JP2016029426A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディスプレイの新たな応用を可能にする光学装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、光学装置は、第１、第２光学素子を含む。前記第１光学素子は、ディスプレイが出射する第１光が入射する第１面と、前記第１面とは異なる第２面と、を有する。前記第１光学素子は、複数の透過部と複数の非透過部とを含む。前記複数の透過部のそれぞれは前記第１面に対して平行な第１方向に延在する。前記複数の非透過部のそれぞれは、前記複数の透過部どうしの間に配置される。前記複数の非透過部の光透過率は前記複数の透過部の光透過率よりも低い。前記第２光学素子には、前記第２面から出射される第２光が入射する。前記第２光学素子は、前記第２光を集光することで第３光を出射し、前記第３光の光軸を、前記第１方向に対して平行な平面内で、前記第２光の光軸に対して傾斜させる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光学装置に関する。

携帯型の通信機器やコンピュータなどに、ディスプレイが設けられる。このようなディスプレイの新たな応用が望まれる。

特開２０１２−１６３７０９号公報

本発明の実施形態は、ディスプレイの新たな応用を可能にする光学装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、光学装置は、第１光学素子と、第２光学素子と、を含む。前記第１光学素子は、ディスプレイが出射する第１光が入射する第１面と、前記第１面とは異なる第２面と、を有する。前記第１光学素子は、複数の透過部と複数の非透過部とを含む。前記複数の透過部のそれぞれは前記第１面に対して平行な第１方向に延在する。前記複数の非透過部のそれぞれは、前記複数の透過部どうしの間に配置される。前記複数の非透過部の光透過率は前記複数の透過部の光透過率よりも低い。前記第２光学素子には、前記第２面から出射される第２光が入射する。前記第２光学素子は、前記第２光を集光することで第３光を出射し、前記第３光の光軸を、前記第１方向に対して平行な平面内で、前記第２光の光軸に対して傾斜させる。

第１の実施形態に係る光学装置を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る光学装置を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る光学装置を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る光学装置を示す模式的平面図である。 第１の実施形態に係る光学装置を示す模式的平面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る光学装置の特性を示すグラフ図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る光学装置を示す模式図である。 光学装置の特性を示す模式的平面図である。 図９（ａ）〜図９（ｆ）は、光学装置の特性を示す模式図である。 図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、光学装置の特性を示す模式的平面図である。 光学装置を示す模式的平面図である。 光学装置の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る光学装置を示す模式的平面図である。 第２の実施形態に係る光学装置を示す模式的断面図である。 第２の実施形態に係る光学装置を示す模式的断面図である。 第３の実施形態に係る光学装置を示す模式的斜視図である。 実施形態に係る光学装置の使用状態を示す模式的断面図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光学装置を例示する模式的斜視図である。
図２は、第１の実施形態に係る光学装置を例示する模式的断面図である。
図２は、図１のＡ１−Ａ２線断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る光学装置１１０は、第１光学素子１０と、第２光学素子２０と、を含む。この例では、第３光学素子３０が設けられている。第３光学素子３０は、光学装置１１０に含まれても良く、光学装置１１０とは別に設けられても良い。

光学装置１１０は、ディスプレイ５０（表示装置）と共に用いられる。例えば、ディスプレイ５０の上に、光学装置１１０が配置される。ディスプレイ５０と光学装置１１０とは、表示システム２１０に含まれる。

ディスプレイ５０は、例えば、携帯型のディスプレイである。ディスプレイ５０として、携帯通信機器（携帯電話、スマートフォンなど）、または、携帯型のパーソナルコンピュータなどが用いられる。ディスプレイ５０は、外部からの映像情報を出力する表示装置単体を含む。実施形態において、ディスプレイ５０は任意である。
ディスプレイ５０は、表示面５０ａを有している。表示面５０ａから、表示映像を含む光（第１光Ｌ１）が出射する。

第１光学素子１０は、例えば、ディスプレイ５０の表示面５０ａの上に配置される。

第１光学素子１０は、第１面１０ａと、第２面１０ｂと、を有する。第１面１０ａには、表示面５０ａから出射した第１光Ｌ１が入射する。第２面１０ｂは、第１面１０ａとは異なる。第２面１０ｂは、第１面１０ａとは反対側の面である。第１光Ｌ１は、第１面１０ａに入射し、第１光学素子１０を通過して、第２面１０ｂから出射する。第２面１０ｂから出射する光を第２光Ｌ２とする。

第１光学素子１０は、複数の透過部１２と複数の非透過部１１とを含む。複数の透過部１２のそれぞれは、第１方向に沿って延在する。第１方向は、第１面１０ａに対して平行な方向である。複数の透過部１２は、第２方向に並ぶ。第２方向は、第１面１０ａに対して平行で、第１方向に対して垂直である。

第１方向をＸ軸方向とする。第２方向をＹ軸方向とする。Ｘ軸方向とＹ軸方向とに対して垂直な方向をＺ軸方向とする。

複数の非透過部１１のそれぞれは、複数の透過部１２どうしの間に配置される。複数の非透過部１１の光透過率は、複数の透過部１２の光透過率よりも低い。

透過部１２は、例えば、開口部である。非透過部１１は、例えば、遮光部である。第１光学素子１０から出射する第２光Ｌ２の広がりは、第１方向（Ｘ軸方向）と第２方向（Ｙ軸方向）とで異なる。第１光Ｌ１が第１光学素子１０を通過することで、第２方向に沿った第２光Ｌ２の広がりは、第１方向に沿った第２光Ｌ２の広がりよりも狭くされる。第１光学素子１０の構成及び特性の例については、後述する。

第２光学素子２０は、第１光学素子１０の上に配置される。第２光学素子２０には、第１光学素子１０の第２面１０ｂから出射する第２光が入射する。第２光学素子２０は、第３面２０ａと第４面２０ｂとを有する。第３面２０ａは、第２面１０ｂに対向する。第３面２０ａは、例えば、Ｘ−Ｙ平面に対して実質的に平行である。第３面２０ａには、第２光Ｌ２が入射する。第４面２０ｂは、第３面２０ａとは異なる。第４面２０ｂは、第３面２０ａとは反対側の面である。第３面２０ａに入射した光（第２光Ｌ２）は、第２光学素子２０を通過して、第４面２０ｂから出射する。第４面２０ｂから出射するこの光を第３光Ｌ３とする。

第２光学素子２０は、第２光Ｌ２を集光して、第３光Ｌ３として出射させる。さらに、第２光学素子２０は、第３光Ｌ３の光軸を、第２光Ｌ２の光軸に対して傾斜させる。傾斜の方向は、第１方向に対して平行である。傾斜の方向は、第２方向に対して垂直である。第３光Ｌ３の主軸は、例えば、Ｘ−Ｚ平面に対して平行である。このように、第２光学素子２０は、第３光Ｌ３の光軸を、第１方向に対して平行な平面内で、第２光Ｌ２の光軸に対して傾斜させる。

例えば、第３光Ｌ３の主光線の光軸は、第２光Ｌ２の主光線の光軸に対して傾斜する（非平行である）。第３光Ｌ３の主光線の光軸と、第２光Ｌ２の主光線の光軸と、は、第２方向に対して垂直な平面（Ｘ−Ｚ平面）に対して平行である。

傾斜した第３光Ｌ３が、第３光学素子３０に入射し、第３光学素子３０に反射して、観視者８０に至る。観視者８０は、ディスプレイ５０（表示システム２１０）を観視する。観視者８０は、光学装置１１０の使用者である。第３光学素子３０は、例えば、コンバイナである。

すなわち、第２光学素子２０は、第１面１０ａに対して傾斜して設けられる第３光学素子３０に向けて、第３光Ｌ３を出射させる。

第３光学素子３０は、第５面３０ａと第６面３０ｂとを有する。第６面３０ｂは、第５面３０ａとは異なる。第６面３０ｂは、第５面３０ａとは反対側の面である。

第２光学素子２０から出射した第３光Ｌ３は、第５面３０ａで反射する。第５面３０ａで反射した光を第４光Ｌ４とする。第４光Ｌ４が、観視者８０に向けて進行する。すなわち、第３光Ｌ３は、第３光学素子３０で反射して、観視者に入射する。

例えば、第５面３０ａで反射した第４光Ｌ４は、観視者８０の片方の目８１に入射する。第４光Ｌ４は、観視者８０の他方の目には入射しない。

観視者８０は、入射する第４光Ｌ４を片方の目８１だけで視認し、他方の目では視認しない。一方の目だけで視認することで、奥行きの知覚が増強される。さらに、パララックスが生じないため、表示が見やすくなる。

このように、第３光学素子３０は、反射性である。第３光学素子３０は、さらに光透過性でも良い。すなわち、第３光学素子３０は、半透過性半反射でも良い。

この場合、背景像を含む第５光Ｌ５は、第３光学素子３０を通過する。例えば、第６面３０ｂに入射する背景像を含む第５光Ｌ５は、第３光学素子３０を通過して第５面３０ａから出射する。第５面３０ａから出射した第６光Ｌ６は、観視者８０に向けて進行する。第６光Ｌ６は、観視者８０の片方の目８１と、他方の目と、の両方に入射する。

表示システム２１０においては、ディスプレイ５０から出射した表示像は、観視者８０の片方の目８１に入射し、他方の目には入射しない。一方、背景像は、観視者の両方の目に入射する。観視者８０は、背景像と重畳して、表示像を観視する。背景像は、両方の目で観視されるため、奥行きを知覚させる。一方、背景像と重畳された表示像は、片方の目８１だけ観視されるため、表示像は、重畳された背景像の奥行き位置に知覚され易い。すなわち、表示像において、奥行きに関する知覚が増強される。

このように、実施形態においては、ディスプレイ５０を直接観視する通常の使用方法に加えて、ディスプレイ５０の新たな応用を可能にする。この新たな応用においては、表示像は、第３光学素子３０で反射し、例えば、背景像と重畳させて知覚される。

ディスプレイ５０は、観視者８０から見て、実質的に水平に設置されることが望ましい。そして、ディスプレイ５から出射した光を反射させるために、第３光学素子３０は、水平面から傾斜して設置される。実施形態に係る光学装置１１０においては、第１光学素子１０及び第２光学素子２０は、このようなディスプレイ５０と第３光学素子３０との間に配置される。

第２光学素子２０は、実質的に水平に配置されるディスプレイ５０からの光を、第３光学素子３に向けて入射させる。すなわち、光軸を傾斜させる。これにより、水平に配置されるディスプレイ５０からの光を第３光学素子３０に入射させ、反射させて、観視者８０に入射させることができる。

さらに、実施形態においては、例えば、表示像を片方の目８１のみで知覚させる。このために、観視者８０に入射する光（第４光Ｌ４）の左右方向の広がりを小さくする。

例えば、第１光学素子１０には、複数の透過部１２と複数の非透過部１１とが設けられる。これにより、第１光学素子１０は、ディスプレイ５０からの光（第１光Ｌ１）の広がりを制御して、左右方向（第２方向に対応）の広がりを小さくできる。これにより、観視者８０に入射する光（第４光Ｌ４）の左右方向の広がりが狭くでき、その光は、観視者８０の片方の目８１だけに入射できる。

このように、第１光学素子１０は、光の広がりを制御して、光の広がりを狭くする。さらに、第２光学素子２０は、集光の機能を有する。すなわち、第２光学素子２０においても、光の広がりが狭くされる。このように、第１光学素子１０に加えて、第２光学素子２０も用いて、光の広がりを狭くすることで、観視者８０に入射する光（第４光Ｌ４）の左右方向の幅を狭くできる。

このように、第２光学素子２０は、光軸の方向を変える機能と、光を集光する機能と、を有する。

第１光学素子２０には、例えば、フレネルレンズを用いることができる。これにより、集光機能が得られる。そして、フレネルレンズの光学的な中心を、第１光学素子１０の中心からシフトさせることで、第２光学素子２０において、光軸の方向を変えることができる。

図１及び図２に示すように、第２光学素子２０は、複数の凸状部２１を含む。複数の凸状部２１は、第３面２０ａ及び第４面２０ｂの少なくともいずれかに設けられる。複数の凸状部２１は、例えば、同心で設けられる。

第３面２０ａ（例えばＸ−Ｙ平面）に投影したときに、複数の凸状部２１のそれぞれは円弧状である。複数の凸状部２１は、フレネルレンズを形成する。

図２に示すように、第２光学素子２０は、光学的中心２０ｃを有する。光学的中心２０ｃは、第１光学素子１０の中心１０ｃからシフトしている。シフトの方向は、第１方向（Ｘ軸方向）に沿っている。

第１光学素子１０の中心１０ｃは、第１光学素子１０の、Ｘ−Ｙ平面（第１方向と第２方向とを含む平面）内の中心である。第２光学素子２０の光学的中心２０ｃは、第１光学素子１０の中心１０ｃから、第１方向において離間している。

これにより、第２光学素子２０から出射する第３光Ｌ３の光軸が、第２光Ｌ２に対して傾斜し、第３光Ｌ３が第３光学素子３０に入射できる。

図２に例示したように、第２光学素子２０の光学的中心２０ｃは、第２光学素子２０の中に設けられていなくても良い。光学的中心２０ｃは、第２光学素子２０から離れた空間内に位置しても良い。光学的中心２０ｃは、例えば、第２光学素子２０に平行光を入射させて、焦点を結ぶ位置から推定することができる。

例えば、第３光学素子３０は、下側部分３０ｌと上側部分３０ｕとを含む。上側部分３０ｕと第１光学素子１０との間の距離は、下側部分３０ｌと第１光学素子１０との間の距離よりも長い。このとき、第２光学素子２０の光学的中心２０ｃのシフトの方向は、第３光学素子３０の上側部分３０ｕから下側部分３０ｌに向かう方向に対応する。すなわち、第２光学素子２０の光学的中心２０ｃと上側部分３０ｕとの間の第１方向に沿った距離Ｄｕは、第２光学素子２０の光学的中心２０ｃと下側部分３０ｌとの間の第１方向に沿った距離Ｄｌよりも長い。

例えば、第２光学素子２０と第３光学素子３０との間における第３光Ｌ３の進行方向を第１面１０ａ（Ｘ−Ｙ平面）に投影した方向の向きは、上側部分３０ｕから下側部分３０ｌに向かう方向を第１面１０ａに投影した方向の向きと同じである。

図３は、第１の実施形態に係る光学装置を例示する模式的断面図である。
図３に示すように、ディスプレイ５０から出射した第１光Ｌ１は、Ｚ軸方向に沿う成分（例えば主光線）を有する。第１光Ｌ１が第１光学素子１０に入射し、第２光Ｌ２が第１光学素子１０から出射する。第１光Ｌ１のうちのＺ軸方向に沿う成分（主光線）の方向は、第１光学素子２０を通過しても変わらない。第２光Ｌ２が、第２光学素子２０に入射して、第３光Ｌ３が第２光学素子２０から出射する。第３光Ｌ３は、Ｚ軸に対して傾斜する。図３に描かれた３つの光線が、第３光学素子３０で方向が変えられ、そして、集光されて、第４光Ｌ４として、観視者８０に入射する。

図４は、第１の実施形態に係る光学装置を例示する模式的平面図である。
図４は、第１光学素子１０を例示している。
図４に示すように、複数の透過部１２と複数の非透過部１１とが設けられる。複数の透過部１２のそれぞれには、例えば、透明な樹脂、及び、透明なガラスの少なくともいずれかが用いられる。複数の非透過部１１のそれぞれには、例えば、金属膜が用いられる。

複数の非透過部１１のそれぞれの第２方向（Ｙ軸方向）に沿った幅ｗ１１は、例えば、５０マイクロメートル（μｍ）以上である。幅ｗ１１は、１００μｍ以上でも良い。複数の透過部１２のそれぞれの第２方向に沿った幅ｗ１２は、例えば、１００μｍ以上１０００μｍ以下である。幅ｗ１１が過度に狭いと、例えば、製造が困難となる。幅ｗ１１が過度に広いと、例えば、透過光の遮蔽の程度が大きくなり、観視時の表示機能が著しく低減する。幅ｗ１２が過度に狭いと、例えば、幅ｗ１１が透過光の遮蔽の程度が大きくなる。幅ｗ１２が過度に広いと、例えば、視域（観視領域）を所望のように限定することが困難になる。その結果、単眼視による観視が困難になる。

図５は、第１の実施形態に係る光学装置を例示する模式的平面図である。
図５は、第２光学素子２０を例示している。
図５に示すように、第２光学素子２０において、複数の凸状部２１は、弧状（円弧状）の部分を有する。すなわち、複数の凸状部２１の少なくともいずれかは、弧２１ａ（円弧）を含む。複数の凸状部２１は、例えば、同心で設けられる。同心円の中心が、第２光学素子２０の光学的中心２０ｃに対応する。

複数の凸状部２１のピッチＣｐは、例えば、２０μｍ以上１０００μｍ以下である。ピッチＣｐが、過度に小さいと、例えば、製造において、凸状部２１を所望の形状にすることが困難になる。ピッチＣｐが過度に大きいと、例えば、得られる像の質が低下する。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る光学装置の特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、第１光学素子１０から出射する第２光Ｌ２の広がりを例示している。図６（ａ）は、Ｙ軸方向の光の広がりを示し、横軸は、Ｙ軸方向における角度である。図６（ｂ）は、Ｘ軸方向の光の広がりを示し、横軸は、Ｘ軸方向における角度である。縦軸は、光の相対的な強度Ｉｎｔである。角度は、Ｚ軸方向を基準とした角度である。

図６（ａ）に示すように、Ｙ軸方向において光の広がりが狭い。図６（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向において光の広がりは広い。第２光Ｌ２の第１方向（Ｘ軸方向）における半値全幅の角度を第１角度αｘとする。第２光Ｌ２の第２方向（Ｙ軸方向）における半値全幅の角度を第２角度αｙとする。第１角度αｘは、第２角度αｙよりも大きい。すなわち、第２角度αｙは、第１角度αｘよりも小さい。半値全幅の角度は、光の強度が、光の最高の強度の１／２となる角度に対応する。

第２角度αｙは、例えば、５度以下であることが好ましい。これにより、例えば、光の広がりが抑制され、観視者８０の片方の目８１に光が入射できる。第２角度αｙは、３度以下であることがさらに好ましい。これにより、観視者８０の位置が移動した場合でも、片方の目８１に光が入射する状態を維持し易くなる。

このような第１光学素子１０の特性は、例えば、以下の構成などにより得られる。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る光学装置を例示する模式的図である。
図７（ａ）は、第１光学素子１０を拡大して示す模式的平面図である。図７（ｂ）は、模式的断面図である。

図７（ａ）に示すように、第１光学素子１０において、枠部１３が設けられる。枠部１３は、第１光学素子１０の周縁となる。枠部１３に複数の非透過部１１が接続される。非透過部１１は、Ｘ軸方向に延在する。この例では、非透過部１１には、金属膜が用いられる。非透過部１１どうしの間が、透過部１２となる。透過部１２は、間隙である。透過部１２は、空気の層である。

非透過部１１のＸ軸方向の２つの端が、枠部１３に接続されている。非透過部１１の幅ｗ１１に比べて、非透過部１１のＸ軸方向の長さが長いとき、非透過部１１が撓み易い。この例では、非透過部１１の２つの端の間に接続部１４が設けられている。接続部１４は、Ｙ軸方向に延在し、複数の非透過部１１と接続されている。

例えば、非透過部１１の幅ｗ１１（Ｙ軸方向の長さ）は、約１００μｍである。透過部１２の幅ｗ１２（Ｙ軸方向の長さ）は、例えば、約３０３μｍである。複数の透過部１２のピッチＬｐ（複数の非透過部１１のピッチ）は、約４０３μｍである。接続部１４の幅（Ｘ軸方向の幅）は、約１００μｍである。複数の接続部１４が設けられても良い。複数の接続部１４は、Ｘ軸方向に並ぶ。

非透過部１１の長さ（Ｘ軸方向の長さ）は、例えば、約６０ｍｍである。第１光学素子のＸ軸方向の長さは、例えば、７０ｍｍである。第１光学素子１０のＹ軸方向の長さは、約１１０ｍｍである。

図７（ｂ）に例示するように、非透過部１１の厚さｔ１１（Ｚ軸方向の長さ）は、約６ｍｍである。上記の各値は、例であり、実施形態において、種々の変形が可能である。

透過部１２の厚さは、非透過部１１の厚さｔ１１と実質的に同じである。この例では、透過部１２のアスペクト比は、実質的に、ｔ１１／ｗ１２であり、この例では、２０である。このような高いアスペクト比の透過部１２を設けることで、Ｙ軸方向の光の広がりを小さくすることができる。この例では、第２方向（Ｙ軸方向）における光の広がりの角度（半値全幅の第２角度αｙ）は、約３度である。

実施形態において、透過部１２の第２方向（Ｙ軸方向）に沿った幅ｗ１２の、非透過部１１の厚さｔ１１（Ｚ軸方向の長さ）に対する比（アスペクト比）は、１０以上であることが好ましい。これにより、第２角度αｙを小さくでき、目的とする視域が得られる。

アスペクト比により、光の広がりの角度（拡散角）が変化する。アスペクト比により、所定の観視位置における観視領域（観視者８０に入射する光の幅）が決まる。アスペクト比は、観視位置に応じて定めても良い。例えば、観視位置と第１光学素子１０との間の距離（観視距離）が約１００ｃｍ程度であり、観視領域の幅（左右幅）が５ｃｍの場合には、アスペクト比は、１００ｃｍ／５ｃｍであり、２０となる。観視距離がより短い場合には、アスペクト比をより小さくしても良い。

一方、アスペクト比が過度に低い場合には、観視距離が過度に短くなる。観視距離が過度に短くなると、単眼視による奥行き知覚の増強効果を得ることが困難になる。例えば、観視距離が、２１．７ｃｍ以上、さらに好ましくは３５．５ｃｍ、さらに好ましくは６３．４ｃｍ以上とすることで、単眼視による奥行き知覚の増強効果が効果的に得られる。観視距離は例えば約５０ｃｍ以上とすることが好ましい。このとき、光が一方の目だけに入射するように観視領域の幅を５ｃｍとすると、アスペクト比は、１０となる。

アスペクト比は、８０未満が好ましい。過度にアスペクト比が高いと、単眼による観視領域域の幅と瞳孔径との差が小さくなり、遮光領域が瞳孔と重なる場合が長じる。このため、表示が暗くなる。さらに製造が困難になる。

この例の第１光学素子１０は、例えば金属板に透過部１２に対応する開口部をエッチングなどにより設け、複数のこのような金属板を積層することで形成することができる。金属板の部分は、非透過部１１になる。開口部が、透過部１２となる。必要に応じて、金属板の表面に光吸収性の膜を形成しても良い。

この例では、透過部１２は空隙であり、空気層であるが、実施形態において、透過部１２として、光透過性の樹脂層などが用いても良い。透過部１２が空気層である場合は、光吸収が抑制できるので好ましい。

第１光学素子１０は、厚い金属板に開口部を形成することでも得られる。第１光学素子１０は、例えば、射出成型により形成しても良い。実施形態において、第１光学素子１０の形成方法は任意である。

第１光学素子１０と第２光学素子２０とを組み合わせた場合に、モアレが生じる場合がある。以下、モアレの例について説明する。

図８は、光学装置の特性を例示する模式的平面図である。
図８は、参考例の光学装置１１９を例示している。光学装置１１９においては、第１光学素子１０の中心１０ｃに、第２光学素子２０の光学的中心２０ｃが配置されている。この図から分かるように、モアレが生じる。モアレは、例えば、１次〜５次モアレＭ１〜Ｍ５などを含む。図８から分かるように、モアレは、Ｙ軸方向（図８において左右方向）に生じている。

図９（ａ）〜図９（ｆ）は、光学装置の特性を例示する模式図である。
図９（ａ）は、第１光学素子１０の実空間における特性を例示している。図９（ｂ）は、第１光学素子１０の周波数空間における特性を例示している。図９（ｃ）は、第２光学素子２０の実空間における特性を例示している。図９（ｄ）は、第２光学素子２０の周波数空間における特性を例示している。図９（ｅ）は、第１光学素子１０及び第２光学素子２０が積層されたときの実空間における特性を例示している。図９（ｆ）は、第１光学素子１０及び第２光学素子２０が積層されたときの周波数空間における特性を例示している。

図９（ｅ）及び図９（ｆ）から分かるように、モアレが生じる。図９（ｆ）に例示したように、可視領域ＶＡにおいて、モアレが生じる。

図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、光学装置の特性を例示する模式的平面図である。
図１０（ａ）に示した例においては、Ｃｐ＝１で、Ｌｐ＝１である。このときＣｐ／Ｌｐ＝１である。
図１０（ｂ）に示した例においては、Ｃｐ＝２．５で、Ｌｐ＝１である。このときＣｐ／Ｌｐ＝２．５である。
図１０（ｃ）に示した例においては、Ｃｐ＝１で、Ｌｐ＝０．５である。このときＣｐ／Ｌｐ＝２である。
図１０（ｄ）に示した例においては、Ｃｐ＝１．５で、Ｌｐ＝１である。このときＣｐ／Ｌｐ＝１．５である。

これらの図に示すように、モアレが生じる。１次モアレＭ１、２次モアレＭ２及び３次モアレＭ３が生じる位置の例について説明する。以下では、第２光学素子２０の複数の凸状部２１と、Ｘ軸方向と、の間の角度について、説明する。

図１１は、光学装置を例示する模式的平面図である。
図１１に示すように、第２光学素子２０の複数の凸状部２１の接線２１ｔと、Ｘ軸方向（第１方向）と、の間の角度を角度θとする。角度θは、第２光学素子２０内の凸状部２１の位置に応じて変化する。

図１２は、光学装置の特性を例示するグラフ図である。
図１２は、１次モアレＭ１、２次モアレＭ２及び３次モアレＭ３が生じる位置の角度θと、比Ｒとの関係を例示している。このグラフは、ＣｐとＬｐとを変更した６種類のサンプルの例について示している。図１２の横軸は、比Ｒである。比Ｒは、Ｃｐ／Ｌｐである。縦軸は、１次モアレＭ１、２次モアレＭ２及び３次モアレＭ３が生じる位置における角度θの最大値θｍである。

例えば、比Ｒが１のサンプルにおいて、１次モアレＭ１については、最大値θｍは約２０度である。すなわち、１次モアレＭ１は、角度θが約２０度以下のときにおいて生じる。例えば、２次モアレＭ２は、角度θが約２７度以下のときにおいて生じる。３次モアレＭ３は、角度θが３５度以下のときにおいて生じる。

図１２から、比Ｒが０．４〜３の６種類のサンプルにおいて、３次モアレＭ３は、角度θが３５度以下のときにおいて生じることが分かる。４次以上のモアレは、程度が比較的小さく、知覚されにくい。このため、１次モアレＭ１、２次モアレＭ２及び３次モアレＭ３の発生を抑制することで、知覚されモアレが実質的に抑制できる。

実施形態においては、複数の凸状部２１の弧２１ａ（円弧）の接線２１ｔと、第１方向と、の間の角度θの最小値は、３５度以上とすることが好ましい。これによりモアレが抑制できる。

図６には、３次モアレの特性を３次関数で近似したｆ（Ｒ^３）を示している。この近似によれば、

θｍ＝ｆ（Ｒ^３）＝６．９１８Ｒ^３−３６．１２３Ｒ^２＋４９．４３７Ｒ＋１５．０３８

となる。従って、複数の凸状部２１の弧２１ａの接線２１ｔと、第１方向と、の間の角度θの最小値（度）は、６．９１８Ｒ^３−３６．１２３Ｒ^２＋４９．４３７Ｒ＋１５．０３８以上にすることが好ましい。これによりモアレが抑制できる。

図１３は、第１の実施形態に係る光学装置を例示する模式的平面図である。
図１３は、第２光学素子２０を例示している。第２光学素子２０に、複数の凸状部２１、すなわち、複数の弧２１ａが設けられる。複数の弧２１ａのそれぞれは、Ｘ−Ｙ平面内のそれぞれの位置で、接線２１ａｔを有する。接線２１ａｔと第１方向（Ｘ軸方向）との間の角度が、角度θと定義される。角度θは、弧２１ａの位置によって変化する。

例えば、内側の弧２１ａｉは、接線２１ａｉｔを有する。接線２１ａｉｔとＸ軸方向との間の角度θ１は、内側の弧２１ａｉの位置によって変化する。角度θ１は、内側の弧２１ａｉの中心部において大きく、内側の弧２１ａｉの端において小さい。

例えば、外側の弧２１ａｏは、接線２１ａｏｔを有する。接線２１ａｏｔとＸ軸方向との間の角度θ２は、外側の弧２１ａｏの位置によって変化する。角度θ２は、外側の弧２１ａｏの中心部において大きく、外側の弧２１ａｏの端において小さい。角度θ２は、角度θ１よりも小さい。

実施形態においては、角度θ２は、例えば３５度よりも大きくされる。このとき、角度θ１も、例えば３５度よりも大きい。実施形態においては、第２光学素子２０における任意の凸状部２１の弧２１ａにおいて、角度θの最小値が、例えば、３５度以上である。これにより、モアレが実質的に知覚されない。

（第２の実施形態）
図１４は、第２の実施形態に係る光学装置を例示する模式的断面図である。
図１４に示すように、本実施形態に係る光学装置１１１及び表示システム２１１においても、第１光学素子１０及び第２光学素子２０が設けられる。第３光学素子３０は、光学装置１１１に含まれても良く、光学装置１１１とは別に設けられても良い。本実施形態においては、第３光学素子３０は、光学的パワーを有する。これ以外は、第１の実施形態と同様とすることができるので、説明を省略する。

第３光学素子３０の第５面３０ａは、例えば、凹面状である。例えば、第３光学素子３０は、集光性を有する。第３光学素子３０がパワーを有することで、第３光学素子３０で反射した第４光Ｌ４が集光される。観視者８０は、集光された第４光Ｌ４を観視する。第４光Ｌ４に含まれる表示像は、拡大されて、観視される。

図１５は、第２の実施形態に係る光学装置を例示する模式的断面図である。
図１５に示すように、第３光Ｌ３は、第３光学素子３０で反射して、第４光Ｌ４となる。第４光Ｌ４により形成される虚像Ｌ４ａを、観視者８０は観視する。

第３光学素子３０がパワーを有する場合、例えば、第２光学素子２０の集光特性（パワー）は、第３光学素子３０のパワーに適合して設計される。

（第３の実施形態）
図１６は、第３の実施形態に係る光学装置を例示する模式的斜視図である。
図１６に示すように、本実施形態に係る光学装置１１２及び表示システム２１２においては、保持部６０がさらに設けられる。これ以外は、第１実施形態または第２実施形態と同様にすることができるので、説明を省略する。

保持部６０は、第１光学素子１０及び第２光学素子２０と接続される。保持部６０は、第１光学素子１０及び第２光学素子２０とを一体に保持する。保持部６０は、例えば、側面部６１と、突起部６２と、結合部６４と、を含む。側面部６１は、第１光学素子１０の側面及び第２光学素子２０の側面と対向する。突起部６２により第１光学素子１０の底部が保持される。結合部６４は、側面部６１につながっている。結合部６４は、第３光学素子３０と結合される。結合部６４により、第３光学素子３０は、第１光学素子１０に倒して傾斜して保持される。

保持部６０において、２つの側面部６１が設けられている。２つの側面部６１は、Ｙ軸方向において、互いに離間している。２つの側面部６１のそれぞれに、突起部６２が設けられている。２つの側面部６１の間で、第１光学素子１０の下部に空間６３が設けられている。この空間６３に、ディスプレイ５０が挿入される。ディスプレイ５０は、空間６３内に配置される状態と、空間６３から取り出された状態と、を有することができる。

保持部６０は、第１光学素子１０及び第２光学素子２０の少なくともいずれかと、ディスプレイ５０と、の間の空間的配置を規定する。例えば、２つの側面部６１と２つの突起部６２により、第１光学素子１０及び第２光学素子２０の位置が規定される。２つの側面部６１により、ディスプレイ５０の位置が規定される。保持部６０は、ディスプレイ５０を着脱可能に、保持する。

以下、実施形態に係る光学装置の使用状態の例について説明する。以下では、光学装置１１０の例について説明する。上記の実施形態に係る任意の光学装置及びその変形に、以下の説明が適用できる
図１７は、実施形態に係る光学装置の使用状態を例示する模式的断面図である。
図１７に示すように、実施形態に係る光学装置１１０は、移動体７２０に搭載されて使用できる。移動体７２０は、車両、列車、船舶及び航空機などであり、任意である。移動体７２０に観視者８０が搭乗する。移動体７２０は、操作台７２１（ダッシュボードなど）を有する。操作台７２１の上に、ディスプレイ５０が配置され、その上に第１光学素子１０及び第２光学素子２０が配置される。

第３光学素子３０で反射した第４光Ｌ４の広がりは制限されている。第４光Ｌ４の光束が、可視領域ＶＡを形成する。観視者８０の左右の目（瞳）の間の距離は、例えば、６０ｍｍ以上７５ｍｍ以下であり、例えば約６５ｍｍである。可視領域ＶＡの左右方向の幅は、例えば、７５ｍｍ以下であり、例えば６５ｍｍ以下である。すなわち、観視者８０の目８１の位置において、第４光Ｌ４の左右方向の幅は、７５ｍｍ以下であり、例えば６５ｍｍ以下である。観視者８０の片方の目８１に第４光Ｌ４が入射し、他方の目には入射しない状態が形成される。観視者８０は、第４光Ｌ４による虚像Ｌ４ａを片方の目８１で観視する。

背景像を含む第５光Ｌ５は、第３光学素子３０を通過して、第６光Ｌ６として、観視者８０の両方の目に入射する。背景像は、移動体７２０（車両など）の前方の道の像などを含む。表示像は、例えば、ナビゲーションなどのための矢印などの図形及び文字などを含む。表示像が背景像に重畳され、片方の目８１で知覚されることで、表示像の奥行き位置が増強されて知覚される。

実施形態によれば、例えば、携帯型のディスプレイ５０（例えばスマートフォンなど）を、車両内に持ち込み、例えば、ナビゲーション装置として用いることができる。ディスプレイ５０は、操作台７２１の上に配置され、実質的に水平に配置される。第３光学素子３０を介して背景像を観視するために、第３光学素子３０は傾斜して配置される。水平に配置されたディスプレイ５０からの光を、傾斜して配置された第３光学素子３０に入射させるように、第２光学素子２０が用いられる。そして、観視者８０の片方の目８１に光を入射させるように、光の広がりを制限する第１光学素子１０が用いられる。さらに、第２光学素子２０が集光性を有することで、光の広がりがさらに制御される。

実施形態によれば、ディスプレイの新たな応用を可能にする光学装置が提供できる。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光学装置に含まれる第１光学素子、第２光学素子、第３光学素子及び保持部、並びに、ディスプレイなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した光学装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての光学装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…第１光学素子、 １０ａ…第１面、 １０ｂ…第２面、 １０ｃ…中心、 １１…非透過部、 １２…透過部、 １３…枠部、 １４…接続部、 ２０…第２光学素子、 ２０ａ…第３面、 ２０ｂ…第４面、 ２０ｃ…光学的中心、 ２１…凸状部、 ２１ａ…弧、 ２１ａｉ…弧、 ２１ａｉｔ…接線、 ２１ａｏ…弧、 ２１ａｏｔ…接線、 ２１ｔ…接線、 ３０…第３光学素子、 ３０ａ…第５面、 ３０ｂ…第６面、 ３０ｌ…下側部分、 ３０ｕ…上側部分、 ５０…ディスプレイ、 ５０ａ…表示面、 ６０…保持部、 ６１…側面部、 ６２…突起部、 ６３…空間、 ６４…結合部、 ８０…観視者、 ８１…目、 αｘ…第１角度、 αｙ…第２角度、 θ、θ１、θ２…角度、 θｍ…最大値、 １１０、１１１、１１２、１１９…光学装置、 ２１０、２１１、２１２…表示システム、 ７２０…移動体、 ７２１…操作台、 Ｃｐ…ピッチ、 Ｄｌ、Ｄｕ…距離、 Ｉｎｔ…強度、 Ｌ１〜Ｌ６…第１〜第６光、 Ｌ４ａ…虚像、 Ｌｐ…ピッチ、 Ｍ１〜Ｍ５…１次〜５次モアレ、 Ｒ…比、 ＶＡ…可視領域、 ｔ１１…厚さ、 ｗ１１、ｗ１２…幅

Claims (8)

1. ディスプレイが出射する第１光が入射する第１面と、前記第１面とは異なる第２面と、を有する第１光学素子であって、複数の透過部と複数の非透過部とを含み、前記複数の透過部のそれぞれは前記第１面に対して平行な第１方向に延在し、前記複数の非透過部のそれぞれは、前記複数の透過部どうしの間に配置され、前記複数の非透過部の光透過率は前記複数の透過部の光透過率よりも低い、前記第１光学素子と、
   前記第２面から出射される第２光が入射する第２光学素子であって、前記第２光を集光することで第３光を出射し、前記第３光の光軸を、前記第１方向に対して平行な平面内で、前記第２光の光軸に対して傾斜させる、前記第２光学素子と、
   を備えた光学装置。
2. 前記第２光学素子は、前記第２光が入射する第３面と、前記第３面とは異なる第４面と、を有し、
   前記第２光学素子は、前記第３面及び前記第４面の少なくともいずれかに設けられた複数の凸状部を含み、
   前記第３面に投影したときに前記複数の凸状部のそれぞれは円弧状であり、
   前記第２光学素子の光学的中心は、前記第１光学素子の前記第１面に対して平行な平面内の中心から前記第１方向において離間している請求項１記載の光学装置。
3. 前記第２光学素子は、前記第２光が入射する第３面と、前記第３面とは異なる第４面と、を有し、
   前記第２光学素子は、前記第３面及び前記第４面の少なくともいずれかに設けられた複数の凸状部を含み、
   前記第３面に投影したときに前記複数の凸状部のそれぞれは円弧状であり、
   前記複数の凸状部の弧の接線と前記第１方向との間の角度の最小値は３５度以上である請求項１記載の光学装置。
4. 前記第２光学素子は、前記第２光が入射する第３面と、前記第３面とは異なる第４面と、を有し、
   前記第２光学素子は、前記第３面及び前記第４面の少なくともいずれかに設けられた複数の凸状部を含み、
   前記第３面に投影したときに前記複数の凸状部のそれぞれは円弧状であり、
   前記複数の透過部のピッチをＬｐとし、
   前記複数の凸状部のピッチをＣｐとし、
   Ｒ＝Ｌｐ／Ｃｐとしたとき、
   前記複数の凸状部の弧の接線と前記第１方向との間の角度の最小値（度）は、６．９１８Ｒ^３−３６．１２３Ｒ^２＋４９．４３７Ｒ＋１５．０３８以上である請求項１記載の光学装置。
5. 前記複数の凸状部は、フレネルレンズを形成する請求項２〜４のいずれか１つに記載の光学装置。
6. 前記第２光学素子は、前記第１面に対して傾斜して設けられる第３光学素子に向けて、前記第３光を出射する請求項２〜５のいずれか１つに記載の光学装置。
7. 前記第３光学素子は、下側部分と上側部分とを含み、
   前記上側部分と前記第１光学素子との間の距離は、前記下側部分と前記第１光学素子との間の距離よりも長く、
   前記第２光学素子の光学的中心と前記上側部分との間の前記第１方向に沿った距離は、前記第２光学素子の前記光学的中心と前記下側部分との間の前記第１方向に沿った距離よりも長い請求項６記載の光学装置。
8. 前記第３光学素子は、下側部分と上側部分とを含み、
   前記上側部分と前記第１光学素子との間の距離は、前記下側部分と前記第１光学素子との間の距離よりも長く、
   前記第２光学素子と前記第３光学素子との間における前記第３光の進行方向を前記第１面に投影した方向の向きは、前記上側部分から前記下側部分に向かう方向を前記第１面に投影した方向の向きと、同じである請求項６または７に記載の光学装置。