JPWO2013140792A1

JPWO2013140792A1 - 光学素子

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Publication number: JPWO2013140792A1
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Inventors: 山崎　健; 健山崎; 稔明鈴木
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Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2015-08-03
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Abstract

光学素子は導波部と偏向部とを有する。導波部を対向する第１、第２の平面を有する板状に形成する。第１、第２の平面の間で所定の角度で入射する第１の光を反射させながら伝播させる。偏向部は第１の平面に相対する第３の平面を有する板状に形成される。偏向部において第１の光のエバネッセント波を所定の透過率で伝播する伝播距離未満の間隔で第１の平面と第３の平面とを離間させる。偏向部には複数の反射面が長さ方向に沿って複数の反射面が第３の平面の裏側に並べられる。反射面は所定の角度で第１の平面に入射しエバネッセント波として伝播された第１の光を第１の平面に実質的に垂直な方向に反射する。第１の平面と第３の平面との間の媒質の屈折率は導波部の屈折率より低い。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１２年３月２１日に日本国に特許出願された特願２０１２−６４０５５の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。

本発明は、射出瞳を拡大する光学素子に関する。

投影した画像を表示するプロジェクション型のディスプレイとして様々な表示装置が知られている。投影される画像を観察するには、投影光学系の射出瞳に観察者の目を合わせる必要がある。それゆえ、様々な位置において投影画像を観察可能にするために、射出瞳を大きくすることが望ましい。しかし、従来のプロジェクション型ディスプレイでは、射出瞳を拡大する光学系の構成が複雑で、大型であった。それゆえ、射出瞳を拡大する光学系の構成の簡素化が望まれていた。そこで、体積ホログラムを用いた光学素子により射出瞳を拡大することが提案されている（非特許文献１参照）。

ＡｌｅｘＣＡＭＥＲＯＮ、"ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＨｏｌｏｇｒａｐｈｉｃＯｐｔｉｃａｌＷａｖｅｇｕｉｄｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏＱ−ＳｉｇｈｔＦａｍｉｌｙｏｆＨｅｌｍｅｔＭｏｕｎｔｅｄＤｉｓｐｌａｙｓ"、Ｐｒｏｃ．ｏｆＳＰＩＥＶｏｌ．７３２６、Ａｐｒｉｌ、２００９

非特許文献１に記載された光学素子では、体積ホログラムを用いて複数の射出瞳のコピーを生成することにより射出瞳を拡大している。しかし、体積ホログラムは光の回折を利用しているため、波長の異なる光の入射に対して光学素子からの出射角が波長毎に異なる。そのため、図１４に示すように、投影する画像がカラー画像ＣＩである場合には、波長毎にずれた多重画像ＭＬＩを発生させていた。

また、射出瞳のコピーは光学素子の一方の面側だけでなく、他方の面側にも生成される。光学素子は一方の面から観察が可能な構成であればよく、両面に光束が射出されることにより光の利用効率が低下していた。

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明では、波長の異なる複数の光を同じ方向に射出可能であって、光の利用効率を改善させ得る光学素子の提供を目的とする。

上述した諸課題を解決すべく、本発明による光学素子は、
対向する第１、第２の平面を有する板状に形成され、第１、第２の平面の間で所定の角度で入射する第１の光を反射させながら伝播させる導波部と、
第１の平面に相対する第３の平面を有する板状に形成され、第１の光のエバネッセント波を所定の透過率で伝播する伝播距離未満の間隔で第１の平面と第３の平面とが離間され、所定の角度で第１の平面に入射し入射面にエバネッセント波として伝播された第１の光を第１の平面に実質的に垂直な方向に反射する複数の反射面が第１の方向に沿って第３の平面の裏側に並べられる偏向部とを備え、
第１の平面と第３の平面との間の媒質の屈折率は導波部の屈折率より低い
ことを特徴とするものである。

上記のように構成された本発明に係る光学素子によれば、波長の異なる光の射出方向を変えることなく射出瞳を拡大させながら、光学素子の一方の面のみから光を射出させることが可能である。

第１の実施形態に係る光学素子の斜視図である第１の実施形態の光学素子の側面図である。第１の実施形態の光学素子において、第１の平面における反射回数に応じたエバネッセント波の透過光の入射光に対する強度の比を示すグラフである。第２の実施形態の光学素子の側面図である。画角増幅光学系の斜視図である。ロッドレンズの側面図である。入射角４５．９°のエバネッセント波の波長に対する透過率を示すグラフである。入射角５１．６°のエバネッセント波の波長に対する透過率を示すグラフである。入射角５７．３°のエバネッセント波の波長に対する透過率を示すグラフである。第３の実施形態の光学素子の拡大側面図である。第３の実施形態の光学素子において様々な入射角のエバネッセント波の波長に対する透過率を示すグラフである。第４の実施形態の光学素子の側面図である。第４の実施形態の光学素子の導波部の第１の平面における反射回数に対するエバネッセント波の透過率を示すグラフである。従来の瞳拡大機能を有する光学素子によりカラー画像が多重化される様子を説明する図である。

以下、本発明を適用したある態様に係る光学素子の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る光学素子の斜視図である。図２は、光学素子の側面図である。

図１および図２に示すように、光学素子１０は、導波部１１、偏向部１２およびスペーサ１３を含んで構成される。導波部１１は、互いに相対する第１の平面ｆｓ１および第２の平面ｆｓ２を板面とする板状である。偏向部１２は、第３の平面ｆｓ３と、裏側において三角プリズムアレイが形成された三角プリズムアレイ面ｐｓとを板面とする板状である。導波部１１の第１の平面ｆｓ１と、偏向部１２の第３の平面ｆｓ３とを、スペーサ１３を用いて所定の間隔で離間させながら偏向部１２を導波部１１に固定することにより、光学素子１０は形成される。

なお、光学素子１０は全体的に長辺と短辺とを有する長方形の平板状であり、平板の厚さ方向ｄｔに垂直な平面上において長辺に沿った方向を長さ方向ｄｌ、厚さ方向ｄｔおよび長辺方向ｄｌに垂直な方向を幅方向ｄｗとする。

導波部１１は、石英によって形成される。導波部１１を形成する石英は硬質であるため、全反射面として用いられる第２の平面ｆｓ２が傷つきにくい利点を有する。

偏向部１２は、図２に示すように、アクリル板１４およびガラス白板１５により構成される。アクリル板１４とガラス白板１５とを接着することにより偏向部１２は形成される。偏向部１２におけるガラス白板１５側の表面が第３の平面ｆｓ３であり、アクリル板１４側の面が三角プリズムアレイ面ｐｓである。

偏向部１２の三角プリズムアレイ面ｐｓに形成される三角プリズムは微細であり、射出成型により形成される。それゆえ、射出成型可能な透明媒体としてアクリルが、三角プリズムアレイ面ｐｓの材質の例として選択される。なお、三角プリズムアレイ面ｐｓにはアルミが蒸着される。それゆえ、入射する光は三角プリズムアレイ面ｐｓにおいて反射する。

本実施形態においては、偏向部１２の第３の平面ｆｓ３には、高い面精度が求められる。そこで、ガラス白板１５を用いることにより、アクリルのみで得ることが難しい面精度を得ることが可能となる。

導波部１１の第１の平面ｆｓ１と偏向部１２の第３の平面ｆｓ３とが実質的に平行となるように導波部１１および偏向部１２が対向する。また、後述する射出領域ｅａにおいて、第１の平面ｆｓ１と第３の平面ｆｓ３との間隔が以下に説明する所定の間隔となるように、スペーサ１３を用いて導波部１１および偏向部１２は固定される。第１の平面ｆｓ１と第３の平面ｆｓ３との間には何も充填されない。それゆえ、第１の平面ｆｓ１と第３の平面ｆｓ３との間には空気層が介在し、その屈折率は１である。後述する入射領域ｉａにおいて、第１の平面ｆｓ１および第３の平面ｆｓ３は密着する。

なお、図２においては、離間していることを認識しやすくするために、第１の平面ｆｓ１と第３の平面ｆｓ３との間隔が広い状態で描かれているが、実際には第１の平面ｆｓ１および第３の平面ｆｓ３の間隔は微小な間隔である。また、図２において、スペーサ１３を明示するために実際よりも大きなスペーサ１３が描かれているが、実際にはスペーサ１３は微小である。また、図２において、第１の平面ｆｓ１および第３の平面ｆｓ３が入射領域ｉａにおいて密着し、射出領域ｅａにおいて離間する構成を認識しやすくするため、第１の平面ｆｓ１が異なる２平面を含むように描かれているが、実際には同一の平面である。

後述するように、導波部１１の内部において第２の平面ｆｓ２側から第１の平面ｆｓ１に対して斜方から光が入射し、全反射される。ただし、第１の平面ｆｓ１と第３の平面ｆｓ３の間隔が微小（例えば１μｍ以下）である場合には、入射する光のエバネッセント波が第１の平面ｆｓ１から浸透して第３の平面ｆｓ３を介して偏向部１２に入射する。なお、以後の説明において第１の平面ｆｓ１からの光の浸透を、光の透過と呼ぶ。

第１の平面ｆｓ１に入射する光の光量の１／ｅの割合の透過率で、偏向部１２に透過するエバネッセント波の伝播距離Ｚ_１／ｅは（１）式により算出される。

ただし、（１）式において、λは光の波長、ｎ_１は導波部１１の屈折率、θは第１の平面ｆｓ１への光の入射角、ｎ_２は導波部１１と偏向部１２との間の媒質の屈折率（本実施形態においては空気の屈折率１）である。

また、第１の平面ｆｓ１と第３の平面ｆｓ３の間隔がＺである場合の、光の透過率Ｉは（２）式により算出される。

したがって、所望の透過率Ｉでエバネッセント波を透過させる第１の平面ｆｓ１と第３の平面ｆｓ３の間隔は、（１）、（２）式を用いて算出される。なお、本実施形態では、５％の透過率でエバネッセント波を透過するように算出された間隔を空けて、導波部１１と偏向部１２とは重合される。

ただし、光学素子１０には波長の異なる赤色光、緑色光、青色光を入射させるので、波長の最も短い青色光に対して、（１）および（２）式を用いて算出した間隔となるように、第１の平面ｆｓ１と第３の平面ｆｓ３との間隔が調整される。（１）式に示すように、波長が短くなる程エバネッセント波の伝播距離が短くなる。従って、最短波長の光に対して、第１の平面ｆｓ１から第３の平面ｆｓ３にエバネッセント波が伝播可能に設計することにより、他の波長の光に対しても、第１の平面ｆｓ１から第３の平面ｆｓ３にエバネッセント波が伝播可能である。

（１）式から分かるように、導波部１１の屈折率ｎ_１、第１の平面ｆｓ１への光の入射角θ、導波部１１と偏向部１２との間の媒質の屈折率ｎ_２などによって、算出される第１の平面ｆｓ１および第３の平面ｆｓ３の間隔は変動するが、第１の平面ｆｓ１と第３の平面ｆｓ３との間隔は少なくとも１μｍ以下に調整することが必要である。

このような第１の平面ｆｓ１および第３の平面ｆｓ３の微小間隔を規定するスペーサ１３は、マスクによる蒸着、リフトオフ、ナノインプリントなどの従来公知の方法により導波部１１の第１の平面ｆｓ１上に形成される。また、導波部１１に形成したスペーサ１３と偏向部１２の第３の平面ｆｓ３とを確実に接着するために、真空チャンバ内においてスペーサ１３を形成した導波部１１と偏向部１２との間を封止し、封止後に大気圧下に移動させることにより各スペーサ１３と第３の平面ｆｓ３とが接着する。

第２の平面ｆｓ２の長さ方向ｄｌに沿った端部領域が入射領域ｉａに定められる。一方、第２の平面ｆｓ２における入射領域ｉａ以外の領域は射出領域ｅａに定められる。光束Ｌｘは入射領域ｉａにおいて光学素子１０の外部から第２の平面ｆｓ２に垂直に入射する。垂直に入射した光束Ｌｘは導波部１１から偏向部１２に入射し、三角プリズムアレイ面ｐｓにより斜方に反射される。三角プリズムアレイ面ｐｓにより斜方に反射された光束Ｌｘは再び導波部１２に入射する。

斜方から入射した光束Ｌｘは第２の平面ｆｓ２で全反射される。第２の平面ｆｓ２で全反射された光束Ｌｘは、第１の平面ｆｓ１において大部分が反射される。以後、第２の平面ｆｓ２での全反射と第１の平面ｆｓ１における反射を繰返しながら、光束Ｌｘは長さ方向ｄｌに伝播される。ただし、上述のように、第１の平面ｆｓ１においてエバネッセント波が偏向部１２に透過する。なお、図２において、光束Ｌｘを、簡易的に２点鎖線として表現しているが、実際には、光束Ｌｘは、幅を有している。

導波部１１の屈折率が偏向部１２の屈折率より高いと、偏向部１２から導波部１１に光束Ｌｘが入射するときに出射角が狭くなる。出射角が狭くなると、長さ方向ｄｌへの単位伝播距離に対する反射回数が増加する。光束Ｌｘが第１の平面ｆｓ１において反射する毎にエバネッセント波が発生するため、反射回数が増加すると、入射領域ｉａから光学素子１０の反対側の端部までの光束Ｌｘの伝播が困難となる。それゆえ、導波部１１の屈折率は偏向部１２の屈折率より小さいことが好ましい。なお、石英の屈折率は１．４５であり、アクリルの屈折率は１．４９であって、導波部１１の屈折率は偏向部１２の屈折率より小さい。

三角プリズムアレイ面ｐｓには、幅方向ｄｗに延びる複数の第１、第２の三角プリズム１６ａ、１６ｂが形成される。入射領域ｉａ下には、第１の三角プリズム１６ａが形成され、射出領域ｅａ下には、第２の三角プリズム１６ｂが形成される。第１、第２の三角プリズム１６ａ、１６ｂは、厚さ方向ｄｔに垂直な平面を幅方向ｄｗに平行な直線を軸に傾斜させた傾斜面と、長さ方向ｄｌに垂直な垂直面とを有している。

傾斜面の傾斜角は、第１の三角プリズム１６ａと第２の三角プリズム１６ｂとで反対向きで、角度の絶対値は等しい。第１の三角プリズム１６ａの傾斜面の法線は導波部１１の射出領域ｅａ側に延びる。したがって、前述のように、第１の平面ｆｓ１から入射領域ｉａに垂直に入射する光束Ｌｘは、第１の三角プリズム１６ａにより射出領域ｅａに向けて反射される。一方、第２の三角プリズム１６ｂの傾斜面（反射面）の法線は導波部１１の入射領域ｉａ側に延びる。したがって、後に詳細に説明するように、第３の平面ｆｓ３の斜方から偏向部１２に入射した光束Ｌｘは、第２の平面ｆｓ２に向かって垂直に反射される。

傾斜面の角度は、導波部１１の第２の平面ｆｓ２における臨界角に基づいて定められる。導波部１１内では、斜方から導波部１１に入射した光束Ｌｘを、第２の平面ｆｓ２における全反射と第１の平面ｆｓ１における反射とを繰返しながら長さ方向ｄｌに伝播させることが、本実施形態の効果を得るために求められる。それゆえ、第２の平面ｆｓ２において全反射するように、光束Ｌｘを導波部１１に入射させる必要がある。

第２の平面ｆｓ２に対する入射角θ（所定の角度）は、臨界角より大きい必要があるので、θ＞ｓｉｎ^−１（１／ｎ_１）を満たす必要がある。前述のように、本実施形態における導波部１１の材質である石英の屈折率は１．４５であるから、θ＞ｓｉｎ^−１（１／１．４５）＝４３．６°を満たす必要がある。

入射角θは第１の三角プリズム１６ａの傾斜面の角度の倍角なので、傾斜面の角度は入射角θの半角２１．８°（＝４３．６°／２）以上であることが必要である。なお、導波部１１と偏向部１２との材質は異なっているが、前述のように、偏向部１２の屈折率が導波部１１の屈折率より大きいので、偏向部１２において傾斜面の角度を２１．８°以上となるように形成すれば第２の平面ｆｓ２において光束Ｌｘを全反射させることは可能である。

一方、傾斜面の傾斜角が大きくなる程、隣接する第１の三角プリズム１６ａの垂直面によってケラレによる光束Ｌｘの光量ロスが増加する。それゆえ、傾斜面の傾斜角は下限値に近くすることが好ましい。それゆえ、本実施形態においては、傾斜面の傾斜角は、例えば２５°に定められる。

なお、傾斜面の傾斜角を２５°に定めた場合、入射領域ｉａにおいて第２の平面ｆｓ２に垂直に入射する光束Ｌｘは傾斜面により反射され、射出領域ｅａにおける第２の平面ｆｓ２に５１．６°の入射角で入射する。したがって、第２の平面ｆｓ２における入射角は臨界角より大きいので、光束Ｌｘは第２の平面ｆｓ２で全反射可能である。

複数の第１、第２の三角プリズム１６ａ、１６ｂは、長さ方向ｄｌに沿って並べられる。したがって、幅方向ｄｗから見て、第１、第２の三角プリズム１６ａ、１６ｂは鋸歯状に並ぶ。なお、例えば、第１、第２の三角プリズム１６ａ、１６ｂのピッチは０．９ｍｍである。

第１、第２の三角プリズム１６ａ、１６ｂのピッチが大きくなる程、隣接する第１、第２の三角プリズム１６ａ、１６ｂの垂直面によってケラレによる光束Ｌｘの光量ロスが増加する。一方、ピッチが過剰に小さくなると、回折の影響により反射光が正規反射しなくなるので、ピッチは０．３ｍｍ以上であることが望ましい。本実施形態において、入射光束Ｌｘの幅は５〜１０ｍｍであることが仮定されている。したがって、上述の０．９ｍｍのピッチは妥当である。

上述のような構成の光学素子１０の第２の平面ｆｓ２の入射領域ｉａに光学素子１０の外部から垂直に入射した光束Ｌｘは、第１の三角プリズム１６ａに反射され、導波部１１の射出領域ｅａに斜方から入射する。斜方から入射した光束Ｌｘは第２の平面ｆｓ２に臨界角を超える角度で入射し、全反射される。全反射された光束Ｌｘは第１の平面ｆｓ１に斜方から入射し、９５％は反射され、５％は透過する。第１の平面ｆｓ１に反射された光束Ｌｘは、再び第２の平面ｆｓ２に臨界角を超える角度で入射し、全反射される。

以後、第１の平面ｆｓ１における一部反射と、第２の平面ｆｓ２における全反射とを繰返しながら、光束Ｌｘは導波部１１の長さ方向ｄｌに伝播される。ただし、第１の平面ｆｓ１における光束Ｌｘの反射時に青色光に対しては５％の光束Ｌｘと、緑色光および赤色光に対しては約５％の光束Ｌｘとが第１の平面ｆｓ１と第３の平面ｆｓ３との間の空隙に浸透し、光束Ｌｘは偏向部１２に到達する。

偏向部１２に到達し入射する光束Ｌｘの出射角は、第１の三角プリズム１６ａによって反射された光束Ｌｘの導波部１１との界面における入射角に等しい。それゆえ、偏向部１２に出射された光束Ｌｘは第２の三角プリズム１６ｂによって第２の平面ｆｓ２に垂直な方向に反射される。垂直な方向に反射された光束Ｌｘは第３の平面ｆｓ３、空隙、第１の平面ｆｓ１、および第２の平面ｆｓ２を実質的に１００％の透過率で透過し、第２の平面ｆｓ２から射出される。

導波部１１の長さ方向ｄｌの長さは、例えば１００ｍｍであり、入射領域ｉａから射出領域ｅａに斜入射した光束Ｌｘは、射出領域ｅａの端部に達するまでに第２の平面ｆｓ２と第１の平面ｆｓ１との間を約２０回反射する。第１の平面ｆｓ１において光束Ｌｘが反射する度に光路が分岐され、前述のように、第２の平面ｆｓ２から射出される。したがって、１００ｍｍの長さに対して約２０本の分岐光がアレイを形成する。したがって、分岐光を第２の平面ｆｓ２から隙間無く射出させるには、５ｍｍ（１００ｍｍ／２０）以上の径の光束Ｌｘを入射する必要がある。

前述のように、導波部１１に伝播される光束Ｌｘは、第１の平面ｆｓ１で反射を繰返す度に、一部の光が分岐光として射出されるので、射出光の強度は反射回数に応じて等比級数的に減少する（図３参照）。したがって、偏光部１２の斜入射光に対する透過率を高くすると、導波部１１の末端まで入射光束Ｌｘを伝播させることが難しくなる。

本実施形態においては、第１の平面ｆｓ１における入射光に対して設定すべき透過率を簡易的に１００％／（反射回数）と定め、上述の反射回数を用いて透過率は５％に定められる。また、反射率は１００％−（透過率％）を算出することにより９５％に定められる。

なお、上述のように定めた透過率および反射率を用いると、第２の平面ｆｓ２から最初に射出される光束Ｌｘと、最後に射出される光束Ｌｘとの強度比は２．５倍程度となり、明るさにムラが生じることが分かる。明るさのムラを低減化させるには、透過率をより小さく設定すればよい。例えば、透過率を３％、反射率を９７％とする設定では、第２の平面ｆｓ２から最初に射出される光束Ｌｘと、最後に射出される光束Ｌｘとの強度比は１．８倍程度に改善される。

しかし、透過率を小さく設定すると、射出されずに射出領域ｅａの端部に到達する光量が増加し、入射光束Ｌｘのエネルギーロスが増加する。すなわち、光の利用効率が低下する。本実施形態における透過率５％および反射率９５％の設定では、第２の平面ｆｓ２から射出される光束Ｌｘの全光量は入射光束Ｌｘの６４％である。一方で、比較例として挙げた透過率３％および反射率９７％の設定では、第２の平面ｆｓ２から射出される光束Ｌｘの全光量は入射光束Ｌｘの４６％に低下する。

このように、明るさのムラの低減化を図ると、光の利用効率は低下する。そこで、透過率は、明るさのムラと光の利用効率とが最適化されるように定められることが好ましい。ところで、視覚は対数感度であるため、２．５倍程度の明るさのムラは感知されにくい。それゆえ、本実施形態における透過率の設定は、使用目的を満たす十分な低さの明るさのムラに抑えながら光の利用効率を高く維持し、実際の光学素子１０の形成を可能にさせる設定である。

上述のような構成の光学素子１０では、１００ｍｍ当たり約２０本の光束Ｌｘが射出されるので、第２の平面ｆｓ２の入射領域ｉａに、幅が５ｍｍ以上の光束Ｌｘを入射すると、隣接する射出光束Ｌｘが互いに接し、全体で幅が１００ｍｍの光束となって射出される。すなわち、光束の幅が５ｍｍから１００ｍｍに拡大されるので、従来技術と同様に、光学素子１０は瞳拡大光学素子として機能する。

以上のような構成の第１の実施形態の光学素子１０によれば、入射した光束Ｌｘを光の回折現象を利用せずに拡大して射出可能である。それゆえ、異なる波長の複数の可視光を含む光束Ｌｘを光学素子１０に入射しても、光束Ｌｘの第２の平面ｆｓ２からの射出方向を波長によらず一致させることが可能である。したがって、光学素子１０を多色の映像光の拡大に用いる場合であっても、映像光が色毎にずれた多重像の発生を抑制することが可能である。

また、第１の実施形態の光学素子１０によれば、入射した光束Ｌｘを平板状の一方の板面である第２の平面ｆｓ２のみから拡大して射出可能である。それゆえ、瞳を拡大させる機能を有しながら、両面から光束を拡大して射出する従来の体積ホログラムシートを用いた光学素子に比べて、光の利用効率を改善させることが可能である。光の利用効率が改善されるので、従来に比べて光源からの出射光量を低減化可能であり、電力の消費量を低減化させることが可能である。

次に、第２の実施形態に係る光学素子について説明する。第２の実施形態は、光学素子の第２の平面ｆｓ２側に画角増幅光学系１７０が設けられる点において第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、第２の実施形態の光学素子１００は、導波部１１、偏向部１２、スペーサ１３、および画角増幅光学系１７０を含んで構成される。導波部１１、偏向部１２スペーサ１３の機能、構成、および配置は第１の実施形態と同じである。第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、導波部１１の第２の平面ｆｓ２側に画角増幅光学系１７０が設けられる。

画角増幅光学系１７０は、図５に示すように、多数の角柱型のロッドレンズ１８０を互いの光軸が平行になるように配置したレンズアレイである。ロッドレンズ１８０は色分散の比較的小さな石英などの部材で形成され、アフォーカル光学系であり、例えば光軸方向に長さ３．２８ｍｍで、光軸に垂直な断面の一辺の長さが０．３ｍｍである。またロッドレンズ１８０は、図６に示すように、第１面ｓ１による後側焦点と第２面ｓ２による前側焦点は焦点ＦＰで一致し、第１面ｓ１の焦点距離は第２面ｓ２の焦点距離の２倍である。したがって、ロッドレンズ１８０は第１面ｓ１に入射する画像の画角を２倍に拡大することが可能である。

図４に示すように、画角増幅光学系１７０は、第１面ｓ１が導波部１１の第２の平面ｆｓ２に相対し、第２の平面ｆｓ２の法線とロッドレンズ１８０の光軸Ｌａｘが平行になるように、第２の平面ｆｓ２側に固定される。

以上のような構成の第２の実施形態の光学素子１００によっても、異なる波長の複数の可視光を含む光束Ｌｘを光学素子１００に入射しても、光束Ｌｘの第２の平面ｆｓ２からの波長別の射出方向のズレを抑制可能である。ロッドレンズ１８０において色収差が発生し得るが、色分散の小さな部材でロッドレンズ１８０を形成するので光学素子１００全体における射出方向のズレが抑制される。また、第２の実施形態の光学素子１００によっても光の利用効率を改善させることが可能である。

さらに、第２の実施形態の光学素子１００によれば、画像周辺のムラを軽減化させることが可能である。導波部１１から偏向部１２へのエバネッセント波の分光透過率は角度依存性を有しており（図７〜図９参照）、導波部１１内で第２の平面ｆｓ２から第１の平面ｆｓ１への光の入射角が大きくなる程、エバネッセント波の透過率は減少する。

入射角により透過率が減少する場合には、第２の平面ｆｓ２から投影される画像の画角が位置によって変動し得る。それゆえ、観察者の眼球への角度が広い画像の周辺部の画像は暗い。しかし、第２の実施形態の光学素子１００によれば、前述のように、画角増幅光学系１７０により画角が２倍に増幅されるので、画像周辺部の明るさのムラを軽減化させることが可能である。

次に、第３の実施形態に係る光学素子について説明する。第３の実施形態は、導波部と偏向部との間に膜が設けられる点において第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付して説明を省略する。

図１０に示すように、第３の実施形態の光学素子１０１は、導波部１１、偏向部１２、スペーサ１３、および多層膜１９１を含んで構成される。導波部１１、偏向部１２、およびスペーサ１３の機能、構成、および配置は第１の実施形態と同じである。第３の実施形態では、第１の実施形態と異なり、導波部１１の第１の平面ｆｓ１上および偏向部１２の第３の平面ｆｓ３上に多層膜１９１が設けられる。

エバネッセント波の分光透過率は波長依存性を有しており、光の波長によって透過率が変動する（図７〜図９参照）。また、前述のように、エバネッセント波の分光透過率は角度依存性を有しており、入射角によって透過率が変動する。多層膜１９１は、透過率の異なる膜を積層させることによって、エバネッセント波の分光透過率の波長依存性および角度依存性を低減化させるように設計される。

例えば、導波部１１の第１の平面ｆｓ１側から順番に層番号を付した表１に示す媒質を積層化し、偏向部１２の第３の平面ｆｓ３側から順番に層番号を付した表２に示す媒質を積層化することにより、エバネッセント波の分光透過率における波長依存性および角度依存性は、図１１に示すように、低減化される。

以上のような構成の第３の実施形態の光学素子１０１によっても、異なる波長の複数の可視光を含む光束Ｌｘを光学素子１０１に入射しても、光束Ｌｘの第２の平面ｆｓ２からの射出方向を波長によらず一致させることが可能である。また、第３の実施形態の光学素子１０１によっても光の利用効率を改善させることが可能である。

さらに、第３の実施形態の光学素子１０１によれば、多層膜１９１によりエバネッセント波の角度依存性が軽減化されるので、画像周辺のムラを軽減化させることが可能である。

また、第３の実施形態の光学素子１０１によれば、多層膜１９１によりエバネッセント波の波長依存性が軽減化されるので、射出領域から射出したカラー画像の入射領域から入射したカラー画像に対する色再現性を向上させることが可能である。

エバネッセント波の分光透過率の波長依存性がある場合には、例えばＲＧＢの３色によりカラー画像を構成する場合に、ＲＧＢ毎の透過率の違いにより、射出されるカラー画像の色成分がＢＧＲの順番に、元のカラー画像より低くなる。そのため、色再現性が低減化する。

したがって、多層膜１９１を設けない場合には、所望のカラー画像を射出領域ｅａから射出するためには、光学素子１００に入射するカラー画像の色成分の光量を事前に調整することが好ましい。一方、第３の実施形態の光学素子１０１によれば、エバネッセント波の透過率は波長によらず実質的に一定なので、入射前のカラー画像の色成分を調整することなく、カラー画像の色再現性を向上させることが可能である。

次に、第４の実施形態に係る光学素子について説明する。第４の実施形態は、導波部１１と偏向部１２との間隔が変わる点において第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第４の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付して説明を省略する。

図１２に示すように、第４の実施形態の光学素子１０２は、導波部１１、偏向部１２、およびスペーサ１３２を含んで構成される。導波部１１および偏向部１２の機能および構成は第１の実施形態と同じである。第４の実施形態では、第１の実施形態と異なり、スペーサ１３２の高さが一定でなく、長さ方向ｄｌに沿って入射領域から射出領域方向に向かうにつれて低くなるように形成される。したがって、導波部１１と偏向部１２との間隔は長さ方向ｄｌに沿って入射領域から射出領域に向かうにつれて狭くなる。

入射領域側から射出領域側への位置に応じて間隔を狭くすることにより、エバネッセント波の透過率は、図１３に示すように、第１の平面ｆｓ１への反射回数に応じて大きくなる。導波部１１から偏向部１２へのエバネッセント波の透過位置によらず、光学素子１０２への入射光量の５％の光量で透過されるように、導波部１１と偏向部１２との間隔が調整される。

以上のような構成の第４の実施形態の光学素子１０２によっても、異なる波長の複数の可視光を含む光束Ｌｘを光学素子１０２に入射しても、光束Ｌｘの第２の平面ｆｓ２からの射出方向を波長によらず一致させることが可能である。また、第４の実施形態の光学素子１０２によっても光の利用効率を改善させることが可能である。

さらに、第４の実施形態の光学素子１０２によれば、第２の平面ｆｓ２から最初に射出される光束Ｌｘと、最後に射出される光束Ｌｘとの光の強度を等しくさせることが可能であり、明るさのムラを抑制することが可能である。また、第１の平面ｆｓ１における反射回数が多くなる程透過率を増加させている。従って、射出されずに射出領域ｅａの端部に到達する光束Ｌｘの光量が低下するので、入射光束Ｌｘのエネルギーロスを低減化させることが可能である。

本発明を適用下ある態様に係る実施形態について、諸図面等に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

例えば、第１〜第４の実施形態において、第１、第２の三角プリズム１６ａ、１６ｂのピッチは０．９ｍｍとして例示されているが、０．９ｍｍに限定されない。また、すべてのピッチが等しくなくてもよい。例えば、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１．０ｍｍのピッチが混在していても、上述の実施形態の効果を得ることは可能である。

また、第１〜第４の実施形態において、石英を用いて導波部１１を形成する構成であるが、他の部材を用いてもよい。例えば、ＰＹＬＥＸ（登録商標、コーニングインコーポレーテッド）、ＴＥＭＰＡＸＦｌｏａｔ（登録商標、ショットアクチエンゲゼルシャフト）、バイコール（登録商標、コーニングインコーポレーテッド）などの耐熱ガラスも石英に近い屈折率であり、導波部１１を形成するのに適している。

また、第１〜第４の実施形態において、第１、第２の三角プリズム１６ａ、１６ｂの傾斜面の傾斜角は２５°として例示されているが、２５°に限定されない。第２の平面ｆｓ２に斜方から入射する光の大部分あるいは実質的に全光が反射され、反射された光が第２の三角プリズム１６ｂによって第２の平面ｆｓ２に略垂直な方向に反射されれば、どのような角度であってもよい。

また、第１〜第４の実施形態において、第１の平面ｆｓ１と第３の平面ｆｓ３との間には空気層が介在する構成であるが、導波部１１より屈折率の低い媒質が充填される構成であってもよい。導波部１１よりも屈折率が低ければ光束Ｌｘを導波部１１内で第１の平面ｆｓ１においてエバネッセント波のみを透過させることが可能である。

また、第１〜第４の実施形態において、入射領域ｉａにおける第１の平面ｆｓ１および第３の平面ｆｓ３を密着させる構成であるが、入射領域ｉａにおける第１の平面ｆｓ１および第３の平面ｆｓ３の間に導波部１１およびガラス白板１５の屈折率に近い媒質を充填する構成であってもよい。例えば、入射領域ｉａ全面において、前述の屈折率を有する透明な板状部材を第１の平面ｆｓ１および第３の平面ｆｓ３の間に挟持させてもよい。

また、第３の実施形態において、多層膜１９１は、エバネッセント波の分光透過率の波長依存性および角度依存性の両者を低減化するように設計される構成であるが、少なくとも一方の依存性を低減化するように構成されてもよい。

１０、１００、１０１、１０２光学素子
１１導波部
１２偏向部
１３、１３２スペーサ
１７０画角増幅光学系
１９１多層膜
ｆｓ１〜ｆｓ３第１〜第３の平面
Ｌｘ光束
ｐｓ三角プリズムアレイ面

Claims

対向する第１、第２の平面を有する板状に形成され、前記第１、第２の平面の間で所定の角度で入射する第１の光を反射させながら伝播させる導波部と、
前記第１の平面に相対する第３の平面を有する板状に形成され、前記第１の光のエバネッセント波を所定の透過率で伝播する伝播距離未満の間隔で前記第１の平面と前記第３の平面とが離間され、前記所定の角度で前記第１の平面に入射し前記入射面にエバネッセント波として伝播された前記第１の光を前記第１の平面に実質的に垂直な方向に反射する複数の反射面が第１の方向に沿って前記第３の平面の裏側に並べられる偏向部とを備え、
前記第１の平面と前記第３の平面との間の媒質の屈折率は前記導波部の屈折率より低いことを特徴とする光学素子。
請求項１に記載の光学素子であって、前記第１の光は、前記光学素子に入射させる波長の異なる複数の光の中で最短の波長の光によって定められることを特徴とする光学素子。
請求項１または請求項２に記載の光学素子であって、前記第２の平面側に配置され、前記反射面により反射され前記第２の平面から実質的に垂直に出射する前記第１の光の画角を増幅する画角増幅光学系を備えることを特徴とする光学素子。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光学素子であって、前記第１の平面と前記第３の平面との間に配置され、前記第１の光と波長の異なる第２の光を前記第１の平面に前記所定の角度で入射するときのエバネッセント波の前記偏向部への透過率を、前記第１の光を前記第１の平面に前記所定の角度で入射するときのエバネッセント波の前記偏向部への透過率に近付ける膜を備えることを特徴とする光学素子。
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光学素子であって、前記第１の平面と前記第３の平面との間隔が前記第１の方向に沿って減少することを特徴とする光学素子。