JP2023131250A - 光学素子の製造方法、光学素子、空中映像表示装置および空間入力装置 - Google Patents

光学素子の製造方法、光学素子、空中映像表示装置および空間入力装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 高精度でありかつ大型化が可能な光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】 本発明の光学素子の製造方法は、ガラスなどの光学材料から構成され、最小構造として外形形状が正三角形または正六角形の光学素子ユニットを形成するステップと（Ｓ１００）、グラフェンまたはカーボンナノチューブの分子構造を模倣した構造となるように複数の光学素子ユニットを基板上に２次元的に配列するステップと（Ｓ１１０）、複数の光学素子ユニットを搭載した基板を所望の面形状に加工するステップと（Ｓ１２０）を含む。【選択図】 図２

Description

本発明は、光学素子の製造方法に関し、特に空中映像表示装置に用いられる再帰反射部材等の製造方法に関する。
ディスプレイに表示された画像を、再帰反射部材等を用いて空中に結像させる空中ディスプレイが提案されている。例えば、特許文献１の表示装置は、空中に形成される像をより広い角度から観察可能とするため、２つの再帰反射部材を用い、その一方の再帰反射部材を光源の出射軸上に配置している。特許文献２の画像表示装置は、画像の視認性の低下を抑制するため、光が位相差部材（λ／４板）を透過する回数を低減し、かつ再帰反射部材と位相差部材との間に埃などが入り込み難くしている。
特開２０１７－１０７１６５号公報 特開２０１９－６６８３３号公報
表示に立体感を得る構成として、レンズ構造またはプリズム構造を付与することによって立体視を可能とした空中映像素子がある。図１に、再帰反射部材を用いた表示装置の概略断面を示す。同図に示すように、表示装置１０は、画像を出力するディスプレイ２０と、ビームスプリッター３０と、再帰反射部材４０とを含む。ディスプレイ２０から出射された光Ｌ１は、ビームスプリッター３０で反射され、その反射光Ｌ２が再帰反射部材４０へ進む。再帰反射部材４０は、入射光と同じ方向に光Ｌ３を反射し、その反射した光Ｌ３がビームスプリッター３０を透過し、観察者の目の前の空間に空中像５０を表示させる。
観察者が観察することができる空中像５０は、観察者が再帰反射部材４０を見ることができる範囲に限られる。つまり、観察者の視野角内に再帰反射部材４０が存在しなければならない。また、空中像５０は、ビームスプリッター３０の面に関しディスプレイ２０と対称の位置に形成される。もし、ディスプレイ２０がビームスプリッター３０に対し４５度で傾斜されている場合、観察者が観察する空中像５０は、４５度の斜め方向から見た映像になる。
このような従来の表示装置には、次のような課題がある。再帰反射には高精度な光学素子が必要となるため、ガラスの積層やナノインプリントによる成型が用いられている。コスト低減のために光学素子を樹脂化すると、光学素子を高精度に成型することが難しくなり、また、光学素子のサイズが大きくなる程、その成型が難しくなる。このため、現状では再帰反射素子のサイズは、概ね３０ｃｍ程度が最大となっている。
他方、こうした問題を解決するために再帰反射素子または空中映像素子を柔軟性のある材料で成型しロール状に生産する試みもあるが、柔軟性がある分、光学素子の形状も変形し易いため、映像品位が落ちてしまうなど、高品位な空中映像と光学素子の大型化にはトレードオフの関係となっている。
本発明は、このような従来の課題を解決し、高精度でありかつ大型化が可能な光学素子を製造する方法、空中映像表示装置および空間入力装置を提供することを目的とする。
本発明に係る光学素子の製造方法は、光学材料から構成され、最小構造として外形形状が正三角形または正六角形の光学素子ユニットを形成し、複数の光学素子ユニットを基板上に２次元的に配列し、前記複数の光学素子ユニットを搭載した基板を所望の面形状に加工する。
ある態様では、前記複数の光学ユニットは、グラフェンまたはカーボンナノチューブの分子構造を模倣するように前記基板上に配列される。ある態様では、前記光学素子ユニットは、金型または鋳型を用いてガラス材または樹脂材を成型することにより形成される。ある態様では、前記所望の面形状は曲面である。ある態様では、前記光学素子ユニットは再帰反射素子である。ある態様では、前記光学素子ユニットはマイクロミラーである。ある態様では、前記光学素子ユニットはマイクロレンズである。
本発明に係る空中映像表示装置は、上記記載の製造方法によって製造された再帰反射部材と、光源と、前記光源からの光を前記再帰反射部材に向けて反射し、かつ前記再帰反射部材で反射された光を透過するビームスプリッターとを含む。
本発明に係る空間入力装置は、上記記載の空中映像表示装置と、前記空中映像表示装置により表示された空中映像への物体の近接を検出する検出手段とを含む。
本発明によれば、最小構造として外形形状が正三角形または正六角形の光学素子ユニットを配列して光学素子を製造するようにしたので、高精度でありかつ大型化が可能な光学素子を提供することができる。
従来の再帰反射による表示装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施例に係る光学素子の製造方法を示すフローである。 本実施例の製造方法により正六角形に成型されたガラス再帰反射構成素子を示す図である。 グラフェンの分子モデルを例示する図である。 図５（Ａ）は、矩形状の基板上に複数の光学素子ユニットを配列させた例を示す平面図、図５（Ｂ）は、円形状の基板上に複数の光学素子ユニットを配列させた例を示す平面図である。 複数の光学素子ユニットが配列された基板を曲面形状に加工した例を示す図である。 本発明の他の実施例による光学素子の製造方法を示す図である。 本発明の実施例により製造された再帰反射部材を用いた空中映像表示装置の構成を示す図である。 本発明の実施例により製造された再帰反射部材を用いた空間入力装置の構成を示す図である。
次に、本発明の実施の形態について説明する。本発明の光学素子の製造方法は、光学素子の材料であるガラスや樹脂をプレスもしくはモールドで小さく成型し、それらを平面もしくは曲面に並べることで大型化された光学素子を提供し、高品位と大型化のトレードオフを解決する。これによって、高品位を維持したまま大量生産が可能なアフォーダブルな光学素子を実現する。本発明によって製造された光学素子は、空中映像を表示する空中ディスプレイ等に適用することができる。また、そのような空中ディスプレイは、空中に表示された映像を利用したユーザー入力を可能にする空間入力装置に適用することができる。
以下の実施例の説明で参照される図面は、発明の理解を容易にするために誇大した表示を含んでおり、実際の製品の形状やスケールをそのまま表したものではないことに留意すべきである。
図２は、本発明の実施例に係る光学素子の製造方法を説明するフローである。本実施例に係る光学素子の製造方法は、光学素子を構成するための最小構造として外形形状が正三角形または正六角形の光学素子ユニットを形成するステップ（Ｓ１００）、複数の光学素子ユニットを基板上に２次元的に配列するステップ（Ｓ１１０）、複数の光学素子ユニットを搭載した基板を所望の面形状に加工するステップ（Ｓ１２０）を含む。
光学素子ユニットは、最小構造として平面形状が正三角形または正六角形に形成される。複数の光学素子ユニットを並べて任意の大きさおよび任意の面形状を構成する場合、光学素子ユニットの平面形状は、幾何学的に正三角形、四角形、正六角形であることが要求される。そして、光学素子ユニットにより曲面、球面あるいは任意の面形状を形成するには、四角形よりも正三角形または正六角形が有利である。
光学素子ユニットは、例えば、ガラスプレスまたはガラスモールドにより形成される。具体的には、正三角形または正六角形の金型または鋳型に、高温に軟化されたガラスを流し込み、圧力をかけて正三角形または正六角形の光学素子ユニットを成型する。プレス成型において、金型または鋳型が大きすぎると、ガラス材料に圧力が均一に印加されず、引けや巣などが発生し、成型された光学素子ユニットの精度が低下するおそれがある。それ故、高精度の光学素子ユニットを成型するには、金型または鋳型を一定のサイズに制限する必要がある。また、複数の光学素子ユニットの配列から曲面などを形成するには、光学素子ユニットのサイズが小さい方がより滑らかな曲面を得ることができる。例えば、光学素子ユニットは、１ｃｍ程度の大きさに成型される。このようなガラスプレスまたはガラスモールドによって高精度の光学素子ユニットが大量に生産される。
なお、光学素子ユニットは、ガラス以外にも、樹脂から構成されてもよく、その場合にも、樹脂材料が金型内に流し込まれ、プレス成型またはモールド成型される。樹脂の材料として、例えば、光学部品に用いられるポリカーボネートあるいはシクロオレフィン系樹脂などが用いられる。
光学素子ユニットの光学特性は、目的とする光学素子の光学特性に合致するように構成される。例えば、複数の光学素子ユニットにより再帰反射素子を構成する場合には、光学素子ユニットの表面には、再帰反射構造が形成される。再帰反射構造は、例えば、ＤＣＲＡ（二面コーナーリフレクターアレイ：dihedral corner reflector Array）、三角錐型反射などである。図３に、正六角形に成型されたガラス再帰反射構成素子を例示する。また、複数の光学素子ユニットによりマイクロレンズを構成する場合には、光学素子ユニットは、凹レンズや凸レンズなどを含むように構成され、複数の光学素子ユニットによりマイクロミラーを構成する場合には、光学素子ユニットは、反射層を含むように構成される。
光学素子ユニットの側面は、必ずしも底面と垂直である必要はなく、複数の光学素子ユニットを敷き詰めたときに、隣接する光学素子ユニット間で側面が干渉しないように傾斜されてもよい。あるいは、隣接する光学素子ユニット同士が物理的に結合できるように、光学素子ユニットの側面に凹部または凸部などの係合部が形成されてもよい。また、光学素子ユニットの底面は、基板上に搭載されたときに接着剤などを塗布できるように平坦であってもよいし、あるいは、基板上において基板と係合するような凹部または凸部が形成されてもよい。
次に、複数の光学素子ユニットをタイルのように基板上に２次元的に敷き詰める。基板の大きさは、目的とする光学素子の大きさに応じて適宜選択される。複数の光学素子ユニットを基板上に敷き詰めるとき、複数の光学素子ユニットは、グラフェン、カーボンナノチューブ、あるいはフラーレン（Ｃ６０）の分子構造を模倣するように規則正しく配列される。図４は、六角形状のグラフェンの分子モデルである。
複数の光学素子ユニットは、例えば、その底面が接着剤により基板上に固定される。光学素子ユニットは、隣接する光学素子ユニットとの間に一定の間隙が形成されるように配列されてもよいし、隣接する光学素子ユニットの側面が互いに接触するように配列されてもよい。
図５（Ａ）は、複数の光学素子ユニット１００がグラフェンの分子構造を模倣するように矩形状の基板１１０上に配列された様子を示す平面図、図５（Ｂ）は、複数の光学素子ユニット１００がグラフェンの分子構造を模倣するように円形状の基板１２０上に配列された様子を示す平面図である。基板１１０、１２０の形状、厚さ、材質は、特に限定されないが、基板１１０、１２０は、所望の面形状に加工することができるような可撓性を持つ材料であることが望ましい。また、基板１１０、１２０は、加工された後に面形状を保持することができる強度を持つことが望ましい。
ここには、正六角形の光学素子ユニットを配列する例を示したが、正三角形の光学素子ユニットを用いた場合にも、それらの光学素子ユニットは、グラフェンまたはカーボンナノチューブの分子構造を模倣するように配列される。さらに、正三角形の光学素子ユニットと正六角形の光学素子ユニットとの双方を基板上に配列させることも可能である。
次に、複数の光学素子ユニットを搭載した基板が所望の面形状を持つように加工される。所望の面形状は、例えば、曲面、球面または段差面などであることができ、この面形状は、目的とする光学素子の形状に合致する。基板を所望の面形状に加工するとき、基板上に搭載された光学素子ユニット自身は変形せず、光学素子ユニット間の境界が変位することで、所望の面形状が与えられる。
図６（Ａ）は、図５（Ａ）の基板１１０が凹状の曲面を提供するように加工された例を示している。つまり、基板１１０上の複数の光学素子ユニットによって凹状の曲面が形成される。また、図６（Ｂ）は、図５（Ａ）の基板１１０を凸状の曲面を提供するように加工された例を示している。つまり、基板上１１０上の複数の光学素子ユニットによって凸状の曲面が形成される。勿論、基板１１０は、図６（Ａ）、（Ｂ）に示す以外の任意の面形状に加工することが可能である。
上記の製造方法では、平坦な基板上に複数の光学素子ユニットを配列させた後、基板を所望の面形状に加工する例を示したが、本発明の製造方法は、必ずしもこれに限定されない。本発明の他の実施例に係る製造方法では、所望の面形状を持つように加工された基板を用意し、その基板上に複数の光学素子ユニットを配列させるようにしてもよい。図７は、凹状の曲面に加工された基板１３０の断面構造を示しており、このような基板１３０の凹状の曲面上に、複数の光学素子ユニット１００をグラフェンやカーボンナノチューブの分子構造を模倣するように配列するようにしてもよい。
精度が高いガラスや樹脂の成型によって光学素子を形成する場合、通常、そのような光学素子を湾曲させることができないが、本実施例のように、正三角形または正六角形の光学素子ユニットを高精度に成型し、このような光学素子ユニットを基板上に配列させることで、任意の面形状を持つ光学素子を容易に形成することができ、かつ光学素子の大型化も容易に実現することができる。
図８は、本実施例の製造方法により製造された再帰反射部材を持つ空中映像表示装置を示している。空中映像表示装置２００は、図示しない光源（例えば、画像を出力する画像出力装置）からの光がビームスプリッター２１０で反射され、その反射光が再帰反射部材２２０へ進み、再帰反射部材２２０で反射された光がビームスプリッター２１０を透過し、観察者の眼２３０の前の空間に空中映像２４０が生成される。
観察者が観察することができる空中映像２４０は、観察者が再帰反射部材２２０を見ることができる範囲に限られるが、再帰反射部材２２０を曲面にすることで、空中映像２４０の視野角θが確保される（視野角を広く始、空中映像を広い角度から見ることができる）。また、また、ガラスや樹脂の成型による精度の高い再帰反射部材２４０を使用することで、高品位の空中映像２４０と高信頼性の光学素子とを実現される。さらに、例えば、ガラス積層では１枚の板を作るコストが非常に高いが、ガラスプレスやモールドであれば大量生産が可能であり大幅なコスト低減が可能となり、それ故、空中映像の光学素子のコストを低減することができる。
また、ここには図示しないが、本実施例の製造方法により製造されたマイクロミラーやマイクロレンズを用いて空中映像を表示する空中映像表示装置にも適用することができる。
図９は、本実施例の空中映像表示装置を適用した空間入力装置の概略構成を示す図である。空間入力装置３００は、図８に示すような空中映像表示装置２００を収容するハウジング３１０と、空中像２４０への物体（例えば、ユーザーの指など）を検出する３次元距離センサ３２０と、３次元距離センサ３２０からの検出結果に基づき光源３３０の画像出力等を制御するコントローラ３４０を含んで構成される。
ユーザーは、目の前に浮かんだ空中映像２４０を見て所望の入力を指示するために指をその表示位置にかざすと、３次元距離センサ３２０が指の３次元距離を検出し、これをコントローラ３４０に出力する。コントローラ３４０は、３次元距離センサ３２０の検出結果に基づきユーザーの指の位置を算出し、ユーザーが空中映像２４０に関する入力を操作したと判定し、当該判定結果に基づき光源３３０を制御して他の画像を出力させたり、あるいは、図示しない外部の電子機器へ判定結果を出力する。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能である。
１００：光学素子ユニット １１０、１２０：基板
２００：空中映像表示装置 ２１０：ビームスプリッター
２２０：再帰反射部材 ２３０：観察者の眼
２４０：空中映像 ３００：空間入力装置

Claims (10)

  1. 光学素子の製造方法であって、
    光学材料から構成され、最小構造として外形形状が正三角形または正六角形の光学素子ユニットを形成し、
    複数の光学素子ユニットを基板上に２次元的に配列し、
    前記複数の光学素子ユニットを搭載した基板を所望の面形状に加工する、製造方法。
  2. 前記複数の光学ユニットは、グラフェンまたはカーボンナノチューブの分子構造を模倣するように前記基板上に配列される、請求項１に記載の製造方法。
  3. 前記光学素子ユニットは、金型または鋳型を用いてガラス材または樹脂材を成型することにより形成される、請求項１に記載の製造方法。
  4. 前記所望の面形状は曲面である、請求項１に記載の製造方法。
  5. 前記光学素子ユニットは再帰反射素子である、請求項１ないし４いずれか１つに記載の製造方法。
  6. 前記光学素子ユニットはマイクロミラーである、請求項１ないし４いずれ１つに記載の製造方法。
  7. 前記光学素子ユニットはマイクロレンズである、請求項１ないし４いずれか１つに記載の製造方法。
  8. 請求項１ないし４いずれか１つに記載の製造方法によって製造された光学素子。
  9. 請求項１ないし４いずれか１つに記載の製造方法によって製造された再帰反射部材と、
    光源と、
    前記光源からの光を前記再帰反射部材に向けて反射し、かつ前記再帰反射部材で反射された光を透過するビームスプリッターと、
    を含む空中映像表示装置。
  10. 請求項１ないし４いずれか１つに記載の製造方法によって製造された再帰反射部材と、光源と、前記光源からの光を前記再帰反射部材に向けて反射し、かつ前記再帰反射部材で反射された光を透過するビームスプリッターとを含む空中映像表示装置と、
    前記空中映像表示装置により表示された空中映像への物体の近接を検出する検出手段と、
    を含む空間入力装置。
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