JP2016085356A - 光学素子および光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空間に結像される被投影物の像の画質が向上する光学素子、光学素子の製造方法を提供する。
【解決手段】光学素子１であり、板面に対し各々垂直で且つ互いのなす角が直角な鏡面２Ｂ、２Ｕを、前記板面に沿って縦横に配列した部材３と、前記部材のうち少なくとも前記各鏡面の縁を覆う反射光抑制材４と、を備える。また、光を反射する鏡面を形成する薄膜を片面もしくは両面に成膜した光透過性の板材の積層体を、鏡面に対して垂直な方向に沿ってせん断して得た板材に、前記板材の表面に露出している前記薄膜の縁を黒化する処理を施し、前記薄膜の縁を黒化した２つの前記板材を、各板材の薄膜同士のなす角が直角となるように重ね合わせて接着する、光学素子の製造方法。
【選択図】図１

Description

本願は、光学素子および光学素子の製造方法に関する。

近年、空間に被投影物の像を結像させることができる光学素子が提案されている（例えば、特許文献１−２を参照）。

国際公開第２０１１／１３６２００号 特開２０１１−８１３００号公報 特開２００４−２８７２３８号公報

板面に対し各々垂直で且つ互いのなす角が直角な鏡面を、板面に沿って縦横に配列した板状の光学素子は、光学素子の片面側の空間に置かれた被投影物から放たれる光線が入射すると、縦横に配列された鏡面が光線を２回反射し、光学素子を挟んで被投影物と対称な位置に被投影物の像を結像する。被投影物の像を空間に結像する光学素子は、例えば、鏡の積層体を垂直にスライスして板材を複数切り出し、隣接する板材の各々に筋状に形成されている鏡面同士のなす角が互いに直交するように２つの板材を重ね合わせて接着したり、或いは、内部が鏡面になっている上面視矩形状の穴を板面に沿って縦横に形成したりすることにより実現できる。すなわち、被投影物の像を空間に結像する光学素子は、被投影物から放たれる光線を複数回反射する微小な鏡面を、板状の部材に縦横に配列した形態を採っている。よって、入射光を反射する鏡面以外で光が反射する等により、光学素子自体の表面反射率が増加してしまう。被投影物以外の物体の像が映り込む可能性を低減する方策としては、例えば、フィルタの使用が挙げられるが、フィルタを使うと映像の輝度自体が低下する。

そこで、本願は、空間に結像される被投影物の像の画質が向上する光学素子、光学素子の製造方法を提供する。

本願は、次のような光学素子を開示する。すなわち、本願は、板面に対し各々垂直で且つ互いのなす角が直角な鏡面を、前記板面に沿って縦横に配列した部材と、前記部材のうち少なくとも前記各鏡面の縁を覆う反射光抑制材と、を備える光学素子を開示する。

また、本願は、次のような光学素子の製造方法を開示する。すなわち、本願は、光を反射する鏡面を形成する薄膜を片面もしくは両面に成膜した光透過性の板材の積層体を、鏡面に対して垂直な方向に沿ってせん断して得た板材に、前記板材の表面に露出している前記薄膜の縁を黒化する処理を施し、前記薄膜の縁を黒化した２つの前記板材を、各板材の薄膜同士のなす角が直角となるように重ね合わせて接着する、光学素子の製造方法を開示する。

また、本願は、次のような光学素子の製造方法を開示する。すなわち、本願は、立方形の突起を縦横に配列した非導電性の突起群を表面に設けた導電性の板材にメッキ膜を形成した状態で、前記メッキ膜の表面を黒化する処理を施し、表面が黒化された前記メッキ膜
から前記板材を剥離する、光学素子の製造方法を開示する。

また、本願は、次のような光学素子の製造方法を開示する。すなわち、本願は、透明な板材の表面に縦横に配列された各穴の中の壁面に鏡面を形成し、前記各穴の中の壁面に鏡面が形成された前記板材の表面に、黒色のインクを塗布した平らな版を押し当てる、光学素子の製造方法を開示する。

上記の光学素子および光学素子の製造方法で製造された光学素子であれば、空間に結像される被投影物の像の画質、特に映像のコントラスト比が向上する。

図１は、実施形態に係る光学素子の一例を示した図である。 図２は、実施形態に係る光学素子を透過する光線の経路の一例を示した図である。 図３は、実施形態に係る光学素子の結像状態の一例を示した図である。 図４Ａは、実施形態に係る光学素子の製造工程の一例を示した第１の図である。 図４Ｂは、実施形態に係る光学素子の製造工程の一例を示した第２の図である。 図５は、第１変形例に係る光学素子の製造工程を示した図である。 図６は、第２変形例に係る光学素子の製造工程を示した図である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、実施形態に係る光学素子の一例を示した図である。光学素子１は、板面に対し各々垂直で且つ互いのなす角が直角な微小な鏡面（「マイクロミラー」という場合もある）２Ｂ，２Ｕを、板面に沿って縦横に配列した透明な板状の部材３を備えている。部材３は、細長い鏡面２Ｂ同士を互いに平行な状態で埋め込んだ透明な板材７Ｂと、細長い鏡面２Ｕ同士を互いに平行な状態で埋め込んだ透明な板材７Ｕとを、鏡面２Ｂと鏡面２Ｕとのなす角が直角になるように重ね合わせたような形態を呈する。よって、部材３を板面側から観察すると、鏡面２Ｂと鏡面２Ｕが、透明な板状の部材３の中に埋め込まれて互いに直交する状態で見える。

ところで、光学素子１自体の表面反射率を抑制する場合、鏡面２Ｂおよび鏡面２Ｕは、可能な限り薄く形成されることが望ましい。しかし、鏡面が薄すぎると光が鏡面を透過してしまう場合があるため、鏡面２Ｂおよび鏡面２Ｕは、ある程度の厚みを有することになる。ある程度の厚みを有する鏡面の縁は、乱反射の一因になり得る。そこで、光学素子１は、図１の全体図にある太線や拡大図にあるハッチングが示す通り、板状の部材３のうち少なくとも鏡面２Ｂ，２Ｕの縁を覆う反射光抑制材４を備えている。反射光抑制材４としては、光を吸収するあらゆる素材を適用可能であり、例えば、光を吸収する黒色系の各種素材を適用可能である。反射光抑制材４は、板状の部材３のうち少なくとも鏡面２Ｂ，２Ｕの縁を覆うことにより、鏡面２Ｂ，２Ｕ以外に当たる光が乱反射するのを抑制する。

光学素子１は、光学素子１の片面側の空間に置かれた被投影物から放たれる光線が入射すると、縦横に配列された微小な鏡面２Ｂ，２Ｕが光線を２回反射し、光学素子１を挟んで被投影物と対称な位置に被投影物の像を結像する。図２は、実施形態に係る光学素子１を透過する光線の経路の一例を示した図である。図２（Ａ）は、図１において光学素子１
を左側から見た場合の図を左側面図として示す。また、図２（Ｂ）は、図１において光学素子１を上側から見た場合の図を上面図として示す。また、図２（Ｃ）は、図１において光学素子１を手前側から見た場合の図を正面図として示す。例えば、光学素子１の下側の空間に置かれた被投影物から放たれる光線が光学素子１に入射すると、入射した光線が鏡面２Ｂに当たり、図２において破線で囲んだ円の部分で反射する。鏡面２Ｂで反射した光線は、鏡面２Ｕに当たって再び反射し、光学素子１の上側の空間へ向けて出射する。光学素子１から出射した光線は、光学素子１を挟んで被投影物と対称な位置に被投影物の像を結像する。

図３は、実施形態に係る光学素子１の結像状態の一例を示した図である。例えば、表示面を仰向けにした表示装置１０１の上に、光学素子１を斜めに傾けて配置した場合、表示装置１０１の画像は、光学素子１を挟んで表示装置１０１と対称な位置に結像する。なお、光学素子１の傾きが例えば４５°の場合、光学素子１が結像する像は垂直になる。実施形態に係る光学素子１は、縦横に配列された鏡面２Ｂ，２Ｕが、板状の全体構造を形作る板材の中に埋め込まれるように形成されている。そして、本実施形態に係る光学素子１は、少なくとも鏡面２Ｂ，２Ｕの縁が反射光抑制材４で覆われており、鏡面２Ｂ，２Ｕの縁で光が乱反射するのを抑制している。よって、上記実施形態に係る光学素子１は、反射光抑制材４が省略されているものに比べて、光学素子１自体の表面反射率が抑制される。したがって、上記実施形態に係る光学素子１は、反射光抑制材４が省略されているものに比べて、被投影物の一種である表示装置１０１の画像以外の物体の像が映り込む可能性が低い。すなわち、上記実施形態に係る光学素子１であれば、例えば、表示装置１０１以外の物体から放たれる光が光学素子１に入射しても、当該光が光学素子１で乱反射して空中映像に映り込む可能性が低い。よって、上記実施形態に係る光学素子１であれば、コントラストの高い良質な空中映像を得ることができる。

なお、光学素子１は、例えば、以下のような方法で製造することができる。図４Ａは、実施形態に係る光学素子１の製造工程の一例を示した第１の図である。また、図４Ｂは、実施形態に係る光学素子１の製造工程の一例を示した第２の図である。

光学素子１を製造する際は、例えば、ガラス板もしくはアクリル板などの光透過性の板材であり、光を反射する鏡面を形成する薄膜を片面もしくは両面に成膜した板材を複数枚準備する。薄膜は、例えば、アルミやクロム、その他、鏡面を形成可能なあらゆる素材を適用可能である。そして、準備した板材を接着しながら重ね合わせる（図４Ａ（Ａ））。準備した板材を所望の枚数だけ接着しながら重ね合わせると、積層体のブロックが形成される（図４Ａ（Ｂ））。次に、積層体のブロックを、鏡面に対して垂直な方向に沿ってせん断し、積層体のブロックをスライスする（図４Ａ（Ｃ））。

積層体のブロックをスライスした後は、薄膜の縁に反射光抑制材を形成する処理を施す（図４Ｂ（Ｄ））。薄膜がアルミまたはクロムで出来ている場合、反射光抑制材は、例えば、積層体のブロックをスライスして出来た板材に、薄膜の縁を黒化するアルマイト処理あるいはクロメート処理を施せば形成できる。積層体のブロックをスライスして出来た板材は、鏡面を形成する薄膜の縁が表面に露出した状態なので、黒化アルマイト処理あるいは黒化クロメート処理を施せば薄膜の縁のみが黒化し、光が反射するのを防止する反射光抑制材が形成される。なお、板材に黒化アルマイト処理あるいは黒化クロメート処理を施しても薄膜の縁が黒化しない又は黒化しにくい場合、例えば、薄膜の縁に黒化処理が可能な膜を無電解メッキ等で形成してから板材に黒化アルマイト処理あるいは黒化クロメート処理を施せば、反射光抑制材を容易に形成できる。

薄膜の縁に反射光抑制材を形成した後は、２枚の板材を薄膜同士のなす角が直角となるように重ね合わせて接着する（図４Ｂ（Ｅ））。２直交リフレクター（「２面コーナーリ
フレクター」という場合もある）である光学素子１の完成に至る（図４Ｂ（Ｆ））。

なお、上記実施形態に係る光学素子１および光学素子１の製造方法は、例えば、以下のように変形することも可能である。以下、上記実施形態に係る光学素子１および光学素子１の製造方法の第１変形例について説明する。図５は、第１変形例に係る光学素子の製造工程を示した図である。

本第１変形例は、内壁が鏡面を形成する矩形の穴を板面に沿って縦横に配列した部材を光学素子として用いるものである。すなわち、本第１変形例では、立方形の突起を縦横に配列した非導電性の突起群を導電性の板材の表面に作製する（図５（Ａ））。突起群は、例えば、光感光性の材料（レジストやドライフィルム等）を使って作製することができる。次に、板材に電位を与えてＮｉ等の材料で電界メッキを施し、所望の厚さのメッキ膜を形成する（図５（Ｂ））。メッキ膜を板材に形成した後は、メッキ膜の表面を黒化して反射光抑制材を形成する（図５（Ｃ））。反射光抑制材は、例えば、板材に形成されたメッキ膜を、板材から剥離せずに板材ごと黒色クロメ−ト薬液に浸すか、もしくは、酸化クロム薄膜を表面に成膜することにより形成できる。反射光抑制材を形成した後はメッキ膜から板材を剥離し、本第１変形例に係る光学素子１１の完成に至る（図５（Ｄ））。

光学素子１１は、実施形態に係る光学素子１と同様、板面に対し各々垂直で且つ互いのなす角が直角な鏡面１２を矩形の各穴１５内に有した部材１３を備えている。部材１３は、穴１５を板面に沿って縦横に配列しているため、穴１５内の壁面に形成される鏡面１２が板面に沿って縦横に配列された状態を呈している。

本第１変形例に係る光学素子１１は、光学素子１１の片面側の空間に置かれた被投影物から放たれる光線が入射すると、縦横に配列された穴１５の中に光線が入射する。矩形の穴１５の中に入射した光線は、互いに直交する隣接の鏡面１２，１２によって２回反射され、光学素子１１を挟んで被投影物と対称な位置に被投影物の像を結像する。

本第１変形例に係る光学素子１１は、鏡面１２の縁および鏡面１２以外の部分が反射光抑制材１４で覆われており、光が乱反射するのを抑制している。よって、本第１変形例に係る光学素子１１は、例えば、図５（Ｃ）に示したような処理を省き、反射光抑制材１４を省略したようなものに比べて、光学素子１１自体の表面反射率が抑制される。したがって、本第１変形例に係る光学素子１１は、反射光抑制材１４が省略されているものに比べて、被投影物以外の物体の像が映り込む可能性を低減できる。

また、上記実施形態に係る光学素子１および光学素子１の製造方法は、例えば、以下のように変形することも可能である。以下、上記実施形態に係る光学素子１および光学素子１の製造方法の第２変形例について説明する。図６は、第２変形例に係る光学素子の製造工程を示した図である。

本第２変形例は、内壁が鏡面を形成する矩形の穴を、板面に沿って縦横に配列した部材を光学素子として用いるものである。すなわち、本第２変形例では、立方形の突起を縦横に配列した元型を樹脂製の板材に押し当てるナノインプリンティング技術で、板材の表面に縦横に配列した穴を形成する（図６（Ａ））。元型を押し当てる板材は、透明な光透過性のものが好ましい。板材に穴を縦横に配列した後は、各穴の中の壁面に鏡面を形成する（図６（Ｂ））。鏡面は、例えば、縦横に穴を配列した板材にアルミ等の金属材料の薄膜を成膜することに形成できる。樹脂製の板材に金属材料の薄膜を成膜する手法としては、例えば、金属材料を蒸着して薄膜を成膜するアディティブ法を用いることができる。鏡面を形成した板材の表面に、黒色のインクを塗布した平らな版を押し当てて平版パッド印刷を行い、穴の周辺を黒くする（図６（Ｃ））。穴の周辺を黒くすることにより、第２変形
例に係る光学素子２１の完成に至る（図６（Ｄ））。

光学素子２１は、実施形態に係る光学素子１や第１変形例に係る光学素子１１と同様、板面に対し各々垂直で且つ互いのなす角が直角な鏡面２２を矩形の各穴２６内に有した部材２３を備えている。部材２３は、穴２６を板面に沿って縦横に配列しているため、穴２６内の壁面に形成される鏡面２２が板面に沿って縦横に配列された状態を呈している。

本第２変形例に係る光学素子２１は、光学素子２１の片面側の空間に置かれた被投影物から放たれる光線が入射すると、各穴２６の中に光線が入射する。矩形の穴２６の中に入射した光線は、互いに直交する隣接の鏡面２２，２２によって２回反射され、光学素子２１を挟んで被投影物と対称な位置に被投影物の像を結像する。

本第２変形例に係る光学素子２１は、鏡面２２の縁および穴２６の周囲が反射光抑制材２４で覆われており、光が乱反射するのを抑制している。よって、本第２変形例に係る光学素子１１は、例えば、図６（Ｃ）に示したような処理を省き、反射光抑制材２４を省略したようなものに比べて、光学素子２１自体の表面反射率が抑制される。したがって、本第２変形例に係る光学素子２１は、反射光抑制材２４が省略されているものに比べて、被投影物以外の物体の像が映り込む可能性を低減できる。

なお、上記実施形態や各変形例に係る光学素子１，１１，２１は、上記した製造方法で製造されたものに限定されるものではない。光学素子１，１１，２１は、上記した製造方法以外の方法で製造してもよい。また、上記実施形態や各変形例に係る光学素子１，１１，２１は、入射光を２回反射して出射光としていたが、入射光を偶数回反射して出射光とするものであれば反射回数は如何なる値であってもよい。

１，１１，２１・・光学素子：２Ｂ，２Ｕ，１２，２２・・鏡面：３，１３，２３・・部材：４，１４，２４・・反射光抑制材：１５，２６・・穴：７Ｂ，７Ｕ・・板材：１０１・・表示装置

Claims (7)

1. 板面に対し各々垂直で且つ互いのなす角が直角な鏡面を、前記板面に沿って縦横に配列した部材と、
   前記部材のうち少なくとも前記各鏡面の縁を覆う反射光抑制材と、を備える、
   光学素子。
2. 前記部材は、細長い鏡面同士を互いに平行な状態で埋め込んだ透明な２つの板材を、前記２つの板材が各々有する鏡面同士のなす角が直角になるように重ね合わせたものであり、
   前記反射光抑制材は、前記２つの板材の各々の表面に露出する前記鏡面の縁を覆う、
   請求項１に記載の光学素子。
3. 前記部材は、内壁が前記鏡面を形成する矩形の穴を、前記板面に沿って縦横に配列したものであり、
   前記反射光抑制材は、前記鏡面の縁および前記鏡面以外の部分を覆っている、
   請求項１に記載の光学素子。
4. 前記部材は、内壁が前記鏡面を形成する矩形の穴を、前記板面に沿って縦横に配列したものであり、
   前記反射光抑制材は、前記鏡面の縁および前記穴の周囲を覆っている、
   請求項１に記載の光学素子。
5. 光を反射する鏡面を形成する薄膜を片面もしくは両面に成膜した光透過性の板材の積層体を、鏡面に対して垂直な方向に沿ってせん断して得た板材に、前記板材の表面に露出している前記薄膜の縁を黒化する処理を施し、
   前記薄膜の縁を黒化した２つの前記板材を、各板材の薄膜同士のなす角が直角となるように重ね合わせて接着する、
   光学素子の製造方法。
6. 立方形の突起を縦横に配列した非導電性の突起群を表面に設けた導電性の板材にメッキ膜を形成した状態で、前記メッキ膜の表面を黒化する処理を施し、
   表面が黒化された前記メッキ膜から前記板材を剥離する、
   光学素子の製造方法。
7. 透明な板材の表面に縦横に配列された各穴の中の壁面に鏡面を形成し、
   前記各穴の中の壁面に鏡面が形成された前記板材の表面に、黒色のインクを塗布した平らな版を押し当てる、
   光学素子の製造方法。