JP2020008606A - クロスダイクロイックプリズム、画像表示モジュールおよび画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プリズムが歪む、誘電体多層膜が破損する等の不具合が少ないクロスダイクロイックプリズムを提供する。【解決手段】本発明のクロスダイクロイックプリズムは、４つのプリズムと、２つのダイクロイックミラーと、を備える。４つのプリズムの各々は、三角柱状の形状を有する。４つのプリズムは、稜線部同士が近接し、一つのプリズムの第１面と他の一つのプリズムの第２面とが対向し、第３面が外側を向くように、全体として四角柱状に配置されている。２つのダイクロイックミラーの各々は、一つのプリズムの第１面と他の一つのプリズムの第２面との間に設けられた誘電体多層膜から構成され、一つのプリズムの第１面と他の一つのプリズムの第２面との各々に、誘電体多層膜を構成する最外層の誘電体層が接触して設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、クロスダイクロイックプリズム、画像表示モジュールおよび画像表示装置に関する。

ヘッドマウントディスプレイ、プロジェクター等の画像表示装置において、互いに異なる色の複数の色光を合成するクロスダイクロイックプリズムが従来から知られている。下記の特許文献１に、三角柱状の第１光学部材および第２光学部材と、第１光学部材と第２光学部材との間に設けられた波長選択膜と、を備え、波長選択膜がプラズマ重合膜を含む誘電体多層膜で構成されたプリズムが開示されている。特許文献１には、このプリズムが液晶プロジェクターに用いられることが記載されている。

特開２０１０−６０７７０号公報

特許文献１に記載されているように、クロスダイクロイックプリズムが液晶プロジェクターの色合成素子として用いられる場合、クロスダイクロイックプリズムの３つの面に、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）および青色光（Ｂ）の各色光を変調する液晶ライトバルブがそれぞれ配置され、液晶ライトバルブから射出される３つの色光がクロスダイクロイックプリズムで合成され、投射レンズに向けて射出される。この場合、一般的に、緑色光用の液晶ライトバルブからＰ偏光が射出され、赤色光用および青色光用の液晶ライトバルブからＳ偏光が射出されるように、偏光板が設置されている。

クロスダイクロイックプリズムには、第１ダイクロイックミラーと第２ダイクロイックミラーとが互いに交差するように設けられている。Ｐ偏光である緑色光は、双方のダイクロイックミラーを透過して射出される。Ｓ偏光である赤色光は、第１ダイクロイックミラーを透過し、第２ダイクロイックミラーで反射して射出される。Ｓ偏光である青色光は、第２ダイクロイックミラーを透過し、第１ダイクロイックミラーで反射して射出される。このようにして、３色の色光が合成される。

一方、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子から得られる発光は、液晶素子の場合とは異なり、偏光特性を持たない。これは、有機ＥＬ素子では、有機薄膜中にランダムに配置された有機分子から発光が生じるため、液晶素子のような偏光特性を持たないためである。有機ＥＬ素子からなる表示パネル（有機ＥＬパネル）において、赤色光、青色光、緑色光をそれぞれ発光する３枚のパネルを用意し、クロスダイクロイックプリズムを用いて３色の色光を合成すれば、有機ＥＬパネルを用いた表示装置への応用が可能となる。

ところが、有機ＥＬパネルからの光は偏光特性を持たないため、有機ＥＬパネルと組み合わせて用いるクロスダイクロイックプリズムは、Ｓ偏光およびＰ偏光のいずれか一方を反射させ、他方を透過させるのではなく、Ｐ偏光とＳ偏光の両方を波長に応じて反射もしくは透過させる必要がある。

このようなダイクロイックミラーを作製する場合、Ｓ偏光およびＰ偏光のいずれか一方を反射させ、他方を透過させる従来のクロスダイクロイックプリズムに比べて、ダイクロイックミラーを構成する誘電体多層膜の層数が従来よりも増加する。これにより、誘電体多層膜の応力が大きくなり、下地である三角柱プリズムが歪む、誘電体多層膜自体が破損する、等の不具合が生じる場合がある。その結果、このクロスダイクロイックプリズムを用いた表示装置の表示品位が低下する、という問題が生じる。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様のクロスダイクロイックプリズムは、４つのプリズムと、２つのダイクロイックミラーと、を備え、前記４つのプリズムのそれぞれは、三角柱状の形状を有するとともに、互いに交差して稜線部を構成する第１面および第２面と、前記第１面および前記第２面のそれぞれと鋭角の角度をなす第３面と、を有し、前記４つのプリズムは、前記４つのプリズムのそれぞれの前記稜線部同士が対向し、前記４つのプリズムのうちの一つのプリズムの前記第１面と他の一つのプリズムの前記第２面とが対向するとともに、前記第３面が外側を向くように、組み合わされて配置され、前記２つのダイクロイックミラーのそれぞれは、前記一つのプリズムの前記第１面と前記他の一つのプリズムの前記第２面との間に設けられた誘電体多層膜から構成され、前記一つのプリズムの前記第１面と前記他の一つのプリズムの前記第２面とのそれぞれに、前記誘電体多層膜を構成する最外層の誘電体層が接触して設けられている。

本発明の一つの態様のクロスダイクロイックプリズムにおいて、前記２つのダイクロイックミラーの各々は、偏光分離特性を持たなくてもよい。

本発明の一つの態様のクロスダイクロイックプリズムにおいて、前記一つのプリズムの前記第１面に、前記誘電体多層膜のうちの一部を構成する複数の第１誘電体層からなる第１誘電体多層膜が設けられ、前記他の一つのプリズムの前記第２面に、前記誘電体多層膜のうちの他の一部を構成する複数の第２誘電体層からなる第２誘電体多層膜が設けられ、前記第１誘電体多層膜と前記第２誘電体多層膜との間に接着剤層が設けられていてもよい。

本発明の一つの態様のクロスダイクロイックプリズムにおいて、前記接着剤層の膜厚は、１μｍよりも厚くてもよい。

本発明の一つの態様のクロスダイクロイックプリズムにおいて、前記接着剤層は、前記誘電体多層膜を構成する誘電体層として機能してもよい。

本発明の一つの態様のクロスダイクロイックプリズムにおいて、前記接着剤層の膜厚は、０．０１μｍ以上、１μｍ以下であってもよい。

本発明の一つの態様のクロスダイクロイックプリズムにおいて、前記複数の誘電体層の各々は、無機膜によって構成され、前記接着剤層は、有機膜によって構成されていてもよい。

本発明の一つの態様の画像表示モジュールは、本発明の一つの態様のクロスダイクロイックプリズムと、前記クロスダイクロイックプリズムの４つの前記第３面のうち、少なくとも２つの前記第３面に対向して設けられた少なくとも２つの画像表示パネルと、を備える。

本発明の一つの態様の画像表示モジュールにおいて、前記少なくとも２つの画像表示パネルの各々は、偏光特性を持たない画像光を射出してもよい。

本発明の一つの態様の画像表示装置は、本発明の一つの態様の画像表示モジュールを備える。

第１実施形態のクロスダイクロイックプリズムの斜視図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。 第１実施形態のクロスダイクロイックプリズムの製造プロセスの一工程を示す断面図である。 図３Ａの次の工程を示す断面図である。 図３Ｂの次の工程を示す断面図である。 第２実施形態のクロスダイクロイックプリズムの断面図である。 第３実施形態の頭部装着型表示装置の概略構成図である。 図５に示す表示部の光学系を模式的に示す斜視図である。 図６に示す光学系の光路を示す図である。 第４実施形態の投射型表示装置の概略構成図である。 比較例のクロスダイクロイックプリズムの断面図である。 比較例のクロスダイクロイックプリズムの製造プロセスの一工程を示す断面図である。 図１０Ａの次の工程を示す断面図である。 図１０Ｂの次の工程を示す断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図２、図３Ａ〜図３Ｃを用いて説明する。
図１は、第１実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０の斜視図である。図２は、図１のII−II線に沿う断面図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

第１実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０は、例えば、有機ＥＬパネル等の偏光特性を持たない画像光を射出する複数の画像表示パネルからの複数の画像光を合成するために用いられる。

図１および図２に示すように、クロスダイクロイックプリズム５０は、４つのプリズム５５と、２つのダイクロイックミラー６５と、を備えている。
説明の都合上、図２において、右下に示すプリズムを第１プリズム５１と称し、以下、時計回りに、左下に示すプリズムを第２プリズム５２と称し、左上に示すプリズムを第３プリズム５３と称し、右上に示すプリズムを第４プリズム５４と称する。また、特に４つのプリズムを区別して説明する必要がない場合は、単にプリズム５５と称することもある。

図２において、縦方向に延在するダイクロイックミラーを第１ダイクロイックミラー６１と称し、横方向に延在するダイクロイックミラーを第２ダイクロイックミラー６２と称する。また、特に２つのダイクロイックミラーを区別して説明する必要がない場合は、単にダイクロイックミラー６５と称することもある。第１ダイクロイックミラー６１と第２ダイクロイックミラー６２との交差部分の中心を通る仮想軸をクロスダイクロイックプリズム５０の中心軸Ｃと称する。

第１プリズム５１、第２プリズム５２、第３プリズム５３、および第４プリズム５４のそれぞれは、同一の形状および同一の寸法を有し、同一の材料で構成されている。プリズム５５は、三角柱状の形状を有する。中心軸Ｃに垂直な平面で切断したときのプリズム５５の断面形状は、直角二等辺三角形である。プリズム５５の外形をなす三角柱の３つの側面のうち、互いに９０度の角度で接する２つの側面をそれぞれ第１面５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ、第２面５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂと称する。第１面５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａと第２面５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂとは、互いに交差しており、９０度の角度をなすプリズム５５の稜線部を構成する。また、第１面５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａおよび第２面５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂのそれぞれと鋭角の角度をなす１つの側面を第３面５１ｃ，５２ｃ，５３ｃ，５４ｃと称する。

４つのプリズム５５は、４つのプリズム５５のそれぞれの稜線部が中心軸Ｃを向いて近接し、４つのプリズム５５のうちの一つのプリズム５５の第１面５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａと他の一つのプリズム５５の第２面５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂとが互いに対向するとともに、第３面５１ｃ，５２ｃ，５３ｃ，５４ｃが外側を向くように、全体として四角柱状に配置されている。

本実施形態では、第１プリズム５１、第２プリズム５２、および第３プリズム５３のそれぞれの第３面５１ｃ，５２ｃ，５３ｃがクロスダイクロイックプリズム５０に光を入射させる光入射面となり、第４プリズム５４の第３面５４ｃがクロスダイクロイックプリズム５０から光を射出させる光射出面となる。プリズム５５は、例えばＢＫ７等の光学ガラスから構成されている。

第１ダイクロイックミラー６１は、第１プリズム５１の第１面５１ａと第２プリズム５２の第２面５２ｂとの間、および第４プリズム５４の第２面５４ｂと第３プリズム５３の第１面５３ａとの間にわたって連続して設けられた誘電体多層膜６３から構成されている。第１ダイクロイックミラー６１は、互いに異なる屈折率を有する複数の誘電体層が交互に積層された構成を有する。誘電体層の材料として、例えばＭｇＦ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２等の無機膜が用いられる。誘電体層の１層の膜厚は、０．０１μｍ以上、１μｍ以下である。誘電体多層膜６３は、全体として１００層程度の誘電体層から構成されている。なお、図２において、誘電体多層膜６３を構成する誘電体層の層数は非常に多いため、個々の誘電体層の図示を省略する。

さらに、第１ダイクロイックミラー６１は、第１誘電体多層膜６３１と、接着剤層６７と、第２誘電体多層膜６３２と、を有する。第１誘電体多層膜６３１は、第１プリズム５１の第１面５１ａおよび第４プリズム５４の第２面５４ｂにわたって設けられている。第１誘電体多層膜６３１は、第１ダイクロイックミラー６１を構成する誘電体多層膜６３の一部となる複数の第１誘電体層から構成されている。第１誘電体多層膜６３１は、誘電体多層膜６３全体の層数の半分である５０層程度の第１誘電体層から構成されている。

第２誘電体多層膜６３２は、第２プリズム５２の第２面５２ｂおよび第３プリズム５３の第１面５３ａにわたって設けられている。第２誘電体多層膜６３２は、第１ダイクロイックミラー６１を構成する誘電体多層膜６３の他の一部となる複数の第２誘電体層から構成されている。第２誘電体多層膜６３２は、誘電体多層膜６３全体の層数の半分である５０層程度の第２誘電体層から構成されている。

接着剤層６７は、第１誘電体多層膜６３１と第２誘電体多層膜６３２との間に介在し、第１誘電体多層膜６３１と第２誘電体多層膜６３２とを接合する。接着剤層６７の材料として、ＵＶ硬化接着剤の一つであるフォトボンド（商品名、サンライズ社製）、光学用接着剤の一つであるオプトクレーブ（商品名、ＭＳアーデル社製）等のアクリル樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤等が用いられる。接着剤層６７の膜厚は、１μｍよりも厚い。

第１誘電体多層膜６３１は、接着剤を介することなく、第１プリズム５１の第１面５１ａおよび第４プリズム５４の第２面５４ｂに直接形成されている。同様に、第２誘電体多層膜６３２は、接着剤を介することなく、第２プリズム５２の第２面５２ｂおよび第３プリズム５３の第１面５３ａに直接形成されている。したがって、第１プリズム５１の第１面５１ａおよび第４プリズム５４の第２面５４ｂに、誘電体多層膜６３を構成する最外層の誘電体層が接触して設けられている。また、第２プリズム５２の第２面５２ｂおよび第３プリズム５３の第１面５３ａに、誘電体多層膜６３を構成する最外層の誘電体層が接触して設けられている。

第１ダイクロイックミラー６１は、偏光分離特性を有しておらず、青色域の波長を有する光を反射させ、緑色域および赤色域の波長を有する光を透過させる特性を有する。すなわち、クロスダイクロイックプリズム５０に入射した青色光は、偏光状態に係わらず第１ダイクロイックミラー６１で反射し、クロスダイクロイックプリズム５０に入射した緑色光および赤色光は、偏光状態に係わらず第１ダイクロイックミラー６１を透過する。

第２ダイクロイックミラー６２は、第１プリズム５１の第２面５１ｂと第４プリズム５４の第１面５４ａとの間、および第２プリズム５２の第１面５２ａと第３プリズム５３の第２面５３ｂとの間に設けられた誘電体多層膜６４から構成されている。第２ダイクロイックミラー６２は、互いに異なる屈折率を有する複数の誘電体層が交互に積層された構成を有する。誘電体層の材料、膜厚、層数については、第１ダイクロイックミラー６１の誘電体層と同様である。ただし、第２ダイクロイックミラー６２は、第１ダイクロイックミラー６１と異なり、第１ダイクロイックミラー６１と第２ダイクロイックミラー６２との交差部分において分断されている。

さらに、第２ダイクロイックミラー６２は、第１誘電体多層膜６４１と、接着剤層６８と、第２誘電体多層膜６４２と、を有する。第１誘電体多層膜６４１は、第１プリズム５１の第２面５１ｂおよび第２プリズム５２の第１面５２ａに設けられている。第１誘電体多層膜６４１は、第２ダイクロイックミラー６２を構成する誘電体多層膜６４の一部となる複数の第１誘電体層から構成されている。第１誘電体多層膜６４１は、誘電体多層膜６４全体の層数の半分である５０層程度の第１誘電体層から構成されている。

第２誘電体多層膜６４２は、第４プリズム５４の第１面５４ａおよび第３プリズム５３の第２面５３ｂに設けられている。第２誘電体多層膜６４２は、第２ダイクロイックミラー６２を構成する誘電体多層膜６４の他の一部となる複数の第２誘電体層から構成されている。第２誘電体多層膜６４２は、誘電体多層膜６４全体の層数の半分である５０層程度の第２誘電体層から構成されている。

接着剤層６８は、第１誘電体多層膜６４１と第２誘電体多層膜６４２との間に介在し、第１誘電体多層膜６４１と第２誘電体多層膜６４２とを接合する。接着剤層６８の構成材料、膜厚は、第１ダイクロイックミラー６１の接着剤層６７と同様である。

第１誘電体多層膜６４１は、接着剤を介することなく、第１プリズム５１の第２面５１ｂおよび第２プリズム５２の第１面５２ａに直接形成されている。同様に、第２誘電体多層膜６４２は、接着剤を介することなく、第４プリズム５４の第１面５４ａおよび第３プリズム５３の第２面５３ｂに直接形成されている。したがって、第１プリズム５１の第２面５１ｂおよび第２プリズム５２の第１面５２ａに、誘電体多層膜６４を構成する最外層の誘電体層が接触して設けられている。また、第４プリズム５４の第１面５４ａおよび第３プリズム５３の第２面５３ｂに、誘電体多層膜６４を構成する最外層の誘電体層が接触して設けられている。

第２ダイクロイックミラー６２は、偏光分離特性を有しておらず、赤色域の波長を有する光を反射させ、青色域および緑色域の波長を有する光を透過させる特性を有する。すなわち、クロスダイクロイックプリズム５０に入射した赤色光は、偏光状態に係わらず第２ダイクロイックミラー６２で反射し、クロスダイクロイックプリズム５０に入射した青色光および緑色光は、偏光状態に係わらず第２ダイクロイックミラー６２を透過する。

以上説明したように、各ダイクロイックミラー６１，６２を構成する複数の誘電体層のそれぞれは、無機膜によって構成されている。接着剤層６７，６８は、有機膜によって構成されている。また、第１ダイクロイックミラー６１および第２ダイクロイックミラー６２のそれぞれは、偏光特性を持たない。

なお、上記では、第１ダイクロイックミラー６１、第２ダイクロイックミラー６２ともに、第１誘電体多層膜６３１，６４１と第２誘電体多層膜６３２，６４２との双方が５０層程度の誘電体層で構成される例を挙げたが、第１誘電体多層膜６３１，６４１の層数と第２誘電体多層膜６３２，６４２の層数とは必ずしも一致している必要はない。例えば、第１誘電体多層膜６３１，６４１が４０層の誘電体層で構成され、第２誘電体多層膜６３２，６４２が６０層の誘電体層で構成されていてもよい。

ただし、後述するプリズム５５の歪みや誘電体多層膜６３，６４の破損を低減するという本実施形態の効果を最大限に得るためには、第１誘電体多層膜６３１，６４１の層数と第２誘電体多層膜６３２，６４２の層数とは一致していることが望ましい。また、第１誘電体多層膜６３１，６４１と第２誘電体多層膜６３２，６４２との各誘電体層の構成材料、膜厚等については、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

以下、上記構成のクロスダイクロイックプリズム５０の製造方法について説明する。
図３Ａは、第１実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０の製造プロセスの一工程を示す断面図である。図３Ｂは、図３Ａの次の工程を示す断面図である。図３Ｃは、図３Ｂの次の工程を示す断面図である。

最初に、第１〜第４プリズムとなる三角柱状の４つのプリズム５５を準備する。
次に、図３Ａに示すように、第１プリズム５１の第２面５１ｂおよび第２プリズム５２の第１面５２ａに、蒸着、スパッタ等の成膜法を用いて５０層程度の誘電体層を成膜し、第２ダイクロイックミラー６２を構成する第１誘電体多層膜６４１を形成する。同様に、第４プリズム５４の第１面５４ａおよび第３プリズム５３の第２面５３ｂに、蒸着、スパッタ等の成膜法を用いて５０層程度の誘電体層を成膜し、第２ダイクロイックミラー６２を構成する第２誘電体多層膜６４２を形成する。

次に、図３Ｂに示すように、第１誘電体多層膜６４１もしくは第２誘電体多層膜６４２の表面に有機系接着剤６８１を塗布した後、有機系接着剤６８１を介して第１誘電体多層膜６４１が形成された第１プリズム５１と第２誘電体多層膜６４２が形成された第４プリズム５４とを接合し、有機系接着剤６８１を硬化させ、第１プリズム組立体６６を作製する。同様の方法を用いて、第１誘電体多層膜６４１が形成された第２プリズム５２と第２誘電体多層膜６４２が形成された第３プリズム５３とを接合し、第２プリズム組立体６９を作製する。

次に、図３Ｃに示すように、第１プリズム組立体６６において、第１プリズム５１の第１面５１ａおよび第４プリズム５４の第２面５４ｂに、蒸着、スパッタ等の成膜法を用いて５０層程度の誘電体層を成膜し、第１ダイクロイックミラー６１を構成する第１誘電体多層膜６３１を形成する。同様に、第２プリズム組立体６９において、第２プリズム５２の第２面５２ｂおよび第３プリズム５３の第１面５３ａに、蒸着、スパッタ等の成膜法を用いて５０層程度の誘電体層を成膜し、第１ダイクロイックミラー６１を構成する第２誘電体多層膜６３２を形成する。

次に、第１誘電体多層膜６３１もしくは第２誘電体多層膜６３２の表面に有機系接着剤を塗布した後、有機系接着剤を介して第１誘電体多層膜６３１が形成された第１プリズム組立体６６と第２誘電体多層膜６３２が形成された第２プリズム組立体６９とを接合し、有機系接着剤を硬化させる。
以上の工程を経て、図２に示した本実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０が完成する。

ここで、比較例のクロスダイクロイックプリズムについて説明する。
比較例のクロスダイクロイックプリズムは、例えば液晶パネルのように、特定の直線偏光を射出する表示パネルと組み合わせて用いられ、複数の表示パネルから射出される複数の色光を合成するクロスダイクロイックプリズムとして一般的な構成を有している。

図９は、比較例のクロスダイクロイックプリズム１５０の断面図である。
図９において、本実施形態で用いた図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図９に示すように、比較例のクロスダイクロイックプリズム１５０は、４つのプリズム５５と、２つのダイクロイックミラー１６１，１６２と、を備えている。第１ダイクロイックミラー１６１は、第１プリズム５１の第１面５１ａと第４プリズム５４の第２面５４ｂとに設けられた誘電体多層膜１６３から構成されている。第２ダイクロイックミラー１６２は、第３プリズム５３の第２面５３ｂと第４プリズム５４の第１面５４ａとに設けられた誘電体多層膜１６４から構成されている。

誘電体多層膜１６４が形成された第４プリズム５４と第１プリズム５１とは接着剤層６８を介して接合されている。誘電体多層膜１６４が形成された第３プリズム５３と第２プリズム５２とは接着剤層６８を介して接合されている。第４プリズム５４と第１プリズム５１とが接合された第１プリズム組立体１６６と、第３プリズム５３と第２プリズム５２とが接合された第２プリズム組立体１６９と、は接着剤層６７を介して接合されている。

以下、比較例のクロスダイクロイックプリズム１５０の製造方法について説明する。
図１０Ａは、比較例のクロスダイクロイックプリズム１５０の製造プロセスの一工程を示す断面図である。図１０Ｂは、図１０Ａの次の工程を示す断面図である。図１０Ｃは、図１０Ｂの次の工程を示す断面図である。

図１０Ａに示すように、第４プリズム５４の第１面５４ａに、複数の誘電体層を成膜し、第２ダイクロイックミラー１６２を構成する誘電体多層膜１６４を形成する。同様に、第３プリズム５３の第２面５３ｂに、複数の誘電体層を成膜し、第２ダイクロイックミラー１６２を構成する誘電体多層膜１６４を形成する。

次に、図１０Ｂに示すように、有機系接着剤６８１を介して誘電体多層膜１６４が形成された第４プリズム５４と第１プリズム５１とを接合し、第１プリズム組立体１６６を作製する。同様に、有機系接着剤６８１を介して誘電体多層膜１６４が形成された第３プリズム５３と第２プリズム５２とを接合し、第２プリズム組立体１６９を作製する。

次に、図１０Ｃに示すように、第１プリズム組立体１６６において、第１プリズム５１の第１面５１ａおよび第４プリズム５４の第２面５４ｂに、複数の誘電体層を成膜し、第１ダイクロイックミラー１６１を構成する誘電体多層膜１６３を形成する。
次に、有機系接着剤を介して誘電体多層膜１６３が形成された第１プリズム組立体１６６と第２プリズム組立体１６９とを接合する。
以上の工程を経て、図９に示した比較例のクロスダイクロイックプリズム１５０が完成する。

比較例のクロスダイクロイックプリズム１５０においては、図１０Ａおよび図１０Ｃに示すように、各ダイクロイックミラー１６１，１６２を構成する誘電体多層膜１６３，１６４の層数分の全ての誘電体層が互いに対向する２つのプリズムのうちの一方のみに形成される。そのため、誘電体多層膜１６３，１６４に生じる応力が互いに対向する２つのプリズムのうちの一方のプリズムのみに加わる。

特定の直線偏光、すなわち、Ｓ偏光、Ｐ偏光のいずれか一方に対して所望の波長分離特性を満足するダイクロイックミラーを得る場合であれば、誘電体多層膜を構成する誘電体層の層数は例えば３０〜４０層程度で済む。そのため、誘電体多層膜に生じる応力がクロスダイクロイックプリズムに悪影響を及ぼすことはほとんどない。ところが、入射光の偏光状態に依らずに所望の波長分離特性を満足するダイクロイックミラーを得ようとすると、誘電体多層膜を構成する誘電体層の層数は例えば１００層程度となり、大幅に増加する。

本発明者らの試算によれば、誘電体層の構成材料、膜厚等の条件にも依るが、１００層の誘電体層からなる誘電体多層膜に生じる応力は、ＧＰａオーダーと極めて大きくなる。比較例のクロスダイクロイックプリズム１５０において、誘電体多層膜が上記のような多大な応力を有する場合、クロスダイクロイックプリズム１５０の製造プロセスにおいて、誘電体多層膜１６３，１６４が破損する虞があった。あるいは、誘電体多層膜１６３，１６４が破損しなかったとしても、プリズム５５の歪みが発生するという問題があった。さらに、このようなクロスダイクロイックプリズム１５０を用いて表示装置を製造すると、表示品位が低下する、という問題が生じた。

この問題に対して、本実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０によれば、図３Ａおよび図３Ｃに示すように、各ダイクロイックミラー６１，６２を構成する誘電体多層膜６３，６４の層数の半分（本実施形態の例では５０層）の誘電体層が互いに対向する２つのプリズム５５のそれぞれに分けて形成される。これにより、一つのプリズム５５に生じる誘電体多層膜６３，６４の応力は、比較例のクロスダイクロイックプリズム１５０の場合と比べて減少する。本発明者らの試算によれば、５０層の誘電体層からなる誘電体多層膜に生じる応力は、数百ＭＰａのオーダーで済む。これにより、本実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０によれば、誘電体多層膜が破損する、プリズムの歪みが発生する、等の問題を改善することができる。

また、クロスダイクロイックプリズム５０の製造プロセスにおいて、第１誘電体多層膜６３１，６４１が形成されたプリズム５５と第２誘電体多層膜６３２，６４２が形成されたプリズム５５とが有機系接着剤からなる接着剤層６７，６８によって接着されるため、例えばプラズマ重合法等を用いて２つのプリズムを接合する場合と異なり、簡易な製造装置を用いることができ、製造コストを低減することができる。また、クロスダイクロイックプリズム５０の特性として、接着剤層６７，６８を用いて２つのプリズム５５を接合する場合、プラズマ重合法等を用いて２つのプリズムを接合する場合と比べて、プラズマ照射による誘電体多層膜のダメージが抑えられるため、所望の光学特性を得やすいという効果がある。

なお、本実施形態のダイクロイックミラー６１は、誘電体多層膜６３，６４を構成する１００層の誘電体層の途中に厚い接着剤層６７，６８が挿入され、全体の誘電体多層膜６３，６４が接着剤層６７，６８によって５０層の誘電体層からなる２つの誘電体多層膜に分断された形態を有している。本発明者らは、このような形態のダイクロイックミラーであっても、１００層の誘電体層が連続して積層された構成のダイクロイックミラーと同等の波長分離特性が得られることを確認している。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。
第２実施形態のクロスダイクロイックプリズムの基本構成は第１実施形態と同様であり、接着剤層の膜厚が第１実施形態と異なる。そのため、クロスダイクロイックプリズムの全体の説明は省略する。
図４は、第２実施形態のクロスダイクロイックプリズムの断面図である。図４の図面は、図２と同様、図１のII−II線の位置での断面図に対応する。
図４において、図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図４に示すように、第２実施形態のクロスダイクロイックプリズム７０は、４つのプリズム５５と、２つのダイクロイックミラー７１，７２と、を備えている。第１ダイクロイックミラー７１は、第１プリズム５１の第１面５１ａと第２プリズム５２の第２面５２ｂとの間、および第４プリズム５４の第２面５４ｂと第３プリズム５３の第１面５３ａとの間に設けられた誘電体多層膜７３から構成されている。第２ダイクロイックミラー７２は、第１プリズム５１の第２面５１ｂと第４プリズム５４の第１面５４ａとの間、および第２プリズム５２の第１面５２ａと第３プリズム５３の第２面５３ｂとの間に設けられた誘電体多層膜７４から構成されている。

第１実施形態における接着剤層６７，６８は、１μｍよりも厚い膜厚を有していた。これに対して、第２実施形態における接着剤層７７，７８は、０．０１μｍ以上、１μｍ以下の膜厚を有している。すなわち、接着剤層７７，７８の膜厚は、各ダイクロイックミラー７１，７２を構成する誘電体多層膜７３，７４の各誘電体層の膜厚と同程度である。これにより、接着剤層７７，７８は、誘電体多層膜７３，７４を構成する誘電体層の１層として機能する。接着剤層７７，７８の材料は、第１実施形態と同様である。
クロスダイクロイックプリズム７０のその他の構成および製造方法は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態においても、誘電体多層膜が破損する、プリズムの歪みが発生する等の不具合が改善されたクロスダイクロイックプリズム７０を提供することができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

特に第２実施形態の場合、接着剤層７７，７８が誘電体多層膜７３，７４を構成する誘電体層の１層として機能するため、誘電体多層膜７３，７４が２つの誘電体多層膜に分断されることなく、複数の誘電体層が連続して積層された誘電体多層膜７３，７４として構成される。そのため、所望の波長分離特性を有するダイクロイックミラー７１，７２を作製する際に、誘電体層の仕様を容易に設計することができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図面を用いて説明する。
上記第１実施形態および第２実施形態で説明したクロスダイクロイックプリズムは、以下に説明する表示装置に用いられる。
図５は、第３実施形態の頭部装着型表示装置１０００の説明図である。図６は、図５に示す虚像表示部１０１０の光学系の構成を模式的に示す斜視図である。図７は、図６に示す光学系の光路を示す説明図である。

図５に示すように、頭部装着型表示装置１０００（画像表示装置）は、シースルー型のアイグラスディスプレイとして構成されており、テンプル１１１１，１１１２を左右に備えたフレーム１１１０を有している。頭部装着型表示装置１０００において、虚像表示部１０１０は、フレーム１１１０に支持されており、虚像表示部１０１０から射出された画像を使用者に虚像として認識させる。本実施形態において、頭部装着型表示装置１０００は、虚像表示部１０１０として、左眼用表示部１１０１と、右眼用表示部１１０２とを備えている。左眼用表示部１１０１と右眼用表示部１１０２とは同一の構成をもって左右対称に配置されている。

以下の説明では、左眼用表示部１１０１を中心に説明し、右眼用表示部１１０２については説明を省略する。
図６および図７に示すように、頭部装着型表示装置１０００において、左眼用表示部１１０１は、画像表示モジュール１と、画像表示モジュール１から射出された合成光Ｌｂを射出部１０５８に導く導光系１０３０と、を有している。画像表示モジュール１と導光系１０３０との間には、投射レンズ系１０７０が配置されており、画像表示モジュール１から射出された合成光Ｌｂは、投射レンズ系１０７０を介して導光系１０３０に入射する。投射レンズ系１０７０は、正のパワーを有する１つのコリメートレンズによって構成されている。

画像表示モジュール１は、クロスダイクロイックプリズム５０と、クロスダイクロイックプリズム５０の４つの面（三角柱プリズムの第３面）のうち、３つの面に対向して設けられた３つの画像表示パネル１０，２０，３０と、を備えている。画像表示パネル１０，２０，３０は、例えば有機ＥＬパネルから構成されている。

第１画像表示パネル１０から射出された画像光は、クロスダイクロイックプリズム５０に第１波長域の第１画像光ＬＲとして入射する。第２画像表示パネル２０から射出された画像光は、クロスダイクロイックプリズム５０に第２波長域の第２画像光ＬＢとして入射する。第３画像表示パネル３０から射出された画像光は、クロスダイクロイックプリズム５０に第３波長域の第３画像光ＬＧとして入射する。クロスダイクロイックプリズム５０から、第１画像光ＬＲと第２画像光ＬＢと第３画像光ＬＧとが合成された合成光Ｌｂが射出される。

本実施形態において、第１波長域は、例えば６２０ｎｍ〜７５０ｎｍであり、第１画像表示パネル１０は、赤色の第１画像光ＬＲを射出する。第２波長域は、例えば４５０ｎｍ〜４９５ｎｍであり、第２画像表示パネル２０は、青色の第２画像光ＬＢを射出する。第３波長域は、例えば４９５ｎｍ〜５７０ｎｍであり、第３画像表示パネル３０は、緑色の第３画像光ＬＧを射出する。本実施形態において、第１画像光ＬＲ、第２画像光ＬＢ、および第３画像光ＬＧは、偏光特性を持たない光である。

導光系１０３０は、合成光Ｌｂが入射する透光性の入射部１０４０と、一方端１０５１側が入射部１０４０に接続された透光性の導光部１０５０と、を備えている。本実施形態において、入射部１０４０と導光部１０５０とは、一体の透光性部材で構成されている。

入射部１０４０は、画像表示モジュール１から射出された合成光Ｌｂが入射する入射面１０４１と、入射面１０４１から入射した合成光Ｌｂを入射面１０４１との間で反射する反射面１０４２と、を備えている。入射面１０４１は、平面、非球面、または自由曲面等からなり、投射レンズ系１０７０を介して画像表示モジュール１と対向している。投射レンズ系１０７０は、入射面１０４１の端部１４１２との間隔が入射面１０４１の端部１４１１との間隔より広くなるように斜めに配置されている。入射面１０４１には反射膜が形成されていないが、臨界角以上の入射角で入射した光を全反射する。したがって、入射面１０４１は、光透過性および光反射性を備えている。反射面１０４２は、入射面１０４１と対向する面からなり、端部１４２２が入射面１０４１の端部１４２１よりも入射面１０４１から離間するように斜めに配置されている。したがって、入射部１０４０は、略三角形状の形状を有している。反射面１０４２は、平面、非球面、または自由曲面等からなる。反射面１０４２は、アルミニウム、銀、マグネシウム、クロム等を主成分とする反射性の金属層が形成された構成を有する。

導光部１０５０は、一方端１０５１から他方端１０５２側に向けて延在する第１面１０５６（第１反射面）と、第１面１０５６に平行に対向して一方端１０５１側から他方端１０５２側に向けて延在する第２面１０５７（第２反射面）と、第２面１０５７の入射部１０４０から離間する部分に設けられた射出部１０５８と、を備えている。第１面１０５６と入射部１０４０の反射面１０４２とは、斜面１０４３を介して繋がっている。第１面１０５６と第２面１０５７との厚さは、入射部１０４０より薄い。第１面１０５６および第２面１０５７は、導光部１０５０と外界（空気）との屈折率差に基づいて、臨界角以上の入射角で入射した光を全反射する。このため、第１面１０５６および第２面１０５７には反射膜が形成されていない。

射出部１０５８は、導光部１０５０の厚さ方向の第２面１０５７側の一部に構成されている。射出部１０５８では、第２面１０５７に対する法線方向に対して斜めに傾いた複数の部分反射面１０５５が互いに平行に配置されている。射出部１０５８は、第２面１０５７のうち、複数の部分反射面１０５５に重なる部分であり、導光部１０５０の延在方向において所定の幅を有する領域である。複数の部分反射面１０５５はそれぞれ誘電体多層膜から構成されている。また、複数の部分反射面１０５５のうちの少なくとも１つは、誘電体多層膜と、アルミニウム、銀、マグネシウム、クロム等主成分とする反射性の金属層（薄膜）との複合層であってもよい。部分反射面１０５５が金属層を含んでいる場合、部分反射面１０５５の反射率を高める効果、もしくは、部分反射面１０５５の透過率および反射率の入射角依存性や偏光依存性を適正化できるという効果がある。なお、射出部１０５８については、回折格子やホログラム等の光学素子が設けられた態様であってもよい。

上記構成の頭部装着型表示装置１０００において、入射部１０４０から入射した平行光からなる合成光Ｌｂは、入射面１０４１で屈折し、反射面１０４２に向かう。次に、合成光Ｌｂは、反射面１０４２で反射されて再び入射面１０４１に向かう。その際、合成光Ｌｂは、入射面１０４１に臨界角以上の入射角で入射するため、入射面１０４１で導光部１０５０に向けて反射され、導光部１０５０に向かう。なお、入射部１０４０では、平行光である合成光Ｌｂが入射面１０４１に入射する構成になっているが、入射面１０４１および反射面１０４２を自由曲面等によって構成し、非平行光である合成光Ｌｂが入射面１０４１に入射した後、反射面１０４２と入射面１０４１との間で反射する間に平行光に変換される構成を採用してもよい。

導光部１０５０においては、合成光Ｌｂが第１面１０５６と第２面１０５７との間で反射して進行する。部分反射面１０５５に入射した合成光Ｌｂの一部は、部分反射面１０５５で反射して射出部１０５８から観察者の眼Ｅに向けて射出される。また、部分反射面１０５５に入射した合成光Ｌｂの残りは、部分反射面１０５５を透過し、隣り合う次の部分反射面１０５５に入射する。このため、複数の部分反射面１０５５の各々において反射した合成光Ｌｂは、射出部１０５８から観察者の眼Ｅに向けて射出される。これにより、観察者は、虚像を認識することができる。

その際、外界から導光部１０５０に入射した光は、導光部１０５０に入射した後、部分反射面１０５５を透過して観察者の眼Ｅに到達する。このため、観察者は、画像表示モジュール１から射出されたカラー画像をみることができるとともに、外界の景色等をシースルーでみることができる。

第３実施形態の頭部装着型表示装置１０００は、第１実施形態もしくは第２実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０を備えているため、表示品位に優れる。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図８を用いて説明する。
上記第１実施形態および第２実施形態で説明したクロスダイクロイックプリズムは、以下に説明する表示装置に用いられる。
図８は、第４実施形態の投射型表示装置２０００の概略構成図である。

図８に示すように、投射型表示装置２０００（画像表示装置）は、上記実施形態に係る画像表示モジュール１と、画像表示モジュール１から射出された合成光Ｌｂをスクリーン等の被投射部材２２００に拡大して投射する投射光学系２１００と、を有している。

画像表示モジュール１は、クロスダイクロイックプリズム５０と、クロスダイクロイックプリズム５０の４つの面（三角柱プリズムの第３面）のうち、３つの面に対向して設けられた３つの画像表示パネル１０，２０，３０と、を備えている。画像表示パネル１０，２０，３０は、例えば有機ＥＬパネル等の偏光特性を持たない画像光を射出するパネルから構成されている。

第４実施形態の投射型表示装置２０００は、第１実施形態もしくは第２実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０を備えているため、表示品位に優れる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態で例示したクロスダイクロイックプリズム、画像表示モジュールおよび画像表示装置の各構成要素の材料、数、配置、形状等の具体的構成は、適宜変更が可能である。

また、上記第３実施形態および第４実施形態では、画像表示モジュールとしてクロスダイクロイックプリズムと有機ＥＬパネルとを組み合わせた構成の例を挙げたが、画像表示パネルは有機ＥＬパネルに限ることなく、無機ＥＬパネル、マイクロＬＥＤパネル等の自発光型パネルを用いてもよい。また、偏光特性を持たない画像光を射出する自発光型パネルに代えて、液晶パネル等の偏光特性を持つ画像光を射出する画像表示パネルを用いてもよい。

また、上記実施形態で説明した画像表示モジュールを備えた画像表示装置の例として、ビデオカメラやスチルカメラ等の撮像装置に利用される電子式ビューファインダー（EVF：Electronic View Finder）等を挙げることができる。

１…画像表示モジュール、１０…第１画像表示パネル、２０…第２画像表示パネル、３０…第３画像表示パネル、５０，７０…クロスダイクロイックプリズム、５１…第１プリズム、５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ…第１面、５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂ…第２面、５１ｃ，５２ｃ，５３ｃ，５４ｃ…第３面、５２…第２プリズム、５３…第３プリズム、５４…第４プリズム、５５…プリズム、６１，７１…第１ダイクロイックミラー、６２，７２…第２ダイクロイックミラー、６３，６４，７３，７４…誘電体多層膜、６５…ダイクロイックミラー、６７，６８，７７，７８…接着剤層、６３１，６４１…第１誘電体多層膜、６３２，６４２…第２誘電体多層膜、１０００…頭部装着型表示装置（画像表示装置）、２０００…投射型表示装置（画像表示装置）。

Claims (10)

1. ４つのプリズムと、
   ２つのダイクロイックミラーと、
   を備え、
   前記４つのプリズムのそれぞれは、三角柱状の形状を有するとともに、互いに交差して稜線部を構成する第１面および第２面と、前記第１面および前記第２面のそれぞれと鋭角の角度をなす第３面と、を有し、
   前記４つのプリズムは、前記４つのプリズムのそれぞれの前記稜線部同士が対向し、前記４つのプリズムのうちの一つのプリズムの前記第１面と他の一つのプリズムの前記第２面とが対向するとともに、前記第３面が外側を向くように、組み合わされて配置され、
   前記２つのダイクロイックミラーのそれぞれは、前記一つのプリズムの前記第１面と前記他の一つのプリズムの前記第２面との間に設けられた誘電体多層膜から構成され、
   前記一つのプリズムの前記第１面と前記他の一つのプリズムの前記第２面とのそれぞれに、前記誘電体多層膜を構成する最外層の誘電体層が接触して設けられている、クロスダイクロイックプリズム。
2. 前記２つのダイクロイックミラーの各々は、偏光分離特性を持たない、請求項１に記載のクロスダイクロイックプリズム。
3. 前記一つのプリズムの前記第１面に、前記誘電体多層膜のうちの一部を構成する複数の第１誘電体層からなる第１誘電体多層膜が設けられ、
   前記他の一つのプリズムの前記第２面に、前記誘電体多層膜のうちの他の一部を構成する複数の第２誘電体層からなる第２誘電体多層膜が設けられ、
   前記第１誘電体多層膜と前記第２誘電体多層膜との間に接着剤層が設けられた、請求項１または請求項２に記載のクロスダイクロイックプリズム。
4. 前記接着剤層の膜厚は、１μｍよりも厚い、請求項３に記載のクロスダイクロイックプリズム。
5. 前記接着剤層は、前記誘電体多層膜を構成する誘電体層として機能する、請求項３に記載のクロスダイクロイックプリズム。
6. 前記接着剤層の膜厚は、０．０１μｍ以上、１μｍ以下である、請求項５に記載のクロスダイクロイックプリズム。
7. 前記複数の誘電体層の各々は、無機膜によって構成され、
   前記接着剤層は、有機膜によって構成されている、請求項３から請求項６までのいずれか一項に記載のクロスダイクロイックプリズム。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のクロスダイクロイックプリズムと、
   前記クロスダイクロイックプリズムの４つの前記第３面のうち、少なくとも２つの前記第３面に対向して設けられた少なくとも２つの画像表示パネルと、
   を備えた、画像表示モジュール。
9. 前記少なくとも２つの画像表示パネルの各々は、偏光特性を持たない画像光を射出する、請求項８に記載の画像表示モジュール。
10. 請求項９に記載の画像表示モジュールを備えた、画像表示装置。

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