JPH11100233A - 光学素子、光学素子素材とそれらの製造方法およびそれらの製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の光学素子はダイレクト法、リヒート法
の何れも成形金型を必要とした。前者では転写性、金型
酸化の対策、後者は転写性、成形される素材形状の制約
など種々の課題を有していた。本発明は従来の課題に鑑
みなされたものである。 【解決手段】 光学研磨されたガラス基板上に光学的機
能をもたせるガラスを液適し前記ガラス基板と融着させ
た光学素子および光学素子素材で従来のように金型を必
要としない、光学素子、光学素子素材と製造方法および
製造装置を解決の手段とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はハロゲンランプやメ
タルハロイドランプ等を光源としたプロジェクター装置
の照明光学系に用いる光学素子に関するものである。特
に照明光学系では光の利用効率および照明の均一性（明
るさ、色ムラ）のより向上を狙いとした光学素子として
マイクロレンズアレイが用いられている。本発明はマイ
クロレンズアレイに代表される光学素子、光学素子素材
とそれらの製造方法およびそれらの製造装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来は上述した様な光学素子を製作する
にあたり、下記の二つの方法が代表的である。

【０００３】（１）溶融ガラス塊を直接金型内に供給し
てプレスするダイレクトプレス法。 （２）所定の光学機能面を有する金型を用い、比較的低
温度でガラスプリフォームをリヒート成形する方法であ
る。

【０００４】何れも光学機能面を有した成形金型を必要
とし、ガラス材料に金型機能面の形状を転写させること
が特徴である。

【０００５】しかしながら、（１）の方法は用いる金型
面数が最小限で行え、大気中で成形できる利点はあるも
のの、供給するガラスが高温のための欠点をも併せ持っ
ている。すなわち、溶融ガラスが成形されて常温になる
までの温度差から生じる収縮量があまりにも大きいため
金型形状を精密に転写することが難しい。

【０００６】そのため成型品にヒケが生じ、それを回避
するため研磨などによる二次加工が必要になるなどの煩
雑性を有している。また型開きを比較的に高温で行わな
いと割れや、金型から成型品がはずれない等、離型性の
問題をも含んでいる。

【０００７】従って必然的にサイクルタイムを短くする
ことで成形できる。また金型自身も高温に曝されるため
酸化が進行し、そのため定期的に金型メンテを行う必要
性があることから、金型メンテの回数を重ねるに従って
徐々に光学機能面の形状を損なう恐れを有している。

【０００８】一方、（２）の方法は高価な成形金型を保
護し、またガラスとの離型性を安定にするため不活性ガ
スを充満したチャンバー内で押圧成形を行うのが一般的
である。ガラスの屈伏点近傍（屈伏点＋１００℃以内）
の比較的に低い温度での成形が可能なことと、低温であ
るが故に金型とガラスとの離型性が良好（ガラスの濡れ
性が悪い）なため、塑性変形領域の最低温まで押圧が可
能となり精密な転写性を得ることができる。

【０００９】その反面、成形温度から常温までのサイク
ルを短縮するために多くの金型を必要とすることや、供
給する光学素子素材の形状にも制約があるなどの欠点を
有している。

【００１０】図６は従来法（２）を参考にして考えられ
る成型法を示すものであり、下型５１、上型５２、胴型
５３とで構成された成形金型の内部に光学素子素材５４
を入れ、成形金型全体を加熱して光学素子素材が屈伏点
以上で変形可能な温度に達した時点で圧力Ｐによって成
形する。

【００１１】上下型は光学素子素材と接する面に光学機
能面の平面および凹面形状が所望の複数個だけ精密に加
工されている。この場合光学素子素材の形状としては平
板状が最も得やすく、かつ安価であることから有利であ
る。

【００１２】しかし下型の凹面部と光学素子素材の平面
とで形成された複数個の密閉空間５５の内部にガスが閉
じこめられた場合、成形された光学素子の凸面側には未
転写の部分が残り光学素子としての機能を果たさないこ
とになる。従って、現状技術は（１）の方法が主流であ
る、が前述した多くの課題を有している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来の方
法における課題に鑑み成されたもので、まず従来とは全
く異なる方法、すなわち成形金型を用いることなく光学
素子を得ること。若しくは光学素子素材が得られるこ
と。上記の光学素子および光学素子素材が大気中で製造
できること。所望する光学素子および光学素子素材の形
状がある程度選択できること。また前記の光学素子素材
を従来法（２）で用いれば成形の転写性を向上させるこ
と等の課題を解決するものである。さらに上述した光学
素子と光学素子素材とを製造する装置を提供して課題の
解決とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本願発明の光学素子は、両面が光学鏡面で平板状から
なるガラス基板を準備し、同組成もしくは別組成のガラ
ス材料を溶融して、光学機能面を形成するに必要な所定
の体積量だけ、前記のガラス基板上に液滴し、ガラス基
板と液滴ガラスの両者を光学的な欠陥が無いように溶着
させて光学素子とするものであり、従来例には見られな
い金型を必要とせず、溶融した液滴ガラスを光学機能面
に用いる手段によって得られる光学素子である。

【００１５】本発明による光学素子の製造方法は、前記
光学素子の課題を解決する手段として記述する。光学素
子の一部を形成するためのガラス基板を光学鏡面に加工
して準備し、ガラス基板とは別にガラス材料を溶融して
所定体積の溶融ガラスを前記のガラス基板上に液滴さ
せ、全体を冷却固化させて光学素子を得る。溶融液滴の
温度およびガラス基板の相対温度が重要であり本発明の
場合、少なくともガラス基板を所定温度に加熱する手段
を用いることで光学的に欠陥のない光学素子の製造方法
である。

【００１６】本発明による光学素子素材は従来例（２）
の方法における課題を解決するもので、前記の光学素子
の製造方法によるものに基本思想は同様である。しかし
異なる点はガラス基板の加熱温度を下げること、若しく
は常温で行うことで、液滴はガラス基板に溶着して仮固
定される。液滴されたガラスはより球形状に近い形態を
得ることで課題解決の手段とする。従って押成型時に於
けるガスの閉じこめの無い光学素子素材の製造方法であ
る。

【００１７】本発明による光学素子および光学素子素材
の製造装置は、加熱板を備えかつスライドと位置決めが
可能な加工部、該加工部の上方には所望のガラス材料を
投入した坩堝と、ガラス材料を加熱する加熱ヒータと、
前記坩堝の下端ノズルから溶融液滴を供給可能にした液
滴部を備え、前記加工部と前記液滴部との距離を可変可
能にすることを解決の手段とした製造装置である。

【００１８】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）本発明の光学素子は、図１の斜視図に
示すような平ー凸形状をしたレンズアレイの構成とした
光学素子１である。硼珪酸バリュウム系からなるガラス
基板を２０ｍｍ角の大きさに切り出し、従来の光学研磨
法を用いて両面を鏡面に加工して２ｍｍ厚のガラス基板
２を作製した。

【００１９】後述する製造方法によってガラス基板と同
組成の液滴ガラス３が所定に９個配設されている。液滴
ガラスの表面は自由鏡面であった。ガラス基板と液滴ガ
ラスとの界面には光学機能を阻害する泡や亀裂などの欠
陥は確認できなかった。液滴ガラスの形状は自由曲面を
呈しているが、その中心部をフィゾー型の干渉計で評価
したところ、その曲率半径は１．９ｍｍであり９個とも
にほぼ一定した形状を示し、照明光学系に用いるに十分
であることを確認した。液滴ガラスが形成する形状は適
宜の設計に依存し、最適な焦点距離を得るための設計に
すればよい。

【００２０】図２には上記の光学素子を用いた液晶プロ
ジェクターの照明光学系の原理を説明するものである。
ハロゲンやメタルハロイド等を光源とするランプ２１の
発光体Ｓから出た平行光線は、第１レンズアレイ２２の
第１レンズ２３を通過し、第２レンズアレイ２４の第２
レンズ２５の主平面上に集光して発光体Ｓの実像、すな
わち発光体像Ｓ’が形成される。その後、第２レンズア
レイを通過した光は液晶パネルＰ’面に均一に照射され
る。

【００２１】したがって、第１レンズアレイは第２レン
ズアレイの主平面上に集光されて発光体の実像を形成す
るのに作用し、第２レンズアレイは第１レンズアレイの
開口に入射した光束を所定の倍率に応じて拡大し被照明
領域である液晶パネルを照明する光を形成する原理を用
いたものである。

【００２２】従って、本レンズアレイの特性は複数個そ
れぞれのレンズ形状、すなわち焦点距離をいかに一定に
するかで決定される。

【００２３】（実施の形態２）本発明による光学素子お
よび光学素子素材の製造方法を図３の製造装置を示すも
ので説明する。ＸーＹ平面内でスライドと位置決めが可
能なテーブル３１上に、断熱板３２を介してヒータ３３
を埋設した加熱板３４を配し、前記これらを一体化した
加工部３５を具備し、該加工部３５の上方には、所定温
度に保持された加熱炉３６の中心部に配した坩堝３７を
設け、溶融ガラス３８を得る。坩堝３７の下端に設けた
ノズル３９から溶融したガラスの液滴４０が落下可能に
した液滴部４１とを具備し、前記加工部３５と液滴部と
の相対位置（高さ）は図中矢印方向の＋Ｚおよび−Ｚで
任意に設定し固定できる構成の製造装置である。

【００２４】加熱板３４、加熱炉３６の温度制御は図示
しない通常の熱電対を用いて行っており、また加工部３
５と液滴部４１との相対距離の調整は図示しないテーブ
ル３１全体を上下させて調整するか、液滴部全体を上下
するアームに取り付けることで簡便に行えるようにして
いる。

【００２５】５００℃に設定加熱された加熱板３４の上
に両面を光学鏡面に研磨した比較的に融点の低い硼珪酸
系のガラス材料（ガラス転移点：５０１℃、屈伏点：５
４９℃）からなるガラス基板２を載置した。基板の厚み
は２ｍｍであった。

【００２６】載置した後、ガラス基板の温度が加熱板の
設定温度とほぼ同じになる間だけ保持した後、同組成の
溶融ガラス３８からなり、溶融温度が１２５０℃で約６
０ｍｇの液滴４０をガラス基板２の上に所定のピッチで
落下させた。落下させるタイミングは約４秒であった。

【００２７】またガラス基板２と液滴４０との距離は１
００ｍｍとした。本実施の形態では液滴４０の落下ピッ
チを７．５ｍｍとした。液滴を完了して冷却されて得ら
れた光学素子１は図１に示した通りである。

【００２８】本実施の形態ではガラス基板の温度をガラ
ス転移点に制御して行った。その理由は、当然、基板温
度を高く設定する方が液滴との溶着性は向上させられる
が、ガラス基板全体の形状を変化させないためである。
落下距離は液滴が落下中に冷却される度合いで決定さ
れ、短ければ短いほど密着性は向上するが実施の形態で
は装置の制約から１００ｍｍ一定とした。

【００２９】（実施の形態３）加熱板３４の設定温度を
常温としてガラス基板２を載置し、実施の形態１と同様
のガラス材料を１２５０℃に溶融して液滴ガラス３を落
下させた。ガラス基板と液滴ガラスと溶着されたり、ま
たは例え溶着してもガラス基板にクラックが発生して光
学素子とはならなかった。ガラス基板が、高温である液
滴ガラスの急激な熱収縮のためと、両材料の熱膨張の違
いが考えられるが、本実施の形態では前者の理由と考え
られる。しかし、両者の熱膨張を合致させることは光学
素子を得るために望ましいことは云うまでもない。

【００３０】（実施の形態４）基板３４の材料として硼
珪酸ガラスであるパイレックスガラス（軟化点：８２０
℃、ガラス転移点：５６０℃、屈伏点：６５３℃）で液
滴ガラスよりも屈伏点の高いものを選定し、基板の両面
を光学鏡面に加工してガラス基板２を準備した。ガラス
基板の温度を常温およびガラス転移点より十分低い３０
０℃とした。溶融ガラス材料は実施の形態１から３まで
と同様ものである。

【００３１】落下距離を１００ｍｍとして、約６０ｍｇ
の液滴４０を落下させたところ、ガラス基板２の温度が
常温と３００℃の何れもに液滴ガラス３は曲率半径が約
１．７ｍｍのほぼ球に近い形状で溶着さていた。

【００３２】ガラス基板と液滴ガラスとの界面にはクラ
ック、気泡などの光学機能を阻害する欠陥は見られなか
ったが、幾分かガラス基板を加熱したほうが溶着力で優
れており、また望ましい。

【００３３】しかし所望する光学素子としては直接使用
できないものの後記する光学素子素材として、上述した
従来例（２）の成形用素材として用いられることが確認
されている。従ってガラス基板と液滴ガラスを異なる材
料で構成した図４の断面図に示す光学素子素材５４を得
ることができた。

【００３４】（実施の形態５）基板材料として硼珪酸ガ
ラスであるパイレックスガラスを選定し、基板の両面を
光学鏡面に加工してガラス基板２を準備した。溶融ガラ
ス材料は実施の形態１から４までと同様のものである。
ガラス基板の設定温度を５６０℃にし、落下距離を１０
０ｍｍとして、１２５０℃の溶融ガラスを約６０ｍｇの
液滴４０を落下させたところ、界面の欠陥がなく、かつ
基板のクラックの発生もなく互いに溶着され、液滴ガラ
スの形状は実施の形態１および２よりも中心曲率は小さ
く、実施の形態３および４よりも中心曲率の大きな光学
素子１を得ることができた。

【００３５】（実施の形態６）実施の形態４で得られた
光学素子素材を用いて従来法（２）で行う光学素子の成
形方法であり、図５を用いて説明する。下型５１、上型
５２、胴型５３の中に光学素子素材５４を投入する。上
型の光学面は平面に、下型の光学面は凹面形状（曲率半
径１３．５ｍｍ）が所定のピッチに９個形成されてい
る。金型全体を５８０℃に加熱して、すなわち、液滴ガ
ラスの熱特性を考慮した条件で押圧成形を行ったところ
金型形状を精密に転写された光学素子を得ることができ
た。下型の凹面形状よりも光学素子素材の液滴ガラスの
曲率半径が十分に小さく、すなわち液滴ガラスに押圧変
形量を残すことで、従来例のような密閉空間を形成する
ことなく、ガスの閉じこめが発生しない構成としたため
精密な転写性を実現した光学素子を得ることができた。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明の光学素子は、成形
金型を必要とせずに得られ金型作製のリードタイムを著
しく短縮できる。また光学素子素材も前記光学素子を得
るための製造条件の変更のみで得ることだでき、成型時
に於ける従来の欠点を除去し、転写性の良好な成型品を
実現できる。またその製造方法はガラス基板、液滴ガラ
スの温度条件および落下距離の変更に伴って任意の光学
機能を有する光学素子を得ることが可能となる。さらに
製造装置は簡便な構成で実現でき、産業上利用価値の高
いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子をせつめいする立体斜視図

【図２】本発明による光学素子を用いた照明光学系を説
明する原理図

【図３】本発明の製造方法と製造装置を説明する概略断
面図

【図４】本発明で得られた光学素子素材の断面図

【図５】本発明の光学素子素材を用いて行われる従来成
型法を説明する断面図

【図６】従来法の成形を説明する断面図

【符号の説明】

１ 光学素子 ２ ガラス基板 ３ 液滴ガラス ２１ ランプ ２２ 第１レンズアレイ ２４ 第２レンズアレイ ３１ テーブル ３２ 断熱板 ３３ ヒータ ３４ 加熱板 ３５ 加工部 ３６ 加熱炉 ３７ 坩堝 ３８ 溶融ガラス ３９ ノズル ４０ 液滴 ４１ 液滴部 ５１ 下型 ５２ 上型 ５３ 胴型 ５４ 光学素子素材 ５５ 密閉空間 Ｓ’ 発光体像 Ｐ’ 液晶パネル面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 春原 正明 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学鏡面に加工されたガラス基板上に、
   該ガラスと同質もしくは異質のガラス材料を溶融液滴し
   て融着させ、前記溶融液滴に光学機能をもたせたことを
   特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 前記溶融液滴に相当する部分が所望の形
   状に整形されて光学機能をもたせたことを特徴とする請
   求項１記載の光学素子。
3. 【請求項３】 前記溶融液滴が前記ガラス基板上に所定
   ピッチでかつ複数個に配設してなることを特徴とする請
   求項１または２記載の光学素子。
4. 【請求項４】 ガラス基板を光学鏡面に加工して準備す
   る工程、前記ガラス基板を所定温度に加熱する工程、前
   記ガラス基板と同質もしくは異質でかつ所定量のガラス
   材料を前記ガラス基板上に溶融液滴する工程、前記ガラ
   ス材料全体を冷却固化する工程とを具備し、前記ガラス
   基板と前記液滴させたガラス材料とを光学的に溶着させ
   て光学機能効果をもたせたことを特徴とする光学素子の
   製造方法。
5. 【請求項５】 前記溶融液滴が前記ガラス基板上に所定
   ピッチでかつ複数個に配設することを特徴とする請求項
   ２または３記載の光学素子の製造方法。
6. 【請求項６】 ガラス基板を光学鏡面に加工して準備す
   る工程、前記ガラス基板上に光学機能を効果をもたせる
   ための同質もしくは異質のガラス材料を溶融液滴し、前
   記ガラス基板と前記溶融液滴とを仮固定されたことを特
   徴とする光学素子成型用の光学素子素材。
7. 【請求項７】 前記溶融液滴が前記ガラス基板上に所定
   ピッチでかつ複数個に配設されたことを特徴とする請求
   項６記載の光学素子素材。
8. 【請求項８】 ガラス基板を光学鏡面に加工して準備す
   る工程、前記ガラス基板上に光学機能効果をもたせるた
   めの同質もしくは異質のガラス材料を溶融液滴し、前記
   ガラス基板と前記溶融液滴とを仮固定させる工程とを具
   備し、前記溶融液滴に押圧変形量を残した形状としたこ
   とを特徴とする光学素子素材の製造方法。
9. 【請求項９】 テーブル上に断熱板と加熱板および光学
   素子の一部を成すガラス基板とを積載可能にして前記テ
   ーブルがＸーＹ平面内でスライドと位置決めとが可能な
   構成にした加工部と、該加工部の上方に所望のガラス材
   料を投入した坩堝とガラス材料を溶融温度まで加熱する
   加熱ヒータと前記坩堝の下端ノズルから溶融液滴を供給
   可能にした構成の液滴部とからなり、前記スライド部と
   前記液滴部との相対距離を可変可能にしたことを特徴と
   する光学素子および光学素子素材の製造装置。