CN102870017B - 光学元件和光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式的光学元件(10A)具有：对来自被投影物的光进行偶数次反射来使上述被投影物的像成像的反射型成像元件(11)；配置在反射型成像元件(11)的光出射侧的第1偏振板(22)；以及配置在反射型成像元件(11)和第1偏振板(22)之间的第1相位差板(21a)。

Description

光学元件和光学系统
技术领域
本发明涉及具有能够使被投影物的像在空间成像的反射型成像元件和显示面板的光学系统。
背景技术
最近，提出了使用反射型成像元件来使被投影物在空间成像的光学系统(例如专利文献1～6)。光学系统具有反射型成像元件和被投影物，在空间显示的像(称为空中影像)是被投影物的像在以反射型成像元件为对称面的面对称的位置成像而得到的。
在专利文献1所公开的反射型成像元件中，具备贯通平板状基板的厚度方向的多个贯通孔，形成有包括与各个孔的内壁正交的2个镜面要素的光学元件(参照专利文献1的图4)，或者具备向基板的厚度方向突出的多个透明的筒状体，形成有包括与各筒状体的内壁面正交的2个镜面要素的光学元件(参照专利文献1的图7)。
在专利文献1、2以及5所公开的反射型成像元件中，在厚度为50μm～1000μm的基板上形成有数万至数十万个边长为大约50μm～1000μm的正方形的孔，对各个孔的内面，通过电铸法、纳米压印法、溅射法施行镜面镀膜。
另外，专利文献6所公开的反射型成像元件是将具有在长边方向上相互平行地配置的镜面的2个部件以相互的部件的镜面要素正交的方式重叠而形成的(参照专利文献6的图4)。其它反射型成像元件具有包含在长边方向上相互平行地挖掘的无数细长槽的2个部件，是以相互的部件的槽内形成的使光进行全反射的平滑面正交的方式将2个透明基板重叠而形成的(参照专利文献6的图9)。
使用上述反射型成像元件的光学系统利用了反射型成像元件的镜面反射或者全反射，在原理上，被投影物的像和在空间映现的像的大小的比例是1∶1。
为了便于参考，将专利文献1～6的全部公开内容用于本说明书。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2008-158114号公报
专利文献2：特开2009-75483号公报
专利文献3：特开2009-42337号公报
专利文献4：特开2009-25776号公报
专利文献5：国际公开第2007/116639号
专利文献6：特开2009-276699号公报
发明内容
发明要解决的问题
在具有上述反射型成像元件的光学系统中，利用反射型成像元件具有的相互正交的2个镜面要素或者平滑面(以下，称为“镜面要素”)，光会进行2次反射，由此能够成像。然而，并不是入射到反射型成像元件的所有光都用于成像，也会产生无助于成像的杂散光。杂散光与有助于成像的光混杂会导致空中影像的视觉识别性降低。另外，外部光在反射型成像元件的观察者侧的表面的反射也可能成为使空中影像的视觉识别性降低的因素。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供具有提高了空中影像的视觉识别性的反射型成像元件的光学元件和具备这样的光学元件的光学系统。
用于解决问题的方案
本发明的实施方式的光学元件具有：对来自被投影物的光进行偶数次反射来使上述被投影物的像成像的反射型成像元件；配置在上述反射型成像元件的光出射侧的第1偏振板；以及配置在上述反射型成像元件和上述第1偏振板之间的第1相位差板，构成为来自上述被投影物的上述光作为圆偏振光、椭圆偏振光或者直线偏振光入射到上述反射型成像元件。
在某实施方式中，上述光学元件在上述反射型成像元件的光出射侧还具有防反射膜，在上述防反射膜和上述第1相位差板之间具有上述第1偏振板。
在某实施方式中，上述光学元件在上述反射型成像元件的光出射侧和光入射侧中的至少一方还具有透明基板。
在某实施方式中，上述第1相位差板具有λ/4板。
在某实施方式中，从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是(45+x)°或者-(45+x)°，满足-8≤x≤10的关系。
在某实施方式中，上述第1相位差板具有λ/2板。
在某实施方式中，上述第1相位差板具有上述λ/2板和上述λ/4板，从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，若将上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/2板的滞相轴所成的角度设为θ，则上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是±((2|θ|+45)+y)°，满足-29≤y≤30的关系。
在某实施方式中，上述θ为正值时，上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是((2|θ|+45)+y)°，上述θ为负值时，上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是-((2|θ|+45)+y)°。
在某实施方式中，上述λ/2板在将上述λ/2板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述λ/2板的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足na≥nb的关系，在设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1，上述λ/2板对波长为550nm的光的面内滞后Re满足235nm≤Re≤310nm的关系。优选上述Nz满足Nz＝0.5。
在某实施方式中，上述λ/4板在将上述λ/4板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述λ/4板的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足na≥nb的关系，在设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1，上述λ/4板对波长为550nm的光的面内滞后Re满足100nm≤Re≤170nm的关系。优选上述Nz满足Nz＝0.5。
在某实施方式中，上述第1相位差板具有单轴性光学补偿元件，在将上述单轴性光学补偿元件的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述单轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足nc＞na＝nb或者nc＝na＞nb的关系。
在某实施方式中，上述第1相位差板具有上述单轴性光学补偿元件，上述单轴性光学补偿元件以上述单轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第1相位差板的上述单轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位板的滞相轴大致平行的方式配置，在将上述第1相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述单轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1的关系。优选上述Nz满足Nz＝0.5。另外，在本说明书中，所谓“大致平行”，当然包含0°，还包含能看作0°的前后几度的角度范围，例如0°±5°。
在某实施方式中，上述第1相位差板具有双轴性光学补偿元件，在将上述双轴性光学补偿元件的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述双轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足nc＞na＞nb的关系。
在某实施方式中，上述第1相位差板具有上述双轴性光学补偿元件，上述双轴性光学补偿元件以上述双轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第1相位差板的上述双轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位板的滞相轴大致平行的方式配置，在将上述第1相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述双轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1的关系。优选上述Nz满足Nz＝0.5。
在某实施方式中，将上述c轴的方向和上述主面的法线方向所成的角度设为倾斜角，上述倾斜角是从被投影物入射到上述光学元件的光的入射角。
其它光学元件具有：对来自被投影物的光进行偶数次反射来使上述被投影物的像成像的反射型成像元件；配置在上述反射型成像元件的光出射侧的第1偏振板；配置在上述反射型成像元件和上述第1偏振板之间的第1相位差板；以及配置在上述反射型成像元件的光入射侧的第2相位差板，构成为来自上述被投影物的上述光作为圆偏振光、椭圆偏振光或者直线偏振光入射到上述反射型成像元件。
在某实施方式中，上述光学元件在上述反射型成像元件的光出射侧还具有防反射膜，在上述防反射膜和上述第1相位差板之间具有上述第1偏振板。
在某实施方式中，上述光学元件在上述反射型成像元件的光入射侧和光出射侧中的至少一方还具有透明基板。
在某实施方式中，上述第1相位差板和上述第2相位差板具有λ/4板。
在某实施方式中，上述第1相位差板具有上述λ/4板，从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是(45+x)°或者-(45+x)°，满足-8≤x≤10的关系。
在某实施方式中，上述第2相位差板具有上述λ/4板，从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，上述第1偏振板的吸收轴或者透射轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是(45+x)°或者-(45+x)°，满足-8≤x≤10的关系。
在某实施方式中，上述第1相位差板和上述第2相位差板中的至少一方具有λ/2板。
在某实施方式中，上述第1相位差板具有上述λ/2板和上述λ/4板，从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，将上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/2板的滞相轴所成的角度设为θ，上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是±((2|θ|+45)+y)°，满足-31≤y≤29的关系。
在某实施方式中，上述第2相位差板具有上述λ/2板和上述λ/4板，从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，若将上述第1偏振板的吸收轴或者透射轴和上述λ/2板的滞相轴所成的角度设为θ，则上述第1偏振板的吸收轴或者透射轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是±((2|θ|+45)+y)°，满足-31≤y≤29的关系。
在某实施方式中，上述θ为正值时，上述第1偏振板的吸收轴或者透射轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是((2|θ|+45)+y)°，上述θ为负值时，上述第1偏振板的吸收轴或者透射轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是-((2|θ|+45)+y)°。
在某实施方式中，上述λ/2板在将上述λ/2板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述λ/2板的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足na≥nb的关系，在设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1，上述λ/2板对波长为550nm的光的面内滞后Re满足235nm≤Re≤310nm的关系。优选上述Nz满足Nz＝0.5。
在某实施方式中，上述λ/4板在将上述λ/4板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述λ/4板的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足na≥nb的关系，在设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1，上述λ/4板对波长为550nm的光的面内滞后Re满足100nm≤Re≤170nm的关系。优选上述Nz满足Nz＝0.5。
在某实施方式中，上述第1相位差板和第2相位差板中的至少一方具有单轴性光学补偿元件，在将上述单轴性光学补偿元件的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述单轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足nc＞na＝nb或者nc＝na＞nb的关系。
在某实施方式中，上述第1相位差板具有上述单轴性光学补偿元件，上述单轴性光学补偿元件以上述单轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第1相位差板的上述单轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位差板的滞相轴大致平行的方式配置，在将上述第1相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述单轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1的关系。优选上述Nz满足Nz＝0.5。
在某实施方式中，上述第2相位差板具有单轴性光学补偿元件，上述单轴性光学补偿元件以上述单轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第2相位差板的上述单轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位差板的滞相轴大致平行的方式配置，在将上述第2相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述单轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1的关系。优选上述Nz满足Nz＝0.5。
在某实施方式中，上述第1相位差板和上述第2相位差板中的至少一方具有双轴性光学补偿元件，在将上述双轴性光学补偿元件的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述双轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足nc＞na＞nb的关系。
在某实施方式中，上述第1相位差板具有上述双轴性光学补偿元件，上述双轴性光学补偿元件以上述双轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第1相位差板的上述双轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位板的滞相轴大致平行的方式配置，在将上述第1相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述双轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1的关系。优选上述Nz满足Nz＝0.5。
在某实施方式中，上述第2相位差板具有上述双轴性光学补偿元件，上述双轴性光学补偿元件以上述双轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第2相位差板的上述双轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位板的滞相轴大致平行的方式配置，在将上述第2相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述双轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1的关系。优选上述Nz满足Nz＝0.5。
在某实施方式中，将上述c轴的方向和上述主面的法线方向所成的角度设为倾斜角，上述倾斜角是从被投影物入射到上述光学元件的光的入射角。
在某实施方式中，上述光学元件具有配置在上述反射型成像元件的光入射侧的第2偏振板，上述第2相位差板配置在上述反射型成像元件和上述第2偏振板之间。
在某实施方式中，从上述光学元件的光出射侧，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述第1偏振板和上述第2偏振板时，上述第1偏振板和上述第2偏振板以上述第1偏振板的吸收轴和上述第2偏振板的吸收轴大致平行或者大致正交的方式配置。另外，在本说明书中，所谓“大致正交”，当然包含90°，还包含能看作90°的前后几度的角度范围，例如90°±5°。
本发明的光学系统具有：上述任一个光学元件；和配置在上述光学元件的光入射侧的显示面板，将显示于上述显示面板的显示面的影像成像在以上述光学元件为对称面的面对称的位置，从上述显示面板发出的光是圆偏振光或者椭圆偏振光。
其它光学系统具有：上述任一个光学元件；和配置在上述光学元件的光入射侧的显示面板，将显示于上述显示面板的显示面的影像成像在以上述光学元件为对称面的面对称的位置，从上述显示面板发出的光是直线偏振光。
在某实施方式中，从上述光学元件的光出射侧，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述第1偏振板和上述显示面板时，上述显示面板以上述显示面板的显示面侧的偏振板的吸收轴和上述第1偏振板的吸收轴大致平行或者大致正交的方式配置。
除此以外的其它光学系统具有：上述任一个光学元件；和配置在上述光学元件的光入射侧的显示面板，将显示于上述显示面板的显示面的影像成像在以上述光学元件为对称面的面对称的位置。
发明效果
根据本发明，提供提高了空中影像的视觉识别性的光学元件和具备该光学元件的光学系统。
附图说明
图1(a)～(c)是示出本发明的实施方式的光学元件10A、10B、10C的构成的示意性截面图。
图2(a)和(b)是镜面要素14、15的示意性俯视图和说明光的路径的图，(c)是光学元件10C的示意性截面图和说明光的路径的图。
图3(a)～(c)是说明偏振板22和λ/4板21′的配置关系的图，(d)～(f)是说明偏振板22、λ/2板21″以及λ/4板21′的配置关系的图。
图4(a)是示出λ/2板21″、λ/4板21′以及光学补偿元件23各自的折射率椭圆体的示意性图，(b)是说明λ/2板21″″、λ/4板21″′以及光学补偿元件23′和λ/2板21″″、λ/4板21″′以及光学补偿元件23′各自的折射率椭圆体的位置关系的图。
图5(a)是在光学元件10中使用了Nz＝1的λ/4相位差板时的等反射率曲线，(b)是在光学元件10中使用了Nz＝0.5的λ/4相位差板时的等反射率曲线。
图6是示出光学系统100的构成的图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。本发明不限于举例示出的实施方式。
参照图1(a)～图1(c)来说明本发明的实施方式的光学元件10A、10B以及10C的构成。图1(a)～图1(c)是示出光学元件10A、10B以及10C的构成的示意性截面图。此外，对共同的构成要素附上相同的附图标记，避免说明的重复。
图1(a)所示的光学元件10A具有：反射型成像元件11；配置在反射型成像元件11的光出射侧的第1偏振板22a；配置在反射型成像元件11和第1偏振板22a之间的第1相位差板21a；以及例如配置在反射型成像元件11和第1相位差板21a之间的透明基板20。
光学元件10A也可以在反射型成像元件11的光出射侧还具有防反射膜。第1偏振板22a例如可以配置在防反射膜和第1相位差板21a之间。防反射膜例如是具有国际公开第2006/059686号所公开的蛾眼结构的防反射膜。
透明基板20也可以配置在例如光学元件10A的最表面。另外，透明基板20可以配置在反射型成像元件11的光入射侧，也可以配置在光入射侧和光出射侧中的每一侧。
第1相位差板21a具有λ/4板，还可以具有λ/2板。另外，第1相位差板21a也可以具有单轴性光学补偿元件。第1相位差板21a也可以具有双轴性光学补偿元件。光学元件10A在入射到光学元件10A的光为圆偏振光的情况下，能够防止无助于成像的杂散光混杂到有助于成像的光中。
图1(b)所示的光学元件10B还具有配置在光学元件10A的光入射侧的第2相位差板21b。光学元件10B在入射到光学元件10B的光为直线偏振光的情况下，能够防止无助于成像的杂散光混杂到有助于成像的光中。
第2相位差板21b具有λ/4板。第1相位差板和第2相位差板21a、21b中的至少一方可以具有λ/2板，也可以具有单轴性光学补偿元件。第1相位差板和第2相位差板21a、21b中的至少一方也可以具有双轴性光学补偿元件。
透明基板20可以配置在反射型成像元件11和第2相位差板21b之间，也可以配置在反射型成像元件11和第1相位差板21a之间以及反射型成像元件11和第2相位差板21b之间的双方。
图1(c)所示的光学元件10C还具有配置在光学元件10B的光入射侧的第2偏振板22b。在第2偏振板22b和反射型成像元件11之间配置有第2相位差板21b。从光学元件10C的光出射侧，或者从光入射侧的法线方向看第1偏振板22a和第2偏振板22b时，第1偏振板22a和第2偏振板22b以第1偏振板22a的吸收轴和第2偏振板22b的吸收轴大致平行或者大致正交的方式配置。优选从来自被投影物的光从光学元件10C出射的光的方向(空中影像的观察方向V(参照图6))，或者从来自被投影物的光入射到光学元件10C的光的方向看第1偏振板22a和第2偏振板22b时，第1偏振板22a和第2偏振板22b以第1偏振板22a的吸收轴和第2偏振板22b的吸收轴大致平行或者大致正交的方式配置。与入射到光学元件10C的光的偏振状态无关，即使在非偏振光的情况下，光学元件10C也能够防止无助于成像的杂散光混杂到有助于成像的光中。
利用上述的光学元件10A、10B、10C(以下，有时称为光学元件10)，能够防止无助于成像的杂散光混杂到有助于成像的光中，其结果是，提高空中影像的视觉识别性。
反射型成像元件11例如是专利文献1或者6所公开的反射型成像元件。能够利用反射型成像元件11具有的相互正交的例如2个镜面要素14、15，使入射到反射型成像元件11的光进行偶数次(例如2次)反射，从而使被投影物的像在空中成像。在反射型成像元件11具有中空的孔的情况下，可以用透明的部件塞住该孔。优选透明的部件包括折射率为各向同性的材料。
反射型成像元件11非常薄，因而容易损坏。因此，利用透明基板20来强化反射型成像元件11。另外，能够防止尘埃等异物附着到镜面要素等。优选反射型成像元件11被透明基板20夹着。优选透明基板20至少在有助于成像的光的光路上不给予相位差，即优选折射率具有各向同性。
接着，具体地说明光学元件10C的作用和效果。
图2(a)是用于说明有助于成像的光的示意性的2个镜面要素14、15的俯视图。图2(b)是用于说明无助于成像的杂散光的示意性的2个镜面要素14、15的俯视图。图2(c)是用于说明入射到光学元件10C的光的光学元件10C的示意性截面图。此外，在图2(c)中，为了便于说明而省略了透明基板20。
如图2(a)所示，当例如右旋转的圆偏振光(或者椭圆偏振光)60c入射到反射型成像元件11时，被镜面要素14(或者15)反射，该反射光会成为左旋转的圆偏振光(或者椭圆偏振光)60c′。左旋转的圆偏振光(或者椭圆偏振光)60c′被其它镜面要素15(或者14)反射，该反射光会成为右旋转的圆偏振光(或者椭圆偏振光)60d，从反射型成像元件11出射，在空中成像。
另一方面，如图2(b)所示，例如右旋转的圆偏振光(或者椭圆偏振光)60c入射到反射型成像元件11，被镜面要素14(或者15)进行奇数次(例如1次)反射，从反射型成像元件11出射的光是左旋转的圆偏振光(或者椭圆偏振光)60c″，而不是右旋转的圆偏振光(或者椭圆偏振光)。该进行奇数次反射而从反射型成像元件11出射的光60c″是无助于成像的杂散光。该杂散光与有助于成像的光60d(参照图2(a))混杂会导致空中影像的视觉识别性降低。
如图2(c)所示，具有被2个镜面要素14、15进行了偶数次(例如2次)反射的例如右旋转的圆偏振光(或者椭圆偏振光)的出射光60d，由于第1相位差板21a具有的λ/4板21′而成为直线偏振光60e。直线偏振光60e透射过以透射直线偏振光60e的方式配置的第1偏振板22a，在以光学元件10C为对称面的位置40形成空中影像。另一方面，具有进行了奇数次(例如1次)的例如左旋转的圆偏振光(或者椭圆偏振光)的出射光60c″，由于第1相位差板21a具有的λ/4板21a′而成为直线偏振光60e′。直线偏振光60e′的偏振方向与直线偏振光60e的偏振方向相差90°，因此被第1偏振板22a吸收。
即，光学元件10C能够利用在反射型成像子11内反射的次数为偶数的光和为奇数的光的特性不同(例如直线偏振光的偏振方向相差90°)这一点，使有助于成像的光(例如进行了偶数次反射的光)从光学元件10C的光出射侧出射，而不使无助于成像的杂散光(例如进行了奇数次反射的光)从光学元件10C的光出射侧出射。
光学元件10C具有第2偏振板22b，因此能够使非偏振光60a成为直线偏振光60b。直线偏振光60b由于第2相位差板21b而成为圆偏振光60c。因此，入射到光学元件10C的光也能够使用非偏振光60a。在入射到光学元件的光为圆偏振光(或者椭圆偏振光)的情况下，不需要第2相位差板21b和第2偏振板22b，因此使用光学元件10A，在入射到光学元件的光为直线偏振光的情况下，不需要第2偏振板22b，因此使用光学元件10B。这时，光学元件10A和10B分别发挥如上所述不使无助于成像的杂散光从光学元件10A和10B各自的光出射侧出射的效果。
如此，通过不使无助于成像的杂散光从光学元件10的光出射侧出射的构成，提高空中影像的视觉识别性。
接着，说明第1相位差板21a和第2相位板21b分别仅由λ/4板21a′、21b′构成的情况下的第1偏振板22a和λ/4板21a′、21b′的配置关系。λ/4板21a′、21b′例如用降冰片烯类树脂制造。
图3(a)是用于说明第1偏振板22a和λ/4板21a′的配置关系的示意性立体图。λ/4板21a′配置在第1偏振板22a和反射型成像元件11(未图示)之间。将第1偏振板22a的吸收轴A1和λ/4板21a′的滞相轴S1所成的角度设为角度θ1，从光学元件10的光出射侧的法线方向，或者从来自被投影物的光从光学元件10出射的光的方向看光学元件10的话，将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向。θ1是满足-90°≤θ1≤90°的关系的值。当θ1＝45°时，入射到第1偏振板22a而从λ/4板21a′出射的光成为左旋转的圆偏振光。相反地，左旋转的圆偏振光入射到λ/4板21a′，通过第1偏振板22a而出射的光是直线偏振光。另外，当θ1＝-45°时，入射到第1偏振板22a而从λ/4板21a′出射的光成为右旋转的圆偏振光。相反地，右旋转的圆偏振光入射到λ/4板21a′，通过第1偏振板22a而出射的光成为直线偏振光。因此，从光学元件10(未图示)的光出射侧的法线方向看光学元件10的话，以θ1成为大致(45+x1)°(例如，39°)或者大致-(45+x1)°的方式配置第1偏振板22a和λ/4板21a′。从来自被投影物的光从光学元件10出射的方向(空中影像的观察方向V(参照图6))看光学元件10时，优选以θ1成为(45+x1)°或者-(45+x1)°的方式配置第1偏振板22a和λ/4板21′。x1根据空中影像的观察方向V在-8≤x1≤10的范围内适当决定。发明者通过模拟进行研究的结果是，若x为-8＞x1或者x1＞10，则从观察方向V看空中影像时，受外部光的影响，空中影像的视觉识别性会变低。
图3(b)是用于说明在将第1偏振板22a的吸收轴和第2偏振板(或者显示装置的显示面侧的偏振板)(均未图示)的吸收轴配置为大致平行的情况下的第1偏振板22a和λ/4板21b′的配置关系的示意性立体图。第1偏振板22a配置在反射型成像元件11(未图示)的光出射侧，λ/4板21b′配置在反射型成像元件11(未图示)的光入射侧。将第1偏振板22a的吸收轴A1和λ/4板21b′的滞相轴S1所成的角度设为角度θ2，从光学元件10B、10C(未图示)的光出射侧的法线方向，或者从来自被投影物的光出射到光学元件10B、10C的光的方向看光学元件10B、10C时，将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向。θ2是满足-90°≤θ2≤90°的关系的值。优选以θ2具有θ2＝-θ1的关系的方式配置第1偏振板22a和λ/4板21b′。具体地说，当例如θ1＝45°时，θ2＝-45°，当例如θ1＝-45°时，θ2＝45°。因此，由于优选如上所述以θ1＝(45+x1)°(例如，39°)或者-(45+x1)°的方式配置第1偏振板22a和λ/4板21a′，因而从光学元件10的光出射侧的法线方向看，以θ2成为大致-(45+x1)°或者大致(45+x1)°的方式配置第1偏振板22a和λ/4板21b′。从来自被投影物的光出射到光学元件10的光的方向看光学元件10B、10C时，优选以θ2成为-(45+x1)°(例如，-39°)或者(45+x1)°的方式配置第1偏振板22a和λ/4板21b′。
图3(c)是用于说明在使第1偏振板22a的吸收轴和第2偏振板(或者显示装置的显示面侧的偏振板)(均未图示)的吸收轴以大致正交的方式配置的情况下的第1偏振板22a和λ/4板21b′的配置关系的示意性立体图。第1偏振板22a配置在反射型成像元件11(未图示)的光出射侧，λ/4板21b′配置在反射型成像元件11(未图示)的光入射侧。将第1偏振板22a的透射轴T1和λ/4板21b′的滞相轴S1所成的角度设为角度θ2′，从光学元件10B、10C(未图示)的光出射侧的法线方向，或者从来自被投影物的光出射到光学元件10B、10C的光的方向看光学元件10B、10C时，将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向。θ2′是满足-90°≤θ2′≤90°的关系的值。以θ2′也与θ1同样地成为θ2′＝±(45+x2)°的方式配置第1偏振板22a和λ/4板21b′。另外，关于与θ1的关系，θ1＝(45+x1)°时，以θ2′＝-(45+x2)°的方式配置，θ1＝-(45+x1)°时，以θ2′＝(45+x2)°的方式配置。在此，x1的值为正值时，x2的值取负值，x1的值为负值时，x2的值取正值。具体地说，例如θ1＝37°(x1＝-8)时，θ2′＝-54°(x2＝+10)。x2的值根据空中影像的观察方向V在-8≤x2≤10的范围内适当决定。发明者通过模拟进行研究的结果是，若x2为-8＞x2或者x2＞10，则从观察方向V看空中影像时，受外部光的影响，空中影像的视觉识别性会变低。
如此，通过配置λ/4板21a′、λ/4板21b′、第1偏振板22a以及第2偏振板22b(或者显示装置的显示面侧的偏振板)，得到视觉识别性较高的空中影像。
接着，说明在第1相位差板21a和第2相位板21b分别具有λ/2板21a″、21b″的情况下的第1偏振板22a、λ/4板21a′、21b′和λ/2板21a″、21b″的配置关系。λ/4板21a′、21b′和λ/2板21a″、21b″例如用降冰片烯类树脂制造。
图3(d)是用于说明第1偏振板22a、第1相位差板21a具有的λ/4板21a′和λ/2板21a″的配置关系的示意性立体图。λ/2板21a″配置在第1偏振板22a和λ/4板21a′之间，λ/4板21a′配置在距反射型成像元件11(未图示)较近处。将第1偏振板22a的吸收轴设为A1，将λ/4板21a′的滞相轴设为S1，将λ/2板21a″的滞相轴设为S2，将第1偏振板22a的吸收轴A1和λ/2板21a″的滞相轴S2所成的角度设为角度θ3，从光学元件10的光出射侧的法线方向，或者从来自被投影物的光从光学元件出射的光的方向看光学元件10的话，将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向，取-90°≤θ3≤90°的范围。从光学元件10的光出射侧的法线方向看光学元件10时，若角度|θ3|(|Q|表示Q的绝对值。以下相同)为大概15°或者75°，则能够使可见光区域(400nm以上800nm以下)中的相位差板的折射率的波长依存性的影响变小。因此，可见光区域中的光的波长的差异所导致的光的反射率的变化会变小，能够抑制空中影像的着色。如此，通过使用λ/4板并且使用λ/2板，能够使λ/4板和λ/2板的折射率的波长色散抵消。在此，使用了用降冰片烯类树脂形成的波长板，因此|θ3|的最佳角度是大概15°或者75°，但当形成波长板的树脂不同时，折射率的波长色散会不同，因此最佳的θ3的值会与此不同。最佳的θ3的值能够通过模拟来求出。λ/4板21a′在从光学元件10的光出射侧的法线方向看光学元件10时，以吸收轴A1和滞相轴S1所成的角度成为大致±((2|θ3|+45°)+y1)°的方式配置。优选λ/4板21a′在从来自被投影物的光从光学元件10出射的方向(空中影像的观察方向V(参照图6))看光学元件10时，以吸收轴A1和滞相轴S1所成的角度成为±((2|θ3|+45°)+y1)°的方式配置。在此，λ/4板21a′在满足θ3≥0°时，以吸收轴A1和滞相轴S1所成的角度成为((2|θ3|+45°)+y1)°的方式配置，在满足θ3≤0°时，以吸收轴A1和滞相轴S1所成的角度成为-((2|θ3|+45°)+y1)°的方式配置。y1是满足-31≤y1≤29的关系的值。发明者通过模拟进行研究的结果是，若y1是-31＞y1或者y1＞29，则从观察方向V看空中影像时，受外部光的影响，空中影像的视觉识别性会变低。
图3(e)是用于说明在将第1偏振板22a的吸收轴和第2偏振板(或者显示装置的显示面侧的偏振板)的吸收轴配置为大致平行的情况下第1偏振板22a与第2相位差板21b具有的λ/4板21b′和λ/2板21b″的配置关系的示意性立体图。第1偏振板22a配置在反射型成像元件11(未图示)的光出射侧。λ/4板21b′和λ/2板21b″配置在反射型成像元件11的光入射侧。在反射型成像元件11和λ/4板21b′之间配置有λ/2板21b″，λ/4板21b′配置在比λ/2板21b″离反射型成像元件11更远处。将第1偏振板22a的吸收轴设为A1，将λ/4板21b′的滞相轴设为S1，将λ/2板21b″的滞相轴设为S2，将第1偏振板22a的吸收轴A1和λ/2板21b″的滞相轴S2所成的角度设为角度θ4，将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向，取-90°≤θ4≤90°的范围。从光学元件10B、10C(未图示)的光出射侧的法线方向看光学元件10B、10C时，若角度|θ4|是大概15°或者75°，则能够使可见光区域中的相位差板的折射率的波长依存性的影响变小。因此，可见光区域中的光的波长的差异所导致的反射率的变化会变小，能够抑制空中影像的着色。如此，通过使用λ/4板并且使用λ/2板，能够使λ/4板和λ/2板的折射率的波长色散抵消。在此，使用了用降冰片烯类树脂形成的波长板，因此|θ4|的最佳角度是大概15°或者75°，但当形成波长板的树脂不同时，折射率的波长色散会不同，因此最佳的|θ4|的值会与此不同。最佳的|θ4|的值能够通过模拟来求出。λ/4板21b′在从光学元件10B、10C的光出射侧的法线方向看光学元件10B、10C时，以吸收轴A1和滞相轴S1所成的角度成为大致±((2|θ4|+45°)+y1)°的方式配置。优选λ/4板21b′在从来自被投影物的光出射到光学元件10B、10C的光的方向看光学元件10B、10C时，以吸收轴A1和滞相轴S1所成的角度成为±((2|θ4|+45°)+y1)°的方式配置。在此，λ/4板21b′在满足θ4≥0°时，以吸收轴A1和滞相轴S1所成的角度成为((2|θ4|+45°)+y1)°的方式配置，在满足θ4≤0°时，以吸收轴A1和滞相轴S1所成的角度成为-((2|θ4|+45°)+y1)°的方式配置。关于与θ3的关系，优选θ4具有θ4＝-θ3的关系。
图3(f)是用于说明在使第1偏振板22a的吸收轴和第2偏振板(或者，显示装置的显示面侧的偏振板)的吸收轴以大致正交的方式配置的情况下第1偏振板22a与第2相位差板21b具有的λ/4板21b′和λ/2板21b″的配置关系的示意性立体图。第1偏振板22a配置在反射型成像元件11(未图示)的光出射侧。λ/4板21b′和λ/2板21b″配置在反射型成像元件11的光入射侧。在反射型成像元件11和λ/4板21b′之间配置有λ/2板21b″，λ/4板21b′配置在比λ/2板21b″离反射型成像元件11更远处。将第1偏振板22a的透射轴设为T1，将λ/4板21b′的滞相轴设为S1，将λ/2板21b″的滞相轴设为S2，将第1偏振板22a的透射轴T1和λ/2板21b″的滞相轴S2所成的角度设为角度θ4′，将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向，取-90°≤θ4′≤90°的范围。从光学元件10B、10C(未图示)的光出射侧的法线方向看光学元件10B、10C时，若角度|θ4′|为大概15°或者75°，则能够使可见光区域中的相位差板的折射率的波长依存性的影响变小。因此，可见光区域中的光的波长的差异所导致的反射率的变化会变小，能够抑制空中影像的着色。如此，通过使用λ/4板并且使用λ/2板，能够使λ/4板和λ/2板的折射率的波长色散抵消。在此，使用了用降冰片烯类树脂形成的波长板，因此|θ4′|的最佳角度是大概15°或者75°，但当形成波长板的树脂不同时，折射率的波长色散会不同，因此最佳的|θ4′|的值会与此不同。最佳的|θ4′|的值能够通过模拟来求出。λ/4板21b′在从光学元件10B、10C的光出射侧的法线方向看光学元件10B、10C时，以透射轴T1和滞相轴S1所成的角度成为大致±((2|θ4′|+45°)+y2)°的方式配置。优选λ/4板21b′在从来自被投影物的光出射到光学元件10B、10C的光的方向看光学元件10B、10C时，以透射轴T1和滞相轴S1所成的角度成为±((2|θ4′|+45°)+y2)°的方式配置。在此，λ/4板21b′在满足θ4′≥0°时，以透射轴T1和滞相轴S1所成的角度成为((2|θ4′|+45°)+y2)°的方式配置，在满足θ4′≤0°时，以透射轴T1和滞相轴S1所成的角度成为-((2|θ4′|+45°)+y2)°的方式配置。y2是满足-31≤y2≤29的关系的值。发明者通过模拟进行研究的结果是，若y2是-31＞y2或者y2＞29的关系，则从观察方向V看空中影像时，受外部光的影响，空中影像的视觉识别性会变低。另外，关于与θ3的关系，优选θ4′具有θ4′＝-θ3的关系。这时，y1的值为正值时，y2的值成为负值，y1的值为负值时，y2的值成为正值。y1和y2的值根据观察方向V(参照图6)、θ1～θ4和θ4′、以及λ/4板和λ/2板的光学特性来适当决定。
根据这样的配置，杂散光被抑制，从而得到视觉识别性较高的空中影像。具体地说，当使用以对视觉灵敏度最高的波长为550nm的光的相位差满足λ/4的方式制造的λ/4板21′时，随着光的波长偏离550nm，相位差会偏离λ/4。其结果是，产生空中影像会着色的现象。当以具有上述关系的方式配置偏振板22、λ/4板21′以及λ/2板21″时，会使各相位板的折射率的波长色散的影响抵消，从而在整个可见光范围内满足λ/4条件。另外，可以配置多个λ/2板21″。这时，偏振板22的吸收轴A1或者透射轴T1和λ/2板21″的滞相轴S2的关系可以用公知的方法来另行设计。另外，也可以取代λ/2板21″，而配置具有与λ/4板21′的折射率为相反波长色散特性的λ/4板。而且，也可以取代λ/2板21″，而配置折射率和波长色散与λ/4板21′不同的相位差板。这时，优选以λ/4板21′的滞相轴和相位差板的滞相轴大致平行或者大致正交的方式配置。
在隔着反射型成像元件11使用2个偏振板22的情况下，从偏振板22的法线方向看时，优选以第1偏振板22a和第2偏振板22b这2个各自的吸收轴相互大致平行或者大致正交的方式配置第1偏振板22a和第2偏振板22b。另外，从来自被投影物的光从光学元件10C出射的光的方向，或者从来自被投影物的光入射到光学元件10C的光的方向看第1偏振板22a和第2偏振板22b时，优选以偏振板22a和22b这2个各自的吸收轴相互大致平行或者大致正交的方式配置偏振板22a和22b。根据这样的配置，能够提高空中影像的视觉识别性。
由于光学补偿元件23，空中影像的视觉识别性较高的视野角会变大。光学补偿元件23例如是将高分子膜拉伸，使高分子链在膜面内(与图4(b)的光学补偿元件23的XY面内对应)进行取向，由此被赋予光学各向异性而成的。或者光学补偿元件23也可以是液晶单元，该液晶单元是在基板中使液晶性单体进行取向，例如用紫外线使液晶性单体聚合，具有例如正的C板(Cplate)那样的功能，上述基板是在例如玻璃基板或者公知的相位差板等基板上形成使液晶分子相对于基板垂直地取向的垂直取向膜后进行了摩擦处理的基板。
接着，说明λ/4板21′、λ/2板21″以及光学补偿元件23(单轴性或者双轴性光学补偿元件23a、23b)的光学特性。
图4(a)是示出λ/4板21′、λ/2板21″、光学补偿元件23(单轴性或者双轴性光学补偿元件23a、23b)、第1相位差板21a以及第2相位差板21b的折射率椭圆体的图。如图4(a)所示，将折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将各自对波长为550nm的光的a轴的主折射率设为na，b轴的主折射率设为nb，c轴的主折射率设为nc。
λ/4板21′的折射率椭圆体的c轴与λ/4板21′的主面的法线方向大体平行，且a轴和b轴的方向在λ/4板21′的面内，主折射率的大小满足na≥nb的关系。在将各自的主折射率的大小的关系设Nz＝(na-nc)/(na-nb)时，优选λ/4板21′满足0.1≤Nz≤1的关系，更优选满足Nz＝0.5的关系。在将面内滞后设为Re(Re＝(na-nb)*d，(d：λ/4板21′的厚度))时，优选对波长为550nm的入射光满足100nm≤Re≤175nm的关系。
λ/2板21″的折射率椭圆体的c轴与λ/2板21″的主面的法线方向大体平行，且a轴和b轴的方向在λ/2板21″的面内，主折射率的大小满足na≥nb的关系。优选λ/2板21″满足0.1≤Nz≤1的关系，更优选满足Nz＝0.5的关系。将面内滞后设为Re(Re＝(na-nb)*d，(d：λ/2板21″的厚度))的话，优选对波长为550nm的入射光满足200nm≤Re≤250nm的关系。
由于λ/4板21′和λ/2板21″具有上述关系，λ/4板21′和λ/2板21″会成为空中影像的观察方向或者从被投影物入射到光学元件10的光的入射方向的差异所导致的相位差的变化较小的相位差板。其结果是，能够使空中影像的视觉识别性较高的视野角变大。
优选单轴性光学补偿元件23a的折射率椭圆体的c轴与单轴性光学补偿元件23a的主面的法线方向大体平行，且a轴和b轴的方向在单轴性光学补偿元件23a的面内，主折射率的大小满足nc＞na＝nb的关系(例如正的C板)或者nc＝na＞nb的关系(例如负的A板)。
另外，优选单轴性光学补偿元件23a以单轴性光学补偿元件23a的a轴或者b轴与第1相位差板21a(或者第2相位差板21b)具有的单轴性光学补偿元件23a以外的相位差板的滞相轴大致平行的方式配置，第1相位差板21a(或者第2相位差板21b)的Nz满足0.1≤Nz≤1的关系，更优选满足Nz＝0.5的关系。
单轴性光学补偿元件23a由于各自的主折射率具有上述关系，而会成为空中影像的观察方向或者从被投影物入射到光学元件10的光的入射方向的差异所导致的相位差的变化较小的单轴性光学补偿元件。其结果是，能够使空中影像的视觉识别性较高的视野角变大。
优选双轴性光学补偿元件23b的折射率椭圆体的c轴与双轴性光学补偿元件23b的主面的法线方向大体平行，且a轴和b轴的方向在双轴性光学补偿元件的面内，主折射率的大小满足nc＞na＞nb的关系。
另外，优选双轴性光学补偿元件23a以双轴性光学补偿元件23b的a轴或者b轴与第1相位差板21a(或者，第2相位差板21b)具有的双轴性光学补偿元件23b以外的相位差板的滞相轴大致平行的方式配置，第1相位差板21a(或者第2相位差板21b)的Nz满足0.1≤Nz≤1的关系，更优选满足Nz＝0.5的关系。
双轴性光学补偿元件23b由于各自的主折射率具有上述关系，而会成为空中影像的观察方向或者从被投影物入射到光学元件10的光的入射方向的差异所导致相位差的变化较小的双轴性光学补偿元件。其结果是，能够使空中影像的视觉识别性较高的视野角变大。
在上述的说明中，λ/4板21′、λ/2板21″以及光学补偿元件23各自的折射率椭圆体的c轴与λ/4板21′、λ/2板21″以及光学补偿元件23各自的法线方向大体平行，a轴、b轴在λ/4板21′、λ/2板21″以及光学补偿元件23各自的面内。本实施方式使用的λ/4板21′、λ/2板21″以及光学补偿元件23不限于上述的λ/4板21′、λ/2板21″以及光学补偿元件23，折射率椭圆体的c轴也可以相对于λ/4板21′、λ/2板21″以及光学补偿元件23各自的z轴(主面的法线方向)倾斜。
以下，参照图4(b)来说明折射率椭圆体的c轴从光学补偿元件的z轴倾斜的λ/4板21″′、λ/2板21″″以及光学补偿元件23′(单轴性或者双轴性光学补偿元件23a′、23b′)。图4(b)是示意性地示出λ/4板21″′、λ/2板21″″以及光学补偿元件23′分别与λ/4板21″′、λ/2板21″″以及光学补偿元件23′各自的折射率椭圆体的位置关系的图。
如图4(b)所示，定义如下正交坐标系：将λ/4板21″′、λ/2板21″″以及光学补偿元件23′各自的主面设为xy平面，将z轴方向设为λ/4板21″′、λ/2板21″″以及光学补偿元件23′各自的法线方向。图4(a)所示的折射率椭圆体的a轴、b轴、c轴从分别与x轴、y轴、z轴一致的状态起，其后，以c轴为中心顺时针旋转地旋转角度w，其后，以a轴为中心顺时针旋转地旋转角度θ，由此得到图4(b)所示的折射率椭圆体。
以下，在本说明书中，为了规定主轴倾斜了的λ/4板21″′、λ/2板21″″以及光学补偿元件23′各自的主轴方向，使用上述的w(方位角)和θ(倾斜角)。
优选λ/4板21″′、λ/2板21″″以及光学补偿元件23′各自的折射率椭圆体的c轴相对于相位差板和光学补偿元件各自的主面的法线方向(z轴方向)的倾斜角θ(图4(b))是入射到上述的光学元件10的光的入射角度β。在此，所谓入射到光学元件10的光的入射角度β，是光学元件10的主面的法线方向和入射到光学元件10的光的入射方向所成的角度β(0°＜β＜90°)(参照图6)。另外，入射角度β也是优选的空中影像的观察角度V(参照图6)。同样地，优选相位差板和光学补偿元件各自的折射率椭圆体的c轴的倾斜方位是空中影像的观察方位V(参照图6)。
折射率椭圆体的c轴从相位差板和光学补偿元件各自的z轴倾斜的λ/4板21″′、λ/2板21″″以及光学补偿元件23′在观察方向V(参照图6)上能够使空中影像的视野角变大。
接着，说明抑制外部光从光学元件出射的方法。
图5(a)是示出将对波长为550nm的光的面内滞后是137.5nm(对波长为550nm的光的λ/4的值)，Nz＝1的λ/4相位差板用于光学元件10时的外部光的等反射率曲线的图，图5(b)是示出将对波长为550nm的光的面内滞后是137.5nm，Nz＝0.5的λ/4相位差板用于光学元件10时的外部光70的等反射率曲线。图6是示出具有光学元件10的光学系统100的示意性截面图。
图5(a)和图5(b)各图将图4(b)中的X方向(X轴)设为方位角0°，由最外侧的圆示出的极角(自光学元件10的光出射侧的法线起的角度)是80°。图中的小数表示外部光70的反射率。所谓外部光70的反射率，是将外部光70的入射光的強度除以外部光70入射到光学元件10而在反射型成像元件11的表面进行反射，该反射光从光学元件10出射后的出射光的強度而得的。如图6所示，外部光70从光学元件10的光出射侧(观察者侧)向光学元件10入射，在光学元件10内进行奇数次(例如1次)反射，该反射光去往光学元件10的光出射侧。因此，当外部光70的反射率较高时，空中影像的视觉识别性会变差。
从图5可知，当使用对波长为550nm的光的面内滞后是137.5nm，Nz＝1的λ/4相位差板时，在极角60°附近会有外部光70的反射率较高的区域。极角60°附近的区域包含空中影像的观察方向，因此在该区域中，当外部光70的反射率较高时，空中影像的视觉识别性会降低。然而，当使用对波长为550nm的光的面内滞后是137.5nm，Nz＝0.5的λ/4相位差板时，极角60°附近的外部光70的反射率也较低，因此优选使用双轴性相位差板。此外，也可以在单轴性或者双轴性相位差板中使用单轴性光学补偿元件、双轴性光学补偿元件来使Nz接近0.5，在外部光70从斜向入射到光学元件10的情况下，能抑制外部光70从光学元件10出射。
接着，说明具有反射型成像元件11的光学系统100。
图6所示的光学系统100具有：被投影物(例如显示面板)30；以及具有从被投影物30出射的光60入射的第1主面和与第1主面平行的第2主面的光学元件10。光学系统100例如将显示于显示面板的显示面的影像成像在以光学元件10为对称面的面对称的位置40。另外，60a～60f示出有助于成像的光60的偏振状态。
在光学系统100中，在来自被投影物的光是圆偏振光(或者椭圆偏振光)的情况下，使用光学元件10A。在来自被投影物的光是直线偏振光的情况下，使用光学元件10B。在使用光学元件10B的情况下，在被投影物为例如具有偏振板的显示面板(例如，液晶显示装置)的情况下，从光学元件10的光入射侧的法线方向看第1偏振板22a和显示面板时，优选以显示面板的显示面侧的偏振板的吸收轴和光学元件10B的第1偏振板22a的吸收轴大致平行或者大致正交的方式配置显示面板。从来自显示面板的光入射到光学元件10的光的方向看第1偏振板22a和显示面板时，优选以第1偏振板22a的吸收轴和显示面板的显示面侧的偏振板的吸收轴相互大致平行或者大致正交的方式配置显示面板。即使来自被投影物的光是非偏振光，也可以使用光学元件10C。
作为被投影物30，优选显示面板，更优选使用例如能够容易地控制视野角的液晶显示面板。此外，也能够将有机EL显示器、等离子体显示器、投影仪或者LED显示器用作显示面板。在使用有机EL显示器或者等离子体显示器等难以控制视野角的显示面板的情况下，需要使用视野角控制膜，由此得到调整为希望的视野角的显示面板。而且，在将投影仪或者LED显示器用作显示面板的情况下，光的指向性较强，视野角较窄，因此需要在显示面板和反射型成像元件10之间使用对光线赋以角度的透镜。
如上所述，利用光学元件10具有的例如第1偏振板22a和第1相位差板21a，能够抑制由于外部光70(70a～70e示出外部光70的偏振状态。)而在反射型成像元件11的表面进行反射的光从光学元件10的光出射侧出射。另外，如上所述，能够抑制无助于成像的杂散光从光学元件10的光出射侧出射，因此可以使空中影像的视觉识别性提高。由于光学元件10具有例如光学补偿元件23，空中影像的视野角会变大。
工业上的可利用性
在具有能够使被投影物的像在空间成像的反射型成像元件和显示面板的光学系统中能够广泛应用本发明。
附图标记说明
10、10A、10B、10C光学元件
11反射型成像元件
14、15镜面要素
20透明基板
21相位差板
30被投影物
40位置
60、70光
100、100A、100B、100C光学系统

Claims (40)

1.一种光学元件，具有：
对来自被投影物的光进行偶数次反射来使上述被投影物的像成像的反射型成像元件；
配置在上述反射型成像元件的光出射侧的第1偏振板；
配置在上述反射型成像元件和上述第1偏振板之间的第1相位差板；
配置在上述反射型成像元件的光入射侧的第2偏振板；以及
配置在上述反射型成像元件和上述第2偏振板之间的第2相位差板，
上述第2偏振板和上述第2相位差板构成为来自上述被投影物的上述光作为圆偏振光、椭圆偏振光或者直线偏振光入射到上述反射型成像元件。
2.根据权利要求1所述的光学元件，
在上述反射型成像元件的光出射侧还具有防反射膜，在上述防反射膜和上述第1相位差板之间具有上述第1偏振板。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，
在上述反射型成像元件的光入射侧和光出射侧中的至少一方还具有透明基板。
4.根据权利要求1或2所述的光学元件，
上述第1相位差板和上述第2相位差板具有λ/4板。
5.根据权利要求4所述的光学元件，
上述第1相位差板具有上述λ/4板，
从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，
上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是(45+x)°或者-(45+x)°，满足-8≤x≤10的关系。
6.根据权利要求4所述的光学元件，
上述第2相位差板具有上述λ/4板，
从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，
上述第1偏振板的吸收轴或者透射轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是(45+x)°或者-(45+x)°，满足-8≤x≤10的关系。
7.根据权利要求4或5所述的光学元件，
上述第1相位差板和上述第2相位差板中的至少一方具有λ/2板。
8.根据权利要求7所述的光学元件，
上述第1相位差板具有上述λ/2板和λ/4板，
从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，
将上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/2板的滞相轴所成的角度设为θ，
上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是±((2|θ|+45)+y)°，满足-31≤y≤29的关系。
9.根据权利要求7所述的光学元件，
上述第2相位差板具有上述λ/2板和λ/4板，
从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，
将上述第1偏振板的吸收轴或者透射轴和上述λ/2板的滞相轴所成的角度设为θ，上述第1偏振板的吸收轴或者透射轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是±((2|θ|+45)+y)°，满足-31≤y≤29的关系。
10.根据权利要求8所述的光学元件，
上述θ为正值时，上述第1偏振板的吸收轴或者透射轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是((2|θ|+45)+y)°，上述θ为负值时，上述第1偏振板的吸收轴或者透射轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是-((2|θ|+45)+y)°。
11.根据权利要求7所述的光学元件，
上述λ/2板在将上述λ/2板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述λ/2板的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足na≥nb的关系，
在设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1，
上述λ/2板对波长为550nm的光的面内滞后Re满足235nm≤Re≤310nm的关系。
12.根据权利要求4所述的光学元件，
上述λ/4板在将上述λ/4板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述λ/4板的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，
将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足na≥nb的关系，
在设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1，
上述λ/4板对波长为550nm的光的面内滞后Re满足100nm≤Re≤170nm的关系。
13.根据权利要求1或2所述的光学元件，
上述第1相位差板和第2相位差板中的至少一方具有单轴性光学补偿元件，
在将上述单轴性光学补偿元件的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述单轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，
满足nc>na＝nb或者nc＝na>nb的关系。
14.根据权利要求13所述的光学元件，
上述第1相位差板具有上述单轴性光学补偿元件，
上述单轴性光学补偿元件以上述单轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第1相位差板的上述单轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位差板的滞相轴大致平行的方式配置，
在将上述第1相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述单轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1的关系。
15.根据权利要求13所述的光学元件，
上述第2相位差板具有单轴性光学补偿元件，
上述单轴性光学补偿元件以上述单轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第2相位差板的上述单轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位差板的滞相轴大致平行的方式配置，
在将上述第2相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述单轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1的关系。
16.根据权利要求1或2所述的光学元件，
上述第1相位差板和上述第2相位差板中的至少一方具有双轴性光学补偿元件，
在将上述双轴性光学补偿元件的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述双轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，
满足nc>na>nb的关系。
17.根据权利要求16所述的光学元件，
上述第1相位差板具有上述双轴性光学补偿元件，
上述双轴性光学补偿元件以上述双轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第1相位差板的上述双轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位板的滞相轴大致平行的方式配置，
在将上述第1相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述双轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1的关系。
18.根据权利要求16所述的光学元件，
上述第2相位差板具有上述双轴性光学补偿元件，
上述双轴性光学补偿元件以上述双轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第2相位差板的上述双轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位板的滞相轴大致平行的方式配置，
在将上述第2相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述双轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1的关系。
19.根据权利要求11所述的光学元件，
上述Nz满足Nz＝0.5的关系。
20.根据权利要求11所述的光学元件，
将上述c轴的方向和上述主面的法线方向所成的角度设为倾斜角，上述倾斜角是从被投影物入射到上述光学元件的光的入射角。
21.根据权利要求1或2所述的光学元件，
从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述第1偏振板和上述第2偏振板时，
上述第1偏振板和上述第2偏振板以上述第1偏振板的吸收轴和上述第2偏振板的吸收轴大致平行或者大致正交的方式配置。
22.一种光学系统，具有：
光学元件，其具有：
对来自被投影物的光进行偶数次反射来使上述被投影物的像成像的反射型成像元件；
配置在上述反射型成像元件的光出射侧的第1偏振板；以及
配置在上述反射型成像元件和上述第1偏振板之间的第1相位差板；以及
配置在上述光学元件的光入射侧的作为上述被投影物的显示面板，
将显示于上述显示面板的显示面的影像成像在以上述光学元件为对称面的面对称的位置，
构成为从上述显示面板发出的光是圆偏振光或者椭圆偏振光，来自上述被投影物的上述光作为圆偏振光或者椭圆偏振光入射到上述反射型成像元件。
23.根据权利要求22所述的光学系统，
在上述反射型成像元件的光出射侧还具有防反射膜，
在上述防反射膜和上述第1相位差板之间具有上述第1偏振板。
24.根据权利要求22或23所述的光学系统，
在上述反射型成像元件的光出射侧和光入射侧中的至少一方还具有透明基板。
25.根据权利要求22或23所述的光学系统，
上述第1相位差板具有λ/4板。
26.根据权利要求25所述的光学系统，
从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，
在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，
上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是(45+x)°或者-(45+x)°，满足-8≤x≤10的关系。
27.根据权利要求24或25所述的光学系统，
上述第1相位差板具有λ/2板。
28.根据权利要求27所述的光学系统，
上述第1相位差板具有上述λ/2板和λ/4板，
从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述光学元件时，在将逆时针旋转设为正方向，将顺时针旋转设为负方向的情况下，
将上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/2板的滞相轴所成的角度设为θ，
上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是±((2|θ|+45)+y)°，满足-29≤y≤30的关系。
29.根据权利要求28所述的光学系统，
上述θ为正值时，上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是((2|θ|+45)+y)°，上述θ为负值时，上述第1偏振板的吸收轴和上述λ/4板的滞相轴所成的角度是-((2|θ|+45)+y)°。
30.根据权利要求27所述的光学系统，
上述λ/2板在将上述λ/2板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述λ/2板的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，
将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足na≥nb的关系，
在设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1，
上述λ/2板对波长为550nm的光的面内滞后Re满足235nm≤Re≤310nm的关系。
31.根据权利要求25所述的光学系统，
上述λ/4板在将上述λ/4板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述λ/4板的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，
将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足na≥nb的关系，
在设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，满足0.1≤Nz≤1，
上述λ/4板对波长为550nm的光的面内滞后Re满足100nm≤Re≤170nm的关系。
32.根据权利要求22或23所述的光学系统，
上述第1相位差板具有单轴性光学补偿元件，
在将上述单轴性光学补偿元件的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述单轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，
将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足nc>na＝nb或者nc＝na>nb的关系。
33.根据权利要求32所述的光学系统，
上述第1相位差板具有上述单轴性光学补偿元件，上述单轴性光学补偿元件以上述单轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第1相位差板的上述单轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位板的滞相轴大致平行的方式配置，
在将上述第1相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述单轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，
满足0.1≤Nz≤1的关系。
34.根据权利要求22或23所述的光学系统，
上述第1相位差板具有双轴性光学补偿元件，
在将上述双轴性光学补偿元件的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述双轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，
将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc的情况下，满足nc>na>nb的关系。
35.根据权利要求34所述的光学系统，
上述第1相位差板具有上述双轴性光学补偿元件，上述双轴性光学补偿元件以上述双轴性光学补偿元件的上述a轴或者上述b轴和上述第1相位差板的上述双轴性光学补偿元件以外的相位差板中的至少一个相位板的滞相轴大致平行的方式配置，
在将上述第1相位差板的折射率椭圆体的主轴设为a轴、b轴、c轴，将距上述双轴性光学补偿元件的主面的法线方向最近的主轴设为上述c轴，将各自对波长为550nm的光的主折射率设为na、nb、nc，设Nz＝(na-nc)/(na-nb)的情况下，
满足0.1≤Nz≤1的关系。
36.根据权利要求30所述的光学系统，
上述Nz满足Nz＝0.5的关系。
37.根据权利要求30所述的光学系统，
将上述c轴的方向和上述主面的法线方向所成的角度设为倾斜角，上述倾斜角是从被投影物入射到上述光学元件的光的入射角。
38.一种光学系统，具有：
权利要求1至20中的任一项所述的光学元件；和
配置在上述光学元件的光入射侧的显示面板，
将显示于上述显示面板的显示面的影像成像在以上述光学元件为对称面的面对称的位置，
从上述显示面板发出的光是直线偏振光。
39.根据权利要求38所述的光学系统，
从上述光学元件的光出射侧的法线方向，或者从来自上述被投影物的光从上述光学元件出射的光的方向看上述第1偏振板和上述显示面板时，上述显示面板以上述显示面板的显示面侧的偏振板的吸收轴和上述第1偏振板的吸收轴大致平行或者大致正交的方式配置。
40.一种光学系统，具有：
权利要求1或者21所述的光学元件；和
配置在上述光学元件的光入射侧的显示面板，
将显示于上述显示面板的显示面的影像成像在以上述光学元件为对称面的面对称的位置。
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