JP2021043436A - 光学素子および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射光の強度を向上させることが可能な光学素子および画像表示装置を提供する。【解決手段】透光性の材料で構成された導光部（１０）と、導光部（１０）上に形成された回折格子部（２０）を有し、回折格子部（２０）は導光部（１０）を覆う板状部（２１）と板状部（２１）に形成された凸部（２２）を備え、凸部（２２）は板状部（２１）の主面に対して角度φ１だけ傾斜した第１のスランテッドグレーティングを備えている光学素子（１００）。【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子および画像表示装置に関し、特に回折格子を用いた光学素子および画像表示装置に関する。

従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。

しかし、計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤ：Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。このようなＨＵＤでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が望まれている。

一方で、小型の光学装置を用いて光を投影する画像表示装置としては、メガネ形状をしたヘッドマウント型のＨＵＤが知られている（例えば、特許文献２を参照）。ヘッドマウント型のＨＵＤでは、光源から照射された光を視聴者の眼に直接照射して、視聴者の網膜に画像を投影している。このようなヘッドマウント型のＨＵＤでは、光源から視聴者に光を照射する際に回折格子を備えた光学素子を用いている。

特開２０１８−１１８６６９号公報 特表２０１８−５２８４４６号公報

回折格子を備える光学素子を用いたＨＵＤでは、光源から光学素子への光の入射角度と回折格子の構造によって光の投影方向が決定される。また、回折格子の構造としては、垂直な凹凸形状を有するピラードグレーティングや、断面が三角形状のブレーズドグレーティング、一方向に傾斜した凹凸形状を有するスランテッドグレーティングなど様々な構造が知られている。また画像表示装置では、光源からの光を光学素子に対して斜めに入射する場合が多く、光学素子から外部に光を照射するために最適な条件を用いて出射光の強度を向上させることが困難であった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、出射光の強度を向上させることが可能な光学素子および画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光学素子は、透光性の材料で構成された導光部と、前記導光部上に形成された回折格子部を有し、前記回折格子部は、前記導光部を覆う板状部と、前記板状部に形成された凸部を備え前記凸部は、前記板状部の主面に対して角度φ１だけ傾斜した第１のスランテッドグレーティングを備えていることを特徴とする。

このような本発明の光学素子では、回折格子部の凸部が板状部の主面に対して角度φ１だけ傾斜した第１のスランテッドグレーティングを構成しているため、漏れモードによる板状部での光の伝搬との組み合わせにより、他の構造の回折格子よりも出射光の強度を向上させることが可能となる。

また、本発明の一態様では、前記凸部は、前記板状部の主面に対して角度φ２だけ傾斜した第２のスランテッドグレーティングを備えている。

また、本発明の一態様では、前記第１のスランテッドグレーティングと前記第２のスランテッドグレーティングは、互いに反対方向に傾斜している。

また、本発明の一態様では、前記第１のスランテッドグレーティングと前記第２のスランテッドグレーティングは、互いに対向方向に傾斜している。

また、本発明の一態様では、前記凸部の傾斜角度は、−４５度以上４５度以下の範囲である。

また、本発明の画像表示装置は、上記何れかの光学素子と、前記導光部を介して前記回折格子部に対して光を照射する光源部を備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様では、前記光源部は、前記板状部に対して角度θだけ傾斜した方向から前記光を照射し、前記角度θは、前記凸部と同じ方向に傾斜している。

本発明では、出射光の強度を向上させることが可能な光学素子および画像表示装置を提供することができる。

第１実施形態における光学素子１００の構造を示す模式斜視図である。 光学素子１００における光路について説明する模式図であり、図２（ａ）はスランテッドグレーティングの場合を示し、図２（ｂ）はピラードグレーティングの場合を示し、図２（ｃ）はブレーズドグレーティングの場合を示している。 導光部１０から回折格子部２０への光の進行と取出しについて、シミュレーションをした結果を示す図であり、図３（ａ）はスランテッドグレーティングの場合を示し、図３（ｂ）はピラードグレーティングの場合を示し、図３（ｃ）はブレーズドグレーティングの場合を示している。 光学素子１００への入射光Ｌｉｎの照射を示す模式図である。 スランテッドグレーティングにおける入射光Ｌｉｎの偏光角度Φと電場Ｅｙの関係を示すグラフである。 漏れ伝搬長Ｌの測定結果を示す図である。 凸部２２の傾斜方向と入射光Ｌｉｎの入射方向による光出射の相違を示す図であり、図７（ａ）（ｃ）は凸部２２の傾斜と同じ方向から入射させた場合を示し、図７（ｂ）（ｄ）は凸部２２の傾斜と反対の方向から入射させた場合を示している。 スランテッドグレーティングにおける電場の２次元可視化マップである。 第２実施形態における光学素子１００で、導光部１０から回折格子部２０への光の進行と取出しについて、シミュレーションをした結果を示す図であり、図９（ａ）はスランテッドグレーティングの場合を示し、図９（ｂ）はピラードグレーティングの場合を示し、図９（ｃ）はブレーズドグレーティングの場合を示している。 光学素子１００への入射光Ｌｉｎの照射を示す模式図である。 スランテッドグレーティングにおける入射光Ｌｉｎの偏光角度Φと電場Ｅｙの関係を示すグラフである。 漏れ伝搬長Ｌの測定結果を示す図である。 凸部２２の傾斜方向と入射光Ｌｉｎの入射方向による光出射の相違を示す図であり、図１３（ａ）（ｃ）は凸部２２の傾斜と同じ方向から入射させた場合を示し、図１３（ｂ）（ｄ）は凸部２２の傾斜と反対の方向から入射させた場合を示している。 第３実施形態における光学素子１１０の構造を示す模式図である。 光学素子１１０の製造方法を示す工程図である。 光学素子１１０を用いた画像表示装置による表示を示す模式斜視図である。 第４実施形態における光学素子１２０の構造を示す模式図である。 光学素子１２０の製造方法を示す工程図である。 光学素子１２０を用いた画像表示装置による表示を示す模式斜視図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態における光学素子１００の構造を示す模式斜視図である。図１に示すように光学素子１００は、導光部１０と、回折格子部２０を備えている。また、回折格子部２０は板状部２１と、凸部２２と、凹部２３を備えている。なお図１は、光学素子１００の構造を模式的に示したものであり、図中の寸法や角度は光学素子１００における実寸を示すものではない。

導光部１０は、光を透過する材料で構成された略板状の部分であり、上面に回折格子部２０が形成されている。導光部１０のサイズは限定されないが、例えば幅ｄ＝１５ｍｍ、厚さｔ＝０．１〜１００ｍｍ程度の大きさが挙げられる。導光部１０を構成する材料は限定されないが、例えばＳｉＯ_２を主成分とするガラスやポリマーを用いることが好ましい。図１では、導光部１０として直方体のものを例示したが、後述するように導光部１０の形状は限定されない。一例として、導光部１０を厚さ１ｍｍ以下のポリマーで構成する場合には、光学素子１００に可撓性をもたせることができ、ロールトゥロールで製造することも可能となる。

回折格子部２０は、導光部１０上に形成された略板状の部分であり、導光部１０とは屈折率が異なる材料で構成されている。図１に示した回折格子部２０の例では、導光部１０の主面全体を板状部２１が覆い、板状部２１の表面には複数の凸部２２と凹部２３が周期的に形成されて回折格子を構成している。図１に示した例では、回折格子部２０の凸部２２と凹部２３は、それぞれ紙面の奥行方向にストライプ状に延伸して形成されている。

回折格子部２０を構成する材料は限定されないが、導光部１０との屈折率差が大きな材料を用いることが好ましく、例えばＴｉＯ_２を主成分とする屈折率２．５程度の誘電体を用いることが好ましい。回折格子部２０は公知の方法で形成することができ、例えばフォトリソグラフィ技術やナノインプリント技術、ＥＢＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術等を用いることができる。

回折格子部２０のサイズは特に限定されないが、面内方向にも光を導波できる厚さを有することが好ましく、例えば全厚ｈが７８８±１２ｎｍ程度、凸部２２の高さｄが２１０±１０．５ｎｍ程度、凸部２２の幅ｗが２３０ｎｍ程度、凹部２３の周期Λが６９６ｎｍ程度が挙げられる。また図１に示した例では、回折格子部２０の凸部２２と凹部２３は板状部２１の主面に対して角度φ１だけ傾斜して形成されており、スランテッドグレーティングを構成している。したがって、凸部２２と凹部２３で構成される回折格子は、本発明における第１のスランテッドグレーディングに相当している。

凸部２２の傾斜角度φ１は、−４５度以上４５度以下の範囲であることが好ましい。傾斜角度φ１が上記範囲外の場合には、凸部２２の形成が困難になるうえに、凸部２２が凹部２３の上方にオーバーハングする領域が大きくなりすぎ、板状部２１の面内における周期的な屈折率差が小さくなり、回折格子の機能が低下する。傾斜角度φ１が小さすぎる場合には、凸部２２が板状部２１の主面に垂直なピラードグレーティングに近くなり、後述するようなスランテッドグレーティングによる利点が生じ難くなる。ここで、スランテッドグレーティングを構成する凸部２２と凹部２３の形状としては、凸部２２の側面が平行に傾斜している場合だけではなく、図１に示したように凸部２２側面の傾斜が異なって場合も含める。このとき、凸部２２の傾斜角度φ１とは、凸部２２の上端と下端における中央を結んだ線が、板状部２１の主面との間でなす角度である。

図２は、光学素子１００における光路について説明する模式図であり、図２（ａ）はスランテッドグレーティングの場合を示し、図２（ｂ）はピラードグレーティングの場合を示し、図２（ｃ）はブレーズドグレーティングの場合を示している。図２（ａ）〜図２（ｃ）では、簡便のため導光部１０の図示を省略して回折格子部２０についてのみ図示している。なお図２（ａ）〜図２（ｃ）は、光学素子１００における光の進行を模式的に示したものであり、正確な光の入射位置や進行経路、出射位置を反映したものではない。

図示しない光源部からは、光学素子１００に向けてレーザ光が照射される。ここでレーザ光は位相が揃ったコヒーレントな光であり、コリメートレンズ等によってコリメート光として照射される。図２（ａ）〜図２（ｃ）に示したように、入射光Ｌｉｎは図示を省略した導光部１０と回折格子部２０の界面に傾斜角度θで入射し、板状部２１に入射する。導光部１０と板状部２１の界面では、入射光Ｌｉｎの一部は板状部２１内に入射し、一部が反射光として導光部１０内に反射される。入射光Ｌｉｎのうち導光部１０と板状部２１の界面で反射された光は、導光部１０内を進行して側面と裏面で反射されて再び主面に到達し、再び回折格子部２０に入射する。

入射光Ｌｉｎのうち板状部２１内を進行する光は、導光部１０と回折格子部２０の屈折率に応じて進行角度が変化し、凸部２２と凹部２３による回折条件を満たす出射角度方向に出射光ＬＯ１として出射される。また、回折格子部２０に取り込まれた光は、屈折率と入射角を適切に選択することにより空気との界面での漏れモードの条件を満たすことができ、回折格子部２０内で繰り返し反射されて板状部２１内を伝搬して、出射光ＬＯ１とは異なる位置から回折条件を満たす出射角度方向に出射光ＬＯ２，ＬＯ３として出射される。

図３は、導光部１０から回折格子部２０への光の進行と取出しについて、シミュレーションをした結果を示す図であり、図３（ａ）はスランテッドグレーティングの場合を示し、図３（ｂ）はピラードグレーティングの場合を示し、図３（ｃ）はブレーズドグレーティングの場合を示している。図中横軸は凸部２２と凹部２３が周期的に並ぶｘ軸方向の位置を示し、図中中央近傍に示した破線位置は光の入射位置を示している。図中縦軸は高さ方向であるｙ軸方向の位置を示し、原点は導光部１０と板状部２１の界面位置を示している。また、図中に白抜きでグレーティング形状を示しており、図中の濃淡は電場分布を示している。

シミュレーションには有限差分時間領域ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用い、シミュレーション条件としては導光部１０の屈折率を１．５４とし、回折格子部２０の屈折率を２．５２とし、空気の屈折率を１．００とした。また、凸部２２と凹部２３のピッチは６９６ｎｍとし、凸部２２の幅を２３０ｎｍとし、凸部２２の高さを２１０ｎｍとし、導光部１０の主面から凸部２２の上面までの厚さを７８８ｎｍとした。また、入射光Ｌｉｎを直径５μｍの発散角６．１２度とし、波長を８５２ｎｍとした。スランテッドグレーティングの傾斜角度φ１は４５度に設定した。

入射光Ｌｉｎの板状部２１への入射角度θは、それぞれスランテッドグレーティングで３２．６度、ピラードグレーティングで６２．３度、ブレーズドグレーティングで１９．５度とした。これらの入射角度θは、それぞれのグレーティング構造において０度から９０度の範囲で最も明瞭な回折パターンを示した値を選択している。

図中に示した矢印は、光学素子１００の内外における光の伝搬ベクトルであり、非共鳴および共鳴時の光はｔ（ｎ）およびｔ（ｒ）で表示している。添え字Ｒ，Ｍ↑，Ｍ↓はそれぞれ大気層、誘電体層上、誘電体層下方向を示し、回折次数Ｎは、０，±１，±２の添え字で表記している。よって非共鳴（もしくは共鳴）Ｎ次透過光はｔ_ＲＮ ^{（ｎ ｏｒ ｒ）}で表し、非共鳴（もしくは共鳴）上方Ｎ次伝搬光はｔ_Ｍ↑Ｎ ^{（ｎ ｏｒ ｒ）}で表している。

図３（ａ）〜図３（ｃ）に示したように、いずれの回折格子構造においても、基板法線方向に回折ベクトルｔ_Ｒ０が伸びており、界面下方においては＋ｘ方向に対しジグザグに進行する伝搬ベクトルｔ_Ｍ↑，↓からなる光学モードが見られる。各構造において、板状部２１内を＋ｘ方向に伝搬する漏れ伝搬長Ｌと、回折電場｜Ｅｙ｜が異なることもわかる。

図４は、光学素子１００への入射光Ｌｉｎの照射を示す模式図である。図４は図２（ａ）および図３（ａ）に示したスランテッドグレーティングの場合を示しており、ＳｉＯ_２からなる導光部１０とＴｉＯ_２からなる回折格子部２０の界面がｘｙ平面であり、厚さ方向がｚ軸方向であり、凸部２２はｙ軸方向にストライプ状に延伸して形成されている。光学素子１００の外部に設けられた光源部（図示省略）からは、ｙ軸方向に偏光した入射光Ｌｉｎが板状部２１の主面に対してｘ軸方向に傾斜角度θだけ傾いて入射される。入射光Ｌｉｎの偏光方向は、光軸周りに偏光角度Φを回転させることができ、図４はΦ＝９０度でｙ軸に沿った偏光の場合を示している。また、スランテッドグレーティングの凸部２２もｘ軸方向に傾斜角度φ１だけ傾いて形成されている。光学素子１００と光源部とで本発明における画像表示装置が構成される。

図５は、スランテッドグレーティングにおける入射光Ｌｉｎの偏光角度Φと電場Ｅｙの関係を示すグラフである。図中央に示したレーダーパターンは入射角Ｌｉｎの偏光角度Φとｚ＝０．７０μｍの位置での｜Ｅｙ｜の関係を示している。レーダーパターンの周囲に示した（ｂ）〜（ｈ）は、それぞれ偏光角度Φ＝０度、３０度、６０度、９０度、１２０度、１５０度、１８０度におけるＥｙと｜Ｅｙ｜のフィールドプロファイルを示している。

図５に示したように、偏光角度Φ＝０度、３０度、６０度、９０度、１２０度、１５０度、１８０度での｜Ｅｙ｜の値は、それぞれ０．００４５７、０．２９１、０．５０３、０．５８１、０．５０３、０．２９１、０．００４５７となっている。したがって、入射光Ｌｉｎは、凸部２２の延伸方向と平行な偏光角度Φ＝９０度とすることで、出射光の強度を最大にできることが確認できる。

図６は、漏れ伝搬長Ｌの測定結果を示す図である。図６では、ｚ＝０．７０μｍの位置におけるｘｙ平面での｜Ｅｙ｜の分布を示しており、入射光Ｌｉｎの入射位置からｘ軸方向への光の拡がりを漏れ伝搬長Ｌとしている。図６に示したように、偏光角度Φ＝９０度では漏れ伝搬長Ｌは約６．００μｍであった。

図３（ｂ）に示したピラードグレーティングおよび図３（ｃ）に示したブレーズドグレーティングについても、図４〜図６と同様に｜Ｅｙ｜と漏れ伝搬長Ｌを算出した。スランテッドグレーティング、ピラードグレーティングおよびブレーズドグレーティングでは、｜Ｅｙ｜の最大値はそれぞれ０．５８１、０．１６０、０．１８４であり、漏れ伝搬長Ｌはそれぞれ６．００μｍ、７．２５μｍ、５．２５μｍであった。したがって、スランテッドグレーティングを用いることで、ピラードグレーティングとブレーズドグレーティングよりも出射光強度を向上できることがわかる。

図７は、凸部２２の傾斜方向と入射光Ｌｉｎの入射方向による光出射の相違を示す図であり、図７（ａ）（ｃ）は凸部２２の傾斜と同じ方向から入射させた場合を示し、図７（ｂ）（ｄ）は凸部２２の傾斜と反対の方向から入射させた場合を示している。図７（ａ）（ｂ）に示すように、いずれの場合においても板状部２１内に入射した光は、入射光Ｌｉｎが入射された方向に漏れ伝搬長Ｌで伝搬して、出射光ＬＯ１，ＬＯ２，ＬＯ３が外部に取り出される。図７（ｃ）（ｄ）は、ｚ＝０．７０、１．１０、１．５０、１．９０の位置における｜Ｅｙ｜のラインプロファイルを示しており、ｚ＝０．７０と１．１０は板状部２１内での伝搬モードを表し、ｚ＝１．５０と１．９０は凸部２２より上方での回折モードを表している。また、図７（ｃ）（ｄ）では｜Ｅｙ｜のピークトップ位置を破線で示している。

図７（ｃ）（ｄ）で示したように、ｚ＝０．７０と１．１０での伝搬モードでは入射光Ｌｉｎの入射方向によらずピークトップが同程度となっているが、ｚ＝１．５０と１．９０の回折モードでは凸部２２の傾斜と同じ方向から入射させた場合のほうが｜Ｅｙ｜のピークが約１０％大きくなっている。

また、一般的な電磁場長の定義に当てはめると、０〜０．３２０λは近接場、０．３２０λ〜０．６４０λは遷移、０．６４０λ〜は遠方場領域であり、ｚ＝１．５０でのＥｙラインプロファイルは近接場であるが、ｚ＝１．９０のプロファイルは遠方場であると見なせる。図７（ｃ）（ｄ）に示したように、遠方場条件下で近接場条件でのＥｙフィールドベースラインが２５％近く維持されており、光学素子１００で良好に光照射が可能なことがわかる。

図８は、スランテッドグレーティングにおける電場の２次元可視化マップである。図中縦軸は入射角度θを示し、図中横軸はｘ軸方向での光入射位置からの距離を示している。図中の（ａ）〜（ｄ）は、それぞれｚ＝０．７０、１．１０、１．５０、１．９０の位置におけるＥｙのマッピングイメージを示している。また、図中縦軸に示した矢印は、θ＝±３２．６度を示している。

図８（ａ）（ｂ）に示すように、回折格子部２０内に位置する高さｚ＝０．７０、１．１０において、入射角θと距離ｘに対応した２次元Ｅｙマップはθ＝±３２．６°で鏡面対称のほぼ同一のＥｙ振幅レベルを示した。これは、図７（ｃ）で見られる伝搬モードのＥｙ振幅ピークが図７（ｄ）で見られるピークとほぼ同一であることを示している。一方で図８（ｃ）（ｄ）に示すように、回折格子部２０の表面近傍に位置する高さｚ＝１．５０，１．９０における２次元Ｅｙマップはθ＝±３２．６°で鏡面対称位置とは異なるＥｙ振幅レベルを示した。これは、図７（ｃ）で見られる回折モードのＥｙ振幅ピークが図７（ｄ）で見られるピークと若干異なることを示している。

図７および図８に示したように、スランテッドグレーティングでは、板状部２１に対して凸部２２の傾斜角度φ１と同じ方向に角度θだけ傾斜した方向から入射光Ｌｉｎを照射することで、出射光の強度を向上できることがわかる。

上述したように、本発明の光学素子１００では、回折格子部２０の凸部２２が板状部２１の主面に対して角度φ１だけ傾斜したスランテッドグレーティングを構成しているため、漏れモードによる板状部２１での光の伝搬との組み合わせにより、他の構造の回折格子よりも出射光の強度を向上させることが可能となる。また、本発明の画像表示装置は、光学素子１００と光源部を備え、導光部１０を介して板状部２１に対して角度θだけ傾斜した方向から入射光Ｌｉｎを照射し、角度θはスランテッドグレーティングと同じ方向に傾斜していることで、出射光の強度を向上させることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図９〜図１３を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、導光部１０をＴｉＯ_２で構成し、回折格子部２０をＳｉＯ_２で構成した場合を示している。

図９は、本実施形態における光学素子１００で、導光部１０から回折格子部２０への光の進行と取出しについて、シミュレーションをした結果を示す図であり、図９（ａ）はスランテッドグレーティングの場合を示し、図９（ｂ）はピラードグレーティングの場合を示し、図９（ｃ）はブレーズドグレーティングの場合を示している。

シミュレーション条件としては導光部１０の屈折率を２．５２とし、回折格子部２０の屈折率を１．５４とし、空気の屈折率を１．００とした。また、凸部２２と凹部２３のピッチは６９６ｎｍとし、凸部２２の幅を２３０ｎｍとし、凸部２２の高さを２１０ｎｍとし、導光部１０の主面から凸部２２の上面までの厚さを７８８ｎｍとした。また、入射光Ｌｉｎを直径５μｍの発散角６．１２度とし、波長を６３２．８ｎｍとした。スランテッドグレーティングの傾斜角度φ１は４５度に設定した。

入射光Ｌｉｎの板状部２１への入射角度θは、それぞれスランテッドグレーティングで２２．０度、ピラードグレーティングで０．０度、ブレーズドグレーティングで１１．０度とした。これらの入射角度θは、それぞれのグレーティング構造において０度から９０度の範囲で最も明瞭な回折パターンを示した値を選択している。

図中に示した矢印は、光学素子１００の内外における光の伝搬ベクトルであり、非共鳴および共鳴時の光はｔ（ｎ）およびｔ（ｒ）で表示している。添え字Ｒ，Ｍ↑，Ｍ↓はそれぞれ大気層、誘電体層上、誘電体層下方向を示し、回折次数Ｎは、０，±１，±２の添え字で表記している。よって非共鳴（もしくは共鳴）Ｎ次透過光はｔ_ＲＮ ^{（ｎ ｏｒ ｒ）}で表し、非共鳴（もしくは共鳴）上方Ｎ次伝搬光はｔ_Ｍ↑Ｎ ^{（ｎ ｏｒ ｒ）}で表している。

図９（ａ）〜図９（ｃ）に示したように、いずれの回折格子構造においても、基板法線方向に回折ベクトルｔ_Ｒ０が伸びており、界面下方においては＋ｘ方向に対しジグザグに進行する伝搬ベクトルｔ_Ｍ↑，↓からなる光学モードが見られる。各構造において、板状部２１内を＋ｘ方向に伝搬する漏れ伝搬長Ｌと、回折電場｜Ｅｙ｜が異なることもわかる。

図１０は、光学素子１００への入射光Ｌｉｎの照射を示す模式図である。図１０は図９（ａ）に示したスランテッドグレーティングの場合を示しており、ＴｉＯ_２からなる導光部１０とＳｉＯ_２からなる回折格子部２０の界面がｘｙ平面であり、厚さ方向がｚ軸方向であり、凸部２２はｙ軸方向にストライプ状に延伸して形成されている。光学素子１００の外部に設けられた光源部（図示省略）からは、ｙ軸方向に偏光した入射光Ｌｉｎが板状部２１の主面に対してｘ軸方向に傾斜角度θだけ傾いて入射される。入射光Ｌｉｎの偏光方向は、光軸周りに偏光角度Φを回転させることができ、図１０はΦ＝９０度でｙ軸に沿った偏光の場合を示している。また、スランテッドグレーティングの凸部２２もｘ軸方向に傾斜角度φ１だけ傾いて形成されている。光学素子１００と光源部とで本発明における画像表示装置が構成される。

図１１は、スランテッドグレーティングにおける入射光Ｌｉｎの偏光角度Φと電場Ｅｙの関係を示すグラフである。図中央に示したレーダーパターンは入射角Ｌｉｎの偏光角度Φとｚ＝０．７０μｍの位置での｜Ｅｙ｜の関係を示している。レーダーパターンの周囲に示した（ｂ）〜（ｈ）は、それぞれ偏光角度Φ＝０度、３０度、６０度、９０度、１２０度、１５０度、１８０度におけるＥｙと｜Ｅｙ｜のフィールドプロファイルを示している。

図１１に示したように、偏光角度Φ＝０度、３０度、６０度、９０度、１２０度、１５０度、１８０度での｜Ｅｙ｜の値は、それぞれ０．０、０．００５７、０．０１７、０．０２３、０．０１７、０．０．０５７、０．０となっている。したがって、入射光Ｌｉｎは、凸部２２の延伸方向と平行な偏光角度Φ＝９０度とすることで、出射光の強度を最大にできることが確認できる。

図１２は、漏れ伝搬長Ｌの測定結果を示す図である。図１２では、ｚ＝０．７０μｍの位置におけるｘｙ平面での｜Ｅｙ｜の分布を示しており、入射光Ｌｉｎの入射位置からｘ軸方向への光の拡がりを漏れ伝搬長Ｌとしている。図１２に示したように、偏光角度Φ＝９０度では漏れ伝搬長Ｌは約７．００μｍであった。

図９（ｂ）に示したピラードグレーティングおよび図９（ｃ）に示したブレーズドグレーティングについても、図１０〜図１２と同様に｜Ｅｙ｜と漏れ伝搬長Ｌを算出した。スランテッドグレーティング、ピラードグレーティングおよびブレーズドグレーティングでは、｜Ｅｙ｜の最大値はそれぞれ０．３２４、０．０５３０、０．０６３５であり、漏れ伝搬長Ｌはそれぞれ７．００μｍ、１０．００μｍ、８．００μｍであった。したがって、スランテッドグレーティングを用いることで、ピラードグレーティングとブレーズドグレーティングよりも出射光強度を向上できることがわかる。

図１３は、凸部２２の傾斜方向と入射光Ｌｉｎの入射方向による光出射の相違を示す図であり、図１３（ａ）（ｃ）は凸部２２の傾斜と同じ方向から入射させた場合を示し、図１３（ｂ）（ｄ）は凸部２２の傾斜と反対の方向から入射させた場合を示している。図１３（ａ）（ｂ）に示すように、いずれの場合においても板状部２１内に入射した光は、入射光Ｌｉｎが入射された方向に漏れ伝搬長Ｌで伝搬して、出射光ＬＯ１，ＬＯ２，ＬＯ３が外部に取り出される。図１３（ｃ）（ｄ）は、ｚ＝０．７０、１．１０、１．５０、１．９０の位置における｜Ｅｙ｜のラインプロファイルを示しており、ｚ＝０．７０と１．１０は板状部２１内での伝搬モードを表し、ｚ＝１．５０と１．９０は凸部２２より上方での回折モードを表している。また、図１３（ｃ）（ｄ）では｜Ｅｙ｜のピークトップ位置を破線で示している。

図１３（ｃ）（ｄ）で示したように、ｚ＝０．７０と１．１０での伝搬モードでは入射光Ｌｉｎの入射方向によらずピークトップが同程度となっているが、ｚ＝１．５０と１．９０の回折モードでは凸部２２の傾斜と同じ方向から入射させた場合のほうが｜Ｅｙ｜のピークが約１０％大きくなっている。

また、一般的な電磁場長の定義に当てはめると、０〜０．３２０λは近接場、０．３２０λ〜０．６４０λは遷移、０．６４０λ〜は遠方場領域であり、ｚ＝１．５０でのＥｙラインプロファイルは近接場であるが、ｚ＝１．９０のプロファイルは遠方場であると見なせる。図１３（ｃ）（ｄ）に示したように、遠方場条件下で近接場条件でのＥｙフィールドベースラインが２５％近く維持されており、光学素子１００で良好に光照射が可能なことがわかる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１４〜図１６を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１４は、本実施形態における光学素子１１０の構造を示す模式図である。図１４に示すように光学素子１１０は、板状部２１上に複数の凸部２２ａ，２２ｂが形成され、凸部２２ａ，２２ｂを覆う導光部３０ａ，３０ｂが形成されている。第１実施形態と同様に、板状部２１は導光部１０上に形成されているが、本実施形態では図示を省略している。

凸部２２ａは、板状部２１の主面に対して角度φ１だけ傾斜して形成されており、凸部２２ａ間に形成された凹部とで、第１のスランテッドグレーティングを構成している。凸部２２ｂは、板状部２１の主面に対して角度φ２だけ傾斜して形成されており、凸部２２ｂ間に形成された凹部とで、第２のスランテッドグレーティングを構成している。

凸部２２ａ，２２ｂの傾斜角度φ１，φ２は、それぞれ−４５度以上４５度以下の範囲であることが好ましい。また、図１４に示すように、第１のスランテッドグレーティングを構成する凸部２２ａと、第２のスランテッドグレーティングを構成する凸部２２ｂは、互いに反対方向に傾斜している。ここで、互いに反対方向に傾斜とは、傾斜角度φ１，φ２の正負が異なり、さらに板状部２１に垂直な方向から凸部２２ａ，２２ｂが傾斜している方向が反対を意味している。

導光部３０ａ，３０ｂは、それぞれ凸部２２ａ，２２ｂを覆って形成された光を透過する材料で構成された略板状の部分である。導光部３０ａ，３０ｂのサイズは限定されないが、例えば厚さｔ＝０．１〜１００ｍｍ程度の大きさが挙げられる。

板状部２１、凸部２２ａ，２２ｂ導光部３０ａ，３０ｂを構成する材料は限定されないが、例えばＳｉＯ_２を主成分とするガラスやポリマーやＴｉＯ_２を用いることが好ましい。

図１４に示したように、光学素子１１０の板状部２１側から光を入射させた場合には、入射光は、板状部２１内および導光部３０ａ，３０ｂ内の面内方向において、第１実施形態で述べたように漏れモードによって伝搬する。面内方向に伝搬した光は、第１のスランテッドグレーティングを構成する凸部２２ａと、第２のスランテッドグレーティングを構成する凸部２２ｂによってそれぞれ回折され、光学素子１１０の外部に向かって出射される。このとき、導光部３０ａ，３０ｂの表面から出射する光は、凸部２２ａ，２２ｂの傾斜方向と反対側に進み、光学素子１１０の中央方向に集光される。また、板状部２１側から出射する光は、凸部２２ａ，２２ｂの傾斜方向と同方向側に進み、互いに反対方向に拡大するように取り出される。

図１５は、光学素子１１０の製造方法を示す工程図である。はじめに図１５（ａ）に示すように、平板状の板状部２１にレジスト膜４１を塗布する。次に図１５（ｂ）に示すように、レジスト膜４１を例えば電子ビーム描画法等を用いてパターニングし、板状部２１表面を部分的に露出させる。次に図１５（ｃ）に示すように、露出した板状部２１およびレジスト膜４１を覆うようにマスク層４２を形成する。マスク層４２の材料としては、後工程での反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）に耐える金属材料等を用いることができ、例えばＣｒを蒸着することで形成することができる。

次に図１５（ｄ）に示すように、レジスト膜４１を除去して、レジスト膜４１のパターンが形成されていた領域の板状部２１を露出させる。次に図１５（ｅ）に示すように、板状部２１を角度φ１だけ傾斜させ状態で、マスク層４２を用いて板状部２１の一部領域に反応性イオンエッチングを行い凸部２２ａを形成する。次に図１５（ｆ）に示しように、板状部２１を図１５（ｅ）とは反対側に角度φ２だけ傾斜させた状態で、マスク層４２を用いて板状部２１の残りの領域に反応性イオンエッチングを行い凸部２２ｂを形成する。図１５（ｅ）（ｆ）の反応性イオンエッチングに際しては、凸部２２ａ，２２ｂを形成する領域以外に他のマスク層を形成しておくとしてもよい。次に図１５（ｇ）に示すように、マスク層４２を除去し、板状部２１の一方の面上に凸部２２ａ，２２ｂが形成される。

次に図１５（ｈ）に示すように、板状部２１を角度φ１だけ傾斜させた状態で、凸部２２ａが形成された領域上に導光部３０ａを形成する。次に図１５（ｉ）に示すように、板状部２１を図１５（ｅ）とは反対側に角度φ２だけ傾斜させた状態で、凸部２２ｂが形成された領域上に導光部３０ｂを形成する。これにより図１５（ｊ）に示すように、凸部２２ａおよび導光部３０ａによる第１のスランテッドグレーティングと、凸部２２ｂおよび導光部３０ｂによる第２のスランテッドグレーティングとが板状部２１上に形成された光学素子１１０が得られる。ここで図１５（ｈ）（ｉ）における導光部３０ａ，３０ｂの形成方法は限定されないが、例えばＳｉＯ_２やＴｉＯ_２をスパッタ法、電子ビーム蒸着法、スピンコート法等で堆積させる方法等が挙げられる。

図１６は、光学素子１１０を用いた画像表示装置による表示を示す模式斜視図である。図１６に示すように画像表示装置は、光源部Ｓと、光学素子１１０と、スクリーン５０を備えている。

光源部Ｓは、光学素子１１０に向けてレーザ光を照射する部材であり、レーザ光はコリメートレンズ等によってコリメート光として照射される。スクリーン５０は、光学素子１１０から出射された光によって投影図Ｐが投影される板状の部材である。スクリーン５０として、光透過性のガラスや樹脂を用いると、視聴者はスクリーン５０に投影された投影図Ｐを背景に重ね合わせたヘッドアップディスプレイとして視認することができる。

図１４に示したように、光学素子１１０では凸部２２ａと凸部２２ｂは互いに反対方向に傾斜しており、出射光は光学素子１１０の中央方向に集光される。したがって、図１４において第１のスランテッドグレーティングからの回折光と、第２のスランテッドグレーティングからの回折光が交わる距離にスクリーン５０を配置すると、本実施形態の画像表示装置ではスクリーン５０上の一箇所に投影図Ｐを投影することができる。これにより、スクリーン５０上に投影画像Ｐを高輝度で投影することができる。

また、光学素子１１０からスクリーン５０までの距離を図１６に示した位置から変化させることで、スクリーン５０上に投影される投影画像Ｐは２つに分離する。これにより、スクリーン５０上に投影される投影画像Ｐの表示を簡便に変更することができる。また、視聴者の視線中央から分離した方向に投影画像Ｐを投影できるため、周辺視野を用いた画像表示に用いることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１７〜図１９を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１７は、本実施形態における光学素子１２０の構造を示す模式図である。図１７に示すように光学素子１２０は、板状部２１上に複数の凸部２２ａ，２２ｂが形成され、凸部２２ａ，２２ｂを覆う導光部３０ａ，３０ｂが形成されている。第１実施形態と同様に、板状部２１は導光部１０上に形成されているが、本実施形態では図示を省略している。

本実施形態の光学素子１２０では、凸部２２ａ，２２ｂが互いに対向方向に傾斜している点が第３実施形態とは異なっている。ここで、互いに対向方向に傾斜とは、傾斜角度φ１，φ２の正負が異なり、さらに凸部２２ａは凸部２２ｂが形成された方向に傾斜し、凸部２２ｂは凸部２２ａが形成された方向に傾斜していることを意味している。

図１７に示したように、光学素子１２０の板状部２１側から光を入射させた場合には、入射光は、板状部２１内および導光部３０ａ，３０ｂ内の面内方向において、第１実施形態で述べたように漏れモードによって伝搬する。面内方向に伝搬した光は、第１のスランテッドグレーティングを構成する凸部２２ａと、第２のスランテッドグレーティングを構成する凸部２２ｂによってそれぞれ回折され、光学素子１２０の外部に向かって出射される。このとき、導光部３０ａ，３０ｂの表面から出射する光は、凸部２２ａ，２２ｂの傾斜方向と反対側に進み、互いに反対方向に拡大するように取り出される。また、板状部２１側から出射する光は、凸部２２ａ，２２ｂの傾斜方向と同方向側に進み、光学素子１２０の中央方向に集光される。

図１８は、光学素子１２０の製造方法を示す工程図である。図１８（ａ）〜（ｄ）までの工程は、図１５（ａ）〜（ｄ）までの工程と同様であるため説明を省略する。次に図１８（ｅ）に示すように、板状部２１を角度φ１だけ傾斜させ状態で、マスク層４２を用いて板状部２１の一部領域に反応性イオンエッチングを行い凸部２２ａを形成する。ここで、凸部２２ａを形成する領域は第３実施形態とは異なっている。次に図１８（ｆ）に示すように、板状部２１を図１８（ｅ）とは反対側に角度φ２だけ傾斜させた状態で、マスク層４２を用いて板状部２１の残りの領域に反応性イオンエッチングを行い凸部２２ｂを形成する。次に図１８（ｇ）に示すように、マスク層４２を除去し、板状部２１の一方の面上に凸部２２ａ，２２ｂが形成される。

次に図１８（ｈ）に示すように、板状部２１を角度φ１だけ傾斜させた状態で、凸部２２ａが形成された領域上に導光部３０ａを形成する。次に図１８（ｉ）に示すように、板状部２１を図１８（ｅ）とは反対側に角度φ２だけ傾斜させた状態で、凸部２２ｂが形成された領域上に導光部３０ｂを形成する。これにより図１８（ｊ）に示すように、凸部２２ａおよび導光部３０ａによる第１のスランテッドグレーティングと、凸部２２ｂおよび導光部３０ｂによる第２のスランテッドグレーティングが板状部２１上に形成された光学素子１２０が得られる。

図１９は、光学素子１２０を用いた画像表示装置による表示を示す模式斜視図である。図１９に示すように画像表示装置は、光源部Ｓと、光学素子１２０と、スクリーン５０を備えている。

図１９に示したように、光学素子１２０では凸部２２ａと凸部２２ｂは互いに対向方向に傾斜しており、出射光は互いに反対方向に拡大するように進行する。したがって、本実施形態の画像表示装置ではスクリーン５０上の二箇所に投影図Ｐを投影することができる。 また、光学素子１２０からスクリーン５０までの距離を図１９に示した位置から変化させることで、スクリーン５０上に投影される投影画像Ｐの間隔が変化する。これにより、スクリーン５０上に投影される投影画像Ｐの表示を簡便に変更することができる。また、視聴者の視線中央から分離した方向に投影画像Ｐを投影できるため、周辺視野を用いた画像表示に用いることができる。

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、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１００，１１０，１２０…光学素子
１０，３０ａ，３０ｂ…導光部
２０…回折格子部
２１…板状部
２２，２２ａ，２２ｂ…凸部
２３…凹部
４１…レジスト膜
４２…マスク層

Claims (7)

1. 透光性の材料で構成された導光部と、
   前記導光部上に形成された回折格子部を有し、
   前記回折格子部は、前記導光部を覆う板状部と、前記板状部に形成された凸部を備え
   前記凸部は、前記板状部の主面に対して角度φ１だけ傾斜した第１のスランテッドグレーティングを備えていることを特徴とする光学素子。
2. 請求項１に記載の光学素子であって、
   前記凸部は、前記板状部の主面に対して角度φ２だけ傾斜した第２のスランテッドグレーティングを備えていることを特徴とする光学素子。
3. 請求項２に記載の光学素子であって、
   前記第１のスランテッドグレーティングと前記第２のスランテッドグレーティングは、互いに反対方向に傾斜していることを特徴とする光学素子。
4. 請求項２に記載の光学素子であって、
   前記第１のスランテッドグレーティングと前記第２のスランテッドグレーティングは、互いに対向方向に傾斜していることを特徴とする光学素子。
5. 請求項１から４の何れか一つに記載の光学素子であって、
   前記凸部の傾斜角度は、−４５度以上４５度以下の範囲であることを特徴とする光学素子。
6. 請求項１から５の何れか一つに記載の光学素子と、
   前記導光部を介して前記回折格子部に対して光を照射する光源部を備えることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項６に記載の画像表示装置であって、
   前記光源部は、前記板状部に対して角度θだけ傾斜した方向から前記光を照射し、
   前記角度θは、前記凸部と同じ方向に傾斜していることを特徴とする画像表示装置。
   

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