JP5306872B2 - 光学部品および光学機器 - Google Patents
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Description
本発明は、光学部品および光学機器に関するものである。
透明な基板に薄い金属膜を成膜することで、半光反射性（半光透過性）の層を設けたものは、ハーフミラーとして知られている。このようなハーフミラーは、屋内の間仕切りなどのインテリア用や、各種の光学機器の光学素子などに用いられている。後者の具体例としては、ガラス基板上にＳｉＯｘ（ｘ＝１．５〜２．０）下地層、Ａｌ系金属反射層、ＳｉＯ２保護層をこの順に積層した半透過ミラー付き基板を半透過型液晶表示装置に用いた例が知られている（特許文献１参照）。
これら従来のハーフミラーにおいては、高い光透過性、高い光反射性および光透過性と光反射性のバランスが適切であることや、更に可視光のような波長域の広い光を半反射／反透過する場合は波長依存性が小さいことが重要である。従って、特許文献１等に示されるように、従来のハーフミラーは、これらの要素を考慮して設計されている。
しかしながら、従来のハーフミラーは、その設計に際して、視野角依存性の抑制については殆ど考慮されていない。この理由は、インテリア用途では、ハーフミラーに対してあらゆる角度から人がアプローチする可能性がある上に、当該用途では仮に多少の視野角依存性があってもハーフミラーとして機能している限りは、インテリア用途に求められる審美性等を発揮する上で特に問題とならないためである。また、特許文献１に示すような液晶ディスプレイ用途では、ディスプレイを視認するユーザーの視線は、通常、ディスプレイに対してほぼ一定で、且つ、ディスプレイ平面に対して略垂直な方向と一致するためである。これに加えて、ノートパソコンなどでの利用を考慮した場合、ディスプレイに表示される情報の保護という観点からは寧ろ視野角は狭い方（視野角依存性が大きい方）が好ましいという理由も挙げられる。
一方、近年、運転席や助手席等に位置する人に対してナビゲーション情報や、夜間時に赤外線カメラで撮像された車外近傍の道路情報（いわゆるナイトビュー）等の各種情報を表示することを目的に、自動車用のヘッドアップディスプレイとして、フロントガラスにハーフミラーを設ける場合がある。このような場合、ハーフミラーはフロントガラスの特定の位置に設けられるのに対して、運転席や助手席に座る人は、シートの設定具合や、座る人の体格に応じて、ハーフミラーに対する視認位置が異なることになる。これに加えて、乗車中は、ハンドルやコンソールパネルに配置されたオーディオ機器等の操作に応じた上半身の移動に伴う視点の移動も頻繁に起こり得るため、同じ運転席／助手席に座る人であっても、ハーフミラーに対する視認位置が頻繁且つ大きく異なることになる。特に、フロントガラスの中央付近にハーフミラーが配置される場合は、ハーフミラーに対する視認位置の変動はより大きくなる傾向がある。従って、以上に一例を挙げて説明したような用途では、ハーフミラーの視野角依存性（言い換えれば、光の入射角に対する反射率のばらつき）が小さいことが重要である。
また、頭部に装着するタイプのディスプレイ（いわゆるヘッドマウントディスプレイ）では、眼前の視認性を確保しつつ画像も確認できる必要がある。このため、ヘッドマウントディスプレイでは、画像表示装置は、眼前以外の場所（一般的に側頭部）に配置されると共に、画像表示装置により表示された画像はハーフミラーを利用して眼前に表示される。ここで、画像情報としてハーフミラーに入射する光は、画像表示装置とハーフミラーとの間にレンズ等を配置することで平行光となるように調整される。しかし、ハーフミラーに入射する光を、完全な平行光に調整することは実用上困難である。それゆえ、ハーフミラー面内の一方の端側に入射する光の入射角と、他方の端側に入射する光の入射角とでは、数度〜十数度程度の差異が生じることが避けられない。このようなハーフミラー面内における入射角のばらつきに対応して反射率も変動すると、ハーフミラーを介して目で認識される画像は、画像領域内の一方の端側が明るく見え、他方の端側が暗く見えるという明度ムラを有することになる。従って、このようなケースでも光の入射角に対する反射率のばらつきが小さいことが重要である。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光の入射角に対する反射率のばらつきの小さいハーフミラーを用いた光学部品および光学機器を提供することを課題とする。
上記課題は以下の本発明により達成される。
すなわち、本発明の光学部品および光学機器に用いられるハーフミラーは、透明基板と、該透明基板上に設けられた１層の半光反射層と、上記透明基板と上記半光反射層との間に設けられた１層以上の透光層と、上記半光反射層の上記透明基板が設けられた側と反対側に設けられた１層以上の透光層と、を有し、上記透明基板と上記半光反射層との間に設けられた１層以上の透光層から選択される少なくとも１層が、屈折率が１．５を超える高屈折透光層であり、上記半光反射層の上記透明基板が設けられた側と反対側に設けられた１層以上の透光層の全ての層が、屈折率が１．５以下の低屈折透光層であることを特徴とする。
すなわち、本発明の光学部品および光学機器に用いられるハーフミラーは、透明基板と、該透明基板上に設けられた１層の半光反射層と、上記透明基板と上記半光反射層との間に設けられた１層以上の透光層と、上記半光反射層の上記透明基板が設けられた側と反対側に設けられた１層以上の透光層と、を有し、上記透明基板と上記半光反射層との間に設けられた１層以上の透光層から選択される少なくとも１層が、屈折率が１．５を超える高屈折透光層であり、上記半光反射層の上記透明基板が設けられた側と反対側に設けられた１層以上の透光層の全ての層が、屈折率が１．５以下の低屈折透光層であることを特徴とする。
本発明の光学部品および光学機器に用いられるハーフミラーの一実施態様は、前記半光反射層の前記透明基板が設けられた側と反対側に、１層の低屈折透光層のみが設けられたものであることが好ましい。
本発明の光学部品および光学機器に用いられるハーフミラーの他の実施態様は、前記透明基板と前記半光反射層との間に、低屈折透光層と高屈折透光層とが交互に積層するように２層以上の透光層を設けたものであることが好ましい。
本発明の光学部品および光学機器に用いられるハーフミラーの他の実施態様は、前記透明基板の屈折率と前記高屈折透光層の屈折率との差の絶対値Δｎ（ｇｈ）が０．１２以上であることが好ましい。
本発明の光学部品および光学機器に用いられるハーフミラーの他の実施態様は、前記低屈折透光層の屈折率と前記高屈折透光層の屈折率との差の絶対値Δｎ（ｌｈ）が０．１２以上であることが好ましい。
本発明の光学部品および光学機器に用いられるハーフミラーの他の実施態様は、前記低屈折透光層が、酸化珪素、及び、フッ化マグネシウム等のフッ化物から選択される少なくとも１種の材料を含むものであることが好ましい。
本発明の光学部品および光学機器に用いられるハーフミラーの他の実施態様は、前記高屈折透光層が、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ガドリニウム、酸化セリウム、酸化アンチモン、酸化クロム、酸化ランタン、及び、硫化亜鉛から選択される少なくとも１種の材料を含むものであることが好ましい。
本発明の光学部品および光学機器に用いられるハーフミラーの他の実施態様は、前記半光反射層が、アルミニウム、銀、白金、銅、ゲルマニウム、タングステン、チタン、ニッケル、クロム、鉄、パラジウム、ロジウム、金、ニオブ、及び、シリコンから選択される少なくとも１種の材料を含むものであることが好ましい。
本発明の光学部品および光学機器に用いられるハーフミラーの他の実施態様は、前記半光反射層および前記透光層が、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、イオンプレーティング法、および、ＣＶＤ法から選択される少なくとも１種の成膜法を用いて形成されることが好ましい。
本発明の光学部品（車両用ヘッドアップディスプレイを除く）は、ハーフミラーを少なくとも備え、上記ハーフミラーから反射される反射光を感知する反射光感知部が、前記透明基板（以下、単に「基板」と略す場合がある）の両表面のうち前記半光反射層が設けられた側の表面に対して２５度〜９０度の角度を成す範囲内の位置に、上記ハーフミラーに対して相対的に移動可能に配置される態様で利用されるものである。
本発明の光学機器は、本発明の光学部品を備えたものである。
本発明によれば、光の入射角に対する反射率のばらつきの小さいハーフミラーを用いた光学部品および光学機器を提供することができる。
＜ハーフミラー＞
本実施形態のハーフミラーは、透明基板と、該透明基板上に設けられた１層の半光反射層と、上記透明基板と上記半光反射層との間に設けられた１層以上の透光層と、上記半光反射層の上記透明基板が設けられた側と反対側に設けられた１層以上の透光層と、を有し、上記透明基板と上記半光反射層との間に設けられた１層以上の透光層から選択される少なくとも１層が、屈折率が１．５を超える高屈折透光層であり、上記半光反射層の上記透明基板が設けられた側と反対側に設けられた１層以上の透光層の全ての層が、屈折率が１．５以下の低屈折透光層であることを特徴とする。
本実施形態のハーフミラーは、透明基板と、該透明基板上に設けられた１層の半光反射層と、上記透明基板と上記半光反射層との間に設けられた１層以上の透光層と、上記半光反射層の上記透明基板が設けられた側と反対側に設けられた１層以上の透光層と、を有し、上記透明基板と上記半光反射層との間に設けられた１層以上の透光層から選択される少なくとも１層が、屈折率が１．５を超える高屈折透光層であり、上記半光反射層の上記透明基板が設けられた側と反対側に設けられた１層以上の透光層の全ての層が、屈折率が１．５以下の低屈折透光層であることを特徴とする。
以上に説明した構成を有する本実施形態のハーフミラーでは、光の入射角に対する反射率のばらつきを小さくすることができる。従って、例えば、人間がハーフミラーを斜め方向から視認した場合にはその視野角依存性を小さくすることができる。ここで、「光の入射角」とは、所定の波長の光を、透明基板の半光反射層側で且つハーフミラーの斜め方向から入射させた場合に、入射光の光軸と透明基板表面に対する垂直軸との成す角度を意味する。また、「光の入射角に対する反射率のばらつき」とは、入射角が２５度〜６５度の範囲における光の反射率のばらつき具合を意味する。ここで、反射率のばらつきは、ハーフミラーが使用される光の波長域内において、入射角０度〜６５度の範囲における反射率の最大値Ｒｍａｘと最小値Ｒｍｉｎとの最大反射率差ΔＲｍａｘが、１３％以下であることが好ましく、１０％以下であることがより好ましく、５％以下であることが更に好ましく、実質的に０％であることが最も好ましい。なお、ここで、「最大反射率差ΔＲｍａｘ」とは、具体的には以下の手順により求められた値を意味する。まず、使用される光の波長域内の全範囲で、入射角０度、２５度、４５度および６５度の反射率Ｒ（０）、Ｒ（２５）、Ｒ（４５）およびＲ（６５）を測定する。そして、ある波長λにおいて、これら４水準の反射率Ｒから、最大反射率Ｒｍａｘおよび最小反射率Ｒｍｉｎの乖離が最大となっている波長λについて、両者の差の絶対値を求め、この値を最大反射率差ΔＲｍａｘとする。
ハーフミラーが使用される光の波長λの範囲は、ハーフミラーの用途に応じて適宜選択される。例えば、ヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイのように、人間の目で視認される態様で利用される場合は、波長λの範囲は可視域（約４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の範囲である。また、ハーフミラーが、光源としてレーザーなどの単色光源を用いた光学機器を構成する光学部品として利用される場合は、当該単色光源の波長範囲（例えば、レーザ発振波長±１０ｎｍの範囲）である。
本実施形態のハーフミラーの反射率は、入射角を４５度とした場合にハーフミラーが使用される光の波長範囲において、１％〜９９％の範囲内であることが必要であるが、一般的には、１０％〜９０％の範囲内が好ましく、２０％〜８０％の範囲内がより好ましい。ここで、反射率は、１％〜９９％の範囲内においてハーフミラーの用途に応じて適宜調整される。
次に、本実施形態のハーフミラーの層構成や、各層の構成、製造方法等についてより詳細に説明する。
（層構成について）
本実施形態のハーフミラーの層構成は、上述したように、基板上に、高屈折透光層を含む１層以上の透光層と、１層の半光反射層と、１層以上の低屈折透光層とがこの順に積層されたものであれば特に限定されるものではない。しかしながら、本実施形態のハーフミラーは、下記に示す層構成であることが好ましい。すなわち、半光反射層の透明基板が設けられた側と反対側（以下、「半光反射層の上層側」と略す場合がある）には、１層の低屈折透光層のみが設けられていることが特に好ましい。これにより、半光反射層の上層側に２層以上の低屈折透光層を設けた場合と比べて反射率の入射角依存性をより小さくすることができる。また、透明基板と半光反射層との間に、２層以上の透光層を設ける場合には、低屈折透光層と高屈折透光層とを交互に積層するように設けることが好ましい。これにより、透明基板と半光反射層との間に、低屈折透光層又は高屈折透光層を連続して２層以上積層した場合と比べて反射率の入射角依存性をより小さくすることができる。
本実施形態のハーフミラーの層構成は、上述したように、基板上に、高屈折透光層を含む１層以上の透光層と、１層の半光反射層と、１層以上の低屈折透光層とがこの順に積層されたものであれば特に限定されるものではない。しかしながら、本実施形態のハーフミラーは、下記に示す層構成であることが好ましい。すなわち、半光反射層の透明基板が設けられた側と反対側（以下、「半光反射層の上層側」と略す場合がある）には、１層の低屈折透光層のみが設けられていることが特に好ましい。これにより、半光反射層の上層側に２層以上の低屈折透光層を設けた場合と比べて反射率の入射角依存性をより小さくすることができる。また、透明基板と半光反射層との間に、２層以上の透光層を設ける場合には、低屈折透光層と高屈折透光層とを交互に積層するように設けることが好ましい。これにより、透明基板と半光反射層との間に、低屈折透光層又は高屈折透光層を連続して２層以上積層した場合と比べて反射率の入射角依存性をより小さくすることができる。
また、各層の屈折率に着目した場合、反射率の入射角依存性をより小さくする観点からは、基板の屈折率と高屈折透光層の屈折率との差の絶対値Δｎ（ｇｈ）や、低屈折透光層の屈折率と高屈折透光層の屈折率との差の絶対値Δｎ（ｌｈ）は大きいことが好ましい。
Δｎ（ｇｈ）及びΔｎ（ｌｈ）はいずれも、０．１２以上であることが好ましく、０．５以上であることがより好ましい。Δｎ（ｇｈ）、Δｎ（ｌｈ）を０．１２以上とすることで、反射率の入射角依存性をより小さくすることが容易となる。一方、Δｎ（ｇｈ）やΔｎ（ｌｈ）の上限値は特に限定されるものではないが、基板や、高屈折透過層、低屈折透過層を構成する材料の選択を容易とするため、実用上は２．２以下であることが好ましい。なお、ハーフミラーが高屈折透光層を２層以上有する場合、Δｎ（ｇｈ）およびΔｎ（ｌｈ）を算出する上で基準となる高屈折透光層は、最も高い屈折率を有する層が基準となる。同様にハーフミラーが低屈折透光層を２層以上有する場合、Δｎ（ｌｈ）を算出する上で基準となる低屈折透光層は、最も低い屈折率を有する層が基準となる。
Δｎ（ｇｈ）及びΔｎ（ｌｈ）はいずれも、０．１２以上であることが好ましく、０．５以上であることがより好ましい。Δｎ（ｇｈ）、Δｎ（ｌｈ）を０．１２以上とすることで、反射率の入射角依存性をより小さくすることが容易となる。一方、Δｎ（ｇｈ）やΔｎ（ｌｈ）の上限値は特に限定されるものではないが、基板や、高屈折透過層、低屈折透過層を構成する材料の選択を容易とするため、実用上は２．２以下であることが好ましい。なお、ハーフミラーが高屈折透光層を２層以上有する場合、Δｎ（ｇｈ）およびΔｎ（ｌｈ）を算出する上で基準となる高屈折透光層は、最も高い屈折率を有する層が基準となる。同様にハーフミラーが低屈折透光層を２層以上有する場合、Δｎ（ｌｈ）を算出する上で基準となる低屈折透光層は、最も低い屈折率を有する層が基準となる。
基板上に積層される半光反射層および透光層の層数は、最低３層以上であり、その上限は特に限定されない。しかし、反射率の入射角依存性も含めたハーフミラーとして要求される各種の光学特性とコストとを両立させる観点からは、層数は３層〜３０層の範囲であることが好ましい。
次に、本実施形態のハーフミラーの層構成の具体例について、図面を用いて説明する。図１〜図７は、本実施形態のハーフミラーの層構成の一例を示す模式断面図である。ここで、図１に示すハーフミラー１は、基板１０上に、高屈折透光層４０、半光反射層２０、低屈折透光層３０をこの順に積層した３層構成を有するものである。図２に示すハーフミラー２は、基板１０上に、低屈折透光層３０Ｂ、高屈折透光層４０、半光反射層２０、低屈折透光層３０Ａをこの順に積層した４層構成を有するものである。図３に示すハーフミラー３は、基板１０上に、高屈折透光層４０、低屈折透光層３０Ｂ、半光反射層２０、低屈折透光層３０Ａをこの順に積層した４層構成を有するものである。図４に示すハーフミラー４は、基板１０上に、高屈折透光層４０Ｂ、低屈折透光層３０Ｂ、高屈折透光層４０Ａ、半光反射層２０、低屈折透光層３０Ａをこの順に積層した５層構成を有するものである。図５に示すハーフミラー５は、基板１０上に、低屈折透光層３０Ｃ、高屈折透光層４０、低屈折透光層３０Ｂ、半光反射層２０、低屈折透光層３０Ａをこの順に積層した５層構成を有するものである。図６に示すハーフミラー６は、基板１０上に、低屈折透光層３０Ｃ、高屈折透光層４０Ｂ、低屈折透光層３０Ｂ、高屈折透光層４０Ａ、半光反射層２０、低屈折透光層３０Ａをこの順に積層した６層構成を有するものである。図７に示すハーフミラー７は、基板１０上に、高屈折透光層４０Ｂ、低屈折透光層３０Ｃ、高屈折透光層４０Ａ、低屈折透光層３０Ｂ、半光反射層２０、低屈折透光層３０Ａをこの順に積層した６層構成を有するものである。
（透光層について）
透光層は、透明な導電体材料または誘電体材料からなる層である。透明導電体材料としては、公知の透明導電体材料であればいずれも利用できるが、例えば、酸化インジウムスズや酸化亜鉛が挙げられる。また、透明な誘電体材料としては、例えば、光学薄膜分野でよく用いられている公知の物質であればいずれも利用できる。典型的な材料としては、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム等の金属酸化物、フッ化マグネシウム等のフッ化物、硫化亜鉛等の硫化物が挙げられる。誘電体は広いバンドギャップを持ち直流電圧に対し電気を通さない絶縁体である。この絶縁体に電場を加えた時に絶縁体は分極を起こし、電荷の偏り（電界）が生じる。絶縁体はこのように電気的な誘導作用がある。この誘導作用を誘電率εといい、この大きさは物質により異なる。また、誘電率εと屈折率ｎの関係はε＝ｎ２で表される。また、透光層としては、屈折率が１．５を超える高屈折透光層および屈折率が１．５以下の低屈折透光層の２種類が用いられる。以下、低屈折透光層および高屈折透光層についてより詳細に説明する。
透光層は、透明な導電体材料または誘電体材料からなる層である。透明導電体材料としては、公知の透明導電体材料であればいずれも利用できるが、例えば、酸化インジウムスズや酸化亜鉛が挙げられる。また、透明な誘電体材料としては、例えば、光学薄膜分野でよく用いられている公知の物質であればいずれも利用できる。典型的な材料としては、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム等の金属酸化物、フッ化マグネシウム等のフッ化物、硫化亜鉛等の硫化物が挙げられる。誘電体は広いバンドギャップを持ち直流電圧に対し電気を通さない絶縁体である。この絶縁体に電場を加えた時に絶縁体は分極を起こし、電荷の偏り（電界）が生じる。絶縁体はこのように電気的な誘導作用がある。この誘導作用を誘電率εといい、この大きさは物質により異なる。また、誘電率εと屈折率ｎの関係はε＝ｎ２で表される。また、透光層としては、屈折率が１．５を超える高屈折透光層および屈折率が１．５以下の低屈折透光層の２種類が用いられる。以下、低屈折透光層および高屈折透光層についてより詳細に説明する。
（低屈折透光層について）
低屈折透光層を構成する材料としては、使用する光の波長域において屈折率が１．５以下のものであれば公知の無機材料や有機材料又は有機・無機複合材料を利用できるが、無機材料を用いることが好ましい。無機材料としては、酸化珪素やこれを主成分とする金属酸化物、フッ化カルシウムやフッ化マグネシウムなどの金属フッ化物などが挙げられ、具体的には、酸化珪素、及び、フッ化マグネシウムから選択される少なくとも１種を用いることが好ましい。また、半光反射層の上層側に設けられる低屈折透光層（２層以上積層する場合は、最表面を形成する層）には、機械的・化学的耐久性が要求される場合が多いため、酸化珪素を用いることが特に好ましい。
低屈折透光層を構成する材料としては、使用する光の波長域において屈折率が１．５以下のものであれば公知の無機材料や有機材料又は有機・無機複合材料を利用できるが、無機材料を用いることが好ましい。無機材料としては、酸化珪素やこれを主成分とする金属酸化物、フッ化カルシウムやフッ化マグネシウムなどの金属フッ化物などが挙げられ、具体的には、酸化珪素、及び、フッ化マグネシウムから選択される少なくとも１種を用いることが好ましい。また、半光反射層の上層側に設けられる低屈折透光層（２層以上積層する場合は、最表面を形成する層）には、機械的・化学的耐久性が要求される場合が多いため、酸化珪素を用いることが特に好ましい。
また、低屈折透光層の膜厚としては、低屈折透光層としての機能を確実に発揮させるために０．０１λ以上であることが好ましい。膜厚を上記範囲とすることで、低屈折透光層を１層のみ設ける場合（すなわち、半光反射層の上層側に設けられる低屈折透光層）、反射率の入射角依存性を小さくする効果が確実に発揮されると共に、機械的・化学的耐久性もより向上させることができる。なお、膜厚の上限は特に限定されないが、実用上３λ以下であることが好ましい。これにより、層の厚み自体に起因して外部から入射した光の吸収が顕著になるのを抑制できる。なお、本明細書において、膜厚を説明する場合の「λ」とは、真空中での光の波長であり、ハーフミラーを設計する際の設計波長を意味し、一般的には４００〜７００ｎｍの範囲から選択される値を意味する。なお、層の膜厚を表現する方法には光学膜厚がある。この光学膜厚はｎ×ｄで表され、ここでｎは層の屈折率、ｄは層の物理的膜厚である。この光学膜厚は、考慮する光の波長λの１／４の量を単位として有し、１／４波長と呼ばれ、この膜厚を有する層は１／４波長厚またはＱＷＯＴ (１／４波長光学膜厚)と呼ぶ。ＱＷＯＴは、ＱＷＯＴ＝４ｎｄ／λで定義され、ＱＷＯＴの条件が成立する波長がλである。一般的には、中心波長と呼ばれる。
（高屈折透光層について）
高屈折透光層を構成する材料としては、使用する光の波長域において屈折率が１．５を超えるものであれば公知の無機材料や有機材料又は有機・無機複合材料を利用できるが、無機材料を用いることが好ましい。無機材料としては、具体的には、酸化チタン（アナターゼ型、ルチル型）、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ガドリニウム、酸化セリウム、酸化アンチモン、酸化クロム、酸化ランタン等の金属酸化物や、硫化亜鉛等の金属硫化物等から選択される少なくとも１種を用いることが好ましい。
高屈折透光層を構成する材料としては、使用する光の波長域において屈折率が１．５を超えるものであれば公知の無機材料や有機材料又は有機・無機複合材料を利用できるが、無機材料を用いることが好ましい。無機材料としては、具体的には、酸化チタン（アナターゼ型、ルチル型）、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化ビスマス、酸化ガドリニウム、酸化セリウム、酸化アンチモン、酸化クロム、酸化ランタン等の金属酸化物や、硫化亜鉛等の金属硫化物等から選択される少なくとも１種を用いることが好ましい。
また、高屈折透光層の膜厚としては、高屈折透光層としての機能を確実に発揮させるために０．０１λ以上であることが好ましい。なお、膜厚の上限は特に限定されないが、実用上３λ以下であることが好ましい。これにより、層の厚み自体に起因して外部から入射した光の吸収が顕著になるのを抑制できる。
（半光反射層について）
半光反射層としては、上述したようにハーフミラーの反射率がハーフミラーが使用される光の波長範囲において、１％〜９９％の範囲内となるように、半光反射層に入射した光の一部を透過し、残りを反射する機能を有するものであればその構成材料は特に限定されない。しかしながら、半光反射層を構成する材料としては、一般的には金属元素や半金属元素又はこれら元素を２種類以上含む合金を用いることができる。ここで、金属元素としては、例えば、アルミニウム、銀、白金、銅、ゲルマニウム、タングステン、チタン、ニッケル、クロム、鉄、パラジウム、ロジウム、金、ニオブ等が挙げられ、半金属元素としては例えばシリコン等を挙げることができる。
半光反射層としては、上述したようにハーフミラーの反射率がハーフミラーが使用される光の波長範囲において、１％〜９９％の範囲内となるように、半光反射層に入射した光の一部を透過し、残りを反射する機能を有するものであればその構成材料は特に限定されない。しかしながら、半光反射層を構成する材料としては、一般的には金属元素や半金属元素又はこれら元素を２種類以上含む合金を用いることができる。ここで、金属元素としては、例えば、アルミニウム、銀、白金、銅、ゲルマニウム、タングステン、チタン、ニッケル、クロム、鉄、パラジウム、ロジウム、金、ニオブ等が挙げられ、半金属元素としては例えばシリコン等を挙げることができる。
半光反射層の膜厚としては、半光反射層を構成する材料に応じて、ハーフミラーの反射率がハーフミラーが使用される光の波長範囲において、１％〜９９％の範囲内となるように半光反射性（及び半光透過性）を示す範囲で適宜選択できる。しかしながら、一般的には、その膜厚は、０．００５λ〜０．０５λの範囲であることが好ましい。膜厚を上記範囲内とすることにより、ハーフミラーとしてより確実に機能を発揮させることができる。
（基板について）
基板としては、ハーフミラーとして使用する際に利用する光の波長域に対して透光性を有するものであればよい。なお、基板としては、一般的には市販のソーダライムシリケートガラスや低アルカリガラス、無アルカリガラス、石英などのガラス基板や、各種のセラミックス基板、プラスチック基板が利用できる。
基板としては、ハーフミラーとして使用する際に利用する光の波長域に対して透光性を有するものであればよい。なお、基板としては、一般的には市販のソーダライムシリケートガラスや低アルカリガラス、無アルカリガラス、石英などのガラス基板や、各種のセラミックス基板、プラスチック基板が利用できる。
（ハーフミラーの製造方法について）
本実施形態のハーフミラーは、基板上に薄膜を形成する公知の成膜方法を利用して透光層、半光反射層を積層することで作製することができる。利用できる成膜方法としては、基板上に積層される各層の材料や膜厚などに応じて適宜選択でき、ディッピング法やスピンコート法、電着法などの液相成膜法や、スパッタリング法や蒸着法などの気相成膜法などが利用できる。しかしながら、膜厚の制御性に優れることや、無機材料の成膜に適していることなどからは気相成膜法を用いることが好ましい。ここで、好適な気相成膜法としては、例えば、ディッピング法、スピンコート法、電着法、スプレー法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、イオンプレーティング法、および、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）が挙げられる。そして、ハーフミラーの作製に際しては、これら成膜法を２種類以上組合わせて利用してもよい。
本実施形態のハーフミラーは、基板上に薄膜を形成する公知の成膜方法を利用して透光層、半光反射層を積層することで作製することができる。利用できる成膜方法としては、基板上に積層される各層の材料や膜厚などに応じて適宜選択でき、ディッピング法やスピンコート法、電着法などの液相成膜法や、スパッタリング法や蒸着法などの気相成膜法などが利用できる。しかしながら、膜厚の制御性に優れることや、無機材料の成膜に適していることなどからは気相成膜法を用いることが好ましい。ここで、好適な気相成膜法としては、例えば、ディッピング法、スピンコート法、電着法、スプレー法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、イオンプレーティング法、および、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）が挙げられる。そして、ハーフミラーの作製に際しては、これら成膜法を２種類以上組合わせて利用してもよい。
＜光学部品、光学機器およびヘッドマウントディスプレイ＞
本実施形態のハーフミラーは、ハーフミラー本来の機能に加えて反射率の入射角依存性の抑制も求められる用途に利用することが好適である。具体例を挙げれば、本実施形態のハーフミラーは、当該ハーフミラーを少なくとも備え、ハーフミラーから反射される反射光を感知する反射光感知部が、反射光を感知する際に、透明基板の両表面のうち半光反射層が設けられた側の表面と反射光との成す角度（反射角）が変化する光学部品に用いることができる。この場合、反射光感知部は、反射角が２５度〜９０度の角度を成す範囲内の位置に、ハーフミラーに対して相対的に移動可能に配置される態様で利用される光学部品（更にはこの光学部品を用いた光学機器）に用いることが特に好ましい。しかしながら、本実施形態の光学部品やこれを用いた光学機器は、これに限定されるものではない。
本実施形態のハーフミラーは、ハーフミラー本来の機能に加えて反射率の入射角依存性の抑制も求められる用途に利用することが好適である。具体例を挙げれば、本実施形態のハーフミラーは、当該ハーフミラーを少なくとも備え、ハーフミラーから反射される反射光を感知する反射光感知部が、反射光を感知する際に、透明基板の両表面のうち半光反射層が設けられた側の表面と反射光との成す角度（反射角）が変化する光学部品に用いることができる。この場合、反射光感知部は、反射角が２５度〜９０度の角度を成す範囲内の位置に、ハーフミラーに対して相対的に移動可能に配置される態様で利用される光学部品（更にはこの光学部品を用いた光学機器）に用いることが特に好ましい。しかしながら、本実施形態の光学部品やこれを用いた光学機器は、これに限定されるものではない。
ここで反射光感知部としては、例えば、（１）人間の目や、（２）ＣＣＤ等の光電変換機能を備えた受光素子、（３）また、光（反射光）の照射によって反射光の波長や強度等に応じた情報を記録したり、更に光（反射光）を再度反射させて受光素子に光（再反射光）を送り記録された情報を再生する光学式の情報記録媒体（例えば、ホログラム記録媒体など）、（４）ファインダー光学系、（５）プロジェクター等の各種光学エンジン、（６）スクリーンなどであってもよい。上記（１）の態様であれば視野角依存性を抑制でき、上記（２）に示す態様であれば、受光した光を電気信号に変えて出力する場合に信号強度の感度補正や増幅処理などを不要とすることができ、上記（３）に示す態様であれば、記録された情報を取りだして再生する際の再生信号の感度補正や増幅処理などを不要とすることができ、かつ、角度毎に異なる情報を記録できるため一般的な垂直光記録よりも数倍の記録容量が得られる。しかしながら、本実施形態の光学部品に用いられる反射光感知部はこれらに限定されるものではない。
なお、反射光感知部は、反射光を感知しない場合（反射光感知部が人間の目の場合は意図的に反射光を認識しない／認識する必要が乏しい場合）には、透明基板の両表面のうち半光反射層が設けられた側の表面と反射光との成す角度が２５度〜９０度の角度を成す範囲から外れた位置に移動してもよい。また、反射光感知部の移動は、規則的・定期的なものであってもよく、不規則的・不定期的なものであってもよい。また、「反射光感知部が、・・・ハーフミラーに対して相対的に移動可能」とは、反射光を感知する際に、反射光感知部及びハーフミラーの双方が移動する態様、又は、反射光感知部及びハーフミラーから選択されるいずれか一方のみが移動する態様を意味する。
また、反射光感知部が人間の目である場合、本実施形態の光学部品は、表面の一部分にヘッドアップディスプレイとして機能する本実施形態のハーフミラーが配置された自動車用フロントガラスであることが好ましい。例えば、ハーフミラーが、フロントガラスの表面の運転席と助手席との略中間の位置に設けられているような場合、運転席や助手席に座っている人間は、ハーフミラー表面に対して２５度〜６５度ぐらいの角度で視線を向けることになる。これにより、運転席や助手席等に座る人間が、車内で上半身を動かしても、ヘッドアップディスプレイに表示された各種情報を、コントラストや色調等において常に同じような表示状態で認識することができる。従って、上半身の移動により、ヘッドアップディスプレイを視認する方向が異なっても、表示された情報の認識性を常に一定レベルで高く維持できる。また、このような光学部品（表面の一部分にヘッドアップディスプレイとして機能する本実施形態のハーフミラーが配置された自動車用フロントガラス）に、液晶プロジェクターなどのようなハーフミラーが配置された領域に表示像を投影する表示機等を組み合わせた光学機器は、ヘッドアップディスプレイとして用いることができる。
なお、本実施形態の光学部品は、上述した実施形態（第１の実施形態）以外にも、以下の構成を有するものであることも極めて好適である。すなわち、第２の本実施形態の光学部品は、光源と、この光源から照射される照射光が入射する位置に配置された本実施形態のハーフミラーとを少なくとも備え、照射光が、ハーフミラーに対して非平行光として入射し、ハーフミラーの面内の任意の１点に入射する非平行光の一成分を成す光の光軸と、透明基板の両表面のうち半光反射層が設けられた側の表面との成す角度が、２５〜９０度の範囲内である光学部品であることが好ましい。また、この場合、本実施形態の光学機器はこの光学部品を用いることができる。
ここで、光源の態様は特に限定されず、点光源、面光源のいずれの態様の光源であっても利用できる。また、光学部品に用いられるハーフミラーは、少なくとも１枚以上であればよいが２枚以上でもよい。この場合、全てのハーフミラーが本実施形態のハーフミラーであることが好適である。さらに、ハーフミラー面内に入射する光は、非平行光であれば特に限定されないが、ハーフミラー面内の任意の１点に入射する光（非平行光の一成分）の光軸と、透明基板の両表面のうち半光反射層が設けられた側の表面との成す角度が、２５〜９０度の範囲内であることが必要である。ハーフミラー面内の任意の１点に入射する光（非平行光の一成分）が上記条件を満たすことにより、反射光の反射率の入射角依存性が抑制される。このため、ハーフミラーの反射光側に、反射光を投影するスクリーンを配置したと仮定した場合、スクリーン面内に投影された反射光の明度ムラの発生を抑制できる。
なお、本実施形態のハーフミラーを用いずに上述した明度ムラを抑制する方法としては、光源とハーフミラーとの間にレンズ等を配置することで、ハーフミラーに入射する光をできる限り完全な平行光に近づけるという方法が挙げられる。しかしながら、この方法では、光源とハーフミラーとの間に形成される光学系が複雑化・大型化し易いというデメリットがある。このため、コンパクトな光学系が要求されるニーズには対応が困難になる。しかし、第２の本実施形態の光学部品では、利用するハーフミラーの反射光の反射率の入射角依存性が小さいため、ハーフミラーに入射する光の平行度が多少悪くでも明度ムラの発生を抑制できる。このため、コンパクトな光学系が要求されるニーズにも容易に対応できる。
これらの点を考慮すれば、第２の本実施形態の光学部品は、ヘッドマウントディスプレイに用いられることが特に好適である。この場合、光源としては、画像情報を表示する面光源（例えば、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置など）が用いられる。また、人間がヘッドマウントディスプレイを装着した状態で、面光源が、画像表示面側が正面を向くように側頭部側や頭頂部側に配置される場合には、本実施形態のハーフミラーに加えて、通常のミラー（全反射のミラー）も用いることが好適である。この場合、ミラーは、面光源の画像表示面側に、画像表示面とミラーの半光反射層が設けられた側の面との成す角度が略４５度を成し、且つ、ミラーにより反射される光が眼前を通過するように配置される。また、ヘッドマウントディスプレイが頭に装着された状態において、ハーフミラーは、その半光反射層が設けられた側の面が、ミラーの半光反射層が設けられた側の面に対して略４５度の角度を成し、且つ、ハーフミラーにより反射される光が目に入射するように配置される。
以下に本発明を実施例を挙げてより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。
（ハーフミラーの作製）
各実施例のハーフミラーの作製に際して、基板としてはソーダライムシリケートガラスを用いた。また、基板上に成膜した各層（ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ）に関しては、真空蒸着法、抵抗加熱法、電子ビーム法、スパッタ法を適宜用いて成膜した。なお、スパッタ法の場合は、ターゲット材料として、ＳｉＯ２、酸化チタン等を適宜用いた。これにより、表１の実施例１〜６に示す層構成を有するハーフミラーを得た。
各実施例のハーフミラーの作製に際して、基板としてはソーダライムシリケートガラスを用いた。また、基板上に成膜した各層（ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ）に関しては、真空蒸着法、抵抗加熱法、電子ビーム法、スパッタ法を適宜用いて成膜した。なお、スパッタ法の場合は、ターゲット材料として、ＳｉＯ２、酸化チタン等を適宜用いた。これにより、表１の実施例１〜６に示す層構成を有するハーフミラーを得た。
（評価）
各実施例のハーフミラーサンプルの波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲における反射率を分光光度計により測定した。なお、測定に際しては、光源から照射される光の光軸とサンプル表面に対して垂直に伸びる垂直線とが成す角度（入射角）が２５度、４５度および６５度となるように配置して、各々の３水準の入射角における反射率を測定した。この時の反射率Ｒと最大反射率差ΔＲを表１に示す。また、参考として本実施形態のハーフミラーサンプルの反射率測定結果を図８に示す。ここで、図８は、横軸を波長、縦軸を反射率としたときの入射角０、２５、４５、６５の３水準についてのグラフである。
各実施例のハーフミラーサンプルの波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲における反射率を分光光度計により測定した。なお、測定に際しては、光源から照射される光の光軸とサンプル表面に対して垂直に伸びる垂直線とが成す角度（入射角）が２５度、４５度および６５度となるように配置して、各々の３水準の入射角における反射率を測定した。この時の反射率Ｒと最大反射率差ΔＲを表１に示す。また、参考として本実施形態のハーフミラーサンプルの反射率測定結果を図８に示す。ここで、図８は、横軸を波長、縦軸を反射率としたときの入射角０、２５、４５、６５の３水準についてのグラフである。
なお、表１中に示す「反射率Ｒ」は、入射角４５度において、波長４００〜７００ｎｍの範囲でとり得る反射率を意味する。例えば、図８では、反射率は、波長５３０ｎｍおよび７００ｎｍ近傍で最低値である４８％を示し、波長４００ｎｍおよび６５０ｎｍ近傍で最高値である５２．５％を示すため、反射率Ｒは４８〜５２．５％となる。また、入射角２５度、４５度および６５度の反射率Ｒ（２５）、Ｒ（４５）およびＲ（６５）のうちのいずれか最小値Ｒｍｉｎと最大値Ｒｍａｘとの差の絶対値を意味する「最大反射率差ΔＲｍａｘ」は、図８に示す例では、波長７００ｎｍでＲｍｉｎが４５％でありＲｍａｘが５２％であり、両者の乖離が波長４００〜７００ｎｍ中で最も大きいことから、７％であることが判る。
１、２、３、４、５、６、７ ハーフミラー
１０ 基板
２０ 半光反射層
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ 低屈折透光層
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ 高屈折透光層
１０ 基板
２０ 半光反射層
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ 低屈折透光層
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ 高屈折透光層
Claims (8)
- 透明基板と、
該透明基板上に設けられた１層の半光反射層と、
上記透明基板と上記半光反射層との間に設けられた１層以上の透光層と、
上記半光反射層の上記透明基板が設けられた側と反対側に設けられた１層以上の透光層と、を有し、
上記透明基板と上記半光反射層との間に設けられた１層以上の透光層から選択される少なくとも１層が、屈折率が１．５を超える高屈折透光層であり、
上記半光反射層の上記透明基板が設けられた側と反対側に設けられた１層以上の透光層の全ての層が、屈折率が１．５以下の低屈折透光層であるハーフミラーを少なくとも備え、
上記ハーフミラーから反射される反射光を感知する反射光感知部が、
上記反射光を感知する際に、上記透明基板の両表面のうち上記半光反射層が設けられた側の表面に対して２５度〜９０度の角度を成す範囲内の位置に、
上記ハーフミラーに対して相対的に移動可能に配置される態様で利用されることを特徴とする光学部品（車両用ヘッドアップディスプレイを除く）。 - 前記半光反射層の前記透明基板が設けられた側と反対側に、１層の低屈折透光層のみが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
- 前記透明基板と前記半光反射層との間に、低屈折透光層と高屈折透光層とが交互に積層するように２層以上の透光層を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の光学部品。
- 前記透明基板の屈折率と前記高屈折透光層の屈折率との差の絶対値Δｎ（ｇｈ）が０．１２以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学部品。
- 前記低屈折透光層の屈折率と前記高屈折透光層の屈折率との差の絶対値Δｎ（ｌｈ）が０．１２以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学部品。
- 前記半光反射層および前記透光層が、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、イオンプレーティング法、および、ＣＶＤ法から選択される少なくとも１種の成膜法を用いて形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学部品。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学部品を備えたことを特徴とする光学機器。
- 前記反射光感知部が、光電変換機能を備えた受光素子、光学式の情報記録媒体、ファインダー光学系、光学エンジンおよびスクリーンから選択されるいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
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