JP6201083B2 - 光学素子の製造方法及び反射型空中結像素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、被投影物の実像を空中に結像させる反射型空中結像素子の製造方法及び反射型空中結像素子に用いられる光学素子の製造方法に関する。

従来の反射型空中結像素子は特許文献１、２に開示されている。この反射型空中結像素子は２枚の平板状の光学素子を上下に重ねて形成され、光学素子は透明な複数の基材を接着剤を介して接着して形成される。基材は接着剤との境界面上にアルミニウム等を蒸着して反射面が形成される。反射面は光学素子の厚み方向に平行に形成され、厚み方向に垂直な方向に所定周期で配されている。２枚の光学素子を反射面が互いに直交するように接着して反射型空中結像素子が形成される。

上記構成の反射型空中結像素子において、下方の光学素子よりも下方に配置された被投影物に向けて光が照射される。被投影物で反射した光の一部は下方の光学素子に下面の入射面から入射し、反射面で反射した後に上方の光学素子に入射する。上方の光学素子の反射面で反射した光は反射型空中結像素子の上面の出射面から出射し、反射型空中結像素子に対して被投影物と面対称の位置の空中で被投影物の実像が結像される。これにより、被投影物の映像が空中に浮かんだ状態で表示される。すなわち、被投影物の空中映像が表示される。

上記構成の光学素子の製造工程は、反射面形成工程、固着工程及び切断工程を備えている。反射面形成工程では、板状の透明な基材の一の面にアルミニウムの蒸着により反射面を形成する。固着工程では反射面の中央部上に接着剤を適量塗布した板状の透明な基材を反射面に垂直な方向に積み重ねて積層体を形成する。切断工程では固着された積層体を反射面に垂直な方向に所定周期で切断する。これにより、光学素子が形成される。

特開２０１２−１５０５０２号公報（第４頁、第５頁、第４図、第５図） 特開２０１１−１７５２９７号公報（第６頁、第４図、第５図）

反射型空中結像素子を用いて空中映像を歪なく表示するためには、隣接する反射面の高精度な平行度が要求される。例えば、厚さ０．５ｍｍの透明な板状の基材を１００枚以上積層する場合、積層方向で隣接する反射面の角度ズレは０．０２５度以下に抑えることが必要である。しかしながら、接着剤を塗布した板状の基材を単に積み重ねる上記特許文献１、２の光学素子の製造方法では接着剤の膜厚のばらつきが発生し、反射面の平行度を良好に確保することが困難である。

また、上記特許文献１、２の光学素子の製造方法によると、接着剤を塗布した板状の基材を積み重ねるため、積層体の基材間に接着剤が行き渡らずボイド（空洞）が発生する場合がある。積層体の基材間にボイドが発生すると、切断工程時にボイド部分で欠けや割れが生じる。このため、光学素子の歩留まりが低下する問題があった。また、塗布した接着剤を隣接する基材間に広げる工程が必要であり、光学素子の製造工数が大きくなる問題があった。

本発明は、各反射面の平行度を良好に確保しながら、製造工数を削減できるとともに歩留まりを向上できる光学素子の製造方法及び反射型空中結像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に本発明は、厚み方向に平行な反射面を所定周期で平行に配した光透過性の光学素子の製造方法において、
少なくとも一の面に前記反射面を形成した透明な基材を前記反射面上に配したスペーサーを介して積層し、前記基材間に隙間を有した積層体を形成する積層工程と、
前記積層体の前記隙間が露出した排気面から排気して前記隙間を真空状態に減圧する減圧工程と、
前記減圧工程の後に、前記排気面から吸引して前記排気面に対向する吸気面から前記隙間に液状の接着剤を充填し、前記接着剤の硬化により前記積層体を固着する固着工程と、
を備えたことを特徴としている。

また本発明は、上記構成の光学素子の製造方法において、空気の流出口を有して前記排気面を覆うとともに周部を前記積層体に密着した空気流出部と、前記接着剤の流入口を有して前記吸気面を覆うとともに周部を前記積層体に密着した接着剤流入部と、前記流出口に接続される真空ポンプと、前記流入口に開閉弁を介して接続される前記接着剤の貯留槽とを備え、前記減圧工程で前記開閉弁を閉じて前記真空ポンプを駆動し、前記固着工程で前記開閉弁を開いて前記真空ポンプを駆動すると好ましい。

また本発明は、上記構成の光学素子の製造方法において、前記減圧工程及び前記固着工程で前記排気面を前記積層体の上面に配し、前記固着工程において、前記吸気面と前記流入口との間まで前記接着剤が流入した際に前記開閉弁を閉じ、所定時間経過後に前記開閉弁を再度開くと好ましい。

また本発明は、上記構成の光学素子の製造方法において、前記減圧工程及び前記固着工程において、前記積層体を収容して両端部に前記空気流出部及び前記接着剤流入部をそれぞれ設けた真空チャンバーを備え、前記真空チャンバーの前記空気流出部と前記接着剤流入部との間の周壁が前記積層体の周面に密接すると好ましい。

また本発明は、上記構成の光学素子の製造方法において、前記固着工程において、前記隙間に充填した前記接着剤が硬化する前に前記排気面及び前記吸気面を大気圧に配すると好ましい。

また本発明は、上記構成の光学素子の製造方法において、前記隙間に充填する前記接着剤の温度を所定範囲内に調整する温度調整装置を設けると好ましい。

また本発明は、上記構成の光学素子の製造方法において、前記基材が板状に形成され、前記固着工程で固着された前記積層体を前記反射面に垂直な方向に所定周期で切断する切断工程を備えると好ましい。

また本発明は、上記構成の光学素子の製造方法において、前記基材が断面矩形の角材状に形成されると好ましい。

また本発明は、上記構成の光学素子の製造方法において、前記積層工程において、一の面側に前記スペーサーが予め離散的に形成された前記基材を積層して前記積層体を形成すると好ましい。

また本発明は、上記構成の光学素子の製造方法において、前記スペーサーをインクジェット印刷によりドット状に形成すると好ましい。

また本発明は、厚み方向に平行な反射面を所定周期で平行に配した光透過性の光学素子を厚み方向に複数並設し、隣接する一対の前記光学素子の前記反射面が直交する反射型空中結像素子の製造方法において、
少なくとも一の面に前記反射面を形成した透明な基材を前記反射面上に配したスペーサーを介して積層し、前記基材間に隙間を有した積層体を形成する積層工程と、
前記積層体の前記隙間が露出した排気面から排気して前記隙間を真空状態に減圧する減圧工程と、
前記減圧工程の後に、前記排気面から吸引して前記排気面に対向する吸気面から前記隙間に液状の接着剤を充填し、前記接着剤の硬化により前記積層体を固着する固着工程と、
を備えたことを特徴としている。

本発明によると、スペーサーを介して基材を積層した積層体の基材間の隙間を減圧工程で真空状態に減圧した後、固着工程で隙間に接着剤を吸引して充填する。このため、各基材に接着剤を塗布する工程や、基材を加圧して接着剤を広げる工程を省きながら光学素子の各反射面の平行度を良好に確保することができる。また、減圧工程で排気により減圧するため隙間内の空気の巻き込みが防止され、ボイド（空洞）を生じさせずに隙間に接着剤を充填することができる。したがって、各反射面の平行度を良好に確保しながら光学素子及び反射型空中結像素子の工数削減及び歩留り向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子を備えた空中映像表示装置を示す斜視図 図１の要部を拡大した斜視図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子を示す平面図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子に用いる光学素子を示す斜視図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子の光学素子の基材間の接着部分を拡大した側面図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子の製造工程を示す図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子の反射面形成工程を示す斜視図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子のスペーサー形成工程を示す側面図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子のスペーサー形成工程完了時の基材を示す斜視図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子の積層工程を示す斜視図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子の減圧工程を示す正面断面図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子の固着工程を示す正面断面図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子の固着工程の接着剤の充填完了状態を示す正面断面図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子の固着工程完了時の固着ブロックを示す斜視図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子の基材間に充填される接着剤の温度と粘度との関係を示す図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子の基材間に充填される接着剤の反応時間と粘度との関係を示す図 本発明の第１実施形態の反射型空中結像素子の基材間に充填される接着剤に含まれる気泡の粒径と積層体を収容する真空チャンバー内の圧力との関係を示す図 本発明の第２実施形態の反射型空中結像素子の固着工程を示す正面断面図 本発明の第３実施形態の反射型空中結像素子の積層工程を示す斜視図

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は第１実施形態の反射型空中結像素子を備えた空中映像表示装置の斜視図を示している。図２は図１の要部を拡大した斜視図を示している。図３は反射型空中結像素子の平面図を示している。Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向はそれぞれ反射型空中結像素子１０の幅方向、厚み方向及び奥行方向を示している。また、図２において矢印Ｐは光路を示している。

空中映像表示装置１００は光源２０及び反射型空中結像素子１０を有する。反射型空中結像素子１０は２枚の平板状の光学素子１を厚み方向（Ｙ方向）に並設して形成される。光学素子１の平面形状は一辺の長さが約２５０ｍｍの略正方形に形成される。光学素子１はガラス等の光透過性材料により形成され、厚み方向（Ｙ方向）に平行な反射面４が所定周期Ｔ（例えば、０．５ｍｍ）で平行に配される。

下方の光学素子１の反射面４が延びる方向と上方の光学素子１の反射面４が延びる方向とは互いに直交するように２枚の光学素子１が重ねられる。下方の光学素子１の下面は光が入射する入射面１８を形成し、上方の光学素子１の上面は光が出射する出射面１９を形成する。

光学素子１の並設方向（Ｙ方向）の一端面（図１において下端面）には光学素子１を覆う透明な補強板５（図１参照）が設けられる。補強板５は基材２と同じ材質のガラス等により形成される。補強板５により反射型空中結像素子１０の強度を向上させることができる。なお、補強板５を光学素子１の並設方向の両端面（図１において上端面及び下端面）に設けてもよい。また、反射型空中結像素子１０から補強板５を省いてもよい。

光源２０は下方の光学素子１側（図１において、補強板５よりも下方）に配される。光源２０は例えばＬＥＤから成り、白色の照明光Ｌを出射する。光源２０は被投影物ＯＢの反射光が約４５°の入射角で入射面１８に入射するように被投影物ＯＢに対して照明光Ｌを出射する。なお、ＣＣＦＬ（Cold Cathode Fluorescent Lamp）により光源２０を形成してもよい。

図４は光学素子１の斜視図を示している。光学素子１は一面に反射面４を形成した透明な複数の基材２を反射面４上に配した接着剤３（図５参照）により接着して形成される。基材２はガラスやアクリル樹脂等の透明な樹脂により形成される。反射面４は基材２上に例えばアルミニウムや銀等のスパッタや蒸着を行って形成される。接着剤３は例えばエポキシ樹脂等から成る主剤と例えばポリアミド樹脂等から成る硬化剤とを混合した二液混合型の接着剤から成る。なお、接着剤３の主剤にアクリル樹脂等を用いてもよい。

図５は隣接する基材２間の接着部分を拡大した側面図を示している。隣接する基材２間には反射面４上にドット状の複数のスペーサー１５が平面視でマトリクス状に配置されている。スペーサー１５は例えば紫外線硬化性樹脂から成り、高さＨ（反射面４に垂直な方向の突出量）が２０μｍ±１μｍの範囲内で形成され、直交する二方向に所定のピッチＰ（本実施形態では１ｍｍ）で配置される。これにより、各接着剤３の膜厚を揃えることができ、複数の反射面４を互いに平行に維持することができる。

上記構成の空中映像表示装置１００において、下方の光学素子１側（図１において、補強板５よりも下方）に２次元画像の被投影物ＯＢ（図１、図２参照）を配置し、光源２０を点灯する。光源２０から出射された照明光Ｌは被投影物ＯＢで反射し、矢印Ｐ（図２参照）で示すように、反射した光の一部は下方の光学素子１に下面の入射面１８から入射し、下方の光学素子１の反射面４で反射した後に上方の光学素子１に入射する。

上方の光学素子１の反射面４で反射した光は反射型空中結像素子１０の上面の出射面１９から上方へ出射され、反射型空中結像素子１０に対して被投影物ＯＢと面対称の位置の空中で被投影物ＯＢの実像（空中映像ＦＩ）が結像される。これにより、被投影物ＯＢの空中映像ＦＩが空中に浮かんだ状態で表示される。

この時、図３に示すように、入射面１８に平行な面に投影して使用者の視線方向ＥＬに対して光学素子１の反射面４が４５゜傾斜すると、空中映像ＦＩの視認性を最良にできる。

また、被投影物ＯＢが例えば商品等に関する情報であれば、空中映像ＦＩにより商品等の広告宣伝を行うことができる。また、医療現場や工事現場等で使用される機器のタッチパネル等を空中映像ＦＩとして表示してもよい。これにより、機器の汚染等を防止することができる。また、反射型空中結像素子１０をゲーム機等に搭載してもよい。

なお、被投影物ＯＢは２次元画像に限定されず、立体物でもよい。また、被投影物ＯＢは液晶パネル等の表示装置に表示された画像でもよい。この場合、光源２０を省いて表示装置に内蔵された光源を用いることができる。

図６は反射型空中結像素子１０の製造工程を示す図である。反射型空中結像素子１０は反射面形成工程、スペーサー形成工程、積層工程、シール工程、減圧工程、固着工程、切断工程、研磨工程、組立工程及び補強板取付工程を順に行って形成される。

図７は反射面形成工程を示す斜視図である。反射面形成工程では平面形状が正方形のガラスから成る板状の基材２の両面にアルミニウムや銀等のスパッタや蒸着等によって反射面４を形成する。本実施形態では基材２上に厚みが１００ｎｍのアルミニウムを配して反射面４が形成される。なお、板状の基材２の片面にのみ反射面４を形成してもよい。

板状の基材２の製造方法に特に限定はないが、例えばフュージョン法を用いることができる。フュージョン法は、上面を開口して断面形状が下端を絞るハート形状の樋に溶けたガラスを入れ、樋の上面から溢れ出たガラスが下方へ流れ出て樋の下方で一体になる方法である。これにより、ガラス面は空気以外には非接触で表面張力のみによって形成されるため、平滑な面を得ることができる。

本実施形態では板状の基材２の一辺の長さ及び厚みはそれぞれ２５０ｍｍ及び０．５ｍｍになっている。板状の基材２の厚みは０．５ｍｍ以下であると好ましい。これにより、良好な空中映像ＦＩを得ることができる。なお、ガラスに替えて、例えばアクリル樹脂等の透明な樹脂により板状の基材２を形成してもよい。

次に、図８はスペーサー形成工程を示す側面図である。スペーサー形成工程は基材２の反射面４に平行な二方向（一方を矢印Ｆで示す）に移動するスペーサー形成部７０により行われる。スペーサー形成部７０はインクジェットヘッド７１、紫外線光源７２及び測距センサ７３を有している。

測距センサ７３は反射面４までの距離を測定する。インクジェットヘッド７１は紫外線硬化性樹脂から成るインク７１ａを基材２に向けて吐出する。インクジェットヘッド７１の吐出前に、測距センサ７３によって測定開始位置（例えば、基材２の端部）で反射面４までの距離を測定し、この距離を基準距離とする。そして、反射面４上のインク７１ａの滴下予定位置と測距センサ７３との間の距離と基準距離とを比較し、インクジェットヘッド７１のインク７１ａの吐出量を可変する。これにより、後述するスペーサー１５の高さを均一にすることができる。

紫外線光源７２は反射面４上に滴下されたインク７１ａに向けて紫外線ＵＶを照射し、インク７１ａを硬化させる。これにより、図９に示すように板状の基材２の反射面４上に所定の高さ（本実施形態では２０μｍ）のドット状のスペーサー１５がピッチＰ（本実施形態では１ｍｍ）のマトリクス状に基材２に固着して形成される。スペーサー１５をインクジェット印刷によりドット状に形成しているため、スペーサー１５を反射面４上に容易に配置することができる。

次に、図１０は積層工程を示す斜視図である。積層工程ではスペーサー１５が形成された複数（本実施形態では約４８０枚）の基材２を反射面４に垂直な方向に積み重ねて挟持部材（不図示）により挟持する。これにより、隣接する板状の基材２間に約２０μｍの隙間Ｇを有する積層体１１が形成される。

次に、シール工程では積層体１１の隙間Ｇが露出した対向する一対のシール面１１ａ上にシリコンゴムシート等のシール部材１１ｅが貼着される。シール部材１１ｅによって対向する一対のシール面１１ａ上の隙間Ｇが封止される。なお、一対のシール面１１ａの間には反射面４及びシール面１１ａに直交して隙間Ｇが露出した排気面１１ｃ及び吸気面１１ｂ（図１１参照）が対向して形成される。

次に、図１１は減圧工程を示す正面断面図である。減圧工程及び後述する固着工程は固着装置２００により行われる。固着装置２００は真空チャンバー３０、貯留槽４０及び真空ポンプ５０を備えている。

真空チャンバー３０はアクリル樹脂やガラス等の複数の板状部材３０ａにより水平断面形状が矩形の箱状に組み立てて分解可能に形成され、積層体１１を収容する。真空チャンバー３０に収容される積層体１１は隙間Ｇが露出した排気面１１ｃを上面に配して吸気面１１ｂを下面に配される。真空チャンバー３０の上壁には排気面１１ｃに面して流出口３１ａが開口し、底壁には吸気面１１ｂに面して流入口３２ａが開口する。

真空チャンバー３０の周壁は積層体１１のシール面１１ａにシール部材１１ｅを介して密接し、反射面４に平行な両端面１１ｄに密接する。これにより、真空チャンバー３０の上部には排気面１１ｃを覆うとともに周部を積層体１１に密着した空気流入部３１が形成される。また、真空チャンバー３０の下部には吸気面１１ｂを覆うとともに周部を積層体１１に密着した接着剤流入部３２が形成される。

なお、積層体１１の両端面１１ｄに密接する板状部材３０ａに対して、プレス機（不図示）を用いて互いに接近する方向に所定の圧力（好ましくは、０．９８×１０⁴〜１４．７×１０⁴Ｐａ）を加えてもよい。これにより、板状の基材２の反りを矯正することができるとともに、積層体１１の型崩れを防止することができる。また、積層体１１の両端面１１ｄにシール部材１１ｅと同様のシートを設けてもよい。

真空ポンプ５０は例えばロータリーポンプから成り、排気管５２により流出口３１ａに接続される。排気管５２には真空チャンバー３０内の真空度を調節する真空レギュレーター５１が配置されている。

貯留槽４０は流入管４２により流入口３２ａに接続され、液状の接着剤３を貯留する。流入管４２には例えばニードルバルブから成る開閉弁４１が配置されている。本実施形態では、硬化時間が約１時間で粘度が約１５０ｍＰａ・ｓのエポキシ系の接着剤３を用いている。接着剤３は貯留槽４０に供給される前に予め脱気処理される。接着剤３の脱気処理は例えば真空デシケーターを用いて行われる。この時、真空デシケーター内の真空度を５００Ｐａ〜１０００Ｐａにすると、接着剤３の硬化剤の蒸発を低減できるため好ましい。

貯留槽４０の周囲及び真空チャンバー３０の下部にはそれぞれ温度調整装置６０、６１が設けられる。温度調整装置６０、６１は接着剤３の温度を検知する温度センサ（不図示）、接着剤３を加熱する加熱器（不図示）及び接着剤３を冷却する冷却器（不図示）を有する。温度調整装置６０、６１により液状の接着剤３の温度を所定範囲内（本実施形態では３０℃〜３５℃）に調整する。

減圧工程では真空チャンバー３０内に積層体１１を収容し、開閉弁４１を閉じた状態で真空ポンプ５０を所定時間駆動させる。これにより、真空チャンバー３０内の空気は矢印Ｓで示すように排気され、真空チャンバー３０内が真空状態に減圧される。この時、真空チャンバー３０の下部の空気及び積層体１１の隙間Ｇ内の空気は積層体１１の排気面１１ｃから排気され、隙間Ｇ内が真空状態に減圧される。

次に、固着工程が減圧工程に続いて真空チャンバー３０内を真空状態に維持して行われ、開閉弁４１を開いて真空ポンプ５０が継続して駆動される。この時、真空レギュレーター５１により真空チャンバー３０内の真空度を例えば、５００Ｐａに調整する。

これにより、積層体１１の隙間Ｇ内が排気面１１ｃから吸引され、貯留槽４０内の液状の接着剤３が流入管４２及び接着剤流入部３２の流出口３２ａを介して真空チャンバー３０に流入する。

真空ポンプ５０が所定時間駆動されると、図１２に示すように、接着剤３が積層体１１の下面の吸気面１１ｂと流入口３２ａとの間まで流入する。この時、開閉弁４１が一旦閉じられる。開閉弁４１を閉じることで接着剤３の液面に接着剤３内部の気泡Ｍが集まり、破裂する。すなわち、開閉弁４１及び流入管４２を通過した接着剤３が真空脱泡される。したがって、積層体１１の隙間Ｇへの気泡Ｍを含む接着剤３の充填を防止することができる。

そして、所定時間（本実施形態では１０分間）経過後に開閉弁４１が再度開かれる。これにより、真空チャンバー３０内の接着剤３の液面が上昇し、積層体１１の吸気面１１ｂから隙間Ｇ内に接着剤３が進入する。開閉弁４１を再度開いて所定時間（例えば、３０分間）が経過すると、図１３に示すように接着剤３が積層体１１の上端面である排気面１１ｃに到達する。

接着剤３が排気面１１ｃに到達すると、真空ポンプ５０を停止して接着剤３の硬化前に真空チャンバー３０が分解される。これにより、排気面１１ｃ及び吸気面１１ｂを含む積層体１１全体が大気圧に配される。

この時、隙間Ｇ内に充填された接着剤３が表面に露出するシール面１１ａがシール部材１１ｅを介して真空チャンバー３０の周壁に密着する。このため、シール面１１ａ上の板状部材３０ａを容易に取り外すことができる。また、積層体１１の端面１１ｄにシール部材１１ｅと同様のシートを設けると、真空チャンバー３０の周壁と端面１１ｄとの間に接着剤３が進入しても端面１１ｄ上の板状部材３０ａを容易に取り外すことができる。

真空チャンバー３０の分解により取り外された積層体１１は吸気面１１ｂ及び排気面１１ｃに付着した余分な接着剤３が拭き取って除去される。隙間Ｇに充填された接着剤３が硬化することにより、図１４に示すように積層体１１の複数の基材２が固着された固着ブロック１２が形成される。

固着ブロック１２の反射面４に垂直な方向の長さ（積層方向ＬＭの長さ）は約２５０ｍｍに形成される。また、光学素子１の入射面１８及び出射面１９は反射面４に交差する面に形成される。

この時、隣接する基材２間に隙間Ｇを確保するスペーサー１５が配されるため、基材２間の接着剤３の膜厚を揃えることができ、複数の反射面４を互いに平行に維持することができる。

減圧工程及び固着工程において、隙間Ｇ内の空気を排気して隙間Ｇを真空状態にした後に隙間Ｇに接着剤３を充填している。これにより、隙間Ｇ内を流動する接着剤３による隙間Ｇ内の空気の巻き込みを防止できるため、ボイド（空洞）を生じさせることなく隣接する基材２間の隙間Ｇに接着剤３を充填することができる。また、各基材２に接着剤３を逐一塗布する工程及び塗布した接着剤３を基材２間で広げる工程を省くことができる。

また、固着工程において、真空ポンプ５０による隙間Ｇ内の真空度が５００Ｐａ未満であると好ましい。これにより、隙間Ｇ内を流動する接着剤３による空気の巻き込みを一層防止することができる。

隙間Ｇが大きくなると、光学素子１の接着剤３の膜厚が大きくなるため、空中映像ＦＩの像が粗くなる。このため、隙間Ｇを５０μｍ以下にすると望ましい。一方、隙間Ｇを小さくすると、空中映像ＦＩを良好に結像させることができるが、液状の接着剤３の充填が困難になる。このため、隙間Ｇを１０μｍ以上にすると望ましい。

次に、切断工程では、固着ブロック１２を複数の切断線Ｋ（図１４参照）に沿って例えばワイヤーソー（不図示）を用いて切断する。切断線Ｋは反射面４に対して垂直な方向に形成される。これにより、固着ブロック１２は反射面４に垂直な方向に沿って所定周期（例えば１．８ｍｍ）で切断され、光学素子１（図４参照）の素材１’が複数形成される。なお、ワイヤーソーに替えて、スライサー等を用いて固着ブロック１２を切断してもよい。

次に、研磨工程では光学素子１の素材１’の両面をラッピング装置により所定の厚さ（例えば、１．２ｍｍ）まで研磨する。その後、ポリッシング装置により光学素子１の素材１’の両面を鏡面仕上げする。これにより、図４に示す光学素子１が得られる。

積層体１１の隙間Ｇに充填された接着剤３にはボイドが生じないため、切断工程後の光学素子１にはボイド部分に起因する欠けや割れが生じない。また、研磨工程で使用される研磨液等のボイド部分への浸透による反射面４の腐食や基材２からの剥離を防止することができる。

次に、組立工程では、隣接する２枚の光学素子１の反射面４が延びる方向が互いに直交するように２枚の光学素子１を重ねて組み立てる。この時、接着剤３を用いて２枚の光学素子１を接着する。これにより、２枚の光学素子１は厚み方向（Ｙ方向）に並設される。なお、接着剤３とは異なる材質の接着剤を用いて２枚の光学素子１を接着してもよい。

補強板取付工程では、光学素子１の並設方向の一端面に補強板５を接着剤３で接着する。なお、接着剤３とは異なる材質の接着剤を用いてもよい。以上により、図１に示す反射型空中結像素子１０が製造される。

なお、補強板取付工程において、２枚の光学素子１の並設方向の両端面に補強板５を接着してもよい。これにより、反射型空中結像素子１０の強度を一層向上させることができる。また、補強板取付工程を省いてもよい。

上記のように、反射面４上にスペーサー１５が固着して形成された板状の基材２を予め複数用意し、隣接する基材２間にスペーサー１５が位置するように複数の基材２を積層した積層体１１の隙間Ｇ内に接着剤３を充填することにより、各基材２を互いに接着することができる。この時、隣接する基材２間の接着剤３の膜厚はスペーサー１５の高さで規定されるため、接着剤３の膜厚のばらつきが生じにくくなる。

このため、各基材２の反射面４の平行度を良好に確保することができる。例えば、各反射面４の角度ズレを０．０２５度以下に抑えることができる。また、スペーサー１５を固着した板状の基材２を積層して積層体１１を形成し、積層体１１の隙間Ｇ内に接着剤３を充填している。これにより、簡単な方法で各反射面４の良好な平行度を容易に確保することができる。すなわち、本実施形態の光学素子１の製造方法によれば、各反射面４の配置精度の向上と光学素子１の生産性の向上とを両立させることができる。

なお、光学素子１の隣接する基材２間の接着剤３に例えば４５°の入射角で入射した光源２０の照明光Ｌは反射面４で数十回反射した後に接着剤３から出射される。これにより、接着剤３に入射した光は大きく減衰して出射されるため、空中映像ＦＩの結像には殆ど寄与しない。したがって、光学素子１の基材２間にスペーサー１５を配置しても空中映像ＦＩの結像に対して大きな支障はない。

図１５は接着剤３の粘度と温度との関係を示す図である。縦軸は接着剤３の粘度（単位：ｍＰａ・ｓ）を示し、横軸は接着剤３の温度（単位：℃）を示している。実験は接着剤３の温度を１０℃〜４０℃の範囲で可変して粘度計により接着剤３の粘度を測定した。

図１５によると、接着剤３の温度が上昇するに従って接着剤３の粘度が低下した。接着剤３の温度が２５℃よりも低いと接着剤３の粘度は２８０ｍＰａ・ｓよりも大きくなった。また、接着剤３の温度が３０℃を超えると、接着剤３の粘度は１５０ｍＰａ・ｓよりも小さくなった。これにより、接着剤３の温度を３０℃以上にすることにより、隙間Ｇに円滑に接着剤３を充填することができる。

図１６は接着剤３の粘度と接着剤３の反応時間との関係を示す図である。縦軸は接着剤３の粘度（単位：ｍＰａ・ｓ）を示し、横軸は接着剤３の反応時間（単位：ｈｒ）を示している。実線Ａは反応開始時（二液混合開始時）の接着剤３の温度が４０℃の場合を示し、破線Ｂは反応開始時の接着剤３の温度が２５℃の場合を示している。実験は反応時間が０時間〜２．５時間の範囲内で経時的に接着剤３の粘度を粘度計で測定した。

図１６によると、接着剤３の温度が４０℃の場合では、反応開始時に粘度は約１４０ｍＰａ・ｓであったが、反応時間が約０．８ｈｒで粘度は１０００ｍＰａ・ｓを超えて急上昇した。一方、接着剤３の温度が２５℃の場合では、反応開始時に粘度は約２８０ｍＰａ・ｓであったが、反応時間が２ｈｒを経過すると粘度は１０００ｍＰａ・ｓを超えて急上昇した。接着剤３の粘度の急上昇は反応熱等で接着剤３の温度が上昇し、接着剤３の硬化が急激に進行したことを示している。

図１５及び図１６の結果から、温度調整装置６０、６１によって接着剤３の温度を所定範囲（例えば３０℃〜３５℃）に調節することにより、積層体１１の隙間Ｇへの接着剤３の充填途中の接着剤３の硬化を防止しながら、接着剤３を円滑に隙間Ｇに充填することができる。

図１７は真空チャンバー３０内の圧力と接着剤３に含まれる気泡の粒径との関係を示す図である。縦軸は接着剤３に含まれる気泡の粒径（単位：μｍ）を示し、横軸は真空チャンバー３０内の圧力（単位：ｋＰａ）を示している。実線Ｃは大気圧下で接着剤３に含まれる気泡の粒径が約５０μｍである場合を示し、実線Ｄは大気圧下で接着剤３に含まれる気泡の粒径が約３００μｍである場合を示している。

なお、接着剤３を隙間Ｇに充填する前に接着剤３に含まれる微小な気泡を脱気処理等により除去しておくことが望ましいが、大気圧下の接着剤３に含まれる気泡の粒径が隙間Ｇ（本実施形態では２０μｍ）よりも小さければ、切断工程後の光学素子１にボイド部分に起因する欠けや割れが生じない。また、研磨工程で使用される研磨液等のボイド部分への浸透による反射面４の腐食や基材２からの剥離を防止することができる。

図１７によると、大気圧下での粒径が約５０μｍ及び約３００μｍの気泡は真空チャンバー３０内の圧力が１０ｋＰａよりも低くなると（真空度が高くなると）急激に膨張し、圧力が５００Ｐａではそれぞれ約１２５０μｍ、約２３００μｍの粒径になる。このため、固着工程において、隙間Ｇに充填した接着剤３が硬化する前に排気面１１ｃ及び吸気面１１ｂを大気圧に配することにより、真空チャンバー３０に流入前の接着剤３に微小な気泡が含有されていた場合でも真空状態時の隙間Ｇ内の接着剤３中で膨張した気泡を収縮させることができる。

本実施形態によると、スペーサー１５を介して基材２を積層した積層体１１の基材２間の隙間Ｇを減圧工程で真空状態に減圧した後、固着工程で隙間Ｇに接着剤３を吸引して充填する。このため、各基材２に接着剤３を塗布する工程や、基材２を加圧して接着剤３を広げる工程を省きながら光学素子１の各反射面４の平行度を良好に確保することができる。また、減圧工程で排気により減圧するため隙間Ｇ内の空気の巻き込みが防止され、ボイド（空洞）を生じさせずに隙間Ｇに接着剤３を充填することができる。したがって、光学素子１の各反射面４の平行度を良好に確保しながら光学素子１及び反射型空中結像素子１０の工数削減及び歩留り向上を図ることができる。

また、空気の流出口３１ａを有して排気面１１ｃを覆うとともに周部を積層体１１に密着した空気流出部３１と、接着剤３の流入口３２ａを有して吸気面１１ｂを覆うとともに周部を積層体１１に密着した接着剤流入部３２と、流出口３１ａに接続される真空ポンプ５０と、流入口３２ａに開閉弁４１を介して接続される接着剤３の貯留槽４０とを備え、減圧工程で開閉弁４１を閉じて真空ポンプ５０を駆動し、固着工程で開閉弁４１を開いて真空ポンプ５０を駆動する。これにより、減圧工程及び固着工程を容易に実現することができる。

また、減圧工程及び固着工程で排気面１１ｃを積層体１１の上面に配し、固着工程において、吸気面１１ｂと流入口３２ａとの間まで接着剤３が流入した際に開閉弁４１を閉じ、所定時間経過後に開閉弁４１を再度開く。これにより、開閉弁４１及び流入管４２を通過した接着剤３に含まれる気泡Ｍを除去し、気泡Ｍの隙間Ｇへの進入を防止することができる。

また、減圧工程及び固着工程において、積層体１１を収容して両端部に空気流出部３１及び接着剤流入部３２をそれぞれ設けた真空チャンバー３０を備え、真空チャンバー３０の空気流出部３１と接着剤流入部３２との間の周壁が積層体１１の周面に密接する。これにより、積層体１１の周面と真空チャンバー３０の周壁との間への接着剤３の進入を低減することができる。

また、固着工程において、隙間Ｇに充填した接着剤３が硬化する前に排気面１１ｃ及び吸気面１１ｂを大気圧に配する。これにより、隙間Ｇ内の接着剤３中で膨張した気泡を収縮させることができる。したがって、接着剤３に微小な気泡が含まれている場合でも固着ブロック１２の隙間Ｇに大きなボイドが残存することを防止することができる。

また、隙間Ｇに充填する接着剤３の温度を所定範囲内に調整する温度調整装置６０、６１を設けている。これにより、隙間Ｇ内への接着剤３の充填途中での接着剤３の硬化を防止しながら接着剤３を隙間Ｇに円滑に充填することができる。

なお、接着剤３の粘度が常温で低く（例えば、１５０ｍＰａ・ｓ以下）、隙間Ｇ内に短時間（例えば、約２０分間）で接着剤３を充填できる場合には温度調整装置６０、６１を省いてもよい。

また、基材２が板状に形成され、固着ブロック１２を反射面４に垂直な方向に所定周期で切断する切断工程を備える。これにより、光学素子１を容易に大量生産することができる。

また、スペーサー１５をインクジェット印刷によりドット状に形成しているため、スペーサー１５を反射面４上に容易に配置することができる。

なお、樹脂から成る基材２を用いる場合には例えば基材２の一の面に金型を押し当てる金型成形により、基材２上に基材２と一体のスペーサー１５を形成してもよい。インクジェット印刷や金型成形によってスペーサー１５を予め形成した複数の板状の基材２を積層することにより、反射面４の平行度を容易に確保しながら作業性を向上させることができる。

また、ドット状のスペーサー１５に替えて、スペーサー１５をステンレス等の金属から成るワイヤー状部材により形成し、固着工程で上下方向に延びるように配置してもよい。これにより、積層体１１の吸気面１１ｂから排気面１１ｃに向けて流動する接着剤３がワイヤー状部材により遮られず、隙間Ｇに接着剤３をより確実に充填することができる。また、スペーサー１５を樹脂から成るフィルム状部材やテープ状部材により形成してもよい。すなわち、固着工程において、隣接する基材２間に接着剤３を充填できる隙間Ｇをスペーサー１５により形成できればよい。

各反射面４の平行度の精度、作業性の点では、印刷や金型成形によってスペーサー１５を予め形成した複数の板状の基材２を積層して積層体１１を形成することがより望ましい。

また、本実施形態において、排気面１１ｃ及び吸気面１１ｂをそれぞれ積層体１１の下面及び上面に配し、排気面１１ｃ側から隙間Ｇ内の空気を排気するとともに吸気面１１ｂから隙間Ｇ内に接着剤３を充填してもよい。すなわち、接着剤３の充填方向を積層体１１の上面から下面への方向にしてもよい。また、排気面１１ｃ及び吸気面１１ｂを水平方向に並ぶように配し、隙間Ｇへの接着剤３の充填方向を水平方向にしてもよい。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態について説明する。図１８は第２実施形態の反射型空中結像素子の固着工程を示す正面断面図を示している。なお、図１８は積層体１１の隙間Ｇ内への接着剤３の充填が完了した状態を示している。説明の便宜上、図１〜図１７に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では固着装置２００の構成が第１実施形態とは異なっている。その他の部分は第１実施形態と同様である。

本実施形態では、積層体１１のシール面１１ａ上で隙間Ｇを粘着性のシール部材８０によりシールするとともに、積層体１１のシール面１１ａ及び両端面１１ｄの中央部に対向する位置に板状部材３０ａを配置せずに両端面１１ｄを固着装置２００の外部に対して露出させている。そして、積層体１１の排気面１１ｃに空気流出部３１を被嵌し、積層体１１の外周面と空気流出部３１との間をパッキン３１ｂにより密封する。また、積層体１１の吸気面１１ｂに接着剤流出部３２を被嵌し、積層体１１の外周面と接着剤流出部３２との間をパッキン３２ｂにより密封する。そして、固着工程において、第１実施形態と同様に積層体１１の隙間Ｇ内に接着剤３を充填する。

本実施形態でも第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、積層体１１のシール面１１ａ上で隙間Ｇを粘着性のシール部材８０によりシールするとともに、積層体１１のシール面１１ａ及び両端面１１ｄの中央部に対向する位置に板状部材３０ａを配置せずに両端面１１ｄを露出させる。これにより、固着工程後に積層体１１を固着装置２００から容易に取り外すことができる。

＜第３実施形態＞
次に本発明の第３実施形態について説明する。図１９は第３実施形態の反射型空中結像素子１０の製造工程で使用される角材状の基材２の斜視図を示している。説明の便宜上、図１〜図１７に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では積層工程に使用される基材２の構成が第１実施形態とは異なるとともに、第１実施形態に対して切断工程を省いている。その他の部分は第１実施形態と同様である。

本実施形態の反射面形成工程では、断面矩形の角材状の透明な基材２の対向する一対の面に反射面４を形成する。なお、基材２の一の面にのみ反射面４を形成してもよい。積層工程では、角材状の基材２の反射面４上に配した複数のドット状のスペーサー１５を介して基材２を一方向に並設する。その後、固着工程により光学素子１の素材１’が形成される。固着工程の後に研磨工程を実行する。なお、研磨工程以降は第１実施形態と同様である。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、対向する一対の面に反射面４を形成した断面矩形の角材状の透明な複数の基材２を用いるため、第１実施形態の切断工程を省くことができる。

本発明は、空中に被投影物の実像を結像させる反射型空中結像素子及び反射型空中結像素子に用いられる光学素子に利用することができる。

１ 光学素子
２ 基材
３ 接着剤
４ 反射面
５ 補強板
１０ 反射型空中結像素子
１１ 積層体
１１ａ シール面
１１ｂ 吸気面
１１ｃ 排気面
１１ｄ 端面
１２ 固着ブロック
１５ スペーサー
１８ 入射面
１９ 出射面
２０ 光源
３０ 真空チャンバー
３１ 空気流出部
３１ａ 流出口
３２ 接着剤流入部
３２ａ 流入口
４０ 貯留槽
４１ 開閉弁
４２ 流入管
５０ 真空ポンプ
５１ 真空レギュレーター
５２ 排気管
６０、６１ 温度調節装置
７０ スペーサー形成部
７１ インクジェットヘッド
７２ 紫外線光源
７３ 測距センサ
１００ 空中映像表示装置
２００ 固着装置
Ｇ 隙間
ＯＢ 被投影物
ＦＩ 空中映像
Ｋ 切断線
Ｌ 照明光
ＬＭ 積層方向

Claims (14)

1. 厚み方向に平行な反射面を所定周期で平行に配した光透過性の光学素子の製造方法において、
   少なくとも一の面に前記反射面を形成した透明な基材を前記反射面上に配したスペーサーを介して積層方向に積層し、前記基材間に隙間を有した積層体を形成する積層工程と、
   前記積層体の前記隙間が露出した排気面から排気して前記隙間を真空状態に減圧する減圧工程と、
   前記減圧工程の後に、前記排気面から吸引して前記排気面に対向する吸気面から前記隙間に液状の接着剤を充填し、前記接着剤の硬化により前記積層体を固着する固着工程と、
   を備え、前記固着工程において前記吸気面から前記排気面に向けて流動する接着剤を遮らないように前記スペーサーを配置したことを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 厚み方向に平行な反射面を所定周期で平行に配した光透過性の光学素子の製造方法において、
   少なくとも一の面に前記反射面を形成した透明な基材を前記反射面上に配したスペーサーを介して積層方向に積層し、前記基材間に隙間を有した積層体を形成する積層工程と、
   前記積層体の前記隙間が露出した排気面から排気して前記隙間を真空状態に減圧する減圧工程と、
   前記減圧工程の後に、前記排気面から吸引して前記排気面に対向する吸気面から前記隙間に液状の接着剤を充填し、前記接着剤の硬化により前記積層体を固着する固着工程と、
   空気の流出口を有して前記排気面を覆うとともに周部を前記積層体に密着した空気流出部と、
   前記接着剤の流入口を有して前記吸気面を覆うとともに周部を前記積層体に密着した接着剤流入部と、
   前記流出口に接続される真空ポンプと、
   前記流入口に開閉弁を介して接続される前記接着剤の貯留槽と、
   を備え、前記減圧工程で前記開閉弁を閉じて前記真空ポンプを駆動し、前記固着工程で前記開閉弁を開いて前記真空ポンプを駆動することを特徴とする光学素子の製造方法。
3. 前記減圧工程及び前記固着工程で前記排気面を前記積層体の上面に配し、前記固着工程において、前記吸気面と前記流入口との間まで前記接着剤が流入した際に前記開閉弁を閉じ、所定時間経過後に前記開閉弁を再度開くことを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製造方法。
4. 前記減圧工程及び前記固着工程において、前記積層体を収容して両端部に前記空気流出部及び前記接着剤流入部をそれぞれ設けた真空チャンバーを備え、前記真空チャンバーの前記空気流出部と前記接着剤流入部との間の周壁が前記積層体の周面に密接することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光学素子の製造方法。
5. 前記積層体を前記積層方向に所定の加圧力で加圧する加圧工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
6. 前記固着工程において、前記隙間に充填した前記接着剤が硬化する前に前記排気面及び前記吸気面を大気圧に配したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
7. 前記隙間に充填する前記接着剤の温度を所定範囲内に調整する温度調整装置を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
8. 前記基材が板状に形成され、前記固着工程で固着された前記積層体を前記反射面に垂直な方向に所定周期で切断する切断工程を備えることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
9. 前記基材が断面矩形の角材状に形成されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
10. 前記積層工程において、一の面側に前記スペーサーが予め離散的に形成された前記基材を積層して前記積層体を形成することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
11. 前記スペーサーをインクジェット印刷によりドット状に形成したことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
12. 厚み方向に平行な反射面を所定周期で平行に配した光透過性の光学素子を厚み方向に複数並設し、隣接する一対の前記光学素子の前記反射面が直交する反射型空中結像素子の製造方法において、
    少なくとも一の面に前記反射面を形成した透明な基材を前記反射面上に配したスペーサーを介して積層方向に積層し、前記基材間に隙間を有した積層体を形成する積層工程と、
    前記積層体の前記隙間が露出した排気面から排気して前記隙間を真空状態に減圧する減圧工程と、
    前記減圧工程の後に、前記排気面から吸引して前記排気面に対向する吸気面から前記隙間に液状の接着剤を充填し、前記接着剤の硬化により前記積層体を固着する固着工程と、
    を備え、前記固着工程において前記吸気面から前記排気面に向けて流動する接着剤を遮らないように前記スペーサーを配置したことを特徴とする反射型空中結像素子の製造方法。
13. 厚み方向に平行な反射面を所定周期で平行に配した光透過性の光学素子を厚み方向に複数並設し、隣接する一対の前記光学素子の前記反射面が直交する反射型空中結像素子の製造方法において、
    少なくとも一の面に前記反射面を形成した透明な基材を前記反射面上に配したスペーサーを介して積層方向に積層し、前記基材間に隙間を有した積層体を形成する積層工程と、
    前記積層体の前記隙間が露出した排気面から排気して前記隙間を真空状態に減圧する減圧工程と、
    前記減圧工程の後に、前記排気面から吸引して前記排気面に対向する吸気面から前記隙間に液状の接着剤を充填し、前記接着剤の硬化により前記積層体を固着する固着工程と、
    空気の流出口を有して前記排気面を覆うとともに周部を前記積層体に密着した空気流出部と、
    前記接着剤の流入口を有して前記吸気面を覆うとともに周部を前記積層体に密着した接着剤流入部と、
    前記流出口に接続される真空ポンプと、
    前記流入口に開閉弁を介して接続される前記接着剤の貯留槽と、
    を備え、前記減圧工程で前記開閉弁を閉じて前記真空ポンプを駆動し、前記固着工程で前記開閉弁を開いて前記真空ポンプを駆動することを特徴とする反射型空中結像素子の製造方法。
14. 前記積層体を前記積層方向に所定の加圧力で加圧する加圧工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の反射型空中結像素子の製造方法。

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