本发明涉及光学元件和显示装置。
背景技术：
近年来，作为可佩戴信息设备之一，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，提供了如下的所谓透视型的图像显示装置：在观察者佩戴了该图像显示装置时，能够同时视觉辨认由显示元件生成的图像和外界的图像的双方。
在下述专利文献1中公开了如下的导光装置：具有平行导光体、入射部和射出部，射出部具有将反射影像光的多个半反射镜相互平行地排列所得的反射单元，在头戴式显示器等显示装置中，将来自影像元件的光引导至观察者的视野。此外，在专利文献1中记载了如下内容：可以使反射单元的厚度在接近光的入射部的一侧较厚、在远离入射部的一侧较薄；以及可以在半反射镜的间距较大的情况下使用全反射镜。
专利文献1：日本特开2016-42136号公报
在具有多个半反射镜的射出部中，在提高半反射镜的反射率时，图像光的提取效率升高。但是，专利文献1所记载的导光装置具有如下问题：在设半反射镜的反射率为100％时，图像中产生较大的暗部。此外，具有如下问题：在加大半反射镜的间隔时，即使较大的暗部得到了改善，也会产生条纹状的明亮度不匀。
此外，在专利文献1所记载的导光装置中，反射单元整体的厚度从接近光的入射部的一侧朝向远离的一侧发生变化，所以反射单元中的相互相对的入射面和射出面不平行。此外，由于将反射单元嵌入到平行导光体，所以在平行导光体的外界光的入射面与反射单元的射出面之间存在倾斜面，该倾斜面是平行导光体与反射单元的界面。此外，在平行导光体与反射单元之间夹设有粘接剂。这样，当外界光的入射面与射出面之间存在倾斜面时，由于平行导光体与反射单元的折射率差、粘接剂的存在等导致外界光的光路弯曲。其结果，产生外界图像的放大、对焦偏差等问题。
技术实现要素：
本发明的一个方式正是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够减少图像的暗部和条纹状的明亮度不匀，并能够减少外界图像的放大、对焦偏差等的显示装置。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：多个反射镜，它们隔开间隔地相互平行设置，反射图像光和外界光的一部分；第1透光性部件，其介于所述多个反射镜的相邻的2个所述反射镜之间；以及第2透光性部件，其相对于所述第1透光性部件，设置于所述图像光和所述外界光的入射侧和射出侧中的任意一方，所述第1透光性部件和所述第2透光性部件中的、一方的透光性部件的与另一方的透光性部件相反侧的面是经由导光体而入射所述图像光和所述外界光的入射面，所述另一方的透光性部件的与所述一方的透光性部件相反侧的面是朝观察者侧射出所述图像光和所述外界光的射出面，所述多个反射镜中的各个所述反射镜分别相对于所述入射面倾斜地配置，所述多个反射镜包含第1反射镜、及宽度比所述第1反射镜窄的第2反射镜。
在本发明的一个方式的光学元件中，多个反射镜包含第1反射镜、及宽度比第1反射镜窄的第2反射镜，所以以较小的入射角入射到接近第2反射镜的一侧的反射镜、且以较小的反射角进行反射后的光不会被第2反射镜遮挡，而是朝向规定的方向射出。由此，能够减少图像的暗部和条纹状的明亮度不匀。
此外，光学元件具有第2透光性部件，该第2透光性部件相对于第1透光性部件，设置于图像光和外界光的入射侧和射出侧中的任意一方，所以在外界光透过各部件的期间内，即使外界光的光路弯曲，也能够利用第2透光性部件补偿并减小光路的弯曲。由此，能够减少外界图像的放大、对焦偏差等。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，属于设置有所述多个反射镜的整个区域中的至少一部分区域的、多个所述反射镜的宽度从配置有所述第1反射镜的一侧朝向配置有所述第2反射镜的一侧依次变窄。
根据该结构，能够减少图像的暗部和条纹状的明亮度不匀，能够得到温和的强度分布。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述第2透光性部件相对于所述第1透光性部件，设置于所述图像光和所述外界光的射出侧，所述多个反射镜各自的一端与所述入射面接触。
根据该结构，能够提高图像光的提取效率。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述第2透光性部件相对于所述第1透光性部件，设置于所述图像光和所述外界光的入射侧，所述多个反射镜各自的一端与所述射出面接触。
根据该结构，能够进一步提高图像的明亮度的均匀性。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述第1透光性部件与所述第2透光性部件一体地形成。
根据该结构，第1透光性部件与第2透光性部件的界面消失，能够消除界面处的光路的弯曲。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述第1透光性部件与所述第2透光性部件分体地形成。
根据该结构，由于能够单独制作第1透光性部件和第2透光性部件，所以能够容易地进行光学元件的制造。特别是第2透光性部件的制作变得容易，所以容易补偿外界光的光路的弯曲。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述第1透光性部件为与所述第2透光性部件相同的折射率，所述射出面与所述入射面平行。
根据该结构，能够大致消除第1透光性部件与第2透光性部件的界面处的外界光的光路的弯曲，能够使入射到光学元件前的外界光的光路与从光学元件射出后的外界光的光路大致平行。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述第1透光性部件为与所述第2透光性部件不同的折射率，所述射出面相对于所述入射面倾斜。
根据该结构，即使外界光的光路在第1透光性部件与第2透光性部件的界面处弯曲，通过适当调整射出面相对于入射面的倾斜角度，也能够适当补偿光路的弯曲。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述多个反射镜各自的反射率为60％以上且小于100％。
根据该结构，与现有的光学元件相比，能够提高光的提取效率。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述多个反射镜分别由金属材料构成。
根据该结构，能够容易地实现具有60％以上且小于100％的反射率的反射镜。
在本发明的一个方式的光学元件中，也可以是，所述第2反射镜的宽度比与所述第2反射镜相邻的反射镜和所述第2反射镜之间的间距小。
根据该结构，能够使外界光充分透过，能够确保外界图像的明亮度。
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，其入射所述图像光；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，其射出所述图像光，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，所以能够实现减少了图像的暗部和条纹状的明亮度不匀的显示装置。
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视觉辨认侧的面。
根据该结构，能够实现光学设计较容易的显示装置。
在本发明的一个方式的显示装置中，也可以是，所述多个反射镜中的各个所述反射镜分别在使得所述入射面侧的端部接近所述导光装置的所述入射部侧的方向上倾斜。
根据该结构，图像光以较大的入射角入射到接近入射部侧的反射镜并进行反射，图像光以相对较小的入射角入射到远离入射部侧的反射镜并进行反射，所以能够使图像光朝向观察者的眼睛的方向行进。
附图说明
图1是第1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反面图。
图3是示出导光装置中的图像光的光路的图。
图4是第1实施方式的光学元件的剖视图。
图5是示出反射镜中使用的金属材料的分光反射率的曲线图。
图6是示出射出光分布的光线追踪模拟的结果的图。
图7是示出第1实施方式的光学元件中的图像的明亮度分布的曲线图。
图8是示出反射镜的反射率与图像的明亮度的关系的图表。
图9a是示出光学元件的制造工艺的一个工序的图。
图9b是示出图9a的接续的图。
图9c是示出图9b的接续的图。
图10是比较例的光学元件的剖视图。
图11是示出反射镜的反射率与提取效率的关系的曲线图。
图12是示出比较例的光学元件中的图像的明亮度分布的曲线图。
图13是第2实施方式的光学元件的剖视图。
图14是第3实施方式的光学元件的剖视图。
图15是第4实施方式的光学元件的剖视图。
图16是示出第4实施方式的光学元件中的图像的明亮度分布的曲线图。
标号说明
10：图像形成装置；20：导光装置；30、40、50、60：光学元件；31、41、51：反射镜；32、52：透光性部件；32a、42a：入射面；32b、45b、46b：射出面；32e、40e：第1端部；32f、40f：第2端部；42、321：第1透光性部件；43、322：第2透光性部件；100：显示装置；311：第1反射镜；312：第2反射镜；gl、gl0、gl1、gl2：图像光；el：外界光。
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反面图。图3是示出导光装置中的图像光的光路的图。
另外，在以下的各附图中，为了容易观察各结构要素，按照结构要素有时使尺寸的比例尺不同来示出。
(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的图像视觉辨认为虚像，并使观察者透视地观察外界图像。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相对应地分别设置有一组。右眼用的装置和左眼用的装置的结构相同，仅各结构要素的配置左右对称的方面不同。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的外观。
图像形成装置10具有有机电致发光(el)元件11和投射透镜12。有机el元件11射出构成动态图像、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。投射透镜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。投射透镜12由玻璃或塑料形成，不限于1张，也可以由多张构成。投射透镜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进行引导以后使其朝向观察者的眼睛ey射出，另一方面，使构成外界图像的外界光el透过。导光装置20具有：入射部21，其引入图像光；平行导光体22，其主要引导图像光；以及射出部23，其用于提取图像光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而成。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1种光路构成，而不是合成多种光路。
平行导光体22配置为相对于光轴ax倾斜，该光轴ax以观察者的眼睛ey观察正面时的视线为基准。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，能够沿着面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倾斜。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的法线形成角度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被引入到入射部21内。被引入到入射部21内的图像光gl在反射面rs处进行反射而被引导至平行导光体22的内部。光入射面is由从投射透镜12观察时为凹状的曲面21b形成。曲面21b还具有在内表面侧对由反射面rs反射后的图像光gl进行全反射的功能。
反射面rss由从投射透镜12观察时为凹状的曲面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，使光路弯折。曲面21b在内侧对由反射面rs反射后的图像光gl进行全反射，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，使光路弯折，而将图像光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轴倾斜的平板状的导光部件。平行导光体(导光体)22由具有透光性的树脂材料等形成，具有相互大致平行的一对平面22a、22b。由于平面22a、22b是平行平面，所以不会产生外界图像的放大或对焦偏差。平面22a作为使来自入射部21的图像光进行全反射的全反射面发挥功能，以较少的损耗将图像光gl引导至射出部23。平面22a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。
在本说明书中还将平面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。这里，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，由入射部21的反射面rs或光入射面is进行反射后的图像光gl入射到作为全反射面的平面22a，由平面22a进行全反射，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具有终端面es，作为导光装置20的外形中的+x侧的端面。此外，平行导光体22具有上端面tp和下端面bp，作为±y侧的端面。
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)处沿着平面22b或边界面if构成为板状。在使在平行导光体22的外界侧的平面(全反射面)22a的区域fr处进行全反射后的图像光gl通过时，射出部23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，不在射出部23中透过而最初入射到射出部23的图像光gl是作为虚像光的提取对象。即，即使具有在射出部23的光射出面os的内表面进行反射的光，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多个反射镜31。之后参照图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在入射部21处进行多次反射，由此光路被弯折，在平行导光体22的平面22a的区域fr处进行全反射，大致沿着光轴ax前进。在+z侧的平面22a的区域fr处进行反射后的图像光gl入射到射出部23。
这时，在xy面内，区域fr的长度方向的宽度比射出部23的长度方向的宽度窄。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，难以产生光路的干渉，不将边界面if用于导光，即，不在边界面if处对图像光gl进行反射，而容易地使来自区域fr的图像光gl直接入射到射出部23(或光学元件30)。
入射到射出部23的图像光gl成为能够通过在射出部23处以适当的角度弯折而提取的状态，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，观察者能够识别基于虚像的图像光gl。
这里，用于形成图像的图像光gl入射到射出部23的角度随着从光源侧的入射部21远离而变大。即，相对于与外界侧的平面22a平行的z方向或光轴ax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弯折，相对于z方向或光轴ax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弯折。
(图像光的光路)
以下，对图像光的光路详细地进行说明。
如图3所示，在分别从有机el元件11的射出面11a上射出的图像光中，设从射出面11a的中央部分射出的、用虚线表示的成分为图像光gl0，设从射出面11a的周边中的纸面左侧(-x和+z侧)射出的、用单点划线表示的成分为图像光gl1，设从射出面11a的周边中的纸面右侧(+x和-z侧)射出的、用双点划线表示的成分为图像光gl2。假设这些中的图像光gl0的光路沿着光轴ax延伸。
经过投射透镜12后的图像光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，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在入射部21处弯折而耦合到平行导光体22内后，以标准反射角θ0入射到一方的平面22a的区域fr并进行全反射，不在平行导光体22与射出部23(或光学元件30)的边界面if进行反射，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处以规定的角度进行反射，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方向形成角度κ的方向)射出。
从射出面11a的一端侧(-x侧)射出的图像光gl1在入射部21处弯折而耦合到平行导光体22内后，以最大反射角θ1入射到平面22a的区域fr并进行全反射，不在平行导光体22与射出部23(或光学元件30)的边界面if处进行反射，而是通过边界面if，在射出部23中的里侧(+x侧)的部分23h处以规定的角度进行反射，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在入射部21处弯折而耦合到平行导光体22内后，以最小反射角θ2入射到平面22a的区域fr并进行全反射，不在平行导光体22与射出部23(或光学元件30)的边界面if处进行反射，而是通过边界面if，在射出部23中的入口侧(-x侧)的部分23m处以规定的角度进行反射，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根光线成分代表性地说明了图像光gl的光线整体的一部分，但构成图像光gl的其他光线成分也与图像光gl0等光线成分同样被引导，而从光射出面os射出。因此，省略它们的图示和说明。
这里，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，在设为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，能够假设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
对在平行导光体22的外界侧的平面22a进行反射并朝向射出部23的图像光gl的光线束的整体性能进行说明。
如图3所示，在包含光轴ax的截面中，图像光gl的光线束在平行导光体22的外界侧的区域fr处进行反射前后的直线光路p1、p2中的任意一个处被缩窄宽度。具体而言，在包含光轴ax的截面中，图像光gl的光线束在区域fr附近、即直线光路p1、p2的边界附近且跨越直线光路p1、p2的位置处被整体缩窄宽度从而光束宽度变窄。由此，在射出部23的近前缩窄图像光gl的光线束，从而容易将横向的视野角设为比较宽的程度。另外，在图示的例子中，图像光gl的光线束在跨越直线光路p1、p2的位置处被缩窄宽度从而光束宽度变窄，但也可以仅在直线光路p1、p2中的任意一个的单侧处被缩窄宽度从而光束宽度变窄。
(光学元件的结构)
以下，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具有多个反射镜31和透光性部件32。多个反射镜31隔开间隔地相互平行设置，反射图像光gl和外界光el的一部分。透光性部件32具有第1透光性部件321和第2透光性部件322。
在本实施方式中，第1透光性部件321与第2透光性部件322一体地形成。第1透光性部件321介于多个反射镜31的相邻的2个反射镜31之间。第2透光性部件322相对于第1透光性部件321，设置于图像光gl和外界光el的射出侧。即，第2透光性部件322设置为覆盖多个反射镜31的下端。
透光性部件32是截面形状为矩形的板状部件。因此，透光性部件32具有与xy平面平行地延伸、且相互平行的一对平面。在这一对平面中，一个平面是入射图像光gl和外界光el的入射面32a，另一个平面是射出图像光gl和外界光el的射出面32b。第1透光性部件321具有入射面32a，该入射面32a经由平行导光体22入射图像光gl和外界光el。第2透光性部件322具有射出面32b，该射出面32b朝观察者侧射出图像光gl和外界光el。
即，第1透光性部件321和第2透光性部件322中的一方的透光性部件(第1透光性部件321)的、与另一方的透光性部件(第2透光性部件322)的相反侧的面是经由平行导光体22而入射图像光gl和外界光el的入射面32a。此外，另一方的透光性部件(第2透光性部件322)的、与一方的透光性部件(第1透光性部件321)的相反侧的面是朝观察者侧射出图像光gl和外界光el的射出面32b。
第1透光性部件321为与第2透光性部件322相同的折射率。此外，射出面32b与入射面32a平行。透光性部件32例如由透明树脂、玻璃等构成。
当从透光性部件32的入射面32a或射出面32b的法线方向观察光学元件30时，成为细带状的多个反射镜31呈长条状排列的构造。即，光学元件30具有如下结构：多个矩形的反射镜31在平行导光体22延伸的方向、即x方向上，隔开规定的间隔(间距pt)排列。
反射镜31由设置于透光性部件32的内部的反射膜构成。反射膜例如由银(ag)、铝(al)、铬(cr)等金属材料构成。或者，反射膜可以由将折射率相互不同的多种电介质层叠后的电介质多层膜构成。多个反射镜31的各个反射镜31分别倾斜成使得反射镜31的入射面32a侧的端部朝向导光装置20的入射部21侧。更具体而言，反射镜31以使反射面31r朝向入射部21侧的方式，朝向平行导光体22的外界侧倾斜。即，反射镜31在如下方向上倾斜：以反射镜31的长边(y方向)为轴，以与平面22a、22b垂直的yz面为基准，上端(+z侧)逆时针旋转。多个反射镜31的各个反射镜31分别在使得入射面32a侧的端部接近导光装置20的入射部21侧的方向上倾斜。
图5是示出反射镜31中使用的金属材料的分光反射率的曲线图。
图5的横轴是波长(nm)，纵轴是反射率(％)。标号ag的曲线图表示银的分光反射率，标号al的曲线图表示铝的分光反射率，标号cr的曲线图表示铬的分光反射率。
如图5所示，针对波长为350～800nm的光，银示出82～99％的反射率，铝示出86～90％的反射率，铬示出63～70％的反射率。在现有的光学元件中，从使外界光透过、容易观察外界图像的观点来看，例如使用了具有10～50％左右的反射率的半反射镜。与此相对，在本实施方式的光学元件30中，使用了具有比现有的光学元件高的反射率的反射镜31。这样，多个反射镜31各自的反射率为60％以上且小于100％。
以下，将反射镜31的反射面31r与透光性部件32的入射面32a所成的角度定义为反射镜31的倾斜角度δ。在本实施方式中，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。针对折射率不同的情况、折射率相等的情况，需要变更反射镜31的倾斜角度δ。
多个反射镜31分别以平行导光体22的观察者侧面22b为基准而顺时针地形成例如48°～70°左右的倾斜角度δ，具体而言，例如形成60°的倾斜角度δ。这里，将图像光gl0的仰角
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，能够按照整体会聚到观察者的眼睛ey的角度高效地提取图像光gl。即，能够从平行导光体22高效地提取以比较大的入射角(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是以这样的角度提取图像光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，能够以较少的损耗提取图像光gl，作为虚像光。
另外，相邻的反射镜31之间的间距pt被设定为0.5mm～2.0mm左右。反射镜31之间的间距pt不是严格地等间隔，而是以可变间距配置。更具体而言，反射镜31的间距pt为以基准间隔为中心随机增减的随机间距。这样，通过按照随机间距配置反射镜31，能够抑制衍射不均和莫尔条纹的产生。另外，不限于随机间距，例如也可以反复规定的间距模式，该规定的间距模式包含按照多个阶段进行增减的间距。
光学元件30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的厚度相比光学元件30的厚度充分大时，容易减小图像光gl向光学元件30或边界面if入射的入射角，容易抑制由位于图像光gl未被引入到眼睛ey的位置处的反射镜31进行的反射。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和导光装置20的轻量化。
设反射镜31的入射面32a侧的端部(上端)倾斜的一侧的透光性部件32的端部为第1端部32e、与第1端部32e相反侧的透光性部件32的端部为第2端部32f。多个反射镜31包含：第1反射镜311；以及第2反射镜312，其设置于比第1反射镜311更靠第2端部32f的一侧，宽度比第1反射镜311窄。更具体而言，在本实施方式中，在设置有多个反射镜31的整个区域中，多个反射镜31的宽度从配置有第1反射镜311的一侧(第1端部32e侧)朝向配置有第2反射镜312的一侧(第2端部32f侧)依次变窄。此外，多个反射镜31各自的一端(上端)与入射面32a接触。另外，在本说明书中，将反射镜31的宽度m定义为光学元件30的厚度方向上的反射镜31的上端与下端之间的尺寸。因此，第2反射镜312的宽度m2比第1反射镜311的宽度m1窄(m2<m1)。此外，第2反射镜312的宽度m2比与第2反射镜312相邻的反射镜31和第2反射镜312之间的间距pt小。
(光学元件的作用)
图11是示出反射镜31的反射率与图像光gl的提取效率的关系的曲线图。
曲线图的横轴是反射率(％)，纵轴是提取效率(％)。
标号n1的曲线图示出图像光gl透过了1张反射镜31的情况，标号n2的曲线图示出图像光gl透过了2张反射镜31的情况，标号n3的曲线图示出图像光gl透过了3张反射镜31的情况，标号n4的曲线图示出图像光gl透过了4张反射镜31的情况，标号n5的曲线图示出图像光gl透过了5张反射镜31的情况，标号n6的曲线图示出图像光gl透过了6张反射镜31的情况。
对应于图像光gl相对于光学元件30的入射面32a的入射角，图像光gl透过的反射镜31的数量发生变化。具体而言，图像光gl相对于光学元件30的入射面32a的入射角越大，图像光gl透过的反射镜31的数量越多。
如图11所示，图像光gl透过的反射镜31的数量越多，提取效率越下降。但是，无论图像光gl透过的反射镜31的数量如何，提取效率都伴随反射镜31的反射率的增大而升高，在设反射率为100％时，最能够提高提取效率。因此，特别是在考虑从以较大的入射角入射的反射镜31提取图像光gl的提取效率的情况下，优选设反射镜31的反射率为100％。
这里，本发明人假设具有宽度恒定的多个反射镜的比较例的光学元件，对比较例的光学元件进行了光线追踪模拟。
在比较例的光学元件中，反射镜的反射率为100％，多个反射镜相邻的反射镜之间的间距比反射镜的宽度小。
图10是比较例的光学元件130的剖视图。
如图10所示，在比较例的光学元件130中，多个反射镜131的宽度m4是恒定的，多个反射镜131的宽度m4和光学元件130的厚度ti相等。在该情况下，以相对较小的入射角入射到光学元件130的入射面132a的图像光gl2由接近第1端部132e的一侧的反射镜131进行反射，从射出面132b射出。
与此相对，以相对较大的入射角入射到光学元件130的入射面132a的图像光gl1由远离第1端部132e的一侧的反射镜131进行反射，但由其相邻的反射镜131再次进行反射，向与其他图像光gl0、gl2不同的方向前进。这样，图像光gl1在被一个反射镜131反射以后，被相邻的反射镜131遮挡，未被引导至观察者的眼睛ey的方向。
图12是示出在比较例的光学元件130中，整个面显示出白色的图像时的明亮度分布的曲线图。
曲线图的横轴是图像内的位置，纵轴是图像光的强度(相对值)。
如图12的标号h1的曲线图所示，在比较例的光学元件130中，产生了图像内的特定位置处的光强度极端变低、即光强度显著下降的暗部。这是因为，如图10所示，以相对较大的入射角入射到光学元件130的入射面132a的图像光gl1未被引导至观察者的眼睛ey的方向。
即使图像光gl1由一个反射镜131进行反射，也被相邻的反射镜131遮挡，从而未被引导至观察者的眼睛ey的方向，这一现象能够通过加大反射镜131的间距pt而进行改善。但是，在加大了反射镜131的间距pt的情况下，如图12的标号h2的曲线图所示可知，虽然暗部的产生得到改善，但光强度根据光学元件130内的位置而周期性反复进行增大、减小，产生明暗的条纹状的明亮度不匀。
与此相对，根据本实施方式的光学元件30，能够得到以下的作用、效果。
如图4所示，在本实施方式的光学元件30中，以相对较小的入射角入射到入射面32a的图像光gl2由接近第1端部32e的一侧的反射镜31进行反射，而从射出面32b射出。此外，以相对较大的入射角入射到入射面32a的图像光gl1由远离第1端部32e一侧的反射镜31进行反射，而从射出面32b射出。即，在本实施方式的光学元件30中，与比较例的光学元件130不同，远离第1端部32e一侧的反射镜31的宽度比接近第1端部32e的一侧的反射镜31的宽度窄，所以由一个反射镜31进行反射后的图像光gl1不易被相邻的反射镜31遮挡。
本发明人进行光线追踪模拟，求出了使用本实施方式的光学元件30的显示装置中的射出光的分布。
作为光线追踪模拟中的反射镜31的宽度的一例，设图4的最左侧的第1反射镜311的宽度m1为光学元件30的厚度ti的57％。设图4的最右侧的第2反射镜312的宽度m2为光学元件30的厚度ti的14％。设各反射镜31的反射率为100％。
这里，外界光el的透射率依赖于反射镜31在透光性部件32中所占的面积，所以根据光瞳ey的位置而发生变化。在图3所示的光瞳ey的位置处，对具有反射镜31的本实施方式的光学元件30进行了模拟的结果是，外界光el的透射率为71％，该反射镜31具有上述宽度。
图6是示出射出光分布的光线追踪模拟的结果的图。
如图6所示可知，不仅由接近第1端部32e的一侧的反射镜31进行反射后的图像光gl，由远离第1端部32e一侧的反射镜31进行反射后的图像光gl也从射出面32b射出，从而被引导至观察者的眼睛ey的方向。
图7是示出在使用了本实施方式的光学元件30的显示装置100中，整个面显示出白色的图像时的明亮度分布的曲线图。
曲线图的横轴是图像内的位置，纵轴是图像光的强度(相对值)。
如图7所示，光强度根据光学元件30内的位置而周期性地反复增大、减小，但与图12的标号h2的曲线图相比，光强度的变动幅度变小。由此，根据本实施方式的光学元件30，确认了如下情况：明暗的条纹状的明亮度不匀得到改善，观察者难以看到明亮度不匀。
图8是示出反射镜31的反射率与图像的明亮度的关系的图表。
图表的横轴是反射率(％)，纵轴是使反射镜的反射率为30％时的图像的明亮度为1时的图像的明亮度的比率。即，图像的明亮度与显示面板的亮度成比例，因此以在反射镜的宽度恒定的比较例的光学元件中设反射镜的反射率为30％时的图像的明亮度为基准，针对各点的图像的明亮度进行了标准化。
图表的6个点中的反射率为10％、20％、30％、40％、50％的各点表示比较例的光学元件130中的明亮度比率，反射率为100％的点表示本实施方式的光学元件30中的明亮度比率。
在比较例的光学元件130中，外界光el的透射率仅通过反射镜131的反射率来确定。因此，为了使外界光el的透射率为70％，必须使反射镜131的反射率为30％。与此相对，在本实施方式的光学元件30中，如上所述，在设反射率为100％时，外界光el的透射率为71％，明亮度比率为1.8。即，根据本实施方式的光学元件30，在使外界光el的透射率与比较例的光学元件130相等时，能够得到具有比较例的光学元件130的大约1.8倍的明亮度的图像。
这样，根据使用了本实施方式的光学元件30的显示装置100，能够改善图像的暗部和条纹状的明亮度不匀，并且得到明亮的图像。此外，第1透光性部件321和第2透光性部件322一体地形成，且为相同的折射率，射出面32b和入射面32a是平行的。因此，不存在第1透光性部件321和第2透光性部件322的折射率不同的界面，能够大致消除外界光的光路的弯曲。其结果，能够减少外界图像的放大、对焦偏差等。
以下，说明本实施方式的光学元件30的制造方法的一例。
图9a～图9c是示出光学元件30的制造工艺的各工序的图。
如图9a所示，准备模具49，该模具49具有截面形状呈楔形凹陷的多个槽49m。这时，多个槽49m的深度d从槽49m的排列方向的一方朝向另一方依次变深。通过将模具49的形状转印到由树脂材料构成的板体上来制作透光性部件42，该透光性部件42具有截面形状呈楔形突出的多个凸部42t。
接着，如图9b所示，通过在凸部42t的倾斜面42tb上形成银、铝、铬等金属膜，形成反射镜31。这时，使用掩模等，在凸部42t的倾斜面42tb上选择性地形成金属膜即可。
接着，如图9c所示，向形成有透光性部件42的凸部42t的一侧的面供给树脂材料，将凸部42t嵌入。在该状态下使树脂材料固化，形成树脂层43s，由此在透光性部件32的内部形成了宽度不同的多个反射镜31的本实施方式的光学元件30完成。
优选使用具有与图9a的工序中使用的树脂材料相同的折射率的树脂材料，作为图9c的工序中使用的树脂材料，但也可以使用具有与图9a的工序中使用的树脂材料不同的折射率的树脂材料。此外，未必一定使用树脂材料作为透光性部件32，也可以使用例如玻璃等。或者，也可以组合树脂材料和玻璃。
[第2实施方式]
接着，使用图13对本发明的第2实施方式进行说明。
第2实施方式的显示装置的基本结构与第1实施方式相同，光学元件的结构与第1实施方式不同。因此，省略显示装置的说明，对光学元件进行说明。
图13是第2实施方式的光学元件的剖视图。
在图13中，对与在第1实施方式中使用的附图相同的结构要素标注相同标号，并省略说明。
在第1实施方式的光学元件30中，将透光性部件32中的第1透光性部件321和第2透光性部件322一体地构成，该第1透光性部件321介于相邻的2个反射镜31之间，该和第2透光性部件322覆盖多个反射镜31的下端。与此相对，如图13所示，在第2实施方式的光学元件40中，透光性部件中的第1透光性部件42和第2透光性部件43分体地形成，该第1透光性部件42介于相邻的2个反射镜41之间，该第2透光性部件43相对于第1透光性部件42设置于图像光gl和外界光el的射出侧。以下，将由多个反射镜41和第1透光性部件42构成的部分称作反射部件45，将设置于反射部件45的射出侧、覆盖多个反射镜41的下端的第2透光性部件43称作罩部件46。即，第2实施方式的光学元件40具有反射部件45和罩部件46。
反射部件45具有：多个反射镜41；以及多个第1透光性部件42，它们介于相邻的2个反射镜41之间。与第1实施方式同样，多个反射镜41的宽度从第1端部40e朝向第2端部40f依次变窄。此外，多个反射镜41各自的反射率为60％以上且小于100％。第1透光性部件42分别是截面形状为大致平行四边形的柱状部件。各个第1透光性部件42的一个面是入射图像光gl和外界光el的入射面42a。即，第1透光性部件42的与第2透光性部件43相反侧的面是入射图像光gl和外界光el的入射面42a。
罩部件46由截面形状为楔形的第2透光性部件43构成。罩部件46按照如下朝向而经由光学粘接材料48进行固定：罩部件46的板厚较厚的一侧与反射部件45的板厚较薄的一侧重叠、罩部件46的板厚较薄的一侧与反射部件45的板厚较厚的一侧重叠。罩部件46的观察者侧的平坦面是射出图像光gl和外界光el的射出面46b。即，第2透光性部件43的与第1透光性部件42相反侧的面是朝观察者侧射出图像光gl和外界光el的射出面46b。
反射部件45的第1透光性部件42和构成罩部件46的第2透光性部件43可以使用折射率相同的材料，也可以使用折射率不同的材料。
在第1透光性部件42和第2透光性部件43使用了折射率相同的材料的情况下，图像光gl和外界光el的入射面42a与射出面46b形成为平行。由此，能够消除外界光el的光路的弯曲，能够减少外界图像的放大、对焦偏差等。
或者，在第1透光性部件42和第2透光性部件43使用了折射率相互不同的材料的情况下，图像光gl和外界光el的射出面46b形成为相对于入射面42a倾斜。在该情况下，在折射率相互不同的第1透光性部件42和第2透光性部件43的界面处，外界光el的光路弯曲。但是，通过适当调整射出面46b相对于入射面42a的倾斜角度，能够补偿外界光el的光路的弯曲。由此，结果能够减小外界光el的光路的弯曲，能够减少外界图像的放大、对焦偏差等。
光学元件40以使反射部件45朝向平行导光体22侧、罩部件46朝向观察者侧的方式，固定于平行导光体22。由此，多个反射镜41各自的一端与入射面42a接触。
在制造本实施方式的光学元件40时，替代第1实施方式中说明的制造方法，而例如在制作了将第1透光性部件42和反射镜41交替层叠后的层叠体后，以截面形状成为楔形的方式切出层叠体，由此制作反射部件45。另行制作截面形状为楔形的罩部件46，用光学粘接材料48粘接反射部件45和罩部件46，由此能够制造光学元件40。光学粘接材料48使用具有与第1透光性部件42和第2透光性部件43中的至少一方的折射率相同的折射率的材料。
根据本实施方式的光学元件40，能够得到如下这样的与第1实施方式相同的效果：能够实现改善图像的暗部和条纹状的明亮度不匀、并可得到明亮的图像的显示装置，能够减少外界图像的放大或对焦偏差等。
此外，在制造本实施方式的光学元件40时，能够单独制作由多个反射镜41和多个第1透光性部件42构成的反射部件45、及由第2透光性部件43构成的罩部件46。由此，能够容易地进行光学元件40的制造。特别是，第2透光性部件43的制作变得容易，所以容易补偿外界光el的光路的弯曲。
[第3实施方式]
接着，使用图14对本发明的第3实施方式进行说明。
第3实施方式的显示装置的基本结构与第1实施方式相同，光学元件的结构与第1实施方式不同。因此，省略显示装置的说明，对光学元件进行说明。
图14是第3实施方式的光学元件50的剖视图。
在图14中，对与在第1实施方式中使用的附图相同的结构要素标注相同标号，并省略说明。
在第1实施方式的光学元件30中，多个反射镜31的宽度从第1端部32e朝向第2端部32f依次变窄。与此相对，如图14所示，在第3实施方式的光学元件50中，多个反射镜51的宽度并非从透光性部件52的第1端部52e朝向第2端部52f单调地变窄。
即，多个反射镜51中的、属于用标号ev1表示的区域的多个反射镜51的宽度相同。在用标号ev2表示的区域中，反射镜51的宽度从左端的反射镜51朝向右端(第2端部侧)的反射镜51依次变窄。换言之，在区域ev2中，反射镜51的宽度从右端的反射镜51朝向左端的反射镜51按照恒定的比例变宽，在区域ev1中，假想保持区域ev2的比例而设为宽度增大的反射镜时，实际的反射镜51的宽度比该假想反射镜窄。其他结构与第1实施方式相同。
根据本实施方式的光学元件50，能够得到如下这样的与第1、第2实施方式相同的效果：能够实现改善图像的暗部和条纹状的明亮度不匀、并得到明亮的图像的显示装置，能够减少外界图像的放大或对焦偏差等。
在反射镜的宽度较大一侧的区域中，即使高效地提取出图像光，外界光也从接近与入射面垂直的方向入射，所以被宽度较大的反射镜遮挡而难以透过，难以高效地提取。在该方面，根据本实施方式的光学元件50，区域ev1的多个反射镜51的宽度相同，宽度相对于上述假想反射镜较窄，所以能够提高外界光el的透射率。由此，根据本实施方式的光学元件50，能够观察到明亮的外界图像。
[第4实施方式]
以下，使用图15、图16对本发明的第4实施方式进行说明。
第4实施方式的显示装置的基本结构与第1实施方式相同，光学元件的结构与第1实施方式不同。因此，省略显示装置的说明，对光学元件进行说明。
图15是第4实施方式的光学元件60的剖视图。
在图15中，对与在第1实施方式中使用的附图相同的结构要素标注相同标号，并省略说明。
如图15所示，与第2实施方式的光学元件40同样，第4实施方式的光学元件60具有反射部件45和罩部件46。在第4实施方式的光学元件60中，构成罩部件46的第2透光性部件43相对于第1透光性部件42，设置于图像光gl和外界光el的入射侧。即，与第2实施方式的光学元件40相反，光学元件60以罩部件46朝向平行导光体22侧、反射部件45朝向观察者侧的方式，固定于平行导光体22。由此，多个反射镜41各自的一端与射出面45b接触。其他结构与第1实施方式相同。
根据本实施方式的光学元件60，能够得到如下这样的与第1～第3实施方式相同的效果：能够实现改善图像的暗部和条纹状的明亮度不匀、并得到明亮的图像的显示装置，能够减少外界图像的放大或对焦偏差等。
本发明人进行光线追踪模拟，证实了第4实施方式的光学元件60的效果。
图16是示出在使用了第4实施方式的光学元件60的显示装置中，整个面显示出白色的图像时的明亮度分布的曲线图。
曲线图的横轴是图像内的位置，纵轴是图像光的强度(相对值)。标号h4的曲线图示出第2实施方式的光学元件40的模拟结果，标号h5的曲线图示出第4实施方式的光学元件60的模拟结果。
如图16所示，在第4实施方式的光学元件60中，与图12的用曲线图h2表示的比较例的光学元件130相比，确认到如下情况：明暗的条纹状的明亮度不匀得到改善，观察者不易看到明亮度不匀。此外，在用标号h5的曲线图示出的第4实施方式的光学元件60中，与用标号h4的曲线图示出的第2实施方式的光学元件40相比，确认到如下情况：虽然光强度稍微降低，但基于位置的明亮度的均匀性提高。
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，列举了如下例子：在构成光学元件的多个反射镜的范围内，反射镜的宽度从一方的反射镜朝向另一方的反射镜依次变窄；或者反射镜的宽度整体上从一方朝向另一方变窄，但在一部分区域中宽度恒定，但还可以包含一部分宽度相反地变宽的区域。此外，还能够适当地组合各实施方式的结构。例如在第2透光性部件相对于第1透光性部件设置于图像光和外界光的入射侧的结构中，也可以将第2透光性部件和第1透光性部件一体地形成。
除此以外，光学元件和显示装置中构成的各结构要素的数量、形状、材料等各部件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扫描仪等的组合等。