CN108254918A - 光学元件和显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供光学元件和显示装置。提供能够实现难以观察到显示不均的显示装置的光学元件。本发明的光学元件具备多个反射率变化半反射镜和透光性部件，多个反射率变化半反射镜沿倾斜方向具有反射率不同的多个区域。多个区域至少包含位于距射出面较远的一侧的低反射率区域和位于接近射出面的一侧的高反射率区域。位于距射出面较远的一侧的反射率变化半反射镜的高反射率区域的占有面积大于位于接近射出面的一侧的反射率变化半反射镜的高反射率区域的占有面积。

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在观察者头部而使用的方式的图像显示装置。此外，已知有在观察者佩戴有图像显示装置时、能够同时观察由显示元件生成的图像和观察者的外界的像双方的图像显示装置、即所谓的透视型图像显示装置。
例如，在下述专利文献1中公开了如下光学装置，该光学装置具备：基板，其具有透光性；显示器光源；用于将通过内部反射而入射到基板的视场内的光结合的光学构件；以及部分反射面，其设置于基板内，相对于基板的主面倾斜地配置。此外，在下述专利文献2中公开了如下透视型显示装置系统，该透视型显示装置系统具备图像生成装置和包含由衍射光栅构成的图像提取系统的光导部件。
专利文献1：日本特表2007-505353号公报
专利文献2：日本特开2004-157520号公报
在具备上述专利文献1的光学装置的头戴式显示器和专利文献2的显示装置系统中，存在因设置于观察者眼前的部分反射面的图案而观察到条纹状的显示不均的课题。此外，在这些专利文献中虽然存在通过在一个部分反射面内设置反射率不同的区域来提高明亮度的均匀性、消除显示不均的内容的记载，但其效果并不充分。
发明内容
本发明的一个方式是为了解决上述课题而完成的，一个目的在于提供能够减少观察到条纹状的显示不均的情况的显示装置。另外，本发明的一个方式的一个目的在于提供适合用于上述显示装置的光学元件。
为了实现所述目的，本发明的一个方式的光学元件的特征在于，所述光学元件具备：多个反射率变化半反射镜，它们被设置成隔开间隔且彼此平行，使从入射部入射的图像光的一部分反射，使所述图像光的另一部分透过；和透光性部件，其支承所述多个反射率变化半反射镜，所述透光性部件具有入射所述图像光的入射面和射出所述图像光的射出面，所述多个反射率变化半反射镜各自相对于所述入射面和所述射出面倾斜地配置，所述多个反射率变化半反射镜沿倾斜方向具有反射率不同的多个区域，所述多个反射率变化半反射镜各自的所述多个区域至少包含低反射率区域和高反射率区域，其中，所述低反射率区域在所述倾斜方向上位于距所述射出面较远的一侧，所述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接近所述射出面的一侧，且反射率高于所述低反射率区域，关于所述多个反射率变化半反射镜中的各个反射率变化半反射镜，位于距所述入射部较远的一侧的反射率变化半反射镜的所述高反射率区域的占有面积大于位于距所述入射部较近的一侧的反射率变化半反射镜的所述高反射率区域的占有面积。
在这种光学元件中，向距入射部较远的一侧行进的图像光以相比于向接近入射部的一侧行进的图像光、与半反射镜更接近于垂直的角度入射，并且在被更多个数的半反射镜分支的同时改变前进方向。因此，相比于向接近入射部的一侧行进的图像光，向距入射部较远的一侧行进的图像光通过半反射镜时的强度的下降更显著。
因此，在本发明的一个方式的光学元件中，位于距入射部较远的一侧的反射率变化半反射镜的高反射率区域的占有面积大于位于接近入射部的一侧的反射率变化半反射镜的高反射率区域的占有面积。换言之，在距入射部较远的一侧，一个半反射镜内的反射率变化位置被设定在比接近入射部的一侧更远离射出面(观察者)的位置。由此，能够使向距入射部较远的一侧行进的图像光的强度下降的程度接近向接近入射部的一侧行进的图像光的强度下降的程度。由此能够使从光学元件射出的射出光的强度分布接近均匀。
在本发明的一个方式的光学元件中，关于所述多个反射率变化半反射镜，从距所述入射部较近的一侧朝向距所述入射部较远的一侧，各个所述高反射率区域的占有面积阶段性地增大。
根据该结构，能够利用简单的制造方法制造出射出光的强度分布均匀的光学元件。
在本发明的一个方式的光学元件中，关于所述多个反射率变化半反射镜，从距所述入射部较近的一侧朝向距所述入射部较远的一侧，各个所述高反射率区域的占有面积直线地增大。
根据该结构，能够利用简单的制造方法制造出射出光的强度分布均匀的光学元件。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，在设所述高反射率区域的反射率为R1、所述低反射率区域的反射率为R2、用下述(1)式来定义反射率差参数Φ时，
Φ＝(R1-R2)/[(R1+R2)/2]…(1)
所述反射率差参数Φ满足0.1＜Φ＜0.7。
根据该结构，能够将射出光的强度的振幅抑制在小到观察者无法识别出强度不均的程度。
本发明的一个方式的光学元件还可以具备反射率固定半反射镜，该反射率固定半反射镜与所述多个反射率变化半反射镜的各个反射率变化半反射镜平行地设置。
根据该结构，能够降低光学元件的制造成本。特别是如果适当地设定反射率固定半反射镜的配置和个数，则能够在抑制光学元件的特性劣化的同时降低光学元件的制造成本。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述反射率固定半反射镜以与所述多个反射率变化半反射镜平行的方式配置在所述多个反射率变化半反射镜中的相邻的两个反射率变化半反射镜之间。
根据该结构，能够使从光学元件射出的射出光的强度分布接近均匀。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述多个反射率变化半反射镜的所述高反射率区域和所述低反射率区域平缓地变化。
根据该结构，能够使从光学元件射出的射出光的强度分布接近均匀。
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；和导光装置，其引导由所述图像形成装置生成的图像光，所述导光装置具备：入射部，其入射所述图像光；导光体，其引导从所述入射部入射的所述图像光；以及射出部，其射出所述图像光，所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射出光的强度分布更均匀的光学元件的射出部，因此能够实现难以观察到条纹状的显示不均的显示装置。
在本发明的一个方式的显示装置中，也可以是，所述射出部设置在所述导光体的观察侧的面上。
根据该结构，能够实现容易设计的显示装置。
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是示出导光装置中的图像光的光路的图。
图4是第1实施方式的光学元件的剖视图。
图5是现有的光学元件的剖视图。
图6是示出视场角与射出光的相对强度之间的关系的曲线图。
图7A是示出光学元件的第1制造方法的工序图。
图7B是图7A的工序图的继续。
图7C是图7B的工序图的继续。
图7D是图7C的工序图的继续。
图8A是示出光学元件的第2制造方法的工序图。
图8B是图8A的工序图的继续。
图8C是图8B的工序图的继续。
图8D是图8C的工序图的继续。
图9A是示出光学元件的第3制造方法的工序图。
图9B是图9A的工序图的继续。
图9C是图9B的工序图的继续。
图9D是图9C的工序图的继续。
图10是第2实施方式的光学元件的剖视图。
图11是示出视场角与射出光的相对强度之间的关系的曲线图。
图12A是示出光学元件的第1制造方法的工序图。
图12B是图12A的工序图的继续。
图12C是图12B的工序图的继续。
图13A是示出光学元件的第2制造方法的工序图。
图13B是图13A的工序图的继续。
图13C是图13B的工序图的继续。
图14A是示出光学元件的第3制造方法的工序图。
图14B是图14A的工序图的继续。
图14C是图14B的工序图的继续。
图14D是图14C的工序图的继续。
图14E是图14D的工序图的继续。
图15是用于说明本发明的光学元件的作用的图。
图16是用于说明本发明的光学元件的另一作用的图。
图17是示出视场角与射出光的相对强度之间的关系的曲线图。
图18是示出反射率差参数与射出光强度的振幅之间的关系的曲线图。
图19是第3实施方式的光学元件的剖视图。
图20是示出视场角与射出光的相对强度之间的关系的曲线图。
图21是第3实施方式的变形例的光学元件的剖视图。
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、35、36、60、200：光学元件；31、61、65、201、202：半反射镜(反射率变化半反射镜)；33：反射率固定半反射镜；31A、61A：低反射率区域；31B、61B：高反射率区域；32、62：透光性部件；32a：入射面；32b、62b：射出面；100：显示装置。
具体实施方式
[第1实施方式]
以下，使用图1～图9D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被用作头戴式显示器。
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，为了易于观察各构成要素，有时根据构成要素使尺寸的比例尺不同而示出。
(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截面对应。
显示装置100使观察者观察作为虚像的表示图像，并使观察者以透视的方式观察外界像。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各设置有一组。但是，由于右眼用的装置和左眼用的装置左右对称，因此，这里仅示出左眼用的装置，对于右眼用的装置，省略图示。另外，显示装置100具备供观察者挂在耳朵上的挂耳部(省略图示)，整体具有一般眼镜的外观。
图像形成装置10具备液晶面板11和投影透镜12。液晶面板11对来自光源14的照明光进行空间调制，形成应成为动态图像等显示对象的图像光GL。投影透镜12是使从液晶面板11上的各点射出的图像光GL成为大致平行光线的准直透镜。投影透镜12由玻璃或塑料形成，不限于一个，也可以由多个构成。作为投影透镜12，不限于球面透镜，还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睛EY射出，另一方面，使构成外界像的外界光EL透过而引导至观察者的眼睛EY。导光装置20具备：取入图像光的入射部21；主要引导图像光的平行导光体22；以及用于提取图像光GL和外界光EL的射出部23。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。在第1实施方式的情况下，在导光装置20中传播的图像光GL的光路由反射相同次数的一种光路组成，而并非由多种光路合成。
平行导光体22相对于以观察者的眼睛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倾斜角度κ。由此，能够沿着脸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AX具有倾斜度。这样，使平行导光板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时，从光学元件30射出的光轴AX上及其附近的图像光GL0相对于光射出面OS的法线成角度κ。
入射部21具有：光入射面IS，其将来自图像形成装置10的图像光GL取入入射部21的内部；和反射面RS，其对所取入的图像光GL进行反射而引导至平行导光体22的内部。光入射面IS由投影透镜12侧的凹曲面21b形成。曲面21b还具有将由反射面RS反射的图像光GL在内表面侧全反射的功能。
反射面RS由向投影透镜12侧凹陷的曲面21a形成。反射面RS由通过蒸镀法等而形成在曲面21a上的铝膜等金属膜构成。反射面RS反射从光入射面IS入射的图像光GL，使光路弯折。曲面21b使由反射面RS反射的图像光GL在内侧进行全反射而使光路弯折。这样，入射部21使从光入射面IS入射的图像光GL反射两次，使光路弯折，从而将图像光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x轴倾斜的平板状的导光部件，也被称为导光体。平行导光体(导光体)22由透光性的树脂材料等形成。平行导光体22具有彼此大致平行的一对平面22a和平面22b。由于平面22a和平面22b是平行平面，因此不会导致外界像的放大或焦点偏移。平面22a作为使来自入射部21的图像光全反射的全反射面发挥功能，将图像光GL以较小的损耗引导至射出部23。平面22a配置在平行导光体22的外界侧，作为第1全反射面发挥功能，在本说明书中也被称为外界侧面。
平面22b在本说明书中也被称为观察者侧面。平面(观察者侧面)22b延伸至射出部23的一端。这里，平面22b是平行导光体22与射出部23之间的边界面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入射到作为全反射面的平面22a上，在平面22a上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具有终端面ES作为导光装置20的外形中的+x侧的端面。此外，平行导光体22还具有上端面TP和下端面BP作为±y侧的端面。
如图3所示，将由x轴、y轴和z轴构成的坐标轴以y轴为中心逆时针旋转角度κ，将由此得到的坐标轴分别作为X轴、Y轴和Z轴。
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全反射的图像光GL通过时，使所入射的图像光GL以规定的角度反射而朝光射出面OS侧弯折。这里，不透过射出部23而最先入射到射出部23的图像光GL是作为虚像光的提取对象。即，即使在射出部23中存在被光射出面OS的内表面反射的光，该光也不被用作图像光。
射出部23具有通过排列多个半反射镜31而形成的光学元件30，其中，所述多个半反射镜31具有透光性和光反射性。在后面参照图4等详细叙述光学元件30的结构。光学元件30沿着平行导光体22的观察者侧的平面22b设置。这样，射出部23设置在平行导光体22的观察侧的面上。
由于导光装置20具有如上所述的结构，因此，从图像形成装置10射出而从光入射面IS入射到导光装置20的图像光GL在入射部21被多次反射而弯折，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反射的图像光GL入射到射出部23。
这时，在xy面内，区域FR的长度方向的宽度比射出部23的长度方向的宽度窄。即，图像光GL的光束入射到射出部23(或光学元件30)的入射宽度比图像光GL的光束入射到区域FR的入射宽度宽。这样，通过使图像光GL的光束入射到区域FR的入射宽度相对变窄而使得不易发生光路的干扰，并且不使用边界面IF来进行导光，即，不在边界面IF上反射图像光GL，而容易使来自区域FR的图像光GL直接入射到射出部23(或光学元件30)。
入射到射出部23的图像光GL在射出部23中以适当的角度弯折从而成为能够提取的状态，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中。该虚像光在观察者的视网膜上成像，从而使得观察者能够识别由图像光GL形成的虚像。
用于像形成的图像光GL入射到射出部23的角度随着离开光源侧的入射部21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、或光轴AX倾斜度较大的图像光GL入射而以较大的角度弯折，在射出部23的前侧，相对于Z方向或光轴AX倾斜度较小的图像光GL入射而以较小的角度弯折。
(图像光的光路)
以下，对图像光GL的光路详细地进行说明。
如图3所示，将从液晶面板11的射出面11a上分别射出的图像光中的、从以虚线示出的射出面11a的中央部分射出的成分作为图像光GL0，将以单点划线示出的、从射出面11a的周边中的纸面左侧(-x和+z侧)射出的成分作为图像光GL1，将以双点划线示出的、从射出面11a的周边中的纸面右侧(+x和-z侧)射出的成分作为图像光GL2。在这些图像光中，图像光GL0的光路沿着光轴AX延伸。
经过了投影透镜12的图像光GL0、GL1、GL2分别从导光装置20的光入射面IS入射后，经入射部21，在平行导光体22内通过而到达射出部23。具体而言，图像光GL0、GL1和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中弯折而在平行导光体22内结合，然后，以标准反射角度θ0入射到一方的平面22a的区域FR而被全反射，不在平行导光体22与射出部23(或光学元件30)的边界面IF进行反射，而通过边界面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处以规定的角度反射，在光轴AX方向(相对于Z方向成角度κ的方向)上从光射出面OS作为平行光束射出，其中，所述光轴AX方向相对于包含光射出面OS的XY面倾斜。
从射出面11a的一端侧(-x侧)射出的图像光GL1在入射部21弯折而在平行导光体22内结合，然后，以最大反射角θ1入射到平面22a的区域FR，进行全反射，不在平行导光体22与射出部23(或光学元件30)的边界面IF进行反射，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。这时的射出角γ1返回入射部21侧的角度相对较大。
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中弯折而在平行导光体22内结合，然后，以最小反射角θ2入射到平面22a的区域FR，进行全反射，不在平行导光体22与射出部23(或光学元件30)的边界面IF进行反射，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。这时的射出角γ2返回入射部21侧的角度相对较小。
另外，以图像光GL0、GL1、GL2代表图像光GL的光线整体的一部分对图像光GL0、GL1、GL2进行了说明，但是，构成其它图像光GL的光线成分也与图像光GL0等同样地被引导而从光射出面OS射出。因此，对这些图像光省略图示和说明。
这里，作为入射部21和平行导光体22所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°。通过将图像光GL0、GL1、GL2的反射角θ0、θ1、θ2中最小的反射角θ2设为大于临界角θc的值，针对必要的图像光，可以满足全反射条件。
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，在仰角 之间，反映反射角θ0、θ1、θ2的大小关系，的关系成立。即，光学元件30的半反射镜31上的入射角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的顺序逐渐减小。换言之，半反射镜31上的入射角ι或半反射镜31上的反射角ε随着离开入射部21而减小。
对在平行导光体22的外界侧的平面22a上反射而朝向图像光GL的光束整体的动作进行说明。
如图3所示，在包含光轴AX的截面上，图像光GL的光束的宽度在被平行导光体22的外界侧的区域FR反射的前后的直进光路P1、P2中的任意一个光路中变窄。具体而言，在包含光轴AX的截面中，图像光GL的光束整体的宽度在区域FR附近、即直进光路P1、P2的边界附近跨越直进光路P1、P2的位置变窄，从而光束宽度变窄。由此，图像光GL的光束在射出部分23的近前处变窄，从而容易使得横向的视场角较宽。
另外，在图示的示例中，图像光GL的光束在跨越直进光路P1、P2的位置处宽度变窄，从而光束宽度变窄，但也可以是，图像光GL的光束仅在直进光路P1、P2中的任意一侧宽度变窄，从而光束宽度变窄。
(光学元件的结构)
以下，参考图3和图4，对构成射出部23的光学元件30的结构进行说明。
如图3所示，射出部23由设置在平行光导体22的观察侧的面上的光学元件30构成。因此，射出部23与平行导光体22同样，沿着相对于光轴AX倾斜角度κ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具有这样的结构：在多个透光性部件32中的相邻的两个透光性部件32之间分别夹着半反射镜31。换言之，光学元件30具有半反射镜31和透光性部件32交替配置的结构。
多个半反射镜31中的至少一部分由多个反射率变化半反射镜构成。反射率变化半反射镜沿倾斜方向具有反射率不同的多个区域。在本实施方式中，全部的半反射镜31由反射率变化半反射镜构成。但是，也可以不是全部的半反射镜31由反射率变化半反射镜构成，也可以混合存在反射率固定的半反射镜。在本实施方式中，不需要区分反射率变化半反射镜和反射率固定半反射镜，因此，在以下的说明中，反射率变化半反射镜简称为半反射镜。
如图4所示，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的部件。因此，透光性部件32具有两组在长度方向上平行地延伸且彼此平行的一对平面。在这两组的一对平面中，一组的一个平面是入射图像光GL和外界光EL的入射面32a，一组的另一个平面是射出图像光GL和外界光EL的射出面32b。此外，在另一组的一个平面上设置有具有膜厚不同的两个区域31A、31B的半反射镜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全部构成为相同的形状、相同的尺寸。因此，当贴合多个由一对透光性部件32和半反射镜31构成的组时，多个半反射镜31成为以等间距彼此平行地配置的形态。在图4中，省略了图示，但是，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整体成为矩形板状的部件。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为呈条状地排列而成的结构。即，光学元件30具有这样的结构：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)排列有多个。
另外，如图4所示，由于半反射镜31的一个面是平坦的面，另一个面是具有膜厚差的阶梯差的面，因此，严格地讲，很难说相邻的半反射镜31彼此平行。然而，在本发明中，当通过半反射镜31的膜厚方向上的中心的平面、或半反射镜31中的至少一个面平行时，视为多个半反射镜31彼此平行。由于半反射镜31由薄膜构成且膜厚差也很小，因此，可以说，如果忽略膜厚差，则多个半反射镜31彼此平行。
此外，当相同角度的光入射到多个半反射镜31上时，如果是观察者无法观察到从各个半反射镜31反射的光的彼此的角度差的程度，则视为多个半反射镜31彼此平行。作为一例，设观察者的视力为1.0时，观察者具有60分之1度的分辨率，因此，如果从各个半反射镜31反射的光的彼此的角度差为其一半的角度即120分之1度，则观察者无法观察到差异，视为多个半反射镜31彼此平行。此外，作为另一例，如果从各个半反射镜31反射的光的彼此的角度差是图像形成装置10具有的像素的一半以下的角度差，则观察者无法观察到差异，视为多个半反射镜31彼此平行。例如，在图像光GL的左右视场角为30度、左右像素数为1280像素的情况下，一半像素的角度为30÷1280÷2＝0.012，因此，如果是其一半的角度即0.006度以下的角度差，则视为彼此平行。
半反射镜31由夹在透光性部件32间的反射膜构成。例如，可以使用铝等反射率较高的金属膜作为反射膜。由于反射膜的厚度足够薄，因此，半反射镜31反射已经入射到光学元件30的图像光GL和外界光EL的一部分，并且使图像光GL和外界光EL的另一部分透过。除了金属膜之外，也可以使用将折射率不同的电介质薄膜交替地多层层叠而成的电介质多层膜作为反射膜。
以使半反射镜31的短边相对于透光性部件的入射面32a和射出面32b倾斜的方式设置半反射镜31。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向如下方向倾斜：该方向是以半反射镜31的长边(Y方向)为轴、以与平面22a、22b垂直的YZ面为基准、上端(+Z侧)沿逆时针方向旋转的方向。
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。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，但是，这些部件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沿倾斜方向具有反射率彼此不同的多个区域31A、31B。在图4的示例中，使用金属膜作为反射膜，半反射镜31由沿倾斜方向具有膜厚互不相同的多个区域的金属膜构成。各区域31A、31B中的金属膜的膜厚分别例如为10nm和20nm。在该示例中，半反射镜31具有反射率不同的两个区域31A、31B，但是，反射率不同的区域的数量不限于两个，区域的数量也可以是三个以上。此外，半反射镜31也可以不具有反射率阶段性地不同的区域，而是反射率连续不同。反射率连续不同的情况也包含在半反射镜31具有膜厚不同的多个区域这一概念中。
如上所述，在使用金属膜作为反射膜的情况下，通过使膜厚根据区域而不同，能够使反射率不同。此外，还可以使金属膜的材料根据区域而不同。此外，在使用电介质多层膜作为反射膜的情况下，通过使电介质多层膜中的至少一层的膜厚、层叠数量、电介质材料中的任意一个根据区域而不同，能够使反射率不同。
在半反射镜31中，反射率不同的两个区域包含：高反射率区域31B，其在倾斜方向上位于接近射出面32b的一侧，反射率相对较高；和低反射率区域31A，其在倾斜方向上位于比高反射率区域31B距射出面32b较远的一侧，反射率低于高反射率区域31B。即，高反射率区域31B相当于金属膜的膜厚较厚的区域，而低反射率区域31A相当于金属膜的膜厚较薄的区域。
多个半反射镜31被设置成，距入射部21较远的一侧的各半反射镜31上的高反射率区域31B的占有面积大于接近入射部21的一侧的各半反射镜31上的高反射率区域31B的占有面积。
具体而言，在本实施方式的情况下，多个半反射镜31被分为如下两个部分：由接近入射部21的一侧的多个半反射镜31构成的第1半反射镜组34A；和由距入射部21较远的一侧的半反射镜31构成的第2半反射镜组34B。在第1半反射镜组34A中，多个半反射镜31的高反射率区域31B的占有面积是固定的。此外，在第2半反射镜组34B中，多个半反射镜31的高反射率区域31B的占有面积是固定的。
即，在本实施方式的情况下，多个半反射镜31上的高反射率区域31B的占有面积从接近入射部21的一侧起朝向距入射部21较远的一侧而阶段性地增大。换言之，在距入射部21较远的一侧，一个半反射镜31的高反射率区域31B与低反射率区域31A的边界(反射率变化位置)被设定在比接近入射部21的一侧更远离射出面32b(观察者)的位置。因此，高反射率区域31B与低反射率区域31A的边界线(以虚线表示)遍及多个半反射镜31而呈阶梯状地弯折。“多个半反射镜31上的高反射率区域31B的占有面积阶段性地增大”是指“存在彼此相邻且反射率变化位置相同的多个半反射镜”。
(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°至70°左右的倾斜角度δ，具体而言，具有例如60°的倾斜角度。这里，图像光GL0的仰角例如被设定为30°，图像光GL1的仰角例如被设定为22°，图像光GL2的仰角例如被设定为38°。在该情况下，图像光GL1和图像光GL2以光轴AX为基准，以角度γ1＝γ2≈12.5°入射到观察者的眼睛EY中。另外，角度γ1与γ2之和被称为视场角。
由此，使上述图像光GL中的全反射角度较大的成分(图像光GL1)主要入射到光学元件30中的-x侧的部分23h侧，并且使全反射角度较小的成分(图像光GL2)主要入射到射出部23中的+x侧的部分23m侧时，能够将图像光GL作为整体，以集中在观察者的眼睛EY的角度而高效地提取。由于光学元件30构成为以这样的角度关系提取图像光GL的结构，因此，导光装置20可以原则上不使图像光GL在光学元件30中经过多次，而是仅经过一次。因此，光学元件30能够以较小的损耗将图像光GL作为虚像光提取。
另外，在光学元件30的中央侧以及里侧的部分23k、23h等中，图像光GL的极小部分多次经过(具体而言，包含一次反射和一次以上透过的通过)半反射镜31。在该情况下，半反射镜31的经过次数变为多次，但是由于来自多个半反射镜31的反射光分别作为图像光GL入射到观察者的眼睛EY，因此，光量损耗不会非常大。
此外，在光学元件30的中央侧以及里侧的部分23k，23h等中，存在还产生图像光GL中的、在平行导光体22的背面侧或观察者侧(即，光射出面OS、边界面IF等)反射的成分的可能性。然而，这样的图像光GL作为被半反射镜31反射的非使用光GX(参照图4)而被引导至光路外，从而避免了入射到观察者的眼睛EY。另外，通过半反射镜31的非使用光可能会再次入射到外界侧的平面22a。但是，这里被全反射的情况下，能够使大部分入射到光学元件30的里侧的部分23h或更里侧的有效区域外，从而能够减少入射到眼镜EY中的可能性。
(本实施方式的效果)
以下，对本实施方式的光学元件30的特有效果进行说明。
图5是现有的光学元件300的剖视图。
如图5所示，在现有的光学元件300中，多个半反射镜31各自在一个半反射镜301的面内的反射率是固定的。在该情况下，由于图像光GLa连续透过多个半反射镜301，因此，图像光GLa的强度Ia'n随着向观察者侧前进而下降。即，Ia’1＞Ia’2＞Ia’3。由于这些分支的图像光的强度下降，导致图像的显示状态变得不均匀。图像光GLc也同样，Ic’1＞Ic’2＞Ic’3＞Ic’4＞Ic’5。
此外，比较视场角互不相同的图像光GLa和图像光GLc。图像光GLa入射到光学元件300的位置接近导光体的入射部，图像光GLc入射到光学元件300的位置距导光体的入射部较远。因此，图像光GLc以相比于图像光GLa、与半反射镜301更接近于垂直的角度入射，并且在被更多个数的半反射镜301分支的同时进行偏转。因此，图像光GLc的强度远低于图像光GLa的强度。其结果是，在现有的光学元件300中存在能够观察到条纹状的显示不均的问题。
与此相对，在本实施方式的光学元件30中，由于一个半反射镜31在观察者侧具有高反射率区域31B，在外界侧具有低反射率区域31A，因此，当高反射率区域31B的反射率高于现有的半反射镜301的反射率时，被高反射率区域31B反射的图像光的强度Ia”3高于被现有的半反射镜301反射的图像光的强度Ia’3。这样，能够抑制由半反射镜31分支的图像光的强度下降。
此外，在距入射部21较远的一侧，一个半反射镜31内的高反射率区域31B与低反射率区域31A的边界(反射率变化位置)位于远离观察者的位置。因此，能够使向距入射部21较远的一侧行进的图像光GLc的强度下降(Ic’1＞Ic’2＞Ic”3)的程度接近向接近入射部21的一侧行进的图像光GLa的强度下降(Ia’1＞Ia’2＞Ia”3)的程度。其结果是，能够抑制在各个半反射镜31间的图像光强度的变动以及在接近入射部21的一侧和距入射部21较远的一侧的图像光强度的变动双方，从而使得难以观察到条纹状的显示不均。
这里，本发明人为了验证本实施方式的光学元件30的效果，进行了以下的光学仿真。作为光学仿真，针对以下三种光学元件，求出了射出光瞳的中心处的像的角度分布。另外，受光器的直径被设为比半反射镜的间距(0.9mm)小的0.5mm。
作为实施例的光学元件，假定了如下光学元件30，该光学元件30的半反射镜31的高反射率区域31B的反射率为25％，低反射率区域31A的反射率为15％，两个半反射镜组34A、34B中的反射率边界的高度之差d与图4所示的半反射镜31的高度t之比d/t为0.1。
作为比较例的光学元件，假定了如下光学元件30，该光学元件30的半反射镜的高反射率区域的反射率为25％，低反射率区域的反射率为15％，反射率边界的高度固定。
作为现有例的光学元件，假定了半反射镜的反射率为20％的均匀的光学元件。
图6是示出视场角与射出光的相对强度之间的关系的曲线图。曲线图的横轴是视场角[度]，纵轴是射出光的相对强度[a.u.]。另外，负视场角是相对于射出光瞳的中心轴接近入射部的一侧的视场角，正视场角是相对于射出光瞳的中心轴距入射部较远的一侧的视场角。另外，相对强度被定义为设入射到光学元件的图像光的强度为1时的、每个视场角的射出光的强度。
实线SA示出的曲线图是实施例的光学元件的数据，双点划线SB示出的曲线图是比较例的光学元件的数据，虚线SC示出的曲线图是现有例的光学元件的数据。
观察现有例的光学元件，在接近入射部的区域(视场角为负的区域)中，观察不到显示不均，在距入射部较远的区域(视场角为正的区域)中，观察到条纹状的显示不均。由此，如图6的虚线SC所示，可知：在该观测条件下，如果射出光的强度变化为20％左右，则能够观测到良好的图像，但当射出光的强度变化变为50％左右时，则观察到显示不均。
与此相对，如比较例的光学元件那样，通过在半反射镜中设置反射率不同的区域，如图6中双点划线SB所示，射出光的强度变化遍及视场角的整个区域地减小。此外，如实施例的光学元件那样，通过使区域的边界(反射率的变化位置)在距入射部较远的一侧与观察者分离，从而如图6中实线SA所示，相比于比较例的光学元件，能够进一步减少发光强度的变化。实际观察实施例的光学元件时，可以确认：即使在距入射部较远的区域，也不再观察到条纹状的显示不均。
(光学元件的制造方法)
以下，参照图7A～图7D、图8A～图8D、图9A～图9D，对本实施方式的光学元件的制造方法的三个示例进行说明。
(第1制造方法)
首先，如图7A所示，层叠多个透明基板51而制作出第1层叠体54A，所述多个透明基板51上形成有之后成为低反射率区域的、膜厚相对较薄的反射膜、例如膜厚为10nm的第1反射膜53A。同样地，层叠多个透明基板51而制作出第2层叠体54B，所述多个透明基板51上形成有之后成为高反射率区域的、膜厚相对较厚的反射膜、例如膜厚为20nm的第2反射膜53B。
接下来，如图7B所示，重合地接合第1层叠体54A和第2层叠体54B而制作出多个接合体55，使得第1层叠体54A的各第1反射膜53A和第2层叠体54B的各第2反射膜53B成为连续的一个半反射镜。
接下来，如图7C所示，对于多个接合体55中的一部分接合体55，通过研磨而将大部分的形成有膜厚较厚的第2反射膜53B的一侧去除，使膜厚较薄的第1反射膜53A较多地保留，从而制作出第1接合体56A。与此相反，对于另一部分的接合体55，通过研磨而将大部分的形成有膜厚较薄的第1反射膜53A的一侧去除，使膜厚较厚的第2反射膜53B较多地保留，从而制作出第2接合体56B。
接下来，如图7D所示，将第1接合体56A和第2接合体56B接合。
通过以上工序，本实施方式的光学元件30完成。
(第2制造方法)
首先，如图8A所示，层叠多个透明基板51而制作出第1层叠体54A，所述多个透明基板51上形成有之后成为低反射率区域的、膜厚相对较薄的第1反射膜53A。同样地，层叠多个透明基板51而制作出第2层叠体54B，所述多个透明基板51上形成有之后成为高反射率区域的、膜厚相对较厚的第2反射膜53B。
接下来，如图8B所示，重合地接合第1层叠体54A和第2层叠体54B而制作出多个接合体55，使得第1层叠体54A的各第1反射膜53A和第2层叠体54B的各第2反射膜53B成为连续的一个半反射镜。
接下来，如图8C所示，以如下方式进行配置，由此将两个接合体55接合：使得一个接合体55上的第1反射膜53A和第2反射膜53B的接合位置与另一接合体55上的第1反射膜53A和第2的反射膜53B的接合位置错开。
接下来，如图8D所示，通过研磨去除两个接合体55的一部分，直到两个接合体55的彼此错开的面彼此成为平坦的面，由此形成光学元件30。
通过以上工序，本实施方式的光学元件30完成。
(第3制造方法)
首先，如图9A所示，作为第1成膜工序，利用使用掩模52的蒸镀法、溅射法等，在透明基板51的一面上以例如20nm的膜厚形成例如铝等的金属膜，形成第2反射膜53B。
接下来，如图9B所示，作为第2成膜工序，使掩模52移动到在第1成膜工序中形成第2反射膜53B的区域的上方，在透明基板51的一面上以例如20nm的膜厚形成同一材料的金属膜，形成第1反射膜53A。这样制作出具备具有低反射率区域和高反射率区域的半反射镜31的透明基板51。
接下来，如图9C所示，层叠具备半反射镜31的多个透明基板51而制造出层叠体57。这时，在将多个透明基板51进行了位置对准的状态下进行层叠并接合，使得第1反射膜53A与第2反射膜53B的边界位置呈阶梯状地错开。
接下来，如图9D所示，通过研磨去除多个透明基板51的一部分，直到多个透明基板51的多个错开的面遍及整体地成为平坦的面，形成光学元件30。
通过以上工序，本实施方式的光学元件30完成。
这样，能够利用简单的制造方法制造出射出光的强度分布均匀的本实施方式的光学元件30。
[第2实施方式]
以下，使用图10～图14C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10是第2实施方式的光学元件的剖视图。图10与第1实施方式中的图4对应。
在图10中，对与图4共同的构成要素标记相同的标号，省略说明。
(光学元件的结构)
如图10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具有：在倾斜方向上位于接近射出面62b的一侧的高反射率区域61B；和在倾斜方向上位于距射出面62b较远的一侧的低反射率区域61A。此外，多个半反射镜61被设置成，距入射部21较远的一侧的半反射镜61上的高反射率区域61B的占有面积大于接近入射部21的一侧的半反射镜61上的高反射率区域61B的占有面积。
在本实施方式的情况下，多个半反射镜31的高反射率区域61B的占有面积从接近入射部21的一侧起朝向距入射部21较远的一侧以固定的比率依次增加。即，在第1实施方式中，多个半反射镜31上的高反射率区域31B的占有面积从接近入射部21的一侧起朝向距入射部21较远的一侧阶段性地增大。与此相对，在本实施方式中，多个半反射镜61上的高反射率区域61B的占有面积从接近入射部21的一侧起朝向距入射部21较远的一侧直线地增大。“多个半反射镜61上的高反射率区域61B的占有面积直线地增大”是指“不存在彼此相邻且反射率变化位置相同的多个半反射镜，彼此相邻的半反射镜的反射率变化位置不同”。
其它结构与第1实施方式相同。
在本实施方式中，也能够获得如下与第1实施方式同样的效果：能够将光学元件60的、接近入射部21的一侧和距入射部21较远的一侧的图像光强度的变动抑制得较小，从而使得难以观察到条纹状的显示不均。
对于本实施方式，本发明人也进行了用于验证效果的光学仿真。作为光学仿真，针对以下三种光学元件，求出了射出光瞳的中心处的像的角度分布。另外，受光器的直径被设为比半反射镜的间距(0.9mm)小的0.5mm。
作为实施例的光学元件，假定了如下光学元件，该光学元件的半反射镜的高反射率区域的反射率为25％，低反射率区域的反射率为15％，图10所示的、连接高反射率区域与低反射率区域的边界(反射率变化位置)的直线与射出面所成的倾斜角度α为2.5度。
作为比较例的光学元件，假定了如下光学元件，该光学元件的半反射镜的高反射率区域的反射率为25％，低反射率区域的反射率为15％，反射率边界的高度固定。
作为现有例的光学元件，假定了半反射镜的反射率为20％的均匀的光学元件。
图11是示出视场角与射出光的相对强度之间的关系的曲线图。曲线图的横轴是视场角[度]，纵轴是射出光的相对强度[a.u.]。另外，负视场角是相对于射出光瞳的中心轴接近入射部的一侧的视场角，正视场角是相对于射出光瞳的中心轴距入射部较远的一侧的视场角。
实线SD示出的曲线图是实施例的光学元件的数据，双点划线SE示出的曲线图是比较例的光学元件的数据，虚线SF示出的曲线图是现有例的光学元件的数据。
如图11所示，在虚线SF示出的现有例的光学元件中，在距入射部较远的区域中，射出光的相对强度的变动特别大。实际观察现有例的光学元件时，在接近入射部的区域(视场角为负的区域)中，观察不到显示不均，在距入射部较远的区域(视场角为正的区域)中，观察到条纹状的显示不均。
与此相对，如双点划线SE示出的比较例的光学元件那样，通过在半反射镜中设置反射率不同的区域，使得射出光的强度变化遍及视场角的整个区域地减小。此外，如实线SD示出的实施例的光学元件那样，通过使区域的边界(反射率的变化位置)随着向距入射部较远的一侧前进而远离观察者，从而使得相比于比较例的光学元件，进一步减少射出光的强度变化。实际观察实施例的光学元件时，即使在距入射部较远的区域，也不再观察到条纹状的显示不均。
(光学元件的制造方法)
以下，参照图12A～图12C、图13A～图13C、图14A～图14E，对本实施方式的光学元件的制造方法的三个示例进行说明。
(第1制造方法)
首先，如图12A所示，层叠多个透明基板51而制作出第1层叠体54A，所述多个透明基板51上形成有之后成为低反射率区域的、膜厚相对较薄的反射膜、例如膜厚为10nm的第1反射膜53A。同样地，层叠多个透明基板51而制作出第2层叠体54B，所述多个透明基板51上形成有之后成为高反射率区域的、膜厚相对较厚的反射膜、例如膜厚为20nm的第2反射膜53B。
接下来，如图12B所示，对第1层叠体54A和第2层叠体54B斜着进行研磨，使得彼此对置的两个面不平行。
接下来，如图12C所示，将第1层叠体54A和第2层叠体54B朝向倾斜面彼此对置的方向重叠地接合，由此形成光学元件60。
通过以上工序，本实施方式的光学元件30完成。
(第2制造方法)
首先，如图13A所示，层叠多个透明基板51而制作出第1层叠体54A，所述多个透明基板51上形成有之后成为低反射率区域的、膜厚相对较薄的第1反射膜53A。同样地，层叠多个透明基板51而制作出第2层叠体54B，所述多个透明基板51上形成有之后成为高反射率区域的、膜厚相对较厚的第2反射膜53B。
接下来，如图13B所示，重合地接合第1层叠体54A和第2层叠体54B而制作出多个接合体55，使得第1层叠体54A的各第1反射膜53A和第2层叠体54B的各第2反射膜53B成为连续的一个半反射镜。
接下来，如图13C所示，对彼此对置的两个面进行研磨，使得第1反射膜53A与第2反射膜53B的边界面53AB与研磨面不平行，由此形成光学元件60。
通过以上工序，本实施方式的光学元件60完成。
(第3制造方法)
首先，如图14A所示，作为第1成膜工序，利用使用掩模52的蒸镀法、溅射法等，在透明基板51的一面上以规定的膜厚形成例如铝等的金属膜59a。
接下来，如图14B所示，作为第2成膜工序，使掩模52朝离开在第1成膜工序中形成金属膜59a的区域的方向移动，然后，在透明基板51的一面上以规定的膜厚形成同一材料的金属膜59b。这时，由于在第1成膜工序中形成的金属膜59a上也形成第2成膜工序的金属膜59b，因此，第1成膜工序的金属膜形成区域中的金属膜比第2成膜工序的金属膜形成区域中的金属膜厚。
同样地，如图14C所示，作为第3成膜工序，使掩模52朝离开在第2成膜工序中新形成金属膜59b的区域的方向移动，然后，在透明基板51的一面上以规定的膜厚形成同一材料的金属膜59c。由此，形成上表面具有阶梯差的半反射镜。
另外，成膜工序的次数不限于三次，也可以进行更多次。通过增加成膜工序的次数而减少膜厚的台阶，从而能够形成阶梯差更平缓的半反射镜。此外，也可以在移动掩模的同时进行成膜，来代替在移动掩模之后进行成膜的方法。根据该方法，能够形成具有不存在阶梯差的倾斜面的半反射镜。
接下来，如图14D所示，层叠地接合具备半反射镜65的多个透明基板51而制造出层叠体66。这里，作为具有不存在阶梯差的倾斜面的半反射镜65进行了图示。
接下来，如图14E所示，对层叠体66斜着进行研磨，使得多个半反射镜65的厚度不同的部位遍及层叠体66的厚度方向地在研磨面51k上露出，由此形成光学元件60。
通过以上工序，本实施方式的光学元件60完成。
[设置多个反射率区域的效果]
如上述第1、第2实施方式的光学元件那样，半反射镜通过具有反射率不同的区域，还能够获得显示明亮的效果。
图15是用于说明本发明的光学元件200的作用的图。
为了简化说明，考虑被半反射镜201反射一次而到达观察者的图像光GL1相对强度IA与在透过半透明反射镜201一次后被下一个半反射镜201反射而到达观察者的图像光GL2的相对强度IB之和S。
如现有的光学元件那样，在半反射镜的反射率在面内均匀的情况下，设反射率为p时，相对强度之和S由下述(2)式来表示。
S＝p+p(1-p)＝2p-p2…(2)
另一方面，如图15所示，在半反射镜201、202具有反射率不同的两个区域(高反射率区域201B、202B和低反射率区域201A、202A)的情况下，设两个区域的平均反射率为p'，观察者侧的高反射率区域的反射率为(p'+q)，观察者里侧的低反射率区域的反射率为(p'-q)，图像光通过半反射镜的低反射率区域之后在下一个半反射镜的高反射率区域反射时，相对强度之和S由下述(3)式表示。
S’＝(p’-q)+[1-(p’-q)](p’+q)＝2p’-p’2+q2…(3)
根据(2)式和(3)式可知：通过在半反射镜中设置反射率不同的两个区域(高反射率区域和低反射率区域)，图像光的相对强度增加q2，显示变得明亮。
此外，半反射镜通过具有反射率不同的多个区域，从而还能够获得减少外界像(透视像)的重影的效果。
图16是用于说明本发明的光学元件的另一作用的图。
如图16所示，外界像的重影是因为透过一次半反射镜201而到达观察者的外界光EL1和被半反射镜201反射一次后又被下一个半反射镜202反射而到达观察者的外界光EL2的存在。如现有的光学元件那样，在半反射镜的反射率在面内均匀的情况下，设反射率为p时，成为重影的原因的光的相对强度G由下述(4)式表示。
G＝p2…(4)
另一方面，在半反射镜201、202具有反射率不同的两个区域(高反射率区域201B、202B和低反射率区域201A、202A)的情况下，设两个区域的平均反射率为p'，观察者侧的高反射率区域的反射率为(p'+q)，观察者里侧的低反射率区域的反射率为(p'-q)时，成为重影的原因的外界光EL2的相对强度G’由下述(5)式表示。
G’＝(p’-q)(p’+q)＝p’2-q2…(5)
根据(4)式和(5)式可知：通过在半反射镜设置反射率不同的两个区域(高反射率区域和低反射率区域)，成为重影的原因的光的相对强度减少q2，从而难以看到重影。
但是，高反射率区域与低反射率区域之间的反射率差并不是只是大就行。可以想象，如果反射率差变得过大，则显示不均就会变大。
图17是示出在平均反射率被设为20％的基础上使高反射率区域与低反射率区域之间的反射率差变化时的视场角与射出光的相对强度之间的关系的曲线图。
曲线图的横轴是视场角[度]，纵轴是射出光的相对强度[a.u.]。另外，负视场角是相对于射出光瞳的中心轴更接近入射部的一侧的视场角，正视场角是相对于射出光瞳的中心轴距入射部较远的一侧的视场角。
实线SG示出的曲线图是设高反射率区域的反射率为25％、低反射率区域的反射率为15％、反射率差为10％时的数据。
双点划线SH示出的曲线图是设高反射率区域的反射率为29％、低反射率区域的反射率为11％、反射率差为14％时的数据。
虚线SJ示出的曲线图是在半反射镜面内反射率固定时的数据。
如图17所示，可知：相对于在半反射镜面内反射率固定的现有的光学元件，在半反射镜面内具有反射率不同的两个区域的实施例的光学元件的射出光的相对强度的增减变小，条纹状的显示不均得到改善。此外，还可知：使高反射率区域与低反射率区域之间的反射率差变化时，相对强度的振幅相应地变化。
因此，本发明人使反射率差变化为各种值而求出与各反射率差对应的相对强度的振幅。这时，利用正弦拟合法，根据图17那样的强度分布数据求出振幅。图18中示出其结果。
图18是示出反射率差参数Φ与射出光强度的振幅之间的关系的曲线图。曲线图的横轴是反射率差参数Φ，纵轴是振幅[a.u.]。另外，设高反射率区域的反射率为R1，低反射率区域的反射率为R2时，反射率差参数Φ由下述(6)式定义。
Φ＝(R1-R2)/[(R1+R2)/2]…(6)
在半反射镜面内反射率固定的现有的光学元件的情况下，反射率差参数Φ是Φ＝0。因此，在本实施例的光学元件中，必须分别设定高反射率区域的反射率以及低反射率区域的反射率，使得射出光的相对强度的振幅小于Φ＝0时的振幅(大约0.00035)。在本探讨例中，需要根据图18设定各反射率，使得反射率差参数Φ满足Φ<0.75。
根据本发明人的经验，已知：在半反射镜的反射率固定的光学元件(Φ＝0)中，由于个体差异、图像的明亮度等条件等，存在观察到显示不均的担忧。因此，优选以如下方式设定高反射率区域和低反射率区域的反射率：作为射出光的相对强度的振幅小于Φ＝0时的振幅的范围，使得反射率差参数Φ满足0.1<Φ<0.7。
[第3实施方式]
以下，使用图19～图21对本发明的第3实施方式进行说明。
第3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19是第3实施方式的光学元件的剖视图。图20是示出视场角与射出光的相对强度之间的关系的曲线图。图21是第3实施方式的变形例的光学元件的剖视图。
图19以及图21与第1实施方式的图4对应。在图19和图21中，对与图4共同的构成要素标记相同的标号，并省略说明。
如图19所示，本实施方式的光学元件35具备多个反射率变化半反射镜31、多个反射率固定半反射镜33以及多个透光性部件62。多个反射率固定半反射镜33各自与多个反射率变化半反射镜31各自平行地设置，并且配置在接近多个反射率变化半透半反射镜31的入射部21(参照图1)的一侧。即，本实施方式的光学元件35还具备反射率固定半反射镜33，该反射率固定半反射镜33与多个反射率变化半反射镜31各自平行地设置。
在图19中，在接近多个反射率变化半反射镜31的入射部21的一侧设置有4个反射率固定半反射镜33，但是，反射率固定半反射镜33的数量没有特别限定，也可以是多个，也可以是一个。此外，反射率固定半反射镜33也可以设置在距多个反射率变化半反射镜31的入射部21较远的一侧，也可以设置在接近多个反射率变化半反射镜31的入射部21的一侧或距入射部21较远的一侧中的至少一方。
此外，对于多个反射率变化半反射镜31，与第1实施方式同样，多个半反射镜31上的高反射率区域31B的占有面积从接近入射部21的一侧起朝向距入射部21较远的一侧阶段性地增大。另外，也可以代替该结构，与第2实施方式同样，多个半反射镜31上的高反射率区域31B的占有面积从接近入射部21的一侧起朝向距入射部21较远的一侧直线地增大。
在本实施方式中，也能够获得如下与第1实施方式同样的效果：能够将在光学元件35的、接近入射部21的一侧和距入射部21较远的一侧的图像光强度的变动抑制得较小，从而使得难以观察到条纹状的显示不均。
此外，根据本实施方式的结构，不仅使用反射率变化半反射镜31，还使用反射率固定半反射镜33，由此，能够降低光学元件35的制造成本。特别是通过适当地设定反射率固定半反射镜33的配置和个数，能够在充分抑制光学元件35的特性劣化的同时降低光学元件35的制造成本。
对于本实施方式，本发明人也进行了用于验证效果的光学仿真。作为光学仿真，针对以下4种光学元件，求出了射出光瞳的中心处的像的角度分布。另外，受光器的直径被设为比半反射镜的间距(0.9mm)小的0.5mm。
作为实施例1的光学元件，假定了如下光学元件，该光学元件在与进入观察者的眼睛的光线相关的半反射镜中的、接近多个反射率变化半反射镜的入射部的一侧设置有一个反射率固定半反射镜。设反射率变化半反射镜的高反射率区域的反射率为25％，低反射率区域的反射率为15％，反射率固定半反射镜的反射率为20％。
作为实施例2的光学元件，假定了如下光学元件，该光学元件在与进入观察者的眼睛的光线相关的半反射镜中的、接近多个反射率变化半反射镜的入射部的一侧设置有两个反射率固定半反射镜。各半反射镜的结构与实施例1相同。
作为比较例的光学元件，假定了未设置反射率固定半反射镜而仅设置有多个反射率变化半反射镜的光学元件。多个反射率变化半反射镜的结构与图6示出了数据的实施例的光学元件相同。
作为现有例的光学元件，假定了半反射镜的反射率为20％的均匀的光学元件。
图20是示出视场角与射出光的相对强度之间的关系的曲线图。曲线图的横轴是视场角[度]，纵轴是射出光的相对强度[a.u.]。另外，负视场角是相对于射出光瞳的中心轴接近入射部的一侧的视场角，正视场角是相对于射出光瞳的中心轴距入射部较远的一侧的视场角。另外，相对强度被定义为设入射到光学元件的图像光的强度为1时的、每个视场角的射出光的强度。
标号SA1示出的曲线图是实施例1的光学元件的数据，标号SA2示出的曲线图是实施例2的光学元件的数据，标号SA示出的曲线图是比较例的光学元件的数据，标号SC示出的曲线图是现有例的光学元件的数据
如图20所示，可知：在实施例1、2的光学元件中，虽然在视场角为-10～-15度的区域中，相对强度稍微降低，但整体上能够得到与比较例的光学元件大致同等的特性。因此，可以确认：即使在多个反射率变化半反射镜的一部分中使用反射率固定半反射镜，也能够降低显示不均。
如图21所示，在变形例的光学元件36中，与第1实施方式同样，多个半反射镜31上的高反射率区域31B的占有面积从接近入射部21的一侧起朝向距入射部21较远的一侧阶段性地增大。此外，反射率固定半反射镜33设置在作为反射率变化位置的边界的第1半反射镜组34A与第2半反射镜组34B之间。
在图20中，设置有1个反射率固定半反射镜33，但是，反射率固定半反射镜33的个数并不特别限定，也可以是多个。在设置多个反射率固定半反射镜33的情况下，可以一起配置多个反射率固定半反射镜33，也可以分开布置。此外，关于设置反射率固定半反射镜33的位置，也可以不一定在作为反射率变化位置的边界的第1半反射镜组34A与第2半反射镜组34B之间，也可以配置在构成第1半反射镜组34A、第2半反射镜组34B各自的多个反射率变化半反射镜31之间。
此外，也可以代替上述结构，与第2实施方式同样，多个反射率变化半反射镜31上的高反射率区域31B的占有面积从接近入射部21的一侧起朝向距入射部21较远的一侧直线地增大。也可以在那样的多个反射率变化半反射镜31之间设置反射率固定半反射镜33。
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的主旨的范围内添加各种变更。
例如，在上述实施方式的光学元件中，作为反射率不同的多个区域，举出了高反射率区域和低反射率区域这两个区域，但是，反射率区域的数量不限于两个。也可以设置三个以上的反射率不同的区域。反射率的种类越多，则图像的均匀性越高。
此外，对于各区域的反射率的值，设计者可以根据用途等，从接近0％的值直到接近100％的值，自由地进行设定。当提高反射率时，会产生外界像(透视像)变暗的缺点，但显示图像变得明亮而清晰。可以根据想优先向观察者呈现显示图像和外界像中的哪一个来适当地选择反射率。
光学元件所具备的全部的半反射镜不一定必须具有多个反射率区域。即使例如将光学元件的两端的半反射镜设置为未设置有反射率不同的区域的、反射率固定的半反射镜，也不妨碍显示。或者，也可以在多个反射率变化半反射镜中的相邻的两个反射率变化半反射镜之间配置反射率固定的半反射镜，使其与多个反射率变化半反射镜平行。
此外，也可以是，具有多个反射率区域的半反射镜的高反射率区域与低反射率区域的边界(反射率变化位置)变化的区域和没有变化的区域混合存在。此外，也可以不明确地分出高反射率区域与低反射率区域的边界(反射率变化位置)，也可以是反射率平缓地变化。
此外，构成光学元件和显示装置的各构成要素的数量、形状、材料等各部的具体结构不限于上述实施方式，可以适当变更。例如，作为图像形成装置，除了上述液晶显示装置之外，还可以使用有机EL装置、以及激光光源和MEMS扫描仪的组合等。

Claims (9)

1.一种光学元件，其特征在于，所述光学元件具备：
多个反射率变化半反射镜，它们被设置成隔开间隔且彼此平行，使从入射部入射的图像光的一部分反射，使所述图像光的另一部分透过；和
透光性部件，其支承所述多个反射率变化半反射镜，
所述透光性部件具有入射所述图像光的入射面和射出所述图像光的射出面，
所述多个反射率变化半反射镜各自相对于所述入射面和所述射出面倾斜地配置，
所述多个反射率变化半反射镜沿倾斜方向具有反射率不同的多个区域，
所述多个反射率变化半反射镜各自的所述多个区域至少包含低反射率区域和高反射率区域，其中，所述低反射率区域在所述倾斜方向上位于距所述射出面较远的一侧，所述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接近所述射出面的一侧，且反射率高于所述低反射率区域，
关于所述多个反射率变化半反射镜中的各个反射率变化半反射镜，位于距所述入射部较远的一侧的反射率变化半反射镜的所述高反射率区域的占有面积大于位于距所述入射部较近的一侧的反射率变化半反射镜的所述高反射率区域的占有面积。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
关于所述多个反射率变化半反射镜，从距所述入射部较近的一侧朝向距所述入射部较远的一侧，各个所述高反射率区域的占有面积阶段性地增大。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
关于所述多个反射率变化半反射镜，从距所述入射部较近的一侧朝向距所述入射部较远的一侧，各个所述高反射率区域的占有面积直线地增大。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学元件，其特征在于，
在设所述高反射率区域的反射率为R1、所述低反射率区域的反射率为R2、用下述(1)式定义反射率差参数Φ时，
Φ＝(R1-R2)/[(R1+R2)/2]…(1)
所述反射率差参数Φ满足0.1＜Φ＜0.7。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学元件，其特征在于，
所述光学元件还具备反射率固定半反射镜，该反射率固定半反射镜与所述多个反射率变化半反射镜各自平行地设置。
6.根据权利要求5所述的光学元件，其特征在于，
所述反射率固定半反射镜以与所述多个反射率变化半反射镜平行的方式配置在所述多个反射率变化半反射镜中的相邻的两个反射率变化半反射镜之间。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的光学元件，其特征在于，
所述多个反射率变化半反射镜的所述高反射率区域和所述低反射率区域平缓地变化。
8.一种显示装置，其特征在于，所述显示装置具备：
图像形成装置；和
导光装置，其引导由所述图像形成装置生成的图像光，
所述导光装置具备：
入射部，其入射所述图像光；
导光体，其引导从所述入射部入射的所述图像光；以及
射出部，其射出所述图像光，
所述射出部具备权利要求1至7中的任意一项所述的光学元件。
9.根据权利要求8所述的显示装置，其特征在于，
所述射出部设置在所述导光体的观察侧的面上。
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