(57)【要約】【課題】画像の暗部や縞状の明るさムラを低減できる表示装置を提供する。【解決手段】光学素子は、複数のミラーと、隣り合う２つのミラーの間に介在する第１透光性部材と、第１透光性部材に対して、画像光および外界光の入射側および射出側のいずれか一方に設けられた第２透光性部材と、を備える。第１透光性部材および第２透光性部材のうち、一方の透光性部材の他方の透光性部材とは反対側の面は、導光体を介して画像光および外界光を入射させる入射面である。他方の透光性部材の一方の透光性部材とは反対側の面は、画像光および外界光を観察者側に射出させる射出面である。複数のミラーの各々は、それぞれ入射面に対して傾斜して配置され、複数のミラーは、第１ミラーと、第１ミラーよりも幅が狭い第２ミラーと、を含む。【選択図】図４
2018054782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔をおいて互いに平行に設けられ、画像光および外界光の一部を反射させる複数のミラーと、
前記複数のミラーの隣り合う２つの前記ミラーの間に介在する第１透光性部材と、
前記第１透光性部材に対して、前記画像光および前記外界光の入射側および射出側のいずれか一方に設けられた第２透光性部材と、を備え、
前記第１透光性部材および前記第２透光性部材のうち、一方の透光性部材の他方の透光性部材とは反対側の面は、導光体を介して前記画像光および前記外界光を入射させる入射面であり、
前記他方の透光性部材の前記一方の透光性部材とは反対側の面は、前記画像光および前記外界光を観察者側に射出させる射出面であり、
前記複数のミラーの各々は、それぞれ前記入射面に対して傾斜して配置され、
前記複数のミラーは、第１ミラーと、前記第１ミラーよりも幅が狭い第２ミラーと、を含むことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記複数のミラーが設けられた全領域のうち、少なくとも一部の領域に属する複数の前記ミラーの幅は、前記第１ミラーが配置された側から前記第２ミラーが配置された側に向かって順次狭くなっていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第２透光性部材は、前記第１透光性部材に対して前記画像光および前記外界光の射出側に設けられ、
前記複数のミラーの各々の一端が、前記入射面に接していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２透光性部材は、前記第１透光性部材に対して前記画像光および前記外界光の入射側に設けられ、
前記複数のミラーの各々の一端が、前記射出面に接していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１透光性部材は、前記第２透光性部材と一体で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第１透光性部材は、前記第２透光性部材と別体で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第１透光性部材は、前記第２透光性部材と同じ屈折率であり、
前記射出面は、前記入射面と平行であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１透光性部材は、前記第２透光性部材と異なる屈折率であり、
前記射出面は、前記入射面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記複数のミラーの各々の反射率が、６０％以上、１００％未満であることを特徴とすることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記複数のミラーの各々が、金属材料で構成されていることを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記第２ミラーの幅が、前記第２ミラーに隣り合うミラーと前記第２ミラーとの間のピッチよりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項１２】
画像形成装置と、
前記画像形成装置で生成された画像光を導光する導光装置と、を備え、
前記導光装置は、前記画像光を入射させる入射部と、前記入射部から入射した前記画像光を導光させる導光体と、前記画像光を射出させる射出部と、を備え、
前記射出部は、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の光学素子を備えていることを特徴とする表示装置。
【請求項１３】
前記射出部は、前記導光体の視認側の面に設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の表示装置。
【請求項１４】
前記複数のミラーの各々は、それぞれ前記入射面側の端部が前記導光装置の前記入射部側に近づく方向に傾斜していることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子および表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ウェアラブル情報機器の一つとして、ヘッドマウントディスプレイなどの観察者の頭部に装着して使用する方式の画像表示装置が提供されている。また、観察者が画像表示装置を装着した際に、表示素子で生成された画像と外界の像の双方を同時に視認できる画像表示装置、いわゆるシースルー型の画像表示装置が知られている。
【０００３】
下記の特許文献１には、平行導光体と入射部と射出部とを備え、射出部が、映像光を反射する複数のハーフミラーが互いに平行に配列された反射ユニットを有し、ヘッドマウントディスプレイ等の表示装置において映像素子からの光を観察者の視野に導く導光装置が開示されている。また、特許文献１には、反射ユニットの厚さを、光の入射部に近い側で厚く、入射部から遠い側で薄くしてもよいこと、およびハーフミラーのピッチが広い場合には全反射ミラーを用いてもよいことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−４２１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数のハーフミラーを有する射出部において、ハーフミラーの反射率を高くすると、画像光の取り出し効率が高くなる。ところが、特許文献１に記載の導光装置において、ハーフミラーの反射率を１００％とすると、画像に大きな暗部が生じる、という問題がある。また、ハーフミラーの間隔を広げていくと、大きな暗部は改善できたとしても、縞状の明るさムラが生じる、という問題がある。
【０００６】
また、特許文献１に記載の導光装置においては、反射ユニット全体の厚さが光の入射部に近い側から遠い側に向けて変化しているため、反射ユニットにおいて互いに対向する入射面と射出面とが平行でない。また、反射ユニットが平行導光体に埋め込まれているため、平行導光体の外界光の入射面と反射ユニットの射出面との間に、平行導光体と反射ユニットとの界面である傾斜面が存在する。また、平行導光体と反射ユニットとの間には接着剤が介在している。このように、外界光の入射面と射出面との間に傾斜面が存在すると、平行導光体と反射ユニットとの屈折率差、接着剤の存在等に起因して外界光の光路が曲がる。その結果、外界像の拡大、フォーカスズレ等の問題が生じる。
【０００７】
本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであり、画像の暗部や縞状の明るさムラを低減できるとともに、外界像の拡大、フォーカスズレ等を低減できる表示装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の一つの態様は、上記の表示装置の光射出部に用いて好適な光学素子を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の光学素子は、間隔をおいて互いに平行に設けられ、画像光および外界光の一部を反射させる複数のミラーと、前記複数のミラーの隣り合う２つの前記ミラーの間に介在する第１透光性部材と、前記第１透光性部材に対して、前記画像光および前記外界光の入射側および射出側のいずれか一方に設けられた第２透光性部材と、を備え、前記第１透光性部材および前記第２透光性部材のうち、一方の透光性部材の他方の透光性部材とは反対側の面は、導光体を介して前記画像光および前記外界光を入射させる入射面であり、前記他方の透光性部材の前記一方の透光性部材とは反対側の面は、前記画像光および前記外界光を観察者側に射出させる射出面であり、前記複数のミラーの各々は、それぞれ前記入射面に対して傾斜して配置され、前記複数のミラーは、第１ミラーと、前記第１ミラーよりも幅が狭い第２ミラーと、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の一つの態様の光学素子においては、複数のミラーは、第１ミラーと、第１ミラーよりも幅が狭い第２ミラーと、を含んでいるため、第２ミラーに近い側のミラーに小さい入射角で入射し、小さい反射角で反射した光は第２ミラーで遮られることなく、所定の方向に射出される。これにより、画像の暗部や縞状の明るさムラを低減することができる。
【００１０】
また、光学素子は、第１透光性部材に対して画像光および外界光の入射側および射出側のいずれか一方に設けられた第２透光性部材を備えているため、外界光が各部材を透過する間に外界光の光路が曲がったとしても、光路の曲がりを第２透光性部材で補償して小さくすることができる。これにより、外界像の拡大、フォーカスズレ等を低減することができる。
【００１１】
本発明の一つの態様の光学素子において、前記複数のミラーが設けられた全領域のうち、少なくとも一部の領域に属する複数の前記ミラーの幅は、前記第１ミラーが配置された側から前記第２ミラーが配置された側に向かって順次狭くなっていてもよい。
【００１２】
この構成によれば、画像の暗部や縞状の明るさムラを小さくすることができ、なだらかな強度分布を得ることができる。
【００１３】
本発明の一つの態様の光学素子において、前記第２透光性部材は、前記第１透光性部材に対して前記画像光および前記外界光の射出側に設けられ、前記複数のミラーの各々の一端が、前記入射面に接していてもよい。
【００１４】
この構成によれば、画像光の取り出し効率を高めることができる。
【００１５】
本発明の一つの態様の光学素子において、前記第２透光性部材は、前記第１透光性部材に対して前記画像光および前記外界光の入射側に設けられ、前記複数のミラーの各々の一端が、前記射出面に接していてもよい。
【００１６】
この構成によれば、画像の明るさの均一性をより高めることができる。
【００１７】
本発明の一つの態様の光学素子において、前記第１透光性部材は、前記第２透光性部材と一体で形成されていてもよい。
【００１８】
この構成によれば、第１透光性部材と第２透光性部材との界面がなくなり、界面における光路の曲がりをなくすことができる。
【００１９】
本発明の一つの態様の光学素子において、前記第１透光性部材は、前記第２透光性部材と別体で形成されていてもよい。
【００２０】
この構成によれば、第１透光性部材と第２透光性部材とを別個に作製することができるため、光学素子の製造を容易にすることができる。特に第２透光性部材の作製が容易になるため、外界光の光路の曲がりを補償しやすくなる。
【００２１】
本発明の一つの態様の光学素子において、前記第１透光性部材は、前記第２透光性部材と同じ屈折率であり、前記射出面は、前記入射面と平行であってもよい。
【００２２】
この構成によれば、第１透光性部材と第２透光性部材との界面における外界光の光路の曲がりを略なくすことができ、光学素子に入射する前の外界光の光路と光学素子から射出した後の外界光の光路とを略平行にすることができる。
【００２３】
本発明の一つの態様の光学素子において、前記第１透光性部材は、前記第２透光性部材と異なる屈折率であり、前記射出面は、前記入射面に対して傾斜していてもよい。
【００２４】
この構成によれば、第１透光性部材と第２透光性部材との界面において外界光の光路が曲がったとしても、入射面に対する射出面の傾斜角度を適宜調整することにより、光路の曲がりを適切に補償することができる。
【００２５】
本発明の一つの態様の光学素子において、前記複数のミラーの各々の反射率は、６０％以上、１００％未満であってもよい。
【００２６】
この構成によれば、従来の光学素子に比べて、光の取り出し効率を高めることができる。
【００２７】
本発明の一つの態様の光学素子において、前記複数のミラーの各々は、金属材料で構成されていてもよい。
【００２８】
この構成によれば、６０％以上、１００％未満の反射率を有するミラーを容易に実現することができる。
【００２９】
本発明の一つの態様の光学素子において、前記第２のミラーの幅は、前記第２のミラーに隣り合うミラーと前記第２のミラーとの間のピッチより小さくてもよい。
【００３０】
この構成によれば、外界光を充分に透過させることができ、外界像の明るさを確保することができる。
【００３１】
本発明の一つの態様の表示装置は、画像形成装置と、前記画像形成装置で生成された画像光を導光する導光装置と、を備え、前記導光装置は、前記画像光を入射させる入射部と、前記入射部から入射した前記画像光を導光させる導光体と、前記画像光を射出させる射出部と、を備え、前記射出部は、本発明の一つの態様の光学素子を備えていることを特徴とする。
【００３２】
本発明の一つの態様の表示装置は、本発明の一つの態様の光学素子を有する射出部を備えているため、画像の暗部や縞状の明るさムラが低減された表示装置を実現することができる。
【００３３】
本発明の一つの態様の表示装置において、前記射出部は、前記導光体の視認側の面に設けられていてもよい。
【００３４】
この構成によれば、光学設計が容易な表示装置を実現することができる。
【００３５】
本発明の一つの態様の表示装置において、前記複数のミラーの各々は、それぞれ前記入射面側の端部が前記導光装置の前記入射部側に近づく方向に傾斜していてもよい。
【００３６】
この構成によれば、入射部側に近いミラーには画像光が大きい入射角で入射して反射し、入射部側から遠いミラーには画像光が相対的に小さい入射角で入射して反射するため、画像光を観察者の眼の方向に向かって進行させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施形態の表示装置の平面図である。
【図２】導光装置を観察者側から見た裏面図である。
【図３】導光装置における画像光の光路を示す図である。
【図４】第１実施形態の光学素子の断面図である。
【図５】ミラーに用いる金属材料の分光反射率を示すグラフである。
【図６】射出光分布の光線追跡シミュレーションの結果を示す図である。
【図７】第１実施形態の光学素子における画像の明るさプロファイルを示すグラフである。
【図８】ミラーの反射率と画像の明るさとの関係を示すグラフである。
【図９Ａ】光学素子の製造プロセスの一つの工程を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ａの続きを示す図である。
【図９Ｃ】図９Ｂの続きを示す図である。
【図１０】比較例の光学素子の断面図である。
【図１１】ミラーの反射率と取り出し効率との関係を示すグラフである。
【図１２】比較例の光学素子における画像の明るさプロファイルを示すグラフである。
【図１３】第２実施形態の光学素子の断面図である。
【図１４】第３実施形態の光学素子の断面図である。
【図１５】第４実施形態の光学素子の断面図である。
【図１６】第４実施形態の光学素子における画像の明るさプロファイルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。
本実施形態の表示装置は、例えば観察者が頭部に装着して用いるヘッドマウントディスプレイとして用いられる。
図１は、実施形態の表示装置の平面図である。図２は、導光装置を観察者側から見た裏面図である。図３は、導光装置における画像光の光路を示す図である。
以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００３９】
（導光装置および表示装置の全体構成）
図１に示すように、表示装置１００は、画像形成装置１０と、導光装置２０と、を備えている。図１は、図２に示す導光装置２０のＡ−Ａ断面と対応する。
表示装置１００は、画像形成装置１０による画像を観察者に虚像として視認させるとともに、外界像を観察者にシースルーで観察させる。表示装置１００において、画像形成装置１０と導光装置２０とは、観察者の右眼と左眼とに対応して一組ずつ設けられている。右眼用の装置と左眼用の装置とは、構成が同一であり、各構成要素の配置が左右対称である点のみが異なる。そのため、ここでは左眼用の部分のみを図示し、右眼用の部分の図示を省略する。表示装置１００は、全体として例えば眼鏡のような外観を有する。
【００４０】
画像形成装置１０は、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子１１と、投射レンズ１２と、を備えている。有機ＥＬ素子１１は、動画像、静止画像等の画像を構成する画像光ＧＬを射出する。なお、有機ＥＬ素子１１に限らず、液晶素子等を備えた画像形成装置を用いてもよい。投射レンズ１２は、有機ＥＬ素子１１上の各点から射出された画像光ＧＬを略平行光線にするコリメートレンズで構成されている。投射レンズ１２は、ガラスもしくはプラスチックで形成され、１枚に限らず、複数枚で構成されていてもよい。投射レンズ１２は、球面レンズに限らず、非球面レンズ、自由曲面レンズ等で構成されていてもよい。
【００４１】
導光装置２０は、平板状の光透過部材で構成されている。導光装置２０は、画像形成装置１０で生成された画像光ＧＬを導光した後に観察者の眼ＥＹに向けて射出する一方、外界像を構成する外界光ＥＬを透過させる。導光装置２０は、画像光を取り込む入射部２１と、主に画像光を導光させる平行導光体２２と、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを取り出すための射出部２３と、を備える。平行導光体２２と入射部２１とは、高い光透過性を有する樹脂材料により一体成形されている。本実施形態において、導光装置２０を伝播する画像光ＧＬの光路は、同一回数反射される１種類の光路からなり、複数種類の光路が合成されるものではない。
【００４２】
平行導光体２２は、観察者の眼ＥＹが正面を見ているときの視線を基準とする光軸ＡＸに対して傾いて配置されている。平行導光体２２の平面２２ａの法線方向Ｚは、光軸ＡＸに対して角度κだけ傾いている。これにより、平行導光体２２を顔の前面に沿って配置でき、平行導光体２２の平面２２ａの法線は、光軸ＡＸに対して傾きを有する。このように、平行導光体２２の平面２２ａの法線を光軸ＡＸに平行なｚ方向に対して角度κだけ傾けたことにより、光学素子３０から射出させる光軸ＡＸ上およびその近傍の画像光ＧＬ０は、光射出面ＯＳの法線に対して角度κをなす。
なお、光軸ＡＸに平行な方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面のうち、水平方向をｘ方向とし、鉛直方向をｙ方向とする。
【００４３】
入射部２１は、光入射面ＩＳと、反射面ＲＳと、を有する。画像形成装置１０からの画像光ＧＬは、光入射面ＩＳを介して入射部２１内に取り込まれる。入射部２１内に取り込まれた画像光ＧＬは、反射面ＲＳで反射して平行導光体２２の内部に導かれる。光入射面ＩＳは、投射レンズ１２から見て凹となる曲面２１ｂから形成されている。曲面２１ｂは、反射面ＲＳで反射された画像光ＧＬを内面側で全反射する機能も有する。
【００４４】
反射面ＲＳは、投射レンズ１２から見て凹となる曲面２１ａから形成されている。反射面ＲＳは、曲面２１ａ上に蒸着法等により成膜されたアルミニウム膜等の金属膜から構成されている。反射面ＲＳは、光入射面ＩＳから入射した画像光ＧＬを反射して光路を折り曲げる。曲面２１ｂは、反射面ＲＳで反射された画像光ＧＬを内側で全反射して光路を折り曲げる。このように、入射部２１は、光入射面ＩＳから入射した画像光ＧＬを２回反射させ、光路を折り曲げることにより、画像光ＧＬを平行導光体２２の内部に確実に導く。
【００４５】
平行導光体２２は、ｙ軸に対して平行、かつｚ軸に対して傾斜した平板状の導光部材である。平行導光体（導光体）２２は、光透過性を有する樹脂材料等によって形成され、互いに略平行な一対の平面２２ａ，２２ｂを有する。平面２２ａ，２２ｂは、平行平面であるため、外界像の拡大やフォーカスズレを生じることがない。平面２２ａは、入射部２１からの画像光を全反射させる全反射面として機能し、画像光ＧＬを少ない損失で射出部２３に導く。平面２２ａは、平行導光体２２の外界側に配置されて第１の全反射面として機能し、本明細書中においては外界側面とも称する。
【００４６】
平面２２ｂは、本明細書中においては観察者側面とも称する。平面２２ｂ（観察者側面）は、射出部２３の一端まで延びている。ここで、平面２２ｂは、平行導光体２２と射出部２３との境界面ＩＦである（図３参照）。
【００４７】
平行導光体２２において、入射部２１の反射面ＲＳもしくは光入射面ＩＳで反射された画像光ＧＬは、全反射面である平面２２ａに入射し、平面２２ａで全反射され、導光装置２０の奥側、すなわち射出部２３が設けられた＋ｘ側もしくはＸ側に導かれる。図２に示すように、平行導光体２２は、導光装置２０の外形のうち、＋ｘ側の端面として終端面ＥＳを有する。また、平行導光体２２は、±ｙ側の端面として上端面ＴＰおよび下端面ＢＰを有する。
なお、平面２２ｂの面法線方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な面のうち、水平方向をＸ方向とし、鉛直方向をＹ方向とする。
【００４８】
図３に示すように、射出部２３は、平行導光体２２の奥側（＋ｘ側）において、平面２２ｂもしくは境界面ＩＦに沿って板状に構成されている。射出部２３は、平行導光体２２の外界側の平面（全反射面）２２ａの領域ＦＲで全反射された画像光ＧＬを通過させる際に、入射した画像光ＧＬを所定の角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。ここでは、射出部２３にこれを透過することなく最初に入射する画像光ＧＬが虚像光としての取出し対象である。つまり、射出部２３において光射出面ＯＳの内面で反射される光があっても、これは画像光として利用されない。
【００４９】
射出部２３は、複数のミラー３１が一方向に配列された光学素子３０を有する。光学素子３０の構造については、図４等を参照して後に詳述する。光学素子３０は、平行導光体２２の観察者側の平面２２ｂに沿って設けられている。
【００５０】
導光装置２０が以上のような構造を有することから、図３に示すように、画像形成装置１０から射出され、光入射面ＩＳから導光装置２０に入射した画像光ＧＬは、入射部２１で複数回反射することによって光路が折り曲げられ、平行導光体２２の平面２２ａの領域ＦＲにおいて全反射されて光軸ＡＸに略沿って進む。＋ｚ側の平面２２ａの領域ＦＲで反射された画像光ＧＬは、射出部２３に入射する。
【００５１】
この際、ｘｙ面内において、領域ＦＲの長手方向の幅は、射出部２３の長手方向の幅よりも狭い。つまり、画像光ＧＬの光線束が射出部２３（もしくは光学素子３０）に入射する入射幅は、画像光ＧＬの光線束が領域ＦＲに入射する入射幅よりも広い。このように、画像光ＧＬの光線束が領域ＦＲに入射する入射幅を相対的に狭くすることにより、光路の干渉が生じにくくなり、境界面ＩＦを導光に利用することなく、すなわち、境界面ＩＦで画像光ＧＬを反射させず、領域ＦＲからの画像光ＧＬを射出部２３（もしくは光学素子３０）に直接入射させることが容易になる。
【００５２】
射出部２３に入射した画像光ＧＬは、射出部２３において適切な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面ＯＳから射出される。光射出面ＯＳから射出された画像光ＧＬは、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による画像光ＧＬを認識することができる。
【００５３】
ここで、像形成に用いられる画像光ＧＬが射出部２３に入射する角度は、光源側の入射部２１から離れるに従って大きくなっている。すなわち、射出部２３の奥側には、外界側の平面２２ａに平行なＺ方向、または光軸ＡＸに対して傾きの大きな画像光ＧＬが入射して比較的大きな角度で折り曲げられ、射出部２３の前側には、Ｚ方向、または光軸ＡＸに対して傾きの小さな画像光ＧＬが入射して比較的小さな角度で折り曲げられる。
【００５４】
（画像光の光路）
以下、画像光の光路について詳しく説明する。
図３に示すように、有機ＥＬ素子１１の射出面１１ａ上からそれぞれ射出される画像光のうち、破線で示す射出面１１ａの中央部分から射出される成分を画像光ＧＬ０とし、１点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち、紙面左側（−ｘおよび＋ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ１とし、２点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち、紙面右側（＋ｘおよび−ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ２とする。これらのうち、画像光ＧＬ０の光路は光軸ＡＸに沿って延びるものとする。
【００５５】
投射レンズ１２を経た画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の主要成分は、導光装置２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、入射部２１を経て平行導光体２２内を通過して射出部２３に至る。具体的には、画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２のうち、射出面１１ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ０は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、標準反射角θ０で一方の平面２２ａの領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（もしくは光学素子３０）との境界面ＩＦで反射されずに境界面ＩＦを通過し、射出部２３の中央の部分２３ｋに直接的に入射する。画像光ＧＬ０は、部分２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから光射出面ＯＳを含むＸＹ面に対して傾いた光軸ＡＸ方向（Ｚ方向に対して角度κの方向）に平行光束として射出される。
【００５６】
射出面１１ａの一端側（−ｘ側）から射出された画像光ＧＬ１は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、最大反射角θ１で平面２２ａの領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（もしくは光学素子３０）との境界面ＩＦで反射されずに境界面ＩＦを通過し、射出部２３のうち、奥側（＋ｘ側）の部分２３ｈにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ１は、入射部２１側に戻される角度が相対的に大きくなっている。
【００５７】
一方、射出面１１ａの他端側（＋ｘ側）から射出された画像光ＧＬ２は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、最小反射角θ２で平面２２ａの領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（もしくは光学素子３０）との境界面ＩＦで反射されずに境界面ＩＦを通過し、射出部２３のうち、入口側（−ｘ側）の部分２３ｍにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ２は、入射部２１側に戻される角度が相対的に小さくなっている。
【００５８】
なお、画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２で示す３本の光線成分は、画像光ＧＬの光線全体の一部を代表して説明したものであるが、画像光ＧＬを構成する他の光線成分についても画像光ＧＬ０等の光線成分と同様に導かれ、光射出面ＯＳから射出される。そのため、これらについては図示および説明を省略する。
【００５９】
ここで、入射部２１および平行導光体２２に用いられる透明樹脂材料の屈折率ｎの値の一例として、ｎ＝１．４とすると、臨界角θｃの値はθｃ≒４５．６°となる。画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の反射角θ０，θ１，θ２のうち、最小である反射角θ２を臨界角θｃよりも大きな値とすることにより、必要な画像光について全反射条件を満たすものとすることができる。
【００６０】
中央向けの画像光ＧＬ０は、仰角φ０（＝９０°−θ０）で射出部２３の部分２３ｋに入射する。周辺向けの画像光ＧＬ１は、仰角φ１（＝９０°−θ１）で射出部２３の部分２３ｈに入射する。周辺向けの画像光ＧＬ２は、仰角φ２（＝９０°−θ２）で射出部２３の部分２３ｍに入射する。ここで、仰角φ０，φ１，φ２間には、反射角θ０，θ１，θ２の大小関係を反映して、φ２＞φ０＞φ１の関係が成り立っている。すなわち、光学素子３０のミラー３１への入射角ι（図４参照）は、仰角φ２に対応する部分２３ｍ、仰角φ０に対応する部分２３ｋ、仰角φ１に対応する部分２３ｈの順で徐々に小さくなる。換言すれば、ミラー３１への入射角ιもしくはミラー３１での反射角は、入射部２１から離れるに従って小さくなる。
【００６１】
平行導光体２２の外界側の平面２２ａで反射されて射出部２３に向かう画像光ＧＬの光線束の全体的な挙動について説明する。
図３に示すように、画像光ＧＬの光線束は、光軸ＡＸを含む断面において、平行導光体２２の外界側の領域ＦＲで反射される前後の直進光路Ｐ１，Ｐ２のいずれかで幅が絞られる。具体的には、画像光ＧＬの光線束は、光軸ＡＸを含む断面において、領域ＦＲ近辺、つまり直進光路Ｐ１，Ｐ２の境界付近で直進光路Ｐ１，Ｐ２に跨るような位置で全体として幅が絞られてビーム幅が細くなっている。これにより、画像光ＧＬの光線束を射出部２３の手前で絞ることになり、横方向の視野角を比較的広くすることが容易になる。なお、図示の例では、画像光ＧＬの光線束が直進光路Ｐ１，Ｐ２に跨るような位置で幅が絞られてビーム幅が細くなっているが、直進光路Ｐ１，Ｐ２のいずれか片側のみで幅が絞られてビーム幅が細くなってもよい。
【００６２】
（光学素子の構成）
以下、射出部２３を構成する光学素子３０の構成について説明する。
図４は、本実施形態の光学素子３０の拡大図である。
射出部２３は、平行導光体２２の視認側の面に設けられた光学素子３０で構成されている。したがって、射出部２３は、平行導光体２２と同様、光軸ＡＸに対して角度κだけ傾いたＸＹ平面に沿って設けられている。
【００６３】
図４に示すように、光学素子３０は、複数のミラー３１と、透光性部材３２と、を備えている。複数のミラー３１は、間隔をおいて互いに平行に設けられ、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの一部を反射させる。透光性部材３２は、第１透光性部材３２１と、第２透光性部材３２２と、を有する。
【００６４】
本実施形態において、第１透光性部材３２１は、第２透光性部材３２２と一体で形成されている。第１透光性部材３２１は、複数のミラー３１の隣り合う２つのミラー３１の間に介在する。第２透光性部材３２２は、第１透光性部材３２１に対して、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの射出側に設けられている。すなわち、第２透光性部材３２２は、複数のミラー３１の下端を覆うように設けられている。
【００６５】
透光性部材３２は、断面形状が矩形状の板状部材である。したがって、透光性部材３２は、ＸＹ平面に平行に延び、互いに平行な一対の平面を有している。これら一対の平面のうち、一方の平面が画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを入射させる入射面３２ａであり、他方の平面が画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを射出させる射出面３２ｂである。第１透光性部材３２１は、平行導光体２２を介して画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを入射させる入射面３２ａを備える。第２透光性部材３２２は、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを観察者側に射出させる射出面３２ｂを備える。
【００６６】
すなわち、第１透光性部材３２１および第２透光性部材３２２のうち、一方の透光性部材（第１透光性部材３２１）の他方の透光性部材（第２透光性部材３２２）とは反対側の面は、平行導光体２２を介して画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを入射させる入射面３２ａである。また、他方の透光性部材（第２透光性部材３２２）の一方の透光性部材（第１透光性部材３２１）とは反対側の面は、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを観察者側に射出させる射出面３２ｂである。
【００６７】
第１透光性部材３２１は、第２透光性部材３２２と同じ屈折率である。また、射出面３２ｂは、入射面３２ａと平行である。透光性部材３２は、例えば透明樹脂、ガラス等により構成されている。
【００６８】
透光性部材３２の入射面３２ａもしくは射出面３２ｂの法線方向から光学素子３０を見ると、細い帯状の複数のミラー３１がストライプ状に並べられた構造となる。すなわち、光学素子３０は、複数の矩形状のミラー３１が平行導光体２２の延びる方向、すなわち、Ｘ方向に所定の間隔（ピッチＰＴ）をおいて配列された構成を有する。
【００６９】
ミラー３１は、透光性部材３２の内部に設けられた反射膜で構成されている。反射膜は、例えば銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）等の金属材料で構成されている。あるいは、反射膜は、屈折率が互いに異なる複数種の誘電体が積層された誘電体多層膜で構成されていてもよい。複数のミラー３１の各々は、それぞれミラー３１の入射面３２ａ側の端部が導光装置２０の入射部２１側を向くように傾斜している。より具体的には、ミラー３１は、平行導光体２２の外界側に向かって反射面３１ｒが入射部２１側を向くように傾斜している。すなわち、ミラー３１は、ミラー３１の長辺（Ｙ方向）を軸として、平面２２ａ，２２ｂに直交するＹＺ面を基準として上端（＋Ｚ側）が反時計周りに回転する方向に傾斜している。複数のミラー３１の各々は、それぞれ入射面３２ａ側の端部が導光装置２０の入射部２１側に近づく方向に傾斜している。
【００７０】
図５は、ミラー３１に用いられる金属材料の分光反射率を示すグラフである。
図５の横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は反射率（％）である。符号ＡＧのグラフは銀の分光反射率を示し、符号ＡＬのグラフはアルミニウムの分光反射率を示し、符号ＣＲのグラフはクロムの分光反射率を示す。
【００７１】
図５に示すように、波長３５０〜８００ｎｍの光に対して、銀は８２〜９９％の反射率、アルミニウムは８６〜９０％の反射率、クロムは６３〜７０％の反射率をそれぞれ示す。従来の光学素子においては、外界光を透過させ、外界像の観察を容易にする観点から、例えば１０〜５０％程度の反射率を有するハーフミラーが用いられていた。これに対し、本実施形態の光学素子３０では、従来の光学素子よりも高い反射率を有するミラー３１が用いられている。このように、複数のミラー３１の各々の反射率は６０％以上、１００％未満である。
【００７２】
以下、ミラー３１の反射面３１ｒと透光性部材３２の入射面３２ａとのなす角度をミラー３１の傾斜角度δと定義する。本実施形態において、ミラー３１の傾斜角度δは、４５°以上、９０°未満である。本実施形態では、透光性部材３２の屈折率と平行導光体２２の屈折率とは等しいが、これらの屈折率は異なっていてもよい。屈折率が異なる場合、屈折率が等しい場合に対してミラー３１の傾斜角度δを変更する必要がある。
【００７３】
複数のミラー３１の各々は、平行導光体２２の観察者側面２２ｂを基準として時計回りで例えば４８°〜７０°程度の傾斜角度δをなし、具体的には例えば６０°の傾斜角度δをなしている。ここで、画像光ＧＬ０の仰角φ０が例えば３０°に設定され、画像光ＧＬ１の仰角φ１が例えば２２°に設定され、画像光ＧＬ２の仰角φ２が例えば３８°に設定されている。この場合、図３に示すように、画像光ＧＬ１と画像光ＧＬ２とは、光軸ＡＸを基準として角度γ１＝γ２≒１２．５°をなして観察者の眼ＥＹに入射する。
【００７４】
これにより、上記画像光ＧＬのうち、全反射角度の比較的大きい成分（画像光ＧＬ１）を射出部２３のうちの−ｘ側の部分２３ｈ側に主に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分（画像光ＧＬ２）を射出部２３のうちの＋ｘ側の部分２３ｍ側に主に入射させた場合において、画像光ＧＬを全体として観察者の眼ＥＹに集めるような角度で効率的に取り出すことができる。すなわち、平行導光体２２から光学素子３０の入射面３２ａに対して比較的大きな入射角（比較的小さな仰角）で入射する画像光ＧＬを平行導光体２２から効率良く取り出すことができる。光学素子３０はこのような角度で画像光ＧＬを取り出す構成であるため、導光装置２０は、画像光ＧＬを光学素子３０において原則として複数回経由させず、１回だけ経由させることができる。これにより、画像光ＧＬを少ない損失で虚像光として取り出すことができる。
【００７５】
なお、隣り合うミラー３１の間のピッチＰＴは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度に設定される。ミラー３１間のピッチＰＴは、厳密には等間隔でなく、可変ピッチで配置されている。より具体的には、ミラー３１のピッチＰＴは、基準間隔を中心としてランダムに増減するランダムなピッチとなっている。このように、ミラー３１をランダムなピッチで配置することにより、回折ムラやモアレの発生を抑制することができる。なお、ランダムなピッチに限らず、例えば複数段階で増減するピッチを含む所定のピッチパターンを繰り返すものであってもよい。
【００７６】
光学素子３０の厚さＴＩは、０．７ｍｍ〜３．０ｍｍ程度に設定される。光学素子３０を支持する平行導光体２２の厚みは、例えば数ｍｍ〜１０ｍｍ程度、好ましくは４ｍｍ〜６ｍｍ程度となっている。平行導光体２２の厚みが光学素子３０の厚みに比較して十分大きいと、光学素子３０または境界面ＩＦへの画像光ＧＬの入射角を小さくしやすく、画像光ＧＬが眼ＥＹに取り込まれない位置にあるミラー３１での反射を抑えやすい。一方、平行導光体２２の厚みを比較的薄くすると、平行導光体２２や導光装置２０の軽量化を図りやすくなる。
【００７７】
ミラー３１の入射面３２ａ側の端部（上端）が傾斜している側の透光性部材３２の端部を第１端部３２ｅとし、第１端部３２ｅと反対側の透光性部材３２の端部を第２端部３２ｆとする。複数のミラー３１は、第１ミラー３１１と、第１ミラー３１１よりも第２端部３２ｆに近い側に設けられ、第１ミラー３１１よりも幅が狭い第２ミラー３１２と、を含んでいる。より具体的には、本実施形態では、複数のミラー３１が設けられた全ての領域において、複数のミラー３１の幅は、第１ミラー３１１が配置された側（第１端部３２ｅ側）から第２ミラー３１２が配置された側（第２端部３２ｆ側）に向かって順次狭くなっている。また、複数のミラー３１の各々の一端（上端）は、入射面３２ａに接している。なお、本明細書では、ミラー３１の幅Ｍを、光学素子３０の厚さ方向におけるミラー３１の上端と下端との間の寸法と定義する。したがって、第２ミラー３１２の幅Ｍ２は、第１ミラー３１１の幅Ｍ１よりも狭い（Ｍ２＜Ｍ１）。また、第２ミラー３１２の幅Ｍ２は、第２ミラー３１２に隣り合うミラー３１と第２ミラー３１２との間のピッチＰＴよりも小さい。
【００７８】
（光学素子の作用）
図１１は、ミラー３１の反射率と画像光ＧＬの取り出し効率との関係を示すグラフである。
グラフの横軸は反射率（％）であり、縦軸は取り出し効率（％）である。
符号Ｎ１のグラフは画像光ＧＬがミラー３１を１枚透過した場合を示し、符号Ｎ２のグラフは画像光ＧＬがミラー３１を２枚透過した場合を示し、符号Ｎ３のグラフは画像光ＧＬがミラー３１を３枚透過した場合を示し、符号Ｎ４のグラフは画像光ＧＬがミラー３１を４枚透過した場合を示し、符号Ｎ５のグラフは画像光ＧＬがミラー３１を５枚透過した場合を示し、符号Ｎ６のグラフは画像光ＧＬがミラー３１を６枚透過した場合を示している。
【００７９】
光学素子３０の入射面３２ａに対する画像光ＧＬの入射角に応じて、画像光ＧＬが透過するミラー３１の数が変化する。具体的には、光学素子３０の入射面３２ａに対する画像光ＧＬの入射角が大きくなる程、画像光ＧＬが透過するミラー３１の数が多くなる。
【００８０】
図１１に示すように、画像光ＧＬが透過するミラー３１の数が多くなる程、取り出し効率は低下する。ただし、画像光ＧＬが透過するミラー３１の数に係わらず、取り出し効率はミラー３１の反射率の増大に伴って高くなり、反射率を１００％としたときに取り出し効率を最も高めることができる。したがって、特に画像光ＧＬが大きい入射角で入射するミラー３１からの取り出し効率を考慮した場合、ミラー３１の反射率を１００％とすることが望ましい。
【００８１】
ここで、本発明者は、幅が一定の複数のミラーを備えた比較例の光学素子を想定し、比較例の光学素子について光線追跡シミュレーションを行った。
比較例の光学素子において、ミラーの反射率は１００％であり、複数のミラーの隣り合うミラー間のピッチはミラーの幅よりも小さい。
【００８２】
図１０は、比較例の光学素子１３０の断面図である。
図１０に示すように、比較例の光学素子１３０において、複数のミラー１３１の幅Ｍ４は一定であり、複数のミラー１３１の幅Ｍ４と光学素子１３０の厚さＴＩとは等しい。この場合、光学素子１３０の入射面１３２ａに対して相対的に小さい入射角で入射する画像光ＧＬ２は、第１端部１３２ｅに近い側のミラー１３１で反射し、射出面１３２ｂから射出される。
【００８３】
これに対し、光学素子１３０の入射面１３２ａに対して相対的に大きい入射角で入射する画像光ＧＬ１は、第１端部１３２ｅから遠い側のミラー１３１で反射するが、その隣のミラー１３１で再度反射し、他の画像光ＧＬ０，ＧＬ２とは異なる方向に進む。このように、画像光ＧＬ１は、一つのミラー１３１で反射した後に隣のミラー１３１で遮られ、観察者の眼ＥＹの方向には導かれない。
【００８４】
図１２は、比較例の光学素子１３０において、全面が白の画像を表示したときの明るさプロファイルを示すグラフである。
グラフの横軸は画像内の位置であり、縦軸は画像光の強度（相対値）である。
図１２の符号Ｈ１のグラフに示すように、比較例の光学素子１３０においては、画像内の特定の位置での光強度が極端に低くなる、すなわち、著しく光強度が低下した暗部が生じる。これは、図１０に示したように、光学素子１３０の入射面１３２ａに対して相対的に大きい入射角で入射する画像光ＧＬ１が観察者の眼ＥＹの方向に導かれないことに起因している。
【００８５】
画像光ＧＬ１が一つのミラー１３１で反射しても隣のミラー１３１で遮られ、観察者の眼ＥＹの方向に導かれないという現象は、ミラー１３１のピッチＰＴを広げることによって改善することができる。ところが、ミラー１３１のピッチＰＴを広げた場合、図１２の符号Ｈ２のグラフに示すように、暗部の発生は改善されるが、光学素子１３０内の位置によって、光強度は増大、減少を周期的に繰り返し、明暗の縞状の明るさムラが発生することが判った。
【００８６】
これに対して、本実施形態の光学素子３０によれば、以下の作用、効果が得られる。
図４に示すように、本実施形態の光学素子３０においては、入射面３２ａに対して相対的に小さい入射角で入射する画像光ＧＬ２は、第１端部３２ｅに近い側のミラー３１で反射し、射出面３２ｂから射出される。また、入射面３２ａに対して相対的に大きい入射角で入射する画像光ＧＬ１は、第１端部３２ｅから遠い側のミラー３１で反射し、射出面３２ｂから射出される。すなわち、本実施形態の光学素子３０においては、比較例の光学素子１３０と異なり、第１端部３２ｅから遠い側のミラー３１の幅が第１端部３２ｅに近い側のミラー３１の幅よりも狭いため、一つのミラー３１で反射した画像光ＧＬ１が隣のミラー３１で遮られにくい。
【００８７】
本発明者は、光線追跡シミュレーションを行い、本実施形態の光学素子３０を用いた表示装置における射出光の分布を求めた。
光線追跡シミュレーションにおけるミラー３１の幅の一例として、図４の最も左側の第１ミラー３１１の幅Ｍ１を、光学素子３０の厚さＴＩの５７％とした。図４の最も右側の第２ミラー３１２の幅Ｍ２を、光学素子３０の厚さＴＩの１４％とした。各ミラー３１の反射率は、１００％とした。
【００８８】
ここで、外界光ＥＬの透過率は、透光性部材３２に占めるミラー３１の面積に依存するため、瞳ＥＹの位置により変化する。図３に示した瞳ＥＹの位置において、上記の幅を有するミラー３１を備えた本実施形態の光学素子３０についてシミュレーションを行った結果、外界光ＥＬの透過率は７１％であった。
【００８９】
図６は、射出光分布の光線追跡シミュレーションの結果を示す図である。
図６に示すように、第１端部３２ｅに近い側のミラー３１で反射した画像光ＧＬだけでなく、第１端部３２ｅから遠い側のミラー３１で反射した画像光ＧＬも射出面３２ｂから射出され、観察者の眼ＥＹの方向に導かれることが判った。
【００９０】
図７は、本実施形態の光学素子３０を用いた表示装置１００において、全面が白の画像を表示したときの明るさプロファイルを示すグラフである。
グラフの横軸は画像内の位置であり、縦軸は画像光の強度（相対値）である。
【００９１】
図７に示すように、光学素子３０内の位置によって、光強度は増大、減少を周期的に繰り返しているが、図１２の符号Ｈ２のグラフと比べて、光強度の変動幅が小さくなっている。このように、本実施形態の光学素子３０によれば、明暗の縞状の明るさムラが改善され、明るさムラが観察者に見えにくくなっていることが確認された。
【００９２】
図８は、ミラー３１の反射率と画像の明るさとの関係を示すグラフである。
グラフの横軸は反射率（％）であり、縦軸はミラーの反射率を３０％としたときの画像の明るさを１としたときの画像の明るさの比率である。すなわち、画像の明るさは表示パネルの輝度に比例するため、各点の画像の明るさを、ミラーの幅が一定の比較例の光学素子においてミラーの反射率を３０％としたときの画像の明るさを基準として規格化した。
【００９３】
グラフ中の６個の点のうち、反射率が１０％、２０％、３０％、４０％、５０％の各点は比較例の光学素子１３０における明るさ比率を示し、反射率が１００％の点は本実施形態の光学素子３０における明るさ比率を示す。
【００９４】
比較例の光学素子１３０においては、外界光ＥＬの透過率はミラー１３１の反射率だけで決まる。そのため、外界光ＥＬの透過率を７０％にするためには、ミラー１３１の反射率を３０％にしなければならない。これに対し、本実施形態の光学素子３０においては、上述したように、反射率を１００％としたときに外界光ＥＬの透過率は７１％であり、明るさ比率は１．８である。すなわち、本実施形態の光学素子３０によれば、外界光ＥＬの透過率を比較例の光学素子１３０と同等としたときに、比較例の光学素子１３０の約１．８倍の明るさを有する画像を得ることができる。
【００９５】
このように、本実施形態の光学素子３０を用いた表示装置１００によれば、画像の暗部や縞状の明るさムラを改善しつつ、明るい画像を得ることができる。また、第１透光性部材３２１と第２透光性部材３２２とは一体に形成されて同じ屈折率であり、射出面３２ｂと入射面３２ａとは平行である。そのため、第１透光性部材３２１と第２透光性部材３２２との屈折率が異なる界面が存在せず、外界光の光路の曲がりを略なくすことができる。その結果、外界像の拡大、フォーカスズレ等を低減することができる。
【００９６】
以下、本実施形態の光学素子３０の製造方法の一例を説明する。
図９Ａ〜図９Ｃは、光学素子３０の製造プロセスの各工程を示す図である。
図９Ａに示すように、断面形状が楔状に凹んだ複数の溝４９ｍを有する型４９を準備する。このとき、複数の溝４９ｍの深さｄは、溝４９ｍの配列方向の一方から他方に向けて順次深くなっている。型４９の形状を樹脂材料からなる板体に転写することによって、断面形状が楔状に突出した複数の凸部４２ｔを有する透光性部材４２を作製する。
【００９７】
次に、図９Ｂに示すように、凸部４２ｔの傾斜面４２ｔｂに銀、アルミニウム、クロム等の金属膜を成膜することにより、ミラー３１を形成する。このとき、マスク等を用いて金属膜を凸部４２ｔの傾斜面４２ｔｂに選択的に成膜すればよい。
【００９８】
次に、図９Ｃに示すように、透光性部材４２の凸部４２ｔが形成された側の面に樹脂材料を供給し、凸部４２ｔを埋め込む。この状態で樹脂材料を硬化させ、樹脂層４３ｓを形成することにより、透光性部材３２の内部に幅が異なる複数のミラー３１が形成された本実施形態の光学素子３０が完成する。
図９Ｃの工程で用いる樹脂材料として、図９Ａの工程で用いる樹脂材料と同じ屈折率を持つ樹脂材料を用いることが望ましいが、図９Ａの工程で用いる樹脂材料と異なる屈折率を持つ樹脂材料を用いてもよい。また、透光性部材３２として必ずしも樹脂材料を用いなくてもよく、例えばガラス等を用いてもよい。もしくは、樹脂材料とガラスとを組み合わせてもよい。
【００９９】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１３を用いて説明する。
第２実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、光学素子の構成が第１実施形態と異なる。したがって、表示装置の説明を省略し、光学素子について説明する。
図１３は、第２実施形態の光学素子の断面図である。
図１３において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１００】
第１実施形態の光学素子３０においては、透光性部材３２のうち、隣り合う２つのミラー３１の間に介在する第１透光性部材３２１と、複数のミラー３１の下端を覆う第２透光性部材３２２と、が一体に構成されていた。これに対し、図１３に示すように、第２実施形態の光学素子４０においては、透光性部材のうち、隣り合う２つのミラー４１の間に介在する第１透光性部材４２と、第１透光性部材４２に対して画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの射出側に設けられた第２透光性部材４３とは、別体で形成されている。以下、複数のミラー４１と第１透光性部材４２とで構成される部分を反射部材４５と称し、反射部材４５の射出側に設けられ、複数のミラー４１の下端を覆う第２透光性部材４３をカバー部材４６と称する。すなわち、第２実施形態の光学素子４０は、反射部材４５と、カバー部材４６と、を備える。
【０１０１】
反射部材４５は、複数のミラー４１と、隣り合う２つのミラー４１の間に介在する複数の第１透光性部材４２と、を備える。第１実施形態と同様、複数のミラー４１の幅は、第１端部４０ｅから第２端部４０ｆに向かって順次狭くなっている。また、複数のミラー４１の各々の反射率は６０％以上、１００％未満である。第１透光性部材４２の各々は、断面形状が略平行四辺形の柱状の部材である。個々の第１透光性部材４２の一面が画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを入射させる入射面４２ａである。すなわち、第１透光性部材４２の第２透光性部材４３とは反対側の面は、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを入射させる入射面４２ａである。
【０１０２】
カバー部材４６は、断面形状が楔状の第２透光性部材４３で構成されている。カバー部材４６は、カバー部材４６の板厚が厚い側が反射部材４５の板厚が薄い側と重なり、カバー部材４６の板厚が薄い側が反射部材４５の板厚が厚い側と重なる向きに、光学接着材４８を介して固定されている。カバー部材４６の観察者側の平坦面が、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを射出させる射出面４６ｂである。すなわち、第２透光性部材４３の第１透光性部材４２とは反対側の面は、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを観察者側に射出させる射出面４６ｂである。
【０１０３】
反射部材４５の第１透光性部材４２とカバー部材４６を構成する第２透光性部材４３とは、屈折率が同一の材料を用いてもよいし、屈折率が異なる材料を用いてもよい。
【０１０４】
第１透光性部材４２と第２透光性部材４３とに屈折率が同一の材料が用いられた場合、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの入射面４２ａと射出面４６ｂとは平行になるように形成される。これにより、外界光ＥＬの光路の曲がりをなくすことができ、外界像の拡大、フォーカスズレ等を低減することができる。
【０１０５】
もしくは、第１透光性部材４２と第２透光性部材４３とに互いに屈折率が異なる材料が用いられた場合、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの射出面４６ｂは、入射面４２ａに対して傾斜するように形成される。この場合には、互いに屈折率が異なる第１透光性部材４２と第２透光性部材４３との界面において外界光ＥＬの光路が曲がる。しかし、入射面４２ａに対する射出面４６ｂの傾斜角度を適切に調整することにより、外界光ＥＬの光路の曲がりを補償することができる。これにより、結果的に外界光ＥＬの光路の曲がりを小さくすることができ、外界像の拡大、フォーカスズレ等を低減することができる。
【０１０６】
光学素子４０は、反射部材４５が平行導光体２２側を向き、カバー部材４６が観察者側を向くように、平行導光体２２に固定されている。これにより、複数のミラー４１の各々の一端は、入射面４２ａに接している。
【０１０７】
本実施形態の光学素子４０を製造する際には、第１実施形態で説明した製造方法に代えて、例えば第１透光性部材４２とミラー４１とが交互に積層された積層体を作製した後、積層体を断面形状が楔形となるように切り出すことにより、反射部材４５を作製する。別途、断面形状が楔状のカバー部材４６を作製し、反射部材４５とカバー部材４６とを光学接着材４８で接着することにより、光学素子４０を製造することができる。光学接着材４８は、第１透光性部材４２および第２透光性部材４３の少なくとも一方の屈折率と同じ屈折率を有するものを用いる。
【０１０８】
本実施形態の光学素子４０によれば、画像の暗部や縞状の明るさムラを改善しつつ、明るい画像が得られる表示装置を実現できる、外界像の拡大やフォーカスズレ等を低減することができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０９】
また、本実施形態の光学素子４０を製造する際には、複数のミラー４１と複数の第１透光性部材４２とからなる反射部材４５と、第２透光性部材４３からなるカバー部材４６とを別個に作製することができる。これにより、光学素子４０の製造を容易にすることができる。特に第２透光性部材４３の作製が容易になるため、外界光ＥＬの光路の曲がりを補償しやすくなる。
【０１１０】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１４を用いて説明する。
第３実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、光学素子の構成が第１実施形態と異なる。したがって、表示装置の説明を省略し、光学素子について説明する。
図１４は、第３実施形態の光学素子５０の断面図である。
図１４において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１１１】
第１実施形態の光学素子３０においては、複数のミラー３１の幅が第１端部３２ｅから第２端部３２ｆに向かって順次狭くなっていた。これに対し、図１４に示すように、第３実施形態の光学素子５０においては、複数のミラー５１の幅が透光性部材５２の第１端部５２ｅから第２端部５２ｆに向かって単調には狭くなっていない。
【０１１２】
すなわち、複数のミラー５１のうち、符号ＥＶ１で示す領域に属する複数のミラー５１の幅は同一である。符号ＥＶ２で示す領域においては、左端のミラー５１から右端（第２端部側）のミラー５１に向かってミラー５１の幅が順次狭くなっている。言い換えると、領域ＥＶ２においては、右端のミラー５１から左端のミラー５１に向けてミラー５１の幅が一定の割合で広がっており、領域ＥＶ１においては、領域ＥＶ２の割合のままで幅が広がったミラーを仮想すると、実際のミラー５１はその仮想ミラーよりも幅が狭くなっている。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【０１１３】
本実施形態の光学素子５０によれば、画像の暗部や縞状の明るさムラを改善しつつ、明るい画像が得られる表示装置を実現することができる、外界像の拡大やフォーカスズレ等を低減することができる、といった第１、第２実施形態と同様の効果が得られる。
【０１１４】
ミラーの幅が広い側の領域において、画像光は高効率で取り出せたとしても、外界光は、入射面に対して垂直に近い方向から入射するため、幅広のミラーに遮られて透過しにくく、高効率で取り出すことが難しい。その点、本実施形態の光学素子５０によれば、領域ＥＶ１の複数のミラー５１の幅が同一であり、上記の仮想ミラーに対して幅が狭くなっているため、外界光ＥＬの透過率を高めることができる。これにより、本実施形態の光学素子５０によれば、明るい外界像を見ることができる。
【０１１５】
［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図１５、図１６を用いて説明する。
第４実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、光学素子の構成が第１実施形態と異なる。したがって、表示装置の説明を省略し、光学素子について説明する。
図１５は、第４実施形態の光学素子６０の断面図である。
図１５において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１１６】
図１５に示すように、第４実施形態の光学素子６０は、第２実施形態の光学素子４０と同様、反射部材４５と、カバー部材４６と、を備える。第４実施形態の光学素子６０においては、カバー部材４６を構成する第２透光性部材４３は、第１透光性部材４２に対して画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの入射側に設けられている。すなわち、光学素子６０は、第２実施形態の光学素子４０とは逆に、カバー部材４６が平行導光体２２側を向き、反射部材４５が観察者側を向くように、平行導光体２２に固定されている。これにより、複数のミラー４１の各々の一端は、射出面４５ｂに接している。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【０１１７】
本実施形態の光学素子６０によれば、画像の暗部や縞状の明るさムラを改善しつつ、明るい画像が得られる表示装置を実現することができる、外界像の拡大やフォーカスズレ等を低減することができる、といった第１〜第３実施形態と同様の効果が得られる。
【０１１８】
本発明者は、光線追跡シミュレーションを行い、第４実施形態の光学素子６０の効果を実証した。
図１６は、第４実施形態の光学素子６０を用いた表示装置において、全面が白の画像を表示したときの明るさプロファイルを示すグラフである。
グラフの横軸は画像内の位置であり、縦軸は画像光の強度（相対値）である。符号Ｈ４のグラフは第２実施形態の光学素子４０のシミュレーション結果を示し、符号Ｈ５のグラフは第４実施形態の光学素子６０のシミュレーション結果を示している。
【０１１９】
図１６に示すように、第４実施形態の光学素子６０においても、図１２のグラフＨ２で示した比較例の光学素子１３０に比べて、明暗の縞状の明るさムラが改善され、明るさムラが観察者に見え難くなっていることが確認された。また、符号Ｈ５のグラフで示す第４実施形態の光学素子６０においては、符号Ｈ４のグラフで示す第２実施形態の光学素子４０と比べて、光強度は若干低下するものの、位置による明るさの均一性は向上することが確認された。
【０１２０】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、光学素子を構成する複数のミラーにわたって、一方のミラーから他方のミラーに向けてミラーの幅が順次狭くなっている例、もしくは、ミラーの幅が全体的には一方から他方に向けて狭くなっているが、一部の領域では幅が一定である例を挙げたが、さらに幅が逆に広がっている領域を一部含んでいてもよい。また、各実施形態の構成を適宜組み合わせることも可能である。例えば第２透光性部材が第１透光性部材に対して画像光および外界光の入射側に設けられる構成において、第２透光性部材と第１透光性部材とを一体に形成してもよい。
【０１２１】
その他、光学素子および表示装置に構成する各構成要素の数、形状、材料等の各部の具体的な構成については、上記実施形態に限ることなく、適宜変更が可能である。例えば画像形成装置として、上記の有機ＥＬ素子の他、液晶表示素子、レーザー光源とＭＥＭＳスキャナーとの組合せ等を用いてもよい。
【符号の説明】
【０１２２】
１０…画像形成装置、２０…導光装置、３０，４０，５０，６０…光学素子、３１，４１，５１…ミラー、３２，５２…透光性部材、３２ａ，４２ａ…入射面、３２ｂ，４５ｂ，４６ｂ…射出面、３２ｅ，４０ｅ…第１端部、３２ｆ，４０ｆ…第２端部、４２，３２１…第１透光性部材、４３，３２２…第２透光性部材、１００…表示装置、３１１…第１ミラー、３１２…第２ミラー、ＧＬ，ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２…画像光、ＥＬ…外界光。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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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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