JP6541987B2 - 光学素子及び結像素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、被投影物の実像を空中に結像させるための結像素子の製造方法、及び結像素子に用いられる光学素子の製造方法に関する。

従来の結像素子は特許文献１に開示されている。図１０は従来の結像素子の斜視図であり、図１１は図１０の要部を拡大した斜視図である。結像素子１０は平面形状が正方形の平板状の光学素子１を厚み方向（図１０及び図１１のＺ方向）に２枚重ね合わせて形成される。各々の光学素子１の内部には反射面２が設けられる。反射面２は光学素子１の厚み方向に対して平行をなし、複数が所定間隔で平行に配置される。すなわち、複数の反射面２は厚み方向に対して垂直な方向に所定間隔で並べて設けられる。重ね合せた２枚の光学素子１の反射面２は互いに直交する。

図１１に示す結像素子１０において、下側の光学素子１よりもさらに下方に被投影物ＯＢを配置して被投影物ＯＢに向けて光を照射すると、被投影物ＯＢで反射した光の一部（矢印Ｐ）が下側の光学素子１に下面である入射面１８から入射する。下側の光学素子１に入射した光は下側の光学素子１の反射面２で反射した後に上側の光学素子１に入射する。上側の光学素子１に入射して上側の光学素子１の反射面２で反射した光は結像素子１０の上面である出射面１９から出射し、結像素子１０に対して被投影物ＯＢと面対象の位置の空中で被投影物ＯＢの実像（空中映像ＦＩ）として結像する。これにより、被投影物ＯＢの空中映像ＦＩが空中に浮かんだ状態で表示される。

光学素子１の製造にあたって、少なくとも一方の主面に反射面２を設けた複数の透明板をそれら反射面２が同一方向を向くように積層して積層ブロックが形成される。その積層ブロックを透明板の反射面２に対して交差する方向に切断し、厚み方向に平行な反射面２を所定間隔で平行に配置した平板状の光学素子１が形成される。

特許第５３１８２４２号公報

複数の透明板はその成形工程において外形寸法にばらつきが生じる可能性がある。積層工程では積層する複数の透明板の端面がきれいに揃わず、ずれが生じる可能性がある。そして、これらに起因して複数の透明板の端面に対応する積層ブロックの外面に凹凸が生じる虞があった。

一方、上記従来の光学素子１の製造方法では積層ブロックを切断して光学素子１を形成したり、切断した光学素子１を研磨したりする際の加工ツールと被加工物との間に比較的大きな摩擦等の加工負荷が作用することに課題があった。この加工負荷が、凹凸が生じた積層ブロックの外面の部分に局所的にかかり、積層した複数の透明板の重ね合せ部分が剥離して透明板が分散してしまう虞があることが懸念された。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、複数の透明板の端面に対応する積層ブロックの外面に局所的に加工負荷がかかることを防止し、積層した複数の透明板の分散を抑制することが可能な結像素子の製造方法、及びその結像素子に用いられる光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の光学素子の製造方法は、少なくとも一方の主面に反射面を設けた複数の透明板を前記反射面に対して垂直な方向に積層して積層ブロックを形成する積層工程と、前記積層ブロックを前記反射面に対して交差する方向に切断して厚み方向に平行な前記反射面を所定間隔で平行に配置した平板状の光学素子を形成する切断工程と、を含み、前記切断工程よりも前に、前記切断工程で形成される前記積層ブロックの切断面と交差して前記透明板の端面に対応する前記積層ブロックの２箇所の外面に対して平面加工を行う平面化工程をさらに含むことを特徴としている。

この方法によると、積層ブロックの切断面と交差して透明板の端面に対応する積層ブロックの２箇所の外面が平面化される。これにより、積層ブロックを切断して光学素子を形成したり、切断した光学素子を研磨したりする際、平面化された積層ブロックの外面の部分に加工負荷が略均一にかかるようになる。

また、上記の光学素子の製造方法において、前記透明板の厚さが０．２ｍｍ〜５．０ｍｍであることを特徴としている。

また、上記の光学素子の製造方法において、前記切断工程における切断厚さが０．５ｍｍ〜１０．０ｍｍであることを特徴としている。

また、上記の光学素子の製造方法において、前記平面化工程で前記積層ブロックの２箇所の前記外面に対して研磨加工を行うことを特徴としている。

そして、上記の課題を解決するため、本発明の結像素子の製造方法は、上記いずれかの光学素子の製造方法で製造された２枚の光学素子を互いの前記反射面が直交するように配置して接合する接合工程を含むことを特徴としている。

本発明によると、平面化工程によって平面化された積層ブロックの外面の部分に加工負荷が略均一にかかるようにすることができ、積層された複数の透明板の重ね合せ部分の剥離を抑制することができる。したがって、光学素子及び結像素子の製造において積層ブロックを切断して光学素子を形成したり、切断した光学素子を研磨したりする際、積層した複数の透明板の分散を抑制することが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る光学素子の製造方法で形成されるガラス板の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る光学素子の製造方法の積層工程を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る光学素子の製造方法の平面化工程を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る光学素子の製造方法の切断工程を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る光学素子の製造方法で形成される光学素子の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る光学素子の製造方法で形成される光学素子の研磨工程を示す上面図である。 本発明の第１実施形態に係る結像素子の製造方法の接合工程を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る結像素子の製造方法で形成される結像素子の斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る結像素子の製造方法の接合工程を示す斜視図である。 従来の結像素子の斜視図である。 図１０の要部を拡大した斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。説明の便宜上、前述の図１０及び図１１に示す従来例と同様の部分には同一の符号を付している。

＜第１実施形態＞
最初に、本発明の第１実施形態に係る光学素子及び結像素子の製造方法について、図１〜図８を用いて説明する。図１は光学素子及び結像素子に用いられるガラス板の斜視図である。図２、図３及び図４は光学素子の製造方法の積層工程、平面化工程及び切断工程を示す斜視図である。図５は光学素子を示す斜視図である。図６は光学素子の研磨工程を示す上面図である。図７は結像素子の製造方法の接合工程を示す斜視図である。図８は結像素子の斜視図である。

光学素子１及び結像素子１０に用いられる透明板であるガラス板３は、図１に示すように平面形状が矩形をなす。ガラス板３は例えば５０ｍｍ四方〜４００ｍｍ四方の正方形を成すが、長方形であっても良い。ガラス板３の厚さは例えば０．２ｍｍ〜５．０ｍｍである。この範囲の厚さのガラス板３を用いると、光学素子１を用いて得られる映像が精細になり、映像の品質が向上する。なお、透明板はガラスに代えて、例えばアクリル樹脂等の透明な合成樹脂材料（プラスチック）によって形成しても良い。

ガラス板３は特に限定しないが、ガラス板３の主面３ａが非平面加工面（成形面）であることが好ましい。ガラス板３は、例えばフュージョン法、オーバーフローダウンドロー法またはスロットダウンドロー法で成形される。フュージョン法では下方に向かって凸となるくさび形の垂直断面形状を有する樋が利用され、樋の上部から溢れ出た溶融ガラスが樋の両側面に沿って流下し、くさび形部分の最下方の先端部で一体に融合して平板状のガラス板３が成形される。ガラス板３は空気以外の物には非接触であり、表面張力のみによって滑らかな平板状に形成される。そのため、ガラス板３の主面３ａを平面加工による微細な傷が形成されていない状態とすることができ、ガラス板３の主面３ａに発生し得る微細な傷に起因するガラス板３の破損を防止することができる。その結果、後述する積層ブロック６の加圧時におけるガラス板３の破損を抑制することが可能になる。

ガラス板３には反射面形成工程において反射面２が形成される。反射面２はガラス板３の少なくとも一方の主面３ａに、例えばアルミニウムや銀等の金属製反射膜がスパッタや蒸着、スプレー等の手法によって設けられる。ここでは、反射面２が例えば厚み１００ｎｍのアルミニウムによって形成される。

次に、図２に示す積層工程において複数のガラス板３が積層される。積層工程では、例えばエポキシ系等の接着剤を用いて複数のガラス板３の主面３ａどうしを接着し、反射面２に対して垂直な方向にガラス板３を積層する。複数のガラス板３は各々の反射面２が同じ方向を向くように積層される。ここでは、例えば数百枚程度のガラス板３が積層される。これにより、ガラス板３の積層ブロック６が形成される。

このとき、隣接するガラス板３の間に所定の粒径のスペーサを挟んでも良い。スペーサを用いると、反射面２どうしの平行を維持しながら接着層の厚みを揃えることができる。なお、接着剤はエポキシ系の接着剤に限定されるわけではなく、例えばアクリル系の接着剤でも良い。

次に、加圧工程において積層ブロック６が加圧される。加圧工程では、積層ブロック６の反射面２に対して垂直な方向に加圧する。積層ブロック６の加圧には例えば油圧式のダイセット（不図示）が用いられる。ダイセットのダイホルダとパンチホルダとの間に積層ブロック６を挟むと、ダイホルダとパンチホルダとを平行に保持したままで積層ブロック６を加圧することができる。これにより、成形工程でガラス板３に発生し得る反りが矯正され、積層ブロック６全体の余剰な接着剤が積層ブロック６の外部へと押し出される。そして、複数のガラス板３が精度よく平行に配列された積層ブロック６を得ることができる。

加圧方式としては油圧式のダイセットを用いた方式に限定されるわけではなく、他の方式であっても良い。例えば、定盤の上にガラス板３を積層して積層ブロック６を形成し、最上層のガラス板３の上に錘を載せる方式でも良い。油圧や錘による加重を制御して徐々に圧力が上昇するようにすると、積層ブロック６全体の余剰な接着剤を均一に押し出すことができる。

加圧工程においては、５ｋＰａ以上の圧力を積層ブロック６に加えることが好ましく、５０ｋＰａ以上の圧力を加えることがさらに好ましい。なお、積層ブロック６に対する加圧は接着剤が硬化するまで行われる。これにより、積層ブロック６全体の余剰な接着剤を積層ブロック６の外部へと押し出すことができる。その結果、数百枚のガラス板３が精度よく平行に配列された積層ブロック６を得ることができる。また、一般的にフュージョン法等により成形されたガラス板は反りが大きく、反ったガラス板は板バネのような特性を持つが、上記加圧力によって数百枚重ねたガラス板の反りを矯正することができる。

次に、図３に示す平面化工程において積層ブロック６の２箇所の外面６ａに対して平面加工が実行される。この平面加工は次の切断工程で形成される積層ブロック６の切断面（図４の二点鎖線が示す面）と交差してガラス板３の端面に対応する積層ブロック６の２箇所の外面６ａに対して行われ、図３にその加工箇所を二点鎖線で描画している。積層ブロック６の外面６ａに対する平面加工としては例えば研削加工が行われる。平面化工程によって、積層した複数のガラス板３の端面のばらつきに起因する積層ブロック６の外面６ａの凹凸が解消され、外面６ａが略面一に平面化される。

次に、図４に示す切断加工において積層ブロック６から光学素子１が形成される。積層ブロック６はガラス板３の反射面２に対して交差する方向に切断される。これにより、厚み方向に平行な反射面２を所定間隔で平行に配置した平板状の光学素子１（図５参照）が形成される。切断工程における光学素子１の切断厚さは０．５ｍｍ〜１０．０ｍｍであり、例えば数十枚程度切り出される。

積層ブロック６の切断には例えばワイヤーソーやブレードソー、バンドソーが用いられる。例えば、ワイヤーソー１０１は直径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍのワイヤー状をなし、その長手方向に往復直線運動して積層ブロック６を切断する。このとき、砥粒が入った研削液をかけると、ワイヤーソー１０１によって砥粒と積層ブロック６との間に摩擦が生じて積層ブロック６が切断される。ワイヤーソーとしてはワイヤーに砥粒が付着したタイプも利用することができる。

次に、図６に示す研磨工程において光学素子１が研磨される。なお、研磨工程は前工程であるラッピング工程と、後工程であるポリッシング工程とに分けて実行することができる。光学素子１の研磨工程では例えば研磨パッド（不図示）の上面で回転する研磨キャリア１０２が用いられる。研磨キャリア１０２は光学素子１を個別に収容可能な複数の収容部１０２ａを備える。

光学素子１はその厚み方向に垂直をなす光の入射面または出射面が研磨パッドに接触するように研磨キャリア１０２の収容部１０２ａに収容される。収容部１０２ａは光学素子１に対して十分大きなサイズを有し、その内部で光学素子１が研磨パッドの上面に沿って自在に移動可能になっている。研磨キャリア１０２と研磨パッドとは例えば図７の紙面と平行な平面内で互いに反対方向に回転し、光学素子１を研磨する。なお、光学素子１の上方にも別の研磨パッドを用意し、上方及び下方から光学素子１を挟むようにして光学素子１の上面及び下面を同時に研磨しても良い。

切断工程のワイヤーソー１０１や研磨工程の研磨パッドなどの加工ツールと積層ブロック６、光学素子１との間に摩擦等の大きな加工負荷が作用する虞がある。この課題に対して、積層ブロック６の切断面と交差してガラス板３の端面に対応する積層ブロック６の２箇所の外面６ａを平面化すると、その外面６ａの部分に加工負荷が略均一にかかるようになる。したがって、積層した複数のガラス板３の重ね合せ部分を剥離し難くすることができる。

なお、図６に矢印Ｘで示したように、光学素子１の積層ブロック６の外面６ａの部分に凹凸があり、ガラス板３の一部が外面６ａの外側に突出している場合、研磨工程において次のような不具合が生じる可能性がある。

光学素子１を研磨キャリア１０２の収容部１０２ａに収容して研磨する際、ガラス板３の突出部が収容部１０２ａの内面に接触して局所的に大きな負荷が発生し、ガラス板３の重ね合せ部分が剥離してガラス板３が分散する可能性がある。また、ガラス板３の突出部が収容部１０２ａの内面に接触してガラス板３が破損し、その破片等により光学素子１の被研磨面に傷が生じて十分な研磨品質が得られない可能性もある。これらの不具合は切断工程において発生することも考えられる。したがって、切断工程で形成される積層ブロック６の切断面と交差してガラス板３の端面に対応する積層ブロック６の２箇所の外面６ａを例えば略面一に平面化することが好ましい。

次に、図７に示す接合工程において２枚の光学素子１を用いて結像素子１０（図８参照）が形成される。２枚の光学素子１は互いの反射面２が直交するように配置されて接合される。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る光学素子及び結像素子の製造方法について、図９を用いて説明する。図９は結像素子の製造方法の接合工程を示す斜視図である。なお、この実施形態の基本的な構成は先に説明した第１実施形態と同じであるので、第１実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付してその説明を省略するものとする。

第２実施形態の結像素子１０の製造方法では、積層ブロック６の２箇所の外面６ａに対して施される平面化工程（図３参照）において、研削加工に加えて研磨加工による鏡面化が実行される。外面６ａに対する研磨加工ではラッピングとポリッシングとを分けて実行することができる。

積層ブロック６の外面６ａは研磨加工によって鏡面化すると、図９に示す接合工程において２枚の光学素子１を用いて結像素子１０を形成する際、基準面として利用することができる。例えば、２枚の光学素子１はオートコリメータ１０３を用いた傾きの検出において外面６ａに対応する平面が光反射面として利用される。これにより、２枚の光学素子１はより一層正確に互いの反射面２が直交するように配置されて接合される。

上記のように、光学素子１の製造方法は、少なくとも一方の主面３ａに反射面２を設けた複数のガラス板３を反射面２に対して垂直な方向に積層して積層ブロック６を形成する積層工程と、積層ブロック６を反射面２に対して交差する方向に切断して厚み方向に平行な反射面２を所定間隔で平行に配置した平板状の光学素子１を形成する切断工程と、を含み、その切断工程よりも前に、切断工程で形成される積層ブロック６の切断面と交差してガラス板３の端面に対応する積層ブロック６の２箇所の外面６ａに対して平面加工を行う平面化工程をさらに含む。

この方法によると、積層ブロック６の切断面と交差してガラス板３の端面に対応する積層ブロック６の２箇所の外面６ａが平面化される。これにより、積層ブロック６を切断して光学素子１を形成したり、切断した光学素子１を研磨したりする際、平面化された積層ブロック６の外面６ａの部分に加工負荷が略均一にかかるようにすることができる。したがって、局所的に作用する加工負荷に起因する積層された複数のガラス板３の重ね合せ部分の剥離を抑制することが可能になる。そして、積層ブロック６から光学素子１を得るための切断工程や光学素子１の研磨工程を好適に実行できるので、映像品質の向上が図られた光学素子１を得ることが可能である。

また、上記光学素子１の製造方法ではガラス板３の厚さが０．２ｍｍ〜５．０ｍｍである。また、上記光学素子１の製造方法では切断工程における切断厚さが０．５ｍｍ〜１０．０ｍｍである。

これらの方法によると、光学素子１を用いて得られる映像が精細になり、映像の品質を向上させることが可能である。しかしながら一方では、ガラス板３の厚さや切断工程における光学素子１の切断厚さが上記のように比較的薄い場合、ガラス板３の端面に対応する積層ブロック６の外面６ａの部分に加工負荷が局所的に作用すると複数のガラス板３の重ね合せ部分が剥離し易くなる虞がある。そこで、上記実施形態のように積層ブロック６の外面６ａを平面化すると、外面６ａの部分に加工負荷が略均一にかかるようにすることができ、積層された複数のガラス板３の重ね合せ部分を剥離し難くすることが可能になる。

また、上記光学素子１の製造方法では、平面化工程で積層ブロック６の２箇所の外面６ａに対して研磨加工を行う。

この方法によると、平面化された積層ブロック６の外面６ａの部分にかかる加工負荷をより一層均一にすることができる。これにより、積層された複数のガラス板３の重ね合せ部分を剥離し難くする効果を向上させることが可能である。さらに、積層ブロック６の外面６ａは研磨加工によって鏡面化すると、接合工程において２枚の光学素子１を用いて結像素子１０を形成する際、基準面として利用することができる。これにより、２枚の光学素子１をより一層正確に互いの反射面２が直交するように配置して接合することが可能である。

また、結像素子１０の製造方法は上記いずれかの方法で製造された２枚の光学素子１を互いの反射面２が直交するように配置して接合する接合工程を含む。

この方法によると、結像素子１０の製造に係る積層ブロック６から光学素子１を得るための切断工程や光学素子１の研磨工程において積層された複数のガラス板３の重ね合せ部分の剥離を抑制することが可能になる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は、被投影物の実像を空中に結像させるための結像素子の製造方法、及び結像素子に用いられる光学素子の製造方法において利用可能である。

１ 光学素子
２ 反射面
３ ガラス板
３ａ 主面
６ 積層ブロック
６ａ 外面

Claims (5)

1. 少なくとも一方の主面に反射面を設けた複数の透明板を前記反射面に対して垂直な方向に積層して積層ブロックを形成する積層工程と、
   前記積層ブロックを前記反射面に対して交差する方向に切断して当該光学素子の厚み方向に平行な前記反射面を所定間隔で平行に配置した平板状の光学素子を形成する切断工程と、
   を含み、
   前記切断工程よりも前に、前記切断工程で形成される前記積層ブロックの切断面と交差して前記透明板の端面に対応する前記積層ブロックの２箇所の外面に対して平面加工を行うことで当該光学素子の外面を形成する平面化工程をさらに含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 前記透明板の厚さが０．２ｍｍ〜５．０ｍｍであ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. 前記切断工程における切断厚さが０．５ｍｍ〜１０．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子の製造方法。
4. 前記平面化工程で前記積層ブロックの２箇所の前記外面に対して研磨加工を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の方法で製造された２枚の光学素子を互いの前記反射面が直交するように配置して接合する接合工程を含むことを特徴とする結像素子の製造方法。

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