JP2018109738A - 光学素子および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示ムラが視認しにくい表示装置を実現できる光学素子を提供する。【解決手段】本発明の光学素子は、複数の反射率変化ハーフミラーと、透光性部材と、を備え、複数の反射率変化ハーフミラーは、傾斜方向に沿って反射率が異なる複数の領域を有する。複数の領域は、射出面から遠い側に位置する低反射率領域と、射出面に近い側に位置する高反射率領域と、を少なくとも含む。入射部から遠い側に位置する反射率変化ハーフミラーの高反射率領域の占有面積は、入射部に近い側に位置する反射率変化ハーフミラーの高反射率領域の占有面積よりも大きい。【選択図】図４

Description

本発明は、光学素子および表示装置に関する。

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。

例えば下記の特許文献１に、光透過性を有する基板と、ディスプレイ光源と、内部反射によって基板に入射した視野内にある光を結合させるための光学的手段と、基板内に設けられ、基板の主面に対して斜めに配置された部分反射面と、を備えた光学装置が開示されている。また、下記の特許文献２には、画像生成装置と、回折格子からなる画像取り出しシステムを含む光ガイド部材と、を備えたシースルー型の表示装置システムが開示されている。

特表２００７−５０５３５３号公報 特開２００４−１５７５２０号公報

上記特許文献１の光学装置を備えたヘッドマウントディスプレイ、および特許文献２の表示装置システムにおいて、観察者の眼前に設けられた部分反射面のパターンに起因して縞状の表示ムラが視認されるという課題がある。また、これらの特許文献には、一つの部分反射面内に反射率が異なる領域を設けることにより、明るさの均一性が向上し、表示ムラが解消できる旨の記載があるが、その効果は不十分である。

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って、縞状の表示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、本発明の一つの態様は、上記の表示装置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。

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となるように設けられ、入射部から入射した画像光の一部を反射させ、前記画像光の他の一部を透過させる複数の反射率変化ハーフミラーと、前記複数の反射率変化ハーフミラーを支持する透光性部材と、を備え、前記透光性部材は、前記画像光を入射させる入射面と、前記画像光を射出させる射出面と、を有し、前記複数の反射率変化ハーフミラーの各々は、前記入射面および前記射出面に対して傾斜して配置され、前記複数の反射率変化ハーフミラーは、傾斜方向に沿って反射率が異なる複数の領域を有し、前記複数の反射率変化ハーフミラーの各々の前記複数の領域は、前記傾斜方向において前記射出面から遠い側に位置する低反射率領域と、前記傾斜方向において前記低反射率領域よりも前記射出面に近い側に位置し、反射率が前記低反射率領域よりも高い高反射率領域と、を少なくとも含み、前記複数の反射率変化ハーフミラーの各々は、前記入射部から遠い側に位置する反射率変化ハーフミラーの前記高反射率領域の占有面積が、前記入射部に近い側に位置する反射率変化ハーフミラーの前記高反射率領域の占有面積よりも大きいことを特徴とする。

この種の光学素子において、入射部から遠い側に進む画像光は、入射部に近い側に進む画像光に比べて、ハーフミラーに対してより垂直に近い角度で入射し、より多くの枚数のハーフミラーによって分岐しつつ進行方向を変える。そのため、入射部から遠い側に進む画像光は、入射部に近い側に進む画像光に比べ、ハーフミラーを通過した際の強度の低下が著しい。

そこで、本発明の一つの態様の光学素子では、入射部から遠い側の反射率変化ハーフミラーにおける高反射率領域の占有面積が、入射部に近い側の反射率変化ハーフミラーにおける高反射率領域の占有面積よりも大きい。言い換えると、入射部から遠い側において、一つのハーフミラー内の反射率の変化位置が入射部に近い側よりも射出面（観察者）から離れた位置に設定されている。これにより、入射部から遠い側に進む画像光の強度低下の度合いを入射部に近い側に進む画像光の強度低下の度合いに近付けることができる。これにより、光学素子からの射出光の強度分布を均一に近付けることができる。

本発明の一つの態様の光学素子において、前記複数の反射率変化ハーフミラーは、前記入射部に近い側から前記入射部から遠い側に向けて、各々の前記高反射率領域の占有面積が段階的に大きくなっていてもよい。

この構成によれば、簡易な製造方法によって射出光の強度分布が均一な光学素子を作製することができる。

本発明の一つの態様の光学素子において、前記複数の反射率変化ハーフミラーは、前記入射部に近い側から前記入射部から遠い側に向けて、各々の前記高反射率領域の占有面積が直線的に大きくなっていてもよい。

この構成によれば、簡易な製造方法によって射出光の強度分布が均一な光学素子を作製することができる。

本発明の一つの態様の光学素子において、前記高反射率領域の反射率をＲ_１とし、前記低反射率領域の反射率をＲ_２とし、反射率差パラメーターΦを下記の（１）式で定義したとき、
Φ＝（Ｒ_１−Ｒ_２）／［（Ｒ_１＋Ｒ_２）／２］…（１）
前記反射率差パラメーターΦが、０．１＜Φ＜０．７を満たしてもよい。

この構成によれば、観察者が強度ムラを認識できない程度にまで射出光の強度の振幅を小さく抑えることができる。

本発明の一つの態様の光学素子は、前記複数の反射率変化ハーフミラーの各々に対して平行に設けられた反射率一定ハーフミラーをさらに備えていてもよい。

この構成によれば、光学素子の製造コストを低減することができる。特に反射率一定ハーフミラーの配置や枚数を適切に設定すれば、光学素子の特性低下を抑えつつ光学素子の製造コストを低減することができる。

本発明の一つの態様の光学素子において、前記複数の反射率変化ハーフミラーのうち、隣り合う２つの反射率変化ハーフミラーの間に、前記反射率一定ハーフミラーが前記複数の反射率変化ハーフミラーと平行となるように配置されていてもよい。

この構成によれば、光学素子からの射出光の強度分布を均一に近付けることができる。

本発明の一つの態様の光学素子において、前記複数の反射率変化ハーフミラーは、前記高反射率領域と前記低反射率領域とがなだらかに変化していてもよい。

この構成によれば、光学素子からの射出光の強度分布を均一に近付けることができる。

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。

本発明の一つの態様の表示装置は、射出光の強度分布がより均一な光学素子を有する射出部を備えているため、縞状の表示ムラが視認されにくい表示装置を実現することができる。

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。

この構成によれば、設計が容易な表示装置を実現することができる。

第１実施形態の表示装置の平面図である。 導光装置の裏面図である。 導光装置における画像光の光路を示す図である。 第１実施形態の光学素子の断面図である。 従来の光学素子の断面図である。 画角と射出光の相対強度との関係を示すグラフである。 光学素子の第１の製造方法を示す工程図である。 図７Ａの工程図の続きである。 図７Ｂの工程図の続きである。 図７Ｃの工程図の続きである。 光学素子の第２の製造方法を示す工程図である。 図８Ａの工程図の続きである。 図８Ｂの工程図の続きである。 図８Ｃの工程図の続きである。 光学素子の第３の製造方法を示す工程図である。 図９Ａの工程図の続きである。 図９Ｂの工程図の続きである。 図９Ｃの工程図の続きである。 第２実施形態の光学素子の断面図である。 画角と射出光の相対強度との関係を示すグラフである。 光学素子の第１の製造方法を示す工程図である。 図１２Ａの工程図の続きである。 図１２Ｂの工程図の続きである。 光学素子の第２の製造方法を示す工程図である。 図１３Ａの工程図の続きである。 図１３Ｂの工程図の続きである。 光学素子の第３の製造方法を示す工程図である。 図１４Ａの工程図の続きである。 図１４Ｂの工程図の続きである。 図１４Ｃの工程図の続きである。 図１４Ｄの工程図の続きである。 本発明の光学素子の作用を説明するための図である。 本発明の光学素子の他の作用を説明するための図である。 画角と射出光の相対強度との関係を示すグラフである。 反射率差パラメーターと射出光強度の振幅との関係を示すグラフである。 第３実施形態の光学素子の断面図である。 画角と射出光の相対強度との関係を示すグラフである。 第３実施形態の変形例の光学素子の断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図９Ｄを用いて説明する。
第１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。
図１は、第１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、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。

（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。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、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。

画像形成装置１０は、液晶パネル１１と、投射レンズ１２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。

導光装置２０は、平板状の光透過部材を有する。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。第１実施形態の場合、導光装置２０を伝播させる画像光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。

平行導光体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。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だけ傾ける場合、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。

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を反射して平行導光体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。

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。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。

平行導光体２２は、ｙ軸に対して平行、かつｘ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。平行導光体２２は、互いに略平行な一対の平面２２ａと平面２２ｂとを有する。平面２２ａおよび平面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。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、本明細書中では外界側面とも称する。

平面２２ｂは、本明細書中では観察者側面とも称する。平面（観察者側面）２２ｂ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）。

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、図３に示すように、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸からなる座標軸を、ｙ軸を中心として角度κだけ反時計回りに回転させた座標軸を、それぞれＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とする。

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。

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、図４等を参照して後で詳述する。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。このように、射出部２３は、平行導光体２２の視認側の面に設けられている。

導光装置２０が以上のような構造を有することから、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、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。

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（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。

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。

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。

（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（−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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ハーフミラー３１への入射角ιもしくはハーフミラー３１での反射角εは、入射部２１から離れるにつれて小さくなる。

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。

（光学素子の構成）
以下、図３および図４を参照して、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３に示すように、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。

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。

複数のハーフミラー３１のうちの少なくとも一部は、複数の反射率変化ハーフミラーで構成されている。反射率変化ハーフミラーは、傾斜方向に沿って反射率が異なる複数の領域を有する。本実施形態においては、全てのハーフミラー３１が反射率変化ハーフミラーで構成されている。ただし、全てのハーフミラー３１が反射率変化ハーフミラーで構成されていなくてもよく、反射率が一定のハーフミラーが混在していてもよい。本実施形態では、反射率変化ハーフミラーと反射率一定ハーフミラーとを区別する必要がないため、以下の説明においては反射率変化ハーフミラーを単にハーフミラーと称する。

図４に示すように、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、膜厚が異なる２つの領域３１Ａ，３１Ｂを有するハーフミラー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。

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。

なお、図４に示すように、ハーフミラー３１の一方の面は平坦な面であり、他方の面は膜厚差分の段差を有する面であるから、厳密に言えば、隣り合うハーフミラー３１同士は互いに平行であるとは言いにくい。しかしながら、本発明では、ハーフミラー３１の膜厚方向の中心を通る平面、もしくはハーフミラー３１の少なくとも一方の面が平行であるとき、複数のハーフミラー３１は互いに平行である、とみなす。ハーフミラー３１は薄膜で構成され、膜厚差も僅かであるため、膜厚差を無視すれば、複数のハーフミラー３１が互いに平行であると言って差し支えない。

また、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。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、とみなす。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、とみなす。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。

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、例えばアルミニウム等の反射率が高い金属膜が用いられる。反射膜の厚さは十分に薄いため、ハーフミラー３１は、光学素子３０に入射した画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの一部を反射させるとともに、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの他の一部を透過させる。反射膜として、金属膜の他、屈折率が異なる誘電体薄膜が交互に複数層積層された誘電体多層膜が用いられてもよい。

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、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３１は、ハーフミラー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。

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３１の傾斜角度δを変更する必要がある。

ハーフミラー３１は、傾斜方向に沿って反射率が互いに異なる複数の領域３１Ａ，３１Ｂを有する。図４の例では、反射膜として金属膜を用いており、ハーフミラー３１は、傾斜方向に沿って膜厚が互いに異なる複数の領域を有する金属膜で構成される。各領域３１Ａ，３１Ｂにおける金属膜の膜厚は、例えばそれぞれ１０ｎｍ、２０ｎｍである。この例では、ハーフミラー３１は、反射率が異なる２つの領域３１Ａ，３１Ｂを有するが、反射率が異なる領域の数は２に限ることなく、領域の数は３以上であってもよい。また、ハーフミラー３１は、反射率が段階的に異なる領域を有するのではなく、反射率が連続的に異なっていてもよい。反射率が連続的に異なる場合も、ハーフミラー３１は膜厚が異なる複数の領域を有する、という概念に含まれる。

上述したように、反射膜として金属膜を用いた場合、領域によって膜厚を異ならせることにより、反射率を異ならせることが可能である。また、金属膜の材料を領域によって互いに異ならせてもよい。さらに、反射膜として誘電体多層膜を用いた場合には、領域によって誘電体多層膜の少なくとも１層分の膜厚、積層数、誘電体材料のいずれかを異ならせることにより、反射率を異ならせることが可能である。

ハーフミラー３１において、反射率が異なる２つの領域は、傾斜方向において射出面３２ｂに近い側に位置し、反射率が相対的に高い高反射率領域３１Ｂと、傾斜方向において高反射率領域３１Ｂよりも射出面３２ｂから遠い側に位置し、反射率が高反射率領域３１Ｂよりも低い低反射率領域３１Ａと、を含む。すなわち、高反射率領域３１Ｂは金属膜の膜厚が厚い領域に相当し、低反射率領域３１Ａは金属膜の膜厚が薄い領域に相当する。

複数のハーフミラー３１は、入射部２１から遠い側の各ハーフミラー３１における高反射率領域３１Ｂの占有面積が、入射部２１に近い側の各ハーフミラー３１における高反射率領域３１Ｂの占有面積よりも大きくなるように、設けられている。

具体的には、本実施形態の場合、複数のハーフミラー３１は、入射部２１に近い側の複数のハーフミラー３１からなる第１のハーフミラー群３４Ａと、入射部２１から遠い側の複数のハーフミラー３１からなる第２のハーフミラー群３４Ｂと、に２分割されている。第１のハーフミラー群３４Ａの中では、複数のハーフミラー３１は、高反射率領域３１Ｂの占有面積が一定である。また、第２のハーフミラー群３４Ｂの中では、複数のハーフミラー３１は、高反射率領域３１Ｂの占有面積が一定である。

すなわち、本実施形態の場合、複数のハーフミラー３１における高反射率領域３１Ｂの占有面積は、入射部２１に近い側から入射部２１から遠い側に向けて段階的に大きくなっている。言い換えると、入射部２１から遠い側においては、一つのハーフミラー３１の高反射率領域３１Ｂと低反射率領域３１Ａとの境界（反射率変化位置）が入射部２１に近い側よりも射出面３２ｂ（観察者）から離れた位置に設定されている。そのため、複数のハーフミラー３１にわたって、高反射率領域３１Ｂと低反射率領域３１Ａとの境界線（破線で示す）は、階段状に折れ曲がっている。「複数のハーフミラー３１における高反射率領域３１Ｂの占有面積が段階的に大きくなる」とは、「互いに隣り合い、反射率変化位置が同一の複数のハーフミラーが存在する」ということである。

（光学素子の作用）
図３、図４等に示すように、複数のハーフミラー３１は、例えば４８°〜７０°程度の傾斜角度δを有し、具体的には、例えば６０°の傾斜角度δを有している。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、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°をもって観察者の眼ＥＹに入射する。なお、角度γ１と角度γ２との和を画角と称する。

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）を光学素子３０のうち−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＋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。光学素子３０はこのような角度の関係で画像光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。そのため、光学素子３０は、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。

なお、光学素子３０の中央側や奥側の部分２３ｋ，２３ｈ等において、画像光ＧＬのごく一部は、ハーフミラー３１を複数回経由（具体的には、１回の反射と１回以上の透過を含む通過）している。この場合、ハーフミラー３１の経由回数が複数になるが、複数のハーフミラー３１からの反射光が、画像光ＧＬとして観察者の眼ＥＹにそれぞれ入射するため、光量の損失はあまり大きくはならない。

また、光学素子３０の中央側や奥側の部分２３ｋ，２３ｈ等において、画像光ＧＬのうち、平行導光体２２の裏側または観察者側（つまり、光射出面ＯＳ、境界面ＩＦ等）で反射される成分も発生する可能性がある。しかしながら、このような画像光ＧＬは、ハーフミラー３１で反射される非利用光ＧＸ（図４参照）として光路外に導かれ、観察者の眼ＥＹに入射することが回避される。なお、ハーフミラー３１を通過する非利用光は、外界側の平面２２ａに再度入射するおそれがある。ところが、ここで全反射された場合、多くは光学素子３０の奥側の部分２３ｈ、またはさらに奧側の有効領域外に入射させることができ、眼ＥＹに入射するおそれが低減される。

（本実施形態の効果）
以下、本実施形態の光学素子３０の特有の効果について説明する。
図５は、従来の光学素子３００の断面図である。
図５に示すように、従来の光学素子３００においては、複数のハーフミラー３０１の各々は、一つのハーフミラー３０１の面内の反射率が一定であった。この場合、画像光ＧＬａは、複数のハーフミラー３０１を連続して透過するため、画像光ＧＬａは、観察者側に進行するに従って強度Ｉａ’ｎが低下する。すなわち、Ｉａ’１＞Ｉａ’２＞Ｉａ’３である。これら分岐した画像光の強度低下により、画像の表示状態は不均一になる。画像光ＧＬｃについても同様であり、Ｉｃ’１＞Ｉｃ’２＞Ｉｃ’３＞Ｉｃ’４＞Ｉｃ’５である。

さらに、互いに画角が異なる画像光ＧＬａと画像光ＧＬｃとを比較する。画像光ＧＬａが光学素子３００に入射する位置は導光体の入射部に近く、画像光ＧＬｃが光学素子３００に入射する位置は導光体の入射部から遠い。そのため、画像光ＧＬｃは、画像光ＧＬａに比べてハーフミラー３０１に対してより垂直に近い角度で入射し、より多くの枚数のハーフミラー３０１によって分岐されつつ偏向する。そのため、画像光ＧＬｃの強度は、画像光ＧＬａの強度に比べて大きく低下する。その結果、従来の光学素子３００においては、縞状の表示ムラが視認されるという問題があった。

これに対して、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が観察者側に高反射率領域３１Ｂを有し、外界側に低反射率領域３１Ａを有しているため、高反射率領域３１Ｂの反射率が従来のハーフミラー３０１の反射率よりも高い場合、高反射率領域３１Ｂで反射した画像光の強度Ｉａ’’３は、従来のハーフミラー３０１で反射した画像光の強度Ｉａ’３よりも高くなる。このように、ハーフミラー３１で分岐した画像光の強度低下を抑制することができる。

さらに、入射部２１から遠い側においては、一つのハーフミラー３１内の高反射率領域３１Ｂと低反射率領域３１Ａとの境界（反射率変化位置）が観察者から離れた位置にある。そのため、入射部２１から遠い側に進む画像光ＧＬｃの強度低下（Ｉｃ’１＞Ｉｃ’２＞Ｉｃ’’３）の度合いを、入射部２１に近い側に進む画像光ＧＬａの強度低下（Ｉａ’１＞Ｉａ’２＞Ｉａ’’３）の度合いに近付けることができる。その結果、個々のハーフミラー３１間での画像光強度の変動と、入射部２１に近い側と遠い側での画像光強度の変動と、の双方を抑えることができ、縞状の表示ムラを視認しにくくすることができる。

ここで、本発明者は、本実施形態の光学素子３０の効果を実証するため、以下の光学シミュレーションを行った。光学シミュレーションとして、以下の３種類の光学素子に対して、射出瞳の中心（φ＝０．５ｍｍ）における像の角度プロファイルを求めた。なお、受光器の直径は、ハーフミラーのピッチ（０．９ｍｍ）よりも小さい０．５ｍｍとした。

実施例の光学素子として、ハーフミラー３１の高反射率領域３１Ｂの反射率が２５％であり、低反射率領域３１Ａの反射率が１５％であり、図４に示すハーフミラー３１の高さｔに対する２つのハーフミラー群３４Ａ，３４Ｂにおける反射率境界の高さの差ｄの比ｄ／ｔが０．１である光学素子３０を想定した。
比較例の光学素子として、ハーフミラーの高反射率領域の反射率が２５％であり、低反射率領域の反射率が１５％であり、反射率境界の高さが一定の光学素子を想定した。
従来例の光学素子として、ハーフミラーの反射率が２０％で一様の光学素子を想定した。

図６は、画角と射出光の相対強度との関係を示すグラフである。グラフの横軸は画角［度］であり、縦軸は射出光の相対強度［ａ．ｕ．］である。なお、負の画角は射出瞳の中心軸に対して入射部に近い側の画角であり、正の画角は射出瞳の中心軸に対して入射部から遠い側の画角である。なお、相対強度は、光学素子に入射する画像光の強度を１としたときの画角毎の射出光の強度と定義する。
実線ＳＡで示すグラフは実施例の光学素子のデータであり、２点鎖線ＳＢで示すグラフは比較例の光学素子のデータであり、破線ＳＣで示すグラフは従来例の光学素子のデータである。

従来例の光学素子を観察すると、入射部に近い領域（画角が負の領域）では表示ムラが視認されず、入射部から遠い領域（画角が正の領域）で縞状の表示ムラが視認された。このことから、図６に破線ＳＣで示すように、この観測条件で射出光の強度変化が２割程度であれば良好な画像が観測されるが、射出光の強度変化が５割程度になると表示ムラが視認されることが判った。

これに対し、比較例の光学素子のように、ハーフミラーに反射率が異なる領域を設けることにより、図６に２点鎖線ＳＢで示すように、画角全域にわたって射出光の強度変化が低減された。さらに、実施例の光学素子のように、領域の境界（反射率の変化位置）を入射部から遠い側で観察者から離すことにより、図６に実線ＳＡで示すように、比較例の光学素子と比べて、射出光の強度変化をさらに小さくすることができた。実施例の光学素子を実際に観察すると、入射部から遠い領域でも縞状の表示ムラが視認されなくなったことが確認された。

（光学素子の製造方法）
以下、図７Ａ〜図７Ｄ、図８Ａ〜図８Ｄ、図９Ａ〜図９Ｄを参照して、本実施形態の光学素子の製造方法の３つの例について説明する。

（第１の製造方法）
最初に、図７Ａに示すように、後に低反射率領域となる、膜厚が相対的に薄い反射膜、例えば膜厚１０ｎｍの第１の反射膜５３Ａが形成された複数の透明基板５１を積層し、第１の積層体５４Ａを作製する。同様に、後に高反射率領域となる、膜厚が相対的に厚い反射膜、例えば膜厚２０ｎｍの第２の反射膜５３Ｂが形成された複数の透明基板５１を積層し、第２の積層体５４Ｂを作製する。

次に、図７Ｂに示すように、第１の積層体５４Ａの各第１の反射膜５３Ａと、第２の積層体５４Ｂの各第２の反射膜５３Ｂと、が連続した一つのハーフミラーとなるように、第１の積層体５４Ａと第２の積層体５４Ｂとを重ね合わせて接合し、複数の接合体５５を作製する。

次に、図７Ｃに示すように、複数の接合体５５のうち、一部の接合体５５については、膜厚が薄い第１の反射膜５３Ａが多く残存するように、膜厚が厚い第２の反射膜５３Ｂが形成された側を研磨により多く除去し、第１の接合体５６Ａを作製する。これとは逆に、他の一部の接合体５５については、膜厚が厚い第２の反射膜５３Ｂが多く残存するように、膜厚が薄い第１の反射膜５３Ａが形成された側を研磨により多く除去し、第２の接合体５６Ｂを作製する。

次に、図７Ｄに示すように、第１の接合体５６Ａと第２の接合体５６Ｂとを接合する。
以上の工程により、本実施形態の光学素子３０が完成する。

（第２の製造方法）
最初に、図８Ａに示すように、後に低反射率領域となる、膜厚が相対的に薄い第１の反射膜５３Ａが形成された複数の透明基板５１を積層し、第１の積層体５４Ａを作製する。同様に、後に高反射率領域となる、膜厚が相対的に厚い第２の反射膜５３Ｂが形成された複数の透明基板５１を積層し、第２の積層体５４Ｂを作製する。

次に、図８Ｂに示すように、第１の積層体５４Ａの各第１の反射膜５３Ａと、第２の積層体５４Ｂの各第２の反射膜５３Ｂと、が連続した一つのハーフミラーとなるように、第１の積層体５４Ａと第２の積層体５４Ｂとを重ね合わせて接合し、複数の接合体５５を作製する。

次に、図８Ｃに示すように、一つの接合体５５における第１の反射膜５３Ａと第２の反射膜５３Ｂの接合位置と、他の接合体５５における第１の反射膜５３Ａと第２の反射膜５３Ｂの接合位置とがずれるように配置し、これら２つの接合体５５を接合する。

次に、図８Ｄに示すように、２つの接合体５５の互いにずれた面同士が平坦な面となるまで、２つの接合体５５の一部を研磨により除去し、光学素子３０とする。
以上の工程により、本実施形態の光学素子３０が完成する。

（第３の製造方法）
最初に、図９Ａに示すように、第１成膜工程として、マスク５２を用いた蒸着法、スパッタ法等により、透明基板５１の一面に例えばアルミニウム等の金属膜を例えば２０ｎｍの膜厚で成膜し、第２の反射膜５３Ｂを形成する。

次に、図９Ｂに示すように、第２成膜工程として、第１成膜工程で第２の反射膜５３Ｂを成膜した領域の上方にマスク５２を移動させ、透明基板５１の一面に同一材料の金属膜を例えば２０ｎｍの膜厚で成膜し、第１の反射膜５３Ａを形成する。このようにして、低反射率領域と高反射率領域とを有するハーフミラー３１を備えた透明基板５１を作製する。

次に、図９Ｃに示すように、ハーフミラー３１を備えた複数の透明基板５１を積層し、積層体５７を作製する。このとき、第１の反射膜５３Ａと第２の反射膜５３Ｂとの境界位置が階段状にずれるように、複数の透明基板５１を位置合わせした状態で積層して接合する。

次に、図９Ｄに示すように、複数の透明基板５１の複数のずれた面が全体にわたって平坦な面となるまで、複数の透明基板５１の一部を研磨により除去し、光学素子３０とする。
以上の工程により、本実施形態の光学素子３０が完成する。

このように、簡易な製造方法によって、射出光の強度分布が均一な本実施形態の光学素子３０を作製することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１０〜図１４Ｃ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。そのため、表示装置全体の説明は省略し、光学素子についてのみ説明する。
図１０は、第２実施形態の光学素子の断面図である。図１０は、第１実施形態における図４に対応している。
図１０において、図４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。

（光学素子の構成）
図１０に示すように、第２実施形態の光学素子６０は、複数のハーフミラー６１と、複数の透光性部材６２と、を備える。第２実施形態の光学素子６０において、ハーフミラー６１は、傾斜方向において射出面６２ｂに近い側に位置する高反射率領域６１Ｂと、傾斜方向において射出面６２ｂから遠い側に位置する低反射率領域６１Ａと、を有する。また、複数のハーフミラー６１は、入射部２１から遠い側のハーフミラー６１における高反射率領域６１Ｂの占有面積が、入射部２１に近い側のハーフミラー６１における高反射率領域６１Ｂの占有面積よりも大きくなるように、設けられている。

本実施形態の場合、複数のハーフミラー６１は、入射部２１に近い側から入射部２１から遠い側に向けて、高反射率領域６１Ｂの占有面積が一定の割合で順次増加している。すなわち、第１実施形態では、複数のハーフミラー３１における高反射率領域３１Ｂの占有面積は、入射部２１に近い側から入射部２１から遠い側に向けて段階的に大きくなっていた。これに対し、本実施形態では、複数のハーフミラー６１における高反射率領域６１Ｂの占有面積は、入射部２１に近い側から入射部２１から遠い側に向けて直線的に大きくなっている。「複数のハーフミラー６１における高反射率領域６１Ｂの占有面積が直線的に大きくなる」とは、「互いに隣り合い、反射率変化位置が同一の複数のハーフミラーが存在せず、互いに隣り合うハーフミラーの反射率変化位置が異なる」ということである。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、光学素子６０における入射部２１に近い側と遠い側での画像光強度の変動を小さく抑えることができ、縞状の表示ムラを視認しにくくすることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

本実施形態についても、本発明者は、効果を実証するための光学シミュレーションを行った。光学シミュレーションとして、以下の３種類の光学素子に対して、射出瞳の中心（φ＝０．５ｍｍ）における像の角度プロファイルを求めた。なお、受光器の直径は、ハーフミラーのピッチ（０．９ｍｍ）よりも小さい０．５ｍｍとした。

実施例の光学素子として、ハーフミラーの高反射率領域の反射率が２５％であり、低反射率領域の反射率が１５％であり、図１０に示す各ハーフミラーの高反射率領域と低反射率領域との境界（反射率変化位置）を結ぶ直線と射出面とのなす傾斜角度αが２．５度である光学素子を想定した。
比較例の光学素子として、ハーフミラーの高反射率領域の反射率が２５％であり、低反射率領域の反射率が１５％であり、反射率境界の高さが一定の光学素子を想定した。
従来例の光学素子として、ハーフミラーの反射率が２０％で一様の光学素子を想定した。

図１１は、画角と射出光の相対強度との関係を示すグラフである。グラフの横軸は画角［度］であり、縦軸は射出光の相対強度［ａ．ｕ．］である。なお、負の画角は射出瞳の中心軸に対して入射部に近い側の画角であり、正の画角は射出瞳の中心軸に対して入射部から遠い側の画角である。
実線ＳＤで示すグラフは実施例の光学素子のデータであり、２点鎖線ＳＥで示すグラフは比較例の光学素子のデータであり、破線ＳＦで示すグラフは従来例の光学素子のデータである。

図１１に示すように、破線ＳＦで示す従来例の光学素子では、射出光の相対強度の変動が入射部から遠い領域で特に大きくなっていた。従来例の光学素子を実際に観察すると、入射部に近い領域（画角が負の領域）では表示ムラが視認されず、入射部から遠い領域（画角が正の領域）で縞状の表示ムラが視認された。

これに対し、２点鎖線ＳＥで示す比較例の光学素子のように、ハーフミラーに反射率が異なる領域を設けることにより、画角全域にわたって射出光の強度変化が小さくなった。さらに、実線ＳＤで示す実施例の光学素子のように、領域の境界（反射率の変化位置）を入射部から遠い側にいくにつれて観察者から遠ざけることによって、比較例の光学素子と比べて、射出光の強度変化をさらに小さくすることができた。実施例の光学素子を実際に観察すると、入射部から遠い領域でも縞状の表示ムラが視認されなくなった。

（光学素子の製造方法）
以下、図１２Ａ〜図１２Ｃ、図１３Ａ〜図１３Ｃ、図１４Ａ〜図１４Ｅを参照して、本実施形態の光学素子の製造方法の３つの例について説明する。

（第１の製造方法）
最初に、図１２Ａに示すように、後に低反射率領域となる、膜厚が相対的に薄い反射膜、例えば膜厚１０ｎｍの第１の反射膜５３Ａが形成された複数の透明基板５１を積層し、第１の積層体５４Ａを作製する。同様に、後に高反射率領域となる、膜厚が相対的に厚い反射膜、例えば膜厚２０ｎｍの第２の反射膜５３Ｂが形成された複数の透明基板５１を積層し、第２の積層体５４Ｂを作製する。

次に、図１２Ｂに示すように、第１の積層体５４Ａおよび第２の積層体５４Ｂのそれぞれを、互いに対向する２つの面が非平行となるように斜めに研磨する。

次に、図１２Ｃに示すように、第１の積層体５４Ａと第２の積層体５４Ｂとを、傾斜面同士が対向する向きに重ね合わせて接合し、光学素子６０とする。
以上の工程により、本実施形態の光学素子が完成する。

（第２の製造方法）
最初に、図１３Ａに示すように、後に低反射率領域となる、膜厚が相対的に薄い第１の反射膜５３Ａが形成された複数の透明基板５１を積層し、第１の積層体５４Ａを作製する。同様に、後に高反射率領域となる、膜厚が相対的に厚い第２の反射膜５３Ｂが形成された複数の透明基板５１を積層し、第２の積層体５４Ｂを作製する。

次に、図１３Ｂに示すように、第１の積層体５４Ａの各第１の反射膜５３Ａと、第２の積層体５４Ｂの各第２の反射膜５３Ｂと、が連続した一つのハーフミラー６１となるように、第１の積層体５４Ａと第２の積層体５４Ｂとを重ね合わせて接合し、接合体を作製する。

次に、図１３Ｃに示すように、第１の反射膜５３Ａと第２の反射膜５３Ｂとの境界面５３ＡＢが研磨面に対して非平行となるように、互いに対向する２つの面を研磨し、光学素子６０とする。
以上の工程により、本実施形態の光学素子６０が完成する。

（第３の製造方法）
最初に、図１４Ａに示すように、第１成膜工程として、マスク５２を用いた蒸着法、スパッタ法等により、透明基板５１の一面に例えばアルミニウム等の金属膜５９ａを所定の膜厚で成膜する。

次に、図１４Ｂに示すように、第２成膜工程として、第１成膜工程で金属膜５９ａを成膜した領域から離れる方向にマスク５２を移動させた後、透明基板５１の一面に同一材料の金属膜５９ｂを所定の膜厚で成膜する。このとき、第１成膜工程で成膜された金属膜５９ａの上にも第２成膜工程の金属膜５９ｂが成膜されるため、第１成膜工程の金属膜形成領域における金属膜は第２成膜工程の金属膜形成領域における金属膜よりも厚くなる。

同様に、図１４Ｃに示すように、第３成膜工程として、第２成膜工程で金属膜５９ｂを新たに成膜した領域から離れる方向にマスク５２を移動させた後、透明基板５１の一面に同一材料の金属膜５９ｃを所定の膜厚で成膜する。これにより、上面が段差を有するハーフミラーが形成される。

なお、成膜工程の回数は３回に限らず、より多く行ってもよい。成膜工程の回数を多くして膜厚のステップを小さくすることにより、段差がより緩やかなハーフミラーを形成することができる。また、マスクを移動させた後に成膜を行う方法に代えて、マスクを移動させつつ成膜を行ってもよい。この方法によれば、段差のない傾斜面を有するハーフミラーを形成することができる。

次に、図１４Ｄに示すように、ハーフミラー６５を備えた複数の透明基板５１を積層して接合し、積層体６６を作製する。ここでは、段差のない傾斜面を有するハーフミラー６５として図示した。

次に、図１４Ｅに示すように、積層体６６の厚さ方向にわたって複数のハーフミラー６５の厚さが異なる箇所が研磨面５１ｋに露出するように、積層体６６を斜めに研磨し、光学素子６０とする。
以上の工程により、本実施形態の光学素子６０が完成する。

［複数の反射率領域を設けることの効果］
上記第１，第２実施形態の光学素子のように、ハーフミラーが反射率の異なる複数の領域を有することにより、表示が明るくなるという効果も得られる。
図１５は、本発明の光学素子２００の作用を説明するための図である。
説明を簡単にするため、ハーフミラー２０１で１回反射して観察者に届く画像光ＧＬ１の相対強度Ｉ_Ａと、ハーフミラー２０１を１回透過した後に次のハーフミラー２０２で反射して観察者に届く画像光ＧＬ２の相対強度Ｉ_Ｂと、の和Ｓを考える。

従来の光学素子のように、ハーフミラーの反射率が面内で均一であった場合、反射率をｐとすると、相対強度の和Ｓは、下記の（２）式で表される。
Ｓ＝ｐ＋ｐ（１−ｐ）＝２ｐ−ｐ^２ …（２）

一方、図１５に示すように、ハーフミラー２０１，２０２が反射率の異なる２つの領域（高反射率領域２０１Ｂ，２０２Ｂおよび低反射率領域２０１Ａ，２０２Ａ）を有する場合、２つの領域の平均反射率をｐ’、観察者側の高反射率領域の反射率を（ｐ’＋ｑ）、観察者奥側の低反射率領域の反射率を（ｐ’−ｑ）とし、画像光がハーフミラーの低反射率領域を透過した後で次のハーフミラーの高反射率領域で反射したとすると、相対強度の和Ｓは、下記の（３）式で表される。
Ｓ’＝（ｐ’−ｑ）＋［１−（ｐ’−ｑ）］（ｐ’＋ｑ）＝２ｐ−ｐ’^２＋ｑ^２…（３）

（２）式および（３）式より、ハーフミラーに反射率の異なる２つの領域（高反射率領域および低反射率領域）を設けることにより、画像光の相対強度がｑ^２だけ増加し、表示が明るくなることがわかる。

さらに、ハーフミラーが反射率の異なる複数の領域を有することにより、外界像（シースルー像）のゴーストを低減するという効果も得られる。
図１６は、本発明の光学素子の他の作用を説明するための図である。

図１６に示すように、外界像のゴーストは、ハーフミラー２０１を１回透過して観察者に届く外界光ＥＬ１と、ハーフミラー２０１で１回反射して次のハーフミラー２０２で反射して観察者に届く外界光ＥＬ２と、が存在することが原因である。従来の光学素子のように、ハーフミラーの反射率が面内で均一であった場合、反射率をｐとすると、ゴーストの原因となる光の相対強度Ｇは、下記の（４）式で表される。
Ｇ＝ｐ^２ …（４）

一方、ハーフミラー２０１，２０２が反射率の異なる２つの領域（高反射率領域２０１Ｂ，２０２Ｂおよび低反射率領域２０１Ａ，２０２Ａ）を有する場合、２つの領域の平均反射率をｐ’、観察者側の高反射率領域の反射率を（ｐ’＋ｑ）、観察者奥側の低反射率領域の反射率を（ｐ’−ｑ）とすると、ゴーストの原因となる外界光ＥＬ２の相対強度Ｇ’は、下記の（５）式で表される。
Ｇ’＝（ｐ’−ｑ）（ｐ’＋ｑ）＝ｐ’^２−ｑ^２ …（５）

（４）式および（５）式より、ハーフミラーに反射率の異なる２つの領域（高反射率領域および低反射率領域）を設けることにより、ゴーストの原因となる光の相対強度がｑ^２だけ減少し、ゴーストが見え難くなることがわかる。

ところで、高反射率領域と低反射率領域との反射率差は単に大きければよいというわけではない。反射率差が大きくなり過ぎると、むしろ表示ムラが大きくなることが考えられる。

図１７は、平均反射率を２０％とした上で高反射率領域と低反射率領域との反射率差を変化させたときの画角と射出光の相対強度との関係を示すグラフである。
グラフの横軸は画角［度］であり、縦軸は射出光の相対強度［ａ．ｕ．］である。なお、負の画角は射出瞳の中心軸に対して入射部に近い側の画角であり、正の画角は射出瞳の中心軸に対して入射部から遠い側の画角である。
実線ＳＧで示すグラフは、高反射率領域の反射率を２５％とし、低反射率領域の反射率を１５％として、反射率差を１０％としたときのデータである。
２点鎖線ＳＨで示すグラフは、高反射率領域の反射率を２９％とし、低反射率領域の反射率を１１％として、反射率差を１４％としたときのデータである。
破線ＳＪで示すグラフは、ハーフミラー面内で反射率が一定のときのデータである。

図１７に示すように、ハーフミラー面内で反射率が一定の従来の光学素子に対して、ハーフミラー面内で反射率が異なる２つの領域を有する実施例の光学素子では、射出光の相対強度の増減が小さくなり、縞状の表示ムラが改善されることが判った。また、高反射率領域と低反射率領域との反射率差を変化させると、それに伴って相対強度の振幅が変化することも判った。

そこで、本発明者は、反射率差を種々の値に変化させ、各反射率差に対応する相対強度の振幅を求めた。この際、図１７のような強度プロファイルのデータから、正弦波フィッティングの手法により振幅を求めた。その結果を図１８に示す。

図１８は、反射率差パラメーターΦと射出光強度の振幅との関係を示すグラフである。グラフの横軸は反射率差パラメーターΦ［−］であり、縦軸は振幅［ａ．ｕ．］である。なお、高反射率領域の反射率をＲ_１とし、低反射率領域の反射率をＲ_２としたとき、反射率差パラメーターΦは、下記の（６）式で定義される。
Φ＝（Ｒ_１−Ｒ_２）／［（Ｒ_１＋Ｒ_２）／２］…（６）

ハーフミラー面内で反射率が一定の従来の光学素子の場合、反射率差パラメーターΦは、Φ＝０である。したがって、本実施例の光学素子では、射出光の相対強度の振幅がΦ＝０のときの振幅（約０．０００３５）よりも小さくなるように、高反射率領域の反射率、低反射率領域の反射率がそれぞれ設定されなければならない。本検討例においては、図１８から、反射率差パラメーターΦがΦ＜０．７５を満たすように、各反射率が設定される必要がある。

本発明者の経験によれば、ハーフミラーの反射率が一定の光学素子（Φ＝０）においては、個人差や画像の明るさ等の条件によって表示ムラが視認される虞があることが判っている。したがって、射出光の相対強度の振幅がΦ＝０のときの振幅よりも小さくなる範囲として、反射率差パラメーターΦが０．１＜Φ＜０．７を満たすように、高反射率領域および低反射率領域の反射率を設定することが望ましい。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１９〜図２１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。そのため、表示装置全体の説明は省略し、光学素子についてのみ説明する。
図１９は、第３実施形態の光学素子の断面図である。図２０は、画角と射出光の相対強度との関係を示すグラフである。図２１は、第３実施形態の変形例の光学素子の断面図である。
図１９および図２１は、第１実施形態の図４に対応する。図１９および図２１において、図４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。

図１９に示すように、本実施形態の光学素子３５は、複数の反射率変化ハーフミラー３１と、複数の反射率一定ハーフミラー３３と、複数の透光性部材６２と、を備えている。複数の反射率一定ハーフミラー３３の各々は、複数の反射率変化ハーフミラー３１の各々に対して平行に設けられ、複数の反射率変化ハーフミラー３１の入射部２１（図１参照）に近い側に配置されている。すなわち、本実施形態の光学素子３５は、複数の反射率変化ハーフミラー３１の各々に対して平行に設けられた反射率一定ハーフミラー３３をさらに備えている。

図１９においては、複数の反射率変化ハーフミラー３１の入射部２１に近い側に４枚の反射率一定ハーフミラー３３が設けられているが、反射率一定ハーフミラー３３の枚数は特に限定されず、複数枚でもよいし、１枚でもよい。また、反射率一定ハーフミラー３３は、複数の反射率変化ハーフミラー３１の入射部２１から遠い側に設けられていてもよく、複数の反射率変化ハーフミラー３１の入射部２１に近い側、または入射部２１から遠い側の少なくとも一方に設けられていればよい。

また、複数の反射率変化ハーフミラー３１については、第１実施形態と同様、複数の反射率変化ハーフミラー３１における高反射率領域３１Ｂの占有面積は、入射部２１に近い側から入射部２１から遠い側に向けて段階的に大きくなっている。なお、この構成に代えて、第２実施形態と同様に、複数の反射率変化ハーフミラー３１における高反射率領域３１Ｂの占有面積は、入射部２１に近い側から入射部２１から遠い側に向けて直線的に大きくなっていてもよい。

本実施形態においても、光学素子３５における入射部２１に近い側と遠い側での画像光強度の変動を小さく抑えることができ、縞状の表示ムラを視認しにくくすることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

また、本実施形態の構成によれば、反射率変化ハーフミラー３１だけでなく、反射率一定ハーフミラー３３を用いたことにより、光学素子３５の製造コストを低減することができる。特に反射率一定ハーフミラー３３の配置や枚数を適切に設定することにより、光学素子３５の特性低下を十分に抑えつつ光学素子３５の製造コストを低減することができる。

本実施形態についても、本発明者は、効果を実証するための光学シミュレーションを行った。光学シミュレーションとして、以下の４種類の光学素子に対して、射出瞳の中心（φ＝０．５ｍｍ）における像の角度プロファイルを求めた。なお、受光器の直径は、ハーフミラーのピッチ（０．９ｍｍ）よりも小さい０．５ｍｍとした。

実施例１の光学素子として、観察者の目に入る光線に関わるハーフミラーのうち、複数の反射率変化ハーフミラーの入射部に近い側に１枚の反射率一定ハーフミラーを設けた光学素子を想定した。反射率変化ハーフミラーの高反射率領域の反射率を２５％とし、低反射率領域の反射率を１５％とし、反射率一定ハーフミラーの反射率を２０％とした。
実施例２の光学素子として、観察者の目に入る光線に関わるハーフミラーのうち、複数の反射率変化ハーフミラーの入射部に近い側に２枚の反射率一定ハーフミラーを設けた光学素子を想定した。各ハーフミラーの構成は、実施例１と同一である。
比較例の光学素子として、反射率一定ハーフミラーを設けず、複数の反射率変化ハーフミラーのみを設けた光学素子を想定した。複数の反射率変化ハーフミラーの構成は、図６にデータを示した実施例の光学素子と同一である。
従来例の光学素子として、ハーフミラーの反射率が２０％で一様の光学素子を想定した。

図２０は、画角と射出光の相対強度との関係を示すグラフである。グラフの横軸は画角［度］であり、縦軸は射出光の相対強度［ａ．ｕ．］である。なお、負の画角は射出瞳の中心軸に対して入射部に近い側の画角であり、正の画角は射出瞳の中心軸に対して入射部から遠い側の画角である。なお、相対強度は、光学素子に入射する画像光の強度を１としたときの画角毎の射出光の強度と定義する。
符号ＳＡ１で示すグラフは実施例１の光学素子のデータであり、符号ＳＡ２で示すグラフは実施例２の光学素子のデータであり、符号ＳＡで示すグラフは比較例の光学素子のデータであり、符号ＳＣで示すグラフは従来例の光学素子のデータである。

図２０に示すように、実施例１，２の光学素子では、画角が−１０〜−１５度の領域で相対強度が若干低下するものの、全体的には比較例の光学素子と略同等の特性が得られることが判った。したがって、複数の反射率変化ハーフミラーの一部に反射率一定ハーフミラーを用いても、表示ムラを低減できることが確認された。

図２１に示すように、変形例の光学素子３６において、第１実施形態と同様に、複数の反射率変化ハーフミラー３１における高反射率領域３１Ｂの占有面積は、入射部２１に近い側から入射部２１から遠い側に向けて段階的に大きくなっている。また、反射率一定ハーフミラー３３は、反射率変化位置の境界である第１のハーフミラー群３４Ａと第２のハーフミラー群３４Ｂとの間に設けられている。

図２０においては、１枚の反射率一定ハーフミラー３３が設けられているが、反射率一定ハーフミラー３３の枚数は特に限定されず、複数であってもよい。複数の反射率一定ハーフミラー３３を設ける場合、複数の反射率一定ハーフミラー３３をまとめて配置してもよいし、分けて配置してもよい。また、反射率一定ハーフミラー３３を設ける位置については、必ずしも反射率変化位置の境界である第１のハーフミラー群３４Ａと第２のハーフミラー群３４Ｂとの間でなくてもよく、第１のハーフミラー群３４Ａ、第２のハーフミラー群３４Ｂの各々を構成する複数の反射率変化ハーフミラー３１の間に配置してもよい。

また、上記の構成に代えて、第２実施形態と同様、複数の反射率変化ハーフミラー３１における高反射率領域３１Ｂの占有面積は、入射部２１に近い側から入射部２１から遠い側に向けて直線的に大きくなっていてもよい。そのような複数の反射率変化ハーフミラー３１の間に、反射率一定ハーフミラー３３が設けられていてもよい。

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の光学素子では、反射率が異なる複数の領域として、高反射率領域および低反射率領域の２つの領域が設けられた例を挙げたが、反射率領域の数は２つに限らない。３つ以上の反射率が異なる領域が設けられていてもよい。反射率の種類が多いほど、画像の均一性は向上する。

また、各領域の反射率の値は、用途などに応じて０％に近い値から１００％に近い値まで設計者が自由に設定することができる。反射率を高くすると、外界像（シースルー像）が暗くなる欠点が生じるが、表示画像は明るく鮮明になる。観察者に表示画像と外界像のどちらを優先して呈示したいかによって、反射率を適宜選択すればよい。

光学素子が備える全てのハーフミラーが、必ずしも複数の反射率領域を有していなくてもよい。例えば光学素子の両端のハーフミラーを反射率が異なる領域が設けられていない、反射率が一定のハーフミラーとしても、表示には支障がない。もしくは、複数の反射率変化ハーフミラーのうち、隣り合う２つの反射率変化ハーフミラーの間に、反射率が一定のハーフミラーが複数の反射率変化ハーフミラーと平行となるように配置されていてもよい。

また、複数の反射率領域を有するハーフミラーの高反射率領域と低反射率領域との境界（反射率変化位置）が変化している領域と変化していない領域とが混在していてもよい。また、高反射率領域と低反射領域との境界（反射率変化位置）が明確に分かれていなくてもよく、反射率がなだらかに変化していてもよい。

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。

１０…画像形成装置、２０…導光装置、２１…入射部、２２…平行導光体（導光体）、２３…射出部、３０，３５，３６，６０，２００…光学素子、３１，６１，６５，２０１，２０２…ハーフミラー（反射率変化ハーフミラー）、３３…反射率一定ハーフミラー、３１Ａ，６１Ａ…低反射率領域、３１Ｂ，６１Ｂ…高反射率領域、３２，６２…透光性部材、３２ａ…入射面、３２ｂ，６２ｂ…射出面、１００…表示装置。

Claims (9)

1. 間隔をおいて互いに平行となるように設けられ、入射部から入射した画像光の一部を反射させ、前記画像光の他の一部を透過させる複数の反射率変化ハーフミラーと、
   前記複数の反射率変化ハーフミラーを支持する透光性部材と、を備え、
   前記透光性部材は、前記画像光を入射させる入射面と、前記画像光を射出させる射出面と、を有し、
   前記複数の反射率変化ハーフミラーの各々は、前記入射面および前記射出面に対して傾斜して配置され、
   前記複数の反射率変化ハーフミラーは、傾斜方向に沿って反射率が異なる複数の領域を有し、
   前記複数の反射率変化ハーフミラーの各々の前記複数の領域は、前記傾斜方向において前記射出面から遠い側に位置する低反射率領域と、前記傾斜方向において前記低反射率領域よりも前記射出面に近い側に位置し、反射率が前記低反射率領域よりも高い高反射率領域と、を少なくとも含み、
   前記複数の反射率変化ハーフミラーの各々は、前記入射部から遠い側に位置する反射率変化ハーフミラーの前記高反射率領域の占有面積が、前記入射部に近い側に位置する反射率変化ハーフミラーの前記高反射率領域の占有面積よりも大きいことを特徴とする光学素子。
2. 前記複数の反射率変化ハーフミラーは、前記入射部に近い側から前記入射部から遠い側に向けて、各々の前記高反射率領域の占有面積が段階的に大き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。
3. 前記複数の反射率変化ハーフミラーは、前記入射部に近い側から前記入射部から遠い側に向けて、各々の前記高反射率領域の占有面積が直線的に大き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。
4. 前記高反射率領域の反射率をＲ_１とし、前記低反射率領域の反射率をＲ_２とし、反射率差パラメーターΦを下記の（１）式で定義したとき、
   Φ＝（Ｒ_１−Ｒ_２）／［（Ｒ_１＋Ｒ_２）／２］…（１）
   前記反射率差パラメーターΦが、０．１＜Φ＜０．７を満たすことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の光学素子。
5. 前記複数の反射率変化ハーフミラーの各々に対して平行に設けられた反射率一定ハーフミラーをさらに備えた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。
6. 前記複数の反射率変化ハーフミラーのうち、隣り合う２つの反射率変化ハーフミラーの間に、前記反射率一定ハーフミラーが前記複数の反射率変化ハーフミラーと平行となるように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
7. 前記複数の反射率変化ハーフミラーは、前記高反射率領域と前記低反射率領域とがなだらかに変化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。
8. 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７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。
9. 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８に記載の表示装置。

Images