JP2021511541A

JP2021511541A - 回折導光板およびこれを含むディスプレイ装置

Info

Publication number: JP2021511541A
Application number: JP2020539818A
Authority: JP
Inventors: ソン・ミン・パク; ジョン・ホ・パク; サン・チョル・ハン; ブ・ゴン・シン
Original assignee: LG Chem Ltd
Current assignee: LG Chem Ltd
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2039-08-21
Also published as: KR102255150B1; US20210063627A1; EP3730991A1; WO2020040535A1; JP7063498B2; CN111542771B; CN111542771A; US11906773B2; EP3730991A4; KR20200022138A

Abstract

本発明の一態様の実施形態は、光を案内するための光ガイド部と、光源から出力された光が入力されて前記光ガイド部上で案内できるように前記入力された光を回折させる入力回折光学素子と、前記入力回折光学素子から回折された光を受光し、受光された光が回折によって１次元的に拡張できるように構成される２つの回折光学素子とを含み、前記２つの回折光学素子それぞれは、他の回折光学素子から拡張された光を受光し、受光された光が回折によって前記光ガイド部から出力されるように構成され、前記２つの回折光学素子は、前記光ガイド部上で互いに重なっている領域を形成しない、回折導光板を提供する。

Description

本発明は、回折導光板および回折導光板を含むディスプレイ装置に関する。

最近、拡張現実（ＡＲ：ＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａｌｉｔｙ）、複合現実（ＭＲ：ＭｉｘｅｄＲｅａｌｉｔｙ）、または仮想現実（ＶＲ：ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ）を実現するディスプレイユニットへの関心が高まるにつれ、これを実現するディスプレイユニットに関する研究が活発に行われる傾向にある。拡張現実、複合現実、または仮想現実を実現するディスプレイユニットは、光の波動的性質に基づいた回折現象を利用する回折導光板を備えている。

図１は、従来技術による回折導光板を概略的に示す図である。

このような回折導光板１０は、光ガイド部１１と、光ガイド部１１の一面または他面側に設けられ、複数の格子線パターンを有する複数の回折光学素子１２、１３、１４とを備えることができる。具体的には、回折導光板１０は、マイクロ光源出力素子Ｐを通して出力された光が入力されて光ガイド部１１上に案内されるようにする入力回折光学素子１２と、光ガイド部１１を介して入力回折光学素子１２と光学的にカップリングされ、入力回折光学素子１２から受光された光を回折によって第１方向（図１におけるｘ軸方向）への１次元的な拡張がなされるようにする中間回折光学素子１３と、光ガイド部１１を介して中間回折光学素子１３と光学的にカップリングされ、中間回折光学素子１３から受光された光を回折によって第２方向（図１におけるｙ軸方向）への１次元的な拡張がなされたまま光ガイド部１１から出力させて使用者の瞳孔に向けられるようにする出力回折光学素子１４とを備えることができる。

マイクロ光源出力素子Ｐを通して出力された光の、使用者の瞳孔への到達のための主な光経路は、入力回折光学素子１２−中間回折光学素子１３−出力回折光学素子１４−使用者の瞳孔の順であるので、出力回折光学素子１４を通して光ガイド部１１から出力される光イメージの大きさは、出力回折光学素子１４の占める面積に左右される。

一方、従来技術による回折導光板の場合には、単一入力回折光学素子１２、単一中間回折光学素子１３および単一出力回折光学素子１４が光ガイド部１１上で互いに分離されて配置されるので、光ガイド部１１上で出力回折光学素子１４の占める面積は、光ガイド部１１上で入力回折光学素子１２および中間回折光学素子１３の占める面積を制限面積として制限されるほかなく、より大きな光イメージを出力するには限界が伴っていた。

前述した背景技術は、発明者が本発明の実施形態を導出するために保有していたか、導出過程で習得した技術情報であって、必ずしも本発明の実施形態の出願の前に一般公衆に公開された公知技術であるとは限らない。

本発明は、視野角がより大きな映像光を形成できる回折導光板およびその回折導光板を含むディスプレイ装置を提供しようとする。

ただし、本発明が解決しようとする課題は、上記の言及した課題に制限されず、言及されていない他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解されるであろう。

本実施形態において、前記回折光学素子それぞれは、予め定められたピッチで繰り返し形成された線状格子を含み、前記線状格子のピッチに反比例する大きさおよび前記線状格子が延びた方向と垂直な方向で定義される格子ベクトルを有し、前記入力回折光学素子と前記２つの回折光学素子それぞれの格子ベクトルの合計は、０の大きさを有することができる。

本実施形態において、前記入力回折光学素子と前記２つの回折光学素子それぞれの格子ベクトルは、互いに同一の大きさを有することができる。

本実施形態において、前記入力回折光学素子と前記２つの回折光学素子それぞれの格子ベクトルは、互いに６０゜の角度を形成することができる。

本実施形態において、前記２つの回折光学素子は、前記光ガイド部上の同一平面上に提供される。

本実施形態において、前記２つの回折光学素子それぞれは、他の回折光学素子から拡張された光を受光する受光側が他の回折光学素子の受光側に当接していてもよい。

本実施形態において、前記２つの回折光学素子それぞれの受光側が互いに当接している領域は、物理的な境界ラインが形成されていなくてもよい。

本発明の他の態様の実施形態は、映像を形成する映像光を出力する光源と、本発明の一態様に係る回折導光板とを含むディスプレイ装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、２つの回折光学素子それぞれによって光ガイド部から拡張された映像光を出力するので、単一回折光学素子だけで光ガイド部から映像光を出力する場合より、視野角がより大きな映像光を形成できるという利点がある。

また、２つの回折光学素子が光ガイド部上で互いに重なっている領域を形成していないため、意図したところの全反射経路が過度にずれるのを防止することができる。

従来技術による回折導光板を概略的に示す図である。本発明の一態様に係る回折導光板を概略的に示す図である。図２に示された回折導光板の様々な回折光学素子に含まれた格子の平面図である。図２に示された回折導光板の様々な回折光学素子に含まれた格子の平面図である。図２に示された回折導光板の様々な回折光学素子に含まれた格子の平面図である。図２に示された回折導光板の様々な回折光学素子に含まれた各格子ベクトルの組み合せを示す図である。図２に示された回折導光板を通して進行する光経路の一例を概略的に示す平面図である。図２に示された回折導光板を通して進行する光経路の他の例を概略的に示す平面図である。２つの回折光学素子それぞれの受光側が互いに当接している領域に物理的な境界ラインが形成されている回折導光板を通してイメージ光を出力させた結果を示す図である。

本発明は、添付した図面とともに詳細に後述する実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下に開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現され、単に本実施形態は本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によって定義される。一方、本明細書で使われた用語は、実施例を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数形は、文章で特に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使われる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及された構成要素、段階、動作および／または素子が、１つ以上の他の構成要素、段階、動作および／または素子の存在または追加を排除するものではない。第１、第２などの用語は、多様な構成要素を説明するのに使用できるが、構成要素は用語によって限定されてはならない。用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われる。

本明細書において、用語「光ガイド部」は、内部全反射を利用して内部で光を案内する構造で定義される。内部全反射のための条件は、光ガイド部の屈折率が光ガイド部の表面に隣接した周辺媒体の屈折率より大きくなければならない。光ガイド部は、ガラスおよび／またはプラスチック素材を含んで形成され、透明または半透明であり得る。光ガイド部は、プレートタイプに多様なレイアウトで形成される。ここで、用語「プレート」は、一面およびその反対側の他面との間に所定の厚さを有する３次元構造体を意味し、その一面および他面は、実質的に平坦な平面であってもよいが、その一面および他面の少なくとも１つの面は、１次元的または２次元的に湾曲して形成されてもよい。例えば、プレートタイプの光ガイド部は、１次元的に湾曲してその一面および／または他面が円柱の側面の一部に対応する形状を有することができる。ただし、その湾曲によって形成される曲率は、光ガイド部上で光を案内するために内部全反射が容易となるように十分に大きな曲率半径を有することが好ましい。

本明細書において、用語「回折光学素子」は、光ガイド部上で光を回折させて光経路を変更するための構造で定義される。ここで、「回折光学素子」は、光ガイド部上に一方向に配向された複数の格子線が予め定めた方向に配列されてパターンを有しながら所定の面積を形成する部分を意味することができる。

本明細書において、用語「格子線」は、光ガイド部の表面上に所定の高さを有する突起形態（すなわち、彫り上げパターン）および／または光ガイド部の表面上に所定の深さを有する溝形態（すなわち、掘り下げパターン）を意味することができる。ここで、格子線の配向方向は、回折光学素子による回折により意図した方向に光経路が変更できるように自由に設計可能である。

図２は、本発明の一態様に係る回折導光板を概略的に示す図であり、図３Ａ〜図３Ｃは、図２に示された回折導光板の様々な回折光学素子に含まれた格子の平面図であり、図４は、図２に示された回折導光板の様々な回折光学素子に含まれた各格子ベクトルの組み合わせを示す図である。

図５Ａは、図２に示された回折導光板を通して進行する光経路の一例を概略的に示す平面図であり、図５Ｂは、図２に示された回折導光板を通して進行する光経路の他の例を概略的に示す平面図である。

図２〜図６を参照すれば、回折導光板は、光ガイド部１１０と、入力回折光学素子１２０と、２つの回折光学素子１３０、１４０とを含むことができる。

光ガイド部１１０は、内部全反射を利用して内部で光を案内することができる。

入力回折光学素子１２０は、光源から出力された光が入力されて光ガイド部１１０上で案内できるように入力された光を回折させることができる。

このような入力回折光学素子１２０は、光ガイド部１１０の一面１１０ａの一側（例えば、図２基準左側）上に配置される。

２つの回折光学素子１３０、１４０は、回折された光を受光し、受光された光が回折によって１次元的に拡張できるように構成される。入力回折光学素子１２０から受光された回折光は、他の回折光学素子１３０、１４０を経て、一部は回折されて光経路が変更され、残りは既存の光経路に全反射されるが、入力回折光学素子１２０から最初に受光された光は、このような回折が特定方向に離隔した地点で複数回行われながら複数のビームＬ３ａ、Ｌ３ｂに分割できるため、結果として、１次元的な拡張がなされる。

２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれは、他の回折光学素子１４０、１３０から拡張された光Ｌ３ｂ、Ｌ３ａを受光し、受光された光Ｌ３ｂ、Ｌ３ａが回折によって光ガイド部１１０から出力されるように構成される。一方、２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれも、他の回折光学素子１４０、１３０から拡張された光Ｌ３ｂ、Ｌ３ａを受光し、受光した光を回折によって１次元的に拡張することができる。この時、２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれの受光側Ｃ基準で他の回折光学素子１４０、１３０によって拡張された光が形成する複数のビームＬ３ｂ、Ｌ３ａが離隔している方向と、単一ビームＬ３ｂ、Ｌ３ａ基準で２つの回折光学素子１３０、１４０によって拡張された複数のビームＬ４ｂ、Ｌ４ａが離隔している方向とは互いに交差するので、結果として、光源から入力回折光学素子１２０が受光する光基準では２次元的な拡張がなされる。

２つの回折光学素子１３０、１４０は、光ガイド部１１０上で互いに重なっている領域を形成しないことが好ましい。１つの回折光学素子上で回折によって他の回折光学素子側に全反射して進行する光の場合には、その回折光学素子上の離隔している格子線パターンに接するたびに、意図したところの全反射経路が少しずつずれてしまう。したがって、２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれは、他の回折光学素子１４０、１３０と光ガイド部１１０の平面図基準で互いに区別される領域に重ならないようにして、１つの回折光学素子が他の回折光学素子側の方向に過度に面積を占めるのを防止し、これによって、意図したところの全反射経路が過度にずれるのを防止することができる。

回折光学素子１２０、１３０、１４０それぞれは、予め定められたピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３で繰り返し形成された線状格子を含むことができる。このような線状格子は、突出している突起形態であってもよい。

回折光学素子１２０、１３０、１４０それぞれは、線状格子のピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３に反比例する「大きさ」および線状格子が延びる方向と垂直な「方向」で定義される格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３を有することができる。格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３の大きさは、下記の数式１で定義される。

ここで、｜Ｖ｜は、回折光学素子の格子ベクトルの大きさを意味し、Ｐは、回折光学素子の線状格子のピッチを意味する。

入力回折光学素子１２０と２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれの格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３の合計は、０の大きさを有する。

この時、入力回折光学素子１２０と２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれの格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３は、互いに同一の大きさを有し、入力回折光学素子１２０と２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれの格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３は、互いに６０゜の角度を形成することが好ましい。同一のピッチの格子パターンを有する１つのモールドによってそれぞれの回折光学素子１２０、１３０、１４０をすべて成形できるからである。

一実施形態として、入力回折光学素子１２０は、図３Ａに示されるように、ｘ軸と並ぶ水平線Ｈと９０゜の角度をなす線状格子を有し、２つの回折光学素子１３０、１４０のうち、仮想の区分線Ｃを基準として上側に位置した回折光学素子１３０は、図３Ｂに示されるように、ｘ軸と並ぶ水平線Ｈと−３０゜の角度をなす線状格子を有し、仮想の区分線Ｃを基準として下側に位置した回折光学素子１４０は、図３Ｃに示されるように、ｘ軸と並ぶ水平線Ｈと＋３０゜の角度をなす線状格子を有することができる。それぞれの線状格子のピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３はすべて同一であり、それによる回折光学素子１２０、１３０、１４０の格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３の大きさはすべて同一である。格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３の方向は、それぞれの線状格子が延びる方向と垂直であるため、入力回折光学素子１２０の格子ベクトルＶ１の方向は、ｘ軸方向と平行であり、区分線Ｃ基準で上側に位置した回折光学素子１３０の格子ベクトルＶ２の方向は、ｘ軸方向に対して−１２０゜の角度をなし、区分線Ｃ基準で下側に位置した回折光学素子１４０の格子ベクトルＶ３の方向は、ｘ軸方向に対して＋１２０゜の角度をなすことができる。これによって、入力回折光学素子１２０と２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれの格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３は、互いに６０゜の角度を形成して、それぞれの格子ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３の合計は、０の大きさを有するようになる。

２つの回折光学素子１３０、１４０は、光ガイド部１１０上の同一平面上に提供されることが好ましい。本発明の一実施形態において、２つの回折光学素子１３０、１４０は、光ガイド部１１０の一面１１０ａに提供される。２つの回折光学素子１３０、１４０は、光ガイド部１１０上の同一平面上で互いに重なっている領域を形成しないように構成されるため、２つの回折光学素子１３０、１４０の製造時、１つのモールドに２つの回折光学素子１３０、１４０が有する線状格子を形成可能な格子パターンをすべて備えるようにして、一度に２つの回折光学素子１３０、１４０の線状格子を形成できるという利点がある。

２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれは、他の回折光学素子１４０、１３０から拡張された光Ｌ３ｂ、Ｌ３ａを受光する受光側Ｃが他の回折光学素子１４０、１３０の受光側Ｃに当接していることが好ましい。光源から出力された光は、入力回折光学素子１２０−２つの回折光学素子１３０、１４０−他の回折光学素子１４０、１３０を経て、光ガイド部１１０から出力されるが、このように光ガイド部１１０から出力される光は、他の回折光学素子１４０、１３０それぞれによって出力された光が集まって１つのイメージ光を形成する。したがって、２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれは、他の回折光学素子１４０、１３０から拡張された光Ｌ３ｂ、Ｌ３ａを受光する受光側Ｃが他の回折光学素子１４０、１３０の受光側Ｃに当接しているようにして、イメージ光が互いに分割されないようにする必要があるからである。

特に、２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれの受光側が互いに当接している領域Ｃは、物理的な境界ラインが形成されていないことが好ましい。受光側が互いに当接している領域Ｃが形成されていても、互いに異なるモールドによって２つの回折光学素子１３０、１４０をそれぞれ形成する場合には、物理的な境界ラインが形成されるが、この場合には、図６に示されるように、イメージ光の中段部が暗く見えて映像品質が低下しうるからである。

本発明の他の態様に係るディスプレイ装置（図示せず）は、映像を形成する映像光を出力する光源（図示せず）と、本発明の一態様に係る回折導光板とを含むことができる。光源から出力された映像光は、入力回折光学素子１２０に入力および回折されて２つの回折光学素子１３０、１４０にカップリングされ、２つの回折光学素子１３０、１４０は、カップリングされて受光された光を回折させて１次元的に拡張し、１次元的に拡張された光は、他の回折光学素子１４０、１３０にカップリングされて回折によって光ガイド部１１０から出力される。２つの回折光学素子１３０、１４０それぞれによって光ガイド部１１０から拡張された映像光を出力するので、単一回折光学素子だけで光ガイド部１１０から映像光を出力する場合より、視野角がより大きな映像光を形成できるという利点がある。

本発明が上述した好ましい実施例に関して説明されたが、発明の要旨と範囲を逸脱することなく多様な修正や変形をすることが可能である。したがって、添付した特許請求の範囲には、本発明の要旨に属する限り、かかる修正や変形を含む。

１０回折導光板
１１光ガイド部
１２入力回折光学素子
１３中間回折光学素子
１４出力回折光学素子
１１０光ガイド部
１１０ａ光ガイド部の一面
１２０入力回折光学素子
１３０、１４０他の回折光学素子

Claims

光を案内するための光ガイド部と、
光源から出力された光が入力されて前記光ガイド部上で案内できるように前記入力された光を回折させる入力回折光学素子と、
前記入力回折光学素子から回折された光を受光し、受光された光が回折によって１次元的に拡張できるように構成される２つの回折光学素子とを含み、
前記２つの回折光学素子それぞれは、他の回折光学素子から拡張された光を受光し、受光された光が回折によって前記光ガイド部から出力されるように構成され、
前記２つの回折光学素子は、前記光ガイド部上で互いに重なっている領域を形成しない、回折導光板。
前記回折光学素子それぞれは、予め定められたピッチで繰り返し形成された線状格子を含み、前記線状格子のピッチに反比例する大きさおよび前記線状格子が延びた方向と垂直な方向で定義される格子ベクトルを有し、
前記入力回折光学素子と前記２つの回折光学素子それぞれの格子ベクトルの合計は、０の大きさを有する、請求項１に記載の回折導光板。
前記入力回折光学素子と前記２つの回折光学素子それぞれの格子ベクトルは、互いに同一の大きさを有する、請求項２に記載の回折導光板。
前記入力回折光学素子と前記２つの回折光学素子それぞれの格子ベクトルは、互いに６０゜の角度を形成する、請求項２または３に記載の回折導光板。
前記２つの回折光学素子は、前記光ガイド部上の同一平面上に提供される、請求項１から４のいずれか一項に記載の回折導光板。
前記２つの回折光学素子それぞれは、他の回折光学素子から拡張された光を受光する受光側が他の回折光学素子の受光側に当接している、請求項１から５のいずれか一項に記載の回折導光板。
前記２つの回折光学素子それぞれの受光側が互いに当接している領域は、物理的な境界ラインが形成されていない、請求項６に記載の回折導光板。
映像を形成する映像光を出力する光源と、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の回折導光板とを含むディスプレイ装置。