(57)【要約】【課題】低反射率領域において所望の光学特性を有するハーフミラーを提供する。【解決手段】本発明のハーフミラーは、銀層と、銀層に接して設けられた凝集抑制層と、を備える。凝集抑制層は、ＩＴＯもしくはＩＧＯで構成されていてもよい。または、凝集抑制層は、チオール基を有する有機分子膜で構成されていてもよい。または、凝集抑制層は、銀と元素Ｘ（Ｘ＝Ａｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐｄ，Ｓｎ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒのいずれか）とを含み、銀の含有率が９７％以上である合金で構成されていてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銀層と、
前記銀層に接して設けられた凝集抑制層と、
を備えたことを特徴とするハーフミラー。
【請求項２】
前記凝集抑制層は、インジウムスズ酸化物もしくはインジウムガリウム酸化物で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のハーフミラー。
【請求項３】
前記凝集抑制層は、チオール基を有する有機分子膜で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のハーフミラー。
【請求項４】
前記凝集抑制層は、銀と元素Ｘ（Ｘ＝Ａｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐｄ，Ｓｎ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒのいずれか）とを含み、銀の含有率が９７％以上である合金で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のハーフミラー。
【請求項５】
前記銀層の膜厚は１２ｎｍ以下であ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ハーフミラー。
【請求項６】
前記銀層および前記凝集抑制層に接して設けられた誘電体層をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のハーフミラー。
【請求項７】
銀と元素Ｘ（Ｘ＝Ａｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐｄ，Ｓｎ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒのいずれか）とを含み、銀の含有率が９７％以上である合金層で構成されていることを特徴とするハーフミラー。
【請求項８】
前記合金層の膜厚は１２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載のハーフミラー。
【請求項９】
前記合金層に接して設けられた誘電体層をさらに備えたことを特徴とする請求項７または請求項８に記載のハーフミラー。
【請求項１０】
導光体と、
前記導光体の内部を進行してきた光の一部を反射させる請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載のハーフミラーと、
を備えたことを特徴とする導光装置。
【請求項１１】
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請求項１０に記載の導光装置と、を備えたことを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハーフミラー、導光装置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。この種の画像表示装置においては、画像光を観察者の眼に向かって反射するとともに、外界光を観察者の眼に向かって透過させるハーフミラーが用いられている。
【０００３】
下記の特許文献１には、銀層と、第１酸化アルミニウム層と酸化チタン層とを含む第１誘電体多層膜と、酸化ジルコニウム系誘電体層と第２酸化アルミニウム層とを含む第２誘電体多層膜と、を含むハーフミラーが開示されている。特許文献１には、このハーフミラーでは主たる金属として銀が用いられており、銀はアルミニウムと比べて吸収による光の損失が小さいため、膜厚が厚くてもよく、成膜を安定して行うことができる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２２４８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
誘電体多層膜を用いたハーフミラーでは、Ｐ偏光成分の反射率はブリュースター角の近傍で０％に限りなく近い値となる。したがって、表示装置の設計上、ハーフミラーへの光の入射角がブリュースター角に略一致する場合には、Ｓ偏光成分のみが画像光として利用されることになり、光利用効率の低下を招く。
【０００６】
そこで、光利用効率を低下させないようにＰ偏光成分とＳ偏光成分の双方を利用するため、金属膜を用いたハーフミラーが採用される。金属膜を用いたハーフミラーでは、金属膜の膜厚を調整することによって反射率および透過率を制御することができる。例えば特許文献１では、可視光の全波長域にわたって３５％程度の反射率を得るために、膜厚が約１９ｎｍの銀膜を使用している。ところが、さらに低い反射率を得るためにさらに薄い銀膜を用いようとすると、所望の光学特性を有するハーフミラーを作製することが困難であった。
【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、特に低反射率領域において所望の光学特性を有するハーフミラー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、上記のハーフミラーを備えた導光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、上記の導光装置を備えた表示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】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様のハーフミラーは、銀層と、前記銀層に接して設けられた凝集抑制層と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の一つの態様によれば、凝集抑制層の存在によって銀の凝集が抑制されるため、光学特性に悪影響を及ぼす凝集が少なく、薄い膜厚の銀層が得られる。これにより、低反射率領域において所望の光学特性を有するハーフミラーを得ることができる。
【００１０】
本発明の一つの態様のハーフミラーにおいて、前記凝集抑制層は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）もしくはインジウムガリウム酸化物（ＩＧＯ）で構成されていてもよい。あるいは、前記凝集抑制層は、チオール基を有する有機分子膜で構成されていてもよい。あるいは、前記凝集抑制層は、銀と元素Ｘ（Ｘ＝Ａｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐｄ，Ｓｎ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒのいずれか）とを含み、銀の含有率が９７％以上である合金で構成されていてもよい。
【００１１】
本発明者らは、前記凝集抑制層として上記の材料を用いることにより、低反射率領域において良好な光学特性を有するハーフミラーが得られることを確認した。詳細な内容については後述する。
【００１２】
本発明の一つの態様のハーフミラーにおいて、前記銀層の膜厚は１２ｎｍ以下であってもよい。
【００１３】
この構成によれば、例えば２０％程度の低い反射率を有するハーフミラーを得ることができる。
【００１４】
本発明の一つの態様のハーフミラーにおいて、前記銀層および前記凝集抑制層に接して設けられた誘電体層をさらに備えてもよい。
【００１５】
この構成によれば、誘電体層によって反射率の分光特性を調整することができ、可視光の広い波長域にわたって低い反射率を得ることができる。
【００１６】
本発明の他の一つの態様のハーフミラーは、銀と元素Ｘ（Ｘ＝Ａｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐｄ，Ｓｎ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒのいずれか）とを含み、銀の含有率が９７％以上である合金層で構成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の一つの態様によれば、銀単体ではなく、銀と上記の元素Ｘとを含む合金層を用いたことによって銀の凝集が抑制されるため、薄い膜厚の銀合金層が形成される。これにより、低反射率領域において所望の光学特性を有するハーフミラーを得ることができる。
【００１８】
本発明の一つの態様のハーフミラーにおいて、前記合金層の膜厚は１２ｎｍ以下であってもよい。
【００１９】
この構成によれば、例えば２０％程度の低い反射率を有するハーフミラーを得ることができる。
【００２０】
本発明の一つの態様のハーフミラーは、前記合金層に接して設けられた誘電体層をさらに備えてもよい。
【００２１】
この構成によれば、誘電体層によって反射率の分光特性を調整することができ、可視光の広い波長域にわたって低い反射率を得ることができる。
【００２２】
本発明の一つの態様の導光装置は、導光体と、前記導光体の内部を進行してきた光の一部を反射させる本発明の一つの態様のハーフミラーと、を備えたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の一つの態様の導光装置は、本発明の一つの態様のハーフミラーを備えているため、所望の光学特性を有する。
【００２４】
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本発明の一つの態様の導光装置と、を備えたことを特徴とする。
【００２５】
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導光装置を備えているため、所望の表示特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態のハーフミラーの断面図である。
【図２】ハーフミラーの作用を説明するための図である。
【図３】誘電体多層膜を用いた従来のハーフミラーの問題点を説明するための図である。
【図４】実施例１のハーフミラーの銀層の表面状態を示すＳＥＭ写真である。
【図５】実施例２のハーフミラーの銀層の表面状態を示すＳＥＭ写真である。
【図６】比較例１のハーフミラーの銀層の表面状態を示すＳＥＭ写真である。
【図７】比較例１において銀の凝集の様子を示すＳＥＭ写真である。
【図８】光学特性の評価に用いたハーフミラーの断面図である。
【図９】実施例１のハーフミラーによる反射率および透過率の分光特性を示す図である。
【図１０】実施例２のハーフミラーによる反射率および透過率の分光特性を示す図である。
【図１１】比較例１のハーフミラーによる反射率および透過率の分光特性を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態のハーフミラーの断面図である。
【図１３】実施例３のハーフミラーの外観を示すＳＥＭ写真である。
【図１４】実施例４のハーフミラーの外観を示すＳＥＭ写真である。
【図１５】比較例２のハーフミラーの外観を示すＳＥＭ写真である。
【図１６】実施例３のハーフミラーによる反射率および透過率の分光特性を示す図である。
【図１７】実施例４のハーフミラーによる反射率および透過率の分光特性を示す図である。
【図１８】本発明の第３実施形態の表示装置の断面図である。
【図１９】導光装置を観察者側から見た裏面図である。
【図２０】導光装置における画像光の光路を示す図である。
【図２１】光学素子の拡大図である。
【図２２】本発明の第４実施形態の表示装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
［第１実施形態：ハーフミラー］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図１１を用いて説明する。
本実施形態のハーフミラーは、例えば後述する表示装置の画像光取り出し用のハーフミラーに用いて好適なものである。
図１は、第１実施形態のハーフミラーの断面図である。
なお、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。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態のハーフミラー５１は、基材６０の一面に設けられている。ハーフミラー５１は、銀層６２と、銀層６２に接して設けられた凝集抑制層６１と、を備えている。すなわち、銀層６２は、基材６０の一面側に設けられ、凝集抑制層６１は、銀層６２の下地層として銀層６２と基材６０との間に設けられている。
【００２９】
基材６０は、例えばガラス、プラスチック等の光透過性を有する材料で構成されている。基材６０の厚さは、一例として０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度に設定されるが、特に限定されない。
【００３０】
凝集抑制層６１は、基材６０上に薄い膜厚の銀膜を形成したときに発生する銀の凝集を抑制するための下地層として機能する。凝集抑制層６１は、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）もしくはインジウムガリウム酸化物（ＩＧＯ）で構成されている。
【００３１】
あるいは、凝集抑制層６１は、チオール基を有する有機分子膜で構成されている。チオール基を有する有機分子膜の具体的な材料としては、例えば３−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、３−メルカプトプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。
【００３２】
あるいは、凝集抑制層６１は、銀（Ａｇ）と元素Ｘ（Ｘ＝Ａｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐｄ，Ｓｎ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒのいずれか）を含み、銀の含有率が９７％以上、元素Ｘの含有率が３％未満である合金で構成されている。
【００３３】
凝集抑制層６１の膜厚は、一例として０．１〜２ｎｍ程度に設定されるが、特に限定されない。
【００３４】
本実施形態の銀層６２は、銀の単体から構成されている。銀層６２は、１２ｎｍ以下の膜厚を有し、凝集抑制層６１の一面に形成されている。銀層６２を含むハーフミラー５１は、例えば５％〜３０％程度の比較的低い反射率を有する。
【００３５】
ここで、誘電体多層膜を用いた従来のハーフミラーの問題点を、図３を用いて説明する。
図３は、導光装置に用いられる光取り出し用の光学素子を示している。
図３に示すように、光学素子１１０は、導光体となる基材６０と、複数のハーフミラー１０１と、を備えている。光Ｌは、Ｓ偏光成分ＬｓとＰ偏光成分Ｌｐとを含み、各偏光成分Ｌｓ，Ｌｐの含有割合はそれぞれ５０％とする。光Ｌは、ハーフミラー１０１に対して所定の入射角αで斜めに入射するように設定されている。ハーフミラー１０１の反射率は、例えば２３％に設定されている。
【００３６】
光Ｌの入射角αがブリュースター角に一致していたとすると、Ｐ偏光成分Ｌｐの反射率は略０％となる。したがって、Ｐ偏光成分Ｌｐは、ハーフミラー１０１をそのまま透過して基材６０の内部を進行し、外部に取り出されることはない。この場合、Ｓ偏光成分Ｌｓの反射率を４６％に設定することにより、光Ｌの全偏光成分に対するハーフミラー１０１の反射率が２３％となる。
【００３７】
光Ｌが最初に入射するハーフミラー１０１からの射出光をＬ３とし、光が２枚目に入射するハーフミラー１０１からの射出光をＬ４とすると、全光量に対する射出光Ｌ３（Ｓ偏光成分Ｌｓ）の光量の割合は、２３％（＝０．５×０．４６）となり、全光量に対する射出光Ｌ４（Ｓ偏光成分Ｌｓ）の光量の割合は、１２．４２％（＝０．５×０．５４×０．４６）となる。したがって、１枚目のハーフミラー１０１からの射出光と２枚目のハーフミラー１０１からの射出光との輝度の差は、１０．５８％となる。
【００３８】
このように、従来のハーフミラー１０１の場合、互いに隣り合うハーフミラーの間で、２枚目のハーフミラーからの射出光の輝度と同程度の輝度差が生じるため、射出光の明るさムラが大きい、という問題がある。
【００３９】
次に、本実施形態のハーフミラー５１の作用を、図２を用いて説明する。
図２は、図３と同様、画像光を導光させるための導光装置に用いられる光取り出し用の光学素子を示している。
図２に示すように、光学素子７０は、導光体となる基材６０と、複数のハーフミラー５１と、を備えている。光Ｌは、Ｓ偏光成分ＬｓとＰ偏光成分Ｌｐとを含み、各偏光成分Ｌｓ，Ｌｐの含有割合は、それぞれ５０％とする。光Ｌは、ハーフミラー５１に対して所定の入射角αで斜めに入射するように設定されている。ハーフミラー５１の反射率は、例えば２３％に設定されている。
【００４０】
銀層等の金属層を用いたハーフミラーでは、誘電体多層膜のみを用いたハーフミラーと異なり、入射角αがブリュースター角に一致していたとしても、Ｐ偏光成分Ｌｐの反射率が０％となることはない。Ｓ偏光成分Ｌｓの反射率、Ｐ偏光成分Ｌｐの反射率を、ともに２３％に設定することができる。したがって、Ｐ偏光成分Ｌｐは、Ｓ偏光成分Ｌｓとともに外部に取り出される。
【００４１】
光Ｌが最初に入射するハーフミラー５１からの射出光をＬ１とし、光Ｌが２枚目に入射するハーフミラー５１からの射出光をＬ２とすると、光Ｌの全光量に対する射出光Ｌ１（Ｓ偏光成分Ｌｓ＋Ｐ偏光成分Ｌｐ）の光量の割合は、２３％（＝０．５×０．２３＋０．５×０．２３）となり、光Ｌの全光量に対する射出光Ｌ２（Ｓ偏光成分Ｌｓ＋Ｐ偏光成分Ｌｐ）の光量の割合は、１７．７１％（＝０．５×０．７７×０．２３＋０．５×０．７７×０．２３）となる。したがって、１枚目のハーフミラー５１からの射出光と２枚目のハーフミラー５１からの射出光との輝度の差は、５．２９％となる。
【００４２】
このように、本実施形態のハーフミラー５１においては、反射率を従来のハーフミラー１０１と同じに設定した場合に、互いに隣り合うハーフミラー５１の間の輝度差を従来の半分にすることができる。したがって、射出光の明るさムラを従来に比べて大きく低減することができる。
【００４３】
また、金属層を用いたハーフミラーであっても、反射率を３５％とした場合、上記と同様に計算すると、互いに隣り合うハーフミラーからの射出光の輝度の差は、１２．２５％となり、明るさムラが大きくなる。ここで、ハーフミラーの反射率を３０％以下に設定すれば、互いに隣り合うハーフミラーからの射出光の輝度差を略１０％以下に抑えることができ、明るさムラを低減することができる。したがって、ハーフミラーの反射率は３０％以下であることが望ましい。上記の輝度差が１０％以下であれば、人の眼で感知しづらく、ムラが視認できないことが実験で確認されている。さらに、輝度差が５％以下であれば、より完全にムラが視認できないことが実験で確認されている。
【００４４】
本発明者らは、本実施形態の構成を基本とする複数種のハーフミラーを実際に作製し、ハーフミラーの銀層の外観および光学特性の評価を行った。以下、その結果について説明する。
【００４５】
実施例１として、ＩＧＯからなる凝集抑制層の上に銀層を形成した形態のハーフミラーを作製した。
実施例２として、有機薄膜の一種である３−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、３−メルカプトプロピルトリメトキシシランからなる凝集抑制層の上に銀層を形成した形態のハーフミラーを作製した。
比較例１として、凝集抑制層を設けることなく、基材の上に銀層を直接形成した形態のハーフミラーを作製した。
実施例１、実施例２および比較例１のいずれのハーフミラーにおいても、銀層の膜厚の目標値を１０ｎｍとした。また、基材として、光学ガラスの一種であるＢＫ７を用いた。
【００４６】
図４は、実施例１のハーフミラーの銀層の表面状態を示すＳＥＭ写真である。図５は、実施例２のハーフミラーの銀層の表面状態を示すＳＥＭ写真である。図６は、比較例１のハーフミラーの銀層の表面状態を示すＳＥＭ写真である。図７は、比較例１において、特に銀の凝集の様子を示すＳＥＭ写真である。これらのＳＥＭ写真において、相対的に明るく見える部分は銀であり、相対的に暗く見える部分は下地が露出した部分である。また、ＳＥＭの加速電圧は１ｋＶであり、倍率は１０万倍である。
【００４７】
図６および図７に示すように、凝集抑制層を備えていない比較例１のハーフミラーでは、基材の一面に多数の銀の粒塊が形成されていた。粒塊の直径は、４０ｎｍ程度であった。多数の粒塊の各々は、基材上で孤立しており、連続した膜を構成していないことが確認された。このように、多数の銀の粒塊が設けられた基材上に光が入射すると、プラズモン吸収が生じ、光の損失が発生する。
【００４８】
これに対して、図４に示すように、ＩＧＯからなる凝集抑制層を備えた実施例１のハーフミラーでは、比較例１のハーフミラーでは孤立していた銀の粒塊同士が繋がって緻密な膜へと成長し、銀層の形態をなしていることが確認された。また、図５に示すように、有機薄膜からなる凝集抑制層を備えた実施例２のハーフミラーでも、実施例１のハーフミラーと同様の外観を呈することが確認された。
このように、銀層の下地層として上記の凝集抑制層が用いられることによって、銀の凝集を抑制できることが確認された。
【００４９】
なお、本発明における銀層は、非常に薄い膜厚を有するため、図４および図５に示すように、下地が露出した部分が存在していてもよく、銀の粒塊は完全に孤立しておらず、隣り合う粒塊同士が少なくとも一部で繋がっている状態の銀の膜のことを指す。
【００５０】
次に、ハーフミラーの光学特性を評価するため、図８に示すハーフミラーを作製した。
図８に示すように、光学特性評価用のハーフミラー５２は、基材６０と、第１誘電体層６３と、凝集抑制層６１と、銀層６２と、第２誘電体層６４と、第３誘電体層６５と、を備えている。第１誘電体層６３、凝集抑制層６１、銀層６２、および第２誘電体層６４は、基材６０の一面にこの順に積層されている。この種のハーフミラー５２を用いて、大気中で評価を行うことにより、簡易的な誘電体多層膜からなるハーフミラー５２の光学特性を評価することができる。このように、ハーフミラー５２は、銀層６２および凝集抑制層６１に接して設けられた誘電体層をさらに備えている。
【００５１】
実施例１として、基材上に第１誘電体層としてのＺｒＯ２、ＩＧＯからなる凝集抑制層、銀層、第２誘電体層としてのＺｒＯ２、第３誘電体層としてのＳｉＯ２を順次積層したハーフミラーを作製した。
実施例２として、基材上に第１誘電体層としてのＺｒＯ２、有機薄膜としての３−メルカプトプロピルメチルジメトキシシランまたは３−メルカプトプロピルトリメトキシシランからなる凝集抑制層、銀層、第２誘電体層としてのＺｒＯ２、第３誘電体層としてのＳｉＯ２を順次積層したハーフミラーを作製した。
比較例１として、基材上に第１誘電体層としてのＺｒＯ２、銀層、第２誘電体層としてのＺｒＯ２、第３誘電体層としてのＳｉＯ２を順次積層したハーフミラーを作製した。
【００５２】
図９は、実施例１のハーフミラーによる反射率および透過率の分光特性を示す図である。図１０は、実施例２のハーフミラーによる反射率および透過率の分光特性を示す図である。図１１は、比較例１のハーフミラーによる反射率および透過率の分光特性を示す図である。
【００５３】
図９、図１０において、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は反射率（％）もしくは透過率（％）、もしくは反射率と透過率の合計（％）である。
符号ＳＲで示す曲線は、反射率の設計値（シミュレーション値）に関する分光特性を示す。符号ＳＴで示す曲線は、透過率の設計値（シミュレーション値）に関する分光特性を示す。符号ＳＹで示す曲線は、反射率の設計値（シミュレーション値）と透過率の設計値（シミュレーション値）との合計を示す。符号ＪＲで示す曲線は、反射率の実測値に関する分光特性を示す。符号ＪＴで示す曲線は、透過率の実測値に関する分光特性を示す。符号ＪＹで示す曲線は、反射率の実測値と透過率の実測値との合計を示す。
【００５４】
反射率と透過率との合計と１００％との差分Ｇは、ハーフミラーによる光の吸収分に相当すると考えられる。そこで、実測値の合計スペクトル曲線ＪＹに着目すると、比較例１のハーフミラーの場合、図１１に示すように、上記の差分Ｇが比較的大きく、光の吸収が生じていることが確認された。この光の吸収は、銀の凝集に伴うプラズモン吸収によるものと推察することができる。
【００５５】
これに対し、実施例１のハーフミラーの場合、図９に示すように、上記の差分Ｇが比較例１と比べて小さく、光の吸収が大幅に抑制されていることが確認された。また、実施例２のハーフミラーについても、図１０に示すように、実施例１と同様、上記の差分Ｇが比較例１と比べて小さく、光の吸収が大幅に抑制されていることが確認された。
【００５６】
本実施形態のハーフミラー５１においては、誘電体多層膜ではなく、銀層６２を用いることによって、ブリュースター角近傍の入射角においてもＰ偏光成分を利用することができる。その結果、同じ光利用効率であっても、Ｓ偏光成分のみを反射できる誘電体多層膜よりも、Ｓ偏光成分、Ｐ偏光成分の両方を使える銀層６２を用いたハーフミラーの方が反射率および反射光の輝度を高く確保できる。
【００５７】
銀層６２の下地に凝集抑制層６１が設けられたことによって銀の凝集が抑制される結果、膜厚が薄い銀層を比較的安定して形成することができる。これにより、ハーフミラー５１における光の吸収が抑制されるため、低反射率領域において所望の光学特性を有するハーフミラーを得ることができる。特に、銀層６２の膜厚を１２ｎｍ以下とすることにより、ハーフミラーの反射率を３０％以下程度にまで低く制御することができる。
【００５８】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１２〜図２０を用いて説明する。
第２実施形態のハーフミラーの基本構成は第１実施形態と同様であり、誘電体層の構成が第１実施形態と異なる。
図１２は、第２実施形態のハーフミラーの断面図である。
図１２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。
【００５９】
図１２に示すように、本実施形態のハーフミラー５３は、第１誘電体層８１と、第２誘電体層８２と、第３誘電体層８３と、第４誘電体層８４と、第５誘電体層８５と、第６誘電体層８６と、銀層８７と、第７誘電体層８８と、第８誘電体層８９と、第９誘電体層９０と、第１０誘電体層９１と、第１１誘電体層９２と、接着層９３と、を備えている。本実施形態のハーフミラー５３は、第１実施形態と異なり、凝集抑制層６１を備えていない。
【００６０】
本実施形態の銀層８７は、銀と元素Ｘ（Ｘ＝Ａｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐｄ，Ｓｎ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒのいずれか）とを含み、銀の含有率が９７％以上であり、元素Ｘの含有率が３％未満である合金層で構成されている。合金層の膜厚は、１２ｎｍ以下である。なお、元素Ｘは、Ａｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐｄ，Ｓｎ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｃｒのうち、１種の元素のみを含んでいてもよいし、２種以上の元素を含んでいてもよい。２種以上の元素を含む場合、２種以上の元素の含有率の合計が３％未満であればよい。すなわち、本実施形態のハーフミラー５３は、銀層８７を構成する合金層に接して設けられた誘電体層をさらに備えている。
【００６１】
本発明者らは、種々の検討の結果、合金層中の銀の含有率が９７％未満であると、銀の凝集は抑制できる反面、元素Ｘによる光の吸収が大きくなり、透過する光の光ロスが生じることを確認した。この光ロスは可視域の波長で特に顕著に生じた。そのため、銀の含有率は９７％以上である必要がある。また、合金層中の元素Ｘの含有率は、０．５％以上、かつ３％未満であることが望ましい。その理由は、元素Ｘの含有率が０．５％未満では、銀の凝集抑制効果が十分に得られないからである。
【００６２】
第１誘電体層８１、第２誘電体層８２、第３誘電体層８３、第４誘電体層８４、第５誘電体層８５、第６誘電体層８６、第７誘電体層８８、第８誘電体層８９、第９誘電体層９０、第１０誘電体層９１および第１１誘電体層９２は、例えばＡｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２，ＳｉＯ２，ＴｉＯ２等の誘電体多層膜で一般的に用いられる材料を適宜組み合わせて用いることができる。この例では、１１層の誘電体層が用いられているが、誘電体層の数は、ハーフミラー５３に要求される光学特性に合わせて適宜変更が可能である。また、各誘電体層の膜厚についても、ハーフミラー５３に要求される光学特性に合わせて適宜変更が可能である。
【００６３】
接着層９３は、後の実施形態で例示する光学素子を作製する際に、ハーフミラー５３が一面に設けられた基材６０同士を貼り合わせるための接着剤からなる層である。接着層９３としては、例えばアクリル系、エポキシ系などの光透過性を有する紫外線硬化型接着剤が用いられる。
【００６４】
本実施形態のハーフミラー５３では、凝集抑制層６１が用いられていないが、銀と元素Ｘとの合金で銀層８７が構成されていることによって、銀の凝集が抑制される。換言すると、銀層８７が元素Ｘを含んでいることによって、銀の凝集が抑制される。
【００６５】
本発明者らは、本実施形態に基づく複数種類のハーフミラーを実際に作製し、ハーフミラーの外観および光学特性の評価を行った。以下、その結果について説明する。
【００６６】
実施例３として、下記の表１に示す層構成を有するハーフミラーを作製した。ハーフミラーの反射率の目標値は、１５％である。また、銀層中の銀（Ａｇ）の含有率は９９％であり、銅（Ｃｕ）の含有率は１％である。このとき、銅（Ｃｕ）合金として、金（Ａｕ）の含有率を０．５％、銅（Ｃｕ）の含有率を０．５％としてもよい。
なお、表１中の層の名称の後の番号は、図１２中の各層の符号に対応している。
【００６７】
【表１】
2018205395.tif 000003
【００６８】
実施例４として、下記の表２に示す層構成を有するハーフミラーを作製した。ハーフミラーの反射率の目標値は、２０％である。また、銀層中の銀（Ａｇ）の含有率は９９％であり、銅（Ｃｕ）の含有率は１％である。このとき、銅（Ｃｕ）合金として、金（Ａｕ）の含有率を０．５％、銅（Ｃｕ）の含有率を０．５％としてもよい。
なお、表２中の層の名称の後の番号は、図１２中の各層の符号に対応している。
【００６９】
【表２】
2018205395.tif 000004
【００７０】
比較例２として、実施例３，４で用いた銀と銅との合金層に代えて、銀の単体からなる銀層を基材上に形成したハーフミラーを作製した。
【００７１】
図１３は、実施例３のハーフミラーの外観を示すＳＥＭ写真である。図１４は、実施例４のハーフミラーの外観を示すＳＥＭ写真である。図１５は、比較例２のハーフミラーの外観を示すＳＥＭ写真である。これらのＳＥＭ写真において、相対的に明るく見える部分は銀であり、相対的に暗く見える部分は下地が露出した部分である。また、ＳＥＭの加速電圧は１ｋＶであり、倍率は１０万倍である。
【００７２】
図１５に示すように、合金層を用いなかった比較例２のハーフミラーの場合、基材の一面に多数の銀の粒塊が形成されていた。粒塊の径は５０〜１００ｎｍ程度であった。多数の粒塊の各々は、基材の一面上で孤立しており、連続した膜を構成していないことが確認された。このように、多数の銀の粒塊の上に光が入射すると、プラズモン吸収が生じ、光の損失が発生した。
【００７３】
これに対して、図１３に示すように、膜厚が１０．２ｎｍの銀−銅合金層を備えた実施例３のハーフミラーの場合、銅の存在によって銀単体の凝集が抑制され、より緻密な膜が成長し、銀層が形成されていることが確認された。また、図１４に示すように、膜厚が１１．９ｎｍの銀−銅合金層を備えた実施例４のハーフミラーの場合も、実施例３のハーフミラーと同様の外観を呈することが確認された。このように、上記の合金層が用いられることによって、銀の凝集を抑制できることが確認された。
【００７４】
図１６は、実施例３のハーフミラーによる反射率および透過率の分光特性を示す図である。図１７は、実施例４のハーフミラーによる反射率および透過率の分光特性を示す図である。
【００７５】
図１６、図１７において、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は反射率（％）もしくは透過率（％）である。
符号Ｒｐ５４で示す曲線は、Ｐ偏光成分の入射角５４°における反射率の分光特性を示す。符号Ｒｓ５４で示す曲線は、Ｓ偏光成分の入射角５４°における反射率の分光特性を示す。符号Ｒｐ６２で示す曲線は、Ｐ偏光成分の入射角６２°における反射率の分光特性を示す。符号Ｒｓ６２で示す曲線は、Ｓ偏光成分の入射角６２°における反射率の分光特性を示す。符号Ｒｐ７０で示す曲線は、Ｐ偏光成分の入射角７０°における反射率の分光特性を示す。符号Ｒｓ７０で示す曲線は、Ｓ偏光成分の入射角７０°における反射率の分光特性を示す。符号Ｔｐ６２で示す曲線は、Ｐ偏光成分の入射角６２°における透過率の分光特性を示す。符号Ｔｓ６２で示す曲線は、Ｓ偏光成分の入射角６２°における透過率の分光特性を示す。
【００７６】
また、図１６、図１７において、符号ＣＢで示す曲線は、光源として用いた有機ＥＬ装置の青色光の発光スペクトルを示す。符号ＣＧで示す曲線は、光源として用いた有機ＥＬ装置の緑色光の発光スペクトルを示す。符号ＣＲで示す曲線は、光源として用いた有機ＥＬ装置の赤色光の発光スペクトルを示す。
【００７７】
図１６に示すように、実施例３のハーフミラーにおいては、反射率と透過率との合計（図示せず）が可視波長域の略全体にわたって１００％に近く、光の吸収が小さいことが確認された。図１７に示すように、実施例４のハーフミラーにおいても、実施例３と同様、反射率と透過率との合計（図示せず）が可視波長域の略全体にわたって１００％に近く、光の吸収が小さいことが確認された。
【００７８】
また、図１６、図１７に示すように、実施例３，４のハーフミラーにおいては、反射率および透過率の波長依存性が、図９、図１０に示した実施例１，２のハーフミラーに比べて小さくなっている。この理由は、実施例３，４のハーフミラーで用いた複数の誘電体層の作用と考えられる。すなわち、銀層の上下に複数種の誘電体層を積層することにより、広い波長域にわたって変動が小さい反射率および透過率を有するハーフミラーを得ることができる。さらに、積層する誘電体の種類や膜厚を変えることにより、図１６や図１７で示される分光特性の形状を調整することができ、射出光の色バランスや色域を制御することができる。
【００７９】
［第３実施形態：表示装置］
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１８は、本実施形態の表示装置の断面図である。図１９は、導光装置を観察者の側から見た裏面図である。図２０は、導光装置によ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。
【００８０】
（導光装置および表示装置の全体構成）
図１８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１８は、図１９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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。導光装置２０は、平行導光体２２と、平行導光体２２の内部を進行してきた光の一部を反射させる、後述のハーフミラー５３と、を備えている。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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２０参照）。
【００８８】
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１９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。
【００８９】
図２０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り出し対象である。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。
【００９０】
射出部２３は、光透過性を有する複数のハーフミラー５３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２１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。
【００９１】
導光装置２０が以上のような構造を有することから、図２０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。
【００９２】
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。
【００９３】
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り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。
【００９４】
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。
【００９５】
（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２０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。
【００９６】
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。
【００９７】
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る。さらに、画像光ＧＬ１は、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。
【００９８】
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る。さらに、画像光ＧＬ２は、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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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５３への入射角ι（図２１参照）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、ハーフミラー５３への入射角ιもしくはハーフミラー５３での反射角は、入射部２１から離れるに従って小さくなる。
【０１０２】
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２０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。
【０１０３】
（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２１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と同様に、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。
【０１０４】
図２１に示すように、光学素子３０は、複数のハーフミラー５３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５３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５３の隣り合う２つのハーフミラー５３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５３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５３と透光性部材３２とが交互に配置された構成を有する。
【０１０５】
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５３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。
【０１０６】
複数の透光性部材３２は、一対の透光性部材３２とハーフミラー５３とからなる組を複数貼り合わせたときに、複数のハーフミラー５３が互いに平行に配置された形態となるように構成されている。図２１では図示を省略するが、ハーフミラー５３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５３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５３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）をおいて複数配列された構成を有する。
【０１０７】
ハーフミラー５３は、透光性部材３２間に挟まれた反射膜で構成されている。反射膜は、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。あるいは、反射膜は、金属膜で構成されていてもよい。ハーフミラー５３は、ハーフミラー５３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５３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。換言すると、ハーフミラー５３は、ハーフミラー５３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。
【０１０８】
ハーフミラー５３の画像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＥＬを透過させ、外界像の観察を容易にする観点から、想定される画像光ＧＬの入射角範囲において、例えば１０％以上、５０％以下とされている。また、ハーフミラー５３は、ハーフミラー５３の面に対して相対的に小さい入射角で入射した画像光ＧＬの反射率が、相対的に大きい入射角で入射した画像光ＧＬの反射率よりも低い特性を有する。この特性に伴う作用、効果については後で詳しく述べる。
【０１０９】
以下、ハーフミラー５３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５３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５３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ハーフミラー５３の傾斜角度δを変更する必要がある。
【０１１０】
複数のハーフミラー５３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°に設定されているものとする。この場合、図２０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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
なお、隣り合うハーフミラー５３の間のピッチＰＴは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度に設定される。ハーフミラー５３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てもよい。より具体的には、光学素子３０におけるハーフミラー５３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してもよい。このように、光学素子３０におけるハーフミラー５３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。
【０１１３】
光学素子３０の厚み、すなわち、ハーフミラー５３のＺ軸方向の厚み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ハーフミラー５３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。
【０１１４】
本実施形態の表示装置１００は、上記実施形態のハーフミラー５３を有する導光装置２０を備えているため、縦スジ状の明るさムラが少なく、明るい映像を表示することができる。
【０１１５】
［第４実施形態：表示装置］
以下、本発明の第４実施形態について、図２２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３実施形態と同様であり、導光装置の構成が第３実施形態と異なる。
図２２は、本実施形態の表示装置の断面図である。
図２２において、第３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２２に示すように、本実施形態の表示装置２００は、画像形成装置１０と、導光装置２０Ｂと、を備えている。画像形成装置１０の構成は、第３実施形態と同様である。導光装置２０Ｂ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２３Ｂと、を備える。
【０１１７】
第３実施形態の射出部２３は、平行導光体２２の観察者側の面に備えられた光学素子３０から構成されていた。これに対して、本実施形態の射出部２３Ｂは、平行導光体２２とは別個の光学素子３０を備えておらず、平行導光体２２の内部に設けられた複数のハーフミラー５３から構成されている。本実施形態の場合、例えば、入射部２１は樹脂成型により作製され、複数のハーフミラー５３を備えた平行導光体２２は積層ガラス板の切削切り出しにより作製される。このように、別個に作製された入射部２１と平行導光体２２とが接合される。
【０１１８】
本実施形態の表示装置２００においても、縦スジ状の明るさムラの少ない映像を表示できる、という第３実施形態と同様の効果が得られる。
【０１１９】
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。
例えばハーフミラー、導光装置、および表示装置を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、上記の液晶表示装置の他、有機ＥＬ装置、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。また、導光装置は、表示装置に利用されるのみならず、例えば照明装置等に利用されてもよい。
【符号の説明】
【０１２０】
２０，２０Ｂ…導光装置、５１，５２，５３…ハーフミラー、６１…凝集抑制層、６２，８７…銀層、８１…第１誘電体層、８２…第２誘電体層、８３…第３誘電体層、８４…第４誘電体層、８５…第５誘電体層、８６…第６誘電体層、８８…第７誘電体層、８９…第８誘電体層、９０…第９誘電体層、９１…第１０誘電体層、９２…第１１誘電体層、１００，２００…表示装置。
【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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