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WO2005111669A1 - 光学素子、コンバイナ光学系、及び画像表示装置 - Google Patents

光学素子、コンバイナ光学系、及び画像表示装置 Download PDF

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WO2005111669A1
WO2005111669A1 PCT/JP2005/007038 JP2005007038W WO2005111669A1 WO 2005111669 A1 WO2005111669 A1 WO 2005111669A1 JP 2005007038 W JP2005007038 W JP 2005007038W WO 2005111669 A1 WO2005111669 A1 WO 2005111669A1
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WO
WIPO (PCT)
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substrate
optical
film
light
optical system
Prior art date
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Application number
PCT/JP2005/007038
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yoshikazu Hirayama
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
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Publication of WO2005111669A1 publication Critical patent/WO2005111669A1/ja
Priority to US11/600,664 priority patent/US20070070859A1/en
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    • G03H2270/55—Substrate bearing the hologram being an optical element, e.g. spectacles

Definitions

  • the present invention relates to a light-propagating optical element having see-through properties, a combiner optical system using the optical element, and an image display device using the combiner optical system.
  • High refractive index materials such as glass substrates that exist in low refractive index media such as air and other gases such as air are luminous fluxes incident on the transparent substrate at angles greater than the critical angle inherent in the transparent substrate. Internally reflected, but transmits a light beam incident at an angle smaller than the critical angle. That is, it has an internal reflection function and a see-through property.
  • Patent Documents 1 and 2 One of the image display devices using this transparent substrate as an optical element for light propagation is an eyeglass display (Patent Documents 1 and 2).
  • a transparent substrate is arranged in front of an observer's eye, and a display light beam from an image display element propagates in the transparent substrate to just before the pupil of the observation eye, and furthermore, a transparent substrate is provided.
  • the light is superimposed on the external luminous flux and enters the pupil on a complier such as a nove mirror provided in the plate.
  • the observer can observe the outside world and the image of the image display element at the same time.
  • Patent Document 1 JP 2001-264682 A
  • Patent Document 2 JP-T-2003-536102
  • an eyeglass display using the internal reflection function of a transparent substrate can be configured such that the surface of the transparent substrate has a curved surface so that the transparent substrate itself has a refractive power, or another refractive member having a refractive power (a flat member).
  • Convex lens or plano-concave lens Refractive index equal to or higher than transparent substrate.
  • the present invention has been made in view of these problems. Even when a member having a higher refractive index than the surrounding medium, such as a refraction member, is in close contact with the surface, a light which does not impair the internal reflection function and the see-through property. It is an object to provide an optical element for propagation.
  • An object of the present invention is to provide a complier optical system in which functions such as diopter correction can be easily mounted, and an image display device in which functions such as diopter correction can be easily mounted.
  • the optical element of the present invention is provided in close contact with a substrate through which a predetermined light beam can propagate, and a surface of the substrate through which the predetermined light beam can reach, and the predetermined light beam is provided. And an optical function part having an interference or diffraction function of reflecting an external light beam arriving at the surface while reflecting light.
  • the optical function unit may have a property of reflecting the predetermined light beam having a specific polarization direction and transmitting a light beam having another polarization direction.
  • the optical function section reaches the surface at a critical angle determined by a refractive index between the substrate and air and at an incident angle larger than the critical angle under a condition that a light beam inside the substrate is totally reflected.
  • the predetermined light beam may be reflected with desired reflection characteristics.
  • the optical function section may have a function of reducing the external light flux without increasing a light amount loss of an optical path of the predetermined light flux.
  • the complier optical system of the present invention propagates a display light beam emitted from a predetermined image display element. And at least the external force in a state where the substrate is directly opposed to the observation eye, the optical element of the present invention transmitting the external light flux toward the observation eye, and the optical element of the present invention, which is provided on the optical element and propagates inside the substrate.
  • the optical function section may be an optical film provided on a surface of the substrate, and a second substrate may be provided on a surface of the optical film.
  • the second substrate may be a dioptric correction refractive lens.
  • the optical function unit is provided on a surface on the outside world side of the substrate, and the entire optical system including the optical function unit and the second substrate reduces a light amount loss of an optical path of the display light flux. It may have a function of reducing the external light flux without increasing it.
  • the second substrate may have absorptivity to visible light.
  • the optical film may have a function of dimming the external light flux without increasing a light amount loss of an optical path of the display light flux.
  • the optical film may be made of metal and Z or a dielectric.
  • the optical film may be composed of a holographic optical film.
  • a second optical film may be provided on a surface of the second substrate.
  • the second optical film may be made of metal and Z or a dielectric.
  • the second optical film may be composed of a holographic optical film. Further, the second optical film may be constituted by an electorifice chromic film. Further, the second optical film may be composed of a photochromic film.
  • the entire optical system including the optical function unit and the second substrate diminishes the external light flux incident on the combiner at a higher light reduction rate than the other external light fluxes. Is also good.
  • an introduction mirror that guides the display light beam in a direction in which the display light beam from the image display element can be internally reflected in the substrate may be provided.
  • An image display device includes: an image display element that emits a display light beam for image display; and a complier optical system according to the present invention that guides the display light beam to the observation eye.
  • mounting means for mounting the complier optical system on the head of the observer may be provided.
  • an optical element for light propagation that does not impair the inner surface reflection function and the see-through property even when a member having a higher refractive index than the surrounding medium adheres to the surface is realized.
  • the image display apparatus which is easy to mount a function, such as a diopter correction
  • FIG. 1 is an external view of an eyeglass display according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the optical system portion of the eyeglass display according to the first embodiment, taken along a horizontal plane of an observer.
  • FIG. 3 is a view showing an angular characteristic of a reflectance of a glass substrate existing in air.
  • FIG. 4 is a view showing an optical system for manufacturing HOE35.
  • FIG. 5 is a view showing an angle characteristic of the reflectance of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a wavelength characteristic of a reflectance with respect to normal incident light in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing a wavelength characteristic of a reflectance with respect to 60 ° incident light in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a view showing an angle characteristic of the reflectance of the second embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a wavelength characteristic of a reflectance with respect to normal incident light in the second embodiment.
  • FIG. 10 is a graph showing a wavelength characteristic of a reflectance with respect to incident light at 60 ° in the second embodiment.
  • FIG. 11 is a view showing an angle characteristic of the reflectance of the third embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing a wavelength characteristic of a reflectance of the third embodiment with respect to normal incidence light.
  • FIG. 13 is a diagram showing a wavelength characteristic of a reflectance with respect to 60 ° incident light in the third embodiment.
  • FIG. 14 is a view showing a film configuration of a fourth embodiment.
  • FIG. 15 is a view showing an angle characteristic of the reflectance of the fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a wavelength characteristic of a reflectance with respect to normal incidence light in the fourth embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram showing a wavelength characteristic of a reflectance of the fourth embodiment with respect to 60 ° incident light.
  • FIG. 18 is a view showing a film configuration of a fifth embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram showing an angle characteristic of the reflectance of the fifth embodiment.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a wavelength characteristic of a reflectance with respect to normal incident light in the fifth embodiment.
  • FIG. 21 is a diagram showing a wavelength characteristic of a reflectance with respect to 60 ° incident light of the fifth embodiment.
  • FIG. 22 is a schematic cross-sectional view formed by cutting the optical system portion of the eyeglass display of the second embodiment along the horizontal plane of the observer.
  • FIG. 23 is a diagram showing an optical system for manufacturing an HOE applied to the reflection enhancing film 22a of the second embodiment.
  • FIG. 24 is a view showing a film configuration of a sixth embodiment.
  • FIG. 27 shows the angle characteristics of the reflectance of the dielectric optical multilayer film of the sixth embodiment for light of each wavelength.
  • FIG. 28 is a schematic sectional view obtained by cutting the optical system portion of the eyeglass display of the third embodiment along the horizontal plane of the observer.
  • FIG. 29 is a view showing a film configuration of a seventh embodiment.
  • FIG. 32 shows the angular characteristics of the reflectance of the dielectric optical multilayer film of the seventh embodiment for light of each wavelength.
  • FIG. 33 is a schematic cross-sectional view formed by cutting the optical system portion of the eyeglass display of the fourth embodiment along the horizontal plane of the observer.
  • FIG. 34 is a schematic sectional view obtained by cutting the optical system portion of the eyeglass display of the fifth embodiment along the horizontal plane of the observer.
  • FIG. 35 is an exploded view of an optical system portion of an eyeglass display according to a sixth embodiment.
  • FIG. 36 is a view for explaining the eyeglass display of the seventh embodiment.
  • FIG. 37 is an external view of an eyeglass display according to an eighth embodiment.
  • FIG. 38 is a detailed view of an optical system of an eyeglass display according to an eighth embodiment.
  • FIG. 39 shows a wavelength characteristic of the refractive index of the Ag layer.
  • FIG. 40 shows wavelength characteristics of the extinction coefficient of the Ag layer.
  • FIG. 43 is a view showing a film configuration of a light-attenuating film 20 of a first modification of the eighth embodiment.
  • FIG. 45 is a view showing a film configuration of a light-attenuating film 20 according to a second modification of the eighth embodiment.
  • FIG. 47 (a) is a diagram illustrating the reflection at the interface of the substrate 11 on the air side
  • FIG. 47 (b) is a diagram illustrating the reflection at the interface of the substrate 11 on the light reducing film 20 side.
  • FIG. 49 is a wavelength characteristic of a refractive index of titanium dioxide (TiO 2), which is an angular characteristic of a reflectance of the light reducing film 20 on the substrate 11 side in the first modified example and the second modified example.
  • TiO 2 titanium dioxide
  • FIG. 50 shows a wavelength characteristic of an extinction coefficient of titanium dioxide (TiO 2).
  • FIG. 51 is a view showing a film configuration of a light-attenuating film 20 of a third modification of the eighth embodiment.
  • FIG. 54 is an external view of an eyeglass display according to the ninth embodiment.
  • FIG. 55 is a detailed view of an optical system of an eyeglass display according to a ninth embodiment.
  • FIG. 56 is a view showing a film configuration of the light reducing films 20 and 40 according to the ninth embodiment.
  • FIG. 57 shows the wavelength characteristic of the transmittance in the central region of the light attenuating films 20 and 40 and the wavelength characteristic of the transmittance in the peripheral region of the light attenuating film 20.
  • FIG. 58 shows a wavelength characteristic of the transmittance of the central region of the light attenuating films 20 and 40 of the first modified example of the ninth embodiment.
  • FIG. 59 shows an angle characteristic (characteristic in a central region) of the reflectance of the light reducing film 20 on the substrate 11 side in the first modified example of the ninth embodiment.
  • FIG. 60 is a diagram illustrating a first exposure in the production of the holographic optical film.
  • FIG. 61 is a view illustrating a second exposure in the production of the holographic optical film.
  • FIG. 62 is an embodiment of an eyeglass display according to a tenth embodiment.
  • FIG. 63 is a detailed view of an optical system of an eyeglass display.
  • FIG. 64 is a graph showing the relationship between the extinction coefficient k and the transmittance of a glass substrate having a refractive index of 1.50 and a thickness of lmm.
  • FIG. 65 shows a wavelength characteristic of the reflectance of the first optical film 60 on the substrate 11 side.
  • FIG. 66 shows an angle characteristic of the reflectance of the first optical film 60 on the second substrate 70 side.
  • FIG. 1 is an embodiment of an eyeglass display (corresponding to the image display device in the claims).
  • the present eyeglass display includes an image display optical system 1, an image introduction unit 2, a cable 3, and the like.
  • the image display optical system 1 and the image introduction unit 2 are supported by a support member 4 similar to the frame of spectacles and mounted on the observer's head (the support member 4 includes a temple 4a, a rim 4b, and a bridge 4c). And so on.)
  • the image display optical system 1 has an outer shape similar to a lens of spectacles, and is supported from the periphery by a rim 4b.
  • the image introduction unit 2 is supported by the temple 4a.
  • the image introduction unit 2 is supplied with a video signal and power via an external device cable 3.
  • the image display optical system 1 is arranged in front of one of the eyes of the observer (hereinafter referred to as the right eye and the “observation eye”).
  • the right eye and the “observation eye” the eyes of the observer
  • the eyeglass display at the time of wearing The description will be made with reference to the position of the eye.
  • a liquid crystal display element 21 for displaying an image based on an image signal supplied via a cable 3 is provided inside the image introduction unit 2 (corresponding to the image display element in the claims). And an objective lens 22 having a focus near the liquid crystal display element 21.
  • This image introduction unit 2 is provided with a display light flux L1 (visible light
  • the image display optical system 1 is configured such that a substrate 13, a substrate 11, and a substrate 12 are arranged in close contact with each other in order from the side of the observer.
  • Each of the substrate 13, the substrate 11, and the substrate 12 is made of a material having at least transparency to visible light.
  • optical glass (For example, optical glass).
  • the substrate 11 transmits the display light beam L1 introduced from the image introduction unit 2 to a surface on the outside world side.
  • the substrate 12 arranged on the outside of the substrate 11 has a function of correcting the diopter of the observation eye.
  • the substrate 12 is a lens having a plane 12-2 on the observer side and a curved surface 12-1 on the outside world.
  • the substrate 13 arranged on the observer side of the substrate 11 also serves to correct the diopter of the observation eye.
  • the substrate 13 is a lens having a flat surface 13-1 on the outside world and a curved surface 13-2 on the observer side.
  • the area of the surface 13-2 through which the display light beam L1 first passes is a plane without giving any optical power to the display light beam L1.
  • an introduction mirror 11a for changing the angle of the display light beam L1 to an angle at which the inside of the substrate 11 can be internally reflected is formed in a region where the display light beam L1 is first incident inside the substrate 11.
  • a half mirror 1 lb (corresponding to a complier in the claims) that reflects the internally reflected display light beam L1 in the direction of the pupil. ) Is provided.
  • HOE abbreviation of holographic 'optical' element
  • substitution film 12a is provided in close contact with both.
  • substitution film 13a is provided in close contact with both substrates (substitution film 1).
  • the substitution films 12a and 13a have a property of reflecting visible light incident at an incident angle near 60 ° and transmitting visible light incident at an incident angle near 0 °.
  • the display light flux L1 (only the display light flux having a center angle of view), which also emits the display screen power of the liquid crystal display element 21 in the image introduction unit 2, is passed through the objective lens 22 at 0 °. Since the light enters the substrate 13 at a nearby incident angle, the light passes through the substitution film 13a and enters the substrate 11.
  • the display light beam L1 that has entered the substrate 11 is incident on the introduction mirror 11a at a predetermined incident angle and is reflected.
  • the reflected display light beam L1 enters the substitution film 13a at an incident angle ⁇ ⁇ of about 60 °, and is reflected by the substitution film 13a and travels toward the substitution film 12a. Since the incident angle with respect to the substitution film 12a also becomes ⁇ , the display light beam L1 is also reflected by the substitution film 12a. Therefore, the display light flux L1 propagates to the left of the observer who is separated from the image introduction unit 2 while being alternately reflected by the replacement films 13a and 12a.
  • the display light beam L1 is incident on the half mirror lib and is reflected in the direction of the pupil of the observation eye.
  • the reflected display light beam L1 is incident on the replacement film 13a at an incident angle near 0 °, passes through the replacement film 13a, and enters the pupil of the observation eye via the substrate 13.
  • the external luminous flux L2 from the outside enters the substitution film 12a through the substrate 12 at an incident angle near 0 °, so that it passes through the substitution film 12a and passes through the substrate 11 to the substitution film 13a. Then it is incident at an incident angle near 0 °.
  • the external light flux L2 passes through the substitution film 13a and enters the pupil of the observation eye via the substrate 13.
  • the shape of the surface 12-1 on the outer world side of the substrate 12 and the shape of the surface 13-2 on the observer side of the substrate 13 The shape is set to correct the diopter of the observation eye.
  • the diopter correction of the observation eye with respect to the external world is achieved by a combination of the shapes of the surface 12-1 and the surface 13-2 arranged on the optical path of the external light beam L2.
  • the diopter correction for the image of the observation eye is achieved by the shape of the surface 13-2 arranged on the optical path of the display light beam L1.
  • the position of the objective lens 22 in the optical axis direction and the position of the liquid crystal display element 21 in the optical axis direction may be adjusted in order to correct the diopter of the image of the observation eye.
  • the elemental force disposed in the optical path from the liquid crystal display element 21 to the pupil corresponds to the complier optical system in the claims.
  • the total internal reflection of the substrate 11 placed in the medium occurs when the critical angle 0 shown by the following equation (1) is exceeded.
  • n is the refractive index of the medium
  • n is the refractive index of the substrate 11.
  • the refractive index of the medium becomes too high, no ⁇ exists, and the internal reflection function is impaired.
  • the critical angle 0 is approximately 40 ° according to the equation (1), and the internal reflection function is obtained.
  • the incident angle characteristic of the reflectance of the substrate 11 when the air gap is used is as shown in FIG.
  • a film configuration (described below) of a symmetric film composed of a dielectric optical multilayer film sandwiched between optical glass substrates.
  • the symmetric film refers to a film configuration in which each type of layer is stacked symmetrically about the center.
  • a group of layers as one unit is listed in parentheses (the same applies hereinafter).
  • H is a high refractive index layer
  • L is a low refractive index layer
  • the letter at the upper right of each layer group k is the number of laminations of each layer group
  • the number in front of each layer is the center wavelength of the incident light of each layer.
  • Optical film thickness (ndZ) (the same applies hereinafter).
  • a symmetric film can be treated as an equivalent single film (equivalent film) having a certain virtual refractive index.
  • a symmetric film and an equivalent refractive index (equivalent refractive index) of this film are known.
  • the theory of rate is described in detail in “Thin-Film optical Filters 3 rf Edition” by HA.Macleod, etc., so the details are omitted.
  • the equivalent refractive index of the equivalent film for vertically incident light is selected to be the same as the refractive index of the substrate 11, no interface reflection occurs for vertically incident light and the transmittance is 100%. However, for light with a large incident angle, interface reflection occurs and the reflectance increases. The reason for this is that the apparent refractive index N of the dielectric generally changes as follows in accordance with the traveling angle ⁇ of light in the dielectric.
  • N ncos ⁇ (s-polarized light)
  • N n / cos ⁇ ( ⁇ polarization)
  • ⁇ is the refractive index of the dielectric. Incidentally, the amount of increase in reflectivity with increasing incident angle is particularly remarkable in s-polarized light.
  • the substitution films 12a and 13a reflect light incident at a critical angle or an angle larger than the critical angle, which is determined by the refractive index difference between the substrate 11 and air, with a high reflectance (preferably, (Reflective) characteristics.
  • the properties of the substitution films 12a and 13a are set to "the property of reflecting visible light incident at an incident angle near 60 ° and transmitting visible light incident at an incident angle near 0 °". .
  • This property can be obtained by the dielectric optical multilayer described in (2). Therefore, in the present embodiment, a dielectric optical multilayer film is used for the substitution films 12a and 13a.
  • the design method of the substitution films 12a and 13a is as follows.
  • the configuration of the substitution films 12a and 13a depends on the incident angle of light to obtain a high reflectance (here 60 °). Is optimized for The refractive index of the substrate 11 is also optimized at the same time.
  • the basic structure of the substitution films 12a and 13a is the symmetric film described in (2).
  • the first contrivance is to insert some layers (matching layers) on the substrate 11 side for the purpose of matching with the substrate 11.
  • the second contrivance is to fine-tune the absorption of the refractive index dispersion and the spectral characteristics / angle characteristics of the reflectance / transmittance at the time of optimization.
  • the third idea is to break symmetry (allow asymmetry) as needed.
  • the fourth idea is to use computer-optimized design of film thickness and automatic synthesis of film composition.
  • a fifth measure is to design a desired characteristic only for s-polarized light (the amount of increase in reflectivity with an increase in the incident angle ⁇ dielectric optics that is remarkable for polarized light) Because of the nature of multilayer film.)
  • a sixth contrivance is to design so that desired characteristics can be obtained only for specific wavelengths.
  • the fifth contrivance is effective when the light source power of the liquid crystal display element 21 shown in FIG. 2 is polarized light. Also, when the light source is p-polarized light, it is effective if the polarization direction is rotated by a phase plate or the like. There is an advantage that the degree of freedom in design is increased by limiting the polarization direction.
  • the sixth contrivance is effective when the light source of the liquid crystal display element 21 shown in FIG. 2 emits light at a specific wavelength.
  • substitution films 12a and 13a are formed on the outside of the substrate 11 and on the viewer side.
  • the properties of the substitution films 12a and 13a are set to reflect visible light incident at an incident angle near 60 ° and transmit visible light incident at an incident angle near 0 °.
  • the substrate 11 sandwiched between these substitution films 12a and 13a can internally reflect the display light beam L1 and transmit the external light beam L2 from the outside (far).
  • the function of sunglasses can be imparted to the eyeglass display.
  • the substrates 12 and 13 may be parallel flat plates having light absorption.
  • the display light flux L1 is made visible light
  • the properties of the substrate 11, the substitution films 12a, and 13a are set to properties such that the visible light is internally reflected. If it has an emission spectrum, it should be set so that at least the light of the peak wavelength is internally reflected!
  • diopter correction is achieved by two substrates (substrates 11 and 12) and two replacement films (substitution films 12a and 13a). Diopter correction may be achieved by the substrate and one substitution film.
  • the dielectric optical multilayer film is used for the substitution films 12a and 13a, but HOE may be used.
  • the details of the configuration of the substitution films 12a and 13a using the dielectric optical multilayer film will be described in Examples described later, and a method of manufacturing the HOE will be described below.
  • FIG. 4 shows an optical system for manufacturing the HOE.
  • This optical system is for manufacturing an HOE that reflects a display light beam L1 incident at an incident angle ⁇ at a high reflectance.
  • a laser beam emitted from a laser light source 31 having a wavelength ⁇ is split into two by a beam splitter 32. After being split by the two beam expanders 33, the two split laser beams enter the hologram photosensitive material 35 via the two auxiliary prisms 34, respectively. Thus, the photosensitive material 35 is exposed.
  • the incident angle of the laser beam on the photosensitive material 35 is set to ⁇ .
  • ⁇ is completed.
  • the completed ⁇ ⁇ has a property of diffracting and reflecting a light beam incident at a predetermined wavelength ⁇ and a predetermined angle ⁇ , and transmitting all light incident at an incident angle near 0 °.
  • the photosensitive material 35 is subjected to multiple exposure while changing the angle ⁇ and the wavelength of the laser light as necessary. Will be.
  • substitution films 12a and 13a of the present embodiment an optical multilayer film made of a metal film, a semiconductor film, or the like may be used.
  • the dielectric optical multilayer film is better than such an optical multilayer film.
  • Each of the above optical functional units (dielectric optical multilayer film, HOE, other optical multilayer film) is desirably selected and used as the replacement film 12a, 13a in accordance with the specifications and cost of the eyeglass display. .
  • This embodiment is effective when the light source of the liquid crystal display element 21 is polarized.
  • the basic configuration of this embodiment is, for example, as follows.
  • the refractive index of the substrate is 1.74
  • the refractive index of the high refractive index layer H is 2.20
  • the refractive index of the low refractive index layer L is 1.48.
  • the substrate used was N-LAF35 manufactured by SCHOTT, and the high refractive index layer H was made of TiO, Ta O, Nb O was used to adjust the film formation conditions, and the low refractive index layer L was made of SiO.
  • the dielectric optical multilayer film having this basic configuration is generally called a “short wavelength transmission filter”.
  • the transmittance is high for light having a wavelength shorter than the predetermined wavelength
  • the reflectance is high for light having a wavelength longer than the predetermined wavelength.
  • a general dielectric optical multilayer film is characterized in that the spectral characteristics when light is obliquely incident shift to shorter wavelengths according to the incident angle.
  • the transmission band of vertically incident light is matched to the entire visible light (400 to 700 nm), and when the incident angle is around the critical angle ⁇ of the substrate 11, the reflection band on the long wavelength side becomes visible.
  • the refractive index of the substrate is 1.56, the refractive index of the high refractive index layer H is 2.30, the refractive index of the low refractive index layer L is 1.48, and the center wavelength is 850 nm.
  • the substrate used is N-BAK4 manufactured by SCHOTT, and the high refractive index layer H is made of TiO, Ta O, Nb
  • the film was formed by adjusting the film-forming conditions from either one of the above-mentioned methods.
  • FIG. 5 shows the angle characteristic of the reflectance of this embodiment
  • FIG. 6 shows the wavelength characteristic of the reflectance with respect to the vertically incident light
  • FIG. 7 shows the wavelength characteristic of the reflectance with respect to the incident light of 60 °.
  • Rs is the characteristic for s-polarized light
  • Rp is the characteristic for p-polarized light
  • Ra is the average characteristic for s-polarized light and p-polarized light.
  • the angle characteristic of the reflectivity of the present example matches well with the angle characteristic of the reflectivity of the glass substrate (see FIG. 3) when limited to only s-polarized light.
  • this embodiment has a high transmittance for visible light that is vertically incident.
  • the present embodiment has a reflectance of about 100% with respect to visible light of almost the entire region incident at 60 °.
  • a matching layer is interposed between the substrate and the substrate.
  • the matching layer serves to reduce ripples in the transmission band (wavelength region with low reflectance).
  • this configuration is generally called a “long wavelength transmission filter”. It is characterized by high transmittance for light having a wavelength longer than a predetermined wavelength and high reflectance for light having a wavelength shorter than the predetermined wavelength.
  • the present embodiment is as follows.
  • the refractive index of the substrate is 1.56, the refractive index of the high refractive index layer H is 2.00, the refractive index of the low refractive index layer L is 1.48, and the center wavelength is 750 nm.
  • the high refractive index layer H is formed by using any one of ZrO, HfO, ScO, PrO,
  • FIG. 8 shows the angle characteristic of the reflectance of this embodiment
  • FIG. 9 shows the wavelength characteristic of the reflectance for vertically incident light
  • FIG. 10 shows the wavelength characteristic of the reflectance for the incident light at 60 °.
  • a long wavelength transmission filter is used as a basic configuration.
  • the power at which a short-wavelength transmission filter is suitable Considering the refractive index of an existing thin-film material, a long-wavelength transmission filter is Often a design solution with a basic configuration is obtained.
  • the refractive index of the substrate is 1.75
  • the refractive index of the high refractive index layer H is 2.30
  • the refractive index of the low refractive index layer L is The refractive index is 1.48 and the center wavelength is 1150 nm.
  • the substrate N-LAF4 manufactured by SCHOTT was used.
  • the high refractive index layer H is made of TiO, Ta O,
  • One of NbO is formed by adjusting the film forming conditions, and the low refractive index layer L is formed by forming SiO.
  • FIG. 11 shows the angle characteristic of the reflectivity of the present embodiment
  • FIG. 12 shows the wavelength characteristic of the reflectivity for vertically incident light
  • FIG. 13 shows the wavelength characteristic of the reflectivity for 60 ° incident light.
  • the configuration is symmetric as follows.
  • Each layer group is formed by repeatedly laminating a low refractive index layer L 'and a high refractive index layer H (LHL or HLH),
  • the reflectivity is set to increase for 60 ° incident light. Since the central layer group tends to reflect vertically incident light, the film thickness of each layer of the matching layer groups I and II is optimized and adjusted in order to suppress this reflection.
  • the number of laminations kl, k2, and k3 of each layer group of this model is increased or decreased according to the incident angle of light, the refractive index of the substrate, and the like. It can be adjusted.
  • the number of layers of the matching layer groups I and II and the thickness of each layer may be individually adjusted.
  • This embodiment is effective when the light source of the liquid crystal display element 21 is polarized.
  • This embodiment is an embodiment to which a technique of automatic synthesis of a film configuration by a computer is applied.
  • the film configuration of the present example is as shown in FIG.
  • the total number of layers is 19, the refractive index of the substrate is 1.56, the refractive index of the high refractive index layer H is 2.20, the refractive index of the low refractive index layer L is 1.46, and the center wavelength Is 510 nm.
  • N-BAK4 manufactured by SCHOTT was used, and for the high refractive index layer H, the same one as in the first example was used.
  • the low-refractive-index layer L was formed by using SiO and adjusting the film forming conditions.
  • FIG. 15 shows the reflectance angle characteristics of this embodiment
  • FIG. 16 shows the reflectance wavelength characteristics for vertically incident light
  • FIG. 17 shows the reflectance wavelength characteristics for 60 ° incident light.
  • This embodiment is effective when the light source of the liquid crystal display element 21 is non-polarized light.
  • This embodiment is an embodiment to which a technique of automatic synthesis of a film configuration by a computer is applied.
  • the film configuration of this example is as shown in FIG.
  • the total number of layers is 40, the refractive index of the substrate is 1.56, the refractive index of the high refractive index layer H is 2.20, the refractive index of the low refractive index layer L is 1.3845, The center wavelength is 510 nm.
  • N-BAK4 manufactured by SCHOTT was used for the substrate, and the same high refractive index layer H as that of the first example was used for the substrate.
  • the low refractive index layer L was formed using either MgF or A1F.
  • FIG. 19 shows the angle characteristic of the reflectivity of this embodiment
  • FIG. 20 shows the wavelength characteristic of the reflectivity for vertically incident light
  • FIG. 21 shows the wavelength characteristic of the reflectivity for 60 ° incident light.
  • FIG. 19 As shown in FIG. 19, FIG. 20, and FIG. 21, according to the present embodiment, good characteristics are obtained.
  • the transmittance for vertically incident light and the reflectance for incident light at 60 ° are respectively improved.
  • FIGS. 1 and 2 are views of an eyeglass display.
  • differences from the first embodiment will be mainly described.
  • FIG. 22 shows the result of cutting the optical system portion of the present eyeglass display in the horizontal plane of the observer.
  • the optical system portion of the present eyeglass display is composed of an image introduction unit 2 and one substrate 11 (the image introduction unit 2 has a liquid crystal display element 21 and an objective lens 22 mounted thereon.
  • No. 11 has 1 lane of introduction mirror and 1 lb of noaf mirror inside.)
  • a reflection enhancing film 22a is provided in close contact with each of the observer side surface and the external side surface of the substrate 11.
  • the reflection enhancing film 22a has at least the same function (the same function as the air gap) as the substitution films 12a and 13a. That is, the reflection enhancing film 22a exhibits reflectivity to the display light beam Ll (here, visible light incident at an incident angle of about 60 °) to be internally reflected inside the substrate 11, and the display light beam to be transmitted through the substrate 11. It shows transparency to L1 and external light flux L2 (here, visible light incident near the incident angle of 0 °).
  • the incident angle range of visible light that can be reflected by the reflection enhancing film 22a is wider than that of the substitution films 12a and 13a.
  • the lower limit of the incident angle range is Is set to, for example, 35 °, which is smaller than the critical angle of 0 ( ⁇ 40 °).
  • the upper limit of the incident angle range of 0 g is 90 °, which is the same as that of the substitution films 12a and 13a and the substrate 11 alone in air.) It is near.).
  • the substrate 11 provided with the reflection enhancing film 22a has a larger incident angle range ⁇ g of the display light flux 11 that can be internally reflected than when the substrate 11 is alone in the air. . If the angle of incidence ⁇ g is enlarged, the angle of view of the image that can be observed by the observation eye is enlarged. If the lower limit of the incident angle range of visible light that can be reflected by the reflection enhancing film 22a is too small, the following problem may occur. That is, a part of the external light beam L2 cannot pass through the reflection enhancing film 22a, thereby deteriorating the visibility of the external world. There is a possibility that it will be impossible to inject to) and a loss will occur. For this reason, the lower limit of the incident angle range of visible light that can be reflected by the reflection enhancement film 22a is set to an appropriate value between 0 ° and Must be set to a value.
  • the reflection enhancing film 22a having such characteristics is composed of a dielectric optical multilayer film, an HOE (holographic optical element), or the like. Of these, dielectric optics The details of the configuration of the reflection enhancing film 22a using a layer film will be described in an example described later.
  • the method of manufacturing the HOE is basically the same as the manufacturing method described in the first embodiment (see FIG. 4).
  • the auxiliary prism 34 only needs to be inserted into one of the laser beams incident on the photosensitive material 35 (because the reflection enhancement film 22a of the present embodiment comes into contact with the laser beam).
  • One of the two media is air force.
  • the value of the angle ⁇ (the incident angle of the laser beam with respect to the hologram photosensitive material 35) in the optical system of FIG. 23 is set to the incident angle range of the light that the reflection enhancing film 22a should exhibit reflectivity.
  • the photosensitive material 35 is subjected to multiple exposure while changing the angle ⁇ and the wavelength of the laser light as necessary. Will be.
  • the reflection enhancing film 22a of the present embodiment an optical multi-layered film such as a metal film or a semiconductor film having a strong force may be used.
  • the dielectric optical multilayer film is better than such an optical multilayer film.
  • each of the above optical functional units dielectric optical multilayer film, HOE, other optical multilayer film
  • the reflection enhancing film 22a is selectively used as the reflection enhancing film 22a in accordance with the specifications and cost of the eyeglass display.
  • This example is an example of a dielectric optical multilayer film suitable as the reflection enhancing film 22a of the eyeglass display of the second embodiment.
  • the light source of the liquid crystal display element 21 of the eyeglass display has an emission spectrum (has a peak in each of the R, G, and B colors), and It was assumed that 21 light sources were polarized.
  • the film structure by the computer is used. The method of automatic synthesis was applied.
  • the film configuration of the dielectric optical multilayer film of this example is as shown in FIG.
  • the total number of layers is 51
  • the refractive index of the substrate 11 is 1.60
  • the refractive index of the high refractive index layer is 2.3
  • the refractive index of the low refractive index layer is 1.46. .
  • the substrate used is N-SK14 manufactured by SCHOTT, and the high refractive index layer is made of TiO, Ta O, Nb O
  • the film was formed by adjusting the film forming conditions using 225.
  • the low refractive index layer is made of SiO
  • the film was formed by adjusting the film forming conditions using 52.
  • FIG. 25 shows the wavelength characteristic of the reflectance of the dielectric optical multilayer film of the present embodiment with respect to light at a small incident angle (incident angle of 0 ° to 20 °).
  • Ra (0 °), Ra (5 °), Ra (10.), Ra (15 °), and Ra (20 °) are incident angles of 0 °, 5 °, 10 °, 15 °, It is the reflectance for incident light at 20 ° (the average value of the reflectance for the s-polarized component and the reflectance for the p-polarized component of the incident light).
  • the dielectric optical multilayer film of the present example has a transmittance of 80% or more over almost the entire visible light range for incident light having an incident angle of 0 ° to 20 °. Show.
  • FIG. 26 shows the wavelength characteristic of the reflectance of the dielectric optical multilayer film of the present example with respect to light having a large incident angle (incident angles of 35 ° and 40 °).
  • Rs (35 °) and Rs (40 °) are the reflectivities for light at incident angles of 35 ° and 40 °, respectively (both reflectivities for the s-polarized component of the incident light).
  • the s-polarized light having an incident angle of 40 ° shows approximately 100% reflectivity over the entire visible light range, as is apparent from FIG. In the case of s-polarized light with an incident angle of 35 °, it exhibits a reflectivity of 80% or more for each of the R, G, and B components (460, 520, and 633 nm) in the visible light range.
  • FIG. 27 shows the angular characteristics of the reflectance of the dielectric optical multilayer film of this example for light of each wavelength.
  • Rs (633 nm), Rs (520 nm), and Rs (460 nm) are reflectances for light (R, G, and B colors) having wavelengths of 633 nm, 520 nm, and 460 nm, respectively. Component).
  • the dielectric optical multilayer film of the present example has 80% of the R, G, and B components of visible light at an incident angle of 35 ° or more when the light has each component.
  • the above reflectivity is exhibited.
  • the lower limit of the incident angle range of visible light here, s-polarized light of R, G, and B colors
  • the force is also reduced by 3.7 ° to 35 °.
  • the dielectric optical multilayer film of this example has a high transmittance of visible light of small incident angle light (0 ° to 20 °). The visibility of the image is reliably maintained, and there is no loss of the display light beam L1 entering the exit pupil from the substrate 11.
  • This embodiment is an embodiment of an idler display. Here, differences from the first embodiment will be mainly described.
  • FIG. 28 is a schematic sectional view of the optical system portion of the present eyeglass display cut along the horizontal plane of the observer.
  • the present eyeglass display differs from the eyeglass display of the first embodiment (see FIG. 2) in that reflection replacement films 22a are provided instead of the substitution films 12a and 13a, respectively. .
  • This reflection enhancing film 22a has a function similar to that of the second embodiment. That is, the lower limit of the incident angle range of the visible light at which the reflection enhancing film 22a exhibits reflectivity is lower than the critical angle ⁇ of the substrate 11.
  • the present eyeglass display can obtain the effect of diopter correction as in the first embodiment and the effect of expanding the angle of view as in the second embodiment.
  • the manufacturing method when the reflection enhancing film 22a is made of HOE is the same as the manufacturing method (see FIG. 4) described in the first embodiment.
  • the angle 0 in the optical system shown in FIG. The value of the angle of incidence is set in the range of the angle of incidence of light that the reflection enhancing film 22a should exhibit reflectivity.
  • the incident angle and the wavelength of the light that the reflection enhancing film 22a should exhibit reflectivity are not one type, so that the photosensitive material 35 may be increased while changing the angle ⁇ and the wavelength of the laser light as necessary. Double exposure is required.
  • This example is an example of a dielectric optical multilayer film suitable as the reflection enhancing film 22a of the eyeglass display of the third embodiment.
  • the light source of the liquid crystal display element 21 of the eyeglass display is polarized.
  • a method of automatically synthesizing a film configuration by a computer was applied.
  • the film configuration of the dielectric optical multilayer film of the present example is as shown in FIG.
  • the total number of layers is 44, the refractive index of the substrate 11 is 1.56, the refractive index of the high refractive index layer is 2.3, and the refractive index of the low refractive index layer is 1.46.
  • the substrate and the low refractive index layer are the same as in the fourth embodiment, and the high refractive index layer is made of TiO 2, Ta 2 O 3, Nb
  • the film was formed by adjusting the film forming conditions using O.
  • FIG. 30 shows the wavelength characteristic of the reflectance of the dielectric optical multilayer film of this example for light at a small incident angle (incident angle of 0 ° to 20 °).
  • Ra (0 °), Ra (10 °), and Ra (20 °) are reflectances for incident light at incident angles of 0 °, 10 °, and 20 °, respectively (all of which are relative to the s-polarized component of the incident light. Average value of the reflectance and the reflectance for the p-polarized light component).
  • the dielectric optical multilayer film of this example has a transmittance of 70% or more over almost the entire visible light range when incident light has an incident angle of 0 ° to 20 °. Show.
  • FIG. 31 shows the wavelength characteristics of the reflectance of the dielectric optical multilayer film of this example with respect to light at a large incident angle (incident angle of 35 ° to 50 °).
  • Rs (35 °;), Rs (40 °), and Rs (50 °) are reflectances for incident light at incident angles of 35 °, 40 °, and 50 °, respectively. Reflectance).
  • the dielectric optical multilayer film of the present example has a reflection of 65% or more over almost the entire visible light region if it is s-polarized light having an incident angle of 35 ° to 50 °. Shows sex.
  • FIG. 32 shows the angular characteristics of the reflectance of the dielectric optical multilayer film of this example for light of each wavelength.
  • Rs (633 nm), Rs (520 nm), and Rs (460 nm) are reflectances for light (R color, G color, and B color) of wavelengths 633 nm, 520 nm, and 460 nm, respectively (all of which are s-polarized light of incident light). Component).
  • the dielectric optical multilayer film of the present example has 65 ° at an incident angle of 35 ° or more if the light of each component of the R, G, and B colors of the visible light castle. Shows reflectivity of at least%.
  • the lower limit of the incident angle range of visible light here, s-polarized light having wavelengths of 633 nm, 520 nm, and 460 nm
  • the force is reduced by 4.9 ° to 35 °.
  • the dielectric optical multilayer film of this example has a high transmittance of visible light at a small incident angle (0 ° to 20 °), so that the visibility of the external world of the eye glass display is high. Is maintained, and there is no loss of the display light beam L1 entering the exit pupil from the substrate 11.
  • the above-mentioned reflection enhancing film is applied to an eyeglass display of a type having a large exit pupil.
  • FIG. 33 is a schematic cross-sectional view formed by cutting the optical system portion of the eyeglass display of the present embodiment along the horizontal plane of the observer.
  • a plurality of half mirrors 1 lb parallel to each other are arranged in a substrate 11 that internally reflects a display light beam L1.
  • Each of the plurality of half mirrors ib reflects a display light beam L1 that is internally reflected from the substrate 11 and that is incident within a predetermined angle range, and forms an exit pupil outside the substrate 11.
  • the size of the exit pupil is large by the number of half mirrors lib. Such a large exit pupil is advantageous in that the degree of freedom of the position of the pupil of the observation eye is increased.
  • the reflection enhancing film 22a is provided on the surface of the substrate 11 on the observer side. , Are formed in close contact with each of the external surfaces.
  • the reflection enhancing film 22a enlarges the incident angle range of the display light beam L1 that can internally reflect the substrate 11 similarly to the above-described embodiment. Therefore, the angle of view of the eyeglass display is also enlarged.
  • the above-described reflection enhancing film is applied to another type of eyeglass display having a large exit pupil.
  • FIG. 34 is a schematic sectional view obtained by cutting the optical system portion of the eye glass display of the present embodiment along the horizontal plane of the observer.
  • a plurality of half mirrors for forming a large exit pupil are arranged outside the substrate 11.
  • the plurality of half mirrors are provided inside the substrate 12 arranged on the outside or the observer side (the outside in FIG. 34).
  • the plurality of half mirrors are two types of forces, that is, a plurality of half mirrors ib parallel to each other and a plurality of half mirrors ib parallel to each other having different postures.
  • an introduction mirror 1 la for deflecting the display light beam L1 incident on the substrate 11 to an angle capable of internal reflection, and a folding mirror for returning the display light beam 11 internally reflected from the substrate 11 are provided inside the substrate 11.
  • 11c Due to the function of the folding mirror 11c, the display light beam L1 of the present eyeglass display reciprocates while reflecting the substrate 11 on the inner surface.
  • the power is set so as to deflect the display light beam L1 during the return path toward the observer. Therefore, the entire half mirrors l ib and l ib are densely arranged with roof type half mirrors.
  • the reflection enhancing film is provided in close contact with each of the area between the substrate 12 and the substrate 11 and the surface of the substrate 11 on the observer side.
  • the reflection enhancement film 22a on the observer side of the substrate 11 is the same as that of the above-described embodiment, and exhibits reflectivity to the display light beam L1 that internally reflects the substrate 11.
  • the reflection enhancing film 22a ′ on the external side of the substrate 11 is slightly different from that of the above-described embodiment. On the other hand, it is semi-transmissive with respect to the display light beam LI that internally reflects the substrate 11.
  • the reflection enhancing film 22a is transmissive (total transmissivity) for the display light flux L1 and the external light flux L2 (here, visible light incident near an incident angle of 0 °) to be transmitted through the substrate 11.
  • the lower limit of the incident angle range showing the translucency is set to a value smaller than the critical angle 0 of the substrate 11.
  • the display light flux L1 reciprocating in the substrate 11 propagates toward the substrate 12 at a constant rate.
  • the propagated display light beam L1 is deflected toward the observer by a plurality of half mirrors l ib and l ib in the substrate 12.
  • duplicate R
  • the light passes through the plate 11 and the reflection enhancement film 22a to form a large exit pupil.
  • the above-described reflection enhancing films 22a and 22a enlarge the incident angle range of the display light beam L1 that can be internally reflected, as in the above-described embodiment. Therefore, the angle of view of the eyeglass display is also enlarged.
  • a folding mirror 11c is provided, and two types of half mirrors are provided.
  • the folding mirror 11c and one half mirror l ib are provided.
  • the above-described reflection enhancing film is applied to an eyeglass display of a type having a larger exit pupil.
  • FIG. 35 is an exploded view of the optical system portion of the eyeglass display of the present embodiment.
  • the present eyeglass display employs the same principle as the eyeglass display of the fifth embodiment, and has an enlarged exit pupil in two directions vertically and horizontally as viewed from an observer. It is.
  • the eyeglass display also has a function of correcting the diopter of the observation eye.
  • the display light beam L1 emitted from the image introduction unit 2 is Incident on.
  • the substrate 11 ' guides the display light flux L1 together with the substrate 12', and enlarges the diameter of the display light flux L1 in the vertical direction viewed from the observer.
  • the display light beam L1 enters the substrate 11.
  • the substrate 11 guides the display light beam L1 together with the substrate 12, and enlarges the diameter of the display light beam L1 in the horizontal direction, as viewed from the viewpoint of the eyesight.
  • the display light beam L1 forms an exit pupil near the observation eye.
  • a substrate 13 is provided on the observer side of the substrate 11, and the optical power between the surface of the substrate 13 on the observation eye side and the surface of the substrate 12 on the outside world causes the observation eye with respect to the outside world. Diopter correction is achieved.
  • reference numeral 11a ′ inside the substrate 11 ′ is an introduction mirror that deflects the display light beam L1 incident on the substrate 11 ′ to an angle that allows internal reflection
  • reference numeral 11c ′ is This is a folding mirror that folds the display light beam L1 internally reflected from the substrate 11 ′.
  • the reference numeral 12a 'on the substrate 12' is a dense arrangement of a plurality of roof-type half mirrors (for details, see FIG. 34).
  • reference numeral 11a inside the substrate 11 denotes an introduction mirror that deflects the display light beam L1 incident on the substrate 11 to an angle at which the display light beam L1 can be internally reflected. This is a folding mirror that folds the internally reflected display light beam L1.
  • the reference numeral 12a on the substrate 12 is a dense arrangement of a plurality of roof-type half mirrors (for details, see FIG. 34).
  • the characteristics of the reflection enhancing film provided between the substrate 11 'and the substrate 12' need to be such that the display light flux L1 internally reflected from the substrate 11 'is propagated to the substrate 12' at a constant rate. You. Its characteristics are the same as those of the reflection enhancing film 22a 'of the fifth embodiment.
  • the characteristics of the reflection enhancing film provided between the substrate 11 and the substrate 12 also indicate that the substrate 11 It is necessary that the emitted display light flux LI propagates to the substrate 12 at a constant rate.
  • the characteristics are the same as the characteristics of the reflection enhancing film 22a 'of the fifth embodiment.
  • the above-described reflection enhancing film enlarges the incident angle range of the display light beam L1 that can internally reflect the substrate 11 ′ and the incident angle range of the display light beam L1 that can internally reflect the substrate 11 respectively.
  • the enlargement direction on the substrate 11 ′ and the enlargement direction on the substrate 11 are rotated by 90 °.
  • the above-described reflection enhancing film is applied to an eyeglass display of a type having many surfaces subjected to internal reflection.
  • FIG. 36 (a) is a schematic perspective view of the optical system portion of the present eyeglass display.
  • FIG. 36 (b) is a schematic cross-sectional view obtained by cutting the optical system portion along the horizontal plane of the observer (the ZX plane in FIG. 36 (a)).
  • FIG. 36 (c) is a schematic sectional view obtained by cutting the optical system portion along the front surface of the observer (the YX plane in FIG. 36 (a)).
  • FIG. 36 (d) is a diagram illustrating the angle of view of the present eyeglass display.
  • the present eyeglass display adjusts the arrangement position and posture of the introduction mirror 11a and the plurality of half mirrors lib, and Of these, the surface provided for internal reflection is defined as a surface on the observer side, a surface on the outside world, and a total of four surfaces sandwiched between the two. These four surfaces are all flat.
  • FIG. 36 (d) shows the angles of view ⁇ b and ⁇ a of the image viewed from the observation eye of the present eyeglass display in two directions.
  • the angle of view ⁇ b is, as shown in FIG. 36 (b), between the surface of the substrate 11 on the observer side and the outside world.
  • the angle of view ⁇ a is such that the other two surfaces of the substrate 11 can be internally reflected as shown in FIG.
  • the angle of view 0 b, 0 a is the angle range of the display light beam L I that can internally reflect the substrate 11.
  • the locations where the reflection enhancing films are provided are four surfaces of the substrate 11 that are used for internal reflection.
  • the reference numeral 22a indicates a reflection enhancing film.
  • the characteristics of the reflection enhancing film 22a are the same as those of the reflection enhancing film 22a in the above-described embodiment, and the lower limit of the incident angle range of the visible light in which the reflection enhancing film 22a exhibits reflectivity is lower than that of the substrate 11. The critical angle is lower than 0.
  • the two reflection enhancing films 22a shown in FIG. 36 (c) do not face the observation eye, there is no need to transmit an external light beam. Therefore, it is preferable to apply the above-described dielectric optical multilayer film or a metal film such as silver or aluminum which is not used in HOE to these two reflection enhancement films 22a. When a metal film is applied, the angle of view 0 a can be further expanded than the angle of view 0 b
  • the liquid crystal display element 21 should be arranged so that the longer angle of view corresponds to the angle of view ⁇ a.
  • the substrate 11 of the present eyeglass display is a columnar substrate having a rectangular cross section, a substrate having a triangular cross section, a columnar substrate having a parallelogram cross section, or a pentagonal column has a cross section.
  • Other columnar substrates having different cross sections, such as the substrate described above, can also be used.
  • FIGS. 37, 38, 39, 40, 41, and 42 This embodiment is an embodiment of an eyeglass display. Here, differences from the first embodiment will be mainly described.
  • FIG. 37 is an external view of the present eyeglass display.
  • the downward direction is the X direction and the right direction is the Y direction when viewed from the observer wearing the eyeglass display on the head. It is a right-handed XYZ rectangular coordinate system.
  • this directional expression using the ⁇ coordinate system, or the left, right, up and down directional expressions viewed from the observer will be used as necessary.
  • the image display optical system 1 of the present eyeglass display is provided with a dimming function for dimming the external luminous flux from the outside to the observer's eye (the right eye of the observer). ing.
  • the left and right appearances of the eyeglass display In order to achieve a balance between the two, a dimming function similar to that of the image display optical system 1 is provided at the front of the non-observation eye side, and a substrate 5 having the same appearance as the image display optical system 1 is mounted. This is not the case unless there is no need to balance the external luminous flux and the appearance.
  • FIG. 38 is a detailed view of the optical system of the present eyeglass display, and is a schematic sectional view obtained by cutting the optical system portion of the present eyeglass display along a plane parallel to a plane.
  • a reference numeral 20a denotes an illumination optical system which also has power, such as an LED light source and a mirror, and is not shown in the first embodiment.
  • the image display optical system 1 includes a single substrate 11 having at least transparency to visible light. At a predetermined position in the substrate 11, an introduction mirror 11a and a half mirror lib similar to those in the first embodiment are provided in a predetermined posture. It is to be noted that, similarly to the first embodiment, a polarizing optical film such as a polarizing beam splitter and a holographic optical film, which is transparent to the external light beam L2 composed of visible light, can be used in place of the half mirror Ib. is there.
  • a dimming film 20 for dimming the external luminous flux L2 at a predetermined dimming rate is formed on a surface lb on the outside world side of the substrate 11.
  • the brightness of the external image is reduced at a predetermined rate.
  • a simple metal such as aluminum (A1), chromium (Cr), tungsten (W), rhodium (Ro), or an alloy such as Inconel is used.
  • these materials have a property of absorbing light (absorbing property). Therefore, if the light-reducing film 20 is provided on the surface of the substrate 11, the display light flux L internally reflected in the substrate 11 can be obtained. One of The quantification is absorbed by the darkening film 20. That is, the light amount loss in the optical path of the display light beam L1 becomes significant.
  • a two-layer film in which a silver (Ag) film and a dielectric film are stacked is used as the light reducing film 20 in order to prevent the light amount loss.
  • the basic configuration of the light attenuating film 20 is as follows.
  • Ag silver (Ag layer),
  • L Low refractive index dielectric
  • the L layer serves to protect the surface of the Ag layer, which is liable to change in air, and to improve the reflectance for incident light having a large incident angle.
  • FIGS. 39 shows the wavelength characteristic of the refractive index of the Ag layer alone
  • FIG. 40 shows the wavelength characteristic of the extinction coefficient of the Ag layer alone.
  • the wavelength characteristics (incident angles of 0 ° and 45 °) of the reflectance and the transmittance of the light reducing film 20 on the substrate 11 side are as shown in FIG. Further, the angle characteristics (wavelength: 550 nm) of the reflectance and the transmittance of the light reducing film 20 on the substrate 11 side are as shown in FIG.
  • this light attenuating film 20 has an s-polarized light component having an incident angle of 40 ° or more. It shows nearly 100% reflectance to visible light. Further, the light attenuating film 20 has a transmittance of about 30% with respect to visible light having an incident angle of 0 °.
  • the light-attenuating film 20 reduces the light amount loss in the optical path of the display light beam L1, and diminishes only the external light beam L2 in the visible light region at a light-attenuation rate of about 70%.
  • the basic configuration of the light attenuating film 20 of the present embodiment is such that another metal layer is used instead of the force Ag layer, which is a two-layer structure of an Ag layer and a dielectric layer, or the two dielectric layers are made of metal. It may have a three-layer structure with layers interposed.
  • the two-layer structure of the Ag layer and the dielectric layer better characteristics (a characteristic of dimming only the external light flux L2 without increasing the amount of light loss of the display light flux L1) can be easily obtained.
  • This modification is a modification of the light reducing film 20.
  • the light-reducing film 20 is such that the thickness of each layer is set so that the phase of the reflected light at the interface between the layers has a desired relationship, and various characteristics can be set according to the relationship of the phase of the reflected light. Therefore, the degree of freedom of the set transmittance is higher than that of the darkening film 20 of the eighth embodiment.
  • H High refractive index dielectric (H layer)
  • L Low refractive index dielectric
  • a plurality of types of periodic layer groups having different center wavelengths are arranged to form a light wavelength range in which the transmittance is suppressed. Need to be extended to the entire visible light castle.
  • the configuration of the light reducing film 20 is as shown in FIG.
  • the substrate used was N-BAF3 manufactured by SCHOTT, and the H layer and the L layer were the same as those in the sixth embodiment.
  • the wavelength characteristic of the transmittance of the light reducing film 20 is as shown in FIG.
  • the light reducing film 20 has a transmittance of about 5% to visible light. Therefore, according to this modified example, the brightness of the external image is reduced to about 5%.
  • This modification is a modification of the light reducing film 20.
  • the set transmittance of the light attenuating film 20 of the present modification is 15%.
  • the light attenuating film 20 also has the power of only the dielectric, and its basic configuration is the same as that of the first modification.
  • the details (specifications) of the light reducing film 20 are as follows.
  • each material is the same as in the first modified example of the present embodiment.
  • the wavelength characteristic of the transmittance of the light reducing film 20 is as shown in FIG.
  • the light attenuating film 20 has a transmittance of about 15% to visible light. Therefore, according to this modified example, the brightness of the external image is reduced to about 15%.
  • the conditions under which the brightness of the displayed image is reliably maintained that is, the conditions under which the display light beam L1 is internally reflected at a reflectance of about 100% in the substrate 11 in the light reducing film 20 of the first and second modifications.
  • the condition of the internal reflection of the substrate 11 is also examined.
  • the refractive index of air, which is the medium in which the substrate 11 exists, is n
  • the refractive index of the glass, which is the material of the substrate 11, is n
  • n sin 0 n sin 0
  • the critical angle 0 c of the substrate 11 in this state (the minimum value of the incident angle of light that can be internally reflected) is represented by the following equation.
  • ⁇ c arcsm (n / n)
  • each layer of the multilayer film is non-absorbing (zero absorption)
  • the refractive index of each layer of the multilayer film is ⁇ , ⁇ , ⁇ , ⁇
  • the incident angle of light of each layer is ⁇ , ⁇ , ⁇ ⁇
  • the critical angle ⁇ c of the substrate 11 is expressed by the same formula as that of the state in which the light attenuating film 20 is provided.
  • a non-absorbing dielectric is used for the light reducing film 20 of the first modified example and the second modified example.
  • the angular characteristics of the reflectance on the substrate 11 side (reflectance of the internal reflection of the substrate 11) of the light reducing film 20 of the first and second modifications using a non-absorbing dielectric are shown in FIG. As shown in 48.
  • the light attenuating film 20 exhibits a reflectance of about 100% for light having an incident angle of 45 ° or more.
  • This modification is a modification of the light reducing film 20.
  • the light attenuating film 20 of the present modification is provided with a function of cutting off ultraviolet rays and infrared rays.
  • the light attenuating film 20 is also made of only a dielectric, and its basic configuration is the same as that of the first modified example or the second modified example.
  • a dielectric material having absorptivity is positively used for the H layer in order to provide a function of cutting off ultraviolet rays and infrared rays.
  • Titanium dioxide (TiO 2) is used as a dielectric material having absorptivity.
  • FIG. 9 is the wavelength characteristic of the refractive index of titanium dioxide (TiO 2)
  • FIG. 50 is the titanium dioxide (TiO 2)
  • the configuration of the light reducing film 20 is as shown in FIG.
  • the same material as that of the first modified example of the present embodiment was used for the material of the substrate and the L layer.
  • the wavelength characteristic of the transmittance of the light attenuating film 20 is as shown in FIG.
  • the wavelength characteristic of the reflectance (reflectance of internal reflection of the substrate 11) of the light reducing film 20 of the present modification on the substrate 11 side is as shown in FIG.
  • the curve of the reflectance wavelength characteristic has a dent (reflectance valley).
  • the configuration of the light attenuating film 20 of the present modification is finely adjusted so that the valley of the reflectance wavelength characteristic curve deviates from the peak of the emission wavelength characteristic curve.
  • each wavelength component contained in the display light flux L1 is reflected inside the substrate 11 with high reflectance without fail. Therefore, the brightness of the display image is reliably maintained.
  • the way of generating valleys differs between the curve of the s-polarized light component and the curve of the p-polarized light component.
  • the number of valleys generated in the direction of the curve of the p-polarized component is small.
  • the valley of the reflectance wavelength characteristic curve can be reliably determined from the peak of the emission wavelength characteristic curve. Can be removed.
  • the display light beam L1 is polarized due to the principle of the liquid crystal display element 21, the liquid crystal display element 21 and the substrate 11 are arranged so that the polarization direction is the p-polarization direction with respect to the light attenuating film 20.
  • the display light beam L1 can be limited to only the p-polarized light component.
  • the present embodiment is an embodiment of an eyeglass display. Here, only differences from the eighth embodiment will be described.
  • FIG. 54 is an external view of the present eyeglass display.
  • the coordinate system in FIG. 54 is a right-handed XYZ orthogonal coordinate system in which the X direction is downward and the Y direction is right when viewed from the observer.
  • this directional expression using the XYZ coordinate system or the left, right, up and down directional expressions viewed from the observer will be used as necessary.
  • the difference of the present eyeglass display from the eighth embodiment is that in the image display optical system 1, the light reduction rate in the central area near the half mirror 1 lb is The point is that the image display optical system 1 is set to have a higher extinction ratio in the peripheral region outside the central region.
  • a dimming function similar to that of the image display optical system 1 is provided at the front of the non-observation eye side, and a substrate 5 having the same appearance as the image display optical system 1 Is installed. This does not apply unless it is necessary to balance the external luminous flux and the external world.
  • FIG. 55 is a detailed view of the optical system of the present eyeglass display, and is a schematic sectional view of the optical system portion of the present eyeglass display cut along a plane parallel to the YZ plane. As shown in FIG. 55, the behavior of the display light flux L1 and the external light flux L2 in the present eyeglass display is the same as that of the eighth embodiment (see FIG. 38).
  • a light-reducing film 20 similar to that of the eighth embodiment or its modification is provided on a surface lb of the substrate 11 constituting the image display optical system 1 on the outside world side.
  • a light reducing film 40 made of a metal or dielectric multilayer film is provided so as to overlap.
  • the extinction rate in the central area of the image display optical system 1 is higher than the extinction rate in the peripheral area of the image display optical system 1.
  • the position of the central region as viewed by the observer is approximately the same as the position of the half mirror l ib as viewed by the observer.
  • the size of the central area, which is also viewed by observer power, is Humiller slightly larger than the 1 lb size.
  • the brightness of the external image in the portion serving as the background of the display image is particularly strongly suppressed, so that the visibility of the display image is further enhanced.
  • the light attenuating film 20 is formed of the same dielectric multilayer film as the modification of the eighth embodiment.
  • the light attenuating film 40 is also formed of the same dielectric multilayer film as the modification of the eighth embodiment.
  • the same substrate as that of the modification of the eighth embodiment is used as the substrate.
  • the configurations of the light reducing films 20 and 40 are as shown in FIG.
  • FIG. 57 shows the wavelength characteristic of the transmittance in the central region of the light attenuating films 20 and 40 and the wavelength characteristic of the transmittance in the peripheral region of the light attenuating film 20.
  • the visible light transmittance in the central region is about 25%, and the visible light transmittance in the peripheral region is about 50%.
  • the overall brightness of the external image is reduced to about 50%, and the brightness of the external image in the background part of the display image is reduced to about 25%.
  • the light reducing film 20 and the light reducing film 40 overlap, but they do not have to overlap.
  • a light reducing film 20 having an opening in the central region is provided on the substrate 11, and a light reducing film 40 having a higher light reducing rate than the light reducing film 20 is provided in the opening.
  • This modified example is a modified example of the light reducing films 20 and 40.
  • the light attenuating film 40 of the present modified example is formed of a metal film.
  • the configuration of the light attenuating film 20 of the present modification is the same as that shown in FIG.
  • the characteristics of the light attenuating film 20 alone are as shown in FIG.
  • the configuration of the light attenuating film 40 is a single layer of chromium (Cr) having a thickness of 5 mm. At this time, the wavelength characteristic of the transmittance in the central region of the light attenuating films 20 and 40 is as shown in FIG.
  • the angular characteristics (the characteristics in the central region) of the reflectance of the light reducing film 20 on the substrate 11 side (the reflectance of the internal reflection of the substrate 11) are as shown in FIG.
  • the reflectivity of the light with an incident angle of 40 ° or more for the s-polarized light component is a high value.
  • the reflectance of the light for the p-polarized light component is low. Therefore, when the light attenuating films 20 and 40 of the present modification are applied to an eyeglass display, it is desirable to limit the display light flux L1 to only the s-polarized light component.
  • the polarization direction force optimizes the positional relationship between the liquid crystal display device 21 and the substrate 11 so as to be in the polarization direction. If a phase plate is inserted after the display element 21, the display light beam L1 can be limited to only the s-polarized light component.
  • the present modification is a modification of the light reducing film 20.
  • the light attenuating film 20 of the present modification is made of a holographic optical film.
  • the first exposure is an exposure for imparting, to the holographic optical film, a characteristic such that light near an incident angle of 0 ° is transmitted at a predetermined transmittance.
  • This exposure is performed by, for example, an optical system as shown in FIG. That is, the two light beams enter the hologram photosensitive material 56 vertically.
  • An optical attenuator 52 is inserted into one of the light beams.
  • the value of the transmittance can be set by the amount of attenuation of the optical attenuator 52.
  • 51 is a laser light source (can emit laser light of each wavelength of R, G, and B colors)
  • BS is a beam splitter
  • M is a mirror
  • 53 is a beam expander
  • 55 is a beam expander. It is a beam splitter.
  • the second exposure is an exposure for ensuring the reflectance of the display light flux L1 that is internally reflected in the substrate 11.
  • This exposure is performed by, for example, an optical system as shown in FIG.
  • Fig. 61 51 is a laser light source (can emit laser light of each wavelength of R, G, and B colors), BS is a beam splitter, M is a mirror, 53 is a beam expander, and 57 is an auxiliary prism. It is.
  • the hologram photosensitive material 56 is subjected to a development process to complete a holographic optical film.
  • the holographic optical film completed in this way is provided with the functions required for the light reducing film 20.
  • this modification is a modification in which the light reducing film 20 is formed of a holographic optical film
  • the light reducing film 20 and the light reducing film 40 may be formed of one holographic optical film.
  • the first exposure is performed in two steps.
  • One of the exposures is for the central area of the holographic optical film (the peripheral area is masked), and the other is for the peripheral area (the central area is masked). ;)).
  • the attenuation of the optical attenuator 52 is set to different values.
  • the transmittance of the central region of the holographic optical film and the transmittance of the peripheral region are set to different values.
  • FIG. 62, 63, 64, 65, and 66 a tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 62, 63, 64, 65, and 66.
  • FIG. 62, 63, 64, 65, and 66 a tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 62, 63, 64, 65, and 66.
  • This embodiment is an embodiment of an eyeglass display.
  • the eighth embodiment Only the differences from the above will be described.
  • FIG. 62 is an external view of the present eyeglass display.
  • the coordinate system in FIG. 62 is a right-handed XYZ orthogonal coordinate system in which the X direction is downward and the Y direction is right when viewed from the observer.
  • this directional expression using the XYZ coordinate system, or the left, right, up and down directional expressions viewed from the observer will be used as necessary.
  • the appearance of the present eyeglass display is substantially the same as that of the eighth embodiment (see FIG. 37).
  • FIG. 63 is a detailed view of the optical system of the present eyeglass display, and is a schematic cross-sectional view obtained by cutting the optical system portion of the present eyeglass display along a plane parallel to the YZ plane. As shown in FIG. 63, the behavior of the display light flux L1 and the external light flux L2 in the present eyeglass display is the same as that of the eighth embodiment (see FIG. 38).
  • a first optical film 60 is provided on a surface lb on the outside world side of the substrate 11.
  • a second substrate 70 that also has optical glass strength is attached on the surface of 0, a second substrate 70 that also has optical glass strength is attached. Also, the second substrate
  • a second optical film 80 is provided on the surface of 70.
  • the first optical film 60 has the same function as the air gap with respect to the substrate 11. That is, the interface of the first optical film 60 on the substrate 11 side reflects the display light beam L1 with a reflectance of approximately 100%. Further, the first optical film 60 transmits the external light flux L2.
  • the first optical film 60 may be provided with a function of reducing visible light or a function of cutting off ultraviolet light or infrared light.
  • the second substrate 70 and the second optical film 80 have a function of reducing the external light flux L2. Note that the second substrate 70 and the second optical film 80 may also be provided with a function of dimming visible light and a function of cutting off ultraviolet light or infrared light.
  • the function of the first optical film 60 ensures the reflectivity of the display light flux L1 internally reflected in the substrate 11, so that the second substrate 70 and the second optical film
  • the degree of freedom in designing the second substrate 70 and the second optical film 80 is high.
  • various existing optical filter glasses can be applied to the second substrate 70.
  • the high dimming function refers to, for example, a small variation in the dimming rate due to the incident angle, a small variation in the dimming rate due to the wavelength, and the like.
  • the configuration of the first optical film 60 is as follows.
  • H High refractive index dielectric (H layer)
  • L Low refractive index dielectric
  • the details (specifications) of the first optical film 60 are as follows.
  • Refractive index of the second substrate 1.507
  • the reason why the extinction coefficient k of the second substrate 70 is set to a large value such as 0.01 is that various kinds of optical filter glass are applied to the second substrate 70, This is a power that is supposed to provide various dimming characteristics and wavelength cut function.
  • Fig. 64 shows the relationship between the extinction coefficient k and the transmittance of a glass substrate having a refractive index of 1.50 and a thickness of lmm obtained by calculation.
  • the extinction coefficient k of the second substrate 70 is set to 0.01, the first optical film 60 is effective even if any optical filter glass is applied to the second substrate 70. Can be designed.
  • the wavelength characteristic of the reflectance of the first optical film 60 on the substrate 11 side is as follows. As shown in FIG.
  • the angular characteristics of the reflectance of the first optical film 60 on the second substrate 70 side are as shown in FIG.
  • the first optical film 60 exhibits an average reflectance of 10% or less with respect to the s-polarized light component of the visible light at an incident angle of 0 °, and the visible light at an incident angle of 60 °. s Shows almost 100% reflectance for the polarized light component.
  • any optical filter glass can be used as the second substrate 70. That is, any commercially available optical filter glass such as an infrared cut filter, an ultraviolet cut filter, a color filter, and a neutral intensity filter (a filter that uniformly diminishes all wavelengths in the visible light range) can be applied to the second substrate 70.
  • any commercially available optical filter glass such as an infrared cut filter, an ultraviolet cut filter, a color filter, and a neutral intensity filter (a filter that uniformly diminishes all wavelengths in the visible light range) can be applied to the second substrate 70.
  • the second optical film 80 an arbitrary film suitable for protecting the surface of the second substrate 70, for example, an antireflection film or the like can be applied.
  • a film that achieves the desired performance in combination with the second substrate 70 is applied to the second optical film 80.
  • a -Eutral intensity filter may be applied to the second substrate 70, and an infrared cut film may be applied to the second optical film 80.
  • an ultraviolet cut glass may be applied to the second substrate 70, and a light attenuating film and an infrared cut film may be applied to the second optical film 80. That is, the combination of the second substrate 70 and the second optical film 80 can be appropriately selected according to the performance required for the eyeglass display, the manufacturing cost of the eyeglass display, and the like.
  • the reason why the one-period layer group is arranged on both sides of the plurality-period layer group is that the refractive index between the first optical film 60 and the substrate 11 is different. This is for the purpose of adjusting the mismatch between the first optical film 60 and the mismatch between the refractive indexes of the first optical film 60 and the second substrate 70 (that is, a layer group having one period is a matching layer).
  • the layer plays a role of finely modifying the characteristics of the first optical film 60, such as reducing ripples in a wavelength band where transmittance is to be suppressed.
  • a configuration different from the above-described configuration may be applied to the first optical film 60.
  • Either configuration includes a suitable periodic layer group.
  • a combination of the second optical film 80 and the second substrate 70 a combination of a metal film such as chromium (Cr) and an optical glass substrate having a small extinction coefficient k is also applicable.
  • an electoric chromic film EC film
  • a photochromic film PC film
  • various functional thin films for example, an electoric chromic film (EC film), a photochromic film (PC film), and the like may be applied to the second optical film 80!
  • an electorifice chromic film (EC film)
  • both the visibility of the external image and the visibility of the display image can be maintained regardless of the use state of the eyeglass display.
  • the external light flux L2 is automatically dimmed only when the light intensity of the external light flux L2 is high. Both the visibility and the visibility of the displayed image are automatically maintained.
  • the extinction rate in the central area of the image display optical system 1 may be set higher than the extinction rate in the peripheral area of the image display optical system 1. Easy.
  • the second substrate 70 is constituted by a neutral density filter
  • the second optical film 80 is constituted by a dimming film
  • the formation region of the second optical film 80 is limited to only the central region. do it.
  • the first optical film 60 can be formed of a holographic optical film.
  • the production of the holographic optical film is shown in Figure 61.
  • Optical system is available.
  • an auxiliary prism of the same type as those substrates is arranged in each of the optical paths of the two light beams in FIG. Is done.
  • the second optical film 80 may be formed of a holographic optical film.
  • the dimming function of any of the eighth to tenth embodiments (including modifications) described above may be mounted on any of the eyeglass displays of the first to seventh embodiments.
  • the power of the eyeglass display is not described, but the present invention can be similarly applied to a camera, binoculars, a microscope, a finder of a telescope, and the like.

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Abstract

　本発明は、周囲の媒質よりも屈折率の高い部材が表面に密着しても内面反射機能とシースルー性とが損なわれない光伝搬用の光学素子を提供する。そのために、所定の光束が内部を伝搬可能な基板と、前記伝搬する前記所定の光束が到達可能な前記基板の面上に密着して設けられ、その所定の光束を反射すると共にその面に到来する外界光束を透過する干渉又は回折作用を有した光学機能部とを備えたことを特徴とする。この光学素子を利用すれば、視度補正などの機能を搭載することが容易なコンバイナ光学系、及び視度補正などの機能を搭載することが容易な画像表示装置が実現する。                                                                             

Description

明 細 書
光学素子、コンパイナ光学系、及び画像表示装置
技術分野
[0001] 本発明は、シースルー性を有した光伝搬用の光学素子、その光学素子を用いたコ ンバイナ光学系、及びコンバイナ光学系を用 、た画像表示装置に関する。
背景技術
[0002] 空気'真空及びその他の気体などの低屈折率の媒質中に存在するガラス基板など の高屈折率材料 (透明基板）は、その透明基板に固有の臨界角度より大きい角度で 入射する光束を内面反射するが、臨界角度より小さい角度で入射する光束を透過す る。つまり、内面反射機能とシースルー性とを有している。
この透明基板を光伝搬用の光学素子として利用した画像表示装置の 1つに、アイ グラスディスプレイがある (特許文献 1,特許文献 2など)。
[0003] アイグラスディスプレイは、観察者の眼前に透明基板を配置しており、画像表示素 子からの表示光束は、その透明基板内を観察眼の瞳の直前にまで伝搬し、さらに透 明基板内に設けられたノヽーフミラーなどのコンパイナ上で外界光束に重畳して瞳に 入射する。
このようなアイグラスディスプレイにより観察者は、外界と画像表示素子の画像とを 同時に観察することができる。
[0004] このアイグラスディスプレイを広く普及させるためには、他の様々な機能と共に、眼 鏡と同様の機能 (視度補正機能)を付加する必要がある。
特許文献 1：特開 2001— 264682号公報
特許文献 2：特表 2003 - 536102号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] しかし、透明基板の内面反射機能を利用するアイグラスディスプレイは、透明基板 の表面を曲面にして透明基板自身に屈折力を持たせることも、屈折力を有した別の 屈折部材 (平凸レンズ又は平凹レンズ。透明基板と同等又はそれ以上の屈折率。）を 透明基板の表面に貼付することも基本的にできない。
このため、視度補正機能を付加する方法として現在考えられているのは、そのよう な屈折部材を、エアギャップを介して透明基板の表面に取り付けることである力 そ れには以下の様々な困難がある。
[0006] 例えば、エアギャップの間隔を必要精度で保ちつつ機械的強度を得ることは難しく
、しかも部品点数、重量、及び厚み等の増加、製造工程の煩雑ィ匕ゃ高コストィ匕を伴う
。また、観察眼と透明基板との位置関係によっては、エアギャップによる余分な反射 光が観察眼に入射し、視認性が損なわれることもある。
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、屈折部材など、周囲の媒質よ りも屈折率の高い部材が表面に密着しても内面反射機能とシースルー性とが損なわ れない光伝搬用の光学素子を提供することを目的とする。
[0007] 本発明は、視度補正などの機能を搭載することが容易なコンパイナ光学系、及び 視度補正などの機能を搭載することが容易な画像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
[0008] 本発明の光学素子は、所定の光束が内部を伝搬可能な基板と、前記伝搬する前 記所定の光束が到達可能な前記基板の面上に密着して設けられ、その所定の光束 を反射すると共にその面に到来する外界光束を透過する干渉又は回折作用を有し た光学機能部とを備えたことを特徴とする。
前記光学機能部は、特定の偏光方位の前記所定の光束を反射し、かつ他の偏光 方位の光束を透過する性質を有して 、てもよ 、。
[0009] また、前記光学機能部は、前記基板と空気との屈折率によって決定する、基板内 部の光束が全反射する条件の臨界角又は前記臨界角よりも大きな入射角度で前記 面に到達する前記所定の光束を、所望の反射特性で反射する性質を有して!/ヽてもよ い。
また、前記光学機能部は、前記所定の光束の光路の光量ロスを増大させることなく 前記外界光束を減光する機能を有して 、てもよ 、。
[0010] 本発明のコンパイナ光学系は、所定の画像表示素子から射出した表示光束を伝搬 させると共に、少なくとも前記基板を観察眼に正対させた状態で外界力 その観察眼 に向かう前記外界光束を透過する本発明の光学素子と、前記光学素子に設けられ、 前記基板の内部を伝搬した前記表示光束を前記観察眼の方向に反射すると共に前 記外界光束を透過するコンパイナとを備えたことを特徴とする。
[0011] 前記光学機能部は、前記基板の表面に設けられた光学膜であり、前記光学膜の表 面には、第 2の基板が設けられていてもよい。
また、前記第 2の基板は、視度補正用の屈折レンズであってもよい。
また、前記光学機能部は、前記基板の外界側の面に設けられており、前記光学機 能部と前記第 2の基板とからなる光学系の全体は、前記表示光束の光路の光量ロス を増大させることなく前記外界光束を減光する機能を有して 、てもよ 、。
[0012] また、前記第 2の基板は、可視光に対する吸収性を有していてもよい。
また、前記光学膜は、前記表示光束の光路の光量ロスを増大させることなく前記外 界光束を減光する機能を有して ヽてもよ ヽ。
また、前記光学膜は、金属及び Z又は誘電体から構成されてもよい。
また、前記光学膜は、ホログラフィック光学膜から構成されてもよい。
[0013] また、前記第 2の基板の表面には、第 2の光学膜が設けられてもよい。
また、前記第 2の光学膜は、金属及び Z又は誘電体から構成されてもよい。
また、前記第 2の光学膜は、ホログラフィック光学膜から構成されてもよい。 また、前記第 2の光学膜は、エレクト口クロミック膜から構成されてもよい。 また、前記第 2の光学膜は、フォトクロミック膜から構成されてもよい。
[0014] また、前記光学機能部と前記第 2の基板とからなる光学系の全体は、前記コンバイ ナに入射する前記外界光束を、その他の前記外界光束より高い減光率で減光しても よい。
また、本発明のコンノイナ光学系において、前記画像表示素子からの前記表示光 束が前記基板中で内面反射可能となる方向に前記表示光束を導光する導入ミラー を備えてもよい。
[0015] 本発明の画像表示装置は、画像表示用の表示光束を出射する画像表示素子と、 前記表示光束を前記観察眼へ導光する本発明のコンパイナ光学系とを備えたことを 特徴とする。
この画像表示装置においては、前記コンパイナ光学系を前記観察者の頭部に装着 する装着手段が備えられてもよ ヽ。
発明の効果
[0016] 本発明によれば、周囲の媒質よりも屈折率の高い部材が表面に密着しても内面反 射機能とシースルー性とが損なわれない光伝搬用の光学素子が実現する。
本発明によれば、視度補正などの機能を搭載することが容易なコンパイナ光学系、 及び視度補正などの機能を搭載することが容易な画像表示装置が実現する。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1]第 1実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。
[図 2]第 1実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断 した概略断面図である。
[図 3]空気中に存在するガラス基板の反射率の角度特性を示す図である。
[図 4]HOE35を製造する光学系を示す図である。
[図 5]第 1実施例の反射率の角度特性を示す図である。
[図 6]第 1実施例の垂直入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
[図 7]第 1実施例の 60° の入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
[図 8]第 2実施例の反射率の角度特性を示す図である。
[図 9]第 2実施例の垂直入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
[図 10]第 2実施例の 60° の入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
[図 11]第 3実施例の反射率の角度特性を示す図である。
[図 12]第 3実施例の垂直入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
[図 13]第 3実施例の 60° の入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
[図 14]第 4実施例の膜構成を示す図である。
[図 15]第 4実施例の反射率の角度特性を示す図である。
[図 16]第 4実施例の垂直入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
[図 17]第 4実施例の 60° の入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
[図 18]第 5実施例の膜構成を示す図である。 圆 19]第 5実施例の反射率の角度特性を示す図である。
圆 20]第 5実施例の垂直入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。
圆 21]第 5実施例の 60° の入射光に対する反射率の波長特性を示す図である。 圆 22]第 2実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切 断してできる概略断面図である。
圆 23]第 2実施形態の反射増強膜 22aに適用される HOEを製造する光学系を示す 図である。
圆 24]第 6実施例の膜構成を示す図である。
圆 25]第 6実施例の小入射角度の光 (入射角度 0° 〜20° )に対する反射率の波長 特性である。
圆 26]第 6実施例の大入射角度の光 (入射角度 35° , 40° )に対する反射率の波 長特性である。
[図 27]第 6実施例の誘電体光学多層膜の各波長の光に対する反射率の角度特性で ある。
圆 28]第 3実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切 断してできる概略断面図である。
圆 29]第 7実施例の膜構成を示す図である。
圆 30]第 7実施例の小入射角度の光 (入射角度 0° 〜20° )に対する反射率の波長 特性である。
圆 31]第 7実施例の大入射角度の光 (入射角度 35° 〜50° )に対する反射率の波 長特性である。
[図 32]第 7実施例の誘電体光学多層膜の各波長の光に対する反射率の角度特性で ある。
圆 33]第 4実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切 断してできる概略断面図である。
圆 34]第 5実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切 断してできる概略断面図である。
圆 35]第 6実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分の分解図である。 圆 36]第 7実施形態のアイグラスディスプレイを説明するための図である。
圆 37]第 8実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。
[図 38]第 8実施形態のアイグラスディスプレイの光学系の詳細図である。
[図 39] Ag層の屈折率の波長特性である。
[図 40] Ag層の消衰係数の波長特性である。
圆 41]第 8実施形態の減光膜 20の基板 11側の反射率、及び透過率の波長特性で ある。
圆 42]第 8実施形態の減光膜 20の基板 11側の反射率、及び透過率の角度特性で ある。
圆 43]第 8実施形態の第 1変形例の減光膜 20の膜構成を示す図である。
圆 44]第 8実施形態の第 1変形例の減光膜 20の透過率の波長特性である。
圆 45]第 8実施形態の第 2変形例の減光膜 20の膜構成を示す図である。
圆 46]第 8実施形態の第 2変形例の減光膜 20の透過率の波長特性である。
[図 47] (a)は、基板 11の空気側の界面における反射を説明する図、（b)は、基板 11 の減光膜 20側の界面における反射を説明する図である。
圆 48]第 1変形例，第 2変形例の減光膜 20の基板 11側の反射率の角度特性である [図 49]二酸ィ匕チタン (TiO )の屈折率の波長特性である。
2
[図 50]二酸ィ匕チタン (TiO )の消衰係数の波長特性である。
2
圆 51]第 8実施形態の第 3変形例の減光膜 20の膜構成を示す図である。
圆 52]第 8実施形態の第 3変形例の減光膜 20の透過率の波長特性である。
圆 53]第 8実施形態の第 3変形例の減光膜 20の基板 11側の反射率の波長特性であ る。
圆 54]第 9実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。
[図 55]第 9実施形態のアイグラスディスプレイの光学系の詳細図である。
[図 56]第 9実施形態の減光膜 20, 40の膜構成を示す図である。
[図 57]減光膜 20, 40の中央領域の透過率の波長特性、減光膜 20の周辺領域の透 過率の波長特性である。 [図 58]第 9実施形態の第 1変形例の減光膜 20, 40の中央領域の透過率の波長特性 である。
[図 59]第 9実施形態の第 1変形例の減光膜 20の基板 11側の反射率の角度特性（中 央領域における特性)である。
[図 60]ホログラフィック光学膜の製造における第 1の露光を説明する図である。
[図 61]ホログラフィック光学膜の製造における第 2の露光を説明する図である。
[図 62]第 10実施形態のアイグラスディスプレイの実施形態である。
[図 63]アイグラスディスプレイの光学系の詳細図である。
[図 64]屈折率 1. 50、厚み lmmのガラス基板の、消衰係数 kと透過率との関係を示 す図である。
[図 65]第 1の光学膜 60の基板 11側の反射率の波長特性である。
[図 66]第 1の光学膜 60の第 2の基板 70側の反射率の角度特性である。
発明を実施するための最良の形態
[0018] [第 1実施形態]
以下、図 1、図 2、図 3、図 4を参照して本発明の第 1実施形態を説明する。 本実施形態は、アイグラスディスプレイ (請求項における画像表示装置に対応する 。）の実施形態である。
先ず、アイグラスディスプレイの構成を説明する。
[0019] 図 1に示すように、本アイグラスディスプレイは、画像表示光学系 1、画像導入ュニッ ト 2、ケーブル 3などからなる。画像表示光学系 1、画像導入ユニット 2は、眼鏡のフレ ームと同様の支持部材 4によって支持され、観察者の頭部に装着される (支持部材 4 は、テンプル 4a、リム 4b、ブリッジ 4cなど力もなる。）。
画像表示光学系 1は、眼鏡のレンズと同様の外形をしておりリム 4bによって周囲か ら支持される。
[0020] 画像導入ユニット 2は、テンプル 4aによって支持される。画像導入ユニット 2には、 外部機器カゝらケーブル 3を介して映像信号及び電力が供給される。
装着時、観察者の一方の眼 (以下、右眼とし「観察眼」という。）の眼前に画像表示 光学系 1が配置される。以下、装着時のアイグラスディスプレイを、観察者及び観察 眼の位置を基準として説明する。
[0021] 画像導入ユニット 2の内部には、図 2に示すように、ケーブル 3を介して供給される 映像信号に基づき映像を表示する液晶表示素子 21 (請求項における画像表示素子 に対応。）と、液晶表示素子 21の近傍に焦点を有した対物レンズ 22とが配置される。 この画像導入ユニット 2は、対物レンズ 22から射出する表示光束 L1 (可視光である
。）を、画像表示光学系 1の観察者側の面の右端部に向けて出射する。
[0022] 画像表示光学系 1は、観察者の側カゝら順に、基板 13、基板 11、基板 12を密着して 重ねて配置してなる。
基板 13、基板 11、基板 12の各々は、少なくとも可視光に対し透過性を有した材料
(例えば、光学ガラス)からなる。
このうち、基板 11は、画像導入ユニット 2から導入された表示光束 L1を外界側の面
11 1と観察者側の面 11 2とで繰り返し内面反射する平行平板である（請求項に おける基板に対応する。）。
[0023] 基板 11の外界側に配置された基板 12は、観察眼の視度補正をする働きを担う。基 板 12は、観察者側の面 12— 2が平面、外界側の面 12— 1が曲面となったレンズであ る。
基板 11の観察者側に配置された基板 13も、観察眼の視度補正をする働きを担う。 基板 13は、外界側の面 13— 1が平面、観察者側の面 13— 2が曲面となったレンズ である。
[0024] なお、面 13— 2のうち表示光束 L1が最初に通過する領域は、表示光束 L1に対し 何ら光学的パワーを与えな 、平面になって 、る。
また、基板 11の内部において表示光束 L1が最初に入射する領域には、表示光束 L1の角度を、基板 11内を内面反射可能な角度に変化させるための導入ミラー 11a が形成される。
[0025] また、基板 11の内部において、観察眼の瞳に対向する領域には、内面反射した表 示光束 L1を瞳の方向に反射するハーフミラー 1 lb (請求項におけるコンパイナに対 応する。）が設けられる。
なお、ハーフミラー l ibに代えて、所定の回折条件に合致した光を所定の方向に 偏向する性質の HOE (ホログラフィック'ォプチカル'エレメントの略。）を用いることも できる。また、コンノイナには光学的パワーが付与されていてもよい。
[0026] ここで、基板 12と基板 11との間には、置換膜 12aが両者に密着して設けられる。ま た、基板 13と基板 11との間には、置換膜 13aが両者に密着して設けられる (置換膜 1
2a, 13aが請求項における光学機能部に対応する。 )0
置換膜 12a, 13aは、 60° 近傍の入射角度で入射する可視光を反射し、かつ 0° 近傍の入射角度で入射する可視光を透過する性質を有している。
[0027] 次に、画像表示光学系 1の各面の配置の詳細を表示光束 L1の振る舞いに基づき 説明する。
図 2に示すように、画像導入ユニット 2内の液晶表示素子 21の表示画面力も射出し た表示光束 L1 (図示は、中心画角の表示光束のみ。）は、対物レンズ 22を介して 0 ° 近傍の入射角度で基板 13に入射するので、置換膜 13aを通過して基板 11内に入 射する。
[0028] 基板 11内に入射した表示光束 L1は、導入ミラー 11aに対し所定の入射角度で入 射し、反射する。反射した表示光束 L1は、置換膜 13aに対し 60° 近傍の入射角度 Θで入射するので、置換膜 13aにて反射し、置換膜 12aに向かう。置換膜 12aに対 する入射角度も同じく Θとなるので、表示光束 L1は、置換膜 12aでも反射する。 よって、表示光束 L1は、置換膜 13a、 12aで繰り返し交互に反射しつつ、画像導入 ユニット 2から離れた観察者の左方向へ伝搬する。
[0029] その後、表示光束 L1は、ハーフミラー l ibに入射して観察眼の瞳の方向に反射す る。
反射した表示光束 L1は、 0° 近傍の入射角度で置換膜 13aに入射するので、置換 膜 13aを透過し、基板 13を介して観察眼の瞳に入射する。
一方、外界 (遠方)からの外界光束 L2は、基板 12を介して 0° 近傍の入射角度で 置換膜 12aに入射するので、置換膜 12aを透過し、基板 11を介して置換膜 13aに対 し 0° 近傍の入射角度で入射する。その外界光束 L2は、置換膜 13aを透過し、基板 13を介して観察眼の瞳に入射する。
[0030] ここで、基板 12の外界側の面 12— 1の形状、基板 13の観察者側の面 13— 2の形 状は、観察眼の視度補正をするよう設定されている。
因みに、観察眼の外界に対する視度補正は、外界光束 L2の光路に配置される面 1 2—1と面 13— 2との形状の組み合わせによって図られる。観察眼の画像に対する視 度補正は、表示光束 L1の光路に配置される面 13— 2の形状によって図られる。観察 眼の画像に対する視度補正を図るために、対物レンズ 22の光軸方向の位置、液晶 表示素子 21の光軸方向の位置が調整されることもある。
[0031] なお、以上のアイグラスディスプレイにおいて、液晶表示素子 21から瞳までの光路 に配置された要素力 請求項におけるコンパイナ光学系に対応する。
次に、置換膜 12a, 13aを詳細に説明する。
(1)基板 11の内部全反射について
一般に、媒質中に置かれた基板 11の内部全反射は、以下の式 (1)で示される臨界 角度 0 を超えた場合に生起する。
[0032] Θ =arcsin[n /η ] · ' ·(1)
c m g
但し、 nは媒質の屈折率、 nは基板 11の屈折率である。この式（1)によると、 Θ が m g c 存在するためには、 n <nでなければならないことがわ力る。
m g
このため、基板 12, 13を基板 11の表面に直接貼付すると、媒質の屈折率が高くな りすぎて Θ が存在せず、内面反射機能が損なわれてしまう。
[0033] 一方、エアギャップを基板 11の表面に設けると、媒質 (空気）の屈折率は 1 (n = 1.
m
0)と低いので、基板 11の材料が一般的な光学ガラス BK7 (n = 1. 56)であるとき、
g
臨界角度 0 は、式（1)により概ね 40° となり、内面反射機能が得られる。
因みに、エアギャップを用いたときの基板 11の反射率の入射角度特性は、図 3に 示すとおりである。
(2)誘電体光学多層膜につ!、て
誘電体光学多層膜の理論では、以下の関係が明らかにされている。
[0034] 光学ガラス力 なる基板と基板との間に挟まれた誘電体光学多層膜からなる対称 膜の膜構成 (下記)を考える。ここで、対称膜とは、各種類の層が中心対称に積層さ れた膜構成のことを指す。また、構成を表すために 1単位となる層群に括弧を付けて 列記する（以下、同様)。 基板/ (0.125L0.25H0.125L)k/基板、又は、
基板/ (0.125H0.25L0.125H)k/基板
なお、各層群における Hは高屈折率層、 Lは低屈折率層、各層群の右上付き文字 kは各層群の積層回数、各層の前に付けた数字は各層の入射光の中心波長に対す る光学膜厚 (ndZ )である (以下、同様)。
[0035] 対称膜は、或る仮想の屈折率を持つ等価的な単一の膜 (等価膜)として扱えること が知られており、対称膜と、この膜の等価的な屈折率 (等価屈折率)の理論は、 HA.Macleod著「Thin-Film optical Filters 3rf Edition」などに詳しく記述されているの で、詳細は割愛する。
この膜構成において、等価膜の垂直入射光に対する等価屈折率を、基板 11の屈 折率と同じに選定すると、垂直入射する光に対しては界面反射は全く生じず透過率 は 100%であるが、入射角度が大きい光に対しては界面反射が生じ反射率が増大し てくる。この理由は、一般に、誘電体の見かけの屈折率 Nが誘電体中の光の進行角 度 Θに対応して以下のとおり変化するためである。
[0036] N=ncos Θ (s偏光）
N=n/cos θ (ρ偏光）
但し、 ηは誘電体の屈折率である。因みに、入射角度の増大に伴う反射率の増大 量は、特に s偏光にて顕著である。
(3)置換膜 12a, 13aの構成について
置換膜 12a, 13aは、（1)で述べた基板 11の内部反射機能と、基板 11のシースル 一性（=外界の視認性)との双方を損なわないものである必要がある。つまり、表示光 束 L1に対し反射性を有し、外界光束 L2に対し透過性を有する必要がある。
[0037] そこで置換膜 12a, 13aは、基板 11と空気の屈折率差により決定される、臨界角又 はその臨界角よりも大きな角度で入射する光を高い反射率で反射する (好ましくは全 反射する)特性を有するように設計される。
本実施形態において、置換膜 12a, 13aの性質を、「60° 近傍の入射角度で入射 する可視光を反射し、かつ 0° 近傍の入射角度で入射する可視光を透過する性質」 に設定した。この性質は、（2)で述べた誘電体光学多層膜によって得ることができる [0038] そこで、本実施形態では、置換膜 12a, 13aに誘電体光学多層膜を用いる。
この置換膜 12a, 13aの設計方法は、以下のとおりである。
置換膜 12a, 13aの構成 (単位層群の構成、積層回数、各層の膜厚、各層の屈折 率、各層の材料など）は、高反射率を得るべき光の入射角度 (ここでは 60° )に対し 最適化される。基板 11の屈折率についても同時に最適化される。置換膜 12a, 13a の基本的な構成は (2)で述べた対称膜とする。
[0039] 但し、 (2)で述べた理論を単純に適用しても得られる解と実在する薄膜材料の屈折 率とがー致することは非常に希であるため、設計に当たり、以下の各工夫の全部又 は 1部を施す。
第 1の工夫は、基板 11とのマッチングをとる目的で、幾つかの層（マッチング層）を 基板 11の側に挿入することである。
[0040] 第 2の工夫は、最適化の際、材料の屈折率分散の吸収、反射率'透過率の分光特 性 ·角度特性の微調整をすることである。
第 3の工夫は、必要に応じて対称性を崩す (非対称性を許容する)ことである。 第 4の工夫は、計算機による膜厚の最適化設計や膜構成の自動合成を利用するこ とである。
[0041] 第 5の工夫は、 s偏光に対してのみ所望の特性が得られるよう設計することである（ 入射角度の増大に伴う反射率の増大量力 ^偏光に関して顕著であるという誘電体光 学多層膜の性質があるので。 ) o
第 6の工夫は、特定の波長に対してのみ所望の特性が得られるよう設計することで ある。
[0042] なお、第 5の工夫は、図 2に示した液晶表示素子 21の光源力 偏光であるときに有 効である。また、光源が p偏光であるときにも、位相板などでその偏光方向を回転させ れば、有効となる。偏光方向を限定した分だけ、設計の自由度が高まるという利点が ある。
また、第 6の工夫は、図 2に示した液晶表示素子 21の光源が特定の波長で発光し ているときに有効である。波長を限定した分だけ、設計の自由度が高まるという利点 がある。
[0043] 次に、本アイグラスディスプレイの効果を説明する。
アイグラスディスプレイでは、基板 11の外界側と観察者側とに置換膜 12a, 13aが 形成される。
置換膜 12a, 13aの性質は、 60° 近傍の入射角度で入射する可視光を反射し、か つ 0° 近傍の入射角度で入射する可視光を透過するよう設定されている。
[0044] これらの置換膜 12a, 13aで挟まれた基板 11は、表示光束 L1を内面反射し、かつ 外界 (遠方)からの外界光束 L2を透過させることができる。
したがって、基板 11と略同じ屈折率の基板 12, 13が貼付されたにも拘わらず、基 板 11の内面反射機能とシースルー性は、何ら損なわれな!/、。
その結果、基板 12, 13を貼付するだけの簡単な方法で、アイグラスディスプレイに 対し視度補正機能を搭載することができた。
[0045] なお、基板 12, 13として、光吸収のある材料を用いれば、アイグラスディスプレイに サングラスの機能を付与できる。また、サングラスの機能のみ必要であり、視度補正の 必要が無い場合には、基板 12, 13を光吸収のある平行平板にしてもよい。
(その他）
なお、本実施形態では、表示光束 L1を可視光とし、基板 11,置換膜 12a, 13aの 性質を、その可視光を内面反射するような性質に設定したが、液晶表示素子 21の光 源が発光スペクトルを有しているときには、少なくともそのピーク波長の光を内面反射 するような性質に設定されて 、ればよ!/、。
[0046] また、本実施形態のアイグラスディスプレイは、 2枚の基板 (基板 11, 12)と 2つの置 換膜 (置換膜 12a, 13a)によって視度補正が図られたが、 1枚の基板と 1つの置換膜 により視度補正が図られてもよい。
また、本実施形態では、置換膜 12a, 13aに誘電体光学多層膜を用いたが、 HOE を用いてもよい。誘電体光学多層膜を用いた置換膜 12a, 13aの構成の詳細は後述 する実施例にて説明することとし、 HOEの製造方法を以下に説明する。
[0047] 図 4には、 HOEを製造する光学系を示した。この光学系は、入射角度 Θで入射す る表示光束 L 1を高 ヽ反射率で反射する HOEを製造するものである。 波長 λのレーザ光源 31から射出したレーザ光は、ビームスプリッタ 32で 2分割され る。 2分割されたレーザ光は、 2つのビームエキスパンダ 33でそれぞれ拡大された後 、 2つの補助プリズム 34を介してホログラム感光材料 35にそれぞれ入射する。これに よって感光材料 35が露光する。ここで、感光材料 35へのレーザ光の入射角度は、 Θ に設定されている。この感光材料 35を現像処理すれば、 ΗΟΕが完成する。
[0048] 完成した ΗΟΕは、所定の波長 λ、かつ所定の角度 Θで入射する光束を回折反射 し、かつ 0° 近傍の入射角度で入射する光を全透過する性質を有する。
なお、置換膜 12a, 13aが反射性を示すべき光の入射角度や波長は 1種類ではな いので、必要に応じて、角度 Θやレーザ光の波長を変更しながら感光材料 35を多重 露光することになる。
[0049] また、ホログラム感光材料 35として榭脂ベースの材料 (榭脂シート）を用いると、大 面積の HOEを低コストで製造することができる。また、 HOEが榭脂シートであると、 H
OEをアイグラスディスプレイの基板 11に密着させる際に貼付するだけで済むため、 低コスト ·大量生産の面で実用価値が高 、。
また、本実施形態の置換膜 12a, 13aには、金属膜や半導体膜などからなる光学多 層膜が用いられてもよい。但し、そのような光学多層膜よりも誘電体光学多層膜の方
1S 光の吸収が少ないため、好適である。
[0050] 以上の各光学機能部 (誘電体光学多層膜、 HOE、その他の光学多層膜)は、アイ グラスディスプレイの仕様やコストなどに応じて置換膜 12a, 13aとして選択使用され ることが望ましい。
[第 1実施例]
以下、誘電体光学多層膜からなる置換膜 12a, 13aの第 1実施例を説明する。
[0051] 本実施例は、液晶表示素子 21の光源が偏光しているときに有効な実施例である。
本実施例の基本構成は例えば以下のとおりである。
基板/ (0.125L0.25H0.125L)k/基板
但し、基板の屈折率は 1. 74,高屈折率層 Hの屈折率は 2. 20、低屈折率層 Lの屈 折率は 1. 48である。
[0052] 基板には SCHOTT社製 N— LAF35を用い、高屈折率層 Hは、 TiO、 Ta O , Nb Oの何れかを用い、成膜条件を調整して構成し、低屈折率層 Lには SiOを用いた。
5 2 因みに、この基本構成の誘電体光学多層膜は、一般に「短波長透過フィルタ」と呼 ばれる。所定波長より短い波長の光に対する透過率が高ぐ所定波長より長い波長 の光に対する反射率が高 、と 、う特徴がある。
[0053] また、一般の誘電体光学多層膜は、光が斜めに入射した場合の分光特性が入射 角度に応じて短波長側にシフトするという特徴がある。
これら 2特徴を合わせ、垂直入射する光の透過帯域を可視光全体 (400〜700nm )に一致させておき、入射角度が基板 11の臨界角度 Θ の前後になると、長波長側の 反射帯域が可視光全体 (400〜700nm)に重なるよう基本構成を最適化する。最適 化の結果、本実施例は以下のとおりとなった。
[0054] 基板 /(0.125L0.28H0.15L)(0.125L0.25H0.125L)4(0.15L0.28H0.125L)/基板
但し、基板の屈折率は 1. 56、高屈折率層 Hの屈折率は 2. 30、低屈折率層 Lの屈 折率は 1. 48、中心波長えは 850nmである。
基板には、 SCHOTT社製 N— BAK4を使用し、高屈折率層 Hは TiO , Ta O、 Nb
2 2 5 2 oの何れかから成膜条件を調整して形成した。
5
[0055] 本実施例の反射率の角度特性を図 5に、垂直入射光に対する反射率の波長特性 を図 6に、 60° の入射光に対する反射率の波長特性を図 7に示す。なお、以下の各 図において Rsは s偏光に対する特性、 Rpは p偏光に対する特性、 Raは s偏光と p偏 光とに対する平均的特性である。
図 5に示すとおり、本実施例の反射率の角度特性は、 s偏光のみに限定すると、ガ ラス基板の反射率の角度特性（図 3参照）によく一致している。また、図 6に示すとおり 、本実施例は、垂直入射する可視光に対し高い透過率を有する。また、図 7に示すと おり、本実施例は、 60° 入射する略全域の可視光に対し略 100%の反射率を有す る。
[0056] なお、本実施例では、基板との間にマッチング層を介在させて 、る。マッチング層 は、透過帯 (反射率の低 ヽ波長領域)のリップルを低減する役割などを果たして 、る
[第 2実施例] 以下、誘電体光学多層膜からなる置換膜 12a, 13aの第 2実施例を説明する。 本実施例は、液晶表示素子 21の光源が偏光しているときに有効な実施例である。 基本構成は例えば以下のとおりである。
[0057] 基板 /(0.125H0.25L0.125H)k/基板
因みに、この構成は、一般に「長波長透過フィルタ」と呼ばれる。所定波長より長い 波長の光に対する透過率が高ぐ所定波長より短い波長の光に対する反射率が高い という特徴がある。
最適化した結果、本実施例は以下のとおりとなった。
[0058] 基板 /(0.3H0.27L0.14H)(0.1547H0.2684L0.1547H)3(0.14H0.27L0.3H)/基板
但し、基板の屈折率は 1. 56、高屈折率層 Hの屈折率は 2. 00、低屈折率層 Lの屈 折率は 1. 48、中心波長えは 750nmである。
高屈折率層 Hは、 ZrO , HfO , Sc O , Pr O , Y Oの何れかを用い、成膜条件を
2 2 2 3 2 6 2 3
調整して構成した。なお、基板と低屈折率層 Lとには、先の実施例と同じものを用い た。
[0059] 本実施例の反射率の角度特性を図 8に、垂直入射光に対する反射率の波長特性 を図 9に、 60° の入射光に対する反射率の波長特性を図 10に示す。
図 8、図 9、図 10に示すとおり、本実施例によれば、 s偏光について第 1実施例と略 同様の良好な特性が得られる。
なお、本実施例は、長波長透過フィルタを基本構成とした。第 1実施形態の（2)で 述べた理論によると、短波長透過フィルタが適していることになる力 実在する薄膜材 料の屈折率を前提に検討すると、このように、長波長透過フィルタを基本構成とした 設計解が得られることちしばしばある。
[0060] [第 3実施例]
以下、誘電体光学多層膜からなる置換膜 12a, 13aの第 3実施例を説明する。 本実施例は、液晶表示素子 21の光源が無偏光であるときに有効な実施例である。 最適化の結果、本実施例は以下のとおりとなった。
基板 /(0.25H0.125L)(0.125L0.25H0.125L)4(0.125L0.25H)/基板
但し、基板の屈折率は 1. 75、高屈折率層 Hの屈折率は 2. 30、低屈折率層 Lの屈 折率は 1. 48、中心波長えは 1150nmである。
[0061] 基板には、 SCHOTT社製の N— LAF4を用いた。高屈折率層 Hは、 TiO , Ta O、
2 2 5
Nb Oの何れかを成膜条件を調整して形成し、低屈折率層 Lは、 SiOを成膜して形
2 5 2 成した。
本実施例の反射率の角度特性を図 11に、垂直入射光に対する反射率の波長特 性を図 12に、 60° の入射光に対する反射率の波長特性を図 13に示す。
[0062] 図 11、図 12、図 13に示すとおり、本実施例によれば、 p偏光、 s偏光のの双方につ
V、て良好な特性が得られる。
なお、本実施例の構成をモデル化すると以下のような対称な構成となる。 基板/ (マッチング層群 i)k1 ' (対称層群) k2' (マッチング層 II) k3/基板
各層群は、低屈折率層 L'高屈折率層 Hを繰り返し積層してなり（LHL又は HLH)、
60° の入射光に対し反射率が高まるよう設定されている。中央の層群は、垂直入射 光を反射する傾向にあるため、この反射を抑える目的でマッチング層群 I, IIの各層の 膜厚が最適化調整されて ヽる。
[0063] 設計時には、光の入射角度や基板の屈折率などに応じて、このモデルの各層群の 積層回数 kl, k2, k3を増減したり、マッチング層群 I, IIの各層の膜厚を調整したりす ればよい。
また、一方の基板との関係と、他方の基板との関係とが互いに異なる場合 (2つの基 板の屈折率が異なったり、一方の基板との間にのみ接着剤層が介在するときなど）に は、マッチング層群 I, IIの積層回数及び各層の膜厚を個別に調整すればよい。
[0064] また、現在では計算機による膜厚の最適化設計や膜構成の自動合成の手法も普 及している。この手法を用いた場合には、得られる設計解が上述した基本構成から 若干外れることがある。しかし、それでも基本構成を一部調整したもの（基本構成の 変形)とみなせる。
[第 4実施例]
以下、誘電体光学多層膜からなる置換膜 12a, 13aの第 4実施例を説明する。
[0065] 本実施例は、液晶表示素子 21の光源が偏光しているときに有効な実施例である。
また、本実施例は、計算機による膜構成の自動合成の手法を適用した実施例である 。本実施例の膜構成は、図 14のとおりである。
図 14に示すとおり、全層数は 19、基板の屈折率は 1. 56、高屈折率層 Hの屈折率 は 2. 20、低屈折率層 Lの屈折率は 1. 46、中心波長えは 510nmである。
[0066] 基板には、 SCHOTT社製の N— BAK4を用い、高屈折率層 Hには第 1実施例と同 じものを用いた。低屈折率層 Lは、 SiOを用い、成膜条件を調整して形成した。
2
本実施例の反射率の角度特性を図 15に、垂直入射光に対する反射率の波長特 性を図 16に、 60° の入射光に対する反射率の波長特性を図 17に示す。
図 15、図 16、図 17に示すとおり、本実施例によれば良好な特性が得られる。特に 図 16に示すとおり、垂直入射光に対する透過率が特に良く改善される。
[0067] [第 5実施例]
以下、誘電体光学多層膜からなる置換膜 12a, 13aの第 5実施例を説明する。 本実施例は、液晶表示素子 21の光源が無偏光であるときに有効な実施例である。 また、本実施例は、計算機による膜構成の自動合成の手法を適用した実施例である 。本実施例の膜構成は、図 18のとおりである。
[0068] 図 18に示すとおり、全層数は 40、基板の屈折率は 1. 56、高屈折率層 Hの屈折率 は 2. 20、低屈折率層 Lの屈折率は 1. 3845、中心波長えは 510nmである。
基板には、 SCHOTT社製の N— BAK4を用い、高屈折率層 Hには第 1実施例と同 じものを用いた。低屈折率層 Lは、 MgF , A1Fの何れかを用いて形成した。
2 3
本実施例の反射率の角度特性を図 19に、垂直入射光に対する反射率の波長特 性を図 20に、 60° の入射光に対する反射率の波長特性を図 21に示す。
[0069] 図 19、図 20、図 21に示すとおり、本実施例によれば、良好な特性が得られる。特 に図 20、図 21に示すとおり、垂直入射光に対する透過率、及び 60° の入射光に対 する反射率がそれぞれ改善される。
[第 2実施形態]
以下、図 22、図 23を参照して本発明の第 2実施形態を説明する。本実施形態は、 アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第 1実施形態との相違点を主に 説明する。
[0070] 図 22は、本アイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断してでき る概略断面図である。図 22に示すように、本アイグラスディスプレイの光学系部分は 、画像導入ユニット 2及び 1枚の基板 11からなる（画像導入ユニット 2は、液晶表示素 子 21及び対物レンズ 22を搭載し、基板 11は導入ミラー 1 la及びノヽーフミラー 1 lbを 内部に設置している。）。
[0071] 本アイグラスディスプレイにお ヽては、基板 11の観察者側の面と外界側の面との各 々に、反射増強膜 22aが密着して設けられている。
反射増強膜 22aは、少なくとも置換膜 12a, 13aと同じ機能 (エアギャップと同じ機能 )を持つ。すなわち、反射増強膜 22aは、基板 11内を内面反射すべき表示光束 Ll ( ここでは、入射角度 60° 近傍で入射する可視光）に対し反射性を示し、かつ基板 11 を透過すべき表示光束 L1及び外界光束 L2 (ここでは、入射角度 0° 近傍で入射す る可視光）に対し透過性を示す。
[0072] 但し、反射増強膜 22aが反射可能な可視光の入射角度範囲は、置換膜 12a, 13a のそれよりも拡大されており、具体的には、その入射角度範囲の下限は、基板 11の 臨界角度 0 ( ^40° )よりも小さぐ例えば 35° などに設定される（なお、入射角度 範囲 0 gの上限は、置換膜 12a, 13a、空気中の基板 11の単体と同じく 90° 近傍で ある。）。
[0073] この反射増強膜 22aが設けられた基板 11は、基板 11が単体で空気中に存在して いたときよりも、内面反射可能な表示光束 11の入射角度範囲 Θ gは、拡大される。入 射角度範囲 Θ gが拡大されれば、観察眼が観察できる画像の画角が拡大される。 なお、反射増強膜 22aが反射可能な可視光の入射角度範囲の下限を小さくし過ぎ ると次のような問題が生じうる。すなわち、外界光束 L2の一部が反射増強膜 22aを透 過できなくなって外界の視認性が悪くなつたり、ハーフミラー l ibで偏向された表示 光束 L1の一部が基板 11から外部 (射出瞳)へ射出できなくなってロスとなる可能性 がある。このため、反射増強膜 22aが反射可能な可視光の入射角度範囲の下限は、 表示光束 L1の画角や内面反射するときの入射角度を考慮した上で、 0° 〜 Θ の間 の適当な値に設定される必要がある。
[0074] また、このような特性を持つ反射増強膜 22aは、誘電体光学多層膜や HOE (ホログ ラフィック'ォプチカル ·エレメント）などによって構成される。このうち、誘電体光学多 層膜を用いた反射増強膜 22aの構成の詳細は、後述する実施例にて説明する。 HO Eの製造方法は、第 1実施形態で説明した製造方法 (図 4参照）と基本的に同じであ る。
但し、この製造方法では、図 23に示すように、補助プリズム 34は、感光材料 35に 入射するレーザ光の一方にのみ挿入されればよい (なぜなら、本実施形態の反射増 強膜 22aが接する 2つの媒質の一方は空気だ力 である。 )。
[0075] また、図 23の光学系における角度 Θ (ホログラム感光材料 35に対するレーザ光の 入射角度)の値は、反射増強膜 22aが反射性を示すべき光の入射角度範囲に設定 される。
ここでも、反射増強膜 22aが反射性を示すべき光の入射角度や波長は 1種類では ないので、必要に応じて、角度 Θやレーザ光の波長を変更しながら感光材料 35を多 重露光することになる。
[0076] また、ホログラム感光材料 35として榭脂ベースの材料 (榭脂シート）を用いると、大 面積の HOEを低コストで製造することができる。また、 HOEが榭脂シートであると、 H
OEをアイグラスディスプレイの基板 11に密着させる際に貼付するだけで済むため、 低コスト ·大量生産の面で実用価値が高 、。
また、本実施形態の反射増強膜 22aには、金属膜や半導体膜など力もなる光学多 層膜が用いられてもよい。但し、そのような光学多層膜よりも誘電体光学多層膜の方
1S 光の吸収が少ないため、好適である。
[0077] 以上の各光学機能部 (誘電体光学多層膜、 HOE、その他の光学多層膜)は、アイ グラスディスプレイの仕様やコストなどに応じて反射増強膜 22aとして選択使用される ことが望ましい。
[第 6実施例]
以下、第 6実施例を説明する。本実施例は、第 2実施形態のアイグラスディスプレイ の反射増強膜 22aとして好適な誘電体光学多層膜の実施例である。
[0078] 本実施例では、アイグラスディスプレイの液晶表示素子 21の光源が発光スペクトル を有しており（R色， G色， B色それぞれにピークを有しており）、かつ、液晶表示素子 21の光源が偏光していることを前提とした。また、本実施例では、計算機による膜構 成の自動合成の手法を適用した。
本実施例の誘電体光学多層膜の膜構成は、図 24のとおりである。
[0079] 図 24に示すとおり、全層数は 51、基板 11の屈折率は 1. 60、高屈折率層の屈折 率は 2. 3、低屈折率層の屈折率は 1. 46である。
基板には SCHOTT社製の N— SK14を用い、高屈折率層は、 TiO , Ta O , Nb O
2 2 5 2 を用い、成膜条件を調整して形成した。また、低屈折率層は、 SiO
5 2を用い、成膜条 件を調整して形成した。
[0080] 図 25は、本実施例の誘電体光学多層膜の小入射角度の光 (入射角度 0° 〜20° )に対する反射率の波長特性である。図 25において、 Ra (0° ) , Ra (5° ) , Ra (10 。 ) , Ra (15° ) , Ra (20° )は、それぞれ入射角度 0° , 5° , 10° , 15° , 20° の 入射光に対する反射率 (何れも入射光の s偏光成分に対する反射率と p偏光成分に 対する反射率との平均値)である。
[0081] 図 25に明らかなとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、入射角度 0° 〜20° の 入射光であれば、可視光域の略全域に亘り 80%以上の透過性を示す。
図 26は、本実施例の誘電体光学多層膜の大入射角度の光 (入射角度 35° , 40 ° )に対する反射率の波長特性である。図 26において、 Rs (35° ) , Rs (40° )は、 それぞれ入射角度 35° , 40° の光に対する反射率 (何れも入射光の s偏光成分に 対する反射率)である。
[0082] 図 26に明らかなとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、入射角度 40° の s偏光 した光であれば、可視光域の全域に亘り略 100%の反射性を示す。また、入射角度 35° の s偏光した光であれば、可視光域の R色， G色， B色の各成分（460, 520, 6 33nm)に対しそれぞれ 80%以上の反射性を示す。
図 27は、本実施例の誘電体光学多層膜の各波長の光に対する反射率の角度特 性である。図 27において、 Rs (633nm) , Rs (520nm) , Rs (460nm)は、それぞれ 波長 633nm, 520nm, 460nmの光（R色， G色， B色）に対する反射率（何れも入射 光の s偏光成分に対する反射率)である。
[0083] 図 27に明らかなとり、本実施例の誘電体光学多層膜は、可視光城の R色， G色， B 色の各成分の光であれば、 35° 以上の入射角度で 80%以上の反射性を示す。 以上、本実施例の誘電体光学多層膜が反射性を示す可視光 (ここでは s偏光した R 色， G色， B色の光）の入射角度範囲の下限は、 35° である。これは、本実施例で想 定した基板 11 (屈折率 1. 60)の臨界角度 0 = 38. 7° よりも小さい。
[0084] したがって、本実施例の誘電体光学多層膜を反射増強膜 22aとして用いたアイダラ スディスプレイでは、基板 11を内面反射する表示光束 L1の入射角度範囲 Θ gの下 限は、臨界角度 0 = 38. 7° 力も 35° へと 3. 7° も引き下げられる。
その結果、アイグラスディスプレイは、入射角度範囲 0 g = 35° 〜65° の表示光 束 Ll、つまり画角 30° の表示光束 L1を伝送することができる。
[0085] また、図 25に示したとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、小入射角度の光 (0 ° 〜20° )の可視光に対する透過率が高いので、アイグラスディスプレイの外界の 視認性は確実に保たれ、また、基板 11から射出瞳へ入射する表示光束 L1のロスも 無い。
[第 3実施形態]
以下、図 28を参照して本発明の第 3実施形態を説明する。本実施形態は、アイダラ スディスプレイの実施形態である。ここでは、第 1実施形態との相違点を主に説明す る。
[0086] 図 28は、本アイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で切断してでき る概略断面図である。図 28に示すように、本アイグラスディスプレイは、第 1実施形態 のアイグラスディスプレイ（図 2参照）において、置換膜 12a, 13aの代わりに、それぞ れ反射増強膜 22aを備えたものである。
この反射増強膜 22aは、第 2実施形態のそれと同様の機能を持つ。すなわち、反射 増強膜 22aが反射性を示す可視光の入射角度範囲の下限は、基板 11の臨界角度 Θ よりも引き下げられている。
[0087] したがって、本アイグラスディスプレイは、第 1実施形態と同様に視度補正の効果が 得られると共に、第 2実施形態と同様に画角拡大の効果が得られる。
なお、この反射増強膜 22aを HOEによって構成する場合の製造方法は、第 1実施 形態で説明した製造方法 (図 4参照）と同じである。
但し、図 4の光学系における角度 0 (ホログラム感光材料 35に対するレーザ光の入 射角度)の値は、反射増強膜 22aが反射性を示すべき光の入射角度範囲に設定さ れる。
[0088] ここでも、反射増強膜 22aが反射性を示すべき光の入射角度や波長は 1種類では ないので、必要に応じて、角度 Θやレーザ光の波長を変更しながら感光材料 35を多 重露光することになる。
[第 7実施例]
以下、第 7実施例を説明する。本実施例は、第 3実施形態のアイグラスディスプレイ の反射増強膜 22aとして好適な誘電体光学多層膜の実施例である。
[0089] 本実施例では、アイグラスディスプレイの液晶表示素子 21の光源が偏光しているこ とを前提とした。また、本実施例では、計算機による膜構成の自動合成の手法を適用 した。
本実施例の誘電体光学多層膜の膜構成は、図 29のとおりである。
図 29に示すとおり、全層数は 44、基板 11の屈折率は 1. 56、高屈折率層の屈折 率は 2. 3、低屈折率層の屈折率は 1. 46である。
[0090] 基板、低屈折率層は、第 4実施例と同じであり、高屈折率層は、 TiO , Ta O , Nb
2 2 5 2
Oを用い、成膜条件を調整して形成した。
5
図 30は、本実施例の誘電体光学多層膜の小入射角度の光 (入射角度 0° 〜20° )に対する反射率の波長特性である。図 30において、 Ra (0° ) , Ra (10° ) , Ra (20 ° )は、それぞれ入射角度 0° , 10° , 20° の入射光に対する反射率 (何れも入射 光の s偏光成分に対する反射率と p偏光成分に対する反射率との平均値)である。
[0091] 図 30に明らかなとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、入射角度 0° 〜20° の 入射光であれば、可視光域の略全域に亘り 70%以上の透過性を示す。
図 31は、本実施例の誘電体光学多層膜の大入射角度の光 (入射角度 35° 〜50 ° )に対する反射率の波長特性である。図 31において、 Rs (35° ；) , Rs (40° ) , Rs (50° )は、それぞれ入射角度 35° , 40° , 50° の入射光に対する反射率 (何れも 入射光の s偏光成分に対する反射率)である。
[0092] 図 31に明らかなとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、入射角度 35° 〜50° の s偏光した光であれば、可視光域の略全域に亘り 65%以上の反射性を示す。 図 32は、本実施例の誘電体光学多層膜の各波長の光に対する反射率の角度特 性である。図 32において、 Rs (633nm) , Rs (520nm) , Rs (460nm)は、それぞれ 波長 633nm, 520nm, 460nmの光（R色， G色， B色）に対する反射率（何れも入射 光の s偏光成分に対する反射率)である。
[0093] 図 32に明らかなとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、可視光城の R色， G色， B色の各成分の光であれば、 35° 以上の入射角度で 65%以上の反射性を示す。 つまり、本実施例の誘電体多層膜が反射性を示す可視光 (ここでは s偏光した波長 633nm, 520nm, 460nmの光）の入射角度範囲の下限は、 35° である。これは、 本実施例で想定した基板 11 (屈折率 1. 56)の臨界角度 0 = 39. 9° よりも小さい。
[0094] したがって、本実施例の誘電体光学多層膜を反射増強膜 22aとして用いたアイダラ スディスプレイでは、基板 11を内面反射する表示光束 11の入射角度範囲 Θ gの下 限は、臨界角度 0 = 39. 9° 力も 35° へと 4. 9° も引き下げられる。
また、図 30に示したとおり、本実施例の誘電体光学多層膜は、小入射角度の光 (0 ° 〜20° )の可視光に対する透過率が高いので、アイグラスディスプレイの外界の 視認性は保たれ、また、基板 11から射出瞳へ入射する表示光束 L1のロスも無い。
[0095] [第 4実施形態]
以下、図 33を参照して本発明の第 4実施形態を説明する。本実施形態は、上述し た反射増強膜を、射出瞳の大き 、タイプのアイグラスディスプレイに適用したものであ る。
図 33は、本実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で 切断してできる概略断面図である。図 33に示すように、本アイグラスディスプレイは、 表示光束 L1を内面反射する基板 11中に、互いに平行な複数のハーフミラー 1 lbを 配置している。これらの複数のハーフミラー l ibのそれぞれは、基板 11を内面反射 する表示光束 L1のうち所定角度範囲で入射したものを反射し、基板 11の外部に射 出瞳を形成する。この射出瞳のサイズは、ハーフミラー l ibが複数化された分だけ大 きい。このように射出瞳が大きいと、観察眼の瞳の位置の自由度が高まる点で有利で ある。
[0096] このアイグラスディスプレイにお 、て、反射増強膜 22aは、基板 11の観察者側の面 、外界側の面のそれぞれに密着して形成される。この反射増強膜 22aは、上述した 実施形態におけるそれと同様に、基板 11を内面反射可能な表示光束 L1の入射角 度範囲を拡大する。よって、このアイグラスディスプレイの画角も拡大される。
[第 5実施形態]
以下、図 34を参照して本発明の第 5実施形態を説明する。本実施形態は、上述し た反射増強膜を、射出瞳の大きい別のタイプのアイグラスディスプレイに適用したも のである。
[0097] 図 34は、本実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を観察者の水平面で 切断してできる概略断面図である。図 34に示すように、本アイグラスディスプレイは、 大きな射出瞳を形成するための複数のハーフミラーを、基板 11の外部に配置してい る。それら複数のハーフミラーは、外界側又は観察者側（図 34では外界側）に配置さ れた基板 12の内部に設けられる。また、複数のハーフミラーは、互いに平行な複数 のハーフミラー l ibと、それと姿勢の異なる互いに平行な複数のハーフミラー l ibと し R の 2種類力 なる。
[0098] また、基板 11の内部には、基板 11に入射した表示光束 L1を内面反射可能な角度 に偏向するための導入ミラー 1 laと、基板 11を内面反射した表示光束 11を折り返す 折り返しミラー 11cとが設けられる。この折り返しミラー 11cの作用により、本アイグラス ディスプレイの表示光束 L1は、基板 11を内面反射しながら往復する。
そして、複数のハーフミラーのうち一方のハーフミラー l ibの姿勢は、往路進行中 し
の表示光束 L1を観察者側に偏向するように設定され、他方のハーフミラー l ibの姿
R
勢は、復路進行中の表示光束 L1を観察者側に偏向するように設定される。したがつ て、複数のハーフミラー l ib , l ibの全体は、屋根型のハーフミラーを密に並べた
L R
構成となる。
[0099] このアイグラスディスプレイにおいて、反射増強膜は、基板 12と基板 11との間と、基 板 11の観察者側の面との各々に密着して設けられる。
このうち、基板 11の観察者側の反射増強膜 22aは、上述した実施形態のそれと同 じであり、基板 11を内面反射する表示光束 L1に対し反射性を示す。
一方、基板 11の外界側の反射増強膜 22a'は、上述した実施形態のそれとは若干 異なり、基板 11を内面反射する表示光束 LIに対し半透過性を示す。
[0100] すなわち、反射増強膜 22a'は、基板 11を透過すべき表示光束 L1及び外界光束 L 2 (ここでは、入射角度 0° 近傍で入射する可視光）に対し透過性 (全透過性)を示す と共に、基板 11内を内面反射すべき表示光束 L1 (ここでは、入射角度 60° 近傍で 入射する可視光）に対し半透過性を示す。そして、その半透過性を示す入射角度範 囲の下限は、基板 11の臨界角度 0 よりも小さい値に設定される。
[0101] この反射増強膜 22a'の半透過性により、基板 11内を往復する表示光束 L1は、一 定の割合で基板 12の側へ伝搬することになる。その伝搬した表示光束 L1は、基板 1 2内の複数のハーフミラー l ib , l ibによって観察者側へと偏向される。そして、複 し R
数のハーフミラー l ib , l ibにより偏向した表示光束 L1は、反射増強膜 22a'、基 し R
板 11及び反射増強膜 22aを透過して、大きな射出瞳を形成する。
[0102] さらに、以上の反射増強膜 22a, 22a'は、上述した実施形態のそれと同様に、内面 反射可能な表示光束 L1の入射角度範囲を拡大する。したがって、このアイグラスデ イスプレイの画角も、拡大される。
なお、本アイグラスディスプレイにおいては、折り返しミラー 11cが設けられると共に 、ハーフミラーが 2種類設けられた力 折り返しミラー 11cと一方のハーフミラー l ibと
R
を省略することもできる。但し、それらを備えた方が、射出瞳内の光量が均一化される ので好ましい。
[0103] [第 6実施形態]
以下、図 35を参照して本発明の第 6実施形態を説明する。本実施形態は、上述し た反射増強膜を、射出瞳のさらに大きいタイプのアイグラスディスプレイに適用したも のである。
図 35は、本実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分の分解図である。図 3 5に示すように、本アイグラスディスプレイは、第 5実施形態のアイグラスディスプレイと 同じ原理が適用され、かつ、観察者から見て縦横の 2方向に亘つて射出瞳を拡大し たものである。また、このアイグラスディスプレイには、観察眼の視度補正の機能も付 加されている。
[0104] 図 35において、画像導入ユニット 2から射出した表示光束 L1は、最初に基板 11， に入射する。基板 11 'は、基板 12'と共にその表示光束 L1を導光し、観察者から見 た縦方向に亘つて表示光束 L1の径を拡大する。その表示光束 L1は、基板 11に入 射する。基板 11は、基板 12と共にその表示光束 L1を導光し、観察眼力も見た横方 向に亘つて表示光束 L1の径を拡大する。その表示光束 L1は、観察眼の近傍に射出 瞳を形成する。
[0105] また、基板 11の観察者側には基板 13が設けられており、基板 13の観察眼側の面 と、基板 12の外界側の面との光学的パワーにより、観察眼の外界に対する視度補正 が図られる。
基板 11 ' , 12'からなる第 1光学系と、基板 11, 12からなる第 2光学系とのそれぞれ には、第 5実施形態の基板 11, 12と同じ原理が適用されている。また、第 1光学系と 第 2光学系との間で、各光学面の配置方向は 90° 回転している。
[0106] すなわち、基板 11 'の内部に符号 11a'で示すのは、基板 11 'に入射した表示光束 L1を内面反射可能な角度に偏向する導入ミラーであり、符号 11c'で示すのは、基 板 11 'を内面反射した表示光束 L1を折り返す折り返しミラーである。基板 12'におい て符号 12a'で示すのは、複数の屋根型のハーフミラーを密に並べたものである（詳 細は、図 34参照)。
[0107] また、基板 11の内部に符号 11aで示すのは、基板 11に入射した表示光束 L1を内 面反射可能な角度に偏向する導入ミラーであり、符号 11cで示すのは、基板 11を内 面反射した表示光束 L1を折り返す折り返しミラーである。基板 12において符号 12a で示すのは、複数の屋根型のハーフミラーを密に並べたものである（詳細は、図 34 参照)。
[0108] 以上のアイグラスディスプレイにおいて、反射増強膜が設けられる箇所は、基板 11
'と基板 12，との間、基板 11，と基板 13，との間、基板 11と基板 12との間、基板 11と 基板 13との間の各々である。
但し、基板 11 'と基板 12'との間に設けられる反射増強膜の特性は、基板 11 'を内 面反射する表示光束 L1を一定の割合で基板 12'に伝搬させるものである必要があ る。その特性は、第 5実施形態の反射増強膜 22a'の特性と同じである。
[0109] また、基板 11と基板 12との間に設けられる反射増強膜の特性も、基板 11を内面反 射する表示光束 L Iを一定の割合で基板 12に伝搬させるものである必要がある。そ の特性は、第 5実施形態の反射増強膜 22a 'の特性と同じである。
以上の反射増強膜は、基板 1 1 'を内面反射可能な表示光束 L 1の入射角度範囲と 、基板 1 1を内面反射可能な表示光束 L1の入射角度範囲とをそれぞれ拡大する。し 力も、基板 1 1 'における拡大方向と基板 1 1における拡大方向とは、 90° 回転してい る。
[0110] したがって、本アイグラスディスプレイでは、縦方向の画角と横方向の画角との双方 が拡大される。
[第 7実施形態]
以下、図 36を参照して本発明の第 7実施形態を説明する。本実施形態は、上述し た反射増強膜を、内面反射に供される面の多 、タイプのアイグラスディスプレイに適 用したものである。
[0111] 図 36 (a)は、本アイグラスディスプレイの光学系部分の概略斜視図である。図 36 (b )は、その光学系部分を観察者の水平面（図 36 (a)の ZX平面)で切断してできる概 略断面図である。図 36 (c)は、その光学系部分を観察者の前面（図 36 (a)の YX平 面）で切断してできる概略断面図である。図 36 (d)は、本アイグラスディスプレイの画 角を説明する図である。
[0112] 図 36 (a) , (b) , (c)に示すように、本アイグラスディスプレイは、導入ミラー 1 1a及び 複数のハーフミラー l ibの配置箇所や姿勢を調整し、基板 1 1のうち内面反射に供さ れる面を、観察者側の面、外界側の面、及び両者に挟まれた 2面の合計 4面としてい る。なお、この 4面は何れも平面である。
図 36 (d)には、本アイグラスディスプレイの観察眼から見た画像の 2方向の画角 Θ b , Θ a を示した。
-air -air
[0113] このうち、画角 Θ b は、図 36 (b)に示したように、基板 1 1の観察者側の面と外界
-air
側の面との 2面が内面反射可能な表示光束 L 1の角度範囲 Θ b によって決まる。
g
また、画角 Θ a は、図 36 (c)に示したように、基板 1 1の他の 2面が内面反射可能
-air
な表示光束 L1の角度範囲 Θ a によって決まる。
g
これを式にすると、以下のとおりである。 [0114] Θ a = sin_1 [n sin Θ a ]
-air g - g
Θ b = sin 1 [n sin Θ b ]
-air g - g
つまり、画角 0 b , 0 a は、基板 1 1を内面反射可能な表示光束 L Iの角度範囲
-air -air
0 a , 0 b のそれぞれが大きいほど、大きくなる。
g g
そして、本アイグラスディスプレイにおいて、反射増強膜が設けられる箇所は、基板 1 1のうち、内面反射に供される 4面である。図 36 (b) , (c)において符号 22aで示す のが、反射増強膜である。この反射増強膜 22aの特性は、上述した実施形態におけ る反射増強膜 22aのそれと同様であり、反射増強膜 22aが反射性を示す可視光の入 射角度範囲の下限は、基板 1 1の臨界角度 0 よりも引き下げられている。
[0115] したがって、基板 1 1を内面反射可能な表示光束 L 1の角度範囲 0 b , 0 a (図 36
g g
(b) , (c) )は、それぞれ拡大される。その結果、本アイグラスディスプレイの画角 Θ b , 0 a (図 36 (d) )も、それぞれ拡大される。
-air -air
なお、図 36 (c)に示した 2つの反射増強膜 22aは、観察眼に正対しないので、外界 光束を透過する必要が無い。よって、これら 2つの反射増強膜 22aには、上述した誘 電体光学多層膜や HOEではなぐ銀やアルミニウムなどの金属膜を適用するとよい 。金属膜を適用した場合、画角 0 a を、画角 0 b よりもさらに拡大することができる
-air -air
[0116] よって、仮に、液晶表示素子 21の縦横比が 1 : 1でないときには、そのうち長い方の 画角が画角 Θ a に対応するように液晶表示素子 21を配置するとよ 、。
-air
なお、本アイグラスディスプレイの基板 1 1は、断面が長方形の柱状の基体であるが 、断面が三角形の柱状の基体や、断面が平行四辺形の柱状の基体や、断面が 5角 形の柱状の基体など、断面の異なる他の柱状の基体を用いることもできる。
[0117] [第 8実施形態]
以下、図 37、図 38、図 39、図 40、図 41、図 42に基づき本発明の第 8実施形態を 説明する。本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第 1 実施形態との相違点を主に説明する。
図 37は、本アイグラスディスプレイの外観図である。図 37中の座標系は、アイグラス ディスプレイを頭部に装着した観察者から見て下向きを X方向、右向きを Y方向とし た右手系の XYZ直交座標系である。以下では、この ΧΥΖ座標系による方向表現、又 はこの観察者から見た左右上下の方向表現を必要に応じて使用する。
[0118] 図 37に示すように、本アイグラスディスプレイの画像表示光学系 1には、外界から観 察眼 (観察者の右眼）に向力 外界光束を減光する減光機能が付与されている。 また、外界から観察眼に向かう外界光束の光量と、外界から非観察眼 (観察者の左 眼）に向力う外界光束の光量とのバランスをとるため、また、アイグラスディスプレイの 左右の外観のバランスをとるために、非観察眼側のフロントには、画像表示光学系 1 と同様の減光機能が付与され、かつ画像表示光学系 1と同じ外観の基板 5が装着さ れている。なお、外界光束のバランス、外観のバランスをとる必要が無ければ、この限 りではない。
[0119] 図 38は、本アイグラスディスプレイの光学系の詳細図であり、本アイグラスディスプ レイの光学系部分を ΥΖ平面と平行な面にて切断してできる概略断面図である。 図 38において符号 20aで示すのは、 LED光源及びミラーなど力もなる照明光学系 であり、第 1実施形態では図示を省略したものである。
図 38に示すように、画像表示光学系 1は、少なくとも可視光に対し透過性を有した 1枚の基板 11からなる。基板 11内の所定の位置には、第 1実施形態と同様の導入ミ ラー 11aとハーフミラー l ibとが所定の姿勢で設けられている。なお、このハーフミラ 一 l ibの代わりに、偏光ビームスプリッタ、ホログラフィック光学膜などの、可視光から なる外界光束 L2に対し透明な偏向光学膜を用いることもできることは、第 1実施形態 と同様である。
[0120] 基板 11の外界側の面 lbには、外界光束 L2を所定の減光率で減光する減光膜 20 が形成されている。この減光膜 20の機能により、外界像の明るさは、所定の割合で低 減される。
次に、減光膜 20の具体例を説明する。
一般の減光膜の材料には、アルミニウム (A1) ,クロム（Cr) ,タングステン (W) ,ロジ ゥム（Ro)などの単体金属や、インコネルなどの合金が用いられる。
[0121] しかし、これらの材料には、光を吸収する性質（吸収性）があるので、仮に基板 11の 表面にむやみに減光膜 20を設けると、基板 11中を内面反射する表示光束 L 1の一 定量が減光膜 20にて吸収される。つまり、表示光束 L1の光路の光量ロスが著しくな る。
そこで、本実施形態では、この光量ロスを防ぐため、減光膜 20に、銀 (Ag)の膜と誘 電体膜とを積層した 2層の膜が用いられる。この減光膜 20の基本構成は、次のとおり である。
[0122] 基板/ Ag/0.25L/空気
但し、
Ag :銀 (Ag層），
L:低屈折率の誘電体 (L層），
L層の左側の数値: L層の光学膜厚 (使用波長の中心波長における）
この基本構成において、 L層は、空気中で変質し易い Ag層の表面を保護すると共 に、大き ヽ入射角度の入射光に対する反射率を向上させる役割を果たして ヽる。
[0123] また、この減光膜 20の詳細 (仕様）は、次のとおりである。
設定透過率: 30% (0度入射時) ,
中心波長え c : 500nm,
基板の屈折率： 1. 56,
Ag層の膜厚： 30nm,
L層の屈折率： 1. 46,
因みに、 Ag層の単体の光学定数は、図 39,図 40に示すとおりである。図 39は、 A g層の単体の屈折率の波長特性、図 40は、 Ag層の単体の消衰係数の波長特性で ある。
[0124] そして、この減光膜 20の基板 11側の反射率、及び透過率の波長特性 (入射角度 0 ° , 45° )は、図 41に示すとおりである。また、この減光膜 20の基板 11側の反射率 、及び透過率の角度特性 (波長 550nm)は、図 42に示すとおりである。
なお、図 41,図 42において、「R」は反射率を示し、「T」は透過率を示す。また、反 射率又は透過率の添え字「ρ」は、 ρ偏光成分に対する特性を示し、反射率又は透過 率の添え字「s」は、 s偏光成分に対する特性を示す (他の各図も同様。 ) o
[0125] 図 41,図 42に明らかなとおり、この減光膜 20は、入射角度が 40° 以上の s偏光成 分の可視光線に対し、略 100%の反射率を示す。また、この減光膜 20は、入射角度 が 0° の可視光線に対し、約 30%の透過率を示す。
したがって、減光膜 20は、表示光束 L1の光路の光量ロスを小さくし、可視光域の 外界光束 L2のみを約 70%の減光率で減光する。
[0126] このとき、観察眼によって観察される画像 (表示画像)の明るさは保たれ、外界像の 明るさが約 30%に低減される。したがって、外界が明るいときの表示画像の視認性 は、確実に高まる。このように、減光膜 20の入射角度に対する反射一透過率特性か ら、好ましい膜種を選択することで、最小構成で所望の効果を得ることができる。 なお、本実施形態の減光膜 20の基本構成は、 Ag層と誘電体層との 2層構成である 力 Ag層に代えて他の金属層が用いられたり、 2つの誘電体層で金属層を挟んだ 3 層構成とされてもよい。但し、 Ag層と誘電体層との 2層構成の方が、良好な特性 (表 示光束 L1の光量ロスを増カロさせることなく外界光束 L2のみを減光する特性)が簡単 に得られる。
[0127] [第 8実施形態の第 1変形例]
以下、図 43,図 44に基づき第 8実施形態の第 1変形例を説明する。
本変形例は、減光膜 20の変形例である。
本変形例の減光膜 20は、誘電体のみ力もなる。この減光膜 20は、各層界面での 反射光の位相が所望の関係を有するように各層の膜厚を設定したものであり、その 反射光の位相の関係により様々な特性を設定できる。ゆえに、第 8実施形態の減光 膜 20よりも、設定透過率の自由度が高い。この減光膜 20の基本構成は、 3種類あり、 次のとおりである。
[0128] 基板/ (0.25H0.25L)P0.25H/空気，
基板/ (0.125H0.25L0.125H)7空気，
基板/ (0.125L0.25H0.125D7空気
但し、
H：高屈折率の誘電体 (H層） ,
L:低屈折率の誘電体 (L層），
各層の左側の数値:各層の光学膜厚 (使用波長の中心波長における）， P：括弧で括られた層群の積層回数
これらの基本構成によれば、特定の光に対する反射率を向上させながら、かつ特 定の光に対する透過率を抑えることが可能である。
[0129] 但し、外界像の明るさを確実に低減するためには、この減光膜 20の設計で、中心 波長の異なる複数種類の周期層群を並べて、透過率の抑えられる光の波長域を、可 視光城全体にまで拡大する必要がある。
さらに、色による透過率のばらつきを抑えるためには、全層の膜厚を計算機で最適 化する必要がある。
[0130] 最適化後の減光膜 20の詳細 (仕様）は、次のとおりである。
設定透過率： 5%,
中心波長え c :480nm,
基板の屈折率： 1. 583,
H層の屈折率： 2. 3,
L層の屈折率： 1. 46,
全層数： 22
この減光膜 20の構成は、図 43に示すとおりである。
[0131] また、基板には、 SCHOTT社製の N— BAF3を用い、 H層及び L層には、第 6実施 例と同じものを用いた。
この減光膜 20の透過率の波長特性は、図 44に示すとおりである。
図 44に明らかなとおり、この減光膜 20は、可視光線に対し約 5%の透過率を示す。 したがって、本変形例によると、外界像の明るさは、約 5%に低減される。
[0132] [第 8実施形態の第 2変形例]
以下、図 45,図 46に基づき第 8実施形態の第 2変形例を説明する。
本変形例は、減光膜 20の変形例である。
本変形例の減光膜 20の設定透過率は、 15%である。この減光膜 20も、誘電体の み力もなり、その基本構成は第 1変形例のそれと同じである。
[0133] この減光膜 20の詳細 (仕様）は、次のとおりである。
設定透過率： 15%, 中心波長え c :480nm,
基板の屈折率 1. 583,
H層の屈折率 2. 3,
L層の屈折率 1. 46,
全層数： 18
この減光膜 20の構成は、図 45に示すとおりである。また、各材料は、本実施形態 の第 1変形例と同じである。
[0134] この減光膜 20の透過率の波長特性は、図 46に示すとおりである。
図 46に明らかなとおり、この減光膜 20は、可視光線に対し約 15%の透過率を示す 。したがって、本変形例によると、外界像の明るさは、約 15%に低減される。
[変形例の補足]
第 1変形例及び第 2変形例の減光膜 20において、表示画像の明るさが確実に保た れる条件、つまり表示光束 L1が基板 11中を約 100%の反射率で内面反射する条件 を、基板 11の内面反射の条件力も検討する。
[0135] 先ず、図 47 (a)に示すとおり、基板 11に減光膜 20が設けられていない状態を考え る。
基板 11の存在する媒質である空気の屈折率を n、基板 11の材料であるガラスの屈
0
折率を n、基板 11及び媒質それぞれの光の入射角度を θ , Θ とおくと、スネルの法 g 0 g 則から以下の式が成り立つ。
[0136] n sin 0 =n sin 0
0 0 g g
したがって、この状態の基板 11の臨界角度 0 c (内面反射可能な光の入射角度の 最小値）は、以下の式で表される。
Θ c = arcsm (n /n )
0 g
次に、図 47 (b)に示すとおり、基板 11に誘電体の多層膜からなる減光膜 20が設け られた状態を考える。仮に、多層膜の各層が無吸収（吸収性ゼロ)であれば、多層膜 の各層の屈折率を η , η , · · · , η、各層それぞれの光の入射角度を θ , θ , · · · ,
1 2 k 1 2
Θ とおくと、スネルの法則から以下の式が成り立つ。
k
[0137] n sin 0 =n sin θ =n sin Θ ，
2 2
=n sin Θ
k k
=n sin Θ
したがって、多層膜の各層が無吸収であれば、基板 11の臨界角度 Θ cは、減光膜 20が設けられて 、な 、状態と同じ式で表される。
[0138] よって、第 1変形例，第 2変形例の減光膜 20には、無吸収の誘電体が用いられる。
因みに、無吸収の誘電体が用いられた第 1変形例，第 2変形例の減光膜 20の、基 板 11側の反射率 (基板 11の内面反射の反射率)の角度特性は、図 48に示すとおり である。
図 48に明らかなとおり、この減光膜 20は、入射角度が 45° 以上の光に対し約 100 %の反射率を示す。
[0139] [第 8実施形態の第 3変形例]
以下、図 49,図 50,図 51,図 52,図 53に基づき第 8実施形態の第 3変形例を説 明する。
本変形例は、減光膜 20の変形例である。
本変形例の減光膜 20には、紫外線及び赤外線カットの機能が付与される。
[0140] この減光膜 20も、誘電体のみからなり、その基本構成は第 1変形例又は第 2変形例 のそれと同じである。
本変形例では、紫外線及び赤外線カットの機能を付与するため、 H層に、吸収性を 有した誘電体が積極的に用いられる。吸収性を有した誘電体として、二酸化チタン（ TiO )が用いられる。
2
[0141] 因みに、二酸ィ匕チタン (TiO )の光学定数は、図 49,図 50に示すとおりである。図 4
2
9は、二酸ィ匕チタン (TiO )の屈折率の波長特性、図 50は、二酸化チタン (TiO )消
2 2 衰係数の波長特性である。
この減光膜 20の詳細 (仕様）は、次のとおりである。
設定透過率： 30%,
中心波長え c : 800nm, 基板の屈折率： 1. 583,
L層の屈折率 1. 46,
全層数: 48
この減光膜 20の構成は、図 51に示すとおりである。基板と L層の材料には、本実施 形態の第 1変形例と同じものを用いた。
[0142] この減光膜 20の透過率の波長特性は、図 52に示すとおりである。また、本変形例 の減光膜 20の基板 11側の反射率 (基板 11の内面反射の反射率)の波長特性は、 図 53に示すとおりである。
図 53に明らかなとおり、この反射率の波長特性のカーブには、凹み (反射率のバレ 一）が生じている。
[0143] 一方、アイグラスディスプレイの液晶表示素子 21の発光波長特性のカーブには、 一般に、 R色， G色， B色の各波長にピークが生じている。
そこで、反射率の波長特性のカーブのバレーが、発光波長特性のカーブのピーク から外れるよう、本変形例の減光膜 20の構成は、微調整される。
その結果、表示光束 L1に含まれる各波長成分は、基板 11中を確実に高い反射率 で内面反射する。よって、表示画像の明るさは確実に保たれる。
[0144] ところで、図 53を参照すると、 s偏光成分のカーブと、 p偏光成分のカーブとでは、 バレーの生じ方が異なる。特に、 p偏光成分のカーブの方力 生じるバレーの数が少 ない。
そこで、この減光膜 20がアイグラスディスプレイに適用される場合、表示光束 L1を p 偏光成分のみに制限すれば、反射率の波長特性のカーブのバレーを発光波長特性 のカーブのピークから確実に外すことができる。
[0145] 因みに、液晶表示素子 21の原理上、表示光束 L1は偏光しているので、その偏光 方向が減光膜 20に対して p偏光方向となるように液晶表示素子 21と基板 11との位 置関係を最適化するか、液晶表示素子 21の後段に位相板を挿入すれば、表示光束 L1を p偏光成分のみに制限することができる。
[第 9実施形態]
以下、図 54,図 55,図 56,図 57に基づき本発明の第 9実施形態を説明する。 [0146] 本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第 8実施形態 との相違点のみ説明する。
図 54は、本アイグラスディスプレイの外観図である。図 54中の座標系は、観察者か ら見て下向きを X方向、右向きを Y方向とした右手系の XYZ直交座標系である。以下 では、この XYZ座標系による方向表現、又は観察者から見た左右上下の方向表現 を必要に応じて使用する。
[0147] 図 54に示すように、本アイグラスディスプレイの第 8実施形態との相違点は、画像表 示光学系 1にお 、てハーフミラー 1 lbの近傍の中央領域の減光率が、画像表示光学 系 1にお ヽてその中央領域から外れた周辺領域の減光率よりも高く設定された点に ある。
また、外界から観察眼 (観察者の右眼）に向かう外界光束の光量と、外界から非観 察眼 (観察者の左眼）に向力 外界光束の光量とのバランスをとるため、また、アイグ ラスディスプレイの左右の外観のバランスをとるために、非観察眼側のフロントには、 画像表示光学系 1と同様の減光機能が付与され、かつ画像表示光学系 1と同じ外観 の基板 5が装着されている。なお、外界光束のバランス、外界のバランスをとる必要が 無ければ、この限りではない。
[0148] 図 55は、本アイグラスディスプレイの光学系の詳細図であり、本アイグラスディスプ レイの光学系部分を YZ平面と平行な面にて切断してできる概略断面図である。 図 55に示すように、本アイグラスディスプレイにおける表示光束 L1,外界光束 L2の 振る舞いは、第 8実施形態のそれ (図 38参照）と同じである。
画像表示光学系 1を構成する基板 11の外界側の面 lbには、第 8実施形態又はそ の変形例と同様の減光膜 20が設けられている。
[0149] 但し、減光膜 20の表面の中央領域には、金属又は誘電体の多層膜からなる減光 膜 40が重畳して設けられて 、る。
これにより、画像表示光学系 1の中央領域の減光率は、画像表示光学系 1の周辺 領域の減光率よりも高くなる。
なお、観察者力 見た中央領域の位置は、観察者力 見たハーフミラー l ibの位 置と略同じである。また、観察者力も見た中央領域のサイズは、観察者から見たハー フミラー 1 lbのサイズよりも若干大き 、。
[0150] このような本アイグラスディスプレイでは、表示画像の背景となる部分の外界像の明 るさが特に強く抑えられるので、表示画像の視認性は、さらに高まる。
次に、減光膜 20, 40の具体例を説明する。
減光膜 20は、第 8実施形態の変形例と同じ誘電体の多層膜で構成される。減光膜 40も、第 8実施形態の変形例と同じ誘電体の多層膜で構成される。また、基板にも、 第 8実施形態の変形例と同じものが用いられる。
[0151] この減光膜 20, 40の詳細 (仕様）は、次のとおりである。
減光膜 20の設定透過率： 50%,
減光膜 40の設定透過率： 50%,
中心波長え c : 800nm,
基板の屈折率 1. 583,
H層の屈折率 2. 3,
L層の屈折率 1. 46,
減光膜 20の全層数： 11,
減光膜 40の全層数： 16
この減光膜 20, 40の構成は、図 56に示すとおりである。
[0152] 減光膜 20, 40の中央領域の透過率の波長特性、減光膜 20の周辺領域の透過率 の波長特性は、図 57に示すとおりである。
図 57に明らかなとおり、中央領域の可視光に対する透過率は約 25%、周辺領域 の可視光に対する透過率は約 50%である。
したがって、本アイグラスディスプレイによると、外界像の全体の明るさは、約 50% に低減され、表示画像の背景となる部分の外界像の明るさは、約 25%に低減される
[0153] なお、本実施形態では、減光膜 20と減光膜 40とが重畳しているが、両者は重畳し ていなくてもよい。その場合、中央領域が開口となった減光膜 20を基板 11上に設け 、その開口に、減光膜 20よりも減光率の高い減光膜 40が設けられる。但し、この場合 、減光膜 20の成膜時と、減光膜 40の成膜時との双方においてマスキングをする必要 が生じるので、減光膜 20と減光膜 40とを重畳させた方が、製造コストを低減できる点 で望ましい。
[0154] [第 9実施形態の第 1変形例]
以下、図 58,図 59に基づき第 9実施形態の第 1変形例を説明する。
本変形例は、減光膜 20,減光膜 40の変形例である。
本変形例の減光膜 40は、金属膜で構成される。
本変形例の減光膜 20の構成は、図 45に示したものと同じである。この減光膜 20の 単体の特性は、図 46に示したとおりである。
[0155] 減光膜 40の構成は、膜厚 5mmのクロム（Cr)の 1層とされる。このとき、減光膜 20, 40の中央領域の透過率の波長特性は、図 58に示すとおりである。
また、減光膜 20の基板 11側の反射率 (基板 11の内面反射の反射率)の角度特性 (但し、中央領域における特性）は、図 59に示すとおりである。
図 59に明らかなとおり、入射角度 40° 以上の光の s偏光成分に対する反射率は、 高い数値である。但し、その光の p偏光成分に対する反射率は低い。よって、本変形 例の減光膜 20, 40がアイグラスディスプレイに適用される場合、表示光束 L1を、 s偏 光成分のみに制限することが望ましい。
[0156] 因みに、液晶表示素子 21の原理上、表示光束 L1は偏光しているので、その偏光 方向力 偏光方向となるように液晶表示素子 21と基板 11との位置関係を最適化する 力 液晶表示素子 21の後段に位相板を挿入すれば、表示光束 L1を s偏光成分のみ に制限することができる。
[第 9実施形態の第 2変形例]
以下、図 60,図 61に基づき第 9実施形態の第 2変形例を説明する。
[0157] 本変形例は、減光膜 20の変形例である。本変形例の減光膜 20は、ホログラフィック 光学膜からなる。
このホログラフィック光学膜の製造では、 2回の露光が行われる。
第 1の露光は、入射角度 0° 近傍の光を所定の透過率で透過するような特性を、ホ ログラフィック光学膜に付与するための露光である。この露光は、例えば、図 60に示 すような光学系で行われる。 [0158] すなわち、ホログラム感光材料 56には、 2つの光束が垂直に入射する。一方の光束 には、光減衰器 52が挿入されている。透過率の値は、光減衰器 52の減衰量によつ て設定可能である。図 60において、 51はレーザ光源 (R色， G色， B色の各波長のレ 一ザ光を射出可能である。）、 BSはビームスプリッタ、 Mはミラー、 53はビームエキス パンダ、 55はビームスプリッタである。
[0159] 第 2の露光は、基板 11中を内面反射する表示光束 L1の反射率を確保するための 露光である。この露光は、例えば、図 61に示すような光学系で行われる。
すなわち、ホログラム感光材料 56には、基板 11中を内面反射する表示光束 L1と 同じ角度で 2つの光束が入射する。図 61において、 51はレーザ光源 (R色， G色， B 色の各波長のレーザ光を射出可能である。）、 BSはビームスプリッタ、 Mはミラー、 53 はビームエキスパンダ、 57は補助プリズムである。
[0160] 2回の露光の終了後、ホログラム感光材料 56は現像処理され、ホログラフィック光学 膜が完成する。
このようにして完成したホログラフィック光学膜には、減光膜 20に必要とされる機能 が付与される。
なお、本変形例は、減光膜 20をホログラフィック光学膜で構成した変形例であるが 、減光膜 20及び減光膜 40を、 1つのホログラフィック光学膜で構成することもできる。
[0161] そのホログラフィック光学膜の製造では、第 1の露光が 2回に分けて行われる。
そのうち 1回は、ホログラフィック光学膜の中央領域の露光であり（周辺領域にはマ スキングが施される。）、他の 1回は、周辺領域の露光である（中央領域にはマスキン グが施される。；)。
これら 2回の露光では、光減衰器 52の減衰量が互いに異なる値に設定される。そ れによって、ホログラフィック光学膜の中央領域の透過率と、周辺領域の透過率とが 異なる値に設定される。
[0162] [第 10実施形態]
以下、図 62,図 63,図 64,図 65,図 66に基づき本発明の第 10実施形態を説明 する。
本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第 8実施形態 との相違点のみ説明する。
[0163] 図 62は、本アイグラスディスプレイの外観図である。図 62中の座標系は、観察者か ら見て下向きを X方向、右向きを Y方向とした右手系の XYZ直交座標系である。以下 では、この XYZ座標系による方向表現、又は観察者から見た左右上下の方向表現 を必要に応じて使用する。
図 62に示すように、本アイグラスディスプレイの外観は、第 8実施形態のそれ（図 37 参照）と略同じである。
[0164] 図 63は、本アイグラスディスプレイの光学系の詳細図であり、本アイグラスディスプ レイの光学系部分を YZ平面と平行な面にて切断してできる概略断面図である。 図 63に示すように、本アイグラスディスプレイにおける表示光束 L1,外界光束 L2の 振る舞いは、第 8実施形態のそれ (図 38参照）と同じである。
基板 11の外界側の面 lbには、第 1の光学膜 60が設けられている。第 1の光学膜 6
0の表面には、光学ガラス力もなる第 2の基板 70が貼付されている。また、第 2の基板
70の表面には、第 2の光学膜 80が設けられている。
[0165] 第 1の光学膜 60は、基板 11に対してエアギャップと同じ働きをする。つまり、第 1の 光学膜 60の基板 11側の界面は、表示光束 L1を略 100%の反射率で反射する。ま た、第 1の光学膜 60は、外界光束 L2を透過する。なお、この第 1の光学膜 60には、 可視光線の減光機能や、紫外線又は赤外線カットの機能が付与されて 、てもよ 、。 第 2の基板 70、第 2の光学膜 80は、外界光束 L2を減光する機能を有する。なお、 この第 2の基板 70、第 2の光学膜 80にも、可視光線の減光機能や、紫外線又は赤外 線カットの機能が付与されて 、てもよ 、。
[0166] 本アイグラスディスプレイでは、第 1の光学膜 60の働きにより、基板 11中を内面反 射する表示光束 L1の反射率は確保されるので、第 2の基板 70、第 2の光学膜 80〖こ 対し、表示光束 L1の反射率を高めるための機能を付与する必要が無い。
よって、第 2の基板 70、第 2の光学膜 80の設計の自由度は高い。例えば、第 2の基 板 70には、各種の既存の光学フィルタガラスを適用することができる。
[0167] よって、それら第 2の基板 70,第 2の光学膜 80に対しては、より高い減光機能を付 与することができる。 なお、高い減光機能とは、例えば、入射角度による減光率のばらつきが少ないこと や、波長による減光率のばらつきが少ないことなどを指す。
次に、第 1の光学膜 60の具体例を説明する。ここでは、表示光束 L1が s偏光成分 のみに制限された場合を説明する。
[0168] 第 1の光学膜 60の構成は、次のとおりである。
基板 /(0.125L0.28H0.15L)(0.125L0.25H0.125L)4(0.15L0.28H0.125L)/第 2の基板 但し、
H：高屈折率の誘電体 (H層） ,
L:低屈折率の誘電体 (L層），
各層の左側の数値:各層の光学膜厚 (使用波長の中心波長における）， 上付き数字：括弧で括られた層群の積層回数
また、第 1の光学膜 60の詳細 (仕様）は、次のとおりである。
[0169] 中心波長え c = 850nm,
基板の屈折率： 1. 56,
H層の屈折率： 2. 30,
L層の屈折率： 1. 48,
第 2の基板の屈折率： 1. 507,
第 2の基板の消衰係数 k=0. 01
因みに、第 2の基板 70の消衰係数 kを 0. 01のように大きな値に設定したのは、各 種の光学フィルタガラスを第 2の基板 70に適用し、第 2の基板 70に対し多彩な減光 特性や波長カット機能を付与することを想定した力 である。
[0170] 図 64は、屈折率 1. 50、厚み lmmのガラス基板の、消衰係数 kと透過率との関係を 計算で求めたものである。
この図 64から、消衰係数 kの実質的な最大値は、 0. 01であることがわ力る。
よって、第 2の基板 70の消衰係数 kを 0. 01に設定しておけば、第 2の基板 70に如 何なる光学フィルタガラスを適用した場合にも有効な、第 1の光学膜 60を設計するこ とがでさる。
[0171] この第 1の光学膜 60の基板 11側の反射率の波長特性 (入射角度 0° , 60° )は、 図 65に示すとおりである。
また、この第 1の光学膜 60の第 2の基板 70側の反射率の角度特性は、図 66に示 すとおりである。
図 65、図 66に明らかなとおり、この第 1の光学膜 60は、入射角度 0° の可視光線 の s偏光成分に対し平均 10%以下の反射率を示し、入射角度 60° の可視光線の s 偏光成分に対し略 100%の反射率を示す。
[0172] また、先に述べたように、第 2の基板 70としては、任意の光学フィルタガラスを用い ることができる。すなわち、赤外線カット'紫外線カット'色フィルタ'ニュートラルインデ ンシティフィルタ（可視光域全波長を均一に減光するフィルタ)など、市販のあらゆる 光学フィルタガラスを、第 2の基板 70に適用できる。
また、第 2の光学膜 80には、第 2の基板 70の表面を保護するのに適した任意の膜 、例えば、反射防止膜などを適用できる。好ましくは、第 2の基板 70との組み合わせ で所望の性能を達成する膜が、第 2の光学膜 80に適用される。
[0173] 例えば、第 2の基板 70に-ユートラルインデンシティフィルタが適用され、第 2の光 学膜 80に赤外カット膜が適用されてもよい。また、第 2の基板 70に紫外線カットガラ スが適用され、第 2の光学膜 80に減光膜及び赤外線カット膜が適用されてもよい。 つまり、第 2の基板 70と第 2の光学膜 80との組み合わせは、アイグラスディスプレイ に要求される性能や、アイグラスディスプレイの製造コストなどに応じて、適宜選定可 能である。
[0174] なお、各種フィルタなど、各種の多層膜の種類や機能については、例えば、
H.A.Macleod著「Thin-Film optical Filters 3rf.Edition」等の書物に詳細が記載されて いるので、ここでは省略する。
なお、上述した第 1の光学膜 60の構成において、複数周期の層群の両側に、 1周 期の層群が配置されている理由は、第 1の光学膜 60と基板 11との屈折率のミスマツ チ調整のため、及び、第 1の光学膜 60と第 2の基板 70との屈折率のミスマッチ調整 のためである（つまり、 1周期の層群は、マッチング層である。 ) oマッチング層は、透 過率を抑えるべき波長帯のリップルを低減するなど、第 1の光学膜 60の特性を微修 正する役割を果たしている。 [0175] [第 10実施形態の変形例]
なお、第 1の光学膜 60には、上述した構成とは別の構成が適用されてもよい。何れ の構成も、適当な周期層群を含む。また、何れの構成も、計算機による最適化が施さ れることが望ましい。
また、第 2の光学膜 80と第 2の基板 70との組み合わせとしては、クロム（Cr)などの 金属膜と、消衰係数 kの小さい光学ガラス基板との組み合わせも適用可能である。
[0176] また、第 2の光学膜 80に、各種の機能性薄膜、例えば、エレクト口クロミック膜 (EC 膜)、フォトクロミック膜 (PC膜)などが適用されてもよ!、。
エレクト口クロミック膜 (EC膜)が適用されれば、ユーザによる通電操作により、アイ グラスディスプレイの使用状況に応じて、減光の有無を選択できる。例えば、ユーザ は、アイグラスディスプレイを日中の屋外で使用するときなど、外界像が極端に明るい ときには減光し、アイグラスディスプレイを室内で使用するときなど、外界像があまり明 るくな 、ときには減光しな 、と 、う選択をすることができる。
[0177] その操作によれば、アイグラスディスプレイの使用状況に拘わらず、外界像の視認 性と表示画像の視認性との双方が保たれる。
また、フォトクロミック膜 (PC膜)が適用されれば、外界光束 L2の光量が高いときに のみ自動的に外界光束 L2が減光されるので、アイグラスディスプレイの使用状況に 拘わらず、外界像の視認性と表示画像の視認性との双方が自動的に保たれる。
[0178] 以上の機能性薄膜の適用によって、アイグラスディスプレイの性能は、格段に向上 する。
また、本アイグラスディスプレイにおいては、第 9実施形態と同様に、画像表示光学 系 1の中央領域の減光率を、画像表示光学系 1の周辺領域の減光率よりも高く設定 することが容易である。
[0179] 例えば、第 2の基板 70を、ニュートラルインデンシティフィルタで構成し、第 2の光学 膜 80を減光膜で構成し、その第 2の光学膜 80の形成領域を中央領域のみに制限す ればよい。
また、本アイグラスディスプレイにおいては、第 1の光学膜 60を、ホログラフィック光 学膜で構成することもできる。そのホログラフィック光学膜の製造には、図 61に示した 光学系を利用できる。但し、第 1の光学膜 60は、使用時に、基板 11と第 2の基板 70 とによって挟まれるので、図 61における 2つの光束の光路それぞれには、それらの基 板と同型の補助プリズムが配置される。
[0180] また、本アイグラスディスプレイにおいては、第 2の光学膜 80を、ホログラフィック光 学膜で構成することもできる。
[その他の実施形態]
以上説明した第 8実施形態〜第 10実施形態 (変形例含む)の何れかの減光機能を 、第 1実施形態〜第 7実施形態の何れかのアイグラスディスプレイに搭載してもよ 、。 産業上の利用可能性
[0181] 上記実施形態では、アイグラスディスプレイし力説明しな力つたが、カメラ、双眼鏡、 顕微鏡、望遠鏡のファインダなどにも同様に本発明は適用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 所定の光束が内部を伝搬可能な基板と、
前記伝搬する前記所定の光束が到達可能な前記基板の面上に密着して設けられ 、その所定の光束を反射すると共にその面に到来する外界光束を透過する干渉又 は回折作用を有した光学機能部と
を備えたことを特徴とする光学素子。
[2] 請求項 1に記載の光学素子において、
前記光学機能部は、
特定の偏光方位の前記所定の光束を反射し、かつ他の偏光方位の光束を透過す る性質を有している
ことを特徴とする光学素子。
[3] 請求項 1又は請求項 2に記載の光学素子において、
前記光学機能部は、
前記基板と空気との屈折率によって決定する、基板内部の光束が全反射する条件 の臨界角又は前記臨界角よりも大きな入射角度で前記面に到達する前記所定の光 束を、所望の反射特性で反射する性質を有している
ことを特徴とする光学素子。
[4] 請求項 1〜請求項 3の何れか一項に記載の光学素子において、
前記光学機能部は、
前記所定の光束の光路の光量ロスを増大させることなく前記外界光束を減光する 機能を有している
ことを特徴とする光学素子。
[5] 所定の画像表示素子力 射出した表示光束を伝搬させると共に、少なくとも前記基 板を観察眼に正対させた状態で外界からその観察眼に向かう前記外界光束を透過 する請求項 1〜請求項 3の何れか一項に記載の光学素子と、
前記光学素子に設けられ、前記基板の内部を伝搬した前記表示光束を前記観察 眼の方向に反射すると共に前記外界光束を透過するコンパイナと
を備えたことを特徴とするコンパイナ光学系。
[6] 請求項 5に記載のコンパイナ光学系にお 、て、
前記光学機能部は、前記基板の表面に設けられた光学膜であり、
前記光学膜の表面には、第 2の基板が設けられる
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[7] 請求項 6に記載のコンパイナ光学系にお 、て、
前記第 2の基板は、視度補正用の屈折レンズである
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[8] 請求項 6に記載のコンパイナ光学系にお 、て、
前記光学機能部は、前記基板の外界側の面に設けられており、
前記光学機能部と前記第 2の基板とからなる光学系の全体は、
前記表示光束の光路の光量ロスを増大させることなく前記外界光束を減光する機 能を有する
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[9] 請求項 8に記載のコンパイナ光学系にお 、て、
前記第 2の基板は、
可視光に対する吸収性を有して 、る
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[10] 請求項 8に記載のコンパイナ光学系にお 、て、
前記光学膜は、
前記表示光束の光路の光量ロスを増大させることなく前記外界光束を減光する機 能を有する
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[11] 請求項 8に記載のコンパイナ光学系にお 、て、
前記光学膜は、
金属及び Z又は誘電体からなる
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[12] 請求項 8に記載のコンパイナ光学系にお 、て、
前記光学膜は、 ホログラフィック光学膜からなる
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[13] 請求項 8に記載のコンパイナ光学系にお 、て、
前記第 2の基板の表面には、
第 2の光学膜が設けられる
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[14] 請求項 13に記載のコンパイナ光学系において、
前記第 2の光学膜は、
金属及び Z又は誘電体からなる
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[15] 請求項 13に記載のコンパイナ光学系において、
前記第 2の光学膜は、
ホログラフィック光学膜からなる
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[16] 請求項 13に記載のコンパイナ光学系において、
前記第 2の光学膜は、
エレクト口クロミック膜からなる
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[17] 請求項 13に記載のコンパイナ光学系において、
前記第 2の光学膜は、
フォトクロミック膜からなる
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[18] 請求項 8〜請求項 17の何れか一項に記載のコンパイナ光学系において、
前記光学機能部と前記第 2の基板とからなる光学系の全体は、
前記コンパイナに入射する前記外界光束を、その他の前記外界光束より高い減光 率で減光する
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[19] 請求項 5〜請求項 18の何れか一項に記載のコンパイナ光学系において、 前記画像表示素子からの前記表示光束が前記基板中で内面反射可能となる方向 に前記表示光束を導光する導入ミラーを備えた
ことを特徴とするコンパイナ光学系。
[20] 画像表示用の表示光束を出射する画像表示素子と、
前記表示光束を前記観察眼へ導光する請求項 5〜請求項 19の何れか一項に記 載のコンパイナ光学系と
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
[21] 請求項 20に記載の画像表示装置において、
前記コンパイナ光学系を前記観察者の頭部に装着する装着手段を備えた ことを特徴とする画像表示装置。
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