JP6574910B2 - 反射型空中結像素子 - 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に関する。

従来の反射型空中結像素子は特許文献１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有する。光学素子は厚み方向に平行な反射面を有した複数の透明なガラス等の基材を反射面に垂直な方向に接着剤を介して並設される。２枚の光学素子を反射面が互いに直交するように上下に重ねて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の下方に被投影物が配置され、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。

特開２０１２−１５５３４５号公報（第６頁、第７頁、第４図、第５図）

しかしながら、上記従来の反射型空中結像素子の光学素子は、厚み方向に平行な反射面を有した複数の透明なガラス等の基材を反射面に垂直な方向に接着剤を介して並設される。このため、光学素子の反射面に直交する方向の線膨張係数は、厚み方向に直交して反射面に平行な方向の線膨張係数よりも大きくなる。

反射型空中結像素子は２枚の光学素子の反射面が互いに直交するため、一方の光学素子の線膨張係数の大きい方向と他方の光学素子の線膨張係数の大きい方向とが直交する。これにより、温度変化により光学素子が伸縮すると反射型空中結像素子に捩れ等の変形が発生し、反射型空中結像素子が破損する場合がある。したがって、反射型空中結像素子の信頼性が低下する問題があった。

本発明は、信頼性を向上できる反射型空中結像素子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、
透明な補強板と、
前記補強板上に第１接着剤を介して接着される平板状の第１光学素子と、
前記第１光学素子上に第２接着剤を介して接着される平板状の第２光学素子と、
を備え、前記第１光学素子及び前記第２光学素子が厚み方向に平行な反射面を有した複数の透明な基材を前記反射面に垂直な方向に第３接着剤を介して並設されるとともに、
前記第１光学素子の前記反射面と前記第２光学素子の前記反射面とが直交し、
前記補強板の線膨張係数が前記第１光学素子及び前記第２光学素子の前記厚み方向に直交して前記反射面に平行な方向の線膨張係数よりも大きく、前記第１光学素子及び前記第２光学素子の前記反射面に直交する方向の線膨張係数よりも小さいことを特徴としている。

本発明によると、補強板の線膨張係数が第１光学素子及び第２光学素子の厚み方向に直交して反射面に平行な方向の線膨張係数よりも大きく、第１光学素子及び第２光学素子の反射面に直交する方向の線膨張係数よりも小さい。これにより、温度変化による第１光学素子及び第２光学素子の伸縮を抑制することができる。このため、第１光学素子の厚み方向に直交して反射面に平行な方向の伸縮と、第２光学素子の反射面に直交する方向の伸縮との差を小さくすることができ、温度変化による反射型空中結像素子の捩れ等の変形を低減することができる。したがって、反射型空中結像素子の破損を防止し、反射型空中結像素子の信頼性を向上させることができる。

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の分解斜視図 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を拡大した拡大上面図 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を拡大した拡大側面図 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板を示す斜視図 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光学素子の温度に対する線膨張ひずみの変化を示した図 本発明の第２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

＜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〜図５は反射型空中結像素子の分解斜視図、平面図及び側面図をそれぞれ示している。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、奥行方向及び厚み方向を示している。なお、図２及び図４では補強板５の図示を省略している。また、図２において矢印Ｑ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は平板状の光学素子１（第１光学素子）、平板状の光学素子２（第２光学素子）及び一対の平板状の補強板５を有する。

光学素子１、２の平面形状は一辺の長さが例えば約３００ｍｍの略正方形に形成される。光学素子１、２はアクリル樹脂等の透明な樹脂やガラス等の光透過性材料により形成され、厚み方向（Ｚ方向）に平行な反射面４が所定の周期Ｄｒ（例えば、０．５ｍｍ）で平行に配される。

光学素子１、２は対向する両面に反射面４を形成した複数の透明な基材２５を反射面４上に配した接着剤３（第３接着剤、図６参照）により接着して形成される。すなわち、光学素子１、２は、厚み方向（Ｚ方向）に平行な反射面４を有した複数の透明な基材２５を反射面４に垂直な方向に接着剤３を介して並設される。

基材２５はアクリル樹脂等の透明な樹脂やガラス等により形成される。接着剤３は例えばエポキシ樹脂やアクリル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。反射面４は基材２５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。

図６は隣接する基材２５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２５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）が例えば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Ｅ（本実施形態では１ｍｍ）で配置される。これにより、各接着剤３の層の膜厚を容易に揃えることができ、複数の反射面４を互いに平行に維持することができる。

補強板５の平面形状は一辺の長さが例えば約３１０ｍｍの略正方形に形成される。補強板５はアクリル樹脂等の透明な樹脂やガラス等の光透過性材料により形成される。光学素子１は下方の補強板５上に接着剤６（第１接着剤、図３参照）を介して接着される。接着剤６として例えばシリコーン接着剤を用いることができる。

光学素子２は光学素子１上に接着剤７（第２接着剤、図３参照）を介して接着される。この時、光学素子１の反射面４と光学素子２の反射面４とが直交するように光学素子１、２は接着される。上方の補強板５は光学素子２上に接着剤８（図３参照）を介して接着される。これにより、光学素子１、２は厚み方向（Ｚ方向）に並設されるとともに一対の上下の補強板５間に配され、一対の補強板５は光学素子１、２を覆う。接着剤７、８として例えばシリコーン接着剤を用いることができる。

接着剤６、７、８としてシリコーン接着剤を用いると、温度変化や湿度変化等の環境変化による接着剤６、７、８の劣化を低減することができる。なお、接着剤６、７、８はシリコーン接着剤に限定されないが、デュロメータ硬度がＡ９５以下の接着剤であると望ましい。接着剤６、７、８のデュロメータ硬度がＡ７０以下であるとより望ましい。なお、接着剤６、７、８は互いに異なる材質の接着剤でもよい。

下方の補強板５の下面は光が入射する入射面１８（図１、図３参照）を形成し、上方の補強板５の上面は光が出射する出射面１９（図１、図３参照）を形成する。

補強板５により光学素子１、２を補強することができる。また、光学素子１の下面１ａ及び光学素子２の上面２ａはそれぞれ下方及び上方の補強板５により覆われる。これにより、光学素子１の下面１ａ及び光学素子２の上面２ａに接着剤３が露出しないため、結露等の影響による接着剤３の劣化を防止することができる。

光学素子１、２は、厚み方向（Ｚ方向）に平行な反射面４を有する複数の透明な基材２５を反射面４に垂直な方向に接着剤３を介して並設される。このため、光学素子１、２の反射面４に直交する方向の線膨張係数α２は、光学素子１、２の反射面４の長手方向（厚み方向（Ｚ方向）に直交して反射面４に平行な方向）の線膨張係数α１よりも大きくなっている。したがって、温度変化による光学素子１、２の反射面４に直交する方向の伸縮は、反射面４の長手方向の伸縮よりも大きくなる。

本実施形態では、補強板５の線膨張係数α３は光学素子１、２の線膨張係数α１よりも大きく、線膨張係数α２よりも小さくなっている。これにより、温度変化による光学素子１、２の反射面４の長手方向の伸縮を抑制することができる。このため、温度変化による光学素子１の反射面４の長手方向の伸縮と光学素子２の反射面４に直交する方向の伸縮との差が小さくなる。また、光学素子１の反射面４に直交する方向の伸縮と光学素子２の反射面４の長手方向の伸縮との差が小さくなる。なお、線膨張係数α３と線膨張係数α１、α２との差は小さいほうが望ましい。

この時、接着剤７としてデュロメータ硬度がＡ９５以下のシリコーン接着剤を用いると、光学素子１、２の所定方向の伸縮の差による応力を小さくできる。同様に、接着剤６としてデュロメータ硬度がＡ９５以下のシリコーン接着剤を用いると、光学素子１と下方の補強板５との所定方向の伸縮の差による応力を小さくできる。また、接着剤８としてデュロメータ硬度がＡ９５以下のシリコーン接着剤を用いると、光学素子２と上方の補強板５との所定方向の伸縮の差による応力を小さくできる。

なお、接着剤６、７、８としてデュロメータ硬度がＡ９５以下の接着剤であれば、シリコーン接着剤以外の接着剤を用いてもよい。

また、補強板５の厚みＴ２（図５参照）は光学素子１、２の厚みＴ１よりも大きくなっている。これにより、光学素子１、２に対する補強効果をより向上できるとともに、温度変化による反射型空中結像素子１０の捩れ等の変形をより低減することができる。なお、補強板５の厚みＴ２を光学素子１、２の厚みＴ１の２倍以上にすると望ましい。これにより、補強板５による補強効果をより一層向上できる。本実施形態では補強板５の厚みＴ２は２．８ｍｍ、光学素子１、２の厚みＴ１は１．３４ｍｍになっている。

補強板５の表面には反射防止処理を施した反射防止部（不図示）が設けられる。反射防止処理として例えばフッ化マグネシウム等のコーティング（光学薄膜処理）や、凹凸の平均周期が可視光波長以下であるミクロの凹凸構造の配置等が挙げられる。

光源２０は下方の光学素子１側（図１において、下方の補強板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°の入射角で補強板５の入射面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。

上記構成の空中映像表示装置１００において、光学素子１側（図１において、下方の補強板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で反射する。被投影物ＯＢの反射光の一部は補強板５の入射面１８から入射する。

この時、補強板５の表面に反射防止部が設けられるため入射面１８上の入射光の反射を防止でき、補強板５内に入射する光量の減少を防止することができる。すなわち、入射面１８での反射による光損失を低減することができる。

入射面１８から補強板５に入射した光は補強板５を透過した後に矢印Ｑ（図２参照）で示すように、光学素子１の下面１ａから光学素子１に入射し、光学素子１の反射面４で反射した後に光学素子２に入射する。

光学素子２の反射面４で反射した光は光学素子２の上面２ａ（図２参照）から上方へ出射された後に上方の補強板５を透過して出射面１９から出射される。これにより、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。すなわち、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４に示すように、光学素子１の下面１ａに平行な面に投影して使用者の眼ＥＹ（図１参照）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、補強板５の反射防止部により出射面１９での外光の反射を防止することができ、空中映像ＦＩの視認性の低下を防止することができる。

また、光学素子１の下面１ａ及び光学素子２の上面２ａはそれぞれ下方及び上方の補強板５により覆われている。これにより、下面１ａ及び上面２ａ上で接着剤３の露出が防止され、結露等の影響による下面１ａ及び上面２ａ上の接着剤３の劣化を防止することができる。したがって、被投影物ＯＢの反射光が通過する領域の光学素子１、２の劣化（反射面４の腐食等の劣化等）を防止することができる。その結果、空中映像ＦＩの画質の低下を抑えることができる。なお、光学素子１、２の側端面上の接着剤３は露出しているが、被投影物ＯＢの反射光は光学素子１、２の側端面を殆ど通過しないので、空中映像ＦＩの結像に大きな支障はない。

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。この時、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７は反射型空中結像素子１０を拡大した拡大上面図を示している。図８は光学素子１を拡大した拡大側面図を示している。なお、図７では補強板５の図示を省略している。ガラスから成る基材２５の屈折率をｎとし、光学素子１の下面１ａから基材２５に入射して透過する光線Ｑｐの入射角及び屈折角をそれぞれθ１、θ２とすると、スネルの法則から式（１）が導かれる。

θ２＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎθ１／ｎ）・・・（１）

厚みＴ１の光学素子１の一個の基材２５を透過する全ての光線Ｑｐ（光線Ｑｐの全光束）が反射面４で１回反射して光学素子１の上面１ｂから出射される時、反射面４のＹ方向のピッチＰｒは式（２）で示される。

Ｐｒ＝Ｔ１・ｔａｎθ２・・・（２）

例えば、θ１＝４５°、ｎ＝１．５１６３３、Ｔ１＝１．５ｍｍとすると、式（１）から屈折角θ２は２７．８°と算出される。また、式（２）からピッチＰｒは０．７８ｍｍと算出される。Ｙ方向が反射面４の長手方向（光学素子１の厚み方向（Ｚ方向）に直交して反射面４に平行な方向）に対して４５°傾斜していると、周期Ｄｒ（隣接する反射面４間の距離）は０．５６ｍｍになる。以上より、光学素子１の厚みＴ１が１．５ｍｍの場合に周期Ｄｒを０．５６ｍｍにすると、４５°の入射角で光学素子１の下面１ａに入射した光線Ｑｐの全光束を反射面４で１回反射させた後に上面１ｂから出射させることができる。これにより、反射型空中結像素子１０によって結像する空中映像ＦＩの画質を向上させることができる。

また、例えば、θ１＝４５°、ｎ＝１．５１６３３、Ｄｒ＝０．５ｍｍとすると、ピッチＰｒは０．７０７ｍｍとなる。屈折角θ２は２７．８°なので、式（２）から光学素子１の厚みＴ１は１．３４ｍｍとなる。したがって、後述のように板厚が０．５ｍｍの基板２１を用いて光学素子１、２を形成する場合には研磨工程により光学素子１、２の厚みＴ１を１．３４ｍｍにすると、４５°の入射角で下面１ａに入射した光線Ｑｐの全光束を反射面４で１回反射させた後に上面１ｂから出射させることができる。これにより、反射型空中結像素子１０によって結像する空中映像ＦＩの画質を向上させることができる。また、周期Ｄｒを０．５６ｍｍにする場合よりも光学素子１の厚みＴ１を小さくすることができる。したがって、後述の固着ブロック１２（図１４参照）からより多くの素材１´を得ることができる。

以上より、基材２５としてガラスを用いた場合に、Ｄｒ／Ｔ１＝０．３７３を満たすと、４５°の入射角で下面１ａに入射した光線Ｑｐの全光束を反射面４で１回反射させた後に上面１ｂから出射させることができる。すなわち、４５°の入射角で入射面１８に入射した光を効率よく出射面１９から出射させることができる。したがって、空中映像ＦＩの画質を向上させることができる。

図９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の製造工程は反射面形成工程、スペーサー形成工程、積層工程、固着工程、切断工程、研磨工程、光学素子配置工程及び補強板取付工程を備えている。

反射面形成工程では図１０に示すように、平面形状が略正方形の基板２１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。基板２１は薄板状のガラス板から成る。ガラス板の材質に特に限定はないが、例えばホウケイ酸ガラスを用いることができる。本実施形態では反射面４は厚み（膜厚）が１００ｎｍのアルミニウムにより形成される。なお、基板２１の片面のみに反射面４を形成してもよい。また、アクリル樹脂等の薄板状の透明樹脂板により基板２１を形成してもよい。

本実施形態の基板２１は３００ｍｍ×３００ｍｍの正方形で、板厚が約０．５ｍｍになっている。基板２１の板厚は０．６ｍｍ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。

基板２１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（溶融ガラス）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。

図１１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板２１の反射面４に略平行な二方向（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を有する。

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を基板２１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、基板２１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、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１２に示すように基板２１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Ｅ（本実施形態では１ｍｍ）のマトリクス状に基板２１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１３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６００枚）の基板２１を反射面４に垂直な方向（基板２１の板厚方向）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、隣接する基板２１間に隙間Ｇを有する積層体１１が形成される。

積層工程後の固着工程では、積層方向ＬＭから所定の加圧力を積層体１１に加えて積層体１１を加圧する。これにより、積層体１１の各基板２１の反りが矯正される。

そして、積層体１１への加圧を継続した状態で積層体１１を貯留槽（不図示）内の液状の接着剤３に浸漬する。これにより、隙間Ｇ内に接着剤３が進入して充填される。積層体１１の接着剤３への浸漬を所定時間（例えば１時間）行った後に積層体１１を貯留槽から引き上げて接着剤３を硬化させる。これにより、積層体１１が固着され、図１４に示す固着ブロック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３００ｍｍになっている。

また、隣接する基板２１間に隙間Ｇを確保するスペーサー１５が配されるため、基板２１間の接着剤３の膜厚を揃えて各反射面４の平行を容易に維持することができる。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。

なお、反射型空中結像素子１０の製造工程からスペーサー形成工程を省き、反射面４を形成した複数の基板２１の反射面４上に接着剤３を逐一塗布し、反射面４に接着剤３が塗布された複数の基板２１を反射面４に垂直な方向に積み重ねて積層体１１を形成してもよい。この場合、固着工程では積層体１１を貯留槽に浸漬することなく、積層体１１への加圧を継続した状態で接着剤３を硬化させる。

次に、切断工程では、図１４の切断線ＫＴで示すように、固着ブロック１２を反射面４に平行な方向に所定周期（例えば１．８ｍｍ）で反射面４に垂直な方向に切断する。これにより、光学素子１（図３参照）の素材１´が複数形成される。なお、光学素子２の構成は光学素子１の構成と同様であり、光学素子２も素材１´から形成される。固着ブロック１２の切断にはワイヤーソーが好適に用いられるが、スライサーを用いてもよい。

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、１．５ｍｍ）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３に示す光学素子１、２が得られる。この時、光学素子１、２の厚みＴ１（図５参照）は１．３４ｍｍになっている。

光学素子配置工程では、光学素子１の反射面４と光学素子２の反射面４とが互いに直交するように光学素子１、２を厚み方向に重ねて配置し、接着剤７（図３参照）を介して光学素子１、２を接着する。これにより、光学素子１、２は厚み方向（Ｚ方向）に並設される。

補強板取付工程では、光学素子１、２の並設方向（Ｚ方向）の両端面（下面１ａ及び上面２ａ）に補強板５を接着剤６、８（図３参照）で接着する。以上により、図１に示す反射型空中結像素子１０が形成される。

また、光学素子１の基材２５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２５間の接着剤３にスペーサー１５を配置しても空中映像ＦＩの表示に大きな支障はない。

図１５は本実施形態の光学素子１の線膨張ひずみを示した図である。縦軸は線膨張ひずみを示し、横軸は温度（単位：℃）を示している。線膨張ひずみは２０℃の時の長さＬｇに対する長さの変化量ΔＬの比で示している。また、光学素子１の基材２５としてホウケイ酸ガラス（ショット日本株式会社製、Ｄ２６３Ｔｅｃо）を用いている。

実線Ａは光学素子１の反射面４の長手方向の線膨張ひずみを示し、破線Ｂは光学素子１の反射面４に直交する方向の線膨張ひずみを示している。一点鎖線Ｃ及び二点鎖線Ｄはそれぞれ青板ガラス（ソーダライムガラス）及びホウケイ酸ガラスの線膨張ひずみを示している。

図１５によると、温度が上昇するに従って、光学素子１の反射面４の長手方向の線膨張ひずみと、反射面４に直交する方向の線膨張ひずみとの差は大きくなっている。このため、同一構成の光学素子１、２を備えた反射型空中結像素子１０から補強板５を省いた従来の構成では、温度変化により反射型空中結像素子に捩れ等の変形が生じる。

また、３０℃〜１００℃において、青板ガラスの線膨張量は光学素子１の反射面４の長手方向の線膨張ひずみよりも大きく、反射面４に直交する方向の線膨張ひずみよりも小さい。すなわち、青板ガラスの線膨張係数は線膨張係数α１よりも大きく線膨張係数α２よりも小さい。なお、３０℃〜１００℃において、ホウケイ酸ガラスの線膨張ひずみは光学素子１の反射面４の長手方向の線膨張ひずみと略同じである。

次に、本実施形態の反射型空中結像素子１０の破損の有無を調べる実験を行った。光学素子１、２の基材２５としてホウケイ酸ガラスを用い、補強板５として青板ガラスを用いた。接着剤６、７、８としてシリコーン接着剤（信越化学工業株式会社製、ＫＥ−１０６）を用いた。本実験に用いたシリコーン接着剤のデュロメータ硬度はＡ６５である。比較例の反射型空中結像素子では補強板５を省いた。比較例のその他の構成は本実施形態と同様である。本実施形態の反射型空中結像素子１０及び比較例の反射型空中結像素子をそれぞれ２サンプル用意し、温度を２０℃〜１００℃に可変した。

本実施形態の反射型空中結像素子１０では２サンプルともに破損箇所は認められなかった。一方、比較例の反射型空中結像素子では２サンプルともに複数の破損箇所が認められた。以上の結果から、補強板５を光学素子１、２に接着することにより反射型空中結像素子１０の破損を防止でき、反射型空中結像素子１０の信頼性を向上させることができる。

本実施形態によると、補強板５の線膨張係数α３が光学素子１（第１光学素子）及び光学素子２（第２光学素子）の厚み方向に直交して反射面４に平行な方向の線膨張係数α１よりも大きく、光学素子１及び光学素子２の反射面４に直交する方向の線膨張係数α２よりも小さい。

これにより、温度変化による光学素子１及び光学素子２の反射面４の長手方向の伸縮を抑制することができる。このため、光学素子１の厚み方向に直交して反射面４に平行な方向の伸縮と、光学素子２の反射面４に直交する方向の伸縮との差を小さくすることができる。また、光学素子１の反射面４に直交する方向の伸縮と、光学素子２の厚み方向に直交して反射面４に平行な方向の伸縮との差を小さくすることができる。その結果、温度変化による反射型空中結像素子１０の捩れ等の変形が低減され、反射型空中結像素子１０の破損が防止される。したがって、反射型空中結像素子１０の信頼性を向上させることができる。

なお、上方の補強板５及び下方の補強板５の一方を省いてもよい。これにより、温度変化による光学素子１または光学素子２の反射面４の長手方向の伸縮を抑制することができる。したがって、温度変化による所定方向の光学素子１の伸縮と光学素子２の伸縮との差が小さくなり、反射型空中結像素子１０の破損を防止することができる。

また、複数の光学素子１、２の反射面４が互いに平行になるとともに光学素子１、２の側端面で各反射面４が連続するように厚み方向（Ｚ方向）に直交する方向で複数の光学素子１、２を側端面で接着剤により接着し（タイリングし）、大型の反射型空中結像素子を形成してもよい。この場合でも補強板５により大型の反射型空中結像素子の捩れ等の変形を防止し、破損を防止することができる。

また、接着剤６、７、８のデュロメータ硬度はＡ９５以下であると望ましい。これにより、光学素子１、２の所定方向の伸縮の差による応力を小さくできる。また、光学素子１と補強板５との所定方向の伸縮の差による応力を小さくできる。また、光学素子２と補強板５との所定方向の伸縮の差による応力を小さくできる。したがって、温度変化による反射型空中結像素子１０の捩れ等の変形をより防止することができる。なお、接着剤６、７、８のデュロメータ硬度がＡ７０以下であると、温度変化による反射型空中結像素子１０の捩れ等の変形をより一層防止することができるため、より望ましい。

また、接着剤６、７、８がシリコーン接着剤であると、温度変化や湿度変化等の環境変化による劣化が発生しにくい。

また、補強板５の厚みＴ２は光学素子１、２の厚みＴ１よりも大きい。これにより、反射型空中結像素子１０の剛性が高くなり、温度変化による反射型空中結像素子１０の捩れ等の変形をより防止することができる。

また、補強板５の表面には反射防止処理を施した反射防止部が設けられている。これにより、補強板５を設けても入射面１８での反射による光損失を低減することができる。また、補強板５の表面での外光の反射を防止し、空中映像ＦＩの視認性の低下を防止することができる。

＜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１６は第２実施形態の反射型空中結像素子１０のスペーサー形成工程完了時の基材２５の斜視図を示している。説明の便宜上、図１〜図１５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２５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２５の対向する一対の面に反射面４を形成する。なお、基材２５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２５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２５を一方向（反射面４に垂直な方向）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２５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、透明な補強板と、前記補強板上に第１接着剤を介して接着される平板状の第１光学素子と、前記第１光学素子上に第２接着剤を介して接着される平板状の第２光学素子と、を備え、前記第１光学素子及び前記第２光学素子が厚み方向に平行な反射面を有した複数の透明な基材を前記反射面に垂直な方向に第３接着剤を介して並設されるとともに、前記第１光学素子の前記反射面と前記第２光学素子の前記反射面とが直交し、前記補強板の線膨張係数が前記第１光学素子及び前記第２光学素子の前記厚み方向に直交して前記反射面に平行な方向の線膨張係数よりも大きく、前記第１光学素子及び前記第２光学素子の前記反射面に直交する方向の線膨張係数よりも小さいことを特徴としている。

また本発明は、上記構成の反射型空中結像素子において、一対の前記補強板間に前記第１光学素子及び前記第２光学素子を配すると好ましい。

また本発明は、上記構成の反射型空中結像素子において、前記第１接着剤及び前記第２接着剤のデュロメータ硬度がＡ９５以下であると好ましい。

また本発明は、上記構成の反射型空中結像素子において、前記第１接着剤及び前記第２接着剤はシリコーン接着剤であると好ましい。

また本発明は、上記構成の反射型空中結像素子において、前記補強板の厚みは前記第１光学素子及び前記第２光学素子の厚みよりも大きいと好ましい。

また本発明は、上記構成の反射型空中結像素子において、前記補強板の表面に反射防止部を設けると好ましい。

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に利用することができる。

１ 光学素子（第１光学素子）
２ 光学素子（第２光学素子）
３ 接着剤（第３接着剤）
４ 反射面
５ 補強板
６ 接着剤（第１接着剤）
７ 接着剤（第２接着剤）
８ 接着剤
１０ 反射型空中結像素子
１１ 積層体
１２ 固着ブロック
１５ スペーサー
１８ 入射面
１９ 出射面
２０ 光源
２１ 基板
２５ 基材
１００ 空中映像表示装置
Ｇ 隙間
ＯＢ 被投影物
ＦＩ 空中映像
Ｌ 照明光
ＬＭ 積層方向

Claims (6)

1. 透明な補強板と、
   前記補強板上に第１接着剤を介して接着される平板状の第１光学素子と、
   前記第１光学素子上に第２接着剤を介して接着される平板状の第２光学素子と、
   を備え、前記第１光学素子及び前記第２光学素子が厚み方向に平行な反射面を有した複数の透明な基材を前記反射面に垂直な方向に第３接着剤を介して並設されるとともに、
   前記第１光学素子の前記反射面と前記第２光学素子の前記反射面とが直交し、
   前記補強板の線膨張係数が前記第１光学素子及び前記第２光学素子の前記厚み方向に直交して前記反射面に平行な方向の線膨張係数よりも大きく、前記第１光学素子及び前記第２光学素子の前記反射面に直交する方向の線膨張係数よりも小さい、反射型空中結像素子。
2. 前記補強板と同じ線膨張係数を有する第２の補強板をさらに備え、前記補強板と前記第２の補強板との間に前記第１光学素子及び前記第２光学素子を配した、請求項１に記載の反射型空中結像素子。
3. 前記第１接着剤及び前記第２接着剤のデュロメータ硬度がＡ９５以下である、請求項１または請求項２に記載の反射型空中結像素子。
4. 前記第１接着剤及び前記第２接着剤はシリコーン接着剤である、請求項３に記載の反射型空中結像素子。
5. 前記補強板の厚みは前記第１光学素子及び前記第２光学素子の厚みよりも大きい、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の反射型空中結像素子。
6. 前記補強板の表面に反射防止部を設けた、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の反射型空中結像素子。

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