(57)【要約】【課題】シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる透光性部材と、機能層が形成された透光性部材とを、光学特性の低下を抑制しつつ、強固に接着することができる光学素子、表示装置、および光学素子の製造方法を提供すること。【解決手段】光学素子１０の製造工程では、機能層形成工程において、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第１透光性部材１の第１面１ａに機能層３（ハーフミラー層３ａ）を形成し、コーティング層形成工程において、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材２の第２面２ａに透光性の無機コーティング層５（酸化ケイ素層５ａ）を形成する。次に、接合工程では、第１透光性部材１の第１面１ａ側と第２透光性部材２の第２面２ａ側とを接着剤層４により接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１透光性部材と、
シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材と、
前記第１透光性部材と前記第２透光性部材との間に形成された機能層と、
前記機能層と前記第２透光性部材との間に形成された透光性の接着剤層と、
前記接着剤層と前記第２透光性部材との間に形成された透光性の第１無機コーティング層と、
を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子において、
前記第１透光性部材は、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学素子において、
前記接着剤層は、紫外線硬化性接着剤からなることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学素子において、
前記第１無機コーティング層は、酸化ケイ素からなることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学素子において、
前記第１透光性部材において前記機能層が位置する側の面、および前記第２透光性部材において前記第１無機コーティング層と接する面のうちの一方の面は凸曲面を備え、他方の面は凹曲面を備えていることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学素子において、
前記機能層と前記接着剤層との間に第２無機コーティング層を有することを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学素子において、
前記機能層は、ハーフミラー層であることを特徴とする光学素子。
【請求項８】
請求項７に記載の光学素子を備えた表示装置であって、
画像光を出射する画像形成装置を備え、
前記光学素子は、前記画像形成装置からの前記画像光が入射する光入射部と、前記光入射部から入射した前記画像光が前記ハーフミラー層で反射して出射される光出射部と、を備えていることを特徴とする表示装置。
【請求項９】
第１透光性部材の第１面に機能層を形成する機能層形成工程と、
シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材の第２面に透光性の第１無機コーティング層を形成する第１コーティング層形成工程と、
前記第１透光性部材の前記第１面側と前記第２透光性部材の前記第２面側とを接着剤により接合する接合工程と、
を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学素子の製造方法において、
前記機能層形成工程と前記接合工程との間に、前記機能層に対して前記第１透光性部材と反対側の面に第２無機コーティング層を形成する第２コーティング層形成工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１透光性部材と第２透光性部材との間に機能層を備えた光学素子、光学素子を備えた表示装置、および光学素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
２つの透光性部材の間に機能層を備えた光学素子を製造するにあたっては、２つの透光性部材の一方に機能層を形成した後、接着剤によって、２つの透光性部材を接合する方法が採用される。例えば、ダイクロイックミラーを製造する場合、第１プリズムの斜面に機能膜を形成した後、接着剤によって、第１プリズムの斜面に第２プリズムの斜面を接合する（特許文献１、２参照）。また、特許文献１には、第２プリズムの斜面に酸化ケイ素層を形成して、波面収差、およびエポキシ樹脂等の熱硬化性接着剤との濡れ性を改善することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１５４３８８号公報
【特許文献２】特開２００４−３１７８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１、２に記載のプリズムは、無機材料からなるため、光学素子の軽量化を図ることができないとともに、形状の自由度が低い等の欠点がある。
【０００５】
ここに本願発明者は、２つの透光性部材の少なくとも一方に樹脂製の透光性部材を用いて光学素子を構成すること提案する。また、本願発明者は、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーは、透過率が高く、吸湿による劣化が発生しにくい等の特徴に着目し、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる透光性部材を用いて光学素子を構成することを提案する。
【０００６】
しかしながら、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる透光性部材は、表面が不活性であるため、接着性が悪い。一方、樹脂部材を接着剤によって接合する場合、低圧水銀ランプによる光照射、エキシマ紫外線の照射、プラズマ照射、コロナ放電等の表面改質によって、接着強度を向上するのが一般的であるが、かかる表面処理を行うと、変質により、透過率が低下するため、光学素子の製造には不適である。例えば、シクロオレフィンコポリマーからなる透光性部材は、図７に線Ｌ０で示す透過率特性を有しているが、低圧水銀ランプによる光照射を行うと、線Ｌ１で示すレベルまで透過率が低下する。また、エキシマ紫外線を照射すると、線Ｌ２で示すレベルまで透過率が低下する。
【０００７】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる透光性部材と、機能層が形成された透光性部材とを、光学特性の低下を抑制しつつ、強固に接着することができる光学素子、光学素子を備えた表示装置、および光学素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光学素子の一態様は、第１透光性部材と、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材と、前記第１透光性部材と前記第２透光性部材との間に形成された機能層と、前記機能層と前記第２透光性部材との間に形成された透光性の接着剤層と、前記接着剤層と前記第２透光性部材との間に形成された透光性の第１無機コーティング層と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る光学素子の製造方法の一態様は、第１透光性部材の第１面に機能層を形成する機能層形成工程と、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材の第２面に透光性の第１無機コーティング層を形成する第１コーティング層形成工程と、前記第１透光性部材の前記第１面側と前記第２透光性部材の前記第２面側とを接着剤により接合する接合工程と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の一態様では、光学素子を構成するにあたって、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材を用いたため、軽量化を図ることができるとともに、形状の自由度が高いという利点がある。また、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材は、接着剤との親和性が低いが、第２透光性部材には、透光性の第１無機コーティング層が形成されているため、第１透光性部材と強固に接着することができる。従って、低圧水銀ランプによる光照射、エキシマ紫外線の照射、プラズマ照射、コロナ放電等の表面改質を行う必要がないので、表面改質によって透過率が低下することがない。
【００１１】
本発明の一態様において、前記第１透光性部材も、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなることが好ましい。
【００１２】
本発明の一態様において、前記接着剤層は、紫外線硬化性接着剤からなることが好ましい。かかる構成によれば、高い温度で接着剤を熱硬化させる必要がないので、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材には、熱による劣化が発生しない。
【００１３】
本発明の一態様において、前記第１無機コーティング層は、酸化ケイ素からなることが好ましい。酸化ケイ素層は、接着剤層と同等の屈折率であるため、酸化ケイ素層（無機コーティング層）を設けても、光学特性の変化を抑制することができる。
【００１４】
本発明の一態様において、前記第１透光性部材において前記機能層が位置する側の面、および前記第２透光性部材において前記無機コーティング層と接する面が平面である構成を採用することができる。また、本発明の一態様では、前記第１透光性部材において前記機能層が位置する側の面、および前記第２透光性部材において前記無機コーティング層と接する面のうちの一方の面は凸曲面を備え、他方の面は凹曲面を備えている構成を採用してもよい。
【００１５】
本発明の一態様において、前記機能層と前記接着剤層との間に第２無機コーティング層を有することが好ましい。かかる光学素子の製造方法では、前記機能層形成工程と前記接合工程との間に、前記機能層に対して前記第１透光性部材と反対側の面に第２無機コーティング層を形成する第２コーティング層形成工程を有する。
【００１６】
本発明の一態様において、前記機能層は、例えば、ハーフミラー層である。
【００１７】
本発明に係る光学素子を備えた表示装置の一態様は、例えば、画像光を出射する画像形成装置を備え、前記光学素子は、前記画像形成装置からの前記画像光が入射する光入射部と、前記光入射部から入射した前記画像光が前記ハーフミラー層で反射して出射される光出射部と、を備えている。かかる構成によれば、利用者は、画像をみながらハーフミラー層の向こうにある景色等をみることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光学素子の説明図である。
【図２】本発明が適用される光学素子の変形例を示す説明図である。
【図３】本発明を適用した光学素子の接合強度の評価結果等を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る光学素子の説明図である。
【図５】本発明を適用した光学素子を用いた表示装置の一例を示す斜視図である。
【図６】図５に示す表示装置の光学系等の説明図である。
【図７】シクロオレフィンポリマーからなる透光性部材に表面処理を行った場合の透過率の低下を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明で参照する図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。
【００２０】
［実施の形態１］
（光学素子の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の説明図であり、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、光学素子に用いた透光性部材の説明図、２つの透光性部材を接合する前の状態を示す説明図、および２つの透光性部材を接合して光学素子とした状態を示す説明図である。
【００２１】
図１（ｃ）に示す光学素子１０は、２つの透光性部材が機能層３を挟んで接着剤層４によって接合された構造を有している。より具体的には、光学素子１０は、第１透光性部材１と、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材２と、第１透光性部材１と第２透光性部材２との間に形成された機能層３と、機能層３と第２透光性部材２との間に形成された透光性の接着剤層４とを有している。本形態において、第１透光性部材１も、第２透光性部材２と同様、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる。シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーは、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料であり、吸湿による劣化が少ないという利点がある。第１透光性部材１および第２透光性部材２は各々、金型成形により製造された部材である。
【００２２】
本形態において、第１透光性部材１は、ブロック状部材であり、第２透光性部材２と接合される第１面１ａは、第１透光性部材１の両面に対して傾斜する斜面になっている。第２透光性部材２も、第１透光性部材１と同様、ブロック状部材であり、第１透光性部材１と接合される第２面２ａは、第２透光性部材２の両面に対して傾斜する斜面になっている。接着剤層４は、アクリル系またはエポキシ系の紫外線硬化型接着剤である。本形態において、機能層３は、薄い銀層を高屈折率の誘電体層で挟んだハーフミラー層３ａである。
【００２３】
このように構成した光学素子１０において、第２透光性部材２の第２面２ａと接着剤層４との間には、透光性の無機コーティング層５が形成されおり、かかる無機コーティング層５は、第１透光性部材１と第２透光性部材２とを接合する前に、第２透光性部材２の第２面２ａに成膜した膜からなる。従って、接着剤層４は、第２透光性部材２の第２面２ａに直接は接していない。本形態において、無機コーティング層５は、酸化ケイ素層５ａからなる。
【００２４】
（光学素子１０の製造方法）
図１（ｃ）に示す光学素子１０を製造するには、図１（ａ）に示すように、第１透光性部材１および第２透光性部材２を準備する。
【００２５】
次に、図１（ｂ）に示すように、機能層形成工程において、第１透光性部材１の第１面１ａに、蒸着等の方法により機能層３（ハーフミラー層３ａ）を形成する。また、コーティング層形成工程において、第２透光性部材２の第２面２ａに、ＣＶＤ法や蒸着法等により透光性の無機コーティング層５（酸化ケイ素層５ａ）を形成する。
【００２６】
次に、図１（ｃ）に示す接合工程において、第１透光性部材１の第１面１ａ側と第２透光性部材２の第２面２ａ側とを接着剤層４により接合する。より具体的には、第１透光性部材１の第１面１ａに形成した機能層３の表面、および第２透光性部材２の第２面２ａに形成した無機コーティング層５の表面の少なくとも一方に紫外線硬化型の接着剤を塗布した後、接着剤を両側から挟むように、第１透光性部材１の第１面１ａ側と第２透光性部材２の第２面２ａ側とを突き合わせ、この状態で、紫外線を接着剤に照射して、接着剤を硬化させる。
【００２７】
（他の構成例）
図２は、本発明が適用される光学素子の変形例を示す説明図である。上記実施の形態では、第１透光性部材１において機能層３が位置する側の面（第１面１ａ）、および第２透光性部材２において無機コーティング層５と接する面（第２面２ａ）が平面であったが、第１透光性部材１の第１面１ａ、および第２透光性部材２の第２面２ａの一方の面が凸曲面を備え、他方の面が凹曲面を備えていてもよい。
【００２８】
例えば、図２（ａ）に示す光学素子１０では、第１透光性部材１の第１面１ａが凸曲面を備えており、第２透光性部材２の第２面２ａは、第１面１ａに沿って湾曲した凹曲面を備えている。これに対して、図２（ｂ）に示す光学素子１０では、第１透光性部材１の第１面１ａが凹曲面を備えており、第２透光性部材２の第２面２ａは、第１面１ａに沿って湾曲した凸曲面を備えている。
【００２９】
ここで、第１透光性部材１の第１面１ａおよび第２透光性部材２の第２面２ａは、球面形状をもって湾曲している構成を採用することができるとともに、第１透光性部材１の第１面１ａおよび第２透光性部材２の第２面２ａが非球面形状をもって湾曲している構成を採用することができる。
【００３０】
（光学素子１０の接合強度の評価結果）
図３は、本発明を適用した光学素子１０の接合強度の評価結果等を示す説明図であり、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、評価方法を示す説明図、第１面１ａおよび第２面２ａが平面である場合の接合強度の評価結果を示す説明図、および第１面１ａおよび第２面２ａが曲面である場合の接合強度の評価結果を示す説明図である。
【００３１】
本発明を適用した光学素子１０の接合強度を評価するにあたっては、図３（ａ）に示す評価装置７０において、光学素子１０の第２透光性部材２を固定装置７１によって保持した状態で加圧ヘッド７２によって第１透光性部材１に、矢印Ｆで示す荷重を加えた。そして、第１透光性部材１と第２透光性部材２との接合面が剥離した際の荷重を測定した。
【００３２】
図３（ｂ）には、第１面１ａおよび第２面２ａが平面である場合（図１参照）の接合強度の評価結果が示してあり、図３（ｃ）には、第１面１ａおよび第２面２ａが曲面である場合（図２参照）の接合強度の評価結果が示してある。図３では、本発明を適用した光学素子１０（無機コーティング層５を利用した構成）の評価結果は、条件Ｅとして示してある。また、図３には、表面処理および無機コーティング層５が無しの条件Ａでの評価結果、Ｏ2プラズマを利用した表面処理（条件Ｂ）での評価結果、エキシマ紫外線を利用した表面処理（条件Ｃ）での評価結果，および低圧水銀ランプを利用した表面処理（条件Ｄ）での評価結果も示してある。
【００３３】
図３から分かるように、本発明を適用した光学素子１０（無機コーティング層５を利用した構成）は、表面処理および無機コーティング層５が無しの条件Ａに比して、接合強度が大幅に向上しており、エキシマ紫外線を利用した表面処理（条件Ｃ）や，低圧水銀ランプを利用した表面処理（条件Ｄ）と同等の接合強度を有している。
【００３４】
また、本発明を適用した光学素子１０（無機コーティング層５を利用した構成）では、条件Ｂ、Ｃ、Ｄと違って、図７を参照して説明したような透過率の低下が発生しなかった。また、本発明を適用した光学素子１０（無機コーティング層５を利用した構成）では、条件Ｂ、Ｃ、Ｄと違って、基材の変色等も発生しなかった。
【００３５】
（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態の光学素子１０およびその製造方法では、光学素子１０を構成するにあたって、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材２を用いたため、軽量化を図ることができるとともに、形状の自由度が高いという利点がある。
【００３６】
また、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材２は、接着剤との親和性が低いが、第２透光性部材２には、透光性の無機コーティング層５が形成されているため、第１透光性部材１と強固に接着することができる。従って、低圧水銀ランプによる光照射、エキシマ紫外線の照射、プラズマ照射、コロナ放電等の表面改質を行う必要がないので、表面改質によって透過率が低下することがない。
【００３７】
また、本形態では、第１透光性部材１も、第２透光性部材２と同様、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる。このため、第１透光性部材１および第２透光性部材２のいずれにおいても、ガラス材料等を用いた場合に比して軽量化を図ることができるとともに、成形により各種形状に製造することができる。また、シクロオレフィンポリマーおよびシクロオレフィンコポリマーは吸湿性が低いので、吸湿に起因する透光性の低下等が発生しにくい。
【００３８】
また、本形態では、接着剤層４は、紫外線硬化性接着剤層であるため、高い温度で接着剤を熱硬化させる必要がない。それ故、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第１透光性部材１や第２透光性部材２には、熱による劣化が発生しない。
【００３９】
さらに、本形態において、無機コーティング層５は、酸化ケイ素層５ａであり、酸化ケイ素層５ａは、接着剤層４と同等の屈折率である。このため、酸化ケイ素層５ａ（無機コーティング層５）を設けても、光学素子１０の光学特性が変化することを抑制することができる。
【００４０】
また、本形態において、機能層３は、薄い銀層を他の薄い無機層と積層した多層膜からなるハーフミラー層３ａである。このため、可視光全域程度の広い波長範囲で、偏光依存性や入射角依存性が小さい。それ故、図５および図６を参照して後述するように、光学素子１０の光入射部に入射させた画像光を光学素子１０内で進行させながら、ハーフミラー層３ａで反射して光出射部から出射されるシースルー型の表示装置への適用に適している。すなわち、ハーフミラー層３ａを透過してくる外界光（景色等）を透過観察しながら、ハーフミラー層３ａにより反射してくる画像情報を観察するのに適している。また、光学素子１０では、同一材質の第１透光性部材１と第２透光性部材２との間に機能層３（ハーフミラー層３ａ）を配置した構成であるため、透過光が直進する。それ故、外界光の透過像の歪を少なくすることができる。
【００４１】
［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の形態２に係る光学素子の説明図であり、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、光学素子に用いた透光性部材の説明図、第２透光性部材側にコーティング層を設けた状態の説明図、第１透光性部材側にコーティング層を設けた状態の説明図、および２つの透光性部材を接合して光学素子とした状態を示す説明図である。
【００４２】
図４（ｄ）に示す光学素子１０は、実施の形態１と同様、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第２透光性部材２と、第１透光性部材１と第２透光性部材２との間に形成された機能層３と、機能層３と第２透光性部材２との間に形成された透光性の接着剤層４とを有している。本形態において、第１透光性部材１も、第２透光性部材２と同様、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる。接着剤層４は、アクリル系またはエポキシ系の紫外線硬化型接着剤である。本形態において、機能層３は、薄い銀層を高屈折率の誘電体層で挟んだハーフミラー層３ａである。
【００４３】
このように構成した光学素子１０において、第２透光性部材２の第２面２ａと接着剤層４との間には、透光性の無機コーティング層５（第１無機コーティング層）が形成されている。無機コーティング層５は、第１透光性部材１と第２透光性部材２とを接合する前に、第２透光性部材２の第２面２ａに成膜した膜からなる。本形態において、無機コーティング層５は、酸化ケイ素層５ａからなる。
【００４４】
また、本形態の光学素子１０では、機能層３と接着剤層４との間に透光性の無機コーティング層６（第２無機コーティング層）が形成されている。無機コーティング層６は、第１透光性部材１と第２透光性部材２とを接合する前に、機能層４に対して第１透光性部材１とは反対側の面に成膜した膜からなる。本形態において、無機コーティング層６は、無機コーティング層５と同様、酸化ケイ素層６ａからなる。
【００４５】
ここで、機能層３は、第１透光性部材１の第１面１ａの一部に形成されており、第１透光性部材１の第１面１ａは、機能層３から部分的に露出している。従って、無機コーティング層６は、第１透光性部材１の第１面１ａのうち、機能層３から露出している部分にも形成されている。従って、接着剤層４は、第２透光性部材２の第２面２ａに直接は接しておらず、第１透光性部材１の第１面１ａにも直接は接していない。
【００４６】
図４（ｄ）に示す光学素子１０を製造するには、図４（ａ）に示すように、第１透光性部材１および第２透光性部材２を準備する。次に、図４（ｂ）に示すように、機能層形成工程において、第１透光性部材１の第１面１ａに、蒸着等の方法により機能層３（ハーフミラー層３ａ）を形成する。次に、第１コーティング層形成工程において、第２透光性部材２の第２面２ａに、ＣＶＤ法や蒸着法等により透光性の無機コーティング層５（酸化ケイ素層５ａ）を形成する。
【００４７】
次に、図４（ｃ）に示す第２コーティング層形成工程において、機能層３に対して第１透光性部材１とは反対側の面に、ＣＶＤ法や蒸着法等により透光性の無機コーティング層６（酸化ケイ素層６ａ）を形成する。その結果、無機コーティング層６は、第１透光性部材１の第１面１ａのうち、機能層３から露出している部分にも形成される。
【００４８】
次に、図４（ｄ）に示す接合工程において、第１透光性部材１の第１面１ａ側と第２透光性部材２の第２面２ａ側とを接着剤層４により接合する。より具体的には、第１透光性部材１の第１面１ａに形成した機能層３の表面、および第２透光性部材２の第２面２ａに形成した無機コーティング層５の表面の少なくとも一方に紫外線硬化型の接着剤を塗布した後、接着剤を両側から挟むように、第１透光性部材１の第１面１ａ側と第２透光性部材２の第２面２ａ側とを突き合わせ、この状態で、紫外線を接着剤に照射して、接着剤を硬化させる。
【００４９】
従って、本形態でも、実施の形態１と同様な効果を奏する。また、本形態では、機能層３が第１透光性部材１の第１面１ａの一部に形成されているため、第１透光性部材１の第１面１ａは機能層３から部分的に露出しているが、かかる露出部分には無機コーティング層６が形成されている。従って、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィンコポリマーからなる第１透光性部材１と接着剤との親和性が低い場合でも、第１透光性部材１と第２透光性部材２とを強固に接合することができる。
【００５０】
なお、本形態では、第１コーティング層形成工程の後に第２コーティング層形成工程を行ったが、機能層形成工程と接合工程との間であれば、第１コーティング層形成工程の前あるいは同時に第２コーティング層形成工程を行ってもよい。
【００５１】
また、本形態でも、図２を参照して説明したように、第１透光性部材１の第１面１ａ、および第２透光性部材２の第２面２ａの一方の面が凸曲面を備え、他方の面が凹曲面を備えていてもよい。
【００５２】
［光学素子１０の利用例］
本発明を適用した光学素子１０は、図５および図６を参照して以下に説明する表示装置の他、カメラ用ビューファインダー等として用いることもできる。
【００５３】
［光学素子１０の他の構成例］
上記実施の形態では、機能膜３としてハーフミラー膜３ａを形成したが、機能膜３として偏光分離膜やダイクロイック膜等を形成してもよい。
【００５４】
［表示装置の構成例］
図５は、本発明を適用した光学素子１０を用いた表示装置の一例を示す斜視図である。図６は、図５に示す表示装置の光学系等の説明図であり、図６（ａ）、（ｂ）は、平面図および正面図である。
【００５５】
本発明を適用した光学素子１０は、以下に説明する表示装置１００において、導光装置２０として用いられる。この場合、第１透光性部材１および第２透光性部材２の一方は、以下に説明する導光部材２１として用いられ、他方は光透過部材２３として用いられる。
【００５６】
以下の説明では、第１透光性部材１が導光部材２１として用いられ、第２透光性部材２が光透過部材２３として用いられる場合を例示する。従って、第１透光性部材１の第１面１ａが導光部材２１の第４反射面２１ｄに相当し、第２透光性部材２の第２面２ａが光透過部材２３の第３面２３ｃに相当する。
【００５７】
図５に示す表示装置１００は、眼鏡のような外観を有しているヘッドマウントディスプレイであり、この表示装置１００を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。表示装置１００は、観察者の眼前を覆う光学パネル１１０と、光学パネル１１０を支持するフレーム１２１と、フレーム１２１の角付近に配置された第１駆動部１３１および第２駆動部１３２とを備える。ここで、光学パネル１１０は、第１パネル部分１１１と第２パネル部分１１２とを有しており、第１パネル部分１１１と第２パネル部分１１２とは、中央で一体的に連結された板状の部品となっている。図面に向かって左側の第１パネル部分１１１と第１駆動部１３１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面に向かって右側の第２パネル部分１１２と第２駆動部１３２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。
【００５８】
図６に示すように、第１表示装置１００Ａは、画像形成装置１５、および導光装置２０等を備えている。ここで、画像形成装置１５は、図５における第１駆動部１３１に相当し、導光装置２０は、図５における第１パネル部分１１１に相当する。なお、図５に示す第２表示装置１００Ｂは、第１表示装置１００Ａと同様の構造を有し、左右を反転させただけであるので、第２表示装置１００Ｂの詳細な説明は省略する。
【００５９】
画像形成装置１５は、画像形成装置本体部分１１と投射光学系１２とを有している。このうち、画像形成装置本体部分１１は、２次元的な照明光ＳＬを出射する照明装置３１と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス３２と、照明装置３１および液晶表示デバイス３２の動作を制御する駆動制御部３４とを有している。
【００６０】
照明装置３１は、赤、緑、青の３色を含む光を発生する光源３１ａと、光源３１ａからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部３１ｂとを有している。液晶パネルである液晶表示デバイス３２は、照明装置３１からの照明光ＳＬを空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。駆動制御部３４は、光源駆動回路３４ａと、液晶駆動回路３４ｂとを備える。光源駆動回路３４ａは、照明装置３１の光源３１ａに電力を供給して安定した輝度の照明光ＳＬを出射させる。液晶駆動回路３４ｂは、液晶表示デバイス３２に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。投射光学系１２は、液晶表示デバイス３２上の各点から出射された画像光を平行状態の光束にするコリメートレンズである。
【００６１】
液晶表示デバイス３２において、第１方向ＬＤ１は、投射光学系１２を通る第１光軸ＡＸ１と、後述する導光部材２１の第３反射面２１ｃに平行な特定線とを含む縦断面の延びる方向に対応し、第２方向ＬＤ２は、上記第１光軸ＡＸ１と、上記第３反射面２１ｃの法線とを含む横断面の延びる方向に対応する。言い換えれば、液晶表示デバイス３２の位置において、第１方向ＬＤ１は、縦のＹ方向に相当し、第２方向ＬＤ２は、横のＸ方向に相当する。
【００６２】
導光装置２０（光学素子１０）は、導光部材２１（第１透光性部材１）と光透過部材２３（第２透光性部材２）とを接合したものであり、全体としてＸＹ面に平行に延びるブロック状の光学部材を構成している。
【００６３】
導光装置２０のうち、導光部材２１は、第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂによる全反射を利用して導光を行うものであり、導光に際して反射によって折り返される方向と、導光に際して反射によって折り返されない方向とがある。導光部材２１で導光される画像について考えた場合、導光に際して複数回の反射によって折り返される横方向すなわち閉じ込め方向は、第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂに垂直（Ｚ軸に平行）で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス３２の第２方向ＬＤ２に相当するものとなる。導光に際して反射によって折り返されない縦方向、すなわち自由伝搬方向は、第１反射面２１ａ、第２反射面２１ｂ、および第３反射面２１ｃに平行（Ｙ軸に平行）で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス３２の第１方向ＬＤ１に相当する。
【００６４】
導光部材２１は、平面視において台形のプリズム状部材であり、側面として、第１反射面２１ａと、第２反射面２１ｂと、第３反射面２１ｃと、第４反射面２１ｄとを有している。また、導光部材２１は、第１反射面２１ａ、第２反射面２１ｂ、第３反射面２１ｃ、および第４反射面２１ｄに隣接するとともに、互いに対向する上面２１ｅと下面２１ｆとを有している。ここで、第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂは、ＸＹ面に沿って延び、導光部材２１の厚みｔだけ離間する。また、第３反射面２１ｃは、ＸＹ面に対して４５°以下の鋭角αで傾斜しており、第４反射面２１ｄは、ＸＹ面に対して例えば４５°以下の鋭角βで傾斜している。第３反射面２１ｃを通る第１光軸ＡＸ１と第４反射面２１ｄを通る第２光軸ＡＸ２とは平行に配置され距離ＸＤだけ離間している。
【００６５】
導光部材２１は、一体形成品であるが、機能的に、光入射部ＬＢ１と導光部ＬＢ２と光出射部ＬＢ３とに分けて考えることができる。光入射部ＬＢ１は、三角プリズム状の部分であり、第１反射面２１ａの一部である光入射面ＩＳと、光入射面ＩＳに対向する第３反射面２１ｃとを有している。光入射面ＩＳは、画像形成装置１５からの画像光ＧＬを取り込むための裏側または観察者側の平面であり、投射光学系１２に対向してその第１光軸ＡＸ１に垂直に延びている。第３反射面２１ｃは、光入射面ＩＳを通過した画像光ＧＬを反射して導光部ＬＢ２内に導くための矩形の全反射ミラーであり、ミラー層２５を有している。このミラー層２５は、全反射のコーティングであり、導光部材２１の斜面ＲＳ上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第３反射面２１ｃは、投射光学系１２の第１光軸ＡＸ１又はＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜しており、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｚ方向に向かう画像光ＧＬを、全体として−Ｚ方向寄りの−Ｘ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光ＧＬを導光部ＬＢ２内に確実に結合させる。
【００６６】
導光部ＬＢ２は、互いに対向しＸＹ面に平行に延びる２平面として、光入射部ＬＢ１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１反射面２１ａと第２反射面２１ｂとを有している。第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂの間隔（導光部材２１の厚みｔ）は、例えば９ｍｍ程度とされている。ここでは、第１反射面２１ａが、画像形成装置１５に近い裏側または観察者側にあるものとし、第２反射面２１ｂが画像形成装置１５から遠い表側または外界側にあるものとする。この場合、第１反射面２１ａは、光入射面ＩＳや後述する光出射面ＯＳと共通の面部分となっている。第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂは、屈折率差を利用する全反射面であり、ミラー層等の反射コートが施されていない。
【００６７】
光入射部ＬＢ１の第３反射面２１ｃで反射された画像光ＧＬは、まず、第１反射面２１ａに入射し、全反射される。次に、画像光ＧＬは、第２反射面２１ｂに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光装置２０の奥側、すなわち光出射部ＬＢ３を設けた−Ｘ側に導かれる。なお、第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂには反射コートが施されていないため、外界側から第２反射面２１ｂに入射する外界光または外光は、高い透過率で導光部ＬＢ２を通過する。つまり、導光部ＬＢ２は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。
【００６８】
光出射部ＬＢ３は、三角プリズム状の部分であり、第１反射面２１ａの一部である光出射面ＯＳと、光出射面ＯＳに対向する第４反射面２１ｄとを有している。光出射面ＯＳは、画像光ＧＬを観察者の眼ＥＹに向けて出射するための表側の平面であり、光入射面ＩＳと同様に第１反射面２１ａの一部となっており、第２光軸ＡＸ２に垂直に延びている。光出射部ＬＢ３を通る第２光軸ＡＸ２と光入射部Ｂ１を通る第１光軸ＡＸ１との距離ＸＤは、観察者の頭部の幅等を考慮して例えば５０ｍｍに設定されている。第４反射面２１ｄは、第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂを経て入射してきた画像光ＧＬを反射して光出射部ＬＢ３外に出射させるための矩形の平坦面である。第４反射面２１ｄに付随して、ハーフミラー層３ａが設けられている。このハーフミラー層３ａは、光透過性を有している反射膜であり、導光部材２１の斜面ＲＳ上に金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層３ａの画像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＰＬの観察を容易にする観点で、１０％以上５０％以下とする。
【００６９】
第４反射面２１ｄは、第１反射面２１ａに垂直な第２光軸ＡＸ２またはＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜しており、ハーフミラー層３ａにより、導光部ＬＢ２の第１反射面２１ａおよび第２反射面２１ｂを経て入射してきた画像光ＧＬを部分的に反射して全体として−Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、光出射面ＯＳを通過させる。なお、第４反射面２１ｄを透過した画像光ＧＬは、光透過部材２３に入射し、映像の形成には利用されない。
【００７０】
光透過部材２３は、導光部材２１の本体と同一の屈折率を有し、第１面２３ａと、第２面２３ｂと、第３面２３ｃとを有している。第１面２３ａおよび第２面２３ｂは、ＸＹ面に沿って延びる。また、第３面２３ｃは、ＸＹ面に対して傾斜しており、導光部材２１の第４反射面２１ｄに対向して平行に配置されている。つまり、光透過部材２３は、第２面２３ｂと第３面２３ｃとに挟まれた楔状の部分を有している部材となっている。
【００７１】
光透過部材２３において、第１面２３ａは、導光部材２１に設けた第１反射面２１ａの延長平面上に配置され、観察者の眼ＥＹに近い裏側にあり、第２面２３ｂは、導光部材２１に設けた第２反射面２１ｂの延長平面上に配置され、観察者の眼ＥＹから遠い表側にある。第３面２３ｃは、接着剤によって導光部材２１の第４反射面２１ｄに接合される矩形の透過面である。第１面２３ａと第３面２３ｃとがなす角度は、導光部材２１の第２反射面２１ｂと第４反射面２１ｄとのなす角度εと等しくなっており、第２面２３ｂと第３面２３ｃとがなす角度は、導光部材２１の第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとのなす角度βと等しくなっている。
【００７２】
光透過部材２３と導光部材２１とは、両者の接合部分およびその近傍において、透視部ＬＢ４を構成している。すなわち、第１反射面２３ａおよび第２面２３ｂには、ミラー層等の反射コートが施されていないため、導光部材２１の導光部ＬＢ２と同様に外界光ＰＬを高い透過率で透過させる。第３面２３ｃも、外界光ＰＬを高い透過率で透過可能であるが、導光部材２１の第４反射面２１ｄがハーフミラー層３ａを有していることから、第３面２３ｃを通過する外界光ＰＬは、例えば２０％減光される。つまり、観察者は、２０％に減光された画像光ＧＬと８０％に減光された外界光ＰＬとを重畳させたものを観察することになる。
【符号の説明】
【００７３】
１・・第１透光性部材、１ａ・・第１面、２・・第２透光性部材、２ａ・・第２面、３・・機能層、３ａ・・ハーフミラー層、４・・接着剤層、５・・無機コーティング層（第１無機コーティング層）、５ａ・・酸化ケイ素層、６・・無機コーティング層（第２無機コーティング層）、６ａ・・酸化ケイ素層、１０・・光学素子、１５・・画像形成装置、２０・・導光装置（光学素子）、２１・・導光部材（第１透光性部材）、２３・・光透過部材（第２透光性部材）、１００・・表示装置、ＬＢ１・・光入射部、ＬＢ３・・光出射部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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