WO2018105445A1 - 反射型空中結像素子 - Google Patents

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WO2018105445A1
WO2018105445A1 PCT/JP2017/042608 JP2017042608W WO2018105445A1 WO 2018105445 A1 WO2018105445 A1 WO 2018105445A1 JP 2017042608 W JP2017042608 W JP 2017042608W WO 2018105445 A1 WO2018105445 A1 WO 2018105445A1
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WO
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optical element
reflective
adhesive
reinforcing plate
aerial imaging
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/042608
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English (en)
French (fr)
Inventor
藤井　雄一
康司 大西
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
有限会社オプトセラミックス
泉陽光学株式会社
三国製鏡株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to JP2018554936A priority Critical patent/JP6574910B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/60—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images involving reflecting prisms and mirrors only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors

Definitions

  • the present invention relates to a reflective aerial imaging element that forms a real image of a projection object in the air.
  • a conventional reflective aerial imaging element is disclosed in Patent Document 1.
  • This reflective aerial imaging element has two flat optical elements.
  • a plurality of substrates such as transparent glass having a reflecting surface parallel to the thickness direction are juxtaposed via an adhesive in a direction perpendicular to the reflecting surface.
  • a reflection type aerial imaging element is formed by stacking and bonding two optical elements so that the reflecting surfaces are perpendicular to each other.
  • a projection object is disposed below the reflective aerial imaging element having the above-described configuration, and light is irradiated toward the projection object.
  • a part of the light reflected by the projection enters the lower optical element from the lower surface, and is reflected by the reflecting surface and then enters the upper optical element.
  • the light reflected by the reflective surface of the upper optical element is emitted from the upper surface of the reflective aerial imaging element, and the real image of the projected object is obtained in the air at a position symmetrical to the projection object with respect to the reflective aerial imaging element.
  • Imaged Thereby, the image of the projection object is displayed in a state of floating in the air. That is, an aerial image of the projection object is displayed.
  • JP 2012-155345 A (6th page, 7th page, FIGS. 4 and 5)
  • the optical element of the conventional reflective aerial imaging element described above has a plurality of transparent glass substrates having reflective surfaces parallel to the thickness direction arranged in parallel in a direction perpendicular to the reflective surface. Is done. For this reason, the linear expansion coefficient in the direction orthogonal to the reflection surface of the optical element is larger than the linear expansion coefficient in the direction orthogonal to the thickness direction and parallel to the reflection surface.
  • the reflective aerial imaging element since the reflection surfaces of the two optical elements are orthogonal to each other, the direction in which one optical element has a large linear expansion coefficient is orthogonal to the direction in which the other optical element has a large linear expansion coefficient. As a result, when the optical element expands and contracts due to a temperature change, the reflective aerial imaging element may be deformed such as torsion, and the reflective aerial imaging element may be damaged. Therefore, there is a problem that the reliability of the reflective aerial imaging element is lowered.
  • the present invention provides: A transparent reinforcing plate, A flat plate-like first optical element that is bonded onto the reinforcing plate via a first adhesive; A flat plate-like second optical element bonded via a second adhesive on the first optical element; The first optical element and the second optical element are arranged in parallel through a third adhesive in a direction perpendicular to the reflecting surface with a plurality of transparent base materials having reflecting surfaces parallel to the thickness direction.
  • a linear expansion coefficient of the reinforcing plate is greater than a linear expansion coefficient in a direction perpendicular to the thickness direction of the first optical element and the second optical element and parallel to the reflecting surface, and the first optical element and the first optical element. It is characterized by being smaller than the linear expansion coefficient in the direction orthogonal to the reflection surface of the two optical elements.
  • the linear expansion coefficient of the reinforcing plate is larger than the linear expansion coefficient in the direction perpendicular to the thickness direction of the first optical element and the second optical element and parallel to the reflecting surface, and the first optical element and the second optical element. It is smaller than the linear expansion coefficient in the direction orthogonal to the reflection surface of the element.
  • the perspective view which expanded the principal part of FIG. 1 is an exploded perspective view of a reflective aerial imaging element according to a first embodiment of the present invention.
  • the top view which shows the reflection type aerial imaging element of 1st Embodiment of this invention 1 is a side view showing a reflective aerial imaging element according to a first embodiment of the present invention.
  • the side view which expanded the adhesion part between the base materials of the optical element of the reflection type aerial imaging element of 1st Embodiment of this invention The enlarged top view which expanded the reflective type aerial imaging element of 1st Embodiment of this invention
  • the enlarged side view which expanded the optical element of the reflection type aerial image formation element of 1st Embodiment of this invention The figure which shows the manufacturing process of the reflection type air imaging element of 1st Embodiment of this invention.
  • the side view which shows the spacer formation process of the reflection type air imaging element of 1st Embodiment of this invention The perspective view which shows the board
  • finish of the adhering process of the reflection type aerial imaging element of 1st Embodiment of this invention The figure which showed the change of the linear expansion distortion with respect to the temperature of the optical element of the reflection type aerial imaging element of 1st Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of an aerial image display apparatus provided with the reflective aerial imaging element of the first embodiment.
  • FIG. 2 shows an enlarged perspective view of the main part of FIG. 3 to 5 show an exploded perspective view, a plan view, and a side view of the reflective aerial imaging element, respectively.
  • the X direction, the Y direction, and the Z direction indicate the width direction, the depth direction, and the thickness direction of the reflective aerial imaging element 10, respectively.
  • 2 and 4 the illustration of the reinforcing plate 5 is omitted.
  • an arrow Q indicates an optical path.
  • the aerial image display device 100 includes a light source 20 and a reflective aerial imaging element 10.
  • the reflective aerial imaging element 10 includes a flat optical element 1 (first optical element), a flat optical element 2 (second optical element), and a pair of flat reinforcing plates 5.
  • the planar shape of the optical elements 1 and 2 is formed in a substantially square shape having a side length of, for example, about 300 mm.
  • the optical elements 1 and 2 are formed of a transparent resin such as an acrylic resin or a light transmissive material such as glass, and the reflecting surface 4 parallel to the thickness direction (Z direction) has a predetermined period Dr (for example, 0.5 mm). Arranged in parallel.
  • the optical elements 1 and 2 are formed by adhering a plurality of transparent base materials 25 each having a reflecting surface 4 on both opposing surfaces by an adhesive 3 (third adhesive, see FIG. 6) disposed on the reflecting surface 4. The That is, in the optical elements 1 and 2, a plurality of transparent base materials 25 having a reflective surface 4 parallel to the thickness direction (Z direction) are juxtaposed via the adhesive 3 in a direction perpendicular to the reflective surface 4. .
  • the base material 25 is formed of a transparent resin such as an acrylic resin, glass, or the like.
  • the adhesive 3 is made of a two-component mixed adhesive in which a main agent made of, for example, an epoxy resin or an acrylic resin and a curing agent made of, for example, a polyamide resin are mixed.
  • the reflecting surface 4 is formed on the base material 25 by performing sputtering or vapor deposition of, for example, aluminum or silver.
  • FIG. 6 shows an enlarged side view of an adhesive portion between adjacent base materials 25.
  • a plurality of dot-like spacers 15 are arranged in a matrix on the reflecting surface 4 in plan view.
  • the spacer 15 is made of, for example, an ultraviolet curable resin, and has a height H (projection amount in a direction perpendicular to the reflecting surface 4) within a range of, for example, 20 ⁇ m ⁇ 1 ⁇ m, and a predetermined pitch E (this embodiment) in two orthogonal directions. 1 mm) in the form.
  • the planar shape of the reinforcing plate 5 is formed in a substantially square shape having a side length of, for example, about 310 mm.
  • the reinforcing plate 5 is made of a transparent resin such as an acrylic resin or a light transmissive material such as glass.
  • the optical element 1 is bonded to the lower reinforcing plate 5 via an adhesive 6 (first adhesive, see FIG. 3).
  • a silicone adhesive can be used as the adhesive 6.
  • the optical element 2 is bonded onto the optical element 1 via an adhesive 7 (second adhesive, see FIG. 3).
  • the optical elements 1 and 2 are bonded so that the reflecting surface 4 of the optical element 1 and the reflecting surface 4 of the optical element 2 are orthogonal to each other.
  • the upper reinforcing plate 5 is bonded onto the optical element 2 via an adhesive 8 (see FIG. 3).
  • the optical elements 1 and 2 are arranged in parallel in the thickness direction (Z direction) and are disposed between the pair of upper and lower reinforcing plates 5, and the pair of reinforcing plates 5 cover the optical elements 1 and 2.
  • a silicone adhesive can be used as the adhesives 7 and 8.
  • the adhesives 6, 7, and 8 are not limited to silicone adhesives, but are desirably adhesives having a durometer hardness of A95 or less.
  • the durometer hardness of the adhesives 6, 7, and 8 is more desirably A70 or less.
  • the adhesives 6, 7, and 8 may be adhesives made of different materials.
  • the lower surface of the lower reinforcing plate 5 forms an incident surface 18 on which light is incident (see FIGS. 1 and 3), and the upper surface of the upper reinforcing plate 5 is an output surface 19 on which light is emitted (see FIGS. 1 and 3).
  • the optical elements 1 and 2 can be reinforced by the reinforcing plate 5. Further, the lower surface 1a of the optical element 1 and the upper surface 2a of the optical element 2 are covered by the lower and upper reinforcing plates 5, respectively. Thereby, since the adhesive 3 is not exposed to the lower surface 1a of the optical element 1 and the upper surface 2a of the optical element 2, it is possible to prevent the adhesive 3 from being deteriorated due to the influence of condensation or the like.
  • a plurality of transparent base materials 25 having a reflective surface 4 parallel to the thickness direction (Z direction) are juxtaposed via an adhesive 3 in a direction perpendicular to the reflective surface 4.
  • the linear expansion coefficient ⁇ 2 in the direction orthogonal to the reflection surface 4 of the optical elements 1 and 2 is perpendicular to the longitudinal direction (thickness direction (Z direction)) of the reflection surface 4 of the optical elements 1 and 2. It is larger than the linear expansion coefficient ⁇ 1 in the parallel direction). Therefore, the expansion and contraction in the direction perpendicular to the reflection surface 4 of the optical elements 1 and 2 due to the temperature change is larger than the expansion and contraction in the longitudinal direction of the reflection surface 4.
  • the linear expansion coefficient ⁇ 3 of the reinforcing plate 5 is larger than the linear expansion coefficient ⁇ 1 of the optical elements 1 and 2, and smaller than the linear expansion coefficient ⁇ 2.
  • the expansion-contraction of the longitudinal direction of the reflective surface 4 of the optical elements 1 and 2 by a temperature change can be suppressed.
  • the difference between the expansion and contraction in the longitudinal direction of the reflection surface 4 of the optical element 1 and the expansion and contraction in the direction orthogonal to the reflection surface 4 of the optical element 2 due to temperature change is reduced.
  • the difference between the expansion / contraction in the direction perpendicular to the reflection surface 4 of the optical element 1 and the expansion / contraction in the longitudinal direction of the reflection surface 4 of the optical element 2 is reduced. It is desirable that the difference between the linear expansion coefficient ⁇ 3 and the linear expansion coefficients ⁇ 1 and ⁇ 2 is small.
  • a silicone adhesive having a durometer hardness of A95 or less is used as the adhesive 7
  • the stress due to the difference in expansion and contraction of the optical elements 1 and 2 in a predetermined direction can be reduced.
  • a silicone adhesive having a durometer hardness of A95 or less is used as the adhesive 6
  • a silicone adhesive having a durometer hardness of A95 or less is used as the adhesive 8
  • an adhesive other than a silicone adhesive may be used as long as the adhesives 6, 7, and 8 have a durometer hardness of A95 or less.
  • the thickness T2 (see FIG. 5) of the reinforcing plate 5 is larger than the thickness T1 of the optical elements 1 and 2. Thereby, the reinforcement effect with respect to the optical elements 1 and 2 can be further improved, and deformation such as twisting of the reflective aerial imaging element 10 due to temperature change can be further reduced. It is desirable that the thickness T2 of the reinforcing plate 5 is at least twice the thickness T1 of the optical elements 1 and 2. Thereby, the reinforcement effect by the reinforcement board 5 can be improved further. In this embodiment, the thickness T2 of the reinforcing plate 5 is 2.8 mm, and the thickness T1 of the optical elements 1 and 2 is 1.34 mm.
  • the surface of the reinforcing plate 5 is provided with an antireflection part (not shown) subjected to antireflection treatment.
  • antireflection treatment include coating of magnesium fluoride or the like (optical thin film treatment), arrangement of a micro concavo-convex structure in which an average period of concavo-convex is not more than a visible light wavelength, and the like.
  • the light source 20 is disposed on the lower optical element 1 side (below the lower reinforcing plate 5 in FIG. 1).
  • the light source 20 is made of an LED, for example, and emits white illumination light L.
  • the light source 20 emits the illumination light L to the projection object OB so that the reflected light of the projection object OB enters the incident surface 18 of the reinforcing plate 5 at an incident angle of about 45 °.
  • the light source 20 may be formed by CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp).
  • a projection object OB (see FIGS. 1 and 2) of a two-dimensional image is disposed on the optical element 1 side (below the lower reinforcing plate 5 in FIG. 1), and a light source 20 is turned on.
  • the illumination light L emitted from the light source 20 is reflected by the projection object OB.
  • a part of the reflected light of the projection object OB enters from the incident surface 18 of the reinforcing plate 5.
  • the light incident on the reinforcing plate 5 from the incident surface 18 is transmitted through the reinforcing plate 5 and then enters the optical element 1 from the lower surface 1a of the optical element 1 and is reflected by the optical element 1 as indicated by an arrow Q (see FIG. 2).
  • the light is incident on the optical element 2 after being reflected by the surface 4.
  • the light reflected by the reflecting surface 4 of the optical element 2 is emitted upward from the upper surface 2a (see FIG. 2) of the optical element 2, and then passes through the upper reinforcing plate 5 and is emitted from the emitting surface 19.
  • a real image (aerial image FI) of the projection object OB is formed on the reflective aerial imaging element 10 in the air at a position symmetrical to the projection object OB. That is, the aerial image FI of the projection object OB is displayed in a state of floating in the air.
  • the reflecting surface 4 of the optical element 1 is projected onto the surface parallel to the lower surface 1 a of the optical element 1 and the reflection surface 4 of the optical element 1 is 45 with respect to the line of sight direction EL of the user's eye EY (see FIG. 1)
  • the reflection preventing portion of the reinforcing plate 5 can prevent reflection of external light on the emission surface 19, and can prevent deterioration in the visibility of the aerial image FI.
  • the lower surface 1a of the optical element 1 and the upper surface 2a of the optical element 2 are covered by the lower and upper reinforcing plates 5, respectively.
  • the adhesive 3 on the lower surface 1a and the upper surface 2a is prevented, and deterioration of the adhesive 3 on the lower surface 1a and the upper surface 2a due to the influence of condensation or the like can be prevented. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the optical elements 1 and 2 in the region through which the reflected light of the projection object OB passes (deterioration such as corrosion of the reflecting surface 4). As a result, it is possible to suppress a decrease in image quality of the aerial video FI.
  • the adhesive 3 on the side end surfaces of the optical elements 1 and 2 is exposed, the reflected light of the projection object OB hardly passes through the side end surfaces of the optical elements 1 and 2, so that the aerial image FI is formed. There is no major obstacle.
  • the projection object OB is information relating to, for example, a product
  • a touch panel of a device used at a medical site or a construction site may be displayed as an aerial image FI. Thereby, contamination of an apparatus etc. can be prevented.
  • the reflective aerial imaging element 10 may be mounted on a game machine or the like.
  • the projection object OB is not limited to a two-dimensional image, and may be a three-dimensional object.
  • the projection object OB may be an image displayed on a display device such as a liquid crystal panel.
  • the light source incorporated in the display device can be used without the light source 20.
  • FIG. 7 shows an enlarged top view in which the reflective aerial imaging element 10 is enlarged.
  • FIG. 8 shows an enlarged side view in which the optical element 1 is enlarged.
  • illustration of the reinforcement board 5 is abbreviate
  • the refraction angle ⁇ 2 is calculated as 27.8 ° from the equation (1).
  • the pitch Pr is calculated as 0.78 mm from the equation (2).
  • the total light flux of the light beam Qp incident on the lower surface 1a of the optical element 1 at the incident angle of 45 ° is reflected on the reflecting surface 4. After being reflected once, it can be emitted from the upper surface 1b. Thereby, the image quality of the aerial image FI imaged by the reflective aerial imaging element 10 can be improved.
  • the pitch Pr becomes 0.707 mm. Since the refraction angle ⁇ 2 is 27.8 °, the thickness T1 of the optical element 1 is 1.34 mm from the equation (2). Therefore, when the optical elements 1 and 2 are formed using the substrate 21 having a plate thickness of 0.5 mm as will be described later, when the thickness T1 of the optical elements 1 and 2 is 1.34 mm by the polishing process, The total light beam Qp incident on the lower surface 1a at the incident angle can be reflected from the reflecting surface 4 and then emitted from the upper surface 1b. Thereby, the image quality of the aerial image FI imaged by the reflective aerial imaging element 10 can be improved. Moreover, the thickness T1 of the optical element 1 can be made smaller than when the period Dr is 0.56 mm. Therefore, more material 1 ′ can be obtained from the fixing block 12 (see FIG. 14) described later.
  • the total light flux of the light beam Qp incident on the lower surface 1a at an incident angle of 45 ° is reflected once by the reflecting surface 4. After that, the light can be emitted from the upper surface 1b. That is, light incident on the incident surface 18 at an incident angle of 45 ° can be efficiently emitted from the output surface 19. Therefore, the image quality of the aerial video FI can be improved.
  • FIG. 9 is a diagram showing a manufacturing process of the reflective aerial imaging element 10.
  • the manufacturing process of the reflective aerial imaging element 10 includes a reflecting surface forming process, a spacer forming process, a stacking process, a fixing process, a cutting process, a polishing process, an optical element arranging process, and a reinforcing plate attaching process.
  • the reflective surfaces 4 are formed on both surfaces of the substrate 21 having a substantially square shape by sputtering or vapor deposition of aluminum or silver.
  • the substrate 21 is made of a thin glass plate.
  • the material of the glass plate is not particularly limited, for example, borosilicate glass can be used.
  • the reflecting surface 4 is formed of aluminum having a thickness (film thickness) of 100 nm. Note that the reflective surface 4 may be formed only on one surface of the substrate 21. Further, the substrate 21 may be formed of a thin transparent resin plate such as an acrylic resin.
  • the substrate 21 of the present embodiment is a 300 mm ⁇ 300 mm square and has a thickness of about 0.5 mm.
  • the thickness of the substrate 21 is preferably 0.6 mm or less. Thereby, a good aerial image FI can be obtained.
  • a fusion method can be used.
  • molten glass molten glass
  • a heart-shaped bottle whose upper surface is opened and the cross-sectional shape is squeezed at the bottom, and the glass overflowing from the upper surface of the bottle flows downward and is integrated under the bottle. Is the method. Thereby, since a glass surface is formed only by surface tension without contact other than air, a smooth surface can be obtained.
  • FIG. 11 is a side view showing the spacer forming step.
  • the spacer forming step is performed by a spacer forming unit 70 that moves in two directions (one indicated by an arrow F) substantially parallel to the reflecting surface 4 of the substrate 21.
  • the spacer forming unit 70 includes an inkjet head 71, an ultraviolet light source 72, and a distance measuring sensor 73.
  • the distance measuring sensor 73 measures the distance to the reflecting surface 4.
  • the ink jet head 71 ejects ink 71 a made of an ultraviolet curable resin toward the substrate 21.
  • the distance to the reflecting surface 4 is measured by the distance measurement sensor 73 at the measurement start position (for example, the end of the substrate 21), and this distance is set as a reference distance.
  • the distance between the planned dropping position of the ink 71 a on the reflecting surface 4 and the distance measuring sensor 73 is compared with the reference distance, and the ejection amount of the ink 71 a of the inkjet head 71 is varied. Thereby, the height of the spacer 15 can be made uniform.
  • the ultraviolet light source 72 irradiates the ultraviolet rays UV toward the ink 71a dropped on the reflecting surface 4 to cure the ink 71a.
  • the dot-shaped spacers 15 having a predetermined height (20 ⁇ m in this embodiment) are formed on the reflecting surface 4 of the substrate 21 in a matrix form having a pitch E (1 mm in this embodiment). It is formed by adhering to. Since the spacer 15 is formed in a dot shape by ink jet printing, the spacer 15 can be easily arranged on the reflecting surface 4.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a lamination process.
  • a plurality (600 in this embodiment) of the substrates 21 on which the spacers 15 are formed are stacked in a direction perpendicular to the reflecting surface 4 (in the plate thickness direction of the substrate 21) and sandwiched by a sandwiching member (not shown). Thereby, the stacked body 11 having the gap G between the adjacent substrates 21 is formed.
  • a predetermined pressure is applied to the laminated body 11 from the laminating direction LM to pressurize the laminated body 11. Thereby, the curvature of each board
  • the laminated body 11 is immersed in the liquid adhesive 3 in a storage tank (not shown) in the state which continued the pressurization to the laminated body 11.
  • FIG. As a result, the adhesive 3 enters and fills the gap G.
  • the laminate 11 is pulled up from the storage tank and the adhesive 3 is cured. Thereby, the laminated body 11 is fixed and the fixing block 12 shown in FIG. 14 is formed.
  • the length of the fixing block 12 in the direction perpendicular to the reflecting surface 4 (the length in the stacking direction LM) is about 300 mm.
  • the spacer 15 that secures the gap G between the adjacent substrates 21 since the spacer 15 that secures the gap G between the adjacent substrates 21 is arranged, the thickness of the adhesive 3 between the substrates 21 can be made uniform, and the parallelism of the reflecting surfaces 4 can be easily maintained.
  • the gap G increases, the film thickness of the adhesive 3 of the optical element 1 increases, so that the aerial image FI becomes rough. For this reason, it is desirable that the gap G be 50 ⁇ m or less.
  • the gap G is reduced, the aerial image FI can be favorably imaged, but filling of the liquid adhesive 3 becomes difficult. For this reason, it is desirable that the gap G be 10 ⁇ m or more.
  • the spacer formation process is omitted from the manufacturing process of the reflective aerial imaging element 10, the adhesive 3 is applied to the reflective surfaces 4 of the plurality of substrates 21 on which the reflective surfaces 4 are formed, and the adhesive 3 is applied to the reflective surfaces 4.
  • the laminated body 11 may be formed by stacking a plurality of substrates 21 coated with the slab in a direction perpendicular to the reflecting surface 4. In this case, in the fixing step, the adhesive 3 is cured in a state where the pressurization to the laminate 11 is continued without immersing the laminate 11 in the storage tank.
  • the fixing block 12 is cut in a direction perpendicular to the reflecting surface 4 at a predetermined period (for example, 1.8 mm) in a direction parallel to the reflecting surface 4.
  • a predetermined period for example, 1.8 mm
  • the configuration of the optical element 2 is the same as the configuration of the optical element 1, and the optical element 2 is also formed from the material 1 ′.
  • a wire saw is preferably used for cutting the fixing block 12, but a slicer may be used.
  • both surfaces of the material 1 ′ of the optical element 1 are polished to a predetermined thickness (for example, 1.5 mm) by a lapping device. Thereafter, both surfaces of the material 1 ′ of the optical element 1 are mirror-finished by a polishing apparatus. Thereby, the optical elements 1 and 2 shown in FIG. 3 are obtained. At this time, the thickness T1 (see FIG. 5) of the optical elements 1 and 2 is 1.34 mm.
  • the optical elements 1 and 2 are arranged in the thickness direction so that the reflecting surface 4 of the optical element 1 and the reflecting surface 4 of the optical element 2 are orthogonal to each other, and the adhesive 7 (see FIG. 3).
  • the optical elements 1 and 2 are bonded together. Thereby, the optical elements 1 and 2 are juxtaposed in the thickness direction (Z direction).
  • the reinforcing plate 5 is bonded to both end faces (the lower surface 1a and the upper surface 2a) of the optical elements 1 and 2 in the juxtaposed direction (Z direction) with adhesives 6 and 8 (see FIG. 3).
  • the reflective aerial imaging element 10 shown in FIG. 1 is formed.
  • the illumination light L of the light source 20 that has entered the adhesive 3 between the base materials 25 of the optical element 1 at an incident angle of 45 °, for example, is reflected from the reflecting surface 4 and then emitted from the adhesive 3.
  • the light incident on the adhesive 3 is greatly attenuated and emitted, it hardly contributes to the image formation of the aerial image FI. Therefore, even if the spacer 15 is arranged in the adhesive 3 between the base materials 25 of the optical element 1, there is no big trouble in the display of the aerial image FI.
  • FIG. 15 is a diagram showing the linear expansion strain of the optical element 1 of the present embodiment.
  • the vertical axis represents linear expansion strain, and the horizontal axis represents temperature (unit: ° C.).
  • the linear expansion strain is indicated by the ratio of the length change ⁇ L to the length Lg at 20 ° C.
  • borosilicate glass manufactured by Shot Nippon Co., Ltd., D263 Teco is used as the base material 25 of the optical element 1.
  • the solid line A indicates the linear expansion strain in the longitudinal direction of the reflecting surface 4 of the optical element 1
  • the broken line B indicates the linear expansion strain in the direction orthogonal to the reflecting surface 4 of the optical element 1.
  • An alternate long and short dash line C and an alternate long and two short dashes line D indicate the linear expansion strains of blue plate glass (soda lime glass) and borosilicate glass, respectively.
  • the amount of linear expansion of the soda glass is larger than the linear expansion strain in the longitudinal direction of the reflecting surface 4 of the optical element 1 and smaller than the linear expansion strain in the direction orthogonal to the reflecting surface 4. That is, the linear expansion coefficient of the soda glass is larger than the linear expansion coefficient ⁇ 1 and smaller than the linear expansion coefficient ⁇ 2.
  • the linear expansion strain of borosilicate glass is substantially the same as the linear expansion strain in the longitudinal direction of the reflecting surface 4 of the optical element 1.
  • the reflective aerial imaging element 10 of the present embodiment no damage was observed in both samples.
  • the reflection type aerial imaging element of the comparative example a plurality of damaged portions were observed in both samples. From the above results, it is possible to prevent the reflection type aerial imaging element 10 from being damaged by adhering the reinforcing plate 5 to the optical elements 1 and 2 and to improve the reliability of the reflection type aerial imaging element 10.
  • the linear expansion coefficient ⁇ 3 of the reinforcing plate 5 is a line in a direction perpendicular to the thickness direction of the optical element 1 (first optical element) and the optical element 2 (second optical element) and parallel to the reflecting surface 4. It is larger than the expansion coefficient ⁇ 1 and smaller than the linear expansion coefficient ⁇ 2 in the direction orthogonal to the reflecting surfaces 4 of the optical element 1 and the optical element 2.
  • the expansion and contraction in the longitudinal direction of the reflecting surface 4 of the optical element 1 and the optical element 2 due to the temperature change can be suppressed. For this reason, the difference between the expansion and contraction in the direction perpendicular to the thickness direction of the optical element 1 and parallel to the reflection surface 4 and the expansion and contraction in the direction orthogonal to the reflection surface 4 of the optical element 2 can be reduced. Further, the difference between the expansion / contraction in the direction orthogonal to the reflecting surface 4 of the optical element 1 and the expansion / contraction in the direction orthogonal to the thickness direction of the optical element 2 and parallel to the reflecting surface 4 can be reduced. As a result, deformation such as twisting of the reflective aerial imaging element 10 due to temperature changes is reduced, and damage to the reflective aerial imaging element 10 is prevented. Therefore, the reliability of the reflective aerial imaging element 10 can be improved.
  • One of the upper reinforcing plate 5 and the lower reinforcing plate 5 may be omitted. Thereby, the expansion-contraction of the longitudinal direction of the reflective surface 4 of the optical element 1 or the optical element 2 by a temperature change can be suppressed. Therefore, the difference between the expansion and contraction of the optical element 1 and the expansion and contraction of the optical element 2 in a predetermined direction due to a temperature change is reduced, and damage to the reflective aerial imaging element 10 can be prevented.
  • the plurality of optical elements 1 and 2 have a plurality of reflection surfaces 4 in a direction orthogonal to the thickness direction (Z direction) so that the reflection surfaces 4 are parallel to each other and the reflection surfaces 4 are continuous at the side end surfaces of the optical elements 1 and 2
  • the optical elements 1 and 2 may be bonded (tiled) on the side end surfaces with an adhesive to form a large reflective aerial imaging element. Even in this case, the reinforcing plate 5 can prevent deformation such as torsion of the large reflective aerial imaging element, thereby preventing damage.
  • the durometer hardness of the adhesives 6, 7, and 8 is desirably A95 or less. Thereby, the stress by the difference of expansion / contraction of the optical elements 1 and 2 in the predetermined direction can be reduced. Further, the stress due to the difference in expansion and contraction between the optical element 1 and the reinforcing plate 5 in a predetermined direction can be reduced. Further, the stress due to the difference in expansion and contraction between the optical element 2 and the reinforcing plate 5 in a predetermined direction can be reduced. Therefore, deformation such as twisting of the reflective aerial imaging element 10 due to temperature change can be further prevented. It is more preferable that the durometer hardness of the adhesives 6, 7, and 8 is A70 or less because deformation such as twisting of the reflective aerial imaging element 10 due to temperature change can be further prevented.
  • the adhesives 6, 7, and 8 are silicone adhesives, deterioration due to environmental changes such as temperature changes and humidity changes is unlikely to occur.
  • the thickness T2 of the reinforcing plate 5 is larger than the thickness T1 of the optical elements 1 and 2. Thereby, the rigidity of the reflective aerial imaging element 10 is increased, and deformation such as twisting of the reflective aerial imaging element 10 due to a temperature change can be further prevented.
  • an antireflection portion subjected to an antireflection treatment is provided on the surface of the reinforcing plate 5.
  • FIG. 16 is a perspective view of the base material 25 when the spacer formation process of the reflective aerial imaging element 10 of the second embodiment is completed.
  • the same reference numerals are given to the same parts as those in the first embodiment shown in FIGS.
  • the configuration of the base material 25 used in the laminating process is different from that of the first embodiment, and the cutting process is omitted from the first embodiment.
  • Other parts are the same as those in the first embodiment.
  • the reflective surfaces 4 are formed on a pair of opposed surfaces of the square-shaped transparent base material 25 having a rectangular cross section. Note that the reflective surface 4 may be formed only on one surface of the substrate 25.
  • the laminating step the base material 25 is juxtaposed in one direction (direction perpendicular to the reflective surface 4) via a plurality of dot-like spacers 15 arranged on the reflective surface 4 of the square-shaped base material 25.
  • the material 1 ′ of the optical element 1 is formed by the fixing process.
  • a polishing step is performed after the fixing step. Note that the steps after the polishing step are the same as those in the first embodiment.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, since a plurality of transparent base materials 25 having a rectangular cross section in which the reflecting surfaces 4 are formed on a pair of opposing surfaces are used, the cutting step of the first embodiment can be omitted.
  • the present invention includes a transparent reinforcing plate, a flat plate-like first optical element bonded to the reinforcing plate via a first adhesive, and a second adhesive bonded to the first optical element.
  • a plurality of transparent base materials each having a reflective surface parallel to the thickness direction of the first optical element and the second optical element in a direction perpendicular to the reflective surface.
  • the reflective surface of the first optical element and the reflective surface of the second optical element are orthogonal to each other through a third adhesive, and the linear expansion coefficient of the reinforcing plate is the first optical element.
  • a line in a direction perpendicular to the reflective surface of the first optical element and the second optical element which is larger than a linear expansion coefficient in a direction perpendicular to the thickness direction of the second optical element and parallel to the reflective surface. It is characterized by being smaller than the expansion coefficient.
  • the first optical element and the second optical element are disposed between a pair of the reinforcing plates.
  • the first adhesive and the second adhesive have a durometer hardness of A95 or less.
  • the first adhesive and the second adhesive are preferably silicone adhesives.
  • the thickness of the reinforcing plate is larger than the thickness of the first optical element and the second optical element.
  • an antireflection portion is provided on the surface of the reinforcing plate.
  • the present invention can be used for a reflective aerial imaging element that forms a real image of a projection object in the air.

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Abstract

本発明の反射型空中結像素子（１０）は、透明な補強板（５）と、補強板（５）上に接着剤（６）を介して接着される平板状の光学素子（１）と、光学素子（１）上に接着剤（７）を介して接着される平板状の光学素子（２）と、を備え、光学素子（１）、（２）が厚み方向に平行な反射面（４）を有した複数の透明な基材を反射面（４）に垂直な方向に接着剤を介して並設されるとともに、光学素子（１）の反射面（４）と光学素子（２）の反射面（４）とが直交し、補強板（５）の線膨張係数α３が光学素子（１）、（２）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）、（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、温度変化による捩れ等の変形を低減し、反射型空中結像素子（１０）が破損することを防ぐ。

Description

反射型空中結像素子
　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. 　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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