JP2012128456A - 反射型面対称結像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 空間映像表示装置を構成する主要部分品である反射型面対称結像素子を高精度で単純かつ効率的に製造することができる製造方法を提供する。
【解決手段】 複数の平板ミラーをその光反射主面を同一方向に向けて積層して複数の平板ミラーを固着させることにより平行ミラーブロックを形成し、平行ミラーブロックを複数の平板ミラーの光反射主面に対して垂直となる方向に等間隔で切断して複数の長手光反射面が平行に配列された少なくとも２つのミラーシートを形成し、２つのミラーシートのうちの一方のミラーシートの長手光反射面と他方のミラーシートの長手光反射面とが直交するように２つのミラーシートを貼り合わせて反射型面対称結像素子を作成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、空間中に映像を表示する空間映像表示装置に用いられる反射型面対称結像素子の製造方法に関する。

特許文献１には反射型面対称結像素子を用いてその素子の一方側に置かれた被投影物である物体の像を素子の反対側の面対称となる位置に結像させる空間映像表示装置が示されている。この空間映像表示装置で用いられている反射型面対称結像素子は、所定の基盤を厚み方向に貫通させた複数の穴を備え、各穴の内壁に直交する２つの鏡面要素から構成される単位光学素子を形成したものであって、その穴を通じて基盤の一方の面方向から他方の面方向へ光が透過する際に、２つの鏡面要素でそれぞれ１回ずつ反射させるものである。被投影物から発せられた光は反射型面対称結像素子の単位光学素子を通過する際に２つの鏡面要素の一方で反射した後、鏡面で反射して反射光となり、その反射光が更に単位光学素子の２つの鏡面要素の他方で反射して、被投影物を仮想鏡に映した位置に結像することになる。

本出願人は反射型面対称結像素子として図１に示すような構成を有するものをＰＣＴ／ＪＰ２００９／０５８３９０において提案している。図１の反射型面対称結像素子１は、各々が２つのミラーシート２１，２２を有する。ミラーシート２１，２２各々は図２に示すように同数の棒状の直方体材２０を並列に密着させることにより形成される。

直方体材２０は、長手方向に垂直な方向、すなわち短手方向の四角形の断面の一辺が数百μｍないし数ｃｍ前後の透明なアクリルに代表されるプラスチック又はガラスの棒からなる。長さは投影する画像の大きさによって変化するが、数十mm 〜数ｍ程度である。直方体材２０はシート部２１，２２各々で１００本〜２００００本程度用いられる。

また、直方体材２０の長手方向に伸長した１面には光反射膜２３が形成される。光反射膜２３はアルミや銀の蒸着或いはスパッタなどによって形成される。その光反射膜２３を形成した面とは反対側の面には光吸収膜２４が形成され、それにより光吸収面としている。光吸収膜２４はつや消しの黒塗料などを用いたり、黒色の薄いシートを密着させて形成しても良い。

このような複数の直方体材２０について、１つの直方体材２０の光吸収膜面と別の直方体材２０の光反射膜面を密着させてミラーシート２１，２２が形成される。ミラーシート２１，２２は、図３に示すように、直方体材２０の並列方向が交差するようにいずれか一方を９０度回転させた状態で貼り合わせられ、それによって反射型面対称結像素子１が形成される。ミラーシート２１の各直方体材２０とミラーシート２２の各直方体材２０とが交差する部分が微小ミラーユニット（単位光学素子）を構成し、各微小ミラーユニットのミラーシート２１の光反射膜面が第１光反射面であり、ミラーシート２２の光反射膜面が第２光反射面である。

かかる反射型面対称結像素子１を用いた空間映像表示装置においては、図４に示すように、物体２が反射型面対称結像素子１の一方の面側に配置され、反射型面対称結像素子１には物体２からの光が斜めに入射するようにされる。反射型面対称結像素子１の他方の面側に観察者の目Ｅが位置し、反射型面対称結像素子１について物体２と面対称となる空間位置に実像３、すなわち空間映像が形成される。図４における反射型面対称結像素子１１，１２各々の両端部Ａ，Ｂは図１の反射型面対称結像素子１の対向角Ａ，Ｂに対応している。

特開２００８−１５８１１４号公報

しかしながら、上記の反射型面対称結像素子は平板状のミラーを設計値により求めた幅で細かく裁断し、得られた長手の直方体材を等間隔で多数並べて樹脂又は接着剤で固定する方法をとっているため製造工程数が多くかつ製造工程において光学精度を確保するために手間がかかるという問題点がある。

本発明が解決しようとする課題には、上記の問題点が一例として挙げられ、空間映像表示装置を構成する主要部分品である反射型面対称結像素子を高精度で単純かつ効率的に製造することができる製造方法を提供することが本発明の目的である。

本発明の第一の態様の反射型面対称結像素子の製造方法は、直交する第１及び第２光反射面を有する微小ミラーユニットがマトリクス状に配列された平板状の構造体からなり、入射光を前記第１及び第２光反射面により２回反射する反射型面対称結像素子の製造方法であって、複数の平板ミラーをその光反射主面を同一方向に向けて積層して前記複数の平板ミラーを固着させることにより平行ミラーブロックを形成する積層工程と、前記平行ミラーブロックを前記複数の平板ミラーの光反射主面に対して垂直となる方向に等間隔で切断して複数の長手光反射面が平行に配列された少なくとも２つのミラーシートを形成する切断工程と、前記２つのミラーシートのうちの一方のミラーシートの長手光反射面と他方のミラーシートの長手光反射面とが直交するように前記２つのミラーシートを貼り合わせて前記反射型面対称結像素子を作成する貼り合わせ工程と、を備え、前記一方のミラーシートの長手光反射面が前記第１光反射面となり、他方のミラーシートの長手光反射面が前記第２光反射面となることを特徴としている。

本発明の第二の態様の反射型面対称結像素子の製造方法は、直交する第１及び第２光反射面を有する微小ミラーユニットがマトリクス状に配列された平板状の構造体からなり、入射光を前記第１及び第２光反射面により２回反射する反射型面対称結像素子の製造方法であって、複数の平板ミラーをその光反射主面を同一方向に向けて積層して前記複数の平板ミラーを固着させることにより平行ミラーブロックを形成する第１積層工程と、前記平行ミラーブロックを前記複数の平板ミラー各々の光反射主面に対して垂直となる方向に第１所定の厚さ間隔で切断して複数の長手光反射面が平行に配列された複数のミラーシートを作成する第１切断工程と、前記複数のミラーシート各々のいずれか一方の主面に光反射膜を形成する光反射膜形成工程と、前記複数のミラーシートをその光反射膜形成主面を同一方向に向けて積層して前記複数のミラーシートを固着させることにより直交ミラーブロックを形成する第２積層工程と、前記複数のミラーシート各々が有する前記複数の長手光反射面及び前記光反射膜形成主面に対して垂直となる方向に前記直交ミラーブロックを第２所定の厚さ間隔で切断して前記微小ミラーユニット毎に直交する前記第１及び第２光反射面を有する前記反射型面対称結像素子を作成する第２切断工程と、を備えることを特徴としている。

本発明の第一の態様の反射型面対称結像素子の製造方法によれば、複数の平板ミラーを積層して平行ミラーブロックを形成してからそれを薄く切断して少なくとも２つのミラーシートを作り出すので、従来の製造方法に比して手間がかからず、高精度の反射型面対称結像素子を短時間で量産することができる。また、各反射型面対称結像素子の光学精度の均一化を図ることができる。

本発明の第二の態様の反射型面対称結像素子の製造方法によれば、複数の平板ミラーを積層して平行ミラーブロックを形成してからそれを薄く切断して複数のミラーシートを作り出し、そのミラーシート各々の一方の主面に光反射膜を形成してそれらを積層して直交ミラーブロックを形成してからそれを薄く切断して反射型面対称結像素子を作り出すので、従来の製造方法に比して手間がかからず、高精度の反射型面対称結像素子を短時間で量産することができる。また、各反射型面対称結像素子の光学精度の均一化をより図ることができる。

反射型面対称結像素子を示す図である。 図１の反射型面対称結像素子を構成する各直方体材を示す図である。 図１の反射型面対称結像素子を形成する２つのミラーシートの組み合わせを示す図である。 図１の反射型面対称結像素子を用いた空間映像表示装置の光学系を示す図である。 本発明の反射型面対称結像素子の製造方法を示す図である。 図５の反射型面対称結像素子における表示光の２回反射を示す図である。 本発明の反射型面対称結像素子の製造方法を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図５（ａ）〜（ｅ）本発明の第一の態様の反射型面対称結像素子の製造方法を示している。この製造方法においては、先ず、複数の平板ミラー３１が準備される。平板ミラー３１は図５（ａ）に示すように平板状であり、厚さＷを有する。平面ミラー３１の本体はアクリル等の透明プラスチック板又はガラス板からなる。平面ミラー３１の両主面のうちの一方の主面は光反射膜の形成によって光反射主面３１ａとされている。光反射主面３１ａは平板ミラー３１の本体側からの光を反射するようにされている。

平板ミラー３１は図５（ｂ）に示すように光反射主面３１ａを同一方向（例えば、図５（ｂ）の上方向）に向けて積層される（積層工程）。その平板ミラー３１の積層は樹脂又は接着剤（図示せず）によって固定される。或いは、光反射主面を形成した面とは反対側の主面に、錫、銀、アルミ等の金属膜を蒸着等の方法により予め形成しておき、平板ミラー同士を半田付け、ロウ付け等の接合技術を用いた平面接合により固定しても良い。この積層工程により平行ミラーブロック３２が形成される。

次に、平行ミラーブロック３２は図５（ｃ）に示すようにワイヤーソー３３によって矢印Ｃの方向に切断される（切断工程）。切断幅は上記の厚さＤに等しくされ、その切断幅Ｄで繰り返し切断が行われる。切断幅Ｄで切断された片が図５（ｄ）に示すミラーシート３４である。ミラーシート３４は同一形状の複数の長手部材３４ａが密着されており、そのため複数の長手光反射面が平行に配置された構造である。

なお、平行ミラーブロック３２の切断後、切断面の表面粗さを改善するために精密研磨などを行う場合の切断幅は、上記の厚さＤに精密研磨による削りしろを加えた幅とし、研磨後のミラーシート３４の厚さがＤとなるようにする。また、ミラーシート３４の切断面の縦横がほぼ等しくなるように積層工程における平面ミラー３１の積層数を定めることが望ましい。

ワイヤーソー３３はダイヤモンドが粒子化された砥石を金属又は樹脂製のワイヤに付着又は供給させて上記の切断を行う。

複数のミラーシート３４が得られると、それらのうちからいずれか２つのミラーシート３５，３６が選択される。その２つのミラーシート３５，３６は図５（ｅ）に示すようにそのいずれか一方を９０度回転させた状態で接着剤（図示せず）によって貼り合わされる（貼り合わせ工程）。これにより反射型面対称結像素子３７が形成される。ミラーシート３５の長手光反射面が第１光反射面３５ａをなし、ミラーシート３６の長手光反射面が第２光反射面３６ａをなす。ミラーシート３５を構成する各長手部材とミラーシート３６を構成する各長手部材とが交差する部分が微小ミラーユニット（単位光学素子）を構成し、微小ミラーユニット毎に第１光反射面３５ａと第２光反射面３６ａとは互いに直交する関係にある。

かかる反射型面対称結像素子３７においては、図６に示すように、入射光は矢印Ｙ１の方向でミラーシート３５の第１光反射面３５ａに反射し、その反射光は矢印Ｙ２の方向でミラーシート３６の第２光反射面３６ａに反射し、その反射光は矢印Ｙ３の方向で観察者に向けて進み、このように２回反射させて鏡映像を作り出すことが行われる。

反射型面対称結像素子３７の法線に対する観察方向の角度をθ（図４参照）、ミラーシート３５，３６の光学屈折率をｎとすると、上記の切断幅である厚みＤは、

の如く表すことができる。Ｘは反射型面対称結像素子３７の中での法線に対する光線軸の傾き角である。各値の例としては次の通りである。
θ＝６０度、Ｗ=１mm、ｎ＝１.５の場合には Ｄは約２.０mmとなる。
θ＝４５度、Ｗ=１mm、ｎ＝１.５の場合には Ｄは約２.６mmとなる。
θ＝３０度、Ｗ=１mm、ｎ＝１.５の場合には Ｄは約４.０mmとなる。

このように本願第１の発明の実施例の製造方法によれば、先ず、平板ミラー３１を積層して平行ミラーブロック３２を形成してからそれを薄く切断してミラーシート３４を作り出すので、従来の製造方法に比して手間がかからず、高精度の反射型面対称結像素子を短時間で量産することができる。また、各反射型面対称結像素子の光学精度の均一化を図ることができる。

図７（ａ）〜（ｇ）は本発明の第二の態様に係る発明の反射型面対称結像素子の製造方法を示している。この製造方法においては、図７（ａ）〜図７（ｄ）の平板ミラー３１からミラーシート３４を作り出すまでの第１積層工程及び第１切断工程を含む部分は第１の実施例の図５（ａ）〜図５（ｄ）の部分と同一であり、同一符号が付けられている。よって、この部分の説明は省略される。なお、平板ミラー３１の厚さＷとミラーシート３４の厚さＤとは等しくされる。

平行ミラーブロック３２の切断の結果、複数のミラーシート３４が得られると、図７（ｅ）に示すように、ミラーシート３４各々の両切断面（両主面）のうちの一方の切断面には光反射膜が形成される（反射膜形成工程）。その一方の切断面は光反射膜の形成により光反射面３４ｂ（光反射膜形成主面）となる。光反射面３４ｂはミラーシート３４の本体（プラスチック又はガラス）側からの光を反射するようにされている。この時、光反射膜の形成前に切断面の表面粗さを改善するために鏡面研磨（表面粗さとしては数十ナノメートル以下）することが望ましい。研磨は可視光波長領域において反射像に歪が生じないレベルまで行われる。

光反射膜３４ｂはアルミや銀の蒸着、スパッタ膜、或いは銀等の金属反射膜によって形成されるが、金属以外の光反射膜でも良い。

次に、ミラーシート３４は図７（ｆ）に示すように光反射面３４ｂを同一方向（例えば、上方向）に向けて積層される（第２積層工程）。そのミラーシート３４の積層は樹脂又は接着剤によって固定される。或いは、光反射面３４ｂとは反対側の面にも、錫、銀、アルミ等の金属膜を蒸着等の方法により形成し、平板ミラー同士を半田付け、ロウ付け等の接合技術を用いた平面接合により固定しても良い。この第２積層工程により、直交ミラーブロック４１が形成される。

そして、直交ミラーブロック４１は図７（ｆ）に示すようにワイヤーソー４２によって光反射面３４ｂ及び上記の長手部材３４ａの複数の長手光反射面各々に対して垂直な方向（矢印Ｆの方向）に等間隔で切断される（第２切断工程）。切断幅は上記の式（１）による厚さＤと同様に定められる。なお、直交ミラーブロック４１の切断後、切断面の表面粗さを改善するために精密研磨などを行う場合、直交ミラーブロック４１の切断幅は、上記の厚さＤに精密研磨による削りしろを加えた幅とし、研磨後の、直交ミラーブロック４１の厚さがＤとなるようにする。図７（ｇ）に示すように、切断された片が反射型面対称結像素子４３である。反射型面対称結像素子４３においてはほぼ立方体状の微小ミラーユニット（単位光学素子）４３ａがマトリックス状に配置される。微小ミラーユニット４３ａでは光反射面３１ａのうちの切断された一部分が第１光反射面となり、光反射面３４ｂのうちの切断された一部分が第２光反射面となる。また、微小ミラーユニット４３ａ毎に第１光反射面と第２光反射面とは互いに直交する関係にある。

このように本願第２の発明の実施例に示した製造方法によれば、先ず、平板ミラー３１を積層して平行ミラーブロック３２を形成してからそれを薄く切断してミラーシート３４を作り出し、そのミラーシート３４各々に光反射膜を形成してそれらを積層して直交ミラーブロック４１を形成してからそれを薄く切断して反射型面対称結像素子４３を作り出すので、従来の製造方法に比して手間がかからず、高精度の反射型面対称結像素子を短時間で量産することができる。また、各反射型面対称結像素子の光学精度の均一化をより図ることができる。

なお、上記した各実施例においては、平行ミラーブロック３２及び直交ミラーブロック４１の切断をワイヤーソーで行っているが、これに限らず、バンドソー（帯状ノコギリ）、ダイシングブレード或いはのこぎり等の切断手段を用いても良い。

１，３７，４３ 反射型面対称結像素子
２１，２２，３４，３５，３６ ミラーシート
３１ 平板ミラー
３２ 平行ミラーブロック
３３，４２ ワイヤーソー
４１ 直交ミラーブロック

Claims (5)

1. 直交する第１及び第２光反射面を有する微小ミラーユニットがマトリクス状に配列された平板状の構造体からなり、入射光を前記第１及び第２光反射面により２回反射する反射型面対称結像素子の製造方法であって、
   複数の平板ミラーをその光反射主面を同一方向に向けて積層して前記複数の平板ミラーを固着させることにより平行ミラーブロックを形成する第１積層工程と、
   前記平行ミラーブロックを前記複数の平板ミラー各々の光反射主面に対して垂直となる方向に第１所定の厚さ間隔で切断して複数の長手光反射面が平行に配列された複数のミラーシートを作成する第１切断工程と、
   前記複数のミラーシート各々のいずれか一方の主面に光反射膜を形成する光反射膜形成工程と、
   前記複数のミラーシートをその光反射膜形成主面を同一方向に向けて積層して前記複数のミラーシートを固着させることにより直交ミラーブロックを形成する第２積層工程と、
   前記複数のミラーシート各々が有する前記複数の長手光反射面及び前記光反射膜形成主面に対して垂直となる方向に前記直交ミラーブロックを第２所定の厚さ間隔で切断して前記微小ミラーユニット毎に直交する前記第１及び第２光反射面を有する前記反射型面対称結像素子を作成する第２切断工程と、を備えることを特徴とする反射型面対称結像素子の製造方法。
2. 前記平板ミラーの厚さと前記第１所定の厚さとは互いに等しいことを特徴とする請求項１記載の反射型面対称結像素子の製造方法。
3. 前記光反射膜形成工程において、前記複数のミラーシート各々の前記一方の主面を可視光波長領域において反射像に歪が生じないレベルに研磨を行うことを特徴とする請求項１記載の反射型面対称結像素子の製造方法。
4. 前記反射型面対称結像素子の法線に対する観察方向の角度をθ、前記平板ミラーの厚みをＷ、前記ミラーシートの光学屈折率をｎ、前記反射型面対称結像素子の中での法線に対する光線軸の傾き角をＸとすると、等間隔の仕上げ研磨による削りしろを含まない前記第２所定の厚さＤは、
   

   

   のように表されることを特徴とする請求項２記載の反射型面対称結像素子の製造方法。
5. 前記第１積層工程において、前記複数の平板ミラー各々の前記光反射主面とは反対側の主面には、金属膜を予め形成しておき、前記平板ミラー同士を平面接合により固定し、前記第２積層工程において、前記複数のミラーシート各々の前記光反射膜形成主面とは反対側の主面には、金属膜を形成し、前記ミラーシート同士を平面接合により固定することを特徴とする請求項１記載の反射型面対称結像素子の製造方法。

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