光学元件及其制造方法、空中影像显示及空间输入装置与流程

1.本发明涉及光学元件的制造方法，特别涉及在空中影像显示装置中使用的回复反射部件等的制造方法。


背景技术：

2.提出了使用回复反射部件等而使显示在显示器上的图像成像在空中的空中显示器。例如，专利文献1的显示装置为了能够从更大的角度观察形成在空中的像，使用两个回复反射部件，将其中一方的回复反射部件配置在光源的射出轴上。专利文献2的图像显示装置为了抑制图像的目视性的下降，减少光透过相位差部件(λ/4板)的次数，并且使得灰尘等难以进入到回复反射部件与相位差部件之间。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2017－107165号公报
6.专利文献2：日本特开2019－66833号公报


技术实现要素：

7.发明要解决的课题
8.作为在显示中得到立体感的结构，有通过赋予透镜构造或棱镜构造而能够实现立体视觉的空中影像元件。在图1中表示使用回复反射部件的显示装置的概略截面。如该图所示，显示装置10包括将图像输出的显示器20、分束器30和回复反射部件40。从显示器20射出的光l1被分束器30反射，其反射光l2向回复反射部件40行进。回复反射部件40将光l3向与入射光相同的方向反射，其反射的光l3透过分束器30，使空中像50显示在观察者的眼睛的前方的空间中。
9.观察者能够观察的空中像50被限制在观察者能够看到回复反射部件40的范围。即，回复反射部件40必须存在于观察者的视场角内。此外，空中像50关于分束器30的面形成在与显示器20对称的位置处。假如在显示器20相对于分束器30以45度倾斜的情况下，观察者观察的空中像50成为从45度的斜方向观察的影像。
10.在这样的以往的显示装置中，有以下这样的课题。由于在回复反射中需要高精度的光学元件，所以使用通过玻璃的层叠或纳米压印的成型。如果为了成本降低而将光学元件树脂化，则难以将光学元件高精度地成型，此外，光学元件的尺寸越大，其成型越困难。因此，在现状下回复反射元件的尺寸最大为大约30cm左右。
11.另一方面，为了解决这样的问题，也有将回复反射元件或空中影像元件用有柔性的材料成型并生产为卷状的尝试，但相应于具有柔性，光学元件的形状也容易变形，所以影像品质下降等，在高品质的空中影像与光学元件的大型化间成为相互权衡的关系。
12.本发明为了解决这样的以往的课题，目的是提供一种制造高精度且能够大型化的光学元件的方法、空中影像显示装置及空间输入装置。
13.用来解决课题的手段
14.有关本发明的光学元件的制造方法，形成由光学材料构成的光学元件单元，该光学元件单元作为最小构造而外形形状是正三角形或正六边形；将多个光学元件单元二维地排列在基板上；将搭载有上述多个光学元件单元的基板加工为希望的面形状。
15.在一形态中，上述多个光学元件单元以模仿石墨烯或碳纳米管的分子构造的方式被排列在上述基板上。在一形态中，上述光学元件单元通过使用模具或铸模将玻璃材料或树脂材料成型而形成。在一形态中，上述希望的面形状是曲面。在一形态中，上述光学元件单元是回复反射元件。在一形态中，上述光学元件单元是微反射镜。在一形态中，上述光学元件单元是微透镜。
16.有关本发明的空中影像显示装置包括：回复反射部件，通过上述记载的制造方法制造；光源；以及分束器，将来自上述光源的光朝向上述回复反射部件反射，并且使由上述回复反射部件反射的光透过。
17.有关本发明的空间输入装置包括：上述记载的空中影像显示装置；以及检测部，检测物体向由上述空中影像显示装置显示的空中影像的接近。
18.发明效果
19.根据本发明，由于将作为最小构造而外形形状为正三角形或正六边形的光学元件单元排列来制造光学元件，所以能够提供高精度且能够大型化的光学元件。
附图说明
20.图1是表示以往的基于回复反射的显示装置的概略结构的剖视图。
21.图2是表示有关本发明的实施例的光学元件的制造方法的流程。
22.图3是表示通过本实施例的制造方法成型为正六边形的玻璃回复反射结构元件的图。
23.图4是例示石墨烯的分子模型的图。
24.图5的(a)是表示使多个光学元件单元排列在矩形的基板上的例子的俯视图，图5的(b)是表示使多个光学元件单元排列在圆形的基板上的例子的俯视图。
25.图6是表示将排列有多个光学元件单元的基板加工为曲面形状的例子的图。
26.图7是表示本发明的另一实施例的光学元件的制造方法的图。
27.图8是表示使用通过本发明的实施例制造的回复反射部件的空中影像显示装置的结构的图。
28.图9是表示使用通过本发明的实施例制造的回复反射部件的空间输入装置的结构的图。
29.标号说明
30.100：光学元件单元
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110、120：基板
31.200：空中影像显示装置210：分束器
32.220：回复反射部件230：观察者的眼睛
33.240：空中影像300：空间输入装置
具体实施方式
34.接着，对本发明的实施方式进行说明。本发明的光学元件的制造方法将作为光学元件的材料的玻璃或树脂通过压力加工或模铸而成型得较小，通过将它们在平面或曲面上排列而提供大型化的光学元件，解决高品质和大型化的权衡问题。由此，实现在维持高品质的原状下能够大量生产的可负担起的光学元件。通过本发明制造出的光学元件能够应用于显示空中影像的空中显示器等。此外，这样的空中显示器能够应用于空间输入装置，该空间输入装置能够进行利用显示在空中的影像的用户输入。
35.应注意的是，在以下的实施例的说明中参照的附图包含为了使发明的理解变得容易而夸大的显示，并非将实际的制品的形状及大小原样表示。
36.[实施例]
[0037]
图2是说明有关本发明的实施例的光学元件的制造方法的流程。有关本实施例的光学元件的制造方法包括：作为用来构成光学元件的最小构造而形成外形形状为正三角形或正六边形的光学元件单元的步骤(s100)；将多个光学元件单元二维地排列在基板上的步骤(s110)；将搭载有多个光学元件单元的基板加工为希望的面形状的步骤(s120)。
[0038]
光学元件单元作为最小构造其平面形状被形成为正三角形或正六边形。在将多个光学元件单元排列而构成任意的大小及任意的面形状的情况下，要求光学元件单元的平面形状在几何学上是正三角形、四边形、正六边形。并且，为了通过光学元件单元形成曲面、球面或任意的面形状，与四边形相比，正三角形或正六边形更有利。
[0039]
光学元件单元例如通过玻璃压力加工或玻璃模铸而形成。
[0040]
具体而言，使在高温下被软化的玻璃流入到正三角形或正六边形的模具或铸模中，施加压力而将正三角形或正六边形的光学元件单元成型。在压力成型中，如果模具或铸模过大，则压力没有被均匀地施加在玻璃材料上，有可能发生缩孔、气孔等，成型的光学元件单元的精度下降。因此，为了成型高精度的光学元件单元，需要将模具或铸模限制为一定的尺寸。此外，为了由多个光学元件单元的排列形成曲面等，光学元件单元的尺寸越小越能够得到平滑的曲面。例如，将光学元件单元成型为1cm左右的大小。通过这样的玻璃压力加工或玻璃模铸，大量地生产高精度的光学元件单元。
[0041]
另外，光学元件单元除了玻璃以外也可以由树脂构成，在此情况下，也使树脂材料流入到模具内，进行压力成型或模铸成型。作为树脂的材料，例如使用在光学零件中使用的聚碳酸酯或环烯烃系树脂等。
[0042]
光学元件单元的光学特性构成为，与作为目的的光学元件的光学特性一致。例如，在由多个光学元件单元构成回复反射元件的情况下，在光学元件单元的表面上形成回复反射构造。回复反射构造例如是dcra(二面角反射器阵列：dihedral corner reflector array)、三角锥型反射等。在图3中例示被成型为正六边形的玻璃回复反射结构元件。此外，在用多个光学元件单元构成微透镜的情况下，光学元件单元包括凹透镜、凸透镜等而构成，在由多个光学元件单元构成微反射镜的情况下，光学元件单元包括反射层而构成。
[0043]
光学元件单元的侧面并不需要一定与底面垂直，也可以倾斜，以使得在将多个光学元件单元铺满时，在相邻的光学元件单元间侧面不会干涉。或者，也可以在光学元件单元的侧面上形成凹部或凸部等的卡合部，以使得相邻的光学元件单元彼此能够物理性地结合。此外，光学元件单元的底面也可以是平坦的，以便在搭载在基板上时能够涂布粘接剂
等，或者也可以在基板上形成与基板卡合那样的凹部或凸部。
[0044]
接着，将多个光学元件单元如砖那样在基板上二维地铺满。基板的大小根据作为目的的光学元件的大小而适当选择。在将多个光学元件单元铺满于基板上时，将多个光学元件单元以模仿石墨烯、碳纳米管或富勒烯(c60)的分子构造的方式按规则地排列。图4是六边形的石墨烯的分子模型。
[0045]
多个光学元件单元例如其底面被用粘接剂固定在基板上。光学元件单元既可以以在相邻的光学元件单元之间形成一定的间隙的方式排列，也可以以相邻的光学元件单元的侧面相互接触的方式排列。
[0046]
图5的(a)是表示将多个光学元件单元100以模仿石墨烯的分子构造的方式排列在矩形状的基板110上的状况的俯视图，图5的(b)是表示将多个光学元件单元100以模仿石墨烯的分子构造的方式排列在圆形状的基板120上的状况的俯视图。基板110、120的形状、厚度、材质没有被特别限定，但基板110、120优选的是拥有能够加工为希望的面形状那样的挠性的材料。此外，基板110、120优选的是拥有在被加工之后能够保持面形状的强度。
[0047]
这里表示了将正六边形的光学元件单元排列的例子，但在使用正三角形的光学元件单元的情况下，也将这些光学元件单元以模仿石墨烯或碳纳米管的分子构造的方式排列。进而，还可以使正三角形的光学元件单元和正六边形的光学元件单元的两者排列在基板上。
[0048]
接着，将搭载有多个光学元件单元的基板加工以使其拥有希望的面形状。希望的面形状例如可以是曲面、球面或阶差面等，该面形状与作为目的的光学元件的形状一致。在将基板加工为希望的面形状时，搭载在基板上的光学元件单元自身不变形，通过光学元件单元间的边界移位而被赋予希望的面形状。
[0049]
图6的(a)表示将图5的(a)的基板110加工以提供凹状的曲面的例子。即，由基板110上的多个光学元件单元形成凹状的曲面。此外，图6的(b)表示将图5的(a)的基板110加工以提供凸状的曲面的例子。即，由基板上110上的多个光学元件单元形成凸状的曲面。当然，基板110能够加工为图6的(a)、图6的(b)所示的以外的任意的面形状。
[0050]
在上述的制造方法中，表示了在使多个光学元件单元排列在平坦的基板上之后将基板加工为希望的面形状的例子，但本发明的制造方法并不一定限定于此。在有关本发明的其他实施例的制造方法中，也可以准备以拥有希望的面形状的方式已经被加工的基板，使多个光学元件单元排列在该基板上。图7表示被加工为凹状的曲面的基板130的截面构造，也可以在这样的基板130的凹状的曲面上以模仿石墨烯或碳纳米管的分子构造的方式排列多个光学元件单元100。
[0051]
在通过精度较高的玻璃或树脂的成型形成光学元件的情况下，通常不能使这样的光学元件弯曲，但如本实施例那样，通过将正三角形或正六边形的光学元件单元高精度地成型，使这样的光学元件单元排列在基板上，能够容易地形成拥有任意的面形状的光学元件，并且还能够容易地实现光学元件的大型化。
[0052]
图8表示拥有通过本实施例的制造方法制造的回复反射部件的空中影像显示装置。空中影像显示装置200由分束器210将来自未图示的光源(例如输出图像的图像输出装置)的光反射，其反射光向回复反射部件220行进，由回复反射部件220反射后的光透过分束器210，在观察者的眼睛230的前方的空间中生成空中影像240。
[0053]
观察者能够观察的空中影像240被限制在观察者能够看到回复反射部件220的范围，但通过将回复反射部件220做成曲面，确保了空中影像240的视场角θ(使视场角变大，能够从较大的角度观看空中影像)。此外，此外，通过使用由玻璃或树脂的成型得到的精度较高的回复反射部件240，能实现高品质的空中影像240和高可靠性的光学元件。进而，例如通过玻璃层叠制作1张板的成本非常高，但如果是玻璃压力加工或模铸，则能够大量生产，能够实现大幅的成本降低，因此能够降低空中影像的光学元件的成本。
[0054]
此外，在这里没有图示，但也能够应用于使用通过本实施例的制造方法制造出的微反射镜或微透镜而显示空中影像的空中影像显示装置。
[0055]
图9是表示应用了本实施例的空中影像显示装置的空间输入装置的概略结构的图。空间输入装置300包括收容图8所示那样的空中影像显示装置200的壳体310、检测朝向空中像240的物体(例如用户的手指等)的三维距离传感器320、基于来自三维距离传感器320的检测结果对光源330的图像输出等进行控制的控制器340而构成。
[0056]
用户观看浮现于眼前的空中影像240，如果为了指示希望的输入而将手指盖在其显示位置，则三维距离传感器320检测手指的三维距离，将其向控制器340输出。控制器340基于三维距离传感器320的检测结果计算用户的手指的位置，判定为用户操作了与空中影像240有关的输入，基于该判定结果对光源330进行控制而输出其他的图像或向未图示的外部的电子设备输出判定结果。
[0057]
以上，对本发明的优选的实施方式详细叙述，但本发明并不限定于特定的实施方式，在权利要求书所记载的发明的主旨的范围中能够进行各种变形、变更。

技术特征：
1.一种光学元件的制造方法，其中，形成由光学材料构成的光学元件单元，该光学元件单元作为最小构造而外形形状是正三角形或正六边形；将多个光学元件单元二维地排列在基板上；将搭载有上述多个光学元件单元的基板加工为希望的面形状。2.如权利要求1所述的制造方法，其中，上述多个光学元件单元以模仿石墨烯或碳纳米管的分子构造的方式被排列在上述基板上。3.如权利要求1所述的制造方法，其中，上述光学元件单元通过使用模具或铸模将玻璃材料或树脂材料成型而形成。4.如权利要求1所述的制造方法，其中，上述希望的面形状是曲面。5.如权利要求4所述的制造方法，其中，上述光学元件单元是回复反射元件。6.如权利要求4所述的制造方法，其中，上述光学元件单元是微反射镜。7.如权利要求4所述的制造方法，其中，上述光学元件单元是微透镜。8.一种光学元件，其中，通过权利要求1所述的制造方法制造。9.一种空中影像显示装置，其中，包括：回复反射部件，通过权利要求1所述的制造方法制造；光源；以及分束器，将来自上述光源的光朝向上述回复反射部件反射，并且使由上述回复反射部件反射的光透过。10.一种空间输入装置，其中，包括：空中影像显示装置，包括通过权利要求1所述的制造方法制造的回复反射部件、光源、以及将来自上述光源的光朝向上述回复反射部件反射，并且使由上述回复反射部件反射的光透过的分束器；以及检测部，检测物体向由上述空中影像显示装置显示的空中影像的接近。

技术总结
提供一种高精度且能够大型化的光学元件及其制造方法、空中影像显示及空间输入装置。本发明的光学元件的制造方法包括：形成由光学材料构成，并且作为最小构造而外形形状是正三角形或正六边形的光学元件单元的步骤(S100)；将多个光学元件单元二维地排列在基板上以成为模仿石墨烯或碳纳米管的分子构造的构造的步骤(S110)；以及将搭载有多个光学元件单元的基板加工为希望的面形状的步骤(S120)。基板加工为希望的面形状的步骤(S120)。基板加工为希望的面形状的步骤(S120)。


技术研发人员：安次岭勉成 汤座慎吾 大岛千广 深井泰州 引地和哉
受保护的技术使用者：阿尔卑斯阿尔派株式会社
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/9/13