JP7331274B2 - 導光体及び映像表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、導光体及び映像表示装置に関する。

近年、次世代の映像表示装置として、ヘッドマウントディスプレイなどの頭部装着型の身に着けることが可能な「ウェラブルディスプレイ」の開発が活発である。

ヘッドマウントディスプレイは、映像光生成部から出力された映像を着用者の目まで導く導光体を備えた光学系を有している。導光体は、部分反射面を用いた反射タイプ、体積ホログラムタイプ、及び回折素子タイプに大別される。例えば、国際公開第２０１９／０８７５７６号及び特開２０２０－１１８８４０号公報には、反射タイプの導光体が開示されている。国際公開第２０１９／０８７５７６号、特開２０２０－１１８８４０号公報、及び、特開２０１９－２１９６８４号公報に記載の導光体は、映像光を全反射させながら伝播する導光体であって、映像光の一部を反射して外部に出力させると共に、一部を透過させる複数の部分反射面が、導光体内部の映像光の伝播方向に沿って、互いに略平行に配置された構成を有する。

本開示の技術は、コントラストの高い映像を表示可能な導光体及び映像表示装置を提供することを目的とする。

本開示の導光体は、第１反射面と第２反射面とを有し、入射した映像光を第１反射面と第２反射面とで全反射させながら伝播させる基体と、
第１面と第１面の裏側の第２面とを有し、かつ、誘電体多層膜を含んで構成された複数のハーフミラーと、を備え、
複数のハーフミラーは、基体内において第１反射面及び第２反射面に対して傾斜して互いに離隔して配置され、
基体及び複数のハーフミラーは、基体に入射した映像光が複数のハーフミラーの少なくとも１つのハーフミラーの第１面及び第２面にそれぞれ１回以上入射するように構成され、
誘電体多層膜の第１面側及び第２面側の２つの最外層の屈折率は、基体の屈折率をｎとした場合に、０．９０ｎ～１．１５ｎである。

本開示の導光体においては、誘電体多層膜の最外層の屈折率が、０．９５ｎ～１．１０ｎであることが好ましく、１．００ｎ～１．０５ｎであることがより好ましい。

本開示の導光体においては、誘電体多層膜の最外層の膜厚をｄ［ｎｍ］とし、屈折率をｎ１とし、Δｎ＝｛（ｎ－ｎ１）／ｎ｝×１００［％］とした場合、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－３００～＋３００の範囲であることが好ましい。

本開示の導光体においては、第１反射面及び第２反射面に対するハーフミラーの傾斜角は、基体内に入射した映像光が第１面に５°～３５°の入射角で入射した場合に、入射した映像光のうちハーフミラーを透過した透過光が、第１反射面又は第２反射面で反射した後、第２面から再入射可能な角度であることが好ましい。

本開示の導光体においては、ハーフミラーの傾斜角は、透過光が第２面から再入射する際の入射角が５５°～８５°の範囲となる角度であることが好ましい。

本開示の導光体においては、誘電体多層膜は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率層と、相対的に高い屈折率を有する高屈折率層とが交互に積層されていることが好ましい。

本開示の導光体においては、誘電体多層膜の２つの最外層のうちの少なくとも一方と基体とは、オプティカルコンタクトによって接合されていることが好ましい。

本開示の導光体においては、誘電体多層膜の２つの最外層と基体とが直接接触していることが好ましい。

本開示の導光体においては、ハーフミラーと基体との間に接着剤は存在しないことが好ましい。

本開示の導光体においては、誘電体多層膜の各層は、シリコン、酸素及び窒素を含有するものとすることができる。

本開示の導光体においては、誘電体多層膜の各層は、シリコン、ニオブ、タンタル、アルミニウム、チタン、タングステン及びクロムの少なくとも１種を含む金属酸化物層とすることができる。

本開示の導光体においては、基体の屈折率が１．５以上であることが好ましい。

本開示の導光体においては、基体が、第１反射面と第２反射面とが平行な平行平板であることが好ましい。

本開示の導光体においては、複数のハーフミラーは、互いに平行に、映像光が伝播する方向に配列されていることが好ましい。

本開示の導光体においては、ハーフミラーは、入射角５°～３５°で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が２％～４％であり、入射角５５°～８５°で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が１０％以下であることが好ましい。

本開示の他の態様の導光体は、第１反射面と第２反射面とを有し、入射した映像光を第１反射面と第２反射面とで全反射させながら伝播させる基体と、
第１面と第１面の裏側の第２面とを有し、かつ、誘電体多層膜を含んで構成された複数のハーフミラーと、を備え、
複数のハーフミラーは、基体内において第１反射面及び第２反射面に対して傾斜して互いに離隔して配置され、
基体及び複数のハーフミラーは、基体に入射した映像光が複数のハーフミラーの少なくとも１つのハーフミラーの第１面及び第２面にそれぞれ１回以上入射するように構成され、
ハーフミラーは、入射角５°～３５°で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が２％～４％であり、入射角５５°～８５°で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が１０％以下である。

本開示の映像表示装置は、映像光を生成する映像光生成部と、入射された映像光を伝播する、本開示の導光体と、映像光生成部が生成した映像光を導光体内に入射させる光結合部材と、を備えている。

本開示の導光体及び映像表示装置によれば、コントラストの高い映像を得ることができる。

本開示の一実施形態の導光体１２を備えた映像表示装置の一実施形態であるＨＭＤの使用状態を示す外観図である。 ＨＭＤ１０を装着したユーザ５を頭部上方から見た図である。 導光体１２を拡大して示す図である。 基体２０中に備えられた１つのハーフミラー３０の構成を模式的に示す図である。 導光体１２中における映像光の光路を説明するための模式図である。 光結合角θ０と入射角θ１との関係を示す図である。 入射角θ１と入射角θ２との関係を示す図である。 波長５４０ｎｍの光に対する酸窒化膜の屈折率の窒素/酸素流量比依存性を示す図である。 誘電体多層膜の形成工程を示す模式図である。 基板の接合工程を示す模式図である。 基板の接合工程を示す模式図である。 図１２Ａは、複数の基板が接合されてなる接合体から導光体を切り出す工程を示す。図１２Ｂは接合体から切り出した導光体を矢印１２Ｂから見た図である。 図１３Ａは、設計例１のハーフミラーについて、波長５４０ｎｍの光についての反射率の入射角依存性を示す図である。図１３Ｂは、設計例１のハーフミラーについて、入射角２５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。図１３Ｃは、設計例１のハーフミラーについて、入射角７５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。 図１４Ａは、設計例２のハーフミラーについての波長５４０ｎｍの光についての反射率の入射角依存性を示す図である。図１４Ｂは、設計例２のハーフミラーの入射角２５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。図１４Ｃは、設計例２のハーフミラーの入射角７５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。 図１５Ａは、設計例３のハーフミラーについての波長５４０ｎｍの光についての反射率の入射角依存性を示す図である。図１５Ｂは、設計例３のハーフミラーの入射角２５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。図１５Ｃは、設計例３のハーフミラーの入射角７５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。 図１６Ａは、設計例１のハーフミラーの入射角７５°に対する反射率のΔｎ依存性を示す。図１６Ｂは設計例１のハーフミラーの入射角７５°で入射した光に対する反射率のΔｎ・ｄ依存性を示す。 図１７Ａは、設計例２のハーフミラーの入射角７５°に対する反射率のΔｎ依存性を示す。図１７Ｂは設計例２のハーフミラーの入射角７５°で入射した光に対する反射率のΔｎ・ｄ依存性を示す。 図１８Ａは、設計例３のハーフミラーの入射角７５°に対する反射率のΔｎ依存性を示す。図１８Ｂは設計例３のハーフミラーの入射角７５°で入射した光に対する反射率のΔｎ・ｄ依存性を示す。 図１９Ａは、参考例１のハーフミラーの入射角２５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。図１９Ｂは、参考例１のハーフミラーの入射角７５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。 図２０Ａは、参考例２のハーフミラーの入射角２５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。図２０Ｂは、参考例２のハーフミラーの入射角７５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。 図２１Ａは、参考例３のハーフミラーの入射角２５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。図２１Ｂは、参考例３のハーフミラーの入射角７５°に対する反射率の波長依存性を示す図である。 強度試験用のサンプル片を説明するための図である。 強度試験の概要を説明するための模式図である。

以下、本開示の実施の形態を、図面を参照して説明する。

本明細書において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。

「映像表示装置」
図１は、本開示の映像表示装置の一実施形態であるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）１０の外観を示す。ＨＭＤ１０は、本開示の導光体の一実施形態を備える。ＨＭＤ１０は、例えば、ユーザ５の頭部に装着して使用される。図２は、ＨＭＤ１０を装着したユーザ５を頭部上方から見た図である。図３は導光体１２を拡大して示す図である。

ＨＭＤ１０は、映像光生成部１１、導光体１２及び光結合部材１３を備える。

映像光生成部１１は、映像光を生成して、光結合部材１３に向けて出射する。映像光生成部１１は、例えば、光源部と、映像光を生成する映像光生成素子と、映像光を投射するための投射光学部を備える。

光源部は、例えば、赤、緑及び青それぞれのＬＥＤ（light emitting diode)又はＬＤ（laser diode)を含む光源と、光源からの光を映像光生成素子に照射するためのレンズとを備える。

映像光生成素子は、映像信号に基づいて映像を表示する表示素子を備えており、光源部から入射された光を表示素子によって変調して映像光を生成する。表示素子としては、例えば、液晶パネル又はデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）等が用いられる。

投射光学部は、１枚又は複数のレンズからなる投射レンズを備えており、映像光生成素子で生成された映像光を光結合部材１３に投射する。

導光体１２は、装着時にユーザ５の眼６の正面に位置し、映像光生成部１１により生成された映像光が入射され、その入射された映像光を伝播し、映像光をユーザ５に向けて出射することにより、ユーザ５に映像を視認させる。ユーザ５に視認させる映像は、静止画像であっても動画像であってもよい。図３に示すように、導光体１２は基体２０と、基体２０内に配置された複数のハーフミラー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄとを備える。基体２０は第１反射面２１と第２反射面２２とを有し、映像光Ｌ０は第１反射面２１と第２反射面２２とで全反射を繰り返して基体２０内を伝播する。ハーフミラー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、入射した光の一部を反射し、他を透過する。一例として、ハーフミラー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの反射率は２～１０％程度である。映像光Ｌ０は基体２０中に配置されている複数のハーフミラー３０の個々において、一部が反射されて基体２０から出射光Ｌ１として出射し、ユーザ５に映像を視認させる。
なお、本明細書において、反射率はｐ偏光に対する反射率とｓ偏光に対する反射率との平均値で示している。

光結合部材１３は、映像光生成部１１が生成した映像光Ｌ０を導光体１２内に入射させる。光結合部材１３は、本例においては光結合プリズムである。本実施形態において、光結合部材１３は、その一面が導光体１２の第１反射面２１に接触して配置されている。光結合部材１３は、映像光Ｌ０が第１反射面２１及び第２反射面２２に全反射する角度で入射して導光体１２内を伝播するように導光体１２に映像光Ｌ０を導入する。また、光結合部材１３は、ハーフミラー３０ａの第１面３１ａに対して所望の入射角θ１で入射するように導光体１２に対して映像光Ｌ０を導入する。光結合部材１３は、導光体１２中のハーフミラー３０ａの第１面３１ａへの映像光Ｌ０の入射角θ１が、例えば、５°～３５°となるように導光体１２に映像光Ｌ０を導入する。なお、ここで入射角とは、光が入射する面の法線と光線とのなす角度である。

「導光体」
以下、導光体１２の詳細について説明する。

導光体１２は、本開示の導光体の一実施形態である。既述の通り、導光体１２は基体２０と複数のハーフミラー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄとを備える。基体２０は、第１反射面２１と第２反射面２２とを有し、入射した映像光Ｌ０を第１反射面２１と第２反射面２２とで全反射させながら伝播させる。基体２０は、本実施形態においては、第１反射面２１と第２反射面２２とが平行な平行平板である。ここで、平行平板であるとは、映像光Ｌ０を反射させて伝播する第１反射面２１と第２反射面２２とが互いに平行に配置された板状部材であることを意味する。もちろん、平行平板の外周面の一部において、光の伝播に影響を与えない領域に、凹凸を備えていたり、第１反射面２１と第２反射面２２とが非平行な部分を有しているものも、本開示の技術に係る「平行平板」に含まれる。平行平板を用いることで、光路設計が容易となる。なお、基体２０は、映像光Ｌ０が第１反射面２１と第２反射面２２との間で全反射を繰り返し伝播させ、かつ、ハーフミラー３０で反射された出射光Ｌ１により映像が視認可能であれば、第１反射面２１と第２反射面２２とは必ずしも平行でなくてもよい。

基体２０は透明部材であれば特に制限されない。基体２０は、屈折率ｎが１．５以上であることが好ましく、１．７以上がさらに好ましく、１．８以上が特に好ましい。屈折率が高いほど導光体から外部への光漏れを低減することができ、良好な映像を得ることが可能となる。

複数のハーフミラー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、本実施形態においては、互いに平行に、映像光が伝播する方向に配列されている。ハーフミラー３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、それぞれ第１面３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄと第１面３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの裏側の第２面３２ａとを有する。なお、以下において複数のハーフミラーの個々を区別しない場合には、ａ、ｂ、ｃ、及びｄなどの符号に付す添字を省略し、単にハーフミラー３０、第１面３１、及び第２面３２とする。

複数のハーフミラー３０は、基体２０内において第１反射面２１及び第２反射面２２に対して傾斜して互いに離隔して配置されている。このハーフミラー３０の第１反射面２１及び第２反射面２２に対する傾斜角αを、ハーフミラー３０の傾斜角αという。

図３に示すように、基体２０に入射した映像光Ｌ０は、基体２０の第１反射面２１及び第２反射面２２で全反射を繰り返し、第１反射面２１及び第２反射面２２に平行な方向Ａに伝播される。この際、映像光Ｌ０は、基体２０中に備えられた複数のハーフミラー３０を１回もしくは複数回透過しつつ伝播する。ハーフミラー３０の第１面３１に入射する際、映像光Ｌ０の一部がハーフミラー３０で反射されて出射光Ｌ１として出射する。

基体２０及び複数のハーフミラー３０は、基体２０に入射した映像光Ｌ０が複数のハーフミラー３０のうちの少なくとも１つのハーフミラー３０の第１面３１及び第２面３２にそれぞれ１回以上入射するように構成されている。例えば、図３に示すように、光結合部材１３を介して基体２０の第１反射面２１に光結合角θ０で入射した映像光Ｌ０は、ハーフミラー３０ａの第１面３１ａに入射する。この際、映像光Ｌ０の一部はハーフミラー３０ａで反射されて出射光Ｌ１として基体２０から出射される。反射せずハーフミラー３０ａを透過した映像光Ｌ０は、第２反射面２２の点２２ａに入射する。第２反射面２２に入射した映像光Ｌ０は全反射され、ハーフミラー３０ａの第２面３２ａに入射角θ２で入射する。ハーフミラー３０ａに第２面３２ａから入射し、ハーフミラー３０ａを透過した映像光Ｌ０は第１反射面２１の点２１ａに入射し、全反射する。この第１反射面２１で反射した映像光Ｌ０は、ハーフミラー３０ａの第１面３１に再度入射し、その一部は出射光Ｌ１として基体２０から出射される。このように、図３に示す例では、基体２０に入射した映像光Ｌ０は、ハーフミラー３０ａの第１面３１に２回、第２面３２に１回入射する。

図４は、基体２０中に備えられた１つのハーフミラー３０の構成を模式的に示す図である。ハーフミラー３０は、図４に示すように、複数の誘電体層４１～４７が積層されてなる誘電体多層膜４０を含む。本実施形態ではハーフミラー３０は誘電体多層膜４０からなる。図４では誘電体多層膜４０は７層の誘電体層４１～４７を備えているが、ハーフミラー３０として機能すれば、誘電体層の層数は限定されない。

誘電体多層膜４０は、複数の異なる屈折率を有する誘電体層が積層されて構成される。誘電体多層膜４０を構成する複数の誘電体層のうちの２つの最外層４１、４７の屈折率は、基体２０の屈折率をｎとした場合に、０．９０ｎ～１．１５ｎである。最外層４１、４７の屈折率は、０．９５ｎ～１．１０ｎであることが好ましく、１．００ｎ～１．０５ｎであることがより好ましい。なお、誘電体多層膜４０における最外層とは、入射される映像光が感じる層のうちの最外層を意味する。ここで、映像光が感じる層とは、概念的には、映像光に対して屈折などの影響を与える層を意味し、具体的には、誘電体膜の屈折率ｎと誘電体膜の物理膜厚ｄとの積で示される光路長ｎ・ｄが１０ｎｍ超である層をいう。したがって、誘電体多層膜４０と基体２０との間にｎ・ｄが１０ｎｍ以下の層が配置されていたとしても、このような層は誘電体多層膜４０の最外層には相当しない。

既述の通り、本実施形態の導光体１２は、基体２０及び複数のハーフミラー３０が、基体２０に入射した映像光Ｌ０が複数のハーフミラー３０のうちの少なくとも１つのハーフミラー３０の第１面３１及び第２面３２にそれぞれ１回以上入射するように構成されている。そのため、図５に示すように、ハーフミラー３０ａの第１面３１ａから入射して透過した映像光Ｌ０は、第２反射面２２で反射されて、第２面３２ａから再度ハーフミラー３０ａに入射する。この際、第２面３２ａから入射したハーフミラー３０ａで反射した光は迷光ＬＭとなり、その一部は制御できない不要な光ＬＭ１として外部に出射されてしまう。

ハーフミラー３０ａの第２面３２ａから入射して反射される迷光ＬＭの光量が大きいと、後段に配置されるハーフミラー３０ｂに伝播する映像光Ｌ０及びハーフミラー３０ｂの第１面３１ｂで反射して出射光Ｌ１として出射される光量が大きく減る。これが繰り返され、より後段に配置されるハーフミラーにおける出射光Ｌ１は光量低下が顕著になる。出射光Ｌ１の光量が低減すると視認される映像が暗くなる。また、迷光ＬＭの一部が、角度制御されずに基体２０から出射されることにより、像がぼやけたり、二重に見えたりすることがある。このように、映像光Ｌ０がハーフミラー３０の第２面３２で反射する反射光量が大きいと映像のコントラストが低下するという問題が生じる。これは、映像光Ｌ０が１つのハーフミラー３０に複数回、すなわち、第１面３１と第２面３２とのそれぞれに少なくとも１回以上入射するように構成された導光体１２において特有の問題である。

導光体１２に備えられるハーフミラー３０は、反射光が出射光Ｌ１として外部に出射される第１面３１への映像光Ｌ０の入射角θ１で入射した場合に、所望の反射率となるように設計されている。この際、従来は、ハーフミラー３０に対して映像光Ｌ０は１回のみ入射する構成が一般的であるために、第２面３２への映像光Ｌ０の入射角θ２の反射率は考慮されていなかった。

これに対し、本発明者らは、ハーフミラー３０の誘電体多層膜４０を構成する複数の誘電体層のうちの２つの最外層４１、４７の屈折率を、基体２０の屈折率をｎとした場合に、０．９０ｎ～１．１５ｎとすることで、ハーフミラー３０の第２面３２への映像光Ｌ０の入射時の反射率を効果的に抑制することができることを見出した（後記設計例参照）。

本実施形態の導光体１２は、ハーフミラー３０を構成する誘電体多層膜４０の第１面３１側の最外層４１及び第２面３２側の最外層４７の屈折率が０．９０ｎ～１．１５ｎであるので、ハーフミラー３０の第２面３２での反射率を抑制することができる。ハーフミラー３０の第２面３２への入射に対する反射率を抑制することができるので、映像光Ｌ０の光量低下及び迷光の発生を抑制することができ、コントラストの高い映像を得ることができる。

なお、ハーフミラー３０の第１面３１への入射角θ１は５°～３５°とすることが好ましい。また、ハーフミラー３０の第２面３２への入射角θ２は５５°～８５°とすることが好ましい（後記検証例参照）。

映像光Ｌ０のハーフミラー３０の第１面３２に入射する入射角θ１は、映像光Ｌ０の導光体への入射角である光結合角θ０によって、変化する。例えば、ハーフミラー３０の傾斜角α＝２５°である場合、光結合角θ０と入射角θ１との関係は、図６に示す通りである。そして、第１面３１に入射角θ１で入射した後、第２反射面２１で全反射して第２面３２に入射する映像光Ｌ０の入射角θ２と、入射角θ１との関係は、図７に示す通りである。

すなわち、図６及び図７に示す例では、光結合角θ０が５０°である場合、入射角θ１は２５°、入射角θ２は７５°となる。また、光結合角θ０が４０°である場合、入射角θ１は１５°、入射角θ２は６５°となる。なお、光結合角θ０と、入射角θ１及び入射角θ２との関係はハーフミラー３０の傾斜角αによって変化する。

実際の系においては、入射角θ１及び入射角θ２が所望の値となるようにハーフミラーの傾斜角α及び光結合角θ０が選択される。傾斜角αは、例えば、５°～３５°である。図７に示す例のように、映像光Ｌ０のハーフミラー３０の第１面３１への入射角θ１と、第２面３２の入射角θ２は大きく異なるのが一般的である。また、一般に、誘電体多層膜４０からなるハーフミラー３０の光に対する反射率には、入射角依存性がある。既述の通り、従来は入射角θ１での反射率のみが考慮されていたため、入射角θ２での反射率が大きくなり、視認される映像のコントラストの低下が生じていた。入射角θ１での反射率を所望の値とし、かつ、入射角θ２での反射率を十分に抑制するための、より具体的なハーフミラー３０の構成について、以下に説明する。

ハーフミラー３０をなす誘電体多層膜４０は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率層と、相対的に高い屈折率を有する高屈折率層とが交互に積層されてなることが好ましい。各層の屈折率はそれぞれ異なっていてもよいが、同じ屈折率を有する低屈折率層、同じ屈折率を有する高屈折率層を交互に積層してもよい。また、例えば、誘電体多層膜４０は、基体２０よりも低い屈折率を有する低屈折率層４２、４４、４６と、基体２０よりも高い屈折率を有する高屈折率層４３、４５とが交互に積層された中間領域４８と、基体２０の屈折率ｎに対して０．９０ｎ～１．１５ｎの屈折率を有する最外層４１、４７とを備えた構成でもよい。低屈折率層と高屈折率層とを交互に備えることにより、所望の入射角依存性の反射率を有するハーフミラーの設計及び作製が容易である。

誘電体多層膜４０の各層４１～４７は、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）及び窒素（Ｎ）を含有することができる。各層４１～４７は酸窒化シリコン膜とする場合、Ｓｉ：Ｏ：Ｎの含有比率を変化させることで、所望の屈折率とすることができる。

また、誘電体多層膜４０の各層４１～４７は、シリコン、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）及びクロム（Ｃｒ）の少なくとも１種を含む金属酸化物層であってもよい。所望の屈折率に応じて１種もしくは２種以上の金属を含む金属酸化物を適宜用いることができる。

誘電体多層膜４０の最外層４１、４７の膜厚をｄとし、屈折率をｎ１とし、基体２０の屈折率ｎと屈折率ｎ１との差の１００分率をΔｎ＝｛（ｎ－ｎ１）／ｎ｝×１００［％］とした場合、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－３００～＋３００の範囲であることが好ましい。Δｎ・ｄは－２００～＋２００の範囲であることがより好ましい。Δｎ・ｄは－１５０～１５０の範囲であることが更に好ましく、－１００～＋１００の範囲であることが特に好ましい。Δｎ・ｄが－３００～＋３００の範囲であれば、ハーフミラー３０の第２面３２への映像光Ｌ０の反射率を効果的に抑制することができる。

図４に示すように、誘電体多層膜４０の２つの最外層４１、４７は、それぞれ基体２０と直接接触するように配置されることが好ましい。すなわち、誘電体多層膜４０と基体２０との間には接着剤が存在しないことが好ましい。誘電体多層膜４０の２つの最外層４１、４７のうちの少なくとも一方と基体２０とは、オプティカルコンタクトによって接合されていることが好ましい。ここで、オプティカルコンタクトによって接合されているとは、接着剤を用いずに接合された状態をいう。誘電体多層膜４０の２つの最外層４１、４７のうちの少なくとも一方と基体２０とをオプティカルコンタクトによって接合することで、誘電体多層膜４０の２つの最外層４１、４７と基体２０との間に接着剤が存在せず、２つの最外層４１、４７は、それぞれ基体２０と直接接触させることができる。

導光体の製造方法の詳細については後述するが、光学部材の接合には、一般的に光学接着剤が用いられる。しかし、汎用の光学接着剤の屈折率は１．５であり、基体２０の屈折率ｎが１．７以上などになると、基体の屈折率との差が大きくなりすぎて、誘電体多層膜の設計が成り立たなくなることがある。また接着剤を用いて接合すると、面の平行度が目標値を超えてしまう確率が増加し、生産性が低下する。オプティカルコンタクトによる接合を行えば、このような接着剤を用いて接合する際に生じる問題を解決できる。

ハーフミラー３０は、第１面３１への入射角θ１で入射する映像光Ｌ０に対する反射率としては、１％～４％が好ましく、２％～４％がより好ましい。また、ハーフミラー３０は、第２面３２への入射角θ２で入射する映像光Ｌ０に対する反射率としては１０％以下が好ましく、４％以下がより好ましく、３％以下がさらに好ましく、１％以下が特に好ましい。第１面３１への映像光Ｌ０の入射に対しては、少なくとも一部を反射して外部に出射させる必要があるため、一定程度反射する必要があるが、第２面３２への入射に対しては、映像光Ｌ０の低下の抑制、及び、迷光ＬＭの抑制の観点から反射率が小さいほど好ましい。

第２面３２への入射角θ２での映像光Ｌ０に対する反射率を１０％以下とすることにより、迷光ＬＭの発生を効果的に抑制し、コントラストの高い映像を安定して得ることができる。

なお、上記構成を実現するために、導光体１２におけるハーフミラー３０は、入射角５°～３５°で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が２％～４％であり、入射角５５°～８５°で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が１０％以下であることが好ましい。映像光は可視光であり波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光を含み、本明細書において、映像光に対する反射率とは、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率を意味する。

既述の通り、ハーフミラー３０は、導光体１２内を、第１反射面２１及び第２反射面２２で全反射を繰り返して伝播する映像光が、ハーフミラー３０の第１面３１に入射した後、第２面３２から再度入射する傾斜角αで配置されている。ここで、導光体１２に入射される映像光が、第１面３１に、入射角θ１＝５°～３５°で入射し、その後、第２面３２に、入射角θ２＝５５°～８５°で入射するように設定されていることが好ましい。そして、導光体１２におけるハーフミラー３０が、入射角５°～３５°で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が２％～４％であり、入射角５５°～８５°で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が１０％以下であれば、第２面３２での反射光を効果的に抑制することができるので、迷光を抑制し、コントラストのより高い映像を得ることができる。多層膜から構成されるハーフミラーは、同一の入射角であっても、波長によって反射率が変化する。また、同一の波長であっても入射角が変化すると反射率が変化する。本明細書における「平均反射率」は、特定の入射角における、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する反射率の平均値を意味する。なお、第２面での反射光の平均反射率が４％以下であれば、さらに高いコントラストの映像を得ることができる。

「導光体の作製方法」
導光体１２の製造方法の一例を以下に説明する。

導光体１２は、複数の基板への誘電体多層膜の形成工程（図９参照）、誘電体多層膜が形成された基板の接合工程（図１０、１１参照）、及び、複数の基板が接合された接合体からの切り出し工程（図１２参照）を経て作製される。

各工程の詳細は以下の通りである。

－誘電体多層膜の形成工程－
複数の板状の透明な基板１２０を用意し、図９に示すように、各基板１２０の一面１２１に誘電体層４１～４７を順次成膜して誘電体多層膜４０を形成する。誘電体層４１～４７の形成方法は、特に限定されないがスパッタリング及びプラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition)法などのプラズマ中で成膜する手法が好適である。

誘電体多層膜４０の各層４１～４７がシリコン、酸素及び窒素からなる酸窒化シリコンからなる場合、例えば、ターゲットを用い、アルゴン（Ａｒ）ガス、酸素ガス、窒素ガスをチャンバ内に導入したスパッタリング法にて各層を成膜することができる。酸素と窒素の流量比を変えることで、膜中のＳｉ：Ｏ：Ｎ比が変化する。そして、Ｓｉ：Ｏ：Ｎ比を変化させることによって、膜の屈折率を変化させることができる。従って、所望の設計屈折率となるように、酸素と窒素の流量比を変化させて誘電体多層膜の各層を成膜すればよい。

図８は、波長５４０ｎｍの光に対する酸窒化膜の屈折率の窒素/酸素流量比依存性を示す。本明細書において、窒素／酸素流量比は窒素（Ｎ_２）ガス＋酸素（Ｏ_２）ガス中の酸素の割合で示している。図８から、窒素/酸素流量比を変えると、膜の屈折率は窒素：酸素＝１：０の時のｎ＝２．０２７から窒素：酸素＝０：１の時のｎ＝１．４５９の範囲で変更可能であることがわかる。図８についてのスパッタ条件は、Ａｒガス流量＝６０ｓｃｃｍ，Ｏ_２＋Ｎ_２ガス流量＝６０ｓｃｃｍ，スパッタリング電力＝７５０Ｗ、ターゲットの直径＝６インチ，基板温度（設定）＝３００℃、スパッタリングガス圧＝０．２Ｐａである。また、膜の屈折率は、Ｊ．Ａ．Ｗｏｏｌｌａｍ社製のエリプソメータＶＡＳＥ（登録商標）を用いて測定したものである。

このように、スパッタ成膜時の窒素：酸素の流量比を変えることにより所望の屈折率を持つ酸窒化シリコン膜を得ることができる。

誘電体多層膜を形成する場合、化学量論比の金属酸化物を用いることが一般的である。そのため、化学量論比の金属酸化物の屈折率を用いて誘電体多層膜を設計する必要がある。しかし、上記のように、Ｓｉ：Ｏ：Ｎ比を変化させることで屈折率を変化させることができるので、酸窒化シリコンを用いれば、任意の屈折率の膜を得ることができ、誘電体多層膜の設計の自由度が高い。

また、誘電体多層膜４０の各層４１～４７が、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ及びＣｒの少なくとも１種を含む金属酸化物層である場合も、同様にスパッタリング法を用いることができる。２種以上の金属ターゲットを用いた共スパッタにおいて、ターゲット電圧の調整により、屈折率の制御することができる。また、映像光の波長λの１／１００以下の厚さでいずれかの金属を含む膜を交互に堆積させて形成する手法（例えば、特許第５５４９３４２号公報参照）を用いて各層４１～４７の屈折率を制御してもよい。

－接合工程－
それぞれ誘電体多層膜４０が形成された複数の基板１２０の接合にはオプティカルコンタクト法が好適である。

図１０に示すように、それぞれ誘電体多層膜４０を備えた複数の基板１２０の一面に設けられている誘電体多層膜４０の最表面４０Ａ、及び基板１２０の他面であって誘電体多層膜４０が形成されていない面１２２（以下において、総称して接合面４０Ａ、１２２という。）に対し、真空中でイオンビーム５１を照射する。イオンビーム５１の照射にはイオンビーム照射装置５０を用いる。具体的には、真空チャンバ内にて接合面にイオンビーム５１としてアルゴンイオンを照射する。このイオンビーム５１の照射により、接合面４０Ａ，１２２に付着している有機物等の汚れを除去すると共に、接合面４０Ａ、１２２を活性化させる。

その後、図１１のＳ１に示すように、１つの基板１２０に設けられた誘電体多層膜４０と、他の基板１２０の誘電体多層膜４０が形成されていない面１２２とを順次向かい合わせ、重ねる。このようにして、図１１のＳ２に示すように、活性化させた接合面同士を接触させる。なお、誘電体多層膜４０を備えていない基板１２０を一番上に重ねることで、各誘電体多層膜４０が基板１２０で挟まれた状態の積層体１２５とする。

その後、図１１のＳ３に示すように、積層体１２５に対して一定の荷重Ｐ、例えば５００ｇ／ｃｍ^２をかけた状態で一定時間、例えば１時間保持して、接合体１２６（図１２参照）を得る。

その後、図１２Ａに示すように、接合体１２６を基板面に対して所定の角度α傾いた、切断面で切断し、基体２０中に複数のハーフミラー３０を備えた導光体１２７を切り出す。図１２Ａにおいて、破線が切断面の一辺を構成する。図１２Ｂは接合体１２６から切り出した導光体１２７を図１２Ｂの接合体１２６の矢印１２Ｂ方向から見た図である。導光体１２７は、第１反射面２１、第２反射面２２に対して、傾斜角度αで傾いて配置されたハーフミラー３０を互いに平行に複数備えた導光体１２に相当する。切断面は、ハーフミラー３０の所望の傾斜角度αに応じて設定される。角度αは、例えば、１０°～３５°程度とすることが好ましい。

以下に、本開示に係る導光体に用いられるハーフミラーを構成する誘電体多層膜の具体的な設計例、及び検証結果を示す。設計例及び検証例において、市販の薄膜計算ソフトを用いて膜厚及び波長依存性をシミュレーションにより求めた。なお、以下において、屈折率は波長５４０ｎｍにおける屈折率である。

「設計例１」
基体として、屈折率ｎ＝１．７９３４のＳＦ１１（Ｓｈｏｔｔ社製）を用いた場合の誘電体多層膜の設計例１を表１に示す。シミュレーションにおいては、入射角２５°での反射率を３±０．５％、かつ、入射角７５°での反射率が最も低くなるように設計し、各層の厚みを最適化した。

設計例１において、最外層となる層１及び層１１の屈折率ｎ１は１．７９５０であり、ｎ１＝１．０００９ｎである。

設計例１の誘電体多層膜について、波長５４０ｎｍの光についての反射率の入射角依存性を図１３Ａに示す。図１３Ａに示すように、入射角８５°以下の範囲で反射率１０％以下を実現し、入射角０°～３８°の範囲で反射率２～４％、入射角６３°～８２°の範囲で反射率４％以下を実現している。

設計例１の誘電体多層膜について、入射角２５°に対する反射率の波長依存性を図１３Ｂ、入射角７５°に対する反射率の波長依存性を図１３Ｃに示す。

図１３Ｂ及び図１３Ｃに示す通り、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する、入射角２５°における平均反射率は２．７４％であり、入射角７５°における平均反射率は０．６９％である。基体２０中に備えられたハーフミラー３０への第１面３１に対する入射角θ１として２５°、第２面３２に対する入射角θ２として７５°を想定した場合、第２面３２への映像光の入射時の反射率が１％以下と非常に小さく、コントラストの高い映像を得ることができる。

「設計例２」
基体として、屈折率ｎ＝１．６６２１のＳ－ＢＳＭ２５（オハラ社製）を用いた場合の誘電体多層膜の設計例２を表２に示す。シミュレーションにおいては、入射角２５°での反射率を３±０．５％、かつ、入射角７５°での反射率が最も低くなるように設計し、各層の厚みを最適化した。

設計例２において、最外層となる層１及び層１１の屈折率ｎ１は１．６６４７であり、ｎ１＝１．００１５ｎである。

設計例２の誘電体多層膜について、波長５４０ｎｍの光についての反射率の入射角依存性を図１４Ａに示す。図１４Ａに示すように、入射角８５°以下の範囲で反射率１０％以下を実現し、入射角０°～３６°の範囲で反射率２～４％、入射角６０°～８３°の範囲で反射率４％以下を実現している。

設計例２の誘電体多層膜について、入射角２５°に対する反射率の波長依存性を図１４Ｂ、入射角７５°に対する反射率の波長依存性を図１４Ｃに示す。

図１４Ｂ及び図１４Ｃに示す通り、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する、入射角２５°における平均反射率は２．９０％であり、入射角７５°における平均反射率は０．９１％である。基体２０中に備えられたハーフミラー３０への第１面３１に対する入射角θ１として２５°、第２面３２に対する入射角θ２として７５°を想定した場合、第２面３２への映像光の入射時の反射率が１％以下と非常に小さく、コントラストの高い映像を得ることができる。

「設計例３」
基体として、屈折率ｎ＝１．５１９１のＢＫ７（Ｓｈｏｔｔ社製）を用いた場合の誘電体多層膜の設計例３を表３に示す。シミュレーションにおいては、入射角２５°での反射率を３±０．５％、かつ、入射角７５°での反射率が最も低くなるように設計し、各層の厚みを最適化した。

設計例３において、最外層となる層１及び層１１の屈折率ｎ１は１．５１９７であり、ｎ１＝１．０００４ｎである。

設計例３の誘電体多層膜について、波長５４０ｎｍの光についての反射率の入射角依存性を図１５Ａに示す。図１５Ａに示すように、入射角８５°以下の範囲で反射率１０％以下を実現し、入射角０°～３８°の範囲で反射率２～４％、入射角５８°～８３°の範囲で反射率４％以下を実現している。

設計例３の誘電体多層膜について、入射角２５°に対する反射率の波長依存性を図１５Ｂ、入射角７５°に対する反射率の波長依存性を図１５Ｃに示す。

図１５Ｂ及び１５Ｃに示す通り、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する、入射角２５°における平均反射率は２．９０％であり、入射角７５°における平均反射率は０．９３％である。

なお、上記設計例１～３に対し、それぞれの最外層の屈折率ｎ１の許容範囲を調べた結果を示す。上記設計例１～３に関し、最外層の屈折率を基体の屈折率ｎに対して０．８５ｎ～１．２０ｎに変化させた場合の波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する入射角２５°における平均反射率及び入射角７５°における平均反射率を求めた結果を表４～表７にそれぞれ示す。シミュレーションにおいては、各設計例１～３について、それぞれ最外層の屈折率のみ変化させ、２～１０の層の屈折率は変化させず、入射角２５°での反射率を３±０．５％を目標値とし、この際、７５°反射率を極力小さくなるように最適化した。

表４は、設計例１の屈折率ｎ＝１．７９３４の基体（ＳＦ１１）を用いた場合についての結果を示す。

本例では、ｎ１＝０．９０ｎ～１．２０ｎの範囲で、入射角２５°での平均反射率が３±０．５％の範囲、かつ、入射角７５°での平均反射率が３％以下であった。また、ｎ１＝１．００ｎで入射角７５°での平均反射率を１％以下とすることができた。

表５は、設計例２の屈折率ｎ＝１．６６２１の基体（Ｓ－ＢＳＭ２５）を用いた場合についての結果を示す。

本例ではｎ１＝０．９０ｎ～１．１５ｎの範囲で、入射角２５°での平均反射率が３±０．５％の範囲、かつ、入射角７５°での平均反射率が３％以下であった。また、ｎ１＝０．９５ｎ～１．０５ｎの範囲で、入射角７５°での平均反射率を１％以下とすることができた。

表６は、設計例３の屈折率ｎ＝１．５１９１の基体（ＢＫ７）を用いた場合についての結果を示す。

本例では、本例ではｎ１＝０．９０ｎ～１．１５ｎの範囲で、入射角２５°での平均反射率が３±０．５％の範囲、かつ、入射角７５°での平均反射率が３％以下であった。また、ｎ１＝１．００ｎ～１．１０ｎの範囲で、入射角７５°での平均反射率を２％以下とすることができた。

なお、設計例２、３において最外層の屈折率を０．８５ｎとした場合、解が得られなかったため算出していない。

以上の結果から、低屈折率の基体から高屈折率の基体までいずれの基体を用いた場合であっても、最外層の屈折率が０．９ｎ～１．１５ｎの範囲であれば、７５°入射角の平均反射率を３％以下に抑制することができることが明らかである。最外層の屈折率は０．９５ｎ～１．１０ｎが好ましく、１．００ｎ～１．０５ｎがより好ましい。なお、最外層の屈折率の特に好ましい範囲は、基体の屈折率によって若干変化する。

「検証例」
次に、設計例１～３において、誘電体多層膜の最外層の厚みｄをそれぞれ３０ｎｍ、５０ｎｍあるいは１００ｎｍとした場合について、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光を入射角７５°で入射させた場合の平均反射率（以下、単に平均反射率（７５°）という。）の最外層の屈折率ｎ１と基体の屈折率ｎで表されるΔｎ依存性を調べた。ここでΔｎ［％］＝{（ｎ－ｎ１）／ｎ}・１００である。シミュレーションにおいては、設計例１から３の膜構成において、最外層（層１及び層１１）の厚みを固定し、入射角２５°での反射率を３±０．５％、かつ、入射角７５°での反射率が最も低くなるように他の層２～１０の厚みを最適化した。結果を図１６～１８に示す。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、設計例１の屈折率ｎ＝１．７９５０の基体（ＳＦ１１）を用いた場合についての結果を示す。図１６Ａは平均反射率（７５°）のΔｎ依存性を示し、図１６Ｂは入射角７５°で入射した光に対する平均反射率のΔｎ・ｄ依存性を示す。図１６Ａに示すように、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍのいずれの場合もΔｎ％が－１～０の範囲に最小値がある。図１６Ｂに示すように、横軸をΔｎ・ｄとした場合、最外層の厚みにかかわらず、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－３００～＋３００であれば、反射率（７５°）を概ね１０％以下とすることができ、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－１５０～＋１５０であれば、平均反射率（７５°）を概ね４％以下とすることができ、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－１００～＋１００であれば、平均反射率（７５°）を概ね２％以下とすることができることがわかる。

図１７Ａ及び図１７Ｂは、設計例２の屈折率ｎ＝１．６６２１の基体（Ｓ－ＢＳＭ２５）を用いた場合についての結果を示す。図１７Ａは平均反射率（７５°）のΔｎ依存性を示し、図１７Ｂは入射角７５°で入射した光に対する平均反射率のΔｎ・ｄ依存性を示す。図１７Ａに示すように、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍのいずれの場合もΔｎ％が－２～０．５の範囲に最小値がある。図１７Ｂに示すように、横軸をΔｎ・ｄとした場合、最外層の厚みにかかわらず、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－３００～＋３００であれば、反射率（７５°）を概ね１０％以下とすることができ、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－２００～＋１５０であれば、平均反射率（７５°）を概ね４％以下とすることができ、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－１５０～＋１００であれば、平均反射率（７５°）を概ね３％以下とすることができることがわかる。さらに、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－１２５～＋２５であれば、平均反射率（７５°）を概ね１％以下とすることができる。

図１８Ａ及び図１８Ｂは、設計例３の屈折率ｎ＝１．５１９１の基体（ＢＫ７）を用いた場合についての結果を示す。図１８Ａは平均反射率（７５°）のΔｎ依存性を示し、図１７Ｂは入射角７５°で入射した光に対する平均反射率のΔｎ・ｄ依存性を示す。図１７Ａに示すように、３０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍのいずれの場合もΔｎ％が－１～＋１の範囲に最小値がある。図１７Ｂに示すように、横軸をΔｎ・ｄとした場合、最外層の厚みにかかわらず、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－３００～＋３００であれば、平均反射率（７５°）を概ね１０％以下とすることができ、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－２００～＋２００であれば、平均反射率（７５°）を概ね４％以下とすることができ、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－１００～＋１００であれば、平均反射率（７５°）を概ね２％以下とすることができることがわかる。

以上の結果から、概ねΔｎ・ｄ［％・ｎｍ］を－３００～＋３００とすれば、平均反射率（７５°）を１０％以下とすることが可能であり、－２００～＋２００とすれば、平均反射率（７５°）を４％以下とすることが可能であり、－１５０～＋１５０とすれば、基体の屈折率を選ぶことなく、平均反射率（７５°）を４％以下とすることができる。

「設計例４」
基体として、屈折率ｎ＝２．０１３３９のＳ－ＬＡＨ７９（オハラ社製）を用いた場合の誘電体多層膜の設計例４を表７に示す。

設計例４において、最外層となる層１及び層１１の屈折率ｎ１は２．０３１５３であり、ｎ１＝１．００９０１ｎである。この設計例４の誘電体多層膜を備えたハーフミラーを傾斜角２５°で基体内に配置した場合、基体の屈折率が高いため、映像光は、入射角θ１＝５°で誘電体多層膜に入射しても基体内で全反射を繰り返して伝搬する。

また、設計例１～４の誘電体多層膜について、最外層である第１層及び第１１層の屈折率を基体の屈折率ｎと同一とした場合を設計例１Ａ～４Ａとし、各例の波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光についての平均反射率の入射角依存性から、ハーフミラーへの第１面及び第２面に対する映像光の好ましい入射角範囲を検証した。

各設計例１Ａ～４Ａのハーフミラーについて、入射角θ１＝５°～３５°、入射角θ２＝５５°～８５°の範囲の各入射角θ１、θ２における波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率を以下の基準で評価した。その結果を表８に示す。
－入射角θ１についての評価－
Ａ：平均反射率３％超、４％以下
Ｂ：平均反射率２％超、３％以下
Ｃ：平均反射率１％超、２％以下
Ｄ：平均反射率４％超
－入射角θ２についての評価－
Ａ：平均反射率１％以下
Ｂ：平均反射率１％超３％以下、
Ｃ：平均反射率３％超４％以下
Ｄ：平均反射率４％超１０％以下
Ｅ：平均反射率１０％超

入射角θ１としては、５°～３５°の範囲で２％超４％以下の良好な平均反射率が得られた。一方、入射角θ２としては、５５°～８５°の範囲で１０％以下の平均反射率とすることができ、設計例１Ａ～３Ａにおいては７０°～８０°の範囲で４％以下の平均反射率とすることができた。入射角θ１として５°～３５°、入射角θ２として５５°～８５°となるように、ハーフミラーの傾斜角α及び光結合角θ０を設定することが好ましい。平均反射率を４％以下とすることができるため、入射角θ２としては、７０°～８０°とすることがより好ましい。なお、現実の系において、構成上の制約から入射角θ１は１０°以上が好ましい。

ここで、導光体中のハーフミラーの第２面へ入射する光に対する反射率を変化させた場合の、映像の明暗パターンの状態を官能評価した。本明細書において、映像の明暗パターンとは、導光体を経て視認される映像中に出現する光量強度分布による明暗パターンをいう。この明暗パターンは映像光と迷光の干渉によって生じると考えられる。明暗パターンが出現しない状態が理想的な高いコントラストの画像であり、明暗パターンの視認度合いが高くなるほどコントラストが低い画像であることを意味する。

「官能評価試験」
設計例１で示した誘電体多層膜からなるハーフミラーを６枚備えた導光体を作製した（作製方法は後述する。）。設計例１のハーフミラーは、第２面の入射角を５５°～８５°の範囲で変化させることで、平均反射率を１０％から１％以下に変化させることができる。また、第２面の平均反射率が１０％超えの例として、以下の比較例１の誘電体多層膜からなるハーフミラーを６枚備えた導光体を作製した。設計例１のハーフミラーを備えた導光体に対して、ハーフミラーへの第２面への入射角が５５°～８５°となるように、第１面への入射角を変化させ、第２面の平均反射率を１％以下～１０％とした場合の映像光と迷光の干渉による明暗パターンの程度を官能評価した。また、比較例１のハーフミラーを備えた導光体に対して、ハーフミラーの第２面への入射角が７５°となるように、第１面への入射角を設定して、第２面の平均反射率を１０％超えの場合について、同様の官能評価を行った。

［比較例１］
基体として、屈折率ｎ＝１．７９３４のＳＦ１１（Ｓｈｏｔｔ社製）を用いた場合の誘電体多層膜の比較例１の層構成を表９に示す。誘電体多層膜の２つの最外層である第１層及び第１１層の屈折率ｎ１を０．９ｎ～１．１５ｎの範囲外の値である０．８３ｎとした。シミュレーションにおいては、入射角２５°での反射率を３±０．５％、かつ、入射角７５°での反射率が最も低くなるように設計し、各層の厚みを最適化した。

比較例１のハーフミラーについて、入射角θ１＝５°～３５°及び入射角θ２＝５５°～８５°の範囲の各入射角θ１、θ２における波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率を表１０に示す。

比較例１は、入射角θ２＝７５°～８５°の範囲で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が１０％を超える。

表１０に示すように、比較例１は、入射角θ１としては、５°～３５°の範囲で２％超４％以下の良好な反射率が得られる。一方、入射角θ２が７５°以上で入射した場合、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が１０％を超える。

ハーフミラーの第２面への平均反射率（表１１中において第２面反射率）を１％以下から１０％超とした場合の官能評価の結果を表１１に示す。

表１１に示す通り、ハーフミラーの第２面での平均反射率が１０％を超えると明暗パターンがはっきりと視認されるが、１０％以下であれば、明暗パターンの出現がやや抑制されているという結果が得られた。官能評価の結果から、ハーフミラーの第２面での平均反射率は１０％以下が好ましく、４％以下がより好ましく、３％以下がさらに好ましく、１％以下が特に好ましいと言える。

以下に、入射角５°～３５°で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が２％～４％であり、入射角５５°～８５°で入射した光に対する平均反射率が１０％以下であるハーフミラーを構成する多層膜の例を参考例１～３として示す。

［参考例１］
基体として、屈折率ｎ＝１．７９３４のＳＦ１１（Ｓｈｏｔｔ社製）を用いた場合の誘電体多層膜の参考例１の層構成を表１２に示す。誘電体多層膜の２つの最外層のうちの第１層の屈折率ｎ１を基体の屈折率ｎの０．９ｎ～１．１５ｎの範囲内とし、第１１層の屈折率ｎ１を０．９ｎ～１．１５ｎの範囲外の値とした。シミュレーションにおいては、入射角２５°での反射率の目標値を３±０．５％とし、かつ、入射角７５°での反射率が最も低くなるように設計し、各層の厚みを最適化した。

参考例１の誘電体多層膜について、入射角２５°に対する反射率の波長依存性を図１９Ａ、入射角７５°に対する反射率の波長依存性を図１９Ｂに示す。

図１９Ａ及び図１９Ｂに示す通り、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する、入射角２５°における平均反射率は２．７９％であり、入射角７５°における平均反射率は４．９３％である。基体２０中に備えられたハーフミラー３０への第１面３１に対する入射角θ１として２５°、第２面３２に対する入射角θ２として７５°を想定した場合、第２面３２への映像光の入射時の平均反射率が４％を超え、設計例１～３と比べて平均反射率が上がってしまう。しかしながら、第２面への映像光の入射時の平均反射率が１０％以下であることから迷光と映像光の干渉によって出現する明暗パターンの抑制効果、すなわち映像のコントラスト向上効果を得ることができる。

［参考例２］
基体として、屈折率ｎ＝１．６６２１のＳ－ＢＳＭ２５（オハラ社製）を用いた場合の誘電体多層膜の参考例２の層構成を表１３に示す。誘電体多層膜の２つの最外層のうちの第１層の屈折率ｎ１を基体の屈折率ｎの０．９ｎ～１．１５ｎの範囲内とし、第１１層の屈折率ｎ１を０．９ｎ～１．１５ｎの範囲外の値とした。シミュレーションにおいては、入射角２５°での反射率の目標値を３±０．５％とし、かつ、入射角７５°での反射率が最も低くなるように設計し、各層の厚みを最適化した。

参考例２の誘電体多層膜について、入射角２５°に対する反射率の波長依存性を図２０Ａ、入射角７５°に対する反射率の波長依存性を図２０Ｂに示す。

図２０Ａ及び図２０Ｂに示す通り、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する、入射角２５°における平均反射率は２．４５％であり、入射角７５°における平均反射率は４．３２％である。基体２０中に備えられたハーフミラー３０への第１面３１に対する入射角θ１として２５°、第２面３２に対する入射角θ２として７５°を想定した場合、第２面３２への映像光の入射時の平均反射率が４％を超え、設計例と比べて平均反射率が上がってしまう。しかしながら、第２面への映像光の入射時の平均反射率が１０％以下であることから迷光と映像光の干渉によって出現する明暗パターンの抑制効果、すなわち映像のコントラスト向上効果を得ることができる。

［参考例３］
基体として、屈折率ｎ＝１．５１９１のＢＫ７（Ｓｈｏｔｔ社製）を用いた場合の誘電体多層膜の参考例３を表１４に示す。誘電体多層膜の２つの最外層のうちの第１層の屈折率ｎ１を基体の屈折率ｎの０．９ｎ～１．１５ｎの範囲内とし、第１１層の屈折率ｎ１を０．９５ｎ～１．１５ｎの範囲外の値とした。シミュレーションにおいては、入射角２５°での反射率の目標値を３±０．５％とし、かつ、入射角７５°での反射率が最も低くなるように設計し、各層の厚みを最適化した。

参考例３の誘電体多層膜について、入射角２５°に対する反射率の波長依存性を図２１Ａ、入射角７５°に対する反射率の波長依存性を図２１Ｂに示す。

図２１Ａ及び図２１Ｂに示す通り、波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する、入射角２５°における平均反射率は２．７３％であり、入射角７５°における平均反射率は５．５９％である。基体２０中に備えられたハーフミラー３０への第１面３１に対する入射角θ１として２５°、第２面３２に対する入射角θ２として７５°を想定した場合、第２面３２への映像光の入射時の平均反射率が４％を超え、設計例と比べて平均反射率が上がってしまう。しかしながら、第２面への映像光の入射時の平均反射率が１０％以下であることから迷光と映像光の干渉によって出現する明暗パターンの抑制効果、すなわち映像のコントラスト向上効果を得ることができる。

以上の通り、参考例１～３は、設計例１～３と比較すると、第２面の反射率が大きい。すなわち、設計例１～３のように、誘電体多層膜の２つの最外層の屈折率が基体の屈折率をｎとした場合に、０．９０ｎ～１．１５ｎであることにより、第２面の反射率をより効果的に抑制することができ、０．９５ｎ～１．１５ｎであることにより、第２面の反射率を更に効果的に抑制することができる。一方で、設計例１～３のように、誘電体多層膜の２つの最外層の屈折率が基体の屈折率をｎとした場合に、０．９０ｎ～１．１５ｎ又は０．９５ｎ～１．１５ｎであるという条件を満たさない場合であっても、第２面への映像光の平均反射率が１０％以下を満たすので、第２面への映像光の平均反射率が１０％を超えた場合と比較すると映像のコントラスト向上効果を得ることができる。

「導光体の作製方法」
官能評価試験で用いた導光体の作製方法を説明する。
１００ｍｍ×１００ｍｍ×０．５ｍｍ厚の基板（ＳＦ１１）を７枚用意し、そのうち６枚の基板の一面に誘電体多層膜からなるハーフミラーを形成した。具体的には、設計例１に示した誘電体多層膜を形成した。設計例１に示した各層を酸窒化シリコン膜とした。

この際、図８で示した屈折率の窒素／酸素流量比依存性に従って、窒素／酸素流量比は下記表１５のように設定した。なお、膜厚は表１に示した通りとした。スパッタ条件は、Ａｒガス流量＝６０ｓｃｃｍ，Ｏ_２＋Ｎ_２ガス流量＝６０ｓｃｃｍ，スパッタリング電力＝７５０Ｗ、ターゲットの直径＝６インチ，基板温度（設定）＝３００℃、スパッタリングガス圧＝０．２Ｐａとした。

成膜後、３０ｍｍ×３０ｍｍのサイズにスライサーで切断した。

次に、誘電体多層膜が形成された基板及び誘電体多層膜が形成されていない基板の接合面にイオンビームを照射し、洗浄及び活性化を行った。イオンビームを照射する装置として、表１６に示す装置を用いた。

イオンビーム照射の条件は、表１７に示す通りとした。

上記イオンビーム照射後、大気中で誘電体多層膜が形成された基板６枚と、誘電体多層膜が形成されていない基板１枚を重ねた後、５００ｇ／ｃｍ^２の荷重をかけて１時間保持して接合体を得た。

その後、図１２に示したように接合体を切断し、基体中に６枚のハーフミラーが第１反射面及び第２反射面に対して２５°の傾きを有し、等間隔に配置された官能試験用の導光体を得た。

「耐久性評価」
次に、上記の製造方法のように、オプティカルコンタクトにより接合して形成した導光体の機械的強度及び環境耐久性について検証した結果を説明する。なお、耐久性試験用に、上記製造方法と同様にして作製した接合体から側面平行四辺形の導光体１２７を切り出し、図２２に示すように、導光体１２７の両端を切断して直方体のサンプル片Ｓを２４本作製した。切断した端面の面積を９ｍｍ^２とした。

［強度試験１］
機械的強度試験はＪＩＳ Ｋ ６８５２試験に準じて実施した。イマダ株式会社製の強度試験機（型番ＤＳ２－５００Ｎ）を用いた。図２３に示すように、試験機のプローブ１０１とステンレス台１０２との間にサンプル片Ｓを設置後、破壊が生じるまで徐々に荷重Ｐをかけた。強度試験１用の１２個のサンプル片Ｓについて強度試験を行った。各サンプル片についての破壊荷重の結果を表１８に示す。

各サンプル片の破断を確認した結果、接合面から破壊が生じたサンプル数は０個だった。一般に、光学部材同士を接合した接合部材においては、接合面で破壊が生じるが、いずれのサンプル片についても接合面以外の箇所で破壊が生じていた。この結果から、複数サンプルについての平均的な接着強度（＝破壊平均荷重／サンプル面積）は、破壊強度１４．８６ｋｇｆ、サンプル面積０．０９ｃｍ^２及び１ｋｇｆ＝９．８Ｎから１６１８Ｎ／ｃｍ^２と算出される。従って、オプティカルコンタクトによる接合面の接着強度は１５００Ｎ／ｃｍ^２以上であると見積もることができる。

さらに、信頼性試験として、製品が劣悪環境下に置かれることを想定して、高温高湿度試験及び熱衝撃試験を行った後に、上記と同様の手法で強度試験を行った。

［強度試験２］
高温高湿度試験として、強度試験２用の６個のサンプル片Ｓを８５℃、８５ＲＨ％の環境下に１６８時間保管した。その後、上記と同様にして強度試験を行った。各サンプル片についての破壊荷重の結果を表１９に示す。

［強度試験３］
熱衝撃試験として、強度試験３用の６個のサンプル片Ｓに対して、８０℃の温度槽に３０分保管と、－２０℃の温度槽に３０分保管を１サイクルとして、温度槽移動時間を５分以下で１６８サイクル繰り返し行った。その後、上記と同様にして強度試験を行った。各サンプル片についての破壊荷重の結果を表２０に示す。

強度試験２、３のいずれにおいても、サンプルの破断を確認した結果、強度試験１の場合と同様に、接合面から破壊が生じたサンプル数は０個だった。この結果から、オプティカルコンタクトにより接合された接合面の接着強度は、高温高湿度、及び熱衝撃の環境に置かれてもほとんど劣化しなかった。また、これらの強度試験においても、接合強度は１５００Ｎ／ｃｍ^２と見積もられた。

以上の通り、導光体の製造においては、オプティカルコンタクトを用いることで、高い機械強度及び環境信頼性を得ることができた。

２０２０年１２月２８日に出願された日本出願特願２０２０－２１９１５５の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (18)

1. 第１反射面と第２反射面とを有し、入射した映像光を前記第１反射面と前記第２反射面とで全反射させながら伝播させる基体と、
   第１面と前記第１面の裏側の第２面とを有し、かつ、誘電体多層膜を含んで構成された複数のハーフミラーと、を備え、
   前記複数のハーフミラーは、前記基体内において前記第１反射面及び前記第２反射面に対して傾斜して互いに離隔して配置され、
   前記基体及び前記複数のハーフミラーは、前記基体に入射した前記映像光が前記複数のハーフミラーの少なくとも１つのハーフミラーの前記第１面及び前記第２面にそれぞれ１回以上入射するように構成され、
   前記誘電体多層膜の前記第１面側及び前記第２面側の２つの最外層の屈折率は、前記基体の屈折率をｎとした場合に、０．９０ｎ～１．１５ｎである導光体。
2. 前記誘電体多層膜の前記最外層の屈折率が、０．９５ｎ～１．１０ｎである、請求項１に記載の導光体。
3. 前記誘電体多層膜の前記最外層の屈折率が、１．００ｎ～１．０５ｎである、請求項１に記載の導光体。
4. 前記誘電体多層膜の前記最外層の膜厚をｄ［ｎｍ］とし、屈折率をｎ１とし、
   Δｎ＝｛（ｎ－ｎ１）／ｎ｝×１００［％］とした場合、Δｎ・ｄ［％・ｎｍ］が－３００～＋３００の範囲である、請求項１から３のいずれか１項に記載の導光体。
5. 前記第１反射面及び前記第２反射面に対する前記ハーフミラーの傾斜角は、前記基体内に入射した前記映像光が前記第１面に５°～３５°の入射角で入射した場合に、入射した前記映像光のうち前記ハーフミラーを透過した透過光が、前記第１反射面又は前記第２反射面で反射した後、前記第２面から再入射可能な角度である請求項１から３のいずれか１項に記載の導光体。
6. 前記ハーフミラーの前記傾斜角は、前記透過光が前記第２面から再入射する際の入射角が５５°～８５°の範囲となる角度である、請求項５に記載の導光体。
7. 前記誘電体多層膜は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率層と、相対的に高い屈折率を有する高屈折率層とが交互に積層されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の導光体。
8. 前記誘電体多層膜の前記２つの最外層のうちの少なくとも一方と前記基体とは、オプティカルコンタクトによって接合されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の導光体。
9. 前記誘電体多層膜の前記２つの最外層と前記基体とが直接接触している、請求項１から８のいずれか１項に記載の導光体。
10. 前記ハーフミラーと前記基体との間に接着剤は存在しない、請求項１から９のいずれか１項に記載の導光体。
11. 前記誘電体多層膜の各層は、シリコン、酸素及び窒素を含有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の導光体。
12. 前記誘電体多層膜の各層は、シリコン、ニオブ、タンタル、アルミニウム、チタン、タングステン及びクロムの少なくとも１種を含む金属酸化物層である、請求項１から１０のいずれか１項に記載の導光体。
13. 前記基体の屈折率が１．５以上である、請求項１から１２のいずれか１項に記載の導光体。
14. 前記基体が、前記第１反射面と前記第２反射面とが平行な平行平板である、請求項１から１３のいずれか１項に記載の導光体。
15. 前記複数のハーフミラーは、互いに平行に、前記映像光が伝播する方向に配列されている、請求項１から１４のいずれか１項に記載の導光体。
16. 前記ハーフミラーは、入射角５°～３５°で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が２％～４％であり、入射角５５°～８５°で入射した前記光に対する平均反射率が１０％以下である、請求項１に記載の導光体。
17. 第１反射面と第２反射面とを有し、入射した映像光を前記第１反射面と前記第２反射面とで全反射させながら伝播させる基体と、
    第１面と前記第１面の裏側の第２面とを有し、かつ、誘電体多層膜を含んで構成された複数のハーフミラーと、を備え、
    前記複数のハーフミラーは、前記基体内において前記第１反射面及び前記第２反射面に対して傾斜して互いに離隔して配置され、
    前記基体及び前記複数のハーフミラーは、前記基体に入射した前記映像光が前記複数のハーフミラーの少なくとも１つのハーフミラーの前記第１面及び前記第２面にそれぞれ１回以上入射するように構成され、
    前記ハーフミラーは、入射角５°～３５°で入射した波長４００ｎｍ～７００ｎｍの光に対する平均反射率が２％～４％であり、入射角５５°～８５°で入射した前記光に対する平均反射率が１０％以下である、導光体。
18. 映像光を生成する映像光生成部と、
    入射された前記映像光を伝播する、請求項１から１７のいずれか１項に記載の導光体と、
    前記映像光生成部が生成した前記映像光を前記導光体内に入射させる光結合部材と、を備えた映像表示装置。