CN117222936A - 导光元件以及使用该导光元件的显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供轻型且宽视角的导光元件、和使用该导光元件的显示装置。本发明的导光元件(10)具有单层的导光基板(11)、和形成于上述导光基板(11)的衍射层(12)，上述衍射层(12)具有：将入射到上述导光基板(11)的入射光向上述导光基板(11)内输入耦合的第一衍射光栅(121)；将在上述导光基板(11)中传播的全反射光向上述导光基板(11)外输出耦合的第二衍射光栅(123)，上述第一衍射光栅(121)在450nm±20nm带所包含的第一波长(λ1)、530nm±20nm带所包含的第二波长(λ2)、以及630nm±20nm带所包含的第三波长(λ3)的至少一个波长中，在包含上述导光基板(11)的法线方向的60°以上的角度范围内将上述入射光输入耦合，上述第二衍射光栅(123)在上述至少一个波长中，在包含上述法线方向的60°以上的角度范围内将上述全反射光输出耦合。

Description

导光元件以及使用该导光元件的显示装置
技术领域
本发明涉及导光元件以及使用该导光元件的显示装置。
背景技术
正在开发一种个人用或者专门用途的扩展现实(AR：Augmented Reality)/复合现实(MR：Mixed Reality)头戴式受话器(headset)。ARMR头戴式受话器要求高分辨率、宽视角，因此在ARMR像的显示部件中使用厚重的部件的情况较多，头戴式受话器整体也较重，由于固定在头部因而佩戴感不好。另一方面，还开发了显示文字、符号等简单的信息的小型且轻型的眼镜型的显示器。
已知有如下结构：通过个人显示器或者扩展现实显示器的ARMR像显示用的光学元件，利用在导光板形成有输入耦合光栅、出射瞳放大光栅以及输出耦合光栅的衍射导光，在眼前显示来自投影仪的投影像(例如，参照专利文献1以及专利文献2)。作为用于导光板的光学玻璃，已知有对d线的折射率nd为1.91≤nd≤2.05的无铅、无砷的光学玻璃(例如，参照专利文献3)。
专利文献1：日本特表2020-521994号公报；
专利文献2：日本特表2017-528739号公报；
专利文献3：日本专利第4970896号公报。
发明内容
如果实现具有与ARMR头戴式受话器相同的功能和宽的视角的轻型的显示装置，则应用领域和用户范围会进一步扩展。本发明的目的在于提供轻型且宽视角的导光元件和使用该导光元件的显示装置。
在本发明的一方式中，导光元件具有单层的导光基板和形成于上述导光基板的衍射层，
上述衍射层具有：将入射到上述导光基板的入射光向上述导光基板内输入耦合的第一衍射光栅；将在上述导光基板中传播的全反射光向上述导光基板外输出耦合的第二衍射光栅，
上述第一衍射光栅在450nm±20nm带所包含的第一波长、530nm±20nm带所包含的第二波长、630nm±20nm带所包含的第三波长的至少一个波长中，在包含上述导光基板的法线方向的60°以上的角度范围内将上述入射光输入耦合，
上述第二衍射光栅在上述至少一个波长中，在包含上述法线方向的60°以上的角度范围内将上述全反射光输出耦合。
实现轻型且宽视角的导光元件和使用该导光元件的显示装置。
附图说明
图1是表示实施方式的导光元件的结构例的示意图。
图2A是表示基于输入耦合光栅的入射光向导光基板的耦合的图。
图2B是表示从输入耦合光栅向输出耦合光栅的全反射导光的图。
图2C是表示从输出耦合光栅向导光基板外的光的出射的图。
图2D是表示对d线上的折射率大于2.05的组成的例子的图。
图3是表示使用实施方式的导光元件的显示装置的一个例子的图。
图4是表示显示装置中使用的导光元件的动作例的图。
图5是使用线和空间型的一维衍射光栅的导光元件的结构例的图。
图6是在输出耦合光栅中使用长方光栅成为单位光栅的二维衍射光栅的导光元件的结构例的图。
图7是在输入耦合光栅和输出耦合光栅的双方中使用长方光栅成为单位光栅的二维衍射光栅的导光元件的结构例的图。
图8是表示实施例和比较例的光栅形状和光学特性的图。
图9是表示导光基板的材料的一个例子的图。
图10是表示实施例和比较例的导光基板和衍射层的折射率差的图。
图11是表示衍射层所使用的材料的特性的图。
图12是说明NA(数值孔径：Numerical Aperture)图表和FOV(视场：Field ofView)的设计的图。
图13是说明NA图表和FOV的设计的图。
图14是说明NA图表和FOV的设计的图。
图15是说明±1次的衍射波导方向和可视性的图。
图16是说明基于±1次衍射的利用的FOV扩展效果的图。
图17是说明将输入耦合光栅设为二维光栅的效果的图。
图18A是说明在单位光栅中使用长方光栅的效果的图。
图18B是表示在单位光栅中使用正方光栅时的FOV导光的图。
图18C是表示在单位光栅中使用正方光栅时的FOV导光的图。
图19A是表示实施例1的RGB导光的特性和衍射像的图。
图19B是表示实施例1的G导光的特性和衍射像的图。
图20A是表示实施例2的RGB导光的特性和衍射像的图。
图20B是表示实施例2的G导光的特性和衍射像的图。
图21A是表示实施例3的RGB导光的特性和衍射像的图。
图21B是表示实施例3的G导光的特性和衍射像的图。
图22A是表示实施例4的RGB导光的特性和衍射像的图。
图22B是表示实施例4的G导光的特性和衍射像的图。
具体实施方式
图1是表示实施方式的导光元件10的结构例的示意图。导光元件10具有单层的导光基板11和形成于导光基板11的衍射层12。衍射层12具有：将入射到导光基板11的入射光向导光基板11内耦合的输入耦合光栅121；将在导光基板11中传播的全反射光向导光基板11外出射的输出耦合光栅123。如后所述，将输入耦合到导光基板11的光向输出耦合光栅123引导的扩展光栅也可以形成于导光基板11。光的入射方向和出射方向并不限定于导光基板1的背面。也可以将从形成有衍射层12的面入射的光向导光基板11耦合，也可以从形成有衍射层12的面输出耦合光。衍射层12可以仅形成于导光基板11的一个面，也可以形成于双方的面。
在实施方式中，使用单层的导光基板11，将蓝色波长带所包含的第一波长的光、绿色波长带所包含的第二波长的光、红色波长带所包含的第三波长的光以高FOV取入到导光基板11，并以高FOV从导光基板11出射。蓝色波长带例如为450nm±20nm。绿色波长带例如为530nm±20nm。红色波长带例如为630nm±20nm。
具体而言，在第一波长(λ1)、第二波长(λ2)以及第三波长(λ3)的任一波长中，在包含导光基板11的法线方向的60°以上，优选65°以上，更优选70°以上的角度范围内，输入耦合入射光。另外，在λ1、λ2、λ3的任一波长中，在包含导光基板11的法线方向的60°以上，优选65°以上，更优选70°以上的角度范围内，将光向导光基板11外输出耦合。进行输入耦合的光或进行输出耦合的光的角度范围的中心与基板的法线所成的角优选为±15°以下，更优选为±10°以下，进一步优选为±5°以下，最优选与基板的法线几乎一致。
输入耦合光栅121另外对于λ1、λ2以及λ3的任一波长的光，在包含导光基板11的法线方向的55°以上的共同的角度范围内，输入耦合入射光。输出耦合光栅123对于λ1、λ2以及λ3的任一波长的光，在包含导光基板11的法线方向的55°以上的共同的角度范围内输出耦合光。进行输入耦合的光或进行输出耦合的光的角度范围的中心与基板的法线所成的角优选为±15°以下，更优选为±10°以下，进一步优选为±5°以下，最优选与基板的法线几乎一致。
换言之，如以下那样：进行输入耦合的光或进行输出耦合的光的角度范围优选至少包括从－42.5°到－12.5°或从－12.5°到－42.5°的角度范围，更优选包括从－37.5°到－17.5°或从－17.5°到－37.5°的角度范围，进一步优选至少包括从－32.5°到－22.5°或从－22.5°到－32.5°的角度范围，最优选包括从－27.5°到27.5°的角度范围。即，优选至少包括±15°的角度范围，更优选包括±20°的角度范围，进一步优选包括±25°的角度范围，最优选包括±27.5°的角度范围。
在现有结构中，与各波长对应的单色导光板以三片重叠方式被使用。在各波长中能够使FOV最佳化，因此容易实现高FOV，但光学元件整体变厚、变重。在实施方式中，利用单层的导光基板11进行RGB导光，实现小型且轻型的导光元件10。若使用单层的导光基板11，则RGB的各波长的FOV的重叠的FOV成为整体的FOV，通过在导光基板11和衍射层12的材料以及输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的设计上下功夫，从而实现高FOV。例如，设计为通过无机材料形成导光基板11和衍射层12的双方，分别具有规定的折射率。另外，利用±1次的衍射。后述这些结构的根据和分析结果。
图2A是说明基于输入耦合光栅121的入射光Lin向导光基板11的耦合的图。将在导光基板11上形成有衍射层12的面设为x－y面，将导光基板11的厚度方向设为z方向。与x－y面的结构一并示出A－A'截面结构。为了方便图示，虽然没有区别波长，但RGB的各波长的光入射到导光元件10。
入射光Lin通过输入耦合光栅121，作为向规定的方向，例如x方向的衍射波面被耦合到导光基板11。将入射光Lin向导光基板11耦合的方向并不限定于+x方向。如后所述，也可以采用使入射光在±x方向上传播的结构，也可以采用向x方向和y方向的二维方向传播的结构。输入耦合光栅121将从衍射层12侧入射的光和从导光基板11的背面入射的光均向导光基板11耦合。对导光基板11的从法线方向的垂直入射光被被耦合到导光基板11内。另外，对于RGB的全波长，实现55°以上的FOV。
图2B是说明从输入耦合光栅121向输出耦合光栅123的全反射导光的图。与x－y面的结构一起示出B－B'截面结构。被输入耦合到导光基板11的光通过扩展光栅122转换传播方向。扩展光栅122具有相对于x轴或者y轴倾斜延伸的线和空间图案。扩展光栅122一边将大部分的光向x方向导光，一边将一部分光向－y方向衍射。通过扩展光栅122的线和空间图案，沿着x方向复制多条衍射光，每一条衍射光向－y方向传播。向x方向的传播光和向－y方向的衍射光均在导光基板11内全反射并传播。
图2C是说明从输出耦合光栅123向外部的光的出射的图。与x－y面的结构一并示出C－C'截面结构。输出耦合光栅123一边使大部分的光以全反射导光，一边使一部分光衍射并出射。通过输出耦合光栅123，沿着导光方向复制多个衍射光并向导光基板11外出射。光能够从衍射层12侧出射，也能够从导光基板11的背面出射，因此由出射光形成的像从哪一侧都能够看见。
输出耦合光栅123在包含导光基板11的法线方向的规定的角度范围内出射在导光基板11的内部全反射导光的光。具体而言，在RGB的任一波长下，以包含法线方向的60°以上的FOV实现输出耦合。另外，在RGB的全部的波长下，以包含法线方向的55°以上的FOV实现输出耦合。
＜导光基板的材料＞
在图2A～图2C中，导光基板11使被输入耦合的光以全反射传播至输出耦合位置。导光基板11的折射率越高，能够全反射导光的角度范围越大。导光基板11对d线(波长587.56nm)上的折射率nd大于2.05(nd＞2.05)。作为对d线上的折射率nd大于2.05的玻璃组成，列举有图2D所示的组成。在折射率nd大于2.08的情况下，更容易实现高FOV的设计。另外，为了以最小限度的损失进行输出耦合入射光，优选在λ1、λ2、λ3的任何中内部透过率都高。短波长的光因吸收导致的透过率损耗较大，因此也可以将波长450nm的光下的导光基板11的每10mm厚度的内部透过率设定为90％以上，更优选设定为95％以上。作为波长450nm的光下的导光基板11的内部透过率为95％以上的玻璃组成，列举有表1的组成。
[表1]
导光基板11例如是玻璃基板。作为玻璃材料，也可以使用(1)Bi2O3－TeO2系玻璃，或者(2)La2O3－B2O3系玻璃。此处，所谓的“组成”是指除了不可避免地混入的杂质、有意添加的ppm(Parts per Million)单位的杂质、添加物等之外，以百分比为单位(摩尔％、重量％等)设计成总计100％的要素或者成分的构成。
作为Bi2O3－TeO2系玻璃，以氧化物基准的摩尔％将母组成的合计设为100％时，能够例示Bi2O3的含量为20％～50％、TeO2的含量为10％～35％的玻璃。
Bi2O3是为了得到可见光透过率高的高折射率的玻璃而优选含有的成分，作为下限值，优选20％以上，更优选25％以上，更优选30％以上。另外，作为上限值，优选45％以下，更优选40％以下，更优选35％以下。
TeO2是玻璃形成成分，为了能够得到可见光透过率高的高折射率的玻璃，也可以在玻璃中含有TeO2。TeO2的含量优选为10％以上，更优选多于20％，更优选为25％以上。但是，若过多含有TeO2，则玻璃不稳定，因此优选为35％以下，更优选为30％以下。
B2O3是玻璃形成成分，为了使玻璃稳定化而优选含有B2O3，但若含量过度增加，则高折射率化变难。作为下限值，优选10％以上，更优选12％以上。作为上限值，优选40％以下，更优选35％以下，更优选30％以下，更优选25％以下。
P2O5是任意成分。P2O5是玻璃形成成分，为了使玻璃稳定化而优选含有P2O5，但若含量过度增加，则高折射率化变难。作为下限值，优选0％以上，作为上限值，优选为20％以下，更优选为15％以下。
B2O3和P2O5的含量的和作为下限值，优选10％以上，更优选为20％以上。上限值优选为45％以下，更优选为40％以下，更优选为35％以下。
Nb2O5、TiO2、Ta2O5、WO3是为了使玻璃高折射率化而优选含有的成分。包含Bi2O3和TeO2在内，这些是也能够作为后述的衍射层12来使用的成分。通过提高这些成分的比率，能够实现衍射层12和折射率的色散关系近的结构。Bi2O3－TeO2－Nb2O5－TiO2－Ta2O5－WO3的比率越高越好，优选为55％以上，更优选多于60％。
作为La2O3－B2O3系玻璃，以氧化物基准的摩尔％将母组成的合计设为100％时，能够例示La2O3的含量为10％～40％、B2O3的含量为10％～35％的玻璃。
La2O3是维持玻璃稳定化且高折射率化和低色散化的作用优异、且是对可见光透过率高的成分，能够得到可见光透过率高的高折射率的玻璃。因此，也可以将La2O3含有在玻璃中，但若含量过度增加，则耐失透性降低。作为下限值，优选为10％以上，更优选为20％以上。作为上限值，优选为40％以下，更优选为30％以下，更优选为25％以下。
B2O3是玻璃形成成分，为了使玻璃稳定化而优选含有B2O3，但若含量过度增加，则高折射率化变难。作为下限值，优选10％以上，更优选12％以上。作为上限值，优选40％以下，更优选35％以下，更优选30％以下，更优选25％以下。
SiO2是任意成分。SiO2是玻璃形成成分，也可以为了使玻璃稳定化而含有SiO2，但若含量过度增加，则高折射率化变难。作为下限值，优选0％以上，更优选5％以上，更优选10％以上。作为上限值，优选30％以下，更优选20％以下，更优选15％以下。
TiO2也可以为了维持玻璃稳定化且高折射率化的作用优异而含有在玻璃中，但若含量过度增加，则耐失透性降低。作为下限值，优选10％以上，更优选20％以上，更优选25％以上。作为上限值，优选为40％以下，更优选为35％以下。
ZrO2是任意成分。ZrO2也可以为了维持玻璃稳定化且高折射率化的作用优异而含有在玻璃中，但若含量过度增加，则耐失透性降低。作为下限值，优选0％以上，更优选5％以上。作为上限值，优选为15％以下，更优选为10％以下。
Gd2O3、Nb2O5、Ta2O5、WO3是为了使玻璃高折射率化而优选含有的成分。包含La2O3和TiO2在内，这些是也能够作为后述的衍射层12来使用的成分。通过提高这些成分的比率，能够实现衍射层12和折射率的色散关系近的结构。La2O3－TiO2－Gd2O3－Nb2O5－Ta2O5－WO3的比率越高越好，优选为55％以上，更优选多于60％。还可以包含ZrO2，La2O3－TiO2－Gd2O3－Nb2O5－Ta2O5－WO3－ZrO2的比率优选为55％以上，更优选为60％以上。
使用上述的组成的玻璃材料，能够实现对d线(λ2)的折射率超过2.05的导光基板11、或者450nm的光对每10mm厚度的内部透过率为95％以上的导光基板11。
导光基板11也可以是单晶基板。单晶是指在晶体内的任何部分原子或分子的排列方向都相同的晶体。导光基板11可以是其光学性质不取决于方向的各向同性的单晶基板，也可以是晶体轴朝向规定的方向的单轴性的单晶基板。在是单轴性的基板的情况下，期望导光基板11的光轴相对于法线在±4°以内，优选在±0.4°以内。其原因在于通过导光基板观察非ARMR像的实际的景色、文字时的视线的中心与基板的法线大体一致，在光的行进方向和光轴偏离的情况下，像由于双折射而成为双重，导致分辨率降低。
另外，有时在晶体内产生被称为位错缺陷的光栅缺陷。例如，对于被称为微管的直径超过1μm的位错缺陷，在缺陷附近产生折射率的调制的情况较多。即使是作为导光元件的外观没有问题的缺陷的尺寸，在光进行导光的范围内产生这样的缺陷的情况下，也通过折射率的调制导致由导光元件显示的像的分辨率的降低，因此优选在导光元件内没有这样的缺陷。对于微管的缺陷密度，优选为10个/cm2，优选为1个/cm2，更优选为0.1个/cm2。
作为单晶的导光基板11，能够使用TiO2、SrTiO3、KTaO3、LiNbO3、SiN、SiC、金刚石等的基板。
图3表示使用了实施方式的导光元件10的显示装置100的一个例子。显示装置100在该例中是ARMR护目镜。导光元件10作为右眼用以及左眼用的目镜来使用。显示装置100具有导光元件10和投影仪110。在右眼用和左眼用的导光元件10分别设置有投影仪110，导光元件10和投影仪110被保持在可穿戴的支承体120。导光元件10利用单层的导光基板11而形成，显示装置100整体上小型且轻型。
图4表示显示装置100中使用的导光元件10的动作例。从投影仪110投射的影像利用输入耦合光栅121向导光基板11内衍射。如上所述，以包含垂直入射光的55°以上的FOV，利用输入耦合光栅121将RGB光向导光基板11的内部衍射。被输入耦合的RGB光在导光基板11的内部全反射并传播，并在输出耦合光栅123处被衍射，以55°以上的FOV从导光基板11出射。该光像入射到人的眼睛20并被识别为彩色图像。
导光基板11的厚度例如为1mm以下。输入耦合光栅121和输出耦合光栅123作为一个例子，由厚度为100～1000nm的无机材料的薄膜形成，具有以规定的间距形成的衍射光栅图案。在与输入耦合光栅121以及输出耦合光栅123一并使用扩展光栅122的情况下，扩展光栅122也由相同的薄膜形成。衍射光栅的间距例如为300～500nm。代替由无机材料的薄膜形成衍射层12，也可以在导光基板11的表面直接形成衍射光栅。在该情况下，形成有衍射光栅的表面区域成为衍射层12。
输入耦合光栅121对RGB中的任一波长，实现60°以上，优选65°以上，更优选70°以上的FOV。输入耦合光栅121在RGB的任何波长中都实现55°以上的FOV。输出耦合光栅123对RGB中的任一波长，实现60°以上，优选65°以上，更优选70°以上的FOV。输出耦合光栅123在RGB的任何波长中都实现55°以上的FOV。
也可以构成为在使用导光元件10的显示装置100中，在FOV55°为止的范围内显示彩色影像，在超过FOV55°的区域，进行简单的信息提示、单色显示。例如，也可以在视场的端部显示基于文字、符号等的简单的信息、图标、工具栏等。也可以设置覆盖衍射层12和导光基板11的背面的至少一方的罩。在该情况下，罩可以成为导光元件10的一部分，被保持在图3的支承体120。在使用罩的情况下，优选对可见光的透过性高、且对从输出耦合光栅123出射的光像不产生影响的罩。罩的材质可以是玻璃，也可以是塑料。
＜衍射光栅的结构＞
图5～图7表示导光元件10的光栅设计例。图5是输入耦合光栅121a和输出耦合光栅123a均具有作为一维衍射光栅的线和空间图案的结构例。图5的(A)是输入耦合为单轴方向的衍射，在该例中，是利用向+x方向的衍射的例子。如参照图2A～图2C进行说明那样，通过输入耦合光栅121a向+x方向衍射的RGB光通过扩展光栅122向－y方向转换方向，从输出耦合光栅123以55°以上的FOV出射。若着眼于RGB光中的一个波长，则以60°以上，优选65°以上，更优选70°以上的FOV出射光。
图5的(B)的结构利用输入耦合向单轴的正以及负方向的衍射，在该例中，利用向±x方向的衍射。输入耦合光栅121a使入射光在两个衍射波面分支，向+x方向和－x方向衍射。向+x方向和－x方向的衍射光分别通过扩展光栅122被转换方向，在输出耦合光栅123处被输出耦合。出射光的FOV在RGB的全部波长中为55°以上，若着眼于任一个波长，则输出FOV为60°以上，优选65°以上，更优选70°以上。
图6表示在输入耦合光栅121a中使用作为一维衍射光栅的线和空间图案，将输出耦合光栅123b作为二维衍射光栅将单位光栅设为长方光栅的例子。图6的(A)和(B)除了输出耦合光栅123b的单位光栅是长方光栅之外，与图5的(A)和(B)相同。由于对单位光栅使用长方光栅，如后所述那样，能够抑制光晕。所谓的“光晕”是指，由于局部的光或亮度的降低而输入的像中想要显示的视场的一部分欠缺的情况，向导光基板内衍射导光时一部分视角的光不能全反射导光而产生的现象。
图6的(C)表示不使用扩展光栅122的设计。输入耦合光栅121a的线和空间图案沿着x方向延伸。该输入耦合光栅121a使入射光向±y方向衍射，在该例中，利用－y方向的衍射。向导光基板11输入耦合的光在导光基板11内全反射并向－y方向传播，并通过输出耦合光栅123b向导光基板11外出射。该情况下，由于没有扩展光栅122，为了提高可视性，需要通过输出耦合光栅123b在二维方向上复制输出耦合光。因此，利用将长方光栅作为单位光栅的二维衍射光栅形成输出耦合光栅123b，使传播光二维衍射。
图7表示在输入耦合光栅121b和输出耦合光栅123b的双方中，对单位光栅使用长方光栅的例子。图7的(A)、(B)以及(C)除了输入耦合光栅121b的单位光栅是长方光栅之外，与图6的(A)、(B)以及(C)相同。在输入耦合光栅121b和输出耦合光栅123b的双方中使用长方光栅，从而能够扩展对RGB波导的FOV。
图7的(D)表示输入耦合光栅121b和输出耦合光栅123b部分地重叠的设计。输出耦合光栅123b的长方光栅图案的一部分也作为输入耦合光栅121b发挥功能。在输出耦合光栅123b中，对来自投影仪110(参照图3)的RGB各色能够以55°以上的FOV输入耦合的区域成为输入耦合光栅121b。
导光元件10也可以采用图5～图7的任一光栅设计。在使用任何图案的情况下，都期望衍射层12的折射率与导光基板11的折射率相同，或者比导光基板11的折射率高。如后所述，在RGB的各波长中，优选衍射层12的折射率与导光基板11的折射率之差为0.1以下。
包括输入耦合光栅121以及输出耦合光栅123的衍射层12例如由ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TeO2、MoO3、WO3、TiO2、SiN、SiON、SnO、ITO、Al2O3、Y2O3、AlN、MgO、或者这些中的两种以上的混合物形成。或者，也可以由包含三个成分以上的无机元素的玻璃材料形成衍射层12。衍射层12可以通过蒸镀、溅射等在导光基板11的表面成膜。通过蚀刻，在衍射层12形成线和空间图案、长方光栅图案等所希望的图案，从而形成输入耦合光栅121、扩展光栅122以及输出耦合光栅123。
在由两种以上的材料的混合物形成衍射层12时，也可以通过共溅射成膜使折射率色散即折射率的波长依赖性与导光基板11一致的膜。衍射层12可以通过蚀刻形成，也可以通过剥离形成。作为衍射层12，也可以在玻璃基板、单晶基板等直接雕刻衍射光栅。该情况下，能够由高折射率材料一体形成导光基板11和衍射层12。在将导光元件10应用于图3的显示装置100的情况下，将导光基板11加工成适合目镜的大小、厚度以及形状。通过单层的导光基板11能够进行高FOV的RGB导光，因此作为目镜使用的情况也较薄、轻型。
＜导光元件的特性＞
图8表示实施例和比较例的光栅形状和光学特性。光栅形状包括光栅图案的种类和x方向及y方向的光栅间距。作为光学特性，示出λ1、λ2以及λ3的具体的波长、λ3中的导光基板11的折射率、输入像的x方向和y方向的纵横比以及对角FOV。对角FOV的正切(tangent)、水平FOV的正切以及垂直FOV的正切的关系由投影像的纵横比的对角、x方向以及y方向的关系表示。例如，若考虑投影4∶3的纵横比的像，则对角FOV、水平FOV以及垂直FOV各自的正切比通过√(4＾2+3＾2)，成为5∶4∶3。如图7的(B)那样，在利用向±1次方向的衍射的结构中，注释为“±1次利用”。
通过实施例和比较例，作为共用的参数，λ1为450nm，λ2为532nm，λ3为633nm。输入像的纵横比为16∶9。衍射层12在λ1、λ2、λ3中由折射率比导光基板11高的无机膜形成，或者直接在导光基板11形成光栅。在这些情况下，全反射导光的可否由导光基板11的折射率决定，因此在视角的讨论中不需要考虑衍射层12的折射率。
实施例1
实施例1在输入耦合光栅121中使用线和空间(在图8中表记为“L和S”)图案，在输出耦合光栅123中使用单位光栅成为长方光栅的二维衍射光栅。输入耦合光栅121的x方向的光栅间距为310nm。输出耦合光栅123的x方向的间距为310nm，y方向的间距为355nm。作为导光基板11，使用Bi2O3－B2O3－TeO2－P2O5－Nb2O5－ZnO玻璃基板。具体的组成(摩尔％)如以下所示，即Bi2O3∶37.6B2O3∶26.5TeO2∶18.5P2O5∶10.5Nb2O5∶1.6ZnO∶5.3。
实施例1的导光基板11对λ3的折射率为2.08。波长越短，感受到波的折射率越大，因此对d线(波长587.56nm)上的折射率比2.08大。实施例1的λ2中的对角FOV大于70°，λ1、λ2以及λ3的全部中的波导最大FOV大于55°。
实施例2
在实施例2中，在输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的双方中使用单位光栅为长方光栅的二维衍射光栅，利用±1次方向的衍射。在输入耦合光栅121和输出耦合光栅123各自中，x方向的光栅间距为310nm，y方向的间距为355nm。作为导光基板11，使用与实施例1相同的组成的Bi2O3－B2O3－TeO2－P2O5－Nb2O5－ZnO玻璃基板。该导光基板11对λ3的折射率为2.08。实施例2的λ2中的对角FOV大于70°，λ1、λ2以及λ3的全部中的波导最大FOV大于55°。
实施例3
在实施例3中，在输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的双方使用线和空间图案。输入耦合光栅121的x方向的间距为270nm，输出耦合光栅123的y方向的间距为300nm。作为导光基板11，使用SiC的单晶基板。该SiC基板对λ3的折射率为2.63。实施例3的λ2中的对角FOV大于100°，λ1、λ2以及λ3的全部中的波导最大FOV大于65°。通过使用折射率大的导光基板11，能够在使用线和空间衍射光栅的同时实现高FOV。
实施例4
在实施例4中，在输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的双方使用单位光栅为长方光栅的二维衍射光栅。输入耦合光栅121的x方向的间距为270nm，y方向的间距为310nm。输出耦合光栅123的x方向的间距为300nm，y方向的间距为310nm。作为导光基板11，与实施例3相同，使用SiC的单晶基板。SiC基板对λ3的折射率为2.63。实施例4的λ2中的对角FOV大于110°，λ1、λ2以及λ3的全部中的波导最大FOV大于85°。在实施例4中，使用高折射率的导光基板11，并且对输入耦合光栅121和输出耦合光栅123使用单位光栅为长方光栅的二维衍射光栅，从而能够实现高FOV。
＜比较例1＞
在比较例1中，使用与实施例1及2相同的导光基板11(对λ3的折射率为2.08)，但对输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的双方使用单位光栅为正方光栅的二维衍射光栅。在输入耦合光栅121和输出耦合光栅123各自中，x方向以及y方向的光栅间距为310nm。在该情况下，也利用±1次方向的衍射。在比较例1中，λ2中的对角FOV小于70°，λ1、λ2以及λ3的全部中的波导最大FOV小于55°。虽然使用与实施例1以及实施例2相同的高折射率的导光基板11，但是对纵横比为16∶9的输入像使用单位光栅为正方光栅的二维衍射光栅，从而与实施例1～3相比，对角FOV变小。
＜比较例2＞
在比较例2中，将专利文献3所记载的无铅、无砷的光学玻璃用作导光基板。该光学玻璃的组成(摩尔％)如以下所示，即GeO3∶30.9Bi2O3∶25.0B2O3∶15.9ZnO∶10.0SiO2∶8.0Li2O∶5.0BaO∶5.0Sb2O3∶0.1
比较例2的光学玻璃基板对λ3的折射率为1.99，对d线的折射率nd成为1.91≤nd≤2.05的范围。对输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的双方使用单位光栅为长方光栅的二维衍射光栅，利用±1次方向的衍射。输入耦合光栅121的x方向的间距为310nm，y方向的间距为360nm。输出耦合光栅123的x方向的间距为310nm，y方向的间距为370nm。在比较例2中，λ2中的对角FOV超过70°，但λ1、λ2以及λ3的全部中的波导最大FOV小于55°。对输入耦合光栅121和输出耦合光栅123中使用长方光栅，利用±1次方向的衍射，但由于导光基板11对λ3的折射率为1.99，对于RGB的全色无法实现高的FOV。
＜比较例3＞
在比较例3中，使用与比较例2相同的光学玻璃基板。光学玻璃基板对λ3的折射率为1.99，对d线的折射率nd为1.91～2.05(1.91≤nd≤2.05)。在比较例3中，在输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的双方使用线和空间图案。输入耦合光栅121的x方向的间距为360nm，输出耦合光栅123的y方向的间距为360nm。在比较例3中，λ2中的对角FOV小于60°，λ1、λ2以及λ3的全部中的波导最大FOV小于35°。在使用对d线上的折射率nd为2.05以下的导光基板11，并且在输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的双方使用线和空间图案的情况下，无法实现显示装置100所要求的FOV值。
根据图8的结果，优选导光基板对d线上的折射率nd大于2.05。通过使用折射率nd大于2.05的导光基板11，对输入耦合光栅121和输出耦合光栅123使用线和空间图案的情况下也能够实现高FOV。
图9表示导光基板11所使用的晶体材料的一个例子。在导光基板11使用单晶基板的情况下，能够使用TiO2、SrTiO3、KTaO3、LiNbO3、SiC、金刚石等。与这些材料的晶体结构一起示出光学各向异性的有无、d线上的常光折射率nоο、d线上的异常光折射率ne、比重(g/cm3)、莫氏硬度、吸收端波长。
SrTiO3、KTaO3以及金刚石在光学上具有各向同性。TiO2、LiNbO3、SiC是单轴性，表示双折射性，但相对于法线的光轴的方向在±4°以内，在实像的透过像的视觉确认中，由双折射引起的双重像产生导致的分辨率的降低对FOV没有太大影响。无论哪种晶体，吸收端都处于紫外区域，使可见光透过。
图10表示实施例和比较例的导光基板和衍射层的折射率差。在450nm(λ1)、532nm(λ2)、633nm(λ3)的各波长中，示出导光基板11的折射率、衍射层12的折射率以及导光基板11与衍射层12的折射率差。对各波长的折射率假定正常色散，根据d线上的折射率nd和d线上的阿贝数νd来计算。
实施例5
在实施例5中，对衍射层12使用Ta2O5。导光基板11是在实施例1以及实施例2中使用的Bi2O3－B2O3－TeO2－P2O5－Nb2O5－ZnO玻璃基板。在各波长中，衍射层12的折射率比导光基板11的折射率高。折射率差在波长450nm中为0.08，在波长532nm中为0.04，在波长633nm中为0.02，均为0.1以下。
实施例6
在实施例6中，对衍射层12使用ZrO2。导光基板11是在实施例1以及实施例2中使用的Bi2O3－B2O3－TeO2－P2O5－Nb2O5－ZnO玻璃基板。在各波长中，衍射层12的折射率比导光基板11的折射率高。折射率差在波长450nm中为0.05，在波长532nm中为0.06，在波长633nm中为0.08，均为0.1以下。
实施例7
在实施例7中，对衍射层12使用Ta2O5。导光基板11是Bi2O3－TiO2－Nb2O5－WO3－B2O3－P2O5－SiO2－BaO基板。导光基板11的具体的组成(摩尔％)如以下所示，即Bi2O3∶21.0TiO2∶18.5Nb2O5∶16.5P2O5∶22.6WO3∶14.5B2O3∶2.8BaO∶2.8SiO2∶1.6在各波长中，衍射层12的折射率比导光基板11的折射率高。折射率差在波长450nm中为0.05，在波长532nm中为0.02，在波长633nm中为0.01，均为0.1以下。
实施例8
在实施例8中，对衍射层12使用ZrO2。导光基板11是在实施例7中使用的Bi2O3－TiO2－Nb2O5－WO3－B2O3－P2O5－SiO2－BaO基板，组成也相同。在各波长中，衍射层12的折射率比导光基板11的折射率高。折射率差在波长450nm中为0.02，在波长532nm中为0.04，在波长633nm中为0.06，均为0.1以下。
实施例9
在实施例9中，对衍射层12使用TiO2，导光基板11使用LiNbO3的单晶基板。在各波长中，衍射层12的折射率比导光基板11的折射率高。折射率差在波长450nm中为0.07，在波长532nm中为0.03，在波长633nm中为0.01，均为0.1以下。
实施例10
在实施例10中，对衍射层12使用Nb2O5。导光基板11是与实施例9相同的LiNbO3的单晶基板。在各波长中，衍射层12的折射率比导光基板11的折射率高。折射率差在波长450nm中为0.07，在波长532nm中为0.05，在波长633nm中为0.03，均为0.1以下。
＜比较例4＞
在比较例4中，对衍射层12使用Ta2O5。导光基板11是在比较例2以及比较例3中使用的专利文献3的无铅、无砷的光学玻璃基板。在该组合中，衍射层12的折射率高，导光基板11对各波长折射率为2.05以下，折射率差变大。折射率差在波长450nm中为0.18，在波长532nm中为0.14，在波长633nm中为0.11，均超过0.1。
＜比较例5＞
在比较例5中，对衍射层12使用ZrO2。导光基板11与比较例4相同，是专利文献3的无铅、无砷的光学玻璃基板。在该组合中，衍射层12的折射率也高，导光基板11对各波长的折射率为2.05以下，折射率差变大。折射率差在波长450nm中为0.15，在波长532nm中为0.16，在波长633nm中为0.16，均超过0.1。
在衍射层12的折射率比导光基板11低的情况下，由衍射层12的折射率与导光基板11的折射率之间的折射率规定的数值孔径(NA＝n×sinθ)的光不能从导光基板11向衍射层12射出，不衍射。因此，在λ3中衍射层12的折射率需要比导光基板11的折射率大。另一方面，若衍射层12的折射率与导光基板11的折射率之差Δn大，则界面上的反射变大，输出耦合光栅123中的取出效率降低。因此，在λ1、λ2、λ3的各波长中，优选衍射层12的折射率与导光基板11的折射率之差为0.1以下(Δn≤0.1)。特别是，在导光基板11内以大的反射角进行全反射波导的λ3的波长中，由于界面反射的影响变大，因此优选Δn小于0.1。在λ3中，更优选Δn小于0.05，进一步优选小于0.03。另外，若将λ1、λ2、λ3各自的折射率差设为Δnλ1、Δnλ2、Δnλ3，则Δnλ1≥Δnλ2≥Δnλ3的情况在全波长中容易减少界面反射的影响。另外，即使在λ1、λ2中衍射层12的折射率比导光基板11的折射率低的情况下也能够全反射导光所希望的FOV的情况较多，也可以选择与导光基板11相比低色散、与λ3相比短波长、且导光基板11和衍射层12的折射率一致那样的材料的组合。
图11表示衍射层12中使用的材料的特性。如上述那样，为了使光向导光基板11的外部输出耦合，将衍射层12的折射率设为导光基板11的折射率以上。作为衍射层12的材料，例如，能够使用ZrO2、Ta2O5、Nb2O5、TeO2、MoO3、TiO2、WO3等。除此以外，根据导光基板11的材料，也能够使用HfO2、SiN、SiON、SnO、ITO、Al2O3、Y2O3、AlN、MgO等的高折射率材料。
对各波长的折射率与图10同样，根据d线中的折射率nd和d线中的阿贝数νd来计算。阿贝数越大，色像差越被减少。在图11的例子中，任何材料的折射率nd都大于2.10。在使用折射率nd超过2.05的导光基板11时，根据导光基板11的折射率，能够选择衍射层12的材料。
＜FOV的设计＞
图12～图14是说明NA图表和FOV的设计的图。图12的(A)是将横轴作为x方向的数值孔径NAx、将纵轴作为y方向的数值孔径Nay的NA图表。内侧的圆与外侧的圆之间的环状的区域是光能够通过全反射在导光基板11内传播的区域。内侧的圆表示以临界角的NA，外侧的圆表示以最大传播角的NA。
图12的(B)表示导光基板11内的传播状态。数值孔径NA由n×sinθ表示。将全反射传播的光向界面的入射角设为θprop。将在界面上开始发生全反射的临界角设为θc。NA图表的内侧的圆是θprop＝θc时的NA。若将此时的数值孔径NA设为1(NA＝1)，则内侧的圆成为半径1的圆。
在外侧的圆中，θprop为90°(θprop＝90°)。外侧的圆的半径由导光基板11的折射率n决定。因此，使用折射率越高的导光基板11，外侧的圆越宽，能够全反射波导的角度范围越大。
在图13的(A)中，NA图表的中心的黑圆点是向输入耦合光栅121入射的光的数值孔径NA(或者入射角)。从黑圆点向右方延伸的箭头的终点的白圆点表示在输出耦合光栅123处出射的光的NA。黑圆点与白圆点之间的箭头表示因衍射而变化的NA。进行全反射导光而从输出耦合光栅123出射的光的衍射次数为1次(m＝1)。
若参照图13的(B)，从由衍射层12降下的法线观察将右侧设为正的NA，将左侧设为负的NA。正的NA与负的NA之间的角度区域为FOV。在实施方式的导光元件10中，FOV对λ1、λ2、λ3的任何都是55°以上。若将衍射光栅的间距设为Λ、将波长设为λ、将衍射次数设为m，则向输入耦合光栅121的入射角和从输出耦合光栅123的出射角成为
nin×sinθin+mλ/Λ＝nout×sinθout
这样的关系。
图14表示使入射FOV和出射FOV一致的设计。图14的(A)的NA图表的中心的长方形是与入射FOV对应的NA区域。长方形的横边与x方向的FOV(FOVx)对应，纵边与y方向的FOV(FOVy)对应。严格来说，长方形形状的视场的像在NA图表上成为与上述的长方形内接的桶型，但为了方便起见，以长方形显示代替。对角FOV与该长方形的对角上的FOV对应。使以该FOV入射的光以满足环状的全反射传播区域T的方式多次衍射并导光，并返回到原来的位置。
若参照图14的(B)，则在图14的(A)的中央的NA区域入射的光通过输入耦合光栅121向导光基板11内耦合，通过扩展光栅212转换方向，在导光基板11内全反射并向输出耦合光栅123传播。全反射传播光利用输出耦合光栅123以与入射FOV相同的出射FOV出射。
图15是说明±1次的衍射波导方向和可视性的图。如图14那样，在设为使入射FOV和出射FOV一致的结构的情况下，在图15的(A)中，将与正(+)侧的FOV对应的入射角的光向与行进方向相反的方向输入耦合。全反射传播的光通过输出耦合光栅23以与入射角相同的角度出射时，光向用户的眼睛20的方向出射。同样地，将与负(-)侧的FOV对应的入射角的光向与行进方向相反的方向输入耦合。通过输出耦合光栅以与入射角相同的角度出射的光朝向用户的眼睛20的方向，像的可视性良好。
与此相对，在图15的(B)中，若正(+)侧的入射FOV向行进方向输入耦合，则通过输出耦合光栅123出射的光偏离用户的眼睛20。负(-)侧的FOV也发生同样的情况，像的可视性变差。因此，在设为使入射FOV和出射FOV一致的设计的情况下，设计输入耦合光栅121和输出耦合光栅123，以使得光在像的可视性最好的方向上衍射。
图16说明利用向±1次方向的衍射而产生的FOV的扩展效果。在该例中，以向+x方向和－x方向的衍射为例。在NA图表中，用粗线表示正侧的FOV，用细线表示负侧的FOV。实线是R光的FOV，点划线是G光的FOV，虚线是B光的FOV。
正侧FOV的RGB的全部在NA图表的左侧的全反射传播区域T进行波导。负侧FOV的RGB的全部在NA图表的右侧的全反射传播区域T进行波导。由于存在能够对RGB的全FOV进行波导的方向，因此抑制光晕的产生。利用向±1次方向的衍射，得到FOV的扩展效果。例如，通过使用对λ3的折射率为2.08的导光基板，在RGB所包含的λ1、λ2、λ3的任何中都能够实现55°以上的对角FOV。
图17是对将输入耦合光栅设为以矩形光栅作为单位光栅的二维衍射光栅的效果进行说明的图。在图17的(A)中，若使用线和空间型的一维图案的输入耦合光栅121a，则向图的左侧衍射的正侧FOV的光朝向输出耦合光栅123b的左侧进行导光，向图的右侧衍射的负侧FOV的光朝向输出耦合光栅123b的右侧进行导光。在输出耦合光栅123b为将单位光栅设为矩形光栅的二维衍射光栅的情况下，存在向输出耦合光栅123b的上下左右方向的衍射，光在输出耦合光栅123b中进行二维衍射导光。但是，朝向输出耦合光栅123b的中央的光有时未由输入耦合光栅121a中进行输入耦合，作为结果，可能在输出耦合光栅123b的中央部分存在导光不充分的情况。
在图17的(B)中，通过使用将单位光栅设为长方光栅那样的二维衍射光栅的输入耦合光栅121b，从而产生从输入耦合光栅121b向输出耦合光栅123b方向进行衍射导光的光，包括正侧FOV和负侧FOV的全FOV在导光基板的中央部分进行波导。从输出耦合光栅123b出射的光像的光量均匀化，可视性提高。通过将二维衍射光栅设为闪耀衍射光栅，从而能够选择性地提高向123b侧衍射的衍射效率，因此能够提高入射光的利用效率。
图18A是对使用将单位光栅作为长方光栅的二维衍射光栅的效果进行说明的图。x方向的光栅间距为310nm，y方向的光栅间距为355nm。NA图表的中央的入射FOV中的右侧是正侧FOV，左侧是负侧FOV。正侧FOV在NA图表的左侧，RGB的全部收纳在全反射传播区域T中进行传播。负侧FOV在NA图表的右侧，RGB的全部收纳在全反射传播区域T中进行传播。即使在+y方向和－y方向上，RGB的全部的波长也处于全反射传播区域T中，不产生光晕。使用对λ3的折射率为2.08的单层的导光基板11，在所有RGB中以55°以上的对角FOV为目标。
图18B和图18C表示使用将单位光栅作为正方光栅的二维衍射光栅时的FOV导光。在图18B中，x方向和y方向的光栅间距为310nm，在图18C中，x方向和y方向的光栅间距为355nm。在图18B中，在NA图表的y方向的上下，R光未充分全反射导光，产生光晕(V)。在图18C中，在NA图表的x方向，在正侧FOV和负侧FOV的双方，B光未充分全反射导光，产生光晕(V)。如图18A那样，使用将单位光栅作为长方光栅的二维衍射光栅，从而抑制光晕的产生，能够维持彩色图像的质量。
根据这些内容，在投影如下条件，即：
将对角FOV设为FOVdiag
将水平方向+侧FOV设为FOVx+(符号为正)
将水平方向－侧FOV设为FOVx－(符号为负)
将垂直方向+侧FOV将为FOVy+(符号为正)
将垂直方向－侧FOV将为FOVy－(符号为负)
所投影的像的纵横比为Ax∶Ay的影像的情况下，在将导光基板11对λ3的折射率设为n_λ3时，至少输出耦合光栅是将长方光栅作为单位光栅的二维衍射光栅，在为x方向、y方向各自的间距Λx、Λy满足以下的式子的长方光栅的情况下，能够设计在RGB中FOV55°以上且可视性也良好的光学元件。
1≤λ1/Λx－sin(FOVx－)
(λ3/Λx)2+sin(FOVy+)2≤(n_λ3)2
(λ3/Λx)2+sin(FOVy－)2≤(n_λ3)2 (1)
1≤λ1/Λx－sin(FOVx+)
(λ3/Λx)2+sin(FOVy+)2≤(n_λ3)2
(λ3/Λx)2+sin(FOVy－)2≤(n_λ3)2 (2)
1≤λ1/Λy－sin(FOVy+)
λ3/Λy+sin(FOVy－)≤(n_λ3)
(λ3/Λy+sin(FOVy－))2+sin(FOVx+)2≤(n_λ3)2
(λ3/Λy+sin(FOVy－))2+sin(FOVx－)2≤(n_λ3)2 (3)
tan(((FOVx+)+(FOVx－))/2)
＝Ax/(Ax2+Ay2)1/2·tan(FOVdiag/2) (4)
tan(((FOVy+)+(FOVy－))/2)
＝Ay/(Ax2+Ay2)1/2·tan(FOVdiag/2) (5)
FOVdiag≥55° (6)
＜实施例1的FOV特性＞
图19A表示实施例1的RGB导光的特性和衍射像，图19B表示实施例1的G导光的特性和衍射像。实施例1的衍射光栅的种类及间距、导光基板11对各波长的折射率如图8所示那样。在图19A的RGB导光中，入射光的对角FOV为55°，视场率为0.5，入射像的纵横比为16∶9。x方向的半角为24.4°，y方向的半角为14.3°。
图19A的NA图表是向输入耦合光栅121(图中，表记为“第一光栅”)垂直入射RGB光时的衍射像、向输出耦合光栅123(图中，表记为“第二光栅”)垂直入射RGB光时的衍射像。第一光栅是线和空间图案的一维衍射光栅，第二光栅是将单位光栅设为长方光栅的二维衍射光栅。在第一光栅的衍射像中，正侧FOV全部向左侧的全反射传播区域内衍射，负侧FOV全部向右侧的全反射传播区域内衍射。
在第二光栅的衍射像中，在±x方向、±y方向上，全部RGB向全反射传播区域内衍射。输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的光栅间距被设定为实现该NA图表所示的衍射的间距。通过该光栅设计，使用单层的导光基板11，能够再现对角FOV为55°且没有光晕的RGB影像。
在图19B的G导光中，入射光的对角FOV为70°，视场率为0.7，入射像的纵横比为16∶9。x方向的半角为31.4°，y方向的半角为18.9°。
图19B的NA图表是向输入耦合光栅121(图中，表记为“第一光栅”)垂直入射G光时的衍射像、向输出耦合光栅123(图中，表记为“第二光栅”)垂直入射G光时的衍射像。在线和空间型的第一光栅的衍射像中，正侧FOV全部向左侧的全反射传播区域内衍射(粗的点划线的四边形)，负侧FOV全部向右侧的全反射传播区域内衍射(细的点划线的四边形)。
在将单位光栅设为长方光栅的二维衍射光栅的第二光栅的衍射像中，在±x方向、±y方向上，G光向全反射传播区域内衍射。在该光栅结构中使用单层的导光基板11，能够在G光中扩展FOV。但是，即使以70°的对角FOV向第二光栅垂直入射R光、或者B光，也不一定在±x方向和±y方向的双方实现全反射导光。
＜实施例2的FOV特性＞
图20A表示实施例2的RGB导光的特性和衍射像，图20B表示实施例2的G导光的特性和衍射像。实施例2的衍射光栅的种类及间距、导光基板11对各波长的折射率如图8所示那样。在图20A的RGB导光中，入射光的对角FOV为55°，视场率为0.5，入射像的纵横比为16∶9。x方向的半角为24.4°，y方向的半角为14.3°。
图20A的NA图表是向输入耦合光栅121(图中，表记为“第一光栅”)垂直入射RGB光时的衍射像、向输出耦合光栅123(图中，表记为“第二光栅”)垂直入射RGB光时的衍射像。第一光栅、第二光栅均是将单位光栅设为长方光栅的二维衍射光栅。
在第一光栅的衍射像中，在x轴方向上，正侧FOV全部向左侧的全反射传播区域内衍射，负侧FOV全部向右侧的全反射传播区域内衍射。在y轴方向上，RGB全部的FOV向全反射传播区域内衍射。在第二光栅的衍射像中，也在±x方向、±y方向上，全部RGB向全反射传播区域内衍射。输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的光栅间距被设定为实现该NA图表的衍射的间距。通过该光栅设计，使用单层的导光基板11，能够再现对角FOV为55°且没有光晕的RGB影像。
在图20B的G导光中，入射光的对角FOV为70°，视场率为0.7，入射像的纵横比为16∶9。x方向的半角为31.4°，y方向的半角为18.9°。
图20B的NA图表是向输入耦合光栅121(图中，表记为“第一光栅”)垂直入射G光时的衍射像、向输出耦合光栅123(图中，表记为“第二光栅”)垂直入射G光时的衍射像。在单位光栅为长方光栅的第一光栅的衍射像中，在±x方向、±y方向的每个方向上，G向全反射传播区域内衍射。
在单位光栅为长方光栅的第二光栅的衍射像中，也在±x方向和±y方向上，G光向全反射传播区域内衍射。使用单层的导光基板11，能够在G光中扩展FOV。但是，即使以70°的对角FOV向第二光栅垂直入射R光、或者B光，也不一定在±x方向和±y方向的双方实现全反射导光。
＜实施例3的FOV特性＞
图21A表示实施例3的RGB导光的特性和衍射像，图21B表示实施例3的G导光的特性和衍射像。实施例1的衍射光栅的种类及间距、导光基板11对各波长的折射率如图8所示那样。在图21A的RGB导光中，入射光的对角FOV为65°，视场率为0.6，入射像的纵横比为16∶9。x方向的半角为29.0°，y方向的半角为17.3°。
图21A的NA图表是向输入耦合光栅121(图中，表记为“第一光栅”)垂直入射RGB光时的衍射像、向输出耦合光栅123(图中，表记为“第二光栅”)垂直入射RGB光时的衍射像。第一光栅、第二光栅均是线和空间图案的一维衍射光栅，光栅图案延伸的方向在第一光栅和第二光栅中正交。
在第一光栅的衍射像中，在全部RGB中，入射FOV在+x方向和－x方向上向全反射传播区域内衍射。在第二光栅的衍射像中，在全部RGB中，入射FOV在+y方向和－y方向上向全反射传播区域内衍射。输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的光栅间距被设定为实现该NA图表的衍射的间距。使用单层的导光基板11和线和空间的一维衍射光栅，能够再现对角FOV65°且没有光晕的RGB影像。
在图21B的G导光中，入射光的对角FOV为100°，视场率为1.2，入射像的纵横比为16∶9。x方向的半角为46.1°，y方向的半角为30.3°。
图21B的NA图表是向输入耦合光栅121(图中，表记为“第一光栅”)垂直入射G光时的衍射像、向输出耦合光栅123(图中，表记为“第二光栅”)垂直入射G光时的衍射像。在线和空间型的第一光栅的衍射像中，正侧FOV和负侧FOV的双方在±x方向上向全反射传播区域内衍射。在第二光栅的衍射像中，正侧FOV和负侧FOV的双方在±y方向上向全反射传播区域内衍射。使用单层的导光基板11，能够在G光中将对角FOV扩展至100°。但是，即使以100°的对角FOV向第二光栅垂直入射R光、或者B光，也不一定在±x方向和±y方向的双方实现全反射导光。
＜实施例4的FOV特性＞
图22A表示实施例4的RGB导光的特性和衍射像，图22B表示实施例4的G导光的特性和衍射像。实施例4的衍射光栅的种类及间距、导光基板11对各波长的折射率如图8所示那样。在图22A的RGB导光中，入射光的对角FOV为85°，视场率为0.9，入射像的纵横比为16∶9。x方向的半角为38.6°，y方向的半角为24.2°。
图22A的NA图表是向输入耦合光栅121(图中，表记为“第一光栅”)垂直入射RGB光时的衍射像、向输出耦合光栅123(图中，表记为“第二光栅”)垂直入射RGB光时的衍射像。第一光栅、第二光栅均是将单位光栅设为长方光栅的二维衍射光栅。在第一光栅的衍射像中，在x轴方向上，正侧FOV全部向左侧的全反射传播区域内衍射，负侧FOV全部向右侧的全反射传播区域内衍射。在y轴方向上，RGB全部的FOV向全反射传播区域内衍射。
在第二光栅的衍射像中，也在±x方向、±y方向上，全部RGB向全反射传播区域内衍射。输入耦合光栅121和输出耦合光栅123的光栅间距被设定为实现该NA图表的衍射的间距。通过该光栅设计，使用单层的导光基板11，能够再现对角FOV85°且没有光晕的RGB影像。
在图22B的G导光中，入射光的对角FOV为110°，视场率为1.4，入射像的纵横比为16∶9。x方向的半角为51.2°，y方向的半角为35.0°。
图22B的NA图表是向输入耦合光栅121(图中，表记为“第一光栅”)垂直入射G光时的衍射像、向输出耦合光栅123(图中，表记为“第二光栅”)垂直入射G光时的衍射像。在长方光栅的第一光栅的衍射像中，在±x方向、±y方向的每个方向上，G向全反射传播区域内衍射。
在将单位光栅设为长方光栅的二维衍射光栅的第二光栅的衍射像中，也在±x方向、±y方向上，G光向全反射传播区域内衍射。使用单层的导光基板11，至少在G光中能够将对角FOV扩展至110°。但是，即使以110°的对角FOV向第一光栅或者第二光栅垂直入射R光、或者B光，也不一定在±x方向和±y方向的双方实现全反射导光。
以上，基于特定的结构例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述的结构例。也可以使使用了导光元件10的显示装置100与智能手机、笔记本电脑(PC)等联动。也可以将智能手机、笔记本型PC的显示画面设定为对角FOV为55°的作业视场，在作业视场的周围，设定对角FOV为70°以上的间接视场。在该情况下，也可以在间接视场中，在不妨碍日常动作的范围内显示简单的单色图像、信息。
本申请基于在2021年5月7日申请的日本专利申请第2021-079180号，主张其优先权，包含该日本专利申请的全部内容。
附图标记说明
10…导光元件；11…导光基板；12…衍射层；121、121a、121b…输入耦合光栅(第一衍射光栅)；122…扩展光栅；123、123a、123b…输出耦合光栅(第二衍射光栅)；100…显示装置；110…投影仪；120…支承体。

Claims (15)

1.一种导光元件，具有：
单层的导光基板；和
衍射层，形成于所述导光基板，
所述衍射层具有：将入射到所述导光基板的入射光向所述导光基板内输入耦合的第一衍射光栅；和将在所述导光基板中传播的全反射光向所述导光基板外输出耦合的第二衍射光栅，
在450nm±20nm带所包含的第一波长、530nm±20nm带所包含的第二波长、以及630nm±20nm带所包含的第三波长的至少一个波长中，所述第一衍射光栅在包含所述导光基板的法线方向的60°以上的角度范围内将所述入射光输入耦合，
在所述至少一个波长中，所述第二衍射光栅在包含所述法线方向的60°以上的角度范围内将所述全反射光输出耦合。
2.根据权利要求1所述的导光元件，其中，
在所述第一波长、所述第二波长以及所述第三波长的任何波长中，所述第一衍射光栅都在包含所述法线方向的55°以上的共同的角度范围内将所述入射光输入耦合，
在所述第一波长、所述第二波长以及所述第三波长的任何波长中，所述第二衍射光栅都在包含所述法线方向的55°以上的共同的角度范围内将所述全反射光输出耦合。
3.根据权利要求1或2所述的导光元件，其中，
波长为450nm的光对每10mm厚度的所述导光基板的内部透过率为95％以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的导光元件，其中，
所述导光基板是各向同性的单晶基板，或者是光轴在所述导光基板的法线方向的±4°以内的单轴性晶体基板。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的导光元件，其中，
所述导光基板对d线上的折射率大于2.05。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的导光元件，其中，
所述导光基板的组成是：以氧化物基准的摩尔％将母组成的合计设为100％时，Bi2O3的含量为20％～50％、TeO2的含量为10％～35％的(1)Bi2O3－TeO2系玻璃，或者La2O3的含量为10％～40％、B2O3的含量为10％～35％的(2)La2O3－B2O3系玻璃。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的导光元件，其中，
所述导光基板包含20％以上Bi2O3，包含55mol％以上Bi2O3－TeO2－Nb2O5－TiO2－Ta2O5－WO3。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的导光元件，其中，
所述导光基板是TiO2、SrTiO3、KTaO3、LiNbO3、SiC或者金刚石的基板。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的导光元件，其中，
所述衍射层由ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TeO2、MoO3、WO3、TiO2、SiN、SiON、SnO、ITO、Al2O3、Y2O3、AlN、MgO或者这些中的两个以上的混合物形成。
10.根据权利要求9所述的导光元件，其中，
所述衍射层对所述第三波长的光的折射率大于所述导光基板对所述第三波长的光的折射率，所述衍射层与所述导光基板对所述第三波长的光的折射率差为0.1以下。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的导光元件，其中，
所述第二衍射光栅是将单位光栅设为长方光栅的二维衍射光栅，在从所述导光基板向所述第二衍射光栅垂直入射所述第一波长、所述第二波长以及所述第三波长的光时，具有(±1，0)次或者(0，±1)次的衍射光在任何波长中都在所述导光基板内进行全反射导光的光栅间距。
12.根据权利要求1～10中任一项所述的导光元件，其中，
所述第二衍射光栅是将单位光栅设为长方光栅的二维衍射光栅，在从所述导光基板向所述第二衍射光栅垂直入射所述第一波长、所述第二波长、所述第三波长的任一波长的光时，具有(±1，±1)次的衍射光在所述导光基板内进行全反射导光的光栅间距。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的导光元件，其中，
所述第一衍射光栅是将单位光栅设为长方光栅的二维衍射光栅，在从所述导光基板向所述第一衍射光栅垂直入射所述第一波长、所述第二波长以及所述第三波长的光时，具有(±1，0)次的衍射光或者(0，±1)次的衍射光在任何波长中都在所述导光基板内进行全反射导光的光栅间距。
14.根据权利要求1～12中任一项所述的导光元件，其中，
所述第一衍射光栅是将单位光栅设为长方光栅的二维衍射光栅，在从所述导光基板向所述第一衍射光栅垂直入射所述第一波长、所述第二波长、所述第三波长的任一波长的光时，具有(±1，±1)次的衍射光在所述导光基板内进行全反射导光的光栅间距。
15.一种显示装置，具备：
权利要求1～14中任一项所记载的导光元件；和
投影仪，
从所述投影仪投射的光入射到所述导光元件，并从所述第二衍射光栅出射。
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