CN107238926A - 光学元件、显示装置、以及光学元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于能够减少格纹状的图案或能够减少外界的像的模糊的显示装置的光学元件。本发明的光学元件(30)具备：多个半反射镜，它们以隔开间隔的方式相互平行地设置，使图像光以及外界光的一部分反射，并使图像光以及外界光的另一部分透过；以及透光性部件，其对多个半反射镜进行支承，透光性部件具有：使图像光以及外界光入射的入射面、以及使图像光以及外界光射出的射出面，多个半反射镜分别相对于入射面以及射出面倾斜地配置并且具有沿着倾斜方向而反射率不同的多个区域。

Description

光学元件、显示装置、以及光学元件的制造方法
技术领域
本发明涉及光学元件、显示装置、以及光学元件的制造方法。
背景技术
近年来，作为一种可穿戴信息设备，可提供装戴于头戴式显示器等的观察者的头部而使用的方式的图像显示装置。另外，公知有所谓的透视型的图像显示装置，即：在观察者装戴了图像显示装置时，能够同时视认由显示元件生成的图像与观察者的外界的像双方的图像显示装置。例如下述的专利文献1公开有，具备：图像生成装置、以及包含由衍射光栅构成的图像取出系统的光引导部件的透视型的显示装置系统。
专利文献1：日本特开2004-157520号公报
例如在专利文献1的显示装置系统中，只要观察者的眼的位置如装置的设计那样，则能够视认均匀的图像。然而，存在在眼的位置相对于来自图像显示装置的射出光平行地移动的情况下，由于衍射光栅的条纹图案而视认格纹状的图案的课题。另外，与衍射光栅存在于观察者的眼前同等，存在从外界到达的光衍射，外界的像看起来模糊的课题。
发明内容
本发明的一个方式是为了解决上述课题中的至少一个而完成的。即，本发明的一个方式目的之一在于提供能够减少视认格纹状的图案的显示装置。或者，本发明的一个方式目的之一在于提供能够减少外界的像看起来模糊的显示装置。另外，本发明的一个方式目的在于提供适用于上述的显示装置的光学元件。另外，本发明的一个方式目的在于提供上述的光学元件的制造方法。
为了实现上述的目的，本发明的一个方式的光学元件具备：多个半反射镜，它们以隔开间隔的方式相互平行地设置，使图像光以及外界光的一部分反射，并使上述图像光以及上述外界光的另一部分透过；以及透光性部件，其对上述多个半反射镜进行支承，上述透光性部件具有：使上述图像光以及上述外界光入射的入射面、以及使上述图像光以及上述外界光射出的射出面，上述多个半反射镜分别相对于上述入射面以及上述射出面倾斜地配置，并且具有反射率沿着倾斜方向而不同的多个区域。
在本发明的一个方式的光学元件中，多个半反射镜分别具有反射率沿着倾斜方向而不同的多个区域，因此图像光透过至少一部分的半反射镜，在通过其他的半反射镜反射而射出时，能够使从多个半反射镜分别射出的图像光的强度均匀地靠近。由此，能够减少由图像光产生的格纹状的图案。另外，外界光的一部分透过一个半反射镜，另一方面，外界光的另一部分在一个半反射镜反射后，能够使在其他半反射镜再次反射而射出时也从多个半反射镜分别射出的外界光的强度均匀地靠近。由此，能够减少外界的像的模糊。
在本发明的一个方式的光学元件中，优选，上述半反射镜与上述射出面所成的角度为45°以上且不足90°，上述半反射镜具有：在上述倾斜方向上位于靠近上述射出面的一侧且上述反射率相对较高的高反射率区域；和在上述倾斜方向上位于比上述高反射率区域远离上述射出面的一侧且上述反射率比上述高反射率区域低的低反射率区域。
根据该结构，在半反射镜与射出面所成的角度为45°以上且不足90°的情况下，能够使从多个半反射镜分别射出的图像光的强度均匀地靠近。由此，能够减少因图像光引起的格纹状的图案。
在本发明的一个方式的光学元件中，优选，上述半反射镜与上述射出面所成的角度不足45°，上述半反射镜具有：在上述倾斜方向上位于靠近上述射出面的一侧且上述反射率相对低的低反射率区域；以及在上述倾斜方向上位于比上述低反射率区域远离上述射出面的一侧且上述反射率比上述低反射率区域高的高反射率区域。
根据该结构，在半反射镜与射出面所成的角度不足45°的情况下，能够使从多个半反射镜分别射出的外界光的强度均匀地靠近。由此，能够减少外界的像的模糊。
在本发明的一个方式的光学元件中，优选，上述半反射镜由金属膜构成。
根据该结构，通过使金属膜的膜厚根据区域而不同，能够形成反射率不同的多个区域。
在本发明的一个方式的光学元件中，优选，上述半反射镜由电介质多层膜构成。
根据该结构，通过使电介质多层膜的结构根据区域而不同，能够形成反射率不同的多个区域。
本发明的一个方式的显示装置的特征在于，具备：图像形成装置；以及导光装置，其对由上述图像形成装置生成的图像光进行导光，上述导光装置具备：使上述图像光入射的入射部；对从上述入射部入射的上述图像光进行导光的导光体；以及使上述图像光射出的射出部，上述射出部具备本发明的一个方式的光学元件。
本发明的一个方式的显示装置具备：具有本发明的一个方式的光学元件的射出部，因此能够实现能够减少视认格纹状的图案的显示装置。或者，能够实现能减少外界的像看起来模糊的显示装置。
在本发明的一个方式的显示装置中，上述射出部也可以设置于上述导光体的视认侧的面。
根据该结构，能够实现设计容易的显示装置。
本发明的一个方式的光学元件的制造方法的特征在于，具备：在透光性基板的一面使用掩模来形成具有反射率不同的多个区域的半反射镜，制成由形成有上述半反射镜的透光性基板构成的要素板的工序；以使上述半反射镜朝向相同方向的方式层叠多个上述要素板，制成层叠有上述多个要素板的层叠体的工序；以及以使上述半反射镜分别相对于切剖面倾斜且上述多个区域沿着倾斜方向配置的方式切断上述层叠体，制成光学元件的工序。
根据该结构，能够制造能够减少因图像光产生的格纹状的图案的光学元件。或者，能够制造能够减少因外界光产生的像的模糊的光学元件。
附图说明
图1是第1实施方式的显示装置的俯视图。
图2是导光装置的背面图。
图3是表示导光装置的图像光的光路的图。
图4是第1实施方式的光学元件的放大图。
图5是光学元件的分解立体图。
图6A是用于对半反射镜的第1制造方法进行说明的工序图。
图6B是图6A的工序的延续。
图6C是图6B的工序的延续。
图7A是用于对半反射镜的第2制造方法进行说明的工序图。
图7B是图7A的工序的延续。
图8是用于对光学元件的制造方法进行说明的图。
图9是用于对第1实施方式的光学元件的作用进行说明的图。
图10是表示从多个半反射镜射出的图像光的相对强度的图。
图11是表示从多个半反射镜射出的图像光的相对强度的模拟结果的图。
图12是用于对第1实施方式的光学元件的其他作用进行说明的图。
图13是表示使两个区域的反射率变化时的相对强度差的模拟结果的图。
图14是第2实施方式的光学元件的放大图。
图15是用于对第2实施方式的光学元件的作用进行说明的图。
具体实施方式
第1实施方式
以下，使用图1～图13对本发明的第1实施方式进行说明。
第1实施方式的显示装置例如作为头戴式显示器使用。
图1是第1实施方式的显示装置的俯视图。图2是导光装置的背面图。图3是表示导光装置的图像光的光路的图。
此外，为了在以下的各附图中容易看清各构成要素，有时根据构成要素而使尺寸的比例尺不同而示出。
(导光装置以及显示装置的整体结构)
如图1所示，显示装置100具备图像形成装置10和导光装置20。图1与图2所示的导光装置20的A-A剖面对应。
显示装置100使观察者视认作为虚像的图像，并且，观察者透视观察外界像。在显示装置100中，图像形成装置10与导光装置20同观察者的右眼与左眼对应地各自设置一组，但右眼用与左眼用左右对称，因此这里仅示出左眼用，右眼用省略图示。此外，显示装置100作为整体，例如具有一般的眼镜那样的外观(未图示)。
图像形成装置10具备液晶面板11和投射透镜12。液晶面板11对来自光源14的照明光进行空间调制，形成应该成为动态图像之外的显示对象的图像光GL。投射透镜12是使从液晶面板11上的各点射出的图像光GL成为近似平行光线的准直透镜。投射透镜12由玻璃或者塑料形成，不局限一个，也可以由多个构成。作为投射透镜12，不局限于球面透镜，也可以使用非球面透镜、自由曲面透镜等。
导光装置20具有平板状的透光部件。导光装置20将由图像形成装置10形成的图像光GL作为虚像光朝向观察者的眼EY射出，另一方面，使构成外界像的外界光EL透过。导光装置20具备：获取图像光的入射部21、主要对图像光进行导光的平行导光体22、以及用于将图像光GL和外界光EL取出的射出部23。平行导光体22与入射部21由具有高透光性的树脂材料一体成形。在第1实施方式的情况下，在导光装置20传播的图像光GL的光路由相同次数反射的1种光路构成，不是将多种光路合成。
平行导光体22相对于以观察者的眼EY为基准的光轴AX倾斜地配置。平行导光体22的平面22a的法线方向Z相对于光轴AX仅以角度κ倾斜。由此，能够使平行导光体22沿着脸部的前面配置，平行导光体22的平面22a的法线相对于光轴AX具有倾斜。这样，在使平行导光体22的平面22a的法线相对于与光轴AX平行的x方向仅以角度κ倾斜的情况下，从光学元件30射出的光轴AX上以及其附近的图像光GL0相对于光射出面OS的法线成为角度κ。
入射部21具有：将来自图像形成装置10的图像光GL获取至入射部21内的光入射面IS、将获取的图像光GL反射而向平行导光体22内引导的反射面RS。光入射面IS由向投射透镜12侧凹陷的曲面21b形成。曲面21b也具有由内表面侧将由反射面RS反射的图像光GL全反射的功能。
反射面RS由向投射透镜12侧凹陷的曲面21a形成。反射面RS由在曲面21a上通过蒸镀法等而成膜的铝膜等金属膜构成。反射面RS将从光入射面IS入射的图像光GL反射而使光路折弯。曲面21b使由反射面RS反射的图像光GL在内侧全反射而使光路折弯。这样，入射部21通过使从光入射面IS入射的图像光GL二次反射、并使光路折弯，可靠地将图像光GL向平行导光体22的内部引导。
平行导光体22是相对于y轴平行、并且相对于z轴倾斜的平板状的导光部件，也称为导光体。平行导光体(导光体)22由透光性的树脂材料等形成，并具有相互近似平行的一对平面22a、22b。平面22a、22b是平行平面，因此不会产生外界像的放大、焦点转移。平面22a作为使来自入射部21的图像光全反射的全反射面而发挥功能，并具有以较少的损失将图像光GL向射出部23引导的作用。平面22a配置于平行导光体22的外界侧而作为第1全反射面发挥功能，本说明书中也称为外界侧面。
平面22b在本说明书中也称为观察者侧面。平面(观察者侧面)22b延伸至射出部23的一端。此处，平面22b是平行导光体22与射出部23的边界面IF(参照图3)。
在平行导光体22中，由入射部21的反射面RS或光入射面IS反射的图像光GL入射至作为全反射面的平面22a，被平面22a全反射，向导光装置20的里侧即设置有射出部23的+x侧或X侧被引导。如图2所示，平行导光体22作为导光装置20的外形中的+x侧的端面而具有终端面ES。另外，平行导光体22作为±y侧的端面而具有上端面TP以及下端面BP。
如图3所示，射出部23在平行导光体22的里侧(+x侧)，沿着平面22b或边界面IF而构成为板状。射出部23在使在平行导光体22的外界侧的平面(全反射面)22a的区域FR全反射的图像光GL通过时，使入射的图像光GL以规定的角度反射而朝光射出面OS侧折弯。此处，不使该图像光GL透过射出部23而使最初入射的图像光GL成为作为虚像光的取出对象。换句话说，即使有射出部23中由光射出面OS的内表面反射的光，也不将其作为图像光利用。
射出部23具有：将具有透过性的多个半反射镜排列而成的光学元件30。光学元件30的构造参照图4等在后文中详述。光学元件30沿着平行导光体22的观察者侧的平面22b形成。
导光装置20具有以上那样的构造，因此从图像形成装置10射出、并从光入射面IS入射至导光装置20的图像光GL在入射部21通过多次反射而折弯，在平行导光体22的平面22a的区域FR全反射而大致沿着光轴AX进入。在+z侧的平面22a的区域FR反射的图像光GL入射至射出部23。
此时，在xy面内，区域FR的长边方向的宽度小于射出部23的长边方向的宽度。换句话说，图像光GL的光线束入射至射出部23(或者光学元件30)的入射宽度大于图像光GL的光线束入射至区域FR的入射宽度。这样，通过使图像光GL的光线束入射至区域FR的入射宽度相对狭窄，从而难以产生光路的干涉，不将边界面IF用于导光即在边界面IF不反射图像光GL，而容易使来自区域FR的图像光GL直接入射至射出部23(或光学元件30)。
入射至射出部23的图像光GL成为通过在射出部23以适度的角度折弯而能够取出的状态，最终从光射出面OS射出。从光射出面OS射出的图像光GL作为虚像光入射至观察者的眼EY。该虚像光在观察者的网膜成像，观察者能够识别由虚像产生的图像光GL。
此处，用于像形成的图像光GL入射至射出部23的角度随着从光源侧的入射部21离开而变大。即，在射出部23的里侧，相对于与外界侧的平面22a平行的Z方向、或者光轴AX倾斜较大的图像光GL入射而以比较大的角度折弯，在射出部23的前侧，相对于Z方向、或者光轴AX倾斜较小的图像光GL入射而以比较小的角度折弯。
(图像光的光路)
以下，对图像光的光路详细地进行说明。
如图3所示，使从液晶面板11的射出面11a上分别射出的图像光中的、从用虚线示出的射出面11a的中央部分射出的成分成为图像光GL0，使用点划线示出的射出面11a的周边中的从纸面左侧(-x以及+z侧)射出的成分成为图像光GL1，使用双点划线示出的射出面11a的周边中的从纸面右侧(+x以及-z侧)射出的成分成为图像光GL2。其中，图像光GL0的光路沿着光轴AX延伸。
经过了投射透镜12的图像光GL0、GL1、GL2的主要成分在从导光装置20的光入射面IS分别入射后，经由入射部21通过平行导光体22内到达射出部23。
具体而言，图像光GL0、GL1、GL2中的从射出面11a的中央部分射出的图像光GL0在入射部21折弯而与平行导光体22内结合后，以标准反射角θ0入射至一方的平面22a的区域FR而全反射，未在平行导光体22与射出部23(或光学元件30)的边界面IF反射而通过边界面IF，直接入射至射出部23的中央的部分23k。图像光GL0在部分23k中以规定的角度反射，从光射出面OS向相对于包含光射出面OS的XY面倾斜的光轴AX方向(相对于Z方向为角度κ的方向)作为平行光束而射出。
从射出面11a的一端侧(-x侧)射出的图像光GL1在入射部21折弯而结合于平行导光体22内后，以最大反射角θ1入射至平面22a的区域FR而全反射，未通过平行导光体22与射出部23(或光学元件30)的边界面IF反射而通过边界面IF，在射出部23中的里侧(+x侧)的部分23h以规定的角度反射，从光射出面OS朝向规定的角度方向作为平行光束射出。此时的射出角γ1返回入射部21侧的角度相对变大。
另一方面，从射出面11a的另一端侧(+x侧)射出的图像光GL2在入射部21折弯而结合于平行导光体22内后，以最小反射角θ2入射至平面22a的区域FR而全反射，未在平行导光体22与射出部23(或光学元件30)的边界面IF反射而通过边界面IF，在射出部23中的入口侧(-x侧)的部分23m以规定的角度反射，从光射出面OS朝向规定的角度方向作为平行光束射出。此时的射出角γ2返回入射部21侧的角度相对变小。
此外，图像光GL0、GL1、GL2代表图像光GL的光线全体的一部分而说明，但构成其他的图像光GL的光线成分也与图像光GL0等同样被引导，从光射出面OS射出。因此，这些省略图示以及说明。
此处，若作为用于入射部21以及平行导光体22的透明树脂材料的折射率n的值的一个例子而为n＝1.4，则临界角θc的值为θc≈45.6°。通过使图像光GL0、GL1、GL2的反射角θ0、θ1、θ2中的最小的反射角θ2成为比临界角θc大的值，能够满足必要的图像光全反射条件。
朝向中央的图像光GL0以仰角φ0(＝90°-θ0)入射至射出部23的部分23k。朝向周边的图像光GL1以仰角φ1(＝90°-θ1)入射至射出部23的部分23h。朝向周边的图像光GL2以仰角φ2(＝90°-θ2)入射至射出部23的部分23m。此处，在仰角φ0、φ1、φ2之间，反映反射角θ0、θ1、θ2的大小关系，φ2＞φ0＞φ1的关系成立。即，朝光学元件30的半反射镜31的入射角ι(参照图4)按与仰角φ2对应的部分23m、与仰角φ0对应的部分23k、与仰角φ1对应的部分23h的顺序缓缓变小。换言之，朝半反射镜31的入射角ι或在半反射镜31的反射角随着从入射部21离开而变小。
针对通过平行导光体22的外界侧的平面22a反射而朝向射出部23的图像光GL的光线束的全体的动作进行说明。
如图3所示，图像光GL的光线束在包含光轴AX的剖面在平行导光体22的外界侧的区域FR反射的前后的直线传播光路P1、P2的任一个幅度被缩小。具体而言，图像光GL的光线束在包含光轴AX的剖面，区域FR近边换句话说在直线传播光路P1、P2的边界附近跨越于直线传播光路P1、P2的位置作为整体幅度被缩小而光束幅度变细。由此，在射出部23的近前将图像光GL的光线束缩小，容易使横向的视角比较广。
此外，图示的例子中，图像光GL的光线束在跨越于直线传播光路P1、P2那样的位置宽度被缩小而光束幅度变细，但也可以仅在直线传播光路P1、P2的任一侧幅度被缩小而光束幅度变细。
(光学元件的结构)
以下，参照图3～图5对构成射出部23的光学元件30的结构进行说明。
射出部23由设置于平行导光体22的视认侧的面的光学元件30构成。因此，射出部23与平行导光体22相同，沿着相对于光轴AX仅以角度κ倾斜的XY平面设置。光学元件30具备：多个半反射镜31和多个透光性部件32。光学元件30多个透光性部件32具有在邻接的两个透光性部件32之间分别夹持半反射镜31的结构。换言之，光学元件30具有半反射镜31与透光性部件32交替配置的结构。
图5是表示在将光学元件30分解为以一对透光性部件32与半反射镜31的组为单位的状态下的立体图。
如图5所示，透光性部件32是与长边方向垂直的剖面形状为平行四边形的柱状的部件。因此，透光性部件32具有两组与长边方向平行地延伸并相互平行的一对平面。这两组的一对平面中的一个组的一个平面是使图像光GL以及外界光EL入射的入射面32a，一个组的另一个平面是使图像光GL以及外界光EL射出的射出面32b。另外，在另一组的一个平面设置有具有膜厚不同的区域31A、31B、31C的半反射镜31。透光性部件32由例如玻璃、透明树脂等构成。
多个透光性部件32构成为全部相同的形状、相同的尺寸。因此，若使多个由一对透光性部件32与半反射镜31构成的组贴合，则多个半反射镜31成为相互平行地配置的形态。图4以及图5中省略图示，但在半反射镜31的一个面与邻接的透光性部件32之间设置有粘合材层。由此，光学元件30作为整体成为矩形板状的部件。若从透光性部件32的入射面32a或射出面32b的法线方向观察光学元件30，则成为较细的带状的多个半反射镜31以条纹状并列的构造。即，光学元件30具有：矩形状的半反射镜31在平行导光体22的延伸方向即X方向上隔开规定的间隔(间距PT)地排列有多个的结构。
此外，如图4所示，半反射镜31的一个面是平坦的面，另一个面是具有膜厚之差的阶梯差的面，严格来说，难以说成邻接的半反射镜31彼此相互平行。然而，本发明中，在半反射镜的至少一个面平行时，视为多个半反射镜相互平行。半反射镜由薄膜构成，膜厚之差也很小，因此若无视膜厚之差，则说成多个半反射镜相互平行也无妨。
半反射镜31由被夹持于透光性部件32间的反射膜构成。作为反射膜，例如使用铝等反射率高的金属膜。反射膜的厚度足够薄，因此半反射镜31使入射至光学元件30的图像光GL以及外界光EL的一部分反射，使图像光GL以及外界光EL的其它一部分透过。此外，作为反射膜，也可以使用折射率不同的电介质薄膜交替多层层叠的电介质多层膜。
半反射镜31设置为半反射镜31的短边相对于透光性部件的入射面32a以及射出面32b而倾斜。更具体而言，半反射镜31以朝向平行导光体22的外界侧而反射面31r朝向入射部21侧的方式倾斜。换言之，半反射镜31以半反射镜31的长边(Y方向)作为轴，上端(+Z侧)以与平面22a、22b正交的YZ面为基准向绕逆时针旋转的方向倾斜。
以下，将半反射镜31的反射面31r与透光性部件32的射出面32b所成的角度定义为半反射镜31的倾斜角度δ。本实施方式中，半反射镜31的倾斜角度δ为45°以上不足90°。在本实施方式中，透光性部件32的折射率与平行导光体22的折射率相等，这些的折射率也可以不同。在折射率不同的情况下，相对于折射率相等的情况需要变更半反射镜31的倾斜角度δ。
半反射镜31具有反射率沿着倾斜方向而不同的多个区域31A、31B、31C。图4的例子中，作为反射膜使用金属膜，半反射镜31由沿着倾斜方向具有膜厚不同的多个区域的金属膜构成。各区域31A、31B、31C的金属膜的膜厚例如是10nm、20nm、30nm。该例子中，半反射镜31具有反射率不同的三个区域31A、31B、31C，但区域的数量不局限于三个，区域的数量为两个以上即可。另外，半反射镜不是具有反射率阶段性地不同的区域，反射率也可以连续地不同。也包括在反射率连续地不同的情况下，半反射镜具有膜厚不同的多个区域这样的概念。
如上述那样，在作为反射膜使用金属膜的情况下，通过根据区域而使膜厚不同，能够使反射率不同。另外，在作为反射膜使用了电介质多层膜的情况下，通过根据区域使电介质多层膜的1层的量的膜厚、层叠数、电介质材料的任一个不同，从而能够使反射率不同。
如本实施方式那样，在半反射镜31的倾斜角度δ为45°以上不足90°的情况下，在倾斜方向上靠近射出面32b的一侧设置有反射率相对高的高反射率区域31A。另外，在倾斜方向比高反射率区域31A距射出面32b更远的一侧设置有具有比高反射率区域31A的反射率低的反射率的低反射率区域31C。另外，在高反射率区域31A与低反射率区域31C之间设置有具有高反射率区域31A的折射率与低反射率区域31C的折射率之间的折射率的中间反射率区域31B。即，从入射面32a朝向射出面32b，依次设置有低反射率区域31C、中间反射率区域31B以及高反射率区域31A。
此外，光学元件30的半反射镜31的间距PT设定为0.5mm～2.0mm左右。另外，如图4所示，在光学元件30中，半反射镜31的间距稍宽地设定，外界光EL的一部分未入射至半反射镜31，透过光学元件30。该情况下，通过适当地调整半反射镜31的间距，能够避免外界光EL直接透过光学元件30。
半反射镜31的间距PT严格来说不是以等间隔而以可变间距配置。更具体而言，光学元件30的半反射镜31的间距PT成为以基准间隔为中心而随机地增减的随机间距。这样，通过以随机间距配置光学元件30的半反射镜31，能够抑制衍射不均匀、莫尔纹的产生。此外，不局限于随机间距，例如也可以反复包含以多个阶段增减的间距的规定的间距类型。
此处，将光学元件30的厚度即半反射镜31的Z轴向的厚度TI设定为0.7mm～3.0mm左右。此外，对光学元件30进行支承的平行导光体22的厚度例如为数mm～10mm左右，优选为4mm～6mm左右。若平行导光体22的厚度与光学元件30的厚度比较足够大，则容易使图像光GL朝光学元件30或者边界面IF的入射角较小，容易抑制图像光GL在处于眼EY无法获取的位置的半反射镜31的反射。另一方面，若使平行导光体22的厚度比较薄，则容易实现平行导光体22、导光装置20的轻型化。
(光学元件的制造方法)
以下，参照图6A～图6C、图7A～图7B、图8，对光学元件30的制造方法的一个例子进行说明。
光学元件30的制造方法具有：要素板制成工序、层叠体制成工序、以及单片化(光学元件制成)工序。要素板制成工序是在透光性基板的一面使用掩模而形成具有反射率不同的多个区域的半反射镜而制成由形成有半反射镜的透光性基板构成的要素板的工序。层叠体制成工序是将多个要素板以使半反射镜朝向相同的方向的方式层叠，并制成层叠了多个要素板的层叠体的工序。单片化(光学元件制成)工序是将层叠体切断为半反射镜分别相对于切剖面倾斜且半反射镜的反射率不同的多个区域沿着倾斜方向配置，从而进行了单片化的光学元件的工序。
最初，作为第1成膜工序，如图6A所示，准备玻璃板等透光性基板51，通过使用了掩模52的蒸镀法、溅射法等，从而在透光性基板51的一面以例如10nm的膜厚使例如铝等金属膜53a成膜。
接下来，作为第2成膜工序，如图6B所示，第1成膜工序中使金属膜53a从成膜的区域向远离掩模52的方向(图中的左方)移动，在透光性基板51的一面使相同材料的金属膜53b成膜。此时，该工序中在新露出的透光性基板51的一面将金属膜53b成膜，并且在第1成膜工序中已经成膜的金属膜53a的上方进一步层叠有金属膜53b。因此，形成有具有两个阶梯的膜厚的金属膜。膜厚之差例如成为10nm左右。
接下来，作为第3成膜工序，如图6C所示，第2成膜工序中使金属膜53b从成膜的区域向远离掩模52的方向(图中的左方)移动，在透光性基板51的一面使相同材料的金属膜53c成膜。此时，在该工序中新露出的透光性基板51的一面使金属膜53c成膜，在第2成膜工序中成膜的金属膜53b的上方进一步层叠有金属膜53c，在第1成膜工序以及第2成膜工序中已经成膜的金属膜53a、53b的上方进一步层叠有金属膜53c。由此，制成具有三个阶梯的膜厚即三种反射率的金属膜53形成在透光性基板51上的要素板90。膜厚之差例如为10nm左右。
另外，在作为反射膜使用电介质多层膜的情况下，也可以采用以下的方法。
最初，作为第1成膜工序，如图7A所示，准备玻璃板等透光性基板51，通过使用了掩模52的蒸镀法、溅射法等，在透光性基板51的一面使电介质多层膜54a成膜。
接下来，作为第2成膜工序，如图7B所示，使掩模52移动至第1成膜工序中使电介质多层膜54a成膜的区域，在第1成膜工序中电介质多层膜54a未成膜的区域使与第1成膜工序不同的电介质多层膜54b成膜。此时，使电介质多层膜54a、54b的1层的量的膜厚、层叠数、电介质材料的任一个不同即可。由此，制成具有反射率不同的区域的电介质多层膜54形成在透光性基板51上的要素板90A。
接下来，如图8所示，通过粘合剂使多个要素板90贴合，制成层叠体92。其后，沿着相对于要素板90的一面而倾斜的切断线C1、C2，将层叠体92倾斜地切断。由此，将层叠体92单片化，完成在细长的棱镜状的透光性部件32之间夹持有半反射镜31的构造的光学元件30。
进一步在将光学元件30安装于平行导光体22时，如图3所示，在经由粘合剂将光学元件30粘贴于平行导光体22的视认侧的平面22b的规定的位置后，使粘合剂固化而固定。
(光学元件的作用)
如图3、图4等所示，多个半反射镜31具有例如48°～70°左右的倾斜角度δ，具体而言，具有例如60°的倾斜角度δ。此处，将图像光GL0的仰角φ0例如设定为30°，将图像光GL1的仰角φ1例如设定为22°，将图像光GL2的仰角φ2例如设定为38°。该情况下，图像光GL1与图像光GL2以光轴AX作为基准具有角度γ1＝γ2≈12.5°而入射至观察者的眼EY。
由此，在上述图像光GL中的全反射角度的比较大的成分(图像光GL1)主要入射至光学元件30中的-x侧的部分23h侧，使全反射角度的比较小的成分(图像光GL2)主要入射至射出部23中的+x侧的部分23m侧的情况下，能够将图像光GL以作为整体集中于观察者的眼EY那样的角度高效地取出。光学元件30是以这样的角度的关系取出图像光GL的结构，因此导光装置20能够使图像光GL在光学元件30中作为原则不经过多次，而仅经过一次。因此，光学元件30能够将图像光GL以较少的损失作为虚像光而取出。
此外，在光学元件30的中央侧、里侧的部分23k、23h等，图像光GL的很少一部分多次经过半反射镜31(具体而言，包括一次反射和一次以上的透过的经过)。该情况下，半反射镜31的经由次数成为多次，但来自多个半反射镜31的反射光作为图像光GL分别入射至观察者的眼EY，因此光量的损失不会很大。
另外，存在在光学元件30的中央侧、里侧的部分23k、23h等，图像光GL中的在平行导光体22的里侧或者观察者侧(换句话说，光射出面OS、边界面IF等)反射的成分产生的可能性。然而，这样的图像光GL作为在半反射镜31反射的非利用光GX(参照图4)被引导至光路外，可避免入射至观察者的眼EY。此外，存在通过半反射镜31的非利用光再次入射至外界侧的平面22a的担忧。但是，此处全反射的情况下，能够使多数光入射至光学元件30的里侧的部分23h、或者进一步里侧的有效区域外，减少入射至眼EY的担忧。
(本实施方式的效果：相对于图像光的效果)
以下，本实施方式的光学元件的特有的效果进行说明。
图9是表示用于对光学元件30相对于图像光GL的作用进行说明的模型的图。此处，为了容易理解说明，假定具有反射率不同的两个区域的半反射镜311～314。半反射镜311～314的倾斜角度δ为45°以上不足90°。
使半反射镜311～314的反射率不同的两个区域中的距射出面32b较远的一侧的第1区域(低反射率区域)的反射率成为p。使靠近射出面32b一侧的第2区域(高反射率区域)的反射率成为q。
考虑相对于光学元件30的入射面32a以仰角φ0入射的图像光GL。
图像光GL在从入射面32a入射后，在光学元件30的内部传播，依次到达第1半反射镜311、第2半反射镜312、第3半反射镜313、第4半反射镜314。入射至第1半反射镜311的光中的一部分的光在第1半反射镜311的第1区域311A反射而使光路弯曲后，从射出面32b射出，并且剩余的光朝向第2半反射镜312进入。
另外，透过了第1半反射镜311的光中的一部分的光在第2半反射镜312的第1区域312A反射而使光路弯曲后，从射出面32b射出，并且剩余的光朝向第3半反射镜313进入。另外，透过了第2半反射镜312的光中的一部分的光在第3半反射镜313的第2区域313B反射而使光路弯曲后，从射出面32b射出，并且剩余的光朝向第4半反射镜314进入。另外，透过了第3半反射镜313的光中的一部分的光在第4半反射镜314的第2区域314B反射而使光路弯曲后，从射出面32b射出。
此处，使从第1半反射镜311射出的光GLA的相对强度成为IA，使从第2半反射镜312射出的光GLB的相对强度成为IB，使从第3半反射镜313射出的光GLC的相对强度成为IC，使从第4半反射镜314射出的光GLD的相对强度成为ID。此外，将使入射至光学元件30的图像光GL的强度成为1时的各射出光GLA、GLB、GLC、GLD的强度定义为相对强度。
相对强度IA～ID分别用以下的(1)～(4)式子表达。
相对强度IA：IA＝p...(1)
相对强度IB：IB＝(1-p)×p...(2)
相对强度IC：IC＝(1-p)×(1-p)×q...(3)
相对强度ID：ID＝(1-p)×(1-p)×(1-q)×q...(4)
作为实施例的一个例子，假定反射率p、反射率q分别为p＝0.22、q＝0.28的半反射镜。另外，作为比较例，假定p＝q＝0.25的半反射镜。即，比较例是反射率一样的半反射镜。将这些反射率的值带入(1)～(4)式，计算出各射出光的相对强度IA～ID。其结果如图10所示。
在图10中，用附图标记○表示的点是实施例的各射出光的相对强度IA～ID。用附图标记×表示的点是比较例的各射出光的相对强度IA～ID。如图10所示，在比较例的情况下，相对于相对强度IA～ID的最大值与最小值之差约为0.14，在实施例的情况下，相对强度IA～ID的最大值与最小值之差约为0.10。这样，可知若使距射出面(观察者)较远的一侧的区域的反射率相对较小，距射出面较近的一侧的区域的反射率相对较大，则与反射率一样的情况相比，能够减少相对强度IA～ID之差。
此处，为了使说明简单，列举了具有反射率不同的两个区域的半反射镜311～314的例子，但在反射率不同的区域的数量为三个以上的情况下可得到相同的结果。如本实施方式那样，通过使用具备具有反射率不同的两个以上的区域的半反射镜31的光学元件30，即使眼的位置移动，也能够实现难以视认格纹状的图案的显示装置100。
此外，即使反射率一样，若使反射率的值整体上较小，则相对强度之差变小。然而，在该情况下相对强度的总和变小，因此具有图像光GL的利用效率降低、图像变暗的缺点。例如在上述的例子中p＝q＝0.20的情况下，相对强度IA～ID的最大值与最小值之差与实施例几乎相等，但相对强度IA～ID的总和约为0.59。另一方面，在实施例的情况下，相对强度IA～ID的总和约为0.68。因此，为了得到明亮的图像优选使用实施例的半反射镜。
另外，图11示出相对于光学元件30的整体进行了详细的模拟的结果。图11的横轴表示光学元件的位置(mm)，图11的纵轴表示相对强度(a.u.)。光学元件30的位置使长边方向的中心为0(mm)，使靠近入射部一侧的端部的位置为-9(mm)，使与入射部相反的一侧的端部的位置为+9(mm)。
图11中，用附图标记A表示的实线的图示出实施例的相对强度的分布，用附图标记B表示的虚线的图示出比较例的相对强度的分布。
如图11所示，可知在设置了反射率不同的区域的实施例的情况下，与反射率一样的比较例相比，相对强度的高低之差变小。光学元件30中的特别是靠近入射部21的一侧的效果显著。
(本实施方式的效果：相对于外界光的效果)
图12是表示用于对光学元件30相对于外界光EL的作用进行说明的模型的图。此处，为了容易理解说明，假定具有反射率不同的两个区域的半反射镜311、312。半反射镜311、312的倾斜角度δ为45°以上且不足90°。
使半反射镜311、312的反射率不同的两个区域中的距射出面较远的一侧的第1区域的反射率成为p，使靠近射出面的一侧的第2区域的反射率成为q。
外界光EL与图像光GL不同，相对于光学元件30的入射面32a以接近垂直的角度入射。另外，作为入射至观察者的瞳孔的光，考虑透过第1半反射镜311的光EL1、由第1半反射镜311进行了一次反射的光EL12两条光线。
光EL1中的一部分的光在从入射面32a入射后，入射至第1半反射镜311。入射至第1半反射镜311的光中的一部分的光ELa透过第1半反射镜311的第1区域311A而从射出面32b射出。其他的光在第1半反射镜311的第1区域311A反射而朝向第2半反射镜312的第2区域312B进入。
在第1半反射镜311的第1区域311A反射的光EL12在第2半反射镜312的第2区域312B反射。另外，直接入射至第2半反射镜312的光EL2也到达第2半反射镜312的反射位置。因此，从第2半反射镜312的反射位置在第1半反射镜311的第1区域311A反射，进一步在第2半反射镜312的第2区域312B反射的光EL12、以及直接入射至第2半反射镜312的第2区域312B而透过的光EL2的双方射出。观察者看见将这些光EL12、EL2合成的光ELb。
此处，使从第1半反射镜311射出的光ELa的相对强度成为Ia，使从第2半反射镜312射出的光ELb的相对强度成为Ib。
相对强度Ia，Ib分别用以下的(5)、(6)式表示。
相对强度Ia：Ia＝1-p...(5)
相对强度Ib：Ib＝(1-q)+p×q...(6)
在这两个光的相对强度Ia、Ib之差较大的情况下，形成微小的明暗的格纹图案，产生光的衍射。其结果，产生外界的像模糊的问题。因此，为了使观察者视认清晰的外界的像，需要使相对强度Ia、Ib之差较小。
图13是表示使反射率p以及反射率q变化为各种值时的相对强度Ia、Ib之差的图。图13的横轴是反射率q的值，图13的纵轴是反射率p的值。图13中示出相对强度差为0、±0.3、±0.7时的五条曲线。
如图13所示，可知在反射率p与反射率q的大小关系满足p＜q的情况下，相对强度差的绝对值变小。即，通过使距光学元件30的射出面32b(观察者)较远的一侧的区域的反射率相对小，使靠近射出面32b一侧的区域的反射率相对大能够缩小相对强度差。由此，能够减少外界的像的模糊。
(本实施方式的效果的总结)
如以上叙述的那样，在本实施方式的光学元件30中，多个半反射镜31分别具有在倾斜方向上反射率不同的多个区域31A、31B、31C，并在距光学元件30的射出面(观察者)较远的一侧设置有低反射率区域31C，在靠近射出面一侧设置有高反射率区域31A。由此，可得到能够减少由图像光引起的格纹状的图案的效果、能够减少外界的像的模糊的效果两个效果。因此，本实施方式的显示装置100具备光学元件30，由此能够实现显示品质高、透视性优越的显示装置100。
此外，第1实施方式中，平行导光体22相对于与通过眼的光轴AX垂直的xy面倾斜，但也可以将平行导光体22配置为与xy面平行。另外，通过曲面21a、21b构成入射部21，但也能够通过平面构成其一方或者双方。该情况下，能够使与曲面21b对应的部分成为使平行导光体22的平面22b延长的平面。另外，也能够成为在入射部21中，不使从光入射面IS入射的图像光GL在内表面反射，而保持原样与平行导光体22结合的结构。
另外，平行导光体22不局限于完全的平行平板，能够稍微弯曲、具有楔角。换句话说，能够使平行导光体22的平面22a、22b成为非球面之外的弯曲面、或相互形成倾斜角。但是，在使平面22a、22b弯曲的情况下，产生视度、倍率变化，因此弯曲少更好。另外，在平面22a、22b间设置了倾斜的情况下，产生色散，因此优选倾斜角较小。
第2实施方式
以下，使用图14以及图15对本发明的第2实施方式进行说明。
第2实施方式的显示装置的基本结构与第1实施方式相同，光学元件的结构与第1实施方式不同。因此，省略显示装置整体的说明，仅对光学元件进行说明。
图14是第2实施方式的光学元件的剖视图。图14与第1实施方式的图4对应。
图14中，对与图4共用的构成要素标注相同的附图标记，省略说明。
(光学元件的结构)
如图14所示，第2实施方式的光学元件60具备多个半反射镜61和多个透光性部件62。在第2实施方式的光学元件60中，半反射镜61的倾斜角度δ不足45°。如本实施方式那样，在半反射镜61的倾斜角度δ不足45°的情况下，与第1实施方式相反，在半反射镜61的倾斜方向靠近射出面62b的一侧设置有反射率相对低的低反射率区域61C。另外，在倾斜方向上比低反射率区域61C距射出面62b更远的一侧设置有反射率比低反射率区域61C高的高反射率区域61A。另外，在低反射率区域61C与高反射率区域61A之间设置有具有低反射率区域61C的折射率与高反射率区域61A的折射率之间的折射率的中间反射率区域61B。即，从光学元件60的入射面62a朝向射出面62b依次设置有高反射率区域61A、中间反射率区域61B、低反射率区域61C。
其他的结构与第1实施方式相同。
(本实施方式的效果：相对于外界光的效果)
以下，对本实施方式的光学元件60的特有的效果进行说明。
图15是表示用于对光学元件60相对于外界光EL的作用进行说明的模型的图。此处，为了容易理解说明，假定具有反射率不同的两个区域的半反射镜611、612。半反射镜611、612的倾斜角度δ不足45°。
使半反射镜611、612的两个区域中的距射出面62b较远一侧的第1区域的反射率成为p，使靠近射出面62b一侧的第2区域的反射率成为q。
作为入射至观察者的瞳孔的光，考虑透过了第1半反射镜611的光ELa、在第1半反射镜611一次反射的光EL12两条光线。
光EL1中的一部分的光在从入射面62a入射后，入射至第1半反射镜611。入射至第1半反射镜611的光中的一部分的光透过第1半反射镜611的第2区域611B而从射出面62b射出。其他的光在第1半反射镜611的第2区域611B反射而朝向第2半反射镜612的第1区域612A进入。
在第1半反射镜611的第2区域611B反射的光在第2半反射镜612的第1区域612A反射。另外，直接入射至第2半反射镜612的光也到达第2半反射镜612的反射位置。因此，从第2半反射镜612的反射位置在第1半反射镜611的第2区域611B反射进一步在第2半反射镜612的第1区域612A反射的光EL12、以及直接入射至第2半反射镜612的第1区域612A而透过的光EL2双方射出。观察者看见将这些光合成的光。
此处，使从第1半反射镜611射出的光ELa的相对强度成为IA，使从第2半反射镜612射出的ELb的相对强度成为IB。
相对强度IA，IB分别用以下的(7)、(8)式表示。
相对强度IA：IA＝1-q...(7)
相对强度IB：IB＝(1-p)+q×p...(8)
在这两个光的相对强度IA、IB之差较大的情况下，形成微小的明暗的格纹图案，产生光的衍射。其结果，产生外界的像模糊的问题。因此，为了使观察者视认清晰的外界的像，需要使相对强度Ia、Ib之差较小。在本实施方式的情况下，在反射率p与反射率q的大小关系满足p＞q的情况下，相对强度差变小。即，通过使距光学元件60的射出面62b(观察者)较远一侧的区域的反射率相对较大，使靠近射出面62b一侧的区域的反射率相对较小由此能够使相对强度差较小。这样，根据具备本实施方式的光学元件60的显示装置，能够减少外界的像的模糊。
此外，本发明的技术范围不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够增加各种变更。
例如在上述实施方式中，成为光学元件具有多个透光性部件的结构，但也可以成为具有一个透光性部件的结构。该情况下，例如也可以成为使透光性部件的一面成为锯齿状，在构成锯齿的多个倾斜面设置半反射镜的结构。
另外，构成光学元件以及显示装置的各构成要素的数量、形状、材料等各部的具体的结构不局限于上述实施方式，能够适当地变更。例如作为图像形成装置，除了上述的液晶显示装置之外，也可以使用有机EL装置、激光光源与MEMS扫描仪的组合等。
附图标记的说明
10...图像形成装置；20...导光装置；21...入射部；22...平行导光体(导光体)；23...射出部；30、60...光学元件；31...半反射镜；31A、61A...高反射率区域(区域)；31B、61B...中间反射率区域(区域)；31C、61C...低反射率区域(区域)；32...透光性部件；32a...入射面；32b...射出面；51...透光性部件；52...掩模；90...要素板；92...层叠体；100...显示装置。

Claims (8)

1.一种光学元件，其特征在于，具备：
多个半反射镜，它们以隔开间隔的方式相互平行地设置，使图像光以及外界光的一部分反射，并使所述图像光以及所述外界光的另一部透过；以及透光性部件，其对所述多个半反射镜进行支承，
所述透光性部件具有：使所述图像光以及所述外界光入射的入射面、以及使所述图像光以及所述外界光射出的射出面，
所述多个半反射镜分别相对于所述入射面以及所述射出面倾斜地配置并且具有反射率沿着倾斜方向而不同的多个区域。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述半反射镜与所述射出面所成的角度为45°以上且不足90°，
所述半反射镜具有：高反射率区域，该高反射率区域在所述倾斜方向上位于靠近所述射出面的一侧，且该高反射率区域的所述反射率相对较高；和低反射率区域，该低反射率区域在所述倾斜方向上位于比所述高反射率区域远离所述射出面的一侧，且该低反射率区域的所述反射率比所述高反射率区域的所述反射率低。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述半反射镜与所述射出面所成的角度不足45°，
所述半反射镜具有：低反射率区域，该低反射率区域在所述倾斜方向上位于靠近所述射出面的一侧，且该低反射率区域的所述反射率相对较低；以及高反射率区域，该高反射率区域在所述倾斜方向上位于比所述低反射率区域远离所述射出面的一侧，且该高反射率区域的所述反射率比所述低反射率区域的所述反射率高。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光学元件，其特征在于，
所述半反射镜由金属膜构成。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的光学元件，其特征在于，
所述半反射镜由电介质多层膜构成。
6.一种显示装置，其特征在于，具备：
图像形成装置；以及
导光装置，其对由所述图像形成装置生成的图像光进行导光，
所述导光装置具备：使所述图像光入射的入射部；对从所述入射部入射的所述图像光进行导光的导光体；以及使所述图像光射出的射出部，
所述射出部具备权利要求1～5中任一项所述的光学元件。
7.根据权利要求6所述的显示装置，其特征在于，
所述射出部设置于所述导光体的视认侧的面。
8.一种光学元件的制造方法，其特征在于，具备：
第一工序：在透光性基板的一面使用掩模来形成具有反射率不同的多个区域的半反射镜，制成由形成有所述半反射镜的透光性基板构成的元件板；
第二工序：以使所述半反射镜朝向相同方向的方式层叠多个所述元件板，制成层叠有所述多个元件板的层叠体；以及
第三工序：以使所述半反射镜分别相对于切剖面倾斜且所述多个区域沿着倾斜方向配置的方式切断所述层叠体，制成光学元件。
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