JP2018055085A - 光学素子および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光体を通して光学素子と反対側への画像光の漏れを低減できる表示装置を提供する。【解決手段】光学素子は、間隔をおいて互いに平行に設けられ、画像光および外界光の一部を反射させ、画像光および外界光の他の一部を透過させる複数のハーフミラーと、複数のハーフミラーの隣り合う２つのハーフミラーの間に介在する透光性部材と、を備える。透光性部材は、導光体を介して画像光および外界光を入射させる入射面と、画像光および外界光を観察者側に射出させる射出面と、を備える。複数のハーフミラーの各々は、入射面および射出面に対して傾斜して配置され、それぞれのハーフミラーの面に対して相対的に小さい入射角で入射した光の反射率が、相対的に大きい入射角で入射した光の反射率よりも低い。【選択図】図４

Description

本発明は、光学素子および表示装置に関する。

近年、ウェアラブル情報機器の一つとして、ヘッドマウントディスプレイなどの観察者の頭部に装着して使用する方式の画像表示装置が提供されている。また、観察者が画像表示装置を装着した際に、表示素子で生成された画像と外界の像の双方を同時に視認できる画像表示装置、いわゆるシースルー型の画像表示装置が知られている。

下記の特許文献１には、基板と、基板の内部に設けられた複数の部分反射面と、を備えたヘッドマウントディスプレイシステムが開示されている。このシステムにおいて、基板の内部を導光した光の一部は、複数の部分反射面により反射し、観察者の眼に導かれる。特許文献１には、部分反射面の反射特性の一例として、入射角７０°の光の反射率が２２％であり、入射角６０°の光の反射率が６〜７％であると記載されている。

下記の特許文献２には、基板と、基板の内部に設けられた複数の選択的反射面と、を備えたヘッドマウントディスプレイシステムが開示されている。このシステムにおいて、基板の内部を導光した光の一部は、複数の選択的反射面により反射し、観察者の眼に導かれる。特許文献２には、選択的反射面の反射特性の一例として、光の入射角が大きくなるにつれて反射率が低下することが記載されている。

特開２０１３−２１０６３３号公報 特開２０１０−１６４９８８号公報

特許文献１および２に記載のシステムは、基板の内部を導光する光を基板の内部に設けられた反射面によって外部に取り出し、観察者の眼に導いている。この構成に代えて、画像光を導光させる導光体と、導光体から観察者側に画像光を取り出すための複数のハーフミラーを有する光学素子と、を備えた表示装置が提案されている。この表示装置において、観察者側に取り出せなかった画像光が導光体の裏面側から外部に漏れ、観察者以外の人に画像の一部が視認される、という導光体の表面に光学素子を配置した構成に特有の問題があった。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであり、導光体を通して観察者と反対側に画像光が漏れ出ることを低減できる表示装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の表示装置の光射出部に用いて好適な光学素子を提供することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の光学素子は、間隔をおいて互いに平行に設けられ、画像光および外界光の一部を反射させ、前記画像光および前記外界光の他の一部を透過させる複数のハーフミラーと、前記複数のハーフミラーの隣り合う２つの前記ハーフミラーの間に介在する透光性部材と、を備え、前記透光性部材は、導光体を介して前記画像光および前記外界光を入射させる入射面と、前記画像光および前記外界光を観察者側に射出させる射出面と、を備え、前記複数のハーフミラーの各々は、それぞれ前記入射面および前記射出面に対して傾斜して配置され、それぞれのハーフミラーの面に対して相対的に小さい入射角で入射した光の反射率が、相対的に大きい入射角で入射した光の反射率よりも低いことを特徴とする。

詳しくは後述するが、本発明者らの検討の結果、上述した光学素子からの画像光の漏れは、ハーフミラーの面に対して小さい入射角で入射した光の反射率が高く、光学素子から導光体に戻る光が多いことに起因することが判った。本発明の一つの態様の光学素子において、それぞれのハーフミラーの面に対して相対的に小さい入射角で入射した光の反射率が、相対的に大きい入射角で入射した光の反射率よりも低いため、光学素子を導光体の一面に設置した場合に、導光体を通して光学素子と反対側、すなわち、観察者と反対側に画像光が漏れ出ることを低減することができる。

本発明の一つの態様の光学素子において、前記複数のハーフミラーの各々と前記射出面とのなす角度は、４５°以上、９０°未満であってもよい。
この構成によれば、導光体を導光した後、導光体から光学素子の入射面に対して大きな入射角で入射する画像光を効率良く取り出すことができる。

本発明の一つの態様の表示装置は、画像形成装置と、前記画像形成装置で生成された画像光を導光する導光装置と、を備え、前記導光装置は、前記画像光を入射させる入射部と、前記入射部から入射した前記画像光を導光させる導光体と、前記画像光を射出させる射出部と、を備え、前記射出部は、本発明の一つの態様の光学素子を備えていることを特徴とする。

本発明の一つの態様の表示装置は、本発明の一つの態様の光学素子を有する射出部を備えているため、観察者以外の人に画像が視認されにくい表示装置を実現することができる。

本発明の一つの態様の表示装置において、前記射出部は、前記導光体の視認側の面に設けられていてもよい。
この構成によれば、光学設計が容易な表示装置を実現することができる。

実施形態の表示装置の平面図である。 導光装置を観察者側から見た裏面図である。 導光装置における画像光の光路を示す図である。 実施形態の光学素子の拡大図である。 光学素子の作用を説明するための図である。 実施例および比較例のハーフミラーの反射率の入射角依存性を示すグラフである。 実施例および比較例の光学素子による裏面像の輝度分布を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。
本実施形態の表示装置は、例えば観察者が頭部に装着して用いるヘッドマウントディスプレイとして用いられる。
図１は、実施形態の表示装置の平面図である。図２は、導光装置を観察者側から見た裏面図である。図３は、導光装置における画像光の光路を示す図である。
以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

（導光装置および表示装置の全体構成）
図１に示すように、表示装置１００は、画像形成装置１０と、導光装置２０と、を備えている。図１は、図２に示す導光装置２０のＡ−Ａ断面と対応する。
表示装置１００は、画像形成装置１０による画像を観察者に虚像として視認させるとともに、外界像を観察者にシースルーで観察させる。表示装置１００において、画像形成装置１０と導光装置２０とは、観察者の右眼と左眼とに対応して一組ずつ設けられている。右眼用の装置と左眼用の装置とは、構成が同一であり、各構成要素の配置が左右対称である点のみが異なる。そのため、ここでは左眼用の部分のみを図示し、右眼用の部分の図示を省略する。表示装置１００は、全体として例えば眼鏡のような外観を有する。

画像形成装置１０は、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子１１と、投射レンズ１２と、を備えている。有機ＥＬ素子１１は、動画像、静止画像等の画像を構成する画像光ＧＬを射出する。なお、有機ＥＬ素子１１に限らず、液晶素子等を備えた画像形成装置を用いてもよい。投射レンズ１２は、有機ＥＬ素子１１上の各点から射出された画像光ＧＬを略平行光線にするコリメートレンズで構成されている。投射レンズ１２は、ガラスもしくはプラスチックで形成され、１枚に限らず、複数枚で構成されていてもよい。投射レンズ１２は、球面レンズに限らず、非球面レンズ、自由曲面レンズ等で構成されていてもよい。

導光装置２０は、平板状の光透過部材で構成されている。導光装置２０は、画像形成装置１０で生成された画像光ＧＬを導光した後に観察者の眼ＥＹに向けて射出する一方、外界像を構成する外界光ＥＬを透過させる。導光装置２０は、画像光を取り込む入射部２１と、主に画像光を導光させる平行導光体２２と、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを取り出すための射出部２３と、を備える。平行導光体２２と入射部２１とは、高い光透過性を有する樹脂材料により一体成形されている。本実施形態において、導光装置２０を伝播する画像光ＧＬの光路は、同一回数反射される１種類の光路からなり、複数種類の光路が合成されるものではない。

平行導光体２２は、観察者の眼ＥＹが正面を見ているときの視線を基準とする光軸ＡＸに対して傾いて配置されている。平行導光体２２の平面２２ａの法線方向Ｚは、光軸ＡＸに対して角度κだけ傾いている。これにより、平行導光体２２を顔の前面に沿って配置でき、平行導光体２２の平面２２ａの法線は、光軸ＡＸに対して傾きを有する。このように、平行導光体２２の平面２２ａの法線を光軸ＡＸに平行なｚ方向に対して角度κだけ傾けたことにより、光学素子３０から射出させる光軸ＡＸ上およびその近傍の画像光ＧＬ０は、光射出面ＯＳの法線に対して角度κをなす。
なお、光軸ＡＸに平行な方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面のうち、水平方向をｘ方向とし、鉛直方向をｙ方向とする。

入射部２１は、光入射面ＩＳと、反射面ＲＳと、を有する。画像形成装置１０からの画像光ＧＬは、光入射面ＩＳを介して入射部２１内に取り込まれる。入射部２１内に取り込まれた画像光ＧＬは、反射面ＲＳで反射して平行導光体２２の内部に導かれる。光入射面ＩＳは、投射レンズ１２から見て凹となる曲面２１ｂから形成されている。曲面２１ｂは、反射面ＲＳで反射された画像光ＧＬを内面側で全反射する機能も有する。

反射面ＲＳは、投射レンズ１２から見て凹となる曲面２１ａから形成されている。反射面ＲＳは、曲面２１ａ上に蒸着法等により成膜されたアルミニウム膜等の金属膜から構成されている。反射面ＲＳは、光入射面ＩＳから入射した画像光ＧＬを反射して光路を折り曲げる。曲面２１ｂは、反射面ＲＳで反射された画像光ＧＬを内側で全反射して光路を折り曲げる。このように、入射部２１は、光入射面ＩＳから入射した画像光ＧＬを２回反射させ、光路を折り曲げることにより、画像光ＧＬを平行導光体２２の内部に確実に導く。

平行導光体２２は、ｙ軸に対して平行、かつｚ軸に対して傾斜した平板状の導光部材である。平行導光体（導光体）２２は、光透過性を有する樹脂材料等によって形成され、互いに略平行な一対の平面２２ａ，２２ｂを有する。平面２２ａ，２２ｂは、平行平面であるため、外界像の拡大やフォーカスズレを生じることがない。平面２２ａは、入射部２１からの画像光を全反射させる全反射面として機能し、画像光ＧＬを少ない損失で射出部２３に導く。平面２２ａは、平行導光体２２の外界側に配置されて第１の全反射面として機能し、本明細書中においては外界側面とも称する。

平面２２ｂは、本明細書中においては観察者側面とも称する。平面２２ｂ（観察者側面）は、射出部２３の一端まで延びている。ここで、平面２２ｂは、平行導光体２２と射出部２３との境界面ＩＦである（図３参照）。

平行導光体２２において、入射部２１の反射面ＲＳもしくは光入射面ＩＳで反射された画像光ＧＬは、全反射面である平面２２ａに入射し、平面２２ａで全反射され、導光装置２０の奥側、すなわち射出部２３が設けられた＋ｘ側もしくはＸ側に導かれる。図２に示すように、平行導光体２２は、導光装置２０の外形のうち、＋ｘ側の端面として終端面ＥＳを有する。また、平行導光体２２は、±ｙ側の端面として上端面ＴＰおよび下端面ＢＰを有する。
なお、平面２２ｂの面法線方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な面のうち、水平方向をＸ方向とし、鉛直方向をＹ方向とする。

図３に示すように、射出部２３は、平行導光体２２の奥側（＋ｘ側）において、平面２２ｂもしくは境界面ＩＦに沿って板状に構成されている。射出部２３は、平行導光体２２の外界側の平面（全反射面）２２ａの領域ＦＲで全反射された画像光ＧＬを通過させる際に、入射した画像光ＧＬを所定の角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。ここでは、射出部２３にこれを透過することなく最初に入射する画像光ＧＬが虚像光としての取出し対象である。つまり、射出部２３において光射出面ＯＳの内面で反射される光があっても、これは画像光として利用されない。

射出部２３は、光透過性を有する複数のハーフミラー３１が一方向に配列された光学素子３０を有する。光学素子３０の構造については、図４等を参照して後に詳述する。光学素子３０は、平行導光体２２の観察者側の平面２２ｂに沿って設けられている。

導光装置２０が以上のような構造を有することから、図３に示すように、画像形成装置１０から射出され、光入射面ＩＳから導光装置２０に入射した画像光ＧＬは、入射部２１で複数回反射することによって光路が折り曲げられ、平行導光体２２の平面２２ａの領域ＦＲにおいて全反射されて光軸ＡＸに略沿って進む。＋ｚ側の平面２２ａの領域ＦＲで反射された画像光ＧＬは、射出部２３に入射する。

この際、ｘｙ面内において、領域ＦＲの長手方向の幅は、射出部２３の長手方向の幅よりも狭い。つまり、画像光ＧＬの光線束が射出部２３（もしくは光学素子３０）に入射する入射幅は、画像光ＧＬの光線束が領域ＦＲに入射する入射幅よりも広い。このように、画像光ＧＬの光線束が領域ＦＲに入射する入射幅を相対的に狭くすることにより、光路の干渉が生じにくくなり、境界面ＩＦを導光に利用することなく、すなわち、境界面ＩＦで画像光ＧＬを反射させず、領域ＦＲからの画像光ＧＬを射出部２３（もしくは光学素子３０）に直接入射させることが容易になる。

射出部２３に入射した画像光ＧＬは、射出部２３において適切な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面ＯＳから射出される。光射出面ＯＳから射出された画像光ＧＬは、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による画像光ＧＬを認識することができる。

ここで、像形成に用いられる画像光ＧＬが射出部２３に入射する角度は、光源側の入射部２１から離れるに従って大きくなっている。すなわち、射出部２３の奥側には、外界側の平面２２ａに平行なＺ方向、または光軸ＡＸに対して傾きの大きな画像光ＧＬが入射して比較的大きな角度で折り曲げられ、射出部２３の前側には、Ｚ方向、または光軸ＡＸに対して傾きの小さな画像光ＧＬが入射して比較的小さな角度で折り曲げられる。

（画像光の光路）
以下、画像光の光路について詳しく説明する。
図３に示すように、有機ＥＬ素子１１の射出面１１ａ上からそれぞれ射出される画像光のうち、破線で示す射出面１１ａの中央部分から射出される成分を画像光ＧＬ０とし、１点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち、紙面左側（−ｘおよび＋ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ１とし、２点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち、紙面右側（＋ｘおよび−ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ２とする。これらのうち、画像光ＧＬ０の光路は光軸ＡＸに沿って延びるものとする。

投射レンズ１２を経た画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の主要成分は、導光装置２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、入射部２１を経て平行導光体２２内を通過して射出部２３に至る。具体的には、画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２のうち、射出面１１ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ０は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、標準反射角θ０で一方の平面２２ａの領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（もしくは光学素子３０）との境界面ＩＦで反射されずに境界面ＩＦを通過し、射出部２３の中央の部分２３ｋに直接的に入射する。画像光ＧＬ０は、部分２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから光射出面ＯＳを含むＸＹ面に対して傾いた光軸ＡＸ方向（Ｚ方向に対して角度κの方向）に平行光束として射出される。

射出面１１ａの一端側（−ｘ側）から射出された画像光ＧＬ１は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、最大反射角θ１で平面２２ａの領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（もしくは光学素子３０）との境界面ＩＦで反射されずに境界面ＩＦを通過し、射出部２３のうち、奥側（＋ｘ側）の部分２３ｈにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ１は、入射部２１側に戻される角度が相対的に大きくなっている。

一方、射出面１１ａの他端側（＋ｘ側）から射出された画像光ＧＬ２は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、最小反射角θ２で平面２２ａの領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（もしくは光学素子３０）との境界面ＩＦで反射されずに境界面ＩＦを通過し、射出部２３のうち、入口側（−ｘ側）の部分２３ｍにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ２は、入射部２１側に戻される角度が相対的に小さくなっている。

なお、画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２で示す３本の光線成分は、画像光ＧＬの光線全体の一部を代表して説明したものであるが、画像光ＧＬを構成する他の光線成分についても画像光ＧＬ０等の光線成分と同様に導かれ、光射出面ＯＳから射出される。そのため、これらについては図示および説明を省略する。

ここで、入射部２１および平行導光体２２に用いられる透明樹脂材料の屈折率ｎの値の一例として、ｎ＝１．４とすると、臨界角θｃの値はθｃ≒４５．６°となる。画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の反射角θ０，θ１，θ２のうち、最小である反射角θ２を臨界角θｃよりも大きな値とすることにより、必要な画像光について全反射条件を満たすものとすることができる。

中央向けの画像光ＧＬ０は、仰角φ０（＝９０°−θ０）で射出部２３の部分２３ｋに入射する。周辺向けの画像光ＧＬ１は、仰角φ１（＝９０°−θ１）で射出部２３の部分２３ｈに入射する。周辺向けの画像光ＧＬ２は、仰角φ２（＝９０°−θ２）で射出部２３の部分２３ｍに入射する。ここで、仰角φ０，φ１，φ２間には、反射角θ０，θ１，θ２の大小関係を反映して、φ２＞φ０＞φ１の関係が成り立っている。すなわち、光学素子３０のハーフミラー３１への入射角ι（図４参照）は、仰角φ２に対応する部分２３ｍ、仰角φ０に対応する部分２３ｋ、仰角φ１に対応する部分２３ｈの順で徐々に小さくなる。換言すれば、ハーフミラー３１への入射角ιもしくはハーフミラー３１での反射角は、入射部２１から離れるに従って小さくなる。

平行導光体２２の外界側の平面２２ａで反射されて射出部２３に向かう画像光ＧＬの光線束の全体的な挙動について説明する。
図３に示すように、画像光ＧＬの光線束は、光軸ＡＸを含む断面において、平行導光体２２の外界側の領域ＦＲで反射される前後の直進光路Ｐ１，Ｐ２のいずれかで幅が絞られる。具体的には、画像光ＧＬの光線束は、光軸ＡＸを含む断面において、領域ＦＲ近辺、つまり直進光路Ｐ１，Ｐ２の境界付近で直進光路Ｐ１，Ｐ２に跨るような位置で全体として幅が絞られてビーム幅が細くなっている。これにより、画像光ＧＬの光線束を射出部２３の手前で絞ることになり、横方向の視野角を比較的広くすることが容易になる。なお、図示の例では、画像光ＧＬの光線束が直進光路Ｐ１，Ｐ２に跨るような位置で幅が絞られてビーム幅が細くなっているが、直進光路Ｐ１，Ｐ２のいずれか片側のみで幅が絞られてビーム幅が細くなってもよい。

（光学素子の構成）
以下、射出部２３を構成する光学素子３０の構成について説明する。
図４は、本実施形態の光学素子３０の拡大図である。
射出部２３は、平行導光体２２の視認側の面に設けられた光学素子３０で構成されている。したがって、射出部２３は、平行導光体２２と同様に、光軸ＡＸに対して角度κだけ傾いたＸＹ平面に沿って設けられている。

図４に示すように、光学素子３０は、複数のハーフミラー３１と、複数の透光性部材３２と、を備えている。複数のハーフミラー３１は、間隔をおいて互いに平行に設けられ、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの一部を反射させ、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの他の一部を透過させる。透光性部材３２は、複数のハーフミラー３１の隣り合う２つのハーフミラー３１の間に介在する。すなわち、光学素子３０は、複数の透光性部材３２が、隣り合う２つの透光性部材３２の間にそれぞれハーフミラー３１を挟持した構成を有する。換言すると、光学素子３０は、ハーフミラー３１と透光性部材３２とが交互に配置された構成を有する。

透光性部材３２は、長手方向に垂直な断面形状が平行四辺形の柱状の部材である。したがって、透光性部材３２は、長手方向に平行に延び、互いに平行な一対の平面を２組有している。これら２組の一対の平面のうち、一方の組の一方の平面が画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを入射させる入射面３２ａであり、一方の組の他方の平面が画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを射出させる射出面３２ｂである。また、他方の組の一方の平面に、ハーフミラー３１が設けられている。透光性部材３２は、例えばガラス、透明樹脂等により構成されている。

複数の透光性部材３２は、一対の透光性部材３２とハーフミラー３１とからなる組を複数貼り合わせたときに、複数のハーフミラー３１が互いに平行に配置された形態となるように構成されている。図４では図示を省略するが、ハーフミラー３１の一方の面と隣り合う透光性部材３２との間には、接着材層が設けられている。これにより、光学素子３０は、全体として矩形板状の部材となる。透光性部材３２の入射面３２ａもしくは射出面３２ｂの法線方向から光学素子３０を見ると、細い帯状の複数のハーフミラー３１がストライプ状に並べられた構造となる。すなわち、光学素子３０は、矩形状のハーフミラー３１が平行導光体２２の延びる方向、すなわちＸ方向に所定の間隔（ピッチＰＴ）をおいて複数配列された構成を有する。

ハーフミラー３１は、透光性部材３２間に挟まれた反射膜で構成されている。反射膜は、例えば屈折率が異なる複数の誘電体薄膜が交互に積層された誘電体多層膜で構成されている。あるいは、反射膜は、金属膜で構成されていてもよい。ハーフミラー３１は、ハーフミラー３１の短辺が透光性部材３２の入射面３２ａおよび射出面３２ｂに対して傾斜して設けられている。より具体的には、ハーフミラー３１は、平行導光体２２の外界側に向かって反射面３１ｒが入射部２１側を向くように傾斜している。換言すると、ハーフミラー３１は、ハーフミラー３１の長辺（Ｙ方向）を軸として、平面２２ａ，２２ｂに直交するＹＺ面を基準として上端（＋Ｚ側）が反時計周りに回転する方向に傾斜している。

ハーフミラー３１の画像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＥＬを透過させ、外界像の観察を容易にする観点から、想定される画像光ＧＬの入射角範囲において、例えば１０％以上、５０％以下とされている。また、ハーフミラー３１は、ハーフミラー３１の面に対して相対的に小さい入射角で入射した画像光ＧＬの反射率が、相対的に大きい入射角で入射した画像光ＧＬの反射率よりも低い特性を有する。この特性に伴う作用、効果については後で詳しく述べる。

以下、ハーフミラー３１の反射面３１ｒと透光性部材３２の射出面３２ｂとのなす角度をハーフミラー３１の傾斜角度δと定義する。本実施形態において、ハーフミラー３１の傾斜角度δは、４５°以上、９０°未満である。本実施形態では、透光性部材３２の屈折率と平行導光体２２の屈折率とは等しいが、これらの屈折率は異なっていてもよい。屈折率が異なる場合、屈折率が等しい場合に対してハーフミラー３１の傾斜角度δを変更する必要がある。

複数のハーフミラー３１の各々は、平行導光体２２の観察者側面２２ｂを基準として時計回りで例えば４８°〜７０°程度の傾斜角度δをなし、具体的には例えば６０°の傾斜角度δをなしている。ここで、画像光ＧＬ０の仰角φ０が例えば３０°に設定され、画像光ＧＬ１の仰角φ１が例えば２２°に設定され、画像光ＧＬ２の仰角φ２が例えば３８°に設定されているものとする。この場合、図３に示すように、画像光ＧＬ１と画像光ＧＬ２とは、光軸ＡＸを基準として角度γ１＝γ２≒１２．５°をなして観察者の眼ＥＹに入射する。

これにより、上記画像光ＧＬのうち、全反射角度の比較的大きい成分（画像光ＧＬ１）を射出部２３のうちの−ｘ側の部分２３ｈ側に主に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分（画像光ＧＬ２）を射出部２３のうちの＋ｘ側の部分２３ｍ側に主に入射させた場合において、画像光ＧＬを全体として観察者の眼ＥＹに集めるような角度で効率的に取り出すことができる。すなわち、平行導光体２２から光学素子３０の入射面３２ａに対して比較的大きな入射角（比較的小さな仰角）で入射する画像光ＧＬを平行導光体２２から効率良く取り出すことができる。光学素子３０はこのような角度で画像光ＧＬを取り出す構成であるため、導光装置２０は、画像光ＧＬを光学素子３０において原則として複数回経由させず、１回だけ経由させることができる。これにより、画像光ＧＬを少ない損失で虚像光として取り出すことができる。

なお、隣り合うハーフミラー３１の間のピッチＰＴは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度に設定される。ハーフミラー３１間のピッチＰＴは、厳密には等間隔でなく、可変ピッチで配置されていてもよい。より具体的には、光学素子３０におけるハーフミラー３１のピッチＰＴは、基準間隔を中心としてランダムに増減するランダムピッチとしてもよい。このように、光学素子３０におけるハーフミラー３１をランダムピッチで配置することにより、回折ムラやモアレの発生を抑制することができる。なお、ランダムピッチに限らず、例えば複数段階で増減するピッチを含む所定のピッチパターンを繰り返すものであってもよい。

光学素子３０の厚み、すなわち、ハーフミラー３１のＺ軸方向の厚みＴＩは、０．７ｍｍ〜３．０ｍｍ程度に設定される。光学素子３０を支持する平行導光体２２の厚みは、例えば数ｍｍ〜１０ｍｍ程度、好ましくは４ｍｍ〜６ｍｍ程度となっている。平行導光体２２の厚みが光学素子３０の厚みに比較して十分大きいと、光学素子３０または境界面ＩＦへの画像光ＧＬの入射角を小さくしやすく、画像光ＧＬが眼ＥＹに取り込まれない位置にあるハーフミラー３１での反射を抑えやすい。一方、平行導光体２２の厚みを比較的薄くすると、平行導光体２２や導光装置２０の軽量化を図りやすくなる。

図５は、光学素子３０の作用を説明するための図である。
本発明者らは、従来の光学素子を用いた表示装置において、画像光ＧＬの漏れが生じる原因を光線追跡シミュレーションにより調査した。

図５に示すように、仰角φ０＝３０°程度で光学素子３０に入射する画像光ＧＬを想定する。虚像光として観察者に画像を認識させるのは、破線の矢印で示した反射光ＧＬ１である。ただし、ハーフミラー３１に入射した画像光ＧＬのうち、観察者側に偏向されることなく、ハーフミラー３１を透過する光が一定量存在する。例えばハーフミラー３１の反射率が２０％である場合、画像光ＧＬが４枚のハーフミラー３１を透過すると仮定すると、（１−０．２）⁴＝０．４１から、ハーフミラー３１に入射した画像光ＧＬのうち、約４０％の光がハーフミラー３１を透過することになる。

次に、ハーフミラー３１を透過した画像光ＧＬは、６０°程度の入射角βで射出面３２ｂに入射するため、射出面３２ｂで全反射した後、ハーフミラー３１に向かって進行する。射出面３２ｂで全反射した画像光ＧＬのうち、約６割（１−０．４１＝０．５９）の光は、1点鎖線の矢印ＧＬ３で示すように、ハーフミラー３１で反射した後、再び射出面３２ｂに戻ってくる。このとき、射出面３２ｂの臨界角より大きな角度の光は、射出面３２ｂで再び全反射する。射出面３２ｂで全反射した光は、ハーフミラー３１に比較的大きい入射角で入射するため、ハーフミラー３１で反射し、平行導光体２２を透過して平面２２ａから観察者側とは反対の方向に射出される。この光ＧＬ４により、観察者以外の人でも画像が見えてしまい、画像の秘匿性が損なわれる、という問題が生じる。

そこで、本発明者らは、射出面３２ｂで全反射した後、ハーフミラー３１で反射して射出面３２ｂに再度戻る光を低減することによって上記の問題を改善できる、と考えた。射出面３２ｂで全反射した後、ハーフミラー３１に向けて進行する光は、比較的小さな入射角αでハーフミラー３１に入射する。したがって、ハーフミラー３１の面に対して相対的に小さい入射角αで入射した画像光ＧＬの反射率を、相対的に大きい入射角αで入射した画像光ＧＬの反射率よりも低い入射角依存性を有するハーフミラー３１を用いれば、上記の問題を改善することができる。

光線追跡シミュレーションにおける実施例のハーフミラー３１として、［表１］に示す各種無機材料および金属材料の８層の膜からなる積層膜を想定した。また、比較例のハーフミラーとして、［表２］に示す各種無機材料および金属材料の８層の膜からなる積層膜を想定した。

図６は、実施例および比較例のハーフミラーの反射率の入射角依存性を示すグラフである。グラフの横軸は入射角［deg］であり、縦軸は反射率［％］である。
反射率として、Ｓ偏光成分に対する反射率とＰ偏光成分に対する反射率とを分けて算出した。
符号ＪＳのグラフはＳ偏光成分に対する実施例のハーフミラーの反射率を示し、符号ＪＰのグラフはＰ偏光成分に対する実施例のハーフミラーの反射率を示す。符号ＣＳのグラフはＳ偏光成分に対する比較例のハーフミラーの反射率を示し、符号ＣＰのグラフはＰ偏光成分に対する比較例のハーフミラーの反射率を示す。

図６に示すように、実施例のハーフミラー、比較例のハーフミラーのそれぞれにおいて、Ｓ偏光成分に対する反射率とＰ偏光成分に対する反射率とは略同様の特性を示す。比較例のハーフミラーの反射率は、入射角１０°〜５５°の範囲にわたって、略２０％で一定の値を示している。入射角が１１°、１７°、２３°、４３°、４９°、５５°のとき、比較例のＳ偏光成分に対する反射率は、１９．１％、１９．１％、１９．１％、１９．６％、１９．７％、１９．４％であり、比較例のＰ偏光成分に対する反射率は、１９．０％、１８．９％、１８．８％、１９．３％、１９．７％、２０．１％である。すなわち、比較例のハーフミラーは、反射率の入射角依存性をほとんど有していない。これに対し、実施例のハーフミラーの反射率は、入射角５５°では比較例と同等の略２０％であるが、入射角が５５°から小さくなるにつれて低下し、入射角１０°では略１０％にまで低下する。入射角が１１°、１７°、２３°、４３°、４９°、５５°のとき、実施例のＳ偏光成分に対する反射率は、１０．１％、１０．７％、１１．６％、１６．１％、１８．０％、２０．３％であり、実施例のＰ偏光成分に対する反射率は、９．９％、１０．２％、１０．７％、１５．８％、１８．２％、２０．５％である。

このように、ハーフミラー３１を構成する積層膜の材料（積層順）や膜厚を変えることにより、ハーフミラー３１の反射率の入射角依存性を調整することができ、相対的に小さい入射角αで入射した光の反射率が、相対的に大きい入射角αで入射した光の反射率よりも低い特性（入射角依存性）を有するハーフミラー３１を実現することができる。

図７は、実施例および比較例の光学素子による裏面像の輝度分布を示すグラフである。裏面像とは、平行導光体２２の光学素子３０と反対側の平面２２ａ（裏面）から漏れ出る光によって生成される像のことである。グラフの横軸は画角［deg］であり、縦軸は輝度［nit］である。画角は、光軸ＡＸを基準（０°）とした裏面像の各位置に対応する角度である。
符号Ｊのグラフは実施例のハーフミラーを用いた表示装置における裏面像の輝度分布を示し、符号Ｃのグラフは比較例のハーフミラーを用いた表示装置における裏面像の輝度分布を示している。

観察者側の像の輝度が４０５nitとなる条件でシミュレーションを行った結果、比較例のハーフミラーを備えた表示装置では、裏面像の輝度は略２０〜３０nit程度を中心として推移している。これに対して、実施例のハーフミラー３１を備えた表示装置１００では、裏面像の輝度は略１０〜１５nit程度を中心として推移している。このように、実施例のハーフミラー３１を備えた表示装置１００では、比較例のハーフミラーを備えた表示装置に対して、裏面像の明るさを略半減できることが判った。

以上述べたように、本実施形態の光学素子３０は、相対的に小さい入射角αで入射した光の反射率が、相対的に大きい入射角αで入射した光の反射率よりも低い特性を有するハーフミラー３１を備えているため、平行導光体２２の平面２２ａ側からの画像光の漏れを低減することができる。その結果、本実施形態によれば、観察者以外の人に画像が視認されにくく、画像の秘匿性に優れた表示装置１００を実現することができる。

また、本実施形態の表示装置１００においては、射出部２３が平行導光体２２の視認側の平面２２ｂに設けられているため、光学素子３０から射出された画像光ＧＬは、他の部材に入射することなく、観察者の眼に到達する。したがって、光学設計が容易な表示装置１００を実現することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、光学素子を構成する全てのハーフミラーにわたって、反射率の入射角依存性が同一のハーフミラーが用いられることを想定したが、この構成に代えて、例えば光学素子の位置に応じて反射率の入射角依存性が異なる複数種類のハーフミラーが用いられてもよい。

その他、光学素子および表示装置に構成する各構成要素の数、形状、材料等の各部の具体的な構成については、上記実施形態に限ることなく、適宜変更が可能である。例えば画像形成装置として、上記の有機ＥＬ素子の他、液晶表示素子、レーザー光源とＭＥＭＳスキャナーとの組合せ等を用いてもよい。

１０…画像形成装置、２０…導光装置、２１…入射部、２２…平行導光体（導光体）、２３…射出部、３０…光学素子、３１…ハーフミラー、３２…透光性部材、３２ａ…入射面、３２ｂ…射出面、１００…表示装置。

Claims (4)

1. 間隔をおいて互いに平行に設けられ、画像光および外界光の一部を反射させ、前記画像光および前記外界光の他の一部を透過させる複数のハーフミラーと、
   前記複数のハーフミラーの隣り合う２つの前記ハーフミラーの間に介在する透光性部材と、を備え、
   前記透光性部材は、導光体を介して前記画像光および前記外界光を入射させる入射面と、前記画像光および前記外界光を観察者側に射出させる射出面と、を備え、
   前記複数のハーフミラーの各々は、それぞれ前記入射面および前記射出面に対して傾斜して配置され、それぞれのハーフミラーの面に対して相対的に小さい入射角で入射した光の反射率が、相対的に大きい入射角で入射した光の反射率よりも低いことを特徴とする光学素子。
2. 前記複数のハーフミラーの各々と前記射出面とのなす角度が、４５°以上、９０°未満であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 画像形成装置と、
   前記画像形成装置で生成された画像光を導光する導光装置と、を備え、
   前記導光装置は、前記画像光を入射させる入射部と、前記入射部から入射した前記画像光を導光させる導光体と、前記画像光を射出させる射出部と、を備え、
   前記射出部は、請求項１または請求項２に記載の光学素子を備えていることを特徴とする表示装置。
4. 前記射出部は、前記導光体の視認側の面に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の表示装置。

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