WO2016120985A1

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

Info

Publication number: WO2016120985A1
Application number: PCT/JP2015/052132
Authority: WO
Inventors: 平田　浩二; 谷津　雅彦; 加藤　修二; 有紀松宮
Original assignee: 日立マクセル株式会社
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2016-08-04
Also published as: JP6549160B2; CN107003431B; CN107003431A; US10265831B2; JPWO2016120985A1; US20170326705A1

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

　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。
　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。
　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。
　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。