JP2017161790A - 結像光学素子及び空中表示装置並びに結像光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた品質の空中画像を得る。【解決手段】結像光学素子１００は、透光性基板１１０と、格子状の凹凸１２１を有し、透光性基板１１０上に配置された第１透光性樹脂層１２０と、凹凸１２１の凹部１２２を充填するように、第１透光性樹脂層１２０上に配置された第２透光性樹脂層１３０と、凹部１２２の側面１２２ａ及び１２２ｂを被覆する反射膜１４０とを備え、第１透光性樹脂層１２０の屈折率と、第２透光性樹脂層１３０の屈折率とは、略等しい。【選択図】図１０

Description

本発明は、結像光学素子及び空中表示装置、並びに、結像光学素子の製造方法に関する。

近年、空中画像を閲覧可能とする技術の開発が進められている。例えば、特許文献１には、反射型面対称結像素子を備える光学システムが開示されている。

特開２００８−１５８１１４号公報

しかしながら、上記従来の反射型面対称結像素子では、空中画像の品質が低下するという問題がある。例えば、反射型面対称結像素子に入射した周辺光の散乱によって、結像される空中画像のコントラストが低下する。

そこで、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並びに結像光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る結像光学素子は、透光性基板と、格子状の凹凸を有し、前記透光性基板上に配置された第１透光性樹脂層と、前記凹凸の凹部を充填するように、前記第１透光性樹脂層上に配置された第２透光性樹脂層と、前記凹部の側面を被覆する反射膜とを備え、前記第１透光性樹脂層の屈折率と、前記第２透光性樹脂層の屈折率とは、略等しい。

また、本発明の一態様に係る空中表示装置は、前記結像光学素子と、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。

また、本発明の一態様に係る結像光学素子の製造方法は、透光性基板上に、格子状の凹凸を有する第１透光性樹脂層を形成する第１工程と、前記凹凸の凹部の側面に反射膜を形成する第２工程と、前記凹部を充填するように、前記第１透光性樹脂層上に、前記第１透光性樹脂層の屈折率と略等しい屈折率の第２透光性樹脂層を形成する第３工程とを含む。

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。

実施の形態に係る空中表示装置のキッチンへの適用例を示す斜視図である。 実施の形態に係る空中表示装置のキッチンへの適用例を示す断面図である。 実施の形態に係る空中表示装置のキッチンへの別の適用例を示す断面図である。 実施の形態に係る空中表示装置のユニットバスへの適用例を示す断面図である。 実施の形態に係る空中表示装置による空中画像の表示原理を示す図である。 実施の形態に係る空中表示装置の概観斜視図である。 図４のＶ−Ｖ線における実施の形態に係る空中表示装置の断面図である。 実施の形態に係る結像光学素子の斜視図である。 図６の破線で囲まれる領域ＶＩＩを拡大して示す実施の形態に係る結像光学素子の斜視図である。 実施の形態に係る結像光学素子を構成部材毎に分解して示す分解斜視図である。 実施の形態に係る結像光学素子の入射面に平行な断面を示す断面図である。 図９のＸ−Ｘ線における実施の形態に係る結像光学素子の断面図である。 実施の形態に係る結像光学素子に入射する光の経路を模式的に示す図である。 実施の形態に係る結像光学素子の製造方法を示す図である。 図６の破線で囲まれる領域ＶＩＩを拡大して示す変形例１に係る結像光学素子の斜視図である。 変形例１に係る結像光学素子の入射面に平行な断面を示す断面図である。 図１４のＸＶ−ＸＶ線における変形例１に係る結像光学素子の断面図である。 図６の破線で囲まれる領域ＶＩＩを拡大して示す変形例２に係る結像光学素子の斜視図である。 変形例２に係る結像光学素子の入射面に平行な断面を示す断面図である。 図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線における変形例２に係る結像光学素子の断面図である。 図６の破線で囲まれる領域ＶＩＩを拡大して示す変形例３に係る結像光学素子の斜視図である。 変形例３に係る結像光学素子の入射面に平行な断面を示す断面図である。 図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線における変形例３に係る結像光学素子の断面図である。 図６の破線で囲まれる領域ＶＩＩを拡大して示す変形例４に係る結像光学素子の斜視図である。 変形例４に係る結像光学素子の入射面に平行な断面を示す断面図である。 図２３のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線における変形例４に係る結像光学素子の断面図である。

以下では、本発明の実施の形態に係る結像光学素子及び空中表示装置並びに結像光学素子の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。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、構成要素の配置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。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、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成につい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）
［概要］
まず、本実施の形態に係る空中表示装置１の概要について説明する。

図１は、本実施の形態に係る空中表示装置１のキッチン９０への適用例を示す斜視図である。図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれ、本実施の形態に係る空中表示装置１のキッチン９０への適用例を示す断面図である。具体的には、図１は、正面斜め方向から見たときのキッチン９０を示している。図２Ａ及び図２Ｂは、側方から見たときのキッチン９０の断面を示している。

キッチン９０は、例えばユーザ４が調理をし、食器を洗うための設備である。具体的には、キッチン９０は、システムキッチンであり、調理などの作業を行うためのキッチン台９１と、キッチン台９１の奥側に衝立状に配置されたキッチン壁９２と、キッチン台９１に組み込まれた流し台（シンク）９３と、キッチン台９１に併設された加熱調理器９４と、キッチン台９１の下方に設置された収納庫９５とを備える。

図１及び図２Ａに示すように、空中表示装置１は、キッチン台９１に組み込まれている。空中表示装置１は、ディスプレイ２０が表示する画像を空中画像２として、空中の表示領域３に結像させる。表示領域３は、キッチン台９１の上方かつキッチン壁９２の前方に位置する空中の領域である。これにより、キッチン台９１及びキッチン壁９２の前方に立つユーザ４にとって、空中画像２が容易に視認可能になる。なお、空中表示装置１は、図２Ｂに示すように、キッチン壁９２に組み込まれていてもよい。

また、図２Ｃに示すように、空中表示装置１は、キッチン９０ではなく、ユニットバス９６に適用してもよい。図２Ｃは、本実施の形態に係る空中表示装置１のユニットバス９６への適用例を示す模式図である。

図２Ｃに示すように、空中表示装置１は、ユニットバス９６のバス壁９７に組み込まれていてもよい。バス壁９７は、外壁９８の内側に固定されている。表示領域３は、浴槽９９の上方に位置する。これにより、ユーザ４は、浴槽９９に浸かった状態で、空中画像２を見ることができる。

図３は、本実施の形態に係る空中表示装置１による空中画像２の表示原理を示す図である。図３に示すように、空中表示装置１は、ディスプレイ２０と、結像光学素子１００とを備える。空中表示装置１は、ディスプレイ２０に表示された２次元画像を空中画像２として空中に表示する。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２）を表示することができる。

このとき、空中画像２が表示される表示領域３は、結像光学素子１００の素子面に対して、ディスプレイ２０の表示面と面対称になる。空中画像２の大きさ及び位置は、表示面の大きさ及び位置に等しくなる。なお、本実施の形態では、結像光学素子１００が薄い板状の部材であるので、結像光学素子１００の素子面は、ディスプレイ２０からの光の入射面と実質的に同じとみなすことができる。

なお、本実施の形態において、ディスプレイ２０の表示面に表示される画像（映像）は、静止画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若しくは録画映像、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標） Ｄｉｓｃ）若しくはＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などの再生映像、又は、インターネット画像などである。

なお、表示領域３に表示された空中画像２は、ユーザ４によって操作可能である。具体的には、表示領域３の位置に応じて定められたユーザ操作領域（図示せず）が設けられている。ユーザ操作領域は、表示領域３に略一致し、ユーザ４が空中画像２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。例えば、ユーザ操作によって、空中画像２が別の画像に変更される。

［構成］
続いて、空中表示装置１の詳細な構成について説明する。

図４は、本実施の形態に係る空中表示装置１の概観斜視図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線における本実施の形態に係る空中表示装置１の構成を示す断面図である。図４及び図５に示すように、空中表示装置１は、筐体１０と、ディスプレイ２０と、駆動部３０〜３３と、モーションセンサ４０と、制御部５０と、１以上のスイッチ６０と、結像光学素子１００とを備える。

本実施の形態では、ディスプレイ２０と、駆動部３０〜３３と、モーションセンサ４０と、制御部５０と、結像光学素子１００とが筐体１０の内部に配置され、１以上のスイッチ６０（図４では、４つのスイッチ６０）は、筐体１０の外側面に取り付けられている。すなわち、空中表示装置１は、各構成部材が筐体１０の内部に収容され、又は、外部に固定されてユニット化されている。これにより、空中表示装置１の設置作業を容易に行うことができる。また、ディスプレイ２０及び結像光学素子１００などの光学系を設置者が素手などで直接触らずに済むため、指紋又は異物などの汚れの付着を抑制することができる。これにより、汚れによる空中画像２の不鮮明化などを抑制することができる。

［筐体］
筐体１０は、空中表示装置１の外郭筐体であり、図５に示すように、内部にディスプレイ２０、駆動部３０〜３３、モーションセンサ４０、制御部５０及び結像光学素子１００が収納されている。筐体１０の外壁には、図４に示すように、スイッチ６０が埋め込まれている。

本実施の形態では、筐体１０の外形は、略直方体状である。なお、筐体１０の外形は、略円柱状などでもよく、これらに限定されない。筐体１０は、例えば、アルミニウムなどの金属材料又は樹脂材料から形成される。

筐体１０には、ディスプレイ２０からの光を外部に取り出すための開口１１が、結像光学素子１００に対向する面に設けられている。図４及び図５に示すように、開口１１には透光プレート１５が設けられている。

透光プレート１５は、可視光を透過させる透光性のガラス板又は樹脂製の板材である。透光プレート１５は、例えば、透明なソーダガラスなどから形成される。透光プレート１５が開口１１を蓋することで、筐体１０の内部に異物などが進入するのを抑制することができる。

筐体１０の大きさは、特に限定されないが、例えば、幅又は奥行きが１０ｃｍ以下である。これにより、図２Ｃに示したように、一般的なユニットバス９６のバス壁９７などに筐体１０（空中表示装置１）を埋め込むことができる。

［ディスプレイ（画像表示部）］
ディスプレイ２０は、画像を表示する画像表示部の一例である。ディスプレイ２０は、例えば、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）又は有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置などのフラットパネルディスプレイである。ディスプレイ２０は、ディスプレイ２０に入力される画像が表示される表示面を有する。表示面には、例えば、マトリクス状に複数の画素が設けられている。表示面には、例えば１フレームの画像が表示される。

［駆動部］
駆動部３０及び３１は、制御部５０からの制御信号に基づいて、ディスプレイ２０の位置及び姿勢を変化させる。図５には、ディスプレイ２０（表示面）の可動域を破線で示している。図５に示すように、ディスプレイ２０の一の端部に駆動部３０が取り付けられ、他の端部に駆動部３１が取り付けられている。

例えば、駆動部３０は、透光プレート１５の法線方向に沿ってディスプレイ２０の一の端部を移動させる。駆動部３１は、駆動部３０を支点としてディスプレイ２０を回動させる。駆動部３０及び３１がディスプレイ２０の端部を移動させることによって、ディスプレイ２０の位置及び姿勢が変更される。なお、ディスプレイ２０の姿勢は、結像光学素子１００の素子面に対してディスプレイ２０の表示面がなす角度（傾き）で表される。

駆動部３２及び３３は、制御部５０からの制御信号に基づいて、結像光学素子１００の位置及び姿勢を変化させる。図５には、結像光学素子１００（素子面）の可動域を破線で示している。図５に示すように、結像光学素子１００の一の端部に駆動部３２が取り付けられ、他の端部に駆動部３３が取り付けられている。

例えば、駆動部３２は、透光プレート１５の法線方向に沿って結像光学素子１００の一の端部を移動させる。駆動部３３は、駆動部３２を支点として結像光学素子１００を回動させる。駆動部３２及び３３が結像光学素子１００の端部を移動させることによって、結像光学素子１００の位置及び姿勢が変更される。なお、結像光学素子１００の姿勢は、透光プレート１５に対して結像光学素子１００の素子面がなす角度（傾き）で表される。

駆動部３０〜３３は、例えば、モータ又はアクチュエータなどである。

本実施の形態では、表示領域３（空中画像２）は、結像光学素子１００に対してディスプレイ２０と面対称の関係を有する。このため、ディスプレイ２０及び結像光学素子１００の少なくとも一方の位置又は姿勢が変化した場合、それに合わせて表示領域３（空中画像２）の位置又は姿勢も変化する。

したがって、駆動部３０〜３３がディスプレイ２０及び結像光学素子１００の少なくとも一方を移動させることにより、表示領域３（空中画像２）の位置及び姿勢も変化させることができる。これにより、空中表示装置１は、ユーザ４が空中画像２をより見やすい位置及び角度になるように、表示領域３（空中画像２）の位置及び姿勢を調整することができる。

［モーションセンサ（操作検知部）］
モーションセンサ４０は、空中画像２に対するユーザ４の操作を検知する操作検知部の一例である。モーションセンサ４０の検知領域は、例えば、表示領域３に略一致する。モーションセンサ４０は、例えば、ユーザ４の指の動きなどを検知する。

モーションセンサ４０は、例えば、赤外ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）とイメージセンサとを備え、赤外ＬＥＤが発した赤外光のユーザ４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４の操作を検知する。図５に示す例では、モーションセンサ４０は、筐体１０の内部に配置されており、赤外光を、透光プレート１５を介して表示領域３に向けて出射する。この場合、透光プレート１５は、可視光だけでなく、赤外光も透過させる材料から形成されている。

あるいは、モーションセンサ４０は、ステレオカメラ、又は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）式の距離センサなどでもよい。この場合、透光プレート１５は、赤外光に対して透過性を有しなくてもよい。

本実施の形態では、モーションセンサ４０は、表示領域３の位置及び姿勢の少なくとも一方が変化した場合に、変更後の表示領域３に応じてユーザ操作の検知領域の位置及び姿勢を調整する。具体的には、モーションセンサ４０は、表示領域３の変化に追随するように、検知領域を変化させる。

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

制御部５０は、モーションセンサ４０で検知されたユーザ４の操作に応じてディスプレイ２０に表示する画像を制御する。例えば、空中画像２に含まれるＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）がユーザ４によって操作されたことをモーションセンサ４０が検知した場合に、制御部５０は、ＧＵＩの操作に応じた画像（例えば、次の操作画像）を生成してディスプレイ２０へ表示させる。あるいは、例えば、料理の手順を示すレシピ又は映画などの開始ボタンが押下されたことをモーションセンサ４０（又はスイッチ６０）が検知した場合に、制御部５０は、レシピ又は映画をディスプレイ２０へ表示させる。

本実施の形態では、制御部５０は、さらに、駆動部３０〜３３を制御する。具体的には、制御部５０は、ディスプレイ２０及び結像光学素子１００の位置又は姿勢の調整量を決定し、決定した調整量を示すコマンドを駆動部３０〜３３に送信する。駆動部３０〜３３はコマンドに従って動作し、ディスプレイ２０又は結像光学素子１００の位置又は姿勢が変化するので、表示領域３（空中画像２）の位置及び姿勢が変更される。

なお、制御部５０は、筐体１０の内部に配置されているが、これに限らない。制御部５０は、筐体１０の外側に固定されていてもよく、あるいは、筐体１０から離れた位置に設けられていてもよい。

［スイッチ］
スイッチ６０は、制御部５０を制御するためのスイッチである。スイッチ６０は、例えば、メカニカルスイッチ（押しボタンなど）、タッチセンサ、又は、非接触センサなどである。

本実施の形態では、図４に示すように、複数のスイッチ６０が筐体１０の外側面に設けられている。例えば、複数のスイッチ６０は、ディスプレイ２０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と、ディスプレイ２０及び結像光学素子１００の各々の位置又は姿勢を調整するための調整用のスイッチとを含んでいる。

例えば、ユーザ４が調整用のスイッチ６０を操作した場合、スイッチ６０から制御信号が制御部５０に出力される。制御信号に応じて制御部５０は、ディスプレイ２０及び結像光学素子１００の位置又は姿勢を制御する。あるいは、ユーザ４が電源用のスイッチ６０を操作した場合、スイッチ６０から制御信号が制御部５０（又はディスプレイ２０）に出力される。制御部５０（又はディスプレイ２０）は、表示面への画像の表示を開始又は停止する。

このように、空中表示装置１は、スイッチ６０を備えることで、例えば、空中画像２が表示されない場合、又は、モーションセンサ４０が機能しない場合などに、ユーザ４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。

［結像光学素子］
続いて、本実施の形態に係る結像光学素子１００の詳細構成について説明する。

図６は、本実施の形態に係る結像光学素子１００の斜視図である。図７は、図６の破線で囲まれる領域ＶＩＩを拡大して示す本実施の形態に係る結像光学素子１００の斜視図である。

図６に示すように、結像光学素子１００は、平板状のプレートである。結像光学素子１００は、入射する複数の光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。具体的には、結像光学素子１００は、互いに交差する２つの反射面を有する２面コーナーリフレクタアレイ装置である。

図７に示すように、結像光学素子１００は、透光性基板１１０と、第１透光性樹脂層１２０と、第２透光性樹脂層１３０と、反射膜１４０とを備える。本実施の形態では、結像光学素子１００は、反射膜１４０以外の構成部材が透明な材料で構成されている。このため、図７に示すように、結像光学素子１００は、透明な平板状のプレートの内部に反射膜１４０が所定の形状及び位置で配置されているように見える。

以下では、図８〜図１０を用いて、結像光学素子１００の各構成部材について説明する。

図８は、本実施の形態に係る結像光学素子１００を構成部材毎に分解して示す分解斜視図である。図９は、本実施の形態に係る結像光学素子１００の入射面１１１に平行な断面を示す断面図である。具体的には、図９は、図１０のＩＸ−ＩＸ線で示すように、第１透光性樹脂層１２０の凸部１２３の上面１２３ａを含む断面を示している。

図１０は、図９のＸ−Ｘ線における本実施の形態に係る結像光学素子１００の断面図である。具体的には、図１０は、入射面１１１に直交する断面を示している。

なお、各図において、透光性基板１１０の厚み方向をｚ軸方向とし、透光性基板１１０の主面に平行で、かつ、互いに直交する２つの方向をｘ軸方向及びｙ軸方向とする。

［透光性基板］
透光性基板１１０は、可視光を透過する基板である。透光性基板１１０としては、ガラス基板、又は、アクリルなどの透明樹脂基板を用いることができる。透光性基板１１０の平面視形状は、例えば矩形であるが、これに限らない。

図８及び図１０に示すように、透光性基板１１０は、ディスプレイ２０からの光が入射する入射面１１１を有する。入射面１１１は、具体的には、第１透光性樹脂層１２０が設けられる主面１１２とは反対側の主面である。透光性基板１１０の厚さは、例えば１００μｍ以上２８００μｍ以下であるが、これに限定されない。

［第１透光性樹脂層］
第１透光性樹脂層１２０は、透光性基板１１０上に配置されている。第１透光性樹脂層１２０は、シクロオレフィン、アクリル、エポキシなどの樹脂材料を用いて形成される。

図８及び図９に示すように、第１透光性樹脂層１２０は、格子状の凹凸１２１を有する。凹凸１２１は、マトリクス状に配置された複数の凹部１２２と、複数の凹部１２２を区画する格子状に形成された凸部１２３とを備える。

本実施の形態では、複数の凹部１２２の形状及び大きさは、互いに略同じである。例えば、凹部１２２の平面視形状は、図９に示すように正方形である。具体的には、図８に示すように、凹部１２２は、上面及び底面が正方形の逆角錐台状の凹部である。より具体的には、凹部１２２は、透光性基板１１０に対して垂直な２つの側面１２２ａ及び１２２ｂと、透光性基板１１０に対して傾斜した２つの側面１２２ｃ及び１２２ｄと、底面１２２ｅとを有する。

２つの側面１２２ａ及び１２２ｂは、互いに直交し、かつ、一辺を共有する。２つの側面１２２ａ及び１２２ｂの各々の平面視形状は、底角が９０度の台形であり、一方は、他方を左右に反転した形状を有する。２つの側面１２２ａ及び１２２ｂは、反射膜１４０に被覆されている。２つの側面１２２ａ及び１２２ｂは、底面１２２ｅから垂直に立設している。

２つの側面１２２ｃ及び１２２ｄは、互いに直交し、かつ、一辺を共有する。２つの側面１２２ｃ及び１２２ｄの各々の平面視形状は、底角が９０度の台形であり、一方は、他方を左右に反転した形状を有する。２つの側面１２２ｃ及び１２２ｄは、反射膜１４０に被覆されていない。２つの側面１２２ｃ及び１２２ｄは、凹部１２２の開口が底面１２２ｅより大きくなるように底面１２２ｅから斜め方向に立設している。

底面１２２ｅは、図１１に示すように、透光性基板１１０の主面１１２と平行であるが、これに限らない。なお、底面１２２ｅは設けられていなくてもよい。すなわち、凹部１２２は、第１透光性樹脂層１２０を貫通しており、透光性基板１１０の主面１１２が凹部１２２の底面でもよい。

凸部１２３は、複数の凹部１２２を区画するように格子状に形成されている。凸部１２３の断面形状は、図１０に示すように、底角が９０度の台形である。具体的には、格子状の凸部１２３の縦線部及び横線部の各々は、底角が９０度の台形が底面である四角柱が横向きに倒れた形状を有する。

凸部１２３は、上面１２３ａを有する。上面１２３ａは、透光性基板１１０の主面１１２と平行である。上面１２３ａの幅は、特に限定されないが、例えば、２０μｍ以上２００μｍ以下である。

本実施の形態では、凹凸１２１の間隔ｄ２に対する凹凸１２１の高さの比（アスペクト比）は、１である。言い換えると、凹凸１２１の高さは、凹凸１２１の間隔ｄ２と同じである。凹凸１２１の高さは、凹部１２２の深さ、すなわち、凸部１２３の上面１２３ａの底面１２２ｅからの高さである。

なお、アスペクト比は、１より大きくてもよく、あるいは、１より小さくてもよい。すなわち、高さが間隔ｄ２より長くてもよく、短くてもよい。

第１透光性樹脂層１２０には、フィラーが含まれていてもよい。凸部、凹部、反射膜の形状が、空中画像２の解像度、輝度、コントラストなどの品質に影響するが、ミクロな凹凸形状を精度良く形成しようとすると、第１透光性樹脂層１２０の内部に応力が発生し、透光性基板１１０に反りが発生する場合がある。フィラーを充填させることで、樹脂の占める体積が減るので、透光性基板１１０の反りを抑制し、空中画像２の品質を向上させる効果がある。

フィラーとしては、シクロオレフィン、アクリル、エポキシ樹脂、又は、シリカの微粒子などが適している。フィラー材料の屈折率は、第１透光性樹脂層１２０の樹脂材料の屈折率に対して、例えば、±０．０５以下である。これにより、空中画像２の品質を高めることができる。±０．０５より大きいものは、フィラーと第１透光性樹脂層１２０の樹脂材料との界面で光が屈折し、空中画像２の品質が低下する恐れがある。

フィラーの大きさは、例えば、直径数十ナノメートル〜数十マイクロメートルのサイズである。これにより、第１透光性樹脂層１２０内へのフィラーの分散性が向上する。また、第１透光性樹脂層１２０の樹脂材料との相溶性を上げるために、配位子を付与したフィラーを分散させてもよい。第１透光性樹脂層１２０内へのフィラーの充填量は、特に限定されないが、例えば、４０％〜８０％である。４０％より少ない場合は、透光性基板１１０の反りを抑制する効果が下がり、８０％より多い場合は、フィラーの凝集が起こりやすくなり、屈折率が均一な第１透光性樹脂層１２０が形成しにくくなる恐れがある。例えば、シリカの微粒子をフィラーとして充填させることで、結像光学素子１００の信頼性を向上させる効果がある。

［第２透光性樹脂層］
第２透光性樹脂層１３０は、凹凸１２１の凹部１２２を充填するように、第１透光性樹脂層１２０上に配置されている。第２透光性樹脂層１３０は、シクロオレフィン、アクリル、エポキシなどの樹脂材料を用いて形成されている。

図８及び図９に示すように、第２透光性樹脂層１３０は、格子状の凹凸１３１を有する。凹凸１３１は、第１透光性樹脂層１２０の凹凸１２１を平坦化するように設けられ、凹凸１２１が反転した形状を有する。具体的には、凹凸１３１は、マトリクス状に配置された複数の凸部１３２と、複数の凸部１３２を区画する格子状に形成された凹部１３３とを備える。

複数の凸部１３２は、第１透光性樹脂層１２０の複数の凹部１２２をそれぞれ充填する。凸部１３２は、対応する凹部１２２の側面１２２ｃ及び１２２ｄ並びに底面１２２ｅと接触している。凸部１３２と、対応する凹部１２２の側面１２２ａ及び１２２ｂとの間には、反射膜１４０が設けられている。

本実施の形態では、複数の凸部１３２の形状及び大きさは、互いに略同じであり、凹部１２２と略同じである。具体的には、凸部１３２は、上面及び底面が正方形の逆角錐台状の凸部である。なお、実際には、凸部１３２と凹部１２２との間に反射膜１４０が形成されているため、反射膜１４０に相当する分だけ、凸部１３２は、凹部１２２より小さい。

凹部１３３は、複数の凸部１３２を区画するように格子状に形成されている。なお、凹部１３３は形成されていなくてもよい。すなわち、第２透光性樹脂層１３０は、複数の凹部１２２の各々を充填する複数の凸部１３２のみを備え、第１透光性樹脂層１２０の凸部１２３の上面１２３ａが結像光学素子１００の最表面として露出していてもよい。

第２透光性樹脂層１３０についても、第１透光性樹脂層１２０と同様に、フィラーが含まれていてもよい。

［反射膜］
反射膜１４０は、複数の凹部１２２の側面１２２ａ及び１２２ｂを被覆する。具体的には、反射膜１４０は、第１透光性樹脂層１２０の複数の凹部１２２と第２透光性樹脂層１３０の複数の凸部１３２との間に設けられている。

反射膜１４０は、例えば、アルミニウム、銀、タングステン又はモリブデンなどの金属薄膜を用いて形成される。本実施の形態では、反射膜１４０の膜厚ｄ１は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。

反射膜１４０は、透光性基板１１０に対して垂直に設けられている。本実施の形態では、反射膜１４０は、互いに直交し、かつ、一辺を共有する２つの反射面を有する。

具体的には、反射膜１４０は、凹部１２２毎に、凹部１２２の側面１２２ａを被覆する第１反射膜１４１と、側面１２２ｂを被覆する第２反射膜１４２とを有する。第１反射膜１４１及び第２反射膜１４２の各々の両面が反射面である。

具体的には、図９に示すように、第１反射膜１４１は、凹部１２２の側面１２２ａに密着する反射面１４１ａと、凸部１３２に密着する反射面１４１ｂとを有する。図９及び図１１に示すように、第２反射膜１４２は、凹部１２２の側面１２２ｂに密着する反射面１４２ａと、凸部１３２に密着する反射面１４２ｂとを有する。

本実施の形態では、反射面１４１ａと反射面１４２ａとは、互いに直交し、かつ、一辺を共有している。反射面１４１ａ及び反射面１４２ａの各々の平面視形状は、側面１２２ａ及び側面１２２ｂと同じであり、具体的には底角が９０度の台形である。

反射面１４１ｂと反射面１４２ｂとについても同様である。なお、図９に示すように、反射面１４１ｂは、反射面１４１ａに比べて反射膜１４０の膜厚ｄ１に相当する分だけ小さい。後述するように、本実施の形態では、凹凸１２１の間隔ｄ２に比べて膜厚ｄ１が十分に小さいため、実質的には、反射面１４１ａと反射面１４１ｂとは同じ形状及び同じ大きさとみなすことができる。反射面１４２ａと反射面１４２ｂとについても同様である。

［屈折率］
本実施の形態に係る結像光学素子１００では、反射膜１４０以外の構成部材は、可視光を透過する透明な部材から形成されている。以下では、各構成部材の屈折率について説明する。

第１透光性樹脂層１２０の屈折率ｎ１と、第２透光性樹脂層１３０の屈折率ｎ２とは、略等しい。これにより、第１透光性樹脂層１２０と第２透光性樹脂層１３０との界面での光の反射及び屈折を抑えることができる。

具体的には、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２とは実質的に等しく、その差の絶対値（｜ｎ１−ｎ２｜）が０．１未満である。好ましくは、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２との差の絶対値は、０．０５以下であり、より好ましくは０．０１以下である。例えば、第１透光性樹脂層１２０と第２透光性樹脂層１３０とは、同じ樹脂材料を用いて形成することができる。

また、本実施の形態では、透光性基板１１０の屈折率ｎも、第１透光性樹脂層１２０の屈折率ｎ１と略一致する。これにより、透光性基板１１０と第１透光性樹脂層１２０との界面での光の反射及び屈折率を抑えることができる。

このように、本実施の形態に係る結像光学素子１００では、入射した光が凹凸１２１（凹凸１３１）で屈折又は反射して散乱されるのが抑制される。このため、周辺光（具体的には、ディスプレイ２０に表示される画像以外の光）が散乱されにくくなるので、空中画像２のコントラストの低下を抑制することができる。

［凹凸の間隔と反射膜の膜厚］
続いて、凹凸１２１の間隔ｄ２と反射膜１４０の膜厚ｄ１との関係について説明する。

本実施の形態では、凹凸１２１の間隔ｄ２は、１μｍ以上１０００μｍ以下である。凹凸１２１の間隔ｄ２は、１つの凹部１２２と１つの凸部１２３とのｘ軸方向（又はｙ軸方向）における幅に相当する。例えば、凹凸１２１の間隔ｄ２は、反射膜１４０の膜厚ｄ１の１０倍以上の長さである。

図１１は、本実施の形態に係る結像光学素子１００に入射する光の経路を示す図である。具体的には、図１１は、図９のＸ−Ｘ線における断面（すなわち、図１０に示す断面）を示している。図１１に示す実線の矢印が入射光の一例である。なお、実際には、入射光は、２つの反射面１４１ａ及び１４２ａ（あるいは、２つの反射面１４１ｂ及び１４２ｂ）で２回反射する。

図１１に示すように、入射光Ｌ１及びＬ２はそれぞれ、反射面１４２ａ及び反射面１４２ｂで反射されて出射される。なお、入射光Ｌ１は、第１透光性樹脂層１２０の凸部１２３から第２透光性樹脂層１３０の凸部１３２に進行している。第１透光性樹脂層１２０の屈折率ｎ１と第２透光性樹脂層１３０の屈折率ｎ２とが略一致するため、入射光Ｌ１は、凸部１２３と凸部１３２との界面で屈折又は反射することなく、そのまま進行する。

入射光Ｌ３は、第２反射膜１４２の端面に入射する光である。入射光Ｌ３は、第２反射膜１４２の端面で反射されて入射面１１１から出射する。すなわち、入射光Ｌ３のように、第２反射膜１４２の端面に入射する光は、空中画像２として結像しない光である。

本実施の形態では、第２反射膜１４２の端面の幅、すなわち、反射膜１４０の膜厚ｄ１は、凹凸１２１の間隔ｄ２に比べて小さい。具体的には、膜厚ｄ１は、間隔ｄ２の１０分の１以下である。したがって、ディスプレイ２０に表示された画像からの光の大部分は、反射膜１４０の反射面１４２ａ及び１４２ｂによって反射されて空中画像２の結像に利用される。このように、本実施の形態に係る結像光学素子１００によれば、入射光を効率良く空中画像２の結像に利用することができるので、高輝度な空中画像２を得ることができる。

［結像光学素子の製造方法］
続いて、本実施の形態に係る結像光学素子１００の製造方法について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施の形態に係る結像光学素子１００の製造方法を示す図である。図１２において、左側の図は、結像光学素子１００の製造方法の各工程の断面図であり、右側の図は、結像光学素子１００の製造方法の各工程の断面斜視図である。

まず、図１２の（ａ１）及び（ｂ１）に示すように、ガラス基板などの透光性基板１１０を準備し、準備した透光性基板１１０上に、格子状の凹凸１２１を有する第１透光性樹脂層１２０を形成する。具体的には、アクリルなどの樹脂材料を透光性基板１１０の表面に塗布し、ナノインプリント法によって、塗布した樹脂材料の表面に凹凸１２１を形成しながら、紫外線を照射することで樹脂材料を硬化させる。なお、射出成形によって、凹凸１２１を有する第１透光性樹脂層１２０を形成してもよい。また、樹脂材料の硬化は、紫外線照射に限らず、加熱によって行われてもよい。

次に、凹凸１２１の凹部１２２の側面１２２ａ及び１２２ｂに反射膜１４０を形成する。具体的には、図１２の（ａ２）及び（ｂ２）に示すように、凹凸１２１を覆うように第１透光性樹脂層１２０の表面に金属薄膜１４０ａを形成する。例えば、スパッタ法又は蒸着法によって金属薄膜１４０ａを第１透光性樹脂層１２０の全面に成膜する。

続いて、図１２の（ａ３）及び（ｂ３）に示すように、凹部１２２の側面１２２ａ及び１２２ｂに形成された金属薄膜１４０ａを反射膜１４０として残すように、凹凸１２１の凹部１２２の底面１２２ｅ及び凸部１２３の上面１２３ａに形成された金属薄膜１４０ａを除去する。具体的には、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などの異方性のドライエッチングによって金属薄膜１４０ａを除去する。なお、反応性イオンエッチングの条件は、金属薄膜１４０ａの膜厚に応じて適宜設定すればよい。

異方性のドライエッチングによるエッチング方向は、具体的には、透光性基板１１０の厚さ方向（ｚ軸方向）である。したがって、第１透光性樹脂層１２０の全面に形成された金属薄膜１４０ａのうち、透光性基板１１０に対して垂直な側面１２２ａ及び１２２ｂに形成された部分を残して、他の部分が除去される。具体的には、凹部１２２の底面１２２ｅ及び凸部１２３の上面１２３ａだけでなく、凹部１２２の側面のうち透光性基板１１０に対して傾斜した側面１２２ｃ及び１２２ｄに形成された金属薄膜１４０ａも除去される。これにより、透光性基板１１０に対して垂直な金属薄膜１４０ａのみが反射膜１４０として残る。

次に、図１２の（ａ４）及び（ｂ４）に示すように、複数の凹部１２２を充填するように、第１透光性樹脂層１２０上に第２透光性樹脂層１３０を形成する。具体的には、第１透光性樹脂層１２０に用いた樹脂材料と略同じ屈折率を有する樹脂材料を塗布し、所定期間放置する。これにより、凹部１２２を樹脂材料で充填され、かつ、上面が平坦化する。その後、樹脂材料を硬化させることで、第２透光性樹脂層１３０が形成される。

以上の工程を経て、結像光学素子１００を製造することができる。なお、第２透光性樹脂層１３０を形成した後、第２透光性樹脂層１３０上に透光性基板を形成してもよい。これにより、第２透光性樹脂層１３０を保護することができる。

［まとめ］
以上のように、本実施の形態に係る結像光学素子１００は、透光性基板１１０と、格子状の凹凸１２１を有し、透光性基板１１０上に配置された第１透光性樹脂層１２０と、凹凸１２１の凹部１２２を充填するように、第１透光性樹脂層１２０上に配置された第２透光性樹脂層１３０と、凹部１２２の側面１２２ａ及び１２２ｂを被覆する反射膜１４０とを備え、第１透光性樹脂層１２０の屈折率ｎ１と、第２透光性樹脂層１３０の屈折率ｎ２とは、略等しい。

これにより、第１透光性樹脂層１２０の屈折率ｎ１と第２透光性樹脂層１３０の屈折率ｎ２とが略一致するので、第１透光性樹脂層１２０と第２透光性樹脂層１３０との界面での光の屈折及び反射が抑制される。したがって、周辺光が結像光学素子１００に入射した場合であっても周辺光の散乱が抑制されるので、空中画像２のコントラストの低下を抑制することができる。このように、本実施の形態に係る結像光学素子１００によれば、優れた品質の空中画像２を得ることができる。

また、例えば、格子状の凹凸１２１の間隔ｄ２は、１μｍ以上１０００μｍ以下であり、反射膜１４０の膜厚ｄ１は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。

これにより、図１１を用いて説明したように、反射膜１４０の膜厚ｄ１が十分に小さいので、反射膜１４０の端面で反射される光を少なくすることができる。したがって、入射光を効率良く空中画像２の結像に利用することができるので、高輝度の空中画像２を得ることができる。

また、例えば、格子状の凹凸１２１の間隔ｄ２は、反射膜１４０の膜厚ｄ１の１０倍以上の長さである。

これにより、反射膜１４０の膜厚ｄ１が十分に小さいので、反射膜１４０の端面で反射される光を少なくすることができる。したがって、入射光を効率良く空中画像２の結像に利用することができるので、高輝度の空中画像２を得ることができる。

また、例えば、反射膜１４０は、互いに直交し、かつ、一辺を共有する２つの反射面１４１ａ及び１４１ｂを有し、２つの反射面１４１ａ及び１４１ｂの各々の平面視形状は、底角が９０度の台形である。

これにより、２つの反射面が互いに直交し、かつ、一辺を共有しているので、入射光を精度良く２回反射させて結像させることができる。したがって、結像に寄与しない光を減らすことができるので、空中画像２の輝度を高めることができる。

また、本実施の形態に係る空中表示装置１は、結像光学素子１００と、画像を表示するディスプレイ２０とを備え、結像光学素子１００は、ディスプレイ２０に表示された画像を空中画像２として空中に結像させる。

このように、周辺光の散乱を抑制することができる結像光学素子１００を備えることで、優れた品質の空中画像２を表示する空中表示装置１を実現することができる。

また、例えば、空中表示装置１は、さらに、前記空中画像に対するユーザ４の操作を検知するモーションセンサ４０と、モーションセンサ４０で検知されたユーザ４の操作に応じてディスプレイ２０で表示する画像を制御する制御部５０とを備える。

これにより、ユーザ４が空中画像２を操作したときに、モーションセンサ４０によって空中画像２に対するユーザ４の操作が検知され、検知された操作に応じてディスプレイ２０に表示される画像が制御部５０によって制御される。したがって、例えば、ユーザ４の操作に応じてディスプレイ２０に表示される画像を変更することで、空中画像２を変更することができる。

また、例えば、本実施の形態に係る結像光学素子１００の製造方法は、透光性基板１１０上に、格子状の凹凸１２１を有する第１透光性樹脂層１２０を形成する第１工程と、凹凸１２１の凹部１２２の側面１２２ａ及び１２２ｂに反射膜１４０を形成する第２工程と、凹部１２２を充填するように、第１透光性樹脂層１２０上に、第１透光性樹脂層１２０の屈折率ｎ１と略等しい屈折率ｎ２の第２透光性樹脂層１３０を形成する第３工程とを含む。

これにより、優れた品質の空中画像２を得ることができる結像光学素子１００を容易に製造することができる。

また、例えば、第２工程は、凹凸１２１を覆うように第１透光性樹脂層１２０の表面に金属薄膜１４０ａを形成する工程と、凹部１２２の側面１２２ａ及び１２２ｂに形成された金属薄膜１４０ａを反射膜１４０として残すように、凹凸１２１の凹部１２２の底面１２２ｅ及び凸部１２３の上面１２３ａに形成された金属薄膜１４０ａを除去する工程とを含む。

これにより、金属薄膜１４０ａを選択的に残すことができるので、凹部１２２の側面１２２ａ及び１２２ｂに反射膜１４０が形成された結像光学素子１００を容易に製造することができる。

また、例えば、除去する工程は、異方性のドライエッチングにより行われる。

これにより、金属薄膜１４０ａの選択的な除去を容易に行うことができるので、結像光学素子１００を容易に製造することができる。

（変形例）
以下では、上記の実施の形態に係る結像光学素子１００の変形例１〜４について説明する。各変形例に係る結像光学素子は、上記の実施の形態と同様に、図６に示すような平板状のプレートである。各変形例に係る結像光学素子では、凹凸及び反射膜の形状が異なっている。実施の形態と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略又は簡略化する。

［変形例１］
以下では、変形例１に係る結像光学素子について、図１３〜図１５を用いて説明する。

図１３は、図６の破線で囲まれる領域ＶＩＩを拡大して示す本変形例に係る結像光学素子２００の斜視図である。図１３に示すように、結像光学素子２００は、透光性基板１１０と、第１透光性樹脂層２２０と、第２透光性樹脂層２３０と、反射膜２４０とを備える。

図１４は、本変形例に係る結像光学素子２００の入射面に平行な断面を示す断面図である。具体的には、図１４は、図１５のＸＩＶ−ＸＩＶ線で示すように、第１透光性樹脂層２２０の凸部２２３の先端に沿った断面を示している。図１５は、図１４のＸＶ−ＸＶ線における本変形例に係る結像光学素子２００の断面図である。

第１透光性樹脂層２２０は、図１４に示すように、格子状の凹凸２２１を有する。凹凸２２１は、マトリクス状に配置された複数の凹部２２２と、複数の凹部２２２を区画する格子状に形成された凸部２２３とを備える。

本変形例では、第１透光性樹脂層２２０の凸部２２３の形状及び大きさが、上記の実施の形態に係る凸部１２３と異なっている。これに伴って、凹部２２２、第２透光性樹脂層２３０及び反射膜２４０の形状又は大きさも、実施の形態に係る凹部１２２、第２透光性樹脂層１３０及び反射膜１４０と比較して異なっている。

本変形例に係る凸部２２３は、上面を有さない。具体的には、凸部２２３の断面形状が、図１５に示すように、直角三角形である。より具体的には、凸部２２３は、平面視形状が格子状であり、格子の縦線部及び横線部の各々は、底面が直角三角形の三角柱が横向きに倒れた形状を有する。

本変形例では、複数の凹部２２２の各々は、上面及び底面が正方形の逆角錐台状の凹部である。具体的には、凹部２２２は、透光性基板１１０に対して垂直な２つの側面２２２ａ及び２２２ｂと、透光性基板１１０に対して傾斜した２つの側面２２２ｃ及び２２２ｄと、底面２２２ｅとを有する。

側面２２２ａ〜２２２ｄ及び底面２２２ｅは、実施の形態に係る側面１２２ａ〜１２２ｄ及び底面１２２ｅと略同じ形状である。本変形例では、図１５に示すように、側面２２２ｂは、隣の凹部２２２の側面２２２ｄと一辺（上辺）を共有している。側面２２２ａは、隣の凹部２２２の側面２２２ｃと一辺を共有している。

第２透光性樹脂層２３０は、凹凸２２１の凹部２２２を充填するように、第１透光性樹脂層２２０上に配置されている。第２透光性樹脂層２３０は、格子状の凹凸２３１を有する。凹凸２３１は、凹凸２２１を平坦化するように設けられ、凹凸２２１が反転した形状を有する。具体的には、凹凸２２１は、マトリクス状に配置された複数の凸部２３２と、複数の凸部２３２を区画する格子状に形成された凹部２３３とを備える。実施の形態と同様に、複数の凸部２３２は複数の凹部２２２に、凹部２３３は凸部２２３にそれぞれ対応する形状及び大きさで形成されている。

反射膜２４０は、透光性基板１１０に対して垂直に設けられている。反射膜２４０は、凹部２２２毎に、凹部２２２の側面２２２ａを被覆する第１反射膜２４１と、側面２２２ｂを被覆する第２反射膜２４２とを有する。第１反射膜２４１及び第２反射膜２４２の各々の両面が反射面である。

第１反射膜２４１は、凹部２２２の側面２２２ａに密着する反射面２４１ａと、凸部２３２に密着する反射面２４１ｂとを有する。図１５に示すように、第２反射膜２４２は、凹部２２２の側面２２２ｂに密着する反射面２４２ａと、凸部２３２に密着する反射面２４２ｂとを有する。

本実施の形態では、反射面２４１ａと反射面２４２ａとは、互いに直交し、かつ、一辺を共有している。反射面２４１ａ及び反射面２４２ａの各々の平面視形状は、側面２２２ａ及び側面２２２ｂと同じであり、具体的には底角が９０度の台形である。反射面２４１ｂと反射面２４２ｂとについても同様である。

本変形例では、第１透光性樹脂層２２０の凸部２２３が上面を有しないので、反射膜２４０は、平面視において、格子状に形成されている。具体的には、図１４に示すように、第１反射膜２４１は、隣の凹部２２２の第１反射膜２４１と連続するように設けられている。第２反射膜２４２についても同様である。

このように、本変形例に係る結像光学素子２００によれば、実施の形態に係る反射膜１４０より反射膜２４０を大きくすることができる。したがって、結像光学素子２００に入射した光を有効に利用することができ、空中画像２の輝度を高めることができる。

本変形例では、実施の形態と同様に、第１透光性樹脂層２２０の屈折率と第２透光性樹脂層２３０の屈折率とは略等しい。したがって、凹凸２２１での周辺光の散乱が抑制されるので、空中画像２のコントラストの低下を抑制し、品質の優れた空中画像２を得ることができる。

また、本変形例では、反射膜２４０の膜厚ｄ１及び凹凸２２１の間隔ｄ２は、実施の形態と同様の関係を有する。したがって、本変形例に係る結像光学素子２００によれば、入射光を効率良く空中画像２の結像に利用することができので、高輝度の空中画像２を得ることができる。

［変形例２］
次に、変形例２に係る結像光学素子について、図１６〜図１８を用いて説明する。

図１６は、図６の破線で囲まれる領域ＶＩＩを拡大して示す本変形例に係る結像光学素子３００の斜視図である。図１６に示すように、結像光学素子３００は、透光性基板１１０と、第１透光性樹脂層３２０と、第２透光性樹脂層３３０と、反射膜３４０とを備える。

図１７は、本変形例に係る結像光学素子３００の入射面に平行な断面を示す断面図である。具体的には、図１７は、図１８のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線で示すように、第１透光性樹脂層３２０の凸部３２２の上面を含む断面を示している。図１８は、図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線における本変形例に係る結像光学素子３００の断面図である。

図１６と図１３とを比較して分かるように、本変形例に係る結像光学素子３００は、変形例１に係る結像光学素子２００を上下反転した形状を有する。すなわち、第１透光性樹脂層３２０は、第２透光性樹脂層２３０と略同じ形状を有し、第２透光性樹脂層３３０は、第１透光性樹脂層２２０と略同じ形状を有する。

具体的には、第１透光性樹脂層３２０は、図１７に示すように、格子状の凹凸３２１を有する。凹凸３２１は、マトリクス状に配置された複数の凸部３２２と、複数の凸部３２２を区画する格子状に形成された凹部３２３とを備える。

本変形例では、複数の凸部３２２の各々は、上面及び底面が正方形の角錐台状の凸部である。

凹部３２３は、複数の凸部３２２を区画するように格子状に形成された溝である。凹部３２３の断面形状は、図１８に示すように、底角が９０度の台形である。具体的には、格子状の凹部３２３の縦線部及び横線部の各々は、底面が直角三角形の三角柱が横向きに倒れた形状の溝である。

凹部３２３は、図１７及び図１８に示すように、透光性基板１１０に対して垂直な２つの側面３２３ａ及び３２３ｂと、透光性基板１１０に対して傾斜した２つの側面３２３ｃ及び３２３ｄとを有する。２つの側面３２３ａ及び３２３ｂは、反射膜３４０によって被覆されている。

２つの側面３２３ａ及び３２３ｂは、互いに直交し、かつ、一辺を共有する。２つの側面３２３ａ及び３２３ｂの各々の平面視形状は、底角が９０度の台形であり、一方は、他方を左右に反転した形状を有する。２つの側面３２３ａ及び３２３ｂは、反射膜３４０に被覆されている。

２つの側面３２３ｃ及び３２３ｄは、互いに直交し、かつ、一辺を共有する。２つの側面３２３ｃ及び３２３ｄの各々の平面視形状は、底角が９０度の台形であり、一方は、他方を左右に反転した形状を有する。２つの側面３２３ｃ及び３２３ｄは、反射膜３４０に被覆されていない。

第２透光性樹脂層３３０は、凹凸３２１の凹部３２３を充填するように、第１透光性樹脂層３２０上に配置されている。第２透光性樹脂層３３０は、格子状の凹凸３３１を有する。凹凸３３１は、凹凸３２１を平坦化するように設けられ、凹凸３２１が反転した形状を有する。具体的には、凹凸３３１は、実施の形態に係る凹凸１２１と略同じ形状を有する。より具体的には、図１８に示すように、凹凸３３１は、マトリクス状に配置された複数の凹部３３２と、複数の凹部３３２を区画する格子状に形成された凸部３３３とを備える。

反射膜３４０は、透光性基板１１０に対して垂直に設けられている。反射膜３４０は、凸部３２２毎に、側面３２３ａを被覆する第１反射膜３４１と、側面３２３ｂを被覆する第２反射膜３４２とを含んでいる。第１反射膜３４１及び第２反射膜３４２の各々の両面が反射面である。

第１反射膜３４１は、凹部３２３の側面３２３ａに密着する反射面３４１ａと、凸部３３３に密着する反射面３４１ｂとを有する。図１８に示すように、第２反射膜３４２は、凹部３２３の側面３２３ｂに密着する反射面３４２ａと、凸部３３３に密着する反射面３４２ｂとを有する。

本実施の形態では、反射面３４１ａと反射面３４２ａとは、互いに直交し、かつ、一辺を共有している。反射面３４１ａ及び反射面３４２ａの各々の平面視形状は、側面３２３ａ及び側面３２３ｂと同じであり、具体的には底角が９０度の台形である。反射面３４１ｂと反射面３４２ｂとについても同様である。

本変形例では、実施の形態と同様に、第１透光性樹脂層３２０の屈折率と第２透光性樹脂層３３０の屈折率とは略等しい。したがって、凹凸３２１での周辺光の散乱が抑制されるので、空中画像２のコントラストの低下を抑制し、品質の優れた空中画像２を得ることができる。

また、本変形例では、反射膜３４０の膜厚ｄ１及び凹凸３２１の間隔ｄ２は、実施の形態と同様の関係を有する。したがって、本変形例に係る結像光学素子３００によれば、入射光を効率良く空中画像２の結像に利用することができので、高輝度の空中画像２を得ることができる。

［変形例３］
次に、変形例３に係る結像光学素子について、図１９〜図２１を用いて説明する。

図１９は、図６の破線で囲まれる領域ＶＩＩを拡大して示す本変形例に係る結像光学素子４００の斜視図である。図１９に示すように、結像光学素子４００は、透光性基板１１０と、第１透光性樹脂層４２０と、第２透光性樹脂層４３０と、反射膜４４０とを備える。

図２０は、本変形例に係る結像光学素子４００の入射面に平行な断面を示す断面図である。具体的には、図２０は、図２１のＸＸ−ＸＸ線で示すように、第１透光性樹脂層４２０の凸部４２３の上面を含む断面を示している。図２１は、図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線における本変形例に係る結像光学素子４００の断面図である。

本変形例に係る結像光学素子４００は、図２０に示すように、第１透光性樹脂層４２０の凹凸４２１が、平面視において市松模様で形成されている。具体的には、凹凸４２１は、複数の凹部４２２と、複数の凸部４２３とを備える。

複数の凹部４２２及び複数の凸部４２３はそれぞれ、略同じ形状であり、具体的には、立方体又は直方体である。本変形例では、凹部４２２及び凸部４２３の平面視形状は、正方形である。

図２０及び図２１に示すように、凹部４２２は、透光性基板１１０の主面に対して垂直な４つの側面４２２ａ〜４２２ｄと、底面４２２ｅとを有する。４つの側面４２２ａ〜４２２ｄの形状は、例えば、正方形である。４つの側面４２２ａ〜４２２ｄは、底面４２２ｅから略垂直に立設し、反射膜４４０によって被覆されている。底面４２２ｅの形状は、例えば、正方形である。

第２透光性樹脂層４３０は、凹凸４２１の凹部４２２を充填するように、第１透光性樹脂層４２０上に配置されている。第２透光性樹脂層４３０は、格子状の凹凸４３１を有する。凹凸４３１は、凹凸４２１を平坦化するように設けられ、凹凸４２１が反転した形状を有する。具体的には、凹凸４３１は、複数の凸部４３２と、複数の凹部４３３とを備える。

複数の凸部４３２及び複数の凹部４３３はそれぞれ、略同じ形状であり、具体的には、立方体又は直方体である。本変形例では、凸部４３２及び凹部４３３の平面視形状は、正方形である。なお、図２０においては、反射膜４４０の膜厚を大きく示しているため、凸部４３２と凹部４３３とで大きさが異なるように示されているが、実際には、ほとんど同じである。

反射膜４４０は、透光性基板１１０に対して垂直に設けられている。反射膜４４０は、凹部４２２毎に、凹部４２２の側面４２２ａ〜４２２ｄの各々を被覆する第１反射膜４４１、第２反射膜４４２、第３反射膜４４３及び第４反射膜４４４を有する。第１反射膜４４１、第２反射膜４４２、第３反射膜４４３及び第４反射膜４４４の各々の両面が反射面である。

第１反射膜４４１は、凹部４２２の側面４２２ａに密着する反射面４４１ａと、凸部４３２に密着する反射面４４１ｂとを有する。図２１に示すように、第２反射膜４４２は、凹部４２２の側面４２２ｂに密着する反射面４４２ａと、凸部４３２に密着する反射面４４２ｂとを有する。第３反射膜４４３は、凹部４２２の側面４２２ｃに密着する反射面４４３ａと、凸部４３２に密着する反射面４４３ｂとを有する。図２１に示すように、第４反射膜４４４は、凹部４２２の側面４２２ｄに密着する反射面４４４ａと、凸部４３２に密着する反射面４４４ｂとを有する。

本実施の形態では、反射面４４１ａと反射面４４２ａとは、互いに直交し、かつ、一辺を共有している。反射面４４２ａと反射面４４３ａとは、互いに直交し、かつ、一辺を共有している。反射面４４３ａと反射面４４４ａとは、互いに直交し、かつ、一辺を共有している。反射面４４４ａと反射面４４１ａとは、互いに直交し、かつ、一辺を共有している。反射面４４１ａ〜４４４ａの各々の平面視形状は、側面４２２ａ〜４２２ｄと同じであり、具体的には正方形又は長方形である。なお、反射面４４１ｂ〜４４４ｂについても同様である。

本変形例に係る結像光学素子４００によれば、凹部４２２と凸部４２３とを略同じ形状及び大きさで形成することができる。したがって、凹部４２２及び凸部４２３の幅ｄ２を大きくすることができるので、凹凸４２１の加工が容易になる。なお、本変形例では、凹部４２２の幅（すなわち、凸部４２３の幅）が、凹凸４２１の間隔ｄ２に相当する。また、凹凸４２１の形状を精度良く形成することができるので、結像光学素子４００に入射する光を有効に利用することができるので、空中画像２の輝度を高めることができる。

また、本変形例では、反射膜４４０の膜厚ｄ１及び凹凸４２１の間隔ｄ２は、実施の形態と同様の関係を有する。したがって、本変形例に係る結像光学素子３００によれば、入射光を効率良く空中画像２の結像に利用することができので、高輝度の空中画像２を得ることができる。

［変形例４］
次に、変形例４に係る結像光学素子について、図２２〜図２４を用いて説明する。

図２２は、図６の破線で囲まれる領域ＶＩＩを拡大して示す本変形例に係る結像光学素子５００の斜視図である。図２２に示すように、結像光学素子５００は、透光性基板１１０と、第１透光性樹脂層５２０と、第２透光性樹脂層５３０と、反射膜５４０とを備える。

図２３は、本変形例に係る結像光学素子５００の入射面に平行な断面を示す断面図である。具体的には、図２３は、図２４のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線で示すように、第１透光性樹脂層５２０の凸部５２３の先端に沿った断面を示している。図２４は、図２３のＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ線における本変形例に係る結像光学素子５００の断面図である。

第１透光性樹脂層５２０は、図２３に示すように、格子状の凹凸５２１を有する。凹凸５２１は、マトリクス状に配置された複数の凹部５２２と、複数の凹部５２２を区画する格子状に形成された凸部５２３とを備える。

本変形例では、凹部５２２は、底面が正方形の逆四角錐状の凹部である。具体的には、凹部５２２は、透光性基板１１０に対して垂直な２つの側面５２２ａ及び５２２ｂと、透光性基板１１０に対して傾斜した２つの側面５２２ｃ及び５２２ｄとを有する。

２つの側面５２２ａ及び５２２ｂは、互いに直交し、かつ、一辺を共有する。２つの側面５２２ａ及び５２２ｂの各々の平面視形状は、直角三角形であり、一方は、他方を左右に反転した形状を有する。２つの側面５２２ａ及び５２２ｂは、反射膜５４０に被覆されている。

２つの側面５２２ｃ及び５２２ｄは、互いに直交し、かつ、一辺を共有する。２つの側面５２２ｃ及び５２２ｄの各々の平面視形状は、直角三角形であり、一方は、他方を左右に反転した形状を有する。２つの側面５２２ｃ及び５２２ｄは、反射膜５４０に被覆されていない。

第２透光性樹脂層５３０は、凹凸５２１の凹部５２２を充填するように、第１透光性樹脂層５２０上に配置されている。第２透光性樹脂層５３０は、格子状の凹凸５３１を有する。凹凸５３１は、凹凸５２１を平坦化するように設けられ、凹凸５２１が反転した形状を有する。具体的には、凹凸５２１は、マトリクス状に配置された複数の凸部５３２と、複数の凸部５３２を区画する格子状に形成された凹部５３３とを備える。実施の形態と同様に、複数の凸部５３２は複数の凹部５２２に、凹部５３３は凸部５２３にそれぞれ対応する形状及び大きさで形成されている。

反射膜５４０は、透光性基板１１０に対して垂直に設けられている。反射膜５４０は、凹部５２２毎に、側面５２２ａを被覆する第１反射膜５４１と、側面５２２ｂを被覆する第２反射膜５４２とを含んでいる。第１反射膜５４１及び第２反射膜５４２の各々の両面が反射面である。

第１反射膜５４１は、凹部５２２の側面５２２ａに密着する反射面５４１ａと、凸部５３２に密着する反射面５４１ｂとを有する。図２４に示すように、第２反射膜５４２は、凹部５２２の側面５２２ｂに密着する反射面５４２ａと、凸部５３２に密着する反射面５４２ｂとを有する。

本実施の形態では、反射面５４１ａと反射面５４２ａとは、互いに直交し、かつ、一辺を共有している。反射面５４１ａ及び反射面５４２ａの各々の平面視形状は、側面５２２ａ及び側面５２２ｂと同じであり、具体的には直角三角形である。反射面５４１ｂと反射面５４２ｂとについても同様である。

本変形例では、実施の形態と同様に、第１透光性樹脂層５２０の屈折率と第２透光性樹脂層５３０の屈折率とは略等しい。したがって、凹凸５２１での周辺光の散乱が抑制されるので、空中画像２のコントラストの低下を抑制し、品質の優れた空中画像２を得ることができる。

また、本変形例では、反射膜５４０の膜厚ｄ１及び凹凸５２１の間隔ｄ２は、実施の形態と同様の関係を有する。したがって、本変形例に係る結像光学素子５００によれば、入射光を効率良く空中画像２の結像に利用することができので、高輝度の空中画像２を得ることができる。

（その他）
以上、本発明に係る結像光学素子及び空中表示装置、並びに、結像光学素子の製造方法について、上記の実施の形態及びその変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記の実施の形態では、透光性基板１１０にディスプレイ２０からの光が入射する例について示したが、これに限らない。例えば、第２透光性樹脂層１３０側にディスプレイ２０が配置されていてもよい。ディスプレイ２０に表示された画像からの光は、第２透光性樹脂層１３０に入射して、透光性基板１１０から出射してもよい。

また、本発明は、空中表示装置として実現できるだけでなく、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ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などの記録媒体として実現することもできる。

つまり、上述した包括的又は具体的な態様は、システム、装置、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能な記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

その他、各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や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各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
２ 空中画像
４ ユーザ
２０ ディスプレイ（画像表示部）
４０ モーションセンサ（操作検知部）
５０ 制御部
１００、２００、３００、４００、５００ 結像光学素子
１１０ 透光性基板
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０ 第１透光性樹脂層
１２１ 凹凸
１２２、２２２、３２３、４２２、５２２ 凹部
１２２ａ、１２２ｂ、２２２ａ、２２２ｂ、３２３ａ、３２３ｂ、４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ、４２２ｄ、５２２ａ、５２２ｂ 側面
１２２ｅ、２２２ｅ、４２２ｅ 底面
１２３、２２３、３２２、４２３、５２３ 凸部
１２３ａ 上面
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０ 第２透光性樹脂層
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０ 反射膜
１４０ａ 金属薄膜
１４１ａ、１４１ｂ、１４２ａ、１４２ｂ、２４１ａ、２４１ｂ、２４２ａ、２４２ｂ、３４１ａ、３４１ｂ、３４２ａ、３４２ｂ、４４１ａ、４４１ｂ、４４２ａ、４４２ｂ、４４３ａ、４４３ｂ、４４４ａ、４４４ｂ、５４１ａ、５４１ｂ、５４２ａ、５４２ｂ 反射面

Claims (10)

1. 透光性基板と、
   格子状の凹凸を有し、前記透光性基板上に配置された第１透光性樹脂層と、
   前記凹凸の凹部を充填するように、前記第１透光性樹脂層上に配置された第２透光性樹脂層と、
   前記凹部の側面を被覆する反射膜とを備え、
   前記第１透光性樹脂層の屈折率と、前記第２透光性樹脂層の屈折率とは、略等しい
   結像光学素子。
2. 前記格子状の凹凸の間隔は、１μｍ以上１０００μｍ以下であり、
   前記反射膜の膜厚は、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である
   請求項１に記載の結像光学素子。
3. 前記格子状の凹凸の間隔は、前記反射膜の膜厚の１０倍以上の長さである
   請求項１又は２に記載の結像光学素子。
4. 前記凹凸は、平面視において市松模様で形成されている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の結像光学素子。
5. 前記反射膜は、互いに直交し、かつ、一辺を共有する２つの反射面を有し、
   前記２つの反射面の各々の平面視形状は、長方形、正方形、底角が９０度の台形又は直角三角形である
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の結像光学素子。
6. 請求項１〜５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。
7. さらに、
   前記空中画像に対するユーザの操作を検知する操作検知部と、
   前記操作検知部で検知されたユーザの操作に応じて前記画像表示部で表示する画像を制御する制御部とを備える
   請求項６に記載の空中表示装置。
8. 透光性基板上に、格子状の凹凸を有する第１透光性樹脂層を形成する第１工程と、
   前記凹凸の凹部の側面に反射膜を形成する第２工程と、
   前記凹部を充填するように、前記第１透光性樹脂層上に、前記第１透光性樹脂層の屈折率と略等しい屈折率の第２透光性樹脂層を形成する第３工程とを含む
   結像光学素子の製造方法。
9. 前記第２工程は、
   前記凹凸を覆うように前記第１透光性樹脂層の表面に金属薄膜を形成する工程と、
   前記凹部の側面に形成された前記金属薄膜を前記反射膜として残すように、前記凹凸の凹部の底面及び凸部の上面に形成された前記金属薄膜を除去する工程とを含む
   請求項８に記載の結像光学素子の製造方法。
10. 前記除去する工程は、異方性のドライエッチングにより行われる
    請求項９に記載の結像光学素子の製造方法。

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