(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１、第２の平面を有する板状に形成され、前記第１、第２の平面の間で第１の所定の角度で入射する光を反射させながら伝播させる第１の導波部と、前記第１の導波部の前記第１の平面に密着され、前記第１の導波部から入射する光を透過光と反射光とに分離する第１のビームスプリット膜と、前記第１のビームスプリット膜を介して前記第１の導波部に接合され、前記第１の所定の角度で前記第１の平面に入射し前記第１のビームスプリット膜を透過した光を前記第１のビームスプリット膜の面に実質的に垂直な方向に反射する複数の第１の反射面が第１の方向に沿って並べられる第１の偏向部とを有し、前記第１のビームスプリット膜は、前記第１の導波部から前記第１の所定の角度で入射するＳ偏光の光の大部分を反射し、前記第１の偏向部から実質的に垂直に入射するＳ偏光の光の大部分またはすべてを透過する、第１の光学素子と、
対向する第３、第４の平面を有する板状に形成され、前記第３、第４の平面の間で第２の所定の角度で入射する光を反射させながら伝播させる第２の導波部と、前記第２の導波部の前記第３の平面に密着され、前記第２の導波部から入射する光を透過光と反射光とに分離する第２のビームスプリット膜と、前記第２のビームスプリット膜を介して前記第２の導波部に接合され、前記第２の所定の角度で前記第３の平面に入射し前記第２のビームスプリット膜を透過した光を前記第２のビームスプリット膜の面に実質的に垂直な方向に反射する複数の第３の反射面が前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って並べられる第２の偏向部とを有し、前記第２のビームスプリット膜は、前記第２の導波部から前記第２の所定の角度で入射するＳ偏光の光の大部分を反射し、前記第２の偏向部から実質的に垂直に入射するＳ偏光の光の大部分またはすべてを透過する、第２の光学素子と、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に配置されたλ／２波長板と、
前記第２の光学素子に導かれるレーザ光を発するレーザ光源とを備え、
前記第２の光学素子の前記第４の平面から出射する光が前記第１の光学素子に入射するように、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とが配置される
ことを特徴とする光学機構。
【請求項２】
請求項１に記載の光学機構であって、前記第１のビームスプリット膜及び前記第２のビームスプリット膜に斜方から入射する光の透過率が均一であることを特徴とする光学機構。
【請求項３】
請求項１に記載の光学機構であって、前記第１のビームスプリット膜に斜方から入射する光の透過率が前記第１の方向に沿って増加し、前記第２のビームスプリット膜に斜方から入射する光の透過率が前記第２の方向に沿って増加することを特徴とする光学機構。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光学機構であって、可視光帯域の所定の波長の光を反射し、前記所定の帯域外の可視光を透過する反射部材により前記第１の反射面と前記第３の反射面とが覆われることを特徴とする光学機構。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光学機構であって、前記第１の導波部と前記第２の導波部とは耐熱性を有する部材によって形成されることを特徴とする光学機構。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の光学機構であって、
前記第１の光学素子における前記第１の導波部において臨界角以上の角度で前記第２の平面に光が入射するように、前記第１の光学素子に入射する光を、前記第１の導波部に向けて反射する複数の第２の反射面を有し、
前記第２の光学素子における前記第２の導波部において臨界角以上の角度で前記第４の平面に光が入射するように、前記第２の光学素子に入射する光を、前記第２の導波部に向けて反射する複数の第４の反射面を有する
ことを特徴とする光学機構。
【請求項７】
請求項６に記載の光学機構であって、前記第１の光学素子における前記複数の第２の反射面は前記第２の平面と同じ面に形成され、前記第２の光学素子における前記複数の第４の反射面は前記第４の平面と同じ面に形成されることを特徴とする光学機構。
【請求項８】
請求項６に記載の光学機構であって、前記第１の光学素子における前記複数の第２の反射面は前記第１の偏向部に形成され、前記第２の光学素子における前記複数の第４の反射面は前記第２の偏向部に形成されることを特徴とする光学機構。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の光学機構であって、
前記第１の光学素子における前記第１の導波部の前記第２の平面に密着され、前記第１の導波部から斜方入射する光を反射し、前記第１の導波部から実質的に垂直な方向に入射する光を透過する第１の傾斜光反射膜と、
前記第２の光学素子における前記第２の導波部の前記第４の平面に密着され、前記第２の導波部から斜方入射する光を反射し、前記第２の導波部から実質的に垂直な方向に入射する光を透過する第２の傾斜光反射膜とを備える
ことを特徴とする光学機構。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学機構であって、
前記第１の光学素子において、光を透過する部材により形成され、前記第１の傾斜光反射膜の前記第１の導波部の反対側を覆う第１のカバーと、
前記第２の光学素子において、光を透過する部材により形成され、前記第２の傾斜光反射膜の前記第２の導波部の反対側を覆う第２のカバーとを備える
ことを特徴とする光学機構。
【請求項１１】
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の光学機構であって、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間には空隙が設けられるように配置されることを特徴とする光学機構。
【請求項１２】
請求項９に記載の光学機構であって、前記第１の光学素子は、前記第２の傾斜光反射膜に密着するように配置されることを特徴とする光学機構。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の光学機構であって、
前記第１の光学素子は、前記第２の光学素子の前記第４の平面に平行な方向に変位可能に保持され、
前記第１の光学素子が所定の変位位置に変位させた状態において、前記第２の光学素子の前記第４の平面から出射する光が前記第１の光学素子に入射する
ことを特徴とする光学機構。
【請求項１４】
対向する第１、第２の平面を有する板状に形成され、前記第１、第２の平面の間で第１の所定の角度で入射する光を反射させながら伝播させる第１の導波部と、前記第１の導波部の前記第１の平面に密着され、前記第１の導波部から入射する光を透過光と反射光とに分離する第１のビームスプリット膜と、前記第１のビームスプリット膜を介して前記第１の導波部に接合され、前記第１の所定の角度で前記第１の平面に入射し前記第１のビームスプリット膜を透過した光を前記第１のビームスプリット膜の面に実質的に垂直な方向に反射する複数の第１の反射面が第１の方向に沿って並べられる第１の偏向部とを有し、前記第１のビームスプリット膜は、前記第１の導波部から前記第１の所定の角度で入射する光の大部分を反射し、前記第１の偏向部から実質的に垂直に入射する光の大部分またはすべてを透過する、第１の光学素子と、
対向する第３、第４の平面を有する板状に形成され前記第３、第４の平面の間で第２の所定の角度で入射する光を反射させながら伝播させる第２の導波部と、前記第２の導波部の前記第３の平面に密着され、前記第２の導波部から入射する光を透過光と反射光とに分離する第２のビームスプリット膜と、前記第２のビームスプリット膜を介して前記第２の導波部に接合され、前記第２の所定の角度で前記第３の平面に入射し前記第２のビームスプリット膜を透過した光を前記第２のビームスプリット膜の面に実質的に垂直な方向に反射する複数の第３の反射面が前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って並べられる第２の偏向部とを有し、前記第２のビームスプリット膜は、前記第２の導波部から前記第２の所定の角度で入射する光の大部分を反射し、前記第２の偏向部から実質的に垂直に入射する光の大部分またはすべてを透過する第２の光学素子とを備え、
前記第１の光学素子は、前記第２の光学素子の前記第４の平面に平行な方向に変位可能に保持され、前記第１の光学素子が所定の変位位置に変位させた状態において、前記第２の光学素子の前記第４の平面から出射する光が前記第１の光学素子に入射するように、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とが配置される
ことを特徴とする光学機構。
【請求項１５】
請求項１４に記載の光学機構であって、
前記第１の光学素子における前記第１の導波部において臨界角以上の角度で前記第２の平面に光が入射するように、前記第１の光学素子に入射する光を、前記第１の導波部に向けて反射する複数の第２の反射面を有し、
前記第２の光学素子における前記第２の導波部において臨界角以上の角度で前記第４の平面に光が入射するように、前記第２の光学素子に入射する光を、前記第２の導波部に向けて反射する複数の第４の反射面を有する
ことを特徴とする光学機構。
【請求項１６】
請求項１４または請求項１５に記載の光学機構であって、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間には空隙が設けられるように配置されることを特徴とする光学機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、射出瞳を拡大する光学機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
投影した画像を表示するプロジェクション型のディスプレイとして様々な表示装置が知られている。投影される画像を観察するには、投影光学系の射出瞳に観察者の目を合わせる必要がある。それゆえ、様々な位置において投影画像を観察可能にするために、射出瞳を大きくすることが望ましい。しかし、従来のプロジェクション型ディスプレイでは、射出瞳を拡大する光学系の構成が複雑で、大型であった。それゆえ、射出瞳を拡大する光学系の構成の簡素化が望まれていた。そこで、体積ホログラムを用いた光学素子により射出瞳を拡大することが提案されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ａｌｅｘ  ＣＡＭＥＲＯＮ、“Ｔｈｅ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｔｏ  Ｑ−Ｓｉｇｈｔ  Ｆａｍｉｌｙ  ｏｆ  Ｈｅｌｍｅｔ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ”、Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．７３２６、Ａｐｒｉｌ、２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に記載された光学素子について、図１５を用いて以下に説明する。図１５は、光学素子を用いたディスプレイ装置の構成を模式的に示す構成図である。ディスプレイ装置１９´は、映像投影部３０´と光学素子１０´とを含んで構成される。
【０００５】
映像投影部３０´は、表示素子３１´と投影レンズ３２´とを含んで構成される。表示素子３１´に表示される画像が投影レンズ３２´により遠方に投影される。なお、投影レンズ３２´の射出瞳に観察者の目を合わせることにより、投影される画像を観察することが可能である。しかし、投影レンズ３２´の射出瞳は一つだけなので、表示素子３１´に表示される画像を観察可能な視点は１箇所に限定される。
【０００６】
光学素子１０´は、第１、第２の透明媒体３３ａ´、３３ｂ´と体積ホログラムシート３４´とによって構成される。第１、第２の透明媒体３３ａ´、３３ｂ´は平板状であり、体積ホログラムシート３４´は第１、第２の透明媒体３３ａ´、３３ｂ´によって挟持される。体積ホログラムシート３４´は、入射する光を直進光と回折光とに分岐する。なお、図１５において、第１、第２の透明媒体３３ａ´、３３ｂ´の長さ方向をｘ方向、幅方向をｙ方向とする。
【０００７】
光学素子１０´の第１の透明媒体３３ａ´側の表面には三角プリズム３５´が密着される。映像投影部３０´から投影される光束Ｌｘが三角プリズム３５´を介して光学素子１０´に斜方から入射するよう、且つ後述する条件を満たすように、映像投影部３０´は配置される。
【０００８】
光学素子１０´に斜方から入射した光束Ｌｘは、第１、第２の透明媒体３３ａ´、３３ｂ´側の表面である第１、第２の表面３６ａ´、３６ｂ´間を反射しながら、ｘ方向に伝播される。なお、光束Ｌｘが第１、第２の表面３６´ａ、３６ｂ´において全反射するように、映像投影部３０´は配置される。
【０００９】
前述のように、体積ホログラムシート３４´に入射する光束Ｌｘは、直進光と回折光に分岐される。例えば、第１の表面３６ａ´側から体積ホログラムシート３４´に入射する光は、第２の表面３６ｂ´に垂直な方向に回折された回折光と第２の透明媒体３３ｂ´に斜方に入射する直進光とに分岐される。
【００１０】
回折光は第２の表面３６ｂ´において透過され、外部に射出される。直進光は第２の表面３６ｂ´において全反射され、体積ホログラムシート３４´を介して第１の透明媒体３３ａ´に入射する。以後同様に、第１、第２の表面３６ａ´、３６ｂ´における全反射、および体積ホログラムシート３４´における分岐が繰返され、画像を形成する光束Ｌｘが第２の表面３６ｂ´の複数の位置から射出される。言い換えると、複数の射出瞳のコピーが第２の表面側に生成される。
【００１１】
複数の射出瞳のコピーが生成されることにより、複数の視点ｅｐにおいて画像を観察可能となる。なお、投影レンズ３２´の射出瞳の径と複数のコピーの形成位置の間隔とを一致させることにより、射出瞳のコピー同士が接して一体となり、第２の表面３６´の面内であればどの視点からでも画像を観察可能となる。したがって、光学素子１０´により射出瞳が拡大されたとみなすことが可能である。
【００１２】
しかし、第２の透明媒体３３ｂ´から体積ホログラムシート３４´に光束Ｌｘが入射するときにも、光束Ｌｘは回折光と直進光とに分岐される。したがって、複数の射出瞳のコピーは第１の表面３６ａ´側にも生成される。光学素子１０´は一方の面からの観察が可能な構成であればよく、両面に光束Ｌｘが射出されることにより光の利用効率が低下していた。
【００１３】
従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明では、光の利用効率を改善させ得る光学機構の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した諸課題を解決すべく、本発明による光学機構は、
対向する第１、第２の平面を有する板状に形成され、前記第１、第２の平面の間で第１の所定の角度で入射する光を反射させながら伝播させる第１の導波部と、前記第１の導波部の前記第１の平面に密着され、前記第１の導波部から入射する光を透過光と反射光とに分離する第１のビームスプリット膜と、前記第１のビームスプリット膜を介して前記第１の導波部に接合され、前記第１の所定の角度で前記第１の平面に入射し前記第１のビームスプリット膜を透過した光を前記第１のビームスプリット膜の面に実質的に垂直な方向に反射する複数の第１の反射面が第１の方向に沿って並べられる第１の偏向部とを有し、前記第１のビームスプリット膜は、前記第１の導波部から前記第１の所定の角度で入射するＳ偏向の光の大部分を反射し、前記第１の偏向部から実質的に垂直に入射するＳ偏向の光の大部分またはすべてを透過する、第１の光学素子と、
対向する第３、第４の平面を有する板状に形成され、前記第３、第４の平面の間で第２の所定の角度で入射する光を反射させながら伝播させる第２の導波部と、前記第２の導波部の前記第３の平面に密着され、前記第２の導波部から入射する光を透過光と反射光とに分離する第２のビームスプリット膜と、前記第２のビームスプリット膜を介して前記第２の導波部に接合され、前記第２の所定の角度で前記第３の平面に入射し前記第２のビームスプリット膜を透過した光を前記第２のビームスプリット膜の面に実質的に垂直な方向に反射する複数の第３の反射面が前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って並べられる第２の偏向部とを有し、前記第２のビームスプリット膜は、前記第２の導波部から前記第２の所定の角度で入射するＳ偏光の光の大部分を反射し、前記第２の偏向部から実質的に垂直に入射するＳ偏光の光の大部分またはすべてを透過する、第２の光学素子と、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に配置されたλ／２波長板と、
前記第２の光学素子に導かれるレーザ光を発するレーザ光源とを備え、
前記第２の光学素子の前記第４の平面から出射する光が前記第１の光学素子に入射するように、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とが配置される
ことを特徴とするものである。
【００１５】
上述した諸課題を解決すべく、本発明による他の光学機構は、
対向する第１、第２の平面を有する板状に形成され、前記第１、第２の平面の間で第１の所定の角度で入射する光を反射させながら伝播させる第１の導波部と、前記第１の導波部の前記第１の平面に密着され、前記第１の導波部から入射する光を透過光と反射光とに分離する第１のビームスプリット膜と、前記第１のビームスプリット膜を介して前記第１の導波部に接合され、前記第１の所定の角度で前記第１の平面に入射し前記第１のビームスプリット膜を透過した光を前記第１のビームスプリット膜の面に実質的に垂直な方向に反射する複数の第１の反射面が第１の方向に沿って並べられる第１の偏向部とを有し、前記第１のビームスプリット膜は、前記第１の導波部から前記第１の所定の角度で入射する光の大部分を反射し、前記第１の偏向部から実質的に垂直に入射する光の大部分またはすべてを透過する第１の光学素子と、
対向する第３、第４の平面を有する板状に形成され前記第３、第４の平面の間で第２の所定の角度で入射する光を反射させながら伝播させる第２の導波部と、前記第２の導波部の前記第３の平面に密着され、前記第２の導波部から入射する光を透過光と反射光とに分離する第２のビームスプリット膜と、前記第２のビームスプリット膜を介して前記第２の導波部に接合され、前記第２の所定の角度で前記第３の平面に入射し前記第２のビームスプリット膜を透過した光を前記第２のビームスプリット膜の面に実質的に垂直な方向に反射する複数の第３の反射面が前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って並べられる第２の偏向部とを有し、前記第２のビームスプリット膜は、前記第２の導波部から前記第２の所定の角度で入射する光の大部分を反射し、前記第２の偏向部から実質的に垂直に入射する光の大部分またはすべてを透過する第２の光学素子とを備え、
前記第１の光学素子は、前記第２の光学素子の前記第４の平面に平行な方向に変位可能に保持され、前記第１の光学素子が所定の変位位置に変位させた状態において、前記第２の光学素子の前記第４の平面から出射する光が前記第１の光学素子に入射するように、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とが配置される
ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
上記のように構成された本発明に係る光学機構によれば、射出瞳を拡大させながら、第１の反射面側からの光の射出を抑制させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学素子の斜視図である
【図２】第１の実施形態の光学素子の側面図である。
【図３】第１の実施形態の光学素子において、偏光ビームスプリット膜による反射回数に応じた射出光の入射光に対する強度の比を示すグラフである。
【図４】入射角により薄膜の分光曲線が波長方向に沿ってシフトする性質を説明するための、薄膜の波長に対する反射率を示すグラフである。
【図５】第１の実施形態の光学機構の斜視図である。
【図６】第１の実施形態の光学機構を用いたディスプレイ装置の内部構造を示す斜視図である。
【図７】第１の実施形態の光学機構を用いたディスプレイ装置の内部構造を示す平面図である。
【図８】第１の実施形態の光学機構を用いたディスプレイ装置から任意の距離で投影像を視認可能であることを説明するための図である。
【図９】第２の実施形態の光学素子の側面図である。
【図１０】第３の実施形態の光学素子の側面図である。
【図１１】第３の実施形態の光学機構の斜視図である。
【図１２】第３の実施形態の光学機構を用いたディスプレイ装置の内部構造を示す側面図である。
【図１３】第４の実施形態の光学素子の側面図である。
【図１４】第５の実施形態の光学素子の偏光ビームスプリット膜の入射領域からの距離に応じた透過率を示すグラフである。
【図１５】従来の瞳拡大機能を有する光学素子を用いたディスプレイ装置の構成を概念的に示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の斜視図である。
【００２０】
図１に示すように、光学素子１０は、導波部１１、偏光ビームスプリット膜１２、および偏向部１３を含んで構成される。導波部１１は板状であり、導波部１１の片面には偏光ビームスプリット膜１２が蒸着により形成される。偏向部１３は、平面と、裏側において三角プリズムアレイ（図１において図示せず）が形成された三角プリズムアレイ面とを板面とする板状である。導波部１１の偏光ビームスプリット膜１２が形成された面（第１の平面）（以後、膜形成面ｍｓと呼ぶ）と、偏向部１３の平面とを透明接着剤（図示せず）により接合させることにより、光学素子１０は形成される。
【００２１】
なお、光学素子１０は全体的に長辺と短辺とを有する長方形の平板状であり、平板の厚さ方向ｄｔに垂直な平面上において長辺に沿った方向を長さ方向ｄｌ、厚さ方向ｄｔおよび長辺方向ｄｌに垂直な方向を幅方向ｄｗとする。
【００２２】
偏光ビームスプリット膜１２は、実質的に垂直な方向から入射する光（第１の光）を透過し、斜方から入射する光の大部分を反射し、残りを透過するようにコンピュータシュミュレーションにより設計され、蒸着される。例えば、Ｓ偏光に対して、このような光学特性を有する偏光ビームスプリット膜１２が形成可能である。
【００２３】
導波部１１は、例えば２ｍｍの厚みを有する石英（透明媒質）が用いられる。導波部１１に石英を用いることにより、偏光ビームスプリット膜１２を蒸着させるときの加熱に対して耐熱性を有し、硬質であるため膜応力に対して反りにくくなる利点を有する。また、硬質であるため、膜形成面ｍｓの裏側で全反射面として用いられる面（第２の平面）（以後、入出力ポート面ｉ／ｏｓと呼ぶ）に傷つきにくい利点を有する。
【００２４】
偏向部１３は、例えば３ｍｍの厚さを有するアクリルが用いられる。偏向部１３に形成される三角プリズムアレイは微細であり、射出成型により形成される。それゆえ、射出成型可能な透明媒体としてアクリルが例として選択される。三角プリズムアレイ面ｐｓにはアルミ（反射部材）が蒸着される。それゆえ、入射する光は三角プリズムアレイ面ｐｓにおいて反射する。
【００２５】
なお、入出力ポート面ｉ／ｏｓの長さ方向ｄｌに沿った端部領域が入射領域ｉａに定められる。一方、入射領域ｉａ以外の領域は射出領域ｅａに定められる。入射領域ｉａを含む端部から所定の領域下において偏光ビームスプリット膜１２は設けられず、固化した透明接着剤１４が介在する。したがって、透明接着剤１４が介在した領域において、光束は導波部１１と偏向部１３との間を透過する。
【００２６】
図２に示すように、光束Ｌｘは入射領域ｉａにおいて入出力ポート面ｉ／ｏｓに垂直に入射する。垂直に入射した光束Ｌｘは導波部１１から偏向部１３に入射し、三角プリズムアレイ面ｐｓにより斜方に反射される。なお、反射方向にも偏光ビームスプリット膜１２は設けられず、斜方に反射された光束Ｌｘは偏向部１３から導波部１１に斜方から入射する。
【００２７】
斜方から入射した光束Ｌｘは入出力ポート面ｉ／ｏｓで全反射され、偏光ビームスプリット膜１２に向きを変えて、その界面において大部分が反射される。なお、後述するように、偏光ビームスプリット膜１２において光束Ｌｘの一部は透過する。以後、入出力ポート面ｉ／ｏｓでの全反射と偏光ビームスプリット膜１２との界面における反射を繰返しながら、光束Ｌｘは長さ方向ｄｌに伝播される。
【００２８】
導波部１１の屈折率が偏向部１３の屈折率より高いと、偏向部１３から導波部１１に光束Ｌｘが入射するときに出射角が狭くなる。出射角が狭くなると、長さ方向ｄｌへの単位伝播距離に対する反射回数が増加する。反射回数が増加するため、入射領域ｉａから反対側の端部までの伝播が困難となる。それゆえ、導波部１１の屈折率は偏向部１３の屈折率より小さいことが好ましい。なお、石英の屈折率は１．４５であり、アクリルの屈折率は１．４９であって、導波部１１の屈折率は偏向部１３の屈折率より小さい。
【００２９】
また、上述のような性質の偏光ビームスプリット膜１２は、偏光ビームスプリット膜１２の両側の媒体の屈折率が近いほど、上述のような性質を有するような偏光ビームスプリット膜１２の設計が容易となる。上述のように、石英とアクリルとの屈折率は比較的近く、上述のような特性の偏光ビームスプリット膜１２の設計は容易である。
【００３０】
三角プリズムアレイ面ｐｓには、幅方向ｄｗに延びる複数の第１、第２の三角プリズム１５ａ、１５ｂが形成される。入射領域ｉａ下には、第１の三角プリズム１５ａが形成され、射出領域ｅａ下には、第２の三角プリズム１５ｂが形成される。第１、第２の三角プリズム１５ａ、１５ｂは、厚さ方向ｄｔに垂直な平面を幅方向ｄｗに平行な直線を軸に傾斜させた傾斜面と、長さ方向ｄｌに垂直な垂直面とを有している。
【００３１】
傾斜面の傾斜角は、第１の三角プリズム１５ａと第２の三角プリズム１５ｂとで反対向きで、角度の絶対値は等しい。第１の三角プリズム１５ａの傾斜面（第２の反射面）の法線は導波部１１の射出領域ｅａ側に延びる。したがって、前述のように、入出力ポート面ｉ／ｏｓから入射領域ｉａに垂直に入射する光束Ｌｘは、第１の三角プリズム１５ａにより射出領域ｅａに向けて反射される。一方、第２の三角プリズム１５ｂの傾斜面（第１の反射面）の法線は導波部１１の入射領域ｉａ側に延びる。したがって、後に詳細に説明するように、偏光ビームスプリット膜１２を斜方から透過した光束Ｌｘは、入出力ポート面ｉ／ｏｓに向かって垂直に反射される。
【００３２】
傾斜面の角度は、導波部１１の入出力ポート面ｉ／ｏｓにおける臨界角に基づいて定められる。導波部１１内では、斜方から入射した光束Ｌｘを、入出力ポート面ｉ／ｏｓにおける全反射と偏光ビームスプリット膜１２における反射とを繰返しながら長さ方向ｄｌに伝播させることが、本実施形態の効果を得るために求められる。それゆえ、入出力ポート面ｉ／ｏｓにおいて全反射するように、光束Ｌｘを導波部１１に入射させる必要がある。
【００３３】
入出力ポート面ｉ／ｏｓに対する入射角θ（所定の角度）は、臨界角より大きい必要があるので、θ＞ｓｉｎ−１（１／ｎ）を満たす必要がある。前述のように、本実施形態における導波部１１の材質である石英の屈折率は１．４５であるから、θ＞ｓｉｎ−１（１／１．４５）＝４３．６°を満たす必要がある。
【００３４】
入射角θは第１の三角プリズム１５ａの傾斜面の角度の倍角なので、傾斜面の角度は入射角θの半角２１．８°（＝４３．６°／２）以上であることが必要である。なお、導波部１１と偏向部１３との材質は異なっているが、前述のように、偏向部１３の屈折率が導波部１１の屈折率より大きいので、偏向部１３において傾斜面の角度を２１．８°以上となるように形成すれば入出力ポート面ｉ／ｏｓにおいて光束Ｌｘを全反射させることは可能である。
【００３５】
一方、傾斜面の傾斜角が大きくなるほど、隣接する第１の三角プリズム１５ａの垂直面によってケラレによる光束Ｌｘの光量ロスが増加する。それゆえ、傾斜面の傾斜角は下限値に近くすることが好ましい。それゆえ、本実施形態においては、傾斜面の傾斜角は、例えば２５°に定められる。
【００３６】
なお、傾斜面の傾斜角を２５°に定めた場合、入射領域ｉａにおいて入出力ポート面ｉ／ｏｓに垂直に入射する光束Ｌｘは傾斜面により反射され、射出領域ｅａにおける入出力ポート面ｉ／ｏｓに５１．６°の入射角で入射する。したがって、入出力ポート面ｉ／ｏｓにおける入射角は臨界角より大きいので、光束Ｌｘを入出力ポート面ｉ／ｏｓで全反射可能である。この角度を中心として、入出力ポート面ｉ／ｏｓへの斜入射光の入射角の振れは、臨界角を下回らない範囲であれば許容されるので、−８°の振れは許容される。
【００３７】
複数の第１、第２の三角プリズム１５ａ、１５ｂは、長さ方向ｄｌに沿って並べられる。したがって、幅方向ｄｗから見て、第１、第２の三角プリズム１５ａ、１５ｂは鋸歯状に並ぶ。なお、例えば、第１、第２の三角プリズム１５ａ、１５ｂのピッチは０．９ｍｍである。
【００３８】
第１、第２の三角プリズム１５ａ、１５ｂのピッチが大きくなる程、隣接する第１、第２の三角プリズム１５ａ、１５ｂの垂直面によってケラレによる光束Ｌｘの光量ロスが増加する。一方、ピッチが過剰に小さくなると、回折の影響により反射光が正規反射しなくなるので、０．３ｍｍ以上であることが望ましい。本実施形態において、入射光束Ｌｘの幅は５〜１０ｍｍであることが仮定されている。したがって、上述の０．９ｍｍのピッチは妥当である。
【００３９】
偏光ビームスプリット膜１２は、前述のように、実質的に垂直な方向から入射する光を透過し、斜方から入射する光の大部分を反射し、残りを透過するように設計される。例えば、斜入射光に対して反射率９５％、透過率５％となるように設計される。また、例えば、略垂直な入射光に対して実質的に１００％の透過率となるように設計される。なお、実質的に垂直とは、例えば垂直方向から５°以下の角度とみなすことが出来る。５°以下では、Ｐ偏光とＳ偏光との差が明確に生じない。入射角が５°以下であれば、偏光ビームスプリット膜１２の反射率および透過率は、入射角が０°の場合の反射率および透過率と実質的に同じである。
【００４０】
なお、上述の考察により、光学素子１０において入出力される光束Ｌｘの画角の許容範囲は７°〜８°と定めることが出来る。
【００４１】
上述のような構成の光学素子１０の入出力ポート面ｉ／ｏｓの入射領域ｉａに垂直に入射した光束Ｌｘは、第１の三角プリズム１５ａに反射され、導波部１１の射出領域ｅａに斜方から入射する。斜方から入射した光束Ｌｘは入出力ポート面ｉ／ｏｓに臨界角を超える角度で入射し、全反射される。全反射された光束Ｌｘは偏光ビームスプリット膜１２に斜方から入射し、９５％は反射され、５％は透過する。偏光ビームスプリット膜１２に反射された光束Ｌｘは、再び入出力ポート面ｉ／ｏｓに臨界角を超える角度で入射し、全反射される。
【００４２】
以後、偏光ビームスプリット膜１２における一部反射と、入出力ポート面ｉ／ｏｓにおける全反射とを繰返しながら、光束Ｌｘは導波部１１の長さ方向ｄｌに伝播される。ただし、偏光ビームスプリット膜１２における反射時に５％の光束Ｌｘが透過し、偏向部１３に出射する。
【００４３】
偏向部１３に出射される光束Ｌｘの出射角は、第１の三角プリズム１５ａによって反射された光束Ｌｘの導波部１１との界面における入射角に等しい。それゆえ、偏向部１３に出射された光束Ｌｘは第２の三角プリズム１５ｂによって入出力ポート面ｉ／ｏｓに垂直な方向に反射される。垂直な方向に反射された光束Ｌｘは偏光ビームスプリット膜１２を実質的に１００％の透過率で透過し、入出力ポート面ｉ／ｏｓから射出される。
【００４４】
導波部１１の長さ方向ｄｌの長さは、例えば１００ｍｍであり、入射領域ｉａから射出領域ｅａに斜入射した光束Ｌｘは、射出領域ｅａの端部に達するまでに入出力ポート面ｉ／ｏｓと偏光ビームスプリット膜１２との間を約２０回反射する。反射のたびに偏光ビームスプリット膜１２において光路が分岐され、前述のように、入出力ポート面ｉ／ｏｓから射出される。したがって、１００ｍｍの長さに対して約２０本の分岐光がアレイを形成する。したがって、分岐光を入出力ポート面ｉ／ｏｓから隙間無く射出させるには、５ｍｍ（１００ｍｍ／２０）以上の径の光束Ｌｘを入射する必要がある。
【００４５】
前述のように、導波部１１に伝播される光束Ｌｘは、偏光ビームスプリット膜１２で反射を繰返す度に、一部の光量を分岐光として射出されるので、射出光の強度は反射回数に応じて等比級数的に減少する（図３参照）。したがって、偏光ビームスプリット膜１２の斜入射光に対する透過率を高くすると、導波部１１の末端まで入射光束Ｌｘを伝播させることが難しくなる。
【００４６】
本実施形態においては、偏光ビームスプリット膜１２の斜入射光に対して設定すべき透過率を簡易的に１００％／（反射回数）と定め、上述の反射回数を用いて透過率は５％に定められる。また、反射率は１００％−（透過率％）を算出することにより９５％に定められる。
【００４７】
なお、上述のように定めた透過率および反射率を用いると、入出力ポート面ｉ／ｏｓから最初に射出される光束Ｌｘと、最後に射出される光束Ｌｘとの強度比は２．５倍程度となり、明るさにムラが生じることが分かる。明るさのムラを低減化させるには、透過率をより小さく設定すればよい。例えば、透過率を３％、反射率を９７％とする設定では、入出力ポート面ｉ／ｏｓから最初に射出される光束Ｌｘと、最後に射出される光束Ｌｘとの強度比は１．８倍程度に改善される。
【００４８】
しかし、透過率を小さく設定すると、射出されずに射出領域ｅａの端部に到達する光量が増加し、入射光束Ｌｘのエネルギーロスが増加する。すなわち、光の利用効率が低下する。本実施形態における透過率５％および反射率９５％の設定では、入出力ポート面ｉ／ｏｓから射出される光束Ｌｘの全光量は入射光束Ｌｘの６４％である。一方で、比較例として挙げた透過率３％および反射率９７％の設定では、入出力ポート面ｉ／ｏｓから射出される光束Ｌｘの全光量は入射光束Ｌｘの４６％に低下する。
【００４９】
このように、明るさのムラの低減化を図ると、光の利用効率は低下する。そこで、透過率は、明るさのムラと光の利用効率とが最適化されるように定められることが好ましい。ところで、視覚は対数感度であるため、後述するディスプレイ装置（図１〜図３において図示せず）に光学素子１０を用いる場合には、２．５倍程度の明るさのムラは感知されにくい。また、偏光ビームスプリット膜１２の蒸着時の特性のばらつきを考慮すると、透過率を例えば５％より低くなるように形成することは難しい。それゆえ、本実施形態における透過率の設定は、使用目的を満たす十分な低さの明るさムラに抑えながら光の利用効率を高く維持し、実際の形成を可能にさせる設定である。
【００５０】
上述のように、偏光ビームスプリット膜１２は、Ｓ偏光の斜入射光においては反射率９５％および透過率５％の特性を有し、略垂直入射光においては実質的に１００％の透過率の特性を有する。この相反する特性を、ローパス型またはバンドパス型の分光反射特性を有する薄膜は有し得る。
【００５１】
従来知られているように、薄膜において入射角に応じて分光曲線が波長方向にシフトする。図４に示すように、略垂直入射光に対する分光曲線（破線参照）は、斜入射光に対する分光曲線（実線参照）から、長波長側にシフトする。斜入射光に対する分光曲線と、略垂直入射光に対する分光曲線との両者のカットオフ波長に挟まれ、斜入射光に対して反射率が９５％、略垂直入射光に対して反射率が０％となるように、入射光束Ｌｘの波長および薄膜の設定を組合わせることにより、本実施形態の偏光ビームスプリット膜１２を形成可能となる。
【００５２】
なお、分光曲線のシフト量Δλは、Δλ＝（１−ｃｏｓθ´）×λ０により算出される。なお、θ´は薄膜に進入するときの屈折角、λ０は入射光の波長である。本実施形態における偏光ビームスプリット膜１２に入射する光束Ｌｘの屈折角は５１．６°である。したがって、λ０＝６３５ｎｍの波長の単色光を入射すれば、Δλ＝２４０ｎｍの大きなシフト量を得ることが可能である。したがって、λ＝６３５ｎｍの波長のＳ偏光の光束Ｌｘに対して、斜入射光の大部分を反射し、略垂直入射光の殆どを透過する偏光ビームスプリット膜１２を実際に形成可能である。
【００５３】
上述のような構成の光学素子１０では、１００ｍｍ当たり約２０本の光束Ｌｘが射出されるので、入出力ポート面ｉ／ｏｓの入射領域ｉａに、幅が５ｍｍ以上の光束Ｌｘを入射すると、隣接する射出光束Ｌｘが互いに接し、全体で幅が１００ｍｍの光束となって射出される。すなわち、光束の幅が５ｍｍから１００ｍｍに拡大されるので、従来技術と同様に、光学素子１０は瞳拡大光学素子として機能する。
【００５４】
以上のような構成の第１の実施形態の光学素子１０によれば、入射した光束Ｌｘを平板状の一方の板面である入出力ポート面ｉ／ｏｓのみから拡大して射出するので、瞳を拡大させる機能を有しながら、両面から光束を拡大して射出する従来の体積ホログラムシートを用いた光学素子に比べて、光の利用効率を改善させることが可能である。光の利用効率が改善されるので、従来に比べて光源（図１〜図４に図示せず）からの出射光量を低減化可能であり、電力の消費量を低減化させることが可能である。
【００５５】
次に、第１の実施形態の光学素子１０を用いた、２次元状に瞳を拡大させる第１の実施形態の光学機構について説明する。図５に示すように、光学機構１６は、第１、第２の瞳拡大板１７ａ、１７ｂとλ／２波長板１８とによって構成される。第１の瞳拡大板１７ａは、サイズと偏光ビームスプリット膜１２の設定とを後述するように変更した上述の光学素子１０である。また、第２の瞳拡大板１７ｂは、上述の光学素子１１と同一である。
【００５６】
第１の瞳拡大板１７ａは、幅（幅方向ｄｗの長さ）が１０ｍｍ、射出領域ｅａ（図５に図示せず）の長さ（長さ方向ｄｌの長さ）が５０ｍｍになるように形成される。第２の瞳拡大板１７ｂは、幅（幅方向ｄｗの長さ）が５０ｍｍ、入射領域ｉａ（図５に図示せず）および射出領域ｅａそれぞれの長さ（長さ方向ｄｌの長さ）が１０ｍｍおよび１００ｍｍになるように形成される。
【００５７】
第１、第２の瞳拡大板１７ａ、１７ｂによって、λ／２波長板１８が挟まれる。また、第１の瞳拡大板１７ａの長辺（長さ方向の辺）と第２の瞳拡大板１７ｂの短辺（幅方向の辺）とが重なるように、第１の瞳拡大板１７ａの入出力ポート面ｉ／ｏｓの射出領域ｅａと第２の瞳拡大板１７ｂの入出力ポート面ｉ／ｏｓの入射領域ｉａが対向するように、且つ第１の瞳拡大板１７ａの入射領域ｉａが第２の瞳拡大板１７ｂから突出するように、第１、第２の瞳拡大板１７ａ、１７ｂは重ねられる。
【００５８】
なお、図５において、第１の瞳拡大板１７ａの長さ方向および第２の瞳拡大板１７ｂの幅方向に平行な方向をｘ方向、第１の瞳拡大板１７ａの幅方向および第２の瞳拡大板１７ｂの長さ方向に平行な方向をｙ方向、および第１、第２の瞳拡大板１７ａ、１７ｂの厚さ方向に平行な方向をｚ方向とする
【００５９】
第１の瞳拡大板１７ａとλ／２波長板１８との間には、空隙が設けられる。第１の瞳拡大板１７ａにおいて、全反射をさせる射出領域ｅａの入出力ポート面ｉ／ｏｓがλ／２波長板１８に対向している。それゆえ、入出力ポート面ｉ／ｏｓとλ／２波長板１８とを接合させると、第１の瞳拡大板１７ａ内で入出力ポート面ｉ／ｏｓにおいて全反射せずに透過することが生じ得る。それゆえ、空隙を設けることにより、第１の瞳拡大板１７ａ内を伝播する光の入出力ポート面ｉ／ｏｓにおける全反射が保障される。
【００６０】
第１の瞳拡大板１７ａの偏光ビームスプリット膜１２は、斜入射光の反射率および透過率がそれぞれ９０％および１０％となるように設計され、形成される。第１の瞳拡大板１７ａによる入射光束の伝播方向の長さは５０ｍｍであって、上述の光学素子１０の長さ（１００ｍｍ）の半分である。それゆえ、第１の瞳拡大板１７ａの射出領域ｅａの端部に到達するまでの偏光ビームスプリット膜１２における反射回数は光学素子１０における反射回数の約半分となる。それゆえ、第１の瞳拡大板１７ａの偏光ビームスプリット膜１２の透過率を光学素子１０の倍にすることによって、明るさのムラと光の利用効率とが最適化される。
【００６１】
上述の光学機構１６の第１の瞳拡大板１７ａの入射領域ｉａに光束Ｌｘを垂直に入射させると、光束Ｌｘはｘ方向に瞳が拡大されて、第１の瞳拡大板１７ａの射出領域ｅａから射出される。
【００６２】
第１の瞳拡大板１７ａから射出された光束は、λ／２波長板１８によって光束Ｌｘの偏光面を９０°回転させる。偏光面を９０°回転させることにより、第２の瞳拡大板１７ｂの偏光ビームスプリット膜１２にＳ偏光で光束Ｌｘを入射させることが可能となる。
【００６３】
偏光面を回転させた光束は、第２の瞳拡大板１７ｂの入射領域ｉａに垂直に入射する。第２の瞳拡大板１７ｂに入射した光束はｙ方向に瞳が拡大されて、第２の瞳拡大板１７ｂの射出領域ｅａから射出される。
【００６４】
したがって、例えば第１の瞳拡大板１７ａの入射領域ｉａに入射した５×５ｍｍの光束を入射させると、第２の瞳拡大板１７ｂの射出領域ｅａから、瞳がｘ方向に５０ｍｍ、ｙ方向に１００ｍｍに拡大された投射光が射出される。
【００６５】
次に、上述の光学機構１６を用いたディスプレイ装置について図６、図７を用いて説明する。図６はディスプレイ装置における各部位の光学配置を示す斜視図である。図７はディスプレイ装置における各部位の光学配置を示す平面図である。
【００６６】
ディスプレイ装置１９は、光源２０、透過型チャート２１、および光学機構１６を含んで構成される。光源２０から照明光が発せられ、透過型チャート２１が照明される。照明による透過型チャート２１の投影光が光学機構１６に入射する。入射した投影光は、光学機構１６により瞳が拡大され射出される。なお、透過型チャート２１の代わりに、液晶表示素子を用いて表示する画像を形成し、光学機構１６に投影する構成であってもよい。
【００６７】
光源２０と透過型チャート２１との間、および透過型チャート２１と光学機構１６との間には、それぞれ照明光学系２２および投影光学系２３が配置される。光源２０、照明光学系２２、透過型チャート２１、投影光学系２３、および光学機構１６は、光学的に結合される。
【００６８】
光源２０からは波長６３５ｎｍのレーザが照明光として出射される。光源２０は光源ドライバ２４によって駆動される。光源を駆動するための電力は、バッテリ２５から供給される。
【００６９】
照明光は照明光学系２２を介して透過型チャート２１に照射される。透過型チャート２１は、例えば５．６ｍｍ×４．５ｍｍの大きさを有している。透過型チャート２１の投影光は、投影光学系２３により光学機構１６の第１の瞳拡大板１７ａの入射領域ｉａに投影される。なお、投影光学系２３の射出瞳と光学機構１６の第１の瞳拡大板１７ａの入射領域ｉａとは合わせられている。
【００７０】
投影光学系２３は、例えば焦点距離が２８ｍｍであり、投影光を無限遠方に投影可能である。投影光の投射の画角は、水平方向に±５．７°、垂直方向に±４．６°になる。なお、この画角は、本実施形態の光学機構１６に用いられる光学素子１０の入射角の許容範囲内である。投影光学系２３により、透過型チャート２１の投影光は直径１０ｍｍの瞳として光学機構１６に入射する。
【００７１】
光学機構１６を用いない場合には、投影光学系２３の射出瞳に観察者の目を合わせることによりチャートの像を観察可能である。しかし、直径１０ｍｍの射出瞳に目を合わせ続けるのは観察者にとって苦痛である。一方、本実施形態におけるディスプレイ装置１９では、光学機構１６により瞳の大きさが１００ｍｍ×５０ｍｍに拡大されるので、観察者にとって拡大された射出瞳に目を合わせることは容易である。
【００７２】
例えば、図８に示すように、ディスプレイ装置１９の光学機構１６の射出領域ｅａから２００ｍｍ程離れた位置において、画像観察が可能となる。さらには、任意の距離で、横５０ｍｍ×縦４０ｍｍの大きさのチャート像を見ることが出来る。なお、ディスプレイ装置１９によって、無限遠方に像が形成されるため、遠視や老視でも投影像を見ることが可能である。
【００７３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る光学素子および光学機構について説明する。第２の実施形態は、光学素子の入出力ポート面が偏光高反射膜とカバーガラスによって覆われる点、および光学機構の構成が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。
【００７４】
図９に示すように、第２の実施形態の光学素子１００は、導波部１１、偏光ビームスプリット膜１２、偏向部１３、偏光高反射膜２６（傾斜光反射膜）、およびカバーガラス２７（カバー）を含んで構成される。導波部１１、偏光ビームスプリット膜１２、および偏向部１３の構成および機能は、第１の実施形態と同じである。
【００７５】
導波部１１の入出力ポート面ｉ／ｏｓの全面に、偏光高反射膜２６が蒸着される。偏光高反射膜２６は、実質的に垂直な方向から入射する光を透過し、斜方から入射する光を実質的に１００％の反射率で反射するようにコンピュータシュミュレーションにより設計される。偏光高反射膜２６の全面がさらにカバーガラス２７によって覆われる。
【００７６】
第１の実施形態と同様に、入出力ポート面ｉ／ｏｓ側の入射領域ｉａに垂直に入射した光束Ｌｘは、第１の三角プリズム１５ａに反射され、導波部１１の射出領域ｅａに斜方から入射する。第１の実施携帯と異なり、斜方から入射した光束Ｌｘは斜方から偏光高反射膜２６に入射し、反射される。
【００７７】
以後、第１の実施形態と同様に、偏光ビームスプリット膜１２での部分的な透過および大部分の反射と偏光高反射膜２６における反射を繰返しながら、光束Ｌｘは長さ方向ｄｌに伝播される。
【００７８】
偏光ビームスプリット膜１２を透過した光束Ｌｘは第２の三角プリズム１５ｂによって、入出力ポート面ｉ／ｏｓに垂直な方向に反射される。したがって、反射された光束Ｌｘは偏光ビームスプリット膜１２、偏光高反射膜２６、およびカバーガラス２７を透過して入出力ポート面ｉ／ｏｓから射出される。
【００７９】
したがって、第２の実施形態の光学素子１００は、第１の実施形態の光学素子１０と同様に、入射領域ｉａに入射する光束の瞳を拡大する機能を有する。
【００８０】
以上のような構成の第２の実施形態の光学素子によっても、入射した光束を平板状の一方の板面のみから拡大して射出するので、瞳を拡大させる機能を有しながら、光の利用効率を改善させることが可能である。
【００８１】
また、第２の実施形態の光学素子１００によれば、カバーガラス２７で表面が覆われているので、反射機能を低減させる、偏光高反射膜２６および入出力ポート面ｉ／ｏｓの損傷や汚れの付着が防止される。したがって、光束の伝播機能を維持することが可能である。
【００８２】
次に、第２の実施形態の光学素子１００を用いた、２次元状に瞳を拡大させる第２の実施形態の光学機構について説明する。第２の実施形態の光学機構は、第１の実施形態の光学機構と同じく、第１、第２の瞳拡大板１７ａ、１７ｂ（第１、第２の光学素子）とλ／２波長板１８とによって構成される。第１の実施形態と異なり、第１、第２の瞳拡大板１７ａ、１７ｂは、第２の実施形態の光学素子１００である。
【００８３】
第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、第１の瞳拡大板１７ａとλ／２波長板１８との間に空隙は設けられず、密着して固定される。第２の実施形態の光学素子１００はカバーガラス２７の内側の界面において光束が反射するので、空隙を設けなくても斜入射光が透過することはない。それゆえ、第１の瞳拡大板１７ａとλ／２波長板１８とを密着させることにより、機械的強度を向上させることが可能である。
【００８４】
次に、本発明の第３の実施形態に係る光学素子および光学機構について説明する。第３の実施形態は、入射領域ｉａにおける三角プリズムアレイが形成される部位が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。
【００８５】
図１０に示すように、第３の実施形態の光学素子１０１は、導波部１１１、偏光ビームスプリット膜１２、および偏向部１３１を含んで構成される。第１の実施形態と同じく、射出領域ｅａ下における偏向部１３１の三角プリズムアレイ面ｐｓには複数の第２の三角プリズム１５ｂが形成される。第２の三角プリズム１５ｂの形状は、第１の実施形態と同じである。また、第１の実施形態と同じく、導波部１１１の入出力ポート面ｉ／ｏｓの射出領域ｅａは平面状である。
【００８６】
一方、第１の実施形態と異なり、入射領域ｉａ下における三角プリズムアレイ面ｐｓは、平面状である。また、第１の実施形態と異なり、入出力ポート面ｉ／ｏｓの入射領域ｉａには、複数の第３の三角プリズム１５ｃが形成される。
【００８７】
第３の三角プリズム１５ｃの形状は、第１の三角プリズム１５ａと同様に傾斜面と垂直面とを有する。幅方向ｄｗと長さ方向ｄｌとに平行な平面に対する傾斜面の傾斜角は、第１のプリズム１５ａと同様に、２５°である。
【００８８】
上述のような構成の光学素子１０１の入射領域ｉａ下において三角プリズムアレイ面ｐｓに垂直に入射した光束Ｌｘは、第３の三角プリズム１５ｃに反射され、偏光ビームスプリット膜１２に導かれる。反射された光束Ｌｘは、偏光ビームスプリット膜１２に斜方から入射して、９５％が反射され、５％が透過される。
【００８９】
以後、第１の実施形態と同様に、偏光ビームスプリット膜１２における一部反射と、入出力ポート面ｉ／ｏｓにおける全反射とを繰返しながら、光束Ｌｘは導波部１１１の長さ方向ｄｌに伝播される。また、第１の実施形態と同じく、偏光ビームスプリット膜１２における反射時に５％の光束Ｌｘが透過し、偏向部１３１に出射する。
【００９０】
以上のような構成の第３の実施形態の光学素子１０１によっても、入射した光束Ｌｘを平板状の一方の板面のみから拡大して射出するので、瞳を拡大させる機能を有しながら、光の利用効率を改善させることが可能である。
【００９１】
次に、第３の実施形態の光学素子１０１を用いて、２次元状に瞳を拡大させる第３の実施形態の光学機構について説明する。第３の実施形態の光学機構は、第１の実施形態の光学機構と同じく、第１、第２の瞳拡大板１７１ａ、１７１ｂとλ／２波長板１８とによって構成される。第１の実施形態と異なり、第１、第２の瞳拡大板１７１ａ、１７１ｂは、第３の実施形態の光学素子１０１である。
【００９２】
図１１に示すように、第１の実施形態と同様に、第１、第２の瞳拡大板１７１ａ、１７１ｂによって、λ／２波長板１８が挟まれる。第１の実施形態と同様に、第１の瞳拡大板１７１ａの長辺と第２の瞳拡大板１７１ｂの短辺とが重なるように、且つ第１の瞳拡大板１７１ａの入射領域ｉａが第２の瞳拡大板１７１ｂから突出するように、第１、第２の瞳拡大板１７１ａ、１７１ｂは重ねられる。第１の実施形態と異なり、第１の瞳拡大板１７１ａの入出力ポート面ｉ／ｏｓの射出領域ｅａ（図１１において図示せず）と第２の瞳拡大板１７１ｂの三角プリズムアレイ面ｐｓの入射領域ｉａ（図１１において図示せず）とが対向するように、第１、第２の瞳拡大板１７１ａ、１７１ｂは重ねられる。
【００９３】
以上のような構成の第３の実施形態の光学機構１６１によれば、２次元状に拡大した瞳を射出する面、すなわち、第２の瞳拡大板１７１ｂの入出力ポート面ｉ／ｏｓ側に第１の瞳拡大板１７１ａのような構成部位を配置する必要がなくなる。それゆえ、光学機構１６１は、以下に説明するように、配置上の効果を有する。
【００９４】
第３の実施形態の光学機構１６１を用いたディスプレイ装置について、図１２を用いて説明する。ディスプレイ装置１９１は、本体２８と第２の瞳拡大板１７１ｂとを含んで構成される。本体２８内に、プロジェクタ光学系２９と第１の瞳拡大板１７１ａおよびλ／２波長板１８とが設けられる。プロジェクタ光学系２９は、光源（図示せず）、照明光学系（図示せず）、透過型チャート（図示せず）、および投影光学系（図示せず）を有する。したがって、プロジェクタ光学系２９により、チャートの投影光が光学機構１６１に投影される。
【００９５】
第１の瞳拡大板１７１ａおよびλ／２波長板１８は、λ／２波長板１８が本体の表面から露出した状態で、本体２８に埋設される。本体２８には支持機構（図示せず）が設けられる。支持機構は、第２の瞳拡大板１７１ｂの三角プリズムアレイ面ｐｓと本体２８のλ／２波長板１８を露出させた面とを平行に保ちながら、第２の瞳拡大板１７１ｂを長さ方向に滑動自在に支持する。
【００９６】
支持機構は、第２の瞳拡大板１７１ｂの入射領域ｉａとλ／２波長板１８とが重なる位置において、第２の瞳拡大板１７１ｂを係止可能である。第２の瞳拡大板１７１ｂの入射領域ｉａとλ／２波長板１８とが重ね合わせることにより、第２の瞳拡大板１７１ｂの入出力ポート面ｉ／ｏｓからチャートの投影像が射出可能となる。
【００９７】
上述のような、表示面を本体から滑動可能なディスプレイ装置において、第１、第２の実施形態の光学機構１６を適用すると、表示面（第２の瞳拡大板１７ｂの入出力ポート面ｉ／ｏｓ）上に第１の瞳拡大板１７ａとλ／２波長板１８とを配置する必要がある。しかし、このようなディスプレイ装置においては、表示面上に他の素子などが設けられることは好ましくない。一方、第３の実施形態の光学機構１６１によれば、第１の瞳拡大板１７１ａおよびλ／２波長板１８が第２の瞳拡大板１７１ｂの三角プリズムアレイ面ｐｓ側に配置されるので、光学機構１６１全体として第２の瞳拡大板１７１ｂ側の表面を平坦化させることが可能である。したがって、第３の実施形態の光学機構１６１は、上述のようなディスプレイ装置に適している。
【００９８】
また、表示面を本体から滑動可能な従来のディスプレイ装置では、表示面に電装部品が設けられ、本体の回路などと接続される。しかし、本実施形態の光学機構１６１を用いる場合には、第２の瞳拡大板１７１ｂに電装部品を設ける必要が無く、第２の瞳拡大板１７１ｂと本体２８との間に接続用の配線が不要である。配線が不要なので、従来のディスプレイ装置に用いられる表示パネルに比べて、耐久性および耐水性を向上させることが可能である。
【００９９】
次に、本発明の第４の実施形態に係る光学素子について説明する。第４の実施形態は、偏向部の厚さが第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第４の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。
【０１００】
図１３に示すように、第４の実施形態の光学素子１０２は、導波部１１、偏光ビームスプリット膜１２、および偏向部１３２を含んで構成される。導波部１１および偏光ビームスプリット膜１２の構成および機能は、第１の実施形態と同じである。
【０１０１】
偏向部１３２は、第１の実施形態と異なり、三角プリズムアレイ面ｐｓを形成するだけの厚みを有する。すなわち、偏光ビームスプリット膜１２上に直接、複数の第１、第２の三角プリズム１５ａ、１５ｂが形成される。例えば、第１の実施形態と同様に導波部１１に偏光ビームスプリット膜１２を形成し、導波部１１の膜形成面に紫外線硬化型の透明樹脂を塗布した後成型型を押し当てた状態で紫外線を照射することにより樹脂を硬化させることにより、入射領域ｉａ下および射出領域ｅａ下それぞれに第１の三角プリズム１５ａおよび第２の三角プリズム１５ｂが形成される。
【０１０２】
以上のような構成の第４の実施形態の光学素子によっても、入射した光束を平板状の一方の板面のみから拡大して射出するので、瞳を拡大させる機能を有しながら、光の利用効率を改善させることが可能である。
【０１０３】
また、第４の実施形態によれば、光のロスを低減化することが可能である。例えば、第１の実施形態の光学素子１０を用いた場合、光束Ｌｘの入射位置が入射領域ｉａ内の射出領域ｅａ寄りである場合に、第１の三角プリズム１５ａで反射された光束Ｌｘの一部が偏光ビームスプリット膜１２に入射することがあり得る。したがって、導波部１１に入射する光束の光量が減少し得る。
【０１０４】
一方、第４の実施形態の光学素子１０２によれば、偏向部１３２が薄いため、光束Ｌｘを入射領域ｉａ内の射出領域ｅａ寄りに入射しても、第１の三角プリズム１５ａにより反射される光束Ｌｘが偏光ビームスプリット膜１２に入射する可能性が低い。それゆえ、光のロスを低減化させることが可能となる。
【０１０５】
なお、上述の第４の実施形態特有の構成、すなわち偏向部１３２の構成は、第２、第３の実施形態の光学素子１００、１０１にも適用可能である。
【０１０６】
次に、本発明の第５の実施形態に係る光学素子について説明する。第５の実施形態は、偏光ビームスプリット膜の構成が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第５の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。
【０１０７】
第５の実施形態の光学素子は、第１の実施形態と同様に、導波部１１、偏光ビームスプリット膜１２、および偏向部１３とを含んで構成される。導波部１１および偏向部１３の構成および機能は、第１の実施形態と同じである。
【０１０８】
第１の実施形態と異なり、第５の実施形態では偏光ビームスプリット膜１２の斜入射光に対する透過率が一定でなく、長さ方向ｄｌに沿った位置に応じて変えられている。例えば、入射領域ｉａ側の偏光ビームスプリット膜１２の一端からの距離に応じて等比級数的に透過率が増加するように（図１４参照）、偏光ビームスプリット膜１２が形成される。なお、例えば、透過率を段階的に上げるＮＤフィルタを偏光ビームスプリット膜１２に重ねることにより、位置により透過率を変えることが可能である。
【０１０９】
以上のような構成の第５の実施形態の光学素子によっても、入射した光束を平板状の一方の板面のみから拡大して射出するので、瞳を拡大させる機能を有しながら、光の利用効率を改善させることが可能である。
【０１１０】
また、第５の実施形態によれば、明るさのムラを低減化させながら、光の利用効率をさらに改善させることが可能である。上述のように、射出領域ｅａ側において目の位置による明るさのムラと、光の利用効率は相反する関係となる。すなわち、透過率を一様に低減化することにより明るさのムラを減じられる一方で光の利用効率が低下する。一方、透過率を一様に高くすることにより光の利用効率が向上するが明るさのムラが大きくなる。
【０１１１】
これに対して、本実施形態のように、導波部１１内で偏光ビームスプリット膜１２の入射領域ｉａ側の端部からの距離に応じて透過率を高くする構成であれば、明るさのムラを減らしながら、射出されずに導波部１１の端部に到達する光束Ｌｘの光量を減じらせることが可能である。したがって、光の利用効率を向上させることが可能である。
【０１１２】
なお、第５の実施形態特有の構成、すなわち偏光ビームスプリット膜１２の構成は、第１〜第４の実施形態にも適用可能である。
【０１１３】
次に、本発明の第６の実施形態に係る光学素子について説明する。第６の実施形態は、第１、第２の三角プリズムの構成が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第６の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。
【０１１４】
第６の実施形態の光学素子は、第１の実施形態と同じく、導波部１１、偏光ビームスプリット膜１２、および偏向部１３を含んで構成される。導波部１１および偏光ビームスプリット膜１２の構成および機能は第１の実施形態と同じである。また、偏向部１３の形状そのものは、第１の実施形態と同じである。
【０１１５】
一方、第１の実施形態と異なり、偏向部１３の三角プリズムアレイ面は、アルミでなく、投影光として入射領域ｉａに入射する光の波長を含む帯域の光を反射し、他の可視光の帯域の光を透過する光学特性を有する反射部材により覆われる。
【０１１６】
以上のような構成の第６の実施形態の光学素子によっても、入射した光束を平板状の一方の板面のみから拡大して射出するので、瞳を拡大させる機能を有しながら、光の利用効率を改善させることが可能である。
【０１１７】
また、第６の実施形態によれば、所定の帯域外の可視光を第１、第２の三角プリズム１５ａ、１５ｂが透過するので、入出力ポート面ｉ／ｏｓ側から入射光束Ｌｘにより形成される画像と光学素子１０の裏側の背景とを観察することが可能である。
【０１１８】
なお、第６の実施形態特有の構成、すなわち第１、第２の三角プリズム１５ａ、１５ｂの構成は、第１〜第５の実施形態にも適用可能である。
【０１１９】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【０１２０】
例えば、第１〜第６の実施形態において、第１〜第３の三角プリズム１５ａ〜１５ｃのピッチは０．９ｍｍとして例示されているが、０．９ｍｍに限定されない。また、すべてのピッチが等しくなくてもよい。例えば、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１．０ｍｍのピッチが混在していても、上述の実施形態の効果を得ることは可能である。
【０１２１】
また、第１〜第６の実施形態において、石英を用いて導波部１１、１１１を形成する構成であるが、他の部材を用いてもよい。例えば、ＰＹＬＥＸ（登録商標、コーニング  インコーポレーテッド）、ＴＥＭＰＡＸ  Ｆｌｏａｔ（登録商標、ショット  アクチエンゲゼルシャフト）、バイコール（登録商標、コーニング  インコーポレーテッド）などの耐熱ガラスも石英に近い屈折率であり、導波部１１、１１１を形成するのに適している。
【０１２２】
また、第１〜第６の実施形態において、第１〜第３の三角プリズム１５ａ〜１５ｃの傾斜面の傾斜角は２５°として例示されているが、２５°に限定されない。入出力ポート面ｉ／ｏｓに斜方から入射する光の大部分あるいは実質的に全量が反射され、反射された光が第２の三角プリズム１５ｂによって入出力ポート面ｉ／ｏｓに略垂直な方向に反射されれば、どのような角度であってもよい。
【０１２３】
また、第１〜第６の実施形態において、光学素子１０、１００、１０１に入射する光束Ｌｘは、第１の三角プリズム１５ａまたは第３の三角プリズム１５ｃによって、導波部１１、１１１に斜方に入射するように反射される構成であるが、他の方法によって導波部１１に斜方から入射するように構成してもよい。例えば、図１５に示す公知の構成における光学素子１０´の外面に設けた三角プリズム３５´を用いて斜方から入射させる構成であってもよい。
【符号の説明】
【０１２４】
１０、１００、１０１、１０´  光学素子
１１、１１１  導波部
１２  偏光ビームスプリット膜
１３、１３１  偏向部
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ  第１、第２、第３の三角プリズム
１６  光学機構
１７ａ、１７１ａ  第１の瞳拡大板
１７ｂ、１７１ｂ  第２の瞳拡大板
１８  λ／２波長板
１９、１９１  ディスプレイ装置
２１  透過型チャート
２６  偏光高反射膜
２７  カバーガラス
３０´  映像投影部
３３´ａ、３３´ｂ  第１、第２の透明媒体
３４´  体積ホログラムシート
３５´  三角プリズム
ｅａ  射出領域
ｉａ  入射領域
ｉ／ｏｓ  入出力ポート面
Ｌｘ  光束
ｍｓ  膜形成面
ｐｓ  三角プリズムアレイ面
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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