JP2013167713A - 反射型面対称結像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造的な自由度が高く、かつ効率的に製造することができる反射型面対称結像素子の製造方法を提供する。
【解決手段】互いに直交する第１光反射面及び第２光反射面を有する微小ミラーユニットを格子状に配列した平板状の構造体で構成され、実体部からの光を前記第１光反射面及び前記第２光反射面にそれぞれ１回ずつ反射させて実像を結像させる反射型面対称結像素子を光造形法により製造する製造方法であって、所定の容器に収容された所定の深さの液体状の光硬化性樹脂にレーザ光を格子状に照射して、照射部分を硬化させ、前記所定の深さを有する格子状の壁面構造体を生成する構造体生成ステップと、前記壁面構造体の壁面を鏡面化し、前記第１光反射面及び前記第２光反射面を生成する光学素子生成ステップと、を有し、前記レーザ光の焦点深度は、前記所定の深さよりも深く、前記所定の深さの硬化を前記光造形法における１層分のレーザ照射により行う。
【選択図】図６

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。

従来、リアルな３次元空中映像を実現するために、様々な光学素子が開発されている。例えば、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開示されている。この空間映像表示装置で用いられ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。

しかしながら、上記の光学素子には非常に微細な加工技術が要求されるため、このような光学素子を用いた空間映像表示装置では製造コストがかかるという問題がある。そこで、本出願人は、製造コストがかからない反射型面対称結像素子を特許文献２において提案している。

図１〜図３は、特許文献２で提案された反射型面対称結像素子の構成を示す図である。図１は反射型面対称結像素子の外観図、図２は反射型面対称結像素子を構成する直方体材の外観図、図３は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合せを示す外観図である。

反射型面対称結像素子２は、図１及び図３に示すように、各々が多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た２つのミラーシート２１、２２を有する。

直方体材２０は、図２に示すように、長手部材であり、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また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。なお、長手方向に伸長した４面のうちの３面は光の透過または反射に使用する面であるため、滑らかな状態とする。直方体材２０はミラーシート２１、２２各々で１００本〜２００００本程度用いられる。

図２に示すように、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、それにより光反射面２３となっている。光反射膜２３はアルミや銀の蒸着あるいはスパッタなどによって形成される。

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の光反射面２３を形成した面とは反対側の対向面２４と別の直方体材２０の光反射面２３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２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の光反射面２３が第１光反射面となり、ミラーシート２２の光反射面２３が第２光反射面となる。

かかる反射型面対称結像素子２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（ディスプレイ部）１が反射型面対称結像素子２の一方の面側に配置され、反射型面対称結像素子２には物体１からの光が斜めに入射するようになっている。反射型面対称結像素子２の他方の面側には観察者の目Ｅが位置し、反射型面対称結像素子２について物体１と面対称となる空間位置に実像３、すなわち空間映像３が形成される。なお、図４における反射型面対称結像素子２の両端部である下端Ａ、上端Ａ’は、図１の反射型面対称結像素子２の対向角Ａ、Ａ’に対応している。より詳しくは、図５に示すように、物体１からの光は矢印Ｙ１の方向でミラーシート２２の光反射面２３（第２光反射面）に反射し、その反射光は矢印Ｙ２の方向でミラーシート２１の光反射面２３（第１光反射面）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むので、反射型面対称結像素子２の各光反射面２３でそれぞれ１回、つまり２回反射して鏡映像を作り出すようになっている。

ここで、特許文献１に示した、所定の基盤に複数の穴を備えて形成された反射型面対称結像素子の製造方法としては、例えば、特許文献３に示すように、平面基盤を金型で打ち抜いて製造する方法がある。

また、特許文献２に示した、２つのミラーシートを重ねて形成された反射型面対称結像素子の製造方法としては、例えば、特許文献４に示すように、複数の平板ミラーを積層した後、切断して製造する方法がある。

特開２００８−１５８１１４号公報 国際公開第ＷＯ２００９／１３６５７８号パンフレット 特開２０１０−０７２３０６号公報 特開２０１１−８１３００号公報

しかしながら、上記特許文献３及び４に示した製造方法は、同一形状の光学素子を多数製造する場合に適しているものであり、使用者の注文内容に応じた一品ものを効率的に製造する方法としては不適である。

本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、その課題の一例としては、構造的な自由度が高く、かつ効率的に製造することができる反射型面対称結像素子の製造方法を提供することにある。

上記の課題を達成するため、請求項１に係る発明は、互いに直交する第１光反射面及び第２光反射面を有する微小ミラーユニットを格子状に配列した平板状の構造体で構成され、実体部からの光を前記第１光反射面及び前記第２光反射面にそれぞれ１回ずつ反射させて実像を結像させる反射型面対称結像素子を光造形法により製造する製造方法であって、所定の容器に収容された所定の深さの液体状の光硬化性樹脂にレーザ光を格子状に照射して、照射部分を硬化させ、前記所定の深さを有する格子状の構造体を生成する構造体生成ステップと、前記壁面構造体の壁面を鏡面化し、前記第１光反射面及び前記第２光反射面を生成する光学素子生成ステップと、を有し、前記レーザ光の焦点深度は、前記所定の深さよりも深く、前記所定の深さの硬化を前記光造形法における１層分のレーザ照射により行うことを特徴とする。

反射型面対称結像素子の外観図である。 図１の反射型面対称結像素子を構成する直方体材の外観図である。 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合せを示す図である。 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の概略図である。 図１の反射型面対称結像素子において光が２回反射する様子を示す概要図である。 本発明の実施の形態に係る反射型面対称結像素子を製造する装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態に係る製造方法で製造された反射型面対称結像素子の外観図である。 本発明の実施の形態に係る光硬化性樹脂の露光工程を示す上面図である。 本発明の実施の形態に係る光硬化性樹脂の露光工程を示す上面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図６は、本発明の実施の形態に係る反射型面対称結像素子５を製造する製造装置１００の概略構成図である。本発明の実施の形態に係る反射型面対称結像素子５は、製造装置１００を用いた光造形法により製造される。

ここで、反射型面対称結像素子５は、特許文献１に開示された構造を有する光学素子である。詳しくは、図７に示すように、平板状の基盤５１からなり、基盤５１の厚み方向に貫通させた複数の穴５２を備え、各穴５２の内壁に直交する２つの鏡面要素５４ａ及び５４ｂから構成される単位光学素子５３を形成したものであって、その穴を通じて基盤５１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５４ａ及び５４ｂでそれぞれ１回ずつ反射させる光学素子である。

また、光造形法は、レーザ光を光硬化性樹脂の一点に集光させて硬化させ、水平方向（レーザ光に対して垂直な面方向）の断面を形成した後、垂直方向（レーザ光に対して平行な方向）に微小距離移動し、水平方向の断面を形成する工程を繰り返すことにより、三次元構造物を製造する方法である。例えば、レーザ光の焦点深度を２〜５μｍとすると、１ｍｍの高さを形成するには、垂直方向に数百の積層を経なければならない。

しかしながら、本実施の形態では、垂直方向の微小移動を行わない、つまり、一層分のレーザ照射により、三次元構造物を製造するようにしている。これは、本実施の形態では、三次元構造物が最終的には鏡面処理されて光学素子となること、垂直方向の形状が壁面であること、及び垂直方向の壁面を利用して上記鏡面要素５４ａ及び５４ｂを形成することから、垂直方向を複数の層からなる構造とした場合、壁面の表面に微細な凹凸が形成されてしまい、精度が求められる光学素子として適さないことに基づく。

そのため、本実施の形態では、レーザ光の焦点距離ｆを長くするとともに焦点深度ｆｄ（この焦点深度内はレーザ光のビームウェスト径は一定）が長くなるようにレーザ光を調整して、光造形法により製造される三次元構造物の垂直方向の高さが焦点深度よりも短くなるようにしている。なお、詳しくは後述するが、本実施形態において、光造形法により製造される三次元構造物の高さとは、反射型面対称結像素子５の基盤５１の厚みＤ（以下、反射型面対称結像素子５の厚み、鏡面要素５４ａ、５４ｂまたは単位光学素子５３の高さともいう；図７参照）である。

この結果、本実施の形態の光造形法では、積層せず一層分しかレーザ照射を行わないため、通常、数十〜数千回の繰返しを行う従来の光造形法に比べて処理時間が短いという効果がある。すなわち、多大な時間を要せずに、三次元構造物を製造することができる。

製造装置１００は、図６に示すように、レーザ光源１０１、コリメータ１０２及び集光レンズ１０３からなる光源部１０４を備える。レーザ光源１０１は、レーザダイオード（ＬＤ）を有し、図示しないＬＤ駆動装置の制御に基づいてレーザ光を出射する。コリメータ１０２は、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光を平行光とする。集光レンズ１０３は、平行光とされたレーザ光の焦点位置が、後述する容器１０６の底面位置となるような焦点距離ｆを有する長焦点レンズである。

本実施の形態では、一例として、レーザ光源１０１は、波長λ＝４０５ｎｍ、出力６０ｍＷのレーザ光を出射し、コリメータ１０２は、このレーザ光を、ガウシアン分布を有する直径ｂｒ＝０．７ｍｍの平行光とし、集光レンズ１０３の焦点距離ｆ＝１００ｍｍ、焦点位置におけるビームウェスト径ｂｗ＝７４μｍ、焦点深度ｆｄ＝２１ｍｍとして、以下説明する。すなわち、本実施の形態では、焦点深度ｆｄは、ビームウェスト径ｂｗの２８０倍以上に設定されている。

また、製造装置１００は、ＸＹステージ１０５及びＸＹステージ１０５上に載置される容器１０６を備える。ＸＹステージ１０５は、図示しない制御用コンピュータにより水平方向（図６に示すＸＹ方向）に移動可能となっている。容器１０６内には、光硬化性樹脂１０７が、反射型面対称結像素子５の厚みＤ（図７参照）と等しい高さまで入れられる。光硬化性樹脂１０７は、光を照射すると硬化する樹脂であり、最終的には反射型面対称結像素子５となる。本実施の形態では、低粘度の液体状の樹脂を用いるが、これに限定されず、ゲル状やフィルム状であってもよい。

本実施の形態では、一例として、光硬化性樹脂１０７の深さ、つまり光造形法により製造される反射型面対称結像素子５の厚みＤ＝１ｍｍとして、以下説明する。すなわち、本実施の形態では、焦点深度ｆｄは、反射型面対称結像素子５の厚みＤの２０倍以上に設定されている。

また、ＸＹステージ１０５の鉛直上方（図６に示すＺ方向）には、光源部１０４が設置され、レーザ光がＸＹステージ１０５に垂直に入射される。詳しくは、光源部１０４から出射されたレーザ光をＸＹステージ１０５上の光硬化性樹脂１０７に照射しながら、ＸＹステージ１０５を一定速度で移動させて、光硬化性樹脂１０７の露光を所望の形状に行う。

ここで、図８及び図９を用いて、光硬化性樹脂１０７に対するレーザ照射の工程、つまり光硬化性樹脂１０７の露光工程について説明する。本実施の形態では、レーザ光により露光された部分が反射型面対称結像素子５の基盤５１（穴５２以外の部分）となり、反射型面対称結像素子５は、図７に示すように、正方格子状の壁面構造（井桁構造ともいう）を有するので、光硬化性樹脂１０７の露光形状は、正方格子状となる。

まず、レーザ光を光硬化性樹脂１０７上の所定位置に合わせた後、Ｘステージを固定してＹステージを−Ｙ方向に距離ｌだけ平行移動させながらレーザ光の照射を行う。この結果、図８（ａ）に示すように、点Ｐから＋Ｙ方向に距離ｌだけ離れた点Ｑまで直線的に光硬化性樹脂１０７の露光が行われる。

次に、レーザ光の照射を中止し、Ｙステージを固定してＸステージを−Ｘ方向に距離ｍだけ平行移動した後、当該位置からＸステージを固定してＹステージを＋Ｙ方向に平行移動させながらレーザ光の照射を行う。この結果、図８（ｂ）に示すように、点Ｑから＋Ｘ方向に距離ｍ離れた点Ｒから−Ｙ方向に直線的に光硬化性樹脂１０７の露光が行われる。

このようにして、Ｙステージを固定してＸステージを−Ｘ方向に距離ｍだけ平行移動するたびに、Ｘステージを固定したままＹステージ±Ｙ方向に平行移動させながらのレーザ光照射を行うことにより、図８（ｃ）に示すように、Ｙ方向に平行な複数の直線状の露光模様が形成される。

次に、Ｙ方向の露光が終了すると、Ｘ方向とＹ方向の動作を入れ替えて、上記動作を行う。すなわち、レーザ光を光硬化性樹脂１０７の所定位置に合わせた後、Ｙステージを固定してＸステージを＋Ｘ方向に平行移動させながらレーザ光の照射を行う。この結果、図９（ａ）に示すように、点Ｓから−Ｘ方向に直線的に光硬化性樹脂１０７の露光が行われる。

点Ｑまで露光を行うと、レーザ光の照射を中止し、Ｘステージを固定してＹステージを＋Ｙ方向に距離ｍだけ平行移動した後、当該位置からＹステージを固定してＸステージを−Ｘ方向に平行移動させながらレーザ光の照射を行う。この結果、図９（ｂ）に示すように、点Ｑから−Ｙ方向に距離ｍ離れた点Ｔから＋Ｘ方向に直線的に光硬化性樹脂１０７の露光が行われる。

このようにして、Ｘステージを固定してＹステージを＋Ｙ方向に距離ｍだけ平行移動するたびに、Ｙステージを固定したままＸステージ±Ｘ方向に平行移動させながらのレーザ光照射を行うことにより、図９（ｃ）に示すように、Ｘ方向に平行な複数の直線状の露光模様が形成される。この結果、最終的には、Ｘ方向及びＹ方向それぞれのピッチが距離ｍの正方格子状の模様が形成される。ここで、距離ｍは、反射型面対称結像素子５の格子ピッチ（隣接する単位光学素子５３間の距離、隣接する鏡面要素５４ａ間の距離、隣接する鏡面要素５４ｂ間の距離）Ｗ（図７参照）に相当する。

次に、露光が終了すると、正方格子状に硬化した光硬化性樹脂（以下、光造形物ともいう）１０７を容器１０６から取り出し、光造形物１０７に対して洗浄や熱アニーリングなどの後処理を行う。なお、容器１０６の内側表面にシリコーンゴムやフッソ樹脂などで剥離処理したり、ポリエステルやＰＥＴフィルム表面をシリコンーン処理した剥離フィルムを容器１０６の内側表面に貼り付けたりするなどの剥離処理を行うことにより、光造形物１０７の取り出しを容易としてもよい。

そして最後に、井桁構造の光造形物１０７の表面全体を鏡面化する。鏡面化の方法としては、例えば、蒸着、スパッタ、無電解メッキなどが挙げられ、鏡面を形成する金属としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉなどを用いる。この結果、光造形物１０７の内壁部分に鏡面要素５４ａ及び５４ｂが形成される。ずなわち、図７に示す反射型面対称結像素子５が形成される。

本出願人は、上記特許文献２において、最適な光反射面２３の高さＤ（空間映像３０が最も明るく見える光反射面２３の高さ；図５参照）を開示している。特許文献２によれば、

ここで、ｎは、ミラーシート２１及び２２を構成する直方体材２０（反射型面対称結像素子２）の光学屈折率、Ｄ（ｎ）は、直方体材２０の光学屈折率がｎのときのミラーシート２１及び２２のそれぞれの厚み（光反射面２３の高さ）、Ｗは、ミラーシート２１及び２２に形成された光反射面２３の間隔（図５参照）、αは、反射型面対称結像素子２の板面の法線に対する観察方向の角度（図４参照）、Ｘは、反射型面対称結像素子２内における光線の上記法線に対する角度である。

この式を図７に示す反射型面対称結像素子５の場合に適用させると、ｎ＝１、α＝Ｘであるので、Ｘ＝４５度とした場合、上記式（１）及び（２）は、

となる。ここで、Ｄは、反射型面対称結像素子５の厚み、つまり、容器１０６に入れられた光硬化性樹脂１０７の高さであり、Ｗは、隣接する鏡面要素５４ａ及び５４ｂ間の間隔、つまり、上記距離ｍである。

本実施の形態では、上述したように一例として、Ｄ＝１ｍｍとしているので、空間映像の視認性を考慮すると、式（３）からＷ＝０．７５ｍｍとするのが好ましい。すなわち、本実施の形態では、０．７５ｍｍ（＝７５０μｍ）のピッチで上記正方格子状の露光が行われる。また、本実施の形態では、反射型面対称結像素子５の平板面の形状を、一辺１８０ｍｍの正方形状としているので、ｌ＝１８０ｍｍであり、Ｘ及びＹ方向の露光ラインは２４１本となる。

ここで、光硬化性樹脂１０７の感度を、一例として、１０００ｍＪ／ｃｍ^２とすると、レーザ光の出力が６０ｍＷ（レーザ光の照射エネルギーは６０ｍＪ／ｓｅｃ）であるから、ＸＹステージ１０５の送り速度を９０ｍｍ／ｓｅｃとすれば、この光硬化性樹脂１０７を硬化させることができる。

なお、ビームウェスト径ｂｗと、光硬化性樹脂１０７の硬化する線幅ｌｗとの関係について言えば、本実施の形態のレーザ光はガウシアン分布を持つことから、線幅ｌｗは、ビームウェスト径ｂｗの約７割程度となるようにＸＹステージ１０５の送り速度を調整することが好ましい。例えば、上述したように、ビームウェスト径ｂｗを７４μｍとした場合、線幅ｌｗは５０μｍが好ましい。

また、レーザ光は、短波長であるほどエネルギーが高く、光硬化性樹脂１０７を硬化させる時間を短縮できるが、３５０ｎｍ以下の波長を用いると光硬化性樹脂１０７の底まで届くレーザ光が減少してしまう。一方、４５０ｎｍ以上の波長を用いると光硬化性樹脂１０７の硬化に時間を要してしまう。そこで、本実施形態では、３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの間の波長を採用し、λ＝４０５ｎｍとした。

以上述べたように本実施の形態によれば、光造形法を用いて反射型面対称結像素子を製造するので、構造的な自由度が高く、かつ効率的に製造することができる反射型面対称結像素子の製造方法を提供することができる。すなわち、容器１０６に入れる光硬化性樹脂１０７の深さ及びＸＹステージ１０５のＸＹピッチを調整することにより、使用者の注文内容に応じた一品物の反射型面対称結像素子５を容易かつ迅速に製造することができる。

また、本実施の形態では、光造形法により三次元構造物を製造する方法であっても、積層せず一層分しかレーザ照射を行わないので、光学素子としての精度を維持することができるとともに、製造時間を短縮することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本発明の実施の形態に対して種々の変形や変更を施すことができ、そのような変形や変更を伴うものもまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１ 物体（ディスプレイ部）
２ 反射型面対称結像素子
３ 空間映像（実像）
５ 反射型面対称結像素子
２０ 直方体材
２１，２２ ミラーシート
２３ 光反射面
５１ 基盤
５２ 穴
５３ 単位光学素子
５４ａ、５４ｂ 鏡面要素
１００ 製造装置
１０１ レーザ光源
１０２ コリメータ
１０３ 集光レンズ
１０４ 光源部
１０５ ＸＹステージ
１０６ 容器
１０７ 光硬化性樹脂

Claims (5)

1. 互いに直交する第１光反射面及び第２光反射面を有する微小ミラーユニットを格子状に配列した平板状の構造体で構成され、実体部からの光を前記第１光反射面及び前記第２光反射面にそれぞれ１回ずつ反射させて実像を結像させる反射型面対称結像素子を光造形法により製造する製造方法であって、
   所定の容器に収容された所定の深さの液体状の光硬化性樹脂にレーザ光を格子状に照射して、照射部分を硬化させ、前記所定の深さを有する格子状の構造体を生成する構造体生成ステップと、
   前記構造体の壁面を鏡面化し、前記第１光反射面及び前記第２光反射面を生成する光学素子生成ステップと、
   を有し、
   前記レーザ光の焦点深度は、前記所定の深さよりも深く、前記所定の深さの硬化を前記光造形法における１層分のレーザ照射により行うことを特徴とする反射型面対称結像素子の製造方法。
2. 前記所定の深さをＤ、前記格子状に照射したレーザ光の照射間隔をＷとした場合、
   

   

   となるように前記構造体を生成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。
3. 前記レーザ光の波長は、３５０〜４５０ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載の反射型面対称結像素子の製造方法。
4. 前記構造体の壁面幅は、前記レーザ光のビームウェスト径の略７割程度となるように前記レーザ光の移動速度を調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の反射型面対称結像素子の製造方法。
5. 前記所定の容器の内側表面は剥離処理されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の反射型面対称結像素子の製造方法。

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