(57)【要約】【課題】本発明は、周囲の媒質よりも屈折率の高い部材が表面に密着しても内面反射機能とシースルー性とが損なわれない光伝搬用の光学素子を提供する。【解決手段】所定の光束（Ｌ１）が内部を伝搬可能な基板（１１）と、前記伝搬する前記所定の光束（Ｌ１）が到達可能な前記基板（１１）の面上に密着して設けられ、その所定の光束（Ｌ１）を反射すると共にその面に到来する外界光束（Ｌ２）を透過する干渉又は回折作用を有した光学機能部（１２ａ，１３ａ）とを備えたことを特徴とする。この光学素子を利用すれば、視度補正の容易なコンバイナ光学系、及び視度補正の容易な情報表示装置が実現する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光束が内部を伝搬可能な基板と、
前記伝搬する前記所定の光束が到達可能な前記基板の面上に密着して設けられ、その所定の光束を反射すると共にその面に到来する外界光束を透過する干渉又は回折作用を有した光学機能部と
を備えた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、
前記光学機能部は、
光学多層膜からなる
ことを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項２に記載の光学素子において、
前記光学多層膜は、
誘電体光学多層膜である
ことを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項３に記載の光学素子において、
前記誘電体光学多層膜は、
互いに屈折率の異なる少なくとも２種類の層を積層してなる
ことを特徴とする光学素子。
【請求項５】
請求項１に記載の光学素子において、
前記光学機能部は、
回折光学面を具備している
ことを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の光学素子において、
前記光学機能部は、
特定の偏光方位の前記所定の光束を反射し、かつ他の偏光方位の光束を透過する性質を有している
ことを特徴とする光学素子。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の光学素子において、
前記光学機能部は、
前記基板と空気との屈折率によって決定する、基板内部の光束が全反射する条件の臨界角又は前記臨界角よりも大きな入射角度で前記面に到達する前記所定の光束を、所望の反射特性で反射する性質を有している
ことを特徴とする光学素子。
【請求項８】
画像表示素子から射出した表示光束を内部で伝搬させる請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の光学素子と、
前記光学素子に設けられ、その光学素子の内部を伝搬した前記表示光束を所定方向に反射すると共に前記外界光束を透過するコンバイナと
を備えたことを特徴とするコンバイナ光学系。
【請求項９】
請求項８に記載のコンバイナ光学系において、
前記光学機能部に密着して設けられた視度補正用の屈折レンズ
を備えたことを特徴とするコンバイナ光学系。
【請求項１０】
画像表示素子と、
請求項８又は請求項９に記載のコンバイナ光学系と
を備えたことを特徴とする情報表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シースルー性を有した光伝搬用の光学素子、その光学素子を用いたコンバイナ光学系、及びコンバイナ光学系を用いた情報表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気・真空及びその他の気体などの低屈折率の媒質中に存在するガラス基板などの高屈折率材料（透明基板）は、その透明基板に固有の臨界角度より大きい角度で入射する光束を内面反射するが、臨界角度より小さい角度で入射する光束を透過する。つまり、内面反射機能とシースルー性とを有している。
この透明基板を光伝搬用の光学素子として利用した情報表示装置の１つに、アイグラスディスプレイがある（特許文献１，特許文献２など）。
【０００３】
アイグラスディスプレイは、観察者の眼前に透明基板を配置しており、画像表示素子からの表示光束は、その透明基板内を観察眼の瞳の直前にまで伝搬し、さらに透明基板内に設けられたハーフミラーなどのコンバイナ上で外界光束に重畳して瞳に入射する。
このようなアイグラスディスプレイにより観察者は、外界と画像表示素子の画像とを同時に観察することができる。
【０００４】
このアイグラスディスプレイを広く普及させるためには、他の様々な機能と共に、眼鏡と同様の機能（視度補正機能）を付加する必要がある。
【特許文献１】特開２００１−２６４６８２号公報
【特許文献２】特表２００３−５３６１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、透明基板の内面反射機能を利用するアイグラスディスプレイは、透明基板の表面を曲面にして透明基板自身に屈折力を持たせることも、屈折力を有した別の屈折部材（平凸レンズ又は平凹レンズ。透明基板と同等又はそれ以上の屈折率。）を透明基板の表面に貼付することも基本的にできない。
このため、視度補正機能を付加する方法として現在考えられているのは、そのような屈折部材を、エアギャップを介して透明基板の表面に取り付けることであるが、それには以下の様々な困難がある。
【０００６】
例えば、エアギャップの間隔を必要精度で保ちつつ機械的強度を得ることは難しく、しかも部品点数、重量、及び厚み等の増加、製造工程の煩雑化や高コスト化を伴う。また、観察眼と透明基板との位置関係によっては、エアギャップによる余分な反射光が観察眼に入射し、視認性が損なわれることもある。
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、屈折部材など、周囲の媒質よりも屈折率の高い部材が表面に密着しても内面反射機能とシースルー性とが損なわれない光伝搬用の光学素子を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明は、視度補正の容易なコンバイナ光学系、及び視度補正の容易な情報表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の光学素子は、所定の光束が内部を伝搬可能な基板と、前記伝搬する前記所定の光束が到達可能な前記基板の面上に密着して設けられ、その所定の光束を反射すると共にその面に到来する外界光束を透過する干渉又は回折作用を有した光学機能部とを備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記光学機能部は、光学多層膜からなることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の光学素子は、請求項２に記載の光学素子において、前記光学多層膜は、誘電体光学多層膜であることを特徴とする。
請求項４に記載の光学素子は、請求項３に記載の光学素子において、前記誘電体光学多層膜は、互いに屈折率の異なる少なくとも２種類の層を積層してなることを特徴とする。
請求項５に記載の光学素子は、請求項１に記載の光学素子において、前記光学機能部は、回折光学面からなることを特徴とする。
【００１０】
請求項６に記載の光学素子は、請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の光学素子において、前記光学機能部は、特定の偏光方位の前記所定の光束を反射し、かつ他の偏光方位の光束を透過する性質を有していることを特徴とする。
請求項７に記載の光学素子は、請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の光学素子において、前記光学機能部は、前記基板と空気との屈折率によって決定する、基板内部の光束が全反射する条件の臨界角又は前記臨界角よりも大きな入射角度で前記面に到達する前記所定の光束を、所望の反射特性で反射する性質を有していることを特徴とする。
【００１１】
請求項８に記載のコンバイナ光学系は、画像表示素子から射出した表示光束を内部で伝搬させる請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の光学素子と、前記光学素子に設けられ、その光学素子の内部を伝搬した前記表示光束を所定方向に反射すると共に前記外界光束を透過するコンバイナとを備えたことを特徴とする。
請求項９に記載のコンバイナ光学系は、請求項８に記載のコンバイナ光学系において、前記光学機能部に密着して設けられた視度補正用の屈折レンズを備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項１０に記載の情報表示素子は、画像表示素子と、請求項８又は請求項９に記載のコンバイナ光学系とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、周囲の媒質よりも屈折率の高い部材が表面に密着しても内面反射機能とシースルー性とが損なわれない光伝搬用の光学素子が実現する。
本発明によれば、視度補正の容易なコンバイナ光学系、及び視度補正の容易な情報表示装置が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１実施形態］
以下、図１、図２、図３、図４を参照して本発明の第１実施形態を説明する。
本実施形態は、アイグラスディスプレイ（請求項における情報表示装置に対応する。）の実施形態である。
先ず、アイグラスディスプレイの構成を説明する。
【００１５】
図１に示すように、本アイグラスディスプレイは、画像表示光学系１、画像導入ユニット２、ケーブル３などからなる。画像表示光学系１、画像導入ユニット２は、眼鏡のフレームと同様の支持部材４によって支持され、観察者の頭部に装着される（支持部材４は、テンプル４ａ、リム４ｂ、ブリッジ４ｃなどからなる。）。
画像表示光学系１は、眼鏡のレンズと同様の外形をしておりリム４ｂによって周囲から支持される。
【００１６】
画像導入ユニット２は、テンプル４ａによって支持される。画像導入ユニット２には、外部機器からケーブル３を介して映像信号及び電力が供給される。
装着時、観察者の一方の眼（以下、右眼とし「観察眼」という。）の眼前に画像表示光学系１が配置される。以下、装着時のアイグラスディスプレイを、観察者及び観察眼の位置を基準として説明する。
【００１７】
画像導入ユニット２の内部には、図２に示すように、ケーブル３を介して供給される映像信号に基づき映像を表示する液晶表示素子２１（請求項における画像表示素子に対応。）と、液晶表示素子２１の近傍に焦点を有した対物レンズ２２とが配置される。
この画像導入ユニット２は、対物レンズ２２から射出する表示光束Ｌ１（可視光である。）を、画像表示光学系１の観察者側の面の右端部に向けて出射する。
【００１８】
画像表示光学系１は、観察者の側から順に、基板１３、基板１１、基板１２を密着して重ねて配置してなる。
基板１３、基板１１、基板１２の各々は、少なくとも可視光に対し透過性を有した材料（例えば、光学ガラス）からなる。
このうち、基板１１は、画像導入ユニット２から導入された表示光束Ｌ１を外界側の面１１−１と観察者側の面１１−２とで繰り返し内面反射する平行平板である（請求項における基板に対応する。）。
【００１９】
基板１１の外界側に配置された基板１２は、観察眼の視度補正をする働きを担う。基板１２は、観察者側の面１２−２が平面、外界側の面１２−１が曲面となったレンズである。
基板１１の観察者側に配置された基板１３も、観察眼の視度補正をする働きを担う。基板１３は、外界側の面１３−１が平面、観察者側の面１３−２が曲面となったレンズである。
【００２０】
なお、面１３−２のうち表示光束Ｌ１が最初に通過する領域は、表示光束Ｌ１に対し何ら光学的パワーを与えない平面になっている。
また、基板１１の内部において表示光束Ｌ１が最初に入射する領域には、表示光束Ｌ１の角度を、基板１１内を内面反射可能な角度に変化させるための導入ミラー１１ａが形成される。
【００２１】
また、基板１１の内部において、観察眼の瞳に対向する領域には、内面反射した表示光束Ｌ１を瞳の方向に反射するハーフミラー１１ｂ（請求項におけるコンバイナに対応する。）が設けられる。
なお、ハーフミラー１１ｂに代えて、所定の回折条件に合致した光を所定の方向に偏向する性質のＨＯＥ（ホログラフィック・オプチカル・エレメントの略。）を用いることもできる。また、コンバイナには光学的パワーが付与されていてもよい。
【００２２】
ここで、基板１２と基板１１との間には、置換膜１２ａが両者に密着して設けられる。また、基板１３と基板１１との間には、置換膜１３ａが両者に密着して設けられる（置換膜１２ａ，１３ａが請求項における光学機能部に対応する。）。
置換膜１２ａ，１３ａは、６０°近傍の入射角度で入射する可視光を反射し、かつ０°近傍の入射角度で入射する可視光を透過する性質を有している。
【００２３】
次に、画像表示光学系１の各面の配置の詳細を表示光束Ｌ１の振る舞いに基づき説明する。
図２に示すように、画像導入ユニット２内の液晶表示素子２１の表示画面から射出した表示光束Ｌ１（図示は、中心画角の表示光束のみ。）は、レンズ２２を介して０°近傍の入射角度で基板１３に入射するので、置換膜１３ａを通過して基板１１内に入射する。
【００２４】
基板１１内に入射した表示光束Ｌ１は、導入ミラー１１ａに対し所定の入射角度で入射し、反射する。反射した表示光束Ｌ１は、置換膜１３ａに対し６０°近傍の入射角度θで入射するので、置換膜１３ａにて反射し、置換膜１２ａに向かう。置換膜１２ａに対する入射角度も同じくθとなるので、表示光束Ｌ１は、置換膜１２ａでも反射する。
よって、表示光束Ｌ１は、置換膜１３ａ、１２ａで繰り返し交互に反射しつつ、画像導入ユニット２から離れた観察者の左方向へ伝搬する。
【００２５】
その後、表示光束Ｌ１は、ハーフミラー１１ｂに入射して観察眼の瞳の方向に反射する。
反射した表示光束Ｌ１は、０°近傍の入射角度で置換膜１３ａに入射するので、置換膜１３ａを透過し、基板１３を介して観察眼の瞳に入射する。
一方、外界（遠方）からの外界光束Ｌ２は、基板１２を介して０°近傍の入射角度で置換膜１２ａに入射するので、置換膜１２ａを透過し、基板１１を介して置換膜１３ａに対し０°近傍の入射角度で入射する。その外界光束Ｌ２は、置換膜１３ａを透過し、基板１３を介して観察眼の瞳に入射する。
【００２６】
ここで、基板１２の外界側の面１２−１の形状、基板１３の観察者側の面１３−２の形状は、観察眼の視度補正をするよう設定されている。
因みに、観察眼の外界に対する視度補正は、外界光束Ｌ２の光路に配置される面１２−１と面１３−２との形状の組み合わせによって図られる。観察眼の画像に対する視度補正は、表示光束Ｌ１の光路に配置される面１３−２の形状によって図られる。観察眼の画像に対する視度補正を図るために、レンズ２２の光軸方向の位置、液晶表示素子２１の光軸方向の位置が調整されることもある。
【００２７】
なお、以上のアイグラスディスプレイにおいて、液晶表示素子２１から瞳までの光路に配置された要素が、請求項におけるコンバイナ光学系に対応する。
次に、置換膜１２ａ，１３ａを詳細に説明する。
（１）基板１１の内部全反射について
一般に、媒質中に置かれた基板１１の内部全反射は、以下の式(1)で示される臨界角度θcを超えた場合に生起する。
【００２８】
θc＝arcsin［ｎm／ｎg］  ・・・(1)
但し、ｎmは媒質の屈折率、ｎgは基板１１の屈折率である。この式（１）によると、θcが存在するためには、ｎm＜ｎgでなければならないことがわかる。
このため、基板１２，１３を基板１１の表面に直接貼付すると、媒質の屈折率が高くなりすぎてθcが存在せず、内面反射機能が損なわれてしまう。
【００２９】
一方、エアギャップを基板１１の表面に設けると、媒質（空気）の屈折率は１（ｎm＝１．０）と低いので、基板１１の材料が一般的な光学ガラスＢＫ７（ｎg＝１．５６）であるとき、臨界角度θcは、式（１）により概ね４０°となり、内面反射機能が得られる。
因みに、エアギャップを用いたときの基板１１の反射率の入射角度特性は、図３に示すとおりである。
（２）誘電体光学多層膜について
誘電体光学多層膜の理論では、以下の関係が明らかにされている。
【００３０】
光学ガラスからなる基板と基板との間に挟まれた誘電体光学多層膜からなる対称膜の膜構成（下記）を考える。ここで、対称膜とは、各種類の層が中心対称に積層された膜構成のことを指す。また、構成を表すために１単位となる層群に括弧を付けて列記する（以下、同様）。
基板/(0.125L0.25H0.125L)k/基板、又は、
基板/(0.125H0.25L0.125H)k/基板
なお、各層群におけるＨは高屈折率層、Ｌは低屈折率層、各層群の右上付き文字ｋは各層群の積層回数、各層の前に付けた数字は各層の入射光の中心波長に対する光学膜厚（ｎｄ／λ）である（以下、同様）。
【００３１】
対称膜は、或る仮想の屈折率を持つ等価的な単一の膜（等価膜）として扱えることが知られており、対称膜と、この膜の等価的な屈折率（等価屈折率）の理論は、HA.Macleod著「Thin-Film optical Filters 3rd.Edition」などに詳しく記述されているので、詳細は割愛する。
この膜構成において、等価膜の垂直入射光に対する等価屈折率を、基板１１の屈折率と同じに選定すると、垂直入射する光に対しては界面反射は全く生じず透過率は１００％であるが、入射角度が大きい光に対しては界面反射が生じ反射率が増大してくる。この理由は、一般に、誘電体の見かけの屈折率Ｎが誘電体中の光の進行角度θに対応して以下のとおり変化するためである。
【００３２】
N＝ｎcosθ  （ｓ偏光）
N＝ｎ/cosθ  （ｐ偏光）
但し、ｎは誘電体の屈折率である。因みに、入射角度の増大に伴う反射率の増大量は、特にｓ偏光にて顕著である。
（３）置換膜１２ａ，１３ａの構成について
置換膜１２ａ，１３ａは、（１）で述べた基板１１の内部反射機能と、基板１１のシースルー性（＝外界の視認性）との双方を損なわないものである必要がある。つまり、表示光束Ｌ１に対し反射性を有し、外界光束Ｌ２に対し透過性を有する必要がある。
【００３３】
そこで置換膜１２ａ，１３ａは、基板１１と空気の屈折率差により決定される、臨界角又はその臨界角よりも大きな角度で入射する光を高い反射率で反射する（好ましくは全反射する）特性を有するように設計される。
本実施形態において、置換膜１２ａ，１３ａの性質を、「６０°近傍の入射角度で入射する可視光を反射し、かつ０°近傍の入射角度で入射する可視光を透過する性質」に設定した。この性質は、（２）で述べた誘電体光学多層膜によって得ることができる。
【００３４】
そこで、本実施形態では、置換膜１２ａ，１３ａに誘電体光学多層膜を用いる。
この置換膜１２ａ，１３ａの設計方法は、以下のとおりである。
置換膜１２ａ，１３ａの構成（単位層群の構成、積層回数、各層の膜厚、各層の屈折率、各層の材料など）は、高反射率を得るべき光の入射角度（ここでは６０°）に対し最適化される。基板１１の屈折率についても同時に最適化される。置換膜１２ａ，１３ａの基本的な構成は（２）で述べた対称膜とする。
【００３５】
但し、（２）で述べた理論を単純に適用しても得られる解と実在する薄膜材料の屈折率とが一致することは非常に希であるため、設計に当たり、以下の各工夫の全部又は１部を施す。
第１の工夫は、基板１１とのマッチングをとる目的で、幾つかの層（マッチング層）を基板１１の側に挿入することである。
【００３６】
第２の工夫は、最適化の際、材料の屈折率分散の吸収、反射率・透過率の分光特性・角度特性の微調整をすることである。
第３の工夫は、必要に応じて対称性を崩す（非対称性を許容する）ことである。
第４の工夫は、計算機による膜厚の最適化設計や膜構成の自動合成を利用することである。
【００３７】
第５の工夫は、ｓ偏光に対してのみ所望の特性が得られるよう設計することである（入射角度の増大に伴う反射率の増大量がｓ偏光に関して顕著であるという誘電体光学多層膜の性質があるので。）。
第６の工夫は、特定の波長に対してのみ所望の特性が得られるよう設計することである。
【００３８】
なお、第５の工夫は、図２に示した液晶表示素子２１の光源がｓ偏光であるときに有効である。また、光源がｐ偏光であるときにも、位相板などでその偏光方向を回転させれば、有効となる。偏光方向を限定した分だけ、設計の自由度が高まるという利点がある。
また、第６の工夫は、図２に示した液晶表示素子２１の光源が特定の波長で発光しているときに有効である。波長を限定した分だけ、設計の自由度が高まるという利点がある。
【００３９】
次に、本アイグラスディスプレイの効果を説明する。
アイグラスディスプレイでは、基板１１の外界側と観察者側とに置換膜１２ａ，１３ａが形成される。
置換膜１２ａ，１３ａの性質は、６０°近傍の入射角度で入射する可視光を反射し、かつ０°近傍の入射角度で入射する可視光を透過するよう設定されている。
【００４０】
これらの置換膜１２ａ，１３ａで挟まれた基板１１は、表示光束Ｌ１を内面反射し、かつ外界（遠方）からの外界光束Ｌ２を透過させることができる。
したがって、基板１１と略同じ屈折率の基板１２，１３が貼付されたにも拘わらず、基板１１の内面反射機能とシースルー性は、何ら損なわれない。
その結果、基板１２，１３を貼付するだけの簡単な方法で、アイグラスディスプレイに対し視度補正機能を搭載することができた。
【００４１】
なお、基板１２，１３として、光吸収のある材料を用いれば、アイグラスディスプレイにサングラスの機能を付与できる。また、サングラスの機能のみ必要であり、視度補正の必要が無い場合には、基板１２，１３を光吸収のある平行平板にしてもよい。
（その他）
なお、本実施形態では、表示光束Ｌ１を可視光とし、基板１１，置換膜１２ａ，１３ａの性質を、その可視光を内面反射するような性質に設定したが、液晶表示素子２１の光源が発光スペクトルを有しているときには、少なくともそのピーク波長の光を内面反射するような性質に設定されていればよい。
【００４２】
また、本実施形態のアイグラスディスプレイは、２枚の基板（基板１１，１２）と２つの置換膜（置換膜１２ａ，１３ａ）によって視度補正が図られたが、１枚の基板と１つの置換膜により視度補正が図られてもよい。
また、本実施形態では、置換膜１２ａ，１３ａに誘電体光学多層膜を用いたが、ＨＯＥ（請求項における回折光学面に対応する。）を用いてもよい。誘電体光学多層膜を用いた置換膜１２ａ，１３ａの構成の詳細は後述する実施例にて説明することとし、ＨＯＥの製造方法を以下に説明する。
【００４３】
図４には、ＨＯＥを製造する光学系を示した。この光学系は、入射角度θで入射する表示光束Ｌ１を高い反射率で反射するＨＯＥを製造するものである。
波長λのレーザ光源３１から射出したレーザ光は、ビームスプリッタ３２で２分割される。２分割されたレーザ光は、２つのビームエキスパンダ３３でそれぞれ拡大された後、２つの補助プリズム３４を介してホログラム感光材料３５にそれぞれ入射する。これによって感光材料３５が露光する。ここで、感光材料３５へのレーザ光の入射角度は、θに設定されている。この感光材料３５を現像処理すれば、ＨＯＥが完成する。
【００４４】
完成したＨＯＥは、所定の波長λ、かつ所定の角度θで入射する光束を回折反射し、かつ０°近傍の入射角度で入射する光を全透過する性質を有する。
なお、置換膜１２ａ，１３ａが反射性を示すべき光の入射角度や波長は１種類ではないので、必要に応じて、角度θやレーザ光の波長を変更しながら感光材料３５を多重露光することになる。
【００４５】
また、ホログラム感光材料３５として樹脂ベースの材料（樹脂シート）を用いると、大面積のＨＯＥを低コストで製造することができる。また、ＨＯＥが樹脂シートであると、ＨＯＥをアイグラスディスプレイの基板１１に密着させる際に貼付するだけで済むため、低コスト・大量生産の面で実用価値が高い。
また、本実施形態の置換膜１２ａ，１３ａには、金属膜や半導体膜などからなる光学多層膜が用いられてもよい。但し、そのような光学多層膜よりも誘電体光学多層膜の方が、光の吸収が少ないため、好適である。
【００４６】
以上の各光学機能部（誘電体光学多層膜、ＨＯＥ、その他の光学多層膜）は、アイグラスディスプレイの仕様やコストなどに応じて置換膜１２ａ，１３ａとして選択使用されることが望ましい。
［第１実施例］
以下、誘電体光学多層膜からなる置換膜１２ａ，１３ａの第１実施例を説明する。
【００４７】
本実施例は、液晶表示素子２１の光源が偏光しているときに有効な実施例である。本実施例の基本構成は例えば以下のとおりである。
基板/(0.125L0.25H0.125L)k/基板
但し、基板の屈折率は１．７４，高屈折率層Ｈの屈折率は２．２０、低屈折率層Ｌの屈折率は１．４８である。基板はＳＣＨＯＴＴ社製Ｎ−ＬＡＦ３５、高屈折率層ＨはＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5の何れかを用い成膜条件を調整して構成し、低屈折率層ＬはＳｉＯ2から構成した。
【００４８】
因みに、この基本構成の誘電体光学多層膜は、一般に「短波長透過フィルタ」と呼ばれる。所定波長より短い波長の光に対する透過率が高く、所定波長より長い波長の光に対する反射率が高いという特徴がある。
また、一般の誘電体光学多層膜は、光が斜めに入射した場合の分光特性が入射角度に応じて短波長側にシフトするという特徴がある。
【００４９】
これら２特徴を合わせ、垂直入射する光の透過帯域を可視光全体（４００〜７００ｎｍ）に一致させておき、入射角度が基板１１の臨界角度θcの前後になると、長波長側の反射帯域が可視光全体（４００〜７００ｎｍ）に重なるよう基本構成を最適化する。最適化の結果、本実施例は以下のとおりとなった。
基板/(0.125L0.28H0.15L)(0.125L0.25H0.125L)4(0.15L0.28H0.125L)/基板
但し、基板の屈折率は１．５６、高屈折率層Ｈの屈折率は２．３０、低屈折率層Ｌの屈折率は１．４８、中心波長λは８５０ｎｍである。基板はＳＣＨＯＴＴ社製Ｎ−ＢＡＫ４を使用し、高屈折率層ＨはＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5の何れかから成膜条件を変えて構成した。
【００５０】
本実施例の反射率の角度特性を図５に、垂直入射光に対する反射率の波長特性を図６に、６０°の入射光に対する反射率の波長特性を図７に示す。なお、以下の各図においてＲｓはｓ偏光に対する特性、Ｒｐはｐ偏光に対する特性、Ｒａはｓ偏光とｐ偏光とに対する平均的特性である。
図５に示すとおり、本実施例の反射率の角度特性は、ｓ偏光のみに限定すると、ガラス基板の反射率の角度特性（図３参照）によく一致している。また、図６に示すとおり、本実施例は、垂直入射する可視光に対し高い透過率を有する。また、図７に示すとおり、本実施例は、６０°入射する略全域の可視光に対し略１００％の反射率を有する。
【００５１】
なお、本実施例では、基板との間にマッチング層を介在させている。マッチング層は、透過帯（反射率の低い波長領域）のリップルを低減する役割などを果たしている。
［第２実施例］
以下、誘電体光学多層膜からなる置換膜１２ａ，１３ａの第２実施例を説明する。
本実施例は、液晶表示素子２１の光源が偏光しているときに有効な実施例である。基本構成は例えば以下のとおりである。
【００５２】
基板/(0.125H0.25L0.125H)k/基板
因みに、この構成は、一般に「長波長透過フィルタ」と呼ばれる。所定波長より長い波長の光に対する透過率が高く、所定波長より短い波長の光に対する反射率が高いという特徴がある。
最適化した結果、本実施例は以下のとおりとなった。
【００５３】
基板/(0.3H0.27L0.14H)(0.1547H0.2684L0.1547H)3(0.14H0.27L0.3H)/基板
但し、基板の屈折率は１．５６、高屈折率層Ｈの屈折率は２．００、低屈折率層Ｌの屈折率は１．４８、中心波長λは７５０ｎｍである。高屈折率層ＨはＺｒＯ2、ＨｆＯ5、Ｓｃ2Ｏ3、Ｐｒ2Ｏ6、Ｙ2Ｏ3の何れかを用い、成膜条件を調整して構成した。なお、基板と低屈折率層Ｌは先の実施例と同じものを用いた。
【００５４】
本実施例の反射率の角度特性を図８に、垂直入射光に対する反射率の波長特性を図９に、６０°の入射光に対する反射率の波長特性を図１０に示す。
図８、図９、図１０に示すとおり、本実施例によれば、ｓ偏光について第１実施例と略同様の良好な特性が得られる。
なお、本実施例は、長波長透過フィルタを基本構成とした。第１実施形態の（２）で述べた理論によると、短波長透過フィルタが適していることになるが、実在する薄膜材料の屈折率を前提に検討すると、このように、長波長透過フィルタを基本構成とした設計解が得られることもしばしばある。
【００５５】
［第３実施例］
以下、誘電体光学多層膜からなる置換膜１２ａ，１３ａの第３実施例を説明する。
本実施例は、液晶表示素子２１の光源が無偏光であるときに有効な実施例である。最適化の結果、本実施例は以下のとおりとなった。
基板/(0.25H0.125L)(0.125L0.25H0.125L)4(0.125L0.25H)/基板
但し、基板の屈折率は１．７５、高屈折率層Ｈの屈折率は２．３０、低屈折率層Ｌの屈折率は１．４８、中心波長λは１１５０ｎｍである。なお、基板はＳＣＨＯＴＴ社のＮ−ＬＡＦ４を用いた。高屈折率層ＨはＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5の何れかを成膜条件を調整して形成し、低屈折率層ＬはＳｉＯ2を成膜して形成した。
【００５６】
本実施例の反射率の角度特性を図１１に、垂直入射光に対する反射率の波長特性を図１２に、６０°の入射光に対する反射率の波長特性を図１３に示す。
図１１、図１２、図１３に示すとおり、本実施例によれば、ｐ偏光、ｓ偏光のの双方について良好な特性が得られる。
なお、本実施例の構成をモデル化すると以下のような対称な構成となる。
【００５７】
基板/(マッチンク゛層群Ｉ)k1・（対称層群）k2・（マッチンク゛層II）k3/基板
各層群は、低屈折率層Ｌ・高屈折率層Ｈを繰り返し積層してなり（LHL又はHLH）、６０°の入射光に対し反射率が高まるよう設定されている。中央の層群は、垂直入射光を反射する傾向にあるため、この反射を抑える目的でマッチング層群Ｉ，IIの各層の膜厚が最適化調整されている。
【００５８】
設計時には、光の入射角度や基板の屈折率などに応じて、このモデルの各層群の積層回数ｋ１，ｋ２，ｋ３を増減したり、マッチング層群Ｉ，IIの各層の膜厚を調整したりすればよい。
また、一方の基板との関係と、他方の基板との関係とが互いに異なる場合（２つの基板の屈折率が異なったり、一方の基板との間にのみ接着剤層が介在するときなど）には、マッチング層群Ｉ，IIの積層回数及び各層の膜厚を個別に調整すればよい。
【００５９】
また、現在では計算機による膜厚の最適化設計や膜構成の自動合成の手法も普及している。この手法を用いた場合には、得られる設計解が上述した基本構成から若干外れることがある。しかし、それでも基本構成を一部調整したもの（基本構成の変形）とみなせる。
［第４実施例］
以下、誘電体光学多層膜からなる置換膜１２ａ，１３ａの第４実施例を説明する。
【００６０】
本実施例は、液晶表示素子２１の光源が偏光しているときに有効な実施例である。また、本実施例は、計算機による膜構成の自動合成の手法を適用した実施例である。本実施例の膜構成は、表１のとおりである。
【００６１】
【表１】
2006003872.tif 000003
表１に示すとおり、全層数は１９、基板の屈折率は１．５６、高屈折率層Ｈの屈折率は２．２０、低屈折率層Ｌの屈折率は１．４６、中心波長λは５１０ｎｍである。基板はＳＣＨＯＴＴ社製Ｎ−ＢＡＫ４を用い、高屈折率層Ｈは第１実施例と同じものを用い、低屈折率層ＬはＳｉＯ2を用い、成膜条件を調整して形成した。
【００６２】
本実施例の反射率の角度特性を図１４に、垂直入射光に対する反射率の波長特性を図１５に、６０°の入射光に対する反射率の波長特性を図１６に示す。
図１４、図１５、図１６に示すとおり、本実施例によれば良好な特性が得られる。特に図１５に示すとおり、垂直入射光に対する透過率が特に良く改善される。
［第５実施例］
以下、誘電体光学多層膜からなる置換膜１２ａ，１３ａの第５実施例を説明する。
【００６３】
本実施例は、液晶表示素子２１の光源が無偏光であるときに有効な実施例である。また、本実施例は、計算機による膜構成の自動合成の手法を適用した実施例である。本実施例の膜構成は、表２のとおりである。
【００６４】
【表２】
2006003872.tif 000004
表２に示すとおり、全層数は４０、基板の屈折率は１．５６、高屈折率層Ｈの屈折率は２．２０、低屈折率層Ｌの屈折率は１．３８４５、中心波長λは５１０ｎｍである。基板はＳＣＨＯＴＴ社のＮ−ＢＡＫ４を用い、高屈折率層Ｈは先の実施例と同じものを用いた。低屈折率層Ｌは、ＭｇＦ2、ＡｌＦ3の何れかを成膜条件を調整して形成している。
【００６５】
本実施例の反射率の角度特性を図１７に、垂直入射光に対する反射率の波長特性を図１８に、６０°の入射光に対する反射率の波長特性を図１９に示す。
図１７、図１８、図１９に示すとおり、本実施例によれば、良好な特性が得られる。特に図１８、図１９に示すとおり、垂直入射光に対する透過率、及び６０°の入射光に対する反射率がそれぞれ改善される。
【００６６】
［第２実施形態］
以下、図２０、図２１を参照して本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第１実施形態との相違点を主に説明する。
図２０は、本アイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断してできる概略断面図である。図２０に示すように、本アイグラスディスプレイの光学系部分は、画像導入ユニット２及び１枚の基板１１からなる（画像導入ユニット２は、液晶表示素子２１及びレンズ２２を搭載し、基板１１は導入ミラー１１ａ及びハーフミラー１１ｂを内部に設置している。）。
【００６７】
本アイグラスディスプレイにおいては、基板１１の観察者側の面と外界側の面との各々に、反射増強膜２２ａが密着して設けられている。
反射増強膜２２ａは、少なくとも置換膜１２ａ，１３ａと同じ機能（エアギャップと同じ機能）を持つ。すなわち、反射増強膜２２ａは、基板１１内を内面反射すべき表示光束Ｌ１（ここでは、入射角度６０°近傍で入射する可視光）に対し反射性を示し、かつ基板１１を透過すべき表示光束Ｌ１及び外界光束Ｌ２（ここでは、入射角度０°近傍で入射する可視光）に対し透過性を示す。
【００６８】
但し、反射増強膜２２ａが反射可能な可視光の入射角度範囲θｇは、置換膜１２ａ，１３ａのそれよりも拡大されており、具体的には、その入射角度範囲θｇの下限は、基板１１の臨界角度θc（≒４０°）よりも小さく、例えば３５°などに設定される（なお、入射角度範囲θｇの上限は、置換膜１２ａ，１３ａ、空気中の基板１１の単体と同じく９０°近傍かつ９０°未満である。）。
【００６９】
この反射増強膜２２ａが設けられた基板１１は、基板１１が単体で空気中に存在していたときよりも、内面反射可能な表示光束１１の入射角度範囲θｇは、拡大される。入射角度範囲θｇが拡大されれば、観察眼が観察できる画像の画角が拡大される。
なお、反射増強膜２２ａが反射可能な可視光の入射角度範囲θｇの下限を小さくし過ぎると次のような問題が生じうる。すなわち、外界光束Ｌ２の一部が反射増強膜２２ａを透過できなくなって外界の視認性が悪くなったり、ハーフミラー１１ｂで偏向された表示光束Ｌ１の一部が基板１１から外部（射出瞳）へ射出できなくなってロスとなる可能性がある。このため、反射増強膜２２ａが反射可能な可視光の入射角度範囲θｇの下限は、表示光束Ｌ１の画角や内面反射するときの入射角度を考慮した上で、０°〜θcの間の適当な値に設定される必要がある。
【００７０】
また、このような特性を持つ反射増強膜２２ａは、誘電体光学多層膜やＨＯＥ（ホログラフィック・オプチカル・エレメント）などによって構成される。このうち、誘電体光学多層膜を用いた反射増強膜２２ａの構成の詳細は、後述する実施例にて説明する。ＨＯＥの製造方法は、第１実施形態で説明した製造方法（図４参照）と基本的に同じである。
但し、この製造方法では、図２１に示すように、補助プリズム３４は、感光材料３５に入射するレーザ光の一方にのみ挿入されればよい（なぜなら、本実施形態の反射増強膜２２ａが接する２つの媒質の一方は空気だからである。）。
【００７１】
また、図２１の光学系における角度θ（ホログラム感光材料３５に対するレーザ光の入射角度）の値は、反射増強膜２２ａが反射性を示すべき光の中心入射角度範囲に設定される。
ここでも、反射増強膜２２ａが反射性を示すべき光の入射角度や波長は１種類ではないので、必要に応じて、角度θやレーザ光の波長を変更しながら感光材料３５を多重露光することになる。
【００７２】
また、ホログラム感光材料３５として樹脂ベースの材料（樹脂シート）を用いると、大面積のＨＯＥを低コストで製造することができる。また、ＨＯＥが樹脂シートであると、ＨＯＥをアイグラスディスプレイの基板１１に密着させる際に貼付するだけで済むため、低コスト・大量生産の面で実用価値が高い。
また、本実施形態の反射増強膜２２ａには、金属膜や半導体膜などからなる光学多層膜が用いられてもよい。但し、そのような光学多層膜よりも誘電体光学多層膜の方が、光の吸収が少ないため、好適である。
【００７３】
以上の各光学機能部（誘電体光学多層膜、ＨＯＥ、その他の光学多層膜）は、アイグラスディスプレイの仕様やコストなどに応じて反射増強膜２２ａとして選択使用されることが望ましい。
［第６実施例］
以下、第６実施例を説明する。本実施例は、第２実施形態のアイグラスディスプレイの反射増強膜２２ａとして好適な誘電体光学多層膜の実施例である。
【００７４】
本実施例では、アイグラスディスプレイの液晶表示素子２１の光源が発光スペクトルを有しており（Ｒ色，Ｇ色，Ｂ色それぞれにピークを有しており）、かつ、液晶表示素子２１の光源が偏光していることを前提とした。また、本実施例では、計算機による膜構成の自動合成の手法を適用した。
本実施例の誘電体光学多層膜の膜構成は、表３のとおりである。
【００７５】
【表３】
2006003872.tif 000005
表３に示すとおり、全層数は５１、基板１１の屈折率は１．６０、高屈折率層の屈折率は２．３、低屈折率層の屈折率は１．４６である。基板はＳＣＨＯＴＴ社のＮ−ＳＫ１４を用い、高屈折率層は第１実施例と同じものを用いた。低屈折率層にはＳｉＯ2を用い、成膜条件を調整して形成した。
【００７６】
図２２は、本実施例の誘電体光学多層膜の小入射角度の光（入射角度０°〜２０°）に対する反射率の波長特性である。図２２において、Ｒａ（０°），Ｒａ（５°），Ｒａ（１０°），Ｒａ（１５°），Ｒａ（２０°）は、それぞれ入射角度０°，５°，１０°，１５°，２０°の入射光に対する反射率（何れも入射光のｓ偏光成分に対する反射率とｐ偏光成分に対する反射率との平均値）である。
【００７７】
図２２に明らかなとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、入射角度０°〜２０°の入射光であれば、可視光域の略全域に亘り８０％以上の透過性を示す。
図２３は、本実施例の誘電体光学多層膜の大入射角度の光（入射角度３５°，４０°）に対する反射率の波長特性である。図２３において、Ｒｓ（３５°），Ｒｓ（４０°）は、それぞれ入射角度３５°，４０°の光に対する反射率（何れも入射光のｓ偏光成分に対する反射率）である。
【００７８】
図２３に明らかなとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、入射角度４０°のｓ偏光した光であれば、可視光域の全域に亘り略１００％の反射性を示す。また、入射角度３５°のｓ偏光した光であれば、可視光域のＲ色，Ｇ色，Ｂ色の各成分（４６０，５２０，６３３ｎｍ）に対しそれぞれ８０％以上の反射性を示す。
図２４は、本実施例の誘電体光学多層膜の各波長の光に対する反射率の角度特性である。図２４において、Ｒｓ（６３３ｎｍ），Ｒｓ（５２０ｎｍ），Ｒｓ（４６０ｎｍ）は、それぞれ波長６３３ｎｍ，５２０ｎｍ，４６０ｎｍの光（Ｒ色，Ｇ色，Ｂ色）に対する反射率（何れも入射光のｓ偏光成分に対する反射率）である。
【００７９】
図２４に明らかなとり、本実施例の誘電体光学多層膜は、可視光域のＲ色，Ｇ色，Ｂ色の各成分の光であれば、３５°以上の入射角度で８０％以上の反射性を示す。
以上、本実施例の誘電体光学多層膜が反射性を示す可視光（ここではｓ偏光したＲ色，Ｇ色，Ｂ色の光）の入射角度範囲θｇの下限は、３５°である。これは、本実施例で想定した基板１１（屈折率１．６０）の臨界角度θc＝３８．７°よりも小さい。
【００８０】
したがって、本実施例の誘電体光学多層膜を反射増強膜２２ａとして用いたアイグラスディスプレイでは、基板１１を内面反射する表示光束Ｌ１の入射角度範囲θｇの下限は、臨界角度θc＝３８．７°から３５°へと３．７°も引き下げられる。
その結果、アイグラスディスプレイは、入射角度範囲θｇ＝３５°〜６５°の表示光束Ｌ１、つまり画角３０°の表示光束Ｌ１を伝送することができる。
【００８１】
また、図２２に示したとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、小入射角度の光（０°〜２０°）の可視光に対する透過率が高いので、アイグラスディスプレイの外界の視認性は確実に保たれ、また、基板１１から射出瞳へ入射する表示光束Ｌ１のロスも無い。
［第３実施形態］
以下、図２５を参照して本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第１実施形態との相違点を主に説明する。
【００８２】
図２５は、本アイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断してできる概略断面図である。図２５に示すように、本アイグラスディスプレイは、第１実施形態のアイグラスディスプレイ（図２参照）において、置換膜１２ａ，１３ａの代わりに、それぞれ反射増強膜２２ａを備えたものである。
この反射増強膜２２ａは、第２実施形態のそれと同様の機能を持つ。すなわち、反射増強膜２２ａが反射性を示す可視光の入射角度範囲θｇの下限は、基板１１の臨界角度θcよりも引き下げられている。
【００８３】
したがって、本アイグラスディスプレイは、第１実施形態と同様に視度補正の効果が得られると共に、第２実施形態と同様に画角拡大の効果が得られる。
なお、この反射増強膜２２ａをＨＯＥによって構成する場合の製造方法は、第１実施形態で説明した製造方法（図４参照）と同じである。
但し、図４の光学系における角度θ（ホログラム感光材料３５に対するレーザ光の入射角度）の値は、反射増強膜２２ａが反射性を示すべき光の中心入射角度範囲に設定される。
【００８４】
ここでも、反射増強膜２２ａが反射性を示すべき光の入射角度や波長は１種類ではないので、必要に応じて、角度θやレーザ光の波長を変更しながら感光材料３５を多重露光することになる。
［第７実施例］
以下、第７実施例を説明する。本実施例は、第３実施形態のアイグラスディスプレイの反射増強膜２２ａとして好適な誘電体光学多層膜の実施例である。
【００８５】
本実施例では、アイグラスディスプレイの液晶表示素子２１の光源が偏光していることを前提とした。また、本実施例では、計算機による膜構成の自動合成の手法を適用した。
本実施例の誘電体光学多層膜の膜構成は、表４のとおりである。
【００８６】
【表４】
2006003872.tif 000006
表４に示すとおり、全層数は４４、基板１１の屈折率は１．５６、高屈折率層の屈折率は２．３、低屈折率層の屈折率は１．４６である。基板及び高屈折率層は、第２実施例と同じものを用い、低屈折率層はＳｉＯ2を用い、成膜条件を調整して形成した。
【００８７】
図２６は、本実施例の誘電体光学多層膜の小入射角度の光（入射角度０°〜２０°）に対する反射率の波長特性である。図２６において、Ｒａ（０°），Ｒａ（１０°），Ｒａ（２０°）は、それぞれ入射角度０°，１０°，２０°の入射光に対する反射率（何れも入射光のｓ偏光成分に対する反射率とｐ偏光成分に対する反射率との平均値）である。
図２６に明らかなとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、入射角度０°〜２０°の入射光であれば、可視光域の略全域に亘り７０％以上の透過性を示す。
【００８８】
図２７は、本実施例の誘電体光学多層膜の大入射角度の光（入射角度３５°〜５０°）に対する反射率の波長特性である。図２７において、Ｒｓ（３５°），Ｒｓ（４０°），Ｒｓ（５０°）は、それぞれ入射角度３５°，４０°，５０°の入射光に対する反射率（何れも入射光のｓ偏光成分に対する反射率）である。
図２７に明らかなとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、入射角度３５°〜５０°のｓ偏光した光であれば、可視光域の略全域に亘り６５％以上の反射性を示す。
【００８９】
図２８は、本実施例の誘電体光学多層膜の各波長の光に対する反射率の角度特性である。図２８において、Ｒｓ（６３３ｎｍ），Ｒｓ（５２０ｎｍ），Ｒｓ（４６０ｎｍ）は、それぞれ波長６３３ｎｍ，５２０ｎｍ，４６０ｎｍの光（Ｒ色，Ｇ色，Ｂ色）に対する反射率（何れも入射光のｓ偏光成分に対する反射率）である。
図２８に明らかなとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、可視光域のＲ色，Ｇ色，Ｂ色の各成分の光であれば、３５°以上の入射角度で６５％以上の反射性を示す。
【００９０】
つまり、本実施例の誘電体多層膜が反射性を示す可視光（ここではｓ偏光した波長６３３ｎｍ，５２０ｎｍ，４６０ｎｍの光）の入射角度範囲θｇの下限は、３５°である。これは、本実施例で想定した基板１１（屈折率１．５６）の臨界角度θc＝３９．９°よりも小さい。
したがって、本実施例の誘電体光学多層膜を反射増強膜２２ａとして用いたアイグラスディスプレイでは、基板１１を内面反射する表示光束１１の入射角度範囲θｇの下限は、臨界角度θc＝３９．９°から３５°へと４．９°も引き下げられる。
【００９１】
また、図２６に示したとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、小入射角度の光（０°〜２０°）の可視光に対する透過率が高いので、アイグラスディスプレイの外界の視認性は保たれ、また、基板１１から射出瞳へ入射する表示光束Ｌ１のロスも無い。
［第４実施形態］
以下、図２９を参照して本発明の第４実施形態を説明する。本実施形態は、上述した反射増強膜を、射出瞳の大きいタイプのアイグラスディスプレイに適用したものである。
【００９２】
図２９は、本実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断してできる概略断面図である。図２９に示すように、本アイグラスディスプレイは、表示光束Ｌ１を内面反射する基板１１中に、互いに平行な複数のハーフミラー１１ｂを配置している。これらの複数のハーフミラー１１ｂのそれぞれは、基板１１を内面反射する表示光束Ｌ１のうち所定角度範囲で入射したものを反射し、基板１１の外部に射出瞳を形成する。この射出瞳のサイズは、ハーフミラー１１ｂが複数化された分だけ大きい。このように射出瞳が大きいと、観察眼の瞳の位置の自由度が高まる点で有利である。
【００９３】
このアイグラスディスプレイにおいて、反射増強膜２２ａは、基板１１の観察者側の面、外界側の面のそれぞれに密着して形成される。この反射増強膜２２ａは、上述した実施形態におけるそれと同様に、基板１１を内面反射可能な表示光束Ｌ１の入射角度範囲θｇを拡大する。よって、このアイグラスディスプレイの画角も拡大される。
［第５実施形態］
以下、図３０を参照して本発明の第５実施形態を説明する。本実施形態は、上述した反射増強膜を、射出瞳の大きい別のタイプのアイグラスディスプレイに適用したものである。
【００９４】
図３０は、本実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断してできる概略断面図である。図３０に示すように、本アイグラスディスプレイは、大きな射出瞳を形成するための複数のハーフミラーを、基板１１の外部に配置している。それら複数のハーフミラーは、外界側又は観察者側（図３０では外界側）に配置された基板１２の内部に設けられる。また、複数のハーフミラーは、互いに平行な複数のハーフミラー１１ｂLと、それと姿勢の異なる互いに平行な複数のハーフミラー１１ｂRとの２種類からなる。
【００９５】
また、基板１１の内部には、基板１１に入射した表示光束Ｌ１を内面反射可能な角度に偏向するための導入ミラー１１ａと、基板１１を内面反射した表示光束１１を折り返す折り返しミラー１１ｃとが設けられる。この折り返しミラー１１ｃの作用により、本アイグラスディスプレイの表示光束Ｌ１は、基板１１を内面反射しながら往復する。
そして、複数のハーフミラーのうち一方のハーフミラー１１ｂLの姿勢は、往路進行中の表示光束Ｌ１を観察者側に偏向するように設定され、他方のハーフミラー１１ｂRの姿勢は、復路進行中の表示光束Ｌ１を観察者側に偏向するように設定される。したがって、複数のハーフミラー１１ｂL，１１ｂRの全体は、屋根型のハーフミラーを密に並べた構成となる。
【００９６】
このアイグラスディスプレイにおいて、反射増強膜は、基板１２と基板１１との間と、基板１１の観察者側の面との各々に密着して設けられる。
このうち、基板１１の観察者側の反射増強膜２２ａは、上述した実施形態のそれと同じであり、基板１１を内面反射する表示光束Ｌ１に対し反射性を示す。
一方、基板１１の外界側の反射増強膜２２ａ’は、上述した実施形態のそれとは若干異なり、基板１１を内面反射する表示光束Ｌ１に対し半透過性を示す。
【００９７】
すなわち、反射増強膜２２ａ’は、基板１１を透過すべき表示光束Ｌ１及び外界光束Ｌ２（ここでは、入射角度０°近傍で入射する可視光）に対し透過性（全透過性）を示すと共に、基板１１内を内面反射すべき表示光束Ｌ１（ここでは、入射角度６０°近傍で入射する可視光）に対し半透過性を示す。そして、その半透過性を示す入射角度範囲の下限は、基板１１の臨界角度θcよりも小さい値に設定される。
【００９８】
この反射増強膜２２ａ’の半透過性により、基板１１内を往復する表示光束Ｌ１は、一定の割合で基板１２の側へ浸入することになる。その浸入した表示光束Ｌ１は、基板１２内の複数のハーフミラー１１ｂL，１１ｂRによって観察者側へと偏向される。そして、複数のハーフミラー１１ｂL，１１ｂRにより偏向した表示光束Ｌ１は、反射増強膜２２ａ’、基板１１及び反射増強膜２２ａを透過して、大きな射出瞳を形成する。
【００９９】
さらに、以上の反射増強膜２２ａ，２２ａ’は、上述した実施形態のそれと同様に、内面反射可能な表示光束Ｌ１の入射角度範囲を拡大する。したがって、このアイグラスディスプレイの画角も、拡大される。
なお、本アイグラスディスプレイにおいては、折り返しミラー１１ｃが設けられると共に、ハーフミラーが２種類設けられたが、折り返しミラー１１ｃと一方のハーフミラー１１ｂRとを省略することもできる。但し、それらを備えた方が、射出瞳内の光量が均一化されるので好ましい。
【０１００】
［第６実施形態］
以下、図３１を参照して本発明の第６実施形態を説明する。本実施形態は、上述した反射増強膜を、射出瞳のさらに大きいタイプのアイグラスディスプレイに適用したものである。
図３１は、本実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分の分解図である。図３１に示すように、本アイグラスディスプレイは、第５実施形態のアイグラスディスプレイと同じ原理が適用され、かつ、観察者から見て縦横の２方向に亘って射出瞳を拡大したものである。また、このアイグラスディスプレイには、観察眼の視度補正の機能も付加されている。
【０１０１】
図３１において、画像導入ユニット２から射出した表示光束Ｌ１は、最初に基板１１’に入射する。基板１１’は、基板１２’と共にその表示光束Ｌ１を導光し、観察者から見た縦方向に亘って表示光束Ｌ１の径を拡大する。その表示光束Ｌ１は、基板１１に入射する。基板１１は、基板１２と共にその表示光束Ｌ１を導光し、観察眼から見た横方向に亘って表示光束Ｌ１の径を拡大する。その表示光束Ｌ１は、観察眼の近傍に射出瞳を形成する。
【０１０２】
また、基板１１の観察者側には基板１３が設けられており、基板１３の観察眼側の面と、基板１２の外界側の面との光学的パワーにより、観察眼の外界に対する視度補正が図られる。
基板１１’，１２’からなる第１光学系と、基板１１，１２からなる第２光学系とのそれぞれには、第５実施形態の基板１１，１２と同じ原理が適用されている。また、第１光学系と第２光学系との間で、各光学面の配置方向は９０°回転している。
【０１０３】
すなわち、基板１１’の内部に符号１１ａ’で示すのは、基板１１’に入射した表示光束Ｌ１を内面反射可能な角度に偏向する導入ミラーであり、符号１１ｃ’で示すのは、基板１１’を内面反射した表示光束Ｌ１を折り返す折り返しミラーである。基板１２’において符号１２ａ’で示すのは、複数の屋根型のハーフミラーを密に並べたものである（詳細は、図３０参照）。
【０１０４】
また、基板１１の内部に符号１１ａで示すのは、基板１１に入射した表示光束Ｌ１を内面反射可能な角度に偏向する導入ミラーであり、符号１１ｃで示すのは、基板１１を内面反射した表示光束Ｌ１を折り返す折り返しミラーである。基板１２において符号１２ａで示すのは、複数の屋根型のハーフミラーを密に並べたものである（詳細は、図３０参照）。
【０１０５】
以上のアイグラスディスプレイにおいて、反射増強膜が設けられる箇所は、基板１１’と基板１２’との間、基板１１’と基板１３’との間、基板１１と基板１２との間、基板１１と基板１３との間の各々である。
但し、基板１１’と基板１２’との間に設けられる反射増強膜の特性は、基板１１’を内面反射する表示光束Ｌ１を一定の割合で基板１２’に透過させるものである必要がある。その特性は、第５実施形態の反射増強膜２２ａ’の特性と同じである。
【０１０６】
また、基板１１と基板１２との間に設けられる反射増強膜の特性も、基板１１を内面反射する表示光束Ｌ１を一定の割合で基板１２に透過させるものである必要がある。その特性は、第５実施形態の反射増強膜２２ａ’の特性と同じである。
以上の反射増強膜は、基板１１’を内面反射可能な表示光束Ｌ１の入射角度範囲と、基板１１を内面反射可能な表示光束Ｌ１の入射角度範囲とをそれぞれ拡大する。しかも、基板１１’における拡大方向と基板１１における拡大方向とは、９０°回転している。
【０１０７】
したがって、本アイグラスディスプレイでは、縦方向の画角と横方向の画角との双方が拡大される。
［第７実施形態］
以下、図３２を参照して本発明の第７実施形態を説明する。本実施形態は、上述した反射増強膜を、内面反射に供される面の多いタイプのアイグラスディスプレイに適用したものである。
【０１０８】
図３２（ａ）は、本アイグラスディスプレイの光学系部分の概略斜視図である。図３２（ｂ）は、その光学系部分を観察者の水平面（図３２（ａ）のＺＸ平面）で切断してできる概略断面図である。図３２（ｃ）は、その光学系部分を観察者の前面（図３２（ａ）のＹＸ平面）で切断してできる概略断面図である。図３２（ｄ）は、本アイグラスディスプレイの画角を説明する図である。
【０１０９】
図３２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、本アイグラスディスプレイは、導入ミラー１１ａ及び複数のハーフミラー１１ｂの配置箇所や姿勢を調整し、基板１１のうち内面反射に供される面を、観察者側の面、外界側の面、及び両者に挟まれた２面の合計４面としている。なお、この４面は何れも平面である。
図３２（ｄ）には、本アイグラスディスプレイの観察眼から見た画像の２方向の画角θｂ-air，θａ-airを示した。
【０１１０】
このうち、画角θｂ-airは、図３２（ｂ）に示したように、基板１１の観察者側の面と外界側の面との２面が内面反射可能な表示光束Ｌ１の角度範囲θｂ-gによって決まる。
また、画角θａ-airは、図３２（ｃ）に示したように、基板１１の他の２面が内面反射可能な表示光束Ｌ１の角度範囲θａ-gによって決まる。
これを式にすると、以下のとおりである。
【０１１１】
θａ-air＝ｓｉｎ-1［ｎgｓｉｎθａ-g］
θｂ-air＝ｓｉｎ-1［ｎgｓｉｎθｂ-g］
つまり、画角θｂ-air，θａ-airは、基板１１を内面反射可能な表示光束Ｌ１の角度範囲θａ-g，θｂ-gのそれぞれが大きいほど、大きくなる。
そして、本アイグラスディスプレイにおいて、反射増強膜が設けられる箇所は、基板１１のうち、内面反射に供される４面である。図３２（ｂ），（ｃ）において符号２２ａで示すのが、反射増強膜である。この反射増強膜２２ａの特性は、上述した実施形態における反射増強膜２２ａのそれと同様であり、反射増強膜２２ａが反射性を示す可視光の入射角度範囲の下限は、基板１１の臨界角度θcよりも引き下げられている。
【０１１２】
したがって、基板１１を内面反射可能な表示光束Ｌ１の角度範囲θｂ-g，θａ-g（図３２（ｂ），（ｃ））は、それぞれ拡大される。その結果、本アイグラスディスプレイの画角θｂ-air，θａ-air（図３２（ｄ））も、それぞれ拡大される。
なお、図３２（ｃ）に示した２つの反射増強膜２２ａは、観察眼に正対しないので、外界光束を透過する必要が無い。
【０１１３】
よって、仮に、液晶表示素子２１の縦横比が１：１でないときには、そのうち長い方の画角が画角θａ-airに対応するように液晶表示素子２１を配置するとよい。
なお、本アイグラスディスプレイの基板１１は、断面が長方形の柱状の基体であるが、断面が三角形の柱状の基体や、断面が平行四辺形の柱状の基体や、断面が５角形の柱状の基体など、断面の異なる他の柱状の基体を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
上記実施形態では、アイグラスディスプレイしか説明しなかったが、カメラ、双眼鏡、顕微鏡、望遠鏡のファインダなどにも同様に本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】第１実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。
【図２】第１実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断した概略断面図である。
【図３】空気中に存在するガラス基板の反射率の角度特性を示す図である。
【図４】ＨＯＥ３５を製造する光学系を示す図である。
【図５】第１実施例の反射率の角度特性を示す図である。
【図６】第１実施例の垂直入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
【図７】第１実施例の６０°の入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
【図８】第２実施例の反射率の角度特性を示す図である。
【図９】第２実施例の垂直入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
【図１０】第２実施例の６０°の入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
【図１１】第３実施例の反射率の角度特性を示す図である。
【図１２】第３実施例の垂直入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
【図１３】第３実施例の６０°の入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
【図１４】第４実施例の反射率の角度特性を示す図である。
【図１５】第４実施例の垂直入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
【図１６】第４実施例の６０°の入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
【図１７】第５実施例の反射率の角度特性を示す図である。
【図１８】第５実施例の垂直入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
【図１９】第５実施例の６０°の入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
【図２０】第２実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断してできる概略断面図である。
【図２１】第２実施形態の反射増強膜２２ａに適用されるＨＯＥを製造する光学系を示す図である。
【図２２】第６実施例の小入射角度の光（入射角度０°〜２０°）に対する反射率の波長特性である。
【図２３】第６実施例の大入射角度の光（入射角度３５°，４０°）に対する反射率の波長特性である。
【図２４】第６実施例の誘電体光学多層膜の各波長の光に対する反射率の角度特性である。
【図２５】第３実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断してできる概略断面図である。
【図２６】第７実施例の小入射角度の光（入射角度０°〜２０°）に対する反射率の波長特性である。
【図２７】第７実施例の大入射角度の光（入射角度３５°〜５０°）に対する反射率の波長特性である。
【図２８】第７実施例の誘電体光学多層膜の各波長の光に対する反射率の角度特性である。
【図２９】第４実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断してできる概略断面図である。
【図３０】第５実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断してできる概略断面図である。
【図３１】第６実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分の分解図である。
【図３２】第７実施形態のアイグラスディスプレイを説明するための図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１：画像表示光学系，２：画像導入ユニット，１１及び１２及び１３：基板，１２ａ及び１３ａ：置換膜，２２ａ及び２２ａ’：反射増強膜，２２：レンズ，２１：液晶表示素子，１１ａ：導入ミラー，１１ｂ：ハーフミラー，１１ｃ：折り返しミラー
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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