专利名称：二面角反射器阵列光学元件及其制造方法和显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及在观察者侧的空间中形成被观察物的实像(实镜像)的反射式实镜像形成元件，更具体地涉及二面角反射器阵列光学元件及其制造方法，以及利用了该二面角反射器阵列光学元件的显示设备。
背景技术：
已经提出了使得观察者能够在空中看到被观察物的实像(实镜像)的显示设备 (参见 W02007-116639)。具体地，这种显示设备包括在观察者侧的空间中形成被观察物的实像(实镜像) 的反射式实镜像形成元件；和相对于反射式实镜像形成元件布置在与观察者侧相反的空间中的被观察物。文献W02007-116639公开了一种反射式实镜像形成元件(所谓的二面角反射器阵列光学元件)，其中多个单位光学元件(称为二面角反射器)规则地排列在元件面的一个面上，其中各个单位光学元件具有彼此垂直的两个正交镜面。W02007-116639公开的二面角反射器阵列光学元件具体地利用了贯穿元件面而在基板中形成的正方形孔的内壁作为二面角反射器。更进一步地如图1所示，还公开了一种包括多个透明的立方体形状筒状体5的二面角反射器阵列光学元件，其中各个筒状体从由透明材料制成的基板60的表面(XY面)在厚度方向(Z)上垂直地突出，其中透明的立方体形状筒状体5的内壁面(镜面61a和61b) 用于二面角反射器61，其中筒状体布置成格子状。在二面角反射器阵列光学元件的多个排列的二面角反射器中，由于各个镜面垂直于元件面布置，所以光(从存在于元件面一侧的被观察物发出的)在通过二面角反射器时被其两次反射，然后由通过了该元件的所有光在元件面另一侧的没有被观察物的空间中形成实像。即，二面角反射器阵列光学元件按照物体的实像关于二面角反射器阵列光学元件的元件面(称为对称面)与被观察物对称的方式进行实像的成像。在制造现有技术的具有立方体形状筒状体(其内壁用于二面角反射器)的二面角反射器阵列光学元件的方法中，可以采用树脂注射成型。在这种注射成型中，使用了具有如图1所示的多个立方体形状筒状体的反转形状的压模(成型模具)，然后把熔化的树脂注入该成型模具的型腔中，将成型后的二面角反射器阵列光学元件从成型模具分离。但是，由于光学元件的多个筒状体粘模，很难从压模分离开成型后的光学元件。例如，光学元件粘接在压模上。此外，当强制地使光学元件脱离压模时，脱离后的压模会成为变形的二面角反射器阵列光学元件，造成该光学元件成像的实像发生变形或破坏，在严重的情况下，导致无法形成实像(见不到)的问题。
发明内容
因此，本发明所要实现的目标是提供一种包括基板和多个棱柱体的二面角反射器阵列光学元件，该多个棱柱体规则地排列在基板的底面上并且各个棱柱体从基板的底面突出，其中棱柱体和基板由透明材料一体地形成，各个棱柱体包括彼此垂直而形成二面角反射器的两个正交平面侧面，其中当被观察物存在于基板的一面侧时，二面角反射器阵列光学元件在基板的另一面侧形成物体的清晰的实像，特别地，提供一种能够方便地将二面角反射器阵列光学元件与成型模具分离开的制造该二面角反射器阵列光学元件的方法，以及使用该光学元件的显示设备。发明人关注于如何实现二面形状的精密成型，并且致力于使用丙烯酸树脂等透明树脂的注射成型而制造包括从基板突出的棱柱体的侧壁(内壁)作为二面角反射器的二面角反射器阵列光学元件。结果，发现了二面角反射器的表面精度和形成在二面和顶面(端面)之间的棱柱体的顶点(顶边)的形状精度影响实像成像的性能。由于注射成型，在二面角反射器阵列光学元件因为转印性差而导致棱柱体的顶点形状锐度不够的情况下，发明人发现二面角反射器阵列光学元件会产生实像的变形或破坏，在严重的情况下，无法形成实像(观察不到)。发明人克服了该问题而完成了本发明。本发明主要鉴于在注射成型时提高转印性，使棱柱体的形状更加合适，以解决因为二面角反射器阵列光学元件的各个棱柱体的顶点形状劣化(锐度差)而导致的实像成像性能的下降。根据本发明的方法是用于制造包括基板和多个棱柱体的二面角反射器阵列光学元件的方法，该多个棱柱体规则地排列在基板的底面上并且各个棱柱体从基板的底面突出，其中棱柱体和基板由透明材料一体地形成，各个棱柱体包括相互垂直而成为二面角反射器的两个正交平面侧面，其中当被观察物存在于基板的一面侧时，二面角反射器阵列光学元件在基板的另一面侧形成被观察物的实像，该方法包括夹紧第一成型模具和第二成型模具以在其间限定型腔，其中第一成型模具具有棱柱体的反转形状并且第二成型模具具有平面，其中各个棱柱体具有端面面积小于基板的底面侧的面积的锥台形状，其中各个棱柱体由包括正交平面侧面的直方体部和具有不平行于所述正交平面侧面的锥形部构成；在型腔内形成由熔化树脂制成的二面角反射器阵列光学元件；以及在冷却之后从成型模具分离出二面角反射器阵列光学元件。追加锥形结构或棱柱体的倾斜(即，“脱模角”)使得能够从压模(成型模具)取出二面角反射器阵列光学元件。锥形结构的倾斜方向是棱柱体的端面面积小于基板侧的底面(基面)面积的方向。通过进一步包括以下步骤的光学元件制造方法解决了上述问题在将成型模具保持在高于预定温度的温度的同时将熔化树脂注入型腔；以及在型腔充满之后在低于预定温度的另一温度下冷却成型模具。在通过该方法制造光学元件的情况下，改善了二面角反射器阵列光学元件的转印性。所述预定温度是在形成步骤中使用的树脂软化温度。优选的是，在通过上述注射成型制造的二面角反射器阵列光学元件中的棱柱体的用作二面角反射器的正交平面侧面上分别设置金属反射膜。从而提高二面角反射器的反射率。最重要是，对于图1所示的立方体状棱柱体和锥形棱柱体，使二面角反射器的正交平面侧面的形状具有高精度和高平面度(镜面)。由于二面角反射器的两个侧面垂直于基板，所以当像通常的那样在垂直于基板的方向上将二面角反射器阵列光学元件与成型模具(压模)分离时，二面角反射器的两个侧面移动并在压模上刮擦，以致在二面角反射器的两个侧面上产生擦痕，导致由于实像成像性能劣化而使被观察物的实像(实镜像)受到破坏的问题，正是鉴于此而提出了本发明。在根据本发明的上述制造二面角反射器阵列光学元件的方法中，提供了具有棱柱体的反转形状的成型模具，其中各个棱柱体具有端面面积小于基板的底面侧的面积的锥台形状，其中各个棱柱体由包括成为二面角反射器的正交平面侧面的直方体部和与其一体的具有不平行于正交平面侧面的侧面的锥形部。因而，根据本发明的方法包括以下步骤夹紧成型模具来限定型腔；在型腔内形成由熔化树脂制成的二面角反射器阵列光学元件；以及在冷却之后从成型模具分离出二面角反射器阵列光学元件，其中成型模具在该成型模具最先离开正交平面侧面的脱模方向上相对运动，以分离出二面角反射器阵列光学元件。棱柱体的锥台形状例如可以是截头角锥台，其中锥形部形成为不平行的平面侧此外，优选的是，脱模方向被设定在由两个正交侧假想面和两个假想锥面围成，并以棱柱体的端面与正交平面侧面的交点为顶点的锥体状空间范围内，其中正交侧假想面分别平行于正交平面侧面延伸，并且锥形假想面分别平行于所述不平行于正交平面侧面的侧面，其中脱模方向是从棱柱体的端面的顶点起相对于正交平面侧面的相交线倾斜的脱离方向。如果各个棱柱体例如具有截头角锥台的形状，则相对于基板法线的脱模方向被设定为锥形部的非平行面的相交线与正交平面侧面的相交线之间所成角的半角方向。考虑到光学元件与压模的脱模，将锥形部的锥角(即，相对于基板法线的角)设置为大的值。当锥形部的锥角过大时，棱柱体的端面面积减小。由于棱柱体的端面用作为二面角反射器所反射的光的光出射面，所以被观察物的实像(实镜像)变暗。另外，即使为了所成像的实像的光量而确保端面的面积，当棱柱体的底面的面积增大时，光学元件的每单位面积的二面角反射器的数量减少，从而同样地被观察物的实像(实镜像)变暗。对于这种相反的状况，根据使用各种锥角进行棱柱体的注射成型的实验，发现了 5°以上25°以下的范围内的上述锥角(即，锥面与垂直于基板的平面之间形成的角)是合适的。当棱柱体具有直角锥台形状时，除了二面角反射器的两个侧面之外(除了端面和底面之外)还有两个平面侧面，把这两个平面侧面形成为具有上述的倾斜。可以把这两个平面侧面形成为具有相同的锥角，也可以形成为具有不同的锥角。假设成型模具是通过电加工等的反转方法制造的，当两个平面侧面形成为具有相同的锥角时，只需要一种刀具来进行制造。这是方便的。另外，根据本发明的光学元件是通过权利要求1所述的方法制造的二面角反射器阵列光学元件，其包括基板；和多个棱柱体，这多个棱柱体规则地排列在基板的底面上并且从基板的底面突出，其中棱柱体和基板由透明材料一体地形成，各个棱柱体包括相互垂直而成为二面角反射器的两个正交平面侧面，其中当被观察物存在于基板的一表侧时，二面角反射器阵列光学元件在基板的另一面侧形成被观察物的实像，其中棱柱体和第二成型模具具有平坦面，其中各个棱柱体具有端面面积小于基板的底面侧的面积的锥台形状，其中各个棱柱体由包括正交平面侧面的直方体部和与其一体的具有不平行于正交平面侧面的锥形部构成。另外，实现了使用通过权利要求1所述的方法制造的二面角反射器阵列光学元件的显示设备，其包括位于基板的一面侧的被观察物，其中二面角反射器阵列光学元件在基板的另一面侧形成被观察物的实像。根据二面角反射器阵列光学元件的本发明，在二面角反射器的两个侧面之外还形成了两个平面侧面，这两个平面侧面被形成为具有上述的倾斜，因此减小了压模(成型模具)与二面角反射器阵列光学元件之间的摩擦阻力，从而易于从压模分离二面角反射器阵列光学元件。此外，根据本发明，防止并减小了脱模期间镜面的二面角反射器的刮擦损坏， 从而可以通过二面角反射器阵列光学元件观察到被观察物的清晰的实像。此外，作为附属的有益效果，由于具有截头角锥台形状的棱柱体的多次反射，可以减少射向观察者的多重反射的透过光。
下面参照附图对本发明的上述方面和其它特征进行说明，其中图1是放大的部分切下立体图，示出了以往的具有立方体形状的筒状体的二面角反射器阵列光学元件；图2是放大的部分切下立体图，示出了根据本发明实施方式的具有突出的棱柱体的二面角反射器阵列光学元件；图3A和图;3B分别是在图2的A-A线和B-B线处截取的剖面图；图4是放大立体图，示出了根据本发明实施方式的二面角反射器阵列光学元件的棱柱体；图5是示意剖面图，示出了在用于制造根据本发明实施方式的二面角反射器阵列光学元件的压模的制造中使用的金刚石刀具；图6是示出切削加工之后的铜母板的放大局部示意剖面图；图7是示出通过电加工得到的压模的放大局部示意剖面图；图8A至8E是示出成型模具的放大局部示意剖面图，用以说明制造根据本发明一个实施例的二面角反射器阵列光学元件的注射成型工艺；图9是示意剖面图，示出了通过注射成型法制造根据本发明一个实施方式的二面角反射器阵列光学元件时成型模具的温度控制；图10至12是示意剖面图，分别示出了通过注射成型法制造根据本发明另一实施方式的二面角反射器阵列光学元件时的成型模具；图13A至13E是示出了成型模具的局部示意剖面图，用以说明用于制造根据本发明另一实施方式的二面角反射器阵列光学元件的注射成型工艺；图14A是根据本发明的二面角反射器阵列光学元件的棱柱体的剖面图，用以示意地说明棱柱体，图14B是该棱柱体的俯视图，图14C是该棱柱体的立体图；图15A至15E是示出了成型模具的局部示意剖面图，用以说明用于制造根据本发明另一实施方式的二面角反射器阵列光学元件的注射成型工艺；图16A至16E是示出了成型模具的局部示意剖面图，用以说明用于制造根据本发明另一实施方式的二面角反射器阵列光学元件的注射成型工艺；图17是示出了成型模具的示意剖面图，用以说明通过注射成型工艺制造根据本发明另一实施例的二面角反射器阵列光学元件时的温度控制；
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图18和图19是局部示意剖面图，示出了通过注射成型工艺制造根据本发明另一实施例的二面角反射器阵列光学元件时的成型模具；图20A和图20B是放大的照片，分别部分地示出了通过根据本发明一个实施例的方法制造的二面角反射器阵列光学元件的正面；图21A至21E是示出了成型模具的局部示意剖面图，用以说明比较例的用于制造二面角反射器阵列光学元件的注射成型工艺；图22k和图22B是放大的照片，分别部分地示出了通过该比较例的方法制造的二面角反射器阵列光学元件的正面；图23A是部分切下的平面图，示出了应用于根据本发明实施方式的显示设备的二面角反射器阵列光学元件的具体例；图2 是放大的部分切下立体图，示出了应用于该实施方式的显示设备的二面角反射器阵列光学元件；图M是示意立体图，示出了应用于根据本发明实施方式的二面角反射器阵列如何形成实像；图25是示意平面图，示出了应用于根据本发明实施方式的显示设备的二面角反射器阵列光学元件如何形成实像；以及图沈是示意平面图，示出了应用于根据本发明实施方式的显示设备的二面角反射器阵列光学元件如何形成实像。
具体实施例方式以下参照附图来说明根据本发明实施方式的二面角反射器阵列光学元件及其制造方法，以及使用了该元件的显示设备。图2是放大的部分切下立体图，示出了根据本发明实施方式的具有突出的棱柱体 51的二面角反射器阵列光学元件66。另外，图3A和图:3B分别是从图2中的A-A线和B-B 线截取的剖面图。该例的二面角反射器阵列光学元件66包括由透明材料一体地形成的平板状的基板60和多个棱柱体51，其中棱柱体从基板的底面突出。在各个棱柱体上，两个正交平面侧面(镜面61a和61b)形成为在其交线CL处彼此垂直而成为二面角反射器61。棱柱体的平面侧面6 和62b (除二面角反射器的两个镜面之外)相对于基板60的法线具有一定的角度(倾斜)。图3示出了棱柱体51的尺寸，高度H、端面的边长L、间距D和角度θ (g卩，相对于端面的倾斜角)，例如高度H = 170 μ m、正方形的边长L = 150 μ m、间距D = 10 μ m、倾斜角θ = 108° (Φ = 18° )作为典型值，但是棱柱体的尺寸不限于这些值。如图4所示，不平行于二面角反射器的侧面6 和62b属于具有截头角锥台形状的棱柱体51的锥形部，棱柱体51的端面53的面积小于基板侧的底面52 (基面)的面积。 不平行于二面角反射器的侧面6 和62b是锥面。优选的是，把各个锥面的锥角(即，锥面与垂直于基板的平面之间形成的角)设定在5°以上25°以下的范围内。当锥角小于5° 时，脱模困难。当锥角大于25°时，棱柱体密度减小，从而形成实像的光通量减小。如图4所示，棱柱体51具有截头角锥台形状，其由包括正交平面侧面61a和61b 的直方体部C (例如，立方体)和具有不平行于正交平面侧面的平面侧面6 和62b的锥形部T组成，其中直方体部C和锥形部T是一体的。具体地说明用于制造包括基板和棱柱体的二面角反射器阵列光学元件的注射成型法的例子。预先将压模(成型模具)形成为具有与多个棱柱体的阵列相对应的反转形状，各个棱柱体具有如图2所示的截头角锥台的形状。如下简要地说明用于形成具有反转形状的预定压模的使用金刚石刀具的切削加工和电加工。首先，在准备步骤中，提供金刚石刀具(切割刀片)，其具有垂直切刃面的一侧和对应于棱柱体的倾斜面的切刃面的另一侧，如图5所示。然后，例如，提供具有预定厚度的正方形的铜母板(未示出)。通过切削加工，使用图5的金刚石刀具，将铜母板切削为具有与二面角反射器阵列光学元件相应的反转形状。 具体地，平行于铜母板的正方形的一边，按照预定节距依次切出水平槽。然后，在垂直于上述切槽的方向上，按照预定节距依次切出垂直槽。对于具有图3所示的截面的光学元件的切削，重复进行每一行程每一槽切入5 μ m深的切削，直至170 μ m深，然后按照预定节距把金刚石刀具移到下一行的位置，然后重复这些步骤。在切削加工之后，得到了具有多个突出的棱柱体51的铜母板150的二面角反射器阵列光学元件样模。图6是示出该铜母板150 的示意放大局部剖面图。然后，在切削加工之后，利用铜母板执行镀镍电加工，以制作具有铜母板(其具有与二面角反射器阵列光学元件相同的棱柱体)的反转形状的成型模具的镍压模101。图7 是示出电加工得到的压模101的示意放大局部剖面图。—实施例1—作为实施例1，以下说明为了提高成型操作的转印性，在把压模(第一成型模具) 保持在高于预定温度的温度的同时，把熔化的树脂注入成型模具的型腔，然后在型腔充满树脂之后在低于预定温度的另一温度下冷却该成型模具，从而将成型后的二面角反射器阵列光学元件与第一、第二成型模具分离。首先，如图8A所示，使预定压模101和具有平坦面的第二成型模具102夹紧而彼此紧贴，并通过加热而把成型模具保持在高于树脂的软化温度的温度(例如200°，由于丙烯酸树脂的软化温度是大约100° )。在本实施例中使用的压模101中内置了用于加热压模的加热设备SH和用于冷却压模的冷却设备SC。在本实施例中使用的第二成型模具102 中还内置了用于加热成型模具的加热设备MH和用于冷却成型模具的冷却设备MC。冷却设备SC、MC分别经过水管连接到水冷型的循环装置，加热设备SH、MH例如是电阻加热器。然后，如图8B所示，通过高压把熔化的树脂104经过成型模具浇口部分103注入压模101与第二成型模具102之间的型腔中。此时，压模101和第二成型模具102被加热设备保持在120°的温度(高于丙烯酸树脂的软化温度)。温度的保持是在加热设备SH、 MH和冷却设备SC、MC的控制下进行的。然后，如图8C所示，在注入树脂104之后，把彼此紧贴的压模101和第二成型模具 102冷却到比树脂104的软化温度更低的温度(例如对于丙烯酸树脂是80° )。这种冷却的控制也是在加热设备SH、MH和冷却设备SC、MC的控制下进行的。然后，如图8D所示，压模101和第二成型模具102彼此分离。此时，优选的是，成型后的二面角反射器阵列光学元件和第二成型模具102可以一起与压模101分离。然后，如图8E所示，二面角反射器阵列光学元件66从第二成型模具102脱离。由于二面角反射器阵列光学元件在成型模具侧具有平坦面，所以这种脱离比较容易进行。这是因为对于具有截头角锥台形状的棱柱体，作为本实施例的特征之一的“脱模角”起了作用。切断残留在浇口部分中的树脂部分时，完成了二面角反射器阵列光学元件。在脱模步骤中，在加热设备SH、MH和冷却设备SC、MC的控制下进行控制温度的保持。图9涉及使用加热设备SH、MH和冷却设备SC、MC对压模101和第二成型模具102 进行的温度控制的说明。压模101和第二成型模具102的加热设备SH、MH连接到用于执行加热设备的开关控制的控制单元105。压模101和第二成型模具102的冷却设备SC、MC经过水管分别连接到水冷型的循环装置106S、106M。循环装置106S、106M连接到用于进行循环装置中的水流控制的控制单元10。在压模101和第二成型模具102中的适当位置分别设置了诸如热电偶的温度传感器107S、107M。温度传感器107S、107M分别检测压模101和第二成型模具102的温度。当加热设备SH、MH对压模101和第二成型模具102进行预热时，或者当树脂104 注入压模101和第二成型模具102的型腔时，温度升高。通过附接在压模101和第二成型模具102上的温度传感器107S、107M检测温度，温度传感器的输出信号由控制单元105接收，然后当控制单元判定温度高于预定温度时，控制单元105发出命令，使循环装置106S、 106M在零到循环装置106S、106M的容许上限流量之间提高冷却水的量，从而能够控制温度的下降。压模101和第二成型模具102的温度随着水流量的增加而降低。温度的降低由附接在成型模具上的温度传感器107S、107M检测到，然后温度传感器的输出信号由控制单元 105接收，然后当控制单元判定温度低于预定温度时，控制单元105发出命令，使循环装置 106S、106M在循环装置106S、106M的容许流量到零的范围内减小冷却水量，从而能够控制温度的上升。压模101和第二成型模具102的温度随着水流量的减少而升高。如上所述， 控制单元105进行压模101和第二成型模具102的温度控制。虽然在以上实施例中在压模101和第二成型模具102中分别设置了加热设备和冷却设备(参见图8、图9)，但是可以有仅在压模101中设置加热设备SH和冷却设备SC的实施例(参见图10)，以及压模101同时容纳加热设备SH和冷却设备SC、在第二成型模具 102中仅设置冷却设备MC的实施例(参见图11)等及其变型例。作为实验结果，发现优选的是，如图9和11所示至少在压模101和第二成型模具102中设置冷却设备。另外，在压模101的厚度不足以内置加热设备或冷却设备的情况下，可以设置辅助金属模具而紧贴压模101，从而把加热设备SH和冷却设备SC内置于辅助金属模具IOla 中(参见图12)。—实施例2—作为实施例2，说明为了提高脱模性，对成型装置进行操作，使得第二成型模具 102和压模101中的至少一方在脱模方向R上相对运动，使所形成的二面角反射器阵列光学元件与第一和第二成型模具分离。首先，如图13A所示，预定压模101和具有平坦面的第二成型模具102被夹紧而彼此紧贴，然后将它们加热到比要注入的树脂的软化温度更高的温度(例如对于使用丙烯酸树脂的情况是200° )。然后，如图1 所示，利用高压使熔化的树脂104经过成型模具浇口部103注入压模101与第二成型模具102之间的型腔。然后，如图13C所示，在注入树脂104之后，把相互紧贴的压模101和第二成型模具102冷却到比树脂104的软化温度更低的温度(例如对于丙烯酸树脂是80° )。然后，如图13D所示，当压模101在相对于基板法线倾斜的直线方向R，即压模101 最先离开二面角反射器(图4所示的平面侧面61a和61b)的脱模方向R上移动时，第二成型模具102和压模101彼此分离。此时，优选的是，成型后的二面角反射器阵列光学元件与第二成型模具102可一起与压模101分离。然后，如图13E所示，二面角反射器阵列光学元件66从第二成型模具102脱离。由于二面角反射器阵列光学元件在成型模具侧具有平坦面，所以该脱离比较容易进行。切断残留在浇口部中的树脂部分时，完成了二面角反射器阵列光学元件。在本实施例中，倾斜的直线方向(脱模方向R)被设定为相对于基板的法线成 12.3°的角。例如，通过基于图3所示的尺寸和角度的计算来求得设定角度。由于各个侧面6 和62b (锥面)相对于基板法线按倾角Φ = 18°倾斜，所以侧面6 和62b (锥面) 的相交线相对于基板法线以倾角Ψ = 24. 6°倾斜。因此，如图14所示，脱模方向被设定为 12.3°的角，即角度Ψ的一半。此外，图14示意地说明了在本实施例中压模相对于二面角反射器阵列光学元件的棱柱体的脱模方向R ；图14Α示出了在图4所示的线E-E处截取的棱柱体的剖面图；图14Β是该棱柱体的俯视图；图14C是该棱柱体的立体图。如图14C所示，本实施例的脱模方向R是从棱柱体51的端面53的顶点F延伸并相对于正交镜面61a、61b的相交线CL(即基板的法线)倾斜的脱离方向。因而，脱模方向R 被设定在如下的锥体状空间范围内，该锥体状空间范围由两个正交侧面假想面61aa、61l3b 和两个假想锥面62aa、62bb围成，并以棱柱体的端面53与正交平面侧面61a、61b的交点 F (顶点F)为顶点，其中正交侧面假想面61ε 、611Λ分别平行于正交平面侧面61a、61b延伸，并且假想锥面62aa、62l3b分别平行于二面角反射器的非平行侧面62a、62b。—实施例3—关于图13所示的方式，由于成型装置的原因，可能存在第二成型模具102或压模 101难以在上述的脱模方向R上相对移动的问题。通常允许模具或压模在垂直于成型装置的基准面的方向上移动。对于这个问题，提供了一种解决方案把压模和模具配置成相对于基准面倾斜预定的角度。为了以预定角度倾斜地设置压模和模具，设置了金属块部件10 和辅助金属模具101a，以相对于成型装置的基准面以预定角度倾斜固定第二成型模具102 和压模101。具体地，金属块部件10 和辅助金属模具IOla是分别具有相对于成型装置的基准面以预定角度(12.3° )倾斜的互补平面的金属块。此外，虽然本实施方式采用了单独的辅助金属块部件，但是可以把压模或模具制造成一体地包括相当于这些部件的所需部件。除了设置了金属块部件10 和辅助金属模具IOla之外，图15A至图15E所示的注射成型工艺与图13A至1 所示的上述方式相同。因此省略图15A至图15E的细节。如图15D所示，在成型装置中在移动方向(脱模方向R)上移动时，第二成型模具102和压模101彼此分离。存在金属块部件10 和辅助金属模具101a，第二成型模具102 和压模101倾斜预定角度。因此，对于成型后的光学元件，这种配置等同于在与两个锥部的相交线一起倾斜的直线方向R上斜向地移动而相互脱离。—实施例4—此外，作为实施例4，说明组合工艺，其中对注射成型期间成型模具的温度控制和第二成型模具102或压模101在脱模方向R上相对移动的脱模步骤进行组合。在本实施例中使用的压模和成型模具的基本结构与实施例3中的相同。用于对它们进行加热的加热设备和用于对它们进行冷却的冷却设备内置于金属块部件10 和辅助金属模具IOla中。除了设置有金属块部件10 和辅助金属模具IOla之外，图16A至图16C所示的压模101和第二成型模具102以及温度控制与图8A至图8E所示的上述方式相同。因此省略图16A至图16C的细节。然后，如图16D所示，在成型装置的移动方向(脱模方向R)移动时，第二成型模具 102和压模101彼此分离。此时，优选的是，成型后的二面角反射器阵列光学元件与第二成型模具102可以一起与压模101分离。然后，如图16E所示，成型后的二面角反射器阵列光学元件从第二成型模具102脱离。由于二面角反射器阵列光学元件在成型模具侧具有平坦面，所以这种脱离比较容易进行。除了倾斜之外，图17所示的利用加热设备SH、MH和冷却设备SC、MC进行的压模 101和第二成型模具102的温度控制配置与图12所示的上述方式相同。因此省略图17的细节。虽然在上述实施例中加热设备和冷却设备分别设在压模101和第二成型模具102 侧，但是可以有仅在辅助金属模具IOla中设置加热设备SH和冷却设备SC的实施例(参见图18)，以及辅助金属模具IOla同时容纳加热设备SH和冷却设备SC、在第二成型模具102 中仅设置冷却设备MC的实施例(参见图19)等及其变型例。另外，在压模或成型模具与相当于金属块的部分一起一体地制造的情况下，可以一体地包括所需的部件、压模或模具。图20A和图20B示出了根据图8、图13和图16的实施例制造的二面角反射器阵列光学元件的放大平面图像的观察结果。图20B是图20A的放大图，是一个棱柱体的放大照片。如图20B所示，由箭头P表示的部分可见，压模形状高转印性地得以复制，棱柱体的顶点非常锐利。当使用实施例的二面角反射器阵列光学元件进行实像的成像时，形成并观察到漂亮的实像。下面利用图21，对作为比较例而通过通常的注射成型法制作二面角反射器阵列光学元件的情况进行说明。除了模具垂直于基板的平面进行脱模外，图21和图13基本上是相同的。如图21A所示，压模101和第二成型模具102被夹紧而彼此紧贴，然后将它们加热到比要注入的树脂的软化温度更高的温度(例如对于使用丙烯酸树脂的情况是200° )。如图21B所示，利用高压把熔化的树脂104经过成型模具浇口部103注入压模101 和第二成型模具102之间的型腔。
如图21C所示，在注入树脂104之后，把彼此紧贴的压模101和第二成型模具102 冷却到比树脂104的软化温度更低的温度(例如对于丙烯酸树脂是80° )。如图21D所示，第二成型模具102和压模101彼此分离。如图21E所示，成型后的光学元件6从第二成型模具102脱离。由于二面角反射器阵列光学元件在成型模具侧具有平面，所以这种脱离比较容易进行。当切去了残留在浇口部中的树脂部分时，完成了二面角反射器阵列光学元件。图22A和图22B示出了根据图21的比较例制造的二面角反射器阵列光学元件的放大平面图像的观察结果。图22B是图22A的放大图，是一个棱柱体的放大照片。如图22A 和图22B所示，在比较例中，转印性差并且压模101的形状未充分地复制。特别是，棱柱体的顶点(图22B中的箭头P表示的部分)不够锐利。当利用比较例的二面角反射器阵列光学元件进行实像的成像时，只能观察到非常模糊的像。根据本发明，如图23A所示，实现了二面角反射器阵列光学元件66，其包括薄板状的透明基板60和形成在其上的多个透明棱柱体51，其中各个棱柱体51在正面图中具有截头角锥台形状(例如，正方形底面，每边50-200 μ m)，从而光在棱柱体51的基面(底面)和顶面即端面之间通过，其中各个棱柱体51具有用作二面角反射器61的两个正交平面侧面 61a和61b。可以构成为不形成二面角反射器61的锥面部分不进行镜面精加工，从而它们被制成非反射的或不光滑的。也优选的是，二面角反射器61布置在规则排列的格点上，使得在基板60上由镜面61a和61b限定的内角全部位于相同方向。因此，如图2 所示，各个二面角反射器61的正交镜面61a和61b的相交线CL优选地垂直于元件表面6S。在下文中，由镜面61a和61b限定的内角的方向称作二面角反射器61的朝向(方向)。此外，可以在用作二面角反射器的棱柱体51的外侧面(内壁面61a和61b)上形成金属反射膜，以提高二面角反射器的反射效率。如图M示意地所示，根据本发明的显示设备包括二面角反射器阵列光学元件和布置在基板的一面侧的被观察物4，其中二面角反射器阵列光学元件在基板的另一面侧形成实像5(实镜像)。二面角反射器阵列光学元件66由大量的二面角反射器61构成，其中各个二面角反射器61具有两个正交镜面61a和61b，其中大致垂直于各个二面角反射器61 的两个镜面61a和61b的平面被定义为元件表面6S。被观察物4的实镜像5形成在关于元件表面6S与被观察物4面对称的位置。在本实施方式中，二面角反射器61相比于二面角反射器阵列光学元件66的整体尺寸(厘米级)非常小(毫米级)。在图M中，二面角反射器61的集合以灰色显示，镜面所限定的二面角由示出其内角朝向的V形表示，在图中夸张地示出二面角反射器61。在本发明的二面角反射器阵列光学元件66中，除了作为本发明特征的倾斜侧面之外，突出的棱柱体的平面侧面形成为垂直于基板(图M中的61a、61b)。在构成二面角反射器阵列光学元件66的各个二面角反射器61中，经由背面(被观察物侧空间)进入相应孔的光线被一个镜面61a(或61b)反射。反射的光线再被另一镜面61b (或61a)反射，然后经由正面(观察者侧空间)而通过二面角反射器61，从而各个二面角反射器具有所谓的二次反射功能。各光线进入二面角反射器61的路径和光线离开二面角反射器61的路径关于元件表面6S彼此面对称。具体地，假定元件表面6S是经过各个镜面的高度中部并垂直于各个镜面，那么元件表面6S是对称面，被观察物4的形成为空中像，即实镜像5的实像位置关于该对称面与被观察物4面对称。下面与从作为被观察物的点光源ο发出的各光线的路径一起简要说明二面角反射器阵列光学元件66的成像方式。图25是二面角反射器阵列光学元件66的示意俯视图， 图26是二面角反射器阵列光学元件66的部分示意剖面图。在图25中，二面角反射器61和镜面61a、61b相比于二面角反射器阵列光学元件66被夸张地示出。如图25和沈所示，当从点光源(ο)发出的光(由图25中三维地观察时在图中从后向前行进的带箭头的点划线表示)通过二面角反射器阵列光学元件66时，由各个二面角反射器61的一个镜面61a (或 61b)反射一次，再由另一个镜面61b (或61a)反射。然后，反射的光线穿过元件表面6S，然后分散地通过关于二面角反射器阵列光学元件66的元件表面6S与点光源(ο)面对称的点。入射光线和反射光线在图25中被示出为平行。其原因如下。在图25中，二面角反射器61相比于点光源(ο)被夸大地示出。但是，二面角反射器61的实际尺寸是相当小的。因此，当从上观察二面角反射器阵列光学元件66时入射光线和反射光线几乎彼此重合。(在图25中，示出了最先落在各个二面角反射器61的两个镜面(61a、61b)上的光线的路径， 即两个路径。在图沈中，为了避免复杂而仅示出了最先落在一个镜面上的一条光线。)总之，光线会聚到关于元件表面6S与点光源(ο)面对称的位置，从而在图25和沈所示的位置(P)形成实像。如上所述，优选的是，在用作二面角反射器的棱柱体的正交平面侧面上设置诸如金属膜的反射膜。发明人已发现，可以省略反射膜的形成，作为树脂成型品的光学元件，即无任何反射膜的二面角反射器阵列光学元件实际上能够以足够的光通量进行实像的成像， 因为在树脂与空气之间有足够的折射率差。由于可使用作为树脂成型品的光学元件，即无任何反射膜的二面角反射器阵列光学元件，因此本发明提供了一种使得观察者能够在空中观察到被观察物的实像(实镜像) 的低成本的显示设备。如上所述，以上实施例使用各具有截头角锥台形状的棱柱体，但不限于此，只要具有作为二面角反射器的两个正交平面侧面，可以采用诸如扇形、三角形的任何形状。在这种情况下，成型模具与压模之间的脱模方向是相对于直角平分线(与反射面成45°角)和相交线倾斜的脱离方向。例如，设置为基板法线和成型模具与压模之间的脱模方向之间形成的角是基板法线与垂直于基板平面的棱柱体截面中所画的相交线之间的角的1/2。应该理解，先前的说明和附图阐述了在此时本发明的优选实施方式。当然根据先前的教示，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，各种修改、添加和替换设计对本领域技术人员来说是显而易见的。因而，应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，而可以在所附权利要求的全部范围内实施。本申请基于并要求2010年8月30日提交的在先日本专利申请2010-191744和 2010年11月四日提交的在先日本专利申请2010-264820的优先权，在此以引证的方式并入这两个申请的全部内容。
权利要求
1.一种用于制造二面角反射器阵列光学元件的方法，该二面角反射器阵列光学元件包括基板和多个棱柱体，该多个棱柱体规则地排列在所述基板的底面上并分别从所述基板的底面突出，其中所述棱柱体和所述基板由透明材料一体地形成，各个棱柱体包括相互垂直而成为二面角反射器的两个正交平面侧面，其中当被观察物位于所述基板的一面侧时，所述二面角反射器阵列光学元件在所述基板的另一面侧形成所述被观察物的实像，该方法包括夹紧第一成型模具和第二成型模具而在其间限定型腔，其中所述第一成型模具具有所述棱柱体的反转形状并且所述第二成型模具具有平坦面，各个棱柱体具有端面的面积小于所述基板的底面侧的面积的锥台形状，各个棱柱体由具有所述正交平面侧面的直方体部和与该直方体部一体的具有不平行于所述正交平面侧面的侧面的锥形部构成；形成步骤，在所述型腔内形成由熔化树脂制成的二面角反射器阵列光学元件；以及分离步骤，在冷却之后从成型模具分离所述二面角反射器阵列光学元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述形成步骤包括在将所述第一成型模具和所述第二成型模具中的至少一方保持在高于预定温度的温度的同时，将熔化树脂注入所述型腔；以及在所述型腔充满之后在低于所述预定温度的另一温度下冷却成型模具。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述预定温度是所述形成步骤中使用的树脂的软化温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述分离步骤中，在冷却之后，成型模具在所述第一成型模具最先离开所述正交平面侧面的脱模方向上相对运动，以分离所述二面角反射器阵列光学元件。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述脱模方向被设定在由两个正交侧假想面和两个假想锥面围起并以所述棱柱体的端面与所述正交平面侧面的交点为顶点的锥体状空间范围内，其中所述正交侧假想面分别平行于所述正交平面侧面而延伸，并且所述假想锥面分别平行于所述不平行于所述正交平面侧面的侧面，其中所述脱模方向是从所述棱柱体的端面的顶点起远离所述正交平面侧面的相交线而倾斜的脱离方向。
6.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括分别在所述正交平面侧面上设置金属反射膜的步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，其中不平行于所述二面角反射器的侧面的锥角是相对于所述正交平面侧面的相交线的5°以上25°以下的范围内的角。
8.一种由根据权利要求1所述的方法制造的二面角反射器阵列光学元件，包括基板；和多个棱柱体，该多个棱柱体规则地排列在所述基板的底面上并分别从所述基板的底面突出，其中所述棱柱体和所述基板由透明材料一体地形成，各个棱柱体包括相互垂直而成为二面角反射器的两个正交平面侧面，当被观察物位于所述基板的一面侧时，所述二面角反射器阵列光学元件在所述基板的另一面侧形成所述被观察物的实像，所述棱柱体和第二成型模具具有平坦面，各个棱柱体具有端面的面积小于所述基板的底面侧的面积的锥台形状，各个棱柱体由具有所述正交平面侧面的直方体部和与该直方体部一体的具有不平行于所述正交平面侧面的侧面的锥形部构成。
9. 一种显示设备，其包括根据权利要求8所述的二面角反射器阵列光学元件；和布置于基板的一面侧的被观察物，其中所述二面角反射器阵列光学元件在基板的另一面侧形成所述被观察物的实像。
全文摘要
二面角反射器阵列光学元件及其制造方法和显示设备。对于制造二面角反射器阵列光学元件的方法，使用具有棱柱体的反转形状的成型模具。各个棱柱体具有端面的面积小于基板的底面侧的面积的锥台形状。各个棱柱体由具有成为二面角反射器的正交平面侧面的直方体部和与其一体的具有不平行于正交平面侧面的侧面的锥形部构成。该方法包括夹紧成型模具来限定型腔；在型腔内形成由熔化树脂制成的光学元件；以及从成型模具分离光学元件。成型模具在成型模具最先离开正交平面侧面的脱模方向上相对地运动以对光学元件进行脱模。
文档编号G02B5/09GK102385080SQ20111025059
公开日2012年3月21日 申请日期2011年8月29日 优先权日2010年8月30日
发明者北村雄树, 杉山贵, 青木靖浩 申请人:斯坦雷电气株式会社