CN104160304B - 微镜阵列 - Google Patents

Abstract

本发明的微镜阵列是一种能够将被投影物的镜像高亮度且鲜明地进行投影的角反射器型的微镜阵列，其中，该微镜阵列由基板和呈阵列状形成于基板的多个单位光学元件(四棱柱)构成，上述各个单位光学元件形成为与基板的表面垂直的凸状或凹状，夹着该光学元件的侧面的一个角部(角)并相互正交的两个侧面形成为光反射面，这些光反射面分别形成为基板厚度方向的纵向长度(h)相对于基板表面方向的横向宽度(w)之比(h/w)为1.5以上的长方形形状。

Description

微镜阵列

技术领域

本发明涉及一种利用排列在基板上的、具有相互正交的一对光反射面的单位光学元件来使被投影物的镜像在空间内成像的微镜阵列。

背景技术

作为将三维或二维的物体、图像等成像于空间内的成像光学元件，开发有在构成光学元件的元件面的基板(基盘)上配置多个“进行由一个以上的镜面引起的光的反射的单位光学元件”而成的微镜阵列。其中，呈阵列状排列了多个凹状单位光学元件或凸状单位光学元件而成的微镜阵列由于结构简单、预计制造成本降低，因此近年来受到关注，该凹状单位光学元件或凸状单位光学元件具有与该基板垂直或以接近于垂直的角度配置的“相互正交的两个镜面”(构成直角的角的、一对邻接的光反射面。即“角反射器”。)(参照专利文献1、2)。

在该微镜阵列中，“两面角反射器阵列”也是利用了下述作用的构件：在从上述阵列的单侧入射的光通过元件面(基板)时，该光在构成各个单位光学元件(角反射器)的一对光反射面之间反射两次，该反射两次后的光(通过光)在上述阵列的相反侧(相对于元件面呈面对称)的空间位置成像。例如，在为图4所示的、呈棋盘格状排列了许多从基板2(元件面P，在各附图中以单点划线表示，元件面P为通过基板2的厚度的中央部的、与基板的表面平行的假想面)的一个表面沿其厚度方向突出的透明的凸状的立方体11(纵、横、高度之比为大约1：1：1)而成的凸型角反射器阵列20的情况下，该正立方体11的四个侧面中的至少两个面(在该例子中为第1侧面11a、第2侧面11b)形成为镜面(光反射性的侧面)，从而如图5所示，上述凸型角反射器阵列20能够在其上方的空间〔即观察者的视点(空心箭头E)侧的空间〕使被投影物的镜像(反转像)成像为没有像差的实像(正立像)。

另外，上述凸型角反射器阵列20是基于如上所述的原理而成的构件，因此如图4、5所示，自上述基板2的表面突出的立方体11为了使构成凸型角反射器的直角的凸角部(角11c)朝向观察者的正面(跟前)而被配置为使立方体11的上表面(上表面的各个边)相对于观察者旋转了45°的状态。另外，从观察者方向观察，构成上述凸型角反射器阵列20的各个单位光学元件(立方体11)以呈倾斜棋盘格状排列的方式排列。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第WO2007/116639号

专利文献2：日本特开2011－191404号公报

发明内容

发明要解决的问题

可是，在角反射器型的微镜阵列中，由于由除“参与成像的光反射面”以外的部位(在图4中，为与第1侧面11a、第2侧面11b相对的“第3侧面(镜面)11d”和“第4侧面(镜面)11e”)进行的光反射，通过上述元件面的光有时产生杂散光(多重反射光)等。

另外，以往的微镜阵列由于结构上的制约，能够用于成像的光量受限，所获得的成像(由观察者观察到的镜像)有可能较暗且不鲜明。此处存在改进的余地。

本发明是鉴于这种情况而做成的，其目的在于提供一种能够将被投影物的镜像高亮度且鲜明地进行投影的角反射器型的微镜阵列。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明的微镜阵列采用如下结构：该微镜阵列由平板状的基板和多个呈阵列状形成于该基板的单位光学元件构成，用于使配置于上述基板的一个面侧的被投影物的镜像成像在与上述一个面相反的那一侧的另一个面侧的空间内，其中，上述各个单位光学元件形成为与上述基板的表面垂直的凸状或凹状，夹着该凸状的单位光学元件或凹状的单位光学元件的侧面的角部的、相互正交的两个侧面形成为光反射面，这些光反射面分别形成为基板厚度方向的纵向长度相对于基板表面方向的横向宽度之比为1.5以上的长方形形状。

本发明人着眼于在以往的角反射器型的微镜阵列中、其投影图像有时变暗的情况。而且，推测上述“变暗”现象的原因会不会与供透过元件面的光一次次(合计两次)反射的镜面(光反射面)的面积有关，并反复进行了研究。其结果，本发明人发现，为了使光反射面的反射光量增大，该光反射面的纵横比(纵向长度(元件面厚度方向的长度)/横向宽度(元件面方向的宽度)之比〕是很重要的，将在以往的立方体状(纵横比大约为1)的角反射器中只有“1左右”的上述纵横比设为“1.5以上”而使其有效光反射面积增大，从而参与上述成像的光的量增加，能够获得亮度高且鲜明的成像(镜像)，获得了本发明。

另外，元件面为通过基板的厚度的中央部的、与基板的表面平行的假想面。

发明的效果

像以上那样，构成本发明的微镜阵列的各个单位光学元件是具有相互正交的两个光反射面(侧面)的角反射器，该各个光反射面形成为“基板厚度方向的纵向长度相对于基板表面方向的横向宽度之比”(即“纵横比”)为1.5以上的长方形形状。因此，本发明的微镜阵列的由上述各个光反射面(一次次)反射并透过到元件面的相反侧的光的量(参与成像的光的量)增加。由此，本发明的微镜阵列与以往的微镜阵列相比，能够形成亮度高且鲜明的被投影物的镜像。

另外，在本发明的微镜阵列中，也特别是上述单位光学元件的各个光反射面分别形成为基板厚度方向的纵向长度相对于基板表面方向的横向宽度之比为1.5～5.0的长方形形状的技术方案能够形成亮度更高且更鲜明的被投影物的镜像。

另外，在上述各个单位光学元件中的光反射面(侧面)的“基板厚度方向的纵向长度相对于基板表面方向的横向宽度之比”(纵横比)小于1.5的情况下，存在上述被投影物的镜像变暗且不鲜明的倾向。另外，若上述纵横比超过5.0，则发现存在难以获得亮度的提高效果的倾向。其理由虽不确定，但是推测是不是由于杂散光等的增加而使镜像变得不鲜明。而且，纵横比超过5.0时，存在形状加工较难、且加工精度易于降低的倾向。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式中的微镜阵列的表面结构的立体图。

图2是本发明的实施方式的微镜阵列中的单位光学元件的排列方向的局部剖视图。

图3是说明本发明的实施例中的镜像的亮度的测量方法的示意图。

图4是表示以往的微镜阵列的表面结构的立体图。

图5是说明微镜阵列的镜像的成像方式的示意图。

具体实施方式

接着，基于附图详细说明本发明的实施方式。

图1是表示本发明的实施方式中的微镜阵列的表面结构的立体图，图2是表示上述微镜阵列中的单位光学元件的侧面(截面)形状的、单位光学元件的排列方向的局部剖视图。

如图1所示，本实施方式中的微镜阵列(10)是由平板状的基板2和呈阵列状形成于该基板2(元件面P，单点划线)的一个表面(上表面)的多个凸状单位光学元件(长方体状的四棱柱1)构成的凸型角反射器阵列10。而且，在上述各个四棱柱1中，构成角反射器的一对(两个)光反射面(四棱柱1侧方的第1侧面1a、第2侧面1b)分别形成为“基板厚度方向的纵向长度(高度h)相对于基板表面方向的横向宽度(宽度w)之比”〔以下，称作“纵横比(h/w)”〕为1.5以上的长方形形状。这是本发明的凸型角反射器阵列10的特征。

进一步详细地说明上述凸型角反射器阵列10，如图2的剖视图所示，基板2与各个四棱柱1(长方体状)使用透明的树脂一体成形。作为在该阵列10中使用的树脂，选择例如丙烯酸系树脂等的、借助于热量等成形加工较容易(热塑性树脂)的、且成形后的光学元件的可见光透过率为80％以上的树脂。另外，在成形加工中，采用了借助于模具的铸造、在成形为平板状之后实施切削(切割等)的方法等，其中，优选采用切割。在此，切割是指使用了切割锯(切刀)的雕刻加工，优选采用特别是使用圆形的旋转刀来在基材上挖出直线状的槽的加工方法。

上述基板2是用于呈阵列状配置上述各个四棱柱1(单位光学元件)的支承体，通常是具有恒定厚度的平坦的板状(厚度0.5mm～10.0mm左右)，构成了光学元件的元件面P(在图中为单点划线)。另外，该基板2也如上所述由成形后的可见光透过率为80％以上的透明的树脂材料形成。

上述各个四棱柱1(单位光学元件)是自上述基板2的一个表面(上表面2a)呈凸状突出的、纵向较长的四棱柱状(筒状)，其各个侧面(第1侧面1a、第2侧面1b以及与此相对的第3侧面1d、第4侧面1e)形成为与上述基板2的表面(在图中为上表面2a)垂直或以接近于垂直的角度(90°±1.0°左右)立起。另外，该四棱柱1的各个侧面中的、构成一个角部(图中的角1c)的两个侧面(第1侧面1a和第2侧面1b)的外侧表面(和对应的内侧面)成为光反射性的镜面，该角1c成为角反射器。

另外，这些光反射性的侧面(上述第1侧面1a、第2侧面1b)为了提高光反射效率而期望通过研磨等镜面加工来提高平滑度。另外，为了提高上述第1侧面1a和第2侧面1b的光反射效率，也可以在其外侧表面上形成光反射性的覆膜(金属覆膜等)。

另外，如上所述，上述四棱柱1的各个光反射面(第1侧面1a和第2侧面1b)分别形成为上述纵横比(h/w)为1.5以上的长方形。而且，该第1侧面1a和第2侧面1b的高度h(即，上述四棱柱1的自基板2突出的突出量)通常设定为200μm以上，优选设定为250μm以上，进一步优选设定为300μm以上，通过扩大该第1侧面1a和第2侧面1b的面积，能够使上述四棱柱1(单位光学元件)更多地反射从下表面或上表面入射的光并使其向相反侧反射(透过)。另外，上述各个光反射面(第1侧面1a和第2侧面1b)的纵横比(h/w)通常期望为1.5以上，优选为2.0以上，进一步优选为2.5以上，但是若考虑到上述四棱柱1(单位光学元件)的加工性、加工精度等，则优选的是其最大值抑制为5.0以下。

另外，上述凸型角反射器阵列10中的各个四棱柱1的各侧面的宽度w通常设定为50μm～300μm，相邻的四棱柱1彼此的间隔s通常设定为10μm～200μm。另外，各个四棱柱1的各个侧面的宽度w一般是越窄越能够高精度地成像，但是由于参与光反射的侧面(镜面)的各自的面积也变小，因此存在整体能够反射的光量减少、且镜像的亮度也降低的倾向。

另外，未参与从上述凸型角反射器阵列10的下表面或上表面入射的光的反射的、各个四棱柱1的第3侧面1d、第4侧面1e在本例的情况下成为难以反射光的(未进行全反射的)粗糙面。另外，这些未参与光的反射的面(第3侧面1d、第4侧面1e)并不特别限定于粗糙面，也可以是镜面(光反射面)。

根据上述凸型角反射器阵列10，构成角反射器的上述第1侧面1a和第2侧面1b分别形成为纵横比(h/w)为1.5以上的光反射面(镜面)，从而由这些光反射面反射并向元件面P(单点划线)的相反侧透过的光的量增加。由此，本实施方式中的凸型角反射器阵列10与使用了立方体状(纵横比＝1)的单位光学元件的以往的凸型角反射器阵列(20)相比，能够使亮度高且鲜明的被投影物的镜像成像。

另外，在上述实施方式中，构成凸型角反射器阵列10的各个单位光学元件的形状示出了高度h为200μm以上且高度h/横向宽度w(纵横比)为1.5以上的四棱柱1(长方体状)的例子，但是本发明的各个单位光学元件只要是构成角反射器的第1侧面1a和第2侧面1b均使“纵横比(h/w)为1.5以上(或者1.5～5.0)”即可，未参与镜像的成像的其他面的形状能够任意地设定。例如，既可以将四棱柱1的上表面(顶面)形成为倾斜状并将上述第3侧面1d和第4侧面1e形成为梯形状，也可以将该第3侧面1d和第4侧面1e形成为合为一体而成的三棱柱状。

另外，在上述实施方式中，构成凸型角反射器阵列10的各个单位光学元件示出了在基板2上的全部区域中为同一形状〔纵横比(h/w)为1.5以上〕的例子，但是未必必须将上述基板2上的所有单位光学元件全部形成为相同的形状。例如，也可以形成为：使位于上述基板2的周缘部的一部分单位光学元件(四棱柱状)的纵横比(h/w)小于1.5的凸型角反射器阵列、使上述四棱柱状的单位光学元件(1)与上述三棱柱状的单位光学元件混合而成的凸型角反射器阵列；将各个单位光学元件的一部分或全部设为凹状角反射器而成的凹型角反射器阵列等。本发明也包括将基板(元件面)上的各个单位光学元件中的一部分形成为“具有纵横比(h/w)为1.5以上的一对光反射面(侧面)的角反射器”的形态。

接着，与比较例一起说明制作了上述凸型角反射器阵列的实施例。但是，本发明并不限定于以下实施例。

实施例

在以下实施例中，使用透明的压克力板来制作单位光学元件的“基板厚度方向的高度(h)相对于基板表面方向的横向宽度(w)之比”(纵横比)不同的、数种凸型角反射器阵列(实施例1～实施例7和比较例1)，比较了使用这些凸型角反射器阵列对显示于液晶显示器(LCD)的预定的图像进行投影时的镜像(空间图像)的明亮度(亮度)。另外，在本实施例中，上述单位光学元件为与基板垂直的四棱柱(长方体)，因此各个“光反射面的纵横比”与上述单位光学元件的纵横比相同，用h/w表示。

首先，准备压克力板，通过切割(切削)制作出实施例1～实施例7和比较例1的凸型角反射器阵列。

[压克力板]

丙烯酸系树脂制基板(平板)：50mm×50mm×厚度2mm

[凸型角反射器阵列的制作]

将上述压克力板粘贴并固定于粘合带(切割带：日东电工公司制，エレップ)，在该状态下，将上述压克力板固定体设置于切割装置(DISCO公司制)的卡盘台。然后，在后述的[切割条件]所示的条件下，呈预定的格子状雕刻(挖出)深度100μm～350μm的槽(根据实施例和比较例而不同的、相当于上述四棱柱的高度(突出量)和“光反射面的高度h”)，获得如图1所示的、实施例1～实施例7和比较例1的凸型角反射器阵列。所获得的凸型角反射器阵列的单位光学元件(光反射面)的“高度h”与“宽度w”以及纵横比(h/w)如后述的“表1”所示。

另外，将纵横比(h/w)为“1”的立方体状单位光学元件(相当于图4的以往例)作为“比较例1”的样品。另外，使用显微镜(基恩士公司制，VHX－200)和激光显微镜(基恩士公司制，VK－9700)对所制作的凸型角反射器阵列进行观察、测量后，各个单位光学元件(四棱柱)中的上表面的正方形的一边(相当于“光反射面的横向宽度w”)为100μm，相邻的各个单位光学元件之间的距离s为30μm。

[切割条件]

·切割刀片(DISCO公司制，NBC－Z2050)厚度25μm

·测杆转速：30000rpm

·台输送速度：3.0mm/sec

·冷却：喷淋式冷却器(水)1L/min，喷淋式喷嘴(水)0.5L/min

[镜像(空间图像)的明亮度测量]

将所获得的实施例1～实施例7和比较例1的凸型角反射器阵列(10)像图3那样水平设置，在其下侧的预定位置以倾斜45°的状态配置LCD。然后，使预定亮度的评价用图像(1cm×1cm见方的白色)显示于上述LCD，从距镜像50cm的上方以正对镜像朝向下方45°的角度测量利用元件面P(单点划线)投影在与上述LCD成面对称的空间位置的镜像(在图中用虚线表示)的明亮度(亮度)。另外，上述镜像的明亮度的测量在暗室中进行。另外，镜像的明亮度的测量使用了亮度计M(拓普康公司制，BM－9)。

[镜像(文字)的可视性评价]

紧接着上述“镜像的明亮度测量”，以相同的配置(参照图3)使预定亮度的评价用图像(在白色的背景上显示一个文字即2mm×2mm见方的黑色的文字“日东电工”明朝体)显示于上述LCD，从距镜像50cm的上方以正对镜像朝向下方45°的角度目视观察利用元件面P(单点划线)投影在与上述LCD成面对称的空间位置的镜像(在图中用虚线表示)。另外，上述镜像的可视性评价在室内荧光灯下(300勒克斯以上)进行。另外，在评价中，将能够目视确认文字的情况表示为“○”，将无法目视确认的情况表示为“×”。

将上述测量结果表示在以下“表1”中。

[表1]

根据上述“表1”的“明亮度(亮度)”结果能够确认，在单位光学元件(光反射面)的纵横比(h/w)为1(比较例1)至3(实施例1)的范围内，其纵横比越大(实施例5→实施例2、3、4→实施例1、6)，上述镜像的明亮度(亮度)越提高。另外，上述亮度为0.2cd/m²的比较例1无法识别图像中的文字，上述亮度为0.5cd/m²～0.9cd/m²的实施例4、5虽然能够识别图像中的文字，但是文字的颜色显示得较浅而成为难以猜读的状态。与此相对，上述亮度为1.1cd/m²的实施例2、3虽然文字的颜色稍微浅一些(对比度稍微低一些)，但却是文字的猜读较容易的状态，上述亮度为1.6cd/m²的实施例1、6是能够明确地猜读文字的状态。图像(文字)的可视性受周围的环境(明亮度)、分辨率所左右，因此不能一概而论，但是根据上述结果可知，作为镜像(投影像)的亮度(绝对值)，优选为0.5cd/m²以上，进一步优选为1.0cd/m²以上。

另外，为了在具有相同的“光反射面的宽度w”的实施例彼此之间容易地进行比较而将上述“表1”重新排列而成的表是以下“表2”、“表3”。

[表2]

[表3]

根据上述“表2”也可知，在具有相同的“光反射面的宽度w”的实施例彼此之间，其纵横比(h/w)越大，上述镜像的明亮度(亮度)越提高。另外，“表3”(宽度w＝150μm)在纵横比(h/w)为3以下的范围(实施例3、6)内，宽度(光反射面的宽度)比“表2”(宽度w＝100μm)的宽度(光反射面的宽度)宽，因此整体上亮度提高，可知与“表2”相同地纵横比(h/w)越大〔实施例3(h/w＝2.0)→实施例6(h/w＝2.67)〕，亮度越提高。但是，若着眼于“表3”中的实施例7(h/w＝4.0)的亮度比实施例6的亮度低(1.6→0.5)这一点，则认为也如上所述，若纵横比过大，则杂散光的增加等带来影响，亮度降低。因此，期望的是，上述纵横比(h/w)的最大值(优选范围)抑制在5.0以下。

另外，在上述实施方式和实施例中，示出了本发明中的具体的方式，上述实施方式和实施例只不过是单纯的例示，并不是限定性地进行解释。对于本领域技术人员而言显而易见的各种变形被认定为属于本发明的范围内。

产业上的可利用性

本发明的角反射器型的微镜阵列能够将被投影物的镜像高亮度且鲜明地进行投影，能够利用于各种显示装置、与空间图像连动地进行操作的输入装置、在空间内进行商品展示的投影装置等。

附图标记说明

1四棱柱；1a第1侧面；1b第2侧面；1c角；2基板。

Claims (1)

1.一种微镜阵列，其由平板状的基板和多个呈阵列状形成于该基板的单位光学元件构成，用于使配置于上述基板的一个面侧的被投影物的镜像成像在与上述一个面相反的那一侧的另一个面侧的空间内，其特征在于，

上述各个单位光学元件形成为与上述基板的表面垂直的凸状或凹状，夹着该上述各个单位光学元件的侧面的角部的、相互正交的两个侧面形成为光反射面，这些光反射面分别形成为基板厚度方向的纵向长度相对于基板表面方向的横向宽度之比为1.5～5.0的长方形形状。