WO2013129043A1

WO2013129043A1 - ２面コーナーリフレクタアレイ

Info

Publication number: WO2013129043A1
Application number: PCT/JP2013/052678
Authority: WO
Inventors: 紀行十二; 昭子長藤
Original assignee: 日東電工株式会社
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2013-09-06
Also published as: CN104160304A; US9519088B2; TW201337344A; US20160018573A1; TWI497123B; JP2013210610A

Abstract

本発明のマイクロミラーアレイは、被投影物の鏡映像を、輝度高く鮮明に投影することのできるコーナーリフレクタ型のマイクロミラーアレイであって、基板と、基板に配列状に形成された複数の単位光学素子（四角柱）とからなり、上記各単位光学素子が、基板の表面に対して垂直な凸状または凹状に形成され、この凸状単位光学素子または凹状単位光学素子の側面の１つの角部（コーナー）を挟んで互いに直交する２つの側面が、光反射面に形成され、これらの光反射面がそれぞれ、基板表面方向の横幅（ｗ）に対する基板厚さ方向の縦長さ（ｈ）の比（ｈ／ｗ）が１．５以上の長方形状に形成されている。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　２面コーナーリフレクタアレイ

　本発明は、基板上に配列された、互いに直交する一対の光反射面を有する単位光学素子により、被投影物の鏡映像を空間に結像させるマイクロミラーアレイに関する。

　３次元または２次元の物体，画像等を空間に結像する結像光学素子として、光学素子の素子面を構成する基板（基盤）に、「１つ以上の鏡面による光の反射を行う単位光学素子」を複数配置したマイクロミラーアレイが開発されている。なかでも、この基板に垂直もしくはそれに近い角度で配置された「互いに直交する２つの鏡面」（直角のコーナーを構成する、一対の隣接した光反射面。すなわち「コーナーリフレクタ」。）を有する凹状単位光学素子または凸状単位光学素子を、多数個アレイ状に配列したマイクロミラーアレイは、構造が単純で、製造コストの低減が見込めることから、近年注目を集めている（特許文献１，２を参照）。

　このマイクロミラーアレイのなかでも、「２面コーナーリフレクタアレイ」は、上記アレイの片側から入射した光が素子面（基板）を通過する際、この光が各単位光学素子（コーナーリフレクタ）を構成する一対の光反射面の間で２回反射し、その２回反射後の光（通過光）が、上記アレイの反対側（素子面に対して面対称）の空間位置に像を結ぶ作用を利用したものである。例えば、図４のような、基板２（素子面Ｐ）の一表面から、その厚さ方向に突出した透明な凸状の正立方体１１（縦，横，高さの比が、ほぼ１：１：１）が、碁盤目状に多数配列された凸型コーナーリフレクタアレイ２０の場合、この正立方体１１の４つの側面のうちの少なくとも２面（この例では第１の側面１１ａ，第２の側面１１ｂ）が鏡面（光反射性の側面）に形成されていることにより、上記凸型コーナーリフレクタアレイ２０は、図５のように、その上方の空間〔すなわち観察者の視点（白抜き矢印Ｅ）側の空間〕に、被投影物の鏡映像（反転像）を、収差のない実像（正立像）として結像させることができる。

　なお、上記凸型コーナーリフレクタアレイ２０は、上記のような原理にもとづくものであることから、図４，５のように、上記基板２の表面から突出する正立方体１１は、凸型コーナーリフレクタを構成する直角の出隅部（コーナー１１ｃ）が観察者の正面（手前）を向くように、正立方体１１の上面（上面の各辺）を観察者に対して４５°回転させた状態で配置されている。また、上記凸型コーナーリフレクタアレイ２０を構成する各単位光学素子（正立方体１１）は、観察者から見て、斜め碁盤目状に並ぶように配列されている。

国際公開第ＷＯ２００７／１１６６３９号特開２０１１－１９１４０４号公報

　ところで、コーナーリフレクタ型のマイクロミラーアレイにおいては、「結像に関与する光反射面」以外の部位（図４においては、第１の側面１１ａ，第２の側面１１ｂに対向する「第３の側面（鏡面）１１ｄ」および「第４の側面（鏡面）１１ｅ」）による光反射によって、上記素子面を通過する光に、迷光（多重反射光）等が発生する場合がある。

　また、従来のマイクロミラーアレイは、構造的な制約から、結像に利用できる光量が限られており、得られる結像（観察者から見た鏡映像）が、暗く不鮮明になってしまうおそれがあった。ここに改善の余地がある。

　本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、被投影物の鏡映像を、輝度高く鮮明に投影することのできるコーナーリフレクタ型のマイクロミラーアレイの提供をその目的とする。

　上記の目的を達成するため、本発明のマイクロミラーアレイは、平板状の基板と、この基板に配列状に形成された複数の単位光学素子とからなり、上記基板の一方の面側に配置された被投影物の鏡映像を、上記一方の面と反対側の他方の面側の空間に結像させるマイクロミラーアレイであって、上記各単位光学素子が、上記基板の表面に対して垂直な凸状または凹状に形成され、この凸状単位光学素子または凹状単位光学素子の側面の角部を挟んで互いに直交する２つの側面が、光反射面に形成され、これらの光反射面がそれぞれ、基板表面方向の横幅に対する基板厚さ方向の縦長さの比が１．５以上の長方形状に形成されているという構成をとる。

　本発明者らは、従来のコーナーリフレクタ型のマイクロミラーアレイにおいて、その投影像が暗くなる場合があることに着目した。そして、上記「暗くなる」現象の原因が、素子面を透過する光が１回ずつ（合計２回）反射する鏡面（光反射面）の面積に関係しているのではないかと推測し、研究を重ねた。その結果、本発明者らは、光反射面の反射光量を増大させるためには、この光反射面のアスペクト比〔縦長さ（素子面厚さ方向の長さ）／横幅（素子面方向の幅）の比〕が重要であり、従来の正立方体状（縦横の比がほぼ１）のコーナーリフレクタにおいて「１程度」でしかなかった上記アスペクト比を、「１．５以上」にしてその実効光反射面積を増大させることにより、上記結像に関与する光の量が増えて、輝度が高く鮮明な結像（鏡影像）が得られることを見出し、本発明に到達した。

　以上のように、本発明のマイクロミラーアレイは、それを構成する各単位光学素子が、互いに直交する２つの光反射面（側面）を有するコーナーリフレクタであり、これら各光反射面が、「基板表面方向の横幅に対する基板厚さ方向の縦長さの比」（すなわち「アスペクト比」）が１．５以上の長方形状に形成されている。そのため、本発明のマイクロミラーアレイは、上記各光反射面で（１回ずつ）反射して素子面の反対側に透過する光の量（結像に関与する光の量）が増える。これにより、本発明のマイクロミラーアレイは、従来のマイクロミラーアレイに比べ、輝度が高く鮮明な被投影物の鏡映像を結像させることができる。

　また、本発明のマイクロミラーアレイのなかでも、特に、上記単位光学素子の各光反射面が、それぞれ、基板表面方向の横幅に対する基板厚さ方向の縦長さの比が１．５以上５．０以下の長方形状に形成されているものは、より輝度が高く、鮮明な被投影物の鏡映像を結像させることができる。

　なお、上記各単位光学素子における光反射面（側面）の「基板表面方向の横幅に対する基板厚さ方向の縦長さの比」（アスペクト比）が１．５未満の場合、上記被投影物の鏡映像が暗く不鮮明になる傾向がみられる。また、上記アスペクト比が５．０を超えると、輝度の向上効果が得られにくくなる傾向がみられる。この理由は定かではないが、迷光等の増加により、鏡映像が不鮮明になるためではないかと推測される。さらに、アスペクト比が５．０を超えるものは、形状加工が難しく、加工精度が低下し易い傾向にある。

本発明の実施形態におけるマイクロミラーアレイの表面構造を示す斜視図である。本発明の実施形態のマイクロミラーアレイにおける単位光学素子の並び方向の一部断面図である。本発明の実施例における鏡映像の輝度の測定方法を説明する模式図である。従来のマイクロミラーアレイの表面構造を示す斜視図である。マイクロミラーアレイによる鏡映像の結像様式を説明する模式図である。

　つぎに、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて詳しく説明する。

　図１は、本発明の実施形態におけるマイクロミラーアレイの表面構造を示す斜視図であり、図２は、上記マイクロミラーアレイにおける単位光学素子の側面（断面）形状を示す、単位光学素子の並び方向の一部断面図である。

　本実施形態におけるマイクロミラーアレイ（１０）は、図１に示すように、平板状の基板２と、この基板２（素子面Ｐ）の一方の表面（上面）に配列状に形成された複数の凸状単位光学素子（直方体状の四角柱１）とからなる、凸型コーナーリフレクタアレイ１０である。そして、上記各四角柱１においてコーナーリフレクタを構成する一対（２つ）の光反射面（四角柱１側方の第１の側面１ａ，第２の側面１ｂ）は、それぞれ、「基板表面方向の横幅（幅ｗ）に対する基板厚さ方向の縦長さ（高さｈ）の比」〔以下、「アスペクト比（ｈ／ｗ）」という〕が１．５以上の長方形状に形成されている。これが本発明の凸型コーナーリフレクタアレイ１０の特徴である。

　上記凸型コーナーリフレクタアレイ１０について、より詳しく説明すると、基板２と各四角柱１（直方体状）とは、図２の断面図のように、透明な樹脂を用いて一体に成形されている。このアレイ１０に使用する樹脂としては、例えばアクリル樹脂等、熱等による成形加工が容易（熱可塑性樹脂）で、かつ、成形後の光学素子の可視光透過率が８０％以上になるものが選択される。なお、成形加工には、金型による鋳造や、平板状に成形後に切削（ダイシング等）を施す方法等が用いられ、なかでも、ダイシングが好適に用いられる。ここで、ダイシングとは、ダイシングソー（切刃）を用いた彫り込み加工を指し、特に円形の回転刃を用いて、基材に直線状の溝を掘り込む加工方法を好適に採用する。

　上記基板２は、上記各四角柱１（単位光学素子）をアレイ状に配置配置するための支持体であり、通常、一定の厚みを有する平坦な板状（厚さ０．５～１０．０ｍｍ程度）であり、光学素子の素子面（図中では符号Ｐ）を構成する。なお、この基板２も、先に述べたように、成形後の可視光透過率が８０％以上になる透明な樹脂材料で形成されている。

　上記各四角柱１（単位光学素子）は、上記基板２の一方の表面から凸状に突出する、縦に長い正四角柱状（筒状）で、その各側面（第１の側面１ａ，第２の側面１ｂおよびこれに対向する第３の側面１ｄ，第４の側面１ｅ）は、上記基板２の表面（図では上面）から垂直もしくはそれに近い角度（９０°±１．０°程度）で起立するように形成されている。また、この四角柱１の各側面のうち、１つの角部（図中のコーナー１ｃ）を構成する２つの側面（第１の側面１ａおよび第２の側面１ｂ）は、その外側表面（および対応する内側面）が、光反射性の鏡面になっており、このコーナー１ｃが、コーナーリフレクタになっている。

　なお、これら光反射性の側面（上記第１の側面１ａ，第２の側面１ｂ）は、光反射効率を高めるために、研磨等の鏡面加工により、平滑度を向上させることが望ましい。また、上記第１の側面１ａおよび第２の側面１ｂの光反射効率を高めるために、その外側表面に光反射性の被膜（金属被膜等）を形成してもよい。

　また、先に述べたように、上記四角柱１の各光反射面（第１の側面１ａおよび第２の側面１ｂ）は、それぞれ、上記アスペクト比（ｈ／ｗ）が１．５以上の長方形に形成されている。さらに、これら第１の側面１ａおよび第２の側面１ｂの高さｈ（すなわち、上記四角柱１の基板２からの突出量）は、通常２００μｍ以上、好ましくは２５０μｍ以上、さらに好ましくは３００μｍ以上に設定されており、これら第１の側面１ａおよび第２の側面１ｂの面積を拡大することによって、上記四角柱１（単位光学素子）に下面または上面から入射する光を、より多く反射して反対側に反射（透過）させることができるようになっている。なお、上記各光反射面（第１の側面１ａおよび第２の側面１ｂ）のアスペクト比（ｈ／ｗ）は、通常１．５以上、好ましくは２．０以上、さらに好ましくは２．５以上とすることが望ましいが、上記四角柱１（単位光学素子）の加工性や加工精度等を考慮すると、その最大値は５．０以下に抑えることが好ましい。

　また、上記凸型コーナーリフレクタアレイ１０における各四角柱１の各側面の幅ｗは、通常５０～３００μｍに設定され、隣接する四角柱１どうしの間隔ｓは、通常１０～２００μｍに設定される。なお、各四角柱１の各側面の幅ｗは、一般に狭いほど高精細に結像できるが、光反射に関与する側面（鏡面）の個々の面積も小さくなるため、全体として反射できる光量が下がり、鏡映像の輝度も下がる傾向にある。

　また、上記凸型コーナーリフレクタアレイ１０の下面または上面から入射する光の反射に関与しない、各四角柱１の第３の側面１ｄ，第４の側面１ｅは、本例の場合、光を反射しにくい（全反射しない）粗面となっている。なお、これら光の反射に関与しない面（第３の側面１ｄ，第４の側面１ｅ）は、特に粗面に限定されず、鏡面（光反射面）としてもよい。

　上記凸型コーナーリフレクタアレイ１０によれば、コーナーリフレクタを構成する上記第１の側面１ａおよび第２の側面１ｂが、それぞれ、アスペクト比（ｈ／ｗ）が１．５以上の光反射面（鏡面）に形成されていることにより、これらの光反射面で反射して素子面Ｐの反対側に透過する光の量が増える。これにより、本実施形態における凸型コーナーリフレクタアレイ１０は、正立方体状（アスペクト比＝１）の単位光学素子を用いた従来の凸型コーナーリフレクタアレイ（２０）に比べ、輝度が高く鮮明な被投影物の鏡映像を結像することができる。

　なお、上記実施形態においては、凸型コーナーリフレクタアレイ１０を構成する各単位光学素子の形状が、高さｈが２００μｍ以上でかつ高さｈ／横幅ｗ（アスペクト比）が１．５以上の正四角柱１（直方体状）の例を示したが、本発明の各単位光学素子は、コーナーリフレクタを構成する第１の側面１ａおよび第２の側面１ｂが、ともに「アスペクト比（ｈ／ｗ）が１．５以上（もしくは、１．５以上５．０以下）」でありさえすればよく、鏡映像の結像に関与しない他の面の形状は任意に設定できる。例えば、四角柱１の上面（天面）を傾斜状として上記第３の側面１ｄおよび第４の側面１ｅを台形状としてもよく、これら第３の側面１ｄおよび第４の側面１ｅを１つにまとめた三角柱状としてもよい。

　また、上記実施形態においては、凸型コーナーリフレクタアレイ１０を構成する各単位光学素子が、基板２上の全領域で同一形状〔アスペクト比（ｈ／ｗ）が１．５以上〕の例を示したが、必ずしも上記基板２上の全単位光学素子を全て同じ形状とする必要はない。例えば、上記基板２の周縁部に位置する一部の単位光学素子（四角柱状）のアスペクト比（ｈ／ｗ）を１．５未満とした凸型コーナーリフレクタアレイ、前記正四角柱状の単位光学素子（１）と上記三角柱状の単位光学素子とを混在させた凸型コーナーリフレクタアレイや、各単位光学素子の一部または全部を凹状コーナーリフレクタとした凹型コーナーリフレクタアレイ等としてもよい。本発明は、基板（素子面）上の各単位光学素子のうちの一部を「アスペクト比（ｈ／ｗ）が１．５以上の一対の光反射面（側面）を有するコーナーリフレクタ」とした態様も包含する。

　つぎに、上記凸型コーナーリフレクタアレイを作製した実施例について、比較例と併せて説明する。ただし、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

　以下の実施例１では、透明なアクリル板を用いて、単位光学素子の「基板表面方向の横幅（ｗ）に対する基板厚さ方向の高さ（ｈ）の比」（アスペクト比）が異なる、数種類の凸型コーナーリフレクタアレイ（実施例１～７と比較例１）を作製するとともに、これらを使用して、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に表示された所定の画像を投影した場合の鏡映像（空間画像）の明るさ（輝度）を比較した。なお、本実施例においては、上記単位光学素子が、基板に垂直な正四角柱（直方体）であるため、各「光反射面のアスペクト比」は、上記単位光学素子のアスペクト比と同じ、ｈ／ｗで表される。

　まず、アクリル板を準備して、ダイシング（切削）により、実施例１～７と比較例１の凸型コーナーリフレクタアレイを作製した。

［アクリル板］
　アクリル樹脂製基板（平板）：５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ２ｍｍ

［凸型コーナーリフレクタアレイの作製］
　上記アクリル板を粘着テープ〈ダイシングテープ：日東電工社製，エレップテープ〉に貼り付けて固定し、その状態で、上記アクリル板固定体をダイシング装置〈ＤＩＳＣＯ社製〉のチャックテーブルにセットした。そして、後記の［ダイシング条件］に示す条件で、深さ１００～３５０μｍの溝〔実施例および比較例により異なる、上記正四角柱の高さ（突出量）および「光反射面の高さｈ」に相当〕を、所定の格子状に彫り込み（掘り込み）、図１のような、実施例１～７および比較例１の凸型コーナーリフレクタアレイを得た。得られた凸型コーナーリフレクタアレイの単位光学素子（光反射面）の「高さｈ」と「幅ｗ」およびアスペクト比（ｈ／ｗ）は、後記の「表１」のとおりである。

　なお、アスペクト比（ｈ／ｗ）が「１」の立方体状単位光学素子（図４の従来例に相当）を、「比較例１」のサンプルとしている。また、作製された凸型コーナーリフレクタアレイを、マイクロスコープ〈キーエンス社製，ＶＨＸ－２００〉およびレーザー顕微鏡〈キーエンス社製，ＶＫ－９７００〉を用いて観察・測定したところ、各単位光学素子（正四角柱）における上面の正方形の一辺（「光反射面の横幅ｗ」に相当）は１００μｍで、隣接する各単位光学素子の間の距離ｓは３０μｍであった。

［ダイシング条件］
・ダイシングブレード〈ＤＩＳＣＯ社製，ＮＢＣ－Ｚ２０５０〉厚さ２５μｍ
・スピンドル回転数：３００００ｒｐｍ
・テーブル送り速度：３．０ｍｍ／ｓｅｃ
・冷却：シャワークーラー（水）１Ｌ／ｍｉｎ，シャワーノズル（水）０．５Ｌ／ｍｉｎ

［鏡映像（空間像）の明るさ測定］
　得られた実施例１～７および比較例１の凸型コーナーリフレクタアレイ（１０）を、図３のように水平にセットし、その下側の所定位置に、ＬＣＤを４５°傾けた状態で配置した。そして、上記ＬＣＤに所定の輝度の評価用画像（１ｃｍ×１ｃｍ角の白色）を表示させ、素子面Ｐで面対称となる空間位置に投影される鏡映像（図中に点線で表示）の明るさ（輝度）を、鏡映像から５０ｃｍ離れた上方から、鏡映像に正対する下向き４５°で計測した。なお、上記鏡映像の明るさの測定は、暗室中で行った。また、鏡映像の明るさの測定には、輝度計〈トプコン社製，ＢＭ－９〉を用いた。

［鏡映像（文字）の視認性評価］
　上記「鏡映像の明るさ測定」に続いて、同様の配置（図３参照）で、上記ＬＣＤに所定の輝度の評価用画像（白色の背景に、１文字２ｍｍ×２ｍｍ角の黒色の文字「日東電工」明朝体）を表示させ、素子面Ｐで面対称となる空間位置に投影される鏡映像（図中に点線で表示）を、鏡映像から５０ｃｍ離れた上方から、鏡映像に正対する下向き４５°で目視により観察した。なお、上記鏡映像の視認性評価は、室内蛍光灯下（３００ルクス以上）で行った。また、評価は、文字として視認できるものを「○」、視認できないものを「×」として表した。

　上記測定の結果を以下の「表１」に示す。

　上記「表１」の「明るさ（輝度）」の結果より、単位光学素子（光反射面）のアスペクト比（ｈ／ｗ）が１（比較例１）から３（実施例１）の範囲において、そのアスペクト比が大きくなるほど（実施例５→実施例２，３，４→実施例１，６）、上記鏡映像の明るさ（輝度）が向上することが確認できた。また、上記輝度が０．２ｃｄ／ｍ²の比較例１は、画像中の文字を認識できず、上記輝度が０．５～０．９ｃｄ／ｍ²の実施例４，５は、画像中の文字を認識できるものの、文字の色が薄く表示されて判読しづらい状態であった。これに対して、上記輝度が１．１ｃｄ／ｍ²の実施例２，３は、文字の色がやや薄い（コントラストがやや低い）ものの、文字の判読が容易な状態で、上記輝度が１．６ｃｄ／ｍ²の実施例１，６は、文字が明確に判読できる状態であった。画像（文字）の視認性は、周囲の環境（明るさ）や解像度により左右されるため、一概には言えないが、上記結果から、鏡映像（投影像）の輝度（絶対値）としては０．５ｃｄ／ｍ²以上が好ましく、さらには１．０ｃｄ／ｍ²以上であることが好ましいことが判った。

　また、上記「表１」を、同じ「光反射面の幅ｗ」を有する実施例どうしで、比較し易いように並べ直したものが、以下の「表２」，「表３」である。

　上記「表２」もから分かるように、同じ「光反射面の幅ｗ」を有する実施例どうしの場合、そのアスペクト比（ｈ／ｗ）が大きくなるほど、上記鏡映像の明るさ（輝度）が向上している。また、「表３」（幅ｗ＝１５０μｍ）は、アスペクト比（ｈ／ｗ）が３以下の範囲（実施例３，６）では、「表２」（幅ｗ＝１００μｍ）より幅（光反射面の幅）が広いため、全体的に輝度が向上しており、「表２」と同様、アスペクト比（ｈ／ｗ）が大きくなるほど〔実施例３（ｈ／ｗ＝２．０）→実施例６（ｈ／ｗ＝２．６７）〕、輝度が向上しているのが分かる。しかしながら、「表３」における実施例７（ｈ／ｗ＝４．０）の輝度が、実施例６の輝度より低い（１．６→０．５）点に着目すると、先にも述べたように、アスペクト比が大き過ぎると、迷光の増加等が影響して、輝度が低下するものと考えられる。そのため、上記アスペクト比（ｈ／ｗ）の最大値（好適範囲）は、５．０以下に抑えることが望ましい。

　なお、上記実施の形態および実施例においては、本発明における具体的な形態について示したが、上記実施の形態および実施例は単なる例示にすぎず、限定的に解釈されるものではない。当業者に明らかな様々な変形は、本発明の範囲内であることが企図されている。

　本発明のコーナーリフレクタ型のマイクロミラーアレイは、被投影物の鏡映像を輝度高く鮮明に投影することが可能で、各種表示装置や、空間像と連動して操作を行う入力装置、空間に商品ディスプレイを行う投影装置等に利用することができる。

　１　四角柱
　１ａ　第１の側面
　１ｂ　第２の側面
　１ｃ　コーナー
　２　基板

Claims

　平板状の基板と、この基板に配列状に形成された複数の単位光学素子とからなり、上記基板の一方の面側に配置された被投影物の鏡映像を、上記一方の面と反対側の他方の面側の空間に結像させるマイクロミラーアレイであって、上記各単位光学素子が、上記基板の表面に対して垂直な凸状または凹状に形成され、この凸状単位光学素子または凹状単位光学素子の側面の角部を挟んで互いに直交する２つの側面が、光反射面に形成され、これらの光反射面がそれぞれ、基板表面方向の横幅に対する基板厚さ方向の縦長さの比が１．５以上の長方形状に形成されていることを特徴とするマイクロミラーアレイ。
　上記単位光学素子の各光反射面が、それぞれ、基板表面方向の横幅に対する基板厚さ方向の縦長さの比が１．５以上５．０以下の長方形状に形成されている請求項１記載のマイクロミラーアレイ。