WO2014073093A1 - 光学素子、ヘッドアップディスプレイ、及び光学素子の製造方法 - Google Patents

光学素子、ヘッドアップディスプレイ、及び光学素子の製造方法 Download PDF

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WO2014073093A1
WO2014073093A1 PCT/JP2012/079145 JP2012079145W WO2014073093A1 WO 2014073093 A1 WO2014073093 A1 WO 2014073093A1 JP 2012079145 W JP2012079145 W JP 2012079145W WO 2014073093 A1 WO2014073093 A1 WO 2014073093A1
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optical element
main surface
fresnel
planar shape
concave lens
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PCT/JP2012/079145
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French (fr)
Inventor
柳澤 琢麿
育也 菊池
今井 哲也
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パイオニア株式会社
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • G02B3/02Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01Head-up displays
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/08Mirrors

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of optical elements using a Fresnel structure.
  • Patent Documents 1 to 3 propose a combiner in which a Fresnel lens-shaped half mirror is formed inside a flat plate.
  • Patent Document 3 proposes a combiner in which annular grooves made up of a plurality of inclined surfaces in the form of Fresnel lenses are formed on both surfaces of a single substrate.
  • the combiner described in Patent Documents 1 and 2 is created, for example, by bonding a substrate (Fresnel lens substrate) on which a Fresnel pattern is formed and a transparent cover substrate with an adhesive.
  • a substrate Fresnel lens substrate
  • a transparent cover substrate with an adhesive.
  • the adhesive is difficult to spread uniformly on the surface on which the Fresnel pattern is formed, there is a problem that bubbles are mixed in the adhesive or a problem that the thickness of the adhesive is not uniform. May occur.
  • the combiner described in Patent Document 3 is created, for example, by forming a Fresnel pattern (press transfer, injection molding, etc.) on both sides of a single substrate.
  • This method does not cause the above-mentioned problems because it does not adhere.
  • the substrate tends to warp during pattern transfer or the like.
  • An object of the present invention is to provide an optical element that can be easily bonded (bonded) and suppressed in warpage in an optical element using a Fresnel structure.
  • the optical element includes a first optical element in which a concave lens having a Fresnel structure is formed on one main surface, and the other main surface opposite to the main surface has a planar shape, and the concave lens A second optical element in which a convex lens having a Fresnel structure having substantially the same absolute values of refractive index and focal length is formed on one main surface, and the other main surface facing the main surface has a planar shape, and the first optical element And a half mirror provided between the first optical element and the second optical element, wherein the first optical element and the second optical element have a planar shape and a main surface of the first optical element having a planar shape.
  • the second optical element having the second optical element is bonded to the main surface through the half mirror in a state of facing the main surface.
  • the optical element includes a first optical element in which a concave lens having a Fresnel structure is formed on one main surface, and the other main surface opposite to the main surface has a planar shape;
  • a convex lens having a Fresnel structure in which the absolute values of the refractive index and the focal length are substantially equal is formed on one main surface, the second optical element having the other main surface opposite to the main surface has a planar shape, and the concave lens is formed.
  • a half mirror provided on the main surface of the first optical element, wherein the first optical element and the second optical element have a planar shape and a planar shape of the first optical element having a planar shape.
  • the second optical element having the second optical element is bonded in a state of facing the main surface.
  • a head-up display includes the optical element according to any one of the first to fifth aspects.
  • a method of manufacturing an optical element wherein a concave lens having a Fresnel structure is formed by applying a mold to one main surface of a first substrate, whereby the Fresnel is formed on the main surface.
  • a convex lens having a Fresnel structure in which the absolute values of refractive index and focal length are substantially equal to the concave lens
  • the convex lens having the Fresnel structure is formed on the main surface, and the other main surface facing the main surface is a flat surface.
  • the first optical element in a state in which the second optical element having a shape and the principal surface of the first optical element having a planar shape are opposed to the principal surface of the second optical element having a planar shape.
  • Element and front Characterized in that it comprises a step of bonding the second optical element.
  • the optical element includes a first optical element in which a concave lens having a Fresnel structure is formed on one main surface, and the other main surface opposite to the main surface has a planar shape;
  • a second optical element in which a convex lens having a Fresnel structure in which the absolute values of the ratio and the focal length are substantially equal is formed on one main surface, and the other main surface facing the main surface has a planar shape;
  • the first optical element A half mirror provided between the second optical element and the first optical element and the second optical element having a planar shape with a main surface of the first optical element having a planar shape.
  • the second optical element is bonded via the half mirror with the main surface facing each other.
  • the optical element is used as a combiner for visually recognizing an image as a virtual image, for example.
  • the first optical element has a Fresnel structure concave lens formed on one main surface
  • the other main surface has a planar shape
  • the second optical element has a Fresnel structure convex lens formed on one main surface.
  • the other main surface has a planar shape.
  • the concave lens and the convex lens have substantially the same refractive index and absolute value of the focal length.
  • a half mirror is provided between the first optical element and the second optical element. Further, the first optical element and the second optical element are bonded via a half mirror in a state where the main surface of the first optical element having a planar shape and the main surface of the second optical element having a planar shape are opposed to each other. Has been.
  • the optical element since the surfaces having a planar shape are bonded to each other, the first optical element and the second optical element are appropriately bonded. Further, since the optical element is configured by joining the first optical element and the second optical element, the optical element hardly warps. For example, even if the first optical element and the second optical element are warped, the first optical element and the second optical element are warped in the same way. It is done. As described above, since the optical element is hardly warped, the thickness of the optical element can be appropriately reduced.
  • the concave lens and the convex lens are described as having substantially the same absolute value of the refractive index and the focal length.
  • the term “substantially equal” as used herein means that they are equal within a range where the transmission function of the optical element is achieved. (The same shall apply hereinafter).
  • the half mirror has a characteristic that the reflectance changes according to the wavelength of incident light.
  • the half mirror has a characteristic that the reflectance is high at wavelengths corresponding to red light, blue light, and green light.
  • the “half mirror” includes not only an optical element having substantially the same intensity of reflected light and transmitted light but also an optical element in which the intensity of reflected light and transmitted light is not the same. Is also included. In other words, in this specification, the “half mirror” means an entire optical element having both a reflection function and a transmission function.
  • an optical element in another aspect of the present invention, includes a first optical element in which a concave lens having a Fresnel structure is formed on one main surface, and the other main surface opposite to the main surface has a planar shape; A convex lens having a Fresnel structure in which the absolute values of the ratio and the focal length are substantially equal is formed on one main surface, and the second optical element having the other main surface opposite to the main surface has a planar shape, and the concave lens is formed.
  • a half mirror provided on a main surface of the first optical element, wherein the first optical element and the second optical element have a planar shape with a major surface of the first optical element having a planar shape.
  • the second optical element is joined with the main surface thereof facing each other.
  • the optical element since the surfaces having a planar shape are bonded to each other, the first optical element and the second optical element are appropriately bonded. Further, since the optical element is configured by joining the first optical element and the second optical element, the optical element hardly warps. Therefore, the thickness of the optical element can be appropriately reduced. On the other hand, according to the optical element described above, since the half mirror is provided on the main surface of the first optical element on which the concave lens is formed, it is not necessary to provide an antireflection film on this surface. Therefore, it is possible to reduce manufacturing costs.
  • the concave lens and the convex lens have substantially the same lens pitch. Thereby, the transparency of the optical element can be improved.
  • the concave lens and the convex lens are described as having substantially the same pitch, the term “substantially equal” here means that they are equal within a range where the transmission function of the optical element is achieved.
  • the above optical element can be suitably applied to a head-up display.
  • an optical element manufacturing method includes forming a concave lens having a Fresnel structure by applying a mold to one main surface of a first substrate, so that the Fresnel structure is formed on the main surface.
  • the convex lens having the Fresnel structure is formed on the main surface, and the other main surface facing the main surface is planar.
  • the first optical element in a state in which the main surface of the first optical element having a planar shape and the main surface of the second optical element having a planar shape face each other. And said And a step of bonding the optical element.
  • the first optical element and the second optical element are bonded to each other in a plane shape. Therefore, it is easy to appropriately bond the first optical element and the second optical element. Can be done. Further, even if the first optical element and the second optical element are warped at the time of creation, the first optical element and the second optical element are warped in the same way. An element is obtained.
  • the method further includes a step of forming a half mirror on the main surface of the first optical element having a planar shape or the main surface of the second optical element having a planar shape. May be.
  • a step of forming a half mirror on the main surface of the first optical element on which the concave lens is formed may be further provided.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a head-up display according to the present embodiment.
  • a screen to be displayed (real image RI) is formed, and the light constituting the real image RI is reflected by the combiner 10, thereby allowing the driver to visually recognize the virtual image VI corresponding to the real image RI.
  • the real image RI corresponds to a screen displayed on a small liquid crystal display or an image formed on a screen by a projector (in one example, an image formed by an exit-pupil expander (EPE)).
  • EPE exit-pupil expander
  • the emission angle of the real image RI is limited, and the concave half-half is used as the combiner 10 so that the light reflected by the combiner 10 is collected on the observer's head.
  • the focal length of the concave half mirror is set to an appropriate value using a mirror.
  • a half mirror using a Fresnel structure is used as the combiner 10.
  • symbol EB in FIG. 1 is a virtual image observable area
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a combiner 10x according to the first comparative example.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional image view of the combiner 10x cut along a plane along the light traveling direction.
  • the combiner 10x according to the comparative example 1 includes a Fresnel lens substrate 10x1 on which a Fresnel lens is formed, and a transparent cover substrate 10x2.
  • the Fresnel lens substrate 10x1 and the cover substrate 10x2 are bonded with an adhesive 10x4 such as an ultraviolet curable resin.
  • the translucent reflective film 10x3 is attached
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an example of a method for manufacturing the combiner 10x according to the first comparative example.
  • an adhesive 10x4 is disposed between the Fresnel lens substrate 10x1 and the cover substrate 10x2, and pressure is applied as indicated by an arrow A1. To do.
  • the combiner 10x which concerns on the comparative example 1 is produced because the Fresnel lens board
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a combiner 10y according to the second comparative example.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional image view of the combiner 10y cut along a plane along the light traveling direction.
  • one of the two opposing surfaces 10y1 is configured in a convex lens shape having a Fresnel structure (in other words, a surface shape of a Fresnel lens configured to function as a convex lens).
  • the other surface 10y2 of the two opposing surfaces is configured in a concave lens shape having a Fresnel structure (in other words, a surface shape of a Fresnel lens configured to function as a concave lens). That is, in the combiner 10y according to the comparative example 2, Fresnel patterns are formed on both surfaces 10y1 and 10y2 of one substrate.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing the combiner 10y according to the comparative example 2.
  • a substrate 10ya having a flat plate shape is disposed between a mold 21 for forming a convex lens shape having a Fresnel structure and a mold 22 for forming a concave lens shape having a Fresnel structure.
  • a pressure is applied as indicated by an arrow A2.
  • one surface 10y1 is molded into a convex lens shape having a Fresnel structure
  • the other surface 10y2 is molded into a concave lens shape having a Fresnel structure. 10y is created.
  • the disadvantages described in the manufacturing method of the combiner 10x according to the comparative example 1 Does not occur.
  • the method for manufacturing the combiner 10y according to the comparative example 2 has a problem that the combiner 10y tends to warp during pattern transfer. Specifically, the combiner 10y warps if there is even a slight difference in the stress generated when the molds 21 and 22 are removed, and the shrinkage rate when the molds 21 and 22 are cooled when there is a temperature difference. The combiner 10y warps because of the difference.
  • the warp of the combiner 10y increases. If the combiner 10y is warped in this way, the curvature (and hence the focal length) of the concave mirror that reflects the light from the real image RI changes, so the virtual image VI is distorted or the position of the virtual image VI changes. To do.
  • the case of press transfer has been described as an example, but the combiner 10y is also likely to warp when injection molding is performed.
  • the manufacturing method according to Comparative Example 1 has a problem that it is difficult to appropriately bond two members, and the manufacturing method according to Comparative Example 2 has a problem that the combiner 10y is likely to warp. Therefore, in the present embodiment, a combiner that can be easily bonded and has less warpage is employed.
  • FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of the combiner 10a according to the first embodiment.
  • 6A shows a cross-sectional image of the combiner 10a cut along a plane along the light traveling direction
  • FIG. 6B is an enlarged cross-sectional view of the broken line region R1 in FIG. 6A.
  • An image diagram is shown.
  • the combiner 10a which concerns on 1st Example is applied with respect to a head-up display instead of the combiner 10 shown in FIG.
  • a combiner 10a includes a concave lens (hereinafter referred to as “Fresnel concave lens”) 10a1 to which a Fresnel structure is applied, and a convex lens (hereinafter referred to as “Fresnel concave lens”). In this case, it is called a “Fresnel convex lens”.) 10a2 and a translucent reflective film 10a3 provided between the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2. Further, as shown in FIG.
  • the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 are bonded with a transparent adhesive 10a4 (for example, an ultraviolet curable resin) via a semitransparent reflective film 10a3. Further, the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 have the same refractive index, the absolute value of the focal length, and the lens pitch (in other words, “pattern pitch”, the same shall apply hereinafter).
  • the combiner 10a is an example of the “optical element” in the present invention
  • the Fresnel concave lens 10a1 is an example of the “first optical element” in the present invention
  • the Fresnel convex lens 10a2 is an example of the “second optical element” in the present invention
  • the translucent reflective film 10a3 is an example of the “half mirror” in the present invention.
  • FIG. 7 shows a diagram for explaining the operation of the combiner 10a according to the first embodiment.
  • the light from the real image RI is refracted when entering the Fresnel convex lens 10a2, and then reflected (regular reflection) by the translucent reflective film 10a3, and then from the Fresnel convex lens 10a2. Refracts when exiting.
  • the light from the real image RI passes through the Fresnel convex lens 10a2 twice, and returns in the direction of the real image RI in the same state as when reflected by the concave mirror.
  • the combiner 10a is applied to a head-up display (FIG. 1)
  • the light from the real image RI returns to the driver's head.
  • background light light incident on the combiner 10a from the opposite side of the real image RI (hereinafter referred to as “background light”) hardly receives the lens action of the combiner 10a. Emitted. That is, the background light passes through the combiner 10a with almost no lens action. This is because, as described above, the refractive index, the absolute value of the focal length, and the lens pitch are made equal between the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2.
  • the absolute values of the refractive index and the focal length are completely equal between the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2, the absolute values of the refractive index and the focal length may be slightly shifted. This is because the transparency of the combiner 10a can be secured to some extent even if the absolute values of the refractive index and the focal length are slightly shifted between the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2.
  • the deviation of the absolute values of the allowable refractive index and the focal length is determined based on the transparency to be included in the combiner 10a, and the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 are created so as to be within the deviation range. good.
  • the lens pitch is perfectly equal between the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2, but the lens pitch may be slightly deviated. This is because the transparency of the combiner 10a can be sufficiently ensured even if the lens pitch is slightly shifted between the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2. From such a viewpoint, it is preferable to determine an allowable lens pitch deviation based on the transparency that the combiner 10a should have, and to create the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 so as to be within the range of the deviation.
  • the refractive index of the adhesive 10a4 is preferably equal to the refractive index of the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 (hereinafter simply referred to as “Fresnel lens” when they are not distinguished from each other). By doing so, it is possible to suppress unnecessary reflection that occurs at the interface between the adhesive 10a4 and the Fresnel lens. Further, even if an antireflection film is not provided on the surface on which the Fresnel pattern is formed, the double image (the light reflected on the surface on which the Fresnel pattern is formed overlaps with the light reflected on the translucent reflective film 10a3). Phenomenon).
  • the refractive index of the adhesive 10a4 and the refractive index of the Fresnel lens are not limited, and the refractive index of the adhesive 10a4 and the refractive index of the Fresnel lens may be different.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a method of manufacturing the combiner 10a according to the first embodiment.
  • the mold 31 for forming the concave lens shape of the Fresnel structure is applied to the substrate 10a11 having a flat plate shape
  • the mold 32 for forming the convex lens shape of the Fresnel structure is a substrate having a flat plate shape.
  • 10a21 is applied (assuming that the molds 31, 32 are in a heated state).
  • the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 are created by removing the molds 31, 32 from the substrates 10a11, 10a21.
  • a translucent reflective film 10a3 is attached to the surface of the Fresnel convex lens 10a2 having a planar shape (that is, the surface on which the Fresnel pattern is not formed).
  • the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel concave lens 10a1 face each other in a state where the surface having the planar shape of the Fresnel concave lens 10a1 and the surface having the planar shape of the Fresnel convex lens 10a2 (strictly, the surface to which the semitransparent reflective film 10a3 is attached)
  • An adhesive 10a4 is disposed between the convex lens 10a2 and pressure is applied as indicated by an arrow A3.
  • the combiner 10a which concerns on 1st Example is created because the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 are adhere
  • the adhesive 10a4 is likely to spread. In addition, since no pattern is formed on the adhesive surface, the adhesive 10a4 spreads uniformly (in other words, isotropically). Therefore, it is possible to appropriately suppress problems such as bubbles mixed into the adhesive 10a4 and problems such as uneven thickness of the adhesive 10a4, which may occur in the manufacturing method according to the comparative example 1. Therefore, according to the manufacturing method according to the first example, appropriate bonding of the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 can be easily performed.
  • the manufacturing method according to the first example in order to bond the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2 that are each warped in the same manner, compared with the manufacturing method according to Comparative Example 2, The combiner 10a with considerably less warpage can be created. Therefore, it can be said that even if the thickness of the combiner 10a is reduced, the combiner 10a is not easily warped. Therefore, according to the first embodiment, it is possible to appropriately reduce the thickness of the combiner 10a.
  • the surface having the planar shape in the Fresnel convex lens 10a2 has been described above (see FIG. 8), instead, the surface having the planar shape in the Fresnel concave lens 10a1 is translucently reflected.
  • the film 10a3 may be attached.
  • FIG. 9A shows one example of the reflectance characteristic of the translucent reflective film 10a3
  • FIG. 9B shows another example of the reflectance characteristic of the translucent reflective film 10a3.
  • the horizontal axis represents the wavelength (nm) of incident light
  • the vertical axis represents the transmissivity (%) of the translucent reflective film 10a3.
  • the wavelength range shown on the horizontal axis generally corresponds to the wavelength range for visible light.
  • the translucent reflective film 10a3 has a characteristic that the reflectance is constant regardless of the wavelength. That is, in this example, the reflectance of the translucent reflective film 10a3 is constant over the entire visible light.
  • the translucent reflective film 10a3 has a characteristic that the reflectance changes according to the wavelength.
  • the reflectance of the translucent reflective film 10a3 is high at a specific wavelength.
  • the translucent reflective film 10a3 has a characteristic of largely reflecting light of a specific wavelength and hardly reflecting (transmitting) light of other wavelengths.
  • the translucent reflective film 10a3 having such characteristics functions as a band-pass filter (notch filter), and is realized, for example, by forming a plurality of types of dielectric thin films into a multilayer structure.
  • a light source that emits red light, green light, and blue light for example, a laser light source that emits red laser light, green laser light, and blue laser light
  • the translucent reflective film 10a3 is preferably configured so that the reflectance is increased at the wavelengths of red light, green light, and blue light.
  • the translucent reflective film 10a3 having the characteristics shown in FIG. 9B has greater incident angle dependency than the translucent reflective film 10a3 having the characteristics shown in FIG. 9A. Basically, it cannot be adopted for a configuration using an uneven surface such as a Fresnel structure as an anti-slope. In the first embodiment, since a flat surface is used as the anti-inclined surface, the translucent reflective film 10a3 having characteristics as shown in FIG.
  • the translucent reflective film 10a3 is provided between the Fresnel concave lens 10a1 and the Fresnel convex lens 10a2.
  • a Fresnel pattern is formed in the Fresnel concave lens.
  • a translucent reflective film is provided on the surface.
  • FIG. 10 shows a schematic configuration diagram of a combiner 10b according to the second embodiment.
  • FIG. 10A shows a cross-sectional image of the combiner 10b cut along a plane along the light traveling direction
  • FIG. 10B is an enlarged cross-sectional view of the broken line region R4 in FIG. 10A.
  • An image diagram is shown.
  • the combiner 10b according to the second embodiment is also applied to a head-up display instead of the combiner 10 shown in FIG.
  • a combiner 10b includes a Fresnel concave lens 10b1, a Fresnel convex lens 10b2, and a translucent reflective film 10b3 provided on the surface of the Fresnel concave lens 10b on which a Fresnel pattern is formed. And having. Further, as shown in FIG. 10B, the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 are bonded with a transparent adhesive 10b4 (for example, an ultraviolet curable resin). Furthermore, the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 have the same refractive index, absolute value of focal length, and lens pitch (pattern pitch).
  • the combiner 10b according to the second embodiment performs the same operation as the combiner 10y according to the comparative example 2 (configuration described in Patent Document 3). That is, the light from the real image RI is reflected by the translucent reflective film 10b3, and returns to the driver's head and the like in the same state as when reflected by the concave mirror. Further, the background light passes through the combiner 10b with almost no lens action.
  • the combiner 10b is an example of the “optical element” in the present invention
  • the Fresnel concave lens 10b1 is an example of the “first optical element” in the present invention
  • the Fresnel convex lens 10b2 is an example of the “second optical element” in the present invention
  • the translucent reflective film 10b3 is an example of the “half mirror” in the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a method of manufacturing the combiner 10b according to the second embodiment.
  • the mold 41 for forming the concave lens shape of the Fresnel structure is applied to the substrate 10b11 having a flat plate shape
  • the mold 42 for forming the convex lens shape of the Fresnel structure is a substrate having a flat plate shape. This is applied to 10b21 (the dies 41 and 42 are in a heated state). Thereafter, by removing the molds 41 and 42 from the substrates 10b11 and 10b21, the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 are created.
  • the translucent reflective film 10b3 is attached to the surface on which the Fresnel pattern is formed in the Fresnel concave lens 10b1.
  • an adhesive 10b4 is disposed between the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 in a state where the surface having the planar shape of the Fresnel concave lens 10b1 and the surface having the planar shape of the Fresnel convex lens 10b2 face each other, and an arrow A4. Apply pressure as shown in.
  • the combiner 10b which concerns on 2nd Example is created because the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 are adhere
  • the adhesive 10b4 is easy to spread and the adhesive 10b4 is uniform (in other words, etc. Widen) Therefore, appropriate bonding of the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 can be easily performed.
  • the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 that are similarly warped in the same manner are bonded to each other by the manufacturing method according to the second embodiment, it is possible to produce the combiner 10b with considerably less warpage. Therefore, according to the second embodiment, the thickness of the combiner 10b can be appropriately reduced.
  • the translucent reflective film 10b3 is attached to the surface of the Fresnel concave lens 10b on which the Fresnel pattern is formed, it is not necessary to attach an antireflection film to this surface, in other words, AR coating is applied. It is not necessary. Therefore, in the combiner 10a according to the first embodiment, it was desired to provide an antireflection film on both surfaces thereof, but in the combiner 10b according to the second embodiment, it is only necessary to attach an antireflection film to one surface. According to the second embodiment, the manufacturing cost can be reduced as compared with the first embodiment.
  • the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel convex lens 10b2 are bonded after the translucent reflective film 10b3 is attached to the Fresnel concave lens 10b (see FIG. 11) is shown.
  • the Fresnel concave lens 10b1 and the Fresnel concave lens 10b1 After the convex lens 10b2 is bonded the translucent reflective film 10b3 may be attached to the surface of the Fresnel concave lens 10b on which the Fresnel pattern is formed.
  • the combiners 10a and 10b are created by press transfer.
  • the combiners 10a and 10b may be created by injection molding instead of press transfer. That is, the present invention can be applied not only to press transfer but also to injection molding.
  • the present invention can be used for a display device such as a head-up display.

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Abstract

光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第1光学素子と、凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第2光学素子と、第1光学素子と第2光学素子との間に設けられたハーフミラーと、を備える。そして、第1光学素子と第2光学素子とは、平面形状を有する第1光学素子の主面と平面形状を有する第2光学素子の主面とが向き合った状態で、ハーフミラーを介して接合されている。

Description

光学素子、ヘッドアップディスプレイ、及び光学素子の製造方法
 本発明は、フレネル構造を利用した光学素子の技術分野に関する。
 この種の技術が、例えば特許文献1乃至3に提案されている。特許文献1及び2には、フレネルレンズ形状のハーフミラーを平板の内部に形成したコンバイナが提案されている。特許文献3には、1枚の基板の両面にフレネルレンズ状の複数の傾斜面よりなる環状溝が形成されたコンバイナが提案されている。
特許第4776669号公報 特開2011-191715号公報 特開2000-249965号公報
 特許文献1及び2に記載されたコンバイナは、例えば、フレネルパターンが形成された基板(フレネルレンズ基板)と透明のカバー基板とを接着剤で接着することで作成される。しかしながら、この方法では、フレネルパターンが形成された面上では接着剤が均一に広がりにくいために、接着剤中に気泡が混入するといった不具合や、接着剤の厚さが不均一になるといった不具合などが発生してしまう場合があった。
 他方で、特許文献3に記載されたコンバイナは、例えば、1枚の基板の両面にフレネルパターンを成形(プレス転写や射出成形など)することで作成される。この方法では、接着しないため上記のような不具合は発生しない。しかしながら、パターン転写などの際に基板が反り易いといった不具合がある。
 本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、フレネル構造を利用した光学素子において、貼り合わせ(接合)が容易であり、反りが抑制された光学素子を提供することを課題とする。
 請求項1に記載の発明では、光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第1光学素子と、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第2光学素子と、前記第1光学素子と前記第2光学素子との間に設けられたハーフミラーと、を備え、前記第1光学素子と前記第2光学素子とは、平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とが向き合った状態で、前記ハーフミラーを介して接合されていることを特徴とする。
 請求項4に記載の発明では、光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第1光学素子と、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第2光学素子と、前記凹レンズが形成された前記第1光学素子の主面に設けられたハーフミラーと、を備え、前記第1光学素子と前記第2光学素子とは、平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とが向き合った状態で接合されていることを特徴とする。
 請求項6に記載の発明では、ヘッドアップディスプレイは、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光学素子を備えることを特徴とする。
 請求項7に記載の発明では、光学素子の製造方法は、第1基板における一方の主面に対して金型を適用することでフレネル構造の凹レンズを形成することにより、当該主面に前記フレネル構造の凹レンズが形成され、当該主面に対向する他の主面が平面形状を有する第1光学素子を作成する工程と、第2基板における一方の主面に対して金型を適用することで、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズを形成することにより、当該主面に前記フレネル構造の凸レンズが形成され、当該主面に対向する他の主面が平面形状を有する第2光学素子を作成する工程と、平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とを向き合わせた状態で、前記第1光学素子と前記第2光学素子とを接合する工程と、を備えることを特徴とする。
本実施例に係るヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。 比較例1に係るコンバイナを示す概略構成図である。 比較例1に係るコンバイナの製造方法を説明するための図である。 比較例2に係るコンバイナを示す概略構成図である。 比較例2に係るコンバイナの製造方法を説明するための図である。 第1実施例に係るコンバイナを示す概略構成図である。 第1実施例に係るコンバイナの動作を説明するための図である。 第1実施例に係るコンバイナの製造方法を説明するための図である。 第1実施例に係る半透明反射膜の特性の具体例を説明するための図である。 第2実施例に係るコンバイナを示す概略構成図である。 第2実施例に係るコンバイナの製造方法を説明するための図である。
 本発明の1つの観点では、光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第1光学素子と、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第2光学素子と、前記第1光学素子と前記第2光学素子との間に設けられたハーフミラーと、を備え、前記第1光学素子と前記第2光学素子とは、平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とが向き合った状態で、前記ハーフミラーを介して接合されている。
 上記の光学素子は、例えば虚像として画像を視認させるためのコンバイナとして利用される。第1光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、他方の主面が平面形状を有しており、第2光学素子は、フレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、他方の主面が平面形状を有している。凹レンズと凸レンズとは、屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しい。また、第1光学素子と第2光学素子との間には、ハーフミラーが設けられている。更に、第1光学素子と第2光学素子とは、平面形状を有する第1光学素子の主面と平面形状を有する第2光学素子の主面とが向き合った状態で、ハーフミラーを介して接合されている。
 上記の光学素子においては、平面形状を有する面同士で接合されているので、第1光学素子と第2光学素子とが適切に接合された状態となっている。また、第1光学素子と第2光学素子とが接合されることで光学素子が構成されるので、当該光学素子にはほとんど反りが生じない。例えば、第1光学素子及び第2光学素子が反っていたとしても、第1光学素子と第2光学素子とは同じように反るため、これらを接合することで反りがかなり少ない光学素子が得られる。このように、光学素子には反りが生じにくいので、光学素子の厚みを適切に薄くすることが可能となる。
 なお、上記では、凹レンズと凸レンズとは屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいと述べたが、ここでいう「ほぼ等しい」とは、光学素子の透過機能を奏する範囲で等しいという意味である(以下同様とする)。
 上記の光学素子の一態様では、前記ハーフミラーは、入射する光の波長に応じて反射率が変化する特性を有する。好適な例では、前記ハーフミラーは、赤色光、青色光及び緑色光のそれぞれに対応する波長において反射率が高くなるような特性を有する。これにより、光学素子の透過率を下げることなく、光学素子を利用して表示する像の明るさを向上させることができる。
 なお、本明細書では、「ハーフミラー」には、反射光と透過光との強さが概ね同じような光学素子だけでなく、反射光と透過光との強さが同じでないような光学素子も含まれるものとする。つまり、本明細書では、「ハーフミラー」は、反射機能及び透過機能の両方を具備する光学素子の全般を意味するものとする。
 本発明の他の観点では、光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第1光学素子と、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第2光学素子と、前記凹レンズが形成された前記第1光学素子の主面に設けられたハーフミラーと、を備え、前記第1光学素子と前記第2光学素子とは、平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とが向き合った状態で接合されている。
 上記の光学素子においても、平面形状を有する面同士で接合されているので、第1光学素子と第2光学素子とが適切に接合された状態となっている。また、第1光学素子と第2光学素子とが接合されることで光学素子が構成されるので、当該光学素子にはほとんど反りが生じない。したがって、光学素子の厚みを適切に薄くすることが可能となる。他方で、上記の光学素子によれば、凹レンズが形成された第1光学素子の主面にハーフミラーを設けるので、この面に反射防止膜を付けなくて良い。そのため、製造コストを削減することが可能となる。
 上記の光学素子の他の一態様では、前記凹レンズと前記凸レンズとは、レンズのピッチがほぼ等しい。これにより、光学素子の透過性を向上させることができる。なお、凹レンズと凸レンズとはレンズのピッチがほぼ等しいと述べたが、ここでいう「ほぼ等しい」とは、光学素子の透過機能を奏する範囲で等しいという意味である。
 上記の光学素子は、ヘッドアップディスプレイに好適に適用することができる。
 本発明の他の観点では、光学素子の製造方法は、第1基板における一方の主面に対して金型を適用することでフレネル構造の凹レンズを形成することにより、当該主面に前記フレネル構造の凹レンズが形成され、当該主面に対向する他の主面が平面形状を有する第1光学素子を作成する工程と、第2基板における一方の主面に対して金型を適用することで、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズを形成することにより、当該主面に前記フレネル構造の凸レンズが形成され、当該主面に対向する他の主面が平面形状を有する第2光学素子を作成する工程と、平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とを向き合わせた状態で、前記第1光学素子と前記第2光学素子とを接合する工程と、を備える。
 上記の光学素子の製造方法によれば、第1光学素子と第2光学素子とを、平面形状を有する面同士で接合するので、第1光学素子と第2光学素子との適切な接合を容易に行うことができる。また、第1光学素子及び第2光学素子が作成時において反っていたとしても、第1光学素子と第2光学素子とは同じように反るため、これらを接合することで反りがかなり少ない光学素子が得られる。
 上記の光学素子の製造方法の一態様では、平面形状を有する前記第1光学素子の主面、又は平面形状を有する前記第2光学素子の主面に、ハーフミラーを形成する工程を更に備えていても良い。
 上記の光学素子の製造方法の他の一態様では、前記凹レンズが形成された前記第1光学素子の主面に、ハーフミラーを形成する工程を更に備えていても良い。
 以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。
 [ヘッドアップディスプレイの構成]
 図1は、本実施例に係るヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。ヘッドアップディスプレイでは、表示すべき画面(実像RI)を形成し、実像RIを構成する光をコンバイナ10で反射させることで、実像RIに対応する虚像VIを運転者に視認させる。例えば、実像RIは、小型液晶ディスプレイによって表示される画面や、プロジェクタによってスクリーンに形成される像(1つの例では射出瞳拡大素子(EPE: Exit-Pupil Expander)によって形成される像)に相当する。
 ここで、昼間でも虚像VIを明るく視認させるためには、実像RIの発光輝度を上げれば良いが、消費電力やデバイス価格が増大するため、通常は光の利用効率を上げる手法が用いられている。光の利用効率を上げるために、一般的なヘッドアップディスプレイでは、実像RIの発光角度を制限するとともに、コンバイナ10で反射された光が観察者の頭部に集まるように、コンバイナ10として凹面ハーフミラーを用い、凹面ハーフミラーの焦点距離を適切な値に設定している。1つの例では、コンバイナ10として、フレネル構造を利用したハーフミラーが用いられている。なお、図1において符号EBで示す領域は、観察者の頭部付近に形成される虚像観察可能領域(アイボックス)である。
 [比較例の不具合]
 次に、前述した特許文献1乃至3に記載された構成の不具合について具体的に説明する。以下では、特許文献1及び2に記載された構成を「比較例1」と呼び、特許文献3に記載された構成を「比較例2」と呼ぶ。
 図2は、比較例1に係るコンバイナ10xの一例を示す概略構成図である。図2は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ10xの断面イメージ図を示している。比較例1に係るコンバイナ10xは、フレネルレンズが形成されたフレネルレンズ基板10x1と、透明のカバー基板10x2とを有する。具体的には、比較例1に係るコンバイナ10xでは、フレネルレンズ基板10x1とカバー基板10x2とが、例えば紫外線硬化樹脂などの接着剤10x4で接着されている。また、比較例1に係るコンバイナ10xでは、フレネルレンズ基板10x1においてフレネルレンズが形成された面上には、半透明反射膜10x3が付されている。
 図3は、比較例1に係るコンバイナ10xの製造方法の一例を説明するための図である。図3に示すように、金型などを用いてフレネルレンズ基板10x1を作成した後に、フレネルレンズ基板10x1とカバー基板10x2との間に接着剤10x4を配し、矢印A1で示すように圧力を付与する。これにより、フレネルレンズ基板10x1とカバー基板10x2とが接着剤10x4で接着されることで、比較例1に係るコンバイナ10xが作成される。このような製造方法では、フレネルレンズが形成された面(凹凸のある面)上では接着剤10x4が均一に(言い換えると等方的に)広がりにくいために、接着剤10x4中に気泡が混入するといった不具合や、接着剤10x4の厚さが不均一になるといった不具合などが発生してしまう場合がある。
 図4は、比較例2に係るコンバイナ10yの一例を示す概略構成図である。図4は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ10yの断面イメージ図を示している。比較例2に係るコンバイナ10yは、対向する2つの面のうちの一方の面10y1が、フレネル構造の凸レンズ形状(言い換えると凸レンズとして機能するように構成されたフレネルレンズの表面形状)に構成されており、対向する2つの面のうちの他方の面10y2が、フレネル構造の凹レンズ形状(言い換えると凹レンズとして機能するように構成されたフレネルレンズの表面形状)に構成されている。つまり、比較例2に係るコンバイナ10yは、1枚の基板の両面10y1、10y2に、フレネルパターンが形成されている。
 図5は、比較例2に係るコンバイナ10yの製造方法を説明するための図である。図5に示すように、まず、フレネル構造の凸レンズ形状を形成するための金型21と、フレネル構造の凹レンズ形状を形成するための金型22との間に、平板形状を有する基板10yaを配置する。この後、金型21と金型22との間に基板10yaを挟み込んだ状態で(金型21、22は加熱された状態にあるものとする)、矢印A2で示すように圧力を付与する。これにより、金型21及び金型22を取り外すことで、一方の面10y1がフレネル構造の凸レンズ形状に成形され、他方の面10y2がフレネル構造の凹レンズ形状に成形された、比較例2に係るコンバイナ10yが作成される。
 ここで、比較例2に係るコンバイナ10yの製造方法では、貼り合わせ工程がないため(具体的には接着する工程がないため)、比較例1に係るコンバイナ10xの製造方法で述べたような不具合は生じない。しかしながら、比較例2に係るコンバイナ10yの製造方法では、パターン転写の際にコンバイナ10yが反り易いといった不具合がある。具体的には、金型21、22を取り外す際に生じる応力が両者で僅かでも差異があるとコンバイナ10yが反ってしまい、また、金型21、22に温度差があると冷める時の収縮率が異なることでコンバイナ10yが反ってしまう。特に、基板10yaの厚みを薄くすると、コンバイナ10yの反りが大きくなる。このようにコンバイナ10yが反ってしまうと、実像RIからの光を反射する凹面鏡としての曲率(ひいては焦点距離)が変わってしまうため、虚像VIが歪んだり、虚像VIの位置が変化してしまったりする。なお、図5ではプレス転写の場合を例に挙げて説明したが、射出成形を行った場合にもコンバイナ10yが反り易い。
 以上述べたように、比較例1に係る製造方法では、2部材の適切な貼り合わせが難しいといった課題があり、比較例2に係る製造方法では、コンバイナ10yが反り易いといった課題がある。したがって、本実施例では、貼り合わせを容易に行うことができると共に、反りが少ないようなコンバイナを採用する。
 [第1実施例]
 まず、第1実施例について説明する。
 図6は、第1実施例に係るコンバイナ10aの概略構成図を示す。図6(a)は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ10aの断面イメージ図を示しており、図6(b)は、図6(a)中の破線領域R1を拡大した断面イメージ図を示している。なお、第1実施例に係るコンバイナ10aは、図1に示したコンバイナ10の代わりにヘッドアップディスプレイに対して適用される。
 図6(a)に示すように、第1実施例に係るコンバイナ10aは、フレネル構造が適用された凹レンズ(以下では「フレネル凹レンズ」と呼ぶ。)10a1と、フレネル構造が適用された凸レンズ(以下では「フレネル凸レンズ」と呼ぶ。)10a2と、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2との間に設けられた半透明反射膜10a3と、を有する。また、図6(b)に示すように、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とは、半透明反射膜10a3を介して、透明の接着剤10a4(例えば紫外線硬化樹脂など)で接着されている。更に、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とは、屈折率、焦点距離の絶対値、及びレンズピッチ(言い換えると「パターンピッチ」である。以下同様とする。)が等しい。
 なお、コンバイナ10aは本発明における「光学素子」の一例であり、フレネル凹レンズ10a1は本発明における「第1光学素子」の一例であり、フレネル凸レンズ10a2は本発明における「第2光学素子」の一例であり、半透明反射膜10a3は本発明における「ハーフミラー」の一例である。
 図7は、第1実施例に係るコンバイナ10aの動作を説明するための図を示す。図7中の破線領域R2に示すように、実像RIからの光は、フレネル凸レンズ10a2に入射する際に屈折し、その後に半透明反射膜10a3で反射(正反射)した後、フレネル凸レンズ10a2から出射する際に屈折する。この場合、実像RIからの光は、フレネル凸レンズ10a2を2回透過することで、凹面ミラーで反射された場合と同じ状態で、実像RIの方向に戻ってくる。例えば、コンバイナ10aをヘッドアップディスプレイ(図1)に適用した場合、実像RIからの光は運転者の頭部に戻ってくる。
 他方で、図7中の破線領域R3に示すように、実像RIの逆側からコンバイナ10aに入射する光(以下では「背景光」と呼ぶ。)は、コンバイナ10aのレンズ作用をほとんど受けることなく出射される。つまり、背景光は、レンズ作用をほとんど受けることなく、コンバイナ10aを透過していく。これは、上記したように、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とで、屈折率、焦点距離の絶対値、及びレンズピッチを等しくしたからである。
 なお、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とで屈折率及び焦点距離の絶対値を完全に等しくすることが好適であるが、屈折率及び焦点距離の絶対値が若干ずれていても構わない。フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とで屈折率及び焦点距離の絶対値が若干ずれていても、コンバイナ10aの透過性をある程度確保することができるからである。そういった観点より、許容できる屈折率及び焦点距離の絶対値のずれをコンバイナ10aが具備すべき透過性などに基づいて定め、そのずれの範囲内となるようにフレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2を作成すると良い。
 同様に、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とでレンズピッチを完全に等しくすることが好適であるが、レンズピッチが多少ずれていても構わない。フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とでレンズピッチが多少ずれていても、コンバイナ10aの透過性を十分に確保することができるからである。そういった観点より、許容できるレンズピッチのずれをコンバイナ10aが具備すべき透過性などに基づいて定め、そのずれの範囲内となるようにフレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2を作成すると良い。
 また、接着剤10a4の屈折率は、フレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2(以下ではこれらを区別しない場合には単に「フレネルレンズ」と呼ぶ。)の屈折率と等しくすることが好適である。こうすることで、接着剤10a4とフレネルレンズとの界面で生じる不必要な反射を抑えることができる。また、フレネルパターンが形成された面に反射防止膜を付けなくても、2重像(フレネルパターンが形成された面で反射された光と半透明反射膜10a3で反射された光とが重なることで生じる現象)を抑制することができる。但し、接着剤10a4の屈折率とフレネルレンズの屈折率とを等しくすることに限定はされず、接着剤10a4の屈折率とフレネルレンズの屈折率とを異なるものにしても構わない。
 図8は、第1実施例に係るコンバイナ10aの製造方法を説明するための図である。まず、フレネル構造の凹レンズ形状を形成するための金型31を、平板形状を有する基板10a11に対して適用すると共に、フレネル構造の凸レンズ形状を形成するための金型32を、平板形状を有する基板10a21に対して適用する(金型31、32は加熱された状態にあるものとする)。この後、基板10a11、10a21から金型31、32を取り外すことで、フレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2が作成される。このように金型31、32を取り外した際に、フレネルパターンの成形面が冷えて熱収縮が生じることで、図8に示すように、フレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2がお椀型に反る傾向にある。
 次に、フレネル凸レンズ10a2における平面形状を有する面(つまりフレネルパターンが形成されていない面)に、半透明反射膜10a3を付ける。この後、フレネル凹レンズ10a1における平面形状を有する面とフレネル凸レンズ10a2における平面形状を有する面(厳密には半透明反射膜10a3が付された面)とを向き合わせた状態で、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2との間に接着剤10a4を配し、矢印A3で示すように圧力を付与する。これにより、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とが接着剤10a4で接着されることで、第1実施例に係るコンバイナ10aが作成される。
 このような第1実施例に係る製造方法によれば、フレネル凹レンズ10a1及びフレネル凸レンズ10a2の両方とも接着面が平面であるため、接着剤10a4が広がり易い。また、接着面にパターンが形成されていないため、接着剤10a4が均一に(言い換えると等方的に)広がる。そのため、比較例1に係る製造方法において生じ得る、接着剤10a4中に気泡が混入するといった不具合や、接着剤10a4の厚さが不均一になるといった不具合などを適切に抑制することができる。したがって、第1実施例に係る製造方法によれば、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2との適切な貼り合わせを容易に行うことができる。
 更に、第1実施例に係る製造方法によれば、それぞれが同じようにお椀型に反っているフレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2とを貼り合わせるため、比較例2に係る製造方法と比較して、反りがかなり少ないコンバイナ10aを作成することができる。そのため、コンバイナ10aの厚みを薄くしても、コンバイナ10aが反りにくいと言える。したがって、第1実施例によれば、コンバイナ10aの厚みを適切に薄くすることが可能となる。
 なお、上記では、フレネル凸レンズ10a2における平面形状を有する面に半透明反射膜10a3を付ける例を示したが(図8参照)、この代わりに、フレネル凹レンズ10a1における平面形状を有する面に半透明反射膜10a3を付けても良い。
 次に、図9を参照して、ハーフミラーとしての半透明反射膜10a3の反射率特性(言い換えると透過率特性)の具体例について説明する。図9(a)は、半透明反射膜10a3の反射率特性の1つの例を示し、図9(b)は、半透明反射膜10a3の反射率特性の他の例を示している。図9(a)及び(b)では、横軸に入射光の波長(nm)を示し、縦軸に半透明反射膜10a3の透過率(%)を示している。横軸に示す波長の範囲は、可視光についての波長の範囲に概ね相当する。また、半透明反射膜10a3の反射率(%)は、「反射率(%)=100-透過率(%)」となる。
 図9(a)に示す例では、半透明反射膜10a3は、波長によらずに反射率が一定であるといった特性を有している。つまり、この例では、半透明反射膜10a3の反射率が可視光全体で一定となっている。
 図9(b)に示す例では、半透明反射膜10a3は、波長に応じて反射率が変化する特性を有している。この例では、半透明反射膜10a3の反射率が特定の波長で高くなっている。具体的には、当該半透明反射膜10a3は、特定の波長の光を大きく反射し、それ以外の波長の光をほとんど反射しない(透過させる)特性を有する。このような特性を有する半透明反射膜10a3は、バンドパスフィルタ(ノッチフィルタ)として機能し、例えば複数種類の誘電体薄膜を多層構造にすることで実現される。好適には、実像RIを形成するための光源として、赤色光、緑色光及び青色光を出射する光源(例えば赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を出射するレーザ光源)を用いた場合には、赤色光、緑色光及び青色光のそれぞれの波長で反射率が高くなるように半透明反射膜10a3を構成すると良い。こうすることで、コンバイナ10aの透過率を下げることなく、コンバイナ10aにて表示される画像(虚像)の明るさを向上させることができる。
 なお、図9(b)に示すような特性を有する半透明反射膜10a3は、図9(a)に示すような特性を有する半透明反射膜10a3と比べて、入射角依存性が大きくなるため、基本的には、フレネル構造のような凸凹面を反斜面として用いる構成には採用することができない。第1実施例では、反斜面として平面を用いるため、図9(b)に示すような特性を有する半透明反射膜10a3を適切に採用することができる。
 [第2実施例]
 次に、第2実施例について説明する。第1実施例に係るコンバイナ10aでは、フレネル凹レンズ10a1とフレネル凸レンズ10a2との間に半透明反射膜10a3が設けられていたが、第2実施例に係るコンバイナでは、フレネル凹レンズにおいてフレネルパターンが形成された面に半透明反射膜が設けられる。
 なお、以下では、第1実施例と異なる構成を主に説明し、第1実施例と同様の構成については説明を適宜省略する。つまり、ここで特に説明しない構成については、第1実施例と同様であるものとする。
 図10は、第2実施例に係るコンバイナ10bの概略構成図を示す。図10(a)は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ10bの断面イメージ図を示しており、図10(b)は、図10(a)中の破線領域R4を拡大した断面イメージ図を示している。なお、第2実施例に係るコンバイナ10bも、図1に示したコンバイナ10の代わりにヘッドアップディスプレイに対して適用される。
 図10(a)に示すように、第2実施例に係るコンバイナ10bは、フレネル凹レンズ10b1と、フレネル凸レンズ10b2と、フレネル凹レンズ10bにおいてフレネルパターンが形成された面に設けられた半透明反射膜10b3と、を有する。また、図10(b)に示すように、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とは、透明の接着剤10b4(例えば紫外線硬化樹脂など)で接着されている。更に、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とは、屈折率、焦点距離の絶対値、及びレンズピッチ(パターンピッチ)が等しい。
 このような第2実施例に係るコンバイナ10bは、比較例2(特許文献3に記載の構成)に係るコンバイナ10yと同様の動作を行う。つまり、実像RIからの光は半透明反射膜10b3で反射されることで、凹面ミラーで反射された場合と同じ状態で運転者の頭部などに戻ってくる。また、背景光は、レンズ作用をほとんど受けることなく、コンバイナ10bを透過していく。
 なお、コンバイナ10bは本発明における「光学素子」の一例であり、フレネル凹レンズ10b1は本発明における「第1光学素子」の一例であり、フレネル凸レンズ10b2は本発明における「第2光学素子」の一例であり、半透明反射膜10b3は本発明における「ハーフミラー」の一例である。
 図11は、第2実施例に係るコンバイナ10bの製造方法を説明するための図である。まず、フレネル構造の凹レンズ形状を形成するための金型41を、平板形状を有する基板10b11に対して適用すると共に、フレネル構造の凸レンズ形状を形成するための金型42を、平板形状を有する基板10b21に対して適用する(金型41、42は加熱された状態にあるものとする)。この後、基板10b11、10b21から金型41、42を取り外すことで、フレネル凹レンズ10b1及びフレネル凸レンズ10b2が作成される。このように金型41、42を取り外した際に、フレネルパターンの成形面が冷えて熱収縮が生じることで、図11に示すように、フレネル凹レンズ10b1及びフレネル凸レンズ10b2がお椀型に反る傾向にある。
 次に、フレネル凹レンズ10b1においてフレネルパターンが形成された面に、半透明反射膜10b3を付ける。この後、フレネル凹レンズ10b1における平面形状を有する面とフレネル凸レンズ10b2における平面形状を有する面とを向き合わせた状態で、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2との間に接着剤10b4を配し、矢印A4で示すように圧力を付与する。これにより、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とが接着剤10b4で接着されることで、第2実施例に係るコンバイナ10bが作成される。
 このような第2実施例に係る製造方法によっても、フレネル凹レンズ10b1及びフレネル凸レンズ10b2の両方とも接着面が平面であるため、接着剤10b4が広がり易いうえ、接着剤10b4が均一に(言い換えると等方的に)広がる。したがって、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2との適切な貼り合わせを容易に行うことができる。また、第2実施例に係る製造方法によっても、それぞれが同じようにお椀型に反っているフレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とを貼り合わせるため、反りがかなり少ないコンバイナ10bを作成することができる。そのため、第2実施例によっても、コンバイナ10bの厚みを適切に薄くすることができる。
 他方で、第2実施例によれば、フレネル凹レンズ10bにおいてフレネルパターンが形成された面に半透明反射膜10b3を付けるため、この面に反射防止膜を付けなくて良い、言い換えるとARコートを施さなくて良い。したがって、第1実施例に係るコンバイナ10aでは、その両面に反射防止膜を付けることが望ましかったが、第2実施例に係るコンバイナ10bでは、1面にのみ反射防止膜を付ければ良いので、第2実施例によれば、第1実施例よりも製造コストを低減することができる。
 なお、上記では、フレネル凹レンズ10bに半透明反射膜10b3を付けた後に、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とを接着する例を示したが(図11参照)、この代わりに、フレネル凹レンズ10b1とフレネル凸レンズ10b2とを接着した後に、フレネル凹レンズ10bにおいてフレネルパターンが形成された面に半透明反射膜10b3を付けても良い。
 [変形例]
 上記では、プレス転写でコンバイナ10a、10bを作成する実施例を示したが、プレス転写の代わりに、射出成形でコンバイナ10a、10bを作成しても良い。つまり、本発明は、プレス転写だけでなく、射出成形にも適用可能である。
 上記では、本発明をヘッドアップディスプレイに適用する実施例を示したが、本発明は、ヘッドマウントディスプレイにも適用可能である。
 本発明は、ヘッドアップディスプレイなどの表示装置に利用することができる。
 10a、10b コンバイナ
 10a1、10b1 フレネル凹レンズ
 10a2、10b2 フレネル凸レンズ
 10a3、10b3 半透明反射膜
 10a4、10b4 接着剤

Claims (9)

  1.  フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第1光学素子と、
     前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第2光学素子と、
     前記第1光学素子と前記第2光学素子との間に設けられたハーフミラーと、を備え、
     前記第1光学素子と前記第2光学素子とは、平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とが向き合った状態で、前記ハーフミラーを介して接合されていることを特徴とする光学素子。
  2.  前記ハーフミラーは、入射する光の波長に応じて反射率が変化する特性を有することを特徴とする請求項1に記載の光学素子。
  3.  前記ハーフミラーは、赤色光、青色光及び緑色光のそれぞれに対応する波長において反射率が高くなるような特性を有することを特徴とする請求項2に記載の光学素子。
  4.  フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第1光学素子と、
     前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第2光学素子と、
     前記凹レンズが形成された前記第1光学素子の主面に設けられたハーフミラーと、を備え、
     前記第1光学素子と前記第2光学素子とは、平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とが向き合った状態で接合されていることを特徴とする光学素子。
  5.  前記凹レンズと前記凸レンズとは、レンズのピッチがほぼ等しいことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光学素子。
  6.  請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光学素子を備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
  7.  第1基板における一方の主面に対して金型を適用することでフレネル構造の凹レンズを形成することにより、当該主面に前記フレネル構造の凹レンズが形成され、当該主面に対向する他の主面が平面形状を有する第1光学素子を作成する工程と、
     第2基板における一方の主面に対して金型を適用することで、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズを形成することにより、当該主面に前記フレネル構造の凸レンズが形成され、当該主面に対向する他の主面が平面形状を有する第2光学素子を作成する工程と、
     平面形状を有する前記第1光学素子の主面と平面形状を有する前記第2光学素子の主面とを向き合わせた状態で、前記第1光学素子と前記第2光学素子とを接合する工程と、を備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
  8.  平面形状を有する前記第1光学素子の主面、又は平面形状を有する前記第2光学素子の主面に、ハーフミラーを形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項7に記載の光学素子の製造方法。
  9.  前記凹レンズが形成された前記第1光学素子の主面に、ハーフミラーを形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項7に記載の光学素子の製造方法。
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