本發(fā)明涉及作為通過切削、研磨、磨削或塑料的注塑成型而形成的透鏡和反射鏡的光學(xué)元件，特別涉及具有自由曲線或偏心非球面等透鏡面形狀和反射鏡形狀面的光學(xué)元件的制造方法。

背景技術(shù)：

近年來，能夠短距離地投射大圖像且良好的投射圖像的投射式影像顯示裝置廣泛得到普及，不局限于所謂將期望的影像投射到壁面或屏幕上的投影儀，還研究了與室內(nèi)的照明器具形成為一體的投射影像等并進(jìn)行照明的設(shè)備、能夠在車輛的行駛路面上投射包含行進(jìn)方向的各種信息的車輛用的照明設(shè)備等。

根據(jù)以下專利文獻(xiàn)1，已知一種投射式光學(xué)裝置，其包括由包含透射型折射元件的第一光學(xué)系統(tǒng)和包含反射型折射元件的第二光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成的投射透鏡，該第一光學(xué)系統(tǒng)的一部分的透鏡收納在以第二光學(xué)系統(tǒng)的下端為下限的下方空間內(nèi)。

另外，作為非球面光學(xué)元件的制造方法，根據(jù)以下的專利文獻(xiàn)2和專利文獻(xiàn)3，已知所謂的利用蝕刻技術(shù)來制作非球面透鏡的成形模具的非球面透鏡的制造方法，以及在球面的玻璃透鏡上僅對非球面利用玻璃模塑成形、研磨非球面來制造玻璃非球面透鏡的方法。

并且，根據(jù)以下的專利文獻(xiàn)4，已知利用凸輪式的球心型研磨機(jī)實(shí)現(xiàn)非球面的軌跡的非球面透鏡的加工方法及其使用的裝置等。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2009-86315號公報

專利文獻(xiàn)2：日本特開2003-276030號公報

專利文獻(xiàn)3：日本特開2010-260775號公報

專利文獻(xiàn)4：日本特開2004-17166號公報

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的技術(shù)問題

然而，在上述的現(xiàn)有技術(shù)中，相對于光軸旋轉(zhuǎn)對稱的透鏡面形狀的透鏡模具(鑲塊)，在例如利用圖10所示的多軸加工機(jī)(圖中為5軸加工機(jī))加工的情況下，使被加工面繞c軸被夾持旋轉(zhuǎn)，如圖11(a)所示對可在xyz軸方向上移動的機(jī)床安裝刀具，進(jìn)行切削得到期望的形狀。與此相對，自由曲面或偏心非球面等不能通過旋轉(zhuǎn)被加工面來進(jìn)行加工的透鏡面和反射鏡面的加工，如圖11(b)所示，通過對可在xyz軸方向上移動的機(jī)床安裝旋轉(zhuǎn)式的切削刀，使其高速旋轉(zhuǎn)而得到期望的模具形狀。然而，一般來說，非旋轉(zhuǎn)對稱的加工面形狀精度較低，且面粗糙度較差。因此，切削后通過對模具面進(jìn)行研磨來改善表面粗糙度，但已確認(rèn)由于加工時在透鏡面形成的微小的凹凸部，會給聚焦性能帶來壞影響。為此，做出了本發(fā)明。

即，本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題而完成的，其目的在于提供一種對使用加工工具進(jìn)行切削或磨削而得到的模具面通過研磨加工來進(jìn)行制造的、具有優(yōu)異的光學(xué)特性的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面光學(xué)元件的制造方法，更具體而言提供能夠制造非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面透鏡及其成形模具、和非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面反射鏡及其成形模具的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面光學(xué)元件的制造方法。

用于解決問題的技術(shù)手段

為了達(dá)成上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供一種非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球曲面元件的制造方法。更具體而言，是一部分非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面透鏡及其成形模具、以及一部分非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面反射鏡及其成形模具的制造方法，其中，在用磨削或切削單元一邊掃掠被加工物的表面一邊形成非球面時，一邊在非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面透鏡的沿著子午面的方向上移動掃掠，一邊用磨削或切削單元進(jìn)行非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面的磨削或切削。

發(fā)明效果

根據(jù)上述的本發(fā)明，能夠發(fā)揮如下實(shí)用的有益效果，即能夠提供一種通過使用加工工具進(jìn)行研磨加工來制作模具面從而制造的具有優(yōu)異的光學(xué)特性的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面光學(xué)元件的制造方法，具體而言，提供能夠制造非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面透鏡及其成形模具和非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面反射鏡及其成形模具的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面或偏心非球面光學(xué)元件的制造方法。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的一個實(shí)施方式的搭載有非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡和非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡的裝置的一例的投射式影像顯示裝置整體的外觀的立體圖。

圖2是說明上述傾斜投射光學(xué)系統(tǒng)中的投射透鏡的動作原理的透鏡配置圖。

圖3是表示非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡l11的外形形狀的、包括正面?zhèn)鹊牧Ⅲw圖、背面?zhèn)鹊牧Ⅲw圖、正視圖、側(cè)視圖、后視圖的圖。

圖4是表示非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡l12的外形形狀的、包括正面?zhèn)鹊牧Ⅲw圖、背面?zhèn)鹊牧Ⅲw圖、正視圖、側(cè)視圖、后視圖的圖。

圖5是表示非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡m13的外形形狀的包括正視圖、側(cè)視圖、后視圖的圖。

圖6是用于說明制造非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡和非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡或其成形模具的一般方法的圖。

圖7是表示利用本發(fā)明的一個實(shí)施方式的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面光學(xué)元件的制造方法制造的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡的正視圖及其b-b剖面，以及該部分放大剖視圖的圖。

圖8是表示利用本發(fā)明的一個實(shí)施方式的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面光學(xué)元件的制造方法制造的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡的入射光的狀態(tài)的圖。

圖9是表示用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個實(shí)施方式的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面光學(xué)元件的制造方法的裝置結(jié)構(gòu)的概略的圖。

圖10是表示對非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡和反射鏡進(jìn)行切削加工制作的5軸加工機(jī)的一例的圖。

圖11是表示上述加工機(jī)的加工方法的一例的圖。

具體實(shí)施方式

以下，對本發(fā)明的一個實(shí)施方式的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面光學(xué)元件，具體而言，對包含非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面的透鏡和反射鏡的制造方法進(jìn)行詳細(xì)說明，但在此之前，在附圖1中顯示有作為采用該非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡或反射鏡的一例的投射式影像顯示裝置(投影儀)整體的外觀。

圖1中，附圖標(biāo)記100表示該投射式影像顯示裝置，附圖標(biāo)記101和102分別表示該裝置的上面蓋和下面蓋。如圖1所示，在上述上面蓋101的一部分，可開閉地安裝有當(dāng)使用該裝置時能夠打開的窗部103。此外，圖1中示出的是窗部103打開的狀態(tài)，以下闡述的構(gòu)成投射光學(xué)系統(tǒng)的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡用附圖標(biāo)記l12表示。

另外，此處雖未圖示，但在由上述上面蓋101和下面102形成的內(nèi)部空間，搭載有用于構(gòu)成該投射式影像顯示裝置的構(gòu)成部件，例如：作為光源的led或燈；將來自該光源的光調(diào)制為基于來自外部的影像信號的影像光的光調(diào)制部(例如，dlp(digitallightprocessing)、液晶面板等影像顯示元件)；即使在離壁面距離非常近(很大的傾斜角度)時也能夠降低梯形變形等地投射該影像光，由此能夠獲得優(yōu)異的投射影像的所謂包含非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡或非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡的非球面傾斜投射光學(xué)系統(tǒng)；包括對上述構(gòu)成部件供給所需電力和控制信號的電源電路和控制電路的各種電路部件；以及將其發(fā)熱引導(dǎo)到裝置外部的冷卻風(fēng)扇等。

接著，圖2是說明上述傾斜投射光學(xué)系統(tǒng)中的投射透鏡的動作原理的透鏡配置圖。其由以附圖標(biāo)記l1～l12示出的共12個透鏡和以附圖標(biāo)記m13示出的一個反射鏡構(gòu)成。此處，反射鏡m13的反射面和附圖標(biāo)記l11和l12所示的透鏡的透鏡面分別形成非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面形狀。因此，即便是以極大的傾斜角度投射影像的傾斜投射光學(xué)系統(tǒng)，也能夠獲得減少梯形變形的投射影像。即，據(jù)此，設(shè)計自由度為非球面的約五倍左右，能夠進(jìn)行良好的像差校正。

另外，來自配置在圖中以附圖標(biāo)記p0示出的棱鏡光學(xué)元件的相對面的光源(本例中為led等半導(dǎo)體光源，未圖示)的光，在棱鏡面上發(fā)生全反射，入射到以附圖標(biāo)記p1示出的影像顯示元件，由影像顯示元件轉(zhuǎn)換為影像光束，透過棱鏡面入射到投射透鏡。來自該影像顯示元件p1(反射型影像顯示元件)的影像光束(整體以φ0示出)相對于投射面的成像位置，在投射透鏡中通過各個透鏡的不同位置。自由曲面反射鏡m13和自由曲面透鏡l11和l12位于比其他大部分透鏡所共有的光軸靠上部的位置，因此能夠消除不必要的透鏡有效區(qū)域?qū)崿F(xiàn)小型化。因此，能夠降低裝置整體的成本。

另外，圖中附圖標(biāo)記l10所示的透鏡，通過將其透鏡面設(shè)為非球面透鏡，由此進(jìn)行彗形像差和球面像差的校正。進(jìn)一步，附圖標(biāo)記l10所示的透鏡由于配置在光束偏斜地通過的位置，將其透鏡面設(shè)為非球面形狀，由此進(jìn)行因光束相對于透鏡傾斜地入射而發(fā)生的高階的彗形像差的校正。

并且，緊接著該非球面透鏡l10，作為形成上述傾斜投射光學(xué)系統(tǒng)的投射透鏡的一部分，安裝有以附圖標(biāo)記l11和l12示出的所謂非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面的塑料透鏡和以附圖標(biāo)記m13所示的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面的塑料反射鏡。

此處，為了便于說明，示出在投射面的上端部分成像的光束φ2和在投射面的大致中央部分成像的光束φ1通過構(gòu)成投射透鏡的各個透鏡(圖中以附圖標(biāo)記l1～l12表示)的哪個部分。在投射面的上端部分成像的光束φ2的上限光和在投射面的大致中央部分成像的光束φ1的下限光在非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡l10和非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡l11和l12中不重合，所以能夠單獨(dú)進(jìn)行像差校正，大幅提高校正能力。

該趨勢在非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡m13中更為顯著。采用如下結(jié)構(gòu)：對比較靠近光軸的區(qū)域的像差校正有貢獻(xiàn)的透鏡(l1～l10)裝配在鏡筒b1內(nèi)，對遠(yuǎn)離光軸的區(qū)域的像差校正有貢獻(xiàn)的透鏡(l11、l12)為了調(diào)整聚焦，裝配在與上述鏡筒分開的另一個鏡筒b2內(nèi)，并以此調(diào)整透鏡l10與l11及透鏡l12與反射鏡m13的間隔，并且也能夠同時調(diào)整透鏡l11與l12的間隔。

另一方面，非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡m13安裝在反射鏡基座mb1上，成為例如能夠利用電動機(jī)(未圖示)開閉的結(jié)構(gòu)。進(jìn)而，其全部高精度地固定在投射透鏡基座上，由此能夠獲得規(guī)定的聚焦性能。

圖3(a)～(e)是示出上述的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡l11的外形形狀的圖，圖3(a)是從其正面?zhèn)瓤吹降牧Ⅲw圖，圖3(b)是從其背面?zhèn)瓤吹降牧Ⅲw圖，圖3(c)是其正視圖，圖3(d)是其側(cè)視圖，圖3(e)是其后視圖。該非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡l11為塑料制的透鏡，也由這些圖可知，出于在鏡筒b2內(nèi)裝入該透鏡時的定位和保持的目的，透鏡有效區(qū)域l11-a以及該透鏡有效區(qū)域l11-a的外周部設(shè)置有所謂透鏡邊緣部。此處，特別是圖3(a)和(b)中，在非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡l11的透鏡有效區(qū)域l11-a處以虛線示出了用于表示其表面形狀的等高線。另外，圖中的l11-c是注入樹脂時的閘門部。

圖4(a)～(e)是示出上述的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡l12的外形形狀的圖，與上述同樣，圖4(a)是從其正面?zhèn)瓤吹降牧Ⅲw圖，圖4(b)是從其背面?zhèn)瓤吹降牧Ⅲw圖，圖4(c)是其正視圖，圖4(d)是其側(cè)視圖，圖4(e)是其后視圖。該非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡l12也與上述同樣為塑料制的透鏡，也由這些圖可知，出于在鏡筒b2內(nèi)裝入該透鏡時的定位和保持的目的，透鏡有效區(qū)域l12-a以及該透鏡有效區(qū)域l12-a的外周部設(shè)置有所謂透鏡邊緣部。此處也一樣，特別是圖4(a)和(b)中，在非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡l12的透鏡有效區(qū)域l12-a處以虛線示出了用于表示其表面形狀的等高線。另外，圖中的l12-c是注入樹脂時的閘門部。

此外，圖5(a)～(c)是示出上述的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡m13的外形形狀的圖，圖5(a)是其正視圖，圖5(b)是其側(cè)視圖，圖5(c)是其后視圖。該非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡m13同樣為塑料制，也由這些圖可知，透鏡有效區(qū)域m13-a以及該透鏡有效區(qū)域m13-a的外周部設(shè)置有將非球面形狀照原樣延伸而得的透鏡區(qū)域(以下稱作自由曲面區(qū)域)。

<非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡和反射鏡的制造方法>

上述的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡和反射鏡一般來說通過用圖10、圖11所示的5軸加工機(jī)進(jìn)行切削加工來制作，或者具有如圖6所示通過磨削進(jìn)行加工的制造方法。其中，在磨削加工中，一邊用電動機(jī)250旋轉(zhuǎn)驅(qū)動具有比作為被加工物的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡的曲率的最小曲率部小的球狀的曲率的加工工具即磨削刀200，一邊對于作為被固定了的被加工物(工件)的塑料或玻璃的透鏡或反射鏡的表面300、或者透鏡或反射鏡的成形模具的表面400(用模具進(jìn)行的制造的情況)，在三維方向(圖中的x、y、z軸方向)上移動(所謂掃掠：scan，掃描)，形成所要求的非軸對稱的自由曲面形狀的透鏡面。

此時，根據(jù)發(fā)明人的各種研究發(fā)現(xiàn)，特別是，當(dāng)在透鏡面即x和y軸方向上移動作為加工工具的磨削刀200時，使該磨削刀200在組裝成圖2所示的投射透鏡的情況下沿著該投射透鏡的子午面的方向移動即可。更具體而言，也如圖7所示可知，優(yōu)選對于非軸對稱的自由曲面l12，一邊在投射透鏡即該透鏡的沿著子午面的方向(y軸方向)移動，一邊在沿著矢狀面的方向(x軸方向)上依次移動。

這是因?yàn)?，根?jù)發(fā)明人的研究，伴隨著作為加工工具的磨削刀200在透鏡面(x、y軸方向)的移動(掃掠，掃描)，如圖7(b)及其局部放大圖的圖7(c)所示，在透鏡的表面300形成微小的凹凸部310(另外，該圖中，為了示出微小的凹凸部310，強(qiáng)調(diào)了其高度方向地進(jìn)行表示)。透鏡或反射鏡的表面300的微小的凹凸部，在應(yīng)用于傾斜投射光學(xué)系統(tǒng)的投射透鏡中，其影像光線的入射角度在影像顯示面的屏幕垂直方向上部和下部大不相同，例如在屏幕水平方向上顯示橫一線時，在屏幕上部發(fā)生屏幕垂直方向的模糊(雜光)。

于是，發(fā)明人通過實(shí)驗(yàn)求取了該凹凸部310形成在沿子午面的方向(y軸方向)上時和形成在沿矢狀面的方向(x軸方向)上時的模糊的發(fā)生狀態(tài)。結(jié)果是，當(dāng)該凹凸部310形成在沿子午面的方向(y軸方向)上時，光的散射方向?yàn)槠聊坏淖笥曳较?，因此明確了能夠減輕模糊程度。另外，在應(yīng)用于斜投射光學(xué)系統(tǒng)的投射透鏡上發(fā)生的像差，矢狀面方向上的發(fā)生量在原理上相對于子午面方向上的像差的發(fā)生量更小，因此即使在屏幕水平方向上發(fā)生上述的模糊，在屏幕整體上也能夠獲得平衡了的聚焦性能。另外，圖7(a)表示透鏡的正面形狀，圖中利用箭頭示出了加工工具即磨削刀200的移動(掃掠，掃描)方向。

即，當(dāng)透鏡表面的微小的凹凸形成在矢狀面方向(x軸方向)上時，如圖8所示，非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡m13的例子中，在子午面上，特別是在大幅遠(yuǎn)離光軸的上端部，光的入射角θ變大(θ4＞θ3＞θ2＞θ1)，該反射光的一部分引起散射等。因此，透鏡表面的微小凹凸形成在矢狀面方向(x軸方向)上的光學(xué)系統(tǒng)中，在投射影像中，在遠(yuǎn)離光軸的部分出現(xiàn)多個像發(fā)生重疊而變模糊等現(xiàn)象。

即，本發(fā)明是基于上述發(fā)明人的研究而做出的，具體來說，在作為被加工物(工件)的塑料或玻璃的透鏡或反射鏡的表面300或成形模具的表面400(即x和y軸所形成的平面)上移動(掃掠，掃描)作為加工工具的磨削刀200時，一邊在沿著子午面的方向(y軸方向：縱向)上移動，一邊形成期望的非球面狀的透鏡面或模具的成型面。

更具體而言，如圖9所示，作為加工工具的磨削刀200安裝在能夠在x、y、z軸方向自由移動的x、y、z工作臺900的臂的前端部，另一方面，將作為被加工物(工件)的塑料或玻璃的表面300或成形模具的表面300(利用模具制造時)固定在與該磨削刀200相對的位置。另外，圖中的附圖標(biāo)記150是用于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動磨削刀200的電動機(jī)。

或者，作為上述結(jié)構(gòu)的替代方案，也可以固定磨削刀200，使被加工物(工件)在x、y、z軸方向自由移動，另外，也可以使兩者均能夠移動，并在相互的位置進(jìn)行所需磨削。此時，也一邊在沿著子午面的方向(y軸方向：縱向)上移動作為加工工具的磨削刀200，一邊形成非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面狀的透鏡面或作為模具的成形模具的成型面。

另外，關(guān)于磨削刀200的移動(掃掠，掃描)，如上所述，在透鏡面從上向下或從下向上移動，但本發(fā)明不限于此，除此之外也可以例如在透鏡面從上向下移動后，從下向上移動，然后反復(fù)該過程，或者從透鏡面的中央部向上或向下移動。

另外，在上述內(nèi)容中，主要對搭載于投射式影像顯示裝置(投影儀)中的包含非球面的透鏡和反射鏡的制造方法進(jìn)行了詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于此。此外，例如，對于裝入前燈或安裝在前端部分或者裝入尾燈或安裝在后部，并將汽車行駛運(yùn)轉(zhuǎn)所需的各種信息投射到所行駛的路面上的車輛用影像投射裝置的光學(xué)元件所需的非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡或非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡等，與上述同樣地也能夠應(yīng)用本發(fā)明的制造方法，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。

以上，對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于此，包含各種變形例。例如，上述實(shí)施例是為了使本發(fā)明便于理解而詳細(xì)地說明了裝置整體，但沒有限定于必須具備上述說明的全部的結(jié)構(gòu)。另外，可以將某個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的一部分替換為其他實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，而且也可以在某個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中添加其他實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。另外，對各實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的一部分可以添加、刪除或替換其他結(jié)構(gòu)。

附圖標(biāo)記說明

100：投射式影像顯示裝置，l11、l12：非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面透鏡，l11-a、l12-a：透鏡有效區(qū)域，m13：非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡，m13-a：反射鏡有效區(qū)域，200：加工工具(磨削刀)，250：電動機(jī)，300：透鏡或反射鏡的表面，400：成形模具的表面。