WO2016120985A1 - 回転非軸対称なレンズの製造方法、回転非軸対称なレンズ成形型の製造方法、回転非軸対称面ミラーの製造方法、及び回転非軸対称面ミラー成形型の製造方法 - Google Patents

回転非軸対称なレンズの製造方法、回転非軸対称なレンズ成形型の製造方法、回転非軸対称面ミラーの製造方法、及び回転非軸対称面ミラー成形型の製造方法 Download PDF

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axisymmetric
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平田　浩二
谷津　雅彦
加藤　修二
有紀 松宮
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日立マクセル株式会社
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/10—Mirrors with curved faces

Definitions

  • the present invention relates to an optical element that is a lens or a reflecting mirror formed by cutting, polishing, grinding, or plastic injection molding, and particularly has a lens surface shape such as a free-form surface or an eccentric aspheric surface and a mirror-shaped surface.
  • the present invention relates to a method for manufacturing an optical element.
  • projection video display devices capable of projecting a good projection image with a large image in a short distance have become widespread and are not limited to projectors that project a desired image on a wall surface or a screen
  • lighting devices that illuminate with images and the like integrated with indoor lighting equipment, and lighting devices for vehicles that can project various types of information including the traveling direction on the road surface of the vehicle are being considered. ing.
  • a projection lens including a first optical system including a transmissive refractive element and a second optical system including a reflective refracting element is provided.
  • a projection optical device that is housed in a lower space whose lower limit is the lower end of the two optical system is already known.
  • Patent Document 2 and Patent Document 3 a manufacturing method of an aspherical lens for creating an aspherical lens mold by so-called etching technique
  • Patent Document 3 a manufacturing method of an aspherical lens for creating an aspherical lens mold by so-called etching technique
  • a method of manufacturing a glass aspherical lens by molding and polishing an aspherical surface with a glass mold only on the aspherical surface of the glass lens is already known.
  • Patent Document 4 a processing method of an aspherical lens that embodies an aspherical locus using a cam type spherical center type polishing machine, an apparatus therefor, and the like are already known.
  • a lens mold (entrance piece) having a lens surface shape rotationally symmetric with respect to the optical axis is processed by, for example, a multi-axis processing machine shown in FIG. 10 (a 5-axis processing machine in the drawing).
  • the work surface is clamped and rotated on the C axis, and a cutting tool is attached to a bed movable in the XYZ axis directions as shown in FIG.
  • processing of lens surfaces and mirror surfaces that cannot be processed by rotating a curved surface such as a free-form surface or an eccentric aspherical surface can be moved in the XYZ axis directions as shown in FIG.
  • a desired mold shape is obtained by attaching a rotary cutting blade to a simple bed and rotating at high speed.
  • a rotationally asymmetric processed surface has low shape accuracy and inferior surface roughness.
  • the mold surface was polished after cutting to improve the surface roughness, but it was confirmed that the focus performance was adversely affected by the uneven portions slightly formed on the lens surface during processing. As a result, the present invention has been achieved.
  • a mold surface obtained by cutting or grinding with a processing tool is produced by polishing and has a rotational non-axisymmetric free-form surface having excellent optical characteristics or Manufacturing method of decentered aspherical optical element, more specifically, rotationally axisymmetric free curved surface or decentered aspheric lens and its mold, and rotationally axisymmetric free curved surface or decentered aspheric mirror and its forming mold
  • a method for manufacturing a rotationally axisymmetric free-form surface or eccentric aspherical element described in the following claims More specifically, a rotationally axisymmetric free curved surface or eccentric aspheric lens and a molding die thereof in part, and a manufacturing method of a rotationally axisymmetric free curved surface or eccentric aspherical mirror and a molding die thereof in part.
  • the rotational or non-axisymmetric free curved surface or eccentric aspherical surface is cut or ground by the grinding or cutting means. The scanning is performed while moving in a direction along the meridional surface of an axisymmetric free-form surface or eccentric aspheric lens.
  • a method for producing a rotationally non-axisymmetric free-form surface or eccentric aspherical optical element having excellent optical characteristics produced by producing a die surface by cutting or grinding with a processing tool More specifically, it is possible to manufacture a rotationally axisymmetric free curved surface or eccentric aspheric lens and its mold, and a rotationally axisymmetric free curved surface or eccentric aspherical mirror and its mold. The practically excellent effect of providing a method for manufacturing a rotationally axisymmetric free-form surface or an eccentric aspherical element is also exhibited.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the overall appearance of a projection display apparatus as an example of an apparatus equipped with a rotationally non-axisymmetric free-form surface lens and a rotationally non-axisymmetric free-form surface mirror according to an embodiment of the present invention. It is a lens arrangement
  • FIG. 1 It is a figure including the perspective view from the front side, the perspective view from the back side, the front view, the side view, and the back view and the back view showing the external shape of the rotationally axisymmetric free-form surface lens L12. It is a figure including a front view, a side view, and a rear view showing the outer shape of a rotationally non-axisymmetric free-form surface mirror M13. It is a figure for demonstrating the general method for manufacturing a rotation non-axisymmetric free-form surface lens, a rotation non-axisymmetric free-form surface mirror, or its shaping
  • FIG. 1 is a front view of a rotationally non-axisymmetric free-form surface lens manufactured by the method for manufacturing a rotationally-axisymmetric free-form surface optical element according to one embodiment of the present invention, its BB cross section, and its partially enlarged cross-sectional view.
  • FIG. It is a figure which shows the mode of the incident light in the rotation non-axisymmetric free-form surface mirror manufactured by the manufacturing method of the rotation non-axisymmetric free-form surface optical element which concerns on one embodiment of this invention. It is a figure which shows the outline of an apparatus structure for implement
  • FIG. 1 of the accompanying drawings shows the overall appearance of a projection display apparatus (projector) as an example in which the rotationally non-axisymmetric free-form surface lens and reflection mirror are adopted.
  • reference numeral 100 indicates the projection display apparatus
  • reference numerals 101 and 102 indicate the upper cover and the lower cover of the apparatus, respectively.
  • a window 103 that is opened when the apparatus is used is attached to a part of the upper surface cover 101 so as to be opened and closed.
  • FIG. 1 a state in which the window portion 103 is opened is shown, and a rotationally non-axisymmetric free-form surface lens constituting a projection optical system described below is indicated by reference numeral L12.
  • an internal space formed by the upper surface cover 101 and the lower surface cover 102 is a component for constituting the projection display apparatus, for example, an LED or a lamp that is a light source, A light modulation unit that modulates light from the light source into video light based on an external video signal or the like (for example, a video display device such as a digital light processing (DLP) liquid crystal panel), and the video light to the wall surface
  • a video display device such as a digital light processing (DLP) liquid crystal panel
  • DLP digital light processing
  • An aspherical tilt projection optical system including a free-form surface mirror, and a power supply circuit and control for supplying necessary power and control signals to the above components.
  • Various circuit components including a road, the cooling fan or the like for guiding the heating outside the apparatus are mounted.
  • FIG. 2 is a lens arrangement diagram for explaining the operation principle of the projection lens in the tilt projection optical system. It consists of a total of twelve lenses indicated by symbols L1 to L12 and one mirror indicated by symbol M13.
  • the reflecting surface of the mirror M13 and the lens surfaces of the lenses indicated by reference numerals L11 and L12 each form a rotationally axisymmetric free-form surface.
  • the degree of design freedom is as large as about 5 times that of the aspherical surface, and good aberration correction is possible.
  • a light source in this example, a semiconductor light source such as an LED, not shown
  • the image display element is converted into an image light beam by the image display element, passes through the prism surface, and enters the projection lens.
  • the image light beam (indicated by ⁇ 0 as a whole) from the image display element P1 (reflection type image display element) passes through different locations of the respective lenses in the projection lens with respect to the image formation position on the projection surface.
  • the free-form surface mirror M13 and the free-form surface lenses L11 and L12 are located above the optical axis shared by almost all other lenses, so that an unnecessary lens effective area can be eliminated and the size can be reduced. Therefore, the cost of the entire apparatus can be reduced.
  • the lens denoted by reference numeral L10 in the drawing corrects coma and spherical aberration by using an aspheric lens surface. Furthermore, since the lens indicated by the reference symbol L10 is disposed at a position where the light beam is deflected and passes, the lens surface is made aspherical so that the light beam is obliquely incident on the lens. It corrects high-order coma that occurs.
  • a light beam ⁇ 2 that forms an image at the upper end portion of the projection surface and a light beam ⁇ 1 that forms an image at a substantially central portion of the projection surface are individual lenses (reference numerals L1 to L in the figure). This indicates which part of (displayed by L12) passes.
  • the upper limit light of the light beam ⁇ 2 that forms an image at the upper end portion of the projection surface and the lower limit light of the light beam ⁇ 1 that forms an image at a substantially central portion of the projection surface are a rotationally axisymmetric free-form surface L10 and a rotationally non-axisymmetric free-form surface. Since the lenses L11 and L12 do not overlap, aberration correction can be performed independently, and the correction capability is greatly improved.
  • the lenses (L1 to L10) that contribute to aberration correction in a region relatively close to the optical axis are incorporated in the lens barrel B1, and the lenses (L11 and L12) that contribute to aberration correction in a region away from the optical axis.
  • the lens is incorporated in the lens barrel B2 which is separate from the lens barrel, and the distance between the lenses L10 and L11 and the lens L12 and the mirror M13 is adjusted, and the distance between the lenses L11 and L12 is also adjusted at the same time.
  • the configuration is adjustable.
  • the rotationally non-axisymmetric free-form surface mirror M13 is attached to the mirror base MB1, and can be opened and closed by, for example, an electric motor (not shown). Furthermore, since all of these are fixed to the projection lens base with high accuracy, a predetermined focusing performance can be obtained.
  • FIGS. 3A to 3E are views showing the outer shape of the above-mentioned rotationally axisymmetric free-form surface lens L11
  • FIG. 3A is a perspective view seen from the front side thereof.
  • FIG. 3C is a front view thereof
  • FIG. 3D is a side view thereof
  • FIG. 3E is a rear view thereof.
  • the rotationally non-axisymmetric free-form surface lens L11 is a plastic lens, and as is apparent from these drawings, the lens effective area L11-a and the outer periphery of the lens effective area L11-a A so-called lens edge portion L11-b is provided for the purpose of positioning and holding when the lens is incorporated into the lens barrel B2.
  • contour lines for indicating the surface shape are indicated by broken lines in the lens effective region L11-a of the rotationally axisymmetric free-form surface lens L11.
  • L11-c in the figure is a gate portion for injecting resin.
  • FIG. 4A to 4E are views showing the outer shape of the above-mentioned rotationally axisymmetric free-form surface lens L12.
  • FIG. 4A is a perspective view seen from the front side thereof.
  • 4 (B) is a perspective view seen from the rear side
  • FIG. 4 (C) is a front view thereof
  • FIG. 4 (D) is a side view thereof
  • FIG. 4 (E) is a rear view thereof. Respectively.
  • the rotationally non-axisymmetric free-form surface lens L12 is also a plastic lens as described above, and as is clear from these drawings, the lens effective region L12-a and the lens effective region L12-a A so-called lens edge portion L12-b is provided on the outer peripheral portion for the purpose of positioning and holding when the lens is incorporated into the lens barrel B2. Also here, in particular, in FIGS. 4A and 4B, contour lines for indicating the surface shape are indicated by broken lines in the lens effective region L12-a of the rotationally axisymmetric free-form surface lens L12. .
  • L12-c in the figure is a gate portion for injecting resin.
  • FIGS. 5A to 5C are views showing the outer shape of the rotationally non-axisymmetric free-form surface mirror M13 described above, FIG. 5A is a front view thereof, and FIG. The side view and FIG. 5 (C) show the rear view, respectively.
  • This rotationally non-axisymmetric free-form surface mirror M13 is also made of plastic, and as is apparent from these drawings, along with the lens effective region M13-a, the outer periphery of the lens effective region M13-a is It has a lens area (hereinafter referred to as a free-form surface area) obtained by extending the aspherical shape as it is.
  • the rotationally non-axisymmetric free-form surface lens and mirror described above are generally manufactured by cutting with a 5-axis processing machine also shown in FIGS. 10 and 11, or manufactured by grinding as shown in FIG. There is a way. Among these, the grinding is fixed while rotating the grinding tool 200, which is a processing tool having a spherical curvature smaller than the minimum curvature portion of the curvature of the rotationally non-axisymmetric free-form surface lens, which is a workpiece, by the electric motor 250 while rotating.
  • the grinding tool 200 is shown in FIG.
  • the projection lens When assembled, the projection lens may be moved in a direction along the meridional plane. More specifically, as shown in FIG. 7, the non-axisymmetric free-form surface L12 is moved in the sagittal plane while moving in the direction along the meridional plane of the projection lens (the Y-axis direction) as shown in FIG. It turned out that it is preferable to move to the direction (X-axis direction) along.
  • FIG. 7B this is FIG. 7B and its partially enlarged view as the grinding tool 200 as a processing tool moves (scans) on the lens surface (X and Y axis directions).
  • a minute uneven portion 310 is formed on the surface 300 of the lens (in this figure, the minute direction 310 is shown to emphasize the height direction in order to show the minute uneven portion 310. ing).
  • the minute projections and depressions on the surface 300 of the lens or mirror greatly differ in the incident angle of the image light beam at the upper and lower portions of the image display surface in the vertical direction of the screen. When one line is displayed, blur (flare) in the vertical direction of the screen occurs at the top of the screen.
  • FIG. 7A shows the front shape of the lens.
  • the movement (scanning) direction of the grinding tool 200 as a processing tool is indicated by an arrow.
  • a grinding tool 200 as a processing tool is used as a plastic or glass lens or a work piece (work). While moving (scanning) on the mirror surface 300 or the mold surface 400 (that is, the plane consisting of the X and Y axes), while moving in the direction along the meridional plane (Y axis direction: longitudinal direction) A desired aspherical lens surface or a molding surface of a mold is formed.
  • a grinding tool 200 which is a processing tool, is attached to the tip of an arm of an X, Y, Z stage 900 that can move freely in the X, Y, Z axis directions.
  • the surface 300 of plastic or glass, which is a workpiece (workpiece), or the surface 300 of the mold (in the case of manufacturing with a mold) is fixed at a position facing the polishing tool 200.
  • Reference numeral 150 in the drawing is an electric motor for driving the grinding tool 200 to rotate.
  • the grinding tool 200 may be fixed, and the workpiece (workpiece) may be freely movable in the X, Y, and Z axis directions. In this position, necessary polishing may be performed. Also in this case, a grinding tool 200 as a processing tool is moved in a direction along the meridional surface (Y-axis direction: vertical direction), and a rotationally non-axisymmetric free-form lens surface or a mold is used. The molding surface of the molding die is formed.
  • the lens surface is moved from the top to the bottom or from the bottom to the top.
  • the present invention is not limited to these.
  • the lens surface may be moved from the bottom to the top, and thereafter this may be repeated or moved from the center of the lens surface to the top or bottom.
  • the manufacturing method of the lens and the reflecting mirror including the aspheric surface mounted on the projection display apparatus (projector) has been mainly described in detail.
  • the present invention is not limited to these.
  • on a road surface that is incorporated in a headlamp, attached to a tip portion, or incorporated in a tail lamp or attached to a rear portion and travels various information necessary for driving and driving an automobile.
  • the rotationally non-axisymmetric free curved surface lens and the rotationally non-axisymmetric free curved surface reflecting mirror required for constituting the optical element of the vehicle image projection apparatus for projecting onto the same are also disclosed. It goes without saying to those skilled in the art that the manufacturing method of (1) can be applied.
  • Example of this invention was described in detail, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments are described in detail for the entire apparatus in order to easily understand the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Projection type image display apparatus, L11, L12 ... Rotating non-axisymmetric free curved surface lens, L11-a, L12-a ... Lens effective area, M13 ... Rotating non-axisymmetric free curved surface mirror, M13-a ... Mirror effective Area 200 ... Processing tool (grinding tool) 250 ... Electric motor 300 ... Surface of lens or mirror 400 ... Surface of mold

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Abstract

　加工ツールによる研磨加工により製造される回転非軸対称なレンズとその成形型、及び、回転非軸対称ミラーとその形成型の製造方法を提供する。一部に回転非軸対称な面を含む回転非軸対称なレンズとその成形型、及び、一部に回転非軸対称な面を含む回転非軸対称ミラーとその成形型の製造方法であって、被加工物の表面を研削又は切削手段により走査しながら回転非軸対称な面を形成する際に、研削又は切削手段による回転非軸対称な面の研削又は切削を、回転非軸対称な面のメリディオナル面に沿った方向に移動して走査しながら行う。

Description

回転非軸対称なレンズの製造方法、回転非軸対称なレンズ成形型の製造方法、回転非軸対称面ミラーの製造方法、及び回転非軸対称面ミラー成形型の製造方法
　本発明は、切削や研磨或いは研削、又は、プラスチックの射出成形で形成されるレンズや反射ミラーである光学素子に関し、特に、自由曲面或いは偏心非球面等のレンズ面形状及びミラー形状面を備えた光学素子の製造方法に関する。
　近年、短距離ながら大画像で良好な投写画像を投写することを可能とする投写型映像表示装置が広く普及してきており、所謂、所望の映像を壁面やスクリーン上に投写するプロジェクターに留まらず、更には、室内の照明器具と一体にして映像等と共に照明を行うものや、車両の走行路面上に進行方向を含めた各種の情報を投写することが可能な車両用の照明機器などが検討されている。
　以下の特許文献１によれば、透過型屈折素子を含む第一光学系と、反射型屈折素子を含む第二光学系からなる投写レンズを備え、当該第一光学系の一部のレンズが第二光学系の下端を下限とする下方スペース内に収納される投射光学装置が既に知られている。
　また、非球面光学素子の製造方法としては、以下の特許文献２や特許文献３によれば、所謂、エッチング技術により非球面レンズの成形型を作成する非球面レンズの製造方法、そして、球面のガラスレンズに非球面のみにガラスモールドにより非球面を成形・研磨してガラス非球面レンズを製造する方法は既に知られている。
　更に、以下の特許文献４によれば、カム式の球心型研磨機を用いて非球面の軌跡を具現化する非球面レンズの加工方法とそのための装置などが既に知られている。
特開２００９－８６３１５号公報 特開２００３－２７６０３０号公報 特開２０１０－２６０７７５号公報 特開２００４－１７１６６号公報
　しかしながら、上述した従来技術では、光軸に対して回転対称なレンズ面形状のレンズ金型（入駒）は例えば図１０に示した多軸加工機（図中は５軸加工機）で加工する場合にはC軸に被加工面をクランプ回転させ、図１１（ａ）に示すようにＸＹＺ軸方向に移動可能なベッドにバイトを取り付け、切削することで所望の形状を得る。これに対して自由曲面或いは偏心非球面等の披加工面を回転させて加工することが不可能なレンズ面及びミラー面の加工は、図１１（ｂ）に示すようにＸＹＺ軸方向に移動可能なベッドに回転式の切削刃を取り付け高速回転することで所望の金型形状を得ることになる。しかしながら、一般的には回転非対称な加工面は形状精度が低く、且つ面粗さも劣る。このため切削後に金型面を研磨して表面粗さを改善するが加工する際にレンズ面に僅かに形成される凹凸部によりフォーカス性能に悪影響を及ぼすことを確認した。この結果、本発明に至ったものである。
　即ち、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑み、加工ツールにより切削又は研削によって得られた金型面は研磨加工により製造される優れた光学特性を有する回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面光学素子の製造方法、より具体的には、回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面レンズとその成形型、及び、回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面ミラーとその形成型を製造することを可能とする回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面光学素子の製造方法を提供することをその目的とする。
　上記の目的を達成するために、本発明によれば、以下の特許請求の範囲に記載された回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面素子の製造方法が提供される。より具体的には、一部に回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面レンズとその成形型、及び、一部に回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面ミラーとその成形型の製造方法であって、被加工物の表面を研削又は切削手段により走査しながら非球面を形成する際に、研削又は切削手段による回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面の切削又は研削を、回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面レンズのメリディオナル面に沿った方向に移動して走査しながら行う。
　上述した本発明によれば、加工ツールによる切削又は研削により金型面を作成し製造される優れた光学特性を有する回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面光学素子の製造方法であって、より具体的には、回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面レンズとその成形型、及び、回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面ミラーとそのモールド金型を製造することを可能とする回転非軸対称な自由曲面或いは偏心非球面素子の製造方法が提供されるという実用的にも優れた効果を発揮する。
本発明の一実施の形態に係る回転非軸対称な自由曲面レンズと回転非軸対称な自由曲面ミラーを搭載した装置の一例である投写型映像表示装置の全体の外観を示す斜視図である。 上記傾斜投写光学系における投写レンズの動作原理を説明するレンズ配置図である。 回転非軸対称な自由曲面レンズＬ１１の外形形状を示す、正面側の斜視図、背面側からの斜視図、正面図、側面図、背面図を含む図である。 回転非軸対称な自由曲面レンズＬ１２の外形形状を示す、正面側の斜視図、背面側からの斜視図、正面図、側面図、背面図背面図を含む図である。 回転非軸対称な自由曲面ミラーＭ１３の外形形状を示す、正面図、側面図、背面図を含む図である。 回転非軸対称な自由曲面レンズや回転非軸対称な自由曲面ミラー又はその成形型を製造するための一般的な方法を説明するための図である。 本発明の一実施の形態に係る回転非軸対称な自由曲面光学素子の製造方法により製造された回転非軸対称な自由曲面レンズの正面図とそのＢ－Ｂ断面、更にはその部分拡大断面図を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る回転非軸対称な自由曲面光学素子の製造方法により製造された回転非軸対称な自由曲面ミラーにおける入射光の様子を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る回転非軸対称な自由曲面光学素子の製造方法を実現するための装置構成の概略を示す図である。 回転非軸対称な自由曲面レンズやミラーを切削加工して製作する５軸加工機の一例を示す図である。 上記加工機における加工方法の一例を示す図である。
　以下、本発明の一実施の形態に係る回転非軸対称な自由曲面光学素子、具体的には、回転非軸対称な自由曲面を含むレンズと反射ミラーの製造方法について詳細に説明するが、それに先立って、添付の図１には、当該回転非軸対称な自由曲面レンズや反射ミラーを採用した一例として、投写型映像表示装置（プロジェクター）の全体の外観を示す。
　図１において、参照符号１００は、当該投写型映像表示装置を示しており、参照符号１０１と１０２は、当該装置の上面カバーと下面カバーをそれぞれ示している。図１から明らかなように、上記上面カバー１０１の一部には、当該装置の使用時には開かれる窓部１０３が、開閉可能に取り付けられている。なお、図１においては、窓部１０３が開いた状態が示されており、以下に述べる投写光学系を構成する回転非軸対称な自由曲面レンズが参照符号Ｌ１２により示されている。
　また、ここでは図示しないが、上記上面カバー１０１と下面カバー１０２により形成される内部空間には、当該投写型映像表示装置を構成するための構成部品である、例えば、光源であるＬＥＤやランプ、当該光源からの光を外部からの映像信号などに基づいた映像光に変調する光変調部（例えば、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ），液晶パネル等の映像表示素子）、当該映像光を壁面に対して極めて近距離（大きな傾斜角度）からでも台形歪等を低減して投写することが可能であり、よって、優れた投写映像が得られる、所謂、回転非軸対称な自由曲面レンズや回転非軸対称な自由曲面ミラーを含む非球面傾斜投写光学系が、更には、上記構成部品に対して必要な電力や制御信号を供給する電源回路や制御回路を含む各種回路部品、その発熱を装置外部に導くための冷却ファン等が搭載されている。
　次に、図２は、上記傾斜投写光学系における投写レンズの動作原理を説明するレンズ配置図である。符号Ｌ１～Ｌ１２で示す計１２枚のレンズと、符号Ｍ１３で示す１枚のミラーから構成されている。ここで、ミラーＭ１３の反射面、及び、符号Ｌ１１とＬ１２で示されたレンズのレンズ面は、それぞれ、回転非軸対称な自由曲面形状を形成している。このため、極めて大きな傾斜角度で映像を投写する傾斜投写光学系であっても、台形歪を低減した投写映像を得ることができる。即ち、このことによれば、設計自由度が非球面の約５倍程度と大きく、良好な収差補正が可能となる。
　また、図中に符号Ｐ０で示したプリズム光学素子の対向面に配置された光源（本例では、ＬＥＤ等の半導体光源、図示せず）からの光はプリズム面で全反射し、符号Ｐ１で示す映像表示素子に入射し映像表示素子により映像光束に変換され、プリズム面を透過して投写レンズに入射する。当該映像表示素子Ｐ１（反射型映像表示素子）からの映像光束（全体をφ０で示す）は、投影面の結像位置に対して、投写レンズ内ではそれぞれのレンズの異なった場所を通過する。自由曲面ミラーＭ１３と自由曲面レンズＬ１１とＬ１２は、その他の殆どのレンズが共有する光軸よりも上部に位置しており、そのため不要なレンズ有効領域をなくして小型化ができる。そのため、装置全体のコスト低減が可能となる。
　また、図中に符号Ｌ１０で示したレンズは、そのレンズ面を非球面レンズとすることで、コマ収差と球面収差の補正を行っている。更に、この符号Ｌ１０で示したレンズは、光束が偏って通過する位置に配置されていることから、そのレンズ面を非球面形状とすることで、レンズに対して光束が斜めに入射することで発生する高次のコマ収差の補正を行っている。
　そして、この非球面レンズＬ１０に続き、上記傾斜投写光学系を形成する投写レンズの一部として、符号Ｌ１１及びＬ１２で示される、所謂、回転非軸対称な自由曲面のプラスチックレンズと、符号Ｍ１３で示される回転非軸対称な自由曲面のプラスチックミラーが取り付けられている。
　ここでは、説明の都合上、投影面の上端部分で結像する光束φ２と、投影面のほぼ中央部分で結像する光束φ１が、投写レンズを構成する個々のレンズ（図中に符号Ｌ１～Ｌ１２で表示）のどの部分を通過するかを示している。投影面の上端部分で結像する光束φ２の上限光と、投影面のほぼ中央部分で結像する光束φ１の下限光は、回転非軸対称な自由曲面レンズＬ１０及び回転非軸対称な自由曲面レンズＬ１１とＬ１２では重なり合わないので、単独で収差補正が可能となり、補正能力が大幅に向上される。
　この傾向は、回転非軸対称な自由曲面ミラーＭ１３では更に顕著となる。比較的光軸に近い領域での収差補正に寄与するレンズ（Ｌ１～Ｌ１０）は、鏡筒Ｂ１内に組み込まれ、光軸から離れた領域での収差補正に寄与するレンズ（Ｌ１１、Ｌ１２）は、フォーカス調整のため、上記鏡筒とは別体をなす鏡筒Ｂ２内に組み込まれ、もって、レンズＬ１０とＬ１１及びレンズＬ１２とミラーＭ１３の間隔を調整すると共に、レンズＬ１１とＬ１２の間隔も同時に調整可能な構成としている。
　一方、回転非軸対称な自由曲面ミラーＭ１３はミラーベースＭＢ１に取り付けられ、例えば、電動モータ（図示せず）により開閉可能な構造となっている。更に、これら全てが投写レンズベースに高精度で固定されていることで、所定のフォーカス性能が得られるようになっている。
　図３（Ａ）～（Ｅ）は、上述した回転非軸対称な自由曲面レンズＬ１１の外形形状を示す図であり、図３（Ａ）はその正面側から見た斜視図を、図３（Ｂ）は背面側から見た斜視図を、図３（Ｃ）はその正面図を、図３（Ｄ）はその側面図を、そして、図３（Ｅ）はその背面図をそれぞれ示している。この回転非軸対称な自由曲面レンズＬ１１はプラスチック製のレンズであり、これらの図からも明らかなように、レンズ有効領域Ｌ１１－ａと共に、当該レンズ有効領域Ｌ１１－ａの外周部には、当該レンズを鏡筒Ｂ２内に組み込む際の位置決めと保持を目的として、所謂、レンズコバ部Ｌ１１－ｂが設けられている。ここでは、特に、図３（Ａ）及び（Ｂ）では、回転非軸対称な自由曲面レンズＬ１１のレンズ有効領域Ｌ１１－ａには、その表面形状を示すための等高線が破線で示されている。また、図中のＬ１１－ｃは、樹脂を注入する際のゲート部である。
　図４（Ａ）～（Ｅ）は、上述した回転非軸対称な自由曲面レンズＬ１２の外形形状を示す図であり、上記と同様に、図４（Ａ）はその正面側から見た斜視図を、図４（Ｂ）は背面側から見た斜視図を、図４（Ｃ）はその正面図を、図４（Ｄ）はその側面図を、そして、図４（Ｅ）はその背面図をそれぞれ示している。この回転非軸対称な自由曲面レンズＬ１２も上記と同様、プラスチック製のレンズであり、そして、これらの図からも明らかなように、レンズ有効領域Ｌ１２－ａと共に、当該レンズ有効領域Ｌ１２－ａの外周部には、当該レンズを鏡筒Ｂ２内に組み込む際の位置決めと保持を目的として、所謂、レンズコバ部Ｌ１２－ｂが設けられている。ここでも、特に、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、回転非軸対称な自由曲面レンズＬ１２のレンズ有効領域Ｌ１２－ａには、その表面形状を示すための等高線が破線で示されている。また、図中のＬ１２－ｃは、樹脂を注入する際のゲート部である。
　更に、図５（Ａ）～（Ｃ）は、上述した回転非軸対称な自由曲面ミラーＭ１３の外形形状を示す図であり、図５（Ａ）はその正面図を、図５（Ｂ）はその側面図を、そして、図５（Ｃ）はその背面図をそれぞれ示している。この回転非軸対称な自由曲面ミラーＭ１３、同様に、プラスチック製であり、これらの図からも明らかなように、レンズ有効領域Ｍ１３－ａと共に、当該レンズ有効領域Ｍ１３－ａの外周部には、非球面形状をそのまま延長したレンズ領域（以下、自由曲面領域と記載）を備えている。
　＜回転非軸対称な自由曲面レンズ及びミラーの製造方法＞
　上述した回転非軸対称な自由曲面レンズ及びミラーは、一般的に、図１０、図１１にも示す５軸加工機による切削加工で製作するか、或いは図６に示すように研削により加工する製造方法がある。この内、研削加工は被加工物である回転非軸対称な自由曲面レンズの曲率の最小曲率部より小さい球状の曲率を有する加工ツールである研削バイト２００を電動モータ２５０で回転駆動しながら、固定した被加工物（ワーク）であるプラスチックやガラスのレンズ又はミラーの表面３００、又は、レンズ又はミラーの成形型の表面４００（金型による製造の場合）に対して、三次元方向（図のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向）に移動（所謂、走査：スキャン）しながら、求める非軸対称な自由曲面形状のレンズ面を形成することが行われている。
　その際、発明者らによる種々の知見によれば、特に、加工ツールである研磨バイト２００をレンズ面であるＸ及びＹ軸方向に移動する場合、当該研削バイト２００を、図２に示す投写レンズとして組み立てた場合に当該投写レンズのメリディオナル面に沿った方向に移動させるとよい。より具体的には非軸対称な自由曲面Ｌ１２については図７にも示すように、投写レンズ所謂、当該レンズのメリディオナル面に沿った方向（Ｙ軸方向）に移動しながら、順次、サジタル面に沿った方向（Ｘ軸方向）に移動することが好ましいことが分かった。
　これは、発明者らによる検討によれば、加工ツールである研削バイト２００のレンズ面（Ｘ，Ｙ軸方向）での移動（スキャン）に伴い、図７（Ｂ）及びその部分拡大図である図７（Ｃ）に示すように、レンズの表面３００には微小な凹凸部３１０が形成される（なお、本図では、微小な凹凸部３１０を示すため、その高さ方向を強調して示している）。レンズ又はミラーの表面３００の微小な凹凸部は、斜投写光学系に対応した投写レンズにおいては映像表示面の画面垂直方向上部と下部では映像光線の入射角度が大きく異なり、例えば画面水平方向に横一線を表示した場合画面上部においては画面垂直方向のボケ（フレアー）が発生する。
　そこで、発明者らは当該凹凸部３１０がメリディオナル面に沿った方向（Ｙ軸方向）に形成された場合と、サジタル面に沿った方向（Ｘ軸方向）で形成した場合でのボケの発生状況を実験により求めた。その結果、当該凹凸部３１０がメリディオナル面に沿った方向（Ｙ軸方向）に形成された場合には光の散乱方向が画面の左右方向となるためボケ具合が軽減されることを明らかにした。また、斜投写光学系に適用する投写レンズに発生する収差はメリディオナル方向の収差に対してサジタル方向の収差の発生量が原理的に小さいため上述したボケを画面水平方向に発生させても画面全体でバランスのとれたフォーカス性能を得ることが可能となる。なお、図７（Ａ）はレンズの正面形状を示しており、図には、矢印により、加工ツールである研削バイト２００の移動（スキャン）方向が示されている。
　即ち、レンズ表面の微小な凹凸がサジタル面方向（Ｘ軸方向）に形成された場合には、図８にも示すように、回転非軸対称な自由曲面ミラーＭ１３の例では、メリディオナル面上においては、特に、光軸から大きく離れた上端部では、光の入射角θが大きくなり（θ４＞θ３＞θ２＞θ１）、その反射光の一部が散乱等を引き起こす。そのため、レンズ表面の微小な凹凸がサジタル面方向（Ｘ軸方向）に形成された光学系では、投写映像において、光軸から離れた部分において像が複数重なってぼやける等の現象が見られた。
　即ち、本発明は、上述した発明者らによる知見に基づいてなされたものであり、具体的には、加工ツールである研削バイト２００を、被加工物（ワーク）であるプラスチックやガラスのレンズ又はミラーの表面３００、又は、成形型の表面４００（即ち、Ｘ及びＹ軸からなる平面）上で移動（スキャン）する際、メリディオナル面に沿った方向（Ｙ軸方向：縦方向）に移動しながら、所望の非球面状のレンズ面、又は、金型の成形面を形成するものである。
　より具体的には、図９にも示すように、加工ツールである研削バイト２００をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に自在に移動可能なＸ，Ｙ，Ｚステージ９００のアームの先端部に取り付け、他方、被加工物（ワーク）であるプラスチックやガラスの表面３００、又は、成形型の表面３００（金型による製造の場合）を、当該研磨バイト２００と対向する位置に固定する。また、図中の符号１５０は、研削バイト２００を回転駆動するための電動モータである。
　或いは、上記の構成に代えて、研削バイト２００を固定し、被加工物（ワーク）をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に自在に移動可能としてもよく、更には、両者を移動可能としながら、相互の位置において、必要な研磨を行うようにしてもよい。なお、その際にも、加工ツールである研削バイト２００をメリディオナル面に沿った方向（Ｙ軸方向：縦方向）に移動しながら回転非軸対称な自由曲面状のレンズ面を、又は、金型である成形型の成形面を形成する。
　また、研削バイト２００の移動（スキャン）に関しても、上記では、レンズ面の上から下へ、又は、下から上へ移動することについて述べたが、本発明は、これらに限定されることなく、その他、例えば、レンズ面の上から下へ移動した後、下から上へ移動し、その後もこれを繰り返し、又は、レンズ面の中央部から上又は下へ移動するようにしてもよい。
　なお、上記では、主に、投写型映像表示装置（プロジェクター）に搭載された非球面を含むレンズと反射ミラーの製造方法について詳細に説明したが、本発明は、これらに限定されるものでない。その他、例えば、ヘッドランプに組み込まれ、又は、先端部分に取り付けられ、或いは、テールランプに組み込まれ、又は、後部に取り付けられ、自動車の走行・運転のために必要な各種の情報を走行する路面上に投写するための車両用映像投写装置の光学素子を構成するために必要となる回転非軸対称な自由曲面レンズや回転非軸対称な自由曲面反射ミラー等についても、上記と同様に、本発明の製造方法が適用可能であることは、当業者にとっては言うまでもなかろう。
　以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために装置全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１００…投写型映像表示装置、Ｌ１１、Ｌ１２…回転非軸対称な自由曲面レンズ、Ｌ１１－ａ、Ｌ１２－ａ…レンズ有効領域、Ｍ１３…回転非軸対称な自由曲面ミラー、Ｍ１３－ａ…ミラー有効領域、２００…加工ツール（研削バイト）、２５０…電動モータ、３００…レンズ又はミラーの表面、４００…成形型の表面。

Claims (4)

  1. 　回転非軸対称な面を含むレンズの製造方法であって、
    　被加工物の表面を研削又は切削手段により走査しながら前記レンズの表面を形成する際に、
    　前記研削又は切削手段による前記回転非軸対称な面の研削又は切削を、前記回転非軸対称な面のメリディオナル面に沿った方向に移動して走査しながら行う、回転非軸対称なレンズの製造方法。
  2. 　回転非軸対称な面を含むレンズ成形型の製造方法であって、
    　被加工物の表面を研削又は切削手段により走査しながら前記回転非軸対称な面を形成する際に、
    　前記研削又は切削手段による前記回転非軸対称な面の研削又は切削を、前記回転非軸対称な面のメリディオナル面に沿った方向に移動して走査しながら行う、回転非軸対称なレンズ成形型の製造方法。
  3. 　回転非軸対称な面を含む回転非軸対称面ミラーの製造方法であって、
    　被加工物の表面を研削又は切削手段により走査しながら前記回転非軸対称な面を形成する際に、
    　前記研削又は切削手段による前記回転非軸対称面の研削又は切削を、前記回転非軸対称面ミラーのメリディオナル面に沿った方向に移動して走査しながら行う、回転非軸対称面ミラーの製造方法。
  4. 　回転非軸対称面を含む回転非軸対称面ミラー成形型の製造方法であって、
    　被加工物の表面を研削又は切削手段により走査しながら前記回転非軸対称な面を形成する際に、
    　前記研削又は切削手段による前記回転非軸対称な面の研削又は切削を、前記回転非軸対称面ミラーのメリディオナル面に沿った方向に移動して走査しながら行う、回転非軸対称面ミラー成形型の製造方法。
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