JP5364844B2 - 光学素子および光学システム - Google Patents

Description

本発明は、空間に被投影物の像を結像させることができる反射型結像素子と、表示パネルとを有する光学システムに関する。

最近、反射型結像素子を用いて空間に被投影物を結像させる光学システムが提案されている（例えば特許文献１〜６）。光学システムは反射型結像素子と被投影物とを有し、空間に表示される像（空中映像という）は反射型結像素子を対称面とする面対称な位置に、被投影物の像が結像したものである。

特許文献１に開示されている反射型結像素子は、平板状の基板の厚さ方向に貫通された複数の貫通孔を備え、各孔の内壁に直交する２つの鏡面要素から構成される光学素子を形成したもの（特許文献１の図４参照）、あるいは基板の厚さ方向に突出させた複数の透明な筒状体を備え、各筒状体の内壁面に直交する２つの鏡面要素から構成される光学素子を形成したものである（特許文献１の図７参照）。

特許文献１、２および５に開示されている反射型結像素子は、厚さが５０μｍ〜１０００μｍの基板に、一辺が約５０μｍ〜１０００μｍの正方形の孔が数万から数十万個形成されており、各孔の内面には、電鋳法、ナノプリント法やスパッタ法によって鏡面コーティングが施されている。

また、特許文献６に開示されている反射型結像素子は、長手方向に互いに平行に配置された鏡面を有する２つの部材を、互いの部材の鏡面要素が直交するにように重ねあわせて形成されたもの（特許文献６の図４参照）である。他の反射型結像素子は、長手方向に互いに平行に掘削された無数の細長い溝を含む２つの部材を有し、互いの部材の溝内に形成された光を全反射させる平滑面が直交するように２つの透明基板を重ねあわせて形成されたものである（特許文献６の図９参照）。

上述の反射型結像素子を用いた光学システムは、反射型結像素子の鏡面反射または全反射を利用しており、原理上、被投影物の像と空間に映し出される像との大きさの比は、１：１である。

特許文献１〜６の開示内容の全てを参考のために本明細書に援用する。

特開２００８−１５８１１４号公報 特開２００９−７５４８３号公報 特開２００９−４２３３７号公報 特開２００９−２５７７６号公報 国際公開第２００７／１１６６３９号 特開２００９−２７６６９９号公報

上述した反射型結像素子を有する光学システムは、反射型結像素子が有する互いに直交した２つの鏡面要素または平滑面（以下、「鏡面要素」という）によって光が２回反射されることにより結像させることができる。しかしながら、反射型結像素子に入射した全ての光が結像に用いられるのではなく結像に寄与しない迷光も生じる。迷光が結像に寄与する光と混ざることにより空中映像の視認性が低下する。また、反射型結像素子の観察者側の表面での外光の反射も空中映像の視認性を低下させる要因となり得る。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、空中映像の視認性が向上した反射型結像素子を有する光学素子およびそのような光学素子を備える光学システムを提供することにある。

本発明による実施形態における光学素子は、被投影物からの光を偶数回反射して前記被投影物の像を結像させる反射型結像素子と、前記反射型結像素子の光出射側に配置された第１偏光板と、前記反射型結像素子と前記第１偏光板との間に配置された第１位相差板とを有する。

ある実施形態において、前記光学素子は、前記反射型結像素子の光出射側に反射防止膜をさらに有し、前記反射防止膜と前記第１位相差板との間に前記第１偏光板を有する。

ある実施形態において、前記光学素子は、前記反射型結像素子の光出射側および光入射側の少なくとも一方に透明基板をさらに有する。

ある実施形態において、前記第１位相差板は、λ／４板を有する。

ある実施形態において、前記光学素子の光出射側の法線方向、または、前記被投影物からの光が前記光学素子から出射される光の方向から前記光学素子を見たとき、反時計回りを正の方向とし、時計回りを負の方向とした場合、前記第１偏光板の吸収軸と前記λ／４板の遅相軸とのなす角は、（４５＋ｘ）°または−（４５＋ｘ）°であって、−８≦ｘ≦１０の関係を満たす。

ある実施形態において、前記第１位相差板は、λ／２板を有する。

ある実施形態において、前記第１位相差板は、前記λ／２板および前記λ／４板を有し、前記光学素子の光出射側の法線方向、または、前記被投影物からの光が前記光学素子から出射される光の方向から前記光学素子を見たとき、反時計回りを正の方向とし、時計回りを負の方向とした場合、前記第１偏光板の吸収軸と前記λ／２板の遅相軸とのなす角をθとすると、前記第１偏光板の吸収軸と前記λ／４板の遅相軸とのなす角は、±（（２｜θ｜＋４５）＋ｙ）°であって、−２９≦ｙ≦３０の関係を満たす。

ある実施形態において、前記θが正の値のとき、前記第１偏光板の吸収軸と前記λ／４板の遅相軸とのなす角は、（（２｜θ｜＋４５）＋ｙ）°であって、前記θが負の値のとき、前記第１偏光板の吸収軸と前記λ／４板の遅相軸とのなす角は、−（（２｜θ｜＋４５）＋ｙ）°である。

ある実施形態において、前記λ／２板は、前記λ／２板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記λ／２板の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎ_ａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとした場合、ｎ_ａ≧ｎ_ｂの関係を満たし、Ｎ_ｚ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｃ）／（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）とした場合、０．１≦Ｎ_ｚ≦１を満たし、波長５５０ｎｍの光に対する前記λ／２板の面内リタデーションＲｅは、２３５ｎｍ≦Ｒｅ≦３１０ｎｍの関係を満たす。前記Ｎ_ｚは、Ｎ_ｚ＝０．５を満たすことが好ましい。

ある実施形態において、前記λ／４板は、前記λ／４板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記λ／４板の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとした場合、ｎ_ａ≧ｎ_ｂの関係を満たし、Ｎ_ｚ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｃ）／（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）とした場合、０．１≦Ｎ_ｚ≦１を満たし、波長５５０ｎｍの光に対する前記λ／４板の面内リタデーションＲｅは、１００ｎｍ≦Ｒｅ≦１７０ｎｍの関係を満たす。前記Ｎ_ｚは、Ｎ_ｚ＝０．５を満たすことが好ましい。

ある実施形態において、前記第１位相差板は、一軸性光学補償素子を有し、前記一軸性光学補償素子の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記一軸性光学補償素子の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとした場合、ｎ_ｃ＞ｎ_ａ＝ｎ_ｂ、または、ｎ_ｃ＝ｎ_ａ＞ｎ_ｂ関係を満たす。

ある実施形態において、前記第１位相差板は、前記一軸性光学補償素子を有し、前記一軸性光学補償素子の前記ａ軸または前記ｂ軸と、前記第１位相差板の前記一軸性光学補償素子以外の位相差板のうち少なくとも一つの位相板の遅相軸とがほぼ平行になるように前記一軸性光学補償素子は配置され、前記第１位相差板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記一軸性光学補償素子の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとし、Ｎ_ｚ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｃ）／（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）とした場合、０．１≦Ｎ_ｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎ_ｚは、Ｎ_ｚ＝０．５を満たすことが好ましい。また、本明細書において、「ほぼ平行」とは、０°はもちろんのこと、０°と見なせる前後数度の角度範囲、例えば０°±５°も含まれる。

ある実施形態において、前記第１位相差板は、二軸性光学補償素子を有し、前記二軸性光学補償素子の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記二軸性光学補償素子の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとした場合、ｎ_ｃ＞ｎ_ａ＞ｎ_ｂの関係を満たす。

ある実施形態において、前記第１位相差板は、前記二軸性光学補償素子を有し、前記二軸性光学補償素子の前記ａ軸または前記ｂ軸と、前記第１位相差板の前記二軸性光学補償素子以外の位相差板のうち少なくとも一つの位相板の遅相軸とがほぼ平行になるように前記二軸性光学補償素子は配置され、前記第１位相差板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記二軸性光学補償素子の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとし、Ｎ_ｚ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｃ）／（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）とした場合、０．１≦Ｎ_ｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎ_ｚは、Ｎ_ｚ＝０．５を満たすことが好ましい。

ある実施形態において、前記ｃ軸の方向と前記主面の法線方向とのなす角を傾斜角とし、前記傾斜角は、被投影物から前記光学素子に入射する光の入射角である。

他の光学素子は、被投影物からの光を偶数回反射して前記被投影物の像を結像させる反射型結像素子と、前記反射型結像素子の光出射側に配置された第１偏光板と、前記反射型結像素子と前記第１偏光板との間に配置された第１位相差板と、前記反射型結像素子の光入射側に配置された第２位相差板とを有する。

ある実施形態において、前記光学素子は、前記反射型結像素子の光出射側に反射防止膜をさらに有し、前記反射防止膜と前記第１位相差板との間に前記第１偏光板を有する。

ある実施形態において、前記光学素子は、前記反射型結像素子の光入射側および光出射側の少なくとも一方に透明基板をさらに有する。

ある実施形態において、前記第１位相差板および前記第２位相差板は、λ／４板を有する。

ある実施形態において、前記第１位相差板は、前記λ／４板を有し、前記光学素子の光出射側の法線方向、または、前記被投影物からの光が前記光学素子から出射される光の方向から前記光学素子を見たとき、反時計回りを正の方向とし、時計回りを負の方向とした場合、前記第１偏光板の吸収軸と前記λ／４板の遅相軸とのなす角は、（４５＋ｘ）°または−（４５＋ｘ）°であって、−８≦ｘ≦１０の関係を満たす。

ある実施形態において、前記第２位相差板は、前記λ／４板を有し、前記光学素子の光出射側の法線方向、または、前記被投影物からの光が前記光学素子から出射される光の方向から前記光学素子を見たとき、反時計回りを正の方向とし、時計回りを負の方向とした場合、前記第１偏光板の吸収軸または透過軸と前記λ／４板の遅相軸とのなす角は、（４５＋ｘ）°または−（４５＋ｘ）°であって、−８≦ｘ≦１０の関係を満たす。

ある実施形態において、前記第１位相差板および前記第２位相差板の少なくとも一方は、λ／２板を有する。

ある実施形態において、前記第１位相差板は、前記λ／２板および前記λ／４板を有し、前記光学素子の光出射側の法線方向、または、前記被投影物からの光が前記光学素子から出射される光の方向から前記光学素子を見たとき、反時計回りを正の方向とし、時計回りを負の方向とした場合、前記第１偏光板の吸収軸と前記λ／２板の遅相軸とのなす角をθとし、前記第１偏光板の吸収軸と前記λ／４板の遅相軸とのなす角は、±（（２｜θ｜＋４５）＋ｙ）°であって、−３１≦ｙ≦２９の関係を満たす。

ある実施形態において、前記第２位相差板は、前記λ／２板および前記λ／４板を有し、前記光学素子の光出射側の法線方向、または、前記被投影物からの光が前記光学素子から出射される光の方向から前記光学素子を見たとき、反時計回りを正の方向とし、時計回りを負の方向とした場合、前記第１偏光板の吸収軸または透過軸と前記λ／２板の遅相軸とのなす角をθとすると、前記第１偏光板の吸収軸または透過軸と前記λ／４板の遅相軸とのなす角は、±（（２｜θ｜＋４５）＋ｙ）°であって、−３１≦ｙ≦２９の関係を満たす。

ある実施形態において、前記θが正の値のとき、前記第１偏光板の吸収軸または透過軸と前記λ／４板の遅相軸とのなす角は、（（２｜θ｜＋４５）＋ｙ）°であって、前記θが負の値のとき、前記第１偏光板の吸収軸または透過軸と前記λ／４板の遅相軸とのなす角は、−（（２｜θ｜＋４５）＋ｙ）°である。

ある実施形態において、前記λ／２板は、前記λ／２板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記λ／２板の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとした場合、ｎ_ａ≧ｎ_ｂの関係を満たし、Ｎ_ｚ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｃ）／（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）とした場合、０．１≦Ｎ_ｚ≦１を満たし、波長５５０ｎｍの光に対する前記λ／２板の面内リタデーションＲｅは、２３５ｎｍ≦Ｒｅ≦３１０ｎｍの関係を満たす。前記Ｎ_ｚは、Ｎ_ｚ＝０．５を満たすことが好ましい。

ある実施形態において、前記λ／４板は、前記λ／４板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記λ／４板の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとした場合、ｎ_ａ≧ｎ_ｂの関係を満たし、Ｎ_ｚ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｃ）／（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）とした場合、０．１≦Ｎ_ｚ≦１を満たし、波長５５０ｎｍの光に対する前記λ／４板の面内リタデーションＲｅは、１００ｎｍ≦Ｒｅ≦１７０ｎｍの関係を満たす。前記Ｎ_ｚは、Ｎ_ｚ＝０．５を満たすことが好ましい。

ある実施形態において、前記第１および第２位相差板の少なくとも一方は、一軸性光学補償素子を有し、前記一軸性光学補償素子の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記一軸性光学補償素子の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとした場合、ｎ_ｃ＞ｎ_ａ＝ｎ_ｂ、または、ｎ_ｃ＝ｎ_ａ＞ｎ_ｂの関係を満たす。

ある実施形態において、前記第１位相差板は、前記一軸性光学補償素子を有し、前記一軸性光学補償素子の前記ａ軸または前記ｂ軸と、前記第１位相差板の前記一軸性光学補償素子以外の位相差板のうち少なくとも一つの位相差板の遅相軸とがほぼ平行になるように前記一軸性光学補償素子は配置され、前記第１位相差板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記一軸性光学補償素子の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとし、Ｎ_ｚ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｃ）／（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）とした場合、０．１≦Ｎ_ｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎ_ｚは、Ｎ_ｚ＝０．５を満たすことが好ましい。

ある実施形態において、前記第２位相差板は、一軸性光学補償素子を有し、前記一軸性光学補償素子の前記ａ軸または前記ｂ軸と、前記第２位相差板の前記一軸性光学補償素子以外の位相差板のうち少なくとも一つの位相差板の遅相軸とがほぼ平行になるように前記一軸性光学補償素子は配置され、前記第２位相差板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記一軸性光学補償素子の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとし、Ｎ_ｚ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｃ）／（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）とした場合、０．１≦Ｎ_ｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎ_ｚは、Ｎ_ｚ＝０．５を満たすことが好ましい。

ある実施形態において、前記第１位相差板および前記第２位相差板の少なくとも一方は、二軸性光学補償素子を有し、前記二軸性光学補償素子の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記二軸性光学補償素子の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとした場合、ｎ_ｃ＞ｎ_ａ＞ｎ_ｂの関係を満たす。

ある実施形態において、前記第１位相差板は、前記二軸性光学補償素子を有し、前記二軸性光学補償素子の前記ａ軸または前記ｂ軸と、前記第１位相差板の前記二軸性光学補償素子以外の位相差板のうち少なくとも一つの位相板の遅相軸とがほぼ平行になるように前記二軸性光学補償素子は配置され、前記第１位相差板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記二軸性光学補償素子の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとし、Ｎ_ｚ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｃ）／（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）とした場合、０．１≦Ｎ_ｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎ_ｚは、Ｎ_ｚ＝０．５を満たすことが好ましい。

ある実施形態において、前記第２位相差板は、前記二軸性光学補償素子を有し、前記二軸性光学補償素子の前記ａ軸または前記ｂ軸と、前記第２位相差板の前記二軸性光学補償素子以外の位相差板のうち少なくとも一つの位相板の遅相軸とがほぼ平行になるように前記二軸性光学補償素子は配置され、前記第２位相差板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記二軸性光学補償素子の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率をｎａ、ｎ_ｂ、ｎ_ｃとし、Ｎ_ｚ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｃ）／（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）とした場合、０．１≦Ｎ_ｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎ_ｚは、Ｎ_ｚ＝０．５を満たすことが好ましい。

ある実施形態において、前記ｃ軸の方向と前記主面の法線方向とのなす角を傾斜角とし、前記傾斜角は、被投影物から前記光学素子に入射する光の入射角である。

ある実施形態において、前記光学素子は、前記反射型結像素子の光入射側に配置された第２偏光板を有し、前記第２位相差板は、前記反射型結像素子と前記第２偏光板との間に配置されている。

ある実施形態において、前記光学素子の光出射側、または、前記被投影物からの光が前記光学素子から出射される光の方向から前記第１偏光板および前記第２偏光板を見たとき、前記第１偏光板の吸収軸と前記第２偏光板の吸収軸とがほぼ平行、または、ほぼ直交するように、前記第１偏光板および前記第２偏光板は配置されている。また、本明細書において、「ほぼ直交」とは、９０°はもちろんのこと、９０°と見なせる前後数度の角度範囲、例えば９０°±５°も含まれる。

本発明の光学システムは、上記いずれかの光学素子と、前記光学素子の光入射側に配置された表示パネルとを有し、前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記光学素子を対称面とする面対称な位置に結像する光学システムであって、前記表示パネルから発せられる光は、円偏光または楕円偏光である。

他の光学システムは、上記いずれかの光学素子と、前記光学素子の光入射側に配置された表示パネルとを有し、前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記光学素子を対称面とする面対称な位置に結像する光学システムであって、前記表示パネルから発せられる光は、直線偏光である。

ある実施形態において、前記光学素子の光出射側、または、前記被投影物からの光が前記光学素子から出射される光の方向から前記第１偏光板および前記表示パネルを見たとき、前記表示パネルの表示面側の偏光板の吸収軸と前記第１偏光板の吸収軸とがほぼ平行、または、ほぼ直交するように、前記表示パネルは配置されている。

さらに他の光学システムは、上記いずれかの光学素子と、前記光学素子の光入射側に配置された表示パネルとを有し、前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記光学素子を対称面とする面対称な位置に結像する。

本発明によると、空中映像の視認性が向上した光学素子およびその光学素子を備える光学システムが提供される。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明による実施形態の光学素子１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの構成を示す模式的な断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、鏡面要素１４、１５の模式的な上面図および光の経路を説明する図であり、（ｃ）は、光学素子１０Ｃの模式的な断面図および光の経路を説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、偏光板２２およびλ／４板２１’の配置関係を説明する図であり、（ｄ）〜（ｆ）は、偏光板２２、λ／２板２１’’およびλ／４板２１’の配置関係を説明する図である。 （ａ）は、λ／２板２１’’、λ／４板２１’および光学補償素子２３それぞれの屈折率楕円体を示す模式的な図であり、（ｂ）は、λ／２板２１’’’’、λ／４板２１’’’および光学補償素子２３’と、λ／２板２１’’’’、λ／４板２１’’’および光学補償素子２３’それぞれの屈折率楕円体との位置関係を説明する図である。 （ａ）は、光学素子１０にＮ_ｚ＝１のλ／４位相差板を用いたときの等反射率曲線であり、（ｂ）は、光学素子１０にＮ_ｚ＝０．５のλ／４位相差板を用いたときの等反射率曲線である。 光学システム１００の構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明による実施形態を説明する。本発明は例示する実施形態に限定されない。

図１（ａ）〜図１（ｃ）を参照して、本発明による実施形態の光学素子１０Ａ、１０Ｂおよび１０Ｃの構成を説明する。図１（ａ）〜図１（ｃ）は、光学素子１０Ａ、１０Ｂおよび１０Ｃの構成を示す模式的な断面図である。なお、共通する構成要素には同一の参照符号を付し、説明の重複を避ける。

図１（ａ）に示す光学素子１０Ａは、反射型結像素子１１と、反射型結像素子１１の光出射側に配置された第１偏光板２２ａと、反射型結像素子１１と第１偏光板２２ａとの間に配置された第１位相差板２１ａと、例えば反射型結像素子１１と第１位相差板２１ａとの間に配置された透明基板２０とを有する。

光学素子１０Ａは、反射型結像素子１１の光出射側に反射防止膜をさらに有してもよい。第１偏光板２２ａは、例えば反射防止膜と第１位相差板２１ａとの間に配置され得る。反射防止膜は、例えば国際公開第２００６／０５９６８６号に開示されているモスアイ構造を有する反射防止膜である。

透明基板２０は、例えば光学素子１０Ａの最表面に配置されてもよい。また、透明基板２０は、反射型結像素子１１の光入射側に配置されてもよく、光入射側および光出射側のいずれにも配置されてもよい。

第１位相差板２１ａは、λ／４板を有し、λ／２板をさらに有してもよい。また、第１位相差板２１ａは、一軸性光学補償素子を有してもよい。第１位相差板２１ａは、二軸性光学補償素子を有していてもよい。光学素子１０Ａは、光学素子１０Ａに入射する光が円偏光の場合に結像に寄与しない迷光が結像に寄与する光に混ざるのを防ぐことができる。

図１（ｂ）に示す光学素子１０Ｂは、光学素子１０Ａの光入射側に配置された第２位相差板２１ｂをさらに有している。光学素子１０Ｂは、光学素子１０Ｂに入射する光が直線偏光の場合に結像に寄与しない迷光が結像に寄与する光に混ざるのを防ぐことができる。

第２位相差板２１ｂは、λ／４板を有する。第１および第２位相差板２１ａ、２１ｂの少なくとも一方は、λ／２板を有してもよく、一軸性光学補償素子を有していてもよい。第１および第２位相差板２１ａ、２１ｂの少なくとも一方は、二軸性光学補償素子を有していてもよい。

透明基板２０は、反射型結像素子１１と第２位相差板２１ｂとの間に配置されてもよく、反射型結像素子１１と第１位相差板２１ａとの間、および、反射型結像素子１１と第２位相差板２１ｂとの間の両方に配置されてもよい。

図１（ｃ）に示す光学素子１０Ｃは、光学素子１０Ｂの光入射側に配置された第２偏光板２２ｂをさらに有している。第２偏光板２２ｂと反射型結像素子１１との間に第２位相差板２１ｂが配置されている。光学素子１０Ｃの光出射側、または、光入射側の法線方向から第１偏光板２２ａおよび第２偏光板２２ｂを見たとき、第１偏光板２２ａの吸収軸と第２偏光板２２ｂの吸収軸とがほぼ平行、または、ほぼ直交するように、第１偏光板２２ａおよび第２偏光板２２ｂは配置される。被投影物からの光が光学素子１０Ｃから出射される光の方向（空中映像の観察方向Ｖ（図６参照））、または、被投影物からの光が光学素子１０Ｃに入射する光の方向から第１偏光板２２ａおよび第２偏光板２２ｂを見たとき、第１偏光板２２ａの吸収軸と第２偏光板２２ｂの吸収軸とがほぼ平行、または、ほぼ直交するように、第１偏光板２２ａおよび第２偏光板２２ｂは配置されることが好ましい。光学素子１０Ｃは、光学素子１０Ｃに入射する光の偏光状態に関わらず、非偏光の場合でも結像に寄与しない迷光が結像に寄与する光に混ざるのを防ぐことができる。

上述の光学素子１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ（以下、光学素子１０という場合がある）によって、結像に寄与しない迷光が結像に寄与する光に混ざるのを防ぐことができ、その結果、空中映像の視認性が向上される。

反射型結像素子１１は、例えば特許文献１または６に開示された反射型結像素子である。反射型結像素子１１が有する互いに直交する例えば２つの鏡面要素１４、１５によって、反射型結像素子１１に入射した光を偶数回（例えば２回）反射させて、被投影物の像を空中に結像させることができる。反射型結像素子１１が中空の孔を有する場合、その孔を透明な部材で塞いでもよい。透明な部材は、屈折率が等方的な材料で構成されていることが好ましい。

反射型結像素子１１は、非常に薄いので壊れやすい。従って、透明基板２０によって、反射型結像素子１１は補強される。また、埃等の異物が鏡面要素等に付着するのを防ぐことができる。反射型結像素子１１は、透明基板２０で挟まれているのが好ましい。透明基板２０は、少なくとも結像に寄与する光の光路上には位相差を与えない、すなわち屈折率が等方性を有することが好ましい。

次に、具体的に光学素子１０Ｃの作用および効果について説明する。

図２（ａ）は、結像に寄与する光を説明するための模式的な２つの鏡面要素１４、１５の上面図である。図２（ｂ）は、結像に寄与しない迷光を説明するための模式的な２つの鏡面要素１４、１５の上面図である。図２（ｃ）は、光学素子１０Ｃに入射された光を説明するための光学素子１０Ｃの模式的な断面図である。なお、図２（ｃ）において、説明を簡便にするために透明基板２０は省略している。

図２（ａ）に示すように、反射型結像素子１１に例えば右回りの円偏光（または楕円偏光）６０ｃが入射すると、鏡面要素１４（または１５）で反射され、その反射光は左回りの円偏光（または楕円偏光）６０ｃ’となる。左回りの円偏光（または楕円偏光）６０ｃ’は他の鏡面要素１５（または１４）で反射され、その反射光は右回りの円偏光（または楕円偏光）６０ｄとなり、反射型結像素子１１から出射され、空中に結像する。

一方、図２（ｂ）に示すように、例えば右回りの円偏光（または楕円偏光）６０ｃが反射型結像素子に１１に入射し、鏡面要素１４（または１５）によって奇数回（例えば１回）反射され、反射型結像素子１１から出射される光は、左回りの円偏光（または楕円偏光）６０ｃ’’であり、右回りの円偏光（または楕円偏光）ではない。この奇数回反射し反射型結像素子１１から出射される光６０ｃ’’は、結像に寄与しない迷光である。この迷光が結像に寄与する光６０ｄ（図２（ａ）を参照）と混ざることにより空中映像の視認性が低下する。

図２（ｃ）に示すように、２つの鏡面要素１４、１５によって偶数回（例えば２回）反射した例えば右回りの円偏光（または楕円偏光）を有する出射光６０ｄは、第１位相差板２１ａが有するλ／４板２１’により直線偏光６０ｅとなる。直線偏光６０ｅは、直線偏光６０ｅが透過するように配置された第１偏光板２２ａを透過して、光学素子１０Ｃを対称面とした位置４０に空中映像を形成する。一方、奇数回（例えば１回）反射した例えば左回りの円偏光（または楕円偏光）を有する出射光６０ｃ’’は、第１位相差板２１ａが有するλ／４板２１ａ’により、直線偏光６０ｅ’となる。直線偏光６０ｅ’の偏光方向は、直線偏光６０ｅの偏光方向と９０°異なるので第１偏光板２２ａに吸収される。

つまり、光学素子１０Ｃは、反射型結像子１１内で反射した回数が偶数の光と奇数の光との特性が異なる（例えば直線偏光の偏光方向が９０°異なる）ことを利用して、結像に寄与する光（例えば偶数回反射した光）を光学素子１０Ｃの光出射側から出射し、結像に寄与しない迷光（例えば奇数回反射した光）は光学素子１０Ｃの光出射側から出射させないようにすることができる。

光学素子１０Ｃは、第２偏光板２２ｂを有するので非偏光６０ａを直線偏光６０ｂにできる。直線偏光６０ｂは、第２位相差板２１ｂによって円偏光６０ｃにされる。従って、光学素子１０Ｃに入射する光が非偏光６０ａでも用いることができる。光学素子に入射する光が円偏光（または、楕円偏光）の場合、第２位相差板２１ｂおよび第２偏光板２２ｂが不要なので光学素子１０Ａが用いられ、光学素子に入射する光が直線偏光の場合、第２偏光板２２ｂが不要なので光学素子１０Ｂが用いられる。このとき光学素子１０Ａおよび１０Ｂはそれぞれ、上述のように結像に寄与しない迷光をそれぞれの光学素子１０Ａおよび１０Ｂの光出射側から出射させない効果を奏する。

このように、結像に寄与しない迷光を光学素子１０の光出射側から出射させないような構成にすることにより、空中映像の視認性が向上する。

次に、第１位相差板２１ａおよび第２位相板２１ｂが、それぞれλ／４板２１ａ’、２１ｂ’のみからなる場合の第１偏光板２２ａとλ／４板２１ａ’、２１ｂ’との配置関係について説明する。λ／４板２１ａ’、２１ｂ’は、例えばノルボルネン系の樹脂から製造されている。

図３（ａ）は、第１偏光板２２ａとλ／４板２１ａ’との配置関係について説明するための模式的な斜視図である。第１偏光板２２ａと反射型結像素子１１（不図示）との間にλ／４板２１ａ’が配置される。第１偏光板２２ａの吸収軸Ａ１とλ／４板２１ａ’の遅相軸Ｓ１とのなす角を角度θ_１とし、光学素子１０の光出射側の法線方向、または、非投影物からの光が光学素子１０から出射される光の方向から光学素子１０を見て反時計回りを正の方向、時計回りを負の方向とする。θ_１は、−９０°≦θ_１≦９０°の関係を満たす値である。θ_１＝４５°であると、第１偏光板２２ａに入射されλ／４板２１ａ’から出射される光は、左回りの円偏光となる。逆に、左回りの円偏光がλ／４板２１ａ’に入射され第１偏光板２２ａを通過して出射される光は、直線偏光である。また、θ_１＝−４５°であると、第１偏光板２２ａに入射されλ／４板２１ａ’から出射される光は、右回りの円偏光となる。逆に、右回りの円偏光がλ／４板２１ａ’に入射され第１偏光板２２ａを通過して出射される光は、直線偏光となる。従って、光学素子１０（不図示）の光出射側の法線方向から光学素子１０を見て、θ_１がほぼ（４５＋ｘ_１）°（例えば、３９°）、または、ほぼ−（４５＋ｘ_１）°となるように第１偏光板２２ａとλ／４板２１ａ’とを配置する。被投影物からの光が光学素子１０から出射される方向（空中映像の観察方向Ｖ（図６参照））から光学素子１０を見たとき、θ_１が（４５＋ｘ_１）°または−（４５＋ｘ_１）°となるように第１偏光板２２ａとλ／４板２１’とを配置することが好ましい。ｘ_１は、空中映像の観察方向Ｖから−８≦ｘ_１≦１０の範囲内で適宜決められる。発明者がシミュレーションによって検討した結果、ｘが−８＞ｘ_１またはｘ_１＞１０であると、観察方向Ｖから空中映像を見たとき、外光の影響を受け空中映像の視認性が低くなる。

図３（ｂ）は、第１偏光板２２ａの吸収軸と第２偏光板（または、表示装置の表示面側の偏光板）（いずれも不図示）の吸収軸とをほぼ平行に配置する場合における、第１偏光板２２ａとλ／４板２１ｂ’との配置関係について説明するための模式的な斜視図である。第１偏光板２２ａは、反射型結像素子１１（不図示）の光出射側に配置され、λ／４板２１ｂ’は、反射型結像素子１１（不図示）の光入射側に配置されている。第１偏光板２２ａの吸収軸Ａ１とλ／４板２１ｂ’の遅相軸Ｓ１とのなす角を角度θ_２とし、光学素子１０Ｂ、１０Ｃ（不図示）の光出射側の法線方向、または、被投影物からの光が光学素子１０Ｂ、１０Ｃに出射される光の方向から光学素子１０Ｂ、１０Ｃを見たとき反時計回りを正の方向、時計回りを負の方向とする。θ_２は、−９０°≦θ_２≦９０°の関係を満たす値である。θ_２が、θ_２＝−θ_１の関係を有するように第１偏光板２２ａとλ／４板２１ｂ’とを配置することが好ましい。具体的には、例えばθ_１＝４５°であるときθ_２＝−４５°となり、例えばθ_１＝−４５°のときθ_２＝４５°となる。従って、上述のようにθ_１＝（４５＋ｘ_１）°（例えば、３９°）、または、−（４５＋ｘ_１）°となるように第１偏光板２２ａとλ／４板２１ａ’が配置されることが好ましいので、光学素子１０の光出射側の法線方向から見て、θ_２がほぼ−（４５＋ｘ_１）°、または、ほぼ（４５＋ｘ_１）°となるように第１偏光板２２ａとλ／４板２１ｂ’とを配置する。被投影物からの光が光学素子１０に出射される光の方向から光学素子１０Ｂ、１０Ｃを見たとき、θ_２が−（４５＋ｘ_１）°（例えば、−３９°）、または、（４５＋ｘ_１）°となるように第１偏光板２２ａとλ／４板２１ｂ’とを配置することが好ましい。

図３（ｃ）は、第１偏光板２２ａの吸収軸と第２偏光板（または、表示装置の表示面側の偏光板）（いずれも不図示）の吸収軸とをほぼ直交させるように配置する場合における、第１偏光板２２ａとλ／４板２１ｂ’との配置関係について説明するための模式的な斜視図である。第１偏光板２２ａは、反射型結像素子１１（不図示）の光出射側に配置され、λ／４板２１ｂ’は、反射型結像素子１１（不図示）の光入射側に配置されている。第１偏光板２２ａの透過軸Ｔ１とλ／４板２１ｂ’の遅相軸Ｓ１とのなす角を角度θ_２’とし、光学素子１０Ｂ、１０Ｃ（不図示）の光出射側の法線方向、または、被投影物からの光が光学素子１０Ｂ、１０Ｃに出射される光の方向から光学素子１０Ｂ、１０Ｃを見たとき、反時計回りを正の方向、時計回りを負の方向とする。θ_２’は、−９０°≦θ_２’≦９０°の関係を満たす値である。θ_２’もθ_１と同様にθ_２’＝±（４５＋ｘ_２）°となるように第１偏光板２２ａとλ／４板２１ｂ’とを配置する。また、θ_１との関係において、θ_１＝（４５＋ｘ_１）°のときθ_２’＝−（４５＋ｘ_２）°となるように配置し、θ_１＝−（４５＋ｘ_１）°のときθ_２’＝（４５＋ｘ_２）°となるように配置する。ここで、ｘ_１の値が正の値のとき、ｘ_２の値は負の値をとり、ｘ_１の値が負の値のとき、ｘ_２の値は正の値をとる。具体的には、例えばθ_１＝３７°（ｘ_１＝−８）のとき、θ_２’＝−５４°（ｘ_２＝＋１０）である。ｘ_２の値は、空中映像の観察方向Ｖから−８≦ｘ_２≦１０の範囲内で適宜決められる。発明者がシミュレーションによって検討した結果、ｘ_２が−８＞ｘ_２またはｘ_２＞１０であると、観察方向Ｖから空中映像を見たとき、外光の影響を受け空中映像の視認性が低くなる。

このように、λ／４板２１ａ’、λ／４板２１ｂ’、第１偏光板２２ａおよび第２偏光板２２ｂ（または、表示装置の表示面側の偏光板）を配置することにより、視認性の高い空中映像が得られる。

次に、第１位相差板２１ａおよび第２位相板２１ｂが、それぞれλ／２板２１ａ’’、２１ｂ’’を有する場合の第１偏光板２２ａ、λ／４板２１ａ’、２１ｂ’およびλ／２板２１ａ’’、２１ｂ’’との配置関係について説明する。λ／４板２１ａ’、２１ｂ’およびλ／２板２１ａ’’、２１ｂ’’は、例えばノルボルネン系の樹脂から製造されている。

図３（ｄ）は、第１偏光板２２ａ、第１位相差板２１ａが有するλ／４板２１ａ’およびλ／２板２１ａ’’との配置関係を説明するための模式的な斜視図である。第１偏光板２２ａとλ／４板２１ａ’との間にλ／２板２１ａ’’が配置され、λ／４板２１ａ’が反射型結像素子１１（不図示）に近い方に配置される。第１偏光板２２ａの吸収軸をＡ１、λ／４板２１ａ’の遅相軸をＳ１、λ／２板２１ａ’’の遅相軸をＳ２とし、第１偏光板２２ａの吸収軸Ａ１とλ／２板２１ａ’’の遅相軸Ｓ２とのなす角を角度θ_３とし、光学素子１０の光出射側の法線方向、または、被投影物からの光が光学素子から出射される光の方向から光学素子１０を見て反時計回りを正の方向、時計回りを負の方向とし、−９０°≦θ_３≦９０°の範囲であるとする。光学素子１０の光出射側の法線方向から光学素子１０を見たとき、角度｜θ_３｜（｜Ｑ｜は、Ｑの絶対値を表す。以下、同じ）が、およそ１５°または７５°であると、可視光領域（４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下）における位相差板の屈折率の波長依存性の影響を小さくできる。従って、可視光領域における光の波長の違いによる光の反射率の変化が小さくなり、空中映像の着色を抑制することができる。このように、λ／４板とともにλ／２板を用いることによって、λ／４板およびλ／２板の屈折率の波長分散を相殺できる。ここでは、ノルボルネン系の樹脂で形成された波長板を用いたので、｜θ_３｜の最適な角度はおよそ１５°または７５°であるが、波長板を形成する樹脂が異なると、屈折率の波長分散が異なるので、最適なθ_３の値はこれと異なり得る。最適なθ_３の値はシミュレーションによって求めることができる。λ／４板２１ａ’は、光学素子１０の光出射側の法線方向から光学素子１０を見たとき、吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が、ほぼ±（（２｜θ_３｜＋４５°）＋ｙ_１）°となるように配置される。λ／４板２１ａ’は、被投影物からの光が光学素子１０から出射される方向（空中映像の観察方向Ｖ（図６参照））から光学素子１０を見たとき、吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が、±（（２｜θ_３｜＋４５°）＋ｙ_１）°となるように配置されることが好ましい。ここで、λ／４板２１ａ’は、θ_３≧０°を満たすとき吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が（（２｜θ_３｜＋４５°）＋ｙ_１）°となるように配置され、θ_３≦０°を満たすとき吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が−（（２｜θ_３｜＋４５°）＋ｙ_１）°となるように配置される。ｙ_１は、−３１≦ｙ_１≦２９の関係を満たす値である。発明者がシミュレーションによって検討した結果、ｙ_１が−３１＞ｙ_１またはｙ_１＞２９であると、観察方向Ｖから空中映像を見たとき、外光の影響を受け空中映像の視認性が低くなる。

図３（ｅ）は、第１偏光板２２ａの吸収軸と第２偏光板（または、表示装置の表示面側の偏光板）の吸収軸とをほぼ平行に配置する場合において、第１偏光板２２ａと、第２位相差板２１ｂが有するλ／４板２１ｂ’およびλ／２板２１ｂ’’との配置関係を説明するための模式的な斜視図である。第１偏光板２２ａは、反射型結像素子１１（不図示）の光出射側に配置されている。λ／４板２１ｂ’およびλ／２板２１ｂ’’は、反射型結像素子１１の光入射側に配置されている。反射型結像素子１１とλ／４板２１ｂ’との間にλ／２板２１ｂ’’が配置され、λ／４板２１ｂ’が、反射型結像素子１１からλ／２板２１ｂ’’より遠い方に配置されている。第１偏光板２２ａの吸収軸をＡ１、λ／４板２１ｂ’の遅相軸をＳ１、λ／２板２１ｂ’’の遅相軸をＳ２とし、第１偏光板２２ａの吸収軸Ａ１とλ／２板２１ｂ’’の遅相軸Ｓ２とのなす角を角度θ_４とし、反時計回りを正の方向、時計回りを負の方向とし、−９０°≦θ_４≦９０°の範囲であるとする。光学素子１０Ｂ、１０Ｃ（不図示）の光出射側の法線方向から光学素子１０Ｂ、１０Ｃを見たとき、角度｜θ_４｜がおよそ１５°または７５°であると、可視光領域における位相差板の屈折率の波長依存性の影響を小さくできる。従って、可視光領域における光の波長の違いによる反射率の変化が小さくなり、空中映像の着色を抑制することができる。このように、λ／４板とともにλ／２板を用いることによって、λ／４板およびλ／２板の屈折率の波長分散を相殺できる。ここでは、ノルボルネン系の樹脂で形成された波長板を用いたので、｜θ_４｜の最適な角度はおよそ１５°または７５°であるが、波長板を形成する樹脂が異なると、屈折率の波長分散が異なるので、最適な｜θ_４｜の値はこれと異なり得る。最適な｜θ_４｜の値はシミュレーションによって求めることができる。λ／４板２１ｂ’は、光学素子１０Ｂ、１０Ｃの光出射側の法線方向から光学素子１０Ｂ、１０Ｃを見たとき、吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角がほぼ±（（２｜θ_４｜＋４５°）＋ｙ_１）°となるように配置される。λ／４板２１ｂ’は、被投影物からの光が光学素子１０Ｂ、１０Ｃに出射される光の方向から光学素子１０Ｂ、１０Ｃを見たとき、吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が±（（２｜θ_４｜＋４５°）＋ｙ_１）°となるように配置されることが好ましい。ここで、λ／４板２１ｂ’は、θ_４≧０°を満たすとき吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が（（２｜θ_４｜＋４５°）＋ｙ_１）°となるように配置され、θ_４≦０°を満たすとき吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が−（（２｜θ_４｜＋４５°）＋ｙ_１）°となるように配置される。θ_３との関係において、θ_４はθ_４＝−θ_３の関係を有することが好ましい。

図３（ｆ）は、第１偏光板２２ａの吸収軸と第２偏光板（または、表示装置の表示面側の偏光板）の吸収軸とをほぼ直交させるように配置する場合における、第１偏光板２２ａと、第２位相差板２１ｂが有するλ／４板２１ｂ’およびλ／２板２１ｂ’’との配置関係を説明するための模式的な斜視図である。第１偏光板２２ａは、反射型結像素子１１（不図示）の光出射側に配置されている。λ／４板２１ｂ’およびλ／２板２１ｂ’’は、反射型結像素子１１の光入射側に配置されている。反射型結像素子１１とλ／４板２１ｂ’との間にλ／２板２１ｂ’’が配置され、λ／４板２１ｂ’が、反射型結像素子１１からλ／２板２１ｂ’’より遠い方に配置されている。第１偏光板２２ａの透過軸をＴ１、λ／４板２１ｂ’の遅相軸をＳ１、λ／２板２１ｂ’’の遅相軸をＳ２とし、第１偏光板２２ａの透過軸Ｔ１とλ／２板２１ｂ’’の遅相軸Ｓ２とのなす角を角度θ_４’とし、反時計回りを正の方向、時計回りを負の方向とし、−９０°≦θ_４’≦９０°の範囲であるとする。光学素子１０Ｂ、１０Ｃ（不図示）の光出射側の法線方向から光学素子１０Ｂ、１０Ｃを見たとき、角度｜θ_４’｜がおよそ１５°または７５°であると、可視光領域における位相差板の屈折率の波長依存性の影響を小さくできる。従って、可視光領域における光の波長の違いによる反射率の変化が小さくなり、空中映像の着色を抑制することができる。このように、λ／４板とともにλ／２板を用いることによって、λ／４板およびλ／２板の屈折率の波長分散を相殺できる。ここでは、ノルボルネン系の樹脂で形成された波長板を用いたので、｜θ_４’｜の最適な角度はおよそ１５°または７５°であるが、波長板を形成する樹脂が異なると、屈折率の波長分散が異なるので、最適な｜θ_４’｜の値はこれと異なり得る。最適な｜θ_４’｜の値はシミュレーションによって求めることができる。λ／４板２１ｂ’は、光学素子１０Ｂ、１０Ｃの光出射側の法線方向から光学素子１０Ｂ、１０Ｃを見たとき、透過軸Ｔ１と遅相軸Ｓ１とのなす角がほぼ±（（２｜θ_４’｜＋４５°）＋ｙ_２）°となるように配置される。λ／４板２１ｂ’は、被投影物からの光が光学素子１０Ｂ、１０Ｃに出射される光の方向から光学素子１０Ｂ、１０Ｃを見たとき、透過軸Ｔ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が±（（２｜θ_４’｜＋４５°）＋ｙ_２）°となるように配置されることが好ましい。ここで、λ／４板２１ｂ’は、θ_４’≧０°を満たすとき透過軸Ｔ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が（（２｜θ_４’｜＋４５°）＋ｙ_２）°となるように配置され、θ_４’≦０°を満たすとき透過軸Ｔ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が−（（２｜θ_４’｜＋４５°）＋ｙ_２）°となるように配置される。ｙ_２は、−３１≦ｙ_２≦２９の関係を満たす値である。発明者がシミュレーションによって検討した結果、ｙ_２が−３１＞ｙ_２またはｙ_２＞２９の関係であると、観察方向Ｖから空中映像を見たとき、外光の影響を受け空中映像の視認性が低くなる。また、θ_３との関係において、θ_４’はθ_４’＝−θ_３の関係を有することが好ましい。このとき、ｙ_１の値が正の値のときｙ_２の値は負の値となり、ｙ_１の値が負の値のときｙ_２の値は正の値となる。ｙ_１およびｙ_２の値は、観察方向Ｖ（図６参照）、θ_１〜θ_４およびθ_４’、ならびに、λ／４板およびλ／２板の光学特性から適宜決められる。

このような配置により、迷光が抑制され視認性の高い空中映像が得られる。具体的には、視感度が最も高い波長５５０ｎｍの光に対して位相差がλ／４を満たすように製造されたλ／４板２１’を用いると、光の波長が５５０ｎｍからずれるに従い、位相差がλ／４からずれることになる。その結果、空中映像が着色する現象が発生する。上述した関係を有するように偏光板２２、λ／４板２１’およびλ／２板２１’’を配置すると各位相板の屈折率の波長分散の影響を相殺し、可視光全体に亘ってλ／４条件を満足するようになる。また、λ／２板２１’’は、複数枚配置され得る。このとき、偏光板２２の吸収軸Ａ１または透過軸Ｔ１とλ／２板２１’’の遅相軸Ｓ２との関係は、公知の方法で別途設計し得る。また、λ／２板２１’’の代わりに、λ／４板２１’の屈折率と逆波長分散特性を有するλ／４板を配置してもよい。さらに、λ／２板２１’’の代わりに、λ／４板２１’の屈折率と波長分散の異なる位相差板を配置してもよい。このとき、λ／４板２１’の遅相軸と位相差板の遅相軸とがほぼ平行、または、ほぼ直交するように配置することが好ましい。

反射型結像素子１１を挟んで偏光板２２を２枚用いる場合、偏光板２２の法線方向から見たとき、２枚の第１偏光板２２ａおよび第２偏光板２２ｂのそれぞれの吸収軸が互いにほぼ平行、または、ほぼ直交するように第１偏光板２２ａおよび第２偏光板２２ｂを配置することが好ましい。また、被投影物からの光が光学素子１０Ｃから出射される光の方向、または、被投影物からの光が光学素子１０Ｃに入射する光の方向から第１偏光板２２ａおよび第２偏光板２２ｂを見たとき、２枚の偏光板２２ａおよび２２ｂのそれぞれの吸収軸が互いにほぼ平行、または、ほぼ直交するように偏光板２２ａおよび２２ｂを配置することがより好ましい。このような配置により、空中映像の視認性を向上することができる。

光学補償素子２３により、空中映像の視認性が高い視野角が大きくなる。光学補償素子２３は、例えば高分子フィルムを延伸して高分子鎖をフィルム面内（図４（ｂ）の光学補償素子２３のＸＹ面内に対応）に配向させることによって光学異方性が付与されたものある。あるいは光学補償素子２３は、例えばガラス基板または公知の位相差板などの基板上に液晶分子を基板に対して垂直に配向させる垂直配向膜を形成した後ラビング処理をした基板に、液晶性モノマーを配向させ、例えば紫外線で液晶性モノマーを重合させ、例えば正のＣプレートのような機能を有する液晶セルでもよい。

次に、λ／４板２１’、λ／２板２１’’および光学補償素子２３（一軸性または二軸性光学補償素子２３ａ、２３ｂ）の光学特性について説明する。

図４（ａ）は、λ／４板２１’、λ／２板２１’’、光学補償素子２３（一軸性または二軸性光学補償素子２３ａ、２３ｂ）、第１位相差板２１ａおよび第２位相差板２１ｂの屈折率楕円体を示す図である。図４（ａ）に示すように屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、それぞれ波長５５０ｎｍの光に対するａ軸の主屈折率をｎ_ａとし、ｂ軸の主屈折率をｎ_ｂとし、ｃ軸の主屈折率をｎ_ｃとする。

λ／４板２１’は、屈折率楕円体のｃ軸がλ／４板２１’の主面の法線方向と概ね平行であり、かつ、ａ軸およびｂ軸の方向がλ／４板２１’の面内にあり、主屈折率の大きさが、ｎ_ａ≧ｎ_ｂの関係を満たす。それぞれの主屈折率の大きさの関係をＮ_ｚ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｃ）／（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）としたとき、λ／４板２１’は、０．１≦Ｎ_ｚ≦１の関係を満たすことが好ましく、Ｎ_ｚ＝０．５の関係を満たすことがより好ましい。面内位相差Ｒｅ（Ｒｅ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）＊ｄ、（ｄ：λ／４板２１’の厚さ））としたとき、波長５５０ｎｍの入射光に対して１００ｎｍ≦Ｒｅ≦１７５ｎｍの関係を満たすことが好ましい。

λ／２板２１’’は、屈折率楕円体のｃ軸がλ／２板２１’’の主面の法線方向と概ね平行であり、かつ、ａ軸およびｂ軸の方向がλ／２板２１’’の面内にあり、主屈折率の大きさがｎ_ａ≧ｎ_ｂの関係を満たす。λ／２板２１’’は、０．１≦Ｎ_ｚ≦１の関係を満たすことが好ましく、Ｎ_ｚ＝０．５の関係を満たすことがより好ましい。面内位相差Ｒｅ（Ｒｅ＝（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）＊ｄ、（ｄ：λ／２板２１’’の厚さ））とし、波長５５０ｎｍの入射光に対して２００ｎｍ≦Ｒｅ≦２５０ｎｍの関係を満たすことが好ましい。

λ／４板２１’およびλ／２板２１’’が上述のような関係を有することにより、λ／４板２１’およびλ／２板２１’’は、空中映像の観察方向、または、被投影物から光学素子１０に入射する光の入射方向の違いによる位相差の変化が小さい位相差板となる。その結果、空中映像の視認性が高い視野角を大きくすることができる。

一軸性光学補償素子２３ａは、屈折率楕円体のｃ軸が一軸性光学補償素子２３ａの主面の法線方向と概ね平行であり、かつ、ａ軸およびｂ軸の方向が一軸性光学補償素子２３ａの面内にあり、主屈折率の大きさがｎ_ｃ＞ｎ_ａ＝ｎ_ｂの関係（例えば正のＣプレート）、または、ｎ_ｃ＝ｎ_ａ＞ｎ_ｂの関係（例えば負のＡプレート）を満たすことが好ましい。

また、一軸性光学補償素子２３ａのａ軸またはｂ軸が、第１位相差板２１ａ（または、第２位相差板２１ｂ）が有する一軸性光学補償素子２３ａ以外の位相差板の遅相軸とほぼ平行となるように一軸性光学補償素子２３ａが配置され、第１位相差板２１ａ（または、第２位相差板２１ｂ）のＮ_ｚが、０．１≦Ｎ_ｚ≦１の関係を満たすことが好ましく、Ｎ_ｚ＝０．５の関係を満たすことがより好ましい。

一軸性光学補償素子２３ａは、それぞれの主屈折率が上述のような関係を有することにより、空中映像の観察方向、または、被投影物から光学素子１０に入射する光の入射方向の違いによる位相差の変化が小さい一軸性光学補償素子となる。その結果、空中映像の視認性が高い視野角を大きくすることができる。

二軸性光学補償素子２３ｂは、屈折率楕円体のｃ軸が二軸性光学補償素子２３ｂの主面の法線方向と概ね平行にあり、かつ、ａ軸およびｂ軸の方向が二軸性光学補償素子の面内にあり、主屈率の大きさがｎ_ｃ＞ｎ_ａ＞ｎ_ｂの関係にあることが好ましい。

また、二軸性光学補償素子２３ｂのａ軸またはｂ軸が、第１位相差板２１ａ（または、第２位相差板２１ｂ）が有する二軸性光学補償素子２３ｂ以外の位相差板の遅相軸とほぼ平行となるように二軸性光学補償素子２３ａが配置され、第１位相差板２１ａ（または、第２位相差板２１ｂ）のＮ_ｚが、０．１≦Ｎ_ｚ≦１の関係を満たすことが好ましく、Ｎ_ｚ＝０．５の関係を満たすことがより好ましい。

二軸性光学補償素子２３ｂは、それぞれの主屈折率が上述のような関係にあると、空中映像の観察方向、または、被投影物から光学素子１０に入射する光の入射方向の違いによる位相差の変化が小さい二軸性光学補償素子となる。その結果、空中映像の視認性が高い視野角を大きくすることができる。

上記の説明では、λ／４板２１’、λ／２板２１’’および光学補償素子２３それぞれの屈折率楕円体のｃ軸が、λ／４板２１’、λ／２板２１’’および光学補償素子２３それぞれの法線方向と概ね平行であり、ａ軸、ｂ軸がλ／４板２１’、λ／２板２１’’および光学補償素子２３それぞれの面内にあった。本実施形態に使用されるλ／４板２１’、λ／２板２１’’および光学補償素子２３は、上述のλ／４板２１’、λ／２板２１’’および光学補償素子２３に限られず、屈折率楕円体のｃ軸が、λ／４板２１’、λ／２板２１’’および光学補償素子２３それぞれのｚ軸（主面の法線方向）に対して傾斜してもよい。

以下、図４（ｂ）を参照して、屈折率楕円体のｃ軸が、光学補償素子のｚ軸から傾斜しているλ／４板２１’’’、λ／２板２１’’’’および光学補償素子２３’（一軸性または二軸性光学補償素子２３ａ’、２３ｂ’）を説明する。図４（ｂ）は、λ／４板２１’’’、λ／２板２１’’’’および光学補償素子２３’それぞれと、λ／４板２１’’’、λ／２板２１’’’’および光学補償素子２３’それぞれの屈折率楕円体との位置関係を模式的に示す図である。

図４（ｂ）に示すようにλ／４板２１’’’、λ／２板２１’’’’および光学補償素子２３’それぞれの主面をｘｙ平面とし、ｚ軸方向をλ／４板２１’’’、λ／２板２１’’’’および光学補償素子２３’それぞれの法線方向とする直交座標系を定義する。図４（ａ）に示した屈折率楕円体のａ軸、ｂ軸、ｃ軸がそれぞれ、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸と一致した状態から、その後、ｃ軸を中心に時計回りに角度ｗ回転し、その後、ａ軸を中心に時計回りに角度θ回転することによって、図４（ｂ）に示した屈折率楕円体が得られる。

以下、本明細書では、主軸が傾斜したλ／４板２１’’’、λ／２板２１’’’’および光学補償素子２３’それぞれの主軸方向を規定するために、上記のｗ（方位角）、およびθ（傾斜角）を用いることにする。

λ／４板２１’’’、λ／２板２１’’’’および光学補償素子２３’それぞれの屈折率楕円体のｃ軸の位相差板および光学補償素子それぞれの主面の法線方向（ｚ軸方向）に対する傾斜角θ（図４（ｂ））は、上述した光学素子１０に入射する光の入射角度βであることが好ましい。ここで、光学素子１０に入射する光の入射角度βとは、光学素子１０の主面の法線方向と、光学素子１０に入射する光の入射方向とのなす角β（０°＜β＜９０°）である（図６を参照）。また、入射角度βは、好ましい空中映像の観察角度Ｖ（図６を参照）でもある。同様に、位相差板および光学補償素子それぞれの屈折率楕円体のｃ軸の傾斜方位は、空中映像の観察方位Ｖ（図６を参照）であることが好ましい。

屈折率楕円体のｃ軸が位相差板および光学補償素子それぞれのｚ軸から傾斜しているλ／４板２１’’’、λ／２板２１’’’’および光学補償素子２３’は、観察方向Ｖ（図６を参照）において空中映像の視野角を大きくすることができる。

次に、外光が光学素子から出射されることを抑制する方法について説明する。

図５（ａ）は、波長５５０ｎｍの光に対する面内位相差が１３７．５ｎｍ（波長５５０ｎｍの光に対するλ／４の値）であり、Ｎｚ＝１であるλ／４位相差板を光学素子１０に用いたときの外光の等反射率曲線を表す図であり、図５（ｂ）は、波長５５０ｎｍの光に対する面内位相差が１３７．５ｎｍであり、Ｎｚ＝０．５であるλ／４位相差板を光学素子１０に用いたときの外光７０の等反射率曲線である。図６は、光学素子１０を有する光学システム１００を示した模式的な断面図である。

図５（ａ）および図５（ｂ）のそれぞれの図は、図４（ｂ）におけるＸ方向（Ｘ軸）を方位角０°とし、一番外側の円で示されている極角（光学素子１０の光出射側の法線からの角度）は８０°である。図中の小数は、外光７０の反射率を表す。外光７０の反射率とは、外光７０の入射光の強度を外光７０が光学素子１０に入射して反射型結像素子１１の表面で反射し、その反射光が光学素子１０から出射された出射光の強度で割ったものである。図６に示すように、外光７０は、光学素子１０の光出射側（観察者側）から光学素子１０へ入射し、光学素子１０内で奇数回（例えば１回）反射して、その反射光は、光学素子１０の光出射側へ向う。従って、外光７０の反射率が高いと、空中映像の視認性が悪くなる。

図５から分かるように、波長５５０ｎｍの光に対する面内位相差が１３７．５ｎｍであり、Ｎｚ＝１のλ／４位相差板を用いると、極角６０°付近において外光７０の反射率が高い領域がある。極角６０°付近の領域は、空中映像の観察方向を含むので、この領域において外光７０の反射率が高いと空中映像の視認性が低下する。しかしながら、波長５５０ｎｍの光に対する面内位相差が１３７．５ｎｍであり、Ｎｚ＝０．５のλ／４位相差板を用いると、極角６０°付近の外光７０の反射率も低いので、二軸性の位相差板を用いることが好ましい。なお、一軸性あるいは二軸性の位相差板に、一軸性光学補償素子や、二軸性光学補償素子を用いてＮｚが０．５に近くなるようにしてもよく、外光７０が光学素子１０に対して斜めから入射する場合、外光７０が光学素子１０から出射されることを抑制し得る。

次に、反射型結像素子１１を有する光学システム１００について説明する。

図６に示す光学システム１００は、被投影物（例えば表示パネル）３０と、被投影物３０から出射された光６０が入射する第１主面と、第１主面と平行な第２主面とを有する光学素子１０を有する。光学システム１００は、例えば表示パネルの表示面に表示される映像を、光学素子１０を対称面とする面対称な位置４０に結像する。また、６０ａ〜６０ｆは、結像に寄与する光６０の偏光状態を示す。

光学システム１００において、被投影物からの光が円偏光（または楕円偏光）である場合、光学素子１０Ａが用いられる。被投影物からの光が直線偏光である場合、光学素子１０Ｂが用いられる。光学素子１０Ｂを用いる場合において、被投影物が例えば偏光板を有する表示パネル（例えば、液晶表示装置）の場合、光学素子１０の光入射側の法線方向から第１偏光板２２ａおよび表示パネルを見たとき、表示パネルの表示面側の偏光板の吸収軸と光学素子１０Ｂの第１偏光板２２ａの吸収軸とがほぼ平行、または、ほぼ直交するように表示パネルを配置することが好ましい。表示パネルからの光が光学素子１０に入射する光の方向から第１偏光板２２ａおよび表示パネルを見たとき、第１偏光板２２ａの吸収軸と表示パネルの表示面側の偏光板の吸収軸とが互いにほぼ平行、または、ほぼ直交するように表示パネルを配置することがより好ましい。光学素子１０Ｃは、被投影物からの光が非偏光であっても用いられる。

被投影物３０として、表示パネルが好ましく、例えば視野角を制御することが容易にできる液晶表示パネルを用いることがより好ましい。その他、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ、プロジェクターまたはＬＥＤディスプレイを表示パネルとして用いることもできる。有機ＥＬディスプレイまたはプラズマディスプレイ等の視野角制御が困難な表示パネルを用いる場合には、視野角制御フィルムを用いることで所望の視野角に絞った表示パネルとすることが必要となる。さらに、プロジェクターまたはＬＥＤディスプレイを表示パネルとして用いる場合は、光の指向性が強く、視野角が狭いので、表示パネルと反射型結像素子１０との間に、光線に角度を付けるレンズを用いる必要がある。

上述のように光学素子１０が有する例えば第１偏光板２２ａおよび第１位相差板２１ａにより、外光７０（７０ａ〜７０ｅは外光７０の偏光状態を示す。）によって反射型結像素子１１の表面で反射した光を光学素子１０の光出射側から出射することを抑制することができる。また、上述したように、結像に寄与しない迷光を光学素子１０の光出射側から出射することを抑制することができるので、空中映像の視認性が向上させられる。光学素子１０が、例えば光学補償素子２３を有することにより、空中映像の視野角が大きくなる。

空間に被投影物の像を結像させることができる反射型結像素子と、表示パネルとを有する光学システムに本発明を広く適用することができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 光学素子
１１ 反射型結像素子
１４、１５ 鏡面要素
２０ 透明基板
２１ 位相差板
３０ 被投影物
４０ 位置
６０、７０ 光
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ 光学システム

Claims (15)

1. 被投影物からの光を偶数回反射して前記被投影物の像を結像させる反射型結像素子と、
   前記反射型結像素子の光出射側に配置された第１偏光板と、
   前記反射型結像素子と前記第１偏光板との間に配置された第１位相差板とを有する、光学素子。
2. 前記反射型結像素子の光出射側に反射防止膜をさらに有し、前記反射防止膜と前記第１位相差板との間に前記第１偏光板を有する、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記反射型結像素子の光出射側および光入射側の少なくとも一方に透明基板をさらに有する、請求項１または２に記載の光学素子。
4. 前記第１位相差板は、λ／４板を有する、請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
5. 前記第１位相差板は、λ／２板を有する、請求項１から４のいずれかに記載の光学素子。
6. 前記λ／２板は、前記λ／２板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記λ／２板の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、
   波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率ｎ_a、ｎ_b、ｎ_cとした場合、ｎ_a≧ｎ_bの関係を満たし、
   Ｎ_z＝（ｎ_a−ｎ_c）／（ｎ_a−ｎ_b）とした場合、０．１≦Ｎ_z≦１を満たし、
   波長５５０ｎｍの光に対する前記λ／２板の面内リタデーションＲｅは、２３５ｎｍ≦Ｒｅ≦３１０ｎｍの関係を満たす、請求項５に記載の光学素子。
7. 前記λ／４板は、前記λ／４板の屈折率楕円体の主軸をａ軸、ｂ軸、ｃ軸とし、前記λ／４板の主面の法線方向に最も近い主軸を前記ｃ軸とし、
   波長５５０ｎｍの光に対するそれぞれの主屈折率ｎ_a、ｎ_b、ｎ_cとした場合、ｎ_a≧ｎ_bの関係を満たし、
   Ｎ_z＝（ｎ_a−ｎ_c）／（ｎ_a−ｎ_b）とした場合、０．１≦Ｎ_z≦１を満たし、
   波長５５０ｎｍの光に対する前記λ／４板の面内リタデーションＲｅは、１００ｎｍ≦Ｒｅ≦１７０ｎｍの関係を満たす、請求項４から６のいずれかに記載の光学素子。
8. 被投影物からの光を偶数回反射して前記被投影物の像を結像させる反射型結像素子と、
   前記反射型結像素子の光出射側に配置された第１偏光板と、
   前記反射型結像素子と前記第１偏光板との間に配置された第１位相差板と、
   前記反射型結像素子の光入射側に配置された第２位相差板とを有する光学素子。
9. 前記第１位相差板および前記第２位相差板は、λ／４板を有する、請求項８に記載の光学素子。
10. 前記第１位相差板および前記第２位相差板の少なくとも一方は、λ／２板を有する、請求項８または９に記載の光学素子。
11. 前記反射型結像素子の光入射側に配置された第２偏光板を有し、
    前記第２位相差板は、前記反射型結像素子と前記第２偏光板との間に配置されている、請求項８から１０のいずれかに記載の光学素子。
12. 前記光学素子の光出射側の法線方向、または、前記被投影物からの光が前記光学素子から出射される光の方向から前記第１偏光板および前記第２偏光板を見たとき、
    前記第１偏光板の吸収軸と前記第２偏光板の吸収軸とがほぼ平行、または、ほぼ直交するように、前記第１偏光板および前記第２偏光板が配置されている、請求項１１に記載の光学素子。
13. 請求項１から７のいずれかに記載の光学素子と、
    前記光学素子の光入射側に配置された表示パネルとを有し、
    前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記光学素子を対称面とする面対称な位置に結像する光学システムであって、
    前記表示パネルから発せられる光は、円偏光または楕円偏光である光学システム。
14. 請求項８から１０のいずれかに記載の光学素子と、
    前記光学素子の光入射側に配置された表示パネルとを有し、
    前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記光学素子を対称面とする面対称な位置に結像する光学システムであって、
    前記表示パネルから発せられる光は、直線偏光である光学システム。
15. 前記光学素子の光出射側の法線方向、または、前記被投影物からの光が前記光学素子から出射される光の方向から前記第１偏光板および前記表示パネルを見たとき、前記表示パネルの表示面側の偏光板の吸収軸と前記第１偏光板の吸収軸とがほぼ平行、または、ほぼ直交するように、前記表示パネルは配置されている、請求項１４に記載の光学システム。

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