WO2011136200A1 - 光学素子および光学システム - Google Patents

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WO2011136200A1
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axis
plate
light
optical element
optical
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PCT/JP2011/060119
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健太郎 今村
茂人 吉田
嶋谷　貴文
寿史 渡辺
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シャープ株式会社
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    • G02F2413/07—All plates on one side of the LC cell

Definitions

  • the present invention relates to an optical system having a reflective imaging element capable of forming an image of a projection object in space and a display panel.
  • Patent Documents 1 to 6 an optical system that forms an image of a projection object in a space using a reflective imaging element has been proposed (for example, Patent Documents 1 to 6).
  • the optical system has a reflective imaging element and a projection object, and an image displayed in space (referred to as an aerial image) is an image of the projection object in a plane-symmetric position with the reflective imaging element as a symmetry plane. Is an image.
  • the reflective imaging element disclosed in Patent Document 1 includes a plurality of through-holes penetrating in the thickness direction of a flat plate-like substrate, and is an optical device composed of two specular elements orthogonal to the inner wall of each hole.
  • An element is formed (see FIG. 4 of Patent Document 1), or a plurality of transparent cylindrical bodies protruding in the thickness direction of the substrate, and two mirror surface elements orthogonal to the inner wall surface of each cylindrical body A configured optical element is formed (see FIG. 7 of Patent Document 1).
  • the reflective imaging element disclosed in Patent Document 6 is formed by overlapping two members having mirror surfaces arranged parallel to each other in the longitudinal direction so that the mirror elements of the members are orthogonal to each other. (See FIG. 4 of Patent Document 6).
  • Other reflective imaging elements have two members including innumerable elongated grooves excavated parallel to each other in the longitudinal direction, and smooth surfaces that totally reflect the light formed in the grooves of each member are orthogonal to each other. In this way, the two transparent substrates are overlapped (see FIG. 9 of Patent Document 6).
  • the optical system using the reflection type imaging element described above uses the specular reflection or total reflection of the reflection type imaging element, and in principle, the size of the image of the projection object and the image projected in the space.
  • the ratio is 1: 1.
  • Patent Documents 1 to 6 All the disclosures of Patent Documents 1 to 6 are incorporated herein by reference.
  • the optical system having the reflection type imaging element described above is formed by reflecting light twice by two mirror surface elements or smooth surfaces (hereinafter referred to as “mirror surface elements”) that are orthogonal to each other. Can be imaged. However, not all light incident on the reflective imaging element is used for imaging, and stray light that does not contribute to imaging also occurs. The visibility of the aerial image is lowered by mixing the stray light with the light contributing to the image formation. In addition, reflection of external light on the surface of the reflective imaging element on the viewer side can be a factor that reduces the visibility of the aerial image.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical element having a reflective imaging element with improved visibility of an aerial image and an optical system including such an optical element. There is to do.
  • An optical element includes a reflective imaging element that forms an image of the projection object by reflecting light from the projection object an even number of times, and a light output side of the reflective imaging element.
  • a first polarizing plate disposed; and a first retardation plate disposed between the reflective imaging element and the first polarizing plate.
  • the optical element further includes an antireflection film on a light emitting side of the reflective imaging element, and the first polarizing plate is provided between the antireflection film and the first retardation plate.
  • the optical element further includes a transparent substrate on at least one of the light emitting side and the light incident side of the reflective imaging element.
  • the first retardation plate has a ⁇ / 4 plate.
  • the optical element when the optical element is viewed from the normal direction on the light emitting side of the optical element or from the direction of light emitted from the projection object, the optical element rotates counterclockwise.
  • a positive direction is set and a clockwise direction is a negative direction
  • an angle formed between the absorption axis of the first polarizing plate and the slow axis of the ⁇ / 4 plate is (45 + x) ° or ⁇ (45 + x) °. Therefore, the relationship ⁇ 8 ⁇ x ⁇ 10 is satisfied.
  • the first retardation plate has a ⁇ / 2 plate.
  • the first retardation plate includes the ⁇ / 2 plate and the ⁇ / 4 plate, and a normal direction on a light emitting side of the optical element or light from the projection object is transmitted.
  • the optical element when the counterclockwise direction is a positive direction and the clockwise direction is a negative direction, the absorption axis of the first polarizing plate and the ⁇ / If the angle between the slow axis of the two plates is ⁇ , the angle between the absorption axis of the first polarizing plate and the slow axis of the ⁇ / 4 plate is ⁇ ((2
  • an angle formed between the absorption axis of the first polarizing plate and the slow axis of the ⁇ / 4 plate is ((2
  • ⁇ is a negative value
  • the angle formed by the absorption axis of the first polarizing plate and the slow axis of the ⁇ / 4 plate is ⁇ ((2
  • the ⁇ / 2 plate has a principal axis of the refractive index ellipsoid of the ⁇ / 2 plate as an a-axis, a b-axis, and a c-axis, and is closest to a normal direction of the principal surface of the ⁇ / 2 plate.
  • the ⁇ / 4 plate has a principal axis of the refractive index ellipsoid of the ⁇ / 4 plate as an a-axis, a b-axis, and a c-axis, and is closest to a normal direction of a main surface of the ⁇ / 4 plate.
  • the first retardation plate has the uniaxial optical compensation element, the a-axis or the b-axis of the uniaxial optical compensation element, and the uniaxial optical of the first retardation plate.
  • N z 0.5.
  • substantially parallel includes not only 0 ° but also an angular range of several degrees before and after that can be regarded as 0 °, for example, 0 ° ⁇ 5 °.
  • the first retardation plate has a biaxial optical compensation element, and the principal axes of the refractive index ellipsoid of the biaxial optical compensation element are an a-axis, a b-axis, and a c-axis. If the nearest main axis in the direction normal to the major surface of the axial optical compensation element and the c-axis, and the respective principal refractive index of the wavelength of 550nm to light na, n b, and n c, n c> n a > satisfy the relationship of n b.
  • the first retardation plate has the biaxial optical compensation element, the a-axis or the b-axis of the biaxial optical compensation element, and the two of the first retardation plate.
  • the biaxial optical compensation element is arranged so that the slow axis of at least one of the phase difference plates other than the axial optical compensation element is substantially parallel, and the refractive index ellipse of the first phase difference plate.
  • the main axis of the body is the a-axis, b-axis, and c-axis, the main axis closest to the normal direction of the main surface of the biaxial optical compensation element is the c-axis, and the respective main refractive indices for light having a wavelength of 550 nm are expressed as na.
  • N z (n a ⁇ n c ) / (n a ⁇ n b ), the relationship 0.1 ⁇ N z ⁇ 1 is satisfied.
  • an angle formed by the c-axis direction and the normal direction of the principal surface is an inclination angle
  • the inclination angle is an incident angle of light incident on the optical element from a projection object.
  • the other optical elements include a reflective imaging element that reflects the light from the projection object an even number of times to form an image of the projection object, and a first optical element disposed on the light emitting side of the reflective imaging element.
  • One polarizing plate, a first retardation plate disposed between the reflective imaging element and the first polarizing plate, and a second retardation plate disposed on the light incident side of the reflective imaging element have.
  • the optical element further includes an antireflection film on a light emitting side of the reflective imaging element, and the first polarizing plate is provided between the antireflection film and the first retardation plate.
  • the optical element further includes a transparent substrate on at least one of a light incident side and a light output side of the reflective imaging element.
  • the first retardation plate and the second retardation plate have ⁇ / 4 plates.
  • the first retardation plate has the ⁇ / 4 plate, and the normal direction on the light emission side of the optical element or the light from the projection object is emitted from the optical element.
  • the absorption axis of the first polarizing plate and the slow axis of the ⁇ / 4 plate Is (45 + x) ° or ⁇ (45 + x) °, and satisfies the relationship ⁇ 8 ⁇ x ⁇ 10.
  • the second retardation plate has the ⁇ / 4 plate, and the normal direction on the light emission side of the optical element or the light from the projection object is emitted from the optical element.
  • the optical element is viewed from the direction of the light to be transmitted, when the counterclockwise direction is a positive direction and the clockwise direction is a negative direction, the absorption axis or transmission axis of the first polarizing plate and the ⁇ / 4 plate
  • the angle formed with the slow axis is (45 + x) ° or ⁇ (45 + x) °, and satisfies the relationship ⁇ 8 ⁇ x ⁇ 10.
  • At least one of the first retardation plate and the second retardation plate has a ⁇ / 2 plate.
  • the first retardation plate includes the ⁇ / 2 plate and the ⁇ / 4 plate, and a normal direction on a light emitting side of the optical element or light from the projection object is transmitted.
  • the optical element when the counterclockwise direction is a positive direction and the clockwise direction is a negative direction, the absorption axis of the first polarizing plate and the ⁇ /
  • the angle between the slow axis of the two plates is ⁇
  • the angle between the absorption axis of the first polarizing plate and the slow axis of the ⁇ / 4 plate is ⁇ ((2
  • the relationship of ⁇ 31 ⁇ y ⁇ 29 is satisfied.
  • the second retardation plate includes the ⁇ / 2 plate and the ⁇ / 4 plate, and the normal direction on the light emitting side of the optical element or the light from the projection object is transmitted.
  • the optical element when the counterclockwise direction is a positive direction and the clockwise direction is a negative direction, the absorption axis or the transmission axis of the first polarizing plate
  • the angle formed with the slow axis of the ⁇ / 2 plate is ⁇
  • the angle formed between the absorption axis or transmission axis of the first polarizing plate and the slow axis of the ⁇ / 4 plate is ⁇ ((2
  • an angle formed by the absorption axis or transmission axis of the first polarizing plate and the slow axis of the ⁇ / 4 plate is ((2
  • the angle formed by the absorption axis or transmission axis of the first polarizing plate and the slow axis of the ⁇ / 4 plate is ⁇ ((2
  • the ⁇ / 2 plate has a principal axis of the refractive index ellipsoid of the ⁇ / 2 plate as an a-axis, a b-axis, and a c-axis, and is closest to a normal direction of the principal surface of the ⁇ / 2 plate.
  • 0.1 ⁇ N z ⁇ 1 is satisfied, and the in-plane retardation Re of the ⁇ / 2 plate with respect to light having a wavelength of 550 nm satisfies the relationship of 235 nm ⁇ Re ⁇ 310 nm.
  • the ⁇ / 4 plate has a principal axis of the refractive index ellipsoid of the ⁇ / 4 plate as an a-axis, a b-axis, and a c-axis, and is closest to a normal direction of a main surface of the ⁇ / 4 plate.
  • the first retardation plate has the uniaxial optical compensation element, the a-axis or the b-axis of the uniaxial optical compensation element, and the uniaxial optical of the first retardation plate.
  • the N z preferably satis
  • the second retardation plate includes a uniaxial optical compensation element, the a axis or the b axis of the uniaxial optical compensation element, and the uniaxial optical compensation of the second retardation plate.
  • the N z
  • At least one of the first retardation plate and the second retardation plate has a biaxial optical compensation element, and the principal axis of the refractive index ellipsoid of the biaxial optical compensation element is the a-axis. , b-axis, and the c-axis, said a biaxial optical wherein c-axis closest principal axis to a normal direction of a principal surface of the compensating element, na each principal refractive index of the wavelength of 550nm to light, n b, n c In this case, the relationship of n c > n a > n b is satisfied.
  • the first retardation plate has the biaxial optical compensation element, the a-axis or the b-axis of the biaxial optical compensation element, and the two of the first retardation plate.
  • the biaxial optical compensation element is arranged so that the slow axis of at least one of the phase difference plates other than the axial optical compensation element is substantially parallel, and the refractive index ellipse of the first phase difference plate.
  • the main axis of the body is the a-axis, b-axis, and c-axis, the main axis closest to the normal direction of the main surface of the biaxial optical compensation element is the c-axis, and the respective main refractive indices for light having a wavelength of 550 nm are expressed as na.
  • N z (n a ⁇ n c ) / (n a ⁇ n b ), the relationship 0.1 ⁇ N z ⁇ 1 is satisfied.
  • the second retardation plate includes the biaxial optical compensation element, the a-axis or the b-axis of the biaxial optical compensation element, and the two of the second retardation plate.
  • the biaxial optical compensation element is arranged so that the slow axis of at least one of the phase difference plates other than the axial optical compensation element is substantially parallel, and the refractive index ellipse of the second retardation plate.
  • the main axis of the body is the a-axis, b-axis, and c-axis, the main axis closest to the normal direction of the main surface of the biaxial optical compensation element is the c-axis, and the respective main refractive indices for light having a wavelength of 550 nm are expressed as na.
  • N z (n a ⁇ n c ) / (n a ⁇ n b ), the relationship 0.1 ⁇ N z ⁇ 1 is satisfied.
  • an angle formed by the c-axis direction and the normal direction of the principal surface is an inclination angle
  • the inclination angle is an incident angle of light incident on the optical element from a projection object.
  • the optical element has a second polarizing plate disposed on a light incident side of the reflective imaging element, and the second retardation plate includes the reflective imaging element and the second imaging element. It arrange
  • first polarizing plate and the second polarizing plate when the first polarizing plate and the second polarizing plate are viewed from the light exit side of the optical element or from the direction of the light emitted from the optical projection object,
  • the first polarizing plate and the second polarizing plate are arranged so that the absorption axis of the first polarizing plate and the absorption axis of the second polarizing plate are substantially parallel or substantially orthogonal to each other.
  • substantially orthogonal includes not only 90 ° but also an angular range of several degrees before and after 90 °, for example, 90 ° ⁇ 5 °.
  • An optical system of the present invention includes any one of the optical elements described above and a display panel disposed on a light incident side of the optical element, and displays an image displayed on a display surface of the display panel.
  • the optical system forms an image at a plane-symmetrical position as a symmetry plane, and light emitted from the display panel is circularly polarized light or elliptically polarized light.
  • Another optical system includes any one of the optical elements described above and a display panel disposed on the light incident side of the optical element, and the image displayed on the display surface of the display panel is symmetrical with the optical element.
  • an image is formed at a plane-symmetrical position, and the light emitted from the display panel is linearly polarized light.
  • the display panel is arranged so that the absorption axis of the polarizing plate on the display surface side of the panel and the absorption axis of the first polarizing plate are substantially parallel or substantially orthogonal.
  • Still another optical system includes any one of the optical elements described above and a display panel disposed on a light incident side of the optical element, and displays an image displayed on a display surface of the display panel.
  • An image is formed at a plane-symmetric position as a symmetry plane.
  • an optical element with improved visibility of an aerial image and an optical system including the optical element are provided.
  • FIG. 10 is typical sectional drawing which shows the structure of optical element 10A, 10B, 10C of embodiment by this invention.
  • (A) And (b) is a figure explaining the typical top view and optical path of mirror surface elements 14 and 15,
  • (c) is the typical sectional view and optical path of optical element 10C. It is a figure explaining.
  • (A)-(c) is a figure explaining the arrangement
  • (d)-(f) is the polarizing plate 22, (lambda) / 2 board 21' ', and It is a figure explaining the arrangement
  • FIG. (A) is a schematic diagram showing the refractive index ellipsoid of each of the ⁇ / 2 plate 21 ′′, the ⁇ / 4 plate 21 ′, and the optical compensation element 23, and (b) is the ⁇ / 2 plate 21 ′.
  • 1 is a diagram illustrating a configuration of an optical system 100.
  • FIG. 1A to 1C are schematic cross-sectional views showing the configurations of the optical elements 10A, 10B, and 10C.
  • the same referential mark is attached
  • An optical element 10A shown in FIG. 1A includes a reflective imaging element 11, a first polarizing plate 22a disposed on the light emitting side of the reflective imaging element 11, the reflective imaging element 11 and the first optical element 10A. It has the 1st phase difference plate 21a arrange
  • the optical element 10A may further include an antireflection film on the light emitting side of the reflective imaging element 11.
  • the first polarizing plate 22a can be disposed, for example, between the antireflection film and the first retardation plate 21a.
  • the antireflection film is an antireflection film having a moth-eye structure disclosed in, for example, International Publication No. 2006/059686.
  • the transparent substrate 20 may be disposed on the outermost surface of the optical element 10A, for example. Further, the transparent substrate 20 may be disposed on the light incident side of the reflective imaging element 11, or may be disposed on either the light incident side or the light emitting side.
  • the first retardation plate 21a has a ⁇ / 4 plate and may further have a ⁇ / 2 plate.
  • the first retardation plate 21a may have a uniaxial optical compensation element.
  • the first retardation plate 21a may have a biaxial optical compensation element.
  • the optical element 10A can prevent stray light that does not contribute to image formation from being mixed with light that contributes to image formation when light incident on the optical element 10A is circularly polarized light.
  • the transparent substrate 20 may be disposed between the reflective imaging element 11 and the second retardation plate 21b, between the reflective imaging element 11 and the first retardation plate 21a, and the reflective connection. You may arrange
  • the optical element 10C illustrated in FIG. 1C further includes a second polarizing plate 22b disposed on the light incident side of the optical element 10B.
  • a second retardation plate 21 b is disposed between the second polarizing plate 22 b and the reflective imaging element 11.
  • the absorption axis of the first polarizing plate 22a and the absorption of the second polarizing plate 22b are viewed from the light emitting side of the optical element 10C or the normal direction on the light incident side.
  • the first polarizing plate 22a and the second polarizing plate 22b are disposed so that the axis is substantially parallel or substantially orthogonal.
  • the first polarizing plate 22a and the second polarizing plate 22b are viewed, the first polarizing plate is such that the absorption axis of the first polarizing plate 22a and the absorption axis of the second polarizing plate 22b are substantially parallel or substantially orthogonal to each other. It is preferable that 22a and the 2nd polarizing plate 22b are arrange
  • the optical element 10 ⁇ / b> C can prevent stray light that does not contribute to image formation from being mixed with light that contributes to image formation even in the case of non-polarized light regardless of the polarization state of the light incident on the optical element 10 ⁇ / b> C.
  • optical element 10 The above-described optical elements 10A, 10B, and 10C (hereinafter sometimes referred to as the optical element 10) can prevent stray light that does not contribute to image formation from being mixed with light that contributes to image formation. Visibility is improved.
  • the reflective imaging element 11 is a reflective imaging element disclosed in Patent Document 1 or 6, for example.
  • the light incident on the reflective imaging element 11 is reflected an even number of times (for example, twice) by, for example, two mirror elements 14 and 15 that are orthogonal to each other included in the reflective imaging element 11, and the image of the projection object is in the air Can be imaged.
  • the reflective imaging element 11 has a hollow hole, the hole may be closed with a transparent member.
  • the transparent member is preferably made of a material having an isotropic refractive index.
  • the reflective imaging element 11 is very thin and fragile. Therefore, the reflective imaging element 11 is reinforced by the transparent substrate 20. Moreover, it is possible to prevent foreign matters such as dust from adhering to the mirror surface element or the like.
  • the reflective imaging element 11 is preferably sandwiched between transparent substrates 20. It is preferable that the transparent substrate 20 does not give a phase difference at least on the optical path of light contributing to imaging, that is, the refractive index is isotropic.
  • FIG. 2A is a top view of the two schematic mirror elements 14 and 15 for explaining the light contributing to the image formation.
  • FIG. 2B is a top view of two schematic specular elements 14 and 15 for explaining stray light that does not contribute to image formation.
  • FIG. 2C is a schematic cross-sectional view of the optical element 10C for explaining the light incident on the optical element 10C. In FIG. 2C, the transparent substrate 20 is omitted for ease of explanation.
  • clockwise circularly polarized light (or elliptically polarized light) 60c is incident on the reflective imaging element 11 and is odd-numbered (for example, once) by the mirror element 14 (or 15).
  • the light that is reflected and emitted from the reflective imaging element 11 is counterclockwise circularly polarized light (or elliptically polarized light) 60c ′′, and is not clockwise circularly polarized light (or elliptically polarized light).
  • the light 60 c ′′ reflected by the odd number of times and emitted from the reflective imaging element 11 is stray light that does not contribute to imaging. When this stray light is mixed with light 60d (see FIG. 2A) that contributes to image formation, the visibility of the aerial image is lowered.
  • the outgoing light 60d having, for example, clockwise circularly polarized light (or elliptically polarized light) reflected by the two mirror surface elements 14 and 15 an even number of times (for example, twice) is the first retardation plate.
  • the ⁇ / 4 plate 21 ′ included in 21a becomes linearly polarized light 60e.
  • the linearly polarized light 60e is transmitted through the first polarizing plate 22a arranged so that the linearly polarized light 60e is transmitted, and forms an aerial image at the position 40 with the optical element 10C as a symmetry plane.
  • the outgoing light 60c ′′ having, for example, counterclockwise circularly polarized light (or elliptically polarized light) reflected an odd number of times (for example, once) is linearly polarized light 60e by the ⁇ / 4 plate 21a ′ of the first retardation plate 21a.
  • ' become.
  • the polarization direction of the linearly polarized light 60e ' is absorbed by the first polarizing plate 22a because it is 90 ° different from the polarization direction of the linearly polarized light 60e.
  • the optical element 10C uses the fact that even-numbered light and odd-numbered light reflected in the reflective imager 11 have different characteristics (for example, the polarization direction of linearly polarized light is different by 90 °).
  • Light that contributes to the image for example, light that has been reflected an even number of times
  • stray light that does not contribute to image formation for example, light that has been reflected an odd number of times
  • the optical element 10C includes the second polarizing plate 22b, the non-polarized light 60a can be changed to the linearly polarized light 60b.
  • the linearly polarized light 60b is converted into circularly polarized light 60c by the second retardation plate 21b. Therefore, the light incident on the optical element 10C can be used even with the non-polarized light 60a.
  • the optical element 10A is used because the second retardation plate 21b and the second polarizing plate 22b are unnecessary, and the light incident on the optical element is linearly polarized light.
  • the optical element 10B is used. At this time, each of the optical elements 10A and 10B has an effect of preventing stray light that does not contribute to image formation from being emitted from the light emission side of each of the optical elements 10A and 10B as described above.
  • the visibility of the aerial image is improved by adopting a configuration in which stray light that does not contribute to image formation is not emitted from the light emitting side of the optical element 10.
  • the ⁇ / 4 plates 21 a ′ and 21 b ′ are manufactured from, for example, a norbornene resin.
  • FIG. 3A is a schematic perspective view for explaining the positional relationship between the first polarizing plate 22a and the ⁇ / 4 plate 21a ′.
  • a ⁇ / 4 plate 21a ′ is disposed between the first polarizing plate 22a and the reflective imaging element 11 (not shown).
  • the angle between the slow axis S1 of the absorption axis A1 lambda / 4 plate 21a 'of the first polarizing plate 22a and the angle theta 1, the light emitting side of the optical element 10 normal to the direction, or from non-projected When viewing the optical element 10 from the direction of light emitted from the optical element 10, the counterclockwise direction is defined as a positive direction, and the clockwise direction is defined as a negative direction.
  • ⁇ 1 is a value that satisfies the relationship ⁇ 90 ° ⁇ ⁇ 1 ⁇ 90 °.
  • the light emitted from the counterclockwise circularly polarized light entering the ⁇ / 4 plate 21a ′ and passing through the first polarizing plate 22a is linearly polarized light.
  • ⁇ 1 ⁇ 45 °
  • the light incident on the first polarizing plate 22a and emitted from the ⁇ / 4 plate 21a ′ becomes clockwise circularly polarized light.
  • ⁇ 1 is approximately (45 + x 1 ) ° (for example, 39 °) or approximately ⁇ (45 + x 1 ) °.
  • the first polarizing plate 22a and the ⁇ / 4 plate 21a ′ are arranged so that When the optical element 10 is viewed from the direction in which light from the projection object is emitted from the optical element 10 (aerial image viewing direction V (see FIG.
  • ⁇ 1 is (45 + x 1 ) ° or ⁇ (45 + x 1 ) It is preferable to arrange the first polarizing plate 22a and the ⁇ / 4 plate 21 ′ so as to be at an angle.
  • x 1 is appropriately determined within the range of ⁇ 8 ⁇ x 1 ⁇ 10 from the aerial video viewing direction V. As a result of the inventor's examination by simulation, when x is ⁇ 8> x 1 or x 1 > 10, when the aerial image is viewed from the observation direction V, the visibility of the aerial image decreases due to the influence of external light. .
  • FIG. 3B shows a case where the absorption axis of the first polarizing plate 22a and the absorption axis of the second polarizing plate (or the polarizing plate on the display surface side of the display device) (both not shown) are arranged substantially in parallel. It is a typical perspective view for demonstrating the arrangement
  • the first polarizing plate 22a is disposed on the light exit side of the reflective imaging element 11 (not shown), and the ⁇ / 4 plate 21b ′ is disposed on the light incident side of the reflective imaging element 11 (not shown). ing.
  • the counterclockwise direction is the positive direction and the clockwise direction is the negative direction.
  • ⁇ 2 is a value that satisfies the relationship ⁇ 90 ° ⁇ ⁇ 2 ⁇ 90 °.
  • the first polarizing plate 22a and ⁇ / are set so that ⁇ 2 is approximately ⁇ (45 + x 1 ) ° or approximately (45 + x 1 ) °.
  • Four plates 21b ' are arranged.
  • ⁇ 2 is ⁇ (45 + x 1 ) ° (for example, ⁇ 39 °) or (45 + x 1).
  • the angle formed between the transmission axis T1 of the first polarizing plate 22a and the slow axis S1 of the ⁇ / 4 plate 21b ′ is an angle ⁇ 2 ′, and the normal direction on the light exit side of the optical elements 10B and 10C (not shown), Alternatively, when the optical elements 10B and 10C are viewed from the direction of light emitted from the projection object to the optical elements 10B and 10C, the counterclockwise direction is the positive direction and the clockwise direction is the negative direction.
  • ⁇ 2 ′ is a value that satisfies the relationship ⁇ 90 ° ⁇ ⁇ 2 ′ ⁇ 90 °.
  • the value of x 1 is a positive value
  • the value of x 2 is a negative value
  • the value of x 1 negative, the value of x 2 is a positive value.
  • y 1 is a value that satisfies the relationship ⁇ 31 ⁇ y 1 ⁇ 29.
  • the angle between the absorption axis A1 and the slow axis S1 is approximately ⁇ ((2
  • the ⁇ / 4 plate 21b ′ is an angle formed by the absorption axis A1 and the slow axis S1 when the optical elements 10B and 10C are viewed from the direction of light emitted from the projection object to the optical elements 10B and 10C. Is preferably arranged to be ⁇ ((2
  • FIG. 3F shows a first case where the absorption axis of the first polarizing plate 22a and the absorption axis of the second polarizing plate (or the polarizing plate on the display surface side of the display device) are arranged so as to be substantially orthogonal to each other. It is a typical perspective view for demonstrating the arrangement
  • the first polarizing plate 22a is disposed on the light exit side of the reflective imaging element 11 (not shown).
  • the ⁇ / 4 plate 21b ′ and the ⁇ / 2 plate 21b ′′ are arranged on the light incident side of the reflective imaging element 11.
  • a ⁇ / 2 plate 21b ′′ is disposed between the reflective imaging element 11 and the ⁇ / 4 plate 21b ′, and the ⁇ / 4 plate 21b ′ extends from the reflective imaging element 11 to the ⁇ / 2 plate 21b ′′. Located farther away.
  • the transmission axis of the first polarizing plate 22a is T1
  • the slow axis of the ⁇ / 4 plate 21b ′ is S1
  • the slow axis of the ⁇ / 2 plate 21b ′′ is S2
  • the angle formed by the slow axis S2 of the / 2 plate 21b ′′ is the angle ⁇ 4 ′
  • the counterclockwise direction is the positive direction
  • the clockwise direction is the negative direction
  • is approximately 15 ° or 75 °, the position in the visible light region.
  • the influence of the wavelength dependency of the refractive index of the phase difference plate can be reduced. Therefore, the change in reflectance due to the difference in the wavelength of light in the visible light region is reduced, and coloring of the aerial image can be suppressed.
  • the wavelength dispersion of the refractive indexes of the ⁇ / 4 plate and the ⁇ / 2 plate can be offset.
  • is approximately 15 ° or 75 °.
  • can be different from this.
  • can be obtained by simulation.
  • the angle between the transmission axis T1 and the slow axis S1 is approximately ⁇ ((2
  • ⁇ 4 ′ When the angle ⁇ 4 ′ ⁇ 0 ° is satisfied, the angle formed by the transmission axis T1 and the slow axis S1 is ⁇ ((2
  • y 2 has a relationship of ⁇ 31> y 2 or y 2 > 29, when viewing the aerial image from the observation direction V, the visibility of the aerial image is affected by the influence of external light. Becomes lower.
  • the value of y 1 is a positive value
  • the value of y 2 is a negative value
  • the value of y 1 is a negative value
  • the value of y 2 is a positive value.
  • the values of y 1 and y 2 are appropriately determined from the observation direction V (see FIG. 6), ⁇ 1 to ⁇ 4 and ⁇ 4 ′, and the optical characteristics of the ⁇ / 4 plate and ⁇ / 2 plate.
  • a plurality of ⁇ / 2 plates 21 ′′ may be arranged.
  • the relationship between the absorption axis A1 or transmission axis T1 of the polarizing plate 22 and the slow axis S2 of the ⁇ / 2 plate 21 ′′ can be separately designed by a known method.
  • a ⁇ / 4 plate having a refractive index and a reverse wavelength dispersion characteristic of the ⁇ / 4 plate 21 ′ may be arranged.
  • a retardation plate having a different refractive index and wavelength dispersion from the ⁇ / 4 plate 21 ′ may be arranged.
  • the slow axis of the ⁇ / 4 plate 21 ′ and the slow axis of the phase difference plate be arranged substantially parallel or substantially orthogonal to each other.
  • the respective absorption axes of the two first polarizing plates 22 a and the second polarizing plate 22 b are It is preferable to arrange the first polarizing plate 22a and the second polarizing plate 22b so as to be substantially parallel to each other or substantially orthogonal to each other. Further, the first polarizing plate 22a and the second polarizing plate 22b from the direction of the light from the projection object emitted from the optical element 10C or the direction of the light from the projection object incident on the optical element 10C.
  • the viewing angle with high visibility of the aerial image is increased by the optical compensation element 23.
  • the optical compensation element 23 is provided with optical anisotropy by, for example, stretching a polymer film and orienting the polymer chain in the film plane (corresponding to the XY plane of the optical compensation element 23 in FIG. 4B). There is what was done.
  • the optical compensation element 23 may be formed by, for example, forming a liquid crystal monomer on a substrate subjected to a rubbing process after forming a vertical alignment film that aligns liquid crystal molecules perpendicularly to the substrate on a glass substrate or a known retardation plate.
  • a liquid crystal cell having a function like a positive C plate may be used by aligning and polymerizing a liquid crystalline monomer with, for example, ultraviolet rays.
  • FIG. 4A shows a ⁇ / 4 plate 21 ′, a ⁇ / 2 plate 21 ′′, an optical compensation element 23 (uniaxial or biaxial optical compensation elements 23a, 23b), a first retardation plate 21a, and a second retardation plate 21a. It is a figure which shows the refractive index ellipsoid of the phase difference plate 21b. A shaft spindle of the refractive index ellipsoid as shown in FIG.
  • the c-axis of the refractive index ellipsoid is substantially parallel to the normal direction of the main surface of the uniaxial optical compensation element 23a, and the directions of the a-axis and the b-axis are uniaxial optical compensation elements.
  • the a-axis or b-axis of the uniaxial optical compensation element 23a is the slow axis of the phase difference plate other than the uniaxial optical compensation element 23a included in the first retardation plate 21a (or the second retardation plate 21b).
  • the uniaxial optical compensation element 23a has a relationship between the principal refractive indexes as described above, so that the position depends on the observation direction of the aerial image or the incident direction of light incident on the optical element 10 from the projection object. A uniaxial optical compensation element having a small change in phase difference is obtained. As a result, it is possible to increase the viewing angle where the visibility of the aerial image is high.
  • the c-axis of the refractive index ellipsoid is approximately parallel to the normal direction of the main surface of the biaxial optical compensation element 23b, and the directions of the a-axis and the b-axis are biaxial. It is preferable that it is in the plane of the optical compensation element and the magnitude of the main refractive index is in the relationship of n c > n a > n b .
  • the a-axis or b-axis of the biaxial optical compensation element 23b is the slow phase of the phase difference plate other than the biaxial optical compensation element 23b included in the first retardation plate 21a (or the second retardation plate 21b).
  • the biaxial optical compensation element 23a is disposed so as to be substantially parallel to the axis, and the N z of the first phase difference plate 21a (or the second phase difference plate 21b) is such that 0.1 ⁇ N z ⁇ 1. It is preferable to satisfy
  • fill the relationship of Nz 0.5.
  • the biaxial optical compensation element 23b when the respective main refractive indexes are in the relationship as described above, depends on the difference in the observation direction of the aerial image or the incident direction of the light incident on the optical element 10 from the projection object. A biaxial optical compensation element having a small change in phase difference is obtained. As a result, it is possible to increase the viewing angle where the visibility of the aerial image is high.
  • the c-axis of the refractive index ellipsoid of each of the ⁇ / 4 plate 21 ′, the ⁇ / 2 plate 21 ′′, and the optical compensation element 23 is the ⁇ / 4 plate 21 ′, the ⁇ / 2 plate 21 ′′, and The optical compensation element 23 was generally parallel to the normal direction, and the a-axis and b-axis were in the planes of the ⁇ / 4 plate 21 ′, the ⁇ / 2 plate 21 ′′, and the optical compensation element 23, respectively.
  • the ⁇ / 4 plate 21 ′, the ⁇ / 2 plate 21 ′′ and the optical compensation element 23 used in this embodiment are the same as the ⁇ / 4 plate 21 ′, the ⁇ / 2 plate 21 ′′ and the optical compensation element 23 described above.
  • the c-axis of the refractive index ellipsoid may be inclined with respect to the z-axis (normal direction of the principal surface) of each of the ⁇ / 4 plate 21 ′, the ⁇ / 2 plate 21 ′′ and the optical compensation element 23. Good.
  • FIG. 4B shows the ⁇ / 4 plate 21 ′ ′′ and the ⁇ / 2 plate 21 ′′ ′′ in which the c-axis of the refractive index ellipsoid is inclined from the z-axis of the optical compensation element.
  • the optical compensation element 23 ′ (uniaxial or biaxial optical compensation elements 23a ′ and 23b ′) will be described.
  • FIG. 4B shows the ⁇ / 4 plate 21 ′ ′′, the ⁇ / 2 plate 21 ′′ ′′, and the optical compensation element 23 ′, respectively, and the ⁇ / 4 plate 21 ′ ′′, ⁇ / 2 plate 21 ′′. It is a figure which shows typically the positional relationship with each refractive index ellipsoid of '' and optical compensation element 23 '.
  • the viewing angle of the aerial image can be increased in the observation direction V (see FIG. 6).
  • the external light 70 enters the optical element 10 from the light emitting side (observer side) of the optical element 10, is reflected an odd number of times (for example, once) in the optical element 10, and is reflected therefrom.
  • the light travels toward the light exit side of the optical element 10. Therefore, when the reflectance of the external light 70 is high, the visibility of the aerial image is deteriorated.
  • the display panel When viewed, the display panel is preferably arranged so that the absorption axis of the polarizing plate on the display surface side of the display panel and the absorption axis of the first polarizing plate 22a of the optical element 10B are substantially parallel or substantially orthogonal.
  • the absorption axis of the first polarizing plate 22a and the absorption axis of the polarizing plate on the display surface side of the display panel are displayed. It is more preferable to arrange the display panels so that are substantially parallel or substantially orthogonal to each other.
  • the optical element 10C is used even if the light from the projection object is non-polarized light.
  • a display panel is preferable, and for example, a liquid crystal display panel that can easily control the viewing angle is more preferably used.
  • an organic EL display, a plasma display, a projector, or an LED display can be used as the display panel.
  • a display panel that is difficult to control the viewing angle such as an organic EL display or a plasma display
  • a projector or an LED display is used as a display panel, since the directivity of light is strong and the viewing angle is narrow, it is necessary to use a lens that gives an angle to the light beam between the display panel and the reflective imaging element 10. There is.
  • the reflection-type imaging element 11 is affected by the external light 70 (70a to 70e indicate the polarization state of the external light 70).
  • the light reflected from the surface can be prevented from being emitted from the light emitting side of the optical element 10.
  • the optical element 10 includes the optical compensation element 23, for example, the viewing angle of the aerial image is increased.

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Abstract

　本発明による実施形態における光学素子（１０Ａ）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（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（２２）と、反射型結像素子（１１）と第１偏光板（２２）との間に配置された第１位相差板（２１ａ）とを有する。

Description

光学素子および光学システム
　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎａ≧ｎｂの関係を満たし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦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Ｎｚは、Ｎｚ＝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、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎａ≧ｎｂの関係を満たし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦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Ｎｚは、Ｎｚ＝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、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎｃ＞ｎａ＝ｎｂ、または、ｎｃ＝ｎａ＞ｎｂ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、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎｚは、Ｎｚ＝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、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎｃ＞ｎａ＞ｎｂ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、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎｚは、Ｎｚ＝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、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎａ≧ｎｂの関係を満たし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦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Ｎｚは、Ｎｚ＝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、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎａ≧ｎｂの関係を満たし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦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Ｎｚは、Ｎｚ＝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、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎｃ＞ｎａ＝ｎｂ、または、ｎｃ＝ｎａ＞ｎｂ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、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎｚは、Ｎｚ＝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、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎｚは、Ｎｚ＝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、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎｃ＞ｎａ＞ｎｂ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、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎｚは、Ｎｚ＝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、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす。前記Ｎｚは、Ｎｚ＝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Ｎｚ＝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Ｎｚ＝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θ１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。θ１は、－９０°≦θ１≦９０°の関係を満たす値である。θ１＝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、θ１＝－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、θ１がほぼ（４５＋ｘ１）°（例えば、３９°）、または、ほぼ－（４５＋ｘ１）°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、θ１が（４５＋ｘ１）°または－（４５＋ｘ１）°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。ｘ１は、空中映像の観察方向Ｖから－８≦ｘ１≦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＞ｘ１またはｘ１＞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θ２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。θ２は、－９０°≦θ２≦９０°の関係を満たす値である。θ２が、θ２＝－θ１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θ１＝４５°であるときθ２＝－４５°となり、例えばθ１＝－４５°のときθ２＝４５°となる。従って、上述のようにθ１＝（４５＋ｘ１）°（例えば、３９°）、または、－（４５＋ｘ１）°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、θ２がほぼ－（４５＋ｘ１）°、または、ほぼ（４５＋ｘ１）°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、θ２が－（４５＋ｘ１）°（例えば、－３９°）、または、（４５＋ｘ１）°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θ２’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。θ２’は、－９０°≦θ２’≦９０°の関係を満たす値である。θ２’もθ１と同様にθ２’＝±（４５＋ｘ２）°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、θ１との関係において、θ１＝（４５＋ｘ１）°のときθ２’＝－（４５＋ｘ２）°となるように配置し、θ１＝－（４５＋ｘ１）°のときθ２’＝（４５＋ｘ２）°となるように配置する。ここで、ｘ１の値が正の値のとき、ｘ２の値は負の値をとり、ｘ１の値が負の値のとき、ｘ２の値は正の値をとる。具体的には、例えばθ１＝３７°（ｘ１＝－８）のとき、θ２’＝－５４°（ｘ２＝＋１０）である。ｘ２の値は、空中映像の観察方向Ｖから－８≦ｘ２≦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、ｘ２が－８＞ｘ２またはｘ２＞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θ３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°≦θ３≦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｜θ３｜（｜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、｜θ３｜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θ３の値はこれと異なり得る。最適なθ３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｜θ３｜＋４５°）＋ｙ１）°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｜θ３｜＋４５°）＋ｙ１）°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、θ３≧０°を満たすとき吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が（（２｜θ３｜＋４５°）＋ｙ１）°となるように配置され、θ３≦０°を満たすとき吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が－（（２｜θ３｜＋４５°）＋ｙ１）°となるように配置される。ｙ１は、－３１≦ｙ１≦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、ｙ１が－３１＞ｙ１またはｙ１＞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θ４とし、反時計回りを正の方向、時計回りを負の方向とし、－９０°≦θ４≦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｜θ４｜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、｜θ４｜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｜θ４｜の値はこれと異なり得る。最適な｜θ４｜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｜θ４｜＋４５°）＋ｙ１）°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｜θ４｜＋４５°）＋ｙ１）°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、θ４≧０°を満たすとき吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が（（２｜θ４｜＋４５°）＋ｙ１）°となるように配置され、θ４≦０°を満たすとき吸収軸Ａ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が－（（２｜θ４｜＋４５°）＋ｙ１）°となるように配置される。θ３との関係において、θ４はθ４＝－θ３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θ４’とし、反時計回りを正の方向、時計回りを負の方向とし、－９０°≦θ４’≦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｜θ４’｜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、｜θ４’｜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｜θ４’｜の値はこれと異なり得る。最適な｜θ４’｜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｜θ４’｜＋４５°）＋ｙ２）°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｜θ４’｜＋４５°）＋ｙ２）°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、θ４’≧０°を満たすとき透過軸Ｔ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が（（２｜θ４’｜＋４５°）＋ｙ２）°となるように配置され、θ４’≦０°を満たすとき透過軸Ｔ１と遅相軸Ｓ１とのなす角が－（（２｜θ４’｜＋４５°）＋ｙ２）°となるように配置される。ｙ２は、－３１≦ｙ２≦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、ｙ２が－３１＞ｙ２またはｙ２＞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、θ３との関係において、θ４’はθ４’＝－θ３の関係を有することが好ましい。このとき、ｙ１の値が正の値のときｙ２の値は負の値となり、ｙ１の値が負の値のときｙ２の値は正の値となる。ｙ１およびｙ２の値は、観察方向Ｖ（図６参照）、θ１～θ４およびθ４’、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ｎａとし、ｂ軸の主屈折率をｎｂとし、ｃ軸の主屈折率をｎｃ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、ｎａ≧ｎｂの関係を満たす。それぞれの主屈折率の大きさの関係をＮｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）としたとき、λ／４板２１’は、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たすことが好ましく、Ｎｚ＝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＝（ｎａ－ｎｂ）＊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ｎａ≧ｎｂの関係を満たす。λ／２板２１’’は、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たすことが好ましく、Ｎｚ＝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＝（ｎａ－ｎｂ）＊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ｎｃ＞ｎａ＝ｎｂの関係（例えば正のＣプレート）、または、ｎｃ＝ｎａ＞ｎｂ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Ｎｚが、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たすことが好ましく、Ｎｚ＝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ｎｃ＞ｎａ＞ｎｂ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Ｎｚが、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たすことが好ましく、Ｎｚ＝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 (42)

  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、請求項４に記載の光学素子。
  6. 　前記第１位相差板は、λ／２板を有する、請求項１から５のいずれかに記載の光学素子。
  7. 　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、－２９≦ｙ≦３０の関係を満たす、請求項６に記載の光学素子。
  8. 　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、請求項７に記載の光学素子。
  9. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎａ≧ｎｂの関係を満たし、
    　Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦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６から８のいずれかに記載の光学素子。
  10. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎａ≧ｎｂの関係を満たし、
    　Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦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９のいずれかに記載の光学素子。
  11. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎｃ＞ｎａ＝ｎｂ、または、ｎｃ＝ｎａ＞ｎｂ関係を満たす、請求項１から１０のいずれかに記載の光学素子。
  12. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、
    　０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす、請求項１１に記載の光学素子。
  13. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎｃ＞ｎａ＞ｎｂの関係を満たす、請求項１から１２のいずれかに記載の光学素子。
  14. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、
    　０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす、請求項１３に記載の光学素子。
  15. 　前記Ｎｚは、Ｎｚ＝０．５の関係を満たす、請求項９、１０、１２または１４のいずれかに記載の光学素子。
  16. 　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、請求項９から１５のいずれかに記載の光学素子。
  17. 　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。
  18. 　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１７に記載の光学素子。
  19. 　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、請求項１７または１８に記載の光学素子。
  20. 　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１７から１９のいずれかに記載の光学素子。
  21. 　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、請求項２０に記載の光学素子。
  22. 　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、請求項２０または２１に記載の光学素子。
  23. 　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１７から２２のいずれかに記載の光学素子。
  24. 　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、請求項２３に記載の光学素子。
  25. 　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とし、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、請求項２３または２４に記載の光学素子。
  26. 　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、請求項２４または２５に記載の光学素子。
  27. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎａ≧ｎｂの関係を満たし、
    　Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦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２３から２６のいずれかに記載の光学素子。
  28. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとした場合、ｎａ≧ｎｂの関係を満たし、
    　Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦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２０から２７のいずれかに記載の光学素子。
  29. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとした場合、
    　ｎｃ＞ｎａ＝ｎｂ、または、ｎｃ＝ｎａ＞ｎｂの関係を満たす、請求項１７から２８のいずれかに記載の光学素子。
  30. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす、請求項２９に記載の光学素子。
  31. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす、請求項２９または３０に記載の光学素子。
  32. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとした場合、
    　ｎｃ＞ｎａ＞ｎｂの関係を満たす、請求項１７から３１のいずれかに記載の光学素子。
  33. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす、請求項３２に記載の光学素子。
  34. 　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ｎａ、ｎｂ、ｎｃとし、Ｎｚ＝（ｎａ－ｎｃ）／（ｎａ－ｎｂ）とした場合、０．１≦Ｎｚ≦１の関係を満たす、請求項３２または３３に記載の光学素子。
  35. 　前記Ｎｚは、Ｎｚ＝０．５の関係を満たす、請求項２７、２８、３０、３１、３３または３４に記載の光学素子。
  36. 　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、請求項２７から３５のいずれかに記載の光学素子。
  37. 　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１７から３６のいずれかに記載の光学素子。
  38. 　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３７に記載の光学素子。
  39. 　請求項１から１６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。
  40. 　請求項１７から３６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。
  41. 　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４０に記載の光学システム。
  42. 　請求項３７または３８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。
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