JP6376728B2

JP6376728B2 - 光学素子および表示装置

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Inventors: 矢野　邦彦; 邦彦矢野
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Filing date: 2013-05-16
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Description

本発明は、ハーフミラーを備えた光学素子、および光学素子を備えた表示装置に関する。

画像光出射装置から出射された画像情報と外界の画像情報の双方を同一視野で観察するヘッドマウントディスプレー等では、画像光を観察者の眼に向かって反射する一方で、外界からの光を観察者の眼に透過させるハーフミラーが用いられている。

一方、ハーフミラーとしては、例えば、金属の薄膜を透光膜で挟んだ構成が提案されている（特許文献１、２参照）。また、特許文献２では、基板／酸化シリコン層／酸化ジルコニウム層または酸化チタン層／クロム層／銀層／酸化アルミニウム層／酸化ジルコニウム層／酸化シリコン層の層構成が提案されている。

米国特許第３５５９０９０号公報特許第３５６３９５５号公報

特許文献２に記載のハーフミラーでは、銀層の下層側との密着性等を改善することを目的に、銀層の下地としてクロム層が形成されているため、クロム層に起因する光量損失が大きいという問題点がある。また、銀層の密着性等の問題を解消したうえでクロム層を省いても、基板として樹脂製基板を用いた場合、樹脂製基板が吸着していた水分や、樹脂製基板から脱離した有機成分の影響で、銀層や誘電体膜の密度等が低下し、銀粒子の拡散や銀層の変質に起因する光学特性の低下が発生するという問題点がある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、銀層に対する下地金属膜を省くことにより光量損失を抑制した場合でも、光学特性が安定したハーフミラー層を樹脂製の透光性部材に設けることのできる光学素子、および表示装置を提供することにある。

本発明に係る光学素子の一態様は、樹脂材料を含む第１透光性部材と、前記第１透光性部材の少なくとも１つの面に形成されたハーフミラー層と、を有し、前記ハーフミラー層は、銀層と、前記銀層と前記第１透光性部材との間に位置する第１誘電体多層膜と、前記銀層に対して前記第１透光性部材とは反対側に位置する第２誘電体多層膜と、を含み、前記第１誘電体多層膜は、前記銀層に接する第１酸化アルミニウム層と、前記第１酸化アルミニウム層に前記第１透光性部材側で接する酸化チタン層と、を含み、前記第２誘電体多層膜は、酸化ジルコニウムを含む酸化ジルコニウム系誘電体層と、前記酸化ジルコニウム系誘電体層に接する第２酸化アルミニウム層と、を含み、前記第２酸化アルミニウム層および前記酸化ジルコニウム系誘電体層の一方が前記銀層に接していることを特徴とする。

本発明の一態様においては、ハーフミラー層の金属層として銀層が用いられているため、アルミニウムが用いられた場合に比して、吸収による損失が小さく、かつ、比較的厚い膜厚でよいため安定して成膜することができる。また、本発明では、第１透光性部材として樹脂材料を含む部材を用いているため、形状の自由度が高く、かつ、軽量化を図ることができる。また、第１透光性部材に樹脂を用いると、樹脂から脱離した水分や有機成分が銀層や他の誘電体層の膜質を低下させおそれがあるが、本発明では、第１誘電体多層膜（銀層の下層側）に設ける高屈折率層として酸化チタン層が用いられており、かかる酸化チタン層であれば、イオンアシスト法によって比較的低い温度での成膜が可能である。このため、樹脂からの水分や有機成分の脱離を酸化チタン層によってブロックでき、樹脂から脱離した水分や有機成分が銀層や誘電体層の膜質を低下させることを抑制することができる。また、酸化チタン層に直接、銀層を設けると、銀層での光の吸収・散乱が大きくなるが、本発明では、酸化チタン層と銀層との間に第１酸化アルミニウム層を設けてあるため、銀層での光の吸収・散乱を抑制することができる。さらに、第２誘電体多層膜の側（銀層の上層側）に設ける高屈折率層として酸化ジルコニウム系誘電体層（酸化ジルコニウムの単体膜または酸化ジルコニウムと酸化チタンとの混合膜）が用いられているため、酸化チタン層を用いた場合と違って、銀層へのダメージが小さい。また、酸化ジルコニウム系誘電体層あるいは第２酸化アルミニウム層は、緻密な膜として形成することができるので、水分に対するブロックに用いることができ、銀層の水分との反応に起因するハーフミラーの光学特性の劣化を抑制することができる。

本発明の一態様において、前記酸化ジルコニウム系誘電体層は、酸化ジルコニウムと酸化チタンとの混合膜からなる構成を採用することができる。

本発明の一態様において、前記第１誘電体多層膜は、前記酸化チタン層に対して前記第１酸化アルミニウム層とは反対側で接する第３酸化アルミニウム層を含む構成を採用することができる。

本発明の一態様において、前記第２誘電体多層膜では、前記酸化ジルコニウム系誘電体層が前記銀層に接している構成を採用することができる。

本発明の一態様において、前記第２誘電体多層膜では、前記第２酸化アルミニウム層が前記銀層に接している構成を採用してもよい。

本発明の一態様において、前記ハーフミラー層に対して前記第１透光性部材とは反対側に位置する第２透光性部材を有し、前記第２透光性部材は、前記第１透光性部材と同一の屈折率であることが好ましい。

本発明に係るハーフミラーを備えた表示装置の一態様においては、例えば、画像光を出射する画像光出射装置を備え、前記光学素子は、前記画像光出射装置からの前記画像光が入射する光入射部と、前記光入射部から入射した前記画像光のうち少なくとも一部が前記ハーフミラー層で反射して出射される光出射部と、を備えている。

本発明の実施の形態１に係るハーフミラーの一例を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係るハーフミラーの分光特性の一例を示す説明図である。本発明の実施の形態２に係るハーフミラーの一例を示す説明図である。本発明の実施の形態２に係るハーフミラーの分光特性の一例を示す説明図である。本発明の実施の形態３に係るハーフミラーの一例を示す説明図である。本発明の実施の形態３に係るハーフミラーの分光特性の一例を示す説明図である。本発明を適用したハーフミラーを用いた表示装置の一例を示す斜視図である。図７に示す表示装置の光学系等の一例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明で参照する図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るハーフミラーの一例を示す説明図であり、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ハーフミラーの断面構成を模式的に示す説明図、２つの透光性部材を接合してハーフミラーとする前の状態を示す説明図、およびハーフミラー層の説明図である。

図１（ａ）に示す光学素子１０は、２つの透光性部材がハーフミラー層３を挟んで接着剤層４によって接合された構造を有している。より具体的には、光学素子１０は、第１透光性部材１と、第２透光性部材２と、第１透光性部材１と第２透光性部材２との間に形成されたハーフミラー層３と、ハーフミラー層３と第２透光性部材２との間に形成された透光性の接着剤層４とを有している。

本形態において、第１透光性部材１は、シクロオレフィンポリマー、シクロオレフィンコポリマー、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、スチレン樹脂等の単体もしくは共重合体からなる樹脂製であり、金型成形により製造された部材である。第２透光性部材２も、第１透光性部材１と同様、シクロオレフィンポリマー、シクロオレフィンコポリマー、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、スチレン樹脂等の単体もしくは共重合体からなる樹脂製である。本形態において、第１透光性部材１と第２透光性部材２とは、同一の樹脂材料からなり、屈折率が同一である。接着剤層４は、アクリル系またはエポキシ系の紫外線硬化型接着剤であり、透光性を有している。

第１透光性部材１は、金型成形により製造された板状部材やブロック状部材である。第１透光性部材１において、第２透光性部材２と接合される第１面１ａは、第１透光性部材１の両面に対して傾斜する斜面になっており、かかる第１面１ａにハーフミラー層３が形成されている。第２透光性部材２も、第１透光性部材１と同様、金型成形により製造された板状部材やブロック状部材であり、第１透光性部材１と接合される第２面２ａは、第２透光性部材２の両面に対して傾斜する斜面になっている。

このように構成した光学素子１０においては、図１（ａ）に実線の矢印で示すように、第１透光性部材１の内部を進行してきた画像光Ｌ１は、ハーフミラー層３で反射して、光学素子１０の一方面側から出射される。また、図１（ａ）に破線の矢印で示すように、光学素子１０の他方面側から第２透光性部材２に入射した外界光Ｌ２は、ハーフミラー層３で透過し、光学素子１０の一方面側から出射される。

かかる光学素子１０を製造するには、図１（ｂ）に示すように、第１透光性部材１の第１面１ａにハーフミラー層３を形成した後、図１（ａ）に示すように、ハーフミラー層３に対して第１透光性部材１とは反対側に第２透光性部材２を接着剤層４によって接合する。

（ハーフミラー層３の構成）
図１（ｃ）に示すように、ハーフミラー層３は、銀層（Ａｇ）と、銀層と第１透光性部材１との間に設けられた第１誘電体多層膜３ａと、銀層に対して第１透光性部材１とは反対側に設けられた第２誘電体多層膜３ｂとを有している。

第１誘電体多層膜３ａは、表１を参照して後述するように、銀層に接する第１酸化アルミニウム層）と、第１酸化アルミニウム層に第１透光性部材１側で接する酸化チタン層とを含んでいる。また、第１誘電体多層膜３ａは、酸化チタン層に対して第１酸化アルミニウム層とは反対側で接する第３酸化アルミニウム層を含んでいる。

第２誘電体多層膜３ｂは、表１を参照して後述するように、酸化ジルコニウムの単体膜からなる酸化ジルコニウム系誘電体層と、酸化ジルコニウム層に接する第２酸化アルミニウム層とを含み、第２酸化アルミニウム層および酸化ジルコニウム層の一方が銀層に接している。本形態では、酸化ジルコニウム層（第６層ａ６）が銀層（第５層ａ５）に接している。

より具体的には、本形態の光学素子１０において、ハーフミラー層３は、以下に説明する１０層の薄膜を積層した多層膜であり、各層の屈折率および膜厚を表１に示す。なお、本形態において、第１透光性部材１および第２透光性部材２はいずれも、シクロオレフィンポリマー（屈折率＝１．５４）である。

まず、ハーフミラー層３の第１誘電体多層膜３ａにおいて、第１層ａ１は、真空蒸着等により形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）からなり、屈折率および膜厚は、２．０２および２３．６ｎｍである。第２層ａ２（第３酸化アルミニウム層）は、真空蒸着等により形成された酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、屈折率および膜厚は、１．５７および１３．１ｎｍである。第３層ａ３は、イオンアシスト蒸着により形成された酸化チタン（ＴｉＯ₂）からなり、屈折率および膜厚は、２．４０および５７．７ｎｍである。第４層ａ４（第１酸化アルミニウム層）は、真空蒸着等により形成された酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、屈折率および膜厚は、１．５７および４．４ｎｍである。かかる第１層ａ１、第２層ａ２、第３層ａ３および第４層ａ４によって、第１誘電体多層膜３ａが構成されている。

第５層ａ５は、真空蒸着等により形成された銀層からなり、屈折率および膜厚は、０．０６および１７．０ｎｍである。

第２誘電体多層膜３ｂにおいて、第６層ａ６は、真空蒸着等により形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）からなり、屈折率および膜厚は、２．０２および５２．２ｎｍである。第７層ａ７（第２酸化アルミニウム層）は、真空蒸着等により形成された酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、屈折率および膜厚は、１．５７および４．４ｎｍである。第８層ａ８は、真空蒸着等により形成された酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなり、屈折率および膜厚は、１．４６および６４１．０ｎｍである。第９層ａ９は、真空蒸着等により形成された酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、屈折率および膜厚は、１．５７および１６．５ｎｍである。第１０層ａ１０は、真空蒸着等により形成された酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなり、屈折率および膜厚は、１．４６および５４．７ｎｍである。かかる第６層ａ６、第７層ａ７、第８層ａ８、第９層９ａおよび第１０層ａ１０によって、第２誘電体多層膜３ｂが構成されている。

（分光特性）
図２は、本発明の実施の形態１に係る光学素子１０の分光特性の一例を示す説明図であり、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ハーフミラー層３に対する入射角が２０ｄｅｇ、２７ｄｅｇおよび３４ｄｅｇの場合の分光特性を示すグラフである。なお、図２では、Ｐ偏光に対する反射率を実線Ｒｐで示し、Ｓ偏光に対する反射率を破線Ｒｓで示し、Ｐ偏光に対する透過率を実線Ｔｐで示し、Ｓ偏光に対する透過率を破線Ｔｓで示してある。

図２に示すように、本形態の光学素子１０は、可視域の全域にわたって反射率が同等であり、可視域の全域にわたって透過率が同等である。また、可視域の全域にわたって、入射角にかかわらず、Ｐ偏光に対する反射率とＳ偏光に対する反射率が同等であり、Ｐ偏光に対する透過率とＳ偏光に対する透過率が同等である。

例えば、波長４７０ｎｍ、５４０ｎｍおよび６５０ｎｍにおいて、入射角２０ｄｅｇ、２７ｄｅｇおよび３４ｄｅｇの場合、各波長の光に対する反射率および透過率は以下の通りである。

波長４７０ｎｍ
入射角２０ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３５．０％、透過率＝６３．１％
Ｓ偏光：反射率＝３５．７％、透過率＝６２．５％
入射角２７ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３５．２％、透過率＝６２．８％
Ｓ偏光：反射率＝３６．５％、透過率＝６１．８％
入射角３４ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３５．３％、透過率＝６２．６％
Ｓ偏光：反射率＝３６．８％、透過率＝６１．４％
波長５４０ｎｍ
入射角２０ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．５％、透過率＝６３．４％
Ｓ偏光：反射率＝３５．１％、透過率＝６２．８％
入射角２７ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．１％、透過率＝６３．７％
Ｓ偏光：反射率＝３５．０％、透過率＝６２．８％
入射角３４ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．１％、透過率＝６３．７％
Ｓ偏光：反射率＝３５．３％、透過率＝６２．５％
波長６５０ｎｍ
入射角２０ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３５．１％、透過率＝６１．８％
Ｓ偏光：反射率＝３５．６％、透過率＝６１．２％
入射角２７ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．２％、透過率＝６２．６％
Ｓ偏光：反射率＝３４．７％、透過率＝６２．０％
入射角３４ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．５％、透過率＝６２．３％
Ｓ偏光：反射率＝３５．７％、透過率＝６０．７％

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、光学素子１０の金属層として銀層（第５層ａ５）が用いられているため、アルミニウムが用いられた場合に比して、吸収による損失が小さく、かつ、アルミニウムにおいては、１ｎｍ〜５ｎｍという極端に薄い層を精度良く形成することが必要であるのに対し、銀は１０ｎｍ以上の厚さでよいため、安定して成膜することができる。

また、本形態では、第１透光性部材１として樹脂が用いられているため、形状の自由度が高く、かつ、軽量化を図ることができる。また、第１透光性部材１に樹脂を用いると、樹脂から脱離した水分や有機成分が銀層や誘電体層（第１酸化アルミニウム層（第４層ａ４））の膜質を低下させるおそれがあるが、本形態では、第１誘電体多層膜３ａ（銀層の下層側）に設ける高屈折率層として酸化チタン層（第３層ａ３）が用いられており、かかる酸化チタン層であれば、イオンアシスト法によって比較的低い温度での成膜が可能である。このため、樹脂からの水分や有機成分の脱離を酸化チタン層（第３層ａ３）によってブロックでき、樹脂から脱離した水分や有機成分が銀層や誘電体層（第１酸化アルミニウム層（第４層ａ４））の膜質を低下させることを抑制することができる。また、酸化チタン層（第３層ａ３）に直接、銀層を設けると、銀層での光の吸収・散乱が大きくなるが、本形態では、酸化チタン層（第３層ａ３）と銀層との間に第１酸化アルミニウム層（第４層ａ４）を設けてあるため、銀層での光の吸収・散乱を抑制することができる。

さらに、第２誘電体多層膜３ｂの側（銀層の上層側）に設ける高屈折率層として酸化ジルコニウム系誘電体層（酸化ジルコニウム層（第６層ａ６））が用いられているため、酸化チタン層を用いた場合と違って、銀層へのダメージが小さい。また、酸化ジルコニウム系誘電体層は、緻密な膜として形成することができるので、銀層を水分から保護するブロックに用いることができ、銀層の水分との反応に起因する光学素子１０の光学特性の劣化を抑制することができる。

また、第１誘電体多層膜３ａでは、酸化チタン層（第３層ａ３）の下層側に酸化ジルコニウム層（第１層ａ１）や第３酸化アルミニウム層（第２層ａ２）が形成されており、かかる酸化ジルコニウム層や酸化アルミニウム層は、第１透光性部材１と酸化チタン層（第３層ａ３）との密着性を高めることができる。また、第１誘電体多層膜３ａでは、酸化チタン層（第３層ａ３）の下層側に、酸化シリコン層に代えて、酸化ジルコニウム層（第１層ａ１）や第３酸化アルミニウム層（第２層ａ２）が形成されているため、分光特性が優れているという利点もある。

［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係るハーフミラーの一例を示す説明図であり、図３（ａ）、（ｂ）は、ハーフミラーの断面構成の一例を模式的に示す説明図、ハーフミラー層の一例を示す説明図である。図４は、本発明の実施の形態２に係る光学素子１０の分光特性の一例を示す説明図であり、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ハーフミラー層３に対する入射角が２０ｄｅｇ、２７ｄｅｇおよび３４ｄｅｇの場合の分光特性を示すグラフである。なお、図４では、Ｐ偏光に対する反射率を実線Ｒｐで示し、Ｓ偏光に対する反射率を破線Ｒｓで示し、Ｐ偏光に対する透過率を実線Ｔｐで示し、Ｓ偏光に対する透過率を破線Ｔｓで示してある。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態の光学素子１０も、実施の形態１と同様、樹脂製の第１透光性部材１と、樹脂製の第２透光性部材２と、第１透光性部材１と第２透光性部材２との間に形成されたハーフミラー層３と、ハーフミラー層３と第２透光性部材２との間に形成された透光性の接着剤層４とを有している。また、ハーフミラー層３は、銀層（Ａｇ）と、銀層と第１透光性部材１との間に設けられた第１誘電体多層膜３ａと、銀層に対して第１透光性部材１とは反対側に設けられた第２誘電体多層膜３ｂとを有している。

第１誘電体多層膜３ａは、表２に示すように、銀層に接する第１酸化アルミニウム層と、第１酸化アルミニウム層に第１透光性部材１側で接する酸化チタン層とを含んでいる。また、第１誘電体多層膜３ａは、酸化チタン層に対して第１酸化アルミニウム層とは反対側で接する第３酸化アルミニウム層を含んでいる。第２誘電体多層膜３ｂは、表２に示すように、酸化ジルコニウムの単体膜からなる酸化ジルコニウム系誘電体層と、酸化ジルコニウム層に接する第２酸化アルミニウム層とを含み、第２酸化アルミニウム層および酸化ジルコニウム層の一方が銀層に接している。本形態では、酸化ジルコニウム層（第５層ｂ５）が銀層（第４層ｂ４）に接している。

より具体的には、本形態の光学素子１０において、ハーフミラー層３は、以下に説明する７層の薄膜を積層した多層膜であり、各層の屈折率および膜厚を表２に示す。なお、本形態において、第１透光性部材１および第２透光性部材２はいずれも、シクロオレフィンポリマー（屈折率＝１．５４）である。

まず、ハーフミラー層３の第１誘電体多層膜３ａにおいて、第１層ｂ１（第３酸化アルミニウム層）は、真空蒸着等により形成された酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、屈折率および膜厚は、１．５７および７８．１ｎｍである。第２層ｂ２は、イオンアシスト蒸着により形成された酸化チタン（ＴｉＯ₂）からなり、屈折率および膜厚は、２．４０および５１．４ｎｍである。第３層ｂ３（第１酸化アルミニウム層）は、真空蒸着等により形成された酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、屈折率および膜厚は、１．５７および４．４ｎｍである。かかる第１層ｂ１、第２層ｂ２および第３層ｂ３によって、第１誘電体多層膜３ａが構成されている。

第４層ｂ４は、真空蒸着等により形成された銀層からなり、屈折率および膜厚は、０．０６および１８．３ｎｍである。

第２誘電体多層膜３ｂにおいて、第５層ｂ５は、真空蒸着等により形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）からなり、屈折率および膜厚は、２．０２および４２．４ｎｍである。第６層ｂ６（第２酸化アルミニウム層）は、真空蒸着等により形成された酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、屈折率および膜厚は、１．５７および１３２．３ｎｍである。第７層ｂ７は、真空蒸着等により形成された酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなり、屈折率および膜厚は、１．４６および７０．０ｎｍである。かかる第５層ｂ５、第６層ｂ６および第７層ｂ７によって、第２誘電体多層膜３ｂが構成されている。

図４に示すように、本形態の光学素子１０は、可視域の全域にわたって反射率が同等であり、可視域の全域にわたって透過率が同等である。また、可視域の全域にわたって、入射角にかかわらず、Ｐ偏光に対する反射率とＳ偏光に対する反射率が同等であり、Ｐ偏光に対する透過率とＳ偏光に対する透過率が同等である。

波長４７０ｎｍ
入射角２０ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．１％、透過率＝６３．６％
Ｓ偏光：反射率＝３４．６％、透過率＝６３．２％
入射角２７ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．９％、透過率＝６２．８％
Ｓ偏光：反射率＝３６．４％、透過率＝６１．３％
入射角３４ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３５．６％、透過率＝６２．０％
Ｓ偏光：反射率＝３９．４％、透過率＝５８．２％
波長５４０ｎｍ
入射角２０ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３３．９％、透過率＝６３．４％
Ｓ偏光：反射率＝３５．３％、透過率＝６１．９％
入射角２７ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３３．７％、透過率＝６３．６％
Ｓ偏光：反射率＝３６．２％、透過率＝６０．９％
入射角３４ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３３．２％、透過率＝６４．１％
Ｓ偏光：反射率＝３６．７％、透過率＝６０．４％
波長６５０ｎｍ
入射角２０ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３５．２％、透過率＝６１．０％
Ｓ偏光：反射率＝３５．６％、透過率＝６０．５％
入射角２７ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．７％、透過率＝６１．６％
Ｓ偏光：反射率＝３４．６％、透過率＝６１．３％
入射角３４ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．５％、透過率＝６１．９％
Ｓ偏光：反射率＝３２．９％、透過率＝６２．９％

以上説明したように、本形態でも、実施の形態１と同様、光学素子１０の金属層として銀層（第４層ｂ４）が用いられているため、アルミニウムが用いられた場合に比して、吸収による損失が小さく、かつ、アルミニウムにおいては１ｎｍ〜５ｎｍという極端に薄い層を精度良く形成することが必要であるのに対し、銀は１０ｎｍ以上の厚さでよいため、安定して成膜することができる。また、本形態では、第１透光性部材１として樹脂が用いられているため、形状の自由度が高く、かつ、軽量化を図ることができる。また、第１誘電体多層膜３ａ（銀層の下層側）に設ける高屈折率層として酸化チタン層（第２層ｂ２）が用いられ、第２誘電体多層膜３ｂの側（銀層の上層側）に設ける高屈折率層として酸化ジルコニウム系誘電体層（酸化ジルコニウム層（第５層ｂ５））が用いられているため、銀層の変質に伴う光学素子１０の光学特性の劣化を抑制することができる等、実施の形態１と同様な効果を奏する。

［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３に係るハーフミラーの一例を示す説明図であり、図５（ａ）、（ｂ）は、ハーフミラーの断面構成の一例を模式的に示す説明図、ハーフミラー層の一例を示す説明図である。図６は、本発明の実施の形態３に係る光学素子１０の分光特性の一例を示す説明図であり、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ハーフミラー層３に対する入射角が２０ｄｅｇ、２７ｄｅｇおよび３４ｄｅｇの場合の分光特性を示すグラフである。なお、図６では、Ｐ偏光に対する反射率を実線Ｒｐで示し、Ｓ偏光に対する反射率を破線Ｒｓで示し、Ｐ偏光に対する透過率を実線Ｔｐで示し、Ｓ偏光に対する透過率を破線Ｔｓで示してある。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態の光学素子１０も、実施の形態１と同様、樹脂製の第１透光性部材１と、樹脂製の第２透光性部材２と、第１透光性部材１と第２透光性部材２との間に形成されたハーフミラー層３と、ハーフミラー層３と第２透光性部材２との間に形成された透光性の接着剤層４とを有している。また、ハーフミラー層３は、銀層（Ａｇ）と、銀層と第１透光性部材１との間に設けられた第１誘電体多層膜３ａと、銀層に対して第１透光性部材１とは反対側に設けられた第２誘電体多層膜３ｂとを有している。

第１誘電体多層膜３ａは、表３に示すように、銀層に接する第１酸化アルミニウム層と、第１酸化アルミニウム層に第１透光性部材１側で接する酸化チタン層とを含んでいる。また、第１誘電体多層膜３ａは、酸化チタン層に対して第１酸化アルミニウム層とは反対側で接する第３酸化アルミニウム層を含んでいる。第２誘電体多層膜３ｂは、表３に示すように、酸化ジルコニウムの単体膜からなる酸化ジルコニウム系誘電体層と、酸化ジルコニウム層に接する第２酸化アルミニウム層とを含み、第２酸化アルミニウム層および酸化ジルコニウム層の一方が銀層に接している。本形態では、第２酸化アルミニウム層（第５層ｃ５）が銀層（第４層ｃ４）に接している。

より具体的には、本形態の光学素子１０において、ハーフミラー層３は、以下に説明する７層の薄膜を積層した多層膜であり、各層の屈折率および膜厚を表３に示す。なお、本形態において、第１透光性部材１および第２透光性部材２はいずれも、アクリル樹脂（屈折率＝１．５０）である。

まず、ハーフミラー層３の第１誘電体多層膜３ａにおいて、第１層ｃ１（第３酸化アルミニウム層）は、真空蒸着等により形成された酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、屈折率および膜厚は、１．５７および２４８．７ｎｍである。第２層ｃ２は、イオンアシスト蒸着により形成された酸化チタン（ＴｉＯ₂）からなり、屈折率および膜厚は、２．４０および５１．１ｎｍである。第３層ｃ３（第１酸化アルミニウム層）は、真空蒸着等により形成された酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、屈折率および膜厚は、１．５７および４．４ｎｍである。かかる第１層ｃ１、第２層ｃ２および第３層ｃ３によって、第１誘電体多層膜３ａが構成されている。

第４層ｃ４は、真空蒸着等により形成された銀層からなり、屈折率および膜厚は、０．０６および１８．７ｎｍである。

第２誘電体多層膜３ｂにおいて、第５層ｃ５（第２酸化アルミニウム層）は、真空蒸着等により形成された酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、屈折率および膜厚は、１．５７および４．４ｎｍである。第６層ｃ６は、真空蒸着等により形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）からなり、屈折率および膜厚は、２．０２および３１．５ｎｍである。第７層ａ７は、真空蒸着等により形成された酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなり、屈折率および膜厚は、１．４６および２３０．１ｎｍである。かかる第５層ｃ５、第６層ｃ６および第７層ｃ７によって、第２誘電体多層膜３ｂが構成されている。

図６に示すように、本形態の光学素子１０は、可視域の全域にわたって反射率が同等であり、可視域の全域にわたって透過率が同等である。また、可視域の全域にわたって、入射角にかかわらず、Ｐ偏光に対する反射率とＳ偏光に対する反射率が同等であり、Ｐ偏光に対する透過率とＳ偏光に対する透過率が同等である。

波長４７０ｎｍ
入射角２０ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．６％、透過率＝６３．１％
Ｓ偏光：反射率＝３４．９％、透過率＝６２．８％
入射角２７ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３５．１％、透過率＝６２．５％
Ｓ偏光：反射率＝３５．９％、透過率＝６１．７％
入射角３４ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３５．９％、透過率＝６１．６％
Ｓ偏光：反射率＝３８．０％、透過率＝５９．６％
波長５４０ｎｍ
入射角２０ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．３％、透過率＝６３．０％
Ｓ偏光：反射率＝３５．４％、透過率＝６１．８％
入射角２７ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．２％、透過率＝６３．０％
Ｓ偏光：反射率＝３６．４％、透過率＝６０．７％
入射角３４ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３３．９％、透過率＝６３．４％
Ｓ偏光：反射率＝３７．１％、透過率＝５９．９％
波長６５０ｎｍ
入射角２０ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．８％、透過率＝６１．１％
Ｓ偏光：反射率＝３５．１％、透過率＝６０．６％
入射角２７ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．２％、透過率＝６１．８％
Ｓ偏光：反射率＝３３．９％、透過率＝６１．５％
入射角３４ｄｅｇ
Ｐ偏光：反射率＝３４．４％、透過率＝６１．７％
Ｓ偏光：反射率＝３２．３％、透過率＝６２．８％

以上説明したように、本形態でも、実施の形態１と同様、光学素子１０の金属層として銀層（第４層ｃ４）が用いられているため、アルミニウムが用いられた場合に比して、吸収による損失が小さく、かつ、アルミニウムにおいては、１ｎｍ〜５ｎｍという極端に薄い層を精度良く形成することが必要であるのに対し、銀は１０ｎｍ以上の厚さでよいため、安定して成膜することができる。また、本形態では、第１透光性部材１として樹脂が用いられているため、形状の自由度が高く、かつ、軽量化を図ることができる。また、第１誘電体多層膜３ａ（銀層の下層側）に設ける高屈折率層として酸化チタン層（第２層ｃ２）が用いられ、第２誘電体多層膜３ｂの側（銀層の上層側）に設ける高屈折率層として酸化ジルコニウム系誘電体層（酸化ジルコニウム層（第６層ｃ６））が用いられているため、銀層の変質に伴う光学素子１０の光学特性の劣化を抑制することができる等、実施の形態１と同様な効果を奏する。

（他の構成例）
上記実施の形態では、第２誘電体多層膜３ｂには、酸化ジルコニウム層の単体膜からなる酸化ジルコニウム系誘電体層を用いたが、かかる酸化ジルコニウム系誘電体層としては、酸化ジルコニウムと酸化チタンとの混合膜を用いてもよい。

上記実施の形態では、第１透光性部材１においてハーフミラー層３が位置する側の面（第１面１ａ）、および第２透光性部材２において接着剤層４が位置する側の面（第２面２ａ）が平面であったが、第１透光性部材１の第１面１ａ、および第２透光性部材２の第２面２ａの一方の面が凸曲面を備え、他方の面が凹曲面を備えていてもよい。

（表示装置の構成例）
図７は、本発明を適用した光学素子１０を用いた表示装置の一例を示す斜視図である。図８は、図７に示す表示装置の光学系等の一例を示す説明図であり、図８（ａ）、（ｂ）は、平面図および正面図である。

本発明を適用した光学素子１０は、以下に説明する表示装置１００や、カメラ用ビューファインダーにおいて、導光装置２０として用いられる。この場合、第１透光性部材１および第２透光性部材２の一方は、以下に説明する導光部材２１として用いられ、他方は光透過部材２３として用いられる。

以下の説明では、第１透光性部材１が導光部材２１として用いられ、第２透光性部材２が光透過部材２３として用いられる場合を例示する。従って、第１透光性部材１の第１面１ａが導光部材２１の第４反射面２１ｄに相当し、第２透光性部材２の第２面２ａが光透過部材２３の第３面２３ｃに相当する。

図７に示す表示装置１００は、眼鏡のような外観を有しているヘッドマウントディスプレイであり、この表示装置１００を装着した観察者に対して画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。表示装置１００は、観察者の眼前を覆う光学パネル１１０と、光学パネル１１０を支持するフレーム１２１と、フレーム１２１の角付近に配置された第１駆動部１３１および第２駆動部１３２とを備えている。光学パネル１１０は、第１パネル部分１１１と第２パネル部分１１２とを有しており、第１パネル部分１１１と第２パネル部分１１２とは、中央で一体的に連結された板状の部品となっている。図面に向かって左側の第１パネル部分１１１と第１駆動部１３１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、左眼用であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面に向かって右側の第２パネル部分１１２と第２駆動部１３２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、右眼用であり、単独でも虚像表示装置として機能する。

図８に示すように、第１表示装置１００Ａは、画像光出射装置１５、および導光装置２０等を備えている。ここで、画像光出射装置１５は、図７における第１駆動部１３１に相当し、導光装置２０は、図７における第１パネル部分１１１に相当する。なお、図７に示す第２表示装置１００Ｂは、第１表示装置１００Ａと同様の構造を有し、左右を反転させただけであるので、第２表示装置１００Ｂの詳細な説明は省略する。

画像光出射装置１５は、画像形成装置１１と投射光学系１２とを有している。このうち、画像形成装置１１は、２次元的な照明光ＳＬを出射する照明装置３１と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス３２と、照明装置３１および液晶表示デバイス３２の動作を制御する駆動制御部３４とを有している。

照明装置３１は、赤、緑、青の３色を含む光を発生する光源３１ａと、光源３１ａからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部３１ｂとを有している。液晶パネルである液晶表示デバイス３２は、照明装置３１からの照明光ＳＬを空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。駆動制御部３４は、光源駆動回路３４ａと、液晶駆動回路３４ｂとを備える。光源駆動回路３４ａは、照明装置３１の光源３１ａに電力を供給して安定した輝度の照明光ＳＬを出射させる。液晶駆動回路３４ｂは、液晶表示デバイス３２に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。投射光学系１２は、液晶表示デバイス３２上の各点から出射された画像光を平行状態の光束にするコリメートレンズである。

液晶表示デバイス３２において、第１方向ＬＤ１は、投射光学系１２を通る第１光軸ＡＸ１と、後述する導光部材２１の第３反射面２１ｃに平行な特定線とを含む縦断面の延びる方向に対応し、第２方向ＬＤ２は、上記第１光軸ＡＸ１と、上記第３反射面２１ｃの法線とを含む横断面の延びる方向に対応する。言い換えれば、液晶表示デバイス３２の位置において、第１方向ＬＤ１は、縦のＹ方向に相当し、第２方向ＬＤ２は、横のＸ方向に相当する。

導光装置２０（光学素子１０）は、導光部材２１（第１透光性部材１）と光透過部材２３（第２透光性部材２）とを接合したものであり、全体としてＸＹ面に平行に延びるブロック状の光学部材を構成している。

導光装置２０のうち、導光部材２１は、第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂによる全反射を利用して導光を行うものであり、導光に際して反射によって折り返される方向と、導光に際して反射によって折り返されない方向とがある。導光部材２１で導光される画像について考えた場合、導光に際して複数回の反射によって折り返される横方向すなわち閉じ込め方向は、第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂに垂直（Ｚ軸に平行）であり、光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス３２の第２方向ＬＤ２に相当するものとなる。導光に際して反射によって折り返されない縦方向、すなわち自由伝搬方向は、第１反射面２１ａ、第２反射面２１ｂ、および第３反射面２１ｃに平行（Ｙ軸に平行）であり、光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス３２の第１方向ＬＤ１に相当する。

導光部材２１は、平面視において台形のプリズム状部材であり、側面として、第１反射面２１ａと、第２反射面２１ｂと、第３反射面２１ｃと、第４反射面２１ｄとを有している。また、導光部材２１は、第１反射面２１ａ、第２反射面２１ｂ、第３反射面２１ｃ、および第４反射面２１ｄに隣接するとともに、互いに対向する上面２１ｅと下面２１ｆとを有している。ここで、第１反射面２１ａおとび第２反射面２１ｂは、ＸＹ面に沿って延び、導光部材２１の厚みｔだけ離間する。また、第３反射面２１ｃは、ＸＹ面に対して４５°以下の鋭角αで傾斜しており、第４反射面２１ｄは、ＸＹ面に対して例えば４５°以下の鋭角βで傾斜している。第３反射面２１ｃを通る第１光軸ＡＸ１と第４反射面２１ｄを通る第２光軸ＡＸ２とは平行に配置され距離ＸＤだけ離間している。

導光部材２１は、一体形成品であるが、機能的に、光入射部ＬＢ１と導光部ＬＢ２と光出射部ＬＢ３とに分けて考えることができる。光入射部ＬＢ１は、三角プリズム状の部分であり、第１反射面２１ａの一部である光入射面ＩＳと、光入射面ＩＳに対向する第３反射面２１ｃとを有している。光入射面ＩＳは、画像光出射装置１５からの画像光ＧＬを取り込むための裏側または観察者側の平面であり、投射光学系１２に対向してその第１光軸ＡＸ１に垂直に延びている。第３反射面２１ｃは、光入射面ＩＳを通過した画像光ＧＬを反射して導光部ＬＢ２内に導くための矩形の全反射ミラーであり、ミラー層２５を有している。このミラー層２５は、全反射のコーティングであり、導光部材２１の斜面ＲＳ上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第３反射面２１ｃは、投射光学系１２の第１光軸ＡＸ１又はＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜しており、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｚ方向に向かう画像光ＧＬを、全体として−Ｚ方向寄りの−Ｘ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光ＧＬを導光部ＬＢ２内に確実に結合させる。

導光部ＬＢ２は、互いに対向しＸＹ面に平行に延びる２平面として、光入射部ＬＢ１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１反射面２１ａと第２反射面２１ｂとを有している。第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂの間隔（導光部材２１の厚みｔ）は、例えば９ｍｍ程度とされている。ここでは、第１反射面２１ａが、画像光出射装置１５に近い裏側または観察者側にあるものとし、第２反射面２１ｂが画像光出射装置１５から遠い表側または外界側にあるものとする。この場合、第１反射面２１ａは、光入射面ＩＳや後述する光出射面ＯＳと共通の面部分となっている。第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂは、屈折率差を利用する全反射面であり、ミラー層等の反射コートが施されていない。

光入射部ＬＢ１の第３反射面２１ｃで反射された画像光ＧＬは、まず、第１反射面２１ａに入射し、全反射される。次に、画像光ＧＬは、第２反射面２１ｂに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光装置２０の奥側、すなわち光出射部ＬＢ３を設けた−Ｘ側に導かれる。なお、第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂには反射コートが施されていないため、外界側から第２反射面２１ｂに入射する外界光または外光は、高い透過率で導光部ＬＢ２を通過する。つまり、導光部ＬＢ２は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。

光出射部ＬＢ３は、三角プリズム状の部分であり、第１反射面２１ａの一部である光出射面ＯＳと、光出射面ＯＳに対向する第４反射面２１ｄとを有している。光出射面ＯＳは、画像光ＧＬを観察者の眼ＥＹに向けて出射するための表側の平面であり、光入射面ＩＳと同様に第１反射面２１ａの一部となっており、第２光軸ＡＸ２に垂直に延びている。光出射部ＬＢ３を通る第２光軸ＡＸ２と光入射部ＬＢ１を通る第１光軸ＡＸ１との距離ＸＤは、観察者の頭部の幅等を考慮して例えば５０ｍｍに設定されている。第４反射面２１ｄは、第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂを経て入射してきた画像光ＧＬを反射して光出射部ＬＢ３外に出射させるための矩形の平坦面である。第４反射面２１ｄに付随して、ハーフミラー層３が設けられている。このハーフミラー層３は、光透過性を有している反射膜であり、導光部材２１の斜面ＰＳ上に金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。

第４反射面２１ｄは、第１反射面２１ａに垂直な第２光軸ＡＸ２またはＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜しており、ハーフミラー層３により、導光部ＬＢ２の第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂを経て入射してきた画像光ＧＬを部分的に反射して全体として−Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、光出射面ＯＳを通過させる。なお、第４反射面２１ｄを透過した画像光ＧＬは、光透過部材２３に入射し、映像の形成には利用されない。

光透過部材２３は、導光部材２１の本体と同一の屈折率を有し、第１面２３ａと、第２面２３ｂと、第３面２３ｃとを有している。第１面２３ａおよび第２面２３ｂは、ＸＹ面に沿って延びる。また、第３面２３ｃは、ＸＹ面に対して傾斜しており、導光部材２１の第４反射面２１ｄに対向して平行に配置されている。つまり、光透過部材２３は、第２面２３ｂと第３面２３ｃとに挟まれた楔状の部分を有している部材となっている。

光透過部材２３において、第１面２３ａは、導光部材２１に設けた第１反射面２１ａの延長平面上に配置され、観察者の眼ＥＹに近い裏側にあり、第２面２３ｂは、導光部材２１に設けた第２反射面２１ｂの延長平面上に配置され、観察者の眼ＥＹから遠い表側にある。第３面２３ｃは、接着剤によって導光部材２１の第４反射面２１ｄに接合される矩形の透過面である。第１面２３ａと第３面２３ｃとなす角度は、導光部材２１の第２反射面２１ｂと第４反射面２１ｄとのなす角度εと等しくなっており、第２面２３ｂと第３面２３ｃとなす角度は、導光部材２１の第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとのなす角度βと等しくなっている。

光透過部材２３と導光部材２１とは、両者の接合部分およびその近傍において、透視部ＬＢ４を構成している。すなわち、第１面２３ａおよび第２面２３ｂには、ミラー層等の反射コートが施されていないため、導光部材２１の導光部ＬＢ２と同様に外界光ＰＬを高い透過率で透過させる。第３面２３ｃも、外界光ＰＬを高い透過率で透過可能であるが、導光部材２１の第４反射面２１ｄがハーフミラー層３を有していることから、第３面２３ｃを通過する外界光ＰＬは減光される。つまり、観察者は、減光された画像光ＧＬと減光された外界光ＰＬとを重畳させたものを観察することになる。

なお、画像形成装置１１としては、光源からの光をＭＥＭＳ等のミラーで反射させて画像を形成させる反射型の空間光変調装置を用いてもよい。

１・・第１透光性部材、１ａ・・第１面、２・・第２透光性部材、２ａ・・第２面、３・・ハーフミラー層、３ａ・・第１誘電体多層膜、３ｂ・・第２誘電体多層膜、４・・接着剤層、１０・・光学素子、１５・・画像光出射装置、２０・・導光装置（光学素子）、２１・・導光部材（第１透光性部材）、２３・・光透過部材（第２透光性部材）、１００・・表示装置、ＬＢ１・・光入射部、ＬＢ３・・光出射部

Claims

樹脂材料を含む第１透光性部材と、
前記第１透光性部材の少なくとも１つの面に形成されたハーフミラー層と、
を有し、
前記ハーフミラー層は、
銀層と、
前記銀層と前記第１透光性部材との間に位置する第１誘電体多層膜と、
前記銀層に対して前記第１透光性部材とは反対側に位置する第２誘電体多層膜と、
を含み、
前記第１誘電体多層膜は、
前記銀層に接する第１酸化アルミニウム層と、
前記第１酸化アルミニウム層に前記第１透光性部材側で接する酸化チタン層と、
を含み、
前記第２誘電体多層膜は、
酸化ジルコニウムを含む酸化ジルコニウム系誘電体層と、
前記酸化ジルコニウム系誘電体層に接する第２酸化アルミニウム層と、
を含み、
前記第２誘電体多層膜では、前記酸化ジルコニウム系誘電体層が前記銀層に接していることを特徴とする光学素子。
請求項１に記載の光学素子において、
前記酸化ジルコニウム系誘電体層は、酸化ジルコニウムと酸化チタンとの混合膜であることを特徴とする光学素子。
請求項１または２の何れか一項に記載の光学素子において、
前記第１誘電体多層膜は、前記酸化チタン層に対して前記第１酸化アルミニウム層とは反対側で接する第３酸化アルミニウム層を含むことを特徴とする光学素子。
請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学素子において、
前記第１酸化アルミニウム層は、前記銀層よりも膜厚が薄いことを特徴とする光学素子。
請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学素子において、
前記ハーフミラー層に対して前記第１透光性部材とは反対側に位置する第２透光性部材を有し、
前記第２透光性部材は、前記第１透光性部材と同一の屈折率であることを特徴とする光学素子。
請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学素子を備えた表示装置であって、
画像光を出射する画像光出射装置を備え、
前記光学素子は、前記画像光出射装置からの前記画像光が入射する光入射部と、前記光入射部から入射した前記画像光のうち少なくとも一部が前記ハーフミラー層で反射して出射される光出射部と、を備えていることを特徴とする表示装置。