JP5921243B2 - 反射型結像素子および光学システム - Google Patents

Description

本発明は、空間に被投影物の像を結像させることができる反射型結像素子およびその反射型結像素子を有する光学システムに関する。

最近、反射型結像素子を用いて空間に被投影物を結像させる光学システムが提案されている（例えば、特許文献１〜３）。光学システムは反射型結像素子と被投影物とを有し、空間に表示される像（以下、「空中映像」という。）は、反射型結像素子を対称面とする面対称な位置に、被投影物の像が結像したものである。この光学システムは、反射型結像素子の鏡面反射を利用しており、原理上、被投影物の像と空間に映し出される像との大きさの比は、１：１である。

反射型結像素子としては、平板状の基板の厚さ方向に貫通させた穴を備え、各穴の内壁に直交する２つの鏡面要素から構成される光学素子（「単位結像素子」ともいう。）を有するもの（例えば、特許文献１の図４参照）、あるいは基板の厚さ方向に突出させた複数の透明な筒状体を備え、各筒状体の内壁面に直交する２つの鏡面要素から構成される光学素子を有するものが開示されている（例えば、特許文献１の図７参照）。

特許文献１および２に開示されている反射型結像素子は、厚さが５０μｍ〜２００μｍの基板に、一辺が約５０μｍ〜２００μｍの正方形の穴が数万から数十万個形成されており、各穴の内面には、電鋳法、ナノプリント法やスパッタ法によって鏡面コーティングが施されている。特に、特許文献２は、空中映像を多人数で様々な方向から観察できる反射型結像素子を開示している。

特許文献３に開示されている反射型結像素子は、反射型結像素子の厚さを連続的に変化させてくさび形状とし、それにより空中映像の視野角を広げている。

参考のために、特許文献１および２の開示内容の全てを本明細書に援用する。

特開２００８−１５８１１４号公報 国際公開第２００８／１１１４２６号 国際公開第２００９／１３６５７８号

しかしながら、特許文献３に開示されている反射型結像素子は、鏡面要素を形成したガラス基板を積層した後、ワイヤーソーなどで切断して形成されているが、厚さを変化させながら切断することは製造上極めて困難である。また、切断した後、切断面を研磨するが、くさび形の反射型結像素子を鏡面研磨することも非常に困難である。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、簡便な方法で製造し得、視野角が広い空中映像が得られる反射型結像素子を提供することにある。

本発明による実施形態における反射型結像素子は、被投影物からの光を受ける受光面と、前記受光面に平行であって、前記被投影物からの光が出射する出射面とを有する第１反射型素子および第２反射型素子を備え、前記第１反射型素子は、前記被投影物からの光を、前記第１反射型素子を対称面とする面対称な位置に結像させ、前記第２反射型素子は、前記被投影物からの光を、前記第２反射型素子を対称面とする面対称な位置に結像させ、前記被投影物からの光のうち結像に寄与する光の割合を光量割合とし、前記光量割合が最も高いときの前記被投影物からの光が前記受光面に入射する角度を最大入射角度とするとき、前記第１反射型素子の最大入射角度と前記第２反射型素子の最大入射角度とは、互いに異なる。

ある実施形態において、前記第１反射型素子は、第１単位反射型素子と、前記第１単位反射型素子上に配置された第２単位反射型素子とを有し、前記第１単位反射型素子は、複数の第１鏡面要素と、複数の第１透光要素とを有し、前記複数の第１透光要素のそれぞれは前記複数の第１鏡面要素の内の隣接する２つの第１鏡面要素の間に設けられており、前記複数の第１鏡面要素および前記複数の第１透光要素は第１の方向に延設されており、前記第２単位反射型素子は、複数の第２鏡面要素と、複数の第２透光要素とを有し、前記複数の第２透光要素のそれぞれは前記複数の第２鏡面要素の内の隣接する２つの第２鏡面要素の間に設けられており、前記複数の第２鏡面要素および前記複数の第２透光要素は前記第１の方向に直交する第２の方向に延設されており、前記第２反射型素子は、第３単位反射型素子と、前記第３単位反射型素子上に配置された第４単位反射型素子とを有し、前記第３単位反射型素子は、複数の第３鏡面要素と、複数の第３透光要素とを有し、前記複数の第３透光要素のそれぞれは前記複数の第３鏡面要素の内の隣接する２つの第３鏡面要素の間に設けられており、前記複数の第３鏡面要素および前記複数の第３透光要素は前記第１の方向に延設されており、前記第４単位反射型素子は、複数の第４鏡面要素と、複数の第４透光要素とを有し、前記複数の第４透光要素のそれぞれは前記複数の第４鏡面要素の内の隣接する２つの第４鏡面要素の間に設けられており、前記複数の第４鏡面要素および前記複数の第４透光要素は前記第２の方向に延設されている。

ある実施形態において、前記第１反射型素子の厚さと前記第２反射型素子の厚さとは、互いに異なる。

ある実施形態において、前記複数の第１透光要素および前記複数の第２透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率は、前記複数の第３透光要素および前記複数の第４透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率と異なる。

ある実施形態において、前記第１単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第１鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第２単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第２鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方は、前記第３単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第３鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第４単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第４鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方と異なる。

本発明による実施形態における光学システムは、上述の反射型結像素子と、前記反射型結像素子の光入射側に配置された表示パネルとを有し、前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記反射型結像素子を対称面とする面対称な位置に結像する光学システムであって、前記第１反射型素子は、前記第２反射型素子よりも前記表示パネル側に位置し、前記第１反射型素子の厚さは、前記第２反射型素子の厚さより大きい。

ある実施形態において、前記複数の第１透光要素および前記複数の第２透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率は、前記複数の第３透光要素および前記複数の第４透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率より大きい。

ある実施形態において、前記第１単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第１鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第２単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第２鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方は、前記第３単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第３鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第４単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第４鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方より大きい。

本発明による他の実施形態における光学システムは、上述の反射型結像素子と、前記反射型結像素子の光入射側に配置された表示パネルとを有し、前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記反射型結像素子を対称面とする面対称な位置に結像する光学システムであって、前記第１反射型素子は、前記第２反射型素子よりも前記表示パネル側に位置し、前記複数の第１透光要素および前記複数の第２透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率は、前記複数の第３透光要素および前記複数の第４透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率より大きい。

本発明によるさらに他の実施形態における光学システムは、上述の反射型結像素子と、前記反射型結像素子の光入射側に配置された表示パネルとを有し、前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記反射型結像素子を対称面とする面対称な位置に結像する光学システムであって、前記第１反射型素子は、前記第２反射型素子よりも前記表示パネル側に位置し、前記第１単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第１鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第２単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第２鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方は、前記第３単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第３鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第４単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第４鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方より大きい。

本発明によると、簡便な方法で製造し得、視野角の広い空中映像が得られる反射型結像素子が提供される。

（ａ）は、本発明による実施形態における反射型結像素子１００Ａの模式的な斜視図であり、（ｂ）は、反射型素子１０および２０の模式的な斜視図であり、（ｃ）は、鏡面要素１４ａ〜１４ｄおよび透光要素１５ａ〜１５ｄを説明する模式的な斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、単位反射型素子２５の製造方法を説明する模式的な斜視図である。 （ａ）は反射型結像素子１００Ａおよび比較例の反射型素結像素子のそれぞれの入射角度θと光量割合との関係を説明するグラフであり、（ｂ）は各反射型素子１０〜５０の入射角度θと光量割合との関係を説明するグラフである。 光学システム１０００の模式的な側面図である。 本発明による他の実施形態における反射型結像素子１００Ｂの模式的な斜視図である。 本発明によるさらに他の実施形態における反射型結像素子１００Ｃの模式的な斜視図である。 （ａ）は鏡面要素１４ａおよび１４ｂを説明する模式的な斜視図であり、（ｂ）は鏡面要素１４ｃおよび１４ｄを説明する模式的な斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、反射型結像素子１００Ｃの単位結像素子２５の製造方法を説明する模式的な斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、本発明は例示する実施形態に限定されない。

図１を参照して、本発明による実施形態における反射型結像素子１００Ａを説明する。図１（ａ）は、反射型結像素子１００Ａの模式的な斜視図である。図１（ｂ）は、反射型素子１０〜５０を説明する斜視図である。図１（ｃ）は、鏡面要素１４ａ〜１４ｄと透光要素１５ａ〜１５ｄとを説明する模式的な斜視図である。図１（ａ）に示すｖは、表示パネル（例えば、液晶表示パネル）７０からの光である。

図１（ａ）に示す反射型結像素子１００Ａは、被投影物７０からの光を受ける受光面２と、受光面２に平行であって、被投影物７０からの光が出射する出射面４とを有する反射型素子１０および反射型素子２０とを備える。反射型素子１０は、被投影物７０からの光を、反射型素子１０を対称面とする面対称な位置に結像させる。反射型素子２０は、被投影物７０からの光を、反射型素子２０を対称面とする面対称な位置に結像させる。被投影物７０からの光のうち結像に寄与する光の割合を光量割合とし、光量割合が最も高いときの被投影物７０からの光が前記受光面に入射する角度を最大入射角度とするとき、反射型素子１０の最大入射角度と反射型素子２０の最大入射角度とは、互いに異なる。例えば、反射型素子１０の最大入射角度と反射型素子２０の最大入射角度との差は、４０°以下である。なお、光量割合と最大入射角度については後述する。

詳細は後述するが、このような構造を有する反射型結像素子１００Ａは簡便な方法で製造し得、視野角の広い空中映像が得られる。

さらに、図１（ｂ）および図1（ｃ）に示すように、反射型素子１０は、第１単位反射型素子１０ａと、第１単位反射型素子１０ａ上に配置された第２単位反射型素子１０ｂとを有する。

第１単位反射型素子１０ａは、複数の第１鏡面要素１４ａと、複数の第１透光要素１５ａとを有し、複数の第１透光要素１５ａのそれぞれは複数の第１鏡面要素１４ａの内の隣接する２つの第１鏡面要素１４ａの間に設けられており、複数の第１鏡面要素１４ａおよび複数の第１透光要素１５ａは第１の方向Ｌ１に延設されている。

第２単位反射型素子１０ｂは、複数の第２鏡面要素１４ｂと、複数の第２透光要素１５ｂとを有し、複数の第２透光要素１５ｂのそれぞれは複数の第２鏡面要素１４ｂの内の隣接する２つの第２鏡面要素１４ｂの間に設けられており、複数の第２鏡面要素１４ｂおよび複数の第２透光要素１５ｂは第１の方向Ｌ１に直交する第２の方向Ｌ２に延設されている。

反射型素子２０は、第３単位反射型素子２０ａと、第３単位反射型素子２０ａ上に配置された第４単位反射型素子２０ｂとを有する。

第３単位反射型素子２０ａは、複数の第３鏡面要素１４ｃと、複数の第３透光要素１５ｃとを有し、複数の第３透光要素１５ｃのそれぞれは複数の第３鏡面要素１４ｃの内の隣接する２つの第３鏡面要素１４ｃの間に設けられており、複数の第３鏡面要素１４ｃおよび複数の第３透光要素１５ｃは第１の方向Ｌ１に延設されている。

第４単位反射型素子２０ｂは、複数の第４鏡面要素１４ｄと、複数の第４透光要素１５ｄとを有し、複数の第４透光要素１５ｄのそれぞれは複数の第４鏡面要素１４ｄの内の隣接する２つの第４鏡面要素１４ｄの間に設けられており、複数の第４鏡面要素１４ｄおよび複数の第４透光要素１５ｄは第２の方向Ｌ２に延設されている。

さらに、複数の第１透光要素１５ａおよび複数の第２透光要素１５ｂの少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率は、複数の第３透光要素１５ｃおよび複数の第４透光要素１５ｄの少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率と異なることが好ましい。さらに、複数の第１透光要素１５ａおよび複数の第２透光要素１５ｂのそれぞれの屈折率は、複数の第３透光要素１５ｃおよび複数の第４透光要素１５ｄのそれぞれの屈折率と異なることがより好ましい。

次に、反射型結像素子１００Ａを詳細に説明する。

図１（ａ）〜図１（ｃ）に示したように、反射型結像素子１００Ａは、第１反射型素子１０および第２反射型素子２０を含む反射型素子１０〜５０を組み合わせて（「タイリング」という場合がある）形成されている。

反射型素子１０〜５０は、それぞれ互いに反射型素子１０〜５０の厚さのみが異なる。反射型結像素子１００Ａは、１つの反射型素子１０と、2つの反射型素子２０と、７つの反射型素子３０と、3つの反射型素子４０と、3つの反射型素子５０とを有する。表示パネル７０と反射型結像素子１００Ａとを用いて光学システムを構成したときに、表示パネル７０側に近づくにつれて反射型素子１０〜５０の厚さが大きくなるように各反射型素子１０〜５０をタイリングして反射型結像素子１００Ａを構成することが好ましい。視野角がより広い空中映像が得られるからである。図１（ａ）に示した反射型結像素子１００Ａでは、おおよそ、図の右奥の角から手前の左角に行くに従って反射型素子１０〜５０の厚さが大きくなっている。反射型素子１０の厚さは例えば１１００μｍである。反射型素子２０の厚さは例えば１０００μｍである。反射型素子３０の厚さは例えば９００μｍである。反射型素子４０の厚さは例えば８００μｍである。反射型素子５０の厚さは例えば７００μｍである。つまり、反射型結像素子１０、反射型結像素子２０、反射型結像素子３０、反射型結像素子４０、反射型結像素子５０の順に厚さが小さくなっている。

図１（ｃ）に示したように、複数の透光要素１５ａ〜１５ｄのそれぞれは、例えば直方体形状を有し、例えばガラス材料から形成されている。それぞれの複数の透光要素１５ａ〜１５ｄの１面に鏡面要素１４ａ〜１４ｄが形成されている。鏡面要素１４ａ〜１４ｄは、例えばアルミニウム（Ａｌ）から形成されている。図１（ｂ）に示したように、各単位反射型素子１０ａ、１０ｂ、２０ａおよび２０ｂ（以下、単位反射型素子２５という）において、鏡面要素１４ａ〜１４ｄと透光要素１５ａ〜１５ｄとは交互にストライプ状に配列されている。

各透光要素１５ａ〜１５ｄは、幅ａ、厚さｂ、および長さＸを有する。幅ａは、例えば５０μｍ以上１５００μｍ以下である。幅ａが小さくなるほど空中映像が高精細化する。厚さｂは、例えば１５０μｍ以上１００００μｍ以下である。厚さｂは後述する光量割合に影響を与え、高い光量割合が得られるように設定することが好ましい。なお、幅ａおよび厚さｂは、ｂ＞ａの関係を満たす。長さＸは用いる用途により適宜決めればよい。反射型結像素子１００Ａにおいて、幅ａは３００μｍであり、透光要素１５ａ〜１５ｄを含む全ての透光要素の屈折率ｎはそれぞれ例えば１．５である。厚さｂは、上述した各反射型素子１０〜５０の厚さとなるように設定した。

次に、図２を参照しながら単位反射型素子２５の製造方法を説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は単位反射型素子２５の製造方法を説明するための模式的な斜視図である。

まず、透光性の基板（例えば、ガラス基板）２６の上に、上述した鏡面要素１４ａ〜１４ｄとなる金属薄膜（例えばアルミニウム薄膜）を例えばスパッタ法などに形成する。金属薄膜の厚さは例えば２００ｎｍである。そのような金属薄膜が形成された基板２６を、透光性の基板２６の間に金属薄膜が挟まれるように基板２６を何層も重ねて、図２（ａ）に示すような積層構造体５６を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、透光性の基板２６の金属薄膜が形成された面に対して垂直な方向から、ワイヤーソーなどを用いて積層構造体５６を切断して、単位反射型素子２５を形成する。この時の切断ピッチにより、単位反射型素子２５の厚さｂが決まり、所望の厚さの単位反射型素子２５を容易に得られる。

互いに厚さの異なる単位反射型素子２５を組み合わせて、反射型結像素子１００Ａは得られる。従って、特許文献３に開示されている反射型結像素子のようにくさび形に切断しなくてもよいので、簡便な方法により反射型結像素子１００Ａを製造し得る。

次に、図３を参照しながら、反射型結像素子１００Ａの光学特性を説明する。図３（ａ）は、比較例の反射型結像素子および反射型結像素子１００Ａのそれぞれを用いた光学システムにおける光量割合と入射角度θとの関係を示したグラフである。グラフの破線は比較例の反射型結像素子を用いた光学システムにおける光量割合と入射角度θとの関係を示すグラフである。比較例の反射型結像素子とは、全面にわたり厚さが均一な反射型結像素子である。グラフの実線は反射型結像素子１００Ａを形成する厚みの異なる反射型素子をさらに増やした場合の光学システムにおける光量割合と入射角度θとの関係を示すグラフである。入射角度θとは、被投影物（例えば、表示パネル）からの光が各反射型結像素子に入射する角度である。光量割合とは、被投影物からの光のうち空中に結像された光の割合である。従って、光量割合が１に近いほど、非投影物からの光を効率良く結像させており、得られる空中映像の視認性が高い。また、光量割合が０．５以上であれば、得られる空中映像の視認性はよい。

図３（ａ）から分かるように、比較例の反射型結像素子において、光量割合が０．５以上となる入射角度θはおおよそ１０°以上４５°以下である。一方、反射型結像素子１００Ａにおいては、光量割合が０．５以上となる入射角度θは1０°以上６５°以下である。

反射型結像素子を用いた光学システムにおいて得られる空中映像の視野角は、入射角度θによって決まる。従って、視認性の高い空中映像が得られる入射角度θの範囲が広いほど空中映像の視野角は大きくなるので、反射型結像素子１００Ａを用いると、得られる空中映像の視野角は大きくなる。

次に、図３（ｂ）を参照しながら反射型結像素子１００Ａが有するそれぞれの反射型素子１０〜５０の光学特性を説明する。図３（ｂ）は、各反射型素子１０〜５０の入射角度θと光量割合との関係を説明するグラフである。線Ｔ１は、反射型素子１０の入射角度θと光量割合との関係を表すグラフである。線Ｔ２は、反射型素子２０の入射角度θと光量割合との関係を表すグラフである。線Ｔ３は、反射型素子３０の入射角度θと光量割合との関係を表すグラフである。線Ｔ４は、反射型素子４０の入射角度θと光量割合との関係を表すグラフである。線Ｔ５は、反射型素子５０の入射角度θと光量割合との関係を表すグラフである。

図３（ｂ）から分かるように、各反射型素子１０〜５０の光量割合が最大（光量割合が１のとき）のときの入射角度（最大入射角度）は、それぞれ互いに異なる。具体的には、反射型素子１０の最大入射角度は３３°であり、反射型素子２０の最大入射角度は３６°であり、反射型素子３０の最大入射角度は４０°であり、反射型素子４０の最大入射角度は４５°であり、反射型素子５０の最大入射角度は５１°である。

このように、反射型結像素子１００Ａは、最大入射角度がそれぞれ互いに異なる反射型素子１０〜５０を有し、空中映像の広視野角化を実現している。

次に、反射型結像素子１００Ａを有する光学システム１０００を図４を参照しながら説明する。図４は、光学システム１０００の模式的な側面図である。図４のＨは観察者であり、θは図３で説明した入射角度である。

光学システム１０００は、反射型結像素子１００Ａと、反射型結像素子１００Ａの光入射側に配置された表示パネル７０とを有し、表示パネル７０の表示面に表示される映像を、反射型結像素子１００Ａを対称面とする面対称な位置に結像する光学システムである。上述の反射型素子１０（図４には不図示）は、反射型素子２０（図４には不図示）よりも表示パネル７０側に位置し、反射型素子１０の厚さは、反射型素子２０の厚さより大きい。上述したように表示パネル７０に近いほど反射型素子１０〜５０の厚さが厚くなるように、各反射型素子１０〜５０が配置されている。なお、光量割合が最も高くなるときの入射角度θと、各透光要素１５ａ〜１５ｄの幅ａ、厚さｂ、および屈折率ｎとの関係は式（１）を満たす。

このような光学システム１０００では、視野角の広い空中映像８０が得られる。

次に、図５を参照しながら、本発明による他の実施形態による反射型結像素子１００Ｂを説明する。図５は反射型結像素子１００Ｂの模式的な斜視図である。反射型結像素子１００Ａと共通する構成要素には同じ参照符号を付し、説明の重複を避ける。

反射型結像素子１００Ｂも反射型素子１０〜５０を有する。しかしながら、反射型結像素子１００Ａとは異なり、各反射型素子１０〜５０の厚さはそれぞれ同じであり、さらに、複数の第１透光要素１５ａおよび複数の第２透光要素１５ｂの少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率は、複数の第３透光要素１５ｃおよび複数の第４透光要素１５ｄの少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率と異なる。また、複数の第１透光要素１５ａおよび複数の第２透光要素１５ｂのそれぞれの屈折率は、複数の第３透光要素１５ｃおよび複数の第４透光要素１５ｄのそれぞれの屈折率と異なることがより好ましい。

反射型結像素子１００Ｂにおいて、複数の第１透光要素１５ａおよび複数の第２透光要素１５ｂの屈折率はそれぞれ例えば１．７であり、複数の第３透光要素１５ｃおよび複数の第４透光要素１５ｄの屈折率はそれぞれ例えば１．６である。さらに、反射型結像素子１００Ｂにおいて、反射型素子３０が有するすべての透光要素の屈折率は例えば１．５であり、反射型素子４０が有する全て透光要素の屈折率は例えば１．４であり、反射型素子５０が有する全ての透光要素の屈折率は例えば１．３である。つまり、反射型素子１０、反射型素子２０、反射型素子３０、反射型素子４０、反射型素子５０の順で各反射型素子１０〜５０のそれぞれが有する全ての透光要素の屈折率は小さくなっている。なお、反射型結像素子１００Ｂにおいて、反射型結像素子１００Ａのように各反射型素子１０〜５０の厚さを互いに異ならせてもよい。

反射型結像素子１００Ａの代わりに反射型結像素子１００Ｂを用いた光学システム１０００においても、図３（ａ）で示したグラフで示したような視野角の広い空中映像が得られる。このとき、反射型結像素子１００Ｂの反射型素子１０は、反射型素子２０よりも表示パネル７０側に位置することが好ましい。反射型素子１０、反射型素子２０、反射型素子３０、反射型素子４０、反射型素子５０の順に表示パネル７０側に位置するように反射型素子１０〜５０が配置されている。つまり、反射型素子１０は表示パネル７０に最も近い位置にあり、反射型素子５０が表示パネル７０から最も遠い位置にある。

次に、図６〜図８を参照しながら、本発明によるさらに他の実施形態による反射型結像素子１００Ｃを説明する。図６は反射型結像素子１００Ｃの模式的な斜視図である。図７（ａ）は、反射型素子１０が有する鏡面要素１４ａおよび１４ｂを説明するための模式的な斜視図であり、図７（ｂ）は、反射型素子２０が有する鏡面要素１４ｃおよび１４ｄを説明するための模式的な斜視図である。反射型結像素子１００Ａと共通する構成要素には同じ参照符号を付し、説明の重複を避ける。

反射型結像素子１００Ｃも反射型素子１０〜５０を有する。しかしながら、反射型結像素子１００Ａとは異なり、各反射型素子１０〜５０の厚さはそれぞれ同じである。さらに、第１単位反射型素子１０ａの厚さ方向の複数の第１鏡面要素１４ａのそれぞれの長さｃおよび第２単位反射型素子２０ａの厚さ方向の複数の第２鏡面要素１４ｂのそれぞれの長さｃの少なくともいずれか一方は、第３単位反射型素子１０ｂの厚さ方向の複数の第３鏡面要素１４ｃのそれぞれの長さｃおよび第４単位反射型素子２０ｂの厚さ方向の複数の第４鏡面要素１４ｄのそれぞれの長さｃの少なくともいずれか一方と異なる。また、第１単位反射型素子１０ａの厚さ方向の複数の第１鏡面要素１４ａのそれぞれの長さｃおよび第２単位反射型素子２０ａの厚さ方向の複数の第２鏡面要素１４ｂのそれぞれの長さｃは、第３単位反射型素子１０ｂの厚さ方向の複数の第３鏡面要素１４ｃのそれぞれの長さｃおよび第４単位反射型素子２０ｂの厚さ方向の複数の第４鏡面要素１４ｄのそれぞれの長さｃと異なっていることがより好ましい。

反射型結像素子１００Ｃにおいて、第１単位反射型素子１０ａの厚さ方向の複数の第１鏡面要素１４ａのそれぞれの長さｃおよび第２単位反射型素子２０ａの厚さ方向の複数の第２鏡面要素１４ｂのそれぞれの長さｃは、例えば１１００μｍである。第３単位反射型素子１０ｂの厚さ方向の複数の第３鏡面要素１４ｃのそれぞれの長さｃおよび第４単位反射型素子２０ｂの厚さ方向の複数の第４鏡面要素１４ｄのそれぞれの長さｃは、例えば１０００μｍである。さらに、反射型結像素子１００Ｃにおいて、反射型素子３０が有する単位反射型素子の厚さ方向の複数の鏡面要素のそれぞれの長さｃは例えば９００μｍであり、反射型素子４０が有する単位反射型素子の厚さ方向の複数の鏡面要素のそれぞれの長さｃは例えば８００μｍであり、反射型素子５０が有する単位反射型素子の厚さ方向の複数の鏡面要素のそれぞれの長さｃは例えば７００μｍである。なお、反射型結像素子１００Ｃにおいて、反射型結像素子１００Ａのように各反射型素子１０〜５０の厚さを互いに異ならせてもよいし、反射型結像素子１００Ｂのように各反射型素子１０〜５０が有する透光要素の屈折率を異ならせてもよいし、これらを組み合わせてもよい。

反射型結像素子１００Ａの代わりに反射型結像素子１００Ｃを用いた光学システム１０００においても、図３で示したグラフのような視野角の広い空中映像が得られる。このとき、反射型結像素子１００Ｂの反射型素子１０は、反射型素子２０よりも表示パネル７０側に位置することが好ましい。反射型素子１０、反射型素子２０、反射型素子３０、反射型素子４０、反射型素子５０の順に表示パネル７０側に位置するように反射型素子１０〜５０が配置されている。つまり、反射型素子１０は表示パネル７０に最も近い位置にあり、反射型素子５０が表示パネル７０から最も遠い位置にある。なお、反射型結像素子１００Ｃを用いた場合、光量割合が最も高くなるときの入射角度θと、各透光要素１５ａ〜１５ｄの幅ａおよび屈折率ｎ、鏡面要素の１４ａ〜１４ｄの長さｃ（図７（ａ）および図７（ｂ）参照）との関係は式（２）を満たす。

次に、図８を参照しながら、反射型結像素子１００Ｃが有する単位反射型素子の製造方法を説明する。図８（ａ）〜（ｃ）は、単位反射型素子の製造方法を説明する模式的な斜視図である。反射型結像素子１００Ａと共通する構成要素には同じ参照符号を付し、説明の重複を避ける。

図８（ａ）に示すように、透光性の基板（例えば、ガラス基板）２６の上に、上述した鏡面要素１４ａ〜１４ｄとなる金属薄膜（例えばアルミニウム薄膜）を例えばスパッタ法などで形成する。この後、フォトリソグラフィ法などを用いて、金属薄膜を例えば長方形状パターニングする。パターニングされた金属薄膜の形状は、長方形に限らず、台形やそれ以外の形状でもよい。金属薄膜をパターニングにより所望の幅を有するストライプ状の鏡面要素１４ａ〜１４ｄが形成される。そのようなストライプ状の鏡面要素１４ａ〜１４ｄが形成された基板２６を、透光性の基板２６の間にストライプ状の鏡面要素１４ａ〜１４ｄが挟まれるように基板２６を何層も重ねて、図８（ｂ）に示すような積層構造体５６を形成する。

次に、図８（ｃ）に示すように、図８（ｃ）に示された破線に沿って、ワイヤーソーなどを用いて積層構造体５６を切断して、単位反射型素子２５を形成する。この時の切断の仕方により、単位反射型素子２５の厚さｂが決まり、所望の厚さの単位反射型素子２５を容易に得られる。

互いに鏡面要素１４ａ〜１４ｄの長さｃの異なる単位反射型素子２５を組み合わせて、反射型結像素子１００Ｃは得られる。従って、特許文献３に開示されている反射型結像素子のようにくさび形に切断しなくてもよいので、簡便な方法により反射型結像素子１００Ｃを製造し得る。

以上、本発明の実施形態による反射型光学素子は、簡便な方法で製造でき、これを用いた光学システムにおいて視野角の広い空中映像が得られる。

本発明は、空間に被投影物の像を結像させることができる反射型結像素子と、表示パネルとを有する光学システムに、広く適用することができる。

２ 受光面
４ 出射面
１０、２０、３０、４０、５０ 反射型素子
１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂ、２５ 単位反射型素子
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 鏡面要素
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ 透光要素
７０ 被投影物（表示パネル）
１００Ａ 反射型結像素子
ｖ 光
ａ、Ｘ 幅
２ｂ 厚さ
Ｌ１、Ｌ２ 方向

Claims (9)

1. 被投影物からの光を受ける受光面と、前記受光面に平行であって、前記被投影物からの光が出射する出射面とを有する第１反射型素子および第２反射型素子を備え、
   前記第１反射型素子は、前記被投影物からの光を、前記第１反射型素子を対称面とする面対称な位置に結像させ、
   前記第２反射型素子は、前記被投影物からの光を、前記第２反射型素子を対称面とする面対称な位置に結像させ、
   前記被投影物からの光のうち結像に寄与する光の割合を光量割合とし、前記光量割合が最も高いときの前記被投影物からの光が前記受光面に入射する角度を最大入射角度とするとき、
   前記第１反射型素子の最大入射角度と前記第２反射型素子の最大入射角度とは、互いに異なり、
   前記第１反射型素子は、第１単位反射型素子と、前記第１単位反射型素子上に配置された第２単位反射型素子とを有し、
   前記第１単位反射型素子は、複数の第１鏡面要素と、複数の第１透光要素とを有し、前記複数の第１透光要素のそれぞれは前記複数の第１鏡面要素の内の隣接する２つの第１鏡面要素の間に設けられており、前記複数の第１鏡面要素および前記複数の第１透光要素は第１の方向に延設されており、
   前記第２単位反射型素子は、複数の第２鏡面要素と、複数の第２透光要素とを有し、前記複数の第２透光要素のそれぞれは前記複数の第２鏡面要素の内の隣接する２つの第２鏡面要素の間に設けられており、前記複数の第２鏡面要素および前記複数の第２透光要素は前記第１の方向に直交する第２の方向に延設されており、
   前記第２反射型素子は、第３単位反射型素子と、前記第３単位反射型素子上に配置された第４単位反射型素子とを有し、
   前記第３単位反射型素子は、複数の第３鏡面要素と、複数の第３透光要素とを有し、前記複数の第３透光要素のそれぞれは前記複数の第３鏡面要素の内の隣接する２つの第３鏡面要素の間に設けられており、前記複数の第３鏡面要素および前記複数の第３透光要素は前記第１の方向に延設されており、
   前記第４単位反射型素子は、複数の第４鏡面要素と、複数の第４透光要素とを有し、前記複数の第４透光要素のそれぞれは前記複数の第４鏡面要素の内の隣接する２つの第４鏡面要素の間に設けられており、前記複数の第４鏡面要素および前記複数の第４透光要素は前記第２の方向に延設されている、反射型結像素子。
2. 前記第１反射型素子の厚さと前記第２反射型素子の厚さとは、互いに異なる、請求項１に記載の反射型結像素子。
3. 前記複数の第１透光要素および前記複数の第２透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率は、前記複数の第３透光要素および前記複数の第４透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率と異なる、請求項１または２に記載の反射型結像素子。
4. 前記第１単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第１鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第２単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第２鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方は、前記第３単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第３鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第４単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第４鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方と異なる、請求項１から３のいずれかに記載の反射型結像素子。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の反射型結像素子と、
   前記反射型結像素子の光入射側に配置された表示パネルとを有し、
   前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記反射型結像素子を対称面とする面対称な位置に結像する光学システムであって、
   前記第１反射型素子は、前記第２反射型素子よりも前記表示パネル側に位置し、
   前記第１反射型素子の厚さは、前記第２反射型素子の厚さより大きい、光学システム。
6. 前記複数の第１透光要素および前記複数の第２透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率は、前記複数の第３透光要素および前記複数の第４透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率より大きい、請求項５に記載の光学システム。
7. 前記第１単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第１鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第２単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第２鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方は、前記第３単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第３鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第４単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第４鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方より大きい、請求項５または６に記載の光学システム。
8. 請求項３に記載の反射型結像素子と、
   前記反射型結像素子の光入射側に配置された表示パネルとを有し、
   前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記反射型結像素子を対称面とする面対称な位置に結像する光学システムであって、
   前記第１反射型素子は、前記第２反射型素子よりも前記表示パネル側に位置し、
   前記複数の第１透光要素および前記複数の第２透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率は、前記複数の第３透光要素および前記複数の第４透光要素の少なくともいずれか一方のそれぞれの屈折率より大きい、光学システム。
9. 請求項４に記載の反射型結像素子と、
   前記反射型結像素子の光入射側に配置された表示パネルとを有し、
   前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記反射型結像素子を対称面とする面対称な位置に結像する光学システムであって、
   前記第１反射型素子は、前記第２反射型素子よりも前記表示パネル側に位置し、
   前記第１単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第１鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第２単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第２鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方は、前記第３単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第３鏡面要素のそれぞれの長さおよび前記第４単位反射型素子の厚さ方向の前記複数の第４鏡面要素のそれぞれの長さの少なくともいずれか一方より大きい、光学システム。

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