JP2022113699A - Optical element and method for manufacturing optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フレネル構造を利用した光学素子の技術分野に関する。 The present invention relates to the technical field of optical elements using a Fresnel structure.
この種の技術が、例えば特許文献1乃至3に提案されている。特許文献1及び2には、フレネルレンズ形状のハーフミラーを平板の内部に形成したコンバイナが提案されている。特許文献3には、1枚の基板の両面にフレネルレンズ状の複数の傾斜面よりなる環状溝が形成されたコンバイナが提案されている。 Techniques of this type are proposed in Patent Documents 1 to 3, for example. Patent Documents 1 and 2 propose a combiner in which a Fresnel lens-shaped half mirror is formed inside a flat plate. Patent Literature 3 proposes a combiner in which annular grooves made up of a plurality of Fresnel lens-like inclined surfaces are formed on both surfaces of one substrate.
特許文献1及び2に記載されたコンバイナは、例えば、フレネルパターンが形成された基板(フレネルレンズ基板)と透明のカバー基板とを接着剤で接着することで作成される。しかしながら、この方法では、フレネルパターンが形成された面上では接着剤が均一に広がりにくいために、接着剤中に気泡が混入するといった不具合や、接着剤の厚さが不均一になるといった不具合などが発生してしまう場合があった。 The combiners described in Patent Documents 1 and 2 are produced, for example, by bonding a substrate on which a Fresnel pattern is formed (Fresnel lens substrate) and a transparent cover substrate with an adhesive. However, with this method, since it is difficult for the adhesive to spread evenly on the surface on which the Fresnel pattern is formed, there are problems such as the inclusion of air bubbles in the adhesive and the uneven thickness of the adhesive. could have occurred.
他方で、特許文献3に記載されたコンバイナは、例えば、1枚の基板の両面にフレネルパターンを成形(プレス転写や射出成形など)することで作成される。この方法では、接着しないため上記のような不具合は発生しない。しかしながら、パターン転写などの際に基板が反り易いといった不具合がある。 On the other hand, the combiner described in Patent Literature 3 is produced, for example, by molding Fresnel patterns on both sides of one substrate (press transfer, injection molding, etc.). In this method, since no adhesion is performed, the above problems do not occur. However, there is a problem that the substrate tends to warp during pattern transfer or the like.
本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、フレネル構造を利用した光学素子において、貼り合わせ(接合)が容易であり、反りが抑制された光学素子を提供することを課題とする。 Examples of the problems to be solved by the present invention are as described above. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical element using a Fresnel structure, which is easy to bond (bond) and suppresses warpage.
請求項1に記載の発明では、光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第1光学素子と、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第2光学素子と、を備え、前記第1光学素子と前記第2光学素子とは、平面形状を有する前記第1光学素子の第1平面と平面形状を有する前記第2光学素子の第2平面とが向き合った状態で、接合されていることを特徴とする。 In the invention according to claim 1, the optical element comprises a first optical element in which a Fresnel structure concave lens is formed on one principal surface and the other principal surface opposite to the principal surface has a planar shape; and the concave lens. a second optical element having a convex lens with a Fresnel structure having substantially the same absolute values of refractive index and focal length on one principal surface and having a planar shape on the other principal surface opposite to the principal surface; The first optical element and the second optical element are bonded together in a state in which the first plane of the first optical element having a planar shape faces the second plane of the second optical element having a planar shape. It is characterized by
請求項7に記載の発明では、光学素子の製造方法は、第1基板の対向する2つの面のうち、一方の面に対して金型を適用することでフレネル構造の凹レンズ形状を形成し、他の面が平面形状を有する第1光学素子を作成する工程と、第2基板の対向する2つの面のうち、一方の面に対して金型を適用することでフレネル構造の凸レンズ形状を形成し、他の面が平面形状を有する第2光学素子を作成する工程と、平面形状を有する前記第1光学素子の面と平面形状を有する前記第2光学素子の面とを向き合わせた状態で、接合する工程と、を備えることを特徴とする。 In the invention according to claim 7, the method for manufacturing an optical element includes forming a concave lens shape of a Fresnel structure by applying a mold to one of two opposing surfaces of the first substrate, Forming a convex lens shape with a Fresnel structure by forming a first optical element whose other surface has a planar shape, and applying a mold to one of the two opposing surfaces of the second substrate. and forming a second optical element having a planar surface on the other surface; , and a step of bonding.
本発明の1つの観点では、光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第1光学素子と、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第2光学素子と、前記第1光学素子と前記第2光学素子との間に設けられたハーフミラーと、を備え、前記第1光学素子と前記第2光学素子とは、平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とが向き合った状態で、前記ハーフミラーを介して接合されている。 In one aspect of the present invention, an optical element includes a first optical element in which a Fresnel structure concave lens is formed on one principal surface and the other principal surface opposite to the principal surface has a planar shape; a second optical element having a convex lens with a Fresnel structure having substantially the same absolute value of index and focal length on one principal surface and having a planar shape on the other principal surface opposite to the principal surface; and the first optical element. and a half mirror provided between the second optical element, wherein the first optical element and the second optical element have a planar shape with the main surface of the first optical element having a planar shape. The second optical element is joined through the half mirror while facing the main surface of the second optical element.
上記の光学素子は、例えば虚像として画像を視認させるためのコンバイナとして利用される。第1光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、他方の主面が平面形状を有しており、第2光学素子は、フレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、他方の主面が平面形状を有している。凹レンズと凸レンズとは、屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しい。また、第1光学素子と第2光学素子との間には、ハーフミラーが設けられている。更に、第1光学素子と第2光学素子とは、平面形状を有する第1光学素子の主面と平面形状を有する第2光学素子の主面とが向き合った状態で、ハーフミラーを介して接合されている。 The optical element described above is used, for example, as a combiner for visualizing an image as a virtual image. The first optical element has a Fresnel structure concave lens formed on one principal surface and the other principal surface has a planar shape, and the second optical element has a Fresnel structure convex lens formed on one principal surface. , the other main surface has a planar shape. A concave lens and a convex lens have approximately the same absolute value of refractive index and focal length. A half mirror is provided between the first optical element and the second optical element. Furthermore, the first optical element and the second optical element are joined via a half mirror in a state in which the main surface of the first optical element having a planar shape faces the main surface of the second optical element having a planar shape. It is
上記の光学素子においては、平面形状を有する面同士で接合されているので、第1光学素子と第2光学素子とが適切に接合された状態となっている。また、第1光学素子と第2光学素子とが接合されることで光学素子が構成されるので、当該光学素子にはほとんど反りが生じない。例えば、第1光学素子及び第2光学素子が反っていたとしても、第1光学素子と第2光学素子とは同じように反るため、これらを接合することで反りがかなり少ない光学素子が得られる。このように、光学素子には反りが生じにくいので、光学素子の厚みを適切に薄くすることが可能となる。 In the optical element described above, since the surfaces having planar shapes are bonded together, the first optical element and the second optical element are properly bonded. In addition, since the optical element is configured by joining the first optical element and the second optical element, the optical element hardly warps. For example, even if the first optical element and the second optical element are warped, the first optical element and the second optical element are warped in the same way. be done. Thus, since the optical element is less likely to warp, it is possible to appropriately reduce the thickness of the optical element.
なお、上記では、凹レンズと凸レンズとは屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいと述べたが、ここでいう「ほぼ等しい」とは、光学素子の透過機能を奏する範囲で等しいという意味である(以下同様とする)。 In the above description, the concave lens and the convex lens have substantially the same absolute values of the refractive index and the focal length, but the term "substantially equal" here means that the refractive index and the focal length are equal within the range in which the optical element exhibits the transmission function. (The same shall apply hereinafter).
上記の光学素子の一態様では、前記ハーフミラーは、入射する光の波長に応じて反射率が変化する特性を有する。好適な例では、前記ハーフミラーは、赤色光、青色光及び緑色光のそれぞれに対応する波長において反射率が高くなるような特性を有する。これにより、光学素子の透過率を下げることなく、光学素子を利用して表示する像の明るさを向上させることができる。 In one aspect of the above optical element, the half mirror has a characteristic that the reflectance changes according to the wavelength of incident light. In a preferred example, the half mirror has characteristics such that the reflectance is high at wavelengths corresponding to red light, blue light, and green light. As a result, the brightness of the image displayed using the optical element can be improved without lowering the transmittance of the optical element.
なお、本明細書では、「ハーフミラー」には、反射光と透過光との強さが概ね同じような光学素子だけでなく、反射光と透過光との強さが同じでないような光学素子も含まれるものとする。つまり、本明細書では、「ハーフミラー」は、反射機能及び透過機能の両方を具備する光学素子の全般を意味するものとする。 In this specification, the term "half mirror" includes not only an optical element in which the intensity of reflected light and transmitted light is approximately the same, but also an optical element in which the intensity of reflected light and transmitted light is not the same. shall also be included. In other words, in this specification, the term "half mirror" means all optical elements that have both a reflective function and a transmissive function.
本発明の他の観点では、光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第1光学素子と、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第2光学素子と、前記凹レンズが形成された前記第1光学素子の主面に設けられたハーフミラーと、を備え、前記第1光学素子と前記第2光学素子とは、平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とが向き合った状態で接合されている。 In another aspect of the present invention, the optical element includes a first optical element having a Fresnel structure concave lens formed on one principal surface and having a planar shape on the other principal surface opposite to the principal surface; A second optical element having a convex lens with a Fresnel structure having substantially equal absolute values of index and focal length formed on one principal surface and having a planar shape on the other principal surface opposite to the principal surface, and the concave lens are formed. and a half mirror provided on the main surface of the first optical element, wherein the first optical element and the second optical element have a planar shape with the principal surface of the first optical element having a planar shape. It is bonded with the main surface of the second optical element facing each other.
上記の光学素子においても、平面形状を有する面同士で接合されているので、第1光学素子と第2光学素子とが適切に接合された状態となっている。また、第1光学素子と第2光学素子とが接合されることで光学素子が構成されるので、当該光学素子にはほとんど反りが生じない。したがって、光学素子の厚みを適切に薄くすることが可能となる。他方で、上記の光学素子によれば、凹レンズが形成された第1光学素子の主面にハーフミラーを設けるので、この面に反射防止膜を付けなくて良い。そのため、製造コストを削減することが可能となる。 Also in the above optical element, since the surfaces having planar shapes are bonded together, the first optical element and the second optical element are in a state of being properly bonded. In addition, since the optical element is configured by joining the first optical element and the second optical element, the optical element hardly warps. Therefore, it is possible to appropriately reduce the thickness of the optical element. On the other hand, according to the above optical element, since the half mirror is provided on the main surface of the first optical element on which the concave lens is formed, this surface does not need to be coated with an antireflection film. Therefore, manufacturing costs can be reduced.
上記の光学素子の他の一態様では、前記凹レンズと前記凸レンズとは、レンズのピッチがほぼ等しい。これにより、光学素子の透過性を向上させることができる。なお、凹レンズと凸レンズとはレンズのピッチがほぼ等しいと述べたが、ここでいう「ほぼ等しい」とは、光学素子の透過機能を奏する範囲で等しいという意味である。 In another aspect of the above optical element, the concave lens and the convex lens have substantially the same lens pitch. Thereby, the transmittance of the optical element can be improved. Although the lens pitches of the concave lens and the convex lens are said to be substantially equal, the term "substantially equal" here means equal within the range in which the transmission function of the optical element is exhibited.
上記の光学素子は、ヘッドアップディスプレイに好適に適用することができる。 The optical element described above can be suitably applied to a head-up display.
本発明の他の観点では、光学素子の製造方法は、第1基板における一方の主面に対して金型を適用することでフレネル構造の凹レンズを形成することにより、当該主面に前記フレネル構造の凹レンズが形成され、当該主面に対向する他の主面が平面形状を有する第1光学素子を作成する工程と、第2基板における一方の主面に対して金型を適用することで、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズを形成することにより、当該主面に前記フレネル構造の凸レンズが形成され、当該主面に対向する他の主面が平面形状を有する第2光学素子を作成する工程と、平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とを向き合わせた状態で、前記第1光学素子と前記第2光学素子とを接合する工程と、を備える。 According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing an optical element includes applying a mold to one main surface of a first substrate to form a concave lens having a Fresnel structure on the main surface. A concave lens is formed in the first optical element, and the other main surface opposite to the main surface has a planar shape, and a mold is applied to one main surface of the second substrate, By forming a convex lens with a Fresnel structure whose absolute values of refractive index and focal length are substantially equal to those of the concave lens, the convex lens with the Fresnel structure is formed on the main surface, and the other main surface opposite to the main surface has a planar shape. and in a state in which the main surface of the first optical element having a planar shape and the main surface of the second optical element having a planar shape face each other, the first optical element and bonding the second optical element to the second optical element.
上記の光学素子の製造方法によれば、第1光学素子と第2光学素子とを、平面形状を有する面同士で接合するので、第1光学素子と第2光学素子との適切な接合を容易に行うことができる。また、第1光学素子及び第2光学素子が作成時において反っていたとしても、第1光学素子と第2光学素子とは同じように反るため、これらを接合することで反りがかなり少ない光学素子が得られる。 According to the optical element manufacturing method described above, since the first optical element and the second optical element are bonded between the surfaces having a planar shape, it is easy to appropriately bond the first optical element and the second optical element. can be done. In addition, even if the first optical element and the second optical element are warped at the time of fabrication, the first optical element and the second optical element are warped in the same way. A device is obtained.
上記の光学素子の製造方法の一態様では、平面形状を有する前記第1光学素子の主面、又は平面形状を有する前記第2光学素子の主面に、ハーフミラーを形成する工程を更に備えていても良い。 In one aspect of the method for manufacturing an optical element described above, the step of forming a half mirror on the principal surface of the first optical element having a planar shape or the principal surface of the second optical element having a planar shape is further provided. can be
上記の光学素子の製造方法の他の一態様では、前記凹レンズが形成された前記第1光学素子の主面に、ハーフミラーを形成する工程を更に備えていても良い。 In another aspect of the method for manufacturing an optical element, the method may further include forming a half mirror on the main surface of the first optical element on which the concave lens is formed.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[ヘッドアップディスプレイの構成]
図1は、本実施例に係るヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。ヘッドアップディスプレイでは、表示すべき画面(実像RI)を形成し、実像RIを構成する光をコンバイナ10で反射させることで、実像RIに対応する虚像VIを運転者に視認させる。例えば、実像RIは、小型液晶ディスプレイによって表示される画面や、プロジェクタによってスクリーンに形成される像(1つの例では射出瞳拡大素子(EPE: Exit-Pupil Expander)によって形成される像)に相当する。
[Configuration of head-up display]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a head-up display according to this embodiment. In the head-up display, a screen (real image RI) to be displayed is formed, and the
ここで、昼間でも虚像VIを明るく視認させるためには、実像RIの発光輝度を上げれば良いが、消費電力やデバイス価格が増大するため、通常は光の利用効率を上げる手法が用いられている。光の利用効率を上げるために、一般的なヘッドアップディスプレイでは、実像RIの発光角度を制限するとともに、コンバイナ10で反射された光が観察者の頭部に集まるように、コンバイナ10として凹面ハーフミラーを用い、凹面ハーフミラーの焦点距離を適切な値に設定している。1つの例では、コンバイナ10として、フレネル構造を利用したハーフミラーが用いられている。なお、図1において符号EBで示す領域は、観察者の頭部付近に形成される虚像観察可能領域(アイボックス)である。
Here, in order to make the virtual image VI brighter and visible even in the daytime, it is sufficient to increase the light emission luminance of the real image RI, but this increases the power consumption and device price. . In order to increase the efficiency of light utilization, in a general head-up display, the light emission angle of the real image RI is limited, and the
[比較例の不具合]
次に、前述した特許文献1乃至3に記載された構成の不具合について具体的に説明する。以下では、特許文献1及び2に記載された構成を「比較例1」と呼び、特許文献3に記載された構成を「比較例2」と呼ぶ。
[Failure of Comparative Example]
Next, the deficiencies of the configurations described in Patent Documents 1 to 3 will be specifically described. Hereinafter, the configurations described in Patent Documents 1 and 2 are referred to as "Comparative Example 1", and the configuration described in Patent Document 3 is referred to as "Comparative Example 2".
図2は、比較例1に係るコンバイナ10xの一例を示す概略構成図である。図2は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ10xの断面イメージ図を示している。比較例1に係るコンバイナ10xは、フレネルレンズが形成されたフレネルレンズ基板10x1と、透明のカバー基板10x2とを有する。具体的には、比較例1に係るコンバイナ10xでは、フレネルレンズ基板10x1とカバー基板10x2とが、例えば紫外線硬化樹脂などの接着剤10x4で接着されている。また、比較例1に係るコンバイナ10xでは、フレネルレンズ基板10x1においてフレネルレンズが形成された面上には、半透明反射膜10x3が付されている。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of a
図3は、比較例1に係るコンバイナ10xの製造方法の一例を説明するための図である。図3に示すように、金型などを用いてフレネルレンズ基板10x1を作成した後に、フレネルレンズ基板10x1とカバー基板10x2との間に接着剤10x4を配し、矢印A1で示すように圧力を付与する。これにより、フレネルレンズ基板10x1とカバー基板10x2とが接着剤10x4で接着されることで、比較例1に係るコンバイナ10xが作成される。このような製造方法では、フレネルレンズが形成された面(凹凸のある面)上では接着剤10x4が均一に(言い換えると等方的に)広がりにくいために、接着剤10x4中に気泡が混入するといった不具合や、接着剤10x4の厚さが不均一になるといった不具合などが発生してしまう場合がある。
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of a method for manufacturing the
図4は、比較例2に係るコンバイナ10yの一例を示す概略構成図である。図4は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ10yの断面イメージ図を示している。比較例2に係るコンバイナ10yは、対向する2つの面のうちの一方の面10y1が、フレネル構造の凸レンズ形状(言い換えると凸レンズとして機能するように構成されたフレネルレンズの表面形状)に構成されており、対向する2つの面のうちの他方の面10y2が、フレネル構造の凹レンズ形状(言い換えると凹レンズとして機能するように構成されたフレネルレンズの表面形状)に構成されている。つまり、比較例2に係るコンバイナ10yは、1枚の基板の両面10y1、10y2に、フレネルパターンが形成されている。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an example of a
図5は、比較例2に係るコンバイナ10yの製造方法を説明するための図である。図5に示すように、まず、フレネル構造の凸レンズ形状を形成するための金型21と、フレネル構造の凹レンズ形状を形成するための金型22との間に、平板形状を有する基板10yaを配置する。この後、金型21と金型22との間に基板10yaを挟み込んだ状態で(金型21、22は加熱された状態にあるものとする)、矢印A2で示すように圧力を付与する。これにより、金型21及び金型22を取り外すことで、一方の面10y1がフレネル構造の凸レンズ形状に成形され、他方の面10y2がフレネル構造の凹レンズ形状に成形された、比較例2に係るコンバイナ10yが作成される。
FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing a
ここで、比較例2に係るコンバイナ10yの製造方法では、貼り合わせ工程がないため(具体的には接着する工程がないため)、比較例1に係るコンバイナ10xの製造方法で述べたような不具合は生じない。しかしながら、比較例2に係るコンバイナ10yの製造方法では、パターン転写の際にコンバイナ10yが反り易いといった不具合がある。具体的には、金型21、22を取り外す際に生じる応力が両者で僅かでも差異があるとコンバイナ10yが反ってしまい、また、金型21、22に温度差があると冷める時の収縮率が異なることでコンバイナ10yが反ってしまう。特に、基板10yaの厚みを薄くすると、コンバイナ10yの反りが大きくなる。このようにコンバイナ10yが反ってしまうと、実像RIからの光を反射する凹面鏡としての曲率(ひいては焦点距離)が変わってしまうため、虚像VIが歪んだり、虚像VIの位置が変化してしまったりする。なお、図5ではプレス転写の場合を例に挙げて説明したが、射出成形を行った場合にもコンバイナ10yが反り易い。
Here, in the method for manufacturing the
以上述べたように、比較例1に係る製造方法では、2部材の適切な貼り合わせが難しいといった課題があり、比較例2に係る製造方法では、コンバイナ10yが反り易いといった課題がある。したがって、本実施例では、貼り合わせを容易に行うことができると共に、反りが少ないようなコンバイナを採用する。
As described above, the manufacturing method according to Comparative Example 1 has a problem that it is difficult to properly bond the two members, and the manufacturing method according to Comparative Example 2 has a problem that the
[第1実施例]
まず、第1実施例について説明する。
[First embodiment]
First, the first embodiment will be described.
図6は、第1実施例に係るコンバイナ10aの概略構成図を示す。図6(a)は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ10aの断面イメージ図を示しており、図6(b)は、図6(a)中の破線領域R1を拡大した断面イメージ図を示している。なお、第1実施例に係るコンバイナ10aは、図1に示したコンバイナ10の代わりにヘッドアップディスプレイに対して適用される。
FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of the
図6(a)に示すように、第1実施例に係るコンバイナ10aは、フレネル構造が適用された凹レンズ(以下では「フレネル凹レンズ」と呼ぶ。)10a1と、フレネル構造が適用された凸レンズ(以下では「フレネル凸レンズ」と呼ぶ。)10a2と、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2との間に設けられた半透明反射膜10a3と、を有する。また、図6(b)に示すように、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とは、半透明反射膜10a3を介して、透明の接着剤10a4(例えば紫外線硬化樹脂など)で接着されている。更に、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とは、屈折率、焦点距離の絶対値、及びレンズピッチ(言い換えると「パターンピッチ」である。以下同様とする。)が等しい。
As shown in FIG. 6A, the
なお、コンバイナ10aは本発明における「光学素子」の一例であり、フレネル凹レンズ10a1は本発明における「第1光学素子」の一例であり、フレネル凸レンズ10a2は本発明における「第2光学素子」の一例であり、半透明反射膜10a3は本発明における「ハーフミラー」の一例である。
The
図7は、第1実施例に係るコンバイナ10aの動作を説明するための図を示す。図7中の破線領域R2に示すように、実像RIからの光は、フレネル凸レンズ10a2に入射する際に屈折し、その後に半透明反射膜10a3で反射(正反射)した後、フレネル凸レンズ10a2から出射する際に屈折する。この場合、実像RIからの光は、フレネル凸レンズ10a2を2回透過することで、凹面ミラーで反射された場合と同じ状態で、実像RIの方向に戻ってくる。例えば、コンバイナ10aをヘッドアップディスプレイ(図1)に適用した場合、実像RIからの光は運転者の頭部に戻ってくる。
FIG. 7 shows a diagram for explaining the operation of the
他方で、図7中の破線領域R3に示すように、実像RIの逆側からコンバイナ10aに入射する光(以下では「背景光」と呼ぶ。)は、コンバイナ10aのレンズ作用をほとんど受けることなく出射される。つまり、背景光は、レンズ作用をほとんど受けることなく、コンバイナ10aを透過していく。これは、上記したように、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とで、屈折率、焦点距離の絶対値、及びレンズピッチを等しくしたからである。
On the other hand, as indicated by the dashed line area R3 in FIG. 7, the light incident on the
なお、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とで屈折率及び焦点距離の絶対値を完全に等しくすることが好適であるが、屈折率及び焦点距離の絶対値が若干ずれていても構わない。フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とで屈折率及び焦点距離の絶対値が若干ずれていても、コンバイナ10aの透過性をある程度確保することができるからである。そういった観点より、許容できる屈折率及び焦点距離の絶対値のずれをコンバイナ10aが具備すべき透過性などに基づいて定め、そのずれの範囲内となるようにフレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2を作成すると良い。
Although it is preferable that the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 have the same absolute values of the refractive index and the focal length, the absolute values of the refractive index and the focal length may be slightly different. This is because even if the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 have slightly different absolute values of refractive index and focal length, the transmittance of the
同様に、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とでレンズピッチを完全に等しくすることが好適であるが、レンズピッチが多少ずれていても構わない。フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とでレンズピッチが多少ずれていても、コンバイナ10aの透過性を十分に確保することができるからである。そういった観点より、許容できるレンズピッチのずれをコンバイナ10aが具備すべき透過性などに基づいて定め、そのずれの範囲内となるようにフレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2を作成すると良い。
Similarly, it is preferable that the lens pitches of the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 are completely equal, but the lens pitches may deviate slightly. This is because even if the lens pitches of the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 are slightly different, the transmittance of the
また、接着剤10a4の屈折率は、フレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2(以下ではこれらを区別しない場合には単に「フレネルレンズ」と呼ぶ。)の屈折率と等しくすることが好適である。こうすることで、接着剤10a4とフレネルレンズとの界面で生じる不必要な反射を抑えることができる。また、フレネルパターンが形成された面に反射防止膜を付けなくても、2重像(フレネルパターンが形成された面で反射された光と半透明反射膜10a3で反射された光とが重なることで生じる現象)を抑制することができる。但し、接着剤10a4の屈折率とフレネルレンズの屈折率とを等しくすることに限定はされず、接着剤10a4の屈折率とフレネルレンズの屈折率とを異なるものにしても構わない。 Also, the refractive index of the adhesive 10a4 is preferably equal to that of the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 (hereinafter simply referred to as "Fresnel lens" when not distinguished). By doing so, unnecessary reflection occurring at the interface between the adhesive 10a4 and the Fresnel lens can be suppressed. In addition, even if an antireflection film is not attached to the surface on which the Fresnel pattern is formed, a double image (the light reflected by the surface on which the Fresnel pattern is formed and the light reflected by the semi-transparent reflective film 10a3 may overlap). phenomenon) can be suppressed. However, the refractive index of the adhesive 10a4 and the refractive index of the Fresnel lens are not limited to the same, and the refractive index of the adhesive 10a4 and the refractive index of the Fresnel lens may be different.
図8は、第1実施例に係るコンバイナ10aの製造方法を説明するための図である。まず、フレネル構造の凹レンズ形状を形成するための金型31を、平板形状を有する基板10a11に対して適用すると共に、フレネル構造の凸レンズ形状を形成するための金型32を、平板形状を有する基板10a21に対して適用する(金型31、32は加熱された状態にあるものとする)。この後、基板10a11、10a21から金型31、32を取り外すことで、フレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2が作成される。このように金型31、32を取り外した際に、フレネルパターンの成形面が冷えて熱収縮が生じることで、図8に示すように、フレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2がお椀型に反る傾向にある。
FIG. 8 is a diagram for explaining the manufacturing method of the
次に、フレネル凸レンズ10a2における平面形状を有する面(つまりフレネルパターンが形成されていない面)に、半透明反射膜10a3を付ける。この後、フレネル凹レンズ10a1における平面形状を有する面とフレネル凸レンズ10a2における平面形状を有する面(厳密には半透明反射膜10a3が付された面)とを向き合わせた状態で、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2との間に接着剤10a4を配し、矢印A3で示すように圧力を付与する。これにより、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とが接着剤10a4で接着されることで、第1実施例に係るコンバイナ10aが作成される。
Next, a semi-transparent reflective film 10a3 is attached to the planar surface of the Fresnel convex lens 10a2 (that is, the surface on which the Fresnel pattern is not formed). After that, while the planar surface of the Fresnel concave lens 10a1 and the planar surface of the Fresnel convex lens 10a2 (strictly speaking, the surface to which the semi-transparent reflecting film 10a3 is attached) face each other, the concave Fresnel lens 10a1 and the Fresnel lens are An adhesive 10a4 is placed between the convex lens 10a2 and pressure is applied as indicated by an arrow A3. As a result, the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 are adhered with the adhesive 10a4, thereby producing the
このような第1実施例に係る製造方法によれば、フレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2の両方とも接着面が平面であるため、接着剤10a4が広がり易い。また、接着面にパターンが形成されていないため、接着剤10a4が均一に(言い換えると等方的に)広がる。そのため、比較例1に係る製造方法において生じ得る、接着剤10a4中に気泡が混入するといった不具合や、接着剤10a4の厚さが不均一になるといった不具合などを適切に抑制することができる。したがって、第1実施例に係る製造方法によれば、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2との適切な貼り合わせを容易に行うことができる。 According to such a manufacturing method according to the first embodiment, since the adhesive surfaces of both the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 are flat, the adhesive 10a4 spreads easily. Moreover, since no pattern is formed on the adhesive surface, the adhesive 10a4 spreads uniformly (in other words, isotropically). Therefore, it is possible to appropriately suppress problems such as the inclusion of air bubbles in the adhesive 10a4 and the non-uniformity of the thickness of the adhesive 10a4, which may occur in the manufacturing method according to Comparative Example 1. Therefore, according to the manufacturing method according to the first embodiment, it is possible to easily and appropriately bond the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2.
更に、第1実施例に係る製造方法によれば、それぞれが同じようにお椀型に反っているフレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とを貼り合わせるため、比較例2に係る製造方法と比較して、反りがかなり少ないコンバイナ10aを作成することができる。そのため、コンバイナ10aの厚みを薄くしても、コンバイナ10aが反りにくいと言える。したがって、第1実施例によれば、コンバイナ10aの厚みを適切に薄くすることが可能となる。
Furthermore, according to the manufacturing method according to the first example, since the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2, which are similarly warped in the bowl shape, are bonded together, compared with the manufacturing method according to the comparative example 2, A
なお、上記では、フレネル凸レンズ10a2における平面形状を有する面に半透明反射膜10a3を付ける例を示したが(図8参照)、この代わりに、フレネル凹レンズ10a1における平面形状を有する面に半透明反射膜10a3を付けても良い。 In the above description, an example in which the semi-transparent reflecting film 10a3 is attached to the planar surface of the Fresnel convex lens 10a2 is shown (see FIG. 8). A film 10a3 may be attached.
次に、図9を参照して、ハーフミラーとしての半透明反射膜10a3の反射率特性(言い換えると透過率特性)の具体例について説明する。図9(a)は、半透明反射膜10a3の反射率特性の1つの例を示し、図9(b)は、半透明反射膜10a3の反射率特性の他の例を示している。図9(a)及び(b)では、横軸に入射光の波長(nm)を示し、縦軸に半透明反射膜10a3の透過率(%)を示している。横軸に示す波長の範囲は、可視光についての波長の範囲に概ね相当する。また、半透明反射膜10a3の反射率(%)は、「反射率(%)=100-透過率(%)」となる。 Next, a specific example of reflectance characteristics (in other words, transmittance characteristics) of the semi-transparent reflecting film 10a3 as a half mirror will be described with reference to FIG. FIG. 9(a) shows one example of the reflectance characteristics of the semi-transparent reflective film 10a3, and FIG. 9(b) shows another example of the reflectance characteristics of the semi-transparent reflective film 10a3. In FIGS. 9A and 9B, the horizontal axis indicates the wavelength (nm) of the incident light, and the vertical axis indicates the transmittance (%) of the semi-transparent reflective film 10a3. The range of wavelengths shown on the horizontal axis roughly corresponds to the range of wavelengths for visible light. Also, the reflectance (%) of the semi-transparent reflective film 10a3 is "reflectance (%)=100-transmittance (%)".
図9(a)に示す例では、半透明反射膜10a3は、波長によらずに反射率が一定であるといった特性を有している。つまり、この例では、半透明反射膜10a3の反射率が可視光全体で一定となっている。 In the example shown in FIG. 9A, the semi-transparent reflective film 10a3 has a characteristic that the reflectance is constant regardless of the wavelength. That is, in this example, the reflectance of the semi-transparent reflective film 10a3 is constant over the entire visible light.
図9(b)に示す例では、半透明反射膜10a3は、波長に応じて反射率が変化する特性を有している。この例では、半透明反射膜10a3の反射率が特定の波長で高くなっている。具体的には、当該半透明反射膜10a3は、特定の波長の光を大きく反射し、それ以外の波長の光をほとんど反射しない(透過させる)特性を有する。このような特性を有する半透明反射膜10a3は、バンドパスフィルタ(ノッチフィルタ)として機能し、例えば複数種類の誘電体薄膜を多層構造にすることで実現される。好適には、実像RIを形成するための光源として、赤色光、緑色光及び青色光を出射する光源(例えば赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を出射するレーザ光源)を用いた場合には、赤色光、緑色光及び青色光のそれぞれの波長で反射率が高くなるように半透明反射膜10a3を構成すると良い。こうすることで、コンバイナ10aの透過率を下げることなく、コンバイナ10aにて表示される画像(虚像)の明るさを向上させることができる。
In the example shown in FIG. 9(b), the semi-transparent reflective film 10a3 has the characteristic that the reflectance changes according to the wavelength. In this example, the reflectance of the semi-transparent reflective film 10a3 is high at a specific wavelength. Specifically, the translucent reflective film 10a3 has a property of largely reflecting light of a specific wavelength and hardly reflecting (transmitting) light of other wavelengths. The semi-transparent reflective film 10a3 having such characteristics functions as a band-pass filter (notch filter), and is realized by, for example, forming a multi-layer structure of a plurality of types of dielectric thin films. Preferably, a light source that emits red light, green light, and blue light (for example, a laser light source that emits red laser light, green laser light, and blue laser light) is used as the light source for forming the real image RI. Preferably, the semi-transparent reflective film 10a3 is configured so that the reflectance is high for each wavelength of red light, green light, and blue light. By doing so, the brightness of the image (virtual image) displayed by the
なお、図9(b)に示すような特性を有する半透明反射膜10a3は、図9(a)に示すような特性を有する半透明反射膜10a3と比べて、入射角依存性が大きくなるため、基本的には、フレネル構造のような凸凹面を反斜面として用いる構成には採用することができない。第1実施例では、反斜面として平面を用いるため、図9(b)に示すような特性を有する半透明反射膜10a3を適切に採用することができる。 It should be noted that the semi-transparent reflective film 10a3 having the characteristics shown in FIG. 9(b) has a greater dependence on the angle of incidence than the semi-transparent reflective film 10a3 having the characteristics shown in FIG. 9(a). , Basically, it cannot be adopted for a structure using an uneven surface as a counter slope, such as a Fresnel structure. In the first embodiment, since a flat surface is used as the anti-slant surface, the semi-transparent reflective film 10a3 having the characteristics shown in FIG. 9B can be appropriately employed.
[第2実施例]
次に、第2実施例について説明する。第1実施例に係るコンバイナ10aでは、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2との間に半透明反射膜10a3が設けられていたが、第2実施例に係るコンバイナでは、フレネル凹レンズにおいてフレネルパターンが形成された面に半透明反射膜が設けられる。
[Second embodiment]
Next, a second embodiment will be described. In the
なお、以下では、第1実施例と異なる構成を主に説明し、第1実施例と同様の構成については説明を適宜省略する。つまり、ここで特に説明しない構成については、第1実施例と同様であるものとする。 In the following, the configuration different from that of the first embodiment will be mainly described, and the description of the configuration similar to that of the first embodiment will be omitted as appropriate. In other words, the configuration that is not particularly described here is the same as that of the first embodiment.
図10は、第2実施例に係るコンバイナ10bの概略構成図を示す。図10(a)は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ10bの断面イメージ図を示しており、図10(b)は、図10(a)中の破線領域R4を拡大した断面イメージ図を示している。なお、第2実施例に係るコンバイナ10bも、図1に示したコンバイナ10の代わりにヘッドアップディスプレイに対して適用される。
FIG. 10 shows a schematic configuration diagram of a
図10(a)に示すように、第2実施例に係るコンバイナ10bは、フレネル凹レンズ10b1と、フレネル凸レンズ10b2と、フレネル凹レンズ10bにおいてフレネルパターンが形成された面に設けられた半透明反射膜10b3と、を有する。また、図10(b)に示すように、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とは、透明の接着剤10b4(例えば紫外線硬化樹脂など)で接着されている。更に、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とは、屈折率、焦点距離の絶対値、及びレンズピッチ(パターンピッチ)が等しい。
As shown in FIG. 10(a), the
このような第2実施例に係るコンバイナ10bは、比較例2(特許文献3に記載の構成)に係るコンバイナ10yと同様の動作を行う。つまり、実像RIからの光は半透明反射膜10b3で反射されることで、凹面ミラーで反射された場合と同じ状態で運転者の頭部などに戻ってくる。また、背景光は、レンズ作用をほとんど受けることなく、コンバイナ10bを透過していく。
The
なお、コンバイナ10bは本発明における「光学素子」の一例であり、フレネル凹レンズ10b1は本発明における「第1光学素子」の一例であり、フレネル凸レンズ10b2は本発明における「第2光学素子」の一例であり、半透明反射膜10b3は本発明における「ハーフミラー」の一例である。
The
図11は、第2実施例に係るコンバイナ10bの製造方法を説明するための図である。まず、フレネル構造の凹レンズ形状を形成するための金型41を、平板形状を有する基板10b11に対して適用すると共に、フレネル構造の凸レンズ形状を形成するための金型42を、平板形状を有する基板10b21に対して適用する(金型41、42は加熱された状態にあるものとする)。この後、基板10b11、10b21から金型41、42を取り外すことで、フレネル凹レンズ10b1及びフレネル凸レンズ10b2が作成される。このように金型41、42を取り外した際に、フレネルパターンの成形面が冷えて熱収縮が生じることで、図11に示すように、フレネル凹レンズ10b1及びフレネル凸レンズ10b2がお椀型に反る傾向にある。
FIG. 11 is a diagram for explaining a manufacturing method of the
次に、フレネル凹レンズ10b1においてフレネルパターンが形成された面に、半透明反射膜10b3を付ける。この後、フレネル凹レンズ10b1における平面形状を有する面とフレネル凸レンズ10b2における平面形状を有する面とを向き合わせた状態で、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2との間に接着剤10b4を配し、矢印A4で示すように圧力を付与する。これにより、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とが接着剤10b4で接着されることで、第2実施例に係るコンバイナ10bが作成される。
Next, a semi-transparent reflective film 10b3 is attached to the Fresnel pattern formed surface of the Fresnel concave lens 10b1. After that, with the planar surface of the Fresnel concave lens 10b1 and the planar surface of the Fresnel convex lens 10b2 facing each other, an adhesive 10b4 is placed between the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2. Apply pressure as shown. As a result, the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 are adhered with the adhesive 10b4, thereby producing the
このような第2実施例に係る製造方法によっても、フレネル凹レンズ10b1及びフレネル凸レンズ10b2の両方とも接着面が平面であるため、接着剤10b4が広がり易いうえ、接着剤10b4が均一に(言い換えると等方的に)広がる。したがって、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2との適切な貼り合わせを容易に行うことができる。また、第2実施例に係る製造方法によっても、それぞれが同じようにお椀型に反っているフレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とを貼り合わせるため、反りがかなり少ないコンバイナ10bを作成することができる。そのため、第2実施例によっても、コンバイナ10bの厚みを適切に薄くすることができる。
According to the manufacturing method according to the second embodiment as well, since the adhesive surfaces of both the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 are flat, the adhesive 10b4 spreads easily and the adhesive 10b4 spreads evenly (in other words, etc.). directionally) spread out. Therefore, appropriate bonding between the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 can be easily performed. Also, according to the manufacturing method according to the second embodiment, since the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2, which are similarly warped in a bowl shape, are bonded together, the
他方で、第2実施例によれば、フレネル凹レンズ10bにおいてフレネルパターンが形成された面に半透明反射膜10b3を付けるため、この面に反射防止膜を付けなくて良い、言い換えるとARコートを施さなくて良い。したがって、第1実施例に係るコンバイナ10aでは、その両面に反射防止膜を付けることが望ましかったが、第2実施例に係るコンバイナ10bでは、1面にのみ反射防止膜を付ければ良いので、第2実施例によれば、第1実施例よりも製造コストを低減することができる。
On the other hand, according to the second embodiment, since the semi-transparent reflecting film 10b3 is attached to the surface of the Fresnel
なお、上記では、フレネル凹レンズ10bに半透明反射膜10b3を付けた後に、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とを接着する例を示したが(図11参照)、この代わりに、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とを接着した後に、フレネル凹レンズ10bにおいてフレネルパターンが形成された面に半透明反射膜10b3を付けても良い。
In the above description, the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 are adhered after the translucent reflecting film 10b3 is attached to the Fresnel
[変形例]
上記では、プレス転写でコンバイナ10a、10bを作成する実施例を示したが、プレス転写の代わりに、射出成形でコンバイナ10a、10bを作成しても良い。つまり、本発明は、プレス転写だけでなく、射出成形にも適用可能である。
[Modification]
Although the embodiment in which the
上記では、本発明をヘッドアップディスプレイに適用する実施例を示したが、本発明は、ヘッドマウントディスプレイにも適用可能である。 Although the embodiment in which the present invention is applied to a head-up display has been described above, the present invention can also be applied to a head-mounted display.
本発明は、ヘッドアップディスプレイなどの表示装置に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for display devices such as head-up displays.
10a、10b コンバイナ
10a1、10b1 フレネル凹レンズ
10a2、10b2 フレネル凸レンズ
10a3、10b3 半透明反射膜
10a4、10b4 接着剤
10a, 10b Combiner 10a1, 10b1 Fresnel concave lens 10a2, 10b2 Fresnel convex lens 10a3, 10b3 Translucent reflecting film 10a4, 10b4 Adhesive
Claims (1)
対向する2つの面のうち、一方の面にフレネル構造の凸レンズ形状が形成され、他方の面が平面形状を有する第2光学素子と、
を備え、
前記第1光学素子と前記第2光学素子とは、平面形状を有する前記第1光学素子の第1平面と平面形状を有する前記第2光学素子の第2平面とが向き合った状態で、接合されていることを特徴とする光学素子。 a first optical element having a concave lens shape with a Fresnel structure formed on one of two surfaces facing each other and having a planar shape on the other surface;
a second optical element having a convex lens shape with a Fresnel structure formed on one of the two opposing surfaces and having a planar shape on the other surface;
with
The first optical element and the second optical element are bonded in a state in which the first plane of the first optical element having a planar shape faces the second plane of the second optical element having a planar shape. An optical element characterized by:
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Legal Events
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