專利名稱：成像元件和顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在利用了基于微鏡的鏡面反射的光學(xué)元件中使被投 的顯示裝置。 I I 、 、 、，，背景技術(shù)以往，作為用于在空間上移動的位置上將三維或二維的物體或圖 像等成像為實(shí)像的光學(xué)元件，公知有釆用例如凸透鏡或凹面鏡的方式。 但是，為了應(yīng)對確保合適的視場角這樣的要求，就需要寬度尺寸大的 光學(xué)元件，另一方面，由于象差等問題，很難使用短焦距的光學(xué)元件， 所以存在光學(xué)系統(tǒng)的縱深尺寸變長，導(dǎo)致利用了光學(xué)元件的設(shè)備巨大 化、進(jìn)而應(yīng)用了光學(xué)元件的顯示裝置本身的大型化這樣的問題。另外， 即使使設(shè)備大型化，也難以完全消除象差，當(dāng)變化視點(diǎn)時(shí)造成實(shí)像的 空間位置發(fā)生變化，造成與三維物體相對的像發(fā)生畸變。為了解決這樣的問題點(diǎn)，最近開發(fā)出利用了微透鏡陣列的空中圖 像的顯示裝置(例如參照專利文獻(xiàn)1)。這是利用了相對于二維像的 正像等倍的成像系統(tǒng)的裝置，利用與顯示二維像的顯示面大小相同的 光學(xué)設(shè)備，可以無畸變地進(jìn)行二維像的空間平行移動。如果是這樣的 裝置，則與通常的透鏡相比能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)設(shè)備的小型化以及薄型化， 有助于顯示裝置的緊湊化。但是，使用該裝置無法得到三維物體的實(shí) 像。于是，針對在上述系統(tǒng)中使用的正像等倍的成像光學(xué)元件，提出件(例如參照專利文獻(xiàn)2)。該光學(xué)元件可使被投影物體的鏡像成像 為實(shí)像，將由透鏡產(chǎn)生的光的折射作用作為其基本原理來使用，以下將這種光學(xué)元件稱作折射型實(shí)鏡像成像元件。此外，生成鏡像意味著 可以無畸變地成像三維物體的實(shí)像。該折射型實(shí)鏡像成像元件是在同
一光軸上隔著第1透鏡要素和第2透鏡要素的每個焦距進(jìn)行配置來作 為遠(yuǎn)焦光學(xué)系統(tǒng)，并將該遠(yuǎn)焦光學(xué)系統(tǒng)的入射透鏡面和出射透鏡面分 別以陣列狀地配置在同一平面上的光學(xué)部的元件，作為第l透鏡要素 和第2透鏡要素的組合，提出有采用兩個凸透鏡、或采用兩個光纖透 鏡的方案等。
專利文獻(xiàn)1:日本特開2005 - 234240號7>凈艮
專利文獻(xiàn)2:日本特開2005 - 010755號/>才艮

發(fā)明內(nèi)容
然而，在利用由透鏡產(chǎn)生的折射的折射型實(shí)鏡像成像元件的情況 下，由于需要高精度地排列或組裝高精度的微透鏡，所以產(chǎn)生導(dǎo)致結(jié) 構(gòu)的復(fù)雜化和成本的增加這樣的缺點(diǎn)。另外，由于透鏡作用，需要在 光學(xué)元件內(nèi)至少會聚一次，所以不能使元件的厚度那么薄。另外，由 于利用光的折射作用，所以存在只能從與元件面幾乎垂直的方向觀察， 難以從與元件面成很大角度傾斜的方向觀察像這樣的問題。
本發(fā)明是著眼于這樣的課題而完成的，主要的目的在于，提供一 種通過利用具有反射作用的鏡面來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡單化和成本的降低， 并且能夠制作得非常薄，而且利用了可以與元件面成角度地進(jìn)行觀察 的光學(xué)元件即微鏡的成像元件以及具有這種成像元件的顯示裝置。
即，本發(fā)明的成像元件是在光透射構(gòu)成一個平面的元件面時(shí)使光 線產(chǎn)生彎曲的光學(xué)元件，其特征在于，配置有多個單位光學(xué)元件，該 單位光學(xué)元件通過與上迷元件面垂直或以與其接近的角度配置的一個 以上的鏡面進(jìn)行光的反射。
如果是這樣的元件，則通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定構(gòu)成單位光學(xué)元件的鏡面 的數(shù)量和配置，在光透射元件面時(shí)，在多個單位光學(xué)元件中的各鏡面 進(jìn)行反射，能夠夾著元件面將在一側(cè)空間所配置的物體或圖像在相反 側(cè)的空間成像為實(shí)像。因此，與需要多個高精度微透鏡的以往的光學(xué)元件相比，由平面結(jié)構(gòu)的鏡面制成，因此能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡單化和成 本的降低和薄型化，能夠輕松地應(yīng)對各種使用方式。另外，將鏡面設(shè) 置成與元件面大致垂直，所以在元件面中能夠以大角度彎曲光線，所 以可以相對于元件面以傾斜的角度觀察成像后的實(shí)像。因此，能夠?qū)?由在元件面的一側(cè)空間配置的物體或映射的圖像構(gòu)成的被投影物體作 為在相反側(cè)中從元件面豎立起來的立像來觀察。另外，該鏡面只要設(shè) 置成正好與元件面垂直或者在可視為大概垂直的前后幾度的角度范圍 內(nèi)設(shè)置即可。由于經(jīng)由該成像元件成像的三維像或二維像的實(shí)像在空 中成像，所以可實(shí)現(xiàn)用手指等接觸或指向的行為，而且能夠從相對于 元件面傾斜的方向進(jìn)行觀察，所以作為在平面上懸浮的空中像，能夠 提供至今沒有的嶄新的像的觀察方法。但是，對于三維像的實(shí)像，成 為縱深反轉(zhuǎn)的逆像。因此，需要針對實(shí)物使該成像元件兩次透射、針 對合成后的三維像預(yù)先將縱深反轉(zhuǎn)等對策。此外，作為成像元件，如果構(gòu)成單位光學(xué)元件的鏡面的數(shù)量為1 以上，則不進(jìn)行特別限定。根據(jù)鏡面的數(shù)量能夠使光的反射次數(shù)也發(fā) 生變化。但是，成像方式因鏡面的數(shù)量或配置而不同。如果鏡面為1 個且所有的單位光學(xué)元件中這些鏡面平行，則在元件的兩側(cè)將會成像 實(shí)像和虛像兩種。另外，形成用于得到實(shí)像的簡易的結(jié)構(gòu)，最好的單 位光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)是具有兩個鏡面的結(jié)構(gòu)，為了透射單位光學(xué)元件的 光在這兩個鏡面各反射一次而在元件面的相反側(cè)成像，由不平行的兩 個鏡面構(gòu)成單位光學(xué)元件是有效的，特別是使兩個鏡面相互正交并作為2面角形反射器發(fā)揮作用時(shí)，成為能夠進(jìn)行鏡像的實(shí)像的成像的反 射型實(shí)鏡像成像元件。另外，在兩個鏡面不正交的情況下，產(chǎn)生象差， 根據(jù)共計(jì)2次的反射中光在哪個鏡面先反射，成像兩個實(shí)像。另外，關(guān)于單位光學(xué)元件的配置，例如即^使在元件面上朝向多個 方向配置上述2面角形反射器，由于在元件面內(nèi)方向中光循環(huán)反射， 所以與2面角形反射器的朝向無關(guān)地在同一位置成像。另外，在利用 了具有不正交但不平行的兩個鏡面的單位光學(xué)元件的情況、使用了在 所有的單位光學(xué)元件中兩個鏡面彼此形成的角度在相等的功能上相同的單位光學(xué)元件的情況下，即使與2面角形反射器一樣，朝向多個方 向配置，朝向和成像位置無關(guān)。在具有不平行的兩個鏡面的單位光學(xué) 元件中，除了 2次反射以外還存在1次反射的透射光、無反射的透射 光等，成為由2次反射的透射光形成的成像的干擾。其中，由于無反 射的透射光向與元件面大致垂直的方向透射，所以直接千涉具有角度 地透射的2次反射光的可能性小。另一方面，由于l次反射光具有某 個程度的角度來透射/成像，所以干涉的可能性高。對于該問題，在配 置上述單位光學(xué)元件時(shí)，通過以任意的旋轉(zhuǎn)方向在與元件面正交的軸 周圍進(jìn)行配置，能夠避免由1次反射形成的成像，能夠減少其影響。 另外，在各個單位光學(xué)元件朝向不同的方向時(shí)，由于他們的合成產(chǎn)生 擴(kuò)大視場角的效果，但在另一方面，難以制造，并且光的成像元件透 射率減少，所以在這些成為問題的情況下，最好使所有的單位光學(xué)元 件朝向相同方向而進(jìn)行配置。
為了使光線在單位光學(xué)元件中恰當(dāng)?shù)貜澢?、并且透射元件面，?以如下考慮單位光學(xué)元件，將在貫通元件面的方向虛擬的光學(xué)孔的內(nèi) 壁作為鏡面利用。但是，這種單位光學(xué)元件是概念的物體，未必需要 反映由物理邊界等確定的形狀，例如，上述光學(xué)孔可以是相互不獨(dú)立 地連續(xù)的。
如果簡單敘述光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)，則在元件面排列多個大致與元件 面垂直的鏡面。作為結(jié)構(gòu)而成為問題的是，如何將該鏡面支撐固定在 元件面。作為鏡面形成的更具體的方法，例如可以將本發(fā)明的成像元 件作為具有劃分預(yù)定空間的底座的元件，將通過該底座的一個平面規(guī) 定為元件面，將單位光學(xué)元件作為在貫通元件面的方向虛擬的光學(xué)孔， 將形成在底座上的孔的內(nèi)壁作為鏡面來利用。對于形成在該底座上的 孔，只要是使得光透射的透明的即可，例如也可以為內(nèi)部是真空的孔 或用透明氣體或液體來填充內(nèi)部的孔。另外，對于孔的形狀，在該內(nèi) 壁具有用于作為單位光學(xué)元件動作的1個或多個不包含在同一平面的 鏡面，且只要在鏡面反射的光能透射孔，則可以采用任意的形狀，也 可以是各孔連續(xù)或一部分缺損的復(fù)雜形狀。例如，在底座的表面各個獨(dú)立的鏡面林立的方式等能夠被理解為連接了形成在底座的孔連續(xù)。或者，單位光學(xué)元件可以為如下的元件，作為光學(xué)性的孔，利用 如由透明的玻璃或樹脂那樣的固體形成的筒狀體。此外，在用固體形成有各個筒狀體時(shí)，這些筒狀體可以相互粘合(日文密著)作為元 件的支撐構(gòu)件來動作，也可以為作為具有底座的元件，從該底座的表 面突出的方式。另外，對于筒狀體的形狀，也在其內(nèi)壁具有用于作為 單位光學(xué)元件來動作的1個或多個的不包含在同一平面的鏡面，且只 要在鏡面反射的光能透射筒狀體，則可采用任意的形狀，盡管稱為筒 狀體，但還可以為各筒狀體連續(xù)、或者是一部分缺損的復(fù)雜形狀。此處，作為上述光學(xué)孔，可以考慮如立方體或長方體那樣相鄰的 內(nèi)壁面全部正交的形狀。在這種情況下，能夠使單位光學(xué)元件相互間 的距離最小化，可進(jìn)行高密度的配置。另外，當(dāng)將所有的內(nèi)壁面作為 鏡面時(shí)，可以將四組朝向不同方向的2面角形反射器構(gòu)成1個孔，能 夠構(gòu)成可從各個方向觀察的成像元件。但是，由于存在平行且相對的鏡面，發(fā)生不希望的多次反射的可能性變高。在單位光學(xué)元件內(nèi)存在多個鏡面時(shí)，有可能存在發(fā)生假想的次數(shù)以上的反射的多次反射的透射光。作為該多次反射的對策，在光學(xué)孔 的內(nèi)壁形成相互正交的兩個鏡面時(shí)，通過將這兩個鏡面以外的面作為 非鏡面而不反射光，或者具有角度地設(shè)置或彎曲，使得不與元件面垂 直，能夠減少或去除發(fā)生3次以上的反射的多次反射光。作為非鏡面， 可以采用用反射防止用的涂料或薄膜覆蓋該面的結(jié)構(gòu)、或使面粗糙度 變粗糙而產(chǎn)生漫反射的結(jié)構(gòu)。此外，透明且平坦的底座的存在并不阻礙光學(xué)元件的動作，所以 可以將底座任意地用作支撐材料/保護(hù)構(gòu)件。進(jìn)而，為了實(shí)現(xiàn)被投影物體的像的高清晰化，優(yōu)選在上述元件面 上盡量不空間隔地配置多個單位光學(xué)元件，例如以格子狀進(jìn)行配置是 有效的。另外，在這種情況下，具有制造變得容易這樣的優(yōu)點(diǎn)。作為單位光學(xué)元件中的鏡面，不管是固體還是液體，可以利用由 金屬或樹脂等有光澤的物質(zhì)形成的平坦面進(jìn)行反射，或在具有不同的折射率的透明介質(zhì)彼此之間的平坦的邊界面進(jìn)行反射或全反射等。另 外，在由全反射構(gòu)成了鏡面時(shí)，由多個鏡面進(jìn)行的不希望的多次反射 超出全反射的臨界角的可能性高，所以可以期待自然地抑制不希望的 多次反射。
另外，只要沒有功能性問題，鏡面也可以形成在光學(xué)孔的內(nèi)壁的 僅僅一部分上，還可以由平行配置的多個單位鏡面構(gòu)成。換句話說， 后者的方式意味著一個鏡面可以被分割為多個單位鏡面。另外，在這 種情況下，各單位鏡面可以未必存在于同一平面，只要各自平行即可。 進(jìn)而，各單位鏡面容許抵接的方式和分離的方式。此外，在將本發(fā)明 的成像元件構(gòu)成為反射型實(shí)鏡像成像元件時(shí)，需要由正交的兩個鏡面
形成的2面角形反射器，所以在1個單位光學(xué)元件中必須形成正交的 兩個鏡面。對于該正交的兩個鏡面，未必需要彼此接觸，當(dāng)光從元件 面的一側(cè)透射到另一側(cè)時(shí)只要在兩個鏡面上各反射1次即可，所以容 許2個鏡面彼此抵接的方式和分離的方式。
如以上那樣的成像元件可以用作將夾著元件面配置在一側(cè)的由 物體或映射在顯示裝置上的圖像構(gòu)成的被投影物體在該元件面的相反 方向成像為實(shí)像的元件。此處，所謂的"元件面的相反方向"是指包含 與元件面成面對稱的位置、以及不是面對稱的位置。特別是，將被投 影物體在與元件面相反側(cè)的面對稱位置成像的方式在單位光學(xué)元件具 有2面角形反射器的情況下實(shí)現(xiàn)，在將構(gòu)成2面角形反射器的兩個鏡 面相對于元件面從垂直方向傾斜時(shí)，該成像點(diǎn)從面對稱位置偏離。
另外，本發(fā)明的顯示裝置，具有具有上述的成像元件的主體部； 和配置在該主體部的背面?zhèn)鹊谋煌队拔矬w，其構(gòu)成為通過使從上述被 投影物體發(fā)出的光透射上述成像元件，在上述主體部的表面?zhèn)鹊目臻g 使上述被投影物體的實(shí)像成像來進(jìn)行投影。此處，在被投影物體中包 括物體或銀幕或顯示器等圖像顯示裝置所顯示的圖像。特別是，針對 被投影物體向與元件面成面對稱位置的實(shí)像的成像和投影，可以在成 像元件具有上述2面角形反射器的情況下適當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)。
如果是這種顯示裝置，可以得到上述成像元件產(chǎn)生的作用效果，成為新的有用的顯示裝置。例如，將辦公桌的上蓋板作為具有上述成 像元件的主體部，在上蓋板下的空間作為被投影物體而配置物體或圖 像顯示裝置或者映射圖像，從而通過成像元件在上蓋板的空中映出被 投影物體的像。另外，將墻壁、床、天花板等建筑結(jié)構(gòu)物體或隔斷、 隔板、窗簾、屏幕等備品作為具有成像元件的主體部，在該背面?zhèn)鹊?空間配置作為被投影物體的物體或映射圖像，從而可以看見從墻壁或 隔斷跳出到空中的圖像。另外，作為被投影物體可以采用任意的物體， 所以通過在成像元件的背面移動實(shí)體物，即使不使用圖像顯示裝置也 能產(chǎn)生活動的空中像，進(jìn)而即使被投影物體是立體物體，也可以使視 線方向的縱深方向相反的物體無畸變地成像。對于縱深相反，通過預(yù) 先使三維物體或三維圖像縱深反轉(zhuǎn)，可以顯示縱深正常的空中像。如上所述，根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡單化和成本的降低、 薄型化，并且使三維或二維物體或圖像全部在空中成像為三維或二維 的實(shí)像，可以從相對于元件面具有角度的傾斜方向進(jìn)行觀察。


圖1是概略地示出本發(fā)明的成像元件的一個實(shí)施方式的反射型 實(shí)鏡像成像元件的立體圖。圖2是概略地示出相同實(shí)施方式的反射型實(shí)鏡像成像元件的俯視圖。圖3是圖1的A部分放大圖。圖4是圖1的A部分的放大立體圖。圖5是示意性地示出同一反射型實(shí)鏡像成像元件的成像方式。圖6是示意性地示出具有同一實(shí)施方式的反射型實(shí)鏡像成像元 件的顯示裝置的圖。圖7是示意性地示出同一顯示裝置應(yīng)用立體物體作為被投影物 體而成像的狀態(tài)的圖。圖8是將同一實(shí)施方式的一個變形例的反射型實(shí)鏡像成像元件 與圖2對應(yīng)地示出的立體圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照

本發(fā)明的一個實(shí)施方式。
如圖1 ~圖4所示，本實(shí)施方式的成像元件X是在底座1上設(shè)置 多個將在厚度方向上貫通且正交的兩個內(nèi)壁面即第i內(nèi)壁面和第2內(nèi)
壁面作為鏡面21、 22的單位光學(xué)元件2，并具有作為反射型實(shí)鏡像成 像元件的功能的元件。以下，根據(jù)需要對該反射型實(shí)鏡像成像元件附 加標(biāo)號X并進(jìn)行說明。即，如圖1所示，該反射型實(shí)鏡像成像元件X 具有如下作用將與該底座1的表面平行地通過底座1的厚度的中央 部的面作為元件面S，配置在該元件面S的一側(cè)(在圖示例子中為底 座1的背面?zhèn)?的空間的被投影物體O的實(shí)像在元件面S的另 一側(cè)(在 圖示例子中為底座l的表面?zhèn)?的空間中與該元件面S成面對稱的位 置上成像為鏡像P。此處，在本實(shí)施方式中，作為單位光學(xué)元件2， 采用了由正交的兩個鏡面21、 22而具有兩面角形反射器20的元件。 在圖l中，由于鏡面21、 22比底座l微小，所以用灰色表示單位光學(xué) 元件2的整個集合，用V字形狀表示2面角形反射器20的內(nèi)角的朝 向。
各單位光學(xué)元件2是光透射的物理性且光學(xué)性的孔。此外，該孔 比底座1微小，所以在圖2 圖4中，將孔放大夸大來示出。在本實(shí) 施方式中，作為單位光學(xué)元件2,應(yīng)用俯視地看為略矩形形狀(具體 地為正方形形狀)的孔，在相互正交的第1內(nèi)壁面和第2內(nèi)壁面實(shí)施 鏡面處理，使這些第1內(nèi)壁面和第2內(nèi)壁面作為反射面即鏡面21、 22 發(fā)揮作用，從而構(gòu)成了 2面角形反射器20。在對第3內(nèi)壁面23和第4 內(nèi)壁面24也實(shí)施了鏡面處理的情況下，形成四個2面角形反射器，能 夠從多個方向觀察實(shí)像，但也會發(fā)生由多次反射引起的漫射光。為了 防止該散射光，可以使這些第3內(nèi)壁面23和第4內(nèi)壁面24成為不能 反射的面，或者使第3內(nèi)壁面23和第4內(nèi)壁面24與元件面S成直角 以外的角度來形成，也可以使其不與第1內(nèi)壁面和第2內(nèi)壁面的鏡面 21、 22平行。在本實(shí)施方式中，為了從矩形形狀的底座1的邊方向進(jìn)行觀察，使各單位光學(xué)元件2的沿縱橫方向延伸的各邊與底座1的寬度方向或 縱深方向成45度傾斜，并且為了方便制造，使得任意不同的兩個單位 光學(xué)元件2彼此相互平行。即，在底座1上形成單位光學(xué)元件2，使 得在所有的單位光學(xué)元件2中，構(gòu)成2面角形反射器20的兩個鏡面 21、 22形成的內(nèi)角朝向同一方向。但是。最好不是平行的，而是形成 各種(隨機(jī))角度。這是因?yàn)椋ㄟ^形成角度，(1) 一次反射光不成 像而擴(kuò)散，(2)兩次反射光的橫向方向視場角變寬，與透射率的視場 角對應(yīng)的峰值變得平坦。此外，將相鄰的單位光學(xué)元件2彼此的間距 尺寸設(shè)定得極小。并且，對上述底座1中的、形成有單位光學(xué)元件2 的部分以外的部位實(shí)施了遮光處理。另外，在底座l的上面和下面可 以設(shè)置未圖示的形成薄板狀的透明的加強(qiáng)材料。此外，當(dāng)然，各單位 光學(xué)元件2沒有被該板材光學(xué)性地封蓋。在本實(shí)施方式中，作為一個 例子，在5cm見方的底座1上設(shè)置有數(shù)萬個至數(shù)十萬個這樣的單位光 學(xué)元件2。由此在底座1上形成的單位光學(xué)元件2具有以下功能使從底座 1的表面?zhèn)?或背面?zhèn)?進(jìn)入到構(gòu)成單元光學(xué)元件2的孔中的光在一 個鏡面(21或22)進(jìn)行反射，進(jìn)而使該反射光在另一個鏡面(22或 21)進(jìn)行反射并向底座l的背面?zhèn)?或表面?zhèn)?通過。圖5是將該光 的路徑投影在元件面S的圖。由2面角形反射器20進(jìn)行的光的2次反 射在元件面S中成為循環(huán)反射，入射路徑和出射路徑朝向反轉(zhuǎn)而平行。 另外，由于垂直于元件面S的光的成分不發(fā)生任何變換，所以可知從 點(diǎn)光源O發(fā)出的光通過大致與元件面S成面對稱的位置。成為平行的 入射路徑和出射路徑的在元件面S內(nèi)的距離為2面角形反射器20的開 口左右，而且，根據(jù)初次的反射通過哪個鏡面進(jìn)行而被劃分為左右某 一個，所以當(dāng)從點(diǎn)光源O發(fā)出的光通過與元件面S成面對稱的位置時(shí)， 將擴(kuò)寬至2面角形反射器20的開口的2倍左右、即鏡面(21或22) 大小的2V^倍(2的平方根的2倍)，也就是約3倍左右。并且，由2 面角形反射器20進(jìn)行的循環(huán)反射不依賴于入射光的角度而發(fā)生，從點(diǎn)光源發(fā)出所有方向的光，所以這些光透射不同的單位光學(xué)元件2并全 部集中于同一點(diǎn)、即會聚，如上所述通過在底座1上形成具有2面角 形反射器20的多個單位光學(xué)元件2,作為反射型實(shí)鏡像成像元件X發(fā) 揮作用。即，這樣的反射型實(shí)鏡像成像元件X的元件面S(如上所述， 在圖中用虛線表示假設(shè)通過底座1的厚度的中央部并與各鏡面要素正 交的面)成為使位于底座1的一側(cè)的被投影物體O的實(shí)像在另一側(cè)的 面對稱的位置上成像為鏡像P的面。另外，透射單位光學(xué)元件2的2 次反射光與和元件面2的距離無關(guān)地會聚到面對稱位置，因此即使是 三維物體，也能夠無畸變地成像為鏡像P。但是，該像與進(jìn)入鏡中從 背面?zhèn)扔^察鏡像時(shí)等效，縱深反轉(zhuǎn)。在本實(shí)施方式中，各單位光學(xué)元件2的一邊例如為50 ~ 1000nm。 在本實(shí)施方式中優(yōu)選為100nm。另外，如圖4所示，底座l的厚度尺 寸為50~ 1000nm,例如在本實(shí)施方式中為100nm的薄的平板狀的底 座。此外，單位光學(xué)元件的一邊規(guī)定鏡面21、 22的寬度，底座的厚度 規(guī)定鏡面21、 22的高度，但在本實(shí)施方式中，各鏡面的寬度和高度是 大致相等的尺寸。單位光學(xué)元件2的大小規(guī)定析像度，如圖5所示，在幾何光學(xué)上， 點(diǎn)光源以擴(kuò)寬至單位光學(xué)元件2的大小的約2倍大小而進(jìn)行聚光。當(dāng) 減小時(shí)，在幾何光學(xué)上，能夠會聚到很小的點(diǎn)，但受到衍射的影響很 大，故當(dāng)過于小時(shí)，反而析像度發(fā)生惡化。因此，需要根據(jù)會聚的距 離設(shè)定最佳的大小。在本實(shí)施方式的情況下，對應(yīng)于l~2cm左右的 距離而進(jìn)行了優(yōu)化。對于鏡面21、 22的高度、也就是在本實(shí)施方式中底座1的厚度， 與單位光學(xué)元件2的大小之比規(guī)定最佳觀察角度。如果厚度變厚，則 最佳觀察角度適合從相對于元件面S更垂直的方向進(jìn)行觀察，如果厚 度變薄，則與之相反。在本實(shí)施方式的情況下，為1: 1，從水平方向 偏向上方30~40度的觀察為最佳。另外，對于底座1的寬度尺寸和縱 深尺寸，成像元件X的結(jié)構(gòu)相同，由于不存在如凸透鏡或凹面鏡那樣 的光軸，所以可任意進(jìn)行設(shè)置。對于其大小，與平面鏡一樣，只要根據(jù)映射的物體的大小來確定即可。
接下來，對具體的制造方法進(jìn)行敘述。在本實(shí)施方式中，首先， 通過納米加工制成在金屬制的金屬模上排列的筒狀體，在相當(dāng)于第1
內(nèi)壁面和第2內(nèi)壁面的側(cè)面進(jìn)行^f吏面粗糙度為50nm以下的平滑的鏡 面形成。并且，使用先前制成的金屬模，利用納米壓印加工方法或電 鑄加工方法進(jìn)行反轉(zhuǎn)復(fù)制，在一個底座1上以預(yù)定間距形成各單位光
學(xué)元件作為多個孔。此外，通過電鑄加工方法用鋁或鎳等金屬形成了 底座1時(shí)，如果金屬模的面粗糙度充分小，則第1內(nèi)壁面和第2內(nèi)壁 面自然地成為鏡面21、 22。另外，使用納米壓印加工方法用樹脂制成 底座1等時(shí)，需要通過濺射等在第1內(nèi)壁面和第2內(nèi)壁面實(shí)施鏡面涂
作為透射反射型實(shí)鏡像成像元件X的光，有不被由第1內(nèi)壁面和 第2內(nèi)壁面的各鏡面21、22構(gòu)成的2面角形反射器20反射的直射光、 被2面角形反射器20的兩個鏡面21、 22中的任一個僅反射一次的一 次反射光、被2面角形反射器20的兩個鏡面21、 22各反射一次共計(jì) 兩次的兩次反射光、被2面角形反射器20的兩個鏡面21、 22以及第 3內(nèi)壁面23或第4內(nèi)壁面24共計(jì)反射三次以上的多次反射光等，但 與鏡像的實(shí)像的成像有關(guān)的僅是這些光中的上述兩次反射光。
此外，兩次反射光以外的光分別具有與兩次反射光不同的特性， 在將成像元件用作反射型實(shí)鏡像成像元件X后成為漫射光，有可能產(chǎn) 生障礙。于是，對兩次反射光以外的光的對策進(jìn)行敘述。
首先，在與反射型實(shí)鏡像成像元件X的元件面S垂直的方向中 的比較窄的范圍內(nèi)可以觀察直射光，因此，對從相對于元件面S具有 傾斜方向的角度的視點(diǎn)進(jìn)行觀察的鏡像的實(shí)像而言，不會怎么成為問 題。
當(dāng)分析一次反射光的強(qiáng)度分布時(shí)，最大的是與鏡面21或22相對 的方向，在由2面角形反射器20進(jìn)行的成像中與成為最大強(qiáng)度的方向 偏離45度。因此，對窄的范圍的視點(diǎn)而言也不會怎么成為問題，但一 次反射光以與兩次反射光不同的方式成像，所以當(dāng)擴(kuò)大視點(diǎn)時(shí)，將被識別為干擾的像。對此，有在元件面S內(nèi)隨機(jī)地旋轉(zhuǎn)各2面角形反射 器20等的對策。
另外，針對三次以上的多次反射光，引起在相對面的反射，而這 將成為問題，所以在進(jìn)行了上述的傾斜配置的情況下，可以通過將與 形成在第1內(nèi)壁面和第2內(nèi)壁面的鏡面21、 22分別相對的內(nèi)壁面(第 3內(nèi)壁面23、第4內(nèi)壁面)不作為鏡面或不與其平行來避免或者降低。
如圖6所示，本實(shí)施方式的顯示裝置D具有向作為主體部的上蓋 板T以水平姿勢嵌入的單一或多個反射型實(shí)鏡像成像元件X，使在底 座1的下面?zhèn)鹊目臻g顯示或配置的作為二維或三維的物體的被投影物 體O在與底座l的面方向(更詳細(xì)地說，與元件面S相對)成為面對 稱的位置上成像。在該圖中，在上蓋板T的下方空間，作為被投影物 體O例示了以與上蓋板T的面方向大致垂直的姿勢配置作為圖像顯示 裝置的一例的液晶顯示器等顯示體H，并在顯示體H上顯示了文字(羅 馬字"A")的方式。
接下來，對該顯示裝置D的作用進(jìn)行說明。如上所述，透射單 位光學(xué)元件2的兩次反射光會聚到面對稱位置，所以可以在相對于深 度方向(與反射型實(shí)鏡像成像元件X的元件面S垂直的方向)較寬的 范圍內(nèi)會聚，從顯示于上蓋板T之下的顯示體H的作為二維像的被投 影物體O發(fā)出的光能夠在物理上不存在的豎立于上蓋板T上方的虛擬 的顯示器(幻像顯示器)上成像為鏡像P，可以從與元件面S傾斜的 方向的角度的視點(diǎn)V觀察該鏡像P。此外，如圖7所示，如果在底座 1的下面?zhèn)鹊目臻g作為被投影物體O例如配置圓柱狀的三維像，則在 底座1的上面?zhèn)雀‖F(xiàn)三維像。但是，該三維像P中視線方向的凹凸反 轉(zhuǎn)觀察時(shí)感覺上看到圓柱的內(nèi)面?zhèn)?。為了避免這種被投影物體O和像 P的凹凸反轉(zhuǎn)，只要預(yù)先將配置在底座1的下面?zhèn)鹊目臻g的三維像的 凹凸與元件面S反轉(zhuǎn)即可。
這樣，本實(shí)施方式的成像元件、即反射型實(shí)鏡像成像元件X在 底座1上設(shè)置有多個具有以在厚度方向上貫通且正交的兩個內(nèi)壁面 (第1內(nèi)壁面、第2內(nèi)壁面)為鏡面21、 22的2面角形反射器20的單位光學(xué)元件2，所以在透射各單位光學(xué)元件2時(shí)，在由正交的兩個 內(nèi)壁面形成的鏡面21、 22上各反射一次、共計(jì)兩次的光通過與元件面 S (即底座X1的面方向)成面對稱的點(diǎn)，從而能夠使在底座l (元件 面S)的一側(cè)空間配置的被投影物體O (二維或三維物體或者圖像) 在另一側(cè)空間無畸變地成像為二維像或三維像的實(shí)像，可以使二維像 或三維像移動到物理實(shí)體不存在的空間。并且，可以實(shí)現(xiàn)用手指等接 觸或指向經(jīng)由反射型實(shí)鏡像成像元件X成像的虛擬的三維像或二維像 的行為，能夠?qū)崿F(xiàn)至今為止沒有的新的有用的利用方式。特別是當(dāng)與 利用了多個微透鏡的以往的折射型實(shí)鏡像成像元件相比較時(shí)，在本實(shí) 施方式中，能夠?qū)⒊上裨鳛榉瓷湫蛯?shí)鏡像成像元件X來利用，所 以被投影物體O的實(shí)像能夠從與元件面S成傾斜方向的角度觀察為鏡 像P。另外，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡單化和成本的降低，并且可以薄型化， 所以在各種使用方式中都能輕松應(yīng)對。特別是，在本實(shí)施方式中應(yīng)用 的單位光學(xué)元件2是在底座XI的厚度方向貫通而形成的孔，所以還 能夠在該孔填充透明的氣體或液體等，使折射率發(fā)生變化。此外，本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式。作為構(gòu)成反射型實(shí)鏡像成像 元件的2面角形反射器，只要存在正交的兩個反射面即可，作為該反 射面，能夠利用具有對光進(jìn)行反射的物質(zhì)的鏡面精度的平坦度的端面 或膜引起的反射、和具有在折射率不同的透明的介質(zhì)之間的鏡面精度 的平坦度的邊界處的全反射等現(xiàn)象。更具體而言，在上述實(shí)施方式中， 示出了在反射型實(shí)鏡像成像元件X中，在薄板狀的底座l上形成正方 形形狀的孔并將該孔的內(nèi)周壁中相鄰的兩個作為鏡面21、22來形成了 2面角形反射器20的例子，但例如改變成這樣的結(jié)構(gòu)，如圖8所示， 也可以是由在底座l'的厚度方向突出的透明的筒狀體構(gòu)成單位光學(xué)元 件2'，并以棋盤格狀形成了多個這樣的筒狀體的反射型實(shí)鏡像成像元 件X'。在這種情況下，能夠在各筒狀體2'的內(nèi)壁面中將正交的第1內(nèi) 壁面和第2內(nèi)壁面作為鏡面21'、 22'來構(gòu)成2面角形反射器20'。在這 種情況下，與上述實(shí)施方式一樣，由2面角形反射器20'反射兩次的光 通過底座l'的面方向即與元件面S'面對稱的點(diǎn)，在預(yù)定空間，不僅能夠成像二維像，還能夠成像三維像。此外，通過將筒狀體的鏡面21'、 22'以外的第3內(nèi)壁面23'和第4 內(nèi)壁面24'不作為鏡面或者與元件面S成垂直以外的角度，能夠去除剩 余反射來得到更鮮明的像。另外，構(gòu)成2面角形反射器20'的兩個鏡面 21'、 22'能夠利用全反射，還可以利用基于反射膜的反射。特別是，在 利用鏡面21'、 22'的全反射時(shí)，全反射存在臨界角，所以可以期待不 易引起多次反射。進(jìn)而，可以在要形成鏡面的筒狀體的兩個面附加金 屬反射膜，并對筒狀體之間進(jìn)行粘接。在這種情況下，需要應(yīng)對向鏡 面以外的面的非鏡面化等的多次反射，但能夠得到開口率提高、透射 率高的反射型實(shí)鏡像成像元件。除此之外，構(gòu)成2面角形反射器的兩個鏡面只要能夠形成正交的 兩個反射面，則也可以相互不接觸而相互隔著間隙來配置，進(jìn)而，在 上述孔、筒狀體中，對作為構(gòu)成2面角形反射器的鏡面發(fā)揮作用的兩 個面和其他面之間的角度沒有特別限制。作為單位光學(xué)元件，也可以應(yīng)用平面形狀為矩形形狀以外的多角形形狀、三角形、或者俯視觀察 時(shí)連接兩個鏡面的反交點(diǎn)側(cè)的端部之間的面為大致部分圓弧狀的平面 形狀。此外，在使單位光學(xué)元件的平面形狀為直角三角形時(shí)，意味著 利用直角棱鏡作為單位光學(xué)元件。進(jìn)而，對應(yīng)于各種使用方式，可以適當(dāng)變更成像元件(包含反射 型實(shí)鏡像成像元件)的形狀或大小、底座的厚度尺寸或平面形狀或素 材等。除此之外，對各部分的具體結(jié)構(gòu)，不限于上述實(shí)施方式，在不超 出本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)可進(jìn)行各種變形。 產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的成像元件(包含反射型實(shí)鏡像成像元件)是具有新的成 像作用的光學(xué)元件，所以能夠用作顯示器等圖像顯示裝置或展示物等 觀察裝置，在另一側(cè)的物理實(shí)體不存在的空間，其將配置在元件面的 一側(cè)的被投影物體以使視線方向的縱深方向反轉(zhuǎn)的方式成像實(shí)像。
權(quán)利要求
1.一種成像元件，是在光透射構(gòu)成一個平面的元件面時(shí)使光線產(chǎn)生彎曲的光學(xué)元件，其特征在于，配置有多個單位光學(xué)元件，該單位光學(xué)元件通過與上述元件面垂直或以與其接近的角度配置的一個以上的鏡面進(jìn)行光的反射。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的成像元件，其特征在于， 上述單位光學(xué)元件由不平行的兩個鏡面構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像元件，其特征在于， 上述多個單位光學(xué)元件在功能上具有同一結(jié)構(gòu)，并在上述元件面上朝向多個方向配置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像元件，其特征在于， 上述單位光學(xué)元件由正交的兩個鏡面構(gòu)成，并作為2面角形反射器發(fā)揮作用。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像元件，其特征在于， 在元件面上朝向多個方向配置有上述2面角形反射器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像元件，其特征在于， 在元件面上朝向同一方向配置有上述2面角形反射器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1~6任意一項(xiàng)所述的成像元件，其特征在于， 上述單位光學(xué)元件是將在貫通上述元件面的方向虛擬的光學(xué)孔的內(nèi)壁作為上述鏡面來利用的元件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的成像元件，其特征在于， 上述單位光學(xué)元件是使上述光學(xué)孔相互不獨(dú)立地連續(xù)的元件。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的成像元件，其特征在于， 具有劃分預(yù)定空間的底座，將通過該底座的一個平面規(guī)定為上述元件面，光學(xué)孔、將形成在上述底座上的孔的內(nèi)壁用作上述鏡面的元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的成像元件，其特征在于，上述單位光學(xué)元件是用透明的氣體或液體填充形成在底座上的 孔的元件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7~9任意一項(xiàng)所述的成像元件，其特征在于， 上述單位光學(xué)元件是作為在貫通上述元件面的方向虛擬的光學(xué)孔而利用由透明的固體構(gòu)成的筒狀體的元件。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的成像元件，其特征在于， 上述單位光學(xué)元件是使上述筒狀體相互粘合的元件。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7 ~ 12任意一項(xiàng)所述的成像元件，其特征在于， 上述光學(xué)孔是形成立方體或長方體形狀的孔。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的成像元件，其特征在于， 將上述光學(xué)孔中的四個內(nèi)壁的表面全部作為鏡面。
15. 根據(jù)權(quán)利要求7 ~ 12任意一項(xiàng)所述的成像元件，其特征在于， 在上述光學(xué)孔的內(nèi)壁形成相互正交的兩個鏡面，將該內(nèi)壁中的上述正交的兩個鏡面以外的面i殳置成不與上述元件面垂直。
16. 根據(jù)權(quán)利要求7 ~ 15任意一項(xiàng)所述的成像元件，其特征在于， 在上述光學(xué)孔的內(nèi)壁形成相互正交的兩個鏡面，將該內(nèi)壁中的上述正交的兩個鏡面以外的面作為非鏡面。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 16任意一項(xiàng)所述的成像元件，其特征在于， 在上述元件面上以規(guī)則的格子狀配置有上述多個單位光學(xué)元件。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 17任意一項(xiàng)所述的成像元件，其特征在于， 上述單位光學(xué)元件中的鏡面是利用由具有光澤的物質(zhì)形成的平坦面上的反射的鏡面。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 17任意一項(xiàng)所述的成像元件，其特征在于， 上迷單位光學(xué)元件中的鏡面是利用具有不同折射率的透明介質(zhì)之間的平坦的邊界處的反射或全反射的鏡面。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 19任意一項(xiàng)所述的成像元件，其特征在于， 上述單位光學(xué)元件中的鏡面是由平行配置的多個單位鏡面構(gòu)成的。
21. —種顯示裝置，其特征在于，包括具有權(quán)利要求1 ~ 20任意一項(xiàng)所述的成像元件的主體部；和配置 在該主體部的背面?zhèn)鹊谋煌队拔矬w，其構(gòu)成為通過使從上述被投影物體發(fā)射出的光透射上述成像元行投影。 - ' , ' " \ , 、
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的成像元件，其特征在于， 上述被投影物體是使預(yù)先觀察上述實(shí)像的視線方向的深度反轉(zhuǎn)的三維物體或圖像顯示裝置所顯示的三維圖像。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的成像元件，其特征在于， 上述^f皮投影物體是自動地或通過外力進(jìn)行動作的物體，作為該物體的實(shí)像，在上述主體部的表面?zhèn)鹊目臻g投影具有運(yùn)動的空中圖像。
全文摘要
作為在光透射構(gòu)成一個平面的元件面時(shí)使光線產(chǎn)生彎曲的光學(xué)元件，通過配置多個單位光學(xué)元件來構(gòu)成成像元件，該單位光學(xué)元件通過與元件面垂直或以與其接近的角度配置的一個以上的鏡面進(jìn)行光的反射，通過使配置在元件面一側(cè)的被投影物體發(fā)出的光在透射元件面時(shí)被鏡面反射，從而在元件面的另一側(cè)不存在物理實(shí)體的空間中成像為實(shí)像，另外，通過構(gòu)成具有這種成像元件的顯示裝置來提供以往沒有的空中圖像的投影方式。
文檔編號G02B27/22GK101405627SQ200780010350
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月23日
發(fā)明者前川聰 申請人:獨(dú)立行政法人情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)