JP2005107410A - Planar glass optical element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a plate-like glass optical element such as a lens array mainly used in a projection display device and a method for manufacturing the same.
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 A lens array which is a plate-like glass optical element is mainly used in a projection display device using liquid crystal, that is, a liquid crystal projector. Note that the lens array is also called an integrator lens or fly-eye lens.
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。 The lens array is manufactured as follows. First, glass in a softened state is press-molded one by one with a mold engraved with a matrix-like lens array shape. Subsequently, the surface on which the lens is not engraved is polished to form a lens array. In most cases, an antireflection film is formed thereon by a method such as vacuum deposition. The lens array manufactured in this way has a shape in which the four sides of the rectangle are transferred by a mold, and irregularities are formed in advance on the four sides of the rectangle, so It is used as a combination.
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。これに伴な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。 With the spread of video equipment such as personal computers and DVDs, the use of projectors has expanded from various business use for presentations to home use. Along with this, miniaturization of the projector itself is being promoted. For example, a spheroid reflecting mirror is used as the light source reflector, and the light from the light source is made into a thin parallel light beam by combining the condensing optical system. Then, small optical elements and display elements such as liquid crystal devices are used. As a result, the projector device is miniaturized. Optical components such as a lens array used in such an apparatus are required to be miniaturized, and at the same time, cost reduction is required.
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、成膜を洗浄を繰り返しながら行うのではなく、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)。 In response to such a demand, the above-described manufacturing method does not perform molding, polishing, and film formation one by one by repeating cleaning, but integrally forming a plurality of optical elements adjacent to each other. A method of molding and separating each optical element into a single optical element after molding, or a plurality of integrally molded optical elements are coated on one or both sides of the optical element while being integrated, and then separated into each optical element A method of manufacturing an optical element that is a single optical element has been proposed (Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 2000-37787).
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各ピース毎に形成し、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)。
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。 When the lens array is installed in the projector, the light transmission surface, which is the optical function surface of the lens array, needs to be accurately arranged with respect to the optical axis. If there is a deviation between the center of the lens array and the center of the optical axis, or an angular deviation of the lens array in the vertical and horizontal directions with respect to the optical axis, an accurate optical path cannot be obtained, the light use efficiency is extremely reduced, and the projected image is reduced. Get dark. In addition, inconveniences such as uneven illumination occur.
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。 Further, in a projection type projector, two lens arrays having different illuminance distributions are provided apart from each other on the optical path in order to eliminate unevenness in illuminance of the projected image. In addition to those that are incorporated by bonding with other optical elements, there are those that are assembled on the optical path using the end face of these lens arrays as a reference plane.
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。
When the end surfaces of the lens array are used as reference surfaces, the shape accuracy of these end surfaces is very important. As described in
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。
Further, as described in
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。 For rationalization of processes such as polishing, film formation, and cleaning, which are processes after integral molding, it is considered preferable to handle as many elements as possible, but in the case of a plate-like glass optical element, There was a problem like this.
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。 The lens array is molded by pressing the softened glass with a mold engraved with a matrix lens array shape and transferring the lens array shape. At this time, in the direct press in which gob, which is molten glass, is dropped into a mold and press-molded, the glass is rapidly deprived of heat while being stretched by the mold, so it is molded into a thin plate shape. It is difficult to mold, and it is necessary to mold at a high temperature. Molding at a high temperature is affected by the thermal expansion of the mold and thermal contraction of the glass, so it is difficult to obtain a mold with high molding accuracy, and the mold is consumed quickly. .
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「ひげ」が生じ易い。 In direct press, the internal temperature is generally higher than the surface temperature of the gob to be molded, so in the process of cooling the glass after molding, heat shrinkage occurs at the part where the internal temperature is higher than the surface part that has been cooled and solidified first. The effect of this appears greatly, and so-called “beard” tends to occur.
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。 For this reason, when manufacturing optical parts that require high precision, a glass material of a predetermined shape and capacity is prepared in advance, and this is reheated to a viscosity required for relatively low temperature molding and press molded. A method, i.e. a reheat press, is used.
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。 However, in the case of a plate-like material, as the glass material becomes larger, it becomes difficult to reheat uniformly, and as a result, the molding accuracy decreases. For this reason, there is a limit to press-molding a glass substrate having a large area and keeping the transfer accuracy of the lens array high.
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。 An object of the present invention is to solve such conventional problems, and to provide a plate-like glass optical element excellent in molding accuracy, particularly an end face as a reference for assembly to an optical system and assembly accuracy, and a method for manufacturing the same. And
本発明の板状ガラス光学素子は、板面を光透過面とし、その少なくとも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、板面である光透過面を除く隣接する2つの端面が、金型によって成型され規定された成形面であり、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。 The plate-like glass optical element of the present invention is a rectangular plate-like glass optical element having a plate surface having a light-transmitting surface and having a plurality of cellular lenses formed on at least one of the plate-like glass optical elements. Two adjacent end surfaces excluding the light transmitting surface are formed surfaces defined by molding with a mold, and the remaining two adjacent end surfaces are surfaces formed by cutting or breaking.
上記の金型によって成型され規定された成形面には、位置合わせ用の基準面が形成されていることが好ましい。 It is preferable that a reference surface for alignment is formed on the molding surface that is molded and defined by the mold.
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。 According to the present invention, by using two adjacent end surfaces formed by a mold as reference surfaces, accurate positioning and assembly using these surfaces can be performed. Since the machined surface is not used as the reference surface, positioning and assembling are performed using the two end surfaces with the accuracy given by the mold as the reference surface. It does not affect. For this reason, in the lens array installed in the projector, the light transmission surface, which is an optical function surface, can be accurately arranged with respect to the optical axis, and the center of the lens array and the optical axis center, and the optical axis and the direction of the lens array are accurately determined. Therefore, it is possible to obtain an accurate optical path, to increase the light use efficiency, to keep the projected image bright, and to avoid inconveniences such as uneven illuminance.
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。 According to the present invention, since the molding surfaces defined by the mold are two adjacent end surfaces, it is easy to assemble and fix using both the side corresponding to the vertical direction and the side corresponding to the horizontal direction of the lens array. It is possible to prevent the angle deviation of the lens array in the vertical and horizontal directions. In addition, since the positional relationship between the reference surface molded by the mold and the center of the lens array is constant regardless of the subsequent process, it can be assembled to the apparatus with reference to the reference surfaces provided on two adjacent end surfaces. For example, the center of the lens array and the center of the optical axis can be exactly matched.
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。 At this time, if the concave portion and the convex portion are formed by a mold as an engagement reference surface that is a reference surface for alignment, positioning and assembly can be performed more accurately.
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。 Since the end faces other than the end face with the reference surface are not used for positioning during assembly, high accuracy is not required, and there is no problem even if they are formed by rough cutting or breaking, simplifying the manufacturing process. In addition, the manufacturing cost can be reduced.
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。 In the plate-like glass optical element of the present invention, the rectangular plate shape described above may be cut off at a corner or may be curved.
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。 In the plate-shaped glass optical element of the present invention, the plate surface on which a plurality of cellular lenses are formed has a flange portion surrounding the periphery thereof, and the plate surface on which a plurality of cellular lenses are formed with respect to the flange portion Is preferably recessed.
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。 The optical functional surface is a portion where a cellular lens is formed, and the periphery of the optical function surface is surrounded by a flange portion, so that the substrate can be easily held and handled in each process. In addition, since the cellular lens part is recessed with respect to the flange part, the lens surface does not directly touch the placement surface even when the cellular lens surface is placed downward, for example, during cutting processing. , Preventing fouling and scratching.
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。 In the plate-like glass optical element of the present invention, it is preferable that at least one of the end surfaces formed by cutting or breaking is chamfered.
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をつけたりするの防ぐのに有効である。 Since the cut surface of the glass is sharp, it is preferable that at least one of the end surfaces formed by cutting or breaking is chamfered. It is effective in preventing the surface from being attached or scratching the optical function surface.
本発明の板状ガラス光学素子は、光透過面のうち一つの面にのみ複数のセル状レンズが形成されており、セル状レンズが形成されていないもう一つの面は光学研磨されているものであってもよい。 In the plate-like glass optical element of the present invention, a plurality of cellular lenses are formed only on one of the light transmitting surfaces, and the other surface on which the cellular lenses are not formed is optically polished. It may be.
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。 As described above, the above-described plate-like glass optical element of the present invention can be preferably used on the optical path inside the video projector.
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たことを特徴とする。 In the method for producing a sheet glass optical element of the present invention, softened glass is integrally press-molded by a mold, and is formed into a square shape in which four sheet glass optical elements are arranged adjacent to each other. A press molding step for obtaining a molded body, an optical polishing step for optically polishing the plate surface on which the cellular lens of the molded body is not formed, and a separation step for separating into four plate-like glass optical elements. It is characterized by that.
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て、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。 According to the method for producing a plate-like glass optical element of the present invention, since it is possible to perform polishing with a size that is easy to handle in a state where four substrates are integrally molded, it is possible to reduce scratches associated with handling, etc. Also, since it is integrated, it is advantageous in terms of man-hours and processing costs. Furthermore, since the four substrates are integrally molded in a square shape arrangement, a plate-like glass optical element having two adjacent end surfaces other than the cut surface as molding surfaces defined by the mold can be obtained.
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。 In the method for manufacturing a plate-like glass optical element of the present invention, the four plate-like glass optical elements in the molded body are arranged so as to be rotationally symmetric with respect to the center of the plate surface of the molded body. It is preferable.
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。 A lens array for a projector is usually an assembly of cellular lenses having different aspect ratios, and the number of rows and columns is generally different. Therefore, four plate-like glass optical elements are pressed together. By arranging so as to be rotationally symmetric with respect to the center of the plate surface of the molded body, the positions of the two adjacent end surfaces defined by the mold are the same after the separation.
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。 In the manufacturing method of the plate-like glass optical element of the present invention, in the press molding step, a flange portion surrounding the periphery of the light transmitting surface and a plurality of cellular lenses recessed from the flange portion are molded by a mold, In the separation step, it is preferable that the cutting blade is brought into contact with the polishing surface side to separate into four plate-like glass optical elements.
このようにして製造することにより、型によって成形された成形面に、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。 By manufacturing in this way, a plate-like glass optical element in which a reference surface for alignment is formed on a molding surface molded by a mold is obtained. Moreover, it can prevent damaging a grinding | polishing surface by pressing a grinding | polishing surface by making a cutting blade contact | abut from the grinding | polishing surface side, and cut | disconnecting.
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。 In the manufacturing method of the plate-shaped glass optical element of this invention, it is preferable to provide the film-forming process which performs the film-forming process on the single side | surface or both surfaces with respect to the said molded object after an optical polishing process.
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。 In order to maximize the transmittance of the produced plate-like glass optical element, it is preferable to form an antireflection film on the surface thereof. This film forming step is performed in a state where the four plate-like glass optical elements are integrated, thereby facilitating handling and reducing man-hours and processing costs.
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。 Moreover, in the manufacturing method of the plate-shaped glass optical element of this invention, the film-forming process is performed on the single side | surface or both surfaces with respect to each plate-shaped glass optical element after cut | disconnecting the said molded object into four plate-shaped glass optical elements. You may provide the film-forming process to perform.
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。 By performing this film forming process on each plate-like glass optical element after being separated into four plate-like glass optical elements, waste of film formation can be reduced.
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。 According to the present invention, by using two adjacent end surfaces molded by a mold as reference surfaces, accurate positioning and assembly can be performed without depending on processing accuracy after molding. As a result, the lens array installed in the projector can accurately arrange the light transmission surface, which is an optical function surface, with respect to the optical axis, and the center of the lens array and the center of the optical axis, and the direction of the optical axis and the lens array are accurate. Therefore, it is possible to obtain an accurate optical path, to increase the light use efficiency, to keep the projected image bright, and to avoid inconveniences such as uneven illuminance.
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て、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。 In addition, according to the method for manufacturing a plate-like glass optical element of the present invention, it is possible to perform polishing with a size that is easy to handle in a state where four substrates are integrally molded, so that damage due to handling and the like can be reduced. Also, since it is integrated, it is advantageous in terms of man-hours and processing costs. In addition, since the four substrates are integrally molded in a U-shaped arrangement, accurate positioning is achieved by having two adjacent end surfaces other than the cut surface as the molding surfaces defined by the mold while having the advantage of integral processing. A plate-like glass optical element that can be assembled can be obtained.
(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。
(Embodiment 1)
1 is a perspective view showing a projector lens array which is an embodiment of a plate-like glass optical element according to the present invention, FIG. 2 is a plan view thereof, FIG. 3 is a sectional view of FIG. 2, and FIG. FIG.
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径を有し、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となつている。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つ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。
1 to 4, the
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。
Such a lens array is used by being incorporated in an optical system such as a video projector as follows. Provided on a frame made of a metal sheet metal part or molded part having an opening corresponding to the surface on which the
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。
Further, the
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。
In this lens array, the cell-shaped
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。
1 to 4, the convex portion on the end surface is used as the
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。
The
(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、研摩、反射防止膜の成膜、切り離しの順に説明する。
(Embodiment 2)
Next, as an embodiment of the manufacturing method of the plate-like glass optical element according to the present invention, the glass material, the mold, the press molding, the polishing, the antireflection film are formed for each step of molding the projector lens array by reheat press. The description will be made in the order of the membrane and the separation.
[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。
[Production of glass material]
Prepare a
[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てあり、図6はその上型の成型面を示す平面図ある。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
[Mold]
FIG. 5 is a sectional view of a mold used for molding in the present embodiment, and FIG. 6 is a plan view showing a molding surface of the upper mold. In FIG. 5, the mold includes an
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・研摩により削られるが、成型端面4は金型による成型面からなる。
The surface that forms the molded end surface of the
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。
In the plan view showing the molding surface of the
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。 In FIG. 6, the example of arrangement | positioning which can simultaneously shape | mold the two molded bodies 10 of a rice field arrangement | positioning is shown. Depending on the size and shape of the lens array, if the number of molds by one press increases, the molding area will increase, and the glass will lose heat due to heat being lost to the mold, resulting in poor meat shortage. It is easy to obtain sufficient spreadability and the molding accuracy is lowered. In the case of the glass of this embodiment, when the length of the lens array is about 30 mm, it can be molded with good transfer accuracy.
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摩されることになるので、平板面でもよい。図5に示す下方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。
The
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摩され、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。
During the process of cooling the softened glass, the cooling rate of the thick part is relatively slow, so the so-called “sink” that appears to be more affected by thermal shrinkage than the part that has been cooled and solidified first occurs. Since the
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。 When forming lens arrays on both sides of the optical element, use a mold with a molding surface such as a cellular lens on the lower mold, and align the upper and lower lenses with the optical axes of the front and back lenses. A key and a keyway that are mutually engaged with the mold are provided to increase the positional accuracy between the upper mold and the lower mold.
[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。
[Press molding]
The glass material is heated by, for example, an electric furnace set at a furnace temperature of 1200 ° C. until the surface temperature of the glass material reaches approximately 1000 ° C.
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。
The heated glass material is placed on the
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るなどして金型の温度を管理する。 In addition, in order to avoid fluctuations in process conditions due to the temperature rise of the mold due to continuous molding, the temperature of the mold is measured, and if the temperature exceeds a predetermined temperature, air (blow air) ) And the temperature of the mold is controlled by circulating a cooling medium inside the mold.
図7に図5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。
FIG. 7 schematically shows a state at the time of press molding using the mold of FIG. Since an excessive glass material is pressed compared to the product weight, the
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「ひげ」の影響が小さくなる。 In reheat press, the glass material once cooled and solidified is heated and softened from the outside, so the internal temperature is relatively lower than the temperature near the surface of the glass material, and the temperature difference between the surface after molding and the inside is relatively small. The effect of so-called “beard” is small.
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、図8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。
After the molded body 10a is slowly cooled by a slow cooling furnace, the protruding
[研摩]
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・研摩する。まず、リング22による成型端面付近まで研摩し、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摩する。
[Polishing]
Next, the surface of the molded body 10b in which the four lens arrays are integrated is not ground and polished. First, polishing is performed up to the vicinity of the molding end face by the
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、図8(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。
As a result, the excessively thick portion of the press-molded molded body is removed, and as shown in FIG. 8C, a four-piece molded
[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るための膜を設ける。
[Film formation]
Next, an antireflection film is formed on the optical functional surface of the four-piece molded
[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。
[Detach]
As shown in FIG. 8D, the four-piece molded
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。
In the lens array obtained in this way, positioning can be accurately performed by the
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。
In the lens array manufactured in this way, since the optical center can be determined or positioned by the
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。
Further, since the lens array has a
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。
Furthermore, after cutting by scribing or the like, when the
(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。
(Embodiment 3)
Next, a projection type display device to which a lens array which is a plate-like glass optical element of the present invention is applied will be described.
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802,807,809と、リレーレンズ806,808,810と、3枚の液晶ライトバルブ803,805,811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。
In FIG. 9, a projection display device 800 includes a
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。
The dichroic
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によっで反射され、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。
The blue light green light reflecting
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。
In the case of FIG. 9, the optical path length of blue light is the longest of the three color lights. Therefore, for blue light, a
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に入は、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。
The three liquid crystal
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。
In the above projection display device, the
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。
The
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。
The
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。
The second
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。
The
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。 As the lens array used here, a plate-like glass optical element manufactured according to the present invention is used, and a minute light beam splitting lens having a rectangular outline has a matrix shape of M rows in the vertical direction and N columns in the horizontal direction. It has the structure arranged in. The light transmission surface, which is the optical function surface, can be accurately placed with respect to the optical axis, and the center of the lens array and the center of the optical axis can be accurately aligned with the direction of the optical axis and the lens array so that an accurate optical path can be obtained. As a result, the light use efficiency of the projection type display device was increased and the projected image was kept bright to avoid inconveniences such as uneven illuminance.
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。 Such a lens array has a sufficiently high visible transmittance in order to increase the light utilization efficiency, and is used in the vicinity of a high-output light source, and therefore, a heat-resistant glass lens is used.
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。 According to the present invention, it is possible to manufacture a plate-like glass optical element excellent in molding accuracy, particularly an end surface as a reference for assembly into an optical system and assembly accuracy with high productivity without relying on precise post-processing. Industrial value is great.
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8、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。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
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
を備えたことを特徴とする板状ガラス光学素子の製造方法。 A press molding step of integrally pressing softened glass with a mold to obtain a molded body formed into a square shape in which four plate-like glass optical elements are arranged adjacent to each other;
An optical polishing step for optically polishing the plate surface of the molded body on which the cellular lens is not formed;
A method for producing a plate-like glass optical element, comprising: a separation step of separating into four plate-like glass optical elements.
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