JPH11249067A - ハーフミラーを有した観察系及び該ハーフミラーの製造方法 - Google Patents

ハーフミラーを有した観察系及び該ハーフミラーの製造方法

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JPH11249067A
JPH11249067A JP10062338A JP6233898A JPH11249067A JP H11249067 A JPH11249067 A JP H11249067A JP 10062338 A JP10062338 A JP 10062338A JP 6233898 A JP6233898 A JP 6233898A JP H11249067 A JPH11249067 A JP H11249067A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い可視光域で平坦な分光特性を有する吸収
の少ないハーフミラーを利用して、表示手段で表示した
映像情報と外景の画像情報の双方を観察するハーフミラ
ーを有した観察系を得ること。 【解決手段】 表示手段で表示された可視域の映像情報
をハーフミラーを有する観察光学系を用いて観察者の眼
球に導光して該映像情報の像を観察する観察系であっ
て、該ハーフミラーは複数の金属膜と複数の誘電体膜か
ら成っていること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶画像等の表示
手段に表示した映像情報と外景の画像情報の双方とハー
フミラーを介して同一視野で観察する例えばヘッドマウ
ントディスプレーやビデオカメラ等の撮影装置に好適な
ハーフミラーを有した観察系及び該ハーフミラーの製造
方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、互いに異なった方向に表示さ
れている画像情報を同一視野で同時に観察する観察系に
は、光束を複数に分割する為のハーフミラー面が用いら
れている。例えば、液晶画像等の表示手段に表示した画
像情報と外景の画像情報の双方を同一視野で観察するヘ
ッドマウントディスプレーやビデオカメラ等の撮影装置
に搭載する観察系の光学系には液晶画像を観察者の目に
向かって反射する一方で、外界画像を透過させる為にハ
ーフミラーを備えている。このようなハーフミラーとし
ては、誘電体材料からなる高屈折率膜と低屈折率膜を交
互に積層した誘電体多層膜や、金属膜を誘電体膜でサン
ドイッチした金属ハーフミラー等が多く用いられてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の誘電体多層膜や
金属膜より成るハーフミラーの製造技術によれば、誘電
体多層膜では、広い可視光域で比較的高い反射率を得る
ために膜の層数を多くする必要があった。一般に膜の層
数を多くすると製造が難しくなり、又、製造コストが上
昇するうえに誘電体多層膜の偏向特性や、分光特性の平
坦性が低下するという問題点が生じてくる。
【０００４】又、金属膜では、偏向特性や分光特性の平
坦性は比較的良いものの、光を吸収する現象があり、透
過光と反射光への光量の分割による光学特性の効率が低
下するという問題点があった。
【０００５】このように、従来のハーフミラー面の製造
技術では、光学特性と製造方法の双方において満足でき
るハーフミラーを得ることが難しかった。
【０００６】本発明は、広い可視光域で平坦な分光特性
と、光の吸収の少ない優れた光学特性を有し、製造工程
が簡単なハーフミラーを有した観察系及び該ハーフミラ
ーの製造方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のハーフミラーを
有した観察系は （１−１）表示手段で表示された可視域の映像情報をハ
ーフミラーを有する観察光学系を用いて観察者の眼球に
導光して該映像情報の像を観察する観察系であって、該
ハーフミラーは複数の金属膜と複数の誘電体膜から成っ
ていることを特徴としている。
【０００８】特に （１−１−１）前記複数の金属膜が、クロムと銀からな
ること。
【０００９】（１−１−２）前記クロムの膜厚が、０．
１〜１０ｎｍの範囲からなること。
【００１０】（１−２−３）前記誘電体膜の材料が、Ｓ
ｉＯ，ＳｉＯ2 ，ＭｇＦ2 ，Ａｌ2Ｏ3 ，ＺｒＯ2 ，Ｔ
ｉＯ2 ，Ｔａ2Ｏ5 ，ＺｎＳおよびこれらの混合物の中
から選定されていること。
【００１１】（１−２−４）前記観察光学系はプリズム
体より成る光学素子とシースルー用のプリズム体とを有
し、該光学素子は前記表示手段からの光束を入射させる
入射面、該入射面からの光束を一部に全反射面を利用し
た前面、そして、該前面からの光束を該前面側へ反射さ
せる反射面とを有しており、該プリズム体は外景の画像
情報からの光束を入射させる入射面と、該光学素子の反
射面と略同形状の出射面とを有しており、該光学素子の
反射面と該プリズム体の出射面とは対向しており、前記
ハーフミラーは該光学素子の反射面又は該プリズム体の
出射面に設けられていること。
【００１２】（１−１−５）前記外景の画像情報からの
光束を前記プリズム体の入射面より入射させ、該プリズ
ム体の出射面より出射させた後、前記光学素子の反射面
と前面を介して観察者側に導光していること。
【００１３】（１−１−６）前記光学素子と前記プリズ
ム体は接合されていること。
【００１４】（１−１−７）前記光学素子の前面は、球
面又は非球面又はトーリック面より成っていること。
【００１５】（１−１−８）前記光学素子の反射面は球
面又は非球面又はトーリック面より成っていること等を
特徴としている。
【００１６】本発明のハーフミラーの製造方法は （２−１）表示手段で表示された可視域の映像情報を観
察者の眼球に導光して該映像情報を観察する為に用いら
れるハーフミラーを製造する際、基板面上に複数層の金
属膜を成膜する工程と誘電体膜を成膜する工程とを有
し、各工程中に該基板を無加熱として製造することを特
徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１は本発明のハーフミラーを用
いた観察系の実施形態１の光路を示す要部断面図であ
る。
【００１８】図中、５は観察者、３は表示手段であり、
液晶表示素子等から成り、可視域の映像情報を表示して
いる。表示手段３は、例えばＣＤ−ＲＯＭやビデオカメ
ラ等の映像情報供給手段（不図示）からの信号に基づい
て映像情報を表示している。
【００１９】Ｐは観察光学系であり、プリズム体より成
る拡大用の光学素子１とシースルー用のプリズム体２と
を有している。光学素子１は平面、又は球面より成る入
射面１ａ、平面、球面又はトーリック飛球面より成る一
部に全反射を利用した前面１ｂ、そして平面、球面又は
トーリック面より成る反射面１ｃより成っている。
【００２０】プリズム体２は外景の画像情報からの光束
を入射させる平面、球面又はトーリック面より成る入射
面２ａと光学素子１の反射面１ｃと同形状の平面、球面
又はトーリック面より成る出射面２ｂとを有している。
【００２１】光学素子１の反射面１ｃ又はプリズム体２
の出射面２ｂはハーフミラー面となっている。本実施形
態では反射面１ｃをハーフミラー面としている。ハーフ
ミラー面は基板面上に複数の金属膜と複数の誘電体膜か
らなっている。４は外景の画像情報である。６は光軸
（中心軸）であり、これは眼球５ａの光軸と一致してい
る。表示手段３から眼球５ａに至る光路中の各要素で、
表示手段３で表示した映像情報の虚像を観察している。
【００２２】光学素子１とプリズム体２はアクリル樹
脂、ポリカーボネート樹脂、ポリオレフィン樹脂等のプ
ラスチック樹脂材料によって一体成形している。本実施
形態では表示手段３で表示された映像情報に基づく光束
（可視光束）を光学素子１にその入射面１ａより導入し
ている。そして光学素子１の前面１ｂで全反射させた後
に、ハーフミラー面１ｃで反射集光して前面１ｂを通過
させて観察者５の眼球５ａに導光している。
【００２３】又、外景の画像情報４をプリズム体２の入
射面２ａと出射面２ｂ、光学素子１のハーフミラー面１
ｃ、そして前面１ｂを介して観察している。このとき、
プリズム体２の入射面２ａの曲率を適切に設定すること
により、外景の画像情報４と表示手段３の映像情報の虚
像とを空間的に重畳して双方を同一視野で同一視度とし
て観察するようにしている。
【００２４】尚、光学素子１の反射面１ｃをハーフミラ
ー面としたが、反射面１ｃを透過面としプリズム体２の
出射面２ｂをハーフミラー面としても良い。
【００２５】本実施形態におけるハーフミラーは基板面
上に複数の金属膜と複数の誘電体膜より構成している。
そして複数の金属膜が、クロムと銀からなり、このとき
のクロム膜厚が０．１〜１０ｎｍの範囲内となるように
している。このときのクロムと銀の２層からなる金属膜
のクロム膜は、基板または基板に成膜された誘電体膜に
対する銀膜の結合力（付着性）を強化すると共に欠陥の
ない銀膜を成膜するのに役立つものであり、これによっ
て、極めて優れた光学特性を有するハーフミラーを得て
いる。
【００２６】又、誘電体膜の材料が、ＳｉＯ，ＳｉＯ
2 ，ＭｇＦ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＺｒＯ2，ＴｉＯ2 ，Ｔａ2
Ｏ5 ，ＺｎＳおよびこれらの混合物の中から選定して
いる。
【００２７】そしてハーフミラーを製造するときには基
板面上に複数層を成膜する工程と誘電体膜を成膜する工
程を有し、各工程中において基板を無加熱としている。
【００２８】図２は図１のハーフミラー面１ｃ（２ｂ）
の膜構成を示す模式的断面図である。本実施形態のハー
フミラー面の膜構成は、アクリル樹脂（プラスチック）
からなる基体１０の表面にまず２層から成る誘電体膜の
ＳｉＯ2 膜１１、ＺｒＯ2 膜１２と、その上に２層から
成る金属膜のＣｒ膜１３、Ａｇ膜１４と、その上に３層
から成る誘電体膜のＡｌ2 Ｏ3 膜１５、ＺｒＯ2 膜１
６、ＳｉＯ2 膜１７を順次設けた全体として７層の膜構
成より成っている。
【００２９】次に本実施形態における各層のこの他の構
成及びそれらの特徴について説明する。
【００３０】第１層１１はプラスチックの基板１０との
密着性が良く、熱膨張や吸湿膨張による変形を緩和でき
る珪素酸化物のＳｉＯやＳｉＯ2 膜が適用可能である。
【００３１】第２層１２は屈折率が高く、吸収の少ない
ＺｒＯ2 やＴｉＯ2 を主成分とした膜で、膜厚により選
択的にＡｇ膜の内面反射を減少させられ、分光特性を平
坦化している。
【００３２】第３層１３のＣｒ膜は上部（第４層）のＡ
ｇ膜の付着性を高め、欠陥の少ないＡｇ膜を形成させる
働きを有するもので、膜厚は０．１〜１０ｎｍの範囲が
好ましい。膜厚０．１ｎｍ以下では効果が少なく、また
膜厚の増加とともにＣｒ固有の吸収が増大する。そこ
で、本実施形態では光学式と水晶式の膜厚計を併用し
て、極めて高精度の膜厚制御を行っている。
【００３３】第４層１４のＡｇ膜は膜厚により反射光量
と透過光量の分割比率を容易に変えられ、ハーフミラー
としての膜厚は１０ｎｍ〜４０ｎｍ範囲としている。
【００３４】第５層１５のＡｌ2 Ｏ3 膜はＡｇ膜との付
着性が強く、緻密な膜質で大気中等の水分の進入を低減
し、第６層１６のＺｒＯ2 を主成分とした膜は膜厚によ
り分光特性を平坦化させ、第７層１７のＳｉＯ2 膜は膜
強度が硬く、耐溶剤性を向上させている。
【００３５】尚、上記すべての薄膜層の成膜は真空蒸着
法によって基板を加熱することなく連続的に行い、これ
によって成膜後直ちに真空室から取り出すことができる
ようにしている。すなわち、本実施形態では加熱や冷却
のための待機時間が不要であるために製造サイクルが短
くて製造工程も極めて簡単である。
【００３６】次に本発明に係るハーフミラー面の膜構成
の具体的な製造方法について説明する。
【００３７】（実施例１）真空蒸着装置にアクリル樹脂
から成るプリズム状の基体を入れ、基体を加熱すること
なく１×１０−３Ｐａ以下の圧力に真空排気した後、１
層にＳｉＯ膜を１６０ｎｍ、２層にＺｒＯ2 を主成分と
した混合物からなるＺｒＯ2 膜を８０ｎｍ、３層にＣｒ
膜を２ｎｍ、４層にＡｇ膜を３２ｎｍ、５層にＡｌ2 Ｏ
3 膜を２０ｎｍ、６層にＺｒＯ2 を主成分とした混合物
からなるＺｒＯ2 膜を７０ｎｍ、７層にＳｉＯ膜を１０
ｎｍ、それぞれ成膜後、真空蒸着装置より取り出した。
次にシースルー用のプリズム体２と接合して、反射率と
透過率の比率を８：２とした観察系のハーフミラーを製
作した。
【００３８】図３はハーフミラーの入射角度２５度にお
ける内部反射の分光反射率Ｒと分光透過率Ｔを示すグラ
フである。この図から解かるように本実施形態では可視
光域の波長４００〜６６０ｎｍ間では平坦な分光特性
で、波長５００ｎｍの反射率は７７．７％、透過率は１
９．４％、吸収は２．９％であり、吸収の少ない優れた
光学特性のハーフミラーを達成している。
【００３９】（実施例２）真空蒸着装置にアクリル樹脂
からなるプリズム状の基体を入れ、基体を加熱すること
なく１×１０−３Ｐａ以下の圧力に真空排気した後、１
層にＳｉＯ膜を１６０ｎｍ、２層にＺｒＯ2 を主成分と
した混合物からなるＺｒＯ2 膜を８０ｎｍ、３層にＣｒ
膜を２ｎｍ、４層にＡｇ膜を２６ｎｍ、５層にＡｌ2 Ｏ
3 膜を２０ｎｍ、６層にＺｒＯ2 膜を主成分とした混合
物からなるＺｒＯ2 膜を７０ｎｍ、７層にＳｉＯ膜を１
０ｎｍそれぞれ成膜後、真空蒸着装置より取り出した。
次にシースループリズムと接合して、反射率と透過率の
比率を７：３とした観察系のハーフミラーを製作した。
【００４０】ハーフミラーの入射角度２５度における内
部反射の分光特性は、可視光域の波長４００〜６６０ｎ
ｍ間では平坦な分光特性で、波長５００ｎｍの反射率は
６８．５％、透過率は１８．５％、吸収は３．０％であ
り、吸収の少ない優れた光学特性のハーフミラーを達成
している。
【００４１】（実施例３）真空蒸着装置にポリカーボネ
ート樹脂からなるプリズム状の基体を入れ、基体を加熱
することなく１×１０−３Ｐａ以下の圧力に真空排気し
た後、１層にＳｉＯ膜を１６０ｎｍ、２層にＣｒ膜を２
ｎｍ、３層にＡｇ膜を３２ｎｍ、４層にＣｒ膜を２ｎ
ｍ、５層にＡｌ2 Ｏ3 膜を１５０ｎｍ、６層にＳｉＯ膜
を１０ｎｍそれぞれ成膜後、真空蒸着装置より取り出し
た。次にシースループリズムとエアーギャップを設けて
組み立て、反射率と透過率の比率を８：２とした観察系
のハーフミラーを製作した。
【００４２】ハーフミラーの入射角度２５度における内
部反射の分光特性は、可視光域の波長４００〜６６０ｎ
ｍ間では平坦な分光特性では、波長５００ｎｍの反射率
は７７．６％、透過率は１９．７％、吸収は２．７％で
あり、吸収の少ない優れた光学特性のハーフミラーを達
成している。
【００４３】次に本実施形態によらない膜構成のハーフ
ミラーを参考の為、製作して本発明に係るハーフミラー
面と比較してみた。
【００４４】まず、真空蒸着装置にアクリル樹脂からな
るプリズム状の基体を入れ、基体を加熱することなく１
×１０−３Ｐａ以下の圧力に真空排気した後、１層にＳ
ｉＯ膜を１６０ｎｍ、２層にＺｒＯ2 を主成分とした混
合物からなるＺｒＯ2 膜を８０ｎｍ、３層にＡｇ膜を３
２ｎｍ、４層にＺｒＯ2 膜を主成分とした混合物からな
るＺｒＯ2 膜を７０ｎｍ、５層にＳｉＯ膜を１０ｎｍそ
れぞれ成膜後、真空蒸着装置より取り出した。次にシー
スループリズムと接合して、反射率と透過率の比率を
８：２とした観察系のハーフミラーを製作した。
【００４５】ハーフミラーの入射角度２５度における内
部反射の分光特性は、可視光域の波長４００〜６５０間
では平坦な分光特性で、波長５００ｎｍの反射率は７
２．５％、透過率は２０．４％、吸収は７．１％であ
り、Ａｇ膜の特性から離れた吸収の多いハーフミラーで
あった。
【００４６】
【発明の効果】本発明によれば以上のように各要素を設
定することによって、広い可視光域で平坦な分光特性
と、光の吸収の少ない優れた光学特性を有し、製造工程
が簡単なハーフミラーを有した観察系及び該ハーフミラ
ーの製造方法を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のハーフミラーを有した観察系の実施形
態１の要部概略図
【図２】本発明に係るハーフミラーの膜構成の模式的断
面図
【図３】本発明に係るハーフミラーの分光特性の説明図
【符号の説明】
Ｐ 観察光学系 １ 光学素子 ２ プリズム体 ３ 表示手段 ４ 外景の画像情報 ５ 観察者 １０ 基板 １１〜１７膜 １ａ 入射面 １ｂ 前面 １ｃ 出射面（ハーフミラー面） ２ａ 入射面 ２ｂ 出射面

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 表示手段で表示された可視域の映像情報
    をハーフミラーを有する観察光学系を用いて観察者の眼
    球に導光して該映像情報の像を観察する観察系であっ
    て、該ハーフミラーは複数の金属膜と複数の誘電体膜か
    ら成っていることを特徴とするハーフミラーを有した観
    察系。
  2. 【請求項２】 前記複数の金属膜が、クロムと銀からな
    ることを特徴とする請求項１のハーフミラを有した観察
    系。
  3. 【請求項３】 前記クロムの膜厚が、０．１〜１０ｎｍ
    の範囲からなることを特徴とする請求項２のハーフミラ
    ーを有した観察系。
  4. 【請求項４】 前記誘電体膜の材料が、ＳｉＯ，ＳｉＯ
    2 ，ＭｇＦ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＺｒＯ2 ，ＴｉＯ2 ，Ｔａ
    2Ｏ5 ，ＺｎＳおよびこれらの混合物の中から選定され
    ていることを特徴とする請求項１、２又は３のハーフミ
    ラーを有した観察系。
  5. 【請求項５】 前記観察光学系はプリズム体より成る光
    学素子とシースルー用のプリズム体とを有し、該光学素
    子は前記表示手段からの光束を入射させる入射面、該入
    射面からの光束を一部に全反射面を利用した前面、そし
    て、該前面からの光束を該前面側へ反射させる反射面と
    を有しており、該プリズム体は外景の画像情報からの光
    束を入射させる入射面と、該光学素子の反射面と略同形
    状の出射面とを有しており、該光学素子の反射面と該プ
    リズム体の出射面とは対向しており、前記ハーフミラー
    は該光学素子の反射面又は該プリズム体の出射面に設け
    られていることを特徴とする請求項１から４のいずれか
    １項のハーフミラーを有した観察系。
  6. 【請求項６】 前記外景の画像情報からの光束を前記プ
    リズム体の入射面より入射させ、該プリズム体の出射面
    より出射させた後、前記光学素子の反射面と前面を介し
    て観察者側に導光していることを特徴とする請求項５の
    ハーフミラーを有した観察系。
  7. 【請求項７】 前記光学素子と前記プリズム体は接合さ
    れていることを特徴とする請求項６のハーフミラーを有
    した観察系。
  8. 【請求項８】 前記光学素子の前面は、球面又は非球面
    又はトーリック面より成っていることを特徴とする請求
    項５、６又は７のハーフミラを有した観察系。
  9. 【請求項９】 前記光学素子の反射面は球面又は非球面
    又はトーリック面より成っていることを特徴とする請求
    項５、６、７又は８のハーフミラーを有した観察系。
  10. 【請求項１０】 表示手段で表示された可視域の映像情
    報を観察者の眼球に導光して該映像情報を観察する為に
    用いられるハーフミラーを製造する際、基板面上に複数
    層の金属膜を成膜する工程と誘電体膜を成膜する工程と
    を有し、各工程中に該基板を無加熱として製造すること
    を特徴とするハーフミラーの製造方法。
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