TWI497123B

TWI497123B - 微鏡陣列

Info

Publication number: TWI497123B
Application number: TW102104615A
Authority: TW
Inventors: Noriyuki Juni; Akiko Nagafuji
Original assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2015-08-21
Also published as: TW201337344A; US20160018573A1; US9519088B2; WO2013129043A1; JP2013210610A; CN104160304A

Description

微鏡陣列

技術領域

本發明係有關於一種藉排列於基板上並包含相互正交之一對光反射面之單位光學元件而將被投影物之鏡像成像於空間內之微鏡陣列。

背景技術

可將3次元或2次元之物體、影像等成像於空間內之成像光學元件已開發有一種於構成光學元件之元件面之基板(底部)上配置複數之「可進行1個以上之鏡面之光反射之單位光學元件」而成之微鏡陣列。其中，包含於前述基板上呈垂直或近乎垂直之角度而配置之「相互正交之2個鏡面」(構成直角之隅角之一對隣接之光反射面。即「角反射器」)之凹狀單位光學元件或凸狀單位光學元件排列有多數個而呈陣列狀之微鏡陣列，因構造單純且可降低製造成本，近年已廣受矚目(參照專利文獻1、2)。

上述微鏡陣列中，「2面角反射器陣列」係利用在自上述陣列之單側入射之光穿透元件面(基板)時，上述光將於構成各單位光學元件(角反射器)之一對光反射面之間反射2次，上述反射2次後之光(穿透光)則成像於上述陣列之相反側(對元件面成面對稱狀態)之空間位置上之作用者。舉例言之，若為圖4所示之自基板2(元件面P)之一表面朝其厚度方向突出之透明凸狀之正立方體11(縱、橫、高之比大致為1：1：1)呈棋盤格狀排列有多數而成之凸型角反射器陣列20，上述正立方體11之4個側面中至少2面(本例中乃第1側面11a、第2側面11b)已形成鏡面，而可使上述凸型角反射器陣列20如圖5所示般，將被投影物之鏡像(倒像)成像於其上方之空間[即觀察者之視角(反白箭號E)]內而成像為無像差之實像(正像)。

另，上述凸型角反射器陣列20係基於以上之原理，故如圖4、5所示，自上述基板2之表面突出之正立方體11係配置成使正立方體11之上面(上面之各邊)對觀察者旋轉45°後之狀態，以使構成凸型角反射器之直角之外角部(隅角11c)面向觀察者之正面(前側)。且，由觀察者觀察構成上述凸型角反射器陣列20之各單位光學元件(正立方體11)，其等係排列成傾斜棋盤格狀之排列狀態。

先行技術文獻專利文獻

專利文獻1：國際公開第WO2007/116639號

專利文獻2：日本專利特開2011-191404號公報

發明概要

然而，角反射器型之微鏡陣列中，「參與成像之光反射面」以外之部位(圖4中，與第1側面11a、第2側面11b對向之「第3側面(鏡面)11d」及「第4側面(鏡面)11e」)之光反射，可能導致穿透上述元件面之光發生雜散光(多重反射光)等現象。

且，習知之微鏡陣列因構造上之限制而導致可利用於成像之光量有限，獲致之成像(觀察者所看見之鏡像)亦可能較暗而不鮮明。此點尚存改善之空間。

本發明係有鑑於上述情形而設計者，其目的在提供一種可以高亮度且鮮明地投影被投影物之鏡像之角反射器型之微鏡陣列

為達成上述目的，本發明之微鏡陣列採用以下構造，即：一種微鏡陣列，由平板狀之基板與呈序列狀形成於前述基板上之複數之單位光學元件所構成，可使配置於前述基板之一方面側之被投影物之鏡像成像於上述一方面之相反側之他方面側之空間內，前述各單位光學元件形成與前述基板之表面垂直之凸狀或凹狀，夾隔前述凸狀單位光學元件或凹狀單位光學元件之側面之角部而相互正交之2側面則形成光反射面，前述光反射面分別形成基板厚度方向之縱長對基板表面方向之橫寬之比為1.5以上之長方形。

本發明人等人係在習知之角反射器型之微鏡陣列中，著眼於其投影像可能較暗之問題。其次，則推測上述「較暗」現象之原因莫非與每次(總計2次)反射穿透元件面之光之鏡面(光反射面)之面積有關，而反覆進行研究。其結果，本發明人等人發現為增大光反射面之反射光量，上述光反射面之縱橫比[縱長(元件面厚度方向之長度)/橫寬(元件面方向之寬度)之比]甚為重要，將習知之正立方體狀(縱橫之比大致為1)之角反射器中僅為「1程度」之上述縱橫比提高為「1.5」以上而增大其有效光反射面積，即可增加參與上述成像之光量，而獲致亮度高且鮮明之成像(鏡影像)，從而完成本發明。

如上所述，構成本發明之微鏡陣列之各單位光學元件係包含相互正交之2個光反射面(側面)之角反射器，該等各光反射面則形成「基板厚度方向之縱長對基板表面方向之橫寬之比」(即「縱橫比」)為1.5以上之長方形。因此，本發明之微鏡陣列可增加上述各光反射面(每次)所反射而穿透至元件面之相反側之光量(參與成像之光量)。藉此，本發明之微鏡陣列與習知之微鏡陣列相較，可成像亮度較高且鮮明之被投影物之鏡像。

且，本發明之微鏡陣列中，尤其上述單位光學元件之各光反射面分別形成基板厚度方向之縱長對基板表面方向之橫寬之比為1.5以上、5.0以下之長方形者，可成像亮度更高而鮮明之被投影物之鏡像。

另，上述各單位光學元件之光反射面(側面)之「基板厚度方向之縱長對基板表面方向之橫寬之比」(縱橫比)未滿1.5時，上述被投影物之鏡像則有較暗而不鮮明之傾向。且，上述縱橫比若超過5.0，則有難以獲致亮度提昇效果之傾向。其原因尚不確定，但推測可能係因雜散光等之增加而使鏡像較不鮮明之故。進而，縱橫比超過5.0時，尚有形狀加工不易，而容易降低加工精度之傾向。

1‧‧‧四角柱

1a‧‧‧第1側面

1b‧‧‧第2側面

1c‧‧‧隅角

1d‧‧‧第3側面

1e‧‧‧第4側面

2‧‧‧基板

10‧‧‧微鏡陣列

11‧‧‧正立方體

11a‧‧‧第1側面

11b‧‧‧第2側面

11c‧‧‧隅角

11d‧‧‧第3側面(鏡面)

11e‧‧‧第4側面(鏡面)

20‧‧‧凸型角反射器陣列

E‧‧‧反白箭號

h‧‧‧高度

h/w‧‧‧縱橫比

P‧‧‧元件面

s‧‧‧間隔

w‧‧‧寬度

圖1係顯示本發明之實施形態之微鏡陣列之表面構造之立體圖。

圖2係本發明之實施形態之微鏡陣列之單位光學元件之排列方向之局部截面圖。

圖3係說明本發明之實施例之鏡像之亮度之測定方法之模式圖。

圖4係顯示習知之微鏡陣列之表面構造之立體圖。

圖5係說明微鏡陣列之鏡像之成像形式之模式圖。

用以實施發明之形態

以下，參照圖示詳細說明本發明之實施形態。

圖1係顯示本發明之實施形態之微鏡陣列之表面構造之立體圖，圖2係顯示上述微鏡陣列之單位光學元件之側面(截面)形狀之單位光學元件之排列方向之局部截面圖。

本實施形態之微鏡陣列(10)如圖1所示，乃由平板狀之基板2及呈序列狀形成於該基板2(元件面P)之一方表面(上面)上之複數凸狀單位光學元件(直方體狀之四角柱1)所構成之凸型角反射器陣列10。其次，上述各四角柱1中構成角反射器之一對(2個)光反射面(四角柱1側方之第1側面1a、第2側面1b)分別形成「基板厚度方向之縱長(高度h)對基板表面方向之橫寬(寬度w)之比」[以下稱為「縱橫比(h/w)」]為1.5以上之長方形。此乃本發明之凸型角反射器陣列10之特徵。

若更為詳細說明上述凸型角反射器陣列10，則基板2與各四角柱1(直方體狀)係如圖2之截面圖所示，由透明之樹脂一體成形而成。上述陣列10所使用之樹脂則選用諸如丙烯樹脂等易於藉加熱等而進行成形加工(熱塑性樹脂)，且成形後之光學元件之可見光穿透率為80%以上者。另，成形加工則採用使用模具之鑄造、成形成平板狀後再進行切削(切割等)之方法等，其中，切割較為適用。在此，切割係指使用切割刀(刀刃)之切刻加工，尤其，使用圓形之旋轉刀而朝基材切刻直線狀溝槽之加工方法較為適用。

上述基板2係用於呈陣列狀配置上述各四角柱1(單位光學元件)之支持體，通常，乃具有一定厚度之平坦之板狀(厚0.5~10.0mm程度)，而構成光學元件之元件面(圖中為標號P)。另，上述基板2亦如先前所述，由成形後之可見光穿透率為80%以上之透明樹脂材料所形成。

上述各四角柱1(單位光學元件)呈現自上述基板2之一方表面突出成凸狀之縱向較長之正四角柱狀(筒狀)，其等之各側面(第1側面1a、第2側面1b及其對向之第3側面1d、第4側面1e)則形成對上述基板2之表面(圖中為上面)呈垂直或近乎垂直之角度(90°±1.0°程度)而豎立之狀態。且，上述四角柱1之各側面中，構成1角部(圖中之隅角1c)之2個側面(第1側面1a及第2側面1b)之外側表面(及對應之內側面) 構成光反射性之鏡面，上述隅角1c則構成角反射器。

另，該等光反射性之側面(上述第1側面1a、第2側面1b)為提高光反射效率，宜藉研磨等鏡面加工而提昇平滑度。且，為提高上述第1側面1a及第2側面1b之光反射效率，亦可於其外側表面上形成光反射性之塗層(金屬塗層等)。

又，如先前所述，上述四角柱1之各光反射面(第1側面1a及第2側面1b)分別形成上述縱橫比(h/w)為1.5以上之長方形。進而，該等第1側面1a及第2側面1b之高度h(即，上述四角柱1自基板2之突出量)通常為200μm以上，而以250μm以上為佳，設為300μm以上則更佳，擴大該等第1側面1a及第2側面1b之面積，即可反射更多自下面或上面朝上述四角柱1(單位光學元件)入射之光而加以反射(穿透)至相反側。另，上述各光反射面(第1側面1a及第2側面1b)之縱橫比(h/w)通常為1.5以上，而以2.0以上為佳，2.5以上更佳，但考量上述四角柱1(單位光學元件)之加工性及加工精度等，其最大值宜控制在5.0以下。

又，上述凸型角反射器陣列10之各四角柱1之各側面之寬度w通常設為50~300μm，鄰接之四角柱1彼此之間隔s則通常設為10~200μm。另，一般而言，各四角柱1之各側面之寬度w愈窄愈可高清晰地成像，但參與光反射之側面(鏡面)個別之面積亦將減小，故有整體可反射之光量減少，而使鏡像之亮度亦降低之傾向。

又，不參與自上述凸型角反射器陣列10之下面或上面入射之光之反射之各四角柱1之第3側面1d、第4側面1e在本例中，乃不易反射光(不發生全反射)之粗糙面。另，該等不參與光之反射之面(第3側面1d、第4側面1e)並不特別限定為粗糙面，亦可為鏡面(光反射面)。

依據上述凸型角反射器陣列10，構成角反射器之上述第1側面1a及第2側面1b分別形成縱橫比(h/w)為1.5以上之光反射面(鏡面)，而可增加該等光反射面所反射而穿透至元件面P之相反側之光量。藉此，本實施形態之凸型角反射器陣列10與使用正立方體狀(縱橫比=1)之單位光學元件之習知之凸型角反射器陣列(20)相較，可成像亮度較高且鮮明之被投影物之鏡像。

另，上述實施形態中，構成凸型角反射器陣列10之各單位光學元件之形狀雖例示為高度h為200μm以上且高度h/寬度w(縱橫比)為1.5以上之四角柱1(直方體狀)，但本發明之各單位光學元件之構成角反射器之第1側面1a及第2側面1b均為「縱橫比(h/w)乃1.5以上(或1.5以上、5.0以下)」即可，不參與鏡像之成像之其它面之形狀則可任意加以設定。舉例言之，亦可使四角柱1之上面(頂面)為傾斜狀而使上述第3側面1d及第4側面1e構成台形，或使該等第3側面1d及第4側面1e合一而為三角柱狀。

又，上述實施形態中，構成凸型角反射器陣列10之各單位光學元件雖例示為在基板2上之全部領域中乃同一形狀[縱橫比(h/w)為1.5以上]，但無須使上述基板2上之全部單位光學元件全為相同形狀。舉例言之，亦可為位在上述基板2之周緣部之一部分單位光學元件(四角柱狀)之縱橫比(h/w)未滿1.5之凸型角反射器陣列、前述正四角柱狀之單位光學元件(1)與上述三角柱狀之單位光學元件併存之凸型角反射器陣列、各單位光學元件之一部分或全部為凹狀角反射器之凹型角反射器陣列等。本發明亦包括基板(元件面)上之各單位光學元件中之一部分為「包含縱橫比(h/w)乃1.5以上之一對光反射面(側面)之角反射器」之態樣。

以下，則併行說明製作上述凸型角反射器陣列之實施例與比較例。惟，本發明並不受限於以下之實施例。

實施例

以下之第1實施例係使用透明之丙烯板而製作單位光學元件之「基板厚度方向之高度(h)對基板表面方向之橫寬(w)之比」(縱橫比)不同之數種凸型角反射器陣列(第1~7實施例與第1比較例)，並使用其等而比較液晶顯示器(LCD)所顯示之預定之影像被投影後之鏡像(空間影像)之明亮度(亮度)者。另，本實施例中，上述單位光學元件乃與基板垂直之正四角柱(直方體)，故各「光反射面之縱橫比」與上述單位光學元件之縱橫比相同而以h/w代表之。

首先，準備丙烯板，而藉切割(切削)製作第1~7實施例與第1比較例之凸型角反射器陣列。

[丙烯板]

丙烯樹脂製基板(平板)：50mm×50mm×厚度2mm

[凸型角反射器陣列之製作]

將上述丙烯板貼附固定於膠帶<切割膠帶：日東電工公司出品，ELEP tape>上，並於該狀態下，將上述丙烯板固定體設於切割裝置<DISCO公司出品>之夾盤上。接著，依據後述之[切割條件]所示之條件，將深100~350μm之溝槽[相當於隨實施例及比較例而不同之上述正四角柱之高度(突出量)及「光反射面之高度h」]切刻(刻入)成預定之格狀，而製得圖1所示之第1~7實施例及第1比較例之凸型角反射器陣列。製得之凸型角反射器陣列之單位光學元件(光反射面)之「高度h」與「寬度w」及縱橫比(h/w)則一如後述之「表1」所示。

另，縱橫比(h/w)為「1」之立方體狀單位光學元件(相當於圖4之習知例)則為「第1比較例」之樣本。且，使用顯微鏡<KEYENCE公司出品，VHX-200>及雷射顯微鏡<KEYENCE公司出品，VK-9700>觀察、測定已製成之凸型角反射器陣列後，發現各單位光學元件(正四角柱)之上面之正方形之一邊(相當於「光反射面之橫寬w」)為100μm，鄰接之各單位光學元件之間之距離s為30μm。

[切割條件]

．切刀<DISCO公司出品，NBC-Z2050>厚度25μm

．轉軸旋轉數：30000rpm

．夾盤饋送速度：3.0mm/sec

．冷卻：噴淋冷卻器(水)1L/min，噴淋噴嘴(水)0.5L/min

[鏡像(空中影像)之明亮度測定]

將所得之第1~7實施例及第1比較例之凸型角反射器陣列(10)如圖3所示般設成水平狀態，再於其下側之預定位置上配置呈45°傾斜狀態之LCD。其次，於上述LCD上顯示預定之亮度之評價用影像(1cm×1cm見方之白色)，而自與鏡像分離50cm之上方依面對鏡像朝下45°之角度測量投影至在元件面P上呈面對稱狀態之空間位置之鏡像(圖中以虛線代表之)之明亮度(亮度)。另，上述鏡像之明亮度之測定係在暗室中進行。且，鏡像之明亮度之測定係使用亮度計<TOPCON公司出品，BM-9>。

[鏡像(文字)之明視性評價]

接續上述「鏡像之明亮度測定」，在同樣之配置(參照圖3)下，於上述LCD上顯示預定亮度之評價用影像(白色背景上之1文字2mm×2mm見方之黑色文字「日東電工」Mincho字體)，並自與鏡像分離50cm之上方以面對鏡像朝下45°之角度目視觀察了投影至在元件面P上呈面對稱狀態之空間位置之鏡像(圖中以虛線代表之)。另，上述鏡像之明視性評價係在室內螢光燈下(300勒克司以上)進行。又，評價則以「○」代表可明視為文字者，並以「×」代表無法明視者。

上述測定之結果顯示於以下之「表1」。

依據上述「表1」之「明亮度(亮度)」之結果，已確認單位光學元件(光反射面)之縱橫比(h/w)在1(第1比較例)至3(第1實施例)之範圍內，其縱橫比愈大(第5實施例→第2、3、4實施例→第1、6實施例)，上述鏡像之明亮度(亮度)愈高。且，上述亮度為0.2cd/m² 之第1比較例無法辨識影像中之文字，上述亮度為0.5~0.9cd/m² 之第4、5實施例雖可辨識影像中之文字，但係文字顏色顯示較淡而難以判讀之狀態。相對於此，上述亮度為1.1cd/m² 之第2、3實施例雖然文字顏色略淡(對比略低)，但為較易判讀文字之狀態，上述亮度為1.6cd/m² 之第1、6實施例則為可明確判讀文字之狀態。影像(文字)之明視性雖受周圍之環境(明亮度)及解析度所影響，而不可一概而論，但由上述結果可知，鏡像(投影像)之亮度(絕對值)宜為0.5cd/m² 以上，1.0cd/m² 以上則更佳。

又，將上述「表1」重新整理成較易比較「光反射面之寬度w」相同之實施例彼此者則為以下之「表2」、「表3」。

由上述「表2」亦可知，「光反射面之寬度w」相同之實施例彼此之縱橫比(h/w)愈大，上述鏡像之明亮度(亮度)愈高。且，可知「表3」(寬度w=150μm)在縱橫比(h/w)為3以下之範圍(第3、6實施例)內，寬度(光反射面之寬度)大於「表2」(寬度w=100μm)，故整體亮度已提高，並與「表2」相同，縱橫比(h/w)愈大[第3實施例(h/w=2.0)→第6實施例(h/w=2.67)]，亮度愈高。然而，一旦著眼於「表3」之第7實施例(h/w=4.0)之亮度低於第6實施例之亮度(1.6→0.5)此點，則如先前所述，可推論若縱橫比過大，將受到雜散光之增加等之影響而使亮度降低。因此，上述縱橫比(h/w)之最大值(適用範圍)宜控制在5.0以下。

另，上述實施形態及實施例中雖已說明本發明之具體形態，但上述實施形態及實施例純屬例示性質，並非用於限定解釋本發明者。本技術領域之從業人員當然可得實施之各種變形態樣均應包含於本發明之範圍內。

產業上之可利用性

本發明之角反射器型之微鏡陣列可以高亮度且鮮明地投影被投影物之鏡像，而可應用於各種顯示裝置、與空中影像聯動而進行操作之輸入裝置、可朝空間內進行商品展示之投影裝置等。