CN107861243A - 光学元件和显示装置 - Google Patents

Abstract

光学元件和显示装置，能够减少条纹状的不均或者重影。该光学元件具有：多个半反射镜，它们设置为隔开间隔地彼此平行，使图像光和外界光中的一部分反射，使图像光和外界光中的另外一部分透过；以及透光性部件，其介于多个半反射镜的相邻的两个半反射镜之间。透光性部件具有：入射面，图像光和外界光入射到该入射面；以及射出面，其使图像光和外界光射出。多个半反射镜各自被配置为，分别相对于入射面和射出面倾斜。多个半反射镜包含对图像光和外界光中包含的规定的偏振光成分的反射率彼此不同的至少一个第1半反射镜和至少一个第2半反射镜。

Description

光学元件和显示装置

技术领域

本发明涉及光学元件和显示装置。

背景技术

近年来，作为可穿戴信息设备之一，提供了头戴式显示器等佩戴于观察者的头部进行使用的方式的图像显示装置。此外，已经公知有在观察者佩戴了图像显示装置时，能够同时视觉辨认外界的像和由显示元件生成的图像这双方的图像显示装置，即所谓的透视型图像显示装置。

在下述的专利文献1中公开了如下的图像显示装置：该图像显示装置具有：光源及扫描单元，该扫描单元具有第1反射镜、第1光偏转单元、第2反射镜和第2光偏转单元，该图像显示装置将从第2光偏转单元射出的光引导至观察者的瞳孔。在专利文献1中记载了如下内容：构成第2光偏转单元的多个半透膜分别对S偏振光成分和P偏振光成分中的任意一方的偏振光成分进行反射，并使另一方的偏振光成分透过。

在下述的专利文献2中记载了具有图像显示光学系统的图像显示装置，该图像显示光学系统具有：具备透光性的基板以及由多镜(multiple mirrors)构成的偏转光学部。在专利文献2中记载了如下内容：多镜具有相对于基板的法线倾斜的多个微小反射面、以及根据入射光的偏振状态对微小反射面进行优化设计。

专利文献1：日本特开2012-008356号公报

专利文献2：国际公开第2005/088384号

发明内容

专利文献1和专利文献2所记载的图像显示装置以全部半透膜或者微小反射面具有相同的反射特性为前提。这些图像显示装置存在如下等课题：由于多个半透膜的图案、或者多镜的带状图案而引起显示图像中视觉辨认到条纹状的不均、及外界像被视觉辨认为双重的现象(ghost，重影)。

本发明的一个方式正是为了解决上述题中的至少一部分而完成的。即，本发明的一个方式的目的之一在于提供一种能够减少视觉辨认到条纹状的不均的情况的显示装置。或者，本发明的一个方式的目的之一在于提供一种能够减少外界像被看成双重的情况的显示装置。此外，本发明的一个方式的目的之一在于提供一种适合在上述显示装置的光射出部中使用的光学元件。

为了达到上述目的，本发明的一个方式的光学元件的特征在于，具有：多个半反射镜，它们被设置为隔开间隔地彼此平行，并使图像光和外界光中的一部分反射，使所述图像光和所述外界光中的另外一部分透过；以及透光性部件，其介于所述多个半反射镜中的相邻的两个所述半反射镜之间；所述透光性部件具有：入射面，所述图像光和所述外界光入射到该入射面；以及射出面，其使所述图像光和所述外界光射出，所述多个半反射镜各自被配置为，分别相对于所述入射面和所述射出面倾斜，所述多个半反射镜包含对所述图像光和所述外界光中包含的规定的偏振光成分的反射率彼此不同的至少一个第1半反射镜和至少一个第2半反射镜。

本发明的一个方式的光学元件具有多个半反射镜，该多个半反射镜包含对规定的偏振光成分的反射率彼此不同的至少一个第1半反射镜和至少一个第2半反射镜。因此，本发明的一个方式的光学元件在图像光分别入射到第1半反射镜和第2半反射镜而射出时，与具有反射率相同的多个半反射镜的现有的光学元件的情况相比，能够减小从各半反射镜射出的反射光之间的强度差。由此，能够减少视觉辨认到条纹状的不均的情况。

此外，本发明的一个方式的光学元件具有多个半反射镜，该多个半反射镜包含对规定的偏振光成分的反射率彼此不同的至少一个第1半反射镜和至少一个第2半反射镜。因此，本发明的一个方式的光学元件与具有反射率相同的多个半反射镜的现有的光学元件相比，能够减小在外界光被第1半反射镜反射后再被第2半反射镜反射后的光的强度。由此，能够减少外界像被看成双重的情况。

在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，在设所述半反射镜对S偏振光成分的反射率和所述半反射镜对P偏振光成分的反射率的平均值为平均反射率时，所述第1半反射镜对所述S偏振光成分的反射率比所述平均反射率高且对所述P偏振光成分的反射率比所述平均反射率低，所述第2半反射镜对所述S偏振光成分的反射率比所述平均反射率低且对所述P偏振光成分的反射率比所述平均反射率高。

根据该结构，与以往相比，能够减小从各半反射镜射出的S偏振光成分和P偏振光成分合起来后的反射光的强度差。由此，能够减少条纹状的不均。

在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述多个半反射镜包含多个所述第1半反射镜和多个所述第2半反射镜，在所述多个半反射镜的排列方向上交替配置有所述第1半反射镜和所述第2半反射镜。

根据该结构，能够减小从相邻的2个半反射镜射出的图像光的反射光之间的强度差。由此，能够减少与半反射镜的排列间距对应地产生的条纹状的不均。此外，与现有的光学元件相比，能够减小外界光被第1半反射镜进行反射后再被位于其相邻位置的第2半反射镜反射的情况下的光的强度。由此，能够减少与半反射镜的排列间距对应地产生的双重像。

本发明的一个方式的显示装置的特征在于：具有：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引导，所述导光装置具有：入射部，所述图像光入射到该入射部；导光体，其对从所述入射部入射的所述图像光进行引导；以及射出部，其使所述图像光射出，所述射出部具有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有射出部，该射出部具有本发明的一个方式的光学元件，所以能够实现可减轻视觉辨认到条纹状的不均的情况的显示装置。或者，能够实现可减轻外界像被看作双重的情况的显示装置。

在本发明的一个方式的显示装置中，也可以是，所述射出部设置于所述导光体的靠视觉辨认侧的面。

根据该结构，能够实现易于设计的显示装置。

附图说明

图1是实施方式的显示装置的俯视图。

图2是从观察者侧观察导光装置时的背面图。

图3是示出导光装置中的图像光的光路的图。

图4是实施方式的光学元件的放大图。

图5是示出第1半反射镜的反射/透射特性的曲线图。

图6是示出第2半反射镜的反射/透射特性的曲线图。

图7是用于说明现有的光学元件的一个作用的图。

图8是用于说明实施方式的光学元件的一个作用的图。

图9是示出第2半反射镜对S偏振光成分的反射率与光强度差之间的关系的一例的曲线图。

图10是示出第2半反射镜对S偏振光成分的反射率与光强度差之间的关系的另一例子的曲线图。

图11是示出第2半反射镜对S偏振光成分的反射率与光强度差之间的关系的又一例的曲线图。

图12是示出第2半反射镜对S偏振光成分的反射率与光强度的标准偏差之间的关系的曲线图。

图13是示出现有的光学元件的显示图像的一例的照片。

图14是示出沿着图13的A-A线的光强度曲线的图。

图15是用于说明现有的光学元件的另一作用的图。

图16是用于说明实施方式的光学元件的另一作用的图。

图17是示出第2半反射镜对S偏振光成分的反射率与重影对比度之间的关系的一例的曲线图。

图18是示出第2半反射镜对S偏振光成分的反射率与重影对比度之间的关系的另一例子的曲线图。

图19是示出图像的仿真结果的图。

图20是示出沿着图19的B-B线的光强度曲线的图。

图21是用于说明实施方式的光学元件的又一作用的图。

标号说明

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：光学元件；31：半反射镜；31A：第1半反射镜；31B：第2半反射镜；32：透光性部件；32a：入射面；32b：射出面；100：显示装置。

具体实施方式

下面，利用附图对本发明的一个实施方式进行说明。

本实施方式的显示装置例如被用作观察者佩戴于头部进行使用的头戴式显示器。

图1是实施方式的显示装置的俯视图。图2是从观察者侧观察到的导光装置的背面图。图3是示出导光装置中的图像光的光路的图。

另外，在以下的各附图中，为了容易观察各结构要素，有时根据结构要素的不同以不同的比例尺示出。

(导光装置和显示装置的整体结构)

如图1所示，显示装置100具有图像形成装置10和导光装置20。图1对应于图2所示的导光装置20的A-A截面。

显示装置100使观察者将图像形成装置10形成的图像作为虚像进行视觉辨认，并使观察者通过透视来观察外界像。在显示装置100中，图像形成装置10和导光装置20与观察者的右眼和左眼对应地分别设置有一组。右眼用装置和左眼用装置的配置呈左右对称且结构相同。因此，这里仅图示左眼用装置，省略右眼用装置的图示。显示装置100整体上具有例如眼镜那样的外观。

图像形成装置10具有有机电致发光(EL)元件11和投影镜头12。有机EL元件11射出构成动态图像和静态图像等图像的图像光GL。投影镜头12由准直透镜构成，该准直透镜使从有机EL元件11上的各点射出的图像光GL成为大致平行的光线。投影镜头12由玻璃或塑料形成，不限于1枚，也可以由多枚构成。投影镜头12不限于球面透镜，也可以由非球面透镜、自由曲面透镜等构成。

导光装置20具有平板状的透光部件。导光装置20在对由图像形成装置10生成的图像光GL进行引导后使其朝向观察者的眼睛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具有：入射部21，其取入图像光；平行导光体22，其主要引导图像光；以及射出部23，其用于取出图像光GL和外界光EL。平行导光体22和入射部21由具有较高的透光性的树脂材料一体成型。在本实施方式中，在导光装置20中进行传播的图像光GL的光路由进行相同次数反射的一种光路构成，而不是合成了多种光路构成的。

平行导光体22被配置为相对于以观察者的眼睛EY为基准的光轴AX倾斜。平行导光体22的平面22a的法线方向Z相对于光轴AX倾斜了角度κ。由此，能够沿着脸部的前表面配置平行导光体22，平行导光体22的平面22a的法线相对于光轴A X具有倾斜度。这样，通过使平行导光体22的平面22a的法线相对于与光轴AX平行的z方向倾斜角度κ，由此从光学元件30射出的光轴AX上及其附近的图像光GL0与光射出面OS的法线呈角度κ。

另外，设与光轴AX平行的方向为z方向，与z方向垂直的面中的水平方向为x方向、铅直方向为y方向。

入射部21具有光入射面IS和反射面RS。来自图像形成装置10的图像光GL经由光入射面IS被取入到入射部21内。被取入到入射部21内的图像光GL被反射面R S反射而被引导至平行导光体22的内部。光入射面IS由从投影镜头12观察时为凹的曲面21b形成。曲面21b还具有在内面侧对被反射面RS反射的图像光GL进行全反射的功能。

反射面RS由从投影镜头12观察时为凹的曲面21a形成。反射面RS由利用蒸镀法等形成在曲面21a上的铝膜等金属膜构成。反射面RS对从光入射面IS入射的图像光GL进行反射而使光路弯折。曲面21b在内侧对被反射面RS反射的图像光GL进行全反射而使光路弯折。这样，入射部21通过使从光入射面IS入射的图像光GL反射2次而使光路弯折，由此将图像光GL可靠地引导至平行导光体22的内部。

平行导光体22是与y轴平行且相对于z轴倾斜的平板状导光部件。平行导光体(导光体)22由具有透光性的树脂材料等形成，具有彼此大致平行的一对平面22a、22b。平面22a、22b是平行平面，所以不会产生外界像的放大或对焦偏差。平面22a作为使来自入射部21的图像光全反射的全反射面发挥功能，以较少的损失将图像光GL引导至射出部23。平面22a被配置于平行导光体22的外界侧，作为第1全反射面发挥功能，在本说明书中也称作外界侧面。

在本说明书中也将平面22b称作观察者侧面。平面22b(观察者侧面)延伸至射出部23的一端。在此，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，被入射部21的反射面RS或光入射面IS反射后的图像光G L入射到作为全反射面的平面22a，被平面22a全反射而被引导至导光装置20的里侧、即设置有射出部23的+x侧或X侧。如图2所示，平行导光体22具有作为导光装置20的外形中的+x侧的端面的终端面ES。此外，平行导光体22具有作为±y侧的端面的上端面TP和下端面BP。

另外，设平面22b的法线方向为Z方向，与Z方向垂直的面中的水平方向为X方向、铅直方向为Y方向。

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构成为板状。射出部23在使被平行导光体22的外界侧的平面(全反射面)22a的区域FR全反射后的图像光GL通过时，以规定的角度对入射的图像光GL进行反射，使其向光射出面OS侧弯折。这里，最初入射到射出部23而不透过该射出部23的图像光GL是作为虚像光的取出对象。即，在射出部23中，即使存在被光射出面OS的内面反射的光，该光也不被用作图像光。

射出部23具有光学元件30，该光学元件30在一个方向上排列了具有透光性的多个半反射镜31。后文中将参照图4等对光学元件30的构造进行详细叙述。光学元件30沿着平行导光体22的靠观察者侧的平面22b设置。

导光装置20具有如上这样的构造，所以如图3所示，从图像形成装置10射出并从光入射面IS入射到导光装置20的图像光GL通过被入射部21多次反射而使光路弯折，在平行导光体22的平面22a的区域FR中被全反射而大致沿着光轴AX前进。被+z侧的平面22a的区域FR反射后的图像光GL入射到射出部23。

这时，在xy面内，区域FR在长度方向上的宽度比射出部23在长度方向上的宽度窄。即，图像光GL的光线束入射到射出部23(或光学元件30)的入射宽度比图像光GL的光线束入射到区域FR的入射宽度宽。这样，通过相对缩窄图像光GL的光线束入射到区域FR的入射宽度，使得难以产生光路的干渉，在不在导光中使用边界面IF、即不使图像光GL在边界面IF处反射的情况下，使得来自区域FR的图像光GL直接入射到射出部23(或光学元件30)变得容易。

入射到射出部23的图像光GL通过在射出部23中以适当的角度弯折而成为能够取出的状态，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，入射到观察者的眼睛EY。通过使该虚像光在观察者的视网膜上成像，观察者能够识别到基于虚像的图像光GL。

这里，用于像的形成的图像光GL入射到射出部23的角度随着远离光源侧的入射部21而变大。即，相对于与外界侧的平面22a平行的Z方向或相对于光轴AX的倾斜度较大的图像光GL入射到射出部23的里侧并以比较大的角度被弯折，相对于Z方向或光轴AX的倾斜度较小的图像光GL入射到射出部23的前侧并以比较小的角度被弯折。

(图像光的光路)

下面，对图像光的光路详细地进行说明。

如图3所示，设分别从有机EL元件11的射出面11a上射出的图像光中的、用虚线表示的从射出面11a的中央部分射出的成分为图像光GL0、用单点划线表示的从射出面11a的周边中的纸面左侧(-x和+z侧)射出的成分为图像光GL1、用双点划线表示的从射出面11a的周边中的纸面右侧(+x和-z侧)射出的成分为图像光GL2。假设其中图像光GL0的光路沿着光轴AX延伸。

经过了投影镜头12的图像光GL0、GL1、GL2的主要成分在分别从导光装置20的光入射面IS入射后，经过入射部21并通过平行导光体22内而到达射出部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在被入射部21弯折而在平行导光体22内耦合后，以标准反射角θ0入射到一方的平面22a的区域FR而被全反射，不被平行导光体22与射出部23(或光学元件30)之间的边界面IF反射，而是通过边界面IF，直接入射到射出部23的中央的部分23k。图像光GL0在部分23k处以规定的角度被反射，作为平行光束从光射出面OS向相对于包含光射出面OS的XY面倾斜的光轴AX方向(与Z方向呈角度κ的方向)射出。

从射出面11a的一端侧(-x侧)射出的图像光GL1在被入射部21弯折而在平行导光体22内耦合后，以最大反射角θ1入射到平面22a的区域FR而被全反射，不被平行导光体22与射出部23(或光学元件30)之间的边界面IF反射，而是通过边界面IF，在射出部23中的里侧(+x侧)的部分23h处以规定角度被反射，作为平行光束从光射出面OS朝向规定角度方向射出。关于这时的射出角γ1，返回到入射部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在被入射部21弯折而在平行导光体22内耦合后，以最小反射角θ2入射到平面22a的区域FR而被全反射，不被平行导光体22与射出部23(或光学元件30)之间的边界面IF反射，而是通过边界面IF，在射出部23中的入口侧(-x侧)的部分23m处以规定角度被反射，作为平行光束从光射出面OS朝向规定的角度方向射出。关于这时的射出角γ2，返回到入射部21侧的角度相对变小。

另外，关于图像光GL0、GL1、GL2，作为图像光GL的光线全体的一部分的代表进行了说明，但构成图像光GL的其他光线成分也与图像光GL0等光线成分同样地被引导，从光射出面OS射出。因此，省略它们的图示和说明。

在此，在作为入射部21和平行导光体22中使用的透明树脂材料的折射率n的值的一例设n＝1.4时，临界角θc的值为θc≒45.6°。通过设图像光GL0、GL1、GL2的反射角θ0、θ1、θ2中的最小的反射角θ2为比临界角θc大的值，由此能够使得所需的图像光满足全反射条件。

朝向中央的图像光GL0以仰角入射到射出部23的部分23k。朝向周边的图像光GL1以仰角入射到射出部23的部分23h。朝向周边的图像光GL2以仰角入射到射出部23的部分23m。这里，反映反射角θ0、θ1、θ2的大小关系，在仰角之间，的关系成立。即，光学元件30向半反射镜31入射的入射角ι(参照图4)按照与仰角对应的部分23m、与仰角对应的部分23k、与仰角对应的部分23h的顺序逐渐变小。换言之，向半反射镜31入射的入射角ι或半反射镜31的反射角随着远离入射部21而变小。

对被平行导光体22的靠外界侧的平面22a反射而朝向射出部23的图像光GL的光线束的整体行为进行说明。

如图3所示，在包含光轴AX的截面中，图像光GL的光线束在被平行导光体22的靠外界侧的区域FR反射前后的直行光路P1、P2中的任意光路中，宽度被缩窄。具体而言，图像光GL的光线束在包含光轴AX的截面中，在区域FR附近、即直行光路P1、P2的边界附近跨越直行光路P1、P2的位置处整体上宽度被缩窄、光束宽度变细。由此，成为在射出部23的近前缩窄图像光GL的光线束，易于使横向的视场角变得比较大。

另外，在图示的例子中，图像光GL的光线束在跨越直行光路P1、P2那样的位置处宽度被缩窄、光束宽度变细，但也可以是仅在直行光路P1、P2中的任意单侧中宽度被缩窄、光束宽度变细。

(光学元件的结构)

下面，对构成射出部23的光学元件30的结构进行说明。

图4是本实施方式的光学元件30的放大图。

射出部23由光学元件30构成，该光学元件30设置于平行导光体22的视觉辨认侧的面。因此，与平行导光体22同样，射出部23沿着相对于光轴AX倾斜了角度κ的XY平面设置。

如图4所示，光学元件30具有多个半反射镜31和多个透光性部件32。多个半反射镜31设置为隔开间隔地彼此平行，使图像光GL和外界光EL的一部分反射，并使图像光GL和外界光EL的另一部分透过。透光性部件32介于多个半反射镜31中的相邻的两个半反射镜31之间。即，光学元件30具有如下结构：在多个透光性部件32的相邻的两个透光性部件32之间分别夹持有半反射镜31。换言之，光学元件30具有将半反射镜31和透光性部件32交替配置的结构。

透光性部件32是与长度方向垂直的截面形状为平行四边形的柱状部件。因此，透光性部件32具有两组与长度方向平行地延伸且相互平行的一对平面。在这两组的一对平面中，一组中的一个平面是使图像光GL和外界光EL入射的入射面32a，一组中的另一个平面是使图像光GL和外界光EL射出的射出面32b。此外，在另一组中的一个平面上设置有半反射镜31。透光性部件32例如由玻璃、透明树脂等构成。

多个透光性部件32全部构成为相同形状、相同尺寸。因此，在将多个由一对透光性部件32和半反射镜31构成的组贴合起来时，多个半反射镜31成为彼此平行配置的形式。在图4中省略了图示，但在半反射镜31的一个面与相邻的透光性部件32之间设置有粘接材料层。由此，光学元件30整体上成为矩形板状的部件。成为在从透光性部件32的入射面32a或射出面32b的法线方向观察光学元件30时，细带状的多个半反射镜31呈带状排列的构造。即，光学元件30具有如下结构：矩形的半反射镜31在平行导光体22延伸的方向、即X方向上隔开规定间隔(间距PT)排列有多个。

半反射镜31由被夹在透光性部件32之间的反射膜构成。反射膜例如由将折射率不同的多个电介质薄膜交替层叠得到的电介质多层膜构成。半反射镜31被设置成，半反射镜31的短边相对于透光性部件32的入射面32a和射出面32b倾斜。更具体而言，半反射镜31以使反射面朝向入射部21侧的方式，朝向平行导光体22的外界侧倾斜。换言之，半反射镜31向如下方向倾斜：以半反射镜31的长边(Y方向)为轴，以与平面22a、22b正交的YZ面为基准，上端(+Z侧)逆时针旋转。即，多个半反射镜31各自被配置为分别相对于入射面32a和射出面32b倾斜。

下面，将半反射镜31的反射面与透光性部件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。在本实施方式中，半反射镜31的倾斜角度δ为45°以上且小于90°。在本实施方式中，透光性部件32的折射率和平行导光体22的折射率相等，但这些折射率也可以不同。在折射率不同的情况下，需要与折射率相等的情况相比变更半反射镜31的倾斜角度δ。

多个半反射镜31包含对图像光GL和外界光EL所包含的规定的偏振光成分、具体而言，S偏振光成分和P偏振光成分的反射率彼此不同的至少一个第1半反射镜31A和至少一个第2半反射镜31B。在本实施方式中，多个半反射镜31包含多个第1半反射镜31A和多个第2半反射镜31B。在多个半反射镜31的排列方向(X方向)上，交替配置有第1半反射镜31A和第2半反射镜31B。

图5是示出第1半反射镜31A的反射/透射特性的曲线图。在图5中，横轴是波长[nm]，纵轴是反射率[％]和透过率[％]。

如图5所示，在第1半反射镜31A中，在波长为450nm～650nm的范围内，S偏振光成分的反射率Rs1处于大概25～30％的范围，S偏振光成分的透过率Ts1处于大概70～75％的范围，P偏振光成分的反射率Rp1大概为0％，P偏振光成分的透过率Tp1大概为100％。具有这样特性的第1半反射镜31A例如由膜厚为176nm的Al₂O₃、膜厚为24nm的TiO₂、膜厚为56nm的Al₂O₃、膜厚为108nm的TiO₂的电介质多层膜构成。

图6是示出第2半反射镜31B的反射/透射特性的曲线图。在图6中，横轴是波长[nm]，纵轴是反射率[％]和透过率[％]。

如图6所示，在第2半反射镜31B中，在波长为450nm～650nm的范围内，S偏振光成分的反射率Rs2处于大概0～5％的范围，S偏振光成分的透过率Ts2处于大概90～95％的范围，P偏振光成分的反射率Rp2大概为30％，P偏振光成分的透过率Tp2大概为65％。具有这样特性的第2半反射镜31B例如由膜厚为190nm的Al₂O₃、膜厚为48nm的TiO₂、膜厚为15nm的Ag、膜厚为42nm的TiO₂、膜厚为25nm的A l₂O₃的电介质多层膜和金属膜的层叠膜构成。

这里，为了使说明简单，在第1半反射镜31A中，设S偏振光成分的反射率Rs1为Rs1＝0.3(30％)、S偏振光成分的透过率Ts1为Ts1＝0.7(70％)、P偏振光成分的反射率Rp1为Rp1＝0(0％)、P偏振光成分的透过率Tp1为1(100％)。在第2半反射镜31B中，设S偏振光成分的反射率Rs2为Rs2＝0(0％)、S偏振光成分的透过率Ts2为Ts2＝1(100％)、P偏振光成分的反射率Rp2为Rp2＝0.3(30％)、P偏振光成分的透过率Tp2为Tp2＝0.7(70％)。

将第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1和对P偏振光成分的反射率Rp1的平均值设为第1半反射镜31A的平均反射率R1。此外，将第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率Rs2和对P偏振光成分的反射率Rp2的平均值设为第2半反射镜31B的平均反射率R2。在本实施方式中，第1半反射镜31A的平均反射率R1、第2半反射镜31B的平均反射率R2均为15％。因此，第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1比平均反射率R1高(Rs1>R1)且对P偏振光成分的反射率R p1比平均反射率R1低(Rp1<R1)。第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率Rs2比平均反射率R2低(Rs2<R2)且对P偏振光成分的反射率Rp2比平均反射率R2高(Rp2>R2)。

另外，相邻的半反射镜31之间的间距PT被设定为0.5mm～2.0mm左右。半反射镜31之间的间距PT不是严格地等间隔，而是以可变间距配置。更具体而言，光学元件30中的半反射镜31的间距PT成为以基准间隔为中心随机增減的随机间距。这样，通过按照随机间距配置光学元件30中的半反射镜31，能够抑制衍射不均或云纹的产生。另外，不限于随机间距，例如也可以反复规定的间距图案，该规定的间距图案包含在多个阶段中进行增减的间距。

光学元件30的厚度、即半反射镜31在Z轴方向上的厚度TI被设定为0.7mm～3.0mm左右。支承光学元件30的平行导光体22的厚度例如为几mm～10mm左右，优选为4mm～6mm左右。当平行导光体22的厚度与光学元件30的厚度相比足够大时，容易减小图像光GL射向光学元件30或边界面IF的入射角，容易对位于未能将图像光GL取入到眼睛EY的位置处的半反射镜31进行的反射进行抑制。另一方面，当使平行导光体22的厚度比较薄时，容易实现平行导光体22或导光装置20的轻量化。

(光学元件的第1作用和效果)

下面，对本实施方式的光学元件30的第1作用和效果进行说明。

图7是用于说明现有的光学元件130的第1作用的图。

如图7所示，在现有的光学元件130中，多个半反射镜131的反射特性对于全部半反射镜131均相同。设半反射镜131对P偏振光成分的反射率Rp为Rp＝0(0％)、对S偏振光成分的反射率Rs为Rs＝0.3(30％)。此外，设半反射镜131对P偏振光成分的透过率Tp为Tp＝100(100％)、对S偏振光成分的透过率Ts为Ts＝0.7(70％)。

这里，考虑图像光GL以通过2张半反射镜131的方式入射到光学元件130的情况。将图像光GL最初入射的半反射镜131称作第1半反射镜131A，将透过第1半反射镜131A的图像光GL接下来入射的半反射镜131称作第2半反射镜131B。设被第1半反射镜131A反射而引导至观察者的眼睛的图像光GL1的强度为I_A、被第2半反射镜131B反射而引导至观察者的眼睛的图像光GL2的强度为I_B。下面，将被各半反射镜131反射而引导至观察者的眼睛的图像光GL称作来自各半反射镜131的反射光。

在设原本的图像光GL的强度为1时，来自第1半反射镜131A的反射光GL1的强度I_A为由第1半反射镜131A反射的P偏振光成分的强度Ip1与S偏振光成分的强度Is1之和，表示为I_A＝Ip1+Is1＝Rp+Rs＝0+0.3＝0.3。

此外，来自第2半反射镜131B的反射光GL2的强度I_B成为在透过第1半反射镜131A后由第2半反射镜131B反射的P偏振光成分的强度Ip2与S偏振光成分的强度Is2之和，表示为I_B＝Ip2+Is2＝Tp×Rp+Ts×Rs＝1×0+0.7×0.3＝0.21。根据以上所述，来自相邻的两个半反射镜的反射光的强度差d为d＝|I_A-I_B|＝0.09。

这样，在现有的光学元件130中，来自第1半反射镜131A的反射光GL1与来自第2半反射镜131B的反射光GL2的强度不同。因此，在现有的光学元件130中，射出面130b上的反射光的强度曲线产生峰部和谷部，视觉辨认到条纹状的不均。

与此相对，在本实施方式的光学元件30中，如上所述，交替配置有第1半反射镜31A和第2半反射镜31B。此外，在第1半反射镜31A中，对S偏振光成分的反射率Rs1为0.3，对S偏振光成分的透过率Ts1为0.7，对P偏振光成分的反射率Rp1为0，对P偏振光成分的透过率Tp1为1。在第2半反射镜31B中，对S偏振光成分的反射率Rs2为0，对S偏振光成分的透过率Ts2为1，对P偏振光成分的反射率Rp2为0.3，对P偏振光成分的透过率Tp2为0.7。

图8是用于说明本实施方式的光学元件30的一个作用的图。

如图8所示，考虑在本实施方式的光学元件30中，图像光GL也以通过第1半反射镜31A、第2半反射镜31B这两枚半反射镜31的方式入射到光学元件30的情况。

在设原本的图像光GL的强度为1时，来自第1半反射镜31A的反射光GL1的强度I_A成为由第1半反射镜31A反射的P偏振光成分的强度Ip1与S偏振光成分的强度Is1之和，表示为I_A＝Ip1+Is1＝Rp1+Rs1＝0+0.3＝0.3。

此外，来自第2半反射镜31B的反射光GL1的强度I_B成为在透过第1半反射镜31A后由第2半反射镜31B反射的P偏振光成分的强度Ip2与S偏振光成分的强度I s2之和，表示为I_B＝Ip2+Is2＝Tp1×Rp2+Ts1×Rs2＝1×0.3+0.7×0＝0.3。

这样，在本实施方式的光学元件30中，能够使来自第1半反射镜31A的反射光GL1的强度与来自第2半反射镜31B的反射光GL2的强度相等。

图9是示出设第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1为0.3、对P偏振光成分的反射率Rp1为0时的、第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率Rs2(横轴)与光强度差d(纵轴)之间的关系的一例的曲线图。在图9的曲线图中，Rs2＝0.3的点表示第1半反射镜和第2半反射镜对S偏振光成分的反射率相等的现有的光学元件130的绘制图，此时的光强度差d为0.09。图9的曲线图示出，第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率Rs2越从0.3起变小，光强度差d越直线式变小。

即，在对S偏振光成分的反射率Rs1比平均反射率R1大的情况下，通过将Rs2设定为比Rs1小，能够减小来自第1半反射镜31A的反射光GL1与来自第2半反射镜31B的反射光GL2之间的强度差。优选第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1与第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率Rs2之差较大。

图10是示出设第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1为0、对P偏振光成分的反射率Rp1为0.3时的、第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率Rs2(横轴)与光强度差d(纵轴)之间的关系的一例的曲线图。即，在图10中，对图9中的第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1的值与对P偏振光成分的反射率Rp1的值进行对调。

图10的曲线图具有与图9的曲线图相反的倾斜度，示出了Rs2越从0起变大，光强度差d越直线式变小的情况。在图10的曲线图中，Rs2＝0的点表示第1半反射镜和第2半反射镜对S偏振光成分的反射率相等的现有的光学元件的情况，此时的光强度差d为0.09。与此相对，在S偏振光成分的反射率Rs1比平均反射率R1小的情况下，通过将Rs2设定得比Rs1大，能够减小来自第1半反射镜31A的反射光GL1与来自第2半反射镜31B的反射光GL2之间的强度差。

即，在结合图9和图10进行考虑时，通过将多个半反射镜31对S偏振光成分的反射率的大小关系设定为，对S偏振光成分的反射率比平均反射率大、小、大、小、……这样交替排列，能够减小来自相邻的两枚半反射镜31的反射光之间的强度差。

图11是示出设第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1为0.25、对P偏振光成分的反射率Rp1为0.05时的、第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率R s2(横轴)与光强度差d(纵轴)之间的关系的一例的曲线图。即，在图11中，分别改变了图9中的第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1的值、对P偏振光成分的反射率Rp1的值。

与图9的曲线图同样，图11的曲线图也示出了第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率Rs2越从0.25起变小，光强度差d越直线式变小的情况。即，即使在第1半反射镜31A对P偏振光成分的反射率Rp1取0以外的值的情况下，在对S偏振光成分的反射率Rs1比平均反射率R1大的情况下，将Rs2设定为比Rs1小，由此能够减小来自第1半反射镜31A的反射光GL1和来自第2半反射镜31B的反射光GL2之间的强度差。

以上，考虑了图像光GL以通过两枚半反射镜31的方式入射到光学元件30的情况，接下来考虑图像光GL以通过更多的半反射镜31的方式入射到光学元件30的情况。

图12示出设第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1为0.3、对P偏振光成分的反射率Rp1为0时的、第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率Rs2(横轴)与光强度的标准偏差(纵轴)之间的关系的一例的曲线图。标号A的曲线图示出来自相邻的3枚半反射镜31的反射光的强度的标准偏差。标号B的曲线图示出来自相邻的4枚半反射镜31的反射光的强度的标准偏差。

在将标号A的曲线图和标号B的曲线图与图9的曲线图进行比较时，曲线图的形状稍有不同，但对S偏振光成分的反射率Rs2与光强度差的大小之间的相关性关系类似。即，即使增加所通过的半反射镜31的数量，也能够与通过的半反射镜31的数量是2枚的情况同样地进行考虑。在第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1比平均反射率R1大的情况下，将第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率Rs2设定为比Rs1小，能够减小来自多个半反射镜的反射光的强度差。

本发明人观察了在使用现有的光学元件130时产生的条纹状的不均。

图13是示出作为该观察结果的现有的光学元件130形成的显示图像的一例的照片。图14是示出沿着图13的A-A线的各位置的光强度曲线的图。

如图13和图14所示，在使用了现有的光学元件130的情况下，较小的条纹状的明暗不均出现在整个图像中，较大的暗线出现在图像的左端。作为这些的改善对策，在减少图像整体的条纹状明暗不均的情况下，将光学元件的全部半反射镜设为上述的将第1半反射镜31A和第2半反射镜31B交替配置的结构即可。或者，在仅减少图像左端的暗线的情况下，仅与图像左端对应的光学元件的一部分的半反射镜设为，上述的将第1半反射镜31A和第2半反射镜31B交替配置的结构即可。

(光学元件的第2作用和效果)

下面，对本实施方式的光学元件30的第2作用和效果进行说明。

图15是用于说明现有的光学元件130的第2作用的图。

如图15所示，在现有的光学元件130中，多个半反射镜131的反射特性在全部半反射镜131中均相同。设半反射镜131对P偏振光成分的反射率Rp为Rp＝0(0％)、对S偏振光成分的反射率Rs为Rs＝0.3(30％)。此外，设半反射镜131对P偏振光成分的透过率Tp为Tp＝1(100％)、对S偏振光成分的透过率Ts为Ts＝0.7(70％)。

这里，考虑外界光EL垂直入射到光学元件130的入射面130a的情况。将外界光EL最初入射的半反射镜131称作第1半反射镜131A，将由第1半反射镜131A反射后的外界光EL接下来入射的半反射镜131称作第2半反射镜131B。设透过第1半反射镜131A而引导至观察者的眼睛的透过光EL1的强度为I_C，设在由第1半反射镜131A反射后再次由第2半反射镜131B反射而引导至观察者的眼睛的反射光EL2的强度为I_G。

在设原本的外界光EL的强度为1时，来自第1半反射镜131A的透过光EL1的强度I_C成为透过了第1半反射镜131A的P偏振光成分的强度Ip1和S偏振光成分的强度Is1之和，表示为I_C＝Ip1+Is1＝Tp+Ts＝1+0.7＝1.7。

与此相对，来自第2半反射镜131B的反射光EL2的强度I_G成为在由第1半反射镜131A反射后再由第2半反射镜131B反射的P偏振光成分的强度Ip2和S偏振光成分的强度Is2之和，表示为I_G＝Ip2+Is2＝Rp×Rp+Rs×Rs＝0×0+0.3×0.3＝0.09。在该情况下，从与第1半反射镜131A相邻的第2半反射镜131B射出反射光，所以产生外界像看起来为双重的现象(重影)。

这里，在将I_G/I_C的值定义为重影对比度C时，C＝0.09/1.7＝0.053。

与此相对，在本实施方式的光学元件30中，如上所述，交替配置了第1半反射镜31A和第2半反射镜31B。此外，在第1半反射镜31A中，对S偏振光成分的反射率Rs1为0.3，对S偏振光成分的透过率Ts1为0.7，对P偏振光成分的反射率Rp1为0，对P偏振光成分的透过率Tp1为1。在第2半反射镜31B中，对S偏振光成分的反射率Rs2为0，对S偏振光成分的透过率Ts2为1，对P偏振光成分的反射率Rp2为0.3，对P偏振光成分的透过率Tp2为0.7。

图16是用于说明本实施方式的光学元件30的第2作用的图。

如图16所示，在设原本的外界光EL的强度为1时，来自第1半反射镜31A的透过光EL1的强度I_C成为透过第1半反射镜31A的P偏振光成分的强度Ip1和S偏振光成分的强度Is1之和，表示为I_C＝Ip1+Is1＝Tp1+Ts1＝1+0.7＝1.7。此外，来自第2半反射镜31B的反射光的强度I_G成为在由第1半反射镜31A反射后再由第2半反射镜31B反射的P偏振光成分的强度Ip2和S偏振光成分的强度Is2之和，表示为I_G＝I p2+Is2＝Rp1×Rp2+Rs1×Rs2＝0×0.3+0.3×0＝0。即，不存在由第1半反射镜31A反射后再由第2半反射镜31B反射而引导至观察者的眼睛的光。

这样，在本实施方式的光学元件30中，能够抑制入射到一个半反射镜31的外界光EL的一部分进行反射而从相邻的半反射镜31射出的情况，所以能够不易观察到外界像的重影。

图17是示出设第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1为0.3、对P偏振光成分的反射率Rp1为0时的、第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率Rs2(横轴)与重影对比度(纵轴)之间的关系的一例的曲线图。

在图17的曲线图中，Rs2＝0.3的点表示第1半反射镜和第2半反射镜对S偏振光成分的反射率相等的现有的光学元件的情况，此时的重影对比度为0.053。此外，图17的曲线图表示，Rs2越从0.3起变小，重影对比度越小，即，越难观察到重影的情况。

即，在对S偏振光成分的反射率Rs1比平均反射率R1大的情况下，将Rs2设定为比Rs1小，由此能够减小重影对比度。优选第1半反射镜对S偏振光成分的反射率Rs1与第2半反射镜对S偏振光成分的反射率Rs2之差较大。

图18是示出设第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1为0.25、对P偏振光成分的反射率Rp1为0.5时的、第2半反射镜31B对S偏振光成分的反射率Rs2(横轴)与重影对比度(纵轴)之间的关系的一例的曲线图。即，在图18中，分别改变了图17中的第1半反射镜31A对S偏振光成分的反射率Rs1的值和对P偏振光成分的反射率Rp1的值。

与图17的曲线图同样，图18的曲线图也示出了Rs2越从0.25起变小，重影对比度越小的情况。即，即使在第1半反射镜31A对P偏振光成分的反射率Rp1取0以外的值的情况下，在对S偏振光成分的反射率Rs1比平均反射率R1大的情况下，通过将Rs2设定为比Rs1小，能够不易观察到重影。

本发明人进行了关于重影产生状况的仿真。

图19是示出作为仿真结果的图像的一例的图。图20是示出沿着图19的B-B线的各位置的光强度曲线的图。在图20中，标号H的曲线图表示使用了现有的光学元件130的情况，标号J的曲线图表示使用了本实施方式的光学元件30的情况。

在图20所示的标号为H的曲线图和标号为J的曲线图中，与图19所示的图像的3条较亮的线状部分对应地出现了3个较大的峰值P1。此外，在使用了现有的光学元件130的情况下，在3个较大峰值P1的左侧出现了较小的峰值P2。观察者将该较小光强度的峰值P2看作为重影。与此相对，在使用了本实施方式的光学元件30的情况下，上述较小的峰值P2变得足够小。这样，根据本实施方式的光学元件30，能够不易观察到重影。

(光学元件的第3作用和效果)

下面，对本实施方式的光学元件30的第3作用和效果进行说明。

图21是用于说明本实施方式的光学元件30的第3作用的图。

在现有的光学元件130中，图像光GL所包含的相同的偏振光成分分别被相邻的半反射镜131反射，所以被相邻的半反射镜131反射后的各相同的偏振光成分衍射，图像的分辨率有可能下降。

针对该问题，如图21所示，在本实施方式的光学元件30中，图像光GL所包含的相同的偏振光成分不被相邻的半反射镜31、即第1半反射镜31A和第2半反射镜31B反射，而是被每隔一个的半反射镜31、即被第1半反射镜31A和第2半反射镜31B中的任意一方反射。因此，本实施方式的光学元件30的反射光的间隔为现有的光学元件130的大致2倍。其结果是，各偏振光成分衍射时的衍射角为大致1/2。由此，根据本实施方式的光学元件30，能够抑制图像的分辨率下降。

本实施方式的显示装置100具有包含上述光学元件30的射出部23，所以能够减少视觉辨认到显示图像的条纹状的不均的情况，并且能够减少外界像看起来为双重的情况。此外，射出部23设置于平行导光体22的靠视觉辨认侧的面，所以能够实现易于设计的显示装置100。

另外，本发明的技术范围不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明主旨的范围内施加各种变更。

例如，上述实施方式示出了在构成光学元件的全部半反射镜的范围内，交替配置了针对特定的偏振光成分反射特性彼此不同的第1半反射镜和第2半反射镜的例子，但例如也可以替代该结构，而仅使光学元件的一部分的区域中的半反射镜构成为交替配置了第1半反射镜和第2半反射镜。或者，也可以替代逐枚交替配置第1半反射镜和第2半反射镜的结构，而设为每多枚交替配置第1半反射镜和第2半反射镜的结构，还可以构成为第1半反射镜和第2半反射镜随机混合存在。或者，光学元件还可以具有对规定的偏振光成分的反射率与第1半反射镜和第2半反射镜均不同的半反射镜。

除此以外，光学元件和显示装置中构成的各结构要素的数量、形状、材料等各部件的具体结构不限于上述实施方式，能够适当地进行变更。例如作为图像形成装置，除上述有机EL元件以外，也可以使用液晶显示元件、激光光源和MEMS(Mi cro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)扫描仪的组合等。另外，在使用液晶显示元件或激光光源作为图像形成装置的情况下，从图像形成装置射出的光有时为1种偏振光，但在该情况下，能够得到P偏振光和S偏振光混合的光学配置。例如，在将射出侧偏振板的透过轴配置为在成为P偏振光的朝向和成为S偏振光的朝向之间的角度时，能够根据该角度调节从显示元件射出的P偏振光与S偏振光的强度比。因此，如果将该强度比的倒数应用于第1半反射镜和第2半反射镜对不同偏振光的反射率之比，则可得到良好的显示图像。作为一例，在设偏振板透过轴的朝向为45度时，P偏振光和S偏振光的强度比为1：1，所以设第1半反射镜的S偏振光反射率R s1和第2半反射镜的P偏振光反射率Rp2为1：1即可。

Claims (5)

1.一种光学元件，其特征在于，具有：

多个半反射镜，它们被设置为隔开间隔地彼此平行，并使图像光和外界光中的一部分反射，使所述图像光和所述外界光中的另外一部分透过；以及

透光性部件，其介于所述多个半反射镜中的相邻的两个所述半反射镜之间；

所述透光性部件具有：入射面，所述图像光和所述外界光入射到该入射面；以及射出面，其使所述图像光和所述外界光射出，

所述多个半反射镜各自被配置为，分别相对于所述入射面和所述射出面倾斜，

所述多个半反射镜包含对所述图像光和所述外界光中包含的规定的偏振光成分的反射率彼此不同的至少一个第1半反射镜和至少一个第2半反射镜。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，

在设所述半反射镜对S偏振光成分的反射率和所述半反射镜对P偏振光成分的反射率的平均值为平均反射率时，

所述第1半反射镜对所述S偏振光成分的反射率比所述平均反射率高且对所述P偏振光成分的反射率比所述平均反射率低，

所述第2半反射镜对所述S偏振光成分的反射率比所述平均反射率低且对所述P偏振光成分的反射率比所述平均反射率高。

3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，

所述多个半反射镜包含多个所述第1半反射镜和多个所述第2半反射镜，

在所述多个半反射镜的排列方向上交替配置有所述第1半反射镜和所述第2半反射镜。

4.一种显示装置，其特征在于，具有：

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引导，

所述导光装置具有：入射部，所述图像光入射到该入射部；导光体，其对从所述入射部入射的所述图像光进行引导；以及射出部，其使所述图像光射出，

所述射出部具有权利要求1至3中的任意一项所述的光学元件。

5.根据权利要求4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靠视觉辨认侧的面。