CN114846387A - 图像显示元件、图像显示装置以及图像显示方法 - Google Patents

图像显示元件、图像显示装置以及图像显示方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114846387A
CN114846387A CN202080089130.0A CN202080089130A CN114846387A CN 114846387 A CN114846387 A CN 114846387A CN 202080089130 A CN202080089130 A CN 202080089130A CN 114846387 A CN114846387 A CN 114846387A
Authority
CN
China
Prior art keywords
diffraction grating
light
guide plate
light guide
image display
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202080089130.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114846387B (zh
Inventor
峰邑浩行
安斋由美子
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi LG Data Storage Inc
Original Assignee
Hitachi LG Data Storage Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi LG Data Storage Inc filed Critical Hitachi LG Data Storage Inc
Publication of CN114846387A publication Critical patent/CN114846387A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114846387B publication Critical patent/CN114846387B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0081—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. enlarging, the entrance or exit pupil
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1842—Gratings for image generation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1861—Reflection gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0016—Grooves, prisms, gratings, scattering particles or rough surfaces
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
    • G06T19/006—Mixed reality
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/64—Constructional details of receivers, e.g. cabinets or dust covers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0118—Head-up displays characterised by optical features comprising devices for improving the contrast of the display / brillance control visibility
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G02B2027/0125—Field-of-view increase by wavefront division
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1847—Manufacturing methods
    • G02B5/1852—Manufacturing methods using mechanical means, e.g. ruling with diamond tool, moulding
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
    • G02B5/1871—Transmissive phase gratings

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

在导光板使用塑料的同时，提高用户视觉确认的图像信息的亮度。图像显示元件具有：树脂制的基板；入射衍射光栅，其对入射的光进行衍射；以及射出衍射光栅，其射出光，在基板的第一面形成有入射衍射光栅，在基板的第一面的相反侧的第二面形成射出衍射光栅，射出衍射光栅形成在一个面。

Description

图像显示元件、图像显示装置以及图像显示方法
技术领域
本发明涉及组合了导光板和衍射元件的技术，特别是涉及小型、轻量且能够进行增强现实的显示的图像显示技术。
背景技术
在增强现实的图像显示装置中，除了所投影的图像，用户还能够同时看到周围。所投影的图像能够与用户所感知的现实世界重叠。作为这些显示器的用途，列举出视频游戏及眼镜那样的可穿戴设备等。用户通过佩戴半透明的导光板和投影仪为一体的眼镜或护目镜状的图像显示装置，能够与现实世界重叠地视觉确认从投影仪供给的图像。
在这样的图像显示装置的1个中存在“专利文献1”～“专利文献3”所记载的图像显示装置。在这些专利文献中，导光板由形成于玻璃制的基板的多个凹凸形状的衍射光栅构成。从投影仪射出的光线通过入射用的衍射光栅耦合入导光板，全反射的同时在导光板内部传播。光线进一步变换为由其他衍射光栅复制的多个光线的同时，在导光板内全反射传播，最终从导光板射出。射出的光线的一部分经由用户的瞳孔在视网膜上成像，被识别为与现实世界的图像重叠的增强现实图像。
在使用了这样的凹凸型的衍射光栅的导光板中，从投影仪射出的光线的波数矢量K在导光板中折射，根据斯涅尔定律，波数矢量为K0。并且，通过入射用的衍射光栅转换为能够在导光板内部全反射传播的波数矢量K1。通过设置于导光板的另1个或多个衍射光栅而受到衍射作用，如K2、K3、…那样每当反复衍射时波数矢量发生变化。
若将最终从导光板射出的光线的波数矢量设为K’，则|K’|＝|K|，在投影仪隔着导光板位于眼睛的相反侧的情况下，K’＝K。另一方面，在投影仪隔着导光板位于眼睛的相反侧的情况下，关于波数矢量，导光板为与反射镜相同的作用，以导光板的法线矢量为z方向，将波数矢量的x、y、z分量进行比较，则能够表示为Kx’＝Kx、Ky’＝Ky、Kz’＝-Kz。
导光板的功能是，将从投影仪射出的光线复制为多个的同时进行导波，射出的多个光线作为与原来的图像等价的图像信息被用户识别。此时，复制出的光线组具有与从投影仪射出的具有影像信息的光线等价的波数矢量，并且具有空间上的扩散。复制出的光线组中的一部分进入瞳孔，与外界的信息一起在视网膜上成像而被视觉确认，可以向用户提供在外界的信息中增加了增强现实的信息。
具有影像信息的光线根据其波长而波数矢量的大小不同。凹凸型的衍射光栅具有一定的波数矢量，因此，根据入射的光线的波长，衍射的波数矢量K1不同，以不同的角度在导光板内传播。构成导光板的玻璃基板的折射率相对于波长大致恒定，全反射的同时导光的条件的范围根据入射的光线的波长而不同。因此，为了使用户识别宽视角的图像，需要按波长来叠加多张不同的导光板。一般认为导光板的数量为与红色光(R)、绿色光(G)、蓝色光(B)分别对应的张数、或±1张的2张至4张左右是适当的。
“专利文献1”所记载的图像显示装置是用于在二维内放大输入光的图像显示装置，具有3个直线状衍射光栅。一个是入射用的衍射光栅，关于另外两个射出用的衍射光栅，代表性地在导光板的正面和背面相互重叠地配置，发挥复制用和射出用的衍射光栅的功能。另外，在“专利文献1”中，记载了通过圆柱状的光子晶体的周期构造，在1面形成射出用的衍射光栅的例子。
“专利文献2”所记载的图像显示装置为了解决“专利文献1”中的通过光子晶体投影的像在视野中央部亮度高的问题，公开了由多个直线状的侧面构成光学构造的形状的技术。
在“专利文献3”、“专利文献4”所记载的图像显示装置中，兼作入射衍射光栅、偏转用衍射光栅以及射出衍射光栅的3个衍射光栅在导光板内区域不重叠地配置。在“专利文献3”中，为了提高入射衍射光栅的衍射效率，公开了悬垂(overhang)的三角形状的衍射光栅。
在“专利文献5”和“专利文献6”中，作为形成于导光板的衍射光栅，公开了使用入射用和射出用的2个反射型体积全息图的技术。其中，反射型体积全息图是在空间内多重地形成与多个波长对应的衍射光栅而成的，与“专利文献1”～“专利文献3”的凹凸型衍射光栅不同，以相同的角度衍射多个波长的光线。因此，能够用一张导光板使用户识别RGB图像。另一方面，在凹凸型衍射光栅中，由于将光线在导光板内向2维方向复制，因此能够实现宽视角，与之相对地，反射型体积全息图仅提供1维复制的功能，因此，具有视角相对窄的特征。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2017-528739号公报
专利文献2：WO2018/178626A1
专利文献3：WO2016/130342A1
专利文献4：WO99/52002A1
专利文献5：日本特开2007-94175号公报
专利文献6：日本特开2013-200467号公报
发明内容
发明要解决的课题
以下，对作为导光板而具有凹凸型衍射光栅的导光板进行说明。另外，为了容易理解，省略基于眼睛的透镜作用的图像的反转和将投影到视网膜的图像在大脑中进行处理并进一步反转而认知的效果，对于从相对于导光板配置在与眼睛相同侧的影像光源投影到前方的屏幕的投影像，讨论像素位置与亮度的关系。与之相对地实际视觉确认的像上下反转。
在“专利文献1”中，关于导光板的基板材料，如其图15A的说明那样，公开了使用玻璃材料的技术。关于衍射光栅，如其0017项那样，公开了通过蚀刻对波导(＝玻璃板)表面进行加工而形成的技术。另外，在“专利文献1”中，如其0039项所述，公开了使用光子晶体将表示比波导高的折射率的圆柱构造形成为光栅的技术。在将“专利文献1”的圆柱状的光子晶体如后述那样通过注塑成型法等形成于导光板表面的情况下，圆柱的折射率与波导(或基板)相等。该情况下，圆柱的直径与高度之比即纵横比不大到2左右以上，则投影像的亮度不充分。
“专利文献2”所记载的改善了投影像中央部为高亮度的光子晶体是为了解决由不是圆柱状而是直线状的光子晶体投影的像在视野中央部亮度高的问题，由多个直线状的侧面构成光学构造的形状的晶体。在“专利文献2”中，如其1页34行、2页8行所述，改善中央部的条纹状的高亮度部分。此外，在“专利文献2”中引用的WO2016/020643的内容与“专利文献1”相同。在“专利文献2”中，在图等中没有明确地公开作为课题的中央部的条纹状的高亮度部分。
“专利文献3”的FIG.5C所公开的入射衍射光栅的截面形状具有悬垂的三角形状的截面，能够将从图中上方向(空气侧)入射的影像光线高效地耦合到阴影的导光板的内部。
一般情况下，在图像显示元件中，具有影像信息的光线被设置在导光板内的入射衍射光栅耦合为具有能够在导光板内全反射导光的波数，在导光板内传播。与射出衍射光栅交叉的光线的一部分被衍射，具有与原来的影像光线等价的波数地从导光板射出。提供给用户的影像信息具有与原来的影像信息的像素位置对应的行进角信息，即波数。为了使1个像素的影像信息从导光板射出而到达用户的瞳孔，需要从由行进角、导光板与用户的瞳孔之间的距离、以及用户的瞳孔的大小决定的导光板内的特定的位置射出。
如前所述，在导光板内，光线被复制而在空间上扩散地射出，因此，空间上的扩散越大被用户视觉确认的光线越少，被视觉确认的亮度越小。另一方面，根据原来的影像信息的像素位置，被用户视觉确认的射出位置发生变化，因此，在使用了导光板的图像显示装置中，亮度根据像素位置变化是不可避免的。
在现有技术中，适合在导光板的制作中利用直接蚀刻玻璃基板的方法、或适于高纵横比的图案形成的纳米压印法等。在“专利文献1”和基于此的“专利文献2”的光子晶体中，在基板和光子晶体的折射率相同的情况下，需要使底面的直径等代表性的长度与其高度之比即纵横比为2左右以上。
在此，如“专利文献1”等公开的那样，在导光板使用玻璃的情况下，在加工成本和用户佩戴时的重量方面存在问题。因此，通过在导光板中使用塑料，能够解决该问题。此外，本说明书等中，“树脂”和“塑料”的用语以同义使用。塑料是指由高分子化合物构成的材料，是不包含玻璃，包含树脂、聚碳酸酯、丙烯酸树脂、光固化树脂的概念。
在导光板使用塑料的情况下，能够通过作为光盘介质的制法而具有实绩的注塑成型技术等来形成衍射光栅。通过注塑成型技术等形成的表面凹凸图案的纵横比不会超过1，因此，在想要得到2以上的纵横比的情况下，图案转印的精度降低，难以应用。这是由熔融的聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、聚烯烃树脂等粘性高，树脂不能高精度地进入由纳米周期构成的高纵横比的凹凸这样的本质的制造方法的原理引起的问题。另外，“专利文献3”的入射衍射光栅利用悬垂的三角形状的衍射光栅，因此，在注塑成型技术等中，由于母模(压模stamper)与导光板无法剥离，因此无法应用。
另外，与以往的玻璃制的导光板相比，塑料制的导光板的机械强度(杨氏模量)小，因此，环境温度、气压引起的变形变大。详细内容在后面进行叙述，但为了降低变形对图像信息的影响，设为影像源和用户隔着导光板位于相反侧那样的透射型的光学结构是有效的。因此，即使是透射型的光学结构，也优选能够避免用户视觉确认的图像信息的亮度的降低的结构。
这样，为了将塑料制的导光板应用于图像显示元件，需要考虑了制造方法、图像信息的亮度的结构。因此，本发明的课题在于，在导光板使用塑料的同时，提高用户视觉确认的图像信息的亮度。
用于解决课题的手段
本发明的优选的一方面是一种图像显示元件，具有：树脂制的基板；入射衍射光栅，其对入射的光进行衍射；以及射出衍射光栅，其射出光，在基板的第一面形成有入射衍射光栅，在基板的第一面的相反侧的第二面形成有射出衍射光栅，射出衍射光栅形成在一个面。
本发明的优选的另一方面是一种图像显示装置，搭载有上述图像显示元件，所述图像显示装置构成为，能够从基板的第二面侧入射影像光，从基板的第一面侧视觉确认影像光。
本发明的优选的另一方面是一种使用图像显示元件的影像显示方法，该图像显示元件具有：树脂制的基板；入射衍射光栅，其形成于基板的第一面；以及射出衍射光栅，其形成于基板的第一面的相反侧的第二面，射出衍射光栅形成于一个面。在该方法中，使影像光入射到入射衍射光栅，使在入射衍射光栅反射衍射的影像光在基板内传播，使用户视觉确认在射出衍射光栅对影像光进行反射衍射而从第一面射出的影像光，由此显示图像。
发明效果
在导光板使用塑料的同时，能够提高用户视觉确认的图像信息的亮度。
附图说明
图1是表示射出衍射光栅的衍射的示意剖视图。
图2是表示射出衍射光栅的相位函数的例子的示意图。
图3是实施例的网格型衍射光栅的立体图。
图4是表示成为模拟的基本的射出圆的定义的概念图。
图5是表示在导光板内部传播的光线的强度分布的模拟结果的示意图。
图6是表示实施例的导光板的示意剖视图。
图7是表示导光板的衍射光栅与波数矢量的关系的示意俯视图。
图8是表示投影像的模拟结果的示意图。
图9是表示入射衍射光栅的衍射光线的模拟结果的示意图。
图10是表示图像显示装置的结构例的示意剖视图。
图11A是表示衍射光栅的图案的高度与反射和透射的1次衍射效率的关系的曲线图。
图11B是表示衍射光栅的图案的高度与零次反射衍射效率的关系的曲线图。
图11C是表示衍射光栅的图案的高度与用户视觉确认的550nm的光强度的关系的曲线图。
图11D是表示衍射光栅的图案的高度与用户视觉确认的635nm的光强度的关系的曲线图。
图11E是表示衍射光栅的图案的高度与用户视觉确认的460nm的光强度的关系的曲线图。
图12A是投影仪和用户的瞳孔配置在导光板的同一侧的例子的示意剖视图。
图12B是投影仪和用户的瞳孔配置在导光板的相反侧的例子的示意剖视图。
图13是表示实施例的导光板的形成方法的示意剖视图。
图14是表示实施例的图像显示装置的结构的示意剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。但是，本发明并不限定于以下所示的实施方式的记载内容来解释。在不脱离本发明的思想或主旨的范围内，本领域技术人员能够容易地理解能够变更其具体结构。
在以下说明的发明的结构中，对于同一部分或具有同样功能的部分，在不同的附图间共同使用同一符号，有时省略重复的说明。
在存在多个具有相同或同样的功能的要素的情况下，有时对相同的符号标注不同的下标来进行说明。但是，在不需要区分多个要素的情况下，有时省略下标来进行说明。
本说明书等中的“第一”、“第二”、“第三”等表述是为了识别构成要素而附加的，未必限定数量、顺序或其内容。另外，识别构成要素用的编号按上下文使用，在一个上下文中使用的编号未必在其他上下文中表示相同的结构。另外，也不妨碍由某编号识别出的构成要素兼具由其他编号识别出的构成要素的功能。
为了容易理解发明，附图等中所示的各结构的位置、大小、形状、范围等有时不表示实际的位置、大小、形状、范围等。因此，本发明未必限定于附图等所公开的位置、大小、形状、范围等。
本说明书中引用的刊物、专利和专利申请直接构成本说明书的说明的一部分。
在本说明书中由单数形式表示的构成要素只要在上下文中没有特别明确表示，则包含多数形式。
在以下说明的实施例中，在应用塑料制的导光板时，在入射衍射光栅的相反侧的面形成射出衍射光栅。根据该结构，向用户眼睛的方向的衍射能够使用高效的反射衍射，因此，图像信息的亮度提高。
图1是表示在导光板内部传播的光线在射出衍射光栅的作用下向外部射出的状况的示意图。图中，100表示导光板，102表示射出衍射光栅，在内部传播的光线的波数矢量用kprop表示，通过反射衍射射出的光线的波数矢量用kR表示，通过透射衍射射出的光线的波数矢量用kT表示，射出衍射光栅的波数矢量用K表示。此外，在图1中，作为射出衍射光栅102而例示矩形型，但未必限定于此。在矩形型的衍射光栅中，有衍射效率对称的效果。
根据衍射的原理，针对传播的光线kprop，使K作用，由此，得到波数矢量kR和kT。因此，kR和kT为仅图中的z方向的矢量分量的符号反转而得的矢量。因此，无论用户观看反射衍射和透射衍射中的哪种光线，都能够视觉确认影像信息。但是，两者为相对于x、y方向反转而得的像，因此，需要在未图示的影像源中根据需要进行像的反转处理。
若将射出衍射光栅102的构造周期设为P，则波数矢量K的大小为2π/P。若将射出衍射光栅102的凸部的宽度设为w，将高度设为h，则纵横比用h/w表示。在通过注塑成型法等制成的导光板100的情况下，若纵横比h/w大致超过1，则难以进行良好的成型。这种情况下，反射衍射效率大于透射衍射效率。在导光板100的内部传播的光线向射出衍射光栅102的入射角θ为40～80度左右。
转印到导光板100的表面的凹凸图案的纵横比越小，在注塑成型法等具有实绩的塑料成型技术中形成越容易。因此，在本实施例的优选方式中，作为射出衍射光栅102而提出2维的网格状的图案的衍射光栅。由此，转印到导光板的表面的凹凸图案的纵横比为1以下，能够提供适合使用注塑成型法等塑料成型技术的导光板100。
专利文献1记载的光子晶体、衍射光栅通过表面凹凸对入射光在空间上进行相位调制。相位调制的大小与表面构造与空气的折射率之差以及表面凹凸的高度成比例地变大。
图2示意性地表示射出衍射光栅的波数。具有相对于Y轴具有±60度的方位角的波数K1、K2的衍射光栅的相位函数分别如图2的(a)、图2的(b)所示，分别具有正弦波状的相位分布。相位调制量标准化为1。若将它们合成，则得到图2的(c)。专利文献1的光子晶体可以说是将其近似于柱等而由高折射率的材料形成于导光板的表面的光子晶体。如图2的(c)所示，可知K1+K2的相位调制量的最大值为2，若用孤立的圆柱等对其进行近似，则与图2的(a)、图2的(b)的单一的正弦波衍射光栅相比，需要2倍的高度(纵横比)。
图3是实施例中的网格状的射出衍射光栅102的一例。与图2的(c)相比，由于不是正弦波构造，因此若进行傅里叶变换则具有高次的波数分量，但在用作导光板的情况下，通过适当地选择周期，能够使2次以上的波数分量相对于入射光不能衍射(波数为虚数)。在此基础上，网格状的衍射光栅是将±60度的矩形衍射光栅重叠而成的，与圆柱等相比，不具有基波K1、K2的方向以外的波数分量，因此，能够提高衍射效率。因此，能够提供减小了纵横比的2维的射出衍射光栅。
如后面说明那样，关于本实施例的入射衍射光栅，不是“专利文献3”的透射型衍射光栅，而是反射型衍射光栅，由此，通过利用相对于折射偏转作用大的反射，能够有助于低纵横比化。
由此，能够提供减小了纵横比的衍射光栅，能够通过注塑成型法等塑料成型技术来实现，能够提供安全、轻量且图像亮度高的导光板。
此外，在本说明书的说明中，以取光轴方向为Z轴，取XY面为导光板的表面的坐标系进行说明。另外，若将用户的瞳孔近似为圆形，则根据像素位置而被用户视觉确认的导光板内的射出位置也为圆形。以下，将其称为射出圆。
图4是用于对射出圆进行说明的示意图。在此，示出了作为用于形成图像的光源的投影仪300和用户的瞳孔400相对于导光板100布置在相反侧的情况。设入射衍射光栅101的波数矢量朝向y方向，图4中的箭头表示x-z面内的光线。在此，设入射衍射光栅101不具有x方向的波数矢量分量。
用户的瞳孔400视觉确认的影像光线中的、与视野(显示像)的中央对应的光线301如图所示，在x-z面内直行到达用户的瞳孔400。作为导光板100的作用的向y方向的衍射没有明确地表现，但在入射衍射光栅101和射出衍射光栅102中至少各衍射了1次。
另一方面，在用户的瞳孔400视觉确认的影像光线中的、与视野(显示像)周边对应的光线302没有x方向的衍射的情况下，在图中向右侧的方向行进。另一方面，为了使用户将该光线识别为投影像，需要使相同角度的光线在图中通过作为视觉确认的光线304而示出的路径，到达用户的瞳孔400。射出圆303处于射出衍射光栅102上，是在视觉确认的光线的方向上平行移动了用户的瞳孔400的虚拟的圆。仅从射出衍射光栅102上的射出圆303射出的光线304被用户识别为投影像，除此以外的光线未被识别。这样，射出衍射光栅102需要x方向的衍射作用。
图5是使用后述的模拟方法计算出的在导光板100内部传播的光线的强度分布。在此，请注意在导光板的包含衍射光栅的面内x-y面表示强度分布。图中，入射衍射光栅101配置在上侧，在其下方配置有相当于用户的眼睛的瞳孔400。图5的(a)是像素位置为投影的像的中央的情况，表示像的中央的光线的强度分布。图中的射出圆表示到达瞳孔的光线在射出衍射光栅102上最后衍射的区域。从入射衍射光栅101朝向y方向的直线上的亮度高的区域表示在入射衍射光栅101衍射并在导光板100内部传播的主要的光线组(以下，主光线组)。如图所示，因主光线组的传播而具有强度逐渐衰减的特性。在主光线组的周边扩散的亮度低的光线组是由射出衍射光栅102衍射且在x-y面内行进方向偏转的光线组。该条件下，投影的光线处于z轴方向，因此，可知在x-y面内射出圆与瞳孔一致。因此，到达瞳孔且被识别为图像的是强度强的主光线组的一部分。
图5的(b)是投影像的右上角的像素位置的情况，表示像的周边的光线的强度分布。如图所示，主光线组从入射衍射光栅101向右下方向行进。瞳孔的位置是固定的，但射出圆是朝向瞳孔向右上行进的光线组的射出位置，因此，在x-y面内相对于瞳孔向左下偏移。该情况下，射出圆处于远离主光线组的位置，因此，到达瞳孔且被识别为图像的光线组与以上的情况相比亮度变低。以上是使用导光板投影像时产生亮度不均的理由的主要原因。
如图1所述，若将光栅间距设为P，则衍射光栅的波数矢量的大小用K＝2π/P表示。若用取光轴方向为z轴的坐标系表示，则入射衍射光栅101的波数矢量为K1＝(0，-K，0)。射出衍射光栅102具有夹角为120度的2个波数矢量，它们为K2＝(+K/√3，K/2，0)、K3＝(-K/√3，K/2，0)。若将入射到导光板100的光线的波数矢量设为ki＝(ki x，ki y，ki z)，将射出的光线的波数矢量设为ko＝(ko x，ko y，ko z)，使K1、K2、K3依次作用于ki，则如以下那样ko＝ki，可知射出与入射光线相同的波数矢量的光线，即具有相同的影像信息的光线。
ko＝ki
ko x＝ki x+0+(K/√3)-(K/√3)＝ki x
ko y＝ki y+K-(K/2)-(K/2)＝ki y
ko z＝ki z
接着，对实施例的图像显示元件的解析用的模拟方法进行简单叙述。1962年由G.H.Spencer等提出的光线追踪法[G.H.Spencer and M.B.T.K.Murty，“General Ray-Tracing Procedure”，J.Opt.Soc.Am.52，p.672(1962).]，是通过着眼于光的粒子性来追踪路径，来计算在某点观测的像等的方法，以计算机图形领域为中心持续进行了大力改良。基于光线追踪法的蒙特卡罗光线追踪法[I.Powell“Ray Tracing through sysytemscontaining holographic optical elements”，Appl.Opt.31，pp.2259-2264(1992).]，是通过概率地处理衍射、反射等引起的路径的分离来防止运算量的指数函数增大的方法，适合于反复进行衍射和全反射传播的导光板的模拟。蒙特卡罗光线追踪法虽然能够忠实地再现反射、折射，但必须开发适合于衍射的模型。
在面向头戴式显示器的导光板中，与遍及可见光整个区域的波长范围(约400-700nm)和对应于投影图像的视野角(约40°)的入射角范围对应的衍射模型为必须的，在市售模拟器中运算量变得庞大。在此，鉴于视觉确认的光线是全部光线的一部分，使用通过停止向预先未视觉确认的区域导波的光线的计算的算法，将运算量削减为1/1000以下的算法。衍射光栅的衍射效率的角度和波长依赖性为预先将FDTD(Finite Differential TimeDomain)法的计算结果表格化而参照的方式。
实施例1
以下，对实施例的图像显示元件的结构进行说明。
<1.图像显示元件的整体结构>
图6表示本实施例的图像显示元件的结构。在此，影像显示元件10由2张导光板100a、100b构成，分别形成入射衍射光栅101a、101b、射出衍射光栅102a、102b。入射衍射光栅101a、101b是直线状的表面凹凸型的衍射光栅。射出衍射光栅102a、102b各自的图案周期与入射衍射光栅101a、101b相同。作为入射衍射光栅101，例示了衍射效率高的闪耀衍射光栅(blazed grating)，但种类没有特别限定。
导光板100a，100b分别具有不同的图案周期P1，P2，对应的波长范围不同。P1例如为360nm，P2例如为460nm。此外，导光板100的数量是任意的，根据处理的光的波长，也可以是一个或3个以上的多个。各导光板的图案周期优选根据处理的波长而改变。
根据图6的结构，从投影仪300射出的影像光线能够由用户视觉确认。投影仪300相对于影像显示元件10配置在用户的瞳孔400的相反侧。该配置是所谓的透射型的光学结构，采用该结构的理由在后面用图12B详细说明。此外，为了设为透射型的光学结构，投影仪300不需要在物理上处于用户的瞳孔400的相反侧，只要利用反射镜等使来自配置在任意位置的投影仪300的光线改变行进路径，从用户的瞳孔400的相反侧入射到导光板100即可(以下相同)。
入射衍射光栅101使用反射型的衍射光栅。入射的光发生反射衍射，即向光源侧反射而在导光板100的内部传播的光栅称为反射型的衍射光栅。因此，入射衍射光栅101的位置形成在导光板100的远离投影仪300的面。采用该结构的理由在后面用图9详细说明。
射出衍射光栅102形成于导光板100的存在入射衍射光栅101的面的相反侧的面。采用该结构的理由在后面用图10～图11C详细说明。射出衍射光栅102的形状可以是与入射衍射光栅101相同的直线条纹形状，也可以是图3所示的网格形状。若设为网格形状，则具有能够进一步提高衍射效率等效果，但并不排除其他衍射光栅的形状。
在本实施例中，射出衍射光栅102基本上仅形成在导光板100的一个面。即，在图6的例子中，导光板100的射出衍射光栅102的相反侧的面没有图案，基本上是平坦的。射出衍射光栅102的相反侧的面实质上不发生衍射，光线理想地全反射。若在导光板100的两面分散配置一个射出衍射光栅，则可能因导光板的热膨胀等而产生两个衍射光栅的位置偏差。
图7是1张导光板100的平面概略图，表示形成的入射衍射光栅101与射出衍射光栅102的波数矢量的关系的一例。如上所述，为了使导光板100作为图像显示元件发挥功能，只要在图中满足波数K1、K2、K3的大小相等，K1+K2+K3＝0的关系即可。
<2.射出衍射结构的结构>
使用图8，对射出衍射光栅102进行叙述。进行相同的纵横比为0.8的情况下的光子晶体与网格型衍射光栅的投影像的比较。图8的(a)是“专利文献1”所记载的圆柱型光子晶体及其投影像的模拟结果。图8的(b)是图3记载的网格型衍射光栅及其投影像的模拟结果。衍射光栅的形状以外的条件相同。如图所示，可知在纵横比为1以下的情况下，在光子晶体中，投影像的中央部的亮度高，可见性差。与此相比，图3的结构的网格型衍射光栅能够以低纵横比的图案得到良好的投影像。
在网格型衍射光栅中，模拟了图案的占空比与衍射效率以及纵横比的关系。若将衍射光栅的图案的间距设为p，将图案的宽度设为w，则占空比用w/p表示。在模拟中，图案间距P＝460nm，图案高度＝70nm，光线的波长＝550nm，导光板的厚度＝1.0mm，导光板的折射率＝1.58。投影像的视野角为40度。
根据模拟结果，可知如下特性：1次衍射效率η1在w/p＝0.5时为最大值约4.2％，随着w/p接近0或1而降低。在得到0.6％左右的衍射效率的情况下，本实施例的网格型衍射光栅的w/p需要设定在0.15以上且0.85以下的范围。另外，效率好的是w/p为0.3以上且0.7以下的范围，效率最好的是w/p为0.4以上且0.6以下的范围。
关于图案的纵横比，固定为图案高度＝70nm，因此，若w/p接近1或0，则纵横比增加。若将图案的纵横比为1以下作为注塑成型法等的应用的基准，则本实施例的网格型衍射光栅的w/p需要设定在0.15至0.85的范围。另外，纵横比最小且制造最容易的是w/p＝0.5。
根据以上，可以说，原理上在w/p＝0.5，即w＝p-w时，网格型衍射光栅的衍射效率最大且图案的纵横比最小。
<3.入射衍射光栅的结构>
使用图9，对入射衍射光栅101进行叙述。在此，作为入射衍射光栅101，以闪耀衍射光栅为例。图9的(a)是与“专利文献3”相同的透射型的衍射光栅的模拟结果。透射型衍射光栅使入射的光透射衍射，在导光板(基板)内部传播。入射衍射光栅的位置形成在导光板的靠近光源的面。
在图9的(a)中，影像光线900是从左入射的结构，图的右半部分表示基板(Sub)。在透射型的衍射光栅中，在闪耀面的折射和周期构造的衍射进行相位调谐的条件下得到最大的衍射效率。如图所示，为了实现这一点，需要入射衍射光栅101的凹凸图案的高度大，图案的角度为70度至80度，图案的高度除以周期的纵横比需要为10以上。在注塑成型等一般的塑料成型法中，若纵横比超过1，则产生转印性恶化等问题，量产时的成品率降低。可知在此所示的透射型的衍射光栅不适合作为本实施例的入射衍射光栅。
图9的(b)是反射型的衍射光栅的模拟结果。在反射型的衍射光栅中，入射的光反射衍射，即，向光源侧反射而在导光板(基板)的内部传播。入射衍射光栅101形成在导光板的远离光源的面。
影像光线同样是从左入射的结构，图的左半部分表示基板(Sub)。在反射型的衍射光栅中，在闪耀面的反射和周期构造的衍射进行相位调谐的条件下得到最大的衍射效率。如图所示，可知与透射型相比，在低纵横比的凹凸图案中满足该条件。此时的凹凸图案的高度约为250nm，纵横比约为0.57。在所述的试制元件中，能够良好地转印图案高度为374nm的三角形状的凹凸图案。适合于本实施例的塑料形成的导光板的入射衍射光栅可以说是反射型的入射衍射光栅。
<4.导光板的衍射效率的研究>
图10是表示用户经由导光板100视觉确认的光线的路径的示意图。对在导光板100的处于与射出衍射光栅102相同侧的用户的瞳孔400T和处于射出衍射光栅102的相反侧的用户的瞳孔400R分别视觉确认的光强度进行比较研究。
图中，从投影仪300射出的影像光线501在入射衍射光栅101衍射而在导光板100全反射传播，在射出衍射光栅102上的未图示的射出圆内的点131衍射而被用户视觉确认。当用户的瞳孔400T相对于导光板100处于与射出衍射光栅102相同侧时，视觉确认的影像光线在点131透射衍射。因此，视觉确认的光强度的透射衍射效率为支配性的。另一方面，当用户的瞳孔400R相对于导光板100处于射出衍射光栅102的相反侧时，视觉确认的影像光线在点131反射衍射。因此，视觉确认的光强度的反射衍射效率为支配性的。
导光板100内部的全反射传播的间距Pprop由入射衍射光栅101的间距、导光板100的折射率和厚度、影像光线501的波长以及入射角度唯一地决定。影像光线到达点131之前与射出衍射光栅进行N次(＝ΔY/Pprop)的交叉，因此，关于用户的瞳孔400T视觉确认的光强度IT，若将影像光线501的光强度设为I0，将射出衍射光栅102的零次反射衍射效率设为ηR0，将1次透射衍射效率设为ηT1，则用
IT＝I0·(ηR0)N-1·(ηT1)…(1)
近似。同样地，关于用户的瞳孔400R视觉确认的光强度IR，若将射出衍射光栅的1次反射衍射效率设为ηR1，则用
IR＝I0·(ηR0)N-1·(ηR1)…(2)
近似。
图11A～图11C是基于近似计算的视觉确认亮度的计算结果。在此，利用FDTD法计算导光板100的衍射效率。设波长为550nm、导光板100的折射率为1.58、厚度为1mm、从入射衍射光栅101到用户的视线中央的距离ΔY＝17mm、衍射光栅的图案周期为460nm、凸部的宽度为150nm，对相当于投影像的中央像素的影像光线进行计算。在该条件下，全反射传播的间距Pprop为2.32mm，射出衍射光栅102与影像光线的交叉次数N＝7.3次。
图11A表示图13的点131处的、射出衍射光栅102的凸部的图案的高度与反射和透射的1次衍射效率的关系。如图所示，在凸部的高度为100nm以下的区域(由于凸部的宽度为150nm，因此纵横比＜2/3)中，1次衍射效率为ηR1＞ηT1。即，在使用纵横比小于2/3的衍射光栅图案的情况下，反射衍射的效率更好。另外，在凸部的高度为50nm以上的区域(1/3＜纵横比)中，得到2％以上的衍射效率。
图11B表示图13的点131处的、射出衍射光栅102的凸部的图案的高度与零次反射衍射效率的关系。如图所示，随着凸部的高度的增加，ηR0减小。
以上的衍射效率的讨论涉及图13的点131处的衍射效率。在导光板中，在光线到达点131之前的期间，在导光板内进行多次反射。因此，在上式(1)和(2)中，基于多次反射的损失用ηR0 N-1表示。关于用户实际能够视觉确认的光强度，需要考虑式(1)和(2)。
图11C表示根据式(1)和(2)，射出衍射光栅的凸部的图案的高度与用户视觉确认的光强度的关系。如图所示，可知利用了1次反射衍射的IR与利用了1次透射衍射的IT相比，最大值大。另外，在使用纵横比小的衍射光栅图案的情况下，利用了1次反射衍射的IR的强度高。凸部的高度越低，基于注塑成型法等的转印性越优异，因此，作为导光板100，利用1次反射衍射能够提高用户的视觉确认亮度。
根据以上的研究，可以说是，相对于图10所示的导光板100、射出衍射光栅102的配置，用户的瞳孔400R位于导光板100的射出衍射光栅102的相反侧的位置关系从用户的视觉确认亮度的方面来看是优选的。
图11D以及图11E表示射出衍射光栅的凸部的图案的高度与用户视觉确认的光强度的关系。是基于近似计算的视觉确认亮度相对于其他光波长的计算结果。
图11D是对与上相同的导光板，入射波长635nm的光线的情况下的结果。与图11C同样地，可知利用了1次反射衍射的IR与利用了1次透射衍射的IT相比，最大值大。凸部的高度越低，基于注塑成型法等的转印性越优异，因此，作为导光板，利用1次反射衍射能够提高用户的视觉确认亮度。
图11E是入射了波长460nm的光线的情况下的结果。在此，对应于波长460nm，将衍射光栅的图案周期设为360nm，是相当于图1中的导光板100的条件的例子。同样地，可知利用了1次反射衍射的IR与利用了1次透射衍射的IT相比，最大值大。凸部的高度越低，基于注塑成型法等的转印性越优异，因此，作为导光板，利用1次反射衍射能够提高用户的视觉确认亮度。
根据图11C～图11E的例子，可知如果是可见光线的区域，则衍射光栅的图案高度约为100nm以下，1次反射衍射的效率比1次透射衍射优异。图案高度最低优选为30nm以上。进一步优选在图示的图案高度40nm以上90nm以下的范围内，通过反射衍射得到强的可见光强度。
<5.导光板的倾斜的影响的研究>
接着，考虑在射出衍射光栅102进行1次反射衍射来使用户视觉确认影像光的情况。该情况下，射出衍射光栅102配置于导光板100的用户的瞳孔400的相反侧的面。
图12A是投影仪300与用户的瞳孔400的关系相对于导光板100处于同一侧的示意图。
图12B是投影仪300与用户的瞳孔400的关系相对于导光板100处于相反侧的示意图。
根据图12A和图12B，对2张导光板100a和100b的相对倾斜的影响进行说明。在图12A和图12B中，导光板100分别由对应波长不同的导光板100a和100b构成。另外，300表示影像投影用的投影仪，400表示用户的瞳孔，501以及502表示投影的影像光线。
图12A是投影仪300和用户的瞳孔400相对于导光板100配置在同一侧的情况。反射型的入射衍射光栅101形成于导光板100的远离投影仪300的面(图中为右面)。如图所示，导光板100最终反射影像光线501与502到达用户的瞳孔400。因此，若导光板100b(或100a)相对于导光板100a(或100b)倾斜，则根据投影的光线的波长，如用户的视野像1200所图示那样，视觉确认的影像光线501、502的像素位置501P、502P偏移，画质降低。视力1.0的用户的光线角度的分解能力为1/60度，因此，若以此为基准，则2张导光板100a和100b的相对倾斜需要充分小于1/60度，与以往的玻璃制相比，机械强度(杨氏模量)小的塑料导光板难以进行作为头戴式显示器的安装。
图12B是投影仪300和用户的瞳孔400相对于导光板100配置在相反侧的情况。反射型的入射衍射光栅101形成于导光板100的靠近投影仪300的面(图中为左面)。如图所示，导光板100最终透射影像光线501，502到达用户的瞳孔400。由于入射光与射出光的角度基本相同，因此即使存在导光板100a与100b的相对倾斜，原理上也不会在基于波长的投影像的像素位置501P、502P产生偏移。因此，在将本实施例的塑料制导光板安装于头戴式显示器的情况下，优选使投影仪300的光源相对于导光板100位于用户的瞳孔400的相反侧(透射型的光学结构)。该情况下，射出衍射光栅102需要相对于入射衍射光栅101形成在导光板100的相反侧的表面。
实际上，在导光板100内部全反射导光的光线角度条件受到影响，因此，优选将导光板100a与100b的相对倾斜抑制为3度左右以下。该情况下，射出衍射光栅102的透射衍射效率越高，越能够向用户提供高亮度的影像信息。
此外，在图12A、图12B中，投影仪300配置在导光板100的左侧，但只要光线从左侧入射到导光板100即可，并不限制投影仪300的位置。例如，也可以将投影仪300配置在导光板100的右侧，利用反射镜等改变光线的方向而使其从导光板100的左侧入射。
在导光板100传播中的光在射出衍射光栅102衍射，利用FDTD法计算从导光板100射出时的衍射效率。设波长为550nm、导光板100的折射率为1.58、衍射光栅的图案周期为460nm、凸部的宽度为150nm、凸部的高度为70nm，在相当于投影像的中央像素的光通过入射衍射耦合而在导光板100内部全反射传播的条件下，反射衍射效率为3.5％，透射衍射效率为2.8％。凹凸图案的纵横比为0.47。
当然，仅在导光板100的单面同时注塑形成入射衍射光栅101和射出衍射光栅102的制造工艺更简单。在图12B的结构中，假设在射出衍射光栅102形成于与入射衍射光栅101相同的面的情况下，用户视觉确认的光线为在射出衍射光栅102透射衍射的光线。因此，在图12B所示的透射型的光学结构中将入射衍射光栅101和射出衍射光栅102形成于同一面的情况下，与图12A的反射型的光学结构相比，用户视觉确认的投影像的亮度降低。
在本实施例中，如图6和图12B所示，射出衍射光栅102a和102b分别形成在入射衍射光栅101a和101b的相反侧的面。此时，即使是图12B的透射型光学结构，也能够通过反射衍射使光线被用户视觉确认，因此，能够提供亮度高的影像信息。
<6.理想的图像显示元件的研究>
对以上的实施例所示的见解进行整理，研究优选的图像显示元件的结构。
如图9中说明的那样，在使用塑料作为导光板的情况下，在衍射效率高的入射衍射光栅中，难以形成纵横比高的图案，因此，优选能够实现纵横比降低的反射型的衍射光栅。
并且，反射型的入射衍射光栅101将光向导光板100内部反射，因此，如图10那样配置于导光板的影像光线的入射面(第一面)的相反侧的面(第二面)。
另外，如在图12A、图12B中说明的那样，在使用多个导光板100的情况下，为了减小视觉确认的像素位置的偏差，优选向光线的入射面(第一面)的相反侧(第二面)射出光的透射型的光学结构。
另外，如在图11A～图11E中说明的那样，作为导光板100，通过用户视觉确认1次反射衍射为支配性的光的结构，能够以较低的纵横比提高视觉确认亮度。因此，射出衍射光栅102可以以1次反射衍射光射出到第二面的方式配置于第一面。根据以上，推荐入射衍射光栅101为第二面、射出衍射光栅102为第一面的结构。
根据本实施例，在具有表面凹凸型的衍射光栅的导光板(图像显示元件)中，通过在入射衍射光栅的相反侧的面形成射出衍射光栅，能够使射出衍射效率增加到4％以上。另外，如果使用图3所示的网格型的射出衍射光栅，则通过注塑成型法等容易进行导光板的塑料化，能够实现安全、轻量且亮度高的导光板。
实施例2
图13是利用塑料成型技术，在图6所示的导光板100的两面一体成型入射衍射光栅101和射出衍射光栅102的方法的示意图。
纳米压印法、蚀刻等以往使用的导光板的制作是基于半导体加工技术的表面加工技术。另一方面，注塑成型法等塑料成型技术是向模具的内部导入树脂并使其凝固的立体成型技术，因此，容易在导光板的两面形成衍射光栅。
图中，将以凹凸反转的形式在表面具有应形成的衍射光栅的表面形状的压模700和701分别固定于模具的固定部710和可动部720。使用这样的模具，从树脂流路730注入熔融的树脂740，并且使模具的可动部720向图中的右方向移动，由此，通过施加压力，能够使树脂740为沿着型腔750的形状的形状，并且经过冷却过程而制作所希望的导光板。本方法是一般的方法，通过使用2个压模，能够用塑料制作两面形成有凹凸形状的衍射光栅的导光板。
实施例3
图14是表示实施例的图像显示装置的结构的示意图。从图中的投影仪300射出的具有图像信息的光通过导光板100的作用到达用户的瞳孔400，实现增强现实。在各导光板100中，形成的衍射光栅的间距与深度是根据各色而最佳化的。导光板100的数量可以是任意的，但一般为了红、蓝、绿各自的光而使用3张。
图中，本实施例的图像显示装置由导光板100、投影仪300以及显示图像控制部1400构成。另外，作为图像形成的方法，例如能够使用由反射型或透射型的空间光调制器、光源和透镜构成的图像形成装置、基于有机和无机EL(Electro Luminescence)元件阵列和透镜的图像形成装置、基于发光二极管阵列和透镜的图像形成装置、组合了光源、半导体MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)反射镜阵列和透镜的图像形成装置等广泛公知的图像形成装置。
另外，也能够使用通过MEMS技术、锆钛酸铅(PZT)等使LED(Light EmittingDiode)、激光光源和光纤的末端进行谐振运动的装置。其中，最一般的是由反射型或透射型的空间光调制器、光源和透镜构成的图像形成装置。在此，作为空间光调制装置，能够列举LCOS(Liquid Crystal On Silicon)等透射型或反射型的液晶显示装置、数字微镜器件(DMD)，作为光源，能够将白色光源进行RGB分离来使用，也能够使用各色对应的LED、激光。
并且，反射型空间光调制装置能够由液晶显示装置和偏振分束器构成，所述偏振分束器反射来自光源的光的一部分并将其引导至液晶显示装置，且使由液晶显示装置反射的光的一部分通过并将其引导至使用了透镜的准直光学系统。作为构成光源的发光元件，能够列举红色发光元件、绿色发光元件、蓝色发光元件、白色发光元件。像素的数量只要基于图像显示装置所要求的规格来决定即可，作为像素的数量的具体的值，除了以上所示的1280×720之外，还能够例示320×240、432×240、640×480、1024×768、1920×1080。
在本实施例的图像显示装置中，以从投影仪300射出的包含影像信息的光线照射到导光板100的各入射衍射光栅101的方式进行定位，与导光板100一体化地形成。
另外，未图示的显示图像控制部发挥控制投影仪300的动作，向用户的瞳孔400适当地提供图像信息的功能。
在以上说明的实施例中，在具有表面凹凸型的衍射光栅的导光板(图像显示元件)中，通过注塑成型法等将入射射出衍射光栅、射出衍射光栅用与波导相同折射率的材料一体成型，由此，能够实现导光板的塑料化，能够实现安全且轻量的导光板。即，能够通过注塑成型法制作纵横比为1以下的表面凹凸且具有良好的性能的导光板，能够实现基于导光板的塑料化的安全性的提高和轻量化。
另外，入射衍射光栅101和射出衍射光栅102形成在导光板100的对置的面，通过使用反射衍射来提高衍射效率，能够提高视觉确认像的亮度。在本实施例中，示出了向用户提供图像信息的情况，但本实施例的图像显示装置除此之外还能够具有：用于取得用户、外界的信息的触摸传感器、温度传感器、加速度传感器等各种传感器、用于测量用户的眼睛的动作的眼睛跟踪机构。
符号说明
100：导光板、101：入射衍射光栅、102：射出衍射光栅、300：投影仪、400：用户的瞳孔。

Claims (15)

1.一种图像显示元件，其特征在于，具有：
树脂制的基板；
入射衍射光栅，其对入射的光进行衍射；以及
射出衍射光栅，其射出所述光，
在所述基板的第一面形成有所述入射衍射光栅，
在所述基板的所述第一面的相反侧的第二面形成有所述射出衍射光栅，
所述射出衍射光栅形成在一个面。
2.根据权利要求1所述的图像显示元件，其特征在于，
在所述基板的第一面，由与所述基板相同的材料形成所述入射衍射光栅，
在所述基板的所述第一面的相反侧的第二面，由与所述基板相同的材料形成所述射出衍射光栅。
3.根据权利要求2所述的图像显示元件，其特征在于，
所述入射衍射光栅和所述射出衍射光栅的纵横比为1以下。
4.根据权利要求3所述的图像显示元件，其特征在于，
所述射出衍射光栅的纵横比为2/3以下。
5.根据权利要求2所述的图像显示元件，其特征在于，
所述射出衍射光栅为网格形状。
6.根据权利要求5所述的图像显示元件，其特征在于，
所述射出衍射光栅由凹凸图案形成，该凹凸图案由第一平行的直线组和与所述第一平行的直线组相交的第二平行的直线组构成，
所述第一平行的直线组与所述第二平行的直线组的间距相等，为P，
作为所述第一平行的直线组和所述第二平行的直线组的间距P与所述凹凸图案的宽度W的关系，W/P为0.15以上且0.85以下。
7.根据权利要求2所述的图像显示元件，其特征在于，
所述射出衍射光栅由凹凸图案形成，该凹凸图案的图案高度为100nm以下。
8.根据权利要求7所述的图像显示元件，其特征在于，
所述射出衍射光栅由凹凸图案形成，该凹凸图案的图案高度为40nm以上且90nm以下。
9.根据权利要求2所述的图像显示元件，其特征在于，
所述入射衍射光栅是反射型的闪耀衍射光栅。
10.一种图像显示装置，其特征在于，具有：
投影仪，其作为用于形成图像的光源；
入射衍射光栅，其形成于树脂制的基板的第一面，对从上述投影仪射出的具有图像信息的入射光进行衍射；以及
射出衍射光栅，其形成于所述第一面的相反侧的第二面，
所述射出衍射光栅形成在所述基板的一个面，
所述基板按所述光源的波长设置有多张。
11.根据权利要求10所述的图像显示装置，其特征在于，
所述投影仪设置在所述第二面侧。
12.根据权利要求11所述的图像显示装置，其特征在于，
所述入射光包含460～635nm的波长。
13.一种图像显示方法，其特征在于，
使用图像显示元件，该图像显示元件具有：树脂制的基板；入射衍射光栅，其形成于所述基板的第一面；以及射出衍射光栅，其形成于所述基板的所述第一面的相反侧的第二面，所述射出衍射光栅形成在一个面，
向所述入射衍射光栅入射影像光，
使在所述入射衍射光栅反射衍射的所述影像光在所述基板内传播，
使用户视觉确认在所述射出衍射光栅对所述影像光进行反射衍射而从所述第一面射出的所述影像光，由此显示图像。
14.根据权利要求13所述的图像显示方法，其特征在于，
所述射出衍射光栅的纵横比为2/3以下。
15.根据权利要求13所述的图像显示方法，其特征在于，
所述射出衍射光栅为网格形状。
CN202080089130.0A 2020-01-10 2020-10-08 图像显示元件、图像显示装置以及图像显示方法 Active CN114846387B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020-002824 2020-01-10
JP2020002824A JP7341906B2 (ja) 2020-01-10 2020-01-10 画像表示素子、画像表示装置および画像表示方法
PCT/JP2020/038160 WO2021140716A1 (ja) 2020-01-10 2020-10-08 画像表示素子、画像表示装置および画像表示方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114846387A true CN114846387A (zh) 2022-08-02
CN114846387B CN114846387B (zh) 2023-11-14

Family

ID=76788156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080089130.0A Active CN114846387B (zh) 2020-01-10 2020-10-08 图像显示元件、图像显示装置以及图像显示方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230028757A1 (zh)
JP (1) JP7341906B2 (zh)
CN (1) CN114846387B (zh)
TW (1) TW202127107A (zh)
WO (1) WO2021140716A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114089476A (zh) * 2021-11-25 2022-02-25 Oppo广东移动通信有限公司 光波导镜片、制备光波导镜片的方法、增强现实设备

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0772422A (ja) * 1993-06-23 1995-03-17 Olympus Optical Co Ltd 映像表示装置
CN1605909A (zh) * 2003-10-06 2005-04-13 欧姆龙株式会社 面光源装置及显示装置
CN1762009A (zh) * 2003-04-25 2006-04-19 松下电器产业株式会社 光衍射器件以及光信息处理装置
US20100277803A1 (en) * 2006-12-14 2010-11-04 Nokia Corporation Display Device Having Two Operating Modes
CN102472847A (zh) * 2009-07-16 2012-05-23 吉坤日矿日石能源株式会社 衍射光栅、使用该衍射光栅的有机el元件及其制造方法
US20150293357A1 (en) * 2012-10-18 2015-10-15 Lg Electronics Inc. Optical device
JP2017156388A (ja) * 2016-02-29 2017-09-07 セイコーエプソン株式会社 光束径拡大素子及び画像表示装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4749789B2 (ja) 2004-07-26 2011-08-17 日本板硝子株式会社 透過型回折光学素子
JP4163729B2 (ja) 2006-10-03 2008-10-08 株式会社東芝 磁気記録媒体、その製造方法、および磁気記録装置
MX2017008232A (es) 2014-12-24 2017-10-06 Koninklijke Philips Nv Dispositivo de pantalla autoestereoscopica.

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0772422A (ja) * 1993-06-23 1995-03-17 Olympus Optical Co Ltd 映像表示装置
CN1762009A (zh) * 2003-04-25 2006-04-19 松下电器产业株式会社 光衍射器件以及光信息处理装置
CN1605909A (zh) * 2003-10-06 2005-04-13 欧姆龙株式会社 面光源装置及显示装置
US20100277803A1 (en) * 2006-12-14 2010-11-04 Nokia Corporation Display Device Having Two Operating Modes
CN102472847A (zh) * 2009-07-16 2012-05-23 吉坤日矿日石能源株式会社 衍射光栅、使用该衍射光栅的有机el元件及其制造方法
US20150293357A1 (en) * 2012-10-18 2015-10-15 Lg Electronics Inc. Optical device
JP2017156388A (ja) * 2016-02-29 2017-09-07 セイコーエプソン株式会社 光束径拡大素子及び画像表示装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN114846387B (zh) 2023-11-14
WO2021140716A1 (ja) 2021-07-15
JP7341906B2 (ja) 2023-09-11
JP2021110837A (ja) 2021-08-02
US20230028757A1 (en) 2023-01-26
TW202127107A (zh) 2021-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kress et al. Waveguide combiners for mixed reality headsets: a nanophotonics design perspective
TWI764135B (zh) 導光板、其製造方法、導光板模組及圖像顯示裝置
CN109073884B (zh) 具有改进的强度分布的波导出射光瞳扩展器
CN109073882B (zh) 具有出射光瞳扩展器的基于波导的显示器
KR102556725B1 (ko) 조명 디바이스
CN111190288B (zh) 导光板及图像显示装置
AU2015266586A1 (en) Methods and systems for generating virtual content display with a virtual or augmented reality apparatus
JP7096084B2 (ja) 導光板、導光板モジュール、画像表示装置および導光板の製造方法
US11774767B1 (en) Diffractive optical waveguide and display device
CN114846387B (zh) 图像显示元件、图像显示装置以及图像显示方法
US20240126093A1 (en) Display apparatus
CN114846386B (zh) 图像显示元件以及图像显示装置
JP7465826B2 (ja) 導光板、導光板モジュールおよび画像表示装置
CN111474720A (zh) 光波导显示装置和增强现实显示设备
WO2022267610A1 (zh) 光学设备及电子设备
TW202210882A (zh) 圖像顯示元件及使用其之圖像顯示裝置
CN115113396A (zh) 包括具有不对称放大率的组合器的显示装置
CN116068760A (zh) 光波导以及光波导设备
CN113759550A (zh) 用于提供扩展观看窗的显示装置
CN116203668A (zh) 波导型显示装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant