JP2022524495A - 回折導光板 - Google Patents

Abstract

本出願は、回折導光板に関する。本出願の回折導光板は、全体の大きさを減少させないながらも、前記導光板から出力される映像の面積を増加させることができる。また、本出願の回折導光板は使用者の瞳孔の位置に制限がない利点がある。

Description

本出願は２０１９年３月１３日付け大韓民国特許庁に出願された特許出願第１０－２０１９－００２８５１４号の優先日の利益を主張し、その内容のすべては本出願に参照として含まれる。

本出願は、回折導光板およびこの用途に関する。

拡張現実（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＡＲ）技術は現実のイメージに３次元の仮想イメージを重複させて一つの映像で投影する技術を指し示す。拡張現実を具現する光学デバイスは光の波動的な性質に基づいた回折現象を利用する回折導光板を含む。

従来の回折導光板を図１に概略的に示した。従来の回折導光板１０はそれぞれ回折格子が形成された入力回折光学素子１１、中間回折光学素子１２および出力回折光学素子１３を含む。具体的には、前記入力回折光学素子１１は光源Ｐから入射した光を受光し、前記受光した光を前記中間回折光学素子に向かって出力させ、前記光を前記導光板内で全反射するように構成される。前記中間回折光学素子１２は前記入力回折光学素子１１から回折された光を受光し、前記受光した光を回折によって単一の第１方向（例えば、図１のｚ軸と平行な方向）に前記出力回折光学素子に向かって拡張するように構成される。前記出力回折光学素子１３は前記中間回折光学素子１２で拡張された光を受光し、前記受光した光を回折によって単一の第２方向（図１のｙ軸と平行な方向）に拡張された状態で使用者の瞳孔に向かう方向に出力できるように構成される。

光源Ｐから出力された光が使用者の瞳孔に到達するための主な光経路は、入力回折光学素子１１→中間回折光学素子１２→出力回折光学素子１３→使用者の瞳孔の順序でなされる。この時、前記回折導光板から出力される映像を使用者が認識できる領域を増加させるためには、中間回折光学素子と出力回折光学素子の大きさを増加せざるを得ない。

ところが、前記導光板内の回折光学素子の大きさを増加させる場合には、回折導光板の大きさが増加することになる。これに伴い、前記回折導光板が適用される光学デバイスの大きさが増加するため、従来の回折導光板の設計では光学デバイスを小型化乃至軽量化しようとする技術的趨勢に符合するには限界がある。

図１のような構造を有する回折導光板の問題点を解決するために、図２のような構造の回折導光板の形態が考慮された。具体的には、図２のように、入力回折光学素子１２０と、互いに異なる１次元回折パターンを有し、互いに対向配置された第１領域１３１と第２領域１３２を有する出力回折光学素子１３０を含む回折導光板の形態が考慮された。前記出力回折光学素子が従来の中間および出力回折光学素子の役割を代替するため、図２のような形態の回折導光板は全体の大きさを減少させないながらも出力映像の面積を向上させることができた。

図２のような形態の回折導光板では、出力回折光学素子内の前記第１領域と第２領域が前記回折導光板に入力された映像を分割して出力する。この時、使用者が前記第１領域と第２領域が出力する映像をすべて認識するためには、使用者の瞳孔が前記映像のすべてに位置しなければならない。ところが、図２のような形態の回折導光板が出力する映像のすべてを使用者が認識できる領域（図３のα）の大きさは相対的に小さい。したがって、図２のような形態の回折導光板では、瞳孔の位置が若干でも変更されると、特に前記第１領域と第２領域の境界から出力される映像が使用者に認識されないか、認識されても相対的にぼやけて認識される問題がある。すなわち、図２のような形態の回折導光板で出力される映像をすべて認識するためには使用者の瞳孔の位置が制限的であるという問題がある。

本出願の一目的は、光学デバイスの小型化乃至軽量化に適合した回折導光板を提供することである。

本出願の他の一目的は、全体の大きさを減少させないながらも、出力される映像の面積を増加させ得る回折導光板を提供することである。

本出願のさらに他の一目的は、使用者の瞳孔の位置に制限がない回折導光板を提供することである。

本出願の目的は前述した目的に限定されない。

本出願で定義される角度は、製造誤差（ｅｒｒｏｒ）または偏差（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）等を考慮して理解されるべきである。例えば、本出願で適用される用語「垂直」、「平行」、「直交」、または「水平」等の用語はその用語が表そうとする意味を損傷させない範囲内であり、実質的な垂直、平行、直交または水平を意味し得る。そして、前記用語それぞれは約±１０度以内の誤差、約±５度以内の誤差、約±３度以内の誤差、約±２度以内の誤差、約±１度以内の誤差または約±０．５度以内の誤差を勘案して理解され得る。

本出願で言及するある二方向がなす角度は、特に別途に規定しない限り、前記二方向がなす鋭角乃至鈍角のうち鋭角であるか、前記二方向がなす角度のうち絶対値が小さい値を意味し得る。

本出願で言及する角度は、特に別途に規定しない限り、正の数である。ところが、場合によっては時計回り方向または反時計回り方向に測定された角度間の測定方向を示すために、前記時計回り方向に測定された角度を正の数、反時計回り方向に測定された角度を負の数で表記することもある。

本出願で、「面方向」は回折導光板で最大面積を有する面と平行な方向、例えば、回折導光板の最短軸を除いた残りの二軸が形成する面と平行な方向を意味し得る。具体的には、回折導光板で形成する互いに垂直な三軸をそれぞれｘ軸、ｙ軸およびｚ軸で表示し、前記でｚ軸を重力方向と平行な方向として設定する時、「ｘ軸方向の長さ＞ｚ軸方向の長さ＞ｙ軸方向の長さ」の関係または「ｚ軸方向の長さ＞ｘ軸方向の長さ＞ｙ軸方向の長さ」の関係が成立する場合、前記面方向は前記回折導光板のｘ軸とｚ軸が形成する面と平行な方向を意味し得る。

本出願で、「厚さ方向」は前記回折導光板の最大面積を有する面の法線方向（ｎｏｒｍａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）を意味し得る。すなわち、回折導光板の厚さ方向は面方向法線の方向を意味し得、前記例示ではｙ軸方向を意味し得る。

本出願で、用語「透過率」、または「屈折率」等の光学的物性の基準波長は、回折導光板を適用して回折しようとする光の波長によって決定され得る。例えば、回折導光板で可視光領域の光を回折しようとする場合、前記透過率などは４００ｎｍ～７００ｎｍの範囲内のいずれか一つの波長または約５２５ｎｍ波長の光を基準とした数値であり得る。他の例示において、赤外線領域の光を回折しようとする場合、前記透過率などは、例えば、約１０００ｎｍ波長の光を基準とした数値であり得る。

本出願で、用語「導光部」は回折導光板の内部に光を案内する機能を遂行する光学要素を意味し得る。また、前記機能は光の回折による全反射を通じて遂行され得る。前記導光部で全反射が起きるためには、前記導光部の屈折率が導光部の表面に隣接した他の媒体の屈折率より大きくなければならない。前記導光部は大体空気に隣接するため、前記導光部は空気より屈折率が大きい素材、例えば、ガラスおよび／またはプラスチックなどの透明または半透明な素材などで構成され得る。

前記において、用語「透明」は可視光線の波長、例えば、約５２５ｎｍ波長の光に対する透過率が８０％以上であることを意味し得、「半透明」は可視光線の波長、例えば、約５２５ｎｍ波長の光に対する透過率が５０％以上８０％未満であることを意味することもある。

本出願で、用語「回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ、ＤＯＥ）」は光を一つ以上の方向に回折させ該当光の経路を変更する機能を遂行する光学要素を意味し得る。前記回折光学素子は回折格子を含むことができる。

前記「回折格子（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ）」は光の回折現象を利用して入射光のスペクトルを波長により分離する光学素子を意味し得る。例えば導光部の入光面および／または出光面には特定の間隔を有する複数の平行線が陰刻または陽刻で形成されていることもあるが、このように形成された平行線を線形回折格子と指称できる。すなわち、回折格子は前記導光部の入光面および／または出光面に形成された物理的凹凸構造の反復パターン、すなわち、ライン－アンド－スペース（ｌｉｎｅ－ａｎｄ－ｓｐａｃｅ、Ｌ／Ｓ）パターンであり得る。また、前記で線形回折格子は特定方向から延びる形態を有することができる。

前記回折光学素子で変更される光の経路は、前記光学素子に形成された回折格子の様態によって変わり得る。したがって、前記回折光学素子が有する回折格子の形態（延長方向など）、配置間隔、格子の深さ、または前記格子に形成された平行線が陰刻または陽刻であるかどうかなどは、本出願の回折導光板で意図しようとする光経路によって適切に配置または調節され得る。

本出願は回折導光板に関する。以下では、添付された図面を参照して本出願の回折導光板に対してより具体的に説明する。

図４は、本出願の回折導光板の模式図である。

本出願の回折導光板１００は導光部が形成する一面（前記例示では、ｘ軸とｚ軸が形成する面）上に形成された複数の回折光学素子１２０、１３０を含む。具体的には、前記回折導光板は第１回折光学素子１２０および第２回折光学素子１３０を含む。また、前記複数の回折光学素子は導光部１１０の一面（１１０ａまたは１１０ｂ）上に配置され得る。前記複数の回折光学素子は導光部の同一面上に配置され得る。

他の例示において、第１回折光学素子は入力回折光学素子とも指称され得、第２回折光学素子は出力回折光学素子とも指称され得る。すなわち、前記第１回折光学素子に入射する光が映像信号であり得、前記第２回折光学素子が映像出力面を形成することができる。添付された図面で第１回折光学素子は円で、第２回折光学素子は四角形で図示されているが、これに制限されるものではない。

前記において、第１回折光学素子は前記回折導光板に入射した光を受光することができる。また、前記第１回折光学素子は前記受光した光を回折によって前記第２回折光学素子に向かって出力させることができる。

前記において、第２回折光学素子は前記第１回折光学素子から入射した光を出射させることができる。出射した光は使用者の瞳孔に向かうことができる。

前記第１回折光学素子に入射する光は、前記第１回折光学素子の法線と－５０度～５０度の範囲内の入射角で入射することができる。前記入射角は、他の例示において、－４５度以上、－４０度以上、－３５度以上、－３０度以上、－２５度以上、－２０度以上、－１５度以上、－１０度以上、－５度以上、－３度以上、－１度以上であり得、４５度以下、４０度以下、３５度以下、３０度以下、２５度以下、２０度以下、１５度以下、１０度以下、５度以下、３度以下、または１度以下であり得る。

前記第２回折光学素子が出射する光は、前記第２回折光学素子の法線と－５０度～５０度の範囲内の出射角で出射することができる。前記出射角は、他の例示において、－４５度以上、－４０度以上、－３５度以上、－３０度以上、－２５度以上、－２０度以上、－１５度以上、－１０度以上、－５度以上、－３度以上、－１度以上であり得、４５度以下、４０度以下、３５度以下、３０度以下、２５度以下、２０度以下、１５度以下、１０度以下、５度以下、３度以下、または１度以下であり得る。

前記において、第１回折光学素子の法線は前記導光部の入光面に対する法線であり得、前記第２回折光学素子の法線は前記導光部の出光面に対する法線であり得る。前記において、入光面は入射光が前記第１回折光学素子に入射する面であり、出光面は出射光が前記第２回折光学素子から出射する面であり得る。前記入光面と出光面は前記導光部の同一平面上に存在してもよく、互いに異なる平面上に存在してもよいが、前記回折導光板の目的とする機能と製造工程上の利点などを考慮した時、同一平面上に存在することが好ましい。

一つの例示において、前記第１回折光学素子に入射する光の入射角の絶対値と前記第２回折光学素子が出射する光の出射角の絶対値の差の絶対値は１０度以下、８度以下、６度以下、４度以下、２度以下、１度以下であり得、０度超過、０．５度以上、１度以上であり得る。前記入光面と出光面が前記回折導光板の同一平面上に存在する場合、前記入射角と出射角は互いに符号が反対であり、かつ各角度の絶対値の差の絶対値が前記範囲を満足することができる。他の例示において、前記入光面と出光面が前記回折導光板の他の平面上に存在する場合、前記入射角と出射角は互いに符号が同一であり、かつ各角度の差の絶対値が前記範囲を満足することができる。

本出願で、用語入射角は、特に別途に規定しない限り、入光面の法線を基準として測定された角度であり、前記法線を基準として時計回り方向に測定された角度は正の数で、反時計回り方向に測定された角度は負の数で表示する。また、前記入射角は前記入射光と前記法線がなす角度のうち絶対値が小さい角度であり得る。

本出願で、用語出射角は、特に別途に規定しない限り、出光面の法線を基準として測定された角度であり、前記法線を基準として時計回り方向に測定された角度は正の数で、反時計回り方向に測定された角度は負の数で表示する。また、前記出射角は前記出射光と前記法線がなす角度のうち絶対値が小さい角度であり得る。

第１回折光学素子は回折格子、具体的には、いずれか一つの方向に延びる線形回折格子を含む。前述したように、線形回折格子は導光部の入光面および／または出光面に陰刻または陽刻で形成された複数の平行線を意味し得、前記平行線の進行方向は前記線形回折格子の延長方向であり得る。また、前記平行線の進行方向は前記面方向内で進行され得る。具体的には、前記例示でｘ軸およびｚ軸が形成する面内に前記平行線の進行方向が存在することができる。以下では、前記第１回折光学素子が含む回折格子の延長方向を第１方向と指称する。第１回折光学素子は前記線形回折格子によって入射光を回折して第２回折光学素子に向かって出力させることができ、前記入射光が前記導光部内で全反射するようにすることができる。

前記第２回折光学素子は互いに異なる複数の領域を含む。具体的には、前記第２回折光学素子は少なくとも三つの互いに異なる領域を含む。前記第２回折光学素子は第１～第３領域を含み、前記で第３領域は前記第１領域および第２領域の間に存在する。

前記第１および第２領域は互いに異なる方向に延びる線形回折格子を含む。また、前記第１および第２領域の線形回折格子の延長方向は前述した第１回折光学素子が有する線形回折格子の延長方向とも異なる。以下では、前記第１領域の線形回折格子の延長方向を第２方向、前記第２領域の線形回折格子の延長方向を第３方向と指称する。前記第１～第３方向は互いに異なる方向である。ただし、前記第１方向と同様に、前記第２および第３方向も前記面方向内で進行され得る。具体的には、前記例示で前記第２および第３方向もｘ軸およびｚ軸が形成する面内に存在することができる。

前記第３領域も回折格子を含む。一方、前記第３領域は前記第１領域と第２領域の間に位置するため、前記第３領域の回折格子は前記第１および第２領域の線形回折格子が重なった形態である。互いに延長方向が異なる線形回折格子が重なると、各線形回折格子の進行方向による平行線の交点が形成され、その平行線は導光部で陰刻または陽刻で形成されているため、前記第３領域の回折格子は点（広い意味では面）の形態の複数の柱で構成される。したがって、前記第３領域の回折格子は前記複数の柱が一定または一定でない間隔で隣接して配置されている形態を有することができる。

前記回折導光板の目的とする機能と製造工程上の利点などを考慮した時、前記第１～第３領域は前記導光部の同一面上に存在することが好ましい。例えば、後述するように、前記第１～第３領域をインプリンティング工程などで製造する場合に、前記第１～第２領域を前記導光部の一面、そして前記第３領域を前記導光部の他面上に存在するようにするには、インプリンティング過程を二回以上進行（導光部のある一面に格子を形成した後、前記導光部をひっくり返して他面に他の格子を形成せざるを得ない）させなければならず、前記過程で加えられる圧力のため、ある一面に損傷が発生することを避けられない。

前記第２回折光学素子では、前記第１回折光学素子から入射した光が特定の光経路を経て出力されるように前記第１～第３領域が適切に配置される。具体的には、前記第２回折光学素子の前記第１～第３領域は、前記第１回折光学素子から入射した光が直接入射するように配置される。より具体的には、前記第２回折光学素子で前記第１領域は、前記第１回折光学素子から入射した光が前記第２および第３領域を経ずに前記第１領域に入射するように配置される。前記第２領域は前記第１回折光学素子から入射した光が前記第１および第３領域を経ずに前記第２領域に入射するように配置される。前記第３領域は前記第１回折光学素子から入射した光が前記第１および第２領域を経ずに前記第３領域に入射するように配置される。

前記第１回折光学素子から入射した光が前記第１領域を経ると前記第２および／または第３領域に入射し、前記第２および／または第３領域に入射した前記光は外部に出射する。同様に、第１回折光学素子から入射した光が前記第２領域を経ると前記第１および／または第３領域に入射し、前記第１および／または第３領域に入射した前記光は外部に出射する。また、第１回折光学素子から入射した光が前記第３領域を経ると前記第１および／または第２領域に入射し、前記第１および／または第２領域に入射した前記光は外部に出射する。

前述したように、前記第１領域および第２領域は線形回折格子を含み、線形回折格子は導光部に陰刻／陽刻で形成された平行線であるライン－アンド－スペース形態のパターンである。この時、前記格子の高さ（または深さ）、その格子のピッチ（反復距離、ｐｉｔｃｈ）、およびその平行線の厚さによって前記第２回折光学素子から出光する光の出光効率が変わり得る。

前記第２回折光学素子から出光する光の出光効率は、前記第３領域の回折格子の高さ（または深さ）にかかわらず比較的低く維持される傾向がある。回折導光板の内部で全反射する光の光量は第１回折光学素子から遠ざかる方向に沿って減少する。前記回折導光板から出射する光の出光量を均一に維持するためには、第１回折光学素子に隣接する領域は相対的に低い出光効率を有し、第１回折光学素子から遠ざかる領域は相対的に高い出光効率を有するように、出光回折光学素子（第２回折光学素子）内の複数の領域を配置する必要がある。したがって、回折格子の深さ（または高さ）にかかわらず出光効率が低く維持される第３領域が、回折格子の深さ（または高さ）によって出光効率が調節され得る第１および第２領域の間に配置されることが適切である。一方、図６に図示されたように、互いに異なる方向の線形回折格子が重なった形態のみを有する回折格子が形成された第２回折光学素子を設計する形態を考慮することができるが、前述したように、前記第３領域のように、互いに進行方向が異なる２種以上の線形回折格子が重なった形態の回折格子の場合、当該格子のピッチ、幅、または高さ（または深さ）等を調節しても当該素子の出光効率は比較的低く維持されてしまう。したがって、この場合には前記第２回折光学素子から出射する映像の出光量が均一でない問題がある。

前記において、回折格子の高さ（または深さ）は前記回折格子に形成された陰刻または陽刻の深さ（または高さ）を意味し得る。具体的には、前記例示でｘ軸およびｚ軸が形成する面上に回折格子が形成されており、これの陰刻または陽刻が前記ｘ軸およびｚ軸が形成する面上に形成されると、前記陰刻（または陽刻）のｙ軸方向の長さを前記回折格子の高さ（または深さ）と指称できる。

前記第１および第２領域の線形回折格子の進行方向（第２および第３方向）と前記第１回折光学素子の線形回折格子の進行方向（第１方向）は三角形をなし得る。前述したように、線形回折格子の進行方向は前記第１および第２領域と前記第１回折光学素子それぞれに形成された線形回折格子においてその平行線の進行方向を意味し得る。したがって、前記第１～第３方向が形成する仮想の線をすべて連結すると三角形が形成され得る。

前記第１および第２領域の線形回折格子の進行方向、すなわち、前記第２方向および第３方向がなす角度は５０度～７０度の範囲内であり得る。前記角度は、他の例示において、５３度以上、５５度以上、５７度以上または５９度以上であり得、６７度以下、６５度以下、６３度以下、または６１度以下であり得、約６０度であり得る。前記角度は第２および第３方向がなす角度のうち鋭角または絶対値が小さい角度を意味し得る。

他の例示において、前記第１および第２領域の線形回折格子は各線形回折格子の交点を基準として対称であり得る。すなわち、前記第２進行方向と前記第３進行方向をなす交点を連結した仮想の線に対して、前記第２進行方向と前記第３進行方向それぞれがなす角度の和の絶対値は－１０度～１０度の範囲内であり得る。前記角度は、他の例示において、－９度以上、－８度以上、－７度以上、－６度以上、－５度以上、－４度以上、－３度以上、－２度以上、または－１度以上であり得、９度以下、８度以下、７度以下、６度以下、５度以下、４度以下、３度以下、２度以下、または１度以下であり得、約０度であり得る。

前記第１または第２領域の線形回折格子の進行方向と第１回折光学素子の線形回折格子の進行方向がなす角度は５０度～７０度の範囲内であり得る。すなわち、前記第１方向および第２方向がなす角度または前記第１方向および第３方向がなす角度は５０度～７０度の範囲内であり得る。前記角度は、他の例示において、５３度以上、５５度以上、５７度以上または５９度以上であり得、６７度以下、６５度以下、６３度以下、または６１度以下であり得、約６０度であり得る。前記角度は第１方向と第２方向がなす角度（または第１方向と第３方向がなす角度）のうち絶対値が小さい角度を意味し得る。前記第１方向と第２方向がなす角度および前記第１方向と第３方向がなす角度は互いに同一または異なり得、一例示では同一であることが適切であり得る。

前記第１または第２領域の回折格子の平均高さは０ｎｍ超過１μｍ以下の範囲内であり得、具体的には１ｎｍ以上、１０ｎｍ以上、２０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、４０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以上、または２５０ｎｍ以上であり得、９００ｎｍ以下、８００ｎｍ以下、７００ｎｍ以下、６００ｎｍ以下、５００ｎｍ以下、４５０ｎｍ以下、４００ｎｍ以下、または３５０ｎｍ以下であり得る。前述したように、前記第１または第２領域は線形回折格子を含み、前記線形回折格子は前記導光部の入光面および／または出光面に形成された物理的凹凸構造の反復パターン、すなわち、ライン－アンド－スペース（ｌｉｎｅ－ａｎｄ－ｓｐａｃｅ、Ｌ／Ｓ）パターンであり得るため、前記回折格子の高さは、前記ライン－アンド－スペースでの突出部の高さまたは深さを意味し得る。また、前記回折格子の平均高さ（または平均深さ）は前記回折格子の高さの算術平均であり得、または最大高さと最小高さの平均であり得る。前記第１および第２領域の回折格子の平均高さ（または平均深さ）は互いに同一または異なり得、一例示では同一であってもよい。具体的には、前記例示でｘ軸およびｚ軸が形成する面上に回折格子が形成されており、これの陰刻または陽刻が前記ｘ軸およびｚ軸が形成する面上に形成されると、前記陰刻（または陽刻）のｙ軸方向の長さを前記回折格子の高さ（または深さ）と指称できる。

前記第１領域または第２領域の回折格子の平均ピッチは２００ｎｍ～６００ｎｍの範囲内であり得る。前記平均ピッチは他の例示において、２１０ｎｍ以上、２２０ｎｍ以上、２３０ｎｍ以上、２４０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以上、２６０ｎｍ以上、２７０ｎｍ以上、２８０ｎｍ以上、２９０ｎｍ以上、３００ｎｍ以上、３１０ｎｍ以上、３２０ｎｍ以上、３３０ｎｍ以上、３４０ｎｍ以上、３５０ｎｍ以上、３６０ｎｍ以上、３７０ｎｍ以上、または３８０ｎｍ以上であり得、５９０ｎｍ以下、５８０ｎｍ以下、５７０ｎｍ以下、５６０ｎｍ以下、５５０ｎｍ以下、５４０ｎｍ以下、５３０ｎｍ以下、５２０ｎｍ以下、５１０ｎｍ以下、５００ｎｍ以下、４９０ｎｍ以下、４８０ｎｍ以下、４７０ｎｍ以下、４６０ｎｍ以下、４５０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以下、４３０ｎｍ以下、４２０ｎｍ以下、４１０ｎｍ以下または４００ｎｍ以下であり得る。前記において、回折格子のピッチは前記回折格子に形成されたいずれか一つの平行線と他の一つの平行線の間の最短距離を意味し得る。回折格子の平均ピッチは前記ピッチの算術平均または前記ピッチの最小値と最大値の平均値を意味し得る。前記で第１領域および第２領域の回折格子の平均ピッチは互いに同一または異なり得、一例示では同一であってもよい。

前記第１または第２領域の回折格子の平均幅は前記回折パターンの平均ピッチの０．１倍～０．９倍の範囲内であり得る。前記値は他の例示において、前記回折パターンの平均ピッチの０．２倍以上、０．３倍以上、０．４倍以上または０．５倍以上であり得、０．８倍以下、０．７倍以下、０．６倍以下または０．５倍以下であり得る。前記で回折格子の幅は、前記回折格子に形成されたいずれか一つの平行線の幅を意味し得る。前記回折格子の平均幅は前記幅の算術平均または前記幅の最小値と最大値の平均値を意味し得る。前記第１領域および第２領域の回折格子の平均幅は互いに同一または異なり得、一例示では同一であってもよい。

前記第１または第２領域の屈折率は１．０超過～２．０以下の範囲内であり得る。前記屈折率は他の例示において、１．１以上、１．２以上、１．３以上、１．４以上、１．５以上、１．６以上、１．７以上、または１．８以上であり得、１．９以下、または１．８以下であり得る。前記屈折率の基準波長は５２５ｎｍであり得る。前記屈折率を測定する方式は公知となっている。例えば、前記屈折率はメトリコン社のプリズムカプラを適用して前記製造社のマニュアルに沿って測定することができる。

前記において、第１または第２領域の回折格子の平均幅、平均高さまたは平均ピッチと前記第１または第２領域の屈折率などは、本出願の回折導光板の設計変数（例えば、回折対象光の波長、または出光映像領域の広さなど）により多様に変更され得る。

前述したように、前記第３領域の回折格子は前記第１領域と第２領域それぞれの回折格子が重なった形態であり、互いに延長方向が異なる線形回折格子が重なると、各線形回折格子の進行方向による平行線の交点が形成され、その平行線は導光部で陰刻または陽刻で形成されているため、前記第３領域の回折格子は点（広い意味では面）の形態の複数の柱で構成される。すなわち、前記第３領域の回折格子は前記第２回折光学素子の一面上に形成された複数の柱の反復形態を有することができる。前記柱の断面は円形または楕円形などの曲線図形；三角形、四角形、または五角形などの多角形；または無定形などの形態を有することができる。一例示で前記柱の断面は円形または楕円形などの曲線図形であり得る。

前記第３領域の回折格子の平均ピッチ、具体的には、前記第３領域の回折格子を構成する複数の柱の平均ピッチは２００ｎｍ～６００ｎｍの範囲内であり得る。前記平均ピッチは他の例示において、２１０ｎｍ以上、２２０ｎｍ以上、２３０ｎｍ以上、２４０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以上、２６０ｎｍ以上、２７０ｎｍ以上、２８０ｎｍ以上、２９０ｎｍ以上、３００ｎｍ以上、３１０ｎｍ以上、３２０ｎｍ以上、３３０ｎｍ以上、３４０ｎｍ以上、３５０ｎｍ以上、３６０ｎｍ以上、３７０ｎｍ以上、または３８０ｎｍ以上であり得、５９０ｎｍ以下、５８０ｎｍ以下、５７０ｎｍ以下、５６０ｎｍ以下、５５０ｎｍ以下、５４０ｎｍ以下、５３０ｎｍ以下、５２０ｎｍ以下、５１０ｎｍ以下、５００ｎｍ以下、４９０ｎｍ以下、４８０ｎｍ以下、４７０ｎｍ以下、４６０ｎｍ以下、４５０ｎｍ以下、４４０ｎｍ以下、４３０ｎｍ以下、４２０ｎｍ以下、４１０ｎｍ以下または４００ｎｍ以下であり得る。前記において、第３領域の回折格子のピッチは前記第３領域の回折格子を構成するいずれか一つの点の形態の柱の中心と、前記柱と隣接する点の形態の柱の中心が形成する三角形において、いずれか一つの頂点で残りの二つの頂点が形成した線分に向かう線分の長さを意味し得る。前記で第３領域の回折格子の平均ピッチは、前記ピッチの算術平均または前記ピッチの最小値と最大値の平均値であり得る。

前記で第３領域の回折格子の平均幅、具体的には、前記第３領域の回折格子の柱の平均幅は前記回折格子の平均ピッチの０．１倍以上１．３倍以下であり得る。前記値は他の例示において、前記回折格子の平均ピッチの０．２倍以上、０．３倍以上、０．４倍以上または０．５倍以上であり得、１．２倍以下、１．１倍以下、１．０倍以下、０．９倍以下、０．８倍以下、０．７倍以下、０．６倍以下または０．５倍以下であり得る。

前記で第３領域の回折格子の柱の平均幅は１００ｎｍ～４００ｎｍの範囲内であり得る。前記平均幅は、１１０ｎｍ以上、１２０ｎｍ以上、１３０ｎｍ以上、１４０ｎｍ以上、１５０ｎｍ以上、１６０ｎｍ以上、１７０ｎｍ以上、１８０ｎｍ以上、１９０ｎｍ以上、または２００ｎｍ以上であり得、３９０ｎｍ以下、３８０ｎｍ以下、３７０ｎｍ以下、３６０ｎｍ以下、３５０ｎｍ以下、３４０ｎｍ以下、３３０ｎｍ以下、３２０ｎｍ以下、３１０ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２９０ｎｍ以下、２８０ｎｍ以下、２７０ｎｍ以下、２６０ｎｍ以下、２５０ｎｍ以下、２４０ｎｍ以下、２３０ｎｍ以下、２２０ｎｍ以下、２１０ｎｍ以下、または２００ｎｍ以下であり得る。前記で回折格子の柱の幅は、前記第３領域の回折格子に形成された柱のうちいずれか一つの柱の幅を意味し得る。具体的には、前記柱の断面が円である場合には前記幅は円の直径を意味し得、楕円である場合には長軸の長さを意味し得る。前記幅は前記柱の断面が三角形である場合には各辺の高さのうち最大長さを、四角形以上の多角形である場合には複数の対角線の長さの最大値を意味し得る。前記幅は前記柱の断面が無定形である場合、一末端と他末端の間の長さの最大値を意味し得る。また、前記柱の平均幅は前記格子に形成された複数の図形の幅の算術平均または前記幅の最小値および最大値の平均値を意味し得る。

前記第３領域の回折格子の平均高さ、具体的には、前記第３領域の回折格子の柱の平均高さは０ｎｍ超過１μｍ以下の範囲内であり得、具体的には１ｎｍ以上、１０ｎｍ以上、２０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、４０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以上、または２５０ｎｍ以上であり得、９００ｎｍ以下、８００ｎｍ以下、７００ｎｍ以下、６００ｎｍ以下、５００ｎｍ以下、４５０ｎｍ以下、４００ｎｍ以下、または３５０ｎｍ以下であり得る。前記において、第３領域の回折格子の高さは前記柱が前記領域の表面から離隔した最短距離を意味し得、平均高さは前記回折パターンを構成する複数の図形の高さの算術平均、または前記高さの最大値および最小値の平均値を意味し得る。具体的には、前記例示でｘ軸およびｚ軸が形成する面上に回折格子が形成されており、これの陰刻または陽刻が前記ｘ軸およびｚ軸が形成する面上に形成されると、前記陰刻（または陽刻）のｙ軸方向の長さを前記回折格子の高さ（または深さ）と指称できる。

前記第３領域の屈折率は１．０超過～２．０以下の範囲内であり得る。前記屈折率は他の例示において、１．１以上、１．２以上、１．３以上、１．４以上、１．５以上、１．６以上、１．７以上、または１．８以上であり得、１．９以下、または１．８以下であり得る。前記屈折率の基準波長は５２５ｎｍであり得る。前記屈折率を測定する方式は公知となっている。例えば、前記屈折率はメトリコン社のプリズムカプラを適用して前記製造社のマニュアルに沿って測定することができる。

前記において、第３領域の回折格子の平均幅、平均高さまたは平均ピッチ、または前記第３領域の屈折率などは、前記回折導光板の設計変数（例えば、回折対象光の波長、または出光映像領域の広さなど）により多様に変更され得る。

前記で第１～第３領域それぞれに形成された回折格子の傾斜角は特に制限されない。前記傾斜角は、例えば、前記第２回折光学素子の法線を基準として、－４５度以上、－４０度以上、－３５度以上、－３０度以上、－２５度以上、－２０度以上、－１５度以上、－１０度以上、－５度以上であり得、４５度以下、４０度以下、３５度以下、３０度以下、２５度以下、２０度以下、１５度以下、１０度以下または５度以下であり得、約０度であってもよい。前記において、回折格子の傾斜角は、前記回折格子に形成された平行線または柱が前記第１または２回折光学素子の法線となす角度のうち絶対値が小さい角度を意味し得る。

前述したように、前記第３領域の回折格子は前記第１および第２領域に形成された線形回折格子が重なった形態である。すなわち、前記第３領域には第１領域の線形回折格子と実質的に同一方向に進行する線形回折格子および第２領域の線形回折格子と実質的に同一方向に進行する線形回折格子がすべて存在することができる。前記第１領域の線形回折格子の進行方向（第２方向）と第２領域の線形回折格子の進行方向（第３方向）は異なるため、前記第３領域には前記第２方向と第３方向が形成する交点が複数個形成されていてもよい。以下では、前記第３領域に形成された回折格子に対してより具体的に説明する。

前記第３領域の回折格子を構成する点の形態の複数の柱のうち６個の柱は、前記６個の柱を連結する仮想の線が六角形をなすように選択され得る。この時、前記六角形のいずれか一辺が第１回折光学素子の回折格子の進行方向（第１方向）となす角度は－１０度～１０度の範囲内であり得る。前記角度は、他の例示において、－９度以上、－８度以上、－７度以上、－６度以上、－５度以上、－４度以上、－３度以上、－２度以上、または－１度以上であり得、９度以下、８度以下、７度以下、６度以下、５度以下、４度以下、３度以下、２度以下、または１度以下であり得、約０度であり得る。前記角度は前記六角形のいずれか一辺と前記第１方向がなす角のうち絶対値が小さい角度であり得る。すなわち、前記六角形のいずれか一辺Ａ１は第１回折光学素子の線形回折格子の進行方向と実質的に平行であり得る。

また、前記六角形の他の一辺が前記第２方向となす角度は－１０度～１０度の範囲内であり得る。前記角度は、他の例示において、－９度以上、－８度以上、－７度以上、－６度以上、－５度以上、－４度以上、－３度以上、－２度以上、または－１度以上であり得、９度以下、８度以下、７度以下、６度以下、５度以下、４度以下、３度以下、２度以下、または１度以下であり得、約０度であり得る。前記角度は前記六角形の他の一辺と前記第２方向がなす角のうち絶対値が小さい角度であり得る。すなわち、前記六角形の他の一辺Ａ２は第１領域の線形回折格子の進行方向と実質的に平行であり得る。

また、前記六角形の他の一辺が前記第３方向となす角度は－１０度～１０度の範囲内であり得る。前記角度は、他の例示において、－９度以上、－８度以上、－７度以上、－６度以上、－５度以上、－４度以上、－３度以上、－２度以上、または－１度以上であり得、９度以下、８度以下、７度以下、６度以下、５度以下、４度以下、３度以下、２度以下、または１度以下であり得、約０度であり得る。前記角度は前記六角形の他の一辺と前記第３方向がなす角のうち絶対値が小さい角度であり得る。すなわち、前記六角形の他の一辺Ａ３は第２領域の線形回折格子の進行方向と実質的に平行であり得る。

前記六角形の辺のうち第１方向と－１０度～１０度の範囲内の角度をなす辺Ａ１および前記辺と向かい合う辺Ａ１’がなす角度は－１０度～１０度の範囲内であり得る。前記角度は、他の例示において、－９度以上、－８度以上、－７度以上、－６度以上、－５度以上、－４度以上、－３度以上、－２度以上、または－１度以上であり得、９度以下、８度以下、７度以下、６度以下、５度以下、４度以下、３度以下、２度以下、または１度以下であり得、約０度であり得る。前記角度はＡ１とＡ１’がなす角のうち絶対値が小さい角度であり得る。すなわち、前記六角形のいずれか一辺Ａ１およびこれと向かい合う辺Ａ１’は実質的に平行であり得る。

前記六角形の辺のうち第２方向と－１０度～１０度の範囲内の角度をなす辺Ａ２および前記辺と向かい合う辺Ａ２’がなす角度は－１０度～１０度の範囲内であり得る。前記角度は、他の例示において、－９度以上、－８度以上、－７度以上、－６度以上、－５度以上、－４度以上、－３度以上、－２度以上、または－１度以上であり得、９度以下、８度以下、７度以下、６度以下、５度以下、４度以下、３度以下、２度以下、または１度以下であり得、約０度であり得る。前記角度はＡ２とＡ２’がなす角のうち絶対値が小さい角度であり得る。すなわち、前記六角形のいずれか一辺Ａ２およびこれと向かい合う辺Ａ２’は実質的に平行であり得る。

前記六角形の辺のうち第３方向と－１０度～１０度の範囲内の角度をなす辺Ａ３および前記辺と向かい合う辺Ａ３’がなす角度は－１０度～１０度の範囲内であり得る。前記角度は、他の例示において、－９度以上、－８度以上、－７度以上、－６度以上、－５度以上、－４度以上、－３度以上、－２度以上、または－１度以上であり得、９度以下、８度以下、７度以下、６度以下、５度以下、４度以下、３度以下、２度以下、または１度以下であり得、約０度であり得る。前記角度はＡ３とＡ３’がなす角のうち絶対値が小さい角度であり得る。すなわち、前記六角形のいずれか一辺Ａ３およびこれと向かい合う辺Ａ３’は実質的に平行であり得る。

前記第１および第２回折光学素子に回折格子を形成する方法は特に制限されず、公知になっている方式を適用して前記回折格子を形成することができる。例えば、導光部に適用され得るガラスまたはプラスチックなどの素材上に所定のパターンが形成されたマスクを位置させた後、レーザー、電子ビームまたは極紫外線などで露光して回折格子を直接形成する方式（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）または前記素材に凹凸構造のパターンが形成された部材などを利用して回折格子を転写する方式（インプリンティング）等が適用され得る。

前記第１回折光学素子１２０と第２出力回折光学素子内の第１および第２領域１３１、１３２それぞれは、前記素子の線形回折格子のピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３に反比例する「大きさ」と、前記線形回折格子の進行方向に垂直な「方向」と定義される格子ベクターＶ１、Ｖ２、Ｖ３を有することができる。前記格子ベクターの大きさは以下の数学式１で定義され得る。
［数学式１］
｜Ｖ｜＝２π／Ｐ
前記において、｜Ｖ｜は格子ベクターの大きさを意味し、Ｐは前記線形回折格子のピッチを意味する。

図８は、本出願の第１回折光学素子、第１領域および第２領域の格子ベクターの好ましい組み合わせを図示したものである。一例示において、第１回折光学素子１２０と第１および第２領域１３１、１３２それぞれの格子ベクターＶ１、Ｖ２、Ｖ３の和はゼロベクターであり得る。すなわち、前記格子ベクターそれぞれに付与された座標の成分をすべて足すと、すべての成分が０であるベクターが形成され得る。

前記第１領域に形成された線形回折格子と前記第２領域に形成された線形回折格子は互いに対称であり、第１回折光学素子１２０と第１および第２領域１３１、１３２それぞれの格子ベクターＶ１、Ｖ２、Ｖ３は互いに同一の大きさを有し、第１回折光学素子１２０と第１および第２領域１３１、１３２それぞれの格子ベクターＶ１、Ｖ２、Ｖ３のうち２個のベクターがなす角度はそれぞれ５０度～７０度の範囲内であり得る。前記角度は、他の例示において、５３度以上、５５度以上、５７度以上または５９度以上であり得、６７度以下、６５度以下、６３度以下、または６１度以下であり得、約６０度であり得る。前記角度は前記三つのベクターのうち、二つのベクターの方向がなす角度のうち絶対値が小さい角度を意味し得る。図８に図示されたように、Ｖ１～Ｖ３それぞれがなす角度は約６０度であることが最も適切であるが、これに制限されるものではない。

本出願で最も適切な回折格子の配置形態を図９ａ～９ｃに図示した。前記第１回折光学素子１２０の線形回折格子の進行方向は図９ａに図示されたように、ｘ軸と平行な水平線Ｈと９０度の角度を形成（直交）することができる（これは前述した誤差範囲内で理解され得る）。また、前記第１領域１３１の線形回折格子の進行方向は、図９ｂに図示されたように、ｘ軸と平行な水平線Ｈと３０度の角度をなすことができる（これは前述した誤差範囲内で理解され得る）。そして、前記第２領域１３２の線形回折格子の進行方向の回折パターンは、図９ｃに図示されたように、ｘ軸と平行な水平線Ｈと－３０度の角度をなすことができる（これは前述した誤差範囲内で理解され得る）。

図９ａ～９ｃに図示されたように、それぞれの線形回折格子のピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、すべてが同一である場合、前記数学式１によって前記それぞれの格子ベクターの大きさはすべて同一である。前記において、格子ベクターＶ１、Ｖ２、Ｖ３の方向は、それぞれの線形回折格子の進行方向に略垂直である場合、第１回折光学素子１２０の格子ベクターＶ１の方向はｘ軸方向と略平行であり得、第１領域の格子ベクターＶ２の方向はｘ軸方向に対して約－６０度の角度をなすことができ、第２領域の格子ベクターＶ３の方向はｘ軸方向に対して約６０度の角度をなすことができる。これに伴い、第１回折光学素子と第１および第２領域それぞれの格子ベクターは互いに約６０度の角度を形成し、それぞれの大きさが略同一であり得るため、前記ベクターをすべて足すと０ベクターが形成され得るようになる。

本出願の回折導光板は拡張現実（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＡＲ）を具現する機器への適用に適合するという利点がある。前記回折導光板で前記第２回折光学素子内の第１～第３領域それぞれが占める領域（または長さ）の比率を適切に調節した時に特に適合する。

図５は、本出願の回折導光板が出力する映像を使用者が認識できる領域を概略的に図示した側面図である。具体的には、本出願の回折導光板が形成する互いに垂直な三軸をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸として設定するものの、前記でｚ軸が重力方向と平行な方向となるように設定した時、前記第１領域１３１のｚ軸方向の長さＺ１、第２領域１３２のｚ軸方向の長さＺ２および第３領域１３３のｚ軸方向の長さＺ３の間の関係が適切に調節され得る。

一例示において、前記第１～第３領域のｚ軸方向の長さの和（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３）と前記第３領域のｚ軸方向の長さＺ３の比率（Ｚ３／（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３））は０．３～０．９の範囲内であり得る。前記比率は他の例示において、０．３３以上、０．３５以上、０．３７以上、０．３９以上、０．４０以上または０．４１以上であり得、０．８９以下、０．８７以下、０．８５以下または０．８４以下であり得る。

前記第１領域のｚ軸方向の長さＺ１と第２領域のｚ軸方向の長さＺ２の比率（Ｚ１／Ｚ２）も適切に調節可能である。前記比率は一例示において、０．９～１．１の範囲内であり得る。前記比率は他の例示において、０．９３以上、０．９５以上、０．９７以上または０．９９以上であり得、１．０７以下、１．０５以下、１．０３以下または１．０１以下であり得、好ましく１程度であり得る。前記比率を満足する範囲内で前記第１領域のｚ軸方向の長さＺ１および第２領域のｚ軸方向の長さＺ２それぞれもまた、適切に調節され得る。前記Ｚ１またはＺ２の値は前記比率を満足しつつ、１ｍｍ～１５ｍｍの範囲内であり得る。前記値は他の例示において、１．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以上、２．２ｍｍ以上または２．３ｍｍ以上であり得、１４ｍｍ以下、１３ｍｍ以下、１２ｍｍ以下または１１ｍｍ以下であり得る。

前記第３領域のｚ軸方向の長さＺ３も適切に調節され得る。前記長さＺ３は一例示において、１５ｍｍ～２５ｍｍの範囲内であり得る。

後述するが、前記Ｚ１またはＺ２の値は前記回折導光板をアイウェアなどの拡張現実を具現する装置などに適用した時、安定距離（Ｅｙｅ Ｒｅｌｉｅｆ、使用者の瞳孔とレンズ間の最短距離、例えば、左眼用レンズで左眼の瞳孔までの最短距離または右眼用レンズで右眼の瞳孔までの最短距離）等を考慮して適切に調節され得る。

また、前記Ｚ３の値は前記回折導光板をアイウェアなどの拡張現実を具現する装置などに適用した時、前記アイウェアから出射する映像を認識できる使用者の瞳孔の稼動範囲（Ｅｙｅ ｍｏｔｉｏｎ ｂｏｘ、ＥＭＢ）のｚ軸方向の長さに応じて適切に決定され得る。一般的には、前記稼動範囲のｚ軸方向の長さと前記第３領域のｚ軸方向の長さが同一となるように（この場合、＋／－５％以内程度の誤差を考慮することができる）設定することができる。

図５に図示されたように、Ｚ１またはＺ２の値は、前述した安定距離と、視野角（回折導光板から出射する光の焦点から前記出力回折光学素子の両末端までの二方向がなす角度、図５のθ）によって決定され得る。具体的には、前記Ｚ１またはＺ２の値は下記の数学式２によって決定され得る：
［数学式２］
Ｙ＝Ｘ×ｔａｎ（θ／２）

前記数学式２で、ＹはＺ１またはＺ２の値であり、Ｘは安定距離、θは視野角であり、前記安定距離と視野角は前記で定義した通りである。

前記安定距離は１５ｍｍ～３０ｍｍの範囲内で設定することが一般的である。また、前記視野角は１８度～４０度の範囲内で設定することが一般的である。したがって、このような値を前記数学式２に代入した時、前述したＺ１またはＺ２の値を導き出すことができる。

前記で第１～第３領域は同一の幅を有することができるため、前記で前記第１～第３領域それぞれの広さは前記第１～第３領域それぞれのｚ軸方向の長さの比率によって決定され得る。一方、第２回折光学素子が前記導光部で形成する断面が四角形でない場合、前記比率は該当図形のｚ軸方向の線のうちその長さが最も大きい線分内で、第１～第３領域に該当する線分の長さの比を意味し得る。

図７ａ～図７ｃは、それぞれ図４に図示された本出願の回折導光板での光経路を例示した平面図である。

第１回折光学素子は、入力回折光学素子であり得る。入力回折光学素子は光源から入射した光を受光し、前記受光した光を回折によって前記導光部内に全反射させる機能を遂行する光学要素を意味し得る。

第２回折光学素子は、出力回折光学素子であり得る。出力回折光学素子は前記入力回折光学素子で全反射した光を受光し、前記受光した光を回折によって前記導光部で出力させる機能を遂行する光学要素を意味し得る。

前記導光部１１０に入射した光、具体的には、第１回折光学素子１２０に入射した光は回折によって前記導光部内で全反射する。前述したように、ある素子の内部で光の全反射が起きるためには、その素子の屈折率が当該素子と隣接する媒体の屈折率より大きくなければならない。前記導光部は一般的に空気に隣接するため、前記導光部は空気より屈折率が高い素材、例えば、ガラスまたはプラスチックなどの素材で構成され得る。また、前記第１および第２回折光学素子は前記導光部上に形成されるため、これを構成する素材も前記導光部と同一であってもよい。

前記第１回折光学素子１２０では、光源から入射した光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃが前記第１回折光学素子に形成された回折格子によって回折され得る。前記回折された光は前記第１回折光学素子を経て前記導光部内に全反射する。前記第１回折光学素子は前記全反射した光を前記第２回折光学素子に向かって出射させることができる。

この時、前記第１回折光学素子から第２回折光学素子に向かって入射する光の中で、第１領域に入射する光は前記第２領域および第３領域を経ずに前記第１領域に入射し得る。また、第２領域に入射する光は前記第１領域および第３領域を経ずに前記第２領域に入射し得る。第３領域に入射する光は前記第１領域および第２領域を経ずに前記第３領域に入射し得る。

第１および第２領域それぞれ１３１、１３２は前記第１回折光学素子から出射した光を単一方向に拡張させることができる。具体的には、前記第１および第２領域それぞれは前記第１回折光学素子から出射した光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを受光し、前記受光した光を回折によって単一方向に拡張させることができる。前記第１回折光学素子１２０から出射した光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂのうち一部は、第１領域１３１または第２領域１３２を経ながら回折されてその経路が変更され得、残りの一部は既存の光経路に全反射し得る。また、前記第１および第２領域それぞれは他の領域で拡張された光Ｌ３ａ、Ｌ３ｂ、Ｌ３ｃを受光し、前記受光した光を回折によって前記第２回折光学素子から出射Ｌ４ａ、Ｌ４ｂ、Ｌ４ｃさせることができる。例えば、前記第１領域１３１は前記第２領域１３２および／または第３領域１３３から拡張された光Ｌ３ｂおよび／またはＬ３ｃを受光し、前記受光した光を回折によって前記回折導光板で出力（Ｌ４ｂ、Ｌ４ｃ）させることができる。また、前記第２領域１３２は前記第１領域１３１および／または第３領域１３３から拡張された光Ｌ３ａおよび／またはＬ３ｃを受光し、前記受光した光を回折によって前記第２回折光学素子から出射（Ｌ４ａ、Ｌ４ｃ）させることができる。

前記第３領域１３３は前記第１回折光学素子から出射した光（Ｌ２ｃ）を二方向に拡張（Ｌ３ｃ）するか、前記光が前記第２回折光学素子から出射（Ｌ４ｃ）するようにすることができる。前記第１回折光学素子１２０から回折された光Ｌ２ｃのうち一部は第３領域１３３を経ながら回折されてその経路が変更され得、残りの一部は既存の光経路に全反射し得る。前記第３領域は前記第１回折光学素子で全反射した光を受光し、前記受光した光を回折によって二方向、例えば、第１領域１３１および第２領域１３２に向かう方向に拡張させることができる。また、前記第３出力回折光学素子は前記第１回折光学素子から受光した光を回折によって前記第２回折光学素子から出射するようにすることができる。前記第３領域は前記第２回折光学素子内の他の領域で拡張された光を前記第２回折光学素子から出射するようにしてもよい。前記第３領域は他の領域、例えば、前記第１領域および／または第２領域で拡張された光を受光し、前記受光した光を回折によって前記第２回折光学素子から出射させることができる。

前述したように、図２のような形態の回折導光板が出力する映像のすべてを使用者が認識できる領域（図３のα）の大きさは相対的に小さいため、図２のような形態の回折導光板で出力される映像をすべて認識するためには使用者の瞳孔の位置が制限的であるという問題がある。

ところが、本出願の回折導光板は図５に図示されたように、第１回折光学素子から出射した光が一つの回折光学素子（第２回折光学素子）から出射し得るように構成されるため、導光板の全体の領域を増加させなくても出射する映像の大きさを増加させることができる。この時、前記第２回折光学素子の面積は例えば、１ｃｍ^２～５０ｃｍ^２の範囲内であり得る。前記面積は、他の例示で１ｃｍ^２以上、２ｃｍ^２以上、３ｃｍ^２以上、４ｃｍ^２以上、５ｃｍ^２以上、６ｃｍ^２以上、７ｃｍ^２以上、８ｃｍ^２以上、９ｃｍ^２以上、または１０ｃｍ^２以上であり得、４５ｃｍ^２以下、４０ｃｍ^２以下、３５ｃｍ^２以下、３０ｃｍ^２以下、２５ｃｍ^２以下、２０ｃｍ^２以下、１５ｃｍ^２以下または１０ｃｍ^２以下であり得る。

また、本出願の回折導光板が出力する映像のすべてを使用者が認識できる領域の大きさ（α）が相対的に大きいため、使用者の瞳孔の位置が制限されない利点がある。

本出願は、他の例示において、前記回折導光板の用途を提供する。具体的には、本出願は前記回折導光板を含む拡張現実またはバーチャルリアリティデバイスを提供する。

例えば、前記デバイスはアイウェアであり得る。前記アイウェアは左眼用レンズと右眼用レンズ；前記左眼用レンズと右眼用レンズを支持するフレームを含むことができる。また、前記左眼用レンズおよび右眼用レンズはそれぞれ前記回折導光板を含むことができる。

前記において、アイウェアはプロジェクターをさらに含むことができる。前記プロジェクターは前記フレームに位置し得る。また、前記プロジェクターは前記左眼用レンズおよび右眼用レンズのうち少なくとも一つのレンズに再生光を投射するものであり得る。

前記アイウェアの駆動方式は公知となっている。例えば、前記アイウェアは前記プロジェクターから入射した光が前記回折導光板を経て出力され、前記出力された光を使用者が認識できるように駆動され得る。

本出願の回折導光板は光学デバイスの小型化乃至軽量化に適合する利点がある。

本出願の回折導光板は全体の大きさを減少させないながらも、出力される映像の面積を増加させ得る。

本出願の回折導光板は使用者の瞳孔の位置に制限がない利点がある。

従来の回折導光板の構造を概略的に図示したものである。 図１による回折導光板の問題点を解決するために導入された回折導光板の構造を概略的に図示したものである。 図２による回折導光板が出射する映像を認識できる使用者の瞳孔の範囲を説明するための図面である。 本出願の回折導光板の構造を概略的に図示したものである。 図４による回折導光板が出射する映像を認識できる使用者の瞳孔の範囲を説明するための図面である。 図６は、互いに異なる方向の線形回折格子が重なった形態のみを有する回折格子の構造を概略的に示している。 本出願の回折導光板での光経路を例示的に図示した平面図である。 本出願の回折導光板での光経路を例示的に図示した平面図である。 本出願の回折導光板での光経路を例示的に図示した平面図である。 本出願の回折導光板の第１回折光学素子と、第１領域および第２領域の格子ベクターの組み合わせを図示したものである。 本出願の回折導光板の第１回折光学素子、第１領域および第２領域に形成された回折格子を例示したものである。 本出願の回折導光板の第１回折光学素子、第１領域および第２領域に形成された回折格子を例示したものである。 本出願の回折導光板の第１回折光学素子、第１領域および第２領域に形成された回折格子を例示したものである。 実験例１に係る回折光学素子の回折格子の高さに対する出光効率を図示したものである。 実験例２の回折光学素子の概略図である。 実験例２に係る回折光学素子の回折格子の高さに対する出光効率を図示したものである。 比較例の第２回折光学素子のＳＥＭ写真である。 比較例の回折導光板が出力する映像のシミュレーション結果である。 比較例の回折導光板が出力する映像を撮影した写真である。 実施例の回折導光板が出力する映像のシミュレーション結果である。

以下、実施例を通じて本出願を具体的に説明するが、本出願の範囲は下記の実施例によって制限されるものではない。

実験例
下記の実験例で、ＬＩＧＨＴＴＲＡＮＳ社のＶＩｒｔｕａｌＬａｂソフトウェアのＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）機能を使って該当回折光学素子を設計し、前記素子の出光効率を計算した。

実験例１
５２５ｎｍ波長光に対する屈折率が約１．８であるガラス基板の表面に、図９ａのように単一方向に約３８８ｎｍの平均ピッチで離隔し、溝の形態の平均幅が前記平均ピッチの約０．５５倍である線形回折格子が形成された回折光学素子を設計した。前記回折光学素子の内部で全反射する約５２５ｎｍ波長の光が回折によって前記回折光学素子の表面から大気に向かって出光する効率を下記の式３により測定した。前記回折パターンの高さ（図面にはｄｅｐｔｈとして図示する）に対する前記回折光学素子の出光効率を算出した結果を図１０に示した：
［式３］
出光効率（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００

前記式３で、Ａは回折光学素子で出力される光の光量であり、Ｂは回折光学素子の内部で全反射する光の総光量である。

実験例２
５２５ｎｍ波長光に対する屈折率が約１．８であるガラス基板の表面に、直径が約２００ｎｍである円柱状の溝が図１１のように略正六角形の形態で配置された形態の回折光学素子を設計した。具体的には、前記回折光学素子には平均ピッチが約３８８ｎｍである線形回折格子が形成された。

前記回折光学素子の内部で全反射する約５２５ｎｍ波長の光が回折によって前記回折光学素子の表面から大気に向かって出光する効率を上記の式３により測定した。前記回折格子の高さ（図面にはｄｅｐｔｈとして図示する）に対する前記回折光学素子の出光効率を算出した結果を図１２に示した：

図１０および図１２によると、本出願の第１回折光学素子、第２回折光学素子の第１領域または第２領域のように線形回折格子を有する場合、その格子の高さ（または深さ）によって出光効率が変わることを確認することができる。また、第３領域のように線形回折格子が重なった形態の回折格子を有する素子の場合、その深さ（または高さ）にかかわらず出光効率が比較的低い点（５％以下）を確認することができる。

比較例
図２のように、線形回折格子を有する第１回折光学素子と、互いに異なる進行方向の線形回折格子を有する第１および第２領域を有する第２回折光学素子が配置された回折導光板を設計した。前記第１回折光学素子の線形回折格子の進行方向は図２のｚ軸方向と同一の方向を有し、前記第１および第２領域の線形回折格子の進行方向はそれぞれ図２のｘ軸と約３０度および約－３０度の方向をなすように設計した。前記において、各回折格子のピッチは約３８８ｎｍ、幅は前記ピッチの約０．５５倍、高さは約１００ｎｍであった。

比較例の第２出力回折光学素子をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＨＩＴＡＣＨＩ Ｓ ４８００）で撮影し、その写真を図１３に示した。そして前記回折導光板の第１回折光学素子の法線を基準として約０度（図１４の（ａ））および約５度（図１４の（ｂ））の入射角で入射した映像が前記第２回折光学素子の法線から出力される映像のシミュレーション結果を図１４に示した。前記回折導光板の第１回折光学素子にプロジェクター（Ｍｉｎｉｒａｙ、Ｓｅｋｏｎｉｘ社）を利用して映像を約５度の入射角で入力し、該当映像を前記導光板の第２回折光学素子から出力させた映像をＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）カメラ（ＤＣＣ１６４５Ｃ、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社）を利用して撮影した写真を図１５に示した。

図１４および図１５によると、比較例に係る回折導光板では、入力される映像が各出力回折光学素子で分割されて出力されるので、映像の入射角が少しでも（約５度）変更されると映像の一部が出力されないため、図１５に示したように出力回折光学素子内の複数の領域が隣接する部位に対応する映像が明確に認識されないという点を確認することができる。

実施例
実験例２と同一であるものの、その深さが約５０ｎｍである回折光学素子を第２回折光学素子の第３領域として第１領域および第２領域の間に配置したことを除いては、比較例と同一の方式で回折導光板を製造した。この時、前記第２回折光学素子の第３領域の長さ（図４のｚ軸と平行な方向の長さ、Ｚ３）が前記第２回折光学素子で占める比率（Ｚ３／（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３））は略０．３３程度であった。

そして、前記回折導光板の第１回折光学素子の法線を基準として約０度（図１６の（ａ））および約５度（図１６の（ｂ））の入射角で入射した映像が前記第２回折光学素子の法線から出力される映像のシミュレーション結果を図１６に示した。

図１６によると、回折導光板に入射する映像は第２回折光学素子内の各領域ですべて出力されることが分かる。具体的には、図１６によると、本出願のように互いに異なる進行方向の線形回折格子が形成されている回折光学素子の間に、前記線形回折格子が重なった形態の回折格子が形成されている回折光学素子を配置した回折導光板は、入力映像の入射角にかかわらず各領域に該当する映像をすべて出力できることを確認することができる。

１０ 回折導光板
１１ 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
１００ 回折導光板
１１０ 導光部
１１０ａ、１１０ｂ 導光部１１０の一面
１２０ 第１回折光学素子／入力回折光学素子
１３０ 第２回折光学素子／出力回折光学素子
１３１ 第１領域
１３２ 第２領域
１３３ 第３領域

Claims (22)

1. 第１および第２回折光学素子を含み、前記第１回折光学素子は前記第１回折光学素子に入射した光を受光して前記第２回折光学素子に向かって出力できる素子であり、前記第２回折光学素子は前記第１回折光学素子から入射した光を前記第２回折光学素子から出射させることができる素子である回折導光板であって、
   前記第１回折光学素子は第１方向に延びる線形回折格子を含み、
   前記第２回折光学素子は第１～第２領域および前記第１～第２領域の間に存在する第３領域を含み、
   前記第１領域は前記第１方向とは異なる第２方向に延びる線形回折格子を含み、
   前記第２領域は前記第１および第２方向とは異なる第３方向に延びる線形回折格子を含み、
   前記第３領域は前記第１および第２領域の線形回折格子が重なった形態の回折格子を含み、
   前記第１～第３領域は、前記第１回折光学素子から入射する光が前記第２および第３領域を経ずに前記第１領域に入射し、前記光が前記第１および第３領域を経ずに前記第２領域に入射し、また、前記光が前記第１および第２領域を経ずに前記第３領域に入射するように配置されている、回折導光板。
2. 前記第１～第３方向は三角形をなす、請求項１に記載の回折導光板。
3. 前記第２方向および第３方向がなす角度は５０度～７０度の範囲内である、請求項２に記載の回折導光板。
4. 前記第１方向および第２方向がなす角度または前記第１方向および第３方向がなす角度は５０度～７０度の範囲内である、請求項３に記載の回折導光板。
5. 前記第１または第２領域の回折格子の平均ピッチは２００ｎｍ～６００ｎｍの範囲内である、請求項１から４のいずれか一項に記載の回折導光板。
6. 前記第１または第２領域の回折格子の平均高さが１ｎｍ～１μｍの範囲内である、請求項１から５のいずれか一項に記載の回折導光板。
7. 前記第１または第２領域の回折格子の平均幅は前記回折格子の平均ピッチの０．１倍～０．９倍の範囲内である、請求項５に記載の回折導光板。
8. 第１または第２領域の屈折率は５２５ｎｍ波長の光に対して１．０超過２．０以下の範囲内である、請求項１から７のいずれか一項に記載の回折導光板。
9. 前記第３領域の回折格子は、点の形態の複数の柱で構成され、前記複数の柱のうち６個の柱を前記６個の柱を連結する仮想の線が六角形をなすように選択した時、
   前記六角形のいずれか一辺の方向と前記第１方向とのなす角度が－１０度～１０度の範囲内であり、
   前記六角形の他の一辺の方向と前記第２方向とのなす角度が－１０度～１０度の範囲内であり、
   前記六角形のさらに他の一辺の方向と前記第３方向とのなす角度が－１０度～１０度の範囲内である、請求項１から８のいずれか一項に記載の回折導光板。
10. 前記六角形の辺のうち前記第１方向と－１０度～１０度範囲内の角度をなす辺および前記辺と向かい合う辺がなす角度は－１０度～１０度の範囲内であり、
    前記六角形の辺のうち前記第２方向と－１０度～１０度の範囲内の角度をなす辺および前記辺と向かい合う辺がなす角度は－１０度～１０度の範囲内であり、
    前記六角形の辺のうち前記第３方向と－１０度～１０度の範囲内の角度をなす辺および前記辺と向かい合う辺がなす角度は－１０度～１０度の範囲内である、請求項９に記載の回折導光板。
11. 前記第３領域の回折格子の柱の平均ピッチは２００ｎｍ～６００ｎｍの範囲内である、請求項９または１０に記載の回折導光板。
12. 前記第３領域の回折格子の柱の平均高さは１ｎｍ～１μｍの範囲内である、請求項９から１１のいずれか一項に記載の回折導光板。
13. 前記第３領域の回折格子の柱の平均幅は前記柱の平均ピッチの０．１倍～１．３倍の範囲内である、請求項１１に記載の回折導光板。
14. 前記第３領域の屈折率は５２５ｎｍ波長の光に対して１．０超過２．０以下の範囲内である、請求項９から１３のいずれか一項に記載の回折導光板。
15. 前記回折導光板が形成する互いに垂直な三軸をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸として設定し、ｚ軸が重力方向と平行な方向となるように設定した時、前記第１～第３領域のｚ軸方向の長さの和（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３）と前記第３領域のｚ軸方向の長さ（Ｚ３）の比率（Ｚ３／（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３））は０．３～０．９の範囲内である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の回折導光板。
16. 前記第１領域のｚ軸方向の長さ（Ｚ１）と前記第２領域のｚ軸方向の長さ（Ｚ２）の比率（Ｚ１／Ｚ２）は０．９～１．１の範囲内である、請求項１５に記載の回折導光板。
17. 前記第３領域のｚ軸方向の長さ（Ｚ３）は１５ｍｍ～２５ｍｍの範囲内である、請求項１５または１６に記載の回折導光板。
18. 前記第１領域のｚ軸方向の長さ（Ｚ１）または前記第２領域のｚ軸方向の長さ（Ｚ２）は１ｍｍ～１５ｍｍの範囲内である、請求項１６に記載の回折導光板。
19. 前記第１回折光学素子に入射する光は映像信号であり、前記第２回折光学素子は映像出力面を形成する、請求項１から１８のいずれか一項に記載の回折導光板。
20. 前記第２回折光学素子の面積は１ｃｍ^２～５０ｃｍ^２の範囲内である、請求項１から１９のいずれか一項に記載の回折導光板。
21. 左眼用レンズと右眼用レンズ；および前記左眼用レンズと右眼用レンズを支持するフレームを含み、
    前記左眼用レンズおよび右眼用レンズはそれぞれ請求項１から２０のいずれか一項に記載された回折導光板を含む、アイウェア。
22. 前記フレームに位置し、前記左眼用レンズおよび右眼用レンズのうち少なくとも一つのレンズに再生光を投射するプロジェクターをさらに含む、請求項２１に記載のアイウェア。

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