CN116472476A - 导光板、导光板模块以及图像显示装置 - Google Patents

导光板、导光板模块以及图像显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明的课题在于抑制由用户视觉确认的图像信息的像素位置引起的亮度的变化。本发明的优选的一个方案是一种导光板，其具备：基板；入射衍射光栅，其对入射的光进行衍射；以及出射衍射光栅，其将由所述入射衍射光栅衍射的光从所述基板射出，所述出射衍射光栅具备形成于所述基板的网格状光栅图案，该网格状光栅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的间距与第二平行的直线组的间距相等，在所述入射衍射光栅与所述网格状光栅图案之间具备仅由所述第一平行的直线组或者所述第二平行的直线组构成的线区域。

Description

导光板、导光板模块以及图像显示装置
技术领域
本发明涉及一种导光板、导光板模块以及图像显示装置。
背景技术
在增强现实的图像显示装置中，用户不仅能够观看所投影的画像，还能够同时观看周围。所投影的画像可以与用户所感知的现实世界重叠。作为这些显示器的其他用途，可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成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中有“专利文献1”～“专利文献4”所记载的图像显示装置。
“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，具备三个直线状衍射光栅。一个是入射用衍射光栅，另外两个出射用衍射光栅，代表性的是在导光板的正面和背面相互重叠配置，起到复制用和出射用衍射光栅的作用。另外，在“专利文献1”中，记载了通过圆柱状的光子晶体型的周期构造，在一个面形成出射用的衍射光栅的例子。
“专利文献2”中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结构的技术。
在“专利文献3”中，为了通过使用玻璃制的导光板来削减成本和重量，公开了使用由树脂构成的部件的导光板。
在“专利文献4”中，为了提高用户所看到的影像的亮度而提高视觉识别性，公开了具备位于从入射衍射光栅向出射衍射光栅的光路中的中间衍射光栅的导光板。
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：日本特开2020-8599号公报
专利文献4：日本特开2020-79904号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在导光板内，光线被复制而在空间上扩散并射出，因此，空间上的扩散越大则被用户视觉识别的光线越少，被视觉识别的亮度越小。另一方面，根据原来的影像信息的像素位置，被用户视觉确认的出射位置发生变化，因此在使用了导光板的图像显示装置中，亮度根据像素位置而变化是不可避免的。
因此，本发明的课题在于抑制由用户视觉确认的图像信息的像素位置引起的亮度的变化。
用于解决课题的方案
本发明优选的一个方案是一种导光板，其具备：其具备：基板；入射衍射光栅，其对入射的光进行衍射；以及出射衍射光栅，其将由所述入射衍射光栅衍射的光从所述基板射出，所述出射衍射光栅具备形成于所述基板的网格状光栅图案，该网格状光栅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的间距与第二平行的直线组的间距相等，在所述入射衍射光栅与所述网格状光栅图案之间具备仅由所述第一平行的直线组或者所述第二平行的直线组构成的线区域。
本发明优选的另一个方案是一种导光板模块，其通过层叠多个所述导光板而构成。
本发明优选的另一个方案是一种图像显示装置，其具备：所述导光板模块；以及投影仪，其向所述导光板模块照射影像光，其中，所述影像光入射到所述入射衍射光栅。
发明效果
能够抑制用户视觉确认的图像信息的亮度的由像素位置引起的变化。
附图说明
图1A是衍射光栅的截面示意图。
图1B是在衍射光栅上形成薄膜涂层的截面示意图。
图2是表示出射衍射光栅的相位函数的例子的曲线图。
图3是表示实施例的网格型衍射光栅的立体图。
图4是表示纵横比与显示性能的关系的模拟结果的曲线图。
图5是表示截面形状与衍射效率的关系的模拟结果的曲线图。
图6是表示出射圆的定义的概念图。
图7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分布图。
图8是表示实施例的导光板的示意图。
图9是表示导光板的衍射光栅与波数矢量的关系的示意图。
图10是表示投影像的模拟结果的说明图。
图11是表示示出入射衍射光栅的衍射光线的模拟结果的说明图。
图12A是投影仪和用户配置在导光板的同一侧的例子的示意图。
图12B是投影仪和用户配置在导光板的相反侧的例子的示意图。
图13是表示实施例的导光板的形成方法的示意剖视图。
图14A是导光板的出射衍射光栅的AFM观察结果的映像图。
图14B是导光板的出射衍射光栅的AFM观察结果的映像图。
图15是表示实施例的导光板的衍射光栅图案的示意图。
图16A是表示实施例的导光板的另一衍射光栅图案的示意图。
图16B是表示实施例的导光板的另一衍射光栅图案的示意图。
图16C是表示实施例的导光板的另一衍射光栅图案的示意图。
图17是表示实施例的导光板内部的影像光线的路径的示意图。
图18是表示传播间距TP的计算结果的曲线图。
图19A是导光板的示意图。
图19B是导光板的中央部1900的放大图，是理想情况下的示意图。
图19C是导光板的中央部1900的放大图，是线图案的相位错开而形成的示意图。
图19D是导光板的中央部1900的放大图，是在两个线图案的边界部设置了长度δ的间隙的情况下的示意图。
图20是说明实施例的衍射光栅的衍射方向的示意图。
图21是表示实施例的图像显示装置的结构的示意图。
具体实施方式
对实施例中说明的几个特征进行说明。以下，在实施例中，作为导光板对具有凹凸型衍射光栅的导光板的进行说明。另外，为了便于理解，省略了眼睛的镜片作用所产生的图像的反转和将投影到视网膜上的画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上的投影像，讨论了像素位置与亮度的关系。实际看到的像是相对于此上下反转的像。
另外，在实施例中，从安全性、轻量化、成本降低的观点出发，采用了塑料制的导光板。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，因此由环境温度、气压引起的变形变大。为了降低变形的影响，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。在该情况下，为了使影像光从导光板朝向用户的眼睛的方向衍射，使用透射衍射。通常，透射衍射效率比反射衍射效率小，因此与玻璃制导光板相比，用户看到的图像信息的亮度降低。因此，期望通过提高衍射效率等来提高亮度。
在本说明书中，“塑料”是指由高分子化合物构成的材料，是不包含玻璃而包含树脂、聚碳酸酯、丙烯酸树脂、光固化树脂等的概念。
通过在出射衍射光栅上利用溅射法等形成薄膜涂层，可以提高向用户眼睛方向的衍射效率，因此亮度提高。在塑料制导光板的表面形成的凹凸图案的衍射效率的上限主要由光源的波长和图案高度以及塑料材料的折射率决定，最大为约4％左右。通过在出射衍射光栅上用电介质材料形成薄膜涂层，可以将其提高到2倍左右。
图1A以及图1B是说明基于薄膜涂层的出射衍射光栅的衍射效率的提高的示意图。
图1A是塑料制的导光板的截面的示意图。导光板100由塑料材料形成，在表面形成有出射衍射光栅102作为凹凸图案。如果利用注射成型法等塑料成型技术，则它们作为一体成型由相同的材料形成。但是，在注射成型法等塑料成型技术中，优选使出射衍射光栅的凹凸图案的纵横比(高度/宽度)大致为1以下。
若凹凸图案的纵横比超过1，则作为光盘介质的制法，通过具有实绩的注射成型技术等形成的表面凹凸图案的图案转印的精度降低。这是因为，熔融的聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、聚烯烃树脂等粘性高，树脂无法高精度地进入以纳米周期构成的高纵横比的凹凸。
图1B是通过溅射法等在图1A的出射衍射光栅102的表面形成电介质膜的涂层103时的示意图。在表面反映原始光栅图案的凹凸，形成电介质材料的凹凸图案。此时，所使用的电介质材料的折射率高于塑料材料的折射率，使得相位调制量反映出电介质材料与空气的折射率差而变大。这是因为，出射衍射光栅相对于入射光的相位调制量决定于凸部的塑料材料的折射率与凹部的空气的折射率之间的差。因此，即使凹凸图案的纵横比为1以下，也能够得到大的衍射效率。
详细地说，为了通过FDTD(Finite Differential Time Domain：有限差分时域)法等实施电磁场解析而得到预定的衍射效率，需要规定电介质材料的膜厚。所形成的电介质材料的膜厚为10nm至200nm左右时，能够得到增大衍射效率的效果。
另外，专利文献1所示的光子晶体或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结构和空气的折射率之差以及表面凹凸的高度成比例地变大。
当通过注射成型法等在导光板表面形成圆柱状的光子晶体时，圆柱的折射率与波导(或基板)相等。在该情况下，若圆柱的直径与高度之比即纵横比不大到2左右以上，则投影像的亮度变得不充分。在将专利文献1的光子晶体直接用于塑料基板的情况下，转印到导光板的表面的凹凸图案的纵横比大，在注射成型法等具有实绩的塑料成型技术中难以形成。
在本实施例中，出射衍射光栅102采用二维网格状图案的衍射光栅。由此，能够减小转印到导光板的表面的凹凸图案的纵横比，能够提供使用了注射成型法等具有实际效果的塑料成型技术的导光板。在本实施例中，以光轴方向为Z轴，以导光板的表面为XY面的坐标系进行说明。
图2示意性地表示出射衍射光栅的波数。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(a)、图2(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(c)，专利文献1所示的光子晶体可以说是将其近似于柱(圆柱)等而由高折射率的材料形成于导光板的表面的光子晶体。如图所示，K1+K2的相位调制量的最大值为2，若利用专利文献1所公开的孤立的圆柱等对其进行近似，则可知与图2(a)、图2(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是实施例中采用的网格型出射衍射光栅102的立体图。与图2(c)相比，由于不是正弦波构造，所以若进行傅里叶变换则具有高次的波数分量，但在作为导光板利用的情况下，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的方向以外的波数成分，因此能够提高衍射效率。
图4是表示使用由同一基板材料通过注射形成而制作的衍射光栅的情况下的、网格型的出射衍射光栅和“专利文献1”中记载的柱型的出射衍射光栅的凹凸图案的纵横比(高度h/宽度w)与投影像的中央部和周边部的亮度之比的关系的波动计算结果。投影像的中央部与周边部的亮度比越接近1，亮度越均匀且可视性越好，质量越高。
如图4所示，可知网眼型以较小的纵横比(例如1以下)满足该条件。另一方面，在通过注射成型法等用塑料制作导光板的情况下，若考虑工艺余量、批次偏差等，则图案的纵横比越小越优选，进而，对于批次偏差引起的衍射光栅的纵横比的变动，强烈期望有使投影像的品质恒定的方法。
关于实施例的入射衍射光栅，通过采用反射型衍射光栅而不是透射型衍射光栅，利用对折射偏转作用大的反射，实现低纵横比化。
图5是表示入射衍射光栅高度与衍射效率的关系的波动计算结果。图5中一并示出了衍射光栅的截面形状。在此，是通过使用ZnS-SiO2(20％)和SiO2材料交替层叠五层，在衍射光栅的凹凸图案上形成具有波长分离功能的干涉膜时的结果。
通常，已知与2阶梯(2Step)型的衍射光栅相比，闪耀(Braze)型的衍射光栅的衍射效率高，但如图所示，即使是3阶梯(3Step)型的衍射光栅也能够得到同等的衍射效率。在Si基板上通过电子束描绘形成凹凸图案，将其作为母模通过电铸制作Ni压模，可以使用Ni压模通过注射成型法制作塑料制导光板。此时，在利用电子束描绘法制作的Si母模中，与闪耀型相比，3阶梯型的入射衍射光栅的工序数更少，因此适合。
由此，能够提供减小了纵横比的二维的出射衍射光栅，能够通过注射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。
根据实施例中推荐的技术，在具有表面凹凸型的衍射光栅的导光板(图像显示元件)中，通过溅射法等在出射衍射光栅的表面形成电介质材料等的薄膜涂层，能够使出射衍射效率增加到4％以上。采用网格型的出射衍射光栅，可以通过注射成型法等实现导光板的塑料化，实现安全轻便亮度高的导光板。
进而，作为投影像的中央部的亮度比周边高的问题的对策，示出了通过使出射衍射光栅的线在入射衍射光栅与出射衍射光栅之间延伸来实现画质的提高的例子，能够实现投影像的亮度比的均匀化。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。但是，本发明并不被解释为限定于以下所示的实施方式的记载内容。本领域技术人员容易理解在不脱离本发明的思想或主旨的范围内能够变更其具体的结构。
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，有时对相同的附图标记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，用于识别构成要素的编号按每个上下文使用，在一个上下文中使用的编号不一定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，本发明不一定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示出，则包含多数形式。
在本实施例中，以光轴方向为Z轴，以导光板的表面为XY面的坐标系进行说明。另外，若将用户的光瞳近似为圆形，则根据像素位置而被用户视觉识别的导光板内的出射位置也成为圆形。以下，将其称为出射圆。
图6是用于说明出射圆的示意图。这里，示出了作为用于形成图像的光源的投影仪300和用户的光瞳400相对于导光板100配置在相反侧的情况。假设入射衍射光栅101的波数矢量朝向y方向，图中箭头表示x-z面内的光线。这里，假设入射衍射光栅101不具有x方向的波数矢量分量。
从投影仪300射出的光线通过入射衍射光栅101与导光板100结合，一边全反射一边在导光板100内部传播。光线再由出射衍射光栅102转换为复制的多条光线，同时在导光板100内全反射传播，最终从导光板100射出。射出的光线的一部分经由用户的光瞳400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100中，从投影仪300射出的光线的波数矢量K在导光板100中折射，根据斯涅尔定律，波数矢量成为K0。此外，入射衍射光栅101将其转换为能够在导光板100内部进行全反射传播的波数矢量K1。通过设置在导光板100上的出射衍射光栅102受到衍射作用，如K2，K3，……那样每当重复衍射时波数矢量发生变化。
如果将最终从导光板100射出的光线的波数矢量设为K’，则|K’|＝|K|，在投影仪300隔着导光板100位于与眼睛相反的一侧的情况下，K’＝K。另一方面，在投影仪300隔着导光板100位于与眼睛相同的一侧的情况下，关于波数矢量，导光板100成为与反射镜相同的作用，若将导光板100的法线矢量设为z方向，对波数矢量的x、y、z成分进行比较，则能够表示为Kx′＝Kx、Ky′＝Ky、Kz′＝-Kz。
导光板100的功能是，一边将从投影仪300射出的光线复制为多个一边进行导波，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，被复制的光线组具有与从投影仪300射出的具有影像信息的光线等价的波数矢量，并且在空间上进行扩散。
复制的光线组中的一部分进入用户的光瞳400，与外界的信息一起在视网膜上成像从而被视觉识别，可以向用户提供与外界的信息相加的增强现实的信息。具有影像信息的光线根据其波长而波数矢量的大小不同。由于凹凸型的衍射光栅具有恒定的波数矢量，所以根据入射的光线的波长不同，衍射的波数矢量K不同，以不同的角度在导光板内传播。构成导光板的基板的折射率相对于波长大致恒定，一边全反射一边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场角的图像，需要按每个波长来重叠多片不同的导光板。一般认为导光板的数量为与R、G、B分别对应的片数、或±1片的2片至4片左右是适当的。
在被用户看到的影像光线中，对应于视野中央的光线301如图所示，在x-z面内直行到达用户的光瞳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和出射衍射光栅102中至少各衍射了一次。
另一方面，在被用户视觉识别的影像光线中，与视野周边对应的光线302在没有x方向的衍射的情况下，向图中右侧的方向行进。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通过图中作为视觉识别的光线304示出的路径而到达用户的光瞳400。
出射圆303是在出射衍射光栅102上、且在视觉识别的光线的方向上平行移动了用户的光瞳400的假想的圆。只有从出射衍射光栅102上的出射圆303射出的光线304被用户识别为投影像，而其他光线则不被识别。这样，出射衍射光栅102需要x方向的衍射作用。
图7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面显示出强度分布。图中，入射衍射光栅配置在上侧，在其下配置有相当于用户眼睛的光瞳。
图7(a)表示像素位置为所投影的像的中央的情况。图中的出射圆表示到达光瞳的光线在出射衍射光栅上最后衍射的区域。从入射衍射光栅朝向y方向的直线上的亮度高的区域表示由入射衍射光栅衍射并在导光板内部传播的主要的光线组(以下，主光线组)。从图中可以看出，由于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展的亮度低的光线组，是由出射衍射光栅衍射的在x-y面内行进方向偏转的光线组。在该条件下，由于所投影的光线位于z轴方向，因此可知在x-y面内出射圆与光瞳一致。因此，到达光瞳而被识别为图像的是强度强的主光线组的一部分。
图7(b)是投影像的右上角的像素位置的情况。从图中可以看出，主光线组从入射衍射光栅向右下方向行进。光瞳的位置是固定的，但出射圆是朝向光瞳向右上行进的光线组的出射位置，因此在x-y面内相对于光瞳向左下偏移。在该情况下，由于出射圆位于远离主光线组的位置，因此到达光瞳而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。
若将光栅间距设为P，则衍射光栅的波数矢量的大小由K＝2π/P表示。如果用将光轴方向设为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)。出射衍射光栅102具有夹角为120度的两个波数矢量，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波数矢量的光线、即具有相同影像信息的光线。
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，简单叙述用于实施例的图像显示元件的解析的模拟方法。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).]，是一种通过着眼于光的粒子性来追踪路径，从而计算在某点观测到的像等的方法，以计算机图形领域为中心不断地进行了精力改良[16-18]。基于光线追踪法的蒙特卡罗光线追踪法[I.Powell“Ray Tracingthrough systems containing holographic optical elements”，Appl.Opt.31，pp.2259-2264(1992).]是通过概率地处理衍射或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。
面向头戴式显示器的导光板需要与遍及可见光整个区域的波长范围(约400-700nm)和与投影画像的视场角(约40°)对应的入射角范围相对应的衍射模型，这对于市售的模拟器来说，运算量有些庞大。在此，鉴于被视觉识别的光线是全部光线的一部分，使用通过停止计算向预先未被视觉识别的区域导波的光线的算法，将运算量削减为1/1000以下。对于衍射光栅的衍射效率的角度和波长依赖性，可预先将FDTD法的计算结果做成表格供参照。
实施例1
图8表示实施例的图像显示元件的结构。在此，图像显示元件10由被壳体800保持的2片导光板100a、100b构成，分别形成入射衍射光栅101a、101b、出射衍射光栅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。出射衍射光栅102a、102b各自的图案周期与入射衍射光栅101a、101b相同。在出射衍射光栅102a、102b的表面分别形成有涂层103a、103b。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。
在本实施例中，出射衍射光栅102a、102b形成在与入射衍射光栅101a、101b相同的面上，但也可以形成在相反侧的面上。
通过这样的结构，从投影仪300射出的影像结构能够通过用户的光瞳400进行视觉识别。投影仪300相对于图像显示元件10配置在与用户的光瞳400相反的一侧。
图9表示形成于1片导光板100的入射衍射光栅101与出射衍射光栅102的波数矢量的关系的一例。如上所述，为了使导光板作为图像显示元件发挥功能，只要在图中波数K1、K2、K3的大小相等，满足K1+K2+K3＝0的关系即可。
首先，对出射衍射光栅进行叙述。进行相同的纵横比为0.8时的光子晶体与网格型衍射光栅的投影像的比较。
图10(a)是“专利文献1”所记载的柱型光子晶体及其投影像的模拟结果。图10(b)是实施例的网格型衍射光栅的结果。从图中可以看出，在纵横比为1以下的情况下，在柱型光子晶体中，投影像的中央部的亮度高可见性差。与此相比，本实施例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。
接着，对入射衍射光栅进行叙述。
图11(a)是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上。
影像光线1000是从左侧入射的结构，图的右半部分表示基板(Sub)。在透射型的衍射光栅中，闪耀面引起的折射和周期结构引起的衍射在相位调谐的条件下得到最大的衍射效率。如图所示，要实现这一点就需要凹凸图案的高度较大，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在10以上。在注射成型等一般的塑料成型法中，若纵横比超过1，则产生转印性的恶化等问题，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采用了塑料基板和注射形成的入射衍射光栅。
图11(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，入射的光进行反射衍射，即，向光源侧反射而在导光板(基板)的内部传播。入射衍射光栅的位置形成在导光板的远离光源的面上。
影像光线同样是从左侧入射的结构，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结构引起的衍射的相位调谐的条件下得到最大的衍射效率。从图中可以看出，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。在前述的试制元件中，能够良好地转印图案高度为374nm的三角形状的凹凸图案。在塑料形成中，适合于实施例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。
图12A以及图12B是表示2片导光板的相对倾斜的影响的示意图。在塑料制的导光板中，与玻璃制相比有可能变形。在图12A和图12B中，图像显示元件10分别由对应波长不同的导光板100a和100b构成。另外，符号300表示影像投影用的投影仪，符号400表示用户的光瞳，符号500表示所投影的影像光线。
在该例中，基于图11的见解，入射衍射光栅采用了反射型的衍射光栅。因此，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)。出射衍射光栅102由于工艺的方便，形成在与入射衍射光栅101相同的面能够提高精度，因此同样形成于远离投影仪300的面。
图12A示出投影仪300和用户的光瞳400相对于导光板100配置在同一侧的情况。如图所示，导光板100最终反射影像光线500到达用户。因此，如果与导光板100a相比导光板100b倾斜，则根据所投影的光线的波长，视觉识别的像素位置偏移，画质降低。视力1.0的用户的光线角度的分辨率为1/60度，因此以此为基准2片导光板的相对倾斜需要充分小于1/60度，与现有的玻璃制相比机械强度(杨氏模量)小的塑料导光板难以作为头戴式显示器安装。在这种情况下，出射衍射光栅的反射衍射效率越高，越能够向用户提供亮度高的影像信息。
图12B示出投影仪300和用户的光瞳400相对于导光板100配置在相反侧的情况。如图所示，导光板100最终透过影像光线500到达用户。由于入射光与出射光的角度基本相同，因此即使导光板100a与100b存在相对倾斜，在原理上也不会产生由波长引起的投影像的偏移。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，优选使投影仪光源相对于导光板位于与用户相反的一侧(透射型的光学结构)。
实际上，受到在导光板内部进行全反射导光的光线角度条件影响，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。在这种情况下，出射衍射光栅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。
沿导光板传播中的光由出射衍射光栅衍射，利用FDTD法计算从导光板射出时的衍射效率。设为波长550nm、导光板的折射率1.58、衍射光栅的图案周期460nm、凸部的宽度150nm、凸部的高度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。与图12B同样地，在出射衍射光栅形成于与入射衍射光栅相同的面的情况下，被用户视觉识别的光线是由出射衍射光栅透射衍射的光线。因此，在图12B所示的透射型的光学结构中，与图12A的反射型的光学结构相比，被用户视觉确认的投影像的亮度降低。对于亮度降低的问题，可以通过采用前述的涂层103、网格型衍射光栅来改善。
图13是用塑料成型技术，在图8所示导光板的两面一体成型衍射光栅的方法示意图。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，注射成型法等塑料成型技术是通过向模具的内部导入树脂并使其凝固而得到的立体成型技术，因此容易在导光板的两面形成衍射光栅。在图中，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的形状成为型腔750的形状，然后经过冷却过程，制作出所需的导光板。本方法是常见的，通过使用两个压模，可以用塑料制作两面形成有凹凸形状的衍射光栅的导光板。
图14A和图14B是使用通过上述方法制作的Ni压模，使用相同的树脂材料通过注射成型制作的导光板的出射衍射光栅的AFM(Atomic Force Microscope；原子力显微镜)观察结果。两者仅工艺条件不同。如图所示，可知图14B的转印性良好。实施这些导光板的图像投影试验的结果是，投影像的中央部与周边部的亮度的比在图14A的情况下为2.3，在图14B的情况下为1.03。因此，可知由于工艺条件等的变化，导光板的投影像的品质发生变化。根据该结果可知，若无法避免工艺条件的偏差，则根据批次无法避免投影像的中央部与周边部的亮度之比的偏差。
图15是用于抑制由批次偏差等引起的导光板的投影像的品质变动的衍射光栅图案。如图所示，实施例的导光板的衍射光栅由入射衍射光栅101和出射衍射光栅102组成。入射衍射光栅101由在x方向上呈直线状的光栅构成，图案的周期(间距)为P。入射衍射光栅101由3阶梯型构成。
如图3所示，出射衍射光栅102具备图案周期与入射衍射光栅101相同的P的直线状光栅交叉而构成网格的网格区域1510。出射衍射光栅102的各光栅与x轴所成的角(锐角)例如为60度，但也可以根据导光板的尺寸、大小进行调整。在以下的实施例中，以60度进行说明。图案的周期P例如为0.3-0.6μm，但也可根据光源的波长或用途而变更。
图15的实施例的特征在于，在出射衍射光栅102的上部(接近入射衍射光栅101的一侧)分别延长形成网格型衍射光栅的线而形成线区域1520，在线区域1520中，图中的右侧和左侧，各线不交叉。
形成线区域1520的各线1501在x-y平面(导光板的主面)上相对于连结出射衍射光栅102和入射衍射光栅101的线1502大致左右对称。各线1501或其延长线在x-y平面上将入射衍射光栅101设为上时，以线1502为中心成为大致V字型。线1502通常是将出射衍射光栅102和入射衍射光栅101分别二等分的中心线。
由此，若由入射衍射光栅101衍射的影像光照射到线区域1520，则能够向图中的左右任一方衍射。这具有提高投影像的周边的亮度的效果，因此能够实现图案纵横比的降低。根据前述波数的关系，影像光不会从线区域1520向用户的眼睛的方向射出。因此，线区域1520具有提高视野周边的亮度、降低视野中央的亮度的作用。
图16A、图16B、图16C是表示用于抑制由批次偏差等引起的导光板的投影像的品质变动的、衍射光栅图案与对入射衍射光栅101实施的反射涂层的关系的示意图。作为反射涂层1600，可以使用电介质多层膜。
图16A对应于标准状态，反射涂层1600形成在入射衍射光栅101上。
图16B表示由于批次偏差的影响而投影像的中央部与周边部的亮度之比大于1的情况下的应对方法。在这种情况下，调整形成反射涂层1600的掩模的尺寸，使得线区域1520的一部分也形成反射涂层1600。由于施加有反射涂层1600的线区域1520的衍射效率提高，因此提高了视场周边的亮度，降低视场中央的亮度的作用变大，可以改善投影像的质量。
图16C表示由于批次偏差的影响而投影像的中央部与周边部的亮度之比进一步变大的情况下的应对方法。同样调整用于掩膜溅射法等的掩模的尺寸，以在线区域1520的大部分上形成反射涂层1600。由此，提高视野周边的亮度，降低视野中央的亮度的作用进一步增大，可以改善投影像的质量。
根据上述的实施例，能够通过调整反射涂层1600的形成区域来抑制在衍射光栅的形成后每个批次的亮度偏差。
如上所述，能够降低通过注射成型法等形成的实施例的导光板的衍射光栅图案的纵横比，并且能够抑制由批次偏差等引起的投影像的品质变化。
实施例2
图17是示意性地表示实施例的导光板内部的影像光线的路径的俯视图以及侧视图。入射的影像光线1710被入射衍射光栅101衍射，在导光板100内部一边全反射导光一边传播，通过出射衍射光栅102的线区域1520，在出射衍射光栅的网格区域1510射出，作为出射影像光1720，被未图示的用户视觉识别。
为了使实施例有效地发挥作用，至少影像光线1710的一部分需要在传播中到达线区域1520。
如果将线区域的长度设为L，将影像光线与衍射光栅交叉的点187的间隔(以下，传播间距)设为TP，则L越大，影像光线与线区域的交叉次数越增加，实施例的效果越大。作为满足L的最小值的基准，若定义为影像光线的1/2的光量与线区域1520交叉的情况，则成为以下的关系。
L>TP/2
在此，对该关系进行补充说明。传播间距TP由影像光线的波长λ、衍射光栅的间距p、导光板的厚度t、折射率n、入射角θy决定，在垂直入射的情况下如下表示。
TP＝2t(2π/p+2nπsinθ/λ)/{(2nπ/λ)2-(2π/p+2nπsinθ/λ)2}0.5
在入射衍射光栅101的大小D比传播间距TP大的情况下，在入射衍射光栅101内产生多次衍射而从出射衍射光栅102射出，导致光量损失，因此优选将入射衍射光栅101的大小D设为与传播间距TP相同程度的大小(1-10mm左右)。同样地，影像光线1710的光束尺寸优选为与入射衍射光栅101的大小D相同程度。此时，入射光的位置的扩散可以认为是相对于中心±D/2≈±L/2。因此，由入射衍射光栅衍射的影像光线在以传播间距TP传播的同时具有位置的扩散±L/2，根据1/2的光量与线区域1520交叉的条件，得到上式。
图18表示将入射光的波长设为460nm、将入射衍射光栅的图案间距设为360nm、将导光板的折射率设为1.58、将导光板的厚度t设为1mm的情况下的传播间距TP的计算结果。图中，横轴表示影像像素的Y方向位置，是设对角视场角为40度、Y方向像素为720时的结果。传播间距TP的大致基准在垂直入射(像素位置360)时成为约2.7mm，根据像素位置，成为约2mm至5mm的范围。从以上的关系可知，若线区域的长度L为1mm以上，则实施例较佳地发挥功能。
传播间距TP与导光板的厚度t成比例，传播间距的最小值2mm为导光板的厚度t的2倍，所以以上的关系一般为，L>t。
另外，若线区域的长度L变大，则导光板大型化，重量增加会给用户带来缺点，因此在考虑重量的情况下，优选线区域的长度L的上限的大致基准为网格区域的长度LM以下。
实施例3
这里示出的是适合于实施例的出射衍射光栅的线区域1520的形成的图案形成方法。
图19A是实施例的导光板的示意图，对线区域1520的中央部1900进行叙述。
图19B是中央部1900的放大图，是理想情况下的示意图。表示形成有相对于中心线1502左右对称的图案。在通过电子束描绘法等形成图案的情况下，由于分割区域而实施多次描绘，因此有时两个线图案的相位错开而形成。
图19C示意性地表示两个线图案的相位错开而形成的情况。在该情况下，到达两个线图案的中央的影像光线受到相位不同的两个线图案的复合的高次衍射，无法向预定的衍射角的方向衍射。
图19D是为了解决该问题而在两个线图案的边界部设置了长度δ的间隙的情况。δ的值比影像光线的波长400-700nm大10倍以上，如果为10μm左右以上，则能够防止一个光子跨越两者的区域而进行复合衍射。另外，假设影像光线的光束直径为5mm左右，如果间隙的宽度为光束直径的10％左右，即500μm以下，则能够充分地减少穿过间隙而不发生衍射的光量。因此，设置间隙而形成图案时的间隙的大小可以设为10-500μm的范围。
在此，对设置于线区域1520的间隙进行了叙述，但也能够在线区域1520与网格区域1510之间设置同样的间隙。
实施例4
图20是说明实施例的衍射光栅的衍射方向的示意图。如图6所描述的，影像光线经入射衍射光栅101衍射后，必须到达出射圆303才能被看到。在一个影像光线在出射衍射光栅102的网格区域1510的衍射点211衍射的情况下，如上所述，由于网格区域具有两个波数，所以存在向出射圆的方向和其相反的方向衍射的两种情况。
另一方面，在影像光线在线区域1520的衍射点210衍射的情况下，由于线区域仅具有一个波数，所以仅向出射圆303的方向衍射，不发生向其相反的方向的衍射。因此可知，通过设置线区域，能够削减向与出射圆相反的方向衍射而用户无法视觉识别的光量，能够向用户提供明亮的投影像。
实施例5
在上述的实施例中，网状的出射衍射光栅102是将相对于x轴为±60度的矩形衍射光栅重叠而成的，因此出射衍射光栅102的间距与入射衍射光栅101的交叉角度为120度。对出射衍射光栅的交叉角度为120度以上的情况进行了研究。在将出射衍射光栅的间距与入射衍射光栅的间距的交叉角设为132度的情况下，出射光线相对于入射光线的角度偏移量依赖于波长，因此若投影彩色图像，则会成为具有颜色偏差的投影像。在使用单一波长的激光光源的情况下，能够对其进行校正，但若在光源中使用LED(Light Emitting Diode：发光二极管)，则难以校正颜色偏差。因此，出射衍射光栅与入射衍射光栅的交叉角度为130度以下，优选为120度以下。
实施例6
图21是表示本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100a、100b的作用到达用户的光瞳400，实现增强现实。在各导光板100a、100b中，所形成的衍射光栅的间距和深度会根据各个颜色而得到优化。
另外，为了抑制由每个导光板100的制造偏差引起的亮度偏差，能够优化每个导光板的图16A～图16C中说明的反射涂层的区域。在该情况下，有时在入射衍射光栅上以及线区域的至少一部分实施了反射涂层，反射涂层所覆盖的区域在每个导光板中不同。
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2100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：电致发光)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：微机电系统)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、PZT(PieZoelectric Transducer：压电换能器)等使LED、激光光源和光纤的前端进行谐振运动的结构。其中，最常见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：硅基液晶)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。
此外，反射型空间光调制装置可以由液晶显示装置和偏振分束器构成，该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，并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透镜的准直光学系统。作为构成光源的发光元件，可以举出红色发光元件、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，并与导光板100一体化而形成。
另外，未图示的显示图像控制部发挥控制投影仪300的动作，向用户的光瞳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，至少使用网眼型的衍射光栅作为出射衍射光栅，通过注射成型法等由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，通过使用网格型衍射光栅，能够利用注射成型法制作具有纵横比为1以下的表面凹凸且具有良好的性能的导光板，能够实现由导光板的塑料化带来的安全性的提高和轻量化。
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备用于获取用户、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球跟踪机构。
符号说明
100—导光板；101—入射衍射光栅；102—出射衍射光栅；1510—网格区域；1520—线区域。

Claims (15)

1.一种导光板，其特征在于，具备：
基板；
入射衍射光栅，其对入射的光进行衍射；以及
出射衍射光栅，其将由所述入射衍射光栅衍射的光从所述基板射出，
所述出射衍射光栅具备形成于所述基板的网格状光栅图案，
该网格状光栅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的间距与第二平行的直线组的间距相等，
在所述入射衍射光栅与所述网格状光栅图案之间具备仅由所述第一平行的直线组或者所述第二平行的直线组构成的线区域。
2.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
所述基板由高分子化合物组成的材料构成，
所述网格状光栅图案为凹凸图案，
所述凹凸图案的纵横比为1以下。
3.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
在所述入射衍射光栅上以及所述线区域的至少一部分施加有反射涂层。
4.根据权利要求3所述的导光板，其特征在于，
所述反射涂层构成于连续的区域。
5.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
所述第一平行的直线组的间距、第二平行的直线组的间距以及所述入射衍射光栅的间距相等。
6.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
所述入射衍射光栅是入射的光进行反射衍射而在所述基板的内部传播的反射型的衍射光栅，且形成于所述基板的与所述出射衍射光栅相同的面。
7.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
所述线区域具备仅由所述第一平行的直线组构成的第一部分和仅由所述第二平行的直线组构成的第二部分。
8.根据权利要求7所述的导光板，其特征在于，
所述第一平行的直线组或其延长线与所述第二平行的直线组或其延长线在将所述入射衍射光栅设为上时形成大致V字型。
9.根据权利要求7所述的导光板，其特征在于，
在所述第一部分与所述第二部分之间设置有空隙。
10.根据权利要求9所述的导光板，其特征在于，
所述空隙的长度大所述入射的光的波长的10倍以上。
11.根据权利要求1所述的导光板，其特征在于，
所述线区域的长度为所述导光板的厚度以上且所述网格状光栅图案的区域的长度以下。
12.一种导光板模块，其特征在于，
通过层叠多个权利要求1所述的导光板而构成。
13.根据权利要求12所述的导光板模块，其特征在于，
多个所述导光板分别在所述入射衍射光栅上以及所述线区域的至少一部分施加有反射涂层，
所述反射涂层所覆盖的区域在每个导光板中不同。
14.一种图像显示装置，其具备：
权利要求12所述的导光板模块；以及
投影仪，其向所述导光板模块照射影像光，
所述图像显示装置的特征在于，
所述影像光入射到所述入射衍射光栅。
15.根据权利要求14所述的图像显示装置，其特征在于，
所述导光板模块向与配置有所述投影仪的一侧相反的一侧射出所述影像光。
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