JP2017161733A - 結像光学素子及び空中表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた品質の空中画像を得ることができる結像光学素子等を提供する。【解決手段】結像光学素子２０は、透光性を有する基板２１と、基板２１の上に形成され、二次元的に区画された複数の開口部２２ａを構成する隔壁２２とを備え、複数の開口部２２ａの各々の内面には、互いに交差する２つの反射面が形成され、隔壁２２の少なくとも一部には、遮光部材２２ｂが含まれている。【選択図】図１１

Description

本発明は、結像光学素子及びこれを備える空中表示装置に関する。

従来、ディスプレイに表示された２次元画像を空中画像として空中に表示することができる空中表示装置が提案されている（例えば特許文献１、２）。

空中画像表示装置では、ディスプレイに表示された画像から放たれる光を結像光学素子によって空中に結像させることで空中に画像（空中画像）を表示している。

特開２００３−９８４７９号公報 特開２０１５−２２５２８７号公報

しかしながら、従来の空中表示装置に用いられる結像光学素子では、迷光によって空中画像の品質が低下するという課題がある。

本発明は、優れた品質の空中画像を得ることができる結像光学素子及び空中表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る結像光学素子の一態様は、透光性を有する基板と、前記基板の上に形成され、二次元的に区画された複数の開口部を構成する隔壁とを備え、前記複数の開口部の各々の内面には、互いに交差する２つの反射面が形成され、前記隔壁の少なくとも一部には、遮光部材が含まれている。

また、本発明に係る空中表示装置の一態様は、上記の結像光学素子と、画像を表示する画像表示部とを備え、結像光学素子は、前記画像表示部に表示された画像を空中画像として空中に結像させる。

本発明によれば、優れた品質の空中画像を得ることができる。

実施の形態１に係る空中表示装置をキッチンに適用したときの適用例を示す図である。 実施の形態１に係る空中表示装置をキッチンに適用したときの適用例を示す図である。 実施の形態１に係る空中表示装置の原理を説明するための図である。 実施の形態１に係る空中表示装置の外観図である。 実施の形態１に係る結像光学素子を模式的に示す視図である。 図５の破線で囲まれる領域ＶＩを拡大して示す実施の形態１に係る結像光学素子の一部拡大断面斜視図である。 実施の形態１に係る結像光学素子における単位素子の拡大斜視図である。 図５におけるVIII−VIII線における実施の形態１に係る結像光学素子の断面図である。 実施の形態１に係る結像光学素子の製造方法を説明するための図である。 比較例の結像光学素子の拡大断面図である。 実施の形態１に係る結像光学素子の拡大断面図ある。 ブラックレジストを用いて隔壁を形成した場合の課題を説明するための図である。 実施の形態２に係る結像光学素子の拡大断面図である。 実施の形態２に係る結像光学素子の製造方法における隔壁の形成工程を説明するための図である。 実施の形態２に係る結像光学素子を製造する際に発生しうる課題を説明するための図である。 実施の形態２の変形例に係る結像光学素子の拡大断面図である。 実施の形態３に係る結像光学素子の拡大断面図である。 実施の形態３の変形例１に係る結像光学素子の構成を示す図である。 実施の形態３に係る結像光学素子の隔壁の形成工程の一例を示す図である。 実施の形態３の変形例１に係る結像光学素子の他の構成を示す図である。 変形例１に係る空中表示装置の外観図である。 変形例２に係る空中表示装置の模式断面図である。 変形例３に係る空中表示装置をキッチンに適用したときの適用例を示す図である。 変形例４に係る空中表示装置をユニットバスに適用したときの適用例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺等は必ずしも一致しない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１に係る空中表示装置１の概要について、図１〜図３を用いて説明する。図１及び図２は、実施の形態１に係る空中表示装置１をキッチン１００に適用したときの適用例を模式的に示す模式図であり、図１は正面斜め方向から見たときのキッチン１００の斜視図、図２は側方から見たときのキッチン１００の一部断面図である。図３は、実施の形態１に係る空中表示装置１の原理を説明するための図である。

図１及び図２に示すように、空中表示装置１は、キッチン１００に適用することができる。この場合、キッチン１００を使用するユーザＵが空中表示装置１を利用することができる。

キッチン１００は、例えばユーザＵが調理をしたり食器を洗ったりするための設備である。具体的には、キッチン１００は、システムキッチンであり、調理等の作業を行うためのキッチン台１１０と、キッチン台１１０の奥側に衝立状に配置されたキッチン壁１２０と、キッチン台１１０に組み込まれた流し台（シンク）１３０と、キッチン台１１０に併設された加熱調理器１４０と、キッチン台１１０の下方に設置された収納庫１５０とを備える。本実施の形態において、空中表示装置１は、キッチン壁１２０に組み込まれている。

空中表示装置１は、空中の所定の表示領域２（空間領域）に画像を表示するための空間表示装置である。図１及び図２において、表示領域２は、キッチン台１１０の上方かつキッチン壁１２０の前方に位置する空間領域である。空中の表示領域２に表示された画像は、空中画像３であり、図２に示すように、キッチン壁１２０の前方に立つユーザＵによって視認される。空中表示装置１は、例えば、表示領域２に料理のレシピ等の空中画像３を表示する。これにより、ユーザＵは、空中画像３として表示されたレシピ等を見ながら調理することができる。なお、詳細は後述するが、空中の表示領域２に表示された空中画像３は、ユーザＵによって操作することができる。例えば、ユーザＵによって空中画像３の表示内容を変更することができる。

図３に示すように、空中表示装置１は、ディスプレイ１０と、結像光学素子２０とを備えており、ディスプレイ１０に表示された２次元画像を空中画像３として立体的に空中に表示する。つまり、空中表示装置１は、空中に浮かび上がった状態で画像（空中画像３）を表示することができる。

なお、本実施の形態において、画像（映像）は、静止画像及び動画像のいずれであってもよく、例えば、空中表示装置１に記憶されたコンテンツ映像、テレビ番組の放送中の映像や録画映像、ＢＤやＤＶＤ等の再生映像、又は、インターネット画像等である。

ディスプレイ１０は、画像を表示（出力）する画像表示部の一例であり、例えば液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置又はＬＥＤ表示装置等の２次元画像を表示するフラットパネルディスプレイである。ディスプレイ１０は、ディスプレイ１０に入力された画像が表示される表示面を有する。ディスプレイ１０の表示面には、空中画像３として空中に表示するための画像が表示される。

ディスプレイ１０の表示面は、マトリクス状に複数の画素が設けられた画素領域である。ディスプレイ１０の表示面には、例えば１フレームの画像が表示される。

結像光学素子２０は、ディスプレイ１０に表示された画像を空中画像３として空中に結像させる光学デバイスである。結像光学素子２０は、いわゆる反射型面対称結像素子であり、入射する光を透過及び反射することで結像光学素子２０を対象軸として１：１で空中に実像を形成する。

図２に示すように、このように構成される空中表示装置１は、ディスプレイ１０及び結像光学素子２０が筐体３０に収納されてユニット化されている。つまり、本実施の形態において、空中表示装置１は、ユニットとしてキッチン１００に組み込まれている。ディスプレイ１０及び結像光学素子２０は、保持手段等によって筐体３０内の所定の位置に保持されている。

図４に示すように、筐体３０の外形は、略直方体状であり、例えば金属材料又は樹脂材料によって構成される。図４は、実施の形態１に係る空中表示装置１の外観図である。なお、筐体３０の外形は、略直方体状に限るものではなく、略円柱状等であってもよい。

また、筐体３０には、ディスプレイ１０に表示される画像から放たれる光を外部に取り出すための開口が設けられており、この開口には、ガラス製又は透明樹脂製の透光プレート３１が設けられている。

このように、空中表示装置１をユニット化することで設置作業を容易に行うことができる。また、空中表示装置１をユニット化することで、ディスプレイ１０及び結像光学素子２０を設置者が素手などで直接触らずに済むため、指紋又は異物等の汚れディスプレイ１０及び結像光学素子２０に付着することを抑制できる。これにより、汚れによって空中画像３が不鮮明化すること等を抑制できる。

また、図２及び図４に示すように、空中表示装置１は、さらに、操作検知部４０と、制御部５０とを備える。

操作検知部４０は、空中画像３に対するユーザＵの操作を検知する機能を有する。例えば、空中画像３が表示される表示領域２内の位置に応じて予めユーザ操作領域が設定されており、操作検知部４０は、空中画像３の一部としてユーザ操作領域に表示された操作ボタン等のＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）をユーザＵが操作した場合に、当該ＧＵＩに対応した操作（指示）があったと検知する。これにより、ユーザＵは、空中に表示された空中画像３を操作することができる。例えば、ユーザＵの操作によって、空中画像３が別の画像に変更される。なお、ユーザ操作領域は、例えば表示領域２に略一致しており、ユーザＵが空中画像３に触れるように操作した場合に、その操作を検知するための領域である。

操作検知部４０は、例えば、モーションセンサである。モーションセンサは、例えば赤外光を発する赤外ＬＥＤとイメージセンサとを備えており、赤外ＬＥＤが発した赤外光のユーザＵの指による反射光をイメージセンサで受光することで、ユーザＵの操作を検知する。なお、モーションセンサは、ステレオカメラ、又は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）式の距離センサ等でもよい。

制御部５０は、各種制御処理及び演算処理等を行う情報処理装置であり、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）又はマイクロコンピュータ等の制御回路によって実現される。

制御部５０は、操作検知部４０で検知されたユーザＵの操作に応じてディスプレイ１０で表示する画像を制御する機能を有する。例えば、ユーザＵが空中画像３の一部としてユーザ操作領域に表示された操作ボタンを操作したことを操作検知部４０が検知した場合、制御部５０は、操作検知部４０で検知されたユーザＵの操作内容にしたがって、ディスプレイ１０で表示する画像を制御する。これにより、ユーザＵの操作に応じてディスプレイ１０で表示する画像が変更され、これに連動して空中画像３の表示内容も変更される。

なお、図示しないが、空中表示装置１は、記憶部（メモリ）を備えていてもよい。この記憶部には、ディスプレイ１０に表示するための映像コンテンツが記憶されていてもよいし、処理部６０での処理を実行するためのアプリケーションプログラム等が記憶されていてもよい。

次に、本実施の形態における結像光学素子２０の詳細構成について、図５〜図８を用いて説明する。図５は、実施の形態１に係る結像光学素子２０を模式的に示す斜視図である。図６は、図５の破線で囲まれる領域VIを拡大して示す同結像光学素子２０の一部拡大断面斜視図である。図７は、同結像光学素子２０における単位素子の拡大斜視図である。図８は、図５におけるVIII−VIII線における同結像光学素子２０の断面図である。

図５に示すように、結像光学素子２０は平板状のプレートである。結像光学素子２０は、入射する複数の光（光線）の各々を反射して透過するリフレクタアレイ装置である。本実施の形態において、結像光学素子２０は、交差する２つの面で光を反射させる二面コーナーリフレクタアレイ装置である。

図６及び図８に示すように、結像光学素子２０は、透光性を有する基板２１と、基板２１の上に形成された隔壁２２とを備える。

基板２１は、ガラス基板又は透明樹脂基板等の透光性基板である。基板２１は、隔壁２２を支持している。基板２１の形状は、例えば矩形板状であるが、これに限るものではない。

隔壁２２は、凹凸構造であり、図６に示すように、二次元的に区画された複数の開口部２２ａを構成している。本実施の形態において、隔壁２２は、平面視において格子状に形成されている。したがって、複数の開口部２２ａは、マトリクス状に形成されている。図８に示すように、隔壁２２の幅Ｗに対する隔壁２２の高さＨの比（隔壁２２のアスペクト比（Ｈ／Ｗ））は、例えば０．５〜１０である。

図６〜図８に示すように、各開口部２２ａは、基板２１の厚み方向に貫通する貫通孔である。隔壁２２における各開口部２２ａは、結像光学素子２０の単位素子を構成している。本実施の形態において、各開口部２２ａは、直方体であり、例えば、平面視形状が１辺１００μｍ〜１２０μｍの正方形で、深さが１００μｍ〜１２０μｍである。

複数の開口部２２ａの各々の内面（表面）には、互いに交差する２つの反射面２２ａ１が形成されている。複数の開口部２２ａの各々は、平面視において矩形であり、４つの内面を有する。つまり、各開口部２２ａにおいて互いに交差する２つの反射面２２ａ１は、直交している。本実施の形態では、各開口部２２ａの４つの内面の全てに反射面２２ａ１が形成されている。

隔壁２２の複数の開口部２２ａの各々の内面には反射膜として金属膜２３が形成されている。つまり、金属膜２３は隔壁２２の側面に形成されており、各開口部２２ａにおける互いに交差する２つの反射面２２ａ１は金属膜２３の表面となっている。具体的には、各開口部２２ａの４つの内面の全てに金属膜２３が形成されている。つまり、金属膜２３は、隔壁２２の両側面に形成されている。

本実施の形態において、金属膜２３の表面は、鏡面（マイクロミラー）である。金属膜２３は、反射性を有する金属材料によって構成されており、例えば、アルミニウム又は銀等を用いて形成されている。

隔壁２２の少なくとも一部には、遮光部材２２ｂが含まれている。本実施の形態において、隔壁２２の全体が遮光部材２２ｂによって構成されている。

遮光部材２２ｂは、遮光性樹脂によって構成された樹脂壁である。遮光部材２２ｂを構成する遮光性樹脂としては、例えばブラックマトリクス用の黒色樹脂を用いることができる。この場合、ブラックマトリクス用の黒色樹脂としては、例えばネガ型又はポジ型の感光性黒色樹脂材料（ブラックレジスト）を用いることができる。

なお、遮光部材２２ｂを構成する材料としては、可視光を吸収できるものであればよく、例えばカラーフィルタ等に用いられる樹脂材料であってもよい。また、遮光部材２２ｂを構成する遮光性樹脂は、感光性を有する感光性樹脂に限るものではないが、遮光部材２２ｂとして感光性樹脂を用いることで、フォトリソグラフィー法によるパターニングによって隔壁２２（遮光部材２２ｂ）を容易に形成することができる。

このように構成される結像光学素子２０は、基板２１がディスプレイ１０側に位置するように配置されている。これにより、ディスプレイ１０に表示された画像から放たれて結像光学素子２０に入射する光は、基板２１から入射し、基板２１を透過して隔壁２２に入射する。隔壁２２に入射した光は、図７に示すように、隔壁２２の各開口部２２ａの反射面２２ａ１のうちの隣接する２つの反射面２２ａ１（直交する２つの反射面２２ａ１）で順次反射して開口部２２ａから出射する。具体的には、隔壁２２に入射した光は、隔壁２２の４つの内面に形成された金属膜２３のうちの直交する２つの金属膜２３の表面で１回ずつ反射する。

このように、空中表示装置１では、図３に示すように、ディスプレイ１０に表示された画像から放たれる無数の光線が、円錐状に広がってその一つ一つが結像光学素子２０に入射し、結像光学素子２０の開口部２２ａの反射面２２ａ１のうち隣接する２つの反射面２２ａ１で反射して結像することで、空中画像３として鏡像が空中に投影される。この場合、結像光学素子２０は、ディスプレイ１０の表示面と面対称となる位置に、ディスプレイ１０の表示面に表示される画像の空中画像３（鏡像）を形成する。したがって、結像光学素子２０からディスプレイ１０までの距離と、結像光学素子２０から空中画像３までの距離とは等しく、ディスプレイ１０の表示面に表示される画像の大きさと空中画像３の大きさも等しい。

次に、結像光学素子２０の製造方法について、図９を用いて説明する。図９は、実施の形態１に係る結像光学素子２０の製造方法を説明するための図である。図９において、左側の図は、同結像光学素子２０の製造方法の各工程の断面図であり、右側の図は、同結像光学素子２０の製造方法の各工程の断面斜視図である。なお、図９では、結像光学素子２０における隔壁２２の単位素子のみを示しているが、全ての単位素子が同時に形成される。

まず、図９の（ａ１）及び（ｂ１）に示すように、基板２１を準備する。本実施の形態では、基板２１としてガラス基板を用いている。

次に、基板２１の上に隔壁２２を形成する。本実施の形態では、フォトリソグラフィー法によって隔壁２２を形成している。

具体的には、まず、図９の（ａ２）及び（ｂ２）に示すように、基板２１の表面に遮光材料層２２ｂＬを形成する。本実施の形態において、遮光材料層２２ｂＬは、ネガ型の感光性黒色樹脂材料（フォトレジスト）であり、例えば感光性黒色樹脂材料を塗布することで基板２１の全面に遮光材料層２２ｂＬを形成する。感光性黒色樹脂材料を塗布した後は、必要に応じて感光性黒色樹脂材料を仮硬化してもよい。

その後、図９の（ａ３）及び（ｂ３）に示すように、開口を有するマスクＭＳＫを介して遮光材料層２２ｂＬを露光する。これにより、マスクＭＳＫの開口に対応する遮光材料層２２ｂＬの部分が露光される。

その後、マスクＭＳＫを除去して、現像液で遮光材料層２２ｂＬを現像する。これにより、遮光材料層２２ｂＬの露光されていない部分がエッチング除去される。その後、ＵＶ光を照射することで遮光材料層２２ｂＬを硬化させる。

この結果、図９の（ａ４）及び（ｂ４）に示すように、基板２１の上に、開口部２２ａを有する隔壁２２（遮光部材２２ｂ）が形成される。なお、図９の（ａ４）及び（ｂ４）では、１つの開口部２２ａのみを図示しているが、基板２１の上には、二次元的に区画された複数の開口部２２ａを有する隔壁２２が形成される。

次に、隔壁２２の内面に金属膜２３を形成する。具体的には、図９の（ａ５）及び（ｂ５）に示すように、隔壁２２の各開口部２２ａの表面に、表面が互いに交差する２つの反射面を含む金属膜２３を形成する。金属膜２３は、例えばスパッタ法又は蒸着法等によって隔壁２２の内面に成膜することができる。これにより、隔壁２２の複数の開口部２２ａの各々に、金属膜２３の表面として、互いに交差する２つの反射面２２ａ１が形成される。なお、本実施の形態において、金属膜２３は、各開口部２２ａの４つの内面の全てに形成される。

次に、本実施の形態における結像光学素子２０の効果について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、比較例の結像光学素子２０Ｘの拡大断面図である。図１１は、実施の形態１に係る結像光学素子２０の拡大断面図ある。

図１０に示すように、比較例の結像光学素子２０Ｘでは、隔壁２２Ｘが透明材料によって構成されている。これにより、基板２１に入射した光のうち隔壁２２Ｘに向かう光Ｌ２は、隔壁２２Ｘの基板２１側の面から隔壁２２Ｘの内部に侵入する。この結果、隔壁２２Ｘの内部に侵入した光Ｌ２が迷光（不要光）となって隔壁２２Ｘから出射し、空中画像３がぼけてしまって画像不良が発生する場合がある。

特に、隔壁２２Ｘの開口部２２ａの表面に金属膜２３が形成されていると、隔壁２２Ｘの内部に侵入した光Ｌ２は、金属膜２３で反射される。このため、隔壁２２Ｘに侵入した光Ｌ２は、隔壁２２Ｘの基板２１側とは反対側の端部の面から出射して迷光となりやすい。この結果、空中画像３の画像不良が発生しやすい。

これに対して、図１１に示すように、本実施の形態における結像光学素子２０では、隔壁２２が遮光部材２２ｂによって構成されている。これにより、基板２１に入射した光のうち隔壁２２に向かう光Ｌ２については、隔壁２２（遮光部材２２ｂ）によって遮光することができる。具体的には、隔壁２２（遮光部材２２ｂ）は黒色樹脂によって構成されているので、隔壁２２に入射する光Ｌ２は、隔壁２２（遮光部材２２ｂ）によって吸収される。したがって、迷光となる光Ｌ２が隔壁２２から出射することを抑制できる。この結果、空中画像３がぼけることを抑制できるので、画像不良の発生を抑制できる。

なお、図１０及び図１１において、基板２１に入射した光のうち開口部２２ａに向かう光Ｌ１は、空中画像３として結像される光（必要な光）を示している。

（まとめ）
以上、本実施の形態に係る結像光学素子２０によれば、複数の開口部２２ａを構成する隔壁２２が遮光部材２２ｂである。

これにより、隔壁２２の基板２１側の面から迷光となる光が隔壁２２に侵入することを抑制できるので、空中画像３がぼける等して画像不良が発生を抑制することができる。したがって、優れた品質の空中画像３を得ることができる結像光学素子２０を実現できる。例えば、本実施の形態における結像光学素子２０を用いることで、シャープな空中画像３を得ることができる。

さらに、隔壁２２を遮光部材２２ｂで構成することで、隔壁２２内への光の侵入を抑制できる。これにより、隔壁２２の幅に対する隔壁２２の高さの比（隔壁２２のアスペクト比）を小さくすることができる。

つまり、図１０に示されるように、隔壁２２Ｘ全体が透光部材によって構成されていると、隔壁２２Ｘ内に光が侵入して迷光が発生する。このため、隔壁２２Ｘ内に光が侵入する確率を減らすために、開口部２２ａの開口幅に対する隔壁２２Ｘの幅を小さくしたり、隔壁２２Ｘの幅そのものを小さくしたりする必要があった。この結果、隔壁２２Ｘのアスペクト比が大きくなるので、隔壁２２Ｘの形成方法に制限が発生して隔壁２２Ｘを作製することが難しくなったり、隔壁２２Ｘが倒れる等して欠陥が発生しやすくなったりする。したがって、図１０に示す構造では、隔壁２２Ｘのアスペクト比は１０程度が限界であった。

これに対して、本実施の形態では、隔壁２２が遮光部材２２ｂによって構成されているので、隔壁２２内への光の侵入を抑制できる。この結果、隔壁２２のアスペクト比を小さくすることができるので、隔壁２２の形成方法の選択肢が多くなって隔壁２２を容易に形成することができたり、隔壁２２が倒れる等の欠陥の発生を抑制することができる。したがって、隔壁２２の耐久性（物理的ダメージ耐性）を向上させることができるので、品質及び信頼性が高い結像光学素子２０を歩留まりよく作製することができる。

また、本実施の形態において、隔壁２２（遮光部材２２ｂ）は、遮光性樹脂によって構成されている。

これにより、複数の開口部２２ａを構成する隔壁２２を容易に形成することができる。

また、本実施の形態において、隔壁２２（遮光部材２２ｂ）を構成する遮光性樹脂は、ブラックマトリクス用の黒色樹脂である。

これにより、所定形状の隔壁２２をフォトリソグラフィー法等によって形成することができるので、微細な構造の隔壁２２を容易に作製することができる。

また、本実施の形態において、複数の開口部２２ａの各々の表面には金属膜２３が形成され、互いに交差する２つの反射面２２ａ１は、金属膜２３の表面である。

上記のように、各開口部２２ａの表面に反射面２２ａ１となる金属膜２３を形成すると、空中画像３の画像不良が発生しやすいが、本実施の形態では、隔壁２２が遮光部材２２ｂであるので、空中画像３の画像不良の発生を効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態に係る空中表示装置１によれば、上記の結像光学素子２０と、画像を表示するディスプレイ１０とを備えており、結像光学素子２０は、ディスプレイ１０に表示された画像を空中画像３として空中に結像させる。

このように、隔壁２２として遮光部材２２ｂが用いられた結像光学素子２０を用いることにより、優れた品質の空中画像３が表示可能な空中表示装置１を実現できる。

なお、本実施の形態において、隔壁２２は、フォトリソグラフィー法によって形成したが、これに限るものではなく、インプリント法等によっても形成することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る結像光学素子２０Ａについて、図１２及び図１３を用いて説明する。図１２は、ブラックレジストを用いて隔壁２２を形成した場合の課題を説明するための図である。図１３は、実施の形態２に係る結像光学素子２０Ａの拡大断面図である。

上記実施の形態１では、フォトリソグラフィー法によってブラックレジストをパターニングすることで隔壁２２を形成した。この場合、ブラックレジストの材料のラインナップが少ないこともあるが、厚膜化及び垂直高精度に対応するのが難しい。つまり、図１２に示すように、隔壁２２を厚くすることができなかったり、隔壁２２の側面が基板２１に対して傾斜したりする。例えば、フォトリソグラフィー法によってブラックレジストをパターニングすると、ブラックレジストの厚さ（高さ）は２μｍ程度が限界である。これは、フォトリソグラフィー法では、露光された部分での膜厚方向に対する架橋密度の差が拡大するため、高感度化を達成して良好な垂直側面を有するパターンを得ることが難しいからである。

そこで、図１３に示すように、本実施の形態における結像光学素子２０Ａでは、隔壁２２Ａの高さを確保するために、隔壁２２Ａを複数の部材の積層構造としている。

具体的には、隔壁２２Ａは、遮光部材２２ｂと透光部材２２ｃとの２つの部材で構成され、遮光部材２２ｂと透光部材２２ｃとは、基板２１の主面の法線方向に沿って積層されている。

本実施の形態では、遮光部材２２ｂが基板２１に対して透光部材２２ｃよりも近い位置に配置されている。つまり、遮光部材２２ｂ及び透光部材２２ｃは、基板２１側から、遮光部材２２ｂ、透光部材２２ｃの順で基板２１上に積層されている。

透光部材２２ｃは、透光性樹脂によって構成された樹脂壁であり、例えば、アクリル系又はエポキシ系の透明樹脂材料を用いて形成することができる。また、透光部材２２ｃをフォトリソグラフィー法で形成する場合、感光剤及び硬化剤を含む感光性透明樹脂材料を用いることができる。なお、遮光部材２２ｂの材料としては、実施の形態１と同様のものを用いることができる。

このように構成される隔壁２２Ａでは、透光部材２２ｃ及び遮光部材２２ｂの幅は同じであるが、厚さ（高さ）は、透光部材２２ｃの方が厚くなっている。なお、隔壁２２Ａの側面に形成される金属膜２３は、下層の遮光部材２２ｂと上層の透光部材２２ｃの両方の側面に形成されている。

ここで、本実施の形態における結像光学素子２０Ａの製造方法について、図１４を用いて説明する。図１４は、実施の形態２に係る結像光学素子２０Ａの製造方法における隔壁２２Ａの形成工程を説明するための図である。

隔壁２２Ａを形成する場合、まず、図１４の（ａ）に示すように、基板２１の上に遮光材料層２２ｂＬを形成する。本実施の形態でも、例えばネガ型の感光性黒色樹脂材料を基板２１に塗布することで基板２１の上に遮光材料層２２ｂＬを形成することができる。

次に、図１４の（ｂ）に示すように、実施の形態１と同様にして、遮光材料層２２ｂＬを露光及び現像し、硬化することで所定形状の遮光部材２２ｂを形成する。

次に、図１４の（ｃ）に示すように、遮光部材２２ｂの上に透光部材２２ｃを形成する。透光部材２２ｃは、遮光部材２２ｂと同様の方法で形成することができる。例えば、感光性透明樹脂材料を塗布して露光及び現像し、硬化することで所定の位置に所定の形状の透光部材２２ｃを形成することができる。具体的には、遮光部材２２ｂの上に遮光部材２２ｂと同じ幅の透光部材２２ｃを形成する。

これにより、遮光部材２２ｂの上に透光部材２２ｃが積層された隔壁２２Ａを形成することができる。

なお、図視しないが、その後、実施の形態１と同様にして、隔壁２２Ａの開口部２２ａの表面に金属膜２３を形成することで、結像光学素子２０Ａを作製することができる。

以上、本実施の形態に係る結像光学素子２０Ａによれば、複数の開口部２２ａを構成する隔壁２２Ａには遮光部材２２ｂが含まれている。

これにより、実施の形態１と同様に、迷光となる光が隔壁２２Ａに侵入することを抑制できるので、空中画像３がぼける等して画像不良が発生を抑制することができる。したがって、優れた品質の空中画像３を得ることができる結像光学素子２０Ａを実現できる。

また、本実施の形態において、隔壁２２Ａは、さらに、透光部材２２ｃを有しており、遮光部材２２ｂと透光部材２２ｃとは、基板２１の主面の法線方向に沿って積層されている。

これにより、透光部材２２ｃによって隔壁２２Ａのトータル膜厚を稼ぐことができるので、遮光部材２２ｂとして、厚膜化が難しいとされるが工業的に扱いやすいブラックレジストを用いることができる。この結果、隔壁２２Ａに遮光部材２２ｂを用いることができつつ、所望の高さの隔壁２２Ａを形成することができる。

しかも、仮にブラックレジストを用いて遮光部材２２ｂを形成した場合に遮光部材２２ｂの側面の垂直が出せなくても、遮光部材２２ｂの厚さが透光部材２２ｃの厚さと比べて非常に小さく、隔壁２２Ａにおける遮光部材２２ｂの厚さの寄与度が小さい。したがって、遮光部材２２ｂの側面が傾斜していても、空中画像３の画質が悪化することを軽減できる。例えば、隔壁２２Ａの全体の厚さ（高さ）が約１００μｍの場合、遮光部材２２ｂの厚さが約２μｍで、透光部材２２ｃの厚さは約９８μｍである。

なお、本実施の形態において、隔壁２２Ａは、実施の形態１と同様に、フォトリソグラフィー法によって形成したが、これに限るものではなく、インプリント法等によっても形成することができる。例えば、黒色樹脂材料と透明樹脂材料とを順次積層した後に、所定形状のモールドで押しつけることで遮光部材２２ｂと透光部材２２ｃとの積層構造の隔壁２２Ａを形成することができる。

また、本実施の形態における結像光学素子２０Ａは、実施の形態１と同様に、空中表示装置１に用いることができる。

（実施の形態２の変形例）
上記実施の形態２における結像光学素子２０Ａでは、遮光部材２２ｂの上に透光部材２２ｃを積層することで隔壁２２Ａを形成したが、遮光部材２２ｂの上に透光部材２２ｃを積層すると、遮光部材２２ｂと透光部材２２ｃとの位置がずれてしまう場合がある。

具体的には、図１５の（ａ）に示すように、まず、ブラックレジスト等の感光性黒色樹脂材料をパターニングすることで所定形状の遮光部材２２ｂを形成する。その後、図１５の（ｂ）に示すように、遮光部材２２ｂの幅と一致するように位置合わせをして透光樹脂材料をパターニングすることで所定形状の透光部材２２ｃを形成する。このとき、位置合わせの精度によっては、透光部材２２ｃのパターンが遮光部材２２ｂのパターンとずれてしまうことがある。

そこで、本変形例における結像光学素子２０Ｂでは、図１６に示すように、遮光部材２２ｂを覆うように透光部材２２ｃを積層することで隔壁２２Ｂを形成している。図１６は、実施の形態２の変形例に係る結像光学素子２０Ｂの拡大断面図である。

具体的には、基板２１を平面視したときに、基板２１における遮光部材２２ｂの投影面積が基板２１における透光部材２２ｃの投影面積よりも小さくなるように透光部材２２ｃを形成している。つまり、透光部材２２ｃの幅を遮光部材２２ｂの幅よりも大きくしている。

このように、透光部材２２ｃの幅が遮光部材２２ｂの幅よりも大きくなるように隔壁２２Ｂを形成することによって、遮光部材２２ｂに対する透光部材２２ｃの位置がずれたとしても、透光部材２２ｃと遮光部材２２ｂとの幅の違い（マージン）の分だけ、遮光部材２２ｂと透光部材２２ｃとの位置ずれを吸収することができる。したがって、遮光部材２２ｂに対する透光部材２２ｃの位置合わせの誤差を小さくすることができる。

なお、本変形例では、透光部材２２ｃの幅が遮光部材２２ｂの幅よりも大きいため、基板２１に入射した光のうち隔壁２２Ｂに向かう光が隔壁２２Ｂの内部に侵入して迷光が発生する可能性がある。このため、本変形例では、上記実施の形態１、２と比べて、隔壁２２Ｂへの光の侵入を完全に防ぐことはできないものの、実施の形態１、２と同様に、隔壁２２Ｂには遮光部材２２ｂが含まれているので、ある程度の光の侵入を抑制することができる。また、このことから、透光部材２２ｃの幅は、遮光部材２２ｂの幅よりもあまり大きくなりすぎないようにするとよい。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３に係る結像光学素子２０Ｃについて、図１７を用いて説明する。図１７は、実施の形態３に係る結像光学素子２０Ｃの拡大断面図である。

図１７に示すように、本実施の形態における結像光学素子２０Ｃの隔壁２２Ｃは、遮光部材２２ｂと透光部材２２ｃとが積層されている点で、上記実施の形態２における結像光学素子２０Ａの隔壁２２Ａと同様の構造であるが、本実施の形態における隔壁２２Ｃと上記実施の形態における隔壁２２Ａとでは、遮光部材２２ｂと透光部材２２ｃとの積層順序が異なる。

具体的には、上記実施の形態２における隔壁２２Ａでは、遮光部材２２ｂの方が透光部材２２ｃよりも基板２１に近い位置に配置されていたが、本実施の形態における隔壁２２Ｃでは、透光部材２２ｃの方が遮光部材２２ｂよりも基板２１に近い位置に配置されている。すなわち、本実施の形態における隔壁２２Ｃは、遮光部材２２ｂが基板２１に対して透光部材２２ｃよりも遠い位置に配置されている。

このように、本実施の形態に係る結像光学素子２０Ｃでも、複数の開口部２２ａを構成する隔壁２２Ｃには遮光部材２２ｂが含まれている。

これにより、図１７に示すように、基板２１に入射した光の一部が隔壁２２Ｃの内部に侵入したとしても、遮光部材２２ｂによって吸収して遮光することができる。したがって、迷光となる光が隔壁２２Ｃから出射することを抑制できるので、空中画像３がぼけることを抑制できる。

このように構成される隔壁２２Ｃは、フォトリソグラフィー法及びインプリント法によって形成することができる。

この場合、隔壁２２Ｃをインプリント法によって形成すると、実際には、図１８に示すように、隣り合う隔壁２２Ｃの透光部材２２ｃ同士が底部分で連結される構造となる。つまり、隔壁２２の各開口部２２ａは、貫通孔ではなく、底部を有する凹部となる。このように、結像光学素子２０Ｃは、図１８に示すような構造であってもよい。

ここで、インプリント法による隔壁２２Ｃの形成方法について、図１９を用いて説明する。図１９は、実施の形態３に係る結像光学素子２０Ｃの隔壁２２Ｃの形成工程の一例を示す図である。

まず、図１９の（ａ）に示すように、基板２１としてガラス基板を準備し、基板２１の上に、透明樹脂材料からなる透光材料層２２ｃＬと黒色樹脂材料からなる遮光材料層２２ｂＬとを順次積層する。具体的には、基板２１の上に透光材料層２２ｃＬを塗布した後に、透光材料層２２ｃＬの上に遮光材料層２２ｂＬを塗布する。

次に、図１９の（ｂ）に示すように、隔壁２２Ｃの複数の開口部に対応する複数の凸部を有するモールド（金型）ＭＬＤを、積層した透光材料層２２ｃＬと遮光材料層２２ｂＬとに押しつける。これにより、モールドＭＬＤの凹凸部の形状が、透光材料層２２ｃＬと遮光材料層２２ｂＬとの積層構造体に転写される。このとき、モールドＭＬＤの凸部に押された遮光材料層２２ｂＬがモールドＭＬＤの凸部間の凹部に流れる。

その後、透光材料層２２ｃＬ及び遮光材料層２２ｂＬを硬化させる。これにより、図１９の（ｃ）に示すように、透光部材２２ｃと遮光部材２２ｂとの積層構造からなる隔壁２２Ｃを形成することができる。

なお、上述のように、上記実施の形態２でも、インプリント法によって隔壁２２Ｂを形成することができるが、実施の形態２では、下層が遮光材料層２２ｂＬとなっている。このため、遮光材料層２２ｂＬと透光材料層２２ｃＬとの積層構造体にモールドＭＬＤを押し当てたときに、隔壁２２Ｂの開口部２２ａ（凹部）の底部に遮光材料層２２ｂＬが残ってしまい、これが残膜となって隔壁２２Ｂの開口部２２ａの底部に形成されやすい。隔壁２２Ｂの開口部２２ａの底部に遮光材料層２２ｂＬの残膜が形成されると、本来透過すべき光が透過しなくなり、画像不良が発生するおそれがある。このため、インプリント法は、実施の形態２よりも、実施の形態３の方に適用するとよい。つまり、インプリント法は、下層が透光部材２２ｃで上層が遮光部材２２ｂの隔壁２２Ｃを形成する場合に用いる方がよい。

一方、実施の形態３の場合でも、隔壁２２Ｃの開口部２２ａ（凹部）に遮光材料層２２ｂＬが残ってしまう場合がある。このため、図２０に示すように、隔壁２２Ｃの開口部２２ａ（凹部）に遮光材料層２２ｂＬが残らないように、透光材料層２２ｃＬと遮光材料層２２ｂＬとの積層構造体にモールドＭＬＤを押し当てたときのこれらの材料の流動を考慮してプロセス条件最適化するとよい。図２０は、開口部２２ａ（凹部）に遮光材料層２２ｂＬが残らないように形成された隔壁２２Ｃの構成の一例を示している。

なお、本実施の形態における結像光学素子２０Ｃは、実施の形態１と同様に、空中表示装置１に用いることができる。

（変形例等）
以上、本発明に係る結像光学素子及び空中表示装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態において、遮光材料層２２ｂＬ及び透光材料層２２ｃＬをＵＶ光で硬化することで遮光部材２２ｂ及び透光部材２２ｃを形成したが、遮光材料層２２ｂＬ及び透光材料層２２ｃＬを加熱して硬化することで遮光部材２２ｂ及び透光部材２２ｃを形成してもよい。つまり、遮光材料層２２ｂＬ及び透光材料層２２ｃＬの材料は、紫外線硬化樹脂ではなく、熱硬化樹脂であってもよい。

また、上記実施の形態において、空中画像３に対するユーザＵの操作に対応する制御部５０の制御は、操作検知部４０によってユーザＵの操作を検知することで行ったが、これに限るものではない。例えば、図２１に示すように、筐体３０に設けられたスイッチ７０によって、制御部５０を直接制御してもよい。スイッチ７０は、例えば、メカニカルスイッチ（押しボタン等）、タッチセンサ、又は、非接触センサ等である。なお、スイッチ７０には、ディスプレイ１０の表示のオン及びオフを切り替えるための電源用のスイッチが含まれていてもよい。このように、空中表示装置がスイッチ７０を備えることで、例えば、空中画像３が表示されない場合、又は、故障等によって操作検知部４０が機能しない場合等でも、ユーザＵからの操作を受け付けることができる。これにより、ユーザ利便性を高めることができる。

また、上記実施の形態では、ディスプレイ１０及び結像光学素子２０の位置又は角度については変更させなかったが、これに限るものではない。例えば、図２２に示すように、ディスプレイ１０及び結像光学素子２０の位置又は角度を微調整できるように、筐体３０内にモータ等の制御機構を設けてもよい。これにより、ユーザＵの身長又はユーザＵの位置に一層適した空中画像３にすることができるので、ユーザＵにとって見やすい空中画像３で表示することができる。なお、筐体３０内には、レンズ等の光学系を設けてもよい。

また、上記実施の形態において、空中表示装置１は、キッチン壁１２０に組み込まれていたが、これに限るものではない。例えば、図２３に示すように、空中表示装置１は、キッチン台１１０に組み込まれていてもよい。なお、この場合も、上記実施の形態と同様に、ディスプレイ１０は、表示面が結像光学素子２０の主面に対して傾斜するように配置されているが、図２３に示される空中表示装置１では、上記実施の形態とは反対に、ディスプレイ１０は、ディスプレイ１０の表示面の上端と結像光学素子２０との距離がディスプレイ１０の表示面の下端と結像光学素子２０との距離が大きくなるように配置されている。

また、上記実施の形態において、空中表示装置１は、キッチン１００に適用したが、これに限るものではない。例えば、図２４に示すように、空中表示装置１は、ユニットバス２００に適用してもよい。具体的には、空中表示装置１は、ユニットバス２００のバス壁２１０に組み込まれていてもよい。これにより、ユーザＵは、浴槽２２０に浸かった状態で空中画像３を視認することができる。

また、本発明は、空中表示装置として実現できるだけではなく、空中表示装置の各構成要素が行う処理をステップとして含むプログラム、及び、そのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体として実現することもできる。

なお、その他、上記実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上記実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１ 空中表示装置
３ 空中画像
１０ ディスプレイ（画像表示部）
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 結像光学素子
２１ 基板
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ 隔壁
２２ａ 開口部
２２ａ１ 反射面
２２ｂ 遮光部材
２２ｃ 透光部材
２３ 金属膜

Claims (10)

1. 透光性を有する基板と、
   前記基板の上に形成され、二次元的に区画された複数の開口部を構成する隔壁とを備え、
   前記複数の開口部の各々の内面には、互いに交差する２つの反射面が形成され、
   前記隔壁の少なくとも一部には、遮光部材が含まれている、
   結像光学素子。
2. 前記遮光部材は、遮光性樹脂によって構成されている、
   請求項１に記載の結像光学素子。
3. 前記遮光性樹脂は、ブラックマトリクス用の黒色樹脂である、
   請求項２に記載の結像光学素子。
4. 前記隔壁は、透光部材を有し、
   前記遮光部材と前記透光部材とは、前記基板の主面の法線方向に沿って積層されている、
   請求項３に記載の結像光学素子。
5. 前記遮光部材は、前記基板に対して前記透光部材よりも遠い位置に配置される、
   請求項４に記載の結像光学素子。
6. 前記遮光部材は、前記基板に対して前記透光部材よりも近い位置に配置されており、
   平面視において、前記基板における前記遮光部材の投影面積は、前記基板における前記透光部材の投影面積よりも小さい、
   請求項４に記載の結像光学素子。
7. 前記透光部材は、透光性樹脂によって構成されている、
   請求項４〜６のいずれか１項に記載の結像光学素子。
8. 前記隔壁の幅に対する前記隔壁の高さの比は、０．５〜１０である、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の結像光学素子。
9. 前記複数の開口部の各々の内面には金属膜が形成され、
   前記２つの反射面は、前記金属膜の表面である、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の結像光学素子。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の結像光学素子と、
    画像を表示する画像表示部とを備え、
    前記結像光学素子は、前記画像表示部に表示された画像を空中画像として空中に結像させる、
    空中表示装置。

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