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技術 光学素子及び表示装置

出願人 TianmaJapan株式会社
発明者 住吉研
出願日 2015年6月10日 (5年11ヶ月経過) 出願番号 2015-117555
公開日 2017年1月5日 (4年4ヶ月経過) 公開番号 2017-003766
状態 特許登録済
技術分野 レンズ以外の光学要素 その他の光学系・装置、色の干渉・色の制御
主要キーワード 回反射光 高反射金属層 ドロネー三角形分割 複合プロセス 電鋳金型 LIGAプロセス 成型樹脂 遮光処理
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年1月5日)のものです。
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図面 (20)

課題

タイリングにより大面積に構成された場合であっても、視点を移動させた場合に生じる像の輝度変動を抑制することが可能な光学素子及び表示装置を提供する。

解決手段

光学素子は、複数の反射光学素子で構成されるタイルを複数繋ぎあわせて構成されており、平面を有する形状をなす。光学素子を構成するタイルのそれぞれは、前記平面上の外形が少なくとも2つ以上の相異なる三角形に形成されており、それぞれのタイルの端面には遮光部が設けられている。

概要

背景

直交した2枚のマイクロミラー素子多数配列したマイクロミラーアレイ素子を用いて、立体の実像結像させる光学素子が近年開発されるようになった。
古くよりロブスター光学系として、エビ等の目が、側面がミラー面である四角柱反射光学素子を球面上に多数配置した結像素子であることが知られている。ロブスター光学系は反射を用いるので、所望の屈折率を有する材料が得難いまたは高価であり、X線赤外光等の波長帯域の領域で主に研究開発されていた。

上述の反射光学素子を、球面上の代わりに平面上に多数配置することによって立体の実像を結像させることが指摘されていた。これについて、図13を用いて説明する。図13は、従来の反射光学素子の構造を説明するための模式図である。図13Aは反射光学素子の斜視図であり、図13Bは反射光学素子の平面図である。なお以下では、空間座標軸をXYZ軸として説明する。X軸、Y軸、Z軸は互いに直交する。図13に示すように、四角柱形状の反射光学素子1が、XY面上に多数(図13では3つ)配置されている。各反射光学素子1の底面は正方形であり、底面の各辺がX軸方向及びY軸方向に一致するように、各反射光学素子1はXY面上に配置されている。一方、各反射光学素子1の高さ方向(軸方向)はZ軸方向に揃えて配置されている。各反射光学素子1の上面A′及び下面(底面)Aは透明であり、光が入射及び出射できるようになっている。他方、各反射光学素子1の側面B、B′、C、C′は、少なくとも隣接する2つの側面がミラー面であり、光を反射することができる。

次に、図13に示す反射光学素子1において、入射光線が底面に入射した場合の反射光学素子1内での様子について、図14を用いて説明する。図14は、従来の反射光学素子1の光線反射を説明するための模式図である。図14Aは反射光学素子1をX軸方向から見た場合の光線の状態を示し、図14Bは反射光学素子1をZ軸方向から見た場合の光線の状態を示す。図14に示す例では、入射光線は、下面Aの点aから入射し、その後、直進して側面C′の点bに到達して反射する。側面C′で反射した光線は、さらに、側面Bの点cで再び反射し、上面A′の点dから出射する。図14Aに示すように、反射光学素子1へ入射角θ1 で入射した光線は、出射角θ1 で出射することが分かる。また、図14Bに示すように、入射光線の下面A(XY面)への射影は、出射光線の上面A′(XY面)への射影と大きさが一致する。すなわち、図14Bでは、入射光線の下面Aへの射影は出射光線の上面A′への射影と反平行状態にある。

以上をもとに、多数の反射光学素子1が配列された場合の結像のしくみについて、図15を用いて説明する。図15は、従来の反射光学素子1での2回反射及び結像を説明するための模式図である。図15Aは反射光学素子1,2をX軸方向から見た状態を示し、図15Bは反射光学素子1,2をZ軸方向から見た状態を示す。図15に示す例では、点光源20からの光線が、反射光学素子1及び2の下面Aにそれぞれ入射する。反射光学素子1の下面Aには点光源20からの光線が入射角θ1 で入射する。この入射光線は既に説明したように、出射角θ1 で反射光学素子1の上面A′から出射する。またこの際、図15Bに示すように、出射光線の上面A′(XY面)での方位は入射光線の下面A(XY面)での方位を逆進している。また、反射光学素子2の下面Aには点光源20からの光線が入射角θ2 で入射し、反射光学素子2においても、出射角θ2 で反射光学素子2の上面A′から出射する。以上のことから、2つの反射光学素子1,2からの出射光線は再び交差することとなる。
以上のように、点光源20からの光線が反射光学素子1,2を経て再び集光し、2回反射像21を作ることが分かる。図15Aに示すように、点光源20と反射光学素子1,2の配列面(下面A)との距離をLとすると、距離Lは、像(ここでは、2回反射像21)と反射光学素子1,2の配列面(上面A′)との距離L′に等しく、像の位置は、反射光学素子1,2の配列面(厳密には、下面A及び上面A′の間の中央を通る面)に関して点光源20の対称の位置となることが分かる。

以上の説明のように、像は、それぞれの反射光学素子1,2内で2回反射した光線(2回反射光線)から作られる。ところが、複数の反射光学素子1,2内で1回反射した光線(1回反射光線)によって1回反射像が作られることも知られている。これについて、図16を用いて説明する。図16は、従来の反射光学素子1,2での1回反射及び結像を説明するための模式図である。図16Aは反射光学素子1,2をX軸方向から見た状態を示し、図16Bは反射光学素子1,2をZ軸方向から見た状態を示す。図16に示す例では、点光源20からの光線が、反射光学素子1及び2の下面Aにそれぞれ入射し、反射光学素子1,2の側面Cの点P,Qでそれぞれ1回反射した後、反射光学素子1,2の上面A′から出射し、再び集光して像(1回反射像22)を形成する。以上から分かるように、1回反射像22は、反射光源素子1,2の下面Aの辺に平行な方向(図16ではY軸方向)から観察した際に顕著になる。
一方、2回反射像21は、図14,15の説明から分かるように、反射光学素子1,2の下面Aの対角線方向に強くなる。以上のように、2回反射像21及び1回反射像22はXY面上で観察できる方向が異なるので、観察する方位を、反射光学素子1,2の底面Aの対角線方向に設定することによって、2回反射像21のみを見ることができる。

2回反射像21の解像度は、反射光学素子1,2の大きさで決まる。このため、実用的には、底面Aの1辺が0.5mm以下である反射光学素子1,2が求められる。一方、反射光学素子1,2の厚さ(Z軸方向の高さ)が厚ければ、像の明るさが明るくなることが分かっている。従って、反射光学素子1,2は、小さな底面Aと大きな厚さ(高さ)を有する高アスペクトな形状が求められる。他方、大きな立体像を得るためには、多数の反射光学素子1,2が配列された大きな面積(サイズ)を有する反射光学素子配列を作成する必要がある。

ところが、高アスペクトな微細形状の反射光学素子1,2を多数有する大きな面積の反射光学素子配列を一括で作成することは、製造方法上困難である。そこで、比較的小面積の小面積片を作成し、複数の小面積片を平面上で繋ぎ合わせて大面積化する方法が検討されている(例えば特許文献1参照)。これをタイリングと呼び、各小面積片をタイルと呼ぶ。
図17及び図18は、従来の反射光学素子のタイリング構成を説明するための模式図である。図17AはタイルをX軸方向から見た状態を示し、図17B及び図18はタイルをZ軸方向から見た状態を示す。特許文献1では、図17に示すように、複数の反射光学素子1がXY面上に配置された正方形のタイル3を作成し、このタイル3をXY面上に複数配置して、より大きな面積の反射光学素子配列を得ることが提案されている。また、特許文献1では、図18に示すように、複数の反射光学素子1が扇状に配置された扇状タイル4を作成し、扇状タイル4を複数組み合わせることで、ほぼ円形の反射光学素子配列を得ることが提案されている。ここで、タイル3,4の端部は反射板である側面が破断されており、そのままでは余計なノイズとなる反射光が生じ、本来の反射方向とは異なる方向へ乱反射する。これを防ぐため、特許文献1に、タイル3,4の端部に遮光処理を施して遮光部5を設け、余分な反射を抑えることが述べられている。

概要

タイリングにより大面積に構成された場合であっても、視点を移動させた場合に生じる像の輝度変動を抑制することが可能な光学素子及び表示装置を提供する。光学素子は、複数の反射光学素子で構成されるタイルを複数繋ぎあわせて構成されており、平面を有する形状をなす。光学素子を構成するタイルのそれぞれは、前記平面上の外形が少なくとも2つ以上の相異なる三角形に形成されており、それぞれのタイルの端面には遮光部が設けられている。

目的

そして、その目的とするところは、タイリングにて構成した場合に生じる像の輝度変動を解消した光学素子及び表示装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

複数の反射光学素子で構成されるタイルを複数備え、平面を有する光学素子であって、前記タイルのそれぞれは、前記平面上の外形が少なくとも2つ以上の相異なる三角形に形成してあり、前記タイルの端面にはそれぞれ遮光部が設けられていることを特徴とする光学素子。

請求項2

前記反射光学素子は、底面が正方形四角柱形状を有し、少なくとも2つの隣接する側面が反射面であり、軸を前記平面の垂直方向に揃えて配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。

請求項3

前記タイルは、前記平面の垂直方向に積層された上部タイル及び下部タイルを含み、前記上部タイルの反射光学素子は、一方向に延伸する複数のミラーであり、前記下部タイルの反射光学素子は、前記一方向に直交する方向に延伸する複数のミラーであることを特徴とする請求項1に記載の光学素子。

請求項4

前記上部タイルの前記ミラーは、それぞれの反射面を前記平面に直交させて、前記平面の一方向に平行に配置してあり、前記下部タイルの前記ミラーは、それぞれの反射面を前記平面に直交させて、前記一方向に直交する方向に平行に配置してあることを特徴とする請求項3に記載の光学素子。

請求項5

複数の反射光学素子で構成されるタイルを複数備え、平面を有する光学素子であって、前記タイルのそれぞれは、前記平面上の外形が2種類以上の幾何形状に形成してあり、前記平面上に非周期的に配置してあり、前記タイルの端面にはそれぞれ遮光部が設けられていることを特徴とする光学素子。

請求項6

前記反射光学素子は、底面が正方形の四角柱形状を有し、少なくとも2つの隣接する側面が反射面であり、軸を前記平面の垂直方向に揃えて配置されていることを特徴とする請求項5に記載の光学素子。

請求項7

前記タイルは、前記平面の垂直方向に積層された上部タイル及び下部タイルを含み、前記上部タイルの反射光学素子は、一方向に延伸する複数のミラーであり、前記下部タイルの反射光学素子は、前記一方向に直交する方向に延伸する複数のミラーであることを特徴とする請求項5に記載の光学素子。

請求項8

前記上部タイルの前記ミラーは、それぞれの反射面を前記平面に直交させて、前記平面の一方向に平行に配置してあり、前記下部タイルの前記ミラーは、それぞれの反射面を前記平面に直交させて、前記一方向に直交する方向に平行に配置してあることを特徴とする請求項7に記載の光学素子。

請求項9

請求項1から8までのいずれかひとつに記載の光学素子と、表示素子とを備えることを特徴とする表示装置

技術分野

0001

本発明は、光学素子、具体的にはマイクロミラーアレイ素子に関する。また本発明は、光学素子を備えた表示装置に関する。

背景技術

0002

直交した2枚のマイクロミラー素子多数配列したマイクロミラーアレイ素子を用いて、立体の実像結像させる光学素子が近年開発されるようになった。
古くよりロブスター光学系として、エビ等の目が、側面がミラー面である四角柱反射光学素子を球面上に多数配置した結像素子であることが知られている。ロブスター光学系は反射を用いるので、所望の屈折率を有する材料が得難いまたは高価であり、X線赤外光等の波長帯域の領域で主に研究開発されていた。

0003

上述の反射光学素子を、球面上の代わりに平面上に多数配置することによって立体の実像を結像させることが指摘されていた。これについて、図13を用いて説明する。図13は、従来の反射光学素子の構造を説明するための模式図である。図13Aは反射光学素子の斜視図であり、図13Bは反射光学素子の平面図である。なお以下では、空間座標軸をXYZ軸として説明する。X軸、Y軸、Z軸は互いに直交する。図13に示すように、四角柱形状の反射光学素子1が、XY面上に多数(図13では3つ)配置されている。各反射光学素子1の底面は正方形であり、底面の各辺がX軸方向及びY軸方向に一致するように、各反射光学素子1はXY面上に配置されている。一方、各反射光学素子1の高さ方向(軸方向)はZ軸方向に揃えて配置されている。各反射光学素子1の上面A′及び下面(底面)Aは透明であり、光が入射及び出射できるようになっている。他方、各反射光学素子1の側面B、B′、C、C′は、少なくとも隣接する2つの側面がミラー面であり、光を反射することができる。

0004

次に、図13に示す反射光学素子1において、入射光線が底面に入射した場合の反射光学素子1内での様子について、図14を用いて説明する。図14は、従来の反射光学素子1の光線反射を説明するための模式図である。図14Aは反射光学素子1をX軸方向から見た場合の光線の状態を示し、図14Bは反射光学素子1をZ軸方向から見た場合の光線の状態を示す。図14に示す例では、入射光線は、下面Aの点aから入射し、その後、直進して側面C′の点bに到達して反射する。側面C′で反射した光線は、さらに、側面Bの点cで再び反射し、上面A′の点dから出射する。図14Aに示すように、反射光学素子1へ入射角θ1 で入射した光線は、出射角θ1 で出射することが分かる。また、図14Bに示すように、入射光線の下面A(XY面)への射影は、出射光線の上面A′(XY面)への射影と大きさが一致する。すなわち、図14Bでは、入射光線の下面Aへの射影は出射光線の上面A′への射影と反平行状態にある。

0005

以上をもとに、多数の反射光学素子1が配列された場合の結像のしくみについて、図15を用いて説明する。図15は、従来の反射光学素子1での2回反射及び結像を説明するための模式図である。図15Aは反射光学素子1,2をX軸方向から見た状態を示し、図15Bは反射光学素子1,2をZ軸方向から見た状態を示す。図15に示す例では、点光源20からの光線が、反射光学素子1及び2の下面Aにそれぞれ入射する。反射光学素子1の下面Aには点光源20からの光線が入射角θ1 で入射する。この入射光線は既に説明したように、出射角θ1 で反射光学素子1の上面A′から出射する。またこの際、図15Bに示すように、出射光線の上面A′(XY面)での方位は入射光線の下面A(XY面)での方位を逆進している。また、反射光学素子2の下面Aには点光源20からの光線が入射角θ2 で入射し、反射光学素子2においても、出射角θ2 で反射光学素子2の上面A′から出射する。以上のことから、2つの反射光学素子1,2からの出射光線は再び交差することとなる。
以上のように、点光源20からの光線が反射光学素子1,2を経て再び集光し、2回反射像21を作ることが分かる。図15Aに示すように、点光源20と反射光学素子1,2の配列面(下面A)との距離をLとすると、距離Lは、像(ここでは、2回反射像21)と反射光学素子1,2の配列面(上面A′)との距離L′に等しく、像の位置は、反射光学素子1,2の配列面(厳密には、下面A及び上面A′の間の中央を通る面)に関して点光源20の対称の位置となることが分かる。

0006

以上の説明のように、像は、それぞれの反射光学素子1,2内で2回反射した光線(2回反射光線)から作られる。ところが、複数の反射光学素子1,2内で1回反射した光線(1回反射光線)によって1回反射像が作られることも知られている。これについて、図16を用いて説明する。図16は、従来の反射光学素子1,2での1回反射及び結像を説明するための模式図である。図16Aは反射光学素子1,2をX軸方向から見た状態を示し、図16Bは反射光学素子1,2をZ軸方向から見た状態を示す。図16に示す例では、点光源20からの光線が、反射光学素子1及び2の下面Aにそれぞれ入射し、反射光学素子1,2の側面Cの点P,Qでそれぞれ1回反射した後、反射光学素子1,2の上面A′から出射し、再び集光して像(1回反射像22)を形成する。以上から分かるように、1回反射像22は、反射光源素子1,2の下面Aの辺に平行な方向(図16ではY軸方向)から観察した際に顕著になる。
一方、2回反射像21は、図14,15の説明から分かるように、反射光学素子1,2の下面Aの対角線方向に強くなる。以上のように、2回反射像21及び1回反射像22はXY面上で観察できる方向が異なるので、観察する方位を、反射光学素子1,2の底面Aの対角線方向に設定することによって、2回反射像21のみを見ることができる。

0007

2回反射像21の解像度は、反射光学素子1,2の大きさで決まる。このため、実用的には、底面Aの1辺が0.5mm以下である反射光学素子1,2が求められる。一方、反射光学素子1,2の厚さ(Z軸方向の高さ)が厚ければ、像の明るさが明るくなることが分かっている。従って、反射光学素子1,2は、小さな底面Aと大きな厚さ(高さ)を有する高アスペクトな形状が求められる。他方、大きな立体像を得るためには、多数の反射光学素子1,2が配列された大きな面積(サイズ)を有する反射光学素子配列を作成する必要がある。

0008

ところが、高アスペクトな微細形状の反射光学素子1,2を多数有する大きな面積の反射光学素子配列を一括で作成することは、製造方法上困難である。そこで、比較的小面積の小面積片を作成し、複数の小面積片を平面上で繋ぎ合わせて大面積化する方法が検討されている(例えば特許文献1参照)。これをタイリングと呼び、各小面積片をタイルと呼ぶ。
図17及び図18は、従来の反射光学素子のタイリング構成を説明するための模式図である。図17AはタイルをX軸方向から見た状態を示し、図17B及び図18はタイルをZ軸方向から見た状態を示す。特許文献1では、図17に示すように、複数の反射光学素子1がXY面上に配置された正方形のタイル3を作成し、このタイル3をXY面上に複数配置して、より大きな面積の反射光学素子配列を得ることが提案されている。また、特許文献1では、図18に示すように、複数の反射光学素子1が扇状に配置された扇状タイル4を作成し、扇状タイル4を複数組み合わせることで、ほぼ円形の反射光学素子配列を得ることが提案されている。ここで、タイル3,4の端部は反射板である側面が破断されており、そのままでは余計なノイズとなる反射光が生じ、本来の反射方向とは異なる方向へ乱反射する。これを防ぐため、特許文献1に、タイル3,4の端部に遮光処理を施して遮光部5を設け、余分な反射を抑えることが述べられている。

先行技術

0009

国際公開第2013/061619号

発明が解決しようとする課題

0010

ところが、上述したタイリングで構成した反射光学素子配列には、反射像輝度変動という問題が生じる。これについて、図19及び図20を用いて説明する。図19及び図20は、従来のタイリング構成での課題を説明するための模式図である。図19A及び図20Aは反射光学素子配列の斜視図であり、図19B及び図20BはZ軸方向から見た反射光学素子配列の平面図である。図19に示す反射光学素子配列11aは、図17Bに示した正方形のタイル3を繋ぎあわせたものであり、図20に示す反射光学素子配列11bは、図18に示した扇状タイル4を繋ぎあわせたものである。大面積(大サイズ)の立体像を結像する場合、元の物体は点光源20の集まりと考えることができる。この際に、各タイル3,4の境界部分の直下に位置する点光源20についても必ず考慮しなければならない。

0011

図19Bは、タイル3の境界部分の直下に点光源20が位置する状況を示している。図19に示す例では、点光源20からの光線は、反射光学素子配列11aを通過した後、再び集光して像21を作る。例えば、点光源20からの光線a,b,cは、反射光学素子配列11aの下面に入射し、反射光学素子配列11a内の点Pa,Pb,Pcにて反射した後、反射光学素子配列11aの上面から出射し、集光して像21を作る。また、光線a,b,cは、像21を作った後、XY面方位に関して図19Bに示すように再び発散していく。このような反射光学素子配列11aにおいて、観察者は、Z軸の周りを回るように、図19B中の点A,B,Cと移動すれば、光線a,b,cを観察することができる。

0012

図19に示す例では、点光源20がタイル3の境界部分の直下にあるので、光線bはこの境界部分からの反射光線であることが分かる。タイル3の境界部分はタイル3とタイル3との接合部であるので、ここでの反射率は、本来のタイル3(反射光学素子1)による反射率よりも低下する。すなわち、タイル3の境界部分では反射光学素子1が切断されているため、この切断面により本来とは異なる方向へ光線が散乱される。あるいは、タイル3の端部(端面)が遮光処理されているため、本来の反射率よりも低下する。このため、光線bの明るさは光線a,cと比べて暗い。従って、Z軸の周りを移動しつつ点光源20を観察した場合、像21の輝度変動が生じる。

0013

図20に示すように、扇状タイル4にて構成された反射光学素子配列11bにおいても、点光源20からの光線a,b,cは、反射光学素子配列11bの下面に入射し、点Pa,Pb,Pcにて反射した後、上面から出射し、集光して像21を作る。このような反射光学素子配列11bにおいても、点光源20からの光線bが反射する点Pbが扇状タイル4の境界部分にあるので、光線bの輝度が低下する。よって、図20に示す反射光学素子配列11bにおいても、図19に示す反射光学素子配列11aと同様に、Z軸の周りを移動しつつ点光源20を観察した場合、像21の輝度変動が生じる。

0014

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、タイリングにて構成した場合に生じる像の輝度変動を解消した光学素子及び表示装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0015

本発明に係る光学素子は、複数の反射光学素子で構成されるタイルを複数備え、平面を有する光学素子であって、前記タイルのそれぞれは、前記平面上の外形が少なくとも2つ以上の相異なる三角形に形成してあり、前記タイルの端面にはそれぞれ遮光部が設けられていることを特徴とする。

発明の効果

0016

本発明によれば、タイリングにて構成した光学素子において、視点を移動させた場合に生じる像の輝度変動を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0017

実施形態1の光学素子の斜視図である。
実施形態1の光学素子の斜視図である。
実施形態1の光学素子の作用を説明するための模式図である。
実施形態1の光学素子の製造工程を示す模式図である。
実施形態2の光学素子の斜視図である。
実施形態2の光学素子の斜視図である。
実施形態2の光学素子の作用を説明するための模式図である。
実施形態3のタイルの斜視図である。
実施形態3の光学素子の製造工程を示す模式図である。
実施形態4のタイルの斜視図である。
実施形態4のタイルの斜視図である。
実施形態5の表示装置の斜視図である。
従来の反射光学素子の構造を説明するための模式図である。
従来の反射光学素子の光線反射を説明するための模式図である。
従来の反射光学素子での2回反射及び結像を説明するための模式図である。
従来の反射光学素子での1回反射及び結像を説明するための模式図である。
従来の反射光学素子のタイリング構成を説明するための模式図である。
従来の反射光学素子のタイリング構成を説明するための模式図である。
従来のタイリング構成での課題を説明するための模式図である。
従来のタイリング構成での課題を説明するための模式図である。

実施例

0018

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

0019

(実施形態1)
本発明の実施形態1の構成について説明する。図1及び図2は、実施形態1の光学素子の斜視図である。図1及び図2に示すように、実施形態1の反射光学素子配列11は矩形平板状をなす。以下では、空間座標軸をXYZ軸とし、反射光学素子配列11の平面に沿った方向をXY平面方向とし、反射光学素子配列11の厚み方向をZ軸方向として説明する。

0020

実施形態1の反射光学素子配列(光学素子)11は、複数のタイル6,7,8,9,10をXY平面上に並べて構成されている。各タイル6〜10は、同じ厚さを有する平板状に形成されている。また、各タイル6〜10の外形は、XY平面上で三角形をなしており、タイル6〜10は、少なくとも2つ以上の異なる三角形に形成されている。また、各タイル6〜10の端面(側面)には遮光処理が施された遮光部5が形成してあり、隣り合うタイル6〜10の間は遮光部5で区切られている。さらに各タイル6〜10は、複数の反射光学素子1から構成されている。反射光学素子1は、底面(下面)が正方形である四角柱形状を有し、底面をXY平面上に配置し、軸(高さ方向)をZ軸方向に一致させて配列されている。また、反射光学素子1の4つの側面のうちの少なくとも2つの隣接する側面は反射面となっている。反射光学素子1は、側面がXY平面上のどの方向を向いていてもよい。例えば、図1に示すように、同一タイル6〜10内で、全ての反射光学素子1が同じ方向を向いていてもよい。また、図2に示すように、反射光学素子1は、同一タイル6〜10内で互いにXY平面上の異なる方向を向いていてもよい。これは、2回反射像が、1つの反射光学素子1内で2回反射した反射光線によって生じるからである。各タイル6〜10の外形は、例えばドロネー三角形を基に決めることができる。XY平面上にランダムに複数の点を配置し、これらを互いに結ぶことによってXY平面を複数の三角形で分割できることが、ドロネー三角形分割として知られている。この手順を用いることにより、XY平面を複数の三角形のタイル6〜10に分割することができる。

0021

図3は、実施形態1の光学素子の作用を説明するための模式図である。図3Aは反射光学素子配列11の斜視図であり、図3Bは反射光学素子配列11をZ軸方向から見た平面図である。図3に示す反射光学素子配列11は、XY平面上の外形がそれぞれドロネー三角形である複数のタイルで構成されている。ランダムな点をもとに複数のタイルに分割しているので、各タイルは形状の異なる三角形状を有する。さらに各タイルの境界部分には遮光処理を施した遮光部5が存在する。各タイルが不規則な三角形状であるので各遮光部5も不規則に配列されている。このため、反射光学素子配列11の各点Pa,Pb,Pcでそれぞれ反射した点光源20からの光線a,b,cは、どれも一様に遮光部5の影響を受ける。従って、遮光部5の影響が平均化されるので、視点がZ軸の周りを点A,B,Cと移動しても、像21の輝度変動が生じない。なお、図3に示す反射光学素子配列11では、各タイルは全て異なる形状のため、あらかじめ各形状を設計して全種類のタイルを作る必要がある。

0022

次に、実施形態1の反射光学素子配列11の製造方法について説明する。図4は、実施形態1の光学素子の製造工程を示す模式図である。図4中のA〜Eは製造工程の各プロセスでの反射光学素子配列11の状態を示しており、それぞれの左側には各プロセスでの断面構造を示し、それぞれの右側には各プロセスでの外観を示す。実施形態1においては、LIGA(Lithographie Galvanoformung Abformung)プロセスを用いて反射光学素子配列11を作成する。LIGAプロセスは、X線露光を含むリソグラフィ電鋳成形モールディング)を組み合わせた複合プロセスであり、高アスペクト比を持つ微細構造を製造するためのプロセスとして知られている。

0023

まず、重金属パターンマスクとするX線露光用マスクを作成する。そして、基板19の一面に塗布されたX線感光レジスト29に、X線露光用マスクを介してX線を照射し、図4Aに示すようなパターンを形成する。X線感光レジスト29には例えばPMMA(polymenthyl methacrylate)が使用され、X線感光レジスト29の厚さは数百μm程度とされる。X露光によってパターンが形成されるので、高アスペクト比のレジストパターンを形成することができる。
次に、図4Aに示すパターンが形成されたX線感光レジスト29の表面に電鋳を施すことにより、図4Bに示すような電鋳金型23を作成する。電鋳金型23の金属材にはニッケル等が用いられる。
次に、ホットエンボス処理によって樹脂表面を加熱しつつ電鋳金型23を加圧することにより、図4Cに示すような成型樹脂24を作成する。樹脂としては例えば、熱可塑性樹脂エポキシ樹脂等を用いることができる。
次に、図4Dに示すように、成型樹脂24の表面に高反射金属層25を形成する。高反射金属層25としては、アルミニウムや銀等を用いることができる。高反射金属層25は例えば、スパッタ法真空蒸着法により成型樹脂24の表面にコーティングすることができる。

0024

この後、あらかじめ設計しておいたドロネー三角形の各形状に切削加工し、それぞれの三角形状を有するタイル6〜10を作成する。図3に示す反射光学素子配列11を製造する場合、11種類の異なる三角形状のタイルを作成する必要がある。さらに、作成された各タイル6〜10において、成型樹脂24の裏面側を切削加工あるいは研磨加工して、高反射金属層25が裏面側から見える状態にする。これにより、図4Eに示すように、複数の反射光学素子1が配列されたタイル6〜10が完成する。なお、図4Eはタイル6のみを示す。
さらに、各タイル6〜10の側面に黒色塗料をコートして遮光処理を行い、遮光部5を形成する。例えば、遮光処理は、成型樹脂24の表面及び裏面(上面及び下面)をマスキングして黒色塗装することによって行われる。
このようにして作成されたタイル6〜10を、例えば図3レイアウトに従って組み合わせることにより、反射光学素子配列11が完成する。これにより、視点が移動した際に輝度変動が少なく、大きな面積(サイズ)を有する反射光学素子配列11を得ることができる。

0025

(実施形態2)
本発明の実施形態2の構成について説明する。図5及び図6は、実施形態2の光学素子の斜視図であり、図7は、実施形態2の光学素子の作用を説明するための模式図である。図7Aは実施形態2の反射光学素子配列11の斜視図であり、図7Bは実施形態2の反射光学素子配列11をZ軸方向から見た平面図である。実施形態2の反射光学素子配列11は、各タイル6〜10の形状が、実施形態1の反射光学素子配列11と異なる。その他の構成については上述の実施形態1と同様であり、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

0026

実施形態2の反射光学素子配列11では、各タイル6〜10は、XY平面上の外形が2種類以上の幾何形状をなすように形成されている。例えば、図5及び図6に示す反射光学素子配列11は、矩形のタイル6と三角形のタイル7〜10とで構成されている。また、平面を2種類以上の幾何形状に分割する場合に、幾何形状の組み合わせを選べば、非周期的に配置された各幾何形状に分割できることが知られている。このことから、図7に示す反射光学素子配列11は、ペンタローズタイルと呼ばれるもので、ダーツカイトと呼ばれる2種類の幾何形状の基本単位17,18に分割されている。すなわち、図7に示す反射光学素子配列11は、基本単位17,18の形状にそれぞれ形成された複数のタイルが非周期的に配置されることによって構成されている。なお、図7に示す配置以外でも、平面を構成する各幾何形状の非周期的な配置が多数知られている。

0027

実施形態2の反射光学素子配列11においても、各タイル6〜10は、複数の反射光学素子1から構成されている。また、反射光学素子1は、図5に示すように、同一タイル6〜10内で全て同じ方向を向いていてもよいし、図6に示すように、同一タイル6〜10内で互いにXY平面上の異なる方向を向いていてもよい。さらに、各タイル6〜10の端面(側面)には遮光部5が設けられている。

0028

図7に示す反射光学素子配列11は、XY平面上の外形が2種類の幾何形状(基本単位17,18)である複数のタイルを非周期的に配置して構成されている。各タイルが非周期的に配置されるので、各タイルの境界部分の形状が複雑になり、各タイルの境界部分に位置する遮光部5も不規則な配置となる。このため、実施形態1と同様に、実施形態2の反射光学素子配列11における各点Pa,Pb,Pcでそれぞれ反射した点光源20からの光線a,b,cは、どれも一様に遮光部5の影響を受ける。従って、遮光部5の影響が平均化されるので、視点がZ軸の周りを点A,B,Cと移動した場合に生じる各光線a,b,cの輝度変動が抑制される。なお、実施形態2の反射光学素子配列11では、少ない種類のタイルによる構成が可能であり、作成するタイルの種類を少数で済ますことができる。例えば、図7に示す反射光学素子配列11では、2種類の幾何形状のタイルを作成すればよい。よって、実施形態2では、より簡単な設計によって、視点がZ軸の周りを移動した場合に生じる像21の輝度変動を抑制することができる。

0029

次に、実施形態2の反射光学素子配列11の製造方法について説明する。実施形態2の反射光学素子配列11は、上述の実施形態1と同様にLIGAプロセスにて作成できる。ただし、実施形態1では、図3に示す反射光学素子配列11を製造する場合、11種類のタイルを作成する必要があった。一方、実施形態2では、図7に示す反射光学素子配列11を製造する場合、基本単位17,18の形状を有する2種類のタイルを作成するだけでよい。すなわち、実施形態2では、図4Dに示した表面に高反射金属層25が形成された成型樹脂24を、基本単位17,18の各形状に切削加工し、各形状を有する2種類のタイルを作成する。なお、作成された各タイルに対して、成型樹脂24の裏面側を切削加工あるいは研磨加工し、さらに、各タイルの側面に遮光部5を形成する。
このようにして作成された2種類のタイルを、例えば図7のレイアウトに従って組み合わせることにより、視点が移動した際に輝度変動が少なく、大きな面積(サイズ)を有する反射光学素子配列11を得ることができる。

0030

(実施形態3)
本発明の実施形態3の構成について説明する。実施形態3は、実施形態1の変形例であり、各タイルの構成が、実施形態1とは異なる。その他の構成については実施形態1と同様であり、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
実施形態3の反射光学素子配列11は、実施形態1と同様に、複数のタイルから構成されており、各タイルの外形は、XY平面上で三角形をなしており、各タイルの端面(側面)には遮光部5が形成してある。

0031

図8は、実施形態3のタイルの斜視図である。実施形態3の反射光学素子配列11では、各タイルは、Z軸方向に積層された上部タイル12及び下部タイル13から構成されている。なお、図8の左側にはタイル6を示し、右側には上部タイル12と下部タイル13とを分離した状態を示す。図8に示すタイル6では、上部タイル12はX軸方向に延伸する複数のミラー(反射光学素子)14を有し、下部タイル13はY軸方向に延伸する複数のミラー(反射光学素子)14を有する。上部タイル12のミラー14は、それぞれの反射面をXY平面に直交させて、X軸に平行に配置してあり、下部タイル13のミラー14は、それぞれの反射面をXY平面に直交させて、Y軸に平行に配置してある。ここで、上部タイル12のミラー14の延伸方向と下部タイル13のミラー14の延伸方向とは、互いに直交していればよく、任意の延伸方向を選択することができる。

0032

実施形態3のタイル6では、上部タイル12及び下部タイル13がZ軸方向に積層されているため、タイル6の下面から入射した点光源からの光線は、下部タイル13のミラー14の反射面で1回反射し、その後、上部タイル12のミラー14の反射面でさらに反射する。これにより、実施形態3のタイル6においても、図15で説明した2回反射像21を得ることができる。
また、実施形態3の各タイルは、実施形態1と同様にドロネー三角形分割によって、XY平面上の外形がそれぞれ異なる三角形状に形成されているので、各タイルの境界部分に位置する各遮光部5も不規則に配列されている。従って、実施形態1と同様に、視点がZ軸の周りを移動した際に生じる像の輝度変動が抑制される。

0033

次に、実施形態3の反射光学素子配列11の製造方法について説明する。図9は、実施形態3の光学素子の製造工程を示す模式図である。図9中のA〜Eは製造工程の各プロセスでの反射光学素子配列11の外観を示す。実施形態3では、はじめに透明基板26上に高反射金属層25を形成し、一面に高反射金属層25が形成された透明基板26を複数作成する。そして、高反射金属層25が形成された複数の透明基板26を高反射金属層25の向きを揃えて接着させ、図9Aに示すような積層体27を作成する。
次に、例えば、図9Aに破線で示すような切断線X−X′及びY−Y′に沿って積層体27を切断して積層体27の薄片を生成し、生成した薄片の一方の切断面を研磨する。
次に、薄片の研磨した切断面に透明基板26を貼りつけて、薄片の他方の切断面を研磨する。これにより、図9Bに示す薄片化積層体28を得ることができる。
次に、薄片化積層体28を2つ用意し、それぞれの高反射金属層25の延伸方向(長手方向)が互いに直交する状態で、高反射金属層25同士を貼り合わせる。この時、2つの薄片化積層体28は、光硬化接着剤等を用いて接合することができる。このようにして、図9Cに示す構成を得ることができる。なお、2つの薄片化積層体28の一方が上部タイル12を構成し、他方が下部タイル13を構成する。

0034

この後、あらかじめ設計しておいたドロネー三角形の各形状に切削加工し、それぞれの三角形状を有するタイル6〜10を作成する。例えば、図3に示す反射光学素子配列11を製造する場合、11種類の異なる三角形状のタイルを作成する。なお、図9Dはタイル6のみを示す。また、作成された各タイル6〜10において、上部タイル12及び下部タイル13(薄片化積層体28)における高反射金属層25が、図8に示した上部タイル12及び下部タイル13のミラー14となる。
さらに、それぞれ作成した各タイルの側面を黒色樹脂塗装し、遮光部5を形成する。例えば、遮光処理は、タイルの上面及び下面をマスキングして黒色塗装することによって行われる。これにより、図9Eに示すタイル6を得ることができる。
このようにして作成されたタイル6〜10を、例えば図3のレイアウトに従って組み合わせることにより、大きな面積(サイズ)を有する反射光学素子配列11を得ることができる。また、得られた反射光学素子配列11は、視点の移動に伴う輝度変動が少ないものである。

0035

(実施形態4)
本発明の実施形態4の構成について説明する。実施形態4は、実施形態2の変形例であり、各タイルの構成が、実施形態2とは異なり、実施形態3と同様である。その他の構成については実施形態2と同様であり、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。図10及び図11は、実施形態4のタイルの斜視図であり、それぞれの左側にはタイル6を示し、それぞれの右側には上部タイル12と下部タイル13とを分離した状態を示す。

0036

実施形態4の各タイル6〜10は、実施形態2と同様に、XY平面上の外形が2種類以上の幾何形状(基本単位17,18)をなすように形成されている。例えば、図10に示すタイル6は、図7に示した基本単位17の形状に形成されており、図11に示すタイル6は、図7に示した基本単位18の形状に形成されている。また、実施形態4の反射光学素子配列11は、実施形態2と同様に、各タイル6〜10が非周期的に配置されることによって構成されている。実施形態4の各タイル6〜10は、実施形態3と同様に、Z軸方向に積層された上部タイル12及び下部タイル13を有し、上部タイル12及び下部タイル13はそれぞれX軸方向、またはY軸方向に延伸する複数のミラー14を有する。なお、実施形態4においても、上部タイル12のミラー14の延伸方向と下部タイル13のミラー14の延伸方向とは互いに直交していればよく、適宜の延伸方向を選択することができる。

0037

上述した構成により、実施形態4の各タイル6〜10においても、図15で説明した2回反射像21を得ることができる。
また、実施形態4においても、各タイル6〜10が非周期的に配置されるので、実施形態2と同様に、各タイル6〜10の境界部分に位置する各遮光部5も不規則に配列されている。従って、視点がZ軸の周りを移動した際に生じる像の輝度変動が抑制される。なお、実施形態4の反射光学素子配列11においても、少ない種類のタイルによる構成が可能であり、作成するタイルの種類を少数で済ますことができる。

0038

次に、実施形態4の反射光学素子配列11の製造方法について説明する。実施形態4の反射光学素子配列11は、上述の実施形態3と同様の製造工程にて作成できる。ただし、実施形態4では、図9Cに示した接合された2つの薄片化積層体28を、基本単位17,18の各形状に切削加工し、各形状を有する2種類のタイルを作成する。よって、実施形態4では、基本単位17,18の形状を有する2種類のタイルを作成するだけでよい。なお、作成された各タイルの側面に遮光部5を形成する。
このようにして作成された2種類のタイルを、例えば図7のレイアウトに従って組み合わせることにより、大きな面積(サイズ)を有する反射光学素子配列11を得ることができる。また、得られた反射光学素子配列11は、視点の移動に伴う輝度変動が少ないものである。

0039

(実施形態5)
本発明の実施形態5の構成について説明する。実施形態5では、本発明に係る表示装置について説明する。図12は、実施形態5の表示装置の斜視図である。実施形態5の表示装置は、上述の実施形態1〜4のいずれかの反射光学素子配列11と、表示素子15とを備える。図12に示す表示装置では、反射光学素子配列11の下部に表示素子15が配置されている。表示素子15としては、液晶表示パネル有機EL(electroluminescence )パネル等を用いることができる。

0040

表示素子15のそれぞれの点から発せられた光線は、図12に示すように、反射光学素子配列11にて反射した後、表示素子像16を作る。表示素子15にて表示される内容を変更することにより、表示素子像16の内容を変えることができる。
上述した実施形態1〜4の反射光学素子配列11では、Z軸を中心とした視点の移動に伴う輝度変動が少ないので、反射光学素子配列11の下部に表示素子15を配置して、表示素子像16を観察した場合、視点を動かした場合であっても、表示素子像16の輝度変動は観察できなかった。
以上のように、実施形態5の表示装置では、輝度変動が抑制された表示素子像16を得ることができる。

0041

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

0042

1反射光学素子
5遮光部
6〜10タイル
11 反射光学素子配列(光学素子)
12 上部タイル
13 下部タイル
14ミラー
15 表示素子

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