(57)【要約】【課題】反射光による外界光の視認性の低下を抑制できる、表示装置を提供する。【解決手段】画像形成装置と、互いに対向する第１面及び第２面を有し、画像形成装置で生成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、導光体の第２面に設けられ、画像光を導光体から射出させる射出部と、を備え、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、画像光および外界光の一部を反射させ、画像光および外界光の他の一部を透過させる複数のハーフミラーを配列してなる光学素子を有し、複数のハーフミラーは、Ｐ偏光の反射率がＳ偏光の反射率よりも高い表示装置に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像形成装置と、
互いに対向する第１面及び第２面を有し、前記画像形成装置で生成された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、
前記導光体の前記第２面に設けられ、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配列してなる光学素子を有し、
前記複数のハーフミラーは、Ｐ偏光の反射率がＳ偏光の反射率よりも高い
ことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記複数のハーフミラーは、水平方向に沿って配列されている
ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記導光体の前記第１面側に設けられる偏光板をさらに備える
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記偏光板は、前記導光体に対して着脱可能とされる
ことを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
【請求項５】
前記画像形成装置は、直線偏光からなる前記画像光を射出する光源と、前記光源から射出した前記画像光の光束径を拡大させる光線束拡大素子とを有し、
前記光線束拡大素子は、前記水平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２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、表示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、表示素子により生成された画像と観察者の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（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−８３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のような頭部装着型の画像表示装置は屋外で使用される場合もある。しかしながら、画像表示装置を屋外で使用すると、例えば、水面や雪面によって乱反射された反射光によりギラツキを生じさせることでシースルー光（外界光）の視認性を低下させるという問題があった。
【０００５】
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、反射光による外界光の視認性の低下を抑制できる、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】
【０００６】
本発明の一態様に従えば、画像形成装置と、互いに対向する第１面及び第２面を有し、前記画像形成装置で生成された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、前記導光体の前記第２面に設けられ、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配列してなる光学素子を有し、前記複数のハーフミラーは、Ｐ偏光の反射率がＳ偏光の反射率よりも高い表示装置が提供される。
【０００７】
第１態様に係る表示装置によれば、Ｐ偏光の反射率をＳ偏光の反射率よりも高くした複数のハーフミラーを備えるので、観察者の眼に入射する画像光の強度低下を抑えつつ、有害光の強度を低減することができる。よって、偏光サングラスを用いることなく屋外で使用した場合に、外界光に生じるギラツキを低減することができる。したがって、画像光の視認性を確保しつつ、反射光による外界光の視認性の低下を抑制した表示装置を提供できる。
【０００８】
上記態様において、前記複数のハーフミラーは、水平方向に沿って配列されているのが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、ハーフミラーの反射面が上下方向に沿って設けられたものとなるので、有害光の要因となる左右方向に振動する光がハーフミラーにＰ偏光として入射するようになる。よって、有害光となるＰ偏光はハーフミラーで良好に反射されるので、上述した有害光の強度を低減する構成を実現できる。
【００１０】
上記態様において、前記導光体の前記第１面側に設けられる偏光板をさらに備えるのが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、導光体の第１面側に偏光板を配置することで、ゴースト発生を低減しつつ、明るい外界光ＥＬを観察者の眼ＥＹに導くことができる。
【００１２】
上記態様において、前記偏光板は、前記導光体に対して着脱可能とされるのが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、偏光板を取り付けることで、用途に応じてゴースト発生の低減機能を簡便に付加することができる。したがって、表示装置の汎用性を向上させることができる。
【００１４】
上記態様において、前記画像形成装置は、直線偏光からなる前記画像光を射出する光源と、前記光源から射出した前記画像光の光束径を拡大させる光線束拡大素子とを有し、前記光線束拡大素子は、前記水平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。
【００１５】
この構成によれば、画像形成装置として光線束拡大素子を用いる場合において、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拡大させることができる。また、光束径拡大素子により光束径が拡大された画像光は、ハーフミラーにＰ偏光として入射するので、ハーフミラーで効率良く反射されることで観察者の眼に良好に導かれる。したがって、観察者は明るい画像を視認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の表示装置の概略構成を示す図。
【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】ハーフミラーの光学特性を示す図。
【図６】比較例に係る光学素子の構成を示す図。
【図７】第２実施形態の表示装置の要部構成を示す図。
【図８】第３実施形態の表示装置の概略構成を示す図。
【図９】光束径拡大素子の構成を模式的に示す断面図。
【図１０】光束径拡大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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態の表示装置の平面図である。図２は、導光装置の裏面図である。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。
【００１９】
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。
【００２０】
（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、を備える。表示装置１００は、観察者に虚像としての表示画像を視認させるとともに、観察者に外界像を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る。ただし、右眼用の装置と左眼用の装置とは左右対称であるため、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。なお、表示装置１００は、観察者が耳に掛ける蔓部（図示略）を備えており、全体として一般の眼鏡のような外観を有する。
【００２１】
画像形成装置１０は、液晶パネル１１と、投射レンズ１２と、光源１４とを備える。液晶パネル１１は、光源１４からの照明光を空間的に変調し、動画像その他の表示対象となるべき画像光ＧＬを形成する。投射レンズ１２は、液晶パネル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。
【００２２】
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。
【００２３】
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の第１面２２ａの法線方向Ｔ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の第１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の第１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の法線に対して角度κをなす。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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り、導光体とも称される。平行導光体（導光体）２２は、光透過性の樹脂材料等により形成されている。導光体２２は、互いに略平行な一対の第１面２２ａと第２面２２ｂとを有する。第１面２２ａおよび第２面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させることがない。第１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。第１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し、本明細書中では外界側面とも称する。
【００２８】
観察者側に位置する第２面２２ｂは、射出部２３の一端まで延びている。ここで、第２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）。
【００２９】
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、全反射面である第１面２２ａに入射し、第１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。
【００３０】
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、第２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。
【００３１】
射出部２３は、光透過性と光反射性とを有する複数のハーフミラー３１を配列してなる光学素子３０を有する。光学素子３０の構造については後述する。光学素子３０は、導光体２２の観察者側の第２面２２ｂに沿って設けられている。このように、射出部２３は、導光体２２の視認側の面に設けられている。
【００３２】
導光装置２０が上記構造を有するので、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折り曲げられ、導光体２２の第１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側の第１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。
【００３３】
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（または光学素子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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、外界側の第１面２２ａに平行なＸ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、Ｘ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。
【００３６】
（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（−Ｙおよび＋Ｘ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（＋Ｙおよび−Ｘ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。
【００３７】
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、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で折り曲げられて導光体２２内に結合された後、標準反射角θ０で一方の第１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ＹＺ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。
【００３８】
射出面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で第１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。
【００３９】
一方、射出面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で第１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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
（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、を備える。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。
【００４４】
図４に示すように、透光性部材３２は、長手方向（Ｚ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。
【００４５】
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、等しいピッチで互いに平行に配置された形態となる。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。すなわち、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（長辺方向）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。すなわち、複数のハーフミラー３１は水平方向（ＸＹ平面に平行な方向）に沿って配列されている。具体的に、複数のハーフミラー３１は、Ｙ方向に対して角度κだけ傾いた方向に沿って配列されている。
【００４６】
なお、隣り合うハーフミラー３１同士は互いに完全に平行である必要はない。例えば、同じ角度の光を複数のハーフミラー３１に入射した場合に、各々のハーフミラー３１から反射される光の互いの角度差が観察者に視認できない程度であれば、複数のハーフミラー３１は互いに平行である、とみなすことができる。一例として、観察者の視力を１．０とした場合、観察者は６０分の１度の分解能を有することになるので、各々のハーフミラー３１から反射される光の互いの角度差がその半分の角度である１２０分の１度であれば、観察者は差異を視認できず、複数のハーフミラー３１は互いに平行である、とみなせる。また、別の一例として、各々のハーフミラー３１から反射される光の互いの角度差が、画像形成装置１０が有する画素の半分以下の角度差であれば、観察者は差異を視認できず、複数のハーフミラー３１は互いに平行である、とみなせる。例えば、画像光ＧＬの左右の画角が３０度、左右の画素数が１２８０画素である場合には、半分の画素の角度は３０÷１２８０÷２＝０．０１２となるので、その半分の角度である０．００６度以下の角度差であれば互いに平行とみなすことができる。
【００４７】
ハーフミラー３１は、ハーフミラー３１の短辺が透光性部材の入射面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、第１面２２ａ，２２ｂに直交するＸＺ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。
【００４８】
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。
【００４９】
本実施形態において、ハーフミラー３１は、例えば、透光性部材３２間に挟まれた誘電体多層膜や金属膜により形成される。複数のハーフミラー３１は、例えば、ＴｉＯ２：３９ｎｍ、Ａｇ：１８ｎｍ、ＴｉＯ２：３７ｎｍを積層することでそれぞれ構成される。そのため、複数のハーフミラー３１は、各々が同様の特性を有している。
【００５０】
図５はハーフミラー３１の光学特性を示す図である。図５の横軸はハーフミラー３１に入射する光の波長（単位：ｎｍ）であり、左縦軸は反射率（単位：％）であり、右縦軸は透過率（単位：％）である。
【００５１】
図５において、ＲｐはＰ偏光の反射率であり、ＴｐはＰ偏光の透過率であり、ＲｓはＳ偏光の反射率であり、ＴｓはＳ偏光の透過率である。図５に示すように、ハーフミラー３１の光学特性は、波長帯によって多少変化するものの、いずれの波長域においても、Ｐ偏光の反射率ＲＰがＳ偏光の反射率Ｒｓよりも高くなっている。
【００５２】
ここで、光学素子３０を構成する複数のハーフミラー３１の機能について説明する。なお、以下では説明を簡単にするため、外界光ＥＬは光学素子３０にＸ軸直方向（光軸ＡＸ方向）から入射してまっすぐ進行し、射出面３２ｂからＸ軸方向に射出するものとする（図４参照）。
【００５３】
また、図４に示すように、画像光ＧＬは光学素子３０に仰角φで入射して光学素子３０からＸ軸方向に射出するものとする。なお、画像光ＧＬはハーフミラー３１の反射面３１ｒに対してＰ偏光として入射するものとする。
【００５４】
外界光ＥＬはハーフミラー３１に対するＳ偏光ＬＳ及びＰ偏光ＬＰを含む。
【００５５】
図４において、ハーフミラー３１を透過した後のＳ偏光ＬＳを符号ＬＳ−Ｔとし、ハーフミラー３１を透過した後のＰ偏光Ｌｐを符号ＬＰ−Ｔとし、ハーフミラー３１において隣り合う２つのミラーで１回ずつ反射されて２回反射となった後のＳ偏光ＬＳを符号ＬＳ−ＲＲとし、ハーフミラー３１において隣り合う２つのミラーで１回ずつ反射されて２回反射となった後のＰ偏光ＬＰを符号ＬＰ−ＲＲとする。
【００５６】
以下では、説明を簡単にするため、ハーフミラー３１における光学特性を、例えば、Ｒｓ：０、Ｒｐ：０．４、Ｔｓ：０．９、Ｔｐ：０．５と設定した場合を例に挙げる。また、Ｓ偏光ＬＳ及びＰ偏光ＬＰの元の強度（表示装置１００に入射前の強度）を１．０に設定した場合を例に挙げる。この場合、図４に示すように、ハーフミラー３１を透過して観察者の眼ＥＹに入射する外界光ＥＬに占める各偏光の強度は、Ｐ偏光ＬＰ−Ｔ：０．５、Ｐ偏光ＬＰ−ＲＲ：０．１６、Ｓ偏光ＬＳ−Ｔ：０．９、Ｓ偏光ＬＳ−ＲＲ：０となる。
【００５７】
ところで、少なからず外界光ＥＬは、例えば水面や雪面等の物体表面で乱反射された反射光を含むことがある。このような反射光は観察者の眼ＥＹに対して左右方向に振動する光を多く含み、外界光ＥＬにギラツキを生じさせることで観察者に不快感を与える光である。すなわち、外界光ＥＬは、観察者に対する有害光を含んだものとなっている。
【００５８】
従来より、外界光ＥＬに含まれる有害光を防止する手段として偏光サングラスが用いられる。偏光サングラスは、観察者の眼ＥＹに対して左右方向に振動する偏光（上述の有害光となる偏光成分）をカットし、観察者の眼ＥＹに対して上下方向に振動する偏光のみを透過させる。
【００５９】
本実施形態において、図４に示したように、複数のハーフミラー３１は水平方向（ＸＹ平面に平行でＸ方向に角度κだけ傾いた方向）に沿って配列されている。すなわち、ハーフミラー３１の反射面３１ｒは観察者の上下方向（Ｚ方向）と平行に設けられている。したがって、観察者の眼ＥＹに対して左右方向（Ｙ方向）に振動する光は、ハーフミラー３１の反射面３１ｒに対するＰ偏光となる。
【００６０】
以下では、光学素子３０を介して観察者の眼ＥＹに入射した外界光ＥＬのうち、ハーフミラー３１に対するＰ偏光は全て有害光であるものとして考える。本実施形態の射出部２３において、観察者の眼ＥＹに入射する光のうちＰ偏光ＬＰ−Ｔ及びＰ偏光ＬＰ−ＲＲが有害光に相当する。したがって、本実施形態の光学素子３０（ハーフミラー３１）を用いた場合に、観察者の眼ＥＹに入射する有害光の強度は０．６６となる。
【００６１】
ここで、比較例の光学素子として、ハーフミラー３１に代えて、Ｐ偏光の反射率をＳ偏光の反射率よりも低くしたハーフミラー３１Ａを用いたものを検討する。図６は比較例の光学素子３０Ａの構成を示す図である。比較例の光学素子３０Ａはハーフミラー３１Ａ以外の構成は本実施形態の光学素子３０と共通である。
【００６２】
図６に示すように、比較例の光学素子３０Ａでは、例えば、ハーフミラーにおける光学特性を、Ｒｓ：０．４、Ｒｐ：０、Ｔｓ：０．６、Ｔｐ：１．０とした。また、Ｓ偏光ＬＳ及びＰ偏光ＬＰの元の強度を１．０に設定する。
【００６３】
比較例の光学素子３０Ａを用いた場合、ハーフミラー３１Ａを透過して観察者の眼ＥＹに入射する外界光ＥＬに占める各偏光の強度は、Ｐ偏光ＬＰ−Ｔ：１．０、Ｐ偏光ＬＰ−ＲＲ：０、Ｓ偏光ＬＳ−Ｔ：０．６、Ｓ偏光ＬＳ−ＲＲ：０．１６となる。
【００６４】
比較例の光学素子３０Ａにおいても、観察者の眼ＥＹに入射する光のうちＰ偏光ＬＰ−Ｔ及びＰ偏光ＬＰ−ＲＲが有害光に相当する。すなわち、比較例の光学素子３０Ａを用いた場合に、観察者の眼ＥＹに入射する有害光の強度は１．０となる。
【００６５】
続いて、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＧＬの強度について説明する。画像光ＧＬはハーフミラー３１に対するＳ偏光ＧＳ及びＰ偏光ＧＰを含む。
【００６６】
図４に示すように画像光ＧＬにおいて、ハーフミラー３１で反射され後のＳ偏光ＧＳを符号ＧＳ−Ｒとし、ハーフミラー３１を透過した後に別のハーフミラー３１でさらに反射された後のＳ偏光ＧＳを符号ＧＳ−ＴＲとし、ハーフミラー３１で反射され後のＰ偏光ＧＰを符号ＧＰ−Ｒとし、ハーフミラー３１を透過した後に別のハーフミラー３１でさらに反射された後のＰ偏光ＧＰを符号ＧＰ−ＴＲとする。
【００６７】
ここで、画像光ＧＬの元の強度（光学素子３０に入射前の強度）を１．０に設定した場合について説明する。なお、画像光ＧＬはＰ偏光としてハーフミラー３１に入射するので、画像光ＧＬについてはＳ偏光成分を考慮する必要はなく、上述したＳ偏光ＧＳの強度は０となる。
【００６８】
したがって、導光体２２内を導光した後に射出部２３によって観察者の眼ＥＹに導かれる画像光ＧＬの強度は、Ｐ偏光ＧＰ−Ｒ：０．４、Ｐ偏光ＧＰ−ＴＲ：０．２、Ｓ偏光ＧＳ−Ｒ：０、Ｓ偏光ＧＳ−ＴＲ：０となる。すなわち、本実施形態の光学素子３０（ハーフミラー３１）を介して観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＧＬの強度は０．６となる。
【００６９】
一方、図６に示すように、比較例の光学素子３０Ａを用いた場合に観察者の眼ＥＹに導かれる画像光ＧＬの強度は、Ｐ偏光ＧＰ−Ｒ：０、Ｐ偏光ＧＰ−ＴＲ：０、Ｓ偏光ＧＳ−Ｔ：０．４、Ｓ偏光ＧＳ−ＴＲ：０．２４となる。すなわち、比較例の光学素子３０Ａを用いた場合、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＧＬの強度は０．６４となる。
【００７０】
以上のように本実施形態の光学素子３０によれば、Ｐ偏光の反射率ＲＰをＳ偏光の反射率Ｒｓよりも高くした複数のハーフミラー３１を備えることで、比較例の光学素子３０Ａに対して、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＧＬの強度低下を抑えつつ、有害光の強度を低減することができる。
【００７１】
したがって、本実施形態の表示装置１００によれば、偏光サングラスを用いることなく屋外で使用した場合に、外界光ＥＬに生じるギラツキを低減することができる。よって、画像光ＧＬの視認性を確保しつつ、反射光による外界光の視認性の低下を抑制することができる。
【００７２】
（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。なお、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。
【００７３】
図７は第２実施形態の表示装置２００の要部構成を示す図であり、具体的に導光体２２の射出部１２３の周辺構成を示す図である。図７に示すように、本実施形態の表示装置２００は、導光体２２の第１面２２ａ側に設けられた偏光板４０を備える。
【００７４】
偏光板４０は導光体２２の第１面２２ａに接するように設けられていても良いし、第１面２２ａから離間した位置に設けられていても良い。本実施形態において、偏光板４０は第１面２２ａから少し離れた位置に配置される。偏光板４０は表示装置２００における本体部（不図示）に対して着脱可能とされている。偏光板４０を取り外した状態の表示装置２００は、第１実施形態の表示装置１００と同様の視認性を得る。
【００７５】
本実施形態の偏光板４０としては、偏光サングラスのレンズと同様のものを用いた。偏光板４０は、観察者の眼ＥＹに対して左右方向に振動する偏光をカットするように、導光体２２の第１面２２ａ側に設けられる。
【００７６】
本実施形態においても、図７に示すように、外界光ＥＬは光学素子３０に垂直方向（光軸ＡＸ方向）から入射してまっすぐ進行し、射出面３２ｂから垂直方向に射出するものとする。
【００７７】
本実施形態において、外界光ＥＬは偏光板４０を透過することで光学素子３０に入射する。偏光板４０を透過した外界光ＥＬ１は、観察者の眼ＥＹに対して上下方向（Ｚ方向）に振動する偏光となる。
【００７８】
ハーフミラー３１の反射面３１ｒは観察者の上下方向（Ｚ方向）に沿って設けられているため、観察者の眼ＥＹに対して上下方向に振動する外界光ＥＬ１はハーフミラー３１の反射面３１ｒに対するＳ偏光に相当する。
【００７９】
本実施形態において、ハーフミラー３１に入射する外界光ＥＬ１はＳ偏光ＬＳのみから構成される。そのため、外界光ＥＬとしては、Ｓ偏光ＬＳのみを考慮する。
【００８０】
本実施形態においても、ハーフミラー３１における光学特性を、Ｒｓ：０、Ｒｐ：０．４、Ｔｓ：０．９、Ｔｐ：０．５と設定し、Ｓ偏光ＬＳの元の強度を１．０に設定した場合を例に挙げる。この場合において、図７に示すように、ハーフミラー３１を透過して観察者の眼ＥＹに入射する外界光ＥＬ１に占める各偏光の強度は、Ｓ偏光ＬＳ−Ｔ：０．９、Ｓ偏光ＬＳ−ＲＲ：０となる。
【００８１】
ところで、光学素子３０越しに見た近接物体からの外界光ＥＬは発散角を持っている。そのため、観察者の眼ＥＹの焦点を近接物体に合わせた状態において、互いに位置が異なるとともに平行に延びる２つのハーフミラー３１Ａ，３１Ｂを経て、同じ角度で眼ＥＹに入射するＳ偏光ＬＳ−ＴとＳ偏光ＬＳ−ＲＲとが併存すると、画像が僅かにずれて重畳するゴーストの原因となる。
【００８２】
これに対し、本実施形態の表示装置２００によれば、Ｓ偏光ＬＳ−ＲＲの強度が０となるため、観察者の眼ＥＹに入射する外界光ＥＬはＳ偏光ＬＳ−Ｔのみで構成されたものとなる。したがって、光学素子３０越しに見た近接物体を見たときに、ゴーストが観察されてしまうことを抑制できる。
【００８３】
ここで、Ｐ偏光の反射率をＳ偏光の反射率よりも低くしたハーフミラー３１Ａを用いた比較例の光学素子３０Ａを用いた場合についても検討する。なお、比較例の光学素子３０Ａについても、第１実施形態と同様に、ハーフミラーにおける光学特性を、Ｒｓ：０．４、Ｒｐ：０、Ｔｓ：０．６、Ｔｐ：１．０、Ｓ偏光ＬＳ及びＰ偏光ＬＰの元の強度を１．０に設定した。
【００８４】
比較例の光学素子３０Ａを用いた場合、ハーフミラー３１Ａを透過して観察者の眼ＥＹに入射する外界光ＥＬに占める各偏光の強度は、Ｓ偏光ＬＳ−Ｔ：０．６、Ｓ偏光ＬＳ−ＲＲ：０．１６となる（図６参照）。
【００８５】
比較例の光学素子３０Ａを用いた構成においては、偏光板４０を導光体２２の第１面２２ａに設けた場合であっても、Ｓ偏光ＬＳ−ＲＲの強度が０とならない。すなわち、外界光ＥＬとして、Ｓ偏光ＬＳ−Ｔ及びＳ偏光ＬＳ−ＲＲが併存した光が観察者の眼ＥＹに入射してしまう。したがって、比較例の光学素子３０Ａ越しに見た近接物体を見たときに、画像が僅かにずれて重畳するゴーストが発生してしまう。
【００８６】
以上のように本実施形態の表示装置２００によれば、導光体２２の第１面２２ａに偏光板４０を配置することで、比較例の構成に対して、ゴースト発生を低減しつつ、明るい外界光ＥＬを観察者の眼ＥＹに導くことができる。
【００８７】
すなわち、本実施形態の表示装置２００によれば、光学素子３０と偏光板４０との組み合わせによって、従来の偏光レンズを用いた場合でも奏することができなかったゴーストの発生の低減という顕著な効果を得ることができる。
【００８８】
また、偏光板４０が着脱可能とされるので、用途に応じて偏光板４０を取り付けることでゴースト発生の低減機能を簡便に付加することができる。一方、偏光板４０を取り外すことで、第１実施形態の表示装置１００のように有害光の低減用途のみで使用することも可能となる。したがって、表示装置２００の汎用性を向上させることができる。
【００８９】
本実施形態において、画像光ＧＬは偏光板４０の有無による影響を受けない。そのため、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＧＬの強度は、第１実施形態と同様であることから、その説明については省略する。
【００９０】
なお、画像光ＧＬは無限遠からの光とみなすことができるため、上述したようなゴーストは画像光ＧＬでは気になることはない。そのため、ハーフミラー３１を設計する際、画像光ＧＬについてゴーストの発生を優先的に考慮する必要はない。
【００９１】
（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。
【００９２】
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８はシースルー方式網膜走査型の表示装置３００の概略構成を示す図である。
【００９３】
図８に示すように、本実施形態の表示装置３００は、画像形成装置１１０と、導光装置１２０とを有する。導光装置１２０は、第１実施形態の導光装置２０と同様の構成を有する。
【００９４】
画像形成装置１１０は、画像を表示するための画像光Ｌ１を出射する光源部１１１と、光源部１１１から出射された画像光Ｌ１を走査して画像とする走査ミラー１１２を有する走査光学系１１３と、走査光学系１１３により走査された画像光Ｌ１として観察者の眼ＥＹに入射させる導光系１１４と、光束径拡大素子１１５とを有している。
【００９５】
本実施形態において、光源部１１１は、赤色光、青色光及び緑色光をそれぞれ出射するレーザー素子を有している。走査光学系１１３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。
【００９６】
光束径拡大素子１１５は、走査光学系１１３から射出された画像光Ｌ１を拡大することで観察者の眼に画像を見易くさせるためのものである。このように画像光Ｌ１を拡大することで観察者の眼の位置が変化した場合でも、視野に欠けが生じない、良質な画像を視認させることができる。
【００９７】
図９は光束径拡大素子１１５の構成を模式的に示す断面図、および光束径拡大素子１１５を通過する光の光線図である。図１０は、光束径拡大素子１１５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。
【００９８】
図９に示すように、本実施形態の光束径拡大素子１１５は、透光性基板１１６と、該透光性基板１１６の第１面１１６ａに設けられた第１回折格子１１７と、透光性基板１１６の第２面１１６ｂに設けられた第２回折格子１１８とを備える。
【００９９】
以下、図８乃至１０では、別のＸ’Ｙ’Ｚ’座標系を合わせて用いて説明する。Ｘ’方向は透光性基板１１６における一対の面（第１面１１６ａ及び第２面１１６ｂ）の法線方向に相当し、Ｙ’方向は鉛直方向に相当し、Ｚ’方向はＸ’方向及びＹ’方向にそれぞれ直交する方向に相当する。なお、図８に示すように、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軸の周りに時計回りに回転させた方向であり、Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系のＺ’方向とＸＹＺ座標系におけるＺ方向とは一致している。
【０１００】
第１回折格子１１７は、Ｙ’方向に沿って直線状に延在する複数の凸部１１７ａからなる格子パターンを有する。第２回折格子１１８は、Ｙ’方向に沿って直線状に延在する複数の凸部１１８ａからなる格子パターンを有する。なお、第１回折格子１１７及び第２回折格子１１８は同一の格子周期を有する。
【０１０１】
ここで、第１回折格子１１７及び第２回折格子１１８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１１７及び第２回折格子１１８に対して、画像光Ｌ１がＺ’方向に振動するＴＭ光として入射した場合、第１回折格子１１７及び第２回折格子１１８による光束径の拡大機能（回折機能）が十分に得られない。
【０１０２】
これに対し、本実施形態において、光源部１１１に用いられたレーザー素子から射出された画像光Ｌ１は、光束径拡大素子１１５に入射する際にＹ’方向（凸部１１７ａ，１１８ａの延伸方向）に振動する偏光となっている。すなわち、光源部１１１から射出された画像光Ｌ１は、Ｙ’方向に直線状に延在する凸部１１７ａ，１１８ａからなる格子パターンを備えた第１回折格子１１７及び第２回折格子１１８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１０に示すように、第１回折格子１１７及び第２回折格子１１８に回折されることでＺ’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。
【０１０３】
本実施形態によれば、光束径拡大素子１１５に対する画像光Ｌ１の入射方向を調整することで光束径拡大素子１１５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。
【０１０４】
また、光束径拡大素子１１５により光束径が拡大された画像光Ｌ１は、Ｙ’方向に沿って振動する偏光である。すなわち、画像光Ｌ１は、ＸＹＺ座標系におけるＸＹ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ＸＹ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に対してＰ偏光に相当する。
【０１０５】
本実施形態のハーフミラー３１において、Ｐ偏光の反射率ＲＰは、上述したようにＳ偏光の反射率Ｒｓよりも高くなっている。そのため、画像光Ｌ１は、ハーフミラー３１で効率良く反射されることで観察者の眼ＥＹに良好に導かれる。
以上のように本実施形態の表示装置によれば、画像形成装置１１０から射出した画像光Ｌ１を観察者の眼ＥＹに効率良く導くことで高い光利用効率を実現できる。したがって、観察者は明るい画像を視認することができる。
【０１０６】
本実施形態の画像形成装置１１０を第２実施形態の表示装置２００に適用しても良い。このようにすれば、有害光及びゴーストを低減した外界光ＥＬ及び明るい画像光Ｌ１を観察者に視認させることができる信頼性の高い表示装置を提供できる。
【０１０７】
なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。上記実施形態では、画像形成装置１０から射出する画像光ＧＬが直線偏光の場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、画像形成装置１０における液晶パネル１１に代えて、有機ＥＬ表示装置を用いても良い。
【０１０８】
また、第１実施形態の表示装置１００と偏光サングラスとを合わせて観察者が装着することで、第２実施形態の表示装置２００と同様、ゴーストを低減する構成を実現しても良い。
【０１０９】
また、画像形成装置１１０の光源部１１１としてレーザー素子を用いる場合を例に挙げたが、ランダム偏光の光を出射する光源と、光源から出射された光をｙ方向に振動する偏光に揃える偏光変換素子や偏光板等の光学素子とを組み合わせた構成のものを採用しても良い。
【０１１０】
また、上記実施形態では、表示装置１００，２００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１０及び導光装置２０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１０と導光装置２０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。
【０１１１】
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】
【０１１２】
１０…画像形成装置、１４…光源、２１…入射部、２２…導光体、２２ａ…第１面、２２ｂ…第２面、２３…射出部、３０，３０Ａ…光学素子、３１，３１Ａ…ハーフミラー、４０…偏光板、１００…表示装置、１１０…画像形成装置、１１５…光束径拡大素子、１２３…射出部、２００，３００…表示装置、ＥＬ，ＥＬ１…外界光、ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ，Ｌ１…画像光、ＧＰ…Ｐ偏光、ＧＳ…Ｓ偏光、ＬＰ…Ｐ偏光、ＬＳ…Ｓ偏光。
【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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