JP2007171514A - プリズムユニット及びプリズムユニットの製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】映像に影響を与えることなく、接着剤を用いて二つの光学基材をより強固に接合することである。
【解決手段】二つの光学基材が厚み方向に傾斜する接合面において接合されてなるプリズムユニットにおいて、前記接合面に前記二つの光学基材を組み合わせる方向と異なる方向に対向する方向、つまり、前記接合面と交差する方向に一対の凹部を形成し、前記一対の凹部に光硬化性を有する接着剤を充填する。
【選択図】図４

Description

本発明は、接合すべき二つの光学基材の厚み方向に傾斜された接合面間に光硬化型接着剤等の接着剤を充填し、当該接着剤を硬化させて前記二つの光学基材を接合して製造されるプリズムユニット及びその製造方法に関する。

近年、頭部に装着された表示装置の画面に映るビデオ映像やＰＣ（Personal Computer）からの映像を観るための頭部装着型映像表示装置（ＨＭＤ：Head Mounted Display）が開発されている。この頭部装着型映像表示装置は、表示した映像の光と外界からの光を眼に導いて、映像と外界の像を眼前の表示部に映し出す。このとき、広い視界を確保するために、映像を表示する表示部は装置に周辺部に配置され、表示部からの光を眼に導くための接眼光学系と、接眼光学系を保持する透明板が眼の前に配置される。

接眼光学系であるホログラム素子は、透明板の表面に貼り付けられるか、あるいは透明板を作製し、その接合面にホログラム素子をあらかじめ貼り付けておくことで実現されている。この構成では、表示部からの光を透明板の端部より導き入れ、対向する２つの表面で反射しながらホログラム素子へ導く。

図７は、ホログラムレンズ２００（プリズムユニット）の一例であり、当該ホログラムレンズ２００の内部には、表示ユニットから投射された映像光を回折反射して使用者の眼に導くためのホログラム素子２００が設けられている。このホログラム素子１００は、当該映像光を使用者の眼に導くことができる傾斜角度で成形された第１プリズムＬ１（第１光学基材）と第２プリズムＬ２（第２光学基材）との間の接合部１０６ａ上に形成される。また、第１プリズムＬ１は、第２プリズムＬ２と嵌合可能に形成され、その嵌合する接合部１０６ｂ及び１０６ｃは、ホログラムレンズ２００のレンズ面１０３及び１０４に対して傾斜して形成される。

このホログラムレンズ２００は、まず、第２プリズムＬ２との各接合部に、紫外線硬化樹脂のような光硬化型接着剤を充填し、ホログラム素子１００を挟み込むようにして、第１プリズムＬ１を第２プリズムＬ２に嵌合させて圧接した後、第１プリズムＬ１と第２プリズムＬ２との接合部１０６ａ〜１０６ｃを照射して接着剤を硬化させ、第１プリズムＬ１及び第２プリズムＬ２とを接合することにより製造される。

最近では、ホログラム素子と透明板の境界面に入射する外界からの光のうち、入射角がブリュースター角を越えるものを眼に向かう方向以外の方向に反射するように、眼に対する境界面の向きを設定するとともに、ホログラム素子や透明板と空気との境界面を同様に設定する技術が開示されている（特許文献１参照）。

この技術によれば、２つの透明板を接着させた後、一体化した透明板の正面及び後面に全面を覆う透明膜を形成する。このことにより、接着面で発生する段差をなくし、表面を一様な面に形成することができる。
特開２００２−１５６６００号公報

しかしながら、従来の技術では、２つの透明板（プリズム）が単に接着されているだけであるため、当該プリズムに対して衝撃等の大きな外力が加わることにより、一対のプリズムが容易に分離してしまうという問題があった。また、透明膜はフィルム状であるため、透明板に貼付する際に空気が入りやすく、表面に凹凸ができてしまうという問題があった。

本発明は、上述した課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、接着剤を用いて二つの光学基材をより強固に接合することである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、二つの光学基材が厚み方向に傾斜する接合面において接合されてなるプリズムユニットにおいて、前記接合面に前記二つの光学基材を組み合わせる方向と異なる方向に対向する一対の凹部が形成され、前記二つの光学基材の互いに向き合った接合面の間と前記一対の凹部とに接着剤が充填されていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記異なる方向は、前記接合面と交差する方向であることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記接着剤は光硬化性を有することを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の発明において、前記接着剤は、前記光学基材と略同一の色であると共に、前記光学基材と略同一の屈折率を有することを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れか一項に記載の発明において、前記一対の凹部は、前記接合面に複数形成されると共に、それぞれ一対の当該凹部の方向が相異なるように形成されることを特徴としている。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５の何れか一項に記載の発明において、前記凹部は、その一部が前記光学基材の正面又は背面に貫通していることを特徴としている。

請求項７に記載の発明は、二つの光学基材が厚み方向に傾斜する接合面において接合されてなるプリズムユニットの製造方法において、前記接合面に前記二つの光学基材を組み合わせる方向と異なる方向に対向する一対の凹部を形成し、二つの光学基材の互いに向き合った接合面の間と前記一対の凹部とに接着剤を充填して硬化することを特徴としている。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記異なる方向は、前記接合面と交差する方向であることを特徴としている。

請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載の発明において、前記接着剤は光硬化性を有することを特徴としている。

請求項１０に記載の発明は、請求項７から９の何れか一項に記載の発明において、前記接着剤は、前記光学基材と略同一の色であると共に、前記光学基材と略同一の屈折率を有することを特徴としている。

請求項１１に記載の発明は、請求項７から１０の何れか一項に記載の発明において、前記一対の凹部を、前記接合面に複数形成すると共に、それぞれ一対の当該凹部の方向が相異なるように形成することを特徴としている。

請求項１２に記載の発明は、請求項７から１１の何れか一項に記載の発明において、前記凹部は、その一部が前記光学基材の正面又は背面に貫通していることを特徴としている。

請求項１、２、７及び８に記載の発明によれば、二つの光学基材の固定が各接合面に塗布された接着剤の接着力だけでなく、各光学基材の組み合わせ方向と異なる方向、つまり、接合面と交差する方向に設けた凹部に充填して硬化した接着剤接着剤により連結させることにより、二つの光学基材をより強固に接合することが可能となる。

請求項３及び９に記載の発明によれば、接着剤が光硬化性を有することにより、光学基材を加熱することなく当該接着剤を硬化させることができ、生産効率をあげることができる。

請求項４及び１０に記載の発明によれば、接着剤が光学基材と略同一色であるだけでなく、略同一の屈折率を有することにより、光学基材同士の接合後に、接着剤の存在を目立たなくすることができ、当該接着剤が映像に影響を及ぼすという問題を回避できる。

請求項５及び１１に記載の発明によれば、各光学基材に複数の凹部を設け、当該凹部に接着剤を充填することにより二つの光学基材を接合させるため、プリズムユニットに様々な方向から力が加わったとしても、各光学基材が分離してしまうことを防ぐことができる。

請求項６及び１２に記載の発明によれば、接着剤を充填するための凹部の一部を正面又は背面に貫通させることにより、その貫通部から空気を排出することができ、凹部に空気が溜まることによる映像光への悪影響や、外観品位の低下を防止することが可能となる。

以下、図を参照して本実施形態について詳細に説明する。

図１に、ホログラムレンズ２００（プリズムユニット）の製造工程を示す。図に示すように、ホログラムレンズ２００の製造工程は、第１光学基材としての第１プリズムＬ１と、第２光学基材としての第２プリズムＬ２とを処置の形状に形成・成型するプリズム形成工程Ｓ１と、第１プリズムＬ１にホログラム素子１００を形成するホログラム形成工程Ｓ２と、第１プリズムＬ１と第２プリズムＬ２とを一体化する一体化工程Ｓ３とを含み、これらの工程を経て図７に示すホログラムレンズ２００が製造される。

次に、ホログラムレンズ２００の製造方法の各工程について、簡単に説明する。なお、ホログラムレンズ２００の面を境にして、眼鏡フレームを使用者が装着した際の眼がある方向を背面方向、その反対方向を正面方向とする。さらに、以下、ホログラムレンズ２００の上下方向をＹ方向、左右方向をＸ方向とし、第１プリズムＬ１及び第２プリズムＬ２を「プリズム」と総称する。

まず、プリズム形成工程Ｓ１について説明する。プリズム形成工程Ｓ１は、第１プリズムＬ１及び第２プリズムＬ２を図２に示すような形状に形成・成型し、第１プリズムＬ１の一端に傾斜面を形成する工程である。このプリズム形成工程Ｓ１は、射出圧縮成形工程、切削工程、研磨工程等の公知技術を含む。

第１プリズムＬ１及び第２プリズムＬ２には、光学用の透明性プラスチック等の透明樹脂を使用する。第１プリズムＬ１は、第２プリズムＬ２の凹欠部１０６に嵌合可能な形状に形成し、その下端にホログラム感材を貼り付けてホログラム素子１００に加工する傾斜面１０２ａを形成する。この傾斜面１０２ａは、上面１０２ｂ側から投射された表示ユニットからの映像光をホログラム素子１００を介して使用者の眼に導くことが可能な傾斜角度で形成される。

また、第１プリズムＬ１の外部形状の下方向及び両側面方向の面には、第２プリズムＬ２の凹欠部１０６に嵌合する際に接合する接合面が形成される。この接合面は、下方向の下接合面１０２ａと、正面方向に対して左側の左接合面１０２ｂと、右側の右接合面１０２ｃとからなり、それぞれの接合面が背面方向に対して開く傾斜を有する。

ホログラム形成工程Ｓ２は、第１プリズムＬ１の下接合面１０２ａにホログラム感材を貼り付け、ホログラム素子１００に形成する工程であり、積層シート形成工程、切断工程、第１剥離工程、貼り付け工程、第２剥離工程、露光工程、現像工程等からなる。積層シート形成工程では、一対の保護シートとの間にホログラム感材シートが互いに剥離可能に接着されて断面サンドイッチ状に形成された積層シートを形成する。

ホログラム感材は、ホログラム感光性組成物、色素組成物、発熱吸熱組成物等の化学組成物等とバインダーとを含んだものをゲル状シートに形成したものである。ホログラム感光性組成物は、感光性ハロゲン化銀、非感光性有機銀塩、光重合剤及び還元剤等を含むものからなり、また、ホログラム感材シートには、ホログラム感光性組成物及びバインダー等を含む。

このバインダーとしては、天然ポリマー、合成ポリマー及びコポリマー、その他シートを形成する媒体等が挙げられる。例えば、ポリエステル類、ポリウレタン類、フェノイキシ樹脂、ポリ塩化ビニリデン、ポリエポキシド類、ポリカーボネート類、ポリビニルアセテート類、セルロースエステル類、ポリアミド類がある。

積層シート形成工程において形成された積層シートを、下接合面１０２ａに合わせた大きさに切断し（切断工程）、その切断後の積層シートから一方の保護シートを剥離する（第１剥離工程）。そして、露出したホログラム感材を下接合面１０２上に貼り付けて（貼り付け工程）、残りの保護シートを剥離する（第２剥離工程）。次いで、下接合面１０２上に貼り付けられたホログラム感材に露光して（露光工程）、紫外線等を照射することで現像して（現像工程）、ホログラム素子１００を形成する。

一体化工程では、ホログラム形成工程Ｓ２においてホログラム素子１００が形成された第１プリズムＬ１を第２プリズムＬ２に組み合わせて一体化する工程である。この一体化工程は、図１に示すように、接着剤塗布工程Ｓ３０、プリズム部品接合工程Ｓ３１、事前硬化Ｓ３２などにより構成される。

接着剤塗布工程Ｓ３０では、図４に示すように第１プリズムＬ１と第２プリズムＬ２それぞれの各接合面と、当該接合面に形成された凹部とに接着剤ＡＤを塗布する工程である。より具体的には、第１プリズムＬ１の接合面に接着剤ＡＤを塗布すると共に、その接合面に形成された凹部に接着剤ＡＤを充填する。また、同様に、第２プリズムＬ２の接合面に接着剤ＡＤを塗布すると共に、その接合面に形成された凹部に接着剤ＡＤを充填する。

接着剤ＡＤとしては、第１プリズムＬ１及び第２プリズムＬ２の光学特性（例えば、光屈折率）と略同一の光学特性を有する光硬化型接着剤を用い、特に紫外線硬化型接着剤が好ましい。この光硬化型接着剤を用いるのは、プリズムを加熱することなく紫外線等の特定波長の光を照射することによって硬化すると共に、プリズムの屈折率と同等の屈折率を有するものとして選択することができるためである。なお、本実施形態では、光硬化型接着剤として紫外線硬化型接着剤を用いることとして以下、説明する。

この紫外線硬化型接着剤としては、例えば、Norland社製品NOAシリーズ又はEMI社製品OPTOCAST3400シリーズ等が挙げられる。また、重合性モノマーとして、ビニル系、アクリル系、又はメタクリル系等で分子内に少なくとも１つ以上二重結合を有するものである。具体的には単官能モノマーとしてアクリル酸、メタクリル酸の他にアクリル酸メチル、アクリル酸エチル等のアルキルアクリル酸エステル類、メタクリル酸メチル、メタクリル酸ブチル若しくはそれらのヒドロキシ化合物等を含むアルキルメタクリル酸エステル類、又はスチレンモノマー、アクリルニトリルモノマー等である。

また、多官能モノマーとしてエチレングリコールジメタクリレート等のアクリル系やジアリルフタレート等のアリル系等である。これらの多官能モノマーは、重合硬化過程で架橋構造が得られ接着部の耐久性や熱安定性を改良することができるものである。

紫外線硬化型接着剤には、第１プリズムＬ１及び第２プリズムＬ２のレンズ表面を侵食しにくいという利点と、その屈折率がアクリル系のポリメタクリル酸メチルやポリカーボネイト等のホログラムレンズ２００に用いられる材料の屈折率と略同一であるという利点とがある。これにより、ホログラムレンズ２００のレンズ面１０３及び１０４の美観を損ねず、更にシースルー性を保つことができる。

次に、図３（ａ）にホログラム素子内蔵レンズ２００を背面方向から見た図を示し、（ｂ）にーで切断したときの、斜視図の一例を示す。そして、図４には、ーで切断したときの断面図を示し、以下、本実施形態に係る第１プリズムＬ１と第２プリズムＬ２の接合方法について説明する。

図３（ａ）に映像光路Ｐを示す。第１プリズムＬ１と第２プリズムＬ２を接合することにより製造されるホログラムレンズ２００（プリズムユニット）は、シースルー型頭部装着ディスプレイの映像表示プリズムとして使用され、映像光路Ｐを通って映像を目に導く。従って、接合面の一部は映像光の反射面であるため、二つのプリズムの接合部は高品質である必要がある。図に示すように、第１プリズムＬ１と第２プリズムＬ２の接合は左右それぞれ２箇所で行う構成としたがこれに限定されない。左右それぞれ一箇所であってもよい。

図４（ａ）は、第１プリズムＬ１のＸＹ平面上における断面図の一例である。図に示すように、第１プリズムＬ１の両側面の右接合面１０２ｃと左接合面１０２ｂとが、背面方向に向かって開いて傾斜する傾斜面で形成される。

第２プリズムＬ２の中央付近には、第１プリズムＬ１の外形形状の接合面に対応する凹欠部１０６を形成する。この凹欠部１０６の内周には、第１プリズムＬ１の左接合面１０２ｂ、右接合面１０２ｃ、及び下接合面１０２ａのそれぞれに接合する左接合面１０５ｂ、右接合面１０５ｃ及び下接合面１０５ａが背面方向に対して開く傾斜を有して形成される。

本実施形態では、この第１プリズムＬ１の右接合面１０２ｃ及び左接合面１０２ｂのそれぞれの中央付近に、第２プリズムＬ２を組み合わせる方向と異なる方向に対向するように凹部を設け、当該凹部に接着剤ＡＤを充填する。この凹部は、第１プリズムＬ１の正面１０２ｆに繋がるように設けてもよい。繋がるように設けることにより、第１プリズムＬ１正面１０２ｆの貫通孔より空気を抜くことが可能となる。

次に図４（ｂ）に、第２プリズムＬ２のＸＹ平面上における断面図の一例を示す。図に示すように、第２プリズムＬ２も第１プリズムＬ１と同様に、右接合面１０５ｃ及び左接合面１０５ｂのそれぞれの中央付近に、第１プリズムＬ１を組み合わせる方向と異なる方向に対向するように凹部を設け、当該凹部に接着剤ＡＤを充填する。また、この凹部は正面１０５ｆに繋がるように設けてもよく、そのことにより空気を抜くことが可能となる。

上述したように、第１プリズムＬ１及び第２プリズムＬ２のそれぞれの接合面に当該凹部を設け、その凹部に接着剤ＡＤを充填すると、図４（ｃ）に示すように、第１プリズムＬ１又は第２プリズムＬ２の少なくとも一方を背面方向又は正面方向に移動させ、第２プリズムＬ２の凹欠部１０６に第１プリズムＬ１を嵌合させるようにして、第２プリズムＬ２の左接合面１０５ｂ、右接合面１０５ｃ及び下接合面１０５ａを、第１プリズムＬ１の左接合面１０２ｂ、右接合面１０２ｃ及び下接合面１０２ａそれぞれに接合させる。

第１プリズムＬ１及び第２プリズムＬ２を接合する工程を図４（ｄ）に示す。図に示すように、第１プリズムＬ１と第２プリズムＬ２を圧接する際には、それぞれの凹み部に流し込んだ接着剤ＡＤが丁度接触する構成となる。従って、第１プリズムＬ１の接着剤ＡＤと第２プリズムＬ２の接着剤ＡＤが繋がって棒状になり、第１プリズムＬ１と第２プリズムＬ２を強固に接着させる。

図５に、図４（ｄ）の第１プリズムＬ１の右接合面１０２ｃと第２プリズムＬ２の右接合面１０５ｃを圧接した接合面の拡大図を示す。図に示すように、第１プリズムＬ１の背面１０２ｅ及び第２プリズムＬ２の正面１０５ｆにそれぞれ空気を抜くための貫通孔Ａ２、Ａ１を設ける。この貫通孔Ａ１及びＡ２は、空気を抜くための孔であり、その径を微小に形成してもよい。この貫通孔Ａ１、Ａ２を設置しない場合の接合面における拡大図を図６に示す。図に示す構成でも、強固に２つのプリズムを固定することは可能である。

以上のように、本実施形態によれば、第１プリズムＬ１と第２プリズムＬ２の固定が接合面に塗布して接着剤ＡＤの接着力だけでなく、各プリズムの組み込み方向と異なる方向に設けた凹部に充填し硬化した接着剤ＡＤにより各プリズムが連結されることにより、当該プリズムがより強固に接合されたホログラムレンズを提供することが可能となる。従って、ホログラムレンズ２００に様々な方向から力がかかった場合でも、２つのプリズムが分離してしまうことを防止することができる。

さらに、接着剤ＡＤを充填するための凹部を映像光路Ｐから外れた正面及び背面以外の場所に設けることにより、当該凹部に充填された接着剤ＡＤが映像光へ与える影響を低減することができる。さらに、正面方向に対し、凹部を斜めに設けることにより、接合面の面積を広くすることができ、接着強度をより高めることが可能となる。また、この凹部の一部を正面又は背面に貫通させることにより、貫通孔Ａ１、Ａ２から空気を排出することができ、凹部に溜まる空気の影響で、映像が乱れてしまったり、外観品位が低下することを防止することが可能となる。

また、接着剤がプリズムと略同一色であるだけでなく、略同一の屈折率を有することにより、プリズム同士の接合後に、接着剤の存在を目立たなくすることができ、当該接着剤が映像に与える影響を低減できる。

ホログラムレンズの製造方法を説明するためのフローチャートである。 第１プリズム及び第２プリズムの斜視図の一例を示す図である。 ホログラムレンズの背面図及びＩ−Ｉで断面したときの斜視図の一例を示す図である。 本実施形態に係るプリズム接合方法を説明するための図である。 第１プリズム及び第２プリズムを接合した接合面の拡大図の一例を示す図である。 図５と異なる方法で接合した接合面の拡大図の一例を示す図である。 ホログラムレンズの斜視図の一例を示す図である。

符号の説明

１００ ホログラム素子
１０２ａ 傾斜面
１０２ｂ、１０５ｂ 左接合部
１０２ｃ、１０５ｃ 右接合部
１０３ レンズ面
１０４ レンズ面
１０６ 凹欠部
２００ ホログラムレンズ
ＡＤ 接着剤
Ａ１、Ａ２ 貫通孔
Ｌ１ 第１プリズム
Ｌ２ 第２プリズム
Ｓ１ プリズム形成工程
Ｓ２ ホログラム形成工程
Ｓ３ 一体化工程
Ｓ３０ 接着剤塗布工程
Ｓ３１ プリズム部品接合工程
Ｓ３２ 事前硬化工程

Claims (12)

1. 二つの光学基材が厚み方向に傾斜する接合面において接合されてなるプリズムユニットにおいて、
   前記接合面に前記二つの光学基材を組み合わせる方向と異なる方向に対向する一対の凹部が形成され、前記二つの光学基材の互いに向き合った接合面の間と前記一対の凹部とに接着剤が充填されていることを特徴とするプリズムユニット。
2. 前記異なる方向は、前記接合面と交差する方向であることを特徴とする請求項１に記載のプリズムユニット。
3. 前記接着剤は光硬化性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のプリズムユニット。
4. 前記接着剤は、前記光学基材と略同一の色であると共に、前記光学基材と略同一の屈折率を有することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のプリズムユニット。
5. 前記一対の凹部は、前記接合面に複数形成されると共に、それぞれ一対の当該凹部の方向が相異なるように形成されることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のプリズムユニット。
6. 前記凹部は、その一部が前記光学基材の正面又は背面に貫通していることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載のプリズムユニット。
7. 二つの光学基材が厚み方向に傾斜する接合面において接合されてなるプリズムユニットの製造方法において、
   前記接合面に前記二つの光学基材を組み合わせる方向と異なる方向に対向する一対の凹部を形成し、二つの光学基材の互いに向き合った接合面の間と前記一対の凹部とに接着剤を充填して硬化することを特徴とするプリズムユニットの製造方法。
8. 前記異なる方向は、前記接合面と交差する方向であることを特徴とする請求項７に記載のプリズムユニットの製造方法。
9. 前記接着剤は光硬化性を有することを特徴とする請求項７又は８に記載のプリズムユニットの製造方法。
10. 前記接着剤は、前記光学基材と略同一の色であると共に、前記光学基材と略同一の屈折率を有することを特徴とする請求項７から９の何れか一項に記載のプリズムユニットの製造方法。
11. 前記一対の凹部を、前記接合面に複数形成すると共に、それぞれ一対の当該凹部の方向が相異なるように形成することを特徴とする請求項７から１０の何れか一項に記載のプリズムユニットの製造方法。
12. 前記凹部は、その一部が前記光学基材の正面又は背面に貫通していることを特徴とする請求項７から１１の何れか一項に記載のプリズムユニットの製造方法。

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