JP2015105990A - Optical device and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導光板と回折光学素子とを備えた光学デバイス、および当該光学デバイスを備える電子機器に関する。 The present invention relates to an optical device including a light guide plate and a diffractive optical element, and an electronic apparatus including the optical device.
ヘッド・マウント・ディスプレイを薄型化する光学系では、一例として、導光板と、導光板への光の入力および導光板からの光の出力を行う回折光学素子とが用いられる(例えば、特許文献1及び特許文献2)。 In an optical system for reducing the thickness of a head-mounted display, for example, a light guide plate and a diffractive optical element that inputs light to the light guide plate and outputs light from the light guide plate are used (for example, Patent Document 1). And Patent Document 2).
特許文献1および特許文献2では、広い視野に亘って虚像を観察するために、導光板の屈折率、回折格子のピッチ、虚像表示に用いる波長範囲についての検討が行われている。 In Patent Document 1 and Patent Document 2, in order to observe a virtual image over a wide field of view, studies are made on the refractive index of the light guide plate, the pitch of the diffraction grating, and the wavelength range used for virtual image display.
しかしながら、特許文献1および特許文献2では、広い視野に亘って回折効率を高く維持する構成については検討が行われておらず、記載もされていない。 However, in Patent Document 1 and Patent Document 2, a configuration for maintaining high diffraction efficiency over a wide field of view is not studied and is not described.
一方、画像表示装置ではないが、特許文献3には、基板の屈折率より回折格子の屈折率を高くする構成について開示されている。 On the other hand, although not an image display device, Patent Document 3 discloses a configuration in which the refractive index of the diffraction grating is made higher than the refractive index of the substrate.
しかしながら、特許文献3の構成では、回折格子構造の底部には、回折格子と同じ屈折率の導光部が配置される構成となっており、この構成では、導光板と同じ屈折率の回折格子が配置されている場合と等価であり、導光板に効率良く回折光を入力させることはできない。 However, in the configuration of Patent Document 3, a light guide unit having the same refractive index as that of the diffraction grating is arranged at the bottom of the diffraction grating structure. In this configuration, the diffraction grating having the same refractive index as that of the light guide plate is used. This is equivalent to the case where is arranged, and diffracted light cannot be efficiently input to the light guide plate.
そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、広い視野範囲に亘って回折効率を高くすることができ、大きなサイズの虚像を観察できる光学デバイスおよび電子機器を提供することを解決課題とする。 In view of the above-described circumstances, it is an object of the present invention to provide an optical device and an electronic apparatus that can increase diffraction efficiency over a wide visual field range and can observe a large virtual image. .
上記課題を解決するために、本発明に係る光学デバイスの一態様は、導光体と、前記導光体の一方の面に沿った第1方向に延在する複数の凸部が、前記第1方向と交差する第2方向に沿って互いに離間して配列された第1回折光学素子とを有し、前記第1回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、前記導光体の屈折率よりも高いことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, an aspect of the optical device according to the present invention includes a light guide and a plurality of protrusions extending in a first direction along one surface of the light guide. A first diffractive optical element arranged apart from each other along a second direction intersecting with one direction, and the refractive index of each of the plurality of convex portions of the first diffractive optical element is the light guide It is characterized by being higher than the refractive index.
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様によれば、第1回折光学素子が入射側にある場合には、第1回折光学素子に入射した光は、第1回折光学素子によって回折されて、導光体に導入される。この際、第1回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、導光体の屈折率よりも高いので、回折光は導光板に効率よく導入されることになる。また、第1回折光学素子が出射側にある場合には、導光体に効率良く導入された回折光を、第1回折光学素子により効率良く取り出すことができる。 According to the aspect of the optical device according to the present invention described above, when the first diffractive optical element is on the incident side, the light incident on the first diffractive optical element is diffracted by the first diffractive optical element, Introduced into the light guide. At this time, since the refractive index of each of the plurality of convex portions of the first diffractive optical element is higher than the refractive index of the light guide, the diffracted light is efficiently introduced into the light guide plate. Further, when the first diffractive optical element is on the exit side, the diffracted light efficiently introduced into the light guide can be efficiently extracted by the first diffractive optical element.
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第1回折光学素子は、前記導光体の光入射部に対応して設けられていてもよい。この場合には、第1回折光学素子に入射した光は、第1回折光学素子によって回折されて、導光体に導入される。この際、第1回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、導光体の屈折率よりも高いので、回折光は導光板に効率よく導入されることになる。 In one aspect of the optical device according to the present invention described above, the first diffractive optical element may be provided corresponding to a light incident portion of the light guide. In this case, the light incident on the first diffractive optical element is diffracted by the first diffractive optical element and introduced into the light guide. At this time, since the refractive index of each of the plurality of convex portions of the first diffractive optical element is higher than the refractive index of the light guide, the diffracted light is efficiently introduced into the light guide plate.
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第1回折光学素子は、前記導光体の光出射部に対応して設けられていてもよい。この場合には、導光体に効率良く導入された回折光を、第1回折光学素子により効率良く取り出すことができる。 In one aspect of the optical device according to the present invention described above, the first diffractive optical element may be provided corresponding to a light emitting portion of the light guide. In this case, the diffracted light efficiently introduced into the light guide can be efficiently extracted by the first diffractive optical element.
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記導光体の一方の面に沿った第3方向に延在する複数の凸部が、前記第3方向と交差する第4方向に沿って互いに離間して配列された第2回折光学素子を有し、前記第1回折光学素子は、前記導光体の光入射部に対応して設けられ、前記第2回折光学素子は、前記導光体の光出射部に対応して設けられていてもよい。この場合には、第1回折光学素子に入射した光は、第1回折光学素子によって回折されて、導光体に導入される。この際、第1回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、導光体の屈折率よりも高いので、回折光は導光板に効率よく導入されることになる。そして、導光体に効率良く導入された回折光を、第2回折光学素子により効率良く取り出すことができる。 In one aspect of the optical device according to the present invention described above, a plurality of convex portions extending in the third direction along one surface of the light guide body are along a fourth direction intersecting the third direction. The first diffractive optical element is provided corresponding to a light incident portion of the light guide, and the second diffractive optical element is provided on the light guide. It may be provided corresponding to the light emitting part of the body. In this case, the light incident on the first diffractive optical element is diffracted by the first diffractive optical element and introduced into the light guide. At this time, since the refractive index of each of the plurality of convex portions of the first diffractive optical element is higher than the refractive index of the light guide, the diffracted light is efficiently introduced into the light guide plate. And the diffracted light efficiently introduced into the light guide can be efficiently taken out by the second diffractive optical element.
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記導光体の前記第1回折光学素子との間に下地層を備え、前記第1回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、前記導光体及び前記下地層の屈折率よりも高いことが好ましい。この場合には、第1回折光学素子の複数の凸部をエッチングにより作成する場合でも、下地層があるために、導光体までエッチングされる現象を防止し、凸部の深さを所望の深さに制御することができる。 In one aspect of the optical device according to the present invention described above, a base layer is provided between the light guide and the first diffractive optical element, and the refractive index of each of the plurality of convex portions of the first diffractive optical element is It is preferable that the refractive index of the light guide and the base layer is higher. In this case, even when the plurality of convex portions of the first diffractive optical element are formed by etching, since the base layer is present, the phenomenon of etching to the light guide is prevented and the depth of the convex portion is set to a desired depth. The depth can be controlled.
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記下地層の屈折率は、前記導光体と同じ屈折率としてもよい。この場合には、導光体と下地層とを一体の部材として考えることができ、回折光は下地層を介して導光板に効率よく導入されることになる。 In one aspect of the optical device according to the present invention described above, the refractive index of the base layer may be the same as that of the light guide. In this case, the light guide and the base layer can be considered as an integral member, and the diffracted light is efficiently introduced into the light guide plate via the base layer.
上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第1回折光学素子は表面レリーフ型回折格子であることが好ましい。この場合には、導光板の屈折率よりも高い屈折率の凸部を有する回折光学素子を容易に作成することができる。 In one aspect of the optical device according to the present invention described above, the first diffractive optical element is preferably a surface relief type diffraction grating. In this case, a diffractive optical element having a convex portion having a refractive index higher than that of the light guide plate can be easily produced.
次に、本発明に係る電子機器は、上述した本発明に係る光学デバイスと画像光を発する画像形成部とを備える。そのような電子機器は、液晶ディスプレイ等の画像形成部やコリメーター光学系を備えてもよく、ヘッド・マウント・ディスプレイ等のように観察者の頭部に装着する形態に適合させることができる。 Next, an electronic apparatus according to the present invention includes the above-described optical device according to the present invention and an image forming unit that emits image light. Such an electronic apparatus may be provided with an image forming unit such as a liquid crystal display and a collimator optical system, and can be adapted to be mounted on the observer's head such as a head-mounted display.
また、上述した電子機器において、前記画像光はTE偏光であることが好ましい。この場合には、TE偏光された画像光が、回折光学素子より効率良く導光体に導入される。 In the electronic apparatus described above, it is preferable that the image light is TE polarized light. In this case, TE-polarized image light is introduced into the light guide more efficiently than the diffractive optical element.
なお、上記本発明に係る電子機器において「画像形成部」とは、例えば画像を表示する液晶ディスプレイやレーザー光を走査することにより観察者に画像として認識させるレーザー走査式ディスプレイなどの装置、及び画像表示から出射された画像光を集光及び変換する光学系を含む。 In the electronic apparatus according to the present invention, the “image forming unit” refers to, for example, a liquid crystal display that displays an image, a laser scanning display that causes an observer to recognize the image by scanning laser light, and an image. It includes an optical system that condenses and converts image light emitted from the display.
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。なお、図面においては、各部の寸法の比率は実際のものとは適宜に異ならせてある。また、以下に説明する実施形態では、本発明の光学デバイスを、観察者の頭部に装着する形態の画像表示装置の一例であるヘッド・マウント・ディスプレイに適用した場合を例に説明するが、かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内に任意に変更可能である。 Hereinafter, various embodiments according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the ratio of dimensions of each part is appropriately changed from the actual one. In the embodiment described below, the optical device of the present invention will be described as an example in which the optical device is applied to a head-mounted display that is an example of an image display device that is mounted on the head of an observer. This embodiment shows one aspect of the present invention and does not limit the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the technical idea of the present invention.
<第1実施形態>
(ヘッド・マウント・ディスプレイの全体構成)
図1は、第1実施形態に係る電子機器の一例としてのヘッド・マウント・ディスプレイ100の全体像の一例を示す斜視図である。図1に示すように、本実施形態に係るヘッド・マウント・ディスプレイ100は、眼鏡のような外観を有するヘッド・マウント・ディスプレイであり、このヘッド・マウント・ディスプレイ100を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。
<First Embodiment>
(Overall configuration of head-mounted display)
FIG. 1 is a perspective view illustrating an example of an overall image of a head-mounted
具体的にヘッド・マウント・ディスプレイ100は、導光板200と、導光板200を支持する左右一対のテンプル131,132と、テンプル131,132に付加された一対の画像形成装置111,112とを備える。ここで、図面上において、導光板200の左側と画像形成装置111とを組み合わせた第1表示装置100Aは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも画像表示装置として機能する。また、図面上において、導光板200で右側と画像形成装置112とを組み合わせた第2表示装置100Bは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも画像表示装置として機能する。
Specifically, the head mounted
このようなヘッド・マウント・ディスプレイ100の内部構造及び導光板について説明する。図2Aは、本実施形態に係るヘッド・マウント・ディスプレイの内部構造及び導光板の一例を模式的に示す要部断面図である。図2Bは、図2Aに対応する平面図である。なお、図示を省略するが、右眼用光学系の内部構造及び導光板については図2Aを反転させて左右を入れ替えた構成となっている。図2Aに示すように、第2表示装置100Bは、画像形成部500と、導光板200とを備える。
The internal structure and the light guide plate of the head mounted
画像形成部500は、画像表示装置501と、投射光学系502とを有する。このうち、画像表示装置501は、本実施形態では、液晶パネルであり、液晶パネルからの出射光の電気ベクトルの振動方向が第1回折光学素子102のパターンに沿った方向(y方向)となるように液晶パネルの出射側偏光板が配置されている。すなわち、導光板200に入射させる光は、第1回折光学素子102に対してTE波となるようにする。画像光10は赤(R)、緑(G)、青(B)の波長成分を持っている。但し、本実施形態においては、緑色単色の光だけを用いているとして説明を行う。画像表示装置501としては、有機ELパネルを用いることもできる。
The
投射光学系502は、画像表示装置501上の各点から出射された画像光を平行状態の光束に変換して、導光板200に入射させるコリメーターレンズである。コリメーターレンズは、入射する偏光の偏光面が保存されるような材質、例えばガラスあるいは複屈折性が低い樹脂で構成される。
The projection
導光板200は、ガラスあるいは光透過性の樹脂材料等により形成され、図中YX面に平行に延びる平板状の形状を有している。導光板200の光入射面には、入射光を光出射面側の端面方向に回折させる第1回折光学素子102が設けられ、光出射面には、導光板200を伝播してきた光を回折させて空気中に取り出す第2回折光学素子103が設けられている。これらの回折光学素子は、いずれも表面レリーフ型の回折格子である。
The
画像表示装置501の画素から射出された画像光10は、投射光学系502によって平行光に変換され、画素の位置に応じた角度を持つ光として第1回折光学素子102に入射する。第1回折光学素子102は画像光10を回折させて、画像光10を導光板200内に入射させる。導光板200に入射した画像光10は、導光板200内で全反射を繰り返しながら伝播し、第2回折光学素子103に到達する。第2回折光学素子103に到達した画像光は、第2回折光学素子103の回折格子面に入射するたびに少しずつ外に取り出され、観察者の眼50に到達する。
The
観察者が観察できる虚像の大きさを大きくするためには、画像表示装置501から導光板200に入射させる画像光10の視野角を大きくすることが必要となる。導光板200を伝播した光は、第1回折光学素子102に入射した角度と同じ角度で第2回折光学素子103から出射されるので、第1回折光学素子102及び第2回折光学素子103は、広い視野角すなわち広い入射角範囲に亘って高い回折効率を維持できる構成とする必要がある。
In order to increase the size of the virtual image that can be observed by the observer, it is necessary to increase the viewing angle of the
(回折光学素子の屈折率)
本発明では、広い入射角範囲に亘って高い回折効率を実現するために、第1回折光学素子102と第2回折光学素子103を、屈折率が導光板200よりも高い材料で構成している。以下、詳しく説明する。
(Refractive index of diffractive optical element)
In the present invention, in order to achieve high diffraction efficiency over a wide incident angle range, the first diffractive
図3に第1回折光学素子102と導光板200の断面を拡大して示す。導光板200の屈折率をns、第1回折光学素子102の屈折率をngとする。第1回折光学素子102へ光が入射する側の媒質の屈折率をnaとする。なお、本実施形態では、この媒質は空気なのでna=1とする。
FIG. 3 shows an enlarged cross section of the first diffractive
第1回折光学素子102が形成されている領域を格子層と呼ぶこととし、格子層の実効屈折率をngeとする。格子層の実効屈折率は、入射する光の偏光方向によって異なるが、ここでは回折効率が高くなるTE偏光に対する実効屈折率を考える。TE偏光は電界方向が第1回折光学素子102の格子パターンの方向に平行な偏光である。TE偏光に対する実効屈折率は、格子ピッチPに対する凸部の比率をaとした時、
The region where the first diffractive
(数1)
nge=[a・ng2+(1−a)・na2]1/2
で表される。
(Equation 1)
nge = [a · ng 2 + (1−a) · na 2 ] 1/2
It is represented by
ここで、1次回折効率の大小を定性的に考えてみる。第1回折光学素子102に入射する光の波長をλ、空気中の波数をka、格子層内(実効屈折率ngeの媒質内)での波数をkge、導光板中での光の波数をksとした時、各波数は以下の式で表される。
Here, the magnitude of the first-order diffraction efficiency is considered qualitatively. The wavelength of light incident on the first diffractive
(数2)
ka=2π・na/λ
kge=2π・nge/λ
ks=2π・ns/λ
(Equation 2)
ka = 2π · na / λ
kge = 2π · nge / λ
ks = 2π · ns / λ
また、第1回折光学素子102の格子ベクトルKは格子ピッチPを用いて、以下の式で表される。
The grating vector K of the first diffractive
(数3)
K=2π/P
(Equation 3)
K = 2π / P
第1回折光学素子102への入射角をθa、格子層への屈折角をθgi、格子層内で回折される際の回折角をθgo、導光板200への屈折角をθsとし、これらのパラメータを用いて、格子層内での入射光と回折光の結合効率を考察する。
The incident angle to the first diffractive
図4に、入射角θaが−10°である場合の波数ベクトルダイアグラムを示す。図4では時計回り方向の角度を正の角度で表すこととする。また、波長λ=0.53μm、導光板屈折率ns=1.62、格子屈折率ng=1.62としている。格子の充填比aを0.5とするとTE偏光に対する格子層の実効屈折率ngeは、以下のようになる。 FIG. 4 shows a wave vector diagram when the incident angle θa is −10 °. In FIG. 4, the angle in the clockwise direction is represented by a positive angle. Further, the wavelength λ = 0.53 μm, the light guide plate refractive index ns = 1.62, and the grating refractive index ng = 1.62. When the grating packing ratio a is 0.5, the effective refractive index nge of the grating layer for TE polarized light is as follows.
(数4)
nge=1.35
(Equation 4)
nge = 1.35
波数kaの入射光が入射角θa=−10°で格子層に入射する。この入射光は格子層の実効屈折率ngeによって屈折し格子層に入射する。この時、格子層内での屈折角はθgi=−7.4°、波数はkgeとなる。 Incident light having a wave number ka enters the grating layer at an incident angle θa = −10 °. This incident light is refracted by the effective refractive index nge of the grating layer and enters the grating layer. At this time, the refraction angle in the lattice layer is θgi = −7.4 °, and the wave number is kge.
格子層に入射した光が格子層内で回折されたのち導光板200に屈折して入射するが、導光板200内での角度θsが導光板200の臨界角(導光板200の屈折率ns=1.62の場合は38.1°)より若干大きい39°になるようにするには、格子層内での回折角θgoを49.2°とする必要がある。
The light incident on the grating layer is diffracted and incident on the
格子層内に入射した屈折角θgiの光を回折角θgoの方向に回折させるための格子ベクトルKは、以下の式で表される。 A grating vector K for diffracting light having a refraction angle θgi incident in the grating layer in the direction of the diffraction angle θgo is expressed by the following expression.
(数5)
K=kge・[sin(θgo)−sin(θgi)]
(Equation 5)
K = kge · [sin (θgo) −sin (θgi)]
この時、第1回折光学素子102の格子ピッチPは0.444μmとなる。格子ベクトルKと回折光の波数ベクトルのz方向の差Δkがブラッグ条件の位相不整合量を表している。Δk=0の場合、すなわち、格子層内の屈折光と回折光の波数ベクトルと格子ベクトルが閉じられている場合はブラッグ条件として回折効率が最大となるが、Δkが大きくなるほどブラッグ条件からのずれが大きくなり、回折効率は低下する。図4の場合は、Δk=5.4μm−1となる。
At this time, the grating pitch P of the first diffractive
このように決定された第1回折光学素子102(格子ピッチP=0.444μm)に対して、例えば入射角θa=4.1°の光を入射した際の波数ベクトルダイアグラムを図5に示す。 FIG. 5 shows a wave vector diagram when light having an incident angle θa = 4.1 °, for example, is incident on the first diffractive optical element 102 (grating pitch P = 0.444 μm) determined in this way.
格子層への屈折角θgiは3.1°、格子層内での回折角θgoは70°、導光板200内での屈折角θsは51.3°となる。この場合、位相不整合量Δkは10.5μm−1と大きくなり、回折効率が低くなることが予想される。入射角θaを4.1°より大きくすると、格子層内の回折角θgoは70°より大きくなり、さらに位相不整合量Δkが大きくなる。
The refraction angle θgi to the grating layer is 3.1 °, the diffraction angle θgo in the grating layer is 70 °, and the refraction angle θs in the
一方、回折格子の屈折率ngを、導光板の屈折率1.62より大きい2.05とした場合の回折効率を考察する。図6に、入射角θaが−10°である場合の波数ベクトルダイアグラムを示す。格子の充填比aを0.5とすると、TE偏光に対する格子層の実効屈折率ngeはnge=1.61となり、格子の屈折率が1.62の場合のngeは1.35より大きくなる。格子層内の波数を表すkgeの円が大きくなり、導光板中の波数ksの円に近づく。 On the other hand, the diffraction efficiency when the refractive index ng of the diffraction grating is 2.05, which is larger than the refractive index 1.62 of the light guide plate, will be considered. FIG. 6 shows a wave vector diagram when the incident angle θa is −10 °. When the grating packing ratio a is 0.5, the effective refractive index nge of the grating layer for TE polarized light is nge = 1.61, and the nge when the grating refractive index is 1.62 is larger than 1.35. The circle of kge representing the wave number in the lattice layer becomes large and approaches the circle of wave number ks in the light guide plate.
図4の場合と同様に、入射角θa=−10°の光が導光板200内で屈折角θs=39°となるように第1回折光学素子102の格子ピッチPを求めると、図4の場合と同様にP=0.444μmとなり、格子ベクトルKの大きさも図4の場合と同じになる。この時、格子層内の回折角θgoは39.2°となり、位相不整合量Δkは5.4μm−1よりも小さい4.2μm−1となり、回折効率が高くなることが予想される。
As in the case of FIG. 4, when the grating pitch P of the first diffractive
このように決定された第1回折光学素子102(格子ピッチP=0.444μm)に対して、例えば入射角θa=10.1°の光を入射した場合の波数ベクトルダイアグラムを図7に示す。 FIG. 7 shows a wave vector diagram when light having an incident angle θa = 10.1 °, for example, is incident on the first diffractive optical element 102 (grating pitch P = 0.444 μm) determined in this way.
格子層への屈折角θgiは6.2°、格子層内での回折角θgoは58°、導光板200内での屈折角θsは57.8°となる。この場合、位相不整合量Δkは8.9μm−1となる。
The refraction angle θgi to the grating layer is 6.2 °, the diffraction angle θgo in the grating layer is 58 °, and the refraction angle θs in the
図4の場合(導光板屈折率ns=1.62、格子屈折率ng=1.62の場合)、入射角θaが4.1°の場合に既に位相不整合量Δkが10.5μm−1となったが、図7の場合(導光板屈折率ns=1.62、格子屈折率2.05の場合)は、入射角θaが10.1°となっても位相不整合量Δkは8.9μm−1程度にとどまっており、入射角θaが10.1°でも回折効率が高く維持されていることが予想される。 In the case of FIG. 4 (light guide plate refractive index ns = 1.62, grating refractive index ng = 1.62), the phase mismatch amount Δk is already 10.5 μm −1 when the incident angle θa is 4.1 °. However, in the case of FIG. 7 (light guide plate refractive index ns = 1.62, grating refractive index 2.05), the phase mismatch amount Δk is 8 even when the incident angle θa is 10.1 °. .9μm is only about -1, it is expected that the incident angle θa is maintained high 10.1 ° even diffraction efficiency.
導光板屈折率na=1.62、格子屈折率ng=1.62、回折格子の深さd=0.200μmの場合と、導光板屈折率ns=1.62、格子屈折率2.05、回折格子の深さd=0.175μmの場合について1次回折効率を計算で求めた結果の例を図10に示す。 Light guide plate refractive index na = 1.62, grating refractive index ng = 1.62, diffraction grating depth d = 0.200 μm, light guide plate refractive index ns = 1.62, grating refractive index 2.05, FIG. 10 shows an example of a result obtained by calculating the first-order diffraction efficiency in the case where the depth d of the diffraction grating is 0.175 μm.
図10からもわかるように、格子屈折率ngが導光板屈折率ns=1.62と同じ1.62の場合は、入射角が10°に近づくにつれて1次回折効率が大きく低下する。一方、格子屈折率ngが導光板屈折率ns=1.62より大きい2.05の場合は、入射角が10°になっても回折効率が維持されている。すなわち、入射角が広い範囲に亘って回折効率が維持されており、大きなサイズの虚像表示を行っても画面の左右で明るさの差が少ない表示を行うことができることがわかる。 As can be seen from FIG. 10, when the grating refractive index ng is 1.62, which is the same as the light guide plate refractive index ns = 1.62, the first-order diffraction efficiency greatly decreases as the incident angle approaches 10 °. On the other hand, when the grating refractive index ng is 2.05, which is larger than the light guide plate refractive index ns = 1.62, the diffraction efficiency is maintained even when the incident angle is 10 °. That is, it is understood that the diffraction efficiency is maintained over a wide range of incident angles, and display with a small difference in brightness between the left and right sides of the screen can be performed even when a large-size virtual image is displayed.
また、上述の説明では、第1回折光学素子102によって光を導光板200内に導入する場合の回折効率を示したが、導光板200から光を取り出す第2回折光学素子103はこの逆の過程として考えることができるので、屈折率が高い回折格子を用いることで、広い角度範囲の光を導光板200から取り出して観察者の眼に届けることができる。すなわち、屈折率が高い回折格子を第1回折光学素子及び第2回折光学素子として用いることにより、広い入射角範囲に亘って高い回折効率が維持され、大きなサイズの虚像表示を行っても両面の左右での明るさの差が少ない表示を行うことができる。
In the above description, the diffraction efficiency when light is introduced into the
例えば、図4及び図5に示すように、導光板屈折率ns=1.62、格子屈折率ng=1.62の場合、入射角度として−10°から+4°の範囲に対応する虚像画面サイズは、画面の縦横比を16:9とすると、2.5m先で対角28インチとなる。図10から分るように、この角度範囲で回折効率が大きく変化しているため、画面内の明るさに大きな分布が生じることが予想される。 For example, as shown in FIGS. 4 and 5, when the light guide plate refractive index ns = 1.62 and the grating refractive index ng = 1.62, the virtual image screen size corresponding to the range of −10 ° to + 4 ° as the incident angle. If the aspect ratio of the screen is 16: 9, it will be 28 inches diagonally 2.5 meters away. As can be seen from FIG. 10, since the diffraction efficiency changes greatly in this angular range, it is expected that a large distribution of brightness in the screen will occur.
しかしながら、図6及び図7に示すように、導光板屈折率ns=1.62、格子屈折率2.05の場合には、回折光学素子の屈折率を高くすることによって−10°から+10°の入射角範囲で高い回折効率が維持できる。この入射角度範囲に対応する虚像画面サイズは、画面の縦横比を16:9とすると、2.5m先で対角40インチとなり、虚像画面サイズを大きくできる。特に導光板屈折率ns=1.62、格子屈折率2.05の場合は、この入射角範囲における回折効率の変化が少ないため、画面内の明るさの均一性が高くなる。 However, as shown in FIGS. 6 and 7, when the refractive index of the light guide plate is ns = 1.62 and the refractive index of the grating is 2.05, by increasing the refractive index of the diffractive optical element, −10 ° to + 10 ° High diffraction efficiency can be maintained in the incident angle range. If the aspect ratio of the screen is 16: 9, the virtual image screen size corresponding to this incident angle range is 40 inches diagonally 2.5 meters away, and the virtual image screen size can be increased. In particular, when the refractive index of the light guide plate is ns = 1.62 and the refractive index of the grating is 2.05, the change in diffraction efficiency in this incident angle range is small, so that the brightness uniformity in the screen is high.
なお、回折光学素子は、導光板として屈折率が1.62程度のガラス基板を用い、このガラス基板上にSiN(窒化ケイ素)を製膜し、このSiN膜をエッチングして作成することができる。また、リフトオフ法を用いて作成することもできる。 The diffractive optical element can be formed by using a glass substrate having a refractive index of about 1.62 as a light guide plate, forming SiN (silicon nitride) on the glass substrate, and etching the SiN film. . It can also be created using the lift-off method.
本実施形態では、回折光学格子に用いる高屈折率材料としてSiNを挙げていたが、この他にも屈折率が高い光学薄膜として、酸化ハフニウムHfO2(屈折率1.95)、二酸化ジルコニウムZrO2(屈折率2.05)、酸化インジウムスズITO(屈折率2.05)、五酸化タンタルTa2O5(屈折率2.1)、二酸化チタンTiO2(屈折率2.4)などを用いることができる。 In the present embodiment, SiN is cited as a high refractive index material used for the diffractive optical grating, but other optical thin films having a high refractive index include hafnium oxide HfO 2 (refractive index 1.95) and zirconium dioxide ZrO 2. (Refractive index 2.05), indium tin oxide ITO (refractive index 2.05), tantalum pentoxide Ta 2 O 5 (refractive index 2.1), titanium dioxide TiO 2 (refractive index 2.4), or the like is used. Can do.
(比較例)
次に、特許文献3に記載されているような構造、すなわち図11に示すように、回折光学素子301とその下地層302が、導光板400よりも高い屈折率の材料で形成され、回折光学素子301とその下地層302が導光板400に設けられた構造の光学デバイスについて考察する。
(Comparative example)
Next, as shown in FIG. 11, a diffractive
特許文献3では、回折光学素子とその下地層は屈折率が1.9の材料で形成されているとして説明が行われているが、ここでは、本実施形態の光学デバイスとの比較を行うために、回折光学素子301とその下地層302は屈折率が2.05の材料で形成されとして説明を行う。回折光学素子301の屈折率ngと導光層となる下地層302の屈折率nsが共に2.05であるとする。図8に、入射角θaが−10°である場合の波数ベクトルダイアグラムを示す。
Patent Document 3 describes that the diffractive optical element and its underlayer are made of a material having a refractive index of 1.9, but here, for comparison with the optical device of the present embodiment. In the following description, it is assumed that the diffractive
格子の充填比aを0.5とするとTE偏光に対する格子層の実効屈折率ngeは1.61となり、格子層での波数ベクトルの大きさkgeを表す円は、図6及び図7に示す本実施形態の光学デバイスにおけるkgeの円と同じになる。一方、下地層302の屈折率nsは2.05であり、格子層の実効屈折率ngeより大きいので、下地層302内の波数ベクトルの大きさksを表す円は実効屈折率の円より大きくなる。
When the grating packing ratio a is 0.5, the effective refractive index nge of the grating layer with respect to TE polarization is 1.61, and the circle representing the magnitude kge of the wave vector in the grating layer is shown in FIGS. It becomes the same as the circle of kge in the optical device of the embodiment. On the other hand, the refractive index ns of the
図4あるいは図6に示す本実施形態の光学デバイスの場合と同様に、入射角θa=−10°の光が下地層302内で屈折角θs=30°となるように回折光学素子301の格子ピッチPを求める。下地層302の屈折率nsが2.05なので臨界角は29.2°となり、この臨界角より若干大きい30°をこの場合の屈折角θsとした。入射角θa=−10°の光を下地層302内の屈折角θs=30°に回折するための回折光学素子301の格子ピッチPは0.442μmとなり、格子ベクトルKの大きさが決まる。この時、格子層内の回折角θgoは39.5°となり、位相不整合量Δkは4.2μm−1となる。この値は、図6に示す本実施形態の光学デバイスの場合(ng=2.05の場合)の位相不整合量と同じであり、回折効率が高くなることが予測される。
As in the case of the optical device of this embodiment shown in FIG. 4 or FIG. 6, the grating of the diffractive
このように決定された回折光学素子301(格子ピッチP=0.442μm)に対して、例えば入射角θa=10.1°の光が入射するとする。この場合の波数ベクトルダイアグラムを図9に示す。図9に示すように、格子層への屈折角θgiは6.3°、格子層内での回折角θgoは58.4°、下地層302内での屈折角θsは42.1°となる。この場合、位相不整合量Δkは9.0μm−1となり、図6に示す本実施形態の光学デバイスの場合(導光板屈折率ns=1.62、格子屈折率ng=2.05の場合)と同等であり、入射角θaが10.1°でも回折効率が高く維持されることが予想される。この構成における1次回折効率を計算した結果を図10に示す。
For example, light having an incident angle θa = 10.1 ° is incident on the diffractive optical element 301 (grating pitch P = 0.442 μm) determined in this way. A wave vector diagram in this case is shown in FIG. As shown in FIG. 9, the refraction angle θgi to the grating layer is 6.3 °, the diffraction angle θgo in the grating layer is 58.4 °, and the refraction angle θs in the
次に、導光板の屈折率について考察する。図2Aに示すように、導光板200は、顔の横に配置される画像表示装置501からの画像光10を観察者の眼50に伝達させる機能を有する。従って、導光板200の長さは100mm程度、幅は30mm程度、厚みは1.5mm程度になる。導光板200の材料としてガラスを用いる場合、ガラスの屈折率の上限は2程度であり、屈折率が高いガラスの密度は、一般的に光学ガラスとして用いられる屈折率1.5程度のガラスの密度の1.7倍程度大きくなる。
Next, the refractive index of the light guide plate will be considered. As shown in FIG. 2A, the
ヘッド・マウント・ディスプレイなどの電子機器として本発明の光学系を用いる場合は、光学系の軽量化が望まれ、そのためには密度が小さい、すなわち、屈折率が低いガラスを用いることが好ましい。 When the optical system of the present invention is used as an electronic apparatus such as a head-mounted display, it is desired to reduce the weight of the optical system. For this purpose, it is preferable to use glass having a low density, that is, a low refractive index.
図11に示す比較例においても、導光板400は、低い屈折率(例えば1.52)のガラスから形成されている。比較例では、この導光板400の表面に、この屈折率より高い屈折率ng(例えば2.05)の材料で回折光学素子301とその下地302が形成されている。
Also in the comparative example shown in FIG. 11, the
この比較例の構造では、回折光学素子301が高い屈折率材料で形成されているので、空気側から回折光学素子301に入射した光は、図8、図9で説明したように高い回折効率で高屈折率層である下地302に光が導入される。
In the structure of this comparative example, since the diffractive
しかしながら、比較例の構造では、高屈折率層である下地302と導光板400の界面で屈折率の差があるために、界面反射光が生じる。この界面反射光は回折光学素子301と界面の間で反射を繰返しながら回折光学素子301によって空気側へ射出される。すなわち、回折光学素子301で回折された光のうち導光板400に入射して出射側の回折光学素子の方向へ伝播して行く光量が低下する。
However, in the structure of the comparative example, since there is a difference in refractive index at the interface between the base 302 that is a high refractive index layer and the
したがって、図12に示す本実施形態の光学デバイスのように、高屈折率層である下地を介することなく、高い屈折率の回折光学素子102が、回折光学素子102の屈折率より低い屈折率の導光板200の表面に形成されていることが好ましい。
Therefore, unlike the optical device of the present embodiment shown in FIG. 12, the diffractive
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態について図13ないし図15を参照して説明する。回折光学素子102をエッチングで作成する場合には、図14に示すように導光板200上に回折光学素子の膜102Aを製膜し、さらに膜102A上にレジスト300を形成した上で、点線で示すようにエッチングを行う。この際、膜102Aだけでなく、導光板200にもエッチングされた領域303が出来てしまい、回折光学素子102の深さを制御することができなくなり、所望の回折効率が得られなくなる可能性がある。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. When the diffractive
そこで、本実施形態では、図15に示すように、導光板200上に下地膜201を製膜した上で、同様のエッチングを行う。下地膜201は、回折光学素子102の膜102Aの材質と比べてエッチングされにくい材質が用いられており、上述と同様のエッチングを行った場合でも、エッチングされた領域303の深さは、上述の場合に比べて浅くなる。したがって、回折光学素子102の深さを制御することができ、所望の回折効率を得ることができる。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 15, the
図13に本実施形態におけるエッチング後の光学デバイスの要部断面を示す。下地膜201の屈折率ntは、導光板200の屈折率nsと同程度であり、かつ、回折光学素子102の屈折率ngより小さいことが必要となる。また、下地膜201は回折光学素子102の材質と比べてエッチングされにくい必要がある。このような下地膜として屈折率が1.63程度であるAl2O3(酸化アルミニウム)を用いることができる(導光板屈折率1.62、格子屈折率2.05)。
FIG. 13 shows a cross-section of the main part of the optical device after etching in this embodiment. The refractive index nt of the
<変形例>
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に述べる各種の変形が可能である。また、各実施形態及び各変形例を適宜組み合わせてもよいことは勿論である。
<Modification>
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and for example, various modifications described below are possible. Of course, each embodiment and each modification may be combined as appropriate.
(1)導光板の屈折率と格子の屈折率、あるいは下地膜の屈折率は適宜変更できる。また、導光板としてガラスではなく、プラスチックを用いることも可能であるが、本発明は回折格子に対する偏光がTE偏光の場合について成り立つので、導光板伝播中に偏光解消が生じない必要がある。
(2)上述した第1実施形態および第2実施形態では、入射側の回折光学素子である第1回折光学素子102,第2回折光学素子103として、表面レリーフ型の回折格子を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、傾斜型の表面レリーフ回折格子やブレーズ型回折格子を適用することもできる。
(1) The refractive index of the light guide plate, the refractive index of the grating, or the refractive index of the base film can be changed as appropriate. In addition, it is possible to use plastic instead of glass as the light guide plate. However, since the present invention is established when the polarization with respect to the diffraction grating is TE polarized light, it is necessary that depolarization does not occur during propagation of the light guide plate.
(2) In the first embodiment and the second embodiment described above, surface relief type diffraction gratings are used as the first diffractive
10…画像光、50…観察者の眼、100…ヘッド・マウント・ディスプレイ、100A…画像表示装置、100B…画像表示装置、102…第1回折光学素子、103…第2回折光学素子、111,112…画像形成装置、131,132…テンプル、200…導光板、201…下地膜、300…レジスト、500…画像形成装置、501…画像表示装置、502…投射光学系。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記導光体の一方の面に沿った第1方向に延在する複数の凸部が、前記第1方向と交差する第2方向に沿って互いに離間して配列された第1回折光学素子と、を有し、
前記第1回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、前記導光体の屈折率よりも高いことを特徴とする光学デバイス。 A light guide;
A first diffractive optical element in which a plurality of convex portions extending in a first direction along one surface of the light guide are arranged apart from each other along a second direction intersecting the first direction; Have
An optical device, wherein a refractive index of each of the plurality of convex portions of the first diffractive optical element is higher than a refractive index of the light guide.
前記第1回折光学素子は、前記導光体の光入射部に対応して設けられていることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 1.
The optical device, wherein the first diffractive optical element is provided corresponding to a light incident portion of the light guide.
前記第1回折光学素子は、前記導光体の光出射部に対応して設けられていることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 1.
The optical device, wherein the first diffractive optical element is provided corresponding to a light emitting portion of the light guide.
前記導光体の一方の面に沿った第3方向に延在する複数の凸部が、前記第3方向と交差する第4方向に沿って互いに離間して配列された第2回折光学素子を有し、
前記第1回折光学素子は、前記導光体の光入射部に対応して設けられ、
前記第2回折光学素子は、前記導光体の光出射部に対応して設けられていることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 1.
A second diffractive optical element in which a plurality of convex portions extending in a third direction along one surface of the light guide are arranged apart from each other along a fourth direction intersecting the third direction. Have
The first diffractive optical element is provided corresponding to a light incident part of the light guide,
The optical device, wherein the second diffractive optical element is provided corresponding to a light emitting portion of the light guide.
前記導光体と前記第1回折光学素子との間に下地層を有し、
前記第1回折光学素子の複数の凸部の各々の屈折率は、前記導光体及び前記下地層の屈折率よりも高い
ことを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to any one of claims 1 to 4,
An underlayer is provided between the light guide and the first diffractive optical element;
The refractive index of each of the plurality of convex portions of the first diffractive optical element is higher than the refractive indexes of the light guide and the base layer.
前記下地層の屈折率は、前記導光体と同じ屈折率である
ことを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 5.
The optical device, wherein the refractive index of the underlayer is the same as that of the light guide.
前記第1回折光学素子は表面レリーフ型回折格子である、
ことを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to any one of claims 1 to 6,
The first diffractive optical element is a surface relief type diffraction grating;
An optical device characterized by that.
前記画像光はTE偏光であることを特徴する電子機器。
The electronic device according to claim 8,
The electronic apparatus is characterized in that the image light is TE polarized light.
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