CN107870430B - 光学元件和显示装置 - Google Patents

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Abstract

光学元件和显示装置，能够减小图像光通过导光体而朝光学元件的相反侧的泄漏。该光学元件具有：多个半反射镜，它们被设置为隔开间隔地彼此平行，并使图像光和外界光的一部分反射，使图像光和外界光的另一部分透过；以及透光性部件，其介于多个半反射镜中的相邻的两个半反射镜之间。透光性部件具有：入射面，其使图像和外界光经由导光体而入射；以及射出面，其使图像和外界光射出到观察者侧，多个半反射镜各自被配置为相对于入射面和射出面倾斜，以相对小的入射角入射到各个半反射镜的面的光的反射率低于以相对大的入射角入射的光的反射率。

Description

光学元件和显示装置
技术领域
本发明涉及光学元件和显示装置。
背景技术
近年来，作为可穿戴信息设备之一，提供了头戴式显示器等佩戴于观察者的头部进行使用的方式的图像显示装置。此外，已经公知有在观察者佩戴了图像显示装置时能够同时视觉辨认利用显示元件生成的图像和外界的像这双方的图像显示装置，即所谓的透视型图像显示装置。
在下述专利文献1中公开了具有基板及设于基板内部的多个部分反射面的头戴式显示***。在该***中，被在基板内部引导的光的一部分被多个部分反射面反射而被引导至观察者的眼睛。在专利文献1中，作为部分反射面的反射特性的一例，记载了入射角为70°的光的反射率为22％，入射角为60°的光的反射率为6～7％。
在下述专利文献2中公开了具有基板及设于基板内部的多个选择性反射面的头戴式显示***。在该***中，被在基板内部引导的光的一部分被多个选择性反射面反射而被引导至观察者的眼睛。在专利文献2中，作为选择性反射面的反射特性的一例，记载了随着光的入射角变大，反射率下降。
专利文献1：日本特开2013-210633号公报
专利文献2：日本特开2010-164988号公报
发明内容
专利文献1和2记载的***利用设于基板内部的反射面将被在基板内部引导的光取出到外部，引导至观察者的眼睛。替代该结构，提出有如下的显示装置，该显示装置具有：导光体，其对图像光进行引导；以及光学元件，其具有用于将图像光从导光体取出到观察者侧的多个半反射镜。在该显示装置中，存在如未能取出到观察者侧的图像光从导光体的背面侧泄漏到外部、图像的一部分被观察者以外的人视觉辨认到这样的、在导光体的表面配置光学元件的结构所特有的问题。
本发明的一个方式正是为了解决上述课题而完成的，其目的之一在于提供一种能够减少图像光通过导光体朝观察者的相反侧漏出的显示装置。此外，本发明的一个方式的目的之一在于提供一种适合在上述显示装置的光射出部中使用的适当的光学元件。
为了达到上述目的，本发明的一个方式的光学元件的特征在于，具有：多个半反射镜，它们被设置为隔开间隔地彼此平行，并使图像光和外界光的一部分反射，使所述图像光和所述外界光的另一部分透过；以及透光性部件，其介于所述多个半反射镜中的相邻的两个所述半反射镜之间，所述透光性部件具有：入射面，所述图像光和所述外界光经由导光体入射到该入射面；以及射出面，其使所述图像和所述外界光射出到观察者侧，所述多个半反射镜各自被配置为，分别相对于所述入射面和所述射出面倾斜，以相对小的入射角入射到各个半反射镜的面的光的反射率低于以相对大的入射角入射的光的反射率。
详细情况将后述，但根据本发明者的研究结果可知，图像光从上述光学元件的泄漏是由于以较小的入射角入射到半反射镜的面的光的反射率较高、从光学元件返回到导光体的光较多引起的。在本发明的一个方式的光学元件中，由于以相对小的入射角入射到各个半反射镜的面的光的反射率低于以相对大的入射角入射的光的反射率，所以在将光学元件设置于导光体的一个面上的情况下，能够减少图像光通过导光体而朝光学元件的相反侧、即观察者的相反侧漏出。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述多个半反射镜各自与所述射出面所成的角度为45°以上且小于90°。
根据该结构，能够高效地取出在导光体中进行引导后从导光体以较大的入射角入射到光学元件的入射面的图像光。
本发明的一个方式的显示装置的特征在于：具有：图像形成装置；以及导光装置，其引导由所述图像形成装置生成的图像光，所述导光装置具有：入射部，其使所述图像光入射；导光体，其引导从所述入射部入射的所述图像光；以及射出部，其使所述图像光射出，所述射出部具有本发明的一个方式的光学元件。
本发明的一个方式的显示装置具有射出部，该射出部具有本发明的一个方式的光学元件，所以能够实现使图像难以被观察者以外的人视觉辨认到的显示装置。
在本发明的一个方式的显示装置中，也可以是，所述射出部设置于所述导光体的靠视觉辨认侧的面上。
根据该结构，能够实现易于进行光学设计的显示装置。
附图说明
图1是实施方式的显示装置的俯视图。
图2是从观察者侧观察导光装置的背面图。
图3是示出导光装置中的图像光的光路的图。
图4是实施方式的光学元件的放大图。
图5是用于说明光学元件的作用的图。
图6是示出实施例和比较例的半反射镜的反射率的入射角依存性的曲线图。
图7是示出实施例和比较例的通过光学元件形成的背面像的亮度分布的曲线图。
标号说明
10：图像形成装置；20：导光装置；21：入射部；22：平行导光体(导光体)；23：射出部；30：光学元件；31：半反射镜；32：透光性部件；32a：入射面；32b：射出面；100：显示装置。
具体实施方式
以下，利用附图对本发明的一个实施方式进行说明。
本实施方式的显示装置例如被用作观察者佩戴于头部进行使用的头戴式显示器。
图1是实施方式的显示装置的俯视图。图2是从观察者侧观察到的导光装置的背面图。图3是示出导光装置中的图像光的光路的图。
在以下的各附图中，为了容易观察各结构要素，有时根据结构要素的不同以不同的比例尺示出。
(导光装置和显示装置的整体结构)
如图1所示，显示装置100具有图像形成装置10和导光装置20。图1对应于图2所示的导光装置20的A-A截面。
显示装置100使观察者将图像形成装置10形成的图像作为虚像进行视觉辨认，并使观察者通过透视来观察外界像。在显示装置100中，图像形成装置10和导光装置20与观察者的右眼和左眼对应地分别设置有一组。右眼用装置和左眼用装置的结构相同，仅各结构要素的配置为左右对称这一点不同。因此，这里仅图示左眼用的部分，省略右眼用的部分的图示。显示装置100整体上具有例如眼镜那样的外观。
图像形成装置10具有有机电致发光(EL)元件11和投影镜头12。有机EL元件11射出构成动态图像和静态图像等图像的图像光GL。另外，不限于有机EL元件11，也可以使用具有液晶元件等的图像形成装置。投影镜头12由准直透镜构成，该准直透镜使从有机EL元件11上的各点射出的图像光GL成为大致平行的光线。投影镜头12由玻璃或塑料形成，不限于1枚，也可以由多枚构成。投影镜头12不限于球面透镜，也可以由非球面透镜、自由曲面透镜等构成。
导光装置20由平板状的透光部件构成。导光装置20在对由图像形成装置10生成的图像光GL进行引导后使其朝向观察者的眼睛EY射出，另一方面，使构成外界像的外界光EL透过。导光装置20具有：入射部21，其取入图像光；平行导光体22，其主要引导图像光；以及射出部23，其用于取出图像光GL和外界光EL。平行导光体22和入射部21由具有较高的透光性的树脂材料一体成型。在本实施方式中，在导光装置20中进行传播的图像光GL的光路由进行相同次数反射的一种光路构成，而不是合成了多种光路构成的。
平行导光体22被配置为相对于以观察者的眼睛EY观察正面时的视线为基准的光轴AX倾斜。平行导光体22的平面22a的法线方向Z相对于光轴AX倾斜了角度κ。由此，能够沿着脸部的前表面配置平行导光体22，平行导光体22的平面22a的法线相对于光轴AX具有倾斜度。这样，通过使平行导光体22的平面22a的法线相对于与光轴AX平行的z方向倾斜了角度κ，从光学元件30射出的光轴AX上及其附近的图像光GL0与光射出面OS的法线呈角度κ。
另外，设与光轴AX平行的方向为z方向，与z方向垂直的面中的水平方向为x方向、铅直方向为y方向。
入射部21具有光入射面IS和反射面RS。来自图像形成装置10的图像光GL经由光入射面IS被取入到入射部21内。被取入到入射部21内的图像光GL被反射面RS反射而被引导至平行导光体22的内部。光入射面IS由从投影镜头12观察时为凹的曲面21b形成。曲面21b还具有在内面侧对被反射面RS反射的图像光GL进行全反射的功能。
反射面RS由从投影镜头12观察时为凹的曲面21a形成。反射面RS由利用蒸镀法等形成在曲面21a上的铝膜等金属膜构成。反射面RS对从光入射面IS入射的图像光GL进行反射而使光路弯折。曲面21b在内侧对被反射面RS反射的图像光GL进行全反射而使光路弯折。这样，入射部21通过使从光入射面IS入射的图像光GL反射2次而使光路弯折，由此将图像光GL可靠地引导至平行导光体22的内部。
平行导光体22是与y轴平行且相对于z轴倾斜的平板状导光部件。平行导光体(导光体)22由具有透光性的树脂材料等形成，具有彼此大致平行的一对平面22a、22b。平面22a、22b是平行平面，所以不会产生外界像的放大或对焦偏差。平面22a作为使来自入射部21的图像光全反射的全反射面发挥功能，以较少的损失将图像光GL引导至射出部23。平面22a被配置于平行导光体22的外界侧，作为第1全反射面发挥功能，在本说明书中也称作外界侧面。
在本说明书中也将平面22b称作观察者侧面。平面22b(观察者侧面)延伸至射出部23的一端。在此，平面22b是平行导光体22与射出部23的边界面IF(参照图3)。
在平行导光体22中，被入射部21的反射面RS或光入射面IS反射后的图像光GL入射到作为全反射面的平面22a，被平面22a全反射而被引导至导光装置20的里侧、即设置有射出部23的+x侧或X侧。如图2所示，平行导光体22具有作为导光装置20的外形中的+x侧的端面的终端面ES。此外，平行导光体22具有作为±y侧的端面的上端面TP和下端面BP。
另外，设平面22b的法线方向为Z方向，与Z方向垂直的面中的水平方向为X方向、铅直方向为Y方向。
如图3所示，射出部23在平行导光体22的里侧(+x侧)沿着平面22b或边界面IF构成为板状。射出部23在使被平行导光体22的外界侧的平面(全反射面)22a的区域FR全反射后的图像光GL通过时，以规定的角度对入射的图像光GL进行反射，使其向光射出面OS侧弯折。这里，最初入射到射出部23而不透过该射出部23的图像光GL是作为虚像光的取出对象。即，在射出部23中，即使存在被光射出面OS的内面反射的光，该光也不被用作图像光。
射出部23具有光学元件30，该光学元件30在一个方向上排列了具有透光性的多个半反射镜31。后文中将参照图4等对光学元件30的构造进行详细叙述。光学元件30沿着平行导光体22的靠观察者侧的平面22b设置。
导光装置20具有如上这样的构造，所以如图3所示，从图像形成装置10射出并从光入射面IS入射到导光装置20的图像光GL通过被入射部21多次反射而使光路弯折，在平行导光体22的平面22a的区域FR中被全反射而大致沿着光轴AX前进。被+z侧的平面22a的区域FR反射后的图像光GL入射到射出部23。
这时，在xy面内，区域FR在长度方向上的宽度比射出部23在长度方向上的宽度窄。即，图像光GL的光线束入射到射出部23(或光学元件30)的入射宽度比图像光GL的光线束入射到区域FR的入射宽度宽。这样，通过相对缩窄图像光GL的光线束入射到区域FR的入射宽度，使得难以产生光路的干渉，在不在导光中使用边界面IF、即不使图像光GL在边界面IF处反射的情况下，使得来自区域FR的图像光GL直接入射到射出部23(或光学元件30)变得容易。
入射到射出部23的图像光GL通过在射出部23中以适当的角度弯折而成为能够取出的状态，最终从光射出面OS射出。从光射出面OS射出的图像光GL作为虚像光，入射到观察者的眼睛EY。通过使该虚像光在观察者的视网膜上成像，观察者能够识别到基于虚像的图像光GL。
这里，用于像的形成的图像光GL入射到射出部23的角度随着远离光源侧的入射部21而变大。即，相对于与外界侧的平面22a平行的Z方向或相对于光轴AX的倾斜度较大的图像光GL入射到射出部23的里侧并以比较大的角度被弯折，相对于Z方向或光轴AX的倾斜度较小的图像光GL入射到射出部23的前侧并以比较小的角度被弯折。
(图像光的光路)
下面，对图像光的光路详细地进行说明。
如图3所示，设分别从有机EL元件11的射出面11a上射出的图像光中的、用虚线表示的从射出面11a的中央部分射出的成分为图像光GL0、用单点划线表示的从射出面11a的周边中的纸面左侧(-x和+z侧)射出的成分为图像光GL1、用双点划线表示的从射出面11a的周边中的纸面右侧(+x和-z侧)射出的成分为图像光GL2。假设其中图像光GL0的光路沿着光轴AX延伸。
经过了投影镜头12的图像光GL0、GL1、GL2的主要成分在分别从导光装置20的光入射面IS入射后，经过入射部21并通过平行导光体22内而到达射出部23。具体而言，图像光GL0、GL1、GL2中的、从射出面11a的中央部分射出的图像光GL0在被入射部21弯折而在平行导光体22内耦合后，以标准反射角θ0入射到一方的平面22a的区域FR而被全反射，不被平行导光体22与射出部23(或光学元件30)之间的边界面IF反射，而是通过边界面IF，直接入射到射出部23的中央的部分23k。图像光GL0在部分23k处以规定的角度被反射，作为平行光束从光射出面OS向相对于包含光射出面OS的XY面倾斜的光轴AX方向(与Z方向呈角度κ的方向)射出。
从射出面11a的一端侧(-x侧)射出的图像光GL1在被入射部21弯折而在平行导光体22内耦合后，以最大反射角θ1入射到平面22a的区域FR而被全反射，不被平行导光体22与射出部23(或光学元件30)之间的边界面IF反射，而是通过边界面IF，在射出部23中的里侧(+x侧)的部分23h处以规定角度被反射，作为平行光束从光射出面OS朝向规定角度方向射出。关于这时的射出角γ1，返回到入射部21侧的角度相对变大。
另一方面，从射出面11a的另一端侧(+x侧)射出的图像光GL2在被入射部21弯折而在平行导光体22内耦合后，以最小反射角θ2入射到平面22a的区域FR而被全反射，不被平行导光体22与射出部23(或光学元件30)之间的边界面IF反射，而是通过边界面IF，在射出部23中的入口侧(-x侧)的部分23m处以规定角度被反射，作为平行光束从光射出面OS朝向规定的角度方向射出。关于这时的射出角γ2，返回到入射部21侧的角度相对变小。
另外，用图像光GL0、GL1、GL2表示的3条光线成分代表性地说明了图像光GL的光线全体的一部分，但构成图像光GL的其他光线成分也与图像光GL0等光线成分同样地被引导，从光射出面OS射出。因此，省略它们的图示和说明。
在此，在作为入射部21和平行导光体22中使用的透明树脂材料的折射率n的值的一例设n＝1.4时，临界角θc的值为θc≒45.6°。通过设图像光GL0、GL1、GL2的反射角θ0、θ1、θ2中的最小的反射角θ2为比临界角θc大的值，由此能够使得所需的图像光满足全反射条件。
朝向中央的图像光GL0以仰角
Figure BDA0001406564770000071
入射到射出部23的部分23k。朝向周边的图像光GL1以仰角
Figure BDA0001406564770000072
入射到射出部23的部分23h。朝向周边的图像光GL2以仰角
Figure BDA0001406564770000073
入射到射出部23的部分23m。这里，反映反射角θ0、θ1、θ2的大小关系，在仰角
Figure BDA0001406564770000074
之间，
Figure BDA0001406564770000075
的关系成立。即，光学元件30向半反射镜31入射的入射角ι(参照图4)按照与仰角
Figure BDA0001406564770000081
对应的部分23m、与仰角
Figure BDA0001406564770000082
对应的部分23k、与仰角
Figure BDA0001406564770000083
对应的部分23h的顺序逐渐变小。换言之，向半反射镜31入射的入射角ι或半反射镜31的反射角随着远离入射部21而变小。
对被平行导光体22的靠外界侧的平面22a反射而朝向射出部23的图像光GL的光线束的整体行为进行说明。
如图3所示，在包含光轴AX的截面中，图像光GL的光线束在被平行导光体22的靠外界侧的区域FR反射前后的直行光路P1、P2中的任意光路中，宽度被缩窄。具体而言，图像光GL的光线束在包含光轴AX的截面中，在区域FR附近、即直行光路P1、P2的边界附近跨越直行光路P1、P2的位置处整体上宽度被缩窄、光束宽度变细。由此，成为在射出部23的近前缩窄图像光GL的光线束，易于使横向的视场角变得比较大。另外，在图示的例子中，图像光GL的光线束在跨越直行光路P1、P2那样的位置处宽度被缩窄、光束宽度变细，但也可以是仅在直行光路P1、P2中的任意单侧中宽度被缩窄、光束宽度变细。
(光学元件的结构)
下面，对构成射出部23的光学元件30的结构进行说明。
图4是本实施方式的光学元件30的放大图。
射出部23由光学元件30构成，该光学元件30设置于平行导光体22的视觉辨认侧的面。因此，与平行导光体22同样，射出部23沿着相对于光轴AX倾斜了角度κ的XY平面设置。
如图4所示，光学元件30具有多个半反射镜31和多个透光性部件32。多个半反射镜31设置为隔开间隔地彼此平行，使图像光GL和外界光EL的一部分反射，并使图像光GL和外界光EL的另一部分透过。透光性部件32介于多个半反射镜31中的相邻的两个半反射镜31之间。即，光学元件30具有如下结构：在多个透光性部件32中的相邻的两个透光性部件32之间分别夹持有半反射镜31。换言之，光学元件30具有将半反射镜31和透光性部件32交替配置的结构。
透光性部件32是与长度方向垂直的截面形状为平行四边形的柱状部件。因此，透光性部件32具有两组与长度方向平行地延伸且相互平行的一对平面。在这两组的一对平面中，一组中的一个平面是使图像光GL和外界光EL入射的入射面32a，一组中的另一个平面是使图像光GL和外界光EL射出的射出面32b。此外，在另一组中的一个平面上设置有半反射镜31。透光性部件32例如由玻璃、透明树脂等构成。
多个透光性部件32构成为，在将多个由一对透光性部件32和半反射镜31构成的组贴合起来时，多个半反射镜31成为彼此平行配置的形式。在图4中省略了图示，但在半反射镜31的一个面与相邻的透光性部件32之间设置有粘接材料层。由此，光学元件30整体上成为矩形板状的部件。成为在从透光性部件32的入射面32a或射出面32b的法线方向观察光学元件30时，细带状的多个半反射镜31呈带状排列的构造。即，光学元件30具有如下结构：矩形的半反射镜31在平行导光体22延伸的方向、即X方向上隔开规定间隔(间距PT)排列有多个。
半反射镜31由被夹在透光性部件32之间的反射膜构成。反射膜例如由将折射率不同的多个电介质薄膜交替层叠而得到的电介质多层膜构成。或者，反射膜也可以由金属膜构成。半反射镜31被设置成，半反射镜31的短边相对于透光性部件32的入射面32a和射出面32b倾斜。更具体而言，半反射镜31以使反射面朝向入射部21侧的方式，朝向平行导光体22的外界侧倾斜。换言之，半反射镜31向如下方向倾斜：以半反射镜31的长边(Y方向)为轴，以与平面22a、22b正交的YZ面为基准，上端(+Z侧)逆时针旋转的方向。
从使基于透视的外界光EL透过、容易观察外界像的观点出发，半反射镜31对图像光GL的反射率在所设想的图像光GL的入射角范围内例如设为10％以上且在50％以下。此外，半反射镜31具有以相对较小的入射角入射到半反射镜31的面的图像光GL的反射率低于以相对较大的入射角入射的图像光GL的反射率的特性。之后将对伴随该特性的作用和效果详细进行叙述。
下面，将半反射镜31的反射面与透光性部件32的射出面32b所成的角度定义为半反射镜31的倾斜角度δ。在本实施方式中，半反射镜31的倾斜角度δ为45°以上且小于90°。在本实施方式中，透光性部件32的折射率和平行导光体22的折射率相等，但这些折射率也可以不同。在折射率不同的情况下，需要与折射率相等的情况相比变更半反射镜31的倾斜角度δ。
多个半反射镜31分别以平行导光体22的观察者侧面22b为基准顺时针呈例如48°～70°左右的倾斜角度δ，具体而言，呈例如60°的倾斜角度δ。这里，假设将图像光GL0的仰角
Figure BDA0001406564770000091
例如设定为30°、图像光GL1的仰角
Figure BDA0001406564770000092
例如设定为22°、图像光GL2的仰角
Figure BDA0001406564770000101
例如设定为38°。在该情况下，如图3所示，图像光GL1和图像光GL2以光轴AX为基准呈角度γ1＝γ2≒12.5°，入射到观察者的眼睛EY。
由此，在使上述图像光GL中的全反射角度比较大的成分(图像光GL1)主要入射到射出部23中的-x侧的部分23h侧、使全反射角度比较小的成分(图像光GL2)主要入射到射出部23中的+x侧的部分23m侧的情况下，能够以使得图像光GL整体上会聚到观察者的眼睛EY那样的角度高效地取出图像光GL。即，能够从平行导光体22高效地取出以比较大的入射角(比较小的仰角)从平行导光体22入射到光学元件30的入射面32a的图像光GL。光学元件30是以这样的角度取出图像光GL的结构，所以原则上导光装置20能够不使图像光GL在光学元件30中经由多次，而是仅经由1次。由此，能够以较少的损失取出图像光GL作为虚像光。
另外，相邻的半反射镜31之间的间距PT被设定为0.5mm～2.0mm左右。半反射镜31之间的间距PT可以不是严格地等间隔，而是以可变间距配置。更具体而言，光学元件30中的半反射镜31的间距PT可以为以基准间隔为中心随机增減的随机间距。这样，通过按照随机间距配置光学元件30中的半反射镜31，能够抑制衍射不均或云纹的产生。另外，不限于随机间距，也可以反复规定的间距图案，该规定的间距图案例如包含在多个阶段中进行增减的间距。
光学元件30的厚度、即半反射镜31在Z轴方向上的厚度TI被设定为0.7mm～3.0mm左右。支承光学元件30的平行导光体22的厚度例如为几mm～10mm左右，优选为4mm～6mm左右。当平行导光体22的厚度与光学元件30的厚度相比足够大时，容易减小图像光GL射向光学元件30或边界面IF的入射角，容易对位于未能将图像光GL取入到眼睛EY的位置处的半反射镜31进行的反射进行抑制。另一方面，当使平行导光体22的厚度比较薄时，容易实现平行导光体22或导光装置20的轻量化。
图5是用于说明光学元件30的作用的图。
本发明人利用光线追踪仿真调查了在使用现有光学元件的显示装置中产生图像光GL的泄漏的原因。
如图5所示，假设以仰角
Figure BDA0001406564770000102
左右入射到光学元件30的图像光GL。使观察者识别作为虚像光的图像是用虚线的箭头表示的反射光GL1。但是，存在一定量的入射到半反射镜31的图像光GL中的、不向观察者侧偏转而透过半反射镜31的光。例如在半反射镜31的反射率为20％的情况下，假设图像光GL透过4枚半反射镜31时，由于(1-0.2)4＝0.41，所以入射到半反射镜31的图像光GL中的大约40％的光透过半反射镜31。
接着，透过了半反射镜31的图像光GL以60°左右的入射角β入射到射出面32b，所以在射出面32b进行全反射后，朝向半反射镜31行进。如单点划线的箭头GL3所示，在射出面32b全反射后的图像光GL中的大约六成(1-0.41＝0.59)的光在由半反射镜31反射后，再次返回到射出面32b。此时，比射出面32b的临界角大的角度的光再次在射出面32b上进行全反射。在射出面32b上进行了全反射的光以比较大的入射角入射到半反射镜31，所以由半反射镜31进行反射，在平行导光体22中透过，从平面22a朝与观察者侧相反的方向射出。由于该光GL4，产生如下问题：观察者以外的人也能够观察到图像，损害图像的隐秘性。
因此，本发明人认为，通过减少在射出面32b上进行全反射后由半反射镜31反射而再次返回到射出面32b的光，能够改善上述问题。在射出面32b上进行全反射后朝向半反射镜31行进的光以比较小的入射角α入射到半反射镜31。因此，如果使用具有使以相对较小的入射角α入射到半反射镜31的面的图像光GL的反射率低于以相对较大的入射角α入射的图像光GL的反射率的入射角依存性的半反射镜31，则能够改善上述问题。
作为光线追踪仿真中的实施例的半反射镜31，假设了[表1]所示的由各种无机材料和金属材料的8层膜构成的层叠膜。此外，作为比较例的半反射镜，假设了[表2]所示的由各种无机材料和金属材料的8层膜构成的层叠膜。
[表1]
# 材料 膜厚[nm]
1 SiO<sub>2</sub> 7.4
2 ZrO<sub>2</sub> 15.7
3 SiO<sub>2</sub> 89.5
4 ZrO<sub>2</sub> 39.8
5 Ag 12.8
6 TiO<sub>2</sub> 58.2
7 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 90.9
8 Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 6.8
[表2]
# 材料 膜厚[nm]
1 ZrO<sub>2</sub> 56.3
2 Ag 12.4
3 SiO<sub>2</sub> 12.9
4 TiO<sub>2</sub> 45.0
5 ZrO<sub>2</sub> 15.8
6 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 31.7
7 Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 17.0
8 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 56.9
图6是示出实施例和比较例的半反射镜的反射率的入射角依存性的曲线图。曲线图的横轴是入射角[度(deg)]，纵轴是反射率[％]。
作为反射率，分为对S偏振光成分的反射率和对P偏振光成分的反射率进行了计算。
标号JS的曲线图表示实施例的半反射镜针对S偏振光成分的反射率，标号JP的曲线图表示实施例的半反射镜对P偏振光成分的反射率。标号CS的曲线图表示比较例的半反射镜对S偏振光成分的反射率，标号CP的曲线图表示比较例的半反射镜对P偏振光成分的反射率。
如图6所示，在实施例的半反射镜、比较例的半反射镜中的各自中，针对S偏振光成分的反射率与针对P偏振光成分的反射率示出大致相同的特性。比较例的半反射镜的反射率在入射角为10°～55°的范围内，为大致20％，示出大致恒定的值。在入射角为11°、17°、23°、43°、49°、55°时，比较例的对S偏振光成分的反射率是19.1％、19.1％、19.1％、19.6％、19.7％、19.4％，比较例的对P偏振光成分的反射率是19.0％、18.9％、18.8％、19.3％、19.7％、20.1％。即，比较例的半反射镜几乎不具有反射率的入射角依存性。与此相对，实施例的半反射镜的反射率在入射角为55°时是与比较例同等的大致20％，但该反射率随着入射角从55°起减小而下降，在入射角为10°时下降至大致10％。在入射角为11°、17°、23°、43°、49°、55°时，实施例的对S偏振光成分的反射率是10.1％、10.7％、11.6％、16.1％、18.0％、20.3％，实施例的对P偏振光成分的反射率是9.9％、10.2％、10.7％、15.8％、18.2％、20.5％。
这样，通过改变构成半反射镜31的层叠膜的材料(层叠顺序)和/或膜厚，能够调整半反射镜31的反射率的入射角依存性，能够实现具有以相对较小的入射角α入射的光的反射率低于以相对较大的入射角α入射的光的反射率的特性(入射角依存性)的半反射镜31。
图7是示出实施例和比较例的通过光学元件形成的背面像的亮度分布的曲线图。背面像是指由从平行导光体22的与光学元件30相反侧的平面22a(背面)漏出的光生成的像。曲线图的横轴是视场角[度(deg)]，纵轴是亮度[尼特(nit)]。视场角是以光轴AX为基准(0°)、与背面像的各位置对应的角度。
标号J的曲线图示出使用了实施例的半反射镜的显示装置中的背面像的亮度分布，标号C的曲线图示出使用了比较例的半反射镜的显示装置中的背面像的亮度分布。
以观察者侧的像的亮度为405nit的条件进行仿真的结果是，在具有比较例的半反射镜的显示装置中，背面像的亮度以大致20～30nit左右为中心推移。与此相对，在具有实施例的半反射镜31的显示装置100中，背面像的亮度以大致10～15nit左右为中心推移。这样可知，在具有实施例的半反射镜31的显示装置100中，与具有比较例的半反射镜的显示装置相比，能够将背面像的明亮度大致减半。
如上所述，本实施方式的光学元件30具有半反射镜31，该半反射镜31具有以相对较小的入射角α入射的光的反射率低于以相对较大的入射角α入射的光的反射率的特性，所以能够减少图像光从平行导光体22的平面22a侧泄漏。其结果是，根据本实施方式，能够实现如下的显示装置100：除观察者以外的人难以视觉辨认到图像，图像的隐匿性优异。
此外，在本实施方式的显示装置100中，射出部23设置于平行导光体22的靠视觉辨认侧的平面22b，所以从光学元件30射出的图像光GL不入射到其他部件，而到达观察者的眼睛。因此，能够实现光学设计较容易的显示装置100。
另外，本发明的技术范围不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明主旨的范围内施加各种变更。
例如在上述实施方式中，假设了在构成光学元件的全部半反射镜的范围内，使用反射率的入射角依存性相同的半反射镜，但例如也可以使用反射率的入射角依存性根据光学元件的位置而不同的多种半反射镜来替代该结构。
除此以外，构成光学元件和显示装置的各结构要素的数量、形状、材料等各部的具体结构不限于上述实施方式，能够适当地进行变更。例如作为图像形成装置，除上述有机EL元件以外，也可以使用液晶显示元件、激光光源和MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电***)扫描仪的组合等。

Claims (4)

1.一种光学元件，其特征在于，具有：
多个半反射镜，它们被设置为隔开间隔地彼此平行，并使图像光和外界光的一部分反射，使所述图像光和所述外界光的另外一部分透过；以及
透光性部件，其介于所述多个半反射镜中的相邻的两个所述半反射镜之间，
所述透光性部件具有：入射面，所述图像光和所述外界光经由导光体入射到该入射面；以及射出面，其使所述图像和所述外界光射出到观察者侧，
所述多个半反射镜各自被配置为，分别相对于所述入射面和所述射出面倾斜，以相对小的入射角入射到各个半反射镜的面的光的反射率低于以相对大的入射角入射的光的反射率，
所述多个半反射镜分别包含电介质多层膜。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述多个半反射镜各自与所述射出面所成的角度为45°以上且小于90°。
3.一种显示装置，其特征在于，具有：
图像形成装置；以及
导光装置，其引导由所述图像形成装置生成的图像光，
所述导光装置具有：入射部，所述图像光入射到该入射部；导光体，其引导从所述入射部入射的所述图像光；以及射出部，其使所述图像光射出，
所述射出部具有权利要求1或2所述的光学元件。
4.根据权利要求3所述的显示装置，其特征在于，
所述射出部设置于所述导光体的靠视觉辨认侧的面上。
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