JP2015191103A

JP2015191103A - 電気光学装置

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Publication number: JP2015191103A
Application number: JP2014068231A
Authority: JP
Inventors: 光隆井出; Mitsutaka Ide; 米窪　政敏; Masatoshi Yonekubo; 政敏米窪; 武田　高司; Takashi Takeda; 高司武田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-11-02
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: US20150277124A1; JP6340867B2; KR20150112858A; TW201537221A; CN104950444A; US9958679B2

Abstract

【課題】小型でコントラスト比の低下が抑制でき、かつ拡大された画像光を射出可能な電気光学装置を提供する。【解決手段】電気光学装置は、異なる角度成分を含む光を発する光源と、複数の導光材がハーフミラー層を介して接合された第１光学素子２２とを有し、第１光学素子は、ハーフミラー層と平行となるように形成された第１面と、第１面と平行となるように形成された第２面と、第１面とのなす角が第１角度θ１となるように形成された入射面２３と、入射面とは反対側の位置に、第１面とのなす角が第２角度θ２となるように形成された射出面２４とを備え、光源からの光が第１光学素子の入射面に入射するように配置され、第１光学素子の第１角度、第２角度及び複数の導光材の屈折率は、それぞれ入射面から入射して導光する光源からの光のうち、第２面で反射後に射出面に入射する光が、射出面で反射するような角度及び屈折率とされている。【選択図】図４

Description

本発明は、電気光学装置に関するものである。

近年、ヘッドマウントディスプレイが注目されている（例えば、特許文献１を参照）。
このようなヘッドマウントディスプレイにおいて、画像が瞳径より小さいと、画像の表
示位置を瞳の位置に厳密に合わせる調整が必要になり使い勝手が悪くなることから、画像
光を瞳径よりも拡大する必要があった。また、ヘッドマウントディスプレイは、眼を左右
に振っても同じ強度分布の光を入射させる必要があることから、例えば、図１２に示すよ
うな、長尺状の平行平面板６１、ハーフミラー６２および全反射ミラー６３の積層体６０
を用いることで射出ビームを均一化させつつ拡大させることが望まれる。
また、不均一な光強度分布を均一にし、ビームの縦横比を変える光学素子が知られてい
る（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−２１９１０６号公報特開平０７−３２５２６７号公報

しかしながら、上述した積層体６０を採用した場合、射出ビームが多方向に放出されて
しまうため、光射出面側で必要な光を選択して画像光を生成しようとすると、別途遮光対
策を離れた位置に設置する必要がある。そのため、必要以上に装置構成が大きくなってし
まうことによるコストアップや遮光対策では防ぎきれない迷光によるコントラスト比低下
といった問題があった。
そこで、画像光のように角度分布をもつ光を上記特許文献２の技術に組み合わせること
も考えられる。しかしながら、上記特許文献２の技術では１方向の決まった光を４５度で
入射する光を想定しているため、上記積層体を用いた場合と同様、迷光が発生してしまう
。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、小型でコ
ントラスト比の低下が抑制でき、かつ拡大された画像光を射出可能な電気光学装置を提供
することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、異なる角度成分を含む光を発する光源と、複数の導光材が
ハーフミラー層を介して接合された第１光学素子と、を有し、前記第１光学素子は、前記
ハーフミラー層と平行となるように形成された第１面と、前記第１面と平行となるように
形成された第２面と、前記第１面とのなす角が第１角度となるように形成された入射面と
、前記入射面とは反対側の位置に、前記第１面とのなす角が第２角度となるように形成さ
れた射出面と、を備え、前記光源は、前記異なる角度成分を含む光が前記第１光学素子の
前記入射面に入射するように配置され、前記第１光学素子の前記第１角度、前記第２角度
及び前記複数の導光材の屈折率は、それぞれ前記入射面から入射して導光する前記光源か
らの光のうち、前記第２面で反射後に前記射出面に入射する光が、前記射出面で反射する
ような角度及び屈折率とされている電気光学装置が提供される。

第１態様に係る電気光学装置によれば、入射面から入射して導光する光源からの光のう
ち、第２面で反射後に射出面に入射する光が射出面で反射されるようになる。よって、射
出面に別途遮光部材を配置する必要が無くなり、光学素子の小型化および低コスト化を実
現できる。また、遮光対策では防ぎきれない射出面からの迷光によるコントラスト比低下
を抑制することができる。

上記第１態様において、前記第１角度は、前記第２角度と等しい角度である構成として
もよい。
この構成によれば、入射光と出射光とが第１面に対して同じ角度となるので、画像歪み
が生じづらく光学的な設計が容易となる。

上記第１態様において、前記複数の導光材の屈折率は、１．５であり、前記第１角度及
び前記第２角度は、６６度以下である構成としてもよい。
この構成によれば、第２面で反射後に射出面に入射する光を射出面で反射させることで
迷光の発生を抑制できる。

上記第１態様において、前記光源は、前記光源に含まれる異なる角度成分の光のうち第
１方向の光が前記入射面に対して垂直に入射するように配置され、前記光源に含まれる異
なる角度成分の光は、いずれも前記第１方向に対して１０度以下の角度で交差している構
成としてもよい。
この構成によれば、第２面で反射後に射出面に入射する光を射出面で反射させることで
迷光の発生を抑制できる。

上記第１態様において、前記第１光学素子の前記第１面に反射層を有する構成としても
よい。
この構成によれば、反射層により画像光を第１光学素子内部で反射させることで射出面
から効率良く取り出すことができる。

上記第１態様において、前記第１光学素子は、前記複数の導光材の各々の厚さ、前記第
１角度及び前記第２角度が、前記入射面に入射した光のうち前記ハーフミラー層で反射し
た光の位相と、前記ハーフミラー層を透過して前記第１面で反射した光の位相と、が同じ
位相となるように形成されている構成としてもよい。
この構成によれば、ハーフミラー層で反射した光の位相と、ハーフミラー層を透過して
第１面で反射した光の位相とが揃っているため、第１光学素子内で光の強度の減衰を抑え
ることができる。

上記第１態様において、複数の導光材が互いにハーフミラー層を介して接合された第２
光学素子を有し、前記第２光学素子は、前記第２光学素子のハーフミラー層が、前記第１
光学素子のハーフミラー層と交差するように配置され、前記第１光学素子の入射面に入射
した光は、前記第１光学素子と前記第２光学素子とを介して少なくとも２つの方向に拡大
される構成としてもよい。
この構成によれば、装置構成の小型化を図りつつ、光を少なくとも２方向に拡大するこ
とができる。

上記第１態様において、前記光源は、画像を表示する表示パネルと、前記表示パネルで
表示された画像を異なる角度成分を含む平行光とするコリメータレンズと、を備える構成
としてもよい。
この構成によれば、迷光によるコントラスト比低下が抑制された優れた画像を表示する
ことができる。

上記第１態様において、前記光源は、光を発する発光部と、前記発光部からの光を反射
するマイクロミラーと、を備え、前記マイクロミラーは、前記マイクロミラーに入射する
発光部からの光をスキャンするように反射させることで異なる角度成分を含む画像光とす
る構成としてもよい。
この構成によれば、マイクロミラーによる反射光をスキャンすることで第１光学素子の
光入射面に画像光を入射させるので、短い全長で画像光を拡大することができ、装置構成
が小型化されることで限られた場所に設置可能な電気光学装置を提供できる。

第１実施形態に係る透過型の表示装置を示す概略構成図である。画像生成装置の概略構成を示す図である。光学素子の概略構成を示す要部拡大図である。光学素子の設計条件を説明するための図である。第２実施形態に係る光源装置の概略構成図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は画像光の入射角についての説明図である。戻り光を説明するための図である。遮光処理層を備えた光学素子の構成を示す図である。光学素子内の光路長を説明するための図である。光学素子内における位相差を説明するための図である。光学素子を複数配置した構成を示す図である。従来技術における光学素子を複数配置した構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる
部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであると
は限らない。

（第１実施形態）
本実施形態に係る電気光学装置（表示装置）は、透過型のヘッドマウントディスプレイ
（ＨＭＤ：ＨｅａｄＭｏｕｎｔｅｄＤｉｓｐｌａｙ）である。図１は、本実施形態に
係る透過型の表示装置を示す概略構成図である。

以下、図面において必要に応じてＸＹＺ座標系を用いて説明する。各図において、Ｘ方
向とは透過型表示装置を装着する人間の眼の配列方向、すなわちユーザーの左右方向を規
定し、Ｙ方向とはＸ方向に直交し、ユーザーの前後方向を規定し、Ｚ方向はＸＺ方向に直
交する方向である鉛直方向を規定する。

本実施形態に係る表示装置１０は、図１に示すように、例えば、人間の頭部に装着等に
よって画像を目に向けて表示可能であり、使用者の左眼に重なる透過部（レンズ）２Ｌと
、使用者の右眼に重なる透過部２Ｌと、左眼用の発光装置１Ｌ及びハーフミラー（導光光
学系）３Ｌと、右眼用の発光装置１Ｒ及びハーフミラー（導光光学系）３Ｒと、を備えた
画像表示装置である。

発光装置１Ｌと発光装置１Ｒとは、射出光が相互に反対の方向に進行するように配置さ
れる。左眼用のハーフミラー３Ｌは、透過部２Ｌの透過光を使用者の左眼側に透過させる
とともに、発光装置１Ｌからの射出光を使用者の左眼側に反射させる。同様に、右眼用の
ハーフミラー３Ｒは、透過部２Ｒの透過光を使用者の右眼側に透過させるとともに、発光
装置１Ｒからの射出光を使用者の右眼側に反射させる。

したがって、使用者は、透過部２Ｌ及び透過部２Ｒを介して観察される像と、各発光装
置１Ｌ，１Ｒによる表示画像と、を重畳した画像を知覚する。このように、使用者は、導
光部（透過部２Ｌ及び透過部２Ｒ）を介して、表示装置１０による表示対象の画像と外界
の画像とを同時に見る（観察する）ことが可能であり、虚像を視認することができる。
また、相互に視差が付与された立体視画像（左眼用画像および右眼用画像）を発光装置
１Ｌと発光装置１Ｒとに表示させることで、使用者に表示画像の立体感を知覚させること
も可能である。

発光装置１Ｒ，１Ｌは、右眼用および左眼用の画像を生成する以外、同一構造を有して
いる。そのため、以下では発光装置１Ｒを例に挙げ、その構造について説明する。
図２は発光装置１Ｒを構成する画像生成装置（画像生成部）２の概略構成を示す図であ
る。図２に示すように、画像生成装置２は、表示パネル２１と、コリメータレンズ２６と
、光学素子２２と、を有している。

本実施形態において、表示パネル２１は、バックライト２１ｂと光変調素子２１ａとを
含む。バックライト２１ｂは、例えば赤色、緑色および青色といった発光色ごとの光源の
集合から構成されている。各光源としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Em
itting Diode）やレーザー光源などを用いることができる。光変調素子２１ａとしては、
例えば、表示素子である液晶表示デバイスなどを用いることができる。

なお、表示パネル２１としては、他にも、有機エレクトロルミネッセンス装置（有機Ｅ
Ｌ装置）や、レーザー光源とＭＥＭＳミラーを有するレーザー光を走査する走査光学系と
を含む走査型画像表示装置など、通常知られた画像表示装置を採用することもできる。

コリメータレンズ２６は、例えば、入力される画像光を投射する投射レンズの群から構
成され、表示パネル２１の光変調素子２１ａから射出された画像光Ｌ１を投射して、平行
な状態の光束にする。コリメータレンズ２６を介した画像光Ｌ１は、異なる角度成分を含
んでいる。

図３は光学素子２２の概略構成を示す要部拡大図である。
図３に示すように、光学素子２２は、複数の平行平面板（導光材）２２ａと、複数のハ
ーフミラー（ハーフミラー層）２２ｂとを有している。複数の平行平面板２２ａは、ハー
フミラー２２ｂを介して接合されている。
本実施形態において、光学素子２２は、厚みが０．６ｍｍの平行平面板を２つのハーフ
ミラー２２ｂを介して３つ接合することで構成され、中心長（中心部におけるＸ方向にお
ける長さ）が５ｍｍである。光学素子２２は、一対の端面が平行平面板２２ａの厚さ方向
（図３のＹ方向）に対して傾斜するようにカットされており、該端面がそれぞれ表示パネ
ル２１からの画像光Ｌ１を入射させる入射面２３および画像光Ｌ１を射出される射出面２
４を構成する。

本実施形態において、光学素子２２は、入射面２３の角度θ_１、射出面２４の角度θ_２
及び複数の平行平面板２２ａの屈折率が、それぞれ入射面２３から入射して導光する表示
パネル２１からの光のうち、上面（第２面）３０で反射後に射出面２４に入射する光が、
射出面２４で反射するような角度及び屈折率としている。具体的に、表示パネル２１から
の画像光Ｌ１を光学素子２２の入射面２３に対して±１０度で入射させ、平行平面板２２
ａとして屈折率が１．５１の材料を用いている。

光学素子２２は、後述の式（１）に基づき、入射面２３の底面（第１面）３１に対する
角度θ_１が６６度以下に設定され、射出面２４の底面３１に対する角度θ_２が６６度以下
に設定されるように端部がカットされている。これにより、迷光の発生を防止している。

すなわち、本実施形態において、入射面２３および射出面２４における底面３１に対す
る角度は、それぞれ同じである。このように、光学素子２２は、Ｚ方向から平面視した際
、台形形状を呈している。これによれば、入射光と出射光とが入射面２３に対して同じ角
度となるので、画像歪みが生じづらく光学的な設計が容易となる。なお、入射面２３およ
び射出面２４における底面３１に対する角度は同じでなくても良く、いずれか一方が他方
よりも大きくても良いし小さくていも良い。

また、本実施形態において、３つの平行平面板２２ａは、いずれも同一の厚みに設定さ
れているが、各平行平面板２２ａの厚みが異なっていても良い。
すなわち、光学素子２２の厚さ（図３のＹ方向における長さ）と、平行平面板２２ａの
長さ（図３のＸ方向における長さ）とは、射出面２４で画像光Ｌ１が均一に分布するのに
十分な値に設定されていればよい。

光学素子２２は、入射面２３および射出面２４以外の側面部である底面３１および上面
３０において臨界角以下で入射させることで全反射面として機能させている。なお、光学
素子２２は、入射面２３および射出面２４以外の側面部である底面３１および上面３０に
反射層が形成されていてもよい。この場合、反射層は、研磨もしくは反射処理等により構
成される。これによれば、画像光は上面３０および底面３１で反射させるため、光学素子
２２内に閉じ込められる。

本実施形態においては、射出面２４の切断角（底面３１に対する角度θ_２）と入射面２
３に対する入射光線とは、次式（１）の関係を満たすように設計されている。なお、式（
１）において、α_１とは、入射面２３に対する光の入射角度である。

ここで、上記式（１）について図面を参照しながら説明する。図４は光学素子２２の設
計条件を説明するための図である。

まず、射出面２４について、切断角（θ_２）を求める。
この場合において、臨界角条件は、次式（２）を満たせば全反射する。

射出面２４に入射する角度β_１について、図４における三角形ＡＢＣから、角部Ｃの角
度は（９０−θ_２）となる。また、入射角度β１は、（（角部Ｃの角度）＋角度γ）で規
定される。すなわち、入射角度β１は、次式（３）で規定される。

上記式（２）、（３）より、全反射するときの射出面２４の切断角（θ_２）は、次式（
４）で規定される。

続いて、入射面２３について、下記の式（５）で規定されるスネルの法則より角度γの
値を求める。

光学素子内に入射した光線が膜に入射する角度γはγ＝１８０−（９０＋α_２）−θ_１
＝９０−α_２−θ_１（式（６））で規定される。また、図４に示すよう、光線の入射角度
が逆の場合、γ＝１８０−（９０−α_２）−θ_１＝９０＋α_２−θ_１（式（７））で規定
される。
そして、式（６）、（７）を合わせることで、γ＝９０±α_２−θ_１（式（８））が求
まる。

以上より、全反射を起こす射出面２４の切断角（θ_２）と入射面２３に対する入射光線
との関係は、上記式（４）と上記式（８）より次式（９）が規定される。

入射条件（上記式（５）より導かれるα_２）を上記式（９）に加えることで上述の式（
１）が導かれる。

ここで、θ_１＝θ_２、素子外屈折率ｎ_１＝１．０、素子内屈折率ｎ_２＝１．５１４５２
、平行平面板２２ａの枚数＝５枚、平行平面板２２ａの厚さ＝０．６ｍｍ、光源（画像光
）の入射角０度、±１０度を条件とするシミュレーションを行った。

この場合、上記式（１）は、２θ_１＜１８０±ｓｉｎ^−１（０．１１４６５５）−ｓｉ
ｎ^−１（０．６６０２７５２０２）となる。これを整理すると、θ_１が６６度以下の場合
、±１０度の入射光が全反射を起こすことが確認できた。

本実施形態によれば、画像光Ｌ１は、ハーフミラー２２ｂを一部の成分が透過するとと
もに残りの成分が反射される。画像光Ｌ１は、ハーフミラー２２ｂに対して透過または反
射を繰り返すことで複数の光線束に分岐され、所定の角度成分のみが射出面２４の全域か
ら射出される。

本実施形態において、光学素子２２は、入射面２３の角度θ_１、射出面２４の角度θ_２
及び複数の平行平面板２２ａの屈折率が、それぞれ入射面２３から入射して導光する表示
パネル２１からの光のうち、上面３０で反射後に射出面２４に入射する光が、射出面２４
で反射するような角度及び屈折率となっている。そのため、上面３０で反射後に射出面２
４に入射する光は射出面２４で反射されるため、所定の角度成分以外の光が射出面２４か
ら射出されることで迷光を生じさせることが抑制される。

このように、光学素子２２においては、入射面２３から入射した画像光Ｌ１が光学素子
２２内において透過および反射を繰り返すことで射出面２４から画像光Ｌ２が射出される
。射出面２４から射出された画像光Ｌ２の幅Ｈ２は、入射面２３に入射した画像光Ｌ１の
幅Ｈ１よりもＸＹ平面内において１次元方向に拡大されている。

画像光Ｌ１は、入射面２３に対する入射角度と射出面２４からの射出角度とが一致して
いる。すなわち、入射面２３に垂直に入射した画像光Ｌ１は、射出面２４から垂直に射出
され、入射面２３に所定の傾きを持って入射した画像光Ｌ１は、射出面２４から所定の傾
きを持った方向に射出される。

また、光学素子２２は、入射面２３に対する画像光Ｌ１の入射角度を保持した状態で、
射出面２４から画像光Ｌ２を所定方向に射出させることが可能である。

以上述べたように、本実施形態によれば、素子内部で画像光Ｌ１の透過あるいは反射を
繰り返すことで、入射時よりも幅を１次元方向に拡大した画像光Ｌ２を射出面２４から射
出させることができる。

また、射出面２４は、迷光の発生を抑制するので、射出面２４側に別途遮光部材を配置
する必要が無い。従って、光学素子２２は、小型化および低コスト化が実現されたものと
なる。よって、このような光学素子２２を備えた表示装置１０によれば、小型化および低
コスト化が図られたものとなる。

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態に係る画像生成装置について説明する。図５は本実施形態に係る
画像生成装置の概略構成を示す図である。本実施形態と第１実施形態との違いは、画像光
Ｌ１の生成方法であり、それ以外の構成は同じである。したがって、以下の説明では、第
１実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、その詳細については説明を省略する
。

図５に示すように、本実施形態に係る画像生成装置２０は、発光部４２と、光学素子２
２とを有している。発光部４２は、光源４０と、ＭＥＭＳミラー（マイクロミラー）４１
とを含む。本実施形態において、光源４０はレーザー光ＬＬ１を射出する１つのレーザー
光源から構成される。ＭＥＭＳミラー４１は、レーザー光ＬＬ１を反射することで入射面
２３に入射させるマイクロミラーである。ＭＥＭＳミラー４１は、レーザー光ＬＬ１を入
射面２３上で走査してスキャンすることで入射面２３上に時間順次で入射させた複数のレ
ーザー光ＬＬ１からなる画像光Ｌ１を形成する。

このように、本実施形態においては、ＭＥＭＳミラー４１がレーザー光ＬＬ１をスキャ
ンすることで画像光Ｌ１が構成される。そのため、画像光Ｌ１は入射面２３に対して所定
の振幅（振角）を持った状態で入射される。本実施形態では、画像光Ｌ１の振幅が１０°
に設定されている。

図６は画像光Ｌ１における入射面２３に対する入射角の振幅を示す図であり、図６（ａ
）、（ｃ）は画像光Ｌ１の主光線が入射面２３に対して入射角θ＝５°の場合を示すもの
であり、図６（ｂ）は画像光Ｌ１の主光線が入射面２３に対して入射角θ＝０°の場合を
示すものであり、図６（ｃ）は画像光Ｌ１の主光線が入射面２３に対して入射角θ＝−５
°の場合を示すものである。

本実施形態では、画像光Ｌ１の主光線が最も外側に振られた場合（図６（ａ）、（ｂ）
に示した±５°振られた状態）であっても、画像光Ｌ１を構成する複数のレーザー光ＬＬ
１が入射面２３に確実に入射するようにＭＥＭＳミラー４１を制御している。これにより
、画像光Ｌ１が光学素子２２の入射面２３に確実に入射されるので、表示パネル２１から
射出したレーザー光ＬＬ１を効率良く画像光Ｌ１として利用することができる。

本実施形態に係る画像生成装置２０によれば、ＭＥＭＳミラー４１による反射光をスキ
ャンすることで光学素子２２の入射面２３に画像光Ｌ１を入射させることができるので、
短い全長で拡大後の画像光Ｌ２を生成することができ、装置構成が小型化されることで限
られた場所に設置可能なものとなる。

続いて、光学素子の変形例について図７〜図１１を参照しつつ説明する。
上記実施形態のように平行平面板２２ａの数は３つに限定されるものではなく、例えば
、画像光Ｌ１の入射位置や入射時のスポット径などといった条件に応じて適宜増減可能で
ある。図７は平行平面板２２ａの数を５つに増加させた場合の光学素子１２２の構成を示
す図である。図７に示すように、光学素子１２２は、５つの平行平面板（導光材）１２２
ａと、４つのハーフミラー（ハーフミラー層）１２２ｂとを有している。本変形例におい
て、光学素子１２２は、厚みが０．９ｍｍの平行平面板を４つのハーフミラー１２２ｂを
介して５つ接合することで構成され、中心長（中心部におけるＸ方向における長さ）が７
ｍｍである。

また、本変形例においても、光学素子１２２は、入射面１２３の底面１３１に対する角
度θ２が３０°に設定され、射出面１２４の底面１３１に対する角度θ１が３０°に設定
されるように端部がカットされている。

ところで、入射面１２３から入射した画像光Ｌ１は、光学素子１２２の内部で多重反射
されることで入射面１２３から戻り光（迷光）Ｌ１´として射出されるおそれもある（図
７参照）。この場合、射出面１２４から射出される画像光Ｌ２はコントラスト比が低下し
てしまう。

図８（ａ）〜（ｃ）は図７に示した光学素子１２２の入射面１２３から射出される戻り
光を防止するために遮光処理層を異なる位置に配置したである。
遮光処理層２５は、図８（ａ）に示すように光学素子１２２の上面１３０における射出
面１２４側の端部に配置しても良いし、図８（ｂ）に示すように光学素子１２２の上面１
３０の全域に配置しても良いし、図８（ｃ）に示すように光学素子１２２の入射面１２３
の上面１３０側の端部に配置しても良い。

このように遮光処理層２５が設けられた光学素子１２２によれば、該遮光処理層２５に
より素子内部での光の多重反射が抑えられる。よって、入射面１２３から画像光Ｌ１の一
部が戻り光として射出されてしまうことが無く、射出面１２４から射出される画像光Ｌ１
のコントラスト低下を防止することができる。

また、素子内部を通過して射出面１２４から射出される画像光Ｌ１は、光強度が減衰す
るおそれがある。これは、入射面１２３に入射した画像光Ｌ１がハーフミラー（ハーフミ
ラー層）２２ｂによる透過反射あるいは上面１３０および底面１３１による反射を繰り返
すことで位相がずれることに起因する。

図９は光学素子１２２に入射した画像光Ｌ１における光路を示す図である。図１０は画
像光Ｌ１の位相差を説明するための図である。なお、図１０において、Ａの波形は光学素
子１２２内の進行波を示し、Ｂの波形は画像光Ｌ１のうちハーフミラー１２２ｂを透過し
た透過光を示し、Ｃの波形は上面１３０または底面１３１で反射された第１反射光を示し
、Ｄの波形は画像光Ｌ１のうちハーフミラー１２２ｂで反射された第２反射光を示し、Ｅ
の波形はハーフミラー１２２ｂでの反射光と上面１３０または底面１３１での反射光との
合成波（すなわち、Ｃ、Ｄの波形の合成波）を示している。

図９に示すように、入射面２３から入射した画像光Ｌ１は、射出面２４から射出までの
経路（光路長）Ｋが同じである。本変形例においては、図１０に示すように、ハーフミラ
ー１２２ｂおよび上面１３０または底面１３１（反射層）が、画像光Ｌ１のうちハーフミ
ラー１２２ｂを透過した後に上面１３０または底面１３１で反射されて戻ってきた第１反
射光（第１の光）と、画像光Ｌ１のうちハーフミラー１２２ｂで反射された第２反射光（
第２の光）との位相を揃えるように設計されている。具体的に、光学素子２２の厚さと入
射面１２３の角度が調整される。そのため、図１０に示すＥの波形は、強度減衰が生じる
こと無いので、画像光Ｌ１は素子内で強度の減衰が抑えられたものとなり、射出面２４か
ら良好に射出される。

上記実施形態では、光学素子２２を１個配置することで画像光Ｌ１を１次元方向にのみ
拡大する場合を例に挙げたが、複数の光学素子２２を配置するようにしても良い。
図１１（ａ）は光学素子２２を複数（２つ）配置した変形例に係る構造を示す図であり
、図１１（ｂ）は２つめの光学素子２２により画像光Ｌ１が拡大される状態を示す図であ
る。

本変形例においては、図１１（ａ）に示すように、第１の光学素子２２Ａおよび第２の
光学素子２２Ｂを配置している。第１の光学素子２２Ａおよび第２の光学素子２２Ｂは、
第１実施形態の光学素子２２と同じ構成を有している。第１の光学素子２２Ａおよび第２
の光学素子２２Ｂは、各々の厚み方向が異なるように画像光Ｌ１の光路中に配置される。

具体的に、第１の光学素子２２Ａは、平行平面板２２ａの厚さ方向を図１１（ａ）のＹ
方向に一致させるように配置されている。これにより、画像光Ｌ１は、第１の光学素子２
２Ａの入射面２３から入射し、ＸＹ平面内で一次元方向に拡大された画像光Ｌ２として射
出面２４から射出される。

一方、第２の光学素子２２Ｂは、平行平面板２２ａの厚さ方向を図１１（ａ）、（ｂ）
のＺ方向に一致させるように配置されている。これにより、ＸＹ平面内で一次元方向に拡
大された画像光Ｌ２は、第２の光学素子２２Ｂの入射面２３から入射した後、ＹＺ平面内
で一次元方向に拡大された画像光Ｌ３として射出面２４から射出される。

このように２つの光学素子２２Ａ，２２Ｂを配置することで画像光Ｌ１を二次元方向へ
拡大することができる。よって、光学素子の数を適宜調整することによって、画像光Ｌ１
を所望の大きさまで容易に拡大させることができる。

なお、２つの光学素子を組み合わせる場合、図１０に示したように台形状の光学素子２
２Ａ、２２Ｂを組み合わせるのが好ましいが、本発明はこれに限定されない。すなわち、
台形状以外（例えば、三角形状）の光学素子同士を組み合わせても良いし、一方が台形状
の光学素子であり、他方が例えば三角形状の光学素子であっても良い。

以上、本発明の一実施形態および変形例について説明したが、上記実施形態の内容に限
定されることは無く、発明の主旨を逸脱しない範囲内で適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、光学素子２２、１２２として、平面形状が台形のも
のを例示したが、これに限定されることはなく、平行四辺形、あるいは入射面２３あるい
は射出面２４のうち画像光Ｌ１が入射あるいは出射されない部分をカットすることで四角
形以外の多角形状に形成するようにしてもよい。

また、図１１に示した変形例では、光学素子２２Ａ，２２Ｂを２つ配置する場合を説明
したが、光学素子の数はこれに限定されない。例えば、拡大後の画像光Ｌ１の大きさに応
じて、光学素子を３つ以上配置するようにしても良い。また、図１１では２つの光学素子
２２Ａ，２２Ｂとして同一平面形状のものを用いる場合を例示したが、異なる平面形状（
例えば、一方が台形状、他方が平行四辺形状）としてもよい。また、図１１では画像光Ｌ
１を二次元方向に拡大させる場合を例に挙げたが、画像光Ｌ１を一次元方向で２段階で拡
大させるようにしてもよい。

また、本発明の電気光学装置は、上記表示装置１０のような透過型のヘッドマウントデ
ィスプレイに限らず、拡大素子を用いる投射型のプロジェクターや、他の虚像ディスプレ
イにも使用可能である。本発明の電気光学装置を適用可能な電子機器としては、他にも、
ヘッドアップディスプレイや、窓を模した枠内に風景映像を表示する疑似窓を例示するこ
とができる。

１Ｌ，１Ｒ…発光装置、２、２０…画像生成装置（光源）、３Ｌ，３Ｒ…ハーフミラー（
導光光学系）、１０…表示装置（電気光学装置）、２１…表示パネル、２２，１２２…光
学素子（第１光学素子）、２２Ａ…第１の光学素子（第１光学素子）、２２Ｂ…第２の光
学素子（第２光学素子）、２２ａ，１２２ａ…平行平面板（導光材）、２２ｂ、１２２ｂ
…ハーフミラー（ハーフミラー層）、２３，１２３…入射面、２４，１２４…射出面、３
０…上面（第２面）、２６…コリメータレンズ、３１…底面（第１面）、４０…光源、４
１…ＭＥＭＳミラー（マイクロミラー）、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…画像光、θ_１…第１角度、
θ_２…第２角度。

Claims

異なる角度成分を含む光を発する光源と、
複数の導光材がハーフミラー層を介して接合された第１光学素子と、を有し、
前記第１光学素子は、
前記ハーフミラー層と平行となるように形成された第１面と、
前記第１面と平行となるように形成された第２面と、
前記第１面とのなす角が第１角度となるように形成された入射面と、
前記入射面とは反対側の位置に、前記第１面とのなす角が第２角度となるように形成さ
れた射出面と、を備え、
前記光源は、前記異なる角度成分を含む光が前記第１光学素子の前記入射面に入射する
ように配置され、
前記第１光学素子の前記第１角度、前記第２角度及び前記複数の導光材の屈折率は、そ
れぞれ前記入射面から入射して導光する前記光源からの光のうち、前記第２面で反射後に
前記射出面に入射する光が、前記射出面で反射するような角度及び屈折率とされているこ
とを特徴とする電気光学装置。
請求項１に記載の電気光学装置において、
前記第１角度は、前記第２角度と等しい角度であることを特徴とする電気光学装置。
請求項２に記載の電気光学装置において、
前記複数の導光材の屈折率は、１．５であり、
前記第１角度及び前記第２角度は、６６度以下であることを特徴とする電気光学装置。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気光学装置において、
前記光源は、前記光源に含まれる異なる角度成分の光のうち第１方向の光が前記入射面
に対して垂直に入射するように配置され、
前記光源に含まれる異なる角度成分の光は、いずれも前記第１方向に対して１０度以下
の角度で交差していることを特徴とする電気光学装置。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気光学装置において、
前記第１光学素子の前記第１面に反射層を有することを特徴とする電気光学装置。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気光学装置において、
前記第１光学素子は、前記複数の導光材の各々の厚さ、前記第１角度及び前記第２角度
が、前記入射面に入射した光のうち前記ハーフミラー層で反射した光の位相と、前記ハー
フミラー層を透過して前記第１面で反射した光の位相と、が同じ位相となるように形成さ
れていることを特徴とする電気光学装置。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電気光学装置において、
複数の導光材が互いにハーフミラー層を介して接合された第２光学素子を有し、
前記第２光学素子は、前記第２光学素子のハーフミラー層が、前記第１光学素子のハー
フミラー層と交差するように配置され、
前記第１光学素子の入射面に入射した光は、前記第１光学素子と前記第２光学素子とを
介して少なくとも２つの方向に拡大されることを特徴とする電気光学装置。
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電気光学装置において、
前記光源は、画像を表示する表示パネルと、前記表示パネルで表示された画像を異なる
角度成分を含む平行光とするコリメータレンズと、を備えることを特徴とする電気光学装
置。
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電気光学装置において、
前記光源は、光を発する発光部と、前記発光部からの光を反射するマイクロミラーと、
を備え、
前記マイクロミラーは、前記マイクロミラーに入射する発光部からの光をスキャンする
ように反射させることで異なる角度成分を含む画像光とすることを特徴とする電気光学装
置。