JP5957089B2 - 光学素子、ヘッドアップディスプレイ、及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フレネル構造を利用した光学素子の技術分野に関する。

この種の技術が、例えば特許文献１乃至３に提案されている。特許文献１及び２には、フレネルレンズ形状のハーフミラーを平板の内部に形成したコンバイナが提案されている。特許文献３には、１枚の基板の両面にフレネルレンズ状の複数の傾斜面よりなる環状溝が形成されたコンバイナが提案されている。

特許第４７７６６６９号公報 特開２０１１−１９１７１５号公報 特開２０００−２４９９６５号公報

特許文献１及び２に記載されたコンバイナは、例えば、フレネルパターンが形成された基板（フレネルレンズ基板）と透明のカバー基板とを接着剤で接着することで作成される。しかしながら、この方法では、フレネルパターンが形成された面上では接着剤が均一に広がりにくいために、接着剤中に気泡が混入するといった不具合や、接着剤の厚さが不均一になるといった不具合などが発生してしまう場合があった。

他方で、特許文献３に記載されたコンバイナは、例えば、１枚の基板の両面にフレネルパターンを成形（プレス転写や射出成形など）することで作成される。この方法では、接着しないため上記のような不具合は発生しない。しかしながら、パターン転写などの際に基板が反り易いといった不具合がある。

本発明が解決しようとする課題は上記のようなものが例として挙げられる。本発明は、フレネル構造を利用した光学素子において、貼り合わせ（接合）が容易であり、反りが抑制された光学素子を提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明では、光学素子は、対向する２つの面のうち、一方の面にフレネル構造の凹レンズ形状が形成され、他方の面が平面形状を有する第１光学素子と、対向する２つの面のうち、一方の面にフレネル構造の凸レンズ形状が形成され、他方の面が平面形状を有する第２光学素子と、前記第１光学素子と前記第２光学素子との間に設けられたハーフミラーと、を備え、前記第１光学素子と前記第２光学素子とは、平面形状を有する前記第１光学素子の面と平面形状を有する前記第２光学素子の面とが向き合った状態で、前記ハーフミラーを介して接合されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、光学素子は、対向する２つの面のうち、一方の面にフレネル構造の凹レンズ形状が形成され、他方の面が平面形状を有する第１光学素子と、対向する２つの面のうち、一方の面にフレネル構造の凸レンズ形状が形成され、他方の面が平面形状を有する第２光学素子と、前記凹レンズ形状が形成された前記第１光学素子の面に設けられたハーフミラーと、を備え、前記第１光学素子と前記第２光学素子とは、平面形状を有する前記第１光学素子の面と平面形状を有する前記第２光学素子の面とが向き合った状態で接合されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、光学素子の製造方法は、第１基板の対向する２つの面のうち、一方の面に対して金型を適用することでフレネル構造の凹レンズ形状を形成し、他の面が平面形状を有する第１光学素子を作成する工程と、第２基板の対向する２つの面のうち、一方の面に対して金型を適用することでフレネル構造の凸レンズ形状を形成し、他の面が平面形状を有する第２光学素子を作成する工程と、平面形状を有する前記第１光学素子の面と平面形状を有する前記第２光学素子の面とを向き合わせた状態で、前記第１光学素子と前記第２光学素子とを接合する工程と、を備えることを特徴とする。

本実施例に係るヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。 比較例１に係るコンバイナを示す概略構成図である。 比較例１に係るコンバイナの製造方法を説明するための図である。 比較例２に係るコンバイナを示す概略構成図である。 比較例２に係るコンバイナの製造方法を説明するための図である。 第１実施例に係るコンバイナを示す概略構成図である。 第１実施例に係るコンバイナの動作を説明するための図である。 第１実施例に係るコンバイナの製造方法を説明するための図である。 第１実施例に係る半透明反射膜の特性の具体例を説明するための図である。 第２実施例に係るコンバイナを示す概略構成図である。 第２実施例に係るコンバイナの製造方法を説明するための図である。

本発明の１つの観点では、光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第１光学素子と、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第２光学素子と、前記第１光学素子と前記第２光学素子との間に設けられたハーフミラーと、を備え、前記第１光学素子と前記第２光学素子とは、平面形状を有する前記第１光学素子の主面と平面形状を有する前記第２光学素子の主面とが向き合った状態で、前記ハーフミラーを介して接合されている。

上記の光学素子は、例えば虚像として画像を視認させるためのコンバイナとして利用される。第１光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、他方の主面が平面形状を有しており、第２光学素子は、フレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、他方の主面が平面形状を有している。凹レンズと凸レンズとは、屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しい。また、第１光学素子と第２光学素子との間には、ハーフミラーが設けられている。更に、第１光学素子と第２光学素子とは、平面形状を有する第１光学素子の主面と平面形状を有する第２光学素子の主面とが向き合った状態で、ハーフミラーを介して接合されている。

上記の光学素子においては、平面形状を有する面同士で接合されているので、第１光学素子と第２光学素子とが適切に接合された状態となっている。また、第１光学素子と第２光学素子とが接合されることで光学素子が構成されるので、当該光学素子にはほとんど反りが生じない。例えば、第１光学素子及び第２光学素子が反っていたとしても、第１光学素子と第２光学素子とは同じように反るため、これらを接合することで反りがかなり少ない光学素子が得られる。このように、光学素子には反りが生じにくいので、光学素子の厚みを適切に薄くすることが可能となる。

なお、上記では、凹レンズと凸レンズとは屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいと述べたが、ここでいう「ほぼ等しい」とは、光学素子の透過機能を奏する範囲で等しいという意味である（以下同様とする）。

上記の光学素子の一態様では、前記ハーフミラーは、入射する光の波長に応じて反射率が変化する特性を有する。好適な例では、前記ハーフミラーは、赤色光、青色光及び緑色光のそれぞれに対応する波長において反射率が高くなるような特性を有する。これにより、光学素子の透過率を下げることなく、光学素子を利用して表示する像の明るさを向上させることができる。

なお、本明細書では、「ハーフミラー」には、反射光と透過光との強さが概ね同じような光学素子だけでなく、反射光と透過光との強さが同じでないような光学素子も含まれるものとする。つまり、本明細書では、「ハーフミラー」は、反射機能及び透過機能の両方を具備する光学素子の全般を意味するものとする。

本発明の他の観点では、光学素子は、フレネル構造の凹レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第１光学素子と、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズが一方の主面に形成され、当該主面に対向する他方の主面が平面形状を有する第２光学素子と、前記凹レンズが形成された前記第１光学素子の主面に設けられたハーフミラーと、を備え、前記第１光学素子と前記第２光学素子とは、平面形状を有する前記第１光学素子の主面と平面形状を有する前記第２光学素子の主面とが向き合った状態で接合されている。

上記の光学素子においても、平面形状を有する面同士で接合されているので、第１光学素子と第２光学素子とが適切に接合された状態となっている。また、第１光学素子と第２光学素子とが接合されることで光学素子が構成されるので、当該光学素子にはほとんど反りが生じない。したがって、光学素子の厚みを適切に薄くすることが可能となる。他方で、上記の光学素子によれば、凹レンズが形成された第１光学素子の主面にハーフミラーを設けるので、この面に反射防止膜を付けなくて良い。そのため、製造コストを削減することが可能となる。

上記の光学素子の他の一態様では、前記凹レンズと前記凸レンズとは、レンズのピッチがほぼ等しい。これにより、光学素子の透過性を向上させることができる。なお、凹レンズと凸レンズとはレンズのピッチがほぼ等しいと述べたが、ここでいう「ほぼ等しい」とは、光学素子の透過機能を奏する範囲で等しいという意味である。

上記の光学素子は、ヘッドアップディスプレイに好適に適用することができる。

本発明の他の観点では、光学素子の製造方法は、第１基板における一方の主面に対して金型を適用することでフレネル構造の凹レンズを形成することにより、当該主面に前記フレネル構造の凹レンズが形成され、当該主面に対向する他の主面が平面形状を有する第１光学素子を作成する工程と、第２基板における一方の主面に対して金型を適用することで、前記凹レンズと屈折率及び焦点距離の絶対値がほぼ等しいフレネル構造の凸レンズを形成することにより、当該主面に前記フレネル構造の凸レンズが形成され、当該主面に対向する他の主面が平面形状を有する第２光学素子を作成する工程と、平面形状を有する前記第１光学素子の主面と平面形状を有する前記第２光学素子の主面とを向き合わせた状態で、前記第１光学素子と前記第２光学素子とを接合する工程と、を備える。

上記の光学素子の製造方法によれば、第１光学素子と第２光学素子とを、平面形状を有する面同士で接合するので、第１光学素子と第２光学素子との適切な接合を容易に行うことができる。また、第１光学素子及び第２光学素子が作成時において反っていたとしても、第１光学素子と第２光学素子とは同じように反るため、これらを接合することで反りがかなり少ない光学素子が得られる。

上記の光学素子の製造方法の一態様では、平面形状を有する前記第１光学素子の主面、又は平面形状を有する前記第２光学素子の主面に、ハーフミラーを形成する工程を更に備えていても良い。

上記の光学素子の製造方法の他の一態様では、前記凹レンズが形成された前記第１光学素子の主面に、ハーフミラーを形成する工程を更に備えていても良い。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

［ヘッドアップディスプレイの構成］
図１は、本実施例に係るヘッドアップディスプレイを概略的に示した図である。ヘッドアップディスプレイでは、表示すべき画面（実像ＲＩ）を形成し、実像ＲＩを構成する光をコンバイナ１０で反射させることで、実像ＲＩに対応する虚像ＶＩを運転者に視認させる。例えば、実像ＲＩは、小型液晶ディスプレイによって表示される画面や、プロジェクタによってスクリーンに形成される像（１つの例では射出瞳拡大素子（ＥＰＥ： Exit-Pupil Expander）によって形成される像）に相当する。

ここで、昼間でも虚像ＶＩを明るく視認させるためには、実像ＲＩの発光輝度を上げれば良いが、消費電力やデバイス価格が増大するため、通常は光の利用効率を上げる手法が用いられている。光の利用効率を上げるために、一般的なヘッドアップディスプレイでは、実像ＲＩの発光角度を制限するとともに、コンバイナ１０で反射された光が観察者の頭部に集まるように、コンバイナ１０として凹面ハーフミラーを用い、凹面ハーフミラーの焦点距離を適切な値に設定している。１つの例では、コンバイナ１０として、フレネル構造を利用したハーフミラーが用いられている。なお、図１において符号ＥＢで示す領域は、観察者の頭部付近に形成される虚像観察可能領域（アイボックス）である。

［比較例の不具合］
次に、前述した特許文献１乃至３に記載された構成の不具合について具体的に説明する。以下では、特許文献１及び２に記載された構成を「比較例１」と呼び、特許文献３に記載された構成を「比較例２」と呼ぶ。

図２は、比較例１に係るコンバイナ１０ｘの一例を示す概略構成図である。図２は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ１０ｘの断面イメージ図を示している。比較例１に係るコンバイナ１０ｘは、フレネルレンズが形成されたフレネルレンズ基板１０ｘ１と、透明のカバー基板１０ｘ２とを有する。具体的には、比較例１に係るコンバイナ１０ｘでは、フレネルレンズ基板１０ｘ１とカバー基板１０ｘ２とが、例えば紫外線硬化樹脂などの接着剤１０ｘ４で接着されている。また、比較例１に係るコンバイナ１０ｘでは、フレネルレンズ基板１０ｘ１においてフレネルレンズが形成された面上には、半透明反射膜１０ｘ３が付されている。

図３は、比較例１に係るコンバイナ１０ｘの製造方法の一例を説明するための図である。図３に示すように、金型などを用いてフレネルレンズ基板１０ｘ１を作成した後に、フレネルレンズ基板１０ｘ１とカバー基板１０ｘ２との間に接着剤１０ｘ４を配し、矢印Ａ１で示すように圧力を付与する。これにより、フレネルレンズ基板１０ｘ１とカバー基板１０ｘ２とが接着剤１０ｘ４で接着されることで、比較例１に係るコンバイナ１０ｘが作成される。このような製造方法では、フレネルレンズが形成された面（凹凸のある面）上では接着剤１０ｘ４が均一に（言い換えると等方的に）広がりにくいために、接着剤１０ｘ４中に気泡が混入するといった不具合や、接着剤１０ｘ４の厚さが不均一になるといった不具合などが発生してしまう場合がある。

図４は、比較例２に係るコンバイナ１０ｙの一例を示す概略構成図である。図４は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ１０ｙの断面イメージ図を示している。比較例２に係るコンバイナ１０ｙは、対向する２つの面のうちの一方の面１０ｙ１が、フレネル構造の凸レンズ形状（言い換えると凸レンズとして機能するように構成されたフレネルレンズの表面形状）に構成されており、対向する２つの面のうちの他方の面１０ｙ２が、フレネル構造の凹レンズ形状（言い換えると凹レンズとして機能するように構成されたフレネルレンズの表面形状）に構成されている。つまり、比較例２に係るコンバイナ１０ｙは、１枚の基板の両面１０ｙ１、１０ｙ２に、フレネルパターンが形成されている。

図５は、比較例２に係るコンバイナ１０ｙの製造方法を説明するための図である。図５に示すように、まず、フレネル構造の凸レンズ形状を形成するための金型２１と、フレネル構造の凹レンズ形状を形成するための金型２２との間に、平板形状を有する基板１０ｙａを配置する。この後、金型２１と金型２２との間に基板１０ｙａを挟み込んだ状態で（金型２１、２２は加熱された状態にあるものとする）、矢印Ａ２で示すように圧力を付与する。これにより、金型２１及び金型２２を取り外すことで、一方の面１０ｙ１がフレネル構造の凸レンズ形状に成形され、他方の面１０ｙ２がフレネル構造の凹レンズ形状に成形された、比較例２に係るコンバイナ１０ｙが作成される。

ここで、比較例２に係るコンバイナ１０ｙの製造方法では、貼り合わせ工程がないため（具体的には接着する工程がないため）、比較例１に係るコンバイナ１０ｘの製造方法で述べたような不具合は生じない。しかしながら、比較例２に係るコンバイナ１０ｙの製造方法では、パターン転写の際にコンバイナ１０ｙが反り易いといった不具合がある。具体的には、金型２１、２２を取り外す際に生じる応力が両者で僅かでも差異があるとコンバイナ１０ｙが反ってしまい、また、金型２１、２２に温度差があると冷める時の収縮率が異なることでコンバイナ１０ｙが反ってしまう。特に、基板１０ｙａの厚みを薄くすると、コンバイナ１０ｙの反りが大きくなる。このようにコンバイナ１０ｙが反ってしまうと、実像ＲＩからの光を反射する凹面鏡としての曲率（ひいては焦点距離）が変わってしまうため、虚像ＶＩが歪んだり、虚像ＶＩの位置が変化してしまったりする。なお、図５ではプレス転写の場合を例に挙げて説明したが、射出成形を行った場合にもコンバイナ１０ｙが反り易い。

以上述べたように、比較例１に係る製造方法では、２部材の適切な貼り合わせが難しいといった課題があり、比較例２に係る製造方法では、コンバイナ１０ｙが反り易いといった課題がある。したがって、本実施例では、貼り合わせを容易に行うことができると共に、反りが少ないようなコンバイナを採用する。

［第１実施例］
まず、第１実施例について説明する。

図６は、第１実施例に係るコンバイナ１０ａの概略構成図を示す。図６（ａ）は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ１０ａの断面イメージ図を示しており、図６（ｂ）は、図６（ａ）中の破線領域Ｒ１を拡大した断面イメージ図を示している。なお、第１実施例に係るコンバイナ１０ａは、図１に示したコンバイナ１０の代わりにヘッドアップディスプレイに対して適用される。

図６（ａ）に示すように、第１実施例に係るコンバイナ１０ａは、フレネル構造が適用された凹レンズ（以下では「フレネル凹レンズ」と呼ぶ。）１０ａ１と、フレネル構造が適用された凸レンズ（以下では「フレネル凸レンズ」と呼ぶ。）１０ａ２と、フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２との間に設けられた半透明反射膜１０ａ３と、を有する。また、図６（ｂ）に示すように、フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２とは、半透明反射膜１０ａ３を介して、透明の接着剤１０ａ４（例えば紫外線硬化樹脂など）で接着されている。更に、フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２とは、屈折率、焦点距離の絶対値、及びレンズピッチ（言い換えると「パターンピッチ」である。以下同様とする。）が等しい。

なお、コンバイナ１０ａは本発明における「光学素子」の一例であり、フレネル凹レンズ１０ａ１は本発明における「第１光学素子」の一例であり、フレネル凸レンズ１０ａ２は本発明における「第２光学素子」の一例であり、半透明反射膜１０ａ３は本発明における「ハーフミラー」の一例である。

図７は、第１実施例に係るコンバイナ１０ａの動作を説明するための図を示す。図７中の破線領域Ｒ２に示すように、実像ＲＩからの光は、フレネル凸レンズ１０ａ２に入射する際に屈折し、その後に半透明反射膜１０ａ３で反射（正反射）した後、フレネル凸レンズ１０ａ２から出射する際に屈折する。この場合、実像ＲＩからの光は、フレネル凸レンズ１０ａ２を２回透過することで、凹面ミラーで反射された場合と同じ状態で、実像ＲＩの方向に戻ってくる。例えば、コンバイナ１０ａをヘッドアップディスプレイ（図１）に適用した場合、実像ＲＩからの光は運転者の頭部に戻ってくる。

他方で、図７中の破線領域Ｒ３に示すように、実像ＲＩの逆側からコンバイナ１０ａに入射する光（以下では「背景光」と呼ぶ。）は、コンバイナ１０ａのレンズ作用をほとんど受けることなく出射される。つまり、背景光は、レンズ作用をほとんど受けることなく、コンバイナ１０ａを透過していく。これは、上記したように、フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２とで、屈折率、焦点距離の絶対値、及びレンズピッチを等しくしたからである。

なお、フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２とで屈折率及び焦点距離の絶対値を完全に等しくすることが好適であるが、屈折率及び焦点距離の絶対値が若干ずれていても構わない。フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２とで屈折率及び焦点距離の絶対値が若干ずれていても、コンバイナ１０ａの透過性をある程度確保することができるからである。そういった観点より、許容できる屈折率及び焦点距離の絶対値のずれをコンバイナ１０ａが具備すべき透過性などに基づいて定め、そのずれの範囲内となるようにフレネル凹レンズ１０ａ１及びフレネル凸レンズ１０ａ２を作成すると良い。

同様に、フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２とでレンズピッチを完全に等しくすることが好適であるが、レンズピッチが多少ずれていても構わない。フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２とでレンズピッチが多少ずれていても、コンバイナ１０ａの透過性を十分に確保することができるからである。そういった観点より、許容できるレンズピッチのずれをコンバイナ１０ａが具備すべき透過性などに基づいて定め、そのずれの範囲内となるようにフレネル凹レンズ１０ａ１及びフレネル凸レンズ１０ａ２を作成すると良い。

また、接着剤１０ａ４の屈折率は、フレネル凹レンズ１０ａ１及びフレネル凸レンズ１０ａ２（以下ではこれらを区別しない場合には単に「フレネルレンズ」と呼ぶ。）の屈折率と等しくすることが好適である。こうすることで、接着剤１０ａ４とフレネルレンズとの界面で生じる不必要な反射を抑えることができる。また、フレネルパターンが形成された面に反射防止膜を付けなくても、２重像（フレネルパターンが形成された面で反射された光と半透明反射膜１０ａ３で反射された光とが重なることで生じる現象）を抑制することができる。但し、接着剤１０ａ４の屈折率とフレネルレンズの屈折率とを等しくすることに限定はされず、接着剤１０ａ４の屈折率とフレネルレンズの屈折率とを異なるものにしても構わない。

図８は、第１実施例に係るコンバイナ１０ａの製造方法を説明するための図である。まず、フレネル構造の凹レンズ形状を形成するための金型３１を、平板形状を有する基板１０ａ１１に対して適用すると共に、フレネル構造の凸レンズ形状を形成するための金型３２を、平板形状を有する基板１０ａ２１に対して適用する（金型３１、３２は加熱された状態にあるものとする）。この後、基板１０ａ１１、１０ａ２１から金型３１、３２を取り外すことで、フレネル凹レンズ１０ａ１及びフレネル凸レンズ１０ａ２が作成される。このように金型３１、３２を取り外した際に、フレネルパターンの成形面が冷えて熱収縮が生じることで、図８に示すように、フレネル凹レンズ１０ａ１及びフレネル凸レンズ１０ａ２がお椀型に反る傾向にある。

次に、フレネル凸レンズ１０ａ２における平面形状を有する面（つまりフレネルパターンが形成されていない面）に、半透明反射膜１０ａ３を付ける。この後、フレネル凹レンズ１０ａ１における平面形状を有する面とフレネル凸レンズ１０ａ２における平面形状を有する面（厳密には半透明反射膜１０ａ３が付された面）とを向き合わせた状態で、フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２との間に接着剤１０ａ４を配し、矢印Ａ３で示すように圧力を付与する。これにより、フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２とが接着剤１０ａ４で接着されることで、第１実施例に係るコンバイナ１０ａが作成される。

このような第１実施例に係る製造方法によれば、フレネル凹レンズ１０ａ１及びフレネル凸レンズ１０ａ２の両方とも接着面が平面であるため、接着剤１０ａ４が広がり易い。また、接着面にパターンが形成されていないため、接着剤１０ａ４が均一に（言い換えると等方的に）広がる。そのため、比較例１に係る製造方法において生じ得る、接着剤１０ａ４中に気泡が混入するといった不具合や、接着剤１０ａ４の厚さが不均一になるといった不具合などを適切に抑制することができる。したがって、第１実施例に係る製造方法によれば、フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２との適切な貼り合わせを容易に行うことができる。

更に、第１実施例に係る製造方法によれば、それぞれが同じようにお椀型に反っているフレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２とを貼り合わせるため、比較例２に係る製造方法と比較して、反りがかなり少ないコンバイナ１０ａを作成することができる。そのため、コンバイナ１０ａの厚みを薄くしても、コンバイナ１０ａが反りにくいと言える。したがって、第１実施例によれば、コンバイナ１０ａの厚みを適切に薄くすることが可能となる。

なお、上記では、フレネル凸レンズ１０ａ２における平面形状を有する面に半透明反射膜１０ａ３を付ける例を示したが（図８参照）、この代わりに、フレネル凹レンズ１０ａ１における平面形状を有する面に半透明反射膜１０ａ３を付けても良い。

次に、図９を参照して、ハーフミラーとしての半透明反射膜１０ａ３の反射率特性（言い換えると透過率特性）の具体例について説明する。図９（ａ）は、半透明反射膜１０ａ３の反射率特性の１つの例を示し、図９（ｂ）は、半透明反射膜１０ａ３の反射率特性の他の例を示している。図９（ａ）及び（ｂ）では、横軸に入射光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸に半透明反射膜１０ａ３の透過率（％）を示している。横軸に示す波長の範囲は、可視光についての波長の範囲に概ね相当する。また、半透明反射膜１０ａ３の反射率（％）は、「反射率（％）＝１００−透過率（％）」となる。

図９（ａ）に示す例では、半透明反射膜１０ａ３は、波長によらずに反射率が一定であるといった特性を有している。つまり、この例では、半透明反射膜１０ａ３の反射率が可視光全体で一定となっている。

図９（ｂ）に示す例では、半透明反射膜１０ａ３は、波長に応じて反射率が変化する特性を有している。この例では、半透明反射膜１０ａ３の反射率が特定の波長で高くなっている。具体的には、当該半透明反射膜１０ａ３は、特定の波長の光を大きく反射し、それ以外の波長の光をほとんど反射しない（透過させる）特性を有する。このような特性を有する半透明反射膜１０ａ３は、バンドパスフィルタ（ノッチフィルタ）として機能し、例えば複数種類の誘電体薄膜を多層構造にすることで実現される。好適には、実像ＲＩを形成するための光源として、赤色光、緑色光及び青色光を出射する光源（例えば赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を出射するレーザ光源）を用いた場合には、赤色光、緑色光及び青色光のそれぞれの波長で反射率が高くなるように半透明反射膜１０ａ３を構成すると良い。こうすることで、コンバイナ１０ａの透過率を下げることなく、コンバイナ１０ａにて表示される画像（虚像）の明るさを向上させることができる。

なお、図９（ｂ）に示すような特性を有する半透明反射膜１０ａ３は、図９（ａ）に示すような特性を有する半透明反射膜１０ａ３と比べて、入射角依存性が大きくなるため、基本的には、フレネル構造のような凸凹面を反斜面として用いる構成には採用することができない。第１実施例では、反斜面として平面を用いるため、図９（ｂ）に示すような特性を有する半透明反射膜１０ａ３を適切に採用することができる。

［第２実施例］
次に、第２実施例について説明する。第１実施例に係るコンバイナ１０ａでは、フレネル凹レンズ１０ａ１とフレネル凸レンズ１０ａ２との間に半透明反射膜１０ａ３が設けられていたが、第２実施例に係るコンバイナでは、フレネル凹レンズにおいてフレネルパターンが形成された面に半透明反射膜が設けられる。

なお、以下では、第１実施例と異なる構成を主に説明し、第１実施例と同様の構成については説明を適宜省略する。つまり、ここで特に説明しない構成については、第１実施例と同様であるものとする。

図１０は、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂの概略構成図を示す。図１０（ａ）は、光の進行方向に沿った面にて切断したコンバイナ１０ｂの断面イメージ図を示しており、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）中の破線領域Ｒ４を拡大した断面イメージ図を示している。なお、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂも、図１に示したコンバイナ１０の代わりにヘッドアップディスプレイに対して適用される。

図１０（ａ）に示すように、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂは、フレネル凹レンズ１０ｂ１と、フレネル凸レンズ１０ｂ２と、フレネル凹レンズ１０ｂにおいてフレネルパターンが形成された面に設けられた半透明反射膜１０ｂ３と、を有する。また、図１０（ｂ）に示すように、フレネル凹レンズ１０ｂ１とフレネル凸レンズ１０ｂ２とは、透明の接着剤１０ｂ４（例えば紫外線硬化樹脂など）で接着されている。更に、フレネル凹レンズ１０ｂ１とフレネル凸レンズ１０ｂ２とは、屈折率、焦点距離の絶対値、及びレンズピッチ（パターンピッチ）が等しい。

このような第２実施例に係るコンバイナ１０ｂは、比較例２（特許文献３に記載の構成）に係るコンバイナ１０ｙと同様の動作を行う。つまり、実像ＲＩからの光は半透明反射膜１０ｂ３で反射されることで、凹面ミラーで反射された場合と同じ状態で運転者の頭部などに戻ってくる。また、背景光は、レンズ作用をほとんど受けることなく、コンバイナ１０ｂを透過していく。

なお、コンバイナ１０ｂは本発明における「光学素子」の一例であり、フレネル凹レンズ１０ｂ１は本発明における「第１光学素子」の一例であり、フレネル凸レンズ１０ｂ２は本発明における「第２光学素子」の一例であり、半透明反射膜１０ｂ３は本発明における「ハーフミラー」の一例である。

図１１は、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂの製造方法を説明するための図である。まず、フレネル構造の凹レンズ形状を形成するための金型４１を、平板形状を有する基板１０ｂ１１に対して適用すると共に、フレネル構造の凸レンズ形状を形成するための金型４２を、平板形状を有する基板１０ｂ２１に対して適用する（金型４１、４２は加熱された状態にあるものとする）。この後、基板１０ｂ１１、１０ｂ２１から金型４１、４２を取り外すことで、フレネル凹レンズ１０ｂ１及びフレネル凸レンズ１０ｂ２が作成される。このように金型４１、４２を取り外した際に、フレネルパターンの成形面が冷えて熱収縮が生じることで、図１１に示すように、フレネル凹レンズ１０ｂ１及びフレネル凸レンズ１０ｂ２がお椀型に反る傾向にある。

次に、フレネル凹レンズ１０ｂ１においてフレネルパターンが形成された面に、半透明反射膜１０ｂ３を付ける。この後、フレネル凹レンズ１０ｂ１における平面形状を有する面とフレネル凸レンズ１０ｂ２における平面形状を有する面とを向き合わせた状態で、フレネル凹レンズ１０ｂ１とフレネル凸レンズ１０ｂ２との間に接着剤１０ｂ４を配し、矢印Ａ４で示すように圧力を付与する。これにより、フレネル凹レンズ１０ｂ１とフレネル凸レンズ１０ｂ２とが接着剤１０ｂ４で接着されることで、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂが作成される。

このような第２実施例に係る製造方法によっても、フレネル凹レンズ１０ｂ１及びフレネル凸レンズ１０ｂ２の両方とも接着面が平面であるため、接着剤１０ｂ４が広がり易いうえ、接着剤１０ｂ４が均一に（言い換えると等方的に）広がる。したがって、フレネル凹レンズ１０ｂ１とフレネル凸レンズ１０ｂ２との適切な貼り合わせを容易に行うことができる。また、第２実施例に係る製造方法によっても、それぞれが同じようにお椀型に反っているフレネル凹レンズ１０ｂ１とフレネル凸レンズ１０ｂ２とを貼り合わせるため、反りがかなり少ないコンバイナ１０ｂを作成することができる。そのため、第２実施例によっても、コンバイナ１０ｂの厚みを適切に薄くすることができる。

他方で、第２実施例によれば、フレネル凹レンズ１０ｂにおいてフレネルパターンが形成された面に半透明反射膜１０ｂ３を付けるため、この面に反射防止膜を付けなくて良い、言い換えるとＡＲコートを施さなくて良い。したがって、第１実施例に係るコンバイナ１０ａでは、その両面に反射防止膜を付けることが望ましかったが、第２実施例に係るコンバイナ１０ｂでは、１面にのみ反射防止膜を付ければ良いので、第２実施例によれば、第１実施例よりも製造コストを低減することができる。

なお、上記では、フレネル凹レンズ１０ｂに半透明反射膜１０ｂ３を付けた後に、フレネル凹レンズ１０ｂ１とフレネル凸レンズ１０ｂ２とを接着する例を示したが（図１１参照）、この代わりに、フレネル凹レンズ１０ｂ１とフレネル凸レンズ１０ｂ２とを接着した後に、フレネル凹レンズ１０ｂにおいてフレネルパターンが形成された面に半透明反射膜１０ｂ３を付けても良い。

［変形例］
上記では、プレス転写でコンバイナ１０ａ、１０ｂを作成する実施例を示したが、プレス転写の代わりに、射出成形でコンバイナ１０ａ、１０ｂを作成しても良い。つまり、本発明は、プレス転写だけでなく、射出成形にも適用可能である。

上記では、本発明をヘッドアップディスプレイに適用する実施例を示したが、本発明は、ヘッドマウントディスプレイにも適用可能である。

本発明は、ヘッドアップディスプレイなどの表示装置に利用することができる。

１０ａ、１０ｂ コンバイナ
１０ａ１、１０ｂ１ フレネル凹レンズ
１０ａ２、１０ｂ２ フレネル凸レンズ
１０ａ３、１０ｂ３ 半透明反射膜
１０ａ４、１０ｂ４ 接着剤

Claims (7)

1. 対向する２つの面のうち、一方の面にフレネル構造の凹レンズ形状が形成され、他方の面が平面形状を有する第１光学素子と、
   対向する２つの面のうち、一方の面にフレネル構造の凸レンズ形状が形成され、他方の面が平面形状を有する第２光学素子と、
   前記第１光学素子と前記第２光学素子との間に設けられたハーフミラーと、を備え、
   前記第１光学素子と前記第２光学素子とは、平面形状を有する前記第１光学素子の面と平面形状を有する前記第２光学素子の面とが向き合った状態で、前記ハーフミラーを介して接合されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記ハーフミラーは、入射する光の波長に応じて反射率が変化する特性を有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 対向する２つの面のうち、一方の面にフレネル構造の凹レンズ形状が形成され、他方の面が平面形状を有する第１光学素子と、
   対向する２つの面のうち、一方の面にフレネル構造の凸レンズ形状が形成され、他方の面が平面形状を有する第２光学素子と、
   前記凹レンズ形状が形成された前記第１光学素子の面に設けられたハーフミラーと、を備え、
   前記第１光学素子と前記第２光学素子とは、平面形状を有する前記第１光学素子の面と平面形状を有する前記第２光学素子の面とが向き合った状態で接合されていることを特徴とする光学素子。
4. 前記第１光学素子と前記第２光学素子とは、屈折率、焦点距離の絶対値、及びレンズのピッチが等しいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子。
5. 第１基板の対向する２つの面のうち、一方の面に対して金型を適用することでフレネル構造の凹レンズ形状を形成し、他の面が平面形状を有する第１光学素子を作成する工程と、
   第２基板の対向する２つの面のうち、一方の面に対して金型を適用することでフレネル構造の凸レンズ形状を形成し、他の面が平面形状を有する第２光学素子を作成する工程と、
   平面形状を有する前記第１光学素子の面と平面形状を有する前記第２光学素子の面とを向き合わせた状態で、前記第１光学素子と前記第２光学素子とを接合する工程と、を備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
6. 平面形状を有する前記第１光学素子の面、又は平面形状を有する前記第２光学素子の面に、ハーフミラーを形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の光学素子の製造方法。
7. 前記凹レンズ形状が形成された前記第１光学素子の面に、ハーフミラーを形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の光学素子の製造方法。

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