光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体
【課題】ヘッドアップディスプレイの見易さを向上し、装置を小型化する光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体を提供する。
【解決手段】同心円状の複数の凸条部を有する第１フレネルレンズが設けられた第１主面を有する第１光学シートを備え、前記複数の凸条部のうちで互いに隣接する凸条部における前記同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿ったそれぞれの幅は互いに異なり、前記複数の凸条部のそれぞれにおける前記放射方向に沿ったそれぞれの幅は、予め定められた長さ以下であることを特徴とする光学素子が提供される。
【解決手段】同心円状の複数の凸条部を有する第１フレネルレンズが設けられた第１主面を有する第１光学シートを備え、前記複数の凸条部のうちで互いに隣接する凸条部における前記同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿ったそれぞれの幅は互いに異なり、前記複数の凸条部のそれぞれにおける前記放射方向に沿ったそれぞれの幅は、予め定められた長さ以下であることを特徴とする光学素子が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両や航空機等の移動体のフロントガラス（ウインドシールド）に各種の映像情報を表示し、外界の背景の画像と、映像情報と、を操縦者に観視させるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ： Head-Up Display）が知られている。例えば、特許文献１には、液晶表示器を用いたヘッドアップディスプレイに関する技術が公開されている。
この様なＨＵＤにおいて、装置の小型化と共に、見やすさの向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２７１６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、ヘッドアップディスプレイの見易さを向上し、装置を小型化する光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、同心円状の複数の凸条部を有する第１フレネルレンズが設けられた第１主面を有する第１光学シートを備え、前記複数の凸条部のうちで互いに隣接する凸条部における前記同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿ったそれぞれの幅は互いに異なり、前記複数の凸条部のそれぞれにおける前記放射方向に沿ったそれぞれの幅は、予め定められた長さ以下であることを特徴とする光学素子が提供される。
【０００６】
本発明の別の一態様によれば、同心円状の複数の凸条部を有する第１フレネルレンズが設けられた第１主面を有する第１光学シートを備え、前記複数の凸条部のうちで隣接する２つの凸条部における前記同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿った幅は互いに同じであり、前記隣接する２つの前記凸条部における前記放射方向に沿った幅の合計は、予め定められた長さ以下であることを特徴とする光学素子が提供される。
【０００７】
本発明の別の一態様によれば、映像を含む光束を、上記のいずれか１つに記載の光学素子に反射させて観視者に向けて投影する映像投影部を備えたことを特徴とする表示装置が提供される。
【０００８】
本発明の別の一態様によれば、第１フレネルレンズが設けられた第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面と、を有する第１光学シートに、前記第２主面の側から映像を含む光束を入射させ、前記光束の前記第２主面で反射した第２主面反射光束の方向を、前記光束の前記第１主面で反射した第１主面反射光束の方向に対して５度以上変えて、前記第１主面光束を観視者に向けて投影する表示方法が提供される。
【０００９】
本発明の別の一態様によれば、上記のいずれか１つに記載の光学素子と、前記光学素子を支持する透明板と、を備えたことを特徴とする移動体が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ヘッドアップディスプレイの見易さを向上し、装置を小型化する光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る光学素子が用いられる表示装置の使用状態を例示する模式図である。
【図３】第１の実施形態に係る光学素子の動作を例示する模式図である。
【図４】比較例の光学素子の動作を例示する模式図である。
【図５】光学素子の特性を例示する模式図である。
【図６】第１の実施形態に係る光学素子の動作を例示する模式図である。
【図７】第１の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図８】第２の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図９】光学素子の特性を例示するグラフ図である。
【図１０】光学素子の特性を例示するグラフ図である。
【図１１】第２の実施形態に係る別の光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図１２】第３の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
【図１３】第５の実施形態に係る移動体の一部の構成を例示する模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施形態は、ＨＵＤなどの表示装置に用いられる光学素子である。この表示装置は、車両や船舶や航空機などの移動体に搭載されるＨＵＤとして用いることができる。ただし、本発明の実施形態はこれに限らず、表示装置は、ドライビングシミュレータやフライトシミュレータなどのシミュレータ、さらには、ゲームなどのアミューズメント用途にも適用できる。以下では、例として本実施形態に係る光学素子が、車両用のＨＵＤの表示装置に応用される場合として説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子が用いられる表示装置の使用状態を例示する模式図である。
まず、図２により、本実施形態に係る表示装置３１０の構成の概要について説明する。
【００１５】
図２に表したように、本実施形態に係る表示装置３１０は、車両７３０（移動体）に搭載される。表示装置３１０は、映像投影部１１５を備える。表示装置３１０は、さらに映像データ生成部１３０を備えても良い。
【００１６】
映像データ生成部１３０は、映像データを生成する。
映像投影部１１５は、映像データ生成部１３０によって生成された映像データに基づいた映像を含む光束１１２を車両７３０のフロントガラス部７１０に反射させて車両７３０に搭乗する観視者１００に向けて投影する。
【００１７】
フロントガラス部７１０は、車両７３０のフロントガラス７１０ａを含む。フロントガラス部７１０は、例えば、車両７３０のフロントガラス７１０ａに設けられる反射部７１１を含む。
【００１８】
反射部７１１として、本実施形態に係る光学素子５１０が用いられる。光学素子５１０は、例えばフロントガラス７１０ａの室内の側に貼り付けられる。また、後述するように、光学素子５１０は、フロントガラス７１０ａに内蔵されることもできる。さらに、光学素子５１０は、フロントガラス７１０ａの室内の側において、フロントガラス７１０ａと離間して、フロントガラス７１０ａに近接して設置される。光学素子５１０が、フロントガラス７１０ａと離間して設置される場合において、光学素子５１０を支持する部材もフロントガラス部７１０に含められるものとする。
【００１９】
このように、車両７３０（移動体）は、本発明の実施形態に係る光学素子５１０と、光学素子５１０を支持する透明板（フロントガラス７１０ａ、フロントガラス部７１０）と、を備える。
【００２０】
光束１１２に含まれる映像は、例えば、表示装置３１０が搭載される車両７３０の運行情報に関する、進行方向を示す「矢印」や速度など、種々の内容を含む。
【００２１】
図２に例示したように、表示装置３１０の映像投影部１１５は、例えば車両７３０の中、すなわち、例えば、操縦者である観視者１００から見て車両７３０のダッシュボード７２０の奥に設けられることができる。
【００２２】
映像投影部１１５から出射された光束１１２は、フロントガラス部７１０で反射され、観視者１００の頭部１０５に入射する。具体的には、光束１１２は、観視者１００の目１０１に到る。観視者１００は、フロントガラス部７１０を介して、像形成位置１８１ｐの位置に形成された映像に含まれる表示内容１８０の像１８１（虚像）を知覚する。このように、表示装置３１０は、ＨＵＤとして使用できる。
【００２３】
このように、表示装置３１０は、映像を含む光束を、本発明の実施形態に係る光学素子５１０に反射させて観視者１００に向けて投影する映像投影部１１５を備える。また、表示装置は、光学素子５１０をさらに含んでも良い。
【００２４】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１０は、第１フレネルレンズ１０ｆが設けられた第１主面１０ａを有する第１光学シート１０を備える。第１主面１０ａにおけるフレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａは、第１主面１０ａの外形の中心（外形中心１３ｓ）とは異なる位置に配置されている。
【００２５】
本具体例では、第１フレネルレンズ１０ｆは、フレネル凸レンズである。ただし、第１フレネルレンズ１０ｆはフレネル凹レンズであっても良い。以下では、第１フレネルレンズ１０ｆが、フレネル凸レンズである場合として説明する。
【００２６】
第１光学シート１０は、例えばＰＭＭＡなどのアクリル系などの樹脂や、ガラス等の、可視光に対して透過性の材料を用いることができる。ただし、第１光学シート１０に用いられる材料は、可視光に対して透過性を有する任意の材料を用いることができる。
【００２７】
第１主面１０ａには、凸曲面を有する凸部１１と、凸部１１の周囲に同心円状に設けられた曲面を有する複数の凸条部１２（例えば、同心円の中心１３ｏから外側に向かって、凸条部１２ａ、凸条部１２ｂ、凸条部１２ｃ及び凸条部１２ｄなど）が設けられている。これにより、第１フレネルレンズ１０ｆが形成される。
【００２８】
凸条部１２のそれぞれにおいては、中心１３ｏに近い側の部分における厚みは、中心１３ｏから遠い側の部分における厚みよりも大きい。
なお、本具体例では、第１主面１０ａとは反対の側の第２主面１０ｂは、実質的に平面である。
【００２９】
ここで、第１主面１０ａに対して垂直な方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００３０】
第１主面１０ａの外形（すなわち、第１主面１０ａに対して垂直な方向からみたときの光学素子５１０の外形）は、例えば矩形である。なお、本実施形態はこれに限らず、第１主面１０ａの外形は、角が丸い矩形や、扁平円形や円形でも良い。
【００３１】
ここで、第１主面１０ａの外形中心１３ｓは、例えば、外形のＸ軸方向に沿った中点でありつつ、外形のＹ軸方向に沿った中点である。本具体例では、第１主面１０ａの外形のＸ軸方向に沿った一方の端から外形中心１３ｓまでのＸ軸方向に沿った距離ｘｓ１は、第１主面１０ａの外形のＸ軸方向に沿った他方の端から外形中心１３ｓまでのＸ軸方向に沿った距離ｘｓ２と、等しい。また、第１主面１０ａの外形のＹ軸方向に沿った一方の端から外形中心１３ｓまでのＹ軸方向に沿った距離ｙｓ１は、第１主面１０ａの外形のＹ軸方向に沿った他方の端から外形中心１３ｓまでのＹ軸方向に沿った距離ｙｓ２と、等しい。
【００３２】
一方、第１主面１０ａにおける第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａは、凸部１１の中心であり、また、複数の凸条部１２の同心円の中心１３ｏでもある。第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａは、外形中心１３ｓとは異なる位置に配置されている。すなわち、本具体例では、第１主面１０ａの外形のＸ軸方向に沿った一方の端から光軸１３ｏａまでのＸ軸方向に沿った距離ｘｏ１は、第１主面１０ａの外形のＸ軸方向に沿った他方の端から光軸１３ｏａまでのＸ軸方向に沿った距離ｘｏ２と、は異なる。すなわち、光軸１３ｏａは、Ｘ軸方向に沿って外形中心１３ｓと異なる位置に配置されている。
【００３３】
なお、本具体例では、第１主面１０ａの外形のＹ軸方向に沿った一方の端から光軸１３ｏａまでのＹ軸方向に沿った距離ｙｏ１は、第１主面１０ａの外形のＹ軸方向に沿った他方の端からＹ軸方向に沿った光軸１３ｏａまでの距離ｙｏ２と、が、互いに等しいが、距離ｙｏ１と距離ｙｏ２とがさらに互いに異なっていても良い。すなわち、光軸１３ｏａは、Ｘ軸方向だけでなく、さらにＹ軸方向に沿って外形中心１３ｓと異なる位置に配置されても良い。
【００３４】
光学素子５１０の第１主面１０ａは、可視光に対して反射性と透過性とを有する。光学素子５１０は、例えば車両７３０のフロントガラス７１０ａの内側に、第１主面１０ａの側をフロントガラス７１０ａに対向させて、貼り付けられることで、ＨＵＤに応用できる。すなわち、光学素子５１０は、表示装置３１０の映像投影部１１５から出射される光束１１２を観視者１００に向けて反射させると共に、車両７３０の外界の背景の光を透過させて、観視者１００に与えることができる。
【００３５】
このとき、本実施形態に係る光学素子５１０は、光軸１３ｏａを外形中心１３ｓからシフトさせることで、ＨＵＤの見やすさが向上できる。
【００３６】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の動作を例示する模式図である。
すなわち、これらの図は、光学素子５１０の２種類の使用状態を例示する模式図である。すなわち、図３（ａ）は、光学素子５１０の光軸１３ｏａを外形中心１３ｓよりも上側に配置させて、光学素子５１０をフロントガラス７１０ａに貼り付けた場合の状態を例示している。図３（ｂ）は、光学素子５１０の光軸１３ｏａを外形中心１３ｓよりも下側に配置させて、光学素子５１０をフロントガラス７１０ａに貼り付けた場合の状態を例示している。
【００３７】
図３（ａ）に表したように、映像投影部１１５（図示しない）から光Ｌｉ１が光学素子５１０に入射する。光Ｌｉ１のうちの一部の光は、光学素子５１０内に入射し、第１主面１０ａで反射し、その反射光Ｌｒａ１が、観視者１００（図示しない）に向けて進行する。一方、光Ｌｉ１のうちの別の一部の光は、光学素子５１０の第２主面１０ｂで反射し、反射光Ｌｒｂ１として、反射光Ｌｒａ１とは異なる角度で進行する。すなわち、第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１の出射角と、が互いに異なる。同様に、光学素子５１０に入射する光Ｌｉ２のうちの第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ２の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ２の出射角と、が互いに異なる。
【００３８】
これにより、観視者１００には、第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１及び反射光Ｌｒａ２が投影される。そして、観視者１００には、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１及び反射光Ｌｒｂ２が投影されない。これにより、映像投影部１１５から出射する光束１１２に含まれる映像が２重像にならない。
【００３９】
また、図３（ｂ）に表したように、光軸１３ｏａを外形中心１３ｓよりも下側に配置させた場合も、光学素子５１０に入射する光Ｌｉ１のうちの第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１の出射角と、が互いに異なる。同様に、光学素子５１０に入射する光Ｌｉ２のうちの第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ２の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ２の出射角と、が互いに異なる。
【００４０】
この場合も、観視者１００には、第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１及び反射光Ｌｒａ２が投影され、観視者１００には、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１及び反射光Ｌｒｂ２が投影されず、光束１１２に含まれる映像が２重像にならない。
【００４１】
そして、図３（ａ）及び図３（ｂ）に表したように、透過光Ｌｔ１及び透過光Ｌｔ２は、第１主面１０ａを透過し、観視者１００に届く。これにより、観視者は、映像投影部１１５による映像と共に、光学素子５１０を透過した透過光に含まれる例えば外界背景と、を同時に観視することができる。
【００４２】
（比較例）
図４は、比較例の光学素子の動作を例示する模式図である。
図４に表したように、比較例の光学素子５１９においては、第１主面１０ａにおける第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａの位置が、第１主面１０ａの外形中心１３ｓの位置と一致している。
【００４３】
この場合には、光学素子５１９に入射した光Ｌｉ１のうちの、第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１の出射角と、の差が小さくなり、例えばほぼ同じ角度となる。同様に、光学素子５１０に入射する光Ｌｉ２のうちの第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ２の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ２の出射角と、も互いに同じになる。
【００４４】
これにより、観視者１００には、第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１及び反射光Ｌｒａ２に加え、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１及び反射光Ｌｒｂ２が投影さる。これにより、映像投影部１１５から出射する光束１１２に含まれる映像が２重像になる。
【００４５】
図５は、光学素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、図５（ａ）は、本実施形態に係る光学素子５１０の特性を例示しており、図５（ｂ）は、比較例の光学素子５１９の特性を例示している。図５（ａ）は、図４（ａ）または図４（ｂ）に例示した使用状態のときの特性に対応する。そして、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、観視者１００が、映像投影部１１５に含まれる映像の表示内容１８０を、光学素子５１０または光学素子５１９を介して関したときに知覚される像を例示している。
【００４６】
図５（ａ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１０を用いた場合には、表示内容１８０は２重像にはならず、表示内容１８０は明瞭に知覚される。
【００４７】
一方、図５（ｂ）に表したように、比較例の光学素子５１９を用いた場合には、表示内容１８０は２重像となり、不明瞭に知覚される。
【００４８】
このように、本実施形態に係る光学素子５１０は、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａを、第１主面１０ａの外形中心１３ｓとは異なる位置に配置することで、第１主面１０ａで反射する光の反射角と、第２主面１０ｂで反射する光の反射角と、を互いに異ならすことで、観視者１００に呈示する映像が２重像となることを抑制できる。このように、本実施形態により、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【００４９】
そして、第１フレネルレンズ１０ｆを有する第１主面１０ａは透過性と共に反射性を有することから、第１主面１０ａは、反射する像を拡大する凹面鏡として機能する。これにより、映像投影部１１５に含まれる像を拡大する機能を有する光学部品を省略でき、または、その光学部品の仕様を軽減できる。これにより、映像投影部１１５を小型化できる。そして、光学素子５１０として通常のレンズではなく、フレネルレンズを使用することで、光学素子５１０の厚さが薄くできる。
【００５０】
このように、光学素子５１０により、ＨＵＤの見易さを向上し、表示装置３１０を小型化する光学素子が提供できる。また、表示装置３１０においては、見やすさが向上される共に小型化が可能となる。
【００５１】
ここで、本実施形態に係る光学素子５１０における第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａと、外形中心１３ｓと、の距離の例について説明する。
【００５２】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の動作を例示する模式図である。
なお、同図においては、第１光学シート１０を単純な平凸レンズとして描いている。
図６に表したように、第１光学シート１０の第２主面１０ｂに入射した第１入射光Ｌｉｎ１は、第１光学シート１０を通過して、第１主面１０ａで反射し、第１反射角θｏｕｔ１を有する第１反射光Ｌｏｕｔ１として出射する。一方、第１光学シート１０の第２主面１０ｂに入射した第２入射光Ｌｉｎ２は、第２主面１０ｂで反射し、第２反射角θｏｕｔ２を有する第２反射光Ｌｏｕｔ２となる。
【００５３】
ここで、第１光学シート１０の屈折率を１．４９２（例えばＰＭＭＡの屈折率の値）とし、第１光学シート１０の外界の屈折率を１．０（空気の屈折率の値）とする。そして、第１光学シート１０の光軸１３ｏａと水平軸とのなす角度を４５度とする。また、第１光学シート１０の第１フレネルレンズ１０ｆの曲率半径を７５０ｍｍ（ミリメートル）とする。そして、観視者１００の目１０１の位置１０１ｐと、第１光学シート１０の中心と、の距離Ｚｏを８００ｍｍとする。そして、観視者１００の位置における観視領域１１４ｃの幅を６０ｍｍとする。
【００５４】
この条件において、２重像が実質的に発生しない条件は、第１光学シート１０の第１主面１０ａで反射した第１反射光Ｌｏｕｔ１と、第２主面１０ｂで反射した第２反射光Ｌｏｕｔ２と、が観視領域１１４ｃに同時に入射しない条件である。すなわち、本具体例では、第１反射光Ｌｏｕｔ１の第１反射角θｏｕｔ１と、第２反射光Ｌｏｕｔ２の第２反射角θｏｕｔ２と、が５度以上異なる場合に２重像像が実質的に発生しない。
【００５５】
このように、本実施形態に係る光学素子５１０においては、第２主面１０ｂに入射し、第１主面１０ａで反射した反射光の第１反射角θｏｕｔ１と、第２主面１０ｂで反射した反射光の第２反射角θｏｕｔ２と、が５度以上異なることが望ましい。
【００５６】
そして、第１反射角θｏｕｔ１と第２反射角θｏｕｔ２とが５度以上異なるための条件は、光軸１３ｏａと外形中心１３ｓとの距離は１５ｍｍ以上である条件となる。
【００５７】
このように、本実施形態に係る光学素子５１０においては、第１主面１０ａにおける第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａの位置と、第１主面１０ａの外形中心１３ｓの位置と、の距離は、１５ｍｍ以上であるが望ましい。
【００５８】
また、光学素子５１０の第１光学シート１０に設けられる第１フレネルレンズ１０ｆの凸条部１２のそれぞれが、観視者１００によって実質的に知覚されないことが望ましい。例えば、観視者１００の視力が１．０である場合には、観視者１００から１ｍ離れた場所に配置され、互いに０．３ｍｍの距離で離れた２つの点を識別できる。この場合には、第１フレネルレンズ１０ｆの凸条部１２の幅は、０．３ｍｍ以下であることを望ましい。また、例えば、観視者１００の視力が０．７である場合には、観視者１００から１ｍ離れた場所に配置され、互いに０．４３ｍｍの距離で離れた２つの点を識別できる。この場合には、第１フレネルレンズ１０ｆの凸条部１２の幅は、０．４３ｍｍ以下であることを望ましい。
【００５９】
光学素子５１０が車両７３０用のＨＵＤとして使用される状況において、観視者１００の視力は０．７以上であると想定すると、凸条部１２の幅は０．４３ｍｍ以下であることが望ましい。
【００６０】
すなわち、第１フレネルレンズ１０ｆは、光軸１３ｏａを中心とする同心円状の複数の凸条部１２を有し、光軸１３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿った、複数の凸条部１２のそれぞれの幅は、０．４３ｍｍ以下とすることができる。これにより、凸条部１２が実質的に知覚されなくなり、ＨＵＤの見易さがさらに向上する。
【００６１】
なお、凸条部１２によって回折が生じると、回折に基づく縞模様が見え、像が見難くなることがある。このため、凸条部１２の幅は、回折が生じない範囲に設定される。すなわち、第１フレネルレンズ１０ｆは、光軸１３ｏａを中心とする同心円状の複数の凸条部１２を有し、光軸１３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿った、複数の凸条部１２のそれぞれの幅は、０．０１ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００６２】
既に説明したように、光学素子５１０の第１主面１０ａは、可視光に対して反射性と透過性とを有する。このとき、吸収率を０と仮定すると第１主面１０ａの可視光に対する透過率は７０％以上とすることができる。この場合には、第１主面１０ａの可視光に対する反射率は３０％未満である。
【００６３】
第１主面１０ａの可視光に対する透過率が低過ぎると、光学素子５１０を透過する外界の背景像が見難くなり、透過率が高過ぎると、光学素子５１０で反射する映像投影部１１５による映像が見にくくなる。
このように、光学素子５１０の第１主面１０ａは、反射性と透過性とを有する。
【００６４】
例えば、フレネルレンズは、透過光を屈折させて像を拡大または縮小させるために使用されることがあるが、この場合には、そのフレネルレンズは透過性を有するが実質的に反射性は有さない。また、フレネルレンズは、反射する像を拡大または縮小させる鏡として使用されることがあるが、この場合には、そのフレネルレンズは反射性を有するが実質的に透過性を有さない。
【００６５】
これに対し、本実施形態係る光学素子５１０は、例えばＨＵＤにおける光束１１２を反射させる反射部７１１として使用されるため、光束１１２を効率良く反射させることと同時に、外界の背景像の光を透過させることが要求される。従って、光学素子５１０は、可視光に対して反射性と透過性とを有する。このような反射性と透過性とを有する第１フレネルレンズの光軸１３ｏａの位置を外形中心１３ｓの位置と異ならせることで、光束１１２に含まれる映像が２重像になることを抑制し、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【００６６】
以下、第１主面１０ａに反射性と透過性とを付与する構成の例について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、これらの図は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面に相当する模式的断面図である。
図７（ａ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１１は、第１光学シート１０に加え、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、可視光に対して反射性と透過性とを有する透過反射光学層１５をさらに備えている。これ以外は、光学素子５１０と同様であるので説明を省略する。
【００６７】
透過反射光学層１５には、例えばアルミニウムなどの金属などの薄膜や、金属酸化物などの薄膜や、有機物の薄膜などを用いることができる。透過反射光学層１５に金属が用いられる場合には、透過反射光学層１５の厚さは、透過反射光学層１５が反射性と透過性とを有することができる厚さに制御される。透過反射光学層１５は、単層膜でも良く、積層多層膜でも良い。透過反射光学層１５には、反射防止層に用いられるＡＲコート層を用いることもできる。ＡＲコート膜としては、誘電体多層膜を用いることができる。誘電体多層膜を用いた場合には、入射角によって反射率を制御することができ、所望の入射角における反射率を上昇させることができ、効率を向上できる。
【００６８】
透過反射光学層１５の形成方法は、蒸着やスパッタ法やＣＶＤ法などのドライ成膜法や塗布法などのウエット成膜法など任意の方法を採用することができる。
透過反射光学層１５の可視光に対する透過率は７０％以上とすることができる。
【００６９】
図７（ｂ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１２は、第１光学シート１０と、透過反射光学層１５と、に加え、第１透光層１８ａをさらに備えている。第１透光層１８ａは、第１光学シート１０の第１主面１０ａの側に設けられ、可視光に対して透光性を有する。本具体例では、第１透光層１８ａは、透過反射光学層１５の第１光学シート１０とは反対の側に設けられている。これ以外は、光学素子５１１と同様であるので説明を省略する。
【００７０】
第１透光層１８ａには例えばアクリル系などの透明な樹脂を用いることができる。第１透光層１８ａは、例えば粘着層として機能する。第１透光層１８ａにより、光学素子５１２は、例えばフロントガラス７１０ａに貼り付けられる。このとき、第１透光層１８ａの屈折率は、フロントガラス７１０ａの屈折率と実質的に同じとすることができ、これにより、第１透光層１８ａと、フロントガラス７１０ａとの反射が抑制でき、明るい表示が得られる。
【００７１】
図７（ｃ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１３は、第１光学シート１０と、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、第１光学シート１０よりも高い屈折率を有する第１高屈折率層１６ａをさらに備える。これ以外は、光学素子５１０と同様であるので説明を省略する。
【００７２】
第１高屈折率層１６ａが第１光学シート１０よりも高い屈折率を有しているので、第１主面１０ａは、反射性と透過性とを有することができる。第１高屈折率層１６ａには、例えば、第１光学シート１０よりも高い屈折率を有する樹脂層や、金属酸化膜などの化合物層を用いることができる。第１高屈折率層１６ａを設けることで、光学素子５１３の第１主面１０ａの可視光に対する透過率は７０％以上とすることができる。
【００７３】
図７（ｄ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１４は、第１光学シート１０と、第１高屈折率層１６ａと、に加え、第２透光層１８ｂをさらに備えている。第２透光層１８ｂは、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、可視光に対して透光性を有する。本具体例では、第２透光層１８ｂは、第１高屈折率層１６ａの第１光学シート１０とは反対の側に設けられている。これ以外は、光学素子５１３と同様であるので説明を省略する。
【００７４】
第２透光層１８ｂには例えばＰＥＴなどの透明な樹脂シートを用いることができる。これにより、例えば、第１高屈折率層１６ａを保護することができ、光学素子５１４の信頼性を向上できる。
【００７５】
なお、第２透光層１８ｂの第１光学シート１０とは反対の側に、上記の第１透光層１８ａをさらに設けることもできる。この場合も、第１透光層１８ａは、例えば粘着層として機能する。
【００７６】
なお、第１透光層１８ａ及び第２透光層１８ｂの屈折率は、フロントガラス７１０ａの屈折率と実質的に同じとすることができ、これにより、第１透光層１８ａと、第２透光層１８ｂと、フロントガラス７１０ａと、の反射が抑制でき、明るい表示が得られる。また、第１透光層１８ａの屈折率は、第２透光層１８ｂの屈折率と、フロントガラス７１０ａの屈折率と、の間の値に設定でき、これにより、第１透光層１８ａと、第２透光層１８ｂと、フロントガラス７１０ａと、の反射が抑制でき、明るい表示が得られる。
【００７７】
図７（ｅ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１５は、第１光学シート１０に加え、第２光学シート２０と、第２高屈折率層１６ｂと、をさらに備える。これ以外は、光学素子５１０と同様であるので説明を省略する。
第２光学シート２０は、第２フレネルレンズ２０ｆが設けられ、第１主面１０ａに対向する第３主面２０ａを有する。第１フレネルレンズ１０ｆがフレネル凸レンズである場合には、第２フレネルレンズ２０ｆはフレネル凹レンズであり、第１フレネルレンズ１０ｆがフレネル凹レンズである場合には、第２フレネルレンズ２０ｆはフレネル凸レンズである。以下では、第１フレネルレンズ１０ｆがフレネル凸レンズであり、第２フレネルレンズ２０ｆはフレネル凹レンズである場合として説明する。
【００７８】
第２高屈折率層１６ｂは、第１光学シート１０と第２光学シート２０との間に設けられる。第２高屈折率層１６ｂは、第１光学シート１０の屈折率よりも高い屈折率を有する。なお、第２高屈折率層１６ｂの屈折率は、第２光学シート２０の屈折率よりも高く設定することができる。
【００７９】
この場合も、第１光学シート１０においては、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａは、第１主面１０ａの外形の中心（外形中心１３ｓ）とは異なる位置に配置されている。
【００８０】
そして、第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａの位置は、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａの位置に実質的に一致する。
【００８１】
すなわち、例えば、第２フレネルレンズ２０ｆの第３主面２０ａの外形は、第１フレネルレンズ１０ｆの外形と同じである。そして、第２フレネルレンズ２０ｆにおいても、第３主面２０ａにおける第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａは、第３主面２０ａの外形の中心とは異なる位置に配置されている。
【００８２】
第２フレネルレンズ２０ｆの第３主面２０ａには、凹曲面を有する凹部２１と、凹部２１の周囲に同心円状に設けられた曲面を有する複数の凹条部２２（例えば、同心円の中心２３ｏから外側に向かって、凹条部２２ａ、凹条部２２ｂ、凹条部２２ｃ及び凹条部２２ｄなど）が設けられている。これにより、第２フレネルレンズ２０ｆが形成される。凹条部２２のそれぞれにおいては、中心２３ｏに近い側の部分における厚みは、中心１３ｏから遠い側の部分における厚みよりも小さい。なお、本具体例では、第２主面２０ａとは反対の側の第４主面２０ｂは、実質的に平面である。
【００８３】
第１フレネルレンズ１０ｆの複数の凸条部１２のそれぞれに、第２フレネルレンズ２０ｆの複数の凹条部２２のそれぞれが対向する。
例えば、既に説明したように、第１フレネルレンズ１０ｆは、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａを中心とする同心円状の複数の凸条部１２を有し、第２フレネルレンズ２０ｆは、第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａを中心とする同心円条の複数の凹条部２２を有している。そして、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿ったある距離（第１距離）に位置する凸条部１２の幅は、第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿った距離が上記の第１距離に位置する凹条部２２の幅と、実質的に同じである。
また、凹条部２２の曲率は、凸条部１２の曲率と実質的に等しく設定されることができる。
【００８４】
このような構成を有する光学素子５１５においては、第１光学シート１０の第１主面１０ａに第２高屈折率層１６ｂが設けられることで、第１主面１０ａは、反射性と透過性とを有することができる。そして、第１光学シート１０に加え、第２光学シート２０を設けることで、凸条部１２を光が透過する際の光路のずれが、第２光学シート２０によって補正されることができる。これにより、外界の背景の像の歪みが抑制される。そして、この場合も、第１光学シート１０の光軸１３ｏａ及び第２光学シート２０の光軸２３ｏａが、第１主面１０ａ（すなわち、第３主面２０ａ）の外形中心１３ｓとは異なる位置に配置されることで、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【００８５】
このように、本実施形態に係る光学素子においては、光学素子の第１主面１０ａと第２主面１０ｂとで生成される複数の像の位置を互いに変え、これらの像の重なりを抑制する。例えば、図７に例示した光学素子５１４においては、前後が平面で挟まれた凹面鏡の役割を果たすフレネルミラー面が用いられる。そして、このフレネルミラー面の光軸を、フレネルミラー面の外形の中心からシフトさせることで、複数の像を知覚されることを抑制する。このような光学素子をＨＵＤの反射部７１１として用いることで、ＨＵＤの見易さを向上しつつ、表示装置の小型化が可能となる。
【００８６】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図８に表したように、本実施形態に係る光学素子５２０は、同心円状の複数の凸条部１２を有する第１フレネルレンズ１０ｆが設けられた第１主面１０ａを有する第１光学シート１０を備える。光学素子５２０も、例えば、車両７３０のフロントガラス７１０ａに貼り付けられ、ＨＵＤにおける反射部７１１として使用される。なお、この場合も、第１主面１０ａは、可視光に対して反射性と透過性とを有する。
【００８７】
図８に表したように、光学素子５２０においては、複数の凸条部１２のうちで互いに隣接する凸条部１２における同心円の中心１３ｏから外側に向かう放射方向に沿ったそれぞれの幅は、互いに異なる。そして、複数の凸条部１２のそれぞれにおける放射方向に沿ったそれぞれの幅は、予め定められた長さ以下である。
【００８８】
本具体例では、複数の凸条部１２のうちで互いに隣接する２つの凸条部１２の組み合わせのそれぞれにおいて、２つの凸条部１２における同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿ったそれぞれの幅は互いに異なり、複数の凸条部１２のそれぞれにおける放射方向に沿ったそれぞれの幅は、予め定められた所定長さ以下である。すなわち、隣接する凸条部の全ての組み合わせにおいて、凸条部１２の幅が互いに異なる。
【００８９】
例えば、図８に表したように、同心円の内側から凸条部１２ａ、凸条部１２ｂ、凸条部１２ｃ、凸条部１２ｄ、凸条部１２ｅ、凸条部１２ｆ及び凸条部１２ｇなどが設けられている場合、凸条部１２ａの幅は第１幅ｗ１であり、凸条部１２ｂの幅は第２幅ｗ２であり、凸条部１２ｃの幅は第３幅ｗ３であり、凸条部１２ｄの幅は第１幅ｗ１であり、凸条部１２ｅの幅は第２幅ｗ２であり、凸条部１２ｆの幅は第３幅ｗ３であり、凸条部１２ｇの幅は第１幅ｗ１である。そして、第２幅ｗ２は第１幅ｗ１とは異なり、第３幅ｗ３は、第１幅ｗ１とは異なり第２幅ｗ２とも異なる。
【００９０】
このように、互いに隣接する凸条部１２において、幅が互いに異なる。これにより、凸条部１２の回折効果による縞模様が抑制できる。
【００９１】
そして、凸条部１２の幅が、予め定められた長さ以下に設定される。予め定められた幅として、観視者１００の視力と、観視者１００と光学素子５２０との距離と、に基づいて、２つの凸条部１２が実質的に識別できない長さを採用することができる、これにより、複数の凸条部１２のそれぞれが認識されず、複数の凸条部１２による縞模様が知覚されなくなる。
【００９２】
具体的には、光学素子５２０を車両用のＨＵＤに応用される場合には、観視者１００の視力が０．７で、観視者１００と光学素子５２０との距離が１ｍである場合として、上記の予め定められた幅として、０．４３ｍｍを採用することができる。すなわち、凸条部１２の幅は、０．４３ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００９３】
また、観視者１００の視力が１．０で、観視者１００と光学素子５２０との距離が１ｍである場合として、上記の予め定められた幅として、０．３ｍｍを採用することができる。すなわち、凸条部１２の幅は０．３ｍｍ以下とすることができる。
【００９４】
一般に、凸条部１２の幅を一定にした状態で凸条部１２の幅を小さくすると、回折効果により、縞模様が知覚され易くなる。一方、凸条部１２の幅を大きくすると、凸条部１２自体が知覚される。本実施形態に係る光学素子５２０においては、凸条部１２の幅を凸条部１２自体が知覚されない小さい値に設定しつつ、複数の凸条部１２において、互いに隣接する凸条部１２の幅を互いに異ならせることで回折効果を抑制する。これにより、回折効果による縞模様を抑制しつつ、凸条部１２自体が実質的に知覚されなくなる。これにより、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【００９５】
以下、凸条部１２の幅を変えた時の光学素子の特性の変化に関するシミュレーション結果に関して説明する。
図９及び図１０は、光学素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、図９（ａ）は、凸条部１２の幅が０．２８ｍｍ±０．１０ｍｍで変化する場合（例えば、第１幅ｗ１が０．２８ｍｍであり、第２幅ｗ２が０．２８ｍｍ＋０．１０ｍｍであり、第３幅ｗ３が、０．２８ｍｍ−０．１０ｍｍである場合）の光学素子５２０ａの特性を例示している。
【００９６】
図９（ｂ）は、凸条部１２の幅が０．２８ｍｍ±０．０５ｍｍで変化する場合（例えば、第１幅ｗ１が０．２８ｍｍであり、第２幅ｗ２が０．２８ｍｍ＋０．０５ｍｍであり、第３幅ｗ３が、０．２８ｍｍ−０．０５ｍｍである場合）の光学素子５２０ｂの特性を例示している。
【００９７】
図１０（ａ）は、凸条部１２の幅が０．２８ｍｍ±０．０２ｍｍで変化する場合（例えば、第１幅ｗ１が０．２８ｍｍであり、第２幅ｗ２が０．２８ｍｍ＋０．０２ｍｍであり、第３幅ｗ３が、０．２８ｍｍ−０．０２ｍｍである場合）の光学素子５２０ｃの特性を例示している。
【００９８】
図１０（ｂ）は、凸条部１２の幅が０．２８ｍｍで一定である場合の比較例の光学素子５２９の特性を例示している。
これらの図において、横軸は、位置Ｘｖ（例えばＸ軸方向に沿った相対的な位置）であり、縦軸は、相対的な光強度Ｉｒである。
【００９９】
図１０（ｂ）に表したように、凸条部１２の幅が０．２８ｍｍで一定である場合の比較例の光学素子５２９においては、光強度Ｉｒが局所的に高い光のピークが見られ、光のピークどうしの間隔（位置Ｘｖに沿った間隔）が広い。すなわち、比較例の光学素子５２９においては、光のピークに対応する縞模様が見え易い。
【０１００】
図１０（ａ）に表したように、凸条部１２の幅を０．２８ｍｍ±０．０２ｍｍで変化させた本実施形態に係る光学素子５２０ｃにおいては、光のピークどうしの間隔が狭く、細かいピークが数多く見られる。すなわち、光学素子５２０ｃにおいては、光のピークに対応する縞模様が見え難い。
【０１０１】
さらに、図９（ｂ）に表したように、凸条部１２の幅を０．２８ｍｍ±０．０５ｍｍで変化させた本実施形態に係る光学素子５２０ｂにおいても、光のピークどうしの間隔が狭く、細かいピークが数多く見られる。また、図９（ａ）に表したように、凸条部１２の幅を０．２８ｍｍ±０．１０ｍｍで変化させた本実施形態に係る光学素子５２０ａにおいても、光のピークどうしの間隔が狭く、細かいピークが数多く見られる。そして、光学素子５２０ｂにおいては、光学素子５２０ｃよりも縞模様が見え難く、また、光学素子５２０ａにおいては、光学素子５２０ｂよりもさらに縞模様が見え難い。
【０１０２】
このように、凸条部１２の幅の変化量を大きくすることで、回折効果をより低減することができ、より縞模様を知覚され難くすることができる。
【０１０３】
本実施形態に係る光学素子において、複数の凸条部のうちで互いに隣接する凸条部１２の幅の差は、例えば０．０５ｍｍ以上とすることができる。これにより、回折効果をより低減することができ、より縞模様を知覚され難くすることができる。ただし、本発明の実施形態はこれに限らず、互いに隣接する凸条部１２において、幅が互いに異なることで回折による縞模様が抑制できれば良く、複数の凸条部１２における幅の差は任意である。
【０１０４】
なお、上記においては、隣接する凸条部の全てにおいて、凸条部１２の幅が互いに異なる場合であるが、本実施形態はこれに限らず、複数の凸条部１２のうちで互いに隣接する任意の２つの凸条部１２における幅が互いに異なっても良い。例えば、光学素子５２０の周辺部に設けられる凸条部１２においては、縞模様が発生した場合においても余り目立たないので実用的には問題にならなり場合がある。このような場合は、実用上目立ち易い光学素子５２０の中央部分において、互いに隣接する任意の２つの凸条部１２における幅を互いに異なるように設定しても良い。
【０１０５】
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る別の光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１１に表したように、本実施形態に係る光学素子５３０も、同心円状の複数の凸条部１２を有する第１フレネルレンズ１０ｆが設けられた第１主面１０ａを有する第１光学シート１０を備える。そして、複数の凸条部１２のうちで隣接する２つの凸条部１２における同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿った幅は互いに同じであり、隣接する２つの凸条部１２における放射方向に沿った幅の合計は、予め定められた長さ以下である。
【０１０６】
例えば、図１１に表したように、凸条部１２ａの幅は第１幅ｗ１であり、凸条部１２ｂの幅は第２幅ｗ２であり、凸条部１２ｃの幅は第１幅ｗ１であり、凸条部１２ｄの幅は第１幅ｗ１であり、凸条部１２ｅの幅は第２幅ｗ２であり、凸条部１２ｆの幅は第３幅ｗ３であり、凸条部１２ｇの幅は第１幅ｗ１である。そして、第２幅ｗ２は第１幅ｗ１とは異なり、第３幅ｗ３は、第１幅ｗ１とは異なり第２幅ｗ２とも異なる。
【０１０７】
本具体例では、互いに隣接する凸条部１２ｃ及び凸条部１２ｄは、同じ第１幅ｗ１を有する。そして、このとき、隣接する２つの凸条部１２における放射方向に沿った幅の合計である第１幅ｗ１の２倍の値は、予め定められた長さ以下に設定される。
【０１０８】
この場合も、予め定められた幅として、観視者１００の視力と、観視者１００と光学素子５２０との距離と、に基づいて、２つの凸条部１２が実質的に識別できない長さを採用することができる、これにより、複数の凸条部１２のそれぞれが認識されず、複数の凸条部１２による縞模様が知覚されなくなる。具体的には、上記の予め定められた幅として、０．４３ｍｍを採用することができる。
【０１０９】
このように、複数の凸条部１２において、互いに隣接する凸条部１２の幅が互いに同じ場合においても、その隣接する２つの凸条部１２の幅の合計を予め定められた長さ（例えば０．４３ｍｍ）以下にすることで、回折効果を抑制する。これにより、回折効果による縞模様を抑制しつつ、凸条部１２自体が実質的に知覚されなくなる。これにより、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【０１１０】
なお、本具体例では、複数の凸条部１２のうちの１つの凸条部１２の両側において隣接する２つの凸条部１２の一方における同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿った幅は、上記の１つの凸条部における幅とは異なり、上記の２つの凸条部の他方における放射方向に沿った幅は、上記の１つの凸条部における幅と実質的に同じである。
すなわち、３つの連続して並ぶ凸条部１２の幅が互い同じではない。ただし、もし、３つの連続して並ぶ凸条部１２の幅が互い同じ場合は、連続して並ぶその３つの凸条部１２の幅の合計を、予め定められた長さ（例えば０．４３ｍｍ）以下にすることで回折効果を抑制し、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【０１１１】
このように、本実施形態に係る光学素子においては、フレネルレンズの溝間隔（すなわち、凸条部１２の幅）に関して、等間隔溝または等高さ溝ではなく、多周期間隔またはランダム周期間隔にて溝を設定する。これにより周期性が崩れることからフレネルレンズによる回折を抑制することができる。
【０１１２】
多周期間隔の例として、例えば上記のように３周期間隔のフレネルレンズを適用することができる。３周期間隔のフレネルレンズにおいては、凸条部１２の幅を、第１幅ｗ１→第２幅ｗ２→第３幅ｗ３と変化させ、さらにこの順で繰り返して変化させる。また、凸条部１２の幅の順番は、第３幅ｗ３→第２幅ｗ２→第１幅ｗ１でも良く、任意である。また、凸条部１２の幅を、第１幅ｗ１、第２幅ｗ２及び第３幅ｗ３の中から任意の幅を適用しても良い。また、例えば、凸条部１２の幅がランダムに変化するようにしても良い。
【０１１３】
以下、本実施形態に係る光学素子に関して、光学素子５２０に関してさらに説明する。ただし、以下の説明は、上記の光学素子５２０ａ〜５２０ｃ及び光学素子５３０にも適用できる。
光学素子５２０は、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、可視光に対して反射性と透過性とを有する透過反射光学層１５をさらに備えることができる。そして、透過反射光学層１５の可視光に対する透過率は７０％以上とすることができる。これにより、光学素子５２０はＨＵＤに使用したときに、映像投影部１１５はら呈示される映像と、外界の背景映像と、の両方を良好な状態で観視できる。
【０１１４】
また、光学素子５２０は、第１光学シート１０の第１主面１０ａの側に設けられ、可視光に対して透光性を有する第１透光層１８ａをさらに備えることもできる。例えば、粘着層とし機能する第１透光層１８ａは、透過反射光学層１５の第１光学シート１０とは反対の側に設けられる。
【０１１５】
また、光学素子５２０は、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、第１光学シート１０よりも高い屈折率を有する第１高屈折率層１６ａをさらに備えることができる。これにより、第１主面１０ａが反射性と透過性とを有することができる。
【０１１６】
また、光学素子５２０は、第１光学シート１０と、第１高屈折率層１６ａと、に加え、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、可視光に対して透光性を有する第２透光層１８ｂ（例えば光学フィルム）をさらに備えることもできる。第２透光層１８ｂにより、例えば、第１高屈折率層１６ａを保護することができ、光学素子５１４の信頼性を向上できる。
【０１１７】
また、光学素子５２０は、第２フレネルレンズ２０ｆが設けられ、第１主面１０ａに対向する第３主面２０ａを有する第２光学シート２０と、第１光学シート１０と第２光学シート２０との間に設けられ、第１光学シート１０の屈折率よりも高い屈折率を有する第２高屈折率層１６ｂと、をさらに備えることもできる。
【０１１８】
第１フレネルレンズ１０ｆの複数の凸条部１２のそれぞれに、第２フレネルレンズ２０ｆの複数の凹条部２２のそれぞれが対向する。
例えば、既に説明したように、第１フレネルレンズ１０ｆは、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａを中心とする同心円状の複数の凸条部１２を有し、第２フレネルレンズ２０ｆは、第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａを中心とする同心円条の複数の凹条部２２を有している。そして、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿ったある距離（第１距離）に位置する凸条部１２の幅は、第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿った距離が上記の第１距離に位置する凹条部２２の幅と、実質的に同じである。
また、凹条部２２の曲率は、凸条部１２の曲率と実質的に等しく設定されることができる。
【０１１９】
これにより、凸条部１２を光が透過する際の光路のずれが、第２光学シート２０によって補正でき、外界の背景の像の歪みが抑制され、ＨＵＤの見易さがさらに向上できる。
【０１２０】
また、光学素子５２０において、第１主面１０ａにおける第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａを、第１主面１０ａの外形の中心（外形中心１３ｓ）とは異なる位置に配置されても良い。これにより、第１実施形態に係る効果をさらに享受することができる。
【０１２１】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態に係る表示装置の例について説明する。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図１２に表したように、表示装置３３０は、映像を含む光束を、本発明の実施形態に係る光学素子５１０に反射させて観視者１００に向けて投影する映像投影部１１５を備える。なお、表示装置３３０は、光学素子５１０をさらに含んでも良い。
【０１２２】
図１２に表したように、表示装置３３０は、映像データ生成部１３０をさらに備えているが、映像データ生成部１３０は場合によっては省略しても良い。また、映像データ生成部１３０は、必ずしも映像投影部１１５と一体的に設けられなくても良く、例えば、ダッシュボード７２０の内部ではなく、車両７３０の任意の場所に設置しても良い。映像データ生成部１３０からの映像データは、電気信号や光信号などの有線または無線の方式により、映像投影部１１５に供給される。
【０１２３】
本具体例においては、映像投影部１１５は、映像光形成部１１０と、光束投影部１２０と、を有する。
【０１２４】
映像光形成部１１０は、例えば、光源１１１と、映像形成部１１７と、を有する。
【０１２５】
光源１１１は、光束１１２の基となる光を出射する。光源１１１には、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ、レーザなど各種のものを用いることができる。
【０１２６】
映像形成部１１７には、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）などの光スイッチを用いることができる。そして、映像形成部１１７には、映像データ生成部１３０から映像データが供給され、映像形成部１１７は、その映像データに基づいて、映像を含む光束１１２を生成する。
【０１２７】
本具体例では、映像光形成部１１０は、光源１１１と映像形成部１１７との間に設けられたテーパライトガイド１１６をさらに有している。光源１１１から出射された光は、テーパライトガイド１１６において発散角がある程度の範囲に制御される。そして、その光は、映像形成部１１７を経ることで、映像を含む光束１１２となり、この光束１１２の発散角はある程度の範囲に制御される。
【０１２８】
光束投影部１２０は、映像光形成部１１０から出射した光束１１２を車両７３０のフロントガラス部７１０に含まれる本実施形態に係る光学素子に反射させて、観視者１００に向けて投影する。本具体例では、光学素子５１０が用いられているが、光学素子として本発明の実施形態に係る任意の光学素子及びそれらの変形の光学素子を用いることができる。光束投影部１２０には、例えば、各種のレンズ、ミラー、及び、発散角（拡散角）を制御する各種の光学素子が用いられる。
【０１２９】
本具体例では、光束投影部１２０は、光源側レンズ１２３と、アパーチャ１２４と、出射側レンズ１２５と、出射側ミラー１２６と、を含む。
【０１３０】
光束１１２の進行方向に沿って、映像光形成部１１０と出射側ミラー１２６との間に光源側レンズ１２３が配置され、光源側レンズ１２３と出射側ミラー１２６との間にアパーチャ１２４が配置され、アパーチャ１２４と出射側ミラー１２６との間に出射側レンズ１２５が配置される。
【０１３１】
本具体例では、出射側ミラー１２６には、平面鏡を用いることができる。すなわち、本実施形態に係る光学素子５１０が像を拡大させる効果を有することで、出射側ミラー１２６に平面鏡を用いることができ、光束投影部１２０（すなわち、映像投影部１１５）を小型化できる。
【０１３２】
そして、光束１１２の発散角が制御されており、光束１１２が、観視者１００の目１０１に入射するように設計できる。これにより、例えば、観視者１００は、光束１１２に含まれる映像を片方の目１０１で観視することができる。これにより、フロントガラス部７１０で反射する表示内容１８０の像１８１を両眼で観察したときに生じる両眼視差による見難さが解消される。
【０１３３】
なお、フロントガラス部７１０は、観視者１００からの距離が２１．７ｃｍ以上の位置に配置される。これにより、観視者１００が知覚する奥行き感が増強され、また、表示内容１８０を所望の奥行き位置に知覚させ易くできる。
【０１３４】
ただし、本発明の実施形態は、これに限らず、場合によっては、映像投影部１１５から出射された光束１１２が、観視者１００の両目に入射されても良い。
【０１３５】
なお、出射側ミラー１２６は可動式とすることができ、例えば、観視者１００の頭部１０５の位置や動きに合わせて、手動で、または、自動で、出射側ミラー１２６の位置や角度を調節し、光束１１２を観視者１００の目１０１に適切に投影させることができる。
【０１３６】
この構成により、光束１１２の発散角が制御され、観視者１００の位置において、光束１１２の投影領域１１４は一定の範囲に制御される。
【０１３７】
観視者１００の両目（瞳）の間隔は、例えば、６０ミリメートル（ｍｍ）〜７５ｍｍであるので、片方の目１０１で観視させる場合には、観視者１００の位置における光束１１２の投影領域１１４の大きさ（左右方向の幅）は、例えば、６０ｍｍ〜７５ｍｍ程度以下に設定される。この投影領域１１４の大きさは、主に光束投影部１２０に含まれる光学素子によって制御される。
【０１３８】
なお、観視者１００の位置における光束１１２の投影位置１１４ａは、例えば、映像投影部１１５の設置位置や角度を変えることで制御することができる。例えば、映像光形成部１１０の設置位置、映像光形成部１１０の角度、光束投影部１２０の設置位置、及び光束投影部１２０の角度の少なくともいずれかを変えることで、投影位置１１４ａが制御できる。
【０１３９】
例えば、表示装置３３０は、映像投影部１１５を制御して、観視者１００の位置における光束１１２の投影位置１１４ａを制御する制御部２５０をさらに備えることができる。制御部２５０により、例えば、出射側ミラー１２６の角度を制御して、投影位置１１４ａを制御する。
【０１４０】
例えば、制御部２５０は、制御信号部２５１と駆動部１２６ａとを有する。制御信号部２５１は、制御信号を駆動部１２６ａに出力し、駆動部１２６ａを動作させる。駆動部１２６ａは、例えば、出射側ミラー１２６の角度や位置などを変化させるモータなどを有する。制御信号部２５１から出力された制御信号によって駆動部１２６ａが動作し、出射側ミラー１２６の角度や位置などを変化させ、観視者１００の位置における光束１１２の投影位置１１４ａを変化させる。駆動部１２６ａは、映像投影部１１５に含まれると見なしても良い。
【０１４１】
映像光形成部１１０及び光束投影部１２０のそれぞれの構成は、種々の変形が可能である。映像光形成部１１０に含まれる要素と、光束投影部１２０に含まれる要素と、の配置は任意であり、例えば、光束投影部１２０に含まれる要素どうしの間に、映像光形成部１１０（及びそれに含まれる要素）が挿入されていても良い。
映像投影部１１５は、上記の具体例の他に、各種の変形が可能である。
【０１４２】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施形態に係る表示方法は、第１の実施形態に関して説明した光学素子を用いる表示方法である。
【０１４３】
この表示方法は、第１フレネルレンズ１０ｆが設けられた第１主面１０ａと、第１主面１０ａとは反対側の第２主面１０ｂと、を有する第１光学シート１０に、第２主面１０ｂの側から映像を含む光束１１２を入射させ、光束１１２の第２主面１０ｂで反射した第２主面反射光束（第２反射光Ｌｏｕｔ２）の方向を、光束１１２の第１主面１０ａで反射した第１主面反射光束（第１反射光Ｌｏｕｔ１）の方向に対して５度以上変えて、第１主面光束を観視者１００に向けて投影する。
【０１４４】
すなわち、第２反射光Ｌｏｕｔ２の第２反射角θｏｕｔ２と、第１反射光Ｌｏｕｔ１の第１反射角θｏｕｔ１と、を５度以上変えて、第１反射光Ｌｏｕｔ１を観視者１００に投影させる。これにより、２重像が抑制でき、見易い表示が実現できる。
【０１４５】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施形態に係る移動体（例えば、車両７３０）は、図１に例示したようい、発明の実施形態に係る光学素子のいずれかと、その光学素子を支持する透明板（フロントガラス７１０ａ、フロントガラス部７１０）と、を備える。また、移動体は、映像を含む光束１１２を本実施形態に係る光学素子に反射させて観視者１００に向けて投影する映像投影部１１５を含む表示装置をさらに含むこともできる。なお、映像投影部１１５は、映像を含む光束の発散角を制御して光学素子に投影することができる。
本実施形態に係る移動体は、車両や船舶や航空機などの任意の乗り物とすることができる。
【０１４６】
移動体のフロントガラス部７１０に本実施形態に係る任意の光学素子を貼り付けることもできるが、フロントガラス部７１０が、光学素子を内蔵しても良い。以下、その例について説明する。
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る移動体の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図１３（ａ）に表したように、本実施形態に係る移動体のフロントガラス７１０ａ１は、第１透明板７１５ａと、第２透明板７１５ｂと、第１透明板７１５ａと第１透明板７１５ｂとの間に設けられた光学素子を有している。この例では、光学素子として、既に説明した光学素子５１２が用いられている。また、第１透明板７１５ａと第１透明板７１５ｂとの間において、光学素子５１２が設けられていない部分には、透明樹脂層７１５ｃが設けられている。透明樹脂層７１５ｃには、例えば第１透光層１８ａに用いられる材料と同じ材料を用いても良い。
【０１４７】
図１３（ｂ）に表したように、本実施形態に係る移動体のフロントガラス７１０ａ１においては、第１透明板７１５ａと第１透明板７１５ｂとの間に、既に説明した光学素子５１５が設けられている。また、第１透明板７１５ａと第１透明板７１５ｂとの間において、光学素子５１２が設けられていない部分には、透明樹脂層７１５ｃが設けられている。
【０１４８】
なお、第１透明板７１５ａ及び第２透明板７１５ｂには、例えばガラス基板や樹脂製の透明な基板を用いることができる。
このような構成を有するフロントガラス７１０ａ１及び７１０ａ２によれば、フロントガラスに光学素子を内蔵することで、使用者はより便利になり、また、光学素子の周囲が、第１透明板７１５ａ、第２透明板７１５ｂ及び透明樹脂層７１５ｃによって封止されるため、光学素子の信頼性が向上する。
【０１４９】
なお、第１透明板７１５ａと第２透明板７１５ｂとの間には、本発明の実施形態に係る任意の光学素子を設けることができる。
【０１５０】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光学素子に含まれるフレネルレンズ、光学シート、透過反射光学層、高屈折率層及び透光層、表示装置に含まれる映像投影部及び映像投影部に含まれる光学部品等の各要素の具体的な構成の、形状、サイズ、材質、配置関係などに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１５１】
その他、本発明の実施の形態として上述した光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１５２】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１５３】
１０…第１光学シート、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｆ…第１フレネルレンズ、 １１…凸部、 １２、１２ａ〜１２ｇ…凸条部、 １３ｏ…中心、 １３ｏａ…光軸、 １３ｓ…外形中心、 １５…透過反射光学層、 １６ａ…第１高屈折率層、 １６ｂ…第２高屈折率層、 １８ａ…第１透光層、 １８ｂ…第２透光層、 ２０…第２光学シート、 ２０ａ…第３主面、 ２０ｂ…第４主面、 ２０ｆ…第２フレネルレンズ、 ２１…凹部、 ２２、２２ａ〜２２ｄ…凹条部、 ２３ｏ…中心、 ２３ｏａ…光軸、 θｏｕｔ１、θｏｕｔ２…第１及び第２反射角、 １００…観視者、 １０１…目、 １０１ｐ…位置、 １０５…頭部、 １１０…映像光形成部、 １１１…光源、 １１２…光束、 １１４…投影領域、 １１４ａ…投影位置、 １１４ｃ…観視領域、 １１５…映像投影部、 １１６…テーパライトガイド、 １１７…映像形成部、 １２０…光束投影部、 １２３…光源側レンズ、 １２４…アパーチャ、 １２５…出射側レンズ、 １２６…出射側ミラー、 １２６ａ…駆動部、 １３０…映像データ生成部、 １８０…表示内容、 １８１…像、 １８１ｐ…像形成位置、 ２５０…制御部、 ２５１…制御信号部、 ３１０、３３０…表示装置、 ５１０、５１１、５１２、５１３、５１４、５１５、５１９、５２０、５２０ａ、５２０ｂ、５２０ｃ、５２９、５３０…光学素子、 ７１０…フロントガラス部、 ７１０ａ、７１０ａ１、７１０ａ２…フロントガラス、 ７１１…反射部、 ７１５ａ、７１５ｂ…第１及び第２透明板、 ７１５ｃ…透明樹脂層、 ７２０…ダッシュボード、 ７３０…車両（移動体）、 Ｉｒ…光強度、 Ｌｉ１、Ｌｉ２…光、 Ｌｉｎ１、Ｌｉｎ２…第１及び第２入射光、 Ｌｏｕｔ１、Ｌｏｕｔ２…第１及び第２反射光、 Ｌｒａ１、Ｌｒａ２、Ｌｒｂ１、Ｌｒｂ２…反射光、 Ｌｔ１、Ｌｔ２…透過光、 Ｘｖ…位置、 ｗ１、ｗ２、ｗ３…第１、第２、第３幅、 ｘｏ１、ｘｏ２、ｘｓ１、ｘｓ２、ｙｏ１、ｙｏ２、ｙｓ１、ｙｓ２…距離
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両や航空機等の移動体のフロントガラス（ウインドシールド）に各種の映像情報を表示し、外界の背景の画像と、映像情報と、を操縦者に観視させるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ： Head-Up Display）が知られている。例えば、特許文献１には、液晶表示器を用いたヘッドアップディスプレイに関する技術が公開されている。
この様なＨＵＤにおいて、装置の小型化と共に、見やすさの向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２７１６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、ヘッドアップディスプレイの見易さを向上し、装置を小型化する光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、同心円状の複数の凸条部を有する第１フレネルレンズが設けられた第１主面を有する第１光学シートを備え、前記複数の凸条部のうちで互いに隣接する凸条部における前記同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿ったそれぞれの幅は互いに異なり、前記複数の凸条部のそれぞれにおける前記放射方向に沿ったそれぞれの幅は、予め定められた長さ以下であることを特徴とする光学素子が提供される。
【０００６】
本発明の別の一態様によれば、同心円状の複数の凸条部を有する第１フレネルレンズが設けられた第１主面を有する第１光学シートを備え、前記複数の凸条部のうちで隣接する２つの凸条部における前記同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿った幅は互いに同じであり、前記隣接する２つの前記凸条部における前記放射方向に沿った幅の合計は、予め定められた長さ以下であることを特徴とする光学素子が提供される。
【０００７】
本発明の別の一態様によれば、映像を含む光束を、上記のいずれか１つに記載の光学素子に反射させて観視者に向けて投影する映像投影部を備えたことを特徴とする表示装置が提供される。
【０００８】
本発明の別の一態様によれば、第１フレネルレンズが設けられた第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面と、を有する第１光学シートに、前記第２主面の側から映像を含む光束を入射させ、前記光束の前記第２主面で反射した第２主面反射光束の方向を、前記光束の前記第１主面で反射した第１主面反射光束の方向に対して５度以上変えて、前記第１主面光束を観視者に向けて投影する表示方法が提供される。
【０００９】
本発明の別の一態様によれば、上記のいずれか１つに記載の光学素子と、前記光学素子を支持する透明板と、を備えたことを特徴とする移動体が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ヘッドアップディスプレイの見易さを向上し、装置を小型化する光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る光学素子が用いられる表示装置の使用状態を例示する模式図である。
【図３】第１の実施形態に係る光学素子の動作を例示する模式図である。
【図４】比較例の光学素子の動作を例示する模式図である。
【図５】光学素子の特性を例示する模式図である。
【図６】第１の実施形態に係る光学素子の動作を例示する模式図である。
【図７】第１の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図８】第２の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図９】光学素子の特性を例示するグラフ図である。
【図１０】光学素子の特性を例示するグラフ図である。
【図１１】第２の実施形態に係る別の光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図１２】第３の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
【図１３】第５の実施形態に係る移動体の一部の構成を例示する模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施形態は、ＨＵＤなどの表示装置に用いられる光学素子である。この表示装置は、車両や船舶や航空機などの移動体に搭載されるＨＵＤとして用いることができる。ただし、本発明の実施形態はこれに限らず、表示装置は、ドライビングシミュレータやフライトシミュレータなどのシミュレータ、さらには、ゲームなどのアミューズメント用途にも適用できる。以下では、例として本実施形態に係る光学素子が、車両用のＨＵＤの表示装置に応用される場合として説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子が用いられる表示装置の使用状態を例示する模式図である。
まず、図２により、本実施形態に係る表示装置３１０の構成の概要について説明する。
【００１５】
図２に表したように、本実施形態に係る表示装置３１０は、車両７３０（移動体）に搭載される。表示装置３１０は、映像投影部１１５を備える。表示装置３１０は、さらに映像データ生成部１３０を備えても良い。
【００１６】
映像データ生成部１３０は、映像データを生成する。
映像投影部１１５は、映像データ生成部１３０によって生成された映像データに基づいた映像を含む光束１１２を車両７３０のフロントガラス部７１０に反射させて車両７３０に搭乗する観視者１００に向けて投影する。
【００１７】
フロントガラス部７１０は、車両７３０のフロントガラス７１０ａを含む。フロントガラス部７１０は、例えば、車両７３０のフロントガラス７１０ａに設けられる反射部７１１を含む。
【００１８】
反射部７１１として、本実施形態に係る光学素子５１０が用いられる。光学素子５１０は、例えばフロントガラス７１０ａの室内の側に貼り付けられる。また、後述するように、光学素子５１０は、フロントガラス７１０ａに内蔵されることもできる。さらに、光学素子５１０は、フロントガラス７１０ａの室内の側において、フロントガラス７１０ａと離間して、フロントガラス７１０ａに近接して設置される。光学素子５１０が、フロントガラス７１０ａと離間して設置される場合において、光学素子５１０を支持する部材もフロントガラス部７１０に含められるものとする。
【００１９】
このように、車両７３０（移動体）は、本発明の実施形態に係る光学素子５１０と、光学素子５１０を支持する透明板（フロントガラス７１０ａ、フロントガラス部７１０）と、を備える。
【００２０】
光束１１２に含まれる映像は、例えば、表示装置３１０が搭載される車両７３０の運行情報に関する、進行方向を示す「矢印」や速度など、種々の内容を含む。
【００２１】
図２に例示したように、表示装置３１０の映像投影部１１５は、例えば車両７３０の中、すなわち、例えば、操縦者である観視者１００から見て車両７３０のダッシュボード７２０の奥に設けられることができる。
【００２２】
映像投影部１１５から出射された光束１１２は、フロントガラス部７１０で反射され、観視者１００の頭部１０５に入射する。具体的には、光束１１２は、観視者１００の目１０１に到る。観視者１００は、フロントガラス部７１０を介して、像形成位置１８１ｐの位置に形成された映像に含まれる表示内容１８０の像１８１（虚像）を知覚する。このように、表示装置３１０は、ＨＵＤとして使用できる。
【００２３】
このように、表示装置３１０は、映像を含む光束を、本発明の実施形態に係る光学素子５１０に反射させて観視者１００に向けて投影する映像投影部１１５を備える。また、表示装置は、光学素子５１０をさらに含んでも良い。
【００２４】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１０は、第１フレネルレンズ１０ｆが設けられた第１主面１０ａを有する第１光学シート１０を備える。第１主面１０ａにおけるフレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａは、第１主面１０ａの外形の中心（外形中心１３ｓ）とは異なる位置に配置されている。
【００２５】
本具体例では、第１フレネルレンズ１０ｆは、フレネル凸レンズである。ただし、第１フレネルレンズ１０ｆはフレネル凹レンズであっても良い。以下では、第１フレネルレンズ１０ｆが、フレネル凸レンズである場合として説明する。
【００２６】
第１光学シート１０は、例えばＰＭＭＡなどのアクリル系などの樹脂や、ガラス等の、可視光に対して透過性の材料を用いることができる。ただし、第１光学シート１０に用いられる材料は、可視光に対して透過性を有する任意の材料を用いることができる。
【００２７】
第１主面１０ａには、凸曲面を有する凸部１１と、凸部１１の周囲に同心円状に設けられた曲面を有する複数の凸条部１２（例えば、同心円の中心１３ｏから外側に向かって、凸条部１２ａ、凸条部１２ｂ、凸条部１２ｃ及び凸条部１２ｄなど）が設けられている。これにより、第１フレネルレンズ１０ｆが形成される。
【００２８】
凸条部１２のそれぞれにおいては、中心１３ｏに近い側の部分における厚みは、中心１３ｏから遠い側の部分における厚みよりも大きい。
なお、本具体例では、第１主面１０ａとは反対の側の第２主面１０ｂは、実質的に平面である。
【００２９】
ここで、第１主面１０ａに対して垂直な方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００３０】
第１主面１０ａの外形（すなわち、第１主面１０ａに対して垂直な方向からみたときの光学素子５１０の外形）は、例えば矩形である。なお、本実施形態はこれに限らず、第１主面１０ａの外形は、角が丸い矩形や、扁平円形や円形でも良い。
【００３１】
ここで、第１主面１０ａの外形中心１３ｓは、例えば、外形のＸ軸方向に沿った中点でありつつ、外形のＹ軸方向に沿った中点である。本具体例では、第１主面１０ａの外形のＸ軸方向に沿った一方の端から外形中心１３ｓまでのＸ軸方向に沿った距離ｘｓ１は、第１主面１０ａの外形のＸ軸方向に沿った他方の端から外形中心１３ｓまでのＸ軸方向に沿った距離ｘｓ２と、等しい。また、第１主面１０ａの外形のＹ軸方向に沿った一方の端から外形中心１３ｓまでのＹ軸方向に沿った距離ｙｓ１は、第１主面１０ａの外形のＹ軸方向に沿った他方の端から外形中心１３ｓまでのＹ軸方向に沿った距離ｙｓ２と、等しい。
【００３２】
一方、第１主面１０ａにおける第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａは、凸部１１の中心であり、また、複数の凸条部１２の同心円の中心１３ｏでもある。第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａは、外形中心１３ｓとは異なる位置に配置されている。すなわち、本具体例では、第１主面１０ａの外形のＸ軸方向に沿った一方の端から光軸１３ｏａまでのＸ軸方向に沿った距離ｘｏ１は、第１主面１０ａの外形のＸ軸方向に沿った他方の端から光軸１３ｏａまでのＸ軸方向に沿った距離ｘｏ２と、は異なる。すなわち、光軸１３ｏａは、Ｘ軸方向に沿って外形中心１３ｓと異なる位置に配置されている。
【００３３】
なお、本具体例では、第１主面１０ａの外形のＹ軸方向に沿った一方の端から光軸１３ｏａまでのＹ軸方向に沿った距離ｙｏ１は、第１主面１０ａの外形のＹ軸方向に沿った他方の端からＹ軸方向に沿った光軸１３ｏａまでの距離ｙｏ２と、が、互いに等しいが、距離ｙｏ１と距離ｙｏ２とがさらに互いに異なっていても良い。すなわち、光軸１３ｏａは、Ｘ軸方向だけでなく、さらにＹ軸方向に沿って外形中心１３ｓと異なる位置に配置されても良い。
【００３４】
光学素子５１０の第１主面１０ａは、可視光に対して反射性と透過性とを有する。光学素子５１０は、例えば車両７３０のフロントガラス７１０ａの内側に、第１主面１０ａの側をフロントガラス７１０ａに対向させて、貼り付けられることで、ＨＵＤに応用できる。すなわち、光学素子５１０は、表示装置３１０の映像投影部１１５から出射される光束１１２を観視者１００に向けて反射させると共に、車両７３０の外界の背景の光を透過させて、観視者１００に与えることができる。
【００３５】
このとき、本実施形態に係る光学素子５１０は、光軸１３ｏａを外形中心１３ｓからシフトさせることで、ＨＵＤの見やすさが向上できる。
【００３６】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の動作を例示する模式図である。
すなわち、これらの図は、光学素子５１０の２種類の使用状態を例示する模式図である。すなわち、図３（ａ）は、光学素子５１０の光軸１３ｏａを外形中心１３ｓよりも上側に配置させて、光学素子５１０をフロントガラス７１０ａに貼り付けた場合の状態を例示している。図３（ｂ）は、光学素子５１０の光軸１３ｏａを外形中心１３ｓよりも下側に配置させて、光学素子５１０をフロントガラス７１０ａに貼り付けた場合の状態を例示している。
【００３７】
図３（ａ）に表したように、映像投影部１１５（図示しない）から光Ｌｉ１が光学素子５１０に入射する。光Ｌｉ１のうちの一部の光は、光学素子５１０内に入射し、第１主面１０ａで反射し、その反射光Ｌｒａ１が、観視者１００（図示しない）に向けて進行する。一方、光Ｌｉ１のうちの別の一部の光は、光学素子５１０の第２主面１０ｂで反射し、反射光Ｌｒｂ１として、反射光Ｌｒａ１とは異なる角度で進行する。すなわち、第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１の出射角と、が互いに異なる。同様に、光学素子５１０に入射する光Ｌｉ２のうちの第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ２の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ２の出射角と、が互いに異なる。
【００３８】
これにより、観視者１００には、第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１及び反射光Ｌｒａ２が投影される。そして、観視者１００には、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１及び反射光Ｌｒｂ２が投影されない。これにより、映像投影部１１５から出射する光束１１２に含まれる映像が２重像にならない。
【００３９】
また、図３（ｂ）に表したように、光軸１３ｏａを外形中心１３ｓよりも下側に配置させた場合も、光学素子５１０に入射する光Ｌｉ１のうちの第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１の出射角と、が互いに異なる。同様に、光学素子５１０に入射する光Ｌｉ２のうちの第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ２の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ２の出射角と、が互いに異なる。
【００４０】
この場合も、観視者１００には、第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１及び反射光Ｌｒａ２が投影され、観視者１００には、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１及び反射光Ｌｒｂ２が投影されず、光束１１２に含まれる映像が２重像にならない。
【００４１】
そして、図３（ａ）及び図３（ｂ）に表したように、透過光Ｌｔ１及び透過光Ｌｔ２は、第１主面１０ａを透過し、観視者１００に届く。これにより、観視者は、映像投影部１１５による映像と共に、光学素子５１０を透過した透過光に含まれる例えば外界背景と、を同時に観視することができる。
【００４２】
（比較例）
図４は、比較例の光学素子の動作を例示する模式図である。
図４に表したように、比較例の光学素子５１９においては、第１主面１０ａにおける第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａの位置が、第１主面１０ａの外形中心１３ｓの位置と一致している。
【００４３】
この場合には、光学素子５１９に入射した光Ｌｉ１のうちの、第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１の出射角と、の差が小さくなり、例えばほぼ同じ角度となる。同様に、光学素子５１０に入射する光Ｌｉ２のうちの第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ２の出射角と、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ２の出射角と、も互いに同じになる。
【００４４】
これにより、観視者１００には、第１主面１０ａで反射した反射光Ｌｒａ１及び反射光Ｌｒａ２に加え、第２主面１０ｂで反射した反射光Ｌｒｂ１及び反射光Ｌｒｂ２が投影さる。これにより、映像投影部１１５から出射する光束１１２に含まれる映像が２重像になる。
【００４５】
図５は、光学素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、図５（ａ）は、本実施形態に係る光学素子５１０の特性を例示しており、図５（ｂ）は、比較例の光学素子５１９の特性を例示している。図５（ａ）は、図４（ａ）または図４（ｂ）に例示した使用状態のときの特性に対応する。そして、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、観視者１００が、映像投影部１１５に含まれる映像の表示内容１８０を、光学素子５１０または光学素子５１９を介して関したときに知覚される像を例示している。
【００４６】
図５（ａ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１０を用いた場合には、表示内容１８０は２重像にはならず、表示内容１８０は明瞭に知覚される。
【００４７】
一方、図５（ｂ）に表したように、比較例の光学素子５１９を用いた場合には、表示内容１８０は２重像となり、不明瞭に知覚される。
【００４８】
このように、本実施形態に係る光学素子５１０は、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａを、第１主面１０ａの外形中心１３ｓとは異なる位置に配置することで、第１主面１０ａで反射する光の反射角と、第２主面１０ｂで反射する光の反射角と、を互いに異ならすことで、観視者１００に呈示する映像が２重像となることを抑制できる。このように、本実施形態により、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【００４９】
そして、第１フレネルレンズ１０ｆを有する第１主面１０ａは透過性と共に反射性を有することから、第１主面１０ａは、反射する像を拡大する凹面鏡として機能する。これにより、映像投影部１１５に含まれる像を拡大する機能を有する光学部品を省略でき、または、その光学部品の仕様を軽減できる。これにより、映像投影部１１５を小型化できる。そして、光学素子５１０として通常のレンズではなく、フレネルレンズを使用することで、光学素子５１０の厚さが薄くできる。
【００５０】
このように、光学素子５１０により、ＨＵＤの見易さを向上し、表示装置３１０を小型化する光学素子が提供できる。また、表示装置３１０においては、見やすさが向上される共に小型化が可能となる。
【００５１】
ここで、本実施形態に係る光学素子５１０における第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａと、外形中心１３ｓと、の距離の例について説明する。
【００５２】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の動作を例示する模式図である。
なお、同図においては、第１光学シート１０を単純な平凸レンズとして描いている。
図６に表したように、第１光学シート１０の第２主面１０ｂに入射した第１入射光Ｌｉｎ１は、第１光学シート１０を通過して、第１主面１０ａで反射し、第１反射角θｏｕｔ１を有する第１反射光Ｌｏｕｔ１として出射する。一方、第１光学シート１０の第２主面１０ｂに入射した第２入射光Ｌｉｎ２は、第２主面１０ｂで反射し、第２反射角θｏｕｔ２を有する第２反射光Ｌｏｕｔ２となる。
【００５３】
ここで、第１光学シート１０の屈折率を１．４９２（例えばＰＭＭＡの屈折率の値）とし、第１光学シート１０の外界の屈折率を１．０（空気の屈折率の値）とする。そして、第１光学シート１０の光軸１３ｏａと水平軸とのなす角度を４５度とする。また、第１光学シート１０の第１フレネルレンズ１０ｆの曲率半径を７５０ｍｍ（ミリメートル）とする。そして、観視者１００の目１０１の位置１０１ｐと、第１光学シート１０の中心と、の距離Ｚｏを８００ｍｍとする。そして、観視者１００の位置における観視領域１１４ｃの幅を６０ｍｍとする。
【００５４】
この条件において、２重像が実質的に発生しない条件は、第１光学シート１０の第１主面１０ａで反射した第１反射光Ｌｏｕｔ１と、第２主面１０ｂで反射した第２反射光Ｌｏｕｔ２と、が観視領域１１４ｃに同時に入射しない条件である。すなわち、本具体例では、第１反射光Ｌｏｕｔ１の第１反射角θｏｕｔ１と、第２反射光Ｌｏｕｔ２の第２反射角θｏｕｔ２と、が５度以上異なる場合に２重像像が実質的に発生しない。
【００５５】
このように、本実施形態に係る光学素子５１０においては、第２主面１０ｂに入射し、第１主面１０ａで反射した反射光の第１反射角θｏｕｔ１と、第２主面１０ｂで反射した反射光の第２反射角θｏｕｔ２と、が５度以上異なることが望ましい。
【００５６】
そして、第１反射角θｏｕｔ１と第２反射角θｏｕｔ２とが５度以上異なるための条件は、光軸１３ｏａと外形中心１３ｓとの距離は１５ｍｍ以上である条件となる。
【００５７】
このように、本実施形態に係る光学素子５１０においては、第１主面１０ａにおける第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａの位置と、第１主面１０ａの外形中心１３ｓの位置と、の距離は、１５ｍｍ以上であるが望ましい。
【００５８】
また、光学素子５１０の第１光学シート１０に設けられる第１フレネルレンズ１０ｆの凸条部１２のそれぞれが、観視者１００によって実質的に知覚されないことが望ましい。例えば、観視者１００の視力が１．０である場合には、観視者１００から１ｍ離れた場所に配置され、互いに０．３ｍｍの距離で離れた２つの点を識別できる。この場合には、第１フレネルレンズ１０ｆの凸条部１２の幅は、０．３ｍｍ以下であることを望ましい。また、例えば、観視者１００の視力が０．７である場合には、観視者１００から１ｍ離れた場所に配置され、互いに０．４３ｍｍの距離で離れた２つの点を識別できる。この場合には、第１フレネルレンズ１０ｆの凸条部１２の幅は、０．４３ｍｍ以下であることを望ましい。
【００５９】
光学素子５１０が車両７３０用のＨＵＤとして使用される状況において、観視者１００の視力は０．７以上であると想定すると、凸条部１２の幅は０．４３ｍｍ以下であることが望ましい。
【００６０】
すなわち、第１フレネルレンズ１０ｆは、光軸１３ｏａを中心とする同心円状の複数の凸条部１２を有し、光軸１３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿った、複数の凸条部１２のそれぞれの幅は、０．４３ｍｍ以下とすることができる。これにより、凸条部１２が実質的に知覚されなくなり、ＨＵＤの見易さがさらに向上する。
【００６１】
なお、凸条部１２によって回折が生じると、回折に基づく縞模様が見え、像が見難くなることがある。このため、凸条部１２の幅は、回折が生じない範囲に設定される。すなわち、第１フレネルレンズ１０ｆは、光軸１３ｏａを中心とする同心円状の複数の凸条部１２を有し、光軸１３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿った、複数の凸条部１２のそれぞれの幅は、０．０１ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００６２】
既に説明したように、光学素子５１０の第１主面１０ａは、可視光に対して反射性と透過性とを有する。このとき、吸収率を０と仮定すると第１主面１０ａの可視光に対する透過率は７０％以上とすることができる。この場合には、第１主面１０ａの可視光に対する反射率は３０％未満である。
【００６３】
第１主面１０ａの可視光に対する透過率が低過ぎると、光学素子５１０を透過する外界の背景像が見難くなり、透過率が高過ぎると、光学素子５１０で反射する映像投影部１１５による映像が見にくくなる。
このように、光学素子５１０の第１主面１０ａは、反射性と透過性とを有する。
【００６４】
例えば、フレネルレンズは、透過光を屈折させて像を拡大または縮小させるために使用されることがあるが、この場合には、そのフレネルレンズは透過性を有するが実質的に反射性は有さない。また、フレネルレンズは、反射する像を拡大または縮小させる鏡として使用されることがあるが、この場合には、そのフレネルレンズは反射性を有するが実質的に透過性を有さない。
【００６５】
これに対し、本実施形態係る光学素子５１０は、例えばＨＵＤにおける光束１１２を反射させる反射部７１１として使用されるため、光束１１２を効率良く反射させることと同時に、外界の背景像の光を透過させることが要求される。従って、光学素子５１０は、可視光に対して反射性と透過性とを有する。このような反射性と透過性とを有する第１フレネルレンズの光軸１３ｏａの位置を外形中心１３ｓの位置と異ならせることで、光束１１２に含まれる映像が２重像になることを抑制し、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【００６６】
以下、第１主面１０ａに反射性と透過性とを付与する構成の例について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、これらの図は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面に相当する模式的断面図である。
図７（ａ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１１は、第１光学シート１０に加え、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、可視光に対して反射性と透過性とを有する透過反射光学層１５をさらに備えている。これ以外は、光学素子５１０と同様であるので説明を省略する。
【００６７】
透過反射光学層１５には、例えばアルミニウムなどの金属などの薄膜や、金属酸化物などの薄膜や、有機物の薄膜などを用いることができる。透過反射光学層１５に金属が用いられる場合には、透過反射光学層１５の厚さは、透過反射光学層１５が反射性と透過性とを有することができる厚さに制御される。透過反射光学層１５は、単層膜でも良く、積層多層膜でも良い。透過反射光学層１５には、反射防止層に用いられるＡＲコート層を用いることもできる。ＡＲコート膜としては、誘電体多層膜を用いることができる。誘電体多層膜を用いた場合には、入射角によって反射率を制御することができ、所望の入射角における反射率を上昇させることができ、効率を向上できる。
【００６８】
透過反射光学層１５の形成方法は、蒸着やスパッタ法やＣＶＤ法などのドライ成膜法や塗布法などのウエット成膜法など任意の方法を採用することができる。
透過反射光学層１５の可視光に対する透過率は７０％以上とすることができる。
【００６９】
図７（ｂ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１２は、第１光学シート１０と、透過反射光学層１５と、に加え、第１透光層１８ａをさらに備えている。第１透光層１８ａは、第１光学シート１０の第１主面１０ａの側に設けられ、可視光に対して透光性を有する。本具体例では、第１透光層１８ａは、透過反射光学層１５の第１光学シート１０とは反対の側に設けられている。これ以外は、光学素子５１１と同様であるので説明を省略する。
【００７０】
第１透光層１８ａには例えばアクリル系などの透明な樹脂を用いることができる。第１透光層１８ａは、例えば粘着層として機能する。第１透光層１８ａにより、光学素子５１２は、例えばフロントガラス７１０ａに貼り付けられる。このとき、第１透光層１８ａの屈折率は、フロントガラス７１０ａの屈折率と実質的に同じとすることができ、これにより、第１透光層１８ａと、フロントガラス７１０ａとの反射が抑制でき、明るい表示が得られる。
【００７１】
図７（ｃ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１３は、第１光学シート１０と、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、第１光学シート１０よりも高い屈折率を有する第１高屈折率層１６ａをさらに備える。これ以外は、光学素子５１０と同様であるので説明を省略する。
【００７２】
第１高屈折率層１６ａが第１光学シート１０よりも高い屈折率を有しているので、第１主面１０ａは、反射性と透過性とを有することができる。第１高屈折率層１６ａには、例えば、第１光学シート１０よりも高い屈折率を有する樹脂層や、金属酸化膜などの化合物層を用いることができる。第１高屈折率層１６ａを設けることで、光学素子５１３の第１主面１０ａの可視光に対する透過率は７０％以上とすることができる。
【００７３】
図７（ｄ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１４は、第１光学シート１０と、第１高屈折率層１６ａと、に加え、第２透光層１８ｂをさらに備えている。第２透光層１８ｂは、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、可視光に対して透光性を有する。本具体例では、第２透光層１８ｂは、第１高屈折率層１６ａの第１光学シート１０とは反対の側に設けられている。これ以外は、光学素子５１３と同様であるので説明を省略する。
【００７４】
第２透光層１８ｂには例えばＰＥＴなどの透明な樹脂シートを用いることができる。これにより、例えば、第１高屈折率層１６ａを保護することができ、光学素子５１４の信頼性を向上できる。
【００７５】
なお、第２透光層１８ｂの第１光学シート１０とは反対の側に、上記の第１透光層１８ａをさらに設けることもできる。この場合も、第１透光層１８ａは、例えば粘着層として機能する。
【００７６】
なお、第１透光層１８ａ及び第２透光層１８ｂの屈折率は、フロントガラス７１０ａの屈折率と実質的に同じとすることができ、これにより、第１透光層１８ａと、第２透光層１８ｂと、フロントガラス７１０ａと、の反射が抑制でき、明るい表示が得られる。また、第１透光層１８ａの屈折率は、第２透光層１８ｂの屈折率と、フロントガラス７１０ａの屈折率と、の間の値に設定でき、これにより、第１透光層１８ａと、第２透光層１８ｂと、フロントガラス７１０ａと、の反射が抑制でき、明るい表示が得られる。
【００７７】
図７（ｅ）に表したように、本実施形態に係る光学素子５１５は、第１光学シート１０に加え、第２光学シート２０と、第２高屈折率層１６ｂと、をさらに備える。これ以外は、光学素子５１０と同様であるので説明を省略する。
第２光学シート２０は、第２フレネルレンズ２０ｆが設けられ、第１主面１０ａに対向する第３主面２０ａを有する。第１フレネルレンズ１０ｆがフレネル凸レンズである場合には、第２フレネルレンズ２０ｆはフレネル凹レンズであり、第１フレネルレンズ１０ｆがフレネル凹レンズである場合には、第２フレネルレンズ２０ｆはフレネル凸レンズである。以下では、第１フレネルレンズ１０ｆがフレネル凸レンズであり、第２フレネルレンズ２０ｆはフレネル凹レンズである場合として説明する。
【００７８】
第２高屈折率層１６ｂは、第１光学シート１０と第２光学シート２０との間に設けられる。第２高屈折率層１６ｂは、第１光学シート１０の屈折率よりも高い屈折率を有する。なお、第２高屈折率層１６ｂの屈折率は、第２光学シート２０の屈折率よりも高く設定することができる。
【００７９】
この場合も、第１光学シート１０においては、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａは、第１主面１０ａの外形の中心（外形中心１３ｓ）とは異なる位置に配置されている。
【００８０】
そして、第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａの位置は、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａの位置に実質的に一致する。
【００８１】
すなわち、例えば、第２フレネルレンズ２０ｆの第３主面２０ａの外形は、第１フレネルレンズ１０ｆの外形と同じである。そして、第２フレネルレンズ２０ｆにおいても、第３主面２０ａにおける第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａは、第３主面２０ａの外形の中心とは異なる位置に配置されている。
【００８２】
第２フレネルレンズ２０ｆの第３主面２０ａには、凹曲面を有する凹部２１と、凹部２１の周囲に同心円状に設けられた曲面を有する複数の凹条部２２（例えば、同心円の中心２３ｏから外側に向かって、凹条部２２ａ、凹条部２２ｂ、凹条部２２ｃ及び凹条部２２ｄなど）が設けられている。これにより、第２フレネルレンズ２０ｆが形成される。凹条部２２のそれぞれにおいては、中心２３ｏに近い側の部分における厚みは、中心１３ｏから遠い側の部分における厚みよりも小さい。なお、本具体例では、第２主面２０ａとは反対の側の第４主面２０ｂは、実質的に平面である。
【００８３】
第１フレネルレンズ１０ｆの複数の凸条部１２のそれぞれに、第２フレネルレンズ２０ｆの複数の凹条部２２のそれぞれが対向する。
例えば、既に説明したように、第１フレネルレンズ１０ｆは、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａを中心とする同心円状の複数の凸条部１２を有し、第２フレネルレンズ２０ｆは、第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａを中心とする同心円条の複数の凹条部２２を有している。そして、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿ったある距離（第１距離）に位置する凸条部１２の幅は、第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿った距離が上記の第１距離に位置する凹条部２２の幅と、実質的に同じである。
また、凹条部２２の曲率は、凸条部１２の曲率と実質的に等しく設定されることができる。
【００８４】
このような構成を有する光学素子５１５においては、第１光学シート１０の第１主面１０ａに第２高屈折率層１６ｂが設けられることで、第１主面１０ａは、反射性と透過性とを有することができる。そして、第１光学シート１０に加え、第２光学シート２０を設けることで、凸条部１２を光が透過する際の光路のずれが、第２光学シート２０によって補正されることができる。これにより、外界の背景の像の歪みが抑制される。そして、この場合も、第１光学シート１０の光軸１３ｏａ及び第２光学シート２０の光軸２３ｏａが、第１主面１０ａ（すなわち、第３主面２０ａ）の外形中心１３ｓとは異なる位置に配置されることで、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【００８５】
このように、本実施形態に係る光学素子においては、光学素子の第１主面１０ａと第２主面１０ｂとで生成される複数の像の位置を互いに変え、これらの像の重なりを抑制する。例えば、図７に例示した光学素子５１４においては、前後が平面で挟まれた凹面鏡の役割を果たすフレネルミラー面が用いられる。そして、このフレネルミラー面の光軸を、フレネルミラー面の外形の中心からシフトさせることで、複数の像を知覚されることを抑制する。このような光学素子をＨＵＤの反射部７１１として用いることで、ＨＵＤの見易さを向上しつつ、表示装置の小型化が可能となる。
【００８６】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図８に表したように、本実施形態に係る光学素子５２０は、同心円状の複数の凸条部１２を有する第１フレネルレンズ１０ｆが設けられた第１主面１０ａを有する第１光学シート１０を備える。光学素子５２０も、例えば、車両７３０のフロントガラス７１０ａに貼り付けられ、ＨＵＤにおける反射部７１１として使用される。なお、この場合も、第１主面１０ａは、可視光に対して反射性と透過性とを有する。
【００８７】
図８に表したように、光学素子５２０においては、複数の凸条部１２のうちで互いに隣接する凸条部１２における同心円の中心１３ｏから外側に向かう放射方向に沿ったそれぞれの幅は、互いに異なる。そして、複数の凸条部１２のそれぞれにおける放射方向に沿ったそれぞれの幅は、予め定められた長さ以下である。
【００８８】
本具体例では、複数の凸条部１２のうちで互いに隣接する２つの凸条部１２の組み合わせのそれぞれにおいて、２つの凸条部１２における同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿ったそれぞれの幅は互いに異なり、複数の凸条部１２のそれぞれにおける放射方向に沿ったそれぞれの幅は、予め定められた所定長さ以下である。すなわち、隣接する凸条部の全ての組み合わせにおいて、凸条部１２の幅が互いに異なる。
【００８９】
例えば、図８に表したように、同心円の内側から凸条部１２ａ、凸条部１２ｂ、凸条部１２ｃ、凸条部１２ｄ、凸条部１２ｅ、凸条部１２ｆ及び凸条部１２ｇなどが設けられている場合、凸条部１２ａの幅は第１幅ｗ１であり、凸条部１２ｂの幅は第２幅ｗ２であり、凸条部１２ｃの幅は第３幅ｗ３であり、凸条部１２ｄの幅は第１幅ｗ１であり、凸条部１２ｅの幅は第２幅ｗ２であり、凸条部１２ｆの幅は第３幅ｗ３であり、凸条部１２ｇの幅は第１幅ｗ１である。そして、第２幅ｗ２は第１幅ｗ１とは異なり、第３幅ｗ３は、第１幅ｗ１とは異なり第２幅ｗ２とも異なる。
【００９０】
このように、互いに隣接する凸条部１２において、幅が互いに異なる。これにより、凸条部１２の回折効果による縞模様が抑制できる。
【００９１】
そして、凸条部１２の幅が、予め定められた長さ以下に設定される。予め定められた幅として、観視者１００の視力と、観視者１００と光学素子５２０との距離と、に基づいて、２つの凸条部１２が実質的に識別できない長さを採用することができる、これにより、複数の凸条部１２のそれぞれが認識されず、複数の凸条部１２による縞模様が知覚されなくなる。
【００９２】
具体的には、光学素子５２０を車両用のＨＵＤに応用される場合には、観視者１００の視力が０．７で、観視者１００と光学素子５２０との距離が１ｍである場合として、上記の予め定められた幅として、０．４３ｍｍを採用することができる。すなわち、凸条部１２の幅は、０．４３ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００９３】
また、観視者１００の視力が１．０で、観視者１００と光学素子５２０との距離が１ｍである場合として、上記の予め定められた幅として、０．３ｍｍを採用することができる。すなわち、凸条部１２の幅は０．３ｍｍ以下とすることができる。
【００９４】
一般に、凸条部１２の幅を一定にした状態で凸条部１２の幅を小さくすると、回折効果により、縞模様が知覚され易くなる。一方、凸条部１２の幅を大きくすると、凸条部１２自体が知覚される。本実施形態に係る光学素子５２０においては、凸条部１２の幅を凸条部１２自体が知覚されない小さい値に設定しつつ、複数の凸条部１２において、互いに隣接する凸条部１２の幅を互いに異ならせることで回折効果を抑制する。これにより、回折効果による縞模様を抑制しつつ、凸条部１２自体が実質的に知覚されなくなる。これにより、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【００９５】
以下、凸条部１２の幅を変えた時の光学素子の特性の変化に関するシミュレーション結果に関して説明する。
図９及び図１０は、光学素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、図９（ａ）は、凸条部１２の幅が０．２８ｍｍ±０．１０ｍｍで変化する場合（例えば、第１幅ｗ１が０．２８ｍｍであり、第２幅ｗ２が０．２８ｍｍ＋０．１０ｍｍであり、第３幅ｗ３が、０．２８ｍｍ−０．１０ｍｍである場合）の光学素子５２０ａの特性を例示している。
【００９６】
図９（ｂ）は、凸条部１２の幅が０．２８ｍｍ±０．０５ｍｍで変化する場合（例えば、第１幅ｗ１が０．２８ｍｍであり、第２幅ｗ２が０．２８ｍｍ＋０．０５ｍｍであり、第３幅ｗ３が、０．２８ｍｍ−０．０５ｍｍである場合）の光学素子５２０ｂの特性を例示している。
【００９７】
図１０（ａ）は、凸条部１２の幅が０．２８ｍｍ±０．０２ｍｍで変化する場合（例えば、第１幅ｗ１が０．２８ｍｍであり、第２幅ｗ２が０．２８ｍｍ＋０．０２ｍｍであり、第３幅ｗ３が、０．２８ｍｍ−０．０２ｍｍである場合）の光学素子５２０ｃの特性を例示している。
【００９８】
図１０（ｂ）は、凸条部１２の幅が０．２８ｍｍで一定である場合の比較例の光学素子５２９の特性を例示している。
これらの図において、横軸は、位置Ｘｖ（例えばＸ軸方向に沿った相対的な位置）であり、縦軸は、相対的な光強度Ｉｒである。
【００９９】
図１０（ｂ）に表したように、凸条部１２の幅が０．２８ｍｍで一定である場合の比較例の光学素子５２９においては、光強度Ｉｒが局所的に高い光のピークが見られ、光のピークどうしの間隔（位置Ｘｖに沿った間隔）が広い。すなわち、比較例の光学素子５２９においては、光のピークに対応する縞模様が見え易い。
【０１００】
図１０（ａ）に表したように、凸条部１２の幅を０．２８ｍｍ±０．０２ｍｍで変化させた本実施形態に係る光学素子５２０ｃにおいては、光のピークどうしの間隔が狭く、細かいピークが数多く見られる。すなわち、光学素子５２０ｃにおいては、光のピークに対応する縞模様が見え難い。
【０１０１】
さらに、図９（ｂ）に表したように、凸条部１２の幅を０．２８ｍｍ±０．０５ｍｍで変化させた本実施形態に係る光学素子５２０ｂにおいても、光のピークどうしの間隔が狭く、細かいピークが数多く見られる。また、図９（ａ）に表したように、凸条部１２の幅を０．２８ｍｍ±０．１０ｍｍで変化させた本実施形態に係る光学素子５２０ａにおいても、光のピークどうしの間隔が狭く、細かいピークが数多く見られる。そして、光学素子５２０ｂにおいては、光学素子５２０ｃよりも縞模様が見え難く、また、光学素子５２０ａにおいては、光学素子５２０ｂよりもさらに縞模様が見え難い。
【０１０２】
このように、凸条部１２の幅の変化量を大きくすることで、回折効果をより低減することができ、より縞模様を知覚され難くすることができる。
【０１０３】
本実施形態に係る光学素子において、複数の凸条部のうちで互いに隣接する凸条部１２の幅の差は、例えば０．０５ｍｍ以上とすることができる。これにより、回折効果をより低減することができ、より縞模様を知覚され難くすることができる。ただし、本発明の実施形態はこれに限らず、互いに隣接する凸条部１２において、幅が互いに異なることで回折による縞模様が抑制できれば良く、複数の凸条部１２における幅の差は任意である。
【０１０４】
なお、上記においては、隣接する凸条部の全てにおいて、凸条部１２の幅が互いに異なる場合であるが、本実施形態はこれに限らず、複数の凸条部１２のうちで互いに隣接する任意の２つの凸条部１２における幅が互いに異なっても良い。例えば、光学素子５２０の周辺部に設けられる凸条部１２においては、縞模様が発生した場合においても余り目立たないので実用的には問題にならなり場合がある。このような場合は、実用上目立ち易い光学素子５２０の中央部分において、互いに隣接する任意の２つの凸条部１２における幅を互いに異なるように設定しても良い。
【０１０５】
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る別の光学素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１１に表したように、本実施形態に係る光学素子５３０も、同心円状の複数の凸条部１２を有する第１フレネルレンズ１０ｆが設けられた第１主面１０ａを有する第１光学シート１０を備える。そして、複数の凸条部１２のうちで隣接する２つの凸条部１２における同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿った幅は互いに同じであり、隣接する２つの凸条部１２における放射方向に沿った幅の合計は、予め定められた長さ以下である。
【０１０６】
例えば、図１１に表したように、凸条部１２ａの幅は第１幅ｗ１であり、凸条部１２ｂの幅は第２幅ｗ２であり、凸条部１２ｃの幅は第１幅ｗ１であり、凸条部１２ｄの幅は第１幅ｗ１であり、凸条部１２ｅの幅は第２幅ｗ２であり、凸条部１２ｆの幅は第３幅ｗ３であり、凸条部１２ｇの幅は第１幅ｗ１である。そして、第２幅ｗ２は第１幅ｗ１とは異なり、第３幅ｗ３は、第１幅ｗ１とは異なり第２幅ｗ２とも異なる。
【０１０７】
本具体例では、互いに隣接する凸条部１２ｃ及び凸条部１２ｄは、同じ第１幅ｗ１を有する。そして、このとき、隣接する２つの凸条部１２における放射方向に沿った幅の合計である第１幅ｗ１の２倍の値は、予め定められた長さ以下に設定される。
【０１０８】
この場合も、予め定められた幅として、観視者１００の視力と、観視者１００と光学素子５２０との距離と、に基づいて、２つの凸条部１２が実質的に識別できない長さを採用することができる、これにより、複数の凸条部１２のそれぞれが認識されず、複数の凸条部１２による縞模様が知覚されなくなる。具体的には、上記の予め定められた幅として、０．４３ｍｍを採用することができる。
【０１０９】
このように、複数の凸条部１２において、互いに隣接する凸条部１２の幅が互いに同じ場合においても、その隣接する２つの凸条部１２の幅の合計を予め定められた長さ（例えば０．４３ｍｍ）以下にすることで、回折効果を抑制する。これにより、回折効果による縞模様を抑制しつつ、凸条部１２自体が実質的に知覚されなくなる。これにより、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【０１１０】
なお、本具体例では、複数の凸条部１２のうちの１つの凸条部１２の両側において隣接する２つの凸条部１２の一方における同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿った幅は、上記の１つの凸条部における幅とは異なり、上記の２つの凸条部の他方における放射方向に沿った幅は、上記の１つの凸条部における幅と実質的に同じである。
すなわち、３つの連続して並ぶ凸条部１２の幅が互い同じではない。ただし、もし、３つの連続して並ぶ凸条部１２の幅が互い同じ場合は、連続して並ぶその３つの凸条部１２の幅の合計を、予め定められた長さ（例えば０．４３ｍｍ）以下にすることで回折効果を抑制し、ＨＵＤの見易さが向上できる。
【０１１１】
このように、本実施形態に係る光学素子においては、フレネルレンズの溝間隔（すなわち、凸条部１２の幅）に関して、等間隔溝または等高さ溝ではなく、多周期間隔またはランダム周期間隔にて溝を設定する。これにより周期性が崩れることからフレネルレンズによる回折を抑制することができる。
【０１１２】
多周期間隔の例として、例えば上記のように３周期間隔のフレネルレンズを適用することができる。３周期間隔のフレネルレンズにおいては、凸条部１２の幅を、第１幅ｗ１→第２幅ｗ２→第３幅ｗ３と変化させ、さらにこの順で繰り返して変化させる。また、凸条部１２の幅の順番は、第３幅ｗ３→第２幅ｗ２→第１幅ｗ１でも良く、任意である。また、凸条部１２の幅を、第１幅ｗ１、第２幅ｗ２及び第３幅ｗ３の中から任意の幅を適用しても良い。また、例えば、凸条部１２の幅がランダムに変化するようにしても良い。
【０１１３】
以下、本実施形態に係る光学素子に関して、光学素子５２０に関してさらに説明する。ただし、以下の説明は、上記の光学素子５２０ａ〜５２０ｃ及び光学素子５３０にも適用できる。
光学素子５２０は、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、可視光に対して反射性と透過性とを有する透過反射光学層１５をさらに備えることができる。そして、透過反射光学層１５の可視光に対する透過率は７０％以上とすることができる。これにより、光学素子５２０はＨＵＤに使用したときに、映像投影部１１５はら呈示される映像と、外界の背景映像と、の両方を良好な状態で観視できる。
【０１１４】
また、光学素子５２０は、第１光学シート１０の第１主面１０ａの側に設けられ、可視光に対して透光性を有する第１透光層１８ａをさらに備えることもできる。例えば、粘着層とし機能する第１透光層１８ａは、透過反射光学層１５の第１光学シート１０とは反対の側に設けられる。
【０１１５】
また、光学素子５２０は、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、第１光学シート１０よりも高い屈折率を有する第１高屈折率層１６ａをさらに備えることができる。これにより、第１主面１０ａが反射性と透過性とを有することができる。
【０１１６】
また、光学素子５２０は、第１光学シート１０と、第１高屈折率層１６ａと、に加え、第１光学シート１０の第１主面１０ａに設けられ、可視光に対して透光性を有する第２透光層１８ｂ（例えば光学フィルム）をさらに備えることもできる。第２透光層１８ｂにより、例えば、第１高屈折率層１６ａを保護することができ、光学素子５１４の信頼性を向上できる。
【０１１７】
また、光学素子５２０は、第２フレネルレンズ２０ｆが設けられ、第１主面１０ａに対向する第３主面２０ａを有する第２光学シート２０と、第１光学シート１０と第２光学シート２０との間に設けられ、第１光学シート１０の屈折率よりも高い屈折率を有する第２高屈折率層１６ｂと、をさらに備えることもできる。
【０１１８】
第１フレネルレンズ１０ｆの複数の凸条部１２のそれぞれに、第２フレネルレンズ２０ｆの複数の凹条部２２のそれぞれが対向する。
例えば、既に説明したように、第１フレネルレンズ１０ｆは、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａを中心とする同心円状の複数の凸条部１２を有し、第２フレネルレンズ２０ｆは、第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａを中心とする同心円条の複数の凹条部２２を有している。そして、第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿ったある距離（第１距離）に位置する凸条部１２の幅は、第２フレネルレンズ２０ｆの光軸２３ｏａから同心円の外側に向かう放射方向に沿った距離が上記の第１距離に位置する凹条部２２の幅と、実質的に同じである。
また、凹条部２２の曲率は、凸条部１２の曲率と実質的に等しく設定されることができる。
【０１１９】
これにより、凸条部１２を光が透過する際の光路のずれが、第２光学シート２０によって補正でき、外界の背景の像の歪みが抑制され、ＨＵＤの見易さがさらに向上できる。
【０１２０】
また、光学素子５２０において、第１主面１０ａにおける第１フレネルレンズ１０ｆの光軸１３ｏａを、第１主面１０ａの外形の中心（外形中心１３ｓ）とは異なる位置に配置されても良い。これにより、第１実施形態に係る効果をさらに享受することができる。
【０１２１】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態に係る表示装置の例について説明する。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る表示装置の構成を例示する模式図である。
図１２に表したように、表示装置３３０は、映像を含む光束を、本発明の実施形態に係る光学素子５１０に反射させて観視者１００に向けて投影する映像投影部１１５を備える。なお、表示装置３３０は、光学素子５１０をさらに含んでも良い。
【０１２２】
図１２に表したように、表示装置３３０は、映像データ生成部１３０をさらに備えているが、映像データ生成部１３０は場合によっては省略しても良い。また、映像データ生成部１３０は、必ずしも映像投影部１１５と一体的に設けられなくても良く、例えば、ダッシュボード７２０の内部ではなく、車両７３０の任意の場所に設置しても良い。映像データ生成部１３０からの映像データは、電気信号や光信号などの有線または無線の方式により、映像投影部１１５に供給される。
【０１２３】
本具体例においては、映像投影部１１５は、映像光形成部１１０と、光束投影部１２０と、を有する。
【０１２４】
映像光形成部１１０は、例えば、光源１１１と、映像形成部１１７と、を有する。
【０１２５】
光源１１１は、光束１１２の基となる光を出射する。光源１１１には、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ、レーザなど各種のものを用いることができる。
【０１２６】
映像形成部１１７には、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）などの光スイッチを用いることができる。そして、映像形成部１１７には、映像データ生成部１３０から映像データが供給され、映像形成部１１７は、その映像データに基づいて、映像を含む光束１１２を生成する。
【０１２７】
本具体例では、映像光形成部１１０は、光源１１１と映像形成部１１７との間に設けられたテーパライトガイド１１６をさらに有している。光源１１１から出射された光は、テーパライトガイド１１６において発散角がある程度の範囲に制御される。そして、その光は、映像形成部１１７を経ることで、映像を含む光束１１２となり、この光束１１２の発散角はある程度の範囲に制御される。
【０１２８】
光束投影部１２０は、映像光形成部１１０から出射した光束１１２を車両７３０のフロントガラス部７１０に含まれる本実施形態に係る光学素子に反射させて、観視者１００に向けて投影する。本具体例では、光学素子５１０が用いられているが、光学素子として本発明の実施形態に係る任意の光学素子及びそれらの変形の光学素子を用いることができる。光束投影部１２０には、例えば、各種のレンズ、ミラー、及び、発散角（拡散角）を制御する各種の光学素子が用いられる。
【０１２９】
本具体例では、光束投影部１２０は、光源側レンズ１２３と、アパーチャ１２４と、出射側レンズ１２５と、出射側ミラー１２６と、を含む。
【０１３０】
光束１１２の進行方向に沿って、映像光形成部１１０と出射側ミラー１２６との間に光源側レンズ１２３が配置され、光源側レンズ１２３と出射側ミラー１２６との間にアパーチャ１２４が配置され、アパーチャ１２４と出射側ミラー１２６との間に出射側レンズ１２５が配置される。
【０１３１】
本具体例では、出射側ミラー１２６には、平面鏡を用いることができる。すなわち、本実施形態に係る光学素子５１０が像を拡大させる効果を有することで、出射側ミラー１２６に平面鏡を用いることができ、光束投影部１２０（すなわち、映像投影部１１５）を小型化できる。
【０１３２】
そして、光束１１２の発散角が制御されており、光束１１２が、観視者１００の目１０１に入射するように設計できる。これにより、例えば、観視者１００は、光束１１２に含まれる映像を片方の目１０１で観視することができる。これにより、フロントガラス部７１０で反射する表示内容１８０の像１８１を両眼で観察したときに生じる両眼視差による見難さが解消される。
【０１３３】
なお、フロントガラス部７１０は、観視者１００からの距離が２１．７ｃｍ以上の位置に配置される。これにより、観視者１００が知覚する奥行き感が増強され、また、表示内容１８０を所望の奥行き位置に知覚させ易くできる。
【０１３４】
ただし、本発明の実施形態は、これに限らず、場合によっては、映像投影部１１５から出射された光束１１２が、観視者１００の両目に入射されても良い。
【０１３５】
なお、出射側ミラー１２６は可動式とすることができ、例えば、観視者１００の頭部１０５の位置や動きに合わせて、手動で、または、自動で、出射側ミラー１２６の位置や角度を調節し、光束１１２を観視者１００の目１０１に適切に投影させることができる。
【０１３６】
この構成により、光束１１２の発散角が制御され、観視者１００の位置において、光束１１２の投影領域１１４は一定の範囲に制御される。
【０１３７】
観視者１００の両目（瞳）の間隔は、例えば、６０ミリメートル（ｍｍ）〜７５ｍｍであるので、片方の目１０１で観視させる場合には、観視者１００の位置における光束１１２の投影領域１１４の大きさ（左右方向の幅）は、例えば、６０ｍｍ〜７５ｍｍ程度以下に設定される。この投影領域１１４の大きさは、主に光束投影部１２０に含まれる光学素子によって制御される。
【０１３８】
なお、観視者１００の位置における光束１１２の投影位置１１４ａは、例えば、映像投影部１１５の設置位置や角度を変えることで制御することができる。例えば、映像光形成部１１０の設置位置、映像光形成部１１０の角度、光束投影部１２０の設置位置、及び光束投影部１２０の角度の少なくともいずれかを変えることで、投影位置１１４ａが制御できる。
【０１３９】
例えば、表示装置３３０は、映像投影部１１５を制御して、観視者１００の位置における光束１１２の投影位置１１４ａを制御する制御部２５０をさらに備えることができる。制御部２５０により、例えば、出射側ミラー１２６の角度を制御して、投影位置１１４ａを制御する。
【０１４０】
例えば、制御部２５０は、制御信号部２５１と駆動部１２６ａとを有する。制御信号部２５１は、制御信号を駆動部１２６ａに出力し、駆動部１２６ａを動作させる。駆動部１２６ａは、例えば、出射側ミラー１２６の角度や位置などを変化させるモータなどを有する。制御信号部２５１から出力された制御信号によって駆動部１２６ａが動作し、出射側ミラー１２６の角度や位置などを変化させ、観視者１００の位置における光束１１２の投影位置１１４ａを変化させる。駆動部１２６ａは、映像投影部１１５に含まれると見なしても良い。
【０１４１】
映像光形成部１１０及び光束投影部１２０のそれぞれの構成は、種々の変形が可能である。映像光形成部１１０に含まれる要素と、光束投影部１２０に含まれる要素と、の配置は任意であり、例えば、光束投影部１２０に含まれる要素どうしの間に、映像光形成部１１０（及びそれに含まれる要素）が挿入されていても良い。
映像投影部１１５は、上記の具体例の他に、各種の変形が可能である。
【０１４２】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施形態に係る表示方法は、第１の実施形態に関して説明した光学素子を用いる表示方法である。
【０１４３】
この表示方法は、第１フレネルレンズ１０ｆが設けられた第１主面１０ａと、第１主面１０ａとは反対側の第２主面１０ｂと、を有する第１光学シート１０に、第２主面１０ｂの側から映像を含む光束１１２を入射させ、光束１１２の第２主面１０ｂで反射した第２主面反射光束（第２反射光Ｌｏｕｔ２）の方向を、光束１１２の第１主面１０ａで反射した第１主面反射光束（第１反射光Ｌｏｕｔ１）の方向に対して５度以上変えて、第１主面光束を観視者１００に向けて投影する。
【０１４４】
すなわち、第２反射光Ｌｏｕｔ２の第２反射角θｏｕｔ２と、第１反射光Ｌｏｕｔ１の第１反射角θｏｕｔ１と、を５度以上変えて、第１反射光Ｌｏｕｔ１を観視者１００に投影させる。これにより、２重像が抑制でき、見易い表示が実現できる。
【０１４５】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施形態に係る移動体（例えば、車両７３０）は、図１に例示したようい、発明の実施形態に係る光学素子のいずれかと、その光学素子を支持する透明板（フロントガラス７１０ａ、フロントガラス部７１０）と、を備える。また、移動体は、映像を含む光束１１２を本実施形態に係る光学素子に反射させて観視者１００に向けて投影する映像投影部１１５を含む表示装置をさらに含むこともできる。なお、映像投影部１１５は、映像を含む光束の発散角を制御して光学素子に投影することができる。
本実施形態に係る移動体は、車両や船舶や航空機などの任意の乗り物とすることができる。
【０１４６】
移動体のフロントガラス部７１０に本実施形態に係る任意の光学素子を貼り付けることもできるが、フロントガラス部７１０が、光学素子を内蔵しても良い。以下、その例について説明する。
図１３は、本発明の第５の実施形態に係る移動体の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図１３（ａ）に表したように、本実施形態に係る移動体のフロントガラス７１０ａ１は、第１透明板７１５ａと、第２透明板７１５ｂと、第１透明板７１５ａと第１透明板７１５ｂとの間に設けられた光学素子を有している。この例では、光学素子として、既に説明した光学素子５１２が用いられている。また、第１透明板７１５ａと第１透明板７１５ｂとの間において、光学素子５１２が設けられていない部分には、透明樹脂層７１５ｃが設けられている。透明樹脂層７１５ｃには、例えば第１透光層１８ａに用いられる材料と同じ材料を用いても良い。
【０１４７】
図１３（ｂ）に表したように、本実施形態に係る移動体のフロントガラス７１０ａ１においては、第１透明板７１５ａと第１透明板７１５ｂとの間に、既に説明した光学素子５１５が設けられている。また、第１透明板７１５ａと第１透明板７１５ｂとの間において、光学素子５１２が設けられていない部分には、透明樹脂層７１５ｃが設けられている。
【０１４８】
なお、第１透明板７１５ａ及び第２透明板７１５ｂには、例えばガラス基板や樹脂製の透明な基板を用いることができる。
このような構成を有するフロントガラス７１０ａ１及び７１０ａ２によれば、フロントガラスに光学素子を内蔵することで、使用者はより便利になり、また、光学素子の周囲が、第１透明板７１５ａ、第２透明板７１５ｂ及び透明樹脂層７１５ｃによって封止されるため、光学素子の信頼性が向上する。
【０１４９】
なお、第１透明板７１５ａと第２透明板７１５ｂとの間には、本発明の実施形態に係る任意の光学素子を設けることができる。
【０１５０】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光学素子に含まれるフレネルレンズ、光学シート、透過反射光学層、高屈折率層及び透光層、表示装置に含まれる映像投影部及び映像投影部に含まれる光学部品等の各要素の具体的な構成の、形状、サイズ、材質、配置関係などに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１５１】
その他、本発明の実施の形態として上述した光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての光学素子、表示装置、表示方法、及び、移動体も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１５２】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１５３】
１０…第１光学シート、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｆ…第１フレネルレンズ、 １１…凸部、 １２、１２ａ〜１２ｇ…凸条部、 １３ｏ…中心、 １３ｏａ…光軸、 １３ｓ…外形中心、 １５…透過反射光学層、 １６ａ…第１高屈折率層、 １６ｂ…第２高屈折率層、 １８ａ…第１透光層、 １８ｂ…第２透光層、 ２０…第２光学シート、 ２０ａ…第３主面、 ２０ｂ…第４主面、 ２０ｆ…第２フレネルレンズ、 ２１…凹部、 ２２、２２ａ〜２２ｄ…凹条部、 ２３ｏ…中心、 ２３ｏａ…光軸、 θｏｕｔ１、θｏｕｔ２…第１及び第２反射角、 １００…観視者、 １０１…目、 １０１ｐ…位置、 １０５…頭部、 １１０…映像光形成部、 １１１…光源、 １１２…光束、 １１４…投影領域、 １１４ａ…投影位置、 １１４ｃ…観視領域、 １１５…映像投影部、 １１６…テーパライトガイド、 １１７…映像形成部、 １２０…光束投影部、 １２３…光源側レンズ、 １２４…アパーチャ、 １２５…出射側レンズ、 １２６…出射側ミラー、 １２６ａ…駆動部、 １３０…映像データ生成部、 １８０…表示内容、 １８１…像、 １８１ｐ…像形成位置、 ２５０…制御部、 ２５１…制御信号部、 ３１０、３３０…表示装置、 ５１０、５１１、５１２、５１３、５１４、５１５、５１９、５２０、５２０ａ、５２０ｂ、５２０ｃ、５２９、５３０…光学素子、 ７１０…フロントガラス部、 ７１０ａ、７１０ａ１、７１０ａ２…フロントガラス、 ７１１…反射部、 ７１５ａ、７１５ｂ…第１及び第２透明板、 ７１５ｃ…透明樹脂層、 ７２０…ダッシュボード、 ７３０…車両（移動体）、 Ｉｒ…光強度、 Ｌｉ１、Ｌｉ２…光、 Ｌｉｎ１、Ｌｉｎ２…第１及び第２入射光、 Ｌｏｕｔ１、Ｌｏｕｔ２…第１及び第２反射光、 Ｌｒａ１、Ｌｒａ２、Ｌｒｂ１、Ｌｒｂ２…反射光、 Ｌｔ１、Ｌｔ２…透過光、 Ｘｖ…位置、 ｗ１、ｗ２、ｗ３…第１、第２、第３幅、 ｘｏ１、ｘｏ２、ｘｓ１、ｘｓ２、ｙｏ１、ｙｏ２、ｙｓ１、ｙｓ２…距離
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心円状の複数の凸条部を有する第１フレネルレンズが設けられた第１主面を有する第１光学シートを備え、
前記複数の凸条部のうちで互いに隣接する凸条部における前記同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿ったそれぞれの幅は互いに異なり、
前記複数の凸条部のそれぞれにおける前記放射方向に沿ったそれぞれの幅は、予め定められた長さ以下であることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
同心円状の複数の凸条部を有する第１フレネルレンズが設けられた第１主面を有する第１光学シートを備え、
前記複数の凸条部のうちで隣接する２つの凸条部における前記同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿った幅は互いに同じであり、前記隣接する２つの前記凸条部における前記放射方向に沿った幅の合計は、予め定められた長さ以下であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記複数の凸条部は、
前記放射方向に沿った第１幅を有する第１の凸条部と、
前記放射方向に沿った幅が前記第１幅とは異なる第２幅を有する第２の凸条部と、
前記放射方向に沿った幅が前記第１幅とは異なり前記第２幅とも異なる第３幅を有する第３の凸条部と、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１光学シートの前記第１主面に設けられ、可視光に対して反射性と透過性とを有する透過反射光学層をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１光学シートの前記第１主面の側に設けられ、可視光に対して透光性を有する第１透光層をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つ記載の光学素子。
【請求項６】
映像を含む光束を、請求項１〜５のいずれか１つに記載の光学素子に反射させて観視者に向けて投影する映像投影部を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項７】
第１フレネルレンズが設けられた第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面と、を有する第１光学シートに、前記第２主面の側から映像を含む光束を入射させ、前記光束の前記第２主面で反射した第２主面反射光束の方向を、前記光束の前記第１主面で反射した第１主面反射光束の方向に対して５度以上変えて、前記第１主面光束を観視者に向けて投影する表示方法。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の光学素子と、
前記光学素子を支持する透明板と、
を備えたことを特徴とする移動体。
【請求項１】
同心円状の複数の凸条部を有する第１フレネルレンズが設けられた第１主面を有する第１光学シートを備え、
前記複数の凸条部のうちで互いに隣接する凸条部における前記同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿ったそれぞれの幅は互いに異なり、
前記複数の凸条部のそれぞれにおける前記放射方向に沿ったそれぞれの幅は、予め定められた長さ以下であることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
同心円状の複数の凸条部を有する第１フレネルレンズが設けられた第１主面を有する第１光学シートを備え、
前記複数の凸条部のうちで隣接する２つの凸条部における前記同心円の中心から外側に向かう放射方向に沿った幅は互いに同じであり、前記隣接する２つの前記凸条部における前記放射方向に沿った幅の合計は、予め定められた長さ以下であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記複数の凸条部は、
前記放射方向に沿った第１幅を有する第１の凸条部と、
前記放射方向に沿った幅が前記第１幅とは異なる第２幅を有する第２の凸条部と、
前記放射方向に沿った幅が前記第１幅とは異なり前記第２幅とも異なる第３幅を有する第３の凸条部と、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１光学シートの前記第１主面に設けられ、可視光に対して反射性と透過性とを有する透過反射光学層をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１光学シートの前記第１主面の側に設けられ、可視光に対して透光性を有する第１透光層をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つ記載の光学素子。
【請求項６】
映像を含む光束を、請求項１〜５のいずれか１つに記載の光学素子に反射させて観視者に向けて投影する映像投影部を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項７】
第１フレネルレンズが設けられた第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面と、を有する第１光学シートに、前記第２主面の側から映像を含む光束を入射させ、前記光束の前記第２主面で反射した第２主面反射光束の方向を、前記光束の前記第１主面で反射した第１主面反射光束の方向に対して５度以上変えて、前記第１主面光束を観視者に向けて投影する表示方法。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の光学素子と、
前記光学素子を支持する透明板と、
を備えたことを特徴とする移動体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１２３３９３（Ｐ２０１２−１２３３９３Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８４５２３（Ｐ２０１１−２８４５２３）
【出願日】平成２３年１２月２６日（２０１１．１２．２６）
【分割の表示】特願２０１０−６０２０９（Ｐ２０１０−６０２０９）の分割
【原出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月２６日（２０１１．１２．２６）
【分割の表示】特願２０１０−６０２０９（Ｐ２０１０−６０２０９）の分割
【原出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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