(57)【要約】【課題】縞状のムラが視認されることを低減できる表示装置を提供する。また、縞状のムラが視認されることを低減できる照明装置を提供する。【解決手段】本発明の表示装置は、画像光を射出する画像形成装置と、画像形成装置から射出された画像光を導光する導光体と、画像光を導光体に入射させる入射部と、画像光を導光体から射出させる射出部と、を備える。射出部は複数のハーフミラーを有する。複数のハーフミラーは、ハーフミラーに対するＳ偏光成分の反射率が相対的に高い複数の第１ハーフミラーと、Ｐ偏光成分の反射率が相対的に高い複数の第２ハーフミラーとを含む。第１ハーフミラーと第２ハーフミラーとは、複数のハーフミラーの配列方向において交互に配置され、画像形成装置は、画像光をハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を含む偏光状態の光として射出する。【選択図】図１
2018205448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を射出する画像形成装置と、
前記画像形成装置から射出された前記画像光を導光する導光体と、
前記画像光を前記導光体に入射させる入射部と、
前記画像光を前記導光体から射出させる射出部と、を備え、
前記射出部は、間隔をおいて互いに平行となるように設けられ、前記画像光および外界光の一部を反射させ、前記画像光および前記外界光の他の一部を透過させる複数のハーフミラーを有し、
前記複数のハーフミラーは、前記ハーフミラーに対するＳ偏光成分の反射率が前記ハーフミラーに対するＰ偏光成分の反射率に比べて相対的に高い複数の第１ハーフミラーと、前記Ｐ偏光成分の反射率が前記Ｓ偏光成分の反射率に比べて相対的に高い複数の第２ハーフミラーとを含み、
前記第１ハーフミラーと前記第２ハーフミラーとは、前記複数のハーフミラーの配列方向において交互に配置され、
前記画像形成装置は、前記画像光を前記ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を含む偏光状態の光として射出する
ことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記画像形成装置は、前記画像光を射出するパネル部と、前記パネル部の光射出側に設けられる射出側偏光板と、を有し、
前記射出側偏光板の透過軸の方向は、前記ハーフミラーに入射する前記画像光の偏光面の向きが前記ハーフミラーに対するＳ偏光面及びＰ偏光面の向きのいずれとも異なるように設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記画像形成装置は、前記画像光を射出するパネル部と、前記パネル部の光射出側に設けられる射出側偏光板と、前記射出側偏光板から射出された光が入射する第１の位相差板と、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】
前記第１の位相差板は、１／２波長板である
ことを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
【請求項５】
前記第１の位相差板は、１／４波長板である
ことを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
【請求項６】
前記画像形成装置は、前記画像光として直線偏光を射出するレーザー光源を有し、
前記レーザー光源は、前記ハーフミラーに入射する前記画像光の偏光面の向きが前記ハーフミラーに対するＳ偏光面及びＰ偏光面の向きと異なるように、設置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項７】
前記画像形成装置は、前記画像光として直線偏光を射出するレーザー光源と、前記レーザー光源から射出された前記画像光が入射する第２の位相差板と、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項８】
前記第２の位相差板は、１／２波長板である
ことを特徴とする請求項７に記載の表示装置。
【請求項９】
前記第２の位相差板は、１／４波長板である
ことを特徴とする請求項７に記載の表示装置。
【請求項１０】
前記画像形成装置は、前記前記画像光の光束径を拡大させる光線束拡大素子を有し、
前記光線束拡大素子は、一方向に沿って延伸する複数の凸部からなる格子パターンを含む回折素子から構成されており、
前記画像光は、前記複数の凸部の延伸方向に沿って振動する光として前記光線束拡大素子に入射する
ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項１１】
照明光を射出する光源装置と、
前記光源装置から射出された前記照明光を導光する導光体と、
前記照明光を前記導光体に入射させる入射部と、
前記照明光を前記導光体から射出させる射出部と、を備え、
前記射出部は、間隔をおいて互いに平行となるように設けられ、前記照明光および外界光の一部を反射させ、前記照明光および前記外界光の他の一部を透過させる複数のハーフミラーを有し、
前記複数のハーフミラーは、前記ハーフミラーに対するＳ偏光成分の反射率が前記ハーフミラーに対するＰ偏光成分の反射率に比べて相対的に高い複数の第１ハーフミラーと、前記Ｐ偏光成分の反射率が前記Ｓ偏光成分の反射率に比べて相対的に高い複数の第２ハーフミラーとからなり、
前記第１ハーフミラーと前記第２ハーフミラーとは、前記複数のハーフミラーの配列方向において交互に配置され、
前記光源装置は、前記照明光を前記ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を含む偏光状態の光として射出するように構成される
ことを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置及び照明装置に関するものである。
【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、光源と、第１ミラー、第１光偏向手段、第２ミラー、および第２光偏向手段を備えた走査手段と、を備え、第２光偏向手段から射出された光を観察者の瞳に導く画像表示装置が開示されている。特許文献１には、第２光偏向手段を構成する複数の半透過膜の各々が、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分のうち、いずれか一方の偏光成分を反射し、他方の偏光成分を透過させることが記載されている。
【０００４】
下記の特許文献２には、光透過性を有する基板と、マルチミラーからなる偏向光学部と、を有する画像表示光学系を備えた画像表示装置が開示されている。特許文献２には、マルチミラーは基板の法線に対して傾斜した複数の微小反射面を有していること、および、入射光の偏光状態に応じて微小反射面を最適に設計することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−００８３５６号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０８８３８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１および特許文献２に記載の画像表示装置は、全ての半透過膜もしくは微小反射面が同一の反射特性を有することを前提としている。これらの画像表示装置においては、複数の半透過膜のパターン、もしくはマルチミラーのストライプパターンに起因して表示画像に縞状のムラが視認される課題があった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、縞状のムラが視認されること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、縞状のムラが視認されることを低減できる照明装置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】
本発明の第１態様に従えば、画像光を射出する画像形成装置と、前記画像形成装置から射出された前記画像光を導光する導光体と、前記画像光を前記導光体に入射させる入射部と、前記画像光を前記導光体から射出させる射出部と、を備え、前記射出部は、間隔をおいて互いに平行となるように設けられ、前記画像光および外界光の一部を反射させ、前記画像光および前記外界光の他の一部を透過させる複数のハーフミラーを有し、前記複数のハーフミラーは、前記ハーフミラーに対するＳ偏光成分の反射率が前記ハーフミラーに対するＰ偏光成分の反射率に比べて相対的に高い複数の第１ハーフミラーと、前記Ｐ偏光成分の反射率が前記Ｓ偏光成分の反射率に比べて相対的に高い複数の第２ハーフミラーとを含み、前記第１ハーフミラーと前記第２ハーフミラーとは、前記複数のハーフミラーの配列方向において交互に配置され、前記画像形成装置は、前記画像光を前記ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を含む偏光状態の光として射出する表示装置が提供される。
【０００９】
第１態様に係る表示装置によれば、ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を所定の比率で含む偏光状態の画像光が生成されるので、第１ハーフミラーからの反射光の強度と第２ハーフミラーからの反射光の強度とを等しくできる。よって、導光体から射出される反射光の強度プロファイルに差が生じないので、縞状のムラを視認され難くできる。したがって、観察者はムラの無い均一性の高い画像光を視認することができる。
【００１０】
上記態様において、前記画像形成装置は、前記画像光を射出するパネル部と、前記パネル部の光射出側に設けられる射出側偏光板と、を有し、前記射出側偏光板の透過軸の方向は、前記ハーフミラーに入射する前記画像光の偏光面の向きが前記ハーフミラーに対するＳ偏光面及びＰ偏光面の向きのいずれとも異なるように設定されているのが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を所定の比率で含む偏光状態の画像光を生成することができる。
【００１２】
上記態様において、前記画像形成装置は、前記画像光を射出するパネル部と、前記パネル部の光射出側に設けられる射出側偏光板と、前記射出側偏光板から射出された光が入射する第１の位相差板と、を有するのが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、射出側偏光板の透過軸に対する第１の位相差板の光学軸の角度を調整することで、第１の位相差板を透過した画像光の偏光面の向きを調整することができる。
【００１４】
上記態様において、前記第１の位相差板は、１／２波長板であるのが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、射出側偏光板の透過軸に対する第１の位相差板の光学軸の角度を調整することで、第１の位相差板を透過した画像光の偏光面を任意に調整することができる。よって、ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を所定の比率で含む偏光状態の画像光を生成することができる。
【００１６】
上記態様において、前記第１の位相差板は、１／４波長板であるのが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、射出側偏光板の透過軸に対する第１の位相差板の光学軸の角度を４５度に設定することで、第１の位相差板を透過した画像光を円偏光に変換することができる。ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を同じ比率で含む偏光状態の画像光を生成できる。
【００１８】
上記態様において、前記画像形成装置は、前記画像光として直線偏光を射出するレーザー光源を有し、前記レーザー光源は、前記ハーフミラーに入射する前記画像光の偏光面の向きが前記ハーフミラーに対するＳ偏光面及びＰ偏光面の向きと異なるように、設置されているのが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、レーザー光源の設置向きを調整することで画像光の偏光面を任意に調整することができる。
【００２０】
上記態様において、前記画像形成装置は、前記画像光として直線偏光を射出するレーザー光源と、前記レーザー光源から射出された前記画像光が入射する第２の位相差板と、を有するのが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、画像光の偏光面と第１の位相差板の光学軸との角度を調整することで、第１の位相差板を透過した画像光の偏光面を任意に調整することができる。よって、ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を含む偏光状態の画像光を生成することができる。
【００２２】
上記態様において、前記第２の位相差板は、１／２波長板であるのが好ましい。
【００２３】
この構成によれば、画像光の偏光面と第１の位相差板の光学軸との角度を調整することで、第１の位相差板を透過した画像光の偏光面を任意に調整することができる。よって、ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を所定の比率で含む偏光状態の画像光を生成することができる。
【００２４】
上記態様において、前記第２の位相差板は、１／４波長板であるのが好ましい。
【００２５】
この構成によれば、画像光の偏光面と第２の位相差板の光学軸とが４５度をなすように配置することで、第２の位相差板を透過した画像光を円偏光に変換することができる。ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を同じ比率で含む偏光状態の画像光を生成できる。
【００２６】
上記態様において、前記画像形成装置は、前記前記画像光の光束径を拡大させる光線束拡大素子を有し、前記光線束拡大素子は、一方向に沿って延伸する複数の凸部からなる格子パターンを含む回折素子から構成されており、前記画像光は、前記複数の凸部の延伸方向に沿って振動する光として前記光線束拡大素子に入射するのが好ましい。
【００２７】
この構成によれば、画像形成装置において光線束拡大素子を用いる場合に、回折素子に入射する画像光の偏光方向が最適化される。そのため、回折素子によって画像光の光束径を良好に拡大できる。よって、観察者の眼の位置が変化したとしても画像光を入射させることができるので、観察者は視野に欠けの生じない良好な画像を視認することができる。
【００２８】
本発明の第２態様に従えば、照明光を射出する光源装置と、前記光源装置から射出された前記照明光を導光する導光体と、前記照明光を前記導光体に入射させる入射部と、前記照明光を前記導光体から射出させる射出部と、を備え、前記射出部は、間隔をおいて互いに平行となるように設けられ、前記照明光および外界光の一部を反射させ、前記照明光および前記外界光の他の一部を透過させる複数のハーフミラーを有し、前記複数のハーフミラーは、前記ハーフミラーに対するＳ偏光成分の反射率が前記ハーフミラーに対するＰ偏光成分の反射率に比べて相対的に高い複数の第１ハーフミラーと、前記Ｐ偏光成分の反射率が前記Ｓ偏光成分の反射率に比べて相対的に高い複数の第２ハーフミラーとからなり、前記第１ハーフミラーと前記第２ハーフミラーとは、前記複数のハーフミラーの配列方向において交互に配置され、前記光源装置は、前記照明光を前記ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を含む偏光状態の光として射出するように構成されることを特徴とする照明装置が提供される。
【００２９】
第２態様に係る照明装置によれば、ハーフミラーに対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を所定の比率で含む偏光状態の画像光が生成されるので、第１ハーフミラーからの反射光の強度と第２ハーフミラーからの反射光の強度とを等しくできる。よって、導光体から射出される反射光の強度プロファイルに差が生じないので、縞状のムラを視認され難くできる。したがって、観察者はムラの無い均一性の高い画像光を視認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態の表示装置の平面図。
【図２】導光装置の裏面図。
【図３】導光装置における画像光の光路を示す図。
【図４】光学素子の構成を示す図。
【図５】第１ハーフミラーの反射・透過特性を示すグラフ。
【図６】第２ハーフミラーの反射・透過特性を示すグラフ。
【図７】従来の光学素子の第１の作用を説明するための図。
【図８】画像光の偏光面の向きを示す図。
【図９】第１実施形態の光学素子の第１の作用を説明するための図。
【図１０】従来の光学素子の第２の作用を説明するための図。
【図１１】第１実施形態の光学素子の第２の作用を説明するための図。
【図１２】第２実施形態の画像形成装置の構成を示す図。
【図１３】１／２波長板による効果について説明するための図。
【図１４】１／４波長板による効果を説明するための図。
【図１５】第４変形例に係る液晶表示装置の概略構成を示す図。
【図１６】第３実施形態の画像形成装置の構成を示す図。
【図１７】第４実施形態の表示装置の概略構成を示す図。
【図１８】光線分割素子の構成を示す断面図及び光線分割素子を通過する光線図。
【図１９】光線分割素子における光の偏光方向と回折機能との関係を示す説明図。
【図２０】第５変形例に係る光線分割素子の構成を示す図。
【図２１】第６変形例に係る光線分割素子の構成を示す図。
【図２２】第５実施形態に係る照明装置の概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００３２】
（第１実施形態）
図１は、本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。なお、図１は、図２に示す導光装置のＡ−Ａ断面と対応する。本実施形態の表示装置は、例えばヘッドマウントディスプレイとして用いられるものである。
【００３３】
以下、図面においてＸＹＺ座標系を用いる。Ｘ方向は表示装置を装着する観察者の前後方向に相当し、Ｙ方向は観察者の左右方向に相当し、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向に直交する方向であり、観察者の上下方向に相当する。本実施形態において、−Ｙ方向を左方向（左側）、＋Ｙ方向を右方向（右側）、＋Ｘ方向を前方向（前方又は前側）、−Ｘ方向を後方向（後方又は後側）と称すこともある。
【００３４】
（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、配置が左右対称であって構成は同一である。そのため、ここでは左眼用の装置のみを示し、右眼用の装置については図示を省略する。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。
【００３５】
画像形成装置１０は、液晶表示装置１１と、投射レンズ１２とを備える。本実施形態において、液晶表示装置１１は、バックライト１１ｄと、液晶パネル１１ａと、液晶パネル１１ａの光入射側に設けられる入射側偏光板１１ｂと、液晶パネル１１ａの光射出側に設けられる射出側偏光板１１ｃとを有している。
【００３６】
バックライト１１ｄは、例えば、白色光を射出する光源である。液晶パネル１１ａは、一対の透明な基板間に挟持された液晶層を有する。液晶パネル１１ａはカラーフィルターが設けられた複数の画素を備えている。入射側偏光板１１ｂと射出側偏光板１１ｃとは、例えばクロスニコル配置（互いの透過軸が９０度をなす配置）となるように配置されている。
【００３７】
このような構成に基づき、液晶表示装置１１は、バックライト１１ｄの光を液晶パネル１１ａの各画素にて選択的に透過させることで所定の画像光ＧＬを形成する。射出側偏光板１１ｃを透過して射出された画像光ＧＬは直線偏光となる。
【００３８】
投射レンズ１２は、液晶パネル１１ａ上の各画素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ある。投射レンズ１２は、ガラスまた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としては、球面レンズに限らず、非球面レンズ、自由曲面レンズ等が用いられてもよい。
【００３９】
導光装置２０は、平板状の光透過部材からなる。導光装置２０は、画像形成装置１０で形成された画像光ＧＬを虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出する一方、外界像を構成する外界光（シースルー光）ＥＬを透過させて観察者の眼ＥＹに導く。導光装置２０は、画像光ＧＬを取り込む入射部２１と、主に画像光ＧＬを導光させる導光体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。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。本実施形態の場合、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。
【００４０】
導光体２２は、観察者の眼ＥＹを基準とする光軸ＡＸに対して傾いて配置されている。導光体２２の平面２２ａの法線方向（後述するＸ’方向）は、光軸ＡＸに対して角度κだけ傾いている。これにより、導光体２２を顔の前面に沿って配置でき、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、導光体２２の平面２２ａの法線方向を光軸ＡＸに平行なＸ’方向に対して角度κだけ傾ける場合、後述の光学素子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の法線方向（Ｘ’方向）に対して角度κをなす。
【００４１】
なお、図３及び後述する図４においては、ＸＹＺ座標系と合わせて、別のＸ’Ｙ’Ｚ’座標系も用いることもある。Ｘ’方向は導光体２２の平面２２ａの法線方向に相当し、Ｚ’方向は鉛直方向に相当し、Ｙ’方向はＸ’方向及びＺ’方向にそれぞれ直交する方向に相当する。なお、Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系のＸ’方向及びＹ’方向とはＸＹＺ座標系におけるＸ軸及びＹ軸をそれぞれＺ軸の周りに半時計回りに回転させた軸であり、Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系のＺ’方向とＸＹＺ座標系におけるＺ方向とは一致する。
【００４２】
入射部２１は、画像形成装置１０からの画像光ＧＬを入射部２１の内部に取り込む光入射面ＩＳと、取り込んだ画像光ＧＬを反射して導光体２２の内部に導く反射面ＲＳと、を有する。光入射面ＩＳは、投射レンズ１２側に凹の曲面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。
【００４３】
反射面ＲＳは、投射レンズ１２側に凹の曲面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。
【００４４】
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を導光体２２の内部に確実に導く。
【００４５】
導光体２２は、Ｚ軸に対して平行、かつＹ軸に対して傾斜した平板状の導光部材である。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が生じることがない。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、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する。
【００４６】
観察者側に位置する平面２２ｂは、射出部２３の一端まで延びている。ここで、平面２２ｂは、導光体２２と射出部２３との境界面ＩＦである（図３参照）。
【００４７】
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＋Ｙ’側に導かれる。図２に示すように、導光体２２は、導光装置２０の外形のうち、＋Ｙ’側の端面として終端面ＥＳを有する。また、導光体２２は、±Ｚ側の端面として上端面ＴＰおよび下端面ＢＰを有する。
【００４８】
図３に示すように、射出部２３は、導光体２２の奥側（＋Ｙ’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、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、光透過性を有する複数のハーフミラー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、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が上記構造を有するので、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で複数回の反射によって光路が折り曲げられ、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。＋Ｘ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、ＹＺ平面内において、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において適度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、観察者は画像光ＧＬによる虚像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（＋Ｙ’側）には、観察者側の平面２２ｂ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（−Ｙ’側）には、平面２２ｂ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ＧＬの光路について詳しく説明する。
図３に示すように、液晶パネル１１ａからそれぞれ射出される画像光のうち、破線で示す中央部分から射出される成分を画像光ＧＬ０とし、１点鎖線で示す液晶パネル１１ａの周辺のうち、紙面左側（−Ｙ側）から射出される成分を画像光ＧＬ１とし、２点鎖線で示す液晶パネル１１ａの周辺のうち、紙面右側（＋Ｙ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、液晶パネル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、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Ｙ’Ｚ’面に対して傾いた光軸ＡＸ方向（Ｘ’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】
液晶パネル１１ａの一端側（−Ｙ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、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（＋Ｙ’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、液晶パネル１１ａの他端側（＋Ｙ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、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（−Ｙ’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、他の画像光ＧＬを構成する光線成分についても画像光ＧＬ０等と同様に導かれ、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のハーフミラー３１への入射角は、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、ハーフミラー３１への入射角もしくはハーフミラー３１での反射角は、入射部２１から離れるにつれて小さくなる。
【００６１】
ここで、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、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）
続いて、光学素子３０の構成について説明する。
図４は光学素子３０の構成を示す図である。
図４に示すように、光学素子３０は、複数のハーフミラー３１と、複数の透光性部材３２と、を備えている。複数のハーフミラー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、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの他の一部を透過させる。透光性部材３２は、複数のハーフミラー３１の隣り合う２つのハーフミラー３１の間に介在する。すなわち、光学素子３０は、複数の透光性部材３２が、隣り合う２つの透光性部材３２の間にそれぞれハーフミラー３１を挟持した構成を有する。換言すると、光学素子３０は、ハーフミラー３１と透光性部材３２とが交互に配置された構成を有する。
【００６３】
透光性部材３２は、長手方向に垂直な断面形状が平行四辺形の柱状の部材である。したがって、透光性部材３２は、長手方向に平行に延び、互いに平行な一対の平面を２組有している。これら２組の一対の平面のうち、一方の組の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、一方の組の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。また、他方の組の一方の平面に、ハーフミラー３１が設けられている。透光性部材３２は、例えばガラス、透明樹脂等により構成されている。
【００６４】
複数の透光性部材３２は、全て同じ形状、同じ寸法に構成されている。そのため、一対の透光性部材３２とハーフミラー３１からなる組を複数貼り合わせると、複数のハーフミラー３１は、例えば、等しいピッチで互いに平行に配置された形態となる。なお、複数のハーフミラー３１は、例えば、ピッチを可変させた可変ピッチで互いに平行に配置された形態であってもよい。図４では図示を省略するが、ハーフミラー３１の一方の面と隣り合う透光性部材３２との間には、接着材層が設けられている。これにより、光学素子３０は、全体として矩形板状の部材となる。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、細い帯状の複数のハーフミラー３１がストライプ状に並べられた構造となる。光学素子３０は、矩形状のハーフミラー３１が導光体２２の延びる方向、すなわちＹ’方向に所定の間隔（ピッチＰＴ）をおいて複数配列された構成を有する。
【００６５】
ハーフミラー３１は、透光性部材３２間に挟まれた反射膜で構成されている。反射膜として、例えば屈折率が異なる複数の誘電体薄膜が交互に積層された誘電体多層膜で構成されている。ハーフミラー３１は、ハーフミラー３１の短辺が透光性部材３２の入射面３２ａおよび射出面３２ｂに対して傾斜して設けられている。より具体的には、ハーフミラー３１は、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。換言すると、ハーフミラー３１は、ハーフミラー３１の長辺（Ｚ’方向）を軸として、平面２２ａ，２２ｂに直交するＸ’Ｚ’面を基準として上端（＋Ｘ’側）が反時計周りに回転する方向に傾斜している。すなわち、複数のハーフミラー３１の各々は、それぞれ入射面３２ａおよび射出面３２ｂに対して傾斜して配置されている。
【００６６】
以下、ハーフミラー３１の反射面３１ｒと透光性部材３２の射出面３２ｂとのなす角度をハーフミラー３１の傾斜角度δと定義する。本実施形態において、ハーフミラー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ハーフミラー３１の傾斜角度δを変更する必要がある。
【００６７】
本実施形態において、複数のハーフミラー３１は、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬに含まれる所定の偏光成分、具体的には、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分に対する反射率が互いに異なる第１ハーフミラー３１Ａと第２ハーフミラー３１Ｂとからなる。
具体的に本実施形態において、複数のハーフミラー３１は、第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂを複数ずつ有している。また、第１ハーフミラー３１Ａと第２ハーフミラー３１Ｂとは、複数のハーフミラー３１の配列方向（Ｙ’方向）において、交互に配置されている。
【００６８】
図５は、第１ハーフミラー３１Ａの反射・透過特性を示すグラフである。図５において、横軸は波長［ｎｍ］であり、縦軸は反射率［％］および透過率［％］である。
図５に示すように、第１ハーフミラー３１Ａにおいては、波長４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲にわたって、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ１が概ね２５〜３０％の範囲にあり、Ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ１が概ね７０〜７５％の範囲にあり、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ１が概ね０％であり、Ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ１が概ね１００％である。このような特性を有する第１ハーフミラー３１Ａは、例えば膜厚１７６ｎｍのＡｌ２Ｏ３、膜厚２４ｎｍのＴｉＯ２、膜厚５６ｎｍのＡｌ２Ｏ３、膜厚１０８ｎｍのＴｉＯ２の誘電体多層膜によって構成される。
【００６９】
図６は、第２ハーフミラー３１Ｂの反射・透過特性を示すグラフである。図６において、横軸は波長［ｎｍ］であり、縦軸は反射率［％］および透過率［％］である。
図６に示すように、第２ハーフミラー３１Ｂにおいては、波長４５０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲にわたって、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ２が概ね０〜５％の範囲にあり、Ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ２が概ね９０〜９５％の範囲にあり、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ２が概ね３０％であり、Ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ２が概ね６５％である。このような特性を有する第２ハーフミラー３１Ｂは、例えば膜厚１９０ｎｍのＡｌ２Ｏ３、膜厚４８ｎｍのＴｉＯ２、膜厚１５ｎｍのＡｇ、膜厚４２ｎｍのＴｉＯ２、膜厚２５ｎｍのＡｌ２Ｏ３の誘電体多層膜と金属膜との積層膜によって構成される。
【００７０】
ここで、説明を簡単にするために、第１ハーフミラー３１Ａにおいては、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ１をＲｓ１＝０．３（３０％）とし、Ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ１をＴｓ１＝０．７（７０％）とし、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ１をＲｐ１＝０（０％）とし、Ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ１を１（１００％）とする。第２ハーフミラー３１Ｂにおいては、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ２をＲｓ２＝０（０％）とし、Ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ２をＴｓ２＝１（１００％）とし、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ２をＲｐ２＝０．３（３０％）とし、Ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ２をＴｐ２＝０．７（７０％）とする。
【００７１】
第１ハーフミラー３１Ａに対するＳ偏光成分の反射率Ｒｓ１とＰ偏光成分の反射率Ｒｐ１との平均値を第１ハーフミラー３１Ａの平均反射率Ｒ１とする。また、第２ハーフミラー３１Ｂに対するＳ偏光成分の反射率Ｒｓ２とＰ偏光成分の反射率Ｒｐ２との平均値を第２ハーフミラー３１Ｂの平均反射率Ｒ２とする。第１ハーフミラー３１Ａの平均反射率Ｒ１及び第２ハーフミラー３１Ｂの平均反射率Ｒ２はともに１５％である。
【００７２】
第１ハーフミラー３１Ａは、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ１が平均反射率Ｒ１よりも高く（Ｒｓ１＞Ｒ１）、かつ、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ１が平均反射率Ｒ１よりも低い（Ｒｐ１＜Ｒ１）。すなわち、第１ハーフミラー３１Ａは、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ１がＰ偏光成分の反射率Ｒｐ１に比べて相対的に高くなっている、と換言できる。
【００７３】
また、第２ハーフミラー３１Ｂは、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ２が平均反射率Ｒ２よりも低く（Ｒｓ２＜Ｒ２）、かつ、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ２が平均反射率Ｒ２よりも高い（Ｒｐ２＞Ｒ２）。すなわち、第２ハーフミラー３１Ｂは、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ２がＳ偏光成分の反射率Ｒｓ２に比べて相対的に高くなっている、と換言できる。
【００７４】
なお、隣り合うハーフミラー３１（第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂ）の間のピッチＰＴは、０．１ｍｍ〜２．０ｍｍ程度に設定される。ハーフミラー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、光学素子３０におけるハーフミラー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ピッチとなっている。このように、光学素子３０におけるハーフミラー３１をランダム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。
【００７５】
光学素子３０の厚み、すなわち、ハーフミラー３１のＺ軸方向の厚みＴＩは、例えば、０．７ｍｍ〜３．０ｍｍ程度に設定される。光学素子３０を支持する導光体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。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ハーフミラー３１での反射を抑えやすい。一方、導光体２２の厚みを比較的薄くすると、導光体２２や導光装置２０の軽量化を図りやすくなる。
【００７６】
図７は、従来の光学素子１３０の第１の作用を説明するための図である。
図７に示すように、従来の光学素子１３０においては、複数のハーフミラー１３１の反射特性は、全てのハーフミラー１３１にわたって同一である。ハーフミラー１３１に対するＰ偏光成分の反射率ＲｐをＲｐ＝０（０％）とし、Ｓ偏光成分の反射率ＲｓをＲｓ＝０．３（３０％）とする。また、ハーフミラー１３１に対するＰ偏光成分の透過率ＴｐをＴｐ＝１００（１００％）とし、Ｓ偏光成分の透過率ＴｓをＴｓ＝０．７（７０％）とする。
【００７７】
ここで、画像光ＧＬが２枚のハーフミラー１３１を通過するように光学素子１３０に入射する場合を考える。
【００７８】
本実施形態の画像形成装置１０から射出される画像光ＧＬは、射出側偏光板１１ｃを透過することで直線偏光となっている。以下の説明では、例えば、画像光ＧＬがＳ偏光成分として第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂを通過するように入射する場合を考える。なお、画像光ＧＬがＰ偏光成分として入射する場合、第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂで反射が起こらないため、画像光ＧＬがＰ偏光成分の場合については考慮しない。
【００７９】
画像光ＧＬが最初に入射するハーフミラー１３１を第１ハーフミラー１３１Ａと称し、第１ハーフミラー１３１Ａを透過した画像光ＧＬが次に入射するハーフミラー１３１を第２ハーフミラー１３１Ｂと称する。第１ハーフミラー１３１Ａで反射して観察者の眼に導かれる画像光ＧＲ１の強度をＩＡとし、第２ハーフミラー１３１Ｂで反射して観察者の眼に導かれる画像光ＧＲ２の強度をＩＢとする。以下、各ハーフミラー１３１で反射して観察者の眼に導かれる画像光ＧＬを各ハーフミラー１３１からの反射光と称する。
【００８０】
元の画像光ＧＬの強度を１としたとき、第１ハーフミラー１３１Ａからの反射光である画像光ＧＲ１の強度ＩＡは、第１ハーフミラー１３１Ａで反射したＳ偏光成分の強度Ｉｓ１となり、ＩＡ＝Ｉｓ１＝０．３と表される。なお、Ｐ偏光成分は第１ハーフミラー１３１Ａで反射されないため、第１ハーフミラー１３１Ａで反射したＰ偏光成分の強度Ｉｐは０となる。
【００８１】
また、第２ハーフミラー１３１Ｂからの反射光である画像光ＧＲ２の強度ＩＢは、第１ハーフミラー１３１Ａを透過した後、第２ハーフミラー１３１Ｂで反射したＳ偏光成分の強度Ｉｓ２となり、ＩＢ＝Ｉｓ２＝Ｔｓ×Ｒｓ＝０．７×０．３＝０．２１と表される。なお、Ｐ偏光成分は第２ハーフミラー１３１Ｂで反射されないため、第２ハーフミラー１３１Ｂで反射したＰ偏光成分の強度Ｉｐは０となる。
以上より、隣り合う２つのハーフミラーからの反射光の強度差ｄは、ｄ＝｜ＩＡ−ＩＢ｜＝０．０９となる。
【００８２】
このように、従来の光学素子１３０においては、第１ハーフミラー１３１Ａからの反射光と第２ハーフミラー１３１Ｂからの反射光とで強度が異なっている。そのため、従来の光学素子１３０では、射出面１３０ｂにおいて反射光の強度プロファイルに差が生じ、縞状のムラが視認されるという問題があった。
【００８３】
一方、本実施形態の光学素子３０においては、上述したように、第１ハーフミラー３１Ａと第２ハーフミラー３１Ｂとを交互に配置している。また、第１ハーフミラー３１Ａにおいて、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ１が０．３であり、Ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ１が０．７であり、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ１が０であり、Ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ１が１である。第２ハーフミラー３１Ｂにおいて、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ２が０であり、Ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ２が１であり、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ２が０．３であり、Ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ２が０．７である。
【００８４】
画像光ＧＬは、上述のように直線偏光であるため、画像光ＧＬは第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂに対してＳ偏光成分又はＰ偏光成分の光として入射することもあり得る。
【００８５】
例えば、画像光ＧＬが第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂに対するＳ偏光成分の光として入射する場合を考える。この場合、第１ハーフミラー３１Ａからの反射光の強度ＩＡは、第１ハーフミラー３１Ａで反射したＳ偏光成分の強度Ｉｓ１となり、ＩＡ＝Ｉｓ１＝０．３と表される。また、第２ハーフミラー３１Ｂからの反射光の強度ＩＢは、第１ハーフミラー３１Ａを透過した後、第２ハーフミラー３１Ｂで反射したＳ偏光成分の強度Ｉｓ２となり、ＩＢ＝Ｉｓ２＝０と表される。したがって、各ハーフミラー３１Ａ，３１Ｂからの反射光の強度差ｄは、ｄ＝｜ＩＡ−ＩＢ｜＝０．３となる。
【００８６】
同様に、画像光ＧＬが第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂに対するＰ偏光成分の光として入射する場合を考える。この場合、画像光ＧＬは全て第１ハーフミラー３１Ａを透過するので、画像光ＧＬの強度を１としたとき、第１ハーフミラー３１Ａからの反射光の強度ＩＡは０と表される。また、第２ハーフミラー３１Ｂからの反射光の強度ＩＢは、第１ハーフミラー３１Ａを透過した後、第２ハーフミラー３１Ｂで反射したＳ偏光成分の強度Ｉｓ２となり、ＩＢ＝Ｉｓ２＝０．３と表される。つまり、各ハーフミラー３１Ａ，３１Ｂからの反射光の強度差ｄは、ｄ＝｜ＩＡ−ＩＢ｜＝０．３となる。
【００８７】
以上のように、画像光ＧＬが、隣り合う二つの第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂに対する直線偏光（Ｐ偏光又はＳ偏光）として入射してしまうと、第１ハーフミラー３１Ａからの反射光の強度と第２ハーフミラー３１Ｂからの反射光の強度との間に差が生じてしまう。
【００８８】
このように第１ハーフミラー３１Ａからの反射光と第２ハーフミラー３１Ｂからの反射光との間に強度差が生じると、射出面３２ｂにおいて反射光の強度プロファイルに差が生じ、縞状のムラが視認されてしまう。
【００８９】
そこで、本実施形態の画像形成装置１０では、画像光ＧＬをハーフミラー３１に対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を含む偏光状態の光として射出している。具体的に、本実施形態の画像形成装置１０は、射出側偏光板１１ｃの透過軸の方向を、ハーフミラー３１（第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂ）に入射する画像光ＧＬの偏光面の向きがハーフミラー３１に対するＳ偏光面及びＰ偏光面の向きのいずれとも異なるように設定している。
【００９０】
図８は画像光ＧＬの偏光面の向きを示す図である。なお、図８では、画像形成装置１０から射出された画像光ＧＬの偏光面の向きを示す。図８に示すように、ハーフミラー３１に対するＰ偏光の偏光面Ｍｐ（以下、Ｐ偏光面Ｍｐと称す場合もある）と、ハーフミラー３１に対するＳ偏光の偏光面Ｍｓ（以下、Ｓ偏光面Ｍｓと称す場合もある）とは互いに直交している。
【００９１】
本実施形態の光学素子３０では、第１ハーフミラー３１ＡにおけるＳ偏光成分の反射率Ｒｓ１（０．３）と第２ハーフミラー３１ＢにおけるＰ偏光成分の反射率Ｒｐ２（０．３）とが等しい。
【００９２】
この光学素子３０において、第１ハーフミラー３１Ａによる反射光（Ｓ偏光成分）の強度と第２ハーフミラー３１Ｂによる反射光（Ｐ偏光成分）の強度とを等しくするには、画像光ＧＬがＰ偏光成分とＳ偏光成分とを同じ割合で含んだ光としてハーフミラー３１に入射すればよい。
【００９３】
具体的に、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを同じ割合で含む画像光ＧＬを生成するには、画像光ＧＬの偏光面がハーフミラー３１に対するＰ偏光面ＭｐとＳ偏光面Ｍｓとの間に位置していればよい。すなわち、図８に示すように、画像形成装置１０において、射出側偏光板１１ｃを透過した画像光ＧＬの偏光面ＧＭがＰ偏光面Ｍｐ又はＳ偏光面Ｍｓに対してなす角度θ１が４５度となるように、射出側偏光板１１ｃの透過軸の向きが設定されている。なお、射出側偏光板１１ｃの透過軸Ｔ１の向きは、射出側偏光板１１ｃを透過した画像光ＧＬの偏光面ＧＭの向きと同じである。
【００９４】
射出側偏光板１１ｃの透過軸Ｔ１の向きを調整する場合、射出側偏光板１１ｃとともに液晶パネル１１ａ及び入射側偏光板１１ｂを光軸ＡＸの周りに回転させるようにする。これにより、液晶パネル１１ａの配向方向と、入射側偏光板１１ｂの透過軸と、射出側偏光板１１ｃの透過軸との位置関係を保ったまま、ハーフミラー３１に入射する画像光ＧＬの偏光面の向きを調整することが可能となる。
【００９５】
このような構成に基づき、本実施形態の画像形成装置１０によれば、第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂに対して、ハーフミラー３１に対するＰ偏光成分及びＳ偏光成分を同じ割合で含む偏光状態の画像光ＧＬを入射させることができる。
【００９６】
図９は、光学素子３０の第１の作用を説明するための図である。
ここで、元の画像光ＧＬに含まれるＳ偏光成分及びＰ偏光成分の強度をそれぞれ１とすると、図９に示すように、第１ハーフミラー３１Ａからの反射光の強度ＩＡは、第１ハーフミラー３１Ａで反射したＰ偏光成分の強度Ｉｐ１とＳ偏光成分の強度Ｉｓ１との和となり、ＩＡ＝Ｉｐ１＋Ｉｓ１＝０＋０．３＝０．３と表される。
【００９７】
また、第２ハーフミラー３１Ｂからの反射光の強度ＩＢは、第１ハーフミラー３１Ａを透過した後、第２ハーフミラー３１Ｂで反射したＰ偏光成分の強度Ｉｐ２とＳ偏光成分の強度Ｉｓ２との和となり、ＩＢ＝Ｉｐ２＋Ｉｓ２＝＝１×０．３＋０．７×０＝０．３と表される。
【００９８】
つまり、各ハーフミラー３１Ａ，３１Ｂからの反射光の強度差ｄは、ｄ＝｜ＩＡ−ＩＢ｜＝０となる。このように、本実施形態の光学素子３０によれば、第１ハーフミラー３１Ａからの反射光の強度と第２ハーフミラー３１Ｂからの反射光の強度とを等しくすることができる。よって、射出面３２ｂから射出される反射光の強度プロファイルに差が生じないので、縞状のムラを視認され難くできる。したがって、観察者はムラの無い均一性の高い画像を視認することができる。
【００９９】
続いて、本実施形態の光学素子３０の第２の作用および効果について説明する。まず、本実施形態の光学素子３０の説明に先立ち、比較として従来の光学素子１３０について説明する。
【０１００】
図１０は、従来の光学素子１３０の第２の作用を説明するための図である。
図１０に示すように、従来の光学素子１３０においては、複数のハーフミラー１３１の反射特性は、全てのハーフミラー１３１にわたって同一であった。ハーフミラー１３１に対するＰ偏光成分の反射率ＲｐをＲｐ＝０（０％）とし、Ｓ偏光成分の反射率ＲｓをＲｓ＝０．３（３０％）とする。また、ハーフミラー１３１に対するＰ偏光成分の透過率ＴｐをＴｐ＝１（１００％）とし、Ｓ偏光成分の透過率ＴｓをＴｓ＝０．７（７０％）とする。
【０１０１】
ここで、外界光ＥＬが光学素子１３０の入射面１３０ａに垂直に入射する場合を考える。外界光ＥＬが最初に入射するハーフミラー１３１を第１ハーフミラー１３１Ａと称し、第１ハーフミラー１３１Ａで反射した外界光ＥＬが次に入射するハーフミラー１３１を第２ハーフミラー１３１Ｂと称する。第１ハーフミラー１３１Ａを透過して観察者の眼に導かれる透過光ＥＬ１の強度をＩＣとし、第１ハーフミラー１３１Ａで反射した後に第２ハーフミラー１３１Ｂで再度反射して観察者の眼に導かれる反射光ＥＬ２の強度をＩＧとする。なお、外界光ＥＬは無偏光であることから、ハーフミラー１３１に対するＰ偏光成分及びＳ偏光成分を含んでいる。
【０１０２】
元の外界光ＥＬの強度を１としたとき、第１ハーフミラー１３１Ａからの透過光ＥＬ１の強度ＩＣは、第１ハーフミラー１３１Ａを透過したＰ偏光成分の強度Ｉｐ１とＳ偏光成分の強度Ｉｓ１との和となり、ＩＣ＝Ｉｐ１＋Ｉｓ１＝Ｔｐ＋Ｔｓ＝１＋０．７＝１．７と表される。
【０１０３】
これに対し、第２ハーフミラー１３１Ｂからの反射光ＥＬ２の強度ＩＧは、第１ハーフミラー１３１Ａで反射した後、第２ハーフミラー１３１Ｂで反射したＰ偏光成分の強度Ｉｐ２とＳ偏光成分の強度Ｉｓ２との和となり、ＩＧ＝Ｉｐ２＋Ｉｓ２＝Ｒｐ×Ｒｐ＋Ｒｓ×Ｒｓ＝０×０＋０．３×０．３＝０．０９と表される。この場合、第１ハーフミラー１３１Ａに隣り合う第２ハーフミラー１３１Ｂから反射光が射出されるため、外界像が二重に見える現象（ゴースト）が発生する。ここで、ＩＧ／ＩＣの値をゴーストコントラストＣと定義すると、Ｃ＝０．０９／１．７＝０．０５３となる。
【０１０４】
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、第１ハーフミラー３１Ａと第２ハーフミラー３１Ｂとが交互に配置されている。また、例えば、第１ハーフミラー３１Ａにおいて、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ１を０．３、Ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ１を０．７、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ１を０、Ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ１を１とした。第２ハーフミラー３１Ｂにおいて、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ２を０、Ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ２を１、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ２を０．３、Ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ２を０．７とした。
【０１０５】
図１１は、本実施形態の光学素子３０の第２の作用を説明するための図である。
図１１に示すように、元の外界光ＥＬの強度を１としたとき、第１ハーフミラー３１Ａからの透過光ＥＬ１の強度ＩＣは、第１ハーフミラー３１Ａを透過したＰ偏光成分の強度Ｉｐ１とＳ偏光成分の強度Ｉｓ１との和となり、ＩＣ＝Ｉｐ１＋Ｉｓ１＝Ｔｐ１＋Ｔｓ１＝１＋０．７＝１．７と表される。また、第２ハーフミラー３１Ｂからの反射光の強度ＩＧは、第１ハーフミラー３１Ａで反射した後、第２ハーフミラー３１Ｂで反射したＰ偏光成分の強度Ｉｐ２とＳ偏光成分の強度Ｉｓ２との和となり、ＩＧ＝Ｉｐ２＋Ｉｓ２＝Ｒｐ１×Ｒｐ２＋Ｒｓ１×Ｒｓ２＝０×０．３＋０．３×０＝０と表される。すなわち、第１ハーフミラー３１Ａで反射した後、第２ハーフミラー３１Ｂで続けて反射された後に観察者の眼に導かれる光は存在しない。
【０１０６】
このように、本実施形態の光学素子３０においては、一つのハーフミラー３１に入射した外界光ＥＬの一部が反射して、隣り合うハーフミラー３１から射出されることを抑制できるため、外界像のゴーストを見えにくくすることができる。
【０１０７】
（第１変形例）
上記第１実施形態の説明では、光学素子３０として、ハーフミラー３１（第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂ）におけるＳ偏光成分の反射率Ｒｓ１とＰ偏光成分の反射率Ｒｐ２とが等しい場合を例に挙げて説明したが、反射率Ｒｓ１及び反射率Ｒｐ２は異なっていても良い。
【０１０８】
例えば、光学素子３０として、第１ハーフミラー３１Ａにおける反射率Ｒｓ１が第２ハーフミラー３１Ｂにおける反射率Ｒｐ２より小さいものを用いても良い。この光学素子３０を用いた場合において、第１ハーフミラー３１Ａによる反射光（Ｓ偏光成分）の強度と第２ハーフミラー３１Ｂによる反射光（Ｐ偏光成分）の強度とを等しくするためには、Ｐ偏光成分よりもＳ偏光成分を多く含む画像光ＧＬを生成すればよい。
【０１０９】
ここで、画像光ＧＬの偏光面とハーフミラー３１に対するＰ偏光面Ｍｐとがなす角度をθ１（図８参照）とすると、画像光ＧＬにおけるＳ偏光成分の光量とＰ偏光成分の光量との比はｓｉｎ２θ１：ｃｏｓ２θ１となる。よって、光学素子３０において、画像光ＧＬの偏光面ＧＭとＰ偏光面Ｍｐとがなす角度θ１を４５度よりも大きくするように、射出側偏光板１１ｃの透過軸Ｔ１の向きを設定することで、Ｐ偏光成分よりもＳ偏光成分を相対的に多く含む画像光ＧＬを生成できる。
【０１１０】
この画像光ＧＬによれば、相対的に反射率の低い第１ハーフミラー３１Ａに対するＳ偏光成分の光の入射量を増やしつつ、相対的に反射率の高い第２ハーフミラー３１Ｂに対するＰ偏光成分の光の入射量を抑えることができる。したがって、第１ハーフミラー３１Ａによる反射光（Ｓ偏光成分）の強度と第２ハーフミラー３１Ｂによる反射光（Ｐ偏光成分）の強度とを等しくできる。
【０１１１】
或いは、光学素子３０として、第１ハーフミラー３１Ａにおける反射率Ｒｓ１が第２ハーフミラー３１Ｂにおける反射率Ｒｐ２より大きいものを用いても良い。この光学素子３０を用いた場合において、第１ハーフミラー３１Ａによる反射光（Ｓ偏光成分）の強度と第２ハーフミラー３１Ｂによる反射光（Ｐ偏光成分）の強度とを等しくするためには、Ｓ偏光成分よりもＰ偏光成分を多く含む画像光ＧＬを生成すればよい。
【０１１２】
この場合、光学素子３０において、画像光ＧＬの偏光面とＰ偏光面Ｍｐとがなす角度θ１を４５度よりも小さくするように、射出側偏光板１１ｃの透過軸Ｔ１の向きを設定することで、Ｓ偏光成分よりもＰ偏光成分を相対的に多く含む画像光ＧＬを生成できる。
【０１１３】
この画像光ＧＬによれば、相対的に反射率の高い第１ハーフミラー３１Ａに対するＳ偏光成分の光の入射量を減らしつつ、相対的に反射率の低い第２ハーフミラー３１Ｂに対するＰ偏光成分の光の入射量を増やすことができる。したがって、第１ハーフミラー３１Ａによる反射光（Ｓ偏光成分）の強度と第２ハーフミラー３１Ｂによる反射光（Ｐ偏光成分）の強度とを等しくできる。
【０１１４】
（第２実施形態）
続いて、第２実施形態に係る表示装置について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは、画像形成装置の構成であり、それ以外の構成は共通である。そのため、第１実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
【０１１５】
図１２は本実施形態の画像形成装置の構成を示す図である。
図１２に示すように、本実施形態の画像形成装置１１０は、第１実施形態の画像形成装置１０の構成に加えて、位相差板１５をさらに備える点で異なる。なお、位相差板１５の配置位置は、画像光ＧＬの光路のうち射出側偏光板１１ｃと光学素子３０との間であればいずれでも構わない。
【０１１６】
本実施形態では、液晶表示装置１１における射出側偏光板１１ｃの外側に位相差板１５を配置した。具体的に、射出側偏光板１１ｃと位相差板１５とは後述のように角度を精度良く調整する必要があるため、位相差板１５を射出側偏光板１１ｃの近傍に配置するのが望ましい。
【０１１７】
ここで、第１実施形態の画像形成装置１０では、画像光ＧＬの偏光面を回転させるために射出側偏光板１１ｃの向きを調整する場合を例に挙げたが、装置構成の都合上、射出側偏光板１１ｃの向きを変更することが困難なこともあり得る。
【０１１８】
これに対し、本実施形態の画像形成装置１１０は、位相差板１５を用いることで画像光ＧＬの偏光面の向きを調整するようにした。具体的に、位相差板１５は画像光ＧＬの波長に対する１／２波長板で構成されている。位相差板１５の光学軸は、射出側偏光板１１ｃの透過軸と交差する。なお、位相差板５の光学軸は、位相差板５の進相軸もしくは遅相軸のいずれであってもよい。
【０１１９】
ここで、位相差板１５による効果について説明する。図１３は位相差板１５を光軸ＡＸ方向から視た図である。図１３に示すように、位相差板５の遅相軸５ａと射出側偏光板１１ｃの透過軸Ｔ１とのなす角度をθとすると、位相差板５から射出される画像光ＧＬの偏光面ＧＭ１は、射出側偏光板１１ｃを透過した直後の偏光面に対し２θだけ回転する。
【０１２０】
例えば、射出側偏光板１１ｃの透過軸Ｔ１の方向がＳ偏光成分に対応している場合、位相差板１５の遅相軸５ａを透過軸Ｔ１に対して時計回りに２２．５度傾けるように配置すると（θ＝２２．５度）、位相差板１５から射出される画像光ＧＬの偏光面ＧＭ１が４５度回転する。すなわち、第１実施形態の画像形成装置１０において、射出側偏光板１１ｃをＰ偏光面Ｍｐに対して４５度傾けた場合（図８参照）と同じ効果を得ることができる。
【０１２１】
したがって、本実施形態の画像形成装置１１０においても、第１実施形態の画像形成装置１０と同様の効果を得ることができる。また、位相差板１５を回転させることで画像光ＧＬの偏光面を簡便且つ確実に回転させることができる。よって、液晶表示装置１１側における光学軸の調整をする必要が無いので、画像形成装置２１０の組み立て性を向上させることができる。
【０１２２】
（第２変形例）
なお、上記第２実施形態の説明では、位相差板１５として、１／２波長板を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。
【０１２３】
例えば、１／２波長板からなる位相差板１５に代えて１／４波長板からなる位相差板を用いるようにしても良い。
以下、１／４波長板からなる位相差板１１５の効果について図１４を参照しながら説明する。
例えば、射出側偏光板１１ｃの透過軸Ｔ１がＳ偏光成分に対応している場合、位相差板１１５の遅相軸１１５ａを図１４に示すように透過軸Ｔ１に対して４５度の角度をなすように傾けると、位相差板１１５から射出される画像光ＧＬが円偏光に変換される。円偏光の画像光ＧＬはＰ偏光成分とＳ偏光成分とを同じ割合で含んだ偏光状態の光となる。
【０１２４】
したがって、本変形例のように位相差板１１５を用いる場合においても、第２実施形態の画像形成装置１１０と同様の効果を得ることができる。
【０１２５】
（第３変形例）
なお、上記第２実施形態及び第２変形例においては、ハーフミラー３１（第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂ）におけるＳ偏光成分の反射率Ｒｓ１とＰ偏光成分の反射率Ｒｐ２とが等しい場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。
【０１２６】
光学素子３０として、第１ハーフミラー３１Ａにおける反射率Ｒｓ１と第２ハーフミラー３１Ｂにおける反射率Ｒｐ２とが異なるものを用いても良い。
この光学素子３０を用いた場合において、第１ハーフミラー３１Ａによる反射光（Ｓ偏光成分）の強度と第２ハーフミラー３１Ｂによる反射光（Ｐ偏光成分）の強度とを等しくするには、相対的に反射率の低いハーフミラー３１に対応する偏光成分の光の入射量を増やしつつ、相対的に反射率の高いハーフミラー３１に対する偏光成分の光の入射量を抑えるように画像光ＧＬの偏光状態を制御すれば良い。
【０１２７】
例えば、上記第２変形例において、図１４に示した１／４波長板からなる位相差板１１５の遅相軸１１５ａが射出側偏光板１１ｃの透過軸Ｔ１に対してなす角度を４５度以外の角度に調整すれば、画像光ＧＬを楕円偏光に変換することができる。楕円偏光からなる画像光ＧＬは、その楕円形状に応じてＰ偏光成分とＳ偏光成分とを所定の割合で含んだ偏光状態の光となる。
【０１２８】
このように、第１ハーフミラー３１Ａの反射率Ｒｓ１と第２ハーフミラー３１Ｂの反射率Ｒｐ２とが異なる場合であっても、位相差板１１５の角度を適宜調整することで、相対的に反射率の低いハーフミラー３１に対応する偏光成分の光の入射量を増やしつつ、相対的に反射率の高いハーフミラー３１に対する偏光成分の光の入射量を抑える画像光ＧＬを生成することができる。
したがって、第１ハーフミラー３１Ａによる反射光（Ｓ偏光成分）の強度と第２ハーフミラー３１Ｂによる反射光（Ｐ偏光成分）の強度とを等しくすることができる。
【０１２９】
（第４変形例）
なお、上記実施形態及び変形例では、液晶パネル１１ａの光源としてバックライト１１ｄを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。
【０１３０】
図１５は第４変形例に係る液晶表示装置１１１の概略構成を示す図である。
図１５に示すように、本変形例の液晶表示装置１１１は、液晶パネル１１ａと、入射側偏光板１１ｂと、射出側偏光板１１ｃと、レーザー光源１１１ｄと、ビーム径拡大素子１１２と、ビーム整形素子１１３とを有している。
【０１３１】
レーザー光源１１１ｄは例えば一つのレーザー素子から構成される。レーザー光源１１１ｄから射出されるレーザー光ＬＡのビーム径は小さい。そのため、本変形例では、レーザー光ＬＡのビーム径をビーム径拡大素子１１２によって拡大している。
【０１３２】
ビーム径拡大素子１１２は、例えば、第１レンズ１１２ａと第２レンズ１１２ｂとから構成される。レーザー光ＬＡはビーム径拡大素子１１２を透過することで略液晶パネル１１ａの外形と同程度の大きさまでビーム径が拡大する。
【０１３３】
ビーム径拡大素子１１２によりビーム径が拡大されたレーザー光ＬＡは、ビーム整形素子１１３により放射角を拡げることで液晶パネル１１ａの外形に対応した形状に整形され、液晶パネル１１ａの画像形成領域の全体に入射する。これにより、画像光ＧＬのサイズを大きくすることができるので、観察者の眼の位置が変化したとしても画像光ＧＬが眼に入射し易くなる。そのため、観察者は視野に欠けの生じない良好な画像を視認することができる。
【０１３４】
なお、ビーム整形素子１１３としては、例えば、複数のマイクロレンズを用いた構成やホログラム等の微細形状からなる構成のものを例示できる。
【０１３５】
（第３実施形態）
続いて、第３実施形態に係る表示装置について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは、画像形成装置の構成であり、それ以外の構成は共通である。そのため、第１実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
【０１３６】
図１６は本実施形態の画像形成装置３１０の構成を示す図である。
図１６に示すように、本実施形態の画像形成装置３１０は、レーザー光源５１と、ピックアップ光学系５２と、導光光学系５３と、マイクロミラー型光変調装置５４とを備えている。
【０１３７】
本実施形態において、レーザー光源５１は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢを時分割で射出する。ピックアップ光学系５２は、レーザー光源５１から射出される光を平行化し、導光光学系５３へと導く。
【０１３８】
導光光学系５３は、反射ミラーから構成されている。導光光学系５３は、レーザー光源５１からの光を反射することでマイクロミラー型光変調装置５４に時分割で入射させる。
【０１３９】
マイクロミラー型光変調装置５４として、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が用いられる。ＤＭＤは、複数のマイクロミラー（可動反射素子）がマトリクス状に配列されたものである。ＤＭＤは、複数のマイクロミラーの傾き方向を切換えることにより、光の反射方向を、導光装置２０に入射する方向と導光装置２０に入射しない方向との間で切り替える。
【０１４０】
本実施形態のレーザー光源５１は、赤色光ＬＲを射出する第１レーザー素子５１Ｒ、緑色光ＬＧを射出する第２レーザー素子５１Ｇ、および青色光ＬＢを射出する第３レーザー素子５１Ｂを有する。これら第１〜第３レーザー素子５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂは、不図示の実装基板（不図示）に実装されている。
【０１４１】
このような構成に基づき、マイクロミラー型光変調装置５４は、レーザー光源５１から射出される赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢを順次変調し、赤色画像光Ｌｒ、緑色画像光Ｌｇ、および青色画像光Ｌｂを生成する。
【０１４２】
ところで、レーザー光源５１から射出される赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢは、直線偏光である。そのため、上記実施形態と同様に、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢの偏光面をハーフミラー３１に対するＰ偏光面とＳ偏光面との間に位置させる必要がある。
【０１４３】
ここで、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢの偏光面の向きは、第１〜第３レーザー素子５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂの射出面の向き、すなわち、第１〜第３レーザー素子５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂにおける実装基板に対する取付方向で決まる。
【０１４４】
本実施形態においても、上記実施形態と同様、第１ハーフミラー３１ＡにおけるＳ偏光成分の反射率Ｒｓ１と第２ハーフミラー３１ＢにおけるＰ偏光成分の反射率Ｒｐ２とが等しいものとする。
【０１４５】
例えば、本実施形態の画像形成装置３１０において、第１〜第３レーザー素子５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂの向きは、赤色画像光Ｌｒ、緑色画像光Ｌｇ、および青色画像光Ｌｂの偏光面（偏光方向）がｘｚ平面に対して４５度の角度をなすように、設定される。
【０１４６】
このようにすれば、第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂに対するＰ偏光成分及びＳ偏光成分を同じ割合で含む赤色画像光Ｌｒ、緑色画像光Ｌｇ、および青色画像光Ｌｂをそれぞれ生成することができる。
【０１４７】
上記説明では、第１〜第３レーザー素子５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂの取り付け方向によって赤色画像光Ｌｒ、緑色画像光Ｌｇ、および青色画像光Ｌｂの偏光面（偏光方向）を回転させる場合を例に挙げたが、位相差板（１／２波長板又は１／４波長板）を用いて偏光面を回転させるようにしても良い。位相差板はレーザー光源５１とピックアップ光学系５２との間、より望ましくはレーザー光源５１の近傍に配置すればよい。
【０１４８】
本実施形態においても、上記第４変形例のビーム径拡大素子１１２及びビーム整形素子１１３を用いることで赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢのビーム径を拡大するとともに放射角を制御するようにしても構わない。
【０１４９】
（第４実施形態）
続いて、第４実施形態に係る表示装置について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは、画像形成装置の構成であり、それ以外の構成は共通である。そのため、第１実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
【０１５０】
本実施形態の表示装置は、シースルー方式の網膜走査型表示装置である。図１７は本実施形態の表示装置４００の概略構成を示す図である。
【０１５１】
図１７に示すように、本実施形態の表示装置４００は、画像形成装置４１０と、導光装置２０とを有する。
【０１５２】
画像形成装置４１０は、画像を表示するための画像光を射出するレーザー光源４１１と、レーザー光源４１１から射出された画像光を走査する走査ミラー４１２を有する走査光学系４１３と、走査光学系４１３により走査された画像光を観察者の眼ＥＹに入射させる導光系４１４と、光線分割素子４１５とを有している。本実施形態において、光線分割素子４１５は特許請求の範囲の「光線束拡大素子」に相当する。
【０１５３】
本実施形態において、レーザー光源４１１は、赤色画像光Ｌｒ、緑色画像光Ｌｇ及び青色画像光Ｌｂをそれぞれ出射する第１〜第３レーザー素子４１１Ｒ，４１１Ｇ，４１１Ｂを有する。これら第１〜第３レーザー素子４１１Ｒ，４１１Ｇ，４１１Ｂは、不図示の実装基板に実装されている。走査光学系４１３は、例えば、ＭＥＭＳ技術により形成したマイクロミラーデバイスによって実現可能である。
以下、赤色画像光Ｌｒ、緑色画像光Ｌｇ及び青色画像光Ｌｂを総称して画像光Ｌ１と称すことにする。
【０１５４】
光線分割素子４１５は、走査光学系４１３から射出された画像光Ｌ１の光線を分割することで観察者に画像を見易くさせるためのものである。図１８は光線分割素子４１５の構成を模式的に示す断面図、および光線分割素子４１５を通過する光の光線図である。図１９は、光線分割素子４１５における光の偏光方向と回折機能との関係を示す説明図である。
【０１５５】
図１８に示すように、本実施形態の光線分割素子４１５は、透光性基板４１６と、該透光性基板４１６の第１面４１６ａに設けられた第１回折格子４１７と、透光性基板４１６の第２面４１６ｂに設けられた第２回折格子４１８とを備える。
【０１５６】
以下、図１７乃至１９において、別のＸ１Ｙ１Ｚ１座標系を合わせて用いることで説明する。Ｘ１方向は透光性基板４１６における一対の面（第１面４１６ａ及び第２面４１６ｂ）の法線方向に相当し、Ｚ１方向は鉛直方向に相当し、Ｙ１方向はＸ１方向及びＺ１方向にそれぞれ直交する方向に相当する。なお、図１７に示すように、ＸＹＺ座標系のＸ方向及びＹ方向は、Ｘ１Ｙ１Ｚ１座標系におけるＸ１軸及びＹ１軸をそれぞれＺ１軸の周りに半時計回りに回転させた方向であり、ＸＹＺ座標系のＺ方向とＸ１Ｙ１Ｚ１座標系におけるＺ１方向とは一致している。
【０１５７】
第１回折格子４１７は、Ｚ１方向に沿って直線状に延在する複数の凸部４１７ａからなる格子パターンを有する。第２回折格子４１８は、Ｚ１方向に沿って直線状に延在する複数の凸部４１８ａからなる格子パターンを有する。なお、第１回折格子４１７及び第２回折格子４１８は同一の格子周期を有する。
【０１５８】
ここで、第１回折格子４１７及び第２回折格子４１８は入射する偏光の振動方向によって回折効率が異なる。具体的に、第１回折格子４１７及び第２回折格子４１８に対して、画像光Ｌ１がＺ１方向に振動するＴＭ光として入射した場合、第１回折格子４１７及び第２回折格子４１８による光束径の拡大機能（回折機能）が十分に得られない。
【０１５９】
これに対し、本実施形態において、レーザー光源４１１（第１〜第３レーザー素子４１１Ｒ，４１１Ｇ，４１１Ｂ）から射出された光は、光線分割素子４１５に入射する際にＹ１方向（凸部４１７ａ，４１８ａの延伸方向）に振動する偏光となっている。すなわち、レーザー光源４１１から射出された画像光Ｌ１は、Ｙ１方向に直線状に延在する凸部４１７ａ，４１８ａからなる格子パターンを備えた第１回折格子４１７及び第２回折格子４１８に対してＴＥ光として入射するようになる。よって、画像光Ｌ１は、図１９に示すように、第１回折格子４１７及び第２回折格子４１８に回折されることでＺ１方向における光束径が良好に拡大される。
なお、第１回折格子１１７及び第２回折格子１１８の構成は上記に限定されない。例えば、複数の凸部１１７ａ及び複数の凸部１１８ａの間を屈折率の異なる部材、或いは金属線を埋め込んだ構成としても良い。
【０１６０】
本実施形態によれば、光線分割素子４１５に対する画像光Ｌ１の入射方向を調整することで光線分割素子４１５による光束径の拡大機能を良好に発揮させることができる。
【０１６１】
また、光線分割素子４１５により光束径が拡大された画像光Ｌ１は、Ｚ１方向に沿って振動する偏光である。すなわち、画像光Ｌ１は、Ｘ１Ｙ１Ｚ１座標系におけるＺ１Ｙ１平面に沿って振動する偏光であると換言することもできる。このようなＺ１Ｙ１平面に沿って振動する偏光は、ハーフミラー３１の反射面３１ｒに対するＰ偏光である。
【０１６２】
このように光線分割素子４１５により光束径が拡大された画像光Ｌ１は直線偏光（Ｐ偏光）となる。そのため、上記実施形態と同様に、画像光Ｌ１の偏光面は、ハーフミラー３１に対するＰ偏光面とＳ偏光面との間に位置している必要がある。
【０１６３】
画像光Ｌ１の偏光面の向きは、例えば、第１〜第３レーザー素子５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂにおける実装基板（不図示）に対する取付向きによって調整可能である。
【０１６４】
本実施形態においても、上記実施形態と同様、第１ハーフミラー３１ＡにおけるＳ偏光成分の反射率Ｒｓ１と第２ハーフミラー３１ＢにおけるＰ偏光成分の反射率Ｒｐ２とが等しいものとする。
【０１６５】
例えば、本実施形態の画像形成装置４１０において、第１〜第３レーザー素子４１１Ｒ，４１１Ｇ，４１１Ｂの向きは、画像光Ｌ１の偏光面（偏光方向）がハーフミラー３１に対するＰ偏光面Ｍｐ（図８参照）に対して４５度の角度をなすように、設定される。このようにすれば、第１ハーフミラー３１Ａ及び第２ハーフミラー３１Ｂに対するＰ偏光成分及びＳ偏光成分を同じ割合で含んだ画像光Ｌ１を生成することができる。
【０１６６】
本実施形態においても、第１〜第３レーザー素子５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂの取付位置の調整に代えて、光線分割素子４１５の後段に位相差板（１／２波長板又は１／４波長板）を配置することで偏光面を回転させるようにしても良い。このようにすれば、位相差板の回転角を調整することで画像光Ｌ１における偏光状態（Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分の比率）を所定の状態に変化させることができる。
【０１６７】
（第５変形例）
第４実施形態の光線分割素子４１５の構成は限定されない。図２０は第５変形例に係る光線分割素子の変形例に係る構成を示す図である。なお、第４実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、説明については省略する。
【０１６８】
図２０に示す光線分割素子５１５は、導光板５１６と、光入射部５１７と、光射出部５１８とを有する。導光板５１６は平行平板から構成され、本実施形態において、導光板５１６は例えばガラス基板から構成されている。
【０１６９】
光入射部５１７は、導光板５１６における上面５１６ａの一端側に設けられ、導光系４１４（図１７参照）を介して導光板５１６の下面５１６ｂから入射した画像光Ｌ１を導光板５１６内に入射させる。光入射部５１７は、該光入射部５１７に入射する画像光Ｌ１を導光板５１６の長辺方向に回折する機能を有している。本実施形態において、光入射部５１７は、ホログラム回折素子から構成されている。
【０１７０】
光射出部５１８は、導光板５１６における下面５１６ｂの他端側に設けられ、光入射部５１７により導光板５１６内に取り込まれた画像光Ｌ１を回折して導光板５１６の上面５１６ａから射出する。本実施形態において、光射出部５１８は、ホログラム回折素子から構成されている。
画像光Ｌ１は光射出部５１８で回折されることで複数（図２０では３つ）に分割される。よって、本変形例に係る光線分割素子５１５においても、第４実施形態の光線分割素子４１５と同様に、画像光Ｌ１における光束径を拡大することができる。
【０１７１】
（第６変形例）
図２１は第６変形例に係る光線分割素子の変形例に係る構成を示す図である。なお、第４実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、説明については省略する。
図２１に示す光線分割素子６１５は、透光性部材６１０と、第１のハーフミラー６１１及び第２のハーフミラー６１２と、光射出用ミラー６１３と、光入射用ミラー６１４とを有する。なお、第１のハーフミラー６１１と、第２のハーフミラー６１２と、光射出用ミラー６１３と、光入射用ミラー６１４とは、いずれも透光性部材６１０内に設けられている。
【０１７２】
本実施形態において、透光性部材６１０は例えばガラス基板から構成されている。光入射用ミラー６１４は、導光系４１４（図１７参照）を介して透光性部材６１０の下面６１０ｂから入射した画像光Ｌ１を反射させるように設けられる。
【０１７３】
第１のハーフミラー６１１及び第２のハーフミラー６１２は、光入射用ミラー６１４に近い方から順番に設けられている。
【０１７４】
第１のハーフミラー６１１は、画像光Ｌ１の一部である画像光Ｌ１ａを反射して透光性部材６１０の上面６１０ａから射出させるとともに画像光Ｌ１の残りの一部である画像光Ｌ１ｂを透過して第２のハーフミラー６１２に入射させる。
【０１７５】
第２のハーフミラー６１２は、第１のハーフミラー６１１を透過した画像光Ｌ１ｂの一部である画像光Ｌ２ａを反射して透光性部材６１０の上面６１０ａから射出させるとともに画像光Ｌ１ｂの残りの一部である画像光ＧＬ２ｂを透過して光射出用ミラー６１３に入射させる。光射出用ミラー６１３は第２のハーフミラー６１２を透過した画像光Ｌ２ｂを反射して透光性部材６１０の上面６１０ａから射出させる。
【０１７６】
第１のハーフミラー６１１及び第２のハーフミラー６１２の光学特性（反射率及び透過率）は、透光性部材６１０の上面６１０ａから射出される画像光Ｌ１ａ、Ｌ２ａ、Ｌ２ｂの光量がほぼ同等となるように設定される。
【０１７７】
画像光Ｌ１は透光性部材６１０内に設けられた第１のハーフミラー６１１及び第２のハーフミラー６１２を透過することで複数（図２１では３つ）に分割される。よって、本変形例に係る光線分割素子６１５においても、第４実施形態の光線分割素子４１５と同様に、画像光Ｌ１における光束径を拡大することができる。
【０１７８】
（第５実施形態）
続いて、本発明の第５実施形態として、照明装置の一例について説明する。図２２は照明装置２００の概略構成を示す図である。図２２に示すように、本実施形態の照明装置２００は、照明光を射出する光源装置２０１と、導光装置２０２と、を備えている。
【０１７９】
光源装置２０１は、白色の照明光ＳＬを射出する光源２０１ａと、照明光ＳＬが入射する位相差板２０１ｂと、投射レンズ２０１ｃとを有する。光源２０１ａとしては、例えば、レーザー素子等の直線偏光からなる照明光ＳＬを射出するものを用いた。位相差板２０１ｂとしては、例えば、１／２波長板を用いた。投射レンズ２１０ｃは位相差板２０１ｂを透過した照明光ＳＬを平行化して導光装置２０２に入射させる。
【０１８０】
本実施形態の光源装置２０１では、位相差板２０１ｂを用いて照明光ＳＬの偏光面の向きを調整することで、照明光ＳＬをハーフミラー３１に対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を含む偏光状態の光として射出させるようにしている。
【０１８１】
例えば、光源２０１ａから射出された直後の照明光ＳＬの偏光面がハーフミラー３１に対するＳ偏光に相当する場合、位相差板２０１ｂの遅相軸を２２．５度傾けることで位相差板２０１ｂから射出される照明光ＳＬの偏光面を４５度回転させることができる。これにより、第１実施形態の画像形成装置１０において、射出側偏光板１１ｃをｘｚ平面に対して４５度傾けたときと同様の効果を得ることができる。
【０１８２】
したがって、本実施形態の照明装置２００によれば、第１ハーフミラー３１Ａからの反射光の強度と第２ハーフミラー３１Ｂからの反射光の強度とを等しくすることができる。よって、射出面３２ｂから射出される照明光ＳＬの強度プロファイルに差が生じないので、縞状のムラを視認され難くできる。したがって、観察者はムラの無い均一性の高い照明光ＳＬを視認できる。
【０１８３】
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。
【０１８４】
例えば、第１ハーフミラー３１Ａにおける反射率Ｒｓ１と第２ハーフミラー３１Ｂにおける反射率Ｒｐ２とが等しい光学素子３０を用いる場合、画像光ＧＬの偏光状態は非偏光であっても良い。すなわち、反射率Ｒｓ１と反射率Ｒｐ２とが等しい光学素子３０を用いる場合においては、画像光を非偏光に戻した状態で光学素子３０に入射させるようにしても良い。画像光ＧＬを非偏光に戻す素子としては、例えば、水晶を用いた水晶偏光解消素子を例示することができる。
【０１８５】
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、上記実施形態及び変形例に限ることなく、適宜変更が可能である。
【０１８６】
また、上記実施形態では、表示装置１００，４００として、右眼及び左眼の双方に対応して一組ずつ画像形成装置及び導光装置を設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像形成装置と導光装置とを設け、画像を片眼視する構成、すなわち、単眼用の表示装置に適用してもよい。
【０１８７】
また、以上説明した実施形態では、表示装置がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、本発明の表示装置は、ヘッドアップディスプレイ、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイ等に適用することもできる。
【符号の説明】
【０１８８】
５…位相差板、１０，１１０，２１０，３１０，４１０…画像形成装置、１１ａ…液晶パネル、１１ｃ…射出側偏光板、１５…位相差板、２１…入射部、２２…導光体、２３…射出部、３１，１３１…ハーフミラー、３１Ａ，１３１Ａ…第１ハーフミラー、３１Ｂ，１３１Ｂ…第２ハーフミラー、５１，４１１…レーザー光源、１００，４００…表示装置、１１５…位相差板、２００…照明装置、２０１…光源装置、２０１ｂ…位相差板、４１５…光線分割素子（光線束拡大素子）、４１７…第１回折格子、４１７ａ…凸部、４１８…第２回折格子、４１８ａ…凸部、ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ２ｂ，ＧＬ…画像光、ＧＭ１，ＧＭ…偏光面、ＧＲ１，ＧＲ２…画像光、Ｌ１…画像光、ＬＡ…レーザー光、ＳＬ…照明光。
【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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