WO2012053481A1 - 光学システム - Google Patents

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WO2012053481A1
WO2012053481A1 PCT/JP2011/073837 JP2011073837W WO2012053481A1 WO 2012053481 A1 WO2012053481 A1 WO 2012053481A1 JP 2011073837 W JP2011073837 W JP 2011073837W WO 2012053481 A1 WO2012053481 A1 WO 2012053481A1
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WO
WIPO (PCT)
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plate
phase difference
polarizing plate
retardation
optical system
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/073837
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English (en)
French (fr)
Inventor
健太郎 今村
嶋谷　貴文
寿史 渡辺
Original Assignee
シャープ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
    • G02B30/22—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type
    • G02B30/25—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type using polarisation techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133528—Polarisers
    • G02F1/133531—Polarisers characterised by the arrangement of polariser or analyser axes

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.
  • the optical system has a reflective imaging element and an object to be projected, and the image displayed in space is an image of the object to be projected at a plane-symmetrical position with the reflective imaging element as a symmetry plane. It is.
  • 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).
  • An optical system using a reflective imaging element uses the specular reflection of the reflective imaging element, and in principle, the size of the image of the projection object and the image projected in space (hereinafter referred to as an aerial image).
  • the ratio is 1: 1.
  • Patent Documents 1 to 6 For the purpose of reference, the entire disclosure of Patent Documents 1 to 6 is incorporated herein by reference.
  • Patent Application 1 PCT / JP2011 / 060119
  • Patent Application 2 PCT / JP2011 / 060152
  • Patent application 1 proposes an optical system in which the visibility of aerial images is improved by suppressing stray light that does not contribute to image formation from being emitted from an optical element.
  • Patent application 2 proposes an optical system in which the use efficiency of light contributing to imaging is increased and the visibility of aerial images is improved.
  • the entire disclosures of patent applications 1 and 2 are incorporated herein by reference.
  • the present invention was made to improve the light utilization efficiency in the optical system described in Patent Application 1, and its object is to contribute to imaging while reducing the influence of stray light that does not contribute to imaging.
  • An object of the present invention is to provide an optical system including a reflective imaging element with improved light utilization efficiency.
  • An optical system includes a display panel, a first main surface on which light emitted from the display panel is incident, a second main surface parallel to the first main surface, and a perpendicular to the first main surface.
  • a reflective imaging element having two mirror elements orthogonal to each other, and an image displayed on the display surface of the display panel is placed in a plane-symmetrical position with the reflective imaging element as a symmetry plane.
  • An optical system for imaging wherein the reflective imaging element includes a flat substrate having a plurality of through holes in a thickness direction, and a first transparent member filled in the plurality of through holes, A first ⁇ / 4 retardation plate is disposed on the first principal surface side of the reflective imaging element, and a second ⁇ / 4 retardation plate is disposed on the second principal surface side of the reflection imaging element; A first polarizing plate is disposed on a side opposite to the reflective imaging element side of the second ⁇ / 4 retardation plate, and the reflective imaging is performed. Between the optical element and the first ⁇ / 4 retardation plate, between the reflective imaging element and the second ⁇ / 4 retardation plate, and between the second ⁇ / 4 retardation plate and the first polarizing plate.
  • a layer formed from a second transparent member is formed, and the first and second transparent members are optically isotropic and have a refractive index n.
  • the light incident on the first ⁇ / 4 retardation plate is linearly polarized light, and when the width of each of the two specular elements is a and the height of each of the two specular elements is b, the first ⁇ Assuming that the angle formed by the normal direction of the / 4 retardation plate on the display panel side and the incident direction of light incident on the first ⁇ / 4 retardation plate from the display panel is an incident angle ⁇ , the incident angle ⁇ is Satisfies the following formula (1), The refractive index n satisfies the following formula (2).
  • the average refractive index of the first polarizing plate and the second polarizing plate described later is close to the refractive index n independently. Furthermore, it is preferable that the first ⁇ / 4 retardation plate and the second ⁇ / 4 retardation plate have an average refractive index close to the refractive index n independently.
  • n tan (cos ⁇ 1 (sin ⁇ )) (2)
  • a first ⁇ / 2 retardation plate is disposed on a side opposite to the second ⁇ / 4 retardation plate side of the first polarizing plate, and the first polarizing plate and the first polarizing plate are arranged.
  • a layer formed of the second transparent member is formed between the 1 ⁇ / 2 phase difference plate and the linearly polarized light is p-polarized light.
  • the optical system includes a second polarizing plate between the display panel and the first ⁇ / 4 retardation plate.
  • the first polarizing plate and the second polarizing plate are arranged in crossed Nicols.
  • the display panel is a liquid crystal display panel.
  • the first polarizing plate and the polarizing plate on the display surface side of the liquid crystal display panel are arranged in crossed Nicols.
  • the optical system described above includes a second ⁇ / 2 phase difference plate disposed on the display panel side of the first ⁇ / 4 phase difference plate, and the first polarizing plate and the second ⁇ / 4 phase difference.
  • a third ⁇ / 2 phase difference plate is disposed between the first ⁇ / 4 phase difference plate and the second ⁇ / 2 phase difference plate, and between the second ⁇ / 4 phase difference plate and the third ⁇ .
  • a layer formed of the second transparent member is formed between the second retardation plate and between the third ⁇ / 2 retardation plate and the first polarizing plate.
  • a layer formed of the second transparent member is formed between the display panel and the first ⁇ / 4 retardation plate, and the linearly polarized light is s Polarized light.
  • the optical system described above includes a second polarizing plate disposed between the display panel and the first ⁇ / 4 retardation plate, and the second polarizing plate and the first ⁇ / 4 retardation plate. And between the second polarizing plate and the display panel, a layer formed of the second transparent member is formed.
  • the first polarizing plate and the second polarizing plate are arranged in crossed Nicols.
  • a first ⁇ / 2 retardation plate is disposed between the first ⁇ / 4 retardation plate and the second polarizing plate, and the first polarizing plate and the second ⁇ are provided.
  • a second ⁇ / 2 phase difference plate is disposed between the first ⁇ / 2 phase difference plate and the second polarizing plate, and the first ⁇ / 4 phase difference plate and the first phase difference plate.
  • a layer formed from the second transparent member is formed.
  • the display panel is a liquid crystal display panel, and is formed from the second transparent member between a polarizing plate on the display surface side of the liquid crystal display panel and the first ⁇ / 4 retardation plate. A layer is formed.
  • the first polarizing plate and the polarizing plate on the display surface side of the liquid crystal display panel are arranged in crossed Nicols.
  • the optical system described above includes a first ⁇ / 2 phase difference plate disposed between the first ⁇ / 4 phase difference plate and a polarizing plate on the display surface side of the liquid crystal display panel.
  • a second ⁇ / 2 phase difference plate is arranged between one polarizing plate and the second ⁇ / 4 phase difference plate, and the liquid crystal display panel has a polarizing plate on the display surface side and the second ⁇ / 2 phase difference plate.
  • the first ⁇ / 4 phase difference plate and the first ⁇ / 2 phase difference plate between the second ⁇ / 4 phase difference plate and the second ⁇ / 2 phase difference plate, and the second ⁇ . / 2
  • a layer formed of the second transparent member is formed between the retardation plate and the first polarizing plate.
  • a viewing angle control film is further disposed on the second main surface side of the reflective imaging element.
  • the viewing angle control film is a side opposite to the reflective imaging element side of the first ⁇ / 2 retardation plate or a side of the first polarizing plate to the reflective imaging element side. Located on the opposite side.
  • an optical system including a reflective imaging element that improves the utilization efficiency of light contributing to imaging while reducing the influence of stray light that does not contribute to imaging.
  • FIG. 1 is typical sectional drawing for demonstrating the optical system 100 of embodiment by this invention
  • FIG. 2 is typical sectional drawing for demonstrating 10 A of optical elements.
  • (A) is a schematic plan view of the reflective imaging element 11, and (b) and (c) are schematic perspective views for explaining the unit imaging element 12.
  • 4 is a schematic cross-sectional view of the reflective imaging element 11 for explaining light incident on the reflective imaging element 11.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining phase difference plates 21 and 23. 6 is a graph for explaining an effect of a ⁇ / 2 phase difference plate 23b in the optical system 100.
  • (A) is typical sectional drawing for demonstrating other embodiment of the optical system 100
  • (b) is typical sectional drawing for demonstrating other embodiment of the optical system 200.
  • FIG. is there.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the optical system 100.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view for explaining the optical element 10A.
  • An optical system 100 shown in FIG. 1A includes a projection object (for example, a display panel) 30, a first principal surface on which light 60 from the projection object 30 is incident, and a second principal surface parallel to the first principal surface. And an optical element 10A including a reflective imaging element 11 having a surface.
  • the optical system 100 images, for example, an image displayed on the display surface of the display panel at a plane-symmetric position 40 with the reflective imaging element 11 as a symmetry plane.
  • Light 60 from the projection object 30 enters the optical element 10A at an angle ⁇ and exits from the optical element 10A at an angle ⁇ .
  • the angle ⁇ is an angle formed between the normal direction of the first and second main surfaces of the optical element 10A and the incident direction or the outgoing direction of the light 60 that contributes to image formation.
  • the angle ⁇ is preferably 30 ° or more and 80 ° or less, and more preferably 45 ° or more and 80 ° or less.
  • Reference numerals 60a to 60g represent polarization states of the light 60 that contributes to image formation.
  • Reference numerals 70a to 70e denote polarization states of light (stray light) that does not contribute to image formation.
  • 1A and 1B includes a ⁇ / 4 phase difference plate 21b on the first main surface side of the reflective imaging element 11, and the optical element 10A of the reflective imaging element 11.
  • a ⁇ / 4 retardation plate 21a, a polarizing plate 22a, and a ⁇ / 2 retardation plate 23a are provided on the two principal surface sides.
  • the reflective imaging element 11 is disposed between the ⁇ / 4 retardation plate 21a and the ⁇ / 4 retardation plate 21b, and is polarized between the ⁇ / 2 retardation plate 23a and the ⁇ / 4 retardation plate 21a.
  • a plate 22a is arranged. As shown in FIG.
  • the transparent member 24 is optically isotropic and has a refractive index n. Details of the refractive index n will be described later.
  • the transparent substrate is formed on the side opposite to the reflective imaging element 11 side of the ⁇ / 4 phase difference plate 21b and the ⁇ / 2 phase difference.
  • the plate 23a may be disposed on the opposite side of the reflective imaging element 11 side. At this time, the transparent substrate is optically isotropic and has a refractive index n.
  • an aerial image with high visibility can be obtained in which the influence of stray light that does not contribute to imaging is reduced and the utilization efficiency of light that contributes to imaging is improved.
  • FIG. 2A is a schematic plan view for explaining the reflective imaging element 11
  • FIGS. 2B and 2C are schematic diagrams for explaining the unit imaging element 12.
  • FIG. 2A is a schematic plan view for explaining the reflective imaging element 11
  • FIGS. 2B and 2C are schematic diagrams for explaining the unit imaging element 12.
  • the reflective imaging element 11 is a reflective imaging element disclosed in Patent Document 1, for example.
  • the reflective imaging element 11 has a plurality of unit imaging elements 12.
  • each of the plurality of unit imaging elements 12 has a through hole 22 that penetrates in the thickness direction of the reflective imaging element 11.
  • Two mirror surface elements 14 and 15 that are orthogonal to each other are formed on the inner wall surface.
  • the shape of the through hole is substantially rectangular (in this embodiment, a square). Light is incident on the two specular elements 14 and 15 and reflected (metal reflection or total reflection), thereby forming an image in the air.
  • the two specular elements 14 and 15 have the same width a and the same height b.
  • the width a of the two mirror surface elements 14 and 15 is preferably 50 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less, and the height b of the two mirror surface elements 14 and 15 is preferably 50 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less, respectively.
  • the width a of the two mirror surface elements 14 and 15 is 209 ⁇ m, and the height b is 160 ⁇ m.
  • the widths of the two mirror surface elements 14 and 15 may be different from each other.
  • the shape of the through hole 22 is a rectangle.
  • the through hole 22 is filled with a transparent member that is optically isotropic and has a refractive index n.
  • a display panel is preferably used.
  • a liquid crystal display panel that can easily control the viewing angle is more preferably used.
  • an organic EL display, a plasma display, or an LED display can be used as the display panel.
  • a projector can be used as the projection object 30.
  • a display panel that is difficult to control the viewing angle such as an organic EL display or a plasma display
  • the viewing angle is widened by using a lens that refracts light rays between the display panel and the reflective imaging element 11 because the directivity of light is strong and the viewing angle is narrow.
  • the projection object 30 is a liquid crystal display panel, and a polarizing plate 22b is disposed on the display surface side of the liquid crystal display panel.
  • the polarizing plate 22b is disposed on the display surface side of the display panel, or ⁇ is formed between the reflective imaging element 11 and the polarizing plate 22b.
  • the polarizing plate 22b is disposed so that the / 4 retardation plate 21b is disposed.
  • the polarizing plate 22a and the polarizing plate 22b are preferably arranged in crossed Nicols. With this arrangement, stray light leakage can be sufficiently prevented.
  • the emitted light is circularly polarized light 60d that rotates in the same direction as the circularly polarized light 60c.
  • the light of the circularly polarized light 60d enters the ⁇ / 4 phase difference plate 21a, and the light transmitted through the ⁇ / 4 phase difference plate 21a becomes the linearly polarized light 60e.
  • the polarization direction of the linearly polarized light 60e differs from the polarization direction of the linearly polarized light 60b by 90 °.
  • the linearly polarized light 60e is incident on the polarizing plate 22a and the light transmitted through the polarizing plate 22a remains the linearly polarized light 60f.
  • the polarization direction of the linearly polarized light 60e and the polarization direction of the linearly polarized light 60f are the same.
  • the linearly polarized light 60f enters the ⁇ / 2 phase difference plate 23a, and the light emitted from the ⁇ / 2 phase difference plate 23a becomes the linearly polarized light 60g.
  • the linearly polarized light 60g forms an image in the air, and an aerial image is obtained at the position 40.
  • the polarization direction of the linearly polarized light 60g differs from the polarization direction of the linearly polarized light 60f by 90 °.
  • the polarization direction of the linearly polarized light 60g and the polarization direction of the linearly polarized light 60b are the same.
  • the polarization direction of the linearly polarized light 60g is parallel to the direction of vibration parallel to the incident surface (p-polarized light).
  • the linearly polarized light 60f is s-polarized light.
  • a ⁇ / 4 retardation plate 23a is arranged to convert s-polarized light (linearly polarized light 60f) into p-polarized light (linearly polarized light 60g). Since the p-polarized interface reflectance is smaller than the s-polarized interface reflectance, the visibility of the aerial image is not lowered.
  • Non-polarized external light 70a enters the ⁇ / 2 phase difference plate 23a and the polarizing plate 22a, and light emitted from the polarizing plate 22a becomes linearly polarized light 70b.
  • the polarization direction of the linearly polarized light 70b is the same as the polarization direction of the linearly polarized light 60e.
  • the linearly polarized light 70b enters the ⁇ / 4 retardation plate 21a, and the light emitted from the ⁇ / 4 retardation plate 21a becomes circularly polarized light 70c.
  • the direction in which the circularly polarized light 70c rotates is the same as the direction in which the circularly polarized light 60d rotates.
  • the circularly polarized light 70c is incident on the reflective imaging element 11, and the light emitted from the reflective imaging element 11 is circularly polarized light 70d that rotates in the opposite direction to the circularly polarized light 70c. This is because the circularly polarized light 70c is reflected by only one of the two mirror surface elements 14 and 15.
  • the circularly polarized light 70d enters the ⁇ / 4 phase difference plate 21a, and the light emitted from the ⁇ / 4 phase difference plate 21a is linearly polarized light 70e.
  • the polarization direction of the linearly polarized light 70e differs from the polarization direction of the linearly polarized light 60e by 90 °. Accordingly, the linearly polarized light 70d is absorbed by the polarizing plate 22a, and the stray light 70 is not emitted to the aerial image side.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the refractive index n.
  • the reflective imaging element 11 is disposed between layers formed of a transparent member 24 that is optically isotropic and has a refractive index n.
  • n tan (cos ⁇ 1 (sin ⁇ )).
  • ⁇ satisfies the following formula (1).
  • a is the width of each of the two specular elements 14 and 15, and b is the height of each of the two specular elements 14 and 15.
  • ⁇ is a normal line direction of the first main surface of the reflective imaging element 11 on the object side and an incident direction of the light 60 emitted from the object 30 and incident on the layer formed from the transparent member 24. It is an angle to make.
  • ⁇ is an angle formed by the normal direction of the first main surface of the reflective imaging element 11 on the projection object 30 side and the incident direction of the light 60 incident on the unit imaging element 12.
  • the refractive index n satisfies the formula (1), the light 60 contributing to image formation at the surface of the optical element 10A or the interface in the optical element 10A can be made difficult to be reflected to the projection object 30 side. As a result, the utilization efficiency of the light 60 contributing to image formation is improved, and the visibility of the aerial image is increased.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining the ⁇ / 4 phase difference plate 21 and the ⁇ / 2 phase difference plate 23.
  • the ⁇ / 4 retardation plate 21 and the ⁇ / 2 retardation plate 23 preferably have a biaxial optical axis.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the incident angle ⁇ and the imaging light ratio for explaining the effect of the ⁇ / 2 phase difference plate in the optical system 100.
  • the incident angle ⁇ is an angle at which the light 60 from the projection object 30 enters an optical element described below.
  • the image forming light ratio is obtained by dividing the intensity of light emitted from an optical element described below and contributing to image formation by the intensity of light incident on the optical element described below from the projection object 30.
  • R1 represents an incident angle ⁇ -imaging light ratio curve when the optical element 10A having the ⁇ / 2 phase difference plate 23a is used.
  • R2 represents an incident angle ⁇ -imaging light ratio curve when an optical element in which only the ⁇ / 2 phase difference plate 23a of the optical element 10A is not used is used.
  • both the light incident on the optical element 10A from the projection object 30 and the light emitted from the optical element 10A and contributing to image formation are both p-polarized light.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining the optical system 200.
  • the optical system 200 does not include the ⁇ / 2 phase difference plate 23a in the optical system 100, and further between the polarizing plate 22b and the ⁇ / 4 phase difference plate 21b and between the polarizing plate 22b and the projection object 30.
  • a layer formed from the transparent member 24 is formed therebetween.
  • the projection object 30 is, for example, a liquid crystal display panel in which the polarizing plate 22b is disposed, a layer formed from the transparent member 24 is formed between the polarizing plate 22b and the panel having the liquid crystal layer. It does not have to be.
  • the polarizing plate 22b and the ⁇ / 4 retardation plate 21b are arranged so that light emitted from the polarizing plate 22b and incident on the ⁇ / 4 retardation plate 21b becomes s-polarized light.
  • each component of the optical system 200 is arranged so that light emitted from the polarizing plate 21a and contributing to image formation becomes p-polarized light.
  • the optical element 10B has a structure that does not include the ⁇ / 2 phase difference plate 23a of the optical element 10A.
  • the optical system 200 when light from the projection object 30 enters the ⁇ / 4 retardation plate 21 b, light is reflected at the interface between the ⁇ / 4 retardation plate 21 b and the layer formed from the transparent member 24. Since there is no light, the use efficiency of light contributing to image formation is high.
  • the optical systems 100 and 200 described above may have a viewing angle control film.
  • stray light 70 is not mixed with the light 60 that contributes to image formation by the above-described retardation plates 21 and 23 with respect to light in a direction parallel to the observation direction V (see FIG. 1).
  • the effect to do is fully acquired.
  • the optical systems 100 and 200 preferably have a viewing angle control film that absorbs light emitted from the optical elements 10A and 10B and deviated by ⁇ 45 ° or more from the observation direction V.
  • the viewing angle control film is formed of an optically isotropic material having a refractive index n
  • the viewing angle control is performed on the side opposite to the projection object 30 side (aerial image side) of the reflective imaging element 11.
  • a film may be placed.
  • the viewing angle control film includes a protective film such as a TAC (cellulose triacetate) film, for example, the side opposite to the projection object 30 side of the reflective imaging element 11 of the optical elements 10A and 10B (aerial image side) ) On the outermost surface. That is, the viewing angle control film can be disposed on the second main surface side of the reflective imaging element 11.
  • TAC cellulose triacetate
  • the viewing angle control film can be disposed on the opposite side of the ⁇ / 2 phase difference plate 23a from the reflective imaging element 11 side.
  • the viewing angle control film may be disposed on the opposite side of the polarizing plate 22a from the reflective imaging element 11 side.
  • the ⁇ / 4 retardation plates 21a and 21b included in the optical elements 10A and 10B have wavelength dispersion characteristics. Therefore, the light emitted from the respective ⁇ / 4 retardation plates 21a and 21b has a phase difference depending on the wavelength of the light. In particular, since the phase difference of the light emitted from the ⁇ / 4 phase difference plates 21a and 21b differs greatly between blue light and red light, the color reproducibility of the aerial image with respect to the projection object 30 may be lowered. is there. Accordingly, one of the ⁇ / 4 retardation plates 21a and 21b is a ⁇ / 4 retardation plate having a wavelength dispersion characteristic opposite to that of the other ⁇ / 4 retardation plate. It is preferable.
  • both the ⁇ / 4 phase difference plates 21a and 21b have the same wavelength dispersion characteristics, the side opposite to the reflective imaging element 11 side of the ⁇ / 4 phase difference plate 21b, and the polarizing plates 22a and ⁇
  • the ⁇ / 2 phase difference plates 23b and 23c are arranged between the / 4 phase difference plate 21a.
  • the optical element 10A between the ⁇ / 4 phase difference plate 21b and the ⁇ / 2 phase difference plate 23b, between the ⁇ / 4 phase difference plate 21a and the ⁇ / 2 phase difference plate 23c, and ⁇ / 2
  • a layer including the above-described transparent member 24 is formed.
  • a ⁇ / 4 phase difference between the ⁇ / 2 phase difference plate 23b and a polarizing plate (a polarizing plate on the display surface side of the liquid crystal display panel when the projection target 30 is a liquid crystal display panel) 22b is formed between the plate 21b and the ⁇ / 2 phase difference plate 23b, between the ⁇ / 4 phase difference plate 21a and the ⁇ / 2 phase difference plate 23b, and between the ⁇ / 2 phase difference plate 23b and the polarizing plate 22a.
  • a layer including the transparent member 24 is formed.
  • the optical systems 100 and 200 provide an optical system including a reflective imaging element that improves the utilization efficiency of light contributing to imaging while reducing the influence of stray light that does not contribute to imaging.
  • the present invention can be widely applied to an optical system having a reflective imaging element capable of forming an image of a projection object in space and a display panel.

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Abstract

　本発明による光学システム（１００）は、反射型結像素子（１１）を有する。反射型結像素子（１１）の第２主面側にλ／４位相差板（２１ａ）が配置され、反射型結像素子（１１）の第１主面側にλ／４位相差板（２１ｂ）が配置されている。さらに、λ／４位相差板（２１ａ）の反射型結像素子（１１）側とは反対側に偏光板（２２ａ）が配置されている。反射型結像素子（１１）とλ／４位相差板（２１ｂ）との間、反射型結像素子（１１）とλ／４位相差板（２１ａ）との間、および、λ／４位相差板（２１ａ）と偏光板（２２ａ）との間に、透明部材（２４）から形成された層が形成されている。透明部材（２４）は、光学的に等方性であって屈折率ｎを有する。被投影物（３０）からλ／４位相差板（２１ｂ）に入射する光は、直線偏光である。

Description

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。
　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（以下、空中映像という）の大きさの比は、１：１である。
　参考のために、特許文献１～６の開示内容のすべてを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
　本願発明者は、これまで、反射型結像素子を用いた光学システムについてさまざまな検討を行っている（例えば、ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／０６０１１９（以下、特許出願１という）およびＰＣＴ／ＪＰ２０１１／０６０１５２（以下、特許出願２という））。
　特許出願１では、結像に寄与しない迷光が光学素子から出射されるのを抑制して、空中映像の視認性が向上させられた光学システムを提案している。特許出願２では、結像に寄与する光の利用効率を大きくして、空中映像の視認性が向上させられた光学システムを提案している。参考のために、特許出願１および２の開示内容のすべてを本明細書に援用する。
　本発明は、特許出願１に記載の光学システムにおける光の利用効率を向上させるためになされたものであり、その目的は、結像に寄与しない迷光の影響を小さくしつつ、結像に寄与する光の利用効率を向上させた、反射型結像素子を備える光学システムを提供することにある。
　本発明による光学システムは、表示パネルと、前記表示パネルから出射された光が入射する第１主面と、前記第１主面に平行な第２主面と、前記第１主面に垂直で、互いに直交する２つの鏡面要素とを有する反射型結像素子とを有し、前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記反射型結像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、前記反射型結像素子は、厚さ方向に複数の貫通孔を有する平板状の基板と、前記複数の貫通孔に充填された第１透明部材を有し、前記反射型結像素子の前記第１主面側に第１λ／４位相差板が配置され、前記反射型結像素子の前記第２主面側に第２λ／４位相差板が配置され、前記第２λ／４位相差板の前記反射型結像素子側とは反対側に第１偏光板が配置され、前記反射型結像素子と前記第１λ／４位相差板との間、前記反射型結像素子と前記第２λ／４位相差板との間、および、前記第２λ／４位相差板と前記第１偏光板との間に、第２透明部材から形成された層が形成されており、前記第１および第２透明部材は、光学的に等方性であって屈折率ｎを有し、前記表示パネルから前記第１λ／４位相差板に入射する光は、直線偏光であり、前記２つの鏡面要素のそれぞれの幅をａとし、前記２つの鏡面要素のそれぞれの高さをｂとした場合、前記第１λ／４位相差板の前記表示パネル側の法線方向と前記表示パネルから前記第１λ／４位相差板に入射する光の入射方向とのなす角度を入射角度θとすると、前記入射角度θは、下記式（１）を満たし、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 前記屈折率ｎは、下記式（２）を満たす。また、前記第１偏光板および後述する第２偏光板は、それぞれの平均屈折率が独立に前記屈折率ｎに近いことが好ましい。さらに、前記第１λ／４位相差板および前記第２λ／４位相差板は、それぞれの平均屈折率が独立に前記屈折率ｎに近いことが好ましい。
　ｎ＝ｔａｎ（ｃｏｓ-1（ｓｉｎθ））　　（２）
　ある実施形態において、上述の光学システムは、前記第１偏光板の前記第２λ／４位相差板側とは反対側に第１λ／２位相差板が配置され、前記第１偏光板と前記第１λ／２位相差板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されており、前記直線偏光は、ｐ偏光である。
　ある実施形態において、上述の光学システムは、前記表示パネルと前記第１λ／４位相差板との間に、第２偏光板を有する。
　ある実施形態において、前記第１偏光板と前記第２偏光板とは、クロスニコルに配置されている。
　ある実施形態において、前記表示パネルは、液晶表示パネルである。
　ある実施形態において、前記第１偏光板と前記液晶表示パネルが有する表示面側の偏光板とは、クロスニコルに配置されている。
　ある実施形態において、上述の光学システムは、前記第１λ／４位相差板の前記表示パネル側に、第２λ／２位相差板が配置され、前記第１偏光板と前記第２λ／４位相差板との間に、第３λ／２位相差板が配置され、前記第１λ／４位相差板と前記第２λ／２位相差板との間、前記第２λ／４位相差板と前記第３λ／２位相差板との間、および、前記第３λ／２位相差板と前記第１偏光板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されている。
　ある実施形態において、上述の光学システムは、前記表示パネルと前記第１λ／４位相差板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されており、前記直線偏光は、ｓ偏光である。
　ある実施形態において、上述の光学システムは、前記表示パネルと前記第１λ／４位相差板との間に、第２偏光板が配置され、前記第２偏光板と前記第１λ／４位相差板との間、および、前記第２偏光板と前記表示パネルとの間は、前記第２透明部材から形成された層が形成されている。
　ある実施形態において、前記第１偏光板と前記第２偏光板とは、クロスニコルに配置されている。
　ある実施形態において、上述の光学システムは、前記第１λ／４位相差板と前記第２偏光板との間に、第１λ／２位相差板が配置され、前記第１偏光板と前記第２λ／４位相差板との間に、第２λ／２位相差板が配置され、前記第１λ／２位相差板と前記第２偏光板との間、前記第１λ／４位相差板と前記第１λ／２位相差板との間、前記第２λ／４位相差板と前記第２λ／２位相差板との間、および、前記第２λ／２位相差板と前記第１偏光板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されている。
　ある実施形態において、前記表示パネルは、液晶表示パネルであり、前記液晶表示パネルが有する表示面側の偏光板と前記第１λ／４位相差板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されている。
　ある実施形態において、前記第１偏光板と前記液晶表示パネルが有する表示面側の偏光板とは、クロスニコルに配置されている。
　ある実施形態において、上述の光学システムは、前記第１λ／４位相差板と前記液晶表示パネルが有する表示面側の偏光板との間に、第１λ／２位相差板が配置され、前記第１偏光板と前記第２λ／４位相差板との間に、第２λ／２位相差板が配置され、前記液晶表示パネルが有する表示面側の偏光板と前記第２λ／２位相差板との間、前記第１λ／４位相差板と前記第１λ／２位相差板との間、前記第２λ／４位相差板と前記第２λ／２位相差板との間、および、前記第２λ／２位相差板と前記第１偏光板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されている。
　ある実施形態において、上述の光学システムは、前記反射型結像素子の前記第２主面側に、視野角制御フィルムがさらに配置されている。
　ある実施形態において、前記視野角制御フィルムは、前記第１λ／２位相差板の前記反射型結像素子側とは反対側、または、前記第１偏光板の前記反射型結像素子側とは反対側に配置されている。
　ある実施形態において、前記屈折率ｎは、ｎ＝１．５を満たす。
　本発明によると、結像に寄与しない迷光の影響を小さくしつつ、結像に寄与する光の利用効率を向上させた、反射型結像素子を備える光学システムが提供される。
（ａ）は、本発明による実施形態の光学システム１００を説明するための模式的な断面図であり、（ｂ）は、光学素子１０Ａを説明するための模式的な断面図である。 （ａ）は、反射型結像素子１１の模式的な平面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、単位結像素子１２を説明するための模式的な斜視図である。 反射型結像素子１１に入射する光を説明するための反射型結像素子１１の模式的な断面図である。 位相差板２１、２３を説明するための模式的な断面図である。 光学システム１００における、λ／２位相差板２３ｂの効果を説明するためのグラフである。 本発明による他の実施形態における光学システム２００を説明するための模式的な断面図である。 （ａ）は、光学システム１００の他の実施形態を説明するための模式的な断面図であり、（ｂ）は、光学システム２００の他の実施形態を説明するための模式的な断面図である。
　以下、図面を参照して本発明による実施形態を説明するが、本発明は例示する実施形態に限定されない。
　図１を参照して、本発明による実施形態における光学システム１００の構成を説明する。図１（ａ）は、光学システム１００の模式的な断面図である。図１（ｂ）は、光学素子１０Ａを説明するための模式的な断面図である。
　図１（ａ）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からの光６０が入射する第１主面と、第１主面と平行な第２主面とを有する反射型結像素子１１を含む光学素子１０Ａ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、反射型結像素子１１を対称面とする面対称な位置４０に結像する。被投影物３０からの光６０が、光学素子１０Ａに角度φで入射し、光学素子１０Ａから角度φで出射する。角度φは、光学素子１０Ａの第１および第２主面の法線方向と結像に寄与する光６０の入射方向または出射方向とのなす角度である。角度φは、３０°以上８０°以下が好ましく、４５°以上８０°以下がより好ましい。角度φが大きいと、空中映像が、より空間に浮いているように見られる。なお、６０ａ～６０ｇは、結像に寄与する光６０の偏光状態を表す。７０ａ～７０ｅは、結像に寄与しない光（迷光）の偏光状態を表す。さらに、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す光学素子１０Ａは、反射型結像素子１１の第１主面側にλ／４位相差板２１ｂと、反射型結像素子１１の第２主面側にλ／４位相差板２１ａと、偏光板２２ａと、λ／２位相差板２３ａとを有する。反射型結像素子１１は、λ／４位相差板２１ａとλ／４位相差板２１ｂとの間に配置され、λ／２位相差板２３ａとλ／４位相差板２１ａとの間に偏光板２２ａが配置されている。図１（ｂ）に示すように、λ／４位相差板２１ｂと反射型結像素子１１との間、反射型結像素子１１とλ／４位相差板２１ａとの間、λ／４位相差板２１ａと偏光板２２ａとの間、および、偏光板２２ａとλ／２位相差板２３ａとの間は、空気層は含まず、透明部材２４から形成された層が形成されている。透明部材２４は、光学的に等方性であって屈折率ｎを有する。屈折率ｎについての詳細は、後述する。なお、透明部材２４から形成された層を上述のように形成する代わりに、透明基板をλ／４位相差板２１ｂの反射型結像素子１１側とは反対側、および、λ／２位相差板２３ａの反射型結像素子１１側とは反対側にそれぞれ配置してもよい。このとき、透明基板は、光学的に等方性であって屈折率ｎを有する。
　このような光学システム１００により、結像に寄与しない迷光の影響を小さくしつつ、結像に寄与する光の利用効率を向上させた、視認性の高い空中映像が得られる。
　次に、図２を参照しながら反射型結像素子１１の説明をする。
　図２（ａ）は、反射型結像素子１１を説明するための模式的な平面図であり、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、単位結像素子１２を説明するための模式的な斜視図である。
　図２（ａ）に示すように、反射型結像素子１１は、例えば特許文献１に開示されている反射型結像素子である。図２（ａ）に示すように、反射型結像素子１１は、複数の単位結像素子１２を有する。図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、複数の単位結像素子１２は、それぞれ反射型結像素子１１の厚さ方向に貫通する貫通孔２２を有し、貫通孔２２の内壁面に互いに直交する２つ鏡面要素１４、１５が形成されている。貫通孔の形状は、ほぼ矩形（本実施形態においては、正方形）である。光が２つの鏡面要素１４、１５に入射され反射（金属反射または全反射）されることにより、空中に結像する。貫通孔２２の内壁面の内、２つの鏡面要素１４、１５以外の２つの面には、鏡面処理を施さず光を反射しない面とするか、あるいは、角度をつけるなどして反射を抑制する。本実施形態において、２つの鏡面要素１４、１５は、同じ幅ａと同じ高さｂとを有する。２つの鏡面要素１４、１５の幅ａは、それぞれ５０μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、２つの鏡面要素１４、１５の高さｂは、それぞれ５０μｍ以上１０００μｍ以下が好ましい。本実施形態において、２つの鏡面要素１４、１５の幅ａは、それぞれ２０９μｍで、高さｂは、１６０μｍである。また、２つの鏡面要素１４、１５の幅が、それぞれ異なる幅であってもよい。この場合、貫通孔２２の形状は、長方形である。
　貫通孔２２は、光学的に等方性であって屈折率ｎを有する透明部材で充填されている。
　被投影物３０として、表示パネルを用いることが好ましく、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、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。さらに、被投影物３０として、プロジェクターを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１１との間に、光線に屈折させるレンズを用い、視野角を広げることが好ましい。本実施形態において被投影物３０は、液晶表示パネルであり、液晶表示パネルの表示面側に偏光板２２ｂが配置されている。被投影物３０が偏光板２２ｂを有しない表示パネルである場合は、表示パネルの表示面側に偏光板２２ｂを配置するか、または、反射型結像素子１１と偏光板２２ｂとの間にλ／４位相差板２１ｂが配置されるように偏光板２２ｂを配置する。
　偏光板２２ａと偏光板２２ｂとは、クロスニコルに配置することが好ましい。このように配置すると、迷光の光漏れを十分に防ぐことができる。
　再び図１（ａ）を参照する。
　次に、光学システム１００による、空中に結像する原理を図１（ａ）を参照しながら説明する。
　被投影物３０からの光（非偏光）６０ａが偏光板２２ｂを透過すると、その透過光は直線偏光６０ｂになる。直線偏光６０ｂは、λ／４位相差板２１ｂに入射する。このとき、直線偏光６０ｂの偏光方向は、入射面に対して平行に振動する方向と平行である（ｐ偏光）。λ／４位相差板２１ｂに入射し、λ／４位相差板２１ｂを透過した光は、円偏光６０ｃとなる。円偏光６０ｃの光は、反射型結像素子１１に入射し、２つの鏡面要素１４および１５で反射した後、反射型結像素子１１から出射する。その出射光は、円偏光６０ｃと同じ向きに回る円偏光６０ｄである。円偏光６０ｄの光がλ／４位相差板２１ａに入射し、λ／４位相差板２１ａを透過する光は、直線偏光６０ｅとなる。直線偏光６０ｅの偏光方向と直線偏光６０ｂの偏光方向とは、９０°異なる。直線偏光６０ｅが偏光板２２ａに入射し、偏光板２２ａを透過する光は、直線偏光６０ｆのままである。直線偏光６０ｅの偏光方向と直線偏光６０ｆの偏光方向とは、同じである。直線偏光６０ｆはλ／２位相差板２３ａに入射し、λ／２位相差板２３ａから出射する光は、直線偏光６０ｇとなる。直線偏光６０ｇが空中に結像し、位置４０に空中映像が得られる。直線偏光６０ｇの偏光方向と直線偏光６０ｆの偏光方向とは、９０°異なる。また、直線偏光６０ｇの偏光方向と直線偏光６０ｂの偏光方向とは、同じである。さらに、直線偏光６０ｇの偏光方向は、入射面に対して平行に振動する方向と平行である（ｐ偏光）。なお、直線偏光６０ｆは、ｓ偏光である。屈折率ｎの媒質から空気層（屈折率１）へ斜め方向に光を出射させる場合、その光がｓ偏光であると、界面反射率が高いので、空中映像の視認性が低くなる。そこで、λ／４位相差板２３ａを配置して、ｓ偏光（直線偏光６０ｆ）をｐ偏光（直線偏光６０ｇ）に変換している。ｐ偏光の界面反射率は、ｓ偏光の界面反射率より小さいので、空中映像の視認性は低くならない。
　次に、結像に寄与しない光７０が、空中映像側に出射されない原理を説明する。
　非偏光な外光７０ａが、λ／２位相差板２３ａおよび偏光板２２ａに入射し、偏光板２２ａから出射する光は、直線偏光７０ｂとなる。直線偏光７０ｂの偏光方向は、直線偏光６０ｅの偏光方向と同じである。直線偏光７０ｂがλ／４位相差板２１ａに入射し、λ／４位相差板２１ａから出射する光は、円偏光７０ｃとなる。円偏光７０ｃの回る方向は、円偏光６０ｄの回る方向と同じである。円偏光７０ｃは、反射型結像素子１１に入射し、反射型結像素子１１から出射する光は、円偏光７０ｃと反対に回る円偏光７０ｄである。これは、2つの鏡面要素１４、１５の内、1つの鏡面要素のみで円偏光７０ｃが反射しているからである。円偏光７０ｄはλ／４位相差板２１ａに入射し、λ／４位相差板２１ａから出射する光は、直線偏光７０ｅである。直線偏光７０ｅの偏光方向と直線偏光６０ｅの偏光方向とは、９０°異なる。従って、直線偏光７０ｄは、偏光板２２ａに吸収され、迷光７０が空中映像側に出射されない。
　次に、屈折率ｎについて図３を参照しながら説明する。図３は、屈折率ｎを説明するための模式的な断面図である。
　図３に示すように、反射型結像素子１１は、光学的に等方性であって屈折率ｎを有する透明部材２４から形成された層の間に配置されている。
　屈折率ｎは、ｎ＝ｔａｎ（ｃｏｓ-1（ｓｉｎθ））を満たす。ここで、θは、下記式（１）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、ａは、２つの鏡面要素１４、１５のそれぞれの幅であり、ｂは、２つの鏡面要素１４、１５のそれぞれの高さである。φは、反射型結像素子１１の第１主面の被投影物側の法線方向と、被投影物３０から出射され透明部材２４から形成された層に入射する光６０の入射方向とのなす角度である。θは、反射型結像素子１１の第１主面の被投影物３０側の法線方向と単位結像素子１２に入射する光６０の入射方向とのなす角度である。
　屈折率ｎが式（１）を満たすと、光学素子１０Ａの表面または光学素子１０Ａ内の界面で、結像に寄与する光６０が、被投影物３０側に反射されにくくすることができる。その結果、結像に寄与する光６０の利用効率が向上し、空中映像の視認性が高くなる。本実施形態において、屈折率ｎは、例えばｎ＝１．５を満たす。
　次に、図４を参照して、λ／４位相差板２１およびλ／２位相差板２３を説明する。
　図４は、λ／４位相差板２１およびλ／２位相差板２３を説明するための模式的な断面図である。
　λ／４位相差板２１の光の入射側の法線方向とλ／４位相差板２１内を透過する光Ｌ１の透過方向とのなす角度をψａとする。波長５５０ｎｍの光に対して、角度ψａ（０°＜ψａ＜９０°）で斜めにλ／４位相差板２１内を透過するときの位相差をΓとすると、λ／４位相差板２１の場合、Γ＝９０°であることが好ましい。
　同様に、λ／２位相差板２３の光の入射側の法線方向とλ／２位相差板２３内を透過する光Ｌ１の透過方向とのなす角度をψｂとする。波長５５０ｎｍの光に対して、角度ψｂ（０°＜ψｂ＜９０°）で斜めにλ／２位相差板２３内を透過するときの位相差をΓとすると、λ／２位相差板２３の場合、Γ＝１８０°であることが好ましい。λ／４位相差板２１およびλ／２位相差板２３は、２軸性の光学軸を有することが好ましい。
　次に、λ／２位相差板２３の効果を説明する。
　図５は、光学システム１００における、λ／２位相差板の効果を説明するための入射角度φと結像光割合との関係を示すグラフである。入射角度φは、被投影物３０からの光６０が以下に説明する光学素子に入射する角度である。結像光割合とは、以下に説明する光学素子から出射し、結像に寄与する光の強度を被投影物３０から以下に説明する光学素子に入射する光の強度で割ったものである。Ｒ１は、λ／２位相差板２３ａを有する光学素子１０Ａを用いた場合の入射角度φ－結像光割合曲線を表す。Ｒ２は、光学素子１０Ａのλ／２位相差板２３ａのみが配置されていない光学素子を用いた場合の入射角度φ－結像光割合曲線を表す。
　３０°≦φ≦８０°の範囲において、λ／２位相差板２３ａを有する光学素子１０Ａを用いた場合の結像光割合と比べて、光学素子１０Ａのλ／２位相差板２３ａのみが配置されていない光学素子を用いた場合の結像光割合は、小さい。光学システム１００においては、被投影物３０から光学素子１０Ａに入射する光および光学素子１０Ａから出射し結像に寄与する光はともにｐ偏光である。一方、光学素子１０Ａのλ／２位相差板２３ａのみが配置されていない光学素子を有する光学システムにおいては、被投影物から光学素子に入射する光はｐ偏光であるが、光学素子から出射し結像に寄与する光はｓ偏光である。従って、ｓ偏光を利用する場合と比べて、ｐ偏光を利用すると、結像に寄与する光の強度が大きく、また、光の利用効率の大きい空中映像が得られる。
　次に、図６を参照しながら、光学システム１００と同じ効果を有する本発明による他の実施形態における光学システム２００を説明する。なお、共通する構成要素は同じ参照符号を付し、説明の重複を避ける。図６は、光学システム２００を説明するための模式的な断面図である。
　光学システム２００は、光学システム１００におけるλ／２位相差板２３ａを配置せず、さらに、偏光板２２ｂとλ／４位相差板２１ｂとの間、および、偏光板２２ｂと被投影物３０との間に、透明部材２４から形成された層が形成されている。なお、被投影物３０が、例えば偏光板２２ｂが配置されている液晶表示パネルである場合、偏光板２２ｂと液晶層を有するパネルとの間には、透明部材２４から形成された層を形成しなくてもよい。また、偏光板２２ｂから出射され、λ／４位相差板２１ｂに入射する光がｓ偏光となるように、偏光板２２ｂとλ／４位相差板２１ｂとは配置されている。また、偏光板２１ａから出射され、結像に寄与する光がｐ偏光となるように、光学システム２００の各構成要素は、配置されている。光学システム２００において、光学素子１０Ｂは、光学素子１０Ａのλ／２位相差板２３ａを有しない構造である。
　光学システム２００においては、被投影物３０からの光がλ／４位相差板２１ｂに入射する際、λ／４位相差板２１ｂと透明部材２４から形成された層との界面で光の反射が無いので、結像に寄与する光の利用効率が高い。
　上述の光学システム１００および２００は、視野角制御フィルムを有してもよい。光学システム１００および２００では、観察方向Ｖ（図１参照）と平行な方向の光に対して、上述の位相差板２１、２３によって迷光７０が、結像に寄与する光６０と混ざらないようにする効果を十分に得られる。しかしながら、観察方向Ｖからずれるに従い、その効果が薄れ、空中映像の視認性が低くなる。従って、特に、光学素子１０Ａ、１０Ｂから出射され、観察方向Ｖから±４５°以上ずれる光を吸収する視野角制御フィルムを光学システム１００および２００は、有することが好ましい。
　視野角制御フィルムが、屈折率ｎの光学的に等方性な材料から形成されている場合、反射型結像素子１１の被投影物３０側とは反対側（空中映像側）に視野角制御フィルムを配置し得る。また、視野角制御フィルムが、例えばＴＡＣ（三酢酸セルロース）フィルムなどの保護フィルムを含む場合、光学素子１０Ａ、１０Ｂの反射型結像素子１１の被投影物３０側とは反対側（空中映像側）の最表面に配置することが好ましい。つまり、視野角制御フィルムは、反射型結像素子１１の第２主面側に配置され得る。さらに、光学システム１００において、視野角制御フィルムは、λ／２位相差板２３ａの反射型結像素子１１側とは反対側に配置され得る。光学システム２００において、視野角制御フィルムは、偏光板２２ａの反射型結像素子１１側とは反対側に配置され得る。
　次に、図７を参照する。光学素子１０Ａおよび１０Ｂのそれぞれが有するλ／４位相差板２１ａ、２１ｂは、波長分散特性を有する。従って、それぞれのλ／４位相差板２１ａ、２１ｂから出射する光は、光の波長によって位相差が異なる。特に青色の光と赤色の光とでは、それぞれのλ／４位相差板２１ａ、２１ｂから出射する光の位相差が大きく異なるので、被投影物３０に対する空中映像の色再現性が低くなる場合がある。従って、λ／４位相差板２１ａ、２１ｂの内、いずれか一方のλ／４位相差板は、他方のλ／４位相差板とは逆波長分散特性を有するλ／４位相差板とすることが好ましい。また、λ／４位相差板２１ａおよび２１ｂがいずれも同じ波長分散特性を有する場合は、λ／４位相差板２１ｂの反射型結像素子１１側とは反対側、および、偏光板２２ａとλ／４位相差板２１ａとの間に、λ／２位相差板２３ｂ、２３ｃを配置する。この場合、光学素子１０Ａにおいては、λ／４位相差板２１ｂとλ／２位相差板２３ｂとの間、λ／４位相差板２１ａとλ／２位相差板２３ｃとの間、および、λ／２位相差板２３ｃと偏光板２２ａとの間は、上述の透明部材２４を含む層が形成されている。光学システム２００においては、λ／２位相差板２３ｂと偏光板（被投影物３０が液晶表示パネルの場合は、液晶表示パネルの表示面側の偏光板）２２ｂとの間、λ／４位相差板２１ｂとλ／２位相差板２３ｂとの間、λ／４位相差板２１ａとλ／２位相差板２３ｂとの間、および、λ／２位相差板２３ｂと偏光板２２ａとの間に、透明部材２４を含む層が形成されている。このように、λ／２位相差板２３ｂ、２３ｃを配置すると、λ／４位相差板２１ａ、２１の波長分散の影響を小さくして、被投影物３０に対する色再現性が高い空中映像が得られる。
　このように、光学システム１００、２００により、結像に寄与しない迷光の影響を小さくしつつ、結像に寄与する光の利用効率を向上させた、反射型結像素子を備える光学システムが提供される。
　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。
　１０Ａ　　光学素子
　１１　　反射型結像素子
　２１、２１ａ、２１ｂ　　λ／４位相差板
　２２ａ　　偏光板
　２３、２３ａ　　λ／２位相差板
　２４　　透明部材
　６０、６０ａ～６０ｇ　　結像に寄与する光
　７０、７０ａ～７０ｅ　　迷光
　３０　　被投影物
　４０　　結像位置
　１００　　光学システム
　Ｖ　　観察方向
　φ　　角度

Claims (17)

  1. 　表示パネルと、
    　前記表示パネルから出射された光が入射する第１主面と、前記第１主面に平行な第２主面と、前記第１主面に垂直で、互いに直交する２つの鏡面要素とを有する反射型結像素子とを有し、
    　前記表示パネルの表示面に表示される映像を、前記反射型結像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、
    　前記反射型結像素子は、厚さ方向に複数の貫通孔を有する平板状の基板と、前記複数の貫通孔に充填された第１透明部材を有し、
    　前記反射型結像素子の前記第１主面側に第１λ／４位相差板が配置され、
    　前記反射型結像素子の前記第２主面側に第２λ／４位相差板が配置され、
    　前記第２λ／４位相差板の前記反射型結像素子側とは反対側に第１偏光板が配置され、
    　前記反射型結像素子と前記第１λ／４位相差板との間、前記反射型結像素子と前記第２λ／４位相差板との間、および、前記第２λ／４位相差板と前記第１偏光板との間に、第２透明部材から形成された層が形成されており、
    　前記第１および第２透明部材は、光学的に等方性であって屈折率ｎを有し、
    　前記表示パネルから前記第１λ／４位相差板に入射する光は、直線偏光であり、
    　前記２つの鏡面要素のそれぞれの幅をａとし、前記２つの鏡面要素のそれぞれの高さをｂとした場合、
    　前記第１λ／４位相差板の前記表示パネル側の法線方向と前記表示パネルから前記第１λ／４位相差板に入射する光の入射方向とのなす角度を入射角度θとすると、前記入射角度θは、式（１）を満たし、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　前記屈折率ｎは、式（２）を満たす、
    　ｎ＝ｔａｎ（ｃｏｓ-1（ｓｉｎθ））　　（２）
    光学システム。
  2. 　前記第１偏光板の前記第２λ／４位相差板側とは反対側に第１λ／２位相差板が配置され、
    　前記第１偏光板と前記第１λ／２位相差板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されており、
    　前記直線偏光は、ｐ偏光である、請求項１に記載の光学システム。
  3. 　前記表示パネルと前記第１λ／４位相差板との間に、第２偏光板を有する、請求項１または２に記載の光学システム。
  4. 　前記第１偏光板と前記第２偏光板とは、クロスニコルに配置されている、請求項３に記載の光学システム。
  5. 　前記表示パネルは、液晶表示パネルである、請求項１または２に記載の光学システム。
  6. 　前記第１偏光板と前記液晶表示パネルが有する表示面側の偏光板とは、クロスニコルに配置されている、請求項５に記載の光学システム。
  7. 　前記第１λ／４位相差板の前記表示パネル側に、第２λ／２位相差板が配置され、
    　前記第１偏光板と前記第２λ／４位相差板との間に、第３λ／２位相差板が配置され、
    　前記第１λ／４位相差板と前記第２λ／２位相差板との間、前記第２λ／４位相差板と前記第３λ／２位相差板との間、および、前記第３λ／２位相差板と前記第１偏光板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されている、請求項１から６のいずれかに記載の光学システム。
  8. 　前記表示パネルと前記第１λ／４位相差板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されており、
    　前記直線偏光は、ｓ偏光である、請求項１に記載の光学システム。
  9. 　前記表示パネルと前記第１λ／４位相差板との間に、第２偏光板が配置され、
    　前記第２偏光板と前記第１λ／４位相差板との間、および、前記第２偏光板と前記表示パネルとの間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されている、請求項８に記載の光学システム。
  10. 　前記第１偏光板と前記第２偏光板とは、クロスニコルに配置されている、請求項９に記載の光学システム。
  11. 　前記第１λ／４位相差板と前記第２偏光板との間に、第１λ／２位相差板が配置され、
    　前記第１偏光板と前記第２λ／４位相差板との間に、第２λ／２位相差板が配置され、
    　前記第１λ／２位相差板と前記第２偏光板との間、前記第１λ／４位相差板と前記第１λ／２位相差板との間、前記第２λ／４位相差板と前記第２λ／２位相差板との間、および、前記第２λ／２位相差板と前記第１偏光板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されている、請求項９または１０に記載の光学システム。
  12. 　前記表示パネルは、液晶表示パネルであり、
    　前記液晶表示パネルが有する表示面側の偏光板と前記第１λ／４位相差板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されている、請求項８に記載の光学システム。
  13. 　前記第１偏光板と前記液晶表示パネルが有する表示面側の偏光板とは、クロスニコルに配置されている、請求項１２に記載の光学システム。
  14. 　前記第１λ／４位相差板と前記液晶表示パネルが有する表示面側の偏光板との間に、第１λ／２位相差板が配置され、
    　前記第１偏光板と前記第２λ／４位相差板との間に、第２λ／２位相差板が配置され、
    　前記液晶表示パネルが有する表示面側の偏光板と前記第２λ／２位相差板との間、前記第１λ／４位相差板と前記第１λ／２位相差板との間、前記第２λ／４位相差板と前記第２λ／２位相差板との間、および、前記第２λ／２位相差板と前記第１偏光板との間に、前記第２透明部材から形成された層が形成されている、請求項１２または１３に記載の光学システム。
  15. 　前記反射型結像素子の前記第２主面側に、視野角制御フィルムがさらに配置されている、請求項１から１４のいずれかに記載の光学システム。
  16. 　前記視野角制御フィルムは、前記第１λ／２位相差板の前記反射型結像素子側とは反対側、または、前記第１偏光板の前記反射型結像素子側とは反対側に配置されている、請求項１５に記載の光学システム。
  17. 　前記屈折率ｎは、ｎ＝１．５を満たす、請求項１から１６のいずれかに記載の光学システテム。
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