとの位置関係を示している。壁面５６ａと５６ｂが交差する点が光学有効面５２の基準点Ｏを示している。

図１１は光学素子５１を成形するプレス成形の金型構造を示している。プレス成形を行う金型は下型６１と上型６２から構成されている。上型６２には光学素子５１の凸部５４に対応する金型凹部６３と光学素子５１の凹部５５に対応する金型凸部６４が設けられている。下型６１内に実施例１と同様の素材２１を挿入し、プレス加工することによって、図９に示す凸部５４と凹部５５を有した光学素子５１を作製することができる。

また、光学素子５１の凸部５４、凹部５５を形成している壁面５６ａは、光学有効面５２の対称軸である第１基準面ＹＺと同一平面であるため、図示しない保持部材によって壁面５６ａを保持部材に当接させてＸ軸方向を規制することができる。同様に、壁面５６ｂは第２基準面ＸＺと同一であるため、同様の効果がある。更に、光学素子５１の裏面５３、凸部５４、凹部５５のＸＹ平面と平行な一面をＺ軸方向の基準とすることで、光学素子１の６軸を規制することができる。

なお以上の各実施例では、基準面ＹＺ、ＸＺを光学有効面のＹ軸、Ｘ軸方向の中心を通る面として説明したが、この限りでなく、基準光線の反射点を通る面でもよく、熱膨張や作製誤差において、光学的な収差の影響が最も小さくなる位置でも支障はない。

また、光学素子の剛性は光学性能を低下させない範囲で薄くなるように、光学素子の厚みで決められており、凹部や凸部は光学素子の剛性に影響を及ぼさない範囲で構成するのが望ましい。

その他に、型構造に関しても、上述の各実施例では上型が可動するようにしたが、下型可動としても、アモルファス金属のプレス成形をする工程であれば同様の効果が得られる。

本発明は上述の実施例１〜３の何れかに記載した光学素子や、この光学素子を持つ光学機器（撮像装置、画像投影装置）に対しても適用可能である。

実施例１の光学素子の斜視図である。 平面図である。 光学素子をプレス成形する型の斜視図である。 プレス成形の説明図である。 変形例の光学素子の斜視図である。 実施例２の光学素子の斜視図である。 平面図である。 光学素子をプレス成形する型の斜視図である。 実施例３の光学素子の斜視図である。 平面図である。 光学素子をプレス成形する型の斜視図である。 従来例の説明図である。

符号の説明

１、３１、５１ 光学素子
２、３２、５２ 光学有効面
３、３３、５３ 裏面
４、５５ 凹部
５、３５、５６ 壁面
１１、４１、６１ 下型
１２、４２、６２ 上型
２１ 素材
３４、５４ 凸部

Claims (6)

1. 光束を反射する光学有効面の裏側に、前記光学有効面の基準位置となる取付基準部を有する光学素子の製造方法であって、
   アモルファス金属から成る素材を準備する工程と、
   前記素材を加熱し前記光学有効面の裏面側に、前記取付基準部をプレス成形によって形成する工程と、を備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 前記取付基準部は前記光学有効面の基準位置となる壁面を有し、前記壁面は直交座標軸方向の基準位置となることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 前記光学有効面は前記直交座標軸の対称軸を有し、前記壁面の一方は前記対称軸の一方を通過することを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製造方法。
4. 前記壁面の他方は前記対称軸の他方を通過することを特徴とする請求項３に記載の光学素子の製造方法。
5. 前記取付基準部は凹部又は凸部としたことを特徴とする請求項１乃至４何れか１つの請求項に記載の光学素子の製造方法。
6. 光学機器の製造方法であって、
   請求項１乃至５いずれかに記載の光学素子の製造方法により光学素子を製造する工程と、
   前記光学機器内に配置され、前記光学素子を保持する保持部材に対して、前記取付基準部を突き当てる工程と、を備えることを特徴とする光学機器の製造方法。

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